用于超导电缆的密封端结构的制作方法

专利名称：用于超导电缆的密封端结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于超导电缆的密封端结构，该密封端结构通过 套管在低温侧和正常温度侧之间传送电力。具体地，本发明涉及一种 用于超导电缆的密封端结构，该密封端结构能够吸收由于冷却剂冷却 而导致的冷却剂容器的热收縮。
背景技术：
作为用于超导电缆的密封端结构，例如，在图2中所示的结构是
已知的(见专利文献l)。这种密封端结构具有下列元件
(a) 超导电缆100的端部，
(b) 用于容纳该端部的冷却剂容器101，
(c) 用于提供电缆100的超导导体和正常温度侧之间的电连接的 套管102，
(d) 真空容器103，它被设置成覆盖冷却剂容器101外围，以及
(e) 陶瓷套管104，它安装在真空容器103上以便直立在正常温度侧。
套管102设置成从冷却剂容器101的内侧到达陶瓷套管104的内 侧，并且具有下列元件
(a) 导体部分102a，其位于中心部分并且通过接头105电连接到 超导导体，以及
(b) 固体绝缘层102b，由围绕导体部分102a以便将其包裹的纤 维增强塑料(FRP)形成。
套管102在其外围上具有两个凸缘102c和102d。这两个中的凸缘 102c固定到冷却剂容器101上，另一凸缘102d固定到真空容器103和
陶瓷套管104上。该冷却剂容器101充满诸如液态氮的冷却液，用于
冷却套管102，接头105等。陶瓷套管104充满诸如绝缘油的绝缘液体 或六氟化硫(SF6)气体。在凸缘102c和冷却剂容器101之间以及凸缘 102d和陶瓷套管104之间应用金属密封，以气密性地密封冷却剂容器 IOI和其他元件。为了减少热量从正常温度侧侵入到低温侧，真空容器 103具有中间的真空部分103a，该真空部分是由凸缘102c和102d以及 用于连接凸缘102c和凸缘102d的元件封闭的空间。
专利文献1:公开的日本专利申请Tokukai2002-23814
发明内容
本发明所要解决的技术问题
在上述的传统的密封端结构中，当冷却剂被引入冷却剂容器时， 冷却剂容器由于被冷却剂冷却而热收縮。然而，在传统的密封端结构 中，没有考虑用于吸收该热收縮的机构。
此外，在上述的传统密封端结构中，在冷却剂容器和凸缘之间、 陶瓷套管和凸缘之间等的界面附近，密封性可能变化。
考虑到上述情况，本发明的主要目的是提供一种用于超导电缆的 密封端结构，该密封端结构能够吸收由于冷却剂冷却而导致的冷却剂 容器的热收縮。本发明的另一个目的是提供一种用于超导电缆的密封 端结构，该密封端结构能够抑制长期使用后气密密封性能的降低。
技术方案
本发明通过提供具有用于吸收热收縮的机构的冷却剂容器获得上 述目的。更具体地，本发明提供一种用于超导电缆的密封端结构，该 密封端结构通过套管执行电力在正常温度侧和低温侧之间的输出和输 入，并且超导电缆的端部设置在其中。该密封端结构在低温侧具有用 于冷却上述套管的冷却剂容器。该冷却剂容器充满液体冷却剂和气体 冷却剂。本发明的主要特征是，冷却剂容器具有收縮吸收部分，当因 冷却剂的作用而热收縮时，该收縮吸收部分用来吸收冷却剂容器的收 縮。除了上述结构之外，本发明的密封端结构还提供冷却器容器具体 尺寸的部分，用于控制气体冷却剂压力和液体冷却剂压力之间的平衡。 更具体地，除了上述结构之外，本发明的密封端结构还具有窄间隙部 分，该窄间隙部分设计成使得
(a) 窄间隙部分的内表面和套管的外圆周之间的间隙的大小使得 不仅不通过使用压縮机对其加压而将气体冷却剂保持在气体状态，而 且使气体冷却剂的压力和液体冷却剂的压力保持平衡；
(b) 液体冷却剂和气体冷却剂之间的界面所处的区域形成在窄间
隙部分上。
上述传统的密封端结构具有这样的结构，在该结构中，使设置在 套管外圆周上的凸缘与冷却剂直接接触。因此，当冷却剂被导入冷却 剂容器时，套管和冷却剂容器产生由冷却剂冷却而引起的热收縮。考 虑到这种现象，专利文献1公开了一种结构，其中构成中间真空部分 的连接元件形成有波纹管，从而允许凸缘移动以便可以防止凸缘受到 过度的应力。然而，没有考虑到冷却剂容器。此外，在上述传统的密 封端结构中，当期望在套管附近提供足够的温度梯度时，必须延伸在 从低温侧到正常温度侧的方向上的长度，从而增加了密封端结构的尺
寸。此外，在上述传统的密封端结构中，由于套管的材料(FRP)和冷 却剂容器的材料(不锈钢)之间的热收縮率的差异，当温度从组装时 的正常温度变化到冷却剂温度时可能产生问题。更具体地，密封面之 间的相对位置可能偏离到一定程度而生产缝隙。固定密封件的螺栓还 可能松动。因此，密封性能可能变差。
相比之下，本发明的密封端结构在冷却剂容器中具有收縮吸收部 分，即使当冷却剂容器由于引入冷却剂容器中的冷却剂冷却而产生热 收縮时，该密封端结构也能够充分地吸收冷却剂容器的收縮量。因此， 密封端结构可以有效地防止伴随热收縮的问题，例如密封端结构被破
坏。
此外，本发明的密封端结构提供具有窄间隙部分的冷却剂容器。 该窄间隙部分使得冷却剂容器具有下列两个区域
(a) 在其正常温度侧的气体冷却剂区域，由于热量从正常温度侧 侵入，该区域具有相对高的温度，以及
(b) 液体冷却剂区域，当位置移动到液体冷却剂区域的内部时其 温度下降。
也就是说，本发明的密封端结构设置有从低温侧到正常温度侧具 有足够的温度梯度的区域。因此，容纳在窄间隙部分中的套管也具有 足够的温度梯度，从而减小低温侧热量侵入的作用。具体地，本发明 通过提供窄间隙部分(冷却剂容器的内表面和套管的外圆周之间的间 隙小的部分)，而不是通过延伸从低温侧到正常温度侧的方向上的长 度来实现具有进一步减小的尺寸的密封端结构。此外，在本发明的具 有足够温度梯度的密封端结构中，通过电缆系统的操作完成密封端的 组装之后，在低温侧和正常温度侧之间的界面部分附近的温度变化小。 因此，该密封端结构经长期使用后也可以在界面部分附近充分地保持 气密性。下面将更详细地说明本发明。
本发明中使用的超导电缆可以具有这样的结构，在该结构中设置 有具有超导导体的电缆芯和容纳该芯的热绝缘管。更具体地，电缆芯
可以具有这样的结构，该结构从其中心顺序地设置有成形件，超导导 体，电绝缘层，超导层，和保护层。设置在电绝缘层外圆周上的超导
层用作超导屏蔽层，回路导体(returaconductor)等。这样的电缆芯可以 由单个芯或多个芯组成。也就是说，使用的超导电缆可以是单芯电缆 或多芯电缆。使用的超导电缆还可以用于直流应用领域或交流应用领 域。当然，也可以使用公知的超导电缆。
在本发明中，套管指定为具有(a)导体部分，其可以提供与上
述超导电缆的超导导体的电连接，以及(b)固体绝缘层，其覆盖导体 部分的外圆周。优选地，套管的导体部分通过使用诸如金属的导电材 料形成，该材料在超导电缆使用的温度(冷却剂温度)下具有较小的 电阻率。例如，在此，当将液态氮用作冷却剂时，该温度接近液态氮 的温度。上述金属的类型包括铜和铝，在77K时它们都具有2 X
10—70 ，cm的电阻率P 。固体绝缘层可以由具有极好的电绝缘性能的树
脂类材料形成，例如乙丙橡胶或其他的绝缘胶材料。然而，特别地需
要使用纤维强化塑料(FRP)。在使用FRP的情况下，可以增加外表 面的加工精度。因此，冷却剂容器(窄间隙部分)的内表面和套管的 外圆周之间的间隙可以进一步减小。在冷却剂容器由诸如不锈钢的金 属形成的情况下，当套管设计成例如通过使用FRP形成固体绝缘层以 及它的外圆周由诸如不锈钢的金属材料覆盖时，冷却剂容器的内表面 和套管的外圆周都由金属形成。这种结构允许使用所谓的卡口型结构。 因此，这种结构可以进一步减小窄间隙部分的间隙。
该套管设置成从低温侧到达正常温度侧。该套管的一个端侧容纳 在下述冷却剂容器中。冷却剂容器容纳在真空容器中。真空容器在冷 却剂容器和真空容器之间的空间中具有真空热绝缘空间。希望的是， 冷却剂容器和真空容器由诸如不锈钢的具有极好强度的金属形成。真 空容器可以具有与传统的真空容器相似的结构。套管的其它端侧容纳 在陶瓷套管中，该陶瓷套管设置成直立在真空容器上。陶瓷套管充满 绝缘液体，绝缘气体，或其他的绝缘流体，例如绝缘油或SF6，每种都 具有极好的电绝缘性能。
容纳有套管的一个端侧的冷却剂容器的结构可以具有下列元件
(a) 主体部分，其容纳套管的端部以及连接超导电缆(电缆芯) 的端部和套管的末端的连接部分，以及
(b) 管形部分，其中容纳套管的中间部分。 主体部分设置成具有能够容纳上述部分的尺寸。管形部分设置成
具有能够允许套管通过其内部的尺寸。在本发明中，冷却剂容器充满 液体冷却剂和气体冷却剂。因此，冷却剂容器内部的空间具有(a)充 满液体冷却剂的液体冷却剂区域，以及(b)气体冷却剂区域，其相对 于上述液体冷却剂区域的位置设置在正常温度侧并且充满气体冷却 剂。冷却剂容器的主体部分设计成具有充满液体冷却剂的液体冷却剂 区域。管形部分可以设计成仅具有仅允许气体冷却剂存在的气体冷却 剂区域，或者具有分别允许液体冷却剂和气体冷却剂存在的液体冷却 剂区域和气体冷却剂区域。
气体冷却剂和液体冷却剂的类型可以是相同的或不同的。例如， 气体冷却剂的类型包括氮气和氦气，液体冷却剂的类型包括液态氮和 液态氦。
本发明的最大特征在于，上述冷却剂容器具有收缩吸收部分，当 因冷却剂的作用而热收縮时，该收縮吸收部分吸收冷却剂容器的收縮 量。收縮吸收部分仅需要具有能够吸收冷却剂容器的热收縮的结构。 它可以由具有挠性和膨胀和收縮特性的材料形成。收縮吸收部分可以 设置在冷却剂容器的主体部分上或者设置在管形部分上。在前一种情 况下，可以通过将主体部分的一部分形成为能够膨胀和收縮的形状而 提供收縮吸收部分。在后一种情况下，可以通过使用波纹管而提供收 縮吸收部分，该波纹管具有能够允许套管通过其内部的尺寸(内径) 并且沿着其长度具有交替的脊和凹槽。也就是说，该结构在套管的外 侧具有收縮吸收部分。
除了上述收縮吸收部分之外，本发明的密封端结构还可以具有一 区域，该区域在冷却剂容器内表面和套管外圆周之间具有窄的间隙。 该区域的具体尺寸(间隙)设计成使得该尺寸不仅可以不使用压縮机 对其加压而将气体冷却剂保持在气态，而且还可以保持气体冷却剂和 液体冷却剂的压力平衡。也就是说，该区域的尺寸设计成不仅允许在 该区域内在气体冷却剂和液体冷却剂之间存在界面，而且允许在气体
冷却剂压力和液体冷却剂的压力之间达到平衡状态。这样的区域形成 在窄间隙部分。也就是说，设计成上述界面位于窄间隙部分的内部的 空间中。优选地，窄间隙部分的尺寸根据液体冷却剂的填充压力、浸 入热量的多少、套管的外径等进行调整。例如，在(a)液态氮用作液 体冷却剂，(b)氮气用作气体冷却剂，(c)套管具有大约100至200mm 的直径，和(d)液体冷却剂具有大约0.3至0.5MPa的压力的情况下， 可以使用下列设计
(a) 窄间隙部分具有预定的内径，使得冷却剂容器(窄间隙部分) 内表面和套管外圆周之间的间隙可以变成大约0.1至2.5mm，以及
(b) 窄间隙部分具有大约300至500mm的长度(在从低温侧到 正常温度侧的方向上的纵向距离)。
当窄间隙部分的长度进一步縮短时，优选地窄间隙部分的内径增 加到一定程度。优选地，选择上述窄间隙部分的长度和内径使得密封 端结构可以具有要求的尺寸。
上述窄间隙部分设置在上述冷却剂容器中放置套管的位置上。更 具体地，优选地在管形部分的至少一部分上设置窄间隙部分。因此， 整个管形部分可以形成为窄间隙部分。可替换地，管形部分的一部分 可以形成为窄间隙部分。在前一种情况下，窄间隙部分可以设置成使 得气体冷却剂和液体冷却剂之间的界面定位在管形部分和主体部分之 间的界面上或者定位在窄间隙部分(管形部分)上。
希望的是，上述窄间隙部分通过使用具有纵向光滑表面的光面管 形成。当管具有例如沿着其长度具有交替的脊和凹槽的波纹管的形状 时，难以达到上述的压力平衡。因此，需要使用光面管作为用于形成 窄间隙部分的材料。在这种情况下，光面管内径和套管外径之间的差 的一半等于窄间隙部分内表面和套管外圆周之间的间隙。
上述窄间隙部分是用于形成冷却剂容器内表面和套管外圆周表面之间的间隙小的部分的元件。由于小的间隙，在正常温度侧的液体冷 却剂会由于从正常温度侧浸入的热量而气化从而变成气体冷却剂，在 低温侧的液体冷却剂可以保持液体的状态而不改变其状态。也就是说， 可以提供充分的温度梯度，在窄间隙部分内部的空间中气体冷却剂和 液体冷却剂达到平衡。因此，不使用压縮机(在传统结构中使用压縮 机)加压，而适当调整窄间隙部分的尺寸即可将气体冷却剂保持在气 体状态。因此，不需要单独地提供压縮机。因此，可以减小构成元件 的数量，从而使得密封端结构的尺寸能够进一步减小。在本发明中， 因为这样的窄间隙部分设置在冷却剂容器中，所以可以防止由于由冷 却剂冷却引起的变硬而造成设置在低温侧和正常温度侧之间的界面上 的密封件的密封性能减小。
在上述窄间隙部分设置在冷却剂容器的管形部分中以及上述收縮 吸收部分设置在冷却剂容器的主体部分中的情况下，当冷却剂容器热 收縮时，在主体部分中的液体冷却剂可以移动到管形部分。当发生上 述情况时，液面上升到正常温度侧。因此，不可能提供足够的温度梯 度。因此，在除收缩吸收部分外还提供窄间隙部分的情况下，需要如 同窄间隙部分一样在管形部分中设置收縮吸收部分。具体地，因为可 以减小由收縮所引起的液面的上升幅度，所以需要在管形部分的充满 气体冷却剂的正常温度侧设置收縮吸收部分。当收縮吸收部分设置在 冷却剂容器的管形部分中时，窄间隙部分和收縮吸收部分可以沿其长 度串接地连接。在这种情况下，窄间隙部分或收縮吸收部分可以设置 在低温侧。更具体地，可以使用下列配置的任何一种
(a) 窄间隙部分设置在低温侧，收縮吸收部分设置在正常温度侧，
(b) 收縮吸收部分设置在低温侧，窄间隙部分设置在正常温度侧，
以及
(C)收縮吸收部分设置在窄间隙部分的中间位置。
在任何配置中，当收縮吸收部分通过使用诸如波纹管的具有交替 的脊和凹槽的元件形成时，难以进行调整使得气体和液体的压力可以 达到平衡。因此，本发明使用在窄间隙部分气体和液体分开的结构。 可替换地，如上所述，可以应用如下结构，气体和液体在主体部分和 设置有窄间隙部分的管形状部分之间的界面分开。
如上所述，窄间隙部分和收縮吸收部分可以沿着其长度串接连接。 然而，在这种情况下，管形部分的长度被延长，增加了密封端结构的 尺寸。因此，为了减小长度使得密封端结构可以具有进一步减小的尺 寸，收縮吸收部分可以设置成与窄间隙部分重叠。更具体地，希望它 们设置成使得窄间隙部分的一部分插入收縮吸收部分中。也就是说， 它们处于重叠状态，使得收縮吸收部分的一个端侧位于窄间隙部分的 一个端侧的圆周的外侧。在这种情况下，优选地将它们设置成收縮吸 收部分(正常温度侧端部)的另一端从窄间隙部分(正常温度侧端部) 的上述一端伸出。
当管形部分具有窄间隙部分和收縮吸收部分时，取决于压力平衡， 液体冷却剂可以过度地进入窄间隙部分。当发生这种情况时，液体冷 却剂的液面会向正常温度侧过度地上升，使得不可能提供充分的温度 梯度。因此，为了防止液体冷却剂过度地进入窄间隙部分，预先确定 窄间隙部分和收縮吸收部分的尺寸。更具体地，例如在(a)套管具有 大约100至200mm的直径，(b)窄间隙部分通过使用具有圆形截面 的光面管形成，以及(c)收縮吸收部分通过使用波纹管形成的情况下， 可以应用下列设计
(a) 窄间隙部分具有通过下列方式预先确定的内径
(al)窄间隙部分的内圆周和套管的外圆周之间的间隙变成大约 0.1至2.5mm，以及
(a2)具体地，窄间隙部分具有比套管外径大大约l至2mm的内
径，
(b) 窄间隙部分具有大约300至500mm的长度，
(c) 收縮吸收部分的挠性部分(波纹管)具有大约100至400mm 的长度，以及
(d)挠性部分具有比窄间隙部分的外径大大约10至20mtn的最 小内径。
还可以构想，通过仅使用波纹管形成窄间隙部分和收縮吸收部分。 然而，在这种情况下，如上所述，难以实现压力平衡。因此，液体冷 却剂可以进入正常温度侧(进入陶瓷套管中)，使得不可能提供足够 的温度梯度。因此，希望通过使用光面管形成窄间隙部分。
优选地，通过下列方式将气体冷却剂和液体冷却剂引入上述冷却 剂容器中。例如，首先，将气体冷却剂引入冷却剂容器。接着，引入 液体冷却剂以便在窄间隙部分气体冷却剂的压力和液体冷却剂的压力 可以达到平衡状态。然后，可以密封冷却剂容器使得两种冷却剂保持 平衡状态。用于冷却剂容器的上述密封操作可以保持气体冷却剂的加 压状态而不使用压縮机执行加压。液体冷却剂可以通过使用致冷器等 冷却以便保持适当的温度，或者通过循环冷却剂的循环冷却进行冷却。 在窄间隙部分中由于液体冷却剂的移动，循环冷却的执行可以将液面 的位置改变到一定程度。然而，平衡状态可以通过调整液体冷却剂等 的循环压力而保持，使得气体冷却剂的压力和液体冷却剂的压力可以 保持平衡状态。
在本发明的具有窄间隙部分的密封端结构中，气体冷却剂处于一 定程度的加压状态下。因此，液体冷却剂被压向低温侧，从而防止液 体冷却剂泄漏到正常温度侧。然而，希望进一步单独地提供防漏元件， 因为该元件可以更有效地防止液体冷却剂泄漏。只要可以抑制液体冷 却剂泄漏到正常温度侧，防漏元件可以具有任何的形状而没有特别的 限制。例如，它可以具有环形的形状，可以通过滑动到套管的外圆周 上而放置。在窄间隙部分设置成使得气体冷却剂和液体冷却剂之间的 界面定位在管形部分和主体部分之间的界面上的情况下，防漏元件可 以具有这样的形状，该形状适合于冷却剂容器的主体部分和管形部分
之间的界面附近的形状。防漏元件可以由诸如乙丙橡胶的基于橡胶的 树脂类材料构成。然而，希望使用基于硅树脂的树脂类材料，因为它 对诸如液态氮的冷却剂具有极好的阻力。
本发明的技术效果
本发明的在冷却剂容器中具有收縮吸收部分的密封端结构即使当 冷却剂容器由于冷却剂引入冷却剂容器中被冷却剂冷却而收縮时，也 可以由收縮吸收部分吸收冷却剂容器的收縮。因此，密封端结构可以 防止伴随收縮的问题，例如密封端结构被破坏。
此外，本发明的密封端结构提供具有具体尺寸的窄间隙部分的冷 却剂容器。因此，冷却剂容器从低温侧到正常温度侧可以具有足够的 温度梯度，而不过量地增加设置套管的部分的长度。因此，这种结构 可以防止诸如在正常温度侧和低温侧之间的界面附近的密封性能下降 的问题。因此，本发明的密封端结构可以实现防止长期使用后气体冷 却剂泄漏到正常温度侧。
此外，本发明的密封端结构如上所述地指定窄间隙部分的尺寸。 因此，没有使用压縮机，气体冷却剂自己处于加压状态下。因此，液 体冷却剂会被压向低温侧，使得液体冷却剂难以向正常温度侧上升。 因此，气体冷却剂区域可以充分地保持温度梯度，使得可以有效防止 密封性能的变差。此外，如上所述，因为不需要压縮机，所以可以减 少构成元件的数量。
本发明的这样的密封端结构适于设置在超导电缆线路中正常温度 侧和低温侧之间传送电力的位置处。它可以用于输出电力，输入电力， 或输入输出电力。


图l(A)是示出本发明的用于超导电缆的密封端结构的局部截面的 示意性结构图。
图1 (B)是示出冷却剂容器的管形部分的一部分的放大局部截面图。
图2是示出传统的用于超导电缆的密封端结构的示意性结构图。 附图标记说明
1:冷却剂容器；la:主体部分；lb:管形部分；2:液体冷却剂； 3:气体冷却剂；4:窄间隙部分；5:收缩吸收部分；5a:波纹管；5b: 连接件；5C:凸缘；10:套管；11:导体部分；12:固体绝缘层；13: 凸缘；20:真空容器；21:真空热绝缘间隙；30:陶瓷套管；50:超 导电缆；51:超导导体；52:电缆芯；53:热绝缘管；53a:内管；53b 外管；54:接头；55:连接导体；60至62:密封件；100:超导电缆； 101:冷却剂容器；102:套管；102a:导体部分；102b:固体绝缘层； 102C至102d:凸缘；103:真空容器；103a:中间真空部分；104:陶 瓷套管；105:接头。
具体实施例方式
下面将说明本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记表示相 同的部分。在附图中尺寸的比例不必与说明中使用的一致。图l(A)是 示出本发明的用于超导电缆的密封端结构的局部截面的示意性结构 图。图1 (B)是示出冷却剂容器的管形部分的一部分的放大局部截面 图。密封端结构通过套管IO执行电力在正常温度侧和低温侧之间的输 出和输入，并且超导电缆50的端部设置在其中。更具体地，密封端结 构具有下列元件
(a) 超导电缆50的端部，
(b) 套管10，其连接到电缆50的超导导体51并且提供从低温 侧到正常温度侧的电连接，
(c) 接头54，其连接超导电缆50的端部和套管10，
(d) 冷却剂容器l，其容纳接头54和套管10，
(e) 真空容器20，它覆盖冷却剂容器1的外围，以及
(f) 陶瓷套管30，其安装在真空容器20上以便直立在正常温度侧。
冷却剂容器1具有彼此相邻的下列两个区域
(a) 在低温侧的充满液体冷却剂2的液体冷却剂区域，以及
(b) 在比液体冷却剂区域更接近正常温度侧的一侧上的充满气体 冷却剂3的气体冷却剂区域。
冷却剂容器1具有下列元件
(a) 主体部分la，其容纳套管10的端部以及连接套管10的端部 和超导电缆50的端部的连接部分(接头54)，以及
(b) 管形部分lb，套管IO的中间部分放置成通过其内部。
该主体部分la形成充满液体冷却剂2的液体冷却剂区域。该管形 部分lb具有(a)在低温侧的充满液体冷却剂2的液体冷却剂区域，以 及(b)在正常温度侧的充满气体冷却剂3的气体冷却剂区域。在此例 子中，液氮用作液体冷却剂2，氮气体用作气体冷却剂3。
本发明的特征在于，管形部分lb具有窄间隙部分4和收縮吸收部 分5 。该窄间隙部分4在窄间隙部分4的内表面4a和套管IO的外圆周 lla之间具有间隙t。该间隙t不仅不使用压縮机增压而保持氮气处于 气态，而且形成具有用于保持氮气和液氮的压力平衡的尺寸的区域。 收縮吸收部分5设置用于吸收当冷却剂容器1由引入冷却剂容器1的 冷却剂冷却而收縮时冷却剂容器1的收縮。下面详细地说明单独的构 成元件。
在这个例子中，超导电缆50具有这样的结构，在该结构中具有超 导导体51的电缆芯52容纳在热绝缘管53中。电缆芯52从其中心顺 序地设置有成形件，超导导体51，电绝缘层，超导层，和保护层。热 绝缘管53具有由内管53a和外管53b组成的双管结构。热绝缘层通过 在内管53a的外圆周上螺旋形地重叠热绝缘材料形成。在内管53a和外
管53b之间的空间被抽空以获得指定的真空度。内管53a的内部充满用 于冷却电缆芯52的冷却剂(在这个例子中是液态氮)。在超导电缆50 的端部，暴露电缆芯52并且阶梯形地移除构成元件。这样暴露的超导 导体51与由诸如铜的普通导电材料构成的连接导体55连接。连接导 体55通过使用接头54而连接到套管IO的导体部分11。
在这个例子中，套管10 (直径140mm)具有(a)导体部分11 (直径40mm)，它能够提供与超导电缆50的超导导体51的电连接； 以及(b)固体绝缘层12 (厚度50mm)，它覆盖导体部分11的外圆 周。在这个例子中，导体部分ll由铜构成，其在液态氮温度附近具有 小的电阻率。固体绝缘层12通过使用FRP形成，该FRP在电绝缘性 能和机械加工性能上是出色的。在套管10的中间位置的外圆周上，提 供凸缘13用于将套管10固定到冷却剂容器1 (下述凸缘5c)。凸缘 5c和13形成界面，该界面分离(a)低温侧(冷却剂容器l)，其中充 满诸如液态氮和氮气的冷却剂，以及(b)正常温度侧(陶瓷套管30)， 其中充满诸如SF6的绝缘液体。套管IO在其正常温度侧的端部具有由 铜制成的上部罩(未示出)。接头54具有下部罩(未示出)。
在这个例子中，冷却剂容器1的主体部分la和管形部分lb均由 不锈钢形成。主体部分la是具有足以容纳下列元件的尺寸的容器
(a) 连接导体55，它连接到在超导电缆50的端部从电缆芯52 伸出的超导导体51，
(b) 上述的套管IO的端部，以及
(c) 连接上述两个元件的端部的接头54。
主体部分la充满液态氮。主体部分la设计成当执行循环冷却(将 被连接的元件未示出)时不仅连接到制冷器用于冷却液态氮而且也连 接到液态氮的供应管和排放管。主体部分la容纳在由不锈钢形成的真 空容器20中。这种结构具有真空热绝缘空间21，其设置在真空容器 20和冷却剂容器1之间并且被抽空到指定真空度。
冷却剂容器1的管形部分lb具有管形形状，并且具有足以允许套 管10通过其内部的尺寸。管形部分lb在低温侧具有窄间隙部分4 ， 在正常温度侧具有收縮吸收部分5 。在这个例子中，该窄间隙部分4 使用光面管形成。该收縮吸收部分5通过在中间位置使用具有波纹管 5a的管形主体形成。这个例子使用这样的结构，在该结构中，收縮吸 收部分5与窄间隙部分4重叠使得形成收縮吸收部分5的管形主体的 一部分定位在形成窄间隙部分4的光面管的一部分的圆周的外侧。更 具体地，连接件5b设置在收縮吸收部分5的一端。该连接件5b通过 使用焊接或其他类似的方法固定到窄间隙部分4的中间部分的外圆周 上。因此，窄间隙部分4的正常温度侧的端部定位在收縮吸收部分5 的内侧。收缩吸收部分5的另一端具有用于将其固定到套管10的凸缘 13的凸缘5c。该冷却剂容器1通过将收縮吸收部分5的凸缘5c固定到 套管10的凸缘13并且通过将凸缘5c固定到真空容器20而固定到真空 容器20上。低温侧(冷却剂容器l)和正常温度侧(陶瓷套管30)之 间的界面由凸缘5c和13之间以及凸缘5c和真空容器20之间的界面形 成。因此，为了保持气密性，密封件60和61分别设置在凸缘5c和13 之间以及凸缘5c和真空容器20之间。此外，密封件62还设置在真空 容器20和陶瓷套管30之间以防止绝缘液体泄漏到陶瓷套管30的外侧。 这些密封件60至62由金属密封材料构成。
这个例子使用下列尺寸
(a) 窄间隙部分4的内表面4a和套管10的外圆周lla之间的间 隙t: 2.5mm，
(b) 窄间隙部分4的长度11: 400mm，
(c) 收縮吸收部分5的波纹管的长度12: 160mm，
(d) 波纹管最大部分的外径170mm，以及
(e) 管形部分lb的长度L: 450mm。
在这个例子中，窄间隙部分4的低温侧的内部空间充满液态氮，
窄间隙部分4的正常温度侧的内部空间和收縮吸收部分5充满氮气。 也就是说，窄间隙部分4的内部空间在液态氮和氮气之间具有界面。 这样的状态通过下列程序以冷却剂填充冷却剂容器1而实现。首先， 在将液态氮引入冷却剂容器1之前，冷却剂容器1充满氮气以从该冷 却剂容器1中去除湿气及其他不期望的物质。接着，将液态氮提供到 冷却剂容器1中，同时允许氮气保留在窄间隙部分4内部的一部分空 间中。此时，将液态氮引入冷却剂容器1使得在冷却剂容器1中的液 态氮压力可达到大约0.5MPa。然后，密封该冷却剂容器1。通过使用 这种结构，在窄间隙部分4的内部空间中，不仅氮气可以通过其自己 的压力保持气体状态而且氮气的压力和液态氮的压力几乎实现一种平 衡状态。通过提供这样的窄间隙部分4 ，可以不过度地增加气体冷却 剂的区域而从低温侧到正常温度侧建立足够的温度梯度。因此，上述 的剩余氮气可以通过从正常温度侧侵入热量而保持气体的状态，并且 液态氮可以保持液态的状态。此外，设置在正常温度侧和低温侧之间 (更具体地是在凸缘5c和13之间)的界面上的密封件60在组装时不 经受大的温度变化。因此，可以有效地防止密封性能的变差。因此， 本发明的用于超导电缆的密封端结构可以在长期使用后仍保持正常温 度侧和低温侧之间的气密状态。
当冷却剂容器1通过将液态氮导入冷却剂容器1而冷却时，冷却 剂容器1会热收縮。这样在冷却剂容器1和接近大气温度的真空容器 20之间产生热应力。此时，因为冷却剂容器l通过凸缘5c被固定到真 空容器20上，所以热应力会造成诸如冷却剂容器1在固定部分脱离的 问题。然而，因为本发明的密封端结构具有收縮吸收部分5，所以上 述的收縮可以被收縮吸收部分5吸收。因此，本发明的用于超导电缆 的密封端结构可以防止即使当冷却剂容器由冷却剂冷却并产生热收縮 时由该收縮引起的问题。具体地，在这个例子中，因为收縮吸收部分 5设置在冷却剂容器1的管形部分lb的正常温度侧，所以收缩吸收部 分5在吸收该热收縮时容易改变其形状。此外，这种结构可以减少液 体冷却剂的液面向正常温度侧上升的量。
此外，本发明的用于超导电缆的密封端结构不需要压縮机来在气 体冷却剂区域将气体冷却剂保持在气体状态。因此，这种结构可以去 除加压设备，从而使得尺寸能进一步减小。
(测试例)
在上述例子中描述的套管用于通过改变窄间隙部分的尺寸(间隙 t和长度h)检査设置在凸缘之间的密封件的变坏状态。液态氮的压力
根据间隙t和长度1,在0.3至0.5MPa的范围内变化。测试样品在上述 状态下保持60个小时。测试显示，当间隙t在O.l至2.5mm的范围内 和长度h在300至500mm的范围内时没有观察到气体泄漏，证明样品 具有足够的密封性能。测试结果还显示，当间隙t减少和长度h增加时 容易实现温度梯度。测试还揭示，当间隙t进一步地减少时，套管的外 圆周需要由诸如不锈钢的金属材料覆盖。对于循环冷却剂的结构，建 议液态氮的压力根据间隙t和长度h在0.3至0.5 MPa的范围内调整， 以便与氮气的压力到达平衡。
除了上述结构之外，可以放置防漏元件以更有效地防止液体冷却 剂泄漏到正常温度侧。可以使用的结构是，在液体冷却剂区域和气体 冷却剂区域之间的界面附近设置防漏元件。该防漏元件可以具有环形 的形状，以便容易地设置在套管IO的外圆周上。它可以通过使用硅树 脂形成，该硅树脂对于液态氮具有出色的阻力。
当设置这样的防漏元件时，不仅可以抑制液态氮泄漏到正常温度 侧，而且可以阻止凸缘的密封件由于与液体冷却剂的接触而冷却。在 液体冷却剂区域和气体冷却剂区域之间该防漏元件没有完全地密封， 它被设计成具有使得可以将液体冷却剂的压力施加到气体冷却剂的尺 寸。
工业实用性
本发明的密封端结构适于应用到超导电缆的密封端。本发明的密 封端结构可以应用于直流输电和交流输电。
权利要求
1.一种用于超导电缆的密封端结构，该密封端结构包括(a)超导电缆的端部；(b)套管，电力通过该套管在正常温度侧和低温侧之间输出和输入，超导电缆的端部设置在该低温侧；以及(c)冷却剂容器，其(c1)设置在低温侧；(c2)充满都用于冷却套管的液体冷却剂和气体冷却剂；和(c3)具有收缩吸收部分，在因冷却剂的作用而热收缩时，该收缩吸收部分用于吸收冷却剂容器的收缩。
2. 根据权利要求l所述的用于超导电缆的密封端结构，其中所述 冷却剂容器还具有窄间隙部分，其设计成(a) 窄间隙部分的内表面和套管的外圆周之间的间隙的大小不仅 不通过使用压縮机加压气体冷却剂而将气体冷却剂保持在气体状态， 而且使气体冷却剂的压力和液体冷却剂的压力保持平衡；以及(b) 液体冷却剂和气体冷却剂之间的界面位于窄间隙部分。
3. 根据权利要求2所述的用于超导电缆的密封端结构，其中(a) 所述冷却剂容器还具有(al)主体部分，其容纳套管的端部；以及 (a2)管形部分，其容纳套管的中间部分；以及(b) 窄间隙部分设置在该管形部分的至少一部分中。
4. 根据权利要求2所述的用于超导电缆的密封端结构，其中(a) 所述冷却剂容器还具有(al)主体部分，其容纳套管的端部；以及 (a2)管形部分，其容纳套管的中间部分；(b) 所述窄间隙部分 (bl)定位在管形部分中；以及(b2)通过使用具有纵向光滑表面的光滑管而形成；以及(C)所述收縮吸收部分(Cl)定位在管形部分中；以及(C2)通过使用沿其长度具有交替的脊和凹槽的波纹管而形成。
5.根据权利要求4所述的用于超导电缆的密封端结构，其中 所述光滑管和所述波纹管被布置成使得所述光滑管的一部分插入 到所述波纹管中。
全文摘要
本发明提供一种用于超导电缆的密封端结构。该结构通过套管在正常温度侧和低温侧之间进行电力的输出和输入，并且超导电缆的端部设置在其中。密封端结构在低温侧具有用于冷却套管的冷却剂容器。冷却剂容器具有充满液体冷却剂的液体冷却剂区域和充满气体冷却剂的气体冷却剂区域。冷却剂容器具有收缩吸收部分，当冷却剂容器由于冷却剂的作用而热收缩时，该收缩吸收部分用来吸收冷却剂容器的收缩。用于超导电缆的密封端结构抑制长期使用后放置在正常温度侧和低温侧之间的界面的密封件的密封性能的变差。
文档编号H01B12/02GK101099277SQ20058004614
公开日2008年1月2日 申请日期2005年11月4日 优先权日2005年1月12日
发明者伊藤秀树, 芦边祐一 申请人:住友电气工业株式会社