超导设备的低温装置的制作方法

专利名称：超导设备的低温装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于容纳套管的超导设备的低温装置，该套管用 来在低温侧和室温侧之间连通电力，本发明也涉及一种包括该低温装 置的超导电缆酌终端结构。具体地，本发明涉及一种有着优良装配工 作性能的超导设备的低温装置。
背景技术：
附图5显示了已知的超导电缆的终端结构的一个例子(见专利文 献l)。该终端结枸被连接到从超导电缆终端引出的电缆芯100从而在 低温侧和室温恻之间连通电力。具体地，该终端结构包括从芯100 暴露的超导体lOOa;用于提供超导体100a和设置在室温侧的导体(未
显示)之间的电连接的套管101;容纳低温侧上的套管101的终端和连
接部分110的冷邻剂容器102，该连接部分110连接超导体100a和套 管；从真空容器103的室温侧突出的瓷管104。
套管101包括通过连接部分110同超导体100a电连接的中心传导 部分101a和覆差传导部分101a并由FRP形成的固态绝缘层101b。套 管101被容纳在冷却剂容器102和瓷管104中。在该例中，超导体100a 连接到由如铜的正常导体材料形成的连接导体120上。连接导体120 通过连接部分UO连接到套管101的传导部分101a上。套管101周边 有着凸缘101c和101d。套管101通过凸缘101c固定在冷却剂容器102 上和通过凸缘10Ld固定在真空容器103上。
冷却剂容器102充满了例如液态氮的液态冷却剂以冷却套管101、 连接部分110和连接导体120。真空容器103包括连接低温侧的冷却剂 容器102和室温侧的瓷管104的圆柱形中间真空部分103a。套管101
插入到中间真空部分103a以减小从室温侧向低温侧的热渗透。也就是 说，真空容器103的一部分有着包括中间真空部分103a和外部真空部 分103b的双重结构。瓷管104填满了例如绝缘油或SF6气体的绝缘流 体。
专利文献1:日本未审査专利申请公开No. 2002 —23814
发明内容
发明解决的技术问题
然而，上述已知的终端结构装配是很耗时的，并且需要改进的工 作性能。特别地，需要减少在安装地点的工作量。
终端结构常规地通过一下过程来装配连接超导体和套管；装配 冷却剂容器；装配真空容器；将套管固定在冷却剂容器和真空容器上； 以及抽真空真空容器。对于上述已知的终端结构，真空容器不能在套 管被固定在冷却剂容器和真空容器之前被抽真空，因为套管的一些组 件(附图5的例子中的凸缘101c和101d)组成了冷却剂容器和真空容 器的一部分。此外，真空容器需要优良的热绝缘，也就是说，需要高 度真空，这是因为用于包括超导电缆的超导设备中的例如液态氮的冷 却剂有着极低的温度(对于液态氮为77K)。此夕卜，例如Super Insulation (注册商标)的热绝缘体通常被布置在真空容器中以提髙绝缘性。当 在安装现场组装终端结构时，热绝缘体可以在抽真空之前通过暴露于 空气中而吸收例如湿气。因此，需要许多时间来抽真空真空容器至高 度真空。
烘培可以有效地减少抽真空时间。在烘培中， 一个物件被加热以 蒸发例如包括在其中的湿气。然而，上述终端结构相对较大并需要相 应地大的烘培设备(包括加热器和电源)。这种烘培设备难以运输到 装配现场。此外，因为超导电缆和套管是在烘培之前被连接，所以在 大大提高的烘培温度下加热会损坏终端结构的组件，特别是超导电缆
的电绝缘层。为了防止损坏例如电绝缘层的组件，烘培必须在相对低 的温度下(例如，约70°C)进行。这种烘培不会减轻抽真空耗时的问 题。
此外，在出现例如真空泄漏的事故的情况下，在装配现场抽真空 需要后备组件。这增加了被运送到装配现场的组件的数目。
在将套管连接到冷却剂容器和真空容器之后，不仅在装配超导电 缆的终端结构中进行抽真空，还要在装配用于安装超导电缆线的超导 设备中进行抽真空，该超导设备包括超导变压器、超导故障限流器 (FCL)和超导储能设备。这种设备也需要改进的装配工作性能。
因此，本发明一个主要目的在于提供一种有着优良装配工作性能 的超导设备的低温装置和包括该低温装置的超导电缆的终端结构。本 发明的另一目的在于提供一种能轻易地运送到装配现场的超导设备的 低温装置。
解决技术问题的技术方案
根据本发明，上述目的是通过提供一种真空件来实现的，该真空 件在有或没有套管时都能维持真空。也就是说，本发明提供了一种用 来容纳连接部分的超导设备的低温装置，该连接部分连接设置在低温 侧的超导部分的终端和连接到超导部分的套管，该套管用来在低温侧 和室温侧之间连通电力。该低温装置包括冷却剂容器和真空容器，该. 冷却剂容器容纳低温侧的套管的终端和连接部分，并充满用于冷却该 终端和连接部分的冷却剂，该真空容器设置成包围冷却剂容器。本发 明的低温装置主要的特征在于真空容器包括不管套管是否存在都能维 持真空的第一真空部分。
本发明的低温装置的真空部分不管套管是否存在都可以抽真空， 这是因为套管的组件不组成冷却剂容器或真空容器一部分。因此，至
少该真空部分可以在例如工厂中被预先抽真空从而减少装配现场的工 作量，特别是抽真空时间。特别地，装配现场的工作量可以通过最大 化该真空部分的体积来进一步减小，从而进一步改进装配工作性能。 因为超导电缆使用相对大的低温装置，因此改进的装配工作性能的效 果对超导电缆来说是重要的。
如上所述，在安装现场的装配操作，尤其是抽真空，对已知的超 导电缆的终端结构来说是耗时的，在该超导电缆的终端结构中，套管 组件构成了冷却剂容器和真空容器的一部分。尽管抽真空的时间可以 通过烘培来减少到某种程度，但是必须要费很大的力来运输烘培设备。 可以在装配件被运送到安装现场之前预先在工厂中装配冷却剂容器和 真空容器，而不是在安装地点装配它们。然而，已知的终端结构是在 套筒固定到冷却剂容器和真空容器的情况下被抽真空的。因为室温侧 的套管的终端突出，因此终端结构的运输由于高度限制而可能是困难 的。特别地，已知的终端结构在瓷管被设置在突出的终端的周围之后 变得体积更大。相反，本发明的低温装置的真空部分可以被抽真空而 无需将套管固定到冷却剂容器或真空容器。真空部分因此可以在工厂 中预先被抽真空，并且无需在运输中将套管固定在冷却剂容器和真空 容器上。因此，本发明的低温装置可以减轻运输中的髙度限制。此外， 真空部分还可以被抽真空而不需要套管、连接部分或增强绝缘层例如 位于冷却剂容器中。这使得烘培可以在高温下进行，有助于减少抽真 空时间。本发明将被详细地说明。
本发明的低温装置可应用到有着由超导材料形成的超导部分的各 种超导设备。这样的超导设备的例子包括超导电缆、超导变压器、超 导故障限流器和超导储能设备。超导电缆的一个例子有着包括第一超 导层和同轴地设置在第一超导层周围的第二超导层的超导部分。对于 超导变压器、超导故障限流器或超导储能设备，例如，它包括作为超 导部分的由超导材料形成的超导限流元件或超导线圈。
超导电缆的另一个例子包括有着超导部分的电缆芯和容纳该芯的 热绝缘管。电缆芯的例子从其中心向外按顺序包括成形件、第一超导 层、电绝缘层、第二超导层和防护层。第二超导层设置在电绝缘层的 四周以充当例如超导屏蔽层或回路导体。超导电缆可以是包括单个芯 的单芯电缆或是含有多个芯的多芯电缆。此外，超导电缆可以是用于 直流电传送的电缆或用于交流电传送的电缆。当然可以使用已知的超 导电缆。
套管通过连接部分连接到超导部分的终端上。套管是用于在低温 侧的超导部分和室温侧的导体之间连通电力的元件。套管用于输入或 输出电力，或既输入又输出电力。具体地，套管包括能够电连接到超 导设备的超导部分上的传导部分和设置在该传导部分四周的固态绝缘 层。套管的传导部分优选地由如下传导材料形成该传导材料在超导 设备的使用温度(冷却剂温度)附近(例如，如果液态氮被用作冷却 剂，那么在液态氮的温度附近)显示出低电阻。使用的传导材料是，
例如，如铜或铝(在77K下都有着2xlO"Q'cm的特定的电阻P )的金 属。固态绝缘层可以由有着优良电绝缘性能的树脂材料(例如，如乙 烯一丙烯橡胶的绝缘橡胶材料)组成。特别地，纤维增强的塑料(FRP) 因为它的高电绝缘性能而是优选的材料。套管的一个终端(低温侧的 终端)被容纳在稍后所述的低温装置中，而套管的另一终端(室温侧 的终端)被容纳在从低温装置处突出的瓷管中或被设置在室温外部。 瓷管充满了如有着高电绝缘性的绝缘液体或绝缘气体的绝缘流体，例 如，绝缘油或SF6气体。凸缘被设置在套管的中间部分的四周以将套管 固定在低温装置上。使用的凸缘是能够固定到低温装置上同时在稍后 所述的第一真空部分中保持真空的凸缘。套管和超导部分的终端可以 通过连接部分电连接。连接部分优选地有着屏蔽结构。套管也可以通 过连接部分连接到连接导体上，该连接导体连接到超导部分上并由如 铜的平常导体材料形成。
低温装置容纳低温侧上的套管的终端和连接部分。低温装置包括
冷却剂容器和真空容器，该冷却剂容器充满了用于冷却该终端和连接 部分的冷却剂，该真空容器被设置成包围冷却剂容器。冷却剂容器包 括，例如，容纳低温侧的套管的终端和连接部分的主体和容纳该套管 的管状部分。主体的尺寸使得主体可以容纳上述部分。管状部分有着 套管可以插入的尺寸。尽管管状部分可以由扁管组成，但是优选地部 分管状部分由能变形的波纹管构成，因为当冷却剂容器被冷却剂冷却 时波纹管可以吸收冷却剂容器的热收縮。填充冷却剂容器的冷却剂是 液态冷却剂或冷却剂气体，或是液态冷却剂和冷却剂气体。使用的冷 却剂气体是，例如，氮气或氦气。使用的液态冷却剂是，例如，液氮 或液氦。如果冷却剂容器充满了液态冷却剂和冷却剂气体，这些冷却 剂可以是相同类型或者是不同类型。此外，如果冷却剂容器充满了液 态冷却剂和冷却剂气体，冷却剂容器优选地有着低温侧的充满液态冷 却剂的液态冷却剂区域和室温侧的充满冷却剂气体的冷却剂气体区 域。冷却剂容器和稍后所述的真空容器优选地由例如不锈钢的高强度 金属形成。
本发明的低温装置构造成使得套管可以插入同时由冷却剂容器的 外表面和真空容器的内表面包围的空间在抽真空之后维持真空。具体 地，本发明的低温装置有着真空容器里面的第一真空部分，套管可以 插入该第一真空部分同时维持该第一真空部分真空。因为本发明的低 温装置包括在安装现场处套管和超导部分被连接之前可以预先在例如 工厂中装配的第一真空部分、冷却剂容器和真空容器。为了在冷却剂 容器中连接套管和超导部分，优选地，冷却剂容器和真空容器有着手 孔部分，该手孔部分可以在保持第一真空部分的真空的同时被打开。 具体地，冷却剂容器，特别是容纳连接部分的主体，包括可以打开和 关闭的手孔部分，而真空容器包括设置在同冷却剂容器的手孔部分对 应的位置处并可以打开和关闭的手孔部分。真空容器中空间优选地分 割成使得无论手孔部分是开还是关都可以在第一真空部分中保持真 空。例如，圆柱形隔离墙设置成将冷却剂容器和真空容器联接。隔离 墙固定在冷却剂容器和真空容器上，使得隔离墙的一个开口 (在真空
容器侧)定位在真空容器的手孔部分的开口的外侧，并且隔离墙的另 一个开口 (在冷却剂容器侧)定位在冷却剂容器的手孔部分的开口的 外侧。该结构防止当手孔部分的开口打开时第一真空部分中的真空被 破坏。优选地，由隔离墙内表面、真空容器的手孔部分的外表面和冷 却剂容器的手孔部分的内表面包围的空间被定义成第二真空部分。即 使第二真空部分在例如冷却剂容器的连接操作之前被抽真空，当真空 容器的手孔部分打开时第二真空部分中的真空仍然会被破坏；然而， 通过预先在例如工厂里抽真空在第一真空部分中形成的高度真空可以 近乎完全地保持，并且只有第二真空部分需要抽真空。此外，在安装 现场，超导部分和套管可以容易地通过手孔部分来连接。因此，手孔 部分可消除在本发明的低温装置的运输中将套管固定到冷却剂容器和 真空容器上的需要，从而减轻了高度限制。
手孔部分包括设置在冷却剂容器中的开口和盖子部分，该盖子部 分可以打开和关闭并可以封闭地密封该开口。手孔部分包括设置在真 空容器的同冷却剂容器的手孔部分对应位置上的开口和盖子部分，该 盖子部分可以打开和关闭并可以封闭地密封该开口。圆柱形隔离墙固 定在冷却剂容器和真空容器上使得隔离墙的一个开口定位在冷却剂容 器的开口外侧而隔离墙的另一个开口定位在真空容器的开口外侧。如 果隔离墙连接到冷却剂容器上，冷却剂冷却该隔离墙并因此当被充入 冷却剂容器时引起热收縮。隔离墙优选地有着能够吸收热收縮的机构 以防止冷却剂容器和真空容器由于热收縮而破裂。例如，至少部分隔 离墙可以由如波纹管的可变形组件组成。
真空容器被设置成包围冷却剂容器。如上所述，真空容器中的空 间不一定是单连通空间，而是可以被分割成独立的几个空间从而形成 多个真空部分。具体地，在低温装置的组件不包括套管的组件的情况 下，除了第一真空部分之外，第二真空部分可以形成为包围手孔部分。 通过该结构，例如连接套管和安装连接部分的操作可以在装配和抽真 空冷却剂容器和真空容器之后进行，因此减少了在安装现场抽真空的
时间。
真空容器可以简单地抽真空至预定真空度，或者在抽真空中用于
反射辐射热量的热绝缘层可以使用例如Super Insulation (商标)的热绝 缘体来形成。在第二真空部分中的抽真空和形成热绝缘优选地在连接 部分被安装在冷却剂容器中并且冷却剂容器的手孔部分的开口被用盖 子部分关闭之后进行。
此外，如果真空容器有着能够在真空容器上支撑冷却剂容器的支 撑结构，该支撑结构可以防止在例如运输或安装中震动引起的破坏。 如果使用的支撑结构是例如被固定用来联接真空容器和冷却剂容器的 支撑组件，那么该支撑组件可以将热量传送到冷却剂容器。如果支撑 组件固定到真空容器和冷却剂容器上，从而支撑组件优选地由低热传 导性的材料(例如，如FRP的树脂)形成。可选地，可以在运输或安 装中联接真空容器和冷却剂容器并且在使用超导设备中可以从冷却剂 容器处分离的支撑结构更优选地用于防止热量通过支撑结构传送到冷 却剂容器侧。这种支撑结构包括，例如，可以通过真空容器的墙部分 前后移动的轴部分和连接到轴部分并且当轴部分前后移动时可与冷却 剂容器接触或分离的接触部分。这种情况下，真空容器优选地包括第 三真空部分，该第三真空部分被隔离成不同于第一和第二真空部分的 空间，使得当轴部分移动时，第一和第二真空部分中的真空不会被破 坏。在第三真空部分中，轴部分可以在保持第一和第二真空部分中真 空的同时移动接触部分同冷却剂容器接触或分离。因此，第三真空部 分可防止热量通过支撑结构传送到冷却剂容器侧。第三真空部分可以 是由冷却剂容器、真空容器和联接冷却剂容器和真空容器的隔离墙包 围的空间，或可以是在固定在真空容器上的底部闭合的可变形容器里 面的空间。在后一种情况中，可以将轴部分通过真空容器的墙部分插 入第三真空部分的容器中并将轴部分固定到容器的充当接触部分的底 部部分上。可选地，可以将轴部分通过底部部分插入，而不是将它固 定在底部部分上，使得轴部分的末端从底部部分处突出。这种情况下， 轴部分的穿透部分被密封地固定到底部部分上，并且接触部分被添加 到从底部部分处突出的轴的末端。可变形容器优选地在轴部分移动时 变形。支撑结构的可移动的接触部分可以在超导设备的使用中保持不 同冷却剂容器接触，如上所述，或者在例如地震的情况下使用时可以 与冷却剂容器接触从而更稳定地支撑冷却剂容器。这种情况下，如果 与冷却剂容器接触的接触部分的至少一个表面是由例如FRP的低热导 性的材料形成的，则通过支撑结构传送到冷却剂容器侧的热量可以被 减少。更优选地，接触部分和轴部分都是由低热导性材料形成的。第 三真空部分可以抽真空至同第一真空部分类似程度的真空或比第一真 空部分的真空度低的真空度。此外，轴部分优选的密封地同真空容器 连接使得第三真空部分中的真空当轴部分移动时不会被破坏而是仍然 得以保持。
本发明的有着上述结构的低温装置特别适合于用作超导电缆的终 端连接盒。也就是说，本发明的超导电缆的终端结构包括设置在低温 侧的超导电缆的终端、用来在低温侧和室温侧之间连通电力的套管、 连接超导电缆的终端和套管的连接部分和容纳该连接部分的终端连接 盒。有着第一真空部分的上述低温装置被用作终端连接盒。
优点
本发明的低温装置的真空容器包括无论套管是否存在都可以维持 真空的真空部分。因此，真空容器可以预先在例如工厂中被抽真空至 高度真空。这有助于安装现场的工作性能得到改进。此外，运输中， 无需将套管固定到冷却剂容器或真空容器上而可以保持第一真空部分 中的真空。因此，本发明的低温装置可以在没有套管连接其上的情况 下被运输。这减轻了例如高度限制的运输问题。特别地，如果冷却剂 容器和真空容器有着手孔部分并且第二真空部分同第一真空部分隔 离，则在安装现场通过第二真空部分可以容易地连接套管和超导部分 同时维持第一真空部分中的真空。


附图1是本发明的超导电缆的整个终端结构的局部剖视的示意图。
附图2是本发明的超导电缆的终端结构中的电缆芯及其附近的部 分横截面的示意图。
附图3是本发明的超导电缆的终端结构中套管部分的放大横截面 示意图。
附图4 (A)是本发明的超导电缆的终端结构中手孔部分及其附近
的部分横截面示意图；附图4 (B)是有着能够移动进入同冷却剂容器 的接触和脱离与冷却剂容器的接触的机构的支撑结构的部分横截面示 意图；和附图4 (C)是在冷却剂容器上具有接触部分的支撑结构的部 分横截面示意图。
附图5是超导电缆的已知终端结构的示意图。
附图标记 1超导电缆 2连接部分
3终端连接盒(低温装置)
10套管
11传导部分
12固态绝缘层
13凸缘
14上部屏蔽
20冷却剂容器
21主体
22管状部分
23凸缘
24冷却剂容器的手孔部分
25开卩
26盖子部分
30真空容器 30a固定部分
30d、 30m和30u真空容器的组件
31第一真空部分
32第二真空部分
33第三真空部分
34真空容器的手孔部分
35开口
36盖子部分
38隔离墙
38a波纹管
38b扁管
40瓷管
50电缆芯
51超导体
52连接导体
52a连接套
53增强绝缘层
54环氧树脂单元
54a凸缘
55连接冷却剂容器 56连接真空容器 57凸缘
60和67支撑结构 61接触部分 62轴部分 63波纹管 64底部部分 65接触部分 66热绝缘层 70运输工具 100电缆芯
100a超导体 101套管 101a传导部分 101b固态绝缘层 101c和lOld凸缘 102冷却剂容器 103真空容器 103a中间真空部分 103b外部真空部分 104瓷管 110连接部分 120连接导体
具体实施例方式
现在将描述本发明的一个实施例。
附图l一3示意地说明了本发明超导电缆的终端结构。附图1是整 个终端结构的部分剖视图。附图2是电缆芯和其邻近处的部分截面图。 附图3是套管部分的放大截面图。该终端结构通过套管IO连通室温侧 和低温侧之间的电力。超导电缆1的一终端被设置在低温侧上。特定 地，终端结构包括超导电缆1的终端、连接到电缆1的超导体51用来 在低温侧和室温侧之间提供电连接的套管10、连接电缆1的终端和套 管10的连接部分2和容纳连接部分2的终端连接盒(低温装置)3。 终端连接盒3容纳套管10的终端(低温侧的终端)和连接部分2。终 端连接盒3包括充满用于冷却套管10的终端和连接部分2的冷却剂的 冷却剂容器20和布置成包围冷却剂容器20的真空容器30。瓷管40从 真空容器30的室温侧突出并容纳套管10的另一终端(室温侧的终端)。
该终端结构主要特征在于真空容器103的内部空间被分割成不同部分， 包括无论套管10是否存在都能维持真空的真空部分(第一真空部分
31)、稍后描述的第二真空部分32和后面描述的第三真空部分33。每
部分都会详细地被说明。
用于本实施例中的超导电缆1是包括三股电缆芯50的绞合的三芯 电缆并被容纳在热绝缘管中。每根芯50从中心往外顺序包括成形件、 超导体(第一超导层)51、电绝缘层、第二超导层和防护层。热绝缘 管具有双重结构，该双重结构包括充满冷却剂(本实施例中为液氮) 的内部管和设置在其四周的外部管。内部管和外部管之间的空间被抽 真空至预定真空度。超导体51通过剥去芯50的终端暴露出来并通过 连接套52a连接到铜连接导体52上。连接导体52被引入冷却剂容器 20中。增强绝缘层53盖住了暴露的超导体51、连接套52a和连接导体 52。环氧树脂单元54被设置成围绕部分连接导体52。环氧树脂单元 54有着固定到冷却剂容器20的凸缘54a，以将超导体51保持在适当位 置。芯50的终端、辅助绝缘层53的一部分和环氧树脂单元54的一部 分被容纳在充满了冷却剂(本实施例中为液氮)的连接冷却剂容器55 中。连接真空容器56被设置成围绕连接冷却剂容器55。连接冷却剂容 器55和连接真空容器56之间的空间充满了热绝缘体并被抽真空至预 定真空度从而形成热绝缘层。尽管只有一股芯在图2中示出，但是如 图1所示，另外的两股芯类似地被连接和被容纳在连接冷却剂容器55 和连接真空容器56中，并且对应的连接部分2被容纳在冷却剂容器20 中。
用于本实施例中的每个套管10都包括能够电连接到超导体51的 传导部分11和盖住传导部分11的固态绝缘层12。套管10的传导部分 11通过连接部分2(和本实施例中的连接导体52)连接到超导体51上。 传导部分ll由铜形成，铜在液氮的温度周围显示出低电阻。固态绝缘 层12由有着优良电绝缘性的FRP (玻璃纤维增强塑料)形成。凸缘13 被设置在套管10的中间部分的外围从而将套管10固定到冷却剂容器 20上。凸缘13的一个表面被设置在冷却剂容器侧上而另一表面被设置 在瓷管40侧上，并且凸缘13没有被设置在真空容器30中。在该结构 中，凸缘13充当了密封冷却剂容器20的室温侧的密封件并且也充当 了低温侧冷却剂容器20和室温侧瓷管40之间的边界。连接超导体51 和套管10的连接部分2有着屏蔽结构(未显示)，而室温侧套管10 的终端有着铜上部屏蔽14 (见附图3)。
在本实施例中，冷却剂容器20包括主体21和管状部分22 (两者 都是由不锈钢形成)。主体21容纳低温侧套管IO的终端、连接部分2 和连接导体52的一部分。管状部分22内插有套管10。主体21是容器， 该容器有着可以容纳低温侧套管10的终端、连接部分2和连接导体52 的一部分的尺寸并充满了液氮。主体21连接到制冷器(未显示)，用 于冷却液氮和在循环冷却中作为供给和排出液氮的管道系统(未显 示)。管状部分22是圆柱状的并有着套管IO可以插入其中的尺寸。 每个管状部分22的低温侧由扁管组成，且管状部分22的室温侧的一 部分由波纹管组成。管状部分22在其低温侧(扁管)充满了液态氮并 在其室温侧(扁管的一部分、波纹管和比风箱管高的一部分)充满了 氮气。管状部分22的尺寸被调整成使得液态冷却剂和冷却剂气体之间 的边界被定位在扁管里的空间中而无需使用例如加压装置。如果管状 部分22的一部分是由波纹管组成的，那么当冷却剂容器20充满冷却 剂并因此冷却时，它可以通过变形来吸收冷却剂容器20的热收縮。此 外，在该实施例中，波纹管容易变形，因为该管充满了氮气。此外， 通过用液态冷却剂和冷却剂气体填充管状部分22可以在低温侧和室温 侧之间形成足够的温度梯度。另一个凸缘23被设置在室温侧的管状部 分22的终端上从而固定套管10的凸缘13。凸缘23也被用作将管状部 分22固定到稍后描述的真空容器30上的固定件。
有着用于插入环氧树脂单元54的孔的凸缘57被设置在主体21的 引入连接导体52的位置上。也就是说，环氧树脂单元54和凸缘57充 当了密封冷却剂容器20的低温侧的密封件。凸缘57也充当了密封真
空容器30的密封件。
在该实施例中，主体21还包括冷却剂容器24的手孔部分。附图 4 (A)是手孔部分的部分放大截面图，和附图4 (B)是支撑结构的部 分放大截面图。手孔部分24包括冷却剂容器20的主体21中的开口 25 和盖子部分26，盖子部分26可以打开和关闭并可以封闭地密封开口 25。也就是说，在套管10 (见附图3)的凸缘13固定到凸缘23 (见附 图3)并且环氧树脂单元54和凸缘57 (见附图2)固定到低温侧冷却 剂容器20的开口之后，冷却剂容器20可以通过打开和关闭盖子部分 26来打开和关闭。
真空容器30在同冷却剂容器24的手孔部分对应的位置上有着真 空容器的手孔部分34。该手孔部分34包括真空容器30中的开口 35和 盖子部分36,该盖子部分36可以开关并可以封闭地密封开口 35。手 孔部分34被构造成使得盖子部分36可以在真空容器30 (稍后描述的 第一真空部分31)的大部分保持真空的同时打开。具体地，圆柱形隔 离墙38被设置成联接冷却剂容器20的手孔部分24和真空容器30的 手孔部分34。隔离墙38隔开了隔离墙38的外部空间和隔离墙38的内 部空间。具体地，隔离墙38固定在冷却剂容器20的外表面和真空容 器30的内表面上使得隔离墙38的一个开口 (冷却剂容器侧)被定位 在冷却剂容器20的开口 25的外侧(外围周围)并且隔离墙38的另一 开口 (真空容器侧)被定位在真空容器30的开口 35的外侧(外围周 围)。在该结构中，盖子部分26和36可以在维持第一真空部分31中 真空的同时打开和关闭。在该实施例中，隔离墙38包括串联连接的可 变形的波纹管38a和扁管38b。波纹管38a的一末端固定到真空容器30 的内表面上而扁管的一末端固定到冷却剂容器20的外表面上。当冷却 剂容器20被冷却剂冷却时，波纹管38a可以通过变形吸收冷却剂容器 20的热收縮。
真空容器30被设置成包围冷却剂容器20。真空容器30的内部空 间不是单连通的空间，而是被分割成不同的空间。参见附图2，具体地， 该真空容器30中的内部空间被分割成第一真空部分31、第二真空部分
32和第三真空部分33。
第一真空部分31是限定在套管10的周围和冷却剂容器20的下方 的空间，并占有真空容器30的大部分内部空间。具体地，第一真空部 分31是被冷却剂容器20的凸缘23的内表面、管状部分22的外表面、 主体21的外表面、隔离墙38 (见附图4)的外表面和真空容器30的 内表面包围的空间。也就是说，第一真空部分31的组件不包括套管10 的组件。该结构无论套管10是否存在都可以维持第一真空部分31中 的真空。
参见附图4，第二真空部分32是限定在手孔部分24和34附近的 空间，手孔部分24和34被用于例如连接部分2的安装中。第二真空 部分32允许在维持第一真空部分31中真空的同时打开和关闭冷却剂 容器20。具体地，第二真空部分32是由冷却剂容器20的盖子部分26 的外表面、隔离墙38的内表面和真空容器30的盖子部分36的内表面 包围的空间。因为第二真空部分32有着独立于真空部分31的空间， 可以维持第一真空部分31的真空而不管盖子部分26和36的打开和关 闭。
根据本实施例的终端结构包括支撑结构60和冷却剂容器支撑结 构67 (后面描述)，例如运输中，该支撑结构60用来抑制真空容器 30中冷却剂容器20的震动从而防止冷却剂容器20的破坏。参见附图 4(B)，每个支撑结构60都含有可以同冷却剂容器20的主体21接触 的接触部分61和可以移动接触部分61同冷却剂容器20接触或分离的 轴部分62。轴部分62的外围的一部分中形成的螺纹同真空容器3接合。 真空容器30具有螺纹孔，形成在轴部分62上的螺纹接合在该螺纹孔 中。当螺纹变紧或变松时，轴部分62向前或向后移动从而移动接触部 分61同冷却剂容器20接触或分离。然后，接触部分61的运动可以通
过真空容器30的螺纹孔破坏第一真空部分中的真空。在该实施例中， 第三真空部分33被如下限定将底部闭合的波纹管63固定到真空容
器30的内表面的插有轴部分62的位置上。第三真空部分33被波纹管 63的内表面、底部部分64的内表面和真空容器30的内表面包围。第 三真空部分33有着不同于第一真空部分31的空间。轴部分62的末端 从波纹管63的底部部分64处突出，并且接触部分61被设置在轴部分 62的末端。形成在轴部分62上的螺纹末端接合入真空容器30的螺纹 孔，并且轴部分62的中间部分通过真空容器30被插入到波纹管63中。 轴部分62的另一末端穿过波纹管63的底部部分64，轴部分62的穿过 部分密封地固定到底部部分64上。接触部分61被设置在从底部部分 64处突出的轴部分62的末端。因此，接触部分61被设置在第一真空 部分31中。当轴部分62向前或向后移动时，它使波纹管63变形并移 动接触部分61使得其与冷却剂容器20接触或分离。因此，第三真空 部分33在维持第一真空部分31和第二真空部分32中真空的同时允许 接触部分61的运动。第三真空部分33优选地被抽真空以便在其内部 保持真空而与接触部分61的运动无关。如果热绝缘体被设置在冷却剂 容器20的周围，则接触部分61当同冷却剂容器20接触时可以破坏热 绝缘层。参见附图4 (C)，热绝缘层66可以被设置在冷却剂容器20 除了被设置用来同接触部分61接触的接触部分65之外的一部分上。 支撑结构60和接触部分65优选地由有着高强度和低热传导性的例如 FRP的材料形成。
接下来，将说明一种终端结构的装配方法，其中终端连接盒3在 例如工厂中装配。首先，组装冷却剂容器20。具体地，冷却剂容器20 的管状部分22的组件被连接到主体21的组件上。然后，盖子部分26 固定到手孔部分24的开口 25上。因此，冷却剂容器20组装成将插入 套管10的其室温侧敞开，并且将插入连接导体52和环氧树脂单元的 其低温侧敞开。例如螺栓的固定件可任选地用于连接；这也适用于后 续过程。 在冷却剂容器20被装配之后，如果需要，热绝缘体被提供在冷却
剂容器20的四周。然后，组装真空容器30以便包围冷却剂容器20。 具体地，隔离墙38被连接到设置在冷却剂容器20中的手孔部分24的 开口 25的外侧上。连接真空容器30的组件30d以便覆盖冷却剂容器 20的主体21的底部，并连接真空容器30的另一组件30m以便覆盖主 体21的顶部。波纹管连接到真空容器30上以便包围在超导电缆侧(在 附图2中右侧)的冷却剂容器20的四周的一部分。凸缘57固定到波 纹管的开口处从而密封连接超导电缆1的真空容器30的低温侧。连接 到真空容器30的波纹管可以在冷却剂容器20充满冷却剂时通过变形 吸收冷却剂容器20的热收縮，从而防止如冷却剂容器20破裂的问题。 如附图4 (A)所示，真空容器30的组件30m固定到隔离墙38上使得 组件30m的一部分包围隔离墙38并且组件30m的开口 35定位在隔离 墙38的开口中。盖子部分36固定到开口 35以形成充当第二真空部分 32的空间。
组件30u被连接到组件30m (在室温侧)的顶部从而覆盖冷却剂 容器20的管状部分22的外围。用于固定冷却剂容器20的凸缘23的 固定部分30a连接到室温侧组件30u的末端。连接到凸缘23的固定部 分30a密封真空容器30的室温侧从而形成充当第一真空部分31的空 间。密封件优选地被提供在固定部分和凸缘23之间从而封闭地密封第 一真空部分31。
如果支撑结构60被提供，那么轴部分62通过底部闭合的波纹管 63的底部部分64被插入并密封地固定到该底部部分64，并且例如通 过焊接，波纹管63的开口固定到组件30d,从而形成充当第三真空部 分33的空间。螺纹部分形成在组件30d的插入轴部分62的位置处。 除了支撑结构60，也可以提供冷却剂容器支撑结构67。如附图2所示， 通过从真空容器30悬挂冷却剂容器20来支撑冷却剂容器20的支撑结 构67与支撑结构60的不同之处在于冷却剂容器20和真空容器30被
恒定地联接。因此，支撑结构67优选地由如FRP的低热导性材料形成。
在真空容器30被装配之后，真空容器30的第一真空部分31、第 二真空部分32和第三真空部分33被抽真空至预定真空度。具体地， 至少第一真空部分31被抽真空至高真空。因为冷却剂容器20此次没 有容纳例如超导电缆，因此通过在高温下烘培可减少抽真空时间。当 手孔部分24和35打开时真空被破坏的第二真空部分32可被抽真空至 相当低的真空。而且，如果第一真空部分31被抽真空至高真空，则第 三真空部分33可以被抽真空至相当低的真空，这是因为在该结构中第 一真空部分31占有了大部分的真空绝缘层。在至少第一真空部分31 被抽真空的情况下，终端连接盒3被运输到例如安装地点。
在运输本实施例的终端连接盒3中，支撑结构60和67可以防止 如冷却剂容器20因为在运输中震动而破裂的问题。此外，终端连接盒 3可以消除在运输中将套管10固定到冷却剂容器20和真空容器30上 的需要，这是因为无需固定套管10就可以在第一真空部分31中维持 真空。这减轻了如高度限制的运输限制。
套管10被插入到运送至例如安装地点的终端连接盒3的室温侧的 冷却剂容器20的开口中。然后，将凸缘13连接到套管IO上并固定到 冷却剂容器20的凸缘23上。例如，密封件优选地被提供在凸缘13和 20之间从而封闭地密封冷却剂容器20和瓷管40。另一方面，超导体 51通过剥去超导电缆的终端而暴露出来并通过连接套52a连接到连接 导体52上。然后，环氧树脂单元54被设置在连接导体52的周围并通 过插入凸缘57的插入孔的连接导体52固定在凸缘57上。然后，手孔 部分34和24被打开用于进行例如将连接导体52连接到套管10和形 成增强绝缘层53的操作。在这些操作之后，分别通过冷却剂容器的手 孔部分24的盖子部分26和真空容器的手孔部分34的盖子部分36关 闭开口25和35，并且第二真空部分32被抽真空。 不同于已知技术，冷却剂容器20和真空容器30不是在例如连接
操作的操作之后构造，而是可以在例如连接操作的操作之前预先构造
终端连接盒3。此外，在只有第二真空部分32被抽真空之前，在维持 第一真空部分31中真空的同时可进行例如连接操作的操作。这减少了 安装现场抽真空操作的工作量。
增强绝缘层53也可以形成在超导体51和连接套52a的周围。连 接冷却剂容器55固定到凸缘57上，并且连接真空容器56固定到真空 容器30上从而包围连接冷却剂容器55和被抽真空至预定真空度。瓷 管40被连接到套管10的室温侧。冷却剂容器20充满了液氮和氮气。 连接冷却剂容器55充满了液氮。瓷管40充满了 SF6或绝缘油。因此， 超导电缆的终端结构得以完成。
如果支撑结构60被提供，在将终端连接盒3安装到预定位置之后， 接触部分61优选地通过松开轴部分62从冷却剂容器20分离。可选地， 终端连接盒3可以安装在例如附图1中显示的运输工具70上使得盒3 可以随着超导电缆1的热收縮而移动。
尽管本发明的低温装置在上述实施例中被用作超导电缆的终端连 接盒，但是该低温装置也可以被用作用来容纳超导变压器的超导部分、 超导故障限流器或超导储能设备的容器。
工业实用性
本发明的低温装置适用于容纳用来连接超导设备的低温侧和室温 侧的连接组件。具体地，本发明的低温装置适用于作为超导电缆的终 端连接盒。此外，本发明的超导电缆的终端结构适用于作为超导电缆 的终端部分。该终端结构可用于直流电传送和交流电的传送。
权利要求
1.一种超导设备的低温装置，用于容纳连接设置在低温侧的超导部分的终端和连接到该超导部分的套管的连接部分，该套管用来连通低温侧和室温侧之间的电力，该低温装置包括冷却剂容器，它容纳低温侧套管终端和该连接部分并且充满了用于冷却该终端和该连接部分的冷却剂；和真空容器，该真空容器被设置成包围该冷却剂容器；其中该真空容器包括不管套管是否存在都能维持真空的第一真空部分。
2. 根据权利要求l所述的超导设备的低温装置，其中 所述冷却剂容器包括可以打开和关闭的手孔部分； 所述真空容器包括一手孔部分，该手孔部分设置在与所述冷却剂容器的手孔部分对应的位置处并可以开开和关闭；和所述真空容器还包括第二真空部分，该第二真空部分由所述的两 个手孔部分和联接所述手孔部分的隔离墙包围。
3. 根据权利要求2所述的超导设备的低温装置，其中所述隔离墙 具有收縮吸收机构，该收縮吸收机构吸收因冷却剂引起的所述冷却剂 容器的热收缩。
4. 根据权利要求1或2所述的超导设备的低温装置，其中 所述真空容器具有能够支撑所述冷却剂容器的支撑结构； 该支撑结构包括从所述真空容器外侧延伸到内侧的轴部分和接触部分，该接触部分连接到该轴部分并且当该轴部分移动时可以进入和 离开与所述冷却剂容器的接触；和所述真空容器包括不考虑该轴部分的运动能维持真空的第三真空 部分。 5. 根据权利要求l一4中任一项所述的超导设备的低温装置，其 中所述超导设备是超导电缆、超导变压器、超导故障限流器或超导储 能设备。6. —种超导电缆的终端结构，包括设置在低温侧的超导电缆的终端； 用来连通低温侧和室温侧之间的电力的套管； 连接超导电缆的终端和套管的连接部分；和 容纳该连接部分的终端连接盒；其中该终端连接盒是根据权利要求l一4中任一项所述的低温装置。7. 根据权利要求6所述的超导电缆的终端结构，其中所述超导电 缆是单芯电缆或多芯电缆。8. 根据权利要求6或7所述的超导电缆的终端结构，其中所述超 导电缆是用于直流电传送的电缆或用于交流电传送的电缆。
全文摘要
本发明提供了一种有着优良装配工作性能的超导设备的低温装置和一种包含该低温装置的超导电缆的终端结构。该超导电缆的终端结构包括设置在低温侧的超导电缆的终端，用来在低温侧和室温侧之间连通电力的套管(10)，连接电缆的终端和套管(10)的连接部分(2)，和容纳连接部分(2)的终端连接盒(3)。该终端连接盒(3)包括容纳低温侧的套管(10)的终端和连接部分(2)并且充满了用于冷却该终端和连接部分(2)的冷却剂的冷却剂容器(20)和设置成包围冷却剂容器(20)的真空容器(30)。真空容器(30)包括第一真空部分(31)，不管套管(10)是否存在，第一真空部分(31)都能维持真空。
文档编号H02G15/34GK101099247SQ20058004624
公开日2008年1月2日 申请日期2005年11月15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