CN103247995A

CN103247995A - 超低温设备的终端装置

Info

Publication number: CN103247995A
Application number: CN2013100376354A
Authority: CN
Inventors: 濑间信幸
Original assignee: SWCC Showa Cable Systems Co Ltd
Current assignee: SWCC Corp
Priority date: 2012-02-03
Filing date: 2013-01-31
Publication date: 2013-08-14
Also published as: JP5555729B2; JP2013162607A

Abstract

本发明提供一种超低温设备的终端装置。电缆终端装置（100）包括：导体引出棒（111）；硬质的绝缘筒（112），其设在导体引出棒（111）的外周；以及聚合物被覆体（113），其一体地设置在绝缘筒（112）的外周，在其自身的外周沿长度方向相隔开地形成有多个褶部（113a）。导体引出棒（111）为中空管，在中空部（111a）的一部分或全部中注入有液氮（150）。

Description

超低温设备的终端装置

技术领域

本发明涉及一种超导电缆等超低温设备的终端装置。

背景技术

超导电缆等超低温设备的终端装置，其具有一端与超低温设备电连接，另一端被引出到常温部的导体引出棒。导体引出棒通常由作为电和热的良导体的铜构成，因此通过该导体引出棒从常温区域向超低温区域（即超低温设备）流入热。当通过该热的流入使超低温设备的温度高于预定温度时，将会导致超导电特性降低。因此，在超低温设备的终端装置中，重要的是使通过该导体引出棒的热流入尽量小。

例如在专利文献1－3中公开了用于抑制通过导体引出棒的热流入的结构。

在专利文献1中，公开了一种在导体引出棒（专利文献1中的导体2）的周围设置真空绝热层，从而使导体引出棒（导体）的周面与常温区域隔离绝热的超低温电缆的终端部的结构。由此，能够使从导体引出棒（导体）的周围流入的热量变小，能够使通过导体引出棒（导体）的向超低温设备（在专利文献1中为超低温电缆）的热流入变小。

在专利文献2中，公开了一种将导体引出棒（专利文献2中的引出导体47）的温度梯度部和应力锥整体设置在真空中，从而能够进一步抑制从外部至超低温区域的热流入的结构。进而，在专利文献2中，公开了一种超低温电缆的终端连接装置的结构，其采用电绝缘性优良的液氮使导体引出棒（引出导体）与超低温设备（引用文献2中为超导电缆）的连接部电绝缘，并且利用真空使导体引出棒（引出导体）的温度梯度部在其周围设有应力锥的状态下电绝缘，从而能够以小型结构得到稳定的电绝缘性能。

在专利文献3中公开了如下的结构，即：将相当于导体引出棒的导体插通到金属管的内部，在该金属管的内部填充冷却液或气体，并且在该金属管形成真空或采用绝热材料的绝热层，从而防止导体的温度上升和应力锥的损伤。

在专利文献4中公开了一种具有从超低温部引出到常温部的导体引出棒（导体部）的超低温设备的终端构造，，该导体引出棒（导体部）具有中空管，在中空管的密闭空间内填充氦等在超低温下不发生液化的气体的结构。由此，在专利文献4中，防止在衬套内部于超低温下产生液化物，并防止空间内和空隙部内变为负压而带来的绝缘性能的降低。

现有技术文献

【专利文献1】日本实开平2－30232号公报

【专利文献2】日本特开平8－196029号公报

【专利文献3】日本实开昭54－8698号公报

【专利文献4】日本特开2002－280628号公报

但是，专利文献1的超低温电缆的真空绝热型的终端连接装置是应力锥的上半部曝露在大气中、下半部位于超低温区域的构造，因此，通过应力锥的热流入较大，难以使来自外部的热流入足够小。另外，由于在应力锥内部的温差大，有可能在应力锥产生热变形导致的裂纹，在电绝缘性方面也存在问题。另外，专利文献1的应力锥由橡胶制成，凸缘的凸边部被埋设到橡胶制的应力锥中。因此，即使将金属制的凸缘固定在筒部，由于橡胶为弹性体，因此有可能机械特性并不稳定。

另外，在专利文献2的超低温电缆的终端连接装置中，应力锥并不曝露在大气中，在绝缘管和真空容器内设于真空中，因此与专利文献1相比，能够使从外部到超低温区域的热流入变小。但是，应力锥的外周被取为真空绝缘，因此与绝缘油相比绝缘性能差，因此与绝缘油的情况相比，需要使表面放电的最短距离长。另外，需要在应力锥的外周设置由磁器制成的绝缘管。因此，存在终端装置大型化这样的问题。另外，存在零件数量多、终端装置的组装也需要时间这样的问题。

另外，在专利文献3的超低温电缆等的终端部中，使相当于导体引出棒的编织绳状的导体插通在金属管内部，从而防止应力锥的常温区域处产生龟裂。但是，与专利文献2同样需要在应力锥的外周设置绝缘管，存在终端装置大型化这样的问题。另外，存在零件数量多、终端装置的组装需要时间这样的问题。

另外，在专利文献4中，与专利文献2和专利文献3同样地需要在衬套的外周设置绝缘子（绝缘管），存在终端装置大型化这样的问题。进而，在专利文献4中，通过在绝缘子内填充绝缘油来使衬套绝缘。但是，在用绝缘油使绝缘子内绝缘时，为了绝缘油因接地等发生膨胀也不会使绝缘子破损，而需要在绝缘油上面设置空气层。由于存在该空气层，则向超低温区域的热流入依然成为问题。另外，在填充绝缘油的工作等施工方面也变得烦杂。

在专利文献2-专利文献4中，均需要使绝缘管盖在外侧，因此成为在导体引出棒外周与绝缘管内部之间存在间隙的结构。该间隙经由导体引出棒而容易受到热的影响，进而有可能使热流入超低温区域。

另外，在为采用SF₆气体等绝缘气体使绝缘管内绝缘的超低温设备的终端装置时，为了避免SF₆气体变为负压而需要设置压力表等来进行管理的附带设备。因此，相应地零件数量变多，对于超低温设备的终端装置花费很多成本。

发明内容

本发明是考虑以上问题而做出的，其目的在于提供一种能够充分抑制向超导电缆等超低温设备的热流入的简易小型结构的终端装置。

本发明的超低温设备的终端装置的一个方式为：一种超低温设备的终端装置，其与超低温设备连接，并具有从超低温区域引出到常温区域的导体引出棒，该超低温设备的终端装置包括：导体引出棒；绝缘筒，其由环氧树脂构成，并设置于所述导体引出棒的外周；聚合物被覆体，其一体地设置在所述绝缘筒的外周，并在其自身的外周沿长度方向相隔开地形成有多个褶部；以及下部衬套部，其由所述环氧树脂构成，并连接设置在所述绝缘筒上，其中，所述绝缘筒配置在常温区域，所述下部衬套部配置在超低温区域，所述导体引出棒为中空管，在所述中空管的中空部中，至少从所述中空管的下端部到与所述下部衬套部表面的导电层的下端部对应的位置填充有液氮。

本发明的超低温设备的终端装置的一个方式为：所述下部衬套部具有在表面形成有所述导电层的钟形口部，所述液氮在所述下部衬套部的外周被填充至所述钟形口部被浸泡的位置。

本发明的超低温设备的终端装置的一个方式为：所述中空管的下端部从所述下部衬套部露出，所述中空管的该露出的部分具有液氮流入部。

本发明的超低温设备的终端装置的一个方式为：在所述绝缘筒埋设有屏蔽金属件。

本发明的超低温设备的终端装置的一个方式为：所述环氧树脂和所述导体引出棒之间设有绝热层。

本发明的超低温设备的终端装置的一个方式为：在所述中空管的内表面形成有凹凸部。

本发明的超低温设备的终端装置的一个方式为：所述超低温设备为超导电缆。

根据本发明，利用液氮使作为中空管的导体引出棒从内部冷却，因此能够可靠地防止通过该中空管（即导体引出棒）使热从常温区域流入超低温设备。另外，并不是如以往那样覆盖中空的绝缘管的结构，因而能够实现小型的终端装置。因此，能够实现可充分抑制向超低温设备的热流入的简易小型结构的终端装置。

附图说明

图1是表示实施方式的超导电缆终端装置的结构的图。

图2是表示其他实施方式的超导电缆终端装置的结构的图。

标号说明

100电缆终端装置

110聚合物套管

111导体引出棒（中空管）

111a中空部

111b盖

112绝缘筒

113聚合物被覆体

114遮蔽金属零件

114a筒状部

114b埋入部

114c凸缘部

117下部衬套部

117a圆柱状部

117b圆锥台状部

117c钟形口部

118导电层

120连接部

130液氮槽

140真空槽

150液氮

170绝热层

180内侧金属管

190外侧金属管

200超导电缆

300阀

具体实施方式

以下，参照附图详细地说明本发明的实施方式。

图1是表示本发明实施方式的作为超低温设备的终端装置的超导电缆终端装置的结构的纵向剖面图。作为超低温设备的终端装置的超导电缆终端装置100与作为超低温设备的超导电缆200相连接。

超导电缆终端装置100包括聚合物套管110、连接部120、液氮槽130以及真空槽140。

连接部120是用于使聚合物套管110的导体引出棒111和超导电缆200电连接的部分。在本实施方式中，连接部120具有用于与导体引出棒111连接的可挠连接导体121、以及用于使可挠连接导体121和超导电缆200的导体电连接的导体连接部122。导体连接部122的结构可以是已知的结构。通过从配管160注入液氮150，从而在液氮槽130内储存液氮150。液氮槽130收纳聚合物套管110的下端部（后述的下部衬套部117）、连接部120、以及超导电缆200的终端部，储存能浸入这些部分的量的液氮150。进而，在液氮槽130的外侧设有真空槽140。

聚合物套管110具有导体引出棒111、绝缘筒112以及聚合物被覆体113。导体引出棒111配置在绝缘筒112的中心，其上端与端子部T1连接，并且其下端与连接部120连接。绝缘筒112设在导体引出棒111的外周。聚合物被覆体113设置在绝缘筒112的外周，在其外周部，沿着聚合物被覆体113的长度方向相隔开地形成有多个褶部113a。

绝缘筒112由机械强度高的环氧树脂形成。聚合物被覆体113由电绝缘性能优异的材料、例如硅酮聚合物（硅酮橡胶）等高分子绝缘材料形成。导体引出棒111、绝缘筒112（和后述的下部衬套部117）和聚合物被覆体113通过模具而被一体地形成。

由于在绝缘筒112的外周一体地设有聚合物被覆体113，因此与以往的磁器绝缘管相比，聚合物套管110重量轻且难以破损，而且，容易操作，能够使作业性大幅度提高。另外，由于不需要绝缘油或绝缘气体，因此能够实现环境的和谐。进而，对于聚合物套管110，在由硅氧聚合物形成聚合物被覆体113时，由于硅酮聚合物的防水性，能够使污损耐电压特性提高。

在本实施方式中，聚合物套管110具有屏蔽金属件114。屏蔽金属件114与导体引出棒111设置成同心状。屏蔽金属件114包括：以从绝缘筒112仅露出外表面的方式埋设在绝缘筒112中的筒状部114a；连接设置在筒状部114a的上端部、并埋设在绝缘筒112中的埋入部114b；以及从筒状部114a的周面向半径方向外方突出的凸缘部114c。

屏蔽金属件114的上端（这里为埋入部114b的上端）形成为截面圆弧状，由此，聚合物套管110中的电场集中被缓和。在凸缘部114c设有多个的螺钉孔（未图示），在凸缘部114c的下表面设有未图示的O环等密封件。

在本实施方式中，向凸缘部114c的螺钉孔***螺钉（未图示），在真空槽140的上表面气密地安装聚合物套管110。由此，由机械强度比橡胶高的环氧树脂所形成的绝缘筒112内埋设有屏蔽金属件114（埋入部114b），因此与专利文献1的以埋设在橡胶制的应力锥中的凸缘固定的情况相比，能够以机械上稳定的状态安装聚合物套管。

进而，在真空槽140的内部形成液氮槽130。在本实施方式中，液氮槽130的聚合物套管侧端面通过未图示的O环等密封件，用螺钉等而气密地固定于真空槽140的聚合物套管侧内侧端面。由此，聚合物套管110的比凸缘部114c靠上的一侧位于气体中，比凸缘部114c靠下的一侧位于液氮槽130内。

此外，液氮槽130的另一端侧，以已知的结构气密地形成到超低温设备（这里为超导电缆200）的预定部分为止即可。真空层140的另一端侧也是同样的。液氮槽130的外面与真空槽140的内表面之间保持为真空状态。

进而，也可以是，在绝缘筒112与聚合物被覆体113的界面处，根据需要以与屏蔽金属件114电接触的方式，形成必要的长度的电场缓和层（未图示）。该电场缓和层例如以如下层形成即可，即：对弹性材料填充氧化锌粉末而成的ZnO层、填充了炭黑等导电性填料的橡胶等的介电常数为10以上的高电容率层。此外，在对110kV级以上的高电压的终端应用聚合物套管110时，因为有电场缓和层而能够使聚合物套管110变小，进而能够使聚合物套管110重量变轻，因此是有用的。

在聚合物套管110的比屏蔽金属件114的凸缘部114c靠下的一侧形成有下部衬套部117。在本实施方式中，在将聚合物套管110安装在真空槽140的上表面时，下部衬套部117被配置在液氮槽130内。下部衬套部117连接设置在绝缘筒112上。下部衬套部117的主体与绝缘筒112由相同的环氧树脂一体形成，其中心配置有导体引出棒111。下部衬套部117包括外径恒定的圆柱状部117a、朝向下方外径变小的圆锥台状部117b、以及以截面为U字状的凹槽形成在圆锥台状部117b的上端的圆周上的钟形口部117c。另外，从钟形口部117c直到固定凸缘部114的下表面，形成有涂覆银涂料等导电涂料等而形成的导电层118。该导电层118具有作为下部衬套部117的遮蔽层的功能。

在槽内，将液氮150至少储存到电场集中的导电层118的下端部（导电层118的超低温设备侧的端部）浸入的位置。与此相应，在中空管111的中空部111a中，将液氮至少从中空管111的下端部填充到下部衬套部117表面的导电层118的下端部所对应的位置为止。在本实施方式中，钟形口部117c成为导电层118的下端部，因此下部衬套部117处的电场集中在钟形口部117c的下端部。由此，为了使该电场缓和，液氮150储存到钟形口部117c浸入的位置为止。液氮150与真空绝缘相比绝缘性能高，因此通过用液氮150浸泡电场集中的钟形口部117c，能够做成电稳定的下部衬套部117的结构。

另外，储存液氮150的超低温区域侧的遮蔽不是如专利文献1那样由金属零件（专利文献1的凸缘的下侧凸边部）形成，而是由在表面具有导电层118的钟形口部117c形成。由于形成屏蔽金属件114的金属零件和形成下部衬套部117的环氧树脂的线膨胀系数之差大，因此并不由屏蔽金属件114形成超低温区域侧的遮蔽，而由在表面具有导电层118的钟形口部117c形成，从而能够防止环氧树脂的损伤。

除了上述结构之外，导体引出棒111至少具有中空部111a，在本实施方式中其由导电性的中空管形成。导体引出棒111例如以铜为材料形成。导体引出棒111的一方从绝缘筒112露出，另一方从下部衬套部117露出。在本实施方式中，在该另一方的导体引出棒111的下端设有导体引出棒111的液氮侧连接部111c，以便能够与可挠连接导体121的一个端子连接。本实施方式中的导体引出棒111的液氮侧连接部111c在中空管111的下端面留出了液氮流通的间隙（后述的液氮流通部111d）的状态下，通过溶接等使端子一体化而被形成。

此外，导体引出棒111的液氮侧连接部111c的结构不限于此，例如也可以在中空管111内***金属制的接头从而与超导电缆200电连接。此时，中空管111的下端部成为液氮侧连接部111c。另外，在导体引出棒111的下端的从下部衬套部117突出的部分具有液氮流通部111d。液氮流通部111d既可以是设置在中空管111的下端面的结构（只从中空管111的中空部111a下端流入液氮的结构），也可以是在从中空管111的下部衬套部117突出的部分的外周设有孔的结构。

另外，导体引出棒（中空管）111的上端由盖111b所关闭，从而中空部111a被密闭。由此，作为中空管的导体引出棒111的中空部111a在下方位置存在液氮150，在上方位置存在汽化氮。其结果是，导体引出棒111从内侧被充分冷却。

由图可知，聚合物套管110中比屏蔽金属件114的凸缘部114c靠上的一侧配置在常温区域，但导体引出棒（中空管）111从内部被冷却，因此能够可靠地防止热通过导体引出棒（中空管）111从常温区域向作为超低温区域的超导电缆200流入。

另外，在专利文献2~4所公开的现有的超低温设备的终端装置中，在应力锥或衬套的外侧，需要覆盖磁器制的绝缘管，但在本实施方式中，是在绝缘筒112的外周一体地形成聚合物被覆体113的聚合物套管110的结构，因此不需要绝缘管，能够提供与磁器制的绝缘管相比零件数量少、电性能稳定的超低温设备的终端装置。进而，与在应力锥或衬套的外侧覆盖绝缘管的现有的超低温设备的终端装置不同，在本实施方式中，在导体引出棒外周与绝缘管内部之间的间隙并不存在，因此能够防止向超低温区域的热流入。由此，能够抑制液氮150的消费量。另外，在以往的绝缘管中，在组装终端装置时，需要绝缘气体（SF₆气体）、绝缘油等的绝缘介质的填充，在本实施方式中，是在绝缘筒112的外周一体形成聚合物被覆体113的聚合物套管110的结构，因此不需要绝缘媒体的填充作业，能够缩短终端装置的组装时间。另外，可以省去在现有的绝缘管内封入绝缘气体（SF₆气体）时，进行管理以避免该气体变成负压所需的附加设备，从而还能够减少设置超低温终端装置的成本。

另外，在本实施方式中，在常温区域中，并不是如专利文献1那样将应力锥直接曝露在大气中的构造，而适用作为空气中绝缘具有电稳定的性能的聚合物套管，因此能够提供具有电稳定的性能的超低温终端装置。

进而，在本实施方式中，对于下部衬套部117的圆柱状部117b的长度方向的长度，取为能够在液氮150的上表面与聚合物套管110的凸缘部114c之间设有预定的空间这种程度的长颈结构。在该预定的空间中，与在导体引出棒111的中空部111a的比液氮部分靠上的位置同样，存在汽化氮。此外，在另外设置使液氮循环的装置时，也可以取为不设置预定的空间而对液氮槽130的全部填充液氮150的结构。在本实施方式的情况下，利用预定的空间的汽化氮，能够缓和聚合物套管110中的从超低温区域到常温区域的温度梯度。

如以上说明，利用中空管构成导体引出棒111，在中空管的中空部填入液氮150，从而能够实现可充分抑制向超导电缆200的热流入的、简易小型结构的电缆终端装置100。

此外，除了上述实施方式，如图2所示，也可以在导体引出棒（中空管）111的外周侧形成绝热层170。绝热层170形成在从绝缘筒112的上端直到下部衬套部117的下端。在图2的实施方式中，绝热层170具有从绝缘筒112的上端突出且下端从下部衬套部117的下端突出的结构。绝热层170的长度方向的长度形成为比导体引出棒111的长度短。这样，能够进一步抑制热经由导体引出棒（中空管）111从常温区域流入超低温区域，因此能够抑制液氮150的消耗量。

此外，在本实施方式中，采用了在内侧金属管180的内周插通了导体引出棒（中空管）111的构造，在内侧金属管180的外部将直径更大的外侧金属管190配置为同心状，内侧金属管180与外侧金属管190之间的空间部在上下被气密闭塞，经由阀300排出内部空气而形成真空构成的绝热层170。此外，也可以不设置阀300而在真空状态下如热水瓶那样地密闭。此时，也可以取为不设置内侧金属管180而使外侧金属管190与导体引出棒111的外周之间上下密闭的结构。此外，绝热层17不限于仅在真空下形成的结构，也可以通过填充粉末状的绝热材，并驱气为真空而形成。

另外，图1、图2的方式均可以通过在中空管111的内表面全长切出螺纹的结构（所谓阴螺纹的结构）等而设置凹凸部。由于该凹凸部，中空管111内表面的表面积增大，因此热传导的效率提高。因此，即使不对导体引出棒111（中空管）的中空部111a全部填充液氮150，也能够通过导体引出棒111的下端部的液氮150，更高效率地冷却到导体引出棒111的上部。此外，在中空管111的全长设置凹凸部，这在加工方面是有效率的，但从提高热传导的效率的功能的观点出发，也可以是在填充汽化氮的部分（即中空管111的一部分）设置凹凸部的结构。

另外，在上述实施方式中，说明了在导体引出棒（中空管）111的中空部111a的一部分填充有液氮150的情况（即在中空部111a的下方位置存在液氮150，在上方位置存在汽化氮的情况），但也可以对中空部111a的全部填充液氮150。例如，在盖111b插通用于对中空部111a注入液化氮150的注入管，从该注入管注入液氮，则能够对中空部111a的全部填充液氮150。

另外，在上述的实施方式中，导体引出棒（中空管）111的上部设有盖111b，但也可以去掉盖111b而设置其他的终端装置，从而形成为使液氮150循环在该其他的终端装置。此时，中空部111a的全部中填充液氮150。

另外，在上述的实施方式中，说明了聚合物套管110固定在真空槽140的上表面的情况，但也可以取为将液氮槽130的上端向半径方向内侧延伸的结构，并取为在其上端面固定聚合物套管110的结构。

另外，在上述的实施方式中，说明了由屏蔽金属件114的凸缘部114c形成聚合物套管110的凸缘部的情况，但也可以取为由绝缘筒112形成凸缘部，并从外侧以固定金属零件进行固定的结构。

进而，在上述实施方式中，说明了将本发明应用为超导电缆的终端装置情况，但本发明也能够用作超导电缆以外的超低温设备的终端装置。作为适合应用本发明的其他超低温设备，例如有超导磁储能***（SMES：Superconducting magnetic energy storage system）、超导限流器等。

应当认为，本次公开的实施方式在所有方面均为例示而并不是用于限定。本发明的范围并不是上述说明而由权利要求书所示出，意图在于包含与权利要求书等同的含义和保护范围内的所有变更。

2012年2月3日提交的日本专利申请特愿2012－021884号所包含的说明书、附图和说明书摘要中的公开内容全部援引于本申请中。

Claims

1.一种超低温设备的终端装置，其与超低温设备连接，并具有从超低温区域引出到常温区域的导体引出棒，该超低温设备的终端装置包括：

导体引出棒；

绝缘筒，其由环氧树脂构成，并设置于所述导体引出棒的外周；

聚合物被覆体，其一体地设置在所述绝缘筒的外周，并在其自身的外周沿长度方向相隔开地形成有多个褶部；以及

下部衬套部，其由所述环氧树脂构成，并连接设置在所述绝缘筒上，

其中，

所述绝缘筒配置在常温区域，

所述下部衬套部配置在超低温区域，

所述导体引出棒为中空管，

在所述中空管的中空部中，至少从所述中空管的下端部到与所述下部衬套部表面的导电层的下端部对应的位置填充有液氮。

2.如权利要求1所述的超低温设备的终端装置，其中，

所述下部衬套部具有在表面形成有所述导电层的钟形口部，

所述液氮在所述下部衬套部的***被填充至所述钟形口部被浸泡的位置。

3.如权利要求1或2所述的超低温设备的终端装置，其中，

所述中空管的下端部从所述下部衬套部露出，

所述中空管的该露出的部分具有液氮流入部。

4.如权利要求1或2所述的超低温设备的终端装置，其中，

在所述绝缘筒埋设有屏蔽金属件。

5.如权利要求1或2所述的超低温设备的终端装置，其中，

所述环氧树脂和所述导体引出棒之间设有绝热层。

6.如权利要求1或2所述的超低温设备的终端装置，其中，

在所述中空管的内表面形成有凹凸部。

7.如权利要求1或2所述的超低温设备的终端装置，其中，

所述超低温设备为超导电缆。