JP4784852B2 - 超電導機器の低温容器 - Google Patents

Description

本発明は、低温側と常温側との間で電力の受け渡しを行うブッシングを収納する超電導機器の低温容器、及びこの低温容器を具える超電導ケーブルの端末構造に関するものである。特に、組み立て作業性に優れる超電導機器の低温容器に関するものである。

従来、超電導ケーブルの端末構造として、例えば、図5に示す構造のものが知られている(特許文献1参照)。この端末構造は、低温側と常温側との間で電力の受け渡しに利用されるものであり、超電導ケーブルの端部から引き出したケーブルコア100に接続される。具体的には、この端末構造は、コア100から露出させた超電導導体100aと、超電導導体100aと常温側に設けられる導体(図示せず)との間で電気的導通をとるブッシング101と、ブッシング101の低温側端部及び超電導導体100aとブッシングとを接続する接続部110が収納される冷媒槽102と、この冷媒槽102の外周を覆うように配置される真空槽103と、真空槽103の常温側に突設される碍管104とを具える。

ブッシング101は、中心部に、超電導導体100aと接続部110を介して電気的に接続される導体部101aを有し、導体部101aの周囲にFRPで形成された固体絶縁層101bを被覆した構成であり、冷媒槽102から碍管104に亘って収納される。この例では、超電導導体100aに銅などの常電導材料からなる接続導体120を接続し、接続部110を介してこの接続導体120とブッシング101の導体部101aとを接続させている。ブッシング101の外周には、フランジ101c,フランジ101dを有しており、ブッシング101は、これらフランジ101c,101dを介して冷媒槽102,真空槽103に固定される。

冷媒槽102には、ブッシング101や接続部110、接続導体120を冷却する液体窒素などの液体冷媒が充填される。真空槽103には、低温側の冷媒槽102と常温側の碍管104との間を連結するように筒状に形成されて、その内側にブッシング101が挿通される中間真空部103aを設けて常温側から低温側への熱侵入の低減を図っている。即ち、真空槽103の一部は、中間真空部103aと、外層真空部103bとを具える二重構造となっている。碍管104内には、絶縁油やSF₆ガスなどの絶縁流体が充填される。

特開2002-238144号公報

しかし、上記従来の端末構造では、組立に時間がかかるため、作業性の向上が望まれている。特に、布設現場における作業の軽減が望まれている。

従来の端末構造の組立作業は、超電導ケーブルとブッシングとの接続作業、冷媒槽の組み立て作業、真空槽の組み立て作業、ブッシングを冷媒槽及び真空槽に固定する作業、真空槽の真空引き作業といった手順で行われる。即ち、上記従来の端末構造では、ブッシングの構成要素(図5の場合、フランジ101c,101d)が冷媒槽や真空槽の一部を構成する。そのため、ブッシングを冷媒槽や真空槽に固定してからでないと真空引きを行うことができない。一方、超電導ケーブルなどの超電導機器で使用される液体窒素などといった冷媒は非常に低温である(液体窒素の場合77K)ことから、真空槽には、優れた断熱性、即ち、真空度が高いことが要求される。また、断熱性を向上するべく真空槽内に、通常、スーパーインシュレーション(登録商標)などといった断熱材を配置させる。このとき、端末構造を布設現場で組み立てる場合、この断熱材は、真空引きを行うまでの間に大気中に暴露されて水分などを含むことがある。従って、高い真空度を得るためには、真空引きに長時間がかかる。

真空引きの時間を短縮するために、対象物を加熱して、対象物に含有される水分などを気化するベーキングを行うことが有効である。しかし、上記端末構造は、比較的大きなものであるため、ベーキング用の機器(ヒータや電源など)も大掛かりなものが必要となる。従って、ベーキング用の機器などを布設現場へに搬送することが困難である。また、ベーキングを行う際、上記のように超電導ケーブルとブッシングとを接続した状態で行うため、ベーキング温度を高くしすぎると、これら端末構造の構成要素、特に、超電導ケーブルの電気絶縁層などが加熱により損傷する恐れがある。そこで、電気絶縁層などの損傷を防止するため、ベーキングは、比較的低温(例えば、70℃程度)で行わなければならない。従って、ベーキングを行ったとしても真空引きには、時間がかかる。

更に、布設現場で真空引きを行う場合、真空漏れ(リーク)などの事故を想定して予備品を準備する必要もあり、布設現場への搬送部材が多くなる。

上記超電導ケーブルの端末構造だけでなく、超電導ケーブル線路を構築する際に利用されるような超電導機器、例えば、超電導変圧器、超電導限流器、超電導電力貯蔵装置においても、真空引きは、ブッシングを冷媒槽や真空槽に配置してから行われており、同様に組立作業性の向上が望まれている。

そこで、本発明の主目的は、組立作業性に優れる超電導機器の低温容器、及びこの低温容器を具える超電導ケーブルの端末構造を提供することにある。また、本発明の他の目的は、布設現場に搬送し易い超電導機器の低温容器を提供することにある。

本発明は、ブッシングの有無に係わらず真空状態が保持できる真空部を設けることで上記目的を達成する。即ち、本発明は、低温側に配される超電導部の端部と、この超電導部に接続されて低温側と常温側との間で電力の出入力を行うブッシングとの接続部を収納する超電導機器の低温容器であり、上記ブッシングの低温側端部と接続部とが収納され、これらを冷却する冷媒が充填される冷媒槽と、この冷媒槽の外周を覆うように配置される真空槽とを具えるものとする。そして、本発明の最も特徴とするところは、ブッシングの有無に係わらず真空状態を保持可能な第一真空部を真空槽に具えることにある。

本発明低温容器は、ブッシングの有無に係わらず真空引きを行うことができるように、ブッシングの構成要素を冷媒槽や真空槽の一部としない真空部を具える。この構成により、少なくともこの真空部の真空引きを予め工場などで行うことができ、布設現場での作業、特に真空処理時間を短縮することができる。特に、この真空部の容積をできるだけ大きくしておけば、布設現場での作業をより軽減、短縮して、組立作業性の更なる向上を図ることができる。超電導ケーブルの場合、低温容器が比較的大型であるため、この構成による作業効率向上の効果が顕著である。

ブッシングの構成要素を冷媒槽、真空槽の一部とする従来の超電導ケーブルの端末構造では、上記のように布設現場での組立作業、特に真空引きに時間がかかる。また、ベーキングを行うことで真空引きの時間をある程度短くできても、ベーキング用機器の搬送に手間がかかる。そこで、布設現場で冷媒槽や真空槽を組み立てるのではなく、工場で予め組み立てておき、組み立てた状態で布設現場に搬送することが考えられる。しかし、従来の端末構造では、ブッシングを冷媒槽及び真空槽に固定させた状態で真空引きを行うため、搬送の際、ブッシングの常温側端部を突出させた状態となり、高さ制限により搬送が難しいことも考えられる。特に、突出させた端部の外周に碍管を配置しておくことで、より大型化する。これに対し、本発明低温容器では、上記真空部を具えることで、ブッシングを冷媒槽や真空槽に固定させていなくても、真空部を真空状態とすることができるため、真空部を予め工場で真空引きすることができながら、搬送する際、ブッシングを冷媒槽や真空槽に固定させておく必要がない。そのため、本発明低温容器は、搬送する際の高さ制限を緩和することができる。また、上記真空部を真空引きする際、冷媒槽内にブッシングや接続部、補強絶縁層などが存在しない状態とすることができるため、ベーキングの温度を高温にすることができ、真空処理時間をより短縮することも可能である。以下、本発明の構成をより詳しく説明する。

本発明低温容器を適用する超電導機器としては、超電導材料からなる超電導部を具える種々のものが利用できる。例えば、超電導ケーブル、超電導変圧器、超電導限流器、超電導電力貯蔵装置などが挙げられる。超電導ケーブルの場合、超電導部としては、第一超電導層と、この第一超電導層の外周に同軸状に配置される第二超電導層とを具える構成が挙げられる。超電導変圧器、超電導限流器、超電導電力貯蔵装置などの場合、超電導部として、超電導材料から形成された超電導コイルや超電導限流素子などが挙げられる。

超電導ケーブルは、超電導部を有するケーブルコアと、コアを収納する断熱管とを具える構成のもの挙げられる。ケーブルコアのより具体的な構成としては、中心から順に、フォーマ、第一超電導層、電気絶縁層、第二超電導層、保護層を具えるものが挙げられる。電気絶縁層の外周に設ける第二超電導層は、超電導シールド層や帰路導体などとして利用する。また、超電導ケーブルは、このようなケーブルコアを1心具える単心ケーブルでもよいし、複数心具える多心ケーブルでもよい。その他、超電導ケーブルは、直流送電用ケーブルでもよいし、交流送電用ケーブルでもよい。もちろん公知の超電導ケーブルを利用してもよい。

上記超電導部の端部には、接続部を介してブッシングを接続する。ブッシングは、低温側の超電導部と常温側に設けた導体との間で電力の受け渡しを行う部材であり、電力の入力、電力の出力、電力の入出力の双方のいずれかを行う。具体的な構成としては、上記超電導機器に具える超電導部と電気的導通をとることが可能な導体部と、この導体部の外周に被覆される固体絶縁層とを具えるものとする。ブッシングの導体部としては、銅やアルミニウム(共に、77Kの比抵抗ρ＝2×10^-7Ω・cm)などのように、超電導機器の使用温度(冷媒温度)、例えば、冷媒として液体窒素を用いる場合、液体窒素の温度近傍においても電気的抵抗が小さい金属などの導電性材料にて形成するとよい。固体絶縁層は、電気絶縁性に優れる樹脂材料、例えば、エチレンプロピレンゴムなどの絶縁ゴム材料でもよいが、繊維強化プラスチック(FRP)が特に電気絶縁性能が高く好ましい。このブッシングは、ブッシングの一端(低温側端部)を後述する低温容器に収納し、ブッシングの他端(常温側端部)を低温容器に突設させた碍管に収納したり、常温の外部に配置する。碍管内には、絶縁油やSF₆などの電気絶縁性に優れる絶縁液体、絶縁ガスなどの絶縁流体を充填させる。また、ブッシングの中間部には、その外周に低温容器に固定するフランジを設けておく。フランジは、後述する第一真空部が真空状態を維持した状態で、低温容器に固定可能なものとする。このブッシングと超電導部の端部とは、電気的に接続可能な接続部を介して接続する。この接続部は、シールド構造を具えるものが好ましい。また、超電導部に銅などの常電導材料からなる接続導体を接続し、接続導体とブッシングとを接続部にて接続させてもよい。

これらブッシングの低温側端部及び接続部は低温容器に収納される。低温容器は、これらを冷却する冷媒が充填される冷媒槽と、この冷媒槽の外周を覆うように配置される真空槽とを具える。冷媒槽は、ブッシングの低温側端部や接続部が収納される本体部と、ブッシングが収納配置される管状部とを具える構成が挙げられる。本体部は、上記各部、箇所が収納できる大きさを有するように設け、管状部は、ブッシングが挿通可能な大きさを有するように設ける。また、管状部は、フラット管にて形成してもよいが、可撓性を有するベローズ管にて一部を形成すると、冷媒槽が冷媒により冷却されて熱収縮する際の収縮を吸収できて好ましい。この冷媒槽には、冷媒として、液体冷媒、気体冷媒、液体冷媒と気体冷媒との双方のいずれかを充填する。気体冷媒としては、例えば、窒素ガス、ヘリウムガスなどが挙げられ、液体冷媒としては、例えば、液体窒素、液体ヘリウムなどが挙げられる。気液両冷媒を充填する場合、同種のものでもよいし、異種のものでもよい。また、気液両冷媒を充填する場合、低温側に液体冷媒が充填される液体冷媒領域を設け、この液体冷媒領域よりも常温側に気体冷媒が充填される気体冷媒領域を設けるとよい。冷媒槽及び後述する真空槽は、強度に優れるステンレスなどの金属により形成するとよい。

本発明低温容器では、冷媒槽の外周面と真空槽の内周面とで囲まれる空間において、真空引き後に真空状態を維持したままブッシングの挿通が可能な構成を具える。具体的には、本発明低温容器は、真空槽内の空間においてブッシングが挿通される箇所に、真空状態を保持しながらブッシングの挿通が可能な第一真空部を具える。本発明低温容器は、上記第一真空部を具えることで、予め工場などで冷媒槽及び真空槽を組み立てておき、布設現場にてブッシングと超電導部との接続作業を行うことができる。また、ブッシングと超電導部との接続作業を冷媒槽内で行う場合、冷媒槽及び真空槽には、ハンドホール部を設けておくと共に、ハンドホール部を開いた際、第一真空部の真空状態が保持されるような構成とすることが好ましい。具体的には、冷媒槽、特に、接続部が配置される本体部に開閉自在な冷媒槽ハンドホール部を設け、真空槽においてこの冷媒槽ハンドホール部に対応した位置に開閉自在な真空槽ハンドホール部を設ける。そして、ハンドホール部の開閉に関わらず、上記第一真空部の真空状態が維持できるように、真空槽内を区画することが好ましい。具体的には、真空槽と冷媒槽とを連結する筒状の区画壁を設け、上記真空槽ハンドホール部の開口部の外方にこの区画壁の一方(真空槽側)の開口部が位置し、上記冷媒槽ハンドホール部の開口部の外方にこの区画壁の他方(冷媒槽側)の開口部が位置するように区画壁を真空槽及び冷媒槽に固定することが挙げられる。この構成により、ハンドホール部の開口部を開く際、第一真空部の真空が破壊されることがない。そして、この区画壁の内周面と、真空槽ハンドホール部の外面と、冷媒槽ハンドホール部の内面とで囲まれる領域を第二真空部とするとよい。この第二真空部は、冷媒槽内で接続作業などを行う前に真空引きしておくと、真空槽ハンドホール部を開くことで真空が破壊されるが、第二真空部の分だけ真空引きを行えばよく、第一真空部は、工場などで予め真空引きされた高真空状態をほぼ維持することができる。更に、本発明低温容器は、ハンドホール部を具えることで、布設現場において超電導部とブッシングとの接続作業を容易に行うことができるため、本発明低温容器を搬送する際、ブッシングを冷媒槽や真空槽に固定しておく必要がなく、高さに関する制限を緩和することができる。

冷媒槽ハンドホール部は、冷媒槽に設けた開口部と、この開口部を気密に保持可能で開閉自在な蓋部とを具える構成が挙げられる。真空槽ハンドホール部としては、真空槽において冷媒槽ハンドホール部に対応する位置に設けた開口部と、この開口部を気密に保持可能で開閉自在な蓋部とを具える構成が挙げられる。そして、上記筒状の区画壁の一方の開口部が冷媒槽の開口部の外方に位置し、同区画壁の他方の開口部が真空槽の開口部の外方に位置するように区画壁を冷媒槽と真空槽とに固定する。このとき、区画壁は、冷媒槽に接続されることで、冷媒槽に冷媒が充填されると、この冷媒により冷却されて熱収縮が生じる。この熱収縮による冷媒槽や真空槽などの破損を防止するべく、区画壁には、熱収縮を吸収可能な機構を具えることが好ましい。具体的には、区画壁の少なくとも一部を可撓性を有するベローズ管などにより構成することが挙げられる。

上記冷媒槽の外周には、冷媒槽を覆うように真空槽を具える。そして、この真空槽内の空間は、連続した一体の空間とするのではなく、上記のように独立した複数の空間に区画し、複数の真空部を具える構成としてもよい。具体的には、ブッシングの構成要素を低温容器の構成要素としない第一真空部の他に、ハンドホール部を覆うように設ける第二真空部を具えてもよい。この構成により、冷媒槽や真空槽が組み立てられて真空引きを行った状態でブッシングの配置や接続部の形成などといった作業が行うことができ、布設現場での真空処理をより短縮することができる。

真空槽は、内部を所定の真空度に真空引きするだけでもよいが、同真空引きと共に、スーパーインシュレーション(商品名)などの断熱材を配置して断熱層を形成し、この断熱材により輻射熱の反射が行なわれるように構成してもよい。第二真空部では、冷媒槽内に接続部を形成した後、冷媒槽ハンドホール部の開口部を蓋部で閉じてから真空引きを行ったり、断熱材の配置を行うとよい。

更に、真空槽には、冷媒槽を真空槽に支持可能な支持機構を有しておくと、搬送や布設の際などでの振動による破損を防止することができる。この支持機構として、例えば、真空槽と冷媒槽との間を連結するように支持部材を固定させる構成の場合、この支持部材を介して冷媒槽側に熱伝導が行われる恐れがある。そこで、真空槽と冷媒槽とに固定させるような支持部材を設ける場合、支持部材は、熱伝導性が低い材料、例えば、FRPなどの樹脂などにて形成することが好ましい。或いは、支持機構として、搬送や布設の際に真空槽と冷媒槽とを連結するように配置することができ、超電導機器を使用中に冷媒槽から切り離すことができる構成のものを利用すると、支持機構を介した冷媒槽側への熱伝導を防止することができてより好ましい。このような支持機構の具体的な構成としては、真空槽を形成する壁部に進退可能に貫通配置される軸部と、この軸部に接続され、軸部の進退移動に伴い、冷媒槽に接触可能及び冷媒槽から取り外し可能な当接部を具えるものが挙げられる。このとき、真空槽には、第一、第二真空部と異なる空間に区画された第三真空部を具えておき、この第三真空部は、軸部の移動に伴って第一真空部や第二真空部の真空が破られないように具えることが好適である。このような第三真空部を具えることで、軸部は、第一真空部や第二真空部の真空状態を保持したまま冷媒槽に当接部を近接離反させることができながら、支持機構を介した冷媒槽側への熱伝導を防止することができる。第三真空部は、冷媒槽と真空槽とを連結するように区画壁を設け、冷媒槽、真空槽、区画壁で囲まれる空間としてもよいし、有底の可撓性容器を真空槽に固定し、この容器内の空間としてもよい。後者の場合、真空槽を形成する壁部に軸部を貫通させ、第三真空部を形成する容器内に軸部を挿入してこの容器の底部に軸部を固定し、底部を当接部としてもよいし、底部に軸部を固定せず、底部を貫通させて軸部の端部を突出させ、軸部の貫通部分を底部に気密に固定し、底部から突出させた軸部の端部に別途当接部を設けてもよい。そして、軸部を移動させる際、可撓性容器を変形させる構成とするとよい。この進退移動可能な当接部を有する支持機構は、上記のように超電導機器を使用中に当接部が冷媒槽に非接触となるようにしてもよいが、使用中においても地震対策などを考慮して冷媒槽をより安定させて保持したい場合、当接部を冷媒槽に接触させた状態としてもよい。このとき、当接部において少なくとも冷媒槽に接する面を熱伝導性の低い材料、例えば、FRPなどで形成すると、支持機構を介した冷媒槽側への熱伝導を低減することができる。当接部及び軸部のいずれも熱伝導性の低い材料で形成することがより好ましい。なお、第三真空部は、第一真空部と同程度の真空度となるように真空引きを行ってもよいし、第一真空部よりも低真空度に真空引きを行ってもよい。また、第三真空部は、軸部の移動により第三真空部の真空状態が破壊されないように、即ち、真空引きした状態が維持されるように、真空槽に対して軸部を気密に配置することが好ましい。

上記構成を具える本発明低温容器は、特に、超電導ケーブルの終端接続箱として好適に利用できる。即ち、本発明超電導ケーブルの端末構造は、低温側に配される超電導ケーブルの端部と、低温側と常温側との間で電力の出入力を行うブッシングと、上記超電導ケーブルの端部とブッシングとを接続する接続部と、この接続部が収納される終端接続箱とを具える。そして、終端接続箱として、上記第一真空部を有する低温容器を用いる。

本発明低温容器は、真空槽にブッシングの有無によらず真空状態が維持される真空部を具えることで、予め工場などで高真空に真空引きを行うことができ、布設現場での作業性を向上する。また、第一真空部は、搬送する際、冷媒槽や真空槽にブッシングを固定していなくても真空状態が維持されるため、ブッシングを取り付けていない状態で本発明低温容器を搬送することができ、高さ制限などといった搬送時の不具合を低減する。特に、冷媒槽及び真空槽にハンドホール部を設けると共に、第一真空部から隔離するように第二真空部を設けることで、第一真空部の真空状態を維持しながら、第二真空部を介して布設現場においてブッシングと超電導部との接続作業などが容易に行うことができる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。
＜構成＞
図1〜3は、本発明超電導ケーブルの端末構造の概略構成を示すものであり、図1は、端末構造全体を示す部分切欠図、図2は、1心のケーブルコア近傍の部分断面図、図3は、ブッシング部分を拡大して示す断面図である。この端末構造は、常温側と超電導ケーブル1の端部が配される低温側との間で、ブッシング10を介して電力の出入力を行うものである。具体的には、超電導ケーブル1の端部と、ケーブル1に有する超電導導体51に接続されて低温側と常温側との間で電気的導通をとるブッシング10と、ケーブル1の端部とブッシング10とを接続する接続部2と、接続部2が収納される終端接続箱(低温容器)3とを具える。終端接続箱3は、ブッシング10の一端(低温側端部)及び接続部2が収納され、これらを冷却する冷媒が充填される冷媒槽20と、この冷媒槽20の外周を覆うように配置される真空槽30とを具える。真空槽30の常温側には、碍管40が突設され、内部にブッシング10の他端(常温側端部)が収納される。そして、この端末構造の最も特徴とするところは、真空槽30内の空間が複数の異なる空間に区画されており、ブッシング10の有無に係わらず、真空状態が保持可能な真空部(第一真空部31),後述する第二真空部32,第三真空部33を有する点にある。以下、各構成を詳しく説明する。

本例で用いた超電導ケーブル1は、3本のケーブルコア50を撚り合わせたものを断熱管内に収納した三心ケーブルである。各コア50は、中心から順にフォーマ、超電導導体(第一超電導層)51、電気絶縁層、第二超電導層、保護層を具える。断熱管は、冷媒(本例では液体窒素)が充填される内管と、その外周を覆うように配置される外管とからなる二重構造であり、内管と外管との間が所定の真空度に真空引きされたものである。各コア50は、端部においてそれぞれ段剥ぎして超電導導体51が露出され、接続スリーブ52aを介して銅製の接続導体52が接続され、この接続導体52を冷媒槽20に導入させている。露出させた超電導導体51、接続スリーブ52a、接続導体52の外周には、補強絶縁層53を設けている。また、接続導体52の一部の外周には、エポキシユニット54を配置し、エポキシユニット54に有するフランジ54aを冷媒槽20に固定させることで、超電導導体51の位置を固定している。これらコア50の端部、補助絶縁層53、エポキシユニット54の一部は、冷媒(本例では液体窒素)が充填される接続用冷媒槽55に収納される。接続用冷媒槽55の外周を覆うように接続用真空槽56が配置される。接続用冷媒槽55と接続用真空槽56との間は、断熱材が配置され、所定の真空度に真空引きされた断熱層が形成される。なお、図2では1心のコアのみ示しているが、残り2心も同様に接続処理が施され、図1に示すように接続用冷媒槽55,接続用真空槽56に収納され、接続部2が冷媒槽20に収納される。

本例で用いたブッシング10は、超電導導体51と電気的導通をとることが可能な導体部11と、導体部11の外周に被覆される固体絶縁層12とを具える。超電導導体51(本例では接続導体52を仲介して)とブッシング10の導体部11とは、接続部2を介して接続する。導体部11は、液体窒素の温度近傍において電気的抵抗が小さい銅からなるものを用いた。固体絶縁層12は、電気絶縁性に優れるFRPにて形成した。このブッシング10の中間部の外周には、ブッシング10を冷媒槽20に固定するためのフランジ13を設けており、フランジ13の一面が冷媒槽側に、他面が碍管40側に配置され、真空槽30内には配置されない。この配置により、フランジ13は、冷媒槽20の常温側を封止する封止部材として機能すると共に、低温側の冷媒槽20と常温側の碍管40との境界となる。超電導導体51とブッシング10の低温側端部とが接続される接続部2には、シールド構造を具え(図示せず)、ブッシング10の常温側端部には、銅製の上部シールド14(図3参照)を設けている。

本例において冷媒槽20は、ブッシング10の低温側端部、接続部2、接続導体52の一部が収納される本体部21と、ブッシング10が挿通配置される管状部22とを具える(いずれもステンレス製)。本体部21は、ブッシング10の低温側端部、接続部2、接続導体52の一部を収納可能な大きさを有する容器であり、内部に液体窒素が充填される。また、本体部21には、液体窒素を冷却するための冷凍機が接続されたり、循環冷却を行う際、液体窒素の供給配管及び排出配管が接続される(いずれも図示せず)。管状部22は、ブッシング10を挿通配置可能な大きさを有する筒状であり、低温側をフラット管にて形成し、常温側の一部をベローズ管にて形成している。この管状部22には、低温側(フラット管)に液体窒素、常温側(フラット管の一部、ベローズ管、ベローズ管より上方)に窒素ガスが充填され、加圧装置などを配置することなく気液両冷媒の境界がフラット管内の空間に存在するように管状部22の大きさを調整している。管状部22の一部をベローズ管で形成することで、冷媒が充填されてこの冷媒により冷却されて冷媒槽20に熱収縮が生じた際、ベローズ管が変形することでこの収縮を吸収することができる。また、本例では、ベローズ管内に窒素ガスを充填させていることで、ベローズ管は、変形しやすい。更に、管状部22を気液両冷媒を充填させる構成とすることで、低温側と常温側との間において温度勾配を十分にとることができる。管状部22の常温側端部には、ブッシング10のフランジ13を固定するためのフランジ23を具える。このフランジ23は、後述する真空槽30への固定部材としても利用される。

本体部21において接続導体52が導入される箇所は、エポキシユニット54の挿通孔を有するフランジ57を配置する。即ち、エポキシユニット54及びフランジ57は、冷媒槽20の低温側を封止する封止部材として機能する。また、フランジ57は、同時に真空槽30を封止する封止部材としても機能する。

更に、本例では、本体部21に、冷媒槽ハンドホール部24を具える。図4(A)は、ハンドホール部の部分拡大断面図、(B)は、支持機構の部分拡大断面図である。このハンドホール部24は、冷媒槽20の本体部21に設けられた開口部25と、この開口部25を気密に封止することができ、開閉自在な蓋部26とを具える構成である。即ち、冷媒槽20は、ブッシング10のフランジ13(図3参照)がフランジ23(同)に固定され、かつエポキシユニット54(図2参照)及びフランジ57(同)が冷媒槽20の低温側開口部に固定された後でも、蓋部26を開くことで冷媒槽20の内部を開放することができ、蓋部26を閉じることで、密閉することができる。

真空槽30には、冷媒槽ハンドホール部24に対応した箇所に真空槽ハンドホール部34を具える。このハンドホール部34は、真空槽30に設けられた開口部35と、この開口部35を気密に封止することができ、開閉自在な蓋部36とを具える構成である。そして、蓋部36を開いた際、真空槽30の大部分(後述する第一真空部31)が真空状態を維持できる構成としている。具体的には、冷媒槽20においてハンドホール部24と真空槽30においてハンドホール部34とを連結するように筒状の区画壁38を設け、区画壁38の外周側の空間と、区画壁38の内周側の空間を区画している。具体的には、冷媒槽20の開口部25よりも外方(外周)に区画壁38の一方(冷媒槽側)の開口部が位置し、真空槽30の開口部35よりも外方(外周)に区画壁38の他方(真空槽側)の開口部が位置するように区画壁38を冷媒槽20の外周面、真空槽30の内周面に固定させている。この構成により、第一真空部31の真空状態を維持しながら、蓋部26,36の開閉を行うことができる。本例において区画壁38は、可撓性を有するベローズ管38aと、フラット管38bとを直列的に接続させて形成しており、ベローズ管38aの一端側を真空槽30の内面に固定し、フラット管の一端側を冷媒槽20の外面に固定している。このベローズ管38aが変形することで、冷媒にて冷却されて冷媒槽20に熱収縮が生じた際、収縮を吸収できる。

上記冷媒槽20の外周を覆うように真空槽30が配置される。この真空槽30内の空間は、連続した一つの空間とするのではなく、複数の異なる空間に区画している。具体的には、図2に示すように第一真空部31、第二真空部32、第三真空部33といった複数の空間に区画されている。

第一真空部31は、ブッシング10の外周及び冷媒槽20の下方側に設けられ、真空槽30内の空間の大部分を占める空間である。具体的には、冷媒槽20のフランジ部23の内面、管状部22の外周面、本体部21の外周面、区画壁38(図4参照)の外周面、及び真空槽30の内周面で囲まれる空間である。即ち、第一真空部31は、その構成要素にブッシング10の構成要素を含まない。この構成により第一真空部31は、ブッシング10の有無にかかわらず、真空状態が維持される。

第二真空部32は、図4に示すように接続部2を形成する際などに利用されるハンドホール部24,34近傍に設けられる空間であり、第一真空部31の真空状態を維持しながら、冷媒槽20の開放を可能にする空間である。具体的には、冷媒槽20の蓋部26の外面、区画壁38の内周面、真空槽30の蓋部36の内面で囲まれる空間である。このように真空部31と独立した空間を有する第二真空部32を設けることで、蓋部26,36の開閉によらず、第一真空部31は、真空状態を維持することができる。

ここで、本例に示す端末構造では、輸送の際などで冷媒槽20が真空槽30内で振動したりすることで、冷媒槽20や冷媒槽支持機構67(後述)が破壊されることを防止するべく、支持機構60を設けている。支持機構60は、図4(B)に示すように冷媒槽20の本体部21に接触可能な当接部61と、この当接部61を冷媒槽20に近接、冷媒槽20から離反させることが可能な軸部62とを具える。軸部62は、一部の外周にネジを設け、真空槽30にネジ結合させている。真空槽30には、この軸部62に設けたネジがネジ結合されるネジ孔部を具える。そして、軸部62のネジを締め付けたり、緩めたりすると、軸部62が進退することで、冷媒槽20に対して当接部61を近接離反させる。このとき、当接部61の移動に伴い、真空槽30に設けたネジ孔部から第一真空部の真空状態が破られる恐れがある。そこで、本例では、真空槽30の内周面において軸部62を挿通配置させる箇所に有底のベローズ管63を固定し、ベローズ管63の内周面、底部64の内面、真空槽30の内周面で囲まれる空間を第三真空部33として具える。この第三真空部33は、第一真空部31と異なる空間を有する。そして、ベローズ管63の底部64から軸部62の端部が突出するように軸部62を配置し、この軸部62の端部に当接部61を設けている。即ち、支持機構60においてネジが設けられた軸部62の一端は、真空槽30のネジ孔部にネジ結合され、軸部62の中間は、真空槽30を貫通してベローズ管63内に挿通配置され、軸部の他端は、ベローズ管63の底部64を貫通し、軸部62においてこの貫通部分が底部64に気密に固定され、底部64から突出された軸部62の端部に当接部61を具える。従って、当接部61は、第一真空部31に配置される。そして、軸部62の進退移動に伴いベローズ管63を変形させて、当接部61を冷媒槽20に対して近接離反させる。このような第三真空部33を設けることで、第一真空部31の真空状態、及び第二真空部32の真空状態を維持しながら、当接部61の移動を可能にする。また、第三真空部33は、当接部61の移動状態によらず、真空状態が維持されるように真空引きされていることが好ましい。なお、冷媒槽20の外周に断熱材を配置する場合、当接部61を冷媒槽20に接触させることで、断熱材層を破壊する恐れがある。そこで、図4(C)に示すように冷媒槽20に当接部61の当たり部65を設けておき、この当たり部65を除く箇所に断熱材層66を設けてもよい。これら支持機構60や当たり部65は、強度に優れると共に熱伝導性が低いFRPといった材料にて形成することが好ましい。

＜組み立て手順＞
次に、このような端末構造の組み立て手順を説明する。まず、工場などにおいて終端接続箱3の組み立てを行う。最初に冷媒槽20を組み立てる。具体的には、冷媒槽20の本体部21の構成部材に管状部22の構成部材を組み付ける。また、ハンドホール部24の開口部25に蓋部26を固定する。従って、冷媒槽20を組み立てた状態では、冷媒槽20においてブッシング10が挿通配置される常温側、及び接続導体52やエポキシユニットが挿通配置される低温側が開放された状態である。なお、組み付けには、ボルトなどの締付部材を適宜用いるとよい。以下の手順においても同様である。

冷媒槽20を組み立て後、必要に応じて、冷媒槽20の外周に断熱材を配置する。そして、冷媒槽20の外周を覆うように真空槽30を組み立てる。具体的には、冷媒槽20に設けられたハンドホール部24の開口部25の外方に区画壁38を組み付ける。また、冷媒槽20の本体部21の下方側を覆うように真空槽30の構成部材30dを配置し、本体部21の上方側を覆うように真空槽30の構成部材30mを配置する。この真空槽30において超電導ケーブル側に配置される箇所(図2において右側)には、冷媒槽20の外周を覆うようにベローズ管を接続させる。このベローズ管の開口部には、フランジ57を固定させ、真空槽30において超電導ケーブルが接続される低温側を封止する。なお、上記真空槽30にベローズ管を設けることで、冷媒槽20に冷媒が充填されて冷媒槽20が熱収縮を生じた際、このベローズ管が変形して収縮を吸収することで冷媒槽20の破壊などといった不具合を防止できる。また、真空槽30を形成する部材30mの一部は、図4(A)に示すように区画壁38の外周を覆うように配置し、部材30mに設けられた開口部35が区画壁38の開口部の内方に位置するように区画壁38を部材30mに固定させる。開口部35には、蓋部36を固定しておく。蓋部36の固定により第二真空部32となる空間が形成される。

構成部材30mの上方(常温側)には、冷媒槽20の管状部22の外周を覆うように構成部材30uを組み付ける。構成部材30uの常温側端部には、冷媒槽20のフランジ23を固定する固定部30aを有しており、この固定部30aとフランジ23とを固定することで、真空槽30の常温側を封止して、第一真空部31となる空間が形成される。固定部とフランジ23との間にはシール部材を配置して、第一真空部31が気密に保持されるようにすることが好ましい。

なお、支持機構60を具える場合、有底のベローズ管63の底部64に軸部62を挿通して気密に固定し、ベローズ管63の開口部を構成部材30dに溶接などにて固定させておく。この固定により、第三真空部33となる空間が形成される。また、構成部材30dにおいて軸部62を挿通させる箇所には、ネジ部を設けておく。この支持機構60以外にも、冷媒槽20の支持機構67を具えてもよい。この支持機構67は、図2に示すように真空槽30に対して冷媒槽20を吊り下げて支持する形式のもので、支持機構60と異なり、冷媒槽20と真空槽30との間を常に連結させた状態とする構成である。従って、支持機構67は、熱伝導性が低いFRPといった材料にて形成することが好ましい。

真空槽30の組み立て後、真空槽30の第一真空部31、第二真空部32、第三真空部33を所定の真空度に真空引きする。特に、少なくとも第一真空部31は、高真空に真空引きしておく。このとき、冷媒槽20内などには、超電導ケーブルなどが収納されていないため、高温でのベーキングが可能であり、真空処理時間の短縮化を図ることができる。なお、第二真空部32は、ハンドホール部24,35を開く際に真空が破られるため、ある程度低真空でもよい。また、この構造では、第一真空部31が真空断熱層の大部分を占めるため、第一真空部31が高真空であれば、第三真空部33の真空度はある程度低くてもよい。そして、少なくとも第一真空部31が真空引きされた状態の終端接続箱3を布設現場などに搬送する。

本例に示す終端接続箱3は、搬送する際、支持機構60,67を具えることで、搬送に伴う振動により冷媒槽20などが破損するなどの不具合を防止することができる。また、この終端接続箱3は、ブッシング10を冷媒槽20、真空槽30に固定させなくても第一真空部31の真空状態が維持できるため、搬送の際、ブッシング10を固定させる必要がない。従って、高さ制限などといった搬送の際の規制が緩和される。

布設現場などに搬送された終端接続箱3において冷媒槽20の常温側の開口部からブッシング10を挿通配置し、ブッシング10に具えるフランジ13を冷媒槽20のフランジ23に固定する。フランジ13,20間にもシール部材などを配置して、冷媒槽20、碍管40が気密に保持されるようにすることが好ましい。一方、超電導ケーブルの端部を段剥ぎして超電導導体51と接続導体52とを接続スリーブ52aにて接続した後、接続導体52の外周にエポキシユニット54を配置し、接続導体52をフランジ57の挿通孔に挿通させて、エポキシユニット54をフランジ57に固定する。そして、ハンドホール部34,24を空けて、接続導体52とブッシング10とを接続させるなどの接続処理や、補強絶縁層53を形成するなどの処理を行う。これらの処理が終わったら、冷媒槽ハンドホール部24の蓋部26及び真空槽ハンドホール部34の蓋部36で開口部25,35を閉じて、第二真空部32の真空引きを行う。

このように終端接続箱3を利用すると、従来のように接続処理などを行った後に冷媒槽20や真空槽30を構築するのではなく、予め終端接続箱30を構築しておいてから接続処理などを行うことができる。また、接続処理などの処理を行うにあたり、第一真空部31は真空状態を維持したままとすることができ、処理後、第二真空部32のみを真空引きすればよく、布設現場での真空処理作業の負担を軽減することができる。

超電導導体51や接続スリーブ52aの外周にも補強絶縁層53を設け、接続用冷媒槽55をフランジ57に固定し、その外周に接続用真空槽56を真空槽30に固定して、接続用真空槽56内も所定の真空度に真空引きを行う。ブッシング10の常温側の外周には、碍管40を配置する。そして、冷媒槽20に液体窒素及び窒素ガスを充填し、接続用冷媒槽55に液体窒素を充填し、碍管40にSF₆もしくは絶縁油を充填することで、超電導ケーブルの端末構造が完成する。

なお、支持機構60を具える場合、所定の位置に終端接続箱3を配置させたら、軸部62を緩めて当接部61を冷媒槽20から離すとよい。また、終端接続箱3は、超電導ケーブル1が熱収縮する際、この収縮に伴って移動できるように図1に示すように台車70などに搭載させてもよい。

また、本例では、本発明低温容器を超電導ケーブルの終端接続箱として利用する場合を説明したが、本発明低温容器は、超電導変圧器、超電導限流器、超電導電力貯蔵装置の超電導部を収納する容器としても利用することができる。

本発明低温容器は、超電導機器において低温側と常温側との間を接続する接続要素の収納に好適に利用することができる。特に、本発明低温容器は、超電導ケーブルの終端接続箱に適する。また、本発明超電導ケーブルの端末構造は、超電導ケーブルの終端部に好適に利用できる。この端末構造は、直流送電、交流送電のいずれにも適用することができる。

本発明超電導ケーブルの端末構造全体の概略構成を示す部分切欠図である。 本発明超電導ケーブルの端末構造において、1心のケーブルコア近傍の概略構成を示す部分断面図である。 本発明超電導ケーブルの端末構造において、ブッシング部分の概略構成を示す拡大断面図である。 本発明超電導ケーブルの端末構造において、(A)は、ハンドホール部近傍の概略構成を示す部分断面図、(B)は、冷媒槽に対して近接離反可能な機構を具える支持機構の概略構成を示す部分断面図、(C)は、同支持機構において冷媒槽に当たり部を具える場合の概略構成を示す部分断面図である。 従来の超電導ケーブルの端末構造を示す概略構成図である。

符号の説明

1 超電導ケーブル 2 接続部 3 終端接続箱(低温容器)
10 ブッシング 11 導体部 12 固体絶縁層 13 フランジ
14 上部シールド
20 冷媒槽 21 本体部 22 管状部 23 フランジ
24 冷媒槽ハンドホール部 25 開口部 26 蓋部
30 真空槽 30a 固定部 30d,30m,30u 真空槽の構成部材 31 第一真空部
32 第二真空部 33 第三真空部 34 真空槽ハンドホール部 35 開口部
36 蓋部
38 区画壁 38a ベローズ管 38b フラット管
40 碍管
50 ケーブルコア 51 超電導導体 52 接続導体 52a 接続スリーブ
53 補強絶縁層 54 エポキシユニット 54a フランジ 55 接続用冷媒槽
56 接続用真空槽 57 フランジ
60,67 支持機構 61 当接部 62 軸部 63 ベローズ管 64 底部
65 当たり部 66 断熱材層
70 台車
100 ケーブルコア 100a 超電導導体 101 ブッシング 101a 導体部
101b 固体絶縁層 101c,101d フランジ 102 冷媒槽 103 真空槽
103a 中間真空部 103b 外側真空部 104 碍管
110 接続部 120 接続導体

Claims (8)

1. 低温側に配される超電導部の端部と、この超電導部に接続されて低温側と常温側との間で電力の出入力を行うブッシングとの接続部を収納する超電導機器の低温容器であって、
   前記ブッシングの低温側端部と接続部とが収納され、これらを冷却する冷媒が充填される冷媒槽と、
   この冷媒槽の外周を覆うように配置される真空槽とを具え、
   前記真空槽は、ブッシングの有無に係わらず、真空状態を保持可能な第一真空部を具えることを特徴とする超電導機器の低温容器。
2. 冷媒槽には、開閉自在な冷媒槽ハンドホール部を有しており、
   真空槽には、前記冷媒槽ハンドホール部に対応した位置に開閉自在な真空槽ハンドホール部を有しており、
   更に、真空槽には、これらハンドホール部間を連結する区画壁と、前記両ハンドホール部で囲まれる第二真空部を具えることを特徴とする請求項1に記載の超電導機器の低温容器。
3. 区画壁には、冷媒槽が冷媒によって熱収縮する際の収縮を吸収する収縮吸収機構を具えることを特徴とする請求項2記載の超電導機器の低温容器。
4. 真空槽には、冷媒槽を支持可能な支持機構を有しており、
   この支持機構は、真空槽の表裏を貫通して配置される軸部と、この軸部に接続されると共に、軸部の移動に伴い冷媒槽に接触可能及び冷媒槽から取り外し可能な当接部とを具え、
   更に、真空槽には、当接部の移動状態に係わらず、真空状態を保持可能な第三真空部を具えることを特徴とする請求項1又は2に記載の超電導機器の低温容器。
5. 超電導機器は、超電導ケーブル、超電導変圧器、超電導限流器、超電導電力貯蔵装置のいずれかであることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の超電導機器の低温容器。
6. 低温側に配される超電導ケーブルの端部と、
   低温側と常温側との間で電力の出入力を行うブッシングと、
   前記超電導ケーブルの端部とブッシングとを接続する接続部と、
   前記接続部が収納される終端接続箱とを具え、
   前記終端接続箱が請求項1〜4のいずれかに記載の低温容器であることを特徴とする超電導ケーブルの端末構造。
7. 超電導ケーブルは、単心ケーブル又は多心ケーブルであることを特徴とする請求項6に記載の超電導ケーブルの端末構造。
8. 超電導ケーブルは、直流送電用ケーブル又は交流送電用ケーブルであることを特徴とする請求項6又は7に記載の超電導ケーブルの端末構造。

Images