(57)【要約】【課題】冷却の際の、ケーブル芯の長さ変化に対するクライオスタットの長さ変化の差に対する代替的な補償を達成する超伝導体ケーブルを提供する。【解決手段】本発明は、２個の同心状の金属管（４，５）を備えたクライオスタット（３）を示し、前記クライオスタットが、第１の軸方向のばね定数を備えた少なくとも一つの第１の軸方向部分（７）と、前記第１の軸方向部分の前記軸方向のばね定数の最大２０％、より好ましくは最大１０％の値である第２の軸方向のばね定数を示す少なくとも一つの第２の軸方向部分（８）と、を示すことを特徴とする超伝導体ケーブルに関する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外側の波形をつけた管（４）及び同心状の内側の波形をつけた管（５）と、それらの間に配置された断熱部（６）とを示すクライオスタット（３）と、前記クライオスタット（３）の長手方向に、前記内側の波形をつけた管（５）内に配置され、それぞれ前記クライオスタット（３）の端部に固定されたケーブル芯（２）と、を備えた超伝導体ケーブルであって、
前記クライオスタット（３）は、第１の軸方向部分（７）において、軸方向に第１の特有のばね定数を示し、第２の軸方向部分（８）において、軸方向に、前記第１の特有のばね定数の最大２０％の値である第２の特有のばね定数を示す超伝導体ケーブル。
【請求項２】
前記クライオスタット（３）の前記第２の軸方向部分（８）は、前記第１の軸方向部分（７）の軸方向長さの最大１０％である請求項１に記載の超伝導体ケーブル。
【請求項３】
前記ケーブル芯は、周囲温度において、前記クライオスタットに対して過剰の長さを示す請求項１または２に記載の超伝導体ケーブル。
【請求項４】
前記クライオスタット（３）の前記外側の波形をつけた管（４）及び前記同心状の内側の波形をつけた管（５）は、前記第１の軸方向部分（７）においてらせん状の波形を示し、前記第２の軸方向部分（８）において環状の波形を示す請求項１から３のいずれかに記載の超伝導体ケーブル。
【請求項５】
前記クライオスタット（３）の前記外側の波形をつけた管（４）及び前記同心状の内側の波形をつけた管（５）は、前記第２の軸方向部分（８）において前記第１の軸方向部分（７）よりも大きな波の深さを示す請求項１から４のいずれかに記載の超伝導体ケーブル。
【請求項６】
前記クライオスタット（３）の前記外側の波形をつけた管（４）及び前記同心状の内側の波形をつけた管（５）は、前記第２の軸方向部分（８）において前記第１の軸方向部分（７）よりも長さ区間あたり大きな波の数を示す請求項１から５のいずれかに記載の超伝導体ケーブル。
【請求項７】
前記クライオスタット（３）の前記外側の波形をつけた管（４）及び前記同心状の内側の波形をつけた管（５）は、前記第２の軸方向部分（８）において前記第１の軸方向部分（７）よりも小さな厚さを示す請求項１から６のいずれかに記載の超伝導体ケーブル。
【請求項８】
前記クライオスタット（３）の前記外側の波形をつけた管（４）及び前記同心状の内側の波形をつけた管（５）は、前記第２の軸方向部分（８）において前記第１の軸方向部分（７）の金属よりも小さな弾性係数を備えた金属から構成される請求項１から７のいずれかに記載の超伝導体ケーブル。
【請求項９】
前記第１の軸方向部分（７）及び前記第２の軸方向部分（８）の前記同心状の内側の波形をつけた管（５）及び前記外側の波形をつけた管（４）は、それぞれ、正面で互いに固く結合され、その間に通り抜けることのできる中間空間を形成する請求項１から８のいずれかに記載の超伝導体ケーブル。
【請求項１０】
前記第１の軸方向部分（７）が前記第２の軸方向部分（８）に隣接する、前記クライオスタット（３）の軸方向部分において、内側の波形をつけた管（５）及び外側の波形をつけた管（４）の間に、内側及び外側の波形をつけた管（５，４）の間の間隔にわたって広がる壁（９，９’）が配置されている請求項１から９のいずれかに記載の超伝導体ケーブル。
【請求項１１】
前記クライオスタット（３）の前記内側の波形をつけた管（５）及び前記外側の波形をつけた管（４）は、等しい厚さを備えた同一の金属から構成されている請求項１から１０のいずれかに記載の超伝導体ケーブル。
【請求項１２】
２個の固定部（１）の間に超伝導体ケーブルによる電気的接続を確立する方法であって、前記固定部の間に、外側の管（４）及び同心状の内側の管（５）と、それらの間に位置している断熱部（６）とを示すクライオスタット（３）内の超伝導体ケーブルと、前記クライオスタット（３）の内側に配置された超伝導性のケーブル芯（２）とを配置し、前記クライオスタット（３）は第１の部分（７）において第１の軸方向の特有のばね定数を示し、第２の部分（８）において、第１の軸方向の特有のばね定数の最大２０％の値である第２の軸方向のばね定数を示し、引き続いて前記クライオスタットに冷媒を満たす方法。
【請求項１３】
前記第２の部分（８）の軸方向の長さが、前記第１の部分（７）の長さの最大１０％の値である請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
２個の固定部（１）の間で周囲温度において超伝導体ケーブルを組み立てた後に、前記クライオスタット（３）に冷媒を満たす請求項１２または１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記ケーブル芯（２）は、周囲温度において前記クライオスタット（３）に対して過剰の長さを示す請求項１２から１４のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、その間の空間を断熱のため真空とした、２個の波形をつけた金属管を備えたクライオスタットの中に、中心部分の周りに少なくとも一つの超伝導相導体を示すケーブル芯が長手方向に配置された超伝導体ケーブルに関する。
【０００２】
該中心部分は、好ましくは銅または金属材料からなり、中実でも中空でもよく、より合わせた個々の導体から構成してもよく、好ましくは、同軸の内部冷却路を示す。
【背景技術】
【０００３】
特許文献１は、クライオスタット内に移動可能に配置されたケーブル芯の長さの差が、通常導体が超伝導ケーブル芯を長手方向に移動可能に取り囲む管状の部品を示すことによって、接続された通常導体に対して調整されることを記載している。
【０００４】
特許文献２は、ケーブル円筒部上にクライオスタットを巻き、クライオスタットに対してケーブル芯が過剰の長さとなるように、最初に巻かれた状態で、ケーブル芯の端部をクライオスタットの端部と結合し、このようにして、冷却の際の、ケーブル芯に対するクライオスタットの異なる収縮反応を補償することができることを記載している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】EP1617537
【特許文献２】EP1480231B1
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、冷却の際の、ケーブル芯の長さ変化に対するクライオスタットの長さ変化の差に対する代替的な補償を達成する超伝導体ケーブルを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、特許請求の範囲に記載された特徴によって、特に、その間に真空、及び好ましくは断熱材料を配置した２個の同心状の金属管を備えたクライオスタットと、該クライオスタットの長軸方向に平行にその中に配置されたケーブル芯であって、好ましくは内側冷却路を有する中心部分の周りの超伝導相導体を示すケーブル芯と、を示す超伝導体ケーブルによって上記の課題を解決する。発明による超伝導体ケーブルは、該クライオスタットが、第１の軸方向ばね定数(Federkonstante)を備えた、少なくとも一つの第１の軸方向部分と、該第１の軸方向部分の軸方向ばね定数の最大２０％、より好ましくは最大１０％の値である第２の軸方向ばね定数を示す、少なくとも一つの第２の軸方向部分と、を示すことを特徴とする。オプションとして、該ケーブル芯は、該クライオスタットの端部にそれぞれ固定される。先行する記載箇所において、「ばね定数」によって、一般的に、該クライオスタットの第１または第２の部分の、長さの単位、特にメータあたりのばね定数を表し、該部分全体のばね定数を表さない。したがって、以下において、該ばね定数は、特有のばね定数とも呼称する。
【０００８】
好ましくは、該クライオスタットの該第２の部分は、該第１の部分の長さの最大１０％、より好ましくは最大５％の長さを有する。
【０００９】
一般的に、クライオスタットの同心状の金属管は波形管であり、該波形管は、環状の、好ましくは、らせん状の、循環する波形を示す。金属管は、鋼、特に特殊鋼からなり、円形状に曲げられた鋼板の、向き合っており、長手方向に平行に走る２個のエッジを溶接することによって製造される。
【００１０】
銅または特殊鋼のような金属材料は、室温から、発明によるケーブルの運転状態において設定される温度である液体窒素の温度までの冷却の際に約０．３％収縮する。したがって、超伝導体ケーブルにおいて、液体窒素を伴う超伝導用の運転状態の温度まで周囲温度を冷却すると、ケーブル芯が約０．３％収縮するのに対して、収縮する（低温の内側の）波形管と収縮しない（外側で常温の）波形管との組み合わせとしてのクライオスタットは、約半分、約０．１５％しか収縮しない。クライオスタットとケーブル芯との間の収縮におけるこの差によって、その中でケーブル芯がクライオスタットの端部に導かれる、または固定される実装、及び／または固定設備は、クライオスタットとケーブル芯との間の相当な機械的荷重を受ける。この応力、または荷重は、発明による超伝導体ケーブルにおいて、はるかに低減される。というのは、クライオスタットの第２の部分の、より小さな軸方向の特有のばね定数は、該荷重の下でより大きく収縮する。オプションとして、及び好ましくは、ケーブル芯は、クライオスタットに対して過剰の長さを示し、好ましくは、クライオスタットは、電気接続の確立方法に際し、室温または周囲温度において、固定部間の過剰の長さ、及び／またはケーブル芯に対する過剰の長さを示す。この実施形態において、冷媒、特に液体窒素を満たすことによって超伝導体の操業温度へ温度調節する際に、ケーブル芯の過剰の長さは低減される。
【００１１】
好ましい実施形態において、超伝導体ケーブルは、末端ごとに、より小さな軸方向の特有のばね定数を備えた第２の部部分を示し、その間に第１の軸方向の特有のばね定数を備えた第１の部分が配置される。超伝導体ケーブルの長さが非常に長く、ケーブル接続箱間のケーブル長さが定められている場合には、好ましい実施形態において、それぞれが、より小さな軸方向の特有のばね定数を備えた第２の部分である、多数の補償部が、ケーブル接続箱の周囲、特にケーブル接続箱の片側または両側に隣接して配置される。
【００１２】
クライオスタットの第２の部分の、より小さな軸方向の特有のばね定数は、クライオスタットの同心状の金属管の各々の第２の軸方向部分における、より深い波形によって、たとえば、第１の部分の波の深さと比較して、少なくとも１０％、好ましくは少なくとも１５乃至２０％大きな波の深さによって、及び／またはより大きな波形の数、たとえば、第１の部分の波数と比較して、少なくとも１０％、好ましくは少なくとも１５乃至２０％大きな、長さ区間あたりの波の数によって、及び／またはより低減された壁の厚さ、特に、第１の部分の壁の厚さと比較して少なくとも１０％、好ましくは少なくとも１５乃至２０％低減された壁の厚さによって実現される。代替的に、または追加的に、第２の部分の金属管は、そのより小さな軸方向の特有のばね定数のために、第１の部分の材料と比較してより小さな弾性係数の材料、たとえば、第１の部分の材料の弾性係数と比較して少なくとも１０％、好ましくは少なくとも１５乃至２０％小さな弾性係数の材料から構成することができる。第１の部分が特殊鋼から構成されるときに、第２の部分の材料として、アルミニウム材料、アルミニウム、銅材料、または銅を使用することができる。第２の部分が他の材料、たとえば、アルミニウム材料、アルミニウム、銅材料、または銅から構成される実施形態において、好ましくは、第１の部分に隣接して、第２の部分の内側及び外側の波形管の間に、第２の部分の金属から構成される内壁が配置される。さらに好ましくは、第２の部分に隣接して、第１の部分の、特殊鋼から形成される内側及び外側の波形管の間に、特殊鋼から形成される内壁が配置され、その結果、クライオスタットの第１及び第２の部分は、これらの接触領域において、末端において、内側及び外側の波形管の間に広がり、それぞれ、クライオスタットの各部分を構成するのと同じ材料から構成される内壁によって覆われる。
【００１３】
好ましくは、第２の部分の、より小さな軸方向の特有のばね定数は、第２の部分の波形が環状（リング状）であること、すなわち、該波形がそれぞれ単発に循環することによって調節され、他方、第１の部分の波形は、らせん状（スパイラル状）であること、すなわち、クライオスタットの長軸の周りに連続して循環する波を示すことによって、より大きな特有のばね定数を示す。オプションとして、第２の部分は、より小さな軸方向の特有のばね定数のために、らせん状の波形をつけた第１の部分よりも、より大きな波の深さ、及び／または長さ区間あたりのより大きな波の数、及び／またはより小さな壁の厚さを示し、及び／またはらせん状の波形をつけた第１の部分よりも、より小さな弾性係数を備えた材料から構成することができる。好ましくは、第２の部分におけるクライオスタットの両方の同心状の金属管は、同一の波の深さ、同一の長さ区間あたりの波の数、同一の壁の厚さ、同一の材料、及び同一の波形の種類、特に環状の波形を示す。
【００１４】
クライオスタットの金属管は、同一組成の鋼から、特に同一の鋼から、好ましくは同一の厚さのものから構成されるのが特に好ましい。より小さな特有のばね定数を備えた部金属管の分（補償部）は、隣接している、または取り囲んでいる第１の部分に溶接される。これらの部分は、設計方法によって、共通の真空の空間を示すか、これらの部分は、クライオスタットの金属管の間で半径方向に配置された壁によって分離され、その結果、いくつかの部分において個々の真空の空間が存在する。
【００１５】
クライオスタットの第１及び第２の部分は、それらの波形金属管を正面でともに溶接することによって、ともに結合することができる。代替的に、第１の部分の金属管は、第２の部分の金属管と一緒に、一体で、長手方向に溶接された波形をつけた金属板から構成することができる。ここで、第２の部分は、第１の部分よりも小さな、軸方向の特有のばね定数を示す。
【００１６】
好ましくは、同心状の波形をつけた２個の金属管は、その間に、環状の断面を備えた通り抜けのできる中間空間を形成する。該中間空間には、真空が隣接し、好ましくは、絶縁材料及びスペーサが配置される。代替的な実施形態において、クライオスタットの第１及び第２の部分は、環状の断面を備えた分離した中間空間をそれぞれ示し、第１及び第２の部分は、１枚の共通の、または２枚の隣接する平行な板に隣接する。板は、中間空間及び同心状の金属管の正面を覆い、または閉ざす。
【００１７】
２個の固定した終点に本発明の超伝導体ケーブルを取り付ける際にクライオスタットの少なくとも一つの第２の部分を、冷却状態で占めるよりも、過剰の長さで、たとえば、より大きな半径で組み立てるのが好ましい。周囲温度で、すなわち、冷媒、特に液体窒素を満たすことによってクライオスタットを冷却する前に、このように組み立てると、冷媒で満たした際に、すなわち、超伝導体ケーブルの運転状態で、クライオスタットとケーブル芯との間の長さの変化の差が補償される。
【００１８】
好ましくは、ケーブル芯は、固定部によってクライオスタットの端部にそれぞれ固定される。このような固定部は、たとえば、クライオスタットの内側断面を覆い、ケーブル芯用の開口部を示してもよい。該開口部において、ケーブル芯は、オプションとして固定される。冷媒を通すための、軸方向に延びる冷却路を示すケーブル芯においては、冷却路は、ケーブル芯用の開口部によってアクセスすることができ、固定部は、オプションとして、ケーブル芯用の開口部のみを示すことができる。好ましくは、ケーブル芯とクライオスタットの間のクライオスタットを通って冷媒が流れ、固定部は、ケーブル芯用の開口部に加えて、冷媒用の開口部を示すこともできる。
【００１９】
本発明は、より詳細に、図に関連して記述される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】発明による超伝導体ケーブルの構造を示す図である。
【図２】発明によるケーブルの一実施形態のクライオスタットの断面を示す図である。
【図３】他の実施形態における発明によるケーブルのクライオスタットの断面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１は、ケーブル芯２をクライオスタット３の端部に固定する固定部１を示す図である。クライオスタット３は、外側の波形をつけた管４及び同心状に配置された内側の波形をつけた管５を示し、それらの間には断熱部６、特に、真空、外側の管４及び内側の管５の間のスペーサ及びオプションの断熱材料が配置される。
【００２２】
クライオスタット３は、第１の軸方向の特有のばね定数を備えた第１の部分７を示す。軸方向に隣接する領域に、クライオスタット３は、第２の軸方向の特有のばね定数を備えた第２の部分８を示す。第２のばね定数は、第１の部分７の軸方向の特有のばね定数の最大２０％、より好ましくは最大１０％の値である。好ましい実施形態によれば、クライオスタット３の第２の部分８は、冷媒を満たす前に、ケーブルを固定する終点間に過剰の長さで配置され、その際に、第２の部分８、及び第２の部分８に配置されるケーブル芯２の軸方向部分のみが、過剰の長さで組み立てられる。固定部１においては、ケーブル芯２が、クライオスタット３に対して固定され、クライオスタット３の内側の管５に冷媒を満たす際にケーブル芯２は、クライオスタット３よりも大きく収縮する。第２の部分８の軸方向の特有のばね定数はより小さいので、クライオスタット３に対するケーブル芯２のより大きな収縮によって生じる荷重は、主に第２の部分８の圧縮となる。第１の部分７に対して、第２の部分８の軸方向の特有のばね定数が小さいので、クライオスタット３の圧縮がより大きくなることができ、クライオスタット３及びケーブル芯２の間の荷重は、同じ長さにわたり画一的に第１の部分７から構成された比較のクライオスタットの場合よりも、全体でより小さくなる。
【００２３】
図２は、２個の第１の部分７の間に１個の第２の部分が配置されたクライオスタット３の断面を示す図である。第１及び第２の部分７、８の外側の管４及び内側の管５は、それらの正面において、たとえば、単体で、または間に存在する溶接結合とともに、互いにしっかり結合される。本実施形態において、クライオスタット３は、第１の部分７及び第２の部分８に加えて、一様、かつ通り抜けできる断熱部６、特に、通り抜けでき、真空化した管４と管５との間の中間空間を形成する。
【００２４】
図３は、１個の第１の部分７が１個の第２の部分８に結合されたクライオスタット３の別の実施形態の断面を示す図である。この実施形態においては、第１の部分７と第２の部分８との間に、外側の管５と内側の管４との間の横断面を閉鎖する壁９が配置される。本実施形態において、第１の部分７も第２の部分８も、外側の管５と内側の管４との間の環状の横断面をそれぞれ覆う、別々の壁９，９’を示してもよい。ここで、第１及び第２の部分の境界をなす壁９，９’は互いに隣接する。本実施形態において、第１の部分７及び第２の部分８の間の壁９，９’は、断熱部６の真空を分離する。
【符号の説明】
【００２５】
１・・・固定部、２・・・ケーブル芯、３・・・クライオスタット、４・・・外側の管、５・・・内側の管、６・・・断熱部、７・・・第１の軸方向部分、８・・・第２の軸方向部分、９，９’・・・壁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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