СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ КАБЕЛЬ
SUPERCONDUCTING CABLE

Область техники, к которой относится изобретение
[0001] Данное изобретение относится к сверхпроводящему кабелю. В частности, изобретение относится к сверхпроводящему кабелю, который не имеет вакуумной теплоизоляционной структуры, или к сверхпроводящему кабелю, который имеет вакуумную теплоизоляционную структуру и который может сохранять параметры теплоизоляции даже при нарушении состояния вакуума.
Уровень техники
[0002] Показанный на фиг.8 сверхпроводящий кабель является обычным сверхпроводящим кабелем. На фиг.8 показано поперечное сечение сверхпроводящего кабеля трехжильного типа, имеющего конструкцию, при которой три жилы 110 расположены внутри теплоизоляционного трубопровода 600.
[0003] Кабельная жила 110 снабжена каркасом 111, сверхпроводящим слоем 112, электроизоляционным слоем 113, экранирующим слоем 114 и защитным слоем 115 в указанном порядке от ее центра. Сверхпроводящий слой 112 образован посредством спиральной намотки на каркас 111 сверхпроводящих проводов в несколько слоев. Обычно сверхпроводящий провод имеет конструкцию лентообразной формы, в которой множество нитей (волокон), состоящих из оксидного сверхпроводникового материала, расположено в матрице, такой как серебряная оболочка. Изоляционный слой 113 образован посредством намотки изоляционной бумаги, такой как полусинтетическая изоляционная бумага. Экранирующий слой 114 образован посредством спиральной намотки сверхпроводящего провода, который аналогичен сверхпроводящему слою 112, на электроизоляционный слой 113. В качестве защитного слоя 115 используется изоляционная бумага или т.п.
[0004] С другой стороны, теплоизоляционный трубопровод 600 имеет такую конструкцию, что между двойным трубопроводом, состоящим из внутреннего трубопровода 610 и наружного трубопровода 620, расположен теплоизоляционный материал (не показан), при этом внутреннее пространство этого двойного трубопровода вакуумировано. Снаружи такого теплоизоляционного трубопровода 600 сформирован антикоррозийный слой 630. Кроме того, пространство, существующее внутри каркаса 111 (в случае, когда каркас полый), и пространство между внутренним трубопроводом 610 и жилами 110 заполнены хладагентом, таким как жидкий азот или т.п., который циркулирует внутри, так что теплоизоляционный трубопровод может находиться в работоспособном состоянии, когда изоляционный слой 113 пропитан хладагентом.
[0005] Патентный документ 1: публикация заявки на патент Японии № 2002-140944 (фиг.2).
Раскрытие изобретения
Проблемы, решаемые изобретением
[0006] Существуют следующие проблемы по отношению к указанному выше сверхпроводящему кабелю.
[0007] 1) Вакуумная теплоизоляционная структура, необходимая для такого сверхпроводящего кабеля, приводит к большим размерам кабеля. Для изготовления вакуумной теплоизоляционной структуры необходимо использовать теплоизоляционный трубопровод, имеющий структуру двойного трубопровода, и вакуумировать пространство между внутренним и наружным трубопроводами этого теплоизоляционного трубопровода. Поэтому толщина теплоизоляционного трубопровода увеличивается, и, в частности, наружный диаметр сверхпроводящего кабеля становится большим по величине. В соответствии с этим повышается стоимость изготовления сверхпроводящего кабеля.
[0008] 2) Поддерживание и управление параметрами вакуума в теплоизоляционном трубопроводе являются сложными. Использование вакуумированного теплоизоляционного трубопровода, имеющего структуру двойного трубопровода, требует поддерживания и управления параметрами вакуума на стадиях изготовления, сооружения и эксплуатации сверхпроводящего кабеля. В частности, когда происходит нарушение параметров вакуума в теплоизоляционном трубопроводе, требуется большое количество времени на то, чтобы снова восстановить заданное состояние вакуума. В зависимости от условий, восстановление заданного состояния вакуума в пределах данного периода времени может оказаться затруднительным, что может приводить к невозможности поддержания температуры хладагента, вызывая отсутствие способности транспортировать электроэнергию.
[0009] Данное изобретение создано с учетом указанной выше ситуации, и главной целью настоящего изобретения является создание сверхпроводящего кабеля, который способен сохранять заданные теплоизоляционные свойства без наличия вакуумной теплоизоляционной структуры.
[0010] Еще одной целью настоящего изобретения является создание сверхпроводящего кабеля, имеющего вакуумную теплоизоляционную структуру и способного сохранять заданные теплоизоляционные свойства даже в том случае, если состояние вакуума нарушается.
Средства для решения поставленных задач
[0011] Данное изобретение обеспечивает достижение вышеуказанных целей посредством использования теплоизоляционного элемента, отличающегося от вакуумной теплоизоляции.
[0012] Сверхпроводящий кабель по изобретению характеризуется тем, что он содержит кабельный узел, теплоизоляционный элемент и уплотнительный элемент, при этом кабельный узел состоит из жилы, которая имеет сверхпроводящий слой и электроизоляционный слой, и окружающего жилу трубопровода, предназначенного для размещения внутри него упомянутой жилы; теплоизоляционный элемент предусмотрен снаружи кабельного узла и поддерживается в невакуумном состоянии; а уплотнительный элемент предотвращает проникновение влаги в теплоизоляционный элемент.
[0013] За счет расположения теплоизоляционного элемента в невакуумном состоянии снаружи кабельного узла можно сохранять заданные теплоизоляционные свойства без использования вакуумной теплоизоляционной структуры. За счет предусмотрения теплоизоляционного элемента с уплотнительным элементом обеспечивается возможность предотвращения проникновения влаги в теплоизоляционный элемент и сохранения его теплоизоляционных свойств.
[0014] Ниже сверхпроводящий кабель по изобретению будет описан более подробно.
[0015] Сверхпроводящий кабель по изобретению имеет кабельный узел, теплоизоляционный элемент, поддерживаемый в невакуумных условиях, и уплотнительный элемент для предотвращения проникновения влаги в теплоизоляционный элемент.
КАБЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ
[0016] Кабельный узел состоит из жилы и окружающего жилу трубопровода, внутри которого заключена эта жила. Жила имеет, по меньшей мере, сверхпроводящий слой и электроизоляционный слой. Обычно жила снабжена каркасом, сверхпроводящим слоем, электроизоляционным слоем, экранирующим слоем и защитным слоем в указанном порядке от центра. Экранирующий слой может также быть выполнен из сверхпроводящего провода.
[0017] Каркас, который используется для сохранения заданной формы сверхпроводящего слоя, может иметь трубчатую форму или же может быть выполнен из скрученных проволок. Подходящим материалом для такого каркаса является, например, немагнитный металлический материал, такой как медь или алюминий. В случае, когда каркас имеет трубчатую форму, внутреннее пространство этого каркаса можно использовать в качестве канала для хладагента.
[0018] Сверхпроводящий слой образован, например, посредством спиральной намотки вокруг каркаса проводов, выполненных из сверхпроводникового материала. Сверхпроводящий провод имеет, например, конструкцию лентовидной формы, в которой множество нитей (волокон), состоящих из оксидного сверхпроводникового материала Bi-2223, расположено в матрице серебряной оболочки. Намотка такого сверхпроводящего провода может быть выполнена либо в один слой, либо в несколько слоев. В случае нескольких слоев может быть предусмотрен промежуточный изоляционный слой. Промежуточный изоляционный слой может быть создан, например, посредством намотки изоляционной бумаги, такой как крафт-бумага, или намотки полусинтетической изоляционной бумаги, такой как PPLP (зарегистрированный товарный знак, изготавливается фирмой Sumitomo Electric Industries, Ltd.).
[0019] Электроизоляционный слой предпочтительно образован посредством намотки изоляционной бумаги, такой как полусинтетическая бумага, например PPLP (зарегистрированный товарный знак, изготавливается фирмой Sumitomo Electric Industries, Ltd.), которая выполнена путем ламинирования (наслаивания) полипропилена и крафт-бумаги или намотки изоляционной бумаги, такой как крафт-бумага. Кроме того, по меньшей мере на одной стороне этого электроизоляционного слоя, т.е. между проводящим слоем и электроизоляционным слоем или же между электроизоляционным слоем и экранирующим слоем, может быть сформирован полупроводниковый слой. За счет формирования внутреннего полупроводникового слоя (т.е. в первом случае) или наружного полупроводникового слоя (т.е. в последнем случае) увеличивается адгезия между проводящим слоем и электроизоляционным слоем или между электроизоляционным слоем и экранирующим слоем и ограничивается ухудшение вследствие возникновения частичного электрического разряда или т.п.
[0020] Кроме того, предпочтительно предусматривать экранирующий слой снаружи электроизоляционного слоя. Экранирующий слой может быть образован электропроводящим материалом и является предпочтительным, чтобы для образования экранирующего слоя вокруг электроизоляционного слоя был намотан сверхпроводящий провод того же типа, что и в случае проводящего слоя. Использование сверхпроводящего провода для выполнения экранирующего слоя дает возможность ограничить протекание электрического тока, имеющего противоположную фазу относительно электрического тока в проводнике, в экранирующий слой и ограничить утечку наружу магнитного поля переменного тока.
[0021] Кроме того, между каркасом и проводящим слоем может быть расположен амортизационный слой. Амортизационный слой исключает непосредственный контакт металлов каркаса и сверхпроводящего провода и, следовательно, предотвращает повреждение сверхпроводящего провода. В частности, когда каркас образован структурой скрученных проволок, амортизационный слой может действовать в качестве средства сглаживания поверхности каркаса. Амортизационный слой может быть предпочтительно выполнен из изоляционной бумаги или угольной бумаги.
[0022] С другой стороны, окружающий жилу трубопровод, который представляет собой трубчатый материал для заключения внутри него жилы, выполняет функцию механической защиты жилы. Например, в качестве окружающего жилу трубопровода может быть использован гофрированный трубопровод, выполненный из нержавеющей стали или алюминия. В принципе, этот окружающий жилу трубопровод не должен в обязательном порядке иметь теплоизоляционные характеристики для поддержания температуры хладагента в кабельном узле, а функцию теплоизоляции выполняет теплоизоляционный элемент, описание которого будет приведено ниже. Другими словами, предпочтительно, окружающий жилу трубопровод не снабжен теплоизоляционным слоем. При такой конструкции наружный диаметр окружающего жилу трубопровода можно уменьшить до практически возможного минимума.
[0023] Однако окружающий жилу трубопровод может выполнять и функцию теплоизоляции. В этом случае не имеет значения, является ли теплоизоляционная структура вакуумной теплоизоляцией или невакуумной теплоизоляцией. Когда для окружающего жилу трубопровода используется вакуумная теплоизоляция, наружный диаметр кабельного узла не может быть уменьшен по сравнению с обычным сверхпроводящим кабелем, однако, это не является недостатком, поскольку, если параметры вакуума ухудшаются, то теплоизоляционные свойства кабельного узла сохраняются независимо с помощью теплоизоляционного элемента, описание которого будет приведено ниже, или с помощью комбинации теплоизоляционных свойств окружающего жилу трубопровода и теплоизоляционных свойств теплоизоляционного элемента. Для уменьшения наружного диаметра кабельной части при применении вакуумной теплоизоляционной структуры в окружающем жилу трубопроводе можно сделать степень разрежения в окружающем жилу трубопроводе более низкой, чем степень разрежения в теплоизоляционном трубопроводе обычного сверхпроводящего кабеля. Кроме того, при применении невакуумной теплоизоляционной структуры в окружающем жилу трубопроводе теплоизоляционные свойства могут быть спроектированы более низкими, чем те теплоизоляционные свойства, которые необходимы для поддержания температуры хладагента в кабельном узле. В этом случае невакуумная теплоизоляционная структура окружающего жилу трубопровода может быть упрощена, а необходимые теплоизоляционные свойства для поддержания температуры хладагента в кабельном узле могут быть обеспечены с помощью комбинации невакуумной теплоизоляционной структуры окружающего жилу трубопровода и описанного ниже теплоизоляционного элемента.
ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЙ ЭЛЕМЕНТ
[0024] Теплоизоляционный элемент, который поддерживается в невакуумных условиях, расположен снаружи упомянутого окружающего жилу трубопровода. Теплоизоляционный элемент обычно необходим для обеспечения теплоизоляционных характеристик с целью поддержания температуры хладагента кабельного узла. Конструкция теплоизоляционного элемента предпочтительно представляет собой, по меньшей мере, любую из многослойной теплоизоляции и наполнительной теплоизоляции. Что касается многослойной теплоизоляции, то можно предпочтительно использовать так называемую суперизоляцию (выполненную посредством ламинирования металлической фольги и пластмассовых сеток), которая используется также в обычных сверхпроводящих кабелях. С другой стороны, в наполнительной теплоизоляции можно предпочтительно использовать стекловату, расширяющиеся пластмассы, песок, гравий и т.д.
[0025] В частности, желательным материалом для теплоизоляционного элемента является аэрогель. Аэрогель, который представляет собой пористый материал с множеством очень маленьких наноразмерных пустот, имеет высокую адиабатичность. Например, аэрогель диоксида кремния имеет множество пустот со средним размером 10 нм и очень высокую адиабатичность с коэффициентом теплопроводности, составляющим 10 мВт/м·К (при 38°С и 1 атм), и, дополнительно к этому, необыкновенно малый вес. Примером аэрогеля, который можно использовать, является Pyrogel™ фирмы Aspen Aerogels, Inc.
[0026] За счет использования для изготовления теплоизоляционного элемента любой из многослойной теплоизоляции и наполнительной теплоизоляции независимо друг от друга или их обеих в комбинации можно получать сверхпроводящие кабели, которые соответствуют различным требуемым характеристикам. Обычно многослойная теплоизоляция может покрывать кабельный узел в виде намотки, и поэтому легко сделать наружную форму многослойной теплоизоляции в виде кругового цилиндра. С другой стороны, наполнительная теплоизоляция, которая обладает высокой степенью свободы относительно характеристик материала и наружной формы, может дать возможность выбора различных материалов и наружных форм, за счет чего можно выполнять выбор в соответствии с условиями установки и монтажа, допустимыми размерами и допустимой стоимостью. Например, желательно, чтобы многослойная теплоизоляция была расположена на внутренней окружной периферийной части теплоизоляционного элемента, в то время как наполнительная теплоизоляция была расположена на наружной окружной периферийной части теплоизоляционного элемента. При расположении многослойной теплоизоляции на стороне внутренней окружной периферии можно эффективно изолировать в основном излучаемое тепло, за счет чего могут быть получены высокие теплоизоляционные свойства. При расположении наполнительной теплоизоляции на стороне наружной окружной периферии можно выбирать подходящую наружную форму сверхпроводящего кабеля в соответствии с условиями установки и монтажа.
УПЛОТНИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ
[0027] Указанный выше теплоизоляционный элемент расположен снаружи кабельного узла и герметизирован с помощью уплотнительного элемента. Уплотнительный элемент выполняет функцию предотвращения проникновения влаги в теплоизоляционный элемент и тем самым сохранения теплоизоляционных свойств теплоизоляционного элемента. Кроме того, теплоизоляционному элементу, который является многослойной теплоизоляцией или наполнительной теплоизоляцией, как указывалось выше, трудно самостоятельно поддерживать заданную форму, и поэтому уплотнительный элемент выполняет функцию сохранения теплоизоляционного элемента имеющим заданную форму так, чтобы он не распадался на части.
[0028] Уплотнительный элемент состоит из материала, который может предотвращать проникновение влаги. Например, можно предпочтительно использовать металлическую трубу, металлический лист или слоистый материал, выполненный из металлического листа и пластмассового листа, и т.д. Эти металлические листы и слоистые материалы покрывают наружную периферию теплоизоляционного элемента и предотвращают проникновение влаги за счет соединения взаимных кромок листов посредством сварки или склеивания. В качестве металлической трубы и металлического листа можно предпочтительно использовать алюминий, алюминиевый сплав, нержавеющую сталь и т.д.
РАСПОЛОЖЕНИЕ МНОЖЕСТВА КАБЕЛЬНЫХ УЗЛОВ
[0029] Указанный выше сверхпроводящий кабель может иметь либо один единственный кабельный узел, либо множество (несколько) кабельных узлов. В случае множества кабельных узлов эти кабельные узлы предпочтительно располагаются в близких друг к другу положениях. В частности, предпочтительно располагать множество кабельных узлов в близких друг к другу положениях внутри общего теплоизоляционного элемента. Площадь контакта (в расчете на единичный кабельный узел) между группой кабельных узлов и теплоизоляционным элементом меньше в том случае, когда множество кабельных узлов плотно расположено все вместе в теплоизоляционном элементе, по сравнению со случаем, когда множество кабельных узлов расположено каждый независимо в соответствующем теплоизоляционном элементе. Поэтому можно уменьшить количество проникающего тепла на один кабельный узел. В частности, возможно, что каждый кабельный узел взаимно охлаждает другой смежный кабельный узел, и в соответствии с этим можно ожидать большее действие теплоизоляции.
[0030] В идеальном случае интервалы между соответствующими кабельными узлами равны нулю, т.е. кабельные узлы находятся в контакте друг с другом. В случае наличия некоторого интервала между кабельными узлами, он предпочтительно равен или меньше наружного диаметра кабельного узла. Выбор такого интервала приводит в результате к уменьшению проникновения тепла в расчете на один кабельный узел. Более предпочтительно, интервал между кабельными узлами равен или меньше половины наружного диаметра кабельного узла.
СОСТАВ ТРАНСПОРТИРУЮЩЕЙ ХЛАДАГЕНТ ТРУБЫ
[0031] Кроме того, вблизи кабельного узла может быть предусмотрена транспортирующая хладагент труба. Указанная транспортирующая хладагент труба в данном случае является каналом, используемым для транспортировки различных видов хладагентов. Обычно, канал является транспортировочной трубой, используемой для транспортировки жидкого водорода, жидкого кислорода, жидкого азота или жидкого природного газа и т.д. Эти транспортирующие хладагент трубы, которые обычно используются для транспортировки хладагента, имеющего криогенную температуру и используемого на водородной станции или других видах установок, способны выполнять теплую изоляцию (охлаждение) кабельного узла более эффективно в том случае, если они расположены вблизи кабельного узла в теплоизоляционном элементе.
[0032] Транспортирующая хладагент труба предпочтительно расположена вблизи кабельного узла, также как и в случае, когда расположено множество кабельных узлов. В этом случае желательно также сделать интервал одинаковым с интервалом между кабельными узлами. Другими словами, ожидается, что хладагент низкой температуры в транспортирующей хладагент трубе может охлаждать кабельный узел вблизи транспортирующей хладагент трубы, в частности, когда температура хладагента в транспортирующей хладагент трубе является более низкой, чем температура хладагента для охлаждения сверхпроводящего слоя в кабельном узле.
[0033] Однако, в зависимости от соотношения между температурой хладагента, который охлаждает сверхпроводящий слой кабельного узла, и температурой хладагента в транспортирующей хладагент трубе может быть предпочтительно предусмотрена вспомогательная теплоизоляционная структура, по меньшей мере, на любом одном из кабельного узла и транспортирующей хладагент трубы. Вспомогательная теплоизоляционная структура является теплоизоляционной структурой, предназначенной для предотвращения выхода соответствующего хладагента кабельного узла и транспортирующей хладагент трубы за пределы надлежащего диапазона температур, главным образом за счет взаимного переноса тепла между кабельным узлом и транспортирующей хладагент трубой.
[0034] Например, в случае, когда хладагент кабельного узла является жидким азотом (температура кипения: примерно 77 К, температура плавления: примерно 63 К), а хладагент транспортирующей хладагент трубы является жидким водородом (температура кипения: примерно 20 К), жидкий азот кабельного узла может быть избыточно охлажден настолько, что он затвердевает, или же жидкий водород транспортирующей хладагент трубы может нагреваться настолько, что он испаряется, если кабельный узел и транспортирующая хладагент труба расположены слишком близко друг к другу. Поэтому предпочтительно снабжать кабельный узел вспомогательной теплоизоляционной структурой, например, с целью ограничения чрезмерного охлаждения жидкого азота кабельного узла или с целью ограничения нагревания жидкого водорода транспортирующей хладагент трубы. В частности, предпочтительно, чтобы эта теплоизоляционная структура была выполнена так, что количество тепла, которым кабельный узел нагревается за счет проникновения тепла снаружи, уравновешивалось тем количеством тепла, которым кабельный узел охлаждается за счет холода от транспортирующей хладагент трубы, так чтобы как кабельный узел, так и транспортирующая хладагент труба могли легко сохранять надлежащую температуру.
[0035] Помимо этого, в случае, когда хладагент кабельного узла является жидким азотом (температура кипения: примерно 77 К, температура плавления: примерно 63 К), а хладагент транспортирующей хладагент трубы является жидким природным газом, СПГ (температура кипения: примерно 110 К, температура плавления: примерно 90 К), в зависимости от структуры и расстояния между кабельным узлом и транспортирующей хладагент трубой жидкий азот кабельного узла может нагреваться настолько, что он испаряется, или же жидкий природный газ может чрезмерно охлаждаться настолько, что он затвердевает. Поэтому предпочтительно, чтобы транспортирующая хладагент труба была снабжена вспомогательной теплоизоляционной структурой с тем, чтобы могло быть ограничено нагревание жидкого азота кабельного узла или могло быть предотвращено чрезмерное охлаждение жидкого природного газа сверх необходимого. В частности, является предпочтительным, чтобы теплоизоляционная структура была выполнена так, что количество тепла, которым транспортирующая хладагент труба нагревается за счет проникновения тепла снаружи, уравновешивается количеством тепла, которым транспортирующая хладагент труба охлаждается за счет холода от кабельного узла, так что как кабельный узел, так и транспортирующая хладагент труба могут легко сохранять надлежащую температуру.
[0036] Вспомогательная теплоизоляционная структура, предусматриваемая для кабельного узла или транспортирующей хладагент трубы, также может быть либо вакуумной теплоизоляционной структурой, либо невакуумной теплоизоляционной структурой. Когда эта вспомогательная теплоизоляционная структура предусматривается для кабельного узла, сам окружающий жилу трубопровод, который содержит внутри себя кабельную жилу, может быть выполнен в виде теплоизоляционного слоя, или же теплоизоляционный слой может быть сформирован снаружи окружающего жилу трубопровода, который содержит внутри себя кабельную жилу. В качестве материала теплоизоляции для вспомогательной теплоизоляционной структуры могут быть использованы различные типы известных материалов при условии, что обеспечиваются требуемые теплоизоляционные характеристики.
КАНАЛ
[0037] Является предпочтительным, чтобы, по меньшей мере, любой из кабельного узла и транспортирующей хладагент трубы был(а) расположен(а) внутри канала, наружная сторона которого покрыта теплоизоляционным элементом. Размещение кабельного узла внутри канала делает возможным изготовление по отдельности «кабельного узла или транспортирующей хладагент трубы» и «сборки из канала, теплоизоляционного элемента и уплотнительного элемента». Таким образом, в последующем процессе изготовления сверхпроводящий кабель может быть собран посредством введения кабельного узла или транспортирующей хладагент трубы в канал, и тем самым может быть увеличена эффективность изготовления и сооружения кабеля. В частности, за счет введения кабельного узла или транспортирующей хладагент трубы в соответствующий канал, соответственно, эти кабельный узел и транспортирующая хладагент труба могут устанавливаться независимо друг от друга. В этом случае, поскольку канал предусмотрен для каждого кабельного узла или транспортирующей хладагент трубы, можно легко заменять размещенное в канале изделие.
[0038] Желательно изготавливать канал имеющим воздухонепроницаемую структуру. Например, на обоих концах канала, в котором размещен кабельный узел, по меньшей мере, зазор между каналом и кабельным узлом или транспортирующей хладагент трубой должен быть уплотнен воздухонепроницаемым образом. В этом случае желательно, чтобы трубопровод, в котором размещен кабельный узел, имел вакуумную теплоизоляционную структуру. Когда внутреннее пространство канала выполнено воздухонепроницаемым и используется трубопровод размещения с вакуумной уплотнительной структурой, можно ограничивать ухудшение параметров теплоизоляции трубопровода, даже если разрушена вакуумная уплотнительная структура трубопровода размещения. В частности, предпочтительно вакуумировать внутреннее пространство канала после уплотнения обоих его концов. При такой структуре, поскольку внутреннее пространство канала сохраняется в вакуумном состоянии, можно более эффективно ограничивать ухудшение параметров теплоизоляции кабельного узла, даже если вакуумная уплотнительная структура трубопровода размещения разрушена.
СПОСОБ УСТАНОВКИ СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО КАБЕЛЯ
[0039] Для прокладки сверхпроводящего кабеля по изобретению может использоваться любой способ установки: прокладка под землей или в бетоне, прокладка по воздуху или расположение на поверхности земли и т.д. В частности, прокладка под землей или в бетоне позволяет сверхпроводящему кабелю демонстрировать более эффективные параметры теплоизоляции, поскольку земля вокруг сверхпроводящего кабеля выполняет функцию теплоизоляции.
ВИД СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО КАБЕЛЯ
[0040] Сверхпроводящий кабель по изобретению может использоваться в качестве либо кабеля постоянного тока (DC), либо кабеля переменного тока (АС). В частности, в случае кабеля постоянного тока, поскольку нет потерь переменного тока, и потери обусловлены лишь проникновением тепла, можно создавать кабельную линию электропередачи, в которой минимизированы потери за счет эффективной теплоизоляции теплоизоляционного элемента.
ПРЕИМУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0041] Сверхпроводящий кабель по изобретению обеспечивает следующие результаты: 1) За счет расположения снаружи кабельного узла теплоизоляционного элемента, поддерживаемого в невакуумных условиях, можно сохранять заданные теплоизоляционные свойства без использования вакуумной теплоизоляционной структуры. Таким образом, нет необходимости в осуществлении поддержания и контролирования вакуумных свойств, что требуется в случае обычного сверхпроводящего кабеля. В соответствии с этим можно ожидать, например, следующих преимуществ: (А) можно упростить конструкцию сверхпроводящего кабеля; (В) можно достичь снижения стоимости кабеля; (С) можно исключить ситуацию, присущую обычному сверхпроводящему кабелю, при которой передача электроэнергии останавливается из-за недостаточных параметров вакуума в теплоизоляционном трубопроводе.
[0042] 2) За счет снабжения теплоизоляционного элемента уплотнительным элементом можно предотвращать проникновение влаги в теплоизоляционный элемент, что сохраняет теплоизоляционные свойства теплоизоляционного элемента.
[0043] 3) Поскольку теплоизоляционный элемент выполняет функцию теплоизоляции, то сам кабельный узел в принципе не должен иметь функции теплоизоляции, и поэтому можно уменьшить диаметр кабельного узла.
[0044] 4) Возможно создание сверхпроводящей кабельной линии, имеющей более высокую надежность, поскольку теплоизоляционный элемент может сохранять теплоизоляционные свойства кабельного узла даже в том случае, если не соблюдаются параметры вакуума, когда для трубопровода размещения кабельного узла используется теплоизоляционная структура.
Наилучшие варианты осуществления изобретения
[0045] Ниже будут описаны предпочтительные варианты воплощения изобретения.
ПРИМЕР 1
[0046] Сначала будет описан сверхпроводящий кабель по изобретению с использованием в качестве примера случая прокладки под землей. Фиг.1 представляет собой схематичный чертеж, показывающий условия прокладки под землей сверхпроводящего кабеля по изобретению в примере 1.
[0047] Этот сверхпроводящий кабель имеет, как показано на фиг.1, кабельный узел 100, теплоизоляционный элемент 200, покрывающий кабельный узел 100, и уплотнительный элемент 300, покрывающий теплоизоляционный элемент 200, и уложен под землей внутри грунта G.
[0048] Одножильный сверхпроводящий кабельный узел 100 имеет каркас 111, сверхпроводящий слой 112, электроизоляционный слой 113, экранирующий слой 114, защитный слой 115, окружающий жилу трубопровод 120 в указанном порядке от центра, как показано на фиг.2. Из этих конструктивных элементов детали от каркаса 111 до защитного слоя 115 образуют жилу 110, и эта жила 110 размещена в окружающем жилу трубопроводе 120. В проводящем слое 112 и экранирующем слое 114 используется сверхпроводящий провод. Сверхпроводящий провод, используемый в кабельном узле 100, поддерживается в сверхпроводящем состоянии за счет циркуляции хладагента (в данном случае - жидкого азота) в пространстве между жилой 110 и окружающим жилу трубопроводом 120.
[0049] Каркас 111 был изготовлен посредством скручивания множества изолированных медных проволок. За счет использования в качестве каркаса 111 скрученной из проволок структуры может быть одновременно достигнуто как уменьшение потерь переменного тока, так и ограничение подъема температуры вследствие чрезмерного тока. В этом примере неровности, вызванные появлением на наружной окружной поверхности каркаса 111 канавок из-за скручивания, уменьшаются до практически возможного минимального уровня посредством выполнения прядей, расположенных на наружной периферийной стороне, более тонкими, чем пряди в центральной части.
[0050] Сверхпроводящий слой 112 был сформирован с использованием ленточных проводов на основе Bi-2223 в оболочке из Ag-Mn, имеющих толщину 0,24 мм и ширину 3,8 мм. Эти ленточные провода были намотаны вокруг каркаса в несколько слоев с образованием сверхпроводящего слоя 112. В сверхпроводящем слое 112 шаги намотки сверхпроводящих проводов отличались от слоя к слою. Дополнительно к этому, направление намотки изменяется при каждом слое или через несколько слоев и тем самым обеспечивается возможность равномерного протекания тока через каждый слой.
[0051] Электроизоляционный слой 113 образован на наружной периферии сверхпроводящего слоя 112. Этот электроизоляционный слой 113 может быть образован с использованием, например, изоляционной ленты, изготовленной путем ламинирования крафт-бумаги и пластмассовой пленки, такой как полипропилен (PPLP: зарегистрированный товарный знак фирмы Sumitomo Electric Industries, Ltd.).
[0052] На электроизоляционном слое 113 предусмотрен экранирующий слой 114. Экранирующий слой 114 образован посредством намотки сверхпроводящего провода того же типа, что и сверхпроводящий провод, использованный для проводящего слоя 112. Подводя в этот экранирующий слой 114 электрический ток в противоположном направлении с по существу той же величиной, что и в проводящем слое 112, и тем самым компенсируя магнитное поле, создаваемое проводящим слоем 112, возможно предотвратить утечку магнитного поля наружу.
[0053] Кроме того, на экранирующем слое образован защитный слой 115 посредством намотки крафт-бумаги. Этот защитный слой 115 в основном защищает экранирующий слой 114 механически и изолирует его электрически от окружающего жилу трубопровода 120.
[0054] Жила 110, которая содержит указанные выше конструктивные элементы, то есть детали от каркаса 111 до защитного слоя 115, размещена в окружающем жилу трубопроводе 120. В данном случае в качестве окружающего жилу трубопровода 120 используется гофрированная труба, выполненная из нержавеющей стали. В этом окружающем жилу трубопроводе 120 циркулирует хладагент для охлаждения сверхпроводящего провода. Окружающий жилу трубопровод 120 не имеет двойной трубчатой структуры и не снабжен теплоизоляционной структурой для поддержания хладагента при криогенной температуре.
[0055] Теплоизоляционный элемент 200 расположен таким образом, чтобы охватывать окружность вышеуказанного окружающего жилу трубопровода 120 (фиг.1). В данном случае в качестве теплоизоляционного элемента 200 была использована стекловата. Этот теплоизоляционный элемент 200 предусмотрен с толщиной, которая способна обеспечить теплоизоляционные свойства, необходимые для поддерживания хладагента в кабельном узле при криогенной температуре. В данном примере теплоизоляционный элемент 200 расположен так, что форма его поперечного сечения является по существу прямоугольной. Эта форма поперечного сечения, которую можно определять в соответствии с условиями места прокладки и монтажа и т.п., не ограничивается прямоугольной формой, и она может быть круговой или другой формой.
[0056] Кроме того, наружная периферия теплоизоляционного элемента 200 покрыта уплотнительным элементом 300. Уплотнительный элемент 300 предотвращает проникновение влаги в теплоизоляционный элемент. В данном примере уплотнительный элемент был выполнен посредством намотки нержавеющего листа вокруг наружной периферии теплоизоляционного элемента 200 и соединения кромок этого листа с помощью сварки.
[0057] В сверхпроводящем кабеле, имеющем такую конструкцию, нет необходимости выполнять поддержание и контролирование вакуума, поскольку не используется слой вакуумной теплоизоляции. Кроме того, в обычном сверхпроводящем кабеле может иногда возникать ситуация, когда передача электроэнергии останавливается в том случае, если нарушаются теплоизоляционные свойства слоя вакуумной теплоизоляции. Однако в кабеле по изобретению такой ситуации можно избежать. Кроме того, за счет использования уплотнительного элемента теплоизоляционные свойства теплоизоляционного элемента могут сохраняться в течение длительного периода времени.
[0058] В качестве модификации этого примера вместо указанного выше теплоизоляционного элемента 200 можно использовать аэрогель диоксида кремния. Что касается аэрогеля диоксида кремния, то можно использовать Pyrogel™ фирмы Aspen Aerogels, Inc., США или т.п. При использовании аэрогеля диоксида кремния можно сделать толщину теплоизоляционного элемента 200 меньшей по сравнению с другими материалами, поскольку аэрогель диоксида кремния имеет не только небольшой вес, но также и отличные теплоизоляционные свойства.
ПРИМЕР 2
[0059] Ниже приводится описание сверхпроводящего кабеля по изобретению, в котором используется несколько кабельных узлов. Фиг.3 представляет собой схематичный чертеж, показывающий условия подземной прокладки сверхпроводящего кабеля по изобретению в примере 2. В данном примере дается описание главных различий с примером 1, при этом пояснение общих деталей не приводится.
[0060] В этом примере используются три кабельных узла 100 того же вида, что и в примере 1, и они расположены в состоянии контакта друг с другом в треугольной конфигурации внутри теплоизоляционного элемента 200. Теплоизоляционный элемент 200 образован посредством намотки суперизоляции вокруг этой группы кабельных узлов.
[0061] Таким образом, расположение трех кабельных узлов 100 на близком расстоянии друг от друга в теплоизоляционном элементе обеспечивает возможность уменьшения количества проникающего тепла в расчете на один кабельный узел в дополнение к тем результатам, которые могут быть получены в примере 1. Это объясняется тем, что общая площадь контакта между группой кабельных узлов и теплоизоляционным элементом 200 уменьшается в том случае, когда три кабельных узла 100 расположены в состоянии взаимного контакта, по сравнению со случаем, при котором каждый кабельный узел 100 расположен отдельно в теплоизоляционном элементе, а также тем, что кабельные узлы охлаждают друг друга.
ПРИМЕР 3
[0062] Ниже приводится описание сверхпроводящего кабеля по изобретению с использованием в качестве примера случая, в котором вместе с примером 2 скомбинирована транспортирующая хладагент труба. Фиг.4 представляет собой схематичный чертеж, показывающий условия подземной прокладки сверхпроводящего кабеля по изобретению в примере 3. В этом примере будет приведено описание главных различий с примером 2, опуская пояснение общих деталей.
[0063] В этом примере три транспортирующие хладагент трубы 400 расположены каждая смежно с соответствующими тремя кабельными узлами 100, и эти кабельные узлы 100 и транспортирующие хладагент трубы 400 расположены все вместе в положениях, образующих форму перевернутого треугольника, в теплоизоляционном элементе 200. Хладагент, транспортируемый в транспортирующей хладагент трубе 400, был жидким водородом (температура хладагента: примерно 20 К).
[0064] В этом случае, также как в примере 2, можно уменьшить количество проникающего тепла в расчете на один кабельный узел. Дополнительно к этому, можно вызывать охлаждение кабельного узла 100 транспортирующей хладагент трубой 400, поскольку транспортирующая хладагент труба 400 холоднее, чем кабельный узел 100.
[0065] Модификация этого примера состоит, например, в снабжении кабельного узла 100 вспомогательной теплоизоляционной структурой. Когда хладагентом кабельного узла 100 является жидкий азот (температура кипения: примерно 77 К, температура плавления: примерно 63 К), а хладагентом транспортирующей хладагент трубы 400 является жидкий водород (температура кипения: примерно 20 К), жидкий азот кабельного узла 100 может быть чрезмерно охлажден до затвердевания, или же жидкий водород транспортирующей хладагент трубы 400 может быть нагрет до испарения в том случае, если кабельный узел 100 и транспортирующая хладагент труба 400 расположены слишком близко друг с другом. Если для кабельного узла 100 предусмотрена теплоизоляционная структура, то можно сдерживать охлаждение жидкого азота кабельного узла 100 свыше необходимого или сдерживать нагревание жидкого водорода транспортирующей хладагент трубы 400. Вспомогательная теплоизоляционная структура может быть сформирована, например, посредством предусмотрения пластмассового наружного покрытия снаружи гофрированного трубопровода из нержавеющей стали, который является окружающим жилу трубопроводом.
ПРИМЕР 4
[0066] Ниже приводится описание модификации сверхпроводящего кабеля по изобретению, в которой изменен состав теплоизоляционного элемента по сравнению с примером 1. Фиг.5 представляет собой схематичный чертеж, показывающий условия подземной прокладки сверхпроводящего кабеля по изобретению в примере 4. В этом примере также приводится описание лишь главных отличий по сравнению с примером 1, без пояснения общих деталей.
[0067] В этом примере теплоизоляционный элемент состоял из двух видов материалов. А именно, предусмотрена многослойная теплоизоляция 210 на внутренней окружной стороне вблизи кабельного узла, и предусмотрена наполнительная теплоизоляция 220 на наружной периферийной стороне отдельно от кабельного узла. В частности, в качестве многослойной теплоизоляции 210 используется суперизоляция, а в качестве наполнительной теплоизоляции 220 используется расширяемая пластмасса.
[0068] За счет комбинации многослойной теплоизоляции 210 и наполнительной теплоизоляции 220 обеспечивается возможность эффективного блокирования как теплового излучения, так и передачи тепла и получение высоких теплоизоляционных свойств.
ПРИМЕР 5
[0069] Ниже приводится описание модификации сверхпроводящего кабеля по изобретению, в которой кабельный узел из примера 2 размещен в канале. Фиг.6 представляет собой схематичный чертеж, показывающий условия прокладки сверхпроводящего кабеля по изобретению в примере 5. В этом примере также будет приведено описание основных отличий от примера 2 без пояснения общих деталей.
[0070] В этом примере каждый из трех кабельных узлов 100 заключен в канале 500. Согласно этой структуре заранее подготавливают три кабельных узла 100 и заранее подготавливают отдельно сборку, в которой общий теплоизоляционный элемент 200 расположен снаружи трех каналов 500, и наружная периферия теплоизоляционного элемента 200 покрыта уплотнительным элементом 300. Таким образом, сверхпроводящий кабель может быть получен посредством вставки каждого из трех кабельных узлов 100 в соответствующий канал 500 в этой сборке. Поэтому прокладка и монтаж сверхпроводящего кабеля могут выполняться на основе установки узла за узлом.
[0071] В примерной модификации этого примера окружающий жилу трубопровод для кабельного узла 100 является вакуумным теплоизоляционным трубопроводом, имеющим двойную трубчатую структуру, и дополнительно к этому, внутреннее пространство канала 500 также вакуумировано после того как были уплотнены концы канала 500. В соответствии с этой структурой теплоизоляционные свойства кабельного узла 100 не уменьшаются, поскольку состояние вакуума в канале 500 сохраняется даже в том случае, если вакуумное уплотнение окружающего жилу трубопровода разрушено. В этом случае как уровень вакуума в окружающем жилу трубопроводе, так и уровень вакуума в канале могут быть ниже уровня вакуума в теплоизоляционном трубопроводе обычного сверхпроводящего кабеля. Это объясняется тем, что теплоизоляционные свойства кабельного узла 100 поддерживаются теплоизоляционным элементом 200, покрывающим наружную сторону кабельного узла 100.
ПРИМЕР 6
[0072] Ниже приводится описание модификации сверхпроводящего кабеля по изобретению, в которой изменена структура кабельного узла из примера 1. Фиг.7 представляет собой вид в поперечном сечении кабельного узла, содержащего сверхпроводящий кабель одножильного типа из примера 6. В этом примере также будет приведено описание основных отличий от примера 1 без пояснения общих деталей.
[0073] В этом примере окружающий жилу трубопровод 120 для кабельного узла 100 из примера 1 имеет вакуумную теплоизоляционную структуру, состоящую из сдвоенных трубопроводов. То есть окружающий жилу трубопровод 120 имеет внутренний трубопровод 121 и наружный трубопровод 122, а между этими трубопроводами 121 и 122 расположена суперизоляция, и пространство между ними вакуумировано.
[0074] В соответствии со структурой согласно этому примеру не отпадает необходимость в поддержании и управлении вакуумом, поскольку в окружающем жилу трубопроводе 120 используется вакуумная теплоизоляционная структура; однако, даже в случае возникновения неисправности, затрагивающей вакуумные свойства окружающего жилу трубопровода 120, теплоизоляционные свойства кабельного узла 100 сохраняются посредством теплоизоляционного элемента, и, следовательно, может быть сооружена сверхпроводящая кабельная линия с более высокой надежностью. В этом примере пояснение приведено относительно сверхпроводящего кабеля одножильного типа; однако, в случае сверхпроводящего кабеля трехжильного типа кабельные узлы могут иметь ту же структуру, что показано на фиг.8.
Промышленная применимость
[0075] Сверхпроводящий кабель по настоящему изобретению может быть подходящим образом использован в качестве средства передачи электроэнергии.
Краткое описание чертежей
[0076] На фигурах изображено:
фиг.1 - схематичный чертеж условий подземной прокладки сверхпроводящего кабеля по изобретению в примере 1;
фиг.2 - вид в поперечном сечении кабельного узла, содержащего сверхпроводящий кабель из примера 1;
фиг.3 - схематичный чертеж условий подземной прокладки сверхпроводящего кабеля по изобретению в примере 2;
фиг.4 - схематичный чертеж условий подземной прокладки сверхпроводящего кабеля по изобретению в примере 3;
фиг.5 - схематичный чертеж условий подземной прокладки сверхпроводящего кабеля по изобретению в примере 4;
фиг.6 - схематичный чертеж условий подземной прокладки сверхпроводящего кабеля по изобретению в примере 5;
фиг.7 - вид в поперечном сечении кабельного узла, содержащего сверхпроводящий кабель одножильного типа в примере 6;
фиг.8 - вид в поперечном сечении обычного сверхпроводящего кабеля.
Перечень ссылочных позиций
[0077]
100 Кабельный узел
110 Жила
120 Окружающий жилу трубопровод
111 Каркас
112 Сверхпроводящий слой
113 Электроизоляционный слой
114 Экранирующий слой
115 Защитный слой
121 Внутренний трубопровод
122 Наружный трубопровод
200 Теплоизоляционный элемент
210 Многослойная теплоизоляция
220 Наполнительная теплоизоляция
300 Уплотнительный элемент
400 Транспортирующая хладагент труба
500 Канал
600 Теплоизоляционный трубопровод
610 Внутренний трубопровод
620 Наружный трубопровод
630 Антикоррозийный слой
G Грунт