СПОСОБ УСТАНОВКИ СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО КАБЕЛЯ И КАБЕЛЬНЫЙ КАРКАС
METHOD FOR INSTALLING A SUPERCONDUCTING CABLE AND A CABLE FRAME

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] (ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ)
Настоящее изобретение получено на основе, и в нем заявлен приоритет Японской патентной заявки №2016-105427 (поданной 26 мая 2016 г.), раскрытие которой полностью включено в настоящую работу в виде ссылки. Настоящее изобретение относится к технологии сверхпроводящего кабеля, а точнее, изобретение относится к кабельному каркасу и к способу установки сверхпроводящего кабеля.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Известно, что при охлаждении от комнатной температуры до температуры жидкого азота сверхпроводящий кабель термически сжимается примерно на 0,3%. Чем длиннее становится сверхпроводящий кабель, тем более серьезную проблему термического сжатия это вызывает. Когда сверхпроводящий кабель имеет длину, например, 500 м, термическое сжатие составляет 1,5 м. Таким образом, сверхпроводящий кабель может быть поврежден, разрушен, и т.п., из-за поломки во время охлаждения, из-за выгибания во время роста температуры, и т.п. Рентгенографический анализ характера изменения кабеля во время охлаждения и роста температуры осуществлен на экспериментальной установке длиной 200 м, имеющейся у заявителя (Университет Chubu) настоящего изобретения (см. Непатентную литературу 1). Будет описан обзор спиральной деформации сверхпроводящего кабеля (которое частично перекрывается с описанием, имеющимся в Патентной литературе 1). В Патентной литературе 1 раскрыт сверхпроводящий кабель, включающий в себя кабельный каркас, который включает в себя медные провода и образован путем скручивания медных проводов (образованных таким образом, чтобы они предполагали спиралевидную форму при комнатной температуре из-за деформации в ходе обработки медных проводов) и материала сверхпроводящего провода, намотанного вокруг внешнего слоя кабельного каркаса через изолирующий слой, и изготовленного таким образом, чтобы он был сверхпроводящим, когда сверхпроводящий кабель охлаждается, причем при комнатной температуре предполагается, что сверхпроводящий кабель обладает спиралевидной формой, где сверхпроводящий кабель огибает продольное направление сверхпроводящего кабеля, и подразумевается, что при охлаждении сверхпроводящий кабель имеет линейную форму.
[0003] ФИГ. 1 иллюстрирует пример 200-метрового сверхпроводящего кабеля, как и в работах согласно уровню техники. Имеются слои материалов провода из ВТС-ленты (высокотемпературной сверхпроводящей ленты), в которых два внутренних слоя и внешний слой расположены коаксиально. Имеется кабельный каркас (сердечник обмотки из скрученных медных проводов) в центре 200-метрового сверхпроводящего кабеля, и множество слоев материалов из изолирующей ленты на основе ППЛБ (полипропиленовой ламинированной бумаги), намотанных снаружи кабельного каркаса. 200-метровый сверхпроводящий кабель включает в себя два слоя материалов провода на основе ВТС-ленты (с толщиной 0,3 мм и шириной 4 мм), материалы изолирующей ленты на основе ППЛБ, материалы провода на основе ВТС-ленты (которые оказываются расположенными снаружи электрода коаксиального сверхпроводящего кабеля) и ППЛБ. Изготовление 200-метрового сверхпроводящего кабеля завершают намоткой медной тонкой пленки, для получения потенциала Земли (для заземления), с последующей установкой защитного слоя на тонкую медную пленку.
[0004] При протягивании сверхпроводящего кабеля в теплоизолированной двойной трубе, как правило, используют способ протягивания кабельного каркаса. В дополнение, наряду с вышеупомянутым способом, также можно использовать способ прокладывания сверхпроводящего кабеля путем мягкого ошиновывания, и т.п., и выталкивания сверхпроводящего кабеля в теплоизолированную двойную трубу. Здесь и далее, для простоты описания будет описан пример способа вытягивания кабельного каркаса.
[0005] Механические свойства сверхпроводящего кабеля определяются свойствами кабельного каркаса. Как правило, кабельный каркас обладает скрученной структурой медных проводов. В скрученной структуре остается остаточное механическое напряжение в направлении закручивания. Было экспериментально подтверждено, что когда сверхпроводящий кабель деформируется из-за остаточного механического напряжения в направлении закручивания, сверхпроводящий кабель приобретает спиралевидную форму. Поэтому, сверхпроводящий кабель деформируется в направлении, где остаточное механическое напряжение в направлении закручивания ослаблено, и в результате, подразумевается, что сверхпроводящий кабель имеет спиралевидную форму.
[0006] Желательно, чтобы к сверхпроводящему кабелю при комнатной температуре не было приложено почти никаких внешних сил. Кроме того, является предпочтительным, чтобы при низкой температуре в сверхпроводящем кабеле не было никаких остаточных напряжений. Причина состоит в том, что из-за механического напряжения может возникнуть снижение критического тока. Однако, в сверхпроводящем кабеле остаточное механическое напряжение, как правило, сохраняют для вытягивания сверхпроводящего кабеля в теплоизолированную двойную трубу. Затем, это остаточное механическое напряжение частично ослабляется за счет охлаждения сверхпроводящего кабеля до низкой температуры. Это явление будет описано ниже.
[0007] ФИГ. 8 представляет собой диаграмму, схематически иллюстрирующую пример операции вытягивания сверхпроводящего кабеля 102 в линейную трубу 101. В примере, проиллюстрированном на ФИГ. 8, усилие растяжения F повышается с повышением расстояния втягивания сверхпроводящего кабеля 102, поскольку существует трение между внутренней поверхностью трубы 101 и поверхностью сверхпроводящего кабеля 102.
0
0
0
0
0
0
[0008] ФИГ. 9 представляет собой график, описывающий соотношение между распределением механического напряжения в сверхпроводящем кабеле 102 и расстоянием вытягивания в сверхпроводящем кабеле 102, при протягивании сверхпроводящего кабеля 102 в трубе 101 (длины L) на ФИГ. 8. Обратимся к ФИГ. 9, где на вертикальной оси отложено механическое напряжение () в сверхпроводящем кабеле 102. На горизонтальной оси отложено расстояние втягивания (длина) сверхпроводящего кабеля 102 в трубу 101. Lна горизонтальной оси означает длину трубы 101. График (прямая линия), соединяющая точку начала и точку (L, ), указывает на напряжение трения. Путем интегрирования каждого напряжения трения, получают напряжение сопротивления. Большое механическое напряжение () получают на стороне (с длиной L), с которой сверхпроводящий кабель 102 втягивают, с использованием усилия растяжения F. С другой стороны, усилие растяжения F равно нулю на стороне (с длиной=0), с которой сверхпроводящий кабель 102 вводят в трубу 10.1. Таким образом, механическое напряжение  также равно нулю. ФИГ. 9 также подтверждено экспериментально.
[0009] Из наших экспериментальных измерений было обнаружено, что коэффициент трения между сверхпроводящим кабелем 102 и трубой 101 из нержавеющей стали составляет приблизительно 0,3-0,7. Повышение механического напряжения пропорционально длине означает, что коэффициент трения по направлению длины сверхпроводящего кабеля является однородным 102. Это также факт, обнаруженный в результате эксперимента. Однако, если в трубе 101 имеется изогнутый участок, и т.п., то усилие растяжения F резко возрастает.
[0010] Сила, прикладываемая при протягивании сверхпроводящего кабеля 102 в трубе 101, относится к описанию, представленному в Непатентной литературе 2, и т.п.
[0011] Каждый из сверхпроводящих кабелей чаще всего имеет массу 1-5 кг/м. По этой причине, усилие растяжения F становится силой в одну тонну или более, в случае, когда сверхпроводящий кабель имеет в длину несколько сотен метров. Эту силу прикладывают к кабельному каркасу. Поэтому длину сверхпроводящего кабеля, который можно протягивать в трубе, определяют в соответствии с допустимой прочностью (в пределах упругой деформации) кабельного каркаса.
[0012] После вытягивания сверхпроводящего кабеля 102 в трубе 101, усилие растяжения F делают равным нулю (или вытягивание прекращают). Таким образом, сверхпроводящий кабель 102 сжимается. Следовательно, механическое напряжение сверхпроводящего кабеля 102 снижается и становится равным нулю на концевых частях сверхпроводящего кабеля 102.
0
0
[0013] Однако в сверхпроводящем кабеле 102 сохраняется механическое напряжение, соответствующее силе трения. Поэтому, как проиллюстрировано на ФИГ. 10, распределение механического напряжения в сверхпроводящем кабеле 102 становится распределением, при котором механическое напряжение подразумевает максимальное значение (остаточное механическое напряжение = σ/2) в центральной части (= L/2) в продольном направлении трубы 101, и механическое напряжение становится равным нулю на обоих концах сверхпроводящего кабеля 102. Как правило, это состояние указывает на распределение остаточного механического напряжения, которое прикладывают к кабелю, такому как медный кабель, и т.п., когда кабель протягивают в трубе.
[0014] С другой стороны, сверхпроводящий кабель используют при низкой температуре. Следовательно, состояние механического напряжения, когда сверхпроводящий кабель охлаждается, создает большую проблему. То есть механическое напряжение снова воспроизводится за счет термического сжатия сверхпроводящего кабеля. При выполнении охлаждения, когда оба конца сверхпроводящего кабеля закреплены, к механическому напряжению растяжения, которое сохраняется после того, как сверхпроводящий кабель был протянут в трубе при комнатной температуре, добавляется термическое механическое напряжение, вызванное возникновением термического сжатия 0,3%. Таким образом, в сверхпроводящем кабеле будет генерироваться механическое напряжение, превышающее термическое механическое напряжение, соответствующее термическому сжатию 0,3%,. Это крайне опасно. То есть это происходит, поскольку материал кабельного каркаса, такой как медь, попадает в область пластической деформации, начиная от деформации ниже 0,3%.
[0015] На этапе, следующем за спиральной деформацией сверхпроводящего кабеля, сверхпроводящий кабель охлаждается жидким азотом, и т.п. По этой причине один конец сверхпроводящего кабеля фиксируют, тогда как другой конец представляет собой свободный конец.
[0016] Затем длина сверхпроводящего кабеля уменьшается из-за охлаждения. Таким образом, сверхпроводящий кабель протягивают в трубе со стороны свободного конца.
[0017] Распределение механического напряжения, когда охлаждение завершено и весь сверхпроводящий кабель обладает той же температурой, что проиллюстрировано на ФИГ. 11. Обратимся к ФИГ. 11, где на вертикальной оси отложено механическое напряжение, а на горизонтальной оси отложена длина. Из рассмотрения графиков на ФИГ. 11 видно, что график (1) представляет собой график, отображенный на ФИГ. 10 (распределение механического напряжения при комнатной температуре после того, как сверхпроводящий кабель был протянут в трубе), график (2) представляет собой распределение механического напряжения сверхпроводящего кабеля, удерживаемого при низкой температуре, а график (3) представляет собой график, указывающий на распределение механического напряжения, когда сверхпроводящий кабель не обладает никаким механическим напряжением при комнатной температуре охлаждается, а затем удерживается при низкой температуре.
[0018] Примеры, проиллюстрированные на ФИГ. 11, указывают на сумма распределений механического напряжения, причем охлаждение осуществляют, когда остаточное механическое напряжение и механическое напряжение в сверхпроводящем кабеле равны нулю, а сверхпроводящий кабель втягивают со свободного конца (это представляет собой распределение, связанное с распределением на ФИГ. 9, но направление силы оказывается противоположным из-за втягивания, вследствие чего механическое напряжение представлено отрицательной величиной).
[0019] Как проиллюстрировано на графике (2) на ФИГ. 11, механическое напряжение в половине сверхпроводящего кабеля со свободного конца равно нулю. Это является идеальным состоянием, поскольку на сверхпроводящий кабель при низкой температуре никакие механические напряжения не действуют.
0
[0020] Как проиллюстрировано на ФИГ. 11, механическое напряжение в левой половине сверхпроводящего кабеля сохраняется (со стороны закрепленного конца в этом примере), и его максимальное значение подразумевает максимальное значение (= -σ) механического напряжения при вытягивании кабеля. Следовательно, является желательным ослабить это механическое напряжение (согласно заключениям автора настоящего изобретения).
[0021] При низкой температуре имеет место определенная степень усилия растяжения, из-за внешней силы, такой как трение, вследствие чего подразумевается, что сверхпроводящий кабель имеет линейную форму. Это подтверждается фотографией рентгенограммы. Таким образом, остаточное механическое напряжение успешно используется. То есть при конфигурировании сверхпроводящего кабеля таким образом, чтобы он спирально деформировался при комнатной температуре, с использованием остаточного механического напряжения в кабельном каркасе сверхпроводящего кабеля, и, подразумевая линейную форму при низкой температуре, значительное механическое напряжение, вызванное термическим сжатием, может быть ослаблено.
[0022] Как правило, кабельный каркас сверхпроводящего кабеля изготавливают путем закручивания медных проводов. При существовании крупного остаточного механического напряжения в кабельном каркасе, сверхпроводящий кабель деформируется, с ослаблением этого остаточного механического напряжения. Таким образом, сверхпроводящий кабель изготавливают таким образом, чтобы остаточное механическое напряжение сверхпроводящего кабеля было устранено.
[0023] ФИГ. 2A иллюстрирует несколько структур скрученных проводов. ФИГ. 2A иллюстрирует сечения комплекта скрученных проводов, концентрических скрученных проводов и проводов, скрученных канатокрутильной машиной. Как правило, скрученные провода, используемые для сверхпроводящего кабеля, обладают структурой, называемой концентрическими скрученными проводами. Как видно снаружи, эта структура приготовлена путем закручивания провода, как проиллюстрировано на ФИГ. 2B. Как правило, остаточное механическое напряжение генерируется из-за скручивания проводов, что, таким образом, облегчает скручивание всего кабельного каркаса. Таким образом, в структуре концентрических скрученных проводов, направление закручивания для каждого слоя изменяется в обратную сторону, что осложняет, таким образом, скручивание кабельного каркаса в целом.
[0024] Однако направления скручивания самого внешнего слоя и слоя, следующего за самым внешним слоем, задаются таким образом, чтобы они были одинаковыми, для обеспечения деформирования сверхпроводящего кабеля, с получением спиралевидной формы в процессе подъема температуры. Это стабилизирует направление закручивания сверхпроводящего кабеля (приводящее к спиральной деформации). Автор настоящего изобретения подтвердил это явление множеством экспериментов.
[0025] Остаточное механическое напряжение в направлении закручивания изменяется в соответствии с механической обработкой, материалом для прядения, шагом, термообработкой, и т.п. Для получения деформации, необходимой для сверхпроводящего кабеля, способ обработки и материал выбирают с учетом этих совокупных условий.
2
[0026] Далее будет описан способ установки сверхпроводящего кабеля исходя из описания, представленного в Патентном документе 1. ФИГ. 3A-3D представляют собой диаграммы, каждая из которых схематически иллюстрирует состояние, где сверхпроводящий кабель вставлен в теплоизолированную двойную трубу. Обратимся к ФИГ. 3A-3D, где ссылочный номер 10 означает внешнюю трубу теплоизолированной двойной трубы, ссылочный номер 11 означает внутреннюю трубу теплоизолированной двойной трубы, ссылочный номер 12 означает сверхпроводящий кабель, ссылочный номер 13 означает вакуумный слой, ссылочный номер 14 означает вакуумный насос, ссылочный номер 15 означает первый зажим, ссылочный номер 16 означает хладагент (жидкий азот: LN), а ссылочный номер 17 означает второй зажим.
[0027] Хотя данный объект и не ограничен этим, внешняя 10 труба теплоизолированной двойной трубы изготовлена, например, из трубы из оцинкованной стали, и т.п. Внутренняя 11 труба теплоизолированной двойной трубы образована, например, из трубы из нержавеющей стали. Сверхпроводящий кабель 12 расположен внутри внутренней 11 трубы теплоизолированной двойной трубы, а хладагент (жидкий азот) течет между сверхпроводящим кабелем 12 и внутренней 11 трубой теплоизолированной двойной трубы. Зазор (вакуумный слой 13) между внешней 10 трубой теплоизолированной двойной трубы и внутренней 11 трубой теплоизолированной двойной трубы герметизирован воздухонепроницаемым образом в состоянии вакуума, и выполнена вакуумная изоляция. Чтобы справиться с притоком тепла, вызванным излучением, вакуумный слой 13 включает в себя многослойную изоляцию (МСИ: многослойная изоляция) снаружи внутренней 11 трубы теплоизолированной двойной трубы. Многослойная изоляция (МСИ) образована из множества слоев пленок, где каждая имеет алюминий, осажденный, например, на пластиковую пленку. Обратимся к каждому из ФИГ. 3A-3D, где вакуумный насос 14, сконфигурированный для откачивания зазора (вакуумного слоя 13) между внешней 10 трубой теплоизолированной двойной трубы и внутренней 11 трубой теплоизолированной двойной трубы, расположен на обеих концевых частях теплоизолированной двойной трубы. Он может быть сконфигурирован так, чтобы вакуумный насос 14 был дополнительно расположен на промежуточной части теплоизолированной двойной трубы. Конфигурация теплоизолированной двойной трубы относится к описанию, приведенному, например, в Патентной литературе 2, и т.п.
[0028] <Способ A (на ФИГ. 3A)>
Теплоизолированная двойная труба смрнтирована вдоль линии. Теплоизолированную двойную трубу откачивают (т.е. откачивают вакуумный слой 13). Проверяют характеристику теплоизоляции теплоизолированной двойной трубы. Сверхпроводящий кабель 12 протягивают во внутреннюю трубу 11 теплоизолированной двойной трубы.
[0029] <Способ B (на ФИГ. 3B)>
Сверхпроводящий кабель 12 вставляют во внутреннюю трубу 11 теплоизолированной двойной трубы. Один конец сверхпроводящего кабеля 12 закрепляют первым 15 зажимом после того, как было подтверждено, что сверхпроводящий кабель 12 достаточно выходит из обоих концов теплоизолированной двойной трубы. По этой причине, другой конец сверхпроводящего кабеля 12 не закрепляют. Первый 15 зажим может представлять собой зажим, сконфигурированный для прикрепления одного конца сверхпроводящего кабеля 12 к теплоизолированной двойной трубе.
[0030] Затем, хладагент (жидкий азот) 16 вводят во внутреннюю трубу 11 теплоизолированной двойной трубы. Хладагент (жидкий азот) 16 можно вводить в теплоизолированную внутреннюю 11 трубу из впускного отверстия для хладагента, обеспеченного на центральной части в продольном направлении теплоизолированной двойной трубы (см. Патентную литературу 1). С введением хладагента (жидкого азота) 16, сверхпроводящий кабель 12 начинает термически сжиматься. Сторона нефиксированного конца сверхпроводящего кабеля 12 втягивается к внутренней 11 трубе теплоизолированной двойной трубы. По этой причине, таким образом, может быть установлено, что распределение температуры в сверхпроводящем кабеле 12 измерено, а длина и нагрузка сверхпроводящего кабеля 12 со стороны нефиксированного конца (концевая часть, противоположная первому 15 зажиму), который втягивают в теплоизолированную двойную трубу, могут быть измерены, например, тензометрическим датчиком, и т.п.
[0031] <Способ C (на ФИГ. 3C)>
Сторону нефиксированного конца сверхпроводящего кабеля 12 прикрепляют ко второму 17 зажиму после того, как было подтверждено, что сверхпроводящий кабель 12 достиг по всей своей длине температуры (температура жидкого азота: 77 K), которая приводит сверхпроводящий кабель 12 в сверхпроводящее состояние. Второй 17 зажим может представлять собой зажим, сконфигурированный для прикрепления нефиксированного конца сверхпроводящего кабеля 12 к теплоизолированной двойной трубе. С помощью первого и второго зажима закрепляют оба конца сверхпроводящего кабеля 12. Таким образом, по этой причине может быть установлено, что состояние сверхпроводящего кабеля 12 подтверждается рентгеновской фотографией, и т.п.
[0032] <Способ D (на ФИГ. 3D)>
Начинается подъем температуры. Сверхпроводящий кабель 12 начинает удлиняться в продольном направлении из-за подъема температуры, но поскольку оба конца сверхпроводящего кабеля 12 закреплены первым 15 зажимом и вторым 17 зажимом, кабельный каркас сверхпроводящего кабеля 12 спирально деформируется. Состояние сверхпроводящего кабеля может быть подтверждено рентгеновской фотографией, и т.п. после завершения подъема температуры.
ПЕРЕЧЕНЬ ЦИТАТ
ПАТЕНТНАЯ ЛИТЕРАТУРА
[0033] [Патентная литература 1]
Международная публикация № WO2013/151100
[Патентная литература 2]
Международная публикация № WO2015/002200
[Патентная литература 3]
Международная публикация № WO2009/145220
НЕПАТЕНТНАЯ ЛИТЕРАТУРА
[0034] [Непатентная литература 1]
Noriko Chikumoto, Hirofumi Watanabe, Makoto Hamabe, Yury Ivanov, Hirohisa Takano, Sataro Yamaguchi, "Demonstration studies of high-temperature superconducting DC power transmission system at Ishikari" («Демонстрационные исследования высокотемпературной сверхпроводящей системы передачи электроэнергии постоянного тока»), CSJ Conference Vol. 90 (2014). 1B-a06, от 25 марта 2016 г., Интернет-ссылка <URL: http://csj.or.jp/conference/2014a/1B.pdf>
[Непатентная литература 2]
"New Edition-Power Cable Technology Handbook" («Новое издание - руководство по технологии кабеля питания»), второе издание, опубликованное Kihachiro Iizuka, компания Denkishoin Co., Ltd., стр. 342-343, 2013 г.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0035] Этап подъема температуры на ФИГ. 3D исполняют путем введения в теплоизолированную двойную трубу газообразного азота, температуру которого контролируют, например, с одного конца теплоизолированной двойной трубы. В этом случае, в процессе подъема температуры, проиллюстрированном на ФИГ. 3D, между стороной втекания и стороной вытекания газообразного азота в теплоизолированной двойной трубе возникает разность температур, вследствие чего спиральная деформация сверхпроводящего кабеля 12 может не стать однородной в продольном направлении.
2
[0036] Применительно к этому явлению было экспериментально обнаружено, что, как проиллюстрировано, например, на ФИГ. 4, поток тепла из-за газообразного азота (GN) 18, который вводят во внутреннюю трубу 11 теплоизолированной двойной трубы для подъема температуры, не становится однородным в продольном направлении сверхпроводящего кабеля 12, а шаги и амплитуды спиральной деформации также не являются однородными в продольном направлении. Для примера, тепло газообразного азота 18, введенного в теплоизолированную двойную трубу (внутренняя труба 11), теряется с продвижением газообразного азота 18 в продольном направлении. Поэтому, каждый подъем температуры на промежуточной части в продольном направлении теплоизолированной двойной трубы (внутренняя труба 11) и на выпускной стороне (сторона выхода) теплоизолированной двойной трубы ниже, чем подъем температуры на стороне введения (сторона входа) газообразного азота.
2
[0037] В примере на ФИГ. 4, шаг (шаг 1) спиральной деформации сверхпроводящего кабеля 12 вблизи стороны введения (сторона входа) газообразного азота (GN) в теплоизолированной двойной трубе меньше, чем шаг (такой как шаг 2) на промежуточной части в продольном направлении или на стороне выхода, а амплитуда (амплитуда 1) спиральной деформации вблизи стороны входа больше, чем амплитуда (такая как амплитуда 2) на промежуточной части в продольном направлении и на стороне выхода. Когда спиральная деформация сверхпроводящего кабеля 12 в продольном направлении неоднородная, как было упомянуто выше, случается, что термическое сжатие не может в достаточной мере поглощаться в момент охлаждения (вышеприведенное описание получено на основе заключений автора настоящего изобретения). Автор настоящего изобретения экспериментально подтвердил, что крупная сила сжатия возникает в сверхпроводящем кабеле при выполнении охлаждения, например, сразу после возникновения спиральной деформации.
[0038] Настоящее изобретение было разработано ввиду вышеупомянутой проблемы. Одна из задач настоящего изобретения состоит в обеспечении способа установки сверхпроводящего кабеля и кабельного каркаса для получения спиральной деформации в ходе подъема температуры, однородной в продольном направлении сверхпроводящего кабеля. Задачи, отличные от вышеупомянутой задачи изобретения, эффекты, и т.д. настоящего изобретение будут ясны специалистам в данной области техники из следующего описания.
[0039] Согласно одному аспекту настоящего изобретения обеспечен способ, включающий в себя: равномерный подъем температуры сверхпроводящего кабеля по всей длине сверхпроводящего кабеля при выполнении подъема температуры, в котором подразумевается, что сверхпроводящий кабель имеет линейную форму при охлаждении, и он деформируется в спиралевидную форму при выполнении подъема температуры.
[0040] Согласно аспекту настоящего изобретения обеспечен кабельный каркас, образованный из структуры скрученных проводов, в котором
направления скручивания самого внешнего слоя и слоя, следующего за самым внешним слоем, заданы таким образом, чтобы они были одинаковыми, обеспечивая стабилизацию спиральной деформации сверхпроводящего кабеля, включающего в себя кабельный каркас, при выполнении подъема температуры сверхпроводящего кабеля. Согласно аспекту настоящего изобретения обеспечен сверхпроводящий кабель, включающий в себя кабельный каркас.
[0041] Согласно настоящему изобретению спиральную деформацию сверхпроводящего кабеля в ходе подъема температуры можно сделать однородной в продольном направлении. Кроме того, согласно настоящему изобретению обеспечен кабельный каркас, который способствует стабилизации спиральной деформации сверхпроводящего кабеля в ходе подъема температуры, и сверхпроводящий кабель, включающий в себя кабельный каркас.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0042] ФИГ. 1 представляет собой фотографию, иллюстрирующую сверхпроводящий кабель.
ФИГ. 2A включает в себя диаграммы, каждая из которых иллюстрирует сечение структуры скрученных проводов для сверхпроводящего кабеля.
ФИГ. 2B представляет собой фотографию, иллюстрирующую боковую поверхность сверхпроводящего кабеля.
ФИГ. 3A представляет собой диаграмму, иллюстрирующую способ для установки сверхпроводящего кабеля.
ФИГ. 3B представляет собой диаграмму, иллюстрирующую способ для установки сверхпроводящего кабеля.
ФИГ. 3C представляет собой диаграмму, иллюстрирующую способ для установки сверхпроводящего кабеля.
ФИГ. 3D представляет собой диаграмму, иллюстрирующую способ для установки сверхпроводящего кабеля.
ФИГ. 4 представляет собой диаграмму, разъясняющую ФИГ. 3D.
ФИГ. 5 представляет собой диаграмму, разъясняющую один примерный вариант воплощения настоящего изобретения.
ФИГ. 6 представляет собой диаграмму, разъясняющую один примерный вариант воплощения настоящего изобретения.
ФИГ. 7A представляет собой диаграмму, разъясняющую другой примерный вариант воплощения настоящего изобретения.
ФИГ. 7B представляет собой диаграмму, разъясняющую другой примерный вариант воплощения настоящего изобретения.
ФИГ. 8 представляет собой диаграмму, схематически описывающую состояние вытягивания кабель в трубу.
ФИГ. 9 представляет собой график, иллюстрирующий соотношение расстояния втягивания кабеля относительно распределения механического напряжения.
ФИГ. 10 представляет собой график, иллюстрирующий распределение механического напряжения (остаточного механического напряжения) в кабеле, когда сила, которая должна действовать на кабель после вытягивание кабеля в трубу, равна нулю (нуль).
ФИГ. 11 включает в себя графики, иллюстрирующие распределение механического напряжения (остаточного механического напряжения) в кабеле, при удерживании при низкой температуре, распределение механического напряжения (остаточного механического напряжения) в кабеле, когда кабель с нулевым (нуль) механическим напряжением охлаждается и удерживается при низкой температуре, и распределение механического напряжения (остаточного механического напряжения) в кабеле, когда сила, которая должна действовать на кабель после вытягивание кабеля в трубу, равна нулю.
ФИГ. 12 включает в себя графики, иллюстрирующие распределение механического напряжения, когда сторона закрепленного конца кабеля, удерживаемого при низкой температуре, вдавливают, и распределение механического напряжения (остаточного механического напряжения) в кабеле, когда сила, которая должна действовать на кабель после вытягивание кабеля в трубу, равна нулю (нуль).
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[0043] Сначала будет описана техническая концепция настоящего изобретения, а затем - примерные варианты воплощения.
[0044] В одном аспекте настоящего изобретения выполняют однородный подъем температуры по всей длине сверхпроводящего кабеля, который подразумевает линейную форму при охлаждении, для придания однородной спиральной деформации сверхпроводящему кабелю в его продольном направлении.
[0045] В одном аспекте настоящего изобретения подъем температуры можно выполнять, когда оба конца сверхпроводящего кабеля закреплены.
[0046] В одном аспекте настоящего изобретения можно выполнять следующее:
- откачивание теплоизолированной двойной трубы, включающей в себя внутреннюю трубу, адаптированную для вмещения в нее сверхпроводящего кабеля, и внешнюю трубу, вмещающую в себя внутреннюю трубу;
- вставление сверхпроводящего кабеля во внутреннюю трубу при комнатной температуре,
при наличии одного закрепленного конца сверхпроводящего кабеля, где один конец выступает из концевой части внутренней трубы теплоизолированной двойной трубы, и другого конца сверхпроводящего кабеля, установленного как свободный конец,
- охлаждение сверхпроводящего кабеля до температуры, которая приводит сверхпроводящий кабель в сверхпроводящее состояние; а затем - закрепление обоих концов сверхпроводящего кабеля.
[0047] В одном аспекте настоящего изобретения при выполнении подъема температуры, газ для подъема температуры не вдувают в теплоизолированную двойную трубу, но тепло поступает из всей теплоизолированной двойной трубы, в результате чего температура сверхпроводящего кабеля равномерно повышается по продольному направлению сверхпроводящего кабеля.
[0048] В одном аспекте настоящего изобретения уровень вакуума в зазоре между внутренней трубой и внешней трубой теплоизолированной двойной трубы, откачиваемой вакуумным насосом, может быть снижен, для снижения характеристики теплоизоляции, с получением, таким образом, равномерного подъема температуры сверхпроводящего кабеля, по меньшей мере, по продольному направлению сверхпроводящего кабеля. В качестве альтернативного способа, когда подъем температуры выполняют в течение длительного периода времени, без снижения уровня вакуума, тепло почти равномерно поступает в теплоизолированную двойную трубу.
[0049] В одном аспекте настоящего изобретения после того, как сверхпроводящий кабель был охлажден до температуры, которая приводит сверхпроводящий кабель в сверхпроводящее состояние, где один конец сверхпроводящего кабеля закреплен, а другой конец сверхпроводящего кабеля установлен как свободный конец, фиксация одного конца может быть ослаблена, а сверхпроводящий кабель вдавливают во внутреннюю трубу теплоизолированной двойной трубы с одного конца, фиксация которого была ослаблена.
[0050] В одном аспекте настоящего изобретения при фиксировании, соответственно, одного конца и другого конца сверхпроводящего кабеля, причем один конец и другой конец сверхпроводящего кабеля могут быть соответственно прикреплены к теплоизолированной двойной трубе зажимами.
[0051] Согласно одному аспекту настоящего изобретения обеспечен кабельный каркас, в котором направления скручивания самого внешнего слоя и слоя, следующего за самым внешним слоем, заданы таким образом, чтобы они были одинаковыми в структуре скрученных проводов кабельного каркаса проиллюстрированный на ФИГ. 2B, с облегчением, таким образом, стабилизации спиральной деформации сверхпроводящего кабеля, при выполнении подъема температуры сверхпроводящего кабеля. Кроме того, обеспечен сверхпроводящий кабель, включающий в себя кабельный каркас.
[0052] <Примерные варианты воплощения>
В способе установки в одном примерном варианте воплощения настоящего изобретения вышеупомянутый способ по ФИГ. 3-3C может быть использован для осуществления процесса перед процессом подъема температуры. Откачивают теплоизолированную двойную трубу, которая включает в себя внутреннюю 11 трубу, адаптированную для вмещения в него сверхпроводящего кабеля 12, и внешнюю 10 трубу, вмещающую внутреннюю 11 трубу.
Затем, сверхпроводящий кабель 12 вставляют во внутреннюю трубу 11 теплоизолированной двойной трубы при комнатной температуре. Один конец сверхпроводящего кабеля 12, который выступал из концевой части внутренней трубы 11 теплоизолированной двойной трубы, закрепляют, а другой конец сверхпроводящего кабеля 12 устанавливают в качестве свободного конца.
После того, как сверхпроводящий кабель 12 был охлажден до температуры (температура жидкого азота 77K), которая приводит сверхпроводящий кабель 12 в сверхпроводящее состояние, свободный конец сверхпроводящего кабеля 12 закрепляют (или, таким образом, закрепляют оба конца).
[0053] В одном примерном варианте воплощения настоящего изобретения, газообразный азот, температура которого была отрегулирована, не вдувают с одного конца теплоизолированной двойной трубы в процессе подъема температуры на ФИГ. 3D, для придания сверхпроводящему кабелю однородной спиральной деформации продольном направлении.
По истечении длительного периода времени, без пропускания газообразного азота, тепло поступает из всей теплоизолированной двойной трубы, как схематически проиллюстрировано на ФИГ. 5, вследствие чего подъем температуры в продольном направлении сверхпроводящего кабеля осуществляется почти равномерно 12.
[0054] Кроме того, уровень вакуума вакуумного слоя 13 теплоизолированной двойной трубы, который представляет собой зазор между внутренней 11 трубой, вмещающей в себя сверхпроводящий кабель 12, и внешней 10 трубой может быть снижен. В результате, эффективность изоляции теплоизолированной двойной трубы снижается. Когда эффективность изоляции теплоизолированной двойной трубы снижается, подъем температуры сверхпроводящего кабеля 12, вставленного в теплоизолированную двойную трубу, выполняется за более короткий период времени. То есть тепло попадает во всю внутреннюю трубу 11 теплоизолированной двойной трубы, вследствие чего подъем температуры выполняется почти равномерно в продольном направлении сверхпроводящего кабеля 12. Это делает спиральную деформацию (ее шаги и амплитуды) однородной в продольном направлении сверхпроводящего кабеля 12.
[0055] Когда хладагент (жидкий азот) вводят во внутреннюю трубу 11 теплоизолированной двойной трубы в процессе охлаждения на ФИГ. 3B, усилие растяжения (механическое напряжение растяжения) F генерируется на закрепленном конце сверхпроводящего кабеля 12 (на концевой части, закрепленной первым 15 зажимом на ФИГ. 3B), из-за сжатия. Поскольку другой конец (свободный конец) сверхпроводящего кабеля 12, представленный на ФИГ. 3B, не закреплен, никакое усилие растяжения не генерируется. Поэтому в сверхпроводящем кабеле 12 термическое механическое напряжение генерируется в направлении длины, как схематически проиллюстрировано на ФИГ. 6.
[0056] В этом примерном варианте воплощения, для ослабления термического механического напряжения, которое генерируется в сверхпроводящем кабеле 12 в ходе охлаждения, фиксация закрепленного конца (концевой части, соединенной с первым 15 зажимом) временно ослабляют, когда достигается минимальная температура для охлаждения, а сверхпроводящий кабель 12 вдавливают во внутреннюю трубу 11 теплоизолированной двойной трубы со стороны, где фиксация была ослаблена.
[0057] Выталкивание сверхпроводящего кабеля 12 во внутреннюю трубу 11 теплоизолированной двойной трубы со стороны закрепленного конца, фиксация которого была ослаблена, как было упомянуто выше, осуществляют для снижения механического напряжения, которое сохраняется после того, как сверхпроводящий кабель 12 был втянут во внутреннюю 11 трубу теплоизолированной двойной трубы и охлажден.
[0058] По этой причине при установке силы выталкивания F', такой, что F' > F,
усилие растяжения со стороны закрепленного конца сверхпроводящего кабеля 12 снижается так, что она становится равной нулю или менее (F - F' < 0).
[0059] Здесь и далее, будет приведено описание о причине для выталкивания сверхпроводящего кабеля 12 во внутреннюю трубу 11 теплоизолированной двойной трубы со стороны одного конца (закрепленный конец), фиксация которого была ослаблена.
0
0
[0060] Как было описано выше, на графике (2) на ФИГ. 11, механическое напряжение в левой половине (X (длина)=0 ~ L/2) сверхпроводящего кабеля 12 сохраняется, и оно принимает максимальное значение, которое представляет собой значение механического напряжения (= -σ) на концевой части (X (длина)=0) при втягивании сверхпроводящего кабеля 12. Следовательно, желательно, чтоб это механическое напряжение было ослаблено.
[0061] Для достижения этого ослабления, при выполнении охлаждения и достижении низкой температуры, сторону закрепленного конца (фиксированный конец 15 на ФИГ. 6) сверхпроводящего кабеля 12 отсоединяют и устанавливают в качестве свободного конца. Затем, сверхпроводящий кабель вдавливают во внутреннюю трубу 11 теплоизолированной двойной трубы, с обеспечением, таким образом, устранения механического напряжения в концевой части (концевая часть на ФИГ. 6).
[0062] Однако, как проиллюстрировано на графике (2) на ФИГ. 11, механическое напряжение в сверхпроводящем кабеле 12 принимает отрицательную величину. Таким образом, сверхпроводящий кабель 12 фактически находится во втянутом состоянии, без приложения силы снаружи. Но это технически непросто. То есть, поскольку эту работу выполняют в ситуации, когда сверхпроводящий кабель 12 и труба (внутренняя труба 11 теплоизолированной двойной трубы) охлаждаются при температуре жидкого азота.
[0063] Кроме того, нецелесообразно слишком сильно выталкивать сверхпроводящий кабель 12. Тогда эту работу по вдавливанию необходимо выполнять при контроле силы выталкивания F' тензометрическим датчиком.
[0064] Поэтому, работу по выталкиванию выполняют, ухитряясь прикрепить колодку к трубе. В результате, можно получить распределение, как проиллюстрировано на графике (2) на ФИГ. 12, в качестве остаточного распределения механического напряжения в сверхпроводящем кабеле 12. На графике (2) на ФИГ. 12, механическое напряжение на концевой части (X (длина)=0) равно нулю. Даже если механическое напряжение на концевой части равно нулю, возникает такая сила трения, что механическое напряжение сохраняется во всем кабеле. Однако механическое напряжение в целом может быть сильно снижено от механического напряжения, соответствующего термическому сжатию 0,3%, поскольку этот график означает, что в качестве максимального механического напряжения остается то механическое напряжение, которое появилось после того, как кабель был втянут в промежуточную часть кабеля.
[0065] После завершения вышеупомянутой работы, оба конца сверхпроводящего кабеля 12 прикрепляют к теплоизолированной двойной трубе, и осуществляют подъем температуры. Это заставляет сверхпроводящий кабель 12 спирально деформироваться.
[0066] Примеры на ФИГ. 12 иллюстрируют распределения, когда механическое напряжение на закрепленном конце (X (длина)=0) задано равным нулю, или сила выталкивания F' сверхпроводящего кабеля 12 в трубу (внутренняя труба 11 теплоизолированной двойной трубы) задана равной нулю. График (2) на ФИГ. 12 представляет собой график, иллюстрирующий распределение механического напряжения при вдавливании стороны закрепленного конца сверхпроводящего кабеля 12, удерживаемого при низкой температуре, а график (1) представляет собой график, иллюстрирующий распределение механического напряжения (остаточного механического напряжения) (на ФИГ. 10) в кабеле, когда силу, которая должна действовать на сверхпроводящий кабель 12 после того, как сверхпроводящий кабель 12 был втянут в трубу (внутреннюю 11 трубу теплоизолированной двойной трубы), делают равной нулю.
[0067] Сила выталкивания F' сверхпроводящего кабеля 12 может быть слегка повышена, для вдавливания сверхпроводящего кабеля 12 еще больше внутрь внутренней трубы 11 теплоизолированной двойной трубы. Затем механическое напряжение в сверхпроводящем кабеле 12 в целом становится более ослабленным. Однако необходимо проявить осторожность, поскольку при выполнении подъема температуры сила выталкивания на концевой части сверхпроводящего кабеля 12 повышается.
[0068] Что касается первого 15 зажима, растяжение и сжатие сверхпроводящего кабеля 12 может поглощаться упругим элементом или металлическим зажимом с функцией скольжения, например, как описано в Патентной литературе 3, вследствие чего термическое механическое напряжение по направлению длины сверхпроводящего кабеля 12 может быть ослаблено. Растяжение сверхпроводящего кабеля 12 при повышении температуры может поглощаться передвижным оконечным криостатом (см. Патентную литературу 1).
[0069] После завершения работы по достижению спиральной деформации путем подъема температуры от низкой температуры до комнатной температуры, оба конца сверхпроводящего кабеля 12 закрепляют и сохраняют, как проиллюстрировано на ФИГ. 7A.
[0070] Эту операцию выполняют, поскольку механическая деформация, как было упомянуто выше, сопровождается трением, и т.д., вследствие чего деформация не обязательно бывает стабильной.
[0071] Фактически, при выполнении многократного охлаждения и подъема температуры сверхпроводящего кабеля 12, сверхпроводящий кабель 12 каждый раз слегка изменяется. Экспериментально было показано, что при приблизительно четырехкратном выполнении охлаждения и подъема температуры сверхпроводящего кабеля 12, форма кабеля при комнатной температуре и форма кабеля при низкой температуре, по-видимому, сравнительно стабилизируется.
[0072] Однако, поскольку трение всегда присутствует, полная воспроизводимость в такой удлиненной структуре, как сверхпроводящий кабель, не может быть достигнута в принципе.
[0073] Сверхпроводящий кабель 12 удерживают в состоянии спиральной деформации. При работе по подключению, и т.п., осуществляемой для конца сверхпроводящего кабеля 12, концевую часть подвергают обработке. То есть, при выполнении операции для подключения сверхпроводящего кабеля 12, и т.п., эту операцию невозможно благополучно выполнить, если сверхпроводящий кабель 12 движется, и в результате, даже может случиться, что эффективность операции значительно снизится.
[0074] Затем, как схематически проиллюстрировано на ФИГ. 7B, часть сверхпроводящего кабеля 12, расположенную близко к концевой части сверхпроводящего кабеля 12, прикрепляют к теплоизолированной двойной трубе и т.п., с использованием, например, второго 17 зажима, с предотвращением, таким образом, перемещения сверхпроводящего кабеля 12. То есть при выполнении операции по подключению сверхпроводящего кабеля 12 ход работы может замедлиться, если сверхпроводящий кабель движется. По этой причине, часть, расположенную близко к концевой части сверхпроводящего кабеля 12, удерживают, с предотвращением, таким образом, исчезновения состояния спиральной деформации (ее шагов и амплитуды) сверхпроводящего кабеля 12. В примере, представленном на ФИГ. 7B, второй 17 зажим прикрепляют к теплоизолированной двойной трубе (внешняя труба 10). Однако второй 17 зажим, разумеется, может быть прикреплен к другому местоположению, и т.п.
[0075] В кабельном каркасе структуры концентрических скрученных проводов в сверхпроводящем кабеле 12, направление закручивания для каждого слоя обратно друг другу, что, таким образом, в целом осложняет скручивание кабельного каркаса. Однако направления скручивания самого внешнего слоя и слоя, следующего за самым внешним слоем, заданы таким образом, чтобы они были одинаковыми, для обеспечения деформации сверхпроводящего кабеля 12 в спиралевидную форму в процессе подъема температуры. Это стабилизирует направление закручивания (приводящее к спиральной деформации).
[0076] Разумеется, между внутренней трубой и внешней трубой теплоизолированной двойной трубы может быть обеспечен опорный элемент (элементы), и т.п. Между внутренней трубой и внешней трубой может быть обеспечен экран для защиты от излучений, сконфигурированный для предотвращения притока тепла. Он может быть сконфигурирован так, чтобы экран для защиты от излучений был образован, например, путем комбинирования множества кольцевых элементов (алюминиевых выталкивающих элементов), а поверх множества кольцевых элементов наматывают многослойную изоляцию (МСИ).
[0077] Каждое из раскрытий вышеперечисленной Патентной литературы 1-3 и Непатентной литературы 1 и 2 включено в настоящую работу в виде ссылки. Изменение и корректировка каждого примерного варианта воплощения и каждого примера возможны в рамках объема всего раскрытия (включающего в себя формулу изобретения) настоящего изобретения и получены, исходя из основной технической концепции настоящего изобретения. Различные сочетания и выбор различных раскрытых элементов (включающих в себя каждый элемент из каждого пункта формулы изобретения, каждый элемент из каждого примера, каждый элемент из каждого вытягивания, и т.д.) возможны в рамках объема формулы настоящего изобретения. То есть настоящее изобретение естественным образом включает в себя различные изменения и модификации, которые могут быть сделаны специалистами в данной области техники согласно общему раскрытию, включающему в себя формулу изобретения и техническую концепцию.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
[0078] 10 - внешняя труба теплоизолированной двойной трубы;
11 - внутренняя труба теплоизолированной двойной трубы;
12 - сверхпроводящий кабель;
13 - вакуумный слой;
14 - вакуумный насос;
15 - первый зажим;
16 - хладагент (жидкий азот);
17 - второй зажим;
18 - газообразный азот;
101 - труба;
102 - кабель (сверхпроводящий кабель).