ГЕРМЕТИЧНАЯ КОНЦЕВАЯ МУФТА ДЛЯ СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО КАБЕЛЯ
TIGHT TERMINATOR FOR SUPER CONDUCTING CABLE

Область техники
[0001] Изобретение относится к герметичной концевой муфте для сверхпроводящего кабеля, которая передает электроэнергию между стороной с криогенной температурой и стороной с нормальной температурой через втулку. В частности, настоящее изобретение относится к герметичной концевой муфте для сверхпроводящего кабеля, которая способна поглощать тепловое сжатие сосуда для хладагента, вызванное охлаждением хладагентом.
Предшествующий уровень техники
[0002] В качестве герметичной концевой муфты для сверхпроводящего кабеля известна, например, муфта, показанная на фиг.2 (см. патентный источник 1). Эта герметичная концевая муфта снабжена следующими элементами: (а) концевым участком сверхпроводящего кабеля 100, (b) сосудом 101 для хладагента для размещения этого концевого участка, (с) втулкой 102 для обеспечения электрической непрерывности между сверхпроводящим проводником кабеля 100 и стороной с нормальной температурой, (d) вакуумным контейнером 103, установленным так, чтобы охватывать периферию сосуда 101 для хладагента, и (е) фарфоровой втулкой 104, смонтированной на вакуумном контейнере 103 так, чтобы подниматься на стороне с нормальной температурой.
6
[0003] Втулка 102 проходит изнутри сосуда 101 для хладагента внутрь фарфоровой втулки 104 и снабжена следующими элементами: (а) проводящим участком 102а, который расположен на центральном участке и который электрически соединен со сверхпроводящим проводником через сочленение 105, и (b) твердым изолирующим слоем 102b, сформированным из армированной волокном пластмассы (АВП) вокруг проводящего участка 102а так, чтобы охватывать его. Втулка 102 на своей внешней окружной периферии снабжена двумя фланцами 102с и 102d. Один фланец 102с из этих двух прикреплен к сосуду 101 для хладагента, а второй фланец 102d прикреплен к вакуумному контейнеру 103 и фарфоровой втулке 104. Сосуд 101 для хладагента заполнен жидким хладагентом, таким как жидкий азот, для охлаждения втулки 102, сочленения 105 и пр. Фарфоровая втулка 104 заполнена изолирующей текучей средой, такой как изоляционное масло или газообразный гексафторид серы (SF). Между фланцем 102с и сосудом 101 для хладагента и между фланцем 102d и фарфоровой втулкой 104 расположено металлическое уплотнение для воздухонепроницаемого уплотнения сосуда 101 для хладагента и других элементов. Для уменьшения проникновения теплоты со стороны с нормальной температурой на сторону с криогенной температурой вакуумный контейнер 103 снабжен промежуточным вакуумным участком 103а, который представляет собой пространство, окруженное фланцами 102с и 102d и элементами для соединения фланца 102с с фланцем 102d.
Tokukai
[0004] Патентный источник 1: Опубликованная заявка на патент Японии  2002-238144.
Раскрытие изобретения
Проблема, решаемая изобретением
[0005] В описанной выше обычной герметичной концевой муфте при введении хладагента в сосуд для хладагента этот сосуд для хладагента испытывает тепловое сжатие, поскольку он охлаждается хладагентом. Однако в обычной герметичной концевой муфте механизм компенсации такого теплового сжатия не был предусмотрен.
[0006] Кроме того, в описанной выше обычной герметичной тепловой муфте характеристики уплотнения могут ухудшаться рядом с границами между сосудом для хладагента и фланцем, между фарфоровой втулкой и фланцем и т.д.
[0007] Ввиду вышеизложенных обстоятельств, главная задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить герметичную концевую муфту для сверхпроводящего кабеля, способную компенсировать тепловое сжатие сосуда для хладагента из-за охлаждения хладагентом. Другая задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить герметичную концевую муфту для сверхпроводящего кабеля, способную предотвращать ухудшение характеристик воздухонепроницаемого уплотнения в течение длительного периода эксплуатации.
Средства решения проблемы
[0008] В настоящем изобретении указанная выше задача достигается путем снабжения сосуда для хладагента механизмом компенсации теплового сжатия. Более конкретно, в настоящем изобретении предлагается герметичная концевая муфта для сверхпроводящего кабеля, осуществляющая через втулку ввод и вывод электроэнергии между стороной с нормальной температурой и стороной с криогенной температурой, на которой находится концевой участок сверхпроводящего кабеля. Герметичная концевая муфта снабжена сосудом для хладагента на стороне с криогенной температурой для охлаждения указанной втулки. Сосуд для хладагента заполнен жидким хладагентом и газообразным хладагентом. Важнейший признак настоящего изобретения заключается в том, что сосуд для хладагента снабжен компенсирующим сжатие участком для компенсации сжатия сосуда для хладагента, когда он претерпевает тепловое сжатие под воздействием хладагента. В дополнение к вышеописанной муфте, в герметичной концевой муфте по настоящему изобретению сосуд для хладагента снабжается участком со специальным размером для управления балансом между давлением газообразного хладагента и давлением жидкого хладагента. Более конкретно, в дополнение к вышеописанной муфте, герметичная концевая муфта по настоящему изобретению снабжена участком с узким зазором, который сконструирован так, что: (а) зазор между внутренней поверхностью участка с узким зазором и внешней окружной периферией втулки имеет величину, которая на только поддерживает газообразный хладагент в газообразном состоянии без повышения его давления компрессором, но и поддерживает давление газообразного хладагента и давление жидкого хладагента в равновесии; и (b) область, в которой проходит граница между жидким хладагентом и газообразным хладагентом, образуется на этом участке с узким зазором.
[0009] Вышеописанная обычная герметичная концевая муфта имеет конструкцию, в которой фланец, предусмотренный на внешней окружной периферии втулки, приводится в непосредственный контакт с хладагентом. Следовательно, когда в сосуд для хладагента вводится хладагент, втулка и сосуд для хладагента претерпевают тепловое сжатие в результате охлаждения хладагентом. Ввиду этого явления в патентном источнике 1 раскрывается конструкция, в которой соединительный элемент, составляющий промежуточный вакуумный участок, образован гофрированной трубкой для того, чтобы позволить фланцу перемещаться так, чтобы фланец не испытывал чрезмерных напряжений. Однако сосуд для хладагента при этом не учитывается. Кроме того, в случае вышеописанной обычной герметичной концевой муфты, когда она предназначена для обеспечения достаточного градиента температур рядом с втулкой, длина в направлении от стороны с криогенной температурой к стороне с нормальной температурой должна быть увеличена, что увеличивает размер герметичной концевой муфты. Более того, в вышеописанной обычной герметичной концевой муфте могут возникнуть проблемы из-за разницы в скорости теплового сжатия между материалом втулки (АВП) и материалом сосуда для хладагента (нержавеющая сталь), когда температура меняется от нормальной температуры во время сборки до температуры хладагента. Более конкретно, относительное положение между уплотняющими поверхностями может в определенной степени изменяться, создавая зазор. Болт, крепящий уплотнительные элементы, также может ослабнуть. В результате, характеристики уплотнения могут ухудшиться.
[0010] В противоположность этому, герметичная концевая муфта по настоящему изобретению, имеющая компенсирующий сжатие участок в сосуде для хладагента, может эффективно компенсировать величину сжатия сосуда для хладагента даже в том случае, когда сосуд для хладагента испытывает тепловое сжатие вследствие охлаждения вводимым в этот сосуд хладагентом. Следовательно, такая герметичная концевая муфта может эффективно предотвратить проблемы, сопутствующие тепловому сжатию, такие как разрушение герметичной концевой муфты.
[0011] Кроме того, в герметичной концевой муфте по настоящему изобретению сосуд для хладагента снабжается участком с узким зазором. Этот участок с узким зазором позволяет сосуду для хладагента иметь следующие две области: (а) область газообразного хладагента на его стороне с нормальной температурой, имеющую относительно высокую температуру из-за проникающей со стороны с нормальной температурой теплоты, и (b) область жидкого хладагента, температура которой уменьшается по мере перемещения внутрь этой области жидкого хладагента. Другими словами, герметичная концевая муфта по настоящему изобретению снабжена областью, имеющей достаточный градиент температур от стороны с криогенной температурой к стороне с нормальной температурой. В результате этого втулка, заключенная в участке с узким зазором, также имеет достаточный градиент температур, тем самым уменьшая влияние проникающей теплоты на сторону с криогенной температурой. В частности, настоящее изобретение позволяет создать герметичную концевую муфту с еще более уменьшенным размером за счет наличия участка с узким зазором (участок, в котором зазор между внутренней поверхностью сосуда для хладагента и внешней окружной периферией втулки мал), не увеличивая длину в направлении от стороны с криогенной температурой к стороне с нормальной температурой. Более того, в герметичной концевой муфте по настоящему изобретению, имеющей достаточный температурный градиент, изменение температуры рядом с граничным участком между стороной с криогенной температурой и стороной с нормальной температурой невелико с момента завершения сборки герметичной концевой муфты и на протяжении эксплуатации кабельной системы. Следовательно, эта герметичная концевая муфта может в течение длительного времени эффективно поддерживать воздухонепроницаемость рядом с этим граничным участком. Далее следует более подробное описание настоящего изобретения.
[0012] Сверхпроводящий кабель, используемый в настоящем изобретении, может иметь конструкцию, которая снабжена кабельной жилой, имеющей сверхпроводящий проводник, и теплоизолирующей трубой, в которую заключена эта жила. Более конкретно, кабельная жила может иметь конструкцию, которая снабжена, в следующем порядке от центра, каркасом, сверхпроводящим проводником, электроизоляционным слоем, сверхпроводящим слоем и защитным слоем. Сверхпроводящий слой, предусмотренный на внешней поверхности электроизоляционного слоя, используется в качестве сверхпроводящего экранирующего слоя, обратного проводника и т.п. Такой кабель может содержать либо одну единственную жилу, либо множество жил. Другими словами, используемый сверхпроводящий кабель может быть либо одножильным кабелем, либо многожильным кабелем. Используемый сверхпроводящий кабель может быть предназначен для передачи либо постоянного тока, либо переменного тока. Разумеется, могут быть использованы общеизвестные сверхпроводящие кабели.
-7
[0013] В настоящем изобретении втулка описывается как снабженная (а) проводящим участком, который обеспечивает электрическую непрерывность со сверхпроводящим проводником вышеописанного сверхпроводящего кабеля, и (b) твердым изолирующим слоем, который покрывает верхнюю окружную периферию проводящего участка. Рекомендуется, чтобы проводящий участок втулки был сформирован с использованием проводящего материала, такого как металл, который имеет небольшое электрическое сопротивление при той температуре (температуре хладагента), при которой используется сверхпроводящий кабель. Эта температура близка, например, к температуре жидкого азота, когда в качестве хладагента используется жидкий азот. К таким металлам относятся медь и алюминий, которые при 77К обладают удельным сопротивлением ρ в 2×10 Ом·см. Твердый изолирующий слой может быть сформирован из полимерного материала с хорошими электроизоляционными свойствами, такого как этиленпропиленовый каучук или другой изоляционный каучуковый материал. Однако особенно желательно использовать армированную волокном пластмассу (АВП). В случае АВП можно повысить точность механической обработки внешней поверхности. Следовательно, зазор между внутренней поверхностью сосуда для хладагента (участок с узким зазором) и внешней поверхностью втулки можно дополнительно уменьшить. В случае, если сосуд для хладагента выполнен из металла, такого как нержавеющая сталь, а втулка сконструирована имеющей конструкцию, в которой твердый изолирующий слой выполнен, например, с использованием АВП, и ее внешняя окружная периферия покрыта металлическим материалом, таким как нержавеющая сталь, то и внутренняя поверхность сосуда для хладагента, и внешняя окружная периферия втулки выполнены из металла. Такая конструкция позволяет использовать так называемую байонетную конструкцию. В результате, такая конструкция позволяет дополнительно уменьшить зазор на участке с узким зазором.
6
[0014] Такая втулка расположена от стороны с криогенной температурой до стороны с нормальной температурой. Один конец втулки заключен в описанном ниже сосуде для хладагента. Сосуд для хладагента заключен внутри вакуумного контейнера. Вакуумный контейнер снабжен вакуумным теплоизолирующим пространством в промежутке между сосудом для хладагента и вакуумным контейнером. Желательно, чтобы сосуд для хладагента и вакуумный контейнер были выполнены из металла, обладающего хорошей прочностью, такого как нержавеющая сталь. Вакуумный контейнер может иметь конструкцию, подобную конструкции обычного вакуумного контейнера. Другой конец этой втулки заключен в фарфоровую втулку, установленную так, чтобы выступать на вакуумном контейнере. Фарфоровая втулка заполнена изолирующей жидкостью, изолирующим газом или другой изолирующей текучей средой, обладающей хорошими электроизоляционными свойствами, такой как изоляционное масло или SF.
[0015] Сосуд для хладагента, в который заключен один конец втулки, может иметь конструкцию, которая снабжена следующими элементами: (а) основным корпусом, в котором заключен концевой участок втулки и соединительный участок, который соединяет концевой участок сверхпроводящего кабеля (кабельной жилы) и концевой участок втулки; и (b) трубчатый участок, в котором заключен промежуточный участок втулки. Основной корпус предусмотрен имеющим размер, способный принять вышеуказанные участки. Трубчатый участок предусмотрен имеющим размер, способный позволить втулке проходить внутри него. В настоящем изобретении сосуд для хладагента заполнен жидким хладагентом и газообразным хладагентом. Следовательно, пространство внутри сосуда для хладагента имеет (а) область жидкого хладагента, заполненную жидким хладагентом, и (b) область газообразного хладагента, которая предусмотрена на стороне с нормальной температурой относительно положения вышеуказанной области жидкого хладагента и которая заполнена газообразным хладагентом. Основной корпус сосуда для хладагента выполнен имеющим область жидкого хладагента, заполненную жидким хладагентом. Трубчатый участок может быть выполнен имеющим только область газообразного хладагента, которая допускает наличие только газообразного хладагента, или имеющим и область жидкого хладагента, и область газообразного хладагента, соответственно допуская наличие и жидкого хладагента, и газообразного хладагента.
[0016] Жидкий хладагент и газообразный хладагент могут быть либо одного типа, либо разных типов. Например, типы газообразного хладагента включают газообразный азот и газообразный гелий, а типы жидкого хладагента включают жидкий азот и жидкий гелий.
[0017] Важнейший признак настоящего изобретения заключается в том, что вышеописанный сосуд для хладагента снабжен компенсирующим сжатие участком для компенсации сжатия сосуда для хладагента, когда он претерпевает тепловое сжатие под воздействием хладагента. Компенсирующий сжатие участок необходим только для того, чтобы получить конструкцию, способную компенсировать тепловое сжатие сосуда для хладагента. Он может быть сформирован из материала, обладающего гибкостью и способностью сжиматься и расширяться. Компенсирующий сжатие участок может быть предусмотрен либо на основном корпусе сосуда для хладагента, либо на трубчатом участке. В первом случае компенсирующий сжатие участок может быть образован путем придания части основного корпуса формы, способной сжиматься и расширяться. Во втором случае компенсирующий сжатие участок может быть образован с использованием сильфона, который имеет размер (внутренний диаметр), способный позволить втулке проходить внутри него и который имеет чередующиеся по его длине гребни и впадины. Другими словами, муфта имеет компенсирующий сжатие участок на внешней стороне втулки.
[0018] В дополнение к вышеописанному компенсирующему сжатие участку, герметичная концевая муфта по настоящему изобретению может иметь область с узким зазором между внутренней поверхностью сосуда для хладагента и внешней окружной периферией втулки. Конкретный размер (зазор) этой области спроектирован так, чтобы этот размер не только поддерживал газообразный хладагент в газообразном состоянии без повышения его давления компрессором, но и поддерживал давление газообразного хладагента и давление жидкого хладагента в равновесии. Другими словами, размер этой области спроектирован не только так, чтобы допускать наличие в этой области границы между газообразным хладагентом и жидким хладагентом, но и так, чтобы обеспечить возможность достижения состояния равновесия между давлением газообразного хладагента и давлением жидкого хладагента. Такая область сформирована на участке с узким зазором. Другими словами, проектируют (рассчитывают) так, чтобы вышеописанная граница лежала в пространстве внутри участка с узким зазором. Рекомендуется, чтобы размер участка с узким зазором регулировался в соответствии с давлением жидкого хладагента при заполнении, величиной проникающей теплоты, внешним диаметром втулки и так далее. Например, в случае, если (а) в качестве жидкого хладагента используется жидкий азот, (b) в качестве газообразного хладагента используется газообразный азот, (с) втулка имеет диаметр 100-200 мм или около того, и (d) жидкий хладагент имеет давление 0,3-0,5 МПа или около того, то можно использовать следующую конструкцию: (а) участок с узким зазором имеет внутренний диаметр, который определен заранее так, что зазор между внутренней поверхностью сосуда для хладагента (участок с узким зазором) и внешней окружной периферией втулки мог составлять 0,1-2,5 мм или около того, и (b) участок с узким зазором имеет длину (продольное расстояние в направлении от стороны с криогенной температурой до стороны с нормальной температурой) 300-500 мм или около того. Когда длина участка с узким зазором сокращается более, рекомендуется в определенной степени увеличить внутренний диаметр участка с узким зазором. Можно рекомендовать выбирать длину и внутренний диаметр вышеописанного участка с узким зазором так, чтобы герметичная концевая муфта имела желаемый размер.
[0019] Вышеописанный участок с узким зазором предусмотрен в том месте, где в вышеописанном сосуде для хладагента установлена втулка. Более конкретно, можно рекомендовать предусматривать участок с узким зазором в по меньшей мере одной части трубчатого участка. Следовательно, весь трубчатый участок может быть выполнен как участок с узким зазором. Альтернативно, как участок с узким зазором может быть выполнена часть трубчатого участка. В первом случае участок с узким зазором можно предусмотреть так, чтобы граница между газообразным хладагентом и жидким хладагентом располагалась либо на границе между трубчатым участком и основным корпусом, либо на участке с узким зазором (трубчатом участке).
[0020] Желательно, чтобы вышеописанный участок с узким зазором был образован с использованием гладкой трубы, имеющей продольно гладкую поверхность. Когда труба имеет такую форму, как у сильфона, при которой вдоль ее длины проходят чередующиеся гребни и впадины, трудно добиться вышеописанного равновесия давлений. Следовательно, в качестве материала для участка с узким зазором желательно использовать гладкую трубу. В этом случае половина разности между внутренним диаметром гладкой трубы и наружным диаметром втулки равна зазору между внутренней поверхностью участка с узким зазором и внешней окружной периферией втулки.
[0021] Вышеописанный участок с узким зазором является элементом, предназначенным для формирования участка, в котором зазор между внутренней поверхностью сосуда для хладагента и внешней окружной поверхностью втулки является малым. Благодаря малому зазору жидкий хладагент на стороне с нормальной температурой может перейти в газообразное состояние под действием проникающей со стороны с нормальной температурой теплоты и стать газообразным хладагентом, а жидкий хладагент на стороне с криогенной температурой может сохранять состояние жидкости, не меняя своего состояния. Другими словами, можно создать достаточный температурный градиент, и газообразный хладагент и жидкий хладагент достигают равновесия в пространстве внутри участка с узким зазором. Следовательно, надлежащая регулировка размера участка с узким зазором может поддерживать газообразный хладагент в газообразном состоянии без повышения его давления компрессором (в обычной конструкции используется компрессор). Следовательно, нет необходимости отдельно предусматривать компрессор. В результате можно сократить количество конструктивных элементов, что обеспечивает дополнительное уменьшение размера герметичной концевой муфты. В настоящем изобретении, благодаря наличию в сосуде для хладагента участка с узким зазором, можно предотвратить ухудшение характеристик уплотнения уплотнительных элементов, помещенных на границе между стороной с криогенной температурой и стороной с нормальной температурой вследствие отвердевания в результате охлаждения хладагентом.
[0022] В случае, когда описанный выше участок с узким зазором выполнен в трубчатом участке сосуда для хладагента, а в основном корпусе сосуда для хладагента выполнен описанный выше компенсирующий сжатие участок, когда сосуд для хладагента претерпевает тепловое сжатие, жидкий хладагент в основном корпусе может переместиться в трубчатый участок. Когда это происходит, поверхность жидкости поднимается до стороны с нормальной температурой. В результате может оказаться невозможным создать остаточный температурный градиент. Следовательно, в случае, когда в дополнение к компенсирующему сжатие участку имеется участок с узким зазором, желательно предусматривать компенсирующий сжатие участок в трубчатом участке, как и в участке с узким зазором. В частности, желательно предусматривать компенсирующий сжатие участок на стороне с нормальной температурой трубчатого участка, которая заполнена газообразным хладагентом, поскольку может быть уменьшена величина вызванного сжатием подъема поверхности жидкости. Когда компенсирующий сжатие участок образован на трубчатом участке сосуда для хладагента, участок с узким зазором и компенсирующий сжатие участок могут быть соединены в тандем вдоль их длины. В этом случае либо участок с узким зазором, либо компенсирующий сжатие участок можно поместить на стороне с криогенной температурой. Более конкретно, можно использовать любое из следующих конструктивных исполнений: (а) участок с узким зазором помещен на стороне с криогенной температурой, а компенсирующий сжатие участок помещен на стороне с нормальной температурой; (b) компенсирующий сжатие участок помещен на стороне с криогенной температурой, а участок с узким зазором помещен на стороне с нормальной температурой; (с) компенсирующий сжатие участок помещен в промежуточное положение участка с узким зазором. При любом конструктивном исполнении, когда компенсирующий сжатие участок образован с использованием элемента, имеющего чередующиеся гребни и выступы, такого как сильфон, трудно осуществлять регулировку так, чтобы давление газа и давление жидкости достигли равновесия. Следовательно, в настоящем изобретении используется конструкция, в которой газ и жидкость разделены на участке с узким зазором. Альтернативно, как описано выше, можно использовать конструкцию, в которой газ и жидкость разделены на границе между основным корпусом и трубчатым участком, который снабжен участком с узким зазором.
[0023] Как описано выше, участок с узким зазором и компенсирующий сжатие участок могут быть соединены в тандем вдоль их длины. В этом случае, однако, длина трубчатого участка увеличивается, увеличивая размер герметичной концевой муфты. Следовательно, для уменьшения длины так, чтобы можно было дополнительно уменьшить размер герметичной концевой муфты, компенсирующий сжатие участок можно поместить так, чтобы он перекрывался с участком с узким зазором. Более конкретно, желательно поместить их так, что часть участка с узким зазором вставлена в компенсирующий сжатие участок. Другими словами, они помещаются в перекрывающемся состоянии так, что один конец компенсирующего сжатие участка лежит на внешней стороне окружной периферии одного конца участка с узким зазором. В этом случае рекомендуется помещать их таким образом, что другой конец компенсирующего сжатие участка (концевой участок на стороне с нормальной температурой) выступает из вышеуказанного одного конца участка с узким зазором (концевого участка на стороне с нормальной температурой).
[0024] Когда трубчатый участок снабжен и участком с узким зазором, и компенсирующим сжатие участком, в зависимости от баланса давления избыточное количество жидкого хладагента может попадать в участок с узким зазором. Когда это происходит, поверхность жидкого хладагента может чрезмерно подняться к стороне с нормальной температурой, что не позволит получить достаточный температурный градиент. Следовательно, чтобы предотвратить чрезмерное попадание жидкого хладагента в участок с узким зазором, размеры участка с узким зазором и компенсирующего сжатие участка определены заранее. Более конкретно, например, в случае, когда (а) втулка имеет диаметр 100-200 мм или около того, (b) участок с узким зазором выполнен с использованием гладкой трубы круглого сечения, и (с) компенсирующий сжатие участок выполнен с использованием сильфона, можно использовать следующую конструкцию: (а) участок с узким зазором имеет внутренний диаметр, который определен заранее так, что: (а1) зазор между внутренней окружной периферией участка с узким зазором и внешней окружной периферией втулки составлял 0,1-2,5 мм или около того, и (а2) в частности, участок с узким зазором имеет внутренний диаметр, больший, чем наружный диаметр втулки, на 1-2 мм или около того; (b) участок с узким зазором имеет длину 300-500 мм или около того, (с) гибкий участок (сильфон) компенсирующего сжатие участка имеет длину 100-400 мм или около того, и (d) гибкий участок имеет минимальный внутренний диаметр, больший, чем наружный диаметр участка с узким зазором, на 10-20 мм или около того.
[0025] Можно также формировать участок с узким зазором и компенсирующий сжатие участок, используя только сильфон. В этом случае, однако, как описано выше, трудно добиться равновесия давлений. Следовательно, жидкий хладагент может попадать на сторону с нормальной температурой (в фарфоровую втулку), что не позволит создать достаточный температурный градиент. Следовательно, желательно выполнять участок с узким зазором, используя гладкую трубу.
[0026] Рекомендуется вводить газообразный хладагент и жидкий хладагент в вышеуказанный сосуд для хладагента следующим путем. Например, сначала в сосуд для хладагента вводится газообразный хладагент. Затем вводится жидкий хладагент так, чтобы давление газообразного хладагента и давление жидкого хладагента могли достичь состояния равновесия на участке с узким зазором. Затем, сосуд для хладагента может быть герметизирован, так что оба хладагента сохраняют состояние равновесия. Эта операция герметизации сосуда для хладагента может поддерживать сжатое состояние газообразного хладагента без осуществления повышения давления компрессором. Жидкий хладагент может охлаждаться либо с использованием холодильника или т.п. так, чтобы поддерживать надлежащую температуру, либо путем циркуляционного охлаждения, при котором хладагент циркулирует. Осуществление циркуляционного охлаждения может в некоторой степени изменять положение поверхности жидкости на участке с узким зазором, что обусловлено движением жидкого хладагента. Тем не менее, состояние равновесия можно поддерживать, регулируя давление циркуляции жидкого хладагента или т.п. так, чтобы давление газообразного хладагента и давление жидкого хладагента могли сохранять состояние равновесия.
[0027] В герметичной концевой муфте по настоящему изобретению, снабженной участком с узким зазором, газообразный хладагент находится в определенной степени под давлением. Следовательно, жидкий хладагент прижимается к стороне с криогенной температурой, предотвращая утечку жидкого хладагента на сторону с нормальной температурой. Тем не менее, желательно дополнительно и отдельно предусмотреть предотвращающий утечку элемент, поскольку такой элемент может более эффективно предотвращать утечку. Предотвращающий утечку элемент может иметь любую форму без специальных ограничений при условии, что он может подавлять утечку жидкого хладагента на сторону с нормальной температурой. Например, он может иметь форму кольца, которое можно установить скольжением на внешнюю окружную периферию втулки. В том случае, если участок с узким зазором предусмотрен так, что граница между газообразным хладагентом и жидким хладагентом расположена на границе между трубчатым участком и основным корпусом, то предотвращающий утечку элемент может иметь форму, соответствующую форме рядом с границей между этим основным корпусом и трубчатым участком сосуда для хладагента. Предотвращающий утечку элемент может быть выполнен из полимерного материала на основе каучука, такого как этиленпропиленовый каучук. Тем не менее, желательно использовать полимерный материал на основе силикона, поскольку он имеет хорошую стойкость к воздействию хладагента, такого как жидкий азот.
Эффект изобретения
[0028] Герметичная концевая муфта по настоящему изобретению, имеющая компенсирующий сжатие участок в сосуде для хладагента, может компенсировать сжатие сосуда для хладагента этим компенсирующим сжатие участком даже в том случае, когда сосуд для хладагента сжимается вследствие охлаждения хладагентом во время введения хладагента в этот сосуд. Следовательно, эта герметичная концевая муфта может предотвратить проблемы, сопутствующие такому сжатию, такие как разрушение герметичной концевой муфты.
[0029] Кроме того, в герметичной концевой муфте по настоящему изобретению сосуд для хладагента снабжается участком с узким зазором, имеющим специальный размер. Следовательно, сосуд для хладагента может иметь достаточный температурный градиент от стороны с криогенной температурой к стороне с нормальной температурой без чрезмерного увеличения длины того участка, где расположена втулка. В результате эта муфта может предотвратить возникновение проблем, таких как ухудшение характеристик уплотнения рядом с границей между стороной с нормальной температурой и стороной с криогенной температурой. Следовательно, герметичная концевая муфта по настоящему изобретению может обеспечить предотвращение утечки газообразного хладагента на сторону с нормальной температурой в течение длительного времени.
[0030] Более того, в герметичной концевой муфте по настоящему изобретению задается специальный размер участка с узким зазором, как описано выше. Следовательно, газообразный хладагент переходит в состояние повышенного давления сам по себе, без использования компрессора. Следовательно, жидкий хладагент может прижиматься к стороне с криогенной температурой, что затрудняет подъем жидкого хладагента к стороне с нормальной температурой. В результате, область газообразного хладагента может в достаточной мере сохранять температурный градиент, так что можно эффективно предотвратить ухудшение характеристик уплотнения. Дополнительно, как описано выше, поскольку компрессор не нужен, количество конструктивных элементов муфты может быть уменьшено.
[0031] Такая герметичная концевая муфта по настоящему изобретению пригодна для применения в том месте, где электроэнергия передается между стороной с нормальной температурой и стороной с криогенной температурой в сверхпроводящей кабельной линии. Она может использоваться для ввода электроэнергии, вывода электроэнергии или для ввода и вывода электроэнергии.
Краткое описание чертежей
[0032] Фиг.1(А) представляет собой схематичное изображение в частичном сечении конструкции герметичной концевой муфты для сверхпроводящего кабеля по настоящему изобретению.
Фиг.1(В) представляет собой увеличенное частичное сечение части трубчатого участка сосуда для хладагента.
Фиг.2 представляет собой схематичное изображение конструкции обычной концевой муфты для сверхпроводящего кабеля.
Описание позиций
[0033] 1 - сосуд для хладагента; 1а - основной корпус; 1b - трубчатый участок; 2 - жидкий хладагент; 3 - газообразный хладагент; 4 - участок с узким зазором; 5 - компенсирующий сжатие участок; 5а - сильфон; 5b - крепежная деталь; 5с - фланец; 10 - втулка; 11 - проводящий участок; 12 - твердый изолирующий слой; 13 - фланец; 20 - вакуумный контейнер; 21 - вакуумное теплоизолирующее пространство; 30 - фарфоровая втулка; 50 - сверхпроводящий кабель; 51 - сверхпроводящий проводник; 52 - кабельная жила; 53 - теплоизолирующая труба; 53а - внутренняя труба; 53b - внешняя труба; 54 - сочленение; 55 - соединительный проводник; 60-62 - уплотняющий элемент; 100 - сверхпроводящий кабель; 101 - сосуд для хладагента; 102 - втулка; 102а - проводящий участок; 102b - твердый изолирующий слой; 102с и 102d - фланец; 103 - вакуумный контейнер; 103а - промежуточный вакуумный участок; 104 - фарфоровая втулка; 105 - сочленение.
Наилучший вариант реализации изобретения
[0034] Ниже приведено описание вариантов реализации настоящего изобретения. На приложенных чертежах одинаковые детали обозначены одинаковыми позициями. Соотношение размеров на чертежах не обязательно совпадает с тем, что используется в тексте описания. На фиг.1(А) представлено схематичное изображение в частичном сечении конструкции герметичной концевой муфты для сверхпроводящего кабеля по настоящему изобретению. На фиг.1(В) представлено увеличенное частичное сечение, показывающее часть трубчатого участка сосуда для хладагента. Герметичная концевая муфта посредством втулки 10 осуществляет ввод и вывод электроэнергии между стороной с нормальной температурой и стороной с криогенной температурой, на которой помещен концевой участок сверхпроводящего кабеля 50. Более конкретно, герметичная концевая муфта снабжена следующими элементами: (а) концевым участком сверхпроводящего кабеля 50; (b) втулкой 10, которая соединена со сверхпроводящим проводником 51 кабеля 50 и обеспечивает электрическую непрерывность от стороны с криогенной температурой до стороны с нормальной температурой; (с) сочленением 54, которое соединяет концевой участок сверхпроводящего кабеля 50 и втулку 10; (d) сосуд 1 для хладагента, в котором заключены сочленение 54 и втулка 10; (e) вакуумным контейнером 20, который охватывает периферию сосуда 1 для хладагента; и (f) фарфоровой втулкой 30, которая установлена на вакуумном контейнере 20 так, чтобы возвышаться на стороне с нормальной температурой. Сосуд 1 для хладагента снабжен следующими двумя областями, примыкающими друг к другу: (а) область жидкого хладагента, заполненная жидким хладагентом 2, на стороне с криогенной температурой, и (b) область газообразного хладагента, заполненная газообразным хладагентом 3, на стороне, более близкой к стороне с нормальной температурой, чем область жидкого хладагента.
[0035] Сосуд 1 для хладагента снабжен следующими элементами: (а) основным корпусом 1а, в котором заключены концевой участок втулки 10 и соединительный участок (сочленение 54), который соединяет концевой участок втулки 10 и концевой участок сверхпроводящего кабеля 50; и (b) трубчатым участком 1b, сквозь внутренность которого проходит промежуточный участок втулки 10. Основной корпус 1а образует область жидкого хладагента, заполненную жидким хладагентом 2. Трубчатый участок 1b имеет (а) область жидкого хладагента, заполненную жидким хладагентом 2, на стороне с криогенной температурой и (b) область газообразного хладагента, заполненную газообразным хладагентом 3, на стороне с нормальной температурой. В этом примере в качестве жидкого хладагента 2 используется жидкий азот, а в качестве газообразного хладагента 3 - газообразный азот.
t
t
[0036] Признаком настоящего изобретения является то, что трубчатый участок 1b снабжен участком 4 с узким зазором и компенсирующим сжатие участком 5. Участок 4 с узким зазором имеет зазор  между внутренней поверхностью 4а участка 4 с узким зазором и внешней окружной периферией 11а втулки 10. Зазор  не только поддерживает газообразный азот в газообразном состоянии без повышения его давления компрессором, но и формирует область, имеющую размер, предназначенный для поддержания давления газообразного азота и давления жидкого азота в равновесии. Компенсирующий сжатие участок 5 является местом, предназначенным для компенсации сжатия сосуда 1, когда этот сосуд 1 для хладагента сжимается при охлаждении хладагентом, вводимым в сосуд 1. Ниже следует подробное описание отдельных конструктивных элементов.
[0037] В данном примере сверхпроводящий кабель 50 имеет конструкцию, в которой кабельная жила 52, имеющая сверхпроводящий проводник 51, заключена в теплоизоляционной трубе 53. Кабельная жила 52 снабжена, в нижеследующем порядке от центра, каркасом, сверхпроводящим проводником 51, электроизоляционным слоем, сверхпроводящим слоем и защитным слоем. Теплоизоляционная труба 53 имеет конструкцию двойной трубы, состоящую из внутренней трубы 53а и внешней трубы 53b. Теплоизоляционный слой образован спиральным наложением теплоизоляционного материала на внешнюю окружную периферию внутренней трубы 53а. Пространство между внутренней трубой 53а и внешней трубой 53b вакуумируется для достижения заданной степени разрежения. Внутренность внутренней трубы 53а заполнена хладагентом (в настоящем примере - жидким азотом) для охлаждения кабельной жилы 52. На концевом участке сверхпроводящего кабеля 50 кабельная жила 52 обнажена, и составляющие ее элементы ступенчато удалены. Обнаженный таким образом сверхпроводящий проводник 51 соединен с соединительным проводником 55, выполненным из нормально проводящего материала, такого как медь. Соединительный проводник 55 соединен с проводящим участком 11 втулки 10 с использованием сочленения 54.
6
[0038] В этом примере втулка 10 (диаметр 140 мм) имеет (а) проводящий участок 11 (диаметр 40 мм), способный обеспечить электрическую непрерывность со сверхпроводящим проводником 51 сверхпроводящего кабеля 50, и (b) твердый изолирующий слой 12 (толщина 50 мм), который покрывает внешнюю окружную периферию проводящего участка 11. В этом примере проводящий участок 11 выполнен из меди, которая обладает небольшим удельным электрическим сопротивлением вблизи температуры жидкого азота. Твердый изолирующий слой 12 сформирован с использованием армированной волокном пластмассы (АВП), которая обладает прекрасными электроизоляционными свойствами и механической обрабатываемостью. На внешней окружной периферии промежуточного участка втулки 10 предусмотрен фланец 13 для крепления втулки 10 к сосуду 1 для хладагента (описанному ниже фланцу 5с). Фланцы 5с и 13 образуют границу, которая разделяет (а) сторону с криогенной температурой (сосуд 1 для хладагента), заполненную хладагентом, таким как жидкий азот и газообразный азот, и (b) сторону с нормальной температурой (фарфоровую втулку 30), которая заполнена изоляционной средой, такой как SF. На своем концевом участке на стороне с нормальной температурой втулка 10 снабжена верхним экраном (не показан), выполненным из меди. Сочленение 54 снабжено нижним экраном (не показан).
[0039] В этом примере как основной корпус 1а, так и трубчатый участок 1b сосуда 1 для хладагента выполнены из нержавеющей стали. Основной корпус 1а является контейнером, имеющим размер, достаточный для содержания в нем следующих элементов: (а) соединительного проводника 55, соединенного со сверхпроводящим проводником 51, выступающим из кабельной жилы 52 на концевом участке сверхпроводящего кабеля 50; (b) вышеупомянутого концевого участка втулки 10 и (с) сочленения 54, соединяющего концевые участки двух вышеперечисленных элементов. Основной корпус 1а заполнен жидким азотом. Основной корпус 1а сконструирован не только так, чтобы соединяться с холодильником для охлаждения жидкого азота, но и так, чтобы соединяться с подающей трубой и с выпускной трубой для жидкого азота, когда выполняется циркуляционное охлаждение (подлежащие соединению элементы не показаны). Основной корпус 1а заключен в вакуумный контейнер 20, выполненный из нержавеющей стали. Такая муфта имеет вакуумированное теплоизоляционное пространство 21, которое находится между вакуумным контейнером 20 и сосудом 1 для хладагента и которое вакуумировано до заданной степени разрежения.
[0040] Трубчатый участок 1b сосуда 1 для хладагента имеет форму трубы, имеющей размер, достаточный для того, чтобы позволить втулке 10 проходить внутри нее. Трубчатый участок 1b снабжен участком 4 с узким зазором на стороне с криогенной температурой и компенсирующим сжатие участком 5 на стороне с нормальной температурой. В этом примере участок 4 с узким зазором сформирован с использованием гладкой трубы. Компенсирующий сжатие участок 5 сформирован с использованием трубчатого тела, имеющего сильфон 5а в промежуточном положении. В этом примере используется конструкция, в которой компенсирующий сжатие участок 5 перекрывает участок 4 с узким зазором так, что часть трубчатого тела, образующего компенсирующий сжатие участок 5, расположена с внешней стороны окружной периферии части гладкой трубы, образующей участок 4 с узким зазором. Более конкретно, на одном конце компенсирующего сжатие участка 5 расположена крепежная деталь 5b. Крепежная деталь 5b прикреплена к внешней окружной периферии промежуточной части участка 4 с узким зазором с использованием сварки или другим подобным способом. Следовательно, концевая часть участка 4 с узким зазором на стороне с нормальной температурой расположена внутри компенсирующего сжатие участка 5. Другой конец компенсирующего сжатие участка 4 имеет фланец 5с для крепления его к фланцу 13 втулки 10. Сосуд 1 для хладагента прикреплен к вакуумному контейнеру 20 за счет крепления фланца 5с компенсирующего сжатие участка 5 к фланцу 13 втулки 10 и за счет крепления фланца 5с к вакуумному контейнеру 20. Граница между стороной с криогенной температурой (сосуд 1 для хладагента) и стороной с нормальной температурой (фарфоровая втулка 30) образована границами между фланцами 5с и 13 и между фланцем 5с и вакуумным контейнером 20. Следовательно, для поддержания воздухонепроницаемости между фланцами 5с и 13 и между фланцем 5с и вакуумным контейнером 20 установлены соответственно уплотняющие элементы 60 и 61. Кроме того, уплотняющий элемент 62 также установлен между вакуумным контейнером 20 и фарфоровой втулкой 30 для того, чтобы предотвратить утечку изоляционной текучей среды из фарфоровой втулки 30. Эти уплотняющие элементы 60 и 62 выполнены из металлического уплотняющего материала.
t
l
l
1
2
[0041] В настоящем примере используются следующие размеры: (а) зазор  между внутренней поверхностью 4а участка 4 с узким зазором и внешней окружной периферией 11а втулки 10 - 2,5 мм; (b) длина  участка 4 с узким зазором - 400 мм; (с) длина  сильфона компенсирующего сжатие участка 5 - 160 мм; (d) наружный диаметр самого большого участка сильфона - 170 мм; и (е) длина L трубчатого участка 1b - 450 мм.
[0042] В настоящем примере внутреннее пространство участка 4 с узким зазором на стороне с криогенной температурой заполнено жидким азотом, а внутреннее пространство участка 4 с узким зазором на стороне с нормальной температурой и компенсирующий сжатие участок 5 заполнены газообразным азотом. Другими словами, во внутреннем пространстве участка 4 с узким зазором имеется граница между жидким и газообразным азотом. Такое состояние достигается путем заполнения хладагентом сосуда 1 для хладагента согласно следующей процедуре. Во-первых, перед введением жидкого азота в сосуд 1 для хладагента, сосуд 1 для хладагента заполняют газообразным азотом для удаления влаги и других нежелательных веществ из сосуда 1 для хладагента. Затем, в сосуд 1 для хладагента подают жидкий азот, позволяя газообразному азоту остаться в части пространства внутри участка 4 с узким зазором. При этом жидкий азот вводится в сосуд 1 для хладагента так, что давление жидкого азота в сосуде 1 для хладагента может достигать примерно 0,5 МПа. Затем, сосуд 1 для хладагента герметизируют. Благодаря использованию описанной конструкции газообразный азот в пространстве внутри участка 4 с узким зазором не только может сохранять газообразное состояние под своим собственным давлением, но и давление газообразного азота и давление жидкого азота почти достигают состояния равновесия. За счет наличия такого участка 4 с узким зазором может быть создан достаточный температурный градиент от стороны с криогенной температурой к стороне с нормальной температурой без чрезмерного увеличения области газообразного хладагента. В результате описанный выше остающийся газообразный азот может сохранять газообразное состояние за счет поступающей со стороны с нормальной температурой теплоты, а жидкий азот может сохранять жидкое состояние. Более того, уплотняющий элемент 60, помещенный на границе между стороной с нормальной температурой и стороной с криогенной температурой (более конкретно, между фланцами 5с и 13), не подвергается воздействию значительного изменения температуры с момента сборки. Следовательно, имеется возможность эффективно предотвратить ухудшение характеристик уплотнения. Вследствие этого герметичная концевая муфта для сверхпроводящего кабеля по настоящему изобретению может сохранять состояние воздухонепроницаемости между стороной с нормальной температурой и стороной с криогенной температурой в течение длительного периода эксплуатации.
[0043] Когда сосуд 1 для хладагента охлаждается при введении жидкого азота в сосуд 1 для хладагента, сосуд 1 для хладагента стремится сжаться в результате теплового воздействия. Это вызывает тепловые напряжения между сосудом 1 для хладагента и вакуумным контейнером 20, который находится почти при атмосферной температуре. В этот момент, поскольку сосуд 1 для хладагента прикреплен к вакуумному контейнеру 20 через фланец 5с, тепловое напряжение может вызвать проблемы, такие как отсоединение сосуда 1 для хладагента в месте крепления. Тем не менее, поскольку герметичная концевая муфта по настоящему изобретению содержит компенсирующий сжатие участок 5, вышеописанное сжатие может быть скомпенсировано этим компенсирующим сжатие участком 5. Следовательно, герметичная концевая муфта для сверхпроводящего кабеля по настоящему изобретению способна предотвратить проблемы, вызываемые в результате сжатия, даже тогда, когда сосуд для хладагента охлаждается хладагентом и претерпевает тепловое сжатие. В частности, поскольку в этом примере на стороне с нормальной температурой трубчатого участка 1b сосуда 1 для хладагента предусмотрен компенсирующий сжатие участок 5, этот компенсирующий сжатие участок 5 легко меняет свою форму, компенсируя тепловое сжатие. Кроме того, такая конструкция может уменьшить степень подъема поверхности жидкого хладагента к стороне с нормальной температурой.
[0044] Кроме того, герметичная концевая муфта для сверхпроводящего кабеля по настоящему изобретению не требует компрессора для поддержания газообразного хладагента в газообразном состоянии в области газообразного хладагента. Следовательно, такая муфта позволяет обойтись без компрессорного оборудования, тем самым позволяя дополнительно уменьшить габариты.
(Пример испытания)
t
l
t
l
t
l
t
l
t
t
l
1
1
1
1
1
[0045] Втулку, описанную в вышеприведенном примере, использовали для проверки степени ухудшения состояния уплотнительных элементов, установленных между фланцами, при варьировании размера участка с узким зазором (зазора  и длины ). Давление жидкого азота варьировали в диапазоне 0,3-0,5 МПа в соответствии с зазором  и длиной . Испытываемые образцы выдерживали в течение 60 часов в вышеописанных условиях. Испытание показало, что когда зазор  составлял в диапазоне 0,1-2,5 мм, а длина  находилась в диапазоне 300-500 мм, утечки газа не наблюдалось, при условии, что образцы обладали достаточными характеристиками уплотнения. Результаты испытания также показали, что по мере того, как зазор  уменьшали, и по мере того, как длину  увеличивали, было легче достичь градиента температуры. Испытание также выявило, что когда зазор  уменьшали еще больше, было желательно покрывать внешнюю окружную периферию втулки металлическим материалом, таким как нержавеющая сталь. Для муфты с циркуляцией хладагента рекомендуется, чтобы давление жидкого азота корректировалось в диапазоне 0,3-0,5 МПа в соответствии с зазором  и длиной , чтобы добиться равновесия с давлением газообразного азота.
[0046] В дополнение к вышеописанной конструкции можно установить предотвращающий утечку элемент для более эффективного предотвращения утечки жидкого хладагента на сторону с нормальной температурой. Можно использовать конструкцию, в которой предотвращающий утечку элемент установлен рядом с границей между областью жидкого хладагента и областью газообразного хладагента. Предотвращающий утечку элемент может иметь форму кольца с тем, чтобы легко надеваться на внешнюю окружную периферию втулки 10. Он может быть выполнен с использованием силиконовой смолы, которая обладает прекрасной стойкостью к жидкому азоту.
[0047] Когда такой предотвращающий утечку элемент установлен, можно не только подавлять утечку жидкого азота на сторону с нормальной температурой, но и предотвратить охлаждение уплотняющих элементов фланцев вследствие контакта с жидким хладагентом. Предотвращающий утечку элемент не полностью уплотняет сообщение между областью жидкого хладагента и областью газообразного хладагента и сконструирован имеющим такой размер, чтобы давление жидкого хладагента могло воздействовать на газообразный хладагент.
Промышленная применимость
[0048] Герметичная концевая муфта по настоящему изобретению подходит для применения при концевой заделке сверхпроводящего кабеля. Герметичная концевая муфта по настоящему изобретению может применяться как для передачи постоянного тока, так и для передачи переменного тока.