Патент на изобретение №2349010

(54) КОНЦЕВАЯ МУФТА СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО КАБЕЛЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области электротехнических средств. Технический результат – концевая муфта сверхпроводящего кабеля способна предотвратить ухудшение герметичности уплотнения, имеющегося на границе между областью с комнатной температурой и криогенной областью при длительной эксплуатации. Конструкция концевой муфты содержит оконечность сверхпроводящего кабеля, проходной изолятор, обеспечивающий электрическое соединение со сверхпроводящим проводом кабеля, и охлаждающую ванну, окружающую концевую муфту и проходной изолятор. Охлаждающая ванна содержит слой жидкого азота со стороны своей криогенной области и слой газообразного азота со стороны области с комнатной температурой, примыкающих одна к другой. В слое газообразного азота расстояние t между внутренней поверхностью охлаждающей ванны и внешней поверхностью проходного изолятора выбирается так, что газообразное состояние азота поддерживается без создания избыточного давления наддувом и соответствующие давления газообразного азота и жидкого азота уравновешивают друг друга. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к конструкции концевой муфты сверхпроводящего кабеля, в которой оконечная часть сверхпроводящего кабеля проходит через проходной изолятор от области, находящейся при криогенной температуре, до области, находящейся при комнатной температуре. Более конкретно, настоящее изобретение относится к конструкции концевой муфты сверхпроводящего кабеля, обеспечивающей долговременное поддержание герметичности фланца, находящегося между криогенной областью и областью с комнатной температурой.

Предшествующий уровень техники

Представленная на фиг.5 конструкция известна как концевая муфта сверхпроводящего кабеля (см., например, выкладку патентной заявки Японии 2002238144, фиг.3). Эта конструкция концевой муфты содержит конец сверхпроводящего кабеля 100, охлаждающую ванну 101, окружающую этот конец, проходной изолятор 102, обеспечивающий электрическое соединение сверхпроводящего провода 100а кабеля 100 с вводом при комнатной температуре, вакуумную оболочку 103, окружающую снаружи охлаждающую ванну 101, фарфоровую трубку 104, выступающую над краем вакуумной оболочки 103, находящимся при комнатной температуре.

Проходной изолятор 102 имеет в своей сердцевине проводник 102а, электрически соединенный со сверхпроводящим проводом 100а через соединение 105 и покрытый твердым изолятором 102b, например этиленпропиленовым каучуком, и закрыт по всей своей длине от вакуумной оболочки 103 до фарфоровой трубки 104. Следует отметить, что в показанном на фиг.5 примере вблизи обоих концов проходного изолятора 102 на внешней поверхности твердого изолятора 102b имеются усиливающие конусы 102с.

Фарфоровая трубка 104 заполнена изолирующей жидкостью 104а, например трансформаторным маслом, или газом SF₆. Охлаждающая ванна 101 содержит слой 101b жидкого хладагента 101а, например жидкий азот, подаваемый из питающего трубопровода 106, и слой 101d газообразного хладагента 101с, например гелий и азот в виде слоя над слоем 101b жидкого хладагента. Охлаждающий газ 101с также поддерживается при повышенном давлении с помощью наддува (не показано) так, что жидкий хладагент 101а может не подниматься до поверхности, находящейся при комнатной температуре.

Вакуумная оболочка 103 с криогенной стороны и фарфоровая трубка 104 со стороны при комнатной температуре разделены фланцем 108. Фланец 108 обычно снабжен уплотняющей прокладкой 109 для создания герметичности и предотвращения попадания газообразного хладагента 101с из слоя 101d газообразного хладагента в фарфоровую трубку 104, находящуюся при комнатной температуре.

Недостаток рассмотренной выше обычной конструкции концевой муфты заключается в том, что при долговременном ее использовании уплотняющая прокладка фланца охлаждается и затвердевает, а при ухудшении уплотнения газообразный хладагент утекает на поверхность с комнатной температурой, то есть в этом случае не удается достичь герметичности.

Краткое изложение существа изобретения

Технической задачей настоящего изобретения является создание конструкции концевой муфты сверхпроводящего кабеля, в которой при длительной эксплуатации было бы возможно предотвратить ухудшение герметичности уплотнения на границе между поверхностью с комнатной температурой и поверхностью с криогенной температурой.

Поставленная задача согласно настоящему изобретению решена путем определения размеров слоя газообразного хладагента, путем создания конструкции концевой муфты сверхпроводящего кабеля, оконечный элемент которого проходит от криогенной области до области с комнатной температурой через проходной изолятор, при этом конструкция концевой муфты характеризуется тем, что содержит на криогенной стороне ванну с хладагентом, охлаждающую проходной изолятор, причем ванна с хладагентом содержит слой газообразного хладагента и слой жидкого хладагента, при этом в слое газообразного хладагента расстояние между внутренней поверхностью ванны и внешней поверхностью проходного изолятора выбрано так, что газообразное состояние поддерживается без создания избыточного давления наддувом, и, соответственно, давление газообразного хладагента и давление жидкого хладагента уравновешивали бы друг друга.

Обычно в слое газообразного хладагента внутренняя поверхность охлаждающей ванны и внешняя поверхность проходного изолятора расположены на достаточно большом расстоянии, как это показано на фиг.5, чтобы обеспечить достаточное изолирующее расстояние, а также далеко отстоят от фланца, расположенного на границе между областью с комнатной температурой и криогенной областью. В частности, если диаметр проходного изолятора составляет около 150 мм, то ширина охлаждающей ванны вблизи фланца (расстояние между внутренними поверхностями) составляет около 400 мм, т.е. расстояние между внутренней поверхностью охлаждающей ванны и внешней поверхностью проходного изолятора составляет около 125 мм.

Однако авторы настоящего изобретения обнаружили, что ширина охлаждающей ванны вблизи фланца (расстояние между внутренней поверхностью охлаждающей ванны и внешним периметром проходного изолятора) настолько велика, что невозможно установить небольшой температурный градиент от криогенной области до области с комнатной температурой, поэтому уплотнение на фланце, охлаждаясь газообразным хладагентом и поступающим жидким хладагентом, соответственно, твердеет, нарушая при этом герметичность. Расстояние в направлении от криогенной области до области с комнатной температурой слоя газообразного хладагента может быть увеличено для установления небольшого температурного градиента. Однако увеличение этого расстояния приведет к увеличению размера охлаждающей ванны и вакуумной оболочки и, таким образом, всей конструкции концевой муфты. Поэтому настоящее изобретение реализует более компактную конструкцию, без увеличения длины в направлении от криогенной области до области с комнатной температурой слоя газообразного хладагента, но с уменьшением расстояния между внутренней поверхностью охлаждающей ванны и внешней поверхностью проходного изолятора, особенно вблизи фланца.

Кроме того, уменьшенное расстояние между внутренней поверхностью охлаждающей ванны и внешней поверхностью проходного изолятора способствует увеличению давления газообразного хладагента. Поэтому соответствующим подбором размеров слоя газообразного хладагента он может поддерживаться в газообразном состоянии без подачи избыточного давления наддувом, как это делается обычно. Таким образом, без дополнительной подачи давления конструкция концевой муфты может быть более компактной.

Согласно настоящему изобретению проходной изолятор содержит проводник для обеспечения электрического соединения со сверхпроводящей жилой сверхпроводящего кабеля и твердый изолятор, покрывающий внешний периметр проводника. Проводник проходного изолятора может быть выполнен из какого-либо электропроводящего материала, например из меди или алюминия (оба металла при 77К имеют удельное сопротивление =2·10^-7Ом·см). Используемые металлы должны иметь низкое сопротивление вблизи температуры хладагента, при которой используется сверхпроводящий кабель, например при температуре жидкого азота, если именно он используется в качестве хладагента. Твердым изолятором могут быть электроизоляционные смолы, например электроизоляционная резина, такая как этиленпропиленовый каучук, и, предпочтительно, армированный волокном пластик (FRP), поскольку его электроизоляционные характеристики настолько велики, что ширина слоя газового хладагента (расстояние между внутренней поверхностью охлаждающей ванны и внешней поверхностью проходного изолятора) может быть уменьшена. В частности, предпочтительно, чтобы охлаждающая ванна была выполнена, например, из нержавеющей стали и чтобы используемый твердый изолятор был выполнен так, чтобы наружный слой элемента из FRP был покрыт металлом, например, из нержавеющей стали, чтобы противоположные поверхности охлаждающей ванны и проходного изолятора обе были бы металлическими. Таким образом, реализуется так называемая штыковая конструкция, и ширина слоя газообразного хладагента может быть уменьшена.

Предпочтительно, чтобы охлаждающая ванна находилась внутри вакуумной оболочки с вакуумным теплоизоляционным слоем, а также предпочтительно, чтобы охлаждающая ванна была выполнена из нержавеющей стали высокой прочности. Конфигурация может быть аналогична обычному вакуумному контейнеру и охлаждающей ванне.

Что касается размеров слоя газообразного хладагента, то расстояние между внутренней поверхностью охлаждающей ванны и внешней поверхностью проходного изолятора выбрано так, чтобы газообразное состояние поддерживалось без создания избыточного давления наддувом, а соответствующие давления газообразного хладагента и жидкого хладагента уравновешивали друг друга. Таким образом, возможен выбор в зависимости от давления жидкого хладагента и количества поступающего тепла и т.п. Например, если в качестве жидкого хладагента используется жидкий азот и давление составляет 0,3-0,5 МПа, то расстояние между внутренней поверхностью охлаждающей ванны и внешним периметром проходного изолятора может составлять 0,1-2,5 мм, и длина слоя газообразного хладагента (расстояние в направлении от криогенной поверхности до поверхности с комнатной температурой) может составлять около 300-500 мм. Уменьшенная длина слоя газового хладагента увеличивает расстояние между внутренней поверхностью охлаждающей ванны и внешней поверхностью проходного изолятора. Поэтому предпочтительно, чтобы эти параметры были выбраны так, чтобы обеспечить желаемые размеры конструкции концевой муфты.

Относительно подачи в охлаждающую ванну газообразного хладагента и жидкого хладагента предпочтительно, чтобы, например, вначале подавался газообразный хладагент, а затем жидкий хладагент, и при этом давления газообразного хладагента и жидкого хладагента уравновешивали бы друг друга. Кроме того, предпочтительно, чтобы охлаждающая ванна была герметично уплотнена для поддержания давлений в равновесии и, тем самым, для поддержания газообразного хладагента при избыточном давлении без создания избыточного давления наддувом. В этом случае предпочтительно, чтобы жидкий хладагент охлаждался холодильником так, чтобы он мог сохранять соответствующую температуру. Жидкий хладагент может также быть циркулирующим для охлаждения. Хотя движение жидкого хладагента может до некоторой степени изменять уровень жидкости, давление жидкого хладагента может быть подобрано с целью уравновесить соответствующие давления газообразного хладагента и жидкого хладагента и сохранения этого состояния.

Используемые хладагенты для слоя газообразного хладагента и слоя жидкого хладагента могут быть одинаковыми или разными. Например, имеется газообразный азот и газообразный гелий и им подобные, которые могут использоваться в качестве хладагентов для слоя газообразного хладагента, и, например, имеется жидкий азот, который может быть использован в качестве хладагента для слоя жидкого хладагента.

Согласно настоящему изобретению газообразный хладагент слоя газообразного хладагента находится в состоянии избыточного давления. Поэтому жидкий хладагент сжат в направлении к криогенной области для предотвращения утечки жидкого хладагента через область с комнатной температурой. Предпочтительно, чтобы использовался элемент предотвращения утечки для более эффективного предотвращения утечки жидкого хладагента. Форма элемента предотвращения утечки может быть любой, пригодной для удержания жидкого хладагента от просачивания к области с комнатной температурой. Например, элемент предотвращения утечки может иметь форму кольца, которое может быть подогнано к внешнему периметру проходного изолятора и которое позволяет вставить в него изолятор. В другом случае элемент предотвращения утечки может иметь форму, подгоняемую в охлаждающей ванне вблизи границы между слоем газообразного хладагента и слоем жидкого хладагента. Материалом для элемента предотвращения утечки может быть каучукоподобный полимер, например этиленпропиленовый каучук, а более предпочтительно, материал на основе силиконового полимера, ввиду его большой стойкости к такому хладагенту, как жидкий азот.

В конструкции концевой муфты согласно настоящему изобретению определенный размер слоя газообразного хладагента, как отмечено выше, может обеспечить небольшой температурный градиент от криогенной области до области с комнатной температурой без избыточного увеличения длины слоя газообразного хладагента. Таким образом, хотя и имеется проблема, такая как ухудшение уплотнения вследствие затвердевания уплотняющей прокладки фланца, это является результатом ее охлаждения газообразным хладагентом, но указанная проблема может быть решена. Поэтому в конструкции концевой муфты согласно настоящему изобретению ухудшение герметичности уплотняющей прокладки фланца при длительном ее использовании может быть замедлено, и может быть предотвращена утечка газообразного хладагента в область с комнатной температурой.

Кроме того, в конструкции концевой муфты согласно настоящему изобретению жидкий хладагент может быть сжат у криогенной области, предотвращая его попадание в область с комнатной температурой, благодаря тому, что газообразный хладагент в слое газообразного хладагента находится в состоянии избыточного давления сам по себе, без применения наддува. Поэтому в слое газообразного хладагента поддерживается температурный градиент так, что ухудшение уплотнения посредством уплотняющей прокладки фланца может быть предотвращено.

Кроме того, в конструкции концевой муфты согласно настоящему изобретению газообразный хладагент находится в состоянии избыточного давления без применения наддува. Таким образом, устройство наддува для слоя газообразного хладагента может быть исключено, и число используемых компонентов может быть снижено.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

Фиг.1 изображает конструкцию концевой муфты сверхпроводящего кабеля согласно изобретению;

Фиг.2 – частично увеличенный вид участка II на фиг.1 согласно изобретению;

Фиг.3 – увеличенный вид фланца с кольцевым элементом, представляющим собой элемент предотвращения утечки в конструкции концевой муфты сверхпроводящего кабеля согласно изобретению;

Фиг.4 – увеличенный вид фланца с элементом-заглушкой, представляющим собой элемент предотвращения утечки в конструкции концевой муфты сверхпроводящего кабеля согласно изобретению;

Фиг.5 – конструкцию известной концевой муфты сверхпроводящего кабеля.

Описание предпочтительных вариантов реализации изобретения

Вариант 1

На фиг.1 и 2 представлена конструкция концевой муфты сверхпроводящего кабеля согласно настоящему изобретению. Конструкция концевой муфты содержит муфту сверхпроводящего кабеля 100, проходной изолятор 10, соединенный со сверхпроводящим проводом 100а кабеля 100 для обеспечения электропроводящего соединения от криогенной области до области с комнатной температурой, охлаждающую ванну 11, окружающую муфту кабеля 100 и проходной изолятор 10, вакуумную оболочку 12, покрывающую внешнюю поверхность охлаждающей ванны 11, и фарфоровую трубку 104, выступающую от стороны с комнатной температурой вакуумной оболочки 12. Охлаждающая ванна 11 содержит слой жидкого азота (слой жидкого хладагента) 13 в своей криогенной области и слой газообразного азота (слой газообразного хладагента) 14 в области с комнатной температурой, которые прилегают друг к другу. Фланец 108 размещен между криогенной областью и областью с комнатной температурой, и на фланце 108 для обеспечения герметичности имеется уплотняющая прокладка 109, размещенная на внешней поверхности проходного изолятора 10 для обеспечения герметичности.

Настоящее изобретение характеризуется размерами слоя 14 газообразного азота и особенно тем, что расстояние t между внутренней поверхностью 11а охлаждающей ванны 11 и внешней поверхностью проходного изолятора 10 выбирается так, что газообразный азот поддерживается в газообразном состоянии без создания наддувом избыточного давления, а давление газообразного азота и давление жидкого азота уравновешивают друг друга. Ниже подробно описывается каждая из частей конструкции.

Используемый в настоящем примере проходной изолятор 10 (диаметром 140 мм) включает в себя проводник 10а (диаметром 40 мм) для обеспечения электрического соединения со сверхпроводящим проводом 100а сверхпроводящего кабеля 100 и твердый изолятор 10b (диаметром 50 мм), покрывающий внешнюю поверхность проводника 10а. Сверхпроводящий провод 100а и проводник 10а проходного изолятора 10 соединяются через сочленение 100b. Используемый в настоящем примере проводник 10а выполнен из меди, имеющей низкое электрическое сопротивление при температурах вблизи температуры жидкого азота. Твердый изолятор 10b выполнен из материала FRP, имеющего очень хорошие электроизоляционные характеристики. Кроме того, в настоящем примере имеется верхний защитный экран 10с, закрывающий верхний край проходного изолятора 10 (фиг.1) (край со стороны с комнатной температурой), выполненный из меди.

В настоящем примере охлаждающая ванна 11 выполнена из нержавеющей стали и помещена в вакуумную оболочку 12, также выполненную из нержавеющей стали. Вакуумная оболочка 12 и охлаждающая ванна 11 сконфигурированы так, что между ними имеется вакуумный теплоизолирующий слой. Охлаждающая ванна 11 содержит слой 13 жидкого азота и слой 14 газообразного азота. Слой 13 жидкого азота соединяется с холодильником 15 для охлаждения жидкого азота 13а.

В настоящем примере охлаждающая ванна 11 наполняется газообразным азотом для удаления влаги и т.п. внутри охлаждающей ванны 11 перед подачей в нее жидкого азота 13а. Жидкий азот 13а подается затем в слой 13 жидкого азота, позволяя газообразному азоту оставаться в части охлаждающей ванны 11, особенно вблизи фланца 108, находящегося на границе между криогенной областью и областью с комнатной температурой. Эта часть с газообразным азотом представляет собой слой 14 газообразного азота. В настоящем примере слой 14 газообразного азота имеет расстояние t в 2,5 мм между внутренней поверхностью 11а охлаждающей ванны 11 и внешней поверхностью проходного изолятора 10, а также расстояние L в 400 мм. В этом случае жидкий азот подается в герметично уплотненную охлаждающую ванну 11 так, что давление жидкого азота внутри охлаждающей ванны 11 составляет около 0,5 МПа. Эта конфигурация позволяет поддерживать газообразное состояние за счет давления самого газообразного азота, и, соответственно, давления газообразного азота 14а и жидкого азота 13а почти уравновешивают друг друга.

Конструкция концевой муфты сверхпроводящего кабеля согласно настоящему изобретению указанной конфигурации способна обеспечить небольшой температурный градиент от криогенной области по направлению к области с комнатной температурой без избыточного увеличения длины слоя газообразного хладагента. Это может эффективно предотвращать старение уплотнения, вызванное затвердеванием уплотняющей прокладки на фланце при значительном ее охлаждении. Поэтому сверхпроводящий кабель согласно настоящему изобретению может сохранять герметичность между областью с комнатной температурой и криогенной областью при длительном использовании. Кроме того, поскольку конструкция концевой муфты сверхпроводящего кабеля не требует наддува для поддержания в газообразном состоянии хладагента в пределах слоя газообразного хладагента, то устройство наддува может быть исключено, и конструкция концевой муфты может иметь еще меньшие размеры.

Тестовый пример

Проходной изолятор вышеупомянутого варианта 1 использован для изменения размеров (толщины t и длины L) слоя газообразного азота для контроля условий износа уплотняющей прокладки на фланце. Давление жидкого азота при этом изменялось в пределах 0,3-0,5 МПа в зависимости от толщины t и длины L. Уплотняющая прокладка после помещения в эти условия проверялась в течение шести часов. Было установлено, что уплотнение толщиной t 0,1-2,5 мм и длиной L 300-500 мм имело удовлетворительные параметры и почти не затвердевало. Было также установлено, что меньшая толщина t и большая длина L облегчают установление температурного градиента. Следует отметить, что, хотя в вышеупомянутом варианте 1 циркуляция хладагента не осуществляется, возможна конфигурация с его циркуляцией. В этом случае предпочтительно давление жидкого азота выбирать в пределах 0,3-0,5 МПа в зависимости от толщины t и длины L так, чтобы оно уравновешивалось давлением газообразного азота.

Вариант 2

В конструкции концевой муфты варианта 1 может быть предусмотрен элемент для предотвращения утечки жидкого хладагента в область с комнатной температурой. Ниже рассмотрены примеры конструкции концевой муфты с элементом предотвращения утечки (фиг.3 и 4).

В примере на фиг.3 в охлаждающей ванне 11 размещен кольцевой элемент 20, размещенный на участке вокруг границы между слоем 14 газообразного азота и слоем 13 жидкого азота. Кольцевой элемент 20, используемый в настоящем примере, выполнен из очень стойкого в жидком азоте силиконового полимера.

В примере на фиг.4 в охлаждающей ванне 11 установлен элемент-заглушка 21, форма которого повторяет форму вокруг границы между слоем 14 газообразного азота и слоем 13 жидкого азота. Элемент-заглушка 21, используемый в настоящем примере, выполнен из очень стойкого в жидком азоте силиконового полимера.

При наличии вышеупомянутого элемента может быть предотвращена утечка жидкого хладагента в область с комнатной температурой, и возможно предотвратить охлаждение уплотнения на фланце вследствие контакта с жидким хладагентом. Следует отметить, что вышеупомянутый элемент предотвращения утечки не полностью уплотняет пространство между слоем 13 жидкого азота и слоем 14 газообразного азота, но он сформован так, что давление жидкого азота 13а может прикладываться к газообразному азоту 14а.

Промышленная применимость

Конструкция концевой муфты согласно настоящему изобретению предпочтительно применяется в качестве оконечной части сверхпроводящего кабеля.

Формула изобретения

1. Конструкция концевой муфты сверхпроводящего кабеля (100), содержащая оконечный элемент сверхпроводящего кабеля, проходящий от криогенной области до области с комнатной температурой через проходной изолятор (10), отличающаяся тем, что

с криогенной стороны содержит охлаждающую ванну (11) для охлаждения проходного изолятора,

причем охлаждающая ванна (11) содержит слой (14) газообразного хладагента и слой (13) жидкого хладагента,

в слое (14) газообразного хладагента расстояние между внутренней поверхностью (11а) охлаждающей ванны (11) и внешней поверхностью проходного изолятора (10) выбрано так, что газообразное состояние поддерживается без создания избыточного давления наддувом, и соответствующие давления газообразного хладагента (14а) и жидкого хладагента (13а) уравновешивают друг друга.

2. Конструкция концевой муфты сверхпроводящего кабеля по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит элемент (20, 21) предотвращения утечки жидкого хладагента (13а) в область с комнатной температурой.

РИСУНКИ