CN103262179A - 超导电电缆冷却系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种将超导电电缆(1)的冷却用制冷剂由循环泵(5)向热交换部(17)压力输送并由制冷机(6)进行冷却的超导电电缆冷却系统。尤其是其特征在于，所述超导电电缆冷却系统具备：热交换单元(14)，其将液化气体填充于冷却空间(15)内而成；流量传感器(8)，其用于对制冷剂的流量进行检测；温度传感器(7)，其用于对在热交换单元中填充的液化气体的温度进行检测；控制部(50)，其基于流量传感器及温度传感器的检测值而对制冷机进行控制，以使得在热交换单元中填充的液化气体的温度成为规定值。

Description

超导电电缆冷却系统
技术领域
本发明涉及用于将在电力的输配电中使用的超导电电缆冷却为极低温的超导电电缆冷却系统的技术领域。
背景技术
具有将在极低温下电阻值大致为零的超导体作为材料的电力输配电用的超导电电缆。为了良好地确保超导电电缆的输电效率，需要将超导电电缆稳定地维持为极低温状态，具有这样的冷却能力的冷却系统的研究开发正在进展之中。需要说明的是，一般而言，作为超导电电缆的材料而采用高温超导体，作为冷却用的制冷剂而使用液态氮。
在此，参照图10，对现有的超导电电缆冷却系统100(以下，适当称为“冷却系统100”)的结构进行简要说明。图10是简要表示现有的超导电电缆冷却系统100的整体结构的结构图。
冷却系统100具有作为冷却对象的由高温超导体构成的超导电电缆1，且采用液态氮作为该超导电电缆1的冷却用制冷剂。对超导电电缆1进行冷却的制冷剂暂时储存在存储罐2中。在存储罐2中，制冷剂通过加压装置3而被加压为规定压力值并进行储存。通过未图示的加压装置3的控制器取得由设于存储罐2的压力传感器4检测出的压力值，并对加压装置3进行反馈控制，以使得该取得的压力值成为规定值，由此该规定压力值得以维持。
在存储罐2的下游侧设有循环泵5，在该循环泵5的驱动的作用下，储存于存储罐2的制冷剂向制冷机6压力输送并被冷却。制冷机6为GM制冷机或斯特林制冷机。然后，由制冷机6冷却的制冷剂再次向超导电电缆1供给，并在超导电状态的冷却中使用。在此，在比制冷机6靠下游侧的位置设有用于对制冷剂的温度及流量进行检测的温度传感器7及流量传感器8，并基于各检测值对制冷机6进行反馈控制，以使得制冷剂的温度冷却为规定值。
如以上说明那样，在图10所示的例子中，将因对超导电电缆1进行冷却而温度上升的制冷剂经由设有存储罐2、循环泵5及制冷机6的循环路径9冷却之后，再次向超导电电缆1供给而形成循环周期，重复这样的循环周期。专利文献1为在这样的循环周期中对制冷剂进行冷却并向超导电电缆1供给的方式的冷却系统的一例。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2006-12654号公报
发明概要
发明所要解决的课题
在这样的循环周期中对制冷剂进行冷却并向超导电电缆1供给的冷却系统中，为了将超导电电缆1的冷却温度维持为恒定，要求将向超导电电缆1供给的、制冷剂供给入口(图10中为流量传感器8的下游侧)处的制冷剂的温度控制为恒定。作为在对超导电电缆1进行冷却时产生的热损失，大概存在以下的三种。(i)因从超导电电缆1的外部侵入的热量所引起的损失；(ii)向超导电电缆1接通交流电流(或者电压)时产生的AC损耗所引起的损失；及(iii)由使制冷剂循环的循环泵5产生的损失。尤其是，(ii)所引起的热损失呈伴随着电力输电时的超导电电缆1的负载变动而变化的趋势。
在上述例中，通过基于温度传感器7或流量传感器8中的检测值的反馈控制来对制冷剂温度进行控制。这样的控制在热损失时间性恒定的静态系统中有用。但是，存在由超导电电缆1产生的热损失如上述那样发生时间性变动的情况，在这样的情况下，存在难以实现制冷剂的温度控制这样的问题点。
另外，在上述例中，作为制冷机6而使用GM制冷机或斯特林制冷机。由此，在GM制冷机中通过断续运转而在斯特林制冷机中通过运转周期的控制来进行制冷剂的温度控制。在使用这种制冷机6的情况下，在该控制中需要在循环路径9中规定的测定点处对温度或流量等控制参数进行测定并对制冷机6进行反馈控制。但是，当超导电电缆考虑到实用方面时，成为长度达到几km的大规模的结构，故该测定点的最佳位置的选出并不容易。尤其是，与超导电电缆1的长度为几km的数量级相对，实际上假想的制冷剂的流速假想为几十cm/s左右。因此，制冷剂在循环路径9中转一圈所需的时间达到几小时左右，制冷剂循环的时间常数变得非常大。另一方面，与进行制冷剂的温度控制的制冷机6的动作相关的时间常数(例如，控制控制器的时钟频率等)非常短，在与制冷剂循环的时间常数之间存在较大的差。因而，在上述例中，在超导电电缆1中的热损失时间性变动的情况下等，在动态系统中，存在难以将制冷剂的入口温度控制为恒定这样的问题点。
发明内容
本发明就是鉴于上述课题而完成的，其目的在于，提供一种能够向超导电电缆供给温度稳定的制冷剂的超导电电缆冷却系统。
解决方案
本发明所涉及的超导电电缆冷却系统为了解决上述课题，该超导电电缆冷却系统将在超导电电缆的冷却过程中使用的制冷剂由循环泵向热交换部压力输送并由制冷机进行冷却之后，向所述超导电电缆供给而形成循环路径，由此对所述超导电电缆进行冷却，其特征在于，所述超导电电缆冷却系统具备：热交换单元，其具有填充有用于使所述热交换部与所述制冷机进行热交换的液化气体的冷却空间；流量检测机构，其用于对所述循环路径中的制冷剂的流量进行检测；温度检测机构，其用于对在所述热交换单元中填充的液化气体的温度进行检测；控制部，其基于由所述流量检测机构检测出的流量及由所述温度检测机构检测出的温度而对所述制冷机进行控制，以使得在所述热交换单元中填充的液化气体的温度成为规定值。
根据本发明，在超导电电缆的冷却过程中使用而温度上升的制冷剂通过循环泵向设于循环路径上的热交换部压力输送，在热交换单元中与在冷却空间中填充的液化气体进行热交换，由此被冷却。此时，在循环路径中流动的制冷剂从超导电电缆受到的热量蓄热在液化气体中，蓄积于该液化气体的热负载由制冷机来去除。即，在本发明中，通过将来自超导电电缆的热负载暂时蓄热于液化气体，从而能够使液化气体作为热缓冲器来发挥功能。由此，制冷机以使该液化气体的温度成为规定值的方式进行控制，由此即便在超导电电缆中产生的热量时间性变动的情况下，也能够控制成可稳定地维持制冷剂的温度。
优选的是，所述制冷机为具有配置在所述冷却空间内的布雷敦循环热交换部的布雷敦循环制冷机。布雷敦循环制冷机为由压缩机和膨胀机进行冷却的制冷机，且具有作为热交换部的布雷敦循环热交换部。在本方式中，通过将布雷敦循环热交换部和设于循环路径上的热交换部一同配置在填充有液化气体的冷却空间内，能够将在该冷却空间中填充的液化气体作为介质来进行热交换，从而能够进行超导电电缆的冷却。
另外，也可以在所述循环路径上连接有将在该循环路径中流动的制冷剂加压为规定压力并进行储存的存储罐。由此，伴随着在循环路径中流动的制冷剂的温度的变动，即便在制冷剂的体积或者压力变化的情况下，也能够利用存储罐来吸收该体积及压力的变化。
在本发明的一方式中，在具备多个所述超导电电缆的情况下，所述循环路径与各个所述超导电电缆对应而分别形成，各个所述循环路径中的所述热交换部配置在单一的所述冷却空间内。根据该方式，将设于各个循环路径的热交换部配置在具有填充有液化气体的冷却空间的单一的热交换单元内。因此，控制部不仅能够进行在单一的热交换单元的冷却空间中填充的液化气体的温度控制，而且还能够对在多个循环路径中流动的制冷剂的温度进行稳定地控制。
尤其是，在所述多个超导电电缆相互串联连接的情况下，与所述多个超导电电缆中相邻的超导电电缆对应形成的循环路径中所包含的热交换部配置在所述冷却空间内。在超导电电缆用于长距离输电用的情况下，往往将多个超导电电缆串联连接而实现长距离化。在这种情况下，对应如此串联连接的多个超导电电缆来形成循环路径，且将设于与其中相邻的超导电电缆对应的循环路径上的热交换部配置在单一的冷却空间内，由此能够向多个超导电电缆供给温度稳定的制冷剂。
作为本发明的另一方式，也可以具备减压机构，该减压机构用于对在所述热交换单元的冷却空间内填充的液化气体进行减压。根据该方式，即便制冷机由于检查或故障等任何的状况而停止的情况下，也能够通过减压机构对液化气体进行减压而对液化气体进行冷却。即，能够使减压机构作为制冷机停止时的备用机构来发挥功能，因此能够构筑可靠性更高的冷却系统。
另外，作为本发明的另一方式，也可以为，所述热交换部在所述循环路径上设置多个，所述循环泵设置在所述多个热交换部中的任两个热交换部之间。根据该方式，通过将循环泵设置在多个热交换部中的任两个热交换部之间，能够较大地取得超导电电缆中的制冷剂的出入口处的温度差，使制冷剂流量减少，由此能够实现循环泵或制冷机的小型化。
发明效果
根据本发明，在超导电电缆的冷却过程中使用而温度上升的制冷剂通过循环泵向设于循环路径上的热交换部压力输送，在热交换单元中与在冷却空间填充的液化气体进行热交换，由此被冷却。此时，在循环路径中流动的制冷剂从超导电电缆受到的热量蓄热在液化气体中，蓄积于该液化气体的热负载由制冷机来去除。即，在本发明中，通过将来自超导电电缆的热负载暂时蓄热于液化气体，从而能够使液化气体作为热缓冲器来发挥功能。由此，制冷机进行控制以使得该液化气体的温度成为规定值，由此即便在超导电电缆中产生的热量时间性变动的情况下，也能够控制成可稳定地维持制冷剂的温度。
附图说明
图1是简要表示第一实施例所涉及的超导电电缆冷却系统的整体结构的结构图。
图2是表示在第一实施例所涉及的超导电电缆冷却系统中由超导电电缆产生的热量的时间性推移的一例的曲线图。
图3是表示在第一实施例所涉及的超导电电缆冷却系统中按照式(5)而对制冷机的冷却能力进行控制时的超导电电缆的温度变化的曲线图。
图4是表示在第一实施例所涉及的超导电电缆冷却系统的循环路径的各部分中制冷剂接受的发热及制冷剂的温度分布的曲线图。
图5是简要表示第二实施例所涉及的超导电电缆冷却系统的整体结构的结构图。
图6是简要表示第三实施例所涉及的超导电电缆冷却系统的整体结构的结构图。
图7是简要表示第四实施例所涉及的超导电电缆冷却系统的整体结构的结构图。
图8是简要表示第五实施例所涉及的超导电电缆冷却系统的整体结构的结构图。
图9是表示在第五实施例所涉及的超导电电缆冷却系统的循环路径的各部分中制冷剂接受的发热及制冷剂的温度分布的曲线图。
图10是简要表示现有的超导电电缆冷却系统的整体结构的结构图。
具体实施方式
以下，参照附图，对于本发明的最佳的实施方式进行例示性且详细地说明。其中，本实施方式记载的构成部件的尺寸、材质、形状、其相对性配置等只要无特别特定性的记载，就不是对本发明的范围限定于其的主旨，而只不过是说明例而已。
(实施例1)
图1是简要说明第一实施例所涉及的超导电电缆冷却系统100的整体结构的结构图。需要说明的是，对与参照图10说明的背景技术通用的部位标注通用的符号，且对细节部分适当地省略说明。
冷却系统100通过将在超导电电缆1的冷却过程中使用的制冷剂由循环泵5向热交换部17压力输送并冷却之后，再次向超导电电缆1供给，由此形成循环路径9而对超导电电缆1进行冷却。超导电电缆1由高温超导体形成，通过在循环路径9中流动的制冷剂(液态氮)来冷却。需要说明的是，在循环路径9中流动的制冷剂在图1中省略了图示，但除了热交换部17附近以外，基本上其流路周围被减压，从而能够防止来自外部的热侵入。
在循环路径9中的循环泵5的上游侧连接有用于将在循环路径9中流动的制冷剂加压为规定值并进行储存的存储罐2。在循环路径9中流动的制冷剂的体积根据温度变化而变动，故为了吸收该体积变动，使制冷剂难以因温度上升而汽化，存储罐2通过加压装置3而将制冷剂加压为规定的值并进行储存。由此，在循环路径9中流动的制冷剂难以汽化，从而能够提高向由超导电电缆1产生的热量时间性地变动时的对应性能。
在循环路径9中流动的制冷剂通过循环泵5而向热交换部17压力输送。热交换部17或使用具有高导热率的原材料或形成为成为使导热率变高那样的结构，且构成为能够使从在其内部中流动的制冷剂接受的热量与外部进行热交换。例如循环路径9形成由金属等具有导热率的原材料形成的管状的流路，且形成为在内部流有制冷剂。在这种情况下，也可以根据需要如散热器那样具有宽广的表面积，从而适当地对形状进行研究。需要说明的是，虽然在后面进行详细的说明，但热交换部17的外部由低温的液化气体填充，在热交换部17的内部流动的制冷剂由于在与填充于外部的液化气体之间进行热交换从而被冷却。
由热交换部17冷却后的制冷剂在通过设于下游侧的流量传感器8之后，再次向超导电电缆1供给。由此，向超导电电缆1供给温度较低的制冷剂，从而持续维持极低温状态。流量传感器8为用于对在循环路径9中流动的制冷剂的流量进行检测的流量检测机构，并将其检测出的流量值向控制部50发送。
热交换部17配置在具有填充(封入)有液化气体的冷却空间15的热交换单元14内。在本实施例中，尤其是在冷却空间15中填充的液化气体与在循环路径9中流动的制冷剂同样地为液态氮。需要说明的是，作为液化气体，更优选使用液态氮与固态氮混合而成的浆氮等。
制冷机6为布雷敦循环制冷机，其具备压缩机10、热交换器11、膨胀机12及布雷敦循环热交换部13而成。布雷敦循环热交换部13与前述的热交换部17一同配置在填充有液化气体的热交换单元14的冷却空间15内。作为布雷敦循环制冷机的制冷机6内循环有液化温度比在冷却空间15内填充的液化气体低的气体。在本实施例中，作为在冷却空间15内填充的液化气体而使用液态氮，故作为在制冷机6内循环的气体的例而言，优选氦气体或氖气体。如此，通过这些气体在制冷机6内进行循环，由此布雷敦循环热交换部13成为比在冷却空间15内填充的液化气体充分低的温度。由此，通过对制冷机6的动作状态进行控制，从而能够对在冷却空间15内填充的液化气体的冷却温度进行控制。
在热交换部17中流动的制冷剂在通过超导电电缆1时接受由超导电电缆1产生的热量，进而在由循环泵5压力输送时也接受热量，由此温度上升。在热交换部17中，如此将蓄积于制冷剂的热量在其与填充于冷却空间15的液化气体之间进行热交换而被冷却。如前所述那样能够通过对制冷机6的动作状态进行控制，由此来控制液化气体的温度。需要说明的是，在热交换部17中流动的制冷剂理想上能够冷却至与热交换单元14内的液化气体相同的温度，但在实际当中，由于热交换部17的热交换面积有限，故制冷剂的温度比热交换单元14内的温度稍高。
在冷却空间15填充的液化气体的温度通过设于热交换单元14的作为温度检测机构的温度传感器7来检测。由温度传感器7检测出的液化气体的温度作为电信号而向控制部50发送。
控制部50为控制单元，其基于由流量传感器8及温度传感器7取得的信息而向制冷机6发送控制信号，由此用于对制冷机6的动作状态进行控制。在此，理论性地说明在控制部50进行填充于冷却空间15的液化气体的冷却时，如何对制冷机6的冷却能力进行控制即可。
首先，将超导电电缆1中的发热设为PC[W]、该发热的产生期间设为t1[秒]，循环泵5中的发热设为PP[W]、循环泵5的运转时间设为tP[秒]、填充于冷却空间15的液化气体的质量设为M[kg]、比热设为C[J/(K·kg)]、布雷敦循环制冷机6的冷却能力设为Pb[W]。另外，将对超导电电缆1进行冷却的制冷剂的流量(即，由流量传感器8检测的流量)设为m[kg/秒]。在这种情况下，通过了超导电电缆1和循环泵5的制冷剂的温度上升ΔTC[K]由下式来求出。
ΔTC＝(PC×t1+PP×tP)/(m×C×tp)    (1)
在此，冷却系统100整体中的发热量Q[J]由下式表示。
Q＝(PC×t1+PP×tP)       (2)
该发热量Q蓄热于在冷却空间15中填充的液化气体中，假定液化气体未由制冷机6进行冷却的情况下，液化气体的温度上升由下式算出的温度ΔT。
ΔT＝Q/(M×C)        (3)
因而，为了将液化气体的温度上升设为ΔT＝0[K]，将与发热量Q相应的热量从填充于冷却空间15的液化气体中除去即可，故以使布雷敦循环制冷机6的冷却能力Pb成为下式的方式进行控制即可。
Pb＝Q/tP        (4)
控制部50对制冷机6进行控制，以便发挥如此由(4)式求出的冷却能力Pb，由此能够将液化气体的温度上升设为ΔT＝0[K]，从而稳定地进行超导电电缆1的冷却。
接着，参照图2，对由超导电电缆1产生的热量时间性变动的情况进行考察。图2是表示由超导电电缆1产生的热量的时间性推移的一例的曲线图。在该例中，超导电电缆1的发热在期间t1中为PC1，在期间t2中为PC2，假定这些状态交替继续的情况来进行说明。
在这样的情况下，控制部50以对由超导电电缆1产生的热量的平均值进行冷却的方式对制冷机6进行控制即可。具体而言，由于循环泵5以时间性连续的方式进行运转，由于
tP＝t1+t2，
故以使布雷敦循环制冷机6的冷却能力Pb成为下式的方式进行控制即可。
Pb×(t1+t2)＝(PP+PC1)×t1+(PP+PC2)×t2  (5)
图3是表示按照式(5)而对制冷机6的冷却能力Pb进行控制的情况下的在冷却空间15中填充的液化气体的温度的时间性推移的曲线图。如所上述，制冷机6的冷却能力Pb以对由超导电电缆1产生的热量的平均值进行冷却的方式控制为恒定，故在期间t1中与期间t2相比，发热量较少(参照图2)，因此液化气体的温度逐渐减少。另一方面，在期间t2中与期间t1相比，发热量较多，故液化气体的温度逐渐上升，并返回初始温度T0。
理论性地说明的话，期间t1的发热量Q1[J]由下式来求出。
Q1＝(PC1+PP)×t1         (6)
该发热量Q1蓄热于在冷却空间15中填充的液化气体中而使制冷剂温度上升，但通过制冷机6来对液化气体进行冷却。因此，期间t1中的温度变化ΔT1由下式表示。
ΔT1＝(PC1+PP-Pb)×t1/(M×C)      (7)
并且，在期间t2中，制冷机6的冷却能力Pb由(5)式来控制，故上升ΔT1而返回初始温度T0。需要说明的是，该ΔT1也可以利用t2如下式那样来算出。
ΔT1＝(PC2+PP-Pb)×t2/(M×C)     (8)
通过如此由控制部50控制温度后的液化气体在与热交换部4之间进行热交换，从而对在热交换部4中流动的制冷剂进行冷却。当液化气体的温度设为Ts时，超导电电缆1的入口处的制冷剂温度TC由下式表示。
TC＝Ts+ΔTC      (9)
在此，ΔTC是由热交换单元14内的热交换部4的热交换效率确定的温度差，且以成为规定值的方式对热交换单元14或热交换部4的结构或材料等进行选择即可。
接着，图4是表示在第一实施例所涉及的超导电电缆冷却系统的循环路径9的各部分中制冷剂接受的发热及制冷剂的温度分布的曲线图。需要说明的是，在图4中，横轴表示距基准位置(超导电电缆1的制冷剂出口)的距离，图4(a)的纵轴表示各地点中的发热，图4(b)的纵轴表示各地点中的温度。
在循环路径9中流动的制冷剂通过在超导电电缆1内接受热量Pc而温度上升ΔTc。然后，在循环泵5中进一步地接受热量Pp，温度上升ΔTp。然后，由循环泵5向热交换部17压力输送的制冷剂在热交换单元14中通过与在冷却空间15中封入的液化气体的热交换而被冷却，从而返回初始的入口温度。
需要说明的是，在冷却系统100中，当在循环路径9中流动的制冷剂汽化时，绝缘强度下降，该制冷剂的温度的上限值需要控制为在不使制冷剂汽化的温度的范围之内。例如液态氮汽化的温度的压力为在大气压下77[K]。因此，考虑到因循环泵5的发热所引起的温度上升的量，超导电电缆1内的温度上升优选设定得较低。
如以上说明那样，在第一实施例中，在超导电电缆1的冷却过程中使用而温度上升的制冷剂由循环泵5向设于循环路径9上的热交换部4压力输送，在热交换单元14中与在冷却空间15中填充的液化气体进行热交换，由此被冷却。此时，在循环路径9中流动的制冷剂从超导电电缆1受到的热量蓄热在液化气体中，蓄积于该液化气体的热负载由制冷机6来去除。即，在本实施例中，通过将来自超导电电缆1的热负载暂时蓄热于液化气体中，从而能够使液化气体作为热缓冲器来发挥功能。由此，制冷机6进行控制以使得该液化气体的温度成为规定值，由此即便在超导电电缆1中产生的热量时间性变动的情况下，也能够控制成可稳定地维持制冷剂的温度。
(第二实施例)
图5是简要表示第二实施例所涉及的超导电电缆冷却系统100的整体结构的结构图。需要说明的是，对与实施例1相同的结构标注相同的符号，并适当地省略重复的说明。
在第二实施例所涉及的超导电电缆冷却系统100中，其特征在于，能够通过一台布雷敦循环制冷机6对超导电电缆1a与超导电电缆1b这样的多个超导电电缆进行冷却。在超导电电缆1a与1b的各自中分别具备循环泵5a与5b、热交换部17a与17b、流量传感器8a与8b、存储罐2a和2b，且形成有独立的循环路径9a与9b。循环路径9a及9b各自独立，故构成为能够在分别设定且独立的状态下对压力或流量等进行控制。
热交换部17a及17b均设置在设于热交换单元14的通用的冷却空间15内。在该冷却空间15内如上所述那样也设有布雷敦循环热交换部13，并填充有液化气体。在冷却空间15中填充的液化气体通过由控制部50对布雷敦循环制冷机6进行控制，由此被冷却为规定的温度。
在循环路径9a及9b中流动的制冷剂分别通过热交换部17a及17b而以蓄热于在冷却空间15中填充的液化气体的方式被冷却，且热交换部17a及17b的出口温度由在冷却空间15中填充的液化气体的温度来确定。因而，基于由温度传感器7检测出的温度对布雷敦循环制冷机6进行控制而将液化气体的温度控制为规定温度，由此超导电电缆1a与超导电电缆1b的入口处的制冷剂温度成为相同的温度，且成为规定温度。
在此，当将由超导电电缆1a产生的热量设为Pca[W]、由超导电电缆1b产生的热量设为Pcb[W]、由循环泵5a产生的热量设为Ppa「W」、由循环泵5b产生的热量设为Ppb「W」、超导电电缆1a的发热时间设为t1a[秒]、超导电电缆1b的发热时间设为t1b[秒]、循环泵5a及5b的运转时间设为tp[秒]时，超导电电缆1a及1b、循环泵5a及5b中的合计热量Q[J]通过下式算出。
Q＝Pca×t1a+Pcb×t1b+Ppa×tp+Ppb×tp   (10)
将该合计热量蓄热于在冷却空间15中填充的液化气体，并通过布雷敦循环制冷机6除去即可。因此，布雷敦循环制冷机6的冷却能力Pb[W]以成为下述值的方式进行控制即可。
Pb＝Q/tp        (11)
如此，布雷敦循环制冷机6的冷却能力Pb由超导电电缆1a及1b、循环泵5a及5b中的合计热量来算出，故不会受到超导电电缆1a及1b中的发热的时间性变动的影响。
如此，在第二实施例所涉及的冷却系统100中，即便超导电电缆1a与超导电电缆1b的长度或产生的热量不同也没有影响，各自的入口温度由在冷却空间15中填充的液化气体的温度来确定。因而，控制部50基于由温度传感器7检测出的温度来使布雷敦循环制冷机6动作，由此能够容易且稳定地控制超导电电缆1a及1b中的冷却温度。
需要说明的是，在本申请说明书中，虽然对将超导电电缆1的个数设为两根的情况进行了说明，但对于将超导电电缆1的个数增设为三根或者四根以上的情况，也可以通过设为同样的结构，从而利用一台布雷敦循环来进行冷却。
(第三实施例)
接着，参照图6，对第三实施例所涉及的超导电电缆冷却系统100进行说明。图6是简要表示第三实施例所涉及的超导电电缆冷却系统100的整体结构的结构图。需要说明的是，对与上述第一实施例相同的结构标注相同的符号，并适当地省略重复的说明。
在超导电电缆用于长距离输电用的情况下，如图6所示，往往将超导电电缆1a及1b相互串联连接而实现长距离化。在这样的情况下，循环泵5的加压能力存在界限，故以与各超导电电缆对应的方式设有独立的循环路径9a及9b。
在图6所示的例子中，构成为能够通过一台布雷敦循环制冷机6对邻接的超导电电缆1a及1b进行冷却。在超导电电缆1a及1b独立地形成有循环路径9a及9b，且分别具备循环泵5a与5b、热交换部17a与17b、流量传感器8a与8b、存储罐2a和2b。在此，各循环路径9a及9b独立，故能够进行压力或流量等在分开设定且独立的状态下的运转。
热交换部17a与17b均设置在相同的热交换单元14的冷却空间15内。在该热交换单元14的冷却空间15内如上述那样也设有布雷敦循环热交换部13，并填充有液化气体。该液化气体通过由控制部50对布雷敦循环制冷机6进行控制，由此被冷却为规定的温度。
在循环路径9a及9b中流动的制冷剂分别通过制冷剂热交换4a及4b而以蓄热于在冷却空间15中填充的液化气体的方式被冷却，且热交换部17a及17b的出口温度由热交换单元14的冷却空间15内的液化气体的温度来确定。因而，基于由温度传感器7检测出的温度对布雷敦循环制冷机6进行控制而将热交换单元14的冷却空间15内的液化气体的温度控制为规定温度，由此超导电电缆1a与超导电电缆1b的入口处的制冷剂温度成为相同的温度，且成为规定温度。
在此，将由超导电电缆1a产生的热量设为Pca[W]、由超导电电缆1b产生的热量设为Pcb[W]、由循环泵5a产生的热量设为Ppa「W」、由循环泵5b产生的热量设为Ppb「W」、超导电电缆1a的发热时间设为t1a[秒]、超导电电缆1b的发热时间设为t1b[秒]、循环泵5a及5b的运转时间设为tp[秒]。于是，超导电电缆1a及1b和循环泵5a及5b中的合计热量Q[J]通过下式来算出。
Q＝Pca×t1a+Pcb×t1b+Ppa×tp+Ppb×tp    (12)
将该合计热量蓄热于在冷却空间15中填充的液化气体，并通过布雷敦循环制冷机6除去即可。由此，布雷敦循环制冷机6的冷却能力Pb[W]成为下述值的方式进行控制即可。
Pb＝Q/tp        (13)
如此，布雷敦循环制冷机6的冷却能力Pb由超导电电缆1a及1b、循环泵5a及5b中的合计热量来算出，故不会受到超导电电缆1a及1b中的发热的时间性变动的影响。
如以上说明，根据第三实施例，在如此串联连接且相邻地配置的超导电电缆1a及1b上形成独立的循环路径9a及9b，并将设于各循环路径9a及9b的热交换部17a及17b配置在单一的冷却空间15内，由此能够向各超导电电缆1a及1b供给温度稳定的制冷剂。
(实施例4)
接着，参照图7，对第四实施例所涉及的超导电电缆冷却系统100进行说明。图7是简要表示第四实施例所涉及的超导电电缆冷却系统100的整体结构的结构图。需要说明的是，对与上述第一实施例相同的结构标注相同的符号，并适当地省略重复的说明。
在第四实施例中，构成为在热交换单元14中安装排气装置16，由此能够对在冷却空间15内填充的液化气体进行减压而冷却。在此，当将在冷却空间15内填充的液化气体的体积设为V[m3]、压力设为p[Pa]、温度设为T[K]、液化气体的气体定数设为R时，下述关系成立。
p×V＝R×T         (14)
在此，通过将体积V设为恒定且同时使压力p下降，从而能够使温度T下降。
即，在本实施例中，即便在由于制冷机6的定期检查或故障等任何的状况而使制冷机6停止的情况下，也利用排气装置16对冷却空间15进行减压，由此能够对在该冷却空间15中填充的液化气体进行冷却。因而，能够实现具有更高的可靠性的超导电电缆冷却系统100。
需要说明的是，排气装置16也可以安装在上述各种实施例中的热交换单元14上，当然可获得同样的效果。
(实施例5)
接着，参照图8及图9，对第五实施例所涉及的超导电电缆冷却系统100进行说明。图8是简要表示第五实施例所涉及的超导电电缆冷却系统100的整体结构的结构图。另外，图9是表示在第五实施例所涉及的超导电电缆冷却系统的循环路径9的各部分中制冷剂接受的发热及制冷剂的温度分布的曲线图。需要说明的是，在图9中，横轴表示距基准位置(超导电电缆1的制冷剂出口)的距离，图9(a)的纵轴表示各地点中的发热，图9(b)的纵轴表示各地点中的温度。需要说明的是，对于与上述第一实施例相同的结构标注相同的符号，并适当地省略重复的说明。
如图8所示，在第五实施例中，在循环路径9上设有多个热交换部17a及17b。尤其是，热交换部17a及17b以在循环路径9上将循环泵5配置于中间的方式设置。由此，对超导电电缆1进行冷却的制冷剂通过热交换部17a冷却一次之后，在由循环泵5加热之后，再由热交换部17b进行冷却。
另外，如图9所示，在循环路径9中流动的制冷剂通过在超导电电缆1内接受热量Pc而温度上升ΔTc。然后，制冷剂在热交换部17a中被冷却之后，在由循环泵5中接受热量Pp而温度上升ΔTp。然后，由循环泵5向热交换部17b压力输送并再次被冷却而返回初始的入口温度。如此，在本实施例中，与第一实施例(参照图4)不同，在设于循环泵5的前后的热交换部17a及17b中在二个阶段下被冷却。因此，能够向循环泵5供给在热交换部17a中被预先冷却的制冷剂，故能够较大地确保相对于循环泵5中的发热的容限。
在此，当将循环路径9中的制冷剂的流量设为m[kg/秒]、将由循环泵5加压的压力设为p[Pa]时，由循环泵5产生的热量PP[W]求得为下述值。
PP＝k×m×p          (15)
在此，k为比例乘数。因此，当流量减少时，压力损失也减少，循环泵5的加压量也减少。因而，循环泵5的发热PP大幅减少，从而能够降低布雷敦循环制冷机6的能力。
如此，根据第五实施例，通过将布雷敦循环热交换部13和用于制冷剂冷却的热交换部17a及17b设置在热交换单元14的冷却空间15内，并将循环泵5设置在热交换部17a与17b之间，由此能够较大地取得超导电电缆1中的制冷剂的出入口处的温度差。由此，能够减少循环路径9中的制冷剂的流量，从而能够使循环泵5或布雷敦循环制冷机6小型化。需要说明的是，本实施例应用于实施例2及实施例3，当然也可获得同样的效果。
产业上的可利用性
本发明能够在用于将在电力的输配电所使用的超导电电缆冷却为极低温的超导电电缆冷却系统中利用。

Claims (7)

1.一种超导电电缆冷却系统，该超导电电缆冷却系统将在超导电电缆的冷却过程中使用的制冷剂由循环泵向热交换部压力输送并由制冷机进行冷却之后，向所述超导电电缆供给而形成循环路径，由此对所述超导电电缆进行冷却，其特征在于，
所述超导电电缆冷却系统具备：
热交换单元，其具有填充有用于使所述热交换部与所述制冷机进行热交换的液化气体的冷却空间；
流量检测机构，其用于对所述循环路径中的制冷剂的流量进行检测；
温度检测机构，其用于对在所述热交换单元中填充的液化气体的温度进行检测；
控制部，其基于由所述流量检测机构检测出的流量及由所述温度检测机构检测出的温度而对所述制冷机进行控制，以使得在所述热交换单元中填充的液化气体的温度成为规定值。
2.根据权利要求1所述的超导电电缆冷却系统，其特征在于，
所述制冷机为具有配置在所述冷却空间内的布雷敦循环热交换部的布雷敦循环制冷机。
3.根据权利要求1或2所述的超导电电缆冷却系统，其特征在于，
在所述循环路径上连接有将在该循环路径中流动的制冷剂加压为规定压力并进行储存的存储罐。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的超导电电缆冷却系统，其特征在于，
在具备多个所述超导电电缆的情况下，所述循环路径与各个所述超导电电缆对应而分别形成，
各个所述循环路径中的所述热交换部配置在单一的所述冷却空间内。
5.根据权利要求4所述的超导电电缆冷却系统，其特征在于，
在所述多个超导电电缆相互串联连接的情况下，与所述多个超导电电缆中相邻的超导电电缆对应形成的循环路径中所包含的热交换部配置在所述冷却空间内。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的超导电电缆冷却系统，其特征在于，
所述超导电电缆冷却系统还具备减压机构，该减压机构用于对在所述热交换单元的冷却空间内填充的液化气体进行减压。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的超导电电缆冷却系统，其特征在于，
在所述循环路径上设置多个所述热交换部，所述循环泵设置在所述多个热交换部中的任两个热交换部之间。
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