JP2006253043A - 超電導ケーブル用冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 超電導ケーブル用の冷却装置において、万一の短絡等の事故で電力用ケーブルに臨界値を超える電流が生じたときに、過電流で冷却用液体が昇温し、熱膨張することにより冷却用液体あるいはその流路内の圧力が過度に上昇し、外周にある断熱管等に永久歪を生じさせることを防止する。
【解決手段】 超電導ケーブルを臨界温度以下に保持するための液体中に、液体膨張吸収用容器を有していることを特徴とする超電導ケーブル用冷却装置。超電導ケーブルを臨界温度以下に保持するための液体の境界壁に、該液体が事故による発熱で膨張して過度に圧力が上昇することを防止するため、液体膨張吸収用構造を有していることを特徴とする超電導ケーブル用冷却装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は超電導ケーブル用冷却装置に関し、特に冷却用液体が事故時の発熱により膨張したときに、その膨張を吸収して冷却装置内部の圧力が過度に上昇することを防止する技術に関する。

超電導を利用した電力用超電導ケーブルは、電力用超電導線の外周に遮蔽絶縁層を介して配置された液体窒素等の冷却用液体により臨界温度以下に冷却されている。さらに、冷却用液体の外部側には、内側から順に断熱層内管、断熱層、断熱層外管が配置されている。そして、冷却用液体は、遮蔽絶縁層と断熱層内管との間に形成された流路内を超電導ケーブル線の軸線方向に緩やかに流れている。以上の構造の下で、超電導線は臨界温度以下に冷却、保持されている。

なお、理論上電気抵抗０と言え、現実には交流損失が僅かにあり、また外部からの浸入熱もある。このため、実際のシステムあるいはプラントとしては冷却用液体の冷却装置、供給装置、循環装置等を有している。またケースによっては、液体を充填するに先立っての断熱層内管内の除湿、乾燥を行う装置等をも有している。
更に、実際の超電導線も、導電を行う銅線の外周に、絶縁層、短絡電流保護用の銅線等が配置され、それらの外側に遮蔽絶縁層等がある構造とされている。また、導電を行う銅線も単芯とは限らず、多芯のものもある。

以上の他、電線本体、遮蔽（層）材、内管の材質等については、以下の特許文献１その他、例えば以下の非特許文献１にも記載されている。

以上の下で、電力用超電導ケーブルは、臨界電流を超えない範囲で大電力の供給に使用されている。
特開２００３−２９７１６１号公報 理化学辞典 (岩波書店、第５版、１９９８年発行)

しかしながら、落雷やこれを起因とする短絡事故等の異常事態、事故を完全になくすことは困難である。そして万一事故が発生したときには、臨界値を超えた過電流が生じる。そしてこの過電流は、超電導体を流れずにその周囲の銀シースや更に外側に巻かれた短絡電流保護用の導体に流れ、それらも発熱させる。このため、その近辺に在る冷却用液体も発熱し、膨張する。そしてこの膨張は、細長い電力線の線(軸)方向全体にわたって急に生じるため、冷却用液体の圧力が急上昇することとなる。

例えば、冷却用液体が窒素である場合、１気圧での沸点である−１９６℃近辺では、１℃の昇温でおおよそ０．５％膨張する。そしてこれは、若し断熱層内管等の冷却用液体の容器が全く膨張しない場合には、冷却用液体の圧力（あるいは冷却用液体の容器の内圧）が５ＭＰａ上昇することに繋がる。

一方、断熱層の内管等の構造材料は、例えば液体窒素の沸点以下の極低温で使用されるため、アルミ、銅、極低温用のステンレス鋼等の比較的柔軟な金属材料が使用されている。しかもコストの面から薄肉であることが多い。このため、上述の僅かな温度上昇そして熱膨張による圧力の上昇でも永久歪等の不都合が生じかねない。特に、多くの場合、単に細長いパイプ構造ではなく、溶接箇所、屈曲箇所、センサー取り付け箇所等の加工部があるため、なおさらである。そして若し、永久歪等が生じると、極低温であるため、２次的な不都合まで生じかねない。

このため、超電導ケーブル用の冷却装置において、短絡事故等の異常が発生した時に冷却用液体の昇温による体積膨張を速やかに吸収し、これにより冷却用液体あるいはその系統の圧力が過度に上昇することを防止する技術の開発が望まれていた。

本発明は、以上の課題を解決することを目的としてなされたものであり、冷却用液体内やその境界壁に、熱による体積膨張を適切に吸収する機構を設けておくものである。
以下、各請求項の発明を説明する。

請求項１に記載の発明は、
超電導ケーブルを臨界温度以下に保持するための液体中に、液体膨張吸収用容器を有していることを特徴とする超電導ケーブル用冷却装置である。

本請求項の発明においては、冷却用液体が突然の事故により急に発熱し、体積膨張をしても、液体内に設置されている液体膨張吸収用容器が収縮するため、冷却用液体やその流路の圧力の上昇、特に急上昇や過度の上昇が防止される。
ここに、「容器」とは、缶状、管状等の形状を問わない。また、缶状であれば冷却用液体の各貯槽や、流路に沿って等間隔で、管状であれば流路全体に沿って配置すれば、一層効果的となる。

請求項２に記載の発明は、前記の前記の超電導ケーブル用冷却装置であって、
前記液体膨張吸収用容器は、内部が負圧であることを特徴とする超電導ケーブル用冷却装置である。

本請求項の発明においては、液体膨張吸収用容器は使用状態で内部が負圧であるため、外部の圧力の少しの上昇で収縮しやすくなる。
ここに、「負圧」とは、常温で容器内部に封入された気体が極低温で液化、固化している場合や最初から完全な真空である場合をも含む。
容器内部に常温で気体が封入されていれば、容器は操作者の過誤による押圧で凹む恐れがないため常温での製造や取付け作業が容易になる。また、常温では多少加圧された状態で封入されていれば、事故時に液体の膨張を吸収するため収縮しても補修や検査のために常温に戻せば内圧で元に戻ることが多いため、再使用が可能になる。完全な真空であれば、収縮の応答性が一層良好になる。

請求項３に記載の発明は、
超電導ケーブルを臨界温度以下に保持するための液体の境界壁に、液体膨張吸収用構造を有していることを特徴とする超電導ケーブル用冷却装置である。

本請求項の発明においては、冷却用液体の境界壁に液体膨張吸収用構造を設置しているため冷却用液体やその流路の圧力上昇が防止される。
なお、「液体の境界壁」とは、冷却用液体の流路管壁のみならず、貯槽の壁、冷却機等装備されている機器の壁も含み、さらに液体膨張吸収用構造としての容器の外壁が管路壁等を兼ねている場合も含む。即ち、液体膨張吸収用構造としての容器の内部が管路内部と連通されている場合も含まれる。

請求項４に記載の発明は、前記の超電導ケーブル用冷却装置であって、
前記液体膨張吸収用構造は、ベローであることを特徴とする超電導ケーブル用冷却装置である。

本請求項の発明においては、冷却用液体の熱膨張を、その境界壁に取付けられたベローが収縮することにより吸収し、これにより冷却用液体の過度の圧力上昇を防止する。

請求項５に記載の発明は、前記の超電導ケーブル用冷却装置であって、
前記液体膨張吸収用構造は、過度の収縮に対する安全機構を有していることを特徴とする超電導ケーブル用冷却装置である。

本請求項の発明においては、過度の収縮に対する安全機構を備えているため、流路の加圧試験等で過度に収縮して損傷したり、機能不全になったりすることが防止できる。
「安全機構」としては、過度の収縮を防止するストッパー等が挙げられる。

請求項６に記載の発明は、前記の超電導ケーブル用冷却装置であって、
前記安全機構は、前記ベローの内部に設置された錘であることを特徴とする超電導ケーブル用冷却装置である。

事故時には、ベローは収縮することにより冷却用液体の熱膨張を速やかに吸収するが、過度に収縮すると損傷する危険がある。しかし、本請求項の発明では、ベローは最初から多少伸びた状態とされている。即ち、安全機構として、例えば冷却用液体境界壁の天井等より下方にある冷却用液体内に吊り下げたベローには、その内部（非冷却用液体側）に適度の重量の錘が入れられている。この結果、ベローは伸びが０の状態から収縮するのではなく、多少伸びた状態から収縮することとなり、ひいては許容される収縮量になるまでの収縮量が大きくなる。このため、無理な収縮も少なくなり、寿命も延びることとなる。
また、通常の運転時における冷却用液体の加圧、液体の流れの開始や停止に伴い発生する圧力等も適切に吸収される。

請求項７に記載の発明は、前記の超電導ケーブル用冷却装置であって、
前記安全機構は、前記ベローを予め所定量だけ伸ばして設置されたバネであることを特徴とする超電導ケーブル用冷却装置である。

本請求項の発明においては、安全機構として、予めバネがベローを多少伸長させている。バネであるため、錘による伸長と異なり、ベローは必ずしも天井面等から下向きに配置する必要がなくなる。

本発明によれば、超電導ケーブルにおいて、何らかの事故による過電流を起因とする冷却用液体の温度上昇による体積膨張が生じても、液体膨張吸収用容器あるいは液体膨張吸収用構造が収縮するため、冷却用液体やその流路等の過度の圧力上昇が防止され、これに起因する断熱管内管等の変形や永久歪の発生が防止される。

また、液体膨張吸収用容器の内部は負圧であるため、応答性が良好になる。
また、液体膨張吸収用構造は過度の収縮に対する安全機構を備えているため、収縮の許容度が大きくなり、寿命も優れる。

以下、本発明をその最良の実施の形態に基づいて説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、以下の実施の形態に対して種々の変更を加えることが可能である。

（第１の実施の形態）
本実施の形態は、膨張吸収用容器を使用して事故時の液体の過度の圧力上昇を防止するものである。
図１に、第１の実施の形態の系統及び構造を概念的に示す。図１の上側の図は、通常運転時あるいは事故発生前の状態であり、下側の図は事故発生時の状態を示す。図１において、１０は液体膨張吸収用容器である。３０は超電導線（ＳＣ線）である。４０は液体窒素の流路であり、４１は液体窒素の貯槽であり、４２は液体窒素のリターン流路である。５１は、断熱層内管であり、また液体窒素の外部側との境界壁でもある。なお、この断熱層内管５１の外側には、真空断熱層、断熱層外管が設置されているが、図示は省略する。６０は、循環用ポンプ及び冷凍機等からなる液体窒素用の冷却循環駆動部である。
なお、液体膨張吸収用容器１０を液体窒素の貯槽４１内に取付けることにより、スペースの効率化を図っている。

以上の下で、通常運転時は、図１の上側の図に示す様に、液体窒素用の冷却循環駆動部６０で冷却された液体窒素は、液体窒素の貯槽４１の下部に吐出され、超電導線３０に沿って形成された流路４０内を、超電導線３０を冷却しつつ図上左方から右方へゆっくりと流れて行き、リターン流路４２から冷却循環駆動部６０へ戻ってくる。なお、液体窒素の貯槽４１の下部に吐出されるのは、冷却循環駆動部６０の運転に伴う圧力変動を極力減らすためである。
また、液体膨張吸収用容器１０が、液体窒素の貯槽４１の上部に取付けられているのは、液圧で収縮することを防止するためである。

事故が発生したときには、図１の下側の図に示す様に、液体膨張吸収用容器１０が液体窒素の熱膨張に起因する圧力の増加により凹んでしまう。このため、液体窒素は、過度に圧力が上昇することがなく、その結果断熱層内管５１に永久変形が生じること等が防止される。
なおこの際、液体膨張吸収用容器１０は、内部が真空であるため、液体窒素の少しの圧力上昇により凹むため、応答性が極めて良好となる。
なお、製造時に液体膨張吸収用容器１０の内部に、１気圧より多少高めの圧力のアルゴンあるいは窒素ガスを封入しておけば、通常運転時には低温で液化しているため内部は事実上真空となり、収縮の応答性に優れる。一方、事故発生後の復旧作業、点検等のために常温に戻すと、元の気体に戻るため内部圧力が上昇し、これにより一旦凹んでしまった膨張吸収用容器１１は元の形状に戻り、再使用が可能となる。

（第２の実施の形態）
本実施の形態は、過度の収縮に対する安全機構を備えた液体膨張吸収用構造を使用して事故発生時の冷却用液体の過度の圧力上昇を防止するものである。
図２に、第２の実施の形態の系統及び構造を概念的に示し、図３に安全機構の原理を示す。図２と図３において、２０は液体膨張吸収用機構としてのベローであり、２９はその安全機構として作用するため該ベロー２０の内部に設置されている錘である。３０は超電導線（ＳＣ線）である。４０は、液体窒素の流路である。５０は、断熱層内管５１と真空断熱層５２と断熱層外管５３よりなる断熱層であり、断熱層内管５１は液体窒素の外部側の境界壁でもある。

図２に示すように、ベロー２０は、その上端が断熱層内管５１に取付けられており、ベロー２０は液体窒素の流路４０内にある。この下で、事故による発熱で液体窒素が膨張したときには、それに起因する圧力上昇でベロー２０は図上上方に収縮し、液体窒素の圧力が過度に上昇することを防止する。

次に、図３を参照しつつ、過度の収縮に対する安全機構について説明する。
図３の（１）は、内部に錘２９を設置した状態のベロー２０であり、（２）は内部に錘が設置されておらず、かつ作用する外力が０の状態のベロー２０であり、（３）は外力によりベローの材質、構造等による収縮許容限界まで収縮した状態のベロー２０である。なお、この許容限界まで収縮した状態は、ベロー２０の材質、構造等の強度から定まるため、内部の錘２９の有無には無関係である。
さて、内部に錘２９が設置されていなければ、ベロー２０に許容される収縮量は（２）に示す状態と（３）に示す状態の差、すなわちΔＨである。しかし、図２に示す状態のベロー２０は、図３の（１）に示す状態であり、（２）に示す外力が０の状態からΔｈだけ伸長している。このため、外力により許容限界に達するまでの収縮量はΔｈ＋ΔＨとなり、Δｈだけ増加することとなる。

また、錘２９とベロー２０のバネ定数の関係を適切にすることにより、冷却循環駆動部（図示せず）の発停等で生じる液体窒素の圧力の変動を和らげるようすることも可能になる。
なお、本実施の形態では、ベロー２０は液体窒素の流路４０内に凸出しているが、液体窒素の流れはゆっくりしたものであるため、ほとんど流路抵抗とならない。
また、液体窒素の流れの影響がほとんどない貯槽に設置することにより、流路抵抗となることを防止できる。

（第３の実施の形態）
本実施の形態は、第２の実施の形態における過度の収縮に対する安全機構として、錘に換えてコイルバネを使用するものであり、基本的な考えは先の実施の形態と同じである。このため、図面は省略し、文書のみで説明する。
本実施の形態においては、ベローはその内部に装着されたコイルバネによりΔｈだけ伸長された状態で液体窒素の流路内や貯槽内の境界壁に設置される。そして、事故による発熱で液体窒素が膨張したときには収縮し、これにより液体窒素の圧力が過度に上昇することを防止し、さらに最初から伸長されている量だけ許容限界に達するまでの収縮量が増加する。
本実施の形態では、コイルバネによる伸長であるため、ベローは必ずしも下向きに取付けておく必要がないという利点がある。

本発明の第１の実施の形態の超電導用冷却装置の要部を概念的に示す図である。 本発明の第２の実施の形態の超電導用冷却装置の要部を概念的に示す図である。 本発明の第２の実施の形態の超電導用冷却装置の効果が発揮される原理を概念的に示す図である。

符号の説明

１０ 液体膨張吸収用容器
２０ ベロー
２９ 錘
３０ 超電導線
４０ 液体窒素の流路
４１ 液体窒素の貯槽
４２ 液体窒素のリターン流路
５０ 断熱層
５１ 断熱層内管
５２ 真空断熱層
５３ 断熱層外管
６０ 冷却循環駆動部

Claims (7)

1. 超電導ケーブルを臨界温度以下に保持するための液体中に、液体膨張吸収用容器を有していることを特徴とする超電導ケーブル用冷却装置。
2. 前記液体膨張吸収用容器は、内部が負圧であることを特徴とする請求項１に記載の超電導ケーブル用冷却装置。
3. 超電導ケーブルを臨界温度以下に保持するための液体の境界壁に、液体膨張吸収用構造を有していることを特徴とする超電導ケーブル用冷却装置。
4. 前記液体膨張吸収用構造は、ベローであることを特徴とする請求項３に記載の超電導ケーブル用冷却装置。
5. 前記液体膨張吸収用構造は、過度の収縮に対する安全機構を有していることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の超電導ケーブル用冷却装置。
6. 前記安全機構は、前記ベローの内部に設置された錘であることを特徴とする請求項５に記載の超電導ケーブル用冷却装置。
7. 前記安全機構は、前記ベローを予め所定量だけ伸ばして設置されたバネであることを特徴とする請求項５に記載の超電導ケーブル用冷却装置。
   

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