JP2009014301A - 固液二相冷媒による長距離冷却方法及び冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】固液二相冷媒による効率的な長距離冷却の低温化を可能とするとともに信頼性向上を図ることを可能とした固液二相冷媒による長距離冷却方法及び冷却システムを提供する。
【解決手段】微細固体と液体とが混在した固液二相冷媒を製造する冷凍機２と、該冷凍機に接続され長尺状被冷却体に沿って配設された冷媒配管とを備え、冷凍機にて製造された固液二相冷媒を冷媒配管内にて搬送しながら被冷却体を冷却するようにした固液二相冷媒による長距離冷却システム１において、前記冷凍機２が所定距離を隔てて複数設置され、前記冷媒配管は、２台の冷凍機２の中間点まで延設された往路配管５と、該往路配管に熱的に結合され中間点にて折り返す復路配管６とが接続された構成をなし、冷凍機２では、往路配管５に対応した被冷却体の熱負荷に応じた微細固体を含む固液二相冷媒を製造する構成となっており、前記往路配管５内には前記固液二相冷媒が供給され、前記復路配管６内には液体のみの冷媒が通流するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、微細固体と液体が均一に混じりあった固液二相冷媒による長距離冷却方法及び冷却システムに関し、特に、被冷却体が長距離の場合であっても効率的に冷却可能な固液二相冷媒による長距離冷却方法及び冷却システムに関する。

近年、超電導送電ケーブル等の極低温における長距離冷却に用いられる冷媒として、液体冷媒のみの場合に比べて安定した冷却性能を有することから固液二相冷媒が注目されている。従来より広く用いられてきた冷媒は、配管内での気泡発生による閉塞の心配の無い過冷却された液体窒素であった。過冷却液体窒素は、長距離配管中の圧力損失を避けるため、０．３ｍ／ｓ程度の比較的ゆっくりした速度で搬送されている。しかし、過冷却液体窒素等の過冷却液体冷媒は、極低温で利用される場合、ケーブル内からの発熱及び外部からの侵入熱などの熱負荷により、気泡の発生しない温度範囲内で搬送中に徐々に温度が上昇してしまう。従って超電導体の冷却に用いる場合、超電導体の性能は温度に依存しており低温になれば性能が向上する特性を有するが、上記理由によりその性能は終端温度で規制されてしまう。

これに対して固液二相冷媒は、微細固体と液体が均一に混合したシャーベット状の流体（スラリー）からなり、固体粒子の融解潜熱を利用して冷却を行うものであり、固体が存在する限り冷媒温度は融解点付近の低温で且つ一定に保たれるため、極低温冷却において非常に有効な手段である。例えば、微細な固体窒素と液体窒素が混合したスラッシュ窒素は、超電導送電ケーブルの冷却に適している。超電導送電ケーブルシステムは、電気抵抗がゼロとなる超電導体を電力送電線に適用するものであり大容量の電力を送電できるシステムである。このシステムでは、冷却ステーション間隔が数ｋｍにも及ぶことがあるが、スラッシュ窒素を用いることにより数ｋｍ先のケーブル出口においても固体分が残っていれば冷却温度はその融解温度である６３Ｋに保たれ、その結果超電導ケーブルはその能力、即ち６３Ｋにおける臨界電流値に基づく送電量を維持できる。

上記したシステムを備えた装置として、特許文献１（特開２００６−３２５３２８号公報）には、複数の分散型電源及びエネルギー消費地を接続する直流超電導ケーブルを設け、該直流超電導ケーブルをスラッシュ窒素により冷却するようにした構成が開示されている。ネットワーク状に張り巡らされた超電導ケーブルの途中には、スラッシュ窒素製造設備が配設されており、この製造設備にて製造されたスラッシュ窒素が超電導ケーブルに備えられた冷媒通路を通流し、該ケーブルを冷却するようになっている。
また、特許文献２（特許第３３９１２５４号公報）には、固相による閉塞を防止するようにした固液二相流輸送装置が開示されている。これは、輸送経路の閉塞を検知し、閉塞の惧れがある場合に輸送経路に空気を吹き込んで気体と固液二相流をプラグ状に分断して閉塞を防止する構成としている。

特開２００６−３２５３２８号公報 特許第３３９１２５４号公報

しかしながら、特許文献１及び特許文献２に記載されるように、固液二相冷媒で長尺状の被冷却体を冷却する場合、固液分離を防止するため流速を液冷媒より大きく設定する必要がある。これにより、同一距離での圧力損失は液冷媒に比べて非常に大きくなる。例えばスラッシュ窒素の場合、流速を１ｍ／ｓ以上とする必要がある。スラッシュ窒素と過冷却液体窒素の速度比は１／０．３であり、圧力損失は速度比の二乗で増加するためスラッシュ窒素の圧力損失は過冷却液体窒素の１０倍となる。この結果、搬送動力の増大から熱負荷も増大する結果となる。

また、超電導体は冷凍機が故障すると常電導転移を起こし通電不可能となるため、冷凍機の信頼性が超電導ケーブルの信頼性を左右することとなる。従来は冷凍機の冗長化により対応してきたが、並列冗長系では設計能力に対し、通常は５０％能力（２台の場合）で運転することとなり、機器の大型化や効率低下を引き起こす。待機冗長系では、通常１台の冷凍機は休止しており無駄となってしまう。
従って、本発明は上記従来の技術の問題点に鑑み、固液二相冷媒による効率的な長距離冷却の低温化を可能とするとともに信頼性向上を図ることを可能とした固液二相冷媒による長距離冷却方法及び冷却システムを提供することを目的とする。

そこで、本発明はかかる課題を解決するために、冷凍機により同一成分の微細固体と液体とが混在した固液二相冷媒を製造し、前記固液二相冷媒が通流する配管に沿って配設された長尺状被冷却体を該固液二相冷媒により冷却するようにした固液二相冷媒による長距離冷却方法において、
前記冷凍機から前記被冷却体に沿って配設された往路配管内に前記固液二相冷媒を通流させ、前記往路配管に熱的に結合された復路配管内を介して冷媒が返送されるようにし、前記往路配管では微細固体が存在し、前記復路配管では微細固体が略存在しない液体冷媒となるようにしたことを特徴とする。

また、前記復路配管にて、前記冷媒の流速を前記往路配管より低く設定することを特徴とする。
さらに、前記冷凍機が複数設置され、２台の冷凍機の略中間位置に前記往路配管と前記復路配管の折り返し地点が位置するとともに、該折り返し地点に四方弁が設けられており、一側の冷凍機が停止した場合に、他側の冷凍機から前記一側の冷凍機に向けて一方向に冷媒が搬送されるように前記四方弁を操作することを特徴とする。

また、同一成分の微細固体と液体とが混在した固液二相冷媒を製造する冷凍機と、該冷凍機に接続され長尺状被冷却体に沿って配設された冷媒配管とを備え、前記冷凍機にて製造された固液二相冷媒を前記冷媒配管内にて搬送しながら前記被冷却体を冷却するようにした固液二相冷媒による長距離冷却システムにおいて、
前記冷凍機が所定距離を隔てて複数設置され、
前記冷媒配管は、２台の冷凍機の中間点まで延設された往路配管と、該往路配管に熱的に結合され中間点にて折り返す復路配管とが接続された構成をなし、前記冷凍機では、前記往路配管に対応した被冷却体の熱負荷に応じた微細固体を含む固液二相冷媒を製造する構成となっており、
前記往路配管内には前記固液二相冷媒が供給され、前記復路配管内には液体のみの冷媒が通流するようにしたことを特徴とする。

さらに、前記中間点に、両端側から延設される配管同士を接続する四方弁を設け、該四方弁は、一側の前記冷凍機が停止した場合に、他側の冷凍機から前記一側の冷凍機まで一方向に冷媒を搬送するように設定されることを特徴とする。
さらにまた、前記復路配管は、前記冷媒の流速が前記往路配管より低くなるように設定されていることを特徴とする。
また、これらの発明において、前記被冷却体が、超電導送電ケーブルであることが好適である。

本発明によれば、極低温における長距離冷却において、両端に冷凍機を設置し、一端から長距離管内冷却を行いながら搬送される冷媒は、中間地点において固体分が無くなり液冷媒のみとなる。中間点に設けられた四方弁により流れる場所を変え、残りの区間は補助寒冷として系内の冷却を行い他端に至る構造とすることにより、管内冷却距離が半減することから圧力損失が低減するとともに、液冷媒を補助寒冷として使用できるため、冷凍機の能力も半分以下にすることができ高効率の冷却が可能となる。
また、複数設置した冷凍機の間に四方弁を設けることにより、冷凍機のメンテナンスや故障時で一方の冷凍機が停止する場合に、他端の冷凍機のみで全系を冷却することにより、超電導状態を保持することが可能となる。

以前記載のごとく本発明によれば、固液二相冷媒による長距離冷却の低温化を可能とするとともに信頼性向上を可能とした。
即ち、本発明では、復路配管を返送されてくる液冷媒により往路配管を冷却する構成としており、外部からの熱侵入は考慮する必要はなくなるため、１台の冷凍機が生成する固液二相冷媒の固体量は半分の長さの被冷却体からの自己発熱分のみで良いことから、冷凍機容量の低減が可能となる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
図１は本発明の実施形態に係る固液二相冷媒搬送装置の基本構成図、図２は３台以上の冷凍機を備えた固液二相冷媒搬送装置の概略図、図３は比較例の従来の固液二相冷媒搬送装置の構成図、図４は本実施例１の固液二相冷媒搬送装置の構成図、図５は本実施例１にて一方の冷凍機停止時における固液二相冷媒搬送装置の構成図である。

本実施形態は、極低温状態における長距離冷却システムに関し、冷却対象として超電導ケーブルの冷却システムを例に挙げて説明するが、これに限定されるものではなく他の長尺状被冷却機器にも適用可能である。冷却媒体としては、微細固体と液体が均一に混じりあった固液二相冷媒が用いられ、例えば、液体窒素中に微細粒子状の固体窒素が混合されたスラッシュ窒素、同様の状態を有するスラッシュ水素などが挙げられる。尚、本実施形態では、一例として冷却媒体としてスラッシュ窒素を用いた場合につき説明する。

図１を参照して、本実施例の構成を説明する。
本実施例の冷却システム１は、スラッシュ窒素を製造する２以上の複数の冷凍機２と、該冷凍機２に接続された超電導送電ケーブル４とを備える。前記冷凍機２は、所定距離だけ離間されて配置されており、前記超電導送電ケーブル４の両端に位置される。
前記超電導送電ケーブル４は、超電導配管５と、該超電導配管５を被覆するごとく設けられたシールド層７と、該シールド層７に並行に隣接配置されたシールド層冷却配管６とが断熱真空層内に収容された構成となっている。前記シールド層７は、前記シールド層冷却配管６と熱的に結合されている。尚、シールド層７の材質としては銅、アルミ等の熱伝導性が高い材質が好適に用いられる。前記冷凍機２は、スラッシュ窒素を生成し、必要に応じて適宜貯留して所定量のスラッシュ窒素を送給するための装置であり、公知の構造を採用することができる（再公表２００４−０８０８９２号公報等参照）。

本構成を備えた冷却システム１において、冷凍機２で製造されたスラッシュ窒素は、送液ポンプ３を介し、固液分離が起こらない流速まで昇圧された上で超電導体を直接冷却する超電導配管５内に送られる。この時の固体窒素量は超電導送電ケーブル４全体の半分の超電導体を冷却可能な量である。配管長の半分を冷却し、液体のみとなった窒素は四方弁１０において流路を変え、圧力損失低減のため流速を低下させた上、残りの長さはシールド層用冷却配管６を流れ、外部からの熱侵入を防止するシールド層７を冷却しつつ、他端に至る。
そして、他端において冷凍機２により再度スラッシュ窒素冷媒として超電導送電ケーブル４に送給される。

本システムのごとく、超電導送電ケーブル４の両端に、中間点までの熱負荷に対応する冷凍機２を設置した構成とすると、一端から超電導配管５の冷却を行いながら搬送されるスラッシュ窒素は、中間地点においてスラッシュ窒素の固体分が無くなり液冷媒のみとなる。中間点に設けられた四方弁１０により流れる場所を変え、残りの区間は補助寒冷としてシールド層冷却用配管６内に供給し、系内の冷却を行い他端にいたる構造とする。この時、圧力損失低減のため流速を低下させることが可能である。この結果、管内冷却距離が半減することから圧力損失が低減するともに、液冷媒を補助寒冷として使用できるため冷凍機２の能力も半分以下にすることが可能となる。
また、冷凍機２のメンテナンスや故障時で一方の冷凍機が停止する場合は、他端の冷凍機２のみで全系を冷却することが好ましい。この場合、スラッシュ窒素では圧力損失が過大となるため液冷媒での冷却を行う。この際、中間点にある四方弁１０を操作し、冷媒は全系を冷却し、他端到達後はシールド層冷却用配管６を通って戻るようにする。この結果、冷媒温度が上昇し、超電導体の性能は低下するものの超電導状態は保持することが可能である。

このように本実施形態によれば、シールド層冷却用配管６を返送されてくる液冷媒によりシールド層７を冷却する構成としており、外部からの熱侵入は考慮する必要はなくなるため、１台の冷凍機２が生成するスラッシュ窒素用固体量は半分の長さの超電導体からの自己発熱分のみで良いことから冷凍機容量の低減が可能となる。
また、図２に示すように、３以上の複数の冷凍機２を所定距離だけ離間させて設置し、これらの中間付近までの長さを有する超電導送電ケーブル４を夫々の冷凍機２から延設するとともに、該超電導送電ケーブル４の間に四方弁を設ける構成としてもよい。これにより超電導体の長さを自由に設定できる。

次に、図３乃至図５に示すように、本実施例及び比較例を用いてシミュレーションした場合の冷却効率につき説明する。
図３は、比較例として、Ｗ_１＝５ｋｍの交流超電導送電ケーブルをスラッシュ窒素のみで冷却したときのシミュレーション例である。図４は、図１に示した場合と同様の構成を有する実施例１として、Ｗ_２＝２．５ｋｍの交流超電導送電ケーブルを２本直列に配置し、これらをスラッシュ窒素と液冷媒とで冷却したときのシミュレーション例である。図５は、本実施例１にて一方の冷凍機停止時におけるシミュレーション例である。

図３の比較例で明らかなように、図４の実施例１では、スラッシュ窒素が負担する熱負荷は配管熱負荷とポンプ損失（流速１ｍ／ｓ，断熱効率５０％としその全動力が熱負荷となることを想定）の合計で示されほぼ１／４に低下する。液体冷媒によるシールド層冷却（流速０．３ｍ／ｓ）での温度上昇は２Ｋ以下、圧力損失はスラッシュ窒素の１割以下とすることができる。
また、図５では一端の冷凍機が故障したときの冷媒の流れを示し、この時四方弁１０を回転させ正常運転している冷凍機２からの冷媒は全長にわたり超電導配管５を流れ、他端に到達後に流れを変えてシールド層７を冷却した後に元の冷凍機に戻る。この場合、冷凍機２のスラッシュ窒素生成能力及びポンプ能力が不足することから冷媒は６５Ｋの液体窒素としシミュレーションを実施した。正常時のスラッシュ窒素搬送時と同等の圧力損失でも冷媒の温度上昇は８Ｋ以下であり、超電導状態を保持できることから送電を継続することが可能であることがわかる。

本発明の実施形態に係る固液二相冷媒搬送装置の基本構成図である。 ３台以上の冷凍機を備えた固液二相冷媒搬送装置の概略図である。 比較例の従来の固液二相冷媒搬送装置の構成図である。 本実施例１の固液二相冷媒搬送装置の構成図である。 本実施例１にて一方の冷凍機停止時における固液二相冷媒搬送装置の構成図である。

符号の説明

１ 固液二相冷媒搬送装置
２ 冷凍機
３ 送液ポンプ
４ 超電導送電ケーブル
５ 超電導配管
６ シールド層用冷却配管
７ シールド層

Claims (7)

1. 冷凍機により同一成分の微細固体と液体とが混在した固液二相冷媒を製造し、前記固液二相冷媒が通流する配管に沿って配設された長尺状被冷却体を該固液二相冷媒により冷却するようにした固液二相冷媒による長距離冷却方法において、
   前記冷凍機から前記被冷却体に沿って配設された往路配管内に前記固液二相冷媒を通流させ、前記往路配管に熱的に結合された復路配管内を介して冷媒が返送されるようにし、前記往路配管では微細固体が存在し、前記復路配管では微細固体が略存在しない液体冷媒となるようにしたことを特徴とする固液二相冷媒による長距離冷却方法。
2. 前記復路配管にて、前記冷媒の流速を前記往路配管より低く設定することを特徴とする請求項１記載の固液二相冷媒による長距離冷却方法。
3. 前記冷凍機が複数設置され、２台の冷凍機の略中間位置に前記往路配管と前記復路配管の折り返し地点が位置するとともに、該折り返し地点に四方弁が設けられており、一側の冷凍機が停止した場合に、他側の冷凍機から前記一側の冷凍機に向けて一方向に冷媒が搬送されるように前記四方弁を操作することを特徴とする請求項１記載の固液二相冷媒の搬送方法。
4. 同一成分の微細固体と液体とが混在した固液二相冷媒を製造する冷凍機と、該冷凍機に接続され長尺状被冷却体に沿って配設された冷媒配管とを備え、前記冷凍機にて製造された固液二相冷媒を前記冷媒配管内にて搬送しながら前記被冷却体を冷却するようにした固液二相冷媒による長距離冷却システムにおいて、
   前記冷凍機が所定距離を隔てて複数設置され、
   前記冷媒配管は、２台の冷凍機の中間点まで延設された往路配管と、該往路配管に熱的に結合され中間点にて折り返す復路配管とが接続された構成をなし、前記冷凍機では、前記往路配管に対応した被冷却体の熱負荷に応じた微細固体を含む固液二相冷媒を製造する構成となっており、
   前記往路配管内には前記固液二相冷媒が供給され、前記復路配管内には液体のみの冷媒が通流するようにしたことを特徴とする固液二相冷媒による長距離冷却システム。
5. 前記中間点に、両端側から延設される配管同士を接続する四方弁を設け、該四方弁は、一側の前記冷凍機が停止した場合に、他側の冷凍機から前記一側の冷凍機まで一方向に冷媒を搬送するように設定されることを特徴とする請求項４記載の固液二相冷媒による長距離冷却システム。
6. 前記復路配管は、前記冷媒の流速が前記往路配管より低くなるように設定されていることを特徴とする請求項４記載の固液二相冷媒による長距離冷却システム。
7. 前記被冷却体が、超電導送電ケーブルであることを特徴とする請求項４乃至６の何れかに記載の固液二相冷媒による長距離冷却システム。
   
   

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