JP2013125868A - Cooler for superconduction power supply system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、送電用の超電導ケーブル及び該超電導ケーブルから外部負荷に電力を供給するためのパワーリードからなる超電導給電システムを寒剤を用いて冷却する超電導給電システム用冷却装置の技術分野に関する。 The present invention relates to a technical field of a cooling device for a superconducting power feeding system that cools a superconducting power feeding system including a superconducting cable for power transmission and a power lead for supplying electric power from the superconducting cable to an external load using a cryogen.
特定の金属、合金、化合物などの物質を極低温に冷却したときに、電気抵抗が急激にゼロになる超電導という現象がある。送電用ケーブルに超電導の技術を応用した超電導ケーブルは、電流が流れる導体として超電導線を使用したものであり、小さな断面積で大電流を流すことができるため、送電に係る設備の小型化、送電効率の向上等の利点があり注目されている。 There is a phenomenon called superconductivity in which the electrical resistance suddenly becomes zero when a material such as a specific metal, alloy, or compound is cooled to a very low temperature. Superconducting cables that apply superconducting technology to power transmission cables use superconducting wires as current-carrying conductors and can flow large currents with a small cross-sectional area. It has gained attention because of its advantages such as improved efficiency.
超電導ケーブルは、通電時に発生する熱負荷や外部からの侵入熱により温度が上昇して電気抵抗が上昇することがないように、恒常的に冷却して超低温状態を維持することが重要である。超電導ケーブルを冷却する技術としては、サブクール状態の冷媒を用いて循環冷却を行う技術が知られている。これは、冷凍機を用いて冷媒をサブクール状態まで冷却し、該サブクール冷媒をポンプで超電導ケーブルに送ることにより、超電導ケーブルを冷却するものである。超電導ケーブルの冷却に使用された後の冷媒は、温度が上昇しているので、再度冷凍機に戻され、サブクール状態に冷却される。 It is important that the superconducting cable is constantly cooled to maintain an ultra-low temperature state so that the temperature does not increase due to a heat load generated during energization or external intrusion heat and the electrical resistance does not increase. As a technique for cooling a superconducting cable, a technique for performing circulation cooling using a subcooled refrigerant is known. This cools the superconducting cable by cooling the refrigerant to a subcooled state using a refrigerator and sending the subcooled refrigerant to the superconducting cable with a pump. Since the temperature of the refrigerant after being used for cooling the superconducting cable has risen, it is returned to the refrigerator again and cooled to the subcooled state.
特許文献１には、このように寒剤の循環経路を形成することにより超電導ケーブルの冷却を行う一例が開示されている。また、特許文献２では、このような寒剤の循環経路を形成する冷却技術において、液化ガスの循環の不安定要因や、電気機器の絶縁に関するトラブルを起こすことなく、寒剤をサブクール状態で長期間循環可能とするために、サブクール状態の寒剤に、更に沸点が低いガスを溶解したことを特徴とする冷却システムが開示されている。 Patent Document 1 discloses an example in which a superconducting cable is cooled by forming a cryogen circulation path in this way. Further, in Patent Document 2, in the cooling technology for forming such a cryogen circulation path, the cryogen is circulated for a long time in a subcooled state without causing an unstable factor in the circulation of the liquefied gas and troubles relating to insulation of the electrical equipment. In order to enable this, a cooling system is disclosed in which a gas having a lower boiling point is dissolved in a subcooled cryogen.
この種の超電導ケーブルの応用分野として、電車のように大容量電力を動力源とする移動体に電力を供給する給電システムがある。図５は電車用の給電供給システムに超電導ケーブルを適用した超電導給電システム１の概要を示す模式図である。 As an application field of this type of superconducting cable, there is a power feeding system that supplies electric power to a moving body that uses large-capacity electric power as a power source such as a train. FIG. 5 is a schematic diagram showing an outline of a superconducting power feeding system 1 in which a superconducting cable is applied to a power feeding system for trains.
超電導給電システム１は、寒剤で冷却された超電導ケーブルである超電導饋電線５０、超電導饋電線５０の給電先である外部負荷としてのトロリー線（架線）８０、並びに超電導饋電線５０及びトロリー線（架線）８０間を電気的に接続するパワーリード２０を備える。パワーリード２０は、電車１０の進行方向に沿って一定間隔毎に超電導饋電線５０とトロリー線（架線）８０との間を接続するように複数設置されている。パワーリード２０を介してトロリー線（架線）８０に供給された電力は、電車１０の上部に設置されたパンダグラフ１１を介して電車１０に供給される。 The superconducting power supply system 1 includes a superconducting feeder cable 50 that is a superconducting cable cooled with a cryogen, a trolley wire (overhead wire) 80 as an external load to which the superconducting feeder cable 50 is fed, and a superconducting feeder cable 50 and a trolley wire (overhead wire). ) Power leads 20 that electrically connect 80 are provided. A plurality of power leads 20 are installed so as to connect between the superconducting feeder 50 and the trolley wire (overhead wire) 80 at regular intervals along the traveling direction of the train 10. The electric power supplied to the trolley line (overhead line) 80 through the power lead 20 is supplied to the train 10 through the panda graph 11 installed on the upper part of the train 10.
トロリー線（架線）８０にパンダグラフ１１が接触する箇所は、電車１０の走行位置に応じて時々刻々と変化し、当該接触する箇所の近傍に位置するパワーリード２０を介して、超電導饋電線５０からトロリー線（架線）８０、そして電車１０のルートで電流が流れる。つまり、電車１０の走行時には、パンダグラフ１１が接触する箇所の近傍に位置する特定のパワーリード２０についてのみ大容量の電流が流れ、それ以外のパワーリード２０にはトロリー線（架線）の電気抵抗のために電流は流れない。 The location where the panda graph 11 contacts the trolley wire (overhead wire) 80 changes from moment to moment according to the travel position of the train 10, and the superconducting feeder 50 through the power lead 20 located in the vicinity of the contact location. A current flows through the trolley line (overhead line) 80 and the train 10 route. That is, when the train 10 travels, a large-capacity current flows only through a specific power lead 20 located in the vicinity of the place where the panda graph 11 contacts, and the electric resistance of a trolley wire (overhead wire) flows through the other power leads 20. Therefore, no current flows.
ここで、パワーリード２０は負荷側の常温部と超電導饋電線５０側の極低温部とを接続しているため、電車１０が走行しない待機状態でも、常に１００Ｗ前後の侵入熱がある。更に、近くを電車１０が通過する際には大電流が流れることによって、トータルの熱損失は１００〜１ｋＷにも達する。このような電車１０への給電システムでは、超電導饋電線５０は数ｋｍオーダーという長距離に亘って設置されるため、パワーリード２０の本数も必然的に多くなる。そのため、超電導饋電線５０が受ける熱負荷は相当大きいものとなる。 Here, since the power lead 20 connects the normal temperature part on the load side and the cryogenic part on the superconducting feeder cable 50 side, there is always intrusion heat of about 100 W even in a standby state where the train 10 does not travel. Furthermore, when the train 10 passes nearby, a large current flows, so that the total heat loss reaches 100 to 1 kW. In such a power supply system for the train 10, the superconducting feeder cable 50 is installed over a long distance of the order of several kilometers, so the number of power leads 20 is inevitably increased. Therefore, the heat load received by the superconducting feeder cable 50 is considerably large.
このような熱負荷の大きな超電導システムにおける冷却技術としては、特許文献１及び２に示すようなサブクール冷媒の循環経路を利用した超電導饋電線５０の冷却に加えて、パワーリード２０をいかに効率的に冷却するかが重要である。その一つの解決手段として、例えば図６に示すように、各パワーリード２０に対して冷却用の冷凍機８１（以下、第２の冷凍機８１と称する）を設置することが考えられる。 As a cooling technique in such a superconducting system with a large heat load, in addition to cooling of the superconducting feeder 50 using the circulation path of the subcooled refrigerant as shown in Patent Documents 1 and 2, how efficiently the power lead 20 is used. Cooling is important. As one solution, for example, as shown in FIG. 6, it is conceivable to install a cooling refrigerator 81 (hereinafter referred to as a second refrigerator 81) for each power lead 20.
図６に示す例では、超電導饋電線５０の延在方向に沿って寒剤が流れるように循環経路６０が形成されている。循環経路６０は、超電導饋電線５０の上流側に設けられた寒剤供給部５１から寒剤が供給され、超電導饋電線５０に沿って流れた後、寒剤供給部５１より下流側に設けられた寒剤排出部５２から排出され、第１の冷凍機７０に回収されるように形成されている。循環経路６０を流れる寒剤は、第１の冷凍機７０においてサブクール状態に冷却された後、寒剤供給部５１から供給されることで超電導饋電線５０の冷却を行う。超電導饋電線５０に供給された寒剤は、超電導饋電線５０に沿って流れるに従い、次第に温度が上昇していく。寒剤排出部５２から排出される寒剤は、このように温度が上昇しているため、第１の冷凍機７０に戻されることにより、再びサブクール状態に冷却されるというサイクルを繰り返す。 In the example shown in FIG. 6, the circulation path 60 is formed so that the cryogen flows along the extending direction of the superconducting feeder cable 50. The circulation path 60 is supplied with a cryogen from a cryogen supply unit 51 provided on the upstream side of the superconducting feeder cable 50, flows along the superconducting feeder cable 50, and then discharges a cryogen provided on the downstream side of the cryogen supply unit 51. It is formed so as to be discharged from the section 52 and collected by the first refrigerator 70. The cryogen flowing through the circulation path 60 is cooled to the subcooled state in the first refrigerator 70 and then supplied from the cryogen supply unit 51 to cool the superconducting feeder 50. The cryogen supplied to the superconducting feeder cable 50 gradually increases in temperature as it flows along the superconducting feeder cable 50. Since the temperature of the cryogen discharged from the cryogen discharge unit 52 is thus increased, the cycle of returning to the first refrigerator 70 and being cooled again to the subcooled state is repeated.
このように循環経路６０を流れる寒剤の一部はパワーリード２０内部に導入されることによりパワーリード２０を冷却する。この際に、パワーリード２０から熱量を受け取った寒剤は、気化ガスとなる。発生した気化ガスは、各パワーリード２０の排出口４５から排出される。排出された気化ガスは、各パワーリード２０に対応して設けられた第２の冷凍機８１で冷却されることにより寒剤に液化され、第１の冷凍機８１に送られる。そして、超電導饋電線５０に沿って流れる寒剤（循環経路６０を流れる寒剤）と共に、寒剤供給部５１から超電導饋電線５０に供給される。 Thus, a part of the cryogen flowing through the circulation path 60 is introduced into the power lead 20 to cool the power lead 20. At this time, the cryogen that has received heat from the power lead 20 becomes vaporized gas. The generated vaporized gas is discharged from the discharge port 45 of each power lead 20. The discharged vaporized gas is cooled by a second refrigerator 81 provided corresponding to each power lead 20 to be liquefied into a cryogen and sent to the first refrigerator 81. Then, together with the cryogen flowing along the superconducting feeder cable 50 (the cryogen flowing through the circulation path 60), the cryogen feeder 51 supplies the superconducting feeder cable 50.
しかしながら、この例ではパワーリード２０の本数分だけ第２の冷凍機８１を設置する必要があるため、各第２の冷凍機８１のトータル消費電力もまた膨大な量となってしまい、効率が悪い。そのため、電車１０の給電用の超電導饋電線５０には長距離化の要請があるが、このような長距離化に対応することができないという問題点がある。 However, in this example, since it is necessary to install the second refrigerators 81 for the number of power leads 20, the total power consumption of each of the second refrigerators 81 is also a huge amount, which is inefficient. . Therefore, the superconducting feeder cable 50 for power supply of the train 10 has a request for a long distance, but there is a problem that it cannot cope with such a long distance.
また、仮に第２の冷凍機８１の性能改善によって消費電力の削減を図ったとしても、多数のパワーリード２０に対応して設けられた第２の冷凍機８１のうちいずれか一台でも停止すると、超電導饋電線５０に多大な熱量が侵入してしまう。このように故障等により停止する機器がシステムの中に多数含まれると、システム全体の信頼性が低下する。 Even if the power consumption is reduced by improving the performance of the second refrigerator 81, if any one of the second refrigerators 81 provided corresponding to the large number of power leads 20 is stopped. A great amount of heat enters the superconducting feeder cable 50. If the system includes many devices that stop due to a failure or the like, the reliability of the entire system decreases.
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、長距離に亘って配備された超電導ケーブルを効率的に冷却可能であり、且つ、高い信頼性を有する超電導給電システム用冷却装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and provides a cooling device for a superconducting power supply system that can efficiently cool a superconducting cable disposed over a long distance and has high reliability. With the goal.
本発明に係る超電導給電システム用冷却装置は上記課題を解決するために、所定方向に延在する超電導ケーブルに沿って寒剤が流れるように、前記超電導ケーブルの上流側に設けられた寒剤供給部から第１の冷凍機によって冷却された寒剤を供給し、前記寒剤供給部より下流側に設けられた寒剤排出部から排出された寒剤を前記第１の冷凍機に回収して冷却すると共に、前記超電導ケーブルから外部負荷に電力を供給するための複数のパワーリードに対して前記超電導ケーブルに沿って流れる寒剤の一部を導入することにより、前記超電導ケーブル及び前記複数のパワーリードを冷却する超電導給電システム用冷却装置において、前記複数のパワーリードに導入された寒剤の気化ガスを回収し、該回収した気化ガスを冷却することにより寒剤を液化生成する第２の冷凍機と、前記液化生成された寒剤の温度が所定値に冷却されるように前記第２の冷凍機を制御する制御部とを備え、前記第２の冷凍機によって液化生成された寒剤を、前記超電導ケーブルの前記寒剤供給部及び前記寒剤排出部間に設けられた寒剤補充部に供給することを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, the cooling device for a superconducting power supply system according to the present invention has a cryogen supply unit provided on the upstream side of the superconducting cable so that the cryogen flows along the superconducting cable extending in a predetermined direction. The cryogen cooled by the first refrigerator is supplied, the cryogen discharged from the cryogen discharge unit provided downstream from the cryogen supply unit is recovered and cooled in the first refrigerator, and the superconductivity A superconducting power feeding system that cools the superconducting cable and the plurality of power leads by introducing a part of the cryogen flowing along the superconducting cable to a plurality of power leads for supplying power from the cable to an external load. In the cooling device for a cryogen, the vaporized gas of the cryogen introduced into the plurality of power leads is recovered, and the cryogen is cooled by cooling the recovered vaporized gas A second refrigerator that liquefies and a control unit that controls the second refrigerator so that the temperature of the liquefied cryogen is cooled to a predetermined value, and is liquefied by the second refrigerator The generated cryogen is supplied to a cryogen replenishment unit provided between the cryogen supply unit and the cryogen discharge unit of the superconducting cable.
本発明によれば、超電導ケーブルを冷却するために流れる寒剤の一部をパワーリードに導入することによって、複数のパワーリードに対して個別に冷凍機を設けることなく、各パワーリードを冷却できるので効率的である。また、各パワーリードの冷却に用いられた寒剤は気化ガスとして回収され、超電導ケーブル冷却用の第１の冷凍機とは別に設けられた第２の冷凍機によって冷却されることにより、寒剤が液化生成される。第２の冷凍機において液化生成された寒剤は、制御部からの指令に基づいた所定温度値に冷却されており、超電導ケーブルの寒剤供給部及び寒剤排出部間に設けられた寒剤補充部に供給される。一般的に、超電導ケーブルに沿って流れる寒剤の温度は、寒剤供給部から寒剤排出部に向うにつれて上昇するが、このように第２の冷凍機において液化生成された寒剤をその途中に供給することによって、超電導ケーブルに沿って流れる寒剤の温度を低下させることができる。そのため、超電導ケーブルに沿って流れる寒剤の温度を長距離に亘って低温に保つことができるので、超電導ケーブルの長距離化が可能となる。このように、超電導ケーブルの長距離化の要請にも対応可能な冷却装置を提供することができる。
更に、超電導ケーブルとＬＮ２の熱伝達効率をあげるため、通常ポンプの動力を上げて流量を増大させる必要があるが、第２の冷凍機によって超電導ケーブルを冷却することが可能となるため、第１のポンプの動力が小さくなり、冷却システム全体の効率が向上する。
According to the present invention, by introducing a part of the cryogen flowing to cool the superconducting cable into the power lead, each power lead can be cooled without providing a refrigerator individually for the plurality of power leads. Efficient. In addition, the cryogen used for cooling each power lead is recovered as a vaporized gas, and is cooled by a second refrigerator provided separately from the first refrigerator for cooling the superconducting cable, whereby the cryogen is liquefied. Generated. The cryogen liquefied in the second refrigerator is cooled to a predetermined temperature value based on a command from the control unit, and supplied to the cryogen replenishment unit provided between the cryogen supply unit and the cryogen discharge unit of the superconducting cable. Is done. In general, the temperature of the cryogen flowing along the superconducting cable rises from the cryogen supply unit toward the cryogen discharge unit, and thus the cryogen generated in the second refrigerator is supplied on the way. By this, the temperature of the cryogen flowing along the superconducting cable can be lowered. Therefore, the temperature of the cryogen flowing along the superconducting cable can be kept at a low temperature over a long distance, so that the superconducting cable can be extended. Thus, it is possible to provide a cooling device that can respond to a request for extending the distance of a superconducting cable.
Furthermore, in order to increase the heat transfer efficiency between the superconducting cable and the LN2, it is usually necessary to increase the flow rate by increasing the power of the pump. However, since the superconducting cable can be cooled by the second refrigerator, the first This reduces the power of the pump and improves the efficiency of the entire cooling system.
本発明の一態様としては、前記寒剤補充部において、前記超電導ケーブルに沿って流れる寒剤の温度を検出する温度検出手段を更に備え、前記制御部は、前記液化生成された寒剤の温度が、前記温度検出手段によって検出された温度より低くなるように前記第２の冷凍機を制御することが好ましい。この態様によれば、各パワーリードに接続された外部負荷が時間的に変動することによって寒剤補充部における寒剤の温度が変化する場合であっても、超電導ケーブルの冷却長が十分に得られるように、適切な温度に冷却された寒剤を供給できる。 As one aspect of the present invention, the cryogen replenishment unit further includes temperature detection means for detecting the temperature of the cryogen flowing along the superconducting cable, and the control unit is configured such that the temperature of the liquefied and generated cryogen is It is preferable to control the second refrigerator so as to be lower than the temperature detected by the temperature detecting means. According to this aspect, the cooling length of the superconducting cable can be sufficiently obtained even when the temperature of the cryogen in the cryogen replenishment section changes due to temporal fluctuations in the external load connected to each power lead. In addition, a cryogen cooled to an appropriate temperature can be supplied.
また、前記寒剤補充部において、前記超電導ケーブルに沿って流れる寒剤の圧力を検出する圧力検出手段と、前記第２の冷凍機によって液化生成された寒剤を加圧するための加圧手段とを更に備え、前記制御部は、前記第２の冷凍機によって液化生成された寒剤の圧力が、前記圧力検出手段によって検出された圧力値よりも高くなるように前記加圧手段を制御するとよい。超電導ケーブルに沿って流れる寒剤は循環ポンプなどによって所定の圧力で圧送されている。本態様によれば、このように圧送されている寒剤に対して、第２の冷凍機によって生成された寒剤を寒剤補充部から導入可能なように、適切な圧力値に加圧して供給することができる。 The cryogen replenishing unit further includes pressure detecting means for detecting the pressure of the cryogen flowing along the superconducting cable, and pressurizing means for pressurizing the cryogen liquefied by the second refrigerator. The control unit may control the pressurizing unit so that the pressure of the cryogen liquefied by the second refrigerator is higher than the pressure value detected by the pressure detecting unit. The cryogen flowing along the superconducting cable is pumped at a predetermined pressure by a circulation pump or the like. According to this aspect, the cryogen generated by the second refrigerator is pressurized and supplied to the cryogen being pumped in this way so that it can be introduced from the cryogen replenishment unit. Can do.
また、前記第２の冷凍機の停止時に、前記回収された気化ガスを前記第１の冷凍機に導入することにより寒剤を液化生成し、該液化生成した寒剤を前記寒剤排出部から回収した寒剤と共に、前記寒剤供給部より前記超電導ケーブルに供給するとよい。この態様によれば、第２の冷凍機が何らかの原因によって停止した場合であっても、超電導ケーブルの冷却用である第１の冷凍機に気化ガスを導入して寒剤を液化生成できる。この場合、液化生成された寒剤は、寒剤排出部から回収した寒剤と共に寒剤供給部より超電導ケーブルに供給されるため、超電導ケーブルの途中（即ち、寒剤供給部及び寒剤排出部間）に導入することができない。そのため、上述したような、超電導ケーブルに沿って流れる寒剤の温度抑制効果は低減するものの、気化ガスを第１の冷凍機によって冷却することで寒剤を液化生成することができるので、第２の冷凍機の停止時においても、超電導給電システムの動作を停止させることなく、継続させることができる。このように、本態様では、信頼性の高い冷却装置を実現することができる。 In addition, when the second refrigerator is stopped, the cryogen is liquefied by introducing the recovered vaporized gas into the first refrigerator, and the cryogen generated by liquefaction is recovered from the cryogen discharge unit. At the same time, the superconducting cable may be supplied from the cryogen supply unit. According to this aspect, even when the second refrigerator is stopped for some reason, the cryogen can be liquefied by introducing the vaporized gas into the first refrigerator for cooling the superconducting cable. In this case, since the cryogen generated by liquefaction is supplied to the superconducting cable from the cryogen supply unit together with the cryogen recovered from the cryogen discharge unit, it must be introduced in the middle of the superconducting cable (that is, between the cryogen supply unit and the cryogen discharge unit). I can't. Therefore, although the effect of suppressing the temperature of the cryogen flowing along the superconducting cable as described above is reduced, the cryogen can be liquefied and generated by cooling the vaporized gas with the first refrigerator. Even when the machine is stopped, the operation of the superconducting power supply system can be continued without stopping. Thus, in this aspect, a highly reliable cooling device can be realized.
本発明によれば、超電導ケーブルを冷却するために流れる寒剤の一部をパワーリードに導入することによって、複数のパワーリードに対して個別に冷凍機を設けることなく、各パワーリードを冷却できるので効率的である。また、各パワーリードの冷却に用いられた寒剤は気化ガスとして回収され、超電導ケーブル冷却用の第１の冷凍機とは別に設けられた第２の冷凍機によって冷却されることにより、寒剤が液化生成される。第２の冷凍機において液化生成された寒剤は、制御部からの指令に基づいた所定温度値に冷却されており、超電導ケーブルの寒剤供給部及び寒剤排出部間に設けられた寒剤補充部に供給される。一般的に、超電導ケーブルに沿って流れる寒剤の温度は、寒剤供給部から寒剤排出部に向うにつれて上昇するが、このように第２の冷凍機において液化生成された寒剤をその途中に供給することによって、超電導ケーブルに沿って流れる寒剤の温度を低下させることができる。そのため、超電導ケーブルに沿って流れる寒剤の温度を長距離に亘って低温に保つことができるので、超電導ケーブルの長距離化が可能となる。このように、超電導ケーブルの長距離化の要請にも対応可能な冷却装置を提供することができる。更に、第２の冷凍機を用いることで第１の冷媒を送り出すために必要なポンプのパワーを小さく出来るため、システム全体の効率が良い。 According to the present invention, by introducing a part of the cryogen flowing to cool the superconducting cable into the power lead, each power lead can be cooled without providing a refrigerator individually for the plurality of power leads. It is efficient. In addition, the cryogen used for cooling each power lead is recovered as a vaporized gas, and is cooled by a second refrigerator provided separately from the first refrigerator for cooling the superconducting cable, whereby the cryogen is liquefied. Generated. The cryogen liquefied in the second refrigerator is cooled to a predetermined temperature value based on a command from the control unit, and supplied to the cryogen replenishment unit provided between the cryogen supply unit and the cryogen discharge unit of the superconducting cable. Is done. In general, the temperature of the cryogen flowing along the superconducting cable rises from the cryogen supply unit toward the cryogen discharge unit. Thus, the cryogen generated in the second refrigerator is supplied in the middle of the cryogen. By this, the temperature of the cryogen flowing along the superconducting cable can be lowered. Therefore, the temperature of the cryogen flowing along the superconducting cable can be kept at a low temperature over a long distance, so that the superconducting cable can be extended. Thus, it is possible to provide a cooling device that can respond to a request for extending the distance of a superconducting cable. Furthermore, since the power of the pump necessary for sending out the first refrigerant can be reduced by using the second refrigerator, the efficiency of the entire system is good.
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。 Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, and the like of the components described in this embodiment are not intended to limit the scope of the present invention unless otherwise specified, but are merely illustrative examples. Not too much.
ここでは、本発明に係る超電導給電システム用冷却装置を、背景技術にて図５を参照して説明した超電導給電システムに適用した場合を例に説明する。尚、以下の説明では、背景技術と共通する箇所については共通の符号を付すこととし、重複する説明は適宜省略することとする。 Here, a case where the cooling device for a superconducting power feeding system according to the present invention is applied to the superconducting power feeding system described with reference to FIG. 5 in the background art will be described as an example. In the following description, portions common to the background art will be denoted by the same reference numerals, and overlapping descriptions will be omitted as appropriate.
図７は本発明に係る超電導給電システム用冷却装置が適用される超電導給電システムにおけるパワーリード２０の内部構成を示す断面図である。パワーリード２０は、内部に長さ方向に沿って延在する内空部２１が形成された円筒形状を有し、一端が超電導饋電線５０に電気的に接続され、且つ、他端がトロリー線（架線）８０に電気的に接続された導体部２２と、内空部２１に長さ方向に沿って延在するように棒状に形成され、超電導饋電線５０側の先端にスリット部が設けられた棒状部材２３と、内空部２１を超電導饋電線５０側から塞ぎ、且つ、棒状部材２３を長さ方向に沿って移動可能に周囲から保持するシール部材２４とを備えてなる。 FIG. 7 is a cross-sectional view showing the internal configuration of the power lead 20 in the superconducting power supply system to which the cooling device for a superconducting power supply system according to the present invention is applied. The power lead 20 has a cylindrical shape in which an inner space 21 extending along the length direction is formed. One end of the power lead 20 is electrically connected to the superconducting feeder 50 and the other end is a trolley wire. The conductor portion 22 electrically connected to the (overhead wire) 80 and the inner space portion 21 are formed in a rod shape so as to extend along the length direction, and a slit portion is provided at the tip of the superconducting feeder 50 side. And a seal member 24 that closes the inner space portion 21 from the superconducting feeder 50 side and holds the rod member 23 from the periphery so as to be movable along the length direction.
導体部２２が連結されている外装壁４０の内側空間４１は、図不示の真空ポンプによって減圧されることによって真空状態になっており、外装壁４０の内側に配置された超電導饋電線５０への外部からの熱侵入を断熱により抑制している。また、超電導饋電線５０の内側も空洞状になっており（即ち、超電導饋電線５０は内部に空洞を有するように円筒形状を有しており）、当該空洞に圧入された寒剤（即ち、超電導饋電線５０に沿って流れる寒剤）２６によって、超電導饋電線５０が冷却されている。超電導饋電線５０は、このような冷却断熱構造によって低温状態に置かれることで超電導状態が維持されている。 The inner space 41 of the exterior wall 40 to which the conductor portion 22 is connected is in a vacuum state by being depressurized by a vacuum pump (not shown), and to the superconducting feeder 50 disposed inside the exterior wall 40. The heat intrusion from the outside is suppressed by heat insulation. Further, the inside of the superconducting feeder cable 50 is also hollow (that is, the superconducting feeder cable 50 has a cylindrical shape so as to have a cavity inside), and the cryogen (that is, superconducting conductor) press-fitted into the cavity. The superconducting feeder 50 is cooled by the cryogen 26 that flows along the feeder 50. The superconducting feeder 50 is maintained in a superconducting state by being placed in a low temperature state by such a cooling and heat insulating structure.
導体部２２は、超電導饋電線５０からトロリー線（架線）８０に給電される際に電流が流れる部分であり、例えば高純度のＯＦＣｕ（Ｏｘｙｇｅｎ
Ｆｒｅｅ Ｃｏｐｐｅｒ）から形成されている。棒状部材２３は、導体部２２に比べて線熱膨張率の小さい材料から形成されている。シール部材２４は、安定性、耐熱性及び耐薬品性に優れたフッ素樹脂（商品名：テフロン（登録商標））から形成されている。
The conductor portion 22 is a portion through which a current flows when electric power is supplied from the superconducting feeder 50 to the trolley wire (overhead wire) 80. For example, high-purity OFCu (Oxygen)
Free Copper). The rod-shaped member 23 is made of a material having a smaller linear thermal expansion coefficient than the conductor portion 22. The seal member 24 is formed of a fluororesin (trade name: Teflon (registered trademark)) excellent in stability, heat resistance, and chemical resistance.
導体部２２及び棒状部材２３のトロリー線（架線）８０側の端部は、固定部材２７に固定されている。固定部材２７は導電性材料から形成されており、超電導饋電線５０から導体部２２を介して供給される電力をトロリー線（架線）８０側に伝達する。尚、固定部材２７は導電部材２８に連結されており、導電部材２８は図７において不示のトロリー線（架線）に電気的に連結されている。 End portions of the conductor portion 22 and the rod-shaped member 23 on the trolley wire (overhead wire) 80 side are fixed to the fixing member 27. The fixing member 27 is made of a conductive material, and transmits power supplied from the superconducting feeder cable 50 via the conductor portion 22 to the trolley wire (overhead wire) 80 side. The fixing member 27 is connected to a conductive member 28, and the conductive member 28 is electrically connected to a trolley wire (overhead wire) not shown in FIG.
図８及び図９は、それぞれ非発熱時及び発熱時におけるスリット部２５付近の構造を拡大して示す断面図である。棒状部材２３の先端には、スリット部２５が設けられており、図８に示す非発熱時（即ち、導体部２２の温度が所定の閾値以下である場合）には、スリット部２５は寒剤２６に浸されている。このとき、スリット部２５は、シール部材２４から内空部２１側に露出しておらず、シール材２４は内空部２１を寒剤２６から隔離しており、内空部２１に寒剤２６は導入されない。 8 and 9 are enlarged cross-sectional views showing the structure in the vicinity of the slit portion 25 during non-heat generation and heat generation, respectively. A slit portion 25 is provided at the tip of the rod-shaped member 23. When no heat is generated as shown in FIG. 8 (that is, when the temperature of the conductor portion 22 is equal to or lower than a predetermined threshold value), the slit portion 25 has a cryogen 26. Soaked in At this time, the slit portion 25 is not exposed to the inner space portion 21 side from the seal member 24, the sealing material 24 isolates the inner space portion 21 from the cryogen 26, and the cryogen 26 is introduced into the inner space portion 21. Not.
上述のように、導体部２２は電気抵抗値の小さいＯＦＣｕから形成されているが、有限の電気抵抗値を有するため、導体部２２に電流が流れるとジュール熱が発生し、発熱が起こる。棒状部材２３は、導体部２２に比べて線熱膨張率が小さい材料から形成されているため、発熱時には図９に示すように、棒状部材２３は導体部２２に対して相対的に押し下げられるように熱変形する。そして、パワーリード２０の温度が所定の閾値より大きくなるタイミングで、棒状部材２３の超電導饋電線５０側の先端に設けられたスリット部２５がシール部材２４から内空部２１側に露出する。 As described above, the conductor portion 22 is formed of OFCu having a small electric resistance value. However, since the conductor portion 22 has a finite electric resistance value, when current flows through the conductor portion 22, Joule heat is generated and heat is generated. Since the rod-like member 23 is made of a material having a smaller linear thermal expansion coefficient than the conductor portion 22, the rod-like member 23 is pushed down relative to the conductor portion 22 as shown in FIG. Deforms to heat. And the slit part 25 provided in the front-end | tip at the side of the superconducting feeder 50 of the rod-shaped member 23 is exposed to the inner space part 21 side from the timing at which the temperature of the power lead 20 becomes larger than a predetermined threshold value.
上述したように、超電導饋電線５０の内側にある寒剤２６は圧入されているため、スリット部２５が内空部２１側に露出すると、寒剤２６と内空部２１との間の差圧に基づいて、寒剤２６が内空部２１内に導入される。その結果、寒剤が内空部２１に導入され、内空部２１に面した部材（例えば、導体部２２の内壁）が寒剤によって冷却される。尚、図９では、内空部２１に導入された寒剤を符号２６´で示してある。 As described above, since the cryogen 26 inside the superconducting feeder 50 is press-fitted, when the slit portion 25 is exposed to the inner space 21 side, it is based on the differential pressure between the cryogen 26 and the inner space 21. Thus, the cryogen 26 is introduced into the inner space 21. As a result, the cryogen is introduced into the inner space 21, and the member facing the inner space 21 (for example, the inner wall of the conductor 22) is cooled by the cryogen. In FIG. 9, the cryogen introduced into the inner space 21 is indicated by reference numeral 26 ′.
導体部２２には排出口４５が設けられており、内空部２１に導入された寒剤２６の気化ガスは、当該排出口４５から外部に排出されるように構成されている。 The conductor portion 22 is provided with a discharge port 45, and the vaporized gas of the cryogen 26 introduced into the inner space 21 is discharged from the discharge port 45 to the outside.
このように寒剤２６が内空部２１に導入されると、やがて導体部２２の温度は低下に転じる。すると、棒状部材２３は導体部２２に対して相対的に押し上げられるように変形する。その結果、内空部２１に露出していたスリット部２５は無くなり、内空部２１への寒剤２６の導入もまた停止する。 As described above, when the cryogen 26 is introduced into the inner space portion 21, the temperature of the conductor portion 22 is gradually lowered. Then, the rod-shaped member 23 is deformed so as to be pushed up relative to the conductor portion 22. As a result, the slit portion 25 exposed to the inner space portion 21 disappears, and the introduction of the cryogen 26 into the inner space portion 21 is also stopped.
このように、温度変化に伴い、導体部２２に対する棒状部材２１の位置が相対的に変化することによって、寒剤２６の内空部２１への導入が制御される。このような寒剤２６の導入は、別途電源や制御装置等を設けることなく、専ら導体部２２の温度変化に伴う熱変形によって自動的に行われるため、当該動作に余分なエネルギーを消費せずに済む。また、このような寒剤２６の導入は導体部２２の温度変化に応じて間欠的に行われるため、無駄に寒剤２６を消費することがなく、寒剤２６の消費量を効果的に抑制することができる。 Thus, the introduction of the cryogen 26 into the inner space 21 is controlled by the relative change of the position of the rod-shaped member 21 with respect to the conductor portion 22 as the temperature changes. The introduction of such a cryogen 26 is automatically performed by thermal deformation accompanying the temperature change of the conductor portion 22 without providing a separate power source or control device, so that no extra energy is consumed for the operation. That's it. In addition, since the introduction of the cryogen 26 is intermittently performed according to the temperature change of the conductor portion 22, the cryogen 26 is not consumed unnecessarily, and the consumption of the cryogen 26 can be effectively suppressed. it can.
続いて図１を参照して、本発明に係る超電導給電システム用冷却装置の全体構成について説明する。図１は、本発明に係る超電導給電システム用冷却装置の全体構成を示すブロック模式図である。尚、図１では上記説明したパワーリード２０の構成を簡略的に省略して図示している。 Then, with reference to FIG. 1, the whole structure of the cooling device for superconducting electric power feeding systems which concerns on this invention is demonstrated. FIG. 1 is a block schematic diagram showing the overall configuration of a cooling device for a superconducting power supply system according to the present invention. In FIG. 1, the configuration of the power lead 20 described above is simply omitted.
本発明に係る超電導給電システム用冷却装置では、循環経路６０を流れる寒剤の一部は、パワーリード２０の発熱時にスリット部２５を介してパワーリード２０内部に導入されることにより、パワーリード２０の冷却を行う。そしてパワーリード２０を冷却した際に発生した寒剤の気化ガスが、各パワーリード２０の排出口４５から排出される。 In the cooling device for a superconducting power feeding system according to the present invention, a part of the cryogen flowing through the circulation path 60 is introduced into the power lead 20 through the slit portion 25 when the power lead 20 generates heat, thereby Cool down. Then, the vaporized gas of the cryogen generated when the power leads 20 are cooled is discharged from the discharge port 45 of each power lead 20.
各パワーリード２０の排出口４５から排出された気化ガスは、ライン４６を通って合流点４７に収集される。合流点４７に達した気化ガスが進行可能な経路は２種類用意されている。先ず、バルブ８５によって開閉可能なライン４８がある。ライン４８上には、第２の冷凍機８１の上流側を流れる気化ガスの流量を取得するための流量センサ８０、気化ガスを寒剤として液化生成するための第２の冷凍機８１、液化生成された寒剤を寒剤補充部９０に向かって圧送するためのポンプ８２、第２の冷凍機８１とポンプ８２との間を流れる寒剤（第２の冷凍機８１によって液化生成された寒剤）の温度を取得するための温度センサ８３、第２の冷凍機８１の上流側を流れる寒剤の流量を取得するための流量センサ８４、及びライン４８の寒剤補充部９０への接続をＯＮ／ＯＦＦ切り替えするために開閉されるバルブ８５が設けられている。また、ライン４８においてバルブ８５より下流側を流れる寒剤（寒剤補充部９０に圧送される寒剤）の温度及び圧力を取得するための温度センサ８６及び圧力センサ８７が設けられている。また、寒剤補充部９０の付近には、循環経路６０を流れる寒剤の温度を取得するための温度センサ９１が設けられている。 The vaporized gas discharged from the outlet 45 of each power lead 20 is collected at the junction 47 through the line 46. There are two types of paths through which the vaporized gas that has reached the junction 47 can travel. First, there is a line 48 that can be opened and closed by a valve 85. On the line 48, the flow rate sensor 80 for acquiring the flow rate of the vaporized gas flowing upstream of the second refrigerator 81, the second refrigerator 81 for liquefying the vaporized gas as a cryogen, and liquefied and generated. The temperature of the cryogen (the cryogen liquefied and generated by the second refrigerator 81) flowing between the pump 82 for pumping the cryogen to the cryogen replenishing unit 90 and the second refrigerator 81 and the pump 82 is acquired. The temperature sensor 83 for switching, the flow rate sensor 84 for acquiring the flow rate of the cryogen flowing upstream of the second refrigerator 81, and the connection to the cryogen replenishment unit 90 of the line 48 is opened and closed to switch on / off. A valve 85 is provided. Further, a temperature sensor 86 and a pressure sensor 87 are provided for acquiring the temperature and pressure of the cryogen flowing in the downstream side of the valve 85 in the line 48 (the cryogen fed to the cryogen replenishing unit 90). A temperature sensor 91 for acquiring the temperature of the cryogen flowing through the circulation path 60 is provided in the vicinity of the cryogen replenishment unit 90.
一方、合流点４７にはライン４９は第１の冷凍機７０に向かって接続されており、その途中に第１の冷凍機７０への接続をオン／オフするためのバルブ８８、及びライン４９を流れる気化ガスの流量を取得するための流量センサ８９が設けられている。 On the other hand, a line 49 is connected to the junction 47 toward the first refrigerator 70, and a valve 88 and a line 49 for turning on / off the connection to the first refrigerator 70 are provided in the middle of the line 49. A flow rate sensor 89 for acquiring the flow rate of the flowing vaporized gas is provided.
制御部１００は本実施例に係る冷却装置の動作を統括制御するためのコントロールユニットである。具体的には、流量センサ８０、８４、８９、温度センサ８３、８６、及び圧力センサ８７から取得した各種信号に基づいて、第２の冷凍機８１、バルブ８５、８８を操作する。 The control unit 100 is a control unit for comprehensively controlling the operation of the cooling device according to the present embodiment. Specifically, the second refrigerator 81 and the valves 85 and 88 are operated based on various signals acquired from the flow sensors 80, 84 and 89, the temperature sensors 83 and 86, and the pressure sensor 87.
続いて、本実施例に係る超電導給電システム用冷却装置において制御部１００が行う処理内容について具体的に説明する。図２は本実施例に係る超電導給電システム用冷却装置において制御部１００が行う処理内容を示すフローチャート図である。 Then, the processing content which the control part 100 performs in the cooling device for superconducting electric power feeding systems which concerns on a present Example is demonstrated concretely. FIG. 2 is a flowchart showing the processing contents performed by the control unit 100 in the cooling device for a superconducting power feeding system according to the present embodiment.
まず制御部１００は時刻を監視することにより、現在時間が動作開始時刻Ｔｓに達したか否かを判定する（ステップＳ１０１）。ここで動作開始時刻Ｔｓとは、本発明に係る冷却装置の動作を開始する時刻であり、例えば、超電導給電システム１の給電先である電車１０の営業開始時間（始発時刻）である。営業開始時間以前はパワーリード２０に電流は流れないので冷却装置の動作は不要であり、電車１０の営業時間帯に限って冷却装置を動作させることによって、省エネルギーに貢献することができる。より好ましくは、動作開始時刻Ｔｓは、電車１０の営業開始時間（始発時刻）より所定時間だけ前に設定することにより、パワーリード２０を予冷できるように設定しておくとよい。 First, the control unit 100 determines whether or not the current time has reached the operation start time Ts by monitoring the time (step S101). Here, the operation start time Ts is a time at which the operation of the cooling device according to the present invention is started, and is, for example, a business start time (first departure time) of the train 10 that is a power supply destination of the superconducting power supply system 1. Since no current flows through the power lead 20 before the business start time, the operation of the cooling device is not necessary. By operating the cooling device only during the business hours of the train 10, it is possible to contribute to energy saving. More preferably, the operation start time Ts may be set so that the power lead 20 can be precooled by setting the operation start time Ts by a predetermined time before the business start time (start time) of the train 10.
現在時刻が動作開始時刻Ｔｓに達していない場合（ステップＳ１０１：ＮＯ）、制御部１００はステップＳ１０１を繰り返し実行し、待機する。一方、現在時刻が動作開始時刻Ｔｓに達した場合（ステップＳ１０１：ＹＥＳ）、制御部１００は第２の冷凍機８１を始動する（ステップＳ１０２）。これにより、各パワーリード２０の排出口４５から排出された気化ガスは、第２の冷凍機８１において寒剤として液化生成される。 When the current time has not reached the operation start time Ts (step S101: NO), the control unit 100 repeatedly executes step S101 and stands by. On the other hand, when the current time reaches the operation start time Ts (step S101: YES), the control unit 100 starts the second refrigerator 81 (step S102). Thereby, the vaporized gas discharged from the outlet 45 of each power lead 20 is liquefied and generated as a cryogen in the second refrigerator 81.
続いて、制御部１００は第２の冷凍機８１において寒剤が液化生成されたことを確認するために、温度センサ８３及び９１から温度値をそれぞれ取得し、温度センサ８３の温度Ｔ１が温度センサ９１の温度より低いか否かを判定する（ステップＳ１０３）。温度センサ８３の温度Ｔ１が温度センサ９１の温度より低い（ステップＳ１０３：ＹＥＳ）、第２の冷凍機８１によって液化生成された寒剤を寒剤補充部に供給すべく、制御部１００はステップＳ１０４以下の処理を進める。一方、温度センサ８３の温度Ｔ１が温度センサ９１の温度以上である場合（ステップＳ１０３：ＮＯ）、第２の冷凍機８１によって寒剤が十分に液化生成されていないとして、ステップＳ１０３を再度実行し、待機する。 Subsequently, the control unit 100 acquires temperature values from the temperature sensors 83 and 91 in order to confirm that the cryogen is liquefied and generated in the second refrigerator 81, and the temperature T1 of the temperature sensor 83 is the temperature sensor 91. It is determined whether or not the temperature is lower (step S103). When the temperature T1 of the temperature sensor 83 is lower than the temperature of the temperature sensor 91 (step S103: YES), the control unit 100 performs steps S104 and subsequent steps so as to supply the cryogen liquefied by the second refrigerator 81 to the cryogen replenishment unit. Proceed with the process. On the other hand, when the temperature T1 of the temperature sensor 83 is equal to or higher than the temperature of the temperature sensor 91 (step S103: NO), step S103 is executed again, assuming that the cryogen is not sufficiently liquefied by the second refrigerator 81, stand by.
続いて制御部１００はポンプ８２を起動すると共に（ステップＳ１０４）、バルブ８５を開くことにより（ステップＳ１０５）、第２の冷凍機８１において液化生成された寒剤を、寒剤補充部９０に供給する。このように第２の冷凍機８１において液化生成された寒剤は、制御部１００からの指令に基づいた所定温度値に冷却されており、超電導饋電線５０の寒剤供給部５１及び寒剤排出部５２間に設けられた寒剤補充部９０に供給される。一般的に、超電導饋電線５０に沿って流れる寒剤の温度は、寒剤供給部５１から寒剤排出部５２に向うにつれて上昇するが、このように第２の冷凍機８１において液化生成された寒剤をその途中に設けられた寒剤補充部９０に供給することによって、超電導饋電線５０に沿って流れる寒剤の温度を低下させることができる。 Subsequently, the control unit 100 activates the pump 82 (step S104) and opens the valve 85 (step S105), thereby supplying the cryogen liquefied in the second refrigerator 81 to the cryogen replenishment unit 90. Thus, the cryogen liquefied and generated in the second refrigerator 81 is cooled to a predetermined temperature value based on the command from the control unit 100, and is between the cryogen supply unit 51 and the cryogen discharge unit 52 of the superconducting feeder 50. Is supplied to a cryogen replenishing section 90 provided in In general, the temperature of the cryogen flowing along the superconducting feeder 50 increases as it goes from the cryogen supply unit 51 toward the cryogen discharge unit 52, and thus the cryogen liquefied and generated in the second refrigerator 81 is used as the cryogen temperature. By supplying to the cryogen replenishment part 90 provided in the middle, the temperature of the cryogen flowing along the superconducting feeder 50 can be lowered.
その後、制御部１００は温度センサ８３及び８６、圧力センサ８７、並びに流量センサ８０及び８４をモニタすることによって、寒剤補充部９０に供給される寒剤の温度、圧力及び流量を監視する（ステップＳ１０６）。具体的には、制御部１００は取得した寒剤の温度、圧力及び流量が予め設定された閾値との大小を比較することによって、異常の有無を判定するとよい。 Thereafter, the control unit 100 monitors the temperature, pressure, and flow rate of the cryogen supplied to the cryogen replenishment unit 90 by monitoring the temperature sensors 83 and 86, the pressure sensor 87, and the flow rate sensors 80 and 84 (step S106). . Specifically, the control unit 100 may determine the presence or absence of an abnormality by comparing the temperature, pressure, and flow rate of the acquired cryogen with a preset threshold value.
ここで、制御部１００は時刻を監視することにより、現在時間が動作終了時刻Ｔｅに達したか否かを判定する（ステップＳ１０７）。ここで動作終了時刻Ｔｅとは、本発明に係る冷却装置の動作を終了する時刻であり、例えば、超電導給電システム１の給電先である電車１０の営業終了時間（終電時刻）である。営業終了時間以降はパワーリード２０に電流は流れないので冷却装置の動作は不要であり、このように必要な時間帯に限って冷却装置を動作させることによって、省エネルギーに貢献することができる。 Here, the control unit 100 determines whether or not the current time has reached the operation end time Te by monitoring the time (step S107). Here, the operation end time Te is the time at which the operation of the cooling device according to the present invention ends, and is, for example, the business end time (last power time) of the train 10 that is the power supply destination of the superconducting power supply system 1. Since no current flows through the power lead 20 after the business end time, the operation of the cooling device is unnecessary. Thus, by operating the cooling device only in the necessary time zone, it is possible to contribute to energy saving.
現在時間が動作終了時刻Ｔｅに達していない場合（ステップＳ１０７：ＮＯ）、制御部１００はステップＳ１０６における監視の結果、温度センサ８３及び８６、圧力センサ８７、並びに流量センサ８０及び８４が異常な状態（予め設定された閾値を超えるなどの異常な状態）であるか否かを判定する（ステップＳ１０８）。異常が無い場合（ステップＳ１０８：ＮＯ）、制御部１００は、処理をステップＳ１０６に戻し、上記動作を繰り返す。 When the current time has not reached the operation end time Te (step S107: NO), the control unit 100 is in a state in which the temperature sensors 83 and 86, the pressure sensor 87, and the flow sensors 80 and 84 are abnormal as a result of monitoring in step S106. It is determined whether or not (abnormal state such as exceeding a preset threshold) (step S108). When there is no abnormality (step S108: NO), the control unit 100 returns the process to step S106 and repeats the above operation.
一方、異常が有る場合（ステップＳ１０８：ＹＥＳ）、第２の冷凍機８１に何らかの異常が発生したと判定し、第２の冷凍機８１を停止させる（ステップＳ１０９）。そして、バルブ８５を閉じると共にバルブ８８を開けることにより、パワーリード２０から排出された気化ガスの経路をライン４８からライン４９に変更する（ステップＳ１１０）。すると、パワーリード２０から排出された気化ガスは、ライン４９の先に接続された第１の冷凍機７０に供給される。第１の冷凍機７０にて冷却されることにより液化生成された寒剤は、寒剤排出部５２から回収した寒剤と共に、寒剤供給部５１より超電導饋電線５０に供給される。これにより、第２の冷凍機８１が停止した場合であっても、超電導饋電線５０の冷却用である第１の冷凍機７０に気化ガスを導入して寒剤を液化生成できる。この場合、第１の冷凍機７０で液化生成された寒剤は、寒剤排出部５２から回収した寒剤と共に寒剤供給部５１より超電導ケーブル５０に供給されるため、超電導饋電線５０の途中（即ち、寒剤供給部５１及び寒剤排出部５２間）に設けられた寒剤補充部９０に導入することができない。そのため、図３の故障時の計算結果が示すように、上述したような、超電導饋電線５０に沿って流れる寒剤の温度抑制効果は低減するものの、気化ガスを第１の冷凍機によって冷却することで寒剤を液化生成することができるので、第２の冷凍機８１の停止時においても、超電導給電システム１の動作を停止させることなく、継続させることができる。このように、信頼性の高い冷却装置を実現することができる。 On the other hand, if there is an abnormality (step S108: YES), it is determined that some abnormality has occurred in the second refrigerator 81, and the second refrigerator 81 is stopped (step S109). Then, by closing the valve 85 and opening the valve 88, the path of the vaporized gas discharged from the power lead 20 is changed from the line 48 to the line 49 (step S110). Then, the vaporized gas discharged from the power lead 20 is supplied to the first refrigerator 70 connected to the end of the line 49. The cryogen liquefied by being cooled in the first refrigerator 70 is supplied to the superconducting feeder 50 from the cryogen supply unit 51 together with the cryogen recovered from the cryogen discharge unit 52. Thereby, even when the second refrigerator 81 is stopped, the vaporized gas can be liquefied and generated by introducing the vaporized gas into the first refrigerator 70 for cooling the superconducting feeder cable 50. In this case, the cryogen generated and liquefied in the first refrigerator 70 is supplied to the superconducting cable 50 from the cryogen supply unit 51 together with the cryogen recovered from the cryogen discharge unit 52. It cannot be introduced into the cryogen replenishment unit 90 provided between the supply unit 51 and the cryogen discharge unit 52). Therefore, as shown in the calculation result at the time of failure in FIG. 3, the temperature suppression effect of the cryogen flowing along the superconducting feeder 50 as described above is reduced, but the vaporized gas is cooled by the first refrigerator. Therefore, even when the second refrigerator 81 is stopped, the operation of the superconducting power supply system 1 can be continued without stopping. In this way, a highly reliable cooling device can be realized.
続いて制御部１００は、流量センサ８９からライン４９における流量を取得し（ステップＳ１１１）、当該取得した流量に基づいて第２の冷凍機８１が異常な状態から復旧したか否かを判定する（ステップＳ１１２）。第２の冷凍機８１が復旧していない場合（ステップＳ１１２：ＮＯ）、制御部１００は処理をステップＳ１１１に戻し、上記処理を繰り返して待機する。一方、第２の冷凍機８１が復旧した場合（ステップＳ１１２：ＹＥＳ）、制御部１００は処理をステップＳ１０２に戻し、上記処理を繰り返す。 Subsequently, the control unit 100 acquires the flow rate in the line 49 from the flow rate sensor 89 (step S111), and determines whether the second refrigerator 81 has recovered from the abnormal state based on the acquired flow rate (step S111). Step S112). When the 2nd freezer 81 has not recovered (Step S112: NO), control part 100 returns processing to Step S111, repeats the above-mentioned processing, and stands by. On the other hand, when the second refrigerator 81 is restored (step S112: YES), the control unit 100 returns the process to step S102 and repeats the above process.
現在時間が動作終了時刻Ｔｅに達していない場合（ステップＳ１０７：ＹＥＳ）、制御部１００はバルブ８５を閉じ（ステップＳ１１３）、ポンプ８２及び第２の冷凍機８１を停止させ（ステップＳ１１４＆Ｓ１１５）、一連の動作を終了する（ＥＮＤ）。 If the current time has not reached the operation end time Te (step S107: YES), the control unit 100 closes the valve 85 (step S113), stops the pump 82 and the second refrigerator 81 (steps S114 & S115), and continues. The operation of END is terminated (END).
次に超電導饋電線５０の延在方向に沿った温度分布について、図３及び図４を参照して説明する。図３は本実施例に係る超電導給電システム用冷却装置における超電導饋電線５０の延在方向に沿った温度分布を示すグラフ図であり、図４は寒剤補充部９０に第２の冷凍機８１により液化生成された寒剤が供給されない参考例における超電導饋電線５０の延在方向に沿った温度分布を示すグラフ図である。尚、ここで言う参考例は、寒剤補充部９０に第２の冷凍機８１により液化生成された寒剤が供給されない点を除いて、本実施例に係る超電導給電システム用冷却装置とその構成を同じにするものとして説明する。 Next, the temperature distribution along the extending direction of the superconducting feeder cable 50 will be described with reference to FIGS. 3 and 4. FIG. 3 is a graph showing a temperature distribution along the extending direction of the superconducting feeder cable 50 in the cooling device for a superconducting power supply system according to the present embodiment, and FIG. It is a graph which shows the temperature distribution along the extension direction of the superconducting feeder cable 50 in the reference example in which the liquefied cryogen is not supplied. Note that the reference example here has the same configuration as the cooling device for the superconducting power feeding system according to the present embodiment, except that the cryogen liquefied by the second refrigerator 81 is not supplied to the cryogen replenishment unit 90. It will be described as something to be done.
まず図４に示す参考例では、超電導饋電線５０の延在方向に沿って温度が距離に比例して上昇する。ここでは、超電導饋電線５０に沿って流れる寒剤の流速がＱ＝２０Ｌ／ｍ、４０Ｌ／ｍ、６０Ｌ／ｍの場合について、それぞれ示しているが、流速が遅くなるに従い温度上昇の傾きは大きくなる。特に、流速がＱ=２０Ｌ／ｍの場合は、超電導饋電線５０の温度が距離３ｋｍ未満の箇所で８０Ｋ以上に達してしまい、下流側に置いて超電導饋電線５０を超電導状態に維持することが困難になっている。 First, in the reference example shown in FIG. 4, the temperature rises in proportion to the distance along the extending direction of the superconducting feeder cable 50. Here, although the case where the flow rate of the cryogen flowing along the superconducting feeder 50 is Q = 20 L / m, 40 L / m, and 60 L / m is shown, the gradient of temperature rise increases as the flow rate decreases. . In particular, when the flow velocity is Q = 20 L / m, the temperature of the superconducting feeder cable 50 reaches 80 K or more at a distance of less than 3 km, and the superconducting feeder cable 50 can be kept in the superconducting state by being placed downstream. It has become difficult.
一方、図３に示すように、本発明では、寒剤補充部（この例では５ｋｍの地点）９０に第２の冷凍機８１によって液化生成された寒剤が供給される。そのため、寒剤供給部５１から下流側に向かって次第に上昇する温度は、寒剤補充部９０にて一端下げられ、温度の上昇が抑制される。即ち、超電導饋電線５０に沿った温度分布が寒剤補充部９０において鋸状の分布となり、超電導饋電線５０の冷却長を大幅に伸ばすことができる。このように、長距離に亘って温度を低温に維持することができるので、超電導饋電線５０の長距離化の要請に対応することが可能とすることができる。 On the other hand, as shown in FIG. 3, in the present invention, the cryogen liquefied by the second refrigerator 81 is supplied to the cryogen replenishment section (a point of 5 km in this example) 90. Therefore, the temperature gradually rising from the cryogen supply unit 51 toward the downstream side is once lowered by the cryogen replenishment unit 90, and the temperature rise is suppressed. That is, the temperature distribution along the superconducting feeder cable 50 becomes a saw-shaped distribution in the cryogen replenishment section 90, and the cooling length of the superconducting feeder cable 50 can be greatly extended. Thus, since the temperature can be maintained at a low temperature over a long distance, it is possible to meet the demand for a long distance of the superconducting feeder cable 50.
尚、超電導饋電線５０が更に長距離に亘って設置されている場合には、第２の冷凍機８１は、その性能に応じて、所定本数のパワーリード２０毎に設置するとよい。例えば超電導饋電線５０に沿ってパワーリード２０が２００ｍ毎に配置されている場合には、２ｋｍ毎に第２の冷凍機８１を配置すると、各第２の冷凍機８１は１０本のパワーリード２０から排出される気化ガスから、寒剤を液化生成することとなる。このように、本発明では、超電導饋電線５０の全長を１０ｋｍとすると、必要となる第２の冷凍機８１は合計５台となる。従って、各パワーリード２０に対してそれぞれ排出された気化ガスを液化するための冷凍機を設ける場合に比べて、冷凍機の台数を格段に少なく抑えることができる。そのため、冷却装置を維持する消費電力も少なくて済み、更に保守管理も容易である。 In addition, when the superconducting feeder 50 is further installed over a long distance, the 2nd refrigerator 81 is good to install for every predetermined number of power leads 20 according to the performance. For example, when the power leads 20 are arranged every 200 m along the superconducting feeder 50, if the second refrigerator 81 is arranged every 2 km, each second refrigerator 81 has ten power leads 20. The cryogen is liquefied and produced from the vaporized gas discharged from the gas. Thus, in the present invention, if the total length of the superconducting feeder cable 50 is 10 km, the required second refrigerators 81 are a total of five. Therefore, the number of refrigerators can be remarkably reduced as compared with the case where a refrigerator for liquefying the discharged gas is provided for each power lead 20. Therefore, less power is consumed to maintain the cooling device, and maintenance management is easier.
また第２の冷凍機８１の冷却能力を、各パワーリード２０から排出される気化ガスを液化するために必要な能力以上にすることにより、超電導饋電線５０に沿って流れる寒剤の冷却を行うようにしてもよい。 In addition, by making the cooling capacity of the second refrigerator 81 more than the capacity necessary for liquefying the vaporized gas discharged from each power lead 20, the cryogen flowing along the superconducting feeder 50 is cooled. It may be.
また、本発明に係る冷却装置では、一端常温になった気化ガスも、一定間隔毎に超電導饋電線５０に戻されるので、超電導饋電線５０に沿って流れる寒剤の流量もほぼ一定である。 Moreover, in the cooling device according to the present invention, the vaporized gas that has once reached room temperature is also returned to the superconducting feeder 50 at regular intervals, so that the flow rate of the cryogen flowing along the superconducting feeder 50 is substantially constant.
尚、理想的には、上記原理に基づいて、寒剤補充部９０を超電導饋電線５０に沿って所定間隔毎に設けることによって冷却長を限りなく長距離化することが可能であるが、実際には超電導饋電線５０に沿って流れる寒剤の圧力は下流側に向かうに従い低下するため、実際の超電導饋電線５０の冷却長は寒剤の圧力降下度合に依存すると考えられる。 Ideally, on the basis of the above principle, it is possible to extend the cooling length as much as possible by providing the cryogen replenishment section 90 at predetermined intervals along the superconducting feeder cable 50. Since the pressure of the cryogen flowing along the superconducting feeder cable 50 decreases as it goes downstream, it is considered that the actual cooling length of the superconducting feeder cable 50 depends on the pressure drop of the cryogen.
以上説明したように、本実施例に係る冷却装置によれば、超電導饋電線５０を冷却するために流れる寒剤の一部をパワーリード２０に導入することによって、複数のパワーリード２０に対して個別に冷凍機を設けることなく、各パワーリード２０を冷却できるので効率的である。また、各パワーリード２０の冷却に用いられた寒剤は気化ガスとして回収され、超電導饋電線５０の冷却用の第１の冷凍機７０とは別に設けられた第２の冷凍機８１によって冷却されることにより、寒剤が液化生成される。第２の冷凍機８１において液化生成された寒剤は、制御部１００からの指令に基づいた所定温度値に冷却されており、超電導饋電線５０の寒剤供給部５１及び寒剤排出部５２間に設けられた寒剤補充部９０に供給される。一般的に、超電導饋電線５０に沿って流れる寒剤の温度は、寒剤供給部５１から寒剤排出部５２に向うにつれて上昇するが、このように第２の冷凍機８１において液化生成された寒剤をその途中に設けられた寒剤補充部９０に供給することによって、超電導饋電線５０に沿って流れる寒剤の温度を低下させることができる。そのため、超電導饋電線５０に沿って流れる寒剤の温度を長距離に亘って低温に保つことができるので、超電導饋電線５０の長距離化が可能となる。このように、超電導饋電線５０の長距離化の要請にも対応可能な冷却装置を提供することができる。 As described above, according to the cooling device according to the present embodiment, a part of the cryogen flowing to cool the superconducting feeder 50 is introduced into the power lead 20, so that the plurality of power leads 20 can be individually provided. Since each power lead 20 can be cooled without providing a refrigerator. The cryogen used for cooling each power lead 20 is recovered as a vaporized gas and cooled by a second refrigerator 81 provided separately from the first refrigerator 70 for cooling the superconducting feeder cable 50. As a result, the cryogen is liquefied. The cryogen generated and liquefied in the second refrigerator 81 is cooled to a predetermined temperature value based on a command from the control unit 100 and is provided between the cryogen supply unit 51 and the cryogen discharge unit 52 of the superconducting feeder 50. Is supplied to the cryogen replenisher 90. In general, the temperature of the cryogen flowing along the superconducting feeder 50 increases as it goes from the cryogen supply unit 51 toward the cryogen discharge unit 52, and thus the cryogen liquefied and generated in the second refrigerator 81 is used as the cryogen temperature. By supplying to the cryogen replenishment part 90 provided in the middle, the temperature of the cryogen flowing along the superconducting feeder 50 can be lowered. Therefore, since the temperature of the cryogen flowing along the superconducting feeder cable 50 can be kept low over a long distance, the superconducting feeder cable 50 can be extended. Thus, the cooling device which can respond to the request | requirement of long distance of the superconducting feeder 50 can be provided.
本発明は、送電用の超電導ケーブル及び該超電導ケーブルから外部負荷に電力を供給するためのパワーリードからなる超電導給電システムを寒剤を用いて冷却する超電導給電システム用冷却装置に利用可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be applied to a superconducting power feeding system cooling device that cools a superconducting power feeding system including a superconducting cable for power transmission and a power lead for supplying power from the superconducting cable to an external load using a cryogen.
１ 超電導給電システム
２０ パワーリード
２１ 内空部
２２ 導体
２３ 棒状部材
２４ シール部材
２５ スリット部
４５ 排出口
５０ 超電導饋電線
５１ 寒剤供給部
５２ 寒剤排出部
６０ 循環経路
７０ 第１の冷凍機
８０，８４，８９ 流量センサ
８１ 第２の冷凍機
８２ ポンプ
８３，８６ 温度センサ
８５，８８ バルブ
８７ 圧力センサ
９０ 寒剤補充部
１００ 制御部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Superconducting power supply system 20 Power lead 21 Inner space part 22 Conductor 23 Rod member 24 Seal member 25 Slit part 45 Outlet 50 Superconducting feeder 51 Cold agent supply part 52 Cold agent discharge part 60 Circulation path 70 89 Flow sensor 81 Second refrigerator 82 Pump 83, 86 Temperature sensor 85, 88 Valve 87 Pressure sensor 90 Cryogen replenishment unit 100 Control unit
Claims (4)
前記複数のパワーリードに導入された寒剤の気化ガスを回収し、該回収した気化ガスを冷却することにより寒剤を液化生成する第２の冷凍機と、
前記液化生成された寒剤の温度が所定値に冷却されるように前記第２の冷凍機を制御する制御部と
を備え、
前記第２の冷凍機によって液化生成された寒剤を、前記超電導ケーブルの前記寒剤供給部及び前記寒剤排出部間に設けられた寒剤補充部に供給することを特徴とする超電導給電システム用冷却装置。 The cryogen cooled by the first refrigerator is supplied from the cryogen supply unit provided on the upstream side of the superconducting cable so that the cryogen flows along the superconducting cable extending in a predetermined direction, from the cryogen supply unit The cryogen discharged from the cryogen discharge unit provided on the downstream side is recovered and cooled in the first refrigerator, and the power leads for supplying power to the external load from the superconducting cable In the cooling device for a superconducting power feeding system that cools the superconducting cable and the plurality of power leads by introducing a part of the cryogen flowing along the superconducting cable,
A second refrigerator that recovers the vaporized gas of the cryogen introduced into the plurality of power leads and liquefies the cryogen by cooling the recovered vaporized gas;
A controller that controls the second refrigerator so that the temperature of the liquefied cryogen is cooled to a predetermined value;
A cooling device for a superconducting power feeding system, wherein the cryogen liquefied and generated by the second refrigerator is supplied to a cryogen replenishment unit provided between the cryogen supply unit and the cryogen discharge unit of the superconducting cable.
前記制御部は、前記液化生成された寒剤の温度が、前記温度検出手段によって検出された温度より低くなるように前記第２の冷凍機を制御することを特徴とする請求項１に記載の超電導給電システム用冷却装置。 In the cryogen replenishment unit, the cryogen replenishment unit further comprises temperature detection means for detecting the temperature of the cryogen flowing along the superconducting cable,
2. The superconductivity according to claim 1, wherein the control unit controls the second refrigerator so that a temperature of the liquefied cryogen is lower than a temperature detected by the temperature detection unit. Cooling device for power supply system.
前記第２の冷凍機によって液化生成された寒剤を加圧するための加圧手段と
を更に備え、
前記制御部は、前記第２の冷凍機によって液化生成された寒剤の圧力が、前記圧力検出手段によって検出された圧力値よりも高くなるように前記加圧手段を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の超電導給電システム用冷却装置。 In the cryogen replenishment section, pressure detecting means for detecting the pressure of the cryogen flowing along the superconducting cable;
Pressurizing means for pressurizing the cryogen liquefied by the second refrigerator,
The said control part controls the said pressurization means so that the pressure of the cryogen generated by liquefaction by the said 2nd refrigerator may become higher than the pressure value detected by the said pressure detection means. Item 3. The cooling device for a superconducting power feeding system according to Item 1 or 2.
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