JP2014126283A - 超電導装置の冷却システム及び冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電力消費量が少なく、長期に亘って安定的な運用が可能な超電導装置の冷却システム及び冷却方法を提供する。
【解決手段】超電導装置１１０の冷却システム１００は、リザーバタンク１２０、循環ポンプ１４０、冷却器１５０を有する循環ループ１３０を備え、液化ガスをサブクール状態で循環させる。特に、第１の第１のバイパスライン１６１から導入した液化ガスを熱交換器１６２で気化して供給する第１の加圧手段１６０と、第２の第２のバイパスライン１７１から導入した液化ガスを供給する減圧手段１７０と、リザーバタンク内の圧力を検出する圧力センサ２００と、制御手段２２０とを備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば超電導ケーブルのような超電導装置を冷却するために、液化ガスをサブクール状態で循環ループ内を循環させる超電導装置の冷却システム及び冷却方法の技術分野に関する。

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。

超電導ケーブルの冷却は、液体窒素などの液化ガスを循環ループ内で循環させて行われる。ここで、超電導ケーブルを構成する絶縁体中において、循環している液化ガスが気化すると絶縁破壊の起点となる。そのため、この種の冷却システムでは、液化ガスをサブクール状態に維持しながら循環する必要がある。一般的に冷却システムで循環する液化ガスの最低圧力は、耐電圧試験で部分放電が発生しない圧力である約０．２ＭＰａＧ以上とされている。

循環する液化ガスの圧力制御は、循環ループ上に設けられたリザーバタンクによって行われる。特許文献１には、リザーバタンク外部に設けたガスボンベから高圧の窒素ガスをリザーバタンク内に供給することによって加圧する方法や、リザーバタンクの気相部をヒータ等の加熱手段で加熱することにより、リザーバタンク内に貯留された液化ガスの一部を気化させて加圧する方法が記載されている。

特開２００６−１２６５４号公報

超電導ケーブルは良好な送電効率を有するため、遠隔地などのアクセスが困難な地域を含む広い範囲に亘って設置されることがある。そのため、超電導ケーブルの冷却装置は、極力少ないメンテナンスで、長期的に安定的な運用が可能であることが要求される。

特許文献１では、リザーバタンク外部に設けられたガスボンベから窒素ガスを供給する必要があるため、ガスボンベの窒素ガスの残量が減少した場合には、窒素ガスの補充作業又はガスボンベの交換作業などのメンテナンス作業が必要となる。また、ガスボンベから供給された窒素ガスがリザーバタンク内で液化するため、冷却システムにおける液化ガス（液体窒素）の総量が増加する。そのため、過剰となった液化ガスを排出する必要があり、無駄がある。

また、特許文献１では、リザーバタンクの圧力が高くなった場合には、リザーバタンク内で気化した窒素ガスを外部に放出することにより、減圧を実施する。しかしながら、このように外部に窒素ガスを放出すると、冷却システム全体における液化ガスが減少するため、不足分を外部から補充するメンテナンス作業が必要となる。
このように特許文献１の冷却システムでは、その冷却性能を維持するために、様々なメンテナンス作業が必要となる。

また、ヒータで加熱して加圧する場合、ヒータを動作させるために電力の消費を伴う。そのため、冷却対象である超電導ケーブルで良好な送電効率が得られたとしても、ヒータによる電力消費量の分だけ、システム全体における送電効率が低下してしまう。
また、ヒータのＯＮ／ＯＦＦによってリザーバタンク内の圧力を制御する場合、リザーバタンクの圧力変化との間に大きなタイムラグが生じる。具体的に言うと、ヒータを停止した場合、リザーバタンク内の温度が低下するまでにはある程度の時間を要する。そのため、ヒータを用いた加圧方法は、リザーバタンクを適切な圧力範囲に精度よく制御することが難しい。

本発明の少なくとも幾つかの実施形態は、電力消費量が少なく、長期に亘って安定的な運用が可能な超電導装置の冷却システム及び冷却方法を提供することを目的とする。

本発明の一実施形態に係る超電導装置の冷却システムは、液化ガスを貯留するリザーバタンク、該リザーバタンクに貯留された前記液化ガスを循環させる循環ポンプ、及び、前記循環する液化ガスを冷却する冷却装置を有する循環ループを備え、前記液化ガスをサブクール状態で循環させることにより超電導装置を冷却する超電導装置の冷却システムであって、前記循環ループから分岐した第１のバイパスラインを介して導入した前記液化ガスを、該第１のバイパスライン上に設けた熱交換器で気化して、前記リザーバタンクの上部に供給する第１の加圧手段と、前記循環ループから分岐した第２のバイパスラインに前記リザーバタンク内の気化ガスを導入し、前記第２のバイパスライン内部において凝縮することにより前記リザーバタンクを減圧する減圧手段と、前記リザーバタンク内の圧力を検出する圧力検出手段と、前記圧力検出手段の検出値に基づいて、前記第１の加圧手段及び前記減圧手段を作動させる制御手段とを備えたことを特徴とする。

上記冷却システムでは、リザーバタンク内の圧力が低下した場合には第１の加圧手段によって加圧する一方で、リザーバタンク内の圧力が上昇した場合には減圧手段によって減圧する。これにより、リザーバタンク内の圧力を所定範囲内に制御することができ、循環ループを流れる液化ガスをサブクール状態に維持することができる。
第１の加圧手段は、循環ループを流れる液化ガスの一部を気化してリザーバタンクに供給することで加圧を行うため、外部から液化ガスを補給する必要がない。また、液化ガスは熱交換器を用いて、例えば外気との間で熱交換して気化できるので、電力消費量も少なくて済む。
減圧手段は、リザーバタンク内の気化ガスの一部を第２のバイパスラインに導入して凝縮することにより減圧するため、システム外部から液化ガスを補給する必要がない。このとき、減圧手段は、リザーバタンク内の存在する気化ガスを、第２のバイパスラインに存在する液化ガスに接触させることよって凝縮する。そのため、リザーバタンク内の気化ガスをシステム外部に排出して無駄にすることもない。
従って、上記冷却システムでは、循環ループを流れる液化ガスを有効利用しながら、リザーバタンク内の圧力を適切な範囲に維持できる。このように、電力消費量が少なく、長期に亘って安定的な運用が可能な超電導装置の冷却システムを提供することができる。

一実施形態において、前記制御手段は、前記圧力検出手段の検出値が予め設定された第１の閾値未満になった場合に前記第１の加圧手段を作動させ、前記圧力検出手段の検出値が前記第１の閾値より高く設定された第２の閾値以上になった場合に前記減圧手段を作動させる。
上記冷却システムでは、圧力検出手段の検出値に基づいて第１の加圧手段及び減圧手段を作動させることによって、リザーバタンク内の圧力を第１の閾値以上、第２の閾値未満に精度よく制御することができる。

一実施形態において、前記制御手段は、前記第２のバイパスラインに設けられた圧力制御弁を開状態に切り替えることによって、前記リザーバタンク内の気化ガスを前記第２のバイパスラインに導入して前記減圧手段を作動させる。
上記冷却システムでは、第２のバイパスラインに設けた圧力制御弁の開閉状態を制御手段によって制御することによって、リザーバタンク内の圧力を適切な範囲に減圧することができる。例えば制御手段による圧力制御弁の開閉制御にＰＩＤ制御を採用することにより、リザーバタンク内の圧力が上昇した場合にでも第２の閾値になるように良好に制御することができる。

一実施形態に係る超電導装置の冷却システムは、前記リザーバタンク内に貯留された液化ガスを加熱することにより、前記リザーバタンクを加圧する第２の加圧手段を更に備え、前記制御手段は、前記圧力検出手段の検出値が前記第１の閾値より低く設定された第３の閾値未満になった場合に、前記第２の加圧手段を作動させる。
上記冷却システムでは、リザーバタンク内の圧力が第３の閾値未満になった場合には、第２の加圧手段を作動させることにより、第１の加圧手段による加圧性能を補助して、リザーバタンク内の圧力を適切な範囲に維持することができる。
第２の加圧手段は液化ガスを加熱する必要があるため、第１の加圧手段に比べて消費電力が大きい。そのため、第１の加圧手段による加圧性能が足りない場合に限って第２の加圧手段を作動させることにより、消費電力量を抑制しつつ、リザーバタンク内の圧力を適切な範囲に維持することができる。
また、何らかの原因によって第１の加圧手段が故障等によって停止した場合であっても、第２の加圧手段をバックアップとして作動させることによって、リザーバタンクを加圧することができる。これにより、冷却システムに不具合が生じた場合でもリザーバタンク内の圧力を適切な範囲に維持することができ、信頼性を向上させることができる。尚、第１の加圧手段が停止して第２の加圧手段のみによって加圧制御した場合には、リザーバタンク内の圧力は第１の閾値より低い第３の閾値を基準に加圧されるが、リザーバタンク内の圧力が極端に低下することによって冷却システムが重大な故障に陥ることを効果的に防ぐことができる。

一実施形態に係る超電導装置の冷却システムは、前記液化ガスと同種のガスを高圧で貯めたガスボンベから、圧力調整弁を介して前記リザーバタンクに供給することにより、前記リザーバタンクを加圧する第３の加圧手段を更に備え、前記制御手段は、前記圧力検出手段の検出値が前記第３の閾値より低く設定された第４の閾値未満になった場合に、前記第３の加圧手段を作動させる。
上記冷却システムでは、リザーバタンク内の圧力が第４の閾値未満になった場合には、第３の加圧手段を作動させることにより、第１の加圧手段及び第２の加圧手段による加圧性能を更に補助して、リザーバタンク内の圧力を適切な範囲に維持することができる。
第３の加圧手段はガスボンベからリザーバタンクに気化ガスを供給するため、ガスボンベの残量ガスが少なくなった場合に、ガスボンベの補給作業又は交換作業などのメンテナンスが必要となる。そのため、第１の加圧手段及び第２の加圧手段によっても依然として加圧性能が足りない場合に限って第３の加圧手段を作動させることにより、ガスボンベのガス消費量を抑制してメンテナンス頻度を少なくしつつ、リザーバタンク内の圧力を適切な範囲に維持することができる。
また、何らかの原因によって第１の加圧手段及び第２の加圧手段が故障等によって停止した場合であっても、第３の加圧手段をバックアップとして作動させることによって、リザーバタンクを加圧することができる。これにより、冷却システムに不具合が生じた場合でもリザーバタンク内の圧力を適切な範囲に維持することができ、より良好な信頼性を有する冷却システムを実現することができる。尚、第１の加圧手段及び第２の加圧手段が停止して第３の加圧手段のみによって加圧制御した場合には、リザーバタンク内の圧力は第３の閾値より低い第４の閾値を基準に加圧されるが、リザーバタンク内の圧力が極端に低下することによって冷却システムが重大な故障に陥ることを効果的に防ぐことができる。

一実施形態において、前記第１のバイパスラインは、前記循環ループのうち前記ポンプの上流側から分岐している。

一実施形態において、前記第２のバイパスラインは、前記循環ループのうち前記リザーバタンクの上流側から分岐している。

一実施形態において、前記超電導装置は超電導ケーブルである。
上記冷却システムでは、長距離送電に用いられる超電導ケーブルなど、少ないメンテナンス負担で、長期に亘って安定的な運用が求められる超電導装置に適用することができる。

本発明の一実施形態に係る超電導装置の冷却方法は、液化ガスを貯留するリザーバタンク、該リザーバタンクに貯留された前記液化ガスを循環させる循環ポンプ、及び、前記循環する液化ガスを冷却する冷却装置を有する循環ループを備え、前記液化ガスをサブクール状態で循環させることにより超電導装置を冷却する超電導装置の冷却方法であって、前記リザーバタンク内の圧力を検出するステップと、前記検出した圧力が予め設定された第１の閾値未満になった場合に、前記循環ループから分岐した第１のバイパスラインを介して導入した前記液化ガスを、該第１のバイパスライン上に設けられた第２の熱交換器で気化して、前記リザーバタンクの上部に供給するステップと、
前記検出した圧力が前記第１の閾値より高く予め設定された第２の閾値以上になった場合に、前記循環ループから分岐した第２のバイパスラインに前記リザーバタンク内の気化ガスを導入し、前記第２のバイパスライン内部において凝縮することにより、前記リザーバタンクを減圧するステップとを備えたことを特徴とする。
一実施形態に係る超電導装置の冷却方法は、前記検出した圧力が前記第１の閾値より低く設定された第３の閾値未満になった場合に、前記リザーバタンク内に貯留された液化ガスを加熱することにより、前記リザーバタンクを加圧するステップを更に備える。
一実施形態に係る超電導装置の冷却方法は、前記液化ガスを加熱することにより得られたガスに対する流量調整弁を設けることで加圧速度の調整を行う。
一実施形態に係る超電導装置の冷却方法は、前記検出した圧力が前記第３の閾値より低く設定された第４の閾値未満になった場合に、前記液化ガスと同種のガスを高圧で貯めたガスボンベから、圧力調整弁を介して前記リザーバタンクに供給することにより、前記リザーバタンクを加圧するステップを更に備える。

上記超電導装置の冷却方法は、上述の超電導装置の冷却システム（上記各種態様を含む）によって実施することができる。

上記冷却システムでは、リザーバタンク内の圧力が低下した場合には第１の加圧手段によって加圧する一方で、リザーバタンク内の圧力が上昇した場合には減圧手段によって減圧する。これにより、リザーバタンク内の圧力を所定範囲内に制御することができ、循環ループを流れる液化ガスをサブクール状態に維持することができる。
第１の加圧手段は、循環ループを流れる液化ガスの一部を気化してリザーバタンクに供給することで加圧を行うため、外部から液化ガスを補給する必要がない。また、液化ガスは熱交換器を用いて、例えば外気との間で熱交換して気化できるので、電力消費量も少なくて済む。
減圧手段は、リザーバタンク内の気化ガスの一部を第２のバイパスラインに導入して凝縮することにより減圧するため、システム外部から液化ガスを補給する必要がない。このとき、減圧手段は、リザーバタンク内に存在する気化ガスを、第２のバイパスラインに存在する液化ガスに接触させることよって凝縮する。そのため、リザーバタンク内の気化ガスをシステム外部に排出して無駄にすることもない。
従って、上記冷却システムでは、循環ループを流れる液化ガスを有効利用しながら、リザーバタンク内の圧力を適切な範囲に維持できる。このように、電力消費量が少なく、長期に亘って安定的な運用が可能な超電導装置の冷却システムを提供することができる。

冷却システムの全体構成を示す概念図である。 第１の加圧手段における圧力制御弁の内部構成を模式的に示す断面図である。 冷却システムの制御内容を示すフローチャートである。 各加圧手段及び減圧手段が作動する圧力範囲を概念的に示す図である。 減圧手段の動作制御の詳細を示すフローチャートである。 偏差（Ｐ−Ｐ^※２）と圧力制御弁の操作量ＭＶとの関係を規定するマップの一例である。 制御部による操作量ＭＶと圧力制御弁の開度との関係の一例を示すグラフである。 減圧手段を作動させた場合のリザーバタンクの圧力変化の一例を示す。 第２の加圧手段における制御内容の詳細を示すフローチャートである。

以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態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、特定的な記載がない限り本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１は冷却システム１００の全体構成を示す概念図である。冷却システム１００は冷却対象として超電導ケーブル１１０を有しており、該超電導ケーブル１１０を冷却するための液化ガスである液体窒素が循環する循環ループ１３０が設けられている。

液体窒素はリザーバタンク１２０に貯留されており、該リザーバタンク１２０に連通するライン１３１を介して循環ポンプ１４０に接続されている。循環ポンプ１４０はライン１３２を介して冷却器１５０に液体窒素を圧送する。冷却器１５０で冷却された液体窒素はライン１３３を介して超電導ケーブル１１０に供給され、超電導ケーブル１１０が冷却される。超電導ケーブル１１０を冷却した後の液体窒素は、ライン１３４を介してリザーバタンク１２０に戻される。このようにライン１３１乃至１３４は循環ループ１３０を形成しており、内部の液体窒素は循環ポンプ１４０によって、当該循環ループ１３０を循環するように構成されている。

リザーバタンク１２０は、液体窒素が貯留されている貯留槽１２１と、該貯留槽１２１の外側に設けられた外装部１２２とを備えている。貯留槽１２１と外装部１２２との間の空間は不図示の真空ポンプによって減圧されており、真空断熱されている。貯留槽１２１内には液体窒素の液面上に気相部１２３を有しており、該気相部１２３は液体窒素が気化してなる窒素ガスで満たされている。

第１のバイパスライン１６１は、ライン１３２から循環ループ１３０を流れる液体窒素の一部を分岐し、熱交換器１６２に供給する。熱交換器１６２は、供給された液体窒素を、例えば外気と熱交換することにより気化させ、窒素ガスを生成する。第１のバイパスライン１６１において、熱交換器１６２より下流側には圧力制御弁１６３が設けられており、その先がリザーバタンク１２０の気相部１２３に連通している。圧力制御弁１６３は、第１のバイパスライン１６１のうち当該圧力制御弁１６３の下流側の圧力（リザーバタンク内圧力）が所定値（後述する圧力目標値Ｐ^※１）を下回った場合に開き、上回ったときに閉じる圧力調整機構を持った弁である。また、熱交換器１６２の上流側に調整バルブ１６７を設け、液化ガス供給量を調整することによりリザーバタンク１２０の加圧速度が変更可能な機構を備えている。

ここで図２は圧力制御弁１６３の内部構成を模式的に示す断面図である。圧力制御弁１６３は弁体１６４、スプリング１６５、ダイヤフラム１６６を有しており、第１のバイパスライン１６１の途中に配置されている。第１のバイパスライン１６１の下流側は、リザーバタンク１２０に連通しているので、リザーバタンク１２０内の気相部１２３と圧力が略等しくなっている。そのため、リザーバタンク１２０内の圧力が所定値（後述する第１の閾値Ｐ^※１）より低くなると、ダイヤフラム１６６に印加される力が軽減され、スプリング１６５によって弁体１６４が図中下方に押し下げられ、圧力制御弁１６３が開状態となる。すると、第１のバイパスライン１６１の上流側から下流側に窒素ガスが流れ、リザーバタンク１２０内に供給されることにより所定値Ｐ^※１まで加圧される。
リザーバタンク１２０内の圧力が所定値（後述する圧力目標値Ｐ^※１）まで加圧されると、ダイヤフラム１６６によってスプリング１６５と共に弁体が図中上方に押し上げられ、圧力制御弁１６３は閉状態となる。すると、第１のバイパスライン１６１の上流側から下流側への窒素ガスの供給、則ち加圧動作は停止する。
このように、熱交換器１６２で生成された窒素ガスが、圧力制御弁１６３の開度に応じてリザーバタンク１２０に供給され、リザーバタンク１２０を加圧できるように構成されている。このように、第１のバイパスライン１６１、熱交換器１６２、圧力制御弁１６３は第１の加圧手段１６０を構成している。

再び図１に戻って、第２のバイパスライン１７１は、ライン１３４とリザーバタンク１２０の気相部１２３とを連通しており、途中に圧力制御弁１７２が設けられている。圧力制御弁１７２は後述する制御手段２２０によって開度が制御可能な電磁弁である。圧力制御弁１７２が開状態にある場合、リザーバタンク１２０の気相部１２３に滞留している窒素ガスは第２のバイパスライン１７１に導入される。
第２のバイパスライン１７１に導入された窒素ガスは、第２のバイパスライン１７１に存在している液体窒素に接触することによって凝縮され、リザーバタンク１２０が減圧される。このように、第２のバイパスライン１７１、圧力制御弁１７２は減圧手段１７０を構成している。

リザーバタンク１２０の気相部１２３には、貯留槽１２１に貯留された液体窒素の液面と略平行に設けられた輻射板１８１と、該輻射板１８１を加熱するためのヒータ１８２とが設けられている。輻射板１８１はヒータ１８２によって加熱されることにより輻射熱を液体窒素に供給し、液体窒素を気化させて窒素ガスを生成する。これにより、リザーバタンク１２０を加圧することができる。このように輻射板１８１及びヒータ１８２は第２の加圧手段１８０を構成している。

冷却システム１００は高圧の窒素ガスが充填されたガスボンベ１９１を有している。該ガスボンベ１９１の窒素ガスは、圧力制御弁１９２を介して供給ライン１９３によってリザーバタンク１２０に供給される。これにより、気相部１２３に高圧の窒素ガスを供給することにより、リザーバタンク１２０を加圧できるように構成されている。このように、ガスボンベ１９１、圧力制御弁１９２及び供給ライン１９３は第３の加圧手段１９０を構成している。
圧力制御弁１９２は、供給ライン１９３のうち当該圧力制御弁１９２の下流側の圧力（リザーバタンク内圧力）が所定値（後述する圧力目標値Ｐ^※４）を下回った場合に開く圧力調整弁である。圧力制御弁１９２の具体的な構成は、上述の第１の加圧手段における圧力制御弁１６３と同様である。

リザーバタンク１２０の気相部１２３における圧力は、圧力センサ２００によって検出される。輻射板１８１の温度は、温度センサ２１０によって検出される。

制御部２２０は冷却システム１００を制御するためのコントロールユニットであり、圧力センサ２００及び温度センサ２１０からの検出値を取得し、その値に応じて、圧力制御弁１７２の開度、及び、ヒータ１８２の出力を制御して、減圧手段１７０、第２の加圧手段１８０をそれぞれ作動又は停止させる。尚、図１の例では制御部２２０は、下流側の圧力（リザーバタンク１２０の内部圧力）に基づいて作動する圧力制御弁を用いた第１の加圧手段１６０及び第３の加圧手段１９０にそれぞれ設けられた不図示のＯＮ／ＯＦＦ切換スイッチに対して制御信号を送受信することにより、これらの加圧手段についても作動状態を制御できるようになっている。

図３は冷却システム１００の制御内容を示すフローチャートである。
まず制御部２２０は、圧力センサ２００から検出値Ｐを取得すると共に、不図示のメモリ等の記憶手段から圧力目標値Ｐ^※１を取得する（ステップＳ１０１）。ここで、圧力目標値Ｐ^※１は第１の加圧手段１６０によってリザーバタンク１２０内の圧力を制御する際に用いる第１の閾値である。

制御部２２０はステップＳ２０１で取得したデータに基づいて、検出値Ｐと圧力目標値Ｐ^※１との大小関係を判断する（ステップＳ１０２）。検出値Ｐが圧力目標値Ｐ^※１以下である場合（Ｐ＜Ｐ^※１）、制御部２２０はリザーバタンク１２０内の圧力を圧力目標値Ｐ^※１に近づけるために加圧する必要があると判断し、各種加圧手段の作動制御を行う。

制御部２２０はまず第１の加圧手段１６０を作動させる（ステップＳ１０３）。第１の加圧手段１６０は、第１のバイパスライン１６１に配置された圧力制御弁１６３の上流側及び下流側間における圧力差に基づいて圧力制御弁１６３が開閉することによって、リザーバタンク１２０内の圧力が圧力目標値Ｐ^※１になるように、第１のバイパスライン１６１を介してリザーバタンク１２０に窒素ガスを供給して加圧を行う。
尚、圧力制御弁１６３として電磁弁を使用した場合には、当該電磁弁の開閉状態を制御部２２０が切換制御するように構成してもよい。
第１の加圧手段１６０は、循環ループ１３０を流れる液体窒素の一部を気化してリザーバタンクに供給することで加圧を行うため、外部から液体窒素や窒素ガスを補給する必要がなく、メンテナンス負担が小さくて済む。また、第１の加圧手段１６０では、熱交換器１６２によって液体窒素と外気との間で熱交換し、外部からエネルギーを供給することなく窒素ガスを生成できるので、電力消費量も少なくて済む。

一方、検出値Ｐが圧力目標値Ｐ^※１に等しい場合は、制御部２２０はリザーバタンク１２０を加圧する必要がないとして、第１の加圧手段１６０を停止させる（ステップＳ１０４）

このように第１の加圧手段１６０を作動させた後、制御部２２０は再び検出値Ｐを取得すると共に、不図示のメモリ等の記憶手段から圧力目標値Ｐ^※３を取得する（ステップＳ１０５）。ここで、圧力目標値Ｐ^※３は第２の加圧手段１６０によってリザーバタンク１２０内の圧力を制御する際に用いる第３の閾値であり、上述の圧力目標値Ｐ^※１より小さく設定されている。

制御部２２０は検出値Ｐが圧力目標値Ｐ^※３より低いか否かを判断する（ステップＳ１０６）。検出値Ｐが圧力目標値Ｐ^※３より低い場合（ステップＳ１０６：ＹＥＳ）、第１の加圧手段１６０の加圧能力のみでは、リザーバタンク１２０内の圧力を適正範囲に加圧することが難しいと判断して、第２の加圧手段１８０を作動させる（ステップＳ１０７）。第２の加圧手段１８０はヒータ１８２で輻射板１８１を加熱することにより、輻射熱によって貯留槽１２１に貯留されている液体窒素を気化し、リザーバタンク１２０を加圧する。

第２の加圧手段１８０は、上述の第１の加圧手段１６０とは異なり、ヒータ１８２で加熱するために電力を消費する。そのため、第１の加圧手段１６０による加圧性能が足りない場合に限って第２の加圧手段１８０を作動させることにより、消費電力量を抑制しつつ、リザーバタンク１２０内の圧力を適切な範囲に維持することができる。
また、何らかの原因によって第１の加圧手段１６０が故障等によって停止した場合であっても、第２の加圧手段１８０をバックアップとして作動させることによって、リザーバタンク１２０を加圧することができる。これにより、冷却システム１００に不具合が生じた場合でもリザーバタンク１２０内の圧力を適切な範囲に維持することができ、信頼性を向上させることができる。尚、第１の加圧手段１６０が停止して第２の加圧手段１８０のみによって加圧制御した場合には、リザーバタンク１２０内の圧力は圧力目標値Ｐ^※１より低い圧力目標値Ｐ^※３を基準に加圧されるため、Ｐ^※３を適切な値に設定することによりリザーバタンク１２０内の圧力が極端に低下することがなく、冷却システム１００が重大な故障に陥ることを防ぐことができる。

一方、検出値Ｐが圧力目標値Ｐ^※３以上である場合（ステップＳ１０６：ＮＯ）は、制御部２２０は第１の加圧手段１６０の作動のみによって、リザーバタンク１２０を加圧できると判断して、第２の加圧手段１８０を停止させる（ステップＳ１０８）

このように第２の加圧手段１８０を作動させた後、制御部２２０は再び検出値Ｐを取得すると共に、不図示のメモリ等の記憶手段から圧力目標値Ｐ^※４を取得する（ステップＳ１０９）。ここで、圧力目標値Ｐ^※４は第３の加圧手段１９０によってリザーバタンク１２０内の圧力を制御する際に用いる第４の閾値であり、上述の圧力目標値Ｐ^※３より小さく設定されている。

制御部２２０は検出値Ｐが圧力目標値Ｐ^※４より低いか否かを判断する（ステップＳ１１０）。検出値Ｐが圧力目標値Ｐ^※４より低い場合（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、第１の加圧手段１６０及び第２の加圧手段１８０の加圧能力のみでは、リザーバタンク１２０内の圧力を適正範囲に加圧することが難しいと判断して、第３の加圧手段１９０を作動させる（ステップＳ１１１）。第３の加圧手段１９０は、供給ライン１９３に配置された圧力制御弁１９２の上流側及び下流側間における圧力差に基づいて圧力制御弁１９２が開閉することによって、リザーバタンク１２０内の圧力が圧力目標値Ｐ^※４になるように、供給ライン１９３を介して、ガスボンベ１９１からリザーバタンク１２０に窒素ガスを供給して加圧を行う。
尚、圧力制御弁１９２として電磁弁を使用した場合には、当該電磁弁の開閉状態を制御部２２０が切換制御するように構成してもよい。

第３の加圧手段１９０はガスボンベ１９１からリザーバタンク１２０に窒素ガスを供給するため、ガスボンベ１９１の残量ガスが少なくなった場合に、ガスボンベ１９１の補給作業又は交換作業などのメンテナンスが必要となる。そのため、第１の加圧手段１６０及び第２の加圧手段１８０によっても依然として加圧性能が足りない場合に限って第３の加圧手段１９０を作動させることにより、ガスボンベ１９１のガス消費量を抑制してメンテナンス頻度を少なくしつつ、リザーバタンク１２０内の圧力を適切な範囲に維持することができる。
また、何らかの原因によって第１の加圧手段１６０及び第２の加圧手段１８０が故障等によって停止した場合であっても、第３の加圧手段１９０をバックアップとして作動させることによって、リザーバタンク１２０を加圧することができる。これにより、冷却システム１００に不具合が生じた場合でもリザーバタンク１２０内の圧力を適切な範囲に維持することができ、より良好な信頼性を有する冷却システム１００を実現することができる。尚、第１の加圧手段１６０及び第２の加圧手段１８０が停止して第３の加圧手段１９０のみによって加圧制御した場合には、リザーバタンク１２０内の圧力は圧力目標値Ｐ^※３より低い圧力目標値Ｐ^※４を基準に加圧されるが、リザーバタンク１２０内の圧力が極端に低下することによって冷却システムが重大な故障に陥ることを効果的に防ぐことができる。

一方、検出値Ｐが圧力目標値Ｐ^※４以上である場合（ステップＳ１１０：ＮＯ）は、制御部２２０は第１の加圧手段１６０及び第２の加圧手段１８０の作動のみによって、リザーバタンク１２０内の圧力を適性範囲に加圧できると判断して、第３の加圧手段１９０を停止させる（ステップＳ１１２）。

ステップＳ１０２において、検出値Ｐが圧力目標値Ｐ^※１より大きいと判断された場合（Ｐ＞Ｐ^※１）、制御部２２０はリザーバタンク１２０内の圧力を圧力目標値Ｐ^※１に近づけるために、減圧する必要があると判断し、減圧手段１７０の作動制御を行う。

制御部２２０は再び検出値Ｐを取得すると共に、不図示のメモリ等の記憶手段から圧力目標値Ｐ^※２を取得する（ステップＳ１１３）。ここで、圧力目標値Ｐ^※２は減圧手段１７０によってリザーバタンク１２０内の圧力を制御する際に用いる第２の閾値である。
制御部２２０は検出値Ｐが圧力目標値Ｐ^※２より高いか否かを判断する（ステップＳ１１４）。検出値Ｐが圧力目標値Ｐ^※２より高い場合（ステップＳ１１４：ＹＥＳ）、減圧手段１７０を作動させてリザーバタンク１２０を減圧する（ステップＳ１１５）。減圧手段１７０は、圧力制御弁１７２の開度を調整することによって、リザーバタンク１２０の気相部１２３に存在している窒素ガスを第２のバイパスライン１７１に導入し、該第２のバイパスライン１７１内に存在している液体窒素に接触させることによって凝縮させて減圧する。

減圧手段１７０は、リザーバタンク１２０内の窒素ガスを第２のバイパスライン１７１に導入することにより減圧するため、外部から液体窒素を補給する必要がない。このとき、減圧手段１７０は、第２のバイパスライン１７１に導入して凝縮することにより生成した液体窒素は、循環ループ１３０を流れる液体窒素と共に循環させるので、窒素ガスをシステム外部に排出して無駄にすることもない。

一方、検出値Ｐが圧力目標値Ｐ^※２以下である場合（ステップＳ１１４：ＮＯ）、制御部２２０はリザーバタンク１２０を減圧する必要がないとして、減圧手段１７０を停止させる（ステップＳ１１６）。

以上説明した制御部２２０による冷却システム１００の制御は、一定又は不定のタイミングで繰り返し実行される。これにより、循環ループ１３０を流れる液体窒素の圧力を適性範囲にし、サブクール状態を維持することができる。

図４は各加圧手段及び減圧手段が作動する圧力範囲を概念的に示す図である。
図３を参照して説明したように、リザーバタンク１２０の圧力が第１の圧力目標値Ｐ^※１より低くなると第１の加圧手段１６０が作動する。リザーバタンク１２０の圧力が第３の圧力目標値Ｐ^※３より低くなると、更に第２の加圧手段１８０が作動する。リザーバタンク１２０の圧力が第４の圧力目標値Ｐ^※４より低くなると、更に第３の加圧手段１９０が作動する。
このように、リザーバタンク１２０内の圧力が適切な圧力範囲から乖離するに従い、第１の加圧手段１６０、第２の加圧手段１８０、第３の加圧手段１９０を順に作動させることにより、作動中に外部からの窒素ガス供給が必要である、第３の加圧手段１９０の作動期間が短くなるように制御されている。その結果、無人でも長期に亘って安定的な運用が可能な冷却システム１００を実現できる。また、窒素ガス及び電力消費量を抑えることが可能である。

一方、リザーバタンク１２０の圧力が第２の圧力目標値Ｐ^※２より高くなると減圧手段１７０が作動する。このように冷却システム１００では、リザーバタンク１２０内の圧力が低下した場合には各加圧手段によって加圧する一方で、リザーバタンク１２０内の圧力が上昇した場合には減圧手段１７０によって減圧する。これにより、リザーバタンク１２０内の圧力を所定範囲（Ｐ^※４＜Ｐ＜Ｐ^※２）内に制御して、循環ループ１３０を流れる液化ガスをサブクール状態に維持することができる。尚、リザーバタンク１２０の圧力の加圧制御設定値であるＰ^※１、Ｐ^※３、Ｐ^※４は例えば０.１５〜０．２ＭＰａの範囲で設定するとよい。
従って、上記冷却システム１００では、循環ループ１３０を流れる液体窒素を有効利用しながら、リザーバタンク１２０内の圧力を適切な範囲に維持できる。このように、電力消費量が少なく、信頼性に優れ、長期に亘って安定的な運用が可能な超電導装置の冷却システム１００を提供することができる。

図５は減圧手段１７０の動作制御の詳細を示すフローチャートである。
制御部２２０は圧力センサ２００から検出値Ｐを取得すると共に、不図示のメモリ等の記憶手段から圧力目標値Ｐ^※２を取得する（ステップＳ２０１）。そして、偏差（Ｐ−Ｐ^※２）を算出し、予め用意したマップに基づいて、該偏差（Ｐ−Ｐ^※２）に対応する圧力制御弁１７２の操作量ＭＶを求める（ステップＳ２０２）。
ここで図６は偏差（Ｐ−Ｐ^※２）と圧力制御弁１７２の操作量ＭＶとの関係を規定するマップの一例である。操作量ＭＶは偏差（Ｐ−Ｐ^※２）が増加するに従って比例的に増加する傾向を有しており、偏差（Ｐ−Ｐ^※２）が所定値に達すると一定に維持される。

制御部２２０は該求めた操作量ＭＶに従って、圧力制御弁１７２を操作することにより開度を調整することにより、リザーバタンク１２０の気相部１２３から第２のバイパスライン１７１に導入される窒素ガスの流量を制御する（ステップＳ２０３）。図７は制御部２２０による操作量ＭＶと圧力制御弁１７２の開度との関係の一例を示すグラフである。
このように、減圧手段１７０では、リザーバタンク１２０から第２のバイパスライン１７１への窒素ガスの導入量を調整することによって、気相部１２３の窒素ガスを凝縮させて、リザーバタンク１２０を減圧する。

図８は、減圧手段１７０を作動させた場合のリザーバタンク１２０の圧力変化の一例を示す。尚、図８において、実線はリザーバタンク１２０内の圧力値を示しており、破線は圧力制御弁１７２の開度を示している。
図８に示すように、制御部２２０は圧力制御弁１７２の開度を増減することによって、リザーバタンク１２０内の圧力を適正な値に維持することができる。

図９は第２の加圧手段１８０における制御内容の詳細を示すフローチャートである。
まず制御部２２０は圧力センサ２００から検出値Ｐを取得し、温度センサ２１０から検出値Ｔを取得すると共に、不図示のメモリ等の記憶手段から圧力目標値Ｐ^※３、温度目標値Ｔ^※を取得する（ステップＳ３０１）。ここで、圧力目標値Ｐ^※３は第２の加圧手段１８０によってリザーバタンク１２０内の圧力を制御する際に用いる目標値である。温度目標値Ｔ^※は圧力目標値Ｐ^※３を達成するために必要な輻射板１８１の温度を制御する際に用いる目標値である。

制御部２２０はステップＳ３０１で取得したデータに基づいて、検出値Ｐが圧力目標値Ｐ^※３より高いか否かを判断する（ステップＳ３０２）。検出値Ｐが圧力目標値Ｐ^※３より高い場合（ステップＳ３０２：ＹＥＳ）、制御部２２０は温度目標値Ｔ^※に補正値Ｔ_βを減算し、温度目標値Ｔ^※を減少させる（ステップＳ３０３）。一方、検出値Ｐが圧力目標値Ｐ^※３以下である場合（ステップＳ３０２：ＮＯ）、制御部２２０は更に検出値Ｐが圧力目標値Ｐ^※３より小さいか否かを判断する（ステップＳ３０４）。検出値Ｐが圧力目標値Ｐ^※３より小さい場合（ステップＳ３０４：ＹＥＳ）、制御部２２０は温度目標値Ｔ^※に補正値Ｔ_αを加え、温度目標値Ｔ^※を増加させる（ステップＳ３０５）。

続いて、制御部２２０はこのように圧力センサ２００からの検出値Ｐに基づいて変更した温度目標値Ｔ^※に基づいて、温度センサ２１０からの検出値Ｔが温度目標値Ｔ^※より大きいか否かを判断する（ステップＳ３０６）。検出値Ｔが温度目標値Ｔ^※より高い場合（ステップＳ３０６：ＹＥＳ）、制御部２２０は電流目標値Ｉ^※に補正値Ｉ_βを減算し、電流目標値Ｉ^※を減少させる（ステップＳ３０７）。一方、検出値Ｔが温度目標値Ｔ^※以下である場合（ステップＳ３０６：ＮＯ）、制御部２２０は更に検出値Ｔが温度目標値Ｔ^※より小さいか否かを判断する（ステップＳ３０８）。検出値Ｔが圧力目標値Ｔ^※より小さい場合（ステップＳ３０８：ＹＥＳ）、制御部２２０は電流目標値Ｉ^※に補正値Ｉ_αを加え、電流目標値Ｉ^※を増加させる（ステップＳ３０９）。

第２の加圧手段１８０では、ヒータ１８２に印加する駆動電流の電流値Ｉを、このように設定された電流目標値Ｉ^※になるようにＰＩＤ制御する（ステップＳ３１０）。これにより、リザーバタンク１２０内の圧力値が圧力目標値Ｐ^※３になるように加圧される。

このようにヒータ１８２の出力を直接的に制御する電流値の目標（電流目標値Ｉ^※）を、圧力センサ２００の検出値Ｐと圧力目標値Ｐ^※３との偏差に基づいて設定することによって、ヒータ１８２のＯＮ／ＯＦＦ制御によって、リザーバタンク１２０内の圧力を目標値に精度良く追従させることができる。

以上説明したように、本実施例に係る冷却システム１００では、循環ループ１３０を流れる液化ガスを有効利用しながら、リザーバタンク１２０内の圧力を適切な範囲に維持できる。このように、電力消費量が少なく、長期に亘って安定的な運用が可能な冷却システム１００を提供することができる。

本発明は、例えば超電導ケーブルのような超電導装置を冷却するために、液化ガスをサブクール状態で循環ループ内を循環させる超電導装置の冷却システム及び冷却方法に利用可能である。

１００ 冷却システム
１１０ 超電導ケーブル
１２０ リザーバタンク
１２１ 貯留槽
１２２ 外装部
１２３ 気相部
１３０ 循環ループ
１３１−１３４ ライン
１４０ 循環ポンプ
１５０ 冷却器
１６０ 第１の加圧手段
１６１ バイパスライン
１６２ 熱交換器
１６３ 圧力制御弁
１７０ 減圧手段
１７１ バイパスライン
１７２ 圧力制御弁
１８０ 第２の加圧手段
１８１ 輻射板
１８２ ヒータ
１９０ 第３の加圧手段
１９１ ガスボンベ
１９２ 圧力制御弁
１９３ バイパスライン
２００ 圧力センサ
２１０ 温度センサ
２２０ 制御部

Claims (14)

1. 液化ガスを貯留するリザーバタンク、該リザーバタンクに貯留された前記液化ガスを循環させる循環ポンプ、及び、前記循環する液化ガスを冷却する冷却装置を有する循環ループを備え、前記液化ガスをサブクール状態で循環させることにより超電導装置を冷却する超電導装置の冷却システムであって、
   前記循環ループから分岐した第１のバイパスラインを介して導入した前記液化ガスを、該第１のバイパスライン上に設けた熱交換器で気化して、前記リザーバタンクの上部に供給する第１の加圧手段と、
   前記循環ループから分岐した第２のバイパスラインに前記リザーバタンク内の気化ガスを導入し、前記第２のバイパスライン内部において凝縮することにより前記前記リザーバタンクを減圧する機能手段を有する超電導装置の冷却システム。
2. 前記リザーバタンク内の圧力を検出する圧力検出手段と、前記圧力検出手段の検出値に基づいて、前記第１の加圧手段及び前記減圧手段を作動させる制御手段とを備えたことを特徴とする超電導装置の冷却システム。
3. 前記制御手段は、前記圧力検出手段の検出値が予め設定された第１の閾値未満になった場合に前記第１の加圧手段を作動させ、前記圧力検出手段の検出値が前記第１の閾値より高く設定された第２の閾値以上になった場合に前記減圧手段を作動させることを特徴とする請求項１に記載の超電導装置の冷却システム。
4. 前記制御手段は、前記第２のバイパスラインに設けられた圧力制御弁を開状態に切り替えることによって、前記リザーバタンク内の気化ガスを前記第２のバイパスラインに導入して前記減圧手段を作動させることを特徴とする請求項１に記載の超電導装置の冷却システム。
5. 前記リザーバタンク内に貯留された液化ガスを加熱することにより、前記リザーバタンクを加圧する第２の加圧手段を更に備え、
   前記制御手段は、前記圧力検出手段の検出値が前記第１の閾値より低く設定された第３の閾値未満になった場合に、前記第２の加圧手段を作動させることを特徴とする請求項１に記載の超電導装置の冷却システム。
6. 前記リザーバタンク内の温度を検出する温度検出手段を更に備え、
   前記制御手段は、前記圧力検出手段の検出値と予め設定された目標圧力値との偏差に基づいて目標温度値を算出し、前記温度検出手段の検出値が前記算出された目標温度値になるように前記第２の加圧手段を制御することを特徴とする請求項４に記載の超電導装置の冷却システム。
7. 前記液化ガスと同種のガスを高圧で貯めたガスボンベから、圧力調整弁を介して前記リザーバタンクに供給することにより、前記リザーバタンクを加圧する第３の加圧手段を更に備え、
   前記制御手段は、前記圧力検出手段の検出圧力値が前記第３の閾値より低く設定された第４の閾値未満になった場合に、前記第３の加圧手段を作動させることを特徴とする請求項４に記載の超電導装置の冷却システム。
8. 前記第１のバイパスラインは、前記循環ループのうち前記ポンプの上流側から分岐していることを特徴とする請求項１に記載の超電導装置の冷却システム。
9. 前記第２のバイパスラインは、前記循環ループのうち前記リザーバタンクの上流側から分岐していることを特徴とする請求項１に記載の超電導装置の冷却システム。
10. 前記超電導装置は超電導ケーブルであることを特徴とする請求項１に記載の超電導装置の冷却システム。
11. 液化ガスを貯留するリザーバタンク、該リザーバタンクに貯留された前記液化ガスを循環させる循環ポンプ、及び、前記循環する液化ガスを冷却する冷却装置を有する循環ループを備え、前記液化ガスをサブクール状態で循環させることにより超電導装置を冷却する超電導装置の冷却方法であって、
    前記リザーバタンク内の圧力を検出するステップと、
    前記検出した圧力が予め設定された第１の閾値未満になった場合に、前記循環ループから分岐した第１のバイパスラインを介して導入した前記液化ガスを、該第１のバイパスライン上に設けられた第２の熱交換器で気化して、前記リザーバタンクの上部に供給するステップと、
    前記検出した圧力が前記第１の閾値より高く予め設定された第２の閾値以上になった場合に、前記循環ループから分岐した第２のバイパスラインに前記リザーバタンク内の気化ガスを導入し、前記第２のバイパスライン内部において凝縮することにより、前記リザーバタンクを減圧するステップと
    を備えたことを特徴とする超電導装置の冷却方法。
12. 前記検出した圧力が前記第１の閾値より低く設定された第３の閾値未満になった場合に、前記リザーバタンク内に貯留された液化ガスを加熱することにより、前記リザーバタンクを加圧するステップを更に備えたことを特徴とする請求項１１に記載の超電導装置の冷却方法。
13. 前記液化ガスを加熱することにより得られたガスに対する流量調整弁を設けることで加圧速度の調整を行うことを特徴とする請求項１１に記載の超電導装置の冷却方法。
14. 前記検出した圧力が前記第３の閾値より低く設定された第４の閾値未満になった場合に、前記液化ガスと同種のガスを高圧で貯めたガスボンベから、圧力調整弁を介して前記リザーバタンクに供給することにより、前記リザーバタンクを加圧するステップを更に備えたことを特徴とする請求項１１に記載の超電導装置の冷却方法。

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