JP2016169880A - Superconductive cable cooling device and superconductive cable cooling method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超電導ケーブル冷却装置、及び該超電導ケーブル冷却装置を用いた超電導ケーブルの冷却方法に関する。 The present invention relates to a superconducting cable cooling apparatus and a superconducting cable cooling method using the superconducting cable cooling apparatus.
従来、超電導送電ケーブル、超電導変圧器、超電導モーター、超電導限流器、超電導電力貯蔵器等の超電導電力機器を冷却する際には、液体窒素が冷媒として使用されている。
超電導電力機器を冷却する場合、超電導電力機器を構成する超電導体(例えば、コイルやケーブル等)をその臨界温度以下に冷却すると液化冷媒が昇温する。
このため、超電導電力機器を冷却する冷却装置は、液化冷媒を冷却するための冷凍機と、冷媒を循環するための循環ポンプと、冷媒を貯留するタンクと、を含む構成とされている(例えば、特許文献1参照。)。
Conventionally, when cooling superconducting power devices such as a superconducting power transmission cable, a superconducting transformer, a superconducting motor, a superconducting current limiter, and a superconducting power storage, liquid nitrogen is used as a refrigerant.
When cooling a superconducting power device, the temperature of the liquefied refrigerant rises when a superconductor (for example, a coil or a cable) constituting the superconducting power device is cooled below its critical temperature.
For this reason, the cooling device for cooling the superconducting power device is configured to include a refrigerator for cooling the liquefied refrigerant, a circulation pump for circulating the refrigerant, and a tank for storing the refrigerant (for example, , See Patent Document 1).
図3は、従来の超電導ケーブル冷却装置の概略構成を示す系統図である。
ここで、図3を参照して、従来の超電導ケーブル冷却装置100について説明する。
従来の超電導ケーブル冷却装置100は、タンク111と、液化冷媒供給ライン113と、ポンプ116と、冷媒ガス循環ライン117−1、液化冷媒用熱交換器117−2、膨張タービン117−3、及び冷媒ガス用熱交換器117−5を含む冷凍機117と、分岐ライン118と、第1及び第2の超電導ケーブルターミナル122,124と、液化冷媒回収ライン126と、排気ライン131と、開放弁132と、を有する。
FIG. 3 is a system diagram showing a schematic configuration of a conventional superconducting cable cooling apparatus.
Here, a conventional superconducting
A conventional superconducting
タンク111内には、液化冷媒112が貯留されている。液化冷媒112を、液化冷媒供給ライン113を経由させ圧送し、第1の超電導ケーブルターミナル122から、超電導ケーブル123に導入させる。
冷凍機117は、ポンプ116の下流側に位置する液化冷媒供給ライン113の一部と、冷媒ガス循環ライン117−1の一部と、を収容している。液化冷媒用熱交換器117−2は、液化冷媒供給ライン113の一部を流れる液化冷媒と、冷媒ガス循環ライン117−1の一部を流れる冷媒ガスと、を熱交換させることで、液化冷媒を冷却させる。
A
The
液化冷媒回収ライン126は、第2の超電導ケーブルターミナル124から導出された液化冷媒を回収し、タンク111内に戻して、該液化冷媒を再利用するためのラインである。
排気ライン131は、第2の超電導ケーブルターミナル124と接続されている。排気ライン131には、第2の超電導ケーブルターミナル124を介して、液化冷媒が気化した気化冷媒が導出される。
The liquefied
The
上記構成とされた超電導ケーブル冷却装置100は、目的の場所に設置後、常温とされた超電導ケーブル123をゆっくりと冷却する予冷処理(ポンプ116及び冷凍機117を使用しない処理)が行われる。このとき、上記予冷処理開始時の超電導ケーブル123の温度が常温のため、超電導ケーブル123の温度により液化冷媒が気化し、気化冷媒が発生する。該気化冷媒は、再利用されることなく、開放弁132及び排気ライン131を介して大気放出させる。
After the superconducting
一般的に、超電導ケーブル123の長さは、数kmと非常に長いため、常温から冷媒の飽和温度まで超電導ケーブル123を予冷するためには、大量の液化冷媒が必要となる。
また、超電導ケーブル123の熱収縮による応力を緩和する観点から、超電導ケーブル123の予冷処理は、数日間かけてゆっくりと行うことが一般的である。
In general, since the length of the
Further, from the viewpoint of alleviating stress due to thermal contraction of the
ところで、液化冷媒として液体窒素を用いる場合、排気ライン131に導出され、大気放出される気化冷媒(気化した液体窒素)の温度は、大気の温度よりも低く、上記予冷処理が完了する頃には液体窒素の飽和温度である77Kに近い温度となる。
このため、排気ライン131に導出され、冷熱エネルギーとして利用可能な気化冷媒を大気放出する従来の超電導ケーブル冷却装置100では、冷熱エネルギーを有効活用できないという問題があった。
また、従来の超電導ケーブル冷却装置100では、超電導ケーブル123の予冷の開始から完了までに非常に長い時間を要するという問題があった。
By the way, when liquid nitrogen is used as the liquefied refrigerant, the temperature of the vaporized refrigerant (vaporized liquid nitrogen) led out to the
For this reason, the conventional superconducting
Further, the conventional superconducting
そこで本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、超電導ケーブルの予冷処理時に発生する気化冷媒を有効活用することで、冷凍機の性能を向上させて、短時間で液化冷媒をサブクール温度まで冷却することの可能な超電導ケーブル冷却装置、及び超電導ケーブルの冷却方法を提供することを課題とする。 Accordingly, the present invention has been made in view of the above circumstances, and by effectively utilizing the vaporized refrigerant generated during the pre-cooling process of the superconducting cable, the performance of the refrigerator is improved, and the liquefied refrigerant can be subcooled in a short time. It is an object of the present invention to provide a superconducting cable cooling device capable of cooling to a temperature and a method of cooling a superconducting cable.
上記課題を解決するため、請求項1に係る発明によれば、液化冷媒が貯留されたタンクと、一端が前記タンクの下端と接続され、超電導ケーブルの一端を介して、前記液化冷媒を該超電導ケーブルに供給する液化冷媒供給ラインと、前記液化冷媒供給ラインに設けられ、該液化冷媒供給ラインに前記液化冷媒を圧送循環させるポンプと、冷媒ガスを循環させる冷媒ガス循環ライン、該冷媒ガス循環ラインに設けられ、前記冷媒ガスを圧縮する圧縮機、該圧縮機の後段に位置する前記冷媒ガス循環ラインに設けられ、前記冷媒ガスを断熱膨張させる膨張タービン、前記膨張タービンで断熱膨張させた前記冷媒ガスと前記液化冷媒供給ラインを流れる前記液化冷媒とを熱交換させることで、該液化冷媒をサブクール温度まで冷却する液化冷媒用熱交換器、及び該液化冷媒用熱交換器を通過した前記冷媒ガスと前記圧縮機で圧縮された前記冷媒ガスとを熱交換させる冷媒ガス用熱交換器を含む冷凍機と、前記タンクと前記ポンプとの間に位置する前記液化冷媒供給ラインから分岐され、前記冷凍機と前記超電導ケーブルとの間に位置する前記液化冷媒供給ラインと接続された分岐ラインと、前記分岐ラインに設けられた流量調節弁と、前記超電導ケーブルから導出され、前記液化冷媒のうち、気化した気化冷媒を大気放出する排気ラインと、前記排気ラインから分岐され、前記気化冷媒が流れる気化冷媒供給ラインと、前記排気ラインに設けられ、前記超電導ケーブルから導出された前記気化冷媒の温度を検出する温度センサと、前記温度センサが検出した温度が、所定の温度よりも高い場合に、前記排気ラインから前記気化冷媒を大気放出し、前記所定の温度よりも低い場合に、前記気化冷媒供給ラインに前記気化冷媒を供給させる制御装置と、を有することを特徴とする超電導ケーブル冷却装置が提供される。 In order to solve the above-described problem, according to the first aspect of the present invention, a tank in which liquefied refrigerant is stored and one end of which is connected to the lower end of the tank, and the liquefied refrigerant is supplied to the superconducting via one end of a superconducting cable. A liquefied refrigerant supply line that supplies the cable; a pump that is provided in the liquefied refrigerant supply line and that pumps and circulates the liquefied refrigerant through the liquefied refrigerant supply line; a refrigerant gas circulation line that circulates refrigerant gas; and the refrigerant gas circulation line A compressor for compressing the refrigerant gas, an expansion turbine for adiabatic expansion of the refrigerant gas provided in the refrigerant gas circulation line located at a subsequent stage of the compressor, and the refrigerant adiabatically expanded by the expansion turbine Heat for liquefied refrigerant that cools the liquefied refrigerant to a subcooling temperature by exchanging heat between the gas and the liquefied refrigerant flowing through the liquefied refrigerant supply line A refrigerator including a heat exchanger for refrigerant gas that exchanges heat between the refrigerant gas that has passed through the heat exchanger for liquefied refrigerant and the refrigerant gas compressed by the compressor, the tank, and the pump Branched from the liquefied refrigerant supply line located between the refrigeration unit and the superconducting cable, and connected to the liquefied refrigerant supply line located between the refrigerator and the superconducting cable, and a flow rate adjustment provided in the branch line A valve, an exhaust line that is led out from the superconducting cable and discharges the vaporized refrigerant out of the liquefied refrigerant to the atmosphere, a vaporized refrigerant supply line that is branched from the exhaust line and through which the vaporized refrigerant flows, and the exhaust line A temperature sensor that is provided and detects the temperature of the vaporized refrigerant derived from the superconducting cable, and a temperature detected by the temperature sensor is higher than a predetermined temperature. And a controller for discharging the vaporized refrigerant from the exhaust line to the atmosphere and supplying the vaporized refrigerant to the vaporized refrigerant supply line when the temperature is lower than the predetermined temperature. A cooling device is provided.
また、請求項2に係る発明によれば、前記冷媒ガス用熱交換器内に配置された前記気化冷媒供給ラインは、前記冷媒ガス用熱交換器内に配置された前記冷媒ガス循環ラインの延在方向と同じ方向に延在しており、前記気化冷媒供給ラインは、前記冷媒ガス用熱交換器の前段において分岐され、前記冷媒ガス用熱交換器内に配置された前記冷媒ガス循環ラインと異なる位置で接続された複数の分岐部を有し、前記制御装置は、前記温度センサが検出する温度に基づいて、前記複数の分岐部のうち、いずれか1つを介して、前記気化冷媒を供給することを特徴とする請求項1記載の超電導ケーブル冷却装置が提供される。 According to the invention of claim 2, the vaporized refrigerant supply line arranged in the refrigerant gas heat exchanger is an extension of the refrigerant gas circulation line arranged in the refrigerant gas heat exchanger. Extending in the same direction as the current direction, the vaporized refrigerant supply line is branched in a front stage of the refrigerant gas heat exchanger, and the refrigerant gas circulation line disposed in the refrigerant gas heat exchanger; The control device includes a plurality of branch portions connected at different positions, and the control device supplies the vaporized refrigerant via any one of the plurality of branch portions based on the temperature detected by the temperature sensor. A superconducting cable cooling device according to claim 1 is provided.
また、請求項3に係る発明によれば、前記冷媒ガス用熱交換器の前段に位置する前記気化冷媒供給ライン、及び前記複数の分岐部に対して、それぞれバルブを設けたことを特徴とする請求項2記載の超電導ケーブル冷却装置が提供される。 The invention according to claim 3 is characterized in that a valve is provided for each of the vaporized refrigerant supply line and the plurality of branch portions located in the preceding stage of the refrigerant gas heat exchanger. A superconducting cable cooling device according to claim 2 is provided.
また、請求項4に係る発明によれば、前記ポンプと前記液化冷媒用熱交換器との間に位置する前記液化冷媒供給ラインから分岐され、前記液化冷媒用熱交換器と前記超電導ケーブルとの間に位置する前記液化冷媒供給ラインと接続され、前記液化冷媒用熱交換器をバイパスする第1のバイパスラインと、前記第1のバイパスラインに設けられたバルブと、を有することを特徴とする請求項1ないし3のうち、いずれか1項記載の超電導ケーブル冷却装置が提供される。 Moreover, according to the invention which concerns on Claim 4, it branches from the said liquefied refrigerant | coolant supply line located between the said pump and the said liquefied refrigerant heat exchanger, and the said liquefied refrigerant heat exchanger and the said superconducting cable A first bypass line that is connected to the liquefied refrigerant supply line positioned therebetween and bypasses the heat exchanger for liquefied refrigerant, and a valve provided in the first bypass line. A superconducting cable cooling device according to any one of claims 1 to 3 is provided.
また、請求項5に係る発明によれば、一端に前記超電導ケーブルを通過した前記液化冷媒が導出され、他端が前記タンク内の上部に配置された液化冷媒回収ラインと、前記冷凍機と前記超電導ケーブルとの間に位置する前記液化冷媒供給ラインと前記分岐ラインとの接続位置と、前記超電導ケーブルとの間に位置する前記液化冷媒供給ラインから分岐され、前記液化冷媒回収ラインと接続され、前記超電導ケーブルをバイパスする第2のバイパスラインと、前記第2のバイパスラインに設けられたバルブと、を有することを特徴とする請求項1ないし4のうち、いずれか1項記載の超電導ケーブル冷却装置が提供される。 Moreover, according to the invention which concerns on Claim 5, the said liquefied refrigerant | coolant which passed the said superconducting cable is derived | led-out by one end, the liquefied refrigerant recovery line by which the other end was arrange | positioned at the upper part in the said tank, the said refrigerator, A connection position between the liquefied refrigerant supply line and the branch line located between the superconducting cable and a branch from the liquefied refrigerant supply line located between the superconducting cables and connected to the liquefied refrigerant recovery line, The superconducting cable cooling according to any one of claims 1 to 4, further comprising: a second bypass line that bypasses the superconducting cable; and a valve provided in the second bypass line. An apparatus is provided.
また、請求項6に係る発明によれば、超電導ケーブルの予冷処理を含む超電導ケーブルの冷却方法であって、前記超電導ケーブルの予冷処理は、冷凍機を経由させることなく、タンク内の液化冷媒を超電導ケーブルに供給して、該超電導ケーブルを冷却するケーブル予冷工程と、前記ケーブル予冷工程において、前記超電導ケーブルの冷却に寄与した前記液化冷媒が気化することで生成される気化冷媒の温度が所定の温度よりも低くなった際、前記冷凍機を構成する冷媒ガス用熱交換器内に配置された気化冷媒供給ラインに、前記気化冷媒を供給する気化冷媒供給工程と、前記冷凍機内において、前記冷媒ガス用熱交換器を用いて、圧縮機により圧縮された冷媒ガスと、液化冷媒用熱交換器を通過し、低温とされた冷媒ガスとを熱交換させることで、前記圧縮された冷媒ガスを冷却する冷媒ガス冷却工程と、膨張タービンにより、前記予冷された冷媒ガスを断熱膨張させる工程と、前記液化冷媒用熱交換器を用いて、前記断熱膨張させた前記冷媒ガスとタンクから供給された液化冷媒とを熱交換させることで、前記液化冷媒をサブクール温度まで冷却する液化冷媒冷却工程と、を含むことを特徴とする超電導ケーブルの冷却方法が提供される。 According to the invention of claim 6, there is provided a method of cooling a superconducting cable including a precooling process of the superconducting cable, wherein the precooling process of the superconducting cable is performed by supplying the liquefied refrigerant in the tank without passing through a refrigerator. A cable pre-cooling step for supplying the superconducting cable to cool the superconducting cable, and in the cable pre-cooling step, the temperature of the vaporized refrigerant generated by the vaporization of the liquefied refrigerant contributing to cooling of the superconducting cable is predetermined. A vaporized refrigerant supply step of supplying the vaporized refrigerant to a vaporized refrigerant supply line disposed in a refrigerant gas heat exchanger constituting the refrigerator when the temperature is lower than the temperature; and in the refrigerator, the refrigerant Using the gas heat exchanger, heat is exchanged between the refrigerant gas compressed by the compressor and the refrigerant gas that has passed through the liquefied refrigerant heat exchanger and has been lowered in temperature. The refrigerant gas cooling step for cooling the compressed refrigerant gas, the step of adiabatically expanding the precooled refrigerant gas by an expansion turbine, and the adiabatic expansion using the liquefied refrigerant heat exchanger. And a liquefied refrigerant cooling step of cooling the liquefied refrigerant to a subcooling temperature by exchanging heat between the refrigerant gas and the liquefied refrigerant supplied from the tank. The
また、請求項7に係る発明によれば、前記気化冷媒供給工程では、前記気化冷媒の温度に基づいて、該気化冷媒を導入させる前記冷媒ガス用熱交換器の位置を決定することを特徴とする請求項6記載の超電導ケーブルの冷却方法が提供される。 According to the invention of claim 7, in the vaporized refrigerant supply step, the position of the heat exchanger for the refrigerant gas into which the vaporized refrigerant is introduced is determined based on the temperature of the vaporized refrigerant. A method of cooling a superconducting cable according to claim 6 is provided.
また、請求項8に係る発明によれば、前記超電導ケーブルの予冷処理後に行う前記超電導ケーブルの本冷却処理を含み、前記超電導ケーブルの本冷却処理は、ポンプにより、前記冷凍機を通過させた前記液化冷媒を前記超電導ケーブルに供給し、該超電導ケーブルを本冷却する本冷却工程と、前記本冷却工程において、前記超電導ケーブルを通過した前記液化冷媒を前記タンク内に回収する液化冷媒回収工程と、を含むことを特徴とする請求項6または7記載の超電導ケーブルの冷却方法が提供される。 Moreover, according to the invention which concerns on Claim 8, this cooling process of the said superconducting cable performed after the pre-cooling process of the said superconducting cable is carried out, and this cooling process of the said superconducting cable passed the said refrigerator with the pump. A main cooling step of supplying liquefied refrigerant to the superconducting cable and main cooling the superconducting cable; and in the main cooling step, a liquefied refrigerant recovering step of recovering the liquefied refrigerant passing through the superconducting cable in the tank; The method of cooling a superconducting cable according to claim 6 or 7, characterized by comprising:
本発明によれば、超電導ケーブルの予冷処理時に発生する気化冷媒を有効活用することで、冷凍機の性能を向上させて、短時間で液化冷媒をサブクール温度まで冷却することができる。 According to the present invention, by effectively utilizing the vaporized refrigerant generated during the precooling process of the superconducting cable, the performance of the refrigerator can be improved and the liquefied refrigerant can be cooled to the subcooling temperature in a short time.
以下、図面を参照して本発明を適用した実施の形態について詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、本発明の実施の形態の構成を説明するためのものであり、図示される各部の大きさや厚さや寸法等は、実際の超電導ケーブル冷却装置の寸法関係とは異なる場合がある。 Embodiments to which the present invention is applied will be described below in detail with reference to the drawings. The drawings used in the following description are for explaining the configuration of the embodiment of the present invention, and the size, thickness, dimensions, etc. of the respective parts shown in the drawings are the dimensional relationships of the actual superconducting cable cooling device. May be different.
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る超電導ケーブル冷却装置の概略構成を示す系統図である。
図1を参照するに、第1の実施の形態の超電導ケーブル冷却装置10は、タンク11と、液化冷媒供給ライン13と、バルブ15,33,53〜57と、ポンプ17と、分岐ライン21と、流量調整弁22と、第1の超電導ケーブルターミナル25と、第2の超電導ケーブルターミナル28と、液化冷媒回収ライン31と、圧力調整用ライン35と、圧力計37,46と、開放弁38,47と、超電導ケーブル27を冷却する液化冷媒12をサブクール温度まで冷却する冷凍機41と、排気ライン43と、温度センサ44と、気化冷媒供給ライン51と、逆止弁58と、制御装置59と、を有する。
(First embodiment)
FIG. 1 is a system diagram showing a schematic configuration of a superconducting cable cooling apparatus according to a first embodiment of the present invention.
Referring to FIG. 1, a superconducting
ここでの「サブクール温度」とは、サブクール状態(液体がその飽和温度(沸騰が起きる温度)より低い状態)となる温度帯のことをいう。大気圧下における液体窒素を液化冷媒12として用いる場合、サブクール温度とは、沸点(約77K)から凝固点(約63K)までの温度帯のことをいう。なお、飽和温度とは、ある液体の圧力がその飽和蒸気圧と等しくなる温度のことをいう。
Here, the “subcool temperature” refers to a temperature zone where the liquid is in a subcool state (a state where the liquid is lower than its saturation temperature (temperature at which boiling occurs)). When liquid nitrogen under atmospheric pressure is used as the
タンク11は、液化冷媒12を貯留するためのリザーバータンクである。タンク11の構造としては、外気の環境温度の影響により液化冷媒を気化しにくくする観点から、例えば、真空二重構造や断熱材を用いた断熱構造が好ましい。
液化冷媒12としては、超電導ケーブル27の超電導状態を維持可能とする臨界温度領域で液化可能な物質が好ましく、かつサブクール状態で絶縁性の高いものが好ましい。このような液化冷媒12としては、安全面やコスト面を考慮すると、例えば、液化窒素(液体窒素)を用いることができる。
The
The liquefied refrigerant 12 is preferably a substance that can be liquefied in a critical temperature region that can maintain the superconducting state of the
液化冷媒供給ライン13は、一端がタンク11の下端と接続されており、他端が第1の超電導ケーブルターミナル25と接続されている。液化冷媒供給ライン13は、超電導ケーブル27の一端を介して、超電導ケーブル27の一端に液化冷媒12を供給する。
液化冷媒供給ライン13は、液化冷媒用熱交換器63内に配置される区間13A(ポンプ17と第1の超電導ケーブルターミナル25との間に位置する液化冷媒供給ライン13の一部)を有する。
The liquefied
The liquefied
バルブ15は、分岐ライン21の分岐位置とタンク11との間に位置する液化冷媒供給ライン13に設けられている。バルブ15が開かれると、液化冷媒供給ライン13、及び分岐ライン21にタンク11内の液体媒体12が供給される。
The
ポンプ17は、分岐ライン21の分岐位置と冷凍機41との間に位置する液化冷媒供給ライン13に設けられている。ポンプ17は、液化冷媒供給ライン13に液化冷媒12を圧送循環させる。
ポンプ17は、超電導ケーブル27に液化冷媒12を圧送する機能を有する。液化冷媒として液化窒素を用いる場合、ポンプ17としては、例えば、30L/min〜100L/minの範囲内で液化窒素を圧送可能なものを用いるとよい。
The
The
分岐ライン21は、バルブ15とポンプ17との間に位置する液化冷媒供給ライン13から分岐され、冷凍機41と第1の超電導ケーブルターミナル25との間に位置する液化冷媒供給ライン13と接続されている。分岐ライン21は、ポンプ17及び冷凍機41をバイパスするように設けられている。
流量調整弁22は、分岐ライン21に設けられている。流量調整弁22は、流量調整弁22の下流側に供給する液化冷媒12の流量を調整するためのバルブである。
The
The flow
第1の超電導ケーブルターミナル25は、超電導ケーブル27の一端に設けられている。超電導ケーブル27の一端には、第1の超電導ケーブルターミナル25を介して、液化冷媒12が供給される。
第2の超電導ケーブルターミナル28は、超電導ケーブル27の他端に設けられている。常温とされた超電導ケーブル27の予冷処理開始直後には、超電導ケーブル27の温度により液化冷媒12が気化しやすいため、多くの気化冷媒が発生し、超電導ケーブル27の予冷処理が終わりに近づくと、超電導ケーブル27が十分に冷却されているため、気化冷媒の発生はほとんどなくなり、液化冷媒12のまま超電導ケーブル27から導出される。
外部環境からの侵入熱による熱負荷を小さくする観点から、第1及び第2の超電導ケーブルターミナル25,28、並びに超電導ケーブル27としては、例えば、真空断熱構造を有するものを用いるとよい。
The first
The second
From the viewpoint of reducing the thermal load caused by intrusion heat from the external environment, the first and second
液化冷媒回収ライン31の一端は、第2の超電導ケーブルターミナル28と接続されている。液化冷媒回収ライン31の一端には、超電導ケーブル27を通過した液化冷媒12が導出される。
液化冷媒回収ライン31の他端部は、タンク11の上端を貫通し、下方に延在するように配置されている。液化冷媒回収ライン31の他端は、タンク11内の上部に形成された気相に配置されている。
バルブ33は、タンク11の近傍に位置する液化冷媒回収ライン31に設けられている。バルブ33が開かれると、第2の超電導ケーブルターミナル28を介して、超電導ケーブル27から回収された液化冷媒12がタンク11内に戻される。
One end of the liquefied
The other end of the liquefied
The
圧力調整用ライン35は、一端がタンク11内の上部に形成された気相に配置されており、他端がタンク11外に配置されている。圧力調整用ライン35は、タンク11内の圧力をタンク11外に逃がすためのラインである。
圧力計37は、タンク11の外側に設けられており、圧力調整用ライン35を介して、タンク11内の上部の圧力を測定する。
開放弁38は、タンク11の外側に位置する圧力調整用ライン35に設けられている。開放弁38は、圧力計37と電気的に接続されており、圧力計37の圧力に応じて、タンク11内の圧力が一定の圧力となるように開閉動作する。
One end of the
The
The
冷凍機41は、冷媒ガス循環ライン61と、液化冷媒用熱交換器63と、圧縮機65と、水冷部66と、冷媒ガス用熱交換器68と、膨張タービン69と、を有する。
なお、圧縮機65及び水冷部66を除く、冷凍機41の構成要素は、図示していない真空容器(コールドボックス)内に収容されている。該真空容器は、外部からの熱の侵入を抑制するためのものである。
The
The components of the
冷媒ガス循環ライン61は、ループ状とされたラインである。冷媒ガス循環ライン61は、冷媒ガスを循環させるためのラインである。
冷媒ガス循環ライン61は、第1ないし第3の区間61A,61B,61Cを有する。第1の区間61Aは、液化冷媒用熱交換器63内に配置されている。第1の区間61Aには、膨張タービン69で断熱膨張された冷媒ガスが供給される。
第2及び第3の区間61B,61Cは、冷媒ガス用熱交換器68内に配置されており、同じ方向に延在している。第2の区間61Bには、液化冷媒用熱交換器63を通過した冷媒ガスが供給される。第3の区間61Cには、圧縮機65で圧縮された冷媒ガスが供給される。
The refrigerant
The refrigerant
The second and
冷媒ガスとしては、タンク11内に貯留された液化冷媒12の液化温度よりも十分に低い液化温度を有するものを用いる。液化冷媒12として液化窒素を用いる場合、冷媒ガスとしては、例えば、ヘリウムガス、ネオンガス、或いはヘリウムガスとネオンガスとを混合させた混合ガスを用いることが可能であるが、ネオンガスを用いることが好ましい。
このように、ヘリウムよりも分子量の大きいネオンを含むネオンガスを冷媒ガスとして用いることで、音速が小さくなり、圧縮機65や膨張タービン69の回転数を低く抑えることが可能となるので、設計が容易になるとともに、冷凍機41の稼働信頼性を向上させることができる。
As the refrigerant gas, one having a liquefaction temperature sufficiently lower than the liquefaction temperature of the liquefied refrigerant 12 stored in the
As described above, the neon gas containing neon having a molecular weight larger than that of helium is used as the refrigerant gas, so that the speed of sound is reduced, and the rotational speed of the
液化冷媒用熱交換器63は、区間13Aと第1の区間61Aとを収容可能な位置に設けられている。液化冷媒用熱交換器63は、区間13Aを流れる液化冷媒12と、第1の区間61Aを流れ、膨張タービン69で断熱膨張により冷却させられた冷媒ガスと、を熱交換させることで、液化冷媒12をサブクール温度まで冷却させる。
サブクール温度とされた液化冷媒12は、第1の超電導ケーブルターミナル25を介して、超電導ケーブル27に導入される。一方、液化冷媒12の冷却に寄与した冷媒ガスは、第2の区間61Bに移動し、第2の区間61Bを介して、圧縮機65に供給される。
液化冷媒用熱交換器63としては、小型化及び高性能化の観点から、例えば、アルミプレートフィン熱交換器を用いることができる。
The liquefied
The liquefied refrigerant 12 having the subcooling temperature is introduced into the
As the liquefied
圧縮機65は、第2の区間61Bと第3の区間61Cとの間に位置する冷媒ガス循環ライン61に設けられている。
圧縮機65では、冷媒ガスを圧縮することで、高温及び高圧とされた冷媒ガスを生成する。圧縮機65により生成された高温及び高圧の冷媒ガスは、水冷部66に供給される。
The
In the
なお、図1では、1つの圧縮機65のみを設けた場合を例に挙げて図示したが、第2の区間61Bと第3の区間61Cとの間に位置する冷媒ガス循環ライン61に、複数の圧縮機65を設けてもよい。このように、複数の圧縮機65を設けることで、より高圧の冷媒ガスを生成することができる。
In FIG. 1, a case where only one
水冷部66は、圧縮機65と第3の区間61Cとの間に位置する冷媒ガス循環ライン61に設けられている。水冷部66は、高温及び高圧とされた冷媒ガスの温度を大気温度近くまで冷却する。水冷部66により冷却された冷媒ガスは、第3の区間61Cに供給される。水冷部66としては、例えば、水冷式クーラーを用いることができる。
The
冷媒ガス用熱交換器68は、第1ないし第4の熱交換ブロック71〜74を有する。第1ないし第4の熱交換ブロック71〜74は、水冷部66から液化冷媒用熱交換器63に向かう方向に対して、第1の熱交換ブロック71、第2の熱交換ブロック72、第3の熱交換ブロック73、第4の熱交換ブロック74の順に配置されている。第1ないし第4の熱交換ブロック71〜74は、隣り合う位置に設けられた他の熱交換ブロックとの間に所定の間隔が形成されるように配置されている。
The refrigerant
第1ないし第4の熱交換ブロック71〜74は、異なる温度範囲で熱交換を行う。具体的には、第1の熱交換ブロック71が熱交換可能な温度範囲は、例えば、230K以上300K未満、第2の熱交換ブロック72が熱交換可能な温度範囲は、例えば、180K以上230K未満、第3の熱交換ブロック73が熱交換可能な温度範囲は、例えば、120K以上180K未満、第4の熱交換ブロック74が熱交換可能な温度範囲は、例えば、77K以上120K未満とすることができる。
The first to fourth heat exchange blocks 71 to 74 perform heat exchange in different temperature ranges. Specifically, the temperature range in which the first
冷媒ガス用熱交換器68は、第2の区間61Bを流れ、液化冷媒用熱交換器63を通過した冷媒ガスと、第3の区間61Cを流れ、圧縮機65及び水冷部66を通過した冷媒ガスと、を熱交換させる。
冷媒ガス用熱交換器68としては、小型化及び高性能化の観点から、例えば、アルミプレートフィン熱交換器を用いることができる。
The refrigerant
As the refrigerant
膨張タービン69は、液化冷媒用熱交換器63と冷媒ガス用熱交換器68との間に位置する冷媒ガス循環ライン61に設けられている。膨張タービン69は、冷媒ガスを断熱膨張させることで、冷媒ガスをサブクール温度まで冷却させる。
なお、膨張タービン69と圧縮機65とを同軸に配置させて、一体化させてもよい。これにより、膨張タービン69で発生した動力を圧縮機65の駆動に利用することが可能となるので、冷凍機41の小型化並びに動力の省力化を図ることができる。
The
The
排気ライン43は、一端が第2の超電導ケーブルターミナル28と接続されている。超電導ケーブル27の予冷処理時において、排気ライン43には、超電導ケーブル27の冷却に寄与した液化冷媒12が気化した気化冷媒が、超電導ケーブルターミナル28を経由して、導出される。
温度センサ44が検出する気化冷媒の温度が所定の温度(例えば、270K)よりも高い場合、気化冷媒は、排気ライン43を介して、大気放出される。
One end of the
When the temperature of the vaporized refrigerant detected by the
温度センサ44は、排気ライン43に設けられている。温度センサ44は、制御装置59と電気的に接続されている。温度センサ44は、超電導ケーブル27から導出された気化冷媒の温度を検出する。温度センサ44は、検出した気化冷媒の温度を制御装置59に送信する。
圧力計46は、排気ライン43に設けられており、排気ライン43内の圧力を測定する。開放弁47は、排気ライン43に設けられている。
The
The
気化冷媒供給ライン51は、温度センサ44の後段に位置する排気ライン43から分岐されており、気化冷媒が流れるラインである。
気化冷媒供給ライン51は、気化冷媒が流れるラインであり、区間76と、分岐部77〜79と、を有する。区間76は、冷媒ガス用熱交換器68内に収容されている。区間76は、第2及び第3の区間61B,61Cの延在方向と同じ方向に延在しており、一部が第1ないし第4の熱交換ブロック71〜74内に収容されている。
The vaporized
The vaporized
分岐部77は、冷媒ガス用熱交換器68の前段に位置する気化冷媒供給ライン51から分岐されたラインであり、第3の熱交換ブロック73と第4の熱交換ブロック74との間に位置する区間76と接続されている。分岐部77は、第1ないし第3の熱交換ブロック71〜73のみに気化冷媒を供給するためのラインである。
The
分岐部78は、分岐部77から分岐されたラインであり、第2の熱交換ブロック72と第3の熱交換ブロック73との間に位置する区間76と接続されている。分岐部78は、第1及び第2の熱交換ブロック71,72のみに気化冷媒を供給するためのラインである。
分岐部79は、分岐部78から分岐されたラインであり、第1の熱交換ブロック71と第2の熱交換ブロック72との間に位置する区間76と接続されている。分岐部79は、第1の熱交換ブロック71のみに気化冷媒を供給するためのラインである。
The branching
The branch portion 79 is a line branched from the
バルブ53は、冷媒ガス用熱交換器68の前段に位置する気化冷媒供給ライン51に設けられている。バルブ54は、冷媒ガス用熱交換器68の前段に位置する分岐部77に設けられている。バルブ55は、冷媒ガス用熱交換器68の前段に位置する分岐部78に設けられている。
バルブ56は、冷媒ガス用熱交換器68の前段に位置する分岐部79に設けられている。バルブ57は、冷媒ガス用熱交換器68の後段に位置する気化冷媒供給ライン51に設けられている。逆止弁58は、バルブ57の後段に位置する気化冷媒供給ライン51に設けられている。逆止弁58は、大気の逆拡散を防止するための弁である。
The
The
制御装置59は、記憶部(図示せず)と、制御部(図示せず)と、を有する。記憶部(図示せず)には、気化冷媒の所定の温度(例えば、270K)、第1の温度範囲(例えば、230K以上300K未満)、第2の温度範囲(例えば、180K以上230K未満)、第3の温度範囲(例えば、120K以上180K未満)、第4の温度範囲(例えば、77K以上120K未満)、超電導ケーブル冷却装置10の制御全般に関するプログラム等が格納されている。
制御部(図示せず)は、記憶部(図示せず)に格納されたプログラムに基づいて、超電導ケーブル冷却装置10を制御する。制御部(図示せず)は、温度センサ44、及びバルブ53〜57と電気的に接続されている。
The
The control unit (not shown) controls the superconducting
超電導ケーブル27の予冷処理時において、制御装置59は、下記制御を行う。
温度センサ44が検出する気化冷媒の温度が所定の温度よりも低く、かつ第1の温度範囲内の場合には、バルブ53を開け、バルブ55〜56を閉じることで、分岐部77〜79を使用しないで、区間76に気化冷媒を供給する制御を行う。
また、温度センサ44が検出する気化冷媒の温度が所定の温度よりも低く、かつ第2の温度範囲内の場合には、バルブ53,55,56を閉じ、バルブ54を開けることで、分岐部77を介して、区間76に気化冷媒を供給する制御を行う。
また、温度センサ44が検出する気化冷媒の温度が所定の温度よりも低く、かつ第3の温度範囲内の場合には、バルブ53,54,56を閉じ、バルブ55を開けることで、分岐部78を介して、区間76に気化冷媒を供給する制御を行う。
さらに、温度センサ44が検出する気化冷媒の温度が所定の温度よりも低く、かつ第4の温度範囲内の場合には、バルブ53〜55を閉じ、バルブ56を開けることで、分岐部79を介して、区間76に気化冷媒を供給する制御を行う。
At the time of precooling the
When the temperature of the vaporized refrigerant detected by the
Further, when the temperature of the vaporized refrigerant detected by the
Further, when the temperature of the vaporized refrigerant detected by the
Further, when the temperature of the vaporized refrigerant detected by the
このように、気化冷媒の温度に応じて、区間76に供給する位置を異ならせることで、第1ないし第4の熱交換ブロック71〜74の性能が向上可能なように、気化冷媒を供給して、該気化冷媒の冷熱エネルギーを有効に活用することで、気化冷媒の冷熱を効率良く利用することができる。
Thus, the vaporized refrigerant is supplied so that the performance of the first to fourth heat exchange blocks 71 to 74 can be improved by changing the position to be supplied to the
第1の実施の形態の超電導ケーブル冷却装置によれば、上述した気化冷媒供給ライン51と、温度センサ44、及び制御装置59を有することで、従来、超電導ケーブルの予冷処理時において、大気放出していた冷熱を有する気化冷媒を冷媒ガス用熱交換器68に供給して、気化冷媒を有効活用することが可能となる。
これにより、液化冷媒12を冷却する冷凍機41の性能が向上するため、短時間で液化冷媒12をサブクール温度まで冷却することができる。
According to the superconducting cable cooling device of the first embodiment, by including the vaporized
Thereby, since the performance of the
なお、第1の実施の形態では、4つの熱交換ブロック(第1ないし第4の熱交換ブロック71〜74)で冷媒ガス用熱交換器68を構成した場合を例に挙げて説明したが、冷媒ガス用熱交換器68の温度分布に応じて、熱交換ブロックの数を決定すればよく、4つに限定されない。また、1つの熱交換ブロックのみで構成された冷媒ガス用熱交換器にも適用可能である。
In the first embodiment, the case where the refrigerant
また、第1の実施の形態では、制御装置59を設けた場合を例に挙げて説明したが、例えば、制御装置59を設ける代わりに、温度センサ44が検出した温度を使用者が目視可能な表示画面を設け、使用者が表示画面に表示された温度に基づいて、バルブ53〜57の開閉を手動で行ってもよい。この場合も、第1の実施の形態と同様な効果を得ることができる。
In the first embodiment, the case where the
また、冷凍機41の運転開始から時間が経過するとともに、冷媒ガス用熱交換器68を通過し、圧縮機65に導入される冷媒ガスの温度が低下し、それとともに圧力も徐々に低下するが、この圧力の低下に対しては、冷媒ガス補充ライン(図示せず)を設け、該冷媒ガス補充ラインから冷媒ガス循環ライン61に冷媒ガスを補充することで圧縮機65の入口側の圧力を一定に保持することが可能となる。これにより、圧縮機65において、吐出圧力を一定に保持することができる。
Further, as time elapses from the start of the operation of the
次いで、図1を参照して、図1に示す超電導ケーブル冷却装置10を用いた第1の実施の形態の超電導ケーブルの冷却方法について説明する。
初めに、超電導ケーブル27の予冷処理について説明する。
超電導ケーブル冷却装置10の設置完成直後において、液化冷媒(例えば、液体窒素)が貯蔵されているタンク11の周辺以外の温度は常温である。このため、超電導ケーブル27を本冷却する前の段階として、超電導ケーブル27の予冷処理が必要となる。
Next, a superconducting cable cooling method according to the first embodiment using the superconducting
First, the precooling process of the
Immediately after the installation of the superconducting
初めに、ポンプ17をバイパスする分岐ライン21及び流量調節弁22を介して、超電導ケーブル27にタンク11内の液化冷媒12を所定流量供給することで、超電導ケーブル27を冷却する(ケーブル予冷工程)。
液化冷媒12に常温の超電導ケーブル27を接触させると、熱収縮による応力(熱衝撃)により、被冷却物が破壊される恐れがあるので、冷却初期の段階では、ゆっくりと液化冷媒12を送り込む。また、ケーブル予冷工程では、冷凍機41を介することなく、液化冷媒12を供給する。
First, the
When the
常温の超電導ケーブル27に接触した液化冷媒12は、温度上昇することで気化する。気化した液化冷媒12である気化冷媒は、バルブ53を開いて、区間76、バルブ57、及び逆止弁58を介して、大気解放される。このとき、気化冷媒が大量に発生する際には、開放弁47を介して、大気放出する。
ケーブル予冷工程の初期段階では、温度の高い気化冷媒が発生し、時間の経過とともに、気化冷媒の温度が徐々に低くなり、やがて気化冷媒の温度が液化冷媒12の温度に近づく。
なお、気化冷媒の温度は、温度センサ44を用いて連続的に検出し、検出した温度は制御装置59に送信する。
The liquefied refrigerant 12 in contact with the normal
In the initial stage of the cable pre-cooling process, a vaporized refrigerant having a high temperature is generated. As time elapses, the temperature of the vaporized refrigerant gradually decreases, and the temperature of the vaporized refrigerant eventually approaches the temperature of the liquefied
Note that the temperature of the vaporized refrigerant is continuously detected using the
超電導ケーブル27の予冷を開始後、冷凍機41を起動させ、冷凍機41の予冷を行う。ところで、冷凍機41の起動においては、超電導ケーブル27の予冷を開始してから、比較的長い時間放置してから起動する場合や、短時間で起動させる場合がある。
ここでは、超電導ケーブル27の予冷を開始してから比較的短時間で冷凍機41を起動させる場合、すなわち、超電導ケーブル27の予冷によって、気化冷媒が大量に放出される場合を例に挙げて以下の説明を行う。
After pre-cooling of the
Here, the case where the
ケーブル予冷工程において、超電導ケーブル27の冷却に寄与した液化冷媒が気化することで生成される気化冷媒の温度が所定の温度(例えば、270K)よりも低くなった際、冷凍機41を構成する冷媒ガス用熱交換器68内に配置された気化冷媒供給ライン51に、気化冷媒を供給する(気化冷媒供給工程)。
In the cable pre-cooling step, when the temperature of the vaporized refrigerant generated by vaporizing the liquefied refrigerant that has contributed to the cooling of the
次いで、冷凍機41を起動する。冷凍機41を起動すると、冷凍機41を構成する圧縮機65は、冷媒ガスを断熱圧縮する。高圧側の冷媒ガスの圧力は、例えば、1〜2MPa程度である。圧縮され高温になった冷媒ガスは、水冷部66により、常温まで冷却され、冷媒ガス用熱交換器68を通過する。
そして、冷媒ガス用熱交換器68では、圧縮機65により圧縮された冷媒ガスと、液化冷媒用熱交換器63を通過し、低温とされた冷媒ガスとを熱交換させることで、圧縮された冷媒ガスを冷却する(冷媒ガス冷却工程)。
Next, the
In the refrigerant
膨張タービン69では、予冷された冷媒ガスを断熱膨張させることで、冷媒ガスの温度が降下する。膨張タービン69の出口温度は、タービン入口温度に依存し、熱交換によって時間とともにタービン入口温度が低下する。そのため、タービン入口温度に対してタービン出口温度は断熱膨張によって10〜15K程度温度降下する。このとき、断熱膨張後の冷媒ガスの圧力は、例えば、0.5〜1MPa程度となる。
In the
液化冷媒用熱交換器68では、断熱膨張させた冷媒ガスとタンク11から供給された液化冷媒12とを熱交換させることで、液化冷媒12をサブクール温度まで冷却する(液化冷媒冷却工程)。
The liquefied
図3に示す従来の超電導ケーブル冷却装置100の場合、膨張タービン117−3で冷却された冷媒ガスが、液化冷媒用熱交換器117−2を経由し、冷媒ガス用熱交換器117−5の冷却用ガスとなることで、膨張タービン117−3に導入される前の冷媒ガスがさらに冷却され、繰り返し循環が進むことで、熱エネルギーの授受が安定し、膨張タービン117−3で断熱膨張した冷媒ガスの温度がサブクール温度となる。
このため、超電導ケーブル123の予冷の初期段階では、冷媒ガス用熱交換器117−5により、膨張タービン117−3に導入される冷媒ガスの温度が、まだ十分に冷却できていないため、断熱膨張によってサブクール温度までは冷却することができない。
In the case of the conventional superconducting
For this reason, at the initial stage of precooling of the
しかしながら、本実施の形態では、気化冷媒供給ライン51により供給された気化冷媒により、冷媒ガス用熱交換器68の温度が低温となっているため、従来よりも冷媒ガスを効率良く冷却することが可能となる。
このため、冷凍機41を起動した段階で、膨張タービン69の入口側における冷媒ガスの温度が従来よりも低くなるため、液化冷媒を短時間でサブクール温度まで冷却することができる。
However, in the present embodiment, since the temperature of the refrigerant
For this reason, since the temperature of the refrigerant gas at the inlet side of the
ところで、冷凍機41の運転後、冷媒ガスの循環により、冷媒ガス用熱交換器68には温度勾配が発生する。このため、冷媒ガス用熱交換器68に、温度の異なる気化冷媒を通過させる際には、適切な温度範囲の熱交換ブロックを通過させる必要が生じる。
制御装置59は、温度センサ44が検出した気化冷媒の温度に基づいて、該気化冷媒を導入させる冷媒ガス用熱交換器68の位置を決定し、分岐部77〜79、分岐部77の前段に位置する気化冷媒供給ライン51のうち、いずれか1つを介して、冷媒ガス用熱交換器68の適切な温度範囲の部分に気化冷媒を供給する。
これにより、冷凍機41の特性を効率良く向上させることが可能となるので、短時間で液化冷媒12をサブクール温度まで冷却することができる。
By the way, after the operation of the
The
Thereby, since it becomes possible to improve the characteristic of the
次いで、超電導ケーブル27の予冷処理後に行う超電導ケーブル27の本冷却処理について説明する。
超電導ケーブル27の本冷却処理では、ポンプ17により、冷凍機41を通過させた液化冷媒12を超電導ケーブル27に供給し、超電導ケーブル27を本冷却する本冷却工程と、本冷却工程において、超電導ケーブル27を通過した液化冷媒12を、液化冷媒回収ライン31を介して、タンク11内に回収する液化冷媒回収工程と、を含む。
Next, the main cooling process of the
In the main cooling process of the
上述したように、超電導ケーブル27の予冷処理は、まず、超電導ケーブル27が液化冷媒の圧力に応じた液化温度まで予冷させ、その後、液化冷媒12の気化する量が減少し、次いで、流量調節弁22を閉じて、ポンプ17を起動させ、液化冷媒12を循環させることで完了する。
予冷処理が完了したら、液化冷媒の気化がほとんどなくなるが、わずかに気化した気化冷媒を、バルブ53が設けられた気化冷媒供給ライン51に導くことで、冷熱エネルギーを有効的に利用して、通常運転を行うことが可能となる。
As described above, in the precooling process of the
When the pre-cooling process is completed, the vaporization of the liquefied refrigerant almost disappears, but the vaporized refrigerant slightly vaporized is led to the vaporized
第1の実施の形態の超電導ケーブルの冷却方法によれば、ケーブル予冷工程、気化冷媒供給工程、冷媒ガス冷却工程、冷媒ガスを断熱膨張させる工程、及び液化冷媒冷却工程を有することで、従来、超電導ケーブル27の予冷処理時において、大気放出していた冷熱を有する気化冷媒を冷媒ガス用熱交換器68に供給して、気化冷媒を有効活用することが可能となる。
これにより、液化冷媒12を冷却する冷凍機41の性能が向上するため、短時間で液化冷媒12をサブクール温度まで冷却することができる。
According to the cooling method of the superconducting cable of the first embodiment, by having a cable precooling step, a vaporized refrigerant supply step, a refrigerant gas cooling step, a step of adiabatically expanding the refrigerant gas, and a liquefied refrigerant cooling step, During the pre-cooling process of the
Thereby, since the performance of the
(第2の実施の形態)
図2は、本発明の第2の実施の形態に係る超電導ケーブル冷却装置の概略構成を示す系統図である。図2において、図1に示す第1の実施の形態の超電導ケーブル冷却装置10と同一構成部分には、同一符号を付す。
(Second Embodiment)
FIG. 2 is a system diagram showing a schematic configuration of a superconducting cable cooling apparatus according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 2, the same components as those of the superconducting
図2を参照するに、第2の実施の形態の超電導ケーブル冷却装置85は、第1の実施の形態の超電導ケーブル冷却装置10の構成に、さらに、第1のバイパスライン86、バルブ87,89、及び第2のバイパスライン88を有すること以外は、超電導ケーブル冷却装置10と同様な構成とされている。
Referring to FIG. 2, the superconducting
第1のバイパスライン86は、ポンプ17と液化冷媒用熱交換器63との間に位置する液化冷媒供給ライン13から分岐され、液化冷媒用熱交換器63と第1の超電導ケーブルターミナル25との間に位置する液化冷媒供給ライン13と接続されている。第1のバイパスライン86は、液化冷媒用熱交換器63をバイパスしている。
なお、第1のバイパスライン86は、図示していないコールドボックス内に配置させてもよい。バルブ87は、第1のバイパスライン86に設けられている。
The
The
ところで、冷凍機41を定格運転状態で一定に運転し、超電導ケーブル27での送電量が多くなる時間帯において、超電導ケーブル27の熱負荷が増大した際、液化冷媒用熱交換器63でサブクール温度に冷却された冷媒のみでは冷却能力が不足してしまう。
しかし、第1のバイパスライン86、及びバルブ87を有することで、熱負荷の少ないときに、タンク11内に蓄冷した液化冷媒の一部を、第1のバイパスライン86及びバルブ87を介して、超電導ケーブル27へ直接多量に供給することが可能となる。
このとき、インバーターを用いて、ポンプ17の回転数を制御することで、液化冷媒の流量を増大させることで、冷凍機41が定格運転状態の場合でも、熱負荷の増大に耐えることができる。
By the way, when the
However, by having the
At this time, by controlling the rotation speed of the
第2のバイパスライン88は、分岐ライン21の接続位置と第1の超電導ケーブルターミナル25との間に位置する液化冷媒供給ライン13から分岐され、液化冷媒回収ライン31と接続されている。第2のバイパスライン88は、超電導ケーブル27をバイパスしている。なお、第2のバイパスライン88は、第1の超電導ケーブルターミナル25側ではなく、冷凍機41側に配置させることが好ましい。
バルブ89は、第2のバイパスライン88に設けられている。
The
The
上述した第2のバイパスライン88、及びバルブ89を有することで、超電導ケーブル27での送電量が少なくなる場合において、冷凍機41の定格運転時に超電導ケーブル27の熱負荷が減少した際、液化冷媒用熱交換器63でサブクール温度に冷却され、かつ熱負荷が少ない状態の液化冷媒12の一部を、第2のバイパスライン88、及びバルブ89を介して、超電導ケーブル27、並びに、第1及び第2の超電導ケーブルターミナル25,28をバイパスさせて、タンク11に戻して、タンク11内の液化冷媒の温度を降下させることができる。
言い換えれば、冷却装置41で発生した冷熱エネルギーを用いて、タンク11内の液化冷媒を蓄冷することができる。
When the amount of power transmitted through the
In other words, the liquefied refrigerant in the
第2の実施の形態の超電導ケーブル冷却装置によれば、超電導ケーブル27を冷却する際に、熱負荷の増減に応じ、超電導ケーブル27を冷却する液化冷媒の循環量を変化させ、過不足分の冷熱エネルギーをタンク11内へ回収またはタンク11から供給することで、冷凍機41の定格運転を保持することが可能となるので、冷凍機41の故障頻度や保守頻度を減少させることが可能となるので、安定的な運転を実現できる。
According to the superconducting cable cooling device of the second embodiment, when the
なお、第2の実施の形態の超電導ケーブル冷却装置85は、第1の実施の形態の超電導ケーブル冷却装置10と同様な効果を得ることができる。
また、第2の実施の形態においても、制御装置59を設ける代わりに、手動で、バルブ53〜56の開閉を行ってもよい。
Note that the superconducting
Also in the second embodiment, instead of providing the
次いで、図2を参照して、第2の実施の形態の超電導ケーブルの冷却方法について、簡単に説明する。
先に説明した第1の実施の形態では、第2の超電導ケーブルターミナル28の出口付近での液化冷媒12の温度が、その液化温度に到達したら、超電導ケーブル27の予冷が完了する。
この時点で、液化冷媒12の蒸発はなくなるが、そのまま保持すると、種々の熱負荷により、液化冷媒が温められ、蒸発することになる。
このため、冷凍機41とポンプ17を運転し、液化冷媒12を循環させ、冷凍機41の液化冷媒用熱交換器63で常に液化温度よりもサブクール温度に液化冷媒12を冷却する必要がある。
Next, with reference to FIG. 2, a method for cooling the superconducting cable of the second embodiment will be briefly described.
In the first embodiment described above, when the temperature of the liquefied refrigerant 12 near the outlet of the second
At this time, the liquefied refrigerant 12 is not evaporated, but if held as it is, the liquefied refrigerant is warmed and evaporated by various heat loads.
For this reason, it is necessary to operate the
液化冷媒12の循環は、タンク11からバルブ15を経由しポンプ17で昇圧されて、冷凍機41の液化冷媒用熱交換器63に送液される。液化冷媒12は、液化冷媒用熱交換器63において、そのサブクール温度(液化冷媒12が液体窒素の場合、約65K)まで冷却される。
The circulation of the liquefied refrigerant 12 is increased from the
そして、液化冷媒用熱交換器63でサブクール温度に冷却された液化冷媒12は、第1の超電導ケーブルターミナル25を介して、超電導ケーブル27に導入され、超電導ケーブル27を超電導状態のサブクール温度に冷却保持し、その後、第2の超電導ケーブルターミナル28からバルブ33を経由してタンク11内に戻される。
Then, the liquefied refrigerant 12 cooled to the subcooling temperature by the liquefied
第2の実施の形態の超電導ケーブルの冷却方法によれば、超電導ケーブル27を冷却する際に、熱負荷の増減に応じ、超電導ケーブル27を冷却する液化冷媒の循環量を変化させ、過不足分の冷熱エネルギーをタンク11内へ回収またはタンク11から供給することで、冷凍機41の定格運転を保持することが可能となる。
これにより、冷凍機41の故障頻度や保守頻度を減少させることが可能となるので、安定的な運転を実現できる。
なお、第2の実施の形態の超電導ケーブルの冷却方法は、第1の実施の形態の超電導ケーブルの冷却方法と同様な効果を得ることができる。
According to the cooling method of the superconducting cable of the second embodiment, when the
Thereby, since it becomes possible to reduce the failure frequency and maintenance frequency of the
In addition, the cooling method of the superconducting cable of the second embodiment can obtain the same effect as the cooling method of the superconducting cable of the first embodiment.
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, but the present invention is not limited to such specific embodiments, and within the scope of the present invention described in the claims, Various modifications and changes are possible.
なお、第1及び第2の実施の形態では、超電導電力機器のうちの1つである超電導ケーブル27を冷却する場合を例に挙げて説明したが、超電導ケーブル冷却装置10,85は、他の超電導電力機器である超電導変圧器、超電導モーター、超電導限流器、超電導電力貯蔵器等を冷却する際にも適用可能である。
また、第1及び第2の実施の形態で説明した超電導ケーブルの冷却方法についても、超電導変圧器、超電導モーター、超電導限流器、超電導電力貯蔵器等を冷却する際に使用可能である。
In the first and second embodiments, the case of cooling the
The superconducting cable cooling method described in the first and second embodiments can also be used when cooling a superconducting transformer, a superconducting motor, a superconducting current limiter, a superconducting power storage, and the like.
本発明は、超電導ケーブル冷却装置、及び超電導ケーブルの冷却方法に適用可能である。 The present invention is applicable to a superconducting cable cooling device and a superconducting cable cooling method.
10,85…超電導ケーブル冷却装置、11…タンク、13…液化冷媒供給ライン、13A,76…区間、15,33,53〜57,87,89…バルブ、17…ポンプ、21…分岐ライン、22…流量調整弁、25…第1の超電導ケーブルターミナル、27…超電導ケーブル、28…第2の超電導ケーブルターミナル、31…液化冷媒回収ライン、35…圧力調整用ライン、37,46…圧力計、38,47…開放弁、41…冷凍機、43…排気ライン、44…温度センサ、51…気化冷媒供給ライン、58…逆止弁、59…制御装置、61…冷媒ガス循環ライン、61A…第1の区間、61B…第2の区間、61C…第3の区間、63…液化冷媒用熱交換器、65…圧縮機、66…水冷部、68…冷媒ガス用熱交換器、69…膨張タービン、71…第1の熱交換ブロック、72…第2の熱交換ブロック、73…第3の熱交換ブロック、74…第4の熱交換ブロック、77〜79…分岐部、86…第1のバイパスライン、88…第2のバイパスライン
DESCRIPTION OF
Claims (8)
一端が前記タンクの下端と接続され、超電導ケーブルの一端を介して、前記液化冷媒を該超電導ケーブルに供給する液化冷媒供給ラインと、
前記液化冷媒供給ラインに設けられ、該液化冷媒供給ラインに前記液化冷媒を圧送循環させるポンプと、
冷媒ガスを循環させる冷媒ガス循環ライン、該冷媒ガス循環ラインに設けられ、前記冷媒ガスを圧縮する圧縮機、該圧縮機の後段に位置する前記冷媒ガス循環ラインに設けられ、前記冷媒ガスを断熱膨張させる膨張タービン、前記膨張タービンで断熱膨張させた前記冷媒ガスと前記液化冷媒供給ラインを流れる前記液化冷媒とを熱交換させることで、該液化冷媒をサブクール温度まで冷却する液化冷媒用熱交換器、及び該液化冷媒用熱交換器を通過した前記冷媒ガスと前記圧縮機で圧縮された前記冷媒ガスとを熱交換させる冷媒ガス用熱交換器を含む冷凍機と、
前記タンクと前記ポンプとの間に位置する前記液化冷媒供給ラインから分岐され、前記冷凍機と前記超電導ケーブルとの間に位置する前記液化冷媒供給ラインと接続された分岐ラインと、
前記分岐ラインに設けられた流量調節弁と、
前記超電導ケーブルから導出され、前記液化冷媒のうち、気化した気化冷媒を大気放出する排気ラインと、
前記排気ラインから分岐され、前記気化冷媒が流れる気化冷媒供給ラインと、
前記排気ラインに設けられ、前記超電導ケーブルから導出された前記気化冷媒の温度を検出する温度センサと、
前記温度センサが検出した温度が、所定の温度よりも高い場合に、前記排気ラインから前記気化冷媒を大気放出し、前記所定の温度よりも低い場合に、前記気化冷媒供給ラインに前記気化冷媒を供給させる制御装置と、
を有することを特徴とする超電導ケーブル冷却装置。 A tank in which liquefied refrigerant is stored;
One end is connected to the lower end of the tank, and via one end of the superconducting cable, the liquefied refrigerant supply line that supplies the liquefied refrigerant to the superconducting cable;
A pump provided in the liquefied refrigerant supply line, for pumping and circulating the liquefied refrigerant to the liquefied refrigerant supply line;
A refrigerant gas circulation line that circulates the refrigerant gas, a compressor that is provided in the refrigerant gas circulation line, compresses the refrigerant gas, and is provided in the refrigerant gas circulation line that is positioned downstream of the compressor, and insulates the refrigerant gas An expansion turbine for expansion, and a heat exchanger for liquefied refrigerant that cools the liquefied refrigerant to a subcooling temperature by exchanging heat between the refrigerant gas adiabatically expanded by the expansion turbine and the liquefied refrigerant flowing through the liquefied refrigerant supply line A refrigerator including a refrigerant gas heat exchanger that exchanges heat between the refrigerant gas that has passed through the liquefied refrigerant heat exchanger and the refrigerant gas compressed by the compressor;
A branch line branched from the liquefied refrigerant supply line located between the tank and the pump, and connected to the liquefied refrigerant supply line located between the refrigerator and the superconducting cable;
A flow control valve provided in the branch line;
An exhaust line that is derived from the superconducting cable and discharges the vaporized vaporized refrigerant out of the liquefied refrigerant, and
A vaporized refrigerant supply line branched from the exhaust line and through which the vaporized refrigerant flows;
A temperature sensor that is provided in the exhaust line and detects the temperature of the vaporized refrigerant derived from the superconducting cable;
When the temperature detected by the temperature sensor is higher than a predetermined temperature, the vaporized refrigerant is discharged from the exhaust line to the atmosphere, and when the temperature is lower than the predetermined temperature, the vaporized refrigerant is supplied to the vaporized refrigerant supply line. A control device to supply;
A superconducting cable cooling device characterized by comprising:
前記気化冷媒供給ラインは、前記冷媒ガス用熱交換器の前段において分岐され、前記冷媒ガス用熱交換器内に配置された前記冷媒ガス循環ラインと異なる位置で接続された複数の分岐部を有し、
前記制御装置は、前記温度センサが検出する温度に基づいて、前記複数の分岐部のうち、いずれか1つを介して、前記気化冷媒を供給することを特徴とする請求項1記載の超電導ケーブル冷却装置。 The vaporized refrigerant supply line arranged in the refrigerant gas heat exchanger extends in the same direction as the refrigerant gas circulation line arranged in the refrigerant gas heat exchanger,
The vaporized refrigerant supply line has a plurality of branch portions that are branched in a stage preceding the refrigerant gas heat exchanger and connected at different positions from the refrigerant gas circulation line disposed in the refrigerant gas heat exchanger. And
2. The superconducting cable according to claim 1, wherein the control device supplies the vaporized refrigerant through any one of the plurality of branch portions based on a temperature detected by the temperature sensor. Cooling system.
前記第1のバイパスラインに設けられたバルブと、
を有することを特徴とする請求項1ないし3のうち、いずれか1項記載の超電導ケーブル冷却装置。 Branched from the liquefied refrigerant supply line located between the pump and the liquefied refrigerant heat exchanger and connected to the liquefied refrigerant supply line located between the liquefied refrigerant heat exchanger and the superconducting cable. A first bypass line that bypasses the liquefied refrigerant heat exchanger;
A valve provided in the first bypass line;
The superconducting cable cooling device according to any one of claims 1 to 3, wherein the superconducting cable cooling device is provided.
前記冷凍機と前記超電導ケーブルとの間に位置する前記液化冷媒供給ラインと前記分岐ラインとの接続位置と、前記超電導ケーブルとの間に位置する前記液化冷媒供給ラインから分岐され、前記液化冷媒回収ラインと接続され、前記超電導ケーブルをバイパスする第2のバイパスラインと、
前記第2のバイパスラインに設けられたバルブと、
を有することを特徴とする請求項1ないし4のうち、いずれか1項記載の超電導ケーブル冷却装置。 The liquefied refrigerant that has passed through the superconducting cable at one end is led out, and the other end is disposed in the upper part of the tank, and a liquefied refrigerant recovery line is disposed.
Branching from the liquefied refrigerant supply line located between the connection position of the liquefied refrigerant supply line and the branch line located between the refrigerator and the superconducting cable, and the superconducting cable, and collecting the liquefied refrigerant A second bypass line connected to the line and bypassing the superconducting cable;
A valve provided in the second bypass line;
The superconducting cable cooling device according to any one of claims 1 to 4, wherein the superconducting cable cooling device is provided.
前記超電導ケーブルの予冷処理は、冷凍機を経由させることなく、タンク内の液化冷媒を超電導ケーブルに供給して、該超電導ケーブルを冷却するケーブル予冷工程と、
前記ケーブル予冷工程において、前記超電導ケーブルの冷却に寄与した前記液化冷媒が気化することで生成される気化冷媒の温度が所定の温度よりも低くなった際、前記冷凍機を構成する冷媒ガス用熱交換器内に配置された気化冷媒供給ラインに、前記気化冷媒を供給する気化冷媒供給工程と、
前記冷凍機内において、前記冷媒ガス用熱交換器を用いて、圧縮機により圧縮された冷媒ガスと、液化冷媒用熱交換器を通過し、低温とされた冷媒ガスとを熱交換させることで、前記圧縮された冷媒ガスを冷却する冷媒ガス冷却工程と、
膨張タービンにより、前記予冷された冷媒ガスを断熱膨張させる工程と、
前記液化冷媒用熱交換器を用いて、前記断熱膨張させた前記冷媒ガスとタンクから供給された液化冷媒とを熱交換させることで、前記液化冷媒をサブクール温度まで冷却する液化冷媒冷却工程と、
を含むことを特徴とする超電導ケーブルの冷却方法。 A method of cooling a superconducting cable including a precooling process of the superconducting cable,
The precooling process of the superconducting cable is a cable precooling step of cooling the superconducting cable by supplying the liquefied refrigerant in the tank to the superconducting cable without passing through a refrigerator.
In the cable pre-cooling step, when the temperature of the vaporized refrigerant generated by vaporizing the liquefied refrigerant that has contributed to the cooling of the superconducting cable becomes lower than a predetermined temperature, heat for the refrigerant gas constituting the refrigerator A vaporized refrigerant supply step of supplying the vaporized refrigerant to a vaporized refrigerant supply line disposed in the exchanger;
In the refrigerator, by using the refrigerant gas heat exchanger, heat exchange is performed between the refrigerant gas compressed by the compressor and the refrigerant gas that has passed through the liquefied refrigerant heat exchanger and is at a low temperature. A refrigerant gas cooling step for cooling the compressed refrigerant gas;
Adiabatic expansion of the precooled refrigerant gas by an expansion turbine;
Using the liquefied refrigerant heat exchanger, the liquefied refrigerant cooling step of cooling the liquefied refrigerant to a subcooling temperature by exchanging heat between the refrigerant gas expanded adiabatically and the liquefied refrigerant supplied from the tank;
A method for cooling a superconducting cable, comprising:
前記超電導ケーブルの本冷却処理は、ポンプにより、前記冷凍機を通過させた前記液化冷媒を前記超電導ケーブルに供給し、該超電導ケーブルを本冷却する本冷却工程と、
前記本冷却工程において、前記超電導ケーブルを通過した前記液化冷媒を前記タンク内に回収する液化冷媒回収工程と、
を含むことを特徴とする請求項6または7記載の超電導ケーブルの冷却方法。 Including the main cooling process of the superconducting cable performed after the precooling process of the superconducting cable,
The main cooling process of the superconducting cable is a main cooling step of supplying the liquefied refrigerant that has passed through the refrigerator by the pump to the superconducting cable, and cooling the superconducting cable.
In the main cooling step, a liquefied refrigerant recovery step of recovering the liquefied refrigerant that has passed through the superconducting cable in the tank;
The method of cooling a superconducting cable according to claim 6 or 7, characterized by comprising:
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