JP2016186983A - 超電導電力機器用冷却装置、及び超電導電力機器の冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、貯槽内の気相部の圧力が所定の圧力よりも上昇した際に、貯槽内の気相部から導出した冷媒ガスを有効利用した上で、貯槽内の圧力を所定の圧力に調整することが可能になるとともに、冷媒ガスに起因する酸欠や窒息等の安全面を改善することの可能な超電導電力機器用冷却装置、及び超電導電力機器の冷却方法を提供することを課題とする。【解決手段】一端が貯槽１１の気相部１５から冷媒ガスを導出可能な状態で貯槽１１の上端と接続され、ポンプ１７の前段に位置する液化冷媒供給ライン１６内に収容された熱交換部及び他端を有する冷媒ガス導出ライン６１を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、超電導電力機器用冷却装置、及び超電導電力機器の冷却方法に関する。

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、特に、高温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、侵入熱や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）に通電することによる発熱で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超電導電力機器用冷却装置は、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、冷媒を貯留する貯槽と、を含む構成とされている。

図５は、従来の超電導電力機器用冷却装置の概略構成を示す系統図である。図５では、超電導電力機器１１０の一例として、超電導ケーブルを図示する。
図５を参照するに、従来の超電導電力機器用冷却装置１００は、液化冷媒を貯留する貯槽１０１と、超電導電力機器１１０に液化冷媒を供給する液化冷媒供給ライン１０２と、液化冷媒を冷凍機１０５に送り出すポンプ１０３と、冷凍機１０５と、超電導電力機器１１０から導出された液化冷媒を回収する液化冷媒回収ライン１０６と、貯槽１０１の上端と接続された排気ライン１０８と、排気ライン１０８に設けられた開放弁１０９と、を有する。

上記構成とされた従来の超電導電力機器用冷却装置１００では、貯槽１０１内の液化冷媒は、冷凍機１０５によって直接冷却されている訳ではない。このため、貯槽１０１の外部からの侵入熱により、貯槽１０１内の液化冷媒の温度が上昇すると、液化冷媒が気化して、冷媒ガスが発生する。
これにより、貯槽１０１内の気相部１１２の圧力は、上記冷媒ガスによって徐々に上昇し、所定の圧力（安全な圧力）を超える場合があった。

特許文献１には、安全弁を介して、貯槽に相当する簡易なリザーバータンク内の余分な冷媒ガスを外部に放出する技術が開示されている。
特許文献１に開示された技術を用いることで、貯槽１０１内の気相部１１２の圧力を逃がすことは可能である。
しかしながら、超電導電力機器用冷却装置、或いは貯槽を設置する環境によっては、酸欠や窒息の安全面から冷媒ガスの放出が制限される場合がある。また、冷媒ガスを大気放出させること自体、冷媒の損失となることから、非効率的である。

これに対し、特許文献２には、貯槽の気相部に、冷凍機の低温部を引き込んで、気化した冷媒を、サブクール温度まで直接冷却し再液化する方法が開示されている。

特許第３６４８７３１号公報 国際公開第９９／６２１２７号

ところで、特許文献２に開示された方法を実施するためには、既設または既存の貯槽の内部を改造する必要がある。
しかしながら、現実的な貯槽としては、真空二重構造とされ、かつ大型低温貯槽であるコールドエバポレーター等を利用することが考えられ、特許文献２に開示された方法を実施するためには、コールドエバポレーターの内部を大きく改造する必要があるという問題があった。

そこで本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、貯槽内の気相部の圧力が所定の圧力よりも上昇した際に、貯槽内の気相部から導出した冷媒ガスを有効利用した上で、貯槽内の圧力を所定の圧力に調整することが可能になるとともに、冷媒ガスに起因する酸欠や窒息等の安全面を改善することの可能な超電導電力機器用冷却装置、及び超電導電力機器の冷却方法を提供することを課題とする。

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貯槽と、一端が前記貯槽の液相部と接続され、該貯槽内の前記液化冷媒を超電導電力機器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、前記液化冷媒を圧送循環させるポンプと、前記ポンプと前記超電導電力機器との間に位置する前記液化冷媒供給ラインの一部を収容し、該前記液化冷媒供給ラインの一部を流れる前記液化冷媒をサブクール温度まで冷却する冷凍機と、一端が前記貯槽の気相部から前記冷媒ガスを導出可能な状態で前記貯槽の上端と接続され、前記ポンプの前段に位置する前記液化冷媒供給ライン内に収容された熱交換部及び他端を有する冷媒ガス導出ラインと、を有することを特徴とする超電導電力機器用冷却装置が提供される。

また、請求項２に係る発明によれば、液化冷媒が貯留された貯槽と、一端が前記貯槽の液相部と接続され、該貯槽内の前記液化冷媒を超電導電力機器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、前記液化冷媒を圧送循環させるポンプと、前記ポンプと前記超電導電力機器との間に位置する前記液化冷媒供給ラインの一部を収容し、該前記液化冷媒供給ラインの一部を流れる前記液化冷媒をサブクール温度まで冷却する冷凍機と、一端が前記貯槽の気相部から前記冷媒ガスを導出可能な状態で前記貯槽の上端と接続され、一部が前記冷凍機内に配置され、他端が前記冷凍機と前記超電導電力機器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冷媒ガス導出ラインと、を有することを特徴とする超電導電力機器用冷却装置が提供される。

また、請求項３に係る発明によれば、液化冷媒が貯留された貯槽と、前記貯槽から供給された前記液化冷媒を貯留するリザーバータンクと、前記リザーバータンク内に貯留された前記液化冷媒を、超電導電力機器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、前記液化冷媒を圧送循環させるポンプと、前記ポンプと前記超電導電力機器との間に位置する前記液化冷媒供給ラインの一部を収容し、該前記液化冷媒供給ラインの一部を流れる前記液化冷媒をサブクール温度まで冷却する冷凍機と、一端が前記貯槽の気相部から前記冷媒ガスを導出可能な状態で前記貯槽の上端と接続され、前記リザーバータンク内の液相部に浸漬された熱交換部及び他端を有する冷媒ガス導出ラインと、を有することを特徴とする超電導電力機器用冷却装置が提供される。

また、請求項４に係る発明によれば、前記貯槽の気相部の圧力を検出する圧力計と、前記冷媒ガス導出ラインに設けられ、前記圧力計が検出した圧力値に応じて開閉量を調節可能な流量制御弁と、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項記載の超電導電力機器用冷却装置が提供される。

また、請求項５に係る発明によれば、前記冷媒ガス導出ラインに設けられた逆止弁を有し、前記逆止弁は、該逆止弁の入口側の圧力が高く、かつ前記入口側の圧力と前記逆止弁の出口側との圧力差が、予め設定した圧力差を超えたときに開き、前記予め設定した圧力差よりも小さいときに閉じ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項記載の超電導電力機器用冷却装置が提供される。

また、請求項６に係る発明によれば、前記気相部の圧力を検出する圧力計と、前記冷媒ガス導出ラインに設けられ、前記圧力計が検出する圧力値が所定の圧力値を超えたときに開かれる開閉弁と、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項記載の超電導電力機器用冷却装置が提供される。

また、請求項７に係る発明によれば、前記冷媒ガス導出ラインに設けられ、開度が固定された絞り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項記載の超電導電力機器用冷却装置が提供される。

また、請求項８に係る発明によれば、前記熱交換部は、コイル形状とされた管状部材であることを特徴とする請求項２ないし７のうち、いずれか1項記載の超電導電力機器用冷却装置が提供される。

また、請求項９に係る発明によれば、超電導電力機器と接続され、かつ一部が冷凍機を通過する液化冷媒供給ラインに、ポンプを介して、貯槽内に貯留された液化冷媒を供給する液化冷媒供給工程と、冷凍機を用いて、前記液化冷媒供給ラインの一部を通過する前記液化冷媒を、サブクール温度まで冷却し、前記超電導電力機器に供給することで、該超電導電力機器を冷却する超電導電力機器冷却工程と、前記貯槽の外部からの侵入熱により、前記貯槽の液相部を構成する前記液化冷媒が気化して冷媒ガスとなり、前記貯槽内の気相部の圧力が所定の圧力よりも高くなった際、前記気相部に溜まった前記冷媒ガスを前記貯槽から導出させる冷媒ガス導出工程と、前記貯槽から導出させた前記冷媒ガスを、前記冷凍機でサブクール温度まで冷却することで液化させ、前記ポンプの前段に位置する前記液化冷媒供給ラインに液化した前記冷媒ガスを供給することで、サブクール温度まで冷却され、かつ前記超電導電力機器を冷却する前記液化冷媒と合流させる工程と、を有することを特徴とする超電導電力機器の冷却方法が提供される。

また、請求項１０に係る発明によれば、超電導電力機器と接続され、かつ一部が冷凍機を通過する液化冷媒供給ラインに、ポンプを介して、貯槽内に貯留された液化冷媒を供給する液化冷媒供給工程と、冷凍機を用いて、前記液化冷媒供給ラインの一部を通過する前記液化冷媒を、サブクール温度まで冷却し、前記超電導電力機器に供給することで、該超電導電力機器を冷却する超電導電力機器冷却工程と、前記貯槽の外部からの侵入熱により、前記貯槽の液相部を構成する前記液化冷媒が気化して冷媒ガスとなり、前記貯槽内の気相部の圧力が所定の圧力よりも高くなった際、前記貯槽の上端と接続された冷媒ガス導出ラインを介して、前記気相部に溜まった前記冷媒ガスを前記貯槽から導出させる冷媒ガス導出工程と、前記冷媒ガス導出工程後、前記ポンプの前段に位置する前記液化冷媒供給ライン内に収容され、かつ前記冷媒ガス導出ラインを構成する熱交換部に前記冷媒ガスを供給し、前記液化冷媒供給ライン内を流れる前記液化冷媒と、前記熱交換部内を流れる前記冷媒ガスと、を熱交換させることで、前記冷媒ガスを冷却し、冷却した前記冷媒ガスを、前記冷凍機の前段に位置する前記液化冷媒供給ライン内を流れる前記液化冷媒と合流させる合流工程と、前記合流工程後、前記冷凍機を用いて、前記液化冷媒とともに、前記冷媒ガスを液化させた後、前記超電導電力機器を冷却する工程と、を有することを特徴とする超電導電力機器の冷却方法が提供される。

また、請求項１１に係る発明によれば、貯槽内に貯留された液化冷媒をリザーバータンク内に供給する第１の液化冷媒供給工程と、超電導電力機器と接続され、かつ一部が冷凍機を通過する液化冷媒供給ラインに、ポンプを用いて、前記リザーバータンク内に貯留された前記液化冷媒を供給する第２の液化冷媒供給工程と、冷凍機を用いて、前記液化冷媒供給ラインの一部を通過する前記液化冷媒を、サブクール温度まで冷却し、前記超電導電力機器に供給することで、該超電導電力機器を冷却する超電導電力機器冷却工程と、前記貯槽の外部からの侵入熱により、前記貯槽の液相部を構成する前記液化冷媒が気化して冷媒ガスとなり、前記貯槽内の気相部の圧力が所定の圧力よりも高くなった際、前記貯槽の上端と接続された冷媒ガス導出ラインを介して、前記気相部に溜まった前記冷媒ガスを前記貯槽から導出させる冷媒ガス導出工程と、前記冷媒ガス導出工程後、前記リザーバータンク内の液相部に浸漬され、かつ前記冷媒ガス導出ラインを構成する熱交換部に前記冷媒ガスを供給し、前記リザーバータンク内の液相部を構成する前記液化冷媒と、前記熱交換部内を流れる前記冷媒ガスと、を熱交換させることで、前記冷媒ガスを冷却させ、冷却した前記冷媒ガスを、前記リザーバータンク内の前記液化冷媒と合流させる合流工程と、を有することを特徴とする超電導電力機器の冷却方法が提供される。

また、請求項１２に係る発明によれば、前記冷媒ガス導出工程では、前記貯槽の気相部の圧力値に応じて開閉量を調節可能な流量制御弁を介して、前記貯槽の気相部から前記冷媒ガスを導出させることを特徴とする請求項９ないし１１のうち、いずれか１項記載の超電導電力機器の冷却方法が提供される。

また、請求項１３に係る発明によれば、前記冷媒ガス導出工程では、逆止弁を用いて、前記貯槽の気相部から前記冷媒ガスの導出を行い、前記逆止弁の入口側の圧力が高く、かつ前記入口側の圧力と前記逆止弁の出口側との圧力差が、予め設定した圧力差を超えたときに前記逆止弁を開き、前記予め設定した圧力差よりも小さいときに前記逆止弁を閉じることを特徴とする請求項９ないし１１のうち、いずれか１項記載の超電導電力機器の冷却方法が提供される。

また、請求項１４に係る発明によれば、前記冷媒ガス導出工程では、開閉弁を用いて、前記貯槽の気相部から前記冷媒ガスの導出を行い、前記気相部の圧力値が所定の圧力値を超えた際、前記開閉弁を開くことを特徴とする請求項９ないし１１のうち、いずれか１項記載の超電導電力機器の冷却方法が提供される。

また、請求項１５に係る発明によれば、前記冷媒ガス導出工程では、開度が固定された絞りを介して、前記貯槽の気相部から前記冷媒ガスを導出させることを特徴とする請求項９ないし１１のうち、いずれか１項記載の超電導電力機器の冷却方法が提供される。

本発明によれば、貯槽内の気相部の圧力が所定の圧力よりも上昇した際に、貯槽内の気相部から導出した冷媒ガスを有効利用した上で、貯槽内の圧力を所定の圧力に調整できるとともに、冷媒ガスに起因する酸欠や窒息等の安全面を改善することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る超電導電力機器用冷却装置の概略構成を示す系統図である。 本発明の第２の実施の形態に係る超電導電力機器用冷却装置の概略構成を示す系統図である。 図２に示す領域Ｆで囲まれた部分を拡大した図である。 本発明の第３の実施の形態に係る超電導電力機器用冷却装置の概略構成を示す系統図である。 従来の超電導電力機器用冷却装置の概略構成を示す系統図である。

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、実際の超電導電力機器用冷却装置の寸法関係とは異なる場合がある。

（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電力機器用冷却装置の概略構成を示す系統図である。なお、図１では、超電導電力機器の一例として、超電導ケーブル２１を図示して、以下の説明を行う。

図１を参照するに、第１の実施の形態の超電導電力機器用冷却装置１０は、貯槽１１と、液化冷媒供給ライン１６と、ポンプ１７と、第１の超電導ケーブルターミナル１９と、第２の超電導ケーブルターミナル２３と、液化冷媒回収ライン２５と、超電導ケーブル２１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２７と、圧力調整用ライン３１と、圧力計３２，３７と、開放弁３４と、冷媒ガス導出ライン３６と、制御装置３８と、流量制御弁３９と、を有する。

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。

貯槽１１は、液化冷媒１２を貯留するためのタンクである。貯槽１１内は、液化冷媒１２よりなる液相部１３と、液化冷媒１２が気化することで発生する冷媒ガス（以下、「冷媒ガスＡ」という）を含む気相部１５と、が形成されている。
貯槽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１２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。

貯槽１１としては、例えば、大型低温貯槽であるコールドエバポレーターを用いることができる。上記コールドエバポレーターとしては、例えば、貯蔵容積が２〜１００ｍ^３、高さが３〜１６ｍ、外径が１．５〜３．５ｍのものを用いることができる。
このように、貯槽１１は、非常に大きなタンクであるため、外部からの侵入熱により、液化冷媒１２が気化すると、非常に多くの量の冷媒ガスＡが発生する。

液化冷媒１２としては、超電導ケーブル２１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が、その他、液化酸素、液化アルゴン、液化空気、及び窒素よりも高沸点物質を冷媒として用いてもよい。

液化冷媒供給ライン１６は、貯槽１１内の液化冷媒１２を導出可能な状態で、一端が貯槽１１の下端と接続されている。
液化冷媒供給ライン１６の他端は、第１の超電導ケーブルターミナル１９と接続されている。液化冷媒供給ライン１６は、第１の超電導ケーブルターミナル１９を介して、超電導ケーブル２１の一端と接続されている。
液化冷媒供給ライン１６は、冷凍機２７を構成する液化冷媒用熱交換器４３内に収容される区間１６Ａ（ポンプ１７と第１の超電導ケーブルターミナル１９との間に位置する液化冷媒供給ライン１６の一部）を有する。液化冷媒供給ライン１６のうち、貯槽１１の近傍に位置する部分には、液化冷媒回収ライン２５の他端が接続されている。

ポンプ１７は、液化冷媒回収ライン２５と液化冷媒供給ライン１６との接続位置と、冷凍機２７と、の間に位置する液化冷媒供給ライン１６に設けられている。ポンプ１７は、液化冷媒供給ライン１６内に液化冷媒１２を圧送循環させる。
液化冷媒１２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。

第１の超電導ケーブルターミナル１９は、超電導ケーブル２１の一端に設けられている。超電導ケーブル２１の一端には、液化冷媒供給ライン１６及び第１の超電導ケーブルターミナル１９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２３は、超電導ケーブル２１の他端に設けられている。超電導ケーブル２１が十分に冷却されているときには、第２の超電導ケーブルターミナル２３を介して、超電導ケーブル２１から液化冷媒１２が導出される。
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１９，２３、並びに超電導ケーブル２１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。

液化冷媒回収ライン２５は、一端が第２の超電導ケーブルターミナル２３と接続されている。液化冷媒回収ライン２５の一端には、超電導ケーブル２１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２５は、回収した液化冷媒１２を液化冷媒供給ライン１６に戻す機能を有する。

冷凍機２７は、冷媒ガス循環ライン４１と、液化冷媒用熱交換器４３と、圧縮機４５と、水冷部４６と、冷媒ガス用熱交換器４９と、膨張タービン５１と、を有する。
なお、圧縮機４５及び水冷部４６を除く、冷凍機２７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。

冷媒ガス循環ライン４１は、ループ状とされたラインである。冷媒ガス循環ライン４１は、冷凍機２７内で冷媒ガス（以下、「冷媒ガスＢ」という）を循環させるためのラインである。冷媒ガスＢは、貯槽１１内で気化した液化冷媒１２である冷媒ガスＡとは異なる冷媒ガスである。

冷媒ガス循環ライン４１は、第１ないし第３の区間４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃを有する。第１の区間４１Ａは、液化冷媒用熱交換器４３内に配置されている。第１の区間４１Ａには、膨張タービン５１で断熱膨張された冷媒ガスＢが供給される。
第２及び第３の区間４１Ｂ，４１Ｃは、冷媒ガス用熱交換器４９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４１Ｂには、液化冷媒用熱交換器４３を通過した冷媒ガスＢが供給される。第３の区間４１Ｃには、圧縮機４５で圧縮され、その後、水冷部４６で冷却された冷媒ガスＢが供給される。

冷媒ガスＢとしては、貯槽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とよい。
液化冷媒１２として液化窒素を用いる場合、冷媒ガスＢ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等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、冷媒ガスＢとして、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用いることで、音速が小さくなり、圧縮機４５や膨張タービン５１の回転数を低く抑えることが可能となる。また、設計が容易になるとともに、冷凍機２７の稼働信頼性を向上させることができる。

液化冷媒用熱交換器４３は、区間１６Ａと第１の区間４１Ａ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４３は、区間１６Ａを流れる液化冷媒１２と、第１の区間４１Ａを流れ、膨張タービン５１で断熱膨張により冷却させられた冷媒ガスＢ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１９を介して、超電導ケーブル２１に導入されることで、超電導ケーブル２１を冷却し、その後、超電導ケーブル２１から導出される。
一方、液化冷媒１２の冷却に寄与した冷媒ガスＢは、第２の区間４１Ｂに移動し、第２の区間４１Ｂを介して、圧縮機４５に供給される。
液化冷媒用熱交換器４３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。

圧縮機４５は、第２の区間４１Ｂと第３の区間４１Ｃとの間に位置する冷媒ガス循環ライン４１に設けられている。
圧縮機４５では、冷媒ガスＢを圧縮することで、高温及び高圧とされた冷媒ガスＢを生成する。圧縮機４５により生成された高温及び高圧の冷媒ガスＢは、冷媒ガス循環ライン４１を介して、水冷部４６に供給される。

なお、図１では、１つの圧縮機４５のみを設けた場合を例に挙げて図示したが、第２の区間４１Ｂと第３の区間４１Ｃとの間に位置する冷媒ガス循環ライン４１に、複数の圧縮機４５を設けてもよい。このように、複数の圧縮機４５を設けることで、より高圧の冷媒ガスＢを生成することができる。

水冷部４６は、圧縮機４５と第３の区間４１Ｃとの間に位置する冷媒ガス循環ライン４１に設けられている。水冷部４６は、高温及び高圧とされた冷媒ガスＢの温度を大気温度近くまで冷却する。水冷部４６により冷却された冷媒ガスＢは、第３の区間４１Ｃに供給される。水冷部４６としては、例えば、水冷式クーラーを用いることができる。

冷媒ガス用熱交換器４９は、第２の区間４１Ｂを流れ、液化冷媒用熱交換器４３を通過した冷媒ガスＢと、第３の区間４１Ｃを流れ、圧縮機４５及び水冷部４６を通過した冷媒ガスＢと、を熱交換させる。
冷媒ガス用熱交換器４９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。

膨張タービン５１は、液化冷媒用熱交換器４３と冷媒ガス用熱交換器４９との間に位置する冷媒ガス循環ライン４１に設けられている。膨張タービン５１は、冷媒ガスＢを断熱膨張させることで、液化冷媒供給ライン１６中の液化冷媒１２をサブクールにできる温度まで冷却させる。
なお、膨張タービン５１と圧縮機４５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５１で発生した動力を圧縮機４５の駆動に利用することが可能となるので、冷凍機２７の小型化並びに動力の省力化を図ることができる。

圧力調整用ライン３１は、一端が貯槽１１の上端と接続されている。圧力調整用ライン３１は、貯槽１１内の気相部１５を構成する冷媒ガスＡの一部をタンク１１外に逃がすことで、気相部１５の圧力を所定の圧力に調整するためのラインである。
圧力計３２は、気相部１５の圧力を検出可能な状態で圧力調整用ライン３１に設けられている。圧力計３２は、制御装置３８と電気的に接続されており、検出した圧力値に関するデータを制御装置３８に送信する。

開放弁３４は、貯槽１１の外側に位置する圧力調整用ライン３１に設けられている。開放弁３４は、圧力計３２と電気的に接続されており、圧力計３２が測定する圧力に応じて、貯槽１１内の圧力が所定の圧力（安全な圧力）となるように開閉する。
開放弁３４は、制御装置３８と電気的に接続されている。開放弁３４は、制御装置３８により開閉動作の制御が可能な構成とされている。

冷媒ガス導出ライン３６は、一端が貯槽１１内の気相部１５に存在する冷媒ガスＡを導出可能な状態で、貯槽１１の上端と接続されている。また、冷媒ガス導出ライン３６は、他端がポンプ１７と貯槽１１の近傍に位置する部分との間に位置する液化冷媒供給ライン１６と接続されている。

冷媒ガス導出ライン３６は、液化冷媒用熱交換器４３内に収容される区間３６Ａ（冷媒ガス導出ライン３６の一部）を有する。区間３６Ａは、液化冷媒用熱交換器４３内において、区間１６Ａと第１の区間４１Ａとの間に配置されている。
なお、図１では、一例として、区間１６Ａと第１の区間４１Ａとの間に、区間３６Ａを配置させた場合を例に挙げて説明したが、区間３６Ａは、区間１６Ａ及び第１の区間４１Ａのうち、少なくとも一方と隣り合うように配置されていればよく、図１に示す配置例に限定されない。
区間３６Ａは、区間１６Ａ及び第１の区間４１Ａと同じ方向に延在するように配置されている。
このため、区間３６Ａを流れる冷媒ガスＡは、第１の区間４１Ａ内を流れる冷媒ガスＢとの熱交換により、サブクール温度まで冷却され、液化冷媒（液化した冷媒ガスＡ）となる。その後、液化冷媒（液化した冷媒ガスＡ）は、ポンプ１７の前段に位置する液化冷媒供給ライン１６内に導入されることで、超電導ケーブル２１の冷却に利用される。

上記構成とされた冷媒ガス導出ライン３６を有することで、外部からの侵入熱により、貯槽１１内の液化冷媒１２が気化して冷媒ガスＡが発生し、貯槽１１内の気相部１５の圧力が所定の圧力よりも上昇した際、圧力調整用ライン３１を介して、貯槽１１の外部に冷媒ガスＡを導出するのではなく、液化冷媒供給ライン１６と接続された冷媒ガス導出ライン３６に導出させることが可能となる。
これにより、貯槽１１内の圧力を所定の圧力に調整することができるとともに、冷媒ガスＡに起因する酸欠や窒息等の安全面を改善することができる。

また、冷凍機２７内において、貯槽１１内の気相部１５から抜き出した冷媒ガスＡと、第１の区間４１Ａを流れる冷媒ガスＢと、を熱交換させて、冷媒ガスＡをサブクール温度まで冷却して液化冷媒とし、ポンプ１７と貯槽１１との間に位置する液化冷媒供給ライン１６のうち、ポンプ１７の近傍に位置する部分に該液化冷媒を導入させることで、該液化冷媒で超電導ケーブル２１を冷却することができる。つまり、従来、大気放出させていた液化冷媒Ａを有効利用することができる。

圧力計３７は、気相部１５の圧力を検出可能な状態で、冷媒ガス導出ライン３６に設けられている。圧力計３７は、冷媒ガス導出ライン３６を介して、貯槽１１内の気相部１５の圧力を検出する。
圧力計３７は、制御装置３８と電気的に接続されている。圧力計３７は、連続的に気相部１５の圧力値を検出し、制御装置３８に検出した圧力値に関するデータを連側的に送信する。

制御装置３８は、開放弁３４、圧力計３７、及び流量制御弁３９等を含む超電導電力機器用冷却装置１０の構成要素と電気的に接続されている。制御装置３８は、超電導電力機器用冷却装置１０の制御全般を行う。
制御装置３８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、超電導電力機器用冷却装置１０の制御全般を行うためのプログラム、流量制御弁３９の開閉量と気相部１５の圧力値との関係に関する予め取得したデータ（以下、「データＣ」という）や、開放弁３４を開く際の閾値となる圧力値（以下、「圧力値Ｄ」という）等が格納されている。

制御装置３８は、圧力計３７が検出する気相部１５の実際の圧力値、データＣ、及び圧力値Ｄに基づいて、流量制御弁３９の開閉量を調節する。
貯槽１１の貯蔵容積や液化冷媒１２の循環時の圧力（ポンプ１７の吐出圧力）にもよるが、気相部１５の所定の圧力が０．０〜０．８ＭＰａＧの範囲内の場合、圧力値Ｄは、例えば、０．０〜１．０ＭＰａＧの範囲内で設定できる。この場合、流量制御弁３９が閉状態から開状態となるときの圧力値（以下、「圧力値Ｅ」という）は、例えば、０．２ＭＰａＧ以上とすることができる。

流量制御弁３９は、制御装置３８によって開閉量を制御され、気相部１５の圧力が所定の圧力（安全な圧力）となるように、貯槽１１の気相部１５から導出させる冷媒ガスＡの流量を調節する。

上記説明した圧力計３７及び流量制御弁３９を有することにより、貯槽１１の外部からの侵入熱によって、液化冷媒１２が気化することで発生する冷媒ガスＡにより、貯槽１１内の気相部１５の圧力が上昇して、気相部１５の実際の圧力値が圧力値Ｅ以上になった際、気相部１５の圧力が所定の圧力（安全な圧力）となるように、気相部１５から導出させる冷媒ガスＡの流量を調節することができる。これにより、気相部１５の圧力が所定の圧力となるように、容易に調整を行うことができる。

第１の実施の形態の超電導電力機器用冷却装置によれば、冷媒ガス導出ライン３６を有することで、外部からの侵入熱により、貯槽１１内の液化冷媒１２が気化して冷媒ガスＡとなり、貯槽１１内の気相部１５の圧力が所定の圧力よりも上昇した際、液化冷媒供給ライン１６と接続された冷媒ガス導出ライン３６に冷媒ガスＡを導出させることが可能となる。これにより、貯槽１１内の圧力を所定の圧力（安全な圧力）に調整することができるとともに、冷媒ガスＡに起因する酸欠や窒息等の安全面を改善することができる。

また、冷凍機２７内において、貯槽１１内の気相部１５から抜き出した冷媒ガスＡと、第１の区間４１Ａを流れる冷媒ガスＢと、を熱交換させて、冷媒ガスＡをサブクール温度まで冷却された液化冷媒とし、ポンプ１７と貯槽１１との間に位置する液化冷媒供給ライン１６のうち、ポンプ１７の近傍に位置する部分に該液化冷媒に供給することで、従来、大気放出させていた冷媒ガスＡを有効利用することができる。

なお、第１の実施の形態では、図１において、超電導電力機器の一例として、超電導ケーブル２１を図示して説明したが、第１の実施の形態の超電導電力機器用冷却装置１０は、超電導ケーブル２１以外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にも適用可能であり、この場合、第１の実施の形態と同様な効果を得ることができる。

また、上述した第１の実施の形態の超電導電力機器用冷却装置１０では、制御装置３８を用いて、流量制御弁３９を制御する場合を例に挙げて説明したが、例えば、圧力計３７が検出する圧力値に基づいて、作業者が手動で流量制御弁３９の開閉量を調節してもよい。
また、図１では、一例として、冷媒ガス導出ライン３６に流量制御弁３９を設けた場合を例に挙げて説明したが、これに替えて、冷媒ガス導出ライン３６に逆止弁（図示せず）を設けてもよい。

逆止弁（図示せず）としては、例えば、貯槽１１の気相部１５の圧力が、逆止弁（図示せず）の後段に位置する冷媒ガス導出ライン３６内の圧力よりも高くなり、予め設定した圧力差（例えば、０．０５ＭＰａ）を超えた際に、逆止弁の後段に位置する冷媒ガス導出ライン３６に冷媒ガスＡを流すことの可能なものを用いるとよい。
上記逆止弁（図示せず）としては、例えば、リフト式逆止弁、スプリングディスク式逆止弁等を用いることができる。
上記構成とされた逆止弁（図示せず）を冷媒ガス導出ライン３６に設けることで、逆止弁の前段及び後段の圧力差のみで、貯槽１１内の気相部１５からの冷媒ガスＡの導出を制御することができる。

また、図１に示す冷媒ガス導出ライン３６に流量制御弁３９に替えて、圧力計３７の後段に位置する冷媒ガス導出ライン３６に、圧力計３７が検出する圧力値が所定の圧力値（例えば、０．２ＭＰａＧ）を超えた際、開かれる開閉弁（図示せず）を設けてもよい。
この場合、気相部１５の圧力が所定の圧力値を超えた際に、貯槽１１の気相部１５から冷媒ガスＡを導出させることができる。

例えば、貯槽１１に対する外部からの侵入熱が略一定の場合には、気相部１５の圧力上昇も略一定となる。このような場合には、図１に示す圧力計３７及流量制御弁３９に替えて、冷媒ガス導出ライン３６に開度が固定された絞り（図示せず）を設けてもよい。絞りとしては、例えば、オリフィスやキャピラリー管等を用いることができる。
このように、冷媒ガス導出ライン３６に開度が固定された絞り（図示せず）を設けることで、気相部１５から一定量の冷媒ガスＡを導出させることができる。
例えば、流量が１ｇ／ｓｅｃの冷媒ガスＡを導出させる場合、その質量流量分の冷媒ガスＡを流すことができる絞り、オリフィスの開口径やキャピラリーの長さや管径（図示せず）を選択することが可能である。

次に、図１に示す超電導電力機器用冷却装置１０を用いた第１の実施の形態の超電導電力機器の冷却方法について説明する。なお、ここでも超電導電力機器の一例として、超電導ケーブル２１を例に挙げて説明する。

初めに、ポンプ１７を用いて、超電導ケーブル２１と接続され、かつ区間１６Ａ（一部）が液化冷媒用熱交換器４３（冷凍機２７の構成要素の一部）を通過する液化冷媒供給ライン１６に、貯槽１１内に貯留された液化冷媒１２を供給する（液化冷媒供給工程）。

次いで、冷凍機２７を用いて、液化冷媒供給ライン１６の区間１６Ａを通過する液化冷媒１２を、サブクール温度まで冷却し、超電導ケーブル２１に供給することで、超電導ケーブル２１を冷却する（超電導電力機器冷却工程）。
具体的には、超電導電力機器冷却工程では、以下の処理を行う。
初めに、冷凍機２７を起動し、圧縮機４５により冷媒ガスＢを断熱圧縮する。高圧側の冷媒ガスＢの圧力は、例えば、１〜２ＭＰａ程度とすることができる。圧縮され高温になった冷媒ガスＢは、水冷部４６により、常温まで冷却され、冷媒ガス用熱交換器４９を通過する。

そして、冷媒ガス用熱交換器４９では、圧縮機４５により圧縮され、第３の区間４１Ｃを流れる冷媒ガスＢと、液化冷媒用熱交換器４３を通過し、第２の区間４１Ｂを流れる低温とされた冷媒ガスＢと、を熱交換させることで、第３の区間４１Ｃを流れる冷媒ガスＢを冷却する。冷却された冷媒ガスＢは、膨張タービン５１を介して、さらに冷却され、第１の区間４１Ａに供給される。

次いで、液化冷媒用熱交換器４３において、第１の区間４１Ａを流れ、膨張タービン５１によりさらに冷却された冷媒ガスＢと、区間１６Ａを流れる液化冷媒１２と、を熱交換させることで、液化冷媒１２をさらに低温のサブクール温度まで冷却する。
さらに低温のサブクール温度まで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１９を介して、超電導ケーブル２１内に導入され、超電導ケーブル２１を冷却する。
そして、超電導ケーブル２１の冷却に寄与した液化冷媒１２は、超電導ケーブル２１から導出された後、液化冷媒回収ライン２５を介して、液化冷媒供給ライン１６に戻される。

上述した超電導ケーブル２１の冷却処理を行う中で、外部の侵入熱により貯槽１１内の液化冷媒１２が気化することで発生する冷媒ガスＡによって、貯槽１１の気相部１５の圧力が所定の圧力（安全な圧力）を超えた際、貯槽１１の気相部１５の圧力に応じて、流量制御弁３９の開度が調節され、気相部１５に溜まった冷媒ガスＡの一部が冷媒ガス導出ライン３６に導出される（冷媒ガス導出工程）。
冷媒ガス導出ライン３６から導出された冷媒ガスＡは、流量制御弁３９を介して、流量制御弁３９の下流側に位置する冷媒ガス導出ライン３６（区間３６Ａも含む）に供給される。

そして、区間３６Ａを流れる冷媒ガスＡは、第１の区間４１Ａを流れ、かつ液化冷媒１２をサブクールとすることができる温度とされた冷媒ガスＢと熱交換することで、液化しサブクール温度まで冷却される。
その後、液化冷媒供給ライン１６に液化冷媒（液化した冷媒ガスＡ）を供給することで、液化冷媒供給ライン１６を流れる液化冷媒１２と同等の温度まで冷却され、超電導ケーブル２１を冷却する液化冷媒１２と液化冷媒（液化した冷媒ガスＡ）とを合流させる。

液化冷媒供給ライン１６に供給された液化冷媒（サブクール温度まで冷却された冷媒ガスＡ）は、液化冷媒供給ライン１６を流れ、かつ液化冷媒用熱交換器４３によりさらに低温のサブクール温度まで冷却された液化冷媒１２とともに、超電導ケーブル２１を冷却する。
その後、超電導ケーブル２１の冷却に寄与した液化冷媒（サブクール温度まで冷却された冷媒ガスＡ）は、液化冷媒１２とともに、液化冷媒回収ライン２５に回収され、再利用される。

第１の実施の形態の超電導電力機器の冷却方法によれば、貯槽１１の外部からの侵入熱により、貯槽１１の液相部１３を構成する液化冷媒１２が気化して冷媒ガスＡが発生し、貯槽１１内の気相部１５の圧力が所定の圧力よりも高くなった際、冷媒ガス導出ライン３６を介して、気相部１５に溜まった冷媒ガスＡを貯槽１１から導出させ、その後、サブクール温度まで冷却した冷媒ガスＡを、ポンプ１７の前段に位置する液化冷媒供給ライン１６に供給することで、従来、大気放出させていた冷媒ガスＡを有効利用（具体的には、液化させて超電導ケーブル２１の冷却に利用）した上で、貯槽１１内の圧力を所定の圧力（安全な圧力）に調整できるとともに、冷媒ガスＡに起因する酸欠や窒息等の安全面を改善することができる。

なお、第１の実施の形態の超電導電力機器の冷却方法では、一例として、流量制御弁３９を用いた場合を例に挙げて説明したが、「逆止弁」、「開閉弁」、及び「絞り」を用いた場合、冷媒ガスＡの流量の調整方法が異なること以外は、上述した第１の実施の形態の超電導電力機器の冷却方法と同様な手法により行うことができる。

例えば、流量制御弁３９に替えて、逆止弁（図示せず）を用いる場合、冷媒ガス導出工程では、逆止弁（図示せず）の入口側の圧力が高く、かつ入口側の圧力と該逆止弁の出口側との圧力差が、予め設定した圧力差（例えば、０．０５ＭＰａ）を超えたときに逆止弁を開き、予め設定した圧力差よりも小さいときに逆止弁を閉じる処理を行うことで、冷媒ガスＡの供給及び停止を制御する。

また、流量制御弁３９に替えて、開閉弁（図示せず）を用いる場合、冷媒ガス導出工程では、貯槽１１内の気相部１５の圧力値が所定の圧力値（例えば、０．２ＭＰａＧ）を超えた際、開閉弁（図示せず）を開くことで、該開閉弁の下流側に冷媒ガスＡを供給する。

また、流量制御弁３９に替えて、絞り（図示せず）を用いる場合、冷媒ガス導出工程では、開度が固定された絞り（図示せず）を介して、貯槽１１の気相部１５から冷媒ガスＡを一定量導出させる。例えば、流量が１ｇ／ｓｅｃの冷媒ガスＡを導出させる場合、その質量流量分の冷媒ガスＡを流すことができる絞り、オリフィスの開口径やキャピラリーの長さや管径（図示せず）を選択することが可能である。

（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電力機器用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電力機器用冷却装置１０と同一構成部分には、同一符号を付す。
図３は、図２に示す領域Ｆで囲まれた部分を拡大した図である。図３において、図２に示す構成と同一構成部分には、同一の符号を付す。

図２及び図３を参照するに、第２の実施の形態の超電導電力機器用冷却装置６０は、第１の実施の形態の超電導電力機器用冷却装置１０を構成する冷媒ガス導出ライン３６に替えて、冷媒ガス導出ライン６１を有すること以外は、超電導電力機器用冷却装置１０と同様に構成される。

冷媒ガス導出ライン６１は、一端６１Ａが貯槽１１の気相部１５から冷媒ガスＡを導出可能な状態で貯槽１１の上端と接続されている。冷媒ガス導出ライン６１は、外部の侵入熱により、液化冷媒１２が気化して貯槽１１内の気相部１５の圧力が上昇した際、気相部１５から液化冷媒Ａを抜き出すためのラインである。
冷媒ガス導出ライン６１は、ポンプ１７の前段に位置する液化冷媒供給ライン１６を貫通しており、一部が液化冷媒供給ライン１６内に配置されている。冷媒ガス導出ライン６１の一部を収容する液化冷媒供給ライン１６内は、貯槽１１の下端から導出された液化冷媒１２で充填されている。

冷媒ガス導出ライン６１は、液化冷媒供給ライン１６内に配置された熱交換部６３及び他端６１Ｂを有する。熱交換部６３は、貯槽１１内から導出され、液化冷媒供給ライン１６内に充填された液化冷媒１２と、熱交換部６３を流れる冷媒ガスＡと、を熱交換させることで、冷媒ガスＡを冷却する。

このため、熱交換部６３の形状は、液化冷媒供給ライン１６内に充填された液化冷媒１２との接触面積を多くして、効率良く熱交換させる観点から、例えば、コイル形状にすることができる。
このように、熱交換部６３の形状をコイル形状とすることで、熱交換部６３内を流れる冷媒ガスＡを短時間で効率良く冷却することができる。

なお、図３では、熱交換部６３の形状の一例として、円形のコイル形状を例に挙げて図示したが、熱交換部６３の形状は、これに限定されない。熱交換部６３の形状は、効率良く熱交換を行うことが可能な形状であればよく、例えば、四角形のコイル形状、楕円形のコイル形状、或いは、螺旋形状でもよい。

熱交換部６３内において、冷却された冷媒ガスＡは、冷媒ガス導出ライン６１の他端６１Ｂを介して、液化冷媒１２で充填された液化冷媒供給ライン１６内に導出され、貯槽１１内から導出された液化冷媒１２とともに、液化冷媒用熱交換器４３によりさらに低温のサブクール温度まで冷却され、液化冷媒１２とともに超電導ケーブル２１を冷却する。

第２の実施の形態に係る超電導電力機器用冷却装置６０によれば、一端が貯槽１１の気相部１５から冷媒ガスＡを導出可能な状態で貯槽１１と接続され、ポンプ１７の前段に位置する液化冷媒供給ライン１６内に配置された熱交換部６３及び他端６１Ｂを含む冷媒ガス導出ライン６１を有することで、ポンプ１７の前段において、液化冷媒供給ライン１６内を流れる液化冷媒１２と、貯槽１１の気相部１５から導出させた冷媒ガスＡと、を熱交換させることで冷却した冷媒ガスＡを、液化冷媒供給ライン１６内を流れる液化冷媒１２と合流させ、サブクール温度まで冷却後に、液化冷媒１２とともに超電導ケーブル２１に導入して、超電導ケーブル２１を冷却することが可能となる。
これにより、従来、大気放出させていた冷媒ガスＡを有効利用（超電導ケーブル２１の冷却に利用）した上で、貯槽１１内の圧力を所定の圧力（安全な圧力）に調整できるとともに、冷媒ガスＡに起因する酸欠や窒息等の安全面を改善することができる。

なお、図２では、一例として、冷媒ガス導出ライン６１に流量制御弁３９を設けた場合を例に挙げて説明したが、流量制御弁３９に替えて、第１の実施の形態で説明した図示していない逆止弁、開閉弁、絞り等を用いてもよい。
また、第２の実施の形態で説明した冷媒ガス導出ライン６１と、第１の実施の形態で説明した冷媒ガス導出ライン３６とを組み合わせて構成してもよい。

次いで、図２及び図３を参照して、第２の実施の形態の超電導電力機器の冷却方法について説明する。なお、ここでも超電導電力機器の一例として、超電導ケーブル２１を例に挙げて説明する。

第２の実施の形態の超電導電力機器の冷却方法は、冷媒ガス導出工程において、貯槽１１内の気相部１５の圧力が所定の圧力よりも高くなった際、冷媒ガス導出ライン６１を用いて、気相部１５の冷媒ガスＡを導出させることと、冷媒ガス導出工程後に行う工程が異なること以外は、第１の実施の形態の超電導電力機器の冷却方法と同様な手法により行うことができる。

第２の実施の形態では、冷媒ガス導出工程後、ポンプ１７の前段に位置する液化冷媒供給ライン１６内に収容された熱交換部６３（冷媒ガス導出ライン６１の一部）に、貯槽１１の気相部１５から導出させた冷媒ガスＡを供給する。
次いで、液化冷媒供給ライン１６内を流れる液化冷媒１２と、熱交換部６３内を流れる冷媒ガスＡと、を熱交換させることで、冷媒ガスＡを冷却して、液化させる。
次いで、冷却した冷媒ガスＡを、冷凍機２７の前段に位置する液化冷媒供給ライン１６内を流れる液化冷媒１２と合流させる（合流工程）。

液化冷媒１２と合流した冷媒ガスＡは、液化冷媒１２とともに区間１６Ａに供給され、液化冷媒１２とともに、第１の区間４１Ａを流れ、かつ液化冷媒１２をさらに低温のサブクール温度まで冷却することができる冷媒ガスＢとの熱交換により、さらに低温のサブクール温度まで冷却される。
サブクール温度まで冷却され、液化した冷媒ガスＡは、液化冷媒１２とともに超電導ケーブル２１に供給され、超電導ケーブル２１を冷却し、その後、液化冷媒回収ライン２５に回収される。

第２の実施の形態の超電導電力機器の冷却方法によれば、貯槽１１の外部からの侵入熱の影響により、貯槽１１内の気相部１５の圧力が所定の圧力よりも高くなった際、気相部１５に溜まった冷媒ガスＡを貯槽１１の気相部１５から導出させた後、液化冷媒供給ライン１６内を流れる液化冷媒１２によって冷媒ガスＡを冷却し、冷却した冷媒ガスＡと液化冷媒１２とを合流させ、その後、冷媒ガスＡ及び液化冷媒１２をサブクール温度まで冷却して超電導ケーブル２１に供給することで、従来、大気放出させていた冷媒ガスＡを有効利用（具体的には、液化させて超電導ケーブル２１の冷却に利用）した上で、貯槽１１内の圧力を所定の圧力（安全な圧力）に調整できるとともに、冷媒ガスＡに起因する酸欠や窒息等の安全面を改善することができる。

なお、第２の実施の形態の超電導電力機器の冷却方法では、一例として、流量制御弁３９を用いた場合を例に挙げて説明したが、流量制御弁３９に替えて、第１の実施の形態で説明した「逆止弁」、「開閉弁」、及び「絞り」を用いてもよい。

（第３の実施の形態）
図４は、本発明の第３の実施の形態に係る超電導電力機器用冷却装置の概略構成を示す系統図である。図４において、図１に示す第１の実施の形態の超電導電力機器用冷却装置１０と同一構成部分には、同一符号を付す。

図４を参照するに、第３の実施の形態に係る超電導電力機器用冷却装置７０は、第１の実施の形態の超電導電力機器用冷却装置１０を構成する液化冷媒供給ライン１６及び冷媒ガス導出ライン３６に替えて、液化冷媒導出ライン７１、リザーバータンク７３、液化冷媒供給ライン７５、及び冷媒ガス導出ライン７７を有すること以外は、超電導電力機器用冷却装置１０と同様に構成されている。

液化冷媒導出ライン７１は、一端７１Ａが貯槽１１内の液化冷媒１２を導出可能な状態で貯槽１１の下端と接続されている。液化冷媒導出ライン７１は、リザーバータンク７３の上端を貫通しており、一部がリザーバータンク７３内に収容されている。
リザーバータンク７３内に収容された液化冷媒導出ライン７１の一部は、他端７１Ｂがリザーバータンク７３の液相部７２に到達するように、リザーバータンク７３の深さ方向に延在している。
液化冷媒導出ライン７１は、貯槽１１の下端から導出させた液化冷媒１２を、リザーバータンク７３内に導入させるためのラインである。液化冷媒導出ライン７１のうち、貯槽１１の近傍に位置する部分は、液化冷媒回収ライン２５と接続されている。

リザーバータンク７３は、貯槽１１と比較して小型化されたタンクである。リザーバータンク７３内には、貯槽１１から導入された液化冷媒１２で構成された液相部７２と、気相部７４と、が形成されている。
リザーバータンク７３としては、例えば、貯蔵容積が０．１〜１．５ｍ^３、高さが１〜２ｍ、外径が０．５〜１ｍのものを用いることができる。

液化冷媒供給ライン７５は、一端７５Ａを含む一部がリザーバータンク７３内の液相部７２に配置されており、リザーバータンク７３の側壁部を貫通することで、残りの部分がリザーバータンク７３の外側に配置されている。
なお、図４では、一例として、液化冷媒供給ライン７５がリザーバータンク７３の側壁部を貫通する場合を例に挙げて図示したが、例えば、リザーバータンク７３の上部または底部を貫通するように液化冷媒供給ライン７５を配置してもよい。
液化冷媒供給ライン７５は、一端７５Ａがリザーバータンク７３の底部に配置されており、他端が第１の超電導ケーブルターミナル１９と接続されている。
液化冷媒供給ライン７５のうち、リザーバータンク７３と冷凍機２７との間に位置する部分には、ポンプ１７が設けられている。

液化冷媒供給ライン７５は、液化冷媒用熱交換器４３内に収容される区間７５Ａを有する。ポンプ１７により、リザーバータンク７３の液相部７２から抜き出された液化冷媒１２は、区間７５Ａを通過する際、第１の区間４１Ａを流れる際に冷媒ガスＢとの熱交換により、さらに低温のサブクール温度まで冷却された後、超電導ケーブル２１に供給される。

冷媒ガス導出ライン７７は、一端７７Ａが貯槽１１の気相部１５から冷媒ガスＡを導出可能な状態で貯槽１１の上端と接続されている。冷媒ガス導出ライン７７は、貯槽１１の外部からの侵入熱により、液化冷媒１２が気化して貯槽１１内の気相部１５の圧力が上昇した際、気相部１５に溜まった冷媒ガスＡを抜き出すためのラインである。
冷媒ガス導出ライン７７は、リザーバータンク７３の上端を貫通しており、リザーバータンク７３内において、リザーバータンク７３の深さ方向に延在している。
冷媒ガス導出ライン７７には、貯槽１１内の気相部１５の圧力を検出する圧力計３７、及び圧力計３７の後段に設けられた流量調節弁３９が設けられている。

冷媒ガス導出ライン７７は、リザーバータンク７３内の液相部７２に浸漬された熱交換部７９及び他端７７Ｂを有する。熱交換部７９は、ザーバータンク７３内に貯留された液化冷媒１２（液相部７２）と、熱交換部７９を流れる冷媒ガスＡと、を熱交換させることで、冷媒ガスＡを冷却する。
このため、熱交換部７９の形状は、ザーバータンク７３内に貯留された液化冷媒１２との接触面積が多くなるように（言い換えれば、効率良く熱交換させる観点から）、例えば、コイル形状にすることができる。
このように、熱交換部７９の形状をコイル形状とすることで、熱交換部７９内を流れる冷媒ガスＡを短時間で効率良く液化させることができる。

なお、図４では、熱交換部７９の形状の一例として、円形のコイル形状を例に挙げて図示したが、熱交換部７９の形状は、これに限定されない。熱交換部７９の形状は、例えば、四角形のコイル形状、楕円形のコイル形状、或いは、螺旋形状にしてもよい。

熱交換部７９において、液化した冷媒ガスＡは、冷媒ガス導出ライン７７の他端７７Ｂからリザーバータンク７３の液相部７２に導出され、リザーバータンク７３内の液化冷媒１２とともに、区間７５Ａに供給され、さらに低温のサブクール温度まで冷却された後、液化冷媒１２とともに、超電導ケーブル２１の冷却に利用される。

第３の実施の形態に係る超電導電力機器用冷却装置によれば、一端が貯槽１１の気相部１５から冷媒ガスＡを導出可能な状態で貯槽１１と接続され、リザーバータンク７３内の液相部７２に浸漬された熱交換部７９及び他端７７Ｂを含む冷媒ガス導出ライン７７を有することで、リザーバータンク７３内の液相部７２を構成する液化冷媒１２と、貯槽１１の気相部１５から導出され、熱交換部７９を流れる冷媒ガスＡと、の熱交換により、冷媒ガスＡを冷却させた後、リザーバータンク７３内の液化冷媒１２とともに、サブクール温度まで冷却させ、その後、超電導ケーブル２１の冷却に利用することが可能となる。
これにより、従来、大気放出させていた冷媒ガスＡを有効に利用した上で、貯槽１１内の圧力を所定の圧力（安全な圧力）に調整できるとともに、冷媒ガスＡに起因する酸欠や窒息等の安全面を改善することができる。

なお、図４では、一例として、冷媒ガス導出ライン７７に流量制御弁３９を設けた場合を例に挙げて説明したが、流量制御弁３９に替えて、第１の実施の形態で説明した図示していない逆止弁、開閉弁、絞り等を用いてもよい。

また、第３の実施の形態の超電導電力機器用冷却装置７０を構成する貯槽１１に、第１の実施の形態の図１に示す冷媒ガス導出ライン３６、圧力計３７、及び流量制御弁３９よりなる構造体（以下、「第１の構造体」という）、或いは第２の実施の形態の図２に示す冷媒ガス導出ライン６１、圧力計３７、及び流量制御弁３９よりなる構造体（以下、「第２の構造体」という）を設けてもよい。

また、貯槽１１ではなく、リザーバータンク７３に、上述した第１の構造体または第２の構造体を設けてもよい。
この場合、第１の構造体を構成する冷媒ガス導出ライン３６、及び第２の構造体を構成する冷媒ガス導出ライン６１は、リザーバータンク７３内の気相部７４に溜まった冷媒ガス（液化冷媒１２が気化することで発生する冷媒ガス）を超電導ケーブル２１の冷却に使用することができる。

次いで、図４を参照して、第３の実施の形態の超電導電力機器の冷却方法について説明する。なお、ここでも超電導電力機器の一例として、超電導ケーブル２１を例に挙げて説明する。

初めに、貯槽１１内に貯留された液化冷媒１２をリザーバータンク７３内に供給する（第１の液化冷媒供給工程）。
これにより、リザーバータンク７３内に一定の液相部７２を形成する。この段階で、液化冷媒供給ライン７７の熱交換部７９は、液相部７２を構成する液化冷媒１２に浸漬されている。

次いで、超電導ケーブル２１と接続され、かつ区間７５Ａが液化冷媒用熱交換器４３を通過する液化冷媒供給ライン７５に、ポンプ１７を用いて、リザーバータンク７３内に貯留された液化冷媒１２を供給する（第２の液化冷媒供給工程）。
その後、リザーバータンク７３内に貯留された液化冷媒１２は、区間７５Ａを通過する際に、冷媒ガス循環ライン４１を流れ、かつ液化冷媒Ｂとの熱交換により、さらに低温のサブクール温度まで冷却される。
冷却された液化冷媒１２は、超電導ケーブル２１に供給され、超電導ケーブル２１を冷却する（超電導電力機器冷却工程）。
その後、超電導ケーブル２１から導出された液化冷媒１２は、液化冷媒回収ライン２５に回収される。

そして、貯槽１１の外部からの侵入熱により、貯槽１１の液相部１３を構成する液化冷媒１２が気化して冷媒ガスＡとなり、貯槽１１内の気相部１５の圧力が所定の圧力よりも高くなった際、気相部１５に溜まった冷媒ガスＡを貯槽１１から導出させる（冷媒ガス導出工程）。
上記冷媒ガス導出工程後、リザーバータンク７３内の液相部７２に浸漬され、かつ冷媒ガス導出ライン７７を構成する熱交換部７９に冷媒ガスＡを供給し、リザーバータンク７３内の液相部７２を構成する液化冷媒１２と、熱交換部７９を流れる冷媒ガスＡと、を熱交換させることで、冷媒ガスＡを冷却し液化させ、その冷媒ガスＡをリザーバータンク７３内の液化冷媒１２と合流させる（合流工程）。

その後、液化した冷媒ガスＡは、液化冷媒供給ライン７５を介して、液化冷媒１２とともに、リザーバータンク７３内から導出され、冷凍機２７でさらに低温のサブクール温度まで冷却され、超電導ケーブル２１の冷却に利用される。

第３の実施の形態の超電導電力機器の冷却方法によれば、貯槽１１の外部からの侵入熱の影響により、貯槽１１内の気相部１５の圧力が所定の圧力よりも高くなった際、気相部１５に溜まった冷媒ガスＡを貯槽１１から導出させ、その後、リザーバータンク７３内の液相部７２を構成する液化冷媒１２によって、熱交換部７９を流れる冷媒ガスＡを冷却し、冷却した冷媒ガスＡをリザーバータンク７３内の液化冷媒１２と合流させることで、従来、大気放出させていた冷媒ガスＡを有効利用（具体的には、液化させて超電導ケーブル２１の冷却に利用）した上で、貯槽１１内の圧力を所定の圧力（安全な圧力）に調整できるとともに、冷媒ガスＡに起因する酸欠や窒息等の安全面を改善することができる。

なお、第３の実施の形態の超電導電力機器の冷却方法では、一例として、流量制御弁３９を用いた場合を例に挙げて説明したが、流量制御弁３９に替えて、第１の実施の形態で説明した「逆止弁」、「開閉弁」、及び「絞り」を用いてもよい。

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。

例えば、第２及び第３の実施の形態では、超電導電力機器の一例として、超電導ケーブル２１を例に挙げて説明したが、第２及び第３の実施の形態の超電導電力機器用冷却装置６０，７０は、超電導ケーブル２１以外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にも適用可能である。

本発明は、超電導電力機器用冷却装置、及び超電導電力機器の冷却方法に適用可能である。

１０，６０，７０…超電導電力機器用冷却装置、１１…貯槽、１２…液化冷媒、１３，７２…液相部、１５，７４…気相部、１６…液化冷媒供給ライン、１６Ａ，３６Ａ，７５Ａ…区間、１７…ポンプ、１９…第１の超電導ケーブルターミナル、２１…超電導ケーブル、２３…第２の超電導ケーブルターミナル、２５…液化冷媒回収ライン、２７…冷凍機、３１…圧力調整用ライン、３２，３７…圧力計、３４…開放弁、３６，６１…冷媒ガス導出ライン、３８…制御装置、３９…流量制御弁、４１…冷媒ガス循環ライン、４１Ａ…第１の区間、４１Ｂ…第２の区間、４１Ｃ…第３の区間、４３…液化冷媒用熱交換器、４５…圧縮機、４６…水冷部、４９…冷媒ガス用熱交換器、５１…膨張タービン、６１Ａ，７１Ａ，７５Ａ，７７Ａ…一端、６１Ｂ，７１Ｂ，７５Ｂ，７７Ｂ…他端、６３，７９…熱交換部、７１…液化冷媒導出ライン、７３…リザーバータンク、７５…液化冷媒供給ライン、７７…冷媒ガス導出ライン、Ｆ…領域

Claims (15)

1. 液化冷媒が貯留された貯槽と、
   一端が前記貯槽の液相部と接続され、該貯槽内の前記液化冷媒を超電導電力機器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、前記液化冷媒を圧送循環させるポンプと、
   前記ポンプと前記超電導電力機器との間に位置する前記液化冷媒供給ラインの一部を収容し、該前記液化冷媒供給ラインの一部を流れる前記液化冷媒をサブクール温度まで冷却する冷凍機と、
   一端が前記貯槽の気相部から前記冷媒ガスを導出可能な状態で前記貯槽の上端と接続され、前記ポンプの前段に位置する前記液化冷媒供給ライン内に収容された熱交換部及び他端を有する冷媒ガス導出ラインと、
   を有することを特徴とする超電導電力機器用冷却装置。
2. 液化冷媒が貯留された貯槽と、
   一端が前記貯槽の液相部と接続され、該貯槽内の前記液化冷媒を超電導電力機器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、前記液化冷媒を圧送循環させるポンプと、
   前記ポンプと前記超電導電力機器との間に位置する前記液化冷媒供給ラインの一部を収容し、該前記液化冷媒供給ラインの一部を流れる前記液化冷媒をサブクール温度まで冷却する冷凍機と、
   一端が前記貯槽の気相部から前記冷媒ガスを導出可能な状態で前記貯槽の上端と接続され、一部が前記冷凍機内に配置され、他端が前記冷凍機と前記超電導電力機器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冷媒ガス導出ラインと、
   を有することを特徴とする超電導電力機器用冷却装置。
3. 液化冷媒が貯留された貯槽と、
   前記貯槽から供給された前記液化冷媒を貯留するリザーバータンクと、
   前記リザーバータンク内に貯留された前記液化冷媒を、超電導電力機器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、前記液化冷媒を圧送循環させるポンプと、
   前記ポンプと前記超電導電力機器との間に位置する前記液化冷媒供給ラインの一部を収容し、該前記液化冷媒供給ラインの一部を流れる前記液化冷媒をサブクール温度まで冷却する冷凍機と、
   一端が前記貯槽の気相部から前記冷媒ガスを導出可能な状態で前記貯槽の上端と接続され、前記リザーバータンク内の液相部に浸漬された熱交換部及び他端を有する冷媒ガス導出ラインと、
   を有することを特徴とする超電導電力機器用冷却装置。
4. 前記貯槽の気相部の圧力を検出する圧力計と、
   前記冷媒ガス導出ラインに設けられ、前記圧力計が検出した圧力値に応じて開閉量を調節可能な流量制御弁と、
   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項記載の超電導電力機器用冷却装置。
5. 前記冷媒ガス導出ラインに設けられた逆止弁を有し、
   前記逆止弁は、該逆止弁の入口側の圧力が高く、かつ前記入口側の圧力と前記逆止弁の出口側との圧力差が、予め設定した圧力差を超えたときに開き、前記予め設定した圧力差よりも小さいときに閉じ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項記載の超電導電力機器用冷却装置。
6. 前記気相部の圧力を検出する圧力計と、
   前記冷媒ガス導出ラインに設けられ、前記圧力計が検出する圧力値が所定の圧力値を超えたときに開かれる開閉弁と、
   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項記載の超電導電力機器用冷却装置。
7. 前記冷媒ガス導出ラインに設けられ、開度が固定された絞り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項記載の超電導電力機器用冷却装置。
8. 前記熱交換部は、コイル形状とされた管状部材であることを特徴とする請求項２ないし７のうち、いずれか1項記載の超電導電力機器用冷却装置。
9. 超電導電力機器と接続され、かつ一部が冷凍機を通過する液化冷媒供給ラインに、ポンプを介して、貯槽内に貯留された液化冷媒を供給する液化冷媒供給工程と、
   冷凍機を用いて、前記液化冷媒供給ラインの一部を通過する前記液化冷媒を、サブクール温度まで冷却し、前記超電導電力機器に供給することで、該超電導電力機器を冷却する超電導電力機器冷却工程と、
   前記貯槽の外部からの侵入熱により、前記貯槽の液相部を構成する前記液化冷媒が気化して冷媒ガスとなり、前記貯槽内の気相部の圧力が所定の圧力よりも高くなった際、前記気相部に溜まった前記冷媒ガスを前記貯槽から導出させる冷媒ガス導出工程と、
   前記貯槽から導出させた前記冷媒ガスを、前記冷凍機でサブクール温度まで冷却することで液化させ、前記ポンプの前段に位置する前記液化冷媒供給ラインに液化した前記冷媒ガスを供給することで、サブクール温度まで冷却され、かつ前記超電導電力機器を冷却する前記液化冷媒と合流させる工程と、
   を有することを特徴とする超電導電力機器の冷却方法。
10. 超電導電力機器と接続され、かつ一部が冷凍機を通過する液化冷媒供給ラインに、ポンプを介して、貯槽内に貯留された液化冷媒を供給する液化冷媒供給工程と、
    冷凍機を用いて、前記液化冷媒供給ラインの一部を通過する前記液化冷媒を、サブクール温度まで冷却し、前記超電導電力機器に供給することで、該超電導電力機器を冷却する超電導電力機器冷却工程と、
    前記貯槽の外部からの侵入熱により、前記貯槽の液相部を構成する前記液化冷媒が気化して冷媒ガスとなり、前記貯槽内の気相部の圧力が所定の圧力よりも高くなった際、前記貯槽の上端と接続された冷媒ガス導出ラインを介して、前記気相部に溜まった前記冷媒ガスを前記貯槽から導出させる冷媒ガス導出工程と、
    前記冷媒ガス導出工程後、前記ポンプの前段に位置する前記液化冷媒供給ライン内に収容され、かつ前記冷媒ガス導出ラインを構成する熱交換部に前記冷媒ガスを供給し、前記液化冷媒供給ライン内を流れる前記液化冷媒と、前記熱交換部内を流れる前記冷媒ガスと、を熱交換させることで、前記冷媒ガスを冷却し、冷却した前記冷媒ガスを、前記冷凍機の前段に位置する前記液化冷媒供給ライン内を流れる前記液化冷媒と合流させる合流工程と、
    前記合流工程後、前記冷凍機を用いて、前記液化冷媒とともに、前記冷媒ガスを液化させた後、前記超電導電力機器を冷却する工程と、
    を有することを特徴とする超電導電力機器の冷却方法。
11. 貯槽内に貯留された液化冷媒をリザーバータンク内に供給する第１の液化冷媒供給工程と、
    超電導電力機器と接続され、かつ一部が冷凍機を通過する液化冷媒供給ラインに、ポンプを用いて、前記リザーバータンク内に貯留された前記液化冷媒を供給する第２の液化冷媒供給工程と、
    冷凍機を用いて、前記液化冷媒供給ラインの一部を通過する前記液化冷媒を、サブクール温度まで冷却し、前記超電導電力機器に供給することで、該超電導電力機器を冷却する超電導電力機器冷却工程と、
    前記貯槽の外部からの侵入熱により、前記貯槽の液相部を構成する前記液化冷媒が気化して冷媒ガスとなり、前記貯槽内の気相部の圧力が所定の圧力よりも高くなった際、前記貯槽の上端と接続された冷媒ガス導出ラインを介して、前記気相部に溜まった前記冷媒ガスを前記貯槽から導出させる冷媒ガス導出工程と、
    前記冷媒ガス導出工程後、前記リザーバータンク内の液相部に浸漬され、かつ前記冷媒ガス導出ラインを構成する熱交換部に前記冷媒ガスを供給し、前記リザーバータンク内の液相部を構成する前記液化冷媒と、前記熱交換部内を流れる前記冷媒ガスと、を熱交換させることで、前記冷媒ガスを冷却させ、冷却した前記冷媒ガスを、前記リザーバータンク内の前記液化冷媒と合流させる合流工程と、
    を有することを特徴とする超電導電力機器の冷却方法。
12. 前記冷媒ガス導出工程では、前記貯槽の気相部の圧力値に応じて開閉量を調節可能な流量制御弁を介して、前記貯槽の気相部から前記冷媒ガスを導出させることを特徴とする請求項９ないし１１のうち、いずれか１項記載の超電導電力機器の冷却方法。
13. 前記冷媒ガス導出工程では、逆止弁を用いて、前記貯槽の気相部から前記冷媒ガスの導出を行い、
    前記逆止弁の入口側の圧力が高く、かつ前記入口側の圧力と前記逆止弁の出口側との圧力差が、予め設定した圧力差を超えたときに前記逆止弁を開き、前記予め設定した圧力差よりも小さいときに前記逆止弁を閉じることを特徴とする請求項９ないし１１のうち、いずれか１項記載の超電導電力機器の冷却方法。
14. 前記冷媒ガス導出工程では、開閉弁を用いて、前記貯槽の気相部から前記冷媒ガスの導出を行い、
    前記気相部の圧力値が所定の圧力値を超えた際、前記開閉弁を開くことを特徴とする請求項９ないし１１のうち、いずれか１項記載の超電導電力機器の冷却方法。
15. 前記冷媒ガス導出工程では、開度が固定された絞りを介して、前記貯槽の気相部から前記冷媒ガスを導出させることを特徴とする請求項９ないし１１のうち、いずれか１項記載の超電導電力機器の冷却方法。

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