JP2019075289A - 超電導ケーブルの冷却装置及び冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】超電導ケーブル及び冷却装置を含む電力需要を低減する。【解決手段】一実施形態に係る超電導ケーブルの冷却装置は、送電に使用する超電導ケーブルに第１冷媒を循環供給して該超電導ケーブルを冷却する超電導ケーブルの冷却装置において、前記第１冷媒を貯留するための第１リザーバタンク及び第２リザーバタンクと、前記第１リザーバタンク内の前記第１冷媒を冷却するための冷凍機と、前記第１リザーバタンク内の前記第１冷媒を前記冷凍機を介して前記第２リザーバタンクに送るための第１管路と、前記第２リザーバタンク内の前記第１冷媒を前記超電導ケーブルに送ると共に、前記超電導ケーブルの冷却に供された前記第１冷媒を前記第１リザーバタンクに戻すための第２管路と、を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、超電導ケーブルの冷却装置及び冷却方法に関する。

極低温で超電導となる超電導材を導体として用いた超電導ケーブルは、大電流を低損失で送電可能なケーブルとしてその実用化が進められている。実用化するためには、超電導材の超電導性を保つために、超電導材を極低温に保つ必要がある。
特許文献１及び２に、超電導材を極低温に保つための冷却装置が開示されている。特許文献１に開示された冷却装置は、超電導ケーブルに液体窒素などの冷媒を循環供給する循環路にリザーバタンク及び冷凍機が直列に設けられ、超電導ケーブルの冷却に供された冷媒を一旦リザーバタンクに貯留した後、冷凍機で冷却して超電導ケーブルに直接供給するように構成されている。

特許文献２に開示された冷却装置は、超電導ケーブルと冷凍機との間にリザーバタンクが設けられ、冷凍機で冷却された冷媒の超電導ケーブルへの供給及び超電導ケーブルの冷却に供された冷媒の冷凍機による冷却をリザーバタンクを介して行うように構成されている。

特開２０１１−５４５００号公報 特開平２０１４−１９９７４４号公報

電力用超電導ケーブルの熱負荷は、超電導材の交流損失と外部からの熱侵入との和となる。交流損失は通電時にのみ発生し、超電導ケーブルに通電される電流が大きい時に交流損失は大きくなる。超電導ケーブルの通電電流は送電量に応じて増減するため、電力需要が大きくなり送電量が増えたときに交流損失が増加する。増加した交流損失により超電導ケーブルを冷却している冷媒が温められる。
鉄道用や長距離用の超電導ケーブルは直流ケーブルとなるが、同様に通電による損失が発生する。

特許文献１に開示された冷却装置では、超電導ケーブルで温められた冷媒がリザーバタンクに戻るため、通電による損失の増加により高い温度となった冷媒によりリザーバタンクに貯留された冷媒の温度が上昇する。従って、リザーバタンク内の冷媒温度の上昇を抑え、超電導ケーブルに供給する冷媒の温度を一定とするためには、冷凍機の冷却量（単位時間当たりの冷却能力）を増加する必要がある。冷凍機の消費電力量を増加させ、電力需要がさらに増加してしまうという課題がある。
また、特許文献２に開示された冷却装置は、超電導ケーブルで温められた冷媒と冷凍機で冷却される冷媒とが同じリザーバタンクで混ざるために、冷凍機の冷却負荷が増大してしまうという問題がある。

一実施形態は、上記課題に鑑み、超電導ケーブル及び冷却装置を含む電力需要の増加を抑制可能にすることを目的とする。

（１）一実施形態に係る超電導ケーブルの冷却装置は、
送電に使用する超電導ケーブルに第１冷媒を循環供給して該超電導ケーブルを冷却する超電導ケーブルの冷却装置において、
前記第１冷媒を貯留するための第１リザーバタンク及び第２リザーバタンクと、
前記第１リザーバタンク内の前記第１冷媒を冷却するための冷凍機と、
前記第１リザーバタンク内の前記第１冷媒を前記冷凍機を介して前記第２リザーバタンクに送るための第１管路と、
前記第２リザーバタンク内の前記第１冷媒を前記超電導ケーブルに送ると共に、前記超電導ケーブルの冷却に供された前記第１冷媒を前記第１リザーバタンクに戻すための第２管路と、
を備える。

上記（１）の構成によれば、超電導ケーブルの冷却に供されて温められた第１冷媒が戻る第１リザーバタンクと、冷凍機で冷却されて超電導ケーブルに送られる第１冷媒が貯留される第２リザーバタンクとを別個に設けたため、冷凍機で冷却される第１冷媒に超電導ケーブルで温められた第１冷媒が混ざらない。そのため、冷凍機の冷却量を減らすことができ、冷凍機の消費電力量を低減できる。また、第２リザーバタンクに貯留された第１冷媒に超電導ケーブルから戻った昇温された第１冷媒が混ざらないため、超電導ケーブルに送られる第１冷媒の昇温を抑制でき、一定温度に保持された第１冷媒を超電導ケーブルに供給できる。

超電導ケーブルの送電量が少なく、第１リザーバタンクに戻る第１冷媒の温度が低いときは、冷凍機の冷却量を一定に保持しながら、冷凍機への第１冷媒の送液量を増加する。これによって、第１冷媒が融点以下に低下して第１冷媒の循環が悪化するのを防止できる。
また、超電導ケーブルの送電量が多く、第１リザーバタンクに戻る第１冷媒の温度が高いときは、冷凍機の冷却量を一定に保持しながら、冷凍機への第１冷媒の送液量を減少させる。これによって、第１冷媒の昇温を抑制できると共に、第１冷媒の循環装置の消費電力を低減できるため、超電導ケーブルの送電量と冷却装置の消費電力とを含めた電力需要の増加を抑制できる。

（２）一実施形態では、前記（１）の構成において、
前記第１管路に設けられ前記第１リザーバタンクから取り出された前記第１冷媒を前記冷凍機で冷却された第２冷媒で冷却するための熱交換器を備える。
上記（２）の構成によれば、上記熱交換器において、冷凍機で冷却された第２冷媒によって第１冷媒を冷却するため、冷却効率を向上できる。

（３）一実施形態では、前記（１）又は（２）の構成において、
前記第１リザーバタンク又は前記第２リザーバタンクの少なくとも一方に加圧ガスを供給するための加圧ガス供給装置を備える。
上記（３）の構成によれば、第１管路又は第２管路で第１冷媒を循環させるための循環ポンプなどの正規の循環装置が故障したとき、上記加圧ガス供給装置から第１リザーバタンク又は第２リザーバタンクに加圧ガスを供給し、第１リザーバタンク又は第１リザーバタンクの内部の気圧を上昇させることで、第１冷媒を第１管路又は第２管路に循環させることができる。

特許文献１及び２に開示された冷却装置では、予備を含めてすべての冷媒の循環装置が故障した場合、冷却装置の運転を停止せざるを得ない。
これに対して、上記（３）の構成において、第１リザーバタンク及び第２リザーバタンクの両方に加圧ガス供給装置を備え、一方のリザーバタンクを加圧すると共に、他方のリザーバタンクを減圧する動作を交互に行うことで、即ち、生体系の心臓の心房のように動作させることで、予備を含めてすべての第１冷媒の循環装置が故障した場合でも、冷却装置の運転を継続できる。

（４）一実施形態では、前記（１）〜（３）の何れかの構成において、
前記第１リザーバタンク又は前記第２リザーバタンクの前記第１冷媒の出口部で前記第１管路又は前記第２管路に並列に設けられる予備管路と、
前記予備管路に設けられた予備循環ポンプと、
を備える。
上記（４）の構成によれば、上記予備管路に設けられた予備循環ポンプを備えることで、第１管路又は第２管路で第１冷媒を循環させるための循環ポンプなどの正規の循環装置が故障したときでも、上記予備循環ポンプの作動によって第１管路又は第２管路で第１冷媒を循環できる。

（５）一実施形態では、前記（４）の構成において、
前記予備循環ポンプの下流側で前記予備管路から分岐し、前記第１リザーバタンクに接続される予冷管路と、
前記予冷管路に設けられる予冷バルブと、
前記第１リザーバタンク又は前記第２リザーバタンクにおける前記第１冷媒の出口流路を前記第１管路又は前記第２管路と前記予備管路とに切り替え可能にする切替弁と、
を備える。

上記（５）の構成によれば、通常運転時には予備循環ポンプを冷却せずに常温に放置し、正規の循環手段が故障した非常時には、上記予冷管路に第１冷媒を循環させ、予備循環ポンプを予冷する。この予冷ステップでは、予備循環ポンプの出口側でガス状の第１冷媒を第１リザーバタンクに排出する。予備循環ポンプの出口側でガス状の第１冷媒が液状になったら、上記切替弁で第１冷媒の出口流路を第１管路又は第２管路から予備管路に切り替え、予備循環ポンプを作動させる。こうして、第１管路又は第２管路で第１冷媒を昇温させることなく循環させることができる。

（６）一実施形態に係る超電導ケーブルの冷却方法は、
送電に使用する超電導ケーブルに第１冷媒を循環供給して該超電導ケーブルを冷却する超電導ケーブルの冷却方法において、
第１リザーバタンクに貯留された前記第１冷媒を冷凍機に送って冷却する第１冷却ステップと、
前記第１冷却ステップで冷却された前記第１冷媒を第２リザーバタンクに送る第１送りステップと、
前記第２リザーバタンク内の前記第１冷媒を前記超電導ケーブルに送って前記超電導ケーブルを冷却する第２冷却ステップと、
前記第２冷却ステップで前記超電導ケーブルを冷却した後の前記第１冷媒を前記第１リザーバタンクに送る第２送りステップと、
を含む。

上記（６）の方法によれば、超電導ケーブルの冷却に供されて温められた第１冷媒が戻る第１リザーバタンクと、冷凍機で冷却されて超電導ケーブルに送られる第１冷媒が貯留される第２リザーバタンクとを別個に設けたため、冷凍機で冷却される第１冷媒に超電導ケーブルで温められた第１冷媒が混ざらない。そのため、冷凍機の冷却量を減らすことができ、冷凍機の消費電力量を低減できる。また、第２リザーバタンクに貯留された第１冷媒に超電導ケーブルから戻った昇温された第１冷媒が混ざらないため、超電導ケーブルに送られる第１冷媒の昇温を抑制でき、一定温度に保持された第１冷媒を超電導ケーブルに供給できる。

（７）一実施形態では、前記（６）の方法において、
前記第１冷却ステップにおいて、
前記第１冷媒を前記冷凍機で冷却された第２冷媒と熱交換して冷却する。
上記（７）の方法によれば、第１冷媒を冷凍機で冷却された第２冷媒と熱交換して冷却するため、冷却効率を向上できる。

（８）一実施形態では、前記（７）の構成において、
前記第１冷媒が液体窒素であり、前記第２冷媒が前記液体窒素の沸点より低い沸点を有する冷媒である。
上記（８）の方法によれば、第２冷媒として液体窒素の沸点より低い沸点を有する冷媒を用い、第２冷媒で第１冷媒を冷却することで、第１冷媒を効率的に冷却できる。

（９）一実施形態では、前記（６）〜（８）の何れかの構成において、
前記第１冷却ステップにおいて、
前記冷凍機の冷却量を一定に保持しながら、前記超電導ケーブルの送電量が少ないときは、前記冷凍機への前記第１冷媒の送液量を増加し、前記超電導ケーブルの送電量が多いときは、前記冷凍機への前記第１冷媒の送液量を減少させる。

上記（９）の方法によれば、上述のように、超電導ケーブルの送電量が少なく、第１リザーバタンクに戻る第１冷媒の温度が低いときは、冷凍機の冷却量を一定に保持しながら、冷凍機への第１冷媒の送液量を増加する。これによって、第１冷媒が融点以下に低下して第１冷媒の循環が悪化するのを防止できる。
また、超電導ケーブルの送電量が多く、第１リザーバタンクに戻る第１冷媒の温度が高いときは、冷凍機の冷却量を一定に保持しながら、冷凍機への第１冷媒の送液量を減少させる。これによって、第１冷媒の昇温を抑制できると共に、第１冷媒の循環装置の消費電力を低減できるため、超電導ケーブルの送電量と冷却装置の消費電力とを含めた電力需要の増加を抑制できる。

（１０）一実施形態では、前記（６）〜（９）の何れかの方法において、
前記第１送りステップにおいて、
前記第１リザーバタンクに加圧ガスを導入して前記第１冷媒を前記第２リザーバタンクに送る第１加圧ガス導入ステップを含む。
上記（１０）の方法によれば、第１冷媒を第１リザーバタンクから第２リザーバタンクに送るためのポンプなどの正規の循環手段が故障したとき、第１リザーバタンクに加圧ガスを供給することで、第１冷媒を第２リザーバタンクに循環させることができる。

（１１）一実施形態では、前記（６）〜（９）の何れかの方法において、
前記第２送りステップにおいて、
前記第２リザーバタンクに加圧ガスを導入して前記第１冷媒を前記超電導ケーブルに送る第２加圧ガス導入ステップを含む。
上記（１１）の方法によれば、第１冷媒を第２リザーバタンクから超電導ケーブルに送るためのポンプなどの正規の循環手段が故障したとき、第２リザーバタンクに加圧ガスを供給することで、第１冷媒を第２リザーバタンクから超電導ケーブルに送ることができる。

一実施形態によれば、超電導ケーブルに供給する第１冷媒の温度を一定に維持したまま、超電導ケーブル及び冷却装置を含めた電力需要を緩和する運転が可能になる。

一実施形態に係る超電導ケーブルの冷却装置のブロック線図である。 一実施形態に係る超電導ケーブルの冷却装置のブロック線図である。 一実施形態に係る超電導ケーブルの冷却方法のフロー図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載され又は図面に示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、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。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一つの構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

図１及び図２は、幾つかの実施形態に係る超電導ケーブルの冷却装置１０（１０Ａ、１０Ｂ）を示す。
図１及び図２において、超電導ケーブル１２は送電に使用され、冷却装置１０は第１冷媒ｒ１を超電導ケーブル１２に循環供給して該超電導ケーブルを冷却する。冷却装置１０は、第１冷媒ｒ１を貯留するための第１リザーバタンク１４及び第２リザーバタンク１６を備える。第１管路２０は第１リザーバタンク１４と第２リザーバタンク１６とに接続され、第１リザーバタンク１４に貯留された第１冷媒ｒ１は、第１管路２０を循環し、冷凍機１８によって冷却された後、第２リザーバタンク１６に送られる。第２リザーバタンク１６に送られた第１冷媒ｒ１は、第２管路２２を通って超電導ケーブル１２に送られ、超電導ケーブル１２の冷却に供される。超電導ケーブル１２の冷却に供された後の第１冷媒ｒ１は、第２管路２２を通って第１リザーバタンク１４に戻される。この動作を繰り返すことで、超電導ケーブル１２の熱負荷が除去され、超電導状態が維持される極低温に保持される。

上記構成によれば、超電導ケーブル１２の冷却に供されて温められた第１冷媒ｒ１が戻る第１リザーバタンク１４と、冷凍機１８で冷却されて超電導ケーブル１２に送られる第１冷媒ｒ１が貯留される第２リザーバタンク１６とを別個に設けたため、冷凍機１８で冷却される第１冷媒ｒ１に超電導ケーブルで温められた第１冷媒ｒ１が混ざらない。そのため、冷凍機１８の冷却量を減らすことができ、冷凍機１８の消費電力量を低減できる。
また、第２リザーバタンク１６に貯留された第１冷媒ｒ１に超電導ケーブル１２から戻った昇温された第１冷媒ｒ１が混ざらないため、超電導ケーブル１２に送られる第１冷媒ｒ１の昇温を抑制でき、一定温度に保持された第１冷媒ｒ１を超電導ケーブル１２に供給できる。

超電導ケーブル１２の熱負荷は、外部からの熱侵入と超電導ケーブル１２に電流が流れることにより生じる損失がある。超電導ケーブル１２で送られる電力が少ない場合には、超電導ケーブル１２に流れる電流が減少し、通電による損失も少なくなる。このため、第１冷媒ｒ１で除去する熱負荷が減少し、超電導ケーブル１２から第１リザーバタンク１４に戻る第１冷媒ｒ１の温度上昇が少なくなる。すると、第１リザーバタンク１４に貯留された第１冷媒ｒ１の温度が下がるので、冷凍機１８の冷却量を一定にしている場合は、第２リザーバタンク１６に送られる第１冷媒ｒ１の温度も下がる。第１冷媒ｒ１の温度が下がり融点以下になると、第１冷媒ｒ１が固化し第１冷媒ｒ１の循環が阻害される虞がある。

そこで、上記構成において、超電導ケーブル１２の送電量が少なく、第１リザーバタンク１４に戻る第１冷媒ｒ１の温度が低いときは、冷凍機１８の冷却量を一定に保持しながら、冷凍機１８への第１冷媒ｒ１の送液量を増加する。これによって、第１冷媒ｒ１が融点以下に低下して第１冷媒ｒ１の循環が悪化するのを防止できる。
また、超電導ケーブル１２の送電量が多く、第１リザーバタンク１４に戻る第１冷媒ｒ１の温度が高いときは、冷凍機１８の冷却量を一定に保持しながら、冷凍機１８への第１冷媒ｒ１の送液量を減少させる。これによって、第１冷媒ｒ１の昇温を抑制できると共に、第１冷媒ｒ１を循環する装置の消費電力を低減できるため、超電導ケーブル１２の送電量と冷却装置の消費電力とを含めた電力需要の増加を抑制できる。

一実施形態では、図１及び図２に示すように、第１管路２０には第１冷媒ｒ１の循環手段として循環ポンプ２４が設けられ、第１冷媒ｒ１を第１リザーバタンク１４から第２リザーバタンク１６に循環している。第２管路２２には第１冷媒ｒ１の循環装置として循環ポンプ２６が設けられ、第１冷媒ｒ１を第２リザーバタンク１６から超電導ケーブル１２に供給し、かつ超電導ケーブル１２の冷却に供された後の第１冷媒ｒ１を第１リザーバタンク１４に戻している。

一実施形態では、第１管路２０に熱交換器２８を備えている。熱交換器２８で、第１リザーバタンク１４から取り出された第１冷媒ｒ１は、冷凍機１８で冷却された第２冷媒ｒ２で冷却される。
この実施形態によれば、熱交換器２８で第１冷媒ｒ１を冷凍機１８で冷却された第２冷媒ｒ２によって冷却するため、冷却効率を向上できる。

一実施形態では、第２冷媒ｒ２は第１冷媒ｒ１より沸点が低い冷媒が用いられる。これによって、第１冷媒ｒ１の冷却効果を向上できる。
一実施形態では、第１冷媒ｒ１が液体窒素であり、第２冷媒ｒ２が液体窒素の沸点より低い沸点を有する冷媒（例えば、ヘリウム、ネオン等）である。

一実施形態では、図１及び図２に示すように、第１リザーバタンク１４に加圧ガスを供給可能な加圧ガス供給装置３０を備える。また、一実施形態では、第２リザーバタンク１６に加圧ガスを供給可能な加圧ガス供給装置３２を備える。
これらの実施形態によれば、第１管路２０又は第２管路２２に設けられた循環ポンプ２４又は循環ポンプ２６などで、第１冷媒ｒ１を循環する正規の循環手段が故障したとき、加圧ガス供給装置３０又は加圧ガス供給装置３２から第１リザーバタンク１４又は第２リザーバタンク１６に加圧ガスを供給し、第１リザーバタンク１４又は第２リザーバタンク１６の内部気圧を上昇させることで、第１管路２０又は第２管路２２で第１冷媒ｒ１の循環を維持できる。

一実施形態では、第１リザーバタンク１４及び第２リザーバタンク１６の両方に加圧ガス供給装置３０及び３２を備え、一方のリザーバタンクを加圧すると共に、他方のリザーバタンクを減圧する動作を交互に繰り返し行う。即ち、生体系の心臓の２つの心房のように動作させることで、予備を含めてすべての第１冷媒ｒ１の循環装置が故障した場合でも、第１冷媒ｒ１を第１管路２０及び第２管路２２に循環でき、冷却装置１０の運転を継続できる。

一実施形態では、第１冷媒ｒ１が液体窒素であるとき、加圧ガスは窒素ガスを用いることで、異種のガス同士が交じり合うことを回避できる。

一実施形態では、加圧ガス供給装置３０及び３２を１個の加圧ガス供給装置で兼用できる。
一実施形態では、加圧ガス供給装置３０及び３２として、低温で気化した加圧ガスを用いる。

一実施形態では、図２に示す冷却装置１０（１０Ｂ）は、第２リザーバタンク１６の第１冷媒ｒ１の出口部で第２管路２２に並列に予備管路４１が設けられ、予備管路４１に予備循環ポンプ４２が設けられる予備循環装置４０を備える。
この実施形態によれば、予備循環装置４０を備えることで、第２管路２２で第１冷媒ｒ１を循環させるための循環ポンプ２６などの正規の循環装置が故障したときでも、予備循環ポンプ４２の作動によって第２管路２２で第１冷媒ｒ１の循環を持続できる。

一実施形態では、予備管路４１及び予備循環ポンプ４２は、第１リザーバタンク１４に設けることができる。これによって、循環ポンプ２４などの正規の循環装置が故障しても、第１管路２０で第１冷媒ｒ１の循環を持続できる。

一実施形態では、図２に示すように、冷却装置１０（１０Ｂ）はさらに予冷管路４４を備える。予冷管路４４は、予備循環ポンプ４２の下流側で予備管路４１から分岐し、第１リザーバタンク１４に接続される。予冷管路４４に予冷バルブ４６が設けられ、第２リザーバタンク１６における第１冷媒ｒ１の出口流路を第２管路２２と予備管路４１とに切り替え可能にする切替弁４８及び５０が設けられる。

この実施形態では、通常運転時に予備循環ポンプ４２に第１冷媒ｒ１を循環させず、予備循環ポンプ４２を予冷しないで常温に保持する。即ち、通常運転時には切替弁４８を開らき、切替弁５０を閉じて、第２リザーバタンク１６から第２管路２２を通して第１冷媒ｒ１を超電導ケーブル１２に送る。
正規の循環装置が故障した非常時には、まず、予冷バルブ４６を開いて予備管路４１に第１冷媒ｒ１を循環させ、予備循環ポンプ４２に第１冷媒ｒ１を供給して予備循環ポンプ４２を予冷する。次に、切替弁４８及び５０の開閉を切り替えて第１冷媒ｒ１の出口流路を第２管路２２から予備管路４１に切り替えることで、第１冷媒ｒ１の超電導ケーブル１２への供給を持続させることができる。
従って、通常運転時、予備循環ポンプ４２を予冷しないので、冷凍機１８の負荷を低減できる。

一実施形態では、循環ポンプ２６などの正規の循環装置が故障した場合、加圧ガス供給装置３２で循環ポンプ２６の出口圧力と同じ圧力まで第２リザーバタンク１６内の圧力を上昇させる。この時、第２リザーバタンク１６の圧力が上昇したことで、循環ポンプ２４は送液量が減少するが、第１リザーバタンク１４と第２リザーバタンク１６との圧力差を保持するように、循環ポンプ２４の吐出圧力を上昇させる。もし、循環ポンプ２４の吐出圧力が不足する場合には、該吐出圧力が上昇するように循環ポンプ２４の作動を制御する。
次に、予冷バルブ４６を開き、第１リザーバタンク１４と第２リザーバタンク１６との圧力差により、第２リザーバタンク１６から予備循環ポンプ４２に第１冷媒ｒ１を呼び込み、予備循環ポンプ４２を予冷する。予備循環ポンプ４２が予冷され、第１リザーバタンク１４に第１冷媒ｒ１が液体のまま戻るようになったら、予備循環ポンプ４２を起動する。

その後、切替弁５０を開くと共に予冷バルブ４６を閉じ、予備循環ポンプ４２で予備管路４１から超電導ケーブル１２に送液を開始する。
次に、切替弁４８を閉じ、予備循環ポンプ４２の揚程を増加させながら、第２リザーバタンク１６内の圧力を通常運転時まで減少させる。この揚程の増加と第２リザーバタンク１６内の圧力減少とは、超電導ケーブル１２への第１冷媒ｒ１の送液量が一定になるように制御しながら行う。
従って、この実施形態によれば、通常運転時に予備循環ポンプ４２を常温に保持しておいても、第１リザーバタンク１４と第２リザーバタンク１６間の圧力差と、循環ポンプ２４の作動により、予備循環ポンプ４２の予冷期間中に、超電導ケーブル１２への第１冷媒ｒ１の供給を継続できる。また、超電導ケーブル１２に一定量でかつ一定温度の第１冷媒ｒ１を供給し続けることができる。

一実施形態では、循環ポンプ２６と切替弁４８との間で第２管路２２から分岐し、第１冷媒ｒ１を第１リザーバタンク１４に戻す予冷管路５２と、予冷管路５２に設けられた予冷バルブ５４とを備える。
冷却装置１０（１０Ｂ）の始動時に、循環ポンプ２６が予冷されておらず、循環ポンプ２６から吐出される第１冷媒ｒ１が気体の状態のとき、気体の第１冷媒ｒ１を第１リザーバタンク１４の戻すようにする。これによって、冷却装置１０（１０Ｂ）の始動時に、気体の第１冷媒ｒ１を超電導ケーブル１２に送ることがなくなる。なお、予冷バルブ５４は冷却装置１０（１０Ｂ）の始動時以外は閉じておく。

一実施形態では、循環ポンプ２４などの第１管路２０の正規の循環装置が故障した場合に、第１管路２０の第１冷媒ｒ１の循環を継続させるために、予備循環装置４０を適用できる。この実施形態では、予備循環装置４０の予備管路４１及び予冷管路４４は、共に第１リザーバタンク１４に接続され、予備循環ポンプ４２の予冷時に、予備管路４１から予備循環ポンプ４２に供給される第１冷媒ｒ１は第１リザーバタンク１４に戻るようにする。これによって、ガス状の第１冷媒ｒ１が第２リザーバタンク１６を経由して超電導ケーブル１２に送られることがないようにする。

一実施形態に係る超電導ケーブルの冷却方法は、図３に示すように、まず、第１リザーバタンク１４に貯留された第１冷媒ｒ１を第１管路２０を介して冷凍機１８に送り、冷凍機１８で冷却する（第１冷却ステップＳ１０）。次に、第１冷却ステップＳ１０で冷却された第１冷媒ｒ１は第１管路２０を介して第２リザーバタンク１６に送られる（第１送りステップＳ１２）。
ここで、もし、第１リザーバタンク１４で第１冷媒ｒ１を循環させる装置（例えば循環ポンプ２４）が故障した時、第１リザーバタンク１４に加圧ガス供給装置３０から加圧ガスを導入して第１冷媒ｒ１を第２リザーバタンク１６に送る（第１加圧ガス導入ステップＳ１４）。これによって、第１冷媒ｒ１を第１リザーバタンク１４から第２リザーバタンク１６に送る正規の循環装置が故障しても、第１冷媒ｒ１を第２リザーバタンク１６に循環させることができる。

第２リザーバタンク１６に送られた第１冷媒ｒ１は、超電導ケーブル１２に送られて超電導ケーブル１２を冷却する（第２冷却ステップＳ１６）。第２冷却ステップＳ１６で超電導ケーブル１２を冷却した後の第１冷媒ｒ１は、第１リザーバタンク１４に戻される（第２送りステップＳ１８）。
ここで、もし、第２リザーバタンク１６で第１冷媒ｒ１を循環させる手段（例えば循環ポンプ２６）が故障した時、第２リザーバタンク１６に加圧ガス供給装置３２から加圧ガスを導入して第１冷媒ｒ１を超電導ケーブル１２に送る（第２加圧ガス導入ステップＳ２０）。これによって、第１冷媒ｒ１を第２リザーバタンク１６から超電導ケーブル１２に送る正規の循環手段が故障しても、第１冷媒ｒ１を超電導ケーブル１２に循環させることができる。

上記方法によれば、超電導ケーブル１２の冷却に供されて温められた第１冷媒ｒ１が戻る第１リザーバタンク１４と、冷凍機１８で冷却されて超電導ケーブル１２に送られる第１冷媒ｒ１が貯留される第２リザーバタンク１６とを別個に設けたため、冷凍機１８で冷却される第１冷媒ｒ１に超電導ケーブル１２で温められた第１冷媒ｒ１が混ざらない。そのため、冷凍機１８の冷却量を減らすことができ、冷凍機１８の消費電力量を低減できる。また、第２リザーバタンク１６に貯留された第１冷媒ｒ１に超電導ケーブル１２から戻った昇温された第１冷媒ｒ１が混ざらないため、超電導ケーブル１２に送られる第１冷媒ｒ１の昇温を抑制でき、一定温度に保持された第１冷媒ｒ１を超電導ケーブル１２に供給できる。

一実施形態では、第１冷却ステップＳ１０において、第１冷媒ｒ１を冷凍機１８で冷却された第２冷媒ｒ２と熱交換して冷却する。
この実施形態によれば、第１冷媒ｒ１を冷凍機１８で冷却された第２冷媒ｒ２と熱交換して冷却するため、冷却効率を向上できる。

一実施形態では、第１冷却ステップＳ１０において、冷凍機１８の冷却量を一定に保持しながら、超電導ケーブル１２の送電量が少ないときは、冷凍機１８への第１冷媒ｒ１の送液量を増加し、超電導ケーブル１２の送電量が多いときは、冷凍機１８への第１冷媒ｒ１の送液量を減少させる。

この実施形態によれば、上述のように、超電導ケーブル１２の送電量が少なく、第１リザーバタンク１４に戻る第１冷媒ｒ１の温度が低いときは、冷凍機１８の冷却量を一定に保持しながら、冷凍機１８への第１冷媒ｒ１の送液量を増加する。これによって、第１冷媒ｒ１が融点以下に低下して第１冷媒ｒ１の循環が悪化するのを防止できる。
また、超電導ケーブル１２の送電量が多く、第１リザーバタンク１４に戻る第１冷媒ｒ１の温度が高いときは、冷凍機１８の冷却量を一定に保持しながら、冷凍機１８への第１冷媒ｒ１の送液量を減少させる。これによって、第１冷媒ｒ１の昇温を抑制できると共に、第１冷媒ｒ１の循環装置の消費電力を低減できるため、超電導ケーブル１２の送電量と冷却装置１０の消費電力とを含めた電力需要の増加を抑制できる。

一実施形態では、超電導ケーブル１２の送電量が少なく、第１リザーバタンク１４内の第１冷媒ｒ１が満杯になりそうなときは、冷凍機１８の冷却量を減少させると共に、循環ポンプ２４による送液量を減少させる。逆に、超電導ケーブル１２の送電量が多く、第２リザーバタンク１６内の冷媒量が空になりそうなときには、冷凍機１８の冷却量を増加させると共に、循環ポンプ２４による送液量を増加させる運転を行う。
超電導ケーブル１２の送電量は１日の中で増減することが多く、その増減に見合うように第１リザーバタンク１４及び第２リザーバタンク１６の容量を設定することで、冷凍機１８の冷却量を増減することなく運転できる。

一実施形態では、第１リザーバタンク１４及び第２リザーバタンク１６の容量を大きくした場合には、超電導ケーブル１２の送電量が少ないときに冷凍機１８の冷却量を増加させ、超電導ケーブル１２の送電量が多いときに冷凍機１８の冷却量を減少させる運転とすることにより、超電導ケーブル１２と冷却装置１０とを合わせた電力需要の増加をさらに抑制できる。
即ち、電力需要が多くて超電導ケーブル１２の送電量が多いときに、循環ポンプ２４の送液量を減少させると共に、冷凍機１８の冷却量を減少させ、循環ポンプ２４と冷凍機１８の消費電力を減らすことで、総電力需要の抑制に寄与する。一方、電力需要が少なく超電導ケーブル１２の送電量が少ないときに、循環ポンプ２４の送液量を増加させると共に、冷凍機１８の冷却量を増加させることで、第１リザーバタンク１４に貯留される第１冷媒量を増やし、電力需要が多くなる時に備えるようにする。

幾つかの実施形態によれば、送電に使用する超電導ケーブルに送る冷媒の温度を一定に保ったまま、電力需要を緩和するように超電導ケーブルの冷却装置の消費電力を調整する運転が可能になる。

１０（１０Ａ、１０Ｂ） 冷却装置
１２ 超電導ケーブル
１４ 第１リザーバタンク
１６ 第２リザーバタンク
１８ 冷凍機
２０ 第１管路
２２ 第２管路
２４、２６ 循環ポンプ
２８ 熱交換器
３０、３２ 加圧ガス供給装置
４０ 予備循環装置
４１ 予備管路
４２ 予備循環ポンプ
４４、５２ 予冷管路
４６、５４ 予冷バルブ
４８、５０ 切替弁
ｒ１ 第１冷媒
ｒ２ 第２冷媒

Claims (11)

1. 送電に使用する超電導ケーブルに第１冷媒を循環供給して該超電導ケーブルを冷却する超電導ケーブルの冷却装置において、
   前記第１冷媒を貯留するための第１リザーバタンク及び第２リザーバタンクと、
   前記第１リザーバタンク内の前記第１冷媒を冷却するための冷凍機と、
   前記第１リザーバタンク内の前記第１冷媒を前記冷凍機を介して前記第２リザーバタンクに送るための第１管路と、
   前記第２リザーバタンク内の前記第１冷媒を前記超電導ケーブルに送ると共に、前記超電導ケーブルの冷却に供された前記第１冷媒を前記第１リザーバタンクに戻すための第２管路と、
   を備えることを特徴とする超電導ケーブルの冷却装置。
2. 前記第１管路に設けられ前記第１リザーバタンクから取り出された前記第１冷媒を前記冷凍機で冷却された第２冷媒で冷却するための熱交換器を備えることを特徴とする請求項１に記載の超電導ケーブルの冷却装置。
3. 前記第１リザーバタンク又は前記第２リザーバタンクの少なくとも一方に加圧ガスを供給するための加圧ガス供給装置を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の超電導ケーブルの冷却装置。
4. 前記第１リザーバタンク又は前記第２リザーバタンクの前記第１冷媒の出口部で前記第１管路又は前記第２管路に並列に設けられる予備管路と、
   前記予備管路に設けられた予備循環ポンプと、
   を備えることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の超電導ケーブルの冷却装置。
5. 前記予備循環ポンプの下流側で前記予備管路から分岐し、前記第１リザーバタンクに接続される予冷管路と、
   前記予冷管路に設けられる予冷バルブと、
   前記第１リザーバタンク又は前記第２リザーバタンクにおける前記第１冷媒の出口流路を前記第１管路又は前記第２管路と前記予備管路とに切り替え可能にする切替弁と、
   を備えることを特徴とする請求項４に記載の超電導ケーブルの冷却装置。
6. 送電に使用する超電導ケーブルに第１冷媒を循環供給して該超電導ケーブルを冷却する超電導ケーブルの冷却方法において、
   第１リザーバタンクに貯留された前記第１冷媒を冷凍機に送って冷却する第１冷却ステップと、
   前記第１冷却ステップで冷却された前記第１冷媒を第２リザーバタンクに送る第１送りステップと、
   前記第２リザーバタンク内の前記第１冷媒を前記超電導ケーブルに送って前記超電導ケーブルを冷却する第２冷却ステップと、
   前記第２冷却ステップで前記超電導ケーブルを冷却した後の前記第１冷媒を前記第１リザーバタンクに送る第２送りステップと、
   を含むことを特徴とする超電導ケーブルの冷却方法。
7. 前記第１冷却ステップにおいて、
   前記第１冷媒を前記冷凍機で冷却された第２冷媒と熱交換して冷却することを特徴とする請求項６に記載の超電導ケーブルの冷却方法。
8. 前記第１冷媒が液体窒素であり、前記第２冷媒が前記液体窒素の沸点より低い沸点を有する冷媒であることを特徴とする請求項７に記載の超電導ケーブルの冷却方法。
9. 前記第１冷却ステップにおいて、
   前記冷凍機の冷却量を一定に保持しながら、前記超電導ケーブルの送電量が少ないときは、前記冷凍機への前記第１冷媒の送液量を増加し、前記超電導ケーブルの送電量が多いときは、前記冷凍機への前記第１冷媒の送液量を減少させることを特徴とする請求項６乃至８の何れか一項に記載の超電導ケーブルの冷却方法。
10. 前記第１送りステップにおいて、
    前記第１リザーバタンクに加圧ガスを導入して前記第１冷媒を前記第２リザーバタンクに送る第１加圧ガス導入ステップを含むことを特徴とする請求項６乃至９の何れか一項に記載の超電導ケーブルの冷却方法。
11. 前記第２送りステップにおいて、
    前記第２リザーバタンクに加圧ガスを導入して前記第１冷媒を前記超電導ケーブルに送る第２加圧ガス導入ステップを含むことを特徴とする請求項６乃至９の何れか一項に記載の超電導ケーブルの冷却方法。

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