JP2019117026A - 超電導ケーブルの冷却装置及び初期冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】超電導ケーブルの初期冷却工程において、窒素ガスの大気中への放出をなくすことで、液体窒素の輸送が困難な場所でも初期冷却を実施可能にする。【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、液化状態の冷媒を貯留するリザーバタンクと、前記冷媒をサブクール温度まで冷却可能な冷凍機と、前記リザーバタンクからの前記冷媒を超電導ケーブルに送る冷媒送りラインと、前記冷凍機でサブクール温度まで冷却された前記冷媒の少なくとも一部を前記リザーバタンクに戻す第１冷媒戻りラインと、前記超電導ケーブルを冷却した後の冷媒を前記リザーバタンクに戻す第２冷媒戻りラインと、を備え、前記超電導ケーブルの初期冷却時に前記冷媒戻りラインから前記リザーバタンクに戻される気化冷媒が再凝縮されるように構成される。【選択図】図１

Description

本開示は、超電導ケーブルの冷却装置及び初期冷却方法に関する。

超電導ケーブルなどの超電導電力機器を超電導臨界温度以下の極低温に冷却するために、冷媒として液体窒素など極低温の沸点を有する液化冷媒が用いられる。常温の超電導ケーブルを極低温に冷却する初期冷却では、急激に冷却すると熱収縮により発生する応力（熱衝撃）により被冷却物が破壊されるおそれがあるので、徐々に液化冷媒を送り込む必要がある。そして、特許文献１に開示されているように、初期冷却時に被冷却物を冷却して発生した大量の窒素ガスは大気中へ放出されている。

特開２０１６−１６９８８０号公報

特許文献１に開示されているように、初期冷却時被冷却物を冷却して発生した大量の窒素ガスは大気中へ放出されるため、大量の液体窒素の補給が必要となる。しかし、山間部や離島など、液体窒素の輸送が困難な場所では、液体窒素の入手が容易ではなく、超電導ケーブルの初期冷却ができなくなるおそれがある。

一実施形態は、上記課題に鑑み、超電導ケーブルの初期冷却工程において、窒素ガスの大気中への放出をなくすことで、液体窒素の輸送が困難な場所でも初期冷却を実施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、
液化状態の冷媒を貯留するリザーバタンクと、
前記冷媒をサブクール温度まで冷却可能な冷凍機と、
前記リザーバタンクからの前記冷媒を超電導ケーブルに送る冷媒送りラインと、
前記冷凍機でサブクール温度まで冷却された前記冷媒の少なくとも一部を前記リザーバタンクに戻す第１冷媒戻りラインと、
前記超電導ケーブルを冷却した後の冷媒を前記リザーバタンクに戻す第２冷媒戻りラインと、
を備え、
前記超電導ケーブルの初期冷却時に前記第２冷媒戻りラインから前記リザーバタンクに戻される気化冷媒が再凝縮されるように構成される。

ここで言う「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より低い状態）となる温度域を言う。大気圧下における液体窒素を液化冷媒として用いる場合、サブクール温度とは、沸点（約７７Ｋ）から凝固点（約６３Ｋ）までの温度域のことを言う。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り、沸騰が起きる温度のことを言う。

上記（１）の構成によれば、超電導ケーブルの初期冷却時に、第２冷媒戻りラインからリザーバタンクに戻される気化冷媒が、リザーバタンクに貯留されたサブクール温度の液化冷媒を使って再凝縮されるため、超電導ケーブルの冷却に用いられた冷媒の再利用が可能になる。従って、冷媒の大量消費を抑制できるため、液化冷媒の輸送が困難な場所でも初期冷却の実施が可能になる。

（２）一実施形態では、前記（１）の構成において、
前記冷媒送りラインは、前記リザーバタンクから前記冷凍機を経由して前記超電導ケーブルに導設され、
前記第１冷媒戻りラインは、前記冷凍機と前記超電導ケーブルとの間で前記冷媒送りラインから分岐し、前記リザーバタンクに導設された分岐ラインで構成される。

上記（２）の構成によれば、第１冷媒戻りラインが冷媒送りラインから分岐する分岐ラインで構成されるため、サブクール温度の液化冷媒を送る配管を短縮できる。従って、該配管の表面に施工される断熱構造を含む配管設備に要するコストを節減できる。また、１個の液ポンプで超電導ケーブルとリザーバタンクとに液化冷媒を同時に送ることができ、液化冷媒の送り動力を低減できる。

（３）一実施形態では、前記（２）の構成において、
前記分岐ラインに設けられた圧力制御弁を備える。
上記（３）の構成によれば、上記圧力制御弁で液化冷媒に圧力損失を与えることで、圧力制御弁の上流側に位置する液化冷媒送りラインを流れる冷媒の圧力を増加できる。これによって、冷媒送りラインの上流側に設けられた１個の液ポンプで冷媒を超電導ケーブル
まで送ることができ、後述するガスポンプを用いる必要がない。
また、上記分岐ラインを流れる液化冷媒によりリザーバタンク内がサブクール温度になることで、リザーバタンク内の圧力を大気圧以下にすることができ、これによって、超電導ケーブルを初期冷却した後の冷媒のリザーバタンクへの戻りが容易になる。

（４）一実施形態では、前記（２）又は（３）の構成において、
前記リザーバタンクの上部気相空間に設けられた噴霧部を備え、
前記分岐ラインは前記噴霧部まで導設される。
上記（４）の構成によれば、上記噴霧部からサブクール温度の液化冷媒を噴霧することで、噴霧される液化冷媒は微細なミストを形成できる。そのため、リザーバタンク内の気体又は液体の冷媒との混ざりが促進され、両者間の熱交換効率を高めることができる。

（５）一実施形態では、前記（１）〜（４）の何れかの構成において、
前記冷媒送りラインを流れる前記冷媒と前記冷媒戻りラインを流れる前記冷媒とを熱交換し、前記冷媒を気化させる熱交換器を備える。
超電導ケーブルの初期冷却時に、冷熱容量が大きい極低温の液化冷媒を常温付近の超電導ケーブルに送って急激に冷却すると、熱収縮により発生する応力（熱衝撃）により被冷却物が破壊されるおそれがある。
上記（５）の構成によれば、上記熱交換器によって超電導ケーブルに送られる冷媒を気化させ、冷熱容量が小さい気化冷媒を超電導ケーブルに送ることができるため、熱衝撃を緩和できる。

（６）一実施形態では、前記（５）の構成において、
前記熱交換器の出口側で前記冷媒送りラインに設けられたガスポンプを備える。
液化冷媒が気化すると体積が急激に膨張する。１個の液ポンプだけでは気化冷媒を超電導ケーブルまで送る能力が十分でないと見込まれるとき、上記ガスポンプを追設することで、気化冷媒の送り能力を補うことができる。

（７）一実施形態では、前記（１）〜（６）の何れかの構成において、
前記第２冷媒戻りラインは、
前記リザーバタンク内の上部気相空間に出口開口を有する第１戻しラインと、
前記リザーバタンク内の下部液相空間に出口開口を有する第２戻しラインと、
を含み、
前記冷媒戻りラインは、前記第１戻しライン又は前記第２戻しラインに切替え可能に接続される。

上記（７）の構成によれば、超電導ケーブルから第２冷媒戻りラインに排出された冷媒が気相又は気相を含むときは上記第１戻しラインからリザーバタンクに戻し、液相のときは上記第２戻しラインからリザーバタンクに戻すことができる。これによって、気化冷媒をリザーバタンク内に貯留された液化冷媒の液中に送ることによるバブリングの発生と、液化冷媒を液面上方から落とすことによる衝撃の発生とを防止できる。このバブリングや衝撃が液化冷媒の送り側の円滑な送りを阻害するのを抑制できる。

（８）一実施形態では、前記（７）の構成において、
前記超電導ケーブルから排出された前記冷媒の温度を検出する温度センサと、
前記温度センサの検出値が閾値以上のとき、前記冷媒の戻り流路を前記第１戻し路とし、前記検出値が前記閾値未満のとき、前記冷媒の戻り流路を前記第２戻しラインとする制御部と、
を備える。
上記（８）の構成によれば、上記制御部によって、超電導ケーブルからリザーバタンクに戻る冷媒の戻り流路を第１戻しライン又は第２戻しラインのどちらとするかを、上記温度センサの検出値から客観的に判定でき、かつ選択された戻しラインへの切り替えを上記制御部によって自動的に行うことができる。

（９）一実施形態では、前記（７）又は（８）の構成において、
前記冷媒送りラインを流れる前記冷媒と前記冷媒戻りラインを流れる前記冷媒とを熱交換し、前記冷媒送りラインを流れる前記冷媒を気化させる熱交換器を備え、
前記熱交換器は、前記冷媒送りラインを流れる前記冷媒と前記第１戻しラインを流れる前記冷媒とを熱交換するように構成される。
上記（９）の構成によれば、上記熱交換器によって、冷媒送りラインを流れる冷媒と、気化冷媒を含み第２戻しラインと比べて熱量を多く含む第１戻しラインの冷媒とを熱交換させることで、冷媒送りラインを流れる液化冷媒の気化量を増加できる。

（１０）一実施形態に係る超電導ケーブルの初期冷却方法は、
液化状態の冷媒を貯留するリザーバタンクと、
前記冷媒をサブクール温度まで冷却可能な冷凍機と、
前記リザーバタンクからの前記冷媒を超電導ケーブルに送る冷媒送りラインと、
前記冷凍機でサブクール温度まで冷却された前記冷媒の少なくとも一部を前記リザーバタンクに戻す第１冷媒戻りラインと、
前記超電導ケーブルを冷却した後の前記冷媒を前記リザーバタンクに戻す第２冷媒戻りラインと、
を備える超電導ケーブルの冷却装置であって、
前記リザーバタンク内に貯留された前記冷媒を前記冷凍機でサブクール温度に冷却する冷却ステップと、
前記冷却ステップで冷却された前記冷媒の一部を前記超電導ケーブルに送り、一部を前記リザーバタンクに戻す冷媒送りステップと、
前記超電導ケーブルを冷却した後の前記冷媒を前記リザーバタンクに戻し、前記リザーバタンクに貯留されたサブクール温度の前記冷媒を使って再凝縮する再凝縮ステップと、
を含む。

上記（１０）の方法によれば、超電導ケーブルの初期冷却時に、超電導ケーブルを冷却した後の冷媒をリザーバタンクに貯留されたサブクール温度の液化冷媒を使って再凝縮するので、初期冷却に使用された冷媒の再利用が可能になり、冷媒の大量消費を抑制できる。これによって、液化冷媒の輸送が困難な場所でも初期冷却の実施が可能になる。

（１１）一実施形態では、前記（１０）の方法において、
前記冷媒送りステップにおいて、
前記冷却ステップで冷却された前記冷媒の一部を冷媒送りラインに送ると共に、前記冷媒送りラインから分岐する前記第１冷媒戻りラインを介して前記冷媒の一部を前記リザーバタンクに戻す。
上記（１１）の方法によれば、第１冷媒戻りラインが冷媒送りラインから分岐する分岐ラインで構成されるため、サブクール温度の液化冷媒を送る配管を短縮できる。従って、該配管の表面に施工される断熱構造を含む配管設備に要するコストを節減できる。また、第１冷媒戻りラインが分岐ラインで構成されるため、１個の液ポンプで超電導ケーブルとリザーバタンクとに冷媒を同時に送ることができ、冷媒の送り動力を低減できる。

（１２）一実施形態では、前記（１１）の方法において、
前記冷媒送りステップは、
前記第１冷媒戻りラインを流れる前記冷媒に圧力損失を発生させて前記冷媒送りラインを流れる前記冷媒の圧力を増加させる圧力調整ステップを含む。
上記（１２）の方法によれば、上記圧力調整ステップにより、冷凍機からリザーバタンクに戻る液化冷媒に圧力損失を与えることで、冷媒送りラインを流れる冷媒の圧力を増加できる。これによって、冷媒送りラインの上流側に設けられた１個の液ポンプで冷媒を超電導ケーブルまで送ることができ、送り動力を低減できる。
また、リザーバタンクに戻す液化冷媒に圧力損失を与えることで、リザーバタンク内の圧力を大気圧以下にでき、これによって、超電導ケーブルを冷却した後の冷媒のリザーバタンクへの戻りが容易になる。

（１３）一実施形態では、前記（１２）の方法において、
前記圧力調整ステップにおいて、前記リザーバタンク内を大気圧未満に保持する。
上記（１３）の方法によれば、リザーバタンク内を大気圧未満に保持することで、超電導ケーブルを冷却した後の冷媒のリザーバタンクへの戻りが容易になる。

（１４）一実施形態では、前記（１２）又は（１３）の構成において、
前記圧力調整ステップにおいて、
前記超電導ケーブルの温度低下に伴って前記第１冷媒戻りラインを流れる前記冷媒を徐々に絞り、超電導ケーブルから排出される前記冷媒の全部が液化冷媒となったとき、前記第１冷媒戻りラインの前記冷媒の流れを停止させる。
上記（１４）の方法によれば、超電導ケーブルの初期冷却が進むにつれて、超電導ケーブルの温度が低下し、超電導ケーブルから戻る冷媒のうちの気化冷媒の割合が減少する。そして、超電導ケーブルから排出される冷媒がすべて液化冷媒となった時を初期冷却工程が完了したとみなし、第１冷媒戻りラインを閉じることで、定常運転に移ることができる。

（１５）一実施形態では、前記（１０）〜（１４）の何れかの構成において、
前記冷媒送りステップは、
前記超電導ケーブルに送る前記冷媒と前記超電導ケーブルを冷却した後の冷媒とを熱交換し、前記超電導ケーブルに送る前記冷媒を気化する熱交換ステップを含み、
前記熱交換ステップで気化された気化冷媒を前記超電導ケーブルに供給する。
上記（１５）の方法によれば、上記熱交換ステップによって超電導ケーブルに冷熱容量が小さい気化冷媒を送ることができる。これによって、熱衝撃を緩和できる。

一実施形態によれば、超電導ケーブルの初期冷却時に使用する冷媒を回収し再利用できるので、冷媒の大量消費をなくすことができる。これによって、液化冷媒の輸送が困難な場所でも液化冷媒の確保が容易になり、初期冷却の実施が可能になる。

一実施形態に係る冷却装置の基本構成を示すブロック線図である。 一実施形態に係る初期冷却方法の主要工程を示す工程図である。 一実施形態に係る初期冷却方法を詳細に示す工程図である。

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は、一実施形態に係る超電導ケーブルの冷却装置１０の基本構成を示す。
図１において、リザーバタンク１２に液化冷媒Ｌｒが貯留される。リザーバタンク１２に貯留された液化冷媒Ｌｒは、冷媒送りライン１４に設けられた液ポンプ２２によって冷媒送りライン１４から冷凍機１６に送られ、冷凍機１６でサブクール（過冷却）温度に冷却される。冷凍機１６でサブクール温度に冷却された液化冷媒Ｌｒは、冷媒送りライン１４を経て超電導ケーブル１８に送られる。冷凍機１６でサブクール温度まで冷却された液化冷媒の少なくとも一部は、第１冷媒戻りライン４０を介してリザーバタンク１２に戻される。

超電導ケーブル１８は、初期冷却時に徐々に冷却され、初期冷却後、超電導ケーブル１８の送電開始時（定常運転時）には超電導臨界温度以下の温度に保持される。超電導ケーブル１８を冷却した後の冷媒は、第２冷媒戻りライン２０を経てリザーバタンク１２に戻される。初期冷却時に冷媒戻しライン２０からリザーバタンク１２に戻された気化冷媒は、リザーバタンク１２に貯留されたサブクール温度の液化冷媒Ｌｒを使って再凝縮される。

上記構成によれば、初期冷却時に冷媒戻しライン２０からリザーバタンク１２に戻される気化冷媒が、リザーバタンク１２に貯留されたサブクール温度の液化冷媒を使って再凝縮されるため、超電導ケーブル１８の冷却に用いられた冷媒の再利用が可能になる。従って、冷媒の大量消費を抑制できるため、液化冷媒の輸送が困難な場所でも初期冷却が可能になる。

一実施形態では、リザーバタンク１２は、外気温度の侵入を抑制して貯留された液化冷媒Ｌｒを気化しにくくするため、真空二重構造や断熱材を用いた断熱構造とする。
一実施形態では、液化冷媒として、超電導ケーブル１８の超電導状態を維持可能な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が高いものがよい。このような使用条件と、安全面やコスト面を考慮すると、液化窒素を用いることができる。

一実施形態では、冷凍機１６は、冷媒ガス循環ライン２４と、冷媒ガス循環ライン２４に設けられる液化冷媒用熱交換器２６、圧縮機２８、水冷部３０、冷熱回収熱交換器３２及び膨張タービン３４を備え、熱サイクルとして逆ブレイトンサイクルを構成する。圧縮機２８及び膨張タービン３４の回転軸はモータ３６の回転軸と一体に形成され、圧縮機２８及び膨張タービン３４はモータ３６によって駆動される。圧縮機２８で断熱圧縮された冷媒ガスは、水冷部３０で冷却水ｗによって冷却された後、冷熱回収熱交換器３２で液化冷媒用熱交換器２６からの戻り冷媒ガスと熱交換してさらに冷却される。その後、冷媒ガスは膨張タービン３４で減圧されてさらに冷却された後、液化冷媒用熱交換器２６で液化冷媒Ｌｒを冷却する。

冷媒ガス循環ライン２４を循環する冷媒ガスとして、リザーバタンク１２に貯留された液化冷媒Ｌｒ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Ｌｒとして液化窒素を用いる場合、冷媒ガスとして、例えば、Ｈｅガス、Ｎｅガス、あるいはこれらの混合ガスを用いる。
一実施形態では、圧縮機２８、モータ３６及び水冷部３０を除く冷凍機１６の構成機器は、外部からの熱侵入を抑制するため、真空容器（コールドボックス）３８内に収容される。
図１に示す冷凍機１６は、１個の圧縮機を用いた１段圧縮であるが、複数の圧縮機を直列に配置した複数段圧縮方式としてもよい。

一実施形態では、図１に示すように、冷媒送りライン１４は、リザーバタンク１２から冷凍機１６（具体的には液化冷媒用熱交換器２６）を経由して超電導ケーブル１８まで導設される。また、第１冷媒戻りライン４０は、冷凍機１６と超電導ケーブル１８との間で冷媒送りライン１４から分岐し、リザーバタンク１２に導設される分岐ラインで構成される。
この実施形態によれば、第１冷媒戻りライン４０が冷媒送りライン１４から分岐する分岐ラインで構成されるため、サブクール温度の液化冷媒を送るための配管を短縮できる。従って、該配管の表面に施工される断熱構造を含む配管設備に要するコストを節減できる。また、１個の液ポンプ２２で超電導ケーブル１８とリザーバタンク１２とに液化冷媒を同時に送ることができ、液化冷媒の送り動力を低減できる。

一実施形態では、第１冷媒戻りライン４０に圧力制御弁４２が設けられる。この実施形態では、圧力制御弁４２の開度を絞り、液化冷媒Ｌｒに圧力損失を与えることで、圧力制御弁４２の上流側に位置する冷媒送りライン１４を流れる液化冷媒Ｌｒの圧力を増加できる。これによって、冷媒送りライン１４の上流側に設けられた１個の液ポンプ２２で冷媒を超電導ケーブル１８まで送ることができ、後述するガスポンプ５２を用いる必要がない。
また、第１冷媒戻りライン４０を流れる液化冷媒Ｌｒによりリザーバタンク内がサブクール温度になることで、リザーバタンク内の圧力を大気圧以下にすることができる。これによって、超電導ケーブル１８を初期冷却した後の冷媒が第２冷媒戻りライン２０を経由してリザーバタンク１２に戻るとき、リザーバタンク１２への冷媒の戻りが容易になる。

別な実施形態では、冷凍機１６でサブクール温度に冷却した液化冷媒Ｌｒを夫々別なラインで超電導ケーブル１８及びリザーバタンク１２に送るようにしてもよい。この実施形態では、リザーバタンク内を大気圧以下の圧力にしたいとき液化冷媒をリザーバタンク１２に送る流路に圧力制御弁４２を設けるようにする。
また、別な実施形態では、冷凍機１６でサブクール温度に冷却した全部の液化冷媒Ｌｒを一旦リザーバタンク１２に戻し、その後、リザーバタンク１２から液化冷媒Ｌｒを超電導ケーブル１８に送るようにしてもよい。

一実施形態では、図１に示すように、リザーバタンク１２の内部で上部気相空間に噴霧部４４を備える。第１冷媒戻りライン４０は噴霧部４４まで導設される。噴霧部４４からサブクール温度の液化冷媒Ｌｒを噴霧すると、噴霧される液化冷媒Ｌｒは微細なミストを形成するため、リザーバタンク内の気体又は液体の冷媒との混ざりが促進される。これによって、両者間の熱交換効率を高めることができ、リザーバタンク内を効率的にサブクール温度にすることができる。

一実施形態では、図１に示すように、噴霧部４４は、上部気相空間で水平方向に配置されたループ状管４６と、ループ状管４６に設けられた多数のノズル４８とを備える。サブクール温度の液化冷媒Ｌｒは多数のノズル４８からミスト状になって噴霧されるため、リザーバタンク内の気体又は液体の冷媒との混合が促進され、これによって、両者間の熱交換効率を高めることができる。

一実施形態では、図１に示すように、冷媒送りライン１４を流れる液化冷媒Ｌｒと第２冷媒戻りライン２０を流れる冷媒とを熱交換するための熱交換器５０を備える。熱交換器５０において、冷媒送りライン１４を流れる液化冷媒Ｌｒは第２冷媒戻りライン２０を流れる冷媒によって加熱されて気化し、気化した冷媒が超電導ケーブル１８に送られる。
超電導ケーブル１８の初期冷却時に極低温の液化冷媒を常温付近の超電導ケーブルに送って急激に冷却すると、冷媒入口付近の超電導ケーブルのみが極低温に冷却され超電導ケーブル内に大きな温度差が発生する。この大きな温度差により超電導ケーブルの熱収縮の差も大きくなり、超電導ケーブルが冷媒入口側へ移動することで、被冷却物が破壊されるおそれがある。この実施形態によれば、熱交換器５０によって超電導ケーブル１８に超電導ケーブルとの温度差が小さな気化冷媒を送ることができるため、超電導ケーブル内の温度差を小さくでき、熱収縮量の差による超電導ケーブルの破損を抑制できる。

一実施形態では、図１に示すように、熱交換器５０の出口側で冷媒送りライン１４にガスポンプ５２を備える。熱交換器５０で気化された気化冷媒をガスポンプ５２で超電導ケーブル１８に送る。ここで、ガスポンプとは、例えば、圧縮機、ブロア、ファン等の送風能力がある機器を言う。
この実施形態によれば、液化冷媒に比較して気化冷媒は熱容量が小さいため、超電導ケーブルを迅速に冷却するためには多量の気化冷媒を超電導ケーブルに送る必要がある。このとき１個の液ポンプ２２だけでは気化冷媒を超電導ケーブル１８に送る能力が十分でないと見込まれるとき、ガスポンプ５２を追設することで、気化冷媒の送り能力を補うことができる。

一実施形態では、冷媒送りライン１４を迂回する迂回ライン５４を備え、迂回ライン５４が熱交換器５０に導設される。また、冷媒送りライン１４に設けられた開閉弁５６と迂回ライン５４に設けられた開閉弁５８とで液化冷媒Ｌｒの流路を冷媒送りライン１４又は迂回ライン５４に切り替えできる。
これによって、冷媒送りライン１４を流れる液化冷媒Ｌｒの気化が必要なときにのみ液化冷媒Ｌｒを熱交換器５０に送って気化できる。

一実施形態では、図１に示すように、第２冷媒戻りライン２０は、第１戻しライン２０（２０ａ）及び第２戻しライン２０（２０ｂ）とに切り替え可能に接続される。第１戻しライン２０（２０ａ）はリザーバタンク内の上部気相空間に出口開口を有し、第２戻しライン２０（２０ｂ）はリザーバタンク内の下部液相空間に出口開口を有する。

この実施形態によれば、超電導ケーブル１８から第２冷媒戻りライン２０に排出された冷媒が気相又は気相を含むときは、第１戻しライン２０（２０ａ）からリザーバタンクに戻し、液相のときは第２戻しライン２０（２０ｂ）からリザーバタンク１２に戻すようにする。これによって、気化冷媒をリザーバタンク１２に貯留された液化冷媒の液中に送ることにより液ポンプ２２に気化冷媒が混入した液化冷媒が送られ液ポンプ２２が損傷することや、初期冷却終了後に超電導ケーブル通電のために超電導ケーブルを加圧したサブクール温度の液化冷媒で冷却する時に、液化冷媒をリザーバタンク１２に貯留された液化冷媒の液面上方から落とすことで、リザーバタンク内の気化冷媒が再凝縮して不要にリザーバタンク内圧力が低下することを防止できる。

一実施形態では、第１戻しライン２０（２０ａ）に開閉弁６０が設けられ、第２戻しライン２０（２０ｂ）に開閉弁６２が設けられる。これら弁の開閉によって超電導ケーブル１８から排出された冷媒を両ラインへの切り替えが可能になる。

一実施形態では、超電導ケーブル１８の出口部に冷媒の温度を検出するための温度センサ６４が設けられる。温度センサ６４の検出値は制御部６６に送られる。制御部６６は、温度センサ６４の検出値が閾値以上のとき、冷媒の戻り流路を第１戻しライン２０（２０ａ）とし、該検出値が閾値未満のとき、冷媒戻り流路を第２戻しライン２０（２０ｂ）とする。

この実施形態によれば、制御部６６によって、超電導ケーブル１８から排出された冷媒のリザーバタンク１２への戻り流路を第１戻しライン２０（２０ａ）又は第２戻しライン２０（２０ｂ）とするかを、温度センサ６４の検出値から客観的に判定でき、かつ選択された戻りラインへの切り替えを自動的に行うことができる。
上記閾値は、例えば、超電導ケーブル１８から排出された冷媒が気液二相流となる温度（冷媒の沸点）を目安として選定する。例えば、液化冷媒Ｌｒが液化窒素のとき、該閾値は７５〜７９Ｋとする。

一実施形態では、図１に示すように、熱交換器５０は、冷媒送りライン１４を流れる液化冷媒Ｌｒと第１戻しライン２０（２０ａ）を流れる冷媒とを熱交換するように構成される。熱交換器５０によって、冷媒送りライン１４を流れる液化冷媒と、気化冷媒を含み第２戻しライン２０（２０ｂ）と比べて熱量を多く含む第１戻しライン２０（２０ａ）の冷媒とを熱交換させることで、液化冷媒Ｌｒの気化量を増加できる。

一実施形態では、図１に示すように、リザーバタンク１２は外部から液化冷媒Ｌｒを供給するための冷媒供給ライン６８を備える。リザーバタンク１２で液化冷媒が不足したとき、外部のタンクローリなどから冷媒供給ライン６８を介して液化冷媒を供給する。
一実施形態では、冷媒送りライン１４に系内を外部に連通可能にするための放出弁７８が放出ライン７７に設けられる。また、リザーバタンク１２には、リザーバタンク内の圧力が許容値を超えたとき開放される逃がし弁８０と、必要なときに上部気相空間の気体を外部に放出するガス放出弁８２と、を備える。

一実施形態では、図１に示すように、冷媒送りライン１４の上流側に圧力調整部７０が設けられる。圧力調整部７０は、冷媒送りライン１４から分岐してリザーバタンク１２の上部気相空間に開口する圧力調整ライン７２と、圧力調整ライン７２に設けられた気化器７４と、気化器７４の下流側で圧力調整ライン７２に設けられた昇圧用の流量調整弁７６と、を備える。
リザーバタンク１２の圧力を増加させる必要があるとき、液化冷媒Ｌｒの一部を圧力調整ライン７２に導入し、気化器７４で液化冷媒の一部を気化させる。そして、流量調整弁７６で流量が調整された気化冷媒をリザーバタンク１２の上部気相空間に供給することで、リザーバタンク内の圧力を所望の圧力に増加できる。

初期冷却後の超電導ケーブル１８の定常運転では、超電導ケーブル１８での液化冷媒Ｌｒの気化を防ぐために、超電導ケーブル１８内の冷媒流路を大気圧より高圧に保持する必要がある。そこで、圧力調整部７０によってリザーバタンク内を大気圧より高い圧力に保持することで、これが可能になる。

図２は、一実施形態に係る超電導ケーブルの初期冷却方法の主要な工程を示し、図３は、一実施形態に係る超電導ケーブルの初期冷却方法を詳細に示す工程図である。
まず、一実施形態に係る超電導ケーブルの初期冷却方法の主要な工程を図２に基づいて説明する。前処理ステップを行った後の初期冷却方法の主要ステップは、冷却ステップＳ１０、冷媒送りステップＳ１２及び再凝縮ステップＳ１８を含む。まず、リザーバタンク１２内に貯留された液化冷媒Ｌｒを冷凍機１６でサブクール温度に冷却する（冷却ステップＳ１０）。次に、冷却ステップＳ１０でサブクール温度に冷却された冷媒の一部を冷媒送りライン１４を介して超電導ケーブル１８に送り、一部をリザーバタンク１２に戻す（冷媒送りステップＳ１２）。その後、超電導ケーブル１８を冷却した後の冷媒を第２冷媒戻りライン２０を介してリザーバタンク１２に戻す。リザーバタンク１２に戻された冷媒は、リザーバタンク１２に貯留されたサブクール温度の液化冷媒Ｌｒによって再凝縮される（再凝縮ステップＳ１８）。

上記主要ステップを含む初期冷却方法によれば、再凝縮ステップＳ１８において、超電導ケーブル１８を冷却した後の冷媒は、リザーバタンク１２に貯留されたサブクール温度の液化冷媒を使って再凝縮されるので、初期冷却に使用された冷媒の再利用が可能になり、冷媒の大量消費を抑制できる。これによって、液化冷媒の輸送が困難な場所でも初期冷却の実施が可能になる。

一実施形態では、冷媒送りステップＳ１２において、冷却ステップＳ１０で冷却された冷媒の一部を冷媒送りライン１４に送ると共に、冷媒送りライン１４から分岐した第１冷媒戻りライン４０を介して液化冷媒Ｌｒの一部をリザーバタンク１２に戻す。このように、第１冷媒戻りライン４０が冷媒送りライン１４から分岐する分岐ラインで構成されるため、サブクール温度の液化冷媒を送るための配管を短縮できる。従って、該配管の表面に施工される断熱構造を含む配管設備のコストを節減できる。また、１個の液ポンプ２２で超電導ケーブル１８とリザーバタンク１２とに冷媒を同時に送ることができ、冷媒の送り動力を低減できる。

一実施形態では、冷媒送りステップＳ１２において、第１冷媒戻りライン４０を流れる液化冷媒Ｌｒに圧力損失を発生させて冷媒送りライン１４を流れる液化冷媒Ｌｒの圧力を増加させる（圧力調整ステップＳ１４）。
この実施形態によれば、圧力調整ステップＳ１４により、冷凍機１６からリザーバタンク１２に戻る液化冷媒Ｌｒに圧力損失を与えることで、冷媒送りライン１４を流れる冷媒の圧力を増加できる。これによって、冷媒送りライン１４の上流側に設けられた１個の液ポンプ２２で冷媒を超電導ケーブル１８まで送ることができ、送り動力を低減できる。
また、リザーバタンク１２に戻す液化冷媒Ｌｒによりリザーバタンク１２内がサブクール温度になるため、リザーバタンク内の圧力は大気圧以下にでき、これによって、超電導ケーブル１８を冷却した後の冷媒のリザーバタンク１２への戻りが容易になる。超電導ケーブル１８を冷却した後の気化冷媒の温度が下がると、リザーバタンク１２内の温度と圧力が下がるので、第１冷媒戻りライン４０を介してリザーバタンク１２に戻る液化冷媒Ｌｒの量を減らすことができる。

一実施形態では、リザーバタンク１２に供給される液化冷媒Ｌｒを噴霧部４４を介してミスト状にして供給することで、リザーバタンク内の冷媒ガスとの混合を促進し、熱交換効率を向上できる。

一実施形態では、圧力調整ステップＳ１４において、リザーバタンク内を大気圧未満に保持する。リザーバタンク内を大気圧未満に保持することで、超電導ケーブル１８を冷却した後の冷媒が第２冷媒戻りライン２０を介してリザーバタンク１２に戻るとき、該冷媒のリザーバタンク１２への戻りが容易になる。

一実施形態では、冷媒送りステップＳ１２において、超電導ケーブル１８に送る冷媒と超電導ケーブル１８を冷却した後の冷媒とを熱交換し、超電導ケーブル１８に送る冷媒を気化する（熱交換ステップＳ１６）。そして、熱交換ステップＳ１６で気化された気化冷媒を超電導ケーブル１８に供給する。
この実施形態によれば、熱交換ステップＳ１６によって超電導ケーブル１８に気化冷媒を送ることができる。初期冷却時に冷熱容量が大きい極低温の液化冷媒Ｌｒを常温の超電導ケーブルに送って急激に冷却すると、超電導ケーブル内に大きな温度差とそれに伴い熱収縮の差が大きくなることにより被冷却物が破壊されるおそれがあるが、超電導ケーブルとの温度差が小さい気化冷媒を送ることで、超電導ケーブル内の温度差小さくし、熱収縮量の差を小さくできる。

一実施形態では、冷媒送りステップＳ１２において、熱交換器５０に第１戻しライン２０（２０ａ）が導設され、熱交換器５０は、冷媒送りライン１４を流れる液化冷媒Ｌｒと第１戻しライン２０（２０ａ）を流れる冷媒とを熱交換する。熱交換器５０によって、冷媒送りライン１４を流れる液化冷媒と、気化冷媒を含み第２戻しライン２０（２０ｂ）と比べて熱量を多く含む第１戻しライン２０（２０ａ）の冷媒とを熱交換させることで、液化冷媒Ｌｒの気化量を増加できる。

超電導ケーブル１８から排出される冷媒中の気相の割合が減ってきたら、第２冷媒戻りライン２０の流路を第２戻しライン２０（２０ｂ）に切り替えると共に、冷媒送りライン１４の液化冷媒を熱交換器５０で昇温することなく超電導ケーブル１８に送る。これは、冷媒送りライン１４の液化冷媒と超電導ケーブル１８の温度差が小さくなり、超電導ケーブル１８内に大きな温度差が発生しなくなったため、より低温の冷媒送りライン１４の液化冷媒で超電導ケーブル１８の冷却を迅速に進めるためである。
なお、図１に示す温度センサ６４の検出値が上記閾値を下回ったら、冷媒の戻り流路を第２戻しライン２０（２０ｂ）に切り替えるようにしてもよい。

一実施形態では、圧力調整ステップＳ１４において、超電導ケーブル１８の温度低下に伴って第１冷媒戻りライン４０を流れる液化冷媒を徐々に絞る。超電導ケーブルから排出される冷媒の全部が液化冷媒となったとき、初期冷却工程が終了したと判定し、図１に示すように、圧力制御弁４２を閉じて第１冷媒戻りライン４０の液化冷媒の流れを停止させる。
超電導ケーブル１８の初期冷却が進むにつれて、超電導ケーブル１８の温度が低下し、超電導ケーブル１８から戻る冷媒のうちの気化冷媒の割合が減少する。そして、超電導ケーブル１８から排出される冷媒がすべて液化冷媒となった時を目安として第１冷媒戻りライン４０を閉じることで、初期冷却は完了して定常運転に移ることができる。

次に、図３により、一実施形態に係る超電導ケーブルの初期冷却方法を詳細に説明する。
冷却ステップＳ１０の前に前処理ステップＡ〜Ｅが行われる。まず、リザーバタンク１２に液化冷媒Ｌｒを供給する前に、放出ライン７７の放出弁７８を開き、放出ライン７７を真空ポンプ（不図示）に接続し、系内を真空引きし、系内の空気を排除する（ステップＡ）。
次に放出ライン７７から常温の冷媒ガスを充填する（ステップＢ）。この系内の真空引きと冷媒ガス充填を数回繰り返し、系内を冷媒ガスに置換する（ステップＣ）。

その後、ステップＤを行う。ステップＤでは、タンクローリ８４などを使って冷媒供給ライン６８からリザーバタンク１２に液化冷媒Ｌｒを供給する。この時バルブ６０とバルブ６２を閉じ、気化した冷媒は超電導ケーブル１８を通して放出ライン７７から排出することで、超電導ケーブル１８内に残留する空気の排出をより確実にする。放出ライン７７から放出される放出ガスの量が減少したら、放出弁７８を閉め、放出ライン７７から空気が混入しないようにする。なお、冷凍機１６は運転できる状態にしておく。
そして、タンクローリ８４から冷媒供給ライン６８を介してリザーバタンク１２が満タンになるまで液化冷媒を貯留する。このとき、リザーバタンク内の圧力が増加したらガス放出弁８２を開けて圧力増加を抑制する（ステップＥ）。

上記前処理ステップＡ〜Ｅが終了した後、ステップＦを行う。即ち、冷凍機１６を起動し、リザーバタンク１２に貯留した液化冷媒を液化冷媒用熱交換器２６でサブクール温度に冷却する。液化冷媒Ｌｒが液化窒素の場合、７０Ｋ程度のサブクール温度に冷却する（冷却ステップＳ１０）。その後、液ポンプ２２を起動し、サブクール温度の液化冷媒Ｌｒを第１冷媒戻りライン４０を介してリザーバタンク１２に供給する（冷媒送りステップＳ１２）。そして、リザーバタンク１２に供給されたサブクール温度の液化冷媒によって、リザーバタンク内の液化冷媒Ｌｒをサブクール温度まで冷却し、リザーバタンク内の冷媒ガスを再凝縮する（再凝縮ステップＳ１８）。

次に、ステップＧでは、サブクール温度の液化冷媒の一部が冷媒送りライン１４を介して超電導ケーブル１８に送られ、超電導ケーブル１８の冷却が開始される。また、熱交換器５０で、冷媒送りライン１４の迂回ライン５４を流れる液化冷媒を第１戻しライン２０（２０ａ）を流れる気化冷媒で加温して気化させ（熱交換ステップＳ１６）、気化した冷媒を超電導ケーブル１８に送る（冷媒送りステップＳ１２）。超電導ケーブル１８を冷却し第２冷媒戻りライン２０を経てリザーバタンク１２に戻った気化冷媒は、分岐ライン４０から噴霧部４４を経てリザーバタンク１２に戻ったサブクール温度の液化冷媒により再凝縮される（再凝縮ステップＳ１８）。

次のステップＨは図２の圧力調整ステップＳ１４に相当し、上述のように、冷媒送りライン１４から超電導ケーブル１８に液化冷媒を送ると共に、第１冷媒戻りライン４０からリザーバタンク１２に戻る液化冷媒は、圧力制御弁４２で圧力調整されるため、リザーバタンク１２の内部は大気圧未満に保持される。

次のステップＩでは、超電導ケーブル１８の出口部に設けられた温度センサ６４の検出値が制御部６６に送られ、制御部６６は、温度センサ６４の検出値が閾値以上のとき、冷媒の戻り流路を第１戻しライン２０（２０ａ）とし、該検出値が閾値未満のとき、冷媒戻り流路を第２戻しライン２０（２０ｂ）とする。
これによって、超電導ケーブル１８から排出された冷媒のリザーバタンク１２への戻り流路を第１戻しライン２０（２０ａ）又は第２戻しライン２０（２０ｂ）とするかを、温度センサ６４の検出値から客観的に判定でき、かつ選択された戻りラインへの切り替えを自動的に行うことができる。

超電導ケーブル１８から排出される冷媒中の気相の割合が減ってきたら、圧力制御弁４２を徐々に絞り、超電導ケーブル１８から出てくる冷媒が全部液冷媒の状態となったら、圧力制御弁４２を全閉し、初期冷却が完了する。従って、通常運転モードに移行する（ステップＪ）。

一実施形態によれば、超電導ケーブルの初期冷却工程において、冷媒ガスの大気中への放出をなくすことで、冷媒ガスの大量消費を抑制できるため、液体窒素の輸送が困難な場所でも初期冷却を実施できる。

１０ 冷却装置
１２ リザーバタンク
１４ 冷媒送りライン
１６ 冷凍機
１８ 超電導ケーブル
２０（２０ａ、２０ｂ） 第２冷媒戻りライン
２０ａ 第１戻しライン
２０ｂ 第２戻しライン
２２ 液ポンプ
２４ 冷媒ガス循環ライン
２６ 液化冷媒用熱交換器
２８ 圧縮機
３０ 冷却部
３２ 冷熱回収熱交換器
３４ 膨張タービン
３６ モータ
３８ 真空容器
４０ 第１冷媒戻りライン
４２ 圧力制御弁
４４ 噴霧部
４６ ループ状管
４８ ノズル
５０ 熱交換器
５２ ガスポンプ
５４ 迂回ライン
６４ 温度センサ
６６ 制御部
６８ 冷媒供給ライン
７０ 圧力調整部
７２ 圧力調整ライン
７４ 気化器
７６ 流量調整弁
７７ 放出ライン
７８ 放出弁
８０ 逃がし弁
８２ ガス放出弁
８４ タンクローリ
Ｌｒ 液化冷媒
ｗ 冷却水

Claims (15)

1. 液化状態の冷媒を貯留するリザーバタンクと、
   前記冷媒をサブクール温度まで冷却可能な冷凍機と、
   前記リザーバタンクからの前記冷媒を超電導ケーブルに送る冷媒送りラインと、
   前記冷凍機でサブクール温度まで冷却された前記冷媒の少なくとも一部を前記リザーバタンクに戻す第１冷媒戻りラインと、
   前記超電導ケーブルを冷却した後の冷媒を前記リザーバタンクに戻す第２冷媒戻りラインと、
   を備え、
   前記超電導ケーブルの初期冷却時に前記第２冷媒戻りラインから前記リザーバタンクに戻される気化冷媒が再凝縮されるように構成されたことを特徴とする超電導ケーブルの冷却装置。
2. 前記冷媒送りラインは、前記リザーバタンクから前記冷凍機を経由して前記超電導ケーブルに導設され、
   前記第１冷媒戻りラインは、前記冷凍機と前記超電導ケーブルとの間で前記冷媒送りラインから分岐し、前記リザーバタンクに導設された分岐ラインで構成され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. 前記分岐ラインに設けられた圧力制御弁を備えることを特徴とする請求項２に記載の超電導ケーブルの冷却装置。
4. 前記リザーバタンクの上部気相空間に設けられた噴霧部を備え、
   前記分岐ラインは前記噴霧部まで導設されることを特徴とする請求項２又は３に記載の超電導ケーブルの冷却装置。
5. 前記冷媒送りラインを流れる前記冷媒と前記冷媒戻りラインを流れる前記冷媒とを熱交換し、前記冷媒送りラインを流れる前記冷媒を気化させる熱交換器を備えることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の超電導ケーブルの冷却装置。
6. 前記熱交換器の出口側で前記冷媒送りラインに設けられたガスポンプを備えることを特徴とする請求項５に記載の超電導ケーブルの冷却装置。
7. 前記第２冷媒戻りラインは、
   前記リザーバタンク内の上部気相空間に出口開口を有する第１戻しラインと、
   前記リザーバタンク内の下部液相空間に出口開口を有する第２戻しラインと、
   を含み、
   前記第２冷媒戻りラインは、前記第１戻しライン又は前記第２戻しラインに切替え可能に接続されることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の超電導ケーブルの冷却装置。
8. 前記超電導ケーブルから排出された前記冷媒の温度を検出する温度センサと、
   前記温度センサの検出値が閾値以上のとき、前記冷媒の戻り流路を前記第１戻し路とし、前記検出値が前記閾値未満のとき、前記冷媒の戻り流路を前記第２戻しラインとする制御部と、
   を備え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装置。
9. 前記冷媒送りラインを流れる前記冷媒と前記冷媒戻りラインを流れる前記冷媒とを熱交換し、前記冷媒送りラインを流れる前記冷媒を気化させる熱交換器を備え、
   前記熱交換器は、前記冷媒送りラインを流れる前記冷媒と前記第１戻しラインを流れる前記冷媒とを熱交換するように構成されることを特徴とする請求項７又は８に記載の超電導ケーブルの冷却装置。
10. 液化状態の冷媒を貯留するリザーバタンクと、
    前記冷媒をサブクール温度まで冷却可能な冷凍機と、
    前記リザーバタンクからの前記冷媒を超電導ケーブルに送る冷媒送りラインと、
    前記冷凍機でサブクール温度まで冷却された前記冷媒の少なくとも一部を前記リザーバタンクに戻す第１冷媒戻りラインと、
    前記超電導ケーブルを冷却した後の前記冷媒を前記リザーバタンクに戻す第２冷媒戻りラインと、
    を備える超電導ケーブルの冷却装置であって、
    前記リザーバタンク内に貯留された前記冷媒を前記冷凍機でサブクール温度に冷却する冷却ステップと、
    前記冷却ステップで冷却された前記冷媒の一部を前記超電導ケーブルに送り、一部を前記リザーバタンクに戻す冷媒送りステップと、
    前記超電導ケーブルを冷却した後の前記冷媒を前記リザーバタンクに戻し、前記リザーバタンクに貯留されたサブクール温度の前記冷媒を使って再凝縮する再凝縮ステップと、
    を含むことを特徴とする超電導ケーブルの初期冷却方法。
11. 前記冷媒送りステップにおいて、
    前記冷却ステップで冷却された前記冷媒の一部を冷媒送りラインに送ると共に、前記冷媒送りラインから分岐する前記第１冷媒戻りラインを介して前記冷媒の一部を前記リザーバタンクに戻すことを特徴とする請求項１０に記載の超電導ケーブルの初期冷却方法。
12. 前記冷媒送りステップは、
    前記第１冷媒戻りラインを流れる前記冷媒に圧力損失を発生させて前記冷媒送りラインを流れる前記冷媒の圧力を増加させる圧力調整ステップを含むことを特徴とする請求項１１に記載の超電導ケーブルの初期冷却方法。
13. 前記圧力調整ステップにおいて、前記リザーバタンク内を大気圧未満に保持することを特徴とする請求項１２に記載の超電導ケーブルの初期冷却方法。
14. 前記圧力調整ステップにおいて、
    前記超電導ケーブルの温度低下に伴って前記第１冷媒戻りラインを流れる前記冷媒を徐々に絞り、超電導ケーブルから排出される前記冷媒の全部が液化冷媒となったとき、前記第１冷媒戻りラインの前記冷媒の流れを停止させることを特徴とする請求項１２又は１３に記載の超電導ケーブルの初期冷却方法。
15. 前記冷媒送りステップは、
    前記超電導ケーブルに送る前記冷媒と前記超電導ケーブルを冷却した後の冷媒とを熱交換し、前記超電導ケーブルに送る前記冷媒を気化する熱交換ステップを含み、
    前記熱交換ステップで気化された気化冷媒を前記超電導ケーブルに供給することを特徴とする請求項１０乃至１４の何れか一項に記載の超電導ケーブルの初期冷却方法。

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