JP3648731B2 - 極低温ケーブルの循環冷却システム - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は超電導ケーブル等の冷却システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
液体窒素や液体ヘリウム等の冷媒を電気絶縁や冷却に用いる極低温ケーブル（超電導ケーブルも含む）の冷却システムとして、特開昭48-102282 号、同49-111190 号、特公昭52-5993 号、同53-12074号公報などに記載されたものが知られている。
これらは、リザーバユニットから過冷却状態（冷媒が飽和温度よりも低く冷却されている状態）の冷媒をケーブルに供給して、再度リザーバユニットに戻す、というサイクルを繰り返すものである。これらの冷却システムでは、ケーブル通過時に送電による発熱で冷媒が気化するものや、加圧して過冷却状態の冷媒を送出しているが、リザーバユニットに戻ってきた際に減圧されて、断熱膨張により冷媒の一部が気化するものがある。即ち、いずれも冷媒の循環過程において気液混合状態となることを前提としている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、冷媒が気液混合状態になれば、圧力損失が増す上、電気絶縁性能が低下する。例えば、液体窒素が７７ｋのガスになった場合、液体時に比べて絶縁性能は約１／４に低下する。
また、冷媒の気化や圧力損失により圧力状態が変化するため、リザーバユニットにおける大気圧開放や減圧により圧力を一定にする機構を設けておかないと、一定した圧力で一定流量の過冷却冷媒を供給するのは不可能である。一方、大気圧開放を行えば、冷媒の一部が蒸発して減少するという問題がある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明はこのような点に着目してなされたもので、常に冷媒を過冷却状態に維持し、気化しない状態で循環を行うことのできる冷却システムを提供するものである。即ち、リザーバユニットから送出した冷媒を熱交換ユニットで所定温度に冷却し、これをケーブルに供給して、再度リザーバユニットに戻す、というサイクルを繰り返すシステムにおいて、冷媒の循環回路を閉回路とし、リザーバユニット内を所定の圧力に保持する圧力制御機構を設けたことを特徴とする。
【０００５】
より具体的には、冷媒を貯溜するリザーバユニットと、
冷媒の過冷却状態を維持するため、リザーバユニット内を所定の圧力に保持する圧力制御機構と、
冷媒を所定温度に冷却する熱交換ユニットと、
冷媒をケーブルに分流させるバルブユニットと、
リザーバユニット、熱交換ユニット及びバルブユニット連結してケーブルにつながり、ケーブルからリザーバユニットに戻る配管ユニットと、
各ユニット及びケーブルに冷媒を循環させる圧送ポンプと、
各ユニットを一括して又は個別に取り囲む真空断熱層とを具えるものである。
【０００６】
上記圧力制御機構は具体的には加圧装置で、これによりリザーバユニット内にガスを供給する。このガスは冷媒よりも三重点が十分に低いものを用いる。例えば、冷媒が液体窒素なら、ガスにはＨ₂ やＨｅなどが挙げられる。もっとも、安全性の点でＨｅが好適である。
【０００７】
また、システムの冷媒量を一定に保つための冷媒自動補給機構を設けることが好ましい。
さらに、ケーブルの冷媒出口側に、冷媒の循環圧力を一定に制御する圧力制御バルブを設けることが好適である。この場合、圧力制御バルブと、リザーバユニット内を所定の圧力に保持する圧力制御機構とを連動して制御することで、循環回路全体の圧力を安定して制御することができる。
【０００８】
【作用】
本発明システムの作用を説明するのに先立ち、冷媒の循環回路が閉回路で、リザーバユニットに圧力制御機構がなかった場合の作用について説明する。
図２はリザーバユニット30からポンプ31でケーブル32に冷媒33を供給し、これをリザーバユニット30に戻す循環回路を示すものである（熱交換ユニットは省略している）。ここで、ケーブル内の必要流量における圧力損失を０．２atm 、温度上昇を５ｋとし、１atm,７０ｋの過冷却液体窒素33をケーブル32に供給する場合を考察してみる。冷媒33は１atm,７０ｋでケーブル32に供給されるが、圧力損失によりケーブル出口側の圧力は低下し、通電による発熱のため冷媒温度も上昇する。そのため、ケーブル出口側の冷媒は０．８atm,７５ｋとなり、これがリザーバユニット30に戻ってくる（ケーブル32からリザーバユニット30までの圧力損失と温度上昇は無視する）。ケーブル32を一定の条件で冷却しようとすれば、冷媒は１atm,７０ｋに戻さなければならない。
【０００９】
一方、液体窒素の飽和温度は、５atm で９３ｋ、２atm で８３ｋ、１atm で７７ｋと圧力が低いほど低くなる。また、供給する冷媒は、循環による圧力損失分と温度上昇分を見越した過冷却状態でなけらばならない。そのため、リザーバユニット30に圧力制御機構がない閉回路のシステムでは、再度冷媒を循環させる場合、０．８atm （飽和温度７５ｋ）で所定の過冷却状態とするように熱交換ユニットを作動させる必要がある。さらにその次の循環では、０．６atm （飽和温度７３ｋ）の冷媒がリザーバユニット30に戻ってくることになる。即ち、循環サイクルを繰り返すごとにリザーバユニット30に戻ってくる冷媒の圧力が低下し、要求される過冷却状態に戻す条件が順次厳しくなるため、熱交換ユニットの負荷も増加することになる。
【００１０】
そこで、本発明システムは閉回路の循環回路において、リザーバユニットに圧力制御機構を設け、リザーバユニット内の圧力を常時一定に保持できるよう構成した。前記の例でいえば、リザーバユニット内にガスを供給し、常時１atm に保持することで、１atm における所定の過冷却冷媒を得ることができる。
【００１１】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
本発明システムは、図１に示すように、リザーバユニット１、熱交換ユニット２及びバルブユニット３を主な構成要素とし、各ユニットを経て送られてきた冷媒をケーブル４に供給して再度リザーバユニット１に戻す、というサイクルを繰り返すものである。
【００１２】
リザーバユニット１は冷媒Ｃを貯溜する閉鎖容器で、冷媒循環用の圧送ポンプを具えている。圧送ポンプ５は、モータ駆動部をリザーバユニットの外部に、液送部を内部に配置しているが、両部の距離を長くしたもの（例えば、Barber Nichols社製冷媒ポンプ）を用いれば外部からの熱侵入を少なくでき好適である。冷媒はこの圧送ポンプ５により加圧して循環され、その吐出圧はリザーバユニット内のバイパスバルブ６によって調整される。冷媒の循環回路において、往路と復路では圧力損失により冷媒の圧力が異なるため、ポンプ５はこの低下分を考慮してもなお必要流量の得られるものを用いる。
本例では、圧送ポンプ５をリザーバユニット１と一体化したが、同ユニット１の外部に独立して設けてもよい。もっとも圧送ポンプ５をリザーバユニット１と一体化することで真空断熱容器を共用でき、コストの低減を図ることができる。なお、P1はリザーバユニット内の圧力を測定する圧力計、P2は冷媒循環圧力を測定する圧力計、20はリザーバユニットを圧力の過上昇から保護する安全弁、21は大気等をリザーバユニット内に流入させないための逆止弁である。
【００１３】
また、リザーバユニット１には、同ユニット内の圧力を調整する圧力制御装置７が接続されている。これはガスＧを供給してリザーバユニット内の圧力をほぼ一定に保持するものである。供給するガスＧは、冷媒よりも沸点や三重点が低いものを用いる。冷媒Ｃと三重点が同等以上のものを供給ガスＧに用いれば、冷却によりガスＧが液化や凍結することがあり、リザーバユニット内の貯溜量が増え、あふれ出ることが考えられるからである。本例では冷媒Ｃに液体窒素を用い、供給ガスＧにＨｅガスを用いた。
【００１４】
さらに、同ユニット１には液位計８と、その測定結果に連動する供給器９が設けられている。これはリザーバユニット中の冷媒量を一定に維持する冷媒自動補給機構である。運転中、熱侵入などで貯溜量が不足した場合、液位計８の測定結果に対応して供給器９を作動させ、補給用冷媒を供給して冷媒の貯溜レベルを維持する。
【００１５】
熱交換ユニット２は圧送ポンプ５により送られてきた冷媒を冷凍機10により所定温度に冷却するものである。本例では冷凍機10のコールドヘッド11をＣｕブロックに接触させ、このＣｕブロックに冷媒の輸送管を巻回して、固体熱伝導により熱交換している。また、２台の冷凍機10をタンデムに接続しているが、冷却能力が１台で十分な場合、タンデム接続する必要のないことは言うまでもない。さらに、熱交換ユニット２はリザーバユニット１と一体化してもよい。なお、図においてP3,P4 は熱交換ユニットにおける圧力計である。
【００１６】
バルブユニット３は冷媒を分流してケーブル４に供給する箇所である。本例では３相の電力ケーブル４に冷媒を均一に供給するため、同ユニット内で冷媒を３つに分岐し、各分枝ごとに流量計12、流量調整弁13およびバイパスバルブ14を設けた。なお、P5,P6,P7はそれぞれケーブル入口側の圧力計である。
【００１７】
バルブユニット３を通って送られてきた冷媒はケーブル４に供給される。本例では、ケーブル４の一端から冷媒を供給し、他端で３相分の冷媒を１本にまとめて排出して、リザーバユニット１に戻す構成とした。
これらの各ユニット１，２，３とケーブル４は冷媒の輸送管となる配管ユニット15により接続されており、ケーブル４からリザーバユニット１への復路も同ユニット15により接続されている。配管ユニット15にはいくつかの接続部16があるが、差し込み式のバイオネットコネクタを用いると接続が容易で、熱侵入を少なくできる。
【００１８】
そして、前記復路の途中には、循環圧力を一定に調整するための圧力調整バルブ17および圧力計P8が設けられている。冷媒は圧送ポンプ５の吐出圧力により循環されているが、吐出圧力の変動などの影響を考慮して、ケーブル４の冷媒出口側に同バルブ17を設けている。設置箇所をケーブル４の冷媒出口側としたのは、出口側の方がケーブル４や配管ユニット15における冷媒の圧力変動を効果的に調整できるからである。
このバルブ17はバルブの上流側を設定圧力に維持するようその開放度を調整するもので、バルブの下流側は上流側よりも常に低圧になる。バルブはＣｖ値を基準に呼び径を決定すれば、同バルブ17の下流側の圧力をリザーバユニット内の圧力とほぼ同等にすることができる。そして、同バルブ17の設定圧力とリザーバユニット内の設定圧力を、循環時の圧力損失分を見越して連動制御することで、循環系全体の圧力を安定して制御することができる。
【００１９】
リザーバユニット１、熱交換ユニット２、バルブユニット３は個別に真空断熱容器18に収納され、循環回路を構成する配管ユニットも真空断熱層により被覆されている。そのため、冷却システム全体としての熱損失を小さくできる。各ユニットにおけるバルブの取っ手やニードルなどは真空断熱容器（層）の外部に露出されている。なお、各ユニット１，２，３，15の真空断熱処理は、個別でなく一括して行ってもよい。
【００２０】
このようなシステムにより、循環に伴い圧力の下がった冷媒は、リザーバユニットにおいて加圧されて一定の圧力に復帰させられる。そのため、これを所定の過冷却状態に戻す熱交換ユニットの負荷もほぼ一定に保持でき、一定条件で安定したケーブルの冷却を行うことができる。
【００２１】
運転時における圧力状況の一例を説明する。ここではリザーバユニット内の圧力を１atm 、ポンプの吐出圧を１．５atm 、ケーブルにおける圧力損失を０．２atm 、圧力制御バルブの設定圧力を１．３atm とした。また、熱交換ユニット２，バルブユニット３，配管ユニット15，圧力制御バルブ17などにおける圧力損失は無視する。
【００２２】
まず、リザーバユニット内は１atm に制御されており、そこの冷媒をポンプ５で１．５atm に加圧して循環させる。つまり、ポンプ出口の圧力計P2は１．５atm となる。次に、ポンプ５から送られた冷媒は、１．５atm のまま熱交換ユニット２，バルブユニット３を経由し、ケーブル入口における圧力計P5〜P7 も１．５atm となる。その後、ケーブル４を通過することにより圧力損失で０．２atm 減圧し、ケーブル出口では１．３atm となる。ここで、圧力損失分を見越して圧力制御バルブの入口（上流側）を１．３atm に制御しておけば、同バルブの出口（下流側）はそれよりも低圧になり、冷媒はリザーバユニット内の圧力と同等の約１atm となって戻される。そして、以上のサイクルを繰り返して循環される。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明システムによれば、リザーバユニット内の圧力をほぼ一定に保持することで、一定した圧力の過冷却冷媒を安定して循環させることができる。
また、循環回路は大気開放部分がなく閉回路となっているため、フラッシュロスによる冷媒の損失を防止できる。例えば、従来装置のリザーバユニットでは、同ユニット内を大気圧開放により１atm とし、その冷媒をポンプで加圧して４atm で戻している。フラッシュロスは減圧度が大きいほど多く、４atm →１atm に減圧すると約１５％の冷媒が蒸発してしまうが、本発明システムではこのようなことがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明システムの概略図である。
【図２】従来のシステムの概略図である。
【符号の説明】
１ リザーバユニット ２ 熱交換ユニット ３ バルブユニット
４ ケーブル ５ 圧送ポンプ ６ バイパスバルブ ７ 圧力制御機構
８ 液位計 ９ 供給器 10 冷凍機 11 コールドヘッド 12 流量計
13 流量調整弁 14 バイパスバルブ 15 配管ユニット 16 接続部
17 圧力制御バルブ 18 真空断熱容器 20 安全弁 21 逆止弁
30 リザーバユニット 31 ポンプ 32 ケーブル 33 冷媒

Claims (4)

1. リザーバユニットから送出した冷媒を熱交換ユニットで所定温度に冷却し、これをケーブルに供給して、再度リザーバユニットに戻して循環させる極低温ケーブルの循環冷却システムであって、
   冷媒の循環回路を閉回路とし、
   冷媒の過冷却状態を維持するため、リザーバユニット内を所定の圧力に保持する圧力制御機構を設けたことを特徴とする極低温ケーブルの循環冷却システム。
2. システムの冷媒量を一定に保つための冷媒自動補給機構を有することを特徴とする請求項１記載の極低温ケーブルの循環冷却システム。
3. ケーブルの冷媒出口側に、冷媒の循環圧力を一定に制御する圧力制御バルブを具えたことを特徴とする請求項１または２記載の極低温ケーブルの循環冷却システム。
4. 圧力制御バルブと、リザーバユニット内を所定の圧力に保持する圧力制御機構とを連動して制御することを特徴とする請求項３記載の極低温ケーブルの循環冷却システム。

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