JP4000364B2

JP4000364B2 - パルス管冷凍機を用いた通電システム

Info

Publication number: JP4000364B2
Application number: JP2002143303A
Authority: JP
Inventors: 洋一松原; 調秋田; 奉文笠原; 慎治鳥居
Original assignee: Nihon University; Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Nihon University; Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 2002-05-17
Filing date: 2002-05-17
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2022-05-17
Also published as: JP2003336920A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パルス管冷凍機を用いた通電システムに関する。
【０００２】
【背景技術】
近年、電力需要の増大に対する対策が種々検討されている。その中の一つに、電力消費の少ない夜間時の電力を電力貯蔵設備に貯蔵しておき、電力消費が著しく、供給がおぼつかなくなる日中に、その貯蔵した電力を使用するという技術が知られている。
電力貯蔵設備は、超電導からなるエネルギ蓄積体の両端に銅製の電流リードを接続し、一方の電流リードから他方の電流リードに向けて大電流を通電させ、両電流リード間に接続されたエネルギ蓄積体に電気エネルギを蓄積する構造である。この際、エネルギ蓄積体は超電導であるために、真空のチャンバー内で低温状態に冷却されているが、電力貯蔵設備の外部まで引き出された電流リードは、ビル等の建物内に配線されるために室温とされている。
また、エネルギ蓄積体における電流リードとの接続部分は、室温とされた電流リードを介して熱影響を受けやすいため、冷凍機によって積極的に冷却されており、接続部分での熱影響を抑えてエネルギ蓄積体の蓄積効率を向上させている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、電流リードとエネルギ蓄積体との接続部分は大電流が通電されているため、この接続部分と冷凍機とを確実に電気絶縁する必要がある。
しかしながら、冷凍機としてＧＭ（ギフォード・マクマホン）サイクル冷凍機、あるいはスターリングサイクル冷凍機を使用していた従来では、これらの冷凍機に設けられた機械的可動機構や電気的制御機構までも確実に絶縁する必要があり、絶縁構造が複雑になって電力貯蔵設備が大型化するという問題があった。
【０００４】
また、電気絶縁に使用される絶縁部材は、単に電気的に絶縁できればよいというのではなく、冷凍機との熱交換を効率的に行うために、熱伝導性にも優れている必要がある。
しかし、絶縁部材を形成する材料は一般的に、断熱部材として用いられるものが多く、冷凍機との間を絶縁するのに適切ではない。従って、このことが絶縁部材での熱損失となって接続部分を確実に冷却できず、ひいては接続部分の熱影響を十分に抑えきれないという問題がある。
【０００５】
本発明の目的は、設備の小型化を促進でき、かつ受熱部材との接続部分に良好に伝熱できるパルス管冷凍機を用いた通電システムを提供することにある。
【０００６】
本発明の請求項１に係るパルス管冷凍機を用いた通電システムは、低温端に受熱部材が接続されるとともに、この受熱部材との間で通電可能に設けられているパルス管冷凍機を用いた通電システムであって、少なくとも一対の前記パルス管冷凍機と、これら一対のパルス管冷凍機の低温端間に接続された前記受熱部材と、前記一対のパルス管冷凍機の高温側を除く略全体および前記受熱部材を収容するチャンバーと、前記一対のパルス管内に圧力振動を生じさせる圧力振動発生手段とを備え、前記一対のパルス管冷凍機のそれぞれは、パルス管および当該パルス管の外側に配置された外管を有する同軸二重構造の冷凍機本体と、作動ガスが圧力振動している前記パルス管内を通って前記冷凍機本体の低温端および高温端前を貫通するリード部材とを含んで構成され、前記リード部材は、前記冷凍機本体の低温端に配置された蓄冷器に接触し、このリード部材の前記低温端側から突出した部分に前記受熱部材が接続され、前記一対のパルス管冷凍機の各外管と前記チャンバーとの間が電気的に絶縁されていることを特徴とする。
【０００７】
このような通電システムのパルス管冷凍機によれば、パルス管冷凍機自身に通電させるのであるが、このパルス管冷凍機は、従来用いられていたＧＭサイクル冷凍機やスターリングサイクル冷凍機とは異なって機械的可動機構および電気的制御機構を有しないうえ、パルス管冷凍機そのものを電流リードとして機能させるので、パルス管冷凍機と受熱部材とを何ら絶縁する必要がなく、絶縁構造が大幅に簡素化され、小型化が促進される。
また、パルス管冷凍機と受熱部材とが直に接続されて通電可能に設けられているから、従来の絶縁部材が不要になって熱損失が殆ど生じない。このため、受熱部材とパルス管冷凍機との接続部分が良好に冷却される。
以上により、本発明の目的が達成される。
【０００８】
また、このようなパルス管冷凍機においては、リード部材を導電性に優れた材料で形成することにより、冷凍機本体側を導電性よりもむしろ、冷凍機としての耐久性などを優先させた材料で形成可能であり、パルス管冷凍機全体としては、良好な通電性能を確保しつつ、冷凍機としての信頼性も確実に得られる。
【００１０】
また、このような通電システムによれば、受熱部材は、例えばその両側のパルス管冷凍機から受熱するため、冷却効率または昇温効率がより向上する。
【００１１】
本発明の請求項２に係る通電システムは、請求項１に記載の通電システムにおいて、前記受熱部材が電気エネルギ蓄積体とされた電力貯蔵設備であることを特徴とする。
このような通電システムによれば、電力貯蔵設備の小型化が図れる。また、電気エネルギ蓄積体への熱伝達が効率よく行えるから、例えば超電導からなる電気エネルギ蓄積体が良好に冷却され、蓄積効率が格段に向上する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態に係る電力貯蔵設備（通電システム）１を示す全体図である。
【００１４】
電力貯蔵設備１は、数ｋＡ〜十数ｋＡの直流電流を通電可能に設けられた一対のパルス管冷凍機１０（１０Ａ，１０Ｂ）と、これらのパルス管冷凍機１０の低温側（図中の下側であって、本発明に係る一端側）間に接続された超電導からなる電気エネルギ蓄積体（受熱部材）２０と、パルス管冷凍機１０の高温側（図中の上側）を除く略全体および電気エネルギ蓄積体２０を収容するチャンバー３０とを備えている。チャンバー３０内は真空とされているとともに、通常はコイル状とされた電気エネルギ蓄積体２０とパルス管冷凍機１０との接続部２８、ひいては電気エネルギ蓄積体２０全体が当該パルス管冷凍機１０によって冷却されている。
【００１５】
このような電力貯蔵設備１のうち、最も構成部品の多いパルス管冷凍機１０について、以下に説明する。それぞれのパルス管冷凍機１０は、それ自身が電流リードとして使用されるものであって、冷凍機本体１１と、冷凍機本体１１の高温側および低温側を貫通するリード部材１２とを含んで構成されている。
【００１６】
冷凍機本体１１は、パルス管１３の外側に外管１４を有した同軸二重管構造であり、各管１３，１４間の隙間を通してヘリウム等の作動ガスが出入りする。具体的には、外管１４の上部には、作動ガスの流入出口１５Ａを有したガス流入出フランジ１５が設けられ、この流入出口１５Ａを通して、図２に示す圧力振動発生手段４０と各管１３，１４間の隙間との間で作動ガスが流入出を繰り返す。
【００１７】
パルス管１３と外管１４との間の隙間には、上方から順に外上部フローストレーナ１６、メッシュカバーパイプ１７、外下部フローストレーナ１８が配置され、隙間の下端側が下部フランジ１９で塞がれ、下部フランジ１９でのリード部材１２の貫通部分がシールキャップ２１で塞がれている。
【００１８】
外下部フローストレーナ１８の内側であって、パルス管１３の低温側である下端側には、蓄冷器として機能する熱交換器２２が配置され、この上端側には内下部フローストレーナ２３が配置され、各管１３，１４間の作動ガスは、外下部フローストレーナ１８から熱交換器２２および内下部フローストレーナ２３を通してパルス管１３内との流入出を繰り返す。
【００１９】
一方、パルス管１３の高温側である上端側には、内上部フローストレーナ２４が配置され、また、内上部フローストレーナ２４を覆うように上部フランジ２５が設けられている。この上部フランジ２５には連通孔２５Ａが設けられており、パルス管１３の高温側と外部の図示しないバッファタンクとを内上部フローストレーナ２４を通して連通させている。
【００２０】
なお、パルス管１３の高温側とバッファタンクと連通させるのではなく、それぞれのパルス管冷凍機１０の連通孔２５Ａ同士を管路等で連結し、各パルス管１３の高温側同士を連通させてもよい。
【００２１】
また、上部フランジ２５には放熱フィン２６が取り付けられており、パルス管１３の高温側をも貫通するリード部材１２の熱を内上部フローストレーナ２４から上部フランジ２５に伝達させ、放熱フィン２６で放熱している。従って、内上部フローストレーナ２４は、本来の整流機能の他、リード部材１２から熱を奪う熱交換器としても機能する。さらに、リード部材１２の高温側を貫通する部分も、シールキャップ２７で塞がれている。
【００２２】
以上の冷凍機本体１１を構成する各部材は、上部フランジ２５および放熱フィン２６は真鍮製であるが、他の部材は耐食性等を考慮してステンレス製とされている。
【００２３】
これに対してリード部材１２は、導電性を考慮して銅製とされ、パルス管冷凍機１０に通電された電流は、その殆どが冷凍機本体１１ではなく、リード部材１２を通して流れるようになっている。
【００２４】
そして、リード部材１２の図中の下端側は、熱交換器２２に接しながら貫通していることで、低温に冷却され、冷凍機本体１１から下方に突出した部分、すなわち、電気エネルギ蓄積体２０との接続部２８も直接的に冷却され、ひいては電気エネルギ蓄積体２０全体も冷却される。
【００２５】
反対に、冷凍機本体１１の高温側から突出した部分には、ターミナル２９（２９Ａ，２９Ｂ）が取り付けられ、一方のターミナル２９Ａに入力した電流は、パルス管冷凍機１０Ａの高温側から低温側へ、そして、電気エネルギ蓄積体２０を通ってパルス管冷凍機１０Ｂの低温側から高温側へ流れ、他方のターミナル２９Ｂ側に通電される。
【００２６】
このようなパルス管冷凍機１０は、外管１４の外管フランジ１４Ａに挿通されるボルト３１により、ステンレス製のチャンバー３０のチャンバーフランジ３２に固定される。この際、外管フランジ１４Ａとチャンバーフランジ３２との間には、フッ素樹脂等からなる絶縁リング３３が介装され、また、外管フランジ１４Ａとボルト３１との間には同様な絶縁ブッシュ３４が介装されている。これにより、大電流を通電させるパルス管冷凍機１０とチャンバー３０とが電気的に絶縁されている。
【００２７】
図２に示す圧力振動発生手段４０は、図中上側が低圧側とされ、かつ下側が高圧側とされたコンプレッサ４１と、このコンプレッサ４１の高圧側と各パルス管冷凍機１０Ａ，１０Ｂとの間に設けられた高圧バルブ４２，４４と、各パルス管冷凍機１０Ａ，１０Ｂとコンプレッサ４１の低圧側との間に設けられた低圧バルブ４３，４５とを備えている。そして、各バルブ４２〜４５を所定のタイミングで開閉させることにより、パルス管冷凍機１０Ａ，１０Ｂの各パルス管１３内に交互に作動ガスを流入出させて、各パルス管１３内に各々１８０度の位相差で圧力振動を生じさせ、熱交換器２２に蓄冷するようになっている。
【００２８】
このような本実施形態によれば、以下のような効果がある。
(１) 電力貯蔵設備１では、各パルス管冷凍機１０（１０Ａ，１０Ｂ）自身に通電させ、この際の電気エネルギを電気エネルギ蓄積体２０に蓄積する構成なので、パルス管冷凍機１０そのものを電流リードとして機能させて、パルス管冷凍機１０と電気エネルギ蓄積体２０とを直接接続できる。従って、これらパルス管冷凍機１０と電気エネルギ蓄積体２０とを電気的に何ら絶縁する必要がなく、パルス管冷凍機１０とチャンバー３０とを電気絶縁するだけでよいから、絶縁構造を大幅に簡素化でき、小型化を促進できる。
【００２９】
(２) リード部材１２の上端側は、パルス管１３の高温側を貫通しているうえ、室内に突出していることで、熱影響を受けやすい。しかも、リード部材１２は下端側まで連続した一本ものであるから、上端側での熱が下端側の低温部分に影響する可能性がある。しかし、本実施形態では、パルス管冷凍機１０と電気エネルギ蓄積体２０とが直に接続され、接続部２８が直接的に冷却されるから、接続部２８での従来の絶縁部材を不要にできて熱損失を殆ど生じなようにできる。このため、その接続部２８を、リード部材１２の上端側から下端側への熱影響に抗して良好に冷却でき、電気エネルギ蓄積体２０を確実に冷却して、エネルギの蓄積効率を格段に向上させることができる。
【００３０】
(３) 加えて、パルス管１３の高温側の内上部フローストレーナ２４は、熱交換器としても機能するので、リード部材１２の上端側の熱を確実に除去して下端側への熱影響をより一層抑制でき、下端側での冷却効率を良好に維持できる。
【００３１】
(４) パルス管冷凍機１０においては、リード部材１２が冷凍機本体１１を貫通し、銅製とされたこのリード部材１２を通して電流が流れるため、冷凍機本体１１側の導電性を殆ど気にする必要がなく、冷凍機本体１１を形成する部材も、冷凍機としての耐久性などを優先させたステンレス製にでき、パルス管冷凍機全体としては、良好な通電性能を確保しつつ、冷凍機としての信頼性も確実に得ることができる。
【００３２】
(５) 従来のＧＭサイクル冷凍機やスターリングサイクル冷凍機を用いた場合では、熱交換器２２に相当する部分がまさしく熱交換機能を果たしていたが、本実施形態での熱交換器２２は専ら、蓄冷器として機能するので、熱交換器２２内では温度差に基づく熱損失を大きく低減でき、この点でも熱損失を抑えて冷却効率を向上させることができる。
【００３３】
(６) 電気エネルギ蓄積体２０は、その両端から個別のパルス管冷凍機１０Ａ，１０Ｂで冷却されているため、電流の入力側および出力側の両方の接続部２８を有効に冷却でき、また、電気エネルギ蓄積体２０全体の冷却効率もさらに向上させることができる。
【００３４】
なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる他の構成等を含み、以下に示すような変形等も本発明に含まれる。
【００３８】
また、電気エネルギ蓄積体２０の一端側に複数のパルス管冷凍機１０を接続して、複数のターミナル２９Ａから電流を入力させたり、あるいは複数のターミナル２９Ｂから出力させてもよい。
【００３９】
さらに、電気エネルギ蓄積体２０としては、その端部がパルス管冷凍機１０に接続されている必要はなく、電気エネルギ蓄積体２０の長手方向の途中にパルス管冷凍機１０を接続してもよい。例えば、このような構成では、電気エネルギ蓄積体２０の両端側および中央側の３箇所にパルス管冷凍機１０を接続し、その３箇所から冷却することも可能であり、物理的な長さの長い電気エネルギ蓄積体２０を用いた場合でも、その全体をむらなく効率的に冷却できる。
【００４１】
本発明の通電システムとしては、通電と冷却とを伴う受熱部材を備えた場合でも、その受熱部材としては電気エネルギ蓄積体２０である必要はなく、また、通電システムとしても電力貯蔵設備１以外であってもよい。
【００４３】
さらに、入力（印加）する電流としては、直流電流、および交流電流（含む二相、三相）のいずれでもよく、いずれを通電させるかは、通電システムの機能等を勘案して適宜に決められてよい。
【００４４】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明によれば、設備の小型化を促進でき、かつパルス管冷凍機と受熱部材との接続部分に良好に伝熱できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るパルス管冷凍機を備えた通電システムを示す全体図である。
【図２】前記通電システムに用いられる圧力振動発生手段を示す模式図である。
【符号の説明】
１…通電システムである電力貯蔵設備、１０，１０Ａ，１０Ｂ…パルス管冷凍機、１１…冷凍機本体、１２…リード部材、２０…受熱部材である電気エネルギ蓄積体、３０…チャンバー。

Claims

低温端に受熱部材が接続されるとともに、この受熱部材との間で通電可能に設けられているパルス管冷凍機を用いた通電システムであって、
少なくとも一対の前記パルス管冷凍機と、これら一対のパルス管冷凍機の低温端間に接続された前記受熱部材と、前記一対のパルス管冷凍機の高温側を除く略全体および前記受熱部材を収容するチャンバーと、前記一対のパルス管内に圧力振動を生じさせる圧力振動発生手段とを備え、
前記一対のパルス管冷凍機のそれぞれは、パルス管および当該パルス管の外側に配置された外管を有する同軸二重構造の冷凍機本体と、作動ガスが圧力振動している前記パルス管内を通って前記冷凍機本体の低温端および高温端前を貫通するリード部材とを含んで構成され、
前記リード部材は、前記冷凍機本体の低温端に配置された蓄冷器に接触し、
このリード部材の前記低温端側から突出した部分に前記受熱部材が接続され、
前記一対のパルス管冷凍機の各外管と前記チャンバーとの間が電気的に絶縁されていることを特徴とするパルス管冷凍機を用いた通電システム。
請求項１に記載のパルス管冷凍機を用いた通電システムにおいて、前記受熱部材が電気エネルギ蓄積体とされた電力貯蔵設備であることを特徴とするパルス管冷凍機を用いた通電システム。