JP5203642B2 - Superconducting power transmission cable and system - Google Patents
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Description
本発明は、微細な固体窒素と液体窒素が均一に混じり合ったスラッシュ窒素を用いた超電導送電ケーブルの高効率冷却技術に関する。 The present invention relates to a highly efficient cooling technique for a superconducting power transmission cable using slush nitrogen in which fine solid nitrogen and liquid nitrogen are uniformly mixed.
近年、超電導技術の電力分野への応用の一つとして超電導送電ケーブルの開発、実用化が進んでいる。これは、電気抵抗がゼロとなる超電導体を電力送電線に適用するものであり大容量の電力を送電できる。超電導体には、液体ヘリウム冷却を伴う金属系の超電導体と、液体窒素冷却を伴う酸化物系の超電導体が存在し、中でも、安価で安全な液体窒素を冷媒とする高温超電導体が注目されつつある。
一般的な超電導送電ケーブルの一例として、図8に高温超電導体を利用した送電ケーブルの模式図を示す。超電導送電ケーブル100は、断熱管の中にアルミ材等で形成されたフォーマー101と呼ばれる中空管を配し、その外周に超電導体102、絶縁材103を巻き付けた構造をしている。前記断熱管は、内側断熱管104と外側断熱管106との間に断熱真空部105を配した真空断熱構造となっている。そして前記フォーマー101の内外に対向式に沸点より低温の液体冷媒107を流し、超電導体102を冷却して超電導状態を形成している。前記液体冷媒107は、主に液体窒素が用いられている。
In recent years, superconducting transmission cables have been developed and put into practical use as one of the applications of superconducting technology in the power field. This applies a superconductor with zero electric resistance to a power transmission line, and can transmit a large amount of power. Superconductors include metal-based superconductors with liquid helium cooling and oxide-based superconductors with liquid nitrogen cooling. Among them, high-temperature superconductors using liquid nitrogen as a refrigerant are drawing attention. It's getting on.
As an example of a general superconducting power transmission cable, FIG. 8 shows a schematic diagram of a power transmission cable using a high-temperature superconductor. The superconducting
このような超電導送電ケーブルは、特許文献1(特開平11−43610号公報)等に開示されている。
また、特許文献2(特開2001−202837号公報)には、ケーブルコアの内外側に2種類の冷媒が充填された超電導送電ケーブルが開示されており、ケーブルコアの内側に充填される冷媒の使用温度変化幅が、ケーブルコアの外側に充填される冷媒の使用温度変化幅よりも大きい冷媒を用い、内側の冷媒には液体酸素と液体窒素との混合物を使用し、外側の冷媒には液体窒素を利用した構造が記載されている。このように、液体酸素のような使用温度変化幅の大きい冷媒を使用することにより、一の冷却区間長を長くすることができる。
Such a superconducting power transmission cable is disclosed in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 11-43610) and the like.
Patent Document 2 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-202837) discloses a superconducting power transmission cable in which two types of refrigerant are filled inside and outside the cable core, and the refrigerant filled inside the cable core is disclosed. Use a refrigerant whose operating temperature change width is larger than the operating temperature change width of the refrigerant filling the outside of the cable core, use a mixture of liquid oxygen and liquid nitrogen as the inner refrigerant, and use liquid as the outer refrigerant. A structure using nitrogen is described. Thus, by using a refrigerant having a large operating temperature change width such as liquid oxygen, one cooling section length can be increased.
そして、超電導送電ケーブルは接続部を介してケーブル線路を形成し、冷却区間長毎に超電導送電ケーブル冷却用の冷媒を生成する冷却設備を配置した送電ケーブルシステムを構成する。冷却設備には、冷媒を臨界温度以下に冷却する冷凍機と、冷却した冷媒を超電導送電ケーブルに圧送する圧送ポンプと、が設けられている。
冷凍装置を備えた送電ケーブルシステムは、例えば特許文献3(特開2002−56729号公報)等に開示されている。これは、冷凍機と圧送ポンプからなる冷凍ステーションと、これとは別に圧送ポンプのみをケーブル経路上に独立して配置した構成としており、これにより圧力損失量による冷却区間長の制限を緩和して冷却区間を長くすることができる。
And a superconducting power transmission cable forms a cable track via a connection part, and comprises the power transmission cable system which has arrange | positioned the cooling equipment which produces | generates the refrigerant | coolant for superconducting power transmission cable cooling for every cooling section length. The cooling facility is provided with a refrigerator that cools the refrigerant below the critical temperature, and a pump that pumps the cooled refrigerant to the superconducting power transmission cable.
A power transmission cable system including a refrigeration apparatus is disclosed in, for example, Patent Document 3 (Japanese Patent Laid-Open No. 2002-56729). This consists of a refrigeration station consisting of a refrigerator and a pressure pump, and a separate pump pump separately on the cable path. This reduces the limitation on the cooling section length due to the amount of pressure loss. The cooling section can be lengthened.
しかし、送電ケーブル内に冷媒を対向式に流す方式を用いると、冷却区間長が長くなった場合にフォーマー内外の液体冷媒同士が熱交換を行い、ケーブル中で発生した熱が除去されなくなることが明らかとなった。
そこで、近年ではフォーマー内外に同方向に液体冷媒を流す方式が有望と見られている。液体窒素を冷媒として同方向に流すようにした送電ケーブルシステムを図9に示す。このシステムでは、超電導送電ケーブル100の冷却区間長毎に冷却設備110a、110b、…が配設されたシステムにおいて、冷却設備110aで生成された液体窒素は超電導送電ケーブルの上流端から超電導送電ケーブル内に導入される。該ケーブル内で液体窒素温度はケーブル中での吸熱により徐々に昇温し、沸点到達前にケーブル下流端に到達する。ケーブル下流端を出た液体窒素は冷却設備110bで冷却後さらに下流の超電導送電ケーブルを冷却するため別のケーブルに送られる。
However, if a method in which the refrigerant flows through the power transmission cable in an opposing manner, the liquid refrigerant inside and outside the former exchanges heat when the cooling section length becomes long, and heat generated in the cable may not be removed. It became clear.
Therefore, in recent years, a method of flowing a liquid refrigerant in the same direction inside and outside the former is considered promising. FIG. 9 shows a power transmission cable system in which liquid nitrogen is flowed in the same direction as a refrigerant. In this system, in the system in which the
しかしながら、上記したような超電導送電ケーブル内に同方向に冷媒を流す方式では、ケーブル中を流れる液体窒素は一方向のため、ケーブル最終端において冷媒が溢れ出してしまう。そこで、冷媒として液体窒素を用いる場合、最終端で液体窒素を大気放出するか他の用途に転用することが考えられるが、この場合、開始端では常時液体窒素を生成、補給する必要がありコストが嵩む。また、超電導送電ケーブルを常時偶数回線使用し、冷媒を循環させる方法があるが、このようにすると一回線にトラブルが発生しても二回線が使用不能となり効率が悪い。さらに、専用の戻り配管を設ける方法も考えられるが、この場合戻り配管中の液体窒素は温度が上昇しており、気泡が発生し易く、これにより戻り配管が閉塞する惧れがあり、また圧力損失が非常に大きくなるため圧送ポンプの大型化或いはコスト増大が避けられない。
従って、本発明は上記従来の技術の問題点に鑑み、一の超電導送電ケーブル内における冷媒の循環利用が可能で、高温超電導体の高効率冷却が可能である超電導送電ケーブル、及びそのシステムを提供することを目的とする。
However, in the system in which the refrigerant flows in the same direction in the superconducting power transmission cable as described above, the liquid nitrogen flowing in the cable is in one direction, so that the refrigerant overflows at the end of the cable. Therefore, when liquid nitrogen is used as the refrigerant, it is conceivable that the liquid nitrogen is discharged into the atmosphere at the final end or diverted to other uses. In this case, it is necessary to constantly generate and replenish liquid nitrogen at the start end, which is costly. Is bulky. In addition, there is a method of always using an even number of superconducting power transmission cables and circulating the refrigerant. However, in this case, even if a trouble occurs in one line, the two lines cannot be used and the efficiency is low. In addition, a method of providing a dedicated return pipe is also conceivable, but in this case, the temperature of the liquid nitrogen in the return pipe rises and bubbles are likely to be generated, which may cause the return pipe to be clogged. Since the loss becomes very large, an increase in the size or cost of the pump is inevitable.
Accordingly, the present invention provides a superconducting power transmission cable that can circulate and use a refrigerant in one superconducting power transmission cable and can efficiently cool a high-temperature superconductor, and a system thereof, in view of the above-described problems of the prior art. The purpose is to do.
そこで、本発明はかかる課題を解決するために、
高温超電導体と、該超電導体を冷却する冷媒を流す冷媒往路及び冷媒復路からなる二以上の冷媒経路と、前記超電導体と前記冷媒経路とを包皮する断熱管と、を備えた超電導送電ケーブルにおいて、
少なくとも前記冷媒往路に流れる冷媒を、液体窒素に微粒の固体窒素を含有させたスラッシュ窒素としたことを特徴とする。
Therefore, in order to solve this problem, the present invention provides:
In a superconducting power transmission cable comprising a high-temperature superconductor, two or more refrigerant paths composed of a refrigerant forward path and a refrigerant return path for flowing a refrigerant that cools the superconductor, and a heat insulating pipe that encloses the superconductor and the refrigerant path ,
The refrigerant flowing through at least the refrigerant forward path, characterized in that the slush nitrogen which contains a fine solid nitrogen to liquid nitrogen.
前記スラッシュ窒素とは微粒化された固体窒素と液体窒素の混合物のスラリーである。このスラッシュ窒素を利用することにより、液体窒素よりも温度が低く、窒素の三重点付近の低温(63K)を維持できる。また、固体の融解潜熱を利用できるため液体窒素に比較して熱負荷吸収能力に優れている。さらに、固体分が存在する限り温度を一定に保つことができ、前記超電導体の内外に対向式にスラッシュ窒素を流しても、ケーブルで発生した熱はケーブル外に効率よく持ち運ばれ、かつ冷媒が一端側に集中することを防止できる。さらにまた、スラッシュ窒素中から固体分が無くなっても63Kから沸点までの温度上昇分に相当する熱量が利用できるため、単なる液体窒素冷却に比べて少ない量で冷却が可能となる。
このように、スラッシュ窒素を冷媒として用いることにより、超電導送電ケーブルの高効率冷却が可能となる。
The slush nitrogen is a slurry of a mixture of atomized solid nitrogen and liquid nitrogen. By using this slush nitrogen, the temperature is lower than that of liquid nitrogen, and a low temperature (63K) near the triple point of nitrogen can be maintained. Further, since the solid latent heat of fusion can be used, the heat load absorption capacity is superior to liquid nitrogen. Furthermore, the temperature can be kept constant as long as the solid content exists, and even if slush nitrogen is flowed in and out of the superconductor, heat generated in the cable is efficiently carried outside the cable, and Can be concentrated on one end side. Furthermore, even if there is no solid content in the slush nitrogen, the amount of heat corresponding to the temperature increase from 63 K to the boiling point can be used, so that cooling can be performed with a smaller amount than with simple liquid nitrogen cooling.
Thus, by using slush nitrogen as a refrigerant, high-efficiency cooling of the superconducting power transmission cable becomes possible.
また、前記冷媒往路に流れる冷媒をスラッシュ窒素とし、前記冷媒復路に流れる冷媒を主として液体窒素とすることが好適である。これは、超電導送電ケーブルの冷却区間長が長い場合に適しており、往きのみにスラッシュ窒素が存在すればケーブル全体を63Kに維持することが可能である。この場合、冷媒復路は液体窒素が主体となるが、ケーブル内で発生した熱は冷媒往路のスラッシュ窒素により冷却され、液体窒素が加熱され温度が上昇しても最終的にその熱は一番低温であるスラッシュ窒素に吸収されることとなり、ケーブルの冷却に悪影響を与える惧れがない。
さらに、前記二の冷媒経路の何れの冷媒もスラッシュ窒素としても良い。これは、超電導送電ケーブルの冷却区間長が比較的短距離か、又は急激な熱負荷が想定される場合に適しており、本発明によりケーブルの全長に亘り63K以下に保持することができ、深冷却が可能である。
Further, it is preferable that the refrigerant flowing in the refrigerant forward path is slush nitrogen and the refrigerant flowing in the refrigerant return path is mainly liquid nitrogen. This is suitable when the cooling section length of the superconducting power transmission cable is long, it is possible to maintain the entire cable to 63K if there is slush nitrogen only forward. In this case, the refrigerant return path is mainly liquid nitrogen, but the heat generated in the cable is cooled by the slush nitrogen in the refrigerant forward path, and even if the liquid nitrogen is heated and the temperature rises, the heat will eventually be the lowest. It will be absorbed by slush nitrogen, which will not adversely affect cable cooling.
Furthermore, any refrigerant in the two refrigerant paths may be slush nitrogen. This is suitable when the length of the cooling section of the superconducting power transmission cable is relatively short or a sudden heat load is assumed, and can be maintained below 63K over the entire length of the cable according to the present invention. Cooling is possible.
また、前記超電導体がフォーマーの外周に捲回された超電導送電ケーブルにおいて、
前記フォーマーの内側に前記冷媒往路が形成され、前記超電導体の外周に断熱真空層を介して管状の熱輻射シールドが設けられるとともに、前記超電導体に沿って並行に前記断熱真空層を介して前記冷媒復路が設けられることを特徴とする。
このように、熱輻射シールドを設けることにより、外部からの熱侵入を防止でき、効率良い冷却が可能となる。
さらに、前記超電導体がフォーマーの外周に捲回された超電導送電ケーブルにおいて、
前記フォーマーの内側に前記冷媒往路が形成され、前記超電導体の外周に断熱真空層を介して管状の前記冷媒復路が設けられることを特徴とする。
このように、前記冷媒復路そのものを熱輻射シールドとすることにより、簡単な構造でかつ効率良い冷却が可能となる。
In the superconducting power transmission cable in which the superconductor is wound around the outer periphery of the former,
The refrigerant forward path is formed inside the former, a tubular heat radiation shield is provided on the outer periphery of the superconductor via a heat insulation vacuum layer, and the heat conduction vacuum layer is parallel to the superconductor via the heat insulation vacuum layer. wherein the refrigerant condensate line are provided.
Thus, by providing a heat radiation shield, heat penetration from the outside can be prevented, and efficient cooling can be achieved.
Furthermore, in the superconducting power transmission cable in which the superconductor is wound around the outer periphery of the former,
Wherein said outgoing coolant passage inside the former is formed, characterized in that the coolant recovery path of the tubular is provided on the outer periphery of the superconductor via a heat-insulating vacuum layer.
In this way, by using the refrigerant return path itself as a heat radiation shield, it is possible to perform cooling with a simple structure and efficient.
また、上記の超電導送電ケーブルと、前記冷媒を生成する手段と、該冷媒を前記超電導送電ケーブルに圧送する手段とからなる冷却設備と、を備えた超電導送電ケーブルシステムにおいて、
前記冷媒生成手段が、液体窒素を充填した低温容器と、該容器内に容器内空間よりも高い圧力の低温作動流体を噴出して前記液体窒素を吸い出すエジェクタと、を有し、
該冷媒生成手段にて、前記低温作動流体により吸い出され噴出される液体窒素が、前記低温作動流体によって冷却され微粒の固体窒素となって落下し、液体窒素と混合されてスラッシュ窒素を生成し、該スラッシュ窒素を前記圧送手段により前記冷媒経路に導入する構成としたことを特徴とする。
このように、前記冷媒生成手段を用いることにより、スラッシュ窒素中の固体窒素の粒径を比較的均一にかつ小さくすることができ、超電導送電ケーブルの冷媒経路に流す場合において圧力損失を小さくすることができる。
Further, the above superconducting transmission cable, means for generating a pre-Symbol refrigerant, a cooling equipment and means for pumping the coolant into the superconducting power transmission cable, the superconducting power transmission cable systems with,
The refrigerant generating means has a low-temperature container filled with liquid nitrogen, and an ejector that injects a low-temperature working fluid having a pressure higher than the space in the container into the container to suck out the liquid nitrogen;
In the refrigerant generating means, the liquid nitrogen sucked and ejected by the low temperature working fluid is cooled by the low temperature working fluid and falls as fine solid nitrogen, and is mixed with the liquid nitrogen to generate slush nitrogen. The slush nitrogen is introduced into the refrigerant path by the pumping means.
Thus, by using the refrigerant generating means, the particle diameter of solid nitrogen in slush nitrogen can be made relatively uniform and small, and pressure loss can be reduced when flowing through the refrigerant path of the superconducting power transmission cable. Can do.
さらに、上記の超電導送電ケーブルと、前記冷媒を生成する手段と、該冷媒を前記超電導送電ケーブルに圧送する手段とからなる冷却設備と、を備えた超電導送電ケーブルシステムにおいて、
前記冷媒生成手段が、液体窒素の充填された断熱容器と、前記断熱容器内部を減圧する減圧手段と、前記断熱容器内を撹拌する撹拌手段と、を有し、
該冷媒生成手段にて、前記減圧手段によって前記断熱容器内の液体窒素を減圧して降温し、三重点に到達せしめて固体窒素を生成し、前記撹拌手段で撹拌して微粒化した固体窒素を液体窒素と混合してスラッシュ窒素を生成し、該スラッシュ窒素を前記圧送手段により前記冷媒経路に導入する構成としたことを特徴とする。
本発明によれば、他の冷媒を用いずに固体窒素を生成することができるため、他の冷媒の再圧縮装置などの大型設備を必要とせずに、簡単な構造でかつ小型化された装置でスラッシュ窒素を生成できる。
Furthermore, the above superconducting transmission cable, means for generating a pre-Symbol refrigerant, a cooling equipment and means for pumping the coolant into the superconducting power transmission cable, the superconducting power transmission cable systems with,
The refrigerant generating means has a heat insulating container filled with liquid nitrogen, a pressure reducing means for reducing the pressure inside the heat insulating container, and a stirring means for stirring the inside of the heat insulating container,
In the refrigerant generating means, the liquid nitrogen in the heat insulating container is depressurized by the pressure reducing means to lower the temperature, reach the triple point to generate solid nitrogen, and the solid nitrogen atomized by stirring by the stirring means The slush nitrogen is produced by mixing with liquid nitrogen, and the slush nitrogen is introduced into the refrigerant path by the pumping means.
According to the present invention, since solid nitrogen can be generated without using other refrigerants, an apparatus with a simple structure and reduced size without requiring large equipment such as a recompressor for other refrigerants. Can produce slush nitrogen.
さらにまた、上記の超電導送電ケーブルと、前記冷媒を生成する手段と、該冷媒を前記超電導送電ケーブルに圧送する手段とからなる冷却設備と、を備えた超電導送電ケーブルシステムにおいて、
前記冷媒生成手段が、減圧下に保持した容器と、液体窒素を該容器内に噴射するノズルと、前記容器内を撹拌する撹拌機と、を有し、
該冷媒生成手段にて、前記ノズルより噴射した液体窒素の液滴粒子を減圧雰囲気により蒸発させ、蒸発潜熱によって液滴粒子を凝固させて固体窒素を形成させ、前記液体窒素と混合してスラッシュ窒素を生成し、該スラッシュ窒素を前記圧送手段により前記冷媒経路に導入する構成としたことを特徴とする。
このように、前記冷媒生成手段を用いることにより、簡単な装置で容易にスラッシュ窒素を生成することができる。
Furthermore, the above superconducting transmission cable, means for generating a pre-Symbol refrigerant, a cooling equipment and means for pumping the coolant into the superconducting power transmission cable, the superconducting power transmission cable systems with,
The refrigerant generating means has a container kept under reduced pressure, a nozzle for injecting liquid nitrogen into the container, and a stirrer for stirring the inside of the container;
In the refrigerant generation means, liquid nitrogen droplet particles ejected from the nozzle are evaporated in a reduced-pressure atmosphere, and the droplet particles are solidified by latent heat of vaporization to form solid nitrogen, mixed with the liquid nitrogen and slush nitrogen And the slush nitrogen is introduced into the refrigerant path by the pumping means.
Thus, by using the refrigerant generating means, slush nitrogen can be easily generated with a simple apparatus.
以上説明したように、スラッシュ窒素は微粒化された固体窒素と液体窒素のスラリー状混合物であるので、冷却用冷媒として利用するときは、固体窒素の融点付近の温度を呈しており、しかも流体のため、物体表面上に濡れ、狭い隙間にも浸透するので、熱伝導性が良好であるとともに、固体窒素の融解潜熱25kJ/kgを冷却に利用できる。そのため、単位質量当りで比べれば液体窒素の持つ顕熱の12.5倍以上の冷却効果があり、固体窒素の存在する限り63K付近以上に冷媒の温度は上昇せず、冷却対象である超電導送電ケーブルの温度を低温に保つことができる。
また、送液停止時においても固体潜熱によりある程度の時間は超電導物体の温度を低温に保つことができ、送電ケーブルシステムの信頼性が向上する。
さらに、固体分が存在する限り温度を一定に保つことができ、前記超電導体の内外に対向式にスラッシュ窒素を流しても、ケーブルで発生した熱はケーブル外に効率よく持ち運ばれ、かつ冷媒が一端側に集中することを防止できる。さらにまた、スラッシュ窒素中から固体分が無くなっても63Kから沸点までの温度上昇分に相当する熱量が利用できるため、単なる液体窒素冷却に比べて少ない量で冷却が可能となる。
このように、スラッシュ窒素を冷媒として用いることにより、超電導送電ケーブルの高効率冷却が可能となる。
As described above, slush nitrogen is a slurry mixture of atomized solid nitrogen and liquid nitrogen, so when used as a cooling refrigerant, it exhibits a temperature near the melting point of solid nitrogen, Therefore, it wets on the object surface and penetrates into narrow gaps, so that the thermal conductivity is good and the latent heat of melting of solid nitrogen of 25 kJ / kg can be used for cooling. Therefore, compared to the unit mass, there is a cooling effect of 12.5 times or more of the sensible heat of liquid nitrogen, and as long as solid nitrogen exists, the temperature of the refrigerant does not rise above 63K, and superconducting power transmission that is the object of cooling Cable temperature can be kept low.
In addition, even when liquid feeding is stopped, the temperature of the superconducting object can be kept low for a certain time due to solid latent heat, and the reliability of the power transmission cable system is improved.
Furthermore, the temperature can be kept constant as long as the solid content exists, and even if slush nitrogen is flowed in and out of the superconductor, heat generated in the cable is efficiently carried outside the cable, and Can be concentrated on one end side. Furthermore, even if there is no solid content in the slush nitrogen, the amount of heat corresponding to the temperature increase from 63 K to the boiling point can be used, so that cooling can be performed with a smaller amount than with simple liquid nitrogen cooling.
Thus, by using slush nitrogen as a refrigerant, high-efficiency cooling of the superconducting power transmission cable becomes possible.
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載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特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。 Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, and the like of the components described in this embodiment are not intended to limit the scope of the present invention unless otherwise specified, but are merely illustrative examples. Not too much.
図1は参考例1に係る超電導送電ケーブルの構成図で、(a)は側断面図、(b)は断面図である。
図1において、超電導送電ケーブル10は、内周側から、フォーマー11、高温超電導体12、絶縁層13、内側断熱管14、外側断熱管15で構成される。前記フォーマー11はアルミ管、銅管などの金属材料等、熱伝導性の高い材質を用いることが好ましく、図に示されるような中空円筒形状とし、その内部を冷媒往路20とする。尚、フォーマー11を中実円筒形状として、冷媒経路を該フォーマー11の外側に並行して配置する構成としても良い。
前記超電導体12は77.3K(−196℃)で超電導状態となる酸化物系超電導材料で形成され、好適には銅の酸化物であるイットリウム系又はビスマス系酸化物で形成される線材に、銀又は銀合金シースで被覆したもの等が良い。該超電導体12は、テープ状若しくは丸線状の超電導線材を前記フォーマー11に巻き付け積層する構造、若しくは前記超電導線材を撚り合わせて巻回する構造などが挙げられる。
前記絶縁層13は、クラフト紙や樹脂等の絶縁体を捲回した構成とする。
前記内側断熱管14は、前記絶縁層13の外周側に所定間隔だけ離間させて配置され、これらの間の空間に冷媒復路21が形成されている。
前記外側断熱管15は、前記内側断熱管14の外周側に不図示の真空断熱管を介して配置される。
Figure 1 is a block diagram of a superconducting power transmission cable according to participate Reference Example 1, (a) is a side sectional view, (b) is a cross-sectional view.
In FIG. 1, a superconducting
The
The insulating layer 13 is formed by winding an insulator such as kraft paper or resin.
The inner
The outer
本参考例1は超電導送電ケーブル10の冷却区間長が比較的短距離か、又は急激な熱負荷が想定される場合に適した構成である。図1(a)に示されるように、前記冷媒復路20に冷媒であるスラッシュ窒素(SN2)を導入し、該スラッシュ窒素はケーブル終端で折り返して前記冷媒復路21を通ってケーブル開始端まで戻るようになっている。このように、前記スラッシュ窒素を超電導体12の内外に対向式に流すことで、超電導体12の深冷却が可能となる。この場合、超電導送電ケーブル10は、全長に亘り63Kに保持される。
This reference example 1 is a configuration suitable for the case where the cooling section length of the superconducting
前記スラッシュ窒素とは、微粒化された固体窒素と液体窒素の混合物のスラリであり、その製造方法は特に限定されない。該スラッシュ窒素を利用することにより、液体窒素よりも温度が低く、窒素の三重点付近の低温(63K)を維持できる。また、固体の融解潜熱を利用できるため液体窒素に比較して熱負荷吸収能力に優れている。さらに、固体分が存在する限り温度を一定に保つことができ、前記超電導体12の内外に対向式にスラッシュ窒素を流しても、ケーブルで発生した熱はケーブル外に効率よく持ち運ばれ、かつ冷媒が一端側に集中することを防止できる。さらにまた、スラッシュ窒素中から固体分が無くなっても63Kから沸点までの温度上昇分に相当する熱量が利用できるため、単なる液体窒素冷却に比べて少ない量で冷却が可能となる。
このように、スラッシュ窒素を冷媒として用いることにより、超電導送電ケーブル10の高効率冷却が可能となる。
The slush nitrogen is a slurry of a mixture of atomized solid nitrogen and liquid nitrogen, and its production method is not particularly limited. By using the slush nitrogen, the temperature is lower than that of liquid nitrogen, and a low temperature (63 K) near the triple point of nitrogen can be maintained. Further, since the solid latent heat of fusion can be used, the heat load absorption capacity is superior to liquid nitrogen. Furthermore, the temperature can be kept constant as long as the solid content exists, and even if slush nitrogen is flowed in and out of the
As described above, by using slush nitrogen as a refrigerant, it is possible to cool the superconducting
図2に本発明の実施例1に係る超電導送電ケーブルの構成図を示す。図2(a)は超電導送電ケーブルの側断面図であり、(b)は断面図である。
本実施例1に係る超電導送電ケーブル10は、上記した参考例1とほぼ同様の構成を有しており、該超電導送電ケーブル10は、内周側から、フォーマー11、高温超電導体12、絶縁層13、内側断熱管14、外側断熱管15で構成され、さらに前記フォーマー11の内部に冷媒往路20、前記絶縁層13と前記内側断熱管14の間に冷媒復路21が形成されている。各々の構成については参考例1と同様であるため説明を省略する。
本実施例1は、超電導送電ケーブル10の冷却区間長が長い場合に適しており、図2(a)に示されるように、前記冷媒往路20に冷媒であるスラッシュ窒素(SN2)を導入し、前記冷媒復路21には往路にて融解した液体状の液体窒素(LN2)を流す。
The block diagram of the superconducting power transmission cable which concerns on FIG. 2 at Example 1 of this invention is shown. FIG. 2A is a side sectional view of the superconducting power transmission cable, and FIG. 2B is a sectional view.
Superconducting
The first embodiment is suitable when the cooling section length of the superconducting
このように、本実施例ではスラッシュ窒素中の固体の融解潜熱が、前記冷媒往路20にて全て消費され、冷媒復路21では主として液体窒素が存在することとなる。この場合、ケーブル内で発生した熱は前記冷媒往路20からのスラッシュ窒素のみで冷却される。前記冷媒復路21の液体窒素が加熱され温度が上昇しても最終的にその熱は一番低温であるスラッシュ窒素に吸収されることとなる。勿論、上記した参考例1と同様の効果、即ち、液体窒素よりも温度が低い、固体の融解潜熱が利用できる、対向式にスラッシュ窒素を流しても効率よく熱放出が可能である。液体窒素のみを利用する場合に比べて少量で冷却可能である、等の効果を有している。
As described above, in this embodiment, all of the solid latent heat of melting in slush nitrogen is consumed in the refrigerant
次に、図3、図4を参照して図2の超電導送電ケーブルの別の一例につき説明する。
図3に示した超電導送電ケーブル10は、冷却区間長が長距離である場合に適した構成となっており、フォーマー11に超電導体12及び絶縁層(不図示)が巻回され、その外周側に断熱真空層17を介して外部断熱管15が設けられている。前記フォーマー11の内部には冷媒往路20が形成される。
また、前記断熱真空層17には輻射シールド16が設けられ、該輻射シールド16は前記断熱真空層17の少なくとも一部を残して前記超電導体12を包皮している。この輻射シールド16は外部からの輻射熱を遮断する目的で設けられ、その材質は、熱伝導に優れ且つ放射率の低いものが好ましく、例えば研磨したステンレスや銅が用いられる。また、輻射シールド16の外側には、一般的にスーパーインシュレーションと称されるアルミ蒸着された薄膜のプラスティックによる複数枚(例えば20枚程度)の輻射シールド層(不図示)を設けることが好ましい。
さらに、前記輻射シールド16上には、前記超電導体12に並行に冷媒復路21が近設配置されている。前記冷媒往路20にはスラッシュ窒素が流され、前記冷媒復路21には主として液体窒素が流される。
この場合前記超電導体12は、内側の前記冷媒往路20を流れるスラッシュ窒素からの熱伝導により冷却される。外側は真空断熱層17を経た63〜77K程度の輻射シールドで覆われる。このため外側からの熱侵入は無いことになり、効率良く冷却を行なうことができる。
Next, another example of the superconducting power transmission cable of FIG. 2 will be described with reference to FIGS.
The superconducting
The heat insulating vacuum layer 17 is provided with a radiation shield 16, and the radiation shield 16 envelops the
Further, on the radiation shield 16, a
In this case, the
図4の超電導送電ケーブル10も同様に長距離の冷却区間長に適しており、フォーマー11に超電導体12及び絶縁層(不図示)が巻回され、その外周側に断熱真空層17を介して外部断熱管15が設けられている。前記フォーマー11の内部には冷媒往路20が形成される。また、前記超電導体12の外周側には冷媒復路21が設けられ、前記超電導体12と前記冷媒復路21の間、及び該冷媒復路21と前記外部断熱管15の間に前記真空断熱管17が配置される構成とする。そして、前記冷媒往路20にはスラッシュ窒素が、前記冷媒復路21には主として液体窒素が流れるようにする。
このように、前記冷媒復路21を輻射シールドとすることにより、前記冷媒往路20にてスラッシュ窒素の固体が全て融解しても、前記冷媒復路21を経てケーブル開始端に至った液体窒素の温度が77K以下であれば配管中で気泡を生じることがなく、圧力損失が発生せずに効率良く冷媒を流動できる。
尚、図3及び図4の構成において、本実施例1に適用する以外にも上記した参考例1のように、冷媒往路20及び冷媒復路21の両方にスラッシュ窒素を流す構成とすることもできる。
The superconducting
Thus, by using the
3 and FIG. 4, in addition to being applied to the first embodiment, as in the above-described reference example 1, a configuration in which slush nitrogen is allowed to flow in both the refrigerant
図5に本発明の実施例2に係るスラッシュ窒素生成装置の概略構成図を示す。
本実施例のスラッシュ窒素生成装置は、参考例1若しくは実施例1に記載した超電導送電ケーブル10の端部に設置された冷却設備内に具備される冷媒生成手段である。前記冷却設備は圧送ポンプとスラッシュ窒素生成装置とを有しており、該生成装置にて生成したスラッシュ窒素を前記圧送ポンプにより前記超電導送電ケーブル内に供給するようになっている。
前記スラッシュ窒素生成装置において、低温容器30内には液体窒素が充填されており、また該低温容器30内に配置されたエジェクタ31に、作動流体供給ラインより液体ヘリウム或いは低温のヘリウムガス等の低温作動流体が供給される。冷媒としては、ヘリウムの他にネオン、水素などを用いることができる。
前記低温容器30内の液体窒素上部の空間36には、真空ポンプ32と弁を具備した排気ライン33と、空間36を大気圧よりも若干高い圧力に保つための、弁を具備した排気ライン34が開口している。
FIG. 5 shows a schematic configuration diagram of a slush nitrogen generator according to Embodiment 2 of the present invention.
The slush nitrogen generator of the present embodiment is a refrigerant generating means provided in a cooling facility installed at the end of the superconducting
In the slush nitrogen generator, the
The
液体窒素には前記エジェクタ31の吸込口に連結する液体窒素吸込管35の下部が浸漬されている。
前記低温容器30を密閉し、前記真空ポンプ32により容器内を減圧すると液体窒素は蒸発し、蒸発潜熱のために液体窒素の温度は低下する。液体窒素の温度が大気圧における融点、つまり固体化する温度よりも若干高い65K付近になったところで低温作動流体を供給し、容器内を大気圧或いはそれよりも若干高い圧力に保持しておく。
前記エジェクタ31に低温作動流体を供給すると、エジェクタノズルから噴出する作動流体噴流により液体窒素が前記吸込管35を介してエジェクタ31に吸い出され、液体窒素は冷媒とともにエジェクタ31のディフューザを通って空間36に噴出される。液体窒素は前記ディフューザにて冷媒と激しく混合し冷却されて微細で比較的均一な粒径の固体窒素となる。作動流体により増大した圧力は、排気ライン34を介して排気することにより調整される。
The lower part of the liquid
When the low-
When a low-temperature working fluid is supplied to the
また、低温作動流体により液体窒素の液面が凍結することを防止するために、液面付近に撹拌翼を設け、撹拌混合することが好ましい。
さらに、前記生成した固体窒素が落下して液体窒素の底部に集中しないように、撹拌翼37にて均一に混合し、スラッシュ化する。
前記容器30の下部にはスラッシュ窒素が溜まり、適切な時期に弁を具備した排出ライン38を介してスラッシュ窒素を排出し、前記圧送ポンプ39により超電導送電ケーブル10の冷媒往路に導入する。
上記したようなスラッシュ窒素生成装置を用いることにより、スラッシュ窒素中の固体窒素の粒径を比較的均一にかつ小さくすることができ、超電導送電ケーブルの冷媒経路に流す場合にも圧力損失を小さくすることができる。また、本実施例のスラッシュ窒素生成装置を適用することにより、スラッシュ窒素中の固体窒素の粒径を簡単に制御することができ、スラッシュ窒素の最適化が図れる。
In order to prevent the liquid nitrogen liquid surface from being frozen by the low-temperature working fluid, it is preferable to provide a stirring blade near the liquid surface and perform stirring and mixing.
Further, the mixed solid is uniformly mixed with a
Slush nitrogen accumulates in the lower part of the
By using a slush nitrogen generator as described above, the particle size of solid nitrogen in slush nitrogen can be made relatively uniform and small, and pressure loss is reduced even when flowing through the refrigerant path of a superconducting power transmission cable. be able to. Further, by applying the slush nitrogen generator of this embodiment, the particle size of solid nitrogen in the slush nitrogen can be easily controlled, and the slush nitrogen can be optimized.
図6に本発明の実施例3に係るスラッシュ窒素生成装置の概略構成図を示す。
本実施例3のスラッシュ窒素生成装置は、上記した実施例2と同様に、参考例1若しくは実施例1に記載した超電導送電ケーブル10の端部に設置された冷却設備内に具備される。該冷却設備は圧送ポンプとスラッシュ窒素生成装置とを有しており、該生成装置にて生成したスラッシュ窒素を前記圧送ポンプにより前記超電導送電ケーブル内に供給するようになっている。
前記スラッシュ窒素生成装置は、液体窒素を貯留した断熱容器40内の気相部を、真空ポンプ41にて減圧し、減圧が進行すると液体窒素が蒸発し、潜熱により液体窒素の温度が低下し、内容物が窒素の三重点に達すると固体窒素が生成し始める。三重点への到達は温度計42で温度が63.1K以下に下がらなくなった事で確認する。三重点到達時は真空ポンプ41を停止して液面計43でレベルを計測する。その後真空ポンプ41を運転し、両撹拌翼44、45も回転する。
FIG. 6 shows a schematic configuration diagram of a slush nitrogen generating apparatus according to Example 3 of the present invention.
Slush nitrogen generator of the present embodiment 3, as in Example 2 described above, is provided in Reference Example 1 or Example 1 was superconducting
The slush nitrogen generator is configured to depressurize the gas phase part in the
減圧により固体窒素は液体窒素表面全体に薄く生成する。そのまま放置すると固体窒素は真空ポンプ41の吸引口のある上方に吸い上げられて液体から離れ、その空間に次の固体窒素が生成する。生成した固体窒素は撹拌翼44、45により微細化した固体窒素46となり、液体と混合されてスラッシュ窒素となる。生成したスラッシュ窒素は、圧送ポンプ47により前記超電導送電ケーブル10の冷媒往路に導入される。
このように、本実施例3のスラッシュ窒素生成装置は、他の冷媒を用いずに固体窒素を生成することができるため、他の冷媒の際圧縮装置などの大型設備を必要とせずに、簡単な構造でかつ小型化された装置でスラッシュ窒素を生成できる。
Due to the reduced pressure, solid nitrogen is formed thinly on the entire surface of liquid nitrogen. If left as it is, the solid nitrogen is sucked up above the suction port of the
As described above, the slush nitrogen generating apparatus of the third embodiment can generate solid nitrogen without using other refrigerants, so that it does not require a large facility such as a compression apparatus when using other refrigerants. Slush nitrogen can be generated with a simple structure and a compact device.
図7に本発明の実施例4に係るスラッシュ窒素生成装置の概略構成図を示す。
本実施例4のスラッシュ窒素生成装置は、上記した実施例2と同様に、参考例1若しくは実施例1に記載した超電導送電ケーブル10の端部に設置された冷却設備内に具備される。図に示されるように前記スラッシュ窒素生成装置は、液体窒素タンク50と、ノズル52を具備する容器53と、真空ポンプ54と、撹拌翼55とを備えている。
液体窒素が貯留された液体窒素タンク50には液体窒素供給管が接続され、一つは容器53へ、一つはポンプ51を介して前記容器53の上部に配設されたノズル52へ連結されている。前記容器53の天井部からは真空配管が接続され真空ポンプ54により容器内を減圧することができる。
さらに、容器底部には撹拌翼55が設けられ、内容物を撹拌可能となっている。また、容器53の側壁の底部付近には内容物取り出し配管が設けられ、該内容物は圧送ポンプ58により前記超電導送電ケーブル10の冷媒往路へ導かれる。
FIG. 7 shows a schematic configuration diagram of a slush nitrogen generator according to Embodiment 4 of the present invention.
Slush nitrogen generator of the present embodiment 4, as in Example 2 described above, is provided in Reference Example 1 or Example 1 was superconducting
A liquid nitrogen supply pipe is connected to the
Furthermore, a
前記スラッシュ窒素生成装置における作用を説明すると、まず液体窒素タンク50に貯留された液体窒素は前記ノズル52から、前記真空ポンプ54により減圧下に維持された前記容器53の中へ噴出される。前記ノズル52により均一微粒径の液滴窒素56が形成・分散され、この液滴粒子56が前記容器53の空間に滞留中に、該液滴粒子表面の窒素が蒸発し、該蒸発潜熱により液滴粒子が凝固して固体窒素57を生成する。凝固した固体窒素57は落下して前記撹拌翼55により液体窒素と混合撹拌され、スラリー化したスラッシュ窒素が生成される。生成したスラッシュ窒素は圧送ポンプ58により前記超電導送電ケーブル10の冷媒往路へ導入される。前記液滴窒素の粒径はノズル径と噴出圧力によってもたらされる流速によって決定する。従って、スラッシュ窒素中の固体窒素の粒径は前記ノズル径と噴出圧力により調整する。
このように、本実施例に係るスラッシュ窒素製造装置を用いることにより、簡単な装置で容易にスラッシュ窒素を生成することができる。
The operation of the slush nitrogen generator will be described. First, liquid nitrogen stored in the
Thus, by using the slush nitrogen production apparatus according to the present embodiment, slush nitrogen can be easily generated with a simple apparatus.
10 超電導送電ケーブル
11 フォーマー
12 超電導体
13 絶縁層
14 内側断熱管
15 外側断熱管
16 輻射シールド
17 断熱真空管
20 冷媒往路
21 冷媒復路
30 低温容器
31 エジェクタ
39 圧送ポンプ
40 断熱容器
52 噴射ノズル
53 容器
58 圧送ポンプ
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記フォーマーの内側に前記冷媒往路が形成され、
前記超電導体の外周に断熱真空層を介して管状の熱輻射シールドが設けられ、
前記超電導体に沿って並行に前記断熱真空層を介して前記冷媒復路が設けられ、
少なくとも前記冷媒往路に流れる冷媒を、液体窒素に微粒の固体窒素を含有させたスラッシュ窒素とし、
前記冷媒復路に流れる冷媒を、液体窒素に微粒の固体窒素を含有させたスラッシュ窒素又は液体窒素としたことを特徴とする超電導送電ケーブル。 A high-temperature superconductor wound around the outer periphery of the former, two or more refrigerant paths including a refrigerant forward path and a refrigerant return path through which a refrigerant that cools the superconductor is passed, and a heat insulating tube that encloses the superconductor and the refrigerant path In a superconducting power transmission cable with
The refrigerant forward path is formed inside the former,
A tubular heat radiation shield is provided on the outer periphery of the superconductor via a heat insulating vacuum layer,
The refrigerant return path is provided through the heat insulating vacuum layer in parallel along the superconductor,
At least the refrigerant flowing in the refrigerant forward path is slush nitrogen containing fine solid nitrogen in liquid nitrogen ,
A superconducting power transmission cable, wherein the refrigerant flowing through the refrigerant return path is slush nitrogen or liquid nitrogen in which fine solid nitrogen is contained in liquid nitrogen .
前記フォーマーの内側に前記冷媒往路が形成され、
前記超電導体の外周に断熱真空層を介して管状の前記冷媒復路が設けられ、
少なくとも前記冷媒往路に流れる冷媒を、液体窒素に微粒の固体窒素を含有させたスラッシュ窒素とし、
前記冷媒復路に流れる冷媒を、液体窒素に微粒の固体窒素を含有させたスラッシュ窒素又は液体窒素としたことを特徴とする超電導送電ケーブル。 A high-temperature superconductor wound around the outer periphery of the former, two or more refrigerant paths including a refrigerant forward path and a refrigerant return path through which a refrigerant that cools the superconductor is passed, and a heat insulating tube that encloses the superconductor and the refrigerant path In a superconducting power transmission cable with
The refrigerant forward path is formed inside the former,
The tubular refrigerant return path is provided on the outer periphery of the superconductor via a heat insulating vacuum layer,
At least the refrigerant flowing in the refrigerant forward path is slush nitrogen containing fine solid nitrogen in liquid nitrogen ,
A superconducting power transmission cable, wherein the refrigerant flowing through the refrigerant return path is slush nitrogen or liquid nitrogen in which fine solid nitrogen is contained in liquid nitrogen .
前記冷媒生成手段が、液体窒素を充填した低温容器と、該容器内に容器内空間よりも高い圧力の低温作動流体を噴出して前記液体窒素を吸い出すエジェクタと、を有し、
該冷媒生成手段にて、前記低温作動流体により吸い出され噴出される液体窒素が、前記低温作動流体によって冷却され微粒の固体窒素となって落下し、液体窒素と混合されてスラッシュ窒素を生成し、該スラッシュ窒素を前記圧送手段により前記冷媒経路に導入する構成としたことを特徴とする超電導送電ケーブルシステム。 A superconducting power transmission cable comprising the superconducting power transmission cable according to any one of claims 1 to 4, a cooling facility comprising means for generating the refrigerant, and means for pumping the refrigerant to the superconducting power transmission cable. In the system,
The refrigerant generating means has a low-temperature container filled with liquid nitrogen, and an ejector that injects a low-temperature working fluid having a pressure higher than the space in the container into the container to suck out the liquid nitrogen;
In the refrigerant generating means, the liquid nitrogen sucked and ejected by the low temperature working fluid is cooled by the low temperature working fluid and falls as fine solid nitrogen, and is mixed with the liquid nitrogen to generate slush nitrogen. The superconducting power transmission cable system is characterized in that the slush nitrogen is introduced into the refrigerant path by the pumping means.
前記冷媒生成手段が、液体窒素の充填された断熱容器と、前記断熱容器内部を減圧する減圧手段と、前記断熱容器内を撹拌する撹拌手段と、を有し、
該冷媒生成手段にて、前記減圧手段によって前記断熱容器内の液体窒素を減圧して降温し、三重点に到達せしめて固体窒素を生成し、前記撹拌手段で撹拌して微粒化した固体窒素を液体窒素と混合してスラッシュ窒素を生成し、該スラッシュ窒素を前記圧送手段により前記冷媒経路に導入する構成としたことを特徴とする超電導送電ケーブルシステム。 A superconducting power transmission cable comprising the superconducting power transmission cable according to any one of claims 1 to 4, a cooling facility comprising means for generating the refrigerant, and means for pumping the refrigerant to the superconducting power transmission cable. In the system,
The refrigerant generating means has a heat insulating container filled with liquid nitrogen, a pressure reducing means for reducing the pressure inside the heat insulating container, and a stirring means for stirring the inside of the heat insulating container,
In the refrigerant generating means, the liquid nitrogen in the heat insulating container is depressurized by the pressure reducing means to lower the temperature, reach the triple point to generate solid nitrogen, and the solid nitrogen atomized by stirring by the stirring means A superconducting power transmission cable system configured to generate slush nitrogen by mixing with liquid nitrogen and introduce the slush nitrogen into the refrigerant path by the pumping means.
前記冷媒生成手段が、減圧下に保持した容器と、液体窒素を該容器内に噴射するノズルと、前記容器内を撹拌する撹拌機と、を有し、
該冷媒生成手段にて、前記ノズルより噴射した液体窒素の液滴粒子を減圧雰囲気により蒸発させ、蒸発潜熱によって液滴粒子を凝固させて固体窒素を形成させ、前記液体窒素と混合してスラッシュ窒素を生成し、該スラッシュ窒素を前記圧送手段により前記冷媒経路に導入する構成としたことを特徴とする超電導送電ケーブルシステム。 A superconducting power transmission cable comprising the superconducting power transmission cable according to any one of claims 1 to 4, a cooling facility comprising means for generating the refrigerant, and means for pumping the refrigerant to the superconducting power transmission cable. In the system,
The refrigerant generating means has a container kept under reduced pressure, a nozzle for injecting liquid nitrogen into the container, and a stirrer for stirring the inside of the container;
In the refrigerant generation means, liquid nitrogen droplet particles ejected from the nozzle are evaporated in a reduced-pressure atmosphere, and the droplet particles are solidified by latent heat of vaporization to form solid nitrogen, mixed with the liquid nitrogen and slush nitrogen And a slush nitrogen is introduced into the refrigerant path by the pumping means.
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