JP6046341B2 - 超電導給電システム用冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、送電用の超電導ケーブル及び該超電導ケーブルから外部負荷に電力を供給するためのパワーリードからなる超電導給電システムを寒剤を用いて冷却する超電導給電システム用冷却装置の技術分野に関する。

特定の金属、合金、化合物などの物質を極低温に冷却したときに、電気抵抗が急激にゼロになる超電導という現象がある。送電用ケーブルに超電導の技術を応用した超電導ケーブルは、電流が流れる導体として超電導線を使用したものであり、小さな断面積で大電流を流すことができるため、送電に係る設備の小型化、送電効率の向上等の利点があり注目されている。

超電導ケーブルは、通電時に発生する熱負荷や外部からの侵入熱により温度が上昇して電気抵抗が上昇することがないように、恒常的に冷却して超低温状態を維持することが重要である。超電導ケーブルを冷却する技術としては、サブクール状態の冷媒を用いて循環冷却を行う技術が知られている。これは、冷凍機を用いて冷媒をサブクール状態まで冷却し、該サブクール冷媒をポンプで超電導ケーブルに送ることにより、超電導ケーブルを冷却するものである。超電導ケーブルの冷却に使用された後の冷媒は、温度が上昇しているので、再度冷凍機に戻され、サブクール状態に冷却される。

特許文献１には、このように寒剤の循環経路を形成することにより超電導ケーブルの冷却を行う一例が開示されている。また、特許文献２では、このような寒剤の循環経路を形成する冷却技術において、液化ガスの循環の不安定要因や、電気機器の絶縁に関するトラブルを起こすことなく、寒剤をサブクール状態で長期間循環可能とするために、サブクール状態の寒剤に、更に沸点が低いガスを溶解したことを特徴とする冷却システムが開示されている。

ＷＯ９９／６２１２７号公報 特開２００６−１２６５４号公報

この種の超電導ケーブルの応用分野として、電車のように大容量電力を動力源とする移動体に電力を供給する給電システムがある。図５は電車用の給電供給システムに超電導ケーブルを適用した超電導給電システム１の概要を示す模式図である。

超電導給電システム１は、寒剤で冷却された超電導ケーブルである超電導饋電線５０、超電導饋電線５０の給電先である外部負荷としてのトロリー線（架線）８０、並びに超電導饋電線５０及びトロリー線（架線）８０間を電気的に接続するパワーリード２０を備える。パワーリード２０は、電車１０の進行方向に沿って一定間隔毎に超電導饋電線５０とトロリー線（架線）８０との間を接続するように複数設置されている。パワーリード２０を介してトロリー線（架線）８０に供給された電力は、電車１０の上部に設置されたパンダグラフ１１を介して電車１０に供給される。

トロリー線（架線）８０にパンダグラフ１１が接触する箇所は、電車１０の走行位置に応じて時々刻々と変化し、当該接触する箇所の近傍に位置するパワーリード２０を介して、超電導饋電線５０からトロリー線（架線）８０、そして電車１０のルートで電流が流れる。つまり、電車１０の走行時には、パンダグラフ１１が接触する箇所の近傍に位置する特定のパワーリード２０についてのみ大容量の電流が流れ、それ以外のパワーリード２０にはトロリー線（架線）の電気抵抗のために電流は流れない。

ここで、パワーリード２０は負荷側の常温部と超電導饋電線５０側の極低温部とを接続しているため、電車１０が走行しない待機状態でも、常に１００Ｗ前後の侵入熱がある。更に、近くを電車１０が通過する際には大電流が流れることによって、トータルの熱損失は１００〜１ｋＷにも達する。このような電車１０への給電システムでは、超電導饋電線５０は数ｋｍオーダーという長距離に亘って設置されるため、パワーリード２０の本数も必然的に多くなる。そのため、超電導饋電線５０が受ける熱負荷は相当大きいものとなる。

このような熱負荷の大きな超電導システムにおける冷却技術としては、特許文献１及び２に示すようなサブクール冷媒の循環経路を利用した超電導饋電線５０の冷却に加えて、パワーリード２０をいかに効率的に冷却するかが重要である。その一つの解決手段として、例えば図６に示すように、各パワーリード２０に対して冷却用の冷凍機８１（以下、第２の冷凍機８１と称する）を設置することが考えられる。

図６に示す例では、超電導饋電線５０の延在方向に沿って寒剤が流れるように循環経路６０が形成されている。循環経路６０は、超電導饋電線５０の上流側に設けられた寒剤供給部５１から寒剤が供給され、超電導饋電線５０に沿って流れた後、寒剤供給部５１より下流側に設けられた寒剤排出部５２から排出され、第１の冷凍機７０に回収されるように形成されている。循環経路６０を流れる寒剤は、第１の冷凍機７０においてサブクール状態に冷却された後、寒剤供給部５１から供給されることで超電導饋電線５０の冷却を行う。超電導饋電線５０に供給された寒剤は、超電導饋電線５０に沿って流れるに従い、次第に温度が上昇していく。寒剤排出部５２から排出される寒剤は、このように温度が上昇しているため、第１の冷凍機７０に戻されることにより、再びサブクール状態に冷却されるというサイクルを繰り返す。

このように循環経路６０を流れる寒剤の一部はパワーリード２０内部に導入されることによりパワーリード２０を冷却する。この際に、パワーリード２０から熱量を受け取った寒剤は、気化ガスとなる。発生した気化ガスは、各パワーリード２０の排出口４５から排出される。排出された気化ガスは、各パワーリード２０に対応して設けられた第２の冷凍機８１で冷却されることにより寒剤に液化され、第１の冷凍機８１に送られる。そして、超電導饋電線５０に沿って流れる寒剤（循環経路６０を流れる寒剤）と共に、寒剤供給部５１から超電導饋電線５０に供給される。

しかしながら、この例ではパワーリード２０の本数分だけ第２の冷凍機８１を設置する必要があるため、各第２の冷凍機８１のトータル消費電力もまた膨大な量となってしまい、効率が悪い。そのため、電車１０の給電用の超電導饋電線５０には長距離化の要請があるが、このような長距離化に対応することができないという問題点がある。

また、仮に第２の冷凍機８１の性能改善によって消費電力の削減を図ったとしても、多数のパワーリード２０に対応して設けられた第２の冷凍機８１のうちいずれか一台でも停止すると、超電導饋電線５０に多大な熱量が侵入してしまう。このように故障等により停止する機器がシステムの中に多数含まれると、システム全体の信頼性が低下する。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、長距離に亘って配備された超電導ケーブルを効率的に冷却可能であり、且つ、高い信頼性を有する超電導給電システム用冷却装置を提供することを目的とする。

本発明に係る超電導給電システム用冷却装置は上記課題を解決するために、所定方向に延在する超電導ケーブルに沿って寒剤が流れるように、前記超電導ケーブルの上流側に設けられた寒剤供給部から第１の冷凍機によって冷却された寒剤を供給し、前記寒剤供給部より下流側に設けられた寒剤排出部から排出された寒剤を前記第１の冷凍機に回収して冷却すると共に、前記超電導ケーブルから外部負荷に電力を供給するための複数のパワーリードに対して前記超電導ケーブルに沿って流れる寒剤の一部を導入することにより、前記超電導ケーブル及び前記複数のパワーリードを冷却する超電導給電システム用冷却装置において、前記複数のパワーリードに導入された寒剤の気化ガスを回収し、該回収した気化ガスを冷却することにより寒剤を液化生成する第２の冷凍機と、前記液化生成された寒剤の温度が所定値に冷却されるように前記第２の冷凍機を制御する制御部とを備え、前記第２の冷凍機によって液化生成された寒剤を、前記超電導ケーブルの前記寒剤供給部及び前記寒剤排出部間に設けられた寒剤補充部に供給することを特徴とする。

本発明によれば、超電導ケーブルを冷却するために流れる寒剤の一部をパワーリードに導入することによって、複数のパワーリードに対して個別に冷凍機を設けることなく、各パワーリードを冷却できるので効率的である。また、各パワーリードの冷却に用いられた寒剤は気化ガスとして回収され、超電導ケーブル冷却用の第１の冷凍機とは別に設けられた第２の冷凍機によって冷却されることにより、寒剤が液化生成される。第２の冷凍機において液化生成された寒剤は、制御部からの指令に基づいた所定温度値に冷却されており、超電導ケーブルの寒剤供給部及び寒剤排出部間に設けられた寒剤補充部に供給される。一般的に、超電導ケーブルに沿って流れる寒剤の温度は、寒剤供給部から寒剤排出部に向うにつれて上昇するが、このように第２の冷凍機において液化生成された寒剤をその途中に供給することによって、超電導ケーブルに沿って流れる寒剤の温度を低下させることができる。そのため、超電導ケーブルに沿って流れる寒剤の温度を長距離に亘って低温に保つことができるので、超電導ケーブルの長距離化が可能となる。このように、超電導ケーブルの長距離化の要請にも対応可能な冷却装置を提供することができる。
更に、超電導ケーブルとＬＮ２の熱伝達効率をあげるため、通常ポンプの動力を上げて流量を増大させる必要があるが、第２の冷凍機によって超電導ケーブルを冷却することが可能となるため、第１のポンプの動力が小さくなり、冷却システム全体の効率が向上する。

本発明の一態様としては、前記寒剤補充部において、前記超電導ケーブルに沿って流れる寒剤の温度を検出する温度検出手段を更に備え、前記制御部は、前記液化生成された寒剤の温度が、前記温度検出手段によって検出された温度より低くなるように前記第２の冷凍機を制御することが好ましい。この態様によれば、各パワーリードに接続された外部負荷が時間的に変動することによって寒剤補充部における寒剤の温度が変化する場合であっても、超電導ケーブルの冷却長が十分に得られるように、適切な温度に冷却された寒剤を供給できる。

また、前記第２の冷凍機の停止時に、前記回収された気化ガスを前記第１の冷凍機に導入することにより寒剤を液化生成し、該液化生成した寒剤を前記寒剤排出部から回収した寒剤と共に、前記寒剤供給部より前記超電導ケーブルに供給するとよい。この態様によれば、第２の冷凍機が何らかの原因によって停止した場合であっても、超電導ケーブルの冷却用である第１の冷凍機に気化ガスを導入して寒剤を液化生成できる。この場合、液化生成された寒剤は、寒剤排出部から回収した寒剤と共に寒剤供給部より超電導ケーブルに供給されるため、超電導ケーブルの途中（即ち、寒剤供給部及び寒剤排出部間）に導入することができない。そのため、上述したような、超電導ケーブルに沿って流れる寒剤の温度抑制効果は低減するものの、気化ガスを第１の冷凍機によって冷却することで寒剤を液化生成することができるので、第２の冷凍機の停止時においても、超電導給電システムの動作を停止させることなく、継続させることができる。このように、本態様では、信頼性の高い冷却装置を実現することができる。

本発明によれば、超電導ケーブルを冷却するために流れる寒剤の一部をパワーリードに導入することによって、複数のパワーリードに対して個別に冷凍機を設けることなく、各パワーリードを冷却できるので効率的である。また、各パワーリードの冷却に用いられた寒剤は気化ガスとして回収され、超電導ケーブル冷却用の第１の冷凍機とは別に設けられた第２の冷凍機によって冷却されることにより、寒剤が液化生成される。第２の冷凍機において液化生成された寒剤は、制御部からの指令に基づいた所定温度値に冷却されており、超電導ケーブルの寒剤供給部及び寒剤排出部間に設けられた寒剤補充部に供給される。一般的に、超電導ケーブルに沿って流れる寒剤の温度は、寒剤供給部から寒剤排出部に向うにつれて上昇するが、このように第２の冷凍機において液化生成された寒剤をその途中に供給することによって、超電導ケーブルに沿って流れる寒剤の温度を低下させることができる。そのため、超電導ケーブルに沿って流れる寒剤の温度を長距離に亘って低温に保つことができるので、超電導ケーブルの長距離化が可能となる。このように、超電導ケーブルの長距離化の要請にも対応可能な冷却装置を提供することができる。更に、第２の冷凍機を用いることで第１の冷媒を送り出すために必要なポンプのパワーを小さく出来るため、システム全体の効率が良い。

本実施例に係る超電導給電システム用冷却装置の全体構成を示すブロック模式図である。 本実施例に係る超電導給電システム用冷却装置において制御部が行う処理内容を示すフローチャート図である。 本実施例に係る超電導給電システム用冷却装置における超電導饋電線の延在方向に沿った温度分布を示すグラフ図である。 参考例における超電導饋電線５０の延在方向に沿った温度分布を示すグラフ図である。 電車用の給電供給システムに超電導ケーブルを適用した超電導給電システムの概要を示す模式図である。 各パワーリードに対して冷却用の第２の冷凍機を設置した超電導給電システム用冷却装置の概要を示す模式図である。 本発明に係る超電導給電システム用冷却装置が適用される超電導給電システムにおけるパワーリードの内部構成を示す断面図である。 パワーリードの非発熱時におけるスリット部付近の構造を拡大して示す断面図である。 パワーリードの発熱時におけるスリット部付近の構造を拡大して示す断面図である。

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。

ここでは、本発明に係る超電導給電システム用冷却装置を、背景技術にて図５を参照して説明した超電導給電システムに適用した場合を例に説明する。尚、以下の説明では、背景技術と共通する箇所については共通の符号を付すこととし、重複する説明は適宜省略することとする。

図７は本発明に係る超電導給電システム用冷却装置が適用される超電導給電システムにおけるパワーリード２０の内部構成を示す断面図である。パワーリード２０は、内部に長さ方向に沿って延在する内空部２１が形成された円筒形状を有し、一端が超電導饋電線５０に電気的に接続され、且つ、他端がトロリー線（架線）８０に電気的に接続された導体部２２と、内空部２１に長さ方向に沿って延在するように棒状に形成され、超電導饋電線５０側の先端にスリット部が設けられた棒状部材２３と、内空部２１を超電導饋電線５０側から塞ぎ、且つ、棒状部材２３を長さ方向に沿って移動可能に周囲から保持するシール部材２４とを備えてなる。

導体部２２が連結されている外装壁４０の内側空間４１は、図不示の真空ポンプによって減圧されることによって真空状態になっており、外装壁４０の内側に配置された超電導饋電線５０への外部からの熱侵入を断熱により抑制している。また、超電導饋電線５０の内側も空洞状になっており（即ち、超電導饋電線５０は内部に空洞を有するように円筒形状を有しており）、当該空洞に圧入された寒剤（即ち、超電導饋電線５０に沿って流れる寒剤）２６によって、超電導饋電線５０が冷却されている。超電導饋電線５０は、このような冷却断熱構造によって低温状態に置かれることで超電導状態が維持されている。

導体部２２は、超電導饋電線５０からトロリー線（架線）８０に給電される際に電流が流れる部分であり、例えば高純度のＯＦＣｕ（Ｏｘｙｇｅｎ
Ｆｒｅｅ Ｃｏｐｐｅｒ）から形成されている。棒状部材２３は、導体部２２に比べて線熱膨張率の小さい材料から形成されている。シール部材２４は、安定性、耐熱性及び耐薬品性に優れたフッ素樹脂（商品名：テフロン（登録商標））から形成されている。

導体部２２及び棒状部材２３のトロリー線（架線）８０側の端部は、固定部材２７に固定されている。固定部材２７は導電性材料から形成されており、超電導饋電線５０から導体部２２を介して供給される電力をトロリー線（架線）８０側に伝達する。尚、固定部材２７は導電部材２８に連結されており、導電部材２８は図７において不示のトロリー線（架線）に電気的に連結されている。

図８及び図９は、それぞれ非発熱時及び発熱時におけるスリット部２５付近の構造を拡大して示す断面図である。棒状部材２３の先端には、スリット部２５が設けられており、図８に示す非発熱時（即ち、導体部２２の温度が所定の閾値以下である場合）には、スリット部２５は寒剤２６に浸されている。このとき、スリット部２５は、シール部材２４から内空部２１側に露出しておらず、シール材２４は内空部２１を寒剤２６から隔離しており、内空部２１に寒剤２６は導入されない。

上述のように、導体部２２は電気抵抗値の小さいＯＦＣｕから形成されているが、有限の電気抵抗値を有するため、導体部２２に電流が流れるとジュール熱が発生し、発熱が起こる。棒状部材２３は、導体部２２に比べて線熱膨張率が小さい材料から形成されているため、発熱時には図９に示すように、棒状部材２３は導体部２２に対して相対的に押し下げられるように熱変形する。そして、パワーリード２０の温度が所定の閾値より大きくなるタイミングで、棒状部材２３の超電導饋電線５０側の先端に設けられたスリット部２５がシール部材２４から内空部２１側に露出する。

上述したように、超電導饋電線５０の内側にある寒剤２６は圧入されているため、スリット部２５が内空部２１側に露出すると、寒剤２６と内空部２１との間の差圧に基づいて、寒剤２６が内空部２１内に導入される。その結果、寒剤が内空部２１に導入され、内空部２１に面した部材（例えば、導体部２２の内壁）が寒剤によって冷却される。尚、図９では、内空部２１に導入された寒剤を符号２６´で示してある。

導体部２２には排出口４５が設けられており、内空部２１に導入された寒剤２６の気化ガスは、当該排出口４５から外部に排出されるように構成されている。

このように寒剤２６が内空部２１に導入されると、やがて導体部２２の温度は低下に転じる。すると、棒状部材２３は導体部２２に対して相対的に押し上げられるように変形する。その結果、内空部２１に露出していたスリット部２５は無くなり、内空部２１への寒剤２６の導入もまた停止する。

このように、温度変化に伴い、導体部２２に対する棒状部材２１の位置が相対的に変化することによって、寒剤２６の内空部２１への導入が制御される。このような寒剤２６の導入は、別途電源や制御装置等を設けることなく、専ら導体部２２の温度変化に伴う熱変形によって自動的に行われるため、当該動作に余分なエネルギーを消費せずに済む。また、このような寒剤２６の導入は導体部２２の温度変化に応じて間欠的に行われるため、無駄に寒剤２６を消費することがなく、寒剤２６の消費量を効果的に抑制することができる。

続いて図１を参照して、本発明に係る超電導給電システム用冷却装置の全体構成について説明する。図１は、本発明に係る超電導給電システム用冷却装置の全体構成を示すブロック模式図である。尚、図１では上記説明したパワーリード２０の構成を簡略的に省略して図示している。

本発明に係る超電導給電システム用冷却装置では、循環経路６０を流れる寒剤の一部は、パワーリード２０の発熱時にスリット部２５を介してパワーリード２０内部に導入されることにより、パワーリード２０の冷却を行う。そしてパワーリード２０を冷却した際に発生した寒剤の気化ガスが、各パワーリード２０の排出口４５から排出される。

各パワーリード２０の排出口４５から排出された気化ガスは、ライン４６を通って合流点４７に収集される。合流点４７に達した気化ガスが進行可能な経路は２種類用意されている。先ず、バルブ８５によって開閉可能なライン４８がある。ライン４８上には、第２の冷凍機８１の上流側を流れる気化ガスの流量を取得するための流量センサ８０、気化ガスを寒剤として液化生成するための第２の冷凍機８１、液化生成された寒剤を寒剤補充部９０に向かって圧送するためのポンプ８２、第２の冷凍機８１とポンプ８２との間を流れる寒剤（第２の冷凍機８１によって液化生成された寒剤）の温度を取得するための温度センサ８３、第２の冷凍機８１の上流側を流れる寒剤の流量を取得するための流量センサ８４、及びライン４８の寒剤補充部９０への接続をＯＮ／ＯＦＦ切り替えするために開閉されるバルブ８５が設けられている。また、ライン４８においてバルブ８５より下流側を流れる寒剤（寒剤補充部９０に圧送される寒剤）の温度及び圧力を取得するための温度センサ８６及び圧力センサ８７が設けられている。また、寒剤補充部９０の付近には、循環経路６０を流れる寒剤の温度を取得するための温度センサ９１が設けられている。

一方、合流点４７にはライン４９は第１の冷凍機７０に向かって接続されており、その途中に第１の冷凍機７０への接続をオン／オフするためのバルブ８８、及びライン４９を流れる気化ガスの流量を取得するための流量センサ８９が設けられている。

制御部１００は本実施例に係る冷却装置の動作を統括制御するためのコントロールユニットである。具体的には、流量センサ８０、８４、８９、温度センサ８３、８６、及び圧力センサ８７から取得した各種信号に基づいて、第２の冷凍機８１、バルブ８５、８８を操作する。

続いて、本実施例に係る超電導給電システム用冷却装置において制御部１００が行う処理内容について具体的に説明する。図２は本実施例に係る超電導給電システム用冷却装置において制御部１００が行う処理内容を示すフローチャート図である。

まず制御部１００は時刻を監視することにより、現在時間が動作開始時刻Ｔｓに達したか否かを判定する（ステップＳ１０１）。ここで動作開始時刻Ｔｓとは、本発明に係る冷却装置の動作を開始する時刻であり、例えば、超電導給電システム１の給電先である電車１０の営業開始時間（始発時刻）である。営業開始時間以前はパワーリード２０に電流は流れないので冷却装置の動作は不要であり、電車１０の営業時間帯に限って冷却装置を動作させることによって、省エネルギーに貢献することができる。より好ましくは、動作開始時刻Ｔｓは、電車１０の営業開始時間（始発時刻）より所定時間だけ前に設定することにより、パワーリード２０を予冷できるように設定しておくとよい。

現在時刻が動作開始時刻Ｔｓに達していない場合（ステップＳ１０１：ＮＯ）、制御部１００はステップＳ１０１を繰り返し実行し、待機する。一方、現在時刻が動作開始時刻Ｔｓに達した場合（ステップＳ１０１：ＹＥＳ）、制御部１００は第２の冷凍機８１を始動する（ステップＳ１０２）。これにより、各パワーリード２０の排出口４５から排出された気化ガスは、第２の冷凍機８１において寒剤として液化生成される。

続いて、制御部１００は第２の冷凍機８１において寒剤が液化生成されたことを確認するために、温度センサ８３及び９１から温度値をそれぞれ取得し、温度センサ８３の温度Ｔ１が温度センサ９１の温度より低いか否かを判定する（ステップＳ１０３）。温度センサ８３の温度Ｔ１が温度センサ９１の温度より低い（ステップＳ１０３：ＹＥＳ）、第２の冷凍機８１によって液化生成された寒剤を寒剤補充部に供給すべく、制御部１００はステップＳ１０４以下の処理を進める。一方、温度センサ８３の温度Ｔ１が温度センサ９１の温度以上である場合（ステップＳ１０３：ＮＯ）、第２の冷凍機８１によって寒剤が十分に液化生成されていないとして、ステップＳ１０３を再度実行し、待機する。

続いて制御部１００はポンプ８２を起動すると共に（ステップＳ１０４）、バルブ８５を開くことにより（ステップＳ１０５）、第２の冷凍機８１において液化生成された寒剤を、寒剤補充部９０に供給する。このように第２の冷凍機８１において液化生成された寒剤は、制御部１００からの指令に基づいた所定温度値に冷却されており、超電導饋電線５０の寒剤供給部５１及び寒剤排出部５２間に設けられた寒剤補充部９０に供給される。一般的に、超電導饋電線５０に沿って流れる寒剤の温度は、寒剤供給部５１から寒剤排出部５２に向うにつれて上昇するが、このように第２の冷凍機８１において液化生成された寒剤をその途中に設けられた寒剤補充部９０に供給することによって、超電導饋電線５０に沿って流れる寒剤の温度を低下させることができる。

その後、制御部１００は温度センサ８３及び８６、圧力センサ８７、並びに流量センサ８０及び８４をモニタすることによって、寒剤補充部９０に供給される寒剤の温度、圧力及び流量を監視する（ステップＳ１０６）。具体的には、制御部１００は取得した寒剤の温度、圧力及び流量が予め設定された閾値との大小を比較することによって、異常の有無を判定するとよい。

ここで、制御部１００は時刻を監視することにより、現在時間が動作終了時刻Ｔｅに達したか否かを判定する（ステップＳ１０７）。ここで動作終了時刻Ｔｅとは、本発明に係る冷却装置の動作を終了する時刻であり、例えば、超電導給電システム１の給電先である電車１０の営業終了時間（終電時刻）である。営業終了時間以降はパワーリード２０に電流は流れないので冷却装置の動作は不要であり、このように必要な時間帯に限って冷却装置を動作させることによって、省エネルギーに貢献することができる。

現在時間が動作終了時刻Ｔｅに達していない場合（ステップＳ１０７：ＮＯ）、制御部１００はステップＳ１０６における監視の結果、温度センサ８３及び８６、圧力センサ８７、並びに流量センサ８０及び８４が異常な状態（予め設定された閾値を超えるなどの異常な状態）であるか否かを判定する（ステップＳ１０８）。異常が無い場合（ステップＳ１０８：ＮＯ）、制御部１００は、処理をステップＳ１０６に戻し、上記動作を繰り返す。

一方、異常が有る場合（ステップＳ１０８：ＹＥＳ）、第２の冷凍機８１に何らかの異常が発生したと判定し、第２の冷凍機８１を停止させる（ステップＳ１０９）。そして、バルブ８５を閉じると共にバルブ８８を開けることにより、パワーリード２０から排出された気化ガスの経路をライン４８からライン４９に変更する（ステップＳ１１０）。すると、パワーリード２０から排出された気化ガスは、ライン４９の先に接続された第１の冷凍機７０に供給される。第１の冷凍機７０にて冷却されることにより液化生成された寒剤は、寒剤排出部５２から回収した寒剤と共に、寒剤供給部５１より超電導饋電線５０に供給される。これにより、第２の冷凍機８１が停止した場合であっても、超電導饋電線５０の冷却用である第１の冷凍機７０に気化ガスを導入して寒剤を液化生成できる。この場合、第１の冷凍機７０で液化生成された寒剤は、寒剤排出部５２から回収した寒剤と共に寒剤供給部５１より超電導ケーブル５０に供給されるため、超電導饋電線５０の途中（即ち、寒剤供給部５１及び寒剤排出部５２間）に設けられた寒剤補充部９０に導入することができない。そのため、図３の故障時の計算結果が示すように、上述したような、超電導饋電線５０に沿って流れる寒剤の温度抑制効果は低減するものの、気化ガスを第１の冷凍機によって冷却することで寒剤を液化生成することができるので、第２の冷凍機８１の停止時においても、超電導給電システム１の動作を停止させることなく、継続させることができる。このように、信頼性の高い冷却装置を実現することができる。

続いて制御部１００は、流量センサ８９からライン４９における流量を取得し（ステップＳ１１１）、当該取得した流量に基づいて第２の冷凍機８１が異常な状態から復旧したか否かを判定する（ステップＳ１１２）。第２の冷凍機８１が復旧していない場合（ステップＳ１１２：ＮＯ）、制御部１００は処理をステップＳ１１１に戻し、上記処理を繰り返して待機する。一方、第２の冷凍機８１が復旧した場合（ステップＳ１１２：ＹＥＳ）、制御部１００は処理をステップＳ１０２に戻し、上記処理を繰り返す。

現在時間が動作終了時刻Ｔｅに達していない場合（ステップＳ１０７：ＹＥＳ）、制御部１００はバルブ８５を閉じ（ステップＳ１１３）、ポンプ８２及び第２の冷凍機８１を停止させ（ステップＳ１１４＆Ｓ１１５）、一連の動作を終了する（ＥＮＤ）。

次に超電導饋電線５０の延在方向に沿った温度分布について、図３及び図４を参照して説明する。図３は本実施例に係る超電導給電システム用冷却装置における超電導饋電線５０の延在方向に沿った温度分布を示すグラフ図であり、図４は寒剤補充部９０に第２の冷凍機８１により液化生成された寒剤が供給されない参考例における超電導饋電線５０の延在方向に沿った温度分布を示すグラフ図である。尚、ここで言う参考例は、寒剤補充部９０に第２の冷凍機８１により液化生成された寒剤が供給されない点を除いて、本実施例に係る超電導給電システム用冷却装置とその構成を同じにするものとして説明する。

まず図４に示す参考例では、超電導饋電線５０の延在方向に沿って温度が距離に比例して上昇する。ここでは、超電導饋電線５０に沿って流れる寒剤の流速がＱ＝２０Ｌ／ｍ、４０Ｌ／ｍ、６０Ｌ／ｍの場合について、それぞれ示しているが、流速が遅くなるに従い温度上昇の傾きは大きくなる。特に、流速がＱ=２０Ｌ／ｍの場合は、超電導饋電線５０の温度が距離３ｋｍ未満の箇所で８０Ｋ以上に達してしまい、下流側に置いて超電導饋電線５０を超電導状態に維持することが困難になっている。

一方、図３に示すように、本発明では、寒剤補充部（この例では５ｋｍの地点）９０に第２の冷凍機８１によって液化生成された寒剤が供給される。そのため、寒剤供給部５１から下流側に向かって次第に上昇する温度は、寒剤補充部９０にて一端下げられ、温度の上昇が抑制される。即ち、超電導饋電線５０に沿った温度分布が寒剤補充部９０において鋸状の分布となり、超電導饋電線５０の冷却長を大幅に伸ばすことができる。このように、長距離に亘って温度を低温に維持することができるので、超電導饋電線５０の長距離化の要請に対応することが可能とすることができる。

尚、超電導饋電線５０が更に長距離に亘って設置されている場合には、第２の冷凍機８１は、その性能に応じて、所定本数のパワーリード２０毎に設置するとよい。例えば超電導饋電線５０に沿ってパワーリード２０が２００ｍ毎に配置されている場合には、２ｋｍ毎に第２の冷凍機８１を配置すると、各第２の冷凍機８１は１０本のパワーリード２０から排出される気化ガスから、寒剤を液化生成することとなる。このように、本発明では、超電導饋電線５０の全長を１０ｋｍとすると、必要となる第２の冷凍機８１は合計５台となる。従って、各パワーリード２０に対してそれぞれ排出された気化ガスを液化するための冷凍機を設ける場合に比べて、冷凍機の台数を格段に少なく抑えることができる。そのため、冷却装置を維持する消費電力も少なくて済み、更に保守管理も容易である。

また第２の冷凍機８１の冷却能力を、各パワーリード２０から排出される気化ガスを液化するために必要な能力以上にすることにより、超電導饋電線５０に沿って流れる寒剤の冷却を行うようにしてもよい。

また、本発明に係る冷却装置では、一端常温になった気化ガスも、一定間隔毎に超電導饋電線５０に戻されるので、超電導饋電線５０に沿って流れる寒剤の流量もほぼ一定である。

尚、理想的には、上記原理に基づいて、寒剤補充部９０を超電導饋電線５０に沿って所定間隔毎に設けることによって冷却長を限りなく長距離化することが可能であるが、実際には超電導饋電線５０に沿って流れる寒剤の圧力は下流側に向かうに従い低下するため、実際の超電導饋電線５０の冷却長は寒剤の圧力降下度合に依存すると考えられる。

以上説明したように、本実施例に係る冷却装置によれば、超電導饋電線５０を冷却するために流れる寒剤の一部をパワーリード２０に導入することによって、複数のパワーリード２０に対して個別に冷凍機を設けることなく、各パワーリード２０を冷却できるので効率的である。また、各パワーリード２０の冷却に用いられた寒剤は気化ガスとして回収され、超電導饋電線５０の冷却用の第１の冷凍機７０とは別に設けられた第２の冷凍機８１によって冷却されることにより、寒剤が液化生成される。第２の冷凍機８１において液化生成された寒剤は、制御部１００からの指令に基づいた所定温度値に冷却されており、超電導饋電線５０の寒剤供給部５１及び寒剤排出部５２間に設けられた寒剤補充部９０に供給される。一般的に、超電導饋電線５０に沿って流れる寒剤の温度は、寒剤供給部５１から寒剤排出部５２に向うにつれて上昇するが、このように第２の冷凍機８１において液化生成された寒剤をその途中に設けられた寒剤補充部９０に供給することによって、超電導饋電線５０に沿って流れる寒剤の温度を低下させることができる。そのため、超電導饋電線５０に沿って流れる寒剤の温度を長距離に亘って低温に保つことができるので、超電導饋電線５０の長距離化が可能となる。このように、超電導饋電線５０の長距離化の要請にも対応可能な冷却装置を提供することができる。

本発明は、送電用の超電導ケーブル及び該超電導ケーブルから外部負荷に電力を供給するためのパワーリードからなる超電導給電システムを寒剤を用いて冷却する超電導給電システム用冷却装置に利用可能である。

１ 超電導給電システム
２０ パワーリード
２１ 内空部
２２ 導体
２３ 棒状部材
２４ シール部材
２５ スリット部
４５ 排出口
５０ 超電導饋電線
５１ 寒剤供給部
５２ 寒剤排出部
６０ 循環経路
７０ 第１の冷凍機
８０，８４，８９ 流量センサ
８１ 第２の冷凍機
８２ ポンプ
８３，８６ 温度センサ
８５，８８ バルブ
８７ 圧力センサ
９０ 寒剤補充部
１００ 制御部

Claims (3)

1. 所定方向に延在する超電導ケーブルに沿って寒剤が流れるように、前記超電導ケーブルの上流側に設けられた寒剤供給部から第１の冷凍機によって冷却された寒剤を供給し、前記寒剤供給部より下流側に設けられた寒剤排出部から排出された寒剤を前記第１の冷凍機に回収して冷却すると共に、前記超電導ケーブルから外部負荷に電力を供給するための複数のパワーリードに対して前記超電導ケーブルに沿って流れる寒剤の一部を導入することにより、前記超電導ケーブル及び前記複数のパワーリードを冷却する超電導給電システム用冷却装置において、
   前記複数のパワーリードに導入された寒剤の気化ガスを回収し、該回収した気化ガスを冷却することにより寒剤を液化生成する第２の冷凍機と、
   前記液化生成された寒剤の温度が所定値に冷却されるように前記第２の冷凍機を制御する制御部と
   を備え、
   前記第２の冷凍機によって液化生成された寒剤を、前記超電導ケーブルの前記寒剤供給部及び前記寒剤排出部間に設けられた寒剤補充部に供給することを特徴とする超電導給電システム用冷却装置。
2. 前記寒剤補充部において、前記超電導ケーブルに沿って流れる寒剤の温度を検出する温度検出手段を更に備え、
   前記制御部は、前記液化生成された寒剤の温度が、前記温度検出手段によって検出された温度より低くなるように前記第２の冷凍機を制御することを特徴とする請求項１に記載の超電導給電システム用冷却装置。
3. 前記第２の冷凍機の停止時に、前記回収された気化ガスを前記第１の冷凍機に導入することにより寒剤を液化生成し、該液化生成した寒剤を前記寒剤排出部から回収した寒剤と共に、前記寒剤供給部より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１又は２に記載の超電導給電システム用冷却装置。