JP6926153B2 - 超電導体の冷却装置及び超電導体の冷却方法 - Google Patents

Description

本発明は、超電導体の冷却装置及び超電導体の冷却方法に関する。

高温超電導ケーブル等の超電導電力機器を冷却するための液化冷媒としては、比較的安価で入手し易く、電気絶縁性に優れた液体窒素が一般に使用される。液体窒素を６５〜７０Ｋの過冷却温度（サブクール温度）まで冷却する冷凍機としては、ＧＭ冷凍機、パルス管冷凍機、スターリング冷凍機、ブレイトン冷凍機等が用いられている。ＧＭ冷凍機、パルス管冷凍機は冷凍能力が数１０Ｗ以下と小さく、数〜数１０ｋＷの冷凍能力が必要とされる超電導ケーブル等の超電導電力機器の冷却には適さない。また、スターリング冷凍機も数ｋＷの冷凍能力しかなく、数１０ｋＷの冷凍能力が必要とされる場合は、複数台の冷凍機が必要となる。

そこで、ネオン冷媒ガスを用いたブレイトン冷凍機と、液体窒素を真空ポンプで減圧して熱交換することで液体窒素を６５〜７０Ｋの過冷却温度（サブクール温度）まで冷却する減圧式冷凍機の２種類の冷凍機を組み合わせて運転する方法が知られている（例えば、特許文献１等）。

また、減圧式冷凍機において、真空ポンプで排出した大気圧の窒素ガスを圧縮機で２ＭＰａ以上まで圧縮して、ＬＮＧ等の液化冷媒と熱交換させて再液化させて回収する方法が知られている（例えば、特許文献２等）。

特開２０１６−１７０９２８号公報 特開２０１８−１８９３２２号公報

減圧式冷凍機では蒸発した低温の窒素ガスを真空ポンプで吸引し、大気中に放出するので、低温の熱エネルギーだけでなく、窒素ガスも無駄に消費される。そのため、頻繁にタンクローリーで液体窒素を補給する必要があり、ランニングコストが高くなる欠点がある。
これに対して、特許文献２では、減圧式冷凍機において、真空ポンプで排出した大気圧の窒素ガスを圧縮機で２ＭＰａ以上まで圧縮して、ＬＮＧ等の液化冷媒と熱交換させて再液化させて回収する方法が開示されている。しかし、この方法では、ＬＮＧ等が容易に入手できる立地条件が必要であった。

そこで、本発明は、冷媒ガスを浪費せず、冷媒液を過冷却温度まで冷却でき、かつ小型化できる、超電導体の冷却装置及び超電導体の冷却方法を提供することを課題とする。

上記課題は、以下の構成によって解決される。
［１］ 第一の冷媒を冷却する冷凍機と、前記第一の冷媒の収容部及び前記冷凍機で冷却された前記第一の冷媒と第二の冷媒との熱交換を行う熱交換部を備え、前記第一の冷媒の収容部が大気圧未満に減圧されている過冷却器と、前記過冷却器の前記熱交換部及び超電導体の冷却部が配置され、前記第二の冷媒が循環する超電導体冷却ラインと、を備える超電導体の冷却装置であって、
前記冷凍機は、前記第一の冷媒のガスを圧縮する圧縮手段と、前記第一の冷媒のガスを断熱膨張させる断熱膨張手段と、前記第一の冷媒のガスを自由膨張させる自由膨張手段と、前記第一の冷媒のガスの間の熱交換を行う熱交換手段と、
前記圧縮手段、前記熱交換手段及び前記断熱膨張手段が配置され、前記第一の冷媒のガスが前記圧縮手段、前記熱交換手段、前記断熱膨張手段、前記熱交換手段、前記圧縮手段の順で循環する第一の供給ラインと、
前記圧縮手段、前記熱交換手段及び前記自由膨張手段が配置され、前記第一の冷媒のガスが前記圧縮手段、前記熱交換手段、前記自由膨張手段の順に流れ、前記第一の冷媒のガスの少なくとも一部を液化して、前記過冷却器の前記第一の冷媒の収容部に供給する第二の供給ラインと、
前記熱交換手段が配置され、前記過冷却器の前記第一の冷媒の収容部から前記第一の冷媒のガスを導出して、前記圧縮手段に前記第一の冷媒のガスを供給する戻りラインと、
を備え、
前記第一の供給ラインと前記第二の供給ラインとは、前記第一の供給ラインの前記圧縮手段の二次側から前記断熱膨張手段の一次側までと、前記第二の供給ラインの前記圧縮手段の二次側から前記自由膨張手段の一次側までのラインの一部を共有しており、前記圧縮手段で圧縮された前記第一の冷媒のガスの一部が前記断熱膨張手段の一次側に供給され、残部が前記自由膨張手段の一次側に供給されるように構成され、
前記第一の供給ラインと前記戻りラインとは、前記第一の供給ラインの前記熱交換手段から前記圧縮手段の一次側までと、前記戻りラインの前記熱交換手段から前記圧縮手段の一次側までのラインの一部を共有しており、前記第一の供給ラインからの前記第一の冷媒のガス及び前記戻りラインからの前記第一の冷媒のガスが前記圧縮手段の一次側に供給されるように構成され、
前記熱交換手段において、前記断熱膨張手段で断熱膨張させた前記第一の冷媒のガスと、前記圧縮手段で圧縮した前記第一の冷媒のガスとの熱交換を行うとともに、前記断熱膨張手段で断熱膨張させた前記第一の冷媒のガスと、前記過冷却器の前記第一の冷媒の収容部から導出した前記第一の冷媒のガスとの熱交換を行うように構成されている、
超電導体の冷却装置。
［２］ さらに、
前記圧縮手段の一次側に前記第一の冷媒のガスを供給し、前記過冷却器の前記第一の冷媒の収容部に前記第一の冷媒の液体を供給する冷媒液貯槽と、
前記戻りライン上に前記熱交換手段を迂回して配置された加温手段を有する迂回ラインと、
を備える、［１］に記載の超電導体の冷却装置。
［３］ さらに、前記第一の冷媒のガスを大気放出する放出ラインを備える、［１］又は［２］に記載の超電導体の冷却装置。
［４］ 前記熱交換手段が、第一の熱交換部と、第二の熱交換部と、第三の熱交換部と、を含み、
前記第一の供給ライン上の、前記圧縮手段の二次側と前記断熱膨張手段の一次側との間に前記第一の熱交換部が配置され、前記断熱膨張手段の二次側と前記圧縮手段の一次側との間に、前記第二の熱交換部及び前記第一の熱交換部がこの順に配置され、
前記第二の供給ライン上の前記圧縮手段の二次側と前記自由膨張手段の一次側との間に、前記第一の熱交換部、前記第二の熱交換部、及び前記第三の熱交換部がこの順に配置され、
前記戻りライン上の前記過冷却器の前記第一の冷媒の収容部と前記圧縮手段の一次側との間に、前記第三の熱交換部、前記第二の熱交換部及び前記第一の熱交換部がこの順に配置される、
［１］〜［３］のいずれか１つに記載の超電導体の冷却装置。
［５］ 前記第一の冷媒のガスが窒素ガスであり、前記第一の冷媒の液体が液体窒素である、［１］〜［４］のいずれか１つに記載の超電導体の冷却装置。
［６］ 前記圧縮手段による圧縮圧力が０．３０〜１ＭＰａである、［１］〜［５］のいずれか１つに記載の超電導体の冷却装置。
［７］ ［１］〜［６］のいずれか１つに記載の超電導体の冷却装置において、
前記圧縮手段で前記第一の冷媒のガスを圧縮し、
前記圧縮手段で圧縮した前記第一の冷媒のガスを前記熱交換手段に通し、
前記熱交換手段に通した前記第一の冷媒のガスの一部を前記断熱膨張手段に供給して断熱膨張させるとともに、前記熱交換手段に通した前記第一の冷媒のガスの残部を液化させ、液化した前記第一の冷媒の液体を前記自由膨張手段に供給して自由膨張させて第一の冷媒を大気圧未満の過冷却温度のガス及び液体とし、
前記断熱膨張手段で断熱膨張させた前記第一の冷媒のガスを前記熱交換手段に通して、前記圧縮手段で圧縮した前記第一の冷媒のガスと前記断熱膨張手段で断熱膨張させた前記第一の冷媒のガスとの間で熱交換させた後、前記圧縮手段に供給し、
前記自由膨張手段で過冷却温度のガス及び液体とした前記第一の冷媒を前記過冷却器の前記第一の冷媒の収容部に供給し、
前記過冷却器の前記第一の冷媒の収容部から前記第一の冷媒のガスを導出し、前記熱交換手段に通して、前記過冷却器の前記第一の冷媒の収容部から導出した前記第一の冷媒のガスと前記断熱膨張手段で断熱膨張させた前記第一の冷媒のガスとの間で熱交換させた後、前記圧縮手段に供給し、
前記過冷却器の前記熱交換部で前記第一の冷媒の液体と前記第二の冷媒とを熱交換させて前記第二の冷媒を過冷却状態とし、
前記第二の冷媒を前記過冷却器の前記熱交換部と超電導体の冷却部とが配置された超電導体冷却ラインを循環させて、前記超電導体を冷却する、
超電導体の冷却方法。

本発明によれば、冷凍機の作動ガスとして高価で希少なネオンガスやヘリウムガスを使用せず、また、冷媒ガスを浪費せず、冷媒液を過冷却温度（例えば６５〜７０Ｋ）まで冷却でき、かつ小型化できる、超電導体の冷却装置及び超電導体の冷却方法を提供できる。

図１は、本発明の一実施形態に係る超電導体の冷却装置の概略構成を示す系統図である。

本明細書において、「〜」を用いて表される数値範囲は「〜」の両側の数値を含むものとする。
本明細書において、「過冷却」の語は、液体の温度がその沸点よりも低い状態をいう。液体が液体窒素である場合、その温度が約７７Ｋ（沸点）よりも低い状態をいう。また、「過冷却温度」の語は、液体の沸点よりも低い温度をいう。液体が液体窒素である場合、過冷却温度は、約７７Ｋよりも低い温度をいう。

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、冷媒を循環利用することにより、冷媒の浪費を抑えられ、さらに、圧縮した冷媒を自由膨張させる（等エンタルピー膨張させる）ことにより、過冷却温度まで冷媒を冷却でき、冷凍機を複数台使用しなくても十分な冷却効果を得られることを知得し、本発明を完成させた。

以下、図面を参照して本発明を適用した実施の形態について詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、本発明の実施の形態の構成を説明するためのものであり、図示される各部の大きさ、厚さ及び寸法等は、実際の超電導体の冷却装置の寸法関係とは異なる場合がある。

図１は、本発明の実施の形態に係る超電導体の冷却装置の概略構成を示す系統図である。
図１に示す本実施形態の超電導体の冷却装置１は、第一の冷媒を冷却する冷凍機５０と、前記第一の冷媒の収容部５２及び前記冷凍機で冷却された前記第一の冷媒と第二の冷媒との熱交換を行う熱交換部５３を備え、前記第一の冷媒の収容部５２が大気圧未満に減圧されている過冷却器５１と、前記過冷却器５１の前記熱交換部５３及び超電導体の冷却部５４が配置され、前記第二の冷媒が循環する超電導体冷却ライン１０４と、を備える超電導体の冷却装置である。

前記冷凍機５０は、前記第一の冷媒のガスを圧縮する圧縮手段１１と、前記第一の冷媒のガスを断熱膨張させる断熱膨張手段１３と、前記第一の冷媒の液体を自由膨張させる自由膨張手段１４と、前記第一の冷媒のガスの間の熱交換を行う熱交換手段１２と、前記圧縮手段１１、前記熱交換手段１２及び前記断熱膨張手段１３が配置され、前記第一の冷媒のガスが前記圧縮手段１１、前記熱交換手段１２、前記断熱膨張手段１３、前記熱交換手段１２、前記圧縮手段１１の順で循環する第一の供給ライン１０１と、前記圧縮手段１１、前記熱交換手段１２及び前記自由膨張手段１４が配置され、前記第一の冷媒のガスが前記圧縮手段１１、前記熱交換手段１２の順に流れ、前記熱交換手段１２で前記第一の冷媒のガスを液化し、前記自由膨張手段１４で前記第一の冷媒を過冷却状態として、前記過冷却器５１の前記第一の冷媒の収容部５２に供給する第二の供給ライン１０２と、前記熱交換手段１２が配置され、前記過冷却器５１の前記第一の冷媒の収容部５２から前記第一の冷媒のガスを導出して、前記圧縮手段１１に前記第一の冷媒のガスを供給する戻りライン１０３と、を備える。

前記第一の供給ライン１０１と前記第二の供給ライン１０２とは、前記第一の供給ライン１０１の前記圧縮手段１１の二次側から前記断熱膨張手段１３の一次側までと、前記第二の供給ライン１０２の前記圧縮手段１１の二次側から前記自由膨張手段１４の一次側までのラインの一部を共有しており、前記圧縮手段１１で圧縮された前記第一の冷媒のガスの一部が前記断熱膨張手段１３の一次側に供給され、残部が熱交換手段１２で液化された後に前記自由膨張手段１４の一次側に供給されるように構成されている。

前記第一の供給ライン１０１と前記戻りライン１０３とは、前記第一の供給ライン１０１の前記熱交換手段１２から前記圧縮手段１１の一次側までと、前記戻りライン１０３の前記熱交換手段１２から前記圧縮手段１１の一次側までのラインの一部を共有しており、前記第一の供給ライン１０１からの前記第一の冷媒のガス及び前記戻りライン１０３からの前記第一の冷媒のガスが前記圧縮手段１１の一次側に供給されるように構成されている。

前記熱交換手段１２において、前記断熱膨張手段１３で断熱膨張させた前記第一の冷媒のガスと、前記圧縮手段１１で圧縮した前記第一の冷媒のガスとの熱交換を行うとともに、前記断熱膨張手段１３で断熱膨張させた前記第一の冷媒のガスと、前記過冷却器５１の前記第一の冷媒の収容部５２から導出した前記第一の冷媒のガスとの熱交換を行うように構成されている。

前記圧縮手段１１は、第一の冷媒のガスを圧縮して、高圧のガスを生成できればよく、特に限定されないが、例えば、ターボ圧縮機、容積型圧縮機等の圧縮機を使用できる。圧縮手段による圧縮圧力は、特に限定されないが、０．３〜１ＭＰａが好ましく、０．４〜０．６ＭＰａがより好ましい。

前記熱交換手段１２は、特に限定されないが、小型化及び高性能化の観点から、アルミプレートフィン熱交換器が好ましい。

前記断熱膨張手段１３は、圧縮手段１１で圧縮された第一の冷媒のガスを断熱膨張させて、低温化できれば特に限定されないが、小型化及び高性能化の観点から、膨張タービンが好ましい。

前記自由膨張手段１４は、圧縮手段１１で圧縮され、熱交換手段１２で液化された第一の冷媒を自由膨張させて過冷却状態にできれば特に限定されないが、小型化及び高性能化の観点から、ジュール＝トムソン弁等の自由膨張弁が好ましい。
前記自由膨張手段１４において、前記第二の供給ライン１０２を通過する前記第一の冷媒は、エンタルピーが変化することなく膨張するので、温度が前記第一の冷媒の沸点よりも低下する。前記自由膨張手段１４では、前記第一の冷媒は、大気圧未満の圧力下でガスと液体とが混合した状態となる。すなわち、第二の供給ライン１０２から前記過冷却器５１の前記第一の冷媒の収容部５２に供給される前記第一の冷媒は、通常、ガスと液体とが混合したものである。

本実施形態の超電導体の冷却装置１では、図１に示すように、前記戻りライン１０３上に真空ポンプ１７を配置してもよい。前記戻りライン１０３上に前記真空ポンプ１７を配置することで、前記冷凍機５０と前記過冷却器５１の前記第一の冷媒の収容部との間で、前記第一の冷媒を循環させやすくなる。

本実施形態の超電導体の冷却装置１では、図１に示すように、前記熱交換手段１２が、第一の熱交換部１２ａと、第二の熱交換部１２ｂと、第三の熱交換部１２ｃと、を含むようにしてもよい。

この場合において、前記第一の供給ライン１０１上の、前記圧縮手段１１の二次側と前記断熱膨張手段１３の一次側との間に前記第一の熱交換部１２ａが配置され、前記断熱膨張手段１３の二次側と前記圧縮手段１１の一次側との間に、前記第二の熱交換部１２ｂ及び前記第一の熱交換部１２ａがこの順に配置され、前記第二の供給ライン１０２上の前記圧縮手段１１の二次側と前記自由膨張手段１４の一次側との間に、前記第一の熱交換部１２ａ、前記第二の熱交換部１２ｂ、及び前記第三の熱交換部１２ｃがこの順に配置され、前記戻りライン１０３上の前記過冷却器５１の前記第一の冷媒の収容部５２と前記圧縮手段１１の一次側との間に、前記第三の熱交換部１２ｃ、前記第二の熱交換部１２ｂ及び前記第一の熱交換部１２ａがこの順に配置されることが好ましい。

熱交換手段１２における熱交換部の数は、１つ、２つ、又は３つに限定されず、４つ以上であってもよい。熱交換効率と小型化とのバランスから、熱交換手段１２における熱交換部の数は、３つが好ましい。

図１では、断熱膨張手段１３で断熱膨張された第一の冷媒のガスは、第二の熱交換部１２ｂに供給されるが、第三の熱交換部１２ｃに供給されてもよい。しかし、冷却効率がより高くなることから、断熱膨張手段１３で断熱膨張された第一の冷媒のガスは、第二の熱交換部１２ｂに供給することが好ましい。

本実施形態の超電導体の冷却装置１では、図１に示すように、前記圧縮手段１１の一次側に前記第一の冷媒のガスを供給し、前記過冷却器５１の前記第一の冷媒の収容部５２に前記第一の冷媒の液体を供給する冷媒液貯槽１５を備えていてもよい。

この場合において、第一の冷媒のガス供給ライン１０６は、前記冷媒液貯槽１５の上端に接続され、前記冷媒液貯槽１５で気化した前記第一の冷媒のガスを前記圧縮手段１１の一次側に供給することが好ましく、第一の冷媒の液体供給ライン１０７は、前記冷媒液貯槽１５の下端に接続され、前記冷媒液貯槽１５に貯留されている前記第一の冷媒の液体を前記過冷却器５１の第一の冷媒の収容部５２に供給することが好ましい。
前記第一の冷媒のガス供給ライン１０６には、図１に示すように、開閉バルブ２１を設けてもよい。前記開閉バルブ２１を前記第一の冷媒のガス供給ライン１０６上に設けることにより、前記冷媒液貯槽１５から前記第一の供給ライン１０１への前記第一の冷媒のガスの供給を制御できる。

前記第一の冷媒の液体供給ライン１０７には、図１に示すように、開閉バルブ２２を設けてもよい。前記開閉バルブ２２を前記第一の冷媒の液体供給ライン１０７上に設けることにより、前記冷媒液貯槽１５から前記過冷却器５１の前記第一の冷媒の収容部５２への前記第一の冷媒の液体の供給を制御できる。

従来は、１台のネオンガスを作動流体とするブレイトン冷凍機の予備として複数台のヘリウムガスを作動流体とするスターリング冷凍機を配置しており、機器の設置スペース及び配管スペースが必要であった。また、前述した特許文献１１に記載されたようにネオンガスを作動流体とするブレイトン冷凍機の予備として液体窒素の減圧式冷凍機を配置した場合、機器の設置スペースの問題だけでなく、過冷却器に液体窒素を常に貯留しておく必要があり、侵入熱によって液体窒素が蒸発するため液体窒素を補給する必要であった。
しかし、本実施形態の超電導体の冷却装置１では、冷媒液貯槽１５及び第一の冷媒の液体供給ライン１０７を備えることにより、圧縮手段１１、断熱膨張手段１３又は自由膨張手段１４等が故障し、第二の供給ライン１０２から過冷却器５１の第一の冷媒の収容部５２に過冷却状態の第一の冷媒が供給できなくなった場合であっても、冷媒液貯槽１５から第一の冷媒の液体を過冷却器５１の第一の冷媒の収容部に供給して、超電導体の冷却部５４の冷却を続けられる。そのため、圧縮手段１１、断熱膨張手段１３又は自由膨張手段１４等の故障に備えて予備の冷凍機を複数台配置しておく必要がない。

本実施形態の超電導体の冷却装置１では、図１に示すように、前記戻りライン１０３上に前記熱交換手段１２を迂回して配置された加温手段１６を有する迂回ライン１０５と、を備えていてもよい。
前記加温手段１６は、例えば、空温式、スチーム温水式、温水式等の加温器である。
この場合において、前記迂回ライン１０５と前記戻りライン１０３との分岐点に三方バルブ２３を設け、前記迂回ライン１０５と前記戻りライン１０３との合流点に三方バルブ２４を設けることが好ましい。三方バルブ２３、２４を操作することにより、前記過冷却器５１の前記第一の冷媒の収容部５２から導出された前記第一の冷媒のガスを、前記戻りライン１０３を通過させて前記圧縮手段１１の一次側に供給するか、前記迂回ライン１０５を通過させて前記圧縮手段１１の一次側に供給するかを選択できる。

本実施形態の超電導体の冷却装置１では、図１に示すように、前記戻りライン１０３上に配置した三方バルブ２０に接続される放出ライン１０８を備えていてもよい。
前記放出ライン１０８は、前記戻りライン１０３から前記第一の冷媒のガスを大気中に放出するラインである。

迂回ライン１０５上に配置した加温手段１６により、第一の冷媒のガスを昇温させ、放出ライン１０８を通じて大気中に放出できる。これにより、冷凍機５０をより効率的に冷却できる。前記第一の冷媒のガスを大気中に放出させることにより、前記第一の冷媒のガスを回収するためのタンクの設置を省略することができるので、超電導体の冷却装置１をより小型化できる。

超電導体の冷却装置１が、冷媒液貯槽１５、第一の冷媒のガス供給ライン１０６及び第一の冷媒の液体供給ライン１０７と、加温手段１６及び迂回ライン１０５と、放出ライン１０８と、を備えることにより、超電導体の冷却装置１の運転前の予冷時にも冷凍機５０を冷却できる。

さらに、超電導体の冷却装置１が冷媒液貯槽１５を備えることにより、圧縮手段１１、断熱膨張手段１３、自由膨張手段１４等が故障し、第二の供給ラインの故障時に、第一の冷媒の液体を過冷却器５１の第一の冷媒の収容部５２に供給し、超電導体の冷却部５４を冷却することができる。
すなわち、圧縮機や膨張タービン等の回転機械の故障時に、液体窒素を供給し、冷凍機全体を冷却することができる。これにより、回転機故障時用に予備として、冷凍機を複数台配置する必要がない。また、上記構成は、冷却装置１の運転前の予冷時にも冷凍機５０の冷却に使用することができる。

過冷却器５１は、第一の冷媒の収容部５２と熱交換部５３とを備える。
第一の冷媒の収容部５２には、自由膨張手段１４によって過冷却温度とされた第一の冷媒が収容される。第一の冷媒の収容部５２は、通常、第一の冷媒のガス及び液体で満たされている。
熱交換部５３では、第一の冷媒と第二の冷媒の熱交換が行われる。熱交換部５３は、後述する超電導体冷却ライン１０４上に配置されている。

超電導体冷却ライン１０４上には、図１に示すように、過冷却器５１の熱交換部５３と、超電導体の冷却部５４とが配置されている。
熱交換部５３で過冷却状態とされた第二の冷媒を超電導体の冷却部５４に供給することにより、超電導体を冷却できる。
超電導体冷却ライン１０４上には、さらに、リザーバー５５及び循環ポンプ５６が配置されていてもよい。
リザーバー５５は、第二の冷媒を収容するタンクである。超電導体冷却ライン１０４を循環する第二の冷媒の量を所定量に維持する。循環ポンプ５６は、超電導体冷却ライン１０４において第二の冷媒を循環させるポンプである。

上述した構成により、本実施形態の超電導体の冷却装置１は、第一の冷媒を冷凍機５０及び過冷却器５１に循環させて、過冷却温度とし、第一の冷媒と第二の冷媒とを熱交換さ、第二の冷媒を過冷却状態とし、超電導体の冷却部５４を冷却する。これにより、冷媒ガスを浪費せず、冷媒液を過冷却温度まで冷却でき、かつ小型化できる。

前記第一の冷媒は、特に限定されないが、安価であり、冷凍サイクルにより過冷却しやすく、充分な冷却性能を得られることから、窒素が好ましい。また、窒素ガスは、ヘリウムガスやネオンガスよりも分子量が大きく、比熱比が小さいので、圧縮手段１１の圧縮比を高くでき、圧縮動力も少なくて済む。さらに、本発明によれば、圧縮手段１１の一次側を大気圧とすることができるので、圧縮手段１１として市販のオイルフリー圧縮機を利用することができる。また、軸シール等に安価な窒素ガスが利用できるので、ヘリウムガスやネオンガスを作動流体としたブレイトン冷凍機のような磁気軸受や高速モータを利用した高価なターボ圧縮機は不要となる。特に、窒素ガスは大気を構成する主成分であることから、大気中に放出しても問題（又は害）となることがなく、安全性が高いという利点もある。

第二の冷媒は、特に限定されないが、超電導体の冷却部を冷却するための冷媒として既に広く用いられており、実績があることから、液体窒素が好ましい。

本実施形態の超電導体の冷却装置１を用いた超電導体の冷却方法の概略を、以下に説明する。
（１）圧縮手段１１で第一の冷媒のガスを圧縮する。
（２）圧縮手段１１で圧縮した第一の冷媒のガスを熱交換手段１２に通す。
（３）熱交換手段１２に通した第一の冷媒のガスの一部を断熱膨張手段１３に供給して断熱膨張させるとともに、熱交換手段１２に通した第一の冷媒のガスの残部を液化させ、この液化した第一の冷媒の液体を自由膨張手段１４に供給して自由膨張させて第一の冷媒を大気圧未満の過冷却温度のガス及び液体とする。
（４）断熱膨張手段１３で断熱膨張させた第一の冷媒のガスを熱交換手段１２に通して、圧縮手段１１で圧縮した第一の冷媒のガスと断熱膨張手段で断熱膨張させた第一の冷媒のガスとの間で熱交換させた後、圧縮手段１１に供給する。
（５）自由膨張手段１４で過冷却温度のガス及び液体とした第一の冷媒を過冷却器５１の第一の冷媒の収容部５２に供給する。
（６）過冷却器５１の第一の冷媒の収容部５２から第一の冷媒のガスを導出し、熱交換手段１２に通して、過冷却器５１の第一の冷媒の収容部５２から導出した第一の冷媒のガスと断熱膨張手段１３で断熱膨張させた第一の冷媒のガスとの間で熱交換させた後、圧縮手段１１に供給する。
（７）過冷却器５１の熱交換部５３で第一の冷媒の液体と第二の冷媒とを熱交換させて第二の冷媒を過冷却状態とする。
（８）第二の冷媒を過冷却器の熱交換部５３と超電導体の冷却部５４とが配置された超電導体冷却ライン１０４を循環させて、超電導体を冷却する。

以下では実施例により本発明をより具体的に説明するが、本発明は後述する実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない限り、種々の変形が可能である。

本実施例では、図１に示す超電導体の冷却装置１において、圧縮手段１１として圧縮機Ｃ１、冷却手段１８、１９として、それぞれ、水冷クーラーＣＬ１、ＣＬ２、第一〜第三の熱交換部１２ａ〜１２ｃとして、それぞれ、アルミプレートフィン熱交換器ＨＥＸ１〜ＨＥＸ３、断熱膨張手段１３として膨張タービンＴ１、自由膨張手段１４として等エンタルピー膨張弁（ジュール＝トムソン弁）ＪＴ、循環ポンプ５６として液体窒素循環ポンプＬＮＰ、リザーバー５５としてリザーバータンクＲＴ、冷媒液貯槽１５として真空断熱の液体窒素貯槽ＬＮ、過冷却器５１として過冷却器ＳＣ、加温手段１６として空温式ガス熱交換器ＡＨ１、真空ポンプ１７として真空ポンプＶＰ１、をそれぞれ用いた。

窒素ガスを圧縮機Ｃ１で大気圧から０．２〜１．０ＭＰａまで断熱圧縮する。
圧縮機Ｃ１で断熱圧縮されて高圧、高温になった窒素ガスは、水冷クーラーＣＬ２で常温（１０〜３５℃）まで冷却された後、第一の熱交換器ＨＥＸ１に入り、戻りの低圧、低温の窒素ガスと熱交換して、温度が低下する。
第一の熱交換器ＨＥＸ１から出た高圧の窒素ガスの一部を膨張タービンＴ１に導入し、大気圧近くまで断熱膨張させ、温度を降下させる。
膨張タービンＴ１を出た低圧、低温の窒素ガスを第二の熱交換器ＨＥＸ２に導入するとともに、第一の熱交換器ＨＥＸ１から出た高圧の窒素ガスの残部を第二の熱交換器ＨＥＸ２に導入し、熱交換させ、当該窒素ガスの残部の一部を液化させる。第二の熱交換器ＨＥＸ２で液化した窒素ガスは、一部がまだガスの状態であり、全部が液化していない。
第二の熱交換器ＨＥＸ２を出た高圧の窒素ガス及び液体窒素を第三の熱交換器ＨＥＸ３に導入するとともに、過冷却器ＳＣで蒸発した約６７Ｋの極低温の窒素ガスを第三の熱交換器ＨＥＸ３に導入し、第二の熱交換器ＨＥＸ２からの高圧の窒素ガス及び液体窒素と過冷却器ＳＣからの極低温の窒素ガスとで熱交換させることにより、第二の熱交換器ＨＥＸ２からの窒素ガスの全量を液化させる。
液化した液体窒素はジュール＝トムソン弁ＪＴで等エンタルピー膨張することで温度がさらに低下し、大気圧未満の気液混合の過冷却温度の（又は約６７Ｋの極低温の窒素）ガスとなって過冷却器ＳＣに溜まる。
膨張タービンＴ１は、従来のヘリウムガスやネオンガスを冷媒ガスとするブレイトン冷凍機よりも本冷凍機の膨張タービン入口温度が高く、タービン発生寒冷が増大し、液の蒸発潜熱を利用するため、冷媒ガス流量が少なくて済み、熱交換器等が小型となる。
前述した従来のブレイトンサイクル冷凍機で液体窒素を６９Ｋまで冷却する時の膨張タービン入口温度は約８０Ｋ程度であった。これに対して本実施例の膨張タービン入口温度は約１００〜１２０Ｋまで高くできる。膨張タービンの発生寒冷は膨張タービン入口温度に比例するため、２５〜５０％増加する。
過冷却器ＳＣの内部では、約６７Ｋの大気圧未満の液体窒素と循環ポンプから送出された高圧の液体窒素との熱交換を行い、循環する液体窒素を過冷却状態まで冷却し、過冷却器ＳＣから出てくる高圧の循環液体窒素は約６９Ｋとなる。この循環液体窒素は被冷却体である超電導電力機器ＨＴＳを冷却して、温度上昇してリザーバータンクＳＣに入り、循環ポンプに戻る。
液体窒素貯槽ＬＮは冷凍機の運転開始前に過冷却器ＳＣに液体窒素を供給するとともに、超電導電力機器ＨＴＳの予冷にも利用される。

冷凍機の効率（ＣＯＰ）は下記式（１）式で表される。
ＣＯＰ＝Ｑ／Ｗ ・・・（１）式
ここで、Ｑは冷凍機の冷凍能力であり、Ｗは圧縮機Ｃ１と真空ポンプＶＰ１の消費電力である。

循環ポンプ出口の液体窒素の温度、すなわち、過冷却器ＳＣの熱交換器入口の温度を７８．９Ｋ、出口の温度を６９Ｋ、流量を０．５ｋｇ／ｓとし、冷凍機の冷凍能力を１０ｋＷとして、第一の熱交換器ＨＥＸ１の高圧側入口圧力（熱交換器入口圧力）を表１の例１〜例１０のとおり変化させた場合の冷凍機効率（ＣＯＰ）、膨張タービンＴ１の流量比、入口温度及び出口温度、並びにＪＴ弁の入口温度を表１に示す。

例１〜例１２では、熱交換器入口圧力が０．５０ＭＰａである例７において、冷凍機効率（ＣＯＰ）が最大となることが判った。同時に、冷凍機効率（ＣＯＰ）が最大となる膨張タービンＴ１の流量比、入口温度及び出口温度、並びにＪＴ弁の入口温度が判った。
本発明における冷凍機効率（ＣＯＰ）は例７の最大０．０７５８であるが、これは圧縮機と膨張タービンの効率を８０％、真空ポンプの等温効率を４０％と仮定したが、これらの値は実用的な数値である。
特開２０１８−１８９３２２号公報において、ネオンを冷媒としたブレイトン冷凍機の冷凍機効率（ＣＯＰ）は、一般的に、０．０８程度とされているが、本実施例における冷凍機の冷凍機効率（ＣＯＰ）は最大で０．０７５８であったから、遜色のない値である。

１ 超電導体の冷却装置
１１ 圧縮手段
１２ 熱交換手段
１２ａ 第一の熱交換部
１２ｂ 第二の熱交換部
１２ｃ 第三の熱交換部
１３ 断熱膨張手段
１４ 自由膨張手段
１５ 冷媒液貯槽
１６ 加温手段
１７ 真空ポンプ
１８ 冷却手段
１９ 冷却手段
２０ 三方バルブ
２１ 開閉バルブ
２２ 開閉バルブ
２３ 三方バルブ
２４ 三方バルブ
５０ 冷凍機
５１ 過冷却器
５２ 第一の冷媒の収容部
５３ 熱交換部
５４ 超電導体の冷却部
５５ リザーバー
５６ 循環ポンプ
１０１ 第一の供給ライン
１０２ 第二の供給ライン
１０３ 戻りライン
１０４ 超電導体冷却ライン
１０５ 迂回ライン
１０６ 第一の冷媒のガス供給ライン
１０７ 第一の冷媒の液体供給ライン
１０８ 放出ライン

Claims (7)

1. 第一の冷媒を冷却する冷凍機と、前記第一の冷媒の収容部及び前記冷凍機で冷却された前記第一の冷媒と第二の冷媒との熱交換を行う熱交換部を備え、前記第一の冷媒の収容部が大気圧未満に減圧されている過冷却器と、前記過冷却器の前記熱交換部及び超電導体の冷却部が配置され、前記第二の冷媒が循環する超電導体冷却ラインと、を備える超電導体の冷却装置であって、
   前記冷凍機は、前記第一の冷媒のガスを圧縮する圧縮手段と、前記第一の冷媒のガスを断熱膨張させる断熱膨張手段と、前記第一の冷媒のガスを自由膨張させる自由膨張手段と、前記第一の冷媒のガスの間の熱交換を行う熱交換手段と、
   前記圧縮手段、前記熱交換手段及び前記断熱膨張手段が配置され、前記第一の冷媒のガスが前記圧縮手段、前記熱交換手段、前記断熱膨張手段、前記熱交換手段、前記圧縮手段の順で循環する第一の供給ラインと、
   前記圧縮手段、前記熱交換手段及び前記自由膨張手段が配置され、前記第一の冷媒のガスが前記圧縮手段、前記熱交換手段、前記自由膨張手段の順に流れ、前記第一の冷媒のガスの少なくとも一部を液化して、前記過冷却器の前記第一の冷媒の収容部に供給する第二の供給ラインと、
   前記熱交換手段が配置され、前記過冷却器の前記第一の冷媒の収容部から前記第一の冷媒のガスを導出して、前記圧縮手段に前記第一の冷媒のガスを供給する戻りラインと、
   前記戻りラインの前記熱交換手段の二次側と前記圧縮手段の一次側との間に配置され、前記過冷却器の前記第一の冷媒の収容部を大気圧未満に減圧する真空ポンプと、
   を備え、
   前記第一の供給ラインと前記第二の供給ラインとは、前記第一の供給ラインの前記圧縮手段の二次側から前記断熱膨張手段の一次側までと、前記第二の供給ラインの前記圧縮手段の二次側から前記自由膨張手段の一次側までのラインの一部を共有しており、前記圧縮手段で圧縮された前記第一の冷媒のガスの一部が前記断熱膨張手段の一次側に供給され、残部が前記自由膨張手段の一次側に供給されるように構成され、
   前記第一の供給ラインと前記戻りラインとは、前記第一の供給ラインの前記熱交換手段から前記圧縮手段の一次側までと、前記戻りラインの前記熱交換手段から前記圧縮手段の一次側までのラインの一部を共有しており、前記第一の供給ラインからの前記第一の冷媒のガス及び前記戻りラインからの前記第一の冷媒のガスが前記圧縮手段の一次側に供給されるように構成され、
   前記熱交換手段において、前記断熱膨張手段で断熱膨張させた前記第一の冷媒のガスと、前記圧縮手段で圧縮した前記第一の冷媒のガスとの熱交換を行うとともに、前記断熱膨張手段で断熱膨張させた前記第一の冷媒のガスと、前記過冷却器の前記第一の冷媒の収容部から導出した前記第一の冷媒のガスとの熱交換を行うように構成されている、
   超電導体の冷却装置。
2. さらに、
   前記圧縮手段の一次側に前記第一の冷媒のガスを供給し、前記過冷却器の前記第一の冷媒の収容部に前記第一の冷媒の液体を供給する冷媒液貯槽と、
   前記戻りライン上に前記熱交換手段を迂回して配置された加温手段を有する迂回ラインと、
   を備える、請求項１に記載の超電導体の冷却装置。
3. さらに、前記第一の冷媒のガスを大気放出する放出ラインを備える、請求項１又は２に記載の超電導体の冷却装置。
4. 前記熱交換手段が、第一の熱交換部と、第二の熱交換部と、第三の熱交換部と、を含み、
   前記第一の供給ライン上の、前記圧縮手段の二次側と前記断熱膨張手段の一次側との間に前記第一の熱交換部が配置され、前記断熱膨張手段の二次側と前記圧縮手段の一次側との間に、前記第二の熱交換部及び前記第一の熱交換部がこの順に配置され、
   前記第二の供給ライン上の前記圧縮手段の二次側と前記自由膨張手段の一次側との間に、前記第一の熱交換部、前記第二の熱交換部、及び前記第三の熱交換部がこの順に配置され、
   前記戻りライン上の前記過冷却器の前記第一の冷媒の収容部と前記圧縮手段の一次側との間に、前記第三の熱交換部、前記第二の熱交換部及び前記第一の熱交換部がこの順に配置される、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の超電導体の冷却装置。
5. 前記第一の冷媒のガスが窒素ガスであり、前記第一の冷媒の液体が液体窒素である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の超電導体の冷却装置。
6. 前記圧縮手段による圧縮圧力が０．３０〜１ＭＰａである、請求項１〜５のいずれか１項に記載の超電導体の冷却装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の超電導体の冷却装置において、
   前記圧縮手段で前記第一の冷媒のガスを圧縮し、
   前記圧縮手段で圧縮した前記第一の冷媒のガスを前記熱交換手段に通し、
   前記熱交換手段に通した前記第一の冷媒のガスの一部を前記断熱膨張手段に供給して断熱膨張させるとともに、前記熱交換手段に通した前記第一の冷媒のガスの残部を液化させ、液化した前記第一の冷媒の液体を前記自由膨張手段に供給して自由膨張させて第一の冷媒を大気圧未満の過冷却温度のガス及び液体とし、
   前記断熱膨張手段で断熱膨張させた前記第一の冷媒のガスを前記熱交換手段に通して、前記圧縮手段で圧縮した前記第一の冷媒のガスと前記断熱膨張手段で断熱膨張させた前記第一の冷媒のガスとの間で熱交換させた後、前記真空ポンプで前記圧縮手段に供給し、
   前記自由膨張手段で過冷却温度のガス及び液体とした前記第一の冷媒を前記過冷却器の前記第一の冷媒の収容部に供給し、
   前記真空ポンプで前記過冷却器の前記第一の冷媒の収容部を大気圧未満に減圧し、
   前記過冷却器の前記第一の冷媒の収容部から前記第一の冷媒のガスを導出し、前記熱交換手段に通して、前記過冷却器の前記第一の冷媒の収容部から導出した前記第一の冷媒のガスと前記断熱膨張手段で断熱膨張させた前記第一の冷媒のガスとの間で熱交換させた後、前記圧縮手段に供給し、
   前記過冷却器の前記熱交換部で前記第一の冷媒の液体と前記第二の冷媒とを熱交換させて前記第二の冷媒を過冷却状態とし、
   前記第二の冷媒を前記過冷却器の前記熱交換部と超電導体の冷却部とが配置された超電導体冷却ラインを循環させて、前記超電導体を冷却する、
   超電導体の冷却方法。

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