JP6937608B2 - 超電導ケーブル用冷却装置及びそれを用いた超電導ケーブルの冷却方法 - Google Patents

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Description

本発明は超電導ケーブル用冷却装置及びそれを用いた超電導ケーブルの冷却方法に関する物であり、より詳細には従来の冷凍機を使用した超電導ケーブル用冷却装置を上回るエネルギー消費効率、および超電導ケーブルの冷却に要する冷媒消費量の削減を可能とする超電導ケーブル用冷却装置及びそれを用いた超電導ケーブルの冷却方法に関する。
超電導ケーブルを冷却する際、冷媒として液体窒素等の液体冷媒が使用されるが、通電に伴う発熱及び機器外部からの熱侵入によって昇温し、超電導ケーブル内で気化することを防ぐため、予め冷凍機で冷却し、過冷却状態とした後に導入される。
液体冷媒を、飽和温度以下の過冷却状態とする際には、従来は冷凍機が主に用いられている。液体冷媒を過冷却状態に冷却するための冷凍機として、スターリング冷凍機、ＧＭ（ギフォード・マクマホン）冷凍機、パルス管冷凍機、ブレイトン冷凍機等が開発されている。
例えば、下記特許文献１では冷凍機、下記特許文献２ではブレイトン冷凍機を用いた冷却方法が開示されている。しかしながら、これらの冷凍機は、液体冷媒を過冷却状態に冷却する際、冷凍機のエネルギー消費効率を表すＣＯＰ（Coefficient Of Performance）の値が小さく、液体冷媒の冷却に多くのエネルギーを要するという課題がある。例えば、下記非特許文献２によれば、ブレイトン冷凍機を用いた場合のＣＯＰの値は、一般的に０．０８程度とされている。
下記非特許文献３には、ＣＯＰの目標値として０．１０の値が掲げられており、当該目標値はブレイトン冷凍機の実験機では達成されていることが報告されている。しかしながら、下記非特許文献４に開示されているように、ブレイトン冷凍機を商用機として用いた場合には装置サイズ及びコストの抑制が優先されるため、ＣＯＰの値は０．０８にとどまっている。そのため、冷凍機を使用しない冷却方法により、ＣＯＰの値の向上を図ることが検討されている。
冷凍機を使用しない超電導ケーブルの冷却方法として、例えば下記非特許文献１にはサブクーラーユニットを用いた冷却システム（あるいはＮ２放散方式と呼ばれる）が開示されている。この冷却システムによれば、サブクーラーとしての熱交換器を用いて、６５〜７０Ｋ程度の飽和液体窒素と熱交換することにより過冷却状態の液体窒素を製造し、その上で、当該過冷却状態の液体窒素により超電導ケーブルを冷却している。しかしながらこの方式においては、排気ポンプがサブクーラーに接続されており、熱交換により気化した前記飽和液体窒素は大気中へ放散される。大気への放散により、当該飽和液体窒素が消費されるため、ローリーなどの輸送手段を用いて、定期的な飽和液体窒素の補充が必要となるという課題がある。
特開２０１６−１８６９８３号公報 特開２０１５−１８７５２５号公報
「超電導ｗｅｂ２１」、公益財団法人 国際超電導産業技術研究センター、７月号、ｐ．１７−２１、（２０１４） 尾▲崎▼ 信介 他、「大陽日酸技報」、大陽日酸株式会社、Ｎｏ．３３、ｐ．６、（２０１４） 「超電導ｗｅｂ２１」、公益財団法人 国際超電導産業技術研究センター、７月号、ｐ．１、（２０１４） 株式会社ガスレビュー、「ガスレビュー」、Ｎｏ．８５４、ｐ．５、（２０１６）
本発明は前記問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、従来の冷凍機を使用した超電導ケーブル用冷却装置を上回るエネルギー消費効率を達成すると共に、大気への放散による冷媒消費の低減を可能とする超電導ケーブル用冷却装置及びそれを用いた超電導ケーブルの冷却方法を提供することにある。
前記従来の課題は、以下に述べる発明により解決される。
即ち、本発明に係る超電導ケーブル用冷却装置は、前記の課題を解決する為に、超電導ケーブルを冷却する超電導ケーブル用冷却装置であって、前記超電導ケーブルを、過冷却状態の液体冷媒で冷却する超電導ケーブル冷却ユニットと、前記液体冷媒を熱交換により過冷却状態に冷却するための液体状態の第１冷媒を、前記超電導ケーブル冷却ユニットに供給する第１供給ユニットと、前記第１冷媒を熱交換により冷却するための第２冷媒を、前記第１供給ユニットに供給する第２供給ユニットと、を少なくとも備え、前記第１供給ユニットは、液体状態の前記第１冷媒を貯留する貯留部と、前記液体状態の第１冷媒が、前記液体冷媒との熱交換により当該液体冷媒を過冷却状態に冷却させ、これにより気体状態となった当該第１冷媒を圧縮させる圧縮部と、前記気体状態の第１冷媒と前記第２冷媒とを熱交換させ、当該第１冷媒を冷却して液化させる第１熱交換器と、前記貯留部、前記圧縮部及び前記第１熱交換器を接続し、かつ前記第１冷媒を循環させる循環路と、を少なくとも備える。
前記構成によれば、本発明の超電導ケーブル用冷却装置は、前記超電導ケーブル冷却ユニットにおいて、過冷却状態の液体冷媒を用いて、当該超電導ケーブル冷却ユニットに設けられた超電導ケーブルの、冷却を行うものである。ここで本発明は、前記構成の通り、前記液体冷媒を過冷却状態に冷却する手段として、ブレイトン冷凍機等の従来の冷凍機を用いるものではない。本発明は、第１供給ユニット内を循環する第１冷媒を用いて、当該液体冷媒を過冷却状態に冷却するものである。そのため、冷凍機を用いた従来の超電導ケーブル用冷却装置と比較して、ＣＯＰの値を向上させることができる。
また、第１冷媒を第１供給ユニット内で循環させるにあたって、本発明は次に述べる通り各構成要素を動作させることによって、第１冷媒の大幅な消費を抑制している。すなわち、先ず貯留部から供給された液体状態の第１冷媒は、液体冷媒との熱交換後、気体状態となって圧縮部に送られる。圧縮部では、気体状態の第１冷媒を圧縮することにより、当該気体状態の第１冷媒の沸点を上昇させる。この圧縮された気体状態の第１冷媒は、第１熱交換器において、前記第２供給ユニットから供給される第２冷媒との熱交換により冷却され液体状態となる。その後、液体状態の第１冷媒は貯留部に送られ、当該貯留部において貯留される。この様に本発明は、液体冷媒の冷却に使用した第１冷媒を系外に排出せずに第１供給ユニット内で循環させ、再び液体冷媒の冷却に再利用可能な様に稼働させる。そのため、第１冷媒の消費を大幅に抑制することが可能になる。
また前記構成では、使用後の第１冷媒（すなわち、圧縮部により圧縮された気体状態の第１冷媒）を、再び液体冷媒の冷却に利用可能にするために、第２供給ユニットを備える。この第２供給ユニットは、使用後の第１冷媒との熱交換により冷却を可能にする第２冷媒を第１熱交換器に供給するユニットである。従って、例えば第２冷媒として、従来冷熱エネルギーの利用がされてこなかった液化天然ガス等を用いた場合には、当該冷熱エネルギーの利用が可能となる。
前記構成において、前記第１供給ユニットは、前記貯留部と前記超電導ケーブル冷却ユニットとの間に第２熱交換器を備えており、前記第２熱交換器は、前記貯留部から供給される前記液体状態の第１冷媒と、前記液体冷媒との熱交換により気体状態となった前記第１冷媒とを熱交換し、さらに熱交換後の当該液体状態の第１冷媒を前記超電導ケーブル冷却ユニットに供給するものであることが好ましい。
前記構成によれば、前記貯留部と前記超電導ケーブル冷却ユニットとの間に第２熱交換器を設けることにより、熱交換前と比較して、前記貯留部から供給される前記液体状態の第１冷媒が冷却されるため、当該液体状態の第１冷媒はより低い温度で超電導ケーブル冷却ユニットに供給される。これにより、前記液体状態の冷却に使用できる冷熱エネルギーが増加するため、ＣＯＰの値が向上する。
さらに、前記構成においては、前記液体冷媒及び前記第１冷媒として、窒素、酸素又はアルゴンの少なくとも何れかからなるものを用いることが好ましい。
また、前記構成においては、前記第２冷媒として、その温度が圧縮により沸点を上昇させた前記気体状態の第１冷媒の沸点よりも低い冷媒を用いることができる。これにより、第１熱交換器における第２冷媒との熱交換で、圧縮された気体状態の第１冷媒をその沸点よりも低い温度に冷却し、液体状態にすることができる。その結果、第１冷媒を液体冷媒の冷却のために再利用可能な状態にする。
また、前記構成において、前記第２冷媒が液化天然ガス、液化メタン、液化窒素、液化酸素又は液化アルゴンの少なくとも何れか１つを用いることが好ましい。
本発明の超電導ケーブルの冷却方法は、前記課題を解決するために、超電導ケーブル用冷却装置を用いた超電導ケーブルの冷却方法であって、前記超電導ケーブル用冷却装置は、前記超電導ケーブルを、過冷却状態の液体冷媒で冷却する超電導ケーブル冷却ユニットと、前記液体冷媒を熱交換により過冷却状態に冷却するための液体状態の第１冷媒を、前記超電導ケーブル冷却ユニットに供給する第１供給ユニットと、前記第１冷媒を熱交換により冷却するための第２冷媒を、前記第１供給ユニットに供給する第２供給ユニットと、を少なくとも備えるものであり、前記第１供給ユニットにおいて貯留されている前記液体状態の第１冷媒を、前記超電導ケーブル冷却ユニットに供給し、前記液体状態の第１冷媒を用いて、前記液体冷媒との熱交換により当該液体冷媒を過冷却状態に冷却し、前記液体冷媒との熱交換により気体状態となった前記第１冷媒を圧縮し、前記気体状態の第１冷媒と前記第２冷媒とを熱交換させ、当該第１冷媒を冷却して液体状態にし、さらに、液体状態となった前記第１冷媒を前記第１供給ユニット内で貯留させることにより、当該第１冷媒を第１供給ユニット内で循環させるものである。
前記方法によれば、本発明の冷却方法は、前記超電導ケーブル冷却ユニットにおいて過冷却状態の液体冷媒を用いて、超電導ケーブルの冷却を行うものである。ここで本発明は、前記方法の通り、前記液体冷媒を過冷却状態に冷却する手段として、ブレイトン冷凍機等の従来の冷凍機を用いるものではない。本発明は、第１供給ユニット内を循環する第１冷媒を用いて、当該液体冷媒を過冷却状態に冷却するものである。そのため、冷凍機を用いた従来の超電導ケーブル用冷却装置と比較して、ＣＯＰの値を向上させることができる。
また、第１冷媒を第１供給ユニット内で循環させるにあたって、本発明は次に述べる方法によって、第１冷媒の大幅な消費を抑制している。すなわち、先ず貯留されている前記液体状態の第１冷媒を供給し、液体冷媒との熱交換後、気体状態となって前記超電導ケーブル冷却ユニットより排出された前記第１冷媒を圧縮し、気体状態の当該第１冷媒の沸点を上昇させる。この圧縮された気体状態の第１冷媒を、前記第２供給ユニットから供給される第２冷媒との熱交換により冷却し、液化させる。その後、液体状態の第１冷媒を第１供給ユニット内で貯留させる。この様に本発明は、液体冷媒の冷却に使用した第１冷媒を系外に排出せずに第１供給ユニット内で循環させ、再び液体冷媒の冷却に再利用可能な様に稼働させる。そのため、第１冷媒の消費を大幅に抑制することが可能になる。
また前記方法では、使用後の第１冷媒（すなわち、前記圧縮された気体状態の第１冷媒）を、再び液体冷媒の冷却に利用可能にするために、前記第２供給ユニットから前記第２冷媒を供給する。すなわち、第２冷媒を第１供給ユニットに供給し、当該第２冷媒と使用後の第１冷媒との熱交換により、当該第１冷媒を再び液体状態にする。これにより、例えば第２冷媒として、従来冷熱エネルギーの利用がされてこなかった液化天然ガス等を用いた場合には、当該冷熱エネルギーの利用が可能となる。
前記方法においては、前記超電導ケーブル冷却ユニットに供給される直前の前記液体状態の第１冷媒と、前記液体冷媒との熱交換により気体状態となった前記第１冷媒とを熱交換した後、当該液体状態の第１冷媒を前記超電導ケーブル冷却ユニットに供給することが好ましい。
前記方法によれば、前記超電導ケーブル冷却ユニットに供給される直前の前記液体状態の第１冷媒と、前記液体冷媒との熱交換により気体状態となった前記第１冷媒とを熱交換することにより、熱交換前と比較して、前記液体状態の第１冷媒は冷却されるため、当該液体状態の第１冷媒はより低い温度で超電導ケーブル冷却ユニットに供給される。これにより、前記液体状態の冷却に使用できる冷熱エネルギーが増加するため、ＣＯＰの値が向上する。
さらに、前記方法においては、前記液体冷媒及び前記第１冷媒として、窒素、酸素又はアルゴンの少なくとも何れかからなるものを用いることが好ましい。
また、前記方法においては、前記第２冷媒として、その温度が圧縮により沸点を上昇させた前記気体状態の第１冷媒の沸点よりも低い冷媒を用いることができる。これにより、第２冷媒との熱交換で、圧縮された気体状態の第１冷媒をその沸点よりも低い温度に冷却し、液体状態にすることができる。その結果、第１冷媒を液体冷媒の冷却のために再利用可能な状態にする。
また、前記方法においては、前記第２冷媒が液化天然ガス、液化メタン、液化窒素、液化酸素又は液化アルゴンの少なくとも何れか１つを用いることが好ましい。
本発明は、前記に説明した手段により、以下に述べるような効果を奏する。
本発明の超電導ケーブル用冷却装置は第１供給ユニットおよび第２供給ユニットを備えており、そのため、冷凍機等を使用せずに超電導ケーブルを冷却することができ、かつ、第１冷媒が第１供給ユニット内を循環することができるため、従来の冷凍機を使用した超電導ケーブル用冷却装置を上回るエネルギー消費効率を達成すると共に、大気への放散による冷媒消費を防止する効果を奏する。また、例えば、第２冷媒として、従来は冷熱エネルギーが廃棄されている液化天然ガスを用いる場合、さらにエネルギー消費効率を向上させることが可能になる。
本発明の実施の形態１に係る超電導ケーブル用冷却装置を表す概略説明図である。 本発明の実施の形態２に係る超電導ケーブル用冷却装置を表す概略説明図である。
（実施の形態１）
＜超電導ケーブル用冷却装置＞
本実施の形態１に係る超電導ケーブル用冷却装置について図１を参照しながら以下に説明する。図１は実施の形態１に係る超電導ケーブル用冷却装置を表す概略説明図である。
図１に示すように、本実施の形態１の超電導ケーブル用冷却装置１は、超電導ケーブル１４を冷却する超電導ケーブル冷却ユニット１０と、前記超電導ケーブル冷却ユニット１０に第１冷媒を供給する第１供給ユニット２０と、前記第１供給ユニット２０に第２冷媒を供給する第２供給ユニット３０と、を少なくとも備える。
超電導ケーブル冷却ユニット１０は液体冷媒循環路１１と、過冷却器１２と、送液ポンプ１３と、超電導ケーブル１４とを少なくとも備え、超電導ケーブルを冷却するユニットである。
液体冷媒循環路１１は過冷却器１２、送液ポンプ１３及び超電導ケーブル１４を接続しており、超電導ケーブル冷却ユニット１０内で液体冷媒の循環を可能にする。尚、液体冷媒循環路１１は断熱性を有するものが好ましい。これにより、液体冷媒循環路１１外部からの侵入熱による、液体冷媒循環路１１内部を循環する前記液体冷媒の温度上昇を低減することが可能である。
過冷却器１２は、本体部１２ａ及び投げ込み式熱交換器１２ｂで構成されており、投げ込み式熱交換器１２ｂが本体１２ａ内部に設置されているものである。
過冷却器１２の本体部１２ａは第１冷媒循環路（循環路）２１に接続されており、当該第１冷媒循環路２１から供給される液体状態の前記第１冷媒を内部に貯留する。尚、本体部１２ａは断熱性を有するものが好ましい。これにより、本体部１２ａ外部からの侵入熱による、本体部１２ａ内部に貯留される前記液体状態の第１冷媒の温度上昇を低減することが可能である。
投げ込み式熱交換器１２ｂは、本体部１２ａ内部において、前記液体状態の第１冷媒に浸漬された状態で収容されている。投げ込み式熱交換器１２ｂは、本体部１２ａに貯留されている液体状態の第１冷媒と、当該投げ込み式熱交換器１２ｂ内部を流れる液体冷媒との熱交換を行う。これにより、液体冷媒を過冷却状態に冷却することができる。尚、投げ込み式熱交換器１２ｂ内部を流れる液体冷媒とは、より詳細には超電導ケーブル１４の冷却を終えた液体冷媒をいう。また、投げ込み式熱交換器１２ｂの種類としては特に限定されず、従来公知のものを用いることができる。
前記液体冷媒は、本体部１２ａ内に貯留される前記液体状態の第１冷媒との熱交換により、冷却され、過冷却状態となる。したがって、前記液体冷媒の冷却に冷凍機を用いないため、ＣＯＰの値の向上が可能になる。尚、本明細書において、「過冷却」とは液体冷媒の飽和温度より低い温度まで冷却されることを意味し、「過冷却状態」とは、液体冷媒がそのような過冷却の状態に維持されていることを意味する。さらに、飽和温度とは液体冷媒が沸騰する温度（例えば、大気圧下における液体窒素の場合は約−１９６℃）を意味する。また、「ＣＯＰ」とは、第１供給ユニットによる、液体冷媒を冷却するためのエネルギー消費効率（単位消費エネルギー当たりの冷却能力）を意味し、（ＣＯＰ）＝（第１供給ユニットによる液体冷媒を冷却する冷却能力（ｋＷ））／（第１供給ユニットの駆動に要する全エネルギー（ｋＷ））で計算される。
送液ポンプ１３は過冷却器１２の下流側に設けられており、前記液体冷媒を液体冷媒循環路１１内で圧送循環させる。尚、送液ポンプ１３は超電導ケーブル１４の下流側であって、超電導ケーブル１４と過冷却器１２との間に設けられていてもよい。また、送液ポンプ１３の種類としては特に限定されず、従来公知のものを用いることができる。
超電導ケーブル１４は、送液ポンプ１３の下流側に設けられている。また、超電導ケーブル１４は高温超電導線を使用するケーブルであり、例えば、高温超電導層を有するケーブルコアと、当該ケーブルコアを内部に収容する断熱管とを少なくとも備える構成である。前記断熱管には、液体冷媒が流動可能なように液体冷媒循環路１１が接続されており、これにより、断熱管内に収容されているケーブルコアの冷却を可能にしている。
尚、前記液体冷媒としては特に限定されず、例えば、液体窒素、液体酸素、液体アルゴン等が挙げられるが、これらのうち本実施の形態においては、液体窒素が好ましい。
第１供給ユニット２０は第１冷媒循環路（循環路）２１、第１冷媒貯槽（貯留部）２３、圧縮機（圧縮部）２６、及び第１熱交換器２７を主として備え、超電導ケーブル冷却ユニット１０に液体状態の第１冷媒を供給するユニットである。また、第１供給ユニット２０は、排出路２２、加温器２４、真空ポンプ２５、流量調節弁２８及び減圧弁２９をさらに備える。
第１冷媒貯槽２３は液体状態の前記第１冷媒を貯留する。また、第１冷媒貯槽２３には、前記液体状態の第１冷媒が気化したものが貯留されていてもよい。尚、第１冷媒貯槽２３は断熱性を有するものが好ましい。これにより、第１冷媒貯槽２３外部からの侵入熱による、第１冷媒貯槽２３内部に貯留される前記液体状態の第１冷媒の温度上昇を低減することが可能であり、液化ガスが気化して蒸発ガス（ＢＯＧ：Boil Off Gas）が発生するのを抑制することができる。また、前記第１冷媒としては特に限定されず、例えば窒素、酸素又はアルゴンの少なくとも何れかからなるものが挙げられる。
第１冷媒循環路２１は第１冷媒貯槽２３、流量調節弁２８、過冷却器１２、加温器２４、真空ポンプ２５、圧縮機２６、第１熱交換器２７及び減圧弁２９を接続しており、前記第１冷媒が第１供給ユニット２０内を循環することを可能とする。尚、第１冷媒循環路２１は断熱性を有するものが好ましい。これにより、第１冷媒循環路２１外部からの侵入熱による、第１冷媒循環路２１内部を循環する前記第１冷媒の温度上昇を低減することが可能である。
排出路２２は第１冷媒貯槽２３に接続されており、かつ、第１熱交換器２７を介して、第１冷媒循環路２１における真空ポンプ２５及び圧縮機２６の間に合流するように連通している。これにより、排出路２２は、第１冷媒貯槽２３に存在する気体状態の前記第１冷媒を第１熱交換器２７へ供給し、第１熱交換器２７を通過後、圧縮機２６の前段に供給することを可能にする。尚、排出路２２は断熱性を有するものが好ましい。これにより、排出路２２外部からの侵入熱による、排出路２２内部を流通する前記気体状態の第１冷媒の温度上昇を低減することが可能である。
流量調節弁２８は第１冷媒貯槽２３及び過冷却器１２の間に設けられており、第１冷媒貯槽２３から供給される液体状態の前記第１冷媒の流量を調節することができる。これにより、本体部１２ａに必要な冷熱エネルギーに応じた量の第1冷媒を供給することが可能となる。また、流量調節弁２８の種類としては特に限定されず、従来公知のものを用いることができる。
加温器２４は過冷却器１２の下流側に設けられており、過冷却器１２より排出される気体状態の前記第１冷媒の温度を上昇させることができる。これにより、真空ポンプ２５の吸込温度が常温付近となり、当該真空ポンプ２５として、汎用的なものを選定することができる。また、加温器２４の種類としては特に限定されず、従来公知のものを用いることができる。
真空ポンプ２５は加温器２４の下流側に設けられており、過冷却器１２の本体部１２ａ内に存在する気体状態の前記第１冷媒を排出させ、圧縮機２６に圧送することができる。また、真空ポンプ２５の種類としては特に限定されず、従来公知のものを用いることができる。
圧縮機２６は真空ポンプ２５の下流側に設けられており、前記気体状態の第１冷媒を圧縮することができる。前記気体状態の第１冷媒は、圧縮により、圧縮前と比較して沸点が上昇する。そのため、圧縮前よりも高い温度での前記気体状態の第１冷媒の液化が可能となる。また、圧縮機２６の種類としては特に限定されず、従来公知のものを用いることができる。
第１熱交換器２７は圧縮機２６の下流側に設けられており、圧縮機２６により圧縮された前記気体状態の第１冷媒と、第２冷媒貯槽３２より供給される前記第２冷媒とを熱交換することができる。それにより、前記気体状態の第１冷媒は冷却され、液体状態となる。また、第１熱交換器２７には、気体状態の第１冷媒との熱交換に使用された第２冷媒を排出するための第２冷媒排出路３５（詳細については後述する。）が接続されている。さらに、第１熱交換器２７には排出路２２も接続されている。排出路２２は第１冷媒貯槽２３内に貯留されている前記液体状態の第１冷媒が気化したものを第１熱交換器２７に供給するものである。そして、第１熱交換器２７は、この気化した前記第１冷媒も圧縮機２６により圧縮された前記気体状態の第１冷媒と熱交換させる。また、第１熱交換器２７の種類としては特に限定されず、従来公知のものを用いることができる。
減圧弁２９は第１熱交換器２７と第１冷媒貯槽２３の間に設けられており、第１熱交換器２７より排出された液体状態の前記第１冷媒の圧力を減少させることができる。これにより、第１冷媒循環路２１内であって、圧縮機２６及び減圧弁２９の間の区間を、第１冷媒貯槽２３内部よりも高い圧力とすることが可能となる。また、減圧弁２９の種類としては特に限定されず、従来公知のものを用いることができる。
第２供給ユニット３０は第２冷媒供給路３１、第２冷媒貯槽３２、蒸発器３３、分岐路３４及び第２冷媒排出路３５を少なくとも備え、第１供給ユニット２０に第２冷媒を供給するユニットである。
第２冷媒貯槽３２は、前記第２冷媒としての液化ガスを貯留する。尚、第２冷媒貯槽３２は断熱性を有するものが好ましい。これにより、第２冷媒貯槽３２外部からの侵入熱による、第２冷媒貯槽３２内部に貯留される液化ガスの温度上昇を低減することが可能であり、液化ガスが気化して蒸発ガス（ＢＯＧ：Boil Off Gas）が発生するのを抑制することができる。
液化ガスとしては特に限定されず、例えば、液化天然ガス（沸点−１６２℃（大気圧１０１．３２５ｋＰａ））、液化メタン（沸点−１６１．４９℃（大気圧１０１．３２５ｋＰａ））、液化窒素（沸点−１９５．８℃（大気圧１０１．３２５ｋＰａ））、液化酸素（沸点−１８２．９６℃（大気圧１０１．３２５ｋＰａ））、又は液化アルゴン（沸点−１８５．８℃（大気圧１０１．３２５ｋＰａ））の少なくとも何れかが挙げられる。これらのうち、冷熱エネルギーの回収の観点からは、液化天然ガスが好ましい。天然ガスにおいては、液体から気体への相変化に伴い発生する、冷熱エネルギーの多くが廃棄されている。このため、本実施の形態の第２冷媒に液化天然ガスを適用することで、第１冷媒の冷却に廃冷熱エネルギーの利用が可能となる。尚、天然ガスは、産出地により、含有窒素の割合などの組成が種々異なるが、本発明においては当該産出地の異同にかかわらず、その効果を奏することができる。
第２冷媒供給路３１は第２冷媒貯槽３２と第１熱交換器２７を接続しており、第２冷媒を第２冷媒貯槽３２から第１熱交換器２７へ供給することを可能にする。尚、第２冷媒供給路３１は断熱性を有するものが好ましい。これにより、第２冷媒供給路３１外部からの侵入熱による、第２冷媒供給路３１を流れる液体状態の前記第２冷媒の温度上昇を低減することが可能である。
分岐路３４は、第２冷媒供給路３１から分岐するものであり、第２冷媒貯槽３２に貯留されている第２冷媒の少なくとも一部を蒸発器３３に供給することができる。
蒸発器３３は分岐路３４の途中に設けられており、供給される第２冷媒を蒸発させ、気体状態にすることができる。これにより、例えば、第２冷媒として液化天然ガスを用いる場合、第２冷媒供給ユニット３０内において、液化天然ガスは、第１熱交換器２７及び蒸発器３３により、全て気化するため、気体状態として第２冷媒供給ユニット３０より排出される。このため、排出された天然ガスを所望の用途に使用可能となる。尚、蒸発器３３の種類としては特に限定されず、従来公知のものを用いることができる。
第２冷媒排出路３５は、第１熱交換器２７と、分岐路３４における蒸発器３３の下流側とを連通して接続するものである。第２冷媒排出路３５を設けることにより、第１熱交換器２７で使用され、気体状態となった第２冷媒を第２冷媒供給ユニット３０から排出することが可能になる。
＜超電導ケーブルの冷却方法＞
次に、本実施の形態１に係る超電導ケーブル用冷却装置１を用いた超電導ケーブルの冷却方法について、図１を参照しながら以下に説明する。
超電導ケーブル１４の冷却は、超電導ケーブル冷却ユニット１０において以下のように行われる。すなわち、まず、過冷却器１２において、液体冷媒が、第１供給ユニット２０より供給される液体状態の第１冷媒との熱交換により過冷却状態に冷却される。
過冷却器１２で過冷却状態に冷却された前記液体冷媒は、送液ポンプ１３により、液体冷媒循環路１１内を圧送循環される。液体冷媒循環路１１における送液ポンプ１３の下流には超電導ケーブル１４が接続されているので、これにより超電導ケーブル１４が冷却される。液体冷媒として液体窒素を用いる場合、液体冷媒循環路１１内を流れる液体窒素の流量は特に限定されないが、通常は３０Ｌ／ｍｉｎ〜１００Ｌ／ｍｉｎの範囲内である。
次に、前記液体冷媒の冷却に使用される第１冷媒の超電導ケーブル冷却ユニット１０への供給について説明する。第１冷媒の供給は、第１供給ユニット２０において、以下の様に行われる。すなわち、先ず、流量調節弁２８を介して供給される液体状態の第１冷媒は、真空ポンプ２５により減圧された過冷却器１２に導入され、これに伴い温度が低下する。
一方、過冷却器１２の下流側に設けられた真空ポンプ２５を稼働させることにより、第１冷媒循環路２１における、流量調節弁２８と真空ポンプ２５の間の区間を第１冷媒貯槽２３よりも低い圧力とする。これにより、当該区間における第１冷媒の沸点が降下する。
本体部１２ａ内の圧力は特に限定されない。ここで、本体部１２ａ内に貯留されている第１冷媒は気液平衡状態にあり、本体部１２ａ内の圧力によって一義的に第１冷媒の温度も定まる。そのため、本体部１２ａ内部の第１冷媒の温度を、液体冷媒の温度よりも低温となる様に、本体部１２ａ内の圧力を調節することにより、液体冷媒を超電導ケーブルが性能を発揮できる温度以下に冷却することができる。例えば、第１冷媒として窒素を用いた場合、本体部１２ａ内の圧力を−７８ｋＰａＧ未満とすることによって、当該窒素の温度を液体冷媒の温度よりも低温にし、その結果、液体冷媒を−２０５℃に冷却することが可能となる。
続いて、過冷却器１２において、液体冷媒との熱交換により、使用された液体状態の第１冷媒は気化し、気体状態の第１冷媒となって第１冷媒循環路２１を介して加温器２４に供給される。そして、当該加温器２４において気体状態の第１冷媒は加熱される。
加温器２４で加熱された前記気体状態の第１冷媒は、真空ポンプ２５を介して圧縮機２６へと供給される。なお、第１冷媒は加温器２４により予め加温されているので、真空ポンプの吸込温度が常温付近となり、真空ポンプ２５として、汎用的な真空ポンプを選定することができる。そして、当該圧縮機２６において気体状態の第１冷媒は圧縮される。
ここで圧縮機２６による圧縮後の前記気体状態の第１冷媒の圧力は、前記圧縮後の気体状態の第１冷媒の沸点が第１熱交換器２７に供給される前記第２冷媒の温度より高くなる圧力以上の圧力とする必要がある。前記沸点が前記第２冷媒の温度よりも高いことで、第１熱交換器２７において前記気体状態の第１冷媒の液化が可能となる。圧縮機２６による圧縮後の圧力は、第1冷媒の種類及び第2冷媒の種類と圧力条件によって変化する。例えば、第１冷媒として窒素を用い、第２冷媒として液化天然ガスを用いて、第２冷媒貯槽３２内の液化天然ガス圧力を０．０３ＭＰａＧとした場合、第１熱交換器２７に供給される液化天然ガスの温度は−１６０℃程度であるため、圧縮後の窒素の圧力を２ＭＰａＧ以上とすることによって、第1熱交換器２７で窒素を液化することが可能となる。その一方、圧縮機２６の消費電力を低くするためには、圧縮後の第１冷媒の圧力は、低いほど好ましい。従って、その様な観点からは、前記条件の場合、圧縮後の窒素の圧力は、２．３〜２．５ＭＰａＧとすることが好ましい。
次に、圧縮後の前記気体状態の第１冷媒は、第１熱交換器２７に供給される。その後、圧縮された気体状態の第１冷媒は、第１熱交換器２７において、第２供給ユニット３０から供給される第２冷媒との熱交換により冷却される。これにより、第１冷媒は液化される。
第１熱交換器２７で熱交換され、液体状態となった第１冷媒は、減圧弁２９により、減圧された後、第１冷媒貯槽２３に還流される。
以上により、本実施の形態の第１供給ユニット２０は、液体冷媒の冷却で使用した後においても、第１冷媒を系外に排出させずに循環させることで、当該第１冷媒の消費を大幅に抑制することが可能になる。また、冷凍機を用いずに液体冷媒の過冷却状態での冷却を可能にするので、ＣＯＰの値の向上も可能にする。
尚、第１供給ユニット２０においては、第１冷媒貯槽２３内に貯留されている液体状態の第１冷媒が気化したものも、第１熱交換器２７での圧縮後の気体状態の第１冷媒との熱交換に利用される。より具体的には、第１冷媒貯槽２３内に貯留されている前記液体状態の第１冷媒が気化したものを、排出路２２から排出して第１熱交換器２７に供給する。第１熱交換器２７では、この気化した前記第１冷媒を圧縮後の前記気体状態の第１冷媒との熱交換に用いる。熱交換後の気化した前記第１冷媒はその温度が上昇した状態となっている。
さらに、熱交換後の気化した第１冷媒は、排出路２２を介して第１冷媒循環路２１に合流する。気化した第１冷媒の第１冷媒循環路２１への合流位置は、真空ポンプ２５と圧縮機２６の間である。その後、圧縮機２６において、加温器２４から流れてくる気体状態の第１冷媒と共に圧縮され、再び第１熱交換器２７での熱交換に再利用される。このように、第１冷媒貯槽２３内で発生する、気化した第１冷媒も第１熱交換器２７での熱交換に利用することで、エネルギー消費効率の一層の向上が図られる。
次に、気体状態の第１冷媒の冷却に使用される第２冷媒の第１供給ユニット２０への供給について説明する。第２冷媒の供給は第２供給ユニット３０において行われ、より具体的には、第２冷媒貯槽３２に貯留される第２冷媒（液体状態）を、第２冷媒供給路３１を介して第１熱交換器２７に供給することにより行われる。そして、第１熱交換器２７での熱交換後は、前記第２冷媒は気体状態となり、第１熱交換器２７の第２冷媒排出路３５から排出される。
尚、第２冷媒供給路３１から分流して分岐路３４を流れる第２冷媒は、その後、蒸発器３３において気体状態となり、他の用途に使用可能である。また、分岐路３４には、第１熱交換器２７で使用された、気体状態の第２冷媒が合流する。このため、例えば、第２冷媒に液化天然ガスを用いた場合には、分岐路３４から気体状態の天然ガスを取り出すことが可能なため、燃料又は原料等の所望の用途に利用可能である。尚、第２冷媒供給路３１内を流れる第２冷媒の流量は、第１冷媒の種類と流量及び第２冷媒の種類と圧力によって決定されるものであり、特に限定されないが、第１熱交換器２７において圧縮後の第１冷媒を液化できる量であることが好ましい。例えば、第１冷媒として窒素を用い、第２冷媒として液化天然ガスを用いて、圧縮後の第１冷媒の流量を１０４Ｎｍ３／ｈ、第２冷媒貯槽３２内の液化天然ガス圧力を０．０３ＭＰａＧとした場合、第２冷媒供給路３１内を流れる液化天然ガスの流量は、３８ｋｇ／ｈ必要となる。
（実施の形態２）
＜超電導ケーブル用冷却装置＞
本実施の形態２に係る超電導ケーブル用冷却装置について図２を参照しながらに説明する。図２は実施の形態２に係る超電導ケーブル用冷却装置を表す概略説明図である。尚、前記実施の形態１の超電導ケーブル用冷却装置１と同様の機能を有する構成要素については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
本実施の形態２の超電導ケーブル用冷却装置２は、図２に示すように、実施の形態１の超電導ケーブル用冷却装置１と比較して、第１供給ユニット２００に第２熱交換器２１０を備える点が異なる。
具体的には、第１供給ユニット２００は前記実施の形態１の第１供給ユニット２０の構成に加えて、第１冷媒貯槽２３及び流量調節弁２８の間に第２熱交換器２１０を備える。
第２熱交換器２１０は第１冷媒貯槽２３から供給される液体状態の前記第１冷媒と、過冷却器１２より排出される気体状態の第１冷媒とを熱交換することができる。これにより、前記液体状態の第１冷媒は冷却されると共に、前記気体状態の第１冷媒は温度上昇し、実施の形態1と比較して、前記液体状態の第１冷媒はより低い温度で過冷却器１２へ供給され、前記気体状態の第１冷媒はより高い温度で加温器２４へ供給される。また、第２熱交換器２１０の種類としては特に限定されず、従来公知のものを用いることができる。
＜超電導ケーブルの冷却方法＞
次に、本実施の形態２に係る超電導ケーブル用冷却装置２による超電導ケーブルの冷却方法について図２を参照しながら以下に説明する。
超電導ケーブル冷却ユニット１０は、実施の形態１と同様の方法により、超電導ケーブル１４を冷却する。また、第２供給ユニット３０は、実施の形態１と同様の方法により、第２冷媒を第１供給ユニット２００に供給する。
第１供給ユニット２００における第１冷媒の超電導ケーブル冷却ユニット１０への供給は、以下の通り行われる。すなわち、前記実施の形態１の第１供給ユニット２０の構成に加えて、第１冷媒貯槽２３及び流量調節弁２８の間に第２熱交換器２１０を備える。
第１冷媒貯槽２３から第１冷媒循環路２１を介して供給される液体状態の第１冷媒は、先ず第２熱交換器２１０において、過冷却器１２から排出される気体状態の第１冷媒と熱交換される。第１冷媒貯槽２３から供給される液体状態の第１冷媒の温度は、過冷却器１２から排出される気体状態の第１冷媒の温度よりも高い。そのため、前記熱交換においては、前記液体状態の第１冷媒が冷却され、前記気体状態の第１冷媒が加熱されることになる。これにより、第２熱交換器２１０を設置していない実施の形態１と比較して、温度が一層低い状態で前記液体状態の第１冷媒を過冷却器１２に供給することが可能になり、また、温度が高い状態で前記気体状態の第１冷媒を加温器２４に供給することができる。
過冷却器１２においては、実施の形態１の場合と同様に、第１冷媒は、真空ポンプ２５により減圧された過冷却器１２に導入されることで、圧力が低下し、これに伴い温度が低下する。尚、第１冷媒は圧力の低下に伴い一部が気化する。このため、液体状態の第１冷媒をより低い温度で過冷却器１２供給することにより、液体状態の当該第１冷媒の冷却に要する冷熱エネルギーを減少させ、液体冷媒の冷却に使用できる冷熱エネルギーを増加させることができる。
また、加温器２４においては、実施の形態１の場合と同様に、過冷却器１２より排出された前記気体状態の第１冷媒の温度を上昇させ、当該気体状態の第１冷媒を常温付近とすることで、当該真空ポンプ２５として、汎用的なものを選定できるようにする。このため、前記気体状態の第１冷媒をより高い温度で加温器２４に供給することにより、加温器２４で廃棄される冷熱エネルギーの低減が図れる。
以上より、本実施の形態２においては、第１供給ユニット２００おいて、第１冷媒貯槽２３と流量調節弁２８の間に第２熱交換器２１０を設けることにより、実施の形態１と比較して、ＣＯＰの値を一層向上させることが可能になる。
以下に、この発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但し、下記の実施例に記載されている組成、圧力条件、物性推算法等は、特に限定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定するものではない。
（実施例１）
本実施例１においては、図１に示す超電導ケーブル用冷却装置１の構成を用いて、プロセスシミュレーションを行った。このとき、液体冷媒としては液体窒素を、第１冷媒としては窒素を、第２冷媒としては液化天然ガスを用いた。また、液化天然ガスの組成は以下の通りとした。
ＣＨ４：８８.７５体積％
Ｃ２Ｈ６：７．１９体積％
Ｃ３Ｈ８：２．８８体積％
Ｃ４Ｈ１０：１．１２体積％
Ｃ５Ｈ１２：０．０５体積％
Ｎ２：０．０１体積％
＜シミュレーション条件＞
シミュレーション条件は下記のとおりとした。
過冷却器１２から超電導ケーブル１４に供給される液体冷媒の温度及び圧力：−２０５℃、３００ｋＰａＧ
第１冷媒貯槽２３内部の圧力：２００ｋＰａＧ
本体部１２ａ内部の圧力：−８０ｋＰａＧ
圧縮機２６により圧縮された気体状態の第１冷媒の圧力：２５００ｋＰａＧ
第１熱交換器２７に供給される液化天然ガスの温度：−１５７℃
第２冷媒貯槽内部の圧力：３０ｋＰａＧ
第１供給ユニットにより液体冷媒を冷却する能力：５ｋＷ
窒素及び天然ガスの物性推算法としてＰｅｎｇ−Ｒｏｂｉｎｓｏｎ状態方程式を用いた。圧力２５００ｋＰａＧでの、窒素の沸点は−１５５℃であるため、液化天然ガスによる窒素の液化が可能である。
上記のシミュレーションの結果から、第２供給ユニット３０から第１供給ユニット２０へ供給される天然ガスの流量は４７．３ｋｇ／ｈであった。本プロセスにあっては、従来海水中等へ廃棄されていた液化天然ガスの冷熱エネルギーを、液体窒素の冷却に使用したのみであるため、冷熱エネルギーを回収した後の天然ガスは所望の用途に利用可能である。また、日本において、数十ヶ所存在する液化天然ガスのサテライト基地では、液化天然ガスを数百ｋｇ／ｈの速度で気化しているため、使用する天然ガスはサテライト基地で使用される量で賄うことが可能である。
上記のシミュレーションの結果から、第１供給ユニット２０において必要な動力としては、真空ポンプ２５で１０．４ｋＷであり、圧縮機２６で３８．９ｋＷであった。したがって、ＣＯＰの値は５ｋＷ÷（１０．４ｋＷ＋３８．９ｋＷ）＝０．１０となった。
（結果）
液体窒素を−２０５℃程度の過冷却状態に冷却する際のＣＯＰの値は、ブレイトン冷凍機を使用する場合は０．０８程度であるが、本実施例１の場合は０．１０であり、ブレイトン冷凍機を使用する場合を上回るエネルギー消費効率を達成した。また、本実施例１で使用した超電導ケーブル用冷却装置１は、非特許文献１に開示されている冷却システム（Ｎ２放散方式）のように、超電導ケーブル冷却用液体窒素を冷却するための液体窒素を、使用後に放出することがない。そのため、本実施例においては、液体窒素の製造コスト及び定期的な液体窒素の補充を不要にすることができる。
１、２ 超電導ケーブル用冷却装置
１０ 超電導ケーブル冷却ユニット
２０、２００ 第１供給ユニット
３０ 第２供給ユニット
１１ 液体冷媒循環路
１２ 過冷却器
１２ａ 本体部
１２ｂ 投げ込み式熱交換器
１３ 送液ポンプ
１４ 超電導ケーブル
２１ 第１冷媒循環路
２２ 排出路
２３ 第１冷媒貯槽
２４ 加温器
２５ 真空ポンプ
２６ 圧縮機
２７ 第１熱交換器
２８ 流量調節弁
２９ 減圧弁
３１ 第２冷媒供給路
３２ 第２冷媒貯槽
３３ 蒸発器
３４ 分岐路
３５ 第２冷媒排出路
２１０ 第２熱交換器

Claims (8)

  1. 超電導ケーブルを冷却する超電導ケーブル用冷却装置であって、
    前記超電導ケーブルを、過冷却状態の液体冷媒で冷却する超電導ケーブル冷却ユニットと、
    前記液体冷媒を熱交換により過冷却状態に冷却するための液体状態の第１冷媒を、前記超電導ケーブル冷却ユニットに供給する第１供給ユニットと、
    前記第１冷媒を熱交換により冷却するための第２冷媒を、前記第１供給ユニットに供給する第２供給ユニットと、
    を少なくとも備え、
    前記第１供給ユニットは、
    液体状態の前記第１冷媒を貯留する貯留部と、
    前記液体状態の第１冷媒が、前記液体冷媒との熱交換により当該液体冷媒を過冷却状態に冷却させ、これにより気体状態となった当該第１冷媒を圧縮させる圧縮部と、
    前記気体状態の第１冷媒と前記第２冷媒とを熱交換させ、当該第１冷媒を冷却して液化させる第１熱交換器と、
    前記第１熱交換器と前記貯留部との間に設けられており、前記第１熱交換器から排出される液化された前記第１冷媒の圧力を低減させる減圧弁と、
    前記貯留部、前記圧縮部、前記第１熱交換器及び前記減圧弁を接続し、かつ前記第１冷媒を循環させる循環路と、
    前記貯留部と前記超電導ケーブル冷却ユニットとの間に設けられた第２熱交換器と、
    を少なくとも備え、
    前記第２熱交換器は、
    前記貯留部から供給される前記液体状態の第１冷媒と、前記液体冷媒との熱交換により気体状態となった前記第１冷媒とを熱交換し、さらに熱交換後の当該液体状態の第１冷媒を前記超電導ケーブル冷却ユニットに供給するものである超電導ケーブル用冷却装置。
  2. 前記液体冷媒及び前記第１冷媒として、窒素、酸素又はアルゴンの少なくとも何れかからなるものを用いる請求項１に記載の超電導ケーブル用冷却装置。
  3. 前記第２冷媒として、その温度が圧縮により沸点を上昇させた前記気体状態の第１冷媒の沸点よりも低い冷媒を用いる請求項１又は２に記載の超電導ケーブル用冷却装置。
  4. 前記第２冷媒が液化天然ガス、液化メタン、液化窒素、液化酸素又は液化アルゴンの少なくとも何れか１つである請求項３に記載の超電導ケーブル用冷却装置。
  5. 超電導ケーブル用冷却装置を用いた超電導ケーブルの冷却方法であって、
    前記超電導ケーブル用冷却装置は、前記超電導ケーブルを、過冷却状態の液体冷媒で冷却する超電導ケーブル冷却ユニットと、前記液体冷媒を熱交換により過冷却状態に冷却するための液体状態の第１冷媒を、前記超電導ケーブル冷却ユニットに供給する第１供給ユニットと、前記第１冷媒を熱交換により冷却するための第２冷媒を、前記第１供給ユニットに供給する第２供給ユニットと、を少なくとも備えるものであり、
    前記第１供給ユニットにおいて貯留されている前記液体状態の第１冷媒を、前記超電導ケーブル冷却ユニットに供給し、
    前記液体状態の第１冷媒を用いて、前記液体冷媒との熱交換により当該液体冷媒を過冷却状態に冷却し、
    前記液体冷媒との熱交換により気体状態となった前記第１冷媒を圧縮し、
    前記気体状態の第１冷媒と前記第２冷媒とを熱交換させ、当該第１冷媒を冷却して液体状態にし、
    さらに、液体状態となった前記第１冷媒の圧力を減圧弁により低減させた後、当該第１冷媒を前記第１供給ユニット内で貯留させることにより、当該第１冷媒を第１供給ユニット内で循環させるものであり、
    前記超電導ケーブル冷却ユニットに供給される直前の前記液体状態の第１冷媒は、前記液体冷媒との熱交換により気体状態となった前記第１冷媒と熱交換した後、前記超電導ケーブル冷却ユニットに供給される超電導ケーブルの冷却方法。
  6. 前記液体冷媒及び前記第１冷媒として、窒素、酸素又はアルゴンの少なくとも何れかからなるものを用いる請求項５に記載の超電導ケーブルの冷却方法。
  7. 前記第２冷媒として、その温度が圧縮により沸点を上昇させた前記気体状態の第１冷媒の沸点よりも低い冷媒を用いる請求項５又は６に記載の超電導ケーブルの冷却方法。
  8. 前記第２冷媒が液化天然ガス、液化メタン、液化窒素、液化酸素又は液化アルゴンの少なくとも何れか１つである請求項７に記載の超電導ケーブルの冷却方法。
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