WO2021131783A1

WO2021131783A1 - 冷却システム及び冷却システムの制御方法

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Publication number: WO2021131783A1
Application number: PCT/JP2020/046251
Authority: WO
Inventors: 直子仲村; 孝之小暮; 雅人野口; 旭小室; 紀之上岡; 田中　稔
Original assignee: 株式会社前川製作所; 株式会社鈴木商館
Priority date: 2019-12-25
Filing date: 2020-12-11
Publication date: 2021-07-01
Also published as: CN114365238B; JP7444601B2; CN114365238A; JP2021103728A

Abstract

一実施形態に係る冷却システムは、超電導ケーブルおよび超電導ケーブルに電気的に接続された超電導限流器の冷却システムであって、冷凍機と、冷凍機で冷却された第１冷媒を超電導ケーブルに供給して冷凍機に戻すための循環路と、循環路から分岐し前記超電導ケーブルをバイパスして超電導限流器を経由するように設けられた分岐路と、分岐路上に設けられ、超電導限流器で気化した第２冷媒を第１冷媒で冷却して凝縮させるための凝縮器と、を備える。

Description

冷却システム及び冷却システムの制御方法

　本開示は、冷却システム及び該冷却システムの制御方法に関する。

　超電導ケーブルを用いた電力ケーブルシステムは、超電導ケーブルの軸線方向に沿って液体窒素などの極低温冷媒を循環させて超電導ケーブルを冷却し、超電導状態を維持している。万一の事故時など、定格電流以上の過大な電流が電力系統に流れ、常電導状態に転移しようとした時、瞬時に電流を遮断する機能をもった限流器が必要となるが、従来、超電導ケーブルと限流器とを組み合せて使用された例はあまり見当たらない。

　特許文献１（特に図３５）には、超電導ケーブルと超電導限流器とを組み合わせ、これらをＳＮ転移温度（臨界温度）以下の温度に保持するための冷却システムが開示されている。超電導限流器は、超電導状態が破れて常電導状態に転移した時発生する電気抵抗を利用して電流を抑制する装置である。特許文献２には、超電導限流器を構成する超電導限流素子を冷却するための専用の冷凍機を備えた例が開示されている。

国際公開第９９／６２１２７号（図３５）特開２００７－３１７８８４号公報

　超電導ケーブルは、運転中臨界温度を超えないように臨界温度から安全幅をもたせた冷却温度に冷却されている。他方、超電導限流器を構成する超電導限流素子は、超電導ケーブルに定格電流以上の短絡電流が発生した時、超電導限流素子が即座に転移して短絡電流を抑制する必要があるために、臨界温度に近い温度に冷却されている。このように、両者は冷却温度が異なるために、通常、両者を組み合わせて使用する場合でも、夫々専用の冷凍機を設けざるを得ないと考えられている。そのため、冷却システムが複雑かつ高コストとなるおそれがある。

　本開示は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、超電導ケーブル及び超電導限流器を組合せ使用する場合に、超電導ケーブル及び超電導限流器を夫々に適した温度で超電導状態に冷却しながら、冷却システムを低コスト化することを目的とする。

　上記目的を達成するため、本開示に係る冷却システムは、超電導ケーブルおよび該超電導ケーブルに電気的に接続された超電導限流器の冷却システムであって、冷凍機と、前記冷凍機で冷却された第１冷媒を前記超電導ケーブルに供給して前記冷凍機に戻すための循環路と、前記循環路から分岐し前記超電導ケーブルをバイパスして前記超電導限流器を経由するように設けられた分岐路と、前記分岐路上に設けられ、前記超電導限流器で気化した第２冷媒を前記第１冷媒で冷却して凝縮させるための凝縮器と、を備える。

　また、本開示に係る冷却システムの制御方法は、超電導ケーブルおよび該超電導ケーブルに電気的に接続された超電導限流器の冷却システムであって、冷凍機と、前記冷凍機で冷却された第１冷媒を前記超電導ケーブルに供給して前記冷凍機に戻すための循環路と、前記循環路から分岐し前記超電導ケーブルをバイパスして前記超電導限流器を経由するように設けられた分岐路と、前記分岐路上に設けられ、前記超電導限流器で気化した第２冷媒を前記第１冷媒で冷却して凝縮させるための凝縮器と、を備え、前記凝縮器は、前記超電導限流器に含まれる超電導限流素子を冷却するための前記第２冷媒が貯留される冷媒タンクの気相部又は該気相部に連通する空間に配置され、前記凝縮器で液化された凝縮液を前記冷媒タンクの液相部に戻すための液戻し流路を備える冷却システムの制御方法であって、前記冷媒タンクの気相部又は該気相部に連通する空間の圧力値を検出する圧力検出ステップと、前記圧力値に応じて前記凝縮器に流入する前記第１冷媒の流量を制御する流量制御ステップと、を備える。

　本開示に係る冷却システムによれば、超電導ケーブル及び超電導限流器を組合せ使用する場合に、超電導限流器専用の冷凍機が不要となるため、冷却システムを簡素化かつ低コスト化できると共に、超電導ケーブル及び超電導限流器を夫々に適した温度で超電導状態に冷却することができる。また、本開示に係る冷却システムの制御方法によれば、超電導限流器の冷却温度を転移温度に近い温度に制御できるため、超電導ケーブルに定格電流以上の短絡電流が流れた時の超電導限流器の応答性を高めることができる。

超電導ケーブル及び超電導限流器を組み合せ使用した一実施形態に係る電力ケーブルシステムを示す系統図である。一実施形態に係る超電導限流器の冷却システムの断面図である。一実施形態に係る超電導限流器の冷却システムの断面図である。一実施形態に係る超電導限流器の冷却システムの制御方法の工程図である。

　以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載され又は図面に示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、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
　例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
　例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
　例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
　一方、一つの構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

　図１は、一実施形態に係る冷却システム１０の系統図である。冷却システム１０は、超電導ケーブル１２と、超電導ケーブル１２の端末１４に電気的に接続された超電導限流器１６とを組み合わせて用いる電力ケーブルシステムに適用されるものであり、超電導ケーブル１２及び超電導限流器１６を夫々の冷却温度に適した超電導状態に冷却するための冷却システムである。冷却システム１０は、循環路１８及び分岐路２２を備え、循環路１８に冷凍機２０及び冷媒ポンプ２６が設けられ、冷凍機２０によって超電導ケーブル１２の冷却温度に適した極低温に冷却された冷媒ｒ１（第１冷媒）が、冷媒ポンプ２６によって循環路１８及び分岐路２２を循環する。

　循環路１８は、端末１４から超電導ケーブル１２内を超電導ケーブル１２の軸線方向に沿って形成された往路１８（１８ａ）と、超電導ケーブル１２の他端で超電導ケーブル１２から分離し、冷凍機２０まで戻る復路１８（１８ｂ）とを含む。冷凍機２０で冷却された冷媒ｒ１が往路１８（１８ａ）を流れ、超電導ケーブル１２をＳＮ転移温度未満の温度に冷却して超電導状態に保持する。分岐路２２は、超電導ケーブル１２の上流側で循環路１８から分岐し、超電導限流器１６を経由し、超電導ケーブル１２をバイパスして冷凍機２０に戻るように配置されている。

　図２及び図３は、冷却システム１０において、幾つかの実施形態に係る超電導限流器１６の冷却システムを示す断面図である。図２又は図３に示すように、分岐路２２には、超電導限流器１６の冷却システムを構成する凝縮器３０（３０ａ、３０ｂ）が設けられている。超電導限流器１６の冷却に用いられる冷媒ｒ２（第２冷媒）は、超電導限流器１６を臨界温度に近い温度に冷却するため、例えば大気圧下において沸点に近い温度を有する。従って、冷媒ｒ２は超電導限流器１６の作動中一部が蒸発する。凝縮器３０は、超電導限流器１６で気化した冷媒ｒ２を冷媒ｒ１と熱交換させて冷却し再凝縮する。

　超電導限流器１６は、超電導限流素子５０と、超電導限流素子５０を冷却するための冷媒ｒ２が貯留された冷媒タンク５２とを備えている。超電導限流素子５０は、冷媒タンク５２に貯留された冷媒ｒ２に浸漬されている。超電導ケーブル１２は、臨界温度を超えないように、冷媒ｒ１によって臨界温度から安全幅をもたせた低温に保持される。一方、超電導限流器１６は、超電導ケーブル１２に定格電流以上の短絡電流が発生した時、即座に短絡電流を遮断するために、冷媒ｒ２によって臨界温度に近い温度に冷却される。従って、両者の冷却温度は異なる。

　上記実施形態によれば、凝縮器３０において、冷媒タンク５２で蒸発した冷媒ｒ２を冷媒ｒ１で冷却して再凝縮させ、再凝縮した冷媒ｒ２を超電導限流器１６の冷却に供するため、超電導限流器１６を冷却するための専用の冷凍機を必要としない。また、冷媒ｒ２の気相部Ｇは飽和状態であるので、冷媒ｒ２の気相部Ｇの圧力（飽和圧力）を制御することで、一義的に冷媒ｒ２の液相部Ｌの温度（飽和温度）を制御できる。冷媒ｒ２の液相部Ｌの温度を制御することができるので、冷媒ｒ２によって冷却される超電導限流素子５０を臨界温度に近い温度に冷却できる。こうして、超電導ケーブル１２及び超電導限流器１６の冷却温度が異なるのに拘わらず、超電導限流素子５０を冷却するための冷凍機は不要となり、超電導ケーブル１２を冷却するための１個の冷凍機だけで、超電導ケーブル１２及び超電導限流器１６を夫々に適した冷却温度に冷却できる。

　例えば、冷媒ｒ１及び冷媒ｒ２として液体窒素が用いられる。冷凍機２０によって超電導ケーブル１２及び凝縮器３０に、例えば超電導ケーブル１２の冷却温度に合わせた６７Ｋの液体窒素が供給される。超電導限流器１６が大気圧に保持される場合、冷媒ｒ２の液相部Ｌは液体窒素の沸点である７７Ｋ近くの温度に制御される。

　一実施形態では、図１に示すように、超電導限流器１６は超電導ケーブル１２の端末１４に電気的に接続されると共に、送電設備２４などの電力系統に電気的に接続される。

　一実施形態では、図１に示すように、循環路１８に、超電導ケーブル１２及び超電導限流器１６を通過した後の冷媒ｒ１を回収するためのリザーバ２８が設けられる。超電導ケーブル１２に定格電流以上の短絡電流が流れたとき、超電導限流器１６に含まれる超電導限流素子５０が転移し、電気的抵抗が生じて加熱される。超電導限流素子５０の温度上昇によって生じる冷媒ｒ２の圧力上昇に対して、凝縮器３０に流入する冷媒ｒ１の流量を増大させて、冷媒ｒ２の温度上昇を防いでいる。この場合でも、本実施形態ではリザーバ２８を備えているため、超電導ケーブル１２を通過してリザーバ２８に流入する冷媒ｒ１の流量や流体圧力に影響されず、冷却負荷に必要な冷媒ｒ１の流量を凝縮器３０からリザーバ２８に戻すことができる。

　一実施形態では、リザーバ２８は循環路１８と分岐路２２との合流点に設けられる。そして、分岐路２２の冷媒ｒ１はリザーバ２８の気相部に戻される。仮に、リザーバ２８の上流側で循環路１８と分岐路２２とが合流すると、冷媒ｒ１の流量が多い循環路１８から分岐路２２に冷媒ｒ１が逆流するおそれがある。この実施形態によれば、循環路１８及び分岐路２２はリザーバ２８に接続され、分岐路２２はリザーバ２８の気相部に戻されるため、そのおそれはない。

　一実施形態では、図２又は図３に示すように、凝縮器３０（３０ａ、３０ｂ）は、冷媒ｒ２が貯留される冷媒タンク５２の気相部Ｇ又は気相部Ｇに連通する空間Ｓに配置される。図２に示す実施形態では、凝縮器３０（３０ａ）は、冷媒タンク５２の気相部Ｇに配置され、図３に示す実施形態では、凝縮器３０（３０ｂ）は気相部Ｇに連通する空間Ｓに配置されている。さらに、凝縮器３０で液化された冷媒ｒ２の凝縮液を冷媒タンク５２の液相部Ｌに戻すための液戻し流路３２を備えている。

　超電導限流器１６は、超電導状態から常電導状態に転移した時、速やかに超電導状態に復帰する必要があり、復帰する際には瞬間的に冷却負荷が高まる。従って、超電導限流器１６を速やかに復帰させるためには、凝縮器３０で気化した冷媒ｒ２の再凝縮を効率良く行う必要がある。本実施形態によれば、凝縮器３０で再凝縮した冷媒ｒ２は液戻し流路３２を通って速やかに冷媒タンク５２に戻されるため、冷媒ｒ２の再凝縮を効率的に行うことができる。

　なお、図２に示す実施形態では、凝縮器３０（３０ａ）は冷媒タンク５２の気相部Ｇに配置されているので、凝縮器３０（３０ａ）で再液化した凝縮液は重力により気相部Ｇから直接液相部Ｌの液面に落下する。従って、この実施形態では、液戻し流路３２は気相部Ｇに形成されているとみなすことができる。凝縮器３０（３０ａ）は、気相部Ｇに配置されるため、ハウジングなどを必要とせず、従って、凝縮器３０（３０ａ）を簡素化かつ低コスト化できる。

　一実施形態では、図３に示すように、凝縮器３０（３０ｂ）は冷媒タンク５２の上方に配置されている。そして、液戻し流路３２は、凝縮器３０（３０ｂ）で凝縮した凝縮液を冷媒タンク５２の液相部Ｌに滴下させるように構成される。凝縮器３０（３０ｂ）で凝縮した冷媒ｒ２の凝縮液は、液戻し流路３２を介して重力で自動的に冷媒タンク５２の液相部Ｌに滴下する。そのため、再凝縮した冷媒ｒ２を冷媒タンク５２に戻す動力が不要になる。

　一実施形態では、図３に示すように、凝縮器３０（３０ｂ）は、冷媒タンク５２の上方に設けられたハウジング３４を備えている。そして、液戻し流路３２として、ハウジング３４の内部と冷媒タンク５２の内部とを連通させる連通管３５を備え、連通管３５の下端部３５ａは冷媒タンク５２の天井面５４よりも下方へ突出するように構成されている。凝縮器３０（３０ｂ）で再凝縮した冷媒ｒ２は連通管３５を伝って下端部３５ａまで落下するため、再凝縮した冷媒ｒ２は、気相部Ｇに触れることなく液相部Ｌの液面近傍まで移動する。これによって、落下途中での再蒸発を抑制できる。連通管３５の下端部３５ａが冷媒タンク５２の天井面５４よりも下方へ突出するように構成されていないとき、凝縮液が落下途中で再気化するおそれがある。

　図３に示す凝縮器３０（３０ｂ）は、連通管３５を介して冷媒タンク５２の上面より上方に配置されているが、別な実施形態では、ハウジング３４を冷媒タンク５２の上面に接して載置するように配置してもよい。

　一実施形態では、図２及び図３に示すように、凝縮器３０（３０ａ、３０ｂ）は、冷媒ｒ１と冷媒ｒ２とを熱交換する熱交換器３６を備え、さらに、熱交換器３６に供給される冷媒ｒ１の流量を制御する流量調整弁３８を備えている。この実施形態では、流量調整弁３８の開度を制御することで、熱交換器３６に供給される冷媒ｒ１の流量を制御できるため、冷媒ｒ１と熱交換される冷媒ｒ２の凝縮量を制御できる。冷媒タンク５２は密閉構造を有する容器であり、冷媒タンク５２の内部は飽和状態になっている。従って、冷媒ｒ２の再凝縮量を制御することで、冷媒タンク５２の飽和圧力を制御できる。該飽和圧力を制御することで該飽和圧力から一義的に対応する飽和温度を制御できる。これによって、冷媒ｒ２を超電導限流素子５０の冷却に適した温度に制御できる。

　図２及び図３に示す実施形態では、熱交換器３６は、冷媒タンク５２の気相部Ｇ又は連通空間Ｓに設けられた熱交換管で構成されている。該熱交換管の内部を冷媒ｒ１が流れ、該熱交換管の外側は冷媒ｒ２の気相部が形成され、冷媒ｒ１と冷媒ｒ２とは該熱交換管を介して間接熱交換される。そのため、気相部Ｇ又は連通空間Ｓは密閉空間を形成でき、飽和状態を保つことができる。

　図２又は図３に示す実施形態では、流量調整弁３８は凝縮器３０の上流側の分岐路２２に設けられているが、代わりに、凝縮器３０の下流側の分岐路２２に設けるようにしてもよい。
　また、一実施形態では、図１～図３に示すように、循環路１８及び分岐路２２を構成する配管は、外側から熱が侵入しないように、断熱層４４で被覆されている。また、冷媒タンク５２の内部に貯留した液相部Ｌの液面は液面計５６によって検出できる。これによって、液相部Ｌの冷媒液量の把握が可能になる。

　一実施形態では、図２又は図３に示すように、冷媒タンク５２の気相部Ｇ又は凝縮器３０（３０ｂ）の連通空間Ｓの圧力を検出するための圧力センサ４０が設けられている。圧力センサ４０の検出値は制御部４２に送られ、制御部４２は、圧力センサ４０の検出値に基づいて流量調整弁３８の開度を制御する。圧力センサ４０の検出値に基づいて流量調整弁３８の開度を制御することで、冷媒タンク５２の気相部Ｇの圧力を所望の圧力に制御できる。これによって、冷媒ｒ２を超電導限流素子５０の冷却に適した温度に精度良く制御できる。

　一実施形態では、制御部４２は、冷媒ｒ２による超電導限流素子５０の冷却温度を転移温度に近い設定範囲内温度に制御するように構成される。これによって、超電導ケーブル１２に定格電流以上の短絡電流が流れた時の超電導限流器１６の応答性を高めることができる。

　一実施形態に係る冷却システム１０の制御方法は、図４に示すように、まず、冷媒タンク５２の気相部Ｇ又は連通空間Ｓの圧力値を検出する（圧力検出ステップＳ１０）。次に、検出した圧力値に応じて凝縮器３０に流入する冷媒ｒ１の流量を制御する（流量制御ステップＳ１２）。冷媒タンク５２の気相部Ｇ又は連通空間Ｓを目標圧力とすることができるので、冷媒タンク５２の液相部Ｌによって超電導限流素子５０の冷却温度を転移温度に近い温度に制御できる。これによって、超電導ケーブル１２に定格電流以上の短絡電流が流れた時の超電導限流器１６の応答性を高めることができる。

　冷媒タンク５２の内部は冷媒ｒ２が飽和状態に維持されている。一実施形態では、流量制御ステップＳ１２において、冷媒タンク５２内の冷媒ｒ２が飽和状態下で冷却目標温度Ｔｇに一義的に対応する目標圧力Ｐｇとなるように、凝縮器３０に流入する冷媒ｒ１の流量を制御する。制御パラメータとして制御しやすい冷媒タンク５２内の冷媒ｒ２の圧力を対象とし、冷媒ｒ２の圧力が目標圧力Ｐｇとなるように、凝縮器３０に流入する冷媒ｒ１の流量を制御するので、目標圧力Ｐｇに一義的に対応する冷媒ｒ２の冷却目標温度Ｔｇに精度良く制御できる。

　図４は、図２又は図３に示す実施形態において、流量調整弁３８の開度制御によって気相部Ｇ又は連通空間Ｓの圧力を制御する方法の一例を説明する。なお、図４において、符号Ｖは流量調整弁３８の開度（％）を示す。この制御例では、気相部Ｇ又は連通空間Ｓの目標圧力Ｐｇを圧力幅Ｐ１～Ｐ２の範囲内としている。
　ここで圧力制御の目的は、超電導限流器１６に含まれる超電導限流素子５０を冷却するために貯留される冷媒ｒ２の液温を、冷却目標温度Ｔｇに冷却することにある。冷媒ｒ２の冷却目標温度ＴｇをＴ１≦冷却目標温度Ｔｇ≦Ｔ２の範囲内とすると、飽和圧力に相当する圧力値の目標圧力ＰｇはＰ１≦目標圧力Ｐｇ≦Ｐ２の範囲内とすることができる。温度Ｔ１は冷却目標温度Ｔｇの下限値であり、圧力Ｐ１は飽和状態下で温度Ｔ１に一義的に対応する圧力である。また、温度Ｔ２は冷却目標温度Ｔｇの上限値であり、圧力Ｐ２は飽和状態下で温度Ｔ２に一義的に対応する圧力である。

　なお、図４において、圧力センサ４０の検出値Ｐ、目標圧力Ｐｇ（圧力幅Ｐ１～Ｐ２）及び制御時の圧力値Ｐ１、Ｐ２の関係、及び流量調整弁３８の開度Ｖ（％）の範囲は、次のとおりである。
　　　目標圧力：Ｐ１≦Ｐｇ≦Ｐ２
　　　目標圧力を下回る条件：Ｐ＜Ｐ１
　　　目標圧力を上回る条件：Ｐ２＜Ｐ
　　　　　０≦Ｖ≦１００

　まず、圧力センサ４０により気相部Ｇ又は連通空間Ｓの圧力値Ｐを検出する（ステップＳ１０）。次に、圧力値Ｐが目標圧力Ｐｇ（圧力幅Ｐ１～Ｐ２）を下回って減少したとき（Ｐ＜Ｐ１）（ステップ１２ａ）、冷媒ｒ２の圧力が降下して冷媒ｒ２の液温が低いので、流量調整弁３８の開度Ｖを減少させ、凝縮器３０に流入する冷媒ｒ１の流量を低減させる（ステップＳ１４ａ）。圧力値Ｐが目標圧力Ｐｇの範囲（Ｐ１≦Ｐｇ≦Ｐ２）内で安定しているとき（ステップＳ１２ｂ）、流量調整弁３８の開度Ｖは一定のまま変化させない（ステップＳ１４ｂ）。圧力値Ｐが増加したとき（Ｐ２＜Ｐ）（ステップＳ１２ｃ）、冷媒ｒ２の圧力上昇で冷媒ｒ２の液温が高くなるので、流量調整弁３８の開度Ｖを増加させ、凝縮器３０に流入する冷媒ｒ１の流量を増加させる（ステップＳ１４ｃ）。このような操作を行うことで、気相部Ｇ又は連通空間Ｓの圧力を目標圧力Ｐｇに保持できる。また、目標圧力Ｐｇを大気圧付近に設定することができる。

　上記各実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。

　（１）一つの態様に係る冷却システム（１０）は、超電導ケーブル（１２）及び該超電導ケーブルに電気的に接続された超電導限流器（１６）の冷却システムであって、冷凍機（２０）と、前記冷凍機で冷却された第１冷媒（ｒ１）を前記超電導ケーブル（１２）に供給して前記冷凍機（２０）に戻すための循環路（１８）と、前記循環路（１８）から分岐し前記超電導ケーブル（１２）をバイパスして前記超電導限流器（１６）を経由するように設けられた分岐路（２２）と、前記分岐路（２２）上に設けられ、前記超電導限流器（１６）で気化した第２冷媒（ｒ２）を前記第１冷媒（ｒ１）で冷却して凝縮させるための凝縮器（３０）と、を備える。

　このような構成によれば、上記凝縮器で蒸発した第２冷媒を第１冷媒で冷却して再凝縮するため、第２冷媒を冷却するための冷凍機を必要としない。また、第２冷媒の気相部は飽和状態であるので、第２冷媒の気相部の飽和圧力を制御することで、第２冷媒の温度（飽和温度）を制御できる。従って、凝縮器に供給する第１冷媒の流量制御と、第２冷媒の気相部の圧力制御とによって、第２冷媒の液相部を所望の温度に調整できる。これによって、第２冷媒によって冷却される超電導限流素子を臨界温度に近い温度に冷却できる。こうして、超電導ケーブルと超電導限流器とを組合せて使用する場合に、超電導ケーブルを冷却するための１個の冷凍機だけで、超電導ケーブル及び超電導限流器を夫々に適した冷却温度に冷却できる。

　（２）別な態様に係る冷却システム（１０）は、（１）に記載の冷却システムであって、前記循環路（１８）に設けられ、前記超電導ケーブル（１２）及び前記超電導限流器（１６）を通過した後の前記第１冷媒（ｒ１）を回収するためのリザーバ（２８）を備える。

　超電導ケーブルに定格電流以上の短絡電流が流れたとき、超電導限流器に含まれる超電導限流素子が転移し、電気的抵抗が生じて加熱される。これによって、第２冷媒の圧力が上昇するが、この場合、凝縮器に流入する第１冷媒の流量を増大させて、第２冷媒の温度上昇を防いでいる。この場合でも、上記構成によれば、超電導ケーブルを通過してリザーバに流入する第１冷媒の流量や流体圧力に影響されず、超電導ケーブルの冷却負荷に必要な第１冷媒量を凝縮器からリザーバに戻すことができる。

　（３）さらに別な態様に係る冷却システム（１０）は、（１）又は（２）に記載の冷却システムであって、前記凝縮器（３０）は、前記超電導限流器（１６）に含まれる超電導限流素子（５０）を冷却するための前記第２冷媒（ｒ２）が貯留される冷媒タンク（５２）の気相部（Ｇ）又は該気相部（Ｇ）に連通する空間（Ｓ）に配置され、前記凝縮器（３０）で液化された凝縮液を前記冷媒タンク（５２）の液相部（Ｌ）に戻すための液戻し流路（３２）と、を備える。

　このような構成によれば、超電導限流器の作動中、超電導限流素子からの受熱で一部が蒸発し、凝縮器で再凝縮した第２冷媒は上記液戻し流路を通って速やかに冷媒タンクに戻されるため、第２冷媒の再凝縮を効率的に行うことができる。

　（４）さらに別な態様に係る冷却システム（１０）は、（３）に記載の冷却システムであって、前記凝縮器（３０）は前記冷媒タンク（５２）の上方に配置され、前記液戻し流路（３２）は、前記凝縮液を前記冷媒タンク（５２）の前記液相部（Ｌ）に滴下させるように構成される。

　このような構成によれば、凝縮器が冷媒タンクの上方に配置されるため、再凝縮した第２冷媒は重力で冷媒タンクの液相部に自動的に戻る。そのため、再凝縮した第２冷媒を冷媒タンクに戻すための動力が不要になる。

　（５）さらに別な態様に係る冷却システム（１０）は、（４）に記載の冷却システムであって、前記凝縮器（３０（３０ｂ））は、前記冷媒タンク（５２）の上方に設けられたハウジング（３４）と、前記ハウジングと前記冷媒タンク（５２）との間を連通させる連通管（３５）と、を備え、前記連通管（３５）の下端（３５ａ）が前記冷媒タンク（５２）の天井面（５４）よりも下方へ突出するように構成される。

　このような構成によれば、凝縮器で再凝縮した第２冷媒は、上記連通管を伝って冷媒タンクに貯留された第２冷媒の液相部の液面近傍で落下することができる。このように、上記連通管を伝うことで、第２冷媒の気相部との接触を極力避けることができ、落下途中での再蒸発を抑制できる。

　（６）さらに別な態様に係る冷却システム（１０）は、（３）乃至（５）の何れかに記載の冷却システムであって、前記凝縮器（３０）は、前記第１冷媒（ｒ１）と前記第２冷媒（ｒ２）とを熱交換する熱交換器（３６）を含み、前記熱交換器（３６）に供給される前記第１冷媒（ｒ１）の流量を制御する流量調整弁（３８）を備える。

　このような構成によれば、上記熱交換器に供給される第１冷媒の流量を上記流量調整弁で制御することで、凝縮器における第２冷媒の再凝縮量を制御できる。第２冷媒の再凝縮量を制御することで、飽和状態にある冷媒タンク内の圧力を制御でき、これによって、第２冷媒の飽和温度を制御できるため、第２冷媒を超電導限流素子の冷却に適した温度に精度良く制御できる。

　（７）さらに別な態様に係る冷却システム（１０）は、（６）に記載の冷却システムであって、前記冷媒タンク（５２）の前記気相部（Ｇ）又は前記気相部（Ｇ）に連通する前記空間（Ｓ）の圧力を検出するための圧力センサ（４０）と、前記圧力センサ（４０）の検出値に基づいて前記流量調整弁（３８）の開度を制御する制御部（４２）と、を備える。

　このような構成によれば、上記圧力センサで冷媒タンクの気相部の飽和圧力を検出し、この検出値に基づいて流量調整弁の開度を制御することで、第２冷媒を超電導限流素子の冷却に適した温度に精度良く制御できる。

　（８）さらに別な態様に係る冷却システム（１０）は、（７）に記載の冷却システムであって、前記制御部（４２）は、前記第２冷媒（ｒ２）による前記超電導限流器（１６）の冷却温度を転移温度に近い設定範囲内温度に制御するように構成される。

　このような構成によれば、前記超電導限流器の冷却温度を設定範囲内温度に制御することで、超電導ケーブルに定格電流以上の短絡電流が流れた時の超電導限流器の応答性を高めることができる。

　（９）本開示に係る冷却システムの制御方法は、超電導ケーブル（１２）および該超電導ケーブル（１２）に電気的に接続された超電導限流器（１６）の冷却システムであって、冷凍機（２０）と、前記冷凍機（２０）で冷却された第１冷媒（ｒ１）を前記超電導ケーブル（１２）に供給して前記冷凍機（２０）に戻すための循環路（１８）と、前記循環路（１８）から分岐し前記超電導ケーブル（１２）をバイパスして前記超電導限流器（１６）を経由するように設けられた分岐路（２２）と、前記分岐路（２２）上に設けられ、前記超電導限流器（１６）で気化した第２冷媒（ｒ２）を前記第１冷媒（ｒ１）で冷却して凝縮させるための凝縮器（３０）と、を備え、前記凝縮器（３０）は、前記超電導限流器（１６）に含まれる超電導限流素子（５０）を冷却するための前記第２冷媒（ｒ２）が貯留される冷媒タンク（５２）の気相部（Ｇ）又は該気相部（Ｇ）に連通する空間（Ｓ）に配置され、前記凝縮器（３０）で液化された凝縮液を前記冷媒タンク（５２）の液相部（Ｌ）に戻すための液戻し流路（３２）を備える冷却システムの制御方法であって、前記冷媒タンク（５２）の気相部（Ｇ）又は該気相部（Ｇ）に連通する空間（Ｓ）の圧力値を検出する圧力検出ステップ（Ｓ１０）と、前記圧力値に応じて前記凝縮器に流入する前記第１冷媒の流量を制御する流量制御ステップ（Ｓ１２）と、を備える。

　このような構成によれば、冷媒タンクの気相部又は該気相部に連通する空間を目標圧力とすることができるので、冷媒タンクの液相部によって超電導限流素子の冷却温度を転移温度に近い温度に制御できる。これによって、超電導ケーブルに定格電流以上の短絡電流が流れた時の超電導限流器の応答性を高めることができる。

　（１０）一態様に係る冷却システムの制御方法は、（９）に記載の冷却システムの制御方法であって、前記冷媒タンク（５２）の内部は前記第２冷媒（ｒ２）が飽和状態に維持され、前記流量制御ステップ（Ｓ１２）において、前記冷媒タンク（５２）内の前記第２冷媒（ｒ２）が冷却目標温度Ｔｇに一義的に対応する目標圧力Ｐｇとなるように、前記凝縮器（３０）に流入する前記第１冷媒（ｒ１）の流量を制御する。

　このような構成によれば、制御パラメータとして制御しやすい冷媒タンク内の第２冷媒の圧力を対象とし、該圧力が目標圧力Ｐｇとなるように、凝縮器に流入する第１冷媒の流量を制御するので、目標圧力Ｐｇに一義的に対応する第２冷媒の冷却目標温度Ｔｇに精度良く制御できる。

　１０　　冷却システム
　１２　　超電導ケーブル
　１４　　端末
　１６　　超電導限流器
　１８　　循環路
　２０　　冷凍機
　２２　　分岐路
　２４　　送電設備
　２６　　冷媒ポンプ
　２８　　リザーバ
　３０（３０ａ、３０ｂ）　　凝縮器
　３２　　液戻し流路
　３４　　ハウジング
　３５　　連通管
　　３５ａ　　下端部
　３６　　熱交換器
　３８　　流量調整弁
　４０　　圧力センサ
　４２　　制御部
　４４　　断熱層
　５０　　超電導限流素子
　５２　　冷媒タンク
　５４　　天井面
　５６　　液面計
　ｒ１　　冷媒（第１冷媒）
　ｒ２　　冷媒（第２冷媒）
　Ｇ　　　気相部
　Ｌ　　　液相部
　Ｓ　　　連通空間

Claims

　超電導ケーブルおよび該超電導ケーブルに電気的に接続された超電導限流器の冷却システムであって、
　冷凍機と、
　前記冷凍機で冷却された第１冷媒を前記超電導ケーブルに供給して前記冷凍機に戻すための循環路と、
　前記循環路から分岐し前記超電導ケーブルをバイパスして前記超電導限流器を経由するように設けられた分岐路と、
　前記分岐路上に設けられ、前記超電導限流器で気化した第２冷媒を前記第１冷媒で冷却して凝縮させるための凝縮器と、
を備える冷却システム。
　前記循環路に設けられ、前記超電導ケーブル及び前記超電導限流器を通過した後の前記第１冷媒を回収するためのリザーバを備える請求項１に記載の冷却システム。
　前記凝縮器は、前記超電導限流器に含まれる超電導限流素子を冷却するための前記第２冷媒が貯留される冷媒タンクの気相部又は該気相部に連通する空間に配置され、
　前記凝縮器で液化された凝縮液を前記冷媒タンクの液相部に戻すための液戻し流路と、
を備える請求項１又は２に記載の冷却システム。
　前記凝縮器は前記冷媒タンクの上方に配置され、
　前記液戻し流路は、前記凝縮液を前記冷媒タンクの前記液相部に滴下させるように構成される請求項３に記載の冷却システム。
　前記凝縮器は、
　　前記冷媒タンクの上方に設けられたハウジングと、
　　前記ハウジングと前記冷媒タンクとの間を連通させる連通管と、
を備え、
　前記連通管の下端が前記冷媒タンクの天井面よりも下方へ突出するように構成された請求項４に記載の冷却システム。
　前記凝縮器は、前記第１冷媒と前記第２冷媒とを熱交換する熱交換器を含み、
　前記熱交換器に供給される前記第１冷媒の流量を制御する流量調整弁を備える請求項３乃至５の何れか一項に記載の冷却システム。
　前記冷媒タンクの前記気相部又は前記気相部に連通する前記空間の圧力を検出するための圧力センサと、
　前記圧力センサの検出値に基づいて前記流量調整弁の開度を制御する制御部と、
を備える請求項６に記載の冷却システム。　
　前記制御部は、前記第１冷媒による前記第２冷媒の冷却温度を転移温度に近い設定範囲内温度に制御するように構成された請求項７に記載の冷却システム。
　超電導ケーブルおよび該超電導ケーブルに電気的に接続された超電導限流器の冷却システムであって、
　冷凍機と、
　前記冷凍機で冷却された第１冷媒を前記超電導ケーブルに供給して前記冷凍機に戻すための循環路と、
　前記循環路から分岐し前記超電導ケーブルをバイパスして前記超電導限流器を経由するように設けられた分岐路と、
　前記分岐路上に設けられ、前記超電導限流器で気化した第２冷媒を前記第１冷媒で冷却して凝縮させるための凝縮器と、
を備え、
　前記凝縮器は、前記超電導限流器に含まれる超電導限流素子を冷却するための前記第２冷媒が貯留される冷媒タンクの気相部又は該気相部に連通する空間に配置され、前記凝縮器で液化された凝縮液を前記冷媒タンクの液相部に戻すための液戻し流路を備える冷却システムの制御方法であって、
　前記冷媒タンクの気相部又は該気相部に連通する空間の圧力値を検出する圧力検出ステップと、
　前記圧力値に応じて前記凝縮器に流入する前記第１冷媒の流量を制御する流量制御ステップと、
を備える冷却システムの制御方法。
　前記冷媒タンクの内部は前記第２冷媒が飽和状態に維持され、
　前記流量制御ステップにおいて、前記冷媒タンク内の前記第２冷媒が冷却目標温度Ｔｇに一義的に対応する目標圧力Ｐｇとなるように、前記凝縮器に流入する前記第１冷媒の流量を制御する請求項９に記載の冷却システムの制御方法。