CN1969158A - 超导电力设备用冷却*** - Google Patents

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Abstract

一种超导电力设备的冷却***，具备贮存液态气体的贮存罐、循环泵、冷却液态气体的热交换器、及液化气进行循环的循环回路，使用循环泵在过冷状态下使液化气循环，由此冷却超导电力设备，该超导电力设备的冷却***的特征在于，还具备加压机构，其用与所述液化气同种类的气体对贮存罐进行加压，以加压状态贮存所述液化气的贮存罐的液面位于只高出循环的液化气的返回线路的出口，至少加压气体的溶入深度+液面移动补正量的上部的位置。

Description

超导电力设备用冷却***
技术领域
本发明涉及由液态氮等液化氮冷却而能够以超导状态工业利用的、将超导电缆、超导总线路、SMES、超导变压器等冷却的冷却***，尤其涉及用于冷却在高电压状态下运转设备的超导电力设备。
背景技术
作为超导电力设备的一种，以将液态氮等氮化气使用于冷却的超导电缆为例子，参照图6对现有技术进行说明。作为超导电缆的冷却***，已知有特开平08-148044号公报中记载的结构。如图6所示，现有的冷却***是反复下述循环周期的***：从贮存罐101通过泵105对过冷状态(液化气被冷却到低于液化气饱和温度的状态)的液化气进行加压，由冷冻机108的热交换器107冷却后供给到电缆111，然后再次返回到贮存罐101。
冷却超导电缆的情况下，如果循环的液化气成为气液混合状态，则压力损失增大，无法使必要量的液化气稳定地循环，因此需要准备大容量的大型的循环泵。此外，由于超导电缆采用使液化气浸渗到绝缘体中、由此维持高的电绝缘性能的极低温电绝缘方式，所以若液化气中混入空气或气泡，则产生显著降低电绝缘性能的问题。
因此，在现有的冷却***中，为了始终将液化气维持为过冷状态，在不气化的状态下进行循环，例如，作为液化气使用液态氮时，由储气瓶123等供给相比于液化气三相点足够低的气体氢气(H2)或氦气(He)，使贮存罐101内达到加压状态，提高液化气的沸点，使得液化气在循环中不至于沸腾(即，不会达到气液混合状态)。
专利文献1：特开平08-148044号公报
如现有技术可知：在贮存罐内，由相比于液化气三相点足够低的气体氦气(He)对例如作为液化气的液态氮进行加压时，产生He气微量地溶入液态氮中的现象。即，氦气(He)作为惰性气体是周知的，一直被认为不会溶入于液态氮中，但现实情况是明确了He气微量地溶入液态氮中。
尽管液态氮中的溶入量是非常少的量，但如果使溶入有He气的液化气循环，则例如在配管宽大的且液化气的流速慢的部分，或例如从贮存罐由阀等节流等后液化气的压力急剧地降低的部分，溶入的He气无法继续维持溶入在液化气中的状态而成为气泡，混入到液态氮中成为气液混合状态。
另外，可知：超导电缆或超导电力设备根据其设置布局的状态，存在高于冷却***的部分的情况下，在该部分，产生的气体存留于设备内的上部，最终充满液态氮的冷却配管中，无法继续液态氮的循环。
通过发明者的实验明确了上述的现象是经过数个月的非常长的时间而引发的现象。若液态氮中含有He气，进而配管中达到气液混合状态或冷却配管中充满气相，则液态氮的循环无法顺利地进行。此外，由于He气相比于其他液化气耐电压特性非常小，所以尽管原本液态氮具有高绝缘特性，但含有的He气成为导致绝缘特性降低，引起超导电力设备的绝缘不良或绝缘破坏的原因。
作为该对策，考虑了由与液化气同一种类的气体对贮存罐进行加压，但由于贮存在贮存罐中的液态氮是沸点以下温度的液态氮，所以如果加压中使用的氮气在贮存罐内与沸点以下的液态氮接触，则加压中使用的氮气被冷却而液化。因此，存在下述问题：加压的压力减少，如果不始终由储气瓶继续供给氮气则不能将压力保持为一定，其结果，产生了下述问题：消耗大量的氮气，此时将大量的液化热带入到冷却***中引起热负荷增大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超导电力设备的冷却***，其中，沸点低于加压所使用的液化气的气体溶入于液化气中，不会引发针对液化气的循环的不稳定性因素、或电设备的绝缘的故障，能够在过冷状态下使液化气长时间顺畅地进行循环。
本发明者为了解决上述的现有技术的问题而进行了锐意研究。其结果，不是以往作为加压气体使用的氦(He)气，而用与液化气同种类气体对贮存罐进行加压，能够排除液态氮中溶入微量的He气的情况。由此，明确了能够解决如下问题：在液化气的压力急剧地降低的部分，He气成为气泡，混入到液态氮中成为气液混合状态，从而无法顺畅地进行液态氮的循环且导致绝缘特性劣化。同样，明确了还能够解决如下问题：若因超导电力设备的配置高低差超过规定值，则产生的气泡滞留于设备的上部，进而充满于冷却回路中，导致液体氮无法继续循环的问题。
此外，以加压状态贮存液化气的贮存罐的液面位于只高出循环的液化气的返回线路的出口，至少加压气体的溶入深度+液面移动补正量的上部的位置，由此明确了能够解决如下问题：加压所使用的氮气被液化，加压的压力减少，如果不始终由储气瓶继续供给氮气，则无法将压力保持为一定的问题。因此，能够解决如下问题：消耗大量的氮气，此时将大量的液化热带入到冷却***中引起热负荷增大的问题。
本发明基于上述研究结果而实现，本发明的超导电力设备用冷却***的第一方式是具备贮存液态气体的贮存罐、循环泵、冷却液态气体的热交换器、及液化气进行循环的循环回路，使用循环泵在过冷状态下使所述液化气循环，由此冷却超导电力设备的超导电力设备的冷却***，其特征在于，还具备加压机构，其用与所述液化气同种类的气体对贮存罐进行加压，以加压状态贮存所述液化气的贮存罐的液面位于只高出循环的液化气的返回线路的出口，至少加压气体的溶入深度+液面移动补正量的上部的位置。
本发明的超导电力设备用冷却***的第二方式的特征在于，由与液化气同种类的气体对贮存罐进行加压的所述加压机构如下所述地构成：由以高压存储有与所述液化气同种类的气体的储气瓶，经由压力调节阀以规定压力进行加压。
本发明的超导电力设备用冷却***的第三方式的特征在于，用与液化气同种类的气体对贮存罐进行加压的所述加压机构如下所述地构成：通过从将过冷状态的液化气从贮存罐送出的循环泵的出口，送往所述超导电力设备的液化气的一部分分支并返回到贮存罐的配管，利用循环泵的排出压力对贮存罐进行加压。
本发明的超导电力设备用冷却***的第四方式的特征在于，用与液化气同种类的气体对贮存罐进行加压的所述加压机构由使液化气气化的气化器和压力调节用的压力调节阀构成，所述气化器和压力调节阀设在：从将过冷状态的液化气从贮存罐送出的所述循环泵的出口，送往超导电力设备的液化气的一部分分支并返回到贮存罐的配管。
本发明的超导电力设备用冷却***的第五方式的特征在于，还具备所述加压机构的辅助机构，所述辅助机构如下所述地构成：通过由储气瓶供给与液化气同种类的气体而进行加压。
本发明的超导电力设备用冷却***的第六方式的特征在于，还具备所述加压机构的辅助机构，所述辅助机构如下所述地构成：在贮存罐的气相部分配置加温装置，使贮存罐气相部的气体过热体积膨胀。
根据本发明，能够提供如下超导电力设备的冷却***：由于用与液化气同种类的气体对贮存罐进行加压，所以液态氮中不会混入气泡，使液态氮顺畅地循环且绝缘特性优越。此外，根据本发明能够提供如下超导电力设备的冷却***：由于以加压状态贮存液化气的贮存罐的液面位于只高出循环的液化气的返回线路的出口，至少加压气体的溶入深度+液面移动补正量的上部的位置，所以贮存罐的加压所使用的氮气不会被液化，加压的压力不会减少。
附图说明
图1是说明本发明的由循环泵出口压力加压贮存罐的方法的图；
图2是用于说明本发明的实施例1的冷却***构成图；
图3是用于说明本发明的实施例2的贮存罐附近的构成图；
图4是用于说明本发明的实施例3的贮存罐附近的构成图；
图5是表示加压气体溶入深度[m]与压力减少率[％]的关系的图；
图6是说明现有的超导电缆的冷却***的图。
图中，1-贮存罐；1b-贮存罐内侧容器；2-贮存罐内液态氮液面；3-取液口；4、6、9-排出侧液态氮循环配管；5-循环泵；5a-循环泵马达；5b-循环泵长轴；5c-散热片；5e-真空容器；7-冷冻机热交换器；8-冷冻机；10-超导电力设备的入口；11-超导电缆；12-超导电缆的出口；13-返回侧液态氮循环配管；14-贮存罐内的氮返回配管；15-氮返回配管出口；16、18、20-加压用分支配管；17-气化器；19-阀；21-加压用外部配管；22-高压的氮储气瓶；23-贮存罐内部的加热棒。
具体实施方式
参照附图对本发明的超导电力设备用冷却***详细地进行说明。
本发明的超导电力设备用冷却***是具备：贮存液态气体的贮存罐、循环泵、冷却液态气体的热交换器、及液化气进行循环的循环回路，使用循环泵在过冷状态下使液化气循环由此冷却超导电力设备的超导电力设备的冷却***，其特征在于，还具备用与液化气同种类的气体对贮存罐加压的加压机构，以加压状态贮存液化气的贮存罐的液面位于只高出循环的液化气的返回线路的出口，至少加压气体的溶入深度+液面移动补正量的上部的位置。
对于以加压状态贮存液化气的贮存罐的液面需要位于只高出循环的液化气的返回线路的出口，至少加压气体的溶入深度+液面移动补正量的上部的位置的情况，以下进行说明。
通过实验验证了加压气体的溶入深度与压力减少率之间的关系。图5是表示加压气体溶入深度[m]与压力减少率[％]的关系的图。
图5中，分别由横轴和纵轴表示加压气体由贮存罐的液面溶入的深度(即，加压溶入深度)和基于液化的贮存罐内的压力每一小时的减少率。作为实验条件，贮存罐的内容积使用直径1m、高度1m的容器，压力设为0.3MPa。其结果，如从图5可明确，溶入深度在达到10cm之前，压力的减少率显著大，溶入深度大概在达到20cm之前，加压中使用的气相的氮气凝缩为液体，加压的压力的减少依然很快。另一方面可知：如果将溶入深度保持在20cm以上，则能够将压力的减少量维持为1％以下的小值。实际上，除了加压气体的溶入深度之外，因液态氮的温度、压力等的影响液面产生变化，所以需要考虑液面移动补正量。
因此，以加压状态贮存液化气的贮存罐的液面需要位于只高出循环的液化气的返回线路的出口，至少加压气体的溶入深度+液面移动补正量的上部的位置。具体为，作为加压气体的溶入深度(20cm)+液面移动补正量(30cm)适宜为50cm以上。上述的情况对贮存罐的容器形状的依赖性很小，即使尺寸改变，必要深度也大概如此。因此，在本申请的***中，作为贮存罐的容器高度，需要能够确保必要深度(优选50cm以上)的高度。
如上所述，本发明提供在由液化气冷却超导电力设备的***中，沸点低于加压所使用的液化气的气体溶入于液化气中，不会引发针对液化气的循环的不稳定性因素、或电设备的绝缘的故障，能够在过冷状态下使液化气进行长时间循环的冷却***。
在上述的状态下加压的加压机构由与贮存罐内贮存的液化气同种类的气体将贮存罐加压到规定的压力而构成。为了防止加压的气体被液化气冷却而液化，相对于处于贮存罐内的循环泵的返回配管的出口，贮存罐的液面位于至少高出20cm以上的位置，优选高出50cm以上的位置。
此外，作为加压的机构，代替由高压储气瓶加压的机构，具有通过使高于贮存罐的压力的循环泵出口压力返回到贮存罐而进行加压的机构。作为使用循环泵出口的压力的具体的机构，具有如下所述的机构：将从贮存罐汲出并加压液体、然后送出液体到超导电力设备的循环泵的出口配管分支，并从贮存罐的压力分出液化气的一部分，使用气化器使分支的液化气气化，进而，经由根据用于将贮存罐的压力维持为规定的压力的压力进行开闭动作的压力调节阀，返回到贮存罐。
为了对本发明的作用进行说明，对作为液化气使用液态氮的情况进行说明。液态氮在大气压(1.013MPa)下的沸点为77K。若将该液态氮加压到0.3MPa，则液体氮的沸点达到90K以上。因此，若将77K的液态氮加压到0.3MPa，则液态氮成为没有气泡产生的过冷状态。循环泵的取液部处于贮存罐的底部，由配管与循环泵连结。
另一方面，循环返回的配管与贮存罐连接，但该配管出口的位置处于低于液面的位置。由循环泵送出的液化气冷却超导电力设备之后返回到贮存罐。此时，由于配管出口处于低于液面的位置，所以返回的液化气不与贮存罐的加压气相接触，而是移动到循环泵的液态氮取液口，再次进行循环。
在本发明中，由于使液面的位置高出配管出口或循环泵的取液口规定高度(20cm)以上(即，设有规定的液化气层)，所以对于分别位于配管口的过冷的冷液态氮，使其上面的液态氮的温度朝向液面顺次增高，液面部的液态氮温度变为与0.3MPa的液化气的沸点温度大致相同。因此，过去，由同种类的气体加压贮存罐内时，产生了气体液化，来不及供给气体造成压力降低的问题，但通过这次的设置液化气层，明确了大部分气体不会被液化。
在本发明中，作为加压的方法，对由储气瓶加压的方法以外的方法也重新进行了考察。参照图1对本发明中的由自身的压力进行加压的方法进行说明。最初，从处于大气压状态(a点)的贮水池内部汲出液态氮，然后由循环泵送出液体。在循环泵的出口，液态氮以50L/min流动，对于入口，液态氮被0.2MPa加压(b点)。由中途的气化器将利用出口部的压力时从出口配管分支而被加压的液态氮气化为气体，并返回到贮存罐，由此使贮存罐的压力上升。(箭头c)。
对应于此，循环泵的出口压力也上升(箭头d)，从而能够始终对贮存罐加压。若贮存罐的压力超过上限设定压力(P2)(e点)，则安装在配管上的阀关闭，停止向贮存罐供给气体。之后，在贮水池内部，气相的氮气被氮气的三相点以下的液态氮制冷，从而气相的氮气液化成为液态氮。贮存罐的压力减小(箭头f)相当于液化而气体体积减少的部分的量。若达到下限设定压力(P1)(g点)，则阀打开，再次由循环泵出口的压力向贮存罐内部供给氮气，加压贮存罐的压力。
由于低温的氮气在配管中流动，所以有可能使配管或阀结冰，作为气化器的功能，为了防止该情况将液态氮氮化并升温到室温。作为气化器，具有如下方法：将加热棒卷绕到配管上，或使配管穿过水等中，还有在配管上安装散热片通过与外气的热交换进行升温的方法。另外，作为阀的功能具有如下作用：若只是由从泵分支的配管继续送出气体，则贮存罐的压力继续上升，有可能达到贮存罐的设计压力以上，所以如果贮存罐的压力达到规定的压力以上，则会成为关闭状态停止气体的加压，如果达到规定的压力以下，则会成为打开状态，加压并自动地保持一定的压力。
再有，贮存罐的容量大的情况下，由于加压到规定的压力需要大量的氮气，所以需要另外准备氮储气瓶，从而也能够将贮存罐的压力加压到规定的压力。另外，还可并用在贮存罐的内部的气相部分配置加热棒等加热装置，使贮存罐内的气体加压膨胀而进行加压的方法。
以下，通过实施例对本发明更加详细地说明。
实施例
实施例1
图2是说明本发明的超导电力设备的冷却***的一个实施例的图。作为液化气使用了液态氮。液态氮贮存在贮存罐1中。贮存罐1形成为双层容器构造，在双层容器之间，围绕内侧容器1b地施工有绝热材，进而为了降低热传导维持为真空状态。此外，贮存罐是密封容器，用于对内部加压。
在贮存罐的底部具有连接到循环泵的取液口3，从此处开始由直径3cm的口径的配管4连接到循环泵5的入口。循环泵5是涡流式的旋转式泵。用于使散热片5c旋转的马达5a与散热片之间，为了抑制因传导流入热，由大约50cm的长轴的轴5b连接。
另外，散热片本身配置在真空容器内部5e，抑制来自外界的热传导。本发明的旋转式泵是50Hz的转速，作为液态氮流量，能够流过30L/min的流量，另外，作为入口与出口的压力差，能够获得0.2MPa的排出压。由直径3cm的配管6从泵出口连接到其前面的冷冻机的热交换器7。
冷冻机8由GM冷冻机或斯特林冷冻机等构成，热交换器与制造寒冷的低温头连接，将循环的液态氮冷却到低温。在本发明中，使用了具有1kW的冷冻能力的斯特林冷冻机，通过使30L/min的液态氮通过由冷冻机冷却的热交换器，能够在入口将77k的物质冷却到74k。
由冷冻机冷却的液态氮通过直径3cm的配管9与超导电力设备的入口10不透水地连接。在本实施例的用于冷却超导电缆11的冷却***中，通过在超导电缆内流通由冷冻机制冷的液态氮，由此冷却超导电缆。冷却了超导电缆的液态氮温度上升，但由于上升的温度在沸点以下，所以维持了液态氮中没有产生气泡的过冷状态。因此，即使是500m的超导电缆，压力损失也在0.1MPa以下，从而足够小，能够稳定地流过液态氮。
另外，由于没有产生气泡的液态氮渗入到了超导电缆的电绝缘层，所以能够保持良好的电绝缘。离开超导电缆的出口12的液态氮通过配管13返回到贮存罐1中，由此形成循环回路。贮存罐1、循环泵2、冷冻机的热交换器3、超导电缆4、及连结这些设备的氮配管，全部为了降低来自外界的传导热，形成为使用了真空绝热的双层容器构造。
返回到贮存罐的配管13，即从贮存罐的上部达到底部的配管14，在贮存罐的底部使液体从出口15返回到贮存罐。
另外，与循环泵连结的取液口3也位于贮存罐的底部。在循环中，贮存罐的液态氮以液面2处于高出出口15的位置至少20cm以上的位置的方式存留有氮。
本发明的通过循环泵的出口压力加压贮存罐的方法，从泵出口的配管6分支直径6mm的不锈钢制的配管16而分出。经过配管16的内部的液态氮离开循环泵的真空容器之后，经过气化器17，全部从液态氮变为常温的氮气。
作为气化器，本实施例中，在温水容器的内部铜制的6mm配管使用了卷曲为6m线圈形状的结构，被浸入到温水中使内部的液态氮处于升温。作为气化器，在本实施例以外，还可使用例如在线圈的外侧卷绕加热棒，基于通电加热棒发热进行升温的方法，或在配管上安装散热片，通过与大气的热交换进行加温的方法等，只要是能够将内部的液体转化为室温的气体的方法均可。离开气化器17的配管18上安装有具有压力控制功能的阀19，其使出口压力达到规定的压力以下的气体流过，阻止达到规定的压力以上的气体。离开阀19的配管20安装在贮存罐的上部，能够加压贮存罐。
再有，通过了气化器17之后的配管18、20因在室温下所以不必特别设为绝热构造，但从循环泵出口到气化器的配管16由聚氨酯泡沫塑料等绝热材包围的方面，对于配管16上不产生霜及美观上较为适宜。再有，阀19如果使用低温下动作的阀，则还可调换阀19与气化器17的位置，但低温用的阀价格高于常温用，经济上并非适当的配置。再有，作为本实施例，从泵出口的配管6分出了压力分出的配管16，但也可从冷冻机的热交换器的出口的配管9，从超导设备的入口部10分出，只要是高于贮存罐的压力的部分，无论从何处分出均能够达到本发明的目的，在这个意义上对于泵出口并非仅仅表示泵的出口附近，而是比泵的出口更靠下游的所有的总称。
实施例2
在实施例1中，对循环泵处于贮存罐的外面的情况进行了说明，但在循环泵处于贮存罐的内部的情况下，也能够实施本发明。图3是表示本发明的超导电力设备的冷却***的另一个方式的局部图。即，图3是表示为了说明本实施例抽出冷却***中的贮存罐部的图。循环泵5中送出液体的散热片部5c处于贮存罐的液体中，由长轴5b传递马达5a的旋转。液态氮从贮存罐中汲出，经过配管6离开贮存罐，连接到冷却液态氮的冷冻机。
加压用的配管在该情况下，安装到离开贮存罐的配管6的部分，之后与实施例1同样地经过气化器17、阀19返回到贮存罐。
实施例3
在实施例1中，作为贮存罐的加压机构，只是基于来自泵出口的气体的机构。该情况下，在配管细到6mm的基础上，压力也只有排出压力部分，所以气体供给也减少，达到规定的压力需要非常长的时间。特别是如果贮存罐大型化，则需要数十小时。因此，如图4所示，作为辅助机构，在贮存罐上安装外部配管21，由高压的氮储气瓶22或氮气凝块(curdle)供给气体。另外，若贮存罐内部的气相部分制冷到低温，则导致促进液化，所以也可在气相部分配置加热棒23由此抑制液化。
根据本发明，可提供沸点低于加压所使用的液化气的气体溶入于液化气中，不会引发针对液化气的循环的不稳定性因素、或电设备的绝缘的故障，能够在过冷状态下使液化气进行长时间循环的超导电力设备的冷却***。

Claims (6)

1.一种超导电力设备的冷却***，具备贮存液化气的贮存罐、循环泵、冷却液化气的热交换器、及液化气进行循环的循环回路，使用循环泵在过冷状态下使所述液化气循环，由此冷却超导电力设备，该超导电力设备的冷却***的特征在于，
还具备加压机构，该加压机构用与所述液化气同种类的气体对贮存罐进行加压，以加压状态贮存所述液化气的贮存罐的液面位于只高出循环的液化气的返回线路的出口，至少加压气体的溶入深度+(加)液面移动补正量的上部的位置。
2.根据权利要去1所述的超导电力设备的冷却***，其特征在于，
用与液化气同种类的气体对贮存罐进行加压的所述加压机构如下所述地构成：由以高压存储有与所述液化气同种类的气体的储气瓶，经由压力调节阀以规定压力进行加压。
3.根据权利要去1所述的超导电力设备的冷却***，其特征在于，
用与液化气同种类的气体对贮存罐进行加压的所述加压机构如下所述地构成：通过从将过冷状态的液化气从贮存罐送出的循环泵的出口，送往所述超导电力设备的液化气的一部分分支并返回到贮存罐的配管，利用循环泵的排出压力对贮存罐进行加压。
4.根据权利要去3所述的超导电力设备的冷却***，其特征在于，
用与液化气同种类的气体对贮存罐进行加压的所述加压机构由使液化气气化的气化器和压力调节用的压力调节阀构成，所述气化器和压力调节阀设在：从将过冷状态的液化气从贮存罐送出的所述循环泵的出口，送往超导电力设备的液化气的一部分分支并返回到贮存罐的配管。
5.根据权利要去4所述的超导电力设备的冷却***，其特征在于，
还具备所述加压机构的辅助机构，所述辅助机构如下所述地构成：通过由储气瓶供给与液化气同种类的气体而进行加压。
6.根据权利要去1～5中任一项所述的超导电力设备的冷却***，其特征在于，
还具备所述加压机构的辅助机构，所述辅助机构如下所述地构成：在贮存罐的气相部分配置加温装置，使贮存罐气相部的气体过热体积膨胀。
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