JP5203642B2 - 超電導送電ケーブル、及びそのシステム - Google Patents
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Description
一般的な超電導送電ケーブルの一例として、図8に高温超電導体を利用した送電ケーブルの模式図を示す。超電導送電ケーブル100は、断熱管の中にアルミ材等で形成されたフォーマー101と呼ばれる中空管を配し、その外周に超電導体102、絶縁材103を巻き付けた構造をしている。前記断熱管は、内側断熱管104と外側断熱管106との間に断熱真空部105を配した真空断熱構造となっている。そして前記フォーマー101の内外に対向式に沸点より低温の液体冷媒107を流し、超電導体102を冷却して超電導状態を形成している。前記液体冷媒107は、主に液体窒素が用いられている。
また、特許文献2(特開2001−202837号公報)には、ケーブルコアの内外側に2種類の冷媒が充填された超電導送電ケーブルが開示されており、ケーブルコアの内側に充填される冷媒の使用温度変化幅が、ケーブルコアの外側に充填される冷媒の使用温度変化幅よりも大きい冷媒を用い、内側の冷媒には液体酸素と液体窒素との混合物を使用し、外側の冷媒には液体窒素を利用した構造が記載されている。このように、液体酸素のような使用温度変化幅の大きい冷媒を使用することにより、一の冷却区間長を長くすることができる。
冷凍装置を備えた送電ケーブルシステムは、例えば特許文献3(特開2002−56729号公報)等に開示されている。これは、冷凍機と圧送ポンプからなる冷凍ステーションと、これとは別に圧送ポンプのみをケーブル経路上に独立して配置した構成としており、これにより圧力損失量による冷却区間長の制限を緩和して冷却区間を長くすることができる。
そこで、近年ではフォーマー内外に同方向に液体冷媒を流す方式が有望と見られている。液体窒素を冷媒として同方向に流すようにした送電ケーブルシステムを図9に示す。このシステムでは、超電導送電ケーブル100の冷却区間長毎に冷却設備110a、110b、…が配設されたシステムにおいて、冷却設備110aで生成された液体窒素は超電導送電ケーブルの上流端から超電導送電ケーブル内に導入される。該ケーブル内で液体窒素温度はケーブル中での吸熱により徐々に昇温し、沸点到達前にケーブル下流端に到達する。ケーブル下流端を出た液体窒素は冷却設備110bで冷却後さらに下流の超電導送電ケーブルを冷却するため別のケーブルに送られる。
従って、本発明は上記従来の技術の問題点に鑑み、一の超電導送電ケーブル内における冷媒の循環利用が可能で、高温超電導体の高効率冷却が可能である超電導送電ケーブル、及びそのシステムを提供することを目的とする。
高温超電導体と、該超電導体を冷却する冷媒を流す冷媒往路及び冷媒復路からなる二以上の冷媒経路と、前記超電導体と前記冷媒経路とを***する断熱管と、を備えた超電導送電ケーブルにおいて、
少なくとも前記冷媒往路に流れる冷媒を、液体窒素に微粒の固体窒素を含有させたスラッシュ窒素としたことを特徴とする。
このように、スラッシュ窒素を冷媒として用いることにより、超電導送電ケーブルの高効率冷却が可能となる。
さらに、前記二の冷媒経路の何れの冷媒もスラッシュ窒素としても良い。これは、超電導送電ケーブルの冷却区間長が比較的短距離か、又は急激な熱負荷が想定される場合に適しており、本発明によりケーブルの全長に亘り63K以下に保持することができ、深冷却が可能である。
前記フォーマーの内側に前記冷媒往路が形成され、前記超電導体の外周に断熱真空層を介して管状の熱輻射シールドが設けられるとともに、前記超電導体に沿って並行に前記断熱真空層を介して前記冷媒復路が設けられることを特徴とする。
このように、熱輻射シールドを設けることにより、外部からの熱侵入を防止でき、効率良い冷却が可能となる。
さらに、前記超電導体がフォーマーの外周に捲回された超電導送電ケーブルにおいて、
前記フォーマーの内側に前記冷媒往路が形成され、前記超電導体の外周に断熱真空層を介して管状の前記冷媒復路が設けられることを特徴とする。
このように、前記冷媒復路そのものを熱輻射シールドとすることにより、簡単な構造でかつ効率良い冷却が可能となる。
前記冷媒生成手段が、液体窒素を充填した低温容器と、該容器内に容器内空間よりも高い圧力の低温作動流体を噴出して前記液体窒素を吸い出すエジェクタと、を有し、
該冷媒生成手段にて、前記低温作動流体により吸い出され噴出される液体窒素が、前記低温作動流体によって冷却され微粒の固体窒素となって落下し、液体窒素と混合されてスラッシュ窒素を生成し、該スラッシュ窒素を前記圧送手段により前記冷媒経路に導入する構成としたことを特徴とする。
このように、前記冷媒生成手段を用いることにより、スラッシュ窒素中の固体窒素の粒径を比較的均一にかつ小さくすることができ、超電導送電ケーブルの冷媒経路に流す場合において圧力損失を小さくすることができる。
前記冷媒生成手段が、液体窒素の充填された断熱容器と、前記断熱容器内部を減圧する減圧手段と、前記断熱容器内を撹拌する撹拌手段と、を有し、
該冷媒生成手段にて、前記減圧手段によって前記断熱容器内の液体窒素を減圧して降温し、三重点に到達せしめて固体窒素を生成し、前記撹拌手段で撹拌して微粒化した固体窒素を液体窒素と混合してスラッシュ窒素を生成し、該スラッシュ窒素を前記圧送手段により前記冷媒経路に導入する構成としたことを特徴とする。
本発明によれば、他の冷媒を用いずに固体窒素を生成することができるため、他の冷媒の再圧縮装置などの大型設備を必要とせずに、簡単な構造でかつ小型化された装置でスラッシュ窒素を生成できる。
前記冷媒生成手段が、減圧下に保持した容器と、液体窒素を該容器内に噴射するノズルと、前記容器内を撹拌する撹拌機と、を有し、
該冷媒生成手段にて、前記ノズルより噴射した液体窒素の液滴粒子を減圧雰囲気により蒸発させ、蒸発潜熱によって液滴粒子を凝固させて固体窒素を形成させ、前記液体窒素と混合してスラッシュ窒素を生成し、該スラッシュ窒素を前記圧送手段により前記冷媒経路に導入する構成としたことを特徴とする。
このように、前記冷媒生成手段を用いることにより、簡単な装置で容易にスラッシュ窒素を生成することができる。
また、送液停止時においても固体潜熱によりある程度の時間は超電導物体の温度を低温に保つことができ、送電ケーブルシステムの信頼性が向上する。
さらに、固体分が存在する限り温度を一定に保つことができ、前記超電導体の内外に対向式にスラッシュ窒素を流しても、ケーブルで発生した熱はケーブル外に効率よく持ち運ばれ、かつ冷媒が一端側に集中することを防止できる。さらにまた、スラッシュ窒素中から固体分が無くなっても63Kから沸点までの温度上昇分に相当する熱量が利用できるため、単なる液体窒素冷却に比べて少ない量で冷却が可能となる。
このように、スラッシュ窒素を冷媒として用いることにより、超電導送電ケーブルの高効率冷却が可能となる。
図1において、超電導送電ケーブル10は、内周側から、フォーマー11、高温超電導体12、絶縁層13、内側断熱管14、外側断熱管15で構成される。前記フォーマー11はアルミ管、銅管などの金属材料等、熱伝導性の高い材質を用いることが好ましく、図に示されるような中空円筒形状とし、その内部を冷媒往路20とする。尚、フォーマー11を中実円筒形状として、冷媒経路を該フォーマー11の外側に並行して配置する構成としても良い。
前記超電導体12は77.3K(−196℃)で超電導状態となる酸化物系超電導材料で形成され、好適には銅の酸化物であるイットリウム系又はビスマス系酸化物で形成される線材に、銀又は銀合金シースで被覆したもの等が良い。該超電導体12は、テープ状若しくは丸線状の超電導線材を前記フォーマー11に巻き付け積層する構造、若しくは前記超電導線材を撚り合わせて巻回する構造などが挙げられる。
前記絶縁層13は、クラフト紙や樹脂等の絶縁体を捲回した構成とする。
前記内側断熱管14は、前記絶縁層13の外周側に所定間隔だけ離間させて配置され、これらの間の空間に冷媒復路21が形成されている。
前記外側断熱管15は、前記内側断熱管14の外周側に不図示の真空断熱管を介して配置される。
このように、スラッシュ窒素を冷媒として用いることにより、超電導送電ケーブル10の高効率冷却が可能となる。
本実施例1に係る超電導送電ケーブル10は、上記した参考例1とほぼ同様の構成を有しており、該超電導送電ケーブル10は、内周側から、フォーマー11、高温超電導体12、絶縁層13、内側断熱管14、外側断熱管15で構成され、さらに前記フォーマー11の内部に冷媒往路20、前記絶縁層13と前記内側断熱管14の間に冷媒復路21が形成されている。各々の構成については参考例1と同様であるため説明を省略する。
本実施例1は、超電導送電ケーブル10の冷却区間長が長い場合に適しており、図2(a)に示されるように、前記冷媒往路20に冷媒であるスラッシュ窒素(SN2)を導入し、前記冷媒復路21には往路にて融解した液体状の液体窒素(LN2)を流す。
図3に示した超電導送電ケーブル10は、冷却区間長が長距離である場合に適した構成となっており、フォーマー11に超電導体12及び絶縁層(不図示)が巻回され、その外周側に断熱真空層17を介して外部断熱管15が設けられている。前記フォーマー11の内部には冷媒往路20が形成される。
また、前記断熱真空層17には輻射シールド16が設けられ、該輻射シールド16は前記断熱真空層17の少なくとも一部を残して前記超電導体12を***している。この輻射シールド16は外部からの輻射熱を遮断する目的で設けられ、その材質は、熱伝導に優れ且つ放射率の低いものが好ましく、例えば研磨したステンレスや銅が用いられる。また、輻射シールド16の外側には、一般的にスーパーインシュレーションと称されるアルミ蒸着された薄膜のプラスティックによる複数枚(例えば20枚程度)の輻射シールド層(不図示)を設けることが好ましい。
さらに、前記輻射シールド16上には、前記超電導体12に並行に冷媒復路21が近設配置されている。前記冷媒往路20にはスラッシュ窒素が流され、前記冷媒復路21には主として液体窒素が流される。
この場合前記超電導体12は、内側の前記冷媒往路20を流れるスラッシュ窒素からの熱伝導により冷却される。外側は真空断熱層17を経た63〜77K程度の輻射シールドで覆われる。このため外側からの熱侵入は無いことになり、効率良く冷却を行なうことができる。
このように、前記冷媒復路21を輻射シールドとすることにより、前記冷媒往路20にてスラッシュ窒素の固体が全て融解しても、前記冷媒復路21を経てケーブル開始端に至った液体窒素の温度が77K以下であれば配管中で気泡を生じることがなく、圧力損失が発生せずに効率良く冷媒を流動できる。
尚、図3及び図4の構成において、本実施例1に適用する以外にも上記した参考例1のように、冷媒往路20及び冷媒復路21の両方にスラッシュ窒素を流す構成とすることもできる。
本実施例のスラッシュ窒素生成装置は、参考例1若しくは実施例1に記載した超電導送電ケーブル10の端部に設置された冷却設備内に具備される冷媒生成手段である。前記冷却設備は圧送ポンプとスラッシュ窒素生成装置とを有しており、該生成装置にて生成したスラッシュ窒素を前記圧送ポンプにより前記超電導送電ケーブル内に供給するようになっている。
前記スラッシュ窒素生成装置において、低温容器30内には液体窒素が充填されており、また該低温容器30内に配置されたエジェクタ31に、作動流体供給ラインより液体ヘリウム或いは低温のヘリウムガス等の低温作動流体が供給される。冷媒としては、ヘリウムの他にネオン、水素などを用いることができる。
前記低温容器30内の液体窒素上部の空間36には、真空ポンプ32と弁を具備した排気ライン33と、空間36を大気圧よりも若干高い圧力に保つための、弁を具備した排気ライン34が開口している。
前記低温容器30を密閉し、前記真空ポンプ32により容器内を減圧すると液体窒素は蒸発し、蒸発潜熱のために液体窒素の温度は低下する。液体窒素の温度が大気圧における融点、つまり固体化する温度よりも若干高い65K付近になったところで低温作動流体を供給し、容器内を大気圧或いはそれよりも若干高い圧力に保持しておく。
前記エジェクタ31に低温作動流体を供給すると、エジェクタノズルから噴出する作動流体噴流により液体窒素が前記吸込管35を介してエジェクタ31に吸い出され、液体窒素は冷媒とともにエジェクタ31のディフューザを通って空間36に噴出される。液体窒素は前記ディフューザにて冷媒と激しく混合し冷却されて微細で比較的均一な粒径の固体窒素となる。作動流体により増大した圧力は、排気ライン34を介して排気することにより調整される。
さらに、前記生成した固体窒素が落下して液体窒素の底部に集中しないように、撹拌翼37にて均一に混合し、スラッシュ化する。
前記容器30の下部にはスラッシュ窒素が溜まり、適切な時期に弁を具備した排出ライン38を介してスラッシュ窒素を排出し、前記圧送ポンプ39により超電導送電ケーブル10の冷媒往路に導入する。
上記したようなスラッシュ窒素生成装置を用いることにより、スラッシュ窒素中の固体窒素の粒径を比較的均一にかつ小さくすることができ、超電導送電ケーブルの冷媒経路に流す場合にも圧力損失を小さくすることができる。また、本実施例のスラッシュ窒素生成装置を適用することにより、スラッシュ窒素中の固体窒素の粒径を簡単に制御することができ、スラッシュ窒素の最適化が図れる。
本実施例3のスラッシュ窒素生成装置は、上記した実施例2と同様に、参考例1若しくは実施例1に記載した超電導送電ケーブル10の端部に設置された冷却設備内に具備される。該冷却設備は圧送ポンプとスラッシュ窒素生成装置とを有しており、該生成装置にて生成したスラッシュ窒素を前記圧送ポンプにより前記超電導送電ケーブル内に供給するようになっている。
前記スラッシュ窒素生成装置は、液体窒素を貯留した断熱容器40内の気相部を、真空ポンプ41にて減圧し、減圧が進行すると液体窒素が蒸発し、潜熱により液体窒素の温度が低下し、内容物が窒素の三重点に達すると固体窒素が生成し始める。三重点への到達は温度計42で温度が63.1K以下に下がらなくなった事で確認する。三重点到達時は真空ポンプ41を停止して液面計43でレベルを計測する。その後真空ポンプ41を運転し、両撹拌翼44、45も回転する。
このように、本実施例3のスラッシュ窒素生成装置は、他の冷媒を用いずに固体窒素を生成することができるため、他の冷媒の際圧縮装置などの大型設備を必要とせずに、簡単な構造でかつ小型化された装置でスラッシュ窒素を生成できる。
本実施例4のスラッシュ窒素生成装置は、上記した実施例2と同様に、参考例1若しくは実施例1に記載した超電導送電ケーブル10の端部に設置された冷却設備内に具備される。図に示されるように前記スラッシュ窒素生成装置は、液体窒素タンク50と、ノズル52を具備する容器53と、真空ポンプ54と、撹拌翼55とを備えている。
液体窒素が貯留された液体窒素タンク50には液体窒素供給管が接続され、一つは容器53へ、一つはポンプ51を介して前記容器53の上部に配設されたノズル52へ連結されている。前記容器53の天井部からは真空配管が接続され真空ポンプ54により容器内を減圧することができる。
さらに、容器底部には撹拌翼55が設けられ、内容物を撹拌可能となっている。また、容器53の側壁の底部付近には内容物取り出し配管が設けられ、該内容物は圧送ポンプ58により前記超電導送電ケーブル10の冷媒往路へ導かれる。
このように、本実施例に係るスラッシュ窒素製造装置を用いることにより、簡単な装置で容易にスラッシュ窒素を生成することができる。
11 フォーマー
12 超電導体
13 絶縁層
14 内側断熱管
15 外側断熱管
16 輻射シールド
17 断熱真空管
20 冷媒往路
21 冷媒復路
30 低温容器
31 エジェクタ
39 圧送ポンプ
40 断熱容器
52 噴射ノズル
53 容器
58 圧送ポンプ
Claims (7)
- フォーマーの外周に巻回された高温超電導体と、該超電導体を冷却する冷媒を流す冷媒往路及び冷媒復路からなる二以上の冷媒経路と、前記超電導体と前記冷媒経路とを***する断熱管と、を備えた超電導送電ケーブルにおいて、
前記フォーマーの内側に前記冷媒往路が形成され、
前記超電導体の外周に断熱真空層を介して管状の熱輻射シールドが設けられ、
前記超電導体に沿って並行に前記断熱真空層を介して前記冷媒復路が設けられ、
少なくとも前記冷媒往路に流れる冷媒を、液体窒素に微粒の固体窒素を含有させたスラッシュ窒素とし、
前記冷媒復路に流れる冷媒を、液体窒素に微粒の固体窒素を含有させたスラッシュ窒素又は液体窒素としたことを特徴とする超電導送電ケーブル。 - フォーマーの外周に巻回された高温超電導体と、該超電導体を冷却する冷媒を流す冷媒往路及び冷媒復路からなる二以上の冷媒経路と、前記超電導体と前記冷媒経路とを***する断熱管と、を備えた超電導送電ケーブルにおいて、
前記フォーマーの内側に前記冷媒往路が形成され、
前記超電導体の外周に断熱真空層を介して管状の前記冷媒復路が設けられ、
少なくとも前記冷媒往路に流れる冷媒を、液体窒素に微粒の固体窒素を含有させたスラッシュ窒素とし、
前記冷媒復路に流れる冷媒を、液体窒素に微粒の固体窒素を含有させたスラッシュ窒素又は液体窒素としたことを特徴とする超電導送電ケーブル。 - 前記冷媒往路に流れる冷媒をスラッシュ窒素とし、前記冷媒復路に流れる冷媒を主として液体窒素としたことを特徴とする請求項1又は2に記載の超電導送電ケーブル。
- 前記二の冷媒経路の何れの冷媒もスラッシュ窒素としたことを特徴とする請求項1又は2に記載の超電導送電ケーブル。
- 請求項1乃至4の何れか一項に記載の超電導送電ケーブルと、前記冷媒を生成する手段と、該冷媒を前記超電導送電ケーブルに圧送する手段とからなる冷却設備と、を備えた超電導送電ケーブルシステムにおいて、
前記冷媒生成手段が、液体窒素を充填した低温容器と、該容器内に容器内空間よりも高い圧力の低温作動流体を噴出して前記液体窒素を吸い出すエジェクタと、を有し、
該冷媒生成手段にて、前記低温作動流体により吸い出され噴出される液体窒素が、前記低温作動流体によって冷却され微粒の固体窒素となって落下し、液体窒素と混合されてスラッシュ窒素を生成し、該スラッシュ窒素を前記圧送手段により前記冷媒経路に導入する構成としたことを特徴とする超電導送電ケーブルシステム。 - 請求項1乃至4の何れか一項に記載の超電導送電ケーブルと、前記冷媒を生成する手段と、該冷媒を前記超電導送電ケーブルに圧送する手段とからなる冷却設備と、を備えた超電導送電ケーブルシステムにおいて、
前記冷媒生成手段が、液体窒素の充填された断熱容器と、前記断熱容器内部を減圧する減圧手段と、前記断熱容器内を撹拌する撹拌手段と、を有し、
該冷媒生成手段にて、前記減圧手段によって前記断熱容器内の液体窒素を減圧して降温し、三重点に到達せしめて固体窒素を生成し、前記撹拌手段で撹拌して微粒化した固体窒素を液体窒素と混合してスラッシュ窒素を生成し、該スラッシュ窒素を前記圧送手段により前記冷媒経路に導入する構成としたことを特徴とする超電導送電ケーブルシステム。 - 請求項1乃至4の何れか一項に記載の超電導送電ケーブルと、前記冷媒を生成する手段と、該冷媒を前記超電導送電ケーブルに圧送する手段とからなる冷却設備と、を備えた超電導送電ケーブルシステムにおいて、
前記冷媒生成手段が、減圧下に保持した容器と、液体窒素を該容器内に噴射するノズルと、前記容器内を撹拌する撹拌機と、を有し、
該冷媒生成手段にて、前記ノズルより噴射した液体窒素の液滴粒子を減圧雰囲気により蒸発させ、蒸発潜熱によって液滴粒子を凝固させて固体窒素を形成させ、前記液体窒素と混合してスラッシュ窒素を生成し、該スラッシュ窒素を前記圧送手段により前記冷媒経路に導入する構成としたことを特徴とする超電導送電ケーブルシステム。
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