JP5665963B2 - 超電導ケーブル冷却システム - Google Patents
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Description
冷却システム100は、冷却対象として高温超電導体からなる超電導ケーブル1を有しており、該超電導ケーブル1の冷却用冷媒として液体窒素を用いている。超電導ケーブル1を冷却した冷媒は、一旦リザーバータンク2に貯留される。リザーバータンク2では、冷媒が加圧装置3によって所定圧力値に加圧されて貯留されている。この所定圧力値は、リザーバータンク2に設けられた圧力センサ4によって検出した圧力値を、図不示の加圧装置3のコントローラが取得し、該取得した圧力値が所定値になるように加圧装置3をフィードバック制御することによって維持されている。
Q=(P C ×t 1 +P P ×t P )
P b =Q/t P
によって算出される冷凍能力P b を発揮するように、前記冷凍機を制御することを特徴とする。
また他の実施形態では、第1の冷媒を循環ポンプで超電導ケーブルに供給して第1の循 環経路を形成することにより、前記超電導ケーブルを冷却する超電導ケーブル冷却システ ムにおいて、前記第1の循環経路上に形成された第1の熱交換部と、前記第1の循環経路 と独立して形成された第2の冷媒が流れる第2の循環経路上に第2の熱交換部を有する冷 凍機と、第3の冷媒が充填された冷却空間内に前記第1の熱交換部と前記第2の熱交換部 を収納する熱交換ユニットと、前記熱交換ユニットに充填された液化ガスの温度が所定値 になるように前記冷凍機を制御する制御部とを備え、前記超伝導ケーブルの発熱P C1 が 期間t 1 継続した後、発熱P C2 が期間t 2 継続するサイクルを繰り返す場合、前記制御 部は、前記冷凍機の冷却能力Pbが次式
P b ×(t 1 +t 2 )=(P P +P C1 )×t 1 +(P P +P C2 )×t 2
を満たすように制御することを特徴とする。
また前記第1の冷媒は液体窒素であり、前記第2の冷媒は前記第1の冷媒より液化温度 の低い気体であり、前記第3の冷媒はスラッシュ窒素であってもよい。
図1は第1実施例に係る超電導ケーブル冷却システム100の全体構成を概略的に示す構成図である。尚、図10を参照して説明した背景技術と共通する箇所については、共通の符号を付すこととし、細部については適宜説明を省略することとする。
ΔTC=(PC×t1+PP×tP)/(m×C×tp) (1)
で求められる。ここで冷却システム100全体における発熱量Q[J]は
Q=(PC×t1+PP×tP) (2)
である。この発熱量Qは冷却空間15に充填された液化ガスに蓄熱され、仮に液化ガスが冷凍機6によって冷却されないと仮定した場合、液化ガスの温度は次式により算出される温度ΔTだけ上昇することとなる。
ΔT=Q/(M×C) (3)
従って、液化ガスの温度上昇をΔT=0[K]にするためには、発熱量Qに相当する熱量を冷却空間15に充填された液化ガスから取り去ればよいので、ブレイトンサイクル冷凍機6の冷却能力Pbを次式
Pb=Q/tP (4)
になるように制御するとよい。制御部50は、このように(4)式により求められる冷却能力Pbを発揮するように冷凍機6を制御することにより、液化ガスの温度上昇をΔT=0[K]にし、超電導ケーブル1の冷却を安定的に行うことが可能となる。
tP=t1+t2
であるため、ブレイトンサイクル冷凍機6の冷却能力Pbが次式
Pb×(t1+t2)=(PP+PC1)×t1+(PP+PC2)×t2 (5)
になるように制御するとよい。
Q1=(PC1+PP)×t1 (6)
により求められる。この発熱量Q1は冷却空間15に充填された液化ガスに蓄熱されて冷媒温度を上昇させるが、冷凍機6によって液化ガスが冷却される。そのため、期間t1における温度変化ΔT1は、
ΔT1=(PC1+PP−Pb)×t1/(M×C) (7)
と算出される。そして期間t2では、冷凍機6の冷却能力Pbが(5)式により制御されているので、ΔT1上昇して初期温度T0に戻る。尚、このΔT1は、t2を用いて次式のように算出することもできる。
ΔT1=(PC2+PP−Pb)×t2/(M×C) (8)
TC=Ts+ΔTC (9)
となる。ここで、ΔTCは熱交換ユニット14内の熱交換部4の熱交換効率で決まる温度差であり、所定値となるように熱交換ユニット14や熱交換部4の構成や材料等を選択するとよい。
図5は第2実施例に係る超電導ケーブル冷却システム100の全体構成を概略的に示す構成図である。尚、実施例1と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略することとする。
Q=Pca×t1a+Pcb×t1b+Ppa×tp+Ppb×tp (10)
により算出される。この合計熱量を冷却空間15に充填された液化ガスに蓄熱し、ブレイトンサイクル冷凍機6で取り去ればよい。そのため、ブレイトンサイクル冷凍機6の冷却能力Pb[W]は
Pb=Q/tp (11)
となるように制御されればよい。このように、ブレイトンサイクル冷凍機6の冷却能力Pbは超電導ケーブル1a及び1b、循環ポンプ5a及び5bにおける合計熱量で算出されるので、超電導ケーブル1a及び1bにおける発熱の時間的な変動の影響を受けることはない。
続いて図6を参照して、第3実施例に係る超電導ケーブル冷却システム100について説明する。図6は第3実施例に係る超電導ケーブル冷却システム100の全体構成を概略的に示す構成図である。尚、上記第1実施例と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略することとする。
Q=Pca×t1a+Pcb×t1b+Ppa×tp+Ppb×tp (12)
により算出される。この合計熱量を冷却空間15に充填された液化ガスに蓄熱し、ブレイトンサイクル冷凍機6で取り去ればよい。そのため、ブレイトンサイクル冷凍機6の冷却能力Pb[W]は
Pb=Q/tp (13)
となるように制御されればよい。このように、ブレイトンサイクル冷凍機6の冷却能力Pbは超電導ケーブル1a及び1b、循環ポンプ5a及び5bにおける合計熱量で算出されるので、超電導ケーブル1a及び1bにおける発熱の時間的な変動の影響を受けることはない。
次に図7を参照して、第4実施例に係る超電導ケーブル冷却システム100について説明する。図7は第4実施例に係る超電導ケーブル冷却システム100の全体構成を概略的に示す構成図である。尚、上記第1実施例と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略することとする。
p×V=R×T (14)
の関係が成立する。ここで、体積Vを一定としつつ圧力pを下げることで、温度Tを下げることができる。
次に図8及び図9を参照して、第5実施例に係る超電導ケーブル冷却システム100について説明する。図8は第5実施例に係る超電導ケーブル冷却システム100の全体構成を概略的に示す構成図である。また図9は第5実施例に係る超電導ケーブル冷却システムの循環経路9の各部で冷媒が受け取る発熱、及び冷媒の温度分布を示すグラフ図である。尚、図9では、横軸は基準位置(超電導ケーブル1の冷媒出口)からの距離を示しており、図9(a)の縦軸は各地点における発熱、図9(b)の縦軸は各地点における温度を示している。尚、上記第1実施例と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略することとする。
PP=k×m×p (15)
と求められる。ここで、kは比例乗数である。そのため、流量が減少すると圧力損失も減少し、循環ポンプ5の加圧量も減少する。従って、循環ポンプ5の発熱PPは大幅に減少し、ブレイトンサイクル冷凍機6の能力を低減することができる。
Claims (9)
- 第1の冷媒を循環ポンプで超電導ケーブルに供給して第1の循環経路を形成することにより、前記超電導ケーブルを冷却する超電導ケーブル冷却システムにおいて、
前記第1の循環経路上に形成された第1の熱交換部と、
前記第1の循環経路と独立して形成された第2の冷媒が流れる第2の循環経路上に第2 の熱交換部を有する冷凍機と、
第3の冷媒が充填された冷却空間内に前記第1の熱交換部と前記第2の熱交換部を収納 する熱交換ユニットと、
前記熱交換ユニットに充填された第3の冷媒の温度が所定値になるように前記冷凍機を制御する制御部と
を備え、
前記制御部は、前記超電導ケーブルにおける発熱をP C 、前記超伝導ケーブルの発熱の 発生期間をt 1 、前記循環ポンプにおける発熱をP P 、前記循環ポンプの運転時間をt P としたときに、次式
Q=(P C ×t 1 +P P ×t P )
P b =Q/t P
によって算出される冷凍能力P b を発揮するように、前記冷凍機を制御することを特徴とする超電導ケーブル冷却システム。 - 第1の冷媒を循環ポンプで超電導ケーブルに供給して第1の循環経路を形成することに より、前記超電導ケーブルを冷却する超電導ケーブル冷却システムにおいて、
前記第1の循環経路上に形成された第1の熱交換部と、
前記第1の循環経路と独立して形成された第2の冷媒が流れる第2の循環経路上に第2 の熱交換部を有する冷凍機と、
第3の冷媒が充填された冷却空間内に前記第1の熱交換部と前記第2の熱交換部を収納 する熱交換ユニットと、
前記熱交換ユニットに充填された液化ガスの温度が所定値になるように前記冷凍機を制 御する制御部と
を備え、
前記超伝導ケーブルの発熱P C1 が期間t 1 継続した後、発熱P C2 が期間t 2 継続す るサイクルを繰り返す場合、前記制御部は、前記冷凍機の冷却能力Pbが次式
P b ×(t 1 +t 2 )=(P P +P C1 )×t 1 +(P P +P C2 )×t 2
を満たすように制御することを特徴とする超伝導ケーブル冷却システム。 - 前記冷凍機はブレイトンサイクル冷凍機であり、前記第2の熱交換部はブレイトンサイ クル熱交換部であることを特徴とする請求項1又は2に記載の超電導ケーブル冷却システム。
- 前記第1の循環経路には、該第1の循環経路を流れる前記第1の冷媒を所定圧力に加圧して貯留し、該第1の循環経路における前記第1の冷媒の堆積変動を吸収可能なリザーバータンクが接続されていることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の超電導ケーブル冷却システム。
- 前記第1の冷媒は液体窒素であり、
前記第2の冷媒は前記第1の冷媒より液化温度の低い気体であり、
前記第3の冷媒はスラッシュ窒素であることを特徴とする請求項1から4のいずれか一 項に記載の超伝導ケーブル冷却システム。 - 前記超電導ケーブルを複数備える場合、前記第1の循環経路は前記超電導ケーブルの各々に対応してそれぞれ独立に形成されており、
前記第1の循環経路の各々における前記第1の熱交換部は、単一の前記冷却空間内に配置されていることを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の超電導ケーブル冷却システム。 - 前記複数の超電導ケーブルが互いに直列に接続されている場合に、前記複数の超電導ケーブルのうち隣り合う超電導ケーブルに対応して形成された前記第1の循環経路に含まれる前記第1の熱交換部の各々が、前記冷却空間内に配置されていることを特徴とする請求項6に記載の超電導ケーブル冷却システム。
- 前記熱交換ユニットの冷却空間内に充填された第3の冷媒を減圧するための減圧手段を更に備えたことを特徴とする請求項1から7のいずれか一項に記載の超電導ケーブル冷却システム。
- 前記第1の熱交換部は前記第1の循環経路に複数に分割されて設けられており、前記循環ポンプは前記第1の循環経路上において該分割された前記第1の熱交換部の間に設けられており、前記分割された第1の熱交換部の各々は前記冷却空間内に配置されていることを特徴とする請求項1から8のいずれか一項に記載の超電導ケーブル冷却システム。
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