JP5665963B2 - 超電導ケーブル冷却システム - Google Patents

Description

本発明は、電力の送配電に使用される超電導ケーブルを極低温に冷却するための超電導ケーブル冷却システムの技術分野に関する。

極低温下で電気抵抗値が略ゼロである超電導体を材料とする、電力送配電用の超電導ケーブルがある。超電導ケーブルの送電効率を良好に確保するためには、超電導ケーブルを安定的に極低温状態に維持する必要があり、このような冷却能力を有する冷却システムの研究開発が進められている。尚、一般的に超電導ケーブルの材料としては高温超電導体が用いられており、冷却用の冷媒としては液体窒素が使用されている。

ここで、図１０を参照して、従来の超電導ケーブル冷却システム１００（以下、適宜「冷却システム１００」と称する）の構成について簡略的に説明する。図１０は、従来の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。
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。

リザーバータンク２の下流側には循環ポンプ５が設けられており、当該循環ポンプ５の駆動によってリザーバータンク２に貯留された冷媒は冷凍機６に圧送され、冷却される。冷凍機６はＧＭ冷凍機やスターリング冷凍機である。そして冷凍機６によって冷却された冷媒は、再び超電導ケーブル１に供給され、超電導状態の冷却に使用される。ここで、冷凍機６より下流側には冷媒の温度及び流量を検出するための温度センサ７及び流量センサ８が設けられており、各検出値に基づいて冷媒の温度が所定値に冷却されるように、冷凍機６がフィードバック制御される。

以上説明したように、図１０に示す例では、超電導ケーブル１を冷却することによって温度の上昇した冷媒をリザーバータンク２、循環ポンプ５、及び冷凍機６が設けられた循環経路９を介して冷却した後に、再度超電導ケーブル１に供給するという、循環サイクルを繰り返すものである。特許文献１は、このような循環サイクルにて冷媒を冷却して超電導ケーブル１に供給する方式の冷却システムの一例である。

特開２００６−１２６５４号公報

このような循環サイクルにて冷媒を冷却して超電導ケーブル１に供給する冷却システムでは、超電導ケーブル１の冷却温度を一定に維持するために、超電導ケーブル１への冷媒供給入口（図１０において、流量センサ８の下流側）における冷媒の温度を一定に制御することが要求される。超電導ケーブル１を冷却する際に発生する熱損失としては、大きく次の３つがある。（ｉ）超電導ケーブル１の外部から侵入する熱量による損失、（ｉｉ）超電導ケーブル１に交流電流（又は電圧）を通電した際に発生するＡＣロスによる損失、及び（ｉｉｉ）冷媒を循環させる循環ポンプ５で発生する損失である。特に、（ｉｉ）による熱損失は、電力送電時の超電導ケーブル１の負荷変動に伴い変化する傾向がある。

上記例では、冷媒温度を温度センサ７や流量センサ８における検出値に基づいたフィードバック制御によって制御している。このような制御は、熱損失が時間的に一定である静的な系では有用ではある。しかしながら、超電導ケーブル１で発生する熱損失は上述したように時間的に変動する場合があり、このような場合に冷媒の温度制御が困難になってしまうという問題点が有る。

また上記例では、冷凍機６としてＧＭ冷凍機やスターリング冷凍機が使用されている。そのため、ＧＭ冷凍機では断続運転、スターリング冷凍機では運転サイクルの制御によって、冷媒の温度制御が行われることとなる。この種の冷凍機６を使用する場合、その制御には、循環経路９のうち所定の測定ポイントで温度や流量などの制御パラメータを測定し、冷凍機６をフィードバック制御する必要がある。しかしながら、超電導ケーブルは実用面を考慮すると長さが数ｋｍに及ぶ大規模なものとなるため、当該測定ポイントの最適位置の選出は容易ではない。特に、超電導ケーブル１の長さが数ｋｍのオーダーであるのに対して、実際に想定される冷媒の流速は数十ｃｍ／ｓ程度であると想定される。そのため、冷媒が循環経路９を一巡するために要する時間は数時間程度に達し、冷媒が循環する時定数が非常に大きくなる。一方で、冷媒の温度制御を行う冷凍機６の動作に関する時定数（例えば、制御コントローラのクロック周波数など）は非常に短く、冷媒が循環する時定数との間には大きな差がある。従って、上記例では、超電導ケーブル１における熱損失が時間的に変動する場合など、動的な系においては、冷媒の入口温度を一定に制御することは容易ではないという問題点がある。

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、超電導ケーブルに温度の安定した冷媒を供給可能な超電導ケーブル冷却システムを提供することを目的とする。

本発明に係る超電導ケーブル冷却システムの一実施形態は上記課題を解決するために、 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。
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。

本発明によれば、超電導ケーブルの冷却に使用されて温度が上昇した冷媒は、循環ポンプによって循環経路上に設けられた熱交換部に圧送され、熱交換ユニットにて冷却空間に充填された液化ガスと熱交換することにより冷却される。このとき液化ガスには、循環経路を流れる冷媒が超電導ケーブルから受けた熱量が蓄熱され、当該液化ガスに蓄積された熱負荷は、冷凍機によって取り除かれる。即ち、本発明では、超電導ケーブルからの熱負荷を一旦液化ガスに蓄熱することによって液化ガスを熱的なバッファとして機能させることができる。これにより、冷凍機は当該液化ガスの温度を所定値になるように制御することで、超電導ケーブルにおいて発生する熱量が時間的に変動する場合であっても、冷媒の温度を安定的に維持できるよう制御できる。

好ましくは、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。ブレイトンサイクル冷凍機は圧縮機と膨張機により冷却を行う冷凍機であり、熱交換部としてブレイトンサイクル熱交換部を有している。本態様では、ブレイトンサイクル熱交換部を液化ガスが充填された冷却空間内に循環経路上に設けられた熱交換部と共に配置することによって、当該冷却空間に充填された液化ガスを媒体として熱交換を行い、超電導ケーブルの冷却を行うことができる。

また、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てもよい。これにより、循環経路を流れる冷媒の温度が変動することに伴い、冷媒の体積又は圧力が変化した場合であっても、リザーバータンクによって当該体積及び圧力の変化を吸収することができる。
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。

本発明の一態様では、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。この態様によれば、それぞれの循環経路に設けられた熱交換部を、液化ガスが充填された冷却空間を有する単一の熱交換ユニット内に配置されている。そのため、制御部は単一の熱交換ユニットの冷却空間に充填された液化ガスの温度制御をするだけで、複数の循環経路を流れる冷媒の温度を安定的に制御することができる。

特に、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とよい。超電導ケーブルを長距離送電用に使用する場合、複数の超電導ケーブルを直列に接続して長距離化を図ることがある。この場合、このように直列に接続された複数の超電導ケーブル毎に循環経路を形成しておき、そのうち隣り合う超電導ケーブルに対応する循環経路に設けられた熱交換部を単一の冷却空間内に配置することにより、複数の超電導ケーブルに対して温度の安定した冷媒を供給することができる。

本発明の他の態様としては、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ていてもよい。この態様によれば、冷凍機が点検や故障などの何らかの事情によって停止した場合であっても、減圧手段によって液化ガスを減圧して液化ガスを冷却することができる。即ち、減圧手段を、冷凍機が停止した場合のバックアップ手段として機能させることができるので、より信頼線の高い冷却システムを構築することができる。

また本発明の他の態様としては、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てもよい。この態様によれば、循環ポンプを複数の熱交換部のいずれかの間に設置することで、超電導ケーブルでの冷媒の出入口での温度差を大きくとることができ、冷媒流量を少なくすることで、循環ポンプや冷凍機を小型化することが可能となる。

本発明によれば、超電導ケーブルの冷却に使用されて温度が上昇した冷媒は、循環ポンプによって循環経路上に設けられた熱交換部に圧送され、熱交換ユニットにて冷却空間に充填された液化ガスと熱交換することにより冷却される。このとき液化ガスには、循環経路を流れる冷媒が超電導ケーブルから受けた熱量が蓄熱され、当該液化ガスに蓄積された熱負荷は、冷凍機によって取り除かれる。即ち、本発明では、超電導ケーブルからの熱負荷を一旦液化ガスに蓄熱することによって液化ガスを熱的なバッファとして機能させることができる。これにより、冷凍機は当該液化ガスの温度を所定値になるように制御することで、超電導ケーブルにおいて発生する熱量が時間的に変動する場合であっても、冷媒の温度を安定的に維持できるよう制御できる。

第１実施例に係る超電導ケーブル冷却システムの全体構成を概略的に示す構成図である。 第１実施例に係る超電導ケーブル冷却システムにおいて、超電導ケーブルで発生する熱量の時間的推移の一例を示すグラフ図である。 第１実施例に係る超電導ケーブル冷却システムにおいて、式（５）に従って冷凍機の冷却能力を制御した場合における超電導ケーブルの温度変化を示すグラフ図である。 第１実施例に係る超電導ケーブル冷却システムの循環経路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。 第２実施例に係る超電導ケーブル冷却システムの全体構成を概略的に示す構成図である。 第３実施例に係る超電導ケーブル冷却システムの全体構成を概略的に示す構成図である。 第４実施例に係る超電導ケーブル冷却システムの全体構成を概略的に示す構成図である。 第５実施例に係る超電導ケーブル冷却システムの全体構成を概略的に示す構成図である。 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。 従来の超電導ケーブル冷却システムの全体構成を概略的に示す構成図である。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態を例示的に詳しく説明する。但しこの実施形態に記載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特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

（実施例１）
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。

冷却システム１００は、超電導ケーブル１の冷却用に使用された冷媒を、循環ポンプ５で熱交換部１７に圧送して冷却した後、超電導ケーブル１に再度供給することにより循環経路９を形成して超電導ケーブル１を冷却する。超電導ケーブル１は高温超電導体から形成されており、循環経路９を流れる冷媒（液体窒素）によって冷却されている。尚、循環経路９を流れる冷媒は、図１では図示を省略しているが、熱交換部１７近傍を除いて基本的にその流路周囲が減圧されることによって、外部からの熱侵入を防止可能なように構成されている。

循環経路９のうち循環ポンプ５の上流側には、循環経路９を流れる冷媒を所定値に加圧して貯留するためのリザーバータンク２が接続されている。リザーバータンク２は、循環経路９を流れる冷媒の体積が温度変化により変動するため、この体積変動を吸収し、冷媒が温度上昇によって気化しにくくするために、加圧装置３によって冷媒を所定の値に加圧して貯留する。これにより、循環経路９を流れる冷媒は気化しにくくなり、超電導ケーブル１で発生する熱量が時間的に変動した場合への対応性能を向上させることができる。

循環経路９を流れる冷媒は、循環ポンプ５によって熱交換部１７に圧送される。熱交換部１７は高い熱伝導率を有する素材を使用したり熱伝達率が高くなるような構造となるように形成されており、その内部を流れる冷媒から受け取った熱量を外部と熱交換可能に構成されている。例えば循環経路９は金属などの熱伝導率を有する素材でできたパイプ状の流路を形成しており、内部を冷媒が流れるように形成されている。この場合、必要に応じてラジエータのように広い表面積を有することにより、適宜形状を工夫してもよい。尚、後に詳しく説明するが、熱交換部１７の外部は低温の液化ガスで充填されており、熱交換部１７の内部を流れる冷媒は、外部に充填された液化ガスとの間で熱交換することにより冷却される。

熱交換部１７にて冷却された冷媒は、下流側に設けられた流量センサ８を通過した後、再び超電導ケーブル１に供給される。これにより、超電導ケーブル１には温度の低い冷媒が供給され、継続的に極低温状態が維持される。流量センサ８は循環経路９を流れる冷媒の流量を検出するための流量検出手段であり、検出した流量値を制御部５０に送信する。

熱交換部１７は、液化ガスが充填（封入）された冷却空間１５を有する熱交換ユニット１４内に配置されている。本実施例では特に、冷却空間１５に充填された液化ガスは、循環経路９を流れる冷媒と同様に、液体窒素である。尚、液化ガスとしては、液体窒素と固体窒素が混合されたスラッシュ窒素などを使用すると、更に好ましい。

冷凍機６はブレイトンサイクル冷凍機であり、圧縮機１０、熱交換器１１、膨張機１２、及びブレイトンサイクル熱交換部１３を備えてなる。ブレイトンサイクル熱交換部１３は、前述の熱交換部１７と共に、液化ガスが充填された熱交換ユニット１４の冷却空間１５内に配置されている。ブレイトンサイクル冷凍機である冷凍機６内は、冷却空間１５内に充填された液化ガスより液化温度の低い気体が循環されている。本実施例では冷却空間１５内に充填された液化ガスとして液体窒素を使用しているので、冷凍機６内に循環される気体の例としては、ヘリウムガスやネオンガスが好ましい。このように、これらの気体が冷凍機６内を循環することでブレイトンサイクル熱交換部１３は、冷却空間１５内に充填された液化ガスより十分に低い温度となる。そのため、冷凍機６の動作状態を制御することにより、冷却空間１５内に充填された液化ガスの冷却温度を制御することができる。

熱交換部１７を流れる冷媒は、超電導ケーブル１を通過する際に超電導ケーブル１で発生した熱量を受け取り、更に循環ポンプ５で圧送される際にも熱量を受け取ることによって、温度が上昇している。熱交換部１７では、このように冷媒に蓄積された熱量を冷却空間１５に充填された液化ガスと間で熱交換することによって冷却される。液化ガスの温度は前述したように冷凍機６の動作状態を制御することによって制御することが可能である。尚、熱交換部１７を流れる冷媒は、理想的には熱交換ユニット１４内の液化ガスと同じ温度まで冷却可能だが、実際には熱交換部１７の熱交換面積が有限なため、冷媒の温度は熱交換ユニット１４内の温度よりはわずかだが高めになる。

冷却空間１５に充填された液化ガスの温度は、熱交換ユニット１４に設けられた温度検出手段たる温度センサ７によって検出される。温度センサ７によって検出された液化ガスの温度は、電気信号として制御部５０に送信する。

制御部５０は、流量センサ８及び温度センサ７から取得した情報に基づいて冷凍機６に制御信号を送信することによって、冷凍機６の動作状態を制御するためのコントロールユニットである。ここで、制御部５０が冷却空間１５に充填された液化ガスの冷却を行うにあたって、冷凍機６の冷却能力をどのように制御したらよいかを、理論的に説明する。

まず、超電導ケーブル１における発熱をＰ_Ｃ［Ｗ］、当該発熱の発生期間をｔ_１［秒］、循環ポンプ５における発熱をＰ_Ｐ［Ｗ］、循環ポンプ５の運転時間をｔ_Ｐ［秒］、冷却空間１５に充填された液化ガスの質量をＭ［ｋｇ］、比熱をＣ［Ｊ／（Ｋ・ｋｇ）］、ブレイトンサイクル冷凍機６の冷却能力をＰ_ｂ［Ｗ］とする。また、超電導ケーブル１を冷却する冷媒の流量（即ち、流量センサ８により検出される流量）をｍ［ｋｇ／秒］とする。この場合、超電導ケーブル１と循環ポンプ５を通過した冷媒の温度上昇ΔＴ_Ｃ［Ｋ］は次式
ΔＴ_Ｃ＝（Ｐ_Ｃ×ｔ_１＋Ｐ_Ｐ×ｔ_Ｐ）／（ｍ×Ｃ×ｔ_ｐ） （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＝（Ｐ_Ｃ×ｔ_１＋Ｐ_Ｐ×ｔ_Ｐ） （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
Ｐ_ｂ＝Ｑ／ｔ_Ｐ （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。

次に、図２を参照して、超電導ケーブル１で発生する熱量が時間的に変動する場合について考察する。図２は超電導ケーブル１で発生する熱量の時間的推移の一例を示すグラフ図である。この例では、超電導ケーブル１の発熱は、期間ｔ_１ではＰ_Ｃ１、期間ｔ_２ではＰ_Ｃ２であり、これらの状態が交互に続く場合を想定して説明する。

このような場合、制御部５０は冷凍機６を、超電導ケーブル１で発生する熱量の平均値を冷却するように制御するとよい。具体的には、循環ポンプ５は時間的に連続で運転されるので、
ｔ_Ｐ＝ｔ_１＋ｔ_２
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
Ｐ_ｂ×（ｔ_１＋ｔ_２）＝（Ｐ_Ｐ＋Ｐ_Ｃ１）×ｔ_１＋（Ｐ_Ｐ＋Ｐ_Ｃ２）×ｔ_２ （５）
になるように制御するとよい。

図３は式（５）に従って冷凍機６の冷却能力Ｐｂを制御した場合における冷却空間１５に充填された液化ガスの温度の時間的推移を示すグラフ図である。上述したように冷凍機６の冷却能力Ｐｂは超電導ケーブル１で発生する熱量の平均値を冷却するように一定に制御されるため、期間ｔ_１では期間ｔ_２に比べて発熱量が少ないため（図２を参照）、液化ガスの温度は次第に減少する。一方、期間ｔ_２では期間ｔ_１に比べて発熱量が多いため、液化ガスの温度は次第に上昇し、初期温度Ｔ０に戻る。

理論的に説明すると、期間ｔ_１の発熱量Ｑ_１［Ｊ］は、次式
Ｑ_１＝（Ｐ_Ｃ１＋Ｐ_Ｐ）×ｔ_１ （６）
により求められる。この発熱量Ｑ_１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ｔ_１における温度変化ΔＴ_１は、
ΔＴ_１＝（Ｐ_Ｃ１＋Ｐ_Ｐ−Ｐ_ｂ）×ｔ_１／（Ｍ×Ｃ） （７）
と算出される。そして期間ｔ_２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、ΔＴ_１上昇して初期温度Ｔ０に戻る。尚、このΔＴ_１は、ｔ_２を用いて次式のように算出することもできる。
ΔＴ_１＝（Ｐ_Ｃ２＋Ｐ_Ｐ−Ｐ_ｂ）×ｔ_２／（Ｍ×Ｃ） （８）

このように制御部５０によって温度が制御された液化ガスは、熱交換部４との間で熱交換することにより、熱交換部４を流れる冷媒を冷却する。液化ガスの温度をＴｓとすると、超電導ケーブル１の入口での冷媒温度Ｔ_Ｃは次式
Ｔ_Ｃ＝Ｔｓ＋ΔＴ_Ｃ （９）
となる。ここで、ΔＴ_Ｃ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。

続いて、図４は第１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４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４（ａ）の縦軸は各地点における発熱、図４（ｂ）の縦軸は各地点における温度を示している。

循環経路９を流れる冷媒は、超電導ケーブル１内で熱量Ｐｃを受け取ることにより温度がΔＴｃ上昇する。そして、循環ポンプ５では更に熱量Ｐｐを受け取り、温度がΔＴｐ上昇する。そして、循環ポンプ５によって熱交換部１７に圧送された冷媒は、熱交換ユニット１４において冷却空間１５に封入された液化ガスとの熱交換により、冷却され、初期の入口温度に戻る。

尚、冷却システム１００では、循環経路９を流れる冷媒が気化すると絶縁耐力が下がるため、当該冷媒の温度の上限値が、冷媒が気化しない温度の範囲となるように制御する必要がある。例えば液体窒素が気化する温度は圧力が大気圧で７７［Ｋ］である。そのため、超電導ケーブル１内での温度上昇は循環ポンプ５の発熱による温度上昇を加味した分、低めに設定されることが好ましい。

以上説明したように、第１実施例では、超電導ケーブル１の冷却に使用されて温度が上昇した冷媒は、循環ポンプ５によって循環経路９上に設けられた熱交換部４に圧送され、熱交換ユニット１４にて冷却空間１５に充填された液化ガスと熱交換することにより冷却される。このとき液化ガスには、循環経路９を流れる冷媒が超電導ケーブル１から受けた熱量が蓄熱され、当該液化ガスに蓄積された熱負荷は、冷凍機６によって取り除かれる。即ち、本実施例では、超電導ケーブル１からの熱負荷を一旦液化ガスに蓄熱することによって液化ガスを熱的なバッファとして機能させることができる。これにより、冷凍機６は当該液化ガスの温度を所定値になるように制御することで、超電導ケーブル１において発生する熱量が時間的に変動する場合であっても、冷媒の温度を安定的に維持できるよう制御できる。

（第２実施例）
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。

第２実施例に係る超電導ケーブル冷却システム１００では、１台のブレイトンサイクル冷凍機６で超電導ケーブル１ａと超電導ケーブル１ｂという複数の超電導ケーブルを冷却できる点に特徴がある。超電導ケーブル１ａと１ｂの各々には、それぞれ循環ポンプ５ａと５ｂ、熱交換部１７ａと１７ｂ、流量センサ８ａと８ｂ、リザーバータンク２ａ、２ｂが具備され、独立した循環経路９ａと９ｂが形成されている。循環経路９ａ及び９ｂはそれぞれ独立しているので、圧力や流量などは個別に設定し独立した状態で制御可能に構成されている。

熱交換部１７ａ及び１７ｂは共に、熱交換ユニット１４に設けられた共通の冷却空間１５内に設置されている。この冷却空間１５内には、上述したようにブレイトンサイクル熱交換部１３も設置されており、液化ガスが充填されている。冷却空間１５に充填された液化ガスは、制御部５０によってブレイトンサイクル冷凍機６が制御されることにより、所定の温度に冷却されている。

循環経路９ａ及び９ｂを流れる冷媒は、それぞれ熱交換部１７ａ及び１７ｂで冷却空間１５に充填された液化ガスに蓄熱する形で冷却され、熱交換部１７ａ及び１７ｂの出口温度は、冷却空間１５に充填された液化ガスの温度によって決定される。従って、液化ガスの温度は、温度センサ７によって検出された温度に基づいてブレイトンサイクル冷凍機６が制御されて所定温度に制御されることで、超電導ケーブル１ａと超電導ケーブル１ｂの入口での冷媒温度は同一のものとなり、且つ、所定温度となる。

ここで、超電導ケーブル１ａで発生する熱量をＰ_ｃａ［Ｗ］、超電導ケーブル１ｂで発生する熱量をＰ_ｃｂ［Ｗ］、循環ポンプ５ａで発生する熱量をＰ_ｐａ「Ｗ」、循環ポンプ５ｂで発生する熱量をＰ_ｐｂ「Ｗ」、超電導ケーブル１ａの発熱時間をｔ_１ａ［秒］、超電導ケーブ１ｂの発熱時間をｔ_１ｂ［秒］、循環ポンプ５ａ及び５ｂの運転時間をｔ_ｐ［秒］とすると、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Ｑ［Ｊ］は次式
Ｑ＝Ｐ_ｃａ×ｔ_１ａ＋Ｐ_ｃｂ×ｔ_１ｂ＋Ｐ_ｐａ×ｔ_ｐ＋Ｐ_ｐｂ×ｔ_ｐ （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Ｐ_ｂ［Ｗ］は
Ｐ_ｂ＝Ｑ／ｔ_ｐ （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Ｐ_ｂ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。

このように第２実施例に係る冷却システム１００では、超電導ケーブル１ａと超電導ケーブル１ｂの長さや、発生する熱量は異なっていても影響はなく、それぞれの入口温度は冷却空間１５に充填された液化ガスの温度で決定される。従って、制御部５０は、温度センサ７によって検出した温度に基づいてブレイトンサイクル冷凍機６を動作させることにより、超電導ケーブル１ａ及び１ｂにおける冷却温度を容易、且つ、安定的に制御することができる。

尚、本願明細書では、超電導ケーブル１の数を２本とした場合について説明したが、超電導ケーブル１の数を３本或いは４本以上に増設した場合についても、同様の構成とすることで１台のブレイトンサイクルで冷却を行うことができる。

（第３実施例）
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。

超電導ケーブルを長距離送電用に使用する場合、図６に示すように、超電導ケーブル１ａ及び１ｂを互いに直列に接続して長距離化を図ることがある。このような場合、循環ポンプ５の加圧能力には限界があるため、各超電導ケーブルに対応するように独立した循環経路９ａ及び９ｂが設けられる。

図６に示す例では、１台のブレイトンサイクル冷凍機６で隣接した超電導ケーブル１ａ及び１ｂを冷却可能に構成している。超電導ケーブル１ａ及び１ｂには独立して循環経路９ａ及び９ｂが形成されており、それぞれ循環ポンプ５ａと５ｂ、熱交換部１７ａと１７ｂ、流量センサ８ａと８ｂ、リザーバータンク２ａ、２ｂを具備している。ここで各循環経路９ａ及び９ｂは独立しているので、圧力や流量などは個別に設定し独立した状態での運転を行うことができる。

熱交換部１７ａと１７ｂは共に、同一の熱交換ユニット１４の冷却空間１５内に設置される。この熱交換ユニット１４の冷却空間１５内には、上述したようにブレイトンサイクル熱交換部１３も設置されており、液化ガスが充填されている。この液化ガスは、制御部５０によってブレイトンサイクル冷凍機６が制御されることにより、所定の温度に冷却されている。

循環経路９ａ及び９ｂを流れる冷媒は、それぞれ冷媒熱交換４ａ及び４ｂで冷却空間１５に充填された液化ガスに蓄熱する形で冷却され、熱交換部１７ａ及び１７ｂの出口温度は、熱交換ユニット１４の冷却空間１５内の液化ガスの温度によって決定される。従って、熱交換ユニット１４の冷却空間１５内の液化ガスの温度を、温度センサ７によって検出された温度に基づいてブレイトンサイクル冷凍機６を制御して所定温度に制御することで、超電導ケーブル１ａと超電導ケーブル１ｂの入口での冷媒温度は同一のものとなり、且つ、所定温度となる。

ここで、超電導ケーブル１ａで発生した熱量をＰ_ｃａ［Ｗ］、超電導ケーブル１ｂで発生した熱量をＰ_ｃｂ［Ｗ］、循環ポンプ５ａで発生した熱量をＰ_ｐａ「Ｗ」、循環ポンプ５ｂで発生した熱量をＰ_ｐｂ「Ｗ」、超電導ケーブル１ａの発熱時間をｔ_１ａ［秒］、超電導ケーブル１ｂの発熱時間をｔ_１ｂ［秒］、循環ポンプ５ａ及び５ｂの運転時間をｔ_ｐ［秒］とする。すると、超電導ケーブル１ａ及び１ｂと循環ポンプ５ａ及び５ｂにおける合計熱量Ｑ［Ｊ］は次式
Ｑ＝Ｐ_ｃａ×ｔ_１ａ＋Ｐ_ｃｂ×ｔ_１ｂ＋Ｐ_ｐａ×ｔ_ｐ＋Ｐ_ｐｂ×ｔ_ｐ （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Ｐ_ｂ［Ｗ］は
Ｐ_ｂ＝Ｑ／ｔ_ｐ （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Ｐ_ｂ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。

以上説明したように第３実施例によれば、このように直列に接続され、隣り合うように配置された超電導ケーブル１ａ及び１ｂに独立した循環経路９ａ及び９ｂを形成しておき、各循環経路９ａ及び９ｂに設けられた熱交換部１７ａ及び１７ｂを単一の冷却空間１５内に配置することにより、各超電導ケーブル１ａ及び１ｂに対して温度の安定した冷媒を供給することができる。

（実施例４）
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。

第４実施例では、熱交換ユニット１４に排気装置１６を取り付けることにより、冷却空間１５内に充填された液化ガスを減圧して冷却できるように構成されている。ここで、冷却空間１５内に充填された液化ガスの体積をＶ［ｍ３］、圧力をｐ［Ｐａ］、温度をＴ［Ｋ］、液化ガスの気体定数をＲとすると、
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。

即ち、本実施例では、冷凍機６の定期点検や故障などの何らかの事情により冷凍機６が停止した場合であっても、排気装置１６によって冷却空間１５を減圧することによって、該冷却空間１５に充填された液化ガスを冷却することができる。従って、より高い信頼性を有する超電導ケーブル冷却システム１００を実現することができる。

尚、排気装置１６は上記各種実施例における熱交換ユニット１４にも取り付け可能であり、同様の効果を得られることはいうまでも無い。

（実施例５）
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。

図８に示すように、第５実施例では、循環経路９上に複数の熱交換部１７ａ及び１７ｂが設けられている。特に、熱交換部１７ａ及び１７ｂは、循環経路９上において循環ポンプ５が間に配置されるように設けられている。これにより、超電導ケーブル１を冷却した冷媒は熱交換部１７ａで一度冷却された後、循環ポンプ５によって加熱された後、再び熱交換部１７ｂにて冷却される。

また図９に示すように、循環経路９を流れる冷媒は、超電導ケーブル１内で熱量Ｐｃを受け取ることにより温度がΔＴｃ上昇する。そして冷媒は熱交換部１７ａにて冷却された後、循環ポンプ５で熱量Ｐｐを受け取ることによって温度がΔＴｐ上昇する。そして、循環ポンプ５によって熱交換部１７ｂに圧送され再度冷却されて初期の入口温度に戻る。このように本実施例では、第１実施例（図４を参照）とは異なり、循環ポンプ５の前後に設けられた熱交換部１７ａ及び１７ｂにおいて二段階に渡って冷却される。そのため、循環ポンプ５に熱交換部１７ａにて予め冷却された冷媒を供給できるため、循環ポンプ５での発熱に対するマージンを大きく確保することができる。

ここで、循環経路９における冷媒の流量をｍ［ｋｇ／秒］、循環ポンプ５で加圧される圧力をｐ［Ｐａ］とすると循環ポンプ５で発生する熱量Ｐ_Ｐ［Ｗ］は
Ｐ_Ｐ＝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Ｐ_Ｐ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。

このように第５実施例によれば、ブレイトンサイクル熱交換部１３と冷媒冷却のための熱交換部１７ａ及び１７ｂを熱交換ユニット１４の冷却空間１５内に設置し、循環ポンプ５を熱交換部１７ａと１７ｂとの間に設置することで、超電導ケーブル１での冷媒の出入口での温度差を大きくとることができる。これにより、循環経路９における冷媒の流量を少なくすることができ、循環ポンプ５やブレイトンサイクル冷凍機６を小型化することができる。尚、本実施例は実施例２および実施例３に適用しても、同様の効果を得られることはいうまでも無い。

本発明は、電力の送配電に使用される超電導ケーブルを極低温に冷却するための超電導ケーブル冷却システムに利用可能である。

Claims (9)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。

Images