JP6374305B2

JP6374305B2 - 超電導ケーブルシステム

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Publication number: JP6374305B2
Application number: JP2014237035A
Authority: JP
Inventors: 正義大屋; 敦士石山; 洸我妻
Original assignee: Waseda University; Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Waseda University; Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2014-11-21
Filing date: 2014-11-21
Publication date: 2018-08-15
Anticipated expiration: 2034-11-21
Also published as: JP2016100221A

Description

本発明は、超電導導体部が断熱管内に収納された超電導ケーブルと、断熱管内に液体冷媒を供給し、断熱管と共に冷媒流路を構成する冷却システムと、を備える超電導ケーブルシステムに関する。特に、冷媒流路の冷媒圧力が上昇した異常時に、圧力上昇を抑制でき、超電導ケーブルや冷媒流路の損傷を回避できる超電導ケーブルシステムに関する。

超電導ケーブルは、既存の常電導ケーブル（例、ＯＦケーブルやＣＶケーブル）と比較して、大容量の電力を低損失で送電できることから、送電線路を構成する電力ケーブルとして期待されている。最近では、超電導ケーブルを布設して超電導ケーブルシステムを構築し、実際に送電を行う実証試験が行われている。

超電導ケーブルは、フォーマの外周に超電導導体層を有する超電導導体部が断熱管内に収納され、この断熱管内に液体冷媒（例、液体窒素など）を流通させることで、超電導導体部（超電導導体層）を冷却する構造が代表的である。

一般に、フォーマは、絶縁被覆を施した複数の銅素線を撚り合わせた撚り線導体で形成されている。また、超電導導体層は、フォーマの外周に複数の超電導線材を螺旋状に巻回して形成されている。

超電導ケーブルシステムは、超電導ケーブルに冷却システムを接続し、冷却システムから断熱管内に超電導導体層を冷却する液体冷媒を供給して流通させることで運用を行う。冷却システムは、液体冷媒を冷却する冷凍機、液体冷媒を圧送するポンプ、液体冷媒を貯留するリザーバタンクなどを備え、超電導ケーブルの断熱管と共に液体冷媒が流通する冷媒流路を構成する。一般に、超電導ケーブルシステムの冷却は、冷凍機で冷却された液体冷媒を直接断熱管内に送る直接冷却方式が採用され、ポンプにより液体冷媒を循環させることで行う。

また、超電導ケーブルシステムを構築する場合、送電線路の途中に超電導ケーブル同士を接続する中間接続部や、送電線路の終端で超電導ケーブルと他の電力機器（例、常電導ケーブル）とを接続する終端接続部が設けられる（以下、中間接続部及び端末接続部を、単に接続部と呼ぶ場合がある）。これら接続部は、通常、超電導導体部の端部を収容する接続箱を備える（例えば、特許文献１を参照）。接続箱も断熱管と同様に冷媒流路の一部を構成することがあり、接続箱内も液体冷媒が充填される。

ところで、超電導ケーブルシステムにおいて、近隣の架空線路に短絡などの事故が起きると、フォーマや超電導導体層に過電流が流れ、フォーマや超電導導体層が発熱して超電導導体部の温度が上昇する場合がある。その際、フォーマを構成する銅素線間や超電導導体層を構成する超電導線材間に存在する液体冷媒の温度が上昇し、温度上昇に伴う液体冷媒の体積膨張によって冷媒流路の冷媒圧力が上昇することにより、超電導ケーブルや冷媒流路を構成する部材（例、断熱管や接続箱、並びに冷却システム）がダメージを受ける可能性がある。

例えば特許文献１には、接続部を構成する接続箱内に、接続箱内の圧力変化に追従して変形することにより圧力を調整可能な圧力調整部を配置することで、事故時、圧力上昇により超電導ケーブルや接続箱の破壊を防止する技術が開示されている。

特開２００５−２５３２０３号公報

超電導ケーブルシステムにおいて、簡易かつ安全に、冷媒流路の冷媒圧力が上昇した異常時に、圧力上昇を抑制できる構成の開発が望まれる。

特許文献１に記載の技術は、接続箱内に接続箱内の圧力を調整可能な圧力調整部材を配置するものである。上述したように、接続箱は冷媒流路の一部を構成することがあり、接続箱内に圧力調整部材が配置されていると、圧力調整部材が液体冷媒の流通の妨げとなり、冷媒流路での圧力損失の原因となり得る。また、接続箱内に圧力調整部材を配置する構成では、接続箱が大型化したり、複雑化することも考えられる。接続箱が大型化すると、接続箱を所定の位置に設置することができない虞がある。

そこで、本発明の目的の一つは、冷媒流路の冷媒圧力が上昇した異常時に、圧力上昇を抑制でき、超電導ケーブルや冷媒流路の損傷を回避できる超電導ケーブルシステムを提供することにある。

本発明の一態様に係る超電導ケーブルシステムは、フォーマの外周に超電導導体層を有する超電導導体部が断熱管内に収納された超電導ケーブルと、前記断熱管内に前記超電導導体層を冷却する液体冷媒を供給し、前記断熱管と共に冷媒流路を構成する冷却システムと、を備える。上記超電導ケーブルシステムは、前記冷媒流路に設けられ、前記冷媒流路からの液体冷媒が流入する圧力調整タンクと、前記冷媒流路と前記圧力調整タンクとの間に介在され、前記冷媒流路の冷媒圧力に応じて開閉する逃し弁と、を備える。そして、上記超電導ケーブルシステムは、通常時は、前記逃し弁が閉じられて、前記圧力調整タンクが前記冷媒流路と分離され、前記圧力調整タンク内に気相が確保されている。また、前記冷媒流路の冷媒圧力が所定の圧力を超える異常時は、前記逃し弁が開き、前記冷媒流路から液体冷媒を前記圧力調整タンク内に逃して、前記冷媒流路の冷媒圧力を下げる。

上記超電導ケーブルシステムは、冷媒流路の冷媒圧力が上昇した異常時に、圧力上昇を抑制でき、超電導ケーブルや冷媒流路の損傷を回避できる。

超電導ケーブルの構成の一例を示す模式断面図である。実施形態１に係る超電導ケーブルシステムの構成の一例を示す概略構成図である。実施形態１に係る超電導ケーブルシステムに備える圧力調整タンクの構成の一例を示す模式図である。

［本発明の実施形態の説明］
本発明者らは、超電導ケーブルシステムにおいて、冷媒流路の冷媒圧力が上昇した異常時に、圧力上昇を抑制する技術について検討した。冷媒流路の圧力上昇を抑制する方法としては、例えば、冷媒流路の一部に気相を設けることで、気相により圧力上昇を緩和することが考えられる。具体的には、超電導ケーブルの接続箱内に気相を形成することが挙げられる。しかし、冷媒流路には液体冷媒を圧送するため、接続箱内に気相を形成することは難しい。接続箱内に気相を確保するには、接続箱内に液体冷媒を気化したガス冷媒（例、窒素ガス）を加圧して供給する装置が別途必要であり、構成が複雑化する虞がある。更に、ガス冷媒を供給しても、ガス冷媒は接続箱内で液体冷媒によって冷却され液化することもあり、接続箱内に気相を維持することが難しい。一方で、接続箱内の気相が増加すると、超電導導体層が液体冷媒に浸漬されず、電気絶縁性の低下が懸念される。したがって、超電導ケーブルシステムでは、冷媒流路となる接続箱内に気相を形成することなく、冷媒流路に液体冷媒を満たした状態で流通（循環）させることが好ましい。

また、超電導ケーブルシステムでは、通常、安全性を確保するため、冷媒流路を構成する接続箱やリザーバタンクなどには安全弁が取り付けられており、万が一、接続箱内やリザーバタンク内の冷媒圧力が危険域（許容圧力）を超えると、安全弁が自動的に開いて減圧するように構成されている。しかし、安全弁は高圧で作動するため、安全弁が開くと、液体冷媒が気化したガスと共に液体冷媒が噴出することがある。

以上の知見を踏まえ、本発明者らは、冷媒流路からの液体冷媒が流入する圧力調整タンクを冷媒流路に設けることで、冷媒流路の圧力上昇を抑制することを考えた。最初に、本発明の実施態様を列記して説明する。

（１）本発明の一態様に係る超電導ケーブルシステムは、フォーマの外周に超電導導体層を有する超電導導体部が断熱管内に収納された超電導ケーブルと、断熱管内に超電導導体層を冷却する液体冷媒を供給し、断熱管と共に冷媒流路を構成する冷却システムとを備える。上記超電導ケーブルシステムは、冷媒流路に設けられ、冷媒流路からの液体冷媒が流入する圧力調整タンクと、冷媒流路と圧力調整タンクとの間に介在され、冷媒流路の冷媒圧力に応じて開閉する逃し弁とを備える。そして、上記超電導ケーブルシステムは、通常時は、逃し弁が閉じられて、圧力調整タンクが冷媒流路と分離され、圧力調整タンク内に気相が確保されている。また、冷媒流路の冷媒圧力が所定の圧力を超える異常時は、逃し弁が開き、冷媒流路から液体冷媒を圧力調整タンク内に逃して、冷媒流路の冷媒圧力を下げる。

上記超電導ケーブルシステムによれば、冷媒流路に逃し弁を介して圧力調整タンクが接続されていることで、冷媒流路の冷媒圧力が上昇した異常時に、圧力上昇を抑制でき、超電導ケーブルや冷媒流路の損傷を回避できる。上記超電導ケーブルシステムにおいて、通常時は、逃し弁が閉じられていることから、圧力調整タンクが冷媒流路と分離されており、冷媒流路から圧力調整タンク内に液体冷媒が流入することが阻止され、圧力調整タンク内に気相が確保される。一方、短絡などの事故により、冷媒流路の冷媒圧力が所定の圧力を超えると、逃し弁が開き、冷媒流路から液体冷媒を圧力調整タンク内に逃すことで、冷媒流路の冷媒圧力を下げる。上記超電導ケーブルシステムは、液体冷媒を圧力調整タンク内に貯留することから、液体冷媒を外部に直接放出する場合に比較して安全性も高い。

圧力調整タンクは、通常時、逃し弁によって冷媒流路と隔離されており、液体冷媒の流通の妨げになり難く、通常時における冷媒流路での圧力損失の増加の原因となり難い。また、圧力調整タンクは、冷媒流路の任意の位置に設けることができるため、設置スペースを確保することも容易である。

更に、上記超電導ケーブルシステムにおいて、接続箱などに安全弁を備える場合、逃し弁の作動圧力は、安全弁の作動圧力（例えば、冷媒流路を構成する部材の許容圧力）より低く設定することが挙げられる。そうすれば、安全弁が作動する前に、逃し弁が開いて冷媒流路から圧力調整タンク内に液体冷媒を逃し、冷媒流路を減圧することができる。よって、緊急避難的な措置として液体冷媒を外部に放出する安全弁の作動を抑制でき、安全弁から液体冷媒が噴出することを抑制できる。

（２）上記超電導ケーブルシステムの一形態として、上記逃し弁は、上記圧力調整タンクへの方向にのみ開く逆止弁であることが挙げられる。

逃し弁が逆止弁であれば、圧力調整タンク内の液体冷媒や液体冷媒が気化したガスが冷媒流路に流入することを防止できる。

（３）上記超電導ケーブルシステムの一形態として、更に、上記冷媒流路に接続され、上記冷媒流路の冷媒圧力が所定の圧力を超えると開き、上記冷媒流路から上記液体冷媒を外部に放出する放出弁を備えることが挙げられる。上記逃し弁は、放出弁の作動圧力より低い圧力で作動する。

放出弁を備えることで、冷媒流路の圧力上昇に対して圧力調整タンクによる冷媒流路の減圧が追い付かなかったとしても、放出弁が開いて冷媒流路から液体冷媒（液体冷媒が気化したガスも含む）を外部に放出することで、冷媒流路の冷媒圧力を下げることができる。また、逃し弁の作動圧力が放出弁の作動圧力より低いことから、放出弁が作動する前に、逃し弁が開いて冷媒流路から圧力調整タンク内に液体冷媒を逃し、冷媒流路を減圧できる。そのため、冷媒流路の冷媒圧力が上昇した際に、先に、圧力調整タンクによる冷媒流路の圧力上昇の抑制を図ることができ、液体冷媒を外部に放出する放出弁の作動を低減できる。

放出弁は安全弁として機能できる。放出弁は、従来の安全弁としてもよいし、安全弁とは別に設けてもよい。

（４）上記放出弁を備える超電導ケーブルシステムの一形態として、上記放出弁の開放端に、上記放出弁から放出される上記液体冷媒を気化する熱交換器を備えることが挙げられる。

熱交換器を備えることで、放出弁から放出される液体冷媒を気化して外部に放出できることから、液体冷媒を外部に直接放出する場合に比較して安全性が高い。

［本発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態に係る超電導ケーブルシステムの具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。図中の同一符号は同一名称物を示す。なお、本発明は、これらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

［実施形態１］
まず、図１を参照して、超電導ケーブルシステムを構成する超電導ケーブルの一例を説明する。

〈超電導ケーブル〉
超電導ケーブル１は、超電導導体層１０２を有する超電導導体部１０と、超電導導体部１０を収納する断熱管２０とを備える。図１に示す超電導ケーブル１は、３本の超電導導体部１０が撚り合わされた状態で断熱管２０内に一括に収納された３心一括型である。超電導ケーブル１は、断熱管２０内に液体冷媒（例、液体窒素）を流通させることで、この液体冷媒により超電導導体部１０（超電導導体層１０２）を冷却して超電導状態とし、例えば３相交流送電に利用される。以下、超電導ケーブル１の構成をより詳しく説明する。

（超電導導体部）
超電導導体部１０は、フォーマ１０１の外周に超電導導体層１０２を有する。この例では、超電導導体部１０（以下、「ケーブルコア」と呼ぶ場合がある）は、中心から順に、フォーマ１０１、超電導導体層１０２、電気絶縁層１０３、シールド層１０４、保護層１０５が同心状に配置されている。

（フォーマ）
フォーマ１０１は、銅やアルミニウムなどの常電導材料で形成されており、超電導ケーブル１（ケーブルコア１０）では、短絡などの事故による過電流をフォーマ１０１に分流させることができる。この例では、フォーマ１０１は、エナメルなどの絶縁被覆を施した複数の銅素線を撚り合わせた撚り線導体で形成されている。

（超電導導体層）
超電導導体層１０２は、フォーマ１０１の外周に複数の超電導線材を単層又は多層に螺旋状に巻回することで形成されている。超電導線材には、例えば、Ｂｉ系銀シース線材やＲＥ１２３系薄膜線材などの公知のテープ状線材が利用できる。

（電気絶縁層）
電気絶縁層１０３は、超電導導体層１０２と、その外側に配置された部材（この例では、シールド層１０４）との間の電気的絶縁を確保するためのものである。電気絶縁層１０３は、超電導導体層１０２の外周に、例えばＰＰＬＰ（登録商標；ＰｏｌｙＰｒｏｐｙｌｅｎｅＬａｍｉｎａｔｅｄＰａｐｅｒ）に代表される半合成絶縁紙を多層に螺旋状に巻回することで形成されている。

（シールド層）
シールド層１０４は、超電導導体層１０２の外側、具体的には電気絶縁層１０３の外周に導電線材を巻回することで形成されている。導電線材には、例えば、銅やアルミニウムなどの常電導線材を利用したり、超電導線材を利用できる。シールド層１０４は、例えば、銅やアルミニウムなどの常電導材料からなる素線やテープ、或いは超電導線材を単層又は多層に螺旋状に巻回することで形成したり、常電導材料からなる編組線を巻回することで形成することが挙げられる。

（保護層）
保護層１０５は、ケーブルコア１０の最外周に配置され、その内側に配置された部材（この例では、シールド層１０４）と断熱管２０との間の電気的絶縁を確保すると共に、内側に配置された部材を機械的に保護するためのものである。保護層１０５は、例えばＰＰＬＰやクラフト紙などの絶縁紙をシールド層１０４の外周に螺旋状に巻回することで形成されている。

（断熱管）
断熱管２０は、内管２１と外管２２とを有する二重管であり、内管２１と外管２２との間の空間が真空引きされ、この空間に真空断熱層が形成されている。真空断熱層には、断熱性を高めるためにスーパーインシュレーション（商品名）などの断熱材（図示せず）が配置されている。この例では、内管２１及び外管２２がステンレス鋼製のコルゲート管である。断熱管２０内（ケーブルコア１０と断熱管２０（内管２１）との間の空間）には液体冷媒が流通する。断熱管２０（外管２２）の外周にはビニルやポリエチレンなどで防食層２５が形成されている。

〈超電導ケーブルシステム〉
図２を参照して、実施形態１に係る超電導ケーブルシステムの概要を説明する。実施形態１の超電導ケーブルシステムＳは、図１を参照して説明した上述の超電導ケーブル１と冷却システム４０とを備える。そして、超電導ケーブルシステムＳは、冷媒流路からの液体冷媒Ｌが流入する圧力調整タンク５０と、冷媒流路と圧力調整タンク５０との間に介在される逃し弁５１とを備える点を特徴の１つとする。図２では、超電導ケーブル１における３本のケーブルコア１０のうち、１本のケーブルコアのみを図示し、他のケーブルコアについては図示を省略している。以下、超電導ケーブルシステムＳの構成をより詳しく説明する。

超電導ケーブル１の両端にはそれぞれ、終端接続部３Ａ，３Ｂが設けられている。終端接続部３Ａ，３Ｂは、ケーブルコア１０の端部を収容する接続箱３０Ａ，３０Ｂを備える。接続箱３０Ａ，３０Ｂには断熱管２０が接続され、接続箱３０Ａ，３０Ｂ内の空間は断熱管２０内と連通しており、液体冷媒Ｌが充填される。ここでは、終端接続部の具体的構成の説明は省略するが、終端接続部の構成については、例えば、特開２００５−３２６９８号公報や特開２００６−１９６６２８号公報などに記載の公知の構成が利用できる。

（冷却システム）
冷却システム４０は、超電導ケーブル１の断熱管２０内に、ケーブルコア１０を冷却する液体冷媒Ｌを供給する。冷却システム４０は、液体冷媒Ｌを冷却する冷凍機４１と、液体冷媒Ｌを圧送する循環ポンプ４２と、液体冷媒Ｌを貯留するリザーバタンク４３とを備える。図２に示す超電導ケーブルシステムＳでは、超電導ケーブル１に冷却システム４０を接続し、液体冷媒Ｌを循環させる（図２中、白抜き矢印は液体冷媒Ｌの流通方向を示す）。冷却システム４０は、超電導ケーブル１の終端接続部３Ａ（接続箱３０Ａ）と冷媒配管３４Ａを介して接続され、終端接続部３Ｂ（接続箱３０Ｂ）と冷媒配管３４Ｂを介して接続されている。接続箱３０Ａ，３０Ｂ内の空間と冷媒配管３４Ａ，３４Ｂ内とは連通しており、冷媒配管３４Ａ，３４Ｂ内には液体冷媒Ｌが流通する。そして、超電導ケーブルシステムＳにおいて、液体冷媒Ｌは、循環ポンプ４２により圧送され、冷凍機４１で冷却された後、冷却システム４０から冷媒配管３４Ａを介して接続箱３０Ａに供給されて、断熱管２０内を流通する。断熱管２０内を流通した液体冷媒Ｌは、接続箱３０Ｂから排出され、冷媒配管３４Ｂを介して冷却システム４０に戻されて、リザーバタンク４３を通って再び冷凍機４１に送られる。つまり、断熱管２０、接続箱３０Ａ，３０Ｂ、冷媒配管３４Ａ，３４Ｂ及び冷却システム４０が冷媒流路を構成し、液体冷媒Ｌが冷媒流路を循環する。

（圧力調整タンク）
圧力調整タンク５０は、冷媒流路に設けられ、冷媒流路からの液体冷媒Ｌが流入する。冷媒流路と圧力調整タンク５０との間には、冷媒流路の冷媒圧力に応じて開閉する逃し弁５１が介在されている。通常時、逃し弁５１は閉じられており、圧力調整タンク５０は冷媒流路と分離され、圧力調整タンク５０内に気相が確保されている。よって、通常時には、冷媒流路から圧力調整タンク５０内に液体冷媒Ｌが流入することが阻止される。一方、短絡などの事故により、冷媒流路の冷媒圧力が所定の圧力を超える異常時には、逃し弁５１が自動的に開き、冷媒流路から圧力調整タンク５０内に液体冷媒Ｌが流入することが可能になる。そのため、異常時は、逃し弁５１が開くことで、冷媒流路から液体冷媒Ｌを圧力調整タンク５０に逃すことができる。

圧力調整タンク５０の設置箇所は、特に限定されない。圧力調整タンク５０は、冷媒流路を構成する、例えば、冷媒配管３４Ａ，３４Ｂ、終端接続部３Ａ，３Ｂ（接続箱３０Ａ，３０Ｂ）、リザーバタンク４３、断熱管２０に設けることが挙げられる。圧力調整タンク５０の好ましい設置箇所は、接続箱３０Ａ，３０Ｂ、或いは接続箱３０Ａ，３０Ｂ近傍の冷媒配管３４Ａ，３４Ｂであり、より好ましくは、断熱管２０から見て下流側（終端接続部３Ｂ側）に位置する接続箱３０Ｂ、或いは接続箱３０Ｂ近傍の冷媒配管３４Ｂである。この例では、圧力調整タンク５０は、接続箱３０Ｂ近傍の冷媒配管３４Ｂに設けられている。

ここで、圧力調整タンク５０を、終端接続部（接続箱）、或いはその近傍に設けることが好ましい理由を説明する。まず、超電導ケーブル１は、管路や洞道に布設することが想定され、断熱管２０に圧力調整タンク５０を設けることは、設置スペースを確保することが困難な場合がある。更に、断熱管２０に圧力調整タンク５０を設けると、断熱性能が低下して熱侵入が増加することが考えられる。断熱管２０内にはケーブルコア１０が収納され、液体冷媒Ｌによりケーブルコア１０を冷却して低温に保持する必要があるため、断熱管２０において熱侵入の増加は好ましくなく、この点からも、接続箱３０Ａ，３０Ｂや冷媒配管３４Ａ，３４Ｂに設けることが好ましい。上述したように、圧力調整タンク５０の設置は熱侵入の原因となり得ることから、断熱管２０から見て下流側に圧力調整タンク５０を設けることが好ましい。

また、冷媒流路の圧力上昇は、短絡などの事故によりケーブルコア１０に過電流が流れることでケーブルコア１０が温度上昇し、ケーブルコア１０の周囲に存在する液体冷媒Ｌが体積膨張することで起きる。つまり、事故時における冷媒流路の圧力上昇は、基本的に超電導ケーブル１（断熱管２０）側で起きる。超電導ケーブル１から遠く離れた位置に圧力調整タンク５０を設けた場合、圧力上昇の起点から圧力調整タンク５０までの流路距離が長くなることから、圧力調整タンク５０の逃し弁５１までの圧力伝播に時間がかかる。そのため、超電導ケーブル１での圧力上昇に対する逃し弁５１の応答性が低下することで、圧力調整タンク５０が効果的に機能しない虞があり、超電導ケーブル１での短時間の圧力上昇を緩和することが困難になる可能性がある。したがって、圧力調整タンク５０は、超電導ケーブル１の近傍、具体的には、接続箱３０Ａ，３０Ｂ、或いは接続箱３０Ａ，３０Ｂ近傍の冷媒配管３４Ａ，３４Ｂに設けることが好ましいと考えられる。冷却システム４０を超電導ケーブル１の近傍に設置するのであれば、リザーバタンク４３に圧力調整タンク５０を設けてもよい。ここでいう「終端接続部（接続箱）の近傍」とは、終端接続部（接続箱）の近くのうち、超電導ケーブル１（断熱管２０）側を除き、超電導ケーブル１での圧力上昇に対して圧力調整タンク５０が効果的に圧力上昇抑制機能を発揮できる範囲をいい、例えば、冷媒流路における流路距離が終端接続部（接続箱）から３０ｍ以内、好ましくは１０ｍ以内である。

（逃し弁）
逃し弁５１は、冷媒流路と圧力調整タンク５０との間に介在され、冷媒流路の冷媒圧力に応じて開閉する。この例では、逃し弁５１は、圧力調整タンクへの方向にのみ開く逆止弁である。逃し弁５１を逆止弁とすることで、圧力調整タンク５０内の液体冷媒Ｌや液体冷媒Ｌが気化したガスが冷媒流路に逆流することを防止できる。また、逃し弁５１の作動圧力は、適宜設定すればよく、例えば、循環ポンプ４２による液体冷媒Ｌの圧送圧力より高く、冷媒流路を構成する部材の許容圧力より低く設定することが挙げられる。

（排気弁）
圧力調整タンク５０は、異常時、逃し弁５１が開いて、冷媒流路から液体冷媒Ｌが流入することで、液体冷媒Ｌを圧力調整タンク５０内に一時的に貯留する。図２に示す圧力調整タンク５０には排気弁５２が取り付けられており、排気弁５２は、圧力調整タンク５０内で液体冷媒が気化したガスを排気する。圧力調整タンク５０内に貯留された液体冷媒Ｌを回収し、事故から復帰後、冷媒流路に戻して再利用することも可能である。

（移動隔壁）
図３を参照して、圧力調整タンク５０の構成例の１つを説明する。図３に示す圧力調整タンク５０は、気相５０Ｇと液相５０Ｌとを分離する移動隔壁５５を圧力調整タンク５０内に有する。移動隔壁５５は、異常時に圧力調整タンク５０内に逃した液体冷媒Ｌによる浮力により上下動し、液体冷媒Ｌの量に応じて位置が変化する。圧力調整タンク５０内で液体冷媒が気化したガスは、圧力調整タンク５０と移動隔壁５５との隙間を通って気相５０Ｇに溜まる。これにより、排気弁５２（図２参照）から液体冷媒が気化したガスのみを排気し易い。

〈圧力上昇抑制メカニズム〉
上述の超電導ケーブルシステムＳにおける圧力調整タンク５０による冷媒流路の圧力上昇を抑制するメカニズムを説明する。

通常時は、逃し弁５１が閉じられており、圧力調整タンク５０が冷媒流路と分離され、圧力調整タンク５０内に気相が確保されている。一方、短絡などの事故により、冷媒流路の冷媒圧力が所定の圧力を超えると、逃し弁５１が作動して開き、冷媒流路から液体冷媒Ｌを圧力調整タンク５０内に逃して、冷媒流路の冷媒圧力を下げる。したがって、超電導ケーブルシステムＳは、冷媒流路の冷媒圧力が上昇した異常時に、圧力上昇を抑制でき、超電導ケーブルや冷媒流路の損傷を回避できる。また、異常時に圧力調整タンク５０内に逃した液体冷媒Ｌを圧力調整タンク５０内に貯留し、圧力調整タンク５０内で液体冷媒が気化したガスを排気することから、冷媒流路から液体冷媒を外部に直接放出する場合に比較して安全性が高い。

（放出弁）
図２に示す超電導ケーブルシステムＳは、更に、放出弁６０を備える。この放出弁６０は、冷媒流路に接続され、冷媒流路の冷媒圧力が所定の圧力を超えると開き、冷媒流路から液体冷媒Ｌを外部に放出する。放出弁６０は、通常時、閉じられており、冷媒流路の冷媒圧力が所定の圧力を超えると、自動的に開く。

放出弁６０の設置箇所は、特に限定されない。放出弁６０は、冷媒流路を構成する、例えば、冷媒配管３４Ａ，３４Ｂ、終端接続部３Ａ，３Ｂ（接続箱３０Ａ，３０Ｂ）、リザーバタンク４３、断熱管２０に取り付けることが挙げられる。放出弁６０は、圧力調整タンク５０と同様の理由から、接続箱３０Ａ，３０Ｂ、或いは接続箱３０Ａ，３０Ｂ近傍の冷媒配管３４Ａ，３４Ｂに設置することが好ましく、断熱管２０から見て下流側（終端接続部３Ｂ側）に位置する接続箱３０Ｂ、或いは接続箱３０Ｂ近傍の冷媒配管３４Ｂに設置することがより好ましい。この例では、放出弁６０は、接続箱３０Ｂに取り付けられている。

この例に示す放出弁６０は、安全弁として機能する。放出弁６０の作動圧力は、上述の逃し弁５１の作動圧力より高く設定されており、例えば、冷媒流路を構成する部材の許容圧力に設定することが挙げられる。つまり、逃し弁５１は、放出弁６０の作動圧力より低い圧力で作動する。また、放出弁６０は、冷媒流路から液体冷媒（液体冷媒が気化したガスも含む）を外部に放出する方向にのみ開く逆止弁である。

上記放出弁６０を備える超電導ケーブルシステムＳは、冷媒流路の圧力上昇に対して圧力調整タンク５０による冷媒流路の減圧が追い付かなかったとしても、放出弁６０が開いて冷媒流路から液体冷媒Ｌを外部に放出することで、冷媒流路の冷媒圧力を下げることができる。また、逃し弁５１の作動圧力が放出弁６０の作動圧力より低いことから、放出弁６０が作動する前に、逃し弁５１が開いて冷媒流路から圧力調整タンク５０内に液体冷媒Ｌを逃し、冷媒流路を減圧できる。そのため、冷媒流路の冷媒圧力が上昇した際に、先に、圧力調整タンク５０による冷媒流路の圧力上昇の抑制を図ることができ、液体冷媒Ｌを外部に放出する放出弁６０の作動を低減できる。

（熱交換器）
図２に示す超電導ケーブルシステムＳは、上述の放出弁６０の開放端に、放出弁６０から放出される液体冷媒Ｌを気化する熱交換器６１を備える。「放出弁の開放端」とは、放出弁６０の両端部のうち、冷媒流路と接続される側とは反対側の端部を指す。熱交換器６１内で液体冷媒が気化したガスは、熱交換器６１の出口から放出される。熱交換器６１を備えることで、放出弁６０から放出される液体冷媒Ｌを熱交換器６１で気化して、熱交換器６１の出口から外部に放出できることから、液体冷媒Ｌを外部に直接放出する場合に比較して安全性が高い。

（消音器）
図２に示す超電導ケーブルシステムＳでは、上述の熱交換器６１の出口に消音器（サイレンサ）６２を備える。液体冷媒Ｌが熱交換器６１内で気化すると爆発的に体積膨張して、高圧のガスが熱交換器６１の出口から放出される。そして、高圧のガスが熱交換器６１の出口で解放されると、出口で大きな爆発音が発生することがある。そこで、熱交換器６１の出口に消音器６２を取り付けることで、熱交換器６１の出口で発生する爆発音を低減できる。消音器６２の構成については、種々の公知の構成が利用できる。例えば、自動車のマフラーに用いられている公知の構成を採用できる。

（その他）
図２に示す超電導ケーブルシステムＳにおいて、放出弁６０とは別に安全弁（図示せず）を備えてもよい。安全弁は、接続箱３０Ａ，３０Ｂやリザーバタンク４３に設けることが挙げられる。安全弁を備える場合、放出弁６０の作動圧力は、安全弁より低く設定するとよい。逃し弁５１の作動圧力をＰ_１、放出弁６０の作動圧力をＰ_２、安全弁の作動圧力をＰ_ｍとするとき、各弁の作動圧力は、Ｐ_１＜Ｐ_２＜Ｐ_ｍとすることが挙げられる。

上述した実施形態１の超電導ケーブルシステムＳでは、圧力調整タンク５０を接続箱３０Ｂ近傍の冷媒配管３４Ｂに設ける場合を例に挙げて説明したが、圧力調整タンク５０は、接続箱３０Ｂに設ける他、接続箱３０Ａやその近傍の冷媒配管３４Ａ、リザーバタンク４３に設けることも可能である。また、実施形態１の超電導ケーブルシステムＳにおいて、放出弁６０の設置箇所を変更してもよく、放出弁６０は、接続箱３０Ｂ近傍の冷媒配管３４Ｂに設けたり、接続箱３０Ａやその近傍の冷媒配管３４Ａ、リザーバタンク４３に設けることも可能である。圧力調整タンク５０及び放出弁６０をそれぞれ複数備えてもよい。更に、超電導ケーブルシステムＳが超電導ケーブル同士を接続する中間接続部（図示せず）を備える場合、中間接続部に圧力調整タンク５０や放出弁６０を設けることも可能である。

実施形態１では、３心一括型超電導ケーブルを用いた超電導ケーブルシステムを例に挙げて説明したが、超電導ケーブルの構成は適宜変更することが可能である。例えば、超電導ケーブルには、１本の超電導導体部が断熱管内に収納された単心型超電導ケーブルであってもよい。超電導ケーブルは、交流送電を行うものであってもよいし、直流送電を行うものであってもよい。また、超電導ケーブルとしては、断熱管内に電気絶縁層が設けられた低温絶縁方式と、断熱管外に電気絶縁層が設けられた常温絶縁方式とがあり、超電導ケーブルシステムを構成する超電導ケーブルには、いずれの方式も採用できる。

本発明の一態様に係る超電導ケーブルシステムは、送電線路に好適に利用可能である。

Ｓ超電導ケーブルシステム
１超電導ケーブル
１０超電導導体部（ケーブルコア）
１０１フォーマ１０２超電導導体層
１０３電気絶縁層
１０４シールド層１０５保護層
２０断熱管
２１内管２２外管
２５防食層
３Ａ，３Ｂ終端接続部
３０Ａ，３０Ｂ接続箱
３４Ａ，３４Ｂ冷媒配管
４０冷却システム
４１冷凍機４２循環ポンプ
４３リザーバタンク
５０圧力調整タンク５１逃し弁５２排気弁
５５移動隔壁
５０Ｌ液相５０Ｇ気相
６０放出弁６１熱交換器６２消音器
Ｌ液体冷媒

Claims

フォーマの外周に超電導導体層を有する超電導導体部が断熱管内に収納された超電導ケーブルと、前記断熱管内に前記超電導導体層を冷却する液体冷媒を供給し、前記断熱管と共に冷媒流路を構成する冷却システムと、を備える超電導ケーブルシステムであって、
前記冷媒流路に設けられ、前記冷媒流路からの前記液体冷媒が流入する圧力調整タンクと、
前記冷媒流路と前記圧力調整タンクとの間に介在され、前記冷媒流路の冷媒圧力に応じて開閉する逃し弁と、
前記冷媒流路に接続され、前記冷媒流路の冷媒圧力が所定の圧力を超えると開き、前記冷媒流路から前記液体冷媒を外部に放出する放出弁と、を備え、
通常時は、前記逃し弁が閉じられて、前記圧力調整タンクが前記冷媒流路と分離され、前記圧力調整タンク内に気相が確保されており、
前記冷媒流路の冷媒圧力が所定の圧力を超える異常時は、前記逃し弁が前記放出弁の作動圧力より低い圧力で作動して開き、前記冷媒流路から前記液体冷媒を前記圧力調整タンク内に逃して、前記冷媒流路の冷媒圧力を下げる超電導ケーブルシステム。
前記逃し弁は、前記圧力調整タンクへの方向にのみ開く逆止弁である請求項１に記載の超電導ケーブルシステム。
前記放出弁の開放端に、前記放出弁から放出される前記液体冷媒を気化する熱交換器を備える請求項１又は請求項２に記載の超電導ケーブルシステム。