JP6374305B2 - 超電導ケーブルシステム - Google Patents
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Description
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。
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。
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;PolyPropylene Laminated Paper)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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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P1、放出弁60の作動圧力をP2、安全弁の作動圧力をPmとするとき、各弁の作動圧力は、P1<P2<Pmとすることが挙げられる。
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 (3)
- 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。
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