(57)【要約】【課題】複数の冷凍機で冷却した液化冷媒で高温超電導電力機器を冷却する際、低消費電力で効率的に冷却できる高温超電導電力機器用冷却システム及び運転方法を提供する。【解決手段】液化冷媒を循環させる液化冷媒供給ライン１と、液化冷媒供給ライン１に設けられ、液化冷媒によって冷却される高温超電導電力機器４と、液化冷媒供給ライン１に設けられ、高温超電導電力機器４から導出された液化冷媒を圧送循環させる冷媒ポンプ２と、液化冷媒供給ライン１における冷媒ポンプ２の下流側であって高温超電導電力機器４の上流側に設けられ、液化冷媒供給ライン１の少なくとも一部を収容し、液化冷媒供給ライン１を循環する液化冷媒を冷却する複数の冷凍機３とを有し、複数の冷凍機３は、それぞれ直列に接続されており、冷媒ポンプ２から圧送される液化冷媒を複数の冷凍機３間で直列に流通させながら冷却した後、高温超電導電力機器４に送出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液化冷媒を循環させる液化冷媒供給ラインと、
前記液化冷媒供給ラインに設けられ、該液化冷媒供給ラインを循環する前記液化冷媒によって冷却される高温超電導電力機器と、
前記液化冷媒供給ラインに設けられ、前記高温超電導電力機器から導出された前記液化冷媒を圧送循環させる冷媒ポンプと、
前記液化冷媒供給ラインにおける前記液化冷媒の流れ方向で前記冷媒ポンプの下流側であって前記高温超電導電力機器の上流側に設けられ、前記液化冷媒供給ラインの少なくとも一部を収容し、前記液化冷媒供給ラインを循環する前記液化冷媒を冷却する複数の冷凍機と、を有し、
前記複数の冷凍機は、それぞれ直列に接続されており、前記冷媒ポンプから圧送される前記液化冷媒を、前記複数の冷凍機間で直列に流通させながら冷却した後、前記高温超電導電力機器に送出することを特徴とする高温超電導電力機器用冷却システム。
【請求項２】
前記複数の冷凍機は、それぞれ、冷媒ガスを循環させる冷媒ガス循環ラインを有し、さらに、該冷媒ガス循環ラインに設けられた、前記冷媒ガスを圧縮する圧縮機、該圧縮機の後段側に配置されて前記冷媒ガスを膨張させる膨張機、前記膨張機で膨張させた前記冷媒ガスと前記液化冷媒供給ラインを循環する前記液化冷媒とを熱交換させることで該液化冷媒を冷却する液化冷媒用熱交換器、及び、該液化冷媒用熱交換器を通過した前記冷媒ガスと前記圧縮機で圧縮された前記冷媒ガスとを熱交換させる冷媒ガス用熱交換器を含むことを特徴とする請求項１に記載の高温超電導電力機器用冷却システム。
【請求項３】
前記複数の冷凍機に備えられる圧縮機が、それぞれ同一の回転数で運転されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の高温超電導電力機器用冷却システム。
【請求項４】
前記複数の冷凍機が同一の冷凍能力で運転されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の高温超電導電力機器用冷却システム。
【請求項５】
前記液化冷媒が前記冷凍機をバイパスするバイパス管が備えられていることを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の高温超電導電力機器用冷却システム。
【請求項６】
請求項１〜請求項５の何れか一項に記載の高温超電導電力機器用冷却システムを用いて高温超電導電力機器を冷却することを特徴とする高温超電導電力機器用冷却システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温超電導電力機器用冷却システム及びその運転方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、超電導送電ケーブル、超電導変圧器、超電導モーター、超電導限流器、超電導電力貯蔵器等の超電導電力機器を冷却する際、特に、高温超電導（ＨＴＳ：Ｈｉｇｈ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ）を利用した高温超電導電力機器を冷却する場合には、例えば、−２００℃以下の極低温域での冷却性能が要求される。このため、高温超電導電力機器を冷却する場合には、液化冷媒として、極低温域での冷却が可能な液体窒素が用いられている。
【０００３】
超電導電力機器を冷却する場合、侵入熱や超電導電力機器を構成する超電導体（例えば、コイルやケーブル等）に通電することによる発熱で液化冷媒が昇温する。このため、超電導電力機器を冷却する冷却システムは、一般に、液化冷媒を冷却するための冷凍機と、液化冷媒を循環させるためのポンプと、液化冷媒を貯留する貯槽とを含む構成とされている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００４】
図４及び図５は、従来の冷却システムの概略構成を示す系統図である。
図４に示すように、従来、高温超電導電力機器を冷却する場合は、冷凍機１０３で液体窒素を冷却してサブクール状態の液体窒素を生成し、このサブクール液体窒素を高温超電導電力機器１０４に循環させて冷却する方法が一般的であり、１台で十分な冷却能力を有する冷凍機１０３を用いて、冷媒ポンプ１０２による液体窒素の循環で冷却運転が行われている。ここで、サブクール状態とは、液体温度がその飽和温度よりも低い状態のことをいい、例えば、大気圧下の液体窒素の場合、沸点（約７７Ｋ）から凝固点（約６３Ｋ）の範囲の温度である状態のことをいう。
【０００５】
一方、高温超電導電力機器は２４時間運転で稼働される場合も多いことから、その冷却システムにも、安定して２４時間運転可能であることが求められる。このため、近年では、複数台の冷凍機を用い、例えば、冷凍機のメンテナンスが必要な場合には、その都度、使用する冷凍機を切り替えることで、２４時間運転による冷却に対応している。このような場合には、図５に示すように、複数の冷媒ポンプ１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃ、及び、複数の冷凍機１０３Ａ，１０３Ｂ，１０３Ｃが並列に配置され、各冷凍機の出口における、サブクール状態とされた液体窒素の出口温度Ｔｏｕｔが等しくなるように、各々の冷凍機が独立運転する構成が採用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１６−１６９８８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ここで、図５に示すような、３台の冷凍機１０３Ａ，１０３Ｂ，１０３Ｃを並列で配置した構成を採用し、例えば、これらの各冷凍機を同時に運転した場合には、冷却システムとしての冷却能力をより高めることが可能になる。例えば、仮に、高温超電導電力機器の冷却に要する必要冷却能力が６０００ワットである場合には、２０００ワットの冷却能力を有する冷凍機を３台同時に運転することで、上記の必要冷却能力が得られることになる。
【０００８】
一方、高温超電導電力機器の運転においては冷凍機の消費電力の管理が極めて重要である。例えば、実用規模の高温超電導電力機器用の冷却システムの例として、超電導送電ケーブル冷却システムがある。これは、変電所と変電所の間に敷設される数キロメールから数十キロメールに及ぶ超電導送電ケーブルの冷却システムであり、これを冷却するための冷凍能力は大容量となる。従って、高温超電導電力機器用の冷却システムの冷却効率の改善への要求は大きい。このため、高温超電導電力機器の冷却システムにおいては、少しでもその消費電力を低減すること、即ち、効率的に冷凍機を運転することが、省エネや運転コストの低減等の観点から非常に重要となる。しかしながら、例えば、図５に示すような構成の冷却システムを用いて３台の冷凍機１０３Ａ，１０３Ｂ，１０３Ｃを同時に運転した場合には、冷凍機は１台毎の独立運転であることから、必要な電力は単純に１台あたりの消費電力の３倍となるため、決して効率の良い方法ではなかった。このため、極低温域における高い冷却能力を実現しながら、消費電力を低減できる高温超電導電力機器用の冷却システムが切に求められていた。
【０００９】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、複数の冷凍機で液化冷媒を冷却しながら、この液化冷媒で高温超電導電力機器を冷却する際、少ない消費電力で効率的に冷却することが可能な高温超電導電力機器用冷却システム及びその運転方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、液化冷媒を循環させる液化冷媒供給ラインと、前記液化冷媒供給ラインに設けられ、該液化冷媒供給ラインを循環する前記液化冷媒によって冷却される高温超電導電力機器と、前記液化冷媒供給ラインに設けられ、前記高温超電導電力機器から導出された前記液化冷媒を圧送循環させる冷媒ポンプと、前記液化冷媒供給ラインにおける前記液化冷媒の流れ方向で前記冷媒ポンプの下流側であって前記高温超電導電力機器の上流側に設けられ、前記液化冷媒供給ラインの少なくとも一部を収容し、前記液化冷媒供給ラインを循環する前記液化冷媒を冷却する複数の冷凍機と、を有し、前記複数の冷凍機は、それぞれ直列に接続されており、前記冷媒ポンプから圧送される前記液化冷媒を、前記複数の冷凍機間で直列に流通させながら冷却した後、前記高温超電導電力機器に送出することを特徴とする高温超電導電力機器用冷却システムである。
【００１１】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の冷却システムであって、前記複数の冷凍機が、それぞれ、冷媒ガスを循環させる冷媒ガス循環ラインを有し、さらに、該冷媒ガス循環ラインに設けられた、前記冷媒ガスを圧縮する圧縮機、該圧縮機の後段側に配置されて前記冷媒ガスを膨張させる膨張機、前記膨張機で膨張させた前記冷媒ガスと前記液化冷媒供給ラインを循環する前記液化冷媒とを熱交換させることで該液化冷媒を冷却する液化冷媒用熱交換器、及び、該液化冷媒用熱交換器を通過した前記冷媒ガスと前記圧縮機で圧縮された前記冷媒ガスとを熱交換させる冷媒ガス用熱交換器を含むことを特徴とする高温超電導電力機器用冷却システムである。
【００１２】
請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に記載の冷却システムであって、前記複数の冷凍機に備えられる圧縮機が、それぞれ同一の回転数で運転されることを特徴とする高温超電導電力機器用冷却システムである。
【００１３】
請求項４に係る発明は、請求項１又は請求項２に記載の冷却システムであって、前記複数の冷凍機が同一の冷凍能力で運転されることを特徴とする高温超電導電力機器用冷却システムである。
【００１４】
請求項５に係る発明は、請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の冷却システムであって、前記液化冷媒が前記冷凍機をバイパスするバイパス管が備えられていることを特徴とする高温超電導電力機器用冷却システムである。
【００１５】
さらに、請求項６に係る発明は、請求項１〜請求項５の何れか一項に記載の高温超電導電力機器用冷却システムを用いて高温超電導電力機器を冷却することを特徴とする高温超電導電力機器用冷却システムの運転方法である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る高温超電導電力機器用冷却システムによれば、液化冷媒供給ラインにおける冷媒ポンプの下流側であって高温超電導電力機器の上流側に設けられ、液化冷媒供給ラインを循環する液化冷媒を冷却する複数の冷凍機を有し、これら複数の冷凍機が、それぞれ直列に接続され、冷媒ポンプから圧送される液化冷媒を複数の冷凍機間で直列に流通させながら冷却した後、高温超電導電力機器に送出する構成を採用している。
このように、複数の冷凍機を直列に配置することで、液化冷媒供給ラインの上流側に配置される冷凍機に対して、下流側に配置される冷凍機の駆動電力を、冷却能力を低下させることなく低電力で設定できる。これにより、特に大きな冷却能力が必要で、従来は冷凍機の消費電力も大きくなりがちだった高温超電導電力機器の冷却に関し、冷却能力を低下させることなく駆動電力を大幅に低減することができる。従って、少ない消費電力で効率的に高温超電導電力機器を冷却することが可能になる。
【００１７】
また、本発明に係る高温超電導電力機器用冷却システムの運転方法によれば、上記構成を備えた本発明に係る高温超電導電力機器用冷却システムを用いて高温超電導電力機器を冷却する方法なので、上記同様、下流側に配置される冷凍機の駆動電力を、冷却能力を低下させることなく低電力で設定できる。これにより、冷凍機の消費電力が大きくなりがちな高温超電導電力機器の冷却に関し、冷却能力を低下させることなく駆動電力を大幅に低減することができる。従って、少ない消費電力で効率的に高温超電導電力機器を冷却することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態である高温超電導電力機器用冷却システム及びその運転方法について模式的に説明する図であり、システム全体の概略構成を示す系統図である。
【図２】本発明の一実施形態である高温超電導電力機器用冷却システム及びその運転方法について模式的に説明する図であり、図１中に示した冷凍機をさらに詳細に示す概略図である。
【図３】本発明の一実施形態である高温超電導電力機器用冷却システム及びその運転方法について説明する図であり、冷凍機の冷却能力と冷却温度との関係を、冷凍機に備えられる圧縮機の回転数毎に示すグラフである。
【図４】従来の冷却システムの構成を説明する図であり、１台の冷凍機を用いた場合の系統図である。
【図５】従来の冷却システムの構成を説明する系統図であり、複数の冷凍機を並列に配置した場合の系統図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明を適用した一実施形態である高温超電導電力機器用冷却システム及びその運転方法について、図１〜図３を適宜参照しながら説明する（図４及び図５の従来図も適宜参照）。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率等が実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示する材料等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
【００２０】
本発明に係る高温超電導電力機器用冷却システム及びその運転方法は、例えば、超電導送電ケーブル、超電導変圧器、超電導モーター、超電導限流器、超電導電力貯蔵器等、高温の超電導電力機器を−２００℃以下の極低温領域まで冷却する用途に適用することが可能なものである。
【００２１】
＜高温超電導電力機器用冷却システム＞
以下、本実施形態の高温超電導電力機器用冷却システム（以下、単に冷却システムと略称することがある）の構成について詳述する。
図１に示すように、本実施形態の冷却システム１０は、液化冷媒（図示略）を循環させる液化冷媒供給ライン１と、液化冷媒供給ライン１に設けられ、この液化冷媒供給ライン１を循環する液化冷媒によって冷却される高温超電導電力機器４と、液化冷媒供給ライン１に設けられ、高温超電導電力機器４から導出された液化冷媒を圧送循環させる冷媒ポンプ２と、液化冷媒供給ライン１における液化冷媒の流れ方向で冷媒ポンプ２の下流側であって高温超電導電力機器４の上流側に設けられ、液化冷媒供給ライン１の少なくとも一部を収容し、液化冷媒供給ライン１を循環する液化冷媒を冷却する複数の冷凍機３と、を有して概略構成される。
【００２２】
そして、本実施形態の冷却システム１０は、複数の冷凍機３（３Ａ，３Ｂ，３Ｃ）が、それぞれ直列に接続されており、冷媒ポンプ２から圧送される液化冷媒を、複数の冷凍機３Ａ，３Ｂ，３Ｃ間で直列に流通させながら冷却した後、高温超電導電力機器４に送出するように構成されている。
【００２３】
液化冷媒供給ライン１は、液化冷媒貯槽８に貯留された液化冷媒を循環させるための配管であり、この液化冷媒供給ライン１内の所定の位置に上記の液化冷媒貯槽８が接続され、ループ状に構成される。液化冷媒供給ライン１は、詳細を後述するが、冷凍機３内の液化冷媒用熱交換器３４（図２参照）内に配置される冷却区間１Ａを有する。
【００２４】
ここで、本実施形態において液化冷媒供給ライン１内を循環させる液化冷媒としては、超電導送電ケーブル等の高温超電導電力機器を冷却するにあたり、その超電導状態を維持できる臨界温度領域で液化可能な物質が好ましく、且つ、サブクール状態で電気絶縁性に優れたものが好ましい。このような液化冷媒としては、安全面やコスト面を考慮すると、例えば、液化窒素（液体窒素）を用いることができる。
【００２５】
冷媒ポンプ２は、液化冷媒貯槽８から供給される液化冷媒を液化冷媒供給ライン１内に圧送して循環させるものであり、図１に示す例においては、３台の冷媒ポンプ２Ａ，２Ｂ，２Ｃがそれぞれ並列に接続されている。即ち、冷媒ポンプ２は、高温超電導電力機器４に液化冷媒を圧送する機能を有するものである。
【００２６】
冷媒ポンプ２としては、冷媒の搬送に用いられる一般的なポンプを何ら制限無く用いることができるが、液化冷媒として液体窒素を用いる場合には、例えば、３０Ｌ／ｍｉｎ〜１００Ｌ／ｍｉｎの範囲内で液体窒素を圧送可能なものを用いることが好ましい。
【００２７】
冷凍機３は、液化冷媒供給ライン１を循環する液化冷媒を冷却するものであり、図１に示す例では、液化冷媒供給ライン１における冷媒ポンプ２と高温超電導電力機器４との間に複数で設けられ、より具体的には、３台の冷凍機３Ａ，３Ｂ，３Ｃが、液化冷媒供給ライン１上で直列に接続されている。
【００２８】
複数の冷凍機３Ａ，３Ｂ，３Ｃは、図２に示す例においては、それぞれ、冷媒ガス（図示略）を循環させる冷媒ガス循環ライン３１を有している。また、冷凍機３Ａ，３Ｂ，３Ｃは、冷媒ガス循環ライン３１に設けられた、冷媒ガスを圧縮する圧縮機３２、及び、この圧縮機３２の後段側に配置されて冷媒ガスを断熱膨張させる膨張機３３を、それぞれ有する。さらに、冷凍機３Ａ，３Ｂ，３Ｃは、膨張機３３で断熱膨張させた冷媒ガスと液化冷媒供給ライン１を循環する液化冷媒（液体窒素）とを熱交換させることで液化冷媒を冷却する液化冷媒用熱交換器３４、及び、この液化冷媒用熱交換器３４を通過した冷媒ガスと圧縮機３２で圧縮された冷媒ガスとを熱交換させる冷媒ガス用熱交換器３５を、それぞれ含んで構成される。また、図示例の冷凍機３Ａ，３Ｂ，３Ｃには、冷媒ガス循環ライン３１における圧縮機３２と第３の区間３１Ｃとの間に冷媒ガスを供給するための水冷部３６が設けられている。
【００２９】
本実施形態の冷却システム１に備えられる冷凍機３Ａ，３Ｂ，３Ｃは、上記構成により、それぞれ、液化冷媒供給ライン１の少なくとも一部を収容し、液化冷媒供給ライン１を循環する液化冷媒を冷却するものである。
【００３０】
なお、冷凍機３Ａ，３Ｂ，３Ｃは、圧縮機３２及び水冷部３６を除く構成要素については、図示略の真空容器（コールドボックス）内に収容される。この真空容器は、外部からの熱の侵入を抑制するためのものである。
【００３１】
冷媒ガス循環ライン３１は、ループ状とされたラインであり、冷媒ガスを循環させるためのラインである。
冷媒ガス循環ライン３１は、第１〜第３の区間３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃを有する。
第１の区間３１Ａは、液化冷媒用熱交換器３４内に配置されており、膨張機３３で断熱膨張によって液化冷媒の温度よりも低温となった冷媒ガスが供給される。
第２及び第３の区間３１Ｂ，３１Ｃは、冷媒ガス用熱交換器３５内に配置されている。第２の区間３１Ｂには、液化冷媒用熱交換器３４を通過した低圧の冷媒ガスが供給される。また、第３の区間３１Ｃには、圧縮機３２で圧縮されて水冷部３６で冷却された高圧の冷媒ガスが供給される。
【００３２】
冷媒ガスとしては、液化冷媒供給ライン１を循環する液化冷媒の液化温度よりも十分に低い液化温度を有するものを用いる。液化冷媒として液化窒素を用いる場合、冷媒ガスとしては、例えば、ヘリウムガス、ネオンガス、あるいはヘリウムガスとネオンガスとを混合させた混合ガスを用いることが可能であるが、ネオンガスを用いることが好ましい。このように、ヘリウムよりも分子量の大きいネオンを含むネオンガスを冷媒ガスとして用いることで、音速が小さくなり、圧縮機３２や膨張機３３の回転数が低く抑えられるので、設計が容易になるとともに、冷凍機３の稼働信頼性を向上させることが可能になる。
【００３３】
液化冷媒用熱交換器３４は、液化冷媒供給ライン１の冷却区間１Ａ、及び、冷媒ガス循環ライン３１の第１の区間３１Ａを収容可能な位置に設けられている。液化冷媒用熱交換器３４は、冷却区間１Ａを流れる液化冷媒と、第１の区間３１Ａを流れ、膨張機３３で断熱膨張によって液化冷媒の温度よりも低温となった冷媒ガスとを熱交換させることで、液化冷媒をサブクール温度まで冷却させる。
液化冷媒用熱交換器３４としては、小型化及び高性能化の観点から、例えば、アルミプレートフィン熱交換器を用いることができる。
【００３４】
ここで、サブクール温度まで冷却された液化冷媒は、液化冷媒供給ライン１を介して高温超電導電力機器４に導入され、超電導送電ケーブル等の高温超電導電力機器４の冷却処理に供される。一方、液化冷媒の冷却に寄与した冷媒ガスは、冷媒ガス循環ライン３１の冷媒ガス用熱交換器３５に移送され、第２の区間３１Ｂを介して、圧縮機３２に戻される。
【００３５】
圧縮機３２は、冷媒ガス循環ライン３１における第２の区間３１Ｂと第３の区間３１Ｃとの間に配置されている。
圧縮機３２は、冷媒ガスを圧縮することで、高温及び高圧とされた冷媒ガスを生成する。圧縮機３２によって生成された高温及び高圧の冷媒ガスは、水冷部３６に送出される。
【００３６】
なお、図２においては、圧縮機３２及び水冷部３６をそれぞれ１台のみ設けた場合を例に挙げて説明しているが、これには限定されない。例えば、冷媒ガス循環ライン３１における第２の区間３１Ｂと第３の区間３１Ｃとの間に、複数の圧縮機３２及び水冷部３６を設けてもよい。冷媒ガス循環ライン３１内に複数の圧縮機３２及び水冷部３６を設置することで、より高圧の冷媒ガスを生成することが可能になる。
【００３７】
水冷部３６は、冷媒ガス循環ライン３１における圧縮機３２と第３の区間３１Ｃとの間に配置されている。水冷部３６は、高温及び高圧とされた冷媒ガスの温度を大気温度付近まで冷却する。水冷部３６によって冷却された冷媒ガスは、第３の区間３１Ｃに送出される。このような水冷部３６としては、例えば、水冷式クーラー（シェル・アンド・チューブ熱交換器、プレート・アンド・シェル熱交換器）を用いることができる。
【００３８】
冷媒ガス用熱交換器３５は、冷媒ガス循環ライン３１のうちの第２及び第３の区間３１Ｂ，３１Ｃが内部に配置され、液化冷媒用熱交換器３４を通過して第２の区間３１Ｂを流れる低圧の冷媒ガスと、圧縮機３２及び水冷部３６を通過して第３の区間３１Ｃを流れる高圧の冷媒ガスとを熱交換させる。
冷媒ガス用熱交換器３５としては、小型化及び高性能化の観点から、例えば、アルミプレートフィン熱交換器等を用いることができる。
【００３９】
膨張機３３は、冷媒ガス循環ライン３１における液化冷媒用熱交換器３４と冷媒ガス用熱交換器３５との間に配置されている。膨張機３３は、冷媒ガスを断熱膨張させることで、液化冷媒のサブクール温度よりも低い温度の冷媒ガスを生成する。
なお、膨張機３３と圧縮機３２とを同一の回転軸上に配置させて一体化させてもよい。これにより、膨張機３３で発生した動力を圧縮機３２の駆動に有効利用できるので、冷凍機３の小型化並びに動力の省力化を図ることが可能になる。
【００４０】
ここで、本実施形態の冷却システム１０においては、例えば、冷凍能力及び消費電力の両方を勘案しながら、３台の冷凍機３Ａ，３Ｂ，３Ｃのうち、何れか１台又は２台のみを運転する条件で、高温超電導電力機器を冷却することも可能である。
【００４１】
高温超電導電力機器４は、例えば、超電導送電ケーブル、超電導変圧器、超電導モーター、超電導限流器、又は超電導電力貯蔵器等の超電導電力機器であり、冷凍機３（３Ａ、３Ｂ、３Ｃ）で冷却された液化冷媒によって所定の温度まで冷却される。詳細な図示を省略するが、高温超電導電力機器４が、例えば、真空断熱二重管構造の超電導送電ケーブルである場合、二重管の内管側に収納された超電導ケーブルが液化冷媒によって所定の温度まで冷却される。一方、高温超電導電力機器４を冷却することで加熱された液化冷媒は、複数の冷媒ポンプ２（２Ａ，２Ｂ，２Ｃ）に導入される。
【００４２】
なお、図示例の冷却システム１０においては、バイパス配管７（７Ａ、７Ｂ、７Ｃ）、切り替え弁６（６Ａ、６Ｂ、６Ｃ）、及び逆止弁９（９Ａ、９Ｂ、９Ｃ）が設けられている。例えば、高温超電導電力機器４に求められる冷却能力が大幅に低下した場合、あるいは、一部の冷凍機３のメンテナンスが必要になった場合等に、切り替え弁６を操作することで液化冷媒をバイパス配管７（７Ａ、７Ｂ、７Ｃ）に導入し、冷凍機３をバイパスするように切り替えることで、一部の冷凍機３のみで高温超電導電力機器４を冷却することができる。即ち、切り替え弁６の操作により、液化冷媒をバイパス配管７に導入し、この際にバイパスした冷凍機の運転を停止することができる。
【００４３】
冷却システム１０は、温度計５（５Ａ，５Ｂ，５Ｃ）が各冷凍機３Ａ，３Ｂ，３Ｃに対応してそれぞれ設けられ、これら各温度計で検出した液化冷媒温度を図示略の制御装置に入力することにより、液化冷媒の温度に応じて冷却システム１０の運転制御を行うことができる。このとき、制御装置は、例えば、各温度計で検出される入口温度又は出口温度（冷凍機の入口又は出口における液化冷媒の温度）に基づき、複数の冷媒ポンプ２Ａ，２Ｂ，２Ｃの運転台数を制御することが可能である。あるいは、各温度計で検出される各冷凍機３Ａ，３Ｂ，３Ｃの入口温度又は出口温度に基づき、例えば、上記の複数の圧縮機３２又は膨張機３３の回転数を制御することにより、液化冷媒の流量や流速等の運転条件を変更することも可能である。
【００４４】
このとき、液化冷媒の温度が十分に低下している場合には、複数の冷凍機３Ａ，３Ｂ，３Ｃのうちの一部、例えば、図示例において下流側に配置される冷凍機３Ｃの駆動電力を、上流側の冷凍機３Ａ，３Ｂよりも低電力に設定することで、冷却能力を低下させることなく、省エネルギー運転が可能になる。
一方、液化冷媒の温度が十分に低下していないことを各温度計で検出した場合には、全ての冷凍機３Ａ，３Ｂ，３Ｃの駆動電力を高電力で設定することで、液化冷媒の温度を直ちに低下させ、高温超電導電力機器４の冷却効率を高めることが可能になる。
【００４５】
なお、冷凍機３の駆動電力を調整する方法としては、例えば、各冷凍機３Ａ，３Ｂ，３Ｃに備えられる圧縮機３２の駆動電力を、必要に応じて適宜低電力に設定する方法の他、膨張機３３の駆動電力を変更する方法も採用できる。
【００４６】
ここで、図５に示すような、３台の冷凍機１０３Ａ，１０３Ｂ，１０３Ｃを並列配置で備える従来の冷却システムにおいては、図４に示すような冷凍機１０３を１台だけ備えた冷却システムに比べて、その消費電力は単純に３倍となる。
一方、本実施形態の冷却システム１０によれば、上記のように、複数の冷凍機３Ａ，３Ｂ，３Ｃを直列に配置した構成を採用することで、特に、液化冷媒供給ライン１の上流側に配置される冷凍機（例えば冷凍機３Ａ）に対して、下流側に配置される冷凍機（例えば冷凍機３Ｃ）の駆動電力を、冷却能力を低下させることなく低電力で設定できる。これにより、少ない消費電力で効率的に高温超電導電力機器を冷却することが可能になる。
【００４７】
＜高温超電導電力機器用冷却システムの運転方法＞
以下に、本実施形態の高温超電導電力機器用冷却システムの運転方法について、図１及び図２を参照しながら説明する。
本実施形態の運転方法は、上述したような本実施形態の高温超電導電力機器用冷却システム１０を用いて超電導送電ケーブル等の高温超電導電力機器を冷却する方法である。
【００４８】
まず、冷媒ポンプ２（２Ａ，２Ｂ，２Ｃ）を用いて、高温超電導電力機器４と接続され、且つ、冷却区間１Ａが冷凍機３内の液化冷媒用熱交換器３４を通過する液化冷媒供給ライン１に、液化冷媒貯槽８に貯留された液化冷媒を供給する。
【００４９】
次いで、複数の冷凍機３（図示例では３台の冷凍機３Ａ，３Ｂ，３Ｃ）を用いて、液化冷媒供給ライン１の冷却区間１Ａを通過する液化冷媒をサブクール温度まで冷却し、高温超電導電力機器４に供給することで、超電導送電ケーブル等の高温超電導電力機器４を冷却する。
具体的には、まず、冷凍機３Ａ，３Ｂ，３Ｃを起動し、各々に備えられる圧縮機３２によって図示略の冷媒ガスを断熱圧縮する。このとき、高圧側の冷媒ガスの圧力は、例えば、１〜２ＭＰａ程度とすることができる。圧縮機３２によって圧縮されて高温状態となった冷媒ガスは、水冷部３６によって常温まで冷却され、冷媒ガス用熱交換器３５を通過する。
【００５０】
そして、冷媒ガス用熱交換器３５では、圧縮機３２によって圧縮され、第３の区間３１Ｃを流れる高圧の冷媒ガスと、液化冷媒用熱交換器３４を通過し、第２の区間３１Ｂを流れる低圧・低温の冷媒ガスとを熱交換させることで、第３の区間３１Ｃを流れる冷媒ガスを冷却する。冷却された高圧の冷媒ガスは、膨張機３３を介して、さらに冷却され、第１の区間３１Ａに導入される。
【００５１】
次いで、液化冷媒用熱交換器３４において、第１の区間３１Ａを流れ、膨張機３３によってさらに冷却された冷媒ガスと、冷却区間１Ａを流れる液化冷媒とを熱交換させることで、液化冷媒をサブクール温度まで冷却する。
さらに、低温のサブクール温度まで冷却された液化冷媒は高温超電導電力機器４に導入され、この高温超電導電力機器が冷却される。
そして、高温超電導電力機器４の冷却に寄与した液化冷媒は、高温超電導電力機器４から導出された後、液化冷媒供給ライン１を介して再び冷媒ポンプに入り、循環に供される。
【００５２】
本実施形態の冷却システムの運転方法によれば、液化冷媒供給ライン１の経路に複数の冷凍機３Ａ，３Ｂ，３Ｃが直列で配置された冷却システム１０を用いて高温超電導電力機器を冷却する方法である。従って、以下に詳述するような理由により、下流側に配置される冷凍機３Ｃの駆動電力を、冷却能力を低下させることなく低電力で設定できるので、少ない消費電力で効率的に高温超電導電力機器を冷却することが可能になる。
【００５３】
以下、本実施形態の冷却システム１０における冷却能力と消費電力との関係について説明する。
【００５４】
一般に、理想的な冷凍機であるカルノーサイクルにおける冷凍機の動力と、冷却能力との関係は、下記（１）式で与えられる。
【００５５】
【数１】
2019095079.tif 000003
【００５６】
但し、上記（１）式中、Ｑ：冷却能力、Ｗ：冷凍機の動力、Ｔｃ：冷却温度（℃）、Ｔｈ：熱を放出する周囲温度（℃）である。
【００５７】
ここで、冷凍機の動力Ｗに対する冷却能力Ｑの割合、即ち、上記（１）式中における「Ｑ／Ｗ」は、冷凍機のＣＯＰ（ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｏｆ  ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）、あるいは、成績係数と呼ばれている。
上記（１）式より、冷却温度Ｔｃ（ここでは液化冷媒（液体窒素）の出口温度）が高くなると、冷却温度Ｔｃは周囲温度Ｔｈに近づき、右辺の分母が小さくなるため、冷凍機の動力Ｗが同じである場合、冷却能力Ｑは大きくなる。即ち、冷凍効率（冷却効率）が高いということになる。
【００５８】
そこで、図１に示す冷却システム１０のように、複数の冷凍機３（図示例では３台の冷凍機３Ａ，３Ｂ，３Ｃ）を直列に配置することで、液化冷媒供給ライン１の上流側から数えて１台目の冷凍機３Ａ、及び、２台目の冷凍機３Ｂは、３台目の冷凍機３Ｃに比べて冷却温度Ｔｃが高くなり、次式｛冷凍機３Ａ＞冷凍機３Ｂ＞冷凍機３Ｃ｝で表される順で、冷凍機としての効率が高くなる。
【００５９】
例えば、冷凍機３Ａ及び冷凍機３Ｂが定格運転（圧縮機の定格回転数での運転）の場合、それぞれ冷却能力が増加し、冷凍機３Ｃの負荷が小さくなるため、冷凍機３Ｃに備えられる圧縮機３２の回転数は定格回転よりも低くできるので、消費電力が低減される。即ち、図５に示すような、３台の冷凍機を並列で配置した従来の構成の冷却システムに比べて消費電力を低減することができる。
【００６０】
ネオンを冷媒とするターボブレイトンサイクル冷凍機、例えば、大陽日酸株式会社（本出願人）製ネオン冷凍機では、６５〜８０Ｋ程度の運転温度範囲において、その冷却能力Ｑは、冷却温度Ｔ及び圧縮機の回転数Ｎとの間に、下記（２）式で表される関係があることを見出している。
Ｑ＝４０Ｔ−７５００＋１２Ｎ    ・・・・・（２）
但し、上記（２）式中、Ｑ：冷却能力、Ｔ：冷却温度、Ｎ：圧縮機の回転数である。
また、上記（２）式は、図３のグラフに示したような、冷凍機の冷却能力と冷却温度との関係を、冷凍機に備えられる圧縮機の回転数毎に示したデータに基づき、内挿法（最小二乗法）にて関係式を算出したものである。
【００６１】
以下に、冷凍機の液化冷媒（液体窒素）の出口温度（図１中のＴｏｕｔ）、及び、入口温度（図１中のＴｉｎ）が、それぞれ、６５Ｋ、７１Ｋである場合を例に挙げ、冷凍機の消費電力を計算する。
なお、以下の説明では、図１に示す冷却システム１０において、冷凍機３Ａ、冷凍機３Ｂ及び冷凍機３Ｃの冷却能力を、それぞれＱ１，Ｑ２，Ｑ３とし、その合計冷却能力が６０００ワットである場合について例示する。また、冷凍機３Ａ側の入口温度をＴｉｎ、出口温度をＴ１、冷凍機３Ｂの出口温度をＴ２、冷凍機３Ｃの出口温度をＴｏｕｔとする。また、各冷凍機３Ａ，３Ｂ，３Ｃに流れる液化冷媒（液体窒素）の流量は、図５に示すような並列配列時における１台あたりの流量の３倍（３Ｍ）とする。
【００６２】
ここで、それぞれの冷凍機３Ａ，３Ｂ，３Ｃが独立した冷却温度制御（各冷凍機の出口温度をそれぞれの設定温度に維持する制御）を行った場合、冷凍機３Ａ及び冷凍機３Ｂの冷却温度（各冷凍機の出口温度）は、６５Ｋよりも明らかに高くなる。このため、冷凍機３Ａ及び冷凍機３Ｂの圧縮機が最大５７５ｒｐｓの回転数Ｎで運転され、冷凍機３Ｃの圧縮機の回転数をＮ３とした場合、各冷凍機３Ａ，３Ｂ，３Ｃの冷却能力Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３、及びこれらの合計冷却能力は、下記（３）〜（６）式で表される。
Ｑ１＝４０×Ｔ１−７５００＋１２×５７５    ・・・・・（３）
Ｑ２＝４０×Ｔ２−７５００＋１２×５７５    ・・・・・（４）
Ｑ３＝４０×Ｔｏｕｔ−７５００＋１２×Ｎ３  ・・・・・（５）
Ｑ１＋Ｑ２＋Ｑ３＝６０００    ・・・・・（６）
但し、上記（３）〜（６）式は、冷凍機３Ａの入口温度Ｔｉｎを７１Ｋ、冷凍機３Ｃ側の出口温度Ｔｏｕｔを６５Ｋとした場合となる。
【００６３】
また、各冷凍機３Ａ，３Ｂ，３Ｃのそれぞれの冷却能力Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３は、下記（７）〜（９）式に示すように、液化冷媒である液体窒素の交換熱量から算出できる。
Ｑ１＝３Ｍ×Ｃｐ×（Ｔｉｎ−Ｔ１）  ・・・・・（７）
Ｑ２＝３Ｍ×Ｃｐ×（Ｔ１−Ｔ２）    ・・・・・（８）
Ｑ３＝３Ｍ×Ｃｐ×（Ｔ２−Ｔｏｕｔ）    ・・・・・（９）
但し、上記（７）〜（９）式中、３Ｍ：並列配置とした場合の冷凍機１台あたりの液体窒素循環量Ｍの３倍、Ｃｐ：液体窒素の比熱である。
【００６４】
そして、上記（３）〜（９）式で表される連立方程式を解くと、以下のようになる。
Ｑ１＝２１５０ワット
Ｑ２＝２０７０ワット
Ｑ３＝１７８０ワット
Ｔ１＝６８．８５Ｋ
Ｔ２＝６６．７８Ｋ
Ｎ３＝５５６．７ｒｐｓ
【００６５】
また、冷凍機の消費電力は、圧縮機の回転数Ｎに比例するため、直列配置の場合の総消費電力を、並列配置の場合の総消費電力で除すると、下記（１０）式の通りとなり、貯億列配置の方が、消費電力が低減されることがわかる。
（２×５７５＋５５６．７）／（３×５７５）＝０．９８９４  ・・・・・（１０）
【００６６】
また、冷凍機を直列配置として、全ての冷凍機に備えられる圧縮機の回転数Ｎを同一回転数として運転すると、下記（１１）〜（１３）式、及び（６）〜（９）式で表される関係となる。
Ｑ１＝４０×Ｔ１−７５００＋１２×Ｎ    ・・・・・（１１）
Ｑ２＝４０×Ｔ２−７５００＋１２×Ｎ    ・・・・・（１２）
Ｑ３＝４０×Ｔｏｕｔ−７５００＋１２×Ｎ    ・・・・・（１３）
Ｑ１＋Ｑ２＋Ｑ３＝６０００    ・・・・・（６）
Ｑ１＝３Ｍ×Ｃｐ×（Ｔｉｎ−Ｔ１）    ・・・・・（７）
Ｑ２＝３Ｍ×Ｃｐ×（Ｔ１−Ｔ２）    ・・・・・（８）
Ｑ３＝３Ｍ×Ｃｐ×（Ｔ２−Ｔｏｕｔ）    ・・・・・（９）
【００６７】
そして、上記（１１）〜（１３）式及び（６）〜（９）式で表される連立方程式を解くと、以下のようになる。
Ｑ１＝２０７９ワット
Ｑ２＝１９９９ワット
Ｑ３＝１９２２ワット
Ｔ１＝６８．９２Ｋ
Ｔ２＝６６．９２Ｋ
Ｎ＝５６８．５ｒｐｓ
【００６８】
従って、合計の総消費電力は、下記（１４）式の通りとなり、上記のような、冷凍機３Ｃのみを、定格回転数よりも低い回転数Ｎで圧縮機を運転した場合よりも消費電力は低減され、効率が向上することがわかる。
（３×５６８．５）／（３×５７５）＝０．９８８７  ・・・・・（１４）
【００６９】
さらに、冷凍機を直列配置として、全ての冷凍機の冷凍能力（冷却能力）が同一となるように運転した場合、即ち、Ｑ１＝Ｑ２＝Ｑ３とした場合、下記（１５）〜（１７）式、及び（６）〜（９）式で表される関係となる。
Ｑ１＝４０×Ｔ１−７５００＋１２×Ｎ１    ・・・・・（１５）
Ｑ２＝４０×Ｔ２−７５００＋１２×Ｎ２    ・・・・・（１６）
Ｑ３＝４０×Ｔｏｕｔ−７５００＋１２×Ｎ３    ・・・・・（１７）
Ｑ１＋Ｑ２＋Ｑ３＝６０００    ・・・・・（６）
Ｑ１＝３Ｍ×Ｃｐ×（Ｔｉｎ−Ｔ１）    ・・・・・（７）
Ｑ２＝３Ｍ×Ｃｐ×（Ｔ１−Ｔ２）      ・・・・・（８）
Ｑ３＝３Ｍ×Ｃｐ×（Ｔ２−Ｔｏｕｔ）  ・・・・・（９）
【００７０】
そして、上記（１５）〜（１７）式、及び（６）〜（９）式で表される連立方程式を解くと、以下のようになる。
Ｎ１＝５６１．７ｒｐｓ
Ｎ２＝５６８．３ｒｐｓ
Ｎ３＝５７５ｒｐｓ
Ｔ１＝６９．０Ｋ
Ｔ２＝６７．０Ｋ
【００７１】
従って、合計の総消費電力は、下記（１８）式の通りとなり、上記の２つの例よりも、さらに総消費電力は低減され、効率が向上することがわかる。
（５６１．７＋５６８．３＋５７５）／（３×５７５）＝０．９８８４  ・・・（１８）
【００７２】
上記の例より、複数の冷凍機３を直列、例えば３台の冷凍機３Ａ，３Ｂ，３Ｃを直列に配置し、それぞれの冷凍機が独立して各冷却温度を制御することで、従来のような複数の冷凍機を並列に配置した場合に比べて、総消費電力を低減できることがわかる。
さらに、各冷凍機３Ａ，３Ｂ，３Ｃの冷却能力を等しく運転制御した場合には、これらの総消費電力は最も小さくなり、冷凍機の効率が最大となる最適運転ができることがわかる。また、各冷凍機の冷却能力を等しく運転すべく制御するためには、液化冷媒（液体窒素）の流量や、冷凍機への入口温度及び出口温度を高精度で検出する必要があるが、本実施形態では、各冷凍機に備えられる圧縮機の回転数を、上記のような連立方程式から求めた最適回転数に維持することで、容易に達成できる。
【００７３】
なお、上記の例においては、冷凍機の入口温度Ｔｉｎを７１Ｋとし、出口温度Ｔｏｕｔを６５Ｋまで冷却する場合について説明しているが、この出入口間の温度が大きい程、本発明で得られる総消費電力の低減効果がより顕著となる。
【００７４】
＜作用効果＞
以上説明したように、本実施形態の高温超電導電力機器用冷却システム１０によれば、液化冷媒供給ライン１における冷媒ポンプ２の下流側であって高温超電導電力機器４の上流側に設けられ、液化冷媒供給ライン１を循環する液化冷媒を冷却する複数の冷凍機３Ａ，３Ｂ，３Ｃを有し、これら複数の冷凍機３Ａ，３Ｂ，３Ｃが、それぞれ直列に接続され、冷媒ポンプ２から圧送される液化冷媒を複数の冷凍機３Ａ，３Ｂ，３Ｃ間で直列に流通させながら冷却した後、高温超電導電力機器４に送出する構成を採用している。
上記のように、上流側の冷凍機３Ａ及び冷凍機３Ｂを定格回転数で運転した場合、下流側の冷凍機３Ｃが低電力となる。また、冷凍機３Ａ，３Ｂ，３Ｃの全てを定格回転数で運転すると、総消費電力はより小さくなる。さらに、冷凍機３Ａ，３Ｂ，３Ｃの全てにおいて、冷凍能力が等しくなるように運転すると、上流側の冷凍機（例えば、冷凍機３Ａ）の駆動電力が小さくなり、下流側の冷凍機（例えば、冷凍機３Ｃ）の駆動電力は大きくなるものの、これらの総消費電力を大幅に低減することが可能になる。
ここで、一般に、実用規模の高温超電導電力機器用の冷却システムは消費電力が大きいため、例えば、変電所と変電所の間に敷設される超電導送電ケーブルでは、ケーブルが数キロメールから数十キロメールという長さになることから、これを冷却するための冷凍能力は大容量となり、必要な冷凍機の台数も大幅に増加する。従って、仮に、冷却効率の向上率が数％程度であったとしても、同じ冷凍能力を維持しながら駆動電力を大幅に低く設定できるので、非常に大きな消費電力の低減効果が得られる。
従って、少ない消費電力で効率的に高温超電導電力機器を冷却することが可能になる。
【００７５】
また、本実施形態の高温超電導電力機器用冷却システムの運転方法によれば、上記構成を備えた本実施形態の高温超電導電力機器用冷却システム１０を用いて高温超電導電力機器を冷却する方法なので、上記同様、総消費電力を大幅に低減することができるので、少ない消費電力で効率的に高温超電導電力機器を冷却することが可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明の高温超電導電力機器用冷却システム及びその運転方法によれば、複数の冷凍機で液化冷媒を冷却しながら、この液化冷媒で高温超電導電力機器を冷却するにあたり、少ない消費電力で効率的に冷却することが可能となる。従って、例えば、超電導送電ケーブル等の高温超電導電力機器を冷却する用途等において非常に好適である。
【符号の説明】
【００７７】
１０…高温超電導電力機器用冷却システム
１…液化冷媒供給ライン
１Ａ…冷却区間
２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ…冷媒ポンプ
３，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ…冷凍機（複数の冷凍機）
３１…冷媒ガス循環ライン
３１Ａ…第１の区間
３１Ｂ…第２の区間
３１Ｃ…第３の区間
３２…圧縮機
３３…膨張機
３４…液化冷媒用熱交換器
３５…冷媒ガス用熱交換器
４…高温超電導電力機器
５，５Ａ，５Ｂ，５Ｃ…温度計
６，６Ａ，６Ｂ，６Ｃ…切り替え弁
７…バイパス配管
８…液化冷媒貯槽
９，９Ａ，９Ｂ，９Ｃ…逆止弁
【図１】
2019095079.tif 000004
【図２】
2019095079.tif 000005
【図３】
2019095079.tif 000006
【図４】
2019095079.tif 000007
【図５】
2019095079.tif 000008