(57)【要約】【課題】蓄熱槽内に貯留された液化冷媒を複数の冷凍機で冷却する場合に、個々の冷凍機の最適運転条件を容易に設定可能にする。【解決手段】一実施形態に係る超電導ケーブルの冷却装置は、液化状態の第１冷媒を貯留するための蓄熱槽と、前記第１冷媒より液化温度が低い第２冷媒を用いる冷凍ユニットであって、前記蓄熱槽の内部に設けられ前記第１冷媒を前記第２冷媒で冷却可能な第１熱交換器を含む複数の冷凍ユニットと、前記蓄熱槽の内部に設けられた第２熱交換器と、前記第２熱交換器と超電導ケーブルとに接続され、第３冷媒を循環させるための第３冷媒循環ラインと、前記第２熱交換器と第１熱交換器の各々の出口部に設けられ、前記第２冷媒の温度を検出するための温度センサと、前記温度センサの各々の検出値が入力され、前記温度センサの前記検出値が目標値となるように前記複数の冷凍ユニットの各々を制御するための制御部と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液化状態の第１冷媒を貯留するための蓄熱槽と、
前記第１冷媒より液化温度が低い第２冷媒を用いる冷凍ユニットであって、前記蓄熱槽の内部に設けられ前記第１冷媒を前記第２冷媒で冷却可能な第１熱交換器を含む複数の冷凍ユニットと、
前記蓄熱槽の内部に設けられた第２熱交換器と、
前記第２熱交換器と超電導ケーブルとに接続され、第３冷媒を循環させるための第３冷媒循環ラインと、
前記第１熱交換器の各々の出口部に設けられ、前記第２冷媒の温度を検出するための温度センサと、
前記温度センサの各々の検出値が入力され、前記温度センサの前記検出値が目標値となるように前記複数の冷凍ユニットの各々を制御するための制御部と、
を備えることを特徴とする超電導ケーブルの冷却装置。
【請求項２】
前記蓄熱槽内の圧力を調整可能な圧力調整部を備えることを特徴とする請求項１に記載の超電導ケーブルの冷却装置。
【請求項３】
前記圧力調整部は、
前記蓄熱槽より下方位置に設けられ、内部に液化状態の前記第１冷媒が貯留され、前記第１冷媒の液面上方に気相部が形成された加圧槽と、
前記気相部と前記蓄熱槽とに連通した減圧ラインと、
前記減圧ラインに設けられ、開度調整可能な圧力調整弁と、
前記加圧槽の液相部と前記蓄熱槽とに連通した冷媒流入ラインと、
を備えることを特徴とする請求項２に記載の超電導ケーブルの冷却装置。
【請求項４】
前記圧力を検出するための圧力センサを備えることを特徴とする請求項３に記載の超電導ケーブルの冷却装置。  
【請求項５】
前記第１熱交換器は、前記第２冷媒を上部から下部へ流れるように構成され、
前記第２熱交換器は、前記第１冷媒を下部から上部へ流れるように構成されることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の超電導ケーブルの冷却装置。
【請求項６】
前記第２熱交換器の少なくとも一部は、前記第１熱交換器より下方に設置されることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の超電導ケーブルの冷却装置。
【請求項７】
前記第３冷媒循環ライン及び前記第２熱交換器を含み、複数の前記超電導ケーブルの各々に液化状態の前記第３冷媒を供給する複数の超電導ケーブル冷却部を備え、
前記複数の超電導ケーブル冷却部の前記第３冷媒循環ラインのうち、前記第３冷媒を前記第２熱交換器に戻すための戻りラインを流れる前記第３冷媒同士を熱交換させるための第３熱交換器を備えることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の超電導ケーブルの冷却装置。
【請求項８】
液化状態の第１冷媒を貯留するための蓄熱槽と、
前記第１冷媒より液化温度が低い第２冷媒を用いる冷凍ユニットであって、前記蓄熱槽の内部に設けられ前記第１冷媒を前記第２冷媒で冷却可能な第１熱交換器を含む複数の冷凍ユニットと、
前記蓄熱槽の内部に設けられた第２熱交換器と、
前記第２熱交換器と超電導ケーブルとに接続され、前記第３冷媒を循環させるための第３冷媒循環ラインと、
を備える超電導ケーブルの冷却装置であって、
前記第１熱交換器の各々の出口部を流れる前記第１冷媒の温度が目標値となるように前記複数の冷凍ユニットを制御する温度制御ステップを備えることを特徴とする超電導ケーブルの冷却方法。
【請求項９】
前記温度制御ステップにおいて、前記第１熱交換器の各々の出口部を流れる前記第１冷媒の温度が同一となるように前記複数の冷凍ユニットを制御することを特徴とする請求項８に記載の超電導ケーブルの冷却方法。
【請求項１０】
前記温度制御ステップにおいて、
前記第１熱交換器の出口部を流れる前記第１冷媒の温度が前記目標値より高いとき、前記第１熱交換器が属する前記冷凍ユニットの冷却量を増加し、
前記第１熱交換器の出口部を流れる前記第１冷媒の温度が前記目標値より低いとき、前記第１熱交換器が属する前記冷凍ユニットの冷却量を低減することを特徴とする請求項８又は９に記載の超電導ケーブルの冷却方法。  
【請求項１１】
前記蓄熱槽に貯留された前記第１冷媒の少なくとも一部が固相部を生成するように前記複数の冷凍ユニットを制御する固相部生成ステップを備えることを特徴とする請求項８乃至１０の何れか一項に記載の超電導ケーブルの冷却方法。
【請求項１２】
前記固相部生成ステップにおいて、
前記蓄熱槽内の前記第１冷媒の圧力を、前記第２熱交換器内の前記第３冷媒の圧力より高くしたことを特徴とする請求項１１に記載の超電導ケーブルの冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、超電導ケーブルの冷却装置及び冷却方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導ケーブルなどの超電導電力機器を超電導臨界温度以下の極低温に冷却するために、冷媒として液体窒素など極低温の沸点を有する液化冷媒が用いられる。この液化冷媒を冷凍機で生成し、超電導ケーブルなどの超電導電力機器に供給する。
超電導ケーブルに液化冷媒を供給する冷却装置のうち蓄熱槽を備える冷却装置では、蓄熱槽に貯留された液化冷媒を冷凍機で冷却して超電導ケーブルに供給したり、あるいは冷凍機で冷却した液化冷媒を一旦蓄熱槽に貯留した後、超電導ケーブルに供給する方式が考えられる。
【０００３】
特許文献１には、液化冷媒を貯留するための冷却空間を有する１個の熱交換ユニット（蓄熱槽）と、液化冷媒を冷却するための１台の冷凍機と、該冷却空間に設けられた複数の熱交換器と、を備え、複数の熱交換器の各々と冷媒供給ラインを介して接続された複数の超電導ケーブルに液化冷媒を供給する冷却システムが開示されている。この冷却システムでは、上記冷却空間に貯留された液化冷媒の温度を検出し、この温度が目標値となるように冷凍機を制御することで、超電導ケーブルに供給される液化冷媒の温度が適正温度となるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５６６５９６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
冷却能力を高めるために、蓄熱槽内に貯留された液化冷媒を複数の冷凍機で冷却する冷却装置が必要となる。この場合、特許文献１のように、蓄熱槽に貯留された液化冷媒の温度が目標値となるように複数の冷凍機の冷却量を制御する必要がある。
しかし、蓄熱槽内の液化冷媒の温度は複数の冷凍機の冷却量の合計による結果を示すものであり、各冷凍機の冷却量が均等に増減されているかは蓄熱槽内の液化冷媒の温度からは知ることができない。各冷凍機の冷却量変化の応答性を厳密に同一にすることが難しいため、長期運転時には各冷凍機の冷却量に大きな差が発生する可能性がある。各冷凍機間の冷却量に差がある場合には蓄熱槽内の液化冷媒に予測できない温度分布が発生し、液化冷媒の温度計測が不正確になる。そこで、各冷凍機の冷却量を均等にするために、各冷凍機の冷却量差を検出する手段が必要であり、操作が煩雑になると共に、設備費が高コストになるという問題がある。
【０００６】
一実施形態は、上記課題に鑑み、蓄熱槽内に貯留された液化冷媒を複数の冷凍機で冷却する場合に、個々の冷凍機の冷却量を均等に運転可能にすることで、個々の冷凍ユニットの最適運転条件を容易に設定できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）一実施形態に係る超電導ケーブルの冷却装置は、
液化状態の第１冷媒を貯留するための蓄熱槽と、
前記第１冷媒より液化温度が低い第２冷媒を用いる冷凍ユニットであって、前記蓄熱槽の内部に設けられ前記第１冷媒を前記第２冷媒で冷却可能な第１熱交換器を含む複数の冷凍ユニットと、
前記蓄熱槽の内部に設けられた第２熱交換器と、
前記第２熱交換器と超電導ケーブルとに接続され、第３冷媒を循環させるための第３冷媒循環ラインと、
前記第１熱交換器の各々の出口部に設けられ、前記第２冷媒の温度を検出するための温度センサと、
前記温度センサの各々の検出値が入力され、前記温度センサの前記検出値が目標値となるように前記複数の冷凍ユニットの各々を制御するための制御部と、
を備える。
【０００８】
第１冷媒を冷却した後の第１熱交換器の出口部における第２冷媒の温度は、第１冷媒の温度と第１冷媒に対する冷却量とによって決められる。例えば、該冷却量が多い時には、第１熱交換器の入口部及び出口部の第２冷媒の温度も低くなる。他方、該冷却量は少ない時には、該入口部及び該出口部の温度も高くなる。この時、第１冷媒の温度は各冷凍機で同じであるため、各冷凍機は冷却量が同じになるように制御される。また、第１熱交換器の出口部における第２冷媒の温度と第１冷媒の温度との間にも相関がある。
従って、第１熱交換器の出口部における第２冷媒の温度が目標値となるように各冷凍ユニットを制御することで、蓄熱槽に貯留された第１冷媒を所望の温度とすることができる。こうして蓄熱槽内の第１冷媒の温度を制御することで、超電導ケーブルに供給される第３冷媒の温度も所望の温度に制御できる。
このように、各冷凍機の冷却量を均等にしながら第３冷媒の温度を所望の温度に制御できる。
【０００９】
（２）一実施形態では、前記（１）の構成において、
前記蓄熱槽内の気相部の圧力を調整可能な圧力調整部を備える。
上記（２）の構成によれば、上記圧力調整部によって蓄熱槽内の気相部の圧力を調整することで、蓄熱槽内に貯留された第１冷媒の融点を調整できる。第１冷媒の融点を調整することで、後述するように、第１冷媒の固相部の生成が可能になる。固相部を生成することで、顕熱より大きな融解熱を用いて蓄熱できるため、蓄熱量を増加できる。
【００１０】
（３）一実施形態では、前記（２）の構成において、
前記圧力調整部は、
前記蓄熱槽より下方位置に設けられ、内部に液化状態の前記第１冷媒が貯留され、前記第１冷媒の液面上方に気相部が形成された加圧槽と、
前記気相部と前記蓄熱槽とに連通した減圧ラインと、
前記減圧ラインに設けられ、開度調整可能な圧力調整弁と、
前記加圧槽の液相部と前記蓄熱槽とに連通した冷媒流入ラインと、
を備える。
上記（３）の構成によれば、自然入熱により加圧された加圧槽の圧力が冷媒流入ラインを通して蓄熱槽内に伝わることで、蓄熱槽内を加圧できる。これによって、蓄熱槽内で第１冷媒の固相部の生成が容易になる。また、上記圧力調整弁の開度を調整することで、加圧槽内の気相部の第１冷媒が上記減圧ラインを経て蓄熱槽内に放出され、加圧槽が減圧することができるので、蓄熱槽内を所望の圧力に調整できる。
【００１１】
（４）一実施形態では、前記（３）の構成において、
前記気相部の圧力を検出するための圧力センサを備える。
上記（４）の構成によれば、上記圧力センサで加圧槽の気相部の圧力を検出し、この検出値に基づいて上記圧力調整弁の開度を制御することで、蓄熱槽内の圧力を所望の圧力に制御できる。
【００１２】
（５）一実施形態では、前記（１）〜（４）の何れかの構成において、
前記第１熱交換器は、前記第２冷媒を上部から下部へ流れるように構成され、
前記第２熱交換器は、前記第３冷媒を下部から上部へ流れるように構成される。
上記（５）の構成によれば、第１熱交換器及び第２熱交換器とも上部領域より下部領域のほうが温度が高い冷媒が流れるために、伝熱管周囲の第１冷媒は上部領域より下部領域のほうが温度が高くなる。従って、上部領域の第１冷媒のほうが重くなるため、蓄熱槽内の第１冷媒の対流が促進され、蓄熱槽内の第１冷媒の温度差を少なくできる。
【００１３】
（６）一実施形態では、前記（１）〜（５）の何れかの構成において、
前記第２熱交換器の少なくとも一部は、前記第１熱交換器より下方に設置される。
上記（６）の構成によれば、超電導ケーブルから戻る第３冷媒のほうが第２冷媒より温度が高いため、第３冷媒が流れる第２熱交換器の周囲温度のほうが第２冷媒が流れる第１熱交換器の周囲温度より高くなる。第２熱交換器が下方に設置されるため、蓄熱槽内の第１冷媒は下方が温かく上方が冷たい温度分布となる。そのため、上下方向に対流が促進され、蓄熱槽内の温度差が軽減される。
【００１４】
（７）一実施形態では、前記（１）〜（６）の何れかの構成において、
前記第３冷媒循環ライン及び前記第２熱交換器を含み、複数の前記超電導ケーブルの各々に液化状態の前記第３冷媒を供給する複数の超電導ケーブル冷却部を備え、
前記複数の超電導ケーブル冷却部の前記第３冷媒循環ラインのうち、前記第３冷媒を前記第２熱交換器に戻すための戻りラインを流れる前記第３冷媒同士を熱交換させるための第３熱交換器を備える。
【００１５】
複数の超電導ケーブル間のケーブル長さや熱負荷等に差があるとき、複数の超電導ケーブルを冷却した後の戻り冷媒の温度は異なる場合がある。しかし、この場合でも、上記第３熱交換器によって戻りラインを流れる第３冷媒同士を熱交換させるため、複数の第２熱交換器に戻る第３冷媒の温度差を低減できる。従って、第２熱交換器における熱交換量の差も少なくできるため、超電導ケーブルに供給する第３冷媒の温度差を少なくできる。
【００１６】
（８）一実施形態に係る超電導ケーブルの冷却方法は、
液化状態の第１冷媒を貯留するための蓄熱槽と、
前記第１冷媒より液化温度が低い第２冷媒を用いる冷凍ユニットであって、前記蓄熱槽の内部に設けられ前記第１冷媒を前記第２冷媒で冷却可能な第１熱交換器を含む複数の冷凍ユニットと、
前記蓄熱槽の内部に設けられた第２熱交換器と、
前記第２熱交換器と超電導ケーブルとに接続され、前記第３冷媒を循環させるための第３冷媒循環ラインと、
を備える超電導ケーブルの冷却装置であって、
前記第１熱交換器の各々の出口部を流れる前記第１冷媒の温度が目標値となるように前記複数の冷凍ユニットを制御する温度制御ステップを備える。
【００１７】
上記（８）の方法によれば、上記温度制御ステップで、第１熱交換器の出口部における第２冷媒の温度が目標値となるように複数の冷凍ユニットを制御することで、蓄熱槽に貯留された第１冷媒を所望の温度とすることができる。このようにして蓄熱槽内の第１冷媒の温度を制御することで、超電導ケーブルに供給される第３冷媒の温度も所望の温度に制御できる。
【００１８】
（９）一実施形態では、前記（８）の方法において、
前記温度制御ステップにおいて、前記第１熱交換器の各々の出口部を流れる前記第１冷媒の温度が同一となるように前記複数の冷凍ユニットを制御する。
上述のように、各冷凍ユニットの冷却量は第１熱交換器の出口部における第２冷媒の温度と一義的な相関がある。従って、各第１熱交換器の出口部における第１冷媒の温度が同一となるように複数の冷凍ユニットを制御することで、各冷凍ユニットに均等に冷却量を配分できる。こうして各冷凍ユニットの運転制御を最適化できる。
【００１９】
（１０）一実施形態では、前記（８）又は（９）の方法において、
前記温度制御ステップにおいて、
前記第１熱交換器の各々の出口部を流れる前記第１冷媒の温度が前記目標値より高いとき、前記冷凍ユニットの冷却量を増加し、
前記第１熱交換器の各々の出口部を流れる前記第１冷媒の温度が前記目標値より低いとき、前記冷凍ユニットの冷却量を低減する。
上記（１０）の方法によれば、第１熱交換器の出口部における第１冷媒の温度を所望の温度とすることができ、これによって、超電導ケーブルに供給される第１冷媒の温度も所望の温度に制御できる。  
【００２０】
（１１）一実施形態では、前記（８）〜（１０）の何れかの方法において、
前記蓄熱槽に貯留された前記第１冷媒の少なくとも一部が固相部を生成するように前記冷凍ユニットを制御する固相部生成ステップを備える。
上記（１１）の方法によれば、上記固相部生成ステップにより蓄熱槽に貯留された第１冷媒の少なくとも一部が固相部を生成するため、顕熱より大きな融解熱を用いて蓄熱でき、蓄熱量を増加できる。
【００２１】
（１２）一実施形態では、前記（１１）の方法において、
前記固相部生成ステップにおいて、
前記蓄熱槽内の前記第１冷媒の圧力を、前記第２熱交換器内の前記第３冷媒の圧力より高くする。
上記（１２）の方法によれば、蓄熱槽に貯留された第１冷媒の少なくとも一部に固相部を生成させることで、顕熱より大きな融解熱を用いて蓄熱でき、蓄熱量を増加できる。また、第３冷媒の圧力は前記第１冷媒の圧力より低いため第１冷媒の温度は第３冷媒の融点より高い温度となる。このため、第３冷媒循環ラインを流れる第３冷媒が凍結することがなく、超電導ケーブルへの第３冷媒の供給を維持できる。
【発明の効果】
【００２２】
一実施形態によれば、蓄熱槽内に貯留された液化冷媒を複数の冷凍ユニットで冷却して所望の温度に冷却する場合に、個々の冷凍ユニットの最適運転条件を容易に設定できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】一実施形態に係る冷却装置を示すブロック線図である。
【図２】一実施形態に係る冷却装置を示すブロック線図である。
【図３】一実施形態に係る冷却装置を示すブロック線図である。
【図４】一実施形態に係る冷却装置を示すブロック線図である。
【図５】一実施形態に係る冷却装置の制御系を示すブロック線図である。
【図６】冷媒の相変化を決定する温度と圧力との関係を示す線図である。
【図７】一実施形態に係る冷却方法を示す工程図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載され又は図面に示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、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一つの構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
【００２５】
図１〜図４は、幾つかの実施形態に係る超電導ケーブルの冷却装置１０（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ）を示す。なお、これら図において、中抜きされた弁は開状態を示し、黒塗りの弁は閉状態を示す。
【００２６】
図１〜図４において、冷却装置１０（１０Ａ〜１０Ｄ）は、液化状態の第１冷媒ＬＲ１を貯留するための蓄熱槽１２と、第１冷媒ＬＲ１より液化温度が低い第２冷媒Ｒ２を用いる複数の冷凍ユニット１４ａ及び１４ｂと、を備える。複数の冷凍ユニット１４ａ、１４ｂは、蓄熱槽１２の内部に設けられ第１冷媒を第２冷媒で冷却可能な第１熱交換器１６ａ及び１６ｂを有する。
超電導ケーブル１８（１８ａ、１８ｂ）に超電導臨界温度以下の温度の液化状態の第３冷媒Ｒ３を供給する冷媒供給部２０（２０ａ、２０ｂ）は、蓄熱槽１２の内部に設けられた第２熱交換器２２（２２ａ、２２ｂ）と、第２熱交換器２２と超電導ケーブル１８とに接続され、第３冷媒Ｒ３を第２熱交換器２２と超電導ケーブル１８との間を循環させるための第３冷媒循環ライン２３（２３ａ、２３ｂ）と、を備える。
【００２７】
第１熱交換器１６ａ、１６ｂの各々の出口部に、第２冷媒の温度を検出するための温度センサ２６ａ、２６ｂが設けられる。図５に示すように、温度センサ２６ａ、２６ｂの検出値は制御部４０に入力され、制御部４０は、温度センサ２６ａ、２６ｂの検出値が目標値となるように複数の冷凍ユニット１４ａ、１４ｂを制御する。
【００２８】
第２冷媒Ｒ２は、蓄熱槽１２に貯留された第１冷媒ＬＲ１より低い液化温度を有するものを用いる。第１冷媒として液化窒素を用いる場合、第２冷媒として、例えば、Ｈｅガス、Ｎｅガス、あるいはこれらの混合ガスを用いる。
一実施形態では、第１冷媒Ｒ１及び第３冷媒Ｒ３として窒素を用いる。
【００２９】
第１熱交換器１６ａ、１６ｂにおいて、蓄熱槽１２に貯留された第１冷媒Ｒ１を第２冷媒Ｒ２で冷却して超電導臨界温度以下の温度に冷却する。蓄熱槽１２に貯留された第１冷媒は、第２熱交換器２２で第３冷媒循環ライン２３を循環する第３冷媒Ｒ３を超電導臨界温度以下の温度に冷却し、冷却された第３冷媒は超電導ケーブル１８に供給される。
例えば、第１冷媒及び第３冷媒として窒素を用い、第２冷媒としてＮｅガスを用いる場合、超電導ケーブル１８に供給される第３冷媒Ｒ３の温度は６９〜７０Ｋになるように制御され、蓄熱槽１２に貯留される液化状態の第１冷媒ＬＲ１は６８〜６９Ｋになるように制御され、第１熱交換器１６ａ、１６ｂの出口部における第２冷媒の温度は６７〜６８Ｋになるように制御される。
【００３０】
第１冷媒を冷却した後の第１熱交換器１６ａ、１６ｂの出口部における第２冷媒Ｒ２の温度は、第１冷媒の温度と第１熱交換器における第１冷媒の冷却量とによって決められる。例えば、第１冷媒の冷却量が多い時には、第１熱交換器の出口部の第２冷媒と第１冷媒の温度差が大きくなる。他方、第１冷媒の冷却量は少ない時には、第１熱交換器の出口部の第２冷媒と第１冷媒の温度差が小さくなる。この時、第１冷媒の温度は各冷凍機で同じであるため、各冷凍機は冷却量が同じになるように制御される。また、第１熱交換器１６ａ、１６ｂの出口部における第２冷媒の温度と第１冷媒の温度との間にも相関がある。
【００３１】
従って、第１熱交換器１６ａ、１６ｂの出口部における第２冷媒の温度が目標値となるように複数の冷凍ユニット１４ａ、１４ｂの各々を制御することで、蓄熱槽１２に貯留された第１冷媒を所望の温度とすることができる。このようにして蓄熱槽１２内の第１冷媒の温度を制御することで、超電導ケーブル１８に供給される第３冷媒の温度も所望の温度に制御できる。
【００３２】
例えば、上述のように、各冷凍機の冷却量と、第１冷媒の温度と、第１熱交換器の出口部における第２冷媒の温度とは互いに相関がある。第１冷媒の温度は各第1熱交換器で均一ととみなすことができ、第１熱交換器の出口部での第２冷媒の温度の目標値を各第１熱交換器で同一とすれば、各冷凍機の冷却量を均等に配分できる。
このように、各冷凍機の冷却量を均等にしながら第３冷媒の温度を所望の温度に制御できる。
【００３３】
一実施形態では、蓄熱槽１２は、外気温度の侵入を防止することで貯留された液化状態の第１冷媒ＬＲ１を気化しにくくするため、真空二重構造や断熱材を用いた断熱構造とする。
一実施形態では、第３冷媒として、超電導ケーブル１８の超電導状態を維持可能な臨界温度領域で液化可能な物質が好ましく、かつ絶縁性が高いものがよい。このような使用条件から、液化窒素を用いることができる。また、安全面やコスト面を考慮すると、窒素を用いることができる。
第１冷媒は、比熱が大きく熱伝達できることが望ましいので、第３冷媒の温度領域で液化可能な物質が好ましく、液化窒素を用いることができる。
【００３４】
一実施形態では、冷凍ユニット１４ａ、１４ｂは、第２冷媒ガス循環ライン２４ａ、２４ｂと、第２冷媒ガス循環ライン２４ａ、２４ｂに設けられる圧縮機２８ａ、２８ｂ、水冷部３０ａ、３０ｂ、冷熱回収熱交換器３２ａ、３２ｂ及び膨張タービン３４ａ、３４ｂを備え、熱サイクルとして逆ブレイトンサイクルを構成する。圧縮機２８ａ、２８ｂ及び膨張タービン３４ａ、２４ｂの回転軸はモータ３６ａ、３６ｂの回転軸と一体に形成され、圧縮機２８ａ、２８ｂ及び膨張タービン３４ａ、３４ｂはモータ３６ａ、３６ｂによって駆動される。
【００３５】
圧縮機２８ａ、２８ｂで断熱圧縮された冷媒ガスは、水冷部３０ａ、３０ｂで冷却水ｗによって冷却された後、冷熱回収熱交換器３２ａ、３２ｂで第１熱交換器１６ａ、１６ｂからの戻り冷媒ガスと熱交換してさらに冷却される。その後、冷媒ガスは膨張タービン３４ａ、３４ｂで減圧されてさらに冷却された後、第１熱交換器１６ａ、１６ｂで第１冷媒ＬＲ１を冷却する。
【００３６】
一実施形態では、圧縮機２８ａ、２８ｂ、モータ３６ａ、３６ｂ及び水冷部３０ａ、３０ｂを除く冷凍ユニット１４ａ、１４ｂの構成機器は、外部から熱侵入を抑制するため、真空容器（コールドボックス）３８ａ、３８ｂ内に収容される。
図１に示す冷凍ユニット１４ａ、１４ｂは、１個の圧縮機を用いた１段圧縮であるが、複数の圧縮機を直列に配置した複数段圧縮方式としてもよい。
【００３７】
一実施形態では、冷媒供給部２０（２０ａ、２０ｂ）は、第３冷媒循環ライン２３（２３ａ、２３ｂ）に、超電導ケーブル１８を冷却した後の第３冷媒を一時貯留する蓄熱槽４２（４２ａ、４２ｂ）と、蓄熱槽４２に貯留された第３冷媒を第３冷媒循環ライン２３へ循環させるための液ポンプ４４（４４ａ、４４ｂ）が設けられる。また、第３冷媒循環ライン２３（２３ａ、２３ｂ）には、第３冷媒循環ライン２３を循環する第３冷媒Ｒ３の温度を検出する温度センサ４６（４６ａ、４６ｂ）と第３冷媒の流量を検出する流量センサ４８（４８ａ、４８ｂ）とが設けられる。
【００３８】
一実施形態では、第１熱交換器１６ａ、１６ｂでの第１冷媒の冷却量を制御するために、図５に示すように、制御部４０によってモータ３６ａ、３６ｂの回転数を制御する。モータ３６ａ、３６ｂの回転数を増加することで、第１冷媒の冷却量を増加できる。また、モータ３６ａ、３６ｂの回転数を減らすことで、第１冷媒の冷却量を減少できる。
【００３９】
また、第１冷媒の冷却量を制御する別な手段として、第２冷媒ガス循環ライン２４ａ、２４ｂを循環する第２冷媒Ｒ２の循環量を制御する。第２冷媒の循環量を増やすことで、第１冷媒の冷却量を増やすことができる。また、第２冷媒の循環量を減らすことで第１冷媒の冷却量を減らすことができる。
【００４０】
この制御を実現するために、例えば、図１〜図４に示すように、冷却水ｗを冷却媒体とする水冷部３０の下流側の第２冷媒ガス循環ライン２４ａ、２４ｂと、圧縮機２８ａ、２８ｂの上流側の第２冷媒ガス循環ライン２４ａ、２４ｂとを接続する分岐ライン５０ａ、５０ｂを設け、分岐ライン５０ａ、５０ｂにバッファタンク５２ａ、５２ｂを設ける。バッファタンク５２ａ、５２ｂの上流側及び下流側の分岐ライン５０ａ、５０ｂに開閉弁５４ａ、５４ｂ及び５６ａ、５６ｂを設ける。図５に示すように、制御部４０で開閉弁５４ａ、５４ｂ及び５６ａ、５６ｂを開閉動作させることで、バッファタンク５２ａ、５２ｂに貯留する第２冷媒の貯留量を増減することで、第２冷媒ガス循環ライン２４ａ、２４ｂを循環する第２冷媒の循環量を制御できる。
【００４１】
圧縮機２８ａ、２８ｂの下流側の第２冷媒ガス循環ライン２４ａ、２４ｂは高圧であるため、開閉弁５４ａ、５４ｂを開けることで、第２冷媒ガス循環ライン２４ａ、２４ｂを流れる第２冷媒の一部をバッファタンク５２ａ、５２ｂに収容できる。また、圧縮機２８ａ、２８ｂの上流側の第２冷媒ガス循環ライン２４ａ、２４ｂは低圧であるため、開閉弁５６ａ、５６ｂを開けることで、バッファタンク５２ａ、５２ｂ内の第２冷媒の一部を第２冷媒ガス循環ライン２４ａ、２４ｂに戻すことができる。
【００４２】
一実施形態では、蓄熱槽１２の気相部の圧力が許容値を超えたとき、該気相部のガスを外部へ放出可能な逃がし弁５８を備える。
【００４３】
一実施形態では、図２に示す冷却装置１０（１０Ｂ）は、蓄熱槽１２内の気相部の圧力を調整可能な圧力調整部６０を備える。図６に示すように、圧力調整部６０によって蓄熱槽１２内の気相部の圧力を気相と固相との境界Ａより高い圧力に調整することで、蓄熱槽１２に貯留された液化状態の第１冷媒において固相部の生成が可能になる。これによって、第１冷媒を液化状態の顕熱より大きな融解熱を用いて蓄熱槽１２に蓄熱できるため、蓄熱槽１２の蓄熱量を増加できる。
【００４４】
図６は、冷媒の一例として窒素の相変化を決定する温度と圧力との関係を示す。図において、ラインＡは、液相と固相との境界を示す。例えば、ラインＡより上方にある点Ｘでは固相となり、ラインＡの下方にある点Ｙでは液相となる。ここで、第２熱交換器２２（２２ａ、２２ｂ）での第３冷媒の圧力を点Ｙとし、蓄熱槽１２内の第１冷媒の圧力を点Ｘとすると、第１冷媒が固相部の生成する温度になった状態でも、第３冷媒は固相部が全く生成されない状態にすることができる。
【００４５】
第１冷媒として窒素を用いる場合、温度センサ２６ａ、２６ｂの検出値が窒素の融点（約６３Ｋ）以下になるように各冷凍ユニット１４ａ、１４ｂの冷却量を制御する。これによって、蓄熱槽１２内の液化窒素の少なくとも一部を固相にできる。この時、第３冷媒循環ライン２３を循環する液化窒素の一部が凍ると液化窒素の循環量が減少し、超電導ケーブル１８の冷却量が減少する。この時、第１冷媒が図６の点Ｘの圧力で一定に制御され、第１冷媒が気液二相状態である限り第１冷媒の温度は融点に保持される。このため、第３冷媒が点Ｙの圧力で一定に制御されている時には、第３冷媒が凍ることがない。しかしながら、第１冷媒全体が凍結すると第１冷媒の温度は融点以下に下がることができるため、第１冷媒の固相の量が過剰にならないように制御することが重要になる。
【００４６】
一実施形態では、第１冷媒の固相部が第１熱交換器１６ａ、１６ｂの表面に付着するように生成させる。第１冷媒が窒素の場合、固体窒素の熱伝導率は第１熱交換器１６ａ、１６ｂの配管を構成する金属材料より著しく小さいため、第１熱交換器１６ａ、１６ｂの表面に付着する固体窒素の層が厚くなると、固体窒素と第２冷媒間の伝熱量が減少し、第１熱交換器出口部における第２冷媒の温度が低くなる。第２冷媒の温度が低くなると、制御部４０によって冷凍ユニット１４ａ、１４ｂの冷却量は減少するように制御される。これによって、過剰に固体窒素を生成するのを防止できる。
【００４７】
一方、比較例として、蓄熱槽１２に貯留された液化状態の第１冷媒ＬＲ１の温度を制御対象とする場合、第１冷媒ＬＲ１は気液二相状態のため、融点の変化がない。従って、固体窒素の生成量が増減しても第１冷媒の温度変化がないため、固体窒素の生成量を適正に制御できない。
【００４８】
一実施形態では、図２に示すように、圧力調整部６０は、内部に液化状態の第１冷媒ＬＲ１が貯留され、第１冷媒ＬＲ１の液面上方に気相部ｇが形成された加圧槽６２を備える。加圧槽６２は、槽内の上部に形成される気相部ｇと蓄熱槽１２の内部に連通した減圧ライン６４を備え、減圧ライン６４に開度調整可能な圧力調整弁６６が設けられる。
加圧槽６２は、真空断熱構造を有し、内部に貯液された第１冷媒ＬＲ１への入熱量が少なくなるように構成されている。しかしながら、第１冷媒ＬＲ１へ僅かな入熱（自然入熱）によっても第１冷媒ＬＲ１の温度は徐々に上昇し、その一部は気化するため、加圧槽６２内の圧力は徐々に上昇し、冷媒流入ライン７０を通じて蓄熱槽１２の圧力も上昇する。
【００４９】
一実施形態では、加圧槽６２は蓄熱槽１２より下方位置に設けられる。蓄熱槽１２と加圧槽６２との間に冷媒流入ライン７０が接続される。冷媒流入ライン７０を介して蓄熱槽１２内の液化状態の第１冷媒ＬＲ１が自重により加圧槽６２に流入可能になるが、圧力調整弁６６が閉じている場合には加圧槽６２内の圧力が第１冷媒ＬＲ１の自重による圧力より勝り、第１冷媒ＬＲ１の蓄熱槽１２から加圧槽６２への流入を妨げている。この時、圧力調整弁６６を開くと、第１冷媒ＬＲ１の自重分だけ加圧槽６２の圧力が蓄熱槽１２より大きいため、加圧槽６２内の気化した第１冷媒ＬＲ１が蓄熱槽１２へ流入する。蓄熱槽１２は融点に冷却されているので、蓄熱槽１２へ流入した気化した第１冷媒ＬＲ１は直ちに再凝縮するため気化した第１冷媒ＬＲ１の流入によっては蓄熱槽１２の圧力は変わらない。
【００５０】
一方、加圧槽６２は、気化した第１冷媒ＬＲ１が蓄熱槽１２へ放出されること、及び冷媒流入ライン７０から冷却された第１冷媒ＬＲ１が流入することによって、加圧槽６２内の第１冷媒ＬＲ１の温度が下がり、これによって、加圧槽６２の内部圧力が下がる。圧力調整弁６６により蓄熱槽１２へ放出される第１冷媒ＬＲ１の量により加圧槽６２の圧力降下量が変わる。そのため、加圧槽６２への自然入熱による加圧槽６２の圧力増加分が打ち消さる圧力降下量となるように、圧力調整弁６６で加圧槽６２から蓄熱槽１２へ放出される気化した第１冷媒ＬＲ１の量を調整する。これによって、加圧槽６２と蓄熱槽１２の圧力を一定に制御できる。
【００５１】
一実施形態では、加圧槽６２の気相部ｇの圧力を検出するための圧力センサ６８を備える。圧力センサ６８で気相部ｇの圧力を検出し、この検出値に基づいて圧力調整弁６６の開度を制御することで、蓄熱槽１２内の圧力を所望の圧力に制御できる。
【００５２】
一実施形態では、加圧槽６２の気相部ｇの圧力が許容値を超えた時、気相部ｇのガスを外部に放出するための逃がし弁７２を備える。
【００５３】
一実施形態では、図１及び図２に示す冷却装置１０（１０Ａ、１０Ｂ）は、第１熱交換器１６ａ、１６ｂが第２冷媒を上部から下部へ流れるように構成される。また、第２熱交換器２２は第１冷媒を下部から上部へ流れるように構成される。第２冷媒は第１熱交換器１６ａ、１６ｂで第１冷媒と熱交換して温度が上昇する。このため、第２冷媒の上流側である上部の方が下流側である下部よりも温度が低い。一方、第３冷媒は第２熱交換器２２で第１冷媒と熱交換して温度が下降するので、第３冷媒の上流側である下部の方が下流である上部よりも温度が高い。
この実施形態によれば、第１熱交換器１６ａ、１６ｂ及び第２熱交換器２２とも上部領域より下部領域のほうが温度が高くなるために、伝熱管周囲の第１冷媒は上部領域より下部領域のほうが温度が高くなる。従って、上部領域の第１冷媒のほうが重くなるため、蓄熱槽１２内で第１冷媒の上下方向の対流が促進され、蓄熱槽１２内の第１冷媒の温度差を少なくできる。
【００５４】
一実施形態では、図３に示す冷却装置１０（１０Ｃ）は、第２熱交換器２２の少なくとも一部が第１熱交換器１６ａ、１６ｂより下方に設置される。
この実施形態によれば、超電導ケーブル１８から戻る第１冷媒のほうが第２冷媒より温度が高いため、第１冷媒が流れる第２熱交換器２２の周囲温度のほうが第２冷媒が流れる第１熱交換器１６ａ、１６ｂの周囲温度より高くなる。第２熱交換器２２が第１熱交換器１６ａ、１６ｂより下方に設置されるため、蓄熱槽１２内の第１冷媒は下方が温かく上方が冷たい温度分布となる。そのため、上下方向の対流が促進され、蓄熱槽１２内の温度差が軽減される。
【００５５】
一実施形態では、冷却装置１０は、第３冷媒循環ライン２３及び第２熱交換器２２を含み、複数の超電導ケーブル１８（１８ａ、１８ｂ）の各々に液化状態の第３冷媒Ｒ３を供給する複数の冷媒供給部２０（２０ａ、２０ｂ）を備える。
一実施形態では、図４に示す冷却装置１０（１０Ｄ）は、複数の第３冷媒循環ライン２３のうち、第３冷媒Ｒ３を超電導ケーブル１８から第２熱交換器２２に戻すための戻りライン７４（７４ａ、７４ｂ）を流れる第３冷媒同士を熱交換させるための第３熱交換器７６を備える。
【００５６】
複数の超電導ケーブル１８（１８ａ、１８ｂ）間のケーブル長さや熱負荷等に差があるとき、複数の超電導ケーブル１８を冷却した後の戻り冷媒の温度は異なる場合がある。しかし、この場合でも、第３熱交換器７６によって戻りライン７４（７４ａ、７４ｂ）を流れる第３冷媒同士を熱交換させるため、複数の第２熱交換器２２（２２ａ、２２ｂ）に戻る第３冷媒の温度差を低減できる。従って、複数の第２熱交換器２２における熱交換量の差も少なくできるため、複数の超電導ケーブル１８に供給する第３冷媒の温度差を少なくできる。
【００５７】
図４に示す冷却装置１０（１０Ｄ）では、戻りライン７４（７４ａ、７４ｂ）に液ポンプ４４（４４ａ、４４ｂ）が設けられ、戻りライン７４（７４ａ、７４ｂ）において、液化状態の第３冷媒Ｒ３は同一方向、即ち、第２熱交換器２２（２２ａ、２２ｂ）に向かう方向へ流れる。
【００５８】
冷却装置１０（１０Ｄ）では、１個の超電導ケーブル１８（１８ａ）が故障した場合、故障した超電導ケーブル１８への第３冷媒の供給を停止する。そして、第３冷媒循環ライン２３（２３ａ）では、故障した超電導ケーブル１８を迂回するように第３冷媒を循環させるようにする。これによって、故障した超電導ケーブル側の第２熱交換器２２（２２ａ）に第３熱交換器７６で温められた第３冷媒を循環させることができるので、第２熱交換器２２（２２ａ）周囲の過剰冷却を抑制できる。
【００５９】
一実施形態では、図４に示すように、超電導ケーブル１８の定常運転時における入口部と出口部とを接続するライン７８を設け、ライン７８に第３冷媒循環ライン２３を接続する。第３冷媒循環ライン２３の接続部に対して上記側及び下流側のライン７８に夫々開閉弁８０及び８２を設ける。
通常運転時には開閉弁８０を閉じ、開閉弁８２を開けることで、第３冷媒を超電導ケーブル１８（１８ａ）に供給する。超電導ケーブル１８（１８ａ）が故障した時、開閉弁８０を開け、開閉弁８２を閉じることで、第１冷媒を超電導ケーブル１８（１８ａ）をバイパスしながら第３冷媒循環ライン２３（２３ａ）を循環させるバイパス流路を形成できる。これによって、故障した側の第２熱交換器２２（２２ａ）周囲の過剰冷却を抑制できる。
【００６０】
一実施形態に係る超電導ケーブルの冷却方法は、図７に示すように、第１熱交換器１６ａ、１６ｂの各々の出口部を流れる第１冷媒の温度が目標値となるように複数の冷凍ユニット１４ａ、１４ｂを制御する（温度制御ステップＳ１０）。
上記方法によれば、温度制御ステップＳ１０で、第１熱交換器１６ａ、１６ｂの出口部における第２冷媒の温度が目標値となるように複数の冷凍ユニット１４ａ、１４ｂの各々を制御することで、蓄熱槽１２に貯留された第１冷媒を所望の温度とすることができる。こうして蓄熱槽１２内の第１冷媒の温度を制御することで、超電導ケーブル１８に供給される第１冷媒の温度も所望の温度に制御できる。
【００６１】
一実施形態では、温度制御ステップＳ１０において、第１熱交換器１６ａ、１６ｂの各々の出口部を流れる第１冷媒の温度が同一となるように複数の冷凍ユニット１４ａ、１４ｂを制御する。冷凍ユニット１４ａ、１４ｂの各々の冷却量は第１熱交換器１６ａ、１６ｂの出口部における第２冷媒の温度と一義的な相関がある。従って、各第１熱交換器の出口部における第１冷媒の温度が同一となるように複数の冷凍ユニット１４ａ、１４ｂを制御することで、各冷凍ユニットに均等に冷却量を配分できる。こうして各冷凍ユニットの運転制御を最適化できる。
【００６２】
一実施形態では、温度制御ステップＳ１０において、第１熱交換器１６ａ、１６ｂの各々の出口部を流れる第１冷媒の温度が目標値より高いとき、冷凍ユニットの冷却量を増加し、第１熱交換器の各々の出口部を流れる第１冷媒の温度が目標値より低いとき、冷凍ユニットの冷却量を低減する。
この方法によれば、第１熱交換器の各々の出口部を流れる第１冷媒の温度を所望の温度とすることができ、これによって、超電導ケーブルに供給される第１冷媒の温度も所望の温度に制御できる。
【００６３】
一実施形態では、図７に示すように、蓄熱槽１２に貯留された第１冷媒の少なくとも一部が固相部を生成するように複数の冷凍ユニット１４ａ、１４ｂを制御する（固相部生成ステップＳ１２）。
この方法によれば、蓄熱槽１２に貯留された第１冷媒の少なくとも一部が固相部を生成するため、顕熱より大きな融解熱を用いて蓄熱でき、蓄熱量を増加できる。
【００６４】
一実施形態では、固相部生成ステップＳ１２において、蓄熱槽１２内の第１冷媒の圧力を、第２熱交換器内の第３冷媒の圧力より高くする。
この実施形態によれば、蓄熱槽１２に貯留された第１冷媒の少なくとも一部に固相部を生成させることができる。これによって、蓄熱槽１２で顕熱より大きな融解熱を用いて蓄熱でき、蓄熱量を増加できる。また、第３冷媒循環ライン２３を流れる第３冷媒に固相部を生成させないようにすることができ、これによって、第３冷媒循環ライン２３を流れる第３冷媒が凍結することなく、超電導ケーブル１８への第３冷媒の供給を維持できる。
【００６５】
冷却装置１０（１０Ｄ）において、蓄熱槽１２内に第１冷媒の融点以下に冷却された液相と固相とが混合した状態で定常運転される時、第３熱交換器７６を備えるので、故障した超電導ケーブル１８（１８ａ）側の第２熱交換器２２（２２ａ）の配管内で第３冷媒が凍結するのを防止できる。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
一実施形態によれば、蓄熱槽内に貯留された液化冷媒を複数の冷凍機で冷却する場合に、個々の冷凍機の最適運転条件を容易に設定できる。
【符号の説明】
【００６７】
１０（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ）    冷却装置
１２、４２（４２ａ、４２ｂ）    蓄熱槽
１４ａ、１４ｂ    冷凍ユニット
１６ａ、１６ｂ    第１熱交換器
１８（１８ａ、１８ｂ）    超電導ケーブル
２０（２０ａ、２０ｂ）    冷媒供給部
２２（２２ａ、２２ｂ）    第２熱交換器
２３（２３ａ、２３ｂ）    第３冷媒循環ライン
２４ａ、２４ｂ    第２冷媒ガス循環ライン
２６（２６ａ、２６ｂ）、４６（４６ａ、４６ｂ）    温度センサ
２８ａ、２８ｂ    圧縮機
３０ａ、３０ｂ    水冷部
３２ａ、３２ｂ    冷熱回収熱交換器
３４ａ、３４ｂ    膨張タービン
３６ａ、３６ｂ    モータ
３８（３８ａ、３８ｂ）    真空容器
４０    制御部
４４（４ａ、４４ｂ）    液ポンプ
４８（４８ａ、４８ｂ）    流量センサ
５０ａ、５０ｂ    分岐ライン
５２ａ、５２ｂ    バッファタンク
５４ａ、５４ｂ、５６ａ、５６ｂ、８０、８２    開閉弁
５８、７２    逃がし弁
６０    圧力調整部
６２    加圧槽
６４    減圧ライン
６６    圧力調整弁
６８    圧力センサ
７０    冷媒流入ライン
７４ａ、７４ｂ    戻りライン
７６    第３熱交換器
ＬＲ１     第１冷媒
Ｒ２     第２冷媒
Ｒ３     第３冷媒
ｇ      気相部
ｗ      冷却水
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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