(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液化ガスを貯留する貯留槽と、該貯留槽に貯留された前記液化ガスを循環させる循環ポンプと、循環する前記液化ガスを冷却する冷却部を有する循環ループと、前記貯留槽内の気化ガスの圧力を一定にする圧力調整部とを備え、前記液化ガスをサブクール状態で循環させることにより超電導ケーブルを冷却する超電導ケーブルの冷却システムであって、
前記貯留槽には、前記超電導ケーブルを冷却した液化ガスを前記貯留槽内に戻す戻し管と、前記貯留槽内で冷却された液化ガスを前記貯留槽から送出する送出管とが接続され、
前記貯留槽内には、前記戻し管及び前記送出管の夫々が前記貯留槽に接続される接続位置よりも上方位置であって貯留する前記液化ガス内に配置されて前記貯留槽の幅方向に延びる対流防止板が設けられており、
前記対流防止板よりも下方の前記貯留槽内には、前記戻し管から吐出する液化ガスを前記送出管に案内するための案内流路が形成されている
ことを特徴とする超電導ケーブルの冷却システム。
【請求項２】
前記冷却部は、前記対流防止板よりも下方に貯留する前記液化ガスを冷却する位置に配設されている
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システム。
【請求項３】
前記冷却部の位置は、前記対流防止板よりも下方に貯留する液化ガスのうち前記対流防止板に近接する液化ガスを冷却する位置である
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システム。
【請求項４】
前記案内流路は、前記貯留槽内において、前記貯留槽の幅方向に延在して上下方向に間隔を有して配設された複数の敷板を有して構成されている
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システム。
【請求項５】
液化ガスを貯留する貯留槽と、該貯留槽に貯留された前記液化ガスを循環させる循環ポンプと、循環する前記液化ガスを冷却する冷却部を有する循環ループと、前記貯留槽内の気化ガスの圧力を一定にする圧力調整部とを備え、前記液化ガスをサブクール状態で循環させることにより超電導ケーブルを冷却する超電導ケーブルの冷却システムであって、
前記貯留槽には、前記超電導ケーブルを冷却した液化ガスを前記貯留槽内に戻す戻し管と、前記貯留槽内で冷却された液化ガスを前記貯留槽から送出する送出管とが接続され、
前記貯留槽内には、前記戻し管及び前記送出管の夫々が前記貯留槽に接続される接続位置よりも上方位置であって貯留する前記液化ガス内に配置されて前記貯留槽の幅方向に延びる対流防止板が設けられており、
前記戻し管は、前記対流防止板よりも下方の前記貯留槽に接続され、
前記送出管は、前記対流防止板よりも下方であって前記戻し管よりも上方の前記貯留槽に接続されている
ことを特徴とする超電導ケーブルの冷却システム。
【請求項６】
前記冷却部は、前記対流防止板よりも下方の前記貯留槽に貯留された液体ガスのうち前記対流防止板に近接した液体ガスを囲む前記貯留槽の側壁の外側面に配設された冷却装置の熱交換器である
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システム。
【請求項７】
前記貯留槽は、外側槽内に収容され、前記貯留槽と前記外側槽との間の空間は真空断熱層を構成している
ことを特徴とする請求項６に記載の超電導ケーブルの冷却システム。
【請求項８】
前記貯留槽内の前記対流防止板よりも下方の容積は、前記送出管から送出される液化ガスがサブクール状態の所定温度に冷却されるように、前記冷却部の熱交換器の冷却能力と、前記対流防止板よりも下方の前記貯留槽内に貯留する液化ガスの蓄熱量とに基づいて設定されている
ことを特徴とする請求項６又は７に記載の超電導ケーブルの冷却システム。
【請求項９】
前記冷却部は、前記対流防止板よりも下方の前記貯留槽内に貯留された液化ガスを導出する導出管と、前記導出管から導出された液体ガスを冷却する冷却装置と、前記冷却装置によって冷却された液化ガスを前記対流防止板よりも下方の前記貯留槽内に戻す戻し管と、前記導出管に設けられて前記貯留槽内の液体ガスを前記導出管に送り出す導出ポンプと、を備える
ことを特徴とする請求項１又は５に記載の超電導ケーブルの冷却システム。
【請求項１０】
前記貯留槽内に貯留する液化ガスの上方には、ガス相を貯留する空間部が形成されている
ことを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の超電導ケーブルの冷却システム。
【請求項１１】
前記圧力調整部は、前記循環ループから分岐したバイパスラインに設けられて前記バイパスラインを介して導入した液化ガスを気化する熱交換器と、前記熱交換器で気化された気化ガスを前記貯留槽内に貯留する液化ガスの上方の空間部に供給可能な流量調整弁と、を有して構成されている
ことを特徴とする請求項１又は５に記載の超電導ケーブルの冷却システム。
【請求項１２】
前記貯留槽内の前記液化ガスよりも上方の空間部の圧力を検出する圧力検出部と、
前記送出管から送出される液化ガスの温度を検出する温度検出部と、
前記圧力検出部及び前記温度検出部により検出される夫々の検出値に基づいて、前記循環ループを流れる液化ガスがサブクール状態に維持されるように、前記圧力調整部及び前記冷却部の作動を制御する制御部と、をさらに備える
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システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、液化ガスをサブクール状態で循環ループ内を循環させながら超電導ケーブルを冷却する超電導ケーブルの冷却システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特定の金属、合金、化合物などの物質を極低温に冷却したときに、電気抵抗が急激にゼロになる超電導という現象がある。送電用ケーブルに超電導の技術を応用した超電導ケーブルは、電流が流れる導体として超電導線を使用したものであり、小さな断面積で大電流を流すことができるため、送電に係る設備の小型化、送電効率の向上等の利点があり注目されている。
【０００３】
超電導ケーブルの冷却は、液体窒素などの液化ガスを循環ループ内で循環させて行われる。ここで、超電導ケーブルを構成する絶縁体中において、循環している液化ガスが気化すると絶縁破壊の起点となる。このため、この種の冷却システムでは、液化ガスを飽和温度よりも低い状態（サブクール状態）に維持しながら循環する必要がある。また、一般的に冷却システムで循環する液化ガスの最低圧力は、耐電圧試験で部分放電が発生しない圧力である約０．２ＭＰａＧ以上とされている。
【０００４】
循環する液化ガスの冷却は、例えば、液化ガスを貯留する貯留槽から送出される液化ガスを循環ループ上に設けられた冷却器によって行われる（特許文献１参照）。この特許文献１に記載の超電導ケーブルの冷却システムは、超電導ケーブルを冷却した液化ガスを貯留槽で一定の圧力に調整した後に、貯留槽から送出されて圧力調整された液化ガスを冷却器で冷却し、この冷却された液化ガスで超電導ケーブルを冷却するように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−１２６２８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この特許文献１に記載の超電導ケーブルの冷却システムでは、超電導ケーブルを冷却して温度上昇した液化ガスを貯留槽に一時的に貯留するが、この超電導ケーブルを冷却した温度上昇した液化ガスは、貯留槽に貯留している他の液化ガスと温度差があるため、貯留槽内では液化ガスが上下方向に向く対流が発生する。この対流が発生すると、貯留槽内の上部に比較的に温度が高い液化ガスが貯留し、貯留槽内の下部に上部に滞留する液化ガスの温度よりも低い液化ガスが貯留する。従って、超電導ケーブルを冷却して温度が上昇した液化ガスを貯留槽内で冷却することが出来ない。このため、超電導ケーブルの温度が急激に上昇して冷却器に大きな負荷変動が作用した場合、この負荷が冷却器の冷却能力を超えると、冷却器が超電導ケーブルを所望の温度に冷却することができない虞が生じる。
【０００７】
本発明の少なくとも一つの実施形態は、このような従来技術の状況の基になされた発明であって、その目的とするところは、超電導ケーブルの温度が急激に上昇しても、冷却器への負荷が過大にならずに、超電導ケーブルを所望の温度に冷却可能な超電導ケーブルの冷却システム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】
【０００８】
（１）本発明の少なくとも一つの実施形態にかかる超電導ケーブルの冷却システムは、
液化ガスを貯留する貯留槽と、該貯留槽に貯留された前記液化ガスを循環させる循環ポンプと、循環する前記液化ガスを冷却する冷却部を有する循環ループと、前記貯留槽内の気化ガスの圧力を一定にする圧力調整部とを備え、前記液化ガスをサブクール状態で循環させることにより超電導ケーブルを冷却する超電導ケーブルの冷却システムであって、
前記貯留槽には、前記超電導ケーブルを冷却した液化ガスを前記貯留槽内に戻す戻し管と、前記貯留槽内で冷却された液化ガスを前記貯留槽から送出する送出管とが接続され、
前記貯留槽内には、前記戻し管及び前記送出管の夫々が前記貯留槽に接続される接続位置よりも上方位置であって貯留する前記液化ガス内に配置されて前記貯留槽の幅方向に延びる対流防止板が設けられているように構成される。
【０００９】
上記（１）に記載の超電導ケーブルの冷却システムは、貯留槽には、超電導ケーブルを冷却した液化ガスを貯留槽内に戻す戻し管と、貯留槽内で冷却された液化ガスを貯留槽から送出する送出管とが接続される。そして、貯留槽内には、戻し管及び送出管の夫々が貯留槽に接続される接続位置よりも上方位置であって貯留する液化ガス内に配置されて貯留槽の幅方向に延びる対流防止板が設けられている。このため、戻し管から貯留槽内に流入した液化ガスは温度が比較的に高いので貯留槽内に貯留する液化ガス内を上昇するが、対流防止板によって上昇する液化ガスの移動が規制される。また、貯留槽に貯留する液化ガスのうち対流防止板よりも上方に貯留する液化ガスの温度が比較的に低い液化ガスは、下方へ向かって流れようとするが、この流れは対流防止板によって規制される。このため、液化ガスの上下方向に移動する対流が対流防止板によって規制される。したがって、戻し管から貯留槽内に流入した液化ガスは、対流防止板よりも下方に貯留する液化ガスと混合且つ熱交換しながら冷却され、送出管側へ向かって流れて送出管から送出される。このため、貯留槽内に流入する液化ガスを貯留槽内に貯留する液化ガスとの間の熱交換で冷却することができる。このため、環ループに設けられて冷却部によって液化ガスを冷却する負荷を軽減することができる。従って、超電導ケーブルの温度が急激に上昇して超電導ケーブルを冷却する液化ガスの温度が上昇した場合、この温度上昇した液化ガスを貯留槽内の液化ガスと冷却器で冷却することができるので、冷却器のみで液化ガスを冷却する場合と比較して、冷却器の負荷を軽減することができる。よって、超電導ケーブルの温度が急激に上昇しても、冷却器への負荷が過大にならずに、超電導ケーブルを所望の温度に冷却可能な超電導ケーブルの冷却システムを実現できる。
【００１０】
（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の記載の超電導ケーブルの冷却システムにおいて、
前記冷却部は、前記対流防止板よりも下方に貯留する前記液化ガスを冷却する位置に配設されているように構成される。
【００１１】
上記（２）に記載の超電導ケーブルの冷却システムによれば、冷却部は、対流防止板よりも下方に貯留する液化ガスを冷却する位置に配設されている。このため、対流防止板よりも下方に貯留する液化ガスが冷却部によって冷却されるので、対流防止板よりも下方に貯留する液化ガス内に流入する液化ガスは、貯留する液化ガスとの熱交換によって冷却されるとともに、冷却器との熱交換によっても冷却される。このため、超電導ケーブルの温度が急激に上昇しても、冷却器の負荷が過大になることなく、超電導ケーブルを冷却するための液化ガスを確実に冷却することができる。
【００１２】
（３）幾つかの実施形態では、上記（２）の記載の超電導ケーブルの冷却システムにおいて、
前記冷却部の位置は、前記対流防止板よりも下方に貯留する液化ガスのうち前記対流防止板に近接する液化ガスを冷却する位置であるように構成されている。
【００１３】
上記（３）に記載の超電導ケーブルの冷却システムによれば、冷却部の位置は、対流防止板よりも下方に貯留する液化ガスのうち対流防止板に近接する液化ガスを冷却する位置にある。超電導ケーブルを冷却して温度が上がった液化ガスが対流防止板よりも下方に貯留する液化ガス内に流入すると、温度が上がった液化ガスは、一般的に密度が小さくなって上方へ移動する。このため、温度が上がった液化ガスが対流防止板よりも下方の貯留槽内に流入すると、この液化ガスは、貯留している液化ガスよりも温度が高いので、温度が上がった液化ガスは上方へ移動する。このため、冷却部の位置を、対流防止板よりも下方に貯留する液化ガスのうち対流防止板に近接する液化ガスを冷却する位置にすることで、温度が上がった液化ガスを効果的に冷却することができる。
【００１４】
（４）幾つかの実施形態では、上記（３）に記載の超電導ケーブルの冷却システムにおいて、
前記対流防止板よりも下方の前記貯留槽内には、前記戻し管から吐出する液化ガスを前記送出管に案内するための案内流路が形成されているように構成される。
【００１５】
上記（４）に記載の超電導ケーブルの冷却システムによれば、対流防止板よりも下方の貯留槽内には、戻し管から吐出する液化ガスを送出管に案内するための案内流路が形成されている。戻し管から吐出する液化ガスが案内流路を流れることで、この液化ガスが貯留槽内で滞留する虞を無くすことができる。このため、液化ガスは、案内流路の流通時に対流防止板よりも下方の貯留槽内に貯留する液化ガスと確実に熱交換されて冷却される。このため、液化ガスを効果的に冷却することができる。
【００１６】
（５）幾つかの実施形態では、上記（４）に記載の超電導ケーブルの冷却システムにおいて、
前記案内流路は、前記貯留槽内において、前記貯留槽の幅方向に延在して上下方向に間隔を有して配設された複数の敷板を有して構成されている。
【００１７】
上記（５）に記載の超電導ケーブルの冷却システムによれば、案内流路は、貯留槽内において、貯留槽の幅方向に延在して上下方向に間隔を有して配設された複数の敷板を有して構成されている。このため、上下に隣接する敷板間に案内流路を形成することができる。従って、簡易な構成で案内流路を備える貯留槽を実現できる。
【００１８】
（６）幾つかの実施形態では、上記（５）に記載の超電導ケーブルの冷却システムにおいて、
前記戻し管は、前記対流防止板よりも下方の前記貯留槽に接続され、
前記送出管は、前記対流防止板よりも下方であって前記戻し管よりも上方の前記貯留槽に接続されているように構成される。
【００１９】
上記（６）に記載の超電導ケーブルの冷却システムによれば、戻し管は、対流防止板よりも下方の貯留槽に接続され、送出管は、対流防止板よりも下方であって戻し管よりも上方の貯留槽に接続されている。温度が上がった液化ガスは、一般的に密度が小さくなって上方へ移動する。このため、温度が上がった液化ガスが対流防止板よりも下方に貯留する液化ガス内に流入すると、この液化ガスは、貯留している液化ガスよりも温度が高いので、温度が上がった液化ガスは上方へ移動する。このため、送出管を対流防止板よりも下方であって戻し管よりも上方の貯留槽に接続することで、超電導ケーブルを冷却して温度が上がった液化ガスを確実に送出管に導入することができる。
【００２０】
（７）幾つかの実施形態では、上記（２）に記載の超電導ケーブルの冷却システムにおいて、
前記冷却部は、前記対流防止板よりも下方の前記貯留槽に貯留された液体ガスのうち前記対流防止板に近接した液体ガスを囲む前記貯留槽の側壁の外側面に配設された冷却装置の熱交換器であるように構成される。
【００２１】
上記（７）に記載の超電導ケーブルの冷却システムによれば、冷却部は、対流防止板よりも下方の貯留槽に貯留された液体ガスのうち対流防止板に近接した液体ガスを囲む貯留槽の側壁の外側面に配設された冷却装置の熱交換器である。対流防止板よりも下方であって対流防止板に近接して貯留する液化ガスは、貯留槽の側壁を介して熱交換器との間で熱交されて冷却される。このため、対流防止板よりも下方に貯留する液化ガスのうち対流防止板に近接して温度が上昇した液化ガスを効果的に冷却することができる。
【００２２】
（８）幾つかの実施形態では、上記（７）に記載の超電導ケーブルの冷却システムにおいて、
前記貯留槽は、外側槽内に収容され、前記貯留槽と前記外側槽との間の空間は真空断熱層を構成している。
【００２３】
上記（８）に記載の超電導ケーブルの冷却システムによれば、貯留槽は、外側槽内に収容され、貯留槽と外側槽との間の空間は真空断熱層を構成している。貯留槽と外側槽との間の空間が真空断熱層を構成しているので、熱交換器と液化ガスとの熱交換の際に、外部からの熱の浸入や外部への熱の漏出を無くすことができる。
【００２４】
（９）幾つかの実施形態では、上記（７）又は（８）に記載の超電導ケーブルの冷却システムにおいて、
前記貯留槽内の前記対流防止板よりも下方の容積は、前記送出管から送出される液化ガスがサブクール状態の所定温度に冷却されるように、前記冷却部の熱交換器の冷却能力と、前記対流防止板よりも下方の前記貯留槽内に貯留する液化ガスの蓄熱量とに基づいて設定されているように構成されている。
【００２５】
上記（９）に記載の超電導ケーブルの冷却システムによれば、貯留槽内の対流防止板よりも下方の容積は、送出管から送出される液化ガスがサブクール状態の所定温度に冷却されるように、冷却部の熱交換器の冷却能力と、対流防止板よりも下方の貯留槽内に貯留する液化ガスの蓄熱量とに基づいて設定されている。このため、超電導ケーブルが急激な温度上昇をした場合、超電導ケーブルを冷却して温度が上昇した液化ガスを、熱交換器による冷却と、貯留する液化ガスとの熱交換による冷却によって、確実に冷却することができる。このため、超電導ケーブルの温度が急激に上昇しても、冷却器への負荷が過大にならずに、超電導ケーブルを所望の温度に冷却可能な超電導ケーブルの冷却システムを実現できる。
【００２６】
（１０）幾つかの実施形態では、上記（１）に記載の超電導ケーブルの冷却システムにおいて、
前記冷却部は、前記対流防止板よりも下方の前記貯留槽内に貯留された液体ガスを導出する導出管と、前記導出管から導出された液体ガスを冷却する冷却装置と、前記冷却装置によって冷却された液化ガスを前記対流防止板よりも下方の前記貯留槽内に戻す戻し管と、前記導出管に設けられて前記貯留槽内の液体ガスを前記導出管に送り出す導出ポンプと、を備えるように構成される。
【００２７】
上記（１０）に記載の超電導ケーブルの冷却システムによれば、導出ポンプによって導出管を介して導出された液化ガスＷは冷却装置で冷却されて導入管を介して貯留槽に戻される。このように、導出管及び導出管によって循環ループを形成し、液化ガスは導出ポンプによって循環ループを循環する。このため、貯留槽の対流防止板よりも下方の貯留槽内に貯留する液化ガスは、循環ループによって強制的に冷却される。このため、超電導ケーブルを冷却して温度上昇して貯留槽内に戻される液化ガスは、循環ループによって強制的に冷却された液化ガスと混合されて冷却される。したがって、超電導ケーブルの温度が急激に上昇しても、冷却装置の負荷が過大にならずに、超電導ケーブルを所望の温度に冷却することができる。
【００２８】
（１１）幾つかの実施形態では、上記（１）から（１０）のいずれかに記載の超電導ケーブルの冷却システムにおいて、
前記貯留槽内に貯留する液化ガスの上方には、ガス相を貯留する空間部が形成されているように構成される。
【００２９】
上記（１１）に記載の超電導ケーブルの冷却システムによれば、貯留槽内に貯留する液化ガスの上方には、ガス相を貯留する空間部が形成されている。このため、液化ガスの温度が変化して体積が増減しても、貯留槽内の空間部によって液化ガスの体積の増減を吸収することができる。このため、超電導ケーブルや循環ループ内での圧力の上昇による不都合（例えば、循環路、貯留槽の損傷）の発生を未然に防止することができる。
【００３０】
（１２）幾つかの実施形態では、上記（１）に記載の超電導ケーブルの冷却システムにおいて、
前記圧力調整部は、前記循環ループから分岐したバイパスラインに設けられて前記バイパスラインを介して導入した液化ガスを気化する熱交換器と、前記熱交換器で気化された気化ガスを前記貯留槽内に貯留する液化ガスの上方の空間部に供給可能な流量調整弁と、を有して構成されている。
【００３１】
上記（１２）に記載の超電導ケーブルの冷却システムによれば、圧力調整部は、循環ループから分岐したバイパスラインに設けられてバイパスラインを介して導入した液化ガスを気化する熱交換器と、熱交換器で気化された気化ガスを貯留槽内に貯留する液化ガスの上方の空間部に供給可能な流量調整弁と、を有して構成される。貯留槽内の圧力が低下した場合には、流量調整弁を開弁して循環ループからバイパスラインに液化ガスを流して熱交換器で気化させ、気化した気化ガスを貯留槽の空間部に供給する。このため、貯留槽内の圧力を上昇させることができる。このため、超電導ケーブル内での放電の発生を確実に防止することができる。
【００３２】
（１３）幾つかの実施形態では、上記（９）又は（１０）に記載の超電導ケーブルの冷却システムにおいて、
前記貯留槽内の前記液化ガスよりも上方の空間部の圧力を検出する圧力検出部と、
前記送出管から送出される液化ガスの温度を検出する温度検出部と、
前記圧力検出部及び前記温度検出部により検出される夫々の検出値に基づいて、前記循環ループを流れる液化ガスがサブクール状態に維持されるように、前記圧力調整部及び前記冷却部の作動を制御する制御部と、をさらに備えるように構成されている。
【００３３】
上記（１３）に記載の超電導ケーブルの冷却システムによれば、貯留槽内の液化ガスよりも上方の空間部の圧力を検出する圧力検出部と、送出管から送出される液化ガスの温度を検出する温度検出部と、圧力検出部及び温度検出部により検出される夫々の検出値に基づいて、循環ループを流れる液化ガスがサブクール状態に維持されるように、圧力調整部及び冷却部の作動を制御する制御部と、をさらに備えるように構成される。循環ループを循環する液化ガスが気化すると、超電導ケーブルを構成する絶縁体中において絶縁破壊の起点となる虞が生じる。このため、液化ガスの温度を飽和温度よりも低くする必要があるので、液化ガスの温度検出が必要になる。また、絶縁破壊は、放電によっても発生することから、放電が発生しないように、循環ループを循環する液化ガスの圧力検出が必要になる。このため、制御部によって、圧力検出部及び温度検出部の夫々の検出値に基づいて圧力調整部及び冷却部の作動を制御することで、循環ループを流れる液化ガスをサブクール状態に維持することができる。
【発明の効果】
【００３４】
本発明の少なくとも幾つかの実施形態によれば、超電導ケーブルの温度が急激に上昇しても、冷却器への負荷が過大にならずに、超電導ケーブルを所望の温度に冷却可能な超電導ケーブルの冷却システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施形態にかかる超電導ケーブルの冷却システムの全体構成を示す概念図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかる貯留槽内に貯留する液化ガスの冷却を説明するための貯留槽の部分説明図である。
【図３】図２のＡ矢視に示す部分拡大断面図である。
【図４】本発明の一実施形態にかかる超電導ケーブルの冷却システムにおける時間と、液化ガスの温度及び熱量との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の他の実施形態にかかる超電導ケーブルの冷却システムの全体構成を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について、図１〜図５を参照しながら説明する。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、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
一方、一の構成要素を「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。
【００４１】
また、以下の説明において、同じ構成には同じ符号を付してその詳細な説明を省略する場合がある。
【００４２】
図１は、本発明の一実施形態にかかる超電導ケーブルの冷却システムの全体構成を示す概念図である。本実施形態の超電導ケーブルの冷却システムは、図１に示すように、液化ガスＷ（例えば、液体窒素）を貯留する貯留槽１と、貯留槽１に貯留された液化ガスＷを循環させる循環ポンプＰと、循環する液化ガスＷを冷却する冷却部３１を有する循環ループ３０と、貯留槽１内の気化ガスＡの圧力を一定にする圧力調整部４０とを備え、液化ガスＷをサブクール状態で循環させることにより超電導ケーブルＣを冷却する。そして、貯留槽１には、超電導ケーブルＣを冷却した液化ガスＷを貯留槽１内に戻す戻し管３３と、貯留槽１内で冷却された液化ガスＷを貯留槽１から送出する送出管３５とが接続され、貯留槽１内には、戻し管３３及び送出管３５の夫々が貯留槽１に接続される接続位置Ｐ１、Ｐ２よりも上方位置であって貯留する液化ガスＷ内に配置されて貯留槽１の幅方向に延びる対流防止板５が設けられている。
【００４３】
図示した実施形態では、貯留槽１は上下方向に延びた円筒状の胴部１ａと、胴部１ａの下部に接続されて下方に突出して湾曲する底部１ｂと、胴部１ａの上部に接続されて上方に突出して湾曲する頂部１ｃと、を有して内部が中空に形成されている。貯留槽１は、この外側に配置された外側槽７内に収容され、貯留槽１と外側槽７との間の空間は不図示の真空ポンプによって減圧されて真空断熱層８が形成されている。貯留槽１内には、液化ガスＷの液面よりも上方に空間部１０が形成され、この空間部１０に気化ガスＡ（窒素ガス）が満たされている。
【００４４】
貯留槽１の底部１ｂの一方側端部には送出管３５が接続され、貯留槽１の底部１ｂの他方側端部には戻し管３３が接続されている。貯留槽１から延出する送出管３５には循環ポンプＰが設けられている。循環ポンプＰは送出管３５を介して超電導ケーブルＣに冷却した液化ガスＷを圧送して、超電導ケーブルＣを冷却する。超電導ケーブルＣを冷却した後の液化ガスＷ（液体窒素）は、戻り管３３を介して貯留槽１に戻される。このように、戻り管３３及び送出管３５は循環ループ３０を形成し、液化ガスＷは循環ポンプＰによって循環ループ３０を循環するように構成されている。
【００４５】
図示した実施形態では、貯留槽１に貯留する液化ガスＷ内に設けられた対流防止板５は、貯留槽１の底部１ｂよりも上方の胴部１ａの下側に配置されている。対流防止板５は平面視において胴部１ａの断面形状と相似する形状を有した板状部材であり、対流防止板５の外縁部と胴部１ａ内面との間には隙間１２が形成されている。この隙間１２によって対流防止板５を胴部１ａ内に挿入し易くしている。また、対流防止板５は断熱性を有した材料で形成されている。このため、対流防止板５よりも上方に貯留する液化ガスＷ'の熱が対流防止板５よりも下方に貯留する液化ガスＷに伝わって液化ガスＷの温度上昇を招く事態を防止している。なお、対流防止板５の比重は液化ガスＷと同程度又は若干大きい方が好ましい。
【００４６】
対流防止板５よりも下方の位置には、送出管３５及び戻し管３３が貯留槽に接続されているが、図示した実施形態では、戻し管３３は貯留槽１の底部１ｂの他方側端部の下部に接続され、送出管３５は戻し管３３よりも上方であって貯留槽１の底部１ｂの一方側端部の上部に接続されている。
【００４７】
ここで、戻し管３３から貯留槽１内に流入する液化ガスＷは、超電導ケーブルＣを冷却した後の液化ガスＷであるので、その温度は冷却する前の液化ガスＷの温度よりも高くなる。このため、貯留槽１内に対流防止板５が設けられていない場合には、温度が高くなった液化ガスＷが貯留槽１内に流入すると、貯留槽１内に貯留する液化ガスＷとの間の温度差によって、液化ガスＷは貯留槽１内で上下方向に移動する対流が発生する。したがって、貯留槽１内に貯留する液化ガスＷの上部に温度が比較的に高い液化ガスＷが溜まり、また貯留槽１の下部に温度が比較的に低い液化ガスＷが溜まるので、超電導ケーブルＣを冷却した後の液化ガスＷを冷却することが出来ない虞が生じる。しかしながら、本実施形態では、貯留槽１内に貯留槽幅方向に延びる対流防止板５を設けることで、上下方向に移動する液化ガスの対流が阻止されるので、この液化ガスＷの対流を防止することができる。従って、超電導ケーブルＣを冷却した後の液化ガスＷと貯留槽１内に貯留する液化ガスＷとの間で熱交換が行われて、超電導ケーブルＣを冷却した後の液化ガスＷを冷却することができる。
【００４８】
超電導ケーブルＣは、図示しない内管と内管の外側を囲むようにして配設された外管とを備える二重管構造に形成されている。内管の内部空間に冷媒往路Ｃａが形成され、内管と外管の間の空間に冷媒復路Ｃｂが形成され、冷媒往路Ｃａと冷媒復路Ｃｂの間に熱絶縁体で形成され、内管の外周側に超電導導体が設けられ、冷媒復路を流れる液化ガスＷによって超電導ケーブルＣが冷却されるように構成されている。
【００４９】
図２は、本発明の一実施形態にかかる貯留槽１内に貯留する液化ガスＷの冷却を説明するための貯留槽１の部分説明図であり、図３は、図２のＡ矢視に示す部分拡大断面図である。冷却部３１は、図２に示すように、対流防止板５よりも下方に貯留する液化ガスＷを冷却する位置、即ち、対流防止板５よりも下方に貯留する液化ガスＷのうち対流防止板５に近接する液化ガスＷを冷却する位置に配設されている。
【００５０】
図示した実施形態では、冷却部３１は、対流防止板５よりも下方の貯留槽１に貯留された液化ガスＷのうち対流防止板５に近接した液化ガスＷを囲む貯留槽１の胴部１ａの側壁１ｄの外側面を囲むようにして配設されている。この冷却部３１は、冷却装置３２の熱交換器３１'として構成されている。熱交換器３１'は、図３に示すように、冷媒が流れる流路を形成する複数の配管３７を有して構成されている。これらの複数の配管３７は、貯留槽１の胴部１ａの外側面の周方向に沿って接触しながら巻回されるようにして配設されている。この熱交換器３１'は、冷媒を冷却可能な冷却装置３２（図１参照）の一部を構成する。冷却装置３２の作動は制御部４５によってコントロールされる。
【００５１】
このように、対流防止板５よりも下方であって対流防止板５に近接して貯留する液化ガスＷを冷却するように熱交換器３１'が配設されているので、対流防止板５よりも下方に貯留する液化ガスＷのうち対流防止板５に近接して温度が上昇した液化ガスＷを効果的に冷却することができる。
【００５２】
対流防止板５よりも下方の貯留槽１内には、図２に示すように、戻し管３３から吐出する液化ガスＷを送出管３５に案内するための案内流路４７が形成されている。この案内流路４７は、貯留槽１内において、貯留槽１の幅方向に延在して上下方向に間隔を有して配設された複数の敷板４９を有して構成されている。
【００５３】
図示した実施形態では、複数の敷板４９は上下方向に一定の間隔を有して配設されるとともに、上下に隣接する２つの敷板４９が貯留槽幅方向に互い違いにずれて配設されている。このため、戻し管３３から吐出された液化ガスＷが敷板４９の下方に形成された案内流路４７に沿って流れて敷板４９の幅方向端部を超えた位置には、敷板４９の上方に延在する他の敷板４９'によって液化ガスＷの流れの方向を変える方向変換流路４７ａが形成されている。この方向変換流路４７ａの体積は、上方に位置するものほど大きくなるように形成されている。このため、上方に位置する方向変換流路４７ａでは、下方に位置する方向変換流路４７ａと比較して液化ガスＷの流れが比較的に遅くなる。したがって、熱交換器３１'の内側を流れる液化ガスＷは、体積の比較的に大きな方向変換流路４７ａを流れるので、熱交換器３１'との間で十分な熱交換を行うことができる。このため、液化ガスＷを効果的に且つ所望の温度に冷却することができる。
【００５４】
なお、図示した実施形態では、複数の敷板４９は略水平方向に延在するように設けられた場合を示したが、複数の敷板４９は斜め方向に傾いた状態で延在してもよい。
【００５５】
貯留槽１の上部に形成された空間部１０内の気化ガスＡの圧力は、図１に示すように、圧力調整部４０によって制御される。圧力調整部４０は、循環ループ３０から分岐したバイパスライン５１に設けられてバイパスライン５１を介して導入した液化ガスＷを気化する熱交換器５２と、熱交換器５２で気化された気化ガスＡを貯留槽１内の空間部１０に供給可能な流量調整弁５５と、を有して構成されている。
【００５６】
図示した実施形態では、バイパスライン５１は、循環ループ３０の戻し管３３を流れる液化ガスＷ（液体窒素）の一部を分岐するように、戻し管３３と貯留槽１の空間部１０との間を連通するように接続されている。バイパスライン５１には、液化ガスＷを気化させる蒸発器５２'(熱交換器５２)が設けられている。また、蒸発器５２'よりも上流側のバイパスライン５１には、蒸発器５２'側へ流れる液化ガスＷの流量を調整可能な流量調整弁５５が設けられている。この流量調整弁５５の開度を調整することで、貯留槽１の空間部１０内の気化ガスＡの圧力を調整することができる。流量調整弁５５の開度調整は制御部４５によって行われる。
【００５７】
このように構成された超電導ケーブルＣの冷却システムには、貯留槽１内の液化ガスＷよりも上方の空間部１０の圧力を検出する圧力検出部１５と、送出管３５から送出される液化ガスＷの温度を検出する温度検出部１７と、圧力検出部１５及び温度検出部１７により検出される夫々の検出値に基づいて、循環ループ３０を流れる液化ガスＷがサブクール状態に維持されるように、圧力調整部４０及び冷却部３１の作動を制御する制御部４５と、をさらに備えるように構成される。
【００５８】
図示した実施形態では、温度検出部１７は貯留槽１から延出する送出管３５のうち熱交換器３１'に近接した位置に延びる送出管３５に設けられている。このため、熱交換器３１'によって冷却された直後の液化ガスＷの温度を検出することができる。制御部４５には、圧力検出部１５、温度検出部１７、冷却装置３２、流量調整弁５５が電気的に接続されている。
【００５９】
制御部４５は、送出管３５から送出される液化ガスＷの温度が飽和温度よりも低い温度なるように冷却装置３２の作動を制御する。また、制御部４５は、貯留槽１内に空間部１０の気化ガスＡの圧力が超電導ケーブルＣ内で放電が発生しない圧力よりも小さくならないように流量調整弁５５の開度を制御する。
【００６０】
ここで、送出管３５から送出される液化ガスＷの温度は、冷却装置３２の作動条件（例えば、冷媒の冷却温度、冷媒の流量）を変えることで、液化ガスＷの温度を調整することができる。しかしながら、超電導ケーブルＣの温度変動が比較的に大きくなる場合には、冷却装置３２の冷媒の冷却温度をより低くしたり、冷媒の流量を増大したりする必要が生じて、冷却装置３２の負荷が増大して超電導ケーブルＣを効率的に冷却することが出来ない虞がある。
【００６１】
そこで、超電導ケーブルＣの温度変動が比較的に大きい場合でも、冷却装置３２が超電導ケーブルＣを効率的に冷却可能にするため、貯留槽１内の対流防止板５よりも下方の貯留槽１の容積が設定されている。即ち、貯留槽１内の対流防止板５よりも下方の貯留槽１の容積は、冷却部３１の熱交換器３１'の冷却能力と、対流防止板５よりも下方の貯留槽１内に貯留する液化ガスＷの蓄熱量とに基づいて設定されている。
【００６２】
このため、超電導ケーブルＣが急激な温度上昇をした場合、超電導ケーブルＣを冷却して温度が上昇した液化ガスＷを、熱交換器３１'による冷却と、貯留する液化ガスＷとの熱交換による冷却によって、確実に冷却することができる。このため、超電導ケーブルＣの温度が急激に上昇しても、冷却装置３２への負荷が過大にならずに、超電導ケーブルＣを効率的に且つ所望の温度に冷却することができる。
【００６３】
図４は、本発明の一実施形態にかかる超電導ケーブルＣの冷却システムにおける時間と、液化ガスＷの温度及び冷却能力との関係を示すグラフである。図４に示すグラフの一方の縦軸は液化ガスＷの温度を示し、他方の縦軸は液化ガスＷの冷却能力を示し、グラフの横軸は経過時間を示している。図４に示すように、実線Ａは蓄熱タンク入口温度を表し、破線Ｂは蓄熱タンク出口温度を表す。また、一点鎖線Ｃは冷却能力を表し、二点鎖線Ｄはケーブル全熱損失を表す。超電導ケーブル全熱損失（二点鎖線Ｄ）が急激に増えると、蓄熱タンク入口温度（実線Ａ）が急上昇する。この負荷に対応して冷却装置３２が一点鎖線Ｃで示される冷却能力を発揮して、貯留槽１を熱交換部３１により冷却するので、貯留槽１の送出管３５から送出される液化ガスＷの温度変化は小さいことがわかる（破線Ｂ参照）。また、冷却能力が急激に変化したときに、液化ガスＷの温度が安定するまでの時間も比較的に短いことがわかる（破線Ｂ参照）。
【００６４】
以上、本発明の好ましい形態について説明したが、本発明は上記の形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない範囲での種々の変更が可能である。
【００６５】
図５は、本発明の他の実施形態にかかる超電導ケーブルの冷却システムの全体構成を示す概念図である。他の実施形態では、前述した実施形態との相違点のみについて説明し、前述した実施形態と同一態様部分については同一符号を附して説明を省略する。
【００６６】
冷却部６０は、図５に示すように、対流防止板５よりも下方の貯留槽１内に貯留された液化ガスＷを導出する導出管６１と、導出管６１によって導出された液化ガスＷを冷却する冷却装置３２と、冷却装置３２によって冷却された液化ガスＷを対流防止板５よりも下方の貯留槽１内に戻す導入管６２と、導出管６１に設けられて貯留槽１内の液化ガスＷを導出管６１に送り出す導出ポンプ６３と、を備える。
【００６７】
図示した実施形態では、超電導ケーブルＣを冷却して温度上昇した液化ガスを貯留槽１に戻す戻し管３３は、その端部が対流防止板５よりも下方の貯留槽１の一方側上部に接続されている。また、送出管３５は貯留槽１の底部の一方側に接続されている。一方、導入管６２は、その液化ガスを導入する側の端部が対流防止板５よりも下方の貯留槽１の他方側上部に接続されている。導出管６１は、その液化ガスを導出側の端部が貯留槽１の底部の他方側に接続されている。
【００６８】
導出ポンプ６３によって導出管６１を介して導出された貯留槽１内の液化ガスＷは、冷却装置３２で冷却されて、導入管６２を介して貯留槽１に戻される。このように、導出管６１及び導入管６２は循環ループ６４を形成し、液化ガスＷは導出ポンプＰによって循環ループ６４を循環するように構成されている。
【００６９】
このように、貯留槽１の対流防止板５よりも下方の貯留槽１内に貯留する液化ガスＷは、循環ループ６４によって強制的に冷却される。このため、超電導ケーブルＣを冷却して温度上昇して貯留槽１内に戻された液化ガスは、循環ループ６４によって強制的に冷却された液化ガスと混合されて冷却される。このため、超電導ケーブルＣの温度が急激に上昇しても、冷却装置３２の負荷が過大にならずに、超電導ケーブルＣを所望の温度に冷却することができる。
【符号の説明】
【００７０】
１  貯留槽
１ａ  胴部
１ｂ  底部
１ｃ  頂部
１ｄ  側壁
５  対流防止板
７  外側槽
８  真空断熱層
１０  空間部
１２  隙間
１５  圧力検出部
１７  温度検出部
３０、６４  循環ループ
３１、６０  冷却部
３１'、５２  熱交換部
３２  冷却装置
３３  戻し管
３５  送出管
３７  配管
４０  圧力調整部
４５  制御部
４７  案内流路
４７ａ  方向変換流路
４９  敷板
５１  バイパスライン
５２'  蒸発器
５５  流量調整弁
６１  導出管
６２  導入管
６３  導入ポンプ
Ａ  気化ガス
Ｃ  超電導ケーブル
Ｃａ  冷媒往路
Ｃｂ  冷媒復路
Ｐ  循環ポンプ
Ｐ１、Ｐ２  接続位置
Ｗ、Ｗ'  気化ガス
【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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