(57)【要約】【課題】液体冷媒の冷却に利用する冷凍機の容量を低減できる上に、冷凍機のメンテナンス性にも優れる超電導ケーブルの運転方法、及びこの運転方法の実施に適した超電導ケーブルの冷却システムを提供する。【解決手段】冷却システムで冷却した液体冷媒を超電導ケーブルに供給して前記超電導ケーブルを運転する超電導ケーブルの運転方法であって、前記冷却システムは、前記液体冷媒の冷却に使用する真空ポンプ及び冷凍機を備え、侵入熱分を含む安定負荷分の冷却に前記冷凍機及び前記真空ポンプの少なくとも一方を用い、前記安定負荷分を超える過剰負荷分の冷却に前記真空ポンプを用いる超電導ケーブルの運転方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却システムで冷却した液体冷媒を超電導ケーブルに供給して前記超電導ケーブルを運転する超電導ケーブルの運転方法であって、
前記冷却システムは、前記液体冷媒の冷却に使用する真空ポンプ及び冷凍機を備え、
侵入熱分を含む安定負荷分の冷却に前記冷凍機及び前記真空ポンプの少なくとも一方を用い、
前記安定負荷分を超える過剰負荷分の冷却に前記真空ポンプを用いる超電導ケーブルの運転方法。
【請求項２】
前記安定負荷分の冷却に前記冷凍機を用いる請求項１に記載の超電導ケーブルの運転方法。
【請求項３】
前記安定負荷分のうち、前記侵入熱分の冷却に前記冷凍機を用い、残りの冷却に前記真空ポンプを用いる請求項１又は請求項２に記載の超電導ケーブルの運転方法。
【請求項４】
前記安定負荷分の冷却に前記真空ポンプを用い、
前記真空ポンプを用いた冷却ができないときには負荷を制限し、前記侵入熱分の冷却に前記冷凍機を用いる請求項１に記載の超電導ケーブルの運転方法。
【請求項５】
前記超電導ケーブルは、交流送電に用いられる請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の超電導ケーブルの運転方法。
【請求項６】
超電導ケーブルに供給する液体冷媒の冷却に利用する真空ポンプ及び冷凍機と、
前記真空ポンプ及び前記冷凍機の駆動を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、
侵入熱分を含む安定負荷分の冷却を行うように、前記真空ポンプ及び前記冷凍機の少なくとも一方を制御すると共に、前記安定負荷分を超える過剰負荷分の冷却を行うように前記真空ポンプを制御する通常制御部を備える超電導ケーブルの冷却システム。
【請求項７】
前記冷凍機は、前記侵入熱分の冷却に必要な容量以上、前記安定負荷分の冷却に必要な容量以下である請求項６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】
本発明は、冷却システムで冷却した液体冷媒を供給して超電導ケーブルを運転する超電導ケーブルの運転方法、及び超電導ケーブルに供給する液体冷媒の冷却に利用する超電導ケーブルの冷却システムに関する。特に、冷却システムに備える冷凍機の容量を低減でき、冷却システムのメンテナンス性にも優れる超電導ケーブルの運転方法及び超電導ケーブルの冷却システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導ケーブルは、小径でも大容量の電力を低損失で送電可能なことから、省エネルギー技術として期待されている。超電導ケーブルは、超電導導体層を有するケーブルコアと、このコアを収納し、上記超電導導体層を超電導状態に維持する液体窒素といった液体冷媒が充填される断熱管とを備える構成が代表的である。
【０００３】
超電導ケーブルを備える電力線路には、超電導ケーブルに供給する液体冷媒を所定の温度に維持するための冷却システムが設けられる。冷却システムは、代表的には冷凍機を備える。冷凍機には、非定常的な過負荷運用や極稀に発生し得る短絡電流などの事故電流に対して、液体冷媒の温度を所定の範囲内とするための設備容量が要求される。そのため、冷凍機は、日間の負荷変動や年間の負荷変動などを含む定常的な負荷に必要な冷却量に比較して、大容量のものとなっている（以下、このような冷凍機を大容量冷凍機と呼ぶ）。
【０００４】
特許文献１は、複数の冷凍機を備える超電導ケーブル冷却装置を開示している。この冷却装置は、直列接続された複数の冷凍機の列を一つのユニットとし、複数のユニットが並列接続された構成である。複数のユニットのうち、一部のユニットを通常使用し（目標温度を達成可能な冷却能力を有するようにユニット数を選択）、残部のユニットは待機状態とする。使用する一部のユニットのうち、実際に駆動するユニット数を超電導ケーブルの温度変化に応じて選択する。この冷却装置では、待機中の冷凍機を点検・保守できる、待機中のユニットを別のユニットの故障時の予備にできるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−０５４５００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
超電導ケーブルに供給する液体冷媒の冷却に冷凍機を利用する場合に、冷凍機の容量を低減すると共に、冷却システムのメンテナンス性を改善することが望まれている。
【０００７】
上述の大容量冷凍機を備える冷却システムでは、大容量冷凍機の出力を負荷などに応じて変化させたり、大容量冷凍機をＯＮ／ＯＦＦしたりするなどして、冷却制御を行っている。このような冷却制御によって大容量冷凍機の構成部材に与え得る熱機械的な履歴（特に過負荷時など）を考慮すると共に、所定の運転を常に可能なように点検・保守などすることが求められる。冷却システムには、想定される最大の必要冷却量を確保すると共に、点検・保守などのメンテナンス性を考慮した機器構成とする必要があるからである。その結果、上述の大容量冷凍機を備える冷却システムでは、定期的なメンテナンスが必要である。また、冷凍機そのものが大型になると構成部材も大型して、点検・保守などを行う際のメンテナンス作業性に劣る。これらの点からメンテナンスのインターバルを長くして回数を低減したり、作業負担を軽減したりするなどといった、冷却システムのメンテナンス性の改善が望まれている。
【０００８】
上述のメンテナンスのインターバルの長期化や作業性の改善、冷凍機の大容量化に伴う冷却システムのコストの増大の抑制などの点から、冷凍機の容量を低減することが望まれる。
【０００９】
一方、引用文献１に記載される上述の冷却装置では、上述の大型冷凍機に比較して各冷凍機の容量を低減したり、各冷凍機の運転状態を管理・制御などしてメンテナンスのインターバルを長くしたりすることができる。しかし、個々の冷凍機のメンテナンス時期が重複しないように計画すると、メンテナンスの回数が増えることになり、この点でメンテナンス性に劣るといえる。
【００１０】
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、液体冷媒の冷却に利用する冷凍機の容量を低減でき、冷却システムのメンテナンス性にも優れる超電導ケーブルの運転方法及び超電導ケーブルの冷却システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一態様に係る超電導ケーブルの運転方法は、冷却システムで冷却した液体冷媒を超電導ケーブルに供給して前記超電導ケーブルを運転する方法であって、前記冷却システムは、前記液体冷媒の冷却に使用する真空ポンプ及び冷凍機を備え、侵入熱分を含む安定負荷分の冷却に前記冷凍機及び前記真空ポンプの少なくとも一方を用い、前記安定負荷分を超える過剰負荷分の冷却に前記真空ポンプを用いる。
【００１２】
本発明の一態様に係る超電導ケーブルの冷却システムは、超電導ケーブルに供給する液体冷媒の冷却に利用する真空ポンプ及び冷凍機と、前記真空ポンプ及び前記冷凍機の駆動を制御する制御部とを備える。前記制御部は、侵入熱分を含む安定負荷分の冷却を行うように、前記真空ポンプ及び前記冷凍機の少なくとも一方を制御すると共に、前記安定負荷分を超える過剰負荷分の冷却を行うように前記真空ポンプを制御する通常制御部を備える。
【発明の効果】
【００１３】
上記の超電導ケーブルの運転方法及び上記の超電導ケーブルの冷却システムは、液体冷媒の冷却に利用する冷凍機の容量を低減できる上に、冷却システムのメンテナンス性にも優れる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施形態１の超電導ケーブルの冷却システムを示す概略構成図である。
【図２】実施形態１の超電導ケーブルの冷却システムを用いて、超電導ケーブルの運転方法の手順の一例（正常時の制御）を説明するフローチャートである。
【図３】実施形態１の超電導ケーブルの冷却システムを用いて、超電導ケーブルの運転方法の手順の一例（異常時の制御）を説明するフローチャートである。
【図４】実施形態２の超電導ケーブルの冷却システムを示す概略構成図である。
【図５】実施形態３の超電導ケーブルの冷却システムを示す概略構成図である。
【図６】超電導ケーブルの一例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
［本発明の実施形態の説明］
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の運転方法は、冷却システムで冷却した液体冷媒を超電導ケーブルに供給して上記超電導ケーブルを運転する方法であって、上記冷却システムは、上記液体冷媒の冷却に使用する真空ポンプ及び冷凍機を備え、侵入熱分を含む安定負荷分の冷却に上記冷凍機及び上記真空ポンプの少なくとも一方を用い、上記安定負荷分を超える過剰負荷分の冷却に上記真空ポンプを用いる。
【００１６】
まず、上記（１）の超電導ケーブルの運転方法における用語などを説明する。後述する（６）超電導ケーブルの冷却システムにおける用語と同一の用語は、以下の説明と同様の意味とする。
・「安定負荷分」は、「侵入熱分」と「定常負荷分」との和とする。
・「侵入熱分」とは、非送電状態にある超電導ケーブルの液体冷媒に対して、ケーブル外部から入る熱量を「侵入熱」と呼び、この「侵入熱」に対して上記液体冷媒の温度を所定の範囲内に制御するための冷却量とする。
・「定常負荷分」とは、日間の負荷変動や年間の負荷変動などのような定常的に（日常的に）生じ得る超電導ケーブルの送電電流の変動に対応するための冷却量とする。日常での運用に送電停止状態を含む場合、安定負荷分は、侵入熱分のみとなる。
・「過剰負荷分」とは、非定常的に生じる過負荷や短絡事故などといった、定常的な負荷に比較して過大な電流（過負荷時の電流、短絡電流などの過電流）が生じた場合に、一過性の温度上昇が生じた液体冷媒を所定の温度範囲内に制御したり、所定の時間内に所定の温度に戻したりするために必要な冷却量のうち、上記の安定負荷分を除いた冷却量とする。
・「冷却に使用する真空ポンプ」とは、作動液を貯留する槽内を真空引きによって減圧して作動液の沸点を低下させ、作動液の気化に伴って作動液の温度を超電導ケーブルの液体冷媒の温度よりも低くすることで、冷却対象である超電導ケーブルの液体冷媒を冷却することに使用するポンプである。
【００１７】
超電導ケーブルでは、送電電流の大きさによって発生する損失（代表的には交流損失）が変動する。そこで、この損失の変化を想定して、超電導ケーブルの液体冷媒が所定の温度範囲内になるように、かつ冷凍機の冷却負担が小さく冷凍機が効率的に運用できるように冷却システムを構築したり、このような冷却システムを用いて上記液体冷媒を冷却したりする。具体的には、上記の超電導ケーブルの運転方法は、超電導ケーブルに供給する液体冷媒を冷却する冷却量を「安定負荷分」と「過剰負荷分」とに分けて、頻度は少ないものの冷却負担が大きくなる過剰負荷分の冷却に真空ポンプを用いる構成とする。このような運転方法を利用することで、冷凍機の容量を例えば安定負荷分の冷却に必要な程度、場合によっては侵入熱分の冷却に必要な程度にすることができる。即ち、定常的な負荷に対する冷却において、冷凍機の冷却負担を効果的に小さくできる。複数の冷凍機を備える冷却システムとする場合には、上記の超電導ケーブルの運転方法を利用することで、冷凍機群の総容量を低減できるため、個々の冷凍機の容量を低減したり、台数を低減したり、又はその両方を低減したりすることができる。従って、上記の超電導ケーブルの運転方法によれば、冷凍機の容量を効果的に低減できる。
【００１８】
また、上記の超電導ケーブルの運転方法は、少なくとも過剰負荷分の冷却に真空ポンプを用いるため、冷凍機を定常的な負荷に見合った出力で運転できたり、一定出力での運転を基本としたりすることで、冷凍機を故障し難くできると期待される。その結果、冷凍機のメンテナンスのインターバルを長くできる。また、冷凍機の容量（冷凍機群の総容量）の低減によって冷凍機（群）の簡素化、部材の小型化などができ、点検や保守などを容易に行えて、メンテナンス作業性に優れる。更に、極低温の液体冷媒などに直接接する冷凍機とは異なり、真空ポンプは、液体冷媒に実質的に関与しない常温環境に設置され、使用される。即ち、真空ポンプは、極低温から常温での間における温度変化を実質的に伴わない設備といえ、点検や保守などを容易に行えて、メンテナンス作業性に優れる。これらの点から、上記の超電導ケーブルの運転方法によれば、メンテナンスのインターバルを長期化したり、作業負担を低減できたりして、冷却システムのメンテナンス性に優れる。
【００１９】
更に、真空ポンプによって作動液を貯留する貯留槽の真空度を調整することで作動液の沸点を容易に調整できる。そのため、真空ポンプを利用する上記の超電導ケーブルの運転方法は、冷凍機を利用する場合と比較して、負荷変動などによる損失変化への対応を容易に行える。
【００２０】
（２）  上記の超電導ケーブルの運転方法の一例として、上記安定負荷分の冷却に上記冷凍機を用いる形態が挙げられる。即ち、この形態は、安定負荷分の冷却に冷凍機を用い、過剰負荷分の冷却に真空ポンプを用いる。
【００２１】
上記形態は、冷凍機の容量を安定負荷分の冷却に必要な程度にできるため、冷凍機の容量を低減できる。また、上記形態は、冷凍機や真空ポンプが故障していない正常時に、冷凍機と真空ポンプとを併用するため、気化による作動液の消費を低減し易い。
【００２２】
（３）  上記の超電導ケーブルの運転方法の一例として、上記安定負荷分のうち、上記侵入熱分の冷却に上記冷凍機を用い、残りの冷却に上記真空ポンプを用いる形態が挙げられる。即ち、この形態は、安定負荷分の冷却に冷凍機及び真空ポンプの双方を用い、過剰負荷分の冷却に真空ポンプを用いる。
【００２３】
上記形態は、冷凍機の容量を侵入熱分の冷却に必要な程度にできるため、冷凍機の容量をより低減できる。また、侵入熱分は過剰負荷分のような変動量ではなく一定量であるため、上記形態は、冷凍機を一定出力で運転でき、冷凍機がより故障し難くなると考えられることから、メンテナンスのインターバルの更なる長期化を期待できる。
【００２４】
（４）  上記の超電導ケーブルの運転方法の一例として、上記安定負荷分の冷却に上記真空ポンプを用い、上記真空ポンプを用いた冷却ができないときには負荷を制限し、上記侵入熱分の冷却に上記冷凍機を用いる形態が挙げられる。即ち、この形態は、安定負荷分の冷却及び過剰負荷分の冷却の双方に真空ポンプを用い、真空ポンプの異常時に冷凍機を用いる。
【００２５】
上記形態は、冷凍機の容量を侵入熱分の冷却に必要な程度にできるため、冷凍機の容量をより低減できる。また、上記形態は、真空ポンプによる冷却が可能な状態に復旧するまでの間、冷凍機によって超電導状態を維持可能である。そのため、上記形態は、真空ポンプによる冷却が可能な状態に復旧後、速やかに所定の電力供給を行え、安定した電力供給を提供できる。
【００２６】
（５）  上記の超電導ケーブルの運転方法の一例として、上記超電導ケーブルが交流送電に用いられる形態が挙げられる。
【００２７】
交流送電を行う超電導ケーブルには、交流に起因する損失（渦電流損やヒステリシス損など）が発生する。負荷が大きいほど、この損失が大きくなるため、負荷が大きい超電導ケーブル線路では、冷却システムに要求される冷却量が相対的に大きくなる。上記の形態は、比較的大きな冷却量が求められる場合でも、真空ポンプを利用することで、所定の冷却を十分に行えながらも、冷凍機の容量を低減できる。
【００２８】
（６）  本発明の一態様に係る超電導ケーブルの冷却システムは、超電導ケーブルに供給する液体冷媒の冷却に利用する真空ポンプ及び冷凍機と、上記真空ポンプ及び上記冷凍機の駆動を制御する制御部とを備える。上記制御部は、侵入熱分を含む安定負荷分の冷却を行うように、上記真空ポンプ及び上記冷凍機の少なくとも一方を制御すると共に、上記安定負荷分を超える過剰負荷分の冷却を行うように上記真空ポンプを制御する通常制御部を備える。
【００２９】
上記の超電導ケーブルの冷却システムは、上記（１）〜（５）の超電導ケーブルの運転方法の実施に好適に利用できる。上記の超電導ケーブルの冷却システムは、超電導ケーブルに供給する液体冷媒を冷却する冷却量を「安定負荷分」と「過剰負荷分」とに分けて、頻度は少ないものの冷却負担が大きくなる過剰負荷分の冷却に真空ポンプを用いる。そのため、上記の超電導ケーブルの冷却システムに備える冷凍機の容量を例えば安定負荷分の冷却に必要な程度、場合によっては侵入熱分の冷却に必要な程度にすることができる。即ち、上述のように冷凍機の冷却負担を効果的に小さくできる。従って、上記の超電導ケーブルの冷却システムは、容量が小さい冷凍機（群）を備えることができる。
【００３０】
また、上記の超電導ケーブルの冷却システムは、少なくとも過剰負荷分の冷却に真空ポンプを用いるため、上述のように冷凍機の冷却負担を格段に低減できる点、容量の小さい冷凍機を用いて効率的で安定した運転を行い易い点などから、冷凍機が故障し難く、冷凍機のメンテナンスのインターバルを長くできると期待される。また、上記の超電導ケーブルの冷却システムに備える真空ポンプは、上述のようにメンテナンス作業性に優れる。これらの点から、上記の超電導ケーブルの冷却システムは、メンテナンスのインターバルの長期化や作業負担の低減を図れ、メンテナンス性に優れる。
【００３１】
更に、過剰負荷分の冷却に真空ポンプを利用すると、上述のように負荷変動などによる損失変化への対応を容易に行えると共に、冷却システムを簡素な機器構成にできる。
【００３２】
（７）  上記の超電導ケーブルの冷却システムの一例として、上記冷凍機が上記侵入熱分の冷却に必要な容量以上、上記安定負荷分の冷却に必要な容量以下である形態が挙げられる。
【００３３】
上記形態に備える冷凍機は、その容量が十分に小さい。上記形態は、このような小容量の冷凍機を備えていながらも、真空ポンプによって負荷変動などによる損失変化への対応を良好に行える。また、上記形態は、上述のように真空ポンプを用いた冷却ができない場合でも、冷凍機によって超電導状態を維持可能であり、真空ポンプによる冷却が可能な状態に復旧後、速やかに所定の電力供給を行える。
【００３４】
［本発明の実施形態の詳細］
以下に図面を参照して、本発明の実施形態の具体例を説明する。図において同一符号は同一名称物を意味する。
【００３５】
［実施形態１  安定負荷分：冷凍機、過剰負荷分：真空ポンプ］
図１〜図３を参照して、実施形態１の超電導ケーブルの冷却システム１Ａ、及び冷却システム１Ａを用いた超電導ケーブルの運転方法を説明する。まず、図６を参照して超電導ケーブル１０００の一例を説明し、次に冷却システム１Ａの構成、運転方法の手順、最後に効果を説明する。
【００３６】
・超電導ケーブル
超電導ケーブル１０００は、フォーマ１１１１の外周に設けられた超電導導体層１１１２を有するケーブルコア１１００と、コア１１１０を収納する断熱管１２００とを備える。この例に示すコア１１１０は、中心から順にフォーマ１１１１、超電導導体層１１１２、電気絶縁層１１１３、外側超電導層１１１４、保護層１１１５を同軸状に備える。超電導導体層１１１２，外側超電導層１１１４は、代表的には酸化物超電導相を備える線材を巻回した構造である。断熱管１２００は、コア１１００を収納し、液体冷媒Ｌ（例えば、液体窒素）が充填される内管１２１０と、内管１２１０の外周に設けられる外管１２２０とを備え、両管１２１０，１２２０間に真空断熱層を有する。外管１２２０の外周には、防食層１２３０が設けられる。実施形態１の冷却システム１Ａ及び運転方法、後述する実施形態、変形例の冷却システム及び運転方法はいずれも、公知の超電導ケーブルを利用でき、図６は例示である。その他の構造として、例えば、外側超電導層を備えておらず、接地層を備えるケーブルなどが挙げられる。
【００３７】
図６に示す超電導ケーブル１０００は、３本のケーブルコア１１００が一つの断熱管１２００に収納された三心一括ケーブルであり、かつ、超電導導体層１１１２及び電気絶縁層１１１３の双方が液体冷媒Ｌに含浸される低温絶縁型ケーブルである。その他、１本のコア１１００が一つの断熱管１２００に収納された単心ケーブル、電気絶縁層１１１３及び外側超電導層１１１４を有しておらず、超電導導体層１１１２を有する導体部が断熱管１２００に収納され、この断熱管１２００の外周に電気絶縁層が設けられた常温絶縁型ケーブルを利用できる。
【００３８】
超電導ケーブル１０００は、交流送電（例えば、三相交流送電）、直流送電（例えば、バイポール送電、モノポール送電）のいずれにも利用できる。
【００３９】
・・冷媒流路
図１に示すように超電導ケーブル１０００には液体冷媒Ｌが流通される配管３０が接続されて、内管１２１０（図６）と配管３０とを備える閉じた流路が構築され、ケーブル１０００に液体冷媒Ｌが循環供給される。この冷媒流路における配管３０部分に、所定の温度に冷却された液体冷媒Ｌをケーブル１０００（内管１２１０）に導入する供給部３０ｇと、ケーブル１０００から液体冷媒Ｌを排出する排出部３０ｒと、循環する液体冷媒Ｌの体積変化を吸収すると共に、負荷変動に伴う液体冷媒Ｌの温度変化を緩慢にするための熱容量を、循環冷媒として確保するためのリザーブタンク（リザーバー）３０ＲＴと、液体冷媒Ｌの流量などを調整するポンプ３２と、後述する熱交換装置６内に収納される熱交換部３４と、配管３０の少なくとも一部の外周を覆う断熱部（図示せず）とを備える。リザーブタンク３０ＲＴやポンプ３２は、熱交換装置６内や共通の断熱容器（図示せず）内に収納する構成とすると、液体冷媒Ｌに対する侵入熱をより低減できる。
【００４０】
その他、この例では、超電導ケーブル１０００（内管１２１０）内の液体冷媒Ｌの温度を測定する温度計９をケーブル１０００に取り付けて、上記温度を把握できるようにしている。ケーブル１０００の液体冷媒Ｌの温度は、ケーブル１０００に流れる送電電流や冷却システム１Ａの冷却状況（稼働状況）などによって変動する。そのため、冷却システム１Ａに要求される冷却量は、負荷変動などや自身の状態（後述の作動液６０の温度や熱容量など）によって経時的に変動する。そこで、上記温度などの物理量を測定して、この測定値に応じて液体冷媒Ｌを冷却することで、負荷変動などに対応したケーブル１０００の冷却を適切に行える。
【００４１】
・超電導ケーブルの冷却システム
・・構成の概略
冷却システム１Ａは、超電導ケーブル１０００の液体冷媒Ｌを冷却するためのものであり、上述の冷媒流路に設けられる。この例に示す冷却システム１Ａは、液体冷媒Ｌと熱交換を行う熱交換装置６と、熱交換装置６に設けられてケーブル１０００に供給する液体冷媒Ｌの冷却に利用する真空ポンプ２及び冷凍機４と、真空ポンプ２及び冷凍機４の駆動を制御する制御部１０Ａとを備える。冷却システム１Ａは、侵入熱分を含む安定負荷分の冷却を行うように冷凍機４を制御すると共に、安定負荷分を超える過剰負荷分の冷却を行うように真空ポンプ２を制御する通常制御部１１Ａとを含む制御部１０Ａを備える点を特徴の一つとする。以下、より詳しく説明する。
【００４２】
・・熱交換装置
熱交換装置６は、作動液６０を利用して、上述の熱交換部３４を冷却する構成である。具体的には、熱交換装置６は、作動液６０を貯留する断熱構造の貯留槽６１と、作動液６０を冷却する冷凍機４と、貯留槽６１内を排気する（真空引きする）真空ポンプ２とを備える。また、この例では、貯留槽６１に温度計６９を取り付けて作動液６０の温度を把握できるようにしている。即ち、この冷却システム１Ａは、上述の液体冷媒Ｌの温度と作動液６０の温度とを冷却操作の制御に利用する。その他、貯留槽６１内には、作動液６０が所定の温度分布になるために使用する部材や設備（例えば、伝熱部材や撹拌設備など）を備えるが、ここでは省略する。
【００４３】
作動液６０は、液体冷媒Ｌを所定の温度に維持できるように冷却可能であればよく、例えば、液体窒素が挙げられる。作動液６０が液体窒素であれば、気化した窒素を大気中に放出できる。作動液６０は液体冷媒Ｌの種類に応じて選択することができる。
【００４４】
真空ポンプ２を用いた液体冷媒Ｌの冷却は、以下のように行う。真空ポンプ２を駆動して排気して、貯留槽６１内が減圧されると、作動液６０の沸点が低下し、作動液６０が揮発する。気化に伴って作動液６０の温度が低下すると、作動液６０の温度と、熱交換部３４内に流れる液体冷媒Ｌの温度との差による熱交換が生じる。この結果、超電導ケーブル１０００に循環供給される液体冷媒Ｌが冷却される。このような真空ポンプ２は、公知のものを利用できる。気化した作動液６０のガスは、例えば、貯留槽６１の外部に放出する。
【００４５】
上述の熱交換などに起因する気化によって、貯留槽６１内の作動液６０が減少した場合には、補給することが望まれる。そこで、この例では、貯留槽６１に補給する予備用の作動液６０（以下、予備液と呼ぶ）を貯留する補給槽６２を貯留槽６１に併設している。貯留槽６１と補給槽６２とは断熱構造の配管６４によって接続され、配管６４の途中に開閉弁６５を備える。貯留槽６１内の作動液６０が所定量未満となったときには、開閉弁６５を開き、補給槽６２内の予備液を貯留槽６１に供給する。この例では、貯留槽６１及び補給槽６２に液面計６６，６７などを設けて、液面の高低によって作動液６０や予備液の貯留状態を把握できるようにしている。作動液６０の気化を防止する構成（後述）とすれば、予備液及び補給槽６２を省略したり、補給インターバルを長くしたりすることができる。
【００４６】
冷凍機４は、作動液６０を直接冷却し、上述のように作動液６０と熱交換部３４内の液体冷媒Ｌとの温度差による熱交換によって液体冷媒Ｌを冷却する（間接冷却方式）。冷凍機４は、公知の構造のものを利用できる。例えば、冷凍機４は、スターリング冷凍機、ギフォード・マクマホン（ＧＭ）冷凍機、パルスチューブ冷凍機、ブレイトン冷凍機などを使用できる。冷凍機４の個数は適宜選択でき、単数でもよいし、複数の冷凍機を備える冷凍機群としてもよく、図１の個数は例示である。
【００４７】
冷却システム１Ａに備える冷凍機４は、その容量が小さいことを特徴の一つとする。ここでは、冷凍機４は、侵入熱分の冷却に必要な容量以上安定負荷分の冷却に必要な容量以下に設定されている。
【００４８】
安定負荷分は、非送電状態の超電導ケーブル１０００に生じる侵入熱の処理に必要な侵入熱分と、定常的な負荷変動などに起因する熱の処理に必要な定常負荷分との和である。
【００４９】
侵入熱分は、ケーブル１０００の大きさや配管３０の大きさや長さ、貯留槽６１の大きさなどに基づいて求められる値である。
【００５０】
定常負荷分は、超電導ケーブル１０００の電力供給対象である負荷について、過去のデータなどに基づいて、負荷変動などに起因する熱の処理に必要な冷却量を予想して設定することができる値である。ここで、負荷変動などには、１．夏と冬との間の季節変動や年間変動といった変動スパンが長い変動、２．昼と夜との間の日間変動といった変動スパンが短い変動、３．許容最大電力使用時、過負荷時、短絡などの異常時・事故時といった瞬間的に生じ得る変動スパンが非常に短い変動などが有り、種々の変動幅を有し、出現頻度も異なる。上述の３．変動スパンが非常に短い瞬間的な変動に基づいて冷凍機に要求される容量を設定すると、冷凍機の容量が大きくなる上に、負荷変動などに伴う冷凍機の追従動作によって冷凍機の構成部材に与える負担が大きくなり易いと考えられる。これに対し、上述の１．変動スパンが長い変動や２．短い変動のように、負荷変動の要因のなかでは時間的に占める割合が比較的大きく、ゆっくりとした変動や、変動幅が小さい変動に対応するための冷却量を定常負荷分とし、定常負荷分に基づいて冷凍機４の容量を設定すると、冷凍機４の冷却負担を低減できる。更に、定常負荷分を、上述の変動スパンが長い変動に対応するための冷却量を含み、上述の変動スパンが短い変動に対応するための冷却量を含まないなどと設定すれば、冷凍機４の容量をより小さくできる。このように定常負荷分は、任意の大きさに設定できる。一例として、定常負荷分は、上記季節変動の平均値などに起因する熱の処理に必要な冷却量とすることが挙げられる。なお、通常、頻繁に繰り返される（比較的小さな）負荷変動分については、作動液６０の熱容量やリザーブタンク３０ＲＴ内の冷媒の熱容量などによって吸収できる。
【００５１】
真空ポンプ２が処理する過剰負荷分は、超電導ケーブル１０００に求められる冷却量のうち、上記安定負荷分を除いた量とする。従って、この過剰負荷分も、上述のように過去のデータなどに基づいて設定することができる。過剰負荷分は、冷却負担が大きくなる場合の冷却量、例えば、上述の過負荷時、短絡などの異常時などの瞬間的な変動などに起因する熱の処理に必要な冷却量を含む。安定負荷分を上述のようにより小さく設定して、真空ポンプ２の冷却負担を大きくすると、冷凍機４の容量を効果的に小さくできる。
【００５２】
・・制御部
制御部１０Ａは、通常制御部１１Ａと、異常制御部１６とを備え、真空ポンプ２及び冷凍機４の駆動を制御する。制御部１０Ａは、例えば、シーケンス制御などを行う制御回路を利用できる。この例では、制御部１０Ａは、温度計９，６９からの情報が入手可能な構成としている。
【００５３】
・・・通常制御部
通常制御部１１Ａは、この例では液体冷媒Ｌに対する冷却のうち、安定負荷分の冷却を行う冷凍機４を制御する。通常制御部１１Ａは、例えば、安定負荷分に含まれる負荷変動などに対応した冷却を行える冷凍機の運転条件（制御条件）を予め設定しておき、適切な運転条件を選択し、選択した条件に沿って冷凍機４を制御するように構成する。具体的な制御として、例えば、（１）ＯＮ／ＯＦＦ制御とすれば、冷凍機４をＯＮにしたら、冷凍機４を一定出力で運転でき、この出力が適切な場合には冷凍機４を効率よく運転できる。別の制御として、例えば、（２）安定負荷分に含まれる負荷変動による液体冷媒Ｌの温度変化や作動液６０の温度変化に応じて、冷却能力を増減する制御とすれば、上記負荷変動などに追従した制御を行える。なお、運転条件などの設定データは、制御部１０Ａの記憶部に保存しておき、呼び出せるようにしておくと、制御を容易に行える（この点は、後述する実施形態などについても同様である）。
【００５４】
また、通常制御部１１Ａは、この例では液体冷媒Ｌに対する冷却のうち、過剰負荷分の冷却を行う真空ポンプ２を制御する。この例では、送電電流が（非常に）大きく、ケーブル１０００の液体冷媒Ｌの温度上昇が大きく、作動液６０の温度を低下させる必要が生じた場合に、真空ポンプ２を運転する。また、この例では、超電導ケーブル１０００の送電電流の変化によって作動液６０の温度に上昇傾向が生じた場合に作動液６０の温度を維持するために真空ポンプ２を運転する。具体的には、通常制御部１１Ａに備える液温判定部１２０は、温度計９及び温度計６９からの情報に基づいて、液体冷媒Ｌや作動液６０が所定の温度範囲内であるかを判定する。液体冷媒Ｌや作動液６０が所定の温度範囲内であれば、通常制御部１１Ａは冷凍機４を制御すればよいが、上記温度範囲外である場合、液体冷媒Ｌや作動液６０の温度が上昇する事態などが生じており、冷凍機４による冷却だけでは所定の温度範囲内の維持が難しいと考えられる。そのため、通常制御部１１Ａに備える真空ポンプ命令部１２２は、真空ポンプ２に命令して真空ポンプ２を駆動させ、真空ポンプ２によって作動液６０を所定の温度に低下させて液体冷媒Ｌを冷却する。このとき、真空ポンプ２による冷却と、冷凍機４による冷却とを同時に行うことになる。真空ポンプ２を稼働することで、冷凍機４が異常とは判定されないものの、冷凍機４の冷却性能が低下などしている場合であっても、所定の温度範囲内の維持を良好に行える。
【００５５】
通常制御部１１Ａは、例えば、過剰負荷分に対応した冷却を行える真空ポンプの運転条件（制御条件）を予め設定しておき、適切な運転条件を選択し、選択した条件に沿って真空ポンプ２を制御するように構成する。作動液６０の温度と超電導ケーブル１０００の液体冷媒Ｌの温度との相関データなどを予め作成して、制御部１０Ａの記憶部に保存しておき、作動液６０の温度ｔｈや液体冷媒Ｌの温度ｔｃに応じた運転条件を呼び出せるようにしておくと、制御を容易に行える。
【００５６】
・・・異常制御部
異常制御部１６は、真空ポンプ２や冷凍機４について故障などの異常の有無を判定し、異常が生じたときの制御を行う。この例では、異常制御部１６に備える冷凍機異常判定部１６４は、冷凍機４からの情報に基づいて冷凍機４の故障などの異常の有無を判定し、真空ポンプ異常判定部１６２は、真空ポンプ２からの情報に基づいて真空ポンプ２の故障などの異常の有無を判定する。真空ポンプ２及び冷凍機４は常時監視しておき、随時、異常の有無を判定し、真空ポンプ２及び冷凍機４の双方に異常が無ければ、通常制御部１１Ａによる制御を継続する。
【００５７】
冷凍機４に故障などの異常が有り、真空ポンプ２に異常が無い場合には、制御部１０Ａは、安定負荷分の冷却を真空ポンプ２によって行うように真空ポンプ２を制御する。この場合、真空ポンプ２は、安定負荷分の冷却と過剰負荷分の冷却との双方を行う。従って、制御部１０Ａは、真空ポンプ２のみを制御する。
【００５８】
真空ポンプ２に故障などの異常が有り、冷凍機４に異常が無い場合には、系統側で負荷を制限した上で、冷却システム１Ａは、冷凍機４によって冷却可能な範囲で運転することができる。例えば、異常制御部１６は、系統側の制御部（図示せず）に負荷の制限などを要求する信号（以下、負荷制限信号と呼ぶ）を発信すると共に、冷凍機４に駆動命令を出す構成とすることができる。負荷制限信号を受けた系統側の制御部は、超電導ケーブル１０００を系統から切り離したり、負荷を制限したり、送電時間を制限したりするなどして、液体冷媒Ｌや作動液６０の温度上昇や温度変化が生じ難い状態を（ある程度の時間）確保できる。冷却システム１Ａは、例えば、冷凍機４によって安定負荷分以下の冷却を行う。冷凍機４によって少なくとも侵入熱分の冷却を行えば、超電導ケーブル１０００の超電導状態を維持できるため、真空ポンプ２が復旧した後には、速やかに所定の送電を行える。冷凍機４は、侵入熱分の冷却以上の容量を有することから、このような対応が可能である。なお、系統側の制御部は、作動液６０が保有する熱容量や作動液６０の温度における送電の余裕度合いなどを考慮して制御を行うように予め設定しておく。
【００５９】
真空ポンプ２及び冷凍機４の双方に異常が生じた場合には、冷却システム１Ａを運転することが実質的にできない。そのため、例えば、異常制御部１６は、系統側の制御部に異常信号を発信するように構成することができる。異常信号を受けた系統側の制御部は、超電導ケーブル１０００を系統から切り離しなどする。ポンプ３２の駆動によって、作動液６０の熱容量や、リザーブタンク３０ＲＴ内の冷媒の熱容量の範囲内であれば、冷却システム１Ａの運転を維持できるため、この間に上述の系統からの切り離しなどを行うとよい。
【００６０】
故障などした冷凍機４や真空ポンプ２について、交換や修繕、予備品（故障時などのために用意している代替品）への切り替えなどが完了し、冷凍機４や真空ポンプ２を用いた冷却が可能な状態に復旧できたら、冷凍機４や真空ポンプ２の制御を開始するように、制御部１０Ａを構成するとよい。
【００６１】
・・・その他
制御部１０Ａは、侵入熱などによって気化して減少し得る貯留槽６１内の作動液６０の貯留量を所定の範囲内に維持する構成とすることができる。例えば、制御部１０Ａは、液量計６６，６７からの情報が入手可能及び開閉弁６５を制御可能とし、液面計６６からの情報に基づいて、作動液６０の貯留量が所定の範囲内であるか否かを判定し、所定の範囲外のときには所定の範囲内を満たすまで開閉弁６５を開くように開閉弁６５に命令する構成とすることができる。開閉弁６５の開閉に伴って、貯留槽６１内の作動液６０の圧力が変化するため、作動液６０の圧力調整を行う機構（図示せず）を適宜設けておき、この機構の制御も行うように制御部１０Ａを構成することができる。このような制御部１０Ａによって、補給槽６２から貯留槽６１に予備液を自動的に供給（補給）できる。更に、制御部１０Ａは、液面計６７を利用して補給槽６２内の予備液の貯留量を把握して、補充の機会を制御可能な構成とすることができる。この場合、予備液の不足、ひいては作動液６０の不足を招き難くなり、真空ポンプ２による冷却をより安定して行える。この点は、後述する実施形態などでも同様である。
【００６２】
上述の補給を行う構成に代えて又は併用して、気化による作動液６０の減少量を低減するために、例えば、冷凍機４の容量を調整することができる。即ち、安定負荷分に、作動液６０の冷却分の全て又は一部を含めることができる。この場合、補給インターバルの長期化、更には補給槽６２及び予備液の省略が期待できる。別の構成として、作動液６０を貯留槽６１と補給槽６２との間で移動可能とし、補給槽６２内の予備液も真空ポンプ２や冷凍機４によって所定の温度範囲内に維持する構成とすることができる。この場合、予備液のための冷却機構を別途設けなくても、予備液を所定の温度範囲内に自動的に維持できる。この場合、定常負荷分に、補給槽６２内における侵入熱分の冷却を含めることができる。
【００６３】
・超電導ケーブルの運転方法
冷却システム１Ａで冷却した液体冷媒を超電導ケーブル１０００に供給してケーブル１０００を運転する超電導ケーブルの運転方法の具体的な手順の一例を、図２，図３のフローチャートを参照して説明する。
【００６４】
この例では、制御部１０Ａは、まず、真空ポンプ２及び冷凍機４の異常の有無を判定する。具体的には、異常制御部１６の冷凍機異常判定部１６４は、冷凍機４からの情報を取得して、その情報に基づいて、冷凍機４の異常の有無を判定し、真空ポンプ異常判定部１６２は、真空ポンプ２からの情報を取得して、その情報に基づいて、真空ポンプ２の異常の有無を判定する（ステップＳ１）。
【００６５】
・・正常時（図２）
真空ポンプ２及び冷凍機４の双方に異常が無いと判定された場合、真空ポンプ２と冷凍機４との双方が液体冷媒Ｌの冷却に利用できる状態である。次に、この例では安定負荷分の冷却だけでよいか、過剰負荷分の冷却も必要かを、負荷変動などの影響を受ける液体冷媒Ｌの温度ｔｃ及び作動液の温度ｔｈに基づいて判定する。具体的には、通常制御部１１Ａの液温判定部１２０は、温度計９からの情報を取得し、液体冷媒Ｌの温度ｔｃが所定の範囲内か否かを判定する（ステップＳ２）。ここでは、予め設定した閾値Ｔｃを制御部１０Ａの記憶部に記憶させておき、呼び出したＴｃと取得した情報ｔｃとの大小（ｔｃ≦Ｔｃ）を判定する。
【００６６】
超電導ケーブル１０００の液体冷媒Ｌの温度ｔｃが所定の範囲内であると判定された場合（ｔｃ≦Ｔｃを満たす場合）、液体冷媒Ｌの温度上昇が大きくなるような事態（例えば、過負荷など）が生じていないと考えられる。そこで、次に、この例では、作動液６０の温度状態を判定する。具体的には、通常制御部１１Ａの液温判定部１２０は、温度計６９からの情報を取得し、作動液６０の温度ｔｈが所定の範囲内か否かを判定する（ステップＳ３）。ここでは、予め設定した閾値Ｔｈを制御部１０Ａの記憶部に記憶させておき、呼び出したＴｈと取得した情報ｔｈとの大小（ｔｈ≦Ｔｈ）を判定する。
【００６７】
作動液６０の温度ｔｈが所定の範囲内であると判定された場合（ｔｈ≦Ｔｈを満たす場合）、作動液６０の温度に上昇傾向が生じるような事態（例えば、上述の変動スパンが短い負荷変動、冷凍機４の性能低下など）が生じていないと考えられる。この場合、過剰負荷分の冷却が不要であると考えられる。そこで、制御部１０Ａは、安定負荷分の冷却を行うように冷凍機４を制御する（ステップＳ４）。具体的には、通常制御部１１Ａの冷凍機命令部１４０は、冷凍機４に命令して冷凍機４を駆動し、冷凍機４の運転制御（運転条件の選択など）を行う。
【００６８】
一方、超電導ケーブル１０００の液体冷媒Ｌの温度ｔｃが所定の範囲外である場合や、作動液６０の温度ｔｈが所定の範囲外である場合には、冷凍機４による冷却だけでは不十分な事態が生じていると考えられる。この場合、過剰負荷分の冷却が必要であると考えられる。そこで、制御部１０Ａは、過剰負荷分の冷却を行うように真空ポンプ２を制御する（ステップＳ５）。具体的には、真空ポンプ命令部１２２は、上述の温度計９，６９からの情報に基づいて必要な冷却を行うように、真空ポンプ２に命令し、真空ポンプ２の運転制御（運転条件の選択など）を行う。このとき、制御部１０Ａは、冷凍機４が安定負荷分の冷却を行い、真空ポンプ２が過剰負荷分の冷却を行うように制御する。
【００６９】
・・異常時（図３）
真空ポンプ２及び冷凍機４の少なくとも一方に異常が有れば、冷却システム１Ａの稼働を停止して超電導ケーブル１０００の運転を停止することが考えられる。しかし、この例では、真空ポンプ２のみによる冷却を行うこと、又は冷凍機４のみによる冷却を行うことが可能なように制御部１０Ａを構成している。そこで、制御部１０Ａの双方判定部（図示せず）は、真空ポンプ２及び冷凍機４の双方に異常が有るか否かを判定する（ステップＳ１１）。双方に異常が有ると判定された場合には、冷却システム１Ａを適切に稼働できないことから、異常制御部１６の異常信号発信部１６７は、異常信号を系統側の制御部に発信する（ステップＳ１２）。異常信号を受けた系統側の制御部は、上述のようにケーブル１０００の切り離しなどを行う。
【００７０】
真空ポンプ２及び冷凍機４の一方にのみ異常が有ると判定された場合には、異常が無い方で冷却を行うことから、この例では、制御部１０Ａの一方判定部（図示せず）は、冷凍機４の異常の有無を判定する（ステップＳ１３）。このステップＳ１３は、冷凍機異常判定部１６４の判定結果を利用してもよい。そして、冷凍機４に異常が有り、真空ポンプ２に異常が無ければ、真空ポンプ２によって、定常負荷分の冷却及び過剰負荷分の冷却の双方を行えばよい。そこで、この例では、ステップＳ１３で冷凍機４に異常が有ると判定された場合には、冷凍機４の運転を停止し、真空ポンプ２の運転のみとする。具体的には、真空ポンプ命令部１２２は、真空ポンプ２に命令し、制御部１０Ａは、真空ポンプ２が安定負荷分の冷却及び過剰負荷分の冷却の双方（全量）を行うように制御する（ステップＳ１４）。この構成により、冷凍機４に異常が生じても、真空ポンプ２によって、超電導ケーブル１０００の冷却を問題なく行える。
【００７１】
真空ポンプ２に異常が有っても、冷凍機４に異常が無ければ、冷却システム１Ａは、冷凍機４の容量の範囲内（実施形態１では定常負荷分以下）の冷却を行うことができる。そこで、この例では、ステップＳ１３で冷凍機４に異常が無いと判定された場合（真空ポンプ２に異常が有ると判定された場合）には、真空ポンプ２の運転を停止し、負荷制限信号を系統側に発信すると共に、冷凍機４の運転のみを行う。即ち、異常制御部１６の制限信号発信部１６９は、負荷制限信号を系統側の制御部に発信し（ステップＳ１５）、制御部１０Ａは、冷凍機４を制御する。負荷制限信号を発信することで、冷凍機４の容量の範囲内（安定負荷分以下）での冷却で送電可能な送電量に規制され、この範囲内で超電導ケーブル１０００を運転できる。一方、負荷への送電を停止した場合には、冷凍機４によって少なくとも侵入熱分の冷却を行う。この構成では、真空ポンプ２に異常が生じても、冷凍機４によって少なくとも侵入熱分の冷却を行うため、ケーブル１０００の超電導状態を維持できる。更には、安定負荷分の範囲内であれば、ケーブル１０００を運転できる（負荷への送電が可能である）。
【００７２】
上述の手順を繰り返し行うように制御部１０Ａを構築するとよい。
【００７３】
上述の手順では、液体冷媒Ｌの温度ｔｃや、作動液６０の温度ｔｈの大小を指標として制御を行う構成としているが、温度変化を指標として制御を行う構成などとすることができる。この場合、液温判定部１２０は、測定した温度と過去の温度との差が閾値以上か否かを判定する構成とすればよい。この点は、後述する実施形態でも同様である。
【００７４】
・効果
実施形態１の超電導ケーブルの冷却システム１Ａ、及びこの冷却システム１Ａを利用した実施形態１の超電導ケーブルの運転方法は、過剰負荷分の冷却に真空ポンプ２を利用し、侵入熱分を含む安定負荷分の冷却に冷凍機４を利用することで、冷凍機４の容量を安定負荷分の冷却に要求される程度にすることができる。従って、冷却システム１Ａ及びこれを用いた運転方法は、冷凍機４による冷却負担を軽減して、冷凍機４の容量を低減できながらも、過負荷時や異常時などに求められる冷却も適切に行える。また、冷却システム１Ａ及びこれを用いた運転方法は、冷凍機４の容量の低減や効率的な運転などによって冷凍機４を故障し難くしてメンテナンスのインターバルを長くできること、冷凍機４の簡素化によってメンテナンス作業性に優れること、真空ポンプ２がメンテナンス作業性に優れることなどから、冷却システム１Ａのメンテナンス性にも優れる。
【００７５】
特に、実施形態１の冷却システム１Ａ、及びこの冷却システム１Ａを利用した運転方法は、通常の運転にあたり、真空ポンプ２と冷凍機４とを併用するものの、主として冷凍機４を用いるため、気化に伴う作動液６０の消費量を減少し易い。また、真空ポンプ２に異常が生じた場合でも、上述の異常時の手順におけるステップＳ１５で説明したように、冷凍機４によって、少なくとも超電導ケーブル１０００の超電導状態を維持できるため、真空ポンプ２が復旧できれば、速やかに真空ポンプ２による冷却（正常時の手順におけるステップＳ５）を行える。冷凍機４に異常が生じた場合には、上述の異常時の手順におけるステップＳ１４で説明したように、真空ポンプ２によって安定負荷分の冷却及び過剰負荷分の冷却の双方を行える。即ち、冷凍機４の異常前後において何ら変わりなく、ケーブル１０００を冷却できる。また、真空ポンプ２によってケーブル１０００の超電導状態を維持できるため、冷凍機４が復旧できれば速やかに冷凍機４による冷却（正常時の手順におけるステップＳ４）を行える。このように実施形態１の冷却システム１Ａ及びこれを利用した運転方法は、真空ポンプ２や冷凍機４に異常が生じても、真空ポンプ２と冷凍機４との併用運転を速やかに再開できる。
【００７６】
このような実施形態１の冷却システム１Ａ、及びこの冷却システム１Ａを利用した運転方法は、負荷変動による影響が大きい交流送電に好適に利用できる。この点は、後述する実施形態などでも同様である。
【００７７】
［実施形態２  侵入熱分：冷凍機、定常負荷分及び過剰負荷分：真空ポンプ］
実施形態１では、冷凍機４が侵入熱分を含む安定負荷分の冷却を行い、真空ポンプ２が過剰負荷分の冷却を行う構成を説明した。実施形態２の超電導ケーブルの冷却システム１Ｂ、及び冷却システム１Ｂを用いた超電導ケーブルの運転方法では、冷凍機４が安定負荷分のうち侵入熱分の冷却を行い、真空ポンプ２が安定負荷分のうち定常負荷分の冷却を行う構成である。以下、図４を参照して実施形態２の冷却システム１Ｂ及びこれを用いた運転方法について、実施形態１との相違点を中心に説明し、重複する構成及び効果などは説明を省略する。
【００７８】
・超電導ケーブルの冷却システム
・・全体構成
冷却システム１Ｂは、超電導ケーブル１０００に供給する液体冷媒Ｌと熱交換を行う熱交換装置６と、熱交換装置６に設けられてケーブル１０００に供給する液体冷媒Ｌの冷却に利用する真空ポンプ２及び冷凍機４と、真空ポンプ２及び冷凍機４の駆動を制御する制御部１０Ｂとを備える。冷却システム１Ｂは、侵入熱分の冷却を行うように冷凍機４を制御すると共に、定常負荷分と、定常負荷分を超える過剰負荷分との双方の冷却を行うように真空ポンプ２を制御する通常制御部１１Ｂを含む制御部１０Ｂを備える点を特徴の一つとする。実施形態１の冷却システム１Ａとの相違点は、制御部１０Ｂ、特に通常制御部１１Ｂにあるため、この相違点を詳細に説明する。
【００７９】
・・制御部
制御部１０Ｂは、通常制御部１１Ｂ及び異常制御部１６を備え、真空ポンプ２及び冷凍機４の駆動を制御する。異常制御部１６の詳細な説明は省略する。
【００８０】
・・・通常制御部
通常制御部１１Ｂは、超電導ケーブル１０００に生じ得る侵入熱の処理に必要な侵入熱分の冷却を行う冷凍機４を制御する。この侵入熱分は、予め設定される一定値とすることができる。そのため、侵入熱分の冷却に対しては、通常制御部１１Ｂの冷凍機命令部１４０が冷凍機４に駆動命令を出してＯＮにしたら、その後ＯＦＦにする以外に出力調整の制御が実質的に不要である。
【００８１】
また、通常制御部１１Ｂは、定常負荷分及び過剰負荷分といった負荷変動などに対応した冷却を行う真空ポンプ２を制御する。この例では、実施形態１と同様に、超電導ケーブル１０００の液体冷媒Ｌの温度及び作動液６０の温度を測定して、上記温度が所定の範囲内を満たすために必要な冷却を行えるように真空ポンプ２を制御する。例えば、定常負荷分及び過剰負荷分の双方に対応した冷却を行える真空ポンプの運転条件（制御条件）を予め設定しておく。実施形態１で説明したように、作動液６０の温度と超電導ケーブル１０００の液体冷媒Ｌの温度との相関データなどに基づいて、運転条件などを予め設定しておくとよい。そして、適切な運転条件を選択し、選択した条件に沿って真空ポンプ２を制御するように通常制御部１１Ｂを構成する。制御手順の概略を述べると、通常制御部１１Ｂの液温判定部１２０は、温度計９，６９からの情報に基づいて液体冷媒Ｌなどが所定の温度範囲内か否かを判定し、判定結果に基づいて選択した運転条件に従って運転を行うように、真空ポンプ命令部１２２は真空ポンプ２に命令する。
【００８２】
定常負荷分は、実施形態１で説明したように適宜選択できる。但し、実施形態２では、定常負荷分の冷却と、定常負荷分を超える過剰負荷分の冷却との双方を真空ポンプ２が行うため、定常負荷分を厳密に設定する必要はない。この点は、安定負荷分及び過剰負荷分の双方の冷却を真空ポンプ２が通常行う後述の実施形態３も同様である。
【００８３】
・超電導ケーブルの運転方法
冷却システム１Ｂを利用した超電導ケーブル１０００の運転方法の具体的な手順は、実施形態１の運転方法と基本的に同様であり、正常時には、液体冷媒Ｌの温度及び作動液６０の温度に基づいて、真空ポンプ２及び冷凍機４を制御する（図２，図３のフローチャートも参照）。相違点は、正常時では、上記温度に応じて、真空ポンプ２の運転条件を変更し、冷凍機４の運転条件は実質的に変更しない点にある。この相違点によって、図２に示す手順のステップＳ４，Ｓ５のいずれも、制御部１０Ｂは、真空ポンプ２の運転条件を変更などする制御を行う。異常時では、図３に示すステップＳ１５において制御部１０Ｂは、負荷制限信号を発信すると共に、冷凍機４によって侵入熱分の冷却のみを行う点が相違点である。その他の詳細な説明は省略する。
【００８４】
・効果
実施形態２の超電導ケーブルの冷却システム１Ｂ、及びこの冷却システム１Ｂを利用した実施形態２の超電導ケーブルの運転方法は、安定負荷分のうち、侵入熱分の冷却のみを冷凍機４が行い、その残りの冷却、即ち、冷却システム１Ｂに求められる冷却のうち侵入熱分を除いた分の冷却に真空ポンプ２を利用することで、冷凍機４の容量を侵入熱分の冷却に要求される程度にすることができる。従って、冷却システム１Ｂ及びこれを用いた運転方法は、冷凍機４による冷却負担を更に軽減して、冷凍機４の容量を更に低減できながら、過負荷時や異常時などに求められる冷却も適切に行える。また、冷却システム１Ｂ及びこれを用いた運転方法は、冷凍機４の容量の更なる低減や一定出力での運転といった効率的な運転などによって、冷凍機４をより故障し難くできているので、メンテナンスのインターバルをより長くできる。この点から、冷却システム１Ｂを用いた運転方法及び冷却システム１Ｂは、冷却システム１Ｂのメンテナンス性に更に優れる。
【００８５】
特に、実施形態２の冷却システム１Ｂ、及びこの冷却システム１Ｂを利用した運転方法は、真空ポンプ２による冷却ができない場合でも、冷凍機４によって、超電導ケーブル１０００の超電導状態を維持できる。
【００８６】
［実施形態３  安定負荷分及び過剰負荷分：真空ポンプ、真空ポンプ異常時：冷凍機］
実施形態１，２では、冷凍機４が安定負荷分の冷却の少なくとも一部を行い、真空ポンプ２が過剰負荷分の冷却を行う構成を説明した。実施形態３の超電導ケーブルの冷却システム１Ｃ、及び冷却システム１Ｃを用いた超電導ケーブルの運転方法では、真空ポンプ２が安定負荷分及び過剰負荷分の双方の冷却を行い、真空ポンプ２が故障などしたときに冷凍機４を使用する構成である。以下、図５を参照して実施形態３の冷却システム１Ｃ及びこれを用いた運転方法について、実施形態１との相違点を中心に説明し、重複する構成及び効果などは説明を省略する。
【００８７】
・超電導ケーブルの冷却システム
・・全体構成
冷却システム１Ｃは、超電導ケーブル１０００に供給する液体冷媒Ｌと熱交換を行う熱交換装置６と、熱交換装置６に設けられてケーブル１０００に供給する液体冷媒Ｌの冷却に利用する真空ポンプ２及び冷凍機４と、真空ポンプ２及び冷凍機４の駆動を制御する制御部１０Ｃとを備える。冷却システム１Ｃは、侵入熱分を含む安定負荷分と、安定負荷分を超える過剰負荷分との双方の冷却を行うように真空ポンプ２を制御する通常制御部１１Ｃと、真空ポンプ２の異常時における冷却を行うように冷凍機４を制御する異常制御部１６Ｃとを含む制御部１０Ｃを備える点を特徴の一つとする。実施形態１の冷却システム１Ａとの相違点は、制御部１０Ｃ、特に通常制御部１１Ｃ及び異常制御部１６Ｃにあるため、この相違点を詳細に説明する。
【００８８】
・・制御部
制御部１０Ｃは、通常制御部１１Ｃ及び異常制御部１６Ｃを備え、真空ポンプ２及び冷凍機４の動作を制御する。
【００８９】
・・・通常制御部
通常制御部１１Ｃは、超電導ケーブル１０００の液体冷媒Ｌに求められる最小限の冷却（侵入熱分の冷却）から、過負荷時や短絡時などに求められる最大限の冷却（過剰負荷分の冷却）を含めた冷却を行う真空ポンプ２を制御する。通常制御部１１Ｃは、実施形態１，２で説明した通常制御部１１Ａ，１１Ｂから冷凍機命令部１４０を省略した構成、即ち、液温判定部１２０と、真空ポンプ命令部１２２とを備える構成である。この例の通常制御部１１Ｃは、実施形態１，２と同様に、超電導ケーブル１０００の液体冷媒Ｌの温度及び作動液６０の温度を測定して、上記温度が所定の範囲内を満たすために必要な冷却を行えるように真空ポンプ２を制御する。但し、安定負荷分及び過剰負荷分の双方に対応した冷却を行える真空ポンプの運転条件（制御条件）を予め設定しておき、設定条件から適切な運転条件を選択し、選択した条件に沿って真空ポンプ２を制御するように通常制御部１１Ｃを構成する。実施形態１，２で説明したように、作動液６０の温度と超電導ケーブル１０００の液体冷媒Ｌの温度との相関データなどに基づいて、運転条件などを予め設定しておくとよい。制御手順の概略を述べると、通常制御部１１Ｃの液温判定部１２０は、温度計９，６９からの情報に基づいて液体冷媒Ｌなどが所定の温度範囲内か否かを判定し、判定結果に基づいて選択した運転条件に従って運転を行うように、真空ポンプ命令部１２２は真空ポンプ２に命令する。
【００９０】
・・・異常制御部
異常制御部１６Ｃは、真空ポンプ２について故障などの異常の有無を判定し、異常が生じたときの制御を行う。特に、異常制御部１６Ｃは、真空ポンプ２の異常時に冷凍機４を制御することを特徴の一つとする。この例では、異常制御部１６Ｃに備える真空ポンプ異常判定部１６２は、真空ポンプ２からの情報に基づいて、真空ポンプ２の異常の有無を判定し、真空ポンプ２の異常が有る場合、この例では液体冷媒Ｌの適切な冷却が実質的に行えないことから、負荷を制限する構成としている。具体的には、真空ポンプ２を用いた冷却ができないと判定された場合には、冷却システム１Ｃに備える冷凍機４による冷却に制限して運転することができる。例えば、異常制御部１６Ｃは、系統側の制御部に負荷制限信号を発信すると共に、冷凍機４に駆動命令を出す構成とする。負荷制限信号を受けた系統側の制御部は、実施形態１で説明したように系統の切り離し、負荷の制限などを行う。その結果、冷凍機４の容量以下の冷却によって送電可能な送電量に規制できる。冷却システム１Ｃに備える冷凍機４として、少なくとも侵入熱分の冷却が可能な容量を有するものを利用すれば、真空ポンプ２による冷却が可能な状態に復旧するまでの間、冷凍機４によって超電導状態を維持可能である。
【００９１】
なお、実施形態３の冷却システム１Ｃも冷凍機異常判定部１６４を備えており、必要時に冷凍機４が稼働できるように冷凍機４を常時監視している。また、この形態は、真空ポンプ２を用いた冷却ができないときでも、冷凍機４が稼働できるように、冷凍機４への液体冷媒Ｌの循環、冷凍機４の定期的な運転確認などが行えるものとする。
【００９２】
・超電導ケーブルの運転方法
冷却システム１Ｃを利用した超電導ケーブル１０００の運転方法の具体的な手順は、実施形態１の運転方法と基本的に同様であり、正常時には、液体冷媒Ｌの温度及び作動液６０の温度に基づいて、真空ポンプ２のみを制御する（図２，図３のフローチャートも参照）。正常時における相違点は、真空ポンプ２のみを運転制御する点にある。この相違点によって、図２に示す手順のステップＳ４，Ｓ５のいずれも、真空ポンプ２のみを制御する。異常時では、冷凍機４の容量の範囲内での冷却を行う図３に示すステップＳ１５が有るものの、真空ポンプ２のみを利用する図３に示す手順のステップＳ１４が無い点にある。その他の詳細な説明は省略する。
【００９３】
・効果
実施形態３の超電導ケーブルの冷却システム１Ｃ、及びこの冷却システム１Ｃを利用した実施形態３の超電導ケーブルの運転方法は、安定負荷分の冷却及び過剰負荷分の冷却の双方に真空ポンプ２を利用し、真空ポンプ２の故障時などに冷凍機４を利用する。例えば、冷凍機４は、侵入熱の冷却のみを行う。そのため、冷凍機４の容量を侵入熱分の冷却に要求される程度に低減できる。従って、冷却システム１Ｃ及びこれを用いた運転方法は、冷凍機４による冷却負担を更に軽減して、冷凍機４の容量を更に低減できながら、過負荷時や異常時などに求められる冷却も適切に行える。また、冷却システム１Ｃ及びこれを用いた運転方法は、冷凍機４の容量の更なる低減や一定出力での運転といった効率的な運転などによって、冷凍機４をより故障し難くできてメンテナンスのインターバルをより長くできる。この点から、冷却システム１Ｃを用いた運転方法及び冷却システム１Ｃは、冷却システム１Ｃのメンテナンス性に更に優れる。また、冷却システム１Ｃを用いた運転方法及び冷却システム１Ｃは、作動液の供給が容易であるため、作動液の供給を行う方が冷凍機の運用より経済的である場合に好適に利用できる。
【００９４】
特に、実施形態３の冷却システム１Ｃ及びこの冷却システム１Ｃを利用した運転方法は、真空ポンプ２による冷却ができない場合でも、冷凍機４によって超電導ケーブル１０００を超電導状態に維持できる。
【００９５】
［変形例１］
実施形態１〜３では、超電導ケーブル１０００に供給する液体冷媒Ｌの循環経路（配管３０）に冷凍機４を配置せず、配管３０（熱交換部３４）を冷却することで液体冷媒Ｌを間接的に冷却する間接冷却方式の形態を説明した。その他の例として、ケーブル１０００における液体冷媒の循環経路に冷凍機４を配置して、液体冷媒Ｌを冷凍機４によって直接冷却する直接冷却方式とすることができる。
【００９６】
［その他の形態］
侵入熱分の冷却及び過剰負荷分の冷却を真空ポンプが行い、定常負荷分の冷却を冷凍機が行う形態が挙げられる。
定常負荷分は、上述の変動スパンが短い変動のようなある程度大きな負荷変動などに対応可能な冷却量を含み得るため、この形態は、冷凍機の容量をある程度大きく設計する必要がある。冷凍機の容量の低減を考慮すると、実施形態１〜３が好ましい。
【００９７】
安定負荷分の冷却を真空ポンプが行い、過剰負荷分の冷却を冷凍機が行う形態が考えられる。
この形態は、真空ポンプを常時用いるため、気化に伴う作動液の消費量が多くなるといった不具合が生じると考えられる。
【００９８】
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及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００９９】
本発明の超電導ケーブルの運転方法は、直流送電や交流送電を行う超電導ケーブルを備える電力線路の運転に利用できる。本発明の超電導ケーブルの冷却システムは、交流送電や直流送電を行う超電導ケーブルを備える電力線路に付設させて、超電導ケーブルに供給する液体冷媒の冷却に利用できる。
【符号の説明】
【０１００】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ  超電導ケーブルの冷却システム
２  真空ポンプ  ４  冷凍機  ６  熱交換装置  ９  温度計
１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ  制御部
１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ  通常制御部
１２０  液温判定部  １２２  真空ポンプ命令部  １４０  冷凍機命令部
１６，１６Ｃ  異常制御部
１６２  真空ポンプ異常判定部  １６４  冷凍機異常判定部
１６７  異常信号発信部  １６９  制限信号発信部
３０  配管  ３０ｇ  供給部  ３０ｒ  排出部
３０ＲＴ  リザーブタンク（リザーバー）
３２  ポンプ  ３４  熱交換部
６０  作動液  ６１  貯留槽  ６２  補給槽  ６４  配管  ６５  開閉弁
６６，６７  液面計  ６９  温度計
１０００  超電導ケーブル  １１００  ケーブルコア  １２００  断熱管
１１１１  フォーマ  １１１２  超電導導体層  １１１３  電気絶縁層
１１１４  外側超電導層  １１１５  保護層
１２１０  内管  １２２０  外管  １２３０  防食層  Ｌ  液体冷媒
【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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