JP2019117869A - Cooling device for superconducting cable and cooling method - Google Patents
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Abstract
【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1PROBLEM TO BE SOLVED: To easily set optimum operating conditions of individual refrigerators when cooling a liquefied refrigerant stored in a heat storage tank with a plurality of refrigerators. A cooling device for a superconducting cable according to one embodiment is a refrigeration unit that uses a heat storage tank for storing a liquefied first refrigerant and a second refrigerant having a lower liquefaction temperature than the first refrigerant. A plurality of refrigerating units including a first heat exchanger provided inside the heat storage tank and capable of cooling the first refrigerant with the second refrigerant, and a second heat exchanger provided inside the heat storage tank. A third refrigerant circulation line connected to the second heat exchanger and the superconducting cable for circulating a third refrigerant, and provided at each outlet of the second heat exchanger and the first heat exchanger. A temperature sensor for detecting the temperature of the second refrigerant, and the detection values of the temperature sensors are input, and each of the plurality of refrigeration units is controlled so that the detection value of the temperature sensor becomes a target value. And a control unit for controlling. [Selection diagram] Figure 1
Description
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。 The present disclosure relates to a cooling device and a cooling method of a superconducting cable.
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。
In order to cool a superconducting power device such as a superconducting cable to a cryogenic temperature equal to or lower than the superconducting critical temperature, a liquefied refrigerant having a cryogenic temperature such as liquid nitrogen is used as a refrigerant. The liquefied refrigerant is generated by a refrigerator and supplied to a superconducting power device such as a superconducting cable.
Among the cooling devices for supplying liquefied refrigerant to the superconducting cable, in the cooling device provided with the heat storage tank, the liquefied refrigerant stored in the heat storage tank is cooled by the refrigerator and supplied to the superconducting cable, or the liquefied refrigerant cooled by the refrigerator May be temporarily stored in a heat storage tank and then supplied to a superconducting cable.
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。 In Patent Document 1, one heat exchange unit (heat storage tank) having a cooling space for storing the liquefied refrigerant, one refrigerator for cooling the liquefied refrigerant, and the cooling space are provided. A cooling system is disclosed that includes a plurality of heat exchangers and supplies liquefied refrigerant to a plurality of superconducting cables connected to each of the plurality of heat exchangers via a refrigerant supply line. In this cooling system, the temperature of the liquefied refrigerant stored in the cooling space is detected, and the temperature of the liquefied refrigerant supplied to the superconducting cable is an appropriate temperature by controlling the refrigerator so that the temperature becomes a target value. It is supposed to be
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。
In order to increase the cooling capacity, a cooling device is required to cool the liquefied refrigerant stored in the heat storage tank with a plurality of refrigerators. In this case, as in Patent Document 1, it is necessary to control the cooling amounts of the plurality of refrigerators so that the temperature of the liquefied refrigerant stored in the heat storage tank becomes a target value.
However, the temperature of the liquefied refrigerant in the heat storage tank indicates the result of the sum of the cooling amounts of the plurality of refrigerators, and whether the cooling amount of each refrigerator is increased or decreased uniformly is the temperature of the liquefied refrigerant in the heat storage tank I can not know from you. Since it is difficult to make the response of the change in the amount of cooling of each refrigerator exactly the same, a large difference may occur in the amount of cooling of each refrigerator during long-term operation. When there is a difference in the amount of cooling between the refrigerators, an unpredictable temperature distribution occurs in the liquefied refrigerant in the heat storage tank, and the temperature measurement of the liquefied refrigerant becomes inaccurate. Then, in order to equalize the amount of cooling of each refrigerator, a means to detect the amount of cooling difference of each refrigerator is needed, and while operation becomes complicated, there is a problem that equipment cost becomes high cost.
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。 In an embodiment, in view of the above-mentioned subject, when cooling a liquefied refrigerant stored in a heat storage tank with a plurality of refrigerators, individual refrigeration can be operated by equally operating cooling amount of each refrigerator The purpose is to make it possible to easily set the optimum operating conditions of the unit.
(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。
(1) A cooling device for a superconducting cable according to an embodiment,
A heat storage tank for storing the first refrigerant in a liquefied state;
A refrigeration unit using a second refrigerant having a liquefying temperature lower than that of the first refrigerant, comprising a plurality of first heat exchangers provided inside the heat storage tank and capable of cooling the first refrigerant with the second refrigerant. A refrigeration unit,
A second heat exchanger provided inside the heat storage tank;
A third refrigerant circulation line connected to the second heat exchanger and the superconducting cable for circulating a third refrigerant;
A temperature sensor provided at the outlet of each of the first heat exchangers for detecting the temperature of the second refrigerant;
A control unit for controlling each of the plurality of refrigeration units so that the detection value of each of the temperature sensors is input, and the detection value of the temperature sensor becomes a target value;
Equipped with
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。
The temperature of the second refrigerant at the outlet of the first heat exchanger after cooling the first refrigerant is determined by the temperature of the first refrigerant and the amount of cooling of the first refrigerant. For example, when the amount of cooling is large, the temperature of the second refrigerant at the inlet and outlet of the first heat exchanger also decreases. On the other hand, when the amount of cooling is small, the temperatures of the inlet and the outlet also become high. At this time, since the temperature of the first refrigerant is the same for each refrigerator, each refrigerator is controlled to have the same amount of cooling. There is also a correlation between the temperature of the second refrigerant and the temperature of the first refrigerant at the outlet of the first heat exchanger.
Therefore, the first refrigerant stored in the heat storage tank can be made to have a desired temperature by controlling each refrigeration unit so that the temperature of the second refrigerant at the outlet of the first heat exchanger becomes a target value. . By thus controlling the temperature of the first refrigerant in the heat storage tank, the temperature of the third refrigerant supplied to the superconducting cable can also be controlled to a desired temperature.
Thus, the temperature of the third refrigerant can be controlled to a desired temperature while equalizing the amount of cooling of each refrigerator.
(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。
(2) In one embodiment, in the configuration of (1),
It has a pressure adjusting unit capable of adjusting the pressure of the gas phase part in the heat storage tank.
According to the structure of said (2), the melting point of the 1st refrigerant | coolant stored in the thermal storage tank can be adjusted by adjusting the pressure of the gaseous-phase part in a thermal storage tank by the said pressure adjustment part. By adjusting the melting point of the first refrigerant, as described later, it becomes possible to generate the solid phase portion of the first refrigerant. By generating the solid phase portion, heat can be stored using heat of fusion larger than sensible heat, so the amount of heat storage can be increased.
(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。
(3) In one embodiment, in the configuration of (2),
The pressure adjustment unit is
A pressure vessel provided at a lower position than the heat storage tank, in which the first refrigerant in a liquefied state is stored, and a gas phase part is formed above the liquid surface of the first refrigerant;
A decompression line in communication with the gas phase portion and the heat storage tank;
A pressure control valve provided in the pressure reducing line and capable of adjusting the opening degree;
A refrigerant inflow line communicating with a liquid phase portion of the pressure tank and the heat storage tank;
Equipped with
According to the structure of said (3), the inside of a thermal storage tank can be pressurized by transmitting the pressure of the pressurization tank pressurized by natural heat input into the thermal storage tank through a refrigerant | coolant inflow line. This facilitates the generation of the solid phase portion of the first refrigerant in the heat storage tank. In addition, by adjusting the opening degree of the pressure control valve, the first refrigerant in the gas phase part in the pressure tank can be discharged into the heat storage tank through the pressure reduction line, and the pressure tank can be depressurized. The pressure in the heat storage tank can be adjusted to a desired pressure.
(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。
(4) In one embodiment, in the configuration of (3),
A pressure sensor is provided to detect the pressure of the gas phase part.
According to the configuration of the above (4), the pressure in the gas phase portion of the pressure tank is detected by the pressure sensor, and the opening degree of the pressure adjusting valve is controlled based on the detected value. The pressure can be controlled to the desired pressure.
(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。
(5) In one embodiment, in any one of the configurations (1) to (4),
The first heat exchanger is configured to flow the second refrigerant from the top to the bottom,
The second heat exchanger is configured to flow the third refrigerant from the bottom to the top.
According to the configuration of (5), since the refrigerant whose temperature is higher in the lower region than in the upper region flows in both the first heat exchanger and the second heat exchanger, the first refrigerant around the heat transfer tube is lower than the upper region The temperature is higher in the region. Therefore, since the first refrigerant in the upper region is heavier, convection of the first refrigerant in the heat storage tank is promoted, and the temperature difference of the first refrigerant in the heat storage tank can be reduced.
(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。
(6) In one embodiment, in any one of the configurations (1) to (5),
At least a portion of the second heat exchanger is disposed below the first heat exchanger.
According to the configuration of (6), since the temperature of the third refrigerant returning from the superconducting cable is higher than that of the second refrigerant, the ambient temperature of the second heat exchanger through which the third refrigerant flows is the first refrigerant through which the second refrigerant flows It is higher than the ambient temperature of the heat exchanger. Since the second heat exchanger is disposed at the lower side, the temperature distribution of the first refrigerant in the heat storage tank is such that the lower side is warm and the upper side is cold. Therefore, convection is promoted in the vertical direction, and the temperature difference in the heat storage tank is reduced.
(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。
(7) In one embodiment, in any one of the configurations (1) to (6),
And a plurality of superconducting cable cooling units that include the third refrigerant circulation line and the second heat exchanger, and supply the third refrigerant in a liquefied state to each of the plurality of superconducting cables;
Third heat for exchanging heat among the third refrigerants flowing through a return line for returning the third refrigerant to the second heat exchanger among the third refrigerant circulation lines of the plurality of superconducting cable cooling units It has a switchboard.
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。 When there is a difference in cable length or heat load between the plurality of superconducting cables, the temperature of the return refrigerant after cooling the plurality of superconducting cables may be different. However, even in this case, since the third refrigerant flowing through the return line is subjected to heat exchange by the third heat exchanger, the temperature difference between the third refrigerants returning to the plurality of second heat exchangers can be reduced. Therefore, since the difference in the amount of heat exchange in the second heat exchanger can also be reduced, the temperature difference of the third refrigerant supplied to the superconducting cable can be reduced.
(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。
(8) A method of cooling a superconducting cable according to an embodiment,
A heat storage tank for storing the first refrigerant in a liquefied state;
A refrigeration unit using a second refrigerant having a liquefying temperature lower than that of the first refrigerant, comprising a plurality of first heat exchangers provided inside the heat storage tank and capable of cooling the first refrigerant with the second refrigerant. A refrigeration unit,
A second heat exchanger provided inside the heat storage tank;
A third refrigerant circulation line connected to the second heat exchanger and the superconducting cable for circulating the third refrigerant;
A cooling device for a superconducting cable comprising
The temperature control step of controlling the plurality of refrigeration units so that the temperature of the first refrigerant flowing through the outlet of each of the first heat exchangers becomes a target value.
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。 According to the method of (8), in the temperature control step, the heat storage tank is controlled by controlling the plurality of refrigeration units such that the temperature of the second refrigerant at the outlet of the first heat exchanger becomes a target value. The stored first refrigerant can be brought to a desired temperature. By thus controlling the temperature of the first refrigerant in the heat storage tank, the temperature of the third refrigerant supplied to the superconducting cable can also be controlled to a desired temperature.
(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。
(9) In one embodiment, in the method of (8),
In the temperature control step, the plurality of refrigeration units are controlled such that the temperature of the first refrigerant flowing through the outlet of each of the first heat exchangers becomes the same.
As described above, the amount of cooling of each refrigeration unit has a unique correlation with the temperature of the second refrigerant at the outlet of the first heat exchanger. Therefore, by controlling the plurality of refrigeration units so that the temperature of the first refrigerant at the outlet of each first heat exchanger is the same, it is possible to evenly distribute the cooling amount to each refrigeration unit. Thus, the operation control of each refrigeration unit can be optimized.
(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。
(10) In one embodiment, in the method of (8) or (9),
In the temperature control step,
When the temperature of the first refrigerant flowing through the outlet of each of the first heat exchangers is higher than the target value, the amount of cooling of the refrigeration unit is increased;
The cooling amount of the refrigeration unit is reduced when the temperature of the first refrigerant flowing through the outlet of each of the first heat exchangers is lower than the target value.
According to the above method (10), the temperature of the first refrigerant at the outlet of the first heat exchanger can be set to a desired temperature, whereby the temperature of the first refrigerant supplied to the superconducting cable is also desired Can be controlled to
(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。
(11) In one embodiment, in the method according to any one of (8) to (10),
And a solid phase generation step of controlling the refrigeration unit such that at least a part of the first refrigerant stored in the heat storage tank generates a solid phase.
According to the method of (11), at least a part of the first refrigerant stored in the heat storage tank in the solid phase generation step generates the solid phase, so heat can be stored using heat of fusion larger than sensible heat , Heat storage can be increased.
(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。
(12) In one embodiment, in the method of (11),
In the solid phase generation step,
The pressure of the first refrigerant in the heat storage tank is made higher than the pressure of the third refrigerant in the second heat exchanger.
According to the method of (12), by generating the solid phase portion in at least a part of the first refrigerant stored in the heat storage tank, heat can be stored using heat of fusion larger than sensible heat, and the amount of heat storage can be increased . Further, since the pressure of the third refrigerant is lower than the pressure of the first refrigerant, the temperature of the first refrigerant is higher than the melting point of the third refrigerant. For this reason, the third refrigerant flowing through the third refrigerant circulation line does not freeze, and the supply of the third refrigerant to the superconducting cable can be maintained.
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。 According to one embodiment, when the liquefied refrigerant stored in the heat storage tank is cooled by the plurality of refrigeration units and cooled to a desired temperature, the optimal operating conditions of the individual refrigeration units can be easily set.
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。
Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements and the like of the components described as the embodiments or shown in the drawings are not intended to limit the scope of the present invention to these, but are merely illustrative examples.
For example, a representation representing a relative or absolute arrangement such as “in a direction”, “along a direction”, “parallel”, “orthogonal”, “center”, “concentric” or “coaxial” is strictly Not only does it represent such an arrangement, but also represents a state of relative displacement with an angle or distance that allows the same function to be obtained.
For example, expressions that indicate that things such as "identical", "equal" and "homogeneous" are equal states not only represent strictly equal states, but also have tolerances or differences with which the same function can be obtained. It also represents the existing state.
For example, expressions representing shapes such as quadrilateral shapes and cylindrical shapes not only represent shapes such as rectangular shapes and cylindrical shapes in a geometrically strict sense, but also uneven portions and chamfers within the range where the same effect can be obtained. The shape including a part etc. shall also be expressed.
On the other hand, the expressions "comprising", "having", "having", "including" or "having" one component are not exclusive expressions excluding the presence of other components.
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。 1 to 4 show a superconducting cable cooling apparatus 10 (10A, 10B, 10C, 10D) according to some embodiments. In these drawings, the hollowed out valve indicates the open state, and the black-painted valve indicates the closed state.
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。
In Figures 1-4, the cooling apparatus 10 (10A to 10D) includes a
Superconducting cable 18 (18a, 18b) to the third refrigerant R 3 refrigerant supply supplying portion 20 (20a, 20b) of the liquefied state of the superconducting critical temperature below the temperature, the second heat provided within the
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。
At the outlet of each of the
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。
Second refrigerant R 2 are used those having a lower liquidus temperature than the first refrigerant LR 1 which is stored in the
In one embodiment, nitrogen is used as the first refrigerant R 1 and the third refrigerant R 3.
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。
The
For example, using nitrogen as the first refrigerant and the third refrigerant, when using a Ne gas as the second coolant, the temperature of the third refrigerant R 3 to be supplied to the
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。
The second temperature of the refrigerant R 2 at the outlet of the
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。
Therefore, the first stored in the
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。
For example, as described above, the amount of cooling of each refrigerator, the temperature of the first refrigerant, and the temperature of the second refrigerant at the outlet of the first heat exchanger are mutually correlated. The temperature of the first refrigerant can be regarded as uniform in each first heat exchanger, and the target value of the temperature of the second refrigerant at the outlet of the first heat exchanger is made identical in each first heat exchanger. For example, the amount of cooling of each refrigerator can be equally distributed.
Thus, the temperature of the third refrigerant can be controlled to a desired temperature while equalizing the amount of cooling of each refrigerator.
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。
In one embodiment, the
In one embodiment, as the third refrigerant, a material that can be liquefied in a critical temperature region capable of maintaining the superconducting state of the
Since it is desirable that the first refrigerant has large specific heat and can transfer heat, a substance that can be liquefied in the temperature range of the third refrigerant is preferable, and liquefied nitrogen can be used.
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。
In one embodiment, the
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。
The refrigerant gas adiabatically compressed by the
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。
In one embodiment, the constituent units of the
The
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。
In one embodiment, the refrigerant supply unit 20 (20a, 20b) is a heat storage tank 42 (42a, 42a, 42b) for temporarily storing the third refrigerant after cooling the
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。
In one embodiment, in order to control the amount of cooling of the first refrigerant in the
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。
Further, as another means of controlling the cooling amount of the first refrigerant, and controls the second circulation amount of the refrigerant R 2 circulating second coolant
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。
In order to realize this control, for example, as shown in FIGS. 1 to 4, the second refrigerant
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。
Since the second refrigerant
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。
In one embodiment, when the pressure in the gas phase portion of the
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。
In one embodiment, the cooling device 10 (10B) shown in FIG. As shown in FIG. 6, the
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。
FIG. 6 shows the relationship between temperature and pressure that determines the phase change of nitrogen as an example of the refrigerant. In the figure, line A shows the boundary between the liquid phase and the solid phase. For example, at a point X above the line A, a solid phase is obtained, and at a point Y below the line A, a liquid phase is obtained. Here, assuming that the pressure of the third refrigerant in the second heat exchanger 22 (22a, 22b) is point Y and the pressure of the first refrigerant in the
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。
When nitrogen is used as the first refrigerant, the amount of cooling of each of the
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。
In one embodiment, a solid phase portion of the first refrigerant is generated to adhere to the surfaces of the
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。
On the other hand, as a comparative example, when the first temperature of the refrigerant LR 1 liquefied state stored in the
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。
In one embodiment, as shown in FIG. 2, the
Pressurizing圧槽62 has a vacuum insulation structure, the amount of heat input into the first refrigerant LR 1 which is liquid storage therein is configured to be less. However, since the temperature of the first refrigerant LR 1 by a slight heat input (natural heat input) to the first refrigerant LR 1 gradually increases, a part is vaporized, the pressure of the pressurized圧槽62 gradually The pressure rises as well, and the pressure in the
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。
In one embodiment, the
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。
On the other hand, in the
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。
In one embodiment, the
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。
In one embodiment, a
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。
In one embodiment, the cooling device 10 (10A, 10B) shown in FIGS. 1 and 2 is configured such that the
According to this embodiment, since the temperature of the lower region is higher than the upper region in both the
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。
In one embodiment, at least a portion of the
According to this embodiment, since the temperature of the first refrigerant returning from the
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。
In one embodiment, the
In one embodiment, the cooling device 10 (10D) is shown in FIG. 4, among the plurality of third
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。
When there is a difference in cable length or heat load among the plurality of superconducting cables 18 (18a, 18b), the temperature of the return refrigerant after cooling the plurality of
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。 In the cooling device 10 (10D) shown in FIG. 4, the liquid pump 44 (44a, 44b) is provided in the return line 74 (74a, 74b), and the third refrigerant R in the liquefied state is provided in the return line 74 (74a, 74b). 3 flow in the same direction, ie, in the direction towards the second heat exchanger 22 (22a, 22b).
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。
In the cooling device 10 (10D), when one superconducting cable 18 (18a) breaks down, the supply of the third refrigerant to the
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。
In one embodiment, as shown in FIG. 4, a
During normal operation, the on-off
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。
In the method of cooling a superconducting cable according to one embodiment, as shown in FIG. 7, the plurality of refrigeration units are set such that the temperature of the first refrigerant flowing through the outlet of each of the
According to the above method, in the temperature control step S10, each of the plurality of
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。
In one embodiment, in the temperature control step S10, the plurality of
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。
In one embodiment, when the temperature of the first refrigerant flowing through the outlet of each of the
According to this method, the temperature of the first refrigerant flowing through the outlet of each of the first heat exchangers can be set to a desired temperature, whereby the temperature of the first refrigerant supplied to the superconducting cable is also desired. It can control to temperature.
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。
In one embodiment, as shown in FIG. 7, the plurality of
According to this method, at least a part of the first refrigerant stored in the
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。
In one embodiment, in the solid phase portion generation step S12, the pressure of the first refrigerant in the
According to this embodiment, at least a part of the first refrigerant stored in the
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。
In the cooling device 10 (10D), the
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。 According to one embodiment, when the liquefied refrigerant stored in the heat storage tank is cooled by a plurality of refrigerators, the optimum operating conditions of the individual refrigerators can be easily set.
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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 (10A, 10B, 10C, 10D) Cooling
Claims (12)
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。 A heat storage tank for storing the first refrigerant in a liquefied state;
A refrigeration unit using a second refrigerant having a liquefying temperature lower than that of the first refrigerant, comprising a plurality of first heat exchangers provided inside the heat storage tank and capable of cooling the first refrigerant with the second refrigerant. A refrigeration unit,
A second heat exchanger provided inside the heat storage tank;
A third refrigerant circulation line connected to the second heat exchanger and the superconducting cable for circulating a third refrigerant;
A temperature sensor provided at the outlet of each of the first heat exchangers for detecting the temperature of the second refrigerant;
A control unit for controlling each of the plurality of refrigeration units so that the detection value of each of the temperature sensors is input, and the detection value of the temperature sensor becomes a target value;
An apparatus for cooling a superconducting cable, comprising:
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。 The pressure adjustment unit is
A pressure vessel provided at a lower position than the heat storage tank, in which the first refrigerant in a liquefied state is stored, and a gas phase part is formed above the liquid surface of the first refrigerant;
A decompression line in communication with the gas phase portion and the heat storage tank;
A pressure control valve provided in the pressure reducing line and capable of adjusting the opening degree;
A refrigerant inflow line communicating with a liquid phase portion of the pressure tank and the heat storage tank;
The cooling apparatus of the superconducting cable according to claim 2, comprising:
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。 The first heat exchanger is configured to flow the second refrigerant from the top to the bottom,
The cooling device for a superconducting cable according to any one of claims 1 to 4, wherein the second heat exchanger is configured to flow the first refrigerant from the lower part to the upper part.
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。 And a plurality of superconducting cable cooling units that include the third refrigerant circulation line and the second heat exchanger, and supply the third refrigerant in a liquefied state to each of the plurality of superconducting cables;
Third heat for exchanging heat among the third refrigerants flowing through a return line for returning the third refrigerant to the second heat exchanger among the third refrigerant circulation lines of the plurality of superconducting cable cooling units The cooling device for a superconducting cable according to any one of claims 1 to 6, further comprising a exchanger.
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。 A heat storage tank for storing the first refrigerant in a liquefied state;
A refrigeration unit using a second refrigerant having a liquefying temperature lower than that of the first refrigerant, comprising a plurality of first heat exchangers provided inside the heat storage tank and capable of cooling the first refrigerant with the second refrigerant. A refrigeration unit,
A second heat exchanger provided inside the heat storage tank;
A third refrigerant circulation line connected to the second heat exchanger and the superconducting cable for circulating the third refrigerant;
A cooling device for a superconducting cable comprising
A method of cooling a superconducting cable, comprising a temperature control step of controlling the plurality of refrigeration units so that the temperature of the first refrigerant flowing through the outlet of each of the first heat exchangers becomes a target value.
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。 In the temperature control step,
When the temperature of the first refrigerant flowing through the outlet of the first heat exchanger is higher than the target value, the amount of cooling of the refrigeration unit to which the first heat exchanger belongs is increased;
The cooling amount of the refrigeration unit to which the first heat exchanger belongs is reduced when the temperature of the first refrigerant flowing through the outlet of the first heat exchanger is lower than the target value. Or the cooling method of the superconducting cable as described in 9.
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。 In the solid phase generation step,
The method according to claim 11, wherein the pressure of the first refrigerant in the heat storage tank is higher than the pressure of the third refrigerant in the second heat exchanger.
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP2017251276A JP2019117869A (en) | 2017-12-27 | 2017-12-27 | Cooling device for superconducting cable and cooling method |
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