JP2017187155A - 冷媒供給配管 - Google Patents

Abstract

【課題】長い配管内の冷媒温度を高い位置精度で測定でき、かつ、配管内に生じた異常な温度上昇を素早く検知する。
【解決手段】冷媒供給配管１００の特徴は、光ファイバ２ａが、冷媒３が流れる配管１の内壁に螺旋状に延設されていることにある。配管１の内壁に螺旋状に延設され光ファイバ２ａにより、配管１内の冷媒３の、配管１の長手方向の位置に応じた温度が測定でき、何らかの温度異常により他の長手方向部分と異なる温度を示した部分の位置が特定できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷媒供給配管に関する。

従来から、超電導ケーブルなどを冷やす冷媒として液体窒素が用いられている。一般的に、非常に長い形状の超電導ケーブルを液体窒素で冷却したい場合、超電導ケーブルコアを、その長さ以上の長さを有する配管内に挿通させ、そのようにして構成された超電導ケーブルコアと配管との間の空間を冷媒としての液体窒素で満たすことにより実現される。

一方、超電導ケーブルではなく、長い距離供給される液体を冷却したい場合もある。かかる場合、上記の超電導ケーブルコアの代わりに、当該液体の流れる小さい径の配管を上記配管内に挿通させ、同様に、その小さい径の配管と上記配管との間の空間を液体窒素で満たすことにより実現される。

これらの被冷却物に共通することは、非常に長いということであり、例えば、数メートルである場合から数キロメートルに及ぶ場合もある。従って、このように非常に長い被冷却物を冷却する場合、最大で数キロメートルに渡って、液体窒素などの冷媒を安定して供給できるかがポイントとなる。

ところで、冷媒の温度安定という観点から、上記のようにその内部に被冷却物と冷媒が満たされた配管は、通常、外側壁と内側壁の二重構造により断熱層が形成され、真空状態や断熱材の充填により、冷媒の温度が、配管が配設されている環境に影響されて上昇しないような構造となっている。

しかしながら、経年劣化などにより、配管の二重構造の断熱機能が部分的に低下すると、その部分から熱が管内に侵入し、冷媒の温度を上昇させてしまう事態や、最終的には気化させてしまう事態にもなりえる。そうなると、その部分で被冷却物は十分に冷却されず、機能が十分に発揮されないことにもなりえる。

従って、上記事態が発生した場合、上述したように非常に長い配管のどこでそのような断熱機能喪失が起こったかを正確に把握できるかが極めて重要になるが、そのためには、冷媒が送られる配管の全長に渡って、冷媒の温度を正確に測定することが必要となる。

一方、被冷却物である超電導ケーブルコア自体が異常発熱するという異常事態が起きた場合も、それによって冷媒の温度が上昇するのであるから、冷媒が送られる配管の全長に渡って、冷媒の温度を正確に測定できることが、配管の損傷だけでなく、被冷却物の温度上昇の箇所を正確に特定することにもつながる。すなわち、冷媒が送られる配管の全長に渡って、冷媒の温度を正確に測定することにより、配管及び被冷却物の双方の不具合の箇所を特定できることになる。

特許文献１は、かかる技術を開示している。すなわち、当該文献において、冷媒で満たされた断熱管（１０２）内に延設された３本のケーブルコア（１０１）に沿って、冷媒の温度測定のための光ファイバ（１０）が配設されている。光ファイバ（１０）は、保護のための、コルゲート管やメッシュ管等の筒状部材（２０）に挿通されているが、その筒状部材（２０）には貫通孔が適宜設けられており、冷媒はその貫通孔を介して筒状部材（２０）にも浸透し、結果、光ファイバと接触するようになっている（段落［００１７］）。

特許文献１で使用されているように、一般的に、光ファイバは、電気信号線がないことから熱量の発生がないため、液体窒素など蒸発しやすい物体の温度測定に適しているうえに、非常に長い物の温度測定にも適しており、高い位置精度で温度を測定することができる。

特開２００７−０８９３４３号公報

しかしながら、特許文献１に開示された方法では、筒状部材（２０）の貫通孔を介した液体窒素の温度しか測定できないため、貫通孔の付近の液体窒素の温度は精度良く測定できるものの、貫通孔と貫通孔との間の位置における液体窒素の温度を精度よく測定することは困難であった。

また、冷媒が供給される断熱管（１０２）の中心軸付近に、筒状部材（２０）に挿通された光ファイバ（１０）が配置されているため、断熱管（１０２）内に気相が生じるような重大な異常が生じても、すぐに検知することはできなかった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、長い配管内の冷媒温度を高い位置精度で測定でき、かつ、配管内に生じた異常な温度上昇を素早く検知することができる冷媒供給配管を提供することを課題とする。

かかる課題を解決するため、本発明の冷媒供給配管は、水平に配設され、内部に冷媒が供給される配管と、その配管の内壁の長手方向に延びた最上部及び最下部のその長手方向に渡って接する少なくとも１本の光ファイバと、を備えることを要旨とする。

ここで、前記少なくとも１本の光ファイバは、前記配管の内壁に対して、前記長手方向に沿って螺旋状に配設されている１本の光ファイバであることが好適である。

あるいは、前記少なくとも１本の光ファイバは、前記最上部及び最下部の長手方向に沿って配設された１本の光ファイバであることが好適である。

あるいは、前記少なくとも１本の光ファイバは、前記最上部の長手方向に沿って配設された１本の光ファイバと、前記最上部を除き、前記最下部を含めた１箇所以上で長手方向に沿って配設された１本以上の少なくとも１本の光ファイバとで構成されることが好適である。

通常、前記配管の内部に、その長手方向に沿って被冷却物が挿通されており、例えば、その被冷却物は、超電導ケーブルコアであったり、あるいは、他の配管であったりする。

また、典型的には、前記冷媒は、低温液化ガスである。

本発明の冷媒供給配管によれば、配管の長手方向に渡って光ファイバが配設され、配管内の冷媒に直接接しているため、長手方向における冷媒の温度を高い位置精度で測定することができる。また、配管外部の断熱能力の低下や被冷却物の異常発熱により、万が一、冷媒が局部的に異常な温度上昇が発生した場合、温度上昇の傾向が顕著であると思われる配管内の鉛直方向の最上部に光ファイバが配置されているため、素早く、かつ高い位置精度でその異常個所を検知することができる。更に、管内の最上部と最下部とを同時に測定することによって、温度の異常上昇をより顕著に把握することが可能となる。

これらにより、異常個所の位置が曖昧な場合は過剰な修理となるところを、適切な修理をすることができる。また、異常個所の放置による冷媒の損失を最小限に抑えることができる。

本発明を適用した第１の実施形態である冷媒供給配管を示す構成図である。 本発明を適用した第２の実施形態である冷媒供給配管を示す構成図である。 本発明を適用した第３の実施形態である冷媒供給配管を示す構成図である。

以下、本発明を適用した一実施形態である冷媒供給配管について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

＜第１の実施形態＞
まず、本発明を適用した第１の実施形態である冷媒供給配管の構成について説明する。第１の実施形態の冷媒供給配管１００は、冷媒を安定して供給するための装置である。
図１は、本発明を適用した第１の実施形態である冷媒供給配管を示す構成図である。なお、ここで挙げる冷媒供給配管は、水平方向に延設される（但し、ある程度の傾きは許容される）ことが前提であり、鉛直方向に延びるように設けられることはないものである。以下の実施形態も同様である。

そこで、図１に示すように、第１の実施形態の冷媒供給配管１００の特徴は、光ファイバ２ａが、冷媒３が流れる配管１の内壁に螺旋状に延設されていることにある。

ここで、配管１の外径をｄ１、厚さをｔ、長さをＬ１とし、光ファイバ２ａの直径をｄ２とし、光ファイバ２ａの配管１の長手方向についての延設のピッチをｐ（一定）とすると、光ファイバ２の必要な長さＬ２は、概ね、下記式（１）で算出できる。
Ｌ２＝π×（ｄ１−２×ｔ−ｄ２）×（（ｐ／２）^２＋（ｄ１−２×ｔ−ｄ２）^２）^１／２／（ｄ１−２×ｔ−ｄ２）×Ｌ１／ｐ ・・・（１）

ここで、上記各寸法は、冷媒の量等に応じて、任意に設定できる。特に、光ファイバ２ａのピッチｐについては、より高い位置精度で配管内の異常個所を特定したい場合は、より密に巻く。また、配管１及び光ファイバ２ａの材質も任意に選定できる。

なお、正常時においては、配管１の内部は全体的に冷媒３で満たされているが、図１においては、説明の便宜上、何らかの温度異常により、冷媒３の一部が気化して気相部４が生じている場合を示している。冷媒とてしては、典型的には液体窒素であるが、これに限られることはない。

そこで、上記のように、配管１の内壁に螺旋状に延設され光ファイバ２ａにより、配管１内の冷媒３の、配管１の長手方向の位置に応じた温度が測定でき、何らかの温度異常により他の長手方向部分と異なる温度を示した部分の位置が特定できる。

更に、重大な温度異常により、図１に示すように、配管１内の上部に気相部４が生じた場合には、配管１の断面の下部から上部に渡って温度傾斜が顕著に生じ、従って、光ファイバ２ａのその気相部４に接触する部分と、光ファイバ２ａの上記断面下部の冷媒３に接触する部分とで、顕著な温度差が検出でき、その温度差が検出された、配管１の長手方向部分が、何らかの温度異常が生じた配管１部分と特定でき、結果として、何らかの異常（断熱機能喪失等）が生じた部分と正確に把握できることとなる。

＜第２の実施形態＞
図２は、本発明を適用した第２の実施形態である冷媒供給配管を示す構成図である。ここで、第１の実施形態と同じ部分の説明は省略する。

そこで、図２に示すように、第２の実施形態の冷媒供給配管２００の特徴は、配管１の内壁の最上部に沿って、少なくとも１本の光ファイバ２ｂを延設させたことにある。配管１内の上部、特に気相部４が生じた場合のその部分の温度を測定するためのものである。また、好適には、配管１の内壁の最下部に沿って、更に光ファイバ２ｂを設ける。このとき、図２に示すように、最上部に這わせた光ファイバの戻り線として構成してもよいし、別の光ファイバ、すなわち２本の光ファイバとしてもよい。更に、かかる光ファイバに加えて、最上部と最下部の間の中間部にも、管内に延びる１以上の光ファイバを設けてもよい。かかる光ファイバの適した本数は、配管１内に挿通される被冷却物の構成やその数にもよるが、少なくとも最上部と最下部に設けることが、配管１の長手方向の温度異常の位置を特定するのには効果的である。

かかる第２の実施形態の構成でも、第１の実施形態と同様の温度測定ができ、よって、同様に何からの異常が生じた部分と正確に把握できることとなる。

＜第３の実施形態＞
図３は、本発明を適用した第３の実施形態である冷媒供給配管を示す構成図である。ここで、第１の実施形態と同じ部分の説明は省略する。

そこで、図３に示すように、第３の実施形態の冷媒供給配管３００の特徴は、第１の実施形態の冷媒供給配管１００の構成に加えて、配管１の内側に被冷却物５を配設したことにある。被冷却物５としては、超電導ケーブルや、冷却したい液体が内部を流れる、配管１よりも小さな径の配管が考えられる。また、それらを複数もうけてもよい。

本実施形態では、第１の実施形態と同様な効果を得ることができるとともに、非常に長い形状の被冷却物５を安定して冷却することができる。

なお、第３の実施形態においては、第１の実施形態の態様に被冷却物を挿通させた場合としたが、他の実施形態として、第２の実施形態の態様に被冷却物を挿通させる場合もありえる。

以上説明したように、本実施形態の冷媒供給配管１００によれば、配管１の長手方向に渡って光ファイバ２ａが配設され、配管１内の冷媒に直接接しているため、長手方向における冷媒の温度を高い位置精度で測定することができる。また、配管外部の断熱能力の低下や被冷却物の異常発熱により、万が一、冷媒が局部的に異常な温度上昇が発生した場合、温度上昇の傾向が顕著であると思われる配管内の鉛直方向の最上部に光ファイバ２ａが配置されているため、素早く、かつ高い位置精度でその異常個所を検知することができる。更に、管内の最上部と最下部とを同時に測定することによって、温度の異常上昇をより顕著に把握することが可能となる。

これらにより、異常個所の位置が曖昧な場合は過剰な修理となるところを、適切な修理をすることができる。また、異常個所の放置による冷媒の損失を最小限に抑えることができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

以下、実施例を用いて本発明の効果を詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施例の内容に限定されるものではない。

冷媒としては、典型的には、液体窒素である。配管１は、ＳＵＳ３１６製とし、その外径ｄ１＝３４．０ｍｍ、厚さｔ＝１．７ｍｍ、長さＬ１＝１００ｍとする。また、第１の実施形態において、光ファイバ２ａは、ガラス製で、その直径ｄ２＝１ｍｍ、ピッチｐ＝１００ｍｍとする。すると、式（１）に基づき、光ファイバ２の必要な長さＬ２は、約１８３ｍとなる。

本発明の冷媒供給配管は、冷媒の一部が気化してしまうような異常な温度上昇を的確に検知したい場合に採用できる。

１ 配管
２ａ、２ｂ 光ファイバ
３ 冷媒
４ 気相部
５ 被冷却物
１００、２００、３００ 冷媒供給配管

Claims (8)

1. 水平に配設され、内部に冷媒が供給される配管と、
   前記配管の内壁の長手方向に延びた最上部、及び最下部の前記長手方向に渡って接する少なくとも１本の光ファイバと、を備える、冷媒供給配管。
2. 前記少なくとも１本の光ファイバは、前記配管の内壁に対して、前記長手方向に沿って螺旋状に配設されている１本の光ファイバである、請求項１に記載の冷媒供給配管。
3. 前記少なくとも１本の光ファイバは、前記最上部及び最下部の長手方向に沿って配設された１本の光ファイバである、請求項１に記載の冷媒供給配管。
4. 前記少なくとも１本の光ファイバは、
   前記最上部の長手方向に沿って配設された１本の光ファイバと、
   前記最上部を除き、前記最下部を含めた１箇所以上で長手方向に沿って配設された１本以上の少なくとも１本の光ファイバとで構成される、請求項１に記載の冷媒供給配管。
5. 前記配管の内部に、その長手方向に沿って被冷却物が挿通されている、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の冷媒供給配管。
6. 前記被冷却物は、超電導ケーブルコアである、請求項５に記載の冷媒供給配管。
7. 前記被冷却物は、他の配管である、請求項５に記載の冷媒供給配管。
8. 前記冷媒は、低温液化ガスである、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の冷媒供給配管。

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