JP4046060B2 - 極低温ケーブルの循環冷却システム - Google Patents

Description

本発明は超電導ケーブルなどの極低温ケーブルの循環冷却システムに関するものである。

超電導ケーブルなどの極低温ケーブルは、液体窒素や液体ヘリウムなどの冷媒により冷却されるが、その循環冷却システムとして、特開平８−１４８０４４号公報に記載されたシステムなどが知られている。この循環冷却システムは、冷媒の循環回路を閉回路とし、冷媒を気化しない状態で循環を行うことのできる冷却システムである。

図２はその概略図であり、冷媒３３を貯留するリザーバユニット３０と、冷媒３３を圧送する圧送ポンプ３１と、リザーバユニット３０内を所定の圧力に保持する圧力制御機構３６と、冷媒３３を所定温度に冷却する熱交換ユニット３２と、冷媒３３をケーブル３５（３本のケーブルが存在する。各ケーブルは図示されていない。）に分流させるバルブユニット３４などを具えている。

このシステムはリザーバユニット３０から送出した冷媒３３を熱交換ユニット３２で所定温度に冷却し、これをケーブル３５に供給して、再度リザーバユニット３０に戻す、という循環サイクルを繰り返すものである。
特開平８−１４８０４４号公報（特許請求の範囲および図１）

しかし、前記の従来の循環冷却システムにおいては、ケーブル３５を出発点とした場合、リザーバユニット３０は循環回路の上流にあり、このリザーバユニット３０から送出された冷媒３３は、熱交換ユニット３２で所定温度に冷却された後に、ケーブル３５側に送り込まれている。すなわち、冷媒３３はケーブル３５を冷却した後にリザーバユニット３０に戻るため、ケーブル３５での発熱により冷媒３３の温度が上昇し、熱膨張により冷媒３３の体積が増加する。

そして、ケーブル３５での発熱量の変化に対応して、冷媒３３の体積も変化する。また、ケーブル３５での大きな発熱が予想される場合などは、それに対応して冷媒３３を十分に冷却しておく必要があるが、この場合冷媒３３は逆に収縮してその体積は減少する。

このように、冷媒３３の温度変化により、冷媒３３は体積膨張や収縮をし、その液量が変化するが、前記回路においてケーブル３５の冷却部や配管などリザーバユニット３０以外の各構成品の体積は一定であるので、冷媒液量の変化分はリザーバユニット３０内の容積で吸収させる必要がある。従って、リザーバユニット３０の冷媒貯留容積は、回路内の冷媒液量の変化を吸収できるように設計しなければならず、その結果、リザーバユニット３０を大容積のものにする必要があった。または、リザーバユニット３０内の冷媒量を一定に保つため、冷媒量の調整機構を設けて調整作業をする必要があった。特に、システム内の冷媒総量が大きい場合や、温度変化の大きいシステムになればなるほど、リザーバユニット３０は、この体積膨張、収縮を考慮して、大容積のものにする必要があり、または大能力の冷媒量調整機構を必要とした。

本発明は、前記の従来の循環冷却システムの問題を解決し、リザーバユニットを小型化でき、また、リザーバユニット内の冷媒量の調整機構や調整作業も不要である極低温ケーブルの循環冷却システムを提供することを目的とする。

本発明の極低温ケーブルの循環冷却システムは、リザーバユニット内の冷媒量を一定に保持するための冷媒温度調整機構を有することを特徴とし、この特徴により前記の目的を達成するものである。

すなわち、本発明の第１の態様は、冷媒を貯留するリザーバユニットと、該リザーバユニットから送出された冷媒によりケーブルを冷却するケーブル冷却部とを有し、該ケーブル冷却部から送出された冷媒を、再度該リザーバユニットに戻して循環させる極低温ケーブルの循環冷却システムにおいて、冷媒温度を検知するセンサと該センサの検知結果に対応して冷却能力を調整する熱交換ユニットからなり、該リザーバユニット内の冷媒量を一定に保持するための冷媒温度調整機構を有することを特徴とする極低温ケーブルの循環冷却システムである。

本発明の第２の態様は、第１の態様の極低温ケーブルの循環冷却システムにおいて、冷媒温度を検知するセンサが、ケーブル冷却部の冷媒出口の近傍にあることを特徴とするものである。

本発明の第３の態様は、第１または第２の態様の極低温ケーブルの循環冷却システムにおいて、熱交換ユニットが、ケーブル冷却部の冷媒出口とリザーバユニットへの冷媒戻り口の間にあることを特徴とするものである。

本発明の第４の態様は、第１ないし第３のいずれかの態様の極低温ケーブルの循環冷却システムにおいて、熱交換ユニットの冷却能力の調整を、熱交換ユニット運転用電力または電源周波数の調整により行うことを特徴とするものである。

本発明の第１〜４の態様の極低温ケーブルの循環冷却システムは、リザーバユニット内の冷媒量を一定に保持するための冷媒温度調整機構を有するので、リザーバユニットに、冷媒の体積変化を吸収するための容積を付加する必要がなく、リザーバユニットを小型化できる。また、リザーバユニット内の冷媒体積の調整機構や調整作業も不要となる。

また、冷媒温度を検知するセンサがケーブル冷却部の出口近傍にあり、かつ、熱交換ユニットをケーブル冷却部の冷媒出口とリザーバユニットへの冷媒戻り口の間に設置する場合は、ケーブルの発熱の変化に、より確実に対応した熱交換ユニットの冷却能力の調整を行うことが可能となると共に、ケーブルでの発熱による冷媒の体積変化の影響がリザーバユニット側に直接及ぶことを防止することができるため、より正確にリザーバユニット内の冷媒量を一定に保たせることができる。

さらに、本発明の第４の態様の極低温ケーブルの循環冷却システムでは、熱交換ユニットの冷却能力の調整を、熱交換ユニット運転用電力または電源周波数の調整により行うので、常にフルパワーで運転し、冷却し過ぎの場合はヒータなどで加熱して温度調整を行っていた従来のシステムに比べて、熱交換ユニットの消費電力が少なくてすみ、省エネルギーが可能になる。

リザーバユニット内の冷媒量を一定に保持するための冷媒温度調整機構は、システム内の冷媒温度を一定に保つ機能を有するもので、冷媒温度を検知するセンサと該センサの検知結果に対応して冷却能力を調整する熱交換ユニットからなるものである。センサにより検知された冷媒の温度の変化に対応して、熱交換ユニットの冷却能力を増加（温度を下げる場合）または減少（温度を上げる場合）して、冷媒温度を一定に保つ。

冷媒温度を検知するセンサは、極低温でも、正確で感度のよい検知を可能とするものであれば、その種類は限定されない。本発明の極低温ケーブルの循環冷却システムにおいては、冷媒温度の変化に最も大きな影響を与えるのは、通常ケーブルでの発熱量の変化である。従って、該センサをケーブル冷却部の出口近傍に設置すると、ケーブルでの発熱量の変化を迅速に検知でき、感度の高い冷媒温度調整を行うことができるので好ましい。

熱交換ユニットも、充分な冷却能力を有し、冷媒温度の変化に対応した冷却能力の調整が可能なものであれば、その種類は限定されない。冷却能力の調整方法も特に限定されず、従来の冷却システムで多く採用されている方式、すなわち、冷媒の温度変化の予想される最大値に対応したパワー以上のフルパワーを有する熱交換ユニットを常にフルパワーで運転し、冷媒温度が下がりすぎたときは、熱交換ユニットの熱交換部にあるヒータで加熱して調整する方法も採用できる。しかし、冷却能力の調整を、熱交換ユニット運転用電力または電源周波数の調整により行えば、ヒータによる加熱が不要となり、冷却に必要なエネルギー（消費電力）の節約となり好ましい。

電源周波数の調整は、例えばインバータにより行われる。熱交換ユニットの冷却能力は周波数に依存し、例えば６０Ｈｚ運転から３０Ｈｚ運転にすると、冷却能力は１／２となる。

本発明の極低温ケーブルの循環冷却システムにおいて、冷媒はリザーバユニットからケーブル冷却部へ送出されるが、冷媒温度を検知するセンサがケーブル冷却部の出口近傍にある場合などは、熱交換ユニットは、リザーバユニットとケーブル冷却部との間に設置されていてもよい。ケーブルでの発熱が大きく、ケーブル冷却部の出口近傍の温度が上昇した場合は、熱交換ユニットの冷却能力が増加し、冷媒温度の上昇を抑えることができる。

しかし、この場合は、ケーブル冷却部すなわち発熱部が熱交換ユニットの下流側にあるため、ケーブルでの発熱量の変化に迅速に対応した冷媒温度の調整、ひいては冷媒温度の変化に基づく冷媒の体積変化に対応した迅速な調整をすることができない。即ち、ケーブルでの発熱量の変化により、冷媒温度が変化し、その結果、冷媒の体積が増加あるいは減少した場合でも、体積が増加あるいは減少した冷媒自体を直ちに温度調整することはできないため、冷媒の体積変化にも迅速に対応できない。その結果、感度の高い調整は困難となる。

そこで好ましくは、熱交換ユニットはケーブル冷却部の冷媒出口とリザーバユニットへの冷媒戻り口の間に設置される。とりわけ好ましい態様は、冷媒温度を検知するセンサがケーブル冷却部の出口近傍にあり、かつ、熱交換ユニットがケーブル冷却部の冷媒出口とリザーバユニットへの冷媒戻り口の間に設置される場合である。この態様により、ケーブルでの発熱の変化に直接対応した熱交換ユニットの冷却能力の調整を行うことが可能となると共に、リザーバユニットには熱交換ユニットで所定の温度に冷却された冷媒が供給されるため、熱膨張や熱収縮による冷媒の体積変化の影響をリザーバユニットに直接及ぼさずに、より正確にリザーバユニット内の冷媒量を一定に保つことができる。

以下、前記のとりわけ好ましい態様について、より具体的に説明する。
図１は、本発明の極低温ケーブルの循環冷却システムの一例を示す概略図である。
図１のシステムは、リザーバユニット１、熱交換ユニット２、バルブユニット３、ケーブル冷却部４および冷媒温度を検知するセンサ５（以下単にセンサ５と言う。）を主な構成要素とする。

リザーバユニット１は冷媒Ｃを貯留する閉鎖容器であり、冷媒循環用の圧送ポンプ７および圧力制御機構９を具えている。冷媒Ｃはこの圧送ポンプ７により加圧されて循環され、その吐出圧はリザーバユニット内のバイパスバルブ８によって調整される。圧送ポンプ７は、冷媒の循環回路における圧力低下を考慮してもなお必要流量の得られるものが用いられる。

圧送ポンプ７は、リザーバユニット１の外部に独立して設置してもよいが、本例のようにリザーバユニット１内に設置することにより、真空断熱容器を共用でき、システム製造コストの低減を図ることができる。なお、Ｐ１はリザーバユニット１内の圧力を測定する圧力計、Ｐ２は圧送ポンプ７の吐出部の圧力を測定する圧力計、２０はリザーバユニット１を圧力の過上昇から保護する安全弁、２１は大気等をリザーバユニット１内に流入させないための逆止弁である。

また、圧力制御機構９は、ガスＧを供給してリザーバユニット１内の圧力をほぼ一定に保持し、冷媒Ｃを気化しない状態に保つためのものあるが、本発明においては必須ではない。供給するガスＧは、冷媒Ｃよりも沸点や三重点が低いものが用いられ、例えば冷媒Ｃが液体窒素の場合は、ヘリウムが用いられる。

前記の従来の循環冷却システムでは、リザーバユニット１中の冷媒量を一定に維持するための冷媒自動補給機構（例えば、液位計と、その測定結果に連動する供給器の組合せ）が設置されることがあるが、本発明においてはこの機構は基本的には不要である。

バルブユニット３は、リザーバユニット１から、配管１５を通って送出されてきた冷媒Ｃを分流してケーブル冷却部４に供給する機能を有する。本例では、ケーブル冷却部４内にある３相の電力ケーブルに冷媒Ｃを均一に供給するため、バルブユニット３内で冷媒Ｃを３つに分岐し、分岐ごとに流量計１２、流量調整弁１３およびバイパスバルブ１４が設置されている。

バルブユニット３を通って送られてきた冷媒Ｃはケーブル冷却部４に供給される。本例では、ケーブル冷却部４の一端から冷媒Ｃを供給し、他端で３相分の冷媒Ｃを１本にまとめて排出して、熱交換ユニット２側に戻す構成である。
ケーブル冷却部４内では、冷媒Ｃによりそれぞれのケーブルが冷却されるが、一方ケーブルの発熱により冷媒Ｃの温度は上昇する。また、温度の上昇量は、ケーブルの発熱量の変化（すなわち電流の変化）により変動する。

ケーブル冷却部４の冷媒出口の近傍に設置されたセンサ５は、冷媒Ｃの温度を検知し、その測定結果は熱交換ユニット２のパワー調整機２３にフィードバックされる。センサ５から送出された冷媒Ｃは、配管１６を通って熱交換ユニット２に送出される。

熱交換ユニット２は、センサ５から送出された冷媒Ｃを所定温度に冷却するものである。本例では冷凍機１０のコールドヘッド１１をＣｕブロックに接触させ、このＣｕブロックに冷媒Ｃの輸送管を巻回して、固体熱伝導により熱交換している。また本例では熱交換ユニット２が１台用いられているが、冷却能力が１台では不十分な場合は、２台以上を直列につないでもよい。

本例では熱交換ユニット２は、センサ５の出口側配管１６の下流側でかつリザーバユニット１への冷媒Ｃの戻り配管の上流側に設置されている。すなわち、ケーブル冷却部４の冷媒出口とリザーバユニット１への冷媒戻り口の間にある。

冷凍機１０は、熱交換ユニット用の電源２２からの電力供給を受けて運転されるが、この電源２２と冷凍機１０の間に熱交換ユニット運転用のパワー調整機２３が設置されている。前述のように、センサ５が検知した温度がフイードバックされ、パワー調整機２３が制御される。これにより、熱交換ユニット２の冷却能力の調整を行い、リザーバユニット１への戻り口の温度を一定に制御し、冷媒Ｃの温度変動による冷媒Ｃの体積の変動を防止する。パワー調整機２３としては、熱交換ユニット２に入力する電源周波数を任意に変化させることができるインバータを用いても良い。

なお、発熱部、すなわちケーブル冷却部４から熱交換ユニット２間に存在する冷媒量が多いと、その冷媒の熱膨張または熱収縮による体積変化が大きくなる。従って、この冷媒量を少なくすることが好ましく、熱交換ユニット２はケーブル冷却部４の冷媒出口の近傍、すなわちセンサ５の出口の近傍にあることが好ましい。

熱交換ユニット２から送出された冷媒Ｃは、配管１５を通ってリザーバユニット１へ戻る。
リザーバユニット１、熱交換ユニット２、バルブユニット３は個別に真空断熱容器１８に収納され、循環回路を構成する配管１５、１６も真空断熱層により被覆されている。そのため、冷却システム全体としての熱損失を小さくできる。なお、各ユニット１、２、３、１５、１６の真空断熱は、個別でなく一括して行ってもよい。

本発明の極低温ケーブルの循環冷却システムの一例を示す概略図である。 従来の極低温ケーブルの循環冷却システムの一例を示す概略図である。

符号の説明

１、３０ リザーバユニット
２、３２ 熱交換ユニット
３、３４ バルブユニット
４ ケーブル冷却部
５ センサ
７、３１ 圧送ポンプ
８ バイパスバルブ
９、３６ 圧力制御機構
１０ 冷凍機
１１ コールドヘッド
１２ 流量計
１３ 流量調整弁
１４ バイパスバルブ
１５、１６ 配管
１８ 真空断熱容器
２０ 安全弁
２１ 逆止弁
２２ 電源
２３ パワー調整機
Ｃ 冷媒
Ｇ ガス
Ｐ１、Ｐ２ 圧力計

Claims (4)

1. 冷媒を貯留するリザーバユニットと、該リザーバユニットから送出された冷媒によりケーブルを冷却するケーブル冷却部とを有し、該ケーブル冷却部から送出された冷媒を、再度該リザーバユニットに戻して循環させる極低温ケーブルの循環冷却システムにおいて、冷媒温度を検知するセンサと該センサの検知結果に対応して冷却能力を調整する熱交換ユニットからなり、該リザーバユニット内の冷媒量を一定に保持するための冷媒温度調整機構を有することを特徴とする極低温ケーブルの循環冷却システム。
2. 冷媒温度を検知するセンサが、ケーブル冷却部の冷媒出口の近傍にあることを特徴とする請求項１に記載の極低温ケーブルの循環冷却システム。
3. 熱交換ユニットが、ケーブル冷却部の冷媒出口とリザーバユニットへの冷媒戻り口の間にあることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の極低温ケーブルの循環冷却システム。
4. 熱交換ユニットの冷却能力の調整を、熱交換ユニット運転用電力または電源周波数の調整により行うことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の極低温ケーブルの循環冷却システム。

Images