JPH1183264A - 超電導装置及びガスコジェネレーションシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】エネルギ利用率の向上を図り、ランニングコス
トの軽減、装置の小型化および低価格化を実現できる超
電導装置及びガスコジェネレーションシステムを提供す
る。 【解決手段】外槽１１の内部で、外槽１１に近い位置に
熱シールド１６を設けるとともに、この熱シールド１６
に冷媒配管２４を設け、この冷媒配管２４に液化天然ガ
スを通流させることによって、外部から侵入しようとす
る熱の大部分を熱シールド１６で除去するようにしてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超電導装置及び超
電導装置を備えたガスコジェネレーションシステムに関
する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、超電導装置では、該装置
の根幹をなす超電導体を臨界温度以下に冷却する必要が
ある。この冷却には種々の方式があるが、一般的には超
電導体の臨界温度に応じた冷却方式が採用される。例え
ば、すでに実用化されているＮｂＴｉ合金超電導体は、
臨界温度が１０Ｋ以下であるため、多くの場合、沸点が
４．２Ｋである液体ヘリウムを使って冷却される。最近
では、冷凍能力の高い小型のＧＭ冷凍機（ギフォード・
マクマホン冷凍機）が出現しており、この冷凍機のみで
ＮｂＴｉ合金超電導体を臨界温度以下に冷却する試みも
なされている。

【０００３】なお、１９８６年に臨界温度の高い酸化物
超電導体が発見されて以来、多くのいわゆる高温超電導
物質が発見されている。中でも、ＹＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ_y 、
Ｂｉ₂ Ｓｒ₂ ＣａＣｕ₃ Ｏ_y 、Ｂｉ₂ Ｓｒ₂ Ｃａ₂ Ｃｕ
₃ Ｏ_y 、ＴｌＢａ₂ Ｃａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ_y などは臨界温度が
７７Ｋを越えており、特に、Ｔｌ，Ｂａ，Ｃａ，Ｓｒ，
Ｃｕを含む複合酸化物や、Ｈｇ，Ｃｕなどを含む複合化
合物では臨界温度が１５０Ｋを越えるものも発見されて
いるので、液体窒素（沸点７７Ｋ）を冷媒として利用で
きる可能性もでてきた。

【０００４】ところで、超電導体を極低温に冷却する場
合、外部から極低温冷却場に侵入する熱を可能な限り少
なくすることが必要である。これを実現する一つの手段
として、室温雰囲気と極低温冷却場とを仕切る真空断熱
層の厚みを大きくして室温雰囲気から極低温冷却場を距
離的に十分に離すことが考えられる。しかし、このよう
にすると、装置全体が大型になるばかりか、輻射や電流
リードを介しての伝導による熱侵入を防ぐことができな
いので、冷媒の消費量が多くなり、ランニングコストが
高くなる。特に、冷媒として液体ヘリウムを用いる場合
には、ランニングコストが極めて高くなる。

【０００５】このようなことから、通常は室温雰囲気と
極低温冷却場とを仕切る真空断熱層内に熱シールドや熱
アンカーを設け、これら熱シールドや熱アンカーを極低
温冷却場の温度に近い温度に保持することにより、真空
断熱層の薄肉化と極低温冷却場への熱侵入抑制化とを図
る方式が採用されている。例えば、極低温冷却場の形成
に４．２Ｋの液体ヘリウムを用いる場合には、熱シール
ドや熱アンカーの温度を例えば液体窒素温度に保持し、
室温から７７Ｋまでの熱侵入を熱シールドや熱アンカー
で除去することによって極低温冷却場への熱侵入を低減
するようにしている。

【０００６】しかしながら、上記のように、例えば極低
温冷却場の冷媒として液体ヘリウムを用い、熱シールド
や熱アンカーを冷却する冷媒として液体窒素を用いるよ
うにした超電導装置にあっては、外部から極低温冷却場
へ侵入する熱量を十分に小さな値に抑えようとすると、
必然的に液体窒素の消費量が増加する。液体ヘリウムに
比べて液体窒素は安価であるが、消費量が増加すると、
ランニングコストの増加を招くことには変わりない。こ
のため、改善が望まれているのが実状である。

【０００７】また、小型のＧＭ冷凍機のみで臨界温度が
１０Ｋ以下の超電導体を冷却する場合には、通常、最低
到達温度が２０〜８０Ｋレベルの第１段冷却ステージと
最低到達温度が４Ｋレベルの第２段冷却ステージとを備
えたＧＭ冷凍機を用い、第１段冷却ステージで真空断熱
層内に設けられている熱シールドや熱アンカーを直接冷
却するとともに第２段冷却ステージで超電導体を直接冷
却する方式が採用されている。このように、ＧＭ冷凍機
のみを用いる場合には、複数種類の冷媒を扱うことによ
る煩雑さは解消される。

【０００８】しかしながら、上記のように冷却系統にＧ
Ｍ冷凍機のみを用いるようにした超電導装置にあって、
第１段冷却ステージの冷凍能力と第２段冷却ステージの
冷凍能力とは独立ではなく、例えば熱シールドや熱アン
カーを直接冷却する第１段冷却ステージに大きな冷凍能
力が要求されると、第２段冷却ステージの冷凍能力が低
下し、目標の到達温度が得られないことになる。この不
具合を解消するには、熱シールドや熱アンカーを対象と
する専用の小型冷凍機を設置する必要があり、装置の大
型化や高価格化を招くという問題があった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、従来の超
電導装置にあっては、極低温冷却場の温度を維持するた
めにランニングコストが増加したり、装置の大型化や高
価格化を招くという問題があった。

【００１０】そこで本発明は、上述した不具合を解消で
き、エネルギ利用率を向上させてランニングコストの軽
減、装置の小型化および低価格化に寄与できる超電導装
置および超電導装置を備えたガスコジェネレーションシ
ステムを提供することを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に係る超電導装置では、メタンを主成分と
する液化ガスを冷媒として用いる冷却系統を備えている
ことを特徴としている。

【００１２】なお、前記冷却系統は、輻射熱シールドも
しくは熱アンカーを冷却する系統であってもよい。ま
た、上記目的を達成するために、請求項３に係る発明
は、エネルギ源であるメタンを主成分とする液化ガスを
エネルギ変換系に導入して電気エネルギと熱エネルギと
を取り出すとともに、取り出した電気エネルギの送電路
に超電導装置を介在させてなるガスコジェネレーション
システムにおいて、前記液化ガスを前記超電導装置の冷
媒として用いた後に前記エネルギ変換系に導入する液化
ガス案内路を備えていることを特徴としている。

【００１３】メタンを主成分とする液化ガス、つまり液
化天然ガス（ＬＮＧ）は、メタンを主成分とする天然ガ
スをー１６２℃まで冷却して液化したものである。この
液化技術は天然ガスの効率的な大量輸送を実現するため
に考えられたものである。そして、実際に燃料として使
用するときには、液体状態からガス状態に戻す必要があ
るが、このガス状態に戻すときに今まで貯えていた冷熱
が放出される。

【００１４】本発明に係る超電導装置およびガスコジェ
ネレーションシステムでは、もともとあまり利用されて
いなかった上述した冷熱を冷却に積極的に利用してい
る。したがって、総合的にエネルギ利用率を向上させる
ことができ、ランニングコストの軽減、装置の小型化お
よび低価格化に寄与できることになる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら発明の
実施形態を説明する。図１には本発明の第１の実施形態
に係る超電導装置、ここには超電導機器を液体ヘリウム
中に浸漬して冷却する方式を採用した超電導装置の模式
図が示されている。

【００１６】同図において、１１は外槽を示している。
この外槽１１内には内槽１２が収容されている。この内
槽１２内には液体ヘリウム１３と、この液体ヘリウム１
３中に浸漬されて冷却される超電導機器１４とが収容さ
れている。

【００１７】外槽１１と内槽１２との間の空間は真空排
気されて真空断熱層１５に形成されている。真空断熱層
１５内には、内槽１２を三重に取り囲むように、外側か
ら第１熱シールド１６と、第２熱シールド１７と、第３
熱シールド１８とが配置されている。

【００１８】外槽１１の上壁には、冷却ステージ側を外
槽１１と第１熱シールド１６との間に位置させる関係に
ＧＭ冷凍機１９が取り付けられている。このＧＭ冷凍機
１９は、蓄冷材として磁性蓄冷材を用いた公知のもの
で、最低到達温度が８０Ｋレベルの第１段冷却ステージ
２０と、最低到達温度が４Ｋレベルの第２段冷却ステー
ジ２１とを備えている。

【００１９】第１段冷却ステージ２０には銅材等で形成
された熱伝導部材２２の一端側がフレキシブルな熱伝導
部材を介して熱的に接続されており、この熱伝導部材２
２の他端側は第１熱シールド１６を断熱的に貫通して第
２熱シールド１７に熱的に接続されている。第２段冷却
ステージ２１にも銅材等で形成された熱伝導部材２３の
一端側がフレキシブルな熱伝導部材を介して熱的に接続
されており、この熱伝導部材２３の他端側は第１熱シー
ルド１６、第２熱シールド１７及び第３熱シールド１８
をそれぞれ断熱的に貫通して内槽１２の側壁に熱的に接
続されている。

【００２０】一方、第１熱シールド１６の外面のほぼ全
域には良熱伝導材で形成された冷媒配管２４が熱的接続
状態に配置されており、この冷媒配管２４の両端は外槽
１１を気密に貫通している。そして、冷媒配管２４の一
方の端部２５は図示しない液化天然ガス供給源に接続さ
れ、他方の端部２６は図示しない天然ガス回収系に接続
される。

【００２１】なお、図１中２７，２８は電流リードであ
る。これら電流リード２７，２８の一端側は第１シール
ド１６、第２シールド１７、第３シールド１８及び内槽
１２をそれぞれ絶縁状態に貫通して超電導機器１４に接
続されている。また、他端側は外槽１１を絶縁状態に貫
通して外部に導かれている。なお、電流リード２７，２
８とこれらが貫通する第１熱シールド１６及び第２熱シ
ールド１７と間には、窒化アルミニウムのように良熱伝
導性の熱アンカーを兼ねた絶縁材２９が装着されてい
る。また、図１中３０は何らかの原因で内槽１２内の内
圧が上昇したときに、これを外部に逃がすための安全弁
付きパイプを示している。

【００２２】このような構成であると、冷媒配管２４に
メタンを主成分とする液化ガス、つまり液化天然ガスを
通流させると、第１熱シールド１６が１５０Ｋ程度に冷
却される。液化天然ガスの流量を増すことによって１２
０Ｋ程度まで冷却することは容易である。なお、冷媒配
管２４を通流した後の天然ガスは回収されて燃料として
用いられる。

【００２３】一方、ＧＭ冷凍機１９の第１段冷却ステー
ジ２０は、熱伝導部材２２を介して第２熱シールド１７
から熱を奪う。この場合、第２熱シールド１７に侵入す
る熱は第１熱シールド１６側からの輻射熱と電流リード
２７，２８を介しての伝導熱であるが、第１熱シールド
１６および電流リード２７，２８はすでに１５０Ｋ程度
に冷却されているので、第１熱シールド１６が存在して
いない場合に比べて第２熱シールド１７に侵入する熱量
は非常に少ない。このため、第１段冷却ステージ２０
は、冷凍能力を低下させることなく、第２熱シールド１
７を最低到達温度である８０Ｋに保持する。

【００２４】また、ＧＭ冷凍機１９の第２段冷却ステー
ジ２１は、熱伝導部材２３を介して内槽１２から熱を奪
う。この場合、先に説明したように、第１段冷却ステー
ジ２０の冷凍能力は低下していないので、第２段冷却ス
テージ２１も十分な冷凍能力を発揮し、内槽１２を液体
ヘリウム１３の臨界温度以下の温度、つまり最低到達温
度である４Ｋに保持する。

【００２５】このように、外槽１１の内部で、外槽１１
に近い位置に第１熱シールド１６を設けるとともに、こ
の熱シールドを液化天然ガスで冷却する冷媒配管２４を
設けているので、外部から侵入しようとする熱の大部分
を上記液化天然ガス冷却系統で除去することができる。
すなわち、液化天然ガスが有している冷熱を有効利用し
て外部から侵入する熱の大部分を除去するようにしてい
るので、ＧＭ冷凍機１９の負担を軽減でき、熱シールド
専用冷凍機の必要性をなくすことができる。この結果、
ランニングコストの軽減、装置の小型化及び低価格化を
図ることができる。

【００２６】図２には本発明の第２の実施形態に係る超
電導装置、ここには超電導機器を冷凍機で直接冷却する
方式を採用した超電導装置の模式図が示されている。な
お、この図では図１と同一機能部分が同一符号で示され
ている。したがって、重複する部分の詳しい説明は省略
する。

【００２７】この例に係る超電導装置では、冷媒として
の液体ヘリウムを用いていないので内槽は存在していな
い。超電導機器１４は、第３熱シールド１８内に配置さ
れている。そして、一端側がＧＭ冷凍機１９の第２段冷
却ステージ２１に熱的に接続された熱伝導部材２３の他
端側は、第１熱シールド１６、第２熱シールド１７及び
第３熱シールド１８をそれぞれ断熱的に貫通して超電導
機器１４に熱的に接続されている。

【００２８】この例においても、液化天然ガスが有して
いる冷熱を有効利用して外部から侵入する熱の大部分を
除去するようにしているので、ＧＭ冷凍機１９の負担を
軽減でき、熱シールド専用冷凍機の必要性をなくすこと
ができる。この結果、ランニングコストの軽減、装置の
小型化及び低価格化を図ることができる。

【００２９】図３には本発明の第３の実施形態に係る超
電導装置、ここにも超電導機器を冷凍機で直接冷却する
方式を採用した超電導装置の模式図が示されている。な
お、この図では図２と同一機能部分が同一符号で示され
ている。したがって、重複する部分の詳しい説明は省略
する。

【００３０】この例に係る超電導装置では、第１熱シー
ルド１６，第２熱シールド１７，第３熱シールド１８の
壁で電流リード２７，２８が貫通する部分にそれぞれ熱
容量の大きい熱アンカー３１を設けたものとなってい
る。これら熱アンカー３１は、窒化アルミニウムのよう
に良熱伝導性の絶縁材で形成されている。

【００３１】このような構成であると、前述した各例と
同様の効果が期待できることは勿論のこと、電流リード
２７，２８で発生した熱及び電流リード２７，２８を介
して超電導機器１４に侵入しようとする熱を各熱アンカ
ー３１で除去することができる。

【００３２】図４には本発明の第４の実施形態に係るシ
ステム、ここには超電導装置を備えたガスコジェネレー
ションシステムのブロック構成図が示されている。この
ガスコジェネレーションシステムでは、液化天然ガスを
燃料としてガスタービン４１を駆動し、このガスタービ
ン４１で超電導発電機４２を駆動する。そして、超電導
発電機４２で発生した電力を超電導変圧器４３を介して
送電し、またガスタービン４１の排ガスを排熱回収装置
４４に導いて残存熱エネルギを回収するようにしてい
る。

【００３３】ここで、超電導発電機４２及び超電導変圧
器４３には、構成している超電導体を臨界温度以下に冷
却するための冷凍機４５，４６あるいは冷却系が設けら
れているが、特にこの例では外部から極低温冷却場に侵
入する熱を除去するための熱シールドに冷媒配管４７，
４８をそれぞれ密接させて設けている。そして、これら
冷媒配管４７，４８に液化天然ガス供給源４８から液化
天然ガスを通流させて熱シールドをそれぞれ冷却し、冷
媒配管４７，４８内を通流した後の天然ガスを案内路５
０を介してガスタービン４１の燃料として供給するよう
にしている。

【００３４】このような構成であると、先の各例と同様
に、液化天然ガスが有している冷熱を有効利用して外部
から超電導装置に侵入する熱の大部分を除去することが
できるので、冷凍機や専用冷却系の負担を軽減できる。
したがて、ランニングコストの軽減、装置の小型化及び
低価格化を図ることができる。

【００３５】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、エネル
ギ利用率を向上させることができるので、ランニングコ
ストの軽減、装置の小型化および低価格化に寄与でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る超電導装置の模
式図

【図２】本発明の第２の実施形態に係る超電導装置の模
式図

【図３】本発明の第３の実施形態に係る超電導装置の模
式図

【図４】本発明の第４の実施形態に係るガスコジェネレ
ーションシステムのブロック構成図

【符号の説明】 １１…外槽 １２…内槽 １３…液体ヘリウム １４…超電導機器 １５…真空断熱層 １６…第１熱シールド １７…第２熱シールド １８…第３熱シールド １９…ＧＭ冷凍機 ２０…第１段冷却ステージ ２１…第２段冷却ステージ ２２，２３…熱伝導部材 ２４…冷媒配管 ２７，２８…電流リード ２９…絶縁材 ３１…熱アンカー ４１…ガスタービン ４２…超電導発電機 ４３…超電導変圧器 ４４…排熱回収装置 ４５，４６…冷凍機 ４７，４８…冷媒配管 ４９…液化天然ガス供給源 ５０…案内路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ▲鶴▼永 和行 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東芝 府中工場内 (72)発明者 松崎 順 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東芝 府中工場内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】メタンを主成分とする液化ガスを冷媒とし
   て用いる冷却系統を備えていることを特徴とする超電導
   装置。
2. 【請求項２】前記冷却系統は、輻射熱シールドもしくは
   熱アンカーを冷却する系統であることを特徴とする請求
   項１に記載の超電導装置。
3. 【請求項３】エネルギ源であるメタンを主成分とする液
   化ガスをエネルギ変換系に導入して電気エネルギと熱エ
   ネルギとを取り出すとともに、取り出した電気エネルギ
   の送電路に超電導装置を介在させてなるガスコジェネレ
   ーションシステムにおいて、前記液化ガスを前記超電導
   装置の冷媒として用いた後に前記エネルギ変換系に導入
   する液化ガス案内路を備えていることを特徴とするガス
   コジェネレーションシステム。