專利名稱：超導(dǎo)電力設(shè)備用冷卻系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及由液態(tài)氮等液化氮冷卻而能夠以超導(dǎo)狀態(tài)工業(yè)利用的、將超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)總線路、SMES、超導(dǎo)變壓器等冷卻的冷卻系統(tǒng)，尤其涉及用于冷卻在高電壓狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備的超導(dǎo)電力設(shè)備。
背景技術(shù)：
作為超導(dǎo)電力設(shè)備的一種，以將液態(tài)氮等氮化氣使用于冷卻的超導(dǎo)電纜為例子，參照?qǐng)D6對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行說明。作為超導(dǎo)電纜的冷卻系統(tǒng)，已知有特開平08-148044號(hào)公報(bào)中記載的結(jié)構(gòu)。如圖6所示，現(xiàn)有的冷卻系統(tǒng)是反復(fù)下述循環(huán)周期的系統(tǒng)從貯存罐101通過泵105對(duì)過冷狀態(tài)(液化氣被冷卻到低于液化氣飽和溫度的狀態(tài))的液化氣進(jìn)行加壓，由冷凍機(jī)108的熱交換器107冷卻后供給到電纜111，然后再次返回到貯存罐101。
冷卻超導(dǎo)電纜的情況下，如果循環(huán)的液化氣成為氣液混合狀態(tài)，則壓力損失增大，無法使必要量的液化氣穩(wěn)定地循環(huán)，因此需要準(zhǔn)備大容量的大型的循環(huán)泵。此外，由于超導(dǎo)電纜采用使液化氣浸滲到絕緣體中、由此維持高的電絕緣性能的極低溫電絕緣方式，所以若液化氣中混入空氣或氣泡，則產(chǎn)生顯著降低電絕緣性能的問題。
因此，在現(xiàn)有的冷卻系統(tǒng)中，為了始終將液化氣維持為過冷狀態(tài)，在不氣化的狀態(tài)下進(jìn)行循環(huán)，例如，作為液化氣使用液態(tài)氮時(shí)，由儲(chǔ)氣瓶123等供給相比于液化氣三相點(diǎn)足夠低的氣體氫氣(H2)或氦氣(He)，使貯存罐101內(nèi)達(dá)到加壓狀態(tài)，提高液化氣的沸點(diǎn)，使得液化氣在循環(huán)中不至于沸騰(即，不會(huì)達(dá)到氣液混合狀態(tài))。
專利文獻(xiàn)1特開平08-148044號(hào)公報(bào)如現(xiàn)有技術(shù)可知在貯存罐內(nèi)，由相比于液化氣三相點(diǎn)足夠低的氣體氦氣(He)對(duì)例如作為液化氣的液態(tài)氮進(jìn)行加壓時(shí)，產(chǎn)生He氣微量地溶入液態(tài)氮中的現(xiàn)象。即，氦氣(He)作為惰性氣體是周知的，一直被認(rèn)為不會(huì)溶入于液態(tài)氮中，但現(xiàn)實(shí)情況是明確了He氣微量地溶入液態(tài)氮中。
盡管液態(tài)氮中的溶入量是非常少的量，但如果使溶入有He氣的液化氣循環(huán)，則例如在配管寬大的且液化氣的流速慢的部分，或例如從貯存罐由閥等節(jié)流等后液化氣的壓力急劇地降低的部分，溶入的He氣無法繼續(xù)維持溶入在液化氣中的狀態(tài)而成為氣泡，混入到液態(tài)氮中成為氣液混合狀態(tài)。
另外，可知超導(dǎo)電纜或超導(dǎo)電力設(shè)備根據(jù)其設(shè)置布局的狀態(tài)，存在高于冷卻系統(tǒng)的部分的情況下，在該部分，產(chǎn)生的氣體存留于設(shè)備內(nèi)的上部，最終充滿液態(tài)氮的冷卻配管中，無法繼續(xù)液態(tài)氮的循環(huán)。
通過發(fā)明者的實(shí)驗(yàn)明確了上述的現(xiàn)象是經(jīng)過數(shù)個(gè)月的非常長的時(shí)間而引發(fā)的現(xiàn)象。若液態(tài)氮中含有He氣，進(jìn)而配管中達(dá)到氣液混合狀態(tài)或冷卻配管中充滿氣相，則液態(tài)氮的循環(huán)無法順利地進(jìn)行。此外，由于He氣相比于其他液化氣耐電壓特性非常小，所以盡管原本液態(tài)氮具有高絕緣特性，但含有的He氣成為導(dǎo)致絕緣特性降低，引起超導(dǎo)電力設(shè)備的絕緣不良或絕緣破壞的原因。
作為該對(duì)策，考慮了由與液化氣同一種類的氣體對(duì)貯存罐進(jìn)行加壓，但由于貯存在貯存罐中的液態(tài)氮是沸點(diǎn)以下溫度的液態(tài)氮，所以如果加壓中使用的氮?dú)庠谫A存罐內(nèi)與沸點(diǎn)以下的液態(tài)氮接觸，則加壓中使用的氮?dú)獗焕鋮s而液化。因此，存在下述問題加壓的壓力減少，如果不始終由儲(chǔ)氣瓶繼續(xù)供給氮?dú)鈩t不能將壓力保持為一定，其結(jié)果，產(chǎn)生了下述問題消耗大量的氮?dú)?，此時(shí)將大量的液化熱帶入到冷卻系統(tǒng)中引起熱負(fù)荷增大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種超導(dǎo)電力設(shè)備的冷卻系統(tǒng)，其中，沸點(diǎn)低于加壓所使用的液化氣的氣體溶入于液化氣中，不會(huì)引發(fā)針對(duì)液化氣的循環(huán)的不穩(wěn)定性因素、或電設(shè)備的絕緣的故障，能夠在過冷狀態(tài)下使液化氣長時(shí)間順暢地進(jìn)行循環(huán)。
本發(fā)明者為了解決上述的現(xiàn)有技術(shù)的問題而進(jìn)行了銳意研究。其結(jié)果，不是以往作為加壓氣體使用的氦(He)氣，而用與液化氣同種類氣體對(duì)貯存罐進(jìn)行加壓，能夠排除液態(tài)氮中溶入微量的He氣的情況。由此，明確了能夠解決如下問題在液化氣的壓力急劇地降低的部分，He氣成為氣泡，混入到液態(tài)氮中成為氣液混合狀態(tài)，從而無法順暢地進(jìn)行液態(tài)氮的循環(huán)且導(dǎo)致絕緣特性劣化。同樣，明確了還能夠解決如下問題若因超導(dǎo)電力設(shè)備的配置高低差超過規(guī)定值，則產(chǎn)生的氣泡滯留于設(shè)備的上部，進(jìn)而充滿于冷卻回路中，導(dǎo)致液體氮無法繼續(xù)循環(huán)的問題。
此外，以加壓狀態(tài)貯存液化氣的貯存罐的液面位于只高出循環(huán)的液化氣的返回線路的出口，至少加壓氣體的溶入深度+液面移動(dòng)補(bǔ)正量的上部的位置，由此明確了能夠解決如下問題加壓所使用的氮?dú)獗灰夯?，加壓的壓力減少，如果不始終由儲(chǔ)氣瓶繼續(xù)供給氮?dú)?，則無法將壓力保持為一定的問題。因此，能夠解決如下問題消耗大量的氮?dú)猓藭r(shí)將大量的液化熱帶入到冷卻系統(tǒng)中引起熱負(fù)荷增大的問題。
本發(fā)明基于上述研究結(jié)果而實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明的超導(dǎo)電力設(shè)備用冷卻系統(tǒng)的第一方式是具備貯存液態(tài)氣體的貯存罐、循環(huán)泵、冷卻液態(tài)氣體的熱交換器、及液化氣進(jìn)行循環(huán)的循環(huán)回路，使用循環(huán)泵在過冷狀態(tài)下使所述液化氣循環(huán)，由此冷卻超導(dǎo)電力設(shè)備的超導(dǎo)電力設(shè)備的冷卻系統(tǒng)，其特征在于，還具備加壓機(jī)構(gòu)，其用與所述液化氣同種類的氣體對(duì)貯存罐進(jìn)行加壓，以加壓狀態(tài)貯存所述液化氣的貯存罐的液面位于只高出循環(huán)的液化氣的返回線路的出口，至少加壓氣體的溶入深度+液面移動(dòng)補(bǔ)正量的上部的位置。
本發(fā)明的超導(dǎo)電力設(shè)備用冷卻系統(tǒng)的第二方式的特征在于，由與液化氣同種類的氣體對(duì)貯存罐進(jìn)行加壓的所述加壓機(jī)構(gòu)如下所述地構(gòu)成由以高壓存儲(chǔ)有與所述液化氣同種類的氣體的儲(chǔ)氣瓶，經(jīng)由壓力調(diào)節(jié)閥以規(guī)定壓力進(jìn)行加壓。
本發(fā)明的超導(dǎo)電力設(shè)備用冷卻系統(tǒng)的第三方式的特征在于，用與液化氣同種類的氣體對(duì)貯存罐進(jìn)行加壓的所述加壓機(jī)構(gòu)如下所述地構(gòu)成通過從將過冷狀態(tài)的液化氣從貯存罐送出的循環(huán)泵的出口，送往所述超導(dǎo)電力設(shè)備的液化氣的一部分分支并返回到貯存罐的配管，利用循環(huán)泵的排出壓力對(duì)貯存罐進(jìn)行加壓。
本發(fā)明的超導(dǎo)電力設(shè)備用冷卻系統(tǒng)的第四方式的特征在于，用與液化氣同種類的氣體對(duì)貯存罐進(jìn)行加壓的所述加壓機(jī)構(gòu)由使液化氣氣化的氣化器和壓力調(diào)節(jié)用的壓力調(diào)節(jié)閥構(gòu)成，所述氣化器和壓力調(diào)節(jié)閥設(shè)在從將過冷狀態(tài)的液化氣從貯存罐送出的所述循環(huán)泵的出口，送往超導(dǎo)電力設(shè)備的液化氣的一部分分支并返回到貯存罐的配管。
本發(fā)明的超導(dǎo)電力設(shè)備用冷卻系統(tǒng)的第五方式的特征在于，還具備所述加壓機(jī)構(gòu)的輔助機(jī)構(gòu)，所述輔助機(jī)構(gòu)如下所述地構(gòu)成通過由儲(chǔ)氣瓶供給與液化氣同種類的氣體而進(jìn)行加壓。
本發(fā)明的超導(dǎo)電力設(shè)備用冷卻系統(tǒng)的第六方式的特征在于，還具備所述加壓機(jī)構(gòu)的輔助機(jī)構(gòu)，所述輔助機(jī)構(gòu)如下所述地構(gòu)成在貯存罐的氣相部分配置加溫裝置，使貯存罐氣相部的氣體過熱體積膨脹。
根據(jù)本發(fā)明，能夠提供如下超導(dǎo)電力設(shè)備的冷卻系統(tǒng)由于用與液化氣同種類的氣體對(duì)貯存罐進(jìn)行加壓，所以液態(tài)氮中不會(huì)混入氣泡，使液態(tài)氮順暢地循環(huán)且絕緣特性優(yōu)越。此外，根據(jù)本發(fā)明能夠提供如下超導(dǎo)電力設(shè)備的冷卻系統(tǒng)由于以加壓狀態(tài)貯存液化氣的貯存罐的液面位于只高出循環(huán)的液化氣的返回線路的出口，至少加壓氣體的溶入深度+液面移動(dòng)補(bǔ)正量的上部的位置，所以貯存罐的加壓所使用的氮?dú)獠粫?huì)被液化，加壓的壓力不會(huì)減少。


圖1是說明本發(fā)明的由循環(huán)泵出口壓力加壓貯存罐的方法的圖；圖2是用于說明本發(fā)明的實(shí)施例1的冷卻系統(tǒng)構(gòu)成圖；圖3是用于說明本發(fā)明的實(shí)施例2的貯存罐附近的構(gòu)成圖；圖4是用于說明本發(fā)明的實(shí)施例3的貯存罐附近的構(gòu)成圖；圖5是表示加壓氣體溶入深度[m]與壓力減少率[％]的關(guān)系的圖；圖6是說明現(xiàn)有的超導(dǎo)電纜的冷卻系統(tǒng)的圖。
圖中，1-貯存罐；1b-貯存罐內(nèi)側(cè)容器；2-貯存罐內(nèi)液態(tài)氮液面；3-取液口；4、6、9-排出側(cè)液態(tài)氮循環(huán)配管；5-循環(huán)泵；5a-循環(huán)泵馬達(dá)；5b-循環(huán)泵長軸；5c-散熱片；5e-真空容器；7-冷凍機(jī)熱交換器；8-冷凍機(jī)；10-超導(dǎo)電力設(shè)備的入口；11-超導(dǎo)電纜；12-超導(dǎo)電纜的出口；13-返回側(cè)液態(tài)氮循環(huán)配管；14-貯存罐內(nèi)的氮返回配管；15-氮返回配管出口；16、18、20-加壓用分支配管；17-氣化器；19-閥；21-加壓用外部配管；22-高壓的氮儲(chǔ)氣瓶；23-貯存罐內(nèi)部的加熱棒。
具體實(shí)施例方式
參照附圖對(duì)本發(fā)明的超導(dǎo)電力設(shè)備用冷卻系統(tǒng)詳細(xì)地進(jìn)行說明。
本發(fā)明的超導(dǎo)電力設(shè)備用冷卻系統(tǒng)是具備貯存液態(tài)氣體的貯存罐、循環(huán)泵、冷卻液態(tài)氣體的熱交換器、及液化氣進(jìn)行循環(huán)的循環(huán)回路，使用循環(huán)泵在過冷狀態(tài)下使液化氣循環(huán)由此冷卻超導(dǎo)電力設(shè)備的超導(dǎo)電力設(shè)備的冷卻系統(tǒng)，其特征在于，還具備用與液化氣同種類的氣體對(duì)貯存罐加壓的加壓機(jī)構(gòu)，以加壓狀態(tài)貯存液化氣的貯存罐的液面位于只高出循環(huán)的液化氣的返回線路的出口，至少加壓氣體的溶入深度+液面移動(dòng)補(bǔ)正量的上部的位置。
對(duì)于以加壓狀態(tài)貯存液化氣的貯存罐的液面需要位于只高出循環(huán)的液化氣的返回線路的出口，至少加壓氣體的溶入深度+液面移動(dòng)補(bǔ)正量的上部的位置的情況，以下進(jìn)行說明。
通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了加壓氣體的溶入深度與壓力減少率之間的關(guān)系。圖5是表示加壓氣體溶入深度[m]與壓力減少率[％]的關(guān)系的圖。
圖5中，分別由橫軸和縱軸表示加壓氣體由貯存罐的液面溶入的深度(即，加壓溶入深度)和基于液化的貯存罐內(nèi)的壓力每一小時(shí)的減少率。作為實(shí)驗(yàn)條件，貯存罐的內(nèi)容積使用直徑1m、高度1m的容器，壓力設(shè)為0.3MPa。其結(jié)果，如從圖5可明確，溶入深度在達(dá)到10cm之前，壓力的減少率顯著大，溶入深度大概在達(dá)到20cm之前，加壓中使用的氣相的氮?dú)饽s為液體，加壓的壓力的減少依然很快。另一方面可知如果將溶入深度保持在20cm以上，則能夠?qū)毫Φ臏p少量維持為1％以下的小值。實(shí)際上，除了加壓氣體的溶入深度之外，因液態(tài)氮的溫度、壓力等的影響液面產(chǎn)生變化，所以需要考慮液面移動(dòng)補(bǔ)正量。
因此，以加壓狀態(tài)貯存液化氣的貯存罐的液面需要位于只高出循環(huán)的液化氣的返回線路的出口，至少加壓氣體的溶入深度+液面移動(dòng)補(bǔ)正量的上部的位置。具體為，作為加壓氣體的溶入深度(20cm)+液面移動(dòng)補(bǔ)正量(30cm)適宜為50cm以上。上述的情況對(duì)貯存罐的容器形狀的依賴性很小，即使尺寸改變，必要深度也大概如此。因此，在本申請(qǐng)的系統(tǒng)中，作為貯存罐的容器高度，需要能夠確保必要深度(優(yōu)選50cm以上)的高度。
如上所述，本發(fā)明提供在由液化氣冷卻超導(dǎo)電力設(shè)備的系統(tǒng)中，沸點(diǎn)低于加壓所使用的液化氣的氣體溶入于液化氣中，不會(huì)引發(fā)針對(duì)液化氣的循環(huán)的不穩(wěn)定性因素、或電設(shè)備的絕緣的故障，能夠在過冷狀態(tài)下使液化氣進(jìn)行長時(shí)間循環(huán)的冷卻系統(tǒng)。
在上述的狀態(tài)下加壓的加壓機(jī)構(gòu)由與貯存罐內(nèi)貯存的液化氣同種類的氣體將貯存罐加壓到規(guī)定的壓力而構(gòu)成。為了防止加壓的氣體被液化氣冷卻而液化，相對(duì)于處于貯存罐內(nèi)的循環(huán)泵的返回配管的出口，貯存罐的液面位于至少高出20cm以上的位置，優(yōu)選高出50cm以上的位置。
此外，作為加壓的機(jī)構(gòu)，代替由高壓儲(chǔ)氣瓶加壓的機(jī)構(gòu)，具有通過使高于貯存罐的壓力的循環(huán)泵出口壓力返回到貯存罐而進(jìn)行加壓的機(jī)構(gòu)。作為使用循環(huán)泵出口的壓力的具體的機(jī)構(gòu)，具有如下所述的機(jī)構(gòu)將從貯存罐汲出并加壓液體、然后送出液體到超導(dǎo)電力設(shè)備的循環(huán)泵的出口配管分支，并從貯存罐的壓力分出液化氣的一部分，使用氣化器使分支的液化氣氣化，進(jìn)而，經(jīng)由根據(jù)用于將貯存罐的壓力維持為規(guī)定的壓力的壓力進(jìn)行開閉動(dòng)作的壓力調(diào)節(jié)閥，返回到貯存罐。
為了對(duì)本發(fā)明的作用進(jìn)行說明，對(duì)作為液化氣使用液態(tài)氮的情況進(jìn)行說明。液態(tài)氮在大氣壓(1.013MPa)下的沸點(diǎn)為77K。若將該液態(tài)氮加壓到0.3MPa，則液體氮的沸點(diǎn)達(dá)到90K以上。因此，若將77K的液態(tài)氮加壓到0.3MPa，則液態(tài)氮成為沒有氣泡產(chǎn)生的過冷狀態(tài)。循環(huán)泵的取液部處于貯存罐的底部，由配管與循環(huán)泵連結(jié)。
另一方面，循環(huán)返回的配管與貯存罐連接，但該配管出口的位置處于低于液面的位置。由循環(huán)泵送出的液化氣冷卻超導(dǎo)電力設(shè)備之后返回到貯存罐。此時(shí)，由于配管出口處于低于液面的位置，所以返回的液化氣不與貯存罐的加壓氣相接觸，而是移動(dòng)到循環(huán)泵的液態(tài)氮取液口，再次進(jìn)行循環(huán)。
在本發(fā)明中，由于使液面的位置高出配管出口或循環(huán)泵的取液口規(guī)定高度(20cm)以上(即，設(shè)有規(guī)定的液化氣層)，所以對(duì)于分別位于配管口的過冷的冷液態(tài)氮，使其上面的液態(tài)氮的溫度朝向液面順次增高，液面部的液態(tài)氮溫度變?yōu)榕c0.3MPa的液化氣的沸點(diǎn)溫度大致相同。因此，過去，由同種類的氣體加壓貯存罐內(nèi)時(shí)，產(chǎn)生了氣體液化，來不及供給氣體造成壓力降低的問題，但通過這次的設(shè)置液化氣層，明確了大部分氣體不會(huì)被液化。
在本發(fā)明中，作為加壓的方法，對(duì)由儲(chǔ)氣瓶加壓的方法以外的方法也重新進(jìn)行了考察。參照?qǐng)D1對(duì)本發(fā)明中的由自身的壓力進(jìn)行加壓的方法進(jìn)行說明。最初，從處于大氣壓狀態(tài)(a點(diǎn))的貯水池內(nèi)部汲出液態(tài)氮，然后由循環(huán)泵送出液體。在循環(huán)泵的出口，液態(tài)氮以50L/min流動(dòng)，對(duì)于入口，液態(tài)氮被0.2MPa加壓(b點(diǎn))。由中途的氣化器將利用出口部的壓力時(shí)從出口配管分支而被加壓的液態(tài)氮?dú)饣癁闅怏w，并返回到貯存罐，由此使貯存罐的壓力上升。(箭頭c)。
對(duì)應(yīng)于此，循環(huán)泵的出口壓力也上升(箭頭d)，從而能夠始終對(duì)貯存罐加壓。若貯存罐的壓力超過上限設(shè)定壓力(P2)(e點(diǎn))，則安裝在配管上的閥關(guān)閉，停止向貯存罐供給氣體。之后，在貯水池內(nèi)部，氣相的氮?dú)獗坏獨(dú)獾娜帱c(diǎn)以下的液態(tài)氮制冷，從而氣相的氮?dú)庖夯蔀橐簯B(tài)氮。貯存罐的壓力減小(箭頭f)相當(dāng)于液化而氣體體積減少的部分的量。若達(dá)到下限設(shè)定壓力(P1)(g點(diǎn))，則閥打開，再次由循環(huán)泵出口的壓力向貯存罐內(nèi)部供給氮?dú)?，加壓貯存罐的壓力。
由于低溫的氮?dú)庠谂涔苤辛鲃?dòng)，所以有可能使配管或閥結(jié)冰，作為氣化器的功能，為了防止該情況將液態(tài)氮氮化并升溫到室溫。作為氣化器，具有如下方法將加熱棒卷繞到配管上，或使配管穿過水等中，還有在配管上安裝散熱片通過與外氣的熱交換進(jìn)行升溫的方法。另外，作為閥的功能具有如下作用若只是由從泵分支的配管繼續(xù)送出氣體，則貯存罐的壓力繼續(xù)上升，有可能達(dá)到貯存罐的設(shè)計(jì)壓力以上，所以如果貯存罐的壓力達(dá)到規(guī)定的壓力以上，則會(huì)成為關(guān)閉狀態(tài)停止氣體的加壓，如果達(dá)到規(guī)定的壓力以下，則會(huì)成為打開狀態(tài)，加壓并自動(dòng)地保持一定的壓力。
再有，貯存罐的容量大的情況下，由于加壓到規(guī)定的壓力需要大量的氮?dú)?，所以需要另外?zhǔn)備氮儲(chǔ)氣瓶，從而也能夠?qū)①A存罐的壓力加壓到規(guī)定的壓力。另外，還可并用在貯存罐的內(nèi)部的氣相部分配置加熱棒等加熱裝置，使貯存罐內(nèi)的氣體加壓膨脹而進(jìn)行加壓的方法。
以下，通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明更加詳細(xì)地說明。
實(shí)施例實(shí)施例1圖2是說明本發(fā)明的超導(dǎo)電力設(shè)備的冷卻系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的圖。作為液化氣使用了液態(tài)氮。液態(tài)氮貯存在貯存罐1中。貯存罐1形成為雙層容器構(gòu)造，在雙層容器之間，圍繞內(nèi)側(cè)容器1b地施工有絕熱材，進(jìn)而為了降低熱傳導(dǎo)維持為真空狀態(tài)。此外，貯存罐是密封容器，用于對(duì)內(nèi)部加壓。
在貯存罐的底部具有連接到循環(huán)泵的取液口3，從此處開始由直徑3cm的口徑的配管4連接到循環(huán)泵5的入口。循環(huán)泵5是渦流式的旋轉(zhuǎn)式泵。用于使散熱片5c旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)5a與散熱片之間，為了抑制因傳導(dǎo)流入熱，由大約50cm的長軸的軸5b連接。
另外，散熱片本身配置在真空容器內(nèi)部5e，抑制來自外界的熱傳導(dǎo)。本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)式泵是50Hz的轉(zhuǎn)速，作為液態(tài)氮流量，能夠流過30L/min的流量，另外，作為入口與出口的壓力差，能夠獲得0.2MPa的排出壓。由直徑3cm的配管6從泵出口連接到其前面的冷凍機(jī)的熱交換器7。
冷凍機(jī)8由GM冷凍機(jī)或斯特林冷凍機(jī)等構(gòu)成，熱交換器與制造寒冷的低溫頭連接，將循環(huán)的液態(tài)氮冷卻到低溫。在本發(fā)明中，使用了具有1kW的冷凍能力的斯特林冷凍機(jī)，通過使30L/min的液態(tài)氮通過由冷凍機(jī)冷卻的熱交換器，能夠在入口將77k的物質(zhì)冷卻到74k。
由冷凍機(jī)冷卻的液態(tài)氮通過直徑3cm的配管9與超導(dǎo)電力設(shè)備的入口10不透水地連接。在本實(shí)施例的用于冷卻超導(dǎo)電纜11的冷卻系統(tǒng)中，通過在超導(dǎo)電纜內(nèi)流通由冷凍機(jī)制冷的液態(tài)氮，由此冷卻超導(dǎo)電纜。冷卻了超導(dǎo)電纜的液態(tài)氮溫度上升，但由于上升的溫度在沸點(diǎn)以下，所以維持了液態(tài)氮中沒有產(chǎn)生氣泡的過冷狀態(tài)。因此，即使是500m的超導(dǎo)電纜，壓力損失也在0.1MPa以下，從而足夠小，能夠穩(wěn)定地流過液態(tài)氮。
另外，由于沒有產(chǎn)生氣泡的液態(tài)氮滲入到了超導(dǎo)電纜的電絕緣層，所以能夠保持良好的電絕緣。離開超導(dǎo)電纜的出口12的液態(tài)氮通過配管13返回到貯存罐1中，由此形成循環(huán)回路。貯存罐1、循環(huán)泵2、冷凍機(jī)的熱交換器3、超導(dǎo)電纜4、及連結(jié)這些設(shè)備的氮配管，全部為了降低來自外界的傳導(dǎo)熱，形成為使用了真空絕熱的雙層容器構(gòu)造。
返回到貯存罐的配管13，即從貯存罐的上部達(dá)到底部的配管14，在貯存罐的底部使液體從出口15返回到貯存罐。
另外，與循環(huán)泵連結(jié)的取液口3也位于貯存罐的底部。在循環(huán)中，貯存罐的液態(tài)氮以液面2處于高出出口15的位置至少20cm以上的位置的方式存留有氮。
本發(fā)明的通過循環(huán)泵的出口壓力加壓貯存罐的方法，從泵出口的配管6分支直徑6mm的不銹鋼制的配管16而分出。經(jīng)過配管16的內(nèi)部的液態(tài)氮離開循環(huán)泵的真空容器之后，經(jīng)過氣化器17，全部從液態(tài)氮變?yōu)槌氐牡獨(dú)狻?br> 作為氣化器，本實(shí)施例中，在溫水容器的內(nèi)部銅制的6mm配管使用了卷曲為6m線圈形狀的結(jié)構(gòu)，被浸入到溫水中使內(nèi)部的液態(tài)氮處于升溫。作為氣化器，在本實(shí)施例以外，還可使用例如在線圈的外側(cè)卷繞加熱棒，基于通電加熱棒發(fā)熱進(jìn)行升溫的方法，或在配管上安裝散熱片，通過與大氣的熱交換進(jìn)行加溫的方法等，只要是能夠?qū)?nèi)部的液體轉(zhuǎn)化為室溫的氣體的方法均可。離開氣化器17的配管18上安裝有具有壓力控制功能的閥19，其使出口壓力達(dá)到規(guī)定的壓力以下的氣體流過，阻止達(dá)到規(guī)定的壓力以上的氣體。離開閥19的配管20安裝在貯存罐的上部，能夠加壓貯存罐。
再有，通過了氣化器17之后的配管18、20因在室溫下所以不必特別設(shè)為絕熱構(gòu)造，但從循環(huán)泵出口到氣化器的配管16由聚氨酯泡沫塑料等絕熱材包圍的方面，對(duì)于配管16上不產(chǎn)生霜及美觀上較為適宜。再有，閥19如果使用低溫下動(dòng)作的閥，則還可調(diào)換閥19與氣化器17的位置，但低溫用的閥價(jià)格高于常溫用，經(jīng)濟(jì)上并非適當(dāng)?shù)呐渲?。再有，作為本?shí)施例，從泵出口的配管6分出了壓力分出的配管16，但也可從冷凍機(jī)的熱交換器的出口的配管9，從超導(dǎo)設(shè)備的入口部10分出，只要是高于貯存罐的壓力的部分，無論從何處分出均能夠達(dá)到本發(fā)明的目的，在這個(gè)意義上對(duì)于泵出口并非僅僅表示泵的出口附近，而是比泵的出口更靠下游的所有的總稱。
實(shí)施例2在實(shí)施例1中，對(duì)循環(huán)泵處于貯存罐的外面的情況進(jìn)行了說明，但在循環(huán)泵處于貯存罐的內(nèi)部的情況下，也能夠?qū)嵤┍景l(fā)明。圖3是表示本發(fā)明的超導(dǎo)電力設(shè)備的冷卻系統(tǒng)的另一個(gè)方式的局部圖。即，圖3是表示為了說明本實(shí)施例抽出冷卻系統(tǒng)中的貯存罐部的圖。循環(huán)泵5中送出液體的散熱片部5c處于貯存罐的液體中，由長軸5b傳遞馬達(dá)5a的旋轉(zhuǎn)。液態(tài)氮從貯存罐中汲出，經(jīng)過配管6離開貯存罐，連接到冷卻液態(tài)氮的冷凍機(jī)。
加壓用的配管在該情況下，安裝到離開貯存罐的配管6的部分，之后與實(shí)施例1同樣地經(jīng)過氣化器17、閥19返回到貯存罐。
實(shí)施例3在實(shí)施例1中，作為貯存罐的加壓機(jī)構(gòu)，只是基于來自泵出口的氣體的機(jī)構(gòu)。該情況下，在配管細(xì)到6mm的基礎(chǔ)上，壓力也只有排出壓力部分，所以氣體供給也減少，達(dá)到規(guī)定的壓力需要非常長的時(shí)間。特別是如果貯存罐大型化，則需要數(shù)十小時(shí)。因此，如圖4所示，作為輔助機(jī)構(gòu)，在貯存罐上安裝外部配管21，由高壓的氮儲(chǔ)氣瓶22或氮?dú)饽龎K(curdle)供給氣體。另外，若貯存罐內(nèi)部的氣相部分制冷到低溫，則導(dǎo)致促進(jìn)液化，所以也可在氣相部分配置加熱棒23由此抑制液化。
根據(jù)本發(fā)明，可提供沸點(diǎn)低于加壓所使用的液化氣的氣體溶入于液化氣中，不會(huì)引發(fā)針對(duì)液化氣的循環(huán)的不穩(wěn)定性因素、或電設(shè)備的絕緣的故障，能夠在過冷狀態(tài)下使液化氣進(jìn)行長時(shí)間循環(huán)的超導(dǎo)電力設(shè)備的冷卻系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種超導(dǎo)電力設(shè)備的冷卻系統(tǒng)，具備貯存液化氣的貯存罐、循環(huán)泵、冷卻液化氣的熱交換器、及液化氣進(jìn)行循環(huán)的循環(huán)回路，使用循環(huán)泵在過冷狀態(tài)下使所述液化氣循環(huán)，由此冷卻超導(dǎo)電力設(shè)備，該超導(dǎo)電力設(shè)備的冷卻系統(tǒng)的特征在于，還具備加壓機(jī)構(gòu)，該加壓機(jī)構(gòu)用與所述液化氣同種類的氣體對(duì)貯存罐進(jìn)行加壓，以加壓狀態(tài)貯存所述液化氣的貯存罐的液面位于只高出循環(huán)的液化氣的返回線路的出口，至少加壓氣體的溶入深度+(加)液面移動(dòng)補(bǔ)正量的上部的位置。
2.根據(jù)權(quán)利要去1所述的超導(dǎo)電力設(shè)備的冷卻系統(tǒng)，其特征在于，用與液化氣同種類的氣體對(duì)貯存罐進(jìn)行加壓的所述加壓機(jī)構(gòu)如下所述地構(gòu)成由以高壓存儲(chǔ)有與所述液化氣同種類的氣體的儲(chǔ)氣瓶，經(jīng)由壓力調(diào)節(jié)閥以規(guī)定壓力進(jìn)行加壓。
3.根據(jù)權(quán)利要去1所述的超導(dǎo)電力設(shè)備的冷卻系統(tǒng)，其特征在于，用與液化氣同種類的氣體對(duì)貯存罐進(jìn)行加壓的所述加壓機(jī)構(gòu)如下所述地構(gòu)成通過從將過冷狀態(tài)的液化氣從貯存罐送出的循環(huán)泵的出口，送往所述超導(dǎo)電力設(shè)備的液化氣的一部分分支并返回到貯存罐的配管，利用循環(huán)泵的排出壓力對(duì)貯存罐進(jìn)行加壓。
4.根據(jù)權(quán)利要去3所述的超導(dǎo)電力設(shè)備的冷卻系統(tǒng)，其特征在于，用與液化氣同種類的氣體對(duì)貯存罐進(jìn)行加壓的所述加壓機(jī)構(gòu)由使液化氣氣化的氣化器和壓力調(diào)節(jié)用的壓力調(diào)節(jié)閥構(gòu)成，所述氣化器和壓力調(diào)節(jié)閥設(shè)在從將過冷狀態(tài)的液化氣從貯存罐送出的所述循環(huán)泵的出口，送往超導(dǎo)電力設(shè)備的液化氣的一部分分支并返回到貯存罐的配管。
5.根據(jù)權(quán)利要去4所述的超導(dǎo)電力設(shè)備的冷卻系統(tǒng)，其特征在于，還具備所述加壓機(jī)構(gòu)的輔助機(jī)構(gòu)，所述輔助機(jī)構(gòu)如下所述地構(gòu)成通過由儲(chǔ)氣瓶供給與液化氣同種類的氣體而進(jìn)行加壓。
6.根據(jù)權(quán)利要去1～5中任一項(xiàng)所述的超導(dǎo)電力設(shè)備的冷卻系統(tǒng)，其特征在于，還具備所述加壓機(jī)構(gòu)的輔助機(jī)構(gòu)，所述輔助機(jī)構(gòu)如下所述地構(gòu)成在貯存罐的氣相部分配置加溫裝置，使貯存罐氣相部的氣體過熱體積膨脹。
全文摘要
一種超導(dǎo)電力設(shè)備的冷卻系統(tǒng)，具備貯存液態(tài)氣體的貯存罐、循環(huán)泵、冷卻液態(tài)氣體的熱交換器、及液化氣進(jìn)行循環(huán)的循環(huán)回路，使用循環(huán)泵在過冷狀態(tài)下使液化氣循環(huán)，由此冷卻超導(dǎo)電力設(shè)備，該超導(dǎo)電力設(shè)備的冷卻系統(tǒng)的特征在于，還具備加壓機(jī)構(gòu)，其用與所述液化氣同種類的氣體對(duì)貯存罐進(jìn)行加壓，以加壓狀態(tài)貯存所述液化氣的貯存罐的液面位于只高出循環(huán)的液化氣的返回線路的出口，至少加壓氣體的溶入深度+液面移動(dòng)補(bǔ)正量的上部的位置。
文檔編號(hào)F25B9/00GK1969158SQ200580019679
公開日2007年5月23日 申請(qǐng)日期2005年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月28日
發(fā)明者向山晉一, 石井登, 八木正史, 丸山悟, 岡本達(dá)希, 鈴木寬, 市川路晴, 高橋俊裕, 秋田調(diào) 申請(qǐng)人:古河電氣工業(yè)株式會(huì)社, 財(cái)團(tuán)法人電力中央研究所