JP4162191B2 - 超電導ケーブル線路の冷却方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超電導ケーブル線路の冷却方法に関するものである。特に、超電導ケーブル線路の絶縁体における含有水分が固化して冷却媒体の流通路が閉塞されることを防止できる超電導ケーブル線路の冷却方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図2は、３芯のケーブルコアを撚り合わせた低温絶縁方式の超電導ケーブルの一例を示す断面構造図、図3はケーブルコアの斜視図である。
超電導ケーブルは、通常、内側に撚り合せたケーブルコア101を具え、コア101の外側に二重の断熱管(コルゲート内管103、コルゲート外管105)、及び防食層106を具え、両管103、105間に断熱層104を介在させている。そして、ケーブルコア101の外周面とコルゲート内管103の内周面とで囲まれる間隙は、液体窒素などの冷却媒体が流通される流路102である。
【０００３】
ケーブルコア101は、内側から順に中空状または中実状のフォーマ107、超電導導体層108、超電導絶縁層109、超電導シールド層110、合成樹脂などからなる保護層111から構成されている。絶縁層109は、通常、クラフト絶縁紙や商品名PPLPなどのポリプロピレンラミネート紙(ポリプロピレンとクラフト紙のラミネート絶縁紙)のような半合成紙などを巻回して設けられる。
【０００４】
図4は、従来の超電導ケーブル線路の模式図、図5は、図4C部の拡大説明図である。上記のような超電導ケーブルを布設した超電導ケーブル線路15は、その両端に配管(供給管19'、リターン管19)を接続してループをつくり、中間に液体窒素などの冷却媒体を冷却する冷却装置16を具える。超電導ケーブル線路15は、接続部15Bを介して超電導ケーブル同士を接続させて構成されており、両端に3相分岐箱15A、15Cを具えて超電導ケーブル内のケーブルコアを3相に分岐させている。各ケーブルコアには、それぞれ分岐管21が接続されて、これら分岐管21には、冷却媒体を供給する供給管19'及び、冷却媒体を冷却装置16にもどすリターン管19が連結されている。冷却装置16は、冷却媒体を冷却するための冷凍機17、冷却媒体を循環させるための循環ポンプ18を具えている。
【０００５】
図5に示すように超電導ケーブル線路の端末部の分岐管21は、真空断熱層19Bを介して配置された外管21Aと内管21Bより構成される。同様に分岐管21に接続されたリターン管19も、真空断熱層19Bを介して配置された外管19Aと内管19Cより構成されている。
【０００６】
このような従来の超電導ケーブル線路において、その冷却方法を図4に示す模式図を用いて説明する。
超電導ケーブルを布設して線路15を構成した最初の状態では、図2に示す流路102に冷却媒体が流通されておらず、流路102は空洞である。超電導ケーブル線路15の運転を開始すると、冷却装置16から冷却媒体を流路102に供給する。図4において、白抜きの矢印は冷却媒体の流通方向を示す。白抜き矢印で示すように、超電導ケーブル線路15を運転中は、超電導ケーブル線路15→リターン管19→冷却装置16→供給管19'→超電導ケーブル線路15の閉ループで循環冷却を繰り返す。このとき、冷却媒体は、図3の超電導導体層108および超電導シールド層110の冷却を行うと共にケーブルの電気絶縁にも寄与する。
【０００７】
冷却開始当初、冷却媒体は、超電導ケーブル線路15を冷却することで気化してガスとなり、長手方向に吹き流されながら線路15の温度を順次下げていく。例えば、冷却媒体として液体窒素を用いた場合、冷却開始当初、窒素ガスを発生させながら、常温にある超電導ケーブル線路15を液体窒素温度(約-196℃)にするべく、線路15の長手方向に徐々に冷却していく。発生したガスなどは、リターン管19の中間に具える排出管22からバルブV4を開放しておき、排出する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように超電導ケーブル線路15において超電導ケーブルの絶縁層109は、線路15の運転開始当初、冷却媒体が含浸されておらず、クラフト絶縁紙やポリプロピレンラミネート紙などの半合成紙などの絶縁紙が巻かれているだけの状態である。ここで、OFケーブルなどの絶縁層に絶縁紙を用いる場合、絶縁紙に水分が含まれていると電気特性の劣化を促進させる恐れがあるため、一般に、真空乾燥させてから、ケーブルに適用している。超電導ケーブルでは、製造の際、断熱管の真空引きを行うときに絶縁層の真空処理を行うことが可能である。しかし、ケーブルの端末処理を行う際などで絶縁層が大気に解放されると、絶縁層109の表面に水分が浸入して、絶縁層109の表面は、5000ppm程度の水分が含有した状態になる。また、ケーブル布設後、ケーブルのコルゲート内管103の内面やケーブルコア101全体も吸湿状態にある場合が多い。
【０００９】
このように絶縁層の表面が水分含有状態にある超電導ケーブル線路の冷却を開始させると、含有された水分が冷却媒体により冷却されて固化し、固化した氷などが線路の端末部で詰ることがあるという問題がある。
【００１０】
超電導ケーブル線路15の運転を開始させると、冷却媒体によって冷却されることで、ケーブルコア101の絶縁層などから出る水分を結露させたり、シャーベット状或いは粒状に固化させたりする。そして、順次吹流される気化した窒素ガスなどのガスが、これら固化させた水分を排出口B側に運び、一緒に排出しようとする。
【００１１】
また、リターン管19は、通常、内径が20mm程度と細く、かつ直角あるいは直角に近い角度で方向が変わる。そのため、ケーブル線路の排出側(図4において右側)では、シャーベット状や粒状の氷などが分岐管21とリターン管19の接続部21C近辺で滞留し易くなる。この氷などの滞留によりリターン管19を閉塞させたり、内管19Cのクリーンな断面積を減少させることで、冷却媒体の循環及びケーブル線路の冷却が不能となることがある。
【００１２】
上記滞留物を除去するために配管などの外部から加熱して滞留物を溶かすことが考えられる。しかし、リターン管や分岐管は真空断熱されているため、その外部から加熱してもリターン管や分岐管の内側に容易に伝熱されず、滞留物を溶融させることは非常に困難である。また、リターン管や分岐管などを一度加熱してしまうと、復旧に長時間を必要とし、時間的にも経済的にも大きな損失となる。
【００１３】
そこで、本発明の主目的は、布設後の超電導ケーブル線路においてケーブルに含有される水分を冷却前に除去し、水分が固化することで冷却媒体の流路やリターン管などの配管が閉塞するのを防止することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、超電導ケーブル線路の冷却前において、外部から熱を加えるのではなく、線路内にガスを吹き流して加熱することで、上記目的を達成する。
【００１５】
即ち、本発明は、超電導ケーブルの布設後、ケーブル線路内に冷却媒体を流す前に、ケーブル線路内の水分を排出させるようにした超電導ケーブルの冷却方法にあって、
超電導ケーブル線路内の冷却媒体流通経路に冷却媒体を流通させる工程の前段に、ケーブル絶縁体の許容温度以下に加熱された不活性ガスを、前記冷却媒体流通経路の一端側から吹き込んで、経路内の水分と共に他端側から排出させる冷却前処理工程を備えてなることを特徴とする。
【００１６】
本発明は、超電導ケーブルを布設後、超電導ケーブル線路の冷却を開始する前に、加熱した不活性ガスを吹き流して、超電導ケーブルの絶縁層の表面などに含有される水分をガスと共に排出することで、流路やリターン管などが閉塞されるのを防止する。本発明は、このように超電導ケーブルの製造時ではなく、ケーブルを布設後、超電導ケーブル線路の状態において、冷却媒体を循環させる際などに弊害となるケーブルの絶縁層などに含有される水分を除去するものである。
【００１７】
以下、本発明をより詳しく説明する。本発明で用いる不活性ガスは、水分が固体状になりにくいように、かつ絶縁層の絶縁性を損なわない程度に、具体的には、ケーブル絶縁体の許容温度以下に加熱されている。不活性ガスを加熱しておくことで、絶縁層などに含有される水分も気化されてガスと共に排出され易くなる。また、水分を除去する時間を短縮することができ、作業性がよい。加熱する温度としては、例えば、超電導ケーブルの絶縁層がポリプロピレンラミネート紙から構成されている場合、130℃以下、より好ましくは80℃以下が適する。絶縁紙から構成されている場合、80℃以下が好ましい。また、用いる不活性ガスは、安価な窒素ガスが好ましい。
【００１８】
そして、超電導ケーブル線路には、吹き流す不活性ガスの温度を制御する構成を具えることが好ましい。また、水分の排出状態、即ち超電導ケーブル線路を構成する超電導ケーブルに含有される水分を把握できるように、排出された水分を測定することが好ましい。具体的には、不活性ガス発生装置または容器と、不活性ガスの加熱手段と、不活性ガスの温度測定手段とを具えた不活性ガス供給装置からケーブル線路内に不活性ガスを吹き流し、ケーブル線路の他端で排出される不活性ガスの水分を測定することが好ましい。例えば、不活性ガス発生装置に加熱手段として温度のコントロールが可能な加温器と、ガスの温度把握のために温度測定手段としてガス温度計とを接続するとよい。そして、加温器により所望の温度を設定してガス温度計によりモニタし、フィードバックするとよい。水分の測定は、水分の排出量が最も大きくなる超電導ケーブルの排出側、例えばリターン管に設けた排出管などに水分測定器を設けて行うとよい。
【００１９】
不活性ガス発生装置または容器は、不活性ガスを内蔵したガス容器でもよいし、内蔵している不活性液からガスを取り出すものでもよい。後者として、市販されているコールドコンバータが好ましい。通常、コールドコンバータを用いてガスを取り出す方が、乾燥ガスを入れたボンベからの取り出しよりも、一度に大量に取り出すことができて好ましい。コールドコンバータからのガスの取り出しは、蒸発器を用いて不活性液からガスを取り出してもよいし、蒸発器を用いずにボンベに溜まったガスをガス放出口から直接取り出してもよい。
【００２０】
上記の冷却前処理工程を行い、さらに超電導ケーブルの真空引き工程を行った後、ケーブル線路内に冷却媒体を流入し充填させることが好ましい。上記冷却前処理は、超電導ケーブルの絶縁層などの表面に存在する水分を排出できるが、この処理に加え真空引きを行うと、絶縁層などの内部に存在する水分をより確実にかつ効率よく排出することができる。ここで、超電導ケーブル線路内の水分を真空引きだけで除去することも考えられる。しかし、超電導ケーブル同士のジョイント間が400〜500m程度と長尺なものもあり、また、真空引きによって絶縁層などの内部に存在する水分が順次気化して絶縁層などの表面に移動するため、真空引きだけで超電導ケーブル線路内の水分を排出するには時間がかかる。そこで、本発明では、上記冷却前処理工程と併せて真空引きを行う。このとき、特に、冷却前処理工程と真空引き工程とを複数回繰返し行うことで、より確実にかつ効率よく超電導ケーブル線路内の水分を除去することができる。
【００２１】
窒素ガスなどの不活性ガスによる吹き流しは、超電導ケーブルの絶縁層などの水分含有量が3000ppm以下、特に1800ppm以下となるまで継続することが望ましい。本発明者らが検討した結果、水分除去の処理により、排出側の水分量が一定量以下になると、液体窒素などの冷却媒体で超電導ケーブル線路を冷却しても、配管の閉塞や流路断面積の減少によって循環冷却が不可能になったり、冷却媒体の循環流量が減少するなどの恐れがほとんどない。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
図1は、本発明超電導ケーブル線路の冷却方法を示す模式図である。超電導ケーブル線路の基本的構成は、図4に示す従来の超電導ケーブル線路と同様である。本発明では、超電導ケーブル線路15内に冷却媒体を流す前に、不活性ガス発生容器を具えておき、供給管19'に設けた流入管23から不活性ガスを吹き流し、排出管22からガスと共に線路15内の水分を排出する。以下、超電導ケーブル線路15の水分を排出する構成を中心に説明する。
【００２３】
図1に示すように超電導ケーブル線路15は、入口側A(図1において左側)に窒素ガス発生容器1及び加温器3を具える。本例では、窒素ガス発生容器1として現場での使用に便利な可搬式のコールドコンバータを用いた。窒素ガス発生容器1の出口付近には、ガス流量計2を具えている。このガス流量計2は、吹き流す窒素ガス量を監視するためのものであるため、排出側Bに設けてもよい。加温器3は、温度調整が可能なものを用いており、加温器3の出口付近にガス温度計4を具え、供給するガスの温度を監視する。この加温器3を流入管23に接続し、流入管23を介して超電導ケーブル線路15に一定の温度に加熱した窒素ガスを吹き流す。排出側Bのリターン管19に設けた排出管22には、水分測定器20を具え、排出されたガスに含まれる水分量を測定する。
【００２４】
本例において超電導ケーブル線路15内の水分除去は、冷却装置16を超電導ケーブル線路から切り離した状態で行う。即ち、供給管19'に具えるバルブV1、リターン管19に具えるV2を閉じ、流入管23に具えるバルブV3、排出管22に具えるバルブV4を開ける。そして、窒素ガス発生容器1から不活性ガスを超電導ケーブル線路15に流入し、排出口B側から吹き流して不活性ガスを排出する回路で、超電導ケーブル線路15内の水分除去を行う。なお、冷凍機17および循環ポンプ18を具えた冷却装置16は、ユニット化されており、真空脱気が簡単に実施できるので水分除去が容易である。そのため、本例では、冷却装置16を切り離した回路とした。
【００２５】
図1において、黒矢印は、窒素ガスの流通方向を示す。上記のように超電導ケーブルを布設して超電導ケーブル線路15を構築した後、線路15内に冷却媒体を流す前に、不活性ガスを吹き流して線路15内の水分を除去する。
【００２６】
(1) まず、窒素ガス発生容器１から窒素ガスを取り出し、ガス流量計2を介して窒素ガスを加温器3に導入する。
超電導ケーブル線路に導入するガスは、常温以上の温度の方が水分除去の時間を短縮できるため、超電導ケーブルの絶縁体材料に支障のない温度に加温器3により加熱した。そして、ガス温度計4によりガスの温度を計測しながらガスを導入する。吹き流しする窒素ガス量は、1〜3リットル／sec程度とした。
【００２７】
(2) 加温器3を出た窒素ガスは、バルブ3を経て超電導ケーブル線路内15に導入される。
【００２８】
(3) 超電導ケーブル線路15を通過した窒素ガスは、リターン管19及び排出管22を経て線路15内に含まれる水分と共に排出される。
このとき、水分測定器20で排出されるガスに含まれる水分量をモニタしながら窒素ガスの吹き流しを行う。
【００２９】
(4) 超電導ケーブル線路15内に不活性ガスを吹き流して線路15内の水分を除去した後は、窒素ガスの吹き流しを停止する。そして、従来と同様に線路内に冷却媒体を供給し、超電導ケーブル線路→リターン管→冷却装置→超電導ケーブル線路の閉ループで循環冷却を行う。
水分除去は、水分測定器20により排出される窒素ガスに含まれる水分が3000ppm以下になったら停止する。
【００３０】
更に、上記不活性ガスの吹き流しによる超電導ケーブル線路内の水分除去の前処理に加え、真空引き作業を組み合わせて行ってもよい。このとき、短時間の真空引きと不活性ガスの吹き流しとを複数回繰り返し実施することが望ましい。真空引きは、流入管23に窒素ガス発生容器1及び加温器3の替わりに真空引き装置を取り付けて行うとよい。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明超電導ケーブル線路の冷却方法によれば、超電導ケーブルの布設後、線路内に冷却媒体を流す前に、線路内に不活性ガスを吹き流して線路内の水分除去することで、冷却媒体による配管の閉塞や流路断面積の減少、冷却媒体の循環流量の減少を防止することができる。そのため、循環冷却が不能となったり、冷却状態が悪くなるといった不具合が解消され、良好な超電導ケーブル線路が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明超電導ケーブル線路の冷却方法を示す模式図である。
【図２】３芯のケーブルコアを撚り合わせた低温絶縁方式の超電導ケーブルの一例を示す断面構造図である。
【図３】図2に示す超電導ケーブルのケーブルコアの斜視図である。
【図４】従来の超電導ケーブル線路の模式図である。
【図５】図4C部の拡大説明図である。
【符号の説明】
1 窒素ガス発生容器 2 ガス流量計 3 加温器 4 ガス温度計
15 超電導ケーブル線路 15A、15C 3相分岐箱 15B 接続部 16 冷却装置
17 冷凍機 18 循環ポンプ 19 リターン管 19' 供給管 19A 外管
19B 真空断熱層 19C 内管 20 水分測定器 21 分岐管 21A 外管
21B 内管 21C 接続部 22 排出管 23 流入管
101 ケーブルコア 102 流路 103 コルゲート内管 104 断熱層
105 コルゲート外管 106 防食層 107 フォーマ 108 超電導導体層
109 超電導絶縁層 110 超電導シールド層 111 保護層

Claims (4)

1. 超電導ケーブルの布設後、ケーブル線路内に冷却媒体を流す前に、ケーブル線路内の水分を排出させるようにした超電導ケーブルの冷却方法であって、
   超電導ケーブル線路内の冷却媒体流通経路に冷却媒体を流通させる工程の前段に冷却前処理工程を備え、
   この冷却前処理工程は、不活性ガス発生装置または容器と、不活性ガスの加熱手段と、不活性ガスの温度測定手段とを具えた不活性ガス供給装置を用いて、ケーブル絶縁体の許容温度以下に加熱された不活性ガスを、前記冷却媒体流通経路の一端側から吹き込んで、経路内の水分と共に他端側から排出させ、この排出される不活性ガスの水分を測定して、その不活性ガスの水分含有量が 3000ppm 以下となるまで行うことを特徴とする超電導ケーブル線路の冷却方法。
2. 前記不活性ガスが窒素ガスであることを特徴とする請求項1に記載の超電導ケーブル線路の冷却方法。
3. 超電導ケーブルの布設後、前記冷却前処理工程を行い、さらに超電導ケーブルの真空引き工程を行った後、ケーブル線路内に冷却媒体を流入し充填させることを特徴とする請求項1または２に記載の超電導ケーブル線路の冷却方法。
4. 前記冷却前処理工程と真空引き工程とを複数回繰返し行うことを特徴とする請求項３に記載の超電導ケーブル線路の冷却方法。

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