WO2019146271A1 - Superconductive cable - Google Patents
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Definitions
- the present disclosure relates to a superconducting cable.
- This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2018-008946 filed on Jan. 23, 2018. The entire contents of the description of the Japanese patent application are incorporated herein by reference.
- a technique for performing circulating cooling using a subcooled refrigerant As a technique for cooling a superconducting cable, a technique for performing circulating cooling using a subcooled refrigerant is known.
- the refrigerant is cooled to the subcooling state using a refrigerator, and the cooled refrigerant is sent to the superconducting cable using the pump, whereby the superconducting cable is cooled by the refrigerant cooled to the subcooling state by the refrigerator
- the refrigerant that has been used to cool the superconducting cable is returned to the refrigerator again.
- Patent Document 1 discloses a technique for circulating a refrigerant in the order of a refrigerator ⁇ a superconducting cable ⁇ a pump ⁇ a refrigerator, and cooling the superconducting cable in a path of a single stroke.
- a superconducting cable is a superconducting cable for transmitting power between a plurality of electric power devices mounted on an aircraft, the heat insulating pipe in which a solid refrigerant is sealed, and the heat insulating pipe housed in the heat insulating pipe And a core having a layer.
- FIG. 1 is a schematic view showing an outline of an aircraft equipped with the superconducting cable according to the present embodiment.
- FIG. 2 is a schematic view of a superconducting cable disposed between two power devices mounted on the aircraft shown in FIG.
- FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III of FIG.
- FIG. 4 is a cross-sectional view showing the core shown in FIG.
- FIG. 5 is a figure for demonstrating the process of filling solid nitrogen with the inside of a heat insulation pipe
- FIG. 6 is a diagram schematically showing temporal changes in temperature and amount of solid nitrogen present in the superconducting cable.
- FIG. 7 is a cross-sectional view of a superconducting cable according to a first modification of the present embodiment.
- FIG. 1 is a schematic view showing an outline of an aircraft equipped with the superconducting cable according to the present embodiment.
- FIG. 2 is a schematic view of a superconducting cable disposed between two power
- FIG. 8 is a cross-sectional view of a core of a superconducting cable according to a second modification of the present embodiment.
- FIG. 9 is a schematic view of a superconducting cable according to a third modification of the present embodiment.
- FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing a configuration example of the gas-liquid separator shown in FIG.
- FIG. 11 is a cross-sectional view schematically showing a configuration example of the gas-liquid separator shown in FIG.
- FIG. 12 is a cross-sectional view schematically showing a configuration example of the gas-liquid separator shown in FIG.
- An object of an aspect of the present disclosure is to provide a superconducting cable which transports power between a plurality of power devices mounted on an aircraft, and which has a novel configuration suitable for weight reduction.
- An object of an aspect of the present disclosure is to provide a superconducting cable that transports power between a plurality of power devices mounted on an aircraft, and which has a novel configuration suitable for weight reduction.
- the superconducting cable 100 (see FIGS. 2 and 3) according to an aspect of the present disclosure transmits power between a plurality of power devices mounted on the aircraft 1000 (see FIG. 1).
- the superconducting cable 100 includes the heat insulating pipe 35 in which the solid refrigerant 20 is sealed, and the core 10 housed in the heat insulating pipe 35 and having a superconducting layer.
- the core 10 is cooled using the sensible heat of the solid refrigerant 20 enclosed in the heat insulation pipe 35. Therefore, a refrigerator for cooling the liquid refrigerant to a supercooled state, a pump for circulating the liquid refrigerant, and the liquid refrigerant, as compared with the conventional superconducting cable cooling technology in which the core is cooled by using the subcooled refrigerant.
- coolant is a state fixed without flowing in the inside of the heat insulation pipe
- the refrigerant does not flow due to gravity, Uneven distribution of the refrigerant in a part of the heat insulating pipe 35 can be suppressed. According to this, since the state of the refrigerant is kept substantially uniform in the longitudinal direction of the core 10, the core 10 can be cooled substantially uniformly.
- the heat insulating pipe 35 when the refrigerant is unevenly distributed inside the heat insulating pipe 35, a large pressure is applied to the heat insulating pipe 35 in the portion where the refrigerant is unevenly distributed. Since the pressure increases as the length of the heat insulating pipe 35 increases, the heat insulating pipe 35 is required to be robust enough to withstand the pressure, and there is a concern that the heat insulating pipe 35 may be large and heavy. On the other hand, in the superconducting cable 100 according to the above (1), since the uneven distribution of the refrigerant can be suppressed as described above, the heat insulating pipe 35 can be reduced in size and weight.
- the superconducting cable 100 which concerns on said (1) is further provided with terminal part 120A, 120B which accommodates the terminal of the core 10 (refer FIG. 5).
- terminal part 120A, 120B which accommodates the terminal of the core 10 (refer FIG. 5).
- an inlet 126 for injecting the liquid refrigerant 21 into the inside of the heat insulation pipe 35 is formed.
- the superconducting cable 100 further includes a connecting member 128 for connecting the refrigerator 200 to the terminal units 120A and 120B.
- the connection member 128 is opened when the refrigerator 200 is connected, and is connected when the refrigerator 200 and the end of the core 10 are connected, and is closed when the refrigerator 200 is not connected, and the inlet 126 is sealed. Configured as.
- the liquid refrigerant 21 is injected into the inside of the heat insulation pipe 35 before takeoff of the aircraft 1000, and the liquid refrigerant 21 is cooled using the refrigerator 200 to form the solid refrigerant 20, so that the heat insulation pipe 35 is obtained.
- the solid refrigerant 20 can be filled inside the Moreover, after the liquid refrigerant 21 has solidified, the aircraft 1000 can be operated with the refrigerator 200 not mounted by removing the refrigerator 200 from the terminal units 120A and 120B.
- the target temperature for cooling the liquid refrigerant 21 is set.
- the solid refrigerant 20 can be maintained at a temperature below the melting point, and the solid refrigerant 20 can be prevented from being liquefied.
- the core 10 (see FIG. 4) is formed on the former 12, the superconducting layer 13 disposed on the outer periphery of the former 12, and the outer periphery of the superconducting layer 13 It has the insulating layer 14 arrange
- the solid refrigerant 20 is filled in the space formed between the shield layer 15 and the inside of the heat insulating tube 35, so that the superconducting layer 13 and the shield layer 15 of the core 10 can be efficiently cooled. it can.
- the core 10 may further have a heat conductive layer 17 (see FIG. 8) disposed at the outermost periphery.
- the core 10 and the heat insulation pipe 35 are efficiently cooled using the heat conduction layer 17. can do. Therefore, the cooling time of the refrigerant can be shortened.
- the superconducting cable 100 may further include a heat conductor 34 (see FIG. 7) disposed on the inner peripheral side of the heat insulation pipe 35.
- the core 10 and the heat insulation pipe 35 are efficiently cooled using the heat conductor 34. can do. Therefore, the cooling time of the refrigerant can be shortened.
- the superconducting cable 100 according to the above (2) is disposed at the end portions 120A and 120B, and the gas-liquid separator 130 for discharging the gas refrigerant having the liquid refrigerant vaporized out of the heat insulation pipe 35 (see FIG. 9) Further).
- the gas-liquid separator 130 (refer FIG. 9) has the pressure control valve 132 arrange
- the pressure regulating valve 132 can maintain the differential pressure between the refrigerant pressure in the heat insulating pipe 35 and the external pressure. Therefore, even when the attitude of the airframe is inclined during the operation of the aircraft and the refrigerant pressure is increased, the gaseous refrigerant can be discharged without flowing out the liquid refrigerant from the inside of the heat insulation pipe 35.
- the solid refrigerant 20 is solid nitrogen.
- FIG. 1 is a schematic view showing an outline of an aircraft 1000 on which the superconducting cable 100 according to the present embodiment is mounted.
- Superconducting cable 100 is applied to a power cable for transporting power between a plurality of power devices mounted on aircraft 1000.
- the aircraft 1000 is equipped with a plurality of power devices such as a generator 102, a motor 106, power converters 104 and 108, a power distributor 110, and a power storage device 112. Only one of the four engines, the motor 106 is shown.
- the superconducting cable 100 is disposed between these power devices to transport power.
- the power cables mounted on the aircraft 1000 may have a total length of several tens of meters. If the power cable consists of an existing normal conducting cable (for example, an OF cable or CV cable), the weight of the power cable for transporting, for example, 4 MW three-phase AC power (AC frequency 400 Hz, rated voltage 230 V, rated current 10 kA) Is about 15 tons. Assuming two lines per motor, the total weight of the power cable is about 60 tons when replacing the two engines with the motor, and the ratio of the weight of the power cable to the total weight of the aircraft 1000 can not be ignored Clearly.
- an existing normal conducting cable for example, an OF cable or CV cable
- the weight of the power cable for transporting for example, 4 MW three-phase AC power (AC frequency 400 Hz, rated voltage 230 V, rated current 10 kA) Is about 15 tons. Assuming two lines per motor, the total weight of the power cable is about 60 tons when replacing the two engines with the motor, and the ratio of the weight of the power cable to the total
- a superconducting cable has a smaller power transmission loss than a copper cable and can flow a large current, so the power cable can be made lightweight and compact. Therefore, from the viewpoint of reducing the weight of the power cable, application to power cables for aircraft is expected.
- a superconducting cable typically employs a structure in which a core having a superconducting layer is accommodated in a heat insulating pipe, and the core is cooled by circulating liquid refrigerant (for example, liquid nitrogen) in the heat insulating pipe.
- liquid refrigerant for example, liquid nitrogen
- operation is performed by connecting a cooling system to the superconducting cable and supplying and circulating the liquid refrigerant from the cooling system into the heat insulating pipe.
- the cooling system includes a refrigerator for cooling the liquid refrigerant, a pump for pumping the liquid refrigerant, a reservoir tank for storing the liquid refrigerant, and the like, and constitutes a refrigerant flow path for circulating the liquid refrigerant together with the heat insulation pipe of the superconducting cable.
- the liquid refrigerant cooled by the refrigerator is fed into the heat insulating pipe, and the core is cooled by circulating the liquid refrigerant by the pump.
- FIG. 2 is a schematic view of a superconducting cable 100 disposed between two power devices mounted on the aircraft 1000 shown in FIG.
- the superconducting cable 100 includes a core 10 having a superconducting layer.
- the core 10 is housed inside the heat insulation pipe 35.
- the superconducting cable 100 cools the core 10 by the solid refrigerant so as to be in a superconducting state by sealing the solid refrigerant in the heat insulating pipe 35, and is used for transporting power.
- solid nitrogen is used as the solid refrigerant. Nitrogen has a melting point of about 63.1 K and a boiling point of about 77.3 K (atmospheric pressure).
- the number of cores 10 stored in the heat insulation pipe 35 may be single core or multiple cores.
- the following description exemplifies a three-core one-piece three-phase AC cable in which a three-core core 10 is twisted and housed in a heat insulation pipe 35.
- FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III of FIG.
- FIG. 4 is a cross-sectional view showing the core 10 shown in FIG.
- the superconducting cable 100 mainly includes a three-core core 10, a corrugated inner tube 30, a vacuum layer 31, a corrugated outer tube 32, and a reinforcing layer (corrosion preventing layer) 33.
- a corrugated inner pipe 30, the vacuum layer 31, the corrugated outer pipe 32 and the reinforcing layer 33 constitute a heat insulating pipe 35.
- the core 10 includes a former 12, an inner superconducting layer 13, an insulating layer 14, an outer superconducting layer 15, and a protective layer 16 in this order from the inside.
- the former 12 maintains mechanical characteristics such as rigidity and bending characteristics of the core 10 and functions as a shunt for abnormal current. Specifically, when an accident such as a short circuit occurs in a power device to which the superconducting cable 100 is electrically connected, an abnormal current exceeding the current in the steady state occurs in the superconducting cable 100. Then, when a large current exceeding the critical current value Ic flows to the superconducting layer, the superconducting layer is transitioned (quenched) to normal conduction, and Joule loss (heat loss) occurs due to this transition.
- the core 10 constituting the superconducting layer may be burnt or the critical current value Ic may be reduced due to a rapid temperature rise even if the burn does not occur.
- heat generation of the superconducting layer can be suppressed by shunting the accident current to the former 12.
- the former 12 has a hollow structure or a solid structure, and a pipe made of a metal (for example, copper or aluminum) having a low electrical resistance value, or a stranded wire can be suitably used.
- a metal for example, copper or aluminum
- the inner superconducting layer 13 is disposed on the outer periphery of the former 12.
- the inner superconducting layer 13 constitutes a power transmission path.
- a tape-shaped wire provided with an oxide superconductor can be suitably used.
- a Bi2223-based superconducting tape wire or an RE123-based thin film wire can be used.
- the Bi2223-based superconducting tape wire include a sheath wire in which a filament made of a Bi2223-based oxide superconductor is disposed in a stabilized metal such as Ag—Mn or Ag.
- the Bi2223 superconductor has a Bi2223 phase represented by a ratio of (Bismuth and Lead): Strontium: Calcium: Copper at an approximate ratio of 2: 2: 2: 3 as the main phase, with the balance being the Bi2212 phase and the Bi2223 phase. It means a material consisting of unavoidable impurities.
- the RE123-based thin film wire include a laminated wire in which an oxide superconducting phase of a rare earth element RE such as Y (yttrium), Ho (phornium), Sm (samarium), and Gd (gadolinium) is formed on a metal substrate.
- the RE123-based superconductor means a superconductor represented as REBa 2 Cu 3 O y (y is 6 to 8, more preferably 7).
- the thing of the single layer structure formed by winding the said tape-shaped wire material helically, or a multilayer structure is mentioned. Although it simplifies and shows in FIG. 4, it is set as the superconducting layer 13 of a multilayer structure.
- Insulating layer 14 is a layer for securing the insulation required for the working voltage in internal superconducting layer 13.
- the outer superconducting layer 15 is disposed on the outer periphery of the insulating layer 14.
- a tape-shaped wire including an oxide superconductor as in the case of the inner superconducting layer 13 can be suitably used.
- the oxide superconductor used for the outer superconducting layer 15 may be the same as that used for the formation of the inner superconducting layer 13.
- the outer superconducting layer 15 can be used as a shield layer for flowing a shield current induced by the current flowing in the inner superconducting layer 13.
- Protective layer 16 is disposed on the outer periphery of outer superconducting layer 15.
- the protective layer 16 is intended to ensure the electrical insulation of the outer superconducting layer 15 and to mechanically protect the outer superconducting layer 15.
- the protective layer 16 is formed, for example, by spirally winding an insulating paper such as PPLP or kraft paper around the outer superconducting layer 15.
- the corrugated inner pipe 30 located at the innermost periphery of the heat insulation pipe 35 houses the core 10 (excluding the terminal).
- the core 10 excluding the terminal.
- copper, stainless steel or aluminum (alloy) can be suitably used as a material of the corrugated inner tube 30.
- the inside of the corrugated inner pipe 30 is filled with solid nitrogen 20.
- a corrugated outer pipe 32 is disposed on the outer circumference of the corrugated inner pipe 30.
- the corrugated outer tube 32 has, for example, a corrugated cylindrical shape made of stainless steel.
- the space between the corrugated inner pipe 30 and the corrugated outer pipe 32 is a vacuum layer 31 and is used as an adiabatic space. This space may be filled with a heat insulating material.
- a reinforcing layer 33 (anticorrosion layer) is disposed on the outer periphery of the corrugated outer tube 32.
- the reinforcing layer 33 is formed using, for example, polyvinyl chloride or the like.
- the superconducting cable 100 has end portions 120A and 120B at both ends in the longitudinal direction.
- the terminal unit 120 ⁇ / b> A accommodates one of the terminals in the longitudinal direction of the core 10.
- the terminal unit 120 ⁇ / b> B accommodates the other terminal in the longitudinal direction of the core 10.
- the terminal of the core 10 is electrically connected to the electrode 122 in each of the terminal units 120A and 120B.
- the electrode 122 is electrically connected to a power device (not shown).
- the electrode 122 is formed of, for example, a conductive material such as a metal having a low electric resistance value near the temperature of solid nitrogen, such as copper or aluminum.
- the heat insulating pipe 35 is connected to the end portions 120A and 120B, and the space in the end portions 120A and 120B communicates with the inside of the heat insulating pipe 35, and is filled with solid nitrogen.
- the end portions 120A and 120B are in the form of a vacuum insulation container, and have a refrigerant container 124 for holding solid nitrogen and the end of the core 10 inside, and an outer part disposed so as to surround the refrigerant container 124. And an outer tank.
- a certain gap exists between the refrigerant container 124 and the outer tank, and by setting the gap in a vacuum state, it is possible to suppress the transfer of heat from the outer tank side to the refrigerant container 124 side.
- an inlet 126 for the liquid refrigerant 21 is formed at the end portions 120A and 120B.
- the superconducting cable 100 includes a connection member 128 for connecting the refrigerator 200 to the terminal units 120A and 120B. In the example of FIG. 5, the connection member 128 is attached to the inlet 126 of the liquid refrigerant 21.
- connection member 128 is opened when the refrigerator 200 is connected to the end portions 120A and 120B, and connects the cooling head of the refrigerator 200 and the end of the core 10. On the other hand, when the refrigerator 200 is not connected to the end portions 120A and 120B, the connection member 128 is in a closed state, and the inlet 126 is sealed.
- liquid nitrogen 21 is injected into the refrigerant container 124 through the injection port 126.
- the liquid nitrogen 21 injected into the refrigerant container 124 is also injected into the heat insulation pipe 35.
- the entire core 10 is immersed in liquid nitrogen 21.
- the connection member 128 is opened, and the refrigerator 200 is connected to each of the end portions 120A and 120B.
- Solid nitrogen is produced
- the compressor 210 is connected to the refrigerator 200 via a circulating refrigerant pipe.
- the cooling head of the refrigerator 200 is disposed in the inner tank 124 and connected to the end of the core 10.
- both the cooling head and the core 10 are initially at the boiling point (77.3 K) of the liquid nitrogen 21, when the refrigerator 200 is operated and the cooling head falls below the melting point of the liquid nitrogen 21 (63. 1 K), the core 10 also melts The temperature is lower than that, and the liquid nitrogen 21 around the core 10 starts to solidify.
- the liquid nitrogen 21 is maintained at the melting point temperature until all the liquid nitrogen 21 solidifies.
- the refrigerator 200 finally reduces the solid nitrogen to a temperature below the melting point (for example, about 30 K) by continuing the cooling even after the liquid nitrogen 21 has completely solidified.
- the temperature of solid nitrogen at this time is the initial temperature of solid nitrogen when the aircraft 1000 takes off.
- FIG. 6 schematically shows temporal changes in the temperature and amount of solid nitrogen present in superconducting cable 100.
- FIG. 6 shows temporal changes in the temperature and amount of solid nitrogen at the start of operation of the aircraft 1000.
- the solid nitrogen is lowered to an initial temperature below the melting point (e.g. about 30 K).
- the temperature of solid nitrogen reaches the initial temperature at time t2 after time t1, the operation of the refrigerator 200 is stopped.
- the refrigerator 200 and the compressor 210 are removed from the superconducting cable 100.
- the connection member 128 is closed, and solid nitrogen is trapped in the heat insulating pipe 35 and the end portions 120A and 120B.
- the initial temperature is set to a sufficiently low temperature so that the temperature of solid nitrogen does not exceed the freezing point during the period from the takeoff to landing of the aircraft 1000.
- the initial temperature is set based on the loss occurring in the period from the takeoff to landing of the aircraft 1000, the amount of solid nitrogen stored in the heat insulation pipe 35 and the terminals 120A and 120B, and the like. For example, in a 24-hour operation time, when the time when the load is 100% is 1 hour and the time when the load is 33% is 23 hours, the heat insulation pipe 35 and the terminal portions 120A and 120B are initially filled The amount of nitrogen that should be about 3200 kg.
- the core 10 is cooled using sensible heat of the solid refrigerant 20 sealed in the heat insulating pipe 35. Therefore, a cooling system for cooling the liquid refrigerant to the supercooling state is not required as compared with the conventional cooling technique of the superconducting cable in which the core is cooled by circulation using the subcooled refrigerant. Therefore, when the superconducting cable is applied to a power cable for transporting electric power in an aircraft, it is not necessary to construct a cooling system for the superconducting cable in the aircraft, so the weight of the power cable can be reduced. Therefore, superconducting cable 100 according to the present embodiment can contribute to the realization of an electric aircraft capable of reducing fuel consumption and environmental load.
- the refrigerant is fixed inside the heat insulation pipe 35 Because the refrigerant is in a stagnant state, uneven distribution of the refrigerant in a part of the heat insulating pipe 35 can be suppressed. According to this, since the state of the refrigerant is kept substantially uniform in the longitudinal direction of the core 10, the core 10 can be cooled substantially uniformly.
- FIG. 7 is a cross-sectional view of a superconducting cable 100 according to a first modification of the present embodiment. As shown in FIG. 7, the superconducting cable 100 according to the present modification further includes a heat conductor 34 disposed on the inner peripheral side of the heat insulation pipe 35.
- the core 10 and the heat insulation pipe 35 are utilized using the heat conductor 34. Can be cooled efficiently. Therefore, the cooling time of the refrigerant can be shortened.
- FIG. 8 is a cross-sectional view of a core 10 of a superconducting cable 100 according to a second modification of the present embodiment.
- the core 10 in the superconducting cable 100 according to the present modification, the core 10 further includes a heat conduction layer 17 disposed at the outermost periphery.
- the core 10 and the heat insulation pipe 35 are utilized using the heat conduction layer 17. Can be cooled efficiently. Therefore, the cooling time of the refrigerant can be shortened.
- FIG. 9 is a schematic view of a superconducting cable 100 according to a third modification of the present embodiment.
- the superconducting cable 100 according to the present modification further includes a gas-liquid separator 130.
- the gas-liquid separator 130 is connected to each of the terminal units 120A and 120B.
- the gas-liquid separator 130 discharges nitrogen gas to the outside of the heat insulation pipe 35 while suppressing the outflow of liquid nitrogen from the heat insulation pipe 35 and the end portions 120A and 120B.
- solid nitrogen is basically maintained in a solid state during the operation of the aircraft 1000, but if the joule loss generated in the core 10 increases beyond expectations, heated solid nitrogen will By liquefying and further vaporizing, nitrogen gas may be generated inside the heat insulation pipe 35. If nitrogen gas is generated inside the heat insulation pipe 35, the refrigerant pressure in the heat insulation pipe 35 may increase, and cooling of the core 10 may be insufficient, and the temperature of the core 10 may increase. Therefore, in order to maintain the temperature of the core 10, it is necessary to discharge nitrogen gas.
- the gas-liquid separator 130 is connected to the terminal units 120A and 120B. Thereby, nitrogen gas can be efficiently discharged to the outside of the heat insulation pipe 35.
- the gas-liquid separator 130 is connected to each terminal in the example of FIG. 9, the gas-liquid separator may be connected to any one of the terminals 120A and 120B.
- the nitrogen gas rises and gathers on the terminal portion 120A side, the nitrogen gas can be discharged from the gas-liquid separator 130. That is, nitrogen gas can be discharged to the outside of the heat insulation pipe 35 regardless of the attitude of the airframe.
- a pressure control valve 132 is disposed at the gas outlet of the gas-liquid separator 130.
- the refrigerant pressure in the heat insulation pipe 35 may increase due to the inclination of the attitude of the airframe. Since the outside of the heat insulation pipe 35 is at atmospheric pressure or lower than atmospheric pressure, in such a case, both liquid nitrogen and nitrogen gas may be discharged from the gas outlet of the gas-liquid separator 130.
- the pressure control valve 132 is installed at the gas outlet, and can maintain the pressure difference between the refrigerant pressure in the heat insulation pipe 35 and the external pressure. As a result, nitrogen gas can be efficiently discharged to the outside without flowing out liquid nitrogen from the inside of the heat insulation pipe 35 including the case where the airframe is greatly inclined.
- the gas-liquid separator 130 generally includes a gas-liquid separator using centrifugal force (FIG. 10), a gas-liquid separator using surface tension (FIG. 11), and a gas-liquid separation coalescer (FIG. 12). And so on can be used.
- FOG. 10 gas-liquid separator using centrifugal force
- FIG. 11 gas-liquid separator using surface tension
- FIG. 12 gas-liquid separation coalescer
- FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a centrifugal gas-liquid separator.
- a gas-liquid two-phase inlet 140 into which a gas-liquid two-phase refrigerant flows is provided on the side of the separator body 143.
- a gas outlet 141 from which gas is output is provided at the top of the separator body 143, and a liquid outlet 142 from which liquid is output is provided at the bottom of the separator body 143.
- a spiral flow passage is formed inside the separator body 143, and one end of the spiral flow passage communicates with the gas-liquid two-phase inlet 140.
- a liquid outlet 142 is provided on the other end side of the spiral flow channel and in communication with the outer peripheral side portion of the spiral flow channel viewed from the axial direction of the spiral flow channel, and viewed from the axial direction of the spiral flow channel
- a gas outlet 141 is provided to communicate with the inner peripheral side portion of the helical flow passage.
- the gas-liquid two-phase refrigerant flowing from the gas-liquid two-phase inlet 140 is given a swirling component by a spiral flow path, and is separated into liquid nitrogen and nitrogen gas by its centrifugal force. That is, since liquid nitrogen having a large specific gravity is subjected to a larger centrifugal force, it gathers on the outer peripheral side of the spiral channel, while nitrogen gas having a small specific gravity collects on the other part, that is, the inner peripheral side of the spiral channel. It will be.
- FIG. 11 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a surface tension type gas-liquid separator.
- a gas-liquid two-phase inlet 140 is provided at the top of the separator body 143
- a gas outlet 141 is provided at the side of the separator body 143
- the lower portion of the separator body 143 is provided.
- a liquid outlet 142 is provided.
- a bellows-like groove 144 is formed on the inner peripheral surface of the separator body 143. Between the upper portion of the groove 144 and the gas-liquid two-phase inlet 140, the gas-liquid two-phase flow is guided to the groove 144, and the gas released from the groove 144 is prevented from backflowing to the gas-liquid two-phase inlet 140
- the partition 143A for doing is arranged. Between the lower portion of the groove 144 and the gas outlet 141 and the liquid outlet 142, a partition 143B for guiding the gas and liquid having passed through the groove 144 to the respective outlets is disposed.
- the gas-liquid two-phase refrigerant flows in from the upper portion of the bellows-like groove portion 144, the gas-liquid two-phase refrigerant contacts the groove portion 144.
- the gas-liquid two-phase refrigerant in contact with the groove 144 is separated into liquid nitrogen and nitrogen gas by the surface tension of the liquid nitrogen.
- the separated liquid nitrogen is collected after flowing along the groove 144 and flows out from the liquid outlet 142. Nitrogen gas is exhausted from the gas outlet 141.
- FIG. 12 is a cross-sectional view schematically showing the structure of the gas-liquid separation coalescer.
- a coalescer cartridge 145 having a microfiber structure is installed inside the separator body 143.
- the gas-liquid two-phase refrigerant flowing from the gas-liquid two-phase inlet 140 flows into the coalescer cartridge 145.
- liquid nitrogen contained in the gas-liquid two-phase refrigerant is separated and collected at the lower part of the separator body 143.
- Liquid nitrogen flows out of a liquid outlet 142 provided at the bottom of the separator body 143.
- the nitrogen gas is exhausted from a gas outlet 141 provided on the top of the separator body 143.
- the superconducting cable 100 is used for AC power transmission (for example, three-phase AC power transmission)
- the superconducting cable according to this embodiment is DC power transmission (for example, bipole power transmission, mono It can also be used for pole power transmission.
Landscapes
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Abstract
Description
本開示は、超電導ケーブルに関する。本出願は、2018年1月23日に出願した日本特許出願である特願2018-008946号に基づく優先権を主張する。当該日本特許出願に記載された全ての記載内容は、参照によって本明細書に援用される。 The present disclosure relates to a superconducting cable. This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2018-008946 filed on Jan. 23, 2018. The entire contents of the description of the Japanese patent application are incorporated herein by reference.
超電導ケーブルを冷却する技術としては、過冷却冷媒を用いて循環冷却を行う技術が知られている。これは、冷凍機を用いて冷媒を過冷却状態に冷却し、冷却された冷媒をポンプを用いて超電導ケーブルに送ることで、冷凍機で過冷却状態に冷却された冷媒により超電導ケーブルを冷却するものであり、超電導ケーブルの冷却に使用された後の冷媒は、再度冷凍機に戻される。 As a technique for cooling a superconducting cable, a technique for performing circulating cooling using a subcooled refrigerant is known. In this method, the refrigerant is cooled to the subcooling state using a refrigerator, and the cooled refrigerant is sent to the superconducting cable using the pump, whereby the superconducting cable is cooled by the refrigerant cooled to the subcooling state by the refrigerator The refrigerant that has been used to cool the superconducting cable is returned to the refrigerator again.
このようにして、冷媒を冷凍機→超電導ケーブル→ポンプ→冷凍機の順に一筆書きの経路で循環して超電導ケーブルを冷却する技術は、例えば特許文献1に開示されている。
As described above, for example,
本開示の一態様に係る超電導ケーブルは、航空機に搭載される複数の電力機器の間で電力を送電する超電導ケーブルであって、固体冷媒が封入される断熱管と、断熱管内に収納され、超電導層を有するコアとを備える。 A superconducting cable according to an aspect of the present disclosure is a superconducting cable for transmitting power between a plurality of electric power devices mounted on an aircraft, the heat insulating pipe in which a solid refrigerant is sealed, and the heat insulating pipe housed in the heat insulating pipe And a core having a layer.
[本開示が解決しようとする課題]
本開示の一態様の目的は、航空機に搭載される複数の電力機器の間で電力を輸送する超電導ケーブルであって、軽量化に適した新規な構成を提供することである。
[本開示の効果]
本開示によれば、航空機に搭載される複数の電力機器の間で電力を輸送する超電導ケーブルであって、軽量化に適した新規な構成を提供することができる。
[Problems to be solved by the present disclosure]
An object of an aspect of the present disclosure is to provide a superconducting cable which transports power between a plurality of power devices mounted on an aircraft, and which has a novel configuration suitable for weight reduction.
[Effect of the present disclosure]
According to the present disclosure, it is possible to provide a superconducting cable that transports power between a plurality of power devices mounted on an aircraft, and which has a novel configuration suitable for weight reduction.
[本開示の実施形態の説明]
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。
[Description of the embodiment of the present disclosure]
First, embodiments of the present disclosure will be listed and described.
(1)本開示の一態様に係る超電導ケーブル100(図2および図3参照)は、航空機1000(図1参照)に搭載される複数の電力機器の間で電力を送電する。超電導ケーブル100は、固体冷媒20が封入される断熱管35と、断熱管35内に収納され、超電導層を有するコア10とを備える。
(1) The superconducting cable 100 (see FIGS. 2 and 3) according to an aspect of the present disclosure transmits power between a plurality of power devices mounted on the aircraft 1000 (see FIG. 1). The
上記(1)に係る超電導ケーブル100によれば、断熱管35内に封入された固体冷媒20の顕熱を利用してコア10が冷却される。そのため、過冷却冷媒を用いてコアの循環冷却を行なう従来の超電導ケーブルの冷却技術と比較して、液体冷媒を過冷却状態に冷却するための冷凍機、液体冷媒を循環させるポンプ、および液体冷媒を貯留するリザーバタンクなどから構成される冷却システムが不要となる。したがって、上記超電導ケーブルを航空機内での電力を輸送する電力ケーブルに適用した場合において、航空機内に超電導ケーブルの冷却システムを構築する必要がないため、電力ケーブルを軽量化することができる。
According to the
また、上記(1)に係る超電導ケーブル100によれば、断熱管35の内部で冷媒は流動せずに固定された状態となっている。したがって、航空機1000の運航中、航空機1000の姿勢の変化に伴って超電導ケーブル100の長手方向が地面に対して水平な方向から傾いた場合であっても、冷媒が重力に従って流動することがなく、断熱管35内の一部分に冷媒が偏在することを抑制できる。これによると、コア10の長手方向にわたって冷媒の状態がほぼ均一に保たれるため、ほぼ均等にコア10を冷却することができる。また、断熱管35の内部で冷媒が偏在した場合、その冷媒が偏在した部分では断熱管35に大きな圧力が加わる。この圧力は断熱管35の長さが長くなるほど大きくなるため、断熱管35には圧力に耐え得るだけの堅牢性が求められ、断熱管35が大型で重量なものになることが懸念される。一方、上記(1)に係る超電導ケーブル100では、上述したように冷媒の偏在が抑えられるため、断熱管35を小型軽量化することができる。
Moreover, according to the
(2)上記(1)に係る超電導ケーブル100は、コア10の端末を収納する端末部120A,120Bをさらに備える(図5参照)。端末部120A,120Bには断熱管35の内部に液体冷媒21を注入するための注入口126が形成される。超電導ケーブル100は、冷凍機200を端末部120A,120Bに接続するための接続部材128をさらに備える。接続部材128は、冷凍機200の接続時において開状態となり、冷凍機200とコア10の端末とを接続させる一方で、冷凍機200の非接続時において閉状態となり、注入口126を封止するように構成される。
(2) The
このようにすると、航空機1000の離陸前に、断熱管35の内部に液体冷媒21を注入し、冷凍機200を用いてこの液体冷媒21を冷却して固体冷媒20とすることで、断熱管35の内部に固体冷媒20を充填することができる。また、液体冷媒21が凝固した後は、冷凍機200を端末部120A,120Bから取り外すことで、冷凍機200が搭載されない状態で航空機1000を運航することができる。
In this way, the
なお、航空機1000の運航中に発生するジュール損(熱損失)、および断熱管35内に充填可能な固体冷媒20の量などに基づいて、液体冷媒21を冷却する際の目標温度を設定することで、航空機1000の運航中、固体冷媒20を融点未満の温度に保つことができ、固体冷媒20が液化することを防ぐことができる。
In addition, based on the Joule loss (heat loss) generated during operation of the
(3)上記(1)または(2)に係る超電導ケーブル100において、コア10(図4参照)は、フォーマ12と、フォーマ12の外周に配置される超電導層13と、超電導層13の外周に配置される絶縁層14と、絶縁層14の外周に配置されるシールド層15とを有する。
(3) In the
このようにすると、シールド層15と断熱管35の内側との間に形成される空間に固体冷媒20が充填されるため、コア10の超電導層13およびシールド層15を効率的に冷却することができる。
Thus, the
(4)上記(3)に係る超電導ケーブル100において、コア10は、最外周に配置される熱伝導層17(図8参照)をさらに有していてもよい。
(4) In the
このようにすると、断熱管35内に充填された液体冷媒21または固体冷媒20を冷凍機200を用いて冷却する工程において、熱伝導層17を利用してコア10および断熱管35を効率良く冷却することができる。したがって、冷媒の冷却時間を短縮することができる。
In this way, in the process of cooling the
(5)上記(1)から(4)のいずれかに係る超電導ケーブル100は、断熱管35の内周側に配置される熱伝導体34(図7参照)をさらに備えていてもよい。
(5) The
このようにすると、断熱管35内に充填された液体冷媒21または固体冷媒20を冷凍機200を用いて冷却する工程において、熱伝導体34を利用してコア10および断熱管35を効率良く冷却することができる。したがって、冷媒の冷却時間を短縮することができる。
In this way, in the process of cooling the
(6)上記(2)に係る超電導ケーブル100は、端末部120A,120Bに配置され、液体冷媒が気化した気体冷媒を断熱管35の外部に排出するための気液分離器130(図9参照)をさらに備える。
(6) The
このようにすると、コア10の冷却によって発生した気体冷媒によって断熱管3530内の冷媒圧力が上昇することを抑制することができる。
In this way, it is possible to suppress an increase in the refrigerant pressure in the heat insulating pipe 3530 due to the gas refrigerant generated by the cooling of the
(7)上記(6)に係る超電導ケーブル100において、気液分離器130(図9参照)は、気体冷媒の出口に配置された圧力調整弁132を有する。
(7) In the
このようにすると、圧力調整弁132により、断熱管35内の冷媒圧力と外部圧力との差圧を維持することができる。したがって、航空機の運航中において機体の姿勢が傾斜し、冷媒圧力が上昇した場合においても、断熱管35の内部から液体冷媒を流出させずに、気体冷媒を排出することができる。
Thus, the
(8)上記(1)から(7)のいずれかに係る超電導ケーブル100において、固体冷媒20は、固体窒素である。
(8) In the
このようにすると、航空機に搭載される複数の電力機器の間で電力を輸送する超電導ケーブルの軽量化かつコスト低減を実現することができる。 In this way, it is possible to realize a reduction in weight and cost of a superconducting cable that transports power between a plurality of power devices mounted on an aircraft.
[本開示の実施形態の詳細]
以下、本開示の実施の形態について図面に基づいて説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照符号を付し、その説明は繰返さない。
Details of Embodiments of the Present Disclosure
Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described based on the drawings. In the following drawings, the same or corresponding parts have the same reference characters allotted, and description thereof will not be repeated.
(超電導ケーブルの適用例)
まず、図1を参照して、本実施の形態に係る超電導ケーブル100が適用される場面の一例について説明する。図1は、本実施の形態に係る超電導ケーブル100を搭載する航空機1000の概要を示す模式図である。
(Example of application of superconducting cable)
First, with reference to FIG. 1, an example of a scene where the
本実施の形態に係る超電導ケーブル100は、航空機1000に搭載される複数の電力機器の間で電力を輸送する電力ケーブルに適用される。図1の例では、航空機1000には、発電機102、電動機106、電力変換器104,108、電力分配器110、および蓄電装置112などの複数の電力機器が搭載されている。4基のエンジンのうちの1基のエンジンにのみ、電動機106が図示されている。超電導ケーブル100は、これらの電力機器の間に配設され、電力を輸送するためのものである。
航空機1000に搭載される電力ケーブルは、その全長が数十メートルに及ぶものがある。電力ケーブルを既存の常電導ケーブル(たとえばOFケーブルやCVケーブル)で構成した場合、たとえば4MWの三相交流電力(交流周波数400Hz、定格電圧230V、定格電流10kA)を輸送するための電力ケーブルの重量は約15トンになる。1基の電動機あたり2回線とすると、2基のエンジンを電動機に置き換えた場合には電力ケーブルの総重量は約60トンになり、航空機1000全体の重量に対する電力ケーブルの重量の割合が無視できないレベルになってしまう。
The power cables mounted on the
近年、変電所などの電力設備における電力ケーブルにおいては、超電導ケーブルの実用化に向けた開発が進んでいる。超電導ケーブルは、銅ケーブルに比べて送電損失が小さく、大電流を流すことができるため、電力ケーブルを軽量かつコンパクト化することができる。したがって、電力ケーブルの軽量化の観点から、航空機用の電力ケーブルへの応用が期待される。 In recent years, in power cables in power facilities such as substations, development for practical use of superconducting cables is in progress. A superconducting cable has a smaller power transmission loss than a copper cable and can flow a large current, so the power cable can be made lightweight and compact. Therefore, from the viewpoint of reducing the weight of the power cable, application to power cables for aircraft is expected.
ここで、超電導ケーブルは、代表的に、超電導層を有するコアが断熱管内に収納され、この断熱管内に液体冷媒(たとえば液体窒素)を流通させることで、コアを冷却する構造を採用している。この冷却構造では、超電導ケーブルに冷却システムを接続し、冷却システムから断熱管内に液体冷媒を供給して流通させることで運用を行なう。冷却システムは、液体冷媒を冷却する冷凍機、液体冷媒を圧送するポンプ、および液体冷媒を貯留するリザーバタンクなどを備え、超電導ケーブルの断熱管とともに液体冷媒を流通する冷媒流路を構成する。冷凍機で冷却された液体冷媒を断熱管内に送り、ポンプにより液体冷媒を循環させることでコアを冷却する。 Here, a superconducting cable typically employs a structure in which a core having a superconducting layer is accommodated in a heat insulating pipe, and the core is cooled by circulating liquid refrigerant (for example, liquid nitrogen) in the heat insulating pipe. . In this cooling structure, operation is performed by connecting a cooling system to the superconducting cable and supplying and circulating the liquid refrigerant from the cooling system into the heat insulating pipe. The cooling system includes a refrigerator for cooling the liquid refrigerant, a pump for pumping the liquid refrigerant, a reservoir tank for storing the liquid refrigerant, and the like, and constitutes a refrigerant flow path for circulating the liquid refrigerant together with the heat insulation pipe of the superconducting cable. The liquid refrigerant cooled by the refrigerator is fed into the heat insulating pipe, and the core is cooled by circulating the liquid refrigerant by the pump.
そのため、超電導ケーブルを航空機用の電力ケーブルに適用した場合には、上述した冷却システムを航空機1000内に構築することが必要となる。したがって、冷却システムの重量が嵩んでしまい、軽量化の観点において十分な利益を享受できないことが懸念される。
Therefore, when the superconducting cable is applied to a power cable for an aircraft, it is necessary to construct the cooling system described above in the
本実施の形態では、航空機用の電力ケーブルとして好適な超電導ケーブルの構成について説明する。 In the present embodiment, the configuration of a superconducting cable suitable as a power cable for an aircraft will be described.
(超電導ケーブル)
次に、本実施の形態に係る超電導ケーブル100の構成について説明する。
(Superconducting cable)
Next, the configuration of the
まず、図2を用いて、超電導ケーブル100の全体構成を説明する。図2は、図1に示した航空機1000に搭載される2つの電力機器間に配設される超電導ケーブル100の模式図である。
First, the overall configuration of the
図2に示すように、超電導ケーブル100は、超電導層を有するコア10を備える。コア10は、断熱管35の内部に収納される。超電導ケーブル100は、断熱管35内に固体冷媒を封入することで、固体冷媒によりコア10を冷却して超電導状態とし、電力の輸送に利用される。以下の説明では、固体冷媒として、固体窒素を用いることとする。なお、窒素は、融点が約63.1Kであり、沸点が約77.3K(大気圧)である。
As shown in FIG. 2, the
断熱管35に収納されるコア10の本数は、単芯であっても複数芯であっても構わない。以下の説明では、3芯のコア10を撚り合わせて断熱管35に収納された三芯一括型の三相交流ケーブルを例示する。
The number of
図3は、図2のIII-III線での断面図である。図4は、図3に示したコア10を示す断面図である。 FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III of FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view showing the core 10 shown in FIG.
図3および図4に示されるように、超電導ケーブル100は、3芯のコア10と、コルゲート内管30と、真空層31と、コルゲート外管32と、補強層(防食層)33とを主に備える。コルゲート内管30、真空層31、コルゲート外管32および補強層33は、断熱管35を構成する。
As shown in FIGS. 3 and 4, the
コア10は、図4に示すように、その内側から順にフォーマ12、内部超電導層13、絶縁層14、外部超電導層15、および保護層16を備える。
As shown in FIG. 4, the
フォーマ12は、コア10の剛性および曲げ特性などの機械的特性を維持するとともに、異常電流の分流路として機能する。具体的には、超電導ケーブル100が電気的に接続される電力機器で短絡などの事故が発生した場合、超電導ケーブル100には定常時の電流を超える異常電流が生じる。そして、臨界電流値Icを超える大電流が超電導層に流れると、超電導層は常電導に転移(クエンチ)し、この転移によるジュール損(熱損失)が生じる。ジュール損が大きな場合、超電導層を構成するコア10が焼損したり、焼損に至らなくても急激な温度上昇により臨界電流値Icが低下する可能性がある。短絡など事故で大電流が生じた際に、フォーマ12に事故電流を分流させることで、超電導層の発熱を抑制することができる。
The former 12 maintains mechanical characteristics such as rigidity and bending characteristics of the
フォーマ12は、中空構造または中実構造を有しており、低電気抵抗値を有する金属(たとえば銅やアルミニウム)からなるパイプ、または撚り線が好適に利用できる。 The former 12 has a hollow structure or a solid structure, and a pipe made of a metal (for example, copper or aluminum) having a low electrical resistance value, or a stranded wire can be suitably used.
内部超電導層13は、フォーマ12の外周に配置される。内部超電導層13は、送電路を構成する。内部超電導層13としては、たとえば、酸化物超電導体を備えるテープ状線材が好適に利用できる。テープ状線材は、たとえば、Bi2223系超電導テープ線、またはRE123系薄膜線材が利用できる。Bi2223系超電導テープ線としては、Ag-MnやAgなどの安定化金属中にBi2223系酸化物超電導体からなるフィラメントが配されたシース線が挙げられる。なお、Bi2223超電導体は、(ビスマスと鉛):ストロンチウム:カルシウム:銅の原子比がほぼ2:2:2:3の比率で近似して表わされるBi2223相を主相とし、残部がBi2212相および不可避的不純物からなる材質を意味する。RE123系薄膜線材としては、金属基板にY(イットリウム),Ho(ホルニウム),Sm(サマリウム),Gd(ガドリニウム)などの希土類元素REの酸化物超電導相が成膜された積層線材が挙げられる。RE123系の超電導体とは、REBa2Cu3Oy(yは6~8、より好ましくは7)として表される超電導体を意味する。上記テープ状線材を螺旋状に巻回して形成した単層構造、または多層構造のものが挙げられる。図4では簡略化して示しているが、多層構造の超電導層13としている。
The
絶縁層14は、内部超電導層13での使用電圧に対して要求される絶縁を確保するための層である。
Insulating
外部超電導層15は、絶縁層14の外周に配置される。外部超電導層15としては、内部超電導層13と同様に酸化物超電導体を備えるテープ状線材が好適に利用できる。外部超電導層15に用いる酸化物超電導体は、内部超電導層13の形成に用いたものと同様のものを用いてもよい。超電導ケーブル100が三相交流ケーブルの場合、外部超電導層15は、内部超電導層13に流れる電流による誘導されるシールド電流を流すシールド層として利用できる。
The
保護層16は、外部超電導層15の外周に配置される。保護層16は、外部超電導層15の電気的絶縁を確保するとともに、外部超電導層15を機械的に保護するためのものである。保護層16は、たとえばPPLPやクラフト紙などの絶縁紙を外部超電導層15の外周に螺旋状に巻回することで形成されている。
図3に戻って、断熱管35の最内周に位置するコルゲート内管30は、コア10(端末を除く)を収納する。コルゲート内管30の材質としては、銅、ステンレスまたはアルミニウム(合金)などが好適に利用できる。コルゲート内管30の内部には固体窒素20が充填される。
Returning to FIG. 3, the corrugated
コルゲート内管30の内部では、固体窒素20を用いてコア10が冷却される。コア10の冷却には顕熱が利用される。コルゲート内管30の外周には、コルゲート外管32が配置される。コルゲート外管32は、たとえばステンレス製のコルゲート筒形状である。コルゲート内管30とコルゲート外管32との間の空間は、真空層31であり、断熱空間として利用される。この空間には、断熱材を充填してもよい。
Inside the corrugated
コルゲート外管32の外周には、補強層33(防食層)が配置される。補強層33は、たとえばポリ塩化ビニルなどを用いて形成される。
A reinforcing layer 33 (anticorrosion layer) is disposed on the outer periphery of the corrugated
図2に戻って、超電導ケーブル100は、長手方向における両端部に端末部120A,120Bを有する。端末部120Aは、コア10の長手方向における一方の端末を収納する。端末部120Bは、コア10の長手方向における他方の端末を収納する。端末部120A,120Bの各々の内部において、コア10の端末は電極122と電気的に接続される。電極122は、図示しない電力機器と電気的に接続される。電極122は、たとえば、銅またはアルミニウムなどのように、固体窒素の温度近傍においても電気抵抗値の低い金属などの導電性材料で形成される。
Returning to FIG. 2, the
端末部120A,120Bには断熱管35が接続され、端末部120A,120B内の空間は断熱管35内と連通しており、固体窒素が充填される。
The
(超電導ケーブルの運用例)
次に、本実施の形態に係る超電導ケーブル100の運用例について説明する。
(Example of operation of superconducting cable)
Next, an operation example of the
まず、図5を用いて、断熱管35および端末部120A,120Bの内部に固体窒素を充填する工程を説明する。この工程は、航空機1000の運用開始前において実施される。
First, the process of filling solid nitrogen into the inside of the
図5に示すように、端末部120A,120Bは、真空断熱容器の態様をなし、固体窒素およびコア10の端末を内部に保持する冷媒容器124と、冷媒容器124を囲むように配置される外側の槽(外槽)とを備える。冷媒容器124と外槽との間には一定の間隙が存在し、この間隙を真空状態とすることで、外槽側から冷媒容器124側への熱の伝達を抑制することができる。
As shown in FIG. 5, the
冷媒容器124の内部に液体冷媒21を供給するために、端末部120A,120Bには液体冷媒21の注入口126が形成されている。超電導ケーブル100は、冷凍機200を端末部120A,120Bに接続するための接続部材128を備える。図5の例では、接続部材128は、液体冷媒21の注入口126に取り付けられている。
In order to supply the liquid refrigerant 21 to the inside of the
接続部材128は、端末部120A,120Bへの冷凍機200の接続時において開状態となり、冷凍機200の冷却ヘッドとコア10の端末とを接続させる。一方、端末部120A,120Bへの冷凍機200の非接続時において、接続部材128は閉状態となり、注入口126を封止するように構成される。
The
断熱管35および端末部120A,120Bの内部に固体窒素を充填する工程では、最初に、注入口126を介して冷媒容器124内に液体窒素21が注入される。冷媒容器124内に注入された液体窒素21は、断熱管35内にも注入される。これにより、コア10全体が液体窒素21に浸漬される。
In the process of filling solid nitrogen into the inside of the
端末部120A,120Bおよび断熱管35内に液体窒素21を充填した後、接続部材128を開状態として、端末部120A,120Bの各々に冷凍機200を接続する。冷凍機200を用いて、液体窒素21を融点(63.1K)以下の温度に冷却することにより、固体窒素を生成する。冷凍機200には、循環冷媒管を介して圧縮機210が接続されている。
After the
図5に示すように、冷凍機200の冷却ヘッドは、内槽124内に配置され、コア10の端末に接続される。最初は冷却ヘッドもコア10も液体窒素21の沸点(77.3K)であるが、冷凍機200が稼働して冷却ヘッドが液体窒素21の融点(63.1K)を下回ると、コア10も融点よりも低温となり、コア10の周辺の液体窒素21が凝固し始める。液体窒素21がすべて凝固するまで液体窒素21は融点温度に維持される。冷凍機200は、液体窒素21がすべて凝固した後も冷却を続けることにより、最終的に固体窒素を融点未満の温度(たとえば30K程度)にまで低下させる。このときの固体窒素の温度は、航空機1000が離陸する時点における固体窒素の初期温度となる。
As shown in FIG. 5, the cooling head of the
図6は、超電導ケーブル100内に存在する固体窒素の温度および量の時間的変化を模式的に示す図である。図6は、航空機1000の運用開始時における固体窒素の温度および量の時間的変化を示したものである。
FIG. 6 schematically shows temporal changes in the temperature and amount of solid nitrogen present in
図6に示すように、時刻t0にて、断熱管35および端末部120A,120B内へ液体窒素が充填されると、液体窒素の冷却が開始される。冷凍機200を稼働させると、液体窒素が冷却され、時刻t1にて液体窒素の温度が融点になると、液体窒素が凝固し始めることにより、固体窒素の量が徐々に増加する。
As shown in FIG. 6, when the
液体窒素がすべて凝固した後も冷却を続けることにより、固体窒素を融点未満の初期温度(たとえば約30K)まで低下させる。時刻t1より後の時刻t2にて固体窒素の温度が初期温度に到達すると、冷凍機200の運転を停止させる。
By continuing the cooling even after all the liquid nitrogen has solidified, the solid nitrogen is lowered to an initial temperature below the melting point (e.g. about 30 K). When the temperature of solid nitrogen reaches the initial temperature at time t2 after time t1, the operation of the
冷凍機200の運転を停止した後、冷凍機200および圧縮機210は、超電導ケーブル100から取り外される。端末部120A,120Bから冷凍機200が取り外されると、接続部材128が閉状態となり、断熱管35および端末部120A,120Bの内部に固体窒素が閉じ込められた状態となる。
After the operation of the
以上のように、本実施の形態では、冷凍機200を用いて液体窒素を冷却して固体窒素を生成する構成について説明したが、液体窒素を冷却するための冷却手段はこれに限定されるものではない。
As described above, in the present embodiment, the configuration in which liquid nitrogen is cooled to generate solid
時刻t3において航空機1000が離陸した後、コア10に発生する交流損失および外部侵入熱などによって固体窒素が加熱される。固体窒素の顕熱を利用してコア10が冷却されるため、固体窒素の温度が初期温度(30K)から徐々に上昇する。固体窒素の温度が融点(63.1K)に達するまでは固体窒素は液化することなく、固体の状態に保たれる。
After the
本実施の形態では、航空機1000が離陸してから着陸するまでの期間において、固体窒素の温度が凝固点を超えないように、初期温度を十分に低い温度に設定する。初期温度は、航空機1000が離陸してから着陸するまでの期間に発生する損失、および断熱管35および端末部120A,120B内に貯留される固体窒素の量などに基づいて設定される。たとえば、24時間の運航時間において、負荷が100%となる時間が1時間であり、負荷が33%となる時間が23時間である場合、初期に断熱管35および端末部120A,120B内に充填すべき窒素の量が約3200kgである。
In the present embodiment, the initial temperature is set to a sufficiently low temperature so that the temperature of solid nitrogen does not exceed the freezing point during the period from the takeoff to landing of the
時刻t4より後には、航空機1000の次回の運航に備えて、断熱管35および端末部120A,120B内に充填されている固体窒素の冷却が行なわれる。これにより、固体窒素は再び初期温度(約30K)まで冷却される。
After time t4, in order to prepare for the next operation of the
以上説明したように、本実施の形態に係る超電導ケーブル100によれば、断熱管35内に封入された固体冷媒20の顕熱を利用してコア10が冷却される。そのため、過冷却冷媒を用いてコアの循環冷却を行なう従来の超電導ケーブルの冷却技術と比較して、液体冷媒を過冷却状態に冷却するための冷却システムが不要となる。したがって、上記超電導ケーブルを航空機内での電力を輸送する電力ケーブルに適用した場合において、航空機内に超電導ケーブルの冷却システムを構築する必要がないため、電力ケーブルを軽量化することができる。したがって、本実施の形態による超電導ケーブル100は、燃費および環境負荷を低減できる電動航空機の実現に貢献することができる。
As described above, according to the
また、航空機1000の運航中、航空機1000の姿勢の変化に伴って超電導ケーブル100の長手方向が地面に対して水平な方向から傾いた場合であっても、断熱管35の内部で冷媒は固定された状態となっているため、断熱管35内の一部分に冷媒が偏在することを抑制できる。これによると、コア10の長手方向にわたって冷媒の状態がほぼ均一に保たれるため、ほぼ均等にコア10を冷却することができる。
Further, even when the longitudinal direction of the
(超電導ケーブルの変形例)
図7は、本実施の形態の第1の変形例による超電導ケーブル100の断面図である。図7に示すように、本変形例による超電導ケーブル100は、断熱管35の内周側に配置される熱伝導体34をさらに備える。
(Modified example of superconducting cable)
FIG. 7 is a cross-sectional view of a
このようにすると、断熱管35内に充填された液体窒素または固体窒素20を冷凍機200を用いて冷却する工程(図5参照)において、熱伝導体34を利用してコア10および断熱管35を効率良く冷却することができる。したがって、冷媒の冷却時間を短縮することができる。
Thus, in the step of cooling liquid nitrogen or
図8は、本実施の形態の第2の変形例による超電導ケーブル100のコア10の断面図である。図8に示すように、本変形例による超電導ケーブル100において、コア10は、最外周に配置される熱伝導層17をさらに有する。
FIG. 8 is a cross-sectional view of a
このようにすると、断熱管35内に充填された液体冷媒または固体冷媒20を冷凍機200を用いて冷却する工程(図5参照)において、熱伝導層17を利用してコア10および断熱管35を効率良く冷却することができる。したがって、冷媒の冷却時間を短縮することができる。
Thus, in the step of cooling the liquid refrigerant or solid refrigerant 20 filled in the
図9は、本実施の形態の第3の変形例による超電導ケーブル100の模式図である。図9に示すように、本変形例による超電導ケーブル100は、気液分離器130をさらに備える。気液分離器130は、端末部120A,120Bの各々に接続されている。気液分離器130は、断熱管35および端末部120A,120Bからの液体窒素の流出を抑制しつつ、断熱管35の外部に窒素ガスを排出させるものである。
FIG. 9 is a schematic view of a
上述したように、航空機1000の運航中、固体窒素は基本的に固体の状態で維持されるが、コア10で発生するジュール損が想定を超えて増加した場合には、加熱された固体窒素が液化し、さらに気化することにより、断熱管35の内部に窒素ガスが発生する可能性がある。断熱管35の内部において窒素ガスが発生すると、断熱管35内の冷媒圧力が上昇するとともに、コア10の冷却が不十分になり、コア10の温度が上昇する可能性がある。したがって、コア10の温度を維持するためには、窒素ガスを排出する必要がある。
As described above, solid nitrogen is basically maintained in a solid state during the operation of the
そのため、図9に示すように、端末部120A,120Bに気液分離器130を接続する。これにより、窒素ガスを効率良く断熱管35の外部に排出させることができる。なお、図9の例では、各端末部に気液分離器130を接続する構成としたが、気液分離器は、端末部120A,120Bのいずれか一方に接続するようにしてもよい。
Therefore, as shown in FIG. 9, the gas-
例えば、端末部120Aにのみ気液分離器130が接続されている場合であって、断熱管35の内部の固体窒素が全て液化し、液体窒素および窒素ガスが混合された気液二相冷媒に変化している状態を想定する。この状態において、端末部120Aが端末部120Bよりも低い位置となるように機体の姿勢が傾斜したときには、端末部120A側に気液二相冷媒が偏るため、気液分離器130から液体窒素を流出させずに、窒素ガスを排出させることができる。反対に、端末部120Bが端末部120Aよりも低い位置となるように機体の姿勢が傾斜したときには、端末部120B側に気液二相冷媒が偏る。この場合、窒素ガスが上昇して端末部120A側に集まるため、気液分離器130から窒素ガスを排出することができる。すなわち、機体の姿勢によらず、窒素ガスを断熱管35の外部に排出させることができる。
For example, in the case where the gas-
気液分離器130は、気液分離器130の気体出口には圧力調整弁132が配置されている。航空機1000の運航中、機体の姿勢が傾斜することで、断熱管35内の冷媒圧力が上昇する場合がある。断熱管35の外部は大気圧もしくは大気圧以下であるため、このような場合に、気液分離器130の気体出口から液体窒素および窒素ガスがともに排出されてしまうおそれがある。圧力調整弁132は、気体出口に設置され、断熱管35内の冷媒圧力と外部圧力との圧力差を維持することができる。これにより、機体が大きく傾斜する場合を含めて、断熱管35の内部から液体窒素を流出させずに、窒素ガスを効率良く外部に排出させることができる。
In the gas-
図10から図12は、図9に示した気液分離器130の構成例を模式的に示す断面図である。気液分離器130には、一般的に、遠心力を利用した気液分離器(図10)、表面張力を利用した気液分離器(図11)および、気液分離コアレッサー(図12)など種々の方式のものを利用することができる。
10 to 12 are cross-sectional views schematically showing an example of the configuration of the gas-
図10は、遠心力式気液分離器の構成を模式的に示す断面図である。図10に示すように、分離器本体143の側部には、気液二相冷媒が流入する気液二相流入口140が設けられている。分離器本体143の上部には気体が出力される気体出口141が設けられ、分離器本体143の下部には液体が出力される液体出口142が設けられている。分離器本体143の内部には螺旋状流路が形成されており、この螺旋状流路の一端が気液二相流入口140に連通している。螺旋状流路の他端側で、かつ螺旋状流路の軸線方向から見て螺旋状流路の外周側部分に連通するように液体出口142が設けられ、螺旋状流路の軸線方向から見て螺旋状流路の内周側部分に連通するように気体出口141が設けられる。
FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a centrifugal gas-liquid separator. As shown in FIG. 10, a gas-liquid two-
気液二相流入口140から流入した気液二相冷媒は、螺旋状流路によって旋回成分が与えられ、その遠心力によって液体窒素と窒素ガスとに分離される。すなわち、比重の大きい液体窒素は、より大きな遠心力を受けるため、螺旋状流路の外周側に集まる一方、比重の小さい窒素ガスはそれ以外の部分、つまり螺旋状流路の内周側に集まることになる。
The gas-liquid two-phase refrigerant flowing from the gas-liquid two-
図11は、表面張力式気液分離器の構成を模式的に示す断面図である。図11に示すように、分離器本体143の上部には気液二相流入口140が設けられ、分離器本体143の側部には気体出口141が設けられ、分離器本体143の下部には液体出口142が設けられている。
FIG. 11 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a surface tension type gas-liquid separator. As shown in FIG. 11, a gas-liquid two-
分離器本体143の内周面には、蛇腹状の溝部144が形成されている。溝部144の上部と気液二相流入口140と間には、気液二相流を溝部144に導くとともに、溝部144から放出された気体が気液二相流入口140に逆流するのを防止するための仕切体143Aが配置されている。溝部144の下部と気体出口141および液体出口142との間には、溝部144を通過した気体および液体をそれぞれの出口に導くための仕切体143Bが配置されている。
A bellows-
蛇腹状の溝部144の上部から気液二相冷媒が流入されると、気液二相冷媒が溝部144に接触する。溝部144に接触した気液二相冷媒は、液体窒素の表面張力により、液体窒素と窒素ガスとに分離される。分離された液体窒素は、溝部144に沿って流れた後に集められて、液体出口142から流出される。窒素ガスは、気体出口141から排出される。
When the gas-liquid two-phase refrigerant flows in from the upper portion of the bellows-
図12は、気液分離コアレッサーの構成を模式的に示す断面図である。図12に示すように、分離器本体143の内部には、超極細繊維構造を有するコアレッサーカートリッジ145が設置されている。気液二相流入口140から流入された気液二相冷媒は、コアレッサーカートリッジ145の中に流入される。コアレッサーカートリッジ145を通過する間に、気液二相冷媒に含まれる液体窒素が分離されて、分離器本体143の下部に集められる。液体窒素は、分離器本体143の下部に設けられた液体出口142から流出される。窒素ガスは、コアレッサーカートリッジ145を通過した後、分離器本体143の上部に設けられた気体出口141から排出される。
FIG. 12 is a cross-sectional view schematically showing the structure of the gas-liquid separation coalescer. As shown in FIG. 12, inside the
なお、上述した実施の形態では、超電導ケーブル100を交流送電(例えば、三相交流送電)に利用する構成について説明したが、本実施の形態による超電導ケーブルは、直流送電(例えば、バイポール送電、モノポール送電)にも利用することができる。
In the embodiment described above, although the configuration in which the
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなく請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 It should be understood that the embodiments disclosed herein are illustrative in all respects and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the embodiments described above but by the scope of claims, and is intended to include meanings equivalent to the scope of claims and all modifications within the scope.
10 コア、12 フォーマ、13 内部超電導層、14 絶縁層、15 外部超電導層(シールド層)、16 保護層、17 熱伝導層、20 固体窒素、21 液体窒素、30 コルゲート内管、31 真空層、32 コルゲート外管、33 補強層、34 熱伝導体、35 断熱管、100 超電導ケーブル、102 発電機、104,108 電力変換器、106 電動機、110 電力分配器、112 蓄電装置、120A,120B 端末部、122 電極、124 内槽、126 注入口、128 接続部材、130 気液分離器、132 圧力調整弁、140 気液二相流入口、141 気体出口、142 液体出口、143 分離器本体、143A,143B 仕切体、144 溝部、145 コアレッサーカートリッジ、200 冷凍機、210 圧縮機、1000 航空機。
Claims (8)
固体冷媒が封入される断熱管と、
前記断熱管内に収納され、超電導層を有するコアとを備える、超電導ケーブル。 A superconducting cable for transmitting power between a plurality of power devices mounted on an aircraft, comprising:
An insulating pipe in which a solid refrigerant is sealed;
And a core housed in the heat insulating pipe and having a superconducting layer.
冷凍機を前記端末部に接続するための接続部材をさらに備え、
前記接続部材は、前記冷凍機の接続時において開状態となり、前記冷凍機と前記コアの端末とを接続させる一方で、前記冷凍機の非接続時において閉状態となり、前記注入口を封止するように構成される、請求項1に記載の超電導ケーブル。 The terminal unit further includes a terminal unit for housing the terminal of the core, and the terminal unit is formed with an inlet for injecting a liquid refrigerant into the inside of the heat insulating pipe.
It further comprises a connection member for connecting a refrigerator to the terminal unit,
The connecting member is in an open state at the time of connection of the refrigerator, and is in a closed state at the time of disconnection of the refrigerator while connecting the refrigerator and the end of the core, and seals the inlet. The superconducting cable according to claim 1 configured as follows.
フォーマと、
前記フォーマの外周に配置される前記超電導層と、
前記超電導層の外周に配置される絶縁層と、
前記絶縁層の外周に配置されるシールド層とを有する、請求項1または請求項2に記載の超電導ケーブル。 The core is
With the former
The superconducting layer disposed on the outer periphery of the former;
An insulating layer disposed on the outer periphery of the superconducting layer;
The superconducting cable according to claim 1 or 2, further comprising: a shield layer disposed on an outer periphery of the insulating layer.
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