| 【発明の名称】 |
液体空気の充填方法 |
| 【発明者】 |
【氏名】須澤 千鶴
【氏名】渡部 充彦
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| 【要約】 |
【課題】液体空気の濃度を維持しつつ冷却機構に充填する方法を提供する。
【解決手段】液体窒素と液体酸素とを冷却機構内で混合して、所定の成分の液体空気とする。冷却機構は、リザーバタンク1と、リザーバタンク内の液体重量を計測する重量計6とを具える。液体窒素と液体酸素とをリザーバタンク1に供給して混合し、重量計6の計測結果を元に所定の成分の液体空気とする。液体窒素と液体酸素の混合に先だって、冷却機構に液体窒素を充填して予備冷却しておくことが望ましい。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 液体窒素と液体酸素とを冷却機構内で混合して、所定の成分の液体空気とすることを特徴とする液体空気の充填方法。
【請求項２】 冷却機構は、リザーバタンクと、リザーバタンク内の液体重量を計測する重量計とを具え、液体窒素と液体酸素とをリザーバタンクに供給して混合し、重量計の計測結果を元に所定の成分の液体空気とすることを特徴とする請求項１に記載の液体空気の充填方法。
【請求項３】 冷却機構に不活性な冷媒を充填して予備冷却し、予備冷却後に液体窒素と液体酸素とを冷却機構に充填して、所定の成分の液体空気とすることを特徴とする請求項1に記載の液体空気の充填方法。
【請求項４】 冷却機構に液体窒素を充填して予備冷却し、予備冷却後に液体酸素を冷却機構に充填して、所定の成分の液体空気とすることを特徴とする請求項1に記載の液体空気の充填方法。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、冷却機構への液体空気の充填方法に関するものである。特に、酸素濃度を所定の濃度に維持できる液体空気の充填方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】超電導ケーブルなど、超電導機器の冷媒としては液体窒素（凝固点63K）が広く知られている。一方、液体空気（凝固点57K）は液体窒素に比べて凝固点が低いと言う特徴がある。そのため、液体空気は冷凍機を用いて容易に低温液体状態を実現でき、超電導導体の運転温度を下げることで、臨界電流密度を20％程度改善できると考えられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、このような液体空気を超電導ケーブルの冷却機構に充填する場合、予め工場などで調整した液体空気をタンクローリ等の低温容器に充填して搬送し、そのまま超電導ケーブル内に充填することができない。
【０００４】液体空気は、密閉されて、かつ液体空気の沸点以下の温度に管理されなければ、時間の経過に伴って沸点の低い液体窒素が優先的に気化し、液体空気中の酸素濃度が高くなって初期の液化時によりも成分割合が変わってしまうためである。一般に酸素濃度が30体積％を超えると極めて活性が高く、火気により爆発の危険性がある。特に、高電圧が印加される超電導ケーブルでは、酸素濃度の増加は是非とも避けなければならない。
【０００５】具体的には、液体空気の搬送時、振動に伴って液面が上下動すると、低温容器における静止時の液面よりも上部に液体空気が触れる。この静止時の液面よりも上部は液温よりも高温になっているため、窒素の優先的気化が生じる。
【０００６】また、液体空気の充填前は、超電導ケーブルも常温であるため、液体空気の超電導ケーブルへの充填時、超電導ケーブルが所定の低温になるまでの間、窒素の優先的気化が起こって当初の酸素濃度を維持することができない。
【０００７】従って、本発明の主目的は、液体空気の濃度を維持しつつ冷却機構に充填する方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、液体窒素と液体酸素とを冷却機構内で混合して、所定の成分の液体空気とすることを特徴とする。
【０００９】つまり、予め工場などで液体空気を製造して冷却機構に搬送してから充填するのではなく、冷却機構中で液体窒素と液体酸素を混合して所定の成分の液体空気とする。そのため、搬送時に液体空気の成分割合が変化すると言う従来の課題は解消することができる。
【００１０】冷却機構中で所定の成分の液体空気を得るには、冷却機構に、リザーバタンクと、リザーバタンク内の液体重量を計測する重量計とを設ければ良い。液体窒素と液体酸素とをリザーバタンクに供給して混合し、同タンク内の混合液体の重量を計測する。そして、重量計の計測結果を元に所定の成分の液体空気とすればよい。リザーバタンクには、さらに液面計を設けることが好ましい。液面計により混合液体の量も監視して、必要量の液体空気を冷却機構内に充填することができる。
【００１１】また、液体窒素や液体酸素の冷却機構中への充填は、予め予備冷却を行ってから行うことが好適である。すなわち、冷却機構に不活性な冷媒を充填して予備冷却を行う。不活性な冷媒としては液体窒素が最適である。液体窒素は爆発の危険性がなく、安全である。
【００１２】予備冷却の後、液体窒素と液体酸素とを冷却機構に充填して、所定の成分の液体空気とするか、液体酸素を冷却機構に充填して、予備冷却で用いた液体窒素と混合させることにより所定の成分の液体空気とする。これにより、冷却機器への充填時における液体空気の成分割合の変化を防止することができる。
【００１３】なお、被冷却体は超電導ケーブルに限らないことは勿論である。超電導マグネットなどの冷却機構にも本発明方法を利用できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明する。超電導ケーブルの冷却機構に液体空気を充填する場合を例に本発明方法を説明する。図１は本発明方法を用いる超電導ケーブルの冷却機構を示す概略図である。超電導ケーブルは、内側から順にフォーマー、超電導導体、絶縁層からなり、その上に磁気遮蔽層、保護層を被覆したコアを具えている。このコアは内外管からなる真空断熱管内に配置されている。そして、フォーマーの内側と、内管と各ケーブルコアとの間隙とが冷媒流路になっている。
【００１５】ここでは、液体空気をLair、液体窒素をLN2、液体酸素をLO2と表す。冷却機構へのLairの充填に際しては、予めLN2とLO2とを工場で製造しておき、各々を充填容器に詰め込んで、冷却機構の現地に搬送しておく。
【００１６】（冷却機構の構成）この冷却機構は、冷媒を貯留するリザーバタンク1、同タンクに接続されて冷媒の圧送を行うポンプユニット2、ポンプユニット2から送られた冷媒を冷却する冷凍機ユニット3、冷凍機ユニット3を経た冷媒が供給される超電導ケーブル4を具える。超電導ケーブル4を通った冷媒は、復路断熱管5を介して冷却ガスとしてリザーバタンク1に戻される。
【００１７】リザーバタンク1には、内部の冷媒重量を計測する重量計6と、液位を計測する液面計7と、冷媒を攪拌する攪拌器8が設けられている。さらに、リザーバタンク1にはLN2とLO2の充填容器9、10が接続されている。そして、LN2とLO2の各充填容器9、10とリザーバタンク1との間には各々開閉バルブ11、12が設けられている。
【００１８】一方、ポンプユニット2内には循環ポンプ13が具えられている。また、LN2の充填容器9からリザーバタンク1への配管は途中で分岐して、ポンプユニット2にも接続されている。このLN2の充填容器9からのポンプユニット2への配管の途中にも開閉バルブ14が設けられている。そして、リザーバタンク1とポンプユニット2との間も配管で接続され、その配管の途中にも開閉バルブ15が設けられている。
【００１９】（予備冷却）LN2とLO2の供給に先だって、LN2のみを供給して予備冷却を行い、冷却機構を液体窒素温度（77K〜80K程度）にまで冷却しておく。
【００２０】まず、前記冷却機構におけるバルブ14のみ開けて他のバルブ11、12、15を全て閉じる。次に、循環ポンプ13を作動して、LN2の充填容器9からポンプユニット2を介して冷凍機ユニット3、超電導ケーブル4、復路断熱管5、リザーバタンク1の順にLN2を供給する。そして、冷却機構全体をほぼ液体窒素温度にまで冷却する。
【００２１】（本冷却）予備冷却の後、LN2とLO2の双方もしくはLO2のみを冷却機構に供給して、冷媒を所定の成分のLairとする。予備冷却により冷却機構全体は既にLN2温度に冷却されているため、LN2が優先的に気化することを抑制できる。ここではLN2とLO2の双方を供給することとした。バルブ14を閉め、他のバルブ11、12、15を全て開く。そして、リザーバタンク1中にLN2とLO2の双方を所定量供給して、リザーバタンク全体の重量を重量計6で測定し、液面計7で液面を監視しながらLN2とLO2を混合してLairを製造する。リザーバタンク1の空重量を予め計測しておいて、タンク内の冷媒重量を求められるようにすることは言うまでもない。
【００２２】このとき、Lairを所定の成分にするために、LN2とLO2の割合を調整していく。成分割合はmol％で表される。この成分割合の調整は、LN2とLO2のモル数を元に比重や重量を計量して行う。
【００２３】例えば、N2＝90mol％、O2＝10mol％のLairを製造するには次のように調整すれば良い。なお、大気圧において、LN2の比重は804kg／m3（77.3K）、LO2のの比重は1142 kg／m3（90K）である。
【００２４】N2：O2＝9：1なので、N2＝28g／mol、O2＝32g／molより、N2は28g／mol×9mol＝252g、O2は32g／mol×1mol＝32gとなり、各々の重量を測定して混合することでN2＝90mol％、O2＝10mol％のLairを製造ことができる。
【００２５】また、LN2とLO2を混合してN2＝90mol％、O2＝10mol％のLairを１kl製造する場合、次のようにすれば良い。LN2の比重は804kg／m3（77.3K）、LO2の比重は1142kg／m3（90K）であるから、各成分の１klあたりのモル数はLN2＝28714mol／kl、LO2＝35688mol／klとなる。従って、LN2＝28714mol／klを基準としてLN2：LO2＝9：1とすると、LO2は3190molとなる。3190molのLO2はLO2＝35688mol／klより0.089klに相当するため、LN2とLO2を9：1の比で混合して１klのLairを製造には、LN2とを0.911kl（1−0.089）、LO2を0.089klの割合で混ぜれば良い。
【００２６】これを重量比で表すと、LN2＝804kg×0.911kl＝732.4kg、LO2＝1142kg×0.089kl＝101.6kgとなるため、重量計６で各重量を計測して混合すればN2＝90mol％、O2＝10mol％のLairを１kl製造することができる。
【００２７】なお、LN2とLO2は上記の9：1に限定されるわけではない。必要に応じて、所定の割合を選択してLairを製造すれば良い。
【００２８】リザーバタンク内に供給したLN2とLO2は攪拌器で混合して直ちにポンプユニット2に送られ、冷凍機ユニット3で冷却して気化を抑制しながら超電導ケーブル4に順次充填して行く。そして、このLairの製造・充填を必要回数繰り返して、超電導ケーブル内に冷媒を満杯に充填させる。充填が完了した時点で、既に超電導ケーブルを運転可能な状態にあり、定常の循環・冷却運転が達成される【００２９】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、冷却機構において所定の成分の液体空気を得ることができるため、液体空気を搬送する際に生じる成分割合の変化は全く問題とならなくなる。また、予め液体窒素などで予備冷却してから液体窒素と液体酸素とを供給することで、充填時における液体空気の成分割合の変化も解消することができる。従って、液体空気の酸素濃度を所定の値に制御することができ、爆発の危険性を回避することができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００２１３０
【氏名又は名称】住友電気工業株式会社
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| 【出願日】 |
平成１１年１２月１５日（１９９９．１２．１５） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１００１００１４７
【弁理士】
【氏名又は名称】山野 宏 （外１名）
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| 【公開番号】 |
特開２００１−１７４１１６（Ｐ２００１−１７４１１６Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年６月２９日（２００１．６．２９） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−３５６６６６ |
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