Comments
Description
Transcript
直流超電導送電システム用ペルチェ電流リードの開発
昭 和 電 線 レ ビ ュ ー 12 Vol. 59, No. 1 (2012) 直流超電導送電システム用ペルチェ電流リードの開発 Development of Peltier Current Lead for Superconducting DC Transmission System 引地康雄 菅根秀夫 箕輪昌啓 佐野茂樹 Yasuo HIKICHI Hideo SUGANE Masahiro MINOWA Shigeki SANO 河 原 敏 男＊ 渡 邊 裕 文＊ 浜 辺 誠＊ 山口作太郎＊ Toshio KAWAHARA Hirofumi WATANABE Makoto HAMABE Satarou YAMAGUCHI 省エネルギー化技術の一つとして，直流超電導送電システムの実用化が検討されている。このシステムは外 部からの熱侵入をできるだけ低減させる必要があり，その手段の一つは「ペルチェ電流リード（PCL）」を使 用することである。この PCL は，ペルチェ素子の低熱伝導率と，ペルチェ効果（熱を 1 方向に輸送する効果） を利用して低熱侵入を実現する。我々は PCL の開発を進めており，200 m 級超伝導直流送電実験装置 （CASER-2，2009 年に中部大学建設）に実装され，銅リードよりも低熱侵入となることを実証した。しかし， 熱履歴等により PCL の電気抵抗値が上昇する問題が見つかった。ペルチェ素子の接合強度が低いことが原因の 一つと考えられ，この接合強度の向上を検討し，熱侵入量を増やすこと無く，従来品（2009 年製造）の 15 倍 以上の強度を達成した。 It is expected widely that superconducting technologies will be one of the effective technologies to decrease energy loss and improve efficiency in energy grids. Especially, in recent circumstances, applications connecting with renewable energy receive more attention. In 2009, Yamaguchi et al successfully developed 200 m-class superconducting direct current transmission test device (CASER-2) in Chubu University and carried out the demonstration of this system. On this demonstration,“Peltier Current Lead (PCL)”was employed, wherein Peltier device was used for the purpose of pumping up the heat through the down-leads. It was observed that PCL reduced heat leak into cryostat as compared to usual Cu current leads on this demonstration, but some issues to be solved remained. One of the issues is that the resistance of PCL increases by heat-cycle, mechanical stress and etc.. We designed a prototype PCL for the purpose of improvement of the mechanical strength and the durability for the heat-cycle, and evaluated its performance. It was observed that the mechanical strength of prototype PCL is more than 15 times for previous PCL (made in 2009) without increment of heat leak. 1．は じ め に ロになるため，低電圧でもジュール損失を無視した状態で 直流送電を行うことができる。超電導ケーブルを冷却する 近年，環境問題が深刻化しており，その対策として省エ ための冷却エネルギーが別途必要になるが，これはジュー ネルギー化の技術が世界的に関心を集めている。その一例 ル損失と比較して大きな損失ではない。交流送電と直流超 として，超電導直流送電システムが挙げられる。現在世界 電導送電の送電損失を比較した場合，直流超電導送電は交 で用いられている送電システムの多くは交流送電であり， 流送電の 1/40 程度の損失で送電を行うことができるという 高電圧送電が可能なことから，ジュール損失を低減した状 ことが報告されている 1）。 態で送電を行えることが長所である。しかし，変圧や直交 超電導機器を稼働させる場合，冷却エネルギーを低くす 変換を行うたびに変換損失が生じてしまうという短所があ ることがエネルギー損失を抑制することになる。超電導送 る。一方，直流送電はこの様な変換損失を生じることはな 電システムの場合，超電導ケーブルを納めた配管表面と， いが，直流高電圧送電の設備は技術的な難しさやコストの 端末部からの 2 つの熱侵入経路が考えられる。前者は真空 問題等により，実際に採用されているのは極めて少数であ 断熱容器を用いることで大幅に低減することが可能であ る。ここで，超電導ケーブルを用いた場合，電気抵抗がゼ り，後者は，ペルチェ電流リード（PCL）を用いることに より端末部からの熱侵入を低減することが可能である 2，3）。 * 中部大学 中部大学では，20 m 級直流超伝導ケーブル試験装置 直流超電導送電システム用ペルチェ電流リードの開発 （CASER-1）を世界で初めて建設し 4，5），さらに，これを発 13 ここで，ペルチェ効果により輸送される熱量は電流に比 展させた 200 m 級超伝導直流送電実証実験装置（CASER-2） 例し，ジュール発熱は電流の 2 乗に比例する。そのため， を建設した 6，7，8）。この CASER-2 に PCL が実装され，実証 PCL には最適電流が存在し，この最適電流を上回る電流を 6） 試験により熱侵入量を低減したことを確認した が，ハン 流した場合，ジュール発熱がペルチェ効果を上回り，PCL ドリングや熱履歴などの外力により PCL の電気抵抗が増大 としての効果が弱くなってしまう。この上昇前の電流が， するという問題が見つかった。本稿では，PCL 開発の概要 PCL の最適電流となる。この時の通電電流と，各場所の温 と CASER-2 での試験結果，さらに強度を向上した PCL に 度変化の一例を図 3 に示す。 ついて報告する。 電流 2．ペルチェ電流リードの原理 極低温で稼働する超電導応用機器では，断熱が非常に重 要である。外部からの熱侵入が大きいとその熱も冷却する 必要があり，冷却コストが増大してしまう。この熱侵入の 出力側 入力側 放熱 放熱 ＋ ＋ ＋ ＋ − − − − ＋ ＋ ＋ ＋ 経路として，常温にある電源と低温にある超電導機器とを 接続する電流リードがある。通常の銅リードは銅のみで構 成されているため，電気抵抗率が低く，通電を行なっても ジュール熱はほとんど発生しないが，熱伝導率も高いため， 高温側から低温側へ多くの伝導熱の侵入を許してしまう。 これに対し，ペルチェ効果を利用して，熱侵入を低減すべ − − − − 熱のくみ上げ 効果 p型素子 通電方向に 正孔が拡散 し， 熱も運搬 される 吸熱 く考えられたのが，PCL である 2）。PCL は銅とペルチェ素 吸熱 ｎ型素子 通電方向と逆 向きに電子が 拡散し，熱も 運搬される 子で構成されている（図 1 参照）。 ペルチェ素子は熱伝導率が低いため，伝導熱を大幅に削 図 2 ペルチェ効果（熱のくみ上げ効果）の概略 減することになる。一方，電気抵抗率は銅と比較すると非 常に大きいため，多くのジュール熱が発生してしまう。し かしながら，ペルチェ素子に電流を流した場合，ペルチェ 超電導ケーブル の冷却開始 ▼ 効果が発現して熱の輸送を行う。ペルチェ素子は熱電半導 通電開始 ▼ 通電停止 ▼ 体であり，p 型は通電方向と熱の輸送方向は同じ方向であ 銅電極 り，n 型は逆方向となる。この熱輸送の方向を低温側から 高温側温度 ペルチェ素子 高温側へと向かうように n 型と p 型を選択して配置すれば， 低温側温度 銅電極 ペルチェ効果によってジュール発熱を上回る熱量を高温側 ペルチェ電流リード模式図 電流， 温度 へと輸送することが可能となる。この効果を図 2 に示す。 通常の電流リード （銅リード） 通電電流 銅 高温側温度 伝導熱 低温側温度 最適電流 （約160 A） 0A 0A ジュール熱とペル チェ効果(排熱)に よる温度上昇 ペルチェ素子の （約130℃） 低熱伝導率に よる温度差 （約90℃） ジュール熱 高 温 側 ペルチェ電流リード 銅 銅 低 ペルチェ 温 素子 側 ジュール熱と ペルチェ効果 （吸熱）による 温度変化 時間 伝導熱 図 3 通電時の温度変化の一例 ジュール熱 ペルチェ効果 3．ペルチェ電流リードの作製 前述の CASER-2 において，PCL に求められる仕様を， 図 1 PCL の構成概略 表 1 にまとめて示す。 昭 和 電 線 レ ビ ュ ー 14 表 1 PCL の仕様 項 目 ペルチェ素子 電流容量 Vol. 59, No. 1 (2012) 熱とペルチェ効果による排熱，そして電極内の熱伝導と大 仕 様 気との熱伝達を考慮し，シミュレーションによって軸径と高 Bi-Te 化合物 温側電極の温度変化の関係を求めた。この時，通電電流は 定常 130 A/本以下（最大 160 A/本） 外 寸 23 本のペルチェ電流リードを，φ 420 のフランジに配置 できること →設置間隔は 50 mm 以下 構 造 真空シール構造を持つこと 過通電を想定した 260 A とした。設定条件を表 2，図 4 に， 結果を図 5，6 にそれぞれ示す。 図 5，6 より，ペルチェ素子高温側温度は軸径φ 26 ∼ 30 の時に最小値となり，PCL 最上部温度は軸径φ 24 ∼ 26 の 時に最小値となることが分かった。そのため，作製する 3.1 PCL の銅電極軸径の検討 PCL の高温側電極軸径はφ 26 とした。 PCL の高温側となる電極は，ジュール熱とペルチェ効果 の排熱によって高温にさらされるため，その熱を積極的に 41 大気へと放出する役割が求められる。このため，ジュール 通電電流260 A 40 項 目 設定条件 材 質 タフピッチ銅 軸径範囲 φ 16 ∼ 30 mm 全 長 200 mm 放熱フィン 外径 45 mm，枚数 7 枚，厚さ 1.5 mm，フィン間隔 7 mm 通電電流 260 A 周囲温度 25 ℃（室温） 対流境界 熱伝達係数 10 W/m2 ・ K ペルチェ素子から 流入する熱量 2.121 × 107 erg/sec ペルチェ素子高温側温度（℃） 表 2 シミュレーションの設定条件 39 38 37 ペルチェ素子高温側の 温度が最小値となる 軸径φ26∼30 36 35 34 at 25℃ φ45 φ45 PCL最上部 14 18 φ30 22 26 30 軸径（mm） 図 5 ペルチェ素子高温側温度の軸径依存性 （シミュレーション） 1.5 φ16 33 軸径 対流領域 100 7 41 通電電流260 A 40 軸径 at 25℃ フランジ 断熱領域 PCL最上部温度（℃） 40 39 38 37 36 60 35 PCL最上部の温度が 最小値となる軸径φ24∼26 34 33 14 φ24 φ24 ペルチェ素子高温側 図 4 シミュレーション設計条件 18 22 26 軸径（mm） 図 6 電流リード最上部温度の軸径依存性 （シミュレーション） 30 直流超電導送電システム用ペルチェ電流リードの開発 接続方法の検討 3.2 15 体窒素）への熱侵入が減少していることが確認された。非 ペルチェ素子と銅電極の接続方法の検討を行った結果を 表 3 に示す。この時，ペルチェ素子（素子抵抗＝約 0.4 m Ω） 通電時の温度測定結果を図 86）に，このときの熱侵入量を 表 4 にそれぞれ示す。 また，通電時の電気抵抗率（実測値）から計算した熱侵 を含む接続部の抵抗を直流 4 端子法により測定した。 「押付のみ」と「押付＋インジウム箔」の電気抵抗は非 入量を求めると，約 32 W/kA と十分に低い値が得られた。 常に高く，ペルチェ効果による熱の輸送が期待できない結 しかし最適電流が 70 A と低いため，ペルチェ素子の形状 果となった。「はんだ接続」の電気抵抗は素子抵抗とほと 因子を再最適化し，熱侵入量の電流依存性を計算すると， んど変わらない値となり，非常に低い接続抵抗を実現した。 最適電流が大電流側にシフトし，さらに低熱侵入の電流範 このため，PCL は，はんだ接続により作製することとした。 囲が広がることが判明した。この結果を図 96）に示す。 表 3 電気抵抗測定結果 接続方法 電流リード 上端 電気抵抗（m Ω） 押付のみ 196 押付＋インジウム箔 12.1 はんだ接続 0.40 0 n型PCL p型PCL -20 通電試験結果 結果の一例を図 7 に示す。 100 素子高温側（℃） 素子低温側（℃） 銅電極高温端（℃） 銅電極低温端（℃） 80 60 銅リード -40 作製した PCL に通電し，各場所の温度を測定した。測定 素子間温度差（℃） 銅電極間温度差（℃） 温度（℃） 3.3 -60 -80 120 -100 110 -120 100 素子高温側 90 80 銅電極高温側 0 素子間温度差 60 50 100 150 0.2 熱侵入量［W/本］ 種類 50 0 0.15 表 4 非通電時の熱侵入量 銅電極低温端 -60 0.1 図 8 非通電時における電流リード上の温度分布 6） 素子低温側 -40 0.05 電流リード上端からの距離（m） 70 銅電極間温度差 -20 温度差（℃） 温度（℃） 0 40 20 電流リード 下端 ペルチェ素子 下部位置 銅リード ペルチェ電流リード p型 4.3 3.6 n型 3.7 2.6 40 200 電流（A） 80 図 7 作製した PCL の通電試験結果（一例） 側の温度が低下し，100 A 付近で最低温度となり，その後上 昇している。また，高温側の温度も，通電電流の増加と共 に上昇している。この結果より，前述した PCL の効果（図 3 参照）が，作製した PCL でも実証されたと考えられる。 4．CASER-2 における試験結果 熱侵入量（W/kA） 今回作製した PCL において，通電電流の増加と共に低温 60 50 40 30 20 PCL（表 1 仕様のものを p 型，n 型×各 23 本）を中部大 10 学に納入し，CASER-2 に設置して評価を行った結果，ペ 0 ルチェ素子両端に大きな温度差が付いていることが確認さ れた。これにより，ペルチェ素子よりも低温側の電極にお ける温度勾配が小さくなり，銅リードと比較して冷媒（液 実測値 再最適化 70 0 50 100 150 電流（A） 図 9 CASER-2 における熱侵入量の通電電流依存性 6） 200 昭 和 電 線 レ ビ ュ ー 16 Vol. 59, No. 1 (2012) 5．ペルチェ電流リードの機械的強度向上 2009 年に作製した PCL は，ハンドリングや熱履歴といっ 同時にPCLの 電気抵抗を測定 F : 試験力の方向 た外力により，接合部（ペルチェ素子と銅電極）が破損し， 電気抵抗が増大するという問題が見つかった。これを図 10 に示す。この電気抵抗増大を防止するため，①機械的強度 向上，②熱ひずみの軽減について検討した。 5 2009年作製p型PCL 図 12 PCL の強度試験説明図 0.4 3 5 2009年作製PCL 0.35 2 FC＝56.8（N） NC＝3.6（N・m） 0.3 1 0 初期 熱履歴×1 0.25 電気抵抗 3 0.2 2 0.15 熱履歴×1＋ 熱履歴×10＋ ハンドリング×1 ハンドリング×3 0.1 図 10 2009 年作製 PCL の電気抵抗増大 1 0.05 5.1 4 電気抵抗（mΩ） 試験力（N） 電気抵抗（mΩ） 4 GFRP 円筒による強度向上 0 ペルチェ素子と銅電極の接続部の破損（亀裂，剥離）は， 試験力 0 2 4 6 8 10 0 時間（min） この接続部分に応力が集中することが主原因と考えられる 図 13 2009 年作製 PCL の機械的強度試験結果 ため，2009 年に作製した PCL の外側に GFRP 円筒を設置し， 高温側と低温側の電極が動かないように補強した（図 11 に示す）。図 12 に示すように，接続部に剪断応力をかけな がら PCL の電気抵抗を測定し，この電気抵抗が急激に増大 5 0.4 した時の試験力を接続部が破損する力とした。 試験力 0.35 2009 年作製 PCL と今回作製 GFRP 円筒補強 PCL につい 4 て，強度試験結果を図 13，14，表 5 にそれぞれ示す。この 0.3 今回作製GFRP円筒補強PCL 0.25 3 FC＞364（N） NC＞57.7（N・m） 0.2 2 0.15 応力 電気抵抗 0.1 1 ペルチェ素子 高温側銅電極 低温側銅電極 0.05 0 0 GFRP円筒による補強 図 11 GFRP 円筒による補強概略図 10 20 30 40 0 時間（min） 図 14 今回製作 GFRP 円筒補強 PCL の機械的強度試験結果 電気抵抗（mΩ） dθ 試験力（N） 結果から，GFRP 円筒により強度が 15 倍以上向上したこと 直流超電導送電システム用ペルチェ電流リードの開発 表 5 強度試験結果 規格値とした）。 項 目 2009 年作製 PCL 今回作製 GFRP 円筒補強 PCL Fc（N） 56.8 >364 Nc（N ・ m） 17 3.6 ペルチェ素子を分割させることにより，熱履歴（熱ひ ずみ）経験後の PCL 抵抗の増大は認められないことが分 >57.7 かった。 ＊ Fc ： PCL が破損（電気抵抗が急増）する力 ＊ Nc ： PCL が破損（電気抵抗が急増）するトルク 6．ま と め が分かる。 ペルチェ素子を用いて低熱侵入を実現した電流リードを また，この GFRP 円筒を通しての熱侵入量は PCL 本体の 開発し，低い熱伝導率とペルチェ効果により低い熱侵入量 3%程度であり，熱侵入量の増大にはほとんど寄与しない を実現できることを確認した。2009 年作製 PCL は，中部 ことを確認している。 大学の 200 m 級超伝導直流送電実証実験装置（CASER-2） 5.2 ペルチェ素子の分割 に実装され，32 W/kA の低い熱侵入を達成した。この ペルチェ素子と銅電極との熱膨張係数の差より生じる熱 2009 年作製 PCL の機械的強度向上を検討し，熱侵入量を ひずみを低減させるため，ペルチェ素子を分割（1 個当たり 増大させること無く，15 倍以上の強度を持ち，さらに熱履 の断面積を小さくする）する効果について確認した。図 15 歴による劣化の無い PCL の開発に成功した。 に示すように，ペルチェ素子を分割した PCL を作製し，熱 今後は，CASER-2 において実証試験を引き続き行い， 履歴（冷却 + 通電による温度差）を経験させ，電気抵抗値 耐久性の確認，問題点の洗い出しを行う。また，構造や設 を測定した。これを図 16 に示す（ここで，図 16 中の縦軸 計手法の最適化を進め，大容量化ならびに更なる低熱侵入 は，熱履歴の電気抵抗の変化をわかりやすくするため，x 量の PCL の開発を目指す。 回経験後の電気抵抗値 R（x）を，初期値 R（0）で除した 参考文献 1）廣瀬正幸，他： SEI テクニカルレビュー, Vol.167，p.42（2005） 2）S. Yamaguchi et al: Proc. ICEC16/ICMC, p.1159 (1997) ペルチェ素子 3）S. Yamaguchi et al: Rev. Scientific Instruments 75, p.207 (2004) 4）S. Yamaguchi et al: J. Phys. conf. Ser. 97, p.012290 (2008) 5）M. Hamabe et al: IEEE Trans. Appl. Supercond. 19, p.1778 (2009) 6）河原敏男，他：第 83 回 2010 年度秋季低温工学・超電導学会 講演 概要集，p.55（2010） 7）S. Yamaguchi et al: Physica C Volume 471, Issues 21-22, p.1300 (2011) 銅電極 （a） φ10 mm×1個 8）H. Watanabe et al: Physica C Volume 471, Issues 21-22, p.1304 （b） φ3.3 mm×9個 (2011) 図 15 ペルチェ素子の分割模式図 1.4 電気抵抗の規格値 R（x）/R（0） 1.2 1 0.8 0.6 素子分割あり 0.4 素子分割無し 0.2 0 熱履歴 （RT → -77℃→ΔT ∼ 140℃ @ 180 A → RT） 0 1 2 x：熱履歴の経験回数 図 16 熱履歴経験後の PCL 抵抗変化 3 18 昭和電線ケーブルシステム㈱ 引地 康雄（ひきち やすお） 技術開発センター 新エネルギー技術開発グループ 主査 電流リードの研究・開発に従事 昭和電線ケーブルシステム㈱ 菅根 秀夫（すがね ひでお） 技術開発センター 新エネルギー技術開発グループ 電流リードの研究・開発に従事 昭和電線ケーブルシステム㈱ 箕輪 昌啓（みのわ まさひろ） 技術開発センター 新エネルギー技術開発グループ長 昭和電線ケーブルシステム㈱ 佐野 茂樹（さの しげき） 技術開発センター 有機材料開発グループ 主査 シミュレーション解析に従事 中部大学 河原 敏男（かわはら としお） 超伝導・持続可能エネルギー研究センター 教授 中部大学 渡邊 裕文（わたなべ ひろふみ） 超伝導・持続可能エネルギー研究センター 准教授 中部大学 浜辺 誠（はまべ まこと） 超伝導・持続可能エネルギー研究センター 准教授 中部大学 山口 作太郎（やまぐち さたろう） 超伝導・持続可能エネルギー研究センター センター長・教授 昭 和 電 線 レ ビ ュ ー Vol. 59, No. 1 (2012)