JP2001317846A

JP2001317846A - 超電導部材冷却装置

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Publication number: JP2001317846A
Application number: JP2001039721A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Yoshida; 茂吉田; Koichi Ohashi; 孝一大橋; Yasuharu Kamioka; 泰晴上岡; Isamu Sagara; 勇相良; Katsuya Tsutsumi; 克哉堤; Hironobu Kimura; 博伸木村; Takaaki Bono; 敬昭坊野; Masayuki Konno; 雅行今野; Kazuo Funaki; 和夫船木; Masataka Iwakuma; 成卓岩熊
Original assignee: Taiyo Toyo Sanso Co Ltd
Current assignee: Taiyo Toyo Sanso Co Ltd
Priority date: 2000-02-28
Filing date: 2001-02-16
Publication date: 2001-11-16
Anticipated expiration: 2021-02-16
Also published as: JP4514346B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高温超電導部材を過冷却温度の液体窒素によ
り冷却する装置において、過冷却液体窒素を得るために
冷凍機の冷却ヘッドを液体窒素中に直接浸漬させるにあ
たって、冷凍機のシリンダ部から液体窒素への熱侵入を
可及的に防止して、冷却装置の冷却効率の低下を防止
し、かつ液体窒素の液面レベルの変動を防止する。【解決手段】冷凍機のシリンダ部の外周面に断熱部を
設ける。その断熱部を真空断熱構造とするか、または断
熱材によってシリンダ部分を取囲んだ構成とする。さら
に、冷凍機のシリンダ部外周面の断熱部を、冷却ヘッド
の外周面の上下方向中間位置まで延長させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、超電導トランス
や超電導マグネット、そのほか各種の超電導コイル、あ
るいは超電導ケーブルなどの超電導部材、特に高温超電
導部材を、液体窒素によって低温に冷却・保持するため
の超電導部材冷却装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】超電導コイルなどの超電導部材、特に高
温超電導を利用した超電導部材を冷却するにあたって
は、冷却媒体として比較的安価な液体窒素（ＬＮ₂ ）を
使用することが多い。この場合一般には大気圧の飽和液
体窒素、すなわち約７７Ｋの液体窒素が用いられてい
る。すなわち、真空断熱されたクライオスタットと称さ
れる大気に実質的に開放された冷却容器に超電導部材を
収容しておき、その冷却容器内に約７７Ｋの大気圧飽和
液体窒素を注入してその液体窒素中に超電導部材を浸漬
させ、冷却・保持するのが通常である。

【０００３】ところで高温超電導部材においては、若干
でも温度が下がれば、超電導特性が大幅に向上すること
が知られている。例えば臨界電流は、７７Ｋから７０Ｋ
に下がっただけでも数倍に大きくなることが知られてい
る。

【０００４】そこで大気圧の液体窒素を減圧して例えば
６５Ｋ程度に温度降下させた液体窒素中に超電導部材を
浸漬させて、超電導部材を７７Ｋよりも低い温度まで冷
却することが考えられる。その場合、液体窒素中に超電
導部材を浸漬させるための容器では、液体窒素の減圧状
態を維持させる必要がある。一方、一般に使用されてい
るクライオスタットでは、実質的に大気に開放させた状
態での使用を前提としているため、この種の汎用クライ
オスタットを減圧した液体窒素に適用しようとすれば、
蓋部や電流導入端子等の箇所における封止の点で不充分
となり、外部から水分を含む大気圧の空気が内部に吸い
込まれて、電流導入端子のガス抜穴での水分凍結による
閉塞や超電導部材表面への氷の付着が生じたりし、実用
上運転が不可能となるおそれがある。そのため前述の目
的のためには、新たに特殊な容器を設計、製作しなけれ
ばならず、その場合コストの大幅な上昇を招く問題があ
り、そのため実用化はためらわれていたのが実情であ
る。

【０００５】また一方、大気圧の飽和液体窒素中に超電
導部材を浸漬させて超電導部材を作動させた場合、超電
導部材の発熱によって飽和液体窒素が直ちに気化してガ
ス気泡が発生するため、そのガス気泡によって電気絶縁
性が低下したり、冷却効率が低下したりしてしまう問題
があるが、前述のように減圧によって例えば６５Ｋ程度
に温度降下された液体窒素中に超電導部材を浸漬させた
場合も、減圧下では超電導部材の発熱によって前記同様
に直ちに液体窒素が気化して気泡が発生するから、気泡
発生に対する根本的な解決策とはならない。したがって
このことも減圧された液体窒素の使用がためらわれてい
た一因である。

【０００６】そこで本発明者等は、既に特開平１０−５
４６３７号において、液体窒素によって高温超電導部材
を冷却するにあたって、特殊な真空封止などを行なわず
に、大気開放の極く一般的な汎用クライオスタットを超
電導部材冷却容器として用いながらも、より低温に高温
超電導部材を冷却して超電導性能を向上させ得るように
するとともに、高温超電導部材作動時における高温超電
導部材の発熱による液体窒素からのガス気泡の発生を抑
制するようにした超電導部材冷却装置を提案している。

【０００７】上記提案の超電導部材冷却装置は、基本的
には、超電導部材を収容してその超電導部材を冷却する
ための冷却容器を実質的に大気圧に開放した構成とし、
かつ大気圧で過冷却状態とした例えば６７Ｋ程度の液体
窒素を前記冷却容器内に配置して、その大気圧で過冷却
状態の液体窒素によって超電導部材を冷却するようにし
ている。そしてまた上記提案の超電導部材冷却装置にお
いて、超電導部材に対する冷却媒体として機能させる大
気圧で過冷却状態の液体窒素は、次のようにして得てい
る。すなわち、前述の冷却容器とは別に減圧用容器を設
けて、その減圧用容器内に熱交換器を配設しておき、減
圧用容器内に熱交換用液体窒素（例えば約７７Ｋの大気
圧の飽和液体窒素）を供給するとともに、その減圧用容
器内の圧力を真空ポンプによって減圧して、減圧用容器
内の液体窒素を大気圧から減圧させることによりその温
度を例えば６５Ｋの低温に降下させる。一方、前記熱交
換用液体窒素とは別に、大気圧の冷却用液体窒素（例え
ば約７７Ｋの飽和液体窒素）を前記熱交換器に導き、そ
の熱交換器において減圧用容器内の６５Ｋの減圧された
熱交換用液体窒素と熱交換させて、例えば６７Ｋ程度ま
で大気圧のまま冷却させ、大気圧で過冷却状態とする。
そしてこの大気圧で過冷却状態の例えば６７Ｋの冷却用
液体窒素を前述の冷却容器に導いて、超電導部材を６７
Ｋに近い温度（例えば７０Ｋ）の低温に冷却することと
している。

【０００８】このような特開平１０−５４６３７号の提
案の超電導部材冷却装置においては、通常の７７Ｋ程度
の大気圧の飽和液体窒素を冷却媒体として用いた場合よ
りも超電導部材を確実に低温に冷却することができ、そ
のため超電導部材の性能を向上させることができ、しか
もこの場合、冷却容器内の過冷却状態の冷却用液体窒素
の液面上の空間が、冷却用液体窒素から蒸発した大気圧
の窒素ガスで満たされているため、外部から水分を含む
大気圧の空気が内部に吸い込まれるおそれは少なく、そ
のため冷却容器の蓋部や電流導入端子等の封止も特に厳
密さが要求されず、さらには超電導部材を浸漬させた冷
却用液体窒素が前述のように過冷却状態であるため、超
電導部材の作動時において超電導部材が発熱しても、そ
の発熱部位周辺で液体窒素が気化温度に達するには温度
的余裕があり、そのため直ちにはガス気泡が発生せず、
したがってガス気泡によって絶縁性が低下したり冷却効
率が低下したりするおそれも少ないなどの利点がある。

【０００９】しかしながら上記提案の超電導部材冷却装
置については、未だ次のような問題があった。

【００１０】すなわち、上記提案の超電導部材冷却装置
においては、冷却用の液体窒素とは別に熱交換用液体窒
素を減圧用容器内に供給し、真空ポンプによりその減圧
用容器内を減圧して熱交換用液体窒素を温度降下させ、
その温度降下した熱交換用液体窒素と冷却用液体窒素と
を熱交換させることにより大気圧で過冷却状態の冷却用
液体窒素を得るようにしているが、この場合減圧用容器
内の熱交換用液体窒素は減圧によって徐々に蒸発気化
し、かつその気化ガスがポンプにより排気されて行くか
ら、減圧用容器内の液体窒素液面は急激に低下して行
き、遂には減圧用容器内の熱交換器が露出してしまうこ
とになる。このように熱交換器が液面から露出してしま
えば、充分な熱交換能率が得られなくなって、冷却用液
体窒素を充分な過冷却状態となるように冷却することが
困難となるから、実際上は熱交換器が液面から露出する
以前に、改めて減圧用容器内に液体窒素を補給しなけれ
ばならず、またこの液体窒素補給時には運転を一旦停止
させなければならない。

【００１１】このように前記提案の超電導部材冷却装置
では、減圧用容器内の液体窒素補給のために運転を停止
する必要があるところから、長時間連続して運転するこ
とができないという問題があり、また液体窒素補給およ
びそのための運転停止−運転再開のための手間も煩雑と
なるという問題がある。もちろん短時間の運転の場合は
特に問題とはならないが、超電導部材の実用化へ向けた
実験・研究、測定等においては、長時間連続して運転す
ることが求められることが多く、したがって減圧用容器
への熱交換用液体窒素補給が前記提案の装置の普及に対
する大きなネックとなっていたのが実情である。

【００１２】そこで本発明者等は、前記提案に倣い、大
気圧もしくは大気圧よりも高い圧力下で過冷却状態とし
た液体窒素を超電導部材に対する冷却用媒体として用い
ながらも、液体窒素を冷凍機によって大気圧下での過冷
却となる温度まで冷却し、得られた過冷却状態の低温の
液体窒素を、そのまま直接超電導部材を冷却するための
冷却媒体として用いることとし、これにより前記提案の
場合のような減圧用容器や熱交換器を用いないように
し、それに伴なって減圧用容器内への熱交換用液体窒素
の補給のための運転停止を回避し得るようにして、長時
間の連続運転を可能とした超電導部材冷却装置を、特許
第２８５９２５０号において提案している。

【００１３】上記特許による超電導部材冷却装置は、基
本的には、超電導部材を収容してその超電導部材を冷却
するための大気に実質的に開放された冷却容器と、前記
冷却容器へ供給すべき液体窒素を収容するための大気圧
に実質的に開放された供給側容器と、前記供給側容器へ
液体窒素を供給するための液体窒素供給手段と、前記供
給側容器内の液体窒素を、大気圧下での過冷却温度まで
冷却するための冷凍機と、前記供給側容器内において大
気圧下での過冷却温度まで冷却された液体窒素を前記冷
却容器に移送するための移送手段とを有してなり、供給
側容器および冷却容器の液面上の空間を大気圧とするか
または大気圧よりも高い圧力とし、かつ前記移送手段に
よって前記冷却容器内に供給された過冷却状態の液体窒
素中に前記超電導部材を浸漬させるようにしたことを特
徴とするものであり、その具体例を図５に示す。

【００１４】図５において、冷却対象となる超電導部材
１は冷却容器３の底部に配置されている。この冷却容器
３は、大気に実質的に開放された一般的な汎用のクライ
オスタットからなるものであって、その外周壁部および
底壁部が真空断熱構造５とされ、また上端には開閉可能
な蓋部７が設けられている。この蓋部７は、容器本体に
対して真空封止されたものではなく、またこの蓋部７に
は汎用のクライオスタットと同様な電流導入端子等が設
けられており、このような蓋部７と容器本体部分との間
の隙間や電流導入端子等を通じて冷却容器３の内部は実
質的に大気開放された状態となっている。なお蓋部７に
は安全弁１９が設けられているが、この安全弁１９は、
内部圧力が外部の大気圧に対して例えば＋０．１ｋｇｆ
／ｃｍ²を越えた場合に開放されて、内部圧力を大気圧
〜大気圧＋０．１ｋｇｆ／ｃｍ²の範囲内、すなわち大
気圧もしくは大気圧より若干高い圧力に保持するように
機能する。そして超電導部材１は蓋部７から支持部材９
Ａ，９Ｂによって吊下げた状態となっている。冷却容器
３内の底部には、後述するようにトランスファチューブ
４５を介して大気圧での過冷却状態の液体窒素（冷却用
液体窒素）１１が供給されて、超電導部材１がその液体
窒素１１に浸漬される。またその冷却容器３内における
液体窒素１１の液面１１Ａよりもわずかに下方の位置に
は、水平横断面の外形形状が冷却容器３の水平横断面内
周形状と実質的に相似の形状をなしかつ上下方向に所定
の厚みを有する断熱部材１３が配設されている。この断
熱部材１３は、要は全体として上下方向への熱伝導が液
体窒素よりも格段に少ないものとなっていれば良いが、
通常はＦＲＰなど熱伝導率の小さい材料によって形成す
るか、あるいは中空構造としてその中空部分を真空断熱
構造としたりすれば良い。なおこの断熱部材１３は、前
述の支持部材９Ａ，９Ｂによって蓋部７から吊下げられ
ており、またその断熱部材１３の周囲が冷却容器３の内
周壁面に対して若干の隙間１４を保つように作られてい
る。一方冷却容器３における冷却用液体窒素１１の液面
１１Ａの上方に残された空間（蓋部７と液面１１Ａとの
間の空間）１５には、外部の第１の窒素ガス供給源１６
から窒素ガス供給管１８を経て大気圧の窒素ガスが供給
される。また冷却容器３内における断熱部材１３の下面
側の位置には、後述する還流管１７の基端側開口端が開
口している。

【００１５】さらに前述のように大気に実質的に開放さ
れた冷却容器３とは別に、供給側容器２１が配設されて
いる。

【００１６】供給側容器２１は、前述の冷却容器３と同
様に大気に実質的に開放されたものであって、その外周
壁部および底壁部が真空断熱構造２３とされ、また上端
には開閉可能な蓋部２５が設けられている。この蓋部２
５は容器本体に対して真空封止されたものではなく、こ
のような蓋部２５と容器本体部分との間の隙間などを通
じて供給側容器２１の内部は実質的に大気に開放された
状態となっている。この供給側容器２１には、外部の液
体窒素供給源２７から、制御弁２９および供給管３１を
介して液体窒素３３が供給されるようになっている。そ
して供給側容器２１内における液体窒素３３の液面３３
Ａよりもわずかに下方の位置には、水平横断面の外形形
状が供給側容器２１の水平横断面形状と実質的に相似の
形状をなしかつ上下方向に所定の厚みを有する断熱部材
３５が、蓋部２５から支持部材３７Ａ，３７Ｂによって
吊下げられた状態で配設されている。この断熱部材３５
も、前記冷却容器３内の断熱部材１３と同様に全体とし
て上下方向への熱伝達が液体窒素よりも格段に少ないも
のとなっていれば良く、例えばＦＲＰなどの熱伝導率の
小さい材料によって作られるか、あるいは中空な真空断
熱構造とすれば良い。またこの断熱部材３５の周囲が供
給側容器２１の内周壁面に対して若干の隙間３９を保持
していることも、冷却容器３内の断熱部材１３と同様で
ある。

【００１７】さらに供給側容器２１には、その供給側容
器２１内の液体窒素３３を、大気圧下での飽和液体窒素
の温度よりも低い過冷却温度（約７７Ｋよりも低い温
度、例えば６５〜７０Ｋ）に冷却するための冷凍機４１
が配設されている。この冷凍機４１は、冷凍媒体ガス
（通常はヘリウムガス）を圧縮するための圧縮部（コン
プレッサ）４１Ａと、圧縮された高圧の冷凍媒体ガスを
膨張させて低温を得るとともににその低温を冷却対象
（液体窒素）と熱交換するための冷却ヘッド４１Ｂと、
圧縮部４１Ａからの高圧の媒体ガスと冷却ヘッド４１Ｂ
から戻る膨張された低圧の媒体ガスの流れを切替えるた
めのモーターバルブ等の切替部４１Ｃと、その切替部４
１Ｃと冷却ヘッド４１Ｂとの間で冷凍媒体ガスを往復さ
せる通路を内部に形成したシリンダ部４１Ｄとからなる
ものであり、その切替部４１Ｃが供給側容器２１の蓋部
２５上に配置され、シリンダ部４１Ｄが切替部４１Ｃか
ら蓋部２５を下方へ貫通して供給側容器２１内の液体窒
素の液面３３Ａ上の空間４７を通り、その下端が液体窒
素中に浸漬され、その部分すなわち液体窒素中に浸漬さ
れた部分に冷却ヘッド４１Ｂが設けられている。ここ
で、シリンダ部４１Ｄは一般にステンレス鋼により作ら
れている。また冷却ヘッド４１Ｂは、その外面に銅等の
良伝熱材料からなる伝熱ブロックを設けた構成とされて
いる。なお圧縮部４１Ａは通常は供給側容器２１から離
れた位置に配置され、その圧縮部４１Ａと切替部４１Ｃ
との間が、高圧ガス管路４１Ｅ、低圧ガス管路４１Ｆに
よって結ばれている。

【００１８】また供給側容器２１内には、蓋部２５から
吊下げられた状態で送液ポンプ４３が配設されている。
この送液ポンプ４３は、その取入口（汲出口）が供給側
容器２１における断熱部材３５よりも下方（通常は供給
側容器２１の底部近く）に位置するように配設されてい
る。そしてこの送液ポンプ４３の出口側はトランスファ
ーチューブ４５に接続されており、このトランスファー
チューブ４５は前述のように冷却容器３内に導かれてい
る。さらに前記冷却容器３からの還流管１７が供給側容
器２１内へ導かれており、その還流管１７の先端側開口
端が供給側容器の底部（前記冷凍機４１の冷却ヘッド４
１Ｂよりも下方の位置）において開口している。

【００１９】また供給側容器２１における液体窒素３３
の液面３３Ａの上方に残された空間（蓋部２５と液面３
３Ａとの間の空間）４７には、外部の第２の窒素ガス供
給源４９から窒素ガス供給管５１を経て大気圧もしくは
大気圧以上の圧力の窒素ガスが供給されるようになって
いる。

【００２０】ここで、液体窒素供給源２７、制御弁２
９、および供給管３１は、供給側容器２１に液体窒素を
供給するための液体窒素供給手段６３を構成している。
さらに送液ポンプ４３およびトランスファチユーブ４５
は、供給側容器２１内において大気圧で過冷却状態に冷
却された液体窒素を冷却容器３に移送するための移送手
段６５を構成している。一方第１の窒素ガス供給源１
６、窒素ガス供給管１８は、冷却容器３における液面上
の空間１５に大気圧もしくは大気圧以上の圧力の窒素ガ
スを供給するための第１の窒素ガス供給手段６７を構成
しており、また第２の窒素ガス供給源４９、窒素ガス供
給管５１は、供給側容器２１における液面上の空間４７
に大気圧もしくは大気圧以上の圧力の窒素ガスを供給す
るための第２の窒素ガス供給手段６９を構成している。

【００２１】以上のような図５に示される実施例の超電
導部材冷却装置の全体的な機能について以下に説明す
る。

【００２２】液体窒素供給手段６３の液体窒素供給源２
７から供給側容器２１に供給される液体窒素は、７７Ｋ
程度のものであるが、その液体窒素は供給側容器２１内
において、冷凍機４１の冷却ヘッド４１Ｂによって大気
圧もしくは大気圧以上の圧力のもとで冷却されて、大気
圧下での飽和液体窒素温度（７７Ｋ程度）よりも低い温
度、例えば６５〜７０Ｋ程度まで温度降下される。そし
てその６５〜７０Ｋ程度に過冷却された大気圧もしくは
大気圧より高い圧力の液体窒素３３は、送液ポンプ４３
によって供給側容器２１の底部付近から汲み上げられ、
トランスファチューブ４５を介して、大気に実質的に開
放された冷却容器３内に導かれる。冷却容器３内に導か
れた過冷却状態の液体窒素を図５では符号１１で示して
おり、これが冷却用液体窒素に相当する。

【００２３】冷却容器３内においては、前述のような例
えば６５〜７０Ｋの過冷却状態の液体窒素１１によって
超電導部材１が例えば６７〜７２Ｋ程度に冷却・保持さ
れる。また冷却容器３内において超電導部材１からの熱
などによって例えば７０Ｋ程度以上に温度上昇した液体
窒素は、還流管１７を介して供給側容器２１へ戻る。こ
のようにして供給側容器２１へ還流された流体窒素は、
冷凍機４１の冷却ヘッド４１Ｂにより再び６５〜７０Ｋ
程度まで大気圧もしくは大気圧以上の圧力のもとで冷却
され、前述のように送液ポンプ４３によって冷却容器３
に再び送られることになる。

【００２４】ここで、冷却容器３内における冷却用液体
窒素１１の液面１１Ａの上方の空間１５には窒素ガス供
給管１８を介して大気圧もしくは大気圧以上の圧力の窒
素ガスが導入される。したがって冷却容器３の液面上の
空間１５は大気圧もしくは大気圧以上の圧力の窒素ガス
で満たされることになる。そのため冷却容器３内の圧力
が確実に大気圧もしくは大気圧以上の圧力に維持され、
蓋部７の封止部分や電流導入端子部分などを介して外部
から空気が引き込まれて侵入することが確実に防止され
る。

【００２５】また冷却容器３内における冷却用液体窒素
１１の液面下には断熱部材１３が配設されているから、
冷却用液体窒素１１の液面（気液界面であるため約７７
Ｋ）とその断熱部材１３よりも下側、特に超電導部材１
が位置している冷却容器底部との間で確実に熱勾配を与
えることができる。またその断熱部材１３の存在によっ
て液面１１Ａ付近に底部側との間での対流撹拌が阻止さ
れる。そしてこれらの結果、超電導部材１が位置する底
部の冷却用液体窒素１１を、確実に６５Ｋ程度の低温の
過冷却状態に維持することができる。そしてこのように
超電導部材１が例えば６５〜７０Ｋの過冷却状態の低温
の液体窒素１１によって取囲まれるため、超電導部材１
の作動時において超電導部材１が発熱しても、その周囲
の液体窒素が大気圧下での気化温度（約７７Ｋ）以上と
なるまでには１０Ｋ程度の余裕があり、そのため超電導
部材１の発熱によってその周囲の液体窒素が直ちに気化
してガス気泡が発生してしまうことを有効に防止でき
る。

【００２６】なお供給側容器２１内における液体窒素３
３の液面３３Ａの上方の空間４７にも、窒素ガス供給管
５１を介して大気圧もしくは大気圧以上の圧力の窒素ガ
スが導入されて、その大気圧もしくは大気圧以上の圧力
の窒素ガスで満たされることになる。そのため供給側容
器２１内の圧力が確実に大気圧もしくは大気圧以上の圧
力に維持され、蓋部２５の封止部分などを介して外部か
ら空気が引き込まれて侵入することが確実に防止され
る。

【００２７】また冷却容器３と同様に、供給側容器２１
内における液体窒素３３の液面下にも断熱部材３５が配
設されており、そのため液体窒素３３の液面（気液界面
であるため約７７Ｋ）とその断熱部材３５よりも下側、
特に送液ポンプ４３の取入口付近との間で確実に熱勾配
を与えることができる。またその断熱部材３５の存在に
よって液面３３Ａ付近と断熱部材３５よりも下側の部分
との間での対流撹拌が阻止される。そしてこれらの結
果、送液ポンプ４３の取入口付近の液体窒素３３を、確
実に６５〜７０Ｋ程度の低温の過冷却状態に維持して、
その６５〜７０Ｋ程度の低温の過冷却状態の液体窒素を
冷却容器３へ送り込むことができる。

【００２８】

【発明が解決しようとする課題】図５に示される装置に
おいて、冷凍機４１の圧縮部４１Ａでは室温（約３００
Ｋ）の媒体ガス（通常はヘリウムガス）を圧縮し、その
圧縮された約３００Ｋの高圧ガスが高圧ガス管路４１
Ｅ、切替部４１Ｃおよびシリンダ部４１Ｄを通って冷却
ヘッド４１Ｂに至り、冷却ヘッド４１Ｂにおいて膨張さ
せられて所要の低温が得られる。なお膨張後の低圧の媒
体ガスは、冷却ヘッド４１Ｂからシリンダ部４１Ｄ、切
替部４１Ｃ、低圧ガス管路４１Ｆを通って圧縮部４１Ａ
に戻る。ここで、供給側容器２１における液面３３Ａ、
すなわち液相と気相との界面は、前述のように大気圧も
しくは大気圧より若干高い圧力下での飽和温度（約７７
Ｋ以上）となっているから、過冷却温度（例えば６５〜
７０Ｋ）の液体窒素を得るためには、冷凍機４１の冷却
ヘッド４１Ｂの温度が飽和温度よりも低い例えば６５Ｋ
程度の温度となるようにし、かつその冷却ヘッド４１Ｂ
を液面３３Ａよりもある程度低い位置（例えば液面より
１５〜２０ｍｍ程度低い位置）の液中に浸漬させておか
なければならない。そしてこのように冷凍機４１の冷却
ヘッド４１Ｂを配置すれば、必然的にシリンダ部４１Ｄ
は液面位置を通り、その下部は液体窒素中に浸漬される
ことになる。

【００２９】ところが既に述べたようにシリンダ部４１
Ｄの内部には、切替部４１Ｃから冷却ヘッド４１Ｂに向
って高圧の媒体ガスが通るが、その温度は常温付近であ
って、液体窒素の温度よりも格段に高いため、シリンダ
部４１Ｄにおける液体窒素中に浸漬された部分において
は媒体ガスから液体窒素中に多量の熱が流れ込み、液体
窒素への大きな熱侵入が生じてしまう。その結果、超電
導部材冷却装置における冷却効率が低下する問題があ
り、また上述のようなシリンダ部４１Ｄからの熱侵入
は、液体窒素の液面からの蒸発を招くが、その熱侵入量
は一定していないのが通常であるため、熱侵入量の変動
によって供給側容器２１の液面３３Ａのレベルが不安定
となり、その結果システム全体としても作動状態の不安
定化を招いてしまう問題がある。

【００３０】また一方、システム全体の冷却効率を向上
させるためには、供給側容器２１内の過冷却液体窒素の
液面３３Ａ、すなわち気液界面（例えば７７Ｋ）から冷
却ヘッド４１Ｂ（例えば６５Ｋ）への侵入熱を少なくす
ることが望まれる。このような気液界面３３Ａから冷却
ヘッド４１Ｂへの侵入熱は、気液界面３３Ａと冷却ヘッ
ド４１Ｂとの間の距離で決定されるから、その侵入熱を
少なくするためには、冷却ヘッド４１Ｂの位置をできる
だけ下げるようにすれば良いが、一般に市販の冷凍機に
おいては、シリンダ部４１Ｄの長さが予め固有の長さに
定まってしまっているため、冷却ヘッド４１Ｂの位置を
任意に下げることはできず、したがって気液界面からの
冷却ヘッド部への侵入熱を少なくするにも限界があっ
た。

【００３１】この発明は以上のような事情を背景として
なされたもので、大気圧もしくは大気圧以上の圧力に加
圧された供給側容器内の液体窒素中に冷凍機の冷却ヘッ
ドを浸漬させて、大気圧下での過冷却温度に液体窒素を
冷却して、その過冷却温度の液体窒素を超電導部材へ導
いて超電導部材を冷却するにあたり、冷凍機のシリンダ
部からの液体窒素への熱侵入を可及的に防止し、これに
よって冷凍機の冷却効率の低下を防止するとともに、液
体窒素液面の変動を可及的に防止することを基本的な目
的とするものである。

【００３２】さらにこの発明は、供給側容器内の気液界
面から冷却ヘッドへの熱侵入を可及的に少なくし、これ
によってシステム全体の冷却効率を向上させることをも
目的としている。

【００３３】

【課題を解決するための手段】前述のような課題を解決
するため、この発明の超電導部材冷却装置においては、
基本的には、冷凍機のシリンダ部に断熱を施すことと
し、さらにはその断熱を冷凍機の冷却ヘッドの上下方向
中間位置まで延長することとした。

【００３４】具体的には、請求項１の発明の超電導部材
冷却装置は、液面上に空間を残して液体窒素を収容しか
つその液面上の空間を大気圧もしくは大気圧以上の圧力
とされる供給側容器と、その供給側容器内の液体窒素を
大気圧下での過冷却温度まで冷却するための冷凍機とを
備え、供給側容器内の過冷却温度の液体窒素を冷却対象
の超電導部材へ導いてその超電導部材を冷却するように
構成された超電導部材冷却装置において、前記冷凍機
は、媒体ガスを圧縮するための圧縮部と、圧縮された高
圧の媒体ガスを膨張させて低温を得るとともにその低温
を供給側容器内の液体窒素と熱交換させるための冷却ヘ
ッドと、前記圧縮部からの高圧の媒体ガスと前記冷却ヘ
ッドからの低圧の媒体ガスの流れを切替えるための切替
部と、その切替部と冷却ヘッドとの間で媒体ガスを往復
させるシリンダ部とを有してなり、前記切替部が前記供
給側容器の外側上方に配置されるとともに、冷却ヘッド
が供給側容器内の液体窒素中に浸漬され、シリンダ部が
供給側容器内の液体窒素の液面上方の空間を横切って液
体窒素の液面下まで延出されている構成とされ、そのシ
リンダ部の外周面に断熱部が設けられていることを特徴
とするものである。

【００３５】このような請求項１の発明の超電導部材冷
却装置においては、冷凍機のシリンダ部の外周面に断熱
部が設けられているため、そのシリンダ部における液体
窒素中に浸漬された部分でも、シリンダ部から液体窒素
への熱侵入量が少なく、そのため冷凍機の冷却効率が低
下することが防止され、またシリンダ部からの熱侵入に
よる液体窒素の蒸発自体も少なくなるため、液体窒素の
液面レベルの変動も少なくなる。

【００３６】また請求項２の発明の超電導部材冷却装置
は、請求項１に記載の超電導部材冷却装置において、前
記断熱部が、前記冷却ヘッドの外周面の上下方向中間位
置まで延長されていることを特徴とするものである。

【００３７】このような請求項２の発明の超電導部材冷
却装置においては、冷凍機の冷却ヘッドの外周面の上下
方向中間位置まで断熱部が延長されていて、冷却ヘッド
の外周面の上部が断熱されているため、供給側容器にお
ける気液界面から冷却ヘッドへの熱侵入が少なくなり、
そのためシステム全体として冷却効率を向上させること
ができる。

【００３８】そしてこのような請求項２の発明の効果
は、請求項３で規定しているように冷却ヘッドの下端が
供給側容器の底面近くまで延伸されている場合に特に有
効に発揮される。

【００３９】ここで、シリンダ部の外周面の断熱部ある
いは冷却ヘッド外周面の上下方向中間位置まで延長され
る断熱部としては、請求項４において規定しているよう
に真空断熱構造としても、あるいは請求項５において規
定しているように断熱材によって形成しても良い。

【００４０】

【発明の実施の形態】

【００４１】

【実施例】図１にこの発明の一実施例の超電導部材冷却
装置の一例を示し、図２にその要部、すなわち供給側容
器における冷凍機付近の部分を拡大して示す。なお図
１、図２において、図５に示した従来技術と同一の要素
については図５と同一の符号を付し、その説明は省略す
る。

【００４２】図１、図２において、冷凍機４１は、既に
述べたように冷凍媒体ガス（通常はヘリウムガス）を圧
縮するための圧縮部４１Ａと、圧縮された高圧の冷凍媒
体ガスを膨張させて低温を得るとともにその低温を冷却
対象と熱交換するための冷却ヘッド４１Ｂと、圧縮部４
１Ａからの高圧の媒体ガスおよび冷却ヘッド４１Ｂから
の低圧の媒体ガスの流れを切替える切替部４１Ｃと、そ
の切替部４１Ｃと冷却ヘッド４１Ｂとの間で冷凍媒体ガ
スを往復させる通路を内部に形成したシリンダ部４１Ｄ
とからなるものであり、その切替部４１Ｃが供給側容器
２１の蓋部２５上に配置され、シリンダ部４１Ｄが切替
部４１Ｃから蓋部２５を下方へ貫通して供給側容器２１
内の液体窒素の液面３３Ａ上の空間４７を通り、その下
端が液体窒素中に浸漬され、その部分すなわち液体窒素
中に浸漬された部分に冷却ヘッド４１Ｂが設けられてい
る。ここで、シリンダ部４１Ｄは一般にステンレス鋼に
より作られている。また冷却ヘッド４１Ｂは、その外面
に銅等の良伝熱材料からなる伝熱ブロックを設けた構成
とされている。さらに圧縮部４１Ａは供給側容器２１か
ら離隔して配置され、圧縮部４１Ａと切替部４１Ｃとの
間が高圧ガス管路４１Ｅ、低圧ガス管路４１Ｆによって
結ばれている。

【００４３】そして冷凍機４１のシリンダ部４１Ｄの外
周面には、断熱部７１が設けられている。この断熱部７
１は、図２に詳細に示すように、真空断熱構造からなる
ものであって、内壁７１Ａと外周壁７１Ｂとからなる２
重壁構造とされ、内壁７１Ａと外壁７１Ｂとの間が真空
断熱用空間７１Ｃとされており、さらにその真空断熱用
空間の一端側に真空排気管７１Ｄが接続されていて、図
示しない真空ポンプによって真空排気するように構成さ
れている。

【００４４】このような図１、図２に示される実施例に
おいて、冷凍機４１のシリンダ部４１Ｄはその下部が供
給側容器２１における液体窒素３３の液面３３Ａ下に浸
漬されているが、そのシリンダ部４１Ｄの外周面は真空
断熱構造によって断熱されているため、シリンダ部４１
Ｄ内を常温付近の高圧の媒体ガスが流れても、その媒体
ガスの熱が液体窒素中に侵入するおそれが極めて少な
い。そのため超電導部材冷却装置における冷却効率が低
下するおそれが少なく、またシリンダ部４１Ｄからの熱
侵入量自体が少ないため、たとえその熱侵入量が変動し
ても、液体窒素の液面レベルが変動するおそれも少な
い。

【００４５】なお上述の例では、断熱部７１は冷凍機４
１のシリンダ部４１Ｄの外周面のみを覆った構成として
いるが、図３に示すように冷却ヘッド４１Ｂの外周面の
うち、特に上下方向の中間位置まで断熱部７１を延長さ
せても良い。ここで、断熱部７１の下端位置（延長先端
位置）は、送液ポンプ４３の上端位置のレベルまたはそ
の近くとすることが望ましい。このようにすれば、供給
側容器２１内における液体窒素３３の液面３３Ａ、すな
わち気液界面３３Ａから冷却ヘッド４１Ｂへの熱侵入が
少なくなり、システム全体の冷却効率を向上させること
ができる。なお図３の例では、冷凍機４１の冷却ヘッド
４１Ｂを、その下端が供給側容器２１の底面近くまで延
伸させた構成としており、このような場合に特に前述の
作用効果を有効に発揮させることができる。

【００４６】なお断熱部７１は、前述の例では真空断熱
構造としたが、必ずしも真空断熱構造とする必要はな
く、場合によってはＦＲＰなどの熱伝導率の低い樹脂系
断熱材、その他無機系断熱材などの断熱材によってシリ
ンダ部４１Ｄあるいはさらに冷却ヘッド４１Ｂの中間位
置までの外周面を覆った構成としても良い。

【００４７】なおまた、図１、図２の例では、供給側容
器２１における液体窒素３３の液面下に、上下方向に熱
勾配を与えかつ対流撹拌を防止するための断熱部材３５
を設けているが、場合によっては断熱部材３５として、
連続気泡型発泡ウレタン（スポンジ）の如き連続気泡を
有する多孔質体を用い、その連続気泡型多孔質体断熱材
３５を、図４に示すように供給側容器２１における液体
窒素３３の液面３３Ａよりも常に下方となるレベル（も
ちろん冷凍機４１の冷却ヘッド４１Ｂよりも上方のレベ
ル）Ｌ１から液面３３Ａよりも常に上方となるレベルＬ
２までにわたって設けても良い。なおこの場合液面３３
Ａは連続気泡型多孔質体断熱材３５の上下方向中間位置
（Ｌ１とＬ２との中間位置）に位置することになる。ま
たここで、冷却容器３における断熱部材１３について
も、同様に構成することができる。なお図３に示したよ
うに冷凍機４１の冷却ヘッド４１Ｂの中間位置まで断熱
部７１を延長させた場合にも、図４に示すと同様に連続
気泡型多孔質断熱材３５をレベルＬ２までにわたって設
けても良いことはもちろんである。

【００４８】さらに、前述の例では最終的な冷却対象と
なる超電導部材１を冷却容器３内に配置し、この冷却容
器３内に供給側容器２１から過冷却液体窒素を移送して
超電導部材１を冷却するように構成しているが、超電導
部材１を過冷却液体窒素によって冷却するための具体的
構成は前述の例に限られるものではなく、要は供給側容
器２１から過冷却液体窒素を超電導部材へ導いてその超
電導部材を冷却する構成であれば、任意の構成を適用す
ることができる。

【００４９】

【発明の効果】この発明の超電導部材冷却装置において
は、冷凍機の冷却ヘッドを供給側容器内の液体窒素中に
浸漬させて液体窒素を冷却ヘッドで直接冷却するように
構成していることから、冷凍機のシリンダ部もその下部
が液体窒素中に浸漬されることになるが、シリンダ部の
外周面に断熱部が設けられているため、シリンダ部から
液体窒素中への熱侵入を少なくすることができ、そのた
め超電導部材冷却装置の冷却効率の低下を防止すること
ができるとともに、シリンダ部からの液体窒素中への熱
侵入に伴なう液体窒素液面からの蒸発も少なくなるた
め、液面のレベル変動も少なくなって、システムの作動
状態の安定化を図ることができる。また特に請求項２の
発明の超電導部材冷却装置においては、上述の効果に加
え、冷凍機のシリンダ部外周面の断熱部が、冷却ヘッド
の上下方向中間位置まで延長されているため、供給側容
器における気液界面から冷却ヘッドへの熱侵入が少なく
なり、そのためシステム全体の冷却効果を安定して向上
させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一例の超電導部材冷却装置の全体構
成を示す略解図である。

【図２】図１における超電導部材冷却装置における要
部、特に供給側容器における冷凍機付近の部分の拡大正
面断面図である。

【図３】この発明の超電導部材冷却装置における供給側
容器の部分の他の例を示す拡大正面断面図である。

【図４】この発明の超電導部材冷却装置における供給側
容器の部分のさらに他の例を示す拡大正面断面図である

【図５】従来の超電導部材冷却装置の全体構成を示す略
解図である。

【符号の説明】

１超電導部材２１供給側容器３３液体窒素３３Ａ液面４１冷凍機４１Ａ圧縮部４１Ｂ冷却ヘッド４１Ｃ切替部４１Ｄシリンダ部７１断熱部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者上岡泰晴大阪府大阪市西区靱本町２丁目４番11号大陽東洋酸素株式会社内 (72)発明者相良勇大阪府大阪市西区靱本町２丁目４番11号大陽東洋酸素株式会社内 (72)発明者堤克哉福岡県福岡市南区塩原二丁目１番47号九州電力株式会社内 (72)発明者木村博伸福岡県福岡市南区塩原二丁目１番47号九州電力株式会社内 (72)発明者坊野敬昭神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号富士電機株式会社内 (72)発明者今野雅行神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号富士電機株式会社内 (72)発明者船木和夫福岡県福岡市東区みどりが丘１丁目１番７号 (72)発明者岩熊成卓福岡県大野城市下大利団地26−402

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】液面上に空間を残して液体窒素を収容し
かつその液面上の空間を大気圧もしくは大気圧以上の圧
力とされる供給側容器と、その供給側容器内の液体窒素
を大気圧下での過冷却温度まで冷却するための冷凍機と
を備え、供給側容器内の過冷却温度の液体窒素を冷却対
象の超電導部材へ導いてその超電導部材を冷却するよう
に構成された超電導部材冷却装置において、前記冷凍機は、媒体ガスを圧縮するための圧縮部と、圧
縮された高圧の媒体ガスを膨張させて低温を得るととも
にその低温を供給側容器内の液体窒素と熱交換させるた
めの冷却ヘッドと、前記圧縮部からの高圧の媒体ガスと
前記冷却ヘッドからの低圧の媒体ガスの流れを切替える
ための切替部と、その切替部と冷却ヘッドとの間で媒体
ガスを往復させるシリンダ部とを有してなり、前記切替
部が前記供給側容器の外側上方に配置されるとともに、
冷却ヘッドが供給側容器内の液体窒素中に浸漬され、シ
リンダ部が供給側容器内の液体窒素の液面上方の空間を
横切って液体窒素の液面下まで延出されている構成とさ
れ、そのシリンダ部の外周面に断熱部が設けられている
ことを特徴とする、超電導部材冷却装置。
【請求項２】請求項１に記載の超電導部材冷却装置に
おいて、前記断熱部が、前記冷却ヘッドの外周面の上下方向中間
位置まで延長されていることを特徴とする、超電導部材
冷却装置。
【請求項３】請求項１に記載の超電導部材冷却装置に
おいて、前記冷却ヘッドは、その下端が供給側容器の底面近くに
位置するように延伸されており、前記断熱部が、前記冷
却ヘッドの外周面の上下方向中間位置まで延長されてい
ることを特徴とする、超電導部材冷却装置。
【請求項４】前記断熱部が真空断熱構造とされてい
る、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の超電導部材
冷却装置。
【請求項５】前記断熱部が断熱材により形成されてい
る、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の超電導部材
冷却装置。