JP2004146830A - 高温超伝導用多重レベル冷却 - Google Patents

Abstract

【課題】要する動力が少なく、これより従来利用可能なシステムに比べてコストがかからない高温超伝導装置を冷却する方法を提供する。
【解決手段】　高温超伝導装置を冷却して超伝導作動条件を保つ方法であって、第一熱媒液のような第一伝熱手段を冷却して飽和液体窒素の温度よりも高い温度にして周囲熱を遮断するために使用し、第二熱媒液のような第二伝熱手段を冷却して高温超伝導温度作動範囲内の温度にして超伝導作動条件を保つ方法。
【選択図】図１

Description

　本発明は、総括的には冷却に関し、一層特には高温超伝導用途用冷却に関する。

　超伝導は、ある種の金属、合金及び化合物が電気抵抗を失い、それでそれらが無限の導電性を有するようになる現象である。最近まで、超伝導は、絶対ゼロよりもほんのわずかに高い極めて低い温度において観測されるだけであった。超伝導体をそのような低い温度に保つことは、典型的には液体ヘリウムを使用することを要して、非常に費用がかかり、これよりこの技術についての商業用途を限るものである。

　最近、１５〜７５Ｋの範囲のような一層高い温度において超伝導を示す材料が数多く見出された。そのような材料は、液体ヘリウム又は非常に低温のヘリウム蒸気を使用してそれらの超伝導温度に保ち得るが、そのような冷却スキームは、極めてコストがかかる。遺憾ながら、液体窒素は、極低温冷却をもたらすのに比較的コストの低い方法であるが、ほとんどの高温超伝導体の超伝導温度に下げるための冷却を有効にもたらすことができない。

　高温超伝導性材料で造られる送電ケーブルは、多量の電気を極めて少ないロスで送るための有意な利点を供する。高温超伝導性材料性能は、液体窒素を使用して達成される温度およそ８０Ｋにおける性能から約３０〜５０Ｋの温度においておおよそ１オーダーの大きさ向上する。

　ケーブル、変圧器、障害電極電流制御装置／リミッタ等のような超伝導システムの用途は、一部経済的な冷却システムの開発に依存する。超伝導システムは、４〜８０Ｋの範囲の温度に保つ必要がある。しかし、そのシステムは、周囲温度で始まり超伝導システムの作業温度に低下する熱漏れから遮蔽する必要がある。液体窒素温度よりも低い冷却は、温度が液体窒素レベルの冷却に比べて低くなるにつれて、過度に高価なものになる。液体窒素レベルの冷却は、比較的コストがかからないが、ほとんどの高温超伝導用途について十分に温度が低いものではない。

　よって、本発明の目的は、要する動力が少なく、これより従来利用可能なシステムに比べてコストがかからない高温超伝導装置を冷却する方法を提供するにある。

　上記やその他の目的は、当業者にとりこの開示を読む際に明らかになると思い、下記である本発明によって達成される：

　高温超伝導装置を冷却する方法であって、下記：
　（Ａ）高温超伝導温度２０〜８０Ｋの範囲内の温度で作動する高温超伝導装置を供し；
　（Ｂ）第一伝熱手段を冷却して飽和液体窒素の温度を超える第一温度にし、及び冷却された第一伝熱手段を、高温超伝導装置に周囲熱を通させないことによって暖め；並びに
　（Ｃ）第二伝熱手段を冷却して高温超伝導温度範囲内の第二温度にし、及び冷却された第二伝熱手段を、高温超伝導装置と熱交換することによって暖めて高温超伝導装置を高温超伝導温度範囲内に保つ
ことを含む方法。

　本明細書中で用いる通りの「高温超伝導装置」なる用語は、ケーブル、変圧器、障害電極電流制御装置／リミッタ又は磁石のような電気装置であって、電流の通過に対する電気抵抗が、超伝導温度に保たれる間本質的にゼロに低減されるものを意味する。

　発明は、高温超伝導装置を必要な温度に保つのに要する動力の低減が、熱を、丁度必要な温度におけるよりもむしろ１よりも高いレベルで除くことによって達成することができ、その上に、そのような要する動力の有意の低減が、最も温度の高いレベルが、大気圧において７７Ｋである飽和液体窒素の温度を超える温度である時に達成されるという知見を含む。

　発明を図面を参照して詳細に説明することにする。本発明の実施において、高温超伝導装置を作動させるための冷却を発生するのに、任意の有効な冷却システムを採用してよい。図１に例示する発明の実施態様では、採用する冷却システムは、多成分冷媒流体を採用する単一ループシステムである。多成分冷媒システムは、また、一層重質な冷媒成分の凝固を避けるために内部循環ループを有してもよく又は１つよりも多くループを有してよい。多成分冷媒流体は、二種以上の種を含みかつ冷却を生じることができる流体である。本発明の実施において用いることができる多成分冷媒流体は、フルオロカーボン、ヒドロフルオロカーボン、ヒドロクロロフルオロカーボン、フルオロエーテル、大気ガス及び炭化水素からなる群より選ぶ種を少なくとも二種含むのが好ましく、例えば、多成分冷媒流体は、二種の異なるフルオロカーボンだけで構成されることができよう。

　本発明に関して有用な一つの好適な多成分冷媒流体は、フルオロカーボン、ヒドロフルオロカーボン、及びフルオロエーテルからなる群より選ぶ成分を少なくとも一種、並びにフルオロカーボン、ヒドロフルオロカーボン、ヒドロクロロフルオロカーボン、フルオロエーテル、大気ガス及び炭化水素からなる群より選ぶ成分を少なくとも一種含むのが好ましい。

　発明の一つの好適な実施態様では、多成分冷媒流体は、フルオロカーボンだけからなる。発明の別の好適な実施態様では、多成分冷媒流体は、炭化水素だけからなる。発明の別の好適な実施態様では、多成分冷媒流体は、フルオロカーボン及びヒドロフルオロカーボンだけからなる。発明の別の好適な実施態様では、多成分冷媒流体は、フルオロカーボン、フルオロエーテル及び大気ガスだけからなる。発明の別の好適な実施態様では、多成分冷媒流体は、炭化水素及び大気ガスだけからなる。多成分冷媒流体のあらゆる成分は、フルオロカーボン、ヒドロフルオロカーボン、フルオロエーテル、炭化水素又は大気ガスのいずれかであるのが最も好ましい。本発明の実施において用いるための特に好適な多成分冷媒流体の一つを、表１に示す。

　今、図１を参照すると、温度の高い多成分冷媒流体１６は、典型的には周囲温度であり、これを圧縮機２１を通過させることによって圧縮して通常１００〜２０００絶対ポンド／平方インチ（ｐｓｉａ）（０．６９〜１４ＭＰａ）の範囲内の圧力にする。生成した圧縮された冷媒流体１を、アフタークーラー５０を通すことによって圧縮熱を冷却し、次いで流体２として冷却サイクルの熱交換機システム６０の中に通す。図１に例示する発明の実施態様では、熱交換機システム６０は、６１、６２、６３、６４、６５及び６６と番号を付け、温度の最も高い（セクション６１）から温度の最も低い（セクション６６）にわたる６つのモジュール又はセクションを含む。図１では、これらのセクションを分離したセクションとして示すが、これらのセクション内のいくつか又はすべてを共通の構造に組み込むことができることは理解される。

　冷媒流体を熱交換機セクションを通して戻り行程（ｌｅｇ）における加温用多成分冷媒流体と間接熱交換させることによって冷却する。これについては、下記に一層完全に説明することにする。冷却用冷媒流体を熱交換機セクションの間でそれぞれ段々に温度が低下する流れ３、４、５、６及び７と示し、冷却用冷媒流体は、熱交換機システム６０から冷却された多成分冷媒流体８として出る。冷却された多成分冷媒流体８を、次いで膨張装置９を通して膨張させて冷却を生じさせる。膨張装置９は、膨張が等エントロピーであるターボエキスパンダーにすることができ、又は膨張が等エンタルピーであるジュール-トムソンバルブにすることがでる。生成した冷却発生多成分冷媒流体１０を、次いで冷却サイクルの加温用行程のために熱交換機システム６０中に戻して通過させる。図１は、また、発明の例を例示する働きをし、例示する例は、例示の目的で提示するもので、発明を制限することを意図するものでなく、図１において、代表的な又は典型的な温度を例示する実施態様の種々の流体と関連づける。図１に示す通りに、加温用多成分冷媒流体を１１、１２、１３、１４及び１５と示し、加温用多成分冷媒流体は、温度の高い熱交換機システム６１から温度の高い多成分冷媒流体１６として出て、６０Ｋから３００Ｋに及ぶ温度を有する。

　本発明の実施において、任意の高温超伝導装置を使用してよい。そのような高温超伝導装置の例は、ケーブル、変圧器及び障害電極電流制御装置／リミッタを含む。図１に例示する発明の実施態様では、高温超伝導装置はケーブル７０である。高温超伝導装置は、図１に例示する通りに、外層７１及び超伝導装置に最も近い内層７２を含む断熱の多層で断熱するのが好ましい。図１に例示する実施態様は、更なる断熱の層７３を断熱層７１と断熱層７２との間に位置させる。高温超伝導装置は、２０〜８０Ｋの高温超伝導範囲内の温度で作動しており、３０〜６５Ｋの範囲内の温度で作動しているのが好ましい。図１に例示する実施態様の例では、高温超伝導性ケーブル７０は、温度約６５Ｋで作動している。

　図に例示する発明の実施態様は、伝熱手段が熱媒液である好適な実施態様である。本発明の実施において使用することができるその他の伝熱手段は、伝導性ブロックを含む。

　本発明の実施において使用することができる熱媒液は、大気ガス、炭化水素、フルオロカーボン、ヒドロフルオロカーボン、フルオロエーテル及びヒドロフルオロエーテルからなる群より選ぶ種であるのが好ましい。単一の熱媒液を構成するのに種の混合物を用いてよく、特に単一の熱媒液を、温度レベルの各々で冷却をもたすために使用する時に種の混合物を用いてよく、これは、図２に例示する発明の実施態様がそうである。

　今、図１に戻って参照すると、第一熱媒液４２は、図１に例示する実施態様の例では、温度２００Ｋであり、これをポンプ２２で輸送して管路４０で第二熱交換機セクション６２に通し、そこで、第一熱媒液４２を加温（ｗａｒｍｉｎｇ）多成分冷媒流体１４と間接熱交換させることによって冷却して飽和液体窒素の温度を超える温度、通常１００〜２７５Ｋの範囲内にする。この例では、第一熱媒液を冷却して温度１９０Ｋにする。本発明の実施において第一熱媒液として使用することができる流体の例は、ＣＦ₄、Ｃ₃Ｆ₈、Ｃ₃Ｆ₇−Ｏ−ＣＨ₃、ＣＦ₄とＣ₃Ｆ₈との混合物、及びＣ₃Ｈ₆とＣ₄Ｈ₁₀との混合物を含む。次いで、冷却された第一熱媒液４１を、高温超伝導装置に周囲熱を通させないようにするのに使用する。図１に例示する発明の実施態様では、冷却された第一熱媒液４１を断熱されたアセンブリー７４の断熱外層７１と断熱内層７２との間にかつその中に通す。そのプロセスでは、第一伝熱手段は暖められ（加温され）て熱媒液流４２を形成し、ポンプ２２に循環させる。

　第二熱媒液４８は、図１に例示する実施態様の例では、第一熱媒液と異なる組成を有し、これをポンプ２４に通す。本発明の実施において第二熱媒液として使用することができる流体の例は、アルゴン、アルゴンと酸素との混合物、窒素と酸素との混合物、窒素とアルゴンとの混合物、及びＮ₂とＣＦ₄との混合物を含む。図１に例示する実施態様の例では、流れ４８における第二熱媒液は、温度６７Ｋである。第二熱媒液をポンプ２４から管路４６で第６番目又は最も低温の熱交換機セクション６６に通し、そこで、第二熱媒液を加温多成分冷媒流体１０と間接熱交換させることによって冷却して高温超伝導範囲内の温度にする。この例では、第二熱媒液を冷却して温度６５Ｋにする。冷却された第二熱媒液４７を、次いで、高温超伝導装置と熱交換、直接か又は間接のいずれかの熱交換させることによって加温して高温超伝導装置を高温超伝導範囲内に保つ。図１に例示する発明の実施態様では、冷却された第二熱媒液４７を断熱されたアセンブリー７４の内側断熱層７２と超伝導性ケーブル７０との間にかつその中を通す。そのプロセスでは、第二熱媒液は加温されて熱媒液流４６を形成し、ポンプ２４に循環させる。

　高温超伝導装置中への熱漏れを冷却された第一熱媒液の温度と冷却された第二熱媒液の温度との中間の１つ以上の温度においてさえぎることができる。図１に例示する発明の実施態様は、そのような１つの中間冷却ループを採用する。この実施態様では、第三熱媒液４５は、第一熱媒液及び／又は第二熱媒液と同じ又は異なる組成を有し、これをポンプ２３に通す。本発明の実施において第三熱媒液として使用することができる流体の例は、ＣＦ₄、ＣＦ₄とＣ₃Ｆ₈との混合物、ＡｒとＣＦ₄との混合物、Ｎ₂とＡｒとの混合物、Ｎ₂とＣＦ₄との混合物及びＣＨ₄とＣ₂Ｈ₆との混合物を含む。図１に例示する実施態様の例では、流れ４５における第三熱媒液は、温度１００Ｋである。第三熱媒液をポンプ２３から管路４３で第４番目の熱交換機セクション６４に通し、そこで、第三熱媒液を加温多成分冷媒流体１２と間接熱交換させることによって冷却して冷却された第一熱媒液の温度と冷却された第二熱媒液の温度との中間の温度にする。この例では、第三熱媒液を冷却して温度８５Ｋにする。冷却された第三熱媒液４４は、次いで、断熱層７１と断熱層７３とを通って漏れる熱によって加温される。図１に例示する発明の実施態様では、冷却された第三熱媒液４４を断熱されたアセンブリー７４の内側断熱層７２と中間の断熱層７３との間にかつその中を通す。そのプロセスでは、第三熱媒液は加温されて熱媒液流４５を形成し、ポンプ２３に循環させる。

　図２は、単一の熱媒液循環路を使用して冷却を高温超伝導装置に３つの温度レベルでもたらす発明の別の実施態様を例示する。発明のこの実施態様において熱媒液として使用することができる流体の例は、空気、ネオン、Ｎ₂とＣＦ₄との混合物、Ｎ₂と、ＣＦ₄と、Ｃ₃Ｆ₈との混合物、Ｎ₂とＡｒとの混合物、Ｎ₂とＯ₂との混合物及びＡｒとＯ₂との混合物を含む。この実施態様は、熱媒液を循環路を通して駆動させるのに、図１に例示する実施態様に関して３つの別のポンプを使用するよりもむしろ単一のポンプを採用する。図２の数字は、共通の要素について図１の数字と同じであり、これらの共通の要素については、再び詳細に検討しない。

　今、図２を参照すると、熱媒液１４０を加温多成分冷媒流体１４と間接熱交換する熱交換機セクション６２を通過させることによって冷却して飽和液体窒素の温度を超えかつ通常１００〜２７５Ｋの範囲内の第一温度にする。生成した熱媒液１４１を分割して流れ１５０及び流れ５２にする。流れ１５０は、この実施態様では、発明の第一熱媒液であり、これを前に図１に例示する実施態様を参照して記載した通りにして高温超伝導装置について処理する。流れ５２をバルブ５３を通し、流れ１４３として加温多成分冷媒流体１２と間接熱交換する熱交換機セクション６４を通過させることによって冷却して中間温度にする。生成した熱媒液１４４を分割して流れ５１及び流れ５４にする。流れ５１は、第三熱媒液であり、これを前に図１に例示する実施態様を参照して記載した通りにして高温超伝導装置について処理する。流れ５４をバルブ５５を通し、流れ１４６として加温多成分冷媒流体１０と間接熱交換する熱交換機セクション６６を通過させることによって冷却して高温超伝導範囲内の温度にする。生成した熱媒液１４７は、この実施態様では、発明の第二熱媒液であり、これを前に図１に例示する実施態様を参照して記載した通りにして高温超伝導装置について処理する。加温された第一及び第三熱媒液を超伝導装置アセンブリー７４からそれぞれ流れ１４２及び１４５で抜き出し、流れ１４２をバルブ５６を通して流れ５７を形成する。これらの流れを超伝導装置アセンブリー７４からの加温された第二熱媒液を含む流れ１４８と再び一緒にして結合された熱媒液流れ１４９を形成してポンプ１２２を通して熱媒液循環路を完成する。

　発明を所定の好適な実施態様に関して詳細に説明したが、当業者ならば、特許請求の範囲の記載の精神及び範囲内の発明のその他の実施態様が存在することを認めるものと思う。例えば、第一伝熱手段及び第二伝熱手段を冷却するための冷却を生じるのに、多成分冷媒流体サイクルの代わりに多段Ｂｒａｙｔｏｎ冷却サイクルを使用してよい。

冷却を、循環多成分冷媒流体を使用して生じ、高温超伝導装置が電気ケーブルあり、超伝導装置を冷却するのに使用する手段が別々の循環路において循環する流体である発明の一つの好適な実施態様の略図である。 冷却を、循環多成分冷媒流体を使用して生じ、高温超伝導装置が電気ケーブルあり、超伝導装置を冷却するのに使用する手段が単一のポンプによって駆動する集積循環路において循環する熱媒液である発明の別の好適な実施態様の略図である。

符号の説明

　９　膨張装置
　２１　圧縮機
　５０　アフタークーラー
　６０　熱交換機システム
　７０　ケーブル
　７１　断熱外層
　７２　断熱内層
　７３　断熱の層
　７４　超伝導アセンブリー

Claims (10)

1. 高温超伝導装置を冷却する方法であって、下記：
   　（Ａ）高温超伝導温度２０〜８０Ｋの範囲内の温度で作動する高温超伝導装置を供し；
   　（Ｂ）第一伝熱手段を冷却して飽和液体窒素の温度を超える第一温度にし、及び冷却された第一伝熱手段を、高温超伝導装置に周囲熱を通させないことによって暖め；並びに
   　（Ｃ）第二伝熱手段を冷却して高温超伝導温度範囲内の第二温度にし、及び冷却された第二伝熱手段を、高温超伝導装置と熱交換することによって加温して高温超伝導装置を高温超伝導温度範囲内に保つ
   ことを含む方法。
2. 第一伝熱手段が第一熱媒液を含み、第二伝熱手段が第二熱媒液を含む請求項１記載の方法。
3. 高温超伝導装置を、断熱外層及び断熱外層に比べて高温超伝導装置に一層近くに配置した断熱内層を使用して断熱する請求項２記載の方法。
4. 冷却された第一熱媒液を断熱内層と断熱外層との間に通す請求項３記載の方法。
5. 冷却された第二熱媒液を断熱内層と高温超伝導装置との間に通す請求項３記載の方法。
6. 第一熱媒液が第一循環路において循環し、第二熱媒液が第一循環路と別の第二循環路において循環する請求項２記載の方法。
7. 第一熱媒液及び第二熱媒液が集積循環路において循環する請求項２記載の方法。
8. 更に、第三熱媒液を冷却して第一温度よりも低くかつ第二温度よりも高い第三温度にし、及び冷却された熱媒液を、高温超伝導装置と間接熱交換することによって暖めることを含む請求項２記載の方法。
9. 高温超伝導装置が電気ケーブルである請求項１記載の方法。
10. 第二熱媒液が第一熱媒液と異なる組成を有する請求項２記載の方法。

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