JP2009065016A

JP2009065016A - 超電導部冷却装置とその運転方法

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Publication number: JP2009065016A
Application number: JP2007232512A
Authority: JP
Inventors: Yasutaka Sanuki; 育孝讃岐; Akira Tomioka; 章富岡
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2007-09-07
Filing date: 2007-09-07
Publication date: 2009-03-26
Anticipated expiration: 2027-09-07
Also published as: JP5217308B2

Abstract

【課題】冷却の全体効率を低下することなしに冷却ヘッド周辺の冷媒の凝固問題の解消を図り、さらに、装置運転中の冷却効率の向上および停止中の侵入熱量の低減を図った超電導部冷却装置とその運転方法を提供する。
【解決手段】超電導部を液体冷媒中に浸漬して冷却する極低温容器１と、この極低温容器の蓋部４に搭載し、蓋部から極低温容器内に冷却ヘッド６を挿入して液体冷媒を過冷却温度に冷却する冷凍機とを備えた超電導部冷却装置において、冷凍機は、冷却ヘッド６の温度を計測する温度計測手段と、極低温容器内における冷却ヘッドの挿入高さを可変とする冷凍機の昇降手段８とを備え、冷却ヘッドの温度計測値の信号または超電導部への通電の有無の信号もしくは冷凍機の稼動の有無の信号に基づいて、冷却ヘッドの高さを所望の位置に変える。
【選択図】図１

Description

この発明は、超電導部冷却装置とその運転方法に関し、特に、超電導応用機器における超電導部を、極低温の液体冷媒中に浸漬して冷却する極低温容器と、この極低温容器の蓋部に搭載し、前記蓋部から極低温容器内に冷凍機の膨張機が備える冷却ヘッドを挿入して前記液体冷媒を過冷却温度に冷却する冷凍機とを備えた超電導部冷却装置とその運転方法に関する。

超電導応用機器としては、超電導変圧器や超電導エネルギー貯蔵装置などの超電導コイルや磁気分離装置などがある。超電導応用機器は、従来の機器に比べ、高効率化、軽量化、小型化が図れるので、さまざまな研究開発が進められている。前記超電導応用機器を使用できる環境にするためには、超電導部材を冷却する装置が必要となる。

図６は従来の超電導部材冷却装置の一例の模式的構成を示す図である。図６において、１は極低温容器、２は超電導部材としての超電導コイル、２ａは超電導コイルへ通電するための電流リード、３は冷媒、３ａは冷媒液面、４は極低温容器の蓋部、５は冷凍機の膨張機、６は冷却ヘッド、６ａは温度計測手段、７は熱交換器である。

極低温容器１は、液体窒素温度（約77K）や液体ヘリウム温度（約4.2K）などの極低温環境下で、超電導線材や超電導バルク材を用いた超電導応用機器を収納するための容器である。極低温容器１の基本的な形状は円筒状であり、側面と底面からなる円筒状の容器本体部と円板状の蓋部４とからなり、超電導コイル２などの超電導部材を蓋部４で、図示しない吊りボルトを介して吊り下げた構成を備える。

極低温容器１は、低熱侵入であること、断熱性に優れていること、強度が優れていること、気密性がよいことなどが求められている。低熱侵入や断熱性に関しては、極低温容器１を二重構造にして、内槽に超電導部としての超電導コイル２を収納し、外槽を真空や冷媒で断熱している。外槽や内槽を真空状態にする場合、気圧差に耐える構造と材料で構成することが必要であり、特に前記強度と気密性が重要となる。

極低温容器１の材料としては、通常、ステンレス鋼などの金属やガラス繊維強化プラスティック（以下、GFRP）が使われる。ステンレス鋼は、加工が比較的簡単で、強度もある。また組立てて必要なところには溶接によって気密が保てる。一方、GFRPは、加工の自由度は金属より劣るが、金属相当の剛性を持ちながら、比重が小さく、絶縁材料であるため、超電導の電力応用ではステンレスに代わって使われることが多い。組立が必要なところは、はめ込み構造とし、接着により気密を保つ。比重に関して、ステンレス鋼の比重は約7.8であり、GFRPのそれは1.3〜1.7である。

高温超電導線材の開発の発展に伴い、液体窒素温度レベルでも超電導状態を維持できるようになり、冷媒としては、安価な液体窒素が使われるようになってきた。液体窒素は、不燃性であり、絶縁性にも優れている。冷媒としては、上記液体窒素以外に、液体水素や液体ネオンが使用されることもある。

液体窒素は、沸点が77.3Ｋであり、大気圧状態では常に気泡が発生している。超電導部材に電圧を架けて通電する場合、液体窒素自身は絶縁性に優れているが、気泡により、絶縁耐力が低下し、絶縁破壊等を招く恐れがある。そのため多くの電気機器応用では、液体窒素を沸点以下とするため、過冷却状態にする。一方、液体窒素の凝固点は63Ｋであるので、冷媒は63Ｋ〜77Ｋの間に維持する必要がある。超電導部材は、低温になるほど、臨界電流値などの超電導特性が向上し、また、液体窒素が沸点に至るまでの顕熱が利用できることから、できるだけ低温の65Ｋ〜67Ｋに過冷却されることが多い。

液体窒素を過冷却状態にする方法として、冷凍機を用いて液体窒素を冷却する方法が用いられる。要請に応じて、２つの過冷却方法がある。一つは、冷凍機と超電導部材を別々の容器に入れ、冷凍機側容器で冷媒を過冷却し、過冷却の冷媒を配管(トランスファーチューブ)を通して超電導部材側容器に供給し、逆に超電導部材側で温められた冷媒を、戻り用の別の配管を通して冷凍機側容器に戻し、冷媒を循環させる方法である（特許文献１参照）。

他の方法は、図６に示したように、超電導部材としての超電導コイル２と冷凍機の膨張機５の冷却ヘッド６部を一つの極低温容器１内に入れ、容器内で超電導部材の熱負荷等によって温められた冷媒を冷凍機で冷却する方法である。前者は、制御した温度の冷媒を超電導部材側に供給でき、超電導部材側に安定した冷媒を供給できるが、極低温容器が2つ必要で、且つ、トランスファーチューブも必要になる。一方、後者は、一つの容器に熱負荷と冷却を行うため、温度制御が難しいが極低温容器は一つで済む特徴がある。

過冷却するための冷凍機としては、ＧＭ冷凍機（ギフォード・マクマホン冷凍機）で代表される小型極低温冷凍機（以下、単に「冷凍機」と記す）が用いられる。冷凍機は、図７に示すように、膨張機５、圧縮機５ａ、循環冷媒管５ｂ、電源等からなり、ガス冷媒（主にヘリウムガス）を循環させて、膨張機に冷たいガスを送り、冷却ヘッド部において温められたガスを圧縮機に戻して冷却している。冷凍機の膨張機５は、図６に示すように、冷却ヘッド６部が極低温容器の蓋部４を貫通して、極低温容器１の内部に配置され、極低温容器の蓋部４に載せて容器のシールを確保して固定されている。冷却ヘッド６は、鉛直下側に向いて液体窒素に浸漬する状態で配置され、冷媒との熱交換をよくするための熱交換器７が取り付けられている。冷凍能力としては、例えば、冷却ヘッド80Ｋ、周波数50Ｈｚで冷凍出力200Ｗのものや、さらに冷凍出力が1kW級のものもある。

超電導部材の温度が上昇する要因となる熱源としては、超電導部材への無通電時であっても、電流リード２ａ、極低温容器１、温度計測手段６ａ他の計測線などから、常温部と極低温部との間の温度差に基づいて侵入する熱侵入量が常に存在する。超電導部材に電気を流す通電時には、超電導部材に電流が流れることによる通電損失などの発熱が、前記熱侵入量と合わせて熱負荷となり、これにより過冷却状態の液体窒素は温度上昇する。

前述のように、超電導部材を冷却する液体窒素を冷凍機で過冷却とする場合、液体窒素の凝固点（63Ｋ）以上に保つ必要があり、概ね超電導部材が65Ｋ〜67Ｋ（例えば、66Ｋ）に到達するように、過冷却、温度維持がなされる。超電導部材を65Ｋ〜67Ｋに冷却する場合、まず、冷却ヘッド６が冷えて、液体窒素に伝導し、最終的に超電導部材を冷やすことになるが、その熱の伝達は超電導部材や液体窒素の熱容量が大きいほど時間がかかり、最も冷えて温度の低い冷却ヘッド６と、最も温度の低下の遅い超電導コイル２の温度との差が大きくなる。

従って、例えば、はじめは冷却ヘッド６も超電導コイル２も液体窒素の沸点77.3Ｋであって、冷凍機が稼働してから冷却ヘッド温度が64Ｋになっても、超電導コイル２は、まだ68Ｋや70Ｋを示している状態があり得る。液体窒素も温度が低下した部分は極低温容器１の下方向に移動するので、極低温容器内の底のほうの液体窒素から冷え、液位が高くなるほど、液体窒素の温度は上昇し、液面付近では77.3Kの沸点になるような分布を示す。

このまま冷却が進行すると、冷却ヘッド６周辺の冷媒だけが先行して63Ｋの凝固点温度に達し、冷却ヘッド６の冷熱が液体窒素に伝達し難くなり、超電導コイル２の温度上昇を招く問題が生ずる。この対策として、通常、図示しないヒータを冷却ヘッド６部に埋め込んでおき、また、冷却ヘッドには温度計測手段６ａとしての温度素子を埋め込んで温度監視を行い、その監視温度が、予め設定した所定の温度以下になった場合に、冷却ヘッド６部を加熱し、冷却ヘッド６の温度を下げすぎないようにしている。しかしながら、この方法の場合、冷却ヘッド付近の冷媒の凝固は免れるものの、新たな熱源を追加することになるため余計な電力が必要となり、全体として冷却の効率が悪くなる問題がある。

一方、ヒータを用いない対策も検討されており、前記特許文献１に開示されている。特許文献１の発明においては、冷凍機の圧縮機用の電源経路にインバータを設け、冷却ヘッドの温度に応じて、電源周波数をインバータで変え、インバータ制御により圧縮機の流量および圧力を制御し、冷却ヘッドの温度が凝固温度に達しないように冷凍能力を低下させる制御方法が採用されている。

この方法によれば、超電導部材が目標温度に近い状態であれば、ヒータのような熱源を追加せずに凝固を防げるため、低消費電力に貢献できるが、まだ超電導部材が目標の温度にまで達していない段階においては、本来冷凍機が出せる冷凍能力を抑えることとなり、結局、超電導部材の初期の冷却時間が必要以上に増大し、全体として効率が悪くなる問題がある。さらに、超電導応用機器としては、冷凍機出力が低下し冷媒が蒸発して液面が低下すれば、運用コストや、絶縁の面でも問題となる場合がある。

また、超電導部材冷却装置としては、上記のような冷却ヘッド周辺の冷媒の凝固問題とは別に、下記のような問題がある。一時的に装置を停止し、冷凍機を含む電源を落とし、しばらく後に再稼動するケースがある。

例えば、超電導装置を日中運転し、夜間は停止し、翌朝に冷媒を復帰させ、また運転する場合である。このように、夜間に電源を停止する場合には、冷媒の熱容量で、ある程度の温度は維持できるものの、超電導装置や極低温容器からの熱侵入に加え、冷凍機の室温側から冷却ヘッドに向けて熱が侵入し、冷媒の蒸発、温度上昇を加速する問題が生ずる。

この場合、次回使用時前に、冷媒を補給し過冷却運転を時間をかけて行う必要があり、効率が悪い。対策として、停止時に、冷媒を蒸発しにくい別の容器に移して保管する方法が考えられるが、この場合、次回使用時前に、冷媒を移動する必要があり、システムが複雑化し、かつ効率が悪い。
特開２００５−１５６０５１号公報

この発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたもので、この発明の課題は、冷却の全体効率を低下することなしに冷却ヘッド周辺の冷媒の凝固問題の解消を図り、さらに、装置運転中の冷却効率の向上および停止中の侵入熱量の低減を図った超電導部冷却装置とその運転方法を提供することにある。

前述の課題を解決するため、この発明は、超電導応用機器における超電導部を、極低温の液体冷媒中に浸漬して冷却する極低温容器と、この極低温容器の蓋部に搭載し、前記蓋部から極低温容器内に冷凍機の膨張機が備える冷却ヘッドを挿入して前記液体冷媒を過冷却温度に冷却する冷凍機とを備えた超電導部冷却装置において、前記冷凍機は、前記冷却ヘッドの温度を計測する温度計測手段を備え、さらに、極低温容器の蓋部と冷凍機との間に、前記冷却ヘッドの温度計測値の信号または前記超電導部への通電の有無の信号もしくは前記冷凍機の稼動の有無の信号に基づいて、極低温容器内における前記冷却ヘッドの挿入高さを可変とする冷凍機の昇降手段を備えたことを特徴とする（請求項１の発明）。

また、前記請求項１に記載のものにおいて、前記超電導部は高温超電導線材を備え、前記液体冷媒は液体窒素とする（請求項２の発明）。

さらに、超電導部冷却装置の運転方法の発明としては、下記請求項３ないし６の発明が好ましい。即ち、前記請求項１または２に記載の超電導部冷却装置の運転方法であって、下記の手順を含むことを特徴とする（請求項３の発明）。
（１）超電導部冷却装置の起動時であって、冷凍機の稼動前および超電導部への通電前に、液体冷媒を、少なくとも前記超電導部が浸漬する予め設定した所定の液面位置まで、極低温容器内に注入する。
（２）前記冷却ヘッドを液体冷媒内の前記超電導部近傍の予め設定した所定の位置まで挿入し、冷凍機を運転して、前記液体冷媒を過冷却温度に至るまで冷却する。
（３）前記冷却ヘッドの温度が次第に低下して、液体冷媒の凝固温度より所定の温度だけ高い予め設定した温度に到達した際に、極低温容器内における前記冷却ヘッドの位置を前記冷凍機の昇降手段により上昇させ、前記冷却ヘッドの温度を予め設定した所定の温度だけ上昇させる。

また、前記請求項１または２に記載の超電導部冷却装置の運転方法であって、下記の手順を含むことを特徴とする（請求項４の発明）。
（１）超電導部冷却装置の起動時であって、冷凍機の稼動前および超電導部への通電前に、液体冷媒を、少なくとも前記超電導部が浸漬する予め設定した所定の液面位置まで、極低温容器内に注入する。
（２）前記冷却ヘッドを液体冷媒内の前記液面位置近傍の予め設定した所定の位置まで挿入し、冷凍機を運転して、前記液体冷媒を過冷却温度に至るまで冷却する。
（３）前記冷却ヘッドの温度が次第に低下して、液体冷媒の凝固温度より所定の温度だけ高い温度に到達した際に、前記冷凍機の出力を低減して前記冷却ヘッドの温度を予め設定した所定の温度だけ上昇させる。

さらに、前記請求項３または４に記載の超電導部冷却装置の運転方法であって、冷凍機の稼動により前記液体冷媒を過冷却温度に至るまで冷却した後、超電導部への通電を開始した際には、極低温容器内における前記冷却ヘッドの位置を、前記冷凍機の昇降手段により、液体冷媒内の前記超電導部近傍の予め設定した所定の位置まで下降させ、超電導部への通電を停止した際には、前記冷却ヘッドを液体冷媒内の前記液面位置近傍の予め設定した所定の位置まで上昇させることを特徴とする（請求項５の発明）。

また、前記請求項５に記載の超電導部冷却装置の運転方法であって、超電導部への通電を停止し、かつ冷凍機の運転も一時的に停止する際には、前記冷凍機の昇降手段により、前記冷却ヘッドを液体冷媒内の前記液面位置を越える位置まで上昇させ、極低温容器内における冷媒ガス空間内に前記冷却ヘッドを保持することを特徴とする（請求項６の発明）。

この発明によれば、従来のように、冷却ヘッドに設けたヒータ制御や、超電導部冷却完了前に冷凍機電源に設けたインバータによる冷凍機出力制御を行うことなく、極低温容器内の冷却ヘッドの位置制御により、冷却ヘッド周辺の冷媒の凝固問題の解消が図れるので、冷却の全体効率の向上が図れる。

また、冷凍機の冷却ヘッドの位置を冷媒温度の高い液面位置近傍の所定の位置に挿入して過冷却運転を行なうことにより、冷却ヘッドの凝固点温度に至る温度低下を抑制しつつ、最大の冷凍能力を確保でき、さらに、外部からの熱侵入量等により蒸発する冷媒量を抑えることができる。なお、超電導部材の初期冷却が完了した後は、請求項４の発明のように、冷凍機出力制御（例えば、インバータによる出力制御）により冷却ヘッドの凝固点温度に至る温度低下を好適に抑制することができる。

さらに、超電導部材への通電時には、請求項５の発明のように、熱源となる超電導部材に冷却ヘッドを近づけることにより、効率的に超電導部材の温度上昇を抑えることができ、また、無通電時には冷媒液面付近に冷却ヘッドを近づけて冷媒の蒸発量を抑えることが可能となり、効率よい冷却と安定した冷媒の液面及び温度維持が可能となる。

また、夜間や非常時など冷凍機を一時的に停止する場合、冷凍機昇降手段を利用して冷凍機冷却ヘッドを液面より高い位置に保持することで、余計な冷媒の蒸発や温度上昇を抑えることができ、再運転により短時間で冷媒冷却の定常状態を復帰させることができる。

図１〜図５に基づき、本発明の実施の形態について以下に述べる。図１は本発明の実施の形態に係る超電導部材冷却装置の一例の模式的構成を示す図であって、冷却ヘッドの下降状態を示す図、図２は図１と同様の超電導部材冷却装置の一例の模式的構成を示す図であって、冷却ヘッドの上昇状態を示す図、図３は図１および図２に対応する冷却ヘッドの位置における液体冷媒の温度勾配を比較して示す図、図４は本発明の超電導部材冷却装置の運転方法における冷却特性に関し、従来方法における冷却特性と比較して示す図、図５は図１と同様の超電導部材冷却装置の一例の模式的構成を示す図であって、冷凍機の一時停止時における冷却ヘッドの上昇状態を示す図である。

図１、２および図５において、図６に示した部材と同一機能を有する部材には、同一符号を付し、各部材や図６で説明した装置全体の構成の重複する説明は省略する。図１、２および図５が、図６と相違する主な点は、図１、２および図５においては、極低温容器１内における冷却ヘッド６の挿入高さを可変とする冷凍機の昇降手段８と、昇降手段８と冷凍機の膨張機５との間に設けた支持板８ａとを備える点である。なお、図１、２および図５においては、冷却ヘッド６部に設ける温度計測手段の図示を省略している。

図１、２および図５に示す本発明の実施の形態に係る超電導部材冷却装置は、前述のように、下記の構成を備えることを特徴とする。即ち、冷凍機は、冷却ヘッド６の温度を計測する温度計測手段を備え、さらに、極低温容器の蓋部４と冷凍機との間に、前記冷却ヘッドの温度計測値の信号または超電導コイル２への通電の有無の信号もしくは前記冷凍機の稼動の有無の信号に基づいて、極低温容器１内における冷却ヘッド６の挿入高さを可変とする冷凍機の昇降手段８を備えたことを特徴とする。

冷凍機の昇降手段としては、例えば、油圧で冷凍機の支持板８ａを押し上げることで、冷却ヘッドを押し上げるようなものとすることができる。冷却ヘッド６の高さのレベルは、冷却ヘッドの温度に応じた高さをあらかじめ設定しておけば、自動で油圧調整ができる。

冷凍機の膨張機５や配管等は、Oリングや配管接続部等でシールされており、液体窒素の蒸発ガスが直接かかるとシール性が悪くなる恐れがあるため、さらに、極低温容器内部への水分を含んだ外気の侵入を防ぐために、気密を確保しなければならないが、そのため、図示のように、蛇腹式のステンレス配管によって、冷凍機の膨張機をその長手方向に囲んで、極低温容器の蓋部４と支持板８ａ部において溶接やOリングを用いてシールを図ることにより、昇降と気密を確保した昇降手段とすることが可能となる。

次に、上記超電導部材冷却装置の運転方法について説明する。まず、超電導部材への通電前の初期冷却運転は前記請求項３ないし４の手順により運転を行なう。そして、超電導部材への通電時には、前記請求項５のような運転を行なう。また、超電導部材への通電を停止し、冷凍機の運転を一時停止する場合には、前記請求項６のような運転を行なう。上記各請求項に係る運転方法の重複説明は省略するが、多少、具体的な運転動作について、補足して以下に述べる（図１ないし図５参照）。

まず、超電導部材への通電前であって、さらに冷凍機稼働前に、冷媒となる液体窒素を極低温容器１内に供給し、容器内部を液体窒素温度の77.3Kに維持し、決められた液面位置かそれ以上まで冷媒を入れる。このとき、冷凍機の冷却ヘッド６は冷媒に浸っているため、77.3K状態である。その後、冷凍機を稼働し、液体窒素及び超電導コイル２部を目標の66Kまで低下させる。始め、冷凍機の冷却ヘッド６は、77Kから低下し始め、遅れて超電導コイル２部に過冷却液体窒素が行き渡り次第に66Kに近づくが、例えば、超電導コイル２の温度が70Kの段階で、冷却ヘッド６が63Kとなると、冷却ヘッド周辺の液体窒素を凝固させる問題が生ずる。そこで、冷却ヘッド６の温度を上げるため、より冷媒温度が高い鉛直上方向に、冷凍機の膨張機５を昇降手段８により移動することで、凝固を防ぐことができる（図１および図２参照）。

図３は、冷却ヘッドの位置における液体冷媒の温度勾配を比較して示す図であって、図３（ａ）は冷却ヘッド位置が下（超電導コイル２部の近傍）の場合の、図３（ｂ）は冷却ヘッド位置が上（液面位置近傍）の場合の、極低温容器１内の鉛直方向の温度分布（66K〜77Kの範囲の分布）を太い実線で模式的に示す。鉛直方向上部の逆Ｓ字を付した空間は、冷媒ガス空間を示す。

冷却ヘッド周辺の冷媒の凝固問題の解消を図り、かつ冷却の全体効率の向上を図る上で、最も好適な運転方法は、冷凍機による冷却開始時に、前記冷却ヘッド６を液体冷媒内の液面位置近傍の予め設定した所定の位置まで挿入し、冷凍機を運転して、液体冷媒を過冷却温度に至るまで冷却することである。この方法によれば、冷却ヘッドの温度低下を押さえて、最大の冷凍能力を安定して出力できる。なお、この場合、冷媒の蒸発ガスを抑制する方にも、冷却ヘッド高さが低いとき以上に冷凍能力を使うことになるので、蒸発ガスを抑えたい要求がより大きい場合にとくに有効である。

また、前記冷却ヘッドの温度が次第に低下して、液体冷媒の凝固温度より所定の温度だけ高い温度に到達した際に、前記冷凍機の出力を低減して前記冷却ヘッドの温度を予め設定した所定の温度だけ上昇させるのが好ましい。冷凍機圧縮機がインバータ制御可能な場合には、冷却ヘッドの温度を監視して、凝固点に近づいた際に、インバータで冷凍出力を抑制する。これにより、省エネルギー運転も可能となる。

この発明の運転方法によれば、従来のように、冷却ヘッドに設けたヒータ制御や、超電導コイル冷却完了前に冷凍機電源に設けたインバータによる冷凍機出力制御を行うことなく、極低温容器内の冷却ヘッドの昇降制御により、冷却ヘッド周辺の冷媒の凝固問題の解消が図れるので、冷却の全体効率の向上が図れる。

図４は、本発明の超電導部材冷却装置の運転方法における冷却特性に関し、従来方法における冷却特性と比較して示す図であり、図４（ａ）は本発明の冷却ヘッド昇降制御の場合の、図４（ｂ）は従来のインバータ制御の場合の冷却特性を模式的に示す。本発明の場合、従来方法に比較して、超電導コイルの温度は、早期に所望の66Kに近づく。また、冷却ヘッドの温度も超電導コイルの温度より若干低い温度を維持しながら徐々に低下する。

次に、超電導コイルへの通電時の運転方法について述べる。通電時のコイルの通電損失等で熱負荷が増大する場合には、冷凍機の冷却ヘッド高さを下げて、より超電導コイル２に近づけ、超電導コイル及び冷媒の温度上昇にできるだけ速く対応できるようにすることが好ましい。通電後に、再度無通電とする場合には、液面の冷媒蒸発を抑制して、熱侵入量による液面低下を抑えるため、冷却ヘッドを液面位置近傍に上昇させることが好ましい。

次に、図５に基づいて冷凍機の運転を一時停止する場合について述べる。冷凍機の運転を一時停止する場合には、昇降手段を利用して、冷凍機停止直前に、冷凍機の冷却ヘッド６を液面よりさらに上部に上昇させ、液面に冷凍機が接しないようにして保持することにより、冷凍機自体から極低温容器への熱侵入が抑制され、冷媒の蒸発及び温度上昇を抑制することができる。

本発明の実施の形態に係る超電導部材冷却装置の一例の模式的構成を示す図であって、冷却ヘッドの下降状態を示す図。図１と同様の超電導部材冷却装置の一例の模式的構成を示す図であって、冷却ヘッドの上昇状態を示す図。図１および図２に対応する冷却ヘッドの位置における液体冷媒の温度勾配を比較して示す図。本発明の超電導部材冷却装置の運転方法における冷却特性に関し、従来方法における冷却特性と比較して示す図。図１と同様の超電導部材冷却装置の一例の模式的構成を示す図であって、冷凍機の一時停止時における冷却ヘッドの上昇状態を示す図。従来の超電導部材冷却装置の一例の模式的構成を示す図。従来の超電導部材冷却装置における冷凍機の模式的構成を示す図。

符号の説明

１：極低温容器、２：超電導コイル、２ａ：電流リード、３：冷媒、３ａ：冷媒液面、４：極低温容器の蓋部、５：冷凍機の膨張機、６：冷却ヘッド、６ａ：温度計測手段、７：熱交換器、８：昇降手段。

Claims

超電導応用機器における超電導部を、極低温の液体冷媒中に浸漬して冷却する極低温容器と、この極低温容器の蓋部に搭載し、前記蓋部から極低温容器内に冷凍機の膨張機が備える冷却ヘッドを挿入して前記液体冷媒を過冷却温度に冷却する冷凍機とを備えた超電導部冷却装置において、
前記冷凍機は、前記冷却ヘッドの温度を計測する温度計測手段を備え、さらに、極低温容器の蓋部と冷凍機との間に、前記冷却ヘッドの温度計測値の信号または前記超電導部への通電の有無の信号もしくは前記冷凍機の稼動の有無の信号に基づいて、極低温容器内における前記冷却ヘッドの挿入高さを可変とする冷凍機の昇降手段を備えたことを特徴とする超電導部冷却装置。
請求項１に記載のものにおいて、前記超電導部は高温超電導線材を備え、前記液体冷媒は液体窒素としたことを特徴とする超電導部冷却装置。
請求項１または２に記載の超電導部冷却装置の運転方法であって、下記の手順を含むことを特徴とする超電導部冷却装置の運転方法。
（１）超電導部冷却装置の起動時であって、冷凍機の稼動前および超電導部への通電前に、液体冷媒を、少なくとも前記超電導部が浸漬する予め設定した所定の液面位置まで、極低温容器内に注入する。
（２）前記冷却ヘッドを液体冷媒内の前記超電導部近傍の予め設定した所定の位置まで挿入し、冷凍機を運転して、前記液体冷媒を過冷却温度に至るまで冷却する。
（３）前記冷却ヘッドの温度が次第に低下して、液体冷媒の凝固温度より所定の温度だけ高い予め設定した温度に到達した際に、極低温容器内における前記冷却ヘッドの位置を前記冷凍機の昇降手段により上昇させ、前記冷却ヘッドの温度を予め設定した所定の温度だけ上昇させる。
請求項１または２に記載の超電導部冷却装置の運転方法であって、下記の手順を含むことを特徴とする超電導部冷却装置の運転方法。
（１）超電導部冷却装置の起動時であって、冷凍機の稼動前および超電導部への通電前に、液体冷媒を、少なくとも前記超電導部が浸漬する予め設定した所定の液面位置まで、極低温容器内に注入する。
（２）前記冷却ヘッドを液体冷媒内の前記液面位置近傍の予め設定した所定の位置まで挿入し、冷凍機を運転して、前記液体冷媒を過冷却温度に至るまで冷却する。
（３）前記冷却ヘッドの温度が次第に低下して、液体冷媒の凝固温度より所定の温度だけ高い温度に到達した際に、前記冷凍機の出力を低減して前記冷却ヘッドの温度を予め設定した所定の温度だけ上昇させる。
請求項３または４に記載の超電導部冷却装置の運転方法であって、冷凍機の稼動により前記液体冷媒を過冷却温度に至るまで冷却した後、超電導部への通電を開始した際には、極低温容器内における前記冷却ヘッドの位置を、前記冷凍機の昇降手段により、液体冷媒内の前記超電導部近傍の予め設定した所定の位置まで下降させ、超電導部への通電を停止した際には、前記冷却ヘッドを液体冷媒内の前記液面位置近傍の予め設定した所定の位置まで上昇させることを特徴とする超電導部冷却装置の運転方法。
請求項５に記載の超電導部冷却装置の運転方法であって、超電導部への通電を停止し、かつ冷凍機の運転も一時的に停止する際には、前記冷凍機の昇降手段により、前記冷却ヘッドを液体冷媒内の前記液面位置を越える位置まで上昇させ、極低温容器内における冷媒ガス空間内に前記冷却ヘッドを保持することを特徴とする超電導部冷却装置の運転方法。