JP2009500587A - 超伝導装置を冷却するためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】超伝導装置を冷却するためのシステムを開示する。
【解決手段】本システムは、超伝導装置に結合されかつ該装置に冷凍剤を供給するように構成された冷凍剤冷却システムを含む。本システムはまた、装置に冷凍剤を供給するように構成された冷凍剤貯蔵システムを含む。本システムはさらに、選択的に装置から冷凍剤冷却システムを隔離し、それによって冷凍剤貯蔵システムから該装置に冷凍剤の流れを導くように構成された流れ制御弁装置を含む。また、冷凍剤冷却システムを、冷凍剤貯蔵システムにまた該冷凍剤貯蔵システムを介して前記装置に冷凍剤を供給し、流れ制御弁装置が冷凍剤貯蔵システムから冷凍剤冷却システムを隔離するように構成することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、総括的には冷却システムに関し、具体的には、超伝導装置を冷却するためのシステム及び方法に関する。
[連邦政府支援の研究及び開発に関する記述]
本発明は、エネルギー省により授与された契約第ＤＥ−ＦＣ３６−０２−ＧＯ１１１００号に基づき政府の支援を得て為された。政府は、本発明に一定の権利を有する。

超伝導性は、幾つかの金属及びセラミック物質において観察される現象である。それらの物質が、絶対零度付近（−４５９°Ｆ（Ｆａｈｒｅｎｈｅｉｔ）、０°Ｋ（Ｋｅｌｖｉｎ）、−２７３°Ｃ（Ｃｅｌｓｉｕｓ））から液体窒素の温度（−３２１Ｆ、７７Ｋ、−１９６Ｃ）又はそれよりも高い温度までの範囲にある温度に冷却された時、それらの物質は、何らの電気抵抗も有しない。それらの物質は電気抵抗を有しないので、それら物質は、熱としてエネルギーを失わずに大量の電流を長期間にわたって運ぶことができる。この特性は、電力送電並びに電動機及び発電機のような電気装置に適している。電気抵抗がゼロになる温度は、臨界温度又は転移温度と呼ばれ、様々な物質で異なっている。一般的には、臨界温度は、液体ヘリウム又は液体窒素のような冷凍剤を用いて超伝導物質を冷却することにより達成される。

電動機及び発電機のような装置は、それらの作動効率を向上させるために超伝導体を使用する。電動機及び発電機は一般的に、ハウジング内に取付けられたステータと、ステータ内に配置されかつ作動中に回転することができるロータとを含む。発電機では、ロータは、該ロータを回転させる原動機に結合されて回転磁界を発生し、この回転磁界が、ステータ内に電流を誘導する。ステータ内に生成された電流は、送電網又はその他の配電ネットワークに電力を供給するために使用することができる。電動機では、ステータが回転磁界を発生し、この回転磁界が、ロータコイルによって生じた磁界と相互作用して、ロータの回転を誘導する。実際には、電動機は発電機として、或いは逆に発電機は電動機として構成し直すことができる。

従来は、銅導電体を使用して、ロータコイルが形成されてきた。しかしながら、銅導電体の電気抵抗は、発電機又は電動機のロータコイル内でかなり大きな抵抗熱損失を生じさせるのに十分なほど大きい。これらの熱損失は、装置の効率を低下させる。従来の銅導電体によって生じる損失に対処すべく、ロータコイルとして使用するために超伝導体が開発された。

超伝導ロータコイルを使用した装置では、ロータコイルは一般的に、コイルの温度をその転移温度以下に低下させるために冷却される。一般的に、上述したように、液体ヘリウム又は液体窒素のような極低温流体又は冷凍剤が、ロータコイルを冷却するために供給される。極低温流体は、超伝導ロータコイルから熱を吸収し、ロータコイルを転移温度以下の超伝導状態に維持する。極低温流体は一般的に、その流体を液体状態に維持するように作動する冷却システムによって供給される。

しかしながら、冷却システムの出力停止、故障又はメインテナンス作動停止により、装置に対する極低温流体の供給の中断が生じる可能性がある。この中断は、最終的にはコイルの温度を転移温度以上に上昇させ、超伝導性の低下を招くおそれがある。
米国特許第５，８４８，５３２ Ａ号公報 米国特許第６，７３２，５３６ Ｂ１号公報 米国特許第３，３０２，４１７ Ａ号公報 米国特許第６，７２５，６８３ Ｂ１号公報 欧州特許出願第１３５５１１４ Ａ号公報 米国特許第３，８８２，６８７ Ａ号公報 米国特許第６，１７３，５７７ Ｂ１号公報 米国特許第６，５５３，７７３号公報 米国特許第６，４４２，９４９号公報 米国特許第６，４１５，６１３号公報 米国特許第６，４１２，２８９号公報 米国特許第５，５１３，４９８号公報

従って、電動機及び発電機のような超伝導装置への極低温流体の不断の供給を可能にする方法に対する必要性が存在する。

従って、本明細書に記載した様々な実施形態は、冷凍剤貯蔵システムの付加により上記の問題に対処する新規な方法を提供する。

例えば１つの態様では、超伝導装置を冷却するためのシステムを提供する。本システムは、超伝導装置に結合されるようになった冷凍剤冷却システムを含む。冷凍剤冷却システムはまた、超伝導装置に冷凍剤を供給するように構成される。本システムはまた、超伝導装置に冷凍剤を供給するように構成された冷凍剤貯蔵システムを含む。本システムはさらに、流れ制御弁装置を含み、流れ制御弁装置は、選択的に超伝導装置から冷凍剤冷却システムを隔離しまた冷凍剤貯蔵システムから該超伝導装置に冷凍剤の流れを導くように作動可能である。

別の態様では、超伝導装置を連続的に冷却する方法を提供する。本方法は、冷凍剤冷却システムを介して供給された冷凍剤を用いて超伝導装置を冷却する段階を含む。本方法はさらに、冷凍剤冷却システムから超伝導装置を隔離しかつ冷凍剤貯蔵システムに該超伝導装置を結合する段階を含む。

本発明のこれらの及びその他の特徴、態様及び利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同様な部品を表している添付図面を参照して以下の詳細な説明を読む時、一層よく理解されるようになるであろう。

本発明は、電動機及び発電機のような超伝導装置に対する極低温流体又は冷凍剤の不断の供給を可能にする様々な実施形態を提供する。以下において、これらの実施形態について詳しく説明する。

図１は、超伝導装置１２を冷却するための例示的な冷却システム１０の概略図を示している。冷却システム１０は、冷凍剤冷却システム１４と冷凍剤貯蔵システム１６とを含む。冷凍剤冷却システム１４及び冷凍剤貯蔵システム１６は、超伝導装置１２に冷凍剤を供給するようになっている。本明細書で述べる冷凍剤は、−１６０Ｃ以下の沸点を有しかつ一般的には冷却剤として使用される流体である。また、本明細書に記載する場合に、「冷凍剤」という用語には、液状及び気体状冷凍剤の両方が含まれ、これら両者は、本明細書に記載した異なる実施形態の様々な実施において使用することができる。本説明では、冷凍剤は、ネオン又はヘリウムのような不活性流体である。しかしながら、理解されるように、冷凍剤の選定は、ネオン又はヘリウムに限定されるものではない。超伝導装置に適した温度は、一般に−１９６Ｃ以下であり、好ましくは約−２４６Ｃである。

この図示した実施形態では、冷凍剤冷却システム１４は、液状冷凍剤を生成するように作動可能である。一般的には、この実施形態に示しているように、液状冷凍剤を生成するためにつまり極低温物質をその気体相から液化するために、液化装置を使用することができる。しかしながら、液状冷凍剤を生成するために、当技術分野において公知のその他の方法もまた使用することができる。

冷却システム１０はさらに、超伝導装置１２から冷凍剤冷却システム１４を隔離するように構成された流れ制御弁装置１８を含む。さらに、冷却システム１０はまた、冷凍剤貯蔵システム１６から超伝導装置１２に冷凍剤の流れを導くことができるようになっているのが有利である。１つの実施例では、流れ制御弁装置１８は、複数の弁を有する３方向弁システムを含む。例えば、１つのそのような弁は、冷凍剤冷却システム１４から装置１２に冷凍剤の流れを導く。同様に、別の弁は、冷凍剤貯蔵システム１６から装置１２に冷凍剤の流れを導く。同様に、さらに別の弁は、冷凍剤冷却システム１４から冷凍剤貯蔵システム１６に冷凍剤の流れを導く。そのような弁は、あらゆる適当なタイプのものとすることができ、具体的な配置又は回路は、図示したものから変化させることができる。

冷凍剤貯蔵システム１６は、装置１２に対して高い高さに配置することができる。そのように高い高さに配置した場合には、重力だけによって、冷凍剤貯蔵システム１６から装置１２に冷凍剤を流すことができる。しかしながら、所望の場合には、外部ポンプ（図を明瞭にするために図示せず）を使用して、装置１２に冷凍剤を供給することができる。

冷却システム１０はさらに、該冷却システム１０内で冷凍剤を輸送するようになった複数の断熱（例えば、真空ジャケット形）移送導管を含む。冷却システム１０はまた、該冷却システム１０内で冷凍剤の流れを制御するようになった複数の弁を含む。移送導管の詳細については、以下の文節でより詳しく説明する。

冷凍剤冷却システム１４からの冷凍剤は、注入移送導管２０を介して、それを貯えるようになった冷凍剤貯蔵システム１６に流れる。冷凍剤貯蔵システム１６からの冷凍剤は、真空ジャケット形移送導管２２を介して装置１２に流れる。例示的な実施形態では、冷凍剤は、蒸発冷却によって装置１２を極低温度に維持し、装置１２が超伝導状態で作動することを保証する。一般的には低温ガスの形態をした使用済み冷凍剤は、装置１２から流出し、別の真空ジャケット形戻し移送導管２４を介して流れる。戻し移送導管は、装置１２から冷凍剤冷却システム１４に戻り低温ガスを運ぶ。現在考察している実施形態では、注入移送導管２０及び２２並びに戻し移送導管２４は、真空ジャケット形であり、従って強力に断熱されている。移送導管の真空断熱は、冷凍剤が冷凍剤冷却システム１４から冷凍剤貯蔵システム１６に、また冷凍剤貯蔵システム１６から装置１２に流れる時に、冷凍剤における熱伝達損失を最少にする。冷凍剤は、移送継手２６を介して装置１２に流入する。移送継手２６は、冷凍剤をシャフト（図を明瞭にするために図示せず）に移送することを可能にし、或いはシャフトに沿ったあらゆる点において装置１２のその他のあらゆる所望の要素に移送することを可能にする。

さらに、別の例示的な実施では、冷凍剤冷却システム１４からの冷凍剤はまた、図２に関連して説明するように、超伝導装置１２に直接供給することができる。

冷凍剤冷却システム１４のメインテナンス又は整備中断の間には、流れ制御弁装置１８は、装置１２から冷凍剤冷却システム１４を隔離し、また冷凍剤貯蔵システム１６から装置１２に冷凍剤の流れを導く。このことは、冷凍剤冷却システム１４のメインテナンス又は故障の間に、装置１２に対する冷凍剤の「ライドスルー」（連続的）つまり不断の供給を行うのを助ける。

液状冷凍剤の気化（沸騰蒸発）により冷凍剤貯蔵システム１６内で発生した蒸気は、別の移送導管２８を介して冷凍剤冷却システム１４に移送して戻される。装置１２からの冷凍剤冷却システム１４の隔離の間に、冷凍剤貯蔵システム１６内で発生した蒸気は、システム内の圧力を制限又は解除するためのような参照符号３０で示した通気弁を介して排出することができる。同様に、装置１２内で発生した蒸気は、冷凍剤冷却システム１４が装置１２から隔離されている時に、別の通気弁３２を介して排出することができる。装置内で発生した蒸気の流れは、制御弁３４によって制御される。

装置内における過度な蒸気発生及び突然の圧力上昇時には、過度な圧力を通気するために、装置１２に安全逃し弁３６を配置することができる。同様に、冷凍剤貯蔵システム１６に取付けられた別の安全逃し弁３８は、冷凍剤貯蔵システム１６内に発生した過度な圧力を解放するように作動可能にすることができる。

図２は、超伝導装置１２を冷却するための別の例示的な冷却システム４４の概略図を示しており、この場合には冷凍剤冷却システム１４と冷凍剤貯蔵システム１６とが、装置１２に冷凍剤を供給するように並列に配置されている。本実施形態に示す機能構成要素は、図１に示す実施形態について既に詳細に説明した。しかしながら、図２に示す例示的な実施形態では、冷凍剤冷却システム１４からの冷凍剤は、注入移送導管４６を介して装置１２に直接流れる。上述したように、冷凍剤冷却システム１４から供給された冷凍剤は、注入移送導管２０を介して冷凍剤貯蔵システム１６内に貯えることができる。冷凍剤冷却システム１４が装置１２から隔離されている間には、冷凍剤貯蔵システム１６内に貯えられた冷凍剤が、注入移送導管２２を介して装置１２に供給される。

図３は、超伝導装置１２を冷却するためのさらに別の例示的な冷却システム５４の概略図を示している。この図示した実施形態は、注入移送導管５７を介して装置１２に冷凍剤を直接供給するように構成された極低温冷凍装置５６を含む。冷凍剤貯蔵システム１６もまた設けられ、かつ冷凍剤を貯えるように構成される。冷却システム５４はさらに、液状冷凍剤を供給するようになった外部源５８を含み、この外部源５８は、１つの実施例では、冷凍剤貯蔵システム１６に補給するために使用される。極低温冷凍装置５６は、装置１２を冷却するために直接使用することができるガス状冷凍剤を生成することに注目されたい。外部源５８には、冷凍剤供給業者から定期的に受けた冷凍剤を供給するようなタンク、ボトル、受容器、等々が含まれる。

上記したように、冷却システム５４はまた、極低温冷凍装置５６のメインテナンス及び作動停止の間に、選択的に装置１２から該極低温冷凍装置５６を隔離するように構成された流れ制御弁装置１８を含む。極低温冷凍装置５６の装置１２からの隔離の間に、装置１２に対して冷凍剤を中断することなく供給するために、冷凍剤貯蔵システム１６は、装置１２に冷凍剤を導く。冷凍剤は、注出移送導管４８を介して冷凍剤貯蔵システムから装置に供給することができる。

極低温冷凍装置５６は、装置の冷却容量を満たすために必要な1つ又はそれ以上のギフォード・マクマホンつまりパルス管コールドヘッドユニットを含むことができる。１つの例示的実施形態では、極低温冷凍装置は、ガス状冷凍剤を生成して装置１２に供給する。別の例示的な実施形態では、極低温冷凍装置５６は、蒸気を液体に凝縮する再凝縮器とすることができる。メインテナンスのために極低温冷凍装置が作動停止されている期間の間に、冷凍剤貯蔵システムは、装置から戻った冷凍剤蒸気が通気弁３２を介して外部大気に放出されるように作動する。冷凍剤貯蔵システム１６における冷凍剤の喪失は、極低温冷凍装置５６を作動状態に戻した後に、外部源５８（例えば、冷凍剤タンカ）を使用して冷凍剤貯蔵システム１６に補給することによって補充される。

上記の幾つかの文節で説明したように、本明細書に記載した実施形態の１つの実施では、冷凍剤冷却システムからの冷凍剤は、ガス状冷凍剤とすることができ、また冷凍剤貯蔵システムからの冷凍剤は、液状冷凍剤とすることができる。図１〜図３に説明した実施形態は、あらゆる時点において装置への冷凍剤の流れは、冷却システムか又は冷凍剤貯蔵システムかのいずれかからのものであり、一般に両方からのものである必要はないことに注目されたい。

冷凍剤冷却システム１４又は冷凍剤貯蔵システム１６からの冷凍剤の流れ、及び冷凍剤の流れを制御する様々な弁の動作は、プログラマブル論理制御装置、アプリケーション専用又は汎用コンピュータ、或いはその他の制御回路を用いて自動的に行うことができる。制御装置は、冷却システムの動作パラメータに基づいた事前設定コンピュータプログラムを記憶している。プログラムは、冷却システムのあらゆる要求に適合するように、その時々で変更することができる。

理解されるように、上記の方法は、超伝導装置が冷凍剤の絶え間ない供給を受けて該装置を冷却するように作動可能であることを保証する。冷凍剤冷却システムのメインテナンス及び作動停止の間に、装置に対する冷凍剤の不断の供給を保証するために、冷凍剤貯蔵システムは、装置に冷凍剤を供給する。本記述では超伝導装置の冷却、より具体的には発電機又は電動機の冷却に関して説明しているが、本発明は、そのような環境以外にも用途を見出すことができることに注目されたい。

本明細書では、本発明の特定の特徴のみについて図示しかつ説明してきたが、当業者には多くの修正及び変更が想起されるでああろう。従って、提出した特許請求の範囲は、全てのそのような修正及び変更を本発明の技術思想の範囲内に属するものとして保護することを意図していることを理解されたい。

超伝導装置を冷却するための例示的な冷却システムの概略図。 超伝導装置を冷却するための別の例示的な冷却システムの概略図。 超伝導装置を冷却するためのさらに別の例示的な冷却システムの概略図。

符号の説明

１０ 図１の冷却システム
１２ 超伝導装置
１４ 冷凍剤冷却システム
１６ 冷凍剤貯蔵システム
１８ 流れ制御弁装置
２０ 冷凍剤冷却システムから冷凍剤貯蔵システムへの注入移送導管
２２ 冷凍剤貯蔵システムから装置への注入移送導管
２４ 戻し移送導管
２６ 移送継手
２８ 沸騰蒸発戻し導管
３０ 通気弁
３２ 通気弁
３４ 制御弁
３６ 安全弁
３８ 安全弁
４４ 図２の冷却システム
４６ 注入移送導管
４８ 注出移送導管
５４ 図３の冷却システム
５６ 極低温冷凍装置
５７ 注入移送導管
５８ 外部源

Claims (23)

1. 超伝導装置を冷却するためのシステムであって、
   前記装置に結合されかつ該装置に冷凍剤を供給するように構成された冷凍剤冷却システムと、
   前記装置に冷凍剤を供給するように構成された冷凍剤貯蔵システムと、
   選択的に前記装置から前記冷凍剤冷却システムを隔離しまた前記冷凍剤貯蔵システムから該装置に冷凍剤の流れを導くように構成された流れ制御弁装置と、
   を含むシステム。
2. 前記冷凍剤冷却システムが、前記冷凍剤貯蔵システムにまた該冷凍剤貯蔵システムを介して前記装置に冷凍剤を供給し、
   前記流れ制御弁装置が、前記冷凍剤貯蔵システムから前記冷凍剤冷却システムを隔離する、
   請求項１記載のシステム。
3. 前記冷凍剤が、ヘリウム、窒素、水素又はネオンの少なくとも１つを含む過冷却流体である、請求項１記載のシステム。
4. 前記冷凍剤冷却システムが、前記冷凍剤貯蔵システムと並列に前記装置に対して結合される、請求項１記載のシステム。
5. 前記装置の回転シャフトの周りに半径方向に配置された冷凍剤移送継手をさらに含み、
   前記冷凍剤移送継手が、前記流れ制御弁装置から前記装置に冷凍剤を導くように作動可能である、
   請求項１記載のシステム。
6. 前記流れ制御弁装置が、前記冷凍剤冷却システム又は冷凍剤貯蔵システムを共通注入導管に対して選択的に結合して、前記装置に冷凍剤を導くように構成される、請求項１記載のシステム。
7. 前記装置で発生した蒸気を前記冷凍剤冷却システムに戻すように導くための戻し導管をさらに含む、請求項１記載のシステム。
8. 前記戻し導管上に配置されて、前記装置で発生した蒸気の前記冷凍剤冷却システムへの流れを調整するようになった制御弁をさらに含む、請求項７記載のシステム。
9. 前記装置が前記冷凍剤冷却システムから隔離されている時に、該装置で発生した蒸気を排出するようになった通気弁をさらに含む、請求項１記載のシステム。
10. 前記冷凍剤貯蔵システムが、前記冷凍剤冷却システムから冷凍剤を受けるように構成可能である、請求項１記載のシステム。
11. 超伝導装置を冷却するためのシステムであって、
    冷凍剤を供給して前記装置を冷却するように構成された冷凍剤液化装置と、
    前記冷凍剤液化装置から冷凍剤を受けるように構成された冷凍剤貯蔵システムと、
    選択的に前記装置から前記冷凍剤液化装置及び冷凍剤貯蔵システムを隔離しまた前記冷凍剤液化装置及び冷凍剤貯蔵システムを該装置と流体連通状態に置いて、前記冷凍剤液化装置又は冷凍剤貯蔵システムから該装置に冷凍剤の流れを導くように構成された流れ制御弁装置と、
    を含むシステム。
12. 前記装置の回転シャフトの周りに半径方向に配置された冷凍剤移送継手をさらに含み、
    前記冷凍剤移送継手が、前記装置に冷凍剤の流れを導くように作動可能である、
    請求項１１記載のシステム。
13. 前記冷凍剤液化装置が、前記冷凍剤貯蔵システムと並列に結合される、請求項１１記載のシステム。
14. 前記冷凍剤貯蔵システムが、前記冷凍剤液化装置から冷凍剤を受けるように構成可能である、請求項１１記載のシステム。
15. 超伝導装置を冷却するためのシステムであって、
    前記装置に冷凍剤を供給するように構成された極低温冷凍装置と、
    冷凍剤を貯えるように構成された冷凍剤貯蔵システムと、
    選択的に前記装置から前記極低温冷凍装置を隔離しまた前記冷凍剤貯蔵システムを該装置と流体連通状態に置いて、前記冷凍剤貯蔵システムから該装置に冷凍剤を導くように構成された流れ制御弁装置と、
    を含むシステム。
16. 前記極低温冷凍装置が、前記冷凍剤貯蔵システムと並列に結合される、請求項１５記載のシステム。
17. 前記冷凍剤貯蔵システムが、前記極低温冷凍装置から冷凍剤を受けるように構成可能である、請求項１５記載のシステム。
18. 前記冷凍剤貯蔵システムが、外部源を介して冷凍剤が補充されるようになっている、請求項１５記載のシステム。
19. 超伝導装置を連続的に冷却する方法であって、
    冷凍剤冷却システムを介して供給された冷凍剤で前記装置を冷却する段階と、
    前記冷凍剤冷却システムから前記装置を隔離しかつ前記冷凍剤貯蔵システムに該装置を結合する段階と、
    を含む方法。
20. 前記冷凍剤貯蔵システムが、前記冷凍剤冷却システムから冷凍剤を受けるように構成可能である、請求項１９記載の方法。
21. 前記冷凍剤冷却システムが、前記冷凍剤貯蔵システムから前記装置に冷凍剤を導く流れ制御弁装置によって該装置から隔離される、請求項１９記載の方法。
22. 冷凍剤貯蔵システムに外部源からの液状冷凍剤を補給する段階をさらに含む、請求項１９記載の方法。
23. 前記装置の連続的冷却が、前記冷凍剤冷却システム又は冷凍剤貯蔵システムの少なくとも１つからの冷凍剤を使用して行われる、請求項１９記載の方法。

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