JP2016211748A - 超電導体の冷却装置及び冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易かつ低コスト化と冷却効果のさらなる向上を図った超伝導体の冷却装置を提供する。。
【解決手段】超電導体を冷却して超電導状態に保持するための超電導体の冷却装置であって、第１冷媒が貯留され超電導体が第１冷媒中に浸漬される断熱容器１２と、超電導体の周囲に配置され、伝熱面が超電導体に対向配置される複数の熱交換器１４と、複数の熱交換器１４に第２冷媒を供給し、第１冷媒を固相となるまで冷却可能な冷凍機１６と、複数の熱交換器１４と冷凍機１６とに接続される第２冷媒供給路１８と、複数の熱交換器１４の各々に第２冷媒を切替え供給可能にする流路切換部と、を備え、複数の熱交換器１４の伝熱面に第１冷媒の固体層Ｓｌを形成させ、固体層Ｓｌを形成した熱交換器１４への第２冷媒の供給を停止させ、固体層Ｓｌを伝熱面から剥離させる。
【選択図】図１

Description

本開示は、超電導体を冷却して超電導状態に保持する超電導体の冷却装置及び冷却方法に関する。

従来、超電導体、例えば、超電導変圧器、超電導マグネット、超電導限流器等を冷却して超電導状態に保持するための手段は、超電導体を断熱容器に収容し、この断熱容器に貯留された過冷却の液体冷媒に浸漬して冷却している。該液体冷媒は該断熱容器に併設された冷凍機で冷却している。
冷媒は、例えば、窒素、ネオン、アルゴン、水素、ヘリウム等が用いられる。このうち、窒素は、例えばヘリウムなどと比較して、入手性、取扱いやコスト面で各段に有利であるという利点がある。

液体冷媒を用いる冷却手段は、顕熱冷却を行うため、液体冷媒の比熱が蒸発潜熱や融解潜熱と比べて小さく、冷却効果が低い。また、液体窒素は融点（６３Ｋ）から沸点（７７Ｋ）までの温度範囲が狭いため、熱容量が小さい。そのため、必要量が多くなり、装置構成が大型化するという問題がある。

そこで、特許文献１では、微細な個体と液体とが混じり合ったスラッシュ冷媒を用い、固体冷媒の融解潜熱を利用することで、超電導体の冷却効果を高めるようにした冷却手段が提案されている。
なお、特許文献１には、断熱容器に貯留されたスラッシュ冷媒を撹拌混合し、スラッシュ冷媒の温度分布をなくすことで、スラッシュ冷媒と超電導体間の熱伝達効率を高める撹拌翼や、冷却壁（伝熱面）に形成された冷媒の固体層を掻き取る螺旋刃等を備えた構成が開示されている。

特開２００６−０５２９２１号公報

特許文献１に開示された冷却手段は、スラッシュ冷媒を用いることで、超電導体の冷却効果を高めているが、撹拌翼や螺旋刃等の稼動部を有するため、装置構成が複雑化すると共に、該稼動部の動力を必要とし高コストとなるという問題がある。
一方、近年、超電導体の冷却装置の設置の自由度と超電導技術の利用範囲の拡大が期待され、冷却装置の簡易かつ低コスト化と冷却効果のさらなる向上が求められている。

本発明の少なくとも一実施形態は、上記課題に鑑み、超電導体の冷却装置の簡易かつ低コスト化と冷却効果のさらなる向上を図ることを目的とする。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る超電導体の冷却装置は、
超電導体を冷却して超電導状態に保持するための超電導体の冷却装置であって、
第１冷媒が貯留され超電導体が該第１冷媒中に浸漬される断熱容器と、
前記超電導体の周囲に配置され、伝熱面が前記超電導体に対向配置される複数の熱交換器と、
前記複数の熱交換器に第２冷媒を供給し、前記第１冷媒を固相となるまで冷却可能な冷凍機と、
前記複数の熱交換器と前記冷凍機とに接続される第２冷媒供給路と、
前記複数の熱交換器の各々に前記第２冷媒を切替え供給可能にする流路切換部と、を備え、
前記複数の熱交換器の前記伝熱面に形成された前記第１冷媒の固体層が、前記熱交換器への前記第２冷媒の供給を停止することで、前記伝熱面から剥離するように構成される。

前記構成（１）において、複数の熱交換器の伝熱面から剥離した固体層は下降し、断熱容器の底部で超電導体の周囲に堆積する。超電導体は第１冷媒の液相と固体層とで冷却される。また、固体層が断熱容器の底部に溜まることで、上層の液体冷媒と下層の固体冷媒との間で密度差が生じ、この密度によって、上下方向に向かう第１冷媒の自然対流が促進される。

前記構成（１）によれば、第１冷媒の固体層が超電導体の周囲に堆積することで、超電導体の冷却効果を高めることができる。また、上記自然対流によって、固体層がもつ冷熱（融解潜熱）の伝達が促進され、上下方向で第１冷媒の温度均一化が図られる。これによって、超電導体の冷却効果をさらに向上できる。
また、固体層を形成した熱交換器への第２冷媒の供給を停止させることで、該固体層が伝熱面と接触する領域が融解し、伝熱面から剥離する。そのため、特許文献１に開示された撹拌翼や螺旋刃等のような稼動部を必要としない。そのため、該稼動部を作動させる動力が不要になり、装置構成を簡易かつ低コスト化できる。

また、複数の熱交換器への第２冷媒の供給を切り替える操作を行うだけで、前記冷凍機を発停する必要がなく、該冷凍機の連続運転が可能となる。そのため、冷凍機の操作が煩雑とならず、かつ運転効率を向上できる。
さらに、複数の熱交換器を超電導体の周方向に配置するので、超電導体の周方向に固体相を分散して形成でき、これによって、超電導体を周方向に均一に冷却できる。

（２）幾つかの実施形態では、前記構成（１）において、
前記熱交換器の前記伝熱面は、前記超電導体に対して間隔を置いて上下方向に配置される。
前記構成（２）によれば、熱交換器の伝熱面を超電導体に対して間隔を置いて上下方向に配置することで、超電導体と熱交換器の伝熱面との間の領域に上記自然対流を容易に形成できる。これによって、超電導体の冷却効果をさらに向上できる。

（３）幾つかの実施形態では、前記構成（２）において、
前記熱交換器の前記伝熱面は前記超電導体と対向配置されつつ、前記熱交換器は前記超電導体の上部部位に対向する高さに配置され、
前記熱交換器の下方に剥離した前記第１冷媒の前記固体層を貯留する領域を拡大可能とする。
前記構成（３）によれば、熱交換器の伝熱面を超電導体と対向配置させつつ、熱交換器を超電導体の上部部位に対向する高さに配置し、上方に浮上してきた温度の高い第１冷媒を効果的に冷却することで、自然対流効果がさらに促進される。さらに、熱交換器をより上方に位置することで、伝熱面から剥離して下降する固体層の貯留領域を拡大でき、固体層の貯留量を増加できる。そのため、固体層がもつ冷熱の熱容量が増加し、超電導体の冷却効果をさらに向上できる。

（４）幾つかの実施形態では、前記構成（１）〜（３）の何れかにおいて、
前記冷凍機は前記断熱容器と別置きに配置される。
前記構成（４）によれば、冷凍機を断熱容器と別置きすることで、断熱容器の設置スペースを縮小でき、断熱容器の配置の自由度を広げることができる。

（５）例示的な実施形態では、前記構成（１）〜（４）の何れかにおいて、
前記超電導体は超電導変圧器を構成する環形状の超電導コイルであり、
前記超電導コイルは環形状の前記断熱容器に収容され、
前記超電導変圧器を構成する常電導コアは前記断熱容器の中心に形成された外側空間に配置され、
前記複数の熱交換器は前記超電導コイルの外周面の周囲に配置される。
前記構成（５）によれば、超電導変圧器を構成する超電導コイルの冷却装置を、簡易かつ低コスト化できると共に、超電導コイルの冷却効果を向上できる。また、断熱容器の内部で超電導コイルの横断面を取り巻くように第１冷媒の自然対流を形成でき、かかる自然対流の形成によって、超電導コイルの冷却装置をさらに向上できる。

（６）本発明の少なくとも一実施形態に係る超電導体の冷却方法は、
超電導体を冷却して超電導状態に保持する超電導体の冷却方法であって、
断熱容器の内部に第１冷媒を貯留すると共に、超電導体を該第１冷媒中に浸漬する浸漬ステップと、
前記超電導体の周囲に対向配置された複数の熱交換器に第２冷媒を供給し、該複数の熱交換器の伝熱面に前記第１冷媒の固体層を形成させる固相形成ステップと、
前記伝熱面に前記固体層を形成した前記熱交換器への前記第２冷媒の供給を停止させ、前記固体層を前記伝熱面から剥離させる固相剥離ステップと、を含む。

前記（６）の方法によれば、複数の熱交換器から剥離した固体層は下降して断熱容器の底部に溜まり、超電導体の周囲に堆積して超電導体を冷却する熱容量を増加させる。また、固体層が断熱容器の底部に溜まることで、固体融解時に融解潜熱により周囲の液体温度は融解温度近傍に保持されるため、上層の液体冷媒と下層の固体冷媒との間の密度差が大きくなることから、上下方向に向かう第１冷媒の自然対流が促進される。
このように、第１冷媒の固体層が超電導体の周囲に堆積することで、超電導体の冷却効果を高めることができる。また、上記自然対流の増加によって、固体層がもつ冷熱量（融解潜熱）の伝達が促進され、上下方向で第１冷媒の温度均一化が促進される。これによって、超電導体の冷却効果をさらに向上できる。

また、固体層を形成した熱交換器への第２冷媒の供給を停止させることで、該固体層を熱交換器の伝熱面から剥離させるので、特許文献１に開示された撹拌翼や螺旋刃等のような稼動部を必要としない。そのため、該稼動部を作動させる動力が不要になり、装置構成を簡易かつ低コスト化できる。

また、複数の熱交換器への第２冷媒の供給を切り替える操作を行うだけで、前記冷凍機を発停する必要がなく、該冷凍機の連続運転が可能となる。そのため、冷凍機の操作が煩雑とならず、かつ運転効率を向上できる。
さらに、複数の熱交換器を超電導体の周方向に配置するので、超電導体の周方向に固体相を分散して形成でき、これによって、超電導体を周方向に均一に冷却できる。

（７）幾つかの実施形態では、前記（６）の方法において、
前記複数の熱交換器の前記伝熱面は前記超電導体に間隔を置いて上下方向に配置され、
前記超電導体と前記伝熱面との間に前記第１冷媒の自然対流を形成させる対流形成ステップをさらに含む。
前記（７）の方法によれば、熱交換器の伝熱面を超電導体に対して間隔を置いて上下方向に配置することで、自然対流の形成が促進され、これによって、超電導体の冷却効果をさらに向上できる。

（８）幾つかの実施形態では、前記（６）又は（７）の方法において、
前記超電導体は超電導変圧器を構成する環形状の超電導コイルであり、
前記超電導コイルは環形状の前記断熱容器に収容され、
前記超電導変圧器を構成する常電導コアは前記断熱容器の中心に形成された外側空間に配置され、
前記複数の熱交換器が前記超電導コイルの外周面の周囲に配置されている。
前記（８）の方法によれば、超電導コイルの冷却効果を向上できると共に、超電導コイルの冷却装置を簡易かつ低コスト化できる。

前記（８）の方法によれば、超電導変圧器を構成する超電導コイルの冷却装置を、簡易かつ低コスト化できると共に、超電導コイルの冷却効果を向上できる。また、断熱容器の内部で超電導コイルの横断面を取り巻くように第１冷媒の自然対流を形成でき、超電導コイルの冷却効果をさらに向上できる。

（９）幾つかの実施形態では、前記（６）〜（８）の何れかの方法において、
前記固相形成ステップにおいて、
前記複数の熱交換器の前記伝熱面の固体層の形成を前記熱交換器毎に順々に行い、
前記固相剥離ステップにおいて、
前記複数の熱交換器への前記第２冷媒の供給を前記伝熱面に前記固体層を形成した熱交換器から順々に停止させ、前記固体層を前記熱交換器毎に順々に剥離させる。
前記（９）の方法によれば、上記固相剥離ステップにおいて、複数の熱交換器への第２冷媒の供給を伝熱面に固体層を形成した熱交換器から順々に停止させ、固体層を熱交換器毎に順々に剥離させるので、超電導体の周方向に沿って均一に固体相を堆積でき、これによって、超電導体を周方向に沿って均一に冷却できる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、超電導体の冷却装置の簡易かつ低コスト化を達成でき、かつ冷却効果をさらに向上できる。

一実施形態に係る冷却装置の斜視図である。 一実施形態に係る冷却装置の正面視断面図である。 一実施形態に係る冷却装置の正面視断面図である。 一実施形態に係る冷却方法の工程図である。 スラッシュ冷媒と液体冷媒の熱伝達効率の違いを示す線図である。 本発明者等が本発明に至る過程で考えた冷却装置（非公開）の斜視図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載され又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一つの構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

図６は、本発明者等が本発明に至る過程で考えた超電導体の冷却装置（非公開）を示している。
図６において、冷却装置１００は、第１冷媒、例えば窒素などが貯留された断熱容器１０２を備えている。断熱容器１０２の一側に突出部１０４が形成され、突出部１０４の上壁に冷凍機１０６が設けられ、冷凍機１０６で第１冷媒の固相を生成する。
図示された例示的な構成では、断熱容器１０２の主要部は環形状（ドーナッツ形状）を有し、中心に円筒形の外側空間１０２ａが形成されている。主要部の一側に突出部１０４が形成され、突出部１０４の上壁に冷凍機１０６が設けられ、冷凍機１０６で第１冷媒の固相を生成する。
断熱容器１０２の内部に、超電導体として、例えば、超電導変圧器の一部を構成する環形状の超電導コイルＳｃが断熱容器１０２の底面１０２ｂ近傍に吊り下げられ、断熱容器１０２に貯留した液体冷媒中に浸漬される。外側空間１０２ａには、上記超電導変圧器の一部を構成する常電導コアＮｃが配置される。

突出部１０４の底面１０４ａは断熱容器１０２の本体側に向けて下降する傾斜面となっている。断熱容器１０２の天井壁１０２ｃには、超電導コイルＳｃと外部の励磁電源（不図示）とを電気的に接続する導体部品である電流リード１０８が設けられている。
冷凍機１０６によって断熱容器１０２に貯留した液体冷媒の一部から固体冷媒Ｓｒが生成され、固体冷媒Ｓｒは粒状となって底面１０４ａまで落下する。底面１０４ａに落下した固体冷媒Ｓｒは超電導コイルＳｃ側へ滑り落ち、超電導体の近傍で堆積する。超電導体は液状の第１冷媒及び超電導体の近傍に堆積した固体冷媒Ｓｒによって冷却される。

冷却装置１００では、固体冷媒Ｓｒの融解潜熱で超電導体を冷却できるため、冷却効果を向上できる。また、熱容量が大きい固体冷媒Ｓｒの存在で蓄熱効果が期待でき、熱負荷変動時でも固体冷媒Ｓｒの増減でその変動を吸収でき、超電導コイルＳｃの温度や冷凍機の運転を安定して行うことができる。また、断熱容器１０２の上方の液体冷媒と固体冷媒Ｓｒ近傍の液体冷媒温度との温度差が大きくなることによって、上下方向の自然対流が促進され、これによって、超電導コイルＳｃと液体冷媒間の熱伝達が促進され、超電導体を均一かつ低温に冷却できると共に、稼動部がないため、装置構成を簡易かつ低コスト化できる、等の利点がある。
なお、高電圧である超電導コイルＳｃ近傍に固体冷媒Ｓｒが存在しても、放電特性は液体冷媒と変わらないことが確認されている。

しかし、突出部１０４があるため、断熱容器１０２の設置スペースが増加し、断熱容器１０２の小型化が達成できず、さらに、固体窒素Ｓｒが断熱容器１０２の周方向に均一に分散しないという問題がある。

本発明の少なくとも一実施形態に係る冷却装置１０Ａ及び１０Ｂは、図１〜図３に示すように、第１冷媒（例えば窒素）が貯留される断熱容器１２を備えている。
図示された例示的な構成では、断熱容器１２は円環形状を有し、中心に円筒形の外側空間１２ａが形成され、冷却対象となる超電導体は、超電導変圧器の一部を構成する超電導コイルＳｃである。断熱容器１２の内部に超電導コイルＳｃが断熱容器１２の底面１２ｂに載置され、断熱容器１２に貯留した第１冷媒中に浸漬される。外側空間１２ａには、上記超電導変圧器の一部を構成する常電導コアＮｃが配置される。
超電導体の周囲には複数の熱交換器１４が配置され、熱交換器１４の伝熱面１４ａは超電導コイルＳｃに対向配置される。

断熱容器１２の天井壁１２ｃには、超電導コイルＳｃと外部の励磁電源（不図示）とを電気的に接続する導体部品である電流リード２２が設けられている。
また、各熱交換器１４に第２冷媒（例えばヘリウム、ネオン等、沸点が第１冷媒の凝固点より低い冷媒）を供給する冷凍機１６が設けられる。
なお、熱交換器１４の材料は超電導コイルＳｃの性能に影響を与えない常磁性体の使用が望ましい。

各熱交換器１４と冷凍機１６とは、第２冷媒供給路１８で接続され、第２冷媒供給路１８には、複数の熱交換器１４の各々に第２冷媒を切替え供給可能にする流路切換用バルブボックス２０（流路切替部）を備えている。
図１に示す例示的な実施形態では、第２冷媒供給路１８は、冷凍機１６と流路切換用バルブボックス２０とを結ぶ主供給路１８ａと、流路切換用バルブボックス２０と各熱交換器１４とを結ぶ複数の枝供給路１８ｂとで構成されている。
また、複数の熱交換器１４の伝熱面１４ａに形成された第１冷媒の固体層Ｓｌが、熱交換器１４への第２冷媒の供給を停止することで、その伝熱面１４ａから剥離するように構成される。

かかる構成において、超電導体は断熱容器１２に貯留された第１冷媒で冷却される。また、冷凍機１６から複数の熱交換器１４に第２冷媒を供給することで、各熱交換器１４の伝熱面１４ａに第１冷媒の固体層Ｓｌを形成させる。その後、固体層Ｓｌを形成した熱交換器１４への第２冷媒の供給を停止させ、伝熱面１４ａと接触する領域の固体層Ｓｌを融解させ、伝熱面１４ａから剥離させる。各伝熱面１４ａから剥離した固体層Ｓｌは、下降して断熱容器１２の底部１２ｂに溜まり、超電導コイルＳｃの周囲に堆積して、超電導コイルＳｃを冷却する。
また、固体層Ｓｌが断熱容器１２の底部１２ｂに溜まることで、下層の固体層Ｓｌと上層の液体冷媒との間で密度差が生じるため、上下方向に向かう第１冷媒の自然対流Ｆｃが発生する。これによって、第１冷媒の温度を上下方向で均一にできる。

例示的な実施形態では、図１〜図３に示すように、熱交換器１４の伝熱面１４ａは超電導コイルＳｃの外側で超電導コイルＳｃに対して間隔を置いて上下方向に配置される。
図２に示す冷却装置１０Ａでは、熱交換器１４の伝熱面１４ａは超電導コイルＳｃの外側で超電導コイルＳｃの下部壁面に対向配置されている。
また、例示的な実施形態では、図３に示す冷却装置１０Ｂのように、熱交換器１４の伝熱面１４ａは超電導体と対面させつつ、超電導コイルＳｃの上部壁面に対向する高さに配置され、熱交換器１４の下方に剥離した固体層Ｓｌを貯留する領域を拡大可能になっている。
例示的な実施形態では、図１に示すように、冷凍機１６は断熱容器１２と別置きに配置される。

また、例示的な実施形態では、図１〜図３に示す冷却装置１０Ａ及び１０Ｂのように、冷却対象となる超電導体は超電導変圧器の一部を構成する環形状の超電導コイルＳｃである。複数の熱交換器１４が超電導コイルＳｃの外周面の周囲に、伝熱面１４ａが該外周面に対向するように配置される。

本発明の少なくとも一実施形態に係る冷却方法は、図４に示すように、浸漬ステップＳ１０と、固相形成ステップＳ１２と、固相剥離ステップＳ１４とを含んでいる。
浸漬ステップＳ１０では、断熱容器１２の内部に第１冷媒を貯留すると共に、超電導体（例えば、超電導コイルＳｃ）を第１冷媒中に浸漬する。固相形成ステップＳ１２では、冷凍機１６から超電導体の周囲に配置された複数の熱交換器１４に第２冷媒を供給し、超電導体に対向配置された複数の熱交換器１４の伝熱面１４ａに第１冷媒の固体層Ｓｌを形成させる。超電導体が超電導コイルＳｃであるとき、複数の熱交換器１４は超電導コイルＳｃの外周面に対向配置される。
剥離ステップＳ１４では、伝熱面１４ａに第１冷媒の固体層Ｓｌを形成した熱交換器１４への第２冷媒の供給を停止させ、固体層Ｓｌの伝熱面１４ａに接した領域を融解させ、固体層Ｓｌを伝熱面１４ａから剥離させる。

例示的な実施形態では、図４に示すように、対流形成ステップＳ１６を含む。対流形成ステップＳ１６では、上層の液体冷媒と下層の固体層Ｓｌとの密度差によって上下方向に第１冷媒の自然対流Ｆｃを形成させる。

例示的な実施形態では、固相剥離ステップＳ１４において、複数の熱交換器１４への第２冷媒の供給を固体層Ｓｌを形成した熱交換器１４から順々に停止させ、固体層Ｓｌを複数の伝熱面１４ａから順々に剥離させる。

幾つかの実施形態によれば、図１〜図３に示す冷却装置１０Ａ及び１０Ｂのように、熱容量が大きく、かつ融解潜熱による冷却作用を有する固体層Ｓｌが超電導体の周囲に堆積することで、超電導体の冷却効果を高めることができる。
図５は、超電導体に対する熱伝達率を示し、冷媒として窒素を用い、横軸は超電導コイルを模擬したヒータの加熱量を示している。図中、Ｓは、微細な固体と液体とが混じり合ったスラッシュ窒素を用いた場合であり、Ｌは液体窒素を用いた場合である。図から、スラッシュ窒素Ｓを用いたほうが超電導体に対する熱伝達効率が大きく、超電導体の冷却効果が高いことがわかる。

また、上述の自然対流Ｆｃの発生によって上層と下層の第１冷媒の温度均一化が促進され、超電導コイルＳｃの能力をさらに向上できる。
また、固体層Ｓｌを形成した熱交換器１４への第２冷媒の供給を停止させ、固体層Ｓｌの伝熱面１４ａに接した領域を融解させることで、固体層Ｓｌを伝熱面１４ａから剥離させるので、特許文献１に開示された撹拌翼や螺旋刃のような稼動部を必要とせず、かつ該稼動部を作動させる動力が不要になる。これによって、装置構成を簡易かつ低コスト化できる。

また、複数の熱交換器１４への第２冷媒の供給を切り替える操作を行うだけで、冷凍機１６を発停する必要がなく、冷凍機１６の連続運転が可能であるため、冷凍機１６の操作が煩雑とならず、かつ運転効率を向上できる。
さらに、複数の熱交換器１４を超電導体の周方向に配置するので、超電導体の周方向に沿って第１冷媒の固体層Ｓｌを分散して堆積でき、これによって、超電導体を周方向で均一に冷却できる。

また、例示的な実施形態によれば、図１〜図３に示すように、熱交換器１４の伝熱面１４ａを超電導体に対して間隔を置いて上下方向に配置することで、超電導体と熱交換器１４間を通る自然対流Ｆｃが促進され、これによって、超電導体の冷却効果をさらに向上できる。
また、例示的な実施形態によれば、図３に示す冷却装置１０Ｂのように、熱交換器１４の伝熱面１４ａを超電導体と対面させつつ、熱交換器１４を超電導体の上部部位に対向する高さに配置し、上方に浮上してきた温度の高い第１冷媒を効果的に冷却することで、自然対流効果がさらに促進される。
また、熱交換器１４の下方に伝熱面１４ａから剥離して下降した固体層Ｓｌの貯留領域を拡大でき、これによって、固体層Ｓｌの貯留量を増加できるので、超電導体の冷却効果及び冷熱の蓄熱量をさらに向上できる。

また、図１に示す冷却装置１０Ａの例示的な実施形態によれば、冷凍機１６が断熱容器１２と別置きとなっているので、断熱容器１２が占めるスペースを縮小でき、断熱容器１２の配置の自由度を広げることができる。
また、図１〜図３に示す冷却装置１０Ａ及び１０Ｂによれば、超電導体が超電導変圧器の一部を構成する超電導コイルＳｃである場合、超電導コイルＳｃの冷却効果を向上できると共に、超電導コイルＳｃの冷却装置を簡易かつ低コスト化できる。

さらに、図４に示す固相剥離ステップＳ１４において、複数の熱交換器１４への第２冷媒の供給を伝熱面１４ａに固体層Ｓｌを形成した熱交換器から順々に停止させ、固体層Ｓｌを伝熱面１４ａから順々に剥離させることで、超電導体の周囲に固体層Ｓｌを均一に形成でき、これによって、超電導体を周方向に均一に冷却できる。

図１〜図３に示す実施形態において、超電導コイルＳｃに対して熱交換器１４は、超電導コイルＳｃの上部部位に対向する上方位置、下部部位に対向する下方位置、内周側又は外周側に配置できるが、固体層Ｓｌの貯留量を増加できる点、熱交換器１４の配置の容易さ及び超電導コイルＳｃの冷却効果等からみて、上方で外周に配置することが最も適切と考えられる。
なお、図１〜図３に示す実施形態では、流路切換用バルブボックス２０と各熱交換器１４との間に複数の枝供給路１８ｂを設けているが、本発明に係る第２冷媒の供給路はかかる構成に限定されない。
例えば、流路切換用バルブボックス２０をなくし、冷凍機１６と各熱交換器１４との間に、主冷媒供給路と、この主冷媒供給路から分岐し、各熱交換器１４に接続される複数の枝供給路とを設け、各々の枝供給路に開閉弁を設け、各開閉弁を制御装置によって所望のタイミングで開閉するようにしてもよい。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、冷却装置の小型化及び低コスト化を実現でき、かつ冷却効率をさらに向上できる。

１０Ａ、１０Ｂ、１００ 冷却装置
１２、１０２ 断熱容器
１２ａ、１０２ａ 外側空間
１２ｂ、１０２ｂ 底面
１４ 熱交換器
１４ａ 伝熱面
１６、１０６ 冷凍機
１８ 第２冷媒供給路
１８ａ 主供給路
１８ｂ 枝供給路
２０ 流路切換用バルブボックス
１０４ 突出部
１０４ａ 底面
Ｆｃ 自然対流
Ｎｃ 常電導コア
Ｓｃ 超電導コイル（超電導体）
Ｓｌ 固体層
Ｓｒ 固体冷媒

Claims (9)

1. 超電導体を冷却して超電導状態に保持するための超電導体の冷却装置であって、
   第１冷媒が貯留され超電導体が該第１冷媒中に浸漬される断熱容器と、
   前記超電導体の周囲に配置され、伝熱面が前記超電導体に対向配置される複数の熱交換器と、
   前記複数の熱交換器に第２冷媒を供給し、前記第１冷媒を固相となるまで冷却可能な冷凍機と、
   前記複数の熱交換器と前記冷凍機とに接続される第２冷媒供給路と、
   前記複数の熱交換器の各々に前記第２冷媒を切替え供給可能にする流路切換部と、を備え、
   前記複数の熱交換器の前記伝熱面に形成された前記第１冷媒の固体層が、前記熱交換器への前記第２冷媒の供給を停止することで、前記伝熱面から剥離するように構成されることを特徴とする超電導体の冷却装置。
2. 前記熱交換器の前記伝熱面は、前記超電導体に対して間隔を置いて上下方向に配置されることを特徴とする請求項１に記載の超電導体の冷却装置。
3. 前記熱交換器の前記伝熱面は前記超電導体と対向配置されつつ、前記熱交換器は前記超電導体の上部部位に対向する高さに配置され、
   前記熱交換器の下方に剥離した前記第１冷媒の前記固体層を貯留する領域を拡大可能とすることを特徴とする請求項２に記載の超電導体の冷却装置。
4. 前記冷凍機は前記断熱容器と別置きに配置されることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の超電導体の冷却装置。
5. 前記超電導体は超電導変圧器を構成する環形状の超電導コイルであり、
   前記超電導コイルは環形状の前記断熱容器に収容され、
   前記超電導変圧器を構成する常電導コアは前記断熱容器の中心に形成された外側空間に配置され、
   前記複数の熱交換器は前記超電導コイルの外周面の周囲に配置されることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の超電導体の冷却装置。
6. 超電導体を冷却して超電導状態に保持する超電導体の冷却方法であって、
   断熱容器の内部に第１冷媒を貯留すると共に、超電導体を該第１冷媒中に浸漬する浸漬ステップと、
   前記超電導体の周囲に対向配置された複数の熱交換器に第２冷媒を供給し、該複数の熱交換器の伝熱面に前記第１冷媒の固体層を形成させる固相形成ステップと、
   前記伝熱面に前記固体層を形成した前記熱交換器への前記第２冷媒の供給を停止させ、前記固体層を前記伝熱面から剥離させる固相剥離ステップと、を含むことを特徴とする超電導体の冷却方法。
7. 前記複数の熱交換器の前記伝熱面は前記超電導体に間隔を置いて上下方向に配置され、
   前記超電導体と前記伝熱面との間に前記第１冷媒の自然対流を形成させる対流形成ステップをさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の超電導体の冷却方法。
8. 前記超電導体は超電導変圧器を構成する環形状の超電導コイルであり、
   前記超電導コイルは環形状の前記断熱容器に収容され、
   前記超電導変圧器を構成する常電導コアは前記断熱容器の中心に形成された外側空間に配置され、
   前記複数の熱交換器が前記超電導コイルの外周面の周囲に配置されていることを特徴とする請求項６又は７に記載の超電導体の冷却方法。
9. 前記固相形成ステップにおいて、
   前記複数の熱交換器の前記伝熱面の固体層の形成を前記熱交換器毎に順々に行い、
   前記固相剥離ステップにおいて、
   前記複数の熱交換器への前記第２冷媒の供給を前記伝熱面に前記固体層を形成した熱交換器から順々に停止させ、前記固体層を前記熱交換器毎に順々に剥離させることを特徴とする請求項６乃至８の何れか１項に記載の超電導体の冷却方法。
   

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