JP2017506427A - 超伝導装置用クライオスタット - Google Patents

Abstract

超伝導装置のためのクライオスタットは、フォーム断熱材料であり得る非真空材料で断熱されたタンクと、例えば同心ガラススリーブによって例えば真空断熱されたＨＴＳコイルを貫通する、このタンクを貫通して延在する１つ以上の空洞とを備え、この空洞を、コイルと関連する、クライオスタットの外側のコアが貫通する。【選択図】図１

Description

本発明はクライオスタットに関する。より具体的には、本発明は、限定されるものではないが、超伝導変圧器及び故障電流制限器を含む、超伝導装置との使用のためのクライオスタットに関する。

超伝導変圧器または故障電流制限器（ＦＣＬ）等の、超伝導体を用いるＡＣ電源装置は、変圧器が高電流において運転する場合、またはＦＣＬが漏電を遮断する場合、かなりの電力及び熱を放散する。超伝導構成要素をそれらの超伝導温度に維持するために、超伝導構成要素はクライオスタット内に配置される。クライオスタットは典型的には、液体窒素（ＬＮ２）等の極低温冷媒と、冷却される必要があり、寒剤浴中に直接浸漬される超伝導構成要素とを格納する容器を含む。クライオスタット内に配置されるべき超伝導構成要素は、通常は、ＨＴＳまたはＬＴＳコイル巻線である。

クライオスタットは、周囲温度から寒剤及びコイル巻線を断熱する。しかしながら、鉄心等のこれらのＡＣ電源装置の他の構成要素、及び多くの実際のＦＣＬは、やはり、極低温空間内での熱放散を低減するために室温で運転されねばならない。断熱は、鉄心の運転中に放散される熱に起因して、鉄心を隔離するために提供されねばならない。したがって、クライオスタットは超伝導装置を部分的に冷却する必要しかなく、一方でクライオスタットはそのような装置の熱放散室温構成要素からその内容物を隔離する必要もあるため、クライオスタットは多くの場合、複雑な幾何学形状を有する。多くの場合、極低温温度の構成要素と、室温の構成要素との分離は最小化されるべきである。例えば、変圧器内の超伝導巻線とコアとの間の隙間は、理想的には、電気効率及び費用効率のために、数センチメートル以下であるべきである。これは、より厚い断熱材を収容できるためにより高い熱伝導率が許容され得るクライオスタットの他の部分と比較して、この空間内における断熱材が低い熱伝導率を有するべきであることを示唆する。高効率三相変圧器もまた、周囲温度の空間を横断する相巻線間の電気接続からの熱負荷を回避するために、同一の極低温体積を共有する全ての相巻線を有さねばならず、これが更にクライオスタットの幾何学形状を複雑化する。

変圧器クライオスタットの標準的設計は、真空断熱されたガラス強化プラスチック（ＧＲＰ）複合容器を使用している。そのようなクライオスタットの構造は、困難かつ費用対効果が低い。そのような三相クライオスタットは１つしか現在まで実証されていない。そのようなクライオスタットは、典型的には、連続的なポンピングを必要とする。真空ポンプは複雑性及びコストを加え、電気事業環境における深刻な欠点である、メンテナンスを必要とする。超伝導変圧器に関して、熱交換器、負荷時タップ切換器を収容するように、ならびに単に温度安定性の増加のためにＬＮ２容積を増加させるように、巻線単独のために必要とされる空間を超えて極低温空間を拡張することもまた有利である。真空空間は、大気圧下での圧潰を防止するように高度に設計する必要があるため、真空断熱された大きな容器を製作することは困難である。

本発明は、上述の問題のうちの少なくとも一部を改善すること、または少なくとも公共用の代替的なクライオスタットを提供することを目的とする。

広義には、本発明は、第１の非真空断熱材料によって断熱された極低温冷媒及び超伝導装置を格納するためのタンクを備え、かつ周囲を第２の真空断熱材で断熱された、タンクを貫通して延在する少なくとも１つの空洞を備える、超伝導装置用のクライオスタットを含む。

少なくとも一部の実施形態において、第１の断熱材料は、発泡フォーム断熱材料等のフォーム断熱材料を備える。

少なくとも一部の実施形態において、タンクを貫通する空洞は、例えば、ガラス等の材料の同心スリーブ等、真空断熱材の内壁及び外壁によって画定される。

一部の実施形態において、フォーム材料は、温度範囲７７Ｋ〜３００Ｋに亘って平均した、約０．０３Ｗ／ｍＫ未満の熱伝導率を有する。一部の実施形態において、フォーム断熱材は、約４００ｍｍ、約４５０ｍｍ、または約５００ｍｍ、または約５５０ｍｍ、または約６００ｍｍ、または約８００ｍｍ以上の厚さを有する。

一部の実施形態において、真空断熱材は、約０．００３Ｗ／ｍＫ未満、約０．００２Ｗ／ｍＫ以下、または約０．００１Ｗ／ｍＫの有効熱伝導率を有する。一部の実施形態において、真空断熱材は、約５〜約２５ｍｍの平均の厚さを有する。

本発明のクライオスタットにおいて、空洞の周囲にあり、変圧器コアを収容するように空洞を画定する真空断熱材は薄い壁であるが、一方でタンクの外側の断熱材は、より厚く、より低コストの非真空断熱材料を備え、それによってより遥かに高コストの、全てが真空断熱された容器を製作する必要性を回避する。クライオスタット構造もまた、モジュール式かつ柔軟であり、したがって製造に対してより経済的であり得る。

本明細書で使用する場合、用語「及び／または」は、「及び」もしくは「または」、または両方を意味する。

本明細書で使用する場合、名詞に続く「（複数可）」は、名詞の複数形及び／または単数形を意味する。

本明細書において使用される用語「〜を備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、「少なくとも部分的に〜からなる」ことを意味する。この用語を含む本明細書の記述を解釈する場合、各記述内のこの用語に先行される特色は、全て存在する必要があるが、他の特色もまた存在することができる。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」及び「備えられる（ｃｏｍｐｒｉｓｅｄ）」等の関連する用語は、同じ様式で解釈されるべきである。

本発明は更に、本発明のクライオスタットの例示的実施形態を示す図面を参照して記載される。
蓋を伴うクライオスタットの一平面における概略鉛直断面図である。 蓋を伴うクライオスタットの別の平面における概略鉛直断面図である。 図１の線Ｉ−Ｉに沿う、クライオスタットの概略水平断面図である。

図は、三相超伝導変圧器のＨＴＳコイルを冷却するためのクライオスタットを示す。クライオスタット１は、液体窒素等の極低温冷媒３を格納するための頑丈かつガス不透過ケーシング２を有するタンク７備え、極低温温度に維持される必要がある超伝導変圧器コイル１０が、このタンク７内に格納される。ＬＴＳまたはＨＴＳコイル１０は、好ましくは、極低温冷媒３中に直接浸漬される。タンク内の冷媒の液位は、図１の線１５によって示される。タンクは蓋９を含む。外側ケーシングの蓋部分は２ａにおいて示される。極低温冷媒３は、図２に示される低温クーラー及び熱交換器１２によって、好適な温度範囲内に維持される。

蓋９を含むタンク７の内側を覆っているのは、非真空断熱層６であり、これは発泡独立気泡ポリスチレンフォーム等の、独立気泡フォーム材料を備える。少なくとも一部の実施形態において、フォーム材料は、０．０３Ｗ／ｍＫ未満の熱伝導率、及び約４００ｍｍ以上の最小厚さを有する。他の実施形態において、フォーム材料は、約４５０ｍｍ、または約５００ｍｍ、または約５５０ｍｍ、または約６００ｍｍ、または約８００ｍｍ以上の最小厚さを有してもよい。

少なくとも一部の実施形態において、フォーム断熱層６は、実質的に均一な厚さを有する。少なくとも一部の実施形態において、フォーム断熱層６は、タンク７の実質的に内側全体を覆う。フォーム断熱層６は、例えば熱接合または接着によってケーシング２に付着されてもよく、あるいはケーシング内での噴霧または注入によって形成されてもよい。

外側ケーシング２は、典型的には、例えばガラス強化プラスチック（ＧＲＰ）材料等の断熱材料６よりも硬質かつ穿刺されない材料で形成され、外側ケーシング２の厚さは、より厚い断熱層６の厚さ未満である。外側ケーシング２は主に、構造強度をタンクに対して提供する。

一部の実施形態において、繊維強化ポリマー等の剛化剤がフォーム断熱層６に組み込まれて、熱収縮によって引き起こされる変形に対する剛性を提供する。他の実施形態において、繊維強化ポリマーまたはガラス強化ポリマー（ＧＲＰ）複合物の層等の剛性層が、フォーム断熱層６の内面及び／または外面上に提供されてもよい。示される例においては、ＧＲＰ層１３が、フォーム断熱材６の内面上に提供される。外側ケーシング２及び内側層１３の両方を示す図２及び３を参照されたい（図１は両方は示していない）。

クライオスタットは、タンクを貫通して延在し、タンク台とタンク蓋との間で延在する空洞を有する。示される実施形態において、クライオスタット１は、タンク７を貫通して延在する３つの空洞８を含む。空洞８は、示されるように、頂部と底部との間でタンクを貫通する中空通路である。空洞８のそれぞれは、真空スリーブ５によって形成される真空断熱層によって画定かつ断熱され、この真空スリーブ５は、ガラス等のガス不透過材料の少なくとも内壁５ａ及び外壁５ｂによって画定され（図３を参照）、この内壁及び外壁が、それらの間に閉鎖真空空間を画定する。あるいは、ガス不透過複合物材料等の他の好適な材料もまた、真空空間を画定する内壁及び外壁として使用できる。示される実施形態において、各ガラス壁５ａ及び５ｂはガラスシリンダーを備え、より大きい直径のガラスシリンダー及びより小さい直径のガラスシリンダーの２本が同軸的に配置され、それらの２つの端部において接合／密封されて、閉鎖真空空間または真空スリーブを画定する。各変圧器相のコア４は、真空スリーブ５のうちの１つを貫通する空洞８に収容される。

空洞の周囲にあり、変圧器コアを収容するように空洞を画定する真空断熱材を、モジュール形態で予備形成し、非真空外側断熱材を備えるタンクに直接導入することができる。真空スリーブは、それらの対向する２つの端部においてフォーム断熱材６と接合され、接合部は、接着剤または任意の他の好適な手段で、底部接合部における極低温冷媒３の漏出を防止することによって、ならびに頂部接合部におけるエラストマー密封材、Ｏリング、またはガスケットで気密封止を形成することによって耐漏性にされる。

述べられたように、示される実施形態において、３つの真空シリンダー５が、三相変圧器の鉄心４のリムを受容するように提供されるが、別の実施形態においては、単一の真空シリンダーが、空洞を貫通する関連するコアを伴って、タンク内の空洞の周囲の単一のコイルについて提供されてもよい。別の実施形態においては、コイルは限流器のものであってもよい。

述べられたように、真空シリンダー５は、クライオスタット内の変圧器コイル１０と関連する外部コア４との間の密結合を許容するように薄い壁であり、一方同時に、より厚いフォーム断熱材１０の使用が、先に提示されたように、より遥かに高コストの、全てが真空断熱された容器を製作する必要性を回避する。クライオスタット損失は、同等のサイズの全てが真空断熱されたクライオスタットの損失と、より遥かに低いコストで、類似であるか、あるいはそれより僅かに多いだけであり得る。クライオスタットが大きくなればなるほど、達成され得る経済的得利益は大きくなる。クライオスタット構造もまた、モジュール式かつ柔軟であり、したがって製造に対してより経済的であり得る。

少なくとも一部の実施形態において、真空断熱材５は、０．００１Ｗ／ｍＫ未満の有効熱伝導率、及び約５〜２５ｍｍの平均厚さを有する。他の実施形態において、真空断熱材５は、約０．００２Ｗ／ｍＫ以下、または約０．００３Ｗ／ｍＫの有効熱伝導率を有し得る。

少なくとも一部の実施形態において、真空スリーブ８はまた、放射性熱伝達に対する断熱も提供する。一実施形態において、放射性断熱材は、アルミニウムで覆われたマイラーシート、または真空空間の内側を覆う多層断熱材（ＭＬＩ）として知られる類似の断熱システムを備えてもよい。伝導性コーティングマイラーシートは、コアからの漂遊磁界によって誘導された渦電流の影響を無効にするように細分される。別の実施形態において、真空空間内のガラスミクロスフェアが、放射性断熱を提供する。更なる実施形態において、ガラススリーブは、コアを取り囲む伝導経路を回避するための割れ目を伴う真空空洞の内面上で銀めっきされる。

前述は、本発明について記載し、その好ましい形態が含まれる。クライオスタットは他の超伝導装置で使用できることを理解されたい。当業者にとって明白な改変及び修正は、添付の特許請求の範囲において定義される本発明の範囲内に組み込まれることが意図される。

Claims (22)

1. 超伝導装置用のクライオスタットであって、第１の非真空断熱材料によって断熱された極低温冷媒及び超伝導装置を格納するためのタンクを備え、かつ周囲を第２の真空断熱材で断熱された、前記タンクを貫通して延在する少なくとも１つの空洞を備える、前記クライオスタット。
2. 前記第１の断熱材料がフォーム断熱材料を備える、請求項１に記載のクライオスタット。
3. 前記第１の断熱材料が発泡フォーム断熱材料を備える、請求項２に記載のクライオスタット。
4. 前記タンクを貫通する前記空洞が、前記真空断熱材の内壁及び外壁によって画定される、請求項１〜３のいずれか１項に記載のクライオスタット。
5. 前記真空断熱材の前記内壁及び外壁が同心スリーブを備える、請求項４に記載のクライオスタット。
6. 前記真空断熱材の前記内壁及び外壁がガラス壁を備える、請求項４に記載のクライオスタット。
7. 前記第１の断熱材が、温度範囲７７Ｋ〜３００Ｋに亘って平均した、約０．０３Ｗ／ｍＫ未満の熱伝導率を有する、請求項１〜６のいずれか１項に記載のクライオスタット。
8. 前記第１の断熱材が約４００ｍｍ以上の厚さを有する、請求項１〜７のいずれか１項に記載のクライオスタット。
9. 前記真空断熱材が、約０．００３Ｗ／ｍＫ未満の有効熱伝導率を有する、請求項１〜８のいずれかに記載のクライオスタット。
10. 前記真空断熱材が、約５〜約２５ｍｍの平均の厚さを有する、請求項１〜９のいずれかに記載のクライオスタット。
11. 前記空洞の周囲の前記第２の真空断熱材が、前記空洞を取り囲む伝導経路を回避するための割れ目を伴う放射性断熱層を含む、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のクライオスタット。
12. 前記タンクがタンク台及びタンク蓋を備える、請求項１〜１１のいずれかに記載のクライオスタット。
13. 前記タンクを貫通して延在する前記空洞が、前記タンク台とタンク蓋との間で延在する、請求項１２に記載のクライオスタット。
14. 前記超伝導装置が、前記空洞を貫通する関連するコアを伴って、前記タンク内の前記空洞の周囲にコイルを備える、請求項１〜１３のいずれかに記載のクライオスタット。
15. 前記超伝導装置が三相変圧器を備え、前記クライオスタットが、前記タンク内の前記空洞の周囲に変圧器コイルを、ならびに前記空洞を貫通する各変圧器相のコアをそれぞれ伴って、前記タンクを貫通して延在する３つの前記真空断熱された空洞を備える、請求項１〜１４のいずれかに記載のクライオスタット。
16. 前記超伝導装置が限流器を備える、請求項１〜１３のいずれかに記載のクライオスタット。
17. 超伝導コイル、ならびにフォーム断熱材内に前記コイル及び極低温冷媒を格納するタンクと、前記コイルを貫通する真空断熱された空洞とを備えるクライオスタット。
18. 前記真空断熱された空洞が、内側及び外側の同心スリーブによって画定される、請求項１７に記載の超伝導コイル及びクライオスタット。
19. 前記同心スリーブがガラススリーブを備える、請求項１８に記載のクライオスタット。
20. 前記同心スリーブのうちの１つまたは両方が、前記空洞の周囲の伝導経路を回避するための割れ目を伴う放射性断熱層を含む、請求項１８または請求項１９のいずれかに記載のクライオスタット。
21. 前記タンクがタンク台及びタンク蓋によって画定され、前記空洞が前記タンク台とタンク蓋の間で前記タンクを貫通して延在し、前記コイルと関連するコアが前記空洞を貫通する、請求項１７〜２０のいずれかに記載のクライオスタット。
22. 比較的厚い壁の内側フォーム断熱材料で覆われた、比較的薄い壁の外側材料のタンクを備え、かつ前記タンクを貫通して延在する真空断熱された空洞を備え、前記真空断熱材が前記フォーム断熱材料の厚さよりも薄い壁部を有する、クライオスタット。

Images