JP4151757B2 - 超伝導界磁巻線のための開ループ形短期冷却を有する極低温冷却システムと方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に、高温超伝導（ＨＴＳ）部品を備えたロータを有する同期機械のための極低温冷却システムに関する。より具体的には、本発明は、極低温流体をＨＴＳ機械のロータに供給し、ロータから戻された使用済みの冷却流体を再冷却するための冷却システムに関する。
【０００２】
【発明の背景】
超伝導ロータは、その超伝導コイルが液体ヘリウムによって冷却され、使用済みのヘリウムは室温の気体ヘリウムとして戻される。極低温冷却のために液体ヘリウムを使用することは、戻された室温の気体ヘリウムの連続的な再液化を必要とする。従って、再液化は、重大な信頼性の問題を提起し、ヘリウム冷却システムに対してかなりの補助電源を必要とする。従って、ロータから戻された、高温の使用済み冷却流体を再液化する極低温冷却システムへの必要性がある。再液化された冷却流体は、その後、ＨＴＳロータを連続的に冷却するために再使用に供される。
【０００３】
超伝導電気機械のための極低温冷却システムは、極低温に冷却し、伝導性ロータコイルのような機械の部品の超伝導特性を維持するために、冷却流体を提供するものである。経済的理由のために、電気機械は、高い可用性及び信頼性を有することが期待される。しかしながら、ギフォード・マクマホン（ＧＭ）冷却システムのコールドヘッド及び圧縮機のような幾つかの極低温冷却部品は、磨耗のために作動寿命が短く、冷却システムの部品の機械的な往復運動の結果として冷却流体の漏れに遭遇する。コールドヘッド及びギフォード・マクマホン・システムの信頼性は、一部の機械、特に発電機のような工業用動力機械の高信頼性の要求に対しては、十分なものではない。
【０００４】
高温超伝導発電機は、信頼性が高くてコストが低く、かつ商業用製品として使用可能な極低温冷却装置を必要とする。既存の極低温冷却装置を用いて高い信頼性を達成するために、これまで余分の極低温冷却機部品が用いられてきた。個々の冷却部品の不十分な信頼性、及びＨＴＳロータに冷却流体の連続的供給を確保するという必要条件により、これまで、ＨＴＳロータ用の極低温冷却システムには、余分な部品を含むことが必要とされてきた。
【０００５】
冷却システムは、超伝導部品を有する機械において連続的に作動しなければならない。極低温冷却部品が故障した場合には、冷却流体が機械に適切に流れることができなくなり、該機械の超伝導部品の温度が上がる。これらの暖められた部品は、その超伝導特性を失い、超伝導性を失うことによって機械の作動が中断される。従って、不十分な信頼性しかもたない冷却システムは、予期せず、望ましくない機械の停止を引き起こすことになる。システムの可用性を維持するために、一般的には、これまで完全に余分な冷却システム経路を用いて冷却システムの信頼性を向上させてきた。余分なシステム部品によって、超伝導機械のための極低温冷却システムのコストは、ほぼ倍増される。
【０００６】
極低温冷却システムのコストは、余分な極低温冷却機部品への必要性のために実質的に増加されることになる。更に、不十分な信頼性及びシステムの冗長性のために、既存の極低温冷却システムは、頻繁な保守を必要とするようになる。従って、これらの極低温冷却システムの初期コスト及び作動コストは、相対的に高いものとなる。
【０００７】
２０゜ケルビン（Ｋ）から３０゜ケルビン（Ｋ）までの範囲の温度に対する一般的な極低温冷却機装置は、ギフォード・マクマホンのコールドヘッド技術に基づいており、該技術は、冷却機の容量を制限し、およそ年に１度の保守を必要とするものである。システムの容量と信頼性を増加させるために、増加するコストを犠牲にして、多数の装置を組み合わせることが可能である。多数の（余分な）コールドヘッドに加えて、閉ループの循環システムは、低温の再循環ファン、或いは向流式の高効率熱交換器を備えた室温の外部再循環ファンのいずれかを必要とする。高い信頼性のための冗長性が要求される場合には、全ての部品を６シグマの標準偏差の品質で作ることができない限り、これらの部品は、コストを増し、システムに複雑さを付加することになる。
【０００８】
既存の極低温冷却システムの購入及び作動コストは、ＨＴＳロータを有する機械のコストを著しく増加させる。これらの高コストは、市場で販売できる同期機械にＨＴＳロータを組み入れることは、商業的に実用的でないとすることの原因になってきた。従って、より費用がかからず、作動が安価で、ＨＴＳロータに極低温冷却流体の供給を高い信頼で行う極低温冷却システムへの、本質的かつこれまで対処されなった必要性がある。
【０００９】
界磁コイル巻線を有する同期電気機械には、それに限定するわけではないが、回転発電機、回転モータ及びリニアモータが含まれる。これらの機械は、一般的に、電磁的に結合されたステータとロータとを備える。ロータは、多極ロータコアと、ロータコアに取り付けられたコイル巻線とを含むことができる。ロータコアは、鉄の鍛造品のような、透磁性の中実材料を含むことができる。
【特許文献１】
米国特許５，８４８，５３２号
【００１０】
【発明の概要】
超伝導機械のための短期的な一時的冷却システムが開示される。この一時的冷却システムは、主冷却システムの部品の保守又は故障の間、主冷却システムが整備されて作動できる状態になるまで作動するものである。一時的冷却システムは、従来の余分な冷却経路システムのコストと比較して、初期コスト及び寿命期間中における作動コストが低い。
【００１１】
一時的冷却システムは、ＳＣ機械を通過する冷却流体に、数時間、極低温冷却を与えることができる。主冷却システムが少なくとも部分的に作動している状態であるこれらの冷却時間により、超伝導機械の連続作動が可能になる。一時的冷却システムが作動している間、確立された超伝導機械のサービス・ネットワークにより、故障した主冷却システムの部品を修理し、主冷却システムの作動を行うようにすることができなくてはならない（次いで、一時的冷却システムを停止する）。従って、一時的冷却システムは、数時間のような定められた期間の間、ＳＣ機械に対して連続して極低温冷却流体を供給するものである。
【００１２】
第１の実施形態において、本発明は、高温超伝導機械に極低温冷却流体を供給するための冷却流体システムであり、このシステムは、主冷却システム（５２、８８）と、第２の冷却システムとを含み、該第２の冷却システムは、第１の極低温流体を有する貯蔵装置と、該貯蔵装置からの第１の極低温流体と、主冷却システムを通って流れる第２の極低温流体とに流体連通する少なくとも一つの冷却継手とを備え、また、該第２の冷却システムは、第１の極低温流体が少なくとも一つの冷却継手を通って流れない第１の作動モードと、第１の極低温流体が少なくとも一つの冷却継手を通って流れる第２の作動モードとを有し、主冷却システムにおいて故障が発生した場合に、第１の作動モードから第２の作動モードへ切り替えられる。
【００１３】
別の実施形態において、本発明は、同期機械のための高温超伝導ロータに連結された冷却流体システムであり、該システムは、再循環圧縮機と、再循環圧縮機からロータへ流れる第２の冷却流体のための流路を提供する入口ラインとを更に含む主冷却システムを備え、該入口ラインは、コールドヘッド装置を通過しており、第１の極低温剤流体のための貯蔵タンクと、貯蔵タンク及び入口ラインと流体連通している少なくとも一つの熱交換器と、タンクと少なくとも一つの熱交換器との間にある弁とを更に含む一時的冷却システムが設けられ、該弁は、第１の極低温剤流体がタンクから少なくとも一つの熱交換器へ流れるのを許容する開位置と、第１の極低温剤流体を少なくとも一つの熱交換器から遮断する閉位置とを有し、該弁の開位置は、コールドヘッド装置が作動不能の場合に選択され、該弁の閉位置は、コールドヘッド装置が第２の極低温剤冷却流体を冷却するために作動している場合に選択される。
【００１４】
更に別の実施形態において、本発明は、主冷却システムと一時的冷却システムを用いて超伝導機械を冷却するための方法であり、該方法は、第１の極低温冷却流体を一時的冷却システム内に貯蔵する段階と、第２の極低温冷却流体を主冷却システムと機械との間で循環させて、機械の超伝導部品を極低温に冷却する段階と、主冷却システム内の冷却装置を用いて第２の極低温剤冷却流体を冷却し、同時に、第１の極低温冷却流体を第２の極低温剤冷却流体から熱的に隔離する段階と、冷却装置が作動不能である間、第１の極低温冷却流体が第２の冷却流体を極低温に冷却できるようにする段階とを含む。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本明細書に関連する添付図面に、本発明の実施形態を記載する。
【００１６】
図１は、ステータ１２とロータ１４とを有する例示的な同期発電機械１０を示す。ロータは、ステータの円筒形のロータ真空キャビティ１６内に嵌まる界磁巻線コイル３４を含む。ロータ１４は、ステータのロータ真空キャビティ１６内に嵌まる。ロータがステータ内で回転すると、ロータとロータコイルによって発生する磁界１８（点線で示される）はステータを通って移動／回転し、ステータのコイル巻線１９に電流を生じさせる。この電流は、発電機によって電力として出力される。
【００１７】
ロータ１４は、ほぼ長さ方向に延びる軸線２０と、全体的に中実のロータコア２２とを有する。中実のコア２２は、大きな透磁率を有し、鉄のような強磁性材料で形成するのが普通である。低電力密度の超伝導機械では、ロータの鉄心を使用して、起磁力（ＭＭＦ）を減少させ、従ってコイル線の使用量を最小にする。例えば、ロータの鉄心は、約２テスラの空隙磁界強度で磁気的に飽和させることができる。
【００１８】
ロータ１４は、ほぼ長さ方向に延びるレーストラック形の高温超伝導（ＨＴＳ）コイル巻線を支持する。別の構成では、ＨＴＳコイル巻線は、サドル形にしてもよく、或いは、特定のＨＴＳロータ設計に適した幾つかの他のコイル巻線形状を有してもよい。ここに開示される冷却システムは、中実のロータコア上に取り付けられるレーストラック形コイル以外のコイル巻線及びロータ形態に適合させることができる。
【００１９】
ロータは、端シャフト２４、３０を含み、これらの端シャフトは、コア２２を支え、軸受２５によって支持される。コレクタ端シャフト２４は、ロータのＳＣコイル巻線を冷却するのに用いられる極低温冷却流体の源への極低温剤移送継手２６を有する。極低温剤移送継手２６は、極低温剤冷却流体の源に結合される固定セグメントと、ＨＴＳコイルに冷却流体を供給する回転セグメントとを含む。例示的な極低温剤移送継手が、本出願人による係属中の日本特許出願第２００２−１３７９６２号（米国特許出願第０９／８５４，９３１号）において開示されており、その全体が参考文献として本明細書に組み込まれる。コレクタ端シャフトはまた、ロータコイル３４を外部の電気装置又は電源装置に接続するためのコレクタリング２７を含む。駆動端シャフト３０は、出力タービン継手３２であってもよい。
【００２０】
図２は、例示的なＨＴＳレーストラック形の界磁コイル巻線３４を示す。ロータのＳＣ界磁巻線３４は、高温超伝導コイル３６を含む。各々のＨＴＳコイルは、固体状エポキシ含浸巻線複合材料で積層されたＢＳＣＣＯ（Ｂｉ_xＳｒ_xＣａ_xＣｕ_xＯ_x）導線のような、高温超伝導導体を含む。例えば、一連のＢＳＣＣＯ２２２３線を、積層し、互いに接着し、巻いて中実のエポキシ含浸コイルとすることができる。
【００２１】
ＨＴＳ線は、脆くて、傷つきやすい。ＨＴＳコイルは、一般的に、ＨＴＳテープが巻かれ、次いでエポキシ含浸された層である。ＨＴＳテープは、厳密な寸法公差を得るために、精密なコイルの形態に巻かれている。テープは螺旋に巻かれ、レーストラック形ＳＣコイル３６を形成する。
【００２２】
レーストラック形コイルの寸法は、ロータコアの寸法で決まる。一般的に、各々のレーストラック形コイルは、ロータコアの磁極を囲み、ロータ軸線に対して平行である。ＨＴＳコイル巻線は、レーストラックの周りで連続している。コイルは、ロータコアの周り及び該コアの磁極の間に、無抵抗の電流路を形成する。
【００２３】
極低温冷却流体のための流路３８が、コイル巻線３４に含まれる。これらの流路は、ＳＣコイル３６の外縁部の周りに延びることができる。流路は、コイルに極低温冷却流体を供給し、これらコイルから熱を除去する。冷却流体は、ＳＣコイル巻線において、該コイルに電気抵抗がない場合を含む超伝導状態をもたらすのに必要とされる低温、例えば２７°Ｋを維持する。冷却路は、ロータコアの一端に入口及び出口ポート３９を有する。これらポート３９は、ＳＣコイル上の冷却路３８を、極低温剤移送継手２６に接続する。
【００２４】
図３は、ＨＴＳ発電機１０のための極低温冷却システム５０の概略図である。このシステムは、主極低温剤冷却システム５２と、一時的冷却システム５４とを含む。主冷却システムは、冷却流体を電気機械を通って循環させるもので、冷却流体を極低温に冷却するためのコールドヘッド装置５６を有する。コールドヘッドが故障したり、或いは保守のために停止する場合には、一時的冷却システムが、コールドヘッド装置の機能を実行し、主冷却システムを循環する冷却流体を冷却する。
【００２５】
高温超伝導（ＨＴＳ）ロータのための極低温剤気体再循環冷却システム５０が、開発された。この冷却システムは、例えば再循環冷却システムのような主システム５２と、一時的冷却システム５４とを含む。一般に、主冷却システムは、再循環圧縮機５８と、向流式熱交換器６４と、コールドヘッド装置５６とを含む。主冷却システムにおいて、極低温剤冷却流体は、再循環圧縮機から熱交換器及びコールドヘッド装置（ここで、流体が極低温に冷却される）を通って、ロータ１４及びその超伝導コイル３４へと流れる。使用済み冷却流体は、ロータから戻され、熱交換器（ここで、ロータへ通る加圧冷却流体からの熱が、使用済みの気体に伝達される）を通り、再び再循環圧縮機を通って入口ラインに入り、循環する。
【００２６】
一時的冷却システム５４は、数時間のような限られた作動期間を有するものとすることができる。一時的冷却システムは、コールドヘッド装置を修理し、再始動するのに適当な期間を超える一時期、主システム５２の冷却流体を冷却するように設計されている。従って、コールドヘッド装置が一時的に故障したり、或いは停止した場合でも、一時的冷却システムが、機械１０の継続的作動を可能にする。
【００２７】
主極低温剤冷却システム５２は、再循環圧縮機５８と、冷却流体を供給し、主システムを介して冷却流体を循環させる冷却流体貯蔵タンク６０とを含む。再循環システムにおける極低温剤流体は、ヘリウムであるのが好ましいが、ＨＴＳロータの作動温度が、７７°Ｋ、２７°Ｋ、又は２０°Ｋより下に下がらない場合には、それぞれ窒素、ネオン、又は水素とすることもできる。
【００２８】
主冷却システムは、冷却流体が、該主冷却システムと、ロータと、コイル巻線とを通って循環するという点で、閉ループのシステムである。冷却流体は、再循環圧縮機を出て、該圧縮機と向流式熱交換器６４との間の入口ライン６２を通過するとき、高圧であり、３００°Ｋのような周囲温度であるか、或いはそれに近い。戻りライン６６を通って機械１０から再循環圧縮機５８へ戻る使用済み冷却流体が流れる。熱交換器を通過する戻りライン内の使用済み冷却流体は、依然として比較的低温であり、再循環圧縮機で行われる加圧によっても周囲温度までは加熱されていない。低温の使用済み冷却流体は、圧縮機を出ていく冷却流体を冷却するのに用いられる。熱交換器は、圧縮機から流れる冷却流体の熱を、戻りライン内の使用済み冷却流体に伝達する。従って、入口ライン６２内の冷却流体は、周囲温度よりかなり低い温度で熱交換器を出ていく。
【００２９】
入口ライン内の冷却流体は、熱交換器から、コールドヘッド装置５６を有する冷却コイル継手６８へ流れる。主冷却システム内を循環する冷却流体は、窒素ガス又は液体、ネオンガス又は液体、或いは水素ガス又は液体とすることができる。冷却流体は、コールドヘッド装置の出口において液体であり、気体としてロータから戻るようにすることができる。コールドヘッド装置は、入口ライン内の冷却流体を、例えば３０°Ｋ或いはそれより下の極低温まで冷却する。極低温冷却流体は、入口温度（Ｔｉｎ）でＨＴＳ発電機に供給され、ＨＴＳロータ巻線を冷却する。ロータからの戻り気体は、温度（Ｔｏｕｔ）で出て、向流式熱交換器６４を通って進み、再循環圧縮機５８に戻る。
【００３０】
冷却流体は、液体としてロータ１４に入るが、ロータのＳＣコイル巻線３４の冷却流路３８を通って流れるときに蒸発することができる。流路３８における冷却流体の蒸発により、ＳＣコイルが冷却され、該コイルが超伝導状態で作動することが保証される。蒸発した冷却流体は、低温の気体としてＨＴＳロータから、戻りライン６６を通って流れる。戻りラインは、ロータから再循環圧縮機まで低温の冷却気体が通るような大きさにされている。
【００３１】
コールドヘッド５６装置は、極低温冷却機であってもよく、単段のギフォード・マクマホン式極低温冷却器、或いは単段に取り付けられた再凝縮器装置を有する別個の又は一体の極低温冷却器圧縮機を備えたパルス管とすることができる。単一又は多数の極低温冷却機のコールドヘッド装置（図３では一つだけが示される）を、ロータ１４及びそのＳＣ巻線３４の冷却流路への入口における極低温（Ｔｉｎ）まで冷却流体を冷却するために用いることができる。
【００３２】
コールドボックス７２は、熱交換器と、コールドヘッド装置と、ロータへの入口ライン及びロータからの戻りラインとを囲み、断熱することができる。このコールドボックスは、主冷却システムの極低温部品を真空状態で断熱し、該冷却システムへの熱伝導を最小にする。冷却ボックスは、真空ジャケットをもつ冷却流体ラインと、熱交換器及びコールドヘッド内の断熱された部品とを含むことができる。コールドボックスは、ロータへの冷却システム継手２６まで延び、熱が不必要に冷却システム内に伝達されず、かつ冷却流体の極低温を維持することを保証する。
【００３３】
主冷却システムの入口及び戻りラインは、ロータ１４における冷却移送継手２６に連結される。移送継手及びロータにおいて、冷却流体は、端シャフト２４の真空ジャケットをもつ冷却流路、及びＳＣコイル３６周りの冷却流路３８を通過する。冷却流体は、ロータのＳＣコイル３６を蒸発冷却によって極低温に維持し、該コイルが超伝導状態で作動することを保証する。
【００３４】
一般的には低温気体の形態の使用済み冷却流体は、コイルの冷却流路３８を出て、端シャフトの真空ジャケットをもつ流路を通り、冷却継手２６を通ってロータ１４を出る。戻り移送ライン６６は、ロータから熱交換器６４を通って再循環圧縮機５８への戻り冷却流体のための流路を提供する。コールドボックス７２内の入口及び戻りラインは、真空ジャケットをもち、強く断熱されている。入口ラインと戻りラインの、及びコールドボックスによる真空断熱は、冷却流体が主冷却システムとロータとの間を循環する際に、冷却流体における熱伝達損失を最小にする。コールドボックスと再循環圧縮機との間のラインに真空ジャケットを設ける必要はない。流量弁７６が、主冷却システム５２の冷却流体の流量を制御する。
【００３５】
循環主冷却システム５２は、ＨＴＳロータへの冷却流体の安定供給をもたらすものである。さらに、この循環主冷却システムは、大規模な余分の冷却システムを必要としないという点で、構成及び作動が経済的である。主冷却システムのコールドヘッド装置が故障した場合でも、冷却機能を提供し続ける一時的冷却システムによって、冷却システムの全体的な信頼性が高められる。冷却システムの信頼性及び経済性により、商業的に使用可能な、ＨＴＳロータを有する同期機械の開発が容易になる。
【００３６】
一時的冷却システム５４は、主冷却システムが十分に作動している間、特にコールドヘッド５６が作動可能である間は、停止したままである。作動していない間は、一時的冷却システムは、主冷却システムを通って循環する冷却流体を冷却することはない。該一時的冷却システムは、極低温剤貯蔵タンク７４と該一時的冷却システム５４を主冷却システム５２内の冷却流体に熱的に連結する熱交換器８２との間の流量弁７８によって、該主システムから隔離される。極低温剤貯蔵タンクは、冷却流体のための通常の長期隔離用貯蔵タンクである。
【００３７】
一時的冷却システム５４は、極低温冷却流体７０（「一時的冷却流体」）の貯蔵タンク７４と、該貯蔵タンクから、主冷却システムの入口ライン６２に熱的に連結された第２の熱交換器８２まで延びる流体ライン８０と、ベント８４とを含む。貯蔵タンク内の冷却流体は、主冷却システム内の再循環冷却流体と分離されており、混合はされない。一時的冷却流体は、主システムのコールドヘッド装置の故障に対応する際など一時的冷却システムが作動されるまで、タンク内に貯蔵される。
【００３８】
主冷却システムの正常作動中には、極低温剤流体は、一時的貯蔵タンク内で使用されずに極低温のままである。ＨＴＳロータが、ロータ継手２６（Ｔｉｎ）において８０°Ｋまで冷却されなければならない場合には、開回路の一時的冷却システムにおいて、液体窒素を一時的極低温剤流体として用いることができる。ＨＴＳロータが、Ｔｉｎにおいて約３０°Ｋまで冷却されなければならない場合には、液体ネオンを一時的貯蔵タンク内の極低温剤流体として用いることができ、該ロータが、Ｔｉｎにおいて約２０°Ｋまで冷却されなければならない場合には、液体水素又はヘリウムを極低温剤流体として用いることができる。
【００３９】
作動させられたとき、一時的冷却流体は、タンク７４から流体ライン８０を通って少なくとも一つの熱交換器８２まで流れ（排出され）、そこで、主システム内の冷却流体を極低温まで冷却する。また、一時的冷却流体は、主システム内の熱交換器６４を通って流れ、循環冷却流体が主システムの再循環圧縮機を出ていく際に、該循環冷却流体を冷却することもできる。一つ又はそれ以上の熱交換器を通過した後、一時的冷却流体は、ベント８４によって一時的冷却システムから排出される。貯蔵タンク内には、一時的冷却システムが開ループモードで数時間の間作動するために十分な一時的冷却流体がある。開ループモードで作動した後、一時的システムの作動中に使用されて排出された流体を補充するために、追加の一時的冷却流体を貯蔵タンクに加えることができる。
【００４０】
一時的冷却システムは、主冷却システムのコールドヘッド装置が故障した場合、又は他のことで停止した場合、或いは冷却への必要性が高いロータの初期冷却の間、又は幾つかの他の特別な事情が主冷却システムにおいて生じ、ロータへの入口ライン６２内の冷却流体が過熱し、ロータ１４のＳＣ巻線３４を適切に冷却できなくなった場合に、作動状態に切り換え（遮断用流量弁７８を開けることによって）られる。遮断用流量弁７８は、手動で作動させてもよく、或いは、機械又は冷却システムのためのコンピュータ化された制御システムによって自動的に開けるようにしてもよい。
【００４１】
一時的冷却システム５４は、開ループモードで作動する。作動中に極低温剤流体は、一時的貯蔵タンクから極低温剤ライン８０を介して開放弁７８を通って流れ、一時的冷却システムを主冷却システム内の循環冷却流体に熱的に連結する熱交換器８２を通過する。一時的冷却熱交換器８２は、初期冷却、及びコールドヘッド装置の故障のような冷却部品の停止の間を除く正常作動中は、隔離されている。極低温剤流体が向流式熱交換器を通って一方向に流れると、該極低温剤流体は主冷却システムの入口ライン６２を冷却し、それによって再循環する冷却流体から一時的冷却システム内の極低温剤流体へ熱が伝達される。
【００４２】
ベント８４は、暖められた極低温剤流体を大気又は他の環境に放出するもので、そこで暖かい極低温剤流体（例えば、水素又はヘリウム気体）を安全に放出することができる。排出された極低温剤液体は、コールドヘッド装置のような主冷却システムが正常の作動に戻った後、貯蔵タンクを再び満たすことによって補充される。極低温剤流体は、一時的熱交換器と向流式主熱交換器を通過することによって、冷却流体が機械内を通るときに、主冷却システム内の循環冷却流体の極低温作動温度を維持する。
【００４３】
一時的極低温剤貯蔵タンク７４は、コールドヘッド装置５６が保守又は交換のために停止している間、冷却流体７０を極低温に冷却させるのに十分な貯蔵容量を有する。例えば、貯蔵タンクは、５時間から１０時間までといった数時間の機械１０の正常作動の間冷却流体を冷却するために、１００リットルなどの十分な極低温剤流体を有することができる。
【００４４】
一時的冷却システムは、信頼性があり、簡単で、かつ安価な補助的冷却システムである。余分のコールドヘッド装置及び他の高価な余分の装置が、冷却システムにおいて必要とされる。開放回路の一時的冷却システム５４が、ロータの作動に影響することなくコールドヘッド装置を保守又は交換のために停止させることができる程十分な冷却容量を有しているので、信頼性を確保するために余分な通常冷却容量を必要とはしない。従って、ＨＴＳ冷却システム５０（主冷却システム５２及び一時的システム５４）は、低コストで余分な部品を有さず、高い冷却信頼性を有するものである。
【００４５】
図４は、極低温冷却システム８６の第２の実施形態の概略図である。第２の冷却システム８６における、第１の冷却システム５０と共通の部品は、図３及び図４において共通の参照番号で識別される。特に、第２の実施形態における一時的冷却システム５４は、冷却システムの第１の実施形態における一時的冷却システム５４と概念上同じである。
【００４６】
図４に示される主冷却システム８８は、使用済み冷却流体を戻りライン６６から入口ライン６２内にポンピングするエゼクタ９０を更に含む。戻りラインからエゼクタを通って入口ラインに再入する冷却流体は、再循環圧縮機５８及び熱交換器６４をバイパスする。従って、圧縮機及び熱交換器にかかる流体負荷は、エゼクタを使用する場合には減少される。エゼクタ９０により、エゼクタを有さない主冷却システム５２において必要とされるよりも小さな熱交換器及び圧縮機を主冷却システム８８において使用することが可能になる。
【００４７】
図５は、基本的には冷却流体用の静止ポンプであるエゼクタ９０の詳細な概略図を示す。エゼクタは、第１の収斂−拡開ノズル９２と、ディフューザ区域９４と、第２の収斂−拡開ノズル９６とを含む。第１のノズルへの入口９８は、入口ライン６２に連結され、熱交換器６４からの高圧の冷却流体流を受ける。高圧の流れは、第１のノズル９２を通過する際に、比較的低い静圧で該ノズルの出口１００からディフューザ９４内に射出されるため、その流れの速度は大幅に増加する。この低圧のディフューザが、使用済みの冷却流体を戻りライン６６から入口ポート１０２を介してディフューザ９４内に引き込む。入口ポート１０２を、ディフューザの軸線と位置合わせすることができる。
【００４８】
ポート１０２に入る使用済み冷却流体は、ディフューザ９４において、第1のノズルからの冷却流体噴流と共に運ばれる。双方の冷却流体流は、混合冷却流体流を形成し、比較的大きい直径の出口１０４を有する第２の収斂−拡開ノズル９６を通過する。第２のノズルは、第１ノズル（今は戻り流体を含む）からの噴流を減速させ、エゼクタの出口１０４における入口ライン６２に再び入る際における、流れの圧力を（ディフューザ及び戻りラインの圧力より大きい圧力まで）増加させる。ディフューザの下流にある入口ライン６２内の冷却剤の圧力は、該冷却剤をコールドヘッド装置、ロータ、ＳＣコイル巻線及び戻りラインを通って移動させるのに十分な程である。
【００４９】
再循環圧縮機からの比較的少量の高圧冷却流体流を用いて、エゼクタに、戻りラインから入口ラインへ大量の流体をポンピングさせるようにすることができる。入口ラインにおいて、熱交換器６４からの高圧流体流は、第１の収斂−拡開ノズル９２に流入する。ノズルの排出口１００及びディフューザ９４内において、流体流の圧力は低く、その速度は速い。ディフューザ内の低圧が、使用済み流体を戻りラインから入口ポート１０２を通してエゼクタに流入させることになる。
【００５０】
エゼクタ内の流体の運動量は、エゼクタを通る冷却流体流として（摩擦による損失を除いて）保存される。入口ラインの冷却剤流の高圧力は、第１のノズルにおいて高速度流に変換される。エゼクタの軸線（ｘ軸）に沿ったこの流れの運動量は、保存される。ディフューザに流入する戻りラインの冷却流体流は、第１のノズルから出る高速度流と合流する。２つの流れの全体の運動量は、エゼクタの軸線に沿った２つの流れの各運動量のほぼ合計になる。全体の運動量が、この合流を広径の出口１０４を有する第２のノズル９６を通って押し進め、流れの速度を圧力に変換させる。出口流の圧力が、エゼクタの下流にある入口ライン内の冷却流体を、コイル、ロータ及び戻りラインを通って移動させる。
【００５１】
一般的には、第１のノズル９２を通る流れは、エゼクタを通ってポンピングされる流れ及び抽出器を出る混合流の一部分となる。熱交換器からの入口ライン６２における流れの高圧力は、比較的少量の流れで十分な運動量を生成し、戻りライン内の冷却流体の大部分を引き込み、エゼクタからの冷却流体の混合流を主冷却システム８８の残りの部分を通して押し進める。
【００５２】
第１のノズルにおいては、比較的少量の冷却流体が必要とされるので、再循環ポンプ及び熱交換器を通る冷却流体流は、ＨＴＳロータを通る冷却流体の循環流の一部分でしかない。その結果、熱交換器の大きさが相当減少され、その効率は、主冷却システム全体の効率に対して重要ではなくなる。同様に、再循環圧縮機を小さなものとすることができ、エゼクタなしの主システムにおける圧縮機よりも少ない電力しか必要としないようにすることができる。このように、主システムにおいてエゼクタを使用することの一つの利点は、熱交換器及び圧縮機の大きさ及びコストの著しい減少と、熱交換器の損失及び圧縮機の所要電力の減少による高いシステム効率にある。
【００５３】
本発明を、現在最も実用的で最も好ましい実施形態と考えられるものに関して説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、それとは逆に、添付する特許請求の範囲の技術思想に含まれる全ての実施形態を保護しようとしていることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ステータ内に概略的に示される超伝導（ＳＣ）ロータの概略側面図。
【図２】 冷却気体流路を有するレーストラック形ＳＣコイルの概略斜視図。
【図３】 冷却流体をＳＣロータに供給するための極低温冷却システムの概略図。
【図４】 極低温冷却システムの第２の実施形態の概略図。
【図５】 第２の実施形態の構成部品であるエゼクタの概略図。
【符号の説明】
１０ 機械
１４ ロータ
２６ 冷却システム継手
３４ 超伝導コイル
３８ 冷却流路
５０ 極低温冷却システム
５２ 主冷却システム
５４ 一時的冷却システム
５６ コールドヘッド装置
５８ 再循環圧縮機
６０ 冷却流体貯蔵タンク
６２ 入口ライン
６４ 熱交換器
６６ 戻りライン
７２ コールドボックス
７４ 一時的極低温剤貯蔵タンク
７６ 流量弁
７８ 遮断用流量弁
８２ 第２の熱交換器
８４ ベント

Claims (7)

1. 主冷却システム（５２、８８）と、一時的冷却システム（５４）とを含み、極低温冷却流体を高温超伝導機械（１０）に供給するための冷却流体システム（５０、８６）であって、
   前記主冷却システム（５２、８８）は、再循環圧縮機（５８）と、該再循環圧縮機から出た再循環冷却流体を受け前記高温超伝導機械（１０）に流す入口ライン（６２）と、使用済み再循環冷却流体を前記再循環圧縮機に戻す戻りライン（６６）と、前記入口ラインに設けられ該入口ライン内の再循環冷却流体を極低温まで冷却するコールドヘッド装置（５６）とを備える閉ループの循環システムであり、
   前記一時的冷却システムが、一時的極低温流体（７０）を有する貯蔵装置（７４）と、前記主冷却システムの入口ライン（６２）に熱的に連結された熱交換器（８２）と、該熱交換器を通過した後の一時的極低温流体を排出するベント（８４）とを備える開回路であり、
   前記一時的冷却システムは、前記一時的極低温流体が前記貯蔵装置から前記熱交換器へ流れるのを許容する開位置と、前記一時的極低温剤流体を前記熱交換器から遮断する閉位置とを有する弁（７８）を備え、
   前記一時的冷却システムは、前記一時的極低温流体が前記熱交換器を通って流れない第１の作動モードと、前記一時的極低温流体が前記熱交換器を通って流れる第２の作動モードとを有し、
   前記コールドヘッド装置が不作動の場合に、前記第１の作動モードから前記第２の作動モードへ切り替えられ、前記再循環冷却流体を前記一時的極低温流体と混合させずに冷却し、該再循環冷却流体で前記高温超伝導機械を冷却する
   ことを特徴とする冷却流体システム。
2. 前記主冷却システム（５２、８８）が第２の熱交換器（６４）を備え、
   前記一時的冷却システムの熱交換器（８２）は、前記第２の作動モードにおいては作動可能であるが前記第１の作動モードにおいては作動不能であり、
   前記主冷却システム（５２、８８）の第２の熱交換器（６４）は、前記第１及び第２の作動モード双方において作動可能であることを特徴とする、請求項１に記載の冷却流体システム。
3. 前記冷却流体システムは、前記高温超伝導機械（１０）の高温超伝導ロータ（１４）に連結されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却流体システム。
4. 前記第１の極低温冷却流体が、窒素、水素、ネオン、及びヘリウムからなる群から選択されることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の冷却流体システム。
5. コールドヘッド装置（５６）を備える閉ループの主冷却システム（５２、８８）と開回路の一時的冷却システム（５４）を用いて超伝導機械（１０）を冷却するための方法であって、
   ａ．第１の極低温冷却流体を前記一時的冷却システム内の貯蔵装置（７４）に貯蔵する段階と、
   ｂ．冷却用の第２の冷却流体をコールドヘッド装置（５６）で極低温まで冷却して前記主冷却システム（５２、８８）と前記機械（１０）との間で循環させて、前記機械の超伝導部品を極低温に冷却し、同時に、前記第１の極低温冷却流体を該第２の冷却流体から熱的に隔離する段階と、
   ｃ．前記コールドヘッド装置（５６）が作動不能である間、前記主冷却システムのライン（６２）に熱的に連結された第１の熱交換器（８２）を介して前記第２の冷却流体を前記第１の極低温冷却流体と混合させずに極低温に冷却し且つ該熱交換器を通過した後の前記 第１の極低温冷却流体をベント（８４）から排出して、前記第２の冷却流体で前記超伝導機械（１０）を冷却する段階と、
   を含むことを特徴とする方法。
6. 前記冷却流体システムは、前記超伝導機械（１０）の高温超伝導ロータ（１４）に連結されていることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記第１の極低温冷却流体が、窒素、水素、ネオン、及びヘリウムからなる群から選択されることを特徴とする、請求項５又は６に記載の方法。

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