JP4686149B2 - スラッシュ窒素を利用した冷却装置 - Google Patents
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図4のシステムでは冷却槽54内は大気圧に維持されるが、送出ポンプ53の戻り圧力や、気化した窒素ガスにより冷却槽内の圧力が上昇してしまい、沸点が上昇してしまう惧れがある。そこで、冷却槽54内の圧力を圧力センサ56により検出し、この検出信号に基づき回収ポンプ制御部57によりポンプの起動/停止を制御して冷却槽内の圧力を大気圧に保つ構成としている。
近年、超電導技術を利用した各種機器が開発されており、超電導機器は低損失、小型軽量化等の従来機器では実現できない多くの特徴を有し、実用化が期待されている。超電導機器に用いられる超電導体には、液体ヘリウムを主体とした冷媒とする金属系の超電導体と、液体窒素を主体とした冷媒とする酸化物系の超電導体が存在する。これらの超電導体は、超電導変圧器、超電導マグネット、超電導限流器、超電導コイル、超電導ケーブル等に用いられ、これらの超電導機器の極低温冷却において浸漬冷却は有効な方法である。
これを防ぐために、冷媒温度を沸点以下に下げた過冷却域で冷媒を用いることも行なわれている。このときの冷却熱量は冷媒の凝固温度と蒸発温度となる。しかし、過冷却域でのみ冷媒を使用することは、液体の比熱が蒸発潜熱や凝固潜熱に比べて小さく、同一発熱量に対して多くの冷媒を必要とする。さらに、過冷却域の冷却では被冷却体の温度が発熱量に比例して変化するため、歪みを伴う繰り返し応力がかかる。
一方、固体冷媒を利用する場合には、液体冷媒のように被冷却体の全面が均一に冷媒と接触できず、被冷却体との接触が不連続となることが多く、熱流束の抵抗となる。
従って、本発明は上記従来の技術の問題点に鑑み、低温でかつ一定温度での被冷却体の冷却が可能であり、高効率冷却を達成できるスラッシュ窒素を利用した冷却装置を提供することを目的とする。
スラッシュ窒素供給装置を具備し、断熱容器に収納した超電導体が臨界電流値以上になると相転移を起こし、電気抵抗が発生して常電導状態となるように構成した超電導限流器からなる冷却装置であって、
前記超電導限流器は、超電導体を収容する断熱容器と、該断熱容器内に充填され前記超電導体を冷却するスラッシュ窒素と、前記断熱容器の底部に設けられた撹拌翼と、前記断熱容器の上部に設けられ、該容器内の蒸発ガスを大気放出するガス放出管と、該ガス放出管に具備された安全弁と、を有し、
一方前記スラッシュ窒素供給装置は、液体窒素入口から導入された液体窒素よりスラッシュ状窒素を生成する断熱容器と、該生成されたスラッシュ窒素を前記断熱容器内へ送給するポンプよりなることを特徴とする。
該スラッシュ窒素は固体分を含有するため、前記断熱容器内は固体の融点付近の温度を呈して固体の融解潜熱を被冷却体の冷却に利用でき、かつ液体分も含有するため、物体表面上に濡れ、狭い隙間にも浸透するので、熱伝達性が良好となる。そのため、同物質で比較すると単位質量当りの液体冷媒に比べてスラッシュ窒素の冷却効率は飛躍的に高くなる。
また、同じ冷却量であれば減量化可能で、さらに固体になると密度が大きくなるため装置の小型化が可能となる。さらにまた、固体が存在する限り気泡が発生しないという利点がある。これは三重点以外では固体、液体、気体が同時に存在しないことによる。
また、スラッシュ窒素では固体の融解潜熱が利用できるため液冷媒に比べて熱容量が大きい。従って、被冷却体の急激な発熱に対しても被冷却体の温度上昇が少なく抑えられる。また、同じ冷却量であれば減量化可能で、さらに固体になると密度が大きくなるため装置の小型化が可能となる。さらにまた、固体が存在する限り気泡が発生しないという利点がある。
さらにまた、スラッシュ窒素を超電導限流器の冷媒に利用することにより、限流器を連続して使用することが可能となり実用化に適した構成とすることができる。
図1は本発明の実施例1に係る超電導体冷却装置を限流器に適用した場合の概略構成図、図2、図3は夫々本実施形態のスラッシュ窒素供給装置の一例を示す断面図である。
本実施例において、冷却対象としては例えば、超電導部材やその他の電子機器が挙げられ、中でも特に超電導部材であって、超電導変圧器、超電導マグネット、超電導限流器、超電導コイル、超電導ケーブル等の冷却に適している。
本実施例で用いられる冷媒には、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、水素、二酸化炭素等が挙げられ、冷却対象に応じて冷媒とその冷却温度域を選択する。本実施例では窒素を例に挙げて説明する。
前記超電導限流器11はSN転移型、整流型、変圧器型の何れでも良いが、本実施例における超電導限流器11は特にSN転移型であることが好ましく、超電導体が臨界電流値以上になると相転移を起こし、電気抵抗が発生して常電導状態となる性質を有するものが適している。
前記撹拌翼13は、断熱容器12内のスラッシュ窒素を撹拌混合して、スラッシュ窒素から超電導体17への冷熱伝導を向上させる。これは、スラッシュ窒素循環手段等のようにスラッシュ窒素を撹拌混合する機能を有するものであれば何れを用いても良い。
前記スラッシュ窒素供給装置14では、例えば後述する図2或いは図3に示すような装置構成により、微粒化された固体窒素21と液体窒素20の混合物スラリーであるスラッシュ窒素を生成して前記断熱容器12に送給する。
この段階では温度上昇は起こらないため、ここで発熱が無くなれば超電導限流器11は次の作動に備えて待機状態に移行することが可能である。
前記限流器11では、超電導体17の発熱量が少なければ固体窒素20が融解するのみで、この場合、前記スラッシュ窒素供給装置14では融解した固体窒素20分を再生する。
超電導体17の発熱量が多く、固体窒素20が殆ど全て融解する場合には、液体窒素21の温度が上昇する。この場合、前記スラッシュ窒素供給装置14では液体窒素20の温度を下げ、その後固体窒素20を生成する。
これよりさらに超電導体17の発熱量が多い場合には、蒸発ガスが発生し、限流器11内の圧力が上昇して安全弁15が作動し、大気中に蒸発ガスを放出するようになっている。この場合、前記断熱容器12内へ液体窒素20の補給をした後に、前記スラッシュ窒素供給装置14で液体窒素20の温度を下げ、固体窒素21を生成する。
また、スラッシュ窒素では固体の融解潜熱が利用できるため液冷媒に比べて熱容量が大きい。従って、クエンチ等の急激な発熱に対して被冷却体の温度上昇が少なく抑えられる。また、同じ冷却量であれば減量化可能で、さらに固体になると密度が大きくなるため小型化が可能となる。さらにまた、固体が存在する限り気泡が発生しないという利点がある。これは三重点以外では固体、液体、気体が同時に存在しないことによる。従って、耐放電電圧の上昇が期待できる。
また、スラッシュ窒素は微粒化された固体窒素と液体窒素のスラリー状混合物であり、液体分により被冷却体の周囲に均一に冷媒を接触させることができ、また固体分により被冷却体と冷媒固体分の間の温度勾配が大きく、熱流束が大きくなり冷却効果を向上できる。
従って、スラッシュ窒素を超電導限流器11の冷媒に利用することにより、従来の液体窒素使用時に比べ、限流器を短時間に超電導転位させ、次の作動に備えることが可能となり実用化に適した構成とすることができる。
図2はオーガ(AUGER)方式を適用した装置であり、熱交換器表面に生成した固体窒素を回転する歯で掻き取る方式を採用している。
前記スラッシュ窒素供給装置14は、円筒形状の冷却筒30の液体窒素入口31から液体窒素が導入され、該冷却筒30の上部から該冷却筒30内で生成されたスラッシュ窒素(或いは粒状の固体窒素)が排出されるようになっている。
前記冷却筒30の内部には、中心部位を長手方向に貫通するオーガ33が設けられており、該オーガ33は駆動軸周囲に螺旋刃33aを具備した構成となっている。該螺旋刃33aは、前記冷却筒30の内壁に摺接するように配置され、前記オーガ33に連結された減速機36及びモータ37により所定回転数で回転する。
このスラッシュ窒素供給装置14によれば、前記冷却筒30内において、冷媒と液体窒素との熱交換により析出され、筒内壁面に付着した固体結晶は、前記オーガ33の回転により掻き取られて液体窒素と混合され、液体20と微粒固体21のスラリー状のスラッシュ窒素が生成され、前記ポンプ38により冷却装置へ送給される。固体濃度はスラッシュ窒素供給装置より排出されたスラッシュ窒素を液体窒素入口31へ戻して循環することで調整可能である。
本実施例ではスラッシュ窒素の搬送して利用する必要がないため、固体窒素を貯留しておくだけでよく、粒径の大きさは特に限定されない。また、スラッシュ窒素中の固体濃度も40%以上とすることができ、より大きな融解潜熱を蓄えることができる。
尚、例えば超電導ケーブルの冷却等のように、スラッシュ窒素を搬送して利用する場合には、粒径を微小化し、さらに固体濃度を20%以内としてケーブル内の圧力損失を最小限に抑えるようにすると良い。
該スラッシュ窒素供給装置14は、上記した図2と同様に、生成したスラッシュ窒素を圧送ポンプ47により冷却装置に供給するようになっている。
前記スラッシュ窒素供給装置14は、液体窒素を貯留した断熱容器40内の気相部を、真空ポンプ41にて減圧し、減圧が進行すると液体窒素が蒸発し、潜熱により液体窒素の温度が低下し、内容物が窒素の三重点に達すると固体窒素が生成し始める。三重点への到達は温度計42で温度が63.1K以下に下がらなくなった事で確認する。三重点到達時は真空ポンプ41を停止して液面計43でレベルを計測する。その後真空ポンプ41を運転し、両撹拌翼44、45も回転する。
このように、本実施例のスラッシュ窒素供給装置14は、他の冷媒を用いずに固体窒素を生成することができるため、他の冷媒の再圧縮装置などの大型設備を必要とせずに、簡単な構造でかつ小型化された装置でスラッシュ窒素を生成できる。
11 限流器
12 断熱容器
13 撹拌翼
14 スラッシュ窒素供給装置
15 ガス排出管
16 安全弁
17 超電導体
30 冷却筒
33 オーガ
34 螺旋刃
35 ジャケット
40 断熱容器
41 真空ポンプ
42 温度計
44 液面撹拌翼
45 底面撹拌翼
Claims (3)
- スラッシュ窒素供給装置を具備し、断熱容器に収納した超電導体が臨界電流値以上になると相転移を起こし、電気抵抗が発生して常電導状態となるように構成した超電導限流器からなる冷却装置であって、
前記超電導限流器は、前記超電導体を収容する断熱容器と、該断熱容器内に充填され前記超電導体を冷却するスラッシュ窒素と、前記断熱容器の底部に設けられた撹拌翼と、前記断熱容器の上部に設けられ、該容器内の蒸発ガスを大気放出するガス放出管と、該ガス放出管に具備された安全弁と、を有し、
一方前記スラッシュ窒素供給装置は、液体窒素入口から導入された液体窒素よりスラッシュ状窒素を生成する断熱容器と、該生成されたスラッシュ窒素を前記断熱容器内へ送給するポンプよりなることを特徴とする冷却装置。 - 前記スラッシュ窒素供給装置は、前記断熱容器からなる冷却筒の外周にジャケットが設けられ、該ジャケットの内周面と冷却筒の外周面との間に冷媒通路が形成され、該冷媒通路に冷媒入口から冷媒出口に向けて前記液体窒素と熱交換する冷媒が通流するように構成するとともに、前記冷却筒長手方向中心部位に、該冷却筒内周面に生成した固体窒素を掻き取る回転歯を設けたことを特徴とする請求項1記載の冷却装置。
- 前記スラッシュ窒素供給装置は、貯留液体窒素の液相部と該液相部表面より上方に気相空間を形成してなる断熱容器と、該断熱容器内の断熱容器内の気相部を減圧する真空ポンプと、前記減圧が進行して液体窒素が蒸発し、潜熱により液体窒素の温度が低下し、内容物が窒素の三重点に達して固体窒素が生成し始めた事を確認する温度計とよりなることを特徴とする請求項1記載の冷却装置。
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