JP4821047B2

JP4821047B2 - 高温超電導コイルの冷却装置

Info

Publication number: JP4821047B2
Application number: JP2001027195A
Authority: JP
Inventors: 健吾大倉; 謙一佐藤
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2001-02-02
Filing date: 2001-02-02
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2021-02-02
Also published as: JP2002231522A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷凍機を使用する高温超電導コイルの冷却装置に関し、特に、外乱に応じて冷凍機の出力を制御する手段を有する冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超電導体について、超電導状態を生成させかつそれを安定に保つためには、超電導体を臨界温度以下の温度で冷却することが必要である。その冷却方法には、液体ヘリウム等の液体の冷媒により超電導体を冷却する方式、および直接極低温冷凍機で冷却する方式等がある。一般に、超電導マグネット等の冷却剤による冷却は、液体ヘリウム中に直接超電導コイル等の被冷却体が設けられる浸漬冷却方法と、真空容器中に設置された被冷却体が循環ヘリウム等によって熱交換器を介して冷却される強制循環冷却法とに大別することができる。冷凍機を用いる方法では、必要とされる冷凍容量の規模によって形式の異なる種々の冷凍機が用いられる。ｋＷレベルの冷凍能力が必要な場合、タービン型の膨張器を備えた冷凍機が用いられる一方、酸化物超電導体のようなより高い冷凍温度で超電導状態が得られる材料を冷却する場合、ＳｏｌｖａｙやＧ−Ｍサイクルによる２段膨張式冷凍機等を用いることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ＮｂＴｉ合金線が使用される従来の磁気浮上（ＭＡＧＬＥＶ）装置では、コイルに対する温度マージンが１Ｋ程度と小さく、不安定な運転をしいられる。また、そのような装置の運転温度は、通常４．２Ｋの極低温であり、冷凍機の冷凍効率（ＣＯＰ）も悪く（１／１０００程度）、冷凍出力もそれほど高くないため、コイル温度の制御に余裕がそれほどない。
【０００４】
一方、磁気浮上装置に高温超電導マグネットを使用すれば、上記より高い温度で運転を行うことができ、また温度マージンも大きくすることができる。しかし、この場合も、以下に起因する発熱により、コイルに熱がこもり、温度上昇がシステムにもたらされ、ひいてはクエンチにつながる危険性がある。
【０００５】
（１）モーターに高温超電導コイルを使用する場合、地上側の電機子コイルからの変動磁場や、コイルに対する機械的振動によって生じる摩擦熱による熱侵入。
【０００６】
（２）コイルの急速な励磁で発生する自己磁場による交流損失。
このように、高温超電導マグネットを使用する場合でも、冷凍機の外部からの変動熱負荷にによりコイルがクエンチする可能性がある。
【０００７】
そこで、本発明は、熱擾乱に対してコイル温度を一定に保ち、安定なコイルの運転を可能にする装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明により、冷凍機を用いて高温超電導コイルを冷却する装置が提供され、当該装置は、当該装置について予測される外乱に対し、十分な冷凍能力を有する冷凍機と、コイルまたはその近傍の温度を測定するための温度センサーと、温度センサーからの温度情報に基づいて冷凍機の出力を制御するための制御手段とを備える。
【０００９】
本発明の好ましい態様において、制御手段は、調節計を備えるフィードバック制御手段である。温度センサーにより検出される温度情報は、調節計に伝達され、かつ調節計において目標値と比較されて制御偏差をもたらす。調節計は、制御偏差に応じて、冷凍機の出力を制御するための制御信号を出す。
【００１０】
特に、本発明により、高温超電導コイルおよび冷凍機を備え、それらの間の直接的な熱伝導によりコイルを冷却する冷却装置が提供される。該装置は、コイルを収容する断熱容器と、コイルの内側またはその近傍に設けられる温度センサーと、温度センサーからの温度情報を受け取る調節計とを備える。温度センサーにより検出される温度情報は、調節計に伝達され、かつ調節計において目標値と比較されて制御偏差をもたらす。調節計は、制御偏差に応じて、冷凍機の出力を制御するための制御信号を出す。
【００１１】
特に本発明は、磁気浮上装置、具体的にはリニアモーターカーのマグネット冷却装置として適している。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１に本発明による装置の一具体例を示す。冷却装置１０において、高温超電導コイル１１は、真空断熱容器１２内に収容される。コイル１１は、コイルフランジ１１ａおよび冷凍機のクーリングヘッド１３を介して、断熱容器１２の外側に設けらる冷凍機本体１４に熱連結される。コイル１１と冷凍機本体１４との間の直接的な熱伝導により、コイル１１は冷却される。断熱容器１２内において、コイル１１の内側には温度センサー１５ａおよび１５ｂが取り付けられる。温度センサー１５ａおよび１５ｂはそれぞれ、断熱容器１２の外側に設けられる温度調節計１６ａおよび１６ｂに接続される。温度調節計１６ａおよび１６ｂは、インバータ１７に接続され、インバーター１７は、冷凍機のモーター１８に接続される。断熱容器１２内において、コイル１１は、真空、液体、あるいは固体によって覆うことができる。
【００１３】
冷却装置１０において、冷凍機には、必要とされる冷凍容量の規模によって種々の冷凍機を用いることができる。たとえば、蓄冷式冷凍サイクルを利用したもので、一般にクライオクーラと呼ばれる冷凍機を好ましく用いることができる。たとえば、ＳｏｌｖａｙやＧ−Ｍサイクルによる２段膨張式冷凍機（Ｓｏｌｖａｙ冷凍機およびＧＭ冷凍機）を用いてもよい。一方、スターリング冷凍機を使用してもよい。また、熱負荷が大きい場合や、急激な熱負荷がかかる場合に対応するため、圧縮機、膨張機および熱交換器を備えた高出力のブレイトンサイクル方式の冷凍機を好ましく使用することができる。これらの形式の１０Ｋ程度まで冷却できる市販の冷凍機を典型的に使用することができる。また、２またはそれ以上の冷却ステージを有する冷凍機を使用することができる。
【００１４】
冷却装置１０において、冷凍機は、当該装置について予測される外乱（特に熱侵入）に対し、十分な冷凍能力を有するものである。外部からの熱侵入には、コイル１１が真空雰囲気で覆われる場合、コイル１１を収容する容器１２およびコイル１１に接続される電流リード（図示せず）からの熱伝導および熱輻射が主に寄与する。また、コイル１１が固体や液体の冷媒で覆われる場合、それらに冷媒からの熱伝導が付加される。冷凍機の冷凍能力は、機種とその投入電力とによって決まるが、上述した要因から外乱を予測し、それに対して十分な容量で十分な冷凍能力を発揮することができる冷凍機を設計あるいは選択する。なお、高温超電導コイル１１の冷却はたとえば１０Ｋ〜４０Ｋ、好ましくは２０Ｋ〜４０Ｋで行うことができ、その場合、冷凍機の冷却効率は、合金系超電導体を冷却する場合より１桁以上高くなり、冷凍能力に余裕が生まれてくる。さらに、外乱が入らない場合には、冷凍機の消費電力が少ない状態で必要なコイル運転温度に保持することができ、大幅な省電力が期待できる。
【００１５】
冷却装置１０において、コイル１１の温度変化を０．１Ｋのオーダーで検知できるような高精度温度センサーと温度調節計とから、温度計を構成することが好ましい。図１には２つの温度センサーが示されているが、１つの温度センサーを使用してもよいし、３以上の温度センサーを使用してもよい。複数の温度センサーを設ける場合、それらにより温度分布を測定し、一番高い温度に対して冷凍能力が発揮できるようシーケンスを組んでもよい。
【００１６】
温度センサーは、予め発熱が大きいと予測できる位置に配置することが望ましい。通常コイルの自己磁場が一番高いところが発熱しやすいため、温度センサーはコイルの内側に取り付けることが望ましい。
【００１７】
図１に示すように、温度センサー１５ａおよび１５ｂは、温度調節計１６ａおよび１６ｂに接続される。温度マージンが所定の範囲内であるコイルの運転が可能な温度に、調節計１６ａおよび１６ｂの温度を設定する（図１において設定温度はＴｓで表される）。温度調節計１６ａおよび１６ｂは、冷凍機のモーター１８を制御するインバータ１７に接続される。温度センサー１５ａおよび１５ｂにより検出される温度情報は、調節計１６ａおよび１６ｂに伝達される。そして、調節計１６ａおよび１６ｂは、温度情報と設定温度Ｔｓとを比較し、制御偏差を算出する。調節計１６ａおよび１６ｂは、制御偏差に応じた制御信号を、インバータ１７に伝え、その結果、インバータ１７により冷凍機におけるモーター１８の駆動は制御される。したがって、外乱によりコイル１１の温度が上昇しても、このフィードバック制御により、冷凍機の出力が上げられ、その冷凍能力が高められることによって、コイル１１の温度が急激かつ大幅に上昇することが食い止められる。外乱のない常時は、上述したように、温度上昇しないため、少ない冷凍機出力で運転できる。
【００１８】
たとえば、上記冷却装置をリニアモーターコイルの冷却装置として使用した場合、地上側電機子からの周期的あるいは突発的な外乱によりコイル温度が上昇しようとしても、上記フィードバック制御によりインバータが働き、冷凍機の冷凍能力が増大するため、コイル温度の急激な上昇は阻止される。また、外乱のない常時は、インバータ出力をコイル温度保持に必要な最小値に保って運転することができる。
【００１９】
冷却装置１０において、コイル１１の周囲には冷媒を配置してもよい。冷媒には、飽和蒸気圧温度が液体ヘリウムよりも高い冷媒を好ましく用いることができる。用いられる冷媒として、窒素の他に、水素、酸素、ネオン、アルゴン、天然ガス、アンモニア、およびその混合物等を挙げることができる。たとえば、大気圧下の飽和蒸気圧温度が１５Ｋ〜１００Ｋである冷媒を好ましく用いることができる。コイル１１の周囲において、冷媒は液体でも固体でもよい。たとえば、冷媒に窒素を用いる場合、冷凍機の冷却により液体窒素を固体窒素に変えることもできる。
【００２０】
本発明において、高温超電導コイルを構成する超電導体は、典型的に、酸化物超電導体等のより高い臨界温度を有する超電導体である。酸化物超電導体には、Ｙ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-Y（０≦Ｙ＜１）等のイットリウム系酸化物超電導体、Ｂｉ₂Ｓｒ₂Ｃａ₁Ｃｕ₂Ｏ_8-Y、Ｂｉ₂Ｓｒ₂Ｃａ₂Ｃｕ₃Ｏ_10-X、（Ｂｉ，Ｐｂ）₂Ｓｒ₂Ｃａ₁Ｃｕ₂Ｏ_8-X、（Ｂｉ，Ｐｂ）₂Ｓｒ₂Ｃａ₂Ｃｕ₃Ｏ_10-X（０≦Ｘ＜１）等のビスマス系酸化物超電導体、Ｔｌ₁Ｂａ₂Ｃａ₂Ｃｕ₃Ｏ_9-X 、Ｔｌ₂Ｂａ₂Ｃａ₂Ｃｕ₃Ｏ_10-Z（０≦Ｚ＜１）等のタリウム系酸化物超電導体などがある。本発明において、超電導コイルには、パンケーキ型のコイルのほか、ソレノイド型のコイルも使用することができる。超電導コイルの数は任意であり、１個のコイルについて本発明を適用してもよいし、複数のコイルに本発明を適用してもよい。
【００２１】
本発明は、リニアモータカー（ＭＡＧＬＥＶ）、種々の産業用マグネットや電力機器用マグネット等の超電導コイルを使用する種々の装置や機器に適用することができる。たとえば、本発明をリニアモータカー等に使用される磁気浮上用コイルの冷却装置として使用した場合、地上側の電機子コイルからの磁場や振動による周期的な外乱に対して、安全で安定なコイルの運転をもたらすことができる。また、外乱のない常時は、大幅な省エネルギーのコイル運転をもたらすことができる。
【００２２】
【発明の効果】
本発明によれば、熱擾乱に対してコイル温度を一定に保ち、安定なコイルの運転を可能にすることができる。本発明は、超電導コイルを使用する種々のシステム、装置、および機器に適用できるが、たとえば、リニアモータカーのマグネット冷却システムに使用すれば、常時発生する外乱に対し、コイルの運転を安定させることができ、さらに、コイルの大幅な省エネ運転が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による装置の一例を示す模式図である。
【符号の説明】
１０冷却装置、１１高温超電導コイル、１２真空断熱容器、１３冷凍機のクーリングヘッド、１４冷凍機本体、１５ａ，１５ｂ温度センサー、１６ａ，１６ｂ温度調節計、１７インバータ、１８モーター。

Claims

冷凍機を用いて、熱擾乱によりコイル温度が１Ｋ以上変化する高温超電導コイルを冷却する装置であって、
当該装置について予測される熱擾乱に対し、十分な冷凍能力を有する冷凍機と、
前記コイルまたはその近傍の温度を測定するための温度センサーと、
前記温度センサーからの温度情報に基づいて前記冷凍機の出力を制御するための制御手段とを備える、高温超電導コイルの冷却装置。
前記制御手段は、調節計を備えるフィードバック制御手段であり、
前記温度センサーにより検出される温度情報は、前記調節計に伝達され、かつ前記調節計において目標値と比較されて制御偏差をもたらし、
前記調節計は、前記制御偏差に応じて、前記冷凍機の出力を制御するための制御信号を出すものである、請求項１に記載の冷却装置。
熱擾乱によりコイル温度が１Ｋ以上変化する高温超電導コイルおよび冷凍機を備え、それらの間の直接的な熱伝導により前記コイルを冷却する冷却装置であって、
前記コイルを収容する断熱容器と、
前記コイルの内側またはその近傍に設けられる温度センサーと、
前記温度センサーからの温度情報を受け取る調節計とを備え、
前記温度センサーにより検出される温度情報は、前記調節計に伝達され、かつ前記調節計において目標値と比較されて制御偏差をもたらし、
前記調節計は、前記制御偏差に応じて、前記冷凍機の出力を制御するための制御信号を出すものである、高温超電導コイルの冷却装置。
磁気浮上用のものである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷却装置。
前記高温超電導コイルを１０Ｋ〜４０Ｋに冷却する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の冷却装置。
前記温度センサーは、前記コイルの内側に取り付けられている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の冷却装置。