JP4866001B2

JP4866001B2 - 超電導コイル冷却保持装置

Info

Publication number: JP4866001B2
Application number: JP2004357651A
Authority: JP
Inventors: 茂吉田; 賢悦上森
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 2004-12-10
Filing date: 2004-12-10
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2024-12-10
Also published as: JP2006165418A

Description

この発明は、超電導トランス、超電導マグネット、超電導モータ、その他各種低温計測機器等に使用される超電導コイルを、液体窒素によって低温に冷却保持するための超電導コイル冷却保持装置に関するものである。

超電導コイル、特に高温超電導を利用した超電導コイルを、超電導特性を発揮する低温に冷却・保持するためには、冷却媒体として比較的安価な液体窒素（ＬＮ₂）を使用することが多い。この場合、従来一般には、大気圧の飽和液体窒素、すなわち約７７Ｋの液体窒素を用いるのが通常であった。

しかるに高温超電導コイルにおいては、若干でも温度が低下すれば、超電導特性が大幅に向上することが知られており、例えば臨界電流は、７７Ｋから７０Ｋに低下しただけでも数倍に大きくなることが知られており、そこで最近では、大気圧下において、大気圧飽和液体窒素温度（約７７Ｋ）よりも低い過冷却温度（例えば７０Ｋ〜６５Ｋ）に冷却した液体窒素、すなわちいわゆる大気圧過冷却液体窒素を超電導コイルの冷却媒体として使用する試みがなされている。

このように大気圧過冷却液体窒素を用いれば、超電導コイルに、より多くの電流を流すことができるため、コイルの小型化が可能となり、システム全体の小型化も可能となるばかりでなく、スパークの原因となる気泡が液体窒素中で発生しなくなるなど、種々のメリットが得られる。

一方、超電導トランスや超電導マグネット等の超電導コイルを液体窒素により冷却保持するための装置としては、従来は図５に原理的に示すように、クライオスタットと称される断熱容器１、すなわち周囲および底部を真空断熱層３によって取囲んだ断熱容器１を用い、その断熱容器１の上方開口部分を開閉可能に覆う蓋体５から、支持部材７を介して超電導コイル９を吊下げ、断熱容器１内に注入された液体窒素１１中に超電導コイル９を浸漬させるようにしたものが一般的である。このように超電導コイル９を上部の開閉可能な蓋体５から吊下げて液体窒素１１中に浸漬させるようにしている主な理由は、超電導コイル９の設置、交換を容易にするためである。

ところで図５に示される従来の超電導コイル冷却保持装置においては、断熱容器１内における液体窒素１１の液面１１Ａよりも上方の部分はガス空間１３として残されており、このガス空間１３は、通常は液面１１Ａから気化された窒素ガスで満たされているが、その部分は断熱容器１と蓋体５との間の隙間や端子部分などを介して、室温・大気圧の外部空間と上端側で連通している。そしてこの液体窒素液面上のガス空間１３では、上方から下方（液面）に向って温度が低下する液温勾配が形成されるのが通常であるが、このような温度勾配は、液体窒素１１の液面１１Ａへの熱侵入を緩和するために不可欠とされている。

図５に示されるような従来の超電導コイル冷却保持装置では、断熱容器１内の上部にガス空間１３が存在しているため、断熱容器１を傾斜させたり、横転あるいは反転させたりすることは避けなければならない。すなわち断熱容器１を傾斜あるいは横転、反転させれば、超電導コイル９の一部が液体窒素１１中からガス空間１３に露呈してしまって、超電導コイル９に対する冷却能が極端に低下してしまう事態が生じることがあり、またガス空間１３の温度勾配が乱れて、液体窒素１１への熱侵入が大きくなって液体窒素１１の蒸発が進行してしまうこともある。

そして特に冷却媒体の液体窒素１１として、既に述べたような大気圧過冷却液体窒素を用いている場合には、仮に超電導コイル９の一部がガス空間１３に露呈しなかったとしても、断熱容器１に振動や揺動が与えられれば、次のような問題が発生する。

すなわち、冷却媒体の液体窒素１１として大気圧過冷却液体窒素を用いている場合、大気圧の窒素ガスが満たされたガス空間１３に接触する液体窒素１１の液面１１Ａは大気圧飽和温度（約７７Ｋ）となる一方、液面１１Ａよりも下方の底部付近（超電導コイル９が位置する部分）は大気圧過冷却温度（例えば７０〜６５Ｋ）を維持するように、液体窒素１１中における液面１１Ａ近くの部分に温度勾配を形成しておくのが通常であり、このような液面近くの温度勾配を安定して維持することにより、超電導コイル９を大気圧下での過冷却温度に安定して冷却保持することが可能となる。ところがこの場合に、断熱容器１に振動が与えられれば、液面下の温度勾配が乱され、その結果液面１１Ａの温度が大気圧下での過冷却温度となってしまってガス空間１３からの窒素ガスの凝縮が生じてしまうことがある。そしてこの場合、ガス空間１３の圧力が低下して減圧状態となり、その結果蓋体５と断熱容器１との間の隙間や端子部分を介して外部から大気を吸引してしまい、大気中の水分による結氷の問題が発生してしまうことがある。

以上のように、従来の超電導コイル冷却装置においては、傾斜させたり、横転、反転させたりすることは避けなければならず、特に大気圧過冷却液体窒素を用いている場合にはわずかな振動さえも避けて、常に一定の姿勢を保つようにしなければならなかったのである。そのため、例えば船舶のごとく、振動、揺動が加わったりあるいは傾斜したりする用途には不適当であったのが実情である。

また、超電導コイル９より発生する磁界を断熱容器１の外部へ及ばせる必要があるような用途、例えば超電導マグネットの場合には、前述のように断熱容器の姿勢を常に一定に保たなければならないということは、外部に及ぼす磁界の方向も一定の方向に限られることを意味する。一方超電導マグネットを各種の実験や計測のために使用しようとする場合には、実験・計測の目的や状況に応じて、外部磁界の方向を変えたい場合も多いが、そのためには、超電導コイルの取付け方向を変えざるを得ない。ところが超電導コイルの取付け方向を変えるためには、冷却されている超電導コイルを一旦常温まで戻してから蓋体を取外して超電導コイルを取付け直し、その後改めて超電導コイルを冷却するという面倒な作業を必要としてしまう。そこで、このような煩雑な作業を不要にするため、外部に及ぼす磁界の方向を任意に変え得るようにした超電導コイル冷却保持装置の開発が強く望まれている。

この発明は以上の事情を背景としてなされたもので、振動、揺動が加わったり、傾斜もしくは横転、反転させた場合でも、特に支障なく正常な運転状態を維持することができ、また外部へ磁界を及ぼすような用途に用いる場合でも、超電導コイルの取付け直し等の手間を要することなく、装置の姿勢を変えるだけで任意に外部磁界の方向を変え得るようにした超電導コイル冷却保持装置を提供することを目的とするものである。

前述のような図５に示す従来の超電導コイル冷却保持装置においては、断熱容器１内における液体窒素１１の液面１１Ａ上のガス空間１３は、蓋体側からの熱侵入を緩和するために不可欠ではあるが、超電導コイルの冷却に対しては積極的には寄与しない空間であり、したがって冷却の観点からは無駄な空間と言うことができる。そこで本発明者等は液面上の空間を省いて、装置を小型化することを考えた。そしてこのように液面上の空間を省いた装置を開発する過程において、液面上の空間を省けば、単に小型化が可能となるばかりでなく、振動、揺動が加わったり、傾斜あるいは横転、反転した場合でも、それらの影響を受けることなく安定して正常な運転状態を維持することが可能となり、また外部に磁界を及ぼす用途でも、装置の姿勢を変えるだけで任意に外部磁界の方向を変えることが可能となることを見出し、この発明をなすに至った。

具体的には、請求項１の発明の超電導コイル冷却保持装置は、高温超電導を利用した超電導コイルを収容した超電導コイルの冷却保持装置の容器の全体を、内槽および外槽からなる内外２重壁構造とし、かつ内槽と外槽との間に真空断熱層を形成して、内槽の壁面の全ての面が真空断熱層によって取囲まれる構成とし、前記内槽内に、その上部に空間を実質的に残すことなく、大気圧下での過冷却温度の液体窒素を充満させ、前記超電導コイルの冷却保持装置の容器の外部で大気圧下での過冷却温度に冷却された液体窒素を、前記内槽内に加圧して導入するように構成したことを特徴とするものである。

また請求項２の発明の超電導コイルの冷却保持装置は、大気圧下での過冷却温度の液体窒素が内部に注入された超電導コイル冷却保持装置の容器と、該超電導コイル冷却保持装置の容器へ送り込む液体窒素を大気圧下での過冷却温度に冷却する過冷却装置と、を備え、前記超電導コイル冷却保持装置の容器は、内槽と、該内槽が内部に配置された外槽と、これら超電導コイル冷却保持装置の容器の内槽及び外槽の間に形成された真空断熱層とを有し、前記内槽には、大気圧下での過冷却温度の液体窒素が内部に注入されるとともに、高温超電導を利用した超電導コイルが配置され、前記真空断熱層は、該超電導コイル冷却保持装置の容器の内槽の全ての壁面を取り囲んで密閉するように形成されており、前記過冷却装置は、内槽と、該内槽が内部に配置された外槽と、これら過冷却装置の内槽及び外槽の間に形成された真空断熱層とを有し、前記内槽には、前記液体窒素が内部に注入されるとともに、前記過冷却装置の内槽内に注入された液体窒素を大気圧下での過冷却温度まで冷却する冷却ヘッド、及び該冷却ヘッドで大気圧下での過冷却温度に冷却された液体窒素を前記超電導コイル冷却保持装置の容器の内槽へ送り込むポンプが内部に挿入された超電導コイルの冷却保持装置において、前記超電導コイル冷却保持装置の容器の内槽及び過冷却装置の内槽には、その上部に空間を実質的に残すことなく、大気圧下での過冷却温度の液体窒素が充満されており、前記ポンプは、該大気圧下での過冷却温度の液体窒素を加圧して、前記過冷却装置の内槽から超電導コイル冷却保持装置の容器の内槽へ送り込むように構成されていることを特徴とするものである。

この発明の超電導コイル冷却保持装置によれば、振動、揺動が加わるような用途、例えば船舶等に使用した場合でも、安定して正常な運転状態を維持することができ、また傾斜させたり、横転、反転させても正常に運転状態を維持できるため、使用目的や外部の状況等に応じて任意に姿勢を変えることができ、そのため例えば超電導マグネットとして用いる場合など、外部に磁界を及ぼす用途において、装置の姿勢変化のみにより任意に外部磁界の方向を変えることができ、したがって例えば従来の超電導コイル冷却保持装置の場合のような超電導コイルの取付け直し作業等の煩雑な作業が不要となる。

図１に超電導コイル冷却保持装置の第１の参考例を示す。

図１において、容器２１はその全体が内槽２３および外槽２５とからなる内外２重壁構造とされており、内槽２３と外槽２５との間は真空断熱層２７とされている。ここで、内槽２３および外槽２５からなる容器２１は全体として例えば円筒部分２１Ａの軸線方向両側の端面部分２１Ｂ，２１Ｃ（図１では上面部分２１Ｂ、下面部分２１Ｃ）を閉じた密閉状態とされており、円筒部分２１Ａ、両側の端面部分２１Ｂ，２１Ｃのいずれにも前述の真空断熱層２７が形成されている。したがって内槽２３はその壁面の全ての面が真空断熱層２７によって取囲まれて密閉された状態となっていることになる。なお容器２１を構成する内槽２３、外槽２５は、熱伝導率の低い非磁性材料、例えばＦＲＰ等によって作られている。

さらに容器２１の内側、すなわち内槽２３の内側の中空部分には、超電導コイル２９が固定配置されている。この超電導コイル２９は、例えば容器下面部分２１Ｃの内槽２３の内壁に固定した状態で取付けられている。さらに内槽２３の内側の中空部分には、液体窒素３１が充満されている。すなわち、液体窒素３１は、内槽２３内の上方に実質的に空間を残さないように、内槽２３内の全容積を満たしている。またその内槽２３内には、内槽２３内の液体窒素３１を大気圧下での飽和温度（約７７Ｋ）より低い温度、すなわち大気圧過冷却温度（例えば７０〜６５Ｋ）に冷却するためのギフォード・マクマホン冷凍機（ＧＭ冷凍機）で代表される小型極低温冷凍機（以下単に“冷凍機”と記す）３３の冷却ヘッド３３Ａが、容器２１の上方から挿入されている。そしてまた容器２１には、その外部に配置された窒素ガスボンベ３５から可撓性チューブ（フレキシブルチューブ）３７が接続されており、内槽２３内を窒素ガスボンベ３５からの窒素ガスによって大気圧もしくは大気圧よりもわずかに高い圧力（例えば＋０．０２ＭＰａ）に加圧するように構成されている。

ここで、前述のように内槽２３内の液体窒素３１は、窒素ガスによって大気圧もしくは大気圧よりわずかに高い圧力に加圧された状態で、冷凍機３３の冷却ヘッド３３Ａによって大気圧下での過冷却温度（例えば７０〜６５Ｋ）に冷却されるから、その液体窒素３１は、大気圧過冷却液体窒素となっている。換言すれば、内槽２３内の全容積が大気圧過冷却液体窒素によって満たされ、内槽２３の上方に実質的に空間（ガス空間）が残らない状態とされていることになる。

以上のような図１に示される超電導コイル冷却保持装置においては、超電導コイル２９は、液体窒素３1により大気圧過冷却温度、例えば７０〜６５Ｋに冷却される。そして超電導コイルに電流を流せば、例えば矢印Ａ，Ｂで示すように磁界が発生する。

ここで内槽２３は、その全面が真空断熱層２７によって取囲まれており、かつ内槽２３内はその全容積が大気圧過冷却液体窒素３１によって満たされている。したがって装置全体を傾斜もしくは横転、反転させても、内槽２３内の液体窒素３１は常にその全体が真空断熱層３１によって断熱されて外部からの熱侵入が防止された状態を保ち、かつ超電導コイル２９は常にその全体が液体窒素３１中に浸漬されている状態を保つ。

さらに、内槽２３内の液体窒素３１は、前述のようにその全体が常に真空断熱層２７によって取囲まれて外部からのいずれの方向からの熱侵入も全てその真空断熱層２７によって阻止されるため、実質的に温度勾配は形成されない。そのため装置に振動や揺動を加えた場合でも、従来技術の場合のように温度勾配が乱されることによる問題は生じ得ない。

結局、これらの作用が相俟って、装置を傾斜もしくは横転、反転させた場合でも、また振動や揺動を与えた場合でも、超電導コイル２９の全体を常に一定の大気圧過冷却温度に冷却・維持して、その運転状態を正常に保つことができる。

そしてまた、前述のように正常な運転状態を保ったまま、装置を傾斜、横転、反転させることにより、外部に及ぼす磁界Ａ，Ｂの方向を変化させることができる。例えば装置全体を横転させた場合の例を図２に示す。

以上のような図１に示される第１の参考例の超電導コイル冷却保持装置では、超電導コイル２９を収容した容器２１自体の内部（内槽２３の内側）において冷凍機３３の冷却ヘッド３３Ａにより液体窒素３１を大気圧過冷却温度に冷却・維持する構成としているが、場合によっては超電導コイル２９を収容した容器２１の外部において大気圧過冷却液体窒素を生成して、その大気圧過冷却液体窒素を超電導コイル冷却保持装置の容器２１内に導いても良い。その場合の第１の実施例を図３に示す。図３は、本発明の第１の実施例の超電導コイル冷却保持装置を示す略解図である。

図３において、超電導コイル２９を収容した容器２１は、図１の例と同様にその全体が内槽２３および外槽２５との内外２重壁構造とされていて、内槽２３と外槽２５との間が真空断熱層２７とされており、これにより内槽２３の壁面の全てが真空断熱層２７により取囲まれている。ここで、このような容器２１の部分を超電導コイル冷却保持装置３８と称することとする。

さらに上述のような超電導コイル冷却保持装置３８における容器２１の内槽２３内には、超電導コイル冷却保持装置３８とは別に設けた過冷却装置３９から供給された大気圧過冷却液体窒素３１が充満されている。ここで、内槽２３内は、図１の例の場合と同様に、その上部に実質的に空間を残さないように内容積の全てが液体窒素３１によって満たされている。

一方前記過冷却装置３９は、超電導コイル冷却保持装置３８の側の容器２１と同様に、外槽４３および内槽４５とからなる内外２重壁構造とされた容器４７を備えている。そして外槽４３と内槽４５との間は真空断熱層４９とされている。ここで、容器４７の内槽４５の壁面の全面が真空断熱層４９によって取囲まれている点は、図１の容器２１と同様である。さらに過冷却装置３９の内槽４５内には、前記同様な冷凍機３３の冷却ヘッド３３Ａが挿入されており、また液体窒素を加圧・送給するためのポンプ５１が内槽４５内に挿入されており、さらに内槽４５内には液体窒素３１が充満されている。ここで、内槽４５内は、その上部に空間を実質的に残さないように、その内容積の全てが液体窒素３１によって満たされている。そしてこの過冷却装置３９の側の内槽４５内の液体窒素３１は、冷凍機３３の冷却ヘッド３３Ａによって大気圧下での過冷却温度に冷却され、その大気圧過冷却液体窒素３１がポンプ５１によって加圧されて、送給管５３を介して超電導コイル冷却保持装置３８の側の容器２１の内槽２３内に送り込まれ、逆にその内槽２３内の液体窒素３１が戻り管５５を介して過冷却装置３９の側の内槽４５内に戻る。

このような図３に示される超電導コイル冷却保持装置３８の場合も、図１に示される装置と同様に、その超電導コイル冷却保持装置３８を傾斜もしくは横転、反転させたり、振動や揺動を与えたりしても、特に支障を来たすことなく正常な運転状態を維持することができる。

したがって前記同様に超電導コイル冷却保持装置３８の姿勢を変えることによって外部へ及ぼす磁界の方向を任意に変えることができる。例えば超電導コイル冷却保持装置３８を横転させた場合の例を図４に示す。

超電導コイル冷却保持装置を示す第１の参考例の略解図である。図１に示される超電導コイル冷却保持装置を横転させた状態を示す略解図である。この発明の第１の実施例の超電導コイル冷却保持装置を示す略解図である。図３に示される超電導コイル冷却保持装置を横転させた状態を示す略解図である。従来の超電導コイル冷却保持装置の一例を示す略解図である。

符号の説明

２１容器
２３内槽
２５外槽
２７真空断熱層
２９超電導コイル
３１液体窒素
３３冷凍機

Claims

高温超電導を利用した超電導コイルを収容した超電導コイルの冷却保持装置の容器の全体を、内槽および外槽からなる内外２重壁構造とし、かつ内槽と外槽との間に真空断熱層を形成して、内槽の壁面の全ての面が真空断熱層によって取囲まれる構成とし、前記内槽内に、その上部に空間を実質的に残すことなく、大気圧下での過冷却温度の液体窒素を充満させ、前記超電導コイルの冷却保持装置の容器の外部で大気圧下での過冷却温度に冷却された液体窒素を、前記内槽内に加圧して導入するように構成したことを特徴とする、超電導コイルの冷却保持装置。
大気圧下での過冷却温度の液体窒素が内部に注入された超電導コイル冷却保持装置の容器と、該超電導コイル冷却保持装置の容器へ送り込む液体窒素を大気圧下での過冷却温度に冷却する過冷却装置と、を備え、
前記超電導コイル冷却保持装置の容器は、内槽と、該内槽が内部に配置された外槽と、これら超電導コイル冷却保持装置の容器の内槽及び外槽の間に形成された真空断熱層とを有し、前記内槽には、大気圧下での過冷却温度の液体窒素が内部に注入されるとともに、高温超電導を利用した超電導コイルが配置され、前記真空断熱層は、該超電導コイル冷却保持装置の容器の内槽の全ての壁面を取り囲んで密閉するように形成されており、
前記過冷却装置は、内槽と、該内槽が内部に配置された外槽と、これら過冷却装置の内槽及び外槽の間に形成された真空断熱層とを有し、前記内槽には、前記液体窒素が内部に注入されるとともに、前記過冷却装置の内槽内に注入された液体窒素を大気圧下での過冷却温度まで冷却する冷却ヘッド、及び該冷却ヘッドで大気圧下での過冷却温度に冷却された液体窒素を前記超電導コイル冷却保持装置の容器の内槽へ送り込むポンプが内部に挿入された超電導コイルの冷却保持装置において、
前記超電導コイル冷却保持装置の容器の内槽及び過冷却装置の内槽には、その上部に空間を実質的に残すことなく、大気圧下での過冷却温度の液体窒素が充満されており、
前記ポンプは、該大気圧下での過冷却温度の液体窒素を加圧して、前記過冷却装置の内槽から超電導コイル冷却保持装置の容器の内槽へ送り込むように構成されていることを特徴とする、超電導コイルの冷却保持装置。