JP5540642B2 - 超電導機器の冷却装置 - Google Patents

Description

この発明は、超電導変圧器などの超電導応用機器について、その高温超電導体を極低温容器に収容した液体窒素中に浸漬して冷却するようにした超電導機器の冷却装置に関する。

昨今では、液体窒素温度(７７Ｋ)以上で超電導状態に転移する高温超電導体の出現に伴い、この高温超電導体を通電中に臨界温度以下に保持する冷却手段として、液体窒素を冷媒に使用した超電導機器の冷却システムの研究，開発が進んでいる。

また、超電導体は冷却温度が低いほど臨界電流値などの超電導特性が向上することから、前記冷却システムとして、極低温容器（真空断熱容器などで構成されたクライオスタット）に収容した液体窒素をＧＭ冷凍機（ギフォード・マクマホン冷凍機）で代表される極低温冷凍機により大気圧下で例えば６３Ｋ以上，７０Ｋ以下の過冷却温度（サブクール温度）に冷却するようにした超電導体機器の冷却システムが実用化に向けて開発されている（例えば、非特許文献１参照）。

前記の非特許文献１に開示されている冷却システムでは、極低温容器を超電導機器の高温超電導体（超電導変圧器のコイル）を収容した機器ユニットの容器と、極低温冷凍機を装備した冷凍機ユニットの容器とに分け、冷凍機ユニットにて大気圧下の過冷却温度に冷却した液体窒素をポンプにより機器ユニットに循環送液して超電導体を冷却するようにしている。なお、液体窒素を収容した極低温容器は、液面上のガス空間が略大気圧を保つように実質大気側に開放している。

一方、前記構成とは別なタイプとして、液体窒素を収容した単一の極低温容器に超電導体，および冷凍機を配置し、超電導機器の稼働時には冷凍機を運転して液体窒素を過冷却温度に冷却し、超電導体の通電に伴う熱負荷を除熱するようにした冷却装置も知られている。

この種の冷却装置は、機器ユニットと冷凍機ユニットに分けて構成した非特許文献１の構成と比べて極低温容器が一つで済む利点があるが、一方では１台の冷凍機で超電導体の熱負荷、および外部から極低温容器に侵入する熱負荷に対応して容器内に収容した液体窒素を適正な冷却温度に保持する冷却制御が難しい問題がある。

かかる点、特許文献１の冷却装置では、液体窒素中に浸漬した冷凍機の冷却ヘッドの挿入高さ位置を可変調節する冷凍機の昇降手段と、冷凍機の冷凍能力（出力）を調整する例えばインバータ制御手段を備え、超電導機器の稼働状況（運転，休止）に対応して冷凍機の冷却ヘッドを適正な位置に昇降して液体窒素の冷却制御を行うことで、冷却効率の向上，および超電導機器の停止中における外部からの侵入熱量の低減を図るようにしている。

特開２００９−６５０１６号公報

吉田 茂、ほか１名、"大気圧過冷却液体窒素を用いた冷却システム"、［ｏｎｌｉｎｅ］、大陽日酸技報 Ｎｏ，２３（２００４）、［平成２１年１０月検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.tn-sanso.co.jp/jp/rd/pdf/23/16.pdf＞

ところで、前記特許文献１の冷却装置には次記のような課題が残る。すなわち、液面上にガス空間を残して液体窒素を収容した単一の極低温容器に超電導体機器と冷凍機を一緒に配置した構成の冷却装置においては、冷凍機には次記のような二面の冷却機能が要求される。

すなわち、超電導体の熱負荷に対して極低温容器に収容した液体窒素を過冷却温度（例えば、６３Ｋ以上，７０Ｋ以下）に保持するには、冷凍機の冷却ヘッドを液体窒素の液面下に浸漬させた上で、その冷却ヘッドの冷熱温度（冷却ヘッドの表面に生成する寒冷の温度）が前記過冷却温度に対応する温度となるように運転制御する必要がある。

一方、超電導体の熱負荷とは別に、極低温容器には容器壁，および該容器の蓋部を貫通して設置した冷凍機を通じて容器外方の常温側から熱侵入があるため、容器上部のガス空間を満たしている窒素ガスと接している液面付近の液体窒素はこの影響を受け易くなる。
そのために、容器外方からの侵入熱量が大きいと、液面付近の液体窒素は沸騰現象（液体窒素の大気圧下における沸点は７７Ｋ）により蒸発量が大きくなる。しかも、この状態が長時間継続すると、蒸発した窒素ガスでガス空間の蒸気圧が大気圧以上となって窒素ガスが容器外方に逸散し、このままでは当初に極低温容器に補填した液体窒素の量が次第に減量し、そのために液体窒素の液面レベルが低下して超電導体の冷却性能にも影響が及ぶようになる。

したがって、極低温容器に装備した冷凍機には、超電導体の熱負荷に対応して容器内に収容した液体窒素を過冷却温度（例えば、６３Ｋ以上，７０Ｋ以下）に保持させる冷却機能のほかに、外方から容器内に侵入する熱負荷によって液体窒素が液面上で過度に蒸発するのを抑えるように、ガス空間を満たしている窒素ガスを凝縮して液体窒素に戻す冷却機能が必要となる。なお、この場合に窒素ガスの凝縮が過度に行われるとガス空間を満たしている窒素ガスの圧力が大気圧に対して負圧となり、このために容器内に外気（湿気を含んだ空気）が侵入して液体窒素の絶縁耐力が低下する問題が派生するおそれがあるので、液面付近では液体窒素をできるだけ７７Ｋ（大気圧での沸点）に近い温度に保持する必要がある。

上記のような冷却機能の要求に対して、特許文献１のように極低温容器に装備した冷凍機で液体窒素を過冷却温度に冷却するように構成した冷却装置では、前記した二つの冷却機能の要求を１台の冷凍機で同時に対応させることが非常に困難である。

この発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的は極低温容器に収容して超電導体を浸漬した液体窒素を大気圧下で過冷却温度を保持して高い冷却性能を確保し、一方では容器外方からの侵入熱により液体窒素が過剰に蒸発するのを抑制し、メンテナンスフリーのまま極低温容器に収容した液体窒素の減量，液面レベルの低下を抑えて長期安定した冷却性能が発揮できるように改良した超電導機器の冷却装置を提供することにある。

前記の目的を達成するために、この発明によれば、略大気圧状態に保持された極低温容器に液体窒素を収容した上で、超電導機器の高温超電導体を液体窒素中に浸漬して冷却する超電導機器の冷却装置であって、前記極低温容器に極低温冷凍機を搭載装備し、液体窒素の液面上にガス空間を残して容器に収容した液体窒素を前記冷凍機により大気圧下の過冷却温度に冷却するようにしたものにおいて、
前記極低温容器に２台の極低温冷凍機を装備し、第１の冷凍機はその冷却ヘッドを液体窒素の液面から離して液体窒素中に浸漬配置するとともに、第２の冷凍機はその冷却ヘッドの少なくとも一部を前記ガス空間に露呈させて液体窒素の液面近傍に配置し、前記２台の極低温冷凍機はその冷却ヘッドの冷熱温度を個別に設定して運転制御するようにし、第１の冷凍機はその冷却ヘッドの冷熱温度で超電導体を浸漬した液体窒素を大気圧下の過冷却温度に保持するように運転制御し、第２の冷凍機はその冷却ヘッドの冷熱温度で液面付近の液体窒素，および液面上のガス空間を満たしている窒素ガスを液体窒素の沸点に相当する温度に保持するように運転制御することを特徴とする（請求項１）。これにより、超電導体の熱負荷に対応して液体窒素を過冷却温度に冷却する冷却機能と、容器外方から侵入する熱負荷によって液面から蒸発する液体窒素の蒸発量を抑制する冷却機能を、前記第１，第２の冷凍機で別々に分担させるようにする。

また、前記構成の冷却装置において、極低温容器には、該容器内のガス空間を満たしている窒素ガスを略大気圧に保持する調整手段を備えるものとする（請求項２）。

具体的には前記調整手段は、容器内圧力が大気圧より所定の圧力だけ上昇した際に窒素ガスを容器外に放出する窒素ガス放出機構と、容器内圧力が大気圧より所定の圧力だけ降下した際に窒素ガスを極低温容器に補給する窒素ガス供給機構とで構成する（請求項３）。

この発明によれば、次記効果を奏することができる。
（１）極低温容器に装備した２台の極低温冷凍機についてはその冷却ヘッドの冷熱温度を個別に設定し、液体窒素の液面下に浸漬配置した第１の冷凍機はその冷凍能力により超電導体を浸漬した周囲の液体窒素を過冷却温度に冷却し、液面近傍に配置した第２の冷凍機はその冷凍能力により液面からの液体窒素の蒸発量を抑制するように個別に運転制御でき、これによりメンテナンスフリーのまま極低温容器に収容した液体窒素の減量，液面の変動を抑制しつつ、超電導体を過冷却温度に冷却した液体窒素により効率よく冷却できる。
（２）また、前記第２の冷凍機による冷却機能のバックアップ手段として、極低温容器に該容器内のガス空間を満たしている窒素ガスを略大気圧に保持する調整手段を備えたことにより、極低温容器のガス空間を略大気圧状態に保持して湿気を含んだ外気の侵入，外気侵入による電気的な絶縁耐力低下を防ぐことができて冷却装置の信頼性向上が図れる。

この発明による冷却装置の第1実施例の略示構成図である。 この発明による冷却装置の第２実施例の略示構成図である。

以下、この発明による実施の形態を図１，図２に示す実施例に基づいて説明する。

まず、この発明の請求項１に対応する実施例を図１で説明する。図において、１は真空断熱容器の構成になる極低温容器、１ａは極低温容器１のトップフランジ（蓋部）、２は超電導機器の超電導体（例えば、超電導変圧器のコイル）、３，４はＧＭ冷凍機（ギフォード・マクマホン冷凍機）で代表される第１の極低温冷凍機，および第２の極低温冷凍機、５は極低温容器１に収容した液体窒素、５ａは液体窒素５の液面上に残る極低温容器１のガス空間を満たしている窒素ガスである。なお、極低温容器１は先記した従来の極低温容器と同様に、容器内の空間を実質大気側に開放して略大気圧を保持するようにしている。

ここで、前記の超電導体２はトップフランジ１ａに支持構造物（不図示）を介して容器１内に吊り下げ支持し、液体窒素５に浸漬するよう配備されている。また、第１，第２の極低温冷凍機３，４はそれぞれトップフランジ１ａに据付けた上で、第１の極低温冷凍機３はその先端の冷却ヘッド３ａ（冷凍機の運転により表面に寒冷が発生する部分）が液体窒素５の液面高さＨから下方に距離Ｌ（Ｌ：１００mm以上）だけ離して液体窒素の中に浸漬するような高さ位置に配置されている。一方、第２の極低温冷凍機４はその冷却ヘッド４ａを液体窒素５の液面高さＨに合わせ、冷却ヘッド４ａの一部がガス空間を満たしている窒素ガス５ａ側に露呈するような高さ位置に設定して配置されている。

なお、前記第１，第２の極低温冷凍機３，４はＧＭ冷凍機やパルス管冷凍機などの小型冷凍機であって、この構造，動作原理は周知でありここではその説明は省略するが、冷却ヘッド３ａ，４ａは次記のように第１の極低温冷凍機３と第２の極低温冷凍機４とで異なる冷熱温度を発生するように設定して冷凍機を運転制御している。

すなわち、第１の極低温冷凍機３は、大気圧下で極低温容器１に収容した液体窒素５を６３Ｋ〜７０Ｋの過冷却温度に保持するように冷却ヘッド３ａの冷熱温度を設定して運転制御する。これに対して、第２の極低温冷凍機４は、その冷却ヘッド４ａの冷熱温度を液体窒素の沸点に相当する７７Ｋに設定して運転制御するようにしている。

上記の構成で、超電導機器２の稼働状態（運転，休止）に合わせて第１，第２の極低温冷凍機３，４を運転制御することにより、第１の極低温冷凍機３は、その冷凍能力で超電導機器１を浸漬した周囲の液体窒素５をその過冷却温度に冷却して超電導体２の熱負荷を効率よく除熱することができる。

一方、第２の極低温冷凍機４は、その冷凍能力で液面付近の液体窒素、および液面上のガス空間を満たしている窒素ガスが７７Ｋを維持するように冷却する。これにより、容器外方からの侵入熱によって液体窒素５が液面上から過度に蒸発するのを抑制するとともに、過剰な窒素ガスを凝縮して液体窒素に戻すことができる。したがって、容器外方からの侵入熱に起因して蒸発した窒素が極低温容器１から大気側に逸出して液体窒素が減量するのを防ぎ、当初に極低温容器１に収容した液体窒素５の液面レベルをメンテナンスフリーのままで長期に安定保持できる。

次に、先記実施例１の構成に加えて、極低温容器１のガス空間を満たしている窒素ガスを略大気圧に保持する調整手段を追加装備したこの発明の請求項２，３に係わる実施例を図２に示す。

すなわち、この実施例では前記調整手段として、極低温容器１のトップフランジ１ａには、ガス空間を満たしている窒素ガスが大気圧より予め定めた圧力だけ上昇した際に、窒素ガスを容器外に放出する窒素ガス放出機構（安全弁）６と、前記とは逆にガス空間が大気圧より予め定めた圧力だけ下降した際に外部の窒素ガス供給源７ａから窒素ガスを極低温容器１に補給する窒素ガス供給機構７をガス空間に追加装備している。なお、８は圧力計である。

極低温容器１に前記調整手段を追加装備することにより、超電導機器の稼働中に大きな熱負荷変動が生じたり、極低温冷凍機の運転制御系に異常が生じたりして冷却装置の冷却制御機能が乱れ、このために液体窒素の蒸発量が増加したり、逆に窒素ガスの凝縮が過度になってガス空間の内圧が増減変化した場合でも、極低温容器１のガス空間を略大気圧に維持して外気侵入を防ぎ、装置の冷却運転を安全に継続することができる。

１：極低温容器
１ａ：トップフランジ
２：超電導体
３：第１の極低温冷凍機
４：第２の極低温冷凍機
３ａ，４ａ：冷却ヘッド
５：液体窒素
６：窒素ガス放出機構
７：窒素ガス供給機構

Claims (3)

1. 略大気圧状態に保持された極低温容器に液体窒素を収容し、超電導機器の高温超電導体を液体窒素中に浸漬して冷却する超電導機器の冷却装置であって、前記極低温容器に極低温冷凍機を搭載装備し、液体窒素の液面上にガス空間を残して容器に収容した液体窒素を前記冷凍機により大気圧下の過冷却温度に冷却するようにしたものにおいて、
   前記極低温容器に２台の極低温冷凍機を装備し、第１の冷凍機はその冷却ヘッドを液体窒素の液面から離して液体窒素中に浸漬配置するとともに、第２の冷凍機はその冷却ヘッドの少なくとも一部を前記ガス空間に露呈させて液体窒素の液面近傍に配置し、
   前記２台の極低温冷凍機はその冷却ヘッドの冷熱温度を個別に設定して運転制御するようにし、第１の冷凍機はその冷却ヘッドの冷熱温度で超電導体を浸漬した液体窒素を大気圧下の過冷却温度に保持するように運転制御し、第２の冷凍機はその冷却ヘッドの冷熱温度で液面付近の液体窒素，および液面上のガス空間を満たしている窒素ガスを液体窒素の沸点に相当する温度に保持するように運転制御することを特徴とする超電導機器の冷却装置。
2. 請求項１に記載の冷却装置において、極低温容器には、該容器内のガス空間を満たしている窒素ガスを略大気圧に保持する調整手段を備えたことを特徴とする超電導機器の冷却装置。
3. 請求項２に記載の冷却装置において、前記調整手段は、容器内圧力が大気圧より所定の圧力だけ上昇した際に窒素ガスを容器外に放出する窒素ガス放出機構と、容器内圧力が大気圧より所定の圧力だけ降下した際に窒素ガスを極低温容器に補給する窒素ガス供給機構とからなることを特徴とする超電導機器の冷却装置。

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