JPH1054637A - 超電導部材冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高温超電導部材を液体窒素により浸漬冷却す
る装置において、高価でかつ操作が煩雑な低温真空封止
部を要することなく、冷却用容器として大気に実質的に
開放された一般的な汎用クライオスタットを用いて、従
来よりも低温に冷却し得るようにするとともに、作動時
における気泡の発生を防止する。 【解決手段】 請求項１：大気に実質的に開放された冷
却用容器内に、大気圧で過冷却状態の冷却用液体窒素を
導入し、かつその冷却用液体窒素の液面上に空間を残し
て、その空間を大気圧の窒素ガスで満たした状態とし、
冷却用容器内の液体窒素中に超電導部材を浸漬させるよ
うにした。 請求項２：冷却用容器内の大気圧過飽和状
態の液体窒素の液面下に断熱部材を設けた。 請求項
３：冷却用容器の液面上の空間に積極的に大気圧の低温
窒素ガスを導入することとした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、超電導トランス
や超電導マグネット、そのほか各種の超電導コイル、あ
るいは超電導ケーブルなどの超電導部材、特に高温超電
導部材を、液体窒素によって低温に冷却・保持するため
の超電導部材冷却装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】超電導コイルなどの超電導部材、特に高
温超電導を利用した超電導部材を冷却するにあたって
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の液体窒素が用いられてい
る。すなわち、真空断熱されたクライオスタットと称さ
れる大気に実質的に開放された冷却用容器に超電導部材
を収容しておき、その冷却用容器内に約７７Ｋの大気圧
飽和液体窒素を注入してその液体窒素中に超電導部材を
浸漬させ、冷却・保持するのが通常である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで高温超電導部
材においては、若干でも温度が下がれば、超電導特性が
大幅に向上することが知られている。例えば臨界電流
は、７７Ｋから７０Ｋに下がっただけでも数倍に大きく
なることが知られている。

【０００４】そこで大気圧の液体窒素を減圧して例えば
６５Ｋ程度に温度降下させた液体窒素中に超電導部材を
浸漬させて、超電導部材を７７Ｋよりも低い温度まで冷
却することが考えられる。その場合、液体窒素中に超電
導部材を浸漬させるための容器では、液体窒素の減圧状
態を維持させる必要がある。ところで一般に使用されて
いるクライオスタットでは、実質的に大気に開放させた
状態での使用を前提としているため、この種の汎用クラ
イオスタットを減圧した液体窒素に適用しようとすれ
ば、蓋部や電流導入端子等の箇所における封止の点で不
充分となり、外部から水分を含む大気圧の空気が内部に
吸い込まれて、電流導入端子のガス抜穴での水分凍結に
よる閉塞や超電導部材表面への氷の付着が生じたりし、
実用上運転が不可能となるおそれがある。そのため前述
の目的のためには、新たに特殊な容器を設計、製作しな
ければならず、その場合コストの大幅な上昇を招く問題
があり、そのため実用化はためらわれていたのが実情で
ある。

【０００５】また一方、大気圧の飽和液体窒素中に超電
導部材を浸漬させて超電導部材を作動させた場合、超電
導部材の発熱によって飽和液体窒素が直ちに気化してガ
ス気泡が発生するため、そのガス気泡によって電気絶縁
性が低下したり、冷却効率が低下したりしてしまう問題
があるが、前述のように減圧によって例えば６５Ｋ程度
に温度降下された液体窒素中に超電導部材を浸漬させた
場合も、減圧下では超電導部材の発熱によって前記同様
に直ちに液体窒素が気化して気泡が発生するから、気泡
発生に対する根本的な解決策とはならない。したがって
このことも減圧された液体窒素の使用がためらわれてい
た一因である。

【０００６】この発明は以上の事情を背景としてなされ
たもので、液体窒素によって高温超電導部材を冷却する
にあたって、特殊な真空封止などを行なわずに、大気開
放の極く一般的な汎用クライオスタットを超電導部材冷
却用容器として用いながらも、より低温に高温超電導部
材を冷却して超電導性能を向上させ得るようにするとと
もに、高温超電導部材作動時における高温超電導部材の
発熱による液体窒素からのガス気泡の発生を抑制するよ
うにした、超電導部材冷却装置を提供することを目的と
するものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前述のような課題を解決
するため、この発明の超電導部材冷却装置では、基本的
には、大気圧で過冷却状態とした液体窒素を、超電導部
材を冷却保持するための冷却媒体として用いるように構
成している。

【０００８】具体的には、請求項１の発明の超電導部材
冷却装置は、超電導部材を収容してその超電導部材を冷
却するための実質的に大気に開放された冷却用容器と、
減圧手段によって内部が減圧される減圧用容器と、前記
減圧用容器の内部に配設された熱交換器と、前記減圧用
容器に熱交換用液体窒素を供給するための熱交換用液体
窒素供給手段と、前記熱交換器に大気圧の冷却用液体窒
素を供給するための冷却用液体窒素供給手段と、前記熱
交換器を通過した大気圧で過冷却状態の冷却用液体窒素
を前記冷却用容器に移送するための移送手段とを有して
なり、液面上に空間を残すように前記移送手段によって
前記冷却用容器内に供給された大気圧で過冷却状態の冷
却用液体窒素中に前記超電導部材を浸漬させるようにし
たことを特徴とするものである。

【０００９】このような請求項１の発明の超電導部材冷
却装置において、減圧用容器内に供給された熱交換用液
体窒素（例えば約７７Ｋの大気圧の飽和液体窒素）は、
その減圧容器内で減圧されて温度降下し、例えば６５Ｋ
の低温に温度降下する。一方大気圧の冷却用液体窒素
（例えば約７７Ｋの飽和液体窒素）が熱交換器に導かれ
て、前述の６５Ｋの熱交換用液体窒素と熱交換され、例
えば６７Ｋ程度まで大気圧のままで冷却される。すなわ
ち大気圧のままで過冷却される。そしてその大気圧のま
まで例えば６７Ｋ程度に過冷却された冷却用液体窒素
が、大気に実質的に開放された冷却用容器に導かれ、そ
の冷却用液体窒素中に浸漬された超電導部材を例えば７
０Ｋの低温に冷却することができる。すなわち、通常の
７７Ｋ程度の大気圧の飽和液体窒素を用いた場合よりも
確実に低温に冷却することができ、そのため超電導部材
の性能を向上させることができるのである。しかもこの
場合、冷却用容器は大気に実質的に開放されておりかつ
冷却用容器に供給される冷却用液体窒素も減圧されてい
ない大気圧のままのものであるから、冷却用容器内の液
面上の空間の圧力も実質的に外部と同じ大気圧となり、
したがって外部から水分を含む大気圧の空気が内部に吸
い込まれるおそれは少なく、そのため冷却用容器の蓋部
や電流導入端子等の封止も特に厳密さが要求されない。
また超電導部材を浸漬させた冷却用液体窒素が前述のよ
うに過冷却状態であるため、超電導部材の作動時におい
て超電導部材が発熱しても、その発熱部位周辺で液体窒
素が気化温度に達するには温度的余裕があり、そのため
直ちにはガス気泡が発生せず、したがってガス気泡によ
って絶縁性が低下したり冷却効率が低下したりするおそ
れがない。

【００１０】また請求項２の発明の超電導部材冷却装置
は、請求項１の超電導部材冷却装置において、大気に実
質的に開放された前記冷却用容器内における過冷却状態
の冷却用液体窒素の液面下でかつ超電導部材よりも上方
の位置に断熱部材が浸漬されてなるものである。

【００１１】このような請求項２の発明の超電導部材冷
却装置においては、冷却用容器内の過冷却状態の液体窒
素の液面下の断熱部材によって、超電導部材が配設され
ている位置（通常は冷却用容器の底部）と液面との間に
積極的に温度勾配が形成されるとともに、対流撹拌によ
って冷却用容器内の冷却用液体窒素の上下温度が均一化
されてしまうことを防止できる。その結果、超電導部材
が配設されている部分の温度を低温に維持し、超電導部
材を充分な低温に冷却保持することができる。

【００１２】さらに請求項３の発明の超電導部材冷却装
置は、請求項１の超電導部材冷却装置において、大気に
実質的に開放された冷却用容器内における過冷却状態の
冷却用液体窒素の液面上の空間に大気圧の低温窒素ガス
を供給するための低温窒素ガス供給手段を備えているも
のである。

【００１３】このような請求項３の発明の超電導部材冷
却装置においては、冷却用容器内の過冷却状態の冷却用
液体窒素の液面上の空間が、外部から供給される低温の
大気圧の窒素ガスによって満たされるため、冷却用液体
窒素の液面上の空間が減圧されてしまうことを確実に防
止して、水分を含む大気が冷却用容器の蓋部や電流導入
端子等から侵入してしまうことを確実かつ有効に防止す
ることができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】

【００１５】

【実施例】図１にこの発明の一実施例の超電導部材冷却
装置を示す。

【００１６】図１において、冷却対象となる超電導部材
１は冷却用容器３の底部に配置されている。この冷却用
容器３は、大気に実質的に開放された一般的な汎用のク
ライオスタットからなるものであって、その外周壁部お
よび底壁部が真空断熱構造５とされ、また上端には開閉
可能な蓋部７が設けられている。この蓋部７は、容器本
体に対して真空封止されたものではなく、またこの蓋部
７には汎用のクライオスタットと同様な電流導入端子等
が設けられており、このような蓋部７と容器本体部分と
の間の隙間や電流導入端子等を通じて冷却用容器３の内
部は実質的に大気開放された状態となっている。なお蓋
部７には安全弁１９が設けられているが、この安全弁１
９は、内部圧力が外部の大気圧に対して例えば＋０．１
ｋｇｆ／ｃｍ² を越えた場合に開放されて、内部圧力を
大気圧〜大気圧＋０．１ｋｇｆ／ｃｍ² の実質的な大気
圧力範囲内に保持するように機能する。そして超電導部
材１は蓋部７から支持部材９Ａ，９Ｂによって吊下げた
状態となっている。冷却用容器３内の底部には、後述す
るように第２トランスファチューブ５９を介して大気圧
で過冷却状態の液体窒素（冷却用液体窒素）１１が供給
されて、超電導部材１がその冷却用液体窒素１１に浸漬
される。またその冷却用容器３内における冷却用液体窒
素１１の液面１１Ａよりもわずかに下方の位置には、水
平横断面の外形形状が冷却用容器３の水平横断面内周形
状と実質的に相似の形状をなしかつ上下方向に所定の厚
みを有する断熱部材１３が配設されている。この断熱部
材１３は、要は全体として上下方向への熱伝導が液体窒
素よりも格段に少ないものとなっていれば良いが、通常
はＦＲＰなど熱伝導率の小さい材料によって形成する
か、あるいは中空構造としてその中空部分を真空断熱構
造としたりすれば良い。なおこの断熱部材１３は、前述
の支持部材９Ａ，９Ｂによって蓋部７から吊下げられて
おり、またその断熱部材１３の周囲が冷却用容器３の内
周壁面に対して若干の隙間１４を保つように作られてい
る。一方冷却用容器３における冷却用液体窒素１１の液
面１１Ａの上方に残された空間（蓋部７と液面１１Ａと
の間の空間）１５には、後述するように窒素ガス供給管
４３を経て大気圧の低温窒素ガスが供給される。また冷
却用容器３内における冷却用液体窒素１１の液面１１Ａ
付近には、後述する排液管１７の一端側開口端が開口し
ている。

【００１７】さらに前述のように大気に実質的に開放さ
れた冷却用容器３とは別に、供給側容器２１および減圧
用容器２３が配設されている。

【００１８】供給側容器２１は、前述の冷却用容器３と
同様に大気に実質的に開放されたものであって、この供
給側容器２１には、外部の液体窒素供給源２５から、制
御弁２７および供給管２９を介して大気圧の液体窒素３
０が供給される。その供給量は供給側容器２１内に設け
た液面計３１および前記制御弁２７によって制御され
る。また供給側容器２１内には、送液ポンプ３３が配設
されており、この送液ポンプ３３によって供給側容器２
１内の大気圧の液体窒素３０が、第１トランスファチュ
ーブ３５を介して減圧用容器２３内の後述する熱交換器
５７へ輸送されるようになっている。また供給側容器２
１内における液体窒素３０の液面の上方の空間にはガス
熱交換器３７が配設されており、このガス熱交換器３７
には、外部の窒素ガス供給源３９から管路４１を経て大
気圧の窒素ガスが導かれるようになっている。このガス
熱交換器３７においては、窒素ガス供給源３９からの窒
素ガスが供給側容器２１の液面上方の空間の窒素ガスと
熱交換されて冷却され、前述の窒素ガス供給管４３を介
して冷却用容器３内の液面上空間１５に導かれる。なお
供給側容器２１内の液面下には、前述の冷却用容器３か
ら導かれる排液管１７の先端が開口している。

【００１９】一方減圧用容器２３には、外部の液体窒素
供給源４５から、制御弁４７および供給管４９を介して
熱交換用液体窒素５１が供給される。その供給量は、減
圧用容器２３内に設けた液面計５３および制御弁４７に
よって制御されるようになっている。またこの減圧用容
器２３には、減圧手段としてロータリーポンプ５５が接
続されており、このロータリーポンプ５５によって内部
の熱交換用液体窒素５１が大気圧よりも所定の圧力だけ
低い圧力（例えば２０ｋＰａ）に減圧され、またそれに
伴なって温度降下されるようになっている。さらに減圧
用容器２３内には、熱交換用液体窒素５１に浸漬される
位置に熱交換器５７が配設されている。この熱交換器５
７の入口側には、前述の供給側容器２１から第１トラン
スファチューブ３５を介して大気圧の飽和液体窒素３０
が供給されて、その大気圧の液体窒素３０が、減圧用容
器２３内の減圧された低温の熱交換用液体窒素５１と熱
交換されて、温度降下する。また熱交換器５７の出口側
は第２トランスファチューブ５９に接続されていて、熱
交換により温度降下した液体窒素３０が前述の大気に実
質的に開放された冷却用容器３に導かれるようになって
いる。

【００２０】ここで減圧用容器２３の側の液体窒素供給
源４５、制御弁４７、供給管４９は、減圧用容器２３へ
熱交換用液体窒素を供給するための熱交換用液体窒素供
給手段６１を構成している。また液体窒素供給源２５、
制御弁２７、供給管２９、供給側容器２１、送液ポンプ
３３、第１トランスファチューブ３５は、熱交換器５７
に大気圧の液体窒素を供給するための冷却用液体窒素供
給手段６３を構成している。さらに第２トランスファチ
ユーブ５９は、熱交換器５７を通過した大気圧で過冷却
状態の冷却用液体窒素を冷却用容器３に移送するための
移送手段６５を構成している。そしてまた窒素ガス供給
源３９、ガス熱交換器３７、窒素ガス供給管４３は、冷
却用容器３における液面上の空間１５に大気圧の低温窒
素ガスを供給するための低温窒素ガス供給手段６７を構
成している。

【００２１】以上のような図１に示される実施例の超電
導部材冷却装置の全体的な機能について以下に説明す
る。

【００２２】供給側容器２１から送液ポンプ３３により
第１トランスファチューブ３５を介して減圧用容器２３
内の熱交換器５７へ送られる液体窒素３０は、７７Ｋ程
度の温度の大気圧飽和状態のものとなっている。一方減
圧用容器２３内は減圧手段、例えばロータリーポンプ５
５によって大気圧よりも所定圧力だけ低い圧力に減圧さ
れ、そのため液体窒素供給源４５から減圧用容器２３に
供給された液体窒素５１は、大気圧下の飽和温度（７７
Ｋ程度）から例えば６５Ｋ程度まで温度降下される。そ
して供給側容器２１から熱交換器５７へ送られて来た大
気圧の液体窒素３０は、減圧用容器２３内の６５Ｋの液
体窒素５１と熱交換されて、例えば６７Ｋ程度まで温度
降下する。すなわち過冷却状態となる。なおこの熱交換
器５７においては、液体窒素３０の圧力は特に変化せ
ず、大気圧の状態を維持する。

【００２３】上述のようにして６７Ｋ程度に過冷却され
た大気圧の液体窒素３０は、第２トランスファチューブ
５９を介して、大気に実質的に開放された冷却用容器３
内に導かれる。冷却用容器３内に導かれた過冷却状態の
大気圧の液体窒素を図１では符号１１で示しており、こ
れが冷却用液体窒素に相当する。ここで、冷却用容器３
内における冷却用液体窒素１１の量は、液面１１Ａ上に
空間１５が残るように排液管１７によって調整される。

【００２４】冷却用容器３内においては、前述のような
例えば６７Ｋの過冷却状態の大気圧の液体窒素１１によ
って超電導部材１が例えば７０Ｋ程度に冷却・保持され
る。ここで、冷却用容器３内における冷却用液体窒素１
１の液面１１Ａの上方の空間１５には窒素ガス供給管４
３を介して大気圧の窒素ガスが導入される。この窒素ガ
スは、供給側容器２１内のガス熱交換器３７によって低
温、例えば８０Ｋ程度に冷却されたものであり、したが
って冷却用容器３の液面上の空間１５は低温の大気圧窒
素ガスで満たされることになる。そのため冷却用容器３
内の圧力が確実に大気圧に維持され、蓋部７の封止部分
を介して外部から空気が引き込まれて侵入することが確
実に防止される。また冷却用容器３内における冷却用液
体窒素１１の液面下には断熱部材１３が配設されている
から、冷却用液体窒素１１の液面（気液界面であるため
約７７Ｋ）とその断熱部材１３よりも下側、特に超電導
部材１が位置している冷却用容器底部との間で確実に熱
勾配を与えることができる。またその断熱部材１３の存
在によって液面１１Ａ付近に底部側との間での対流撹拌
が阻止される。そしてこれらの結果、超電導部材１が位
置する底部の冷却用液体窒素１１を、確実に７０Ｋ程度
の低温の過冷却状態に維持することができる。そしてこ
のように超電導部材１が例えば７０Ｋの過冷却状態の低
温の液体窒素１１によって取囲まれるため、超電導部材
１の作動時において超電導部材１が発熱しても、その周
囲の液体窒素が大気圧下での気化温度（約７７Ｋ）に至
るまでには約７Ｋの余裕があり、そのため超電導部材１
の発熱によってその周囲の液体窒素が直ちに気化してガ
ス気泡が発生してしまうことを有効に防止できる。

【００２５】なお以上の実施例では、冷却用容器３にお
ける冷却用液体窒素１１の液面１１Ａの上方の空間１５
に窒素ガス供給管４３を介して大気圧の低温窒素ガスを
導入する構成としているが、場合によっては上記の空間
１５に大気圧の低温窒素ガスを積極的には導入しない構
成とすることもできる。すなわち、冷却用容器３におけ
る冷却用液体窒素１１の液面１１Ａが高い場合（液面１
１Ａが蓋部７に近接している場合）には、蓋部７からの
侵入熱によって液面１１Ａにおける大気圧下での窒素の
液相−気相平衡状態を保つことが可能となり、そのため
液面１１Ａ上の空間１５の圧力を実質的に大気圧に維持
して、外部からの空気の吸い込みを防止し、液面１１Ａ
からの気化による大気圧の低温窒素ガスで空間１５を充
満させておくことができる。但し、確実に空間１５を大
気圧の窒素ガスで満たしておくためには、前述のように
積極的に大気圧の低温窒素ガスを導入することが望まし
いことはもちろんである。

【００２６】

【発明の効果】請求項１の発明の超電導部材冷却装置に
よれば、超電導部材を浸漬冷却させるための冷却媒体と
して、大気圧で過冷却状態の液体窒素、すなわち大気圧
で飽和状態の液体窒素よりも低温の液体窒素を用いてい
るため、超電導部材をより低温に冷却・保持して、その
性能をより向上させることができ、しかもその液体窒素
の液面上方の空間は大気圧の窒素ガスによって満たされ
ているから、超電導部材および液体窒素を収容する冷却
用容器としては、実質的に大気に開放される汎用の安価
なクライオスタットを用いることができ、そのためコス
ト低減を図ることができる。さらにこの発明の超電導部
材冷却装置では、前述のように超電導部材が過冷却状態
の液体窒素中に浸漬されて、超電導部材が過冷却状態の
液体窒素によって取囲まれるところから、超電導部材作
動時において超電導部材の発熱によってガス気泡が発生
することを有効に防止でき、そのためガス気泡の発生に
より電気絶縁性の低下を招いたり、冷却効率の低下を招
いたりするおそれも少ない。

【００２７】また請求項２の発明の超電導部材冷却装置
においては、冷却用容器内の大気圧過冷却液体窒素の液
面下に断熱部材を配設しておくことによって、冷却用容
器内の底部の超電導部材が配置される部位の液体窒素を
確実に過冷却の低温状態に維持することができ、そのた
め前述の請求項１の発明の効果をより一層確実に発揮さ
せることができる。

【００２８】さらに請求項３の発明の超電導部材冷却装
置によれば、冷却用容器の液面上の空間に大気圧の低温
窒素ガスを積極的に導入するため、上記空間の圧力を確
実に大気圧に維持して、蓋部等からの外気の侵入をより
確実に防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例の超電導部材冷却装置を示
す略解図である。

【符号の説明】

１ 超電導部材 ３ 冷却用容器 １１ 冷却用液体窒素 １３ 断熱部材 ２３ 減圧用容器 ５１ 熱交換用液体窒素 ６１ 熱交換用液体窒素供給手段 ６３ 冷却用液体窒素供給手段 ６５ 移送手段 ６７ 低温窒素ガス供給手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 592054605 船木 和夫 福岡県福岡市東区みどりが丘１丁目１番７ 号 (71)出願人 595113392 岩熊 成卓 福岡県大野城市下大利団地26棟402号 (72)発明者 吉田 茂 大阪府大阪市西区靱本町２丁目４番11号 大陽東洋酸素株式会社内 (72)発明者 上岡 泰晴 大阪府大阪市西区靱本町２丁目４番11号 大陽東洋酸素株式会社内 (72)発明者 石田 恒美 大阪府大阪市西区靱本町２丁目４番11号 大陽東洋酸素株式会社内 (72)発明者 今野 雅行 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 (72)発明者 山藤 馨 福岡県福岡市中央区草香江１丁目６番21号 (72)発明者 船木 和夫 福岡県福岡市東区みどりが丘１丁目１番７ 号 (72)発明者 岩熊 成卓 福岡県大野城市下大利団地26−402

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超電導部材を収容してその超電導部材を
   冷却するための大気に実質的に開放された冷却用容器
   と；減圧手段によって内部が減圧される減圧用容器と；
   前記減圧用容器の内部に配設された熱交換器と；前記減
   圧用容器に熱交換用液体窒素を供給するための熱交換用
   液体窒素供給手段と；前記熱交換器に大気圧の冷却用液
   体窒素を供給するための冷却用液体窒素供給手段と；前
   記熱交換器を通過した大気圧で過冷却状態の冷却用液体
   窒素を前記冷却用容器に移送するための移送手段；とを
   有してなり、液面上に空間を残すように前記移送手段に
   よって前記冷却用容器内に供給された大気圧で過冷却状
   態の冷却用液体窒素中に前記超電導部材を浸漬させるよ
   うにしたことを特徴とする超電導部材冷却装置。
2. 【請求項２】 請求項１の超電導部材冷却装置におい
   て、大気に実質的に開放された前記冷却用容器内におけ
   る大気圧過冷却状態の冷却用液体窒素の液面下でかつ超
   電導部材よりも上方の位置に断熱部材が浸漬されている
   超電導部材冷却装置。
3. 【請求項３】 請求項１の超電導部材冷却装置におい
   て、大気に実質的に開放された前記冷却用容器内におけ
   る大気圧過冷却状態の冷却用液体窒素の液面上の空間に
   大気圧の低温窒素ガスを供給するための低温窒素ガス供
   給手段を備えている超電導部材冷却装置。