JP5297162B2 - 超電導装置 - Google Patents

Description

本発明は超電導装置に関する。本発明は特に超電導体の収納構造に関する。

超電導材料を主要部に使用した各種の機器において、従来の金属超電導線材では絶対零度に近い液体ヘリウム温度の冷却が必要であった。こうした機器においては、使用時の温度と超電導線材の超電導性が損なわれる臨界温度との裕度が小さいため、液体ヘリウムの浸漬冷却又は強制循環冷却によって冷却が行われる。

これに対して近年、絶対温度７７Ｋの液体窒素でも超電導状態が得られる高温超電導線材の開発が進んでいる。このような超電導線材では、極低温冷凍機による超電導体の伝導冷却によって超電導条件を安定して得ることができる。

図１は、このような超電導線材を用いた超電導装置の一例を示す。超電導装置１０１は真空断熱容器（クライオスタット）１０２を備える。真空断熱容器１０２の内部は排気ポート１０８から真空引きされることによって真空状態となる。真空断熱容器１０２の内部に超電導コイル１０３が配置される。超電導コイル１０３は超電導コイル冷却用冷凍機１０５によって冷却される。真空断熱容器１０２の内面は輻射シールドによって覆われる。輻射シールドは輻射シールド冷却用冷凍機１０６によって冷却される。超電導コイル１０３と外部の電気機器とは電流リード１０４を介して電気的に接続される。真空断熱容器１０２の内部の状態は計測ポート１０７に配置される計測装置によって監視される。このような装置によって高温超電導線材の冷却が可能である。

超電導装置において、機器の基本機能を司る主要部に加えて、主要部に電源を供給する電流リード部にも超電導体が用いられる。その超電導体の冷却や、外部から侵入する熱の除去のために、極低温冷凍機が使用される。

図２に、超電導装置の電流リード部の構成の一例を示す。真空断熱容器１１０は、開放用フランジ１１５で蓋１１４が固定されることにより密閉される。真空断熱容器１１０はマンホール１１３を備える。真空断熱容器１１０の内面は輻射熱シールド材１１２によって覆われる。真空断熱容器１１０の内部は真空排気兼乾燥気体注入口１２７から真空引きされて真空状態にされる。真空断熱容器１１０の内部に内部超電導体１１１が配置される。内部超電導体１１１は冷却導体１１８を介して内部超電導体冷却装置１１６のコールドヘッド１１７と接続される。内部超電導体冷却装置１１６は、内部超電導体１１１を超電導状態に維持するための温度まで冷却する極低温冷凍機である。

内部超電導体１１１の導体は更に、導電体１２４を介して超電導電流リード１２３の一端に接続される。超電導電流リード１２３の他端は常電導リード１２１に接続される。冷却導体１２２は超電導電流リード１２３と常電導電流リード１２１の接続部を冷却する。常電導電流リード１２１の他端は真空断熱容器１１０外部の導電体１２０に接続される。導電体１２０の端部は外部電源系取合として使用される。内部超電導体１１１は導電体１２４、超電導電流リード１２３、常電導電流リード１２１及び導電体１２０を介して外部の電気機器と電気的に接続される。冷却導体１２２は電流リード冷却装置１２５のコールドヘッド１２６に接続される。電流リード冷却装置１２５は冷却導体１２２を介して超電導電流リード１２３を超電導状態となる温度まで冷却する。

このような超電導装置では、内部超電導体冷却装置１１６のコールドヘッド１１７、内部超電導体１１１、電流リード冷却装置１２５のコールドヘッド１２６、冷却導体１１８などが共通の真空断熱容器１１０の内部に収納されている。冷凍機や電流リードの建設や保守時には、超電導体や冷却導体が昇温された状態で、人がマンホール１１３から内部に入って接続、切り離し等の作業を行う。組立時には、超電導体と冷凍機の組み合わせ接続品を事前に組み立てた状態で、開放用フランジ１１５を開放して真空断熱容器１１０の内部に組み込む。

このような超電導装置における真空シールド容器は、低温強度を向上するために、また真空度の低下の原因となるガスの発生を低減するために、ステンレス鋼による溶接組立構造により構成される。冷凍機や電流リード等の外部からの機器取り付け座や、開放用フランジ部、マンホール取り付け座は、Ｏリング等により気密シールが施される。

極低温冷凍機は、ヘリウムガスの断熱膨張により先端のコールドヘッド部を極低温とすることができる。冷却導体１１８は、銅に例示される熱と電気を通し易い材料によって形成される。

真空排気兼乾燥空気注入口１２７は、保守時に結露を防止しつつ真空を破壊し内部を昇温するために、乾燥空気や乾燥窒素を真空断熱容器１１０の内部に導入するためにも使用される。作業完了後は、真空引きの後、常温から長時間をかけて初期冷却を行うことによって極低温状態にする。

超電導装置の冷却構造の一例として、以下の特許文献１を挙げる。
特開２００６−３２４３２５号公報

図１、図２に例示される超電導装置には、以下のような課題がある。
（１）極低温冷凍機と内部超電導体及び電流リードの接続作業時に、作業者が真空断熱容器内に入って狭い閉鎖空間で複雑な作業を実施することが必要であり非効率的である。また装置内部全体を開放して作業する必要があり非効率的である。
（２）内部超電導体の真空断熱容器内に極低温冷凍機や電流リードを収納するスペースを確保するために、容器を大きくする必要がある。これらの機器が離散的に配置されるため、無駄な空間が発生する。
（３）極低温冷凍機や電流リードの点検、交換等の保守などの作業の際に、真空断熱容器の真空破壊、内部超電導体の昇温、作業終了後の超電導体や冷却導体の初期冷却に長時間がかかるため、装置を長時間停止する必要があり、経済的な損失が大きい。
（４）内部超電導体を収納する真空断熱容器内に作業スペースを確保する必要がある。そのため極低温冷凍機から超電導体への最短冷却経路に対する寄り付きや極低温冷凍機の設置台数に関して制約が生じる。

以下に、［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号を括弧付きで用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

本発明による超電導装置は、図３に示す通り、超電導体（１２）と、超電導体を収納する第１真空容器（２）と、超電導体が超電導状態となる温度を生成するコールドヘッド（２６）を備える冷却装置（７）と、冷却装置を収納する第２真空容器（８）とを備える。コールドヘッドと超電導体とは第１真空容器と第２真空容器とを繋ぐ第１接続孔（１８）を介して接続される。

本発明による超電導装置において、第２真空容器は開閉可能な蓋（１３）を有する。

本発明による超電導装置は更に、第１接続孔の開口面積を小さくする隔壁（２２）を備える。

本発明による超電導装置は更に、前記第１接続孔をシールする気密シールを備える。

本発明による超電導装置は更に、第１真空容器と第２真空容器の各々を個別に真空引きする真空装置を備える。

本発明による超電導装置は更に、超電導体を外部端子と電気的に接続する電流リード（３６）と、電流リードを冷却する電流リード冷却装置（９）と、電流リード冷却装置を収納する第３真空容器（１０）とを備える。電流リードと超電導体とは第１真空容器と第３真空容器とを繋ぐ第２接続孔（２０）を介して接続される。

本発明による超電導装置において、第３真空容器は開閉可能な蓋（１４）を有する。

本発明による超電導装置は更に、超電導体と電流リード冷却装置との接続を制御するスイッチ（４２）を備える。

本発明により、超電導体の昇温を抑えつつ、超電導体の周辺機器の点検や交換を行うことが可能となり、超電導装置の運転停止時間を短くすることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図３は、このような超電導装置１の冷却手段の基本構成を説明するための図である。内部超電導体１２は、第１の真空容器である真空断熱容器２に収納される。真空断熱容器２の内部は輻射熱シールド材１６によって覆われる。真空断熱容器２に隣接して、第２の真空容器である真空断熱容器８が接続される。真空断熱容器８の内面は輻射熱シールド材１６で覆われる。真空断熱容器２と真空断熱容器８との間に、両者の内部を繋ぐ第１接続孔である隙間１８が形成される。真空断熱容器８の内部に内部超電導体冷却装置７のコールドヘッド２６が配置される。内部超電導体冷却装置７は、内部超電導体１２を超電導状態とするために必要な温度まで冷却する極低温冷凍機である。コールドヘッド２６は冷却導体２８の一端に接続される。冷却導体２８の他端は、隙間１８を介して真空断熱容器２の内部に導入され、内部超電導体１２に接続される。隙間１８における真空断熱容器８の壁面には、冷却導体２８が貫通する隔壁２２が取り付けられる。隔壁２２によって、冷却導体２８の周囲の隙間１８の断面積が低減する。真空断熱容器８は開閉可能な作業蓋１３を有する。作業蓋１３は閉じられたときに外気が真空断熱容器８の内部に侵入することを防ぐ真空気密シールを介して真空断熱容器８に取り付けられる。

真空断熱容器２に隣接して更に、第３の真空容器である真空断熱容器１０が接続される。真空断熱容器１０の内面は輻射熱シールド材１６で覆われる。真空断熱容器２と真空断熱容器１０との間に、両者の内部を接続する第２接続孔である隙間２０が形成される。真空断熱容器１０の内部に電流リード冷却装置９のコールドヘッド３８が配置される。コールドヘッド３８は、真空断熱容器１０の内部に配置された冷却導体３５の一端に接続される。冷却導体３５の他端は、常電導電流リード３４と超電導電流リード３６の接続部を冷却する為に組合わされる。常電導電流リード３４の他端は真空断熱容器１０の外部の導電体３２に接続される。導電体３２の端部は外部電源系取合１１として使用される。外部電源系取合１１は、後述の図４、図５に示された電流リード接続端子６を構成する。超電導電流リード３６の他端は導電体兼冷却導体３０の一端に接続される。導電体兼冷却導体３０の他端は、隙間２０を介して真空断熱容器２の内部に導入され、内部超電導体１２に接続される。隙間２０における真空断熱容器１０の壁面には、導電体兼冷却導体３０が貫通する隔壁２４が取り付けられる。隔壁２４により、導電体兼冷却導体３０の周囲の隙間２０の断面積が低減する。真空断熱容器１０は開閉可能な作業蓋１４を有する。作業蓋１４は閉じられたときに外気が真空断熱容器１０の内部に侵入することを防ぐ真空気密シールを介して真空断熱容器１０に取り付けられる。真空断熱容器２、真空断熱容器８、真空断熱容器１０の各々に、真空排気兼乾燥気体注入口４０が設けられる。真空排気兼乾燥気体注入口４０により、真空断熱容器２、真空断熱容器８、真空断熱容器１０の各々に対して個別に真空引き及び乾燥気体の注入を行うことができる。

以上に示したように、本実施形態の超電導装置においては、内部超電導体１２が配置される領域と、内部超電導体冷却装置７や電流リード冷却装置９などのコールドヘッドが配置される領域とが仕切られている。このような超電導装置は、次のように動作する。真空排気兼乾燥気体注入口４０から真空引きが行われることにより、真空断熱容器２、真空断熱容器８、真空断熱容器１０の内部が真空状態にされる。内部超電導体冷却装置７が冷却導体２８を介して内部超電導体１２を冷却する。電流リード冷却装置９が冷却導体３５を介して超電導電流リード３６を冷却して超電導状態とする。外部電源系取合１１に外部の電気機器が接続され、内部超電導体１２と電気の入出力を行う。

このような超電導装置において、隙間１８、隙間２０が狭い隙間でなく気密シールされている場合、内部超電導体冷却装置７の点検、交換を行う場合、真空断熱容器８に設けられた真空排気兼乾燥気体注入口４０から乾燥気体を導入して真空破壊して真空断熱容器８の内部のみ昇温し、冷却導体２８の氷結を防ぐ。その後、作業蓋１３を開けることにより、真空断熱容器８内の内部超電導体冷却装置７に接触することができる。内部超電導体１２を収納する真空断熱容器２にほとんど影響を与えること無く内部超電導体冷却装置７の点検、交換を行うことができる。電流リード冷却装置９や超電導電流リード３６、常電導電流リード３４の点検、交換を行う場合も同様にして作業蓋１４を開けて行うことができる。電流リードや冷却装置の点検や交換作業時に、内部超電導体１２の真空断熱容器２の真空破壊や昇温が不要となり、短時間で再使用可能な状態に戻すことができる。

隙間１８、隙間２０が気密シールでなく狭い隙間の場合、内部超電導体１２を収納した真空断熱容器２の真空排気兼乾燥気体注入口４０から乾燥気体を導入することにより真空破壊を行う。その後に上述の作業を実施することにより、内部超電導体１２の温度上昇を抑制して、電流リードや冷却装置の点検、交換を実施することができる。

極低温冷凍機や電流リードを真空断熱容器８、１０に収納することにより、内部超電導体１２を収納する真空断熱容器２の容積を小さくすることができる。図２に例示した技術のように、内部超電導体１１１の真空断熱容器１１０内に電流リードや冷却装置と内部超電導体１１１との接続作業スペースを設ける必要が無いため、大型の内部超電導体用の真空断熱容器の寸法を小さくすることが出来、装置全体の小型化、軽量化、低コスト化が図れる。この事により図４に示す真空断熱容器２の内部に超電導体である要素コイル４が配置される。超電導装置の適用事例に於いて、真空断熱容器の周囲に、４個の内部超電導体冷却装置７が配置される。

内部超電導体冷却装置７の各々のコールドヘッドは、真空断熱容器８−１〜８−４の内部に収納される。真空断熱容器２には更に、電流リード接続端子６が取り付けられる。電流リード接続端子６は、要素コイル４と外部機器とを電気的に接続するための端子である。電流リード接続端子６に対応して、電流リード冷却装置９が設置される。電流リード冷却装置９のコールドヘッドは、真空断熱容器１０の内部に収納される。

図４は、図３に示した超電導装置の構成を適用した装置の一例を示す断面図である。図４における要素コイル４は、図３における内部超電導体１２に対応する。真空断熱容器８−１〜８−４は、真空断熱容器８に対応する。

内部超電導体１２の伝導冷却に対して、真空断熱容器２の周囲全体から且つ短い距離での寄付が可能となる。そのため図４に示したように一つの内部超電導体１２を多数の内部超電導体冷却装置７によって冷却することが可能となる。その結果、能力の小さい極低温冷凍機によって内部超電導体１２を均等且つ大容量で冷却することが可能となる。

より大容量のコイル装置に関し、コイル間の軸方向磁気結合が基本的に必要な条件を考慮し、コイル外周側の全周に冷却装置を配した複数のコイルへ分割の上、積層組合わせの構成を採用することによりコイル装置の大容量化が容易に可能となり、その一例である図５のトロイダル配置のコイルでも同様の結果となる。すなわち、冷却装置と組となった複数コイルの積層構成が可能となる事により、コイル装置を積層の境界で真空断熱容器を含め分割し、組み合わせにより一体化を図る構造が可能となる。

図５は、本実施形態の適用により実現される超電導装置１を示す。本実施形態において、超電導装置１はＳＭＥＳ（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ、超電導磁気エネルギー貯蔵装置）である。超電導装置１は、円環状に配置された複数の真空断熱容器（クライオスタット）２を備える。複数の真空断熱容器２の各々は互いに接続及び取り外しが可能である。各々の真空断熱容器２の内部にトロイダルコイル型の要素コイル４が配置される。図５においては一部の真空断熱容器２について図示が省略されることにより、その内部の要素コイル４が描かれている。図５の作業蓋１３−１〜１３−４、冷却導体２８−１〜２８−４はそれぞれ図３の作業蓋１３、冷却導体２８に対応する。この超電導装置１は、図３においても説明したように、装置全体について真空破壊や昇温を行わなくても、作業蓋１３−１〜１３−４、１４を開けて冷却装置の保守や交換を行うことができる。

図６は、他の実施形態における超電導装置の構成を示す。図３と比較して、冷却導体２８の電流リード側の端部が延長され、隙間２０を介して真空断熱容器１０の内部に配置される。更に、冷却導体３５と冷却導体２８との間のＯＮ／ＯＦＦ（接続と切り離し）とを装置の外部から切り替えることのできるスイッチ４２が設置される。このような超電導装置は、内部超電導体１２を冷却するときに、スイッチ４２を接続することにより、内部超電導体冷却装置７に加えて電流リード冷却装置９も用いて内部超電導体１２を冷却することができるため、冷却時間が短縮される。

図１は、本発明を説明するための参考例における超電導装置を示す。 図２は、本発明を説明するための参考例における超電導装置を示す。 図３は、本発明の実施形態における超電導装置を示す。 図４は、本発明の実施形態における超電導装置を示す。 図５は、本発明の実施形態における超電導装置を示す。 図６は、本発明の実施形態における超電導装置を示す。

符号の説明

１ 超電導装置
２ 真空断熱容器（クライオスタット）
４ 要素コイル
６ 電流リード接続端子
７ 内部超電導体冷却装置
８ 真空断熱容器
８−１〜８−４ 真空断熱容器
９ 電流リード冷却装置
１０ 真空断熱容器
１１ 外部電源系取合
１２ 内部超電導体
１３ 作業蓋
１３−１〜１３−４ 作業蓋
１４ 作業蓋
１６ 輻射熱シールド材
１８ 隙間
２０ 隙間
２２ 隔壁
２４ 隔壁
２６ コールドヘッド
２８ 冷却導体
２８−１〜２８−４ 冷却導体
３０ 導電体兼冷却導体
３２ 導電体
３４ 常電導電流リード
３５ 冷却導体
３６ 超電導電流リード
３８ コールドヘッド
４２ スイッチ

Claims (4)

1. 超電導体と、
   前記超電導体を収納する第１真空容器と、
   前記超電導体が超電導状態となる温度を生成するコールドヘッドを備える冷却装置と、
   前記冷却装置を収納する第２真空容器とを具備し、
   前記コールドヘッドと前記超電導体とは前記第１真空容器と前記第２真空容器とを繋ぐ第１接続孔を介して接続され、
   更に、前記超電導体を外部端子と電気的に接続する電流リードと、
   前記電流リードを冷却する電流リード冷却装置と、
   前記電流リード冷却装置を収納する第３真空容器とを具備し、
   前記電流リードと前記超電導体とは前記第１真空容器と前記第３真空容器とを繋ぐ第２接続孔を介して接続される
   超電導装置。
2. 請求項１に記載された超電導装置であって、
   前記第２真空容器は開閉可能な蓋を有し、
   前記第３真空容器は開閉可能な蓋を有し、
   更に、前記第１接続孔をシールする気密シールを具備し、
   更に、前記第２接続孔をシールする気密シールを具備し、
   更に、前記第１真空容器と前記第２真空容器と前記第３真空容器の各々に設けられ、前記第１真空容器と前記第２真空容器と前記第３真空容器の各々に対して個別に真空引き及び乾燥気体の注入を行うことのできる真空排気兼乾燥気体注入口を具備する
   超電導装置。
3. 請求項１に記載された超電導装置であって、
   更に、前記第１接続孔の開口面積を小さくする隔壁と、前記第２接続孔の開口面積を小さくする隔壁とを具備する超電導装置。
4. 請求項１から３のいずれかに記載された超電導装置であって、
   更に、前記超電導体と前記電流リード冷却装置との接続を制御するスイッチを具備する超電導装置。

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