(57)【要約】  超電導体を用いた限流器であって、限流動作後に超電導状態へ迅速に復帰することが可能な限流器を提供する。超電導体を利用して限流動作を行なう限流器であって、超電導体を含む超電導部材（保持容器（１１）、充填材、超電導線材からなる部材）と、冷却容器（１０）と、抑制手段（フィン（１２））とを備える。冷却容器（１０）は、超電導部材を内部に保持するとともに、超電導部材を冷却するための冷却媒体（１４）を保持する。抑制手段（フィン（１２））は、限流動作時に、超電導体の温度が上昇することに起因して超電導部材の表面（保持容器（１１）の表面）において冷却媒体（１４）が沸騰する場合に、冷却媒体（１４）の沸騰状態が核沸騰状態から膜沸騰状態に遷移することを抑制する。
2012157494.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導体を利用して限流動作を行なう限流器（１）であって、
前記超電導体を含む超電導部材と、
前記超電導部材を内部に保持するとともに、前記超電導部材を冷却するための冷却媒体（１４）を保持する冷却容器（１０）と、
限流動作時に、前記超電導体の温度が上昇することに起因して前記超電導部材の表面において前記冷却媒体が沸騰する場合に、前記冷却媒体の沸騰状態が核沸騰状態から膜沸騰状態に遷移することを抑制する抑制手段（１２、２２）とを備える、限流器。
【請求項２】
前記抑制手段（１２、２２）は、前記超電導部材の表面に形成された突起部を含む、請求項１に記載の限流器。
【請求項３】
前記突起部は、前記超電導部材の表面に形成され、前記超電導部材の表面から外側に伸びる板状部材（１２）である、請求項２に記載の限流器。
【請求項４】
前記突起部は、前記超電導部材の表面に形成され、前記超電導部材の表面から外側に伸びる柱状部材（２２）である、請求項２に記載の限流器。
【請求項５】
前記超電導部材は、
前記超電導体を含む超電導線材（２０）と、
前記超電導線材（２０）を内部に保持する容器（１１）と、
前記容器の内部において前記超電導線材（２０）と前記容器の内壁との間の空間を充填する充填材（１７）とを含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の限流器。
【請求項６】
前記超電導部材は、
前記超電導体を含む超電導線材（２０）と、
前記超電導線材の外周を覆う被覆材（２４）とを含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の限流器。
【請求項７】
前記超電導部材は前記超電導体を含む超電導線材（２０）である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の限流器。
【請求項８】
超電導体を利用して限流動作を行なう限流器（１）であって、
前記超電導体を含む超電導線材（２０）と、
前記超電導線材（２０）を冷却するための冷却媒体（１４）を保持する冷却容器（１０）と、
限流動作時に、前記超電導体の温度が上昇することに起因して前記超電導線材の表面において前記冷却媒体が沸騰する場合に、前記冷却媒体の沸騰状態が核沸騰状態から膜沸騰状態に遷移することを抑制する抑制手段（１２）とを備える、限流器。
【請求項９】
前記抑制手段（１２）は、前記超電導線材の表面に形成された突起部を含む、請求項８に記載の限流器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、限流器に関し、より特定的には超電導体を用いた限流器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、超電導体を用いた限流器が知られている（たとえば、特開２００６−２７８１３５号公報（特許文献１）参照）。特許文献１では、超電導体を含む超電導限流モジュールとスイッチとを直列に接続した回路と、当該回路に並列に接続された外部抵抗とを備える限流器が開示されている。このような限流器においては、過大な事故電流に起因して超電導限流モジュールが限流動作すると、外部抵抗に電流が迂回するとともに上記スイッチが開放され当該超電導限流モジュールへの通電が遮断される。【０００３】
上述した限流器では、事故電流の通電により超電導体がクエンチすることで限流動作を行うが、当該限流動作時には当該事故電流に起因して超電導体の温度が上昇する。上述した限流器では、限流動作時に超電導体の温度が過度に上昇しないように、スイッチを開放することで超電導体への電流を遮断しているが、当該スイッチの動作が不完全である場合や事故電流の発生状況などによっては、超電導の温度はたとえば５００Ｋ程度にまで急激に上昇する場合がある。【０００４】
このような超電導体の温度上昇により、超電導体を冷却している冷却材（たとえば液体窒素）の温度も上昇し、沸騰状態となる。加熱が小さい間は小さな気泡が次々と発生する核沸騰状態であるが、加熱が核沸騰の限界熱流束を越えて大きくなると、膜状の大きな気胞が超電導体を覆う膜沸騰状態に遷移し、超電導体の温度は高温に非連続的にジャンプする。膜沸騰状態においては、超電導体から冷却媒体（液体窒素）への熱流束は、核沸騰状態の限界熱流束の１５％程度しかないことが報告されている（たとえば、”Transient  heat  transfer  from  a  silver  sheathed  high−Tc  superconducting  tape  in  liquid  nitrogen”、Masahiro  Shiotsu  et.al.、Proc.  of  the  16th  International  Cryogenic  Engineering  Conference/Inter  national  Cryogenic  Material  Conference,  Vol.  1,1997,  p.617-620（非特許文献１）参照）。これは、膜沸騰状態では大きな気胞膜が超電導体を覆い、超電導体と周囲の冷却媒体が熱絶縁された状態になるからである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２７８１３５号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】”Transient  heat  transfer  from  a  silver  sheathed  high−Tc  superconducting  tape  in  liquid  nitrogen”、Masahiro  Shiotsu  et.al.、Proc.  of  the  16th  International  Cryogenic  Engineering  Conference/Inter  national  Cryogenic  Material  Conference,  Vol.  1,1997,  p.617-620
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ここで、限流器において限流動作が起きた後では、当該限流器は極力早期に通常状態へと復帰する（つまり超電導体が抵抗を発生する常電導状態から超電導状態へと復帰する）ことが求められる。しかし、従来の限流器において、特に超電導体の温度が上昇し、当該超電導体の温度上昇に起因して冷却媒体が膜沸騰状態となった場合には、冷却媒体による超電導体の冷却は核沸騰状態より冷却速度が低下することになり、超電導状態への復帰に長時間を要していた。加えて、冷却媒体の沸騰状態が膜沸騰状態になると、冷却媒体の温度が低下して膜沸騰状態から核沸騰状態に戻る（遷移する）ためには、熱流束が極小値を示すライデンフロストポイントを通過する必要があるため、一時的に熱流束がさらに低下する（つまり冷却速度がさらに低下する）。このことによっても、限流器の超電導状態への復帰が遅くなっていた。【０００８】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、超電導体を用いた限流器であって、限流動作後に超電導状態へ迅速に復帰することが可能な限流器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明に従った限流器は、超電導体を利用して限流動作を行なう限流器であって、超電導体を含む超電導部材と、冷却容器と、抑制手段とを備える。冷却容器は、超電導部材を内部に保持するとともに、超電導部材を冷却するための冷却媒体を保持する。抑制手段は、限流動作時に、超電導体の温度が上昇することに起因して超電導部材の表面において冷却媒体が沸騰する場合に、冷却媒体の沸騰状態が核沸騰状態から膜沸騰状態に遷移することを抑制する。【００１０】
このようにすれば、限流動作時に超電導体の温度が上昇した場合、超電導体を冷却する冷却媒体の沸騰状態が核沸騰状態から膜沸騰状態に遷移することを抑制できる。このため、超電導部材の冷却媒体中における熱流束が（膜沸騰状態での熱流束のように）極度に小さくなることを防止できるので、上記のように冷却媒体が膜沸騰状態に遷移した場合と比べて、限流動作時における超電導体の温度上昇を抑制できるとともに、限流動作後に冷却媒体によって超電導部材を迅速に冷却することができる。このため、限流動作後に従来よりも迅速に超電導状態へ復帰することが可能な限流器を実現できる。
【発明の効果】
【００１１】
このように、本発明によれば、限流動作後に超電導状態へ迅速に復帰することが可能な限流器が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明による限流器の構成を説明するための模式図である。
【図２】図１に示した限流器の超電導エレメント部を構成する、超電導線材が保持された冷却容器の構成を示す模式図である。
【図３】図２の線分ＩＩＩ−ＩＩＩにおける断面模式図である。
【図４】本発明による限流器の実施の形態の第１の変形例に含まれる、超電導線材の保持容器を示す断面模式図である。
【図５】本発明による限流器の実施の形態の第２の変形例に含まれる超電導線材集合体を示す断面模式図である。
【図６】本発明による限流器の実施の形態の第３の変形例に含まれる超電導線材とフィンとの集合体を示す模式図である。
【図７】本発明による限流器の実施の形態の第４の変形例に含まれる超電導線材とフィンとの集合体を示す模式図である。
【図８】実験の結果を示すグラフである。
【図９】実験の結果を示すグラフである。
【図１０】実験の結果を示すグラフである。
【図１１】実験の結果を示すグラフである。
【図１２】実験の結果を示すグラフである。
【図１３】実験の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。
【００１４】
図１〜図３を参照して、本発明による限流器を説明する。
図１を参照して、本発明による限流器１は、超電導エレメント部２と並列抵抗部３（もしくは並列インダクタンス部）とが導電線４によって並列に接続された構造を有している。超電導エレメント部２は、図２および図３に示すように冷却容器１０の内部に配置された超電導線材２０を含む。具体的には、たとえば複数の超電導線材２０が積層された超電導線材集合体２１が、保持容器１１の内部に保持されている。保持容器１１は断面形状が図３に示すような円形状のパイプである。保持容器１１の内部において、超電導線材集合体２１の周囲を充填するように充填材１７が配置されている。また、保持容器１１の外周には図２および図３に示すような平面視での外周形状が円形状のフィン１２が配置されている。あるいは後述する図６や図７に示すように、超電導線材２０は保持容器を必要とせず、超電導線材２０に直接フィン１２が接着されている構成を採用してもよい。
【００１５】
超電導線材２０としては、たとえば常温での電気抵抗値が高い薄膜系の超電導線材を用いることができるが、常温での電気抵抗値が限流器として必要な値を得ることができればビスマス系の銀シース超電導線材を用いてもよい。
【００１６】
保持容器の材料としてはたとえばＳＵＳなどの金属を用いることができる。なお、保持容器１１の材料としては、抵抗体として必要な高い比抵抗率が得られれば他の材料（たとえば銅合金、アルミニウム合金、銀合金など）を用いてもよい。
【００１７】
また、フィン１２は、上記保持容器１１と同じ材料により構成してもよいが、フィン１２が線材長手方向に連続していないならば他の熱伝導性の高い材料（たとえばアルミニウムや銅などの金属材料や、熱伝導の良い樹脂など）から構成されていてもよい。フィン１２は、シート状の材料が螺旋状に保持容器１１の外周上に固定された構成となっている。また、このフィン１２は保持容器１１の外周面から外側に向けて延びるように取付けられている。つまり、フィン１２は、螺旋状に保持容器１１の外周面上に巻付けられた状態で固定されている。なお、フィン１２としては、上述のような全体が一体の螺旋状に形成された部材を採用してもよいが、平面形状がドーナツ状の複数のフィン１２を個別に保持容器１１の外周面に取付けた構造を採用してもよい。またフィン１２は図６や図７に示すように線材長手方向に折り曲げて作製し超電導線材２０と接着複合化して構成してもよい。
【００１８】
また、充填材１７の材料としては、たとえばエポキシなどの樹脂、はんだなどの金属、などを用いることができる。
【００１９】
また、図２および図３に示したフィン１２のピッチ（保持容器１１の延在方向における、隣接するフィン１２の間の距離）は、たとえば３ｍｍとすることができる。また、フィン１２の保持容器１１表面からの高さはたとえば５ｍｍとすることができる。また、フィン１２の厚みはたとえば０．５ｍｍとすることができる。なお、上述したフィン１２のピッチ、高さなどは、冷却媒体１４の膜沸騰への遷移が抑制されるように適宜調整される。たとえば、円筒状の保持容器１１の外径が１１ｍｍである場合、フィン１２のピッチは１ｍｍ以上５０ｍｍ以下、より好ましくは２ｍｍ以上４０ｍｍ以下、さらに好ましくは３ｍｍ以上３０ｍｍ以下とすることができる。また、フィン１２の高さは１ｍｍ以上５０ｍｍ以下、より好ましくは２ｍｍ以上４０ｍｍ以下、さらに好ましくは３ｍｍ以上３０ｍｍ以下とすることができる。
【００２０】
なお、負荷電流を１２００Ａとした場合には、保持容器１１としてたとえば内径が１０ｍｍ、厚さが０．５ｍｍのＳＵＳパイプを用いることができる。また、超電導線材２０としては、幅が８ｍｍの薄膜系超電導線材を用いることができる。また、当該超電導線材２０を３本積層して、超電導線材集合体２１を構成することができる。また、超電導線材集合体２１の全体をはんだあるいは樹脂で含浸してもよい。
【００２１】
保持容器１１の両端部には導電線４と超電導線材２０（および保持容器１１）とを電気的に接続するための接続部１３が配置されている。この接続部１３においては、従来周知の任意の方法により超電導線材２０と導電線４とが電気的に接続されている。
【００２２】
冷却容器１０には、冷却容器１０の内部を流通する冷却媒体１４を供給するための導入部１５と、供給された冷却媒体１４を外部に排出するための排出部１６とが設けられている。導入部１５から矢印１８に示すように冷却容器１０の内部に導入された冷却媒体１４は、保持容器１１および充填材１７を介して超電導線材２０から発生する熱を除去する。この結果、超電導線材２０が超電導状態となる十分低い温度に、超電導線材２０を維持することができる。
【００２３】
なお、排出部１６から矢印１８に示すように外部に排出された冷却媒体１４は、図示しない熱交換器などにより冷却された後、図示しないポンプなどによって再度導入部１５へと供給される。このように、冷却容器１０を含む閉回路中に冷却媒体１４が保持され、当該閉回路中を冷却媒体１４が循環している。また、当該閉回路には、閉回路中の冷却媒体１４の圧力や量を維持するための冷却媒体リザーバタンクなどを配置してもよい。また、導入部１５および排出部１６の両方、または少なくとも排出部１６の近傍に冷却媒体１４の温度を測定するための温度検出部材（たとえば温度センサなど）を配置してもよい。このような温度検出部材によって冷却媒体１４の温度が測定され、その測定結果に応じて上述した熱交換器を制御し、冷却媒体１４の冷却状態を適宜調整してもよい。このような制御は、熱交換器やポンプなどに制御信号を送るように接続された、図示しない制御部により行なわれてもよい。あるいは冷却媒体１４は循環せず冷却容器１０に保持され、外部から熱交換機ヘッドが冷却容器１０内に挿入され、冷却媒体１４と熱交換してこれを冷却してもよい。
【００２４】
このように、超電導線材２０、充填材１７および保持容器１１からなる超電導部材と冷却媒体１４との接触界面（図２に示した構成においては保持容器１１の外周表面）にフィン１２のような抑制手段としての突起部が形成されているので、限流動作時に保持容器１１の表面において冷却媒体１４が膜沸騰状態に遷移することを防止できる。以下、具体的に説明する。
【００２５】
図１に示した本発明による限流器１は、規定値以上の過大な事故電流の導入によって限流動作を行なう。すなわち過大な電流の流入により超電導線材２０における超電導状態が崩れ（クエンチし）、超電導線材２０が電気抵抗値を有する状態となる。このとき、電流は、電気抵抗を有する状態になった超電導線材２０と並列抵抗部３もしくは並列インダクタンス部との両方を流れる。そして、電気抵抗が発生した超電導線材２０に電流が流れることによって、超電導線材２０の温度が急激に上昇する。このような温度上昇により保持容器１１の表面の温度、および当該表面近傍の冷却媒体１４の温度も急激に上昇し、冷却媒体１４が気化（沸騰）する。
【００２６】
ここで、保持容器１１の表面に特に突起などが形成されていない状態である場合には、冷却媒体１４の沸騰状態は核沸騰状態から膜沸騰状態へと容易に遷移する。そして、このような膜沸騰状態になると、超電導状態からクエンチした超電導線材２０を再び冷却して超電導状態となるような温度条件にするためには長い時間を要する。これは、膜沸騰状態となった冷却媒体１４と保持容器１１の表面との間の熱流束が小さいため、冷却媒体１４による保持容器１１（つまり超電導線材２０）の冷却が十分に行なえないからである。さらに、上述のような膜沸騰状態から核沸騰状態に戻るためには、熱流束が極小値となるいわゆるライデンフロストポイントを通過する必要があり、このこともさらに超電導線材２０の冷却に時間を要することの原因となる。
【００２７】
しかし、本発明のように保持容器１１と冷却媒体１４との接触界面を構成する保持容器１１の表面（側面）から突出する突起部（フィン１２）を設けることにより冷却媒体１４の核沸騰状態から膜沸騰状態への遷移を抑制することができる。この結果、限流器１で限流作用が生じた場合（すなわち超電導線材２０がクエンチした場合）においても、超電導線材２０の温度が急激に上昇することによって冷却媒体１４の沸騰状態が核沸騰状態から膜沸騰状態へと遷移することを抑制することができる。すなわち、クエンチが発生した場合にも冷却媒体１４は核沸騰膜沸騰混合状態を維持できるので、冷却媒体１４が膜沸騰状態に遷移した場合よりも保持容器１１から冷却媒体１４への熱流束は大きくなる。したがって、冷却媒体１４において膜沸騰が発生する場合よりもより迅速に、冷却媒体１４によって超電導線材２０の熱を除去することができる。このため、限流動作後に迅速に超電導線材２０を超電導状態となるような温度域にまで冷却することができる。この結果、限流作用後に従来よりも迅速に超電導状態へと復帰できる限流器１を実現することができる。
【００２８】
図４を参照して、本発明による限流器の実施の形態の第１の変形例を説明する。なお、図４は図３に対応する。
【００２９】
図４に示す保持容器１１を備える限流器１は、基本的には図１〜図３に示した限流器１と同様の構造を備えるが、保持容器１１の構造が異なっている。具体的には、保持容器１１の表面には、ドーナツ状あるいは板状のフィン１２（図３参照）ではなく、棒状の柱状突起部２２が複数配置された状態になっている。柱状突起部２２は、保持容器１１の外周表面から、外側に向けて延びるように配置されている。異なる観点から言えば、柱状突起部２２は、保持容器１１の断面における中心から外側に向けて放射状に配置されている。また、このような柱状突起部２２は、保持容器１１の延在方向に沿って保持容器１１の外周面（側面）に複数個並ぶように配置されていている。なお、棒状の柱状突起部２２については、延在方向に垂直な方向における断面の形状は、四角形状、三角形状などの多角形状、あるいは円形状など任意の形状とすることができる。
【００３０】
このような構造の柱状突起部２２によっても、限流動作時に超電導線材２０がクエンチした場合、保持容器１１表面で冷却媒体１４が核沸騰状態から膜沸騰状態へ遷移することを抑制できる。この結果、図１〜図３に示した限流器１と同様の効果を得ることができる。
【００３１】
図５を参照して、本発明による限流器の実施の形態の第２の変形例を説明する。なお、図５は図３に対応する。
【００３２】
図５を参照して、本発明による限流器の第２の変形例は、基本的には図１〜図３に示す限流器１と同様の構造を備えるが、超電導線材集合体２１の近傍の構造が異なっている。すなわち、図１〜図３に示した限流器１においては、超電導線材集合体２１は充填材１７とともに保持容器１１の内部に収納されていた。しかし、図５に示した超電導線材集合体２１は、被覆材２４にその周囲を取囲まれた状態となっており、とくに独立した保持容器は用いられていない。そして、図５に示した超電導線材集合体２１を取囲む被覆材２４の表面には、直接棒状の柱状突起部２２が複数個形成されている。すなわち、図５に示した超電導線材集合体２１を備える限流器では、被覆材２４の外周表面が直接冷却媒体１４（図２参照）と接触する。このような構造によっても、柱状突起部２２が冷却媒体１４との接触界面に存在することによって、限流器に事故電流が流れることで超電導線材２０がクエンチした場合に、冷却媒体１４との接触界面である被覆材２４の表面において、冷却媒体１４の沸騰状態が核沸騰から膜沸騰へと遷移することを抑制できる。この結果、図１〜図３に示した限流器１と同様の効果を得ることができる。
【００３３】
なお、本発明による限流器１として、抵抗型限流器を例に説明したが、本発明は他の形式の超電導限流器（たとえば磁気遮蔽型限流器など）にも適用可能であり、超電導のＳＮ転移を利用した限流器であれば任意の構成の限流器に適用できる。
【００３４】
図６を参照して、本発明による限流器の実施の形態の第３の変形例を説明する。図６を参照して、本発明による限流器の第３の変形例は、基本的には図１〜図３に示す限流器１と同様の構造を備えるが、超電導線材集合体２１の近傍の構造が異なっている。すなわち、図１〜図３に示した限流器１においては、超電導線材集合体２１は充填材１７とともに保持容器１１の内部に収納されていた。しかし、本発明による限流器の第３の変形例では、超電導線材２０の表面に直接フィン１２が接続されている。具体的には、金属材料などの熱伝導性に優れた材料からなる帯状部材３０を折り曲げることでフィン１２が形成されており、当該フィン１２が形成された帯状部材３０が超電導線材２０の表面に直接接合されている。このようなフィン１２付きの超電導線材１２は、たとえば図２に示す冷却用機１０の内部に配置され、導電線４と接続される。帯状部材３０には複数のフィン１２が形成されていることが好ましい。帯状部材３０の材料としては任意の材料を採用できるが、電気抵抗値が比較的高く、かつ熱伝導率の高い材料が好ましい。たとえば帯状部材３０の材料としてステンレス鋼、銅合金、アルミニウム合金、銀合金などを用いることができる。フィン１２（帯状部材３０）と超電導線材２０との接合方法は、任意の方法を用いることができるがたとえばはんだによる接合法を採用できる。このようにすれば、超電導線材２０にフィン１２が直接接合された構造となるため、図１〜図３に示した限流器より構成を簡略化できる。
【００３５】
図６に示したフィン１２の幅Ｔ１、隣接するフィン１２の間のピッチＰ、帯状部材３０の厚みＴ２は、たとえばそれぞれ０．６ｍｍ、３．０ｍｍ、０．３ｍｍといった値とすることができる。また、フィン１２の高さはたとえば２ｍｍとすることができる。
【００３６】
図７を参照して、本発明による限流器の実施の形態の第４の変形例を説明する。図７を参照して、本発明による限流器の第４の変形例は、基本的には図６に示すフィン１２が接合された超電導線材２０を用いた限流器１と同様の構造を備えるが、フィン１２の構造が図６に示した超電導線材２０とは異なっている。すなわち、図７に示した超電導線材２０には、帯状部材３０を折り曲げることで、傾斜した側面を有する（断面が逆Ｖ字状の）フィン１２が形成され、このようなフィン１２が形成された帯状部材３０が超電導線材２０に接合されている。このような構成によっても、図６に示した超電導線材を用いた限流器と同様の効果を得ることができる。
【００３７】
なお、図７に示した隣接するフィン１２の間のピッチＰは、たとえば６ｍｍとすることができる。
【００３８】
また、上記図６および図７に示したフィン１２に変えて、他の形状の突起部を超電導線材２０に直接接続してもよい。たとえば、柱状の突起部が形成された放熱部材を超電導線材２０に直接接続してもよい。当該柱状の突起部は複数個形成されていてもよい。
【００３９】
（実験例１）
本発明の効果を確認するため、以下のような実験を行なった。
【００４０】
（試料）
実施例：
保持容器として、図２および図３に示した保持容器１１の構成の試料を準備した。具体的には、保持容器としてＳＵＳ製のパイプを準備した。パイプの内径は４ｍｍ、厚さは０．５ｍｍ、長さは２０００ｍｍである。このパイプの内部に、幅が２ｍｍの薄膜系超電導線材を１０本収納した。薄膜系超電導線材の構成は、Ａｇ保護層厚みが８μｍ、ＳＵＳ基板厚みが１００μｍというものである。そして、パイプの内部を樹脂で充填した。
【００４１】
また、パイプの外周にはピッチ３ｍｍで、厚みが１ｍｍ、高さが３ｍｍであるフィンをらせん状に配置した。
【００４２】
比較例：
基本的に、上述した実施例の試料と同様の構成であるが、フィンがパイプの外周に取り付けられていないものを準備した。
【００４３】
（実験）
上記実施例および比較例の試料のそれぞれに交流電源を接続し、液体窒素中で冷却した状態で通電実験を行なった。通電条件としては、限流動作がない場合に１ｋＡで５サイクルが通電される条件とした。このような通電実験でのパイプ表面の温度変化を測定した。
【００４４】
（結果）
実施例の試料については、通電実験により限流動作が起きたが、パイプの表面温度上昇は約２１Ｋであり、通電終了後にはすぐにパイプの温度が低下して超電導線材も超電導状態に復帰した。
【００４５】
一方、比較例の試料については、通電実験により限流動作が起きた後、パイプの表面温度は１６７Ｋになり、また超電導状態に復帰するまで１０秒かかった。また、限流動作後にはパイプの表面では液体窒素が膜沸騰状態になっていた。
【００４６】
このように、本発明による超電導限流器では限流動作後にすぐに超電導状態に復帰できることが示された。
【００４７】
（実験例２）
本発明の原理を検証するため、以下のような実験を行った。
【００４８】
（試料）
試料として、３種類の試料（試験発熱体１〜３）を準備した。
【００４９】
試験発熱体１：
外形が５．８ｍｍのステンレス鋼からなるパイプであって、厚みが０．５ｍｍであり、長さを１００ｍｍとした。試験発熱体１にはフィンは形成していない。
【００５０】
試験発熱体２：
試験発熱体１ど同じステンレス鋼製パイプの表面にフィンを形成した。フィンの平面外形は円形状であって、パイプの表面からフィンの外周端までの距離（フィンの高さ）は２．６ｍｍとした。フィンの材質はステンレス鋼であって、その厚さは０．２ｍｍとした。フィンは、その間隔を５ｍｍとして、パイプの延在方向に沿って１９個設置した。
【００５１】
試験発熱体３：
試験発熱体２と基本的に同様の構成であるが、フィンの間の間隔を２ｍｍとして、フィンの個数を４５個とした。
【００５２】
（実験）
実験１：
試験発熱体１〜３について、熱流束と冷却表面温度の上昇分との関係を示す沸騰曲線を得るため、以下のような試験を実施した。具体的には、発熱体の加熱は入力エネルギーが時間に対して指数関数的に増加するよう通電電流を制御した。また冷媒は大気圧の液体窒素である。試験体を低温容器にセットして通電し、発熱体の温度は、発熱体の各時刻の電気抵抗値を求めて、事前に測定した発熱体温度―電気抵抗値のカーブから決定した。このような実験から、後述する図８〜図１０のグラフに示される放熱量（熱流束×冷却表面積）と過熱度とを求めた。なお放熱量は入力エネルギーから熱容量増加分を減じた値であり、過熱度（ΔＴＬ）は発熱体温度（冷却表面温度）と冷媒温度との差である。
【００５３】
実験２：
また、上述した実験装置を用いて、試験発熱体１〜３について入熱を指数関数的に増大させて、試験体が臨界熱流束点に到達した後、指数関数的に入熱を小さくした試験（回復試験）を実施した。この実験では、熱流束と試験発熱体表面の温度変化を求めることにより沸騰曲線のデータを得た。具体的には、実験１と同じ装置構成において、大気圧飽和条件で発熱率の上昇時定数τを２秒とした。また、この実験２では、試験発熱体の温度が低下し始めてから、過熱度が１００Ｋから１０Ｋまで下がるのに要する時間を測定した。
【００５４】
（結果）
実験１の結果：
結果を図８〜図１０に示す。図８〜図１０は、それぞれ試験発熱体１〜３の結果を示している。図８〜図１０を参照して、縦軸は放熱量に対応する熱流束（単位：Ｗ、なお正確には熱流束×冷却表面積）を示し、横軸は試験発熱体の表面温度の、試験発熱体の周囲の冷媒温度との差分である過熱度（単位：Ｋ）を示している。
【００５５】
図８〜図１０を参照して、試験発熱体１、２においては、温度が上昇して限界熱流束を越えて、核沸騰状態から膜沸騰状態に遷移することにより放熱量が低下している。一方、試験発熱体３においては、温度が上昇して、限界熱流束を越えても放熱量は低下せず、上昇し続けている。これは、試験発熱体３においては充分の数のフィンが形成されているため、その表面形状が複雑になっており、蒸気膜が形成され難くなっている結果、完全な膜沸騰状態にならないためであると考えられる。加えて限界熱流束（熱流束の極大値）の値そのものもフィンが多く形成されるほど大きくなり、且つその過熱度も大きくなっていることが判る。即ち核沸騰状態から膜沸騰状態への遷移の抑制手段は、核沸騰状態での限界熱流束を増大させ、かつその過熱度も大きくとれるので、核沸騰状態の範囲でより大きな発熱量を吸収できることになる。従って、限流器の動作を全て核沸騰状態で実現できる場合があり、超電導状態への極めて速い復帰が可能な限流器が実現できる。
【００５６】
実験２の結果：
結果を図１１〜図１３に示す。図１１〜図１３は、それぞれ試験発熱体１〜３の結果を示している。図１１〜図１３を参照して、各グラフの縦軸および横軸は図８〜図１０に示したグラフと同様である。また、図１１〜図１３の黒丸のグラフは発熱量の上昇局面でのデータを、また白丸のグラフは発熱量の下降局面でのデータを示している。
【００５７】
縦軸は放熱量に対応する熱流束（単位：Ｗ、なお正確には熱流束×冷却表面積）を示し、横軸は試験発熱体の表面温度の、試験発熱体の周囲の冷媒温度との差分である過熱度（単位：Ｋ）を示している。図１１〜図１３を参照して、試験発熱体１では図１１に示すように過熱度１０Ｋ付近で遷移が起こり核沸騰状態から膜沸騰状態に遷移し、過熱度１００Ｋの放熱量の小さい膜沸騰状態に飛んでいることが分かる。一方、図１２および図１３に示した試験発熱体２、３では、遷移が起こっても、核沸騰状態から完全な膜沸騰状態へは遷移せず、放熱量が大きい、核沸騰膜沸騰混合状態に遷移しており、その後、比較的速やかに温度が低下している。
【００５８】
図１１〜図１３に示すように、試験発熱体１において過熱度が１００Ｋから１０Ｋにまで低下する時間は７．２秒であったが、試験発熱体２では当該時間が１．８３秒、試験発熱体３では当該時間が１．４４秒であった。このように、試験発熱体２、３は、試験発熱体１より冷却に要する時間が短くなっている。
【００５９】
以下、上述した実施の形態と一部重複する部分もあるが、本発明の特徴的な構成を列挙する。
【００６０】
この発明に従った限流器１は、超電導体を利用して限流動作を行なう限流器１であって、超電導体（超電導線材２０）を含む超電導部材（図３の保持容器１１、充填材１７、超電導線材２０からなる部材、または図５の被覆材２４と超電導線材２０とからなる部材、または図６もしくは図７のフィン１２と当該フィン１２が表面に接続された超電導線材２０とからなる部材）と、冷却容器１０と、抑制手段（図２、図６、図７のフィン１２または図４、図５の柱状突起部２２）とを備える。冷却容器１０は、超電導部材（図３の保持容器１１、充填材１７、超電導線材２０からなる部材、または図５の被覆材２４と超電導線材２０とからなる部材または図６もしくは図７のフィン１２と当該フィン１２が表面に接続された超電導線材２０とからなる部材）を内部に保持するとともに、超電導部材を冷却するための冷却媒体１４を保持する。抑制手段（図２、図６、図７のフィン１２または図４、図５の柱状突起部２２）は、限流動作時に、超電導体（超電導線材２０）の温度が上昇することに起因して超電導部材の表面（保持容器１１の表面または被覆材２４の表面または図６および図７の超電導線材２０の表面）において冷却媒体１４が沸騰する場合に、冷却媒体１４の沸騰状態が核沸騰状態から膜沸騰状態に遷移することを抑制する。
【００６１】
このようにすれば、限流動作時に超電導線材２０の温度が上昇した場合、超電導線材２０を冷却する冷却媒体１４の沸騰状態が核沸騰状態から膜沸騰状態に遷移することを抑制できる。このため、超電導部材（図３の保持容器１１、充填材１７、超電導線材２０からなる部材、または図５の被覆材２４と超電導線材２０とからなる部材または図６もしくは図７のフィン１２と当該フィン１２が表面に接続された超電導線材２０とからなる部材）から冷却媒体１４中に伝わる熱に関する熱流束が（膜沸騰状態での熱流束のように）極度に小さくなることを防止できるので、上記のように冷却媒体１４が膜沸騰状態に遷移した場合と比べて、限流動作時における超電導線材２０の温度上昇を抑制できるとともに、限流動作後に冷却媒体１４によって超電導線材２０を迅速に冷却することができる。このため、限流動作後に従来よりも迅速に超電導状態へ復帰することが可能な限流器１を実現できる。また、このような抑制手段を備えることにより、限流動作時に超電導体への電流の入力を遮断するためのスイッチなどの素子を特に配置する必要が無くなり、限流器１の構成を簡略化できるとともに信頼性を向上させることができる。
【００６２】
上記限流器１において、抑制手段は、超電導部材の表面（保持容器１１の表面または被覆材２４の表面、あるいは図６および図７に示す超電導線材２０の表面）に形成された突起部（フィン１２または図４などに示す柱状突起部２２）を含んでいてもよい。ここで、保持容器１１または被覆材２４または超電導線材２０と冷却媒体１４との接触界面である保持容器１１または被覆材２４または超電導線材２０の表面に、突起部（フィン１２または柱状突起部２２）が形成されていると、超電導部材の表面において冷却媒体１４の沸騰状態が核沸騰状態から膜沸騰状態へ遷移することが抑制される。これは、フィン１２または柱状突起部２２が存在することにより、超電導部材の表面（保持容器１１の表面または被覆材２４の表面、あるいは図６および図７に示す超電導線材２０の表面）における温度分布の均一性が崩れるため、超電導部材の表面を蒸発した冷却媒体１４が覆う（気体となった冷却媒体１４の層が保持容器１１の表面または被覆材２４の表面または超電導線材２０の表面を覆う）状態が維持されにくくなるためであると考えられる。したがって、当該フィン１２または柱状突起部２２によって冷却媒体１４の膜沸騰状態への遷移を確実に抑制できる。
【００６３】
上記限流器１において、突起部は、超電導部材の表面（保持容器１１の表面または被覆材２４の表面あるいは図６および図７に示す超電導線材２０の表面）に形成され、超電導部材の表面から外側に伸びる板状部材（フィン１２）であってもよい。この場合、突起部としてその形状が比較的単純な形状であるフィン１２を用いるので、突起部を容易に形成することができる。このため、複雑な形状の突起部を形成する場合より限流器１の製造工程を簡略化でき、結果的に限流器１の製造コストが上昇することを避けることができる。
【００６４】
上記限流器１において、突起部は、超電導部材の表面（保持容器１１の表面または被覆材２４の表面あるいは図６および図７に示す超電導線材２０の表面）に形成され、超電導部材の表面から外側に伸びる柱状部材（柱状突起部２２）であってもよい。この場合、突起部としてその形状が比較的単純な形状である当該柱状突起部２２を用いるので、突起部を容易に形成することができる。このため、複雑な形状の突起部を形成する場合より限流器１の製造工程を簡略化でき、結果的に限流器１の製造コストが上昇することを避けることができる。
【００６５】
上記限流器１において、超電導部材は、図２〜図４に示すように、超電導体を含む超電導線材２０と、超電導線材２０を内部に保持する容器（保持容器１１）と、保持容器１１の内部において超電導線材２０と保持容器１１の内壁との間の空間を充填する充填材１７とを含んでいてもよい。この場合、突起部などの抑制手段を超電導線材２０に直接形成するのではなく、超電導部材を構成する保持容器１１の表面に形成できる。したがって、突起部などを超電導線材２０の表面に直接形成することで超電導線材２０がダメージを受けるといった問題の発生を避けることができる。
【００６６】
上記限流器１において、超電導部材は、図５に示すように、超電導体を含む超電導線材２０と、超電導線材２０の外周を覆う被覆材２４とを含んでいてもよい。この場合、突起部などの抑制手段を超電導線材２０に直接形成するのではなく、超電導部材を構成する被覆材２４の表面に形成できる。したがって、突起部などを超電導線材２０の表面に直接形成することで超電導線材２０がダメージを受けるといった問題の発生を避けることができる。
【００６７】
上記限流器１において、突起部（柱状突起部２２あるいは被覆材２４の表面に形成される板状部材としてのフィン）は上記被覆材２４と一体に形成されていてもよい。この場合、被覆材２４と突起部とを一体に形成するので、突起部が別部材として準備される場合より限流器１を形成するために準備する部品点数を削減できる。また、被覆材２４と突起部とが一体であるため、被覆材２４とは別体の突起部を被覆材２４に接続する場合より、当該被覆材２４と突起部との境界部における熱伝達を良くすることができる。
【００６８】
上記限流器１において、図６および図７に示すように、超電導部材は超電導体を含む超電導線材２０であってもよい。この場合、限流器１の構成を簡略化できる。また、超電導線材２０に直接フィン２０などの突起部が形成されるため、超電導線材の効率的な冷却が可能となり、結果的に限流器の特性を向上させることができる。
【００６９】
この発明に従った限流器１は、超電導体を利用して限流動作を行なう限流器１であって、超電導体を含む超電導線材２０と、冷却容器１０と、抑制手段（図６、図７のフィン１２）とを備える。冷却容器１０は、超電導線材２０を冷却するための冷却媒体１４を保持する。抑制手段（図６、図７のフィン１２または柱状など任意の形状の突起部）は、限流動作時に、超電導体の温度が上昇することに起因して超電導線材２０の表面において冷却媒体１４が沸騰する場合に、冷却媒体１４の沸騰状態が核沸騰状態から膜沸騰状態に遷移することを抑制する。
【００７０】
このようにすれば、限流動作時に超電導線材２０の温度が上昇した場合、超電導線材２０を冷却する冷却媒体１４の沸騰状態が核沸騰状態から膜沸騰状態に遷移することを抑制できる。このため、超電導線材２０から冷却媒体１４中に伝わる熱に関する熱流束が（膜沸騰状態での熱流束のように）極度に小さくなることを防止できるので、上記のように冷却媒体１４が膜沸騰状態に遷移した場合と比べて、限流動作時における超電導線材２０の温度上昇を抑制できるとともに、限流動作後に冷却媒体１４によって超電導線材２０を迅速に冷却することができる。このため、限流動作後に従来よりも迅速に超電導状態へ復帰することが可能な限流器１を実現できる。また、このような抑制手段を備えることにより、限流動作時に超電導線材２０への電流の入力を遮断するためのスイッチなどの素子を特に配置する必要が無くなり、限流器１の構成を簡略化できるとともに信頼性を向上させることができる。
【００７１】
上記限流器１において、抑制手段は、超電導線材２０の表面に形成された突起部（フィン１２）を含んでいてもよい。この場合、超電導線材２０の表面における温度分布の均一性が崩れるため、超電導線材２０表面での冷却媒体１４が膜沸騰状態へ遷移することを確実に抑制できる。また、当該突起部は、たとえば超電導線材２０の表面から外側に延びる板状部材もしくは柱状部材であってもよい。この場合、突起部を容易に形成できる。
【００７２】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明は、超電導体を用いた限流器に特に有利に適用される。
【符号の説明】
【００７４】
１  限流器、２  超電導エレメント部、３  並列抵抗部、４  導電線、１０  冷却容器、１１  保持容器、１２  フィン、１３  接続部、１４  冷却媒体、１５  導入部、１６  排出部、１７  充填材、１８  矢印、２０  超電導線材、２１  超電導線材集合体、２２  柱状突起部、２４  被覆材、帯状部材。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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