(57)【要約】【課題】超電導限流器の超電導素子を効果的に冷却する。【解決手段】電流値が一定範囲内の通電時には超電導状態にあり、電流値が一定範囲を超える事故電流の通電時には常電導状態となる超電導素子７１，７２を備える超電導限流器１０において、液体冷媒６０及び複数の超電導素子を収容する冷媒容器２０と、冷媒容器内の液体冷媒を冷却する冷却手段４０とを備え、液体冷媒中で、複数の超電導素子の内の少なくとも二つを上下に並べて配置し、上下が開放された筒状又は枠状であって、冷媒容器内で上下に並べて配置された少なくとも二つの超電導素子を囲繞する素子カバー９３を備えている。  これにより、下方の超電導素子７２を利用して上方の超電導素子７１の効果的な冷却を行う。【選択図】図３
2014179592.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流値が一定範囲内の通電時には超電導状態にあり、電流値が前記範囲を超える事故電流の通電時には常電導状態となる超電導素子を備える超電導限流器において、
液体冷媒及び複数の前記超電導素子を収容する冷媒容器と、
前記冷媒容器内の液体冷媒を冷却する冷却手段とを備え、
前記液体冷媒中で、前記複数の超電導素子の内の少なくとも二つを上下に並べて配置し、
前記冷媒容器内で前記上下に並べて配置された少なくとも二つの超電導素子を囲繞する上下が開放された素子カバーを備えることを特徴とする超電導限流器。
【請求項２】
前記素子カバーに囲繞された前記上下に並べて配置された少なくとも二つの超電導素子の中で下側に位置する超電導素子の下端部が前記素子カバーの下端部よりも上側となるように配置されていることを特徴とする請求項１記載の超電導限流器。
【請求項３】
前記上下に並べて配置された二つの超電導素子の平面視での長手方向について、前記超電導素子の中心から前記素子カバーの内面までの距離をＲ、
前記上下に並べて配置された二つの超電導素子の鉛直上下方向について、前記二つの超電導素子の中心間距離をＬとした場合に、
次式(1)を具備するように前記二つの超電導素子が配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載の超電導限流器。
tan−１（Ｌ/Ｒ）≦70°      …(1)
【請求項４】
電流値が一定範囲内の通電時には超電導状態にあり、電流値が前記範囲を超える事故電流の通電時には常電導状態となる複数の超電導素子を備える超電導限流器の前記超電導素子を冷却する方法において、
冷媒容器内の液体冷媒中に設けられ、上下が開放された素子カバーの内側に、前記複数の超電導素子の内の少なくとも二つを上下に並べて配置し、当該複数の超電導素子の内の下側に位置する超電導素子から発生する気泡を当該複数の超電導素子の内の上側に位置する超電導素子へ導くことを特徴とする超電導限流器内の超電導素子の冷却方法。
【請求項５】
前記複数の超電導素子の内の上側に位置する超電導素子の表面の液体冷媒が膜沸騰状態であるときに当該超電導素子を冷却することを特徴とする請求項４に記載の超電導限流器内の超電導素子の冷却方法。
【請求項６】
前記素子カバーの内側に前記上下に並べて配置する少なくとも二つの超電導素子の中で下側に位置する超電導素子の下端部が前記素子カバーの下端部よりも上側となるように配置することを特徴とする請求項４又は５に記載の超電導限流器内の超電導素子の冷却方法。
【請求項７】
前記上下に並べて配置された二つの超電導素子の平面視での長手方向について、前記超電導素子の中心から前記素子カバーの内面までの距離をＲ、
前記上下に並べて配置された二つの超電導素子の鉛直上下方向について、前記二つの超電導素子の中心間距離をＬとした場合に、
次式(1)を具備するように前記二つの超電導素子を配置することを特徴とする請求項４から６のいずれか１項に記載の超電導限流器内の超電導素子の冷却方法。
tan−１（Ｌ/Ｒ）≦70°      …(1)
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
複数の超電導素子を有する超電導限流器及び当該超電導限流器内の超電導素子の冷却方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
限流器は、電力系統などに導入する機器である。この限流器を導入することで、短絡事故等の事故電流を抑制し、接続された機器の被害低減を図ることが可能となる。
従前の限流器は常電導のリアクトル型のものが一般的だが、近年は、電流経路に超電導素子を介在させ、規定電流の範囲で通電されている時には超電導状態を維持し、超電導素子の臨界電流を超える事故電流の発生時には、常電導状態となってその抵抗により事故電流を抑制する超電導限流器が提案されている。
【０００３】
限流器に用いられる超電導素子は、極低温状態を維持するために液体ヘリウム、液体窒素等の液体冷媒に浸漬した状態で冷却されているが、事故電流の発生時には、超電導素子が常電導状態となって急激に素子温度が上昇する。
限流器は一般に事故電流の遮断器と併用され、事故電流が発生すると遮断器が作動するまでの間（0.1[s]程度）、限流器が事故電流を低減させなければならない。そして、遮断器が事故電流を遮断した際に、限流器では超電導素子を速やかに冷却しなければ、素子寿命が著しく短くなり、限流器としての寿命も短くなる。
このため、超電導限流器においては、超電導素子の発熱時に速やかに冷却することが求められている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、熱発生源としての半導体素子と液体冷媒とを収容する冷媒容器と、当該冷媒容器の外周に設けられた冷却フィンとを備える冷却装置が開示されている。
この冷却装置では、冷媒容器の内底部に半導体素子を設置し、半導体素子から真上に向かう流路と、その周囲において冷媒が底部に戻る流路とが形成されており、半導体素子により加熱された液体冷媒が中央の流路により上昇し、外側の流路から下降する際に液体冷媒が冷却フィンにより冷却され、循環による冷却効率の向上を図っている。
【０００５】
また、特許文献２には、冷却対象としての超電導機器と液体冷媒とを収容する冷媒容器と、当該冷媒容器の内部において超電導機器を囲繞する仕切り板と、仕切り板の内側領域と外側領域とを個別に冷却する熱交換器とを設け、仕切り板の内側領域が外側領域より低温となるよう冷却を行うことにより、仕切り板の内側で下降し、外側で上昇するよう液体冷媒を循環させることで冷却効率の向上を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平０４−０２３４５７号公報
【特許文献２】特開昭６３−２９９１８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１に記載の冷却装置は、冷却対象が半導体素子であることから、常温程度までの冷却しか想定されておらず、液体冷媒の冷却は冷媒容器の外側に設けられた冷却フィンにゆだねられている。
一方、超電導限流器では、超電導素子を極低温状態に冷却する必要があり、また、事故電流発生時には超電導素子は液体冷媒中で激しい膜沸騰状態を生じることから、上記従来の冷却装置の冷却効率では超電導素子の冷却に対処することは困難であった。
【０００８】
また、特許文献２に記載の冷却装置は、超電導機器の冷却を想定しているが、超電導素子の激しい膜沸騰状態に対処し得るものではなかった。即ち、この従来の冷却装置は、超電導機器が配置される仕切り板の内側領域で下降し、外側領域で上昇する循環を行うので、超電導素子の沸騰時には気泡の上昇により逆の流れが発生し、効率的な冷却を行うことが困難であった。
【０００９】
本発明は、超電導素子の表面に膜沸騰が発生した場合に効果的な冷却を行う超電導限流器及び超電導限流器内の超電導素子の冷却方法の提供を図ることをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、電流値が一定範囲内の通電時には超電導状態にあり、電流値が前記範囲を超える事故電流の通電時には常電導状態となる超電導素子を備える超電導限流器において、液体冷媒及び複数の前記超電導素子を収容する冷媒容器と、前記冷媒容器内の液体冷媒を冷却する冷却手段とを備え、前記液体冷媒中で、前記複数の超電導素子の内の少なくとも二つを上下に並べて配置し、前記冷媒容器内で前記上下に並べて配置された少なくとも二つの超電導素子を囲繞する上下が開放された素子カバーを備えることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、電流値が一定範囲内の通電時には超電導状態にあり、電流値が前記範囲を超える事故電流の通電時には常電導状態となる複数の超電導素子を備える超電導限流器の前記超電導素子を冷却する方法において、冷媒容器内の前記液体冷媒中に設けられ、上下が開放された筒状又は枠状の素子カバーの内側に、前記複数の超電導素子の内の少なくとも二つを上下に並べて配置し、当該複数の超電導素子の内の下側に位置する超電導素子から発生する気泡を当該複数の超電導素子の内の上側に位置する超電導素子へ導くことを特徴とする。
上記超電導限流器内の超電導素子の冷却方法において、前記複数の超電導素子の内の上側に位置する超電導素子の表面の液体冷媒が膜沸騰状態であるときに当該超電導素子を冷却しても良い。
【００１２】
また、超電導限流器又は超電導限流器内の超電導素子の冷却方法の発明において、前記素子カバーに囲繞された前記上下に並べて配置された少なくとも二つの超電導素子の中で下側に位置する超電導素子の下端部が前記素子カバーの下端部よりも上側となるように配置するものとしても良い。
【００１３】
また、超電導限流器又は超電導限流器内の超電導素子の冷却方法の発明において、前記上下に並べて配置された二つの超電導素子の平面視での長手方向について、前記超電導素子の中心から前記素子カバーの内面までの距離をＲ、前記上下に並べて配置された二つの超電導素子の鉛直上下方向について、前記二つの超電導素子の中心間距離をＬとした場合に、次式(1)を具備するように前記二つの超電導素子を配置するものとしても良い。
tan−１（Ｌ/Ｒ）≦70°      …(1)
【００１４】
なお、素子カバーは、上下に並べて配置された二つの超電導素子以外の超電導素子も囲繞しても良いし、上下に並べて配置された二つの超電導素子が複数組ある場合には組ごとに個別に設けても良い。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は、冷媒容器内の液体冷媒中で、素子カバーの内側で二つの超電導素子の一方を他方の上側に配置することで、事故電流の発生により急激な温度上昇が生じた各超電導素子は膜沸騰状態となる。これにより、下側の超電導素子の平面から生じる液体冷媒の気化ガスが上方に放出され、上側の超電導素子は、素子カバーに沿って上昇する気化ガスに曝される。
膜沸騰状態にある超電導素子は、その表面において気化ガスが膜状に張り付いた状態で発生することから冷却効率が低減する。このような状態の超電導素子に対して下方から上昇する気化ガスの気泡及び当該気泡による液流に曝されると、その素子表面で発生した気化ガスの剥離を促し、液体冷媒に接するので上側の超電導素子の冷却効率が改善される。
このように、他の何れかの超電導素子の上側に位置する超電導素子を素子カバーによって効率的に冷却し、その寿命を延長することが出来るので、超電導限流器についても長寿命化を実現することが可能となる。
また、素子カバーとこれに対する超電導素子の配置により冷却効率の向上を実現するので、冷却のための特殊構造や特別な構成を不要とし、超電導限流器全体の構成の簡易化、コストの低減を図ることが可能である。
【００１６】
また、素子カバー内で下側に位置する超電導素子の下端部が素子カバーの下端部よりも上側となるように配置した場合には、下方の超電導素子からの気化ガスの気泡を素子カバーの外側に漏らすことなく上側の超電導素子に向かって導くことが出来るので、上側の超電導素子のさらなる効率的な冷却及びこれにより長寿命化を実現することが可能となる。
【００１７】
また、素子カバー内での二つの超電導素子について、長手方向の中心から素子カバーの内面までの距離Ｒと、二つの超電導素子の鉛直上下方向における中心間距離Ｌとの相対的な関係を式(1)の数値範囲で規定した場合には、素子カバーが冷媒ガスの拡散を低減して
効果的に上側の超電導素子の冷却を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第一の実施形態に係る超電導限流器の垂直平面に沿った断面図である。
【図２】超電導素子の配置に基づく冷却の原理を示す説明図である。
【図３】素子カバー内の中心線に沿った断面図である。
【図４】素子カバーの平面図である。
【図５】下方からの気泡の有無と冷却時の温度変化との関係を示す線図である。
【図６】素子カバーを設けた場合と設けていない場合とで超電導素子が加熱状態から冷媒温度に戻るまでの復帰時間の比較を行った結果を示す図である。
【図７】素子カバーに対する上下の超電導素子の配置に基づく交差角度を複数の角度に変化させた場合の超電導素子の加熱状態からの復帰時間の一覧を示す図表である。
【図８】素子間距離と相互インダクタンスの対応関係をシミュレーションに基づいて算出した線図である。
【図９】交差角度45°と80°と素子カバーを設けない場合とで超電導素子の加熱状態からの復帰時間の比較結果を示す図である。
【図１０】超電導素子ユニットの例を示す平面図である。
【図１１】超電導素子ユニットの他の例を示す平面図である。
【図１２】素子カバー内に図１０の超電導素子ユニットを配置した例を示す断面図である。
【図１３】素子カバー内に図１０の超電導素子ユニットを配置した例を示す平面図である。
【図１４】素子カバーの平面視形状を矩形とした例を示す平面図である。
【図１５】複数の組からなる超電導素子に対して組ごとに素子カバーを設けた場合を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
［実施形態の概要］
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
この実施形態では、外部から電源供給が行われる保護対象機器に対し、電源供給経路の途中に設けられ、電源供給側で発生した事故電流を低減するための超電導限流器１０及び当該超電導限流器１０内の超電導素子７１，７２の冷却方法について説明する。図１は超電導限流器１０の垂直平面に沿った断面図である。
【００２０】
この超電導限流器１０は、真空断熱された内側容器２１と外側容器２２とを有し、液体冷媒である液体窒素６０と後述する二つの超電導素子７１，７２とを収容する冷媒容器２０と、冷媒容器２０の上部開口を閉塞可能な蓋体３０と、内側容器２１内の液体窒素６０を冷却する冷却手段としての冷凍機４０と、冷媒容器２０の液体窒素６０内で二つの超電導素子７１，７２を囲繞する素子カバー９３とを備えている。
そして、この超電導限流器１０は、二つの超電導素子７１，７２に対して超電導素子７１，７２のどちらの臨界電流も超えない範囲で通電されている時には超電導状態を維持し、どちらか一方でも臨界電流を超える過大な事故電流が通電された時には常電導状態となって電気抵抗を発生することで、保護対象機器への過大な電流の通電を防止する。
以下、超電導限流器１０の各部について説明する。
【００２１】
［冷媒容器］
冷媒容器２０は、内側容器２１と外側容器２２とからなり、これら相互間が真空断熱された二重壁面構造の有底容器である。
内側容器２１は、上下方向に沿った円筒状であって、下端部が閉塞されて底部をなし、上端部が開放されている。
外側容器２２は、内側容器２１と同様に上下方向に沿った円筒状であって、下端部が閉塞されて底部をなし、上端部が開放されている。そして、この外側容器２２は、内側容器２１よりに一回り大きく形成され、内側容器２１を内側に格納している。さらに、内側容器２１の外周面及び底部下面と外側容器２２の内周面及び底部上面とが相互に隙間空間を形成するように、内側容器２１と外側容器２２の上端部同士が接合されて一体化されている。また、内側容器２１と外側容器２２の互いの隙間空間は真空引きが行われ、真空断熱されている。
また、内側容器２１と外側容器２２との隙間空間には、円筒部及び底部の全域に渡って、アルミニウムを蒸着させたポリエステルフィルムが積層されてなるスーパーインシュレーション材２３が介在し、外部からの輻射熱の遮断を図っている。
【００２２】
［蓋体］
内側容器２１と外側容器２２の接合部（冷媒容器２０の上端面）は水平に平滑化されており、このリング状の平滑面（上端面）上に円板状の蓋体３０が載置装備されている。
この蓋体３０は、保守点検による冷媒容器２０内へのアクセスができるように、冷媒容器２０からの着脱が可能な状態で取り付けられている。例えば、蓋体３０と冷媒容器２０の相互間の凹凸形状による嵌合構造或いはボルト止め等周知の方法で蓋体３０が冷媒容器２０に対して固定される。
なお、この蓋体３０は、冷凍機４０を垂下支持するので、ある程度強度を有する材料から形成されていることが好ましい。具体的には、ＦＲＰ(Fiber Reinforced Plastics)やステンレス鋼等を蓋体３０の材料として用いることができる。
また、この蓋体３０も冷媒容器２０と同様に中空の内部が真空断熱された二重壁面構造として断熱性を高めても良い。
【００２３】
［冷凍機］
冷凍機４０は、蓄冷式のいわゆるＧＭ冷凍機であり、蓄冷材を内部に保有するディスプレーサ容器を上下に往復させるシリンダ部４１と、ディスプレーサ容器に上下の移動動作を付与するモータを駆動源とするクランク機構が格納された駆動部４２と、シリンダ部４１において最も低温となる低温伝達部４３に設けられた熱交換部材としての熱交換器４４とを備えている。
また、上記冷凍機４０には、図示しないコンプレッサ等が接続され、その内部に対して冷媒ガスである窒素ガスの吸排気が行われるようになっている。
【００２４】
［超電導素子］
二つの超電導素子７１，７２は、超電導体を有する短冊状の平板であり、通電方向に沿って直列に接続されている。また、直列接続された二つの超電導素子７１，７２の両端部は、それぞれ、蓋体３０を上下に貫通して保持された電流リード９１，９２に個別に接続されている。即ち、いずれか一方の電流リード９１又は９２から二つの超電導素子７１，７２を介して他方の電流リード９２又は９１に事故電流が通電されるようになっている。
【００２５】
各超電導素子７１，７２を構成する超電導体には、液体窒素温度以上で超電導状態となるＲＥ系超電導体（ＲＥ：希土類元素）を用いることができる。ＲＥ系超電導体としては、例えば化学式ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-ｙで表されるイットリウム系超電導体（以下、Ｙ系超電導体）が代表的である。ＲＥ系超電導体の場合には、短冊状の平板以外に、テープ状の金属基板上に中間層を介してＲＥ系超電導体が形成されたテープ状の超電導線を用いてもよい。また、金属マトリクス中に超電導体が形成されているテープ状の超電導線でもよい。超電導体には、ビスマス系超電導体、例えば化学式Ｂｉ2Ｓｒ2ＣａＣｕ2Ｏ8+δ（Ｂｉ２２１２）, Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏ10+δ(Ｂｉ２２２３)を適用できる。なお、化学式中のδは酸素不定比量を示す。
【００２６】
上記二つの超電導素子７１，７２は、冷媒容器２０において液体窒素６０の規定液面高さの液面６１より低位置において、いずれも長手方向が水平方向に沿った状態で、その平板面が鉛直上下方向に沿うように図示しない枠体により保持されている。
これらの超電導素子７１，７２は、同一寸法、同一構造であり、一方の超電導素子７１が他方の超電導素子７２の上側に配置されている。また、図１に示すように、二つの超電導素子７１，７２は、鉛直上下方向に沿った同一の垂直平面上に配置され、また、平面視で各々の両端部の位置が一致するように配置されている。
【００２７】
超電導素子７１，７２は、周囲の極低温状態の液体窒素により冷却されているが、事故電流のような臨界電流を大きく超える電流が各超電導素子７１，７２に流れると、これらの超電導素子７１，７２は超電導状態から常電導状態に遷移し、電気抵抗が高くなることにより急激に発熱する。その結果、周囲の液体窒素に対して超電導素子７１，７２は非常に高温となり、液体窒素が核沸騰状態を超えて膜沸騰状態となる。
膜沸騰状態が発生すると、超電導素子７１，７２の表面が液体窒素よりも冷却効率が低い窒素ガスに覆われるので、超電導素子７１，７２の冷却に時間を要する状態となる。
【００２８】
しかし、図２に示すように、冷媒容器２０内において、上下に超電導素子７１，７２を並べて配置した場合には、膜沸騰状態となった下側の超電導素子７２の表面から大量の窒素ガスが気泡となって上昇し、上側の超電導素子７１は上昇する大量の窒素ガスの気泡とこれに伴う上方への液流とに曝される。
その際、上側の超電導素子７１の表面に発生した膜沸騰状態の窒素ガスが下方からの気泡と液流とにより剥離され、上側の超電導素子７１の表面を液体窒素と接触する状態に戻すことができ、効率的に冷却することが可能となる。
なお、超電導素子は、一定の高温状態となっている時間の積算値が増えるほどその寿命が短くなる傾向にあることから、事故電流時の高温状態からの冷却が速やかであるほど、素子寿命を延長することが可能である。従って、超電導素子７１，７２を上述のように上下に配置することにより、少なくとも一方の超電導素子７１の長寿命化を図り、超電導限流器１０の全体的な長寿命化を図っている。
また、超電導限流器が複数の超電導素子を備える場合、最も臨界電流が小さい超電導素子が最も寿命が短くなり、当該最も寿命が短い超電導素子の寿命が超電導限流器の寿命となる。従って、最も寿命が短い超電導素子を他のいずれかの超電導素子の上側に配置して効率的に冷却することが望ましい。
例えば、上記超電導限流器１０の場合には、上側の超電導素子７１として、下側の超電導素子７２よりも臨界電流が小さく寿命が短いものを選択することが望ましい。これにより、超電導限流器全体の寿命を延長することが可能となる。
【００２９】
［素子カバー］
図３は素子カバー９３内の中心線に沿った断面図、図４は平面図である。図示のように、素子カバー９３は、平面視円形であって、その中心線Ｃが鉛直上下方向に沿った状態で冷媒容器２０の内側に配設された筒状体であり、その上端部と下端部は開放されている。
そして、この素子カバー９３の内側に二つの超電導素子７１，７２を上下に配置している。
前述したように、超電導素子７１，７２は、一方の超電導素子７１を他方の超電導素子７２の上方に配置することにより、事故電流の発生時に、下方の超電導素子７２の膜沸騰により発生する窒素ガスの気泡及びこれによる液流を利用して、上方の超電導素子７１の冷却効率を高めている。このように下方の超電導素子７２からの気泡及び液流を利用する場合に、気泡が周囲に拡散してしまうと、上方の超電導素子７１の膜沸騰による窒素ガスを剥離する能力が低減し、十分に冷却効率の向上を図ることが出来なくなる。
従って、上記の素子カバー９３で各超電導素子７１，７２を囲繞することで、下方の超電導素子７２からの気泡の拡散を防ぎ、気泡及び液流を上側の超電導素子７１へ効果的に導くことを可能としている。
【００３０】
上記素子カバー９３に対する各超電導素子７１，７２の配置について以下に説明する。
以下の説明において、各超電導素子７１，７２の中心ｇとは、各超電導素子７１，７２の平面視における長手方向について中間であって、平面視における短手方向についても中間であって、鉛直上下方向についても中間に位置する中間点をいうものとする。なお、この中心ｇは、各超電導素子７１，７２が長方形の平板（直方体形状）であって全体が均一の密度である場合にその重心と一致する。
そして、各超電導素子７１，７２はその中心ｇ，ｇが、いずれも素子カバー９３の中心線Ｃの線上となるように配置されている。
【００３１】
さらに、二つの超電導素子７１，７２の鉛直上下方向における中心ｇ，ｇの距離である中心間距離をＬ、各超電導素子７１，７２の中心ｇから素子カバー９３の内面までの超電導素子７１，７２の長手方向に沿った距離をＲ、各超電導素子７１，７２の平面視での長手方向の長さをＷ、一方の超電導素子７１の中心ｇから当該超電導素子７１の長手方向に沿って延ばした直線が素子カバー９３の内面と交差する交点をｒ１、他方の超電導素子７２の中心ｇから当該超電導素子７２の長手方向に沿って延ばした直線が素子カバー９３の内面と交差する交点をｒ２、他方の超電導素子７２の中心ｇと交点ｒ１とを結ぶ直線と他方の超電導素子７２の中心ｇと交点ｒ２とを結ぶ直線との交差角度をθとした場合に、次式(1)の関係が成立するように各超電導素子７１，７２は配置されている。
【００３２】
tan−１（Ｌ／Ｒ）≦70°      …(1)
【００３３】
上記tan−１（Ｌ／Ｒ）＝θなので上記(1)は  θ  ≦70°  と同義である。
また、各超電導素子７１，７２の長手方向における両端部と素子カバー９３の内面との間は気泡の通過が可能であることが望ましいので、相互間を完全に塞がないように、Ｒ＞Ｗ／２とする。
また、超電導素子７１，７２は、臨界電流を超えたときに生じる気泡の水平方向における中心ｇからの到達距離α（図２参照）がおおむね一定の範囲内となり、距離Ｒはα以下の範囲とすることが望ましい（Ｒ≦α）。
さらに、下側の超電導素子７２は、その下端部が素子カバー９３の下端部よりも上側となるように配置している。これにより、膜沸騰時に発生する気泡を素子カバー９３の外側に漏らすことなく効果的に上方に導くことができるようになっている。
【００３４】
［膜沸騰による気泡を利用した冷却効率の向上］
ここで、膜沸騰による気泡を利用した冷却効率の向上について説明する。図５の実線は室温(303[K])状態の単独の超電導素子７１を冷媒容器２０内の液体窒素に入れて冷媒温度(77[K])まで冷却するのに要する時間及び温度変化を示している。また、図５の点線は室温(303[K])状態の単独の超電導素子７１及び膜沸騰による気泡の発生源となる室温状態の金属製の枠体を冷媒容器２０内に配置して、冷媒温度(77[K])まで冷却するのに要する時間及び温度変化を示している。枠体は、超電導素子７１の中心ｇから鉛直下方に下ろした垂線に対して70°傾斜した斜め下方に配置した。
なお、いずれの場合も冷媒容器２０内から超電導素子７２及び素子カバー９３を除去している。
【００３５】
図５のように、超電導素子７１を単独で配置した場合（実線）には冷媒温度まで冷却するのに要した時間はおよそ13[s]であり、超電導素子７１の斜め下方に枠体を配置した場合（点線）には冷媒温度まで冷却するのに要した時間はおよそ11[s]であった。
これは、枠体を配置した場合には、液体冷媒に対して高温である枠体の表面で膜沸騰が発生し、窒素ガスによる大量の気泡が液流を伴って上昇する。そして、膜沸騰状態にある超電導素子７１が枠体からの気泡及び液流に曝されて、冷却効率の低い窒素ガスが表面から剥離され、液体窒素による冷却が行われて超電導素子７１の冷却効率が向上するためである。
このように、超電導素子は膜沸騰による気泡発生源を下方に配置することにより、そこから生じる窒素ガスの気泡及び液流により超電導素子の膜沸騰時における冷却効率を改善する。
従って、図１に示す超電導限流器１０のように、一方の超電導素子７１をもう一方の超電導素子７２の上方に配置することにより、臨界電流を超える事故電流の発生時に、下方の超電導素子７２が気泡発生源となり、上方の超電導素子７１に膜沸騰が生じた場合でも、より迅速に冷却を行うことが可能である。
【００３６】
［素子カバーによる冷却向上効果］
冷媒容器２０内に素子カバー９３を設けた場合と設けていない場合とで各超電導素子７１，７２に通電を行って加熱させてから冷媒温度に戻るまでの復帰時間の比較を行った結果を図６に示す。なお、この図６では、各超電導素子７１、７２に対し、通電により発熱させた場合の発生熱量と復帰時間の比較を行った。また、各超電導素子７１，７２の冷媒容器２０内の配置はいずれも図３に示す配置において交差角度θを30°とした。
【００３７】
図６において「◆」は素子カバー無し、「□」は素子カバーありを示す。素子カバー９３を設けない場合に比べて素子カバー９３を設けた場合には復帰時間が短縮され、発生熱量が高くなるほど復帰時間の差が大きくなっている。例えば、充電電圧1000[V]において、素子カバー９３を設けない場合の復帰時間は3.7[sec]だが、素子カバー９３を設けた場合には復帰時間が3.1[sec]となり、およそ20パーセント短縮した。
これにより、発生熱量が高くなるほど、下方の超電導素子７２からの窒素ガスの気泡の発生量が増えることになるが、素子カバー９３が気泡を上方の超電導素子７１に効果的に導いて冷却効率を高めていることが分かる。
【００３８】
［素子カバーに対する上下の超電導素子の配置よる冷却向上効果］
素子カバー無しの場合及び素子カバー９３に対する上下の超電導素子７１，７２の配置における交差角度θをそれぞれ20,25,30,45,60,70,75,80°とした場合の超電導素子７１の加熱状態からの復帰時間の一覧を図７に示す。なお、この図７の比較試験では、超電導素子の中心から素子カバーまでの距離Ｒを一定にして二つの超電導素子７１，７２の中心間距離Ｌのみを変更することで交差角度θを変化させており、その他の配置については図３の例と同一である。また、各超電導素子７１，７２に対して発生熱量を400[Ｊ]とした場合で比較を行った。
【００３９】
上記比較の結果、交差角度θが75°以上の範囲では素子カバー９３を設けない場合の復帰時間と大差がなく、交差角度θ≦70°の範囲で復帰時間が顕著に短縮するという結果が得られた。
即ち、tan−１（Ｌ／Ｒ）≦70°とすることが効果的であり、70°を超えると冷却効率が低下することが分かる。
【００４０】
［超電導素子の素子間距離と相互インダクタンスの影響］
次に、超電導素子の素子間距離と相互インダクタンスの影響について説明する。図８は素子間距離と相互インダクタンスの対応関係をシミュレーションに基づいて算出した線図であり、実線は各超電導素子７１，７２の平板面を鉛直上下方向に沿わせた状態（図３の配置）であり、点線は各超電導素子７１，７２の平板面をいずれも水平状態とした場合を示す。なお、ここでの素子間距離は、下側の超電導素子７２の上端面から上側の超電導素子７１の下端面までの距離を示す。
図示のように、相互インダクタンスは、超電導素子７１，７２のサイズを210×30×1（図３の状態での水平方向幅×鉛直上下方向幅×紙面厚さ方向幅、単位は全て[mm]）とした場合、超電導素子７１，７２の素子間距離がおよそ20[mm]を下回ると急に大きくなるという結果が得られた。従って、各超電導素子７１，７２の素子間距離は20[mm]以上とすることが望ましい。
【００４１】
二つの超電導素子７１，７２いずれも平板面を鉛直上下方向に沿わせた状態とした場合（図３の向き及び配置である場合）、二つの超電導素子７１，７２の中心間距離Ｌは、上述した相互インダクタンスを考慮した素子間距離(20[mm])＋素子の鉛直上下方向幅(30[mm])となるので、Ｌ≧50[mm]とすることが望ましい。
さらに、超電導素子７１，７２の一端部を素子カバー９３の内面に近接配置する前提とした場合、各超電導素子７１，７２の中心ｇから素子カバー９３の内面までの距離Ｒ＝210/2＝105[mm]となる。
式(1)のtan−１（Ｌ／Ｒ）に上記Ｌ，Ｒの数値を入力すると、
tan−１（Ｌ／Ｒ）＝tan−１（50／105）＝tan−１（0.48）≒25°となり、相互インダクタンスの悪化を回避するためには、tan−１（Ｌ／Ｒ）≧25°（θ≧25°）とすることが望ましい。
このように、θ（＝tan−１（Ｌ／Ｒ））の下限値は、超電導素子７１，７２の素子間の相互インダクタンスの悪化を回避可能な範囲から定めることが望ましい。例えば、上述のように、相互インダクタンスの変化率が顕著となる素子間距離からθ（＝tan−１（Ｌ／Ｒ））の下限値を定めても良いし、相互インダクタンスの数値の上限値を定め、これに基づいてθ（＝tan−１（Ｌ／Ｒ））の下限値を定めても良い。
【００４２】
［発生熱量が異なる場合の素子カバー内の上下の超電導素子の配置よる冷却向上効果］
また、図７の比較により適正範囲内とされる交差角度45°の場合と適正範囲外とされる交差角度80°の場合と素子カバー９３を設けない場合とで、超電導素子７１に対する通電による発生熱量を0〜480[J]の範囲で変化させた時の復帰時間の比較結果を図９に示す。
図９において「◆」は素子カバー無し、「□」は交差角度45°（素子カバーあり）、「△」（図９では模様付き）は交差角度80°（素子カバーあり）を示す。
この比較から、交差角度45°の場合には、発生熱量が大きくなるにつれて素子カバー９３を設けない場合に比べて復帰時間の短縮が顕著となることが分かり、交差角度80°の場合には、充電電圧が変化しても素子カバー９３を設けない場合の復帰時間と大差ないことが分かる。
【００４３】
［発明の実施形態における技術的効果］
以上のように、超電導限流器１０は、冷媒容器２０内の液体窒素６０中で、一方の超電導素子７１を他方の超電導素子７２の上方に配置することで、事故電流の発生時に下方の超電導素子７２から発生する窒素ガスの気泡及び液流を利用して、膜沸騰状態にある上方の超電導素子７１を効率的に冷却することを可能としている。かかる超電導素子７１，７２の上下配置による冷却効率の向上は図５による膜沸騰による窒素ガス発生源を伴う場合の冷却効率の向上の結果からも裏付けられている。
【００４４】
さらに、超電導限流器１０は、二つの超電導素子７１，７２を囲繞する素子カバー９３を備え、これにより、下方の超電導素子７２から発生する気泡を上方の超電導素子７１に効率良く導くことにより冷却効率の向上を実現している。かかる素子カバー９３による冷却効率の向上は図６による素子カバー９３の有無による冷却温度への復帰時間の比較試験の結果からも裏付けられている。
【００４５】
また、素子カバー内での二つの超電導素子７１，７２の配置が、中心ｇ，ｇから素子カバー９３の内面までの距離Ｒ及び二つの超電導素子７１，７２の中心間距離Ｌに規定されるtan−１（Ｌ／Ｒ）≦70°を満たすことにより、上方の超電導素子７１の冷却効率の向上を実現することが可能である。かかる素子配置による冷却効率の向上は図７及び図９によるＬ、Ｒに基づく交差角度θを変化させた場合の比較試験の結果からも裏付けられている。
【００４６】
さらに、前述した図８に示すように、各超電導素子７１，７２の素子間距離は20[mm]以上とすることにより、各超電導素子７１，７２の相互インダクタンスの影響を低減することが可能である。この条件を満たすためにも、各超電導素子７１，７２の配置に基づく交差角度θは25°以上の範囲とすることが望ましい。
即ち、25°≦tan−１（Ｌ／Ｒ）≦70°とすることにより、各超電導素子７１，７２の相互インダクタンスの影響を抑制しつつ、冷却効率の向上を図ることが可能である。
【００４７】
また、素子カバー９３内で下側に位置する超電導素子７２の下端部が素子カバー９３の下端部よりも上側となるように配置することで、事故電流の発生時に当該超電導素子７２からの窒素ガスの気泡を素子カバー９３の外側に漏らすことなく超電導素子７１に向かって導くことが出来るので、超電導素子７１のさらなる効率的な冷却が可能となる。
【００４８】
このように、超電導限流器１０で冷媒容器２０内に素子カバー９３を設け、素子カバー９３に対して超電導素子７１，７２が上述した各種の配置条件を満たすように配置することにより、上方の超電導素子７１を効率的に冷却し、その寿命を延長することが出来るので、超電導限流器１０についても長寿命化を実現することが可能となる。
また、素子カバー９３とこれに対する超電導素子７１，７２の配置により冷却効率の向上を実現するので、冷却のための特殊構造や特別な構成を冷媒容器２０に付加する必要がなく、超電導限流器１０全体の構成の簡易化、コストの低減を図ることが可能である。
【００４９】
［その他］
超電導素子は短冊状ではなく、容易に変形させることが可能なワイヤ状としても良い。その場合には、超電導素子により任意の形状を形成しても良い。例えば、図１０に示す、支持プレート１１０の上面に沿って、超電導素子１０１〜１０６を渦を巻くようにコイル状に取り付けた超電導素子ユニット１００を、二つ以上用意してそれらを上下に重ねて配置しても良い。なお、支持プレート１１０の上面において、超電導素子１０１〜１０６がコイル状に配置される部分１１１は、網状或いは無数のスリットや小孔が形成されており、表裏に気泡が通過可能となっている。
なお、超電導素子ユニットの個体数は、二以上であれば任意であり、一つの超電導素子ユニット１００に設けられる超電導素子の個体数は一以上であれば任意である。
【００５０】
また、超電導素子ユニット１００の超電導素子の形状としては、図１１に示すような無誘導巻きの形状としても良い。即ち、その中央部で折り返したワイヤ状の超電導素子１０１をコイル状に巻くことにより、その一端部から他端部にかけて通電すると、中央部の折り返し部分を境界として隣接するワイヤ状の超電導素子に互いに逆向きに電流が流れることになる。これにより素子群のインダクタンスが減少し、超電導限流器１０を定格通電させたときの発生電圧を抑制することができる。
また、このように無誘導巻きの形状とした場合にも図１０のように複数のワイヤ状の超電導素子をコイル状に巻いてもよい。
【００５１】
そして、図１２及び図１３に示すように、上記超電導素子ユニット１００を複数用意し、素子カバー９３の内側に上下に並べて配置する。この場合、各超電導素子ユニット１００はいずれも水平に沿った状態とすることが望ましい。
また、少なくとも、上下に複数配置される超電導素子ユニット１００に取り付けられた全ての超電導素子の中で、臨界電流の値が最も小さい超電導素子が取り付けられた超電導素子ユニット１００の下側に一つ以上の他の超電導素子ユニット１００が配置されていることが望ましく、臨界電流の値が最も小さい超電導素子が取り付けられた超電導素子ユニット１００が最も上側に配置されればより望ましい。
これにより、最も臨界電流が小さい超電導素子の素子寿命を延長することができ、装置全体の長寿命化を図ることが可能である。
なお、超電導素子ユニットの個体数は、二以上であれば任意であり、一つの超電導素子ユニット１００に設けられる超電導素子の個体数は一以上であれば任意である。
【００５２】
また、上述した素子カバー９３は円筒形状に限定されるものではなく、上下の端部が開放された筒状体又は枠体であれば任意の平面視形状とすることが出来る。例えば、図１４に示すように、平面視形状が四角形の枠体からなる素子カバー９３Ａを使用しても良い。また、その他の多角形や楕円、長円等にしても良い。但し、上下方向の全長に渡って一様の断面形状で全長に渡って貫通していることが望ましい。
なお、このように素子カバー９３Ａが四角形の枠体である場合にも、各超電導素子７１，７２の長手方向についてtan−１（Ｌ／Ｒ）≦70°を満たすように配置することが望ましい。さらに相互インダクタンスの影響を考慮すると25°≦tan−１（L/R）≦70°とすることがより好ましい。
また、上下が開放して窒素ガスの気泡の拡散を押さえることが可能であれば、筒状又は枠状以外の形状のカバーにより超電導素子７１，７２を囲繞しても良い。
【００５３】
また、超電導素子が短冊状である場合を例示したが、これに限らず、例えば、棒状、ワイヤー状、シート状、その他の任意の形状としても良い。また、超電導素子の形状によっては、平面視の形状に長手方向が存在しない場合もあり得るが（例えば、平面視で円形などの場合）、その場合には、いずれか任意の方向を長手方向と仮定し、当該仮定の長手方向で超電導素子の中心から素子カバーの内面までの距離Ｒを定義し、式(1)が成立するように各超電導素子を配置しても良い。
【００５４】
また、前述した超電導素子７１，７２は、その姿勢や向きを変更することが可能である。
例えば、各超電導素子７１，７２の長手方向が水平方向に沿うように配置した場合を例示したが、これらの長手方向が鉛直上下方向に沿うように配置しても良い。
また、各超電導素子７１，７２の平板面が鉛直方向に沿うように配置した場合を例示したが、平板面が水平となるように配置しても良い。
さらに、超電導素子は二枚に限らず、より多くの超電導素子を使用しても良い。その場合には、全ての超電導素子を直列に接続しても良いが、直列接続と並列接続とを組み合わせて各超電導素子を接続しても良い。また、より多くの超電導素子を使用する場合には、上下二段の配置ではなく、多段に配置しても良い。その場合、少なくとも上下に隣接する二つの超電導素子について式(1)が成立するように配置することが望ましく、上下に隣接する全ての超電導素子の組み合わせについて式(1)が成立するように配置することがより望ましい。
【００５５】
また、図１５に示すように、超電導限流器が、上下に配置された超電導素子からなる組７３，７４を複数有する場合には、超電導素子の組７３，７４ごとに素子カバー９３，９３を用意して、個別に内部に配置しても良い。また、上下に配置された超電導素子からなる組７３，７４を複数有する場合に、これらを一つの素子カバー内に配置しても良い。
【００５６】
また、上下に隣接する二つの超電導素子が、その超電導状態を維持することが可能な臨界電流の値にバラつきがあるものが使用される場合には、臨界電流の値が小さいものの方が寿命が短くなる傾向にあるので、当該臨界電流の値が小さい超電導素子を臨界電流の値がより大きい超電導素子の上側に配置することが望ましい。寿命の短い方の超電導素子の冷却効率を高めて長寿命化を図ることにより、より効果的に超電導限流器の長寿命化を実現することが可能となる。
【００５７】
また、超電導素子の長手方向の両端部がいずれも素子カバーの内面に対して等しい距離であれば（中心ｇが中心線Ｃ上に位置する状態）、前述した式(1)は超電導素子の長手方向の両側でいずれも成立する配置とすることが望ましい。
また、超電導素子の長手方向の両端部が素子カバーの内面に対して等しい距離ではない場合には、いずれかの素子カバーの内面に近接する方の端部側で、前述した式(1)が成立する配置とすることが望ましい。
【符号の説明】
【００５８】
１０  超電導限流器
２０  冷媒容器
３０  蓋体
４０  冷凍機（冷却手段）
６０  液体窒素（液体冷媒）
７１，７２  超電導素子
９３，９３Ａ  素子カバー
【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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【図１４】
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【図１５】
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