(57)【要約】【課題】極低温容器に収容して液体冷媒により冷却する超電導機器のメンテナンスに際して、極低温容器に超電導機器を収容したままの状態で、昇温の所要時間を短縮できるようにした昇温方法を提供する。【解決手段】本発明の昇温方法は、極低温容器２に収容して液体冷媒（液体窒素）に浸漬し、該液体冷媒により極低温に冷却した状態で運転する超電導機器１を対象に、該超電導機器１を運転停止し、さらに外部から液体冷媒と同じ種類のガス（窒素ガス）を極低温容器２に加圧供給して液体冷媒を追い出した状態で、極低温容器を満たしているガスを昇温用の熱媒体として、該ガスをガス−空気熱交換器１０、エアポンプ１１、および循環回路の配管１２，１３，１４を経由して極低温容器２に強制循環通流し、前記超電導機器を周囲の室内温度近くまで昇温させるようにする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
極低温容器に収容して液体冷媒に浸漬し、該液体冷媒により極低温に冷却した状態で運転する超電導機器を対象に、該超電導機器を通電停止し、かつ極低温容器から液体冷媒を追い出した状態で、液体冷媒と同じ種類のガスを昇温用の熱媒体として、該ガスをガス−空気熱交換器およびエアポンプを経由して極低温容器に循環通流し、前記超電導機器を周囲の室内温度近くまで昇温させることを特徴する超電導機器の昇温方法。
【請求項２】
請求項１に記載の昇温方法を実施する昇温装置であって、超電導機器を収容した極低温容器の外方に配置したガス−空気熱交換器と、エアポンプと、前記ガス−空気熱交換器およびエアポンプを経由して極低温容器との間に配管したガス循環管路とで熱媒循環系を構築したことを特徴とする超電導機器の昇温装置。
【請求項３】
請求項２に記載の昇温装置において、エアポンプをガス−空気熱交換器の出口側管路に接続したことを特徴とする超電導機器の昇温装置。
【請求項４】
請求項２または３のいずれかの項に記載の昇温装置において、ガス−空気熱交換器の出口側管路に放圧弁を接続したことを特徴とする超電導機器の昇温装置。
【請求項５】
請求項２ないし４のいずれか１項に記載の昇温装置において、極低温容器の上面側に短小な長さのガス導入管、および先端が容器内の底面付近に達する長さのガス排気管を接続し、かつ前記ガス導入管およびガス排気管にそれぞれガス循環管路の往路側管路および復路側管路を接続したことを特徴とする超電導機器の昇温装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、極低温容器に収容し液体冷媒により冷却する超電導変圧器，超電導ケーブルなどの超電導機器を対象に、機器のメンテナンス実施に際して極低温の冷却状態から周囲の室温近い温度に昇温させる超電導機器の昇温方法および昇温装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
変圧器やケーブルなどの各種機器について、超電導技術を適用して機器の小型軽量化、高効率化などを図るさまざまな研究が従来から国内外で行われている。また、高温超電導体の発見により、液体窒素温度（７７Ｋ）で超電導機器の運転が可能になったことから、昨今では液体窒素を冷媒として超電導体の臨界温度以下に冷却した状態で運転する超電導変圧器、超電導回転機などの超電導機器が実用化に向けて開発が進められている。
【０００３】
次に、液体窒素を冷媒として超電導変圧器などの超電導機器を冷却する液体窒素冷却システムの例（例えば、非特許文献１参照）を図６に示す。図６において、１は超電導機器（例えば、超電導変圧器）、２は超電導機器１を収容した極低温容器（クライオスタット）、３は極低温冷凍機４を装備した冷凍機ユニット、５は送液ポンプ、６，７は極低温容器２と冷凍機ユニット３との間に配管した冷媒循環管路の往路側，復路側の管路（トランスファーチューブ）、８は超電導機器１の電流リード（ブッシング）、LN2は極低温容器２および冷凍機ユニット３に収容した液体窒素(液体冷媒）、N2は液体窒素の液面上の空間を満たしている窒素ガスである。
【０００４】
上記の構成で、超電導機器１の運転時には、極低温冷凍機４により液体窒素LN2をサブクール状態の過冷却液体窒素（例えば、６５Ｋ）に冷却し、冷媒循環用の管路６，７を通じて極低温容器２に循環送液して超電導機器１を液体窒素LN2により臨界温度以下に冷却するとともに、交流損失などによる熱負荷を除熱するようしている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】吉田  茂、他１名、"大気圧過冷却液体窒素を用いた冷却システム"、図３、［online］、大陽日酸技報  No.23(2004)、［平成２４年８月２０日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.tn-sanso-giho.com/pdf/23/16.pdf＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、長期間運転、稼働する前記超電導機器のシステムは、定期的ないし随時実施する保守点検などのメンテナンスが必須である。このメンテナンスは図６における極低温冷凍機４のみならず、超電導機器１の本体についても実施し、状況によっては機器の運転停止後に、低温状態にある超電導機器１を周囲の室温に近い温度まで昇温してから極低温容器２の外方に取り出し、室温環境の下でメンテナンス作業を行うことがある。
【０００７】
この場合に、液体窒素LN2を冷媒として使用する超電導機器１では、メンテナンス実施に際して、まず液体窒素LN2を極低温容器２から追い出すことから始まる。その後、何らかの手段で極低温容器２に収容した超電導機器１の温度を周囲の室温近い温度まで昇温させる必要があるが、液体窒素LN2を追い出した直後の超電導機器１の温度は液体窒素LN2とほぼ同じレベルの低温状態になっている。そのために、超電導機器１をそのまま吊り上げて極低温容器２から大気中へ取り出すと、周囲の大気温度との大きな温度差により超電導機器１の構成部材（超電導コイルなど）に過大な熱応力が集中して破損事故を引き起こすおそれがある。特に、超電導線の諸特性は曲げの力に対し繊細なため、熱応力により特性が劣化するおそれがある。
【０００８】
そこで、従来では極低温状態のまま超電導機器１を極低温容器２から直接大気中に取り出すことはせずに、極低温容器２から液体窒素LN2を追い出した状態で超電導機器１を自然放置して昇温させる方法が一般的に行われている。
【０００９】
しかしながら、この自然放置による昇温方法では超電導機器への熱侵入量と超電導機器の熱容量との関係から昇温速度および所要時間が決まり、実際には超電導機器１を周囲の室温近くまで昇温させるには長時間待たなければならず、このためにメンテナンス作業の実施が遅れる問題がある。
【００１０】
かかる点、超電導機器１の昇温に要する時間を短縮するために、液体冷媒と同じ種類のガス（例えば、窒素ガスN2）を熱媒体として、超電導機器１を収容した極低温容器２に外部から前記ガスを強制通流させる昇温方法も試みられている。しかしながら、この昇温方法では熱媒体に用いる窒素ガスなどのガスを別途用意する必要があることは当然であるが、昇温開始当初は超電導機器１が極低温に冷却されている状態にあるので、極低温容器２を通流する間に外部から供給した窒素ガスなどのガス（熱媒体）が低温化してそのガス体積が圧縮されてしまい、そのままでは超電導機器の十分な昇温効果が発揮できなくなる。このために膨大な量のガスを別途用意する必要があり、結果として昇温に要する経費が嵩むことになる。
【００１１】
また、極低温容器に循環通流する熱媒ガスをヒータなどで加温する方法も考えられるが、この昇温方法ではヒータの電気入力およびヒータの通電制御などが必要となって昇温システムが複雑かつ高価となる。
【００１２】
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、超電導機器のメンテナンス実施に際して、極低温容器に超電導機器を収容したままの状態で、かつ昇温に用いる多量のガスを別途用意することなしに昇温の所要時間を短縮できるようにした超電導機器の新規な昇温方法，および昇温装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記の目的を達成するために、本発明の昇温方法は、極低温容器に収容して液体冷媒に浸漬し、該液体冷媒により極低温に冷却した状態で運転する超電導機器を対象に、該超電導機器を通電停止し、かつ極低温容器から液体冷媒を追い出した状態で、液体冷媒と同じ種類のガスを昇温用の熱媒として、該ガスをガス−空気熱交換器およびエアポンプを経由して極低温容器に循環通流し、前記超電導機器を周囲の室内温度近くまで昇温させるようにする。
【００１４】
また、上記の昇温方法を実施する本発明の昇温装置は、超電導機器を収容した極低温容器の外方に配置したガス−空気熱交換器と、エアポンプと、前記ガス−空気熱交換器およびエアポンプを経由して極低温容器との間に配管したガス循環管路とで熱媒循環系を構築するものとし、その実施態様として次記のように構成することができる。
（１）前記エアポンプをガス−空気熱交換器の出口側管路に接続する。
（２）前記ガス−空気熱交換器の出口側管路に放圧弁を接続し、循環系のガス圧力が過大に上昇した場合に前記放圧弁を開いてガスの一部を大気中に放出させるようにする。
（３）前記極低温容器の上面側に短小な長さのガス導入管、および先端が容器内の底面付近に達する長さのガス排気管を接続し、かつ前記ガス導入管およびガス排気管にそれぞれガス循環管路の往路側管路および復路側管路を接続する。
【発明の効果】
【００１５】
上記した本発明の昇温方法および昇温装置によれば、超電導機器の通電停止後に、該容器から液体冷媒を追い出した状態で、液体冷媒と同じ種類のガスをガス−空気熱交換器およびエアポンプを経て極低温容器に循環通流することにより、極低温容器内で低温化したガスは、ガス−空気熱交換器により大気と熱交換して温度が上昇した状態で、再び極低温容器に送り込まれて超電導機器を加温する。このガス循環通流により、運転停止後の極低温状態にある超電導機器に過大な熱ストレスを与えることなしに超電導機器の昇温を効率よく行うことができる。
【００１６】
したがって、従来の昇温方式のように超電導機器の昇温に要する多量の熱媒ガスを別途用意する必要がなく、また極低温容器に循環通流させる熱媒体を加温するヒータなどの電気入力およびその制御も不要であり、簡易な構造のガス−空気熱交換器、およびエアポンプを備えるだけで、メンテナンスを実施する超電導機器の昇温時間を大幅に短縮できる。なお、この昇温工程で極低温容器に循環通流する前記熱媒体のガスには、極低温容器から液体冷媒（液体窒素）を追い出す際に外部から極低温容器に加圧供給したガス（窒素ガス）をそのまま利用することが可能である。
【００１７】
また、前記の熱媒循環系において、エアポンプをガス−空気熱交換器の出口側管路に接続することにより、エアポンプには極低温仕様の特殊品ではなく常温仕様の汎用品を採用でき、またガス−空気熱交換器の出口側管路に放圧弁を接続することで、循環管路のガス圧力が過大に上昇した場合でも前記放圧弁を開いてガスの一部を大気中に放出し、極低温容器および熱媒循環系を安全に保護できる。
【００１８】
さらに、前記極低温容器の上面側に短小長さのガス導入管、および先端が容器内の底部近くに達する長大長さのガス排気管を接続し、かつ前記ガス導入管およびガス排気管にそれぞれガス循環管路の往路側管路および復路側管路を接続することにより、極低温容器内を通流する過程で低温化したガスを効率よく容器から排出してガス−空気熱交換器に送り込むことができて、超電導機器の昇温時間の短縮化に寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施例１による昇温装置の模式構成図である。
【図２】本発明の実施例２による昇温装置の模式構成図である。
【図３】図２における放圧弁の略示構成図である。
【図４】本発明の実施例３によるによる昇温装置の模式構成図である。
【図５】本発明の昇温方法による超電導機器の昇温テスト結果を表す昇温特性図である。
【図６】超電導機器に適用する液体窒素冷却システムの一例の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、この発明による昇温装置の実施の形態を図１〜図４に示す実施例に基づいて説明する。なお、各実施例の図において、１は超電導変圧器などの超電導機器、２は超電導機器１を収容した極低温容器、１０はガス−空気熱交換器、１１はエアポンプ、１２，１３，１４はガス循環管路の配管、１５は放圧弁（リリーフ弁）、１６はガス導入管、１７はガス排出管である。
【実施例１】
【００２１】
まず、本発明の実施例１による昇温装置の熱媒循環系システムを図1に示す。この実施例では、極低温容器２と、該容器の外方に配置したガス−空気熱交換器１０と、エアポンプ１１と、これらの間を接続する配管１２，１３，１４の循環配管路とで熱媒循環系を構築している。なお、ガス−空気熱交換器１０は、例えば銅パイプを螺旋状に巻回した簡単な構造で大気中に配置したものである。また、配管１２，１４については既設の液体窒素冷却システム（図６参照）における往路側，復路側の配管６，７を転用して活用できる。
【００２２】
そして、図６に示した液体窒素冷却システムと組み合わせて運転する超電導機器１のメンテナンス実施に際して、いままで運転（通電）していた超電導機器１、および液体窒素冷却システムの極低温冷凍機４を運転停止した後、図６の冷凍機ユニット３を極低温容器２から切り離した状態で、極低温容器２に接続した別な窒素ガスボンベから容器内に窒素ガスを加圧供給して液体窒素を追い出し回収し、さらに極低温容器２に前記の配管１２，１３，１４を介してガス−空気熱交換器１０およびエアポンプ１１を図１のように接続して熱媒循環系を構築する。
【００２３】
この状態でエアポンプ１１を運転すると、極低温容器２に充満している窒素ガスN2を熱媒体として、該窒素ガスが次記のように極低温容器２に循環通流して容器内に収容した超電導機器１を昇温させる。
【００２４】
すなわち、エアポンプ１１を運転するとその吐出側から加圧されたガスが往路側の配管１４を通じて極低温容器２に導入されるとともに、一方では復路側の配管１２を通じて極低温容器２からガスが熱交換器１０に押し出される。この場合に超電導機器１の昇温開始直後の状態では、極低温容器２から熱交換器１０の入口に送り出されるガスは低温になっているが、この低温ガスはガス−空気熱交換器１０を貫流する過程で周囲の大気と熱交換し、熱交換器１０の出口からはほぼ大気温に近い温度になって流出し、配管１３を通じてエアポンプ１１に流入する。
【００２５】
したがって、エアポンプ１１を経て極低温容器２には室温と同程度の温度に上昇しているガスが送り込まれる。このガスの強制循環通流により循環するガスが熱媒体として機能し、極低温容器２に収容した超電導機器１を運転停止直後の極低温状態からメンテナンス作業環境の室温近い温度に昇温する所要時間を短時間で達成することができる。また、ガス−空気熱交換器１０の後段に接続した前記のエアポンプ１１は極低温仕様の特殊品ではなく、常温仕様の安価な汎用品を用いることが可能である。
【００２６】
なお、超電導機器１の運転停止後、極低温容器２に接続した窒素ガスボンベから窒素ガスを加圧供給して液体窒素を追い出す際には、液体窒素の一部を容器内に残したままの状態でガス−空気熱交換器１０およびエアポンプ１１を配管接続し、容器内に残存していた液体窒素の気化ガスを利用して機器の昇温を行うようにしてもよい。
【実施例２】
【００２７】
次に、本発明の実施例２の熱媒循環系システムを図２に示す。すなわち、先記の実施例１においては、極低温容器２から低温状態で熱交換器１０に導入されるガスは、大気との熱交換により室温に近い温度になって出てくる。この場合に、液体窒素を冷媒として運転中の超電導機器１を冷却していると、超電導機器１の運転停止後に行う昇温工程の初期段階では、極低温容器２から排出される８０Ｋ程度のガスが、後段の熱交換器１０を通過する過程で３００Ｋ程度に昇温されることになる。
【００２８】
ところで、８０Ｋの窒素ガスの密度は４.３８kg/m3、３００Ｋでは１.１２kg/m3であり、ガス−空気熱交換器１０に同じ重量のガスが流れた場合には、該熱交換器１０の出口側でガスの体積が約４倍に膨張するようになる。このために、図１の実施例のようにガス循環系の配管路を密閉状態にしておくと、循環系を通流するガスの圧力が循環配管路に配した熱交換器１０およびエアポンプ１１の相互間を接続するホース、継手などの耐圧許容値を超えて破損事故を引き起こすおそれがあるため、過大なガス圧を系外に逃がす何らかの放圧手段が必要となる。
【００２９】
そこで、この実施例２の構成では、熱交換器１０の出口と、エアポンプ１１の間の配管１３に放圧弁１５を取り付けて過大なガス圧上昇を外方に逃がすようにしている。また、放圧弁１５の取付け位置を図示のようにガス−空気熱交換器１０の出口側に設定することにより、放圧弁１５は極低温に対応した仕様の特殊な弁である必要がなく、簡易形の放圧弁を採用できる。
【００３０】
ここで、図示実施例のガス循環管路に採用する簡易形放圧弁１５の構造例を図３に示す。図３において、１５ａは弁ケース、１５ｂは弁座、１５ｃはＯリング、１５ｄは板状の弁体、１５ｅは弁座側の入口ポート、１５ｆはガス放出口であり、前記の入口ポート１５ｅが図２における循環系の配管１３に分岐接続される。
【００３１】
上記の構成で、系内を通流するガスの体積が膨張してガス圧力が増加すると、放圧弁１５の弁体１５ｄが押し上げられてＯリング１５ｃから離間し、弁ケース１５ａに開口した放出口１５ｆを通じて外方に放出される。なお、なんらかの要因で系内のガス圧が大気圧に対して負圧になった場合には、弁体１５ｄがＯリング１５に密着して外方から大気が循環系の管路に入り込むのを阻止する。このような放圧弁１５を装備することにより、配管路のガス圧を監視して圧力制御する複雑な圧力調整手段が必要ない。なお、図示の放圧弁１５は、弁体１５ｄの自重を利用して放出圧力を設定するようにしているが、弁体１５ｄと弁ケース１５ａとの間に圧縮ばねを介装して放圧弁１５の動作圧力を調整できるようにしても良い。
【実施例３】
【００３２】
次に、本発明の実施例３の熱媒循環系システムを図４に示す。すなわち、先記した実施例１，実施例２においては、極低温容器２に対して、ガス循環管路の復路側配管１２および往路側配管１４をいずれも容器の上面フランジ（室温側）に配置接続して循環ガスの導入および排出を行っている。したがって、エアポンプ１１から配管１４を通じて供給されるガスは極低温容器２の室温付近から入るので、超電導機器1を急激に加温することなしに熱収縮率の差異による機器の破損を防止できるものの、一方では極低温容器２の底部側に溜まっている低温ガスがガス−空気熱交換器１０に向けて排出され難くなる。
【００３３】
そこで、この実施例３では極低温容器２の上面フランジに管長の短いガス導入管１６と、先端の開口端が低温ガスの溜まり易い極低温容器２の底面付近に達する管長の長いガス排出管１７を図示のように左右に振り分けて容器内に引き込み配管し、ここでガス導入管１６にはガス循環管路の往路側配管１４を接続し、ガス排出管１７には復路側の配管１２を接続して循環ガスの導入および排出を行うようにしている。
【００３４】
この配管構造により、ガス排出管１７を通じて極低温容器２の底部側から低温ガスを取り出してガス−空気熱交換器１０に送り、一方では熱交換器１０を経て昇温したガスを、ガス導入管１６を通じて容器内の上部側に注入することができ、これにより極低温容器２の底部側に溜まり易い低温ガスを効果的にガス−空気熱交換器１０に向け送り出して昇温時間の短縮化を図ることができる。
【００３５】
なお、ガス導入管１６とガス排出管１７を逆につなぎ、極低温容器２の底部側に昇温したガスを送り、極低温容器２の上部側からガスを取り出すことも可能である。この場合には、超電導機器１付近に昇温したガスを送ることが可能になるため超電導機器１を効果的に暖めることができ、昇温時間をさらに短縮化できる。しかしながら、超電導機器１の温度と昇温したガスの温度との差が大きくなりすぎ、熱応力を発生する可能性があるため実施には注意が必要である。
【００３６】
次に、本発明の昇温方法および昇温装置による超電導機器の昇温時間の短縮効果を示す実験結果として、前記実施例３の昇温装置を適用して発明者等が行った実機昇温テストの結果について述べる。すなわち、超電導変圧器のコイル組立体を供試モデルとして、内直径６００mm、深さ１２００mmの極低温容器（クライオスタット）に超電導変圧器を収容し、該容器に液体窒素を満たして超電導変圧器を約８０Ｋの極低温状態に冷却した後、この極低温容器に僅かな量の液体窒素を残して大部分の量を容器から追い出した状態で、この極低温容器に図４のガス−空気熱交換器１０およびエアポンプ１１を接続して超電導変圧器の昇温テストを行った。なお、超電導変圧器の昇温到達温度は、比較的室温に近い２００Ｋとし、比較のために図４におけるエアポンプ１０を運転した場合と、エアポンプ１０を停止した状態（従来の自然放置による昇温方法と同じ状態）とに分けて昇温テストを行った。このテスト結果を図５の昇温特性図に示す。
【００３７】
図５のテスト結果から、エアポンプ１０を運転して昇温を行った場合には約８０Ｋの極低温に冷却した供試変圧器が約２００Ｋに到達するまでの時間が約６.５時間であったのに対して、エアポンプ１１を停止したまま行った自然放置状態での昇温テストでは２００Ｋに到達するまでに約６０時間を要した。
【００３８】
この昇温テストの結果から判るように、ガス−空気熱交換器１０およびエアポンプ１１を経て極低温容器２内の窒素ガスを循環通流させる本発明の昇温方法によれば、超電導機器１のメンテナンス実施に際して機器温度を周囲の室温近くの２００Ｋまで昇温させる所要時間を、自然放置方法と比べて約１／９に短縮できることが確認された。
【００３９】
なお、前記した各実施例では、超電導変圧器を対象としてその昇温方法を説明したが、液体冷媒を使用して冷却する超電導機器であれば、超電導変圧器以外の各種超電導機器に対しても本発明による昇温方法および昇温装置の実施、適用が可能であることは勿論である。
【００４０】
また、前記した各実施例では、循環するガスの流量制御を実施しない最も簡便な方法を示したが、循環するガスの流量制御を行っても同じ効果を得ることが可能である。
【符号の説明】
【００４１】
１：超電導機器
２：極低温容器
１０：ガス−空気熱交換器
１１：エアポンプ
１２，１３，１４：循環管路の配管
１５：放圧弁
１６：ガス導入管
１７：ガス排出管
【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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