(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、窒素ガス空間を残してサブクール液体窒素を収容する断熱容器（Ｖ１）と、冷却用の冷却ヘッドを液体窒素の液面よりも下方の位置まで浸漬させる冷凍機と、該サブクール液体窒素中に浸漬される、冷却対象の超電導部材とからなる超電導部材冷却装置において、
断熱容器（Ｖ１）内の液体窒素の液面よりも上部の位置から、冷却ヘッドの上面部又は冷却ヘッドの上面部より上の位置までの範囲に渡って、液体窒素に対し吸収性を有するガラス繊維紙を該ガラス繊維紙間及び該ガラス繊維紙と断熱容器（Ｖ１）の壁面間に空隙が形成されないように充填した、サブクール液体窒素の温度勾配層を保持するためのガラス繊維紙充填層（Ｌ１）を設けており、
該ガラス繊維紙充填層には、少なくとも１枚の仕切板が含まれていることを特徴とする、超電導部材冷却装置。
【請求項２】
少なくとも、窒素ガス空間を残してサブクール液体窒素が収容されると共に、断熱容器（Ｖ３）に該サブクール液体窒素を供給するための送液ポンプが該サブクール液体窒素中に挿入されていて、冷却用の冷却ヘッドを液体窒素の液面よりも下方の位置まで浸漬させる冷凍機を備えた、断熱容器（Ｖ２）と、
液面上に窒素ガス空間を残してサブクール液体窒素が断熱容器（Ｖ２）から循環されて収容されると共に、冷却対象の超電導部材を該サブクール液体窒素中に浸漬するための断熱容器（Ｖ３）とからなる超電導部材冷却装置において、
前記断熱容器（Ｖ２）内の液体窒素の液面よりも上部の位置から、冷却ヘッドの上面部又は冷却ヘッドの上面部より上の位置までの範囲に渡って、液体窒素に対し吸収性を有するガラス繊維紙を該繊維紙間及び該繊維紙と断熱容器（Ｖ２）の壁面間に空隙が形成されないように充填した、サブクール液体窒素の温度勾配層を保持するためのガラス繊維紙充填層（Ｌ２）、
及び前記断熱容器（Ｖ３）内の液体窒素の液面よりも上部の位置から、前記超電導部材の上面部又は上面部より上の位置までの範囲に渡って、液体窒素に対し吸収性を有するガラス繊維紙を該繊維紙間及び該繊維紙と断熱容器（Ｖ３）の壁面間に空隙が形成されないように充填した、サブクール液体窒素の温度勾配層を保持するためのガラス繊維紙充填層（Ｌ３）、を設けており、
前記ガラス繊維紙充填層（Ｌ２）と前記ガラス繊維紙充填層（Ｌ３）には、それぞれ少なくとも１枚の仕切板が含まれていることを特徴とする、超電導部材冷却装置。
【請求項３】
少なくとも、窒素ガス空間を残してサブクール液体窒素が収容されると共に、断熱容器（Ｖ４）に該サブクール液体窒素を供給するための送液ポンプが該サブクール液体窒素中に挿入されていて、冷却用の冷却ヘッドを液体窒素の液面よりも下方の位置まで浸漬させる冷凍機を備えた、断熱容器（Ｖ２）と、
サブクール液体窒素が断熱容器（Ｖ２）から循環されて、液面上に空間が形成されないように充填されていると共に、冷却対象の超電導部材が該サブクール液体窒素中に浸漬されている断熱容器（Ｖ４）とからなる、超電導部材冷却装置であって、
断熱容器（Ｖ２）内の液体窒素の液面よりも上部の位置から、冷却ヘッドの上面部又は冷却ヘッドの上面部より上の位置までの範囲に渡って、液体窒素に対し吸収性を有するガラス繊維紙を該繊維紙間及び該繊維紙と断熱容器（Ｖ２）の壁面間に空隙が形成されないように充填した、サブクール液体窒素の温度勾配層を保持するためのガラス繊維紙充填層（Ｌ２）を設けており、
該ガラス繊維紙充填層内には、少なくとも１枚の仕切板が含まれていることを特徴とする、超電導部材冷却装置。
【請求項４】
前記ガラス繊維紙充填層（Ｌ１、Ｌ２とＬ３、又はＬ２）の垂直方向の厚みが、仕切板の厚みを除いた厚みで２０ｍｍ以上５０ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の超電導部材冷却装置。
【請求項５】
少なくとも、窒素ガス空間を残して収容されている断熱容器（Ｖ０）内のサブクール液体窒素の温度維持方法において、
該サブクール液体窒素を冷却するための冷凍機の冷却ヘッドを液体窒素の液面よりも下方の位置まで浸漬し、
断熱容器（Ｖ０）内の液体窒素の液面よりも上部の位置から、冷却ヘッドの上面部又は冷却ヘッドの上面部より上の位置までの範囲に渡って、液体窒素に対し吸収性を有するガラス繊維紙を該繊維紙間及び該繊維紙と断熱容器（Ｖ０）の壁面間に空隙が形成されないように充填したガラス繊維紙充填層（Ｌ０）を設けるとともに該ガラス繊維紙充填層内に少なくとも１枚の仕切板を含ませて、該ガラス繊維紙充填層（Ｌ０）内にサブクール液体窒素の温度勾配層を保持することを特徴とする、断熱容器内のサブクール液体窒素の温度維持方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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サブクール液体窒素（過冷却液体窒素）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、及び断熱容器内のサブクール液体窒素の温度維持方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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）の使用が知られている。
液体窒素により高温超電導部材を冷却する方法としては大気圧での飽和液体窒素（−１９６℃（７７Ｋ））を使用したり、液体窒素容器を減圧状態にして−１９６℃より低いサブクール液体窒素を使用していた。上記飽和液体窒素を使用する場合、例えば大気圧での飽和液体窒素を使用する場合、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容器に超電導部材を収容しておき、その冷却容器内に約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】
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。
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サブクール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。一方、一般に使用されているクライオスタットでは、実質的に大気圧に近い圧力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。
【０００４】
また、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、減圧下の飽和液体窒素中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。従って、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。
【０００５】
特許文献１には、冷却用容器内に収納されている超電導部材冷却用の液体窒素とは別に熱交換用液体窒素を減圧用容器内に供給し、真空ポンプによりその減圧用容器内を減圧して熱交換用液体窒素を温度降下させ、その温度降下した熱交換用液体窒素と冷却用液体窒素とを熱交換させることにより大気圧でサブクール状態の冷却用液体窒素を得るようにしている超電導部材冷却装置が開示されている。
該冷却用液体窒素の液面下には断熱部材を配設して、冷却用液体窒素の液面（気液界面であるため約７７Ｋ）とその断熱部材よりも下側との間で熱勾配を与え、またその断熱部材の存在によって液面付近に底部側との間での対流撹拌を阻止できることが記載されている。
しかし、この場合減圧用容器内の熱交換用液体窒素は減圧によって徐々に蒸発気化し、かつその気化ガスがポンプにより排気されて行くので、減圧用容器内の液体窒素液面は急激に低下して行き、遂には減圧用容器内の熱交換器が露出してしまうことになる。このように熱交換器が液面から露出してしまえば、充分な熱交換能率が得られなくなって、冷却用液体窒素を充分なサブクール状態となるように冷却することが困難となるから、実際上は熱交換器が液面から露出する以前に、改めて減圧用容器内に液体窒素を補給しなければならず、またこの液体窒素補給時には運転を一旦停止させなければならないという問題点がある。
【０００６】
特許文献２には供給側容器について液体窒素を冷凍機によって大気圧下でのサブクール冷却状態となる温度まで冷却し、得られたサブクール状態の低温の液体窒素を、冷却容器においてそのまま直接超電導部材を冷却するための冷却媒体として用いることとし、これにより前記特許文献１におけるような減圧用容器や熱交換器を用いないようにして、減圧用容器内への熱交換用液体窒素の補給のための運転停止を回避して、長時間の連続運転を可能とする超電導部材冷却装置が開示されている。
供給側容器内には、液体窒素の液面下にＦＲＰなどの低熱伝導率材料からなる断熱部材を配置することによって、液面付近（約７７Ｋ）と冷凍機の冷却ヘッド付近（６５〜７０Ｋ）との間で熱勾配層を形成している。しかしながら、断熱部材を配置した領域では、その断熱部材の体積によって液体窒素が排除されていて、断熱部材の周囲のわずかな狭い空隙の部分のみを液体窒素が移動し得る状況となっているから、供給側容器の揺動などによってわずかに液体窒素の蒸発もしくは窒素ガスの凝縮が生じただけで、液面の位置が大きく変動し、そのため温度勾配層が大きく変動してしまうおそれがある。したがって従来技術のような断熱部材を設けた場合は、実際の運転時においては運転状況の安定化、信頼性の向上を図るには未だ不充分である。
【０００７】
特許文献３には液面上に空間を残して液体窒素を収容しかつその液面上の空間に大気圧等の窒素ガス圧力が加えられる液体窒素容器内の液体窒素を、大気圧下でのサブクール温度とし、その大気圧下でのサブクール温度の液体窒素によって超電導部材を冷却するように構成した超電導部材冷却装置において、前記液体窒素容器内の液体窒素の液面よりも下方の位置から、液面上方の位置までの間にわたって、連続孔を有する多孔質断熱材からなる対流阻止部材を配置した超電導部材冷却装置が開示されている。連続孔を有する多孔質断熱材としては、連続気泡ウレタン系発泡体のほか、例えば連続気泡ポリエチレン系発泡体、アクリロニトリルーブタジエンゴム系発泡体、エチレンプロピレンゴム系発泡体等を使用することができることが記載されている。
【０００８】
特許文献３において、サブクール液体窒素は、飽和温度の液体ではないため超電導部材による極度の発熱がない限り沸騰することはない。また気相部が大気圧であるため取扱いが容易でかつ外気の混入（特に水分）の心配がないというメリットがある。以上のことよりサブクール液体窒素はより低い温度の液体窒素を供給することで、より低い温度で超電導部材の冷却が可能となり、超電導電力機器の性能をアップさせることができる。
非特許文献１には、クライオスタット内に大気圧での飽和温度（７７Ｋ）の液体窒素を収納して、その後該クライオスタット内の液体窒素の液面上の圧力を大気圧より僅かに高い７ｋＰａＧに制御して、クライオスタットを静置させた状態で、底部に６６Ｋの液体窒素を静かに導入し、上部から７７Ｋの液体窒素を排出して液面を一定に維持した場合に、液面では７ｋＰａＧの飽和温度（約７７Ｋ）の液体窒素が存在し、そして液面から約３０ｍｍ以上の深さでは６６Ｋのサブクール液体窒素が存在する実験結果が示されている。すなわち、この場合には液面から約３０ｍｍの深さの間に温度勾配層が形成されていることが分かる。また、底部に導入する６６Ｋの液体窒素をヒータで温度制御して実質的に７０Ｋの液体窒素を導入したようにすると液面から約１５〜２０ｍｍの深さまでに温度勾配層が形成されることが示されている。
すなわち非特許文献１には、条件に応じて、液体窒素の液面と、液面から１５〜３０ｍｍの深さまでの間で温度勾配層が形成されていることが示されている。
【０００９】
ところで、サブクール液体窒素を用いる場合に重要なのは、液体窒素表面に形成される温度勾配層を如何に安定させるかである。もし安定できない場合には、液全体が撹拌されるために液面付近の液温が窒素ガス圧力に対する飽和温度以下の温度となり気相部のガスを凝縮し減圧してしまう。すなわち液体窒素全体の飽和化により、沸騰が起こり易い状況と成る。また容器内部へ外気（特に水分）の混入を招くおそれがある。
実際の運転時で液体窒素容器自体が揺動、振動を伴うような状況下では容器内部の液体窒素が大きく攪拌されるため温度勾配層が乱されて、たとえ前述のような断熱部材や多孔質断熱材を設けていても、運転状況が不安定化し、また液面での液体窒素の気化や逆に窒素ガスの凝縮が生じたりして、液面位置が変動してしまい、それに伴って温度勾配層が不安定となり、運転状況が不安定化し、冷却効率の低下、システムの信頼性の低下を招いてしまうおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平１０−０５４６３７号公報
【特許文献２】特開平１０−３２５６６１号公報
【特許文献３】特開２００１−３４５２０８号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】S.Yoshida, etc.,“1 ATM SUBCOOLED LIQUID NITROGEN CRYOGENIC SYSTEM FOR OXIDE SUPERCONDUCTING POWER TRANSFORMER”, Advances in Cryogenic Engineering Vol.43, 1998、ｐ.1191-1198
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
温度勾配層形成部にＦＲＰなどの低熱伝導率材料を配設すると、その断熱部材の体積によって液体窒素が排除されるので、断熱部材の周囲のわずかな狭い空隙の部分のみを液体窒素が移動し得る状況となっている場合に、わずかに液体窒素の蒸発もしくは窒素ガスの凝縮が生じただけで、液面の位置が大きく変動し、そのため温度勾配層が大きく変動してしまうおそれがあった。
また、スポンジ形状の多孔質断熱材等の連続気泡樹脂系発泡体は、容器静置下においては容器内部で発生する小さな動乱に対する液体窒素温度勾配層保持の役目は果たすものの、容器自体が常に揺動、振動を伴うような状況下では、多孔質断熱材の内部の液体窒素が大きく揺れるため温度勾配層を保持することは不十分であった。
そこで、本発明は、振動、揺動下においても断熱容器内のサブクール液体窒素の温度勾配層を保持し、液面付近における窒素ガスの凝縮による減圧及び減圧による液体窒素の飽和温度化を防止し、安定的にサブクール液体窒素を供給等することが可能な超電導部材冷却装置、及び断熱容器内のサブクール液体窒素の温度維持方法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】
本発明は以上の事情を背景としてなされたものであり、サブクール液体窒素を収容する断熱容器の液体窒素の液面よりも上部の位置から、冷却ヘッドの上面部又は冷却ヘッドの上面部より上の位置までの範囲に渡って、液体窒素に対し吸収性を有するガラス繊維紙を充填してガラス繊維紙充填層を配設し、該ガラス繊維紙充填層に温度勾配層を形成して保持（以下、「形成して保持」を「保持」ということがある。）することより、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１４】
即ち、本発明は、以下の〈１〉ないし〈５〉に記載する発明を要旨とする。〈１〉少なくとも、窒素ガス空間を残してサブクール液体窒素を収容する断熱容器（Ｖ１）と、冷却用の冷却ヘッドを液体窒素の液面よりも下方の位置まで浸漬させる冷凍機と、該サブクール液体窒素中に浸漬される、冷却対象の超電導部材とからなる超電導部材冷却装置において、
断熱容器（Ｖ１）内の液体窒素の液面よりも上部の位置から、冷却ヘッドの上面部又は冷却ヘッドの上面部より上の位置までの範囲に渡って、液体窒素に対し吸収性を有するガラス繊維紙を該ガラス繊維紙間及び該ガラス繊維紙と断熱容器（Ｖ１）の壁面間に空隙が形成されないように充填した、サブクール液体窒素の温度勾配層を保持するためのガラス繊維紙充填層（Ｌ１）を設けており、
該ガラス繊維紙充填層には、少なくとも１枚の仕切板が含まれていることを特徴とする、超電導部材冷却装置（以下、第１の態様ということがある）。
【００１５】
〈２〉少なくとも、窒素ガス空間を残してサブクール液体窒素が収容されると共に、断熱容器（Ｖ３）に該サブクール液体窒素を供給するための送液ポンプが該サブクール液体窒素中に挿入されていて、冷却用の冷却ヘッドを液体窒素の液面よりも下方の位置まで浸漬させる冷凍機を備えた、断熱容器（Ｖ２）と、
液面上に窒素ガス空間を残してサブクール液体窒素が断熱容器（Ｖ２）から循環されて収容されると共に、冷却対象の超電導部材を該サブクール液体窒素中に浸漬するための断熱容器（Ｖ３）とからなる超電導部材冷却装置において、
前記断熱容器（Ｖ２）内の液体窒素の液面よりも上部の位置から、冷却ヘッドの上面部又は冷却ヘッドの上面部より上の位置までの範囲に渡って、液体窒素に対し吸収性を有するガラス繊維紙を該繊維紙間及び該繊維紙と断熱容器（Ｖ２）の壁面間に空隙が形成されないように充填した、サブクール液体窒素の温度勾配層を保持するためのガラス繊維紙充填層（Ｌ２）、
及び前記断熱容器（Ｖ３）内の液体窒素の液面よりも上部の位置から、前記超電導部材の上面部又は上面部より上の位置までの範囲に渡って、液体窒素に対し吸収性を有するガラス繊維紙を該繊維紙間及び該繊維紙と断熱容器（Ｖ３）の壁面間に空隙が形成されないように充填した、サブクール液体窒素の温度勾配層を保持するためのガラス繊維紙充填層（Ｌ３）、を設けており、
前記ガラス繊維紙充填層（Ｌ２）と前記ガラス繊維紙充填層（Ｌ３）には、それぞれ少なくとも１枚の仕切板が含まれていることを特徴とする、超電導部材冷却装置（以下、第２の態様ということがある）。
【００１６】
〈３〉少なくとも、窒素ガス空間を残してサブクール液体窒素が収容されると共に、断熱容器（Ｖ４）に該サブクール液体窒素を供給するための送液ポンプが該サブクール液体窒素中に挿入されていて、冷却用の冷却ヘッドを液体窒素の液面よりも下方の位置まで浸漬させる冷凍機を備えた、断熱容器（Ｖ２）と、
サブクール液体窒素が断熱容器（Ｖ２）から循環されて、液面上に空間が形成されないように充填されていると共に、冷却対象の超電導部材が該サブクール液体窒素中に浸漬されている断熱容器（Ｖ４）とからなる、超電導部材冷却装置であって、
断熱容器（Ｖ２）内の液体窒素の液面よりも上部の位置から、冷却ヘッドの上面部又は冷却ヘッドの上面部より上の位置までの範囲に渡って、液体窒素に対し吸収性を有するガラス繊維紙を該繊維紙間及び該繊維紙と断熱容器（Ｖ２）の壁面間に空隙が形成されないように充填した、サブクール液体窒素の温度勾配層を保持するためのガラス繊維紙充填層（Ｌ２）を設けており、
該ガラス繊維紙充填層内には、少なくとも１枚の仕切板が含まれていることを特徴とする、超電導部材冷却装置（以下、第３の態様ということがある）。
〈４〉前記ガラス繊維紙充填層（Ｌ１、Ｌ２とＬ３、又はＬ２）の垂直方向の厚みが、仕切板の厚みを除いた厚みで２０ｍｍ以上５０ｍｍ以下である、前記〈１〉から〈３〉のいずれかに記載の超電導部材冷却装置。
〈５〉少なくとも、窒素ガス空間を残して収容されている断熱容器（Ｖ０）内のサブクール液体窒素の温度維持方法において、
該サブクール液体窒素を冷却するための冷凍機の冷却ヘッドを液体窒素の液面よりも下方の位置まで浸漬し、
断熱容器（Ｖ０）内の液体窒素の液面よりも上部の位置から、冷却ヘッドの上面部又は冷却ヘッドの上面部より上の位置までの範囲に渡って、液体窒素に対し吸収性を有するガラス繊維紙を該繊維紙間及び該繊維紙と断熱容器（Ｖ０）の壁面間に空隙が形成されないように充填したガラス繊維紙充填層（Ｌ０）を設けるとともに該ガラス繊維紙充填層内に少なくとも１枚の仕切板を含ませて、該ガラス繊維紙充填層（Ｌ０）内にサブクール液体窒素の温度勾配層を保持することを特徴とする、断熱容器内のサブクール液体窒素の温度維持方法（以下、第４の態様ということがある）。
【発明の効果】
【００１７】
（イ）上記〈１〉ないし〈４〉に記載の超電導部材冷却装置において、液体窒素冷却用の冷却ヘッドが液体窒素中に浸漬されている断熱容器（Ｖ１等）内の液体窒素の液面よりも上部の位置から、冷却ヘッドの上面部又は冷却ヘッドの上面部より上の位置までの範囲に渡って、ガラス繊維紙充填層（Ｌ１等）を設けることにより、
該容器中の液体窒素がガラス繊維紙充填層（Ｌ１等）中のガラス繊維紙に吸収されることでそのガラス繊維紙充填層（Ｌ１等）で液面から下方へ向かって温度勾配層が形成、保持され、ガラス繊維紙充填層（Ｌ１等）を形成するガラス繊維紙の微細ガラス繊維構造に起因して、振動、揺動等を伴うような場合であっても該温度勾配層が従来の連続孔を有する多孔質断熱部材と比較して安定的に維持される。またガラス繊維紙充填層（Ｌ１等）は容器壁面との間に大きな隙間が形成されることのないように充填されるので、上下方向の液体窒素の対流をも抑制することができる。
その結果、該容器中の気相部が急激に減圧されることもなく、ガラス繊維紙充填層（Ｌ１等）下部の液体窒素の温度の飽和化が抑制されるので安定的にサブクール液体窒素の温度を維持することが可能になる。
【００１８】
（ロ）上記〈５〉に記載のサブクール液体窒素の温度維持方法において、断熱容器（Ｖ０）内の液体窒素の液面よりも上部の位置から、冷却ヘッドの上部又は上部より上の位置までの範囲に渡って、ガラス繊維紙充填層（Ｌ０）を設けて、該ガラス繊維紙充填層（Ｌ０）内にサブクール液体窒素の温度勾配層を保持することにより、ガラス繊維紙充填層（Ｌ０）を形成するガラス繊維紙の微細ガラス繊維構造に起因して、断熱容器（Ｖ０）の下部で何らかの原因による揺動等によって液体窒素の対流や撹拌が生じても、液面近傍の液体窒素にまで対流や撹拌が生ずるおそれが少なく、温度勾配層を安定して保持できるとともに、液面位置を安定化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】冷却ヘッドが浸漬されている断熱容器（Ｖ１）内でサブクール液体窒素により超電導部材を冷却する、本発明の超電導部材冷却装置の一例を示す略解図である。
【図２】断熱容器（Ｖ２）内で冷却ヘッドにより冷却されたサブクール液体窒素が循環される断熱容器（Ｖ３）内で、超電導部材を冷却する、本発明の超電導部材冷却装置の一例を示す略解図である。
【図３】断熱容器（Ｖ２）内で冷却ヘッドにより冷却されたサブクール液体窒素が循環される断熱容器（Ｖ４）内で、超電導部材を冷却する、本発明の超電導部材冷却装置の一例を示す略解図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の〔１〕第１の態様の「超電導部材冷却装置」、〔２〕第２の態様の「超電導部材冷却装置」、〔３〕第３の態様の「超電導部材冷却装置」、及び〔４〕第４の態様の「断熱容器内のサブクール液体窒素の温度制御方法」について説明する。
〔１〕第１の態様の「超電導部材冷却装置」
本発明の第１の態様の「超電導部材冷却装置」は、少なくとも、窒素ガス空間を残してサブクール液体窒素を収容する断熱容器（Ｖ１）と、冷却用の冷却ヘッドを液体窒素の液面よりも下方の位置まで浸漬させる冷凍機と、該サブクール液体窒素中に浸漬される、冷却対象の超電導部材とからなる超電導部材冷却装置において、断熱容器（Ｖ１）内の液体窒素の液面よりも上部の位置から、冷却ヘッドの上面部又は冷却ヘッドの上面部より上の位置までの範囲に渡って、液体窒素に対し吸収性を有するガラス繊維紙を該ガラス繊維紙間及び該ガラス繊維紙と断熱容器（Ｖ１）の壁面間に空隙が形成されないように充填した、サブクール液体窒素の温度勾配層を保持するためのガラス繊維紙充填層（Ｌ１）を設けており、該ガラス繊維紙充填層内には、少なくとも１枚の仕切板が含まれている。
【００２１】
以下に図面を用いて本発明の第１の態様を説明するが、本発明の第１の態様は以下の図１の例示に限定されるものではない。
図１は、第１の態様の超電導部材冷却装置を説明するための略解図であり、該超電導部材冷却装置には、断熱容器（Ｖ１）１１、並びに該容器内に収納されたサブクール液体窒素１４、冷凍機２１、ガラス繊維紙充填層（Ｌ１）１６、及び冷却対象の超電導部材２７が含まれ、更に付帯設備として液体窒素供給手段５１と窒素ガス供給手段５５を設けることができる。
断熱容器（Ｖ１）１１内において、ガラス繊維紙充填層（Ｌ１）を液体窒素の液面よりも上部の位置から、冷却ヘッド２５の上面部又は冷却ヘッドの上面部より上の位置までの範囲に渡って設けることができ、超電導部材２７はガラス繊維紙充填層（Ｌ１）よりも下部方向に配設される。
以下に第１の態様の超電導部材冷却装置を具体的に説明する。
【００２２】
（イ）断熱容器（Ｖ１）
断熱容器（Ｖ１）１１は、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内槽１９Ａと外槽１９Ｂからなる真空断熱構造１３とされ、また上端には開閉可能な蓋部１２が設けられている。この蓋部は、断熱容器（Ｖ１）本体に対してＯリング等のガスケットを挟んでボルト・ナット等によって真空封止可能な状態で装着することが好ましい。またこの蓋部には汎用のクライオスタットと同様な電流導入端子等用の貫通継手が密封構造で配設されている。この断熱容器（Ｖ１）には、例えば液体窒素供給手段５１により、液体窒素（ＬＮ２）が貯蔵されている液体窒素タンク５２から、制御弁５３および供給管５４を介して液体窒素１４を供給できるようにすることができ、また、窒素ガス供給手段５５により、窒素ガス（ＧＮ２）が貯蔵されている窒素ガスタンク５６から、制御弁５７および供給管５８を介して窒素ガスを供給できるようにすることができる。
なお蓋部には負圧にも耐用可能な安全弁２６を設けることができるが、この安全弁は、内部圧力が外部の大気圧に対して例えば＋１０ｋＰａを越えた場合に開放されて、内部圧力を負圧〜大気圧＋１０ｋＰａの範囲内、すなわち負圧から大気圧より若干高い圧力の間に保持するように機能させることができる。そして該容器内に収納され、冷凍機により冷却されるサブクール液体窒素中に超電導部材を浸漬させ、冷却・保持することができる。
【００２３】
（ロ）冷凍機、サブクール液体窒素
断熱容器（Ｖ１）内には、該容器内の液体窒素１４を、大気圧下での飽和液体窒素の温度（約７７Ｋ）よりも低い温度（例えば６５〜７０Ｋ）に冷却するための冷凍機２１が配設されている。この冷凍機は、特に限定されるものではないが、例えば冷凍媒体ガス（通常はヘリウムガス）を圧縮するための圧縮部（コンプレッサ）と、圧縮された高圧の冷凍媒体ガスを膨張させて低温を得るための冷却ヘッド２５と、冷却ヘッドと密着させその低温を冷却対象（液体窒素）と熱交換するための熱交換器２３、圧縮部からの高圧の媒体ガスと冷却ヘッドから戻る膨張された低圧の媒体ガスの流れを切替えるためのモーターバルブ等の切替部と冷却ヘッドとの間で冷凍媒体ガスを往復させる通路を内部に形成したシリンダ部２２とからなる冷凍機を使用することができる。尚、冷却ヘッド２５にはヒータ２４を設けて、サブクール液体窒素を所定の温度に維持することができる。
図１に示すように冷凍機２１の冷却ヘッド２５は、断熱容器（Ｖ１）１１内の液体窒素中に浸漬されている。
【００２４】
液体窒素をサブクール温度とするための冷凍機としては、ＧＭ冷凍機（ギフォード・マクマホン冷凍機）で代表される小型極低温冷凍機を用いることができる。この場合、該冷凍機は、圧縮機、膨張機、循環冷媒管、電源等からなり、圧縮機で圧縮したガス冷媒（主にヘリウムガス）を循環させて、膨張機で発生させた寒冷を冷却ヘッド部で熱交換させ、温められたガスを圧縮機に戻して循環している。冷凍機の圧縮機は、断熱容器の蓋部に載せて容器のシールを確保して固定される。冷却ヘッド２５は、鉛直下側に向いて液体窒素に浸漬する状態で配置され、液体窒素との熱交換をよくするための熱交換器２３が取り付けられている。冷凍能力としては、例えば、冷却ヘッド６０Ｋ、周波数５０Ｈｚで冷凍出力２００Ｗのものや、更に冷凍出力が１ｋＷ級のものもある。
【００２５】
（ハ）ガラス繊維紙充填層（Ｌ１）
ガラス繊維紙充填層（Ｌ１）は、断熱容器（Ｖ１）内の液体窒素の液面よりも上部の位置から、冷却ヘッドの上面部又は冷却ヘッドの上面部より上の位置までの範囲に渡って、液体窒素に対し吸収性を有するガラス繊維紙を該ガラス繊維紙間及び該ガラス繊維紙と断熱容器（Ｖ１）の壁面間に空隙が形成されないように充填された、液体窒素の温度勾配層を形成、保持するための層である。
（ｉ）ガラス繊維紙
ガラス繊維紙は、ガラス繊維を結合剤を用いて熱融着性、接着等させて得られるシート状のもので、その製造方法は例えば、特公昭３６−９６０１号公報、特開平５−８６５６７号公報等に記載されている。ガラス繊維紙は、ロール状に巻かれたもの、ペーパー状のものが知られており、市販品としてライダルサーマル社（Ｌｙｄａｌｌｔｈｅｒｍａｌ  ｃｏｍ．）製の商品名：ＣｒｙｏＴｈｅｒｍ  ２３３（登録商標）、ＣｒｙｏＴｈｅｒｍ  ２３４（登録商標）、日本板硝子（株）製の商品名：ＡＧＭセパレーター、ＭＣペーパー等が知られている。このようなガラス繊維紙は一般に高い空間率（例えば８５％以上）を有していて多量の液体を保持でき、液体窒素等に高い親和性を有していて、数十μｍ以下の微細ガラス繊維構造のため微毛細管からなり、多量の液体窒素を均一に保持でき、サブクール液体窒素で冷却されても収縮が極め少ないのが特徴である。
【００２６】
（ii）ガラス繊維紙充填層（Ｌ１）
ガラス繊維紙充填層（Ｌ１）は、液体窒素に対し吸収性を有し、該ガラス繊維紙間及び該ガラス繊維紙と断熱容器（Ｖ１）の壁面間に空隙が形成されないように充填された層であれば特に制限されるものではなく、例えば上記ガラス繊維紙がロール状に巻かれたものを平らに伸ばして水平方向にガラス繊維紙間及び該ガラス繊維紙と断熱容器（Ｖ１）の壁面間に空隙が形成されないように充填して形成することができる。尚、ガラス繊維紙の長時間の使用により繊維の剥離が発生するのを防止するために、ガラス繊維紙充填層（Ｌ１）の上面と下面をステンレス製等の開口部を有する平板、金網、又は樹脂性のネットで挟み込むようにして保持することが望ましい。ガラス繊維紙は液体窒素をよく吸収し、空間率が高いので多量の液体窒素を均一に保持でき、微細ガラス繊維構造に起因して液体窒素の対流を抑制し、かつサブクール液体窒素温度まで冷却されてもその外形形状としての熱収縮率が低いので温度勾配層を保持するガラス繊維紙充填層（Ｌ１）形成用の材料として好適であり、わずかな液量の変動で液面位置の変動に及ぼす影響は小さいので液面位置を安定化することができる。また、ガラス繊維紙充填層（Ｌ１）は振動、揺動等に対しても該層内の温度勾配層を従来の連続孔を有する多孔質断熱部材と比較的して安定に維持することができる。
従って、ガラス繊維紙充填層（Ｌ１）は、温度勾配層を形成する液体窒素自身の揺動を抑制するので、従来知られている連続気泡ウレタン系発泡体、連続気泡ポリエチレン系発泡体、アクリロニトリルーブタジエンゴム系発泡体、エチレンプロピレンゴム系発泡体等よりも温度勾配層の安定性に優れるものである。
【００２７】
ガラス繊維紙充填層（Ｌ１）は、該層内で液体窒素の温度勾配層を保持させることにより、液面近傍の液体窒素の温度を大気圧での飽和温度（約７７Ｋ）とし、冷却対象の超電導部材が浸漬されているガラス繊維紙充填層（Ｌ１）より下層部の温度を例えば６５〜７０Ｋ程度の温度までサブクールすると共に、液体窒素の対流や撹拌を抑制して液体窒素の温度勾配層を安定化させる。
ガラス繊維紙充填層（Ｌ１）は、蓋部からスタッドボルト等の支持部材（図示せず）によって吊下げられた状態で、或いは蓋部より籠状に吊り下げられた金網内にガラス繊維紙を設置することによって配設することができる。
ガラス繊維紙充填層（Ｌ１）は、該層内に仕切板を設けなくとも温度勾配層を安定的に保持することが可能ではあるが、以下でも記載があるように、１又は２以上の仕切板を設けられている。なお、窒素ガス空間部からの侵入熱を防止する観点から液面上の窒素ガス空間に少なくとも５ｍｍのガラス繊維紙充填層（Ｌ１）を設けることが好ましい。
さらに、侵入熱の１つの要因である窒素ガス空間部からの対流熱を防止するために、ガラス繊維紙充填層（Ｌ１）の上部に、更に１０〜５０ｍｍ程度の厚みのガラス繊維紙充填層、又は他の発泡ポリエチレン等の断熱材を設けることもできる。
前記非特許文献１に記載されているように、温度勾配層がサブクール液体窒素の温度条件等によって、液体窒素の液面と、液面から１５〜３０ｍｍの深さまでの間で温度勾配層が形成されるという事実からも、液体窒素の液面より下部のガラス繊維紙充填層（Ｌ１）の垂直方向の厚みは１５ｍｍ以上が好ましい。従って、窒素ガス空間部における厚みも考慮すると、ガラス繊維紙充填層（Ｌ１）の厚みは２０ｍｍ以上が好ましい。このような厚みのガラス繊維紙充填層（Ｌ１）を設けることにより、液体窒素の対流や撹拌を抑制して液体窒素の温度勾配層を安定化させることができる。一方、該厚みの上限は特に限定されるものではなく、厚みが５０ｍｍを超えてもガラス繊維紙充填層（Ｌ１）の効果を発揮させる上で特に問題は生じないが、上記機能の更なる向上は期待できない。
【００２８】
ガラス繊維紙充填層（Ｌ１）内に仕切板を設けない場合のガラス繊維紙充填層（Ｌ１）の垂直方向の厚みは上記の通りである。
一方、ガラス繊維紙充填層（Ｌ１）内に仕切板を設ける場合には、ガラス繊維紙充填層（Ｌ１）の１つのブロックの垂直方向の厚みを５〜１０ｍｍ程度として、仕切板を設けて積み重ねる構造とすることにより、ガラス繊維紙が液体窒素を吸収して上昇していき、液面で液体窒素が蒸発されるのを抑制することができる。この場合の仕切板は２〜６枚が好ましく、３〜４枚がより好ましく、全体の厚みは２０〜５０ｍｍ（仕切板の厚みを除く）が好ましい。
該仕切板の材料は特に制限されるものではないが液体窒素がサブクールされた際の温度での膨張率が少ない材料が望ましく、例えば厚み１ｍｍ程度のステンレス製の仕切板で作製することが好ましい。仕切板は、蓋部からスタッドボルト等の支持部材（図示せず）よって吊下げられた状態で配設することができる。
【００２９】
仕切板と断熱容器（Ｖ１）壁との間も空隙があると、その狭い空隙の部分を液体窒素がガラス繊維紙内を移動して蒸発され易くなるので、断熱容器（Ｖ１）壁との空隙が極力小さくなるように仕切板を設置することが好ましい。この場合の空隙は０．５〜５ｍｍが好ましく、１〜２ｍｍがより好ましい。
（ニ）超電導部材
本発明における冷却対象の超電導部材は特に制限されるものではなく、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の冷却に有効である。超電導部材２７は図１に示すように蓋部から支持部材２０Ａ，２０Ｂによって吊下げた状態とすることができる。
【００３０】
〔２〕第２の態様の「超電導部材冷却装置」
本発明の第２の態様の「超電導部材冷却装置」は、少なくとも、窒素ガス空間を残してサブクール液体窒素が収容されると共に、断熱容器（Ｖ３）に該サブクール液体窒素を供給するための送液ポンプがサブクール液体窒素中に挿入されていて、冷却用の冷却ヘッドを液体窒素の液面よりも下方の位置まで浸漬させる冷凍機を備えた、断熱容器（Ｖ２）と、液面上に窒素ガス空間を残してサブクール液体窒素が断熱容器（Ｖ２）から循環されて収容されると共に、冷却対象の超電導部材を該サブクール液体窒素中に浸漬するための断熱容器（Ｖ３）とからなる超電導部材冷却装置において、
前記断熱容器（Ｖ２）内の液体窒素の液面よりも上部の位置から、冷却ヘッドの上面部又は冷却ヘッドの上面部より上の位置までの範囲に渡って、液体窒素に対し吸収性を有するガラス繊維紙を該繊維紙間及び該繊維紙と断熱容器（Ｖ２）の壁面間に空隙が形成されないように充填した、サブクール液体窒素の温度勾配層を保持するためのガラス繊維紙充填層（Ｌ２）、
及び前記断熱容器（Ｖ３）内の液体窒素の液面よりも上部の位置から、前記超電導部材の上面部又は上面部より上の位置までの範囲に渡って、液体窒素に対し吸収性を有するガラス繊維紙を該繊維紙間及び該繊維紙と断熱容器（Ｖ３）の壁面間に空隙が形成されないように充填した、サブクール液体窒素の温度勾配層を保持するためのガラス繊維紙充填層（Ｌ３）、を設けており、
前記ガラス繊維紙充填層（Ｌ２）と前記ガラス繊維紙充填層（Ｌ３）には、それぞれ少なくとも１枚の仕切板が含まれている。
【００３１】
以下に図２を用いて本発明の第２の態様を説明するが、該第２の態様は以下の図２の例示に限定されるものではない。
図２は、第２の態様の超電導部材冷却装置を説明するための略解図であり、該超電導部材冷却装置には上記したように、超電導部材を冷却するための液体窒素の供給側断熱容器として、断熱容器（Ｖ２）３１、並びに該容器内に収納されたサブクール液体窒素１４、冷凍機２１、ガラス繊維紙充填層（Ｌ２）１６、及び送液ポンプ３２が含まれ、更に付帯設備として液体窒素供給手段５１と窒素ガス供給手段５５とを設けることができる。また、供給側断熱容器から移送されてきた液体窒素で超電導部材を冷却する冷却側断熱容器として、断熱容器（Ｖ３）４１、並びに該容器内にガラス繊維紙充填層（Ｌ３）４６、及び冷却対象の超電導部材２７が含まれる。
第１の態様では超電導部材の冷却が自然対流熱伝達であるのに対し、第２の態様ではポンプにより強制的に冷却された液体窒素が冷却側断熱容器に送り込まれるため強制対流熱伝達に近い状態であるため、第２の様態の方がより超電導部材を冷却することが可能である。また、供給側断熱容器と冷却側断熱容器が分離していることから、メンテナンスが容易となる。以下に第２の態様の超電導部材冷却装置を、供給側断熱容器と冷却側断熱容器に分けて具体的に説明する。
【００３２】
（１）供給側断熱容器
（イ）断熱容器（Ｖ２）
断熱容器（Ｖ２）は、前記断熱容器（Ｖ１）と同様に、一般的な汎用のクライオスタットからなるものであり、その外周壁部および底壁部が内槽１９Ａと外槽１９Ｂからなる真空断熱構造１３とされ、また上端には開閉可能な蓋部１２を設けることができる。この蓋部は断熱容器（Ｖ１）と同様に容器本体に対して真空封止可能な状態で装着されることが好ましい。なお、蓋部には負圧にも耐用可能な安全弁２６や液体窒素供給手段５１と窒素ガス供給手段５５を設けることができるがこれらは前記断熱容器（Ｖ１）に記載した内容と同様であり、更に送液管３３と還流管３４を設けることができる。
【００３３】
（ロ）冷凍機、サブクール液体窒素
断熱容器（Ｖ２）内の液体窒素は、前記断熱容器（Ｖ１）に記載したと同様に冷凍機２１の冷却ヘッド２５と熱交換器２３により冷却されて、大気圧下での飽和液体窒素温度（例えば、７７Ｋ程度）よりも低い温度（例えば６５〜７０Ｋ）にまで温度降下され、サブクールされた液体窒素１４は送液ポンプ３２によって断熱容器（Ｖ２）の底部付近から汲み上げられ、送液管３３を介して、断熱容器（Ｖ３）内に導かれ、超電導部材２７をサブクール温度（例えば６７〜７２Ｋ程度）に冷却・保持する。また断熱容器（Ｖ３）内において超電導部材２７からの熱などによって温度上昇した液体窒素（例えば、７０Ｋ程度以上）は、還流管３４を介して断熱容器（Ｖ２）へ還流される。このようにして断熱容器（Ｖ２）へ還流された液体窒素は、冷凍機の冷却ヘッドにより再び負圧から大気圧以上の間の圧力のもとでサブクール温度（例えば６５〜７０Ｋ程度）に冷却され、前述のように送液ポンプによって断熱容器（Ｖ３）に送られる。冷凍機は、断熱容器（Ｖ１）内に設けられる冷凍機と同様である。
【００３４】
（ハ）ガラス繊維紙充填層（Ｌ２）
断熱容器（Ｖ２）内に設けられるガラス繊維紙充填層（Ｌ２）は、前記第１の態様で記載した断熱容器（Ｖ１）内のガラス繊維紙充填層（Ｌ１）と同様である。
（ニ）送液ポンプ
断熱容器（Ｖ２）内に配設する送液ポンプ３２は、例えば蓋部１２から吊下げられた状態で固定することができる。この送液ポンプは、その取入口（汲出口）が断熱容器（Ｖ２）におけるガラス繊維紙充填層（Ｌ２）１６よりも下方に位置するように配設されている。そしてこの送液ポンプの出口側は送液管３３に接続されており、この送液管３３は前述のように断熱容器（Ｖ３）内に導かれている。さらに前記断熱容器（Ｖ３）からの還流管３４が断熱容器（Ｖ２）内へ導かれており、その還流管３４の先端側開口端が断熱容器（Ｖ２）の上部（前記冷凍機の熱交換器２３と同じほぼ高さ）において開口していて、還流管３４から導かれた液体窒素は熱交換器２３によって冷却される。なお、断熱容器（Ｖ３）内の圧力を断熱容器（Ｖ２）内の圧力より僅かに高く設定することにより、液体窒素は還流管３４を経由して還流される。
【００３５】
（２）冷却側断熱容器
（イ）断熱容器（Ｖ３）
冷却側断熱容器に超電導部材を液体窒素中に浸漬してその超電導部材を冷却するための断熱容器（Ｖ３）４１が設けられている。
該断熱容器（Ｖ３）は、断熱容器（Ｖ１）及び断熱容器（Ｖ２）と同様にその外周壁部および底壁部が内槽４９Ａと外槽４９Ｂからなる真空断熱構造４３とされ、また上端には開閉可能な蓋部４２が設けられている。この蓋部は、断熱容器（Ｖ１）及び断熱容器（Ｖ２）と同様に容器本体に対して真空封止可能な状態で接続されていることが好ましい。この断熱容器（Ｖ３）の蓋部には安全弁６６や窒素ガス供給手段６１、送液管３３及び還流管３４を設けることができるが、この安全弁６６は、内部圧力が外部の大気圧に対して例えば＋３０ｋＰａを越えた場合に開放されて、内部圧力を大気圧〜大気圧＋３０ｋＰａの範囲内、すなわち断熱容器（Ｖ２）より若干高い圧力に保持するように機能させることができる。超電導部材は、断熱容器（Ｖ３）内で断熱容器（Ｖ２）から送られてくるサブクール液体窒素中に浸漬させ、冷却される。
【００３６】
（ロ）ガラス繊維紙充填層（Ｌ３）
断熱容器（Ｖ３）内のガラス繊維紙充填層（Ｌ３）については、前述の通り、窒素ガス空間部と、前記非特許文献１に記載されている、温度勾配層が液体窒素の液面と、液面から１５〜３０ｍｍの深さまでの間で温度勾配層が形成されるという事実を考慮すると、その厚みは２０ｍｍ以上であることが好ましく、２０〜５０ｍｍがより好ましい。その他の点については、前記第１に態様で記載した断熱容器（Ｖ１）内のガラス繊維紙充填層（Ｌ１）と同様である。
（ハ）超電導部材
断熱容器（Ｖ３）内に配設される、冷却対象である超電導部材は、前記第１に態様で記載した超電導部材と同様である。尚、図２に示すように、超電導部材２７はガラス繊維紙充填層（Ｌ３）よりも下部方向に配設されることが好ましい。超電導部材２７は図２に示すように蓋部から支持部材２０Ａ，２０Ｂによって吊下げた状態とすることができる。
【００３７】
〔３〕第３の態様の「超電導部材冷却装置」
本発明の第３の態様の「超電導部材冷却装置」は、少なくとも、窒素ガス空間を残してサブクール液体窒素が収容されると共に、断熱容器（Ｖ４）に該サブクール液体窒素を供給するための送液ポンプが該サブクール液体窒素中に挿入されていて、冷却用の冷却ヘッドを液体窒素の液面よりも下方の位置まで浸漬させる冷凍機を備えた、断熱容器（Ｖ２）と、
サブクール液体窒素が断熱容器（Ｖ２）から循環されて、液面上に空間が形成されないように充填されていると共に、冷却対象の超電導部材が該サブクール液体窒素中に浸漬されている断熱容器（Ｖ４）とからなる、超電導部材冷却装置であって、
断熱容器（Ｖ２）内の液体窒素の液面よりも上部の位置から、冷却ヘッドの上面部又は冷却ヘッドの上面部より上の位置までの範囲に渡って、液体窒素に対し吸収性を有するガラス繊維紙を該繊維紙間及び該繊維紙と断熱容器（Ｖ２）の壁面間に空隙が形成されないように充填した、サブクール液体窒素の温度勾配層を保持するためのガラス繊維紙充填層（Ｌ２）を設けており、
該ガラス繊維紙充填層内には、少なくとも１枚の仕切板が含まれている。
【００３８】
以下に図３を用いて本発明の第３の態様を説明するが、該第３の態様は以下の図３の例示に限定されるものではない。
図３は、第３の態様の超電導部材冷却装置を説明するための略解図であり、該超電導部材冷却装置には上記したように、超電導部材を冷却するための液体窒素の供給側断熱容器として、断熱容器（Ｖ２）３１、並びに該容器内に収納されたサブクール液体窒素１４、冷凍機２１、ガラス繊維紙充填層（Ｌ２）１６、及び送液ポンプ３２が含まれ、更に付帯設備として液体窒素供給手段５１と窒素ガス供給手段５５を設けることができ、
供給側断熱容器から移送されてきた液体窒素で超電導部材を冷却する冷却側断熱容器として、断熱容器（Ｖ４）７１及び冷却対象の超電導部材２７が設けられている。
第３の態様の超電導部材冷却装置は、第２の態様の超電導部材冷却装置と対比して断熱容器（Ｖ４）の内部に窒素気相部が形成されないように液体窒素が充填されているので、温度勾配層が存在しないという特徴を有している。以下に第３の態様の超電導部材冷却装置を、供給側断熱容器と冷却側断熱容器に分けて説明する。
【００３９】
（１）供給側断熱容器
超電導部材を冷却するための液体窒素の供給側断熱容器としての、（イ）断熱容器（Ｖ２）、（ロ）ガラス繊維紙充填層（Ｌ２）、（ハ）冷凍機、及び（ニ）送液ポンプは、第２の態様の供給側断熱容器に記載した内容とほぼ同じである。尚、断熱容器（Ｖ２）には第１の態様に記載したと同様に、蓋部１２に負圧にも耐用可能な安全弁２６、送液管３３及び還流管３４が設けられ、更に付帯設備として第１の態様に記載したと同様の液体窒素供給手段５１と窒素ガス供給手段５５を設けることができる。
（２）冷却側断熱容器
供給側断熱容器から移送されてきたサブクール液体窒素で超電導部材を冷却する冷却側断熱容器として、断熱容器（Ｖ４）７１は、図３に示す通り、その外周壁部および底壁部が内槽７９Ａと外槽７９Ｂからなる真空断熱構造７３とされ、送液管３３と還流管３４部を除いて密封構造を形成している。
送液ポンプにより送液管３３を通して断熱容器（Ｖ２）から断熱容器（Ｖ４）に送液されたサブクール液体窒素は断熱容器（Ｖ４）内で超電導部材によって加熱されて、温度上昇したサブクール液体窒素は断熱容器（Ｖ４）が上記密封構造となっているために還流管を経由して断熱容器（Ｖ２）に還流される。断熱容器（Ｖ４）内に配設された冷却対象である超電導部材２７は、前記第１の態様及び第２の態様で記載した超電導部材と同様である。超電導部材２７は図３に示すように内槽７９Ａから支持部材２０Ａ，２０Ｂによって吊下げた状態とすることができる。
【００４０】
〔４〕サブクール液体窒素の温度維持方法
本発明の第４の態様の「断熱容器内のサブクール液体窒素の温度維持方法」は、
少なくとも、窒素ガス空間を残して収容されている断熱容器（Ｖ０）内のサブクール液体窒素の温度維持方法において、
該サブクール液体窒素を冷却するための冷凍機の冷却ヘッドを液体窒素の液面よりも下方の位置まで浸漬し、
断熱容器（Ｖ０）内の液体窒素の液面よりも上部の位置から、冷却ヘッドの上面部又は冷却ヘッドの上面部より上の位置までの範囲に渡って、液体窒素に対し吸収性を有するガラス繊維紙を該繊維紙間及び該繊維紙と断熱容器（Ｖ０）の壁面間に空隙が形成されないように充填したガラス繊維紙充填層（Ｌ０）を設けるとともに該ガラス繊維紙充填層内に少なくとも１枚の仕切板を含ませて、該ガラス繊維紙充填層（Ｌ０）内にサブクール液体窒素の温度勾配層を保持する。
【００４１】
サブクール液体窒素の温度維持方法は、第１ないし３の態様のいずれにも適用することができ、例えば図１に示すように、断熱容器（Ｖ０（図１ではＶ１、以下、同じ））内に収納された液体窒素内に冷凍機の冷却ヘッドを挿入し、液体窒素の液面よりも上部の位置から、冷却ヘッドの上面部又は冷却ヘッドの上面部より上の位置までの範囲に渡ってガラス繊維紙充填層（Ｌ０（図１ではＬ１、以下、同じ））を設けて、断熱容器（Ｖ０）に付帯設備として、例ば液体窒素供給手段と、窒素ガス供給手段を設けることが可能な装置において、
ガラス繊維紙充填層（Ｌ０）に液体窒素の液面を配置し、かつ該充填層の液面から下方へ向かって温度勾配層を保持して、液面の液体窒素を負圧〜大気圧下の飽和液体窒素とし、ガラス繊維紙充填層（Ｌ０）より下層部にある液体窒素をサブクールの液体窒素まで冷却する温度維持（温度の制御も伴う）方法である。
断熱容器（Ｖ０）、冷凍機、ガラス繊維紙充填層（Ｌ０）は、それぞれ第１の態様、第２の態様、又は第３の態様に記載した、断熱容器（Ｖ１、Ｖ２、またはＶ３）、冷凍機、ガラス繊維紙充填層（Ｌ１、Ｌ２、またはＬ３）と同様である。この超電導部材冷却装置に使用可能な断熱容器（Ｖ０）には、図１に示すような窒素ガス供給手段５５により、窒素ガス（ＧＮ２）が貯蔵されている窒素ガスタンク５６から、制御弁５７および供給管５８を介して窒素ガスが供給できる構造とすることができる。
【００４２】
尚、蓋部には図１に示すように負圧にも耐用可能な安全弁２６を設けることができるが、この安全弁は、内部圧力が外部の大気圧に対して例えば＋１０ｋＰａを越えた場合に開放されて、内部圧力を大負圧〜大気圧＋１０ｋＰａの範囲内、すなわち負圧から大気圧より若干高い圧力の間に保持するように機能させることができる。
（イ）ガラス繊維紙充填層（Ｌ０）に液体窒素の液面を配置する方法
図示していないが、断熱容器（Ｖ０）には液面計を設けることが好ましく、液体窒素供給手段５１から液体窒素を断熱容器（Ｖ０）に充填するときには、液面位置がガラス繊維紙充填層（Ｌ０）の中で温度勾配層を形成して保持できる位置とすることができる。
（ロ）ガラス繊維紙充填層（Ｌ０）内の温度勾配層の保持
例えば、ガラス繊維紙充填層（Ｌ０）の垂直方向の厚みが２０ｍｍの場合には、ガラス繊維紙充填層（Ｌ０）の上面から５ｍｍ程度の位置が液体窒素液面となるように液体窒素を充填して、液体窒素がサブクールされたときにガラス繊維紙充填層（Ｌ０）に温度勾配層を形成して保持する。
以下に図１を参考にして、断熱容器内のサブクール液体窒素の温度制御方法におけるスタート方法、及び継続運転方法について説明する。尚、下記説明は例示であり、本発明の第４の態様のサブクール液体窒素の温度維持方法は以下に記載する方法に限定されるものではない。
【００４３】
（１）スタート方法
図１に示す超電導部材冷却装置を使用した場合のスタート方法を以下に記載する。
〈１〉液体窒素供給手段５１の液体窒素タンク５２から制御弁５３、供給管５４を介して断熱容器（Ｖ０）内のガラス繊維紙充填層（Ｌ０）より下方の位置に、液体窒素（ＬＮ２）を、ガラス繊維紙充填層（Ｌ０）部に液面位置が形成されるまで供給する。
この時、断熱容器（Ｖ０）内の圧力が１０ｋＰａより上昇した場合には安全弁から窒素ガスが放出されて容器内の圧力は負圧〜大気圧＋１０ｋＰａの範囲内に制御される。
一方、断熱容器（Ｖ０）内が所定の圧力より低圧になる場合には窒素ガス供給手段５５により、窒素ガス（ＧＮ２）が貯蔵されている窒素ガスタンク５６から、制御弁５７と供給管５８を介して窒素ガスが供給されるように準備する。
【００４４】
〈２〉ガラス繊維紙充填層（Ｌ０）部に液面位置が安定に形成されたら、冷凍機をスタートして液体窒素の冷却を開始する。液体窒素がサブクールされて体積が減少して液面がガラス繊維紙充填層（Ｌ０）における下方部、又は該充填層より下方に形成された場合には液体窒素タンク５２から液体窒素を補充する。断熱容器（Ｖ０）内の気相部が所定の圧力より低圧になると、窒素ガス供給手段５５窒素ガスが供給される。このようにして液体窒素の液面はガラス繊維紙充填層（Ｌ０）内に形成され、圧力はほぼ大気圧でバランスする。なお、液面が上昇しすぎた場合には、蓋部から液面までの距離が縮まるため侵入熱が増えるので液体窒素が蒸発し易くなり、断熱容器（Ｖ０）内の圧力が１０ｋＰａより上昇した場合には安全弁から窒素ガスが放出される。
〈３〉液面の液体窒素は大気圧での飽和温度になり、ガラス繊維紙層中にある液面のすぐ下方に温度勾配層が保持され、更にその下方にサブクール液体窒素が収容された状態になる。
尚、通常、冷凍機の冷却ヘッドは一定の能力で冷却を続けるので、サブクール液体窒素の温度調整は冷却ヘッド上部にヒータが設けられていて、ヒータのオン／オフにより所定の温度に制御される。
冷凍機の稼動を継続すれば、ガラス繊維紙層中の温度勾配層は安定してサブクール液体窒素に維持され、超電導部材を液体窒素のサブクール温度で冷却を継続することが可能になる。
【００４５】
（２）継続運転
本発明のサブクール液体窒素の温度維持方法で使用するガラス繊維紙層は、液体窒素の吸収性が高いので、運転を継続中に断熱容器（Ｖ０）の振動、揺動等に対して該繊維紙層内の液体窒素の流動性は微細ガラス繊維構造に起因して極めて低いので、振動、揺動等が生じてもガラス繊維紙充填層内の温度勾配層は従来の連続孔を有する多孔質断熱部材と比較して安定的に保持される。従って運転状況の安定化、超電導部材の冷却効率の向上、信頼性の向上を図ることができる。
【実施例】
【００４６】
以下、実施例、比較例により本発明を具体的に説明する。尚、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。
上記第４の態様に記載したスタート方法に基づき、液体窒素中に冷凍機の冷却ヘッドが浸漬され、かつガラス繊維紙充填層が設けられた断熱容器内で、該ガラス繊維紙充填層内に液面が設けられると共に、液面から下方へ向かって温度勾配層が保持されている状態で、該断熱容器を振動させて、該温度勾配層の安定性を評価した。
（１）装置
〈１〉断熱容器
断熱容器（クライオスタット）は、図１に示す外周壁部および底壁部が内槽（高さ：４００ｍｍ、内径：３５２ｍｍ）と外槽からなる真空断熱構造であり、上端には開閉可能な蓋部が設けられている。
この断熱容器には、液体窒素供給手段により、液体窒素（ＬＮ２）が貯蔵されている液体窒素タンクから、液体窒素供給でき、また、窒素ガス供給手段により、窒素ガス（ＧＮ２）が貯蔵されている窒素ガスタンクから、制御弁および供給管を介して窒素ガスを供給できる付帯設備が設けられている。なお蓋部には安全弁が設けられており、この安全弁は、内部圧力が外部の大気圧に対して＋１０ｋＰａを越えた場合に開放されて、内部圧力を大気圧〜大気圧＋１０ｋＰａの範囲内、すなわち大気圧または大気圧より若干高い圧力に保持するように設定されている。
【００４７】
〈２〉冷凍機
冷凍機は、鈴木商館製のＧＭ型冷凍機（１８０Ｗ＠８０Ｋ）を使用した。冷凍機の冷却ヘッドはその上部が容器上部から１６０ｍｍの位置に固定されている。
〈３〉ガラス繊維紙充填層
ガラス繊維紙充填層を構成するガラス繊維紙は、ライダルサーマル社（Ｌｙｄａｌｌｔｈｅｒｍａｌ  ｃｏｍ．）製の商品名：ＣｒｙｏＴｈｅｒｍ  ２３３（登録商標）でロール状のもの（外径：１２インチ（３０４．８ｍｍ）、内径：３インチ（７６．２ｍｍ）、厚み：３５インチ（８８９ｍｍ））をガラス繊維紙充填層の形状を形成できるように、切り取って充填した。
（２）振動、揺動方法
振幅３ｍｍ（全幅で６ｍｍ）、周波数：４Ｈｚで振動を与えた（このときの加速度は０．１９３Ｇである）。尚、振幅：０．５〜１０ｍｍ、周波数：１〜１０Ｈｚのときに、振動、揺動の影響が大きくなることが知られている。
尚、振動数と振幅と加速度の関係式は以下の通りである。
Ａ＝［（２πｆ）２／１０００×ｇ］×ｄ
Ａ：加速度（Ｇ）
ｆ：振動数（Ｈｚ）
ｄ：振幅（ｍｍ）（＊片振幅である。実際の揺れ幅は２ｄになる。）
ｇ：重力加速度  ９．８（ｍ／ｓｅｃ２）
＊鉄道部品の振動試験（ＪＩＳ）  
ＪＩＳ  Ｅ  ４０３１（１９８９）「鉄道車両部品の振動試験方法」の（第１種試験）  
断熱容器内の液体窒素の温度は白金測温抵抗体（１００オーム）を用いて測定した。
【００４８】
［実施例１］
（１）実験方法
（１−１）装置
断熱容器（クライオスタット）の空間部の上部に垂直方向に５０ｍｍの空間部を設けて厚み４０ｍｍのガラス繊維紙充填層（仕切板なし）を充填した。該繊維紙充填層の上面と下面をステンレス板により挟み込む構造とし、該ステンレス板はスタットボルトで蓋部から吊り下げナットで固定する構造とした。尚、断熱容器内の冷却ヘッドより下部に、超電導部材の代わりにヒータ（熱量：最大２００Ｗ）を設けた。
（１−２）実験方法
断熱容器内に大気圧での飽和温度（７７Ｋ程度）の液体窒素をガラス繊維紙充填層の上面部から１０ｍｍ下側に液面が形成されるまで供給して液面を安定させた。尚、該液面は液面計により確認した。
冷凍機の運転を開始するとガラス繊維紙充填層に速やかに、温度勾配層が形成・保持された。液面の液体窒素は大気圧での飽和温度（７７Ｋ程度）が維持され、ガラス繊維紙充填層より下部の液体窒素はサブクール（６４Ｋ程度）に冷却され、温度勾配層は安定化された。
温度勾配層が安定化されてから、６０分後に、該断熱容器に振動を加えた、気相部の減圧状態を計測することで液体窒素の撹拌状態を観察した。
（２）実験結果
振動を開始後４５分間経過まで断熱容器内に減圧が発生しなかった。このことから該４５分間は温度勾配層が安定に保持されたことが確認された。
【００４９】
［実施例２］
実施例１で使用したと同様の断熱容器と冷凍機を使用して、４つの厚さ１０ｍｍガラス繊維紙充填層間に１ｍｍ厚みのステンレス仕切板（容器壁部とのクリアランス：１ｍｍ）を配設した。
実施例１と同様にして、断熱容器内に大気圧での飽和温度（７７Ｋ程度）の液体窒素をガラス繊維紙充填層の上面部から１０ｍｍ下側に液面が形成されるまで供給して液面を安定させた。次に、冷凍機を稼動して、液体窒素をサブクールし、液面の液体窒素は大気圧での飽和温度（７７Ｋ程度）が維持され、ガラス繊維紙充填層より下部の液体窒素はサブクール（６４Ｋ程度）に冷却され、温度勾配層は安定化された。
温度勾配層が安定化してから、６０分後に、該断熱容器に振動を加えた、気相部の減圧状態を計測することで液体窒素の撹拌状態を観察した。
振動を開始後６０分間経過まで断熱容器内に減圧が発生しなかった。このことから該６０分間は温度勾配層が安定に保持されたことが確認された。
【００５０】
［比較例１］
実施例１で使用したと同様の断熱容器と冷凍機を使用して、前記ガラス繊維紙充填層の代わりに厚みが２０ｍｍのポリウレタンフォーム層（イノアック社製、商品名：モルトフィルター（型番：ＭＦ−２０）を仕切板を挟んで２枚積層した。該ポリウレタンフォーム層上に仕切板を挟んで、更に厚み３０ｍｍの発泡ポリエチレン層（旭化成（株）製、商品名：サンテックフォーム（型番：Ｑ−２５））を配設した。
断熱容器内に大気圧での飽和温度（７７Ｋ程度）の液体窒素をポリウレタンフォーム層の下面部から３０ｍｍ上側に液面が形成されるまで供給して液面を安定させた。尚、該液面は液面計により確認した。
上記以外は実施例１に記載したと同様にして冷凍機を稼動して、液体窒素をサブクールし、液面の液体窒素は大気圧での飽和温度（７７Ｋ程度）が維持され、ガラス繊維紙充填層より下部の液体窒素はサブクール（６４Ｋ程度）に冷却され、温度勾配層は安定化された。
温度勾配層が安定化されてから、６０分後に、該断熱容器に振動を加えた、気相部の減圧状態を計測することで液体窒素の撹拌状態を観察した。
振動を開始後後直ちに断熱容器内に瞬時に−８０ｋＰａまでの減圧が発生した。このことから振動開始直後にポリウレタンフォーム層中の温度勾配層は保持されなくなったことが確認された。
【符号の説明】
【００５１】
１１  断熱容器（Ｖ１）
１２  蓋部
１３  真空断熱構造
１４  液体窒素
１５  空間部
１６  ガラス繊維紙充填層（Ｌ１、Ｌ２）
１７  仕切板
１８  液体窒素液面
１９Ａ  内槽
１９Ｂ  外槽
２０Ａ  支持部材
２０Ｂ  支持部材
２１  冷凍機
２２  シリンダ部
２３  熱交換器
２４  ヒータ
２５  冷却ヘッド
２６  安全弁
２７  超電導部材
３１  断熱容器（Ｖ２）
３２  送液ポンプ
３３  送液管
３４  還流管
４１  断熱容器（Ｖ３）
４２  蓋部
４３  真空断熱構造
４４  液体窒素
４５  空間部
４６  ガラス繊維紙充填層（Ｌ３）
４７  仕切板
４８  液体窒素液面
４９Ａ  内槽
４９Ｂ  外槽
５１  液体窒素供給手段
５２  液体窒素タンク
５３  制御弁
５４  供給管
５５  窒素ガス供給手段
５６  窒素ガスボンベ
５７  制御弁
５８  供給管
６１  窒素ガス供給手段
６２  窒素ガスボンベ
６３  制御弁
６４  供給管
６６  安全弁
７１  断熱容器（Ｖ４）
７３  真空断熱構造
７４  液体窒素
７９Ａ  内槽
７９Ｂ  外槽
【図１】
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【図２】
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【図３】
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