(57)【要約】  構成部品冷却システム１０が、発熱デバイス１２を収容するように構成される構成部品タンク１４を備える。構成部品タンクは、第１の圧力Ｐ１及び第１の温度Ｔ１にあるサブクール液体１６で少なくとも部分的に満たされる。極低温システム２４が、構成部品タンクを実質的に第１の温度に保持する。極低温システムは、構成部品タンクの少なくとも一部と熱的に結合される熱交換システム２６を備える。熱交換システムは、第２の圧力Ｐ２及び実質的に第１の温度にある第２の飽和液２８で少なくとも部分的に満たされる。クライオスタットタンク３０が、熱交換システムと流体連通され、熱交換システムとクライオスタットタンクの間で第２の飽和液がポンプレスで流動できるようにする。
2011516817.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
構成部品冷却システムであって、
該構成部品冷却システムは、
発熱デバイスを収容するように構成される構成部品タンクであって、第１の圧力及び第１の温度にあるサブクール液体で少なくとも部分的に満たされるように構成される、構成部品タンクと、
前記構成部品タンクを実質的に前記第１の温度に保持するための極低温システムと、
を備え、
前記極低温システムは、
前記構成部品タンクの少なくとも一部と熱的に結合される熱交換システムであって、第２の圧力及び実質的に前記第１の温度にある第２の飽和液で少なくとも部分的に満たされる、熱交換システムと、
前記熱交換システムとの間で前記第２の飽和液がポンプレスで流動できるようにするために、前記熱交換システムと流体連通される、クライオスタットタンクと、
を備える、構成部品冷却システム。
【請求項２】
第２の温度にある第１の飽和液で少なくとも部分的に満たされるように構成されるバッファタンクをさらに備え、該バッファタンクは、前記構成部品タンクとの間で液体がポンプレスで流動できるようにするために、前記構成部品タンクと流体連通される、請求項１に記載の構成部品冷却システム。
【請求項３】
前記構成部品タンク内の前記第１の圧力を保持するために、前記バッファタンク内の前記第１の飽和液を加熱するように構成される加熱システムをさらに備える、請求項２に記載の構成部品冷却システム。
【請求項４】
前記第１の飽和液及び前記第２の飽和液は飽和液体窒素である、請求項２に記載の構成部品冷却システム。
【請求項５】
前記熱交換システムは、前記構成部品タンク内に配置される熱交換器デバイスを含む、請求項１に記載の構成部品冷却システム。
【請求項６】
前記熱交換器デバイスは、その中を前記第２の飽和液が通り抜ける１つ又は複数のチューブアセンブリを含む、請求項５に記載の構成部品冷却システム。
【請求項７】
前記熱交換器デバイスは、その中を前記１つ又は複数のチューブアセンブリが通り抜ける熱伝導体を含む、請求項６に記載の構成部品冷却システム。
【請求項８】
前記熱交換システムは、前記構成部品タンク外に配置される熱交換器デバイスを含む、請求項１に記載の構成部品冷却システム。
【請求項９】
前記熱交換器デバイスは、前記構成部品タンクの少なくとも一部を封入する冷却タンクである、請求項８に記載の構成部品冷却システム。
【請求項１０】
前記極低温システムは、
前記クライオスタットタンク内に配置され、前記第２の飽和液を実質的に前記第１の温度に保持するように構成されるクライオスタット
を備える、請求項１に記載の構成部品冷却システム。
【請求項１１】
前記発熱デバイスは故障電流限流器デバイスである、請求項１に記載の構成部品冷却システム。
【請求項１２】
前記サブクール液体はサブクール液体窒素である、請求項１に記載の構成部品冷却システム。
【請求項１３】
前記第２の温度は前記第１の温度よりも高い、請求項１に記載の構成部品冷却システム。
【請求項１４】
前記第２の圧力は前記第１の圧力よりも低い、請求項１に記載の構成部品冷却システム。
【請求項１５】
構成部品冷却システムであって、
該構成部品冷却システムは、
故障電流限流器デバイスを収容するように構成される構成部品タンクであって、第１の圧力及び第１の温度にあるサブクール液体で少なくとも部分的に満たされるように構成される、構成部品タンクと、
第２の温度にある第１の飽和液で少なくとも部分的に満たされるように構成されるバッファタンクであって、前記構成部品タンクとの間で液体がポンプレスで流動できるようにするために、前記構成部品タンクと流体連通される、バッファタンクと、
前記構成部品タンクを実質的に前記第１の温度に保持するための極低温システムと、
を備え、
前記極低温システムは、
前記構成部品タンクの少なくとも一部と熱的に結合される熱交換システムであって、第２の圧力及び実質的に前記第１の温度にある第２の飽和液で少なくとも部分的に満たされる、熱交換システムと、
前記熱交換システムとの間で前記第２の飽和液がポンプレスで流動できるようにするために、前記熱交換システムと流体連通される、クライオスタットタンクと、
を備え、
前記構成部品冷却システムは、
前記構成部品タンク内の前記第１の圧力を保持するために、前記バッファタンク内の前記第１の飽和液を加熱するように構成される加熱システム
を備える、構成部品冷却システム。
【請求項１６】
前記熱交換システムは、前記構成部品タンク内に配置される熱交換器デバイスである、請求項１５に記載の構成部品冷却システム。
【請求項１７】
前記熱交換システムは、前記構成部品タンクの少なくとも一部を封入する熱交換器デバイスである、請求項１５に記載の構成部品冷却システム。
【請求項１８】
前記極低温システムは、
前記クライオスタットタンク内に配置され、前記第２の飽和液を実質的に前記第１の温度に保持するように構成されるクライオスタット
を含む、請求項１５に記載の構成部品冷却システム。
【請求項１９】
前記サブクール液体、前記第１の飽和液及び前記第２の飽和液は液体窒素である、請求項１５に記載の構成部品冷却システム。
【請求項２０】
構成部品冷却システムであって、
該構成部品冷却システムは、
発熱デバイスを収容するように構成される構成部品タンクであって、第１の圧力及び第１の温度にあるサブクール液体で少なくとも部分的に満たされるように構成される、構成部品タンクと、
第２の温度にある第１の飽和液で少なくとも部分的に満たされるように構成されるバッファタンクであって、前記構成部品タンクとの間で液体がポンプレスで流動できるようにするために、前記構成部品タンクと流体連通される、バッファタンクと、
前記構成部品タンクを実質的に前記第１の温度に保持するための極低温システムと、
を備え、
前記極低温システムは、
前記構成部品タンクの少なくとも一部と熱的に結合される熱交換システムであって、第２の圧力及び実質的に前記第１の温度にある第２の飽和液で少なくとも部分的に満たされる、熱交換システムと、
前記熱交換システムとの間で前記第２の飽和液がポンプレスで流動できるようにするために、前記熱交換システムと流体連通される、クライオスタットタンクと、
前記クライオスタットタンク内に配置され、前記第２の飽和液を実質的に前記第１の温度に保持するクライオスタットと、
を備える、構成部品冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は冷却システムに関し、より詳細には、高温超伝導体（High Temperature Superconductor：ＨＴＳ）デバイス、特にＨＴＳ故障電流限流器（Fault Current Limiter：ＦＣＬ）のための極低温冷却システムに関する。
【０００２】
［関連出願］
本出願は、２００８年３月３１日に出願された米国特許出願第１２／０５９，９５１号に対する優先権を主張し、その特許出願の開示全体が参照により本明細書に援用される。
【背景技術】
【０００３】
高温超伝導体を用いて、配電システム内の故障電流を制御又は限流する超伝導ＦＣＬを構成することができる。システム内の故障電流によって衝撃的な加熱が引き起こされ、それを故障電流限流器が受けているときであっても、ＦＣＬ内のＨＴＳ巻線を、ＨＴＳが超伝導状態において動作するために必要とされる極低温に保持するために、多くの場合に、極低温冷却システム（たとえば、伝導冷却システム、飽和窒素冷却システム、及びヘリウムガスを用いるサブクール窒素冷却システム）が用いられる。
【０００４】
残念なことに、伝導冷却システムは適応性のある動作温度を有するが、回復時間が遅いという難点がある。さらに、飽和窒素冷却システムはより速い回復時間を有するが、動作温度が決まっているという難点がある。さらに、サブクール窒素冷却システム（ヘリウムガスを用いる）はより速い回復時間及び適応性のある動作温度を有するが、典型的には、障害中に液体窒素が排出される。
【発明の概要】
【０００５】
第１の実施態様では、構成部品冷却システムが、発熱デバイスを収容するように構成される構成部品タンクを備える。構成部品タンクは、第１の圧力及び第１の温度にあるサブクール液体で少なくとも部分的に満たされる。極低温システムが、構成部品タンクを実質的に第１の温度に保持する。極低温システムは、構成部品タンクの少なくとも一部と熱的に結合される熱交換システムを備える。熱交換システムは、第２の圧力及び実質的に第１の温度にある第２の飽和液で少なくとも部分的に満たされる。クライオスタットタンクが、熱交換システムと流体連通され、熱交換システムとクライオスタットタンクの間で第２の飽和液がポンプレスで流動できるようにする。
【０００６】
以下の特徴の１つ又は複数が含まれ得る。バッファタンクが、第２の温度にある第１の飽和液で少なくとも部分的に満たされるように構成される場合がある。バッファタンクは、構成部品タンクとの間で液体がポンプレスで流動できるようにするために、構成部品タンクと流体連通されることができる。
【０００７】
加熱システムが、構成部品タンク内の第１の圧力を保持するために、バッファタンク内の第１の飽和液を加熱するように構成される場合がある。第１の飽和液及び第２の飽和液は飽和液体窒素であり得る。
【０００８】
熱交換システムは、構成部品タンク内に配置される熱交換器デバイスを含む場合がある。熱交換器デバイスは、その中を第２の飽和液が通り抜ける１つ又は複数のチューブアセンブリを含む場合がある。熱交換器デバイスは、その中を１つ又は複数のチューブアセンブリが通り抜ける熱伝導体を含む場合がある。
【０００９】
熱交換システムは、構成部品タンク外に配置される熱交換器デバイスを含む場合がある。熱交換器デバイスは、構成部品タンクの少なくとも一部を封入する冷却タンクであり得る。
【００１０】
極低温システムは、クライオスタットタンク内に配置され、第２の飽和液を実質的に第１の温度に保持するように構成されるクライオスタットを備える場合がある。発熱デバイスは故障電流限流器デバイスであり得る。サブクール液体はサブクール液体窒素であり得る。第２の温度は第１の温度よりも高い場合がある。第２の圧力は第１の圧力よりも低い場合がある。
【００１１】
別の態様において、構成部品冷却システムが、故障電流限流器デバイスを収容するように構成される構成部品タンクを備える。構成部品タンクは、第１の圧力及び第１の温度にあるサブクール液体で少なくとも部分的に満たされるように構成される。バッファタンクが、第２の温度にある第１の飽和液で少なくとも部分的に満たされるように構成される。バッファタンクは、構成部品タンクとの間で液体がポンプレスで流動できるようにするために、構成部品タンクと流体連通される。極低温システムが、構成部品タンクを実質的に第１の温度に保持する。極低温システムは、構成部品タンクの少なくとも一部と熱的に結合される熱交換システムを含む。熱交換システムは、第２の圧力及び実質的に第１の温度にある第２の飽和液で少なくとも部分的に満たされる。クライオスタットタンクが、熱交換システムとの間で第２の飽和液がポンプレスで流動できるようにするために、熱交換システムと流体連通される。加熱システムが、構成部品タンク内の第１の圧力を保持するために、バッファタンク内の第１の飽和液を加熱するように構成される。
【００１２】
以下の特徴の１つ又は複数が含まれ得る。熱交換システムは、構成部品タンク内に配置される熱交換器デバイスであり得る。熱交換システムは、構成部品タンクの少なくとも一部を封入する熱交換器デバイスであり得る。極低温システムは、クライオスタットタンク内に配置され、第２の飽和液を実質的に第１の温度に保持するように構成されるクライオスタットを備える場合がある。サブクール液体、第１の飽和液及び第２の飽和液は液体窒素であり得る。
【００１３】
別の態様において、構成部品冷却システムが、発熱デバイスを収容するように構成される構成部品タンクを備える。構成部品タンクは、第１の圧力及び第１の温度にあるサブクール液体で少なくとも部分的に満たされるように構成される。バッファタンクが、第２の温度にある第１の飽和液で少なくとも部分的に満たされるように構成される。バッファタンクは、構成部品タンクとの間で液体がポンプレスで流動できるようにするために、構成部品タンクと流体連通される。極低温システムが、構成部品タンクを実質的に第１の温度に保持する。極低温システムは、構成部品タンクの少なくとも一部と熱的に結合される熱交換システムを備える。熱交換システムは、第２の圧力及び実質的に第１の温度にある第２の飽和液で少なくとも部分的に満たされる。クライオスタットタンクが、熱交換システムとの間で第２の飽和液がポンプレスで流動できるようにするために、熱交換システムと流体連通される。クライオスタットが、クライオスタットタンク内に配置され、第２の飽和液を実質的に第１の温度に保持するように構成される。
【００１４】
１つ又は複数の実施態様の詳細が添付の図面及び以下の説明において記述される。他の特徴及び利点は、明細書、図面及び特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】構成部品冷却システムの概略図である。
【図２】図１の構成部品冷却システムの代替の実施形態の概略図である。
【図３】図１の構成部品冷却システムの別の代替の実施形態の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１を参照すると、発熱デバイス１２によって生成される熱エネルギーを吸収するための構成部品冷却システム１０が示される。発熱デバイス１２の例は、限定はしないが、ＨＴＳ故障電流限流器、抵抗性電気デバイス、及び発熱機械デバイスを含む場合がある。故障電流限流器は、電気システム内のサージ電流の振幅を低減するデバイスであり、たとえば、サージ電流は、電力網の種々の部分への電圧の供給／遮断、電力網内の電気的／機械的障害、落雷、及び風水害に起因して生じる場合がある。
【００１７】
故障電流限流器は、超伝導テープ又はワイヤを用いて構成される場合がある。故障電流限流器を設計するとき、通常の電流負荷がかけられるときには故障電流限流器のインピーダンスを無視することができるように、超伝導巻線（高温又は低温超伝導体材料から形成される巻線等）が構成される場合がある。しかしながら、故障電流負荷を受けるとき、超伝導テープが超伝導状態から非超伝導すなわち「常伝導」状態に転移するのに応じて、超伝導巻線のインピーダンスは劇的に増加する場合がある。この転移が生じるとき、テープの抵抗は０から有意な抵抗レベルに移行するので、故障電流が限流される。当然、この転移が生じるとき、結果として、故障電流限流器が故障電流のエネルギーのかなりの部分を吸収するようになる。このように故障電流限流器によってエネルギーが吸収される結果として、故障電流限流器が大量の熱エネルギーを発生する場合があり、その熱エネルギーを構成部品冷却システム１０によって吸収することができる。気泡が形成されると、結果としてシステム内に絶縁破壊が生じるおそれがあるので、気泡を形成する液体窒素を用いることなく熱エネルギーが吸収されなければならない。
【００１８】
低温超伝導体材料の例は、ニオブ−ジルコニウム；モリブデン−チタン及びニオブ−スズを含む。高温超伝導体材料の例は、タリウム−バリウム−カルシウム−銅酸化物；ビスマス−ストロンチウム−カルシウム−銅酸化物；水銀−バリウム−カルシウム−銅酸化物；イットリウム−バリウム−銅酸化物；又はＭｇＢ２二ホウ化マグネシウム化合物のうちのいずれかを含む。
【００１９】
構成部品冷却システム１０は、発熱デバイス１２を収容するように構成される構成部品タンク１４を備える場合がある。構成部品タンク１４は、サブクール液体１６で少なくとも部分的に満たされるように構成される場合がある。サブクール液体１６の例は、限定はしないが、サブクール液体窒素を含む場合がある。
【００２０】
構成部品冷却システム１０は、バッファタンク１８を備える場合があり、バッファタンク１８は、飽和液２０で少なくとも部分的に満たされるように構成される場合がある。飽和液２０の例は、限定はしないが、飽和液体窒素を含む場合がある。バッファタンク１８は構成部品タンク１４と流体連通する場合があり、それにより、障害の発生時に又は回復時間中に、タンク１４と１８との間で液体（たとえば、サブクール液体１６及び飽和液２０）がポンプレスで流動できるようにする。たとえば、１つ又は複数のパイプ／チューブアセンブリ（たとえば、パイプ／チューブアセンブリ２２）が構成部品タンク１４及びバッファタンク１８を結合することができる。本開示において用いられるときに、液体のポンプレス流動は、任意の機械的なポンプアセンブリを用いることなく、液体が流動することと定義することができる。
【００２１】
超伝導体材料は、低い温度（たとえば、ＹＢＣＯ超伝導体の場合には９０ケルビン未満）において動作するときにのみ超伝導特性を達成するので、構成部品冷却システム１０は、構成部品タンク１４（それゆえ、構成部品タンク１４内の液体１６）を所望の温度（Ｔ１）に保持するための極低温システム２４も備える場合があり、その温度はタンク１４内に収容される液体のタイプ及び状態に応じて異なる場合がある。たとえば、そして上記のように、構成部品タンク１４は、サブクール液体１６で少なくとも部分的に満たされるように構成される場合がある。サブクール液体１６がサブクール液体窒素であるとき、温度Ｔ１は、６５乃至７５ケルビンの範囲内にある場合があり、好ましくは６７ケルビンである。したがって、サブクール液体窒素システムの場合、極低温システム２４は、構成部品タンク１４の温度を実質的に６７ケルビンに保持するように構成される場合がある。
【００２２】
極低温システム２４は熱交換システム（たとえば、冷却タンク２６）を備える場合があり、熱交換システムは、飽和液２８で少なくとも部分的に満たされるように構成される場合がある。飽和液２８の例は、限定はしないが、飽和液体窒素を含むことができる。上記の熱交換システムが冷却タンク２６として構成されるとき、冷却タンク２６は、構成部品タンク１４の少なくとも一部を封入することができる。
【００２３】
極低温システム２４は、冷却タンク２６と流体連通するクライオスタットタンク３０をさらに備える場合があり、それにより、重力を用いることによって、クライオスタットタンク３０と冷却タンク２６との間で飽和液２８がポンプレスで流動できるようにする。上記のように、液体のポンプレス流動は、任意の機械的なポンプアセンブリを用いることなく、液体が流動することと定義することができる。たとえば、１つ又は複数のパイプ／チューブアセンブリ（たとえば、パイプ／チューブアセンブリ３２、３４）がクライオスタットタンク３０及び冷却タンク２６を結合することができる。液体２８が飽和液であるときに、熱エネルギーが飽和液２８に加えられる場合には、飽和液２８の一部が、蒸気３６に転移する（すなわち、状態変化する）場合がある。極低温システム２４は、クライオスタットタンク３０内に配置されるクライオスタット３８をさらに備える場合がある。クライオスタット３８は、飽和液２８を、実質的に温度Ｔ１（たとえば、６７ケルビン）に、且つ対応する飽和圧力（Ｐ２）に保持するように構成される場合がある。クライオスタット３８は、クライオスタットタンク３０及び／又は冷却タンク２６の温度及び／又は圧力を監視し、クライオスタットタンク３０及び／又は冷却タンク２６の温度が所望の温度（Ｔ１）よりも高く、且つ／又はクライオスタットタンク３０及び／又は冷却タンク２６の圧力が所望の圧力（Ｐ２）よりも高いときには必ず、クライオスタットタンク３０及び／又は冷却タンク２６を冷却する（すなわち、そこから熱エネルギーを除去する）ための制御回路（不図示）を備える場合がある。飽和液体窒素システムの場合、極低温システム２４は、冷却タンク２６及びクライオスタットタンク３０の温度を実質的に６７ケルビンの温度（Ｔ１）に、且つ約０．２４ｂａｒの圧力（Ｐ２）に保持するように構成される場合がある。
【００２４】
構成部品冷却システム１０は、飽和液２０（バッファタンク１８内）を所望の温度（Ｔ２）まで加熱すると共に所望の圧力Ｐ１を保持するように構成される加熱システム４０を備える場合がある。したがって、飽和液体窒素システムの場合、加熱システム４０は、バッファタンク１８の温度（Ｔ２）を実質的に１０５ケルビンに保持するように構成される場合がある。構成部品タンク１４及びバッファタンク１８が流体連通するとき、圧力（Ｐ１）は両方のタンク１４、１８において実質的に同じにすることができる。飽和及びサブクール液体窒素を利用するシステムの場合、加熱システム４０は、バッファタンク１８（それゆえ、構成部品タンク１４）の圧力（Ｐ１）を実質的に１０ｂａｒに保持するように構成される場合がある。加熱システム４０は、バッファタンク１８に熱エネルギーを与えるように配置される電気抵抗性加熱素子（不図示）を備える場合がある。さらに、加熱システム４０は、バッファタンク１８の温度及び／又は圧力を監視し、バッファタンク１８の温度が所望の温度（Ｔ２）よりも低く、且つ／又はバッファタンク１８の圧力が所望の圧力（Ｐ１）よりも低いときには必ず、バッファタンク１８に熱エネルギーを与えるための制御回路（不図示）を備える場合がある。
【００２５】
さらに、構成部品冷却システム１０は、飽和液２０（バッファタンク１８内）を所望の温度（Ｔ２）まで冷却すると共に所望の圧力（Ｐ１）を保持するように構成される第２のクライオスタット４２（透視図で示される）を備える場合がある。第２のクライオスタット４２は、バッファタンク１８の温度及び／又は圧力を監視し、バッファタンク１８の温度が所望の温度（Ｔ２）よりも高く、且つ／又はバッファタンク１８の圧力が所望の圧力（Ｐ１）よりも高いときには必ず、バッファタンク１８を冷却する（すなわち、そこから熱エネルギーを除去する）ための制御回路（不図示）を備える場合がある。
【００２６】
構成部品冷却システム１０は、冷却システム１０の種々の構成要素を封入するための真空タンク４４を備える場合がある。たとえば、真空タンク４４は、冷却タンク２６（それゆえ、構成部品タンク１４）、バッファタンク１８、及びクライオスタットタンク３０を封入することができる。真空タンク４４内の真空に起因して、構成部品冷却システム１０の種々の構成要素（たとえば、冷却タンク２６、バッファタンク１８及びクライオスタットタンク３０）は、真空タンク４４を包囲する周囲空気４６内に含まれる熱エネルギーに晒されない場合がある。
【００２７】
上記のように、発熱デバイス１２は、故障電流限流器とすることができる。したがって、故障電流を受けるとき（たとえば、導体４８、５０を通じて）、発熱デバイス１２は熱くなり、発熱デバイス１２に隣接するサブクール液体１６を加熱して、サブクール液体１６の一部が液体状態から気体状態に転移し、それにより気泡５２（透視図で示される）が生成されるだけの十分な熱エネルギーをサブクール液体１６に加える場合がある。気泡５２の体積が、状態変化して気泡５２を形成するサブクール液体１６の量よりも大きいとき、サブクール液体１６の一部が（パイプ／チューブアセンブリ２２を通じて）バッファタンク１８の中に流動する場合がある。上記のように、サブクール及び飽和液体窒素システムの場合、サブクール液体１６は６７ケルビンの温度（Ｔ１）に保持される場合があり、飽和液２０は１０５ケルビンの温度（Ｔ２）に保持される場合があり、そのいずれも１０ｂａｒの圧力にある。
【００２８】
気泡５２の熱エネルギーはサブクール液体１６によって吸収され、結果として、気泡５２が液体状態に戻る場合がある。典型的な故障電流の際に、サブクール液体１６の温度（Ｔ１）は、６７ケルビンから７０ケルビンまで上昇する場合がある。上記のように、この７０ケルビンのサブクール液体１６の一部がバッファタンク１８の中に流動する場合がある（バッファタンク１８は、１０５ケルビンの飽和液２０で少なくとも部分的に満たされる）。したがって、飽和液２０の温度は９４ケルビンまで降下する場合があり、且つ／又は飽和液２０の圧力は５ｂａｒまで降下する場合がある。したがって、加熱システム４０を起動して、飽和液２０（バッファタンク１８内）を所望の温度Ｔ２（たとえば、１０５ケルビン）及び／又は所望の圧力Ｐ１（たとえば、１０ｂａｒ）まで加熱することができる。
【００２９】
さらに、構成部品タンク１４内のサブクール液体１６は７０ケルビン（障害状況中）まで加熱されるとき、構成部品タンク１４からの熱エネルギーが冷却タンク２６内の飽和液２８に伝導によって伝達される。この温度上昇を検知するとき、クライオスタット３８を起動して、飽和液２８（冷却タンク２６及びクライオスタットタンク３０の両方に存在する）の温度を、たとえば７０ケルビンから所望の温度Ｔ１（たとえば、６７ケルビン）まで下げることができる。この回復過程は、クライオスタット３８の余分な使用可能冷却電力によるが、数時間かかることがある。
【００３０】
また図２を参照すると、発熱デバイス１２によって生成される熱エネルギーを吸収するための代替の実施形態の構成部品冷却システム１０’が示される。
【００３１】
構成部品冷却システム１０’は、発熱デバイス１２を収容するように構成される構成部品タンク１００を備える場合がある。構成部品タンク１００は、サブクール液体１０２で少なくとも部分的に満たされるように構成される場合がある。サブクール液体１０２の例は、限定はしないが、サブクール液体窒素を含む場合がある。
【００３２】
構成部品冷却システム１０’はバッファタンク１０４を含む場合があり、バッファタンク１０４は飽和液１０６で少なくとも部分的に満たされる場合がある。飽和液１０６の例は、限定はしないが、飽和液体窒素を含む場合がある。バッファタンク１０４は、構成部品タンク１００と流体連通する場合があり、それにより、タンク１００と１０４との間で液体（たとえば、サブクール液体１０２及び飽和液１０６）がポンプレスで流動できるようにする。たとえば、１つ又は複数のパイプ／チューブアセンブリ（たとえば、パイプ／チューブアセンブリ１０８）が、構成部品タンク１００及びバッファタンク１０４を結合することができる。上記のように、液体のポンプレス流動は、任意の機械的なポンプアセンブリを用いることなく、液体が流動することと定義することができる。
【００３３】
構成部品冷却システム１０’は、構成部品タンク１００（それゆえ、構成部品タンク内の液体１０２）の温度を所望の温度（Ｔ１）に保持するための極低温システム１１０も備える場合があり、その所望の温度はタンク１００内に収容される液体のタイプ及び状態に応じて異なる場合がある。たとえば、そして上記のように、構成部品タンク１００は、サブクール液体１０２で少なくとも部分的に満たされるように構成される場合がある。サブクール液体１０２がサブクール液体窒素であるとき、温度Ｔ１は、６７ケルビンとすることができる。したがって、サブクール液体窒素システムの場合、極低温システム１１０は、構成部品タンク１００の温度を、実質的に６７ケルビンに保持するように構成される場合がある。
【００３４】
極低温システム１１０は冷却タンク１１２（すなわち、熱交換システム）を備える場合があり、その冷却タンクは、飽和液１１４で少なくとも部分的に満たされる場合がある。冷却タンク１１２は、構成部品タンク１００の少なくとも一部を封入することができる。飽和液１１４の例は、限定はしないが、飽和液体窒素を含む場合がある。
【００３５】
極低温システム１１０は、冷却タンク１１２内に配置されるクライオスタット１１６をさらに備える場合がある。クライオスタット１１６は、飽和液１１４を実質的に温度Ｔ１（たとえば、６７ケルビン）及び所望の圧力（Ｐ２）に保持するように構成される場合がある。クライオスタット１１６は、冷却タンク１１２の温度及び／又は圧力を監視し、冷却タンク１１２の温度が所望の温度（Ｔ１）よりも高く、且つ／又は冷却タンク１１２の圧力が所望の圧力（Ｐ２）よりも高いときには必ず、冷却タンク１１２を冷却する（すなわち、そこから熱エネルギーを除去する）ための制御回路（不図示）を備える場合がある。飽和液体窒素システムの場合、極低温システム１１０は、冷却タンク１１２の温度を実質的に６７ケルビンの温度（Ｔ１）に、且つ約０．２４ｂａｒの圧力（Ｐ２）に保持するように構成される場合がある。
【００３６】
構成部品冷却システム１０’は、飽和液１０６（バッファタンク１０４内）を所望の温度（Ｔ２）まで加熱すると共に所望の圧力（Ｐ１）を保持するように構成される加熱システム１１８を備える場合がある。したがって、飽和液体窒素システムの場合、加熱システム１１８は、バッファタンク１０４の温度（Ｔ２）を実質的に１０５ケルビンに保持するように構成される場合がある。構成部品タンク１００及びバッファタンク１０４が流体連通するとき、圧力（Ｐ１）は両方のタンク１００、１０４において実質的に同じである。飽和及びサブクール液体窒素を利用するシステムの場合、加熱システム１１８は、バッファタンク１０４（それゆえ、構成部品タンク１００）の圧力（Ｐ１）を実質的に１０ｂａｒに保持するように構成される場合がある。加熱システム１１８は、バッファタンク１０４に熱エネルギーを与えるように配置される電気抵抗性加熱素子（不図示）を備える場合がある。さらに、加熱システム１１８は、バッファタンク１０４の温度及び／又は圧力を監視し、バッファタンク１０４の温度が所望の温度（Ｔ２）よりも低く、且つ／又はバッファタンク１０４の圧力が所望の圧力（Ｐ１）よりも低いときには必ず、バッファタンク１０４に熱エネルギーを与えるための制御回路（不図示）を備える場合がある。
【００３７】
さらに、構成部品冷却システム１０’は、飽和液１０６（バッファタンク１０４内）を所望の温度（Ｔ２）まで冷却すると共に所望の圧力（Ｐ１）を保持するように構成される第２のクライオスタット１２０（透視図で示される）を備える場合がある。第２のクライオスタット１２０は、バッファタンク１０４の温度及び／又は圧力を監視し、バッファタンク１０４の温度が所望の温度（Ｔ２）よりも高く、且つ／又はバッファタンク１０４の圧力が所望の圧力（Ｐ１）よりも高いときには必ず、バッファタンク１０４を冷却する（すなわち、そこから熱エネルギーを除去する）ための制御回路（不図示）を備える場合がある。
【００３８】
構成部品冷却システム１０’は、冷却システム１０’の種々の構成要素を封入するための真空タンク１２２を備える場合がある。たとえば、真空タンク１２２は、冷却タンク１１２（それゆえ、構成部品タンク１００）及びバッファタンク１０４を封入することができる。真空タンク１２２内の真空に起因して、構成部品冷却システム１０’の種々の構成要素（たとえば、冷却タンク１１２、及びバッファタンク１０４）は、真空タンク１２２を包囲する周囲空気１２４内に含まれる熱エネルギーに晒されない場合がある。
【００３９】
故障電流を受けるとき（たとえば、導体１２４、１２６を通じて）、発熱デバイス１２は熱くなり、発熱デバイス１２に隣接するサブクール液体１０２を加熱して、サブクール液体１０２の一部が液体状態から気体状態に転移し、それにより気泡１２８（透視図で示される）が生成されるだけの十分な熱エネルギーをサブクール液体１０２に加える場合がある。気泡１２８の体積が、状態変化して気泡１２８を形成するサブクール液体１０２の量よりも大きいとき、サブクール液体１０２の一部が（パイプ／チューブアセンブリ１０８を通じて）バッファタンク１０４の中に流動する場合がある。上記のように、サブクール及び飽和液体窒素システムの場合、サブクール液体１０２は６７ケルビンの温度（Ｔ１）に保持される場合があり、飽和液１０６は１０５ケルビンの温度（Ｔ２）に保持される場合があり、そのいずれも１０ｂａｒの圧力にある。
【００４０】
気泡１２８の熱エネルギーはサブクール液体１０２によって吸収され、結果として、気泡１２８が液体状態に戻る場合がある。典型的な故障電流の際に、サブクール液体１０２の温度（Ｔ１）は、６７ケルビンから７０ケルビンまで上昇する場合がある。上記のように、この７０ケルビンのサブクール液体１０２の一部がバッファタンク１０４の中に流動する場合がある（バッファタンク１０４は、１０５ケルビンの飽和液１０６で少なくとも部分的に満たされる）。したがって、飽和液１０６の温度は９４ケルビンまで降下する場合があり、且つ／又は飽和液１０６の圧力は５ｂａｒまで降下する場合がある。したがって、加熱システム１１８を起動して、飽和液１０６（バッファタンク１０４内）を所望の温度Ｔ２（たとえば、１０５ケルビン）及び／又は所望の圧力Ｐ１（たとえば、１０ｂａｒ）まで加熱することができる。
【００４１】
さらに、構成部品タンク１００内のサブクール液体１０２は７０ケルビン（障害状況中）まで加熱される場合があるので、構成部品タンク１００からの熱エネルギーが冷却タンク１１２内の飽和液１１４に伝導によって伝達される場合がある。この温度上昇を検知するとき、クライオスタット１１６を起動して、飽和液１１４の温度を、たとえば７０ケルビンから所望の温度Ｔ１（たとえば、６７ケルビン）まで下げることができる。上記のように、この回復過程は、クライオスタット１１６の余分な使用可能冷却電力によるが、数時間かかることがある。
【００４２】
また図３を参照すると、発熱デバイス１２によって生成される熱エネルギーを吸収するための別の代替の実施形態の構成部品冷却システム１０’’が示される。
【００４３】
構成部品冷却システム１０’’は、発熱デバイス１２を収容するように構成される構成部品タンク１５０を備える場合がある。構成部品タンク１５０は、サブクール液体１５２で少なくとも部分的に満たされるように構成される場合がある。サブクール液体１５２の例は、限定はしないが、サブクール液体窒素を含む場合がある。
【００４４】
構成部品冷却システム１０’’は、バッファタンク１５４を含む場合があり、バッファタンクは、飽和液１５６で少なくとも部分的に満たされる場合がある。飽和液１５６の例は、限定はしないが、飽和液体窒素を含む場合がある。バッファタンク１５４は構成部品タンク１５０と流体連通する場合があり、それにより、タンク１５０と１５４との間で液体（たとえば、サブクール液体１５２及び飽和液１５６）がポンプレスで流動できるようにする。たとえば、１つ又は複数のパイプ／チューブアセンブリ（たとえば、パイプ／チューブアセンブリ１５８）が構成部品タンク１５０及びバッファタンク１５４を結合することができる。上記のように、液体のポンプレス流動は、任意の機械的なポンプアセンブリを用いることなく、液体が流動することと定義することができる。
【００４５】
構成部品冷却システム１０’’は、構成部品タンク１５０（それゆえ、構成部品タンク内の液体１５２）の温度を所望の温度（Ｔ１）に保持するための極低温システム１６０も備える場合があり、その温度はタンク１５０内に収容される液体のタイプ及び状態に応じて異なる場合がある。たとえば、そして上記のように、構成部品タンク１５０は、サブクール液体１５２で少なくとも部分的に満たされるように構成される場合がある。サブクール液体１５２がサブクール液体窒素であるとき、温度Ｔ１は、６７ケルビンとすることができる。したがって、サブクール液体窒素システムの場合、極低温システム１６０は、構成部品タンク１５０の温度を、実質的に６７ケルビンに保持するように構成される場合がある。
【００４６】
極低温システム１６０は熱交換システム１６２（たとえば、熱交換器デバイス）を備える場合があり、熱交換システムは、飽和液１６４で少なくとも部分的に満たされる場合がある。熱交換システム１６２は、その中を飽和液１６４が通り抜ける場合がある１つ又は複数のチューブ部分（たとえば、チューブ部分１６６）を含む場合がある。熱交換システム１６２は、サブクール液体１５２（構成部品タンク１５０内に収容される）と飽和液１６４（チューブ部分１６６を通り抜ける）との間で熱エネルギー（不図示）を渡すことができるように構成される熱伝導体１６８をさらに備える場合がある。
【００４７】
極低温システム１６０は、熱交換システム１６２と流体連通するクライオスタットタンク１７０をさらに備える場合があり、それにより、重力を用いることによって、クライオスタットタンク１７０と熱交換システム１６２との間で飽和液１６４がポンプレスで流動できるようにする。上記のように、液体のポンプレス流動は、任意の機械的なポンプアセンブリを用いることなく、液体が流動することと定義することができる。たとえば、１つ又は複数のパイプ／チューブアセンブリ（たとえば、パイプ／チューブアセンブリ１７２、１７４）がクライオスタットタンク１７０及び熱交換システム１６２を結合することができる。液体１６４が飽和液であるとき、熱エネルギーが飽和液１６４に加えられる場合には、飽和液１６４の一部が、蒸気１７６に転移する（すなわち、状態変化する）場合がある。極低温システム１６０は、クライオスタットタンク１７０内に配置されるクライオスタット１７８をさらに備える場合がある。クライオスタット１７８は、飽和液１６４を、実質的に温度Ｔ１（たとえば、６７ケルビン）及び対応する飽和圧力（Ｐ２）に保持するように構成される場合がある。クライオスタット１７８は、クライオスタットタンク１７０及び／又は熱交換システム１６２の温度及び／又は圧力を監視し、クライオスタットタンク１７０及び／又は熱交換システム１６２の温度が所望の温度（Ｔ１）よりも高く、且つ／又はクライオスタットタンク１７０及び／又は熱交換システム１６２の圧力が所望の圧力（Ｐ２）よりも高いときには必ず、クライオスタットタンク１７０及び／又は熱交換システム１６２を冷却する（すなわち、そこから熱エネルギーを除去する）ための制御回路（不図示）を備える場合がある。飽和液体窒素システムの場合、極低温システム１６０は、熱交換システム１６２及びクライオスタット１７０の温度を実質的に６７ケルビンの温度（Ｔ１）に、且つ約０．２４ｂａｒの圧力（Ｐ２）に保持するように構成される場合がある。
【００４８】
構成部品冷却システム１０’’は、飽和液１５６（バッファタンク１５４内）を所望の温度（Ｔ２）まで加熱すると共に所望の圧力（Ｐ１）を保持するように構成される加熱システム１８０を備える場合がある。したがって、飽和液体窒素システムの場合、加熱システム１８０は、バッファタンク１５４の温度（Ｔ２）を実質的に１０５ケルビンに保持するように構成される場合がある。構成部品タンク１５０及びバッファタンク１５４が流体連通するとき、圧力（Ｐ１）は両方のタンク１５０、１５４において実質的に同じにすることができる。飽和及びサブクール液体窒素を利用するシステムの場合、加熱システム１８０は、バッファタンク１５４（それゆえ、構成部品タンク１５０）の圧力（Ｐ１）を実質的に１０ｂａｒに保持するように構成される場合がある。加熱システム１８０は、バッファタンク１５４に熱エネルギーを与えるように配置される電気抵抗性加熱素子（不図示）を含む場合がある。さらに、加熱システム１８０は、バッファタンク１５４の温度及び／又は圧力を監視し、バッファタンク１５４の温度が所望の温度（Ｔ２）よりも低く、且つ／又はバッファタンク１５４の圧力が所望の圧力（Ｐ１）よりも低いときには必ず、バッファタンク１５４に熱エネルギーを与えるための制御回路（不図示）を含む場合がある。
【００４９】
さらに、構成部品冷却システム１０’’は、飽和液１５６（バッファタンク１５４内）を所望の温度（Ｔ２）まで冷却すると共に所望の圧力（Ｐ１）を保持するように構成される第２のクライオスタット１８２（透視図で示される）を備える場合がある。第２のクライオスタット１８２は、バッファタンク１５４の温度及び／又は圧力を監視し、バッファタンク１５４の温度が所望の温度（Ｔ２）よりも高く、且つ／又はバッファタンク１５４の圧力が所望の圧力（Ｐ１）よりも高いときには必ず、バッファタンク１５４を冷却する（すなわち、そこから熱エネルギーを除去する）ための制御回路（不図示）を備える場合がある。
【００５０】
構成部品冷却システム１０’’は、冷却システム１０’’の種々の構成要素を封入するための真空タンク１８４を備える場合がある。たとえば、真空タンク１８４は、構成部品タンク１５０（それゆえ、熱交換システム１６２）、バッファタンク１５４及びクライオスタットタンク１７０を封入することができる。真空タンク１８４内の真空に起因して、構成部品冷却システム１０’’の種々の構成要素（たとえば、構成部品タンク１５０、バッファタンク１５４及びクライオスタットタンク１７０）は、真空タンク１８４を包囲する周囲空気１８６内に含まれる熱エネルギーに晒されない場合がある。
【００５１】
上記のように、発熱デバイス１２は故障電流限流器とすることができる。したがって、故障電流を受けるとき（たとえば、導体１８８、１９０を通じて）、発熱デバイス１２は熱くなり、発熱デバイス１２に隣接するサブクール液体１５２を加熱して、サブクール液体１５２の一部が液体状態から気体状態に転移し、それにより気泡１９２（透視図で示される）が生成されるだけの十分な熱エネルギーをサブクール液体１５２に加える場合がある。気泡１９２の体積が、状態変化して気泡１９２を形成するサブクール液体１５２の量よりも大きいとき、サブクール液体１５２の一部が（パイプ／チューブアセンブリ１５８を通じて）バッファタンク１５４の中に流動する場合がある。上記のように、サブクール及び飽和液体窒素システムの場合、サブクール液体１５２は６７ケルビンの温度（Ｔ１）に保持される場合があり、飽和液１５６は１０５ケルビンの温度（Ｔ２）に保持される場合があり、そのいずれも１０ｂａｒの圧力にある。
【００５２】
気泡１９２の熱エネルギーはサブクール液体１５２によって吸収され、結果として、気泡１９２が液体状態に戻る場合がある。典型的な故障電流の際に、サブクール液体１５２の温度（Ｔ１）は、６７ケルビンから７０ケルビンまで上昇する場合がある。上記のように、この７０ケルビンのサブクール液体１５２の一部がバッファタンク１５４の中に流動する場合がある（バッファタンク１５４は、１０５ケルビンの飽和液１５６で少なくとも部分的に満たされる）。したがって、飽和液１５６の温度は９４ケルビンまで降下する場合があり、且つ／又は飽和液１５６の圧力は５ｂａｒまで降下する場合がある。したがって、加熱システム１８０を起動して、飽和液１５６（バッファタンク１５４内）を所望の温度Ｔ２（たとえば、１０５ケルビン）及び／又は所望の圧力Ｐ１（たとえば、１０ｂａｒ）まで加熱することができる。
【００５３】
さらに、構成部品タンク１５０内のサブクール液体１５２は７０ケルビン（障害状況中）まで加熱されるとき、構成部品タンク１５０からの熱エネルギーが、熱交換システム１６２及びパイプ／チューブアセンブリ１７２、１７４を介して、飽和液１６４に伝導によって伝達される場合がある。この温度上昇を検知するとき、クライオスタット１７８を起動して、飽和液１６４（熱交換システム１６２及びクライオスタットタンク１７０の両方に存在する）の温度を、たとえば７０ケルビンから所望の温度Ｔ１（たとえば、６７ケルビン）まで下げることができる。この回復過程は、クライオスタット１７８の余分な使用可能冷却電力によるが、数時間かかることがある。
【００５４】
サブクール及び飽和液体窒素を用いるシステム１０、１０’、１０’’がこれまで説明されてきたが、他の構成も実現可能であり、本開示の範囲内にあると見なされる。たとえば、サブクール及び飽和液体ヘリウムが用いられる場合もある。
【００５５】
複数の実施形態が説明されてきた。それにもかかわらず、種々の変更を加えることができることは理解されよう。したがって、他の実施態様も添付の特許請求の範囲内にある。
【図１】
2011516817.tif 000003
【図２】
2011516817.tif 000004
【図３】
2011516817.tif 000005
【国際調査報告】
2011516817.tif 000006
2011516817.tif 000007
2011516817.tif 000008