(57)【要約】【課題】液体窒素では、対応できない冷却温度範囲でも超電導部材を確実に冷却できる超電導機器の運転方法を提供する。【解決手段】超電導部材（超電導磁石11）を用いた超電導機器（ＭＲＩ1）の運転方法である。超電導部材11を冷却する冷媒として、酸素を用い、この酸素を窒素の沸点以上、酸素の沸点未満の範囲に、または、この酸素を酸素の凝固点の温度より高く、窒素の凝固点以下の範囲に冷却して液化した液体酸素を超電導機器1に供給して、超電導部材11を冷却しながら超電導機器1を運転する。【選択図】図１
2008113893.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導部材を用いた超電導機器の運転方法であって、
超電導部材を冷却する冷媒として、窒素の沸点以上、酸素の沸点未満の範囲に冷却した液体酸素を用い、この液体酸素で超電導部材を冷却して超電導機器を運転することを特徴とする超電導機器の運転方法。
【請求項２】
超電導部材を用いた超電導機器の運転方法であって、
超電導部材を冷却する冷媒として、酸素の凝固点の温度より高く、窒素の凝固点以下の範囲に冷却した液体酸素を用い、この液体酸素で超電導部材を冷却して超電導機器を運転することを特徴とする超電導機器の運転方法。
【請求項３】
超電導機器を除く既存の設備で用いられる液体酸素を用いることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超電導機器の運転方法。
【請求項４】
超電導部材を用いた超電導機器の運転方法であって、
超電導部材を冷却する冷媒として、酸素とアルゴンの混合物を用い、
酸素とアルゴンの混合物を冷却し、液化した酸素とアルゴンの混合物で超電導部材を冷却して超電導機器を運転することを特徴とする超電導機器の運転方法。
【請求項５】
液体酸素と液体アルゴンの混合物は、空気を液化して得られた液体空気から窒素と不純物を分離して製造されていることを特徴とする請求項４に記載の超電導機器の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導機器の運転方法に関するものである。特に、超電導機器に用いる超電導部材を極低温に冷却しながら超電導機器を運転する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超電導磁石を備えるＭＲＩや超電導モータなどの超電導機器は、超電導部材を冷却するために、液体窒素（凝固点約63K）や、液体ヘリウム(λ点約2.18K)が用いられる。また、液体空気（凝固点約57k）や、液体窒素と液体酸素との混合液冷媒は液体窒素に比べて凝固点が低いと言う特徴があることから超電導部材の冷却用冷媒として用いられている(例えば特許文献１参照。)。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−１７４１１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
超電導部材は、冷却温度が低ければ低いほど電流密度が上がり、臨界電流特性が向上することが知られている。また、超電導部材のうち、比較的高温雰囲気での使用でも所望の電流密度が得られるものもあり、このような高温超電導部材であれば、冷却構造である断熱構造を簡単にでき、コストの低廉化が図れる。
【０００５】
しかし、液体窒素は、凝固点が約63Kと高いため、電流密度が十分に上げられない場合がある。また、液体窒素は、沸点が約77Kと低いため、液体窒素の沸点より高い温度で超電導部材を冷却したい場合には、液体窒素が気化して、冷却能力が低下し、確実に所定の冷却温度が維持できない問題もある。また、窒素が固体冷媒になってしまうと、機器内の小さな隙間に冷媒が入り込んでいかないので、冷却が十分に行えなくなる。
【０００６】
また、液体ヘリウムは、かなり低い温度まで超電導部材を冷却できるが、その温度まで冷却するためにはシステムが大型化し、コストが高くなるなどの問題がある。またヘリウムは、沸点も約4Kとかなり低いので、高温で冷却する場合には、気体での冷却となり、冷却能力が低下してしまう。
【０００７】
そして、液体空気や、液体酸素と液体窒素の混合液冷媒は、液体窒素に比べて冷却温度を下げることができるが、液体窒素が先に蒸発して、液体酸素濃度が高くなり、安全性の点から液体酸素濃度の管理が行い難いなどの問題がある。
【０００８】
また、液体酸素は、凝固点が約54Kと液体窒素の凝固点よりもかなり低く、沸点が約90Kと液体窒素の沸点よりも高いので、液体での温度範囲が広い。しかも、高温超電導部材は、比較的高い温度で冷却しながらでも所望の電流密度が得られる場合もあるし、冷却温度をかなり低くして電流密度を上げて使用する場合もある。従って、液体酸素を超電導部材の冷却に用いることにより目的に応じた使用が可能となるが、液体酸素のみで超電導部材を冷却する場合、従来では、爆発の危険性から実用化には至っていない。
【０００９】
しかし、近年、液体酸素は、病院において患者への酸素吸入に用いるために、液体酸素タンクに貯留して、病院内に保管されたり、潜水艦など、長期に亘って密閉される空間で生活するために必要な酸素として、船内に液体酸素タンクを設置して保管されたりしており、これら液体酸素タンクおよび液体酸素供給配管設備は、安全性が確保されてきている。
【００１０】
さらに、病院内では、ＭＲＩや重イオン照射用小型加速器など超電導部材を備える機器が用いられている。これら超電導機器は、通常は液体ヘリウムで超電導部材を冷却している。しかし、この液体ヘリウムを液体の状態で保持するためには、所定の温度に維持する冷却システムが必要となる。この冷却システムは、断熱構造も複雑となることから、かなり大型化してしまう。
【００１１】
また、潜水艦では、艦内に電力を供給するために、小型化できながら出力の大きい超電導発電機を用いて発電したり、推進用モータも超電導モータを用いたりすることが試みられている。しかし、この超電導発電機等は液体窒素または液体水素で通常は冷却する構成となっており、潜水艦などの限られたスペース内に前記した液冷媒を大量に貯留したり、大型の循環型冷凍装置を設けたりするには制約があるし、冷却コストもかかる。
【００１２】
また、製鉄所では、一般に転炉内に酸素を注入して精錬しており、転炉の近くに酸素製造装置が設けられている。この酸素製造装置としては、例えば、液体空気から液体酸素を取り出し、液体酸素をガス化する液体空気分離装置が挙げられる。そして、酸素製造装置で得られた酸素ガスを転炉内に供給するようになっている。酸素製造装置では、圧縮機にモータが使用されており、これらモータを超電導モータとすることにより、小型化が図れ、しかも高効率で、電気容量も大きくできる利点がある。
【００１３】
本発明は、液体窒素では、対応できない冷却温度範囲でも超電導部材を確実に冷却できる超電導機器の運転方法を提供することを目的とする。また、他の目的として、既存の液体酸素を用いる設備を利用して、この設備で蓄えられる液体酸素を超電導部材の冷却に利用することによりコストを低減しながら、目的に応じた超電導部材の冷却を行う超電導機器の運転方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の超電導部材を用いた超電導機器の運転方法は、超電導部材を冷却する冷媒として、窒素の沸点以上、酸素の沸点未満の範囲に冷却した液体酸素を用い、この液体酸素で超電導部材を冷却して超電導機器を運転することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の超電導部材を用いた超電導機器の他の運転方法は、超電導部材を冷却する冷媒として、酸素の凝固点の温度より高く、窒素の凝固点以下の範囲に冷却した液体酸素を用い、この液体酸素で超電導部材を冷却して超電導機器を運転することを特徴とする。
【００１６】
即ち、本発明は複数の成分が混合された冷媒を用いるのではなく、液体酸素単独で超電導部材を冷却するとともに、この液体酸素の温度を、上記範囲にすることにより、超電導部材の電流密度を上げたいときには、上記低温側の温度範囲で超電導部材を冷却し、比較的高温で超電導部材の冷却が可能な場合には、上記高温側の温度範囲で超電導部材を冷却する。
【００１７】
液体酸素は、例えば、液体空気から窒素とアルゴンと他の不純物を除去することにより得ることができるし、水を分解した後、酸素を液化して得ることもできる。液体酸素を得る方法は、これらに限定されない。
【００１８】
液体酸素は、液体での温度範囲が広く、液体窒素の凝固点以下の低温で超電導部材を冷却することができる。しかも、液体酸素は、蒸発潜熱と、核沸騰の限界熱流束が液体窒素よりも大きいので、この点においても、液体窒素よりも冷却能力が優れる。さらに、酸素は、常磁性で、磁化率が大きく、高磁場領域に引き付けられるため、超電導部材を冷却する際に、高磁場領域である発熱が大きい部分に液体酸素を集中させて冷却することが可能となるので、部分冷却効果も得られる。
【００１９】
本発明の運転方法で用いる液体酸素として、超電導機器を除く既存の設備で用いられる液体酸素を用いることができる。液体酸素は、液体酸素タンクに貯留しておいて、この液体酸素タンクから液体酸素を超電導機器に供給することが好ましい。
【００２０】
既存の設備で用いられる液体酸素とは、例えば、病院において、各病室の患者の治療などに用いる酸素を液化して液体酸素タンクに貯留しておく液体酸素や、潜水艦に搭載される液体酸素タンクに貯留される液体酸素などが挙げられる。
【００２１】
病院に設置される液体酸素タンクに貯留される液体酸素は、病室の患者の治療などに用いる際には、ガス化して用いるため、超電導部材を冷却することにより液体酸素をガス化して治療などに用いることができる。また、潜水艦に搭載する液体酸素タンク内の液体酸素も、ガス化して艦内に供給するので、液体酸素で超電導部材を冷却して液体酸素をガス化させることができる。
【００２２】
このように、既存の液体酸素を、超電導部材を冷却するために用いることにより、超電導機器の冷却コストの低廉化が図れる。
【００２３】
さらに、本発明の超電導部材を用いた超電導機器の運転方法は、超電導部材を冷却する冷媒として、酸素とアルゴンの混合物を用い、酸素とアルゴンの混合物を冷却し、液化した酸素とアルゴンの混合物で超電導部材を冷却して超電導機器を運転することもできる。
【００２４】
液体酸素と液体アルゴンの混合物も、アルゴンの濃度が低い場合は、液体酸素と同程度の凝固点となる。また、液体酸素と液体アルゴンとは、沸点（酸素約90K、アルゴン約87K）が近く、密度差も小さいために分離しにくく、混合液冷媒とし使用しやすい。
【００２５】
液体酸素と液体アルゴンの混合物の混合割合は、液体酸素の濃度が８０モル％以上、液体アルゴンの濃度が２０モル％以下とすることが好ましい。液体アルゴンの濃度が２０モル％超となると、凝固点は上昇する。
【００２６】
液体酸素と液体アルゴンの混合物は、空気を液化して得られた液体空気から窒素と不純物を分離して製造することができる。空気を液化して液体空気を製造した後、不純物を除去し、液体窒素をガス化して分離することにより、液体酸素と液体アルゴンの混合物を簡単に製造することができる。この場合、空気は、窒素78.10体積％、酸素20.9体積％、アルゴン0.94体積％であるので、液体酸素と液体アルゴンの混合物の混合割合は、液体酸素の濃度が95.7モル％、液体アルゴンの濃度が4.3モル％となる。この混合液冷媒の凝固点は、液体酸素と同程度であり、アルゴンを除去することなく液体酸素並の凝固点を得ることができるので、製造コストの低廉化が図れながら、超電導部材の電流密度を上げることができる。
【００２７】
なお、超電導部材を用いた超電導機器としては、超電導磁石を備えるＭＲＩ、リニアモータ、超電導発電機、変圧器、限流器、イオン加速器などが挙げられる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の超電導部材を用いた超電導機器の運転方法は、超電導部材を冷却する冷媒として、窒素の沸点以上、酸素の沸点未満の範囲に冷却した液体酸素を用い、この液体酸素で超電導部材を冷却するので、高温超電導部材を超電導機器に用いる場合には、液体窒素では冷却できなかった比較的高温で超電導部材の冷却が可能となる。その結果、上記高温の温度範囲で超電導部材を冷却することにより、冷却構造である断熱構造を簡単にでき、冷却システムのコストの低廉化が図れる。
【００２９】
また、本発明の超電導部材を用いた超電導機器の他の運転方法は、超電導部材を冷却する冷媒として、酸素の凝固点の温度より高く、窒素の凝固点以下の範囲に冷却した液体酸素を用い、この液体酸素で超電導部材を冷却するので、超電導部材をかなり低い温度で冷却することが可能となる。そのため、超電導部材の電流密度を上げることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の超電導機器の運転方法の実施形態を説明する。
【００３１】
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の超電導機器の運転方法の第１実施形態に係る超電導機器の概略構成図である。
【００３２】
本実施形態に係る超電導機器は、病院内に配置されるＭＲＩ(magnetic
resonance imaging)1であり、ＭＲＩ1は内部に超電導磁石11を備え、ＭＲＩ1は供給配管12を介して液体酸素タンク13に連通する一方、排出配管14を介して外部である病室内へ酸素ガスを供給するようになっている。
【００３３】
液体酸素タンク13内には、患者に供給するために用いる液体酸素が貯留されている。供給配管12は、ＭＲＩ1の超電導磁石11と液体酸素タンク13とを連通し、この供給配管12の途中にポンプ15が設けられている。
【００３４】
本実施形態では、ポンプ15を駆動することにより、液体酸素タンク13から液体酸素を供給配管12を介して超電導磁石11に供給し、この液体酸素で超電導磁石11を冷却する。そして、この超電導磁石11を冷却する間に液体酸素をガス化させて、排出配管14から病室に酸素ガスを送る。
【００３５】
本実施形態では、液体酸素は、液体窒素では液体の状態で冷却できない範囲、即ち、窒素の沸点以上、酸素の沸点未満の範囲で冷却するか、または、酸素の凝固点の温度より高く、窒素の凝固点以下の範囲に冷却して用いる。
【００３６】
本実施形態では、液体酸素を、ＭＲＩ1の超電導磁石11を冷却することに使用し、この冷却でガス化した酸素を患者の治療などに用いる。本実施形態では、病院で保管されている液体酸素を用いてＭＲＩ1の超電導磁石11を冷却することができるので、冷却コストの低廉化が図れる。
【００３７】
＜第２実施形態＞
図２は、本発明の超電導機器の運転方法の第２実施形態に係る超電導機器の概略構成図である。
【００３８】
本実施形態に係る超電導機器は、潜水艦の内部に配置される推進用の超電導モータ2であり、超電導モータ2は、超電導磁界コイル21を備え、超電導モータ2は供給配管22を介して液体酸素タンク23に連通する一方、排出配管24を介して船内へ供給するようになっている。
【００３９】
液体酸素タンク23内には、船内で作業する作業者の呼吸に必要な酸素を液化して貯留している。供給配管22は、超電導モータ2の超電導磁界コイル21と液体酸素タンク23とを連通しており、供給配管22の途中にポンプ25が設けられている。
【００４０】
本実施形態も、ポンプ25を駆動することにより、液体酸素タンク23から液体酸素を供給配管22を介して超電導磁界コイル21に供給し、この液体酸素で超電導磁界コイル21を冷却する。そして、この超電導磁界コイル21を冷却する間に液体酸素をガス化させて、排出配管14から潜水艦内に酸素ガスを排出する。
【００４１】
本実施形態でも、液体酸素は、液体窒素では液体の状態で冷却できない範囲である、窒素の沸点以上、酸素の沸点未満の範囲で冷却するか、または、酸素の凝固点の温度より高く、窒素の凝固点以下の範囲に冷却して用いる。
【００４２】
本実施形態では、液体酸素を、超電導モータ2の超電導磁界コイル21を冷却することに使用し、この冷却でガス化した酸素を船内に供給する。本実施形態では、潜水艦内に保存されている液体酸素を用いてＭＲＩ1の超電導磁石11を冷却することができるので、冷却コストの低廉化が図れる。
【００４３】
また、本実施形態の超電導モータ2は、小型でありながら、大きな出力を得ることができる。超電導モータとしては、例えば、ブレードの回転軸に連結される回転体と、回転体の周りに配設される電機子コイルと、この電機子コイルの外周に配置される磁気シールドとを備え、回転体の内部中心に液冷媒が充填される冷却室を、その冷却室の外周囲に超電導界磁コイルを配置させたものが挙げられる。
【００４４】
＜第３実施形態＞
図３は、本発明の超電導機器の運転方法の第３実施形態に係る超電導機器の概略構成図である。
【００４５】
本実施形態に係る超電導機器は、例えば製鉄所などで設置されている液体空気分離装置3に設ける圧縮機41の超電導モータ41aであり、超電導モータ41aは、図示していないが、超電導磁界コイルを備える。本実施形態では、液体空気分離装置3で製造される液体酸素または液体酸素と液体アルゴンの混合液冷媒を利用して超電導モータ41aを冷却する。
【００４６】
液体空気分離装置3は、空気（ガス）を供給する空気供給部42と、この空気を液化するために圧縮する圧縮機41と、液化した液体空気を貯留する液体空気貯留部43と、液体空気から液体窒素が分離された液体酸素と液体アルゴンの混合液冷媒を貯留する混合液冷媒貯留部44と、この混合液冷媒からさらに液体アルゴンを分離して液体酸素を貯留する液体酸素貯留部45とを備える。
【００４７】
液体空気貯留部43に貯留されている液体空気は、加熱して窒素ガスを先に発生させて液体窒素を分離し、液体酸素と液体アルゴンの混合液冷媒を製造する。そして、この混合液冷媒を混合液冷媒貯留部44に貯留し、さらに、混合液冷媒を加熱して、液体アルゴンのみをガス化させて、液体酸素を得る。この液体酸素は、液体酸素貯留部45に貯留される。
【００４８】
前記混合液冷媒または液体酸素は、圧縮機41の超電導モータ41aを冷却するために用いる。超電導モータ41aは第一供給配管51を介して液体酸素貯留部45に、第二供給配管52を介して液体酸素と液体アルゴンの混合液冷媒貯留部44に連通している。第一供給配管51と第二供給配管52の途中にはポンプ55が設けられている。また、超電導モータ41aは、第一排出配管53を介して酸素ガス貯留部46に、第二排出配管54を介して酸素ガスとアルゴンガスの混合ガス冷媒貯留部47に連通している。
【００４９】
そして、超電導モータ41aを冷却した後の酸素ガスまたは酸素ガスとアルゴンガスの混合ガス冷媒を再度空気供給部42に供給して、液化する。
【００５０】
本第三実施形態では、液体空気分離装置3で得られた液体酸素または前記混合液冷媒を超電導モータ41aの冷却に用いている。また、液体酸素または前記混合液冷媒は、前記した第一実施形態や第二実施形態のように、超電導モータ41aの冷却以外に用いることもできる。
【００５１】
さらに、超電導モータ41aを冷却した後にガス化した酸素ガスと混合ガス冷媒は、再度液化して、超電導モータ41aの冷却や他の用途に用いることができる。また、酸素ガスと混合ガス冷媒も他の用途に用いることができる。
【００５２】
本実施形態では、液体空気分離装置3で製造される液体酸素または液体酸素と液体アルゴンの混合液冷媒を利用して超電導モータ41aを冷却するので、超電導モータ41aを冷却するシステムのコストの低廉化が図れる。
【００５３】
そして、前記混合液冷媒の凝固点は、液体酸素と同程度であり、アルゴンを除去することなく液体酸素並の凝固点を得ることができるので、混合液冷媒を超電導モータ41aの冷却に用いる場合には、冷媒の製造コストの低廉化が図れながら、超電導部材の電流密度を上げることができる。
【００５４】
本実施形態では、液体空気分離装置3に設ける圧縮機41のモータを超電導モータ41aとしているので、軽量・小型化できながら所望の圧縮能力を得ることができる。また、図示していないが、液体空気分離装置3に設けられている各機器に電力を供給する発電機を超電導発電機とし、この発電機の超電導磁気コイルを液体空気分離装置3で分離した液体酸素や混合液冷媒で冷却することもできる。超電導発電機を用いることにより、発電効率が非常に良くなる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明の超電導機器の運転方法は、既存の液体酸素を用いる設備の近くで超電導機器を用いる場合に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の超電導機器の運転方法に係る第1実施形態で、超電導機器としてＭＲＩを用い、このＭＲＩの超電導部材を冷却する構成の概略を示す説明図である。
【図２】本発明の超電導機器の運転方法に係る第２実施形態で、超電導機器として超電導モータを用い、この超電導モータの超電導部材を冷却する構成の概略を示す説明図である。
【図３】本発明の超電導機器の運転方法に係る第３実施形態で、超電導機器である超電導モータを有する液体空気分離装置の構成の概略を示す説明図である。
【符号の説明】
【００５７】
1  ＭＲＩ      11  超電導磁石      12  供給配管    
13  液体酸素タンク      14  排出配管      15  ポンプ
2  超電導モータ      21  超電導磁界コイル      22  供給配管  
23  液体酸素タンク      24  排出配管      25  ポンプ
3  液体空気分離装置
41  圧縮機      41a  超電導モータ
42  空気供給部      43  液体空気貯留部      44  混合液冷媒貯留部
45  液体酸素貯留部      46  酸素ガス貯留部      47  混合ガス冷媒貯留部
51  第一供給配管      52  第二供給配管
53  第一排出配管      54  第二排出配管    
55  ポンプ
【図１】
2008113893.tif 000003
【図２】
2008113893.tif 000004
【図３】
2008113893.tif 000005