(57)【要約】　【課題】　超伝導設備に冷却を提供する有効且つ信頼性のあるシステムを提供することである。　【解決手段】　代表的には約−２４３．１５〜−２２３．１５℃の範囲内の温度の冷却流体５が真空スリーブ８の内部の極低温冷却器７に送られる。真空スリーブは極低温冷却器の低温端とこの低温端の熱交換器９とに絶縁を提供する。冷却流体５は極低温冷却器７の熱交換器９を通して送られて冷却され、一般に約−２５３．１５〜−２４３．１５℃の範囲内の温度の冷却された冷却流体流れ１０となって極低温冷却器７を出る。冷却された冷却流体流れ１０はバラスト液との間接熱交換により前記冷却された冷却流体１０よりも高温の、代表的には約−２７２．１５〜−２６９．１５℃の温度の冷却流体流れ１９となり、超伝導設備２０に送られ、そこで直接あるいは間接の何れかによる熱交換により超伝導設備２０に冷却を提供する。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超伝導設備に冷却を提供するための方法であって、
　極低温冷却器からの冷却を冷却流体に提供することにより、冷却された冷却流体を創出すること。
　バラスト液と間接熱交換させることにより、冷却された冷却流体を暖温化すること。
　暖温化した冷却流体を超伝導設備に送り、超伝導設備に冷却を提供すること、
　を含む方法。
【請求項２】
冷却流体がヘリウムを含むようにした請求項１の方法。
【請求項３】
バラスト液がネオンを含むようにした請求項１の方法。
【請求項４】
バラスト液との間接熱交換後且つ超伝導設備に送るに先立って冷却流体を冷却することを更に含む請求項１の方法。
【請求項５】
冷却流体とバラスト液との間接熱交換が、バラスト液を収納するバラストタンク内の熱交換器に冷却流体を通すことにより実施される請求項１の方法。
【請求項６】
超伝導設備に冷却を提供するための装置であって、
　極低温冷却器と、冷却流体を極低温冷却器に送るための手段と、
　バラスト液を収納するバラストタンクと、冷却流体をバラストタンク内のバラスト液と間接熱交換させる状態下に極低温冷却器から冷却流体を送るための手段と、
　超伝導設備と、バラストタンクから冷却流体を超伝導設備に送るための手段と、
　を含む装置。
【請求項７】
極低温冷却器がＧｉｆｆｏｒｄ−ＭｃＭａｈｏｎ型冷却装置あるいはパルス管冷却装置の何れかである請求項６の装置。
【請求項８】
バラストタンクが、脱気された包囲体内にある請求項６の装置。
【請求項９】
極低温冷却器が、脱気された包囲体内の真空スリーブ内に位置決めされる請求項６の装置。
【請求項１０】
極低温冷却器がマルチパス型熱交換器を含み、冷却流体をバラストタンクから超伝導設備に送るための手段が極低温冷却器を含む請求項６の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は一般に冷却に関し、詳しくは超伝導の用途に関する。
【背景技術】
【０００２】
　超伝導とは、ある種の金属、合金及びその複合物の電気抵抗が無くなり、導電性が無限となる現象である。最近まで、超伝導は絶対零度よりもほんの僅かに高い極めて低い温度においてのみ観察された。超伝導体をそうした低温に維持するには多大の費用を要し、代表的には液体ヘリウムを用いる必要があるために、この技術の商業的用途は限られる。
【０００３】
　近年、約−２５８．１５℃から約−１９８．１５℃（１５〜７５Ｋ）と言った、もっと高い温度で超伝導性を示す物質が数多く発見されている。液体窒素は比較的低コストな極低温冷却を提供する方法であるが、大抵の高温超伝導体を超伝導温度とするための冷却を有効に提供することはできない。
【０００４】
　高温超伝導材料から作製した送電ケーブルは、極めて少ない損失で大量の電気を送る上で著しい利益がある。高温超伝導材料によれば、約−２４３．１５℃〜約−２３３．１５℃（約３０〜４０Ｋ）の温度下での性能が、液体窒素を使用して達成される約−１９３．１５℃（８０Ｋ）付近の温度でのそれよりもおよそ一桁向上する。
【０００５】
　モーター、変圧器、発電器、磁石その他のような超伝導設備の用途は部分的には、信頼性のある冷却システムが開発されることに依存している。超伝導システムは約−２６９．１５〜約−１９３．１５℃（４〜８０Ｋ）の範囲の温度下に維持する必要があり、しかも、超伝導システムの、周囲温度から始まって運転温度に至る熱漏れからシールドされるべきでもある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
　解決しようとする課題は、超伝導設備に冷却を提供する有効且つ信頼性のあるシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
　本発明によれば、超伝導設備に冷却を提供するための方法であって、
　極低温冷却器からの冷却を冷却流体に提供することにより、冷却された冷却流体を創出すること。
　バラスト液と間接熱交換させることにより、冷却された冷却流体を暖温化すること。
　暖温化した冷却流体を超伝導設備に送り、超伝導設備に冷却を提供すること、
　を含む方法が提供される。
【０００８】
　本発明の他の様相によれば、超伝導設備に冷却を提供するための装置であって、
　極低温冷却器と、冷却流体を極低温冷却器に送るための手段と、
　バラスト液を収納するバラストタンクと、冷却流体をバラストタンク内のバラスト液と間接熱交換させる状態下に極低温冷却器から冷却流体を送るための手段と、
　超伝導設備と、バラストタンクから冷却流体を超伝導設備に送るための手段と、
　を含む装置が提供される。
【０００９】
　ここで、“極低温”とは、約−１５２．１５℃（１２０Ｋ）の温度を意味し、“極低温冷却器”とは、極低温を実現し且つ維持することのできる冷却装置を意味し、“超伝導体”とは、幾分極低温に達したとき、電流の導伝抵抗が完全になくなる材料を意味し、“冷却”とは、大気温度からの熱を排除することのできる手段を意味し、
【００１０】
　“間接熱交換”とは、流体どうしを、相互に物理的に接触あるいは混合させることなく熱交換関係に持ち来す事を意味し、“直接熱交換”とは、冷却物と暖温化物との接触を通して冷却が伝達されることを意味し、“超伝導設備”とは、例えば発電機あるいはモーター用のローターのコイル用の、若しくは磁石あるいは変圧器のコイル用の各ワイヤの形態の超伝導材料を利用する設備を意味する。
【発明の効果】
【００１１】
　超伝導設備に冷却を提供する有効且つ信頼性のあるシステムが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
　以下に、図面を参照して本発明を詳しく説明する。図１を参照するに、冷却流体１が一般に絶対値での約１３７９００〜２０６８５０Ｐａ（２０〜３０ｐｓｉａ）の範囲内の圧力下にコンプレッサあるいはポンプ２を通して循環され、コンプレッサあるいはポンプ２を出た冷却流体流れ３が、以下にもっと完全に説明されるように復熱式熱交換器４内で再循環される冷却流体と間接熱交換することにより冷却される。復熱式熱交換器４を出た冷却流体流れ５は、好ましくは真空、例えば一般に１０約-3〜１０約-5トルの範囲内の圧力下の包囲体６に入る。包囲体の真空空間が、設備や冷却流体への対流及び伝導熱を介しての極低温温度の伝達を絶縁する。代表的には、真空絶縁を妨熱シールドと組み合わせることにより、周囲から極低温設備及びシステムに収納される流体への熱漏れが最小化される。説明目的上、復熱式熱交換器４は図面では脱気した包囲体の外側に示されるが、実際は脱気した包囲体の内部に収納する、若しくは、極低温温度下に運転されることから、復熱式熱交換器４は自らの真空空間内で絶縁されることが好ましい。
【００１３】
　本発明を実施するに際して使用する冷却流体はガス状、液状あるいはその混合相、即ちガス及び液体の形態のものであり得る。本発明を実施する上で使用することが好ましい冷却流体はヘリウムである。使用することが好ましいその他の冷却流体には、ネオン、ヘリウム及び、その一つ以上を含む混合物が含まれ得る。
【００１４】
　代表的には約−２４３．１５〜約−２２３．１５℃（３０〜５０Ｋ）の範囲内の温度であるところの冷却流体５が、真空スリーブ８の内部の極低温冷却器７に送られる。真空スリーブは極低温冷却器の低温端とこの低温端の熱交換器９とに絶縁を提供する。バラスト液と極低温冷却器とを絶縁する各真空空間は、バラスト液の絶縁を損なうことなく極低温冷却器を管理及び取り外すことができるようにするために分離して保持されることが好ましい。
【００１５】
　図１の実施例では極低温冷却器はＧｉｆｆｏｒｄ−ＭｃＭａｈｏｎ型冷却システムである。本発明を実施する上で使用することのできるその他の極低温冷却器にはパルス管冷却装置が含まれる。こうした極低温冷却器及びその運転は当業者にはよく知られたものである。
【００１６】
　再度図１を参照するに、冷却流体５が極低温冷却器７の熱交換器９を通して送られ、この熱交換器内で冷却され、一般に約−２５３．１５〜約−２４３．１５℃（２０〜３０Ｋ）の範囲内の温度の冷却された冷却流体流れ１０となって極低温冷却器７を出る。
【００１７】
　脱気された包囲体６の内部に、バラスト液１２を収納したバラストタンク１１が位置決めされる。本発明を実施する上で好ましいバラスト液はネオンである。その他の好ましいバラスト液には、水素、窒素、そしてこれらネオン、水素及び窒素の１つ以上を含む混合物が含まれ得る。バラスト液は充填ライン１３及び弁１４を通してバラストタンク１１内に提供され、蒸発するバラストが通気ライン１５及び弁１６を通してバラストタンク１１を出る。
【００１８】
　バラスト液１２は冷却された冷却流体流れ１０の温度よりも高い、代表的には約−２４８．１５〜約−２３８．１５℃（２５〜３５Ｋ）の温度範囲内で且つ冷却された冷却流体流れ１０の温度よりも高い、約−２７１．１５〜約−２６８．１５℃（２〜５Ｋ）の温度を有する。冷却された冷却流体流れ１０はバラスト液１２と間接熱交換しつつ送られ、かくしてバラスト液に冷却を提供する。図１の実施例ではこの間接熱交換はバラストタンク１１の内部で且つ液面、即ちバラスト液１２の上面１８よりも下方に位置決めされたバラスト熱交換器１７に、冷却された冷却流体を通すことにより行われる。
【００１９】
　冷却された冷却流体は、バラスト液との間接熱交換により前記冷却された冷却流体１０よりも高温の、代表的には約−２７２．１５〜約−２６９．１５℃（１〜４Ｋ）の温度の冷却流体流れ１９となる。バラスト液との間接熱交換後、冷却流体流れ１９は超伝導設備２０に送られ、そこで直接あるいは間接の何れかによる熱交換により超伝導設備２０に冷却を提供する。本発明の実施に際して使用することのできる超伝導設備には、発電機、モーター、磁石及び変圧器が含まれ得る。
【００２０】
　超伝導設備と間接熱交換して、代表的には約−２４８．１５〜約−２４３．１５℃（２５〜３０Ｋ）の範囲内の温度となった冷却流体流れ２１は熱交換器４に再循環される。冷却流体流れ２１はこの熱交換器４内で、先に説明したような冷却流体流れ３との間接熱交換により更に暖温化された後、冷却流体流れ１となって熱交換器４を出、かくして再循環冷却流体サイクルが再開される。
【００２１】
　冷却された冷却流体流れがバラストタンク内のバラスト液と間接熱交換して暖温化され、かくしてバラスト液に冷却が提供される点は本発明の極めて重要な様相である。つまり、従来の実用例とは逆のこの熱交換段階によりバラスト液が充分に低温且つ液状に維持されるので、極低温冷却器が故障あるいは極低温冷却器の冷却能力が低下した場合でさえもバラスト液が冷却機能を代行し、極低温冷却器が補修されるあるいは極低温冷却機能が他の方法で回復されるまで、冷却された冷却流体を超伝導設備に有効に送り、低温の超伝導状況を維持することが可能となる。これにより信頼性が向上し、超伝導設備のための冷却システムの価値が著しく増大する。本発明には、極低温冷却器の低温端がシステム上最も高い極低温温度下に運転されることから、この低温端位置での温度差が比較的大きくなって伝熱容量が増大し、極低温冷却器の冷却能力が著しく増大されるという利益がある。
【００２２】
　図１の実施例は本発明の好ましい１実施例であるが、その他の実施例を使用して本発明を実施することができる。例えば冷却流体を、平行あるいは列状の複数の極低温冷却器を使用して冷却した冷却流体をバラスト液と間接熱交換させるに先立って冷却することができる。他の実施例では、バラスト液と間接熱交換された冷却流体が、超伝導体に送られるに先立ち、極低温冷却器に２回通すことにより冷却される。
　図２には本発明の更に他の好ましい実施例が例示される。図２では図１におけると同じ要素には同じ参照番号が付記され、それらの要素に関する説明は省略される。
【００２３】
　図２を参照するに、バラスト液と間接熱交換した後の冷却流体流れ１９は、図２ではＧｉｆｆｏｒｄ−ＭｃＭａｈｏｎ型冷却装置であるところの第２極低温冷却器３０に送られる。第２極低温冷却器３０は脱気された包囲体６内で真空スリーブ３１内に位置決めされる。冷却流体流れ１９は、第２極低温冷却器３０の低温熱交換器３２を通して送られることにより、冷却された冷却流体流れ１９の温度よりも低温の、一般に約−２７２．１５〜約−２６３．１５℃（１〜１０Ｋ）の、そして一般に約−２５３．１５〜約−２４８．１５℃（２０〜２５Ｋ）の範囲内の温度である冷却流体流れ３３として熱交換器３２を出る。この低温の冷却流体流れ３３は超伝導設備２０に送られて先に説明したように超伝導設備に冷却を提供する。
【００２４】
　図３には本発明の他の好ましい実施例が示され、極低温冷却器の低温端位置にマルチパス型熱交換器を有している。図３の、図１及び図２と同じ要素には同じ参照番号が付記され且つこれらの要素の説明は省略される。
【００２５】
　図３に示されるように、バラスト液と間接熱交換した冷却流体流れ１９は、パス４０及び４１を有するマルチパス型熱交換器３４を含む極低温冷却器７に送り返される。パス４１を通過して冷却された冷却流体流れ１９は冷却流体流れ３５として極低温冷却器７を出る。この実施例では、冷却流体流れ５はマルチパス型熱交換器３４のパス４１を通過して冷却され、冷却流体流れ３５となってマルチパス型熱交換器３４を出る。本実施例ではマルチパス型熱交換器のパス４０を通過して冷却された冷却流体５が低温の冷却流体１０を形成する。冷却流体流れ３５は冷却流体流れ１９の温度よりも低い、一般に約−２７２．１５〜約−２６８．１５℃（１〜５Ｋ）、そして一般には約−２４８．１５〜約−２４３．１５℃（２５〜３０Ｋ）の範囲内の温度を有する。低温の冷却流体流れ３５は超伝導設備２０に送られ、先に説明したようにこの設備に冷却を提供する。
【００２６】
　以上、本発明を実施例を参照して説明したが、本発明の内で種々の変更をなし得ることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の極低温超伝導冷却システムの好ましい１実施例の概略図である。
【図２】本発明の冷却システムの他の好ましい実施例の概略図である。
【図３】本発明の極低温伝導冷却システムの更に他の好ましい実施例の概略図である。
【符号の説明】
【００２８】
　１　冷却流体
　２　ポンプ
　３、５、１０、１９、２１、３３、３５　冷却流体流れ
　４　復熱式熱交換器
　６　包囲体
　７　極低温冷却器
　９　熱交換器
　１１　バラストタンク
　１２　バラスト液
　１３　充填ライン
　１４、１６　弁
　１５　通気ライン
　２０　超伝導設備
　３０　第２極低温冷却器
　３１　真空スリーブ
　３２　低温熱交換器
　３４　マルチパス型熱交換器
　４０、４１　パス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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