(57)【要約】【課題】  超伝導機械（１００）は超伝導装置（１２）と、超伝導装置を収容し且つそれを熱絶縁する真空エンクロージャ（１４）に関する。【解決手段】  コールドトラップ（６０）は真空エンクロージャ内部で発生されるガスを凝縮するように構成され、冷却剤循環システム（１６）は、超伝導装置及びコールドトラップに対して低温液体の流れを強制的に流入、流出させる。低温冷却システム（１０）は、冷却剤循環システムの超伝導装置の上流側で低温液体を冷却するように構成されている。高温超伝導（ＨＴＳ）装置（１２）の真空保持方法は、ＨＴＳ装置を熱絶縁するためにＨＴＳ装置に真空圧を加えることと、ＨＴＳ装置の周囲で発生されるガスをコールドトラップ（６０）を使用して凝縮することと、ＨＴＳ装置に対して低温液体を流入、流出させることと、コールドトラップに対して低温液体を流入、流出させることとを含む。【選択図】  図１
2004222494.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超伝導装置（１２）と、
前記超伝導装置を収容し且つそれを熱絶縁する真空エンクロージャ（１４）と、
前記真空エンクロージャの内部で発生されるガスを凝縮するように構成されたコールドトラップ（６０）と、
前記超伝導装置及び前記コールドトラップに対して低温液体の流れを強制的に流入、流出させる冷却剤循環システム（１６）と、
前記冷却剤循環システムの前記超伝導装置の上流側で低温液体を冷却するように構成された低温冷却システム（１０）とを具備する超伝導機械（１００）。
【請求項２】
前記冷却剤循環システム（１６）は、
前記超伝導装置（１２）を冷却するように構成された１次冷却ライン（６４）と、
前記コールドトラップ（６０）を冷却するように構成された２次冷却ライン（６４）とを具備する請求項１記載の超伝導機械（１００）。
【請求項３】
前記冷却剤循環システム（１６）は、前記１次冷却ライン（６２）と前記２次冷却ライン（６４）との間で低温液体の流れを制御し且つ配分するように構成された流量制御弁（６６）を更に具備する請求項２記載の超伝導機械（１００）。
【請求項４】
前記１次冷却ライン（６２）における低温液体の入口温度は前記超伝導装置（１２）の動作温度より低く、前記１次冷却ラインにおける低温液体の出口温度は前記超伝導装置の動作温度を上回る請求項２記載の超伝導機械（１００）。
【請求項５】
超伝導装置（１２）と、
前記超伝導装置を収容し且つそれを熱絶縁する真空エンクロージャ（１４）と、
前記真空エンクロージャの内部で発生されるガスを凝縮するように構成されたコールドトラップ（６０）と、
前記超伝導装置に対して１次低温液体の流れを強制的に流入、流出させる１次冷却剤循環システム（８６）と、
前記１次冷却剤循環システムの前記超伝導装置の上流側で１次低温液体を冷却するように構成された１次低温冷却システム（８８）と、
前記コールドトラップに対して２次低温液体の流れを強制的に流入、流出させる２次冷却剤循環システム（９０）と、
前記２次冷却剤循環システムの前記コールドトラップの上流側で２次低温液体を冷却するように構成された２次低温冷却システム（９２）とを具備する超伝導機械（１００）。
【請求項６】
前記１次冷却剤循環システム（８６）は、前記超伝導装置（１２）を冷却するように構成された１次冷却ライン（６２）を具備し、前記２次冷却剤循環システム（９０）は、前記コールドトラップ（６０）を冷却するように構成された２次冷却ライン（６４）を具備する請求項５記載の超伝導機械（１００）。
【請求項７】
ロータコア（９３）と、
前記ロータコアの周囲に延在する少なくとも１つの超伝導コイル（１２）と、
前記超伝導コイルを収容し且つそれを熱絶縁する真空エンクロージャ（１４）と、
前記真空エンクロージャの内部で発生されるガスを凝縮するように構成されたコールドトラップ（６０）と、
前記超伝導装置及び前記コールドトラップに対して低温液体の流れを強制的に流入、流出させる冷却剤循環システム（１６）と、
前記冷却剤循環システムの前記超伝導装置の上流側で低温液体を冷却するように構成された低温冷却システム（１０）とを具備する超伝導ロータ（３００）。
【請求項８】
前記冷却剤循環システム（１６）は、
前記超伝導コイル（１２）を冷却するように構成された１次冷却ライン（６２）と、
前記コールドトラップ（６０）を冷却するように構成された２次冷却ライン（６４）とを具備する請求項７記載の超伝導ロータ（３００）。
【請求項９】
高温超伝導装置（１２）の真空保持方法において、
前記高温超伝導装置を熱絶縁するために前記高温超伝導装置に真空圧を加えることと、
前記高温超伝導装置の周囲で発生されるガスをコールドトラップ（６０）を使用して凝縮することと、
前記高温超伝導装置に対して低温液体を流入、流出させることと、
記コールドトラップに対して低温液体を流入、流出させることとから成る方法。
【請求項１０】
前記高温超伝導装置（１２）の上流側で低温液体を冷却することと、
前記高温超伝導装置及び前記コールドトラップ（６０）に対する低温液体の流れを制御することとを更に含む請求項９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に超伝導機械の真空保持に関し、特に、高温超伝導（ＨＴＳ）機械の低温冷却及び真空保持に関する。ここで使用される用語「低温」は約１５０°ケルビン未満の温度を表す。
【背景技術】
【０００２】
超伝導機械の一例は、発電機及び電動機の超伝導ロータである。その他の超伝導機械には、医療の分野に適用される磁気共鳴撮影（ＭＲＩ）システム及び運送の分野で適用される磁気浮揚装置などがある。通常、超伝導装置の超伝導磁石の超伝導コイルアセンブリは、超伝導ワイヤの巻線として形成された１つ以上の超伝導コイルを含み、超伝導コイルは一般に熱遮蔽体により包囲されている。アセンブリは、通常、真空エンクロージャの内部に収容されている。
【０００３】
超伝導磁石の中には、磁石に装着される従来のGrifford-McMahon低温冷却装置のコールドヘッドのような低温冷却装置のコールドヘッドにより伝導冷却される。しかし、低温冷却装置のコールドヘッドを磁石に装着すると、コールドヘッドの漂遊磁界に不利益な影響が生じること、コールドヘッドから磁石へ振動が伝達されること、及びコールドヘッドと磁石との熱接続部に沿って温度勾配が生じることを含めた問題が発生する。そのような伝導冷却は、超伝導ロータを構成しているような回転磁石を冷却するのには一般に適していない。
【０００４】
他の超伝導磁石は磁石と直接に接触する液体ヘリウムにより冷却され、液体ヘリウムは磁石の冷却中に沸騰して、気体ヘリウムとなり、気体ヘリウムは通常は磁石から大気中へ逃げる。磁石の真空エンクロージャの内側に液体ヘリウムの格納容器を配置することにより、超伝導磁石システムが大型になり、これは多くの用途において望ましくない。
【０００５】
超伝導ロータは、通常はほぼ室温である大きなロータコアと、ロータコアにごく近接し、ロータコアの動作温度より低い温度に冷却されなければならない超伝導コイルとを含む。超伝導コイルの付近にガスなどの不純物が存在していると、超伝導コイル上に氷が蓄積されるおそれがある。時間の経過に伴って氷が蓄積されて行くと、その結果、動いている超伝導コイルの間で摩擦損傷が起こり、更に、蓄積した氷はロータコアと超伝導コイルとの間で熱短絡として作用する。
【０００６】
従って、超伝導ロータなどの超伝導機械は、通常、超伝導要素の真空断熱、例えば、超伝導コイルに対して真空を維持することを要求する。周知の方法の１つによれば、例えば、ガスを吸着するために超伝導コイルを室温まで加熱する。ガスは、超伝導コイルの動作中、超伝導コイルの表面で吸着される。しかし、これには運転停止と保守が必要であり、商業ベースの発電に適用する場合、望ましくない。
【特許文献１】特開２００３−１２５５５５号公報
【特許文献２】特開２００３−１４８８４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、より長い期間にわたり再生なしに動作するように超伝導機械の革新をはかることが望ましいであろう。特に、機械の超伝導要素、例えば、超伝導コイルへのガスの吸着を防止すること又は減少させることが望ましいであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
簡単には、本発明の一実施例によれば、超伝導機械は超伝導装置と、超伝導装置を収容し且つそれを熱絶縁する真空エンクロージャとを含む。コールドトラップは真空エンクロージャ内部で発生されるガスを凝縮するように構成され、冷却剤循環システムは、超伝導装置及びコールドトラップに対して低温液体の流れを強制的に流入、流出させる。低温冷却システムは、冷却剤循環システムの超伝導装置の上流側で低温液体を冷却するように構成されている。
【０００９】
超伝導ロータの実施例はロータコアと、ロータコアの周囲に延在する少なくとも１つの超伝導コイルとを含む。真空エンクロージャ１４は超伝導コイルを収容し且つそれを熱絶縁する。コールドトラップは真空エンクロージャ内部で発生されるガスを凝縮するように構成され、冷却剤循環システムは超伝導コイル及びコールドトラップに対して低温液体の流れを強制的に流入、流出させる。低温冷却システムは、冷却剤循環システムの超伝導コイルの上流側で低温液体を冷却するように構成されている。
【００１０】
高温超伝導（ＨＴＳ）装置の真空保持方法は、ＨＴＳ装置を熱絶縁するためにＨＴＳ装置に真空圧を加えることと、ＨＴＳ装置の周囲で発生されるガスをコールドトラップを使用して凝縮することと、ＨＴＳ装置に対して低温液体を流入、流出させることと、コールドトラップに対して低温液体を流入、流出させることとを含む。
【００１１】
本発明のこれらの特徴、面及び利点、並びにその他の特徴、面及び利点は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読むと更に良く理解されるであろう。尚、図面中、図１から図４を通して同じ図中符号は同じ部分を表す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１に示すように、超伝導機械１００は超伝導装置１２を含む。超伝導装置１２の例としては超伝導コイル及びその他の超伝導磁石などがある。超伝導装置１２の別の例は、高温超伝導（ＨＴＳ）発電機で使用するためのＨＴＳロータである。真空エンクロージャ１４は超伝導装置１２を収容し且つそれを熱絶縁する。コールドトラップ６０は、真空エンクロージャ１４内部で発生されるガスを凝縮するように構成されている。ここで使用される語句「ガスを凝縮する」は、真空を劣化させるガス及びその他の不純物の凝縮を含む。コールドトラップは知られており、例えば、半導体業界における超高真空システムで使用されている。図１に示す実施例の場合、冷却剤循環システム１６は超伝導装置１２及びコールドトラップ６０に対して低温液体の流れを強制的に流入、流出させる。低温液体は、例えば、ヘリウム、水素、ネオン、窒素及びその混合物である。低温冷却システム１０は、冷却剤循環システムの超伝導装置１２の上流側で低温液体を冷却するように構成されている。
【００１３】
低温冷却システム１０は知られており、ここでは詳細な説明を省略する。低温冷却システム１０の例としては液化装置、ブレイトンサイクル冷凍機及び再生式低温冷却装置などがある。その他の低温冷却システムの例は、共に本出願と同一の譲受人に譲渡され、本明細書に参考として取り入れられている特開２００３−１２５５５５号公報及び特開２００３−１４８８４４号公報の中で論じられている。
【００１４】
図１に示す特定の実施例の場合、冷却剤循環システム１６は、超伝導装置１２を冷却するように構成された１次冷却ライン６２と、コールドトラップ６０を冷却するように構成された２次冷却ライン６４とを含む。１次冷却ライン及び２次冷却ラインの例は、低温液体を通すためのステンレス鋼のパイプを含む。
【００１５】
特に、冷却剤循環システム１６は、図１に示すように、１次冷却ライン６２と２次冷却ライン６４との間で低温液体の流れを制御し且つ配分するように構成された流量制御弁６６を更に含む。あるいは、冷却剤循環システム１６は、１次冷却ライン６２と２次冷却ライン６４との間で低温液体の流れを希望に応じて配分するために、１次冷却ライン６２及び２次冷却ライン６４の低温液体流動抵抗の均衡を保つように設計されていても良い。
【００１６】
１次冷却ライン６２における低温液体の入口温度は超伝導装置１２の動作温度より低い。特に、１次冷却ラインにおける低温液体の出口温度Ｔ２は超伝導装置１２の動作温度を上回る。ここで使用される用語である入口温度及び出口温度は、それぞれ、超伝導装置１２の付近で、超伝導装置１２に供給される低温液体と、超伝導装置１２から出る低温液体の温度に対応している。更に特定された実施例の場合、１次冷却ライン６２の入口温度は１次冷却ライン６２の出口温度より少なくとも約１０度ケルビン（１０°Ｋ）、更に特定すれば、２０度ケルビン（２０°Ｋ）低い。
【００１７】
コールドトラップ６０は、例えば、約１０−５又は１０−６トル未満の高レベルの真空を実現するために、水素などのガスを除去するという点で有益である。真空エンクロージャ１４内のガスをより効率的に捕捉するために、特定の一実施例によれば、２次冷却ライン６４の入口温度Ｔ０は水素の三重点（約１３．８１°Ｋ）より低い。特に、２次冷却ライン６４における低温液体の出口温度Ｔ１は水素のほぼ三重点より低い。ここで使用される入口温度及び出口温度という用語は、それぞれ、コールドトラップ６０の付近で、コールドトラップに供給される低温液体の温度と、コールドトラップ６０を出る低温液体の温度に対応している。入口温度を水素の三重点より低くすることにより、コールドトラップにおいて水素を捕捉することが容易になるため、真空エンクロージャ１４内部の真空レベルが増加する。
【００１８】
図２を参照して、超伝導機械２００の別の実施例を説明する。図示されているように、超伝導機械２００は超伝導装置１２と、超伝導装置を収容し且つそれを熱絶縁する真空エンクロージャ１４と、真空エンクロージャ１４内部で発生されるガスを凝縮するように構成されたコールドトラップ６０とを含む。１次冷却剤循環システム８６は超伝導装置１２に対して１次低温液体の流れを強制的に流入、流出させ、１次低温冷却システム８８は、１次冷却剤循環システム８６の超伝導装置１２の上流側で１次低温液体を冷却するように構成されている。２次冷却剤循環システム９０はコールドトラップ６０に対して２次低温液体の流れを強制的に流入、流出させ、２次低温冷却システム９２は、２次冷却剤循環システムのコールドトラップの上流側で２次低温液体を冷却するように構成されている。システムで要求される条件に応じて、１次低温液体と２次低温液体は同じ低温液体であっても良いし、あるいは異なる低温液体であっても良い。冷却剤循環システムと低温冷却システムが分かれていることを除いて、図２に示す実施例は図１に示される実施例に類似している。従って、図１に関して先に説明した詳細をここでは繰り返さない。
【００１９】
より特定された実施例によれば、例えば、図４に示すように、超伝導機械２００はロータコア９３を更に含み、超伝導装置１２はロータコアの周囲に延在する少なくとも１つの超伝導コイル１２を含む。特に、超伝導コイル１２は高温超伝導コイルである。ここで使用される語句「高温超伝導」は、約１５度ケルビン（１５°Ｋ）以上の温度で超伝導状態を示す材料を表す。
【００２０】
図３及び図４を参照して、超伝導ロータ３００の実施例を説明する。図４に示すように、超伝導ロータ３００はロータコア９３と、ロータコアの周囲に延在する少なくとも１つの超伝導コイル１２とを含む。特定の一実施例によれば、超伝導コイル１２は高温超伝導（ＨＴＳ）コイルである。図４に示すように、真空エンクロージャ１４は超伝導コイル１２を収容し且つそれを熱絶縁する。図３に示すように、コールドトラップ６０は真空エンクロージャ１４内部で発生されるガスを凝縮するように構成されている。冷却剤循環システム１６は、例えば、図３に示すように、超伝導コイル１２及びコールドトラップ６０に対して低温液体の流れを強制的に流入、流出させる。低温冷却システム１０は、図３に示すように、冷却剤循環システムの超伝導コイル１２の上流側で低温液体を冷却するように構成されている。冷却剤循環システム１６については先に図１に関して説明したので、ここではその詳細を繰り返さない。
【００２１】
ロータコア９３は、通常、「暖かく」、例えば、室温（約３００°Ｋ）である。図４に示すように、熱絶縁体１０２はロータコア９３が超伝導コイル１２を加熱するのを防止する。
【００２２】
先に図１及び図２に関して説明したように、真空エンクロージャ１４内のガスを凝縮するためにコールドトラップ６０を使用し、特に、コールドトラップ６０へ流れる低温液体の入口温度Ｔ０を水素の三重点より低く維持することにより、真空エンクロージャ１４内部で高レベルの真空を実現することが容易になる。
【００２３】
高温超伝導（ＨＴＳ）装置１２の真空保持方法も開示される。方法は、ＨＴＳ装置１２を熱絶縁するためにＨＴＳ装置に真空圧を加えることと、ＨＴＳ装置の周囲で発生されたガスをコールドトラップ６０を使用して凝縮することと、ＨＴＳ装置を冷却するためにＨＴＳ装置に対して低温液体を流入、流出させることと、コールドトラップに対して低温液体を流入、流出させることとを含む。特に、方法は、ＨＴＳ装置１２の上流側で低温液体を冷却することと、ＨＴＳ装置１２及びコールドトラップ６０に対する低温液体の流れを制御することとを更に含む。更に特定すれば、方法は、コールドトラップ６０を使用して凝縮されたガスを捕捉することを更に含む。
【００２４】
先に超伝導機械の実施例に関して述べたように、ＨＴＳ装置１２へ流れる低温液体の入口温度はＨＴＳ装置の動作温度より低い。特に、ＨＴＳ装置から流出する低温液体の出口温度はほぼＨＴＳ装置の動作温度である。コールドトラップ６０内部における捕捉を強化し、それにより、ＨＴＳ装置１２の真空のレベルを増加させるために、コールドトラップ６０へ流れる低温液体の入口温度は水素の三重点より低い。特に、コールドトラップ６０から流出する低温液体の出口温度はほぼ水素の三重点より低い。
【００２５】
本発明のいくつかの特徴のみを図示し、説明したが、当業者には数多くの変形や変更が明白であろう。特許請求の範囲で示される図中符号は本発明の範囲を狭めるのではなく、本発明の理解を容易にすることを意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の超伝導機械の一実施例を概略的に示す図。
【図２】本発明の超伝導機械の別の実施例を示す図。
【図３】本発明の超伝導ロータの一実施例を概略的に示す図。
【図４】図３のロータの横断面図。
【符号の説明】
【００２７】
１０…低温冷却システム、１２…超伝導装置、１４…真空エンクロージャ、１６…冷却剤循環システム、６０…コールドトラップ、６２…１次冷却ライン、６４…２次冷却ライン、６６…流量制御弁、８６…１次冷却剤循環システム、８８…１次低温冷却システム、９０…２次冷却剤循環システム、９２…２次低温冷却システム、９３…ロータコア、１００…超伝導機械、２００…超伝導機械、３００…超伝導ロータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【外国語明細書】
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