(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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もしくは大気圧以上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、大気圧下での過冷却温度とし、その大気圧下での過冷却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ことを特徴とする超電導部材冷却装置。
【請求項２】
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もしくは大気圧以上の窒素ガス圧力が加えられる供給側容器と、その供給側容器内の液体窒素を大気圧下での過冷却温度まで冷却するために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た冷凍機とを備え、供給側容器内の過冷却温度の液体窒素を冷却対象の超電導部材へ導いてその超電導部材を冷却するように構成された超電導部材冷却装置において、
前記供給側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ことを特徴とする超電導部材冷却装置。
【請求項３】
請求項２に記載の超電導部材冷却装置において、
前記多孔質断熱材からなる対流阻止部材が、供給側容器の液面よりも下方でかつ冷凍機の冷却ヘッドの上端部以上の位置から液面上方の位置までの間にわたって配置されている、超電導部材冷却装置。
【請求項４】
請求項２に記載の超電導部材冷却装置において、
前記多孔質断熱材からなる対流阻止部材が、供給側容器の液面よりも下方でかつ冷凍機の冷却ヘッドにおける上下方向中間位置から液面上方の位置までの間にわたって配置されている、超電導部材冷却装置。
【請求項５】
請求項４に記載の超電導部材冷却装置において、
冷凍機の冷却ヘッドが供給側容器の底面近くの位置まで延伸されている、超電導部材冷却装置。
【請求項６】
請求項４もしくは請求項５に記載の超電導部材冷却装置において、
前記冷凍機のシリンダ部の外周面に断熱部が設けられ、かつその断熱部が、冷凍機の冷却ヘッドの外周面における上下方向の中間位置まで延長されていることを特長とする、超電導部材冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、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、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に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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 ）を使用することが多い。この場合一般には大気圧の飽和液体窒素、すなわち約７７Ｋの液体窒素が用いられている。すなわち、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。
【０００４】
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、実質的に大気に開放させた状態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。
【０００５】
また一方、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。したが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。
【０００６】
そこで本発明者等は、既に特開平１０−５４６３７号において、液体窒素によって高温超電導部材を冷却するにあたって、特殊な真空封止などを行なわずに、大気に実質的に開放された極く一般的な汎用クライオスタットを超電導部材冷却容器として用いながらも、より低温に高温超電導部材を冷却して超電導性能を向上させ得るようにするとともに、高温超電導部材作動時における高温超電導部材の発熱による液体窒素からのガス気泡の発生を抑制するようにした超電導部材冷却装置を提案している。
【０００７】
上記提案の超電導部材冷却装置は、基本的には、超電導部材を収容してその超電導部材を冷却するための冷却容器を実質的に大気圧に開放した構成とし、かつ大気圧下で過冷却状態とした例えば６７Ｋ程度の液体窒素を、液面上に空間を残すように前記冷却容器内に収容し、かつその液面上の空間に窒素ガスを導入して大気圧に加圧し、その冷却容器内の大気圧下で過冷却状態の液体窒素によって超電導部材を冷却するようにしている。そしてまた上記提案の超電導部材冷却装置において、超電導部材に対する冷却媒体として機能させる大気圧下で過冷却状態の液体窒素は、次のようにして得ている。すなわち、前述の冷却容器とは別に減圧用容器を設けて、その減圧用容器内に熱交換器を配設しておき、減圧用容器内に熱交換用液体窒素（例えば約７７Ｋの大気圧の飽和液体窒素）を供給するとともに、その減圧用容器内の圧力を真空ポンプによって減圧して、減圧用容器内の液体窒素を大気圧から減圧させることによりその温度を例えば６５Ｋの低温に降下させる。一方、前記熱交換用液体窒素とは別に、大気圧の冷却用液体窒素（例えば約７７Ｋの飽和液体窒素）を前記熱交換器に導き、その熱交換器において減圧用容器内の６５Ｋの減圧された熱交換用液体窒素と熱交換させて、例えば６７Ｋ程度まで大気圧のまま冷却させ、大気圧下での過冷却状態とする。そしてこの大気圧下で過冷却状態の例えば６７Ｋの冷却用液体窒素を前述の冷却容器に導いて、超電導部材を６７Ｋに近い温度（例えば７０Ｋ）の低温に冷却することとしている。
【０００８】
このような特開平１０−５４６３７号の提案の超電導部材冷却装置においては、通常の７７Ｋ程度の大気圧下での飽和液体窒素を冷却媒体として用いた場合よりも超電導部材を確実に低温に冷却することができ、そのため超電導部材の性能を向上させることができ、しかもこの場合、冷却容器内の過冷却状態の冷却用液体窒素の液面上の空間が、大気圧の窒素ガスで満たされることにより、外部から水分を含む大気圧の空気が内部に吸い込まれるおそれを少なくして、冷却容器の蓋部や電流導入端子等の封止に厳密さが要求されないようにすることができ、さらには超電導部材を浸漬させた冷却用液体窒素が前述のように過冷却状態であるため、超電導部材の作動時において超電導部材が発熱しても、その発熱部位周辺で液体窒素が気化温度に達するには温度的余裕があり、そのため直ちにはガス気泡が発生せず、したがってガス気泡によって絶縁性が低下したり冷却効率が低下したりするおそれも少ないなどの利点がある。
【０００９】
しかしながら上記提案の超電導部材冷却装置については、未だ次のような問題があった。
【００１０】
すなわち、上記提案の超電導部材冷却装置においては、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過冷却状態の冷却用液体窒素を得るようにしているが、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から、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過冷却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。
【００１１】
このように前記提案の超電導部材冷却装置では、減圧用容器内の液体窒素補給のために運転を停止する必要があるところから、長時間連続して運転することができないという問題があり、また液体窒素補給およびそのための運転停止−運転再開のための手間も煩雑となるという問題がある。もちろん短時間の運転の場合は特に問題とはならないが、超電導部材の実用化へ向けた実験・研究、測定等においては、長時間連続して運転することが求められることが多く、したがって減圧用容器への熱交換用液体窒素補給が前記提案の装置の普及に対する大きなネックとなっていたのが実情である。
【００１２】
そこで本発明者等は、前記提案に倣い、大気圧もしくは大気圧よりも高い圧力下で過冷却状態とした液体窒素を超電導部材に対する冷却用媒体として用いながらも、液体窒素を冷凍機によって大気圧下での過冷却となる温度まで冷却し、得られた過冷却状態の低温の液体窒素を、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、これにより前記提案の場合のような減圧用容器や熱交換器を用いないようにし、それに伴なっ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得るようにして、長時間の連続運転を可能とした超電導部材冷却装置を、特許第２８５９２５０号において提案している。
【００１３】
上記特許による超電導部材冷却装置は、基本的には、超電導部材を収容してその超電導部材を冷却するための大気に実質的に開放された冷却容器と、前記冷却容器へ供給すべき液体窒素を収容するための大気圧に実質的に開放された供給側容器と、前記供給側容器へ液体窒素を供給するための液体窒素供給手段と、前記供給側容器内の液体窒素を、大気圧下での過冷却温度まで冷却するための冷凍機と、前記供給側容器内において大気圧下での過冷却温度まで冷却された液体窒素を前記冷却容器に移送するための移送手段とを有してなり、供給側容器および冷却容器の液面上の空間を大気圧とするかまたは大気圧よりも高い圧力とし、かつ前記移送手段によって前記冷却容器内に供給された過冷却状態の液体窒素中に前記超電導部材を浸漬させるようにしたことを特徴とするものであり、その具体例を図５に示す。
【００１４】
図５において、冷却対象となる超電導部材１は冷却容器３の底部に配置されている。この冷却容器３は、大気に実質的に開放された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真空断熱構造５とされ、また上端には開閉可能な蓋部７が設けられている。この蓋部７は、容器本体に対して真空封止されたものではなく、またこの蓋部７には汎用のクライオスタットと同様な電流導入端子等が設けられており、このような蓋部７と容器本体部分との間の隙間や電流導入端子等を通じて冷却容器３の内部は実質的に大気開放された状態となっている。なお蓋部７には安全弁１９が設けられているが、この安全弁１９は、内部圧力が外部の大気圧に対して例えば＋０．１ｋｇｆ／ｃｍ2 を越えた場合に開放されて、内部圧力を大気圧〜大気圧＋０．１ｋｇｆ／ｃｍ2 の範囲内、すなわち大気圧もしくは大気圧より若干高い圧力に保持するように機能する。そして超電導部材１は蓋部７から支持部材９Ａ，９Ｂによって吊下げた状態となっている。冷却容器３内の底部には、後述するようにトランスファチューブ４５を介して大気圧での過冷却状態の液体窒素（冷却用液体窒素）１１が供給されて、超電導部材１がその液体窒素１１に浸漬される。またその冷却容器３内における液体窒素１１の液面１１Ａよりもわずかに下方の位置には、水平横断面の外形形状が冷却容器３の水平横断面内周形状と実質的に相似の形状をなしかつ上下方向に所定の厚みを有する断熱部材１３が配設されている。この断熱部材１３は、要は全体として上下方向への熱伝導が液体窒素よりも格段に少ないものとなっていれば良く、通常はＦＲＰなど熱伝導率の小さい材料によって形成するか、あるいは中空構造としてその中空部分を真空断熱構造とする。なおこの断熱部材１３は、前述の支持部材９Ａ，９Ｂによって蓋部７から吊下げられており、またその断熱部材１３の周囲が冷却容器３の内周壁面に対して若干の隙間１４を保つように作られており、したがってこの隙間１４を液体窒素１１が移動し得ることになる。一方冷却容器３における冷却用液体窒素１１の液面１１Ａの上方に残された空間（蓋部７と液面１１Ａとの間の空間）１５には、外部の第１の窒素ガス供給源１６から窒素ガス供給管１８を経て大気圧の窒素ガスが供給される。また冷却容器３内における断熱部材１３の下面側の位置には、後述する還流管１７の一端側が開口している。
【００１５】
さらに前述のように大気に実質的に開放された冷却容器３とは別に、供給側容器２１が配設されている。
【００１６】
供給側容器２１は、前述の冷却容器３と同様に大気に実質的に開放されたものであって、その外周壁部および底壁部が真空断熱構造２３とされ、また上端には開閉可能な蓋部２５が設けられている。この蓋部２５は容器本体に対して真空封止されたものではなく、このような蓋部２５と容器本体部分との間の隙間などを通じて供給側容器２１の内部は実質的に大気に開放された状態となっている。この供給側容器２１には、外部の液体窒素供給源２７から、制御弁２９および供給管３１を介して液体窒素３３が供給されるようになっている。そして供給側容器２１内における液体窒素３３の液面３３Ａよりもわずかに下方の位置には、水平横断面の外形形状が供給側容器２１の水平横断面形状と実質的に相似の形状をなしかつ上下方向に所定の厚みを有する断熱部材３５が、蓋部２５から支持部材３７Ａ，３７Ｂによって吊下げられた状態で配設されている。この断熱部材３５も、前記冷却容器３内の断熱部材１３と同様のものであり、その断熱部材３５の周囲が供給側容器２１の内周壁面に対して若干の隙間３９を保持していて、その隙間３９を液体窒素３３が移動し得るように構成されていることも、冷却容器３内の断熱部材１３と同様である。
【００１７】
さらに供給側容器２１には、その供給側容器２１内の液体窒素３３を、大気圧下での飽和液体窒素の温度よりも低い過冷却温度（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４１が配設されている。この冷凍機４１は、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）４１Ａ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とともににその低温を冷却対象（液体窒素）と熱交換するための冷却ヘッド４１Ｂと、圧縮部４１Ａからの高圧の媒体ガスと冷却ヘッド４１Ｂ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４１Ｃと、その切替部４１Ｃと冷却ヘッド４１Ｂ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４１Ｄとからなるものであり、その切替部４１Ｃが供給側容器２１の蓋部２５上に配置され、シリンダ部４１Ｄが切替部４１Ｃから蓋部２５を下方へ貫通して供給側容器２１内の液体窒素の液面３３Ａ上の空間４７を通り、その下端が液体窒素中に浸漬され、その部分すなわち液体窒素中に浸漬された部分に冷却ヘッド４１Ｂが設けられている。ここで、シリンダ部４１Ｄは一般にステンレス鋼により作られている。また冷却ヘッド４１Ｂは、その外面に銅等の良伝熱材料からなる伝熱ブロックを設けた構成とされている。なお圧縮部４１Ａは通常は供給側容器２１から離れた位置に配置され、その圧縮部４１Ａと切替部４１Ｃとの間が、高圧ガス管路４１Ｅ、低圧ガス管路４１Ｆによって結ばれている。
【００１８】
また供給側容器２１内には、蓋部２５から吊下げられた状態で送液ポンプ４３が配設されている。この送液ポンプ４３は、その取入口（汲出口）が供給側容器２１における断熱部材３５よりも下方（通常は供給側容器２１の底部近く）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４３の出口側はトランスファーチューブ４５に接続されており、このトランスファーチューブ４５は前述のように冷却容器３内に導かれている。さらに前記冷却容器３からの還流管１７が供給側容器２１内へ導かれており、その還流管１７の先端側開口端が供給側容器の底部（前記冷凍機４１の冷却ヘッド４１Ｂよりも下方の位置）において開口している。
【００１９】
また供給側容器２１における液体窒素３３の液面３３Ａの上方に残された空間（蓋部２５と液面３３Ａとの間の空間）４７には、外部の第２の窒素ガス供給源４９から窒素ガス供給管５１を経て大気圧もしくは大気圧以上の圧力の窒素ガスが供給されるようになっている。
【００２０】
ここで、液体窒素供給源２７、制御弁２９、および供給管３１は、供給側容器２１に液体窒素を供給するための液体窒素供給手段６３を構成している。さらに送液ポンプ４３およびトランスファチユーブ４５は、供給側容器２１内において大気圧で過冷却状態に冷却された液体窒素を冷却容器３に移送するための移送手段６５を構成している。一方第１の窒素ガス供給源１６、窒素ガス供給管１８は、冷却容器３における液面上の空間１５に大気圧もしくは大気圧以上の圧力の窒素ガスを供給するための第１の窒素ガス供給手段６７を構成しており、また第２の窒素ガス供給源４９、窒素ガス供給管５１は、供給側容器２１における液面上の空間４７に大気圧もしくは大気圧以上の圧力の窒素ガスを供給するための第２の窒素ガス供給手段６９を構成している。
【００２１】
以上のような図５に示される先行技術による超電導部材冷却装置の全体的な機能について以下に説明する。
【００２２】
液体窒素供給手段６３の液体窒素供給源２７から供給側容器２１に供給される液体窒素は、７７Ｋ程度のものであるが、その液体窒素は供給側容器２１内において、冷凍機４１の冷却ヘッド４１Ｂによって大気圧もしくは大気圧以上の圧力のもとで冷却されて、大気圧下での飽和液体窒素温度（７７Ｋ程度）よりも低い温度、例えば６５〜７０Ｋ程度まで温度降下される。そしてその６５〜７０Ｋ程度に過冷却された大気圧もしくは大気圧より高い圧力の液体窒素３３は、送液ポンプ４３によって供給側容器２１の底部付近から汲み上げられ、トランスファチューブ４５を介して、大気に実質的に開放された冷却容器３内に導かれる。冷却容器３内に導かれた過冷却状態の液体窒素を図５では符号１１で示しており、これが冷却用液体窒素に相当する。
【００２３】
冷却容器３内においては、前述のような例えば６５〜７０Ｋの過冷却状態の液体窒素１１によって超電導部材１が例えば６７〜７２Ｋ程度に冷却・保持される。また冷却容器３内において超電導部材１からの熱などによって例えば７０Ｋ程度以上に温度上昇した液体窒素は、還流管１７を介して供給側容器２１へ戻る。このようにして供給側容器２１へ還流された流体窒素は、冷凍機４１の冷却ヘッド４１Ｂにより再び６５〜７０Ｋ程度まで大気圧もしくは大気圧以上の圧力のもとで冷却され、前述のように送液ポンプ４３によって冷却容器３に再び送られることになる。
【００２４】
ここで、冷却容器３内における冷却用液体窒素１１の液面１１Ａの上方の空間１５には窒素ガス供給管１８を介して大気圧もしくは大気圧以上の圧力の窒素ガスが導入される。したがって冷却容器３の液面上の空間１５は大気圧もしくは大気圧以上の圧力の窒素ガスで満たされることになる。そのため冷却容器３内の圧力が大気圧もしくは大気圧以上の圧力に維持され、蓋部７の封止部分や電流導入端子部分などを介して外部から空気が引き込まれて侵入することが防止される。
【００２５】
また冷却容器３内における冷却用液体窒素１１の液面下には断熱部材１３が配設されているから、冷却用液体窒素１１の液面（気液界面であるため約７７Ｋ）とその断熱部材１３よりも下側、特に超電導部材１が位置している冷却容器底部との間で熱勾配を与えることができる。またその断熱部材１３の存在によって液面１１Ａ付近に底部側との間での対流撹拌が阻止される。そしてこれらの結果、超電導部材１が位置する底部の冷却用液体窒素１１を、６５Ｋ程度の低温の過冷却状態に維持することができる。そしてこのように超電導部材１が例えば６５〜７０Ｋの過冷却状態の低温の液体窒素１１によって取囲まれるため、超電導部材１の作動時において超電導部材１が発熱しても、その周囲の液体窒素が大気圧下での気化温度（約７７Ｋ）以上となるまでには１０Ｋ程度の余裕があり、そのため超電導部材１の発熱によってその周囲の液体窒素が直ちに気化してガス気泡が発生してしまうことを有効に防止できる。
【００２６】
なお供給側容器２１内における液体窒素３３の液面３３Ａの上方の空間４７にも、窒素ガス供給管５１を介して大気圧もしくは大気圧以上の圧力の窒素ガスが導入されて、その大気圧もしくは大気圧以上の圧力の窒素ガスで満たされることになる。そのため供給側容器２１内の圧力が大気圧もしくは大気圧以上の圧力に維持され、蓋部２５の封止部分などを介して外部から空気が引き込まれて侵入することが防止される。
【００２７】
また冷却容器３と同様に、供給側容器２１内における液体窒素３３の液面下にも断熱部材３５が配設されており、そのため液体窒素３３の液面（気液界面であるため約７７Ｋ）とその断熱部材３５よりも下側、特に冷凍機４１の冷却ヘッド４１Ｂ付近との間で熱勾配を与えることができる。またその断熱部材３５の存在によって液面３３Ａ付近と断熱部材３５よりも下側の部分との間での対流撹拌が阻止される。そしてこれらの結果、送液ポンプ４３の取入口付近の液体窒素３３を、６５〜７０Ｋ程度の低温の過冷却状態に維持して、その６５〜７０Ｋ程度の低温の過冷却状態の液体窒素を冷却容器３へ送り込むことができる。
【００２８】
【発明が解決しようとする課題】
図５に示される装置においては、前述のように供給側容器２１内における液体窒素３３の液面下にＦＲＰなどの低熱伝導率材料からなる断熱部材３５を配置することによって、液面付近（約７７Ｋ）と冷却ヘッド４１Ｂ付近（６５〜７０Ｋ）との間で熱勾配を形成している。しかしながらこのようなＦＲＰなどからなる断熱部材を液面下に設けた場合、次のような問題があることが判明した。
【００２９】
すなわち、供給側容器２１内においては、液体窒素３３の液面３３Ａは、大気圧もしくは大気圧以上の圧力の窒素ガスと液体窒素３３が接する気液界面となっており、そのため液面近傍の液体窒素は、定常時は飽和液体となっている。そしてその液面近傍の液体窒素の温度は、大気圧もしくは大気圧より高い圧力下での飽和温度となっている。なおここで“大気圧よりも高い圧力”も、実際上は既に述べたように大気圧よりもわずかに高い程度であるから、以下では、説明の簡単化のため、一律に大気圧と記すこととし、液面近傍の液体窒素の温度も、一律に大気圧での飽和温度（約７７．４Ｋ）と考えることとする。
【００３０】
一方、供給側容器２１内における液体窒素の液面３３Ａよりも下方に離れた位置、特に冷凍機４１の冷却ヘッド４１Ｂの位置やそれよりも下方の位置では、前述のように液体窒素が冷却ヘッド４１Ｂにより冷却されて、大気圧下での飽和温度よりも低い６５〜７０Ｋ程度の温度の過冷却状態となっている。そのため液体窒素中の冷却ヘッド４１Ｂより上方の領域では、液面から下方へ向かって温度勾配が形成されている。そしてこのような温度勾配を安定して維持するため、前記提案の装置では断熱部材３５を設けており、またこの断熱部材３５によって対流撹拌を阻止するようにしているのであるが、実際の運転時には、送液ポンプ４３の作動状況や熱負荷の変動などによる擾乱が液体窒素中に生じて、液体窒素に対流が発生したり撹拌されたりしてしまうことがある。その場合、温度勾配が乱されて、たとえ前述のような断熱部材３５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、それに伴なって温度勾配の不安定化が一層激しくなり、ますます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。
【００３１】
特に前述の従来技術の場合、断熱部材３５を配置した領域では、その断熱部材３５の体積によって液体窒素が排除されていて、断熱部材３５の周囲のわずかな狭い空隙３９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、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３５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った。
【００３２】
なお上述の説明では供給側容器２１内の断熱部材３５を例にとって説明したが、冷却容器３内の断熱部材１３についてもほぼ同様な問題がある。
【００３３】
さらに、既に述べたように特開平１０−５４６３７号に示される超電導部材冷却装置、すなわち超電導部材を収容した冷却容器とは別に減圧容器を設けておいて、減圧用容器内の液体窒素を減圧して例えば６５Ｋの低温に降下させ、かつその低温の液体窒素と大気圧の冷却用液体窒素とを熱交換させて、得られた大気圧下で６５Ｋ程度の低温の液体窒素（すなわち大気圧下での過冷却液体窒素）を冷却容器に導き、その冷却容器内の超電導部材を６５Ｋ近くまで冷却するようにした装置の場合も、冷却容器内に外部から大気圧の窒素ガスを導入するようにしており、また冷却容器内の液体窒素の液面下にＦＲＰ等からなる断熱部材を配置することが考えられており、この場合も前記と同様な問題があった。
【００３４】
結局、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もしくは大気圧以上の圧力で窒素ガスが導入される液体窒素容器（例えば特許第２８５９２５０号の装置における供給側容器２１もしくは冷却容器３、あるいは特開平１０−５４６３７号の装置における冷却容器）内の液体窒素を、大気圧下での過冷却温度とし、かつその液体窒素容器内の液体窒素の液面下にＦＲＰ等からなる断熱部材を設けておき、大気圧下での過冷却温度の液体窒素によって超電導部材を冷却するようにした装置では、すべて前述のような問題が生じるおそれがあったのである。
【００３５】
この発明は以上の事情を背景としてなされたもので、液面上に空間を残して過冷却温度の液体窒素を収容する液体窒素容器の液面上の空間を大気圧もしくは大気圧以上の窒素ガス圧力で加圧し、大気圧下での過冷却温度の液体窒素によって超電導部材を冷却するようにした装置において、主として液面下の温度勾配を確実かつ安定して保つことができるようにし、これによって運転状況の安定化、冷却効率の向上、信頼性の向上を図ることを目的としたものである。
【００３６】
【課題を解決するための手段】
前述のような課題を解決するため、この発明においては、基本的には液体窒素容器内の液面よりも下方の位置から液面よりも上方の位置までの間にわたって、連続気泡タイプのウレタン発泡体の如く、連続孔（連続気泡）を有する多孔質断熱材からなる対流阻止部材を配置することとした。
【００３７】
すなわち請求項１の発明は、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もしくは大気圧以上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、大気圧下での過冷却温度とし、その大気圧下での過冷却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ことを特徴とするものである。
【００３８】
このような請求項１の発明の超電導部材冷却装置においては、対流阻止部材は連続孔を有する多孔質断熱材によって作られているため、液体窒素容器内の液体窒素が液面に近い位置において対流阻止部材の連続孔に入り込むことになり、したがって液体窒素容器内の液面は、対流阻止部材の上下方向中間位置（上端面と下端面との間の中間の位置）において対流阻止部材の内部の連続孔部分に位置することになる。そして液面近傍の位置において液面下の液体窒素が、前述のように対流阻止部材の内部の連続孔内に入り込んでいるため、運転時に送液ポンプや熱負荷の変動などによって容器内の液体窒素に対流や撹拌が生じても、液面近傍の液体窒素はその移動（対流、撹拌）が阻止され、その結果上述のような対流や撹拌に起因する上下方向の温度勾配が崩れたり、乱れたりすることを未然に防止することができる。
【００３９】
また対流阻止部材は容器内の液面上の空間中へも延出しているため、液面上の空間における窒素ガスの対流や撹拌も阻止され、そのため液面上の気相における温度勾配も安定化し、このことも運転状況の安定化、信頼性の向上に寄与する。
【００４０】
さらに、対流阻止部材として、その空隙率（気孔率）が高いもの（例えば連続気泡ウレタン発泡体では９０％程度の空隙率を有する）を用いれば、仮に液面での液体窒素の気化や窒素ガスの凝縮によって液量の増減が生じたとしても、それが液位の変動に及ぼす影響は小さく、このことも温度勾配の安定化に寄与する。
【００４１】
なおここで、対流阻止部材に使用される多孔質断熱材としては、可及的に熱伝導率が低いものが望ましいが、液体窒素とそれほど熱伝導率が変わらないものを用いても、前述のように液体窒素の対流、撹拌を阻止する結果として、見掛け上大きな断熱効果を示すことになる。したがって断熱材としては前述のような連続気泡ウレタン発泡体の如く、極く一般的な材質のものを用いることができるのである。
【００４２】
また請求項２の発明は、前述の特許第２８５９２５０号の超電導部材冷却装置に準じて、容器内の液体窒素を直接冷凍機によって大気圧下での過冷却温度まで冷却するようにした場合に、前記同様に連続孔を有する多孔質断熱材からなる対流阻止部材を設けることを規定したものである。
【００４３】
具体的には、請求項２の発明は、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もしくは大気圧以上の窒素ガス圧力が加えられる供給側容器と、その供給側容器内の液体窒素を大気圧下での過冷却温度まで冷却するために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た冷凍機とを備え、供給側容器内の過冷却温度の液体窒素を冷却対象の超電導部材へ導いてその超電導部材を冷却するように構成された超電導部材冷却装置において、前記供給側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ことを特徴とするものである。
【００４４】
このように冷凍機の冷却ヘッドを容器内の液体窒素中に直接浸漬させて、大気圧下での過冷却温度の液体窒素を得る場合には、その容器内に通常配設されている送液ポンプの動作などによって液体窒素の対流や撹拌が生じ易く、また温度勾配の乱れがシステム全体に与える影響も大きいが、既に述べた請求項１の発明と同様に、連続孔を有する多孔質断熱材からなる対流阻止部材を設けておくことによって、液面下の温度勾配、液面上の温度勾配を安定化することができる。
【００４５】
なお請求項２の構成の場合、多孔質断熱材からなる対流阻止部材は、請求項３で規定しているように、供給側容器の液面よりも下方でかつ冷凍機の冷却ヘッドの上端部以上の位置から液面上方の位置までの間にわたって配置しても、あるいは請求項４で規定しているように、供給側容器の液面よりも下方でかつ冷凍機の冷却ヘッドにおける上下方向中間位置から液面上方の位置までの間にわたって配置しても良い。
【００４６】
さらに請求項５の発明は、請求項４に記載の超電導部材冷却装置において、冷凍機の冷却ヘッドが供給側容器の底面近くの位置まで延伸されていることを特徴とするものである。
【００４７】
ここで、冷凍機のシリンダ部の内部には常温付近の高圧の媒体が流れるが、請求項５で規定するような構成としておけば、冷凍機のシリンダ部の外周面に断熱部が設けられているため、そのシリンダ部における液体窒素中に浸漬された部分でも、シリンダ部内の常温付近の媒体ガスから液体窒素への熱侵入量が少なく、そのため冷凍機の冷却効率が低下することが防止され、またシリンダ部からの熱侵入による液体窒素の蒸発自体も少なくなるため、液体窒素の液面レベルの変動も少なくなる。
【００４８】
さらに請求項６発明は、請求項４もしくは請求項５に記載の超電導部材冷却装置において、前記冷凍機のシリンダ部の外周面に断熱部が設けられ、かつその断熱部が、冷凍機の冷却ヘッドの外周面における上下方向の中間位置まで延長されていることを特徴とするものである。
【００４９】
このような請求項６の発明の超電導部材冷却装置では、シリンダ部外周面の断熱部が冷凍機の冷却ヘッドの外周面の上下方向中間位置まで延長されているため、供給容器内における液面、すなわち気液界面から冷凍機の冷却ヘッドへの熱侵入が少なくなり、冷却効率を一層向上させることができる。
【００５０】
【発明の実施の形態】
【００５１】
【実施例】
図１において、供給側容器２１における液体窒素３３の液面３３Ａを挟んで上下の領域には、連続気泡ウレタン系発泡体の如く、連続孔（連続気泡）を有する多孔質断熱材からなる対流阻止部材７７が配設されている。この対流阻止部材７７は、その下面７７Ａが液面３３Ａより所定距離だけ下方の位置（図１の例では冷凍機４１の冷却ヘッド４１Ｂの上端）に位置するように、またその上面７７Ｂが蓋部２５よりも若干下方の位置に位置するように配置されている。そして液体窒素３３は、その液面３３Ａ近傍において対流阻止部材７７の内部の連続孔に入り込んで、液面３３Ａが対流阻止部材７７の上面７７Ｂと下面７７Ａとの中間に位置することになる。なお対流阻止部材７７の外周面の形状・寸法は、供給側容器２１の内周面と実質的に同一形状でほぼ同一寸法に作られ、供給側容器２１の内周面に嵌め込まれた状態とされている。
【００５２】
一方冷却容器３における液体窒素１１の液面１１Ａを挟む上下の領域にも、連続気泡ウレタン系発泡体の如く、連続孔（連続気泡）を有する多孔質断熱材からなる対流阻止部材７９が配設されている。この対流阻止部材７９は、その下面７９Ａが液面１１Ａより所定距離だけ下方の位置、望ましくは冷却対象となる超電導部材１の上端よりも上方の位置に位置し、かつ上面７９Ｂが蓋部７の下面よりも若干下方に位置するように定められている。そして液体窒素１１がその液面１１Ａの近傍において対流阻止部材７９の内部の連続孔部分に入り込み、その液面１１Ａが対流阻止部材７９の上面７９Ｂと下面７９Ａとの中間に位置することになる。なお対流阻止部材７９の外周面の形状・寸法は、冷却容器３の内周面と実質的に同一形状でほぼ同一寸法に作られ、冷却容器３の内周面に嵌め込まれた状態となっている。
【００５３】
以上のような図１に示される実施例において、液体窒素供給源２７から供給側容器２１内に供給された７７Ｋ程度の液体窒素は、冷凍機４１の冷却ヘッド４１Ｂによって大気圧もしくは大気圧以上の圧力のもとで冷却されて、大気圧下での飽和液体窒素温度（７７Ｋ程度）よりも低い温度（過冷却温度）、例えば６５〜７０Ｋ程度まで温度降下され、過冷却された液体窒素３３が、送液ポンプ４３によって供給側容器２１の底部付近から汲み上げられ、トランスファチューブ４５を介して、冷却容器３内に導かれ、超電導部材１を例えば６７〜７２Ｋ程度に冷却・保持する。また冷却容器３内において超電導部材１からの熱などによって例えば７０Ｋ程度以上に温度上昇した液体窒素は、還流管１７を介して供給側容器２１へ戻る。このようにして供給側容器２１へ還流された液体窒素は、冷凍機４１の冷却ヘッド４１Ｂにより再び６５〜７０Ｋ程度まで大気圧もしくは大気圧以上の圧力のもとで冷却され、前述のように送液ポンプ４３によって冷却容器３に再び送られることになる。また供給側容器２１における液面３３Ａ上の空間４７および冷却容器３における液面１１Ａ上の空間１５には、大気圧もしくは大気圧以上の圧力の窒素ガスが導入されて、供給側容器２１内の圧力および冷却容器３内の圧力が大気圧もしくは大気圧以上に維持され、蓋部２５の封止部分などおよび蓋部７の封止部分や電流導入端子部分などを介して外部から空気が引込まれることを防止している。以上の動作状況は図５に示す従来技術と実質的に同様である。
【００５４】
ここで、供給側容器２１においては、液体窒素３３中における冷凍機４１の冷却ヘッド４１Ｂよりも上方の部分、すなわち液面３３Ａ近傍の領域では、液体窒素３３が対流阻止部材７７の連続孔中に入り込んでいるため、送液ポンプ４３の作動などの何らかの原因により容器２１内の下部の領域で対流や撹拌が生じても、その対流や撹拌による液体窒素の流動が対流阻止部材７７の連続孔の壁部によって妨げられ、結局液面３３Ａの近傍の領域では対流や撹拌が阻止されて、液面３３Ａから下方へ向かっての温度勾配が安定して維持される。
【００５５】
また、液面３３Ａ上の空間４７においても、液面下の液体窒素３３の対流や撹拌に附随して、気相（窒素ガス）に対流や撹拌が生じる可能性があるが、その場合でも対流阻止部材７７が液面上まで存在しているため、窒素ガスの対流や撹拌が生じることを防止し、蓋部２５から液面３３Ａに至るまでの気相領域の温度勾配を安定化することができる。
【００５６】
さらに、仮に液面３３Ａからの液体窒素の気化や液面３３Ａ上の空間からの窒素ガスの凝縮によって、液体窒素の量が変動したとしても、一般に連続気泡ウレタン系発泡体などの連続孔多孔質断熱材は、その水平横断面における気孔部分（空隙部分）の面積（すなわち液体窒素３３が入り込んでいる部分の水平横断面面積）が図５に示す従来技術における断熱部材３５の周囲の空隙３９の水平横断面積に比べて格段に大きいのが通常であり、そのためわずかの液量の変動が液面位置の変動に大きな影響を及ぼしてしまうことを回避して、液面位置を安定して維持することができる。
【００５７】
また冷却容器３内においても、連続孔を有する多孔質断熱材からなる対流阻止部材７９が配設されているため、上記と同様な作用、効果を得ることができる。すなわち冷却容器３の側では、冷却対象である超電導部材１の動作による熱負荷の変動によって冷却容器３内の下部で液体窒素１１の対流や撹拌が生じることがあるが、これを対流阻止部材７９によって阻止して、液面１１Ａの近傍での液体窒素１１の対流や撹拌を有効に防止し、温度勾配を安定化することができる。また冷却容器３内における液面１１Ａ上の空間の気相（窒素ガス）に対しても同様であって、蓋部７から液面１１Ａまでの気相領域における温度勾配を安定化することができる。
【００５８】
そしてまた、冷却容器３の側の対流阻止部材７９も、水平横断面の気孔部分の面積が図５に示す従来技術の断熱部材１３の周囲の空隙１４の水平横断面面積に比較して格段に大きいのが通常であり、そのため前記同様にわずかな液量の変動が液面位置の変動に及ぼす影響を小さくして、液面位置を安定化することができる。
【００５９】
ここで、図１に示される実施例においては、供給側容器２１内における対流阻止部材７７を、その下面が冷凍機１の冷却ヘッド４１Ｂの上端に位置するように配置しているが、対流阻止部材７７は、その下面が冷凍機１の冷却ヘッド４１Ｂの上下方向の中間位置に達するように配置しても良く、その場合の例を示したのが図２の実施例である。
【００６０】
図２の実施例では、冷凍機４１の冷却ヘッド４１Ｂは、その下端が供給側容器２１の底面近くまで延長されている。そしてこのように下方へ延長された冷却ヘッド４１の上下方向の中間位置に相当するレベルに、連続孔を有する多孔質断熱材からなる対流阻止部材７７の下面７７Ａが位置している。もちろん対流阻止部材７７の上面７７Ｂは液面３３Ａよりも上方（蓋部２５に近い位置）に位置している。なおこの実施例では、常温付近の温度の冷凍機媒体ガスが内部を流通する冷凍機４１のシリンダ部４１Ｄから液体窒素中への熱侵入を可及的に防止するため、シリンダ部４１Ｄの外周面を取囲むように、真空断熱構造あるいは適宜の断熱材からなる断熱部８０が設けられている。
【００６１】
図２に示す実施例の場合、対流阻止部材７７は液面上方から冷凍機４１の冷却ヘッド４１Ｂの上下方向中間位置にまで及んでいるため、図１の例の場合よりも対流阻止部材７７における液面下の部分の厚みが大きくなっている。これは対流阻止に有効な領域が広いことを意味し、そのため図１の例の場合よりも対流や撹拌による液体窒素１１の流動を防止する効果が大きく、したがって温度勾配をより一層安定化させる効果が得られる。またここで、図２の例では冷凍機４１の冷却ヘッド４１Ｂの下端が供給側容器２１の底面近くまで延長されているため、より一層対流阻止部材７７の液面下の厚みを増すことが可能となって、前述の効果をより一層大きくすることが可能となっている。なお冷却ヘッド４１Ｂの上部（前記中間位置よりも上方の部分）の外周面は対流阻止部材７７によって取囲まれているが、冷却ヘッド４１Ｂの下部の外周面は液体窒素１１に直接接触しているため、冷却ヘッド４１Ｂと液体窒素１１との間の熱交換効率を低下させるおそれは少ない。
【００６２】
また図２の実施例では、冷凍機４１のシリンダ部４１Ｄの外周面に断熱部８０が設けられており、そのため内部を高圧で常温付近の温度の冷凍機媒体ガスが流通するシリンダ部４１Ｄからその外側の液体窒素１１への熱侵入をも防止することができる。
【００６３】
なおこのように冷凍機４１のシリンダ部４１Ｄの外周面に断熱部８０を設ける場合、図３に示すようにその断熱部８０を冷却ヘッド４１Ｂの上下方向中間位置まで延長させておいても良く、このようにすれば冷却ヘッド４１Ｂの上部の外周面が液体窒素に直接接触することを防止でき、そのため熱勾配の安定化に一層寄与することができる。
【００６４】
なお以上の各実施例においては、対流阻止部材を供給側容器２１と冷却容器３との両者に設けているが、場合によっては供給側容器２１のみに設けても良い。
【００６５】
以上の各実施例は、特許第２８５９２５０号において提案されている従来技術の超電導部材冷却装置を改良したものとして示したが、特開平１０−５４６３７号で提案されている従来技術の超電導部材冷却装置、すなわち冷凍機を用いずに、減圧用容器および熱交換器を用いて大気圧下での過冷却液体窒素を得て超電導部材を冷却する装置に準じて、この発明を適用し得ることはもちろんである。その場合の実施例を図４に示す。
【００６６】
図４において、冷却容器３は図１に示される実施例の冷却容器と同様に大気に実質的に開放された汎用のクライオスタットからなるものであって、過冷却液体窒素１１が液面上に空間を残すように注入されており、かつその底部に冷却対象となる超電導部材１が配置されている。この冷却容器３の具体的構成は、図１の実施例の場合と同様であり、その詳細な説明は省略する。もちろん冷却容器３内の液体窒素１１の液面１１Ａを挟んでその上下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７９が配置されている点も、図１に示される実施例の冷却容器３と同様である。なお冷却容器３内の液体窒素１１の液面上の空間１５には、窒素ガス供給源７１から窒素ガス供給管７３Ａ，７３Ｃ、開閉弁７５Ｂを経て大気圧もしくは大気圧以上の圧力の窒素ガスが供給されるようになっている。また冷却容器３内における冷却用液体窒素１１の液面１１Ａのわずか下方の位置には、後述する還流管１７の一端側開口端が開口している。
【００６７】
さらに前述のように大気に実質的に開放された冷却容器３とは別に、供給側保持容器８１および減圧用容器８３が配設されている。
【００６８】
供給側保持容器８１は、冷却容器３と同様に大気に実質的に開放されたものであって、この供給側保持容器８１には、外部の液体窒素供給源８５から、制御弁８７および供給管８９を介して大気圧の液体窒素９０が供給される。その供給量は供給側保持容器８１内に設けた液面計９１および前記制御弁８７によって制御される。また供給側保持容器８１内には、送液ポンプ９３が配設されており、この送液ポンプ９３によって供給側保持容器８１内の大気圧もしくは大気圧以上の圧力の液体窒素９０が、第１トランスファチューブ９５を介して減圧用容器８３内の後述する熱交換器１１７へ輸送されるようになっている。また供給側保持容器８１内における液体窒素９０の液面の上方の空間には、外部の窒素ガス供給源７１から窒素ガス供給管７３Ａ，７３Ｂ、開閉弁７５Ａを経て大気圧もしくは大気圧以上の圧力の窒素ガスが導かれるようになっている。なお供給側保持容器８１内の液面下には、前述の冷却容器３から導かれる還流管１７の先端が開口している。
【００６９】
一方減圧用容器８３には、外部の液体窒素供給源１０５から、制御弁１０７および供給管１０９を介して熱交換用液体窒素１１１が供給される。その供給量は、減圧用容器８３内に設けた液面計１１３および制御弁１０７によって制御されるようになっている。またこの減圧用容器８３には、減圧手段としてロータリーポンプ１１５が接続されており、このロータリーポンプ１１５によって内部の熱交換用液体窒素１１１が大気圧よりも所定の圧力だけ低い圧力（例えば２０ｋＰａ）に減圧され、またそれに伴なって温度降下されるようになっている。さらに減圧用容器８３内には、熱交換用液体窒素１１１に浸漬される位置に熱交換器１１７が配設されている。この熱交換器１１７の入口側には、前述の供給側保持容器８１から第１トランスファチューブ９５を介して大気圧もしくは大気圧以上の圧力の飽和液体窒素９０が供給されて、その液体窒素９０が、減圧用容器８３内の減圧された低温の熱交換用液体窒素１１１と熱交換されて、温度降下する。また熱交換器１１７の出口側は第２トランスファチューブ１１９に接続されていて、熱交換により温度降下した液体窒素９０が前述の冷却容器３に、冷却用液体窒素１１として導かれるようになっている。
【００７０】
ここで減圧用容器８３の側の液体窒素供給源１０５、制御弁１０７、供給管１０９は、減圧用容器８３へ熱交換用液体窒素を供給するための熱交換用液体窒素供給手段１２１を構成している。また液体窒素供給源８５、制御弁８７、供給管８９、供給側保持容器８１、送液ポンプ９３、第１トランスファチューブ９５は、熱交換器１１７に大気圧もしくは大気圧以上の圧力の液体窒素を供給するための冷却用液体窒素供給手段１２３を構成している。さらに第２トランスファチユーブ１１９は、熱交換器１１７を通過した大気圧下での過冷却温度の冷却用液体窒素を冷却容器３に移送するための移送手段１２５を構成している。なおこの実施例では、冷却容器３が請求項１で規定する液体窒素容器に相当する。
【００７１】
以上のような図４に示される第２の実施例の超電導部材冷却装置の全体的な機能について以下に説明する。
【００７２】
供給側保持容器８１から送液ポンプ９３により第１トランスファチューブ９５を介して減圧用容器８３内の熱交換器１１７へ送られる液体窒素９０は、運転開始の初期においては７７Ｋ程度の温度の大気圧下での飽和状態のものとなっている。一方減圧用容器８３内は、減圧手段、例えばロータリーポンプ１１５によって大気圧よりも低い圧力に減圧され、そのため液体窒素供給源１０５から減圧用容器８３に供給された液体窒素１１１は、大気圧で下の飽和温度（７７Ｋ程度）から例えば６５Ｋ程度まで温度降下される。そして供給側保持容器８１から熱交換器１１７へ送られて来た大気圧もしくは大気圧以上の圧力の液体窒素９０は、減圧用容器８３内の例えば６５Ｋの液体窒素１１１と熱交換されて、６７Ｋ程度まで温度降下する。すなわち過冷却状態となる。なおこの熱交換器１１７においては、液体窒素９０の圧力は特に変化せず、大気圧もしくは大気圧以上の圧力の状態を維持する。
【００７３】
上述のようにして６７Ｋ程度に過冷却された大気圧もしくは大気圧以上の圧力の液体窒素９０は、第２トランスファチューブ１１９を介して、大気に実質的に開放された冷却容器３内に導かれる。冷却容器３内に導かれた過冷却状態の大気圧の液体窒素を図４では符号１１で示しており、これが冷却用液体窒素に相当する。ここで、冷却容器３内における冷却用液体窒素１１の量は、液面１１Ａ上に空間１５が残るように還流管１７によって調整される。
【００７４】
冷却容器３内においては、図１に示した実施例と同様に６７Ｋの過冷却状態の大気圧もしくは大気圧以上の圧力の液体窒素１１によって超電導部材１が例えば７０Ｋ程度に冷却・保持される。ここで、冷却容器３内における冷却用液体窒素１１の液面１１Ａの上方の空間１５には、窒素ガス供給源７１から窒素ガス供給管７３Ａ，７３Ｃ、開閉弁７５Ｂを介して大気圧もしくは大気圧以上の圧力の窒素ガスが導入される。そのため冷却容器３内の圧力が確実に大気圧もしくは大気圧以上の圧力に維持され、蓋部７の封止部分等を介して外部から大気圧の空気が引き込まれて侵入することが確実に防止される。
【００７５】
ここで、冷却容器３内においては、既に述べた図１の実施例の場合と同様に、連続孔を有する多孔質断熱材からなる対流阻止部材７９を液面１１Ａの上下にわたって設けているため、何らかの原因による擾乱によって冷却容器３内の下部で液体窒素１１の対流や撹拌が生じても、液面近傍の液体窒素や液面上の窒素ガスに対流や撹拌が生じるおそれが少なく、温度勾配を安定化できるとともに、液面位置を安定化することができる。
【００７６】
なお、運転が進んで定常状態となれば、還流管１７を経て冷却容器３から供給側保持容器８１に７０Ｋ程度の液体窒素が戻されることにより、供給側保持容器８１内の液体窒素９０も７０Ｋ近い温度、すなわち大気圧下での過冷却温度となる。そこで供給側保持容器８１についても冷却容器３と同様に、連続孔を有する多孔質断熱材から成る対流阻止部材を、液面９０Ａの上下にわたって配設しておくことが望ましい（但し図４中では示していない）。このように供給側保持容器８１の液面９０Ａの上下にわたって対流阻止部材を設けておけば、冷却容器３と同様に、何らかの原因による擾乱によって供給側保持容器８１内の下部で液体窒素９０の対流や撹拌が生じても、液面近傍の液体窒素に対流や撹拌が生じるおそれが少なく、温度勾配を安定化し得るとともに、液面位置を安定化することができる。
【００７７】
なお図１〜図４に示される各実施例のいずれにおいても、対流阻止部材７７，７９に用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。
【００７８】
さらに、以上の説明では、特許第２８５９２５０号の超電導部材冷却装置に準じた実施例（図１〜図３）における供給側容器２１および冷却容器３、また特開平１０−５４６３７号の超電導部材冷却装置に準じた実施例（図４）の冷却容器３（あるいは冷却容器３および供給側保持容器８１）について、その液面の上下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設けることとしたが、これらの容器に限らず、要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もしくは大気圧以上の窒素ガス圧力を加え、容器内の液体窒素を大気圧下での過冷却温度とし、その大気圧下での過冷却温度の液体窒素によって超電導部材を冷却する場合にはすべて適用可能である。
【００７９】
【発明の効果】
前述の実施例からも明らかなように、この発明は、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もしくは大気圧以上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、大気圧下での過冷却温度とし、その大気圧下での過冷却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、液体窒素容器内の液体窒素の液面の下方の位置から液面の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設けているため、容器内の下部において何らかの擾乱により液体窒素に対流や撹拌が生じても、液面近傍においては液体窒素の対流、撹拌が有効に阻止され、そのため液面から下方へ向かっての温度勾配が安定に維持されるとともに、液面上の気相の温度勾配も安定して維持され、さらには液体窒素の蒸発や窒素ガスの凝縮により液体窒素の液量に若干の変動が生じても、その変動が増幅されて液面位置が大きく変動されてしまうことも防止でき、したがって運転状況の安定化を図って冷却効率を常に安定させるとともに信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施例の超電導部材冷却装置の全体構成を示す略解図である。
【図２】この発明の第２の実施例の超電導部材冷却装置の全体構成を示す略解図である。
【図３】この発明の第３の実施例の超電導部材冷却装置の全体構成を示す略解図である。
【図４】この発明の第４の実施例の超電導部材冷却装置の全体構成を示す略解図である。
【図５】従来の超電導部材冷却装置の全体構成を示す略解図である。
【符号の説明】
１  超電導部材
３  冷却容器（液体窒素容器）
１１  液体窒素
３３  液体窒素
１１Ａ  液面
１５  液面上の空間
３３Ａ  液面
４７  液面上の空間
２１  供給側容器（液体窒素容器）
１６，４９，７１  窒素ガス供給源
４１  冷凍機
４１Ｂ  冷却ヘッド
７７  対流阻止部材
７９  対流阻止部材
【図１】
0004733842.tif 000002
【図２】
0004733842.tif 000003
【図３】
0004733842.tif 000004
【図４】
0004733842.tif 000005
【図５】
0004733842.tif 000006