(57)【要約】【課題】  液体窒素を収容した断熱容器内の液面上の空間に窒素ガスより凝縮温度が低いガスを導入して大気圧もしくは大気圧より若干高い圧力を加えた状態とし、断熱容器内の液体窒素を冷凍機により過冷却温度に冷却して、その過冷却温度の液体窒素により超電導部材を冷却する超電導部材冷却装置において、液面の擾乱に起因して液面上空間が減圧されることを確実かつ安定して防止する。【解決手段】  冷凍機の冷却ヘッドを、その上部が液面上に露出するようにするか、またはその全体が液面上に位置するようにした。【選択図】        図１
2005183440.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
断熱容器内に、液面上に空間を残して液体窒素を収容するとともに、その断熱容器内における液体窒素の液面上の空間に、窒素ガスよりも凝縮温度が低い低凝縮温度ガスを導入して、その空間に大気圧もしくは大気圧以上の圧力を加えた状態とし、かつ断熱容器内の液体窒素を、冷凍機によって大気圧下での過冷却温度に冷却して、その大気圧下での過冷却温度の液体窒素により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、
前記冷凍機の冷却ヘッドを、その下部が前記断熱容器内の液体窒素の液面下に浸漬されかつその上部が断熱容器内の液体窒素の液面上に露出するように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】
断熱容器内に、液面上に空間を残して液体窒素を収容するとともに、その断熱容器内における液体窒素の液面上の空間に、窒素ガスよりも凝縮温度が低い低凝縮温度ガスを導入して、その空間に大気圧もしくは大気圧以上の圧力を加えた状態とし、かつ断熱容器内の液体窒素を、冷凍機によって大気圧下での過冷却温度に冷却して、その大気圧下での過冷却温度の液体窒素により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、
前記冷凍機の冷却ヘッドを、その全体が断熱容器内の液体窒素の液面上の空間に位置するように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】
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側断熱容器と；
前記冷却側断熱容器へ供給すべき液体窒素を収容するための大気に実質的に開放された供給側断熱容器と；
前記供給側断熱容器内へ液体窒素を供給するための液体窒素供給手段と；
前記供給側断熱容器内および冷却側断熱容器内における液体窒素の液面上の空間のそれぞれに、窒素ガスよりも凝縮温度の低い低凝縮温度ガスを供給して、各液面上空間を大気圧もしくは大気圧以上の圧力とするためのガス供給手段と；
前記供給側断熱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、冷却ヘッドを備えた冷凍機と；
前記供給側断熱容器内において大気圧下もしくは大気圧より高い圧力下で過冷却温度まで冷却された液体窒素を前記冷却側断熱容器に移送するための移送手段；
とを有してなり、液面上に空間を残すように前記移送手段によって前記冷却側断熱容器内に供給された大気圧もしくは大気圧よりも高い圧力下で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超電導部材冷却装置において、
前記冷凍機の冷却ヘッドを、その下部が前記供給側断熱容器内の液体窒素の液面下に浸漬されかつその上部が供給側断熱容器内の液体窒素の液面上に露出するように配置したことを特徴とする、超電導部材冷却装置。
【請求項４】
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側断熱容器と；
前記冷却側断熱容器へ供給すべき液体窒素を収容するための大気に実質的に開放された供給側断熱容器と；
前記供給側断熱容器内へ液体窒素を供給するための液体窒素供給手段と；
前記供給側断熱容器内および冷却側断熱容器内における液体窒素の液面上の空間のそれぞれに、窒素ガスよりも凝縮温度の低い低凝縮温度ガスを供給して、各液面上空間を大気圧もしくは大気圧以上の圧力とするためのガス供給手段と；
前記供給側断熱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、冷却ヘッドを備えた冷凍機と；
前記供給側断熱容器内において大気圧下もしくは大気圧より高い圧力下で過冷却温度まで冷却された液体窒素を前記冷却側断熱容器に移送するための移送手段；
とを有してなり、液面上に空間を残すように前記移送手段によって前記冷却側断熱容器内に供給された大気圧もしくは大気圧よりも高い圧力下で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超電導部材冷却装置において、
前記冷凍機の冷却ヘッドを、その全体が供給側断熱容器内の液体窒素の液面上の空間に位置するように配置したことを特徴とする、超電導部材冷却装置。
【請求項５】
請求項３もしくは請求項４に記載の超電導部材冷却装置において、
前記移送手段が、供給側断熱容器内の液体窒素を汲み上げるための送液ポンプと、その送液ポンプにより汲み上げられた液体窒素を冷却側断熱容器内へ導くためのトランスファチューブとからなり、かつ冷却側断熱容器内におけるトランスファチューブの開口端が、冷却側断熱容器内の液体窒素の液面より上方に位置していることを特徴とする、超電導部材冷却装置。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかの請求項に記載の超電導部材の冷却装置において、
前記低凝縮温度ガスとして、ヘリウムガス、ネオンガス、水素ガスのうちのいずれかを用いることを特徴とする、超電導部材冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。この場合従来一般には大気圧の飽和液体窒素、すなわち約７７Ｋの液体窒素を用いるのが通常であった。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側断熱容器に超電導部材を収容しておき、その冷却側断熱容器内に約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、すなわち内部圧力が大気圧となっている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、減圧状態の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となっていた。
【０００６】
そこで本発明者等は、特許文献１に示すように、ギフォード・マクマホン冷凍機（ＧＭ冷凍機）で代表される小型極低温冷凍機を用いて、大気圧下で液体窒素を過冷却状態まで冷却し、得られた大気圧下での過冷却温度（例えば６５Ｋ）の液体窒素をそのまま超電導部材を冷却するための冷却媒体として用いるようにした超電導部材冷却装置を考え、既に特許文献１において提案している。
【０００７】
すなわち特許文献１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大気に実質的に開放された冷却側断熱容器と、前記冷却側断熱容器へ供給すべき液体窒素を収容するための大気に実質的に開放された供給側断熱容器と、前記供給側断熱容器へ液体窒素を供給するための液体窒素供給手段と、前記供給側断熱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ＧＭ冷凍機等の冷凍機と、前記供給側断熱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側断熱容器に移送するための移送手段とを有してなり、供給側断熱容器および冷却側断熱容器の液面上の空間に窒素ガスを導入して、その液面上の空間を大気圧とするかまたは大気圧よりも若干高い圧力とし、かつ前記移送手段によって前記冷却側断熱容器内に供給された大気圧下で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構成したものであり、その具体例を図３に示す。
【０００８】
図３において、冷却対象となる超電導部材１は冷却側断熱容器３の底部に配置されている。この冷却側断熱容器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側断熱容器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＋１０ｋＰａを越えた場合に開放されて、内部圧力を大気圧〜大気圧＋１０ｋＰａ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。冷却側断熱容器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。またその冷却側断熱容器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、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、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の周囲が冷却側断熱容器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いる。一方冷却側断熱容器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。また冷却側断熱容器３内における断熱部材１３の下方の位置には、後述する還流管１７の一端が開口している。
【０００９】
さらに前述のように大気に実質的に開放された冷却側断熱容器３とは別に、供給側断熱容器２１が配設されている。
【００１０】
供給側断熱容器２１は、前述の冷却側断熱容器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、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断熱容器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。供給側断熱容器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。そして供給側断熱容器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、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、前記冷却側断熱容器３内の断熱部材１３と同様のものであり、その断熱部材３５の周囲が供給側断熱容器２１の内周壁面に対して若干の隙間３９を保持していることも、冷却側断熱容器３内の断熱部材１３と同様である。
【００１１】
さらに供給側断熱容器２１には、その供給側断熱容器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６５Ｋ）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超低温を得るとともににその超低温を冷却対象（液体窒素）と熱交換（伝熱）するための冷却ヘッド（伝熱部）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バルブモーター等の切替部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が供給側断熱容器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断熱容器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、伝熱部として冷却ヘッド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おり、その冷却ヘッド４１Ｂは、全体が液体窒素３３の液面３３Ａの下方に位置している。なお圧縮部４１Ａは通常は供給側断熱容器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。
【００１２】
また供給側断熱容器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）が供給側断熱容器２１における断熱部材３５よりも下方（供給側断熱容器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チューブ４５に接続されており、このトランスファチューブ４５は前述のように冷却側断熱容器３内に導かれている。さらに前記冷却側断熱容器３からの還流管１７が供給側断熱容器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断熱容器の底部（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。
【００１３】
また供給側断熱容器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。
【００１４】
ここで、液体窒素供給源２７、制御弁２９、および供給管３１は、供給側断熱容器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、供給側断熱容器２１内において大気圧下での過冷却温度に冷却された液体窒素を冷却側断熱容器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、冷却側断熱容器３における液面上の空間１５の圧力を大気圧もしくは大気圧より若干高い圧力とするための窒素ガスを供給する第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、供給側断熱容器２１における液面上の空間４７の圧力を大気圧もしくは大気圧より若干高い圧力とするための窒素ガスを供給する第２の窒素ガス供給手段６９を構成している。
【００１５】
以上のような図３に示される特許文献１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。
【００１６】
液体窒素供給手段６３の液体窒素供給源２７から供給側断熱容器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断熱容器２１内において、冷凍機４１の冷却ヘッド４１Ｂに接して大気圧もしくは大気圧より若干高い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６５Ｋ程度まで温度降下される。そしてその６５Ｋ程度に過冷却された大気圧もしくは大気圧より若干高い圧力の液体窒素３３は、送液ポンプ４３によって供給側断熱容器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側断熱容器３内の底部に導かれる。冷却側断熱容器３内に導かれた過冷却状態の液体窒素を図３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。
【００１７】
冷却側断熱容器３内においては、前述のような例えば６５Ｋ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６７〜７０Ｋ程度に冷却・保持される。また冷却側断熱容器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を介して供給側断熱容器２１へ戻る。このようにして供給側断熱容器２１へ還流された流体窒素は、冷凍機４１の冷却ヘッド４１Ｂにより再び例えば６５Ｋ程度まで大気圧もしくは大気圧より若干高い圧力のもとで冷却され、前述のように送液ポンプ４３によって再び冷却側断熱容器３に送られることになる。
【００１８】
ここで、冷却側断熱容器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を介して窒素ガスが導入されて、その空間１５の圧力が大気圧もしくは大気圧より若干高い圧力とされる。換言すれば、冷却側断熱容器３の液面上の空間１５は大気圧もしくは大気圧より若干高い圧力の窒素ガスで満たされていることになる。このようにして冷却側断熱容器３内の圧力が大気圧もしくは大気圧より若干高い圧力に維持される結果、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。
【００１９】
また冷却側断熱容器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１１Ａ（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側断熱容器底部（例えば６５Ｋ）との間で熱勾配を保持することができる。またその断熱部材１３の存在によって液面１１Ａ付近と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６５Ｋ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以上の余裕があり、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。
【００２０】
ここで、供給側断熱容器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を介して窒素ガスが導入されて、その液面上空間３３Ａが大気圧もしくは大気圧より若干高い圧力の窒素ガスで満たされることになる。そのため供給側断熱容器２１内の圧力が大気圧もしくは大気圧より若干高い圧力に維持されて、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。
【００２１】
また冷却側断熱容器３と同様に、供給側断熱容器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３３Ａ（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（例えば６５Ｋ）との間で熱勾配を保持することができる。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、例えば６５Ｋ程度の低温の過冷却状態に維持して、その６５Ｋ程度の低温の過冷却状態の液体窒素を冷却側断熱容器３へ送り込むことができる。
【００２２】
以上のように、図３に示される特許文献１の装置においては、冷却側断熱容器３および供給側断熱容器２１における液体窒素１１，３３の液面上の空間１５，４７に外部から窒素ガスを導入して、冷却側断熱容器３および供給側断熱容器２１の圧力を大気圧もしくは大気圧以上の圧力となるようにしている。ところがこのように冷却側断熱容器３、供給側断熱容器２１内に窒素ガスを導入した場合、次のような問題があることが判明した。
【００２３】
すなわち、例えば供給側断熱容器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より若干高い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若干高い圧力下での飽和温度となっている。なおここで“大気圧もしくは大気圧より若干高い圧力”とは、既に述べたように実際上は大気圧〜大気圧＋１０ｋＰａ程度の範囲内であり、実質的に大気圧とみなして差し支えないから、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７７Ｋ）と考えることとする。
【００２４】
一方、前述のように供給側断熱容器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、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例えば６５Ｋ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。すなわち、下方から上方へ向かって温度が高くなる方向性の温度勾配（以下の説明中で“正の温度勾配”と記すこともある）が形成されている。なお以下の説明で単に“温度勾配”と記載している場合は、上述の方向性の温度勾配（正の温度勾配）を意味するものとする。また逆方向の温度勾配、すなわち下方より上方の温度が低い温度勾配については“負の温度勾配”と記すこととする。
【００２５】
前述のような液体窒素３３の液面下の温度勾配（正の温度勾配）を維持するため、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によって対流撹拌の発生を抑制するようにしているが、このように断熱部材３５を設けていても、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が撹拌されてしまうことがある。その場合、前述の温度勾配が乱されて、液面（気液界面）の温度が大気圧下での飽和温度よりも低下し、それに伴なって液面上の窒素ガス気相が凝縮して、液面上の空間の窒素ガス圧力が減圧され、大気圧よりも低くなってしまって、供給側断熱容器２１の外部から大気を吸引してしまうおそれがある。また、上述のような液面上の気相の凝縮によって液面位置が変動し、そのため液面３３Ａと冷却ヘッド４１Ｂとの間の距離が変動し、温度勾配を正常に保つことが一層困難となり、システム全体の冷却効率が不安定化してしまうおそれがある。
【００２６】
なおここでは供給側断熱容器２１について説明したが、冷却側断熱容器３についてもほぼ同様な問題がある。
【００２７】
上述のように図３に示される特許文献１の従来技術の供給側断熱容器２１や冷却側断熱容器３においては、大気圧下での過冷却温度の液体窒素の液面上の空間に窒素を導入して、その窒素ガスにより大気圧もしくは大気圧より若干高い圧力に加圧しているため、窒素ガスの凝縮による問題が発生する。
【００２８】
そこで本発明者等は、大気圧下での過冷却温度の液体窒素を収容した容器の液面上の空間を大気圧もしくは大気圧より若干高い圧力に維持するためにその液面上に導入するガスとして、特許文献１に示されるような窒素ガスではなく、窒素ガスよりも凝縮温度が低いガス、例えばヘリウムガス、ネオンガス、あるいは水素ガス等を用いることを考え、特許文献２において提案している。
【００２９】
図４に、特許文献２の発明の実施例として示されている超電導部材冷却装置を示す。なお図４において、図３に示した特許文献１の技術と同一の要素については同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００３０】
図４において、供給側断熱容器２１における液体窒素３３の液面３３Ａ上の空間４７には、窒素ガスよりも凝縮温度が低いガスとして、外部のヘリウムガス供給源７１からヘリウムガス供給管７３Ａ，７３Ｂ、開閉弁７５Ａを経てヘリウムガスが供給されて、液面上空間４７の圧力が大気圧もしくは大気圧より若干高い圧力とされるようになっている。一方冷却側断熱容器３についても、液体窒素１１の液面１１Ａの上方の空間１５に、前記同様に窒素ガスよりも凝縮温度が低いガスとして、前記ヘリウムガス供給源７１からヘリウムガス供給管７３Ａ，７３Ｃ、開閉弁７５Ｂを経てヘリウムガスが供給されて、大気圧もしくは大気圧より若干高い圧力とされるようになっている。またここで特許文献２の実施例では、冷凍機４１の冷却ヘッド４１Ｂが、図３の場合と同様にその全体が供給側断熱容器２１における液体窒素３３中に浸漬されて、液面３３Ａよりも下方に位置している。
【００３１】
なお図３に示した特許文献１の例では、冷却側断熱容器３および供給側断熱容器２１における液体窒素の液面下に断熱部材１３，３５を配設しているが、図４に示す特許文献２の実施例では、これらの断熱部材は省かれている。
【００３２】
以上のような図４に示される特許文献２の実施例の装置においては、液体窒素供給源２７から供給側断熱容器２１内に供給された大気圧下で飽和状態の液体窒素、すなわち７７Ｋ程度の温度の液体窒素は、その液体窒素中に浸漬された冷凍機４１の冷却ヘッド４１Ｂに接して、大気圧もしくは大気圧より若干高い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６５Ｋ程度まで温度降下され、その過冷却温度の液体窒素３３が、送液ポンプ４３によって供給側断熱容器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、冷却側断熱容器３内の底部に導かれ、超電導部材１を例えば６７〜７０Ｋ程度に冷却・保持する。また冷却側断熱容器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を介して供給側断熱容器２１へ戻る。このようにして供給側断熱容器２１へ還流された液体窒素は、冷凍機４１の冷却ヘッド４１Ｂにより再び例えば６５Ｋ程度まで大気圧下もしくは大気圧より若干高い圧力のもとで冷却（過冷却）され、前述のように送液ポンプ４３によって冷却側断熱容器３に再び送られることになる。ここまでに記載した動作は、図３に示した特許文献１の例と同様である。
【００３３】
このように図４に示される特許文献２の装置では、供給側断熱容器２１における液面３３Ａ上の空間４７および冷却側断熱容器３における液面１１Ａ上の空間１５に外部からヘリウムガスが導入されて、供給側断熱容器２１内の圧力および冷却側断熱容器３内の圧力を大気圧もしくは大気圧より若干高い圧力に維持するようになっている。
【００３４】
【特許文献１】特許第２８５９２５０号
【特許文献２】特開２００１−２８４６６５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３５】
前述のように特許文献２の実施例として示されている従来技術では、液面上に空間を残して過飽和液体窒素を収容しかつその液面上の空間に、窒素ガスよりも凝縮温度の低いガス、代表的にはヘリウムガスを導入して、そのヘリウムガスにより液面上の空間を大気圧もしくは大気圧より若干高い圧力とするようにしている。そして特許文献２の明細書中においては、ヘリウムガスはその凝縮温度が低いため、液体窒素の液面においてその液面上の気相が凝縮してしまうことが防止されると説明されている。そしてこのように液面での気相の凝縮が防止される結果、液面上のガス圧力が低下して大気圧よりも低くなり、容器の外部から大気を吸引してしまったり、また液面でのガスの凝縮により液面位置が変動して、液体窒素の液面付近での擾乱が生じることを防止できると説明されている。
【００３６】
しかしながら本発明者等が、特許文献２に示される超電導部材冷却装置の実用化のため、その試験運転等を行なったところ、供給側断熱容器２１内における冷凍機４１の冷却ヘッド４１Ｂの位置によっては、液体窒素３３の液面３３Ａにおける気相の凝縮を防止し得ない場合があることが判明した。
【００３７】
すなわち図４に示した例においては、冷凍機４１の冷却ヘッド４１Ｂは、その全体が供給側断熱容器２１内における液体窒素３３の液面３３Ａの下方に位置している。すなわち、冷却ヘッド４１Ｂはその全体が液面下に浸漬されるように配設され、その冷却ヘッド４１Ｂの上端と液面３３Ａとの間に距離が置かれている。
【００３８】
しかるにこのような位置関係とした構成で実際に運転した場合、供給側断熱容器２１内における液面３３Ａと冷却ヘッド４１Ｂの上端との間で温度勾配（正の温度勾配）が形成され、液面３３Ａの温度は液面下の冷却ヘッド４１Ｂに近い部分よりも高い温度となり、場合によっては７７Ｋ程度の温度になってしまうことを避け得ない。すなわち、液面下の冷却ヘッド４１Ｂの表面に直接的に接しているレベルの液体窒素およびそれより下方の液体窒素は、冷却ヘッド４１Ｂ表面からの伝熱冷却および対流により全体的に冷却されて、６５Ｋ程度の過冷却温度まで充分に低温となるが、液面３３Ａの上方の空間４７は外部からの熱侵入によりある程度高温となっているから、液面３３Ａの温度は、冷却ヘッド４１Ｂに接しているレベルの液体窒素よりも高温となることが避けられず、その結果液面付近の液体窒素とそれより下方の位置の液体窒素（冷却ヘッド４１Ｂが位置する部分の液体窒素）との間で正の温度勾配が生じてしまうことを避けられない。
【００３９】
また一方、図４に示される特許文献２の超電導部材冷却装置では、既に述べたように、供給側断熱容器２１の液面上の空間４７に窒素ガスよりも凝縮温度が低いガス、例えばヘリウムガスを導入して、大気圧もしくはそれより若干高い圧力を液面上空間４７に与えるようにしているが、実際の運転時においては液面３３Ａからの液体窒素の蒸発ガスによるガス（窒素ガス）も液面上空間４７に存在する。したがって液面上空間４７はヘリウムガスと窒素ガスとの混合ガスで占められることになる。そしてこの液面上空間４７の圧力を大気圧とした場合、この混合ガスのうち窒素ガスの分圧は、液面３３Ａの温度（例えば７７Ｋ）における液体窒素の飽和蒸気圧の圧力分となり、大気圧（もしくはそれより若干高い圧力）に足りない残りの分圧をヘリウムガスが負担することになる。このように液面３３Ａ上の空間４７のガスのかなりの分圧を窒素ガスが占めていることは、とりもなおさず、液面３３Ａの空間４７を窒素ガスのみで加圧している特許文献１の図３に示す技術にある程度近い状態となっていることを意味する。
【００４０】
ここで、前述のように液面３３Ａ付近とその下方との間で温度勾配が形成されていても、その温度勾配が定常的に維持されれば特に問題はないが、実際の装置運転時には、既に述べたように送液ポンプ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、液体窒素が撹拌されてしまうことがあり、その場合、液面３３Ａと冷却ヘッド４１Ｂとの間に形成されていた温度勾配が乱されて、液面（気液界面）の温度が飽和温度（約７７Ｋ）よりも低下し、それに伴って液面上空間４７に存在する混合ガス中の窒素ガスが凝縮して、液面上空間４７の窒素ガス分圧が減圧され、液面上空間４７の全体の圧力も大気圧よりも低くなってしまい、その結果供給側断熱容器２１の外部から大気が吸引されてしまうおそれがある。
【００４１】
また上述のような液面上空間４７の混合ガス気相中からの窒素ガスの凝縮によって液面位置が変動し、それに伴って液面３３と冷却ヘッド４１Ｂとの間の距離も変動して、液面３３と冷却ヘッド４１Ｂとの間の温度勾配が一定の状態に保たれなくなり、システム全体の冷却効率が不安定化してしまうおそれがある。
【００４２】
なおここで、図４に示す例の場合も、供給側断熱容器２１の液面上空間３３Ａが窒素ガスのみで満たされているわけではなく、かなりの割合をヘリウムガスが占めていることから、図３に示した特許文献１の装置のように液面上空間３３Ａを窒素ガスのみで加圧する場合と比較すれば、冷却効率の安定化が可能であると言うことができるが、いずれにしても図３に示した特許文献１の装置の問題点を根本的に解決することはできなかったのである。
【００４３】
この発明は以上の事情を背景としてなされたもので、図４に示される超電導部材冷却装置に改良を加えることにより、前述の問題を根本的に解決するようにした。すなわち、冷凍機により冷却された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、液面上に空間を残して過冷却温度の液体窒素を収容した液体窒素容器の液面上の空間に窒素ガスよりも凝縮温度の低いガス、例えばヘリウムガスを導入して、その空間を大気圧もしくは大気圧より若干高い圧力とするにあたり、運転時に液体窒素液面上の空間の気相の凝縮によりその空間が大気圧より低い圧力に減圧されて、外部から大気圧の空気を吸引してしまったり、液面の変動による作動状態の不安定化によって冷却効率が下がってしまうような事態の発生を、より確実かつ安定して防止し得るようにした超電導部材冷却装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００４４】
前述のような課題を解決するため、この発明においては、液面上に空間を残して断熱容器内に液体窒素を収容して、その液面上の空間にヘリウムガス等の窒素ガスよりも凝縮温度が低いガス、例えばヘリウムガスを導入し、その液面上空間を大気圧もしくは大気圧より若干高い圧力に加圧し、かつ断熱容器内の液体窒素を冷凍機によって冷却するにあたり、その冷凍機の冷却ヘッドの部分（伝熱部分）の全体が、液体窒素の液面下に浸漬されてしまわないようにした。言い換えれば、冷凍機の冷却ヘッドの少なくとも上部が液面上の空間に露出するか、または冷却ヘッドの全体が液面上の空間に位置するようにした。
【００４５】
そしてこれによって、液面（気液界面）の温度がそれよりも下方の部分と同等の温度（目標とする過冷却温度）となるようにして、液面とその下方との間で温度勾配が形成されないようにして、前述の課題を解決することとした。
【００４６】
具体的には、請求項１の発明は、断熱容器内に、液面上に空間を残して液体窒素を収容するとともに、その断熱容器内における液体窒素の液面上の空間に、窒素ガスよりも凝縮温度が低い低凝縮温度ガスを導入して、その空間に大気圧もしくは大気圧以上の圧力を加えた状態とし、かつ断熱容器内の液体窒素を、冷凍機によって大気圧下での過冷却温度に冷却して、その大気圧下での過冷却温度の液体窒素により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、前記冷凍機の冷却ヘッドを、その下部が前記断熱容器内の液体窒素の液面下に浸漬されかつその上部が断熱容器内の液体窒素の液面上に露出するように配置したことを特徴とするものである。
【００４７】
また請求項２の発明は、断熱容器内に、液面上に空間を残して液体窒素を収容するとともに、その断熱容器内における液体窒素の液面上の空間に、窒素ガスよりも凝縮温度が低い低凝縮温度ガスを導入して、その空間に大気圧もしくは大気圧以上の圧力を加えた状態とし、かつ断熱容器内の液体窒素を、冷凍機によって大気圧下での過冷却温度に冷却して、その大気圧下での過冷却温度の液体窒素により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、前記冷凍機の冷却ヘッドを、その全体が断熱容器内の液体窒素の液面上の空間に位置するように配置したことを特徴とするものである。
【００４８】
さらに請求項３の発明は、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側断熱容器と、前記冷却側断熱容器へ供給すべき液体窒素を収容するための大気に実質的に開放された供給側断熱容器と、前記供給側断熱容器内へ液体窒素を供給するための液体窒素供給手段と、前記供給側断熱容器内および冷却側断熱容器内における液体窒素の液面上の空間のそれぞれに、窒素ガスよりも凝縮温度の低い低凝縮温度ガスを供給して、各液面上空間を大気圧もしくは大気圧以上の圧力とするためのガス供給手段と、前記供給側断熱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、冷却ヘッドを備えた冷凍機と、前記供給側断熱容器内において大気圧下もしくは大気圧より高い圧力下で過冷却温度まで冷却された液体窒素を前記冷却側断熱容器に移送するための移送手段、とを有してなり、液面上に空間を残すように前記移送手段によって前記冷却側断熱容器内に供給された大気圧もしくは大気圧よりも高い圧力下で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超電導部材冷却装置において、前記冷凍機の冷却ヘッドを、その下部が前記供給側断熱容器内の液体窒素の液面下に浸漬されかつその上部が供給側断熱容器内の液体窒素の液面上に露出するように配置したことを特徴とするものである。
【００４９】
さらにまた請求項４の発明は、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側断熱容器と、前記冷却側断熱容器へ供給すべき液体窒素を収容するための大気に実質的に開放された供給側断熱容器と、前記供給側断熱容器内へ液体窒素を供給するための液体窒素供給手段と、前記供給側断熱容器内および冷却側断熱容器内における液体窒素の液面上の空間のそれぞれに、窒素ガスよりも凝縮温度の低い低凝縮温度ガスを供給して、各液面上空間を大気圧もしくは大気圧以上の圧力とするためのガス供給手段と、前記供給側断熱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、冷却ヘッドを備えた冷凍機と、前記供給側断熱容器内において大気圧下もしくは大気圧より高い圧力下で過冷却温度まで冷却された液体窒素を前記冷却側断熱容器に移送するための移送手段、とを有してなり、液面上に空間を残すように前記移送手段によって前記冷却側断熱容器内に供給された大気圧もしくは大気圧よりも高い圧力下で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超電導部材冷却装置において、前記冷凍機の冷却ヘッドを、その全体が供給側断熱容器内の液体窒素の液面上の空間に位置するように配置したことを特徴とするものである。
【００５０】
またさらに請求項５の発明は、請求項３もしくは請求項４に記載の超電導部材冷却装置において、前記移送手段が、供給側断熱容器内の液体窒素を汲み上げるための送液ポンプと、その送液ポンプにより汲み上げられた液体窒素を冷却側断熱容器内へ導くためのトランスファチューブとからなり、かつ冷却側断熱容器内におけるトランスファチューブの開口端が、冷却側断熱容器内の液体窒素の液面より上方に位置していることを特徴とするものである。
【００５１】
そしてまた請求項６の発明は、請求項１ないし請求項５のいずれかの請求項に記載の超電導部材の冷却装置において、前記低凝縮温度ガスとして、ヘリウムガス、ネオンガス、水素ガスのうちのいずれかを用いることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００５２】
この発明の超電導部材冷却装置においては、液面上に空間を残して液体窒素を断熱容器（請求項１、請求項２で規定する“断熱容器”、請求項３、請求項４で規定する“供給側断熱容器”）に収容しかつその液面上の空間に窒素ガスよりも凝縮温度の低い低凝縮温度ガス、例えばヘリウムガスを導入して液面上空間を大気圧もしくは大気圧以上の圧力とした状態で、液体窒素を冷凍機によって大気圧下での過冷却温度に冷却・維持するにあたって、冷凍機の冷却ヘッドを、その上部が液面上の空間に露出する（請求項１、請求項３）か、または冷却ヘッド全体が液面上の空間に位置する（請求項２、請求項４）ように配置しているため、液面上の空間に存在する気相中の窒素ガスは、冷却ヘッドの表面温度と同等となり、また液面（すなわち気液界面）の温度も、冷却ヘッドの表面温度と同等の温度（目標とする大気圧下での過冷却温度）となる。そして液面の下方では、液面からの伝熱および対流により液面とほぼ同等の温度（目標とする大気圧下での過冷却温度）となる。したがって液面付近の液体窒素とその下方の位置の液体窒素との間で温度勾配が実質的に形成されないことになるか、または仮に若干の温度勾配が形成されたとしても、図３、図４の従来技術の場合とは逆の負の温度勾配が形成されるだけである。したがって送液ポンプの作動状況の変動や熱負荷の変動などの何らかの擾乱によって、たとえ液面近傍の液体窒素と、下方の部分の液体窒素とが撹拌、対流されても、液面のもともとの温度よりも低温の液体窒素が気液界面に現れてしまうことがないため、液面における窒素ガスの凝縮に起因する減圧も生じず、そのため容器の外部から大気圧の空気が容器内へ吸引されてしまうような危険も生じず、また液面位置も安定化するため、液面位置の変動に起因する冷却効率の低下も回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５３】
【実施例】
【００５４】
図１にこの発明の実施例の超電導部材冷却装置の第１の例、すなわち請求項１および請求項３に対応する例を示す。なお図１において、図４に示した従来技術と同一の要素については同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００５５】
図１において、供給側断熱容器２１には、ＧＭ冷凍機（ギフォード・マクマホン冷凍機）で代表される小型極低温冷凍機（以下単に“冷凍機”と記す）４１が設けられており、この冷凍機４１の冷却ヘッド（伝熱部）４１Ｂは、その上部４１Ｂａが供給側断熱容器２１内における液体窒素３３の液面３３Ａの上方の空間４７に露呈されており、下部４１Ｂｂが液面３３Ａの下方の液体窒素３３中に浸漬されている。また供給側断熱容器２１内の液面下から送液ポンプ４３によって大気圧下での過冷却温度の液体窒素を冷却側断熱容器３へ送るためのトランスファチューブ４５の先端（冷却側断熱容器３内の開口端）４５Ａは、冷却側断熱容器３内における液体窒素１１の液面１１Ａよりも上方の位置で開口している。
【００５６】
以上の構成のほかは図４に示した従来技術と同様である。なお図１に示す実施例の供給側断熱容器２１は、請求項１において規定している断熱容器に相当する。
【００５７】
以上のような図１に示す超電導部材冷却装置の全体的な運転状況は、図４に示した従来技術とほぼ同様であり、これを概略的に説明すれば、次の通りである。
【００５８】
液体窒素供給手段６３の液体窒素供給源２７から供給側断熱容器２１に供給された例えば７７Ｋ程度の液体窒素は、供給側断熱容器２１内において、冷凍機４１の冷却ヘッド４１Ｂの下部４１Ｂｂに接して、大気圧もしくは大気圧より若干高い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６５Ｋ程度の過冷却温度まで温度降下される。
【００５９】
このようにして過冷却温度に冷却された大気圧もしくは大気圧より若干高い圧力の液体窒素３３は、送液ポンプ４３によって供給側断熱容器２１の底部付近からトランスファチューブ４５を経て、大気に実質的に開放された冷却側断熱容器３内に導かれる。そして冷却側断熱容器３内に導かれた過冷却状態の液体窒素１１により、冷却側断熱容器３内において超電導部材１が例えば６７〜７０Ｋ程度に冷却・保持される。また冷却側断熱容器３内において超電導部材１からの熱や外部からの侵入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を介して供給側断熱容器２１へ戻る。このようにして供給側断熱容器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６５Ｋ程度まで大気圧もしくは大気圧より若干高い圧力のもとで冷却され、前述のように送液ポンプ４３によって冷却側断熱容器３に再び送られることになる。
【００６０】
ここで、供給側断熱容器２１内における液体窒素３３の液面３３Ａの上方の空間４７、および冷却側断熱容器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、窒素ガスよりも凝縮温度が低い低凝縮温度ガスとしてのヘリウムガスが、ガス供給管７３Ａ，７３Ｂ，７３Ｃを介して導入されて、液面上空間４７，１５は、いずれも大気圧もしくは大気圧より若干高い圧力とされる。
【００６１】
なお以上の説明において、“大気圧もしくは大気圧より若干高い圧力”とは、実際上は既に図３に関して述べたように、実際上は大気圧〜大気圧＋１０ｋＰａ程度の範囲内であり、実質的に大気圧とみなして差し支えないから、以下の説明では煩雑化を避けるため、大気圧よりも若干高い圧力の場合も含めて、一律に“大気圧”と記すこととする。
【００６２】
ところで、供給側断熱容器２１、冷却側断熱容器３の液面上の空間４７，１５には、各断熱容器２１，３内の液体窒素からの蒸発ガス（窒素ガス）も含まれるから、これらの空間４７，１５にはヘリウムガスと窒素ガスとの混合ガスが存在することになる。そして空間４７，１５に導入するヘリウムガスは、その空間４７，１５に加えるべき圧力（大気圧）から窒素ガスの分圧を差し引いた残りの圧力を分圧として負担することになる。
【００６３】
一方、図１の装置では、供給側断熱容器２１内において液体窒素３３を大気圧下での過冷却温度（例えば６５Ｋ）に冷却するための冷凍機４１の冷却ヘッド４１Ｂは、その上部４１Ｂａが液面３３Ａの上方に露出しているから、液面３３Ａ付近の液体窒素も冷却ヘッド４１Ｂの表面に接していることになる。そのため供給側断熱容器２１内の液体窒素３３は、液面付近でも、冷却ヘッド４１Ｂの表面温度と同等もしくはそれに近い温度、すなわち目標とする大気圧下での過冷却温度（例えば６５Ｋ）に冷却・保持される。一方、供給側断熱容器２１内の液体窒素３３の液面下の底部では、冷却側断熱容器３内から還流管１７を経て若干高温（例えば７０Ｋ）となった液体窒素が還流されるため、前述の目標とする過冷却温度（例えば６５Ｋ）よりも高温となる傾向を示すが、液面３３Ａ付近の６５Ｋ程度の液体窒素との熱伝導や対流によって６５Ｋに近い目標温度に冷却・維持されるようになる。このようにして液面付近の液体窒素の温度とその下方の位置における液体窒素の温度は実質的に同等となる。言い換えれば、液面付近の温度よりも液面より下方の位置の温度が低くなるような温度勾配が実質的に生じないことになる。
【００６４】
なおここで、上述のように冷却側断熱容器３からの高温の液体窒素の還流により供給側断熱容器２１の液面よりも下方の位置の温度が若干高温となって、液面３３Ａ付近とその下方の位置との間で仮に若干の温度勾配が生じたとしても、その温度勾配は図３、図４に示した各従来技術の場合（液面付近より下部が低温）とは全く逆の負の温度勾配であるから、この発明において解決しようとしている課題に対して特に悪影響を与えない。
【００６５】
さらに、前述の如く冷凍機４１の冷却ヘッド４１Ｂはその上部４１Ｂａが液面３３Ａの上方の空間４７に露呈しているため、液面上空間４７に存在する大気圧の混合ガスも冷却ヘッド４１Ｂに常時直接接する状態となっている。そのため液面上空間４７の混合ガスも冷却ヘッド４１Ｂの表面温度とほぼ同等の温度（例えば６５Ｋ）となる。そして液面上空間４７に存在する混合ガス中の窒素ガス分圧は、その温度（６５Ｋ）における飽和蒸気圧となり、大気圧に足りない分の圧力を前述のようにヘリウムガスが負担することになる。ちなみに上述の例のように６５Ｋであれば、窒素ガスの飽和蒸気圧は１７．５ｋＰａであるから、大気圧に足りない残りの８３．８ｋＰａの分圧をヘリウムガスが負担することになる。
【００６６】
以上のようにして、供給側断熱容器２１内においては、液体窒素３３の液面３３Ａ付近の液体窒素温度と液面上空間４７のガス温度は同等（冷却ヘッド４１Ｂの表面温度と同等の例えば６５Ｋ）となって、その空間４７内の混合ガス中の窒素ガス分圧は液面３３Ａの温度（６５Ｋ）における飽和蒸気圧となり、その状態で定常状態を保つ。そして既に述べたように供給側断熱容器２１内の液体窒素３３は、液面３３Ａ付近とその下方の位置との間で温度勾配が実質的に存在せず、実質的に均一な温度の過冷却液体窒素となっているか、または仮に若干の温度勾配が生じたとしてもそれは負の温度勾配となる。したがって仮に送液ポンプ４３の作動状況の変化、熱負荷の変動の擾乱によって供給側断熱容器２１内の液体窒素が撹拌されて、液面付近よりも下方の液体窒素が液面にあらわれたとしても、液面温度（６５Ｋ）自体は変化しないため、液面温度の低下に伴う液面上空間４７内の混合ガス中の窒素ガスの凝縮は特に生じることがなく、その温度（６５Ｋ）での飽和蒸気圧を保つ。換言すれば、液面付近の擾乱が生じても、窒素ガスの凝縮に起因する減圧は生じないことになる。
【００６７】
さらに図１の装置において、冷却側断熱容器３内におけるトランスファチューブ４５の開口端４５Ａは、液体窒素１１の液面１１Ａよりも上方に位置しているから、供給側断熱容器２１から送液ポンプ４３により冷却側断熱容器３の側へ送られてきた大気圧下での過冷却温度（例えば６５Ｋ）の液体窒素は、一旦は液面１１Ａ上の空間１５に放出されてから液面１１Ａに至ることになる。そのため液面上空間１５内の混合ガスもほぼ同じ温度（例えば６５Ｋ）となる。そしてさらに、図４に示した従来技術（トランスファチューブ４５の開口端が液体窒素１１の液面下の底部付近に位置している）の場合とは異なり、液面１１Ａ付近の液体窒素温度と底部付近の液体窒素温度とはほぼ同等となり、その間で温度勾配が生じないことになるか、または少なくとも液面１１Ａ付近の温度が液面１１Ａよりも下方の位置の温度よりも高温となること（正の温度勾配が生じること）を避けることができる。
【００６８】
このように冷却側断熱容器３においても、液面上空間１５における気相温度と、液面１１Ａの温度はほぼ同等となって、液面上空間１５の混合ガス気相中の窒素ガス分圧は、その温度での飽和蒸気圧で安定した状態となり、また液面１１Ａと底部との間で温度勾配が実質的に生じない（あるいは仮に温度勾配が生じても、図３、図４の場合とは逆に負の温度勾配となる）ため、供給側断熱容器２１について述べたと同様に、冷却側断熱容器３においても何らかの擾乱により液面に低温の液体窒素があらわれて窒素ガスが凝縮し、減圧が生じてしまうことを未然に防止できる。
【００６９】
図２には、この発明の超電導部材冷却装置の第２例、すなわち請求項２および請求項４に対応する例を示す。
【００７０】
図２において、図１に示す装置と異なる点は、供給側断熱容器２１内における冷凍機４１の冷却ヘッド４１Ｂの位置である。すなわち図２の装置において、冷却ヘッド４１Ｂはその全体が供給側断熱容器２１内の液体窒素３３の液面３３Ａよりも上方に位置している。その他の構成は図１の例と全く同様である。
【００７１】
図２に示される例においては、供給側容器２１内における液面上空間３３Ａ上の空間４７に存在する混合ガス気相中の窒素ガスは常に冷却ヘッド４１Ｂの表面に直接接しているから、液面上空間４７の混合ガス気相の温度は冷却ヘッド４１Ｂの表面温度（例えば６５Ｋ）と同等となり、その液面上空間４７の混合ガス気相中の窒素ガスの分圧は、その温度（６５Ｋ）における飽和蒸気圧となって、空間４７に加えておくべき大気圧からその窒素ガス分圧（６５Ｋにおける窒素ガスの飽和蒸気圧）を差し引いた残の分圧をヘリウムガスが負担することになる。
【００７２】
一方、供給側断熱容器２１内の液体窒素３３は、直接的には冷却ヘッド４１Ｂに接していないが、その液面３３Ａは前述のような液面上空間４７の混合ガス気相中の窒素ガス飽和蒸気と接しているため、定常運転状態ではその飽和蒸気圧に対応する液温度、すなわち冷却ヘッド４１の表面温度と同等な温度（６５Ｋ）となる。そしてまた既に述べたように液面上空間４７には大気圧が加えられているため、液面下の液体窒素は大気圧下での過冷却温度になる。
【００７３】
この点についてより詳細に説明すれば、供給側断熱容器２１内の液面下には、冷却側断熱容器３から還流管１７を経て若干高温（例えば７０Ｋ）となった液体窒素が還流されるから、供給側断熱容器２１内の液面下の液体窒素温度は目標とする温度（例えば６５Ｋ）よりも高温となる傾向を示すが、それに伴って液面３３Ａの温度が上昇する傾向となれば、液面（気液界面）３３Ａでの飽和蒸気圧が高くなって、液面３３Ａからの液体窒素の蒸発が進行し、液面上空間４７における窒素ガス分圧が高くなる傾向を示す。一方液面上空間４７の気相（混合ガス）は常に冷却ヘッド４１Ｂの表面に接しているから、冷却ヘッド４１Ｂの表面温度（６５Ｋ）における飽和蒸気圧に下がるまで液面上空間４７の気相中の窒素ガスが冷却ヘッド４１Ｂ表面で凝縮して液化し、その凝縮した６５Ｋの液体窒素は冷却ヘッド４１Ｂから液面３３Ａに滴下して、液面３３Ａの温度を６５Ｋに維持するに寄与する。またこれに伴い、液面上空間４７の気相中の窒素ガス分圧は、結果的に冷却ヘッド４１Ｂの表面温度（６５Ｋ）における飽和蒸気圧に維持され、また液面上空間４７の気相温度が６５Ｋに維持されることになる。このように、液面３３Ａの下方から液体窒素温度が上昇する傾向が与えられても、結果的に液面３３Ａは６５Ｋに維持される。そして液面３３Ａの下方の液体窒素温度も、対流によって６５Ｋ近くの温度に冷却・維持されることになる。
【００７４】
以上のように、図２の実施例の装置の場合も、供給側断熱容器２１内の液体窒素３３は、液面３３Ａの付近の温度がそれより下方の位置の部分の温度よりも高くなるような温度勾配、すなわち正の温度勾配は生じることがなく、温度勾配が実質的にないか、または仮に温度勾配が生じたとしても、液面付近の温度が液面下方の位置の温度よりも低くなる負の温度勾配が若干生じるに過ぎない。そのため、図１に示した第１の実施例の場合と同様に、何らかの擾乱により液面３３Ａに本来の定常状態での液面温度よりも低温の液体窒素があらわれて液面温度が低下してしまうようなことがなく、したがって液面で窒素ガスの凝縮が生じ、液面上空間４７が減圧されてしまうことを未然に防止できる。
【００７５】
なお図２に示される第２の実施例では、供給側断熱容器２１内における液体窒素の冷却は、主として冷却ヘッド４１Ｂ表面において液面上空間４７内の混合ガス気相中の窒素ガスが凝縮することによって行なわれる。すなわち、主に凝縮熱伝達によって冷却されることになる。一方既に述べた図１に示す第１の実施例の場合における供給側断熱容器２１内での液体窒素の冷却は、冷却ヘッド４１Ｂの下部４１Ｂｂの表面と液体窒素との間の熱伝導および対流によってなされる。
【００７６】
ここで、凝縮熱伝達は、伝導熱伝達、対流熱伝達と比較して伝熱能力が著しく（２桁以上）大きいから、図２に示す実施例の装置では、冷却ヘッド４１Ｂによる冷却効率が図１に示す実施例１の装置の場合よりも格段に大きい。したがって第２の実施例の装置の場合は、冷却ヘッド４１Ｂの伝熱面積が小さくて済み、冷却ヘッド４１Ｂを小型化することが可能となる。実際の装置では、供給側断熱容器２１の液面上空間４７にはいくつもの配管や測定用配線、制御配線等が通っているため、液面上空間４７内の空きスペースはかなり狭く、そのため冷却ヘッド４１Ｂを小型化し得ることは、実際の装置では極めて有利となる。
【００７７】
なお図２に示す第２の実施例において、冷却側断熱容器３の側の状況については図１に示した第１の実施例の場合と全く同じであるから、その説明は省略する。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【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】特許文献１に示される先行技術による超電導部材冷却装置を示す略解図である。
【図４】特許文献２に示される先行技術による超電導部材冷却装置を示す略解図である。
【符号の説明】
【００７９】
１  超電導部材
３  冷却側断熱容器
１１  液体窒素
１１Ａ  液面
１５  液面上の空間
２１  供給側断熱容器
３３  液体窒素
３３Ａ  液面上の空間
４１  冷凍機
４１Ｂ  冷却ヘッド
４１Ｂａ  冷却ヘッドの上部
４１Ｂｂ  冷却ヘッドの下部
４３  送液ポンプ
４５  トランスファチューブ
４５Ａ  開口端
４７  液面上空間
７１  ヘリウムガス供給源
【図１】
2005183440.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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