(57)【要約】【課題】超電導装置において、気泡消滅機能を高くし、容器構成物の肉厚を減少し、絶縁耐力の低下および絶縁破壊等を防止し、構成コンパクト化および重量軽減等を図る。【解決手段】超電導体１１が常電導化した場合の発熱によって生じる気泡ａを消滅させる気泡消滅手段として、容器内部または外部に、冷媒中における超電導体の上方に配置された多孔質材または下向き開放の容器等を備える。【選択図】  図１
2007273740.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
断熱容器で囲まれた冷媒容器内に冷媒を収容し、前記冷媒中に超電導体を浸漬して冷却する超電導装置において、前記超電導体が常電導化した場合の発熱によって生じる気泡を消滅させる気泡消滅手段を設けたことを特徴とする超電導装置。
【請求項２】
前記気泡消滅手段は前記冷媒容器の外部に設けられたバッファ容器であり、このバッファ容器は前記冷媒容器にガス排出用配管を介して接続されている請求項１記載の超電導装置。
【請求項３】
前記気泡消滅手段は、前記冷媒容器内の冷媒中における前記超電導体の上方に配置された多孔質材である請求項１記載の超電導装置。
【請求項４】
前記気泡消滅手段は、前記冷媒容器内の冷媒中における前記超電導体の上方に配置された下向き開放の容器である請求項１記載の超電導装置。
【請求項５】
前記気泡消滅手段は、前記冷媒中に配置され、生成した気泡の上昇を妨げるバッフル板である請求項１記載の超電導装置。
【請求項６】
前記気泡消滅手段は、前記冷媒容器と前記断熱容器壁との間に設けられたガスバッファ層である請求項１記載の超電導装置。
【請求項７】
前記気泡消滅手段は、前記冷媒容器内に設けられた冷凍機である請求項１記載の超電導装置。
【請求項８】
前記気泡消滅手段は、前記冷媒容器内の上部における冷媒と気体との境界面部の断面積を前記冷媒容器下部の断面積よりも小さくした構成である請求項１記載の超電導装置。
【請求項９】
請求項２ないし請求項８記載の気泡消滅手段を２以上備えた請求項１記載の超電導装置。
【請求項１０】
一つの冷媒容器の中に限流素子となる三相分の超電導体が収納され、超電導コイルに繋がる３対の電流リードがクライオスタットの上部フランジの中心軸に対して非対称配置で片側配置とされ、かつ冷凍機ヘッドが電流リード群と反対側に配置されて超電導限流装置が構成されている請求項１記載の超電導装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力系統に接続されて事故時に系統に流れる短絡電流を所定値以下に抑制するための超電導限流装置等に適用される超電導装置に係り、特に冷媒によって冷却される超電導コイルまたは超電導素子等の超電導体を有する超電導装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電機抵抗がゼロで、大電流を流すことができる超電導技術が開発され、電流応用、産業応用など様々な応用に向けた開発が進められている。特に、１９８６年に高温超電導の出現以来、液体窒素温度である７７．３５Ｋでの実用化が期待されている。変圧器、電力用ケーブルおよび限流器など一部の超電導応用では、確かに液体窒素温度での機器として実証が試験的に示されている。
【０００３】
図２０は、液体窒素のような冷媒で冷却される超電導コイルまたは超電導素子を有する超電導装置を対象とする場合の従来技術を示している。この図２０に示すように、超電導コイルあるいは超電導素子等の超電導体１は、液体窒素などの冷媒２に浸漬して冷却されている。冷媒容器３は、室温下で設置される断熱容器５中に真空などの断熱空間４を介して配置されている。冷媒容器３には、冷媒の注入用配管７と排出用配管８とが設けられ、これらの配管７，８にはそれぞれ流量調整用のバルブ７ａ，８ａが設けられている。また、超電導コイル１を常温側に配置される電源あるいは電力系統と接続するため、電流リード６が設けられている。
【０００４】
このような構成を適用した超電導応用機器は、一般に超電導コイルを超電導状態で使用するので、冷媒の蒸発は大きな問題とはならない。しかしながら、例えば想定値を超える電流が何かの理由で流れ、超電導状態が破れたとき、すなわち常電導化した場合には、超電導コイルが多大な発熱を生じ、冷媒の蒸発に繋がる。さらに、例えば電力系統に接続されて事故時に系統に流れる短絡電流を所定値以下に抑制するための超電導限流装置の場合には、常電導化は本来の機能に基づく現象であり、開放状態の場合には、冷媒を大気に開放することになる。したがって、次回の運転のために冷媒を継ぎ足すメンテナンスが必要となる。
【０００５】
排出口を閉じて容器を密閉状態とした場合には、別の問題が生じる。すなわち、蒸発ガスを容器内に閉じ込めることにより圧力が上昇することから、容器の耐圧力構成が必要となり、容器の重量化を招く。また、容器を構成する部材の肉厚を大きくするため、冷媒容器への熱侵入が増加する。さらに、排出口が開放状態および閉塞状態のいずれの場合においても、気泡生成による超電導コイルと冷媒容器の間の耐電圧低下により、気泡生成自体が問題となる場合もある。また、超電導コイル内のターン間および層間の耐電圧低下の懸念も想定される。
【０００６】
このことから、従来では密閉容器内に冷媒冷却手段を設け、かつ密閉容器内に圧力を増大させて冷媒からの気泡発生を抑制する構成が提案されている（例えば特許文献１参照）。また、外槽と内槽との間の空間を真空とし、内装に冷媒注入部、圧力調整部、ガス排出部、冷凍装置および断熱部を備える構成が提案されている（例えば特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平４−１９３０２４号公報
【特許文献２】特開２００２−５５５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように、液体窒素等の冷媒中に冷却される超電導コイルや超電導素子は、常電導転移の際に多大な蒸発ガスによる気泡の発生が問題となる。特に抵抗型の超電導限流器の場合、その機能である限流動作の度に冷媒が蒸発し、冷媒蒸発に伴い、下記の問題が生じる。
【０００８】
第１の問題は、冷媒蒸発で低減した液面を補うため、冷媒の再供給作業のメンテナンスが必要となることである。このメンテナンスの問題は単に煩雑さだけでなく、メンテナンスの際に作業員が装置に近づくために限流器運転を一時停止する必要があり、運転停止している間は限流器で保護されるべき系統や機器が保護状態でなくなる問題もある。従来技術のように、容器を封じ切り、蒸発ガスを閉じこめることは容器外部に冷媒を排出させない一つの案である。しかしながら、蒸発した冷媒を閉じこめるためには、容器の耐圧力仕様を増加させる必要がある。すなわち、容器構成物（容器壁）の肉厚を大きく取る必要が生じる。容器壁は、室温部から低温部へ繋がっている構成なので、肉厚を大きくすることは、室温端から低温端への熱伝導による熱侵入を増加させることになる。熱伝導による熱侵入は、容器壁の断面積、すなわち容器壁肉厚に比例するからである。
【０００９】
第２の問題として、気泡生成による耐電圧低下が挙げられる。特に、液体窒素は良好な絶縁媒体であるが、ガス化することで絶縁耐力が著しく低下する。抵抗型限流器は、超電導線の常電導転移を前提とする機器であり、常電導転移時に液体がガス化することで絶縁耐力が低下し、絶縁破壊を引き起こすことが問題となる。また、容器外部に冷媒を排出させる構成では、限流動作の度に液面が低下し、次の限流動作の際に絶縁破壊する可能性を増大させる。容器内部がガス状態になっても絶縁破壊しないように、ガス状態での絶縁特性をベースに容器設計し、充分に長い絶縁距離を確保すれば、絶縁破壊の問題は軽減される。しかし、この場合には装置のサイズ増大、重量増大を招くことになり、サイズ面でユーザー要求仕様を満たすことができなくなる。
【００１０】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、気泡消滅機能が高く、冷媒再供給を不要または大幅抑制可能であり、しかも容器構成物の肉厚を減少することができ、かつ絶縁耐力の低下および絶縁破壊等を防止することができ、さらに構成のコンパクト化および重量軽減等が図れる超電導装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記の目的を達成するため、本発明に係る超電導装置では、断熱容器で囲まれた冷媒容器内に冷媒を収容し、冷媒中に超電導体を浸漬して冷却する超電導装置において、超電導体が常電導化した場合の発熱によって生じる気泡を消滅させる気泡消滅手段を設けた超電導装置を提供する。そして、望ましい構成として、気泡消滅手段は冷媒容器の内部に設けられ、または冷媒容器の外部にガス排出用配管を介して接続され、冷媒容器内の冷媒中における超電導体の上方に配置された多孔質材または下向き開放の容器等を備えた構成とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、気泡消滅機能が高まり、冷媒減少を防止または抑制することができ、容器内圧力上昇を抑制して容器構成物の肉厚を減少することができ、絶縁耐力の低下および絶縁破壊等を防止でき、さらに構成コンパクト化および重量軽減等が図れる等の効果が奏される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明に係る超電導装置の実施形態ついて、図１〜図１９を参照して説明する。
【００１４】
［第１実施形態（図１）］
図１は、本発明の第１実施形態による超電導装置を示す縦断面図である。図１に示すように、本実施形態では、断熱容器１５で囲まれた冷媒容器１３内に冷媒１２を収容し、冷媒１２中に超電導体１１を浸漬して冷却する超電導限流器であって、超電導体１１が常電導化した場合の発熱によって生じる気泡ａを消滅させる気泡消滅手段を、冷媒容器１３の外部にガス排出用配管１８を介して接続されたバッファ容器２０とした構成について説明する。ここで、超電導体１１とは超電導コイルまたは超電導素子を示す。本実施形態および以下の各実施形態では、超電導体１１を超電導コイル１１として説明する。
【００１５】
超電導コイル１１は、冷媒容器１３内に収容された液体窒素などの冷媒１２中に浸漬して冷却される。冷媒容器１３は例えば上面が開口した円筒状をなし、この冷媒容器１３の外周および下部が断熱容器１５により被覆されている。冷媒容器１３および断熱容器１５の間には空隙が設けられ、この空隙は真空または断熱材充填等により、断熱空間１４として形成されている。冷媒容器１３および断熱容器１５の上端開口部、および断熱空間１４の上端開口部は、断熱材製の蓋体１５ａによって密閉され、例えば常温の室内等に設置される。
【００１６】
冷媒容器１３の蓋体１５ａには、冷媒１２を注入するための注入用配管１７が挿通されている。この冷媒注入用配管１７には、絞り装置としてのバルブ１７ａが取付けられている。また、超電導コイル１１を常温側に置かれる電源あるいは電力系統と接続するため、電流リード１６が蓋体１５を貫通して冷媒容器１３内に挿入されており、電流リード１６の先端は超電導コイル１１に接続されている。
【００１７】
また、冷媒容器１３の外部には、気泡消滅手段として、密閉型のバッファ容器２０が配置されており、これら冷媒容器１３とバッファ容器２０とは、ガス排出用配管１８を介して接続されている。すなわち、冷媒容器１３内の冷媒１２の上方空間にガス排出用配管１８の一端の開口（ガス導入口）１９ａが挿入配置され、ガス排出用配管１８の途中部分には絞り部としてのバルブ１８ａが設けられ、ガス排出用配管１８の他端の開口（ガス排出口）１９ｂがバッファ容器２０内に配置されている。
【００１８】
このような構成において、超電導コイル１１の常電導化による発熱に伴って冷媒容器１３内で冷媒１２が蒸発し、これに伴って気泡ａが発生した場合には、冷媒容器１３内における冷媒１２の上方空間にガスとして放出される。このガスはガス排出用配管１８の一端の導入口１９ａから導入され、管途中部分の絞り部としてのバルブ１８ａを介してバッファ容器２０側に圧力差により流動し、ガス排出用配管１８の他端の排出口１９ｂからバッファ容器２０内に排出される。
【００１９】
この場合、冷媒容器１３およびバッファ容器２０等からなる超電導装置全体の内部は大気開放されていないため、冷媒１２は大気開放されずに装置中に閉じ込められることになるが、冷媒容器１３の外部に設けられたバッファ容器２０の内部空間が一定容量のバッファ空間として機能するため、冷媒容器１３内では圧力上昇が抑制される。
【００２０】
また、バルブ１８ａの絞り部効果であるガス流通時に生ずる圧力損失の影響で、冷媒容器１３側の圧力がバッファ容器２０側に比べて高くなる。このため、気泡生成が続くにつれて、冷媒温度が圧力で決まる飽和温度よりも低くなり、気泡抑制効果が現れる。
【００２１】
このように、本実施形態によると、気泡消滅機能が高まり、冷媒減少を防止または抑制することができ、冷媒容器１３内の圧力上昇を抑制して容器構成物の肉厚を減少することができ、かつ絶縁耐力の低下および絶縁破壊等の防止が図れる。さらに、構成コンパクト化および重量軽減等も図れる。
【００２２】
［第２実施形態（図２）］
図２は、本発明の第２実施形態による超電導装置を示す縦断面図である。図２に示すように、本実施形態では、上述の第１実施形態の構成に加え、第２の気泡消滅手段として冷媒容器１３内に冷凍機２１を備えた超電導限流器について説明する。なお、第１実施形態と共通な構成部分については、図２に図１と同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００２３】
図２に示すように、本実施形態では、超電導コイル１１が冷媒容器１３内に収容された液体窒素などの冷媒１２中に浸漬して冷却される点で第１実施形態と同様であるが、これに加えて冷媒容器１３内に冷凍機２１が設けられている。この冷凍機２１は極低温冷凍機であり、例えば蓋体１５ａの上面に搭載された冷凍機ヘッド２１ａと、蓋体１５ａの下方に吊下げ状態で設けられた冷媒機ヘッドの冷却ステージ２１ｂとを備えている。そして、冷却ステージ２１ｂが冷媒１２中に浸漬され、冷媒を再冷却できる構成となっている。なお、冷凍機２１は例えば冷媒容器１３における超電導コイル１１から斜め上方に離間した位置に設置され、図２に矢印ｂで示すように、冷媒容器１３内での冷媒１２の対流を促進する構成となっている。
【００２４】
このような構成において、超電導コイル１１の常電導化による発熱に伴って冷媒容器１３内で冷媒１２が蒸発し、これに伴って気泡ａが発生した場合には、冷媒容器１３内における冷媒１２の上方空間にガスとして放出される。このガスはガス排出用配管１８の一端の導入口１９ａから導入され、管途中部分の絞り部としてのバルブ１８ａを介してバッファ容器２０側に圧力差により流動し、ガス排出用配管１８の他端の排出口１９ｂからバッファ容器２０内に排出される。
【００２５】
この場合、冷媒容器１３およびバッファ容器２０等からなる超電導装置全体の内部は大気開放されていないため、冷媒１２は大気開放されずに装置中に閉じ込められることになるが、冷媒容器１３の外部に設けられたバッファ容器２０の内部空間が一定容量のバッファ空間として機能するため、冷媒容器１３内では圧力上昇が抑制される。
【００２６】
また、バルブ１８ａの絞り部効果であるガス流通時に生ずる圧力損失の影響で、冷媒容器１３側の圧力がバッファ容器２０側に比べて高くなる。このため、気泡生成が続くにつれて、冷媒温度が圧力で決まる飽和温度よりも低くなり、気泡抑制効果が現れる。
【００２７】
さらに、本実施形態では冷凍機２１の駆動により冷媒１２を再凝縮させることができる。したがって、気泡消滅機能を一層高めることができ、これにより冷媒の再供給作業のメンテナンスが不要となる。
【００２８】
よって、冷媒減少を一層効果的に防止または抑制することができ、冷媒容器１３内の圧力上昇を抑制して容器構成物の肉厚を減少する効果、絶縁耐力の低下および絶縁破壊等の防止効果、さらに構成コンパクト化および重量軽減等の効果がより向上する。
【００２９】
［第３実施形態（図３）］
図３は、本発明の第３実施形態による超電導装置を示す縦断面図である。図３に示すように、本実施形態では、断熱容器１５で囲まれた冷媒容器１３内に冷媒１２を収容し、冷媒１２中に超電導体１１を浸漬して冷却する超電導限流器であって、超電導体１１が常電導化した場合の発熱によって生じる気泡ａを消滅させる気泡消滅手段２２を冷媒容器１３の内部に設けた構成について説明する。
【００３０】
超電導コイル１１は、冷媒容器１３内に収容された液体窒素などの冷媒１２中に浸漬して冷却される。冷媒容器１３は例えば上面が開口した円筒状をなし、この冷媒容器１３の外周および下部が断熱容器１５により被覆されている。冷媒容器１３および断熱容器１５の間には空隙が設けられ、この空隙は真空または断熱材充填等により、断熱空間１４として形成されている。冷媒容器１３および断熱容器１５の上端開口部、および断熱空間１４の上端開口部は、断熱材製の蓋体１５ａによって密閉され、例えば常温の室内等に設置される。
【００３１】
冷媒容器１３の蓋体１５ａには、冷媒１２を注入するための注入用配管１７が挿通されている。この冷媒注入用配管１７には、絞り装置としてのバルブ１７ａが取付けられている。また、超電導コイル１１を常温側に置かれる電源あるいは電力系統と接続するため、電流リード１６が蓋体１５を貫通して冷媒容器１３内に挿入されており、電流リード１６の先端は超電導コイル１１に接続されている。
【００３２】
冷媒容器１３の内部に設けられる気泡消滅手段２２は、冷媒容器１３内の冷媒１２中における超電導コイル１１の上方空間を覆うカバーとして構成されている。この気泡消滅手段２２は例えば水平な板状をなしており、冷媒１２の液面より少し低い位置に図示省略の支持部材によって固定支持されている。
【００３３】
そして、超電導コイル１１の常電導化による発熱に伴う冷媒蒸発によって気泡ａが発生し、この気泡ａが超電導コイル１１の上方に向って上昇した場合、気泡ａは気泡消滅手段２２に当接または浸透して保持され、この保持状態下で気泡ａが周囲の冷媒１２との熱交換、圧力等を受けて自然消滅する。
【００３４】
したがって、本実施形態によれば、冷媒１２を冷媒容器１３内に保持したままで気泡ａを自然消滅させることができ、冷媒容器１３内の圧力上昇を抑制して容器構成物の肉厚を減少し、絶縁耐力の低下および絶縁破壊等を防止することができ、さらに冷媒容器１３を部品数の少ないコンパクトな構成とすることができ、重量軽減等も効率よく図ることができる。
【００３５】
［第４実施形態（図４）］
図４は、本発明の第４実施形態による超電導装置を示す縦断面図である。図４に示すように、本実施形態では、断熱容器１５で囲まれた冷媒容器１３内に冷媒１２を収容し、冷媒１２中に超電導体１１を浸漬して冷却する超電導限流器であって、超電導体１１が常電導化した場合の発熱によって生じる気泡ａを消滅させる気泡消滅手段が、冷媒容器１３内の冷媒１２中における超電導体１１の上方に配置された下向き開放容器２３とされた構成について説明する。
【００３６】
超電導コイル１１は、冷媒容器１３内に収容された液体窒素などの冷媒１２中に浸漬して冷却される。冷媒容器１３は例えば上面が開口した円筒状をなし、この冷媒容器１３の外周および下部が断熱容器１５により被覆されている。冷媒容器１３および断熱容器１５の間には空隙が設けられ、この空隙は真空または断熱材充填等により、断熱空間１４として形成されている。冷媒容器１３および断熱容器１５の上端開口部、および断熱空間１４の上端開口部は、断熱材製の蓋体１５ａによって密閉され、例えば常温の室内等に設置される。
【００３７】
冷媒容器１３の蓋体１５ａには、冷媒１２を注入するための注入用配管１７が挿通されている。この冷媒注入用配管１７には、絞り装置としてのバルブ１７ａが取付けられている。また、超電導コイル１１を常温側に置かれる電源あるいは電力系統と接続するため、電流リード１６が蓋体１５を貫通して冷媒容器１３内に挿入されており、電流リード１６の先端は超電導コイル１１に接続されている。
【００３８】
冷媒容器１３の蓋体１５ａには、冷媒１２を注入するための注入用配管１７が挿通されている。この冷媒注入用配管１７には、絞り装置としてのバルブ１７ａが取付けられている。また、超電導コイル１１を常温側に置かれる電源あるいは電力系統と接続するため、電流リード１６が蓋体１５を貫通して冷媒容器１３内に挿入されており、電流リード１６の先端は超電導コイル１１に接続されている。
【００３９】
冷媒容器１３の内部に設けられる下向き開放容器２３は、冷媒容器１３内の冷媒１２中における超電導コイル１１の上方空間を覆う面積を有する水平板部２３ａと、この水平板部２３ａの周縁部下方に向って一体に突出する垂下枠状部１３ａとを有する鉛直下向き開放構成となっており、冷媒１２の液面より少し低い位置に図示省略の支持部材によって固定支持されている。なお、下向き開放容器２３の材質は、金属、非金属を問わないが、銅、アルミニウムなどの良熱伝導体の方が望ましい。
【００４０】
そして、超電導コイル１１の常電導化による発熱に伴う冷媒蒸発によって気泡ａが発生し、この気泡ａが超電導コイル１１の上方に向って上昇した場合、気泡ａは下向き開放容器２３にトラップされ、この状態下で気泡ａが周囲の冷媒１２との熱交換で潰れ、再凝縮する（熱の収支とすれば、冷媒の温度が上昇する）。この過程では、下向き開放容器２３の材質として良熱伝導体の方が望ましいことになる。また、冷媒容器１３は、密閉である方が、圧力をわずかに高め、冷媒温度が圧力で決まる飽和温度よりも低くなり、気泡抑制効果が現れ易い。
【００４１】
したがって、本実施形態によれば、冷媒１２を冷媒容器１３内に保持したままで気泡ａを潰れさせ、冷媒容器１３内の圧力上昇を抑制することができ、容器構成物の肉厚を減少し、絶縁耐力の低下および絶縁破壊等を防止することができ、さらに冷媒容器１３を部品数の少ないコンパクトな構成とすることができ、重量軽減等も効率よく図ることができる。
【００４２】
［第５実施形態（図５）］
図５は、本発明の第５実施形態による超電導装置を示す縦断面図である。図５に示すように、本実施形態では、断熱容器１５で囲まれた冷媒容器１３内に冷媒１２を収容し、冷媒１２中に超電導体１１を浸漬して冷却する超電導限流器であって、超電導体１１が常電導化した場合の発熱によって生じる気泡ａを消滅させる気泡消滅手段として多孔質材２４を冷媒容器１３の内部に設けた構成について説明する。
【００４３】
超電導コイル１１は、冷媒容器１３内に収容された液体窒素などの冷媒１２中に浸漬して冷却される。冷媒容器１３は例えば上面が開口した円筒状をなし、この冷媒容器１３の外周および下部が断熱容器１５により被覆されている。冷媒容器１３および断熱容器１５の間には空隙が設けられ、この空隙は真空または断熱材充填等により、断熱空間１４として形成されている。冷媒容器１３および断熱容器１５の上端開口部、および断熱空間１４の上端開口部は、断熱材製の蓋体１５ａによって密閉され、例えば常温の室内等に設置される。
【００４４】
冷媒容器１３の蓋体１５ａには、冷媒１２を注入するための注入用配管１７が挿通されている。この冷媒注入用配管１７には、絞り装置としてのバルブ１７ａが取付けられている。また、超電導コイル１１を常温側に置かれる電源あるいは電力系統と接続するため、電流リード１６が蓋体１５を貫通して冷媒容器１３内に挿入されており、電流リード１６の先端は超電導コイル１１に接続されている。
【００４５】
冷媒容器１３の内部に設けられる多孔質材２４は、冷媒容器１３内の冷媒１２中における超電導コイル１１の上方空間を覆う配置で設けられている。この多孔質材２４は例えば水平な板状をなしており、冷媒１２の液面より少し低い位置に図示省略の支持部材によって固定支持されている。多孔質材２４は、例えば発砲ポリウレタン、発泡ガラス、発泡フェノール、発砲ポリスチレン、ファイバーグラスなどの素材によって構成されている。
【００４６】
そして、超電導コイル１１の常電導化による発熱に伴う冷媒蒸発によって気泡ａが発生し、この気泡ａが超電導コイル１１の上方に向って上昇した場合、気泡ａは多孔質材２４にトラップされ、周囲の冷媒１２との熱交換で潰れ、再凝縮する。また、冷媒容器１３は、密閉である方が、圧力をわずかに高め、冷媒温度が圧力で決まる飽和温度よりも低くなり、気泡抑制効果が現れ易い。
【００４７】
したがって、本実施形態によれば、冷媒１２を冷媒容器１３内に保持したままで気泡ａを消滅させることができ、冷媒容器１３内の圧力上昇を抑制して容器構成物の肉厚を減少し、絶縁耐力の低下および絶縁破壊等を防止することができ、さらに冷媒容器１３を部品数の少ないコンパクトな構成とすることができ、重量軽減等も効率よく図ることができる。
【００４８】
［第６実施形態（図６）］
図６は、本発明の第６実施形態による超電導装置を示す縦断面図である。図６に示すように、本実施形態では、断熱容器１５で囲まれた冷媒容器１３内に冷媒１２を収容し、冷媒１２中に超電導体１１を浸漬して冷却する超電導限流器であって、超電導体１１が常電導化した場合の発熱によって生成される気泡ａを消滅させる気泡消滅手段として、生成した気泡の上昇を妨げるバッフル板２５を冷媒容器１３の内部に設けた構成について説明する。
【００４９】
超電導コイル１１は、冷媒容器１３内に収容された液体窒素などの冷媒１２中に浸漬して冷却される。冷媒容器１３は例えば上面が開口した円筒状をなし、この冷媒容器１３の外周および下部が断熱容器１５により被覆されている。冷媒容器１３および断熱容器１５の間には空隙が設けられ、この空隙は真空または断熱材充填等により、断熱空間１４として形成されている。冷媒容器１３および断熱容器１５の上端開口部、および断熱空間１４の上端開口部は、断熱材製の蓋体１５ａによって密閉され、例えば常温の室内等に設置される。
【００５０】
冷媒容器１３の蓋体１５ａには、冷媒１２を注入するための注入用配管１７が挿通されている。この冷媒注入用配管１７には、絞り装置としてのバルブ１７ａが取付けられている。また、超電導コイル１１を常温側に置かれる電源あるいは電力系統と接続するため、電流リード１６が蓋体１５を貫通して冷媒容器１３内に挿入されており、電流リード１６の先端は超電導コイル１１に接続されている。
【００５１】
冷媒容器１３の内部に設けられるバッフル板２５は、複数枚のものを上下および横方向に集合して近接配置した構成したものであり、冷媒容器１３内の冷媒１２中における超電導コイル１１の上方空間を覆う配置で設けられている。バッフル板２５の材質は、金属、非金属を問わないが、銅、アルミニウムなどの良熱伝導体の方が望ましい。
【００５２】
超電導コイル１１の表面で生じた気泡は、バッフル板２５にトラップされ、周囲の冷媒との熱交換で気泡が潰れて再凝縮する。この過程では、容器２３の材質として良熱伝導体の方が望ましいことになる。また、冷媒容器１３は、密閉である方が、圧力をわずかに高め、冷媒温度が圧力で決まる飽和温度よりも低くなり気泡抑制効果が現れ易い。
【００５３】
本実施形態によれば、冷媒１２を冷媒容器１３内に保持したままで気泡ａを消滅させることができ、冷媒容器１３内の圧力上昇を抑制して容器構成物の肉厚を減少し、絶縁耐力の低下および絶縁破壊等を防止することができ、さらに冷媒容器１３をコンパクトな構成とすることができ、重量軽減等も効率よく図ることができる。
【００５４】
［第７実施形態（図７）］
図７は、本発明の第７実施形態による超電導装置を示す縦断面図である。図７に示すように、本実施形態では、断熱容器１５で囲まれた冷媒容器１３内に冷媒１２を収容し、冷媒１２中に超電導体１１を浸漬して冷却する超電導限流器であって、超電導体１１が常電導化した場合の発熱によって生成される気泡ａを消滅させる気泡消滅手段は、冷媒容器１３と断熱容器壁１５との間に設けられたガスバッファ層２６とし、このガスバッファ層２６に生成した気泡ａを導いて消滅させる構成について説明する。
【００５５】
超電導コイル１１は、冷媒容器１３内に収容された液体窒素などの冷媒１２中に浸漬して冷却される。冷媒容器１３は例えば上面が開口した円筒状をなし、この冷媒容器１３の外周および下部が断熱容器１５により被覆されている。冷媒容器１３および断熱容器１５の上端開口部、および断熱空間１４の上端開口部は、断熱材製の蓋体１５ａによって密閉され、例えば常温の室内等に設置される。
【００５６】
冷媒容器１３の蓋体１５ａには、冷媒１２を注入するための注入用配管１７が挿通されている。この冷媒注入用配管１７には、絞り装置としてのバルブ１７ａが取付けられている。また、超電導コイル１１を常温側に置かれる電源あるいは電力系統と接続するため、電流リード１６が蓋体１５を貫通して冷媒容器１３内に挿入されており、電流リード１６の先端は超電導コイル１１に接続されている。
【００５７】
冷媒容器１３および断熱容器１５の間には空隙が設けられ、この空隙には気体吸収用のバッファガスが収容されてバッファガス層２６が形成されている。また、冷媒容器１３における冷媒１２の液面よりも高い位置には、この冷媒容器１３の壁を貫通する両端開口の接続管２７が設けられ、冷媒容器１３の内外周の空間が連通する構成となっている。すなわち、バッファガス層２６と冷媒容器１３内の空間とが連通している。
【００５８】
このような構成によると、気泡消滅手段として、冷媒容器１３と断熱容器１５の内壁の間にガスバッファ層２６が配置され、ガスバッファ層２６と冷媒容器１３とは接続管２７で接続されているので、超電導コイル１１の表面で生じた気泡は、冷媒１２の表面から上方にガスとして放出された後、接続管２７を介してガスバッファ層２６に導かれて消滅する。なお、ガスバッファ層２６は、極力冷媒容器１３に近づけ、両槽の温度差を小さくすることが望ましい。
【００５９】
本実施形態によれば、第１実施形態と同様の作用が断熱容器１５内で行われる。ただし、本実施形態では断熱容器１５内の低温環境にバッファ空間を用意することで、蒸発ガスを室温領域まで温度上昇させる必要が無く、圧力上昇抑制、気泡生成抑制の効果が大きい。
【００６０】
本実施形態によっても、冷媒１２を冷媒容器１３内に保持したままで気泡ａを消滅させることができ、冷媒容器１３内の圧力上昇を抑制して容器構成物の肉厚を減少し、絶縁耐力の低下および絶縁破壊等を防止することができ、冷媒容器１３をコンパクトな構成とすることができ、重量軽減等も効率よく図ることができる。
【００６１】
［第８実施形態（図８）］
図８は、本発明の第８実施形態による超電導装置を示す縦断面図である。図８に示すように、本実施形態では、気泡消滅手段として冷媒容器１３内に冷凍機２１を備えた超電導限流器について説明する。
【００６２】
超電導コイル１１は、冷媒容器１３内に収容された液体窒素などの冷媒１２中に浸漬して冷却される。冷媒容器１３は例えば上面が開口した円筒状をなし、この冷媒容器１３の外周および下部が断熱容器１５により被覆されている。冷媒容器１３および断熱容器１５の間には空隙が設けられ、この空隙は真空または断熱材充填等により、断熱空間１４として形成されている。冷媒容器１３および断熱容器１５の上端開口部、および断熱空間１４の上端開口部は、断熱材製の蓋体１５ａによって密閉され、例えば常温の室内等に設置される。
【００６３】
冷媒容器１３の蓋体１５ａには、冷媒１２を注入するための注入用配管１７が挿通されている。この冷媒注入用配管１７には、絞り装置としてのバルブ１７ａが取付けられている。また、超電導コイル１１を常温側に置かれる電源あるいは電力系統と接続するため、電流リード１６が蓋体１５を貫通して冷媒容器１３内に挿入されており、電流リード１６の先端は超電導コイル１１に接続されている。
【００６４】
このような構成において、本実施形態では、冷媒容器１３内に冷凍機２１が設けられている。この冷凍機２１は極低温冷凍機であり、例えば蓋体１５ａの上面に搭載された冷凍機ヘッド２１ａと、蓋体１５ａの下方に吊下げ状態で設けられた冷媒機ヘッドの冷却ステージ２１ｂとを備えている。そして、冷却ステージ２１ｂが冷媒１２中に浸漬され、冷媒を再冷却できる構成となっている。なお、冷凍機２１は例えば冷媒容器１３における超電導コイル１１から斜め上方に離間した位置に設置され、図２に矢印ｂで示すように、冷媒容器１３内での冷媒１２の対流を促進する構成となっている。ただし、冷却ステージ２１ｂを図８の左方向に長くしたり、傾斜配置として、超電導コイル１１の上方を覆う構成としてもよい。
【００６５】
本実施形態によれば、冷凍機２１の駆動により冷媒１２を再凝縮させることにより、冷媒温度が圧力で決まる飽和温度よりも低くなり、気泡抑制効果が現れる。これにより、気泡消滅機能を高めることができ、冷媒１２の再供給作業のメンテナンスが不要となる。そして、冷媒減少を効果的に防止または抑制することができ、冷媒容器１３内の圧力上昇を抑制して容器構成物の肉厚を減少する効果、絶縁耐力の低下および絶縁破壊等の防止効果、さらに構成コンパクト化および重量軽減等の効果が奏される。
【００６６】
［第９実施形態（図９）］
図９は、本発明の第９実施形態による超電導装置を示す縦断面図である。図９に示すように、本実施形態では、気泡消滅手段として、冷媒容器１３内の上部における冷媒１２と気体との境界面２８部の断面積を冷媒容器１３の下部断面積よりも小さくし、かつ冷媒容器１３内に冷凍機２１を備えた超電導限流器について説明する。
【００６７】
超電導コイル１１は、冷媒容器１３内に収容された液体窒素などの冷媒１２中に浸漬して冷却される。冷媒容器１３は例えば上面が開口した円筒状をなし、この冷媒容器１３の外周および下部が断熱容器１５により被覆されている。冷媒容器１３および断熱容器１５の間には空隙が設けられ、この空隙は真空または断熱材充填等により、断熱空間１４として形成されている。冷媒容器１３および断熱容器１５の上端開口部、および断熱空間１４の上端開口部は、断熱材製の蓋体１５ａによって密閉され、例えば常温の室内等に設置される。
【００６８】
この構成において、冷媒容器１３の上端側は容器中心側に一定長さ折曲して立上り、これにより上端小径筒状部１３ａが形成されている。そして、この上端小径筒状部１３ａに、冷媒１２と気体との境界面２８部が位置しており、これにより冷媒１２と気体との境界面２８部の断面積が冷媒容器１３の下部断面積よりも小さく設定されて、狭隘部２９が形成されている。
【００６９】
また、冷媒容器１３の上端小径筒状部１３ａの外周側には配管挿入用筒部１３ｂおよび冷凍機挿入用筒部１３ｃが形成されている。そして、配管挿入用筒部１３ｂおよび蓋体１５ａに冷媒１２を注入するための注入用配管１７が挿通されている。この冷媒注入用配管１７には、絞り装置としてのバルブ１７ａが取付けられている。また、超電導コイル１１を常温側に置かれる電源あるいは電力系統と接続するため、電流リード１６が蓋体１５を貫通して冷媒容器１３内に挿入されており、電流リード１６の先端は超電導コイル１１に接続されている。
【００７０】
一方、冷媒容器１３内には冷凍機２１が設けられている。この冷凍機２１は極低温冷凍機であり、例えば蓋体１５ａの上面に搭載された冷凍機ヘッド２１ａと、蓋体１５ａの下方に吊下げ状態で設けられた冷媒機ヘッドの冷却ステージ２１ｂとを備えている。この冷凍機２１は、冷凍機挿入用筒部１３ｃ内に挿通されている。
【００７１】
そして、冷却ステージ２１ｂが冷媒１２中に浸漬され、冷媒を再冷却できる構成となっている。なお、冷凍機２１は例えば冷媒容器１３における超電導コイル１１から斜め上方に離間した位置に設置され、図２に矢印ｂで示すように、冷媒容器１３内での冷媒１２の対流を促進する構成となっている。ただし、冷却ステージ２１ｂを図８の左方向に長くしたり、傾斜配置として、超電導コイル１１の上方を覆う構成としてもよい。
【００７２】
本実施形態によれば、冷媒容器１３における冷媒１２と気体の境界面２８の断面積が、冷媒容器１３の下部に位置する超電導コイル位置の容器断面積よりも小さくなる構成とすることにより、冷媒容器１３中に狭隘部２９を形成したので、熱侵入を抑制することができる。通常では、冷媒１２と気体の境界面２８で気体の凝縮が生じ易くなり、そのため常温から対流による熱侵入を招く可能性があるのに対し、本実施形態ではそのような可能性を低減または排除することができる。
【００７３】
また、本実施形態によれば、冷凍機２１の駆動により冷媒１２を再凝縮させることにより、冷媒温度が圧力で決まる飽和温度よりも低くなり、気泡抑制効果が現れる。これにより、気泡消滅機能を高めることができ、冷媒１２の再供給作業のメンテナンスが不要となる。
【００７４】
したがって、狭隘部２９の形成によって境界面２８の断面積を小さくすることにより熱侵入を抑制することができるとともに、冷凍機２１を適用することにより、冷媒減少を一層効果的に防止または抑制することができ、冷媒容器１３内の圧力上昇を抑制して容器構成物の肉厚を減少する効果、絶縁耐力の低下および絶縁破壊等の防止効果、さらに構成コンパクト化および重量軽減等の効果が奏される。
【００７５】
［第１０実施形態（図１０）］
図１０は、本発明の第１０実施形態による超電導装置を示す縦断面図である。本実施形態は第９実施形態と同様に、気泡消滅手段として、冷媒容器１３内の上部における冷媒１２と気体との境界面２８部の断面積を冷媒容器１３の下部断面積よりも小さくし、かつ冷媒容器１３内に冷凍機２１を備えた超電導限流器に関するものであるが、境界面２８部の断面積を小さくする構成として、冷媒容器１３内における冷媒１２と気体の境界面２８付近に、多孔質材３０を配置し、これにより境界面２８の露出部分を減少する手段を構成している。
【００７６】
このような構成によれば、冷媒容器１３の上部に段差等を形成する必要なく境界面２８部の断面積を小さくすることができ、第９実施形態と同様の機能すなわち熱侵入を抑制する機能を得ることができるとともに、上述した第５実施形態で説明した多孔質材３０自体による気泡ａの消滅機能も発揮することができる。そして、本実施形態の場合には、さらに冷凍機２１による気泡消滅機能も得ることができる。したがって、冷媒容器１３内の圧力上昇抑制、容器構成物の肉厚減少効果、絶縁耐力低下および絶縁破壊防止効果等についての優れた効果が奏される。
【００７７】
［第１１〜第１６実施形態（図１１〜図１６）］
図１１〜図１６は、それぞれ第１１〜第１６実施形態を示している。これらの実施形態は、上述した第１〜第１０実施形態の構成を２以上組合せて構成したものである。
【００７８】
図１１は、本発明の第１１実施形態を示し、上述の第３実施形態と第８実施形態とを組合せたものである。すなわち、断熱容器１５の内部に気泡抑制手段２２を配置する構成に加えて、冷媒容器１３中の冷媒１２に対する冷却手段としての冷凍機２１を具備するものである。第３実施形態の気泡抑制手段２２だけでも上述した効果が奏されるが、さらに冷凍機２１により、冷媒温度が圧力で決まる飽和温度よりも低くなり、気泡抑制効果を組み合わせることで気泡抑制効果が増加する。
【００７９】
また、図３の構成では、熱の収支とすれば超電導コイル１１の常電導化で冷媒の温度が上昇する可能性があるが、冷凍機２１を具備することにより、超電導コイル１１の常電導化による発生熱を除去について冷媒を初期状態に復帰させることができる。
【００８０】
図１２は、本発明の第１２実施形態を示し、上述の第４実施形態と第８実施形態とを組合せたものである。すなわち、断熱容器１５で囲まれた冷媒容器１３内に冷媒１２を収容し、冷媒１２中に超電導体１１を浸漬して冷却する超電導装置であって、超電導体１１が常電導化した場合の発熱によって生じる気泡ａを消滅させる気泡消滅手段として、冷凍機２１と下向き開放容器２３とが冷媒容器１３の内部に設けられている。下向き開放容器２３は冷媒容器１３内の冷媒１２中における超電導体１１の上方に配置されている。
【００８１】
図１３は、本発明の第１３実施形態を示し、上述の第５実施形態と第８実施形態とを組合せたものである。すなわち、断熱容器１５で囲まれた冷媒容器１３内に冷媒１２を収容し、冷媒１２中に超電導体１１を浸漬して冷却する超電導装置であって、気泡消滅手段として、冷媒容器１３内の冷媒１２中における超電導体１１の上方に設けた多孔質材２４と、冷凍機２１とを備えている。
【００８２】
図１４は、本発明の第１４実施形態を示し、上述の第６実施形態と第８実施形態とを組合せたものである。すなわち、断熱容器１５で囲まれた冷媒容器１３内に冷媒１２を収容し、冷媒１２中に超電導体１１を浸漬して冷却する超電導装置であって、気泡消滅手段として、冷媒容器１３内の冷媒１２中における超電導体１１の上方に設けた多孔質材２４と、冷凍機２１とを備えている。
【００８３】
図１５は、本発明の第１５実施形態を示し、上述の第７実施形態と第８実施形態とを組合せたものである。すなわち、断熱容器１５で囲まれた冷媒容器１３内に冷媒１２を収容し、冷媒１２中に超電導体１１を浸漬して冷却する超電導装置であって、気泡抑制手段２２として、冷媒容器１３と断熱容器１５の内壁との間にガスバッファ層２６を配置する構成と、冷凍機２１とを備えている。
【００８４】
図１６は、本発明の第１６実施形態を示し、上述の第７実施形態と第８実施形態とを組合せたものである。すなわち、気泡抑制手段２２として、冷媒容器１３と断熱容器１５の内壁の間にガスバッファ層２６を配置し、冷媒１２と気体との境界面２８の断面積が、下部に位置する超電導コイル１１位置の容器断面積よりも小さくなる容器構成を備えている。
【００８５】
なお、本発明では、上述した実施形態の３種以上を組合せることも可能である。そして、組合せた構成要素に基づいて、それぞれ高機能の相乗効果を得ることができる。
【００８６】
［第１７実施形態（図１７）］
図１７は、本発明の第１７実施形態を示す縦断面図である。本実施形態では、断熱容器に囲まれた冷媒容器内に冷媒を収容し、冷媒中に超電導体を浸漬して冷却する超電導装置であって、超電導体が常電導化した場合の発熱によって生じる気泡を消滅させる気泡消滅手段は冷媒容器の内部に設けられている。そして、一つの冷媒容器の中に限流素子となる三相分の超電導体が収納され、超電導コイルに繋がる３対の電流リードがクライオスタットの上部フランジの中心軸に対して非対称配置で片側配置とされ、かつ冷凍機ヘッドが電流リード群と反対側に配置されて超電導限流装置が構成されている。また、気泡消滅手段として、冷媒容器内に冷凍機が設けられている。
【００８７】
図１７に示すように、本実施形態では、超電導装置が超電導限流装置の場合で、一つの断熱容器１５の中に限流素子となる三相分の超電導限流コイル３１ａ、３１ｂ、３１ｃが収納されている。超電導コイルに繋がる３対の電流リード１６ａ、１６ｂ、１６ｃは、クライオスタットの上部フランジに中心軸対称ではなく、片側に配置され、冷却手段２１である冷凍機の冷凍機ヘッド２１ａを電流リード群１６ａ、１６ｂ、１６ｃとは反対側に配置されている。
【００８８】
また、超電導装置内には、気泡生成抑制手段２２が具備されている。本実施形態では、図３に示した第３実施形態の構成が基本構成であるが、気泡生成抑制手段は図２、図８および図１１に示した第２実施形態、第８実施形態および第１１実施形態のいずれの構成としてもよい。
【００８９】
気泡抑制の効果については、上記各実施形態で述べた通りである。加えて、本実施形態の構成では、電流リード群と冷凍機ヘッドを反対側に配置しているため、冷凍機メンテナンスの際に冷凍機ヘッドへのアクセスを容易にするという効果が奏される。これは安全性を高める効果である。また、メンテナンス時には、電流リード群を系統から引き剥がすことを考慮しても、冷凍機ヘッドと反対側にあることが構成上望ましい。
【００９０】
［試験例（図１８、図１９）］
本発明の作用効果は、簡単なモデル試験にて検証されている。この概略を以下に説明する。
【００９１】
試験装置の概略構成を図１８に示す。図１８は試験の最小の構成要素のみ示しており、圧力計、圧力開放弁、ＬＮ２注液、電流リード、窒素容器、液体窒素等を備えている。
【００９２】
液体窒素容器は、その外部を真空とすることで熱絶縁されている。液体窒素中に、高温超電導線材（ＹＢＣＯテープ線材）を１ｍレベル巻線したモデルコイルを浸漬冷却した。
【００９３】
試験に際しては、外部の電源からモデルコイルに、超電導線材の臨界電流を超える過電流を流し、エネルギー印加した。これは、限流器の限流動作を模擬した過電流印加である。
【００９４】
冷媒の状態として、飽和状態の液体窒素（７７Ｋ、１気圧で、本発明の従来例に相当）、および寒冷発生手段を用いて冷却された液体窒素（６５Ｋ、１気圧で、本発明の図８に相当）の２ケースを比較した。
【００９５】
試験の結果を図１９に示している。この図１９において、横軸には印加エネルギーを示し、縦軸には圧力上昇を示している。この図１９に示したように、本発明に相当するケース（四角黒印）では、従来例に相当するケース（黒丸印）に比べて、明確に圧力上昇が抑制されていることが判る。すなわち、気泡生成が抑制された効果がモデル試験でも実証することができた。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】本発明に係る超電導装置の第１実施形態を示す縦断面図。
【図２】本発明に係る超電導装置の第２実施形態を示す縦断面図。
【図３】本発明に係る超電導装置の第３実施形態を示す縦断面図。
【図４】本発明に係る超電導装置の第４実施形態を示す縦断面図。
【図５】本発明に係る超電導装置の第５実施形態を示す縦断面図。
【図６】本発明に係る超電導装置の第６実施形態を示す縦断面図。
【図７】本発明に係る超電導装置の第７実施形態を示す縦断面図。
【図８】本発明に係る超電導装置の第８実施形態を示す縦断面図。
【図９】本発明に係る超電導装置の第９実施形態を示す縦断面図。
【図１０】本発明に係る超電導装置の第１０実施形態を示す縦断面図。
【図１１】本発明に係る超電導装置の第１１実施形態を示す縦断面図。
【図１２】本発明に係る超電導装置の第１２実施形態を示す縦断面図。
【図１３】本発明に係る超電導装置の第１３実施形態を示す縦断面図。
【図１４】本発明に係る超電導装置の第１４実施形態を示す縦断面図。
【図１５】本発明に係る超電導装置の第１５実施形態を示す縦断面図。
【図１６】本発明に係る超電導装置の第１６実施形態を示す縦断面図。
【図１７】本発明に係る超電導装置の第１７実施形態を示す縦断面図。
【図１８】本発明に係る超電導装置の試験機を示す縦断面図。
【図１９】本発明に係る超電導装置の試験結果を示すグラフ。
【図２０】従来を示す超電導装置を示す縦断面図。
【符号の説明】
【００９７】
１１‥超電導コイル（超電導素子）、１２‥冷媒、１３‥冷媒容器、１４‥真空、１５‥断熱容器、１６‥電流リード、１６ａ‥電流リードＵ相、１６ｂ‥電流リードＶ相、１６ｃ‥電流リードＷ相、１７‥注液口、１８‥配管、１８ａ‥絞り部、２０‥バッファ容器、２１‥冷却手段（冷凍機）、２１ａ‥冷凍機ヘッド、２１ｂ‥冷凍機ヘッドの冷却ステージ、２２‥気泡消滅手段、２３‥下向き開放容器、２４‥多孔質材、２５‥バッフル板、２６‥ガスバッファ層、２７‥接続管、２８‥冷媒と気体の境界面、２９‥狭隘部、３０‥多孔質材、３１‥限流コイル、３１ａ‥限流コイルＵ相、３１ｂ‥限流コイルＶ相、３１ｃ‥限流コイルＷ相、３２‥排出口。
【図１】
2007273740.tif 000003
【図２】
2007273740.tif 000004
【図３】
2007273740.tif 000005
【図４】
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【図５】
2007273740.tif 000007
【図６】
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【図７】
2007273740.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2007273740.tif 000018
【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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