JPH10275719A - 超電導体の冷却方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 酸化物超電導体等の高温超電導体をより簡便
かつコンパクトなシステムでより安価により低温まで冷
却することのできる方法を提供する。 【解決手段】 超電導コイル２を断熱容器１内に収容
し、断熱容器１内に寒剤３′を充填し、寒剤３′により
超電導コイル２を冷却する。超電導コイル２および寒剤
３′に接触する熱伝導部材５および６を介して、冷凍機
１０の冷却ステージ１２により、超電導コイル２および
寒剤３′を冷却する。冷凍機１０の冷却により寒剤３′
を固化させる。次いで、冷凍機１０の冷却ステージ１２
を取外して、冷凍機１０による冷却を停止する。固化さ
れた寒剤３′によって超電導コイル２の冷却状態を維持
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超電導体の冷却方
法に関し、特に、酸化物超電導体等のより高い温度にお
いて超電導状態を示すことができる材料を用いた装置、
機器、素子等を高い臨界電流密度が得られる温度まで簡
便にかつ速やかに冷却することができる方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】超電導体について、超電導状態を生成さ
せかつそれを安定に保つためには、超電導体を臨界温度
以下の温度で冷却することが必要である。その冷却方法
には、液体ヘリウム等の寒剤により超電導体を冷却する
方式、および直接極低温冷凍機で冷却する方式等があ
る。一般に、超電導マグネット等の寒剤による冷却は、
液体ヘリウム中に直接超電導コイル等の被冷却体が設け
られる浸漬冷却方法と、真空容器中に設置された被冷却
体が循環ヘリウム等によって熱交換器を介して冷却され
る強制循環冷却法とに大別することができる。冷凍機を
用いる方法では、必要とされる冷凍容量の規模によって
形式の異なる種々の冷凍機が用いられる。ｋＷレベルの
冷凍能力が必要な場合、タービン型の膨張器を備えた冷
凍機が用いられる一方、酸化物超電導体のようなより高
い冷凍温度で超電導状態が得られる材料を冷却する場
合、ＳｏｌｖａｙやＧ−Ｍサイクルによる２段膨張式冷
凍機等を用いることができる。

【０００３】特開昭６０−２８２１１号公報は、液体ヘ
リウムで超電導コイルを冷却する方式の超電導磁石装置
において、液体ヘリウムへの熱侵入を抑制するため、超
電導コイルに接続されるパワーリードを小型冷凍機で冷
却するとともに、液体ヘリウムを収容する容器をシール
ド体で取囲み、該シールド体を冷凍機によって冷却する
ことを開示する。特開昭６０−２５２０２号公報は、超
電導コイルを冷凍機により直接冷却する超電導電磁石装
置を開示する。この装置において、真空容器内に設けら
れた超電導コイルは、輻射シールドに取囲まれ、輻射シ
ールドおよび超電導コイルが冷凍機により直接冷却され
る。特開平４−２５８１０３号公報も、蓄冷式冷凍機で
超電導コイルを直接冷却する装置を開示する。同公報に
開示される装置では、図５に示すように、蓄冷式冷凍機
９３の冷却ステージに、超電導コイル９１を固着し、他
の冷却ステージに超電導コイル９１を包囲する熱シール
ド８３を固着する。真空容器９２によって包囲される熱
シールド８３は、冷却ステージ９５によって冷却され
る。超電導コイル９１には、電流リード９９を介して電
力が供給される。

【０００４】特開昭６４−２８９０５号公報は、超電導
コイルを固体の冷媒で覆って冷却する方法を開示する。
図６は、その冷却方式を用いた超電導マグネットを示し
ている。イットリウム系酸化物超電導体などの高温超電
導体を用いた超電導コイル１０３は、ステンレスなどの
金属からなるコイル容器１０２内に収容される。コイル
容器１０２内には、液体窒素が固化された固体冷媒１０
５が入っている。コイル容器１０２の外面には、銅、ア
ルミなどの均熱板１０８が取付けられ、その一部に小型
冷凍機１０６が取付けられている。このように固体冷媒
１０５で超電導コイル１０３を覆うには、たとえば次の
ようなプロセスが行なわれる。コイル容器１０２に液体
窒素を注入し、液体窒素を小型冷凍機１０６によって冷
却する。均熱板１０８によって、コイル容器１０２は小
型冷凍機１０６により冷却される。小型冷凍機１０６で
液体窒素を冷却した状態で、真空排気装置１０７により
コイル容器１０２内を排気すれば、液体窒素は固体窒素
に転換される。そして、総侵入熱量よりも大きな冷凍能
力を有する冷凍機１０６により冷却を行なえば、超電導
コイル１０２の周りの固体窒素は保持される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】酸化物超電導体等のよ
り高い臨界温度を有する超電導体を従来の方法によって
冷却する場合、たとえば次のような問題点があった。液
体ヘリウムによって酸化物超電導体を冷却する場合、そ
の低い冷却温度のために高い臨界電流密度を得ることが
できる。しかしながら、液体ヘリウムは高価な冷媒であ
る。また、液体ヘリウムを冷媒として用いるシステム
は、断熱のために必要な構造が複雑である。液体ヘリウ
ムの代わりにより安価な液体窒素を用いることができ
る。しかしながら、酸化物超電導体を液体窒素で冷却す
る場合、冷却温度が高くなるため、得られる臨界電流密
度がかなり低下する。一般に低温になればなるほど、臨
界電流密度を決定する磁束のピン止めポテンシャルが深
くなり、発熱の原因となる超電導体内部での磁束の運動
が抑制されるため、高い臨界電流密度が得られるように
なる。ピン止め点は、たとえば超電導コイルを形成する
線材の加工履歴により決まり、格子欠陥、微小不純物等
がピン止め点になる。したがって、高い臨界電流密度を
得るためには、より低い冷却温度が望ましい。

【０００６】冷凍機によって冷却する方式では、たとえ
ば４．２Ｋおよび２０Ｋの２段階の冷却温度を得ること
ができ、比較的高い臨界電流密度を得ることができる。
しかしながら、冷凍機で冷却を行なう場合、超電導状態
を得るまでの初期冷却に長い時間がかかる。また、超電
導コイルのような構造物は、電気絶縁材等が含まれてお
り、熱伝導率もそれほど高くない。絶縁材を含む構造物
を冷凍機によって冷却する場合、より長い時間がかか
る。また、コイル内で発生した熱の冷凍機への移行は、
用いられた電気絶縁材等によって制限されるため、冷凍
機によってコイルを直接冷却する方式では、クエンチを
発生させないよう、相対的にコイルに流される電流が低
く抑えられる。

【０００７】特開昭６４−２８９０５号公報に開示され
る技術では、超電導コイルが固化された冷媒によって固
定される。固体冷媒は、コイルの電磁力、その他外力に
対する支持部材として機能することができる。また、超
電導コイルがクエンチしたときの発熱を、固体冷媒の融
解によって吸収することもできる。しかしながら、同公
報に開示された技術では、超電導コイルを固体冷媒その
ものによって冷却するため、その冷却温度には限界があ
る。たとえば固体窒素を用いる場合、固体窒素の温度約
６３Ｋ以下の温度において超電導コイルを冷却すること
は困難である。

【０００８】また、上述したいずれの冷却方式において
も、用いられる冷凍機は、超電導装置、超電導機器、超
電導素子等の空間的配置、サイズ、利便性、コスト等に
大きく影響する。冷凍機に超電導体を取付けた構造は、
相対的に大きなものになり、特にそれを自由に移動させ
ることは困難である。

【０００９】本発明の目的は、より安価なシステムにお
いて、より低い温度まで超電導体を容易にかつ速やかに
冷却することができる方法を提供することである。

【００１０】本発明のさらなる目的は、必要に応じて移
動させることも可能な、よりコンパクトな冷却システム
を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明による冷却方法で
は、超電導体を断熱容器内に収容し、断熱容器内に寒剤
を充填して寒剤に超電導体を接触させる。さらに、断熱
容器内に設けられた、超電導体および寒剤に接触する熱
伝導部材に、冷凍機の冷却ステージを接触させ、熱伝導
部材および冷却ステージを介する熱伝導によって超電導
体および寒剤を冷却する。冷凍機による冷却によって寒
剤を固化させた後、熱伝導部材から冷凍機の冷却ステー
ジを離して、冷凍機による冷却を停止する。固化された
寒剤によって超電導体の冷却状態は維持される。

【００１２】本発明の冷却方法において、超電導体およ
び寒剤に接触する熱伝導部材は、冷凍機の冷却ステージ
を着脱可能に挿入できるシリンダに設けられた冷却ステ
ージ接触部および該接触部と超電導体との間に設けられ
た接続部から構成することができる。

【００１３】本発明において寒剤には液体窒素が好まし
く用いられ、冷凍機の冷却によって固体窒素を生成させ
ることができる。本発明は、特に、酸化物超電導体の冷
却に好ましく適用できる。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明は、超電導マグネットの超
電導コイル等、超電導線を用いた種々の超電導装置およ
び超電導機器、ならびに、バルク状、薄膜状の超電導体
を用いた素子等を冷却するために用いることができる。
本発明は、特に、酸化物超電導体等のより高い臨界温度
を有する超電導体の冷却に適用することができる。酸化
物超電導体には、たとえば、Ｙ₁ Ｂａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ
_7-Y （０≦Ｙ＜１）等のイットリウム系酸化物超電導
体、Ｂｉ₂ Ｓｒ₂ Ｃａ₁ Ｃｕ₂ Ｏ_8-X 、Ｂｉ₂ Ｓｒ₂ Ｃ
ａ₂ Ｃｕ ₃ Ｏ_10-X、（Ｂｉ，Ｐｂ）₂ Ｓｒ₂ Ｃａ₁ Ｃｕ
₂ Ｏ_8-X 、（Ｂｉ，Ｐｂ）₂ Ｓｒ ₂ Ｃａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ_10-X
（０≦Ｘ＜１）等のビスマス系酸化物超電導体、Ｔｌ₂
Ｓｒ₂ Ｃａ₁ Ｃｕ₂ Ｏ_8-Z 、Ｔｌ₂ Ｓｒ₂ Ｃａ₂ Ｃｕ₃
Ｏ_10-Z（０≦Ｚ＜１）等のタリウム系酸化物超電導体な
どがある。

【００１５】以下、本発明の具体例について説明する。
図１は、本発明に従って冷却を行なう装置の一具体例を
示している。この装置において、冷却すべき超電導体で
ある超電導コイル２は、断熱容器１内に収容される。断
熱容器１は、たとえば、断熱真空層を内部に有する真空
容器である。断熱容器１には、磁場利用空間を与える貫
通孔１ａが形成されている。超電導コイル２は、たとえ
ば酸化物超電導線が巻かれた高温超電導コイルであり、
支持棒７ａおよび７ｂにより、断熱容器１内に保持され
る。断熱容器１内には、その密閉構造を保ちながら、シ
リンダ体４が挿入されている。シリンダ体４は、径の大
きな第１シリンダ４ａと径の小さな第２シリンダ４ｂと
を接合した構造を有している。第１シリンダ４ａの端部
には、テーパ形状にされた孔を有する銅製の第１リング
４ｃが設けられている。第１リング４ｃは、銅製の熱伝
導部材８により断熱容器１の内壁と接続されている。第
２シリンダ４ｂの端部にも、テーパ状にされた孔を有す
る銅製の第２リング４ｄが設けられる。第２リング４ｄ
は、銅製の円筒体５に接合されている。円筒体５と超電
導コイル２との間には銅製の熱伝導板６が設けられる。
熱伝導板６の一端は超電導コイル２にねじ止め等によっ
て接合され、他端は円筒体５にねじ止め等によって接合
される。銅製の円筒体５および銅製の熱伝導板６によ
り、超電導コイル２と第２リング４ｄとの間の熱伝導は
良好なものにされる。第１リング４ｃ、熱伝導部材８、
第２リング４ｄ、円筒体５および熱伝導板６をいずれも
銅製としたが、それらの材質は良熱伝導性の材料であれ
ば特に限定されるものではなく、たとえばアルミニウ
ム、銀、金など他の熱伝導性材料によって構成すること
ができる。また、銅製のリング４ｃおよび４ｄは、後述
する冷却ステージの着脱が容易になるよう、銅等の良熱
伝導材料からなるフレキシブルな構造を有してもよい。
上述したような構成の装置に、寒剤、たとえば液体窒素
が充填される。酸化物超電導体を冷却する場合、液体窒
素がより好ましい寒剤になる。断熱容器１内に収容され
る寒剤３の表面は、第１シリンダ４ａの第１リング４ｃ
に接触しないよう調整される。すなわち、寒剤３の表面
（液体窒素の液面）は、第１リング４ｃと第２リング４
ｄとの間に配置される。超電導コイル２の全体は、寒剤
３に浸漬される。第２リング４ｄ、円筒体５、熱伝導板
６も寒剤３中に浸漬されている。この装置において、超
電導コイル２は、寒剤の温度（たとえば液体窒素の場
合、約７７Ｋ）まで冷却される。

【００１６】次に、図２に示すように、シリンダ４内に
冷凍機１０の冷却ステージを差し込む。冷凍機１０は、
たとえば２段膨張式冷凍機であるＧＭ冷凍機である。冷
凍機１０は、４０Ｋ程度の到達温度の高い第１冷却ステ
ージ１１および２０Ｋ程度の到達温度の低い第２冷却ス
テージ１２を有する。第１冷却ステージ１１は、第１シ
リンダ４ａ内に挿入され、第１シリンダ４ａの端部に設
けられた銅製の第１リング４ｃに接触される。第２ステ
ージ１２は、第２シリンダ４ｂに挿入され、その端部に
設けられた銅製の第２リング４ｄに接触される。冷却ス
テージの着脱を容易にしかつ銅製のリングに沿うよう、
２つの冷却ステージ１１および１２はテーパ形状にされ
ている。第１リング４ｃに接触する第１冷却ステージ１
１は、熱伝導部材８を介して断熱容器１の内壁上部を冷
却することができる。第１ステージ１１による冷却によ
って、断熱容器１の内壁を介して熱が寒剤に侵入するの
が抑制される。第２リング４ｄに接触する第２冷却ステ
ージ１２は、円筒体５および熱伝導板６を介して超電導
コイル２を熱伝導により冷却することができる。円筒体
５および熱伝導板６は、第２リング４ｄに接触する第２
冷却ステージ１２と超電導コイル２とを熱伝導のため接
続する部材として機能する。

【００１７】冷凍機１０の運転を始めると、第１冷却ス
テージ１１により断熱容器１の内壁上部が冷却され、第
２冷却ステージ１２により、円筒体５および板６を介し
て超電導コイル２が冷却される。さらに寒剤（液体窒
素）も、超電導コイル２、熱伝導板６、円筒体５を介し
て第２冷却ステージ１２により直接的に冷却される。こ
の冷却により、超電導コイル２を冷凍機の到達温度まで
冷却することができ、さらに寒剤を冷却させて固化させ
ることができる。図２は、固化された寒剤（たとえば固
体窒素）３′によって超電導コイル２が覆われた状態を
示している。冷凍機１０によってより低い温度まで冷却
された超電導コイル２には、電流リード（図示省略）を
介して電力が供給される。超電導コイル２は、液体の寒
剤（たとえば液体窒素）によって冷却される場合より
も、遙に高い臨界電流密度を有することができる。また
固化された寒剤（たとえば固体窒素）３′は、高い比熱
を有し、超電導コイル２のためのヒートシンクとして機
能することができる。固化された寒剤３′に覆われた超
電導コイル２の温度は、ジュール発熱、交流損失による
発熱等が生じても固化された寒剤３′のために容易に上
昇しない。したがって、固化された寒剤３′によって超
電導コイル２の運転はより安定化され、クエンチの発生
は顕著に抑制される。このため、寒剤を用いずに冷凍機
によって超電導コイルを直接冷凍する場合よりも、コイ
ル２に、より大きな電流を流すことができる。また、こ
のような冷却方法によれば、被冷却物を液体の寒剤によ
って速やかに冷却した後、冷凍機の冷却によって固化さ
れた寒剤の温度（たとえば固体窒素の場合６３．１Ｋ）
よりも低い温度にまで速やかに冷却することができる。
このようにして、より速やかに超電導コイル２が高い電
流密度を有することができる低温が得られる。

【００１８】次いで、寒剤が十分固化された状態で、図
３に示すように冷凍機１０が外される。第１冷却ステー
ジ１１および第２冷却ステージ１２はテーパ形状にされ
ているので、冷凍機１０を矢印の方向に相対的に移動さ
せることで、容易に取外しを行なうことができる。この
ようにして冷凍機１０による冷却は停止される。しかし
ながら、固化された寒剤３′は容易に溶解または昇華し
ないので、超電導コイル２の冷却状態は長時間維持する
ことができる。また図４に示すように、シリンダ体４の
開口部に蓋２０をし、熱の侵入を抑制することが好まし
い。蓋２０は、シリンダ体４０の開口部を塞ぐ発泡ポリ
ウレタン等の断熱材２１を有することができる。また蓋
の内部に、真空断熱層やその他の断熱材を設けてもよ
い。外部からの熱の侵入を効果的に抑制すれば、冷凍機
を外したままで、より長時間固化した寒剤３′を維持す
ることができ、臨界温度以下で超電導コイル２を冷却し
た状態を長時間保つことができる。このように冷凍機を
外した状態は、非常にコンパクトであり、移動にも適し
たものである。たとえば図４に示す状態で、装置自体を
所定の場所まで移動させてもよい。移動の間、超電導コ
イル２を作動させることも可能である。

【００１９】一定期間の後、図４に示すような装置にお
いて蓋２０を外し、図２に示すように、再度冷凍機１０
によって冷却を行なうことができる。冷却により、溶解
した寒剤を再度固化し、超電導コイル２を冷却する。十
分な冷却の後、再度冷凍機１０を外すことができる。冷
凍機１０の着脱は、基本的に何回でも行なうことができ
る。

【００２０】本発明では、最初に被冷却物を寒剤によっ
て一気に冷却するため、冷却時間が短縮される。また、
寒剤による冷却効果のため、冷却ステージに取付けられ
た被冷却物を収容するための容器の断熱構造は、従来の
冷凍機の断熱構造に比べてより簡単なものでよい。断熱
容器の構造が簡単になれば、たとえば超電導コイルをよ
りコンパクトな容器において冷却することができ、超電
導コイルと常温空間との距離を短くすることができる。
この場合、より高い磁場を有効に利用することができ
る。

【００２１】また本発明によれば、飽和蒸気圧温度が液
体ヘリウムよりも高い寒剤を用いて、より速やかに冷却
を行なうことができる。用いられる寒剤として、液体窒
素がより好ましいが、その他に、水素、ネオン、アルゴ
ン、天然ガス、アンモニア等を挙げることができる。た
とえば、大気圧下の飽和蒸気圧温度が１５Ｋ〜１００Ｋ
である寒剤を好ましく用いることができる。寒剤は、超
電導体の臨界温度以下の温度において大気圧下または減
圧下で固化するものが好ましい。寒剤として液体窒素を
用いる場合、液体ヘリウムを使用する場合に比べて冷却
コストはかなり安価になる。さらに本発明では、寒剤に
よる冷却とともに、冷凍機による冷却をさらに行なうた
め、液体窒素のみによって冷却を行なう従来の方法に比
べ、より低い温度が得られる。固化された寒剤、たとえ
ば固体窒素は、高い比熱を有し、冷却された超電導体の
温度をより安定に保持することができる。固化された寒
剤は、超電導体にクエンチが生じるのをより効果的に抑
制する。なお、液体窒素のみによる冷却では、通常、減
圧を行なっても６３．１Ｋの３重点までであるが、本発
明のように冷凍機による冷却をさらに行なえば、減圧を
行なわずにこの３重点以下の温度を得ることができる。
一方、液体窒素等の寒剤をより速やかに冷却したい場
合、寒剤を収容する断熱容器内を真空ポンプによって減
圧状態にしてもよい。

【００２２】さらに、本発明では、寒剤を固化した後、
冷凍機を取外すことにより、超電導体を用いた装置をよ
りコンパクトな状態にする。これにより、装置の配置、
大きさ、利便性等が冷凍機の制約を受けなくなる。冷凍
機から解放された装置は、自由に移動することも可能に
なり、非常に利便性の高いものになる。

【００２３】

【発明の効果】以上述べてきたように、本発明によれ
ば、寒剤と冷凍機の併用により、簡単なシステムにおい
てより速やかに超電導体を冷却することができる。特
に、超電導体を収容する容器の断熱構造は、簡単なもの
ですむ。また本発明によれば、高価な液体ヘリウムの代
わりに液体窒素等の安価な寒剤を用いてより低い温度ま
で冷却を行なうことができる。本発明によれば、従来の
冷凍機による冷却時間が短縮され、より速やかに冷凍機
の冷却能力を引出すことができる。また、本発明によれ
ば、冷凍機を取外して、よりコンパクトで利便性の高い
状態で、臨界温度以下の温度を保持した超電導装置を提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の冷却方法を実施するための装置の１具
体例を示す模式図である。

【図２】図１に示す装置において冷凍機が設置され、寒
剤が固化された状態を示す模式図である。

【図３】図２に示す装置から冷凍機を取外す様子を示す
模式図である。

【図４】図３に示すように冷凍機を外した後、装置に蓋
をした状態を示す模式図である。

【図５】従来の冷却装置の一例を示す模式図である。

【図６】従来の超電導マグネットを示す概略断面図であ
る。

【符号の説明】

１ 断熱容器 ２ 超電導コイル ３ 寒剤 ３′ 固化された寒剤 ４ シリンダ体 ５、６ 熱伝導部材

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超電導体をその臨界温度以下に冷却する
   ための方法であって、 前記超電導体を断熱容器内に収容し、 前記断熱容器内に寒剤を充填して、前記寒剤に前記超電
   導体を接触させ、 前記断熱容器内に設けられた、前記超電導体および前記
   寒剤に接触する熱伝導部材に、冷凍機の冷却ステージを
   接触させ、前記熱伝導部材および前記冷却ステージを介
   する熱伝導によって前記超電導体および前記寒剤を冷却
   し、 前記冷凍機による冷却によって前記寒剤を固化させ、 次いで、前記熱伝導部材から前記冷凍機の冷却ステージ
   を離して、前記冷凍機による冷却を停止し、固化された
   前記寒剤によって前記超電導体の冷却状態を維持するこ
   とを特徴とする、超電導体の冷却方法。
2. 【請求項２】 前記熱伝導部材が、前記冷凍機の冷却ス
   テージを着脱可能に挿入できるシリンダに設けられた冷
   却ステージ接触部および前記接触部と前記超電導体との
   間に設けられた接続部からなることを特徴とする、請求
   項１に記載の冷却方法。
3. 【請求項３】 前記寒剤が液体窒素であり、前記冷凍機
   の冷却により、固体窒素が生成されることを特徴とす
   る、請求項１または２に記載の冷却方法。
4. 【請求項４】 前記超電導体が酸化物超電導体であるこ
   とを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の
   冷却方法。