超伝導体を冷却するための多槽装置及び方法
【解決手段】 超伝導体を冷却するための多槽装置及び方法は、第１寒剤を備えている冷却槽と第２寒剤を備えている遮蔽槽の両方を含んでいる。冷却槽は、超伝導素子を取り囲んでおり、遮蔽槽は冷却槽を取り囲んでいる。冷却槽は、第１圧力に維持され、過冷却されており、一方、遮蔽槽は、第２圧力に維持され、飽和している。冷却槽と遮蔽槽は、互いに熱的関係にあり、第１圧力は第２圧力より高い。望ましくは、第１寒剤は液体窒素であり、超伝導体は、電流制限器の様な高温超伝導体である。超伝導体への熱破壊に続き、超伝導体を超伝導状態に復帰させるために、冷却槽に第１圧力が復旧され、遮蔽槽に第２圧力が復旧される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概括的には超伝導体に関し、より具体的には、超伝導体を冷却するための多槽装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高温超伝導（ＨＴＳ）素子は、広い温度範囲に亘って作動することができるが、通常は、自身の臨界遷移温度より低い温度で最も良く作動する。多くのＨＴＳ素子では、それら好適な作動温度は液体窒素の標準沸点（７７．４Ｋ）よりも低い。
【０００３】
超伝導体は、その超伝導状態と非超伝導状態の間の電気伝導能力の固有差ゆえに、理想的な電流制限器として広く認識されている。故障電流制限器（ＦＣＬ）は、強い故障電流を回路遮断器の様な従来の装置が安全に取り扱うことのできる弱いレベルまで下げる、よく知られた装置である。典型的且つ理想的には、ＦＣＬは、例えば、配電網の様な全体システムの背景の中で、故障電流事象が発生するまでは目に見えないように作動している。その様な事象が発生すると、電流制限器は、下流の回路遮断器が当該事象を安全に取り扱うことができるように事象の強さを下げる。事象が過ぎ去ってしまうと、回路遮断器とＦＣＬはリセットされ、通常の透明な作動状態に戻る。
【０００４】
超伝導体は、その超伝導状態で作動しているときには、電気抵抗を殆ど或いは全く生じない。しかしながら、超伝導体が、その非超伝導状態で作動すると、その電気抵抗は劇的に増加する。これら相反する状態の結果として、超伝導体は、電流制限器に理想的に適しており、超伝導（即ち、ほぼ完璧な電気伝導体）状態から非超伝導（即ち、標準的電気抵抗）状態への遷移はクエンチングと呼ばれている。ＦＣＬの観点では、クエンチングは故障電流が発生したときに起こり、超伝導体の超伝導状態から非超伝導状態への遷移が起こる。
【０００５】
超伝導ＦＣＬは、一般的に、正常作動時には、作動電流が規定の閾値又はそれ以下に留まり、その間、超伝導体は作動中の電力損失（即ち、ｌ２Ｒ）を殆ど或いは全く被らないように設計されている。しかしながら、故障電流が起こると、超伝導ＦＣＬは突然高いインピーダンスを生じる。この特性により、超伝導ＦＣＬは、急速にその商業的実施可能性が広まり且つよく認識されるようになっている。
【０００６】
上で指摘したように、ＨＴＳ素子は窒素の標準沸点（７７．４Ｋ）より低い温度で最も良く作動する。窒素は、通常、費用と設計効率の点から、ＨＴＳ素子を冷却する際に選択される媒体なので、通常、それら素子は、窒素の標準沸点と標準凝固点（６３．２Ｋ）の間の温度まで冷却される。
【０００７】
知られているように、凝固（又は三重）点より高い何れの特定の作動温度でも、臨界圧力より低い場合は、液相には飽和圧力と呼ばれる固有の最低作動圧力が存在する。作動温度を一定に保ちながら、作動圧力を、飽和圧力を越えて高くしていくと、液体窒素は過冷却液体になる。過冷却され加圧された液体窒素は、超伝導ＦＣＬを冷却するのみならず、高電圧環境内部の抵抗を超えて電気火花を提供するのにも、優れた媒体である。しかしながら、一旦、超伝導ＦＣＬに１つ又は複数の故障電流事象によるクエンチングが起こってしまうと、超伝導状態の復旧は決して迅速且つ効率的には行えないことが証明されている。更に、加圧され過冷却された液体窒素を使用することの利点は、過冷却の均一性を壊す故障電流事象後に維持するのは難しい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
要するに、超伝導ＦＣＬは、電流制限器のインピーダンスを、理想的には正常作動時のゼロからより高い電流制限値へと変化させる（例えば、上昇させる）ことにより故障電流の影響を少なくする。超伝導体は、その超伝導状態と非超伝導状態の間の固有差ゆえに、この機能を実行するには理想的である。しかしながら、ＦＣＬとして効果的且つ再起的に使用できるようにするには、超伝導体は、１つ又は複数の故障電流事象後に迅速且つ効率的なやり方でその超伝導状態に戻らねばならない。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
超伝導体を冷却するための多槽装置と方法は、第１寒剤を備えている冷却槽であって、超伝導素子を取り囲み第１圧力に維持されている冷却槽と、第２寒剤を備えている遮蔽槽であって、冷却槽を取り囲み第２圧力に維持されている遮蔽槽とを含んでおり、冷却槽と遮蔽槽は互いに熱的関係にあり、第１圧力は一般に第２圧力を上回っている。望ましくは、第１寒剤は過冷却されており、第２寒剤は飽和しており、寒剤は、例えば、液体窒素であり、超伝導素子は、例えば、故障電流制限器の様な高温超伝導素子である。超伝導素子への熱破壊に続き、冷却槽には第１圧力が復旧され、遮蔽槽には第２圧力が復旧される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の装置の利点と特徴並びに同装置により提供されている代表的な機構の各種構造及び作動態様の明白な概念は、本明細書の一部を成す以下の例示的、代表的、及び非制限的な図解を参照することにより容易に明白になるが、その際、幾つかの図面中、同様の符号は概ね同じ要素を表している。
【００１１】
さて図１は、第１の好適な実施形態に基づき本発明の装置を具体化した極低温システム１０を描いている。より具体的には、図１は、故障電流制限器の様な超伝導素子１２、変圧器、モーター、発電器などを含む、その最も基本的な要素を備えている極低温システム１０の概略図である。
【００１２】
超伝導素子１２は、冷却槽又は内槽２０を画定している内容器１８の内部壁１６の中に入れられている第１寒剤１４に、少なくとも部分的に、望ましくは全体的に、取り囲まれ、浸されている。同様に、内容器１８は、内容器１８の外部壁２４と遮蔽槽又は外槽３０を画定している低温保持装置２８の内部壁２６とによって、そして両者の間に入れられている第２寒剤２２に、少なくとも部分的に、望ましくは全体的に、取り囲まれ、浸されている。詳しく説明すると、冷却槽２０と遮蔽槽３０は、互いに熱的接触状態（即ち、熱交換関係）にあるが、それ以外には互いに接続されておらず、即ち、一方の寒剤が他方の寒剤と混ざり合うことはない。冷却槽２０は、本質的に受動的であり、即ち、それは超伝導素子１２又は遮蔽槽３０の何れかの温度変化に反応するのみである。望ましくは、冷却槽２０の適正寸法は、超伝導素子１２を適切に冷却することができるように選定され、同様に、遮蔽槽３０の適正寸法は、冷却槽２０を適切に冷却することができるように選定されるが、上記寸法には、必要に応じて、両槽の間の適正比も含まれる。而して、冷却槽２０は、超伝導体１２に概ね均一的な冷却を付与し、遮蔽槽３０は、冷却槽２０に概ね均一的な冷却を付与する。
【００１３】
望ましくは、低温保持装置２８は、標準的な低温材料で形成されており、これには、例えば、冷却槽２０と遮蔽槽３０を低温保持装置２８の外部の雰囲気３３から断熱するために、低温保持装置２８の内部壁２６にこれを取り囲んで形成されている真空断熱層３２が含まれる。同様に、内容器１８も、標準的な低温材料で形成されているのが望ましく、これには、例えば、銅又はステンレス鋼の様な好適な金属材料、或いは同じく非金属材料が含まれる。
【００１４】
図示のように、冷却槽２０は第１寒剤１４を備えており、遮蔽槽３０は第２寒剤２２を備えている。必ずというわけではないが、第１寒剤１４と第２寒剤２２は、窒素の様な同じ低温流体の液体形態であるのが望ましいが、何れ詳しく説明するように、それらは異なる熱力学状態に保たれているのが望ましい。他の適した低温流体としては、空気、ネオンなどが挙げられ、第１寒剤１４と第２寒剤２２は、異なる低温流体で形成されていてもよい。このこととは別に、第１寒剤１４は、第２寒剤２２の温度に対応する飽和圧力に比べてより高い圧力に維持されているのが望ましい。両寒剤１４と２２が同じ低温流体（例えば、窒素）を備えている場合は、第１寒剤１４の圧力は第２寒剤２２に比べ高くなる。その結果、第１寒剤は過冷却されており、一方、第２寒剤２２は飽和している。要約すると下表のようになる。
【００１５】
【表１】
【００１６】
外槽３０の圧力は、第２寒剤が飽和状態にあるので、外槽の温度により決まり、即ち、この圧力は、第２寒剤２２を特定の温度に維持するような圧力である。内槽２０の圧力は、超伝導体の電気的要件により決まり、即ち、この圧力は、第１寒剤１４が高電圧環境による放電の機会を防止又は低減するような圧力である。これとは別に、第１寒剤１４の温度は、これは概ね第２寒剤２２の温度とほぼ同じであるが、この温度は、超伝導素子１２の超伝導特性及び要件に従って決まる。要求圧力を維持すること以外には、第１寒剤１４の均一的な過冷却を実現するのに必要なものは何もない。
【００１７】
内容器１８は、その表面３６から伸張している延長パイプ３４と流体連通していて、そのパイプには寒剤１４が自由に流入し、延長パイプ３４は低温保持装置２８の表面３８に達しこれを貫通して伸長しているのが望ましい。好適な配管設備４０を通して、延長パイプ３４は、貯蔵されている液体寒剤４６の上方にタンク上方空間４２を有している寒剤貯蔵タンク４４のタンク上方空間４２（即ち、気体を含んでいる領域）と開放連通している。より具体的には、通常の待機動作の間、第１弁Ｖ１は開いており、内容器１８の延長パイプ３４と寒剤貯蔵タンク４４のタンク上方空間４２の間を繋いでいる。冷却槽２０の圧力は、従って維持されており、寒剤貯蔵タンク４４内の圧力と概ね等しくなっている。
【００１８】
寒剤貯蔵タンク４４内に貯蔵されている液体寒剤４６は、第１寒剤１４及び第２寒剤２２と同じであるのが望ましい。液面５２は、遮蔽槽３０の液体／気体界面を画定している。液面５２は、超伝導素子１２の頂部よりも上に維持され、好適な液面は、システムの配管系統と内部設備によって異なる。好適な配管設備４０は、寒剤貯蔵タンク４４内に貯蔵されている液体寒剤４６と遮蔽槽３０との間に流体連通を提供している。第２弁Ｖ２は、寒剤貯蔵タンク４４内に貯蔵されている液体寒剤４６と低温保持装置２８の低温保持装置上方空間５０の間を繋いでいるのが望ましい。弁Ｖ２は、液面５２を復旧又は維持することが必要になると開かれる。好適な設備４０では、寒剤４６、１４、及び２２が同じ流体である場合に、貯蔵タンク４４は、一般に、第２寒剤２２よりも圧力が高くなっており、これにより、弁Ｖ２が開かれたときは何時も、貯蔵容器４４から遮蔽槽３０へ確実に流れるようになっている。
【００１９】
図示のように、超伝導素子１２は、冷却槽２０を画定している内容器１８の内部壁１６内に入れられている第１寒剤１４に、少なくとも部分的に、望ましくは全体的に、取り囲まれ、浸されている。更に、超伝導素子１２は、低温保持装置２８の中へ伸びて超伝導素子１２に接続されている２つ又はそれ以上の高電圧配線５４（例えば、１０〜２００ｋＶ）を通して配電網などの様な１つ又はそれ以上の高電圧電源（図示得ず）と電気的に連通している。高電圧配線５４は、高電圧ブッシングインターフェース（図示せず）を使用するなど、周知の技法により、低温保持装置２８を貫通して超伝導素子１２に接続されている。
【００２０】
冷却槽２０と遮蔽槽３０の間の物理的な、従って熱的な接続（その表面接触は、図示しないフィン又は機能的に同様の面を使用することにより強化される）により、２つの槽は、通常は超伝導素子１２に求められる作動特性に基づいて選択される同じ近似温度に維持されている。先に説明したように、システム１０は、一般に、冷却槽２０を遮蔽槽３０より高い圧力に維持しているので、第１寒剤１４は自然に過冷却される。
【００２１】
寒剤貯蔵タンク４４のタンク上方空間４２内の加圧気体は、冷却槽２０内の寒剤及び延長パイプ３４内の加圧気体と同種の物質であるのが望ましい。冷却槽２０の圧力は、遮蔽槽の圧力を上回るレベルに維持されている。冷却槽２０の圧力は、寒剤貯蔵タンク４４のタンク上方空間４２と開放連通している延長パイプ３４を通して維持されるのが望ましい。正常作動時、弁Ｖ１は開いており、従って、冷却槽２０の圧力は、基本的に寒剤貯蔵タンク４４の圧力に等しく維持されている。
【００２２】
遮蔽槽３０は、１つ又は複数の圧力維持装置を使用して、特定の温度（従って、圧力）に維持されているのが望ましい。その様な装置の１つは、低温保持装置２８の低温保持装置上方空間５０と熱的に接している（即ち、熱交換関係にある）冷却装置５８（例えば、機械式冷蔵庫、低温クーラーなど）である。第２寒剤液２２に熱負荷が加えられると、液は沸騰する。冷却装置５８は、第２寒剤気体を凝縮して液体に戻す。換言すると、冷却装置５８により提供される冷却によって、遮蔽槽３０の要求圧力（従って、温度）が維持される。
【００２３】
代わりに、システム１０は、冷却装置５８を使用すること無しに、遮蔽槽３０を特定の圧力（従って、温度）と液面５２に維持することもでき、この場合は、ｉ）弁Ｖ３により作動させる真空ブロワー６０（別の圧力維持装置）に連結されている換気配管７０と組み合わせて、弁Ｖ３の開閉動作とブロワー６０の速度を時間、速度、及び量について、望ましくは適用可能な制御論理（図示せず）により制御して、遮蔽槽３０の所望の圧力を維持するか、ii）好適な配管設備４０の弁Ｖ２により作動させる、寒剤貯蔵タンク４４内に貯蔵されている液体寒剤４からの液補充と組み合わせて、弁Ｖ２の開閉動作を時間、速度、及び量について、望ましくは適用可能な制御論理（図示せず）により制御して、遮蔽槽３０の第２寒剤２２の所望の液面６２を維持するようにしてもよい。真空ブロワー６０は、遮蔽槽３０の要求圧力が低温保持装置２８の外部の雰囲気３３の圧力よりも低い場合にのみ必要となる。
【００２４】
冷却槽２０と遮蔽槽３０の間の物理的、従って熱的接続のため、冷却槽２０内の第１寒剤１４の液面５６は、少なくとも遮蔽槽３０内の第２寒剤２２の液面５２まで自然に上昇することになる。この点に関して、外槽３０に比べ、内槽２０は受動的である。而して、液面５６は、延長パイプ３４内の、冷却槽２０の液体／気体界面を画定する。別の言い方をすれば、延長パイプ３４へ入っている配管４０は、延長パイプ３４内の上方空間のための気体加圧手段である。正常作動時、弁Ｖ１は、常に開いており、而して、延長パイプ３４内の上方空間は貯蔵タンク４４内の上方空間４２と同じ圧力になっている。上方空間４２の圧力は、何らかの従来手段によって別途維持される。これにより、今度は、内槽の冷却に、大量貯蔵タンクの周知の圧力技法を利用することができるようになり、上方空間４２の本来的安定性により、システムの大きな安定性が得られ好都合である。最終的に、第１寒剤が、自身の圧力が高くなったせいで、より高い飽和温度まで温められると、冷却槽２０の第１寒剤１４の液面５６は、内容器１８の延長パイプ３４内で、第２寒剤２２の液面５２よりも高いレベルまで上昇することになる。第１液体寒剤１４が沸騰するか、延長パイプ３４からの加圧気体が凝縮して受動的に液面５６を液面５２よりも上に維持するかの何れかになるはずなので、液面５６の積極的な制御は必要ない。
【００２５】
延長パイプ３４と接続されている配管４０の主な機能は、加圧気体を第１寒剤に提供することである。配管４０の二次的な機能は、凝縮して冷却槽２０の液面５６を作り出すことになる気体を提供することである。しかしながら、高圧気体貯蔵タンクを圧力調整器（図示せず）と組み合わせると、その様な加圧気体を提供することはできるが、これを設けても、液体寒剤貯蔵タンクの比較的大きな上方空間の場合と同じ安定性レベルを提供することはできない。
【００２６】
通常、寒剤貯蔵タンク４４内に貯蔵されている液体寒剤４６の温度（従って、圧力）は遮蔽槽３０の第２寒剤の温度（従って、圧力）よりも高くなるので、貯蔵されている液体寒剤４６が遮蔽槽３０に取り込まれることにより、或る一定の量の流出が生じる。そのままにしておくと、この流出気体は、遮蔽槽３０に容認できない圧力上昇を引き起こしかねない。通常、この流出気体は、冷却装置５８の動作により凝縮し、遮蔽槽３０内の圧力は維持される。必要に応じて、弁Ｖ３と真空ブロワー６０を協働させてそれらの影響を緩和するようにしてもよい。
【００２７】
内槽の熱破壊状態からの正常な復旧は遮蔽槽を介して行われる。先に各図について説明したように、超伝導体１２は、低温保持装置２８の中へ伸びて超伝導素子１２に接続されている２つ又はそれ以上の高電圧配線５４（例えば、１０〜２００ｋＶ）を通して、配電網などと電気的に連通している。而して、配電網などに熱破壊（例えば故障電流事象）が発生すると、超伝導素子１２は、非超伝導状態に遷移する。これが起こると、発生した熱は第１寒剤１４に放出されて吸収され、第１寒剤１４は過冷却される。より厳密には、冷却槽２０内の第１寒剤１４は、温度が自然に上昇し、一部は気化し、超伝導体１２からの熱エネルギー放出を受け入れる。冷却槽２０の温度上昇によって、冷却槽２０から遮蔽槽３０の第２寒剤２２への熱の伝達が自然に増加する。第２寒剤２２は飽和しているので、この熱伝達の増加に伴って、遮蔽槽３０内で起こっている気化が対応して増加することになる。熱破壊による遮蔽槽３０内の気化の増加は、圧力（従って温度）が上がることになるほど大きい。
【００２８】
超伝導素子１２をその超伝導状態に戻すために、熱破壊の間又はその直ぐ後に、低温保持装置２８内の環境をできるだけ早く復旧して、別の起こりそうな事象に備えるのが望ましい。迅速に状態を復旧するには、一般に、第１寒剤１４と第２寒剤２２の温度を、単に超伝導状態を復旧するのに厳密に要求される温度よりも低い温度に下げる必要がある。換言すると、第１寒剤１４と第２寒剤２２を、それぞれ過冷却され飽和していた元の作動状態に戻すのが望ましい。冷却装置５８及び／又は真空ブロワー６０は、熱的事象の後に正常に機能して、低温保持装置２８の以前の熱環境を復旧することができるようになっている。システムに冷却装置５８とブロワー６０が共に装備されている場合は、両方を動作させて回復の速度を上げることができる。この回復モードの間はＶ２を閉じて、貯蔵されている液体寒剤４６が遮蔽槽３０に流入して起こる流出を回避することは、回復過程に役立つ。
【００２９】
超伝導素子１２から冷却槽２０に流れ込んだ過剰な発熱の一部又は全部は、弁Ｖ１を閉じて弁Ｖ４を開くと、冷却槽２０の過剰な圧力（従って温度）の一部又は全部が放散されるので、素早く放散させることができるが、これは、内容器１８からの延長パイプ３４と直接通じている弁Ｖ４と連通している真空ブロワー（図示せず）などを使用することによっても円滑に行うことができる。過剰圧力（従って温度）を除去し易くするために冷却槽２０を減圧するのは、超伝導素子１２と高電圧環境が、復旧過程の間に、圧力の損失及びこれに伴う電気放電に対する抵抗の低下を許容する状態にある場合にのみ許される。
【００３０】
熱破壊の間、第１寒剤１４の一部は流出して失われるが、正しい制御を通して、第１寒剤１４の液面５６は、低温保持装置２８内の超伝導素子１２の正常な冷却動作を妨げることになるほど低下させてはならない。冷却槽２０の第１寒剤１４の液面５６は、蒸気損失により熱破壊以前よりも低くなるかもしれないが、冷却槽２０から出て延長パイプ３４内にある上方空間蒸気が凝縮することにより自然に回復し、最終的には第１寒剤１４の以前の液面が復旧される。同様に、遮蔽槽３０の第２寒剤２２の液面５２も、流出により熱破壊以前よりも低くなるかもしれないが、寒剤貯蔵タンク４４内の貯蔵されている液体寒剤４６からの供給量を補充するために弁Ｖ２を開くことにより復旧され、最終的には第２寒剤２２の以前の液面５２が復旧される。換言すると、必要に応じて、冷却槽２０から出た蒸気が延長パイプ３４内で凝縮されることにより第１寒剤１４が補充され、貯蔵されている液体寒剤４６により第２寒剤２２が補充される。
【００３１】
図１のシステム１０の模式的配置は、例示のみを目的としている。結果的に、本発明の範囲内で数多くの代替配置が考えられる。例えば、図２に示すように、延長パイプ３４を寒剤貯蔵タンク４４のタンク上方空間４２と弁Ｖ１を通して開放連通するように配置するのではなく、代わりの配管設備４０’により、貯蔵されている液体寒剤４６を気体に変えて冷却槽２０用の延長パイプ３４の所望の圧力を維持するために、延長パイプ３４を、気化装置６２、第５弁Ｖ５、及び圧力調整器６３を通して寒剤貯蔵タンク４４内に貯蔵されている液体寒剤４６と流体連通させて配置してもよい。圧力調整器６３は、貯蔵タンク４４を、冷却槽２０よりも高い任意の圧力で作動させることができるようにする随意的な要素である。代わりに、加圧気体源は、第１寒剤１４と同種の物質又はヘリウムの様な非凝縮性気体である純粋気体用の更に別の貯蔵タンク（図示せず）から得てもよい。好適ではあるが、液体寒剤が入っている貯蔵タンクは、遮蔽槽３０内の第２寒剤２２の在庫管理を維持又は復旧する必要はない。冷却装置５８を採用して、第２寒剤２２と同じ物質の任意の気体源を凝縮してもよい。最後に、分かり易くするために１つしか示していないが、寒剤貯蔵タンク４４は、必要に応じて２つ以上の低温保持装置２８と開放及び流体連通していてもよく、低温保持装置２８は、２つ以上の寒剤貯蔵タンク４４により維持されていてもよい。また、低温保持装置２８は、２つ以上の超伝導素子１２を保有していてもよい。
【００３２】
熱破壊からの回復のための更に別の代わりの配置では、低温保持装置２８には、追加の配管７１と７４（図２）が装備されている。これら配管の目的は、全ての寒剤が窒素である場合を例にとって説明するのが最も分かり易い。この例では、第２寒剤２２の所望作動温度は７０Ｋであり、これは０．３９bar,abs（−９．１psig）の圧力に相当する。故障電流事象が発生すると、第２寒剤２２の温度は８０Ｋに上昇するが、これは、１．３７bar,abs（５．２psig）の圧力に相当する。この時点で、段階的な圧力回復が実施される。先ず、配管７４の第６弁Ｖ６を開き、圧力を約０psigまで下げた後、再度閉じる。第７弁Ｖ７を開き、第２真空ブロワー７３を作動させて圧力を約−５psigまで下げる。代わりに、第２真空ブロワー７３は、機能的に同様な多数の装置の内の何れか、例えば、エジェクタ又はジェットポンプ、に置き換えてもよい。圧力が約−５psigまで下がった後、弁Ｖ７を閉じ、第２真空ブロワー７３を停止させる。次いで、配管７０の弁Ｖ３と真空ブロワー６０を作動させて、圧力を所望の元の−９．１psig（従って所望温度）まで下げる。
【００３３】
個別の段階的過程を使って説明したが、各段階は場合によっては重なることもあるのは自明である。例えば、真空ブロワー６０は、第２真空ブロワー７３の始動と同時に作動させてもよい。また、充填弁Ｖ２は、先に論じたように、回復動作中は、流出気体を最小限にするために作動を遅らせてもよい。この代わりの配置では、弁Ｖ６と第２真空ブロワー７３は、熱的事象からの回復に要する時間を大幅に短縮するための安価な手段となっている。
【００３４】
なお、容易に理解頂けるように、本明細書は、本発明の配置の例示的、代表的、及び非制限的な実施形態を説明している。従って、本発明の範囲は、それら実施形態の何れにも限定されない。むしろ、それら実施形態の詳細及び特性は、必要に応じて開示したものである。而して、当業者には自明のように、多くの変更及び修正は、本発明の精神を逸脱すること無く、本発明の範囲内にあり、本発明の配置は必然的にそれらを包含している。従って、本発明の範囲と精神を公に通告するために、特許請求の範囲を作成している。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】極低温システムの概略図であり、発明の装置は第１の好適な実施形態に基づいて具体化されている。
【図２】極低温システムの概略図であり、発明の装置は第２の好適な実施形態に基づいて具体化されている。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概括的には超伝導体に関し、より具体的には、超伝導体を冷却するための多槽装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高温超伝導（ＨＴＳ）素子は、広い温度範囲に亘って作動することができるが、通常は、自身の臨界遷移温度より低い温度で最も良く作動する。多くのＨＴＳ素子では、それら好適な作動温度は液体窒素の標準沸点（７７．４Ｋ）よりも低い。
【０００３】
超伝導体は、その超伝導状態と非超伝導状態の間の電気伝導能力の固有差ゆえに、理想的な電流制限器として広く認識されている。故障電流制限器（ＦＣＬ）は、強い故障電流を回路遮断器の様な従来の装置が安全に取り扱うことのできる弱いレベルまで下げる、よく知られた装置である。典型的且つ理想的には、ＦＣＬは、例えば、配電網の様な全体システムの背景の中で、故障電流事象が発生するまでは目に見えないように作動している。その様な事象が発生すると、電流制限器は、下流の回路遮断器が当該事象を安全に取り扱うことができるように事象の強さを下げる。事象が過ぎ去ってしまうと、回路遮断器とＦＣＬはリセットされ、通常の透明な作動状態に戻る。
【０００４】
超伝導体は、その超伝導状態で作動しているときには、電気抵抗を殆ど或いは全く生じない。しかしながら、超伝導体が、その非超伝導状態で作動すると、その電気抵抗は劇的に増加する。これら相反する状態の結果として、超伝導体は、電流制限器に理想的に適しており、超伝導（即ち、ほぼ完璧な電気伝導体）状態から非超伝導（即ち、標準的電気抵抗）状態への遷移はクエンチングと呼ばれている。ＦＣＬの観点では、クエンチングは故障電流が発生したときに起こり、超伝導体の超伝導状態から非超伝導状態への遷移が起こる。
【０００５】
超伝導ＦＣＬは、一般的に、正常作動時には、作動電流が規定の閾値又はそれ以下に留まり、その間、超伝導体は作動中の電力損失（即ち、ｌ２Ｒ）を殆ど或いは全く被らないように設計されている。しかしながら、故障電流が起こると、超伝導ＦＣＬは突然高いインピーダンスを生じる。この特性により、超伝導ＦＣＬは、急速にその商業的実施可能性が広まり且つよく認識されるようになっている。
【０００６】
上で指摘したように、ＨＴＳ素子は窒素の標準沸点（７７．４Ｋ）より低い温度で最も良く作動する。窒素は、通常、費用と設計効率の点から、ＨＴＳ素子を冷却する際に選択される媒体なので、通常、それら素子は、窒素の標準沸点と標準凝固点（６３．２Ｋ）の間の温度まで冷却される。
【０００７】
知られているように、凝固（又は三重）点より高い何れの特定の作動温度でも、臨界圧力より低い場合は、液相には飽和圧力と呼ばれる固有の最低作動圧力が存在する。作動温度を一定に保ちながら、作動圧力を、飽和圧力を越えて高くしていくと、液体窒素は過冷却液体になる。過冷却され加圧された液体窒素は、超伝導ＦＣＬを冷却するのみならず、高電圧環境内部の抵抗を超えて電気火花を提供するのにも、優れた媒体である。しかしながら、一旦、超伝導ＦＣＬに１つ又は複数の故障電流事象によるクエンチングが起こってしまうと、超伝導状態の復旧は決して迅速且つ効率的には行えないことが証明されている。更に、加圧され過冷却された液体窒素を使用することの利点は、過冷却の均一性を壊す故障電流事象後に維持するのは難しい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
要するに、超伝導ＦＣＬは、電流制限器のインピーダンスを、理想的には正常作動時のゼロからより高い電流制限値へと変化させる（例えば、上昇させる）ことにより故障電流の影響を少なくする。超伝導体は、その超伝導状態と非超伝導状態の間の固有差ゆえに、この機能を実行するには理想的である。しかしながら、ＦＣＬとして効果的且つ再起的に使用できるようにするには、超伝導体は、１つ又は複数の故障電流事象後に迅速且つ効率的なやり方でその超伝導状態に戻らねばならない。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
超伝導体を冷却するための多槽装置と方法は、第１寒剤を備えている冷却槽であって、超伝導素子を取り囲み第１圧力に維持されている冷却槽と、第２寒剤を備えている遮蔽槽であって、冷却槽を取り囲み第２圧力に維持されている遮蔽槽とを含んでおり、冷却槽と遮蔽槽は互いに熱的関係にあり、第１圧力は一般に第２圧力を上回っている。望ましくは、第１寒剤は過冷却されており、第２寒剤は飽和しており、寒剤は、例えば、液体窒素であり、超伝導素子は、例えば、故障電流制限器の様な高温超伝導素子である。超伝導素子への熱破壊に続き、冷却槽には第１圧力が復旧され、遮蔽槽には第２圧力が復旧される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の装置の利点と特徴並びに同装置により提供されている代表的な機構の各種構造及び作動態様の明白な概念は、本明細書の一部を成す以下の例示的、代表的、及び非制限的な図解を参照することにより容易に明白になるが、その際、幾つかの図面中、同様の符号は概ね同じ要素を表している。
【００１１】
さて図１は、第１の好適な実施形態に基づき本発明の装置を具体化した極低温システム１０を描いている。より具体的には、図１は、故障電流制限器の様な超伝導素子１２、変圧器、モーター、発電器などを含む、その最も基本的な要素を備えている極低温システム１０の概略図である。
【００１２】
超伝導素子１２は、冷却槽又は内槽２０を画定している内容器１８の内部壁１６の中に入れられている第１寒剤１４に、少なくとも部分的に、望ましくは全体的に、取り囲まれ、浸されている。同様に、内容器１８は、内容器１８の外部壁２４と遮蔽槽又は外槽３０を画定している低温保持装置２８の内部壁２６とによって、そして両者の間に入れられている第２寒剤２２に、少なくとも部分的に、望ましくは全体的に、取り囲まれ、浸されている。詳しく説明すると、冷却槽２０と遮蔽槽３０は、互いに熱的接触状態（即ち、熱交換関係）にあるが、それ以外には互いに接続されておらず、即ち、一方の寒剤が他方の寒剤と混ざり合うことはない。冷却槽２０は、本質的に受動的であり、即ち、それは超伝導素子１２又は遮蔽槽３０の何れかの温度変化に反応するのみである。望ましくは、冷却槽２０の適正寸法は、超伝導素子１２を適切に冷却することができるように選定され、同様に、遮蔽槽３０の適正寸法は、冷却槽２０を適切に冷却することができるように選定されるが、上記寸法には、必要に応じて、両槽の間の適正比も含まれる。而して、冷却槽２０は、超伝導体１２に概ね均一的な冷却を付与し、遮蔽槽３０は、冷却槽２０に概ね均一的な冷却を付与する。
【００１３】
望ましくは、低温保持装置２８は、標準的な低温材料で形成されており、これには、例えば、冷却槽２０と遮蔽槽３０を低温保持装置２８の外部の雰囲気３３から断熱するために、低温保持装置２８の内部壁２６にこれを取り囲んで形成されている真空断熱層３２が含まれる。同様に、内容器１８も、標準的な低温材料で形成されているのが望ましく、これには、例えば、銅又はステンレス鋼の様な好適な金属材料、或いは同じく非金属材料が含まれる。
【００１４】
図示のように、冷却槽２０は第１寒剤１４を備えており、遮蔽槽３０は第２寒剤２２を備えている。必ずというわけではないが、第１寒剤１４と第２寒剤２２は、窒素の様な同じ低温流体の液体形態であるのが望ましいが、何れ詳しく説明するように、それらは異なる熱力学状態に保たれているのが望ましい。他の適した低温流体としては、空気、ネオンなどが挙げられ、第１寒剤１４と第２寒剤２２は、異なる低温流体で形成されていてもよい。このこととは別に、第１寒剤１４は、第２寒剤２２の温度に対応する飽和圧力に比べてより高い圧力に維持されているのが望ましい。両寒剤１４と２２が同じ低温流体（例えば、窒素）を備えている場合は、第１寒剤１４の圧力は第２寒剤２２に比べ高くなる。その結果、第１寒剤は過冷却されており、一方、第２寒剤２２は飽和している。要約すると下表のようになる。
【００１５】
【表１】
【００１６】
外槽３０の圧力は、第２寒剤が飽和状態にあるので、外槽の温度により決まり、即ち、この圧力は、第２寒剤２２を特定の温度に維持するような圧力である。内槽２０の圧力は、超伝導体の電気的要件により決まり、即ち、この圧力は、第１寒剤１４が高電圧環境による放電の機会を防止又は低減するような圧力である。これとは別に、第１寒剤１４の温度は、これは概ね第２寒剤２２の温度とほぼ同じであるが、この温度は、超伝導素子１２の超伝導特性及び要件に従って決まる。要求圧力を維持すること以外には、第１寒剤１４の均一的な過冷却を実現するのに必要なものは何もない。
【００１７】
内容器１８は、その表面３６から伸張している延長パイプ３４と流体連通していて、そのパイプには寒剤１４が自由に流入し、延長パイプ３４は低温保持装置２８の表面３８に達しこれを貫通して伸長しているのが望ましい。好適な配管設備４０を通して、延長パイプ３４は、貯蔵されている液体寒剤４６の上方にタンク上方空間４２を有している寒剤貯蔵タンク４４のタンク上方空間４２（即ち、気体を含んでいる領域）と開放連通している。より具体的には、通常の待機動作の間、第１弁Ｖ１は開いており、内容器１８の延長パイプ３４と寒剤貯蔵タンク４４のタンク上方空間４２の間を繋いでいる。冷却槽２０の圧力は、従って維持されており、寒剤貯蔵タンク４４内の圧力と概ね等しくなっている。
【００１８】
寒剤貯蔵タンク４４内に貯蔵されている液体寒剤４６は、第１寒剤１４及び第２寒剤２２と同じであるのが望ましい。液面５２は、遮蔽槽３０の液体／気体界面を画定している。液面５２は、超伝導素子１２の頂部よりも上に維持され、好適な液面は、システムの配管系統と内部設備によって異なる。好適な配管設備４０は、寒剤貯蔵タンク４４内に貯蔵されている液体寒剤４６と遮蔽槽３０との間に流体連通を提供している。第２弁Ｖ２は、寒剤貯蔵タンク４４内に貯蔵されている液体寒剤４６と低温保持装置２８の低温保持装置上方空間５０の間を繋いでいるのが望ましい。弁Ｖ２は、液面５２を復旧又は維持することが必要になると開かれる。好適な設備４０では、寒剤４６、１４、及び２２が同じ流体である場合に、貯蔵タンク４４は、一般に、第２寒剤２２よりも圧力が高くなっており、これにより、弁Ｖ２が開かれたときは何時も、貯蔵容器４４から遮蔽槽３０へ確実に流れるようになっている。
【００１９】
図示のように、超伝導素子１２は、冷却槽２０を画定している内容器１８の内部壁１６内に入れられている第１寒剤１４に、少なくとも部分的に、望ましくは全体的に、取り囲まれ、浸されている。更に、超伝導素子１２は、低温保持装置２８の中へ伸びて超伝導素子１２に接続されている２つ又はそれ以上の高電圧配線５４（例えば、１０〜２００ｋＶ）を通して配電網などの様な１つ又はそれ以上の高電圧電源（図示得ず）と電気的に連通している。高電圧配線５４は、高電圧ブッシングインターフェース（図示せず）を使用するなど、周知の技法により、低温保持装置２８を貫通して超伝導素子１２に接続されている。
【００２０】
冷却槽２０と遮蔽槽３０の間の物理的な、従って熱的な接続（その表面接触は、図示しないフィン又は機能的に同様の面を使用することにより強化される）により、２つの槽は、通常は超伝導素子１２に求められる作動特性に基づいて選択される同じ近似温度に維持されている。先に説明したように、システム１０は、一般に、冷却槽２０を遮蔽槽３０より高い圧力に維持しているので、第１寒剤１４は自然に過冷却される。
【００２１】
寒剤貯蔵タンク４４のタンク上方空間４２内の加圧気体は、冷却槽２０内の寒剤及び延長パイプ３４内の加圧気体と同種の物質であるのが望ましい。冷却槽２０の圧力は、遮蔽槽の圧力を上回るレベルに維持されている。冷却槽２０の圧力は、寒剤貯蔵タンク４４のタンク上方空間４２と開放連通している延長パイプ３４を通して維持されるのが望ましい。正常作動時、弁Ｖ１は開いており、従って、冷却槽２０の圧力は、基本的に寒剤貯蔵タンク４４の圧力に等しく維持されている。
【００２２】
遮蔽槽３０は、１つ又は複数の圧力維持装置を使用して、特定の温度（従って、圧力）に維持されているのが望ましい。その様な装置の１つは、低温保持装置２８の低温保持装置上方空間５０と熱的に接している（即ち、熱交換関係にある）冷却装置５８（例えば、機械式冷蔵庫、低温クーラーなど）である。第２寒剤液２２に熱負荷が加えられると、液は沸騰する。冷却装置５８は、第２寒剤気体を凝縮して液体に戻す。換言すると、冷却装置５８により提供される冷却によって、遮蔽槽３０の要求圧力（従って、温度）が維持される。
【００２３】
代わりに、システム１０は、冷却装置５８を使用すること無しに、遮蔽槽３０を特定の圧力（従って、温度）と液面５２に維持することもでき、この場合は、ｉ）弁Ｖ３により作動させる真空ブロワー６０（別の圧力維持装置）に連結されている換気配管７０と組み合わせて、弁Ｖ３の開閉動作とブロワー６０の速度を時間、速度、及び量について、望ましくは適用可能な制御論理（図示せず）により制御して、遮蔽槽３０の所望の圧力を維持するか、ii）好適な配管設備４０の弁Ｖ２により作動させる、寒剤貯蔵タンク４４内に貯蔵されている液体寒剤４からの液補充と組み合わせて、弁Ｖ２の開閉動作を時間、速度、及び量について、望ましくは適用可能な制御論理（図示せず）により制御して、遮蔽槽３０の第２寒剤２２の所望の液面６２を維持するようにしてもよい。真空ブロワー６０は、遮蔽槽３０の要求圧力が低温保持装置２８の外部の雰囲気３３の圧力よりも低い場合にのみ必要となる。
【００２４】
冷却槽２０と遮蔽槽３０の間の物理的、従って熱的接続のため、冷却槽２０内の第１寒剤１４の液面５６は、少なくとも遮蔽槽３０内の第２寒剤２２の液面５２まで自然に上昇することになる。この点に関して、外槽３０に比べ、内槽２０は受動的である。而して、液面５６は、延長パイプ３４内の、冷却槽２０の液体／気体界面を画定する。別の言い方をすれば、延長パイプ３４へ入っている配管４０は、延長パイプ３４内の上方空間のための気体加圧手段である。正常作動時、弁Ｖ１は、常に開いており、而して、延長パイプ３４内の上方空間は貯蔵タンク４４内の上方空間４２と同じ圧力になっている。上方空間４２の圧力は、何らかの従来手段によって別途維持される。これにより、今度は、内槽の冷却に、大量貯蔵タンクの周知の圧力技法を利用することができるようになり、上方空間４２の本来的安定性により、システムの大きな安定性が得られ好都合である。最終的に、第１寒剤が、自身の圧力が高くなったせいで、より高い飽和温度まで温められると、冷却槽２０の第１寒剤１４の液面５６は、内容器１８の延長パイプ３４内で、第２寒剤２２の液面５２よりも高いレベルまで上昇することになる。第１液体寒剤１４が沸騰するか、延長パイプ３４からの加圧気体が凝縮して受動的に液面５６を液面５２よりも上に維持するかの何れかになるはずなので、液面５６の積極的な制御は必要ない。
【００２５】
延長パイプ３４と接続されている配管４０の主な機能は、加圧気体を第１寒剤に提供することである。配管４０の二次的な機能は、凝縮して冷却槽２０の液面５６を作り出すことになる気体を提供することである。しかしながら、高圧気体貯蔵タンクを圧力調整器（図示せず）と組み合わせると、その様な加圧気体を提供することはできるが、これを設けても、液体寒剤貯蔵タンクの比較的大きな上方空間の場合と同じ安定性レベルを提供することはできない。
【００２６】
通常、寒剤貯蔵タンク４４内に貯蔵されている液体寒剤４６の温度（従って、圧力）は遮蔽槽３０の第２寒剤の温度（従って、圧力）よりも高くなるので、貯蔵されている液体寒剤４６が遮蔽槽３０に取り込まれることにより、或る一定の量の流出が生じる。そのままにしておくと、この流出気体は、遮蔽槽３０に容認できない圧力上昇を引き起こしかねない。通常、この流出気体は、冷却装置５８の動作により凝縮し、遮蔽槽３０内の圧力は維持される。必要に応じて、弁Ｖ３と真空ブロワー６０を協働させてそれらの影響を緩和するようにしてもよい。
【００２７】
内槽の熱破壊状態からの正常な復旧は遮蔽槽を介して行われる。先に各図について説明したように、超伝導体１２は、低温保持装置２８の中へ伸びて超伝導素子１２に接続されている２つ又はそれ以上の高電圧配線５４（例えば、１０〜２００ｋＶ）を通して、配電網などと電気的に連通している。而して、配電網などに熱破壊（例えば故障電流事象）が発生すると、超伝導素子１２は、非超伝導状態に遷移する。これが起こると、発生した熱は第１寒剤１４に放出されて吸収され、第１寒剤１４は過冷却される。より厳密には、冷却槽２０内の第１寒剤１４は、温度が自然に上昇し、一部は気化し、超伝導体１２からの熱エネルギー放出を受け入れる。冷却槽２０の温度上昇によって、冷却槽２０から遮蔽槽３０の第２寒剤２２への熱の伝達が自然に増加する。第２寒剤２２は飽和しているので、この熱伝達の増加に伴って、遮蔽槽３０内で起こっている気化が対応して増加することになる。熱破壊による遮蔽槽３０内の気化の増加は、圧力（従って温度）が上がることになるほど大きい。
【００２８】
超伝導素子１２をその超伝導状態に戻すために、熱破壊の間又はその直ぐ後に、低温保持装置２８内の環境をできるだけ早く復旧して、別の起こりそうな事象に備えるのが望ましい。迅速に状態を復旧するには、一般に、第１寒剤１４と第２寒剤２２の温度を、単に超伝導状態を復旧するのに厳密に要求される温度よりも低い温度に下げる必要がある。換言すると、第１寒剤１４と第２寒剤２２を、それぞれ過冷却され飽和していた元の作動状態に戻すのが望ましい。冷却装置５８及び／又は真空ブロワー６０は、熱的事象の後に正常に機能して、低温保持装置２８の以前の熱環境を復旧することができるようになっている。システムに冷却装置５８とブロワー６０が共に装備されている場合は、両方を動作させて回復の速度を上げることができる。この回復モードの間はＶ２を閉じて、貯蔵されている液体寒剤４６が遮蔽槽３０に流入して起こる流出を回避することは、回復過程に役立つ。
【００２９】
超伝導素子１２から冷却槽２０に流れ込んだ過剰な発熱の一部又は全部は、弁Ｖ１を閉じて弁Ｖ４を開くと、冷却槽２０の過剰な圧力（従って温度）の一部又は全部が放散されるので、素早く放散させることができるが、これは、内容器１８からの延長パイプ３４と直接通じている弁Ｖ４と連通している真空ブロワー（図示せず）などを使用することによっても円滑に行うことができる。過剰圧力（従って温度）を除去し易くするために冷却槽２０を減圧するのは、超伝導素子１２と高電圧環境が、復旧過程の間に、圧力の損失及びこれに伴う電気放電に対する抵抗の低下を許容する状態にある場合にのみ許される。
【００３０】
熱破壊の間、第１寒剤１４の一部は流出して失われるが、正しい制御を通して、第１寒剤１４の液面５６は、低温保持装置２８内の超伝導素子１２の正常な冷却動作を妨げることになるほど低下させてはならない。冷却槽２０の第１寒剤１４の液面５６は、蒸気損失により熱破壊以前よりも低くなるかもしれないが、冷却槽２０から出て延長パイプ３４内にある上方空間蒸気が凝縮することにより自然に回復し、最終的には第１寒剤１４の以前の液面が復旧される。同様に、遮蔽槽３０の第２寒剤２２の液面５２も、流出により熱破壊以前よりも低くなるかもしれないが、寒剤貯蔵タンク４４内の貯蔵されている液体寒剤４６からの供給量を補充するために弁Ｖ２を開くことにより復旧され、最終的には第２寒剤２２の以前の液面５２が復旧される。換言すると、必要に応じて、冷却槽２０から出た蒸気が延長パイプ３４内で凝縮されることにより第１寒剤１４が補充され、貯蔵されている液体寒剤４６により第２寒剤２２が補充される。
【００３１】
図１のシステム１０の模式的配置は、例示のみを目的としている。結果的に、本発明の範囲内で数多くの代替配置が考えられる。例えば、図２に示すように、延長パイプ３４を寒剤貯蔵タンク４４のタンク上方空間４２と弁Ｖ１を通して開放連通するように配置するのではなく、代わりの配管設備４０’により、貯蔵されている液体寒剤４６を気体に変えて冷却槽２０用の延長パイプ３４の所望の圧力を維持するために、延長パイプ３４を、気化装置６２、第５弁Ｖ５、及び圧力調整器６３を通して寒剤貯蔵タンク４４内に貯蔵されている液体寒剤４６と流体連通させて配置してもよい。圧力調整器６３は、貯蔵タンク４４を、冷却槽２０よりも高い任意の圧力で作動させることができるようにする随意的な要素である。代わりに、加圧気体源は、第１寒剤１４と同種の物質又はヘリウムの様な非凝縮性気体である純粋気体用の更に別の貯蔵タンク（図示せず）から得てもよい。好適ではあるが、液体寒剤が入っている貯蔵タンクは、遮蔽槽３０内の第２寒剤２２の在庫管理を維持又は復旧する必要はない。冷却装置５８を採用して、第２寒剤２２と同じ物質の任意の気体源を凝縮してもよい。最後に、分かり易くするために１つしか示していないが、寒剤貯蔵タンク４４は、必要に応じて２つ以上の低温保持装置２８と開放及び流体連通していてもよく、低温保持装置２８は、２つ以上の寒剤貯蔵タンク４４により維持されていてもよい。また、低温保持装置２８は、２つ以上の超伝導素子１２を保有していてもよい。
【００３２】
熱破壊からの回復のための更に別の代わりの配置では、低温保持装置２８には、追加の配管７１と７４（図２）が装備されている。これら配管の目的は、全ての寒剤が窒素である場合を例にとって説明するのが最も分かり易い。この例では、第２寒剤２２の所望作動温度は７０Ｋであり、これは０．３９bar,abs（−９．１psig）の圧力に相当する。故障電流事象が発生すると、第２寒剤２２の温度は８０Ｋに上昇するが、これは、１．３７bar,abs（５．２psig）の圧力に相当する。この時点で、段階的な圧力回復が実施される。先ず、配管７４の第６弁Ｖ６を開き、圧力を約０psigまで下げた後、再度閉じる。第７弁Ｖ７を開き、第２真空ブロワー７３を作動させて圧力を約−５psigまで下げる。代わりに、第２真空ブロワー７３は、機能的に同様な多数の装置の内の何れか、例えば、エジェクタ又はジェットポンプ、に置き換えてもよい。圧力が約−５psigまで下がった後、弁Ｖ７を閉じ、第２真空ブロワー７３を停止させる。次いで、配管７０の弁Ｖ３と真空ブロワー６０を作動させて、圧力を所望の元の−９．１psig（従って所望温度）まで下げる。
【００３３】
個別の段階的過程を使って説明したが、各段階は場合によっては重なることもあるのは自明である。例えば、真空ブロワー６０は、第２真空ブロワー７３の始動と同時に作動させてもよい。また、充填弁Ｖ２は、先に論じたように、回復動作中は、流出気体を最小限にするために作動を遅らせてもよい。この代わりの配置では、弁Ｖ６と第２真空ブロワー７３は、熱的事象からの回復に要する時間を大幅に短縮するための安価な手段となっている。
【００３４】
なお、容易に理解頂けるように、本明細書は、本発明の配置の例示的、代表的、及び非制限的な実施形態を説明している。従って、本発明の範囲は、それら実施形態の何れにも限定されない。むしろ、それら実施形態の詳細及び特性は、必要に応じて開示したものである。而して、当業者には自明のように、多くの変更及び修正は、本発明の精神を逸脱すること無く、本発明の範囲内にあり、本発明の配置は必然的にそれらを包含している。従って、本発明の範囲と精神を公に通告するために、特許請求の範囲を作成している。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】極低温システムの概略図であり、発明の装置は第１の好適な実施形態に基づいて具体化されている。
【図２】極低温システムの概略図であり、発明の装置は第２の好適な実施形態に基づいて具体化されている。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超伝導素子を冷却するための多槽装置において、
Ａ．第１寒剤を備えている冷却槽であって、前記超伝導体素子を取り囲んでおり、第１圧力に維持されている、冷却槽と、
Ｂ．第２寒剤を備えている遮蔽槽であって、前記冷却槽を取り囲んでおり、第２圧力に維持されている、遮蔽槽と、を備えており、
前記冷却槽と前記遮蔽槽は、互いに熱的関係にあり、前記第１圧力は前記第２圧力を上回っている、装置。
【請求項２】
前記第１寒剤は過冷却されている、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第２寒剤は飽和している、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記第１寒剤は過冷却されており、前記第２寒剤は飽和している、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記第１寒剤と前記第２寒剤は同じである、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記第１寒剤又は前記第２寒剤の少なくとも一方は液体窒素である、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記超伝導素子は、高温超伝導体を備えている、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記超伝導素子は、故障電流制限器である、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記第２圧力を維持するための圧力維持装置を更に備えている、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記圧力維持装置は、前記遮蔽槽と熱的関係にある冷却装置である、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記圧力維持装置は、前記遮蔽槽と流体関係にある真空装置である、請求項９に記載の装置。
【請求項１２】
更に、前記遮蔽槽と熱的関係にある冷却装置と、前記遮蔽槽と流体関係にある真空装置の両方を備えている、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記冷却槽又は前記遮蔽槽の少なくとも一方と流体連通している寒剤貯蔵タンクを更に備えている、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
前記寒剤貯蔵タンクには、気体又は第３寒剤の少なくとも一方が入っている、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記気体は前記冷却槽と流体連通している、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記気体は前記第１圧力を維持している、請求項１４に記載の装置。
【請求項１７】
前記気体と前記第１寒剤は同じである、請求項１４に記載の装置。
【請求項１８】
前記第３寒剤は前記遮蔽槽と流体連通している、請求項１４に記載の装置。
【請求項１９】
前記第３寒剤は前記遮蔽槽内の液面を維持している、請求項１４に記載の装置。
【請求項２０】
前記第２寒剤と前記第３寒剤は同じである、請求項１４に記載の装置。
【請求項２１】
超伝導素子を冷却する方法において、
Ａ．前記超伝導素子を、第１圧力に維持されている冷却槽からの第１寒剤で取り囲む段階と、
Ｂ．前記冷却槽を、第２圧力に辞されている遮蔽槽からの第２寒剤で取り囲む段階と、から成り、
前記冷却槽と前記遮蔽槽は、互いに熱的関係にあり、前記第１圧力は前記第２圧力を上回っている、方法。
【請求項２２】
前記第１寒剤を過冷却する段階を更に含んでいる、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記第２寒剤を飽和状態に維持する段階を更に含んでいる、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記第１寒剤を過冷却し、前記第２寒剤を飽和状態に維持する段階を更に含んでいる、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
前記第１寒剤と前記第２寒剤は同じである、請求項２１に記載の方法。
【請求項２６】
前記第１寒剤と前記第２寒剤の少なくとも一方は液体窒素である、請求項２１に記載の方法。
【請求項２７】
前記超伝導素子は高温超伝導体を備えている、請求項２１に記載の方法。
【請求項２８】
前記超伝導体は故障電流制限器である、請求項２１に記載の方法。
【請求項２９】
前記第２圧力を維持するために、少なくとも１つの圧力維持装置を作動させる段階を更に含んでいる、請求項２１に記載の方法。
【請求項３０】
前記圧力維持装置の少なくとも１つは、前記遮蔽槽と熱的関係にある冷却装置である、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記圧力維持装置の少なくとも１つは、前記遮蔽槽と流体関係にある真空装置である、請求項２９に記載の方法。
【請求項３２】
前記圧力維持装置の少なくとも１つは、前記遮蔽槽と流体関係にある通気孔である、請求項２９に記載の方法。
【請求項３３】
前記第２圧力を維持するために、２つ又はそれ以上の圧力維持装置を作動させる段階を更に含んでいる、請求項２１に記載の方法。
【請求項３４】
前記２つ又はそれ以上の圧力維持装置は、前記第２圧力を維持するために、同時又は段階的の何れかのやり方で作動させる、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記冷却槽又は前記遮蔽槽の少なくとも一方と流体連通している寒剤貯蔵タンクを提供する段階を更に含んでいる、請求項２１に記載の方法。
【請求項３６】
気体又は第３寒剤の少なくとも一方を前記寒剤貯蔵タンク内に貯蔵する段階を更に含んでいる、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記気体は前記冷却槽と流体連通している、請求項３５に記載の方法。
【請求項３８】
前記第１圧力を前記気体で維持する段階を更に含んでいる、請求項３５に記載の方法。
【請求項３９】
前記気体と前記第１寒剤は同じである、請求項３５に記載の方法。
【請求項４０】
前記第３寒剤は前記遮蔽槽と流体連通している、請求項３５に記載の方法。
【請求項４１】
前記第３寒剤を使用して、前記遮蔽槽の液面を維持する段階を更に含んでいる、請求項３５に記載の方法。
【請求項４２】
前記第２寒剤と前記第３寒剤は同じである、請求項３５に記載の装置。
【請求項４３】
電気的システムを故障電流事象から防護するための方法において、
Ａ．前記電気的システムに故障電流制限器を設ける段階と、
Ｂ．前記故障電流制限器を、第１寒剤を備えており第１圧力を有している冷却槽に、少なくとも部分的には浸す段階と、
Ｃ．前記冷却槽を、第２寒剤を備えており第２圧力を有している遮蔽槽に、少なくとも部分的には浸す段階であって、前記冷却槽と前記遮蔽槽は互いに熱的関係にある、段階と、
Ｄ．前記冷却槽と前記遮蔽槽を、前記第１圧力が前記第２圧力よりも高くなるように維持する段階と、から成る方法。
【請求項４４】
前記電気的システムは配電網であり、前記故障電流制限器は高温超伝導素子である、請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
前記第１及び第２寒剤は液体窒素である、請求項４３に記載の方法。
【請求項１】
超伝導素子を冷却するための多槽装置において、
Ａ．第１寒剤を備えている冷却槽であって、前記超伝導体素子を取り囲んでおり、第１圧力に維持されている、冷却槽と、
Ｂ．第２寒剤を備えている遮蔽槽であって、前記冷却槽を取り囲んでおり、第２圧力に維持されている、遮蔽槽と、を備えており、
前記冷却槽と前記遮蔽槽は、互いに熱的関係にあり、前記第１圧力は前記第２圧力を上回っている、装置。
【請求項２】
前記第１寒剤は過冷却されている、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第２寒剤は飽和している、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記第１寒剤は過冷却されており、前記第２寒剤は飽和している、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記第１寒剤と前記第２寒剤は同じである、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記第１寒剤又は前記第２寒剤の少なくとも一方は液体窒素である、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記超伝導素子は、高温超伝導体を備えている、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記超伝導素子は、故障電流制限器である、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記第２圧力を維持するための圧力維持装置を更に備えている、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記圧力維持装置は、前記遮蔽槽と熱的関係にある冷却装置である、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記圧力維持装置は、前記遮蔽槽と流体関係にある真空装置である、請求項９に記載の装置。
【請求項１２】
更に、前記遮蔽槽と熱的関係にある冷却装置と、前記遮蔽槽と流体関係にある真空装置の両方を備えている、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記冷却槽又は前記遮蔽槽の少なくとも一方と流体連通している寒剤貯蔵タンクを更に備えている、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
前記寒剤貯蔵タンクには、気体又は第３寒剤の少なくとも一方が入っている、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記気体は前記冷却槽と流体連通している、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記気体は前記第１圧力を維持している、請求項１４に記載の装置。
【請求項１７】
前記気体と前記第１寒剤は同じである、請求項１４に記載の装置。
【請求項１８】
前記第３寒剤は前記遮蔽槽と流体連通している、請求項１４に記載の装置。
【請求項１９】
前記第３寒剤は前記遮蔽槽内の液面を維持している、請求項１４に記載の装置。
【請求項２０】
前記第２寒剤と前記第３寒剤は同じである、請求項１４に記載の装置。
【請求項２１】
超伝導素子を冷却する方法において、
Ａ．前記超伝導素子を、第１圧力に維持されている冷却槽からの第１寒剤で取り囲む段階と、
Ｂ．前記冷却槽を、第２圧力に辞されている遮蔽槽からの第２寒剤で取り囲む段階と、から成り、
前記冷却槽と前記遮蔽槽は、互いに熱的関係にあり、前記第１圧力は前記第２圧力を上回っている、方法。
【請求項２２】
前記第１寒剤を過冷却する段階を更に含んでいる、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記第２寒剤を飽和状態に維持する段階を更に含んでいる、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記第１寒剤を過冷却し、前記第２寒剤を飽和状態に維持する段階を更に含んでいる、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
前記第１寒剤と前記第２寒剤は同じである、請求項２１に記載の方法。
【請求項２６】
前記第１寒剤と前記第２寒剤の少なくとも一方は液体窒素である、請求項２１に記載の方法。
【請求項２７】
前記超伝導素子は高温超伝導体を備えている、請求項２１に記載の方法。
【請求項２８】
前記超伝導体は故障電流制限器である、請求項２１に記載の方法。
【請求項２９】
前記第２圧力を維持するために、少なくとも１つの圧力維持装置を作動させる段階を更に含んでいる、請求項２１に記載の方法。
【請求項３０】
前記圧力維持装置の少なくとも１つは、前記遮蔽槽と熱的関係にある冷却装置である、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記圧力維持装置の少なくとも１つは、前記遮蔽槽と流体関係にある真空装置である、請求項２９に記載の方法。
【請求項３２】
前記圧力維持装置の少なくとも１つは、前記遮蔽槽と流体関係にある通気孔である、請求項２９に記載の方法。
【請求項３３】
前記第２圧力を維持するために、２つ又はそれ以上の圧力維持装置を作動させる段階を更に含んでいる、請求項２１に記載の方法。
【請求項３４】
前記２つ又はそれ以上の圧力維持装置は、前記第２圧力を維持するために、同時又は段階的の何れかのやり方で作動させる、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記冷却槽又は前記遮蔽槽の少なくとも一方と流体連通している寒剤貯蔵タンクを提供する段階を更に含んでいる、請求項２１に記載の方法。
【請求項３６】
気体又は第３寒剤の少なくとも一方を前記寒剤貯蔵タンク内に貯蔵する段階を更に含んでいる、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記気体は前記冷却槽と流体連通している、請求項３５に記載の方法。
【請求項３８】
前記第１圧力を前記気体で維持する段階を更に含んでいる、請求項３５に記載の方法。
【請求項３９】
前記気体と前記第１寒剤は同じである、請求項３５に記載の方法。
【請求項４０】
前記第３寒剤は前記遮蔽槽と流体連通している、請求項３５に記載の方法。
【請求項４１】
前記第３寒剤を使用して、前記遮蔽槽の液面を維持する段階を更に含んでいる、請求項３５に記載の方法。
【請求項４２】
前記第２寒剤と前記第３寒剤は同じである、請求項３５に記載の装置。
【請求項４３】
電気的システムを故障電流事象から防護するための方法において、
Ａ．前記電気的システムに故障電流制限器を設ける段階と、
Ｂ．前記故障電流制限器を、第１寒剤を備えており第１圧力を有している冷却槽に、少なくとも部分的には浸す段階と、
Ｃ．前記冷却槽を、第２寒剤を備えており第２圧力を有している遮蔽槽に、少なくとも部分的には浸す段階であって、前記冷却槽と前記遮蔽槽は互いに熱的関係にある、段階と、
Ｄ．前記冷却槽と前記遮蔽槽を、前記第１圧力が前記第２圧力よりも高くなるように維持する段階と、から成る方法。
【請求項４４】
前記電気的システムは配電網であり、前記故障電流制限器は高温超伝導素子である、請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
前記第１及び第２寒剤は液体窒素である、請求項４３に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公表番号】特表２００９−５２９２３９（Ｐ２００９−５２９２３９Ａ）
【公表日】平成２１年８月１３日（２００９．８．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５５８２９６（Ｐ２００８−５５８２９６）
【出願日】平成１９年２月２７日（２００７．２．２７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００７／００４９７６
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０３０２７０
【国際公開日】平成２０年３月１３日（２００８．３．１３）
【出願人】（５０８０４０９６８）リンデ・インコーポレーテッド (10)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２１年８月１３日（２００９．８．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年２月２７日（２００７．２．２７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００７／００４９７６
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０３０２７０
【国際公開日】平成２０年３月１３日（２００８．３．１３）
【出願人】（５０８０４０９６８）リンデ・インコーポレーテッド (10)
【Ｆターム（参考）】
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