高温超電導機器用固体窒素冷却材の開発研究

我々は、固体窒素を高温超伝導機器冷却に利用するための検討を行っている。一般に、固体冷媒は冷却対象との熱接触が極めて悪いため、これまで殆ど使用されていなかった。そこで、昨年度はビスマス系高温超伝導テープ材を用いた熱接触向上法に関する検討を行い、ある程度の熱伝達特性向上を可能とした。しかしながら、上記方法で作製した固体窒素中でさえも、ある閾値となる熱擾乱パワー以上では、最終的に熱接触が失われることを示唆する結果が得られた。そこで、この固体窒素中に微少量の液体ネオンを導入することで、熱伝達特性が格段に向上することを始めて明らかにした。即ち、固体窒素を蓄冷材とし、また液体ネオンを冷却対象との熱交換材に用いることで、極めて高性能な冷却材が実現される。窒素が固体状態、ネオンが液体状態となる温度領域は25K付近であるが、同温度領域では、高温超伝導材料の電流輸送特性ならびにその磁界特性が向上し、システム全体としても最適の運転温度を考えられる。ネオンは現状では高価であるが、若干量の使用で十分であることから、経済的にも全く問題ないと考えられる。また、本年度は上記冷媒の応用として高温超伝導コイルを考え、同コイルの定量的評価法の確立を行った。その結果、任意の温度・電流負荷率で特性評価可能な電磁界-熱連成解析プログラムコードを開発することに成功した。今後、固体冷媒含浸高温超伝導コイルの最適設計を、以上の成果をもとに行っていく。最適設計法としては、遺伝アルゴリズムを採用予定であり、有限要素解析法と組み合わせることにより、コイルの高性能化を図っていく予定である。

我々は、固体窒素を高温超伝導機器冷却に利用するための検討を行っている。一般に、固体冷媒は冷却対象との熱接触が極めて悪いため、これまで殆ど使用されていなかった。そこで、昨年度はビスマス系高温超伝導テープ材を用いた熱接触向上法に関する検討を行い、ある程度の熱伝達特性向上を可能とした。しかしながら、上記方法で作製した固体窒素中でさえも、ある閾値となる熱擾乱パワー以上では、最終的に熱接触が失われることを示唆する結果が得られた。そこで、この固体窒素中に微少量の液体ネオンを導入することで、熱伝達特性が格段に向上することを始めて明らかにした。即ち、固体窒素を蓄冷材とし、また液体ネオンを冷却対象との熱交換材に用いることで、極めて高性能な冷却材が実現される。窒素が固体状態、ネオンが液体状態となる温度領域は25K付近であるが、同温度領域では、高温超伝導材料の電流輸送特性ならびにその磁界特性が向上し、システム全体としても最適の運転温度を考えられる。ネオンは現状では高価であるが、若干量の使用で十分であることから、経済的にも全く問題ないと考えられる。また、本年度は上記冷媒の応用として高温超伝導コイルを考え、同コイルの定量的評価法の確立を行った。その結果、任意の温度・電流負荷率で特性評価可能な電磁界-熱連成解析プログラムコードを開発することに成功した。今後、固体冷媒含浸高温超伝導コイルの最適設計を、以上の成果をもとに行っていく。最適設計法としては、遺伝アルゴリズムを採用予定であり、有限要素解析法と組み合わせることにより、コイルの高性能化を図っていく予定である。