JP2000274966A - 熱交換ユニット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱交換率が高く、冷媒の温度制御を精度良く
できる熱交換ユニットを提供する。 【解決手段】 輸送管内の循環冷媒を冷却する熱交換ユ
ニットで、外部冷媒６を貯留する外部冷媒槽２を具え
る。外部冷媒槽２には外部冷媒６が貯留され、この外部
冷媒６はコールドヘッド４により冷却されている。外部
冷媒内に輸送管５を浸漬し、輸送管内を流通する循環冷
媒を冷却する。輸送管５は外部冷媒６により全外周から
効率的に冷却され、熱交換率が改善される。また、温度
センサ８で外部冷媒６の温度を制御すれば、容易に循環
冷媒の温度も制御できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超電導ケーブルの
冷却などに利用される熱交換ユニットに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の熱交換ユニットとして、図3
（Ａ）に記載のものが知られている。このユニットは、
真空断熱槽20内に冷凍機21のコールドヘッド22を具え、
このヘッド22と一体の銅ブロック23に冷媒が流通される
銅製の輸送管24を巻回したものである。冷媒は輸送管24
内を流通され、輸送管24および銅ブロック23を介して固
体熱伝導によりコールドヘッド22と熱交換されて冷却さ
れる。輸送管24は銅ブロック23との熱接触を良くするた
めに半田付け25や銀ロウ付けにより銅ブロック23に固定
されている（図３（Ｂ）参照）。

【０００３】また、コールドヘッド22および輸送管24に
は温度センサ26が取り付けられ、このセンサ26の検知結
果に基づいてコールドヘッド21に設けた温度制御用ヒー
タ27を制御する。通常、冷凍機21はフルパワーで運転さ
れており、冷媒温度が所定の温度よりも高い場合はヒー
タ27をオフにし、所定の温度よりも低い場合はヒータ27
をオンにしてコールドヘッド21の温度を調整し、それに
伴って冷媒温度を制御する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の熱交換
ユニットでは次のような問題点があった。 熱交換率が低い。従来の熱交換ユニットにおける熱伝
導経路は、「コールドヘッド→銅ブロック→輸送管→冷
媒」となっており、熱伝導距離が長くなるため熱交換率
が下がる。また、輸送管と銅ブロックとの接触は半田付
けなどにより行っているため、この接続部でも熱伝達ロ
スが生じ、熱交換率が低下する。

【０００５】冷媒の温度制御精度が低い。上記のよう
な温度制御方式を採る熱交換ユニットでは、温度センサ
によるモニタ温度と冷媒温度との差は熱交換率と連動す
るため、熱交換率が低い従来の熱交換ユニットでは冷媒
温度の制御精度がどうしても劣る。特に、温度制御を行
ってから実際に冷媒が所定の温度になるまでのタイムラ
グが大きい。

【０００６】冷凍機が停止すると冷媒温度が直ちに上
昇し、冷媒により冷却されているシステムが大幅なダメ
ージを受ける。これは、冷媒の冷却が冷凍機からの固体
熱伝導を通してのみ行われているからである。

【０００７】従って、本発明の主目的は、熱交換率が高
く、冷媒の温度制御を精度良くできる熱交換ユニットを
提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、冷凍機で外部
冷媒を冷却し、この外部冷媒を通じて輸送管内の循環冷
媒の冷却を行うことで上記の目的を達成する。

【０００９】すなわち、本発明熱交換ユニットは、輸送
管内の循環冷媒を冷却する熱交換ユニットにおいて、前
記輸送管が浸漬されて、その内部の循環冷媒を冷却する
外部冷媒と、外部冷媒を冷却する冷凍機と、外部冷媒を
貯留する外部冷媒槽とを具えることを特徴とする。

【００１０】ここで、外部冷媒の温度を検知するセンサ
と、このセンサの検知結果に対応して外部冷媒の温度を
調整する制御手段とを具え、外部冷媒の温度制御により
循環冷媒の温度制御を行うことが好ましい。制御手段の
具体例としては、冷凍機の運転電力を制御する入力パワ
ー調整機やコールドヘッドに設けられた温度調整用ヒー
タが挙げられる。入力パワー調整機を利用すれば、冷凍
機を常時フルパワーで運転する必要がない。

【００１１】このユニットは、冷凍機で外部冷媒を冷却
し、この冷媒に浸漬された輸送管を外周全面から効率的
に冷却する。これにより、輸送管内部の循環冷媒も効果
的に冷却でき、熱交換効率を高めることができる。

【００１２】このような熱交換率の高いユニットとすれ
ば、外部冷媒と循環冷媒との温度差を極小化でき、循環
冷媒の温度制御は、外部冷媒の温度を制御することで容
易かつ精度良く行える。

【００１３】外部冷媒としては、循環冷媒と同一のもの
か、循環冷媒よりも沸点の低いものが望ましい。具体的
には、ヘリウムガス、液体ヘリウム、液体窒素などが挙
げられる。

【００１４】輸送管は銅、銅合金、アルミニウムなど熱
伝導性に優れた材料が好適である。また、輸送管の形態
は螺旋状など、小さい空間内で外部冷媒とより多くの接
触面積が確保できるものが望ましい。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明
する。 （構成）図１は本発明熱交換ユニットの概略構成図であ
る。このユニットは、真空断熱槽１内に外部冷媒槽２
と、冷凍機３のコールドヘッド４および循環冷媒の輸送
管５を具えている。そして、コールドヘッド４で外部冷
媒６を冷却し、そこに浸漬される輸送管５を冷却して循
環冷媒を冷却する。

【００１６】外部冷媒槽２は冷凍機３に溶接で一体化さ
れた直方体状の容器で、その内部に外部冷媒６が貯留さ
れている。外部冷媒６は、循環冷媒と同一のものか、循
環冷媒よりも沸点の低いものとして、循環冷媒の冷却を
容易にする。外部冷媒槽２の上面には外部冷媒６の充填
管７、循環冷媒の輸送管５（導入用と排出用）およびコ
ールドヘッド４が各々貫通して配置されている。外部冷
媒６は充填管７を通じて外部冷媒槽内に導入される。な
お、外部冷媒槽と真空断熱槽との間は真空に排気され
る。

【００１７】コールドヘッド４は冷凍機３の一部で、外
部冷媒６に浸漬され、外部冷媒６を冷却する。外部冷媒
６の量は、コールドヘッド４が浸漬されるか、コールド
ヘッド４がわずかに露出する程度として、コールドヘッ
ド４と外部冷媒６との熱交換を良くし、両者の温度差を
極力小さくする。冷凍機３の能力の一例としては、10Ｋ
にまで冷却されるものなどが挙げられる。

【００１８】コールドヘッド４の下部には循環冷媒の輸
送管５が螺旋状に配置されている。この輸送管５は循環
冷媒が効果的に冷却されるように外部冷媒６に完全に浸
漬されている。本例では輸送管５に熱伝導性に優れる銅
管を用いた。輸送管５の巻き数、断面積などは熱交換率
と冷媒循環時の圧力損失を考慮して適宜選択すれば良
い。

【００１９】また、外部冷媒槽１内には、外部冷媒６の
温度を検知する温度センサ８が設けられている。図8に
示すように、コールドヘッドと４一体の冷凍機３は入力
電源９から電力供給を受けて運転されるが、この入力電
源９と冷凍機３との間に入力パワー調整機10を導入し、
センサ８の検知結果に基づいて入力パワー調整機10を制
御する。これにより、冷凍機３を常時フルパワーで運転
することなく外部冷媒６の温度調整を行い、それに伴っ
て循環冷媒の温度制御を行う。

【００２０】なお、入力パワー調整機10の代わりに、図
３に示したものと同様の温度調整用ヒータを用いても良
い。冷凍機３はフルパワーで運転しておき、このヒータ
のオンオフをセンサ８の検知結果に基づいて行うことで
外部冷媒の温度を制御する。さらには、入力パワー調整
機10と温度調整用ヒータを併用しても良い。

【００２１】（運転動作）上記のような熱交換ユニット
は次のように運転される。外部冷媒槽に所定量の外部冷
媒を導入したら冷凍機を運転し、外部冷媒を所望の温度
に冷却する。

【００２２】次に、輸送管内に循環冷媒を通じて循環冷
媒を冷却していく。このとき、熱伝導経路は「コールド
ヘッド→外部冷媒→輸送管→循環冷媒」となる。そのた
め、輸送管は全外周から効率的に冷却され、内部の循環
冷媒も効率的に冷却されることになる。さらに、輸送管
が浸漬される外部冷媒を介して循環冷媒の冷却を行うた
め熱伝達面積が向上し、コールドヘッドから輸送管まで
の距離も問題とならない。

【００２３】このようなユニットにおける循環冷媒の温
度制御は外部冷媒の温度制御を行うことで容易に行え
る。輸送管と外部冷媒との接触面積が大きいため、循環
冷媒と外部冷媒との温度差はほとんどなくなるからであ
る。また、温度制御を行って外部冷媒温度を調整し、循
環冷媒温度が所定温度になるまでのタイムラグも極小化
できる。輸送管は熱伝導率の高い銅を用いており、通常
は厚さが1ｍｍ程度のものを用いているため非常に薄
く、熱伝導率が良いからである。輸送管の厚みは熱伝導
の点からは薄いほど好ましいが、圧力耐圧を考慮するこ
とは言うまでもない。

【００２４】さらに、センサに基づいて入力パワー調整
機を用いて冷凍機を制御すれば、常時フルパワーで冷凍
機を運転する必要がなくなり、常時フルパワーで運転し
ていた従来の熱交換ユニットに比べて冷凍機運転時の省
エネルギーを図ることができる。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
循環冷媒の輸送管を外部冷媒に浸漬し、この外部冷媒を
冷凍機で冷却することにより、効率的に循環冷媒を冷却
することができる。

【００２６】また、冷凍機が停止しても、輸送管は外部
冷媒に浸漬されており、直ちに循環冷媒の温度が上昇し
てシステムにダメージが及ぶことを回避できる。

【００２７】さらに、外部冷媒と循環冷媒との温度差を
ほとんどなくせるため、外部冷媒の温度検知に基づいて
冷凍機を運転すれば、常時フルパワーで冷凍機を運転す
る必要がなく、省エネルギーに寄与する。

【００２８】従って、超電導ケーブルの循環冷却システ
ムや医療用ＭＲＩや単結晶引き上げ装置など超電導磁石
を応用した分野における液体ヘリウムの再液化、電波望
遠鏡における素子の直接冷却などの分野で有効利用する
ことが期待される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明熱交換ユニットの概略図である。

【図２】本発明熱交換ユニットにおける冷媒温度調整機
構の説明図である。

【図３】従来の熱交換ユニットを示し、（Ａ）は同ユニ
ットの概略図、（Ｂ）は輸送管と銅ブロックとの接触状
態を示す断面図である。

【符号の説明】 １、20 真空断熱槽 ２ 外部冷媒槽 ３、21 冷凍機 ４、22 コールドヘッド ５、24 輸送管 ６ 外部冷媒 ７ 充填管 ８、26 温度センサ ９ 入力電源 10 入力パワー調整機 23 銅ブロック 25 半田付け 27 温度制御用ヒータ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 輸送管内の循環冷媒を冷却する熱交換ユ
   ニットにおいて、 前記輸送管が浸漬されて、その内部の循環冷媒を冷却す
   る外部冷媒と、 外部冷媒を冷却する冷凍機と、 外部冷媒を貯留する外部冷媒槽とを具えることを特徴と
   する熱交換ユニット。
2. 【請求項２】 外部冷媒の温度を検知するセンサと、 このセンサの検知結果に対応して外部冷媒の温度を調整
   する制御手段とを具え、 外部冷媒の温度制御により循環冷媒の温度制御を行うこ
   とを特徴とする請求項1記載の熱交換ユニット。
3. 【請求項３】 制御手段は、冷凍機の運転電力を制御す
   る入力パワー調整機であることを特徴とする請求項２記
   載の熱交換ユニット。
4. 【請求項４】 制御手段は、コールドヘッドに設けられ
   た温度調整用ヒータであることを特徴とする請求項２記
   載の熱交換ユニット。