JP2000353614A

JP2000353614A - 低温装置

Info

Publication number: JP2000353614A
Application number: JP11165484A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Amano; 俊之天野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1999-06-11
Filing date: 1999-06-11
Publication date: 2000-12-19

Abstract

(57)【要約】【課題】従来の低温装置は、冷却液の供給と戻りを同
一配管内で機能させていたので、液体とガスとて向流的
に流動できないベーパーロック現象を起こすという問題
があった。【解決手段】超電導コイル１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄを
収納した容器を熱シールドするよう構成された熱シール
ド板４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの上方に配置された液体窒
素タンク５から、液体窒素をシールド冷却配管７ａ〜１
０ｄに流出させ、このシールド冷却配管７ａ〜１０ｄを
熱シールド板４ａ〜４ｄを冷却するように配置して、熱
シールド板４ａ〜４ｄを冷却させ、この冷却によって発
生する気体状の冷媒を、シールド冷却配管７ａ〜１０ｄ
とは別に設けた戻り配管１９、２０を通して、液体窒素
タンク５に戻すように構成しているものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、超電導磁石を収
納した容器を熱シールドする熱シールド板等の被冷却体
にシールド配管を設置し、シールド配管内に液体窒素等
の冷媒を流して自然循環させて被冷却体を冷却する低温
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図２は、例えば低温工学１９９９年２月
号の６７ページに示された従来の磁気浮上式鉄道用超電
動磁石の熱シールド配管系を示す構成図である。図にお
いて、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄは超電導コイル、２は超
電導コイル１ａ〜１ｄを冷却するための液体ヘリウムを
溜めておく液体ヘリウムタンク、３は熱負荷により蒸発
したヘリウムを再液化するヘリウム冷凍機、４ａ、４
ｂ、４ｃ、４ｄは超電導コイル１ａ〜１ｄを納めた内槽
容器（図示されていない）への輻射熱を低減するために
内槽を覆うように設置された熱シールド板である。５は
熱シールド板４ａ〜４ｄを冷却する冷媒である液体窒素
を溜めておく液体窒素タンクで、冷媒の流出口及び流入
口を有している。６は熱負荷により蒸発した窒素を再液
化する窒素冷凍機、７ａ、８ａ、９ａ、１０ａは熱シー
ルド板４ａを冷却するため熱的に接触させて並列的に取
付けた冷却配管、７ｂ、８ｂ、９ｂ、１０ｂは熱シール
ド板４ｂを、７ｃ、８ｃ、９ｃ、１０ｃは熱シールド板
４ｃを、７ｄ、８ｄ、９ｄ、１０ｄは熱シールド板４ｄ
を、それぞれ冷却するため熱的に接触させて並列的に取
付けた冷却配管である。

【０００３】１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄはそれぞ
れ冷却配管７ａ〜１０ａ、７ｂ〜１０ｂ、７ｃ〜１０
ｃ、７ｄ〜１０ｄに液体窒素を供給する供給配管、１２
ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄはそれぞれ供給配管１１
ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄへの液供給がバランス良く
配分されるようにする補助液溜め、１３及び１４はそれ
ぞれ端部の熱シールド板４ａ、４ｄに液体窒素を供給す
る供給配管、１５は液体窒素タンク５より供給配管１
３、１４に液体窒素を供給する供給配管、１６は液体ヘ
リウムタンク２周囲の熱シールド板を冷却する冷却配
管、１７は超電導コイル１ａ〜１ｃを納めた内槽を外槽
（図示していない）から支持する荷重支持材である。

【０００４】次に、上記のように構成された従来の浮上
式鉄道用超電導磁石の熱シールドの動作について説明す
る。磁気浮上式用超電導磁石を運用する場合、超電導コ
イル１ａ〜１ｄには、真空容器である外槽（図示されて
いない）からの輻射熱と、荷重支持材１７からの伝導熱
が熱負荷となっている。これらの熱負荷を除去あるいは
低減するために、熱シールド板４ａ〜４ｄが設置されて
いる。熱シールド板４ａ〜４ｄには、それぞれ冷却配管
７ａ〜１０ａ、冷却配管７ｂ〜１０ｂ、冷却配管７ｃ〜
１０ｃ、冷却配管７ｄ〜１０ｄが熱的に接触させて取付
けられており、これらの冷却配管内に液体窒素を流動さ
せることにより、熱シールド板４ａ〜４ｄを冷却し、ま
た荷重支持材１７のサーマルアンカー部を冷却してい
る。この装置の冷却方法は、自然循環方式であり、液体
窒素は、液体窒素タンク５より供給配管１５を通って補
助液溜め１２ｂ、１２ｃに溜められ、そこから供給配管
１３、１４を通じて端部側の補助液溜め１２ａ、１２ｄ
に溜められる。

【０００５】補助液溜め１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２
ｄに溜められた液体窒素は、供給配管１１ａ、１１ｂ、
１１ｃ、１１ｄを通じてそれぞれ熱シールド板４ａ、４
ｂ、４ｃ、４ｄの下部に導かれ、そこから４本並列に分
岐され、荷重支持材１７のサーマルアンカー部、熱シー
ルド板４ａ〜４ｄ本体を冷却し、補助液溜め１２ａ〜１
２ｄで合流する。冷却配管７ａ〜１０ｄ内で蒸発した窒
素ガスは、補助液溜め１２ａ〜１２ｄに一度溜まり、そ
れから供給配管１３、１４を通り、さらに供給配管１５
または冷却配管１６を通じて液体窒素タンク５へ戻る。
また、液体ヘリウムタンク２の周囲にある熱シールド板
は、冷却配管１６により冷却され、蒸発した窒素ガスは
冷却配管１６を通じて液体窒素タンク５に導かれる。液
体窒素タンク５に戻った窒素ガスは、窒素冷凍機６によ
り再液化され、再度熱シールド板４ａ〜４ｄの冷却に供
される。

【０００６】このように供給配管１３、１４、１５は、
液体窒素を供給すると共に、蒸発した窒素ガスの戻り配
管を兼ねている。また、供給配管１１ａ〜１１ｄは、各
熱シールド板４ａ〜４ｄに対して断熱的にすることで、
各供給配管１１ａ〜１１ｄ内での窒素ガスの発生を抑え
ることにより、冷却配管への液体窒素の供給がスムーズ
に行われるようにしている。以上のように、液体窒素を
自然循環させることにより、熱シールド板４ａ〜４ｄ及
び荷重支持材１７のサーマルアンカー部が冷却され、超
電導コイル１ａ〜１ｄを納めた内槽への熱負荷量を所定
の値に抑えるようにしている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】熱シールド板を窒素自
然循環させる冷却により冷却する従来の磁気浮上式鉄道
用超電導磁石は上記のように構成され、熱シールド板に
設置した冷却配管に液体窒素を流動させて冷却している
が、供給配管１３、１４、１５は、液の供給とガスの戻
りを同一配管内で機能させている。また、冷却配管７ａ
〜１０ｄ内も液中に気泡が混在しており、その気泡を効
率よく液体窒素タンク５に戻す必要がある。特に、供給
配管１５では、熱シールド板４ａ〜４ｄの全てで発生し
たガスを液体窒素タンク５に戻しながら、液体窒素の供
給を行う必要がある。

【０００８】同一配管内での気液の混合状態や気液の交
換特性は、走行時の条件、季節や昼夜での外気温度の変
化により、熱シールド板の熱負荷が変動するため異なっ
てくる。熱負荷に対して配管径が十分でないと、蒸発ガ
スと液が向流的に流動できないベーパーロック現象を起
こすという問題点があった。

【０００９】したがって、ベーパーロック現象を回避す
るため、最悪のケースを想定し、その条件下でも十分に
ガスを戻すことができ、また液を供給できるようにする
ため、供給配管の管径を太くしなければならないという
問題点があった。これに対し、磁気浮上式鉄道用超電導
磁石は、その使用形態から軽量化、小型化が非常に重要
な課題であり、その点で管径の増大は問題であった。

【００１０】また、超電導磁石を搭載した車両が勾配区
間で停車したり、加速や減速時であってもガス成分が液
体窒素タンク５に戻ることと同時に、液が末端まで供給
できるようにするため、冷却配管７ａ〜１０ｄや供給配
管１３、１４、１５、及び冷却配管１６を適切な勾配を
持たせて設置しなければならないという問題点があっ
た。

【００１１】この発明は、上記のような課題を解決する
ためになされたもので、同一配管内で蒸発ガスの流れと
液の流れが向流にならず、一方向流となるように構成
し、確実にガスの戻りと液の供給ができるような窒素自
然循環冷却方式によるシールド冷却配管を有する低温装
置を得ることを目的としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この発明に係わる低温装
置においては、冷媒の流入口及び流出口を有し、冷媒を
貯蔵するタンクと、このタンクの流出口から流出した冷
媒を一方向に流通させて供給する第一の配管と、この第
一の配管と連通し被冷却体を冷却するように配置された
第二の配管と、この第二の配管と連通し、第二の配管を
通過した冷媒が一方向に流通されてタンクの流入口に戻
るように配置された第三の配管を備えたものである。ま
た、第二の配管は、タンクの流出口から流出した液体状
の冷媒が被冷却体を冷却するように配置されているもの
である。

【００１３】また、第三の配管は、第二の配管を通過す
ることによって発生した気体状の冷媒が流通するように
配置されているものである。さらに、第一の配管は、断
熱状態に設置されているものである。

【００１４】また、被冷却体は、超電導磁石を収納した
容器を熱シールドするように構成された熱シールド板で
あるものである。加えて、冷媒は、窒素であるものであ
る。

【００１５】

【発明の実施の形態】実施の形態１．以下、この発明の
実施の形態１による磁気浮上式鉄道用超電導磁石につい
て、図に基づいて説明する。図１は、この発明の実施の
形態１による磁気浮上式鉄道用超電導磁石の熱シールド
配管系を示す構成図である。図において、１ａ、１ｂ、
１ｃ、１ｄは超電導コイル、２は超電導コイル１ａ〜１
ｄを冷却する液体ヘリウムを溜めておく液体ヘリウムタ
ンク、３は熱負荷により蒸発したヘリウムを再液化する
ヘリウム冷凍機である。４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄはそれ
ぞれ超電導コイル１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄを納めた内槽
容器（図示されていない）への輻射熱を低減するため
に、内槽を覆うように設置された熱シールド板、５は熱
シールド板４ａ〜４ｄを冷却するための冷媒である液体
窒素を溜めておく液体窒素タンクで、冷媒の流出口及び
流入口を有している。６は熱負荷により蒸発した窒素を
再液化する窒素冷凍機、７ａ、８ａ、９ａ、１０ａは熱
シールド板４ａを冷却するため熱的に接触させて並列的
に取付けられたシールド冷却配管で、第二の配管を構成
する。７ｂ、８ｂ、９ｂ、１０ｂは熱シールド板４ｂ
を、７ｃ、８ｃ、９ｃ、１０ｃは熱シールド板４ｃを、
７ｄ、８ｄ、９ｄ、１０ｄは熱シールド板４をそれぞれ
冷却するため熱的に接触させて並列的に取付けたシール
ド冷却配管であり、第二の配管を構成する。

【００１６】１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄはそれぞ
れシールド冷却配管７ａ〜１０ａ、７ｂ〜１０ｂ、７ｃ
〜１０ｃ、７ｄ〜１０ｄに液体窒素を供給する供給配管
で、第一の配管を構成する。１３及び１４はそれぞれ端
部の熱シールド板４ａ、４ｄに液体窒素を供給する供給
配管で、第一の配管を構成する。１５は供給配管１３、
１４に液体窒素を供給するため液体窒素タンク５の下部
の流出口に接続された供給配管で、第一の配管を構成す
る。１６は液体ヘリウムタンク２周囲の熱シールド板を
冷却する冷却配管で、液体窒素タンク５への戻り配管を
兼ねており、第三の配管を構成している。１９及び２０
は熱シールド板４ａ〜４ｄを冷却することにより、蒸発
した窒素ガス成分を液体窒素タンク５の流入口に戻すよ
うに配置された戻り配管で、第三の配管を構成する。

【００１７】次に、上記のように構成された超電導磁石
の熱シールド系の冷却動作について説明する。被冷却体
である熱シールド板４ａ〜４ｄを冷却する動作について
は、液体窒素の自然循環方式であり、従来例と同様であ
る。従来例との違いは、戻り配管の構成の違いである。
この発明では、シールド冷却配管７ａ〜７ｄ、８ａ〜８
ｄ、９ａ〜９ｄ、１０ａ〜１０ｄを通った窒素ガスは、
戻り配管１９及び２０を通じ、冷却配管１６を通り、液
体ヘリウムタンク２の熱シールド板を冷却しながら液体
窒素タンク５に戻る。冷却配管１６内には、各配管の管
路抵抗が際だって大きくない限り、液体窒素タンク５内
の液面位置と同じ高さまで液体窒素が満たされており、
その中を蒸発した窒素ガスが抜けて行くことになる。そ
して蒸発により減った液体窒素は、液体窒素タンク５よ
り供給配管１３、１４及び供給配管１１ａ〜１１ｄを通
じてシールド冷却配管７ａ〜７ｄ、８ａ〜８ｄ、９ａ〜
９ｄ、１０ａ〜１０ｄに供給され、熱シールド板４ａ〜
４ｄ及び支持材のサーマルアンカー部が冷却される。

【００１８】以上のように、戻り配管１９、２０及び冷
却配管１６内では、蒸発したガスと液体窒素とが向流的
に流動することなく、一方向的に流動することになり、
熱シールド板４ａ〜４ｄへの液体窒素の供給がスムーズ
に実行される。これにより、窒素ガスと液体窒素とが向
流的に流動してペーパーロック現象を起こすことはなく
なる。

【００１９】実施の形態２．実施の形態１では、液体窒
素の供給配管１１ａ〜１１ｄ、１３、１４、１５の各配
管の施工について特別な制限を設けていないが、実施の
形態２ではこれらの供給配管を断熱的に設置している。
このようにすることにより、供給配管内で液体窒素が蒸
発することがほとんどなく、より一層配管内での蒸発ガ
スと液との向流をなくすことができる。

【００２０】

【発明の効果】この発明は、以上説明したように構成さ
れているので、以下に示すような効果を奏する。冷媒の
流入口及び流出口を有し、冷媒を貯蔵するタンクと、こ
のタンクの流出口から流出した冷媒を一方向に流通させ
て供給する第一の配管と、この第一の配管と連通し被冷
却体を冷却するように配置された第二の配管と、この第
二の配管と連通し、第二の配管を通過した冷媒が一方向
に流通されてタンクの流入口に戻るように配置された第
三の配管を備えたので、配管内で、液体状の冷媒と気体
状の冷媒が向流流動することがなく、従って配管を太く
する必要がない。また、第二の配管は、タンクの流出口
から流出した液体状の冷媒が被冷却体を冷却するように
配置されているので、被冷却体の冷却ができる。

【００２１】また、第三の配管は、第二の配管を通過す
ることによって発生した気体状の冷媒が流通するように
配置されているので、第三の配管を第一の配管とは別の
経路にすることができる。さらに、第一の配管は、断熱
状態に設置されているので、第一の配管内で冷媒が蒸発
することがほとんどなく、第一の配管内での液体状の冷
媒と気体状の冷媒が向流流動することを抑制できる。

【００２２】また、被冷却体は、超電導磁石を収納した
容器を熱シールドするように構成された熱シールド板で
あるので、熱シールド板の冷却を行うことができる。加
えて、冷媒は、窒素であるので、液体窒素による冷却を
行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態１による磁気浮上式鉄
道用超電導磁石の熱シールド配管系を示す構成図であ
る。

【図２】従来の磁気浮上式鉄道用超電導磁石の熱シー
ルド配管系を示す構成図である。

【符号の説明】

１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ超電導コイル、２液体ヘ
リウムタンク、３ヘリウム冷凍機、４ａ，４ｂ，４
ｃ，４ｄ熱シールド板、５液体窒素タンク、６
窒素冷凍機、７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄシールド冷却配
管、８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄシールド冷却配管、９
ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄシールド冷却配管、１０ａ，１
０ｂ，１０ｃ，１０ｄシールド冷却配管、１１ａ，１
１ｂ，１１ｃ，１１ｄ供給配管、１３，１４，１５
供給配管、１６冷却配管、１９，２０戻り配
管。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】冷媒を自然循環させて被冷却体を冷却す
るよう構成された低温装置において、冷媒の流入口及び
流出口を有し、上記冷媒を貯蔵するタンク、このタンク
の流出口から流出した冷媒を一方向に流通させて供給す
る第一の配管、この第一の配管と連通し上記被冷却体を
冷却するように配置された第二の配管、この第二の配管
と連通し、第二の配管を通過した冷媒が一方向に流通さ
れて上記タンクの流入口に戻るように配置された第三の
配管を備えたことを特徴とする低温装置。
【請求項２】第二の配管は、タンクの流出口から流出
した液体状の冷媒が被冷却体を冷却するように配置され
ていることを特徴とする請求項１記載の低温装置。
【請求項３】第三の配管は、第二の配管を通過するこ
とによって発生した気体状の冷媒が流通するように配置
されていることを特徴とする請求項１または請求項２記
載の低温装置。
【請求項４】第一の配管は、断熱状態に設置されてい
ることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項
記載の低温装置。
【請求項５】被冷却体は、超電導磁石を収納した容器
を熱シールドするように構成された熱シールド板である
ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項記
載の低温装置。
【請求項６】冷媒は、窒素であることを特徴とする請
求項１〜請求項５のいずれか一項記載の低温装置。