JP2003086418A - 極低温装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 超電導マグネット等の要冷却装置において、
冷媒の温度を冷媒容器内の凝縮温度より低くすることが
でき、ひいては被冷却体をより低い温度まで冷却するこ
とができる極低温装置を提供する。 【解決手段】 極低温装置においては、液体窒素容器４
内で、凝縮熱交換器９によって窒素ガスが凝縮液化させ
られ、極低温の液体窒素５が生成される。この液体窒素
５は、過冷却熱交換器１０によって窒素ガスの凝縮温度
より５〜１０Ｋ低い温度まで冷却された後、液体窒素供
給配管１１を介して冷却管８に供給される。この液体窒
素５により、超電導マグネットの輻射シールド板７が、
従来に比べて５〜１０Ｋ低い温度まで冷却される。この
後、冷却管８内に生じた窒素ガスは、蒸発ガス排気管１
２を介して、液体窒素容器４の上層空間部に戻される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被冷却体に付設さ
れた冷却管内を流れる極低温の冷媒により、該被冷却体
を冷却するようになっている極低温装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】一般に、超電導マグネットや極低温容器
には、輻射シールド板等の被冷却体を冷却して極低温に
保持する極低温装置が設けられる。かかる極低温装置と
しては、例えば、極低温の冷媒を収容する液溜部を被冷
却体の上方に設置し、冷媒を自然流下循環方式で循環さ
せ、輻射シールド板等の被冷却体を冷却するようにした
ものが知られている。例えば、特開平１０−１３５０２
８号公報には、このような自然流下循環方式の極低温装
置の具体例として、凝縮液化した冷媒と気化した冷媒と
の間の密度差を利用して、冷媒の循環動力を得るように
した気泡上昇方式の極低温装置が開示されている。

【０００３】図６は、冷媒として液体窒素を用いて輻射
シールド板を冷却するようにした、従来の気泡上昇方式
の極低温装置の模式的な立面図である。図６において、
１０１は冷凍機であり 、１０２は最初に液体窒素を導
入するためのサービスポートであり、１０３は極低温部
分の真空断熱容器であり、１０４は液体窒素容器であ
り、１０５は液体窒素であり、１０６はヘッダーであ
り、１０７は輻射シールド板であり、１０８は輻射シー
ルド板１０７に付設された冷却管であり、１０９は凝縮
熱交換器である。

【０００４】この従来の極低温装置においては、液体窒
素容器１０４内の液体窒素１０５は、自然流下でヘッダ
ー１０６を経由して左右の冷却管１０８内を流れ、冷却
管下部に到達する。その途中で液体窒素１０５は輻射シ
ールド板１０７を冷却するので、液体窒素１０５の一部
は気化して気泡となる。この気泡（窒素ガス）は、冷却
管１０８内を逆流し、液体窒素容器１０４の上層空間部
（気相部）に集まる。上層空間部の窒素ガスは、冷凍機
１０１に接続された凝縮熱交換器１０９によって再び液
化される。このようにして、液体窒素１０５ないし窒素
ガスは極低温装置内を循環する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、例えば超電
導マグネット等の要冷却装置においては、輻射シールド
板１０７等の被冷却体の温度が低いほど熱侵入量が少な
くなり、該要冷却装置が小型化され、あるいはその電力
消費量が低減され、性能の向上が期待できる。しかしな
がら、例えば図６に示すような従来の極低温装置では、
冷却管１０８内を流下する液体窒素の温度を、窒素ガス
が凝縮するときの液体窒素容器１０４内の圧力に対応す
る温度（大気圧下では、約７７Ｋ）より低くすることが
できないといった問題がある。

【０００６】本発明は、上記従来の問題を解決するため
になされたものであって、超電導マグネット等の要冷却
装置において、冷媒の温度を冷媒容器内の凝縮温度より
低くすることができ、ひいては輻射シールド板等の被冷
却体をより低い温度まで冷却することができる極低温装
置を提供することを解決すべき課題とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
になされた本発明の第１の態様にかかる極低温装置は、
（ｉ）極低温の冷媒を、被冷却体に付設された冷却管を
経由して循環させ、該被冷却体を冷却するようになって
いる極低温装置において、（ii）被冷却体の上方に配置
され、冷媒を収容する冷媒容器と、（iii）冷媒容器内
の冷媒を、（重力により）自然流下させて冷却管に供給
する冷媒供給配管と、（iv）冷却管内を流れて気化した
冷媒を、冷媒容器の上層空間部に導く冷媒ガス排気管
と、（ｖ）冷凍機から極低温の伝熱媒体が供給され、冷
媒容器内の気化した冷媒を凝縮液化させる凝縮熱交換器
と、（vi）冷媒容器内に配置され、冷媒をその凝縮温度
より低い温度に冷却する過冷却熱交換器とが設けられて
いることを特徴とするものである。

【０００８】本発明の第２の態様にかかる極低温装置
は、（ｉ）極低温の冷媒を、被冷却体に付設された冷却
管を経由して循環させ、該被冷却体を冷却するようにな
っていて、（ii）本発明の第１の態様にかかる極低温装
置における冷媒容器と、冷媒供給配管と、冷媒ガス排気
管と、凝縮熱交換器とが設けられるとともに、（iii）
冷媒供給配管内に配置され、冷媒をその凝縮温度より低
い温度に冷却する過冷却熱交換器が設けられていること
を特徴とするものである。

【０００９】本発明の第３の態様にかかる極低温装置
は、（ｉ）極低温の冷媒を、被冷却体に付設された冷却
管を経由して循環させ、該被冷却体を冷却するようにな
っていて、（ii）本発明の第１の態様にかかる極低温装
置における冷媒容器と、冷媒供給配管と、冷媒ガス排気
管とが設けられるとともに、（iii）冷凍機の伝熱媒体
の温度が最も低くなる部分に熱伝導可能に接続された伝
導冷却部材と、（iv）一端が伝導冷却部材に熱的に接続
され、他端が冷媒容器の上層空間部に対応する部分に熱
的に接続され、冷媒容器内の気化した冷媒を凝縮液化さ
せる凝縮熱交換器と、（ｖ）一端が伝導冷却部材に熱的
に接続され、他端が冷媒供給配管の周壁に熱的に接続さ
れ、冷媒をその凝縮温度より低い温度に冷却する過冷却
熱交換器とが設けられていることを特徴とするものであ
る。

【００１０】本発明の第４の態様にかかる極低温装置
は、本発明の第１〜第３の態様のいずれか１つにかかる
極低温装置において、被冷却体が超伝導マグネットを構
成する部材（例えば、輻射シールド板）であり、冷媒が
液体窒素であることを特徴とするものである。

【００１１】

【発明の実施の形態】実施の形態１．以下、本発明の実
施の形態１を具体的に説明する。図１は、本発明の実施
の形態１にかかる、輻射シールド板を冷却するための自
然流下循環方式の極低温装置の立面図である。図１にお
いて、１はこの極低温装置の究極的な低温源である冷凍
機であり 、２は最初にこの極低温装置に冷媒である液
体窒素を導入するためのサービスポートであり、３は極
低温部分を収容している真空断熱容器である。

【００１２】図１において、４は液体窒素容器であり、
５は液体窒素であり、６はヘッダーである。また、７は
超電導マグネットの輻射シールド板であり、８は輻射シ
ールド板７に付設された冷却管（冷却配管）であり、９
は凝縮熱交換器である。１０は過冷却熱交換器であり、
１１は液体窒素供給配管（冷媒供給配管）であり、１２
は蒸発ガス排気管（冷媒ガス排気管）である。

【００１３】この極低温装置において、液体窒素５を収
容している液体窒素容器４は、真空断熱容器３内で、被
冷却体である輻射シールド板７の上方に配置されてい
る。液体窒素供給配管１１の一端（上端部）は液体窒素
容器４の底部に開口し（接続され）、他端は冷却管８の
下端部に接続され、液体窒素容器４内の液体窒素５が自
然に（重力により）液体窒素供給配管１１内を流下して
冷却管８に供給されるようになっている。また、蒸発ガ
ス排気管１２の上端部は液体窒素容器４の上層空間部
（気相部）に開口し、下端部はヘッダー６を介して冷却
管８の上端部に接続され、冷却管８内で液体窒素５が気
化して生成された窒素ガスが、ヘッダー６と蒸発ガス排
気管１２とを介して液体窒素容器４の上層空間部に導か
れるようになっている。

【００１４】凝縮熱交換器９は、冷凍機１から供給され
る極低温の伝熱媒体と、液体窒素容器４内の窒素ガスと
の間で熱交換を行わせ、窒素ガスを冷却して凝縮液化さ
せ、液体窒素５を生成する。過冷却熱交換器１０は、液
体窒素容器４内において、液体窒素供給配管１１の開口
部（上流端）近傍でありかつ液体窒素容器底部近傍であ
る部位に配置されている。そして、過冷却熱交換器１０
は、冷凍機１から供給される極低温の伝熱媒体と、液体
窒素容器４内の液体窒素５との間で熱交換を行わせ、液
体窒素５をその凝縮温度より低い温度に冷却する。

【００１５】ここで、過冷却熱交換器１０の上流端は冷
凍機１の伝熱媒体（循環冷媒）の温度が最も低くなる部
分に接続され、凝縮熱交換器９の上流端は過冷却熱交換
器１０の下流端に接続されている。したがって、冷凍機
１内の最も低温の伝熱媒体は、まず過冷却熱交換器１０
内を流れ、次に凝縮熱交換器９内を流れ、この後冷凍機
１に戻る。かくして、過冷却熱交換器１０の熱交換作用
により、液体窒素容器４内の底部付近の液体窒素５を、
その通常の凝縮温度（約７７Ｋ）より５〜１０Ｋ程度低
温の過冷却状態とすることができる。

【００１６】過冷却状態となった液体窒素５は、液体窒
素供給配管１１を介して冷却管８の下端部に供給され
る。この後、過冷却状態となった液体窒素５は、冷却管
８内をその上端部に向かって流れ、輻射シールド板７を
冷却する。このとき、輻射シールド板７を、従来のこの
種の極低温装置に比べて５〜１０Ｋ程度低い温度まで冷
却することができる。

【００１７】このように輻射シールド板７を冷却した結
果、冷却管８内の液体窒素５は温度が上昇し、冷却管８
の下流部（上部）では、一部の液体窒素５が気化（蒸
発）して窒素ガス（気泡）が生じる。この窒素ガスは浮
力によりすみやかに上昇し、ヘッダー６と蒸発ガス排気
管１２と介して、液体窒素容器４の上層空間部に排出さ
れる。そして、凝縮熱交換器９によって再び凝縮液化さ
せられ、さらに過冷却熱交換器１０によって冷却されて
冷却管８に供給される。

【００１８】なお、冷却管８から蒸発ガス排気管１２ま
での管路内では、液体窒素５中に窒素ガス（気泡）が含
まれているので、流体全体としての平均密度が小さくな
る。このため、液体窒素供給配管１１と、冷却管８から
蒸発ガス排気管１２までの管路とでは、該管路の方が密
度ないしは圧力（ヘッド）が低くなる。この密度差ない
しは圧力差により、液体窒素供給配管１１から蒸発ガス
排気管１２までの一連の管路には、液体窒素供給配管１
１側から蒸発ガス排気管１２側に向かう液体窒素５の流
れが生じる。

【００１９】実施の形態１にかかる極低温装置では、過
冷却熱交換器１０が設けられているので、液体窒素容器
４内の窒素ガスの凝縮温度より低温の液体窒素５が得ら
れ、被冷却体である輻射シールド板７がより低い温度ま
で冷却される。このように、輻射シールド板７がより低
い温度まで冷却されるので、超電導マグネットへの熱侵
入量が少なくなり、該超電導マグネットが小型化され、
あるいはその電力消費量が低減され、その性能が向上す
る。

【００２０】実施の形態２．以下、図２を参照しつつ、
実施の形態２を具体的に説明する。しかしながら、図２
に示す実施の形態２にかかる極低温装置の構成ないしは
機能は、図１に示す実施の形態１にかかる極低温装置と
多くの共通点を有するので、説明の重複を避けるため、
以下では主として実施の形態１と異なる点を説明する。
なお、図２において、図１と共通の部材には、図１と同
一の参照番号が付されている。

【００２１】図２に示すように、実施の形態２にかかる
極低温装置では、過冷却熱交換器１０は、液体窒素容器
４内ではなく、液体窒素供給配管１１内に配置されてい
る。そして、この極低温装置でも、実施の形態１の場合
と同様に、過冷却熱交換器１０の上流端は冷凍機１の伝
熱媒体の温度が最も低くなる部分に接続され、凝縮熱交
換器９の上流端は過冷却熱交換器１０の下流端に接続さ
れている。したがって、冷凍機１内の最も低温の伝熱媒
体は、まず過冷却熱交換器１０内を流れ、次に凝縮熱交
換器９内を流れ、この後冷凍機１に戻る。その他の構成
は、実施の形態１と同様である。

【００２２】この実施の形態２にかかる極低温装置で
も、冷却管８に供給すべき液体窒素５（液体窒素供給配
管１１内の液体窒素５）を、その通常の凝縮温度（約７
７Ｋ）より５〜１０Ｋ程度低温の過冷却状態とすること
ができ、輻射シールド板７を、従来のこの種の極低温装
置に比べて５〜１０Ｋ程度低い温度まで冷却することが
できる。このように、窒素ガスの凝縮温度より低温の液
体窒素５が得られ、輻射シールド板７がより低い温度ま
で冷却されるので、超電導マグネットへの熱侵入量が少
なくなり、該超電導マグネットが小型化され、あるいは
その電力消費量が低減され、その性能が向上する。

【００２３】実施の形態３．以下、図３を参照しつつ、
実施の形態３を具体的に説明する。しかしながら、図３
に示す実施の形態３にかかる極低温装置の構成ないしは
機能は、図１に示す実施の形態１にかかる極低温装置と
多くの共通点を有するので、説明の重複を避けるため、
以下では主として実施の形態１と異なる点を説明する。
なお、図３において、図１と共通の部材には、図１と同
一の参照番号が付されている。

【００２４】図３に示すように、実施の形態３にかかる
極低温装置では、冷凍機１の伝熱媒体の温度が最も低く
なる部分に熱伝導可能に（熱的に）接続された伝導冷却
部材１３が設けられている。そして、凝縮熱交換器９
は、伝熱断面積を僅かに少なくして温度勾配を持たせた
ものとされている。この凝縮熱交換器９の一端は伝導冷
却部材１３に熱的に接続され、他端は液体窒素容器４の
上層空間部（気相部）に対応する部分において、容器外
周面（外壁面）に熱的に接続されている。また、過冷却
熱交換器１０の一端は伝導冷却部材１３に熱的に接続さ
れ、他端は液体供給配管１１の外周面（周壁）に熱的に
接続されている。その他の構成は、実施の形態１と同様
である。

【００２５】実施の形態３にかかる極低温装置でも、冷
却管８に供給すべき液体窒素５を、その通常の凝縮温度
（約７７Ｋ）より５〜１０Ｋ程度低温の過冷却状態とす
ることができ、輻射シールド板７を、従来のこの種の極
低温装置に比べて５〜１０Ｋ程度低い温度まで冷却する
ことができる。このように、窒素ガスの凝縮温度より低
温の液体窒素５が得られ、輻射シールド板７がより低い
温度まで冷却されるので、超電導マグネットへの熱侵入
量が少なくなり、該超電導マグネットが小型化され、あ
るいはその電力消費量が低減され、その性能が向上す
る。また、凝縮熱交換器９、過冷却熱交換器１０及び伝
導冷却部材１３は、液体窒素容器４や液体窒素供給配管
１１の周囲の断熱真空部分に配置（接続）されているの
で、液体窒素系からの真空漏れの心配がない。

【００２６】実施の形態４．以下、図４及び図５を参照
しつつ、実施の形態４を具体的に説明する。しかしなが
ら、図４及び図５に示す実施の形態４にかかる極低温装
置の構成ないしは機能は、図１に示す実施の形態１にか
かる極低温装置と多くの共通点を有するので、説明の重
複を避けるため、以下では主として実施の形態１と異な
る点を説明する。なお、図４及び図５において、図１と
共通の部材には、図１と同一の参照番号が付されてい
る。

【００２７】図４及び図５に示すように、実施の形態４
にかかる極低温装置では、液体ヘリウム容器１４と超電
導コイル１５とが設けられている。その他の構成は、実
施の形態１と同様である。

【００２８】実施の形態４にかかる極低温装置でも、冷
却管８に供給される液体窒素供給配管１１内の液体窒素
５を、その通常の凝縮温度（約７７Ｋ）より５〜１０Ｋ
程度低温の過冷却状態とすることができ、輻射シールド
板７を、従来のこの種の極低温装置に比べて５〜１０Ｋ
程度低い温度まで冷却することができる。このように、
窒素ガスの凝縮温度より低温の液体窒素５が得られ、輻
射シールド板７がより低い温度まで冷却されるので、超
電導マグネットへの熱侵入量が少なくなり、該超電導マ
グネットが小型化され、あるいはその電力消費量が低減
され、その性能が向上する。

【００２９】なお、実施の形態１〜４にかかる極低温装
置は、いずれも、自然流下循環方式で輻射シールド板を
冷却するものであるが、本発明はこれに限定されるもの
ではないのはもちろんである。本発明にかかる極低温装
置は、例えば、酸化物超電導体を材料とした超電導コイ
ルや電流リードなどの構造物を冷却する手段としても利
用できるものである。また、実施の形態１〜４にかかる
極低温装置では、極低温の冷媒として液体窒素が用いら
れているが、かかる冷媒が液体窒素に限定されるもので
ないのはもちろんである。冷媒として、例えば、液体天
然ガス、液体ネオン、液体水素などを用いても良い。

【００３０】

【発明の効果】本発明の第１の態様にかかる極低温装置
によれば、冷媒容器内に、過冷却熱交換器が設けられて
いるので、冷媒容器内の冷媒の凝縮温度より低い温度の
冷媒が得られ、被冷却体ひいては要冷却装置をより低い
温度に冷却することができる。このため、要冷却装置へ
の熱侵入量が少なくなり、該要冷却装置が小型化され、
あるいはその電力消費量が低減され、その性能が向上す
る。

【００３１】本発明の第２の態様にかかる極低温装置に
よれば、冷媒供給配管内に、過冷却熱交換器が設けられ
ているので、冷媒の凝縮温度より低い温度の冷媒が得ら
れ、被冷却体ひいては要冷却装置をより低い温度に冷却
することができる。このため、要冷却装置への熱侵入量
が少なくなり、該要冷却装置が小型化され、あるいはそ
の電力消費量が低減され、その性能が向上する。

【００３２】本発明の第３の態様にかかる極低温装置に
よれば、冷凍機の伝熱媒体の温度が最も低くなる部分に
接続された伝導冷却部材と、それぞれ該伝導冷却部材に
熱的に接続された凝縮熱交換器及び過冷却熱交換器が設
けられているので、冷媒の凝縮温度より低い温度の冷媒
が得られ、被冷却体ひいては要冷却装置をより低い温度
に冷却することができる。このため、要冷却装置への熱
侵入量が少なくなり、該要冷却装置が小型化され、ある
いはその電力消費量が低減され、その性能が向上する。
さらに、凝縮熱交換器及び過冷却熱交換器が、冷媒容器
や冷媒供給配管の周囲に接続されているので、冷媒系か
らの真空漏れの心配がない。

【００３３】本発明の第４の態様にかかる極低温装置に
よれば、まずもって、本発明の第１〜第３の態様にかか
る極低温装置の場合と同様の作用・効果が得られる。さ
らに、超電導マグネットを構成する輻射シールド板等の
被冷却体を、極低温（例えば、約７７Ｋ）の液体窒素で
効果的に冷却することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態１にかかる極低温装置の
模式的な立面図である。

【図２】 本発明の実施の形態２にかかる極低温装置の
模式的な立面図である。

【図３】 本発明の実施の形態３にかかる極低温装置の
模式的な立面図である。

【図４】 本発明の実施の形態４にかかる極低温装置の
正面図である。

【図５】 図４に示す極低温装置の側面図である。

【図６】 従来の極低温装置の模式的な立面図である。

【符号の説明】

１ 冷凍機、 ２ サービスポート、 ３ 真空断熱容
器、 ４ 液体窒素容器、 ５ 液体窒素、 ６ ヘッ
ダー、 ７ 輻射シールド板、 ８ 冷却管、９ 凝縮
熱交換器、 １０ 過冷却熱交換器、 １１ 液体窒素
供給配管、１２ 蒸発ガス排気管、 １３ 伝導冷却部
材、 １４ 液体ヘリウム容器、１５ 超電導コイル。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 極低温の冷媒を、被冷却体に付設された
   冷却管を経由して循環させ、該被冷却体を冷却するよう
   になっている極低温装置において、 前記被冷却体の上方に配置され、前記冷媒を収容する冷
   媒容器と、 前記冷媒容器内の前記冷媒を、自然流下させて前記冷却
   管に供給する冷媒供給配管と、 前記冷却管内を流れて気化した前記冷媒を、前記冷媒容
   器の上層空間部に導く冷媒ガス排気管と、 冷凍機から極低温の伝熱媒体が供給され、前記冷媒容器
   内の気化した冷媒を凝縮液化させる凝縮熱交換器と、 前記冷媒容器内に配置され、前記冷媒をその凝縮温度よ
   り低い温度に冷却する過冷却熱交換器とが設けられてい
   ることを特徴とする極低温装置。
2. 【請求項２】 極低温の冷媒を、被冷却体に付設された
   冷却管を経由して循環させ、該被冷却体を冷却するよう
   になっている極低温装置において、 前記被冷却体の上方に配置され、前記冷媒を収容する冷
   媒容器と、 前記冷媒容器内の前記冷媒を、自然流下させて前記冷却
   管に供給する冷媒供給配管と、 前記冷却管内を流れて気化した前記冷媒を、前記冷媒容
   器の上層空間部に導く冷媒ガス排気管と、 冷凍機から極低温の伝熱媒体が供給され、前記冷媒容器
   内の気化した冷媒を凝縮液化させる凝縮熱交換器と、 前記冷媒供給配管内に配置され、前記冷媒をその凝縮温
   度より低い温度に冷却する過冷却熱交換器とが設けられ
   ていることを特徴とする極低温装置。
3. 【請求項３】 極低温の冷媒を、被冷却体に付設された
   冷却管を経由して循環させ、該被冷却体を冷却するよう
   になっている極低温装置において、 前記被冷却体の上方に配置され、前記冷媒を収容する冷
   媒容器と、 前記冷媒容器内の前記冷媒を、自然流下させて前記冷却
   管に供給する冷媒供給配管と、 前記冷却管内を流れて気化した上記冷媒を、前記冷媒容
   器の上層空間部に導く冷媒ガス排気管と、 冷凍機の伝熱媒体の温度が最も低くなる部分に熱伝導可
   能に接続された伝導冷却部材と、 一端が前記伝導冷却部材に熱的に接続され、他端が前記
   冷媒容器の上層空間部に対応する部分に熱的に接続さ
   れ、前記冷媒容器内の気化した前記冷媒を凝縮液化させ
   る凝縮熱交換器と、 一端が前記伝導冷却部材に熱的に接続され、他端が前記
   冷媒供給配管の周壁に熱的に接続され、前記冷媒をその
   凝縮温度より低い温度に冷却する過冷却熱交換器とが設
   けられていることを特徴とする極低温装置。
4. 【請求項４】 前記被冷却体が超電導マグネットを構成
   する部材であり、前記冷媒が液体窒素であることを特徴
   とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の極低温装
   置。