JP2005156051A - 超電導部材冷却装置およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 液体窒素等の低温液化ガスをＧＭ冷凍機によって大気圧下での過冷却温度まで冷却して、その過冷却液体窒素により超電導部材を冷却する装置において、電気ヒータを用いることなく、低温液化ガスが凝固してしまうことを防止し得るようにする。
【解決手段】 冷凍機の圧縮機の圧縮用モータの電源系路にインバータを介挿しておき、冷凍機の冷却ヘッドの温度をセンサにより検出して、その検出温度によりインバータを制御して、圧縮機の流量／圧力を制御し、冷却ヘッドの温度が低温液化ガスの凝固温度に達しないようにフィードバック制御する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、超電導トランスや超電導マグネット、そのほか各種の超電導コイル、あるいは超電導ケーブルなどの超電導部材、特に高温超電導部材を、液体窒素等の低温液化ガスによって低温に冷却・保持するための超電導部材冷却装置およびその制御方法に関するものである。

超電導コイルなどの超電導部材、特に高温超電導を利用した超電導部材を冷却するにあたっては、冷却媒体として、窒素、水素、ネオン、ヘリウム等の低温液化ガスを使用することができるが、一般的には比較的安価な液体窒素（ＬＮ_２）を使用することが多い。この場合従来一般には、大気圧の飽和液体窒素、すなわち約７７Ｋの液体窒素が用いられている。すなわち、真空断熱されたクライオスタットと称される大気に実質的に開放された断熱容器に超電導部材を収容しておき、その断熱容器内に約７７Ｋの大気圧飽和液体窒素を注入して、その液体窒素中に超電導部材を浸漬させ、超電導部材を冷却・保持するのが通常である。

ところで高温超電導部材においては、若干でも温度が下がれば、超電導特性が大幅に向上することが知られている。例えば臨界電流は、７７Ｋから７０Ｋに下がっただけでも数倍に大きくなることが知られている。そこで最近では、大気圧下での飽和温度よりも低い温度（すなわち大気圧下での過冷却温度）の液体窒素等を用いて超電導部材を冷却する試みが種々なされている。

その一つの手法として本発明者等は、ＧＭ冷凍機（ギフォードマクマホン冷凍機）で代表される小型超低温冷凍機によって液体窒素を大気圧下での過冷却温度、例えば６５Ｋまで冷却し、得られた大気圧下での過冷却温度の液体窒素を、超電導部材を冷却するための冷却媒体として用いるようにした超電導部材冷却装置を、特許文献１において提案している。

上記特許文献１による超電導部材冷却装置は、基本的には、超電導部材を収容してその超電導部材を冷却するための大気に実質的に開放された冷却側断熱容器と、前記冷却側断熱容器へ供給すべき液体窒素を収容するための大気圧に実質的に開放された供給側断熱容器と、前記供給側断熱容器へ液体窒素を供給するための液体窒素供給手段と、前記供給側断熱容器内の液体窒素を、大気圧下での過冷却温度まで冷却するための冷凍機と、前記供給側断熱容器内において大気圧下での過冷却温度まで冷却された液体窒素を前記冷却側断熱容器に移送するための移送手段とを有してなり、供給側断熱容器および冷却側断熱容器の液面上の空間を大気圧とするかまたは大気圧よりも高い圧力とし、かつ前記移送手段によって前記冷却側断熱容器内に供給された過冷却状態の液体窒素中に前記超電導部材を浸漬させるようにしたことを特徴とするものであり、その具体例を図３に示す。

図３において、冷却対象となる超電導部材１は冷却側断熱容器３の底部に配置されている。この冷却側断熱容器３は、大気に実質的に開放された一般的な汎用のクライオスタットからなるものであって、その外周壁部および底壁部が真空断熱構造５とされ、また上端には開閉可能な蓋部７が設けられている。この蓋部７は、容器本体に対して真空封止されたものではなく、またこの蓋部７には汎用のクライオスタットと同様な電流導入端子等が設けられており、このような蓋部７と容器本体部分との間の隙間や電流導入端子等を通じて冷却側断熱容器３の内部は実質的に大気開放された状態となっている。なお蓋部７には安全弁１９が設けられているが、この安全弁１９は、内部圧力が外部の大気圧に対して例えば＋１０ｋＰａを越えた場合に開放されて、内部圧力を大気圧〜大気圧＋１０ｋＰａの範囲内、すなわち大気圧もしくは大気圧より若干高い圧力に保持するように機能する。そして超電導部材１は蓋部７から支持部材９Ａ，９Ｂによって吊下げた状態となっている。

冷却側断熱容器３内の底部には、後述するようにトランスファチューブ４５を介して大気圧下での過冷却温度の液体窒素（冷却用液体窒素）１１が供給されて、超電導部材１がその液体窒素１１に浸漬される。またその冷却側断熱容器３内における液体窒素１１の液面１１Ａよりもわずかに下方の位置には、水平横断面の外形形状が冷却側断熱容器３の水平横断面内周形状と実質的に相似の形状をなしかつ上下方向に所定の厚みを有する断熱部材１３が配設されている。この断熱部材１３は、前述の支持部材９Ａ，９Ｂによって蓋部７から吊下げられており、またその断熱部材１３の周囲が冷却側断熱容器３の内周壁面に対して若干の隙間１４を保つように作られている。一方冷却側断熱容器３における冷却用液体窒素１１の液面１１Ａの上方に残された空間（蓋部７と液面１１Ａとの間の空間）１５には、外部の第１の窒素ガス供給源１６から窒素ガス供給管１８を経て大気圧の窒素ガスが供給される。また冷却側断熱容器３内における断熱部材１３の下面側の位置には、後述する還流管１７の一端が開口している。

さらに前述のように大気に実質的に開放された冷却側断熱容器３とは別に、供給側断熱容器２１が配設されている。

供給側断熱容器２１は、前述の冷却側断熱容器３と同様に大気に実質的に開放されたものであって、その外周壁部および底壁部が真空断熱構造２３とされ、また上端には開閉可能な蓋部２５が設けられている。この蓋部２５は容器本体に対して真空封止されたものではなく、このような蓋部２５と容器本体部分との間の隙間などを通じて供給側断熱容器２１の内部は実質的に大気に開放された状態となっている。この供給側断熱容器２１には、外部の液体窒素供給源２７から、制御弁２９および供給管３１を介して液体窒素３３が供給されるようになっている。そして供給側断熱容器２１内における液体窒素３３の液面３３Ａよりもわずかに下方の位置には、水平横断面の外形形状が供給側断熱容器２１の水平横断面形状と実質的に相似の形状をなしかつ上下方向に所定の厚みを有する断熱部材３５が、蓋部２５から支持部材３７Ａ，３７Ｂによって吊下げられた状態で配設されている。この断熱部材３５も、その周囲が供給側断熱容器２１の内周壁面に対して若干の隙間３９を保持していることは、冷却側断熱容器３内の断熱部材１３と同様である。

さらに供給側断熱容器２１には、その供給側断熱容器２１内の液体窒素３３を、大気圧下での飽和液体窒素の温度よりも低い過冷却温度（約７７Ｋよりも低い温度、例えば６５Ｋ）に冷却するための冷凍機４１が配設されている。この冷凍機４１は、作動ガス（通常は純ヘリウムガス）を圧縮するための圧縮機（コンプレッサ）４１Ａと、圧縮された高圧の作動ガスを膨張させて低温を得るとともににその低温を冷却対象（液体窒素）と熱交換するための冷却ヘッド４１Ｂと、圧縮機４１Ａからの高圧の作動ガスと冷却ヘッド４１Ｂから戻る膨張された低圧の作動ガスの流れを切替えるためのバルブモーター等の切替部４１Ｃと、その切替部４１Ｃと冷却ヘッド４１Ｂとの間で作動ガスを往復させる通路を内部に形成したシリンダ部４１Ｄとからなるものであり、その切替部４１Ｃが供給側断熱容器２１の蓋部２５上に配置され、シリンダ部４１Ｄが切替部４１Ｃから蓋部２５を下方へ貫通して供給側断熱容器２１内の液体窒素の液面３３Ａ上の空間４７を通り、その下端が液体窒素中に浸漬され、その部分すなわち液体窒素中に浸漬された部分に冷却ヘッド４１Ｂが設けられている。ここで冷却ヘッド４１Ｂは、その外面に銅等の良伝熱材料からなる伝熱ブロックを設けた構成とされている。なお圧縮機４１Ａは通常は供給側断熱容器２１から離れた位置に配置され、その圧縮機４１Ａと切替部４１Ｃとの間が、作動ガスを流通させるための高圧ガス管路４１Ｅ、低圧ガス管路４１Ｆによって結ばれている。

また供給側断熱容器２１内には、蓋部２５から吊下げられた状態で送液ポンプ４３が配設されている。この送液ポンプ４３は、その取入口（汲出口）が供給側断熱容器２１における断熱部材３５よりも下方（通常は供給側断熱容器２１の底部近く）に位置するように配設されている。そしてこの送液ポンプ４３の出口側はトランスファーチューブ４５に接続されており、このトランスファーチューブ４５は前述のように冷却側断熱容器３内に導かれている。さらに前記冷却側断熱容器３からの還流管１７が供給側断熱容器２１内へ導かれており、その還流管１７の先端側開口端が供給側断熱容器２１内において開口している。

また供給側断熱容器２１における液体窒素３３の液面３３Ａの上方に残された空間（蓋部２５と液面３３Ａとの間の空間）４７には、外部の第２の窒素ガス供給源４９から窒素ガス供給管５１を経て大気圧もしくは大気圧より若干高い圧力の窒素ガスが供給されるようになっている。

ここで、液体窒素供給源２７、制御弁２９、および供給管３１は、供給側断熱容器２１に液体窒素を供給するための液体窒素供給手段６３を構成している。さらに送液ポンプ４３およびトランスファチユーブ４５は、供給側断熱容器２１内において大気圧で過冷却状態に冷却された液体窒素を冷却側断熱容器３に移送するための移送手段６５を構成している。一方第１の窒素ガス供給源１６、窒素ガス供給管１８は、冷却側断熱容器３における液面上の空間１５に大気圧もしくは大気圧より若干高い圧力の窒素ガスを供給するための第１の窒素ガス供給手段６７を構成しており、また第２の窒素ガス供給源４９、窒素ガス供給管５１は、供給側断熱容器２１における液面上の空間４７に大気圧もしくは大気圧より若干高い圧力の窒素ガスを供給するための第２の窒素ガス供給手段６９を構成している。

以上のような図３に示される特許文献１の超電導部材冷却装置の全体的な機能について以下に説明する。

液体窒素供給手段６３の液体窒素供給源２７から供給側断熱容器２１に供給される液体窒素は、７７Ｋ程度のものであるが、その液体窒素は供給側断熱容器２１内において、冷凍機４１の冷却ヘッド４１Ｂによって大気圧〜大気圧＋１０ｋＰａ程度の圧力のもとで冷却されて、大気圧下での飽和液体窒素温度（７７Ｋ程度）よりも低い温度、例えば６５Ｋ程度まで温度降下される。そしてその６５Ｋ程度に過冷却された大気圧もしくは大気圧より若干高い圧力の液体窒素３３は、送液ポンプ４３によって供給側断熱容器２１の底部付近から汲み上げられ、トランスファチューブ４５を介して、大気に実質的に開放された冷却側断熱容器３内に導かれる。冷却側断熱容器３内に導かれた過冷却状態の液体窒素を図３では符号１１で示しており、これが冷却用液体窒素に相当する。

冷却側断熱容器３内においては、前述のような例えば６５Ｋの過冷却状態の液体窒素１１によって超電導部材１が例えば６７〜７０Ｋ程度に冷却・保持される。また冷却側断熱容器３内において超電導部材１からの熱などによって例えば７０Ｋ程度以上に温度上昇した液体窒素は、還流管１７を介して供給側断熱容器２１へ戻る。このようにして供給側断熱容器２１へ還流された流体窒素は、冷凍機４１の冷却ヘッド４１Ｂにより再び６５〜７０Ｋ程度まで大気圧もしくは大気圧より若干高い圧力のもとで冷却され、前述のように送液ポンプ４３によって冷却側断熱容器３に再び送られることになる。

ここで、冷却側断熱容器３内における冷却用液体窒素１１の液面１１Ａの上方の空間１５には窒素ガス供給管１８を介して大気圧もしくは大気圧より若干高い圧力の窒素ガスが導入される。したがって冷却側断熱容器３の液面上の空間１５は大気圧もしくは大気圧より若干高い圧力の窒素ガスで満たされることになる。そのため冷却側断熱容器３内の圧力が大気圧もしくは大気圧以上の圧力に維持され、蓋部７の封止部分や電流導入端子部分などを介して外部から空気が引き込まれて侵入することが防止される。

また冷却側断熱容器３内における冷却用液体窒素１１の液面下には断熱部材１３が配設されているから、冷却用液体窒素１１の液面（気液界面であるため約７７Ｋ）とその断熱部材１３よりも下側、特に超電導部材１が位置している冷却側断熱容器底部との間で熱勾配を与えることができる。またその断熱部材１３の存在によって液面１１Ａ付近に底部側との間での対流撹拌が阻止される。そしてこれらの結果、超電導部材１が位置する底部の冷却用液体窒素１１を、６５Ｋ程度の低温の過冷却状態に維持することができる。そしてこのように超電導部材１が例えば６５〜７０Ｋの過冷却状態の低温の液体窒素１１によって取囲まれるため、超電導部材１の作動時において超電導部材１が発熱しても、その周囲の液体窒素が大気圧下での気化温度（約７７Ｋ）以上となるまでには１０Ｋ程度の余裕があり、そのため超電導部材１の発熱によってその周囲の液体窒素が直ちに気化してガス気泡が発生してしまうことを有効に防止できる。

なお供給側断熱容器２１内における液体窒素３３の液面３３Ａの上方の空間４７にも、窒素ガス供給管５１を介して大気圧もしくは大気圧より若干高い圧力の窒素ガスが導入されて、その窒素ガスで満たされることになる。そのため供給側断熱容器２１内の圧力が大気圧もしくは大気圧より若干高い圧力に維持され、蓋部２５の封止部分などを介して外部から空気が引き込まれて侵入することが防止される。

また冷却側断熱容器３と同様に、供給側断熱容器２１内における液体窒素３３の液面下にも断熱部材３５が配設されており、そのため液体窒素３３の液面（気液界面であるため約７７Ｋ）とその断熱部材３５よりも下側、特に冷凍機４１の冷却ヘッド４１Ｂ付近との間で熱勾配を与えることができる。またその断熱部材３５の存在によって液面３３Ａ付近と断熱部材３５よりも下側の部分との間での対流撹拌が阻止される。そしてこれらの結果、送液ポンプ４３の取入口付近の液体窒素３３を、６５〜７０Ｋ程度の低温の過冷却状態に維持して、その６５〜７０Ｋ程度の低温の過冷却状態の液体窒素を冷却側断熱容器３へ送り込むことができる。

このような特許文献１に示される超電導部材冷却装置においては、通常の７７Ｋ程度の大気圧下での飽和液体窒素を冷却媒体として用いた場合よりも超電導部材を確実に低温に冷却することができ、そのため超電導部材の性能を向上させることができる。しかもこの場合、冷却側断熱容器内の過冷却状態の冷却用液体窒素の液面上の空間が、大気圧もしくは大気圧より若干高い圧力の窒素ガスで満たされることにより、外部から水分を含む大気圧の空気が内部に吸い込まれるおそれを少なくして、冷却側断熱容器の蓋部や電流導入端子等の封止に厳密さが要求されないようにすることができ、さらには超電導部材を浸漬させた冷却用液体窒素が前述のように過冷却状態であるため、超電導部材の作動時において超電導部材が発熱しても、その発熱部位周辺で液体窒素が気化温度に達するには温度的余裕があり、そのため直ちには発熱部周辺でガス気泡が発生せず、したがってガス気泡によって超電導部材の絶縁性が低下したり冷却効率が低下したりするおそれも少ないなどの利点があり、さらには冷凍機によって大気圧下での過冷却温度まで供給側断熱容器内の液体窒素を冷却して、これを循環させているため、供給側断熱容器内への液体窒素補給のために運転を停止させる必要がないから、長時間連続して運転することができ、液体窒素補給のための手間や運転停止−再開の手間も不要となる等、種々の利点がある。

特許第２８５９２５０号公報

前述のように特許文献１に示されるような冷凍機を用いた超電導部材冷却装置は、種々の利点を有するが、本発明者等がその実用化のための実験・検討を重ねたところ、未だ改良すべき点があることが判明した。

すなわち、このような冷凍機を用いた超電導部材冷却装置においては、超電導部材の発熱や外部からの熱侵入による熱負荷、特に異常な超電導部材の発熱や過大な熱侵入により著しく大きな熱負荷が加わった場合でも、確実に超電導部材を所定の低温に冷却・維持させるべく、冷凍機としては正常な運転時に必要な冷却能力よりも充分に大きな冷却能力を有するものを使用する必要がある。言い換えれば、正常な運転時に必要な冷却能力に対して過剰な冷却能力を有する冷凍機を使用せざるを得ない。

ところがこのように過剰な冷却能力を有する冷凍機を用いた場合、正常な運転時、すなわち異常な熱負荷が加わっていない状態では、冷凍機の冷却ヘッドを挿入した供給側断熱容器内の液体窒素が過剰に冷却されて、液体窒素がその凝固温度（約６３Ｋ）よりも低温となり、冷却ヘッド付近で液体窒素の凝固が開始されてしまうことがある。

このように液体窒素の凝固が開始されれば、供給側断熱容器内での液体窒素の自然対流が生じにくくなり、その結果冷却ヘッドから供給側断熱容器内の液体窒素の全体への熱伝達が阻害されて、冷却ヘッドから離れた位置の液体窒素が逆に充分に冷却されずに温度上昇してしまう事態が生じ、その温度上昇した液体窒素が冷却側断熱容器に送給されれば、超電導部材が充分に冷却されずに温度上昇してしまう事態が生じるおそれがある。また供給側断熱容器内で発生した液体窒素の凝固塊が送液ポンプに詰まり、供給側断熱容器内で冷却された液体窒素が円滑に冷却側断熱容器内へ送り込まれなくなって、超電導部材の温度が上昇してしまうことがある。さらに場合によっては、液体窒素の凝固によって、超電導部材を構成している超電導コイルに応力が加わって、コイルが緩んだり破壊されたりすることもある。ここで図３に示した装置では、超伝導部材が供給側断熱容器とは別の冷却側断熱容器内に配設されているため、液体窒素の凝固による応力が超電導部材冷却部材に直接加わるおそれは少ないが、後述するように冷凍機を設けた断熱容器内の液体窒素中に超電導部材を直接的に浸漬させておくことも考えられ、その場合には前述のような液体窒素の凝固による応力が直接超電導部材に加わってしまうおそれがある。

このように冷凍機を用いて液体窒素を冷却するようにした超電導部材冷却装置では、液体窒素を凝固させてしまった場合、種々の問題が生じる。このような問題を回避するための一般的な方策としては、冷凍機の冷却ヘッドに電気ヒータを設置しておき、温度センサにより冷却ヘッドの温度を検出して、冷却ヘッドの温度が低くなり過ぎたときには電気ヒータを作動させて冷却ヘッド表面の温度を上昇させ、これにより液体窒素の凝固温度以下に冷却ヘッドの温度を下げないように制御することが考えられる。

しかしながらこのような電気ヒータを用いた方法では、冷凍機の余剰な冷却能力をヒータが消費しているだけであって、非効率的と言わざるを得ない。すなわち、冷凍機の出力のうち、一部は電気ヒータによって無駄に消費されて、その分は冷却に寄与していないことになるから、超電導部材冷却装置の全体としては、エネルギ効率が悪いと言わざるを得ないのである。

なお以上のところでは、超電導部材を冷却するための冷却媒体として液体窒素を用いた場合を例にとって説明したが、それ以外の低温液化ガス、例えば液体ネオンや液体水素等を冷却媒体として用いてこれを冷凍機により大気圧下での過冷却温度まで冷却する場合にも同様な問題が生じることは明らかである。すなわち、低温液化ガスを冷凍機により冷却して大気圧下での過冷却温度まで冷却した場合、凝固温度以下まで冷却されて凝固してしまうおそれは常に存在し、その解決策として電気ヒータを用いれば前述のように非効率的とならざるを得なかったのである。

この発明は以上の事情を背景としてなされたもので、低温液化ガスを冷凍機により大気圧下での過冷却温度まで冷却して超電導部材の冷却媒体として用いるようにした超電導部材冷却装置において、電気ヒータを用いることなく、したがって非効率化を回避しつつ、低温液化ガスがその凝固温度以下に冷却されて凝固が開始されてしまうような事態が発生することを有効に防止するような超電導部材冷却装置およびその制御方法を提供することを目的とするものである。

前述のような課題を解決するため、この発明の超電導部材冷却装置およびその制御方法では、基本的には、冷凍機の冷却ヘッドの温度を検出して、その検出温度に応じて冷凍機の圧縮機における圧縮用モータをインバータ制御により圧縮機の出力を制御し、冷凍機の冷却ヘッド温度が低温液化ガスの凝固温度まで低下しないようにフィードバック制御するようにした。また、ＧＭ冷凍機の作動ガスとしては一般的に純ヘリウムガスが使用されているが、これに超電導部材冷却用冷却媒体の低温液化ガスと同種のガスを少量添加・混合させれば、冷凍機の冷却能力が前記低温液化ガスの凝固温度付近で急激に低下するという特異な現象を利用して、冷凍機の作動ガスとしてヘリウムガスに対し低温液化ガスと同種のガスを混入させることにより、低温液化ガスがその凝固温度以下に温度降下することを確実に回避するようにした。

具体的には、請求項１の発明は、断熱容器内に低温液化ガスを収容するとともに、その断熱容器内に冷凍機の冷却ヘッドを挿入して、断熱容器内の低温液化ガスを大気圧下での過冷却温度に冷却し、その大気圧下での過冷却温度の低温液化ガスにより超電導部材を冷却するようにした超電導部材冷却装置において、前記断熱容器内の冷却ヘッド表面もしくはその近傍の温度を検出するための温度センサと、前記冷凍機における圧縮機の圧縮用モータを駆動するための電源系路に介挿されたインバータと、前記温度センサによる検出温度に応じて前記インバータを制御するための制御部とを有してなり、前記温度センサにより検出された温度に応じインバータの出力を制御して、圧縮機の出力を制御するように構成したことを特徴とするものである。

また請求項２の発明は、請求項１に記載の超電導部材冷却装置において、前記冷凍機の作動ガスとして、ヘリウムガスに、前記低温液化ガスと同種のガスを添加した混合ガスを用いることを特徴とするものである。

さらに請求項３の発明は、請求項２に記載の超電導部材冷却装置において、
前記混合ガスについて、低温液化ガスと同種のガスの割合を、３〜３０ｖｏｌ％の範囲内としたことを特徴とするものである。

そしてまた請求項４の発明は、断熱容器内に低温液化ガスを収容するとともに、その断熱容器内に冷凍機の冷却ヘッドを挿入して、断熱容器内の低温液化ガスを大気圧下での過冷却温度に冷却し、その大気圧下での過冷却温度の低温液化ガスにより超電導部材を冷却するようにした超電導部材冷却装置の制御方法において、前記断熱容器内に、冷却ヘッド表面もしくはその近傍の温度を検出するための温度センサを配設するとともに、前記冷凍機における圧縮機の圧縮用モータを駆動するための電源系路にインバータを介挿しておき、さらに前記温度センサによる検出温度に応じて前記インバータを制御するための制御部とを設けておき、前記温度センサにより検出された温度に応じてインバータの出力を制御して、冷却ヘッド表面もしくはその近傍の温度が、低温液化ガスの凝固温度よりも高い所定の設定温度を保つように圧縮機の出力をフィードバック制御することを特徴とするものである。

この発明の超電導部材冷却装置およびその制御方法によれば、冷凍機によって大気圧下での過冷却温度まで低温液化ガスを冷却するにあたり、電気ヒータを用いることなく、低温液化ガスが凝固してしまうことを有効に防止でき、したがって電気ヒータにより無駄にエネルギが消費されることがないため、電気ヒータを用いた場合よりも装置全体としての冷却効率を上昇させ、ランニングコストを低減することができる。

図１にこの発明の一実施例の超電導部材冷却装置の全体構成を示す。なお図１において、図３に示す装置の要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明は省略する。

図１において、ＧＭ冷凍機で代表される冷凍機４１の冷却ヘッド４１Ｂは、図３に示した装置と同様に、供給側断熱容器２１内に挿入されて、その供給側断熱容器２１内の低温液化ガスとしての液体窒素３３中に浸漬されており、その冷却ヘッド４１Ｂにより液体窒素３３が大気圧下での過冷却温度、例えば６５Ｋまで冷却されるようになっている。なおここで請求項１、請求項４で言うところの“断熱容器”は、この実施例では供給側断熱容器２１に相当する。

そして前記冷凍機４１における作動ガスを圧縮するための圧縮機４１Ａの圧縮用モータ４１ＡＭの駆動用電源系路４１Ｇには、可変周波数電源、すなわちインバータ４１Ｈが介挿されている。ここで、インバータ４１Ｈは、予め商用交流から直流に変換（コンバータによるＡＣ−ＤＣ変換）された一定の直流電圧（電流）を入力とし、出力として可変周波数、可変電圧の三相交流電圧に変換するものである。一方圧縮用モータ４１ＡＭとしては通常のＧＭ冷凍機の圧縮機と同様な誘導モータが用いられており、したがってインバータ４１Ｈからの可変周波数、可変電圧の出力により圧縮用モータ４１ＡＭを駆動するにあたっては、その回転数、回転トルクを変化させることができ、その結果、圧縮用モータ４１ＡＭにより作動させる圧縮機４１Ａは、高圧ガス管路４１Ｆへ送り出す作動ガスの圧力、流量を変化させることができる。

一方冷凍機４１の冷却ヘッド４１Ｂの表面もしくは表面近傍の内部または外部には、温度センサ７１が設置されており、この温度センサ７１の温度検出信号線７３は、前記インバータ４１Ｈを制御するための制御部４１Ｉに接続されている。ここで制御部４１Ｉは、温度センサ７１からの温度検出信号に応じてインバータ４１Ｈの出力周波数および／または電圧を制御するためのものである。

以上のような図１に示される実施例の超電導部材冷却装置の作動状況の一例、言い換えればこの発明の超電導部材冷却装置の制御方法の一例について、次に説明する。

冷凍機４１の冷却ヘッド４１Ｂによって供給側断熱容器２１内の液体窒素３３が大気圧下での過冷却温度、例えば６５Ｋまで冷却されることは既に図３に関して説明した通りであるが、図１の装置の場合においては、冷却ヘッド４１Ｂの表面あるいは表面近傍の内部もしくは外部の温度が温度センサ７１により検出され、その温度が液体窒素の凝固温度（約６３Ｋ）より若干高い設定温度、例えば６４Ｋを保つように、あるいはその温度（例えば６４Ｋ）より低くならないようにフィードバック制御される。すなわち、温度センサ７１からの温度検出信号が制御部４１Ｉに与えられて、その温度検出信号に応じてインバータ４１Ｈの出力周波数および／または出力電圧が制御され、圧縮用モータ４１ＡＭの回転周波数および／またはトルクが制御される。具体的には、冷却ヘッド４１Ｂの表面もしくはその近傍の温度が設定温度（６４Ｋ）より下がる傾向を示したときには、制御部４１Ｉにおいてインバータ４１Ｈの出力周波数が小さくなる方向へ、あるいは出力電圧が小さくなる方向へ制御され、これにより圧縮用モータ４１ＡＭの回転数および／またはトルクが小さくなる方向へ変化し、これによって冷凍機４１の高圧ガス管路４１Ｅに送り出される作動ガスの流量が小さくなるかまたはその圧力が小さくなるように変化し、それに伴って冷凍機としての冷却能力が低下し、冷却ヘッド４１Ｂの温度が設定温度（６４Ｋ）よりも下がって液体窒素の凝固温度（約６３Ｋ）に至らないように制御される。

したがってこのような制御によって、冷却ヘッド４１Ｂ付近で液体窒素が凝固してしまうような事態が発生することを確実に防止することができる。

ここで、図１の例においては超電導部材を冷却するための冷却媒体として液体窒素を用いているが、他の低温液化ガス、例えば液体ネオン、液体水素等を用いて、これらの低温液化ガスを冷凍機の冷却ヘッド４１Ｂにより大気圧下での過冷却温度まで冷却しても良いことは勿論であり、その場合も設定温度をそれらの低温液化ガスの凝固温度よりも若干高い温度として、設定温度よりも冷却ヘッド４１Ｂの表面もしくはその付近の温度が下がらないように前記同様にインバータを用いてフィードバック制御することができる。

また図１の例においては、供給側断熱容器２１とは別に冷却側断熱容器３を設けて、冷却対象となる超電導部材１を冷却側断熱容器３内に配置し、供給側断熱容器２１から送液ポンプ４３によって大気圧下での過冷却温度の液体窒素を冷却側断熱容器３に移送して、冷却側断熱容器３内において超電導部材１を冷却・保持するようにしているが、場合によっては冷却側断熱容器３を省いて、供給側断熱容器２１内の液体窒素中に超電導部材１を浸漬させ、直接的に超電導部材１を冷却・保持する構成としても良く、その場合においても前記と同様なインバータを用いたフィードバック制御を行なうことができる。

また図１の例では供給側断熱容器２１、冷却側断熱容器３の液面上の各空間に大気圧もしくは大気圧よりも若干高い圧力の窒素ガスを導入して加圧するようにしているが、窒素ガスよりも凝縮温度が低いガス、例えばネオンガスや水素ガス、あるいはヘリウムガスを各液面上の空間に導入して大気圧もしくは大気圧よりも若干高い圧力に加圧しても良い。

さらに、図１では冷凍機４１の冷却ヘッド４１Ｂの全体を液体窒素３３中に浸漬させた状態を示しているが、場合によっては、冷却ヘッド４１Ｂの下部のみ液体窒素３３中に浸漬させて上部は液面上の空間に露呈させたり、あるいは冷却ヘッド４１Ｂを液体窒素３３中に浸漬させずに、その全体が液面上の空間に位置するように冷却ヘッドを配置しても良く、これらの場合は液面下の断熱部材３５，１３を省くことができる。

ところでＧＭ冷凍機で代表される小型超低温冷凍機の作動ガスとしては、一般には純ヘリウムガスを用いるのが通常であり、上記の実施例でも、冷凍機４１の作動ガスとしては純ヘリウムガスを用いるのが一般的である。

しかるにＧＭ冷凍機においては、ヘリウムガスに他のガスを適量だけ添加・混入させた作動ガスを用いた場合に、その添加ガスの凝固温度近くでＧＭ冷凍機の冷却能力（冷凍機能力）が急激に低下し、添加ガスの凝固温度で出力がほとんど零となる現象が存在することが、既に文献（“Experimental study on pulse tube refrigeration with helium and nitrogen mixtures”，Z．H．Gan，G．B．Chen，G．Thummes，C．Heiden，Cryogenics ４０（２０００）３３３−３３９）において報告されている。この文献による報告は、飽くまで学術的な興味から実験室的に行なったものであり、工業的な利用を意図したものではないが、上述のような現象を有効利用すれば、後述するように冷凍機４１の冷却ヘッド４１Ｂの温度が液体窒素の凝固温度以下とならないように確実に制御することが可能となる。

すなわち前記文献においては、ＧＭ冷凍機の作動ガスとして、ヘリウムガスに３〜２５ｖｏｌ％の範囲内の種々の割合で窒素ガスを混入させた場合、図２に示すように、冷凍機の出力は、液体窒素の凝固温度（６３Ｋ）近くで急激に低下し、凝固温度でほとんど零となってしまう現象があることが示されている。

そして本発明者らも同様な実験を行なったところ、前記文献記載のものと同様な現象が生じることが確認された。またヘリウムガスに窒素ガス以外のガス、例えば水素ガスやネオンガスを添加した場合にも、同様にその添加ガスの凝固温度近くで急激に冷凍機出力が低下し、添加ガスの凝固温度で冷凍機出力がほとんど零となってしまう現象が見られることが確認されている。

そこで図１に示されるこの発明の実施例において、冷凍機４１の作動ガスとして、ヘリウムガスに適量の窒素ガスを添加した混合ガスを用いれば、前記の現象により、冷凍機４１の冷却ヘッド４１Ｂの表面もしくはその近傍の温度が液体窒素の凝固温度にまで下がってしまうことを確実に防止できる。すなわち、既に述べたインバータによるフィードバック制御によれば、基本的には冷却ヘッド４１Ｂの表面もしくはその近傍の温度が設定温度（例えば６４Ｋ）より下がらないように制御することが可能であるが、その場合でもフィードバック制御が正常に行なわれなかったり、応答が遅れたり、あるいは温度センサに故障もしくは不具合が発生したりすれば、冷却ヘッド４１Ｂの温度が６４Ｋよりも低下して、液体窒素の凝固が開始されてしまうことも全くないとは言えない。しかしながら前述のように冷凍機４１の作動ガスとしてヘリウムガスに窒素ガスを適量添加したものを用いれば、仮に何らかの原因により冷却ヘッド４１Ｂの温度が６４Ｋよりも低くなる傾向を示したときであっても、窒素ガスの凝固温度（約６３Ｋ）に近付くにつれて冷凍機４１の冷却能力が急激に低下し、凝固温度では冷凍能力がほとんど零となってしまうから、冷却ヘッド４１Ｂが液体窒素の凝固温度に達してその付近で液体窒素の凝固が開始されてしまうことを確実に防止できるのである。

ここで、図１の例では超電導部材を冷却・保持するための冷却媒体として液体窒素を用いている関係上、冷凍機の作動ガスとしてヘリウムガスに混入・添加するガスとして窒素ガスを用いることとしているが、要は超電導部材を冷却するための冷却媒体としての低温液化ガス（冷凍機４１によって供給側断熱容器３１内で大気圧下での過冷却温度まで冷却される対象となる低温液化ガス）と同種のガスをヘリウムガスに添加して、その混合ガスを冷凍機の作動ガスとすれば良い。例えば低温液化ガスとして液体ネオンを用いている場合には、冷凍機の作動ガスとしてヘリウムガスにネオンガスを添加したものを用いれば良く、また低温液化ガスが液体水素の場合は冷凍機の作動ガスとしてヘリウムガスに水素ガスを添加したものを用いれば良い。

また上述のように冷凍機の作動ガスとしてヘリウムガスに混入・添加するガス（低温液化ガスと同種のガス）の添加割合は、通常は混合ガス全体を１００％として３ｖｏｌ％〜３０ｖｏｌ％程度を占めるように配合することが好ましい。添加ガスの割合が３ｖｏｌ％未満では、その添加ガスの凝固温度付近で急激に冷却能力が低下する現象が得難くなり、一方３０ｖｏｌ％を越えれば、冷凍機の冷却能力が全体的に低下する傾向を示し、効率的でなくなる。

この発明の超電導部材冷却装置の実施例を示すブロック図である。 ＧＭ冷凍機の作動ガスとして、ヘリウムガスに対して窒素ガスを種々の割合で混入・添加した場合の冷凍機の冷却ヘッドの温度と冷凍機の出力の関係を示す線図である。 従来の超電導部材冷却装置の一例を示すブロック図である。

符号の説明

１ 超電導部材
２１ 断熱容器としての供給側断熱容器
３３ 低温液化ガスとしての液体窒素
４１ 冷凍機
４１Ａ 圧縮機
４１ＡＭ 圧縮用モータ
４１Ｂ 冷却ヘッド
４１Ｇ 電源系路
４１Ｈ インバータ
４１Ｉ 制御部
７１ 温度センサ

Claims (4)

1. 断熱容器内に低温液化ガスを収容するとともに、その断熱容器内に冷凍機の冷却ヘッドを挿入して、断熱容器内の低温液化ガスを大気圧下での過冷却温度に冷却し、その大気圧下での過冷却温度の低温液化ガスにより超電導部材を冷却するようにした超電導部材冷却装置において、
   前記断熱容器内の冷却ヘッド表面もしくはその近傍の温度を検出するための温度センサと、前記冷凍機における圧縮機の圧縮用モータを駆動するための電源系路に介挿されたインバータと、前記温度センサによる検出温度に応じて前記インバータを制御するための制御部とを有してなり、前記温度センサにより検出された温度に応じインバータの出力を制御して、圧縮機の出力を制御するように構成したことを特徴とする、超電導部材冷却装置。
2. 請求項１に記載の超電導部材冷却装置において、
   前記冷凍機の作動ガスとして、ヘリウムガスに、前記低温液化ガスと同種のガスを添加した混合ガスを用いることを特徴とする、超電導部材冷却装置。
3. 請求項２に記載の超電導部材冷却装置において、
   前記混合ガスについて、低温液化ガスと同種のガスの割合を、３〜３０ｖｏｌ％の範囲内としたことを特徴とする、超電導部材冷却装置。
4. 断熱容器内に低温液化ガスを収容するとともに、その断熱容器内に冷凍機の冷却ヘッドを挿入して、断熱容器内の低温液化ガスを大気圧下での過冷却温度に冷却し、その大気圧下での過冷却温度の低温液化ガスにより超電導部材を冷却するようにした超電導部材冷却装置の制御方法において、
   前記断熱容器内に、冷却ヘッド表面もしくはその近傍の温度を検出するための温度センサを配設するとともに、前記冷凍機における圧縮機の圧縮用モータを駆動するための電源系路にインバータを介挿しておき、さらに前記温度センサによる検出温度に応じて前記インバータを制御するための制御部とを設けておき、前記温度センサにより検出された温度に応じてインバータの出力を制御して、冷却ヘッド表面もしくはその近傍の温度が、低温液化ガスの凝固温度よりも高い所定の設定温度を保つように圧縮機の出力をフィードバック制御することを特徴とする、超電導部材冷却装置の制御方法。

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