JP2006078190A - 真空断熱構造の真空度低下の監視装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】真空断熱構造を採用したシステムにおいて、断熱の対象であるシステムに熱負荷の異常が発生したときに、その原因が真空槽の真空度の低下による断熱性能の劣化に因るのか断熱対象のシステムの異常に因るのかを安価かつ簡単な構造、方法で判断可能にする。また、真空槽の真空度の低下の恐れが少ない監視装置、方法を提供する。
【解決手段】真空槽の高温側と低温側の壁温の検出が可能な真空断熱構造において、高温側と低温側の真空槽壁間に、いずれの側の壁とも直接的には接触しない温度センサを設置することを特徴とする真空断熱構造の真空度低下の監視装置、および前記装置を用いた真空度低下の監視方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は真空断熱構造の真空度低下の監視装置および方法に関し、特に内部側の温度維持システムに熱負荷の異常が生じたときに、その原因が真空槽の真空度が低下したための断熱構造の性能の低下に因るのか、内部側の異常に因るのかを判断可能とする監視装置および方法に関する。

真空を利用した断熱（保冷、熱遮蔽）は、日常普通に見かけられるものでは魔法瓶に、産業上では内部に超電導ケーブルとその冷却用液体を満たした管や内部に液体窒素等を容れた低温用実験装置（容器、タンク）の断熱等に広く利用されている（特許文献１）。そしてこの真空断熱においては、断熱構造あるいはその重要部である真空槽内を高真空に維持することが重要である。すなわち、何らかの原因で真空度が多少とも低下（気圧は上昇）すれば、その分熱伝導や対流が増加するため断熱性能が大きく劣化するからである。

このような真空断熱構造において、何らかの事故で断熱構造の（あるいはその真空槽の）真空度の低下が生じた場合には、断熱性能が低下するためその使用対象としているシステム、すなわち断熱構造内部にある管や容器に侵入する熱あるいは管や容器から放散される熱が増加することとなる。しかしながら、侵入熱や放散熱の増加は、真空断熱構造の内部にある管や容器に想定外の発熱や吸熱が生じた場合にも生じる。具体的には、例えば超電導ケーブルを臨界温度以下に保持するための液体窒素の冷却循環システムにおいては、真空度の低下による断熱性能の劣化、超電導体の劣化や事故による発熱の増大のいずれが生じても、冷却用の液体窒素への入熱が増大する。またこの結果、その冷却系の負荷が増大することとなる。

従って、侵入熱や放散熱が増大したとき、例えば上記超電導ケーブルの液体窒素の冷却循環システムの負荷が増大したときには、単にこのことだけからはその原因が断熱構造の性能低下に因るのか、断熱構造の内側にある管や容器側の事故に因るのかが不明確となる。

このため、かかる場合でもその原因を明確になし得る、あるいはいずれが原因なのかを判断し得るべく、真空断熱構造の真空槽に観測ポートを設け、そこに真空ゲージを設置して真空度の監視をすることが一般的になされている。

一方、産業用の機器やシステムにおいては、真空断熱構造はその真空槽が気密の面から相互に独立した複数個とされていることが少なからずある。具体的には、例えば超電導ケーブルの冷却循環システム用の断熱構造においては、真空断熱槽あるいは真空に保持された空間が超電導ケーブル線の方向に沿って複数並んで配置されている。また、魔法瓶のごとき家庭用の物と異なり、多重に安全性を確保するために金属製の薄板で気密に区切られた２層、３層等の多重容器型の真空槽とされていることもある。

このような場合、単に真空ゲージを１個若しくは１箇所に設置するだけでは、不充分である。また、熱負荷の増大が真空断熱構造側の異常により生じたことが判ったとしても、多数の槽若しくは多重の真空槽のいずれに真空度の低下が生じたのかが不明である。このため、真空ゲージは、各真空槽に設置する必要がある。

しかしながら、観測ポートや真空ゲージそのものが真空度を劣化させる原因となったり、その他のトラブル発生の原因となったりする恐れがある。しかも、これらが多数設置されることとなるのは、あまり好ましいことではない。

特に、産業上用いられている機器やシステムの真空断熱構造では、高度の性能を担保する必要上１Ｐａから１０^−７Ｐａ程度の真空を保持することが必要とされているが、この真空度では、電離真空計を用いるのが一般的である（非特許文献１）。しかし、電離真空計はフィラメントを使用するため、断線の危険性があり、断線時の補修やその予防のための定期検査において真空計やそのフィラメント部の交換が必要である。しかし、真空槽の真空度を維持しつつ真空計等を交換可能にするためには、真空計の取付部等の構造が複雑となり、この面からもトラブル発生の原因となりかねない。
特開平７−３２０５６４号公報 堀越源一著、「真空技術」、第２版、財団法人東京大学出版会、１９８３年３月１８日、Ｐ．６２−６３

以上のため、例えば超電導ケーブルを臨界温度以下に保持するために用いられている液体窒素の冷却循環システム等の真空断熱を使用した断熱装置においては、外部からの侵入熱の増大やこれによる一定温度保持システムの熱負荷の増大等の異常が発生したときに、その原因が真空度の低下による断熱性能の劣化なのか、断熱構造が断熱の対象としている冷却循環システム本体の異常なのかを速やかに判断可能な技術の開発が望まれていた。

また、相互に独立した複数の真空槽を有する真空断熱構造において、真空度の低下が生じたときに、いずれの真空槽に真空度の低下が生じたのかを判断可能な技術の開発が望まれていた。

さらに、真空度の低下そのものが発生しにくい、しかも万が一発生したときには何処に発生したのかを検出可能な技術の開発が望まれていた。

さらにまた、前記の要望を満たす補修が容易、保守が少ない、しかも低コストである技術の開発が望まれていた。

本発明は、以上の課題を解決することを目的としてなされたものであり、真空断熱構造の真空槽内に、真空度の低下を監視可能なように温度センサを設置しておくものである。
また、温度センサの設置場所や取付構造に工夫を凝らしたものである。

請求項１に記載の発明は、真空槽の高温側と低温側の壁温の検出が可能な真空断熱構造において、前記高温側と低温側の真空槽壁間に、いずれの側の壁とも直接的には接触しない測温センサが設置されていることを特徴とする真空断熱構造の真空度低下の監視装置である。

なお、ここにいう真空槽の高温側と低温側の壁温の検出には、例えば低温側が１気圧で気液平衡状態の窒素であるため−１９６℃であることが予め判っている場合や、高温側が室温であるため１０℃から３０℃の範囲にあると予め判っている場合をも含む。このため、温度測定は直接的、間接的を問わず、また真空度の低下の監視が可能な限り、厳密でなく、多少の誤差があっても良い。

請求項２に記載の発明は、前記の真空断熱構造の真空度低下の監視装置であって、前記温度センサは、多層断熱シートに包まれていることを特徴とする真空断熱構造の真空度低下の監視装置である。

このように、前記温度センサは多層断熱シートに包まれている、あるいは断熱シート間にあるため、高温側と低温側の真空壁からの直接の影響は受けないようになっている。

請求項３に記載の発明は、前記の真空断熱構造の真空度低下の監視装置であって、前記真空断熱構造は、相互に独立した複数の真空槽を有し、各真空槽毎に前記温度センサが設置されていることを特徴とする真空断熱構造の真空度低下の監視装置である。

請求項４に記載の発明は、前記の真空断熱構造の真空度低下の監視装置であって、前記真空断熱構造は、熱負荷の異常が生じたときにその発生を検出する装置を有するシステムを断熱の対象としているものであることを特徴とする真空断熱構造の真空度低下の監視装置である。

請求項５に記載の発明は、前記の真空断熱構造の真空度低下の監視装置であって、前記真空断熱構造は、超電導ケーブルの冷却用システムに採用されているものであることを特徴とする真空断熱構造の真空度低下の監視装置である。

請求項６に記載の発明は、真空槽の高温側と低温側の壁温の検出が可能な真空断熱構造において、前記高温側と低温側の真空槽壁間に、いずれの側の壁とも直接的には接触しない温度センサを設置しておくことによる真空断熱構造の真空度低下の監視方法であって、
真空度に異常がないときに、予め前記真空槽の高温側と低温側の壁温を検出し、さらに検出した壁温の下で前記温度センサが示す温度を測定しておく初期測定ステップと、前記真空槽の高温側と低温側の壁温度が前記初期測定ステップと同じである時に現実に前記温度センサが示す温度を測定する監視測定ステップと、前記２つの測定ステップで測定した温度を比較することにより真空断熱構造の真空度の低下の有無を判断する真空度低下判断ステップとを有していることを特徴とする真空断熱構造の真空度低下の監視方法である。

請求項７に記載の発明は、前記の真空断熱構造の真空度低下の監視方法であって、前記真空断熱構造は、相互に独立した複数の真空槽を有し、各真空槽毎に前記温度センサが設置されており、各真空槽毎に前記３つのステップがなされることを特徴とする真空断熱構造の真空度低下の監視方法である

請求項８に記載の発明は、前記の真空断熱構造の真空度低下の監視方法であって、前記真空断熱構造は、熱負荷の異常が生じたときにその発生を検出する装置を有するシステムを断熱の対象としているものであり、さらに熱負荷の異常を検出するステップを有していることを特徴とする真空断熱構造の真空度低下の監視方法である。

請求項９に記載の発明は、前記の真空断熱構造の真空度低下の監視方法であって、前記真空断熱構造は、超電導ケーブルの冷却用システムに採用されているものであることを特徴とする真空断熱構造の真空度低下の監視方法である。

前記構成により、本発明によれば、真空断熱構造を採用した一定温度保持システムにおいて、熱負荷の異常が生じたときに、その原因が真空槽の真空度の低下による断熱構造の性能の劣化なのか、システムの他の異常によるのかが容易かつ簡単に判断可能となる。

また、相互に独立した真空槽を有する真空断熱構造において、真空度の低下が生じた場合には、いずれの真空槽に真空度の低下が生じたのかを速やかに見出すことが可能になる。

しかも単に簡単かつ低コストであるだけでなく、真空度が低下する事故そのものが少なくなる。

また、補修、保守、コストの面からも優れたものとなる。

以下、本発明をその最良の実施の形態に基づいて説明する。

（第１の実施の形態）
図１に、本発明の第１の実施の形態の真空断熱構造の真空度の監視装置を採用した低温実験用の装置を概念的に示す。図１において、１００は内部側の容器である。１０１は、その排気管である。１１０は、前記容器内に置かれた試験物である。１５０は、前記容器内に満たされた液体窒素である。１５１は、前記容器上部にある窒素ガスである。２０１と２０２は、各内部側と外部側の断熱シートである。３００は、外表面が外部環境に晒された外部側の容器である。４００は、内部側の容器１００内に設置された温度センサである。５００は、前記内部側と外部側の断熱シート２０１、２０２間に設置された真空度を監視する、あるいはその低下を検出するために設置した温度センサである。

以上の他、内部側の容器１００は、その内部へ試験物を入れたり取出したり試験のため通電したりするための構造や液体窒素の充填や排出機構を有している。また、断熱シートは多数重ねられている場合もある。

この低温用実験装置においては、内部側の容器１００と外部側の容器３００が各々真空断熱構造の低温側と高温側の真空槽（真空保持用の気密容器）の壁を兼ね、両容器間は高度の真空に保持され、これにより空気による熱伝導と対流が生じないようにされている。また、内部側と外部側の２枚の断熱シート２０１、２０２が主に輻射による伝熱を、その他対流の発生を阻止している。そして、外部からの侵入熱や内部の試験物１１０からの発熱に応じて内部側の容器１００内に満たされた液体窒素１５０が気化することにより、内部側の容器１００内の温度は、窒素の沸点である−１９６℃に保持されている。なお、気化した窒素は排気管１０１を経て図示しない窒素ガス計量計に導かれ、これにより気化量が、すなわち熱負荷が絶えず監視されている。

この低温用実験装置においては、真空槽の低温側壁に相当する内部側の容器１００の温度は常に−１９６℃であり、高温側壁に相当する外部側の容器３００の温度は室内に設置されるため室温、即ちおおよそ１０から３０℃である。このため、前記２枚の断熱シート２０１，２０２間に設置された真空度の低下を検出するために設置した温度センサ５００は、断熱構造が健全であるかぎり、たとえ内部の試験物１１０からの発熱に増減があっても、その断熱特性と内部温度と外部温度から定まるほぼ一定の温度を示すこととなる。

しかし、真空度の低下による断熱性能の劣化が生じたときには、この温度センサ５００は、前記ほぼ一定の温度と異なる温度を示すことになる。具体的には、真空度の低下が大きいときには、空気の伝導の影響で一般的には高温側に移動する。

このため、真空度の低下により熱負荷の異常が生じたときには、この温度センサ５００の示す温度を視ることにより、その原因が試験物や内部のシステムの異常に因るのか、真空槽の真空度の低下による真空断熱構造の性能の劣化に因るのかが容易に判ることとなる。

なお、前記した実施の形態では、前記内部側の容器１００内の温度センサ４００は、前記判断のためには不必要である。しかしながら、内部に一定温度の保持機構が存在せず、あるいは保持性能が不充分なためある範囲内で内部温度が変動し得る場合には必要となる。またこの場合には、変動の可能性のある範囲内の各内部温度にて真空槽内の温度センサが示す温度を予め測定しておき、その温度との相違で熱負荷の異常の原因がいずれであるかの判断をなすこととなる。

また、前記した実施の形態では、断熱シート２０１、２０２は、内部側の容器１００と外部側の容器３００の間を、全周に渡って設けられているが、温度センサ５００を包む部分にのみ設けられていてもよい。

また、前記した実施の形態では、実験装置の内部にある液体は窒素としたが、これはネオン、水素、アルゴン等他の物質であっても良い。

また、前記した実施の形態では、高温側が室温であるため、高温側の壁温の検出用温度センサは設けていないが、測定や検出の確実性の向上を図るため、あるいは、高温側の壁温の推定が困難な場合には、高温側にも適宜温度センサを設けている。

（第２の実施の形態）
本実施の形態は、超電導ケーブルの冷却システムへの適用に関する。この様子を図２に示す。図２において、１２０は、超電導体や絶縁シートやそれらの保護用管等からなる超電導線本体である。１５０は、液体窒素である。１６０は、液体窒素を封入するための金属製の内管である。２１０は、この金属製の内管１６０の外周に多重に巻かれた断熱シートである。３６０は、この断熱シートを保護する金属製の外管である。そして金属製の内管１６０と断熱シート２１０と金属製の外管３６０とで真空断熱構造が形成されている。またこのため、断熱シート２１０があるスペースは高真空に維持されている。また、５００は、断熱シート２１０内に設置された温度センサである。５０１は、この温度センサ５００用の計測線が金属製の外管３６０の外部に導かれるための貫通部である。６００は、長大な超電導ケーブルの途中に設けられた真空断熱構造の接続部である。

この超電導ケーブルの冷却システムへ外部から熱が侵入するのを遮断するための真空断熱構造は、相互に独立した言わばパイプ型の真空槽が、超電導ケーブルの線方向に沿って多数設置され、更に各真空スペースに真空度の低下を検出するための温度センサを有している。このため、断熱構造の性能の劣化が生じたときには、いずれの温度センサの示す温度が上昇したか、あるいは他の真空槽の温度センサと異なる温度を示すかを調べることにより、いずれの真空槽に真空度の低下が生じたかを容易に検出可能となる。

以上、本発明をその望ましい実施の形態を基に説明したが、本発明は前記形態に限定されない。即ち、例えば以下の様な形態であっても良い。

真空断熱構造のさらに外部に、別の断熱構造やそのための機械的保護手段が装備されている。

真空断熱構造は、加熱用試験設備等内部からの放熱を遮断する目的のものである。

第２の実施の形態において、地中に埋設されているため外部の高温側の壁も内部の低温側の壁と同様にその温度がケーブル線方向に沿って同一であることが予め判っているときには、ある場所の温度センサの示す温度が他の多くの場所にある温度センサの示す温度と相違することによりあるいはこのことをも併用して、その相違する場所の真空槽の真空度が低下したことを検出する。

本発明の第１の実施の形態の真空度の低下の監視装置を採用した低温実験用の装置を概念的に示す図である。 本発明の第２の実施の形態の真空度の低下の監視装置を採用した超電導ケーブルの冷却システムを概念的に示す図である。

符号の説明

１００ 内部側の容器
１０１ 排気管
１１０ 試験物
１２０ 超電導線本体
１５０ 液体窒素
１５１ 窒素ガス
１６０ 金属製の内管
２０１ 内部側の断熱シート
２０２ 外部側の断熱シート
２１０ 断熱シート
３００ 外部側の容器
３６０ 金属製の管
４００ 温度センサ
５００ 温度センサ
５０１ 貫通部
６００ 真空断熱構造の接続部

Claims (9)

1. 真空槽の高温側と低温側の壁温の検出が可能な真空断熱構造において、前記高温側と低温側の真空槽壁間に、いずれの側の壁とも直接的には接触しない温度センサが設置されていることを特徴とする真空断熱構造の真空度低下の監視装置。
2. 前記温度センサは、多層断熱シートに包まれていることを特徴とする請求項１に記載の真空断熱構造の真空度低下の監視装置。
3. 前記真空断熱構造は、相互に独立した複数の真空槽を有し、各真空槽毎に前記温度センサが設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に記載の真空断熱構造の真空度低下の監視装置。
4. 前記真空断熱構造は、熱負荷の異常が生じたときにその発生を検出する装置を有するシステムを断熱の対象としているものであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の真空断熱構造の真空度低下の監視装置。
5. 前記真空断熱構造は、超電導ケーブルの冷却用システムに採用されているものであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の真空断熱構造の真空度低下の監視装置。
6. 真空槽の高温側と低温側の壁温の検出が可能な真空断熱構造において、前記高温側と低温側の真空槽壁間に、いずれの側の壁とも直接的には接触しない温度センサを設置しておくことによる真空断熱構造の真空度低下の監視方法であって、
   真空度に異常がないときに、予め前記真空槽の高温側と低温側の壁温を検出し、さらに検出した壁温の下で前記温度センサが示す温度を測定しておく初期測定ステップと、前記真空槽の高温側と低温側の壁温度が前記初期測定ステップと同じである時に現実に前記温度センサが示す温度を測定する監視測定ステップと、前記２つの測定ステップで測定した温度を比較することにより真空断熱構造の真空度の低下の有無を判断する真空度低下判断ステップとを有していることを特徴とする真空断熱構造の真空度低下の監視方法。
7. 前記真空断熱構造は、相互に独立した複数の真空槽を有し、各真空槽毎に前記温度センサが設置されており、各真空槽毎に前記３つのステップがなされることを特徴とする請求項６に記載の真空断熱構造の真空度低下の監視方法。
8. 前記真空断熱構造は、熱負荷の異常が生じたときにその発生を検出する装置を有するシステムを断熱の対象としているものであり、さらに熱負荷の異常を検出するステップを有していることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の真空断熱構造の真空度低下の監視方法。
9. 前記真空断熱構造は、超電導ケーブルの冷却用システムに採用されているものであることを特徴とする請求項６ないし請求項８のいずれかに記載の真空断熱構造の真空度低下の監視方法。
   
   

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