JP2008153579A - 極低温冷却装置及びその冷媒液面制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】装置内の極低温冷媒の液面を、エネルギー消費量を増大させることなく好適に制御する。
【解決手段】冷凍機からの極低温冷媒をＪＴ弁３２により液化して超電導加速空洞１へ導き、この超電導加速空洞を冷却した後に前記冷凍機へ戻すメイン冷却系１１を備えた極低温冷却装置１０において、メイン冷却系から極低温冷媒の一部を分流して導き、超電導加速空洞１に熱的影響を及ぼす熱シールド板６を液体ヘリウム２により冷却してメイン冷却系１１の出口側液体ヘリウム槽２１Ｂに合流させるサブ冷却系１２と、液体ヘリウム２をサブ冷却系へ分流させる流量を調整する流量調整弁３５とを有し、この流量調整弁３５により、メイン冷却系１１の出口側液体ヘリウム槽２１Ｂにおける極低温冷媒の液面Ａを制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超電導加速空洞などの被冷却物を極低温に冷却し、装置内の極低温冷媒の液面を制御する極低温冷却装置、及びその冷媒液面制御方法に関する。

超電導体は電気抵抗がゼロである特性から、超電導コイルや超電導加速空洞などに応用されている。一般に、超電導コイルや超電導加速空洞を超電導状態に保つためには臨界温度以下に冷却する必要があり、そのために、液体ヘリウムや液体窒素などの極低温冷媒が利用されている。この極低温冷媒は発熱や熱侵入により蒸発してしまうため補給が必要であるが、蒸発したガスを冷凍機で再液化することにより補給を不要とした方式も使われている。

特許文献１には、冷凍機により極低温に冷却された液体ヘリウムを用いて、被冷却物、例えば超電導磁石や、超電導加速空洞を備えた加速器などの超電導機器を冷却する極低温冷却システムが開示されている。

また、冷凍機で再液化する場合、熱負荷と冷凍機能力の大小関係によって極低温冷媒の液量が増減してしまう。この液量の増減に応じて冷媒ガスの出し入れが必要になり、一般的にはバッファタンク等で調整している。しかし、極低温冷媒は液化すると容積が非常に小さくなるため、バッファタンクによる調整は限定的であり、液面制御が必要になる。

このような極低温冷媒の液面制御方法としては液体冷媒を貯溜する容器または槽内にヒータを配置し、このヒータの加熱量をコントローラで増減することで液面を制御する方法がある。この方法はＴＥＳＬＡ（TeV-Energy Superconducting Linear Accelerator）やＬＨＣ（Large Hadron Collider）などの大型加速器で採用されている（例えば、非特許文献１参照）。

ヒータによる極低温冷媒の液面制御の方法を、図９を用いて説明する。この極低温冷媒の液面制御方法を実施する極低温冷却装置１００は、極低温冷媒としてヘリウム（液体ヘリウム）を用いたものであり、被冷却物である複数の超電導加速空洞１と、これら複数の超電導加速空洞１を各々内包する複数の液体ヘリウム容器２２と、これら複数の液体ヘリウム容器２２を連結し、入口側と出口側にそれぞれ入口側液体ヘリウム槽２１Ａ、出口側液体ヘリウム槽２１Ｂを有する液体ヘリウム配管２３と、入口側液体ヘリウム槽２１Ａに液体ヘリウム２を供給すると共に、ＪＴ弁３２を有する供給配管３１と、出口側液体ヘリウム槽２１Ｂから蒸発ガス(ヘリウムガス)を回収する戻り配管３３と、出口側液体ヘリウム槽２１Ｂ内での液体ヘリウム２の液面を計測する液面計４と、出口側液体ヘリウム槽２１Ｂに取り付けられたヒータ５とを備えて構成されている。

このように構成された極低温冷却装置１００で液体ヘリウム２の液面を制御する方法を以下に説明する。冷凍機から低温高圧の状態で送られてきたヘリウムガスはＪＴ弁３２で膨張され、一部が液体ヘリウム２になるため装置内の液体ヘリウム量が増加する。一方、超電導加速空洞１での発熱と熱侵入による熱負荷によって液体ヘリウム２が蒸発し、戻り配管３３を経由して冷凍機側へ戻るため、装置内の液体ヘリウム量が減少する。この液体ヘリウム２の液化による増加と蒸発による減少の大小関係により、出口側液体ヘリウム槽２１Ｂ内で液体ヘリウム２の液面Ａが上下に変化する。この変化を液面計４で計測し、液面Ａが上昇する場合に、ヒータ５の加熱量を増大して液体ヘリウム２を蒸発させ、液面Ａが低下する場合に、ヒータ５の加熱量を減少させて液体ヘリウム２の蒸発を抑制することで、出口側液体ヘリウム槽２１Ｂ内における液体ヘリウム２の液面Ａを一定に制御している。
特開２００１−６６０２９号公報 Advances in Cryogenic Engineering, Vol 41 (1996) p911, G. Horlitz, et al. " The TESLA 500 Cryogenic System Layout "

上述した極低温冷却装置１００における極低温冷媒の液面制御方法では、ヒータ５の加熱量をゼロ以下にできないため、ヒータ５の加熱量がゼロの場合でも液体ヘリウム２の液面Ａが低下するときには、液面制御が出来ないことになる。このような事態を避けるために、前記冷凍機は、超電導加速空洞１での発熱と熱侵入の合計である熱負荷の最大値を上回る冷凍能力を持つものが採用されている。すなわち、従来の極低温冷却装置１００の液面制御方法では、冷凍機は最大熱負荷に対応する冷却を常に行い、それにより冷却された液体ヘリウム２の多くをヒータ５で蒸発させている。

これは明らかに無駄であり、消費エネルギーを低減する方法として、熱負荷が小さい場合には冷凍機の冷凍能力を下げて消費エネルギーを減らすか、液体状態の極低温冷媒を有効に活用する方法を考える必要がある。しかし、超電導加速空洞１を備えた大型の加速器では、図９のような極低温冷却装置１００を１００台以上並べて１台の冷凍機で冷却するため、冷凍機の冷凍能力を細かく制御する方法はあまり有効ではない。

本発明の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、装置内の極低温冷媒の液面を、エネルギー消費量を増大させることなく好適に制御できる極低温冷却装置及びその冷媒液面制御方法を提供することにある。

本発明は、冷凍機からの極低温冷媒を膨張手段により液化して被冷却物に導き、この被冷却物を冷却した後に前記冷凍機へ戻すメイン冷却系を備えた極低温冷却装置において、前記メイン冷却系から極低温冷媒の一部を分流して導き、前記被冷却物に熱的影響を及ぼす高温部を、液化された極低温冷媒により冷却した後、当該極低温冷媒を前記メイン冷却系の合流部に合流させるサブ冷却系と、極低温冷媒を前記サブ冷却系へ分流させる流量を制御する流量制御手段とを有し、この流量制御手段により、前記メイン冷却系の前記合流部における極低温冷媒の液面が制御されるよう構成されたものである。

本発明によれば、被冷却物を極低温冷媒により冷却するメイン冷却系からサブ冷却系へ極低温冷媒の一部を分流させ、この分流した極低温冷媒により、被冷却物に熱的影響を及ぼす高温部を冷却し、極低温冷媒をサブ冷却系へ分流させる流量を制御する流量制御手段によって、サブ冷却系からの極低温冷媒が合流するメイン冷却系の合流部における極低温冷媒の液面が制御される。従って、冷凍機の冷凍能力を増大させることによるエネルギー消費量の増大を招くことなく、装置内の極低温冷媒の液面を好適に制御できる。

また、流量制御手段により、メイン冷却系における余剰の極低温冷媒をサブ冷却系へ導いて、被冷却物に熱的影響を及ぼす高温部を冷却することから、極低温冷媒を有効に活用して被冷却物への熱侵入量を低減できるので、被冷却物の効率的な冷却を実現できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面に基づき説明する。

［Ａ］第１の実施の形態（図１）
図１は、本発明に係る極低温冷却装置の第１の実施の形態を示す概略構成図である。本実施の形態において、背景技術と同様な部分は、同一の符号を付す。

図１に示す極低温冷却装置１０は、液化された極低温冷媒により被冷却物としての複数の超電導加速空洞１を冷却するメイン冷却系１１と、同じく液化された極低温冷媒により超電導加速空洞１に熱的影響を及ぼす高温部としての熱シールド板６を冷却するサブ冷却系１２と、メイン冷却系１１の極低温冷媒をサブ冷却系１２へ分流させる流量を制御する流量制御手段としての流量調整弁３５と、を有して構成される。

ここで、超電導加速空洞１は、超電導体（超電導材料）で構成され、内部に形成される電場によって電子等の荷電粒子を加速するものである。複数の超電導加速空洞１にて加速された荷電粒子のビームは、後述のビームパイプ８の周囲に適宜設けられた例えば超電導磁石９によって収束され、またはその方向が変更される。

また、前記極低温冷媒は例えばヘリウムであり、冷凍機により低温高圧状態とされ、後述のＪＴ（ジュールトムソン）弁３２により膨張されて液化され、約４〜２Ｋの温度となる。超電導加速空洞１は、液化された極低温冷媒（即ち液体ヘリウム２）により臨界温度以下に冷却されて超電導状態に保持される。

さて、メイン冷却系１１は、冷凍機からの極低温冷媒（ヘリウムガス）を、膨張手段としてのＪＴ弁３２により液化して超電導加速空洞１へ導き、この超電導加速空洞１を臨界温度以下の約４〜２Ｋに冷却した後、前記冷凍機へ戻す系統である。このメイン冷却系１１は、供給配管３１、入口側液体ヘリウム槽２１Ａ、液体ヘリウム配管２３、液体ヘリウム容器２２、出口側液体ヘリウム槽２１Ｂ、戻り配管３３及びＪＴ弁３２を有して構成される。

液体ヘリウム容器２２は複数設置され、それぞれが液体ヘリウム配管２３に連結される。各液体ヘリウム容器２２は、複数個、例えば９個連設された超電導加速空洞１を内包すると共に、液体ヘリウム配管２３から液体ヘリウム２が導入されて超電導加速空洞１を冷却する。尚、隣接する液体ヘリウム容器２２間で、超電導加速空洞１どうしはビームパイプ８により連結されている。

液体ヘリウム配管２３は、前述の如く複数の液体ヘリウム容器２２に連結される共に、入口側端部に入口側液体ヘリウム槽２１Ａが、出口側端部に出口側液体ヘリウム槽２１Ｂが、それぞれ配置されて構成される。そして、入口側液体ヘリウム槽２１Ａに供給配管３１が接続され、出口側液体ヘリウム槽２１Ｂに戻り配管３３が接続される。ＪＴ弁３２は供給配管３１に配設されている。

従って、冷凍機からの低温高圧状態のヘリウムガスは供給配管３１に導かれ、ＪＴ弁３２により膨張されて液化され、液体ヘリウム２となって入口側液体ヘリウム槽２１Ａに流入する。この液体ヘリウム２は、入口側液体ヘリウム槽２１Ａから液体ヘリウム配管２３を通って各液体ヘリウム容器２２へ導入され、複数の超電導加速空洞１を約４〜２Ｋに冷却する。これらの超電導加速空洞１を冷却した液体ヘリウム２は、一部がヘリウムガスとなって出口側液体ヘリウム槽２１Ｂへ流入し、このヘリウムガスが戻り配管３３を通って冷凍機に回収される。

入口側液体ヘリウム槽２１Ａ及び出口側液体ヘリウム槽２１Ｂには、それぞれの槽内における液体ヘリウムの液面Ａを計測する液面計４が設置されている。また、出口側液体ヘリウム槽２１Ｂには、槽内の液体ヘリウム２を加熱してガス化するためのヒータ５が設置されている。

前述のサブ冷却系１２は、メイン冷却系１１から極低温冷媒（本実施の形態では液化された極低温冷媒、即ち液体ヘリウム２）の一部を分流して導き、この液化された極低温冷媒（液体ヘリウム２）により熱シールド板６を冷却した後、大部分がガス化された極低温冷媒（ヘリウムガス）をメイン冷却系１１の合流部としての出口側液体ヘリウム槽２１Ｂに合流させるものである。このサブ冷却系１２は、分流配管３６と熱交換器部３７とを有してなる。

ここで、熱シールド板６は、超電導加速空洞１を熱から遮蔽するものであり、液体ヘリウム容器２２、液体ヘリウム配管２３、入口側液体ヘリウム槽２１Ａ及び出口側液体ヘリウム槽２１Ｂなどを覆う。これらの液体ヘリウム容器２２、液体ヘリウム配管２３、入口側液体ヘリウム槽２１Ａ及び出口側液体ヘリウム槽２１Ｂなどは熱シールド板６により支持される。また、この熱シールド板６は、当該熱シールド板６を収納する図示しない真空容器に、支持体（不図示）を用いて支持される。

分流配管３６は、メイン冷却系１１の供給配管３１におけるＪＴ弁３２下流側の位置（分流点Ｐ１）に接続され、当該ＪＴ弁３２により液化された極低温冷媒（液体ヘリウム２）を導く。また、分流配管３６の出口部３９は、出口側液体ヘリウム槽２１Ｂ内において水平方向に延び、当該出口側液体ヘリウム槽２１Ｂ内の液体ヘリウム２の液面Ａよりも上方に設置される。これにより、分流配管３６の出口部３９から吐き出されるヘリウムガスによって、出口側液体ヘリウム槽２１Ｂ内の液体ヘリウム２の液面Ａが乱されないように配慮されている。

熱交換器部３７は、分流配管３６内を流れる液体ヘリウム２と熱シールド板６との間で熱交換を実施する。これにより、熱シールド板６が、液体ヘリウム２の温度に近い温度である４〜２Ｋに冷却される。

前述の流量調整弁３５は、分流配管３６と供給配管３１の少なくとも一方の分流点Ｐ１付近、本実施の形態では、分流配管３６の分流点Ｐ１付近に設置される。この流量調整弁３５の開度制御により、供給配管３１から分流配管３６へ分流される液体ヘリウム２の流量が調整される。これにより、メイン冷却系１１の出口側液体ヘリウム槽２１Ｂにおける液体ヘリウム２の液面Ａが制御される。

つまり、超電導加速空洞１における発熱や熱侵入などの熱負荷が小さい場合には、この超電導加速空洞１の熱負荷による液体ヘリウム２の蒸発量が少ないので、出口側液体ヘリウム槽２１Ｂにおける液体ヘリウム２の液面Ａが上昇する傾向にある。従って、この液体ヘリウム２の液面Ａの上昇を液面計４が計測したときに、流量調整弁３５の開度を大きく制御して、サブ冷却系１２への液体ヘリウム２の分流量を増加させ、この液体ヘリウム２により熱シールド板６を冷却し、この熱シールド板６の冷却による液体ヘリウムの蒸発量を増大させる。これにより、出口側液体ヘリウム槽２１Ｂにおける液体ヘリウム２の液面Ａの上昇が抑制される。

また、超電導加速空洞１における熱負荷が大きい場合には、この超電導加速空洞１の熱負荷によって液体ヘリウム２の蒸発量が多くなり、出口側液体ヘリウム槽２１Ｂにおける液体ヘリウム２の液面Ａが低下する傾向にある。従って、この液体ヘリウム２の液面Ａの低下を液面計４が計測したときに、流量調整弁３５の開度を小さく制御して、サブ冷却系１２への液体ヘリウム２の分流量を減少させ、この液体ヘリウム２による熱シールド板６の冷却を抑制する。これにより、熱シールド板６の冷却による液体ヘリウム２の蒸発量が減少して、出口側液体ヘリウム槽２１Ｂにおける液体ヘリウム２の液面Ａの低下が抑制される。このように流量調整弁３５の開度制御によって、出口側液体ヘリウム槽２１Ｂにおける液体ヘリウム２の液面Ａが略一定に制御される。

ここで、熱シールド板６による超電導加速空洞１への熱侵入量の低減効果について考察する。上述のように、超電導加速空洞１での熱負荷が少ない場合には熱シールド板６を十分冷却できるが、超電導加速空洞１での熱負荷が多い場合には熱シールド板６を充分に冷却できない。すなわち、超電導加速空洞１での熱負荷が少ない場合には、熱シールド板６の冷却により超電導加速空洞１への熱侵入量を低減できるが、超電導加速空洞１での熱負荷が多い場合には、熱シールド板６の冷却によって超電導加速空洞１への熱侵入量を充分に低減できないことになり、一見無意味に思われる。

しかし、熱シールド板６の熱容量が大きい場合には、熱シールド板６の温度変化に長時間を要し、熱シールド板６の冷却が停止された場合にも、この熱シールド板６の温度は、長時間低い温度に平均化されて維持される。したがって、熱シールド板６は、超電導加速空洞１での熱負荷が大きい場合にも、超電導加速空洞１への熱侵入量の低減に寄与できることになる。これは、冷凍機に対する最大熱負荷を低減することになり、この結果、冷凍機において必要な冷凍能力を低下させることができ、この冷凍機を駆動するための所要動力も低減することができる。

尚、出口側液体ヘリウム槽２１Ｂ内の液体ヘリウム２の流量調整弁３５による液面制御は、冷凍機の運転周波数を制御するよりは容易であるが、超電導加速空洞１での熱負荷の急激な変動に対しては追従できない場合が考えられる。この場合、出口側液体ヘリウム槽２１Ｂ内の液体ヘリウム２の液面制御を、上述の流量調整弁３５による液面制御と、ヒータ５の加熱量による液面制御とを併用して実施する。すなわち、ヒータ５の加熱量により液面制御として、液面上昇時にヒータ５の加熱量を増大し、液面低下時にヒータ５の加熱量を減少させる。この場合、ヒータ５の加熱量による液面制御は急激な変動分を補償するだけなので、ヒータ５による超電導加速空洞１への入熱量は、ヒータ５の加熱量による液面制御のみを実施する従来の方法に比べて数分の一に低減できる。

以上のように構成されたことから、本実施の形態によれば、次の効果（１）及び（２）を奏する。

（１）超電導加速空洞１を極低温冷媒（液体ヘリウム２）により冷却するメイン冷却系１１からサブ冷却系１２へ液体ヘリウム２の一部を分流させ、この分流された液体ヘリウム２により超電導加速空洞１に熱的影響を及ぼす熱シールド板６を冷却し、液体ヘリウム２をサブ冷却系１２へ分流させる流量を制御する流量調整弁３５によって、サブ冷却系１２が合流するメイン冷却系１１の出口側液体ヘリウム槽２１Ｂにおける液体ヘリウム２の液面Ａが制御される。従って、冷凍機の冷凍能力を増大させ、且つ、ヒータ５の加熱量を調整することによって液体ヘリウム２の液面Ａを制御する従来の場合に比べ、エネルギー消費量の増大を招くことなく、出口側液体ヘリウム槽２１Ｂ内の液体ヘリウム２の液面Ａを好適に制御できる。

（２）流量調整弁３５により、メイン冷却系１１における余剰の極低温冷媒（液体ヘリウム２）をサブ冷却系１２へ導いて、超電導加速空洞１に熱的影響を及ぼす熱シールド板６を冷却することから、極低温冷媒を有効に活用して超電導加速空洞１への熱侵入量を低減できる。この結果、超電導加速空洞１の効率的な冷却を実現できる。

［Ｂ］第２の実施の形態（図２）
図２は、本発明に係る極低温冷却装置の第２の実施の形態を示す概略構成図である。この第２の実施の形態において、前記第１の実施の形態と同様な部分は、同一の符号を付して説明を省略あるいは簡素化する。

本実施の形態の極低温冷却装置２０が前記第１の実施の形態の極低温冷却装置１０と異なる点は、極低温冷却装置２０のサブ冷却系１３における分流配管３６が、メイン冷却系１１における供給配管３１のＪＴ弁３２上流側の位置（分流点Ｐ２）に接続され、この分流点Ｐ２付近に膨張手段としてのＪＴ弁４１が備えられたことである。従って、サブ冷却系１３は、冷凍機からの低温高圧の極低温冷媒（ヘリウムガス）をメイン冷却系１１から分流して導き、ＪＴ弁４１にて膨張させて液化し、液体ヘリウム２を熱交換器部３７へ導く。

更に、流量調整弁３５が、分流点Ｐ２下流側の供給配管３１と分流配管３６との少なくとも一方において、ＪＴ弁３２または４１の上流側に設置される。例えば、流量調整弁３５は分流配管３６において、分流点Ｐ２とＪＴ弁４１との間に設置される。

前記第１の実施の形態では、液体ヘリウム配管２３は、圧力損失が小さくなるように太い配管が採用されているが、分流配管３６はこのような太い配管を採用できないので、この分流配管３６へ分流される極低温冷媒の流量比率は数％程度である。これに対し、本実施の形態では、ＪＴ弁３２とＪＴ弁４１との開度比率、つまり絞りの比率を変更することで、供給配管３１から分流配管３６へ分流される極低温冷媒（ヘリウムガス）の流量比率を０％〜１００％の間の任意の比率に設定することが可能となる。

従って、本実施の形態によれば、前記第１の実施の形態の効果（１）及び（２）と同様な効果を奏するほか、次の効果（３）を奏する。

（３）ＪＴ弁３２とＪＴ弁４１との絞りの比率を変更することで、供給配管３１から分流配管３６へ分流されるヘリウムガスの流量比率を０％〜１００％の広い範囲で設定できる。このため、メイン冷却系１１の出口側液体ヘリウム槽２１Ｂにおける液体ヘリウム２の液面Ａの制御範囲を拡大することができると共に、余剰の極低温冷媒を一層有効に活用して、超電導加速空洞１をより効率的に冷却することができる。

尚、本実施の形態では、サブ冷却系１３の分流配管３６に流量調整弁３５が設置される場合を述べたが、この流量調整弁３５を省略し、ＪＴ弁３２とＪＴ弁４１の少なくとも一つ、例えばＪＴ弁４１によって、供給配管３１から分流配管３６へ分流される極低温冷媒（ヘリウムガス）の流量を制御してもよい。

［Ｃ］第３の実施の形態（図３）
図３は、本発明に係る極低温冷却装置の第３の実施の形態を示す概略構成図である。この第３の実施の形態において、前記第１及び第２の実施の形態と同様な部分は、同一の符号を付して説明を省略あるいは簡素化する。

本実施の形態の極低温冷却装置３０は、メイン冷却系１１と、超電導加速空洞１を予冷または昇温するため予冷・昇温系４２とを備えた既存の極低温冷却装置１１０(図１０参照)に、熱シールド板６を冷却するサブ冷却系１４を具備させた構成の冷却装置である。更に、極低温冷却装置３０は、メイン冷却系１１から分流される極低温冷媒（ヘリウムガス）を予冷・昇温系４２またはサブ冷却系１４へ択一に切り換えて導く切換手段（後述のストップ弁４４及びＪＴ弁４１）を備える。

ここで、既存の極低温冷却装置１１０は、図１０に示すように、メイン冷却系１１から予冷・昇温系４２へ分流させる極低温冷媒（ヘリウムガス）の流量を制御する流量制御手段としての流量調整弁３５を備えると共に、予冷・昇温系４２が予冷・昇温配管４３を備える。この予冷・昇温配管４３は、入口端がメイン冷却系１１における供給配管３１のＪＴ弁３２上流側の位置（分流点Ｐ２）に接続され、出口端が複数の液体ヘリウム容器２２に接続される。そして、この予冷・昇温配管４３の入口端（つまり分流点Ｐ２）付近に、流量調整弁３５が配設される。

これにより、メイン冷却系１１の供給配管３１から低温高圧のヘリウムガスが分流して予冷・昇温配管４３内へ導かれ、このヘリウムガスにより液体ヘリウム容器２２内の超電導加速空洞１が予冷または昇温される。予冷・昇温配管４３内へのヘリウムガスの分流流量は、流量調整弁３５により調整される。尚、流量調整弁３５は、供給配管３１における分流点Ｐ２とＪＴ弁３２との間に設置されてもよく、または予冷・昇温配管４３及び供給配管３１の上記各位置に設置されてもよい。

さて、本極低温冷却装置３０(図３)におけるサブ冷却系１４の分流配管３６は、予冷・昇温配管４３における流量調整弁３５下流側の接続点Ｐ３に接続され、この接続点Ｐ３付近にＪＴ弁４１が配設されている。予冷・昇温配管４３において、接続点Ｐ３の下流側付近にストップ弁４４が配設される。極低温冷却装置３０の停止時には、ＪＴ弁４１が全閉操作され、ストップ弁４４が全開操作されて、流量調整弁３５の開度に応じたヘリウムガスがメイン冷却系１１の供給配管３１から予冷・昇温系４２の予冷・昇温配管４３内へ導かれ、超電導加速空洞１が予冷または昇温される。

また、極低温冷却装置３０の運転時には、ストップ弁４４が全閉操作され、ＪＴ弁４１が開操作される。供給配管３１から予冷・昇温配管４３へ分流されたヘリウムガスは、接続点Ｐ３を経て分流配管３６内へ導かれ、ＪＴ弁４１にて液化されて液体ヘリウム２となる。この液体ヘリウム２は熱シールド板６を冷却し、大部分が蒸発してヘリウムガスとなって、出口側液体ヘリウム槽２１Ｂ内へ吐き出される。

この極低温冷却装置３０の運転時に、超電導加速空洞１の熱負荷の大小により変動する出口側液体ヘリウム槽２１Ｂ内の液体ヘリウム２の液面Ａが液面計４により計測され、この計測値に基づき前記第１及び第２の実施の形態と同様にして、出口側液体ヘリウム槽２１Ｂ内の液体ヘリウム２の液面Ａが一定に制御される。つまり、液面計４の計測値に基づき、流量調整弁３５の開度が調整されて、供給配管３１からサブ冷却系１４へのヘリウムガスの分流流量が制御され、且つヒータ５の加熱量が適宜制御されて、出口側液体ヘリウム槽２１Ｂ内の液体ヘリウム２の液面Ａが一定に制御される。

従って、本実施の形態によれば、前記第１及び第２の実施の形態の効果（１）〜（３）と同様な効果を奏するほか、次の効果（４）を奏する。

（４）メイン冷却系１１、予冷・昇温系４２及び流量調整弁３５を備えた既存の極低温冷却装置１１０の予冷・昇温系４２に、ＪＴ弁４１を備えるサブ冷却系１４を接続し、予冷・昇温系４２にストップ弁４４を配設し、流量調整弁３５を兼用するという最小限の変更を施すことで、余剰の極低温冷媒を有効に活用して超電導加速空洞１を効率的に冷却可能な極低温冷却装置３０を構成することができる。

［Ｄ］第４の実施の形態（図４、図５）
図４は、本発明に係る極低温冷却装置の第４の実施の形態を示す概略構成図である。図５は、本発明に係る極低温冷却装置の第４の実施の形態における変形形態を示す概略構成図である。この第４の実施の形態において、前記第１及び第２の実施の形態と同様な部分は、同一の符号を付して説明を省略あるいは簡素化する。

本実施の形態の極低温冷却装置４０が前記第１、第２の実施の形態の極低温冷却装置１０、２０と異なる点は、当該極低温冷却装置４０のサブ冷却系１５（図４）、サブ冷却系１６（図５）が、超電導加速空洞１へ熱を侵入させる支持材、ビームパイプ８、電流リード、入力カプラ７の少なくとも一つの熱アンカー部を冷却する点である。このうち、図４に示すサブ冷却系１５は、メイン冷却系１１の供給配管３１から極低温冷媒（ヘリウムガス）を分流して分流配管３６内に導き、このヘリウムガスをＪＴ弁４１にて液化して液体ヘリウム２とし、熱交換器部４６において入力カプラ７を液体ヘリウム２により冷却している。

ここで、上記支持材は、前述の如く熱シールド板６を、図示しない真空容器にて支持するものである。また、電流リードは、超電導磁石９へ電流を供給するための電流供給部分である。更に、入力カプラ７は、超電導加速空洞１に荷電粒子を加速するための電場を形成する目的で、高周波電力を超電導加速空洞１へ供給する同軸管である。

上述の熱アンカー部(支持材、ビームパイプ８、電流リード、入力カプラ７)の温度が高すぎると、分流配管３６内では液体ヘリウム２が全て蒸発してヘリウムガスとなるばかりか、このヘリウムガスが加熱されて高温のガスになる場合がある。ヘリウムガスは、高温になると密度が低くなり、流速が速くなって、圧力損失が急激に増加することがある。このようにヘリウムガスの圧力損失が急激に増加すると、流量調整弁３５等による分流流量の制御が難しくなるため、ヘリウムガスの温度上昇を極力減少させたい。そのために、上記アンカー部の冷却が重要となり、この熱アンカー部を液体ヘリウムの温度に近い温度に冷却する必要が生ずるのである。

また、入力カプラ７から超電導加速空洞１へ侵入する熱侵入量は、超電導加速空洞１への全熱侵入量の大部分を占めるため、入力カプラ７を冷却することによって、超電導加速空洞１への熱侵入量を大幅に低減させることが可能となる。

図５に示すサブ冷却系１６は、メイン冷却系１１の供給配管３１から分流して導いた極低温冷媒（ヘリウムガス）をＪＴ弁４１にて液化し、この液体ヘリウム２により熱シールド板６及び入力カプラ７の冷却している。

ここで、熱シールド板６、支持材またはビームパイプ８は発熱がないため長時間冷却すると温度が下がり易いが、入力カプラ７や電流リードは、発熱があるため長時間の冷却によっても温度が低下しにくい。このため、熱シールド板６や熱アンカー部などの複数の高温部をサブ冷却系１６によって冷却する場合には、冷却させ易い、つまり、冷却によって温度が低下し易い熱シールド板６、支持材またはビームパイプ８をサブ冷却系１６の上流側において先に冷却し、冷却させ難い、つまり冷却によって温度が低下しにくい入力カプラ７または電流リードをサブ冷却系１６の下流側において後に冷却することが、冷却効率の点で好ましい。

また、サブ冷却系１５または１６において、入力カプラ７等の熱アンカー部を冷却する場合、これらのサブ冷却系１５または１６は、熱アンカー部のうち超電導加速空洞１に最も近い箇所を冷却することが冷却効率の点で好ましい。例えば、入力カプラ７が熱シールド板６に支持され、この熱シールド板６が図４に示すようにサブ冷却系１５等により冷却されていない場合、サブ冷却系１５の熱交換器部４６は、入力カプラ７において熱シールド板６よりも超電導加速空洞１に近い位置に設置される。これにより、入力カプラ７は、超電導加速空洞１から遠い位置で熱シールド板６により例えば２０Ｋに冷却され、超電導加速空洞１に近い位置でサブ冷却系１５により例えば４Ｋに冷却される。これにより、入力カプラ７は、超電導加速空洞１に遠い位置から近い位置へ向かって段階的に冷却されるので、この入力カプラ７の効率的な冷却が実現される。

以上のように構成されたことから、本実施の形態においても、前記第１及び第２の実施の形態の効果（１）〜（３）と同様な効果（但し、熱シールド板６を、熱シールド板６または／及び熱アンカー部に置き換えて適用する）を奏するほか、次の効果（５）〜（７）を奏する。

（５）サブ冷却系１５、１６により熱アンカー部を液体ヘリウム２の温度に近い温度まで冷却することによって、サブ冷却系１５、１６の分流配管３６内での圧力損失の増大が回避されるので、メイン冷却系１１の供給配管３１からサブ冷却系１５、１６への流量調整弁３５による分流流量の制御を良好に実現できる。

（６）サブ冷却系１６により熱シールド板６及び熱アンカー部を冷却する場合、冷却させ易い熱シールド板６、支持材またはビームパイプ８を先に冷却し、冷却させ難い入力カプラ７または電流リードを後に冷却することで、これら熱シールド板６及び熱アンカー部を効率的に冷却できる。

（７）入力カプラ７等の熱アンカー部を冷却する場合、当該熱アンカー部の複数の冷却箇所のうち、超電導加速空洞１に最も近い箇所をサブ冷却系１５、１６により冷却することから、当該熱アンカー部を超電導加速空洞１に遠い側から近い側へ向かって段階的に冷却させることができる。このため、この熱アンカー部を効率的に冷却でき、熱アンカー部から超電導加速空洞１への熱侵入量を低減できる。

［Ｅ］第５の実施の形態（図６）
図６は、本発明に係る極低温冷却装置の第５の実施の形態を示す概略構成図である。この第５の実施の形態において、前記第１及び第２の実施の形態と同様な部分は、同一の符号を付して説明を省略あるいは簡素化する。

本実施の形態の極低温冷却装置５０が前記第１、第２の実施の形態の極低温冷却装置１０、２０と異なる点は、超電導加速空洞１の周囲に設けられた熱シールド板６の外側に、１または複数の熱シールド板４７が設置され、このうち、超電導加速空洞１に最も近い位置に配置された熱シールド板６がサブ冷却系１３により冷却される点である。このように、超電導加速空洞１の周囲に複数（または多数）の熱シールド板（熱シールド板６、４７、…）を配置する構造はＭＳＩ（Multi Shell Insulator）と称される。このＭＳＩは熱シールド板の熱容量と、熱シールド板間の空気層の熱容量とを積極的に利用して、超電導加速空洞１への熱侵入量を低減する構造になっている。

例えば、超電導加速空洞１と同じ温度に冷却された複数の熱シールド板６、４７を用意する。この状態で熱シールド板６及び４７の冷却を停止すると、外側の熱シールド板４７の温度は直ちに上昇し始めるが、内側の熱シールド板６は、外側の熱シールド板４７によって熱の侵入が抑えられているためその温度は直ちに上昇せず、外側の熱シールド板４７の温度上昇から遅れて上昇する。熱シールド板の枚数が多い場合、温度上昇は内側の熱シールド板ほど遅れ、最も内側の熱シールド板の温度が上昇するまで長時間を要することになる。その結果、超電導加速空洞１の周囲に複数の熱シールド板(例えば熱シールド板６、４７)を設けることによって、超電導加速空洞１への熱侵入量を、これらの熱シールド板への冷却を停止した後でも長時間に亘って低減することが可能となる。

従って、本実施の形態によれば、前記第１及び第２の実施の形態の効果（１）〜（３）と同様な効果を奏するほか、次の効果（８）及び（９）を奏する。

（８）超電導加速空洞１の周囲に複数の熱シールド板（例えば熱シールド板６、４７）を配設することで、これらの熱シールド板と熱シールド板間の空気層とのそれぞれの熱容量を利用することにより、これらの熱シールド板の冷却が停止された後でも、超電導加速空洞１への熱侵入量を長時間にわたり低減できる。

（９）超電導加速空洞１の周囲に複数設けられた熱シールド板（例えば熱シールド板６、４７）のうち、超電導加速空洞１に最も近い位置の熱シールド板６がサブ冷却系１３によって液体ヘリウム２により冷却されることから、最も温度上昇の遅い熱シールド板６をサブ冷却系１３により冷却することで、超電導加速空洞１への熱侵入を好適に阻止できる。

［Ｆ］第６の実施の形態（図７、図８）
図７は、本発明に係る極低温冷却装置の第６の実施の形態における一部を示す概略構成図である。図８は、本発明に係る極低温冷却装置の第６の実施の形態における変形形態の一部を示す概略構成図である。この第６の実施の形態において、前記第１及び第２の実施の形態と同様な部分は、同一の符号を付して説明を省略あるいは簡素化する。

本実施の形態の極低温冷却装置６０が前記第１、第２の実施の形態の極低温冷却装置１０、２０と異なる点は、メイン冷却系１１の出口側液体ヘリウム槽２１Ｂに極低温冷媒（ヘリウムガス）を合流させるサブ冷却系１７における分流配管３６の出口部４８、４９の構造である。つまり、出口部４８は、出口側液体ヘリウム槽２１Ｂにおける液体ヘリウム２の液中を通り、出口端５１が上記液体ヘリウム２の液面Ａの上方に位置づけられるよう構成されている。また、出口部４９は、出口側液体ヘリウム槽２１Ｂにおける液体ヘリウム２の液中に設置され、その出口端５２が、液体ヘリウム２の液面Ａの下方に位置づけられるよう構成されている。

従って、出口部４８では、ヘリウムガスは、この出口部４８内を通過する間に液体ヘリウム２によって冷却された後、この液体ヘリウム２の液面Ａ上方に吐き出されて、戻り配管３３へ導かれる。また、出口部４９では、ヘリウムガスは、この出口部４９内を通過する間に液体ヘリウムによって冷却された後、この液体ヘリウム２中に吐き出されて、戻り配管３３へ導かれる。

従って、本実施の形態によれば、前記第１〜第５の実施の形態の効果（１）〜（９）と同様な効果を奏するほか、次の効果（１０）を奏する。

（１０）出口側液体ヘリウム槽２１Ｂに導かれる分流配管３６の出口部４８、４９内のヘリウムガスが高温の場合にも、この出口部４８、４９内のヘリウムガスが、出口側液体ヘリウム槽２１Ｂ内の液体ヘリウム２によって冷却された後、戻り配管３３へ導かれることから、この戻り配管３３内を流れて冷凍機へ向かうヘリウムガスの温度が低下する。戻り配管３３内を流れるヘリウムガスが高温の場合、この戻り配管３３内の圧力損失が大きくなり、冷凍機による極低温冷媒（ヘリウムガス）の冷却温度が上昇してしまう。しかしながら、本実施の形態では、戻り配管３３内を流れるヘリウムガスの温度が低下するので、戻り配管３３内での圧力損失の増大を回避でき、冷凍機による極低温冷媒の冷却温度を安定化できる。

以上、本発明を上記実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、第１〜第６の各実施の形態において、極低温冷媒がヘリウム（液体ヘリウム）の場合を述べたが、窒素（液体窒素）、水素（液体水素）、ネオン（液体ネオン）またはこれらの混合物であっても同様の効果が得られる。

また、各実施の形態では、膨張手段がＪＴ弁３２、４１の場合を述べたが、膨張タービンまたは膨張ピストンであってもよい。

更に、被冷却物が超電導加速空洞１の場合を述べたが、超電導磁石や超電導素子などであっても同様の効果が得られる。

また、ＭＳＩの原理を用いる方法として、熱シールド板６、４７を例に説明したが、支持材、ビームパイプ８、電流リード、入力カプラ７などの熱アンカー部に熱容量を持たせる構造(例えば、支持材の数箇所に銅塊を固着させた構造)を用いても良い。

さらに、本発明は、上述したような各実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の各実施例を組み合わせて、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明に係る極低温冷却装置の第１の実施の形態を示す概略構成図。 本発明に係る極低温冷却装置の第２の実施の形態を示す概略構成図。 本発明に係る極低温冷却装置の第３の実施の形態を示す概略構成図。 本発明に係る極低温冷却装置の第４の実施の形態を示す概略構成図。 本発明に係る極低温冷却装置の第４の実施の形態における変形形態を示す概略構成図。 本発明に係る極低温冷却装置の第５の実施の形態を示す概略構成図。 本発明に係る極低温冷却装置の第６の実施の形態における一部を示す概略構成図。 本発明に係る極低温冷却装置の第６の実施の形態における変形形態の一部を示す概略構成図。 従来の極低温冷却装置を示す概略構成図。 従来の他の極低温冷却装置を示す概略構成図。

符号の説明

１…超電導加速空洞（被冷却物）、２…液体ヘリウム（極低温冷媒）、４…液面計、５…ヒータ、６…熱シールド板（高温部）、７…入力カプラ（高温部、熱アンカー部）、８…ビームパイプ（熱アンカー部）、１０…極低温冷却装置、１１…メイン冷却系、１２、１３、１４、１５、１６、１７…サブ冷却系、２０…極低温冷却装置、２１Ｂ…出口側液体ヘリウム槽（合流部）、３０…極低温冷却装置、３２…ＪＴ弁（膨張手段）、３５…流量調整弁（流量制御弁）、３９…出口部、４０…極低温冷却装置、４１…ＪＴ弁（膨張手段、切換手段）、４２…予冷・昇温系、４４…ストップ弁（切換手段）、４７…熱シールド板、４８、４９…出口部、５０…極低温冷却装置、５１、５２…出口端、６０…極低温冷却装置、Ａ…液面、Ｐ１、Ｐ２…分流点。

Claims (15)

1. 冷凍機からの極低温冷媒を膨張手段により液化して被冷却物に導き、この被冷却物を冷却した後に前記冷凍機へ戻すメイン冷却系を備えた極低温冷却装置において、
   前記メイン冷却系から極低温冷媒の一部を分流して導き、前記被冷却物に熱的影響を及ぼす高温部を、液化された極低温冷媒により冷却した後、当該極低温冷媒を前記メイン冷却系の合流部に合流させるサブ冷却系と、
   前記極低温冷媒を前記サブ冷却系へ分流させる流量を制御する流量制御手段とを有し、
   この流量制御手段により、前記メイン冷却系の前記合流部における極低温冷媒の液面が制御されるよう構成されたことを特徴とする極低温冷却装置。
2. 前記サブ冷却系は、前記メイン冷却系の膨張手段により液化された極低温冷媒を分流して導くものであることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷却装置。
3. 前記流量制御手段は、極低温冷媒を分流する分流点の下流側におけるメイン冷却系とサブ冷却系の少なくとも一方に設けられた流量調整弁であることを特徴とする請求項１または２に記載の極低温冷却装置。
4. 前記サブ冷却系は、前記メイン冷却系における膨張手段の上流側から極低温冷媒を分流して導き、当該サブ冷却系の膨張手段により極低温冷媒を液化する構成であり、
   前記流量制御手段は、極低温冷媒を分流する分流点の下流側におけるメイン冷却系とサブ冷却系の少なくとも一方においてそれぞれの前記膨張手段の上流側に設置された流量調整弁であることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷却装置。
5. 前記サブ冷却系は、メイン冷却系における膨張手段の上流側から極低温冷媒を分流して導き、当該サブ冷却系の膨張手段により極低温冷媒を液化する構成であり、
   前記流量制御手段は、メイン冷却系の膨張手段とサブ冷却系の膨張手段の少なくとも一方であることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷却装置。
6. 冷凍機からの極低温冷媒を膨張手段により液化して被冷却物に導き、この被冷却物を冷却した後に上記冷凍機へ戻すメイン冷却系と、
   当該メイン冷却系の膨張手段の上流側から極低温冷媒を分流して導き、前記被冷却物を予冷または昇温する予冷・昇温系と、
   極低温冷媒を上記予冷・昇温系へ分流させる流量を制御する流量制御手段と、を備えた極低温冷却装置において、
   前記予冷・昇温系に接続され、運転時には極低温冷媒を液化して、前記被冷却物に熱的影響を及ぼす高温部を冷却した後、この極低温冷媒を前記メイン冷却系の合流部に合流させるサブ冷却系と、
   前記予冷・昇温系または前記サブ冷却系に極低温冷媒を択一に切り換えて導く切換手段とを有し、
   この切換手段により極低温冷媒が前記サブ冷却系に導かれるように切り換えられた状態で、前記流量制御手段により、前記メイン冷却系の前記合流部における極低温冷媒の液面が制御されるよう構成されたことを特徴とする極低温冷却装置。
7. 前記メイン冷却系の合流部にヒータが設置され、当該合流部における極低温冷媒の液面が、流量制御手段及び前記ヒータにより制御されるよう構成されたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の極低温冷却装置。
8. 前記被冷却物が超電導加速空洞であり、
   前記高温部が、前記超電導加速空洞を熱から遮蔽するための熱シールド板であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の極低温冷却装置。
9. 前記被冷却物が超電導加速空洞であり、
   前記高温部が、前記超電導加速空洞へ熱を侵入させる、支持材、ビームパイプ、電流リード、入力カプラのうちの少なくとも一つの熱アンカー部であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の極低温冷却装置。
10. 前記高温部が複数存在する場合には、サブ冷却系において、冷却させ易い高温部を先に冷却し、冷却させ難い高温部を後に冷却することを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の極低温冷却装置。
11. 前記メイン冷却系の合流部に極低温冷媒を合流させるサブ冷却系の出口部は、前記合流部における極低温冷媒の液面上方に設置され、又は前記合流部における極低温冷媒の液中を通りこの出口端が極低温冷媒の液面上方に設置されることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の極低温冷却装置。
12. 前記メイン冷却系の合流部に極低温冷媒を合流させるサブ冷却系の出口部は、上記合流部における極低温冷媒の液中に設置され、出口端が極低温冷媒の液面下方に位置付けられることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の極低温冷却装置。
13. 冷凍機からの極低温冷媒を膨張手段により液化して被冷却物に導き、この被冷却物を冷却した後に上記冷凍機へ戻すメイン冷却系と、
    このメイン冷却系から極低温冷媒の一部を分流して導き、前記被冷却物に熱的影響を及ぼす高温部を、液化された極低温冷媒により冷却した後、当該極低温冷媒を上記メイン冷却系の合流部に合流させるサブ冷却系とを有する極低温冷却装置の冷媒液面制御方法であって、
    前記被冷却物での熱負荷が小さい場合には、前記サブ冷却系への極低温冷媒の分流量を増加させて高温部を冷却し、当該サブ冷却系にて極低温冷媒の蒸発量を増大させ、また、前記被冷却物での熱負荷が大きい場合には、上記サブ冷却系への極低温冷媒の分流量を減少させて高温部の冷却を抑制し、当該サブ冷却系による極低温冷媒の蒸発量を減少させることにより、前記メイン冷却系の前記合流部における極低温冷媒の液面を制御することを特徴とする極低温冷却装置の冷媒液面制御方法。
14. 冷凍機からの極低温冷媒を膨張手段により液化して被冷却物に導き、この被冷却物を冷却した後に上記冷凍機へ戻すメイン冷却系と、
    当該メイン冷却系の膨張手段の上流側から極低温冷媒を分流して導き、前記被冷却物を予冷または昇温する予冷・昇温系と、
    この予冷・昇温系に接続され、運転時には極低温冷媒を液化して、前記被冷却物に熱的影響を及ぼす高温部を冷却した後、この極低温冷媒を前記メイン冷却系の合流部に合流させるサブ冷却系とを有する極低温冷却装置の冷媒液面制御方法であって、
    装置の停止時には、メイン冷却系からの極低温冷媒を前記予冷・昇温系に導いて、前記被冷却物を予冷または昇温し、
    装置の運転時で前記被冷却物での熱負荷が小さい場合には、前記サブ冷却系への極低温冷媒の分流量を増加させて高温部を冷却し、当該サブ冷却系にて極低温冷媒の蒸発量を増大させ、また、装置の運転時で前記被冷却物での熱負荷が大きい場合には、前記サブ冷却系への極低温冷媒の分流量を減少させて高温部の冷却を抑制し、当該サブ冷却系による極低温冷媒の蒸発量を減少させることにより、装置運転時における前記メイン冷却系の前記合流部における極低温冷媒の液面を制御することを特徴とする極低温冷却装置の冷媒液面制御方法。
15. 前記メイン冷却系の合流部にヒータが設置され、
    サブ冷却系へ分流する極低温冷媒の分流量の制御と共に、上記ヒータを制御することにより、前記メイン冷却系の前記合流部における極低温冷媒の液面を制御することを特徴とする請求項１３または１４に記載の極低温冷却装置の冷媒液面制御方法。

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