JP2008215640A - 超電導コイルの冷却装置およびこれに用いる通気板 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】超電導コイル32を収容する樹脂製の容器30と、液体冷媒22を貯留するタンク20と、タンクに貯留される液体冷媒を冷却する冷凍機24と、容器とタンクとを連通し、液体冷媒を容器とタンクとの間で循環させる配管26と、タンクから容器に向けて液体冷媒を圧送する往復動ポンプ40と、前記配管のうち往復動ポンプの吐出口42と容器との間に設けられ、前記圧送される液体冷媒の脈動を低減する圧力緩和装置50と、を備える超電導コイルの冷却装置10。
【選択図】図1
Description
一方、往復動ポンプは、ピストンなどの往復動によって液体冷媒の吸い込みと吐き出しとを繰り返す方式をとるため、吸込工程では液体冷媒が低圧となり、吐出工程では逆に高圧となる、いわゆる脈動が生じてしまうという問題がある。
かかる容器を樹脂製とするにあたっては、樹脂材料は溶接による接合ができないことから、半割容器を併せてコイルを覆ったうえで容器同士を接着接合する必要がある。樹脂材料同士の接着には、接着力が強力で耐水性や充填効果が高いことからエポキシ系接着剤が一般に用いられている。
このため従来のこの種の冷却装置においては、下記特許文献中には明示の記載はないものの、脈動のない遠心ポンプを用いることが当業者の技術常識であった。
(1)超電導コイルを収容する樹脂製の容器と、液体冷媒を貯留するタンクと、タンクに貯留される液体冷媒を冷却する冷凍機と、容器とタンクとを連通し、液体冷媒を容器とタンクとの間で循環させる配管と、タンクから容器に向けて液体冷媒を圧送する往復動ポンプと、前記配管のうち往復動ポンプの吐出口と容器との間に設けられ、前記圧送される液体冷媒の脈動を低減する圧力緩和装置と、を備える超電導コイルの冷却装置;
(2)圧力緩和装置が、前記配管から分岐して設けられた枝管と、枝管の先端開口部を覆って設けられ、弾性復元力をもつ可動壁が移動して内容積が可変に構成されたガス受容部と、を備え、前記液体冷媒が配管内を圧送される際には、液体冷媒の液面と枝管とガス受容部とで囲まれる封止ガスの閉領域が形成されるとともに、(a)液体冷媒が前記脈動に伴う高圧で配管内を圧送される際には、前記液面によって枝管からガス受容部に押し出される封止ガスを、ガス受容部がその内容積を拡大させて受容し、(b)液体冷媒が前記脈動に伴う低圧で配管内を圧送される際には、ガス受容部が、前記可動壁の弾性復元力によりその内容積を縮小することで、前記脈動を緩和することを特徴とする上記(1)に記載の超電導コイルの冷却装置;
(3)ガス受容部が、前記可動壁として袋状の弾性膜を有する上記(2)に記載の超電導コイルの冷却装置;
(4)雄型継手と雌型継手とを互いに遊嵌し、それぞれの備えるフランジ同士を気密に結合して配管同士を連結するバイオネット継手を、前記配管のうち往復動ポンプの吐出口と容器との間に備える上記(2)または(3)に記載の冷却装置において、雄型継手と雌型継手との間に形成された空隙部を前記枝管として用いるとともに、前記雄型継手を遊挿する挿通孔、および前記空隙部とガス受容部とを連通する通気孔が形成された通気板を、前記フランジ同士の間に挟んで装着したことを特徴とする超電導コイルの冷却装置;
を要旨とする。
(5)配管同士を接続するバイオネット継手の雄型継手と雌型継手がそれぞれ備えるフランジに挟んで用いられ、バイオネット継手の内部と外部とを連通する通気板であって、前記雄型継手を遊挿する挿通孔が板厚方向に設けられ、前記通気板の表裏面にはOリング装着溝が前記挿通孔を囲んでそれぞれ設けられ、かつ、前記通気板の板厚内には、表裏のOリング装着溝の間をくぐってその内側と外側とを連通する通気孔が設けられていることを特徴とする通気板;
を構成部品として用いることにより上記課題を解決する超電導コイルの冷却装置を得ることができる。
また往復動ポンプは遠心ポンプに比べて一般に機構が単純で安価に得ることができるという利点もある。
さらに、往復動ポンプの吐出口と樹脂製容器との間に設置した圧力緩和装置によって、往復動ポンプで生じる脈動を低減することにより、樹脂製容器の接合に用いる接着剤の低温脆性破壊の発生を抑え、長期間の連続運転に耐える実用的な超電導コイルの冷却装置(以下、簡単のため「冷却装置」という場合がある。)を得ることができる。
冷却装置10は、超電導コイル32を内部に収容する樹脂製の容器30と、超電導コイル32を冷却するための液体冷媒22を貯留するタンク20と、液体冷媒22を冷却する冷凍機24と、容器30とタンク20とを連通し、液体冷媒22を容器30とタンク20との間で循環させる配管26(26a,26b)と、タンク20から容器30に向けて液体冷媒22を圧送する往復動ポンプ40とを備えている。
冷凍機24で冷却された液体冷媒22は、往復動ポンプ40の吐出口42より押し出されると、配管(供給管)26aを通じて容器30に送られ、超電導コイル32を冷却したのち、配管(返送管)26bを通じてタンク20に還流される。
図示のように容器30は、超電導コイル32を収容する内槽33と、これを覆う外槽34とが互いに真空断熱された内外二重壁構造からなり、外部雰囲気と内槽33との熱授受が遮断されている。
円筒状の容器30は、まず半割筒状に成型されて、内部に超電導コイル32を収容したうえで互いに併せられてエポキシ樹脂系等の接着剤によって接合される。
容器30には、連結して内槽33に液体冷媒22を供給するための供給口35と、超電導コイル32を冷却した液体冷媒22を内槽33から排出する排出口37とが設けられるほか、超電導コイル32の給電線や各種の信号線を引き出すための貫通孔(図示せず)が設けられている。
排出口37についても同様にバイオネット継手が設けられ、配管26bと内槽33とが断熱状態で連通している。
したがってタンク20のうち、配管26bを通じて容器30から還流された液体冷媒22を受け入れる受入口28と、後述する往復動ポンプ40の吐出口42についても、バイオネット継手の雄型継手または雌型継手(図示せず)が取り付けられている。
すなわち、液体冷媒22はタンク20と容器30との間を循環するため、その経路上のいずれかに冷凍機24を設置することで、タンク20に貯留される液体冷媒22を冷却して超電導コイル32に連続的に供給することができる。
タンク20の外部で液体冷媒22を冷却する場合、超電導コイル32に所望の低温の液体冷媒22が供給されるよう、往復動ポンプ40と、容器30の供給口35との間に冷凍機24を設けるとよい。
図1では、吐出口42と容器30との間に圧力緩和装置50を設けるという意味でこれを概念的に図示しているが、具体的な圧力緩和装置50の配置位置としては、吐出口42や供給口35に設けられたバイオネット継手に組み込んで設けることもでき、また上述のように冷凍機24をタンク20と分離してその後段に設ける場合は、配管26aと冷凍機24との間に設置してもよい。
図3は、第二の実施形態にかかる圧力緩和装置50とバイオネット継手36の分解図である。
また図4は通気板52の三面図であり、同図(a)はその平面図、同図(b)は正面図、同図(c)は側面図である。図2,3に示す圧力緩和装置50の断面模式図は、図4(b)の正面視方向に対する縦断面図である。
一方、雄型継手36bもまた内管362bと外管363bとの間が真空断熱された断熱二重構造を備え、図中下方の開口部が小径に形成されている。また雌型継手36aの内管362aの内径と雄型継手36bの内管362bの内径とは同一に構成されている。
これにより、雄型継手36bの開口端を雌型継手36aの開口端に挿入することで、雄型継手36bの内管362b内を流れる液体冷媒22は、外部雰囲気と断熱されたまま雌型継手36aの内管362aに流れ込むことができる。
圧力緩和装置50は、雌型継手36aのフランジ361aと雄型継手36bのフランジ361bとの間に通気板52を挟着し、さらに通気板52に横孔として設けられた通気孔522とバルーン54とを接続管56で連通して得ることができる。
なお通気板52には、緊締具367を挿通するための通孔525が、フランジ361a,361bの通孔に対応する位置に設けられている。また本実施形態では一枚の通気板52をフランジ361a,361bの間に装着しているが、二枚以上の板体を組み合わせて通気板52を構成してもよい。
通気孔522の態様としては、図示のように挿通孔521と周面526とを連通する横孔とするほか、Oリング装着溝523,524の間をくぐる横孔の一端または両端を通気板52の板厚方向に折り曲げてその上面または下面に開口端を設けた曲孔としてもよい。
かかる状態で、所定の吐出圧で往復動ポンプ40により液体冷媒22を圧送した場合、バルーン54内には液体冷媒22の気化ガスと空気との混合ガスが大気圧+吐出圧に相当する内圧で貯留され、また封止ガス369は接続管56を介して空隙部368とバルーン54との間を往来することができる。
ここで、図2(a)に示す通常のバイオネット継手36では空隙部368が閉領域であるため、液体冷媒22の液面221の昇降は、僅かな体積にすぎない封止ガス369自身の膨張/収縮変形によって受ける必要があり、仮に雌型継手36aの内管362aとラジアルシール364との隙間から液体冷媒22が空隙部368に流入可能、すなわち液面221が昇降可能であったとしても、液体冷媒22の脈動の解消効果は極めて僅かである。
これに対し、本実施形態の圧力緩和装置50によれば、液体冷媒22の脈動(高圧)に伴って液面221により押し上げられた封止ガス369は接続管56を通じてバルーン54に逃げることができるため、液面221は脈動の高低に応じて比較的自由に昇降可能となり、液体冷媒22の僅かな脈動をも吸収することができる。逆に液体冷媒22が低圧となった場合、封止ガス369およびバルーン54内に貯留された気化ガス(+空気)が空隙部368に流入するため、液体冷媒22は液面221を低下させて流路を一時的に縮小し、脈動の低圧を解消することができる。
なお、本発明でいう液面221の昇降とは、液体冷媒22と空隙部368との界面が脈動によっていずれかの方向に移動することをいい、必ずしも鉛直方向に対する上下動を意味するものではない。
また弾性膜やピストンで隔てられる封止ガスの反対側は、一般的なアキュムレータ(バッファタンク)のような固定容積とするよりも、可動壁の移動変形を容易にする観点から大気圧に開放することが好ましいといえる。
一方、脈動によって配管26aの内圧が下降した場合は、液面221が低下して空隙部368は一時的にタンク58よりも低圧となるため、封止ガス369がタンク58から放出される。
本実施形態の圧力緩和装置50には弾性復元力をもつ可動壁が不要であるため、タンク58を強固な部材より作製することができる。これにより、液体冷媒22の脈動が高い場合もタンク58が破裂することがなく、液体冷媒22が溢れ出す虞がないという利点がある。
20 タンク
22 液体冷媒
24 冷凍機
26 配管
30 容器
32 超電導コイル
36 バイオネット継手
40 往復動ポンプ
50 圧力緩和装置
52 通気板
54 バルーン
57 オリフィス
58 タンク
368 空隙部
369 封止ガス
Claims (5)
- 超電導コイルを収容する樹脂製の容器と、
液体冷媒を貯留するタンクと、
タンクに貯留される液体冷媒を冷却する冷凍機と、
容器とタンクとを連通し、液体冷媒を容器とタンクとの間で循環させる配管と、
タンクから容器に向けて液体冷媒を圧送する往復動ポンプと、
前記配管のうち往復動ポンプの吐出口と容器との間に設けられ、前記圧送される液体冷媒の脈動を低減する圧力緩和装置と、を備える超電導コイルの冷却装置。 - 圧力緩和装置が、
前記配管から分岐して設けられた枝管と、
枝管の先端開口部を覆って設けられ、弾性復元力をもつ可動壁が移動して内容積が可変に構成されたガス受容部と、を備え、
前記液体冷媒が配管内を圧送される際には、液体冷媒の液面と枝管とガス受容部とで囲まれる封止ガスの閉領域が形成されるとともに、
(a)液体冷媒が前記脈動に伴う高圧で配管内を圧送される際には、前記液面によって枝管からガス受容部に押し出される封止ガスを、ガス受容部がその内容積を拡大させて受容し、
(b)液体冷媒が前記脈動に伴う低圧で配管内を圧送される際には、ガス受容部が、前記可動壁の弾性復元力によりその内容積を縮小することで、前記脈動を緩和することを特徴とする請求項1に記載の超電導コイルの冷却装置。 - ガス受容部が、前記可動壁として袋状の弾性膜を有する請求項2に記載の超電導コイルの冷却装置。
- 雄型継手と雌型継手とを互いに遊嵌し、それぞれの備えるフランジ同士を気密に結合して配管同士を連結するバイオネット継手を、前記配管のうち往復動ポンプの吐出口と容器との間に備える請求項2または3に記載の冷却装置において、
雄型継手と雌型継手との間に形成された空隙部を前記枝管として用いるとともに、
前記雄型継手を遊挿する挿通孔、および前記空隙部とガス受容部とを連通する通気孔が形成された通気板を、前記フランジ同士の間に挟んで装着したことを特徴とする超電導コイルの冷却装置。 - 配管同士を接続するバイオネット継手の雄型継手と雌型継手がそれぞれ備えるフランジに挟んで用いられ、バイオネット継手の内部と外部とを連通する通気板であって、
前記雄型継手を遊挿する挿通孔が板厚方向に設けられ、
前記通気板の表裏面にはOリング装着溝が前記挿通孔を囲んでそれぞれ設けられ、
かつ、前記通気板の板厚内には、表裏のOリング装着溝の間をくぐってその内側と外側とを連通する通気孔が設けられていることを特徴とする通気板。
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