JP2009243697A - 極低温冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液体水素を安全に利用して、被冷却物を極低温に安定して冷却保持できること。
【解決手段】極低温冷凍機１１と、この極低温冷凍機を被冷却物としての超電導コイル１に熱的に接続する伝熱板１３と、加圧した水素ガスが注入され、この水素ガスが極低温冷凍機にて冷却され凝縮されて液体水素２０となり貯溜される密閉構造の水素容器１２とを有し、極低温冷凍機１１により伝熱板１３を介して超電導コイル１が冷却されると共に、水素容器１２内の液体水素２０により超電導コイル１が冷却可能に構成されたものである。
【選択図】 図２

Description

本発明は極低温冷却装置に係り、特に高温超伝導体にて構成された被冷却物を極低温に安定して冷却保持する極低温冷却装置に関する。

超電導線材は、抵抗ゼロの特性を持ち高い電流密度の電流を流せるためさまざまな分野で応用されている。この超電導線材は、上述の特性を発揮させるために、通電電流密度と周囲磁場に依存する臨界温度以下に冷却する必要があり、通常は液体ヘリウムや極低温冷凍機で４Ｋ程度に冷却される。冷却方式としては、超電導コイルを液体ヘリウム中に浸漬して直接冷却する浸漬冷却方式(例えば特許文献１)と、超電導コイルと極低温冷凍機とを伝熱部材で熱的に接続して冷却する伝導冷却方式（例えば非特許文献１）とに大別される。

一方、近年になって臨界温度が従来の超電導体より高い高温超電導体が発見され、この高温超電導体を用いた高温超電導線材の開発が進められている。高温超電導線材を用いると冷却温度を２０Ｋ程度と従来よりも高くでき、冷凍機の所要電力を大幅に低減できる長所がある。また冷却温度を高くすることは、伝熱部材等の比熱が大きくなって温度が変動しにくくなることや、伝熱部材等の熱伝導率が大きくなることから伝導冷却で問題となる冷凍機と超電導コイルとの温度差が小さくなる利点がある。従って、高温超電導線材を用いたシステムでは伝導冷却方式が主流となっている。
特開平７−１３０５３０号公報 低温工学 Ｖｏｌ．３７ Ｎｏ.１（２００２） ｐ１８−２６

ところが、超電導コイルの励消磁時や超電導電力貯蔵装置（ＳＭＥＳ）の動作時などのように大きな熱負荷変動がある場合には、液体の蒸発潜熱を熱バッファとして使える浸漬冷却方式が有利である。但し、この浸漬冷却方式では冷却温度が液体冷媒の沸点に制限される。例えば、高温超電導線材に必要な冷却温度(臨界温度以下)である２０Ｋ近傍では、液体冷媒として液体水素を利用できる。しかし、水素は可燃性ガスであるため安全上の問題が指摘されている。

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、液体水素を安全に利用して、被冷却物を極低温に安定して冷却保持できる極低温冷却装置を提供することにある。

本発明に係る極低温冷却装置は、極低温冷凍機と、この極低温冷凍機を被冷却物に熱的に接続する伝熱部材と、加圧した水素ガスが注入され、この水素ガスが前記極低温冷凍機にて冷却され凝縮されて液体水素となり貯溜される密閉構造の水素容器とを有し、前記極低温冷凍機により前記伝熱部材を介して前記被冷却物が冷却されると共に、前記水素容器内の前記液体水素により前記被冷却物が冷却可能に構成されたことを特徴とするものである。

本発明によれば、被冷却物の熱負荷が増加した場合に、水素容器内の液体水素の蒸発潜熱を利用して上記熱負荷の増加を吸収するので、被冷却物を極低温に安定して冷却保持できる。また、水素容器が密閉構造であり、この水素容器内に水素ガスが注入されて相変化し外部に排出されることがないので、この液体水素を安全に利用できる。

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。但し、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではない。

［Ａ］第１の実施の形態（図１〜図６）
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斜視図である。図２は、図１のII−II線に沿う断面図である。図５は、図１のV−V線に沿う断面図である。

これらの図に示す極低温冷却装置１０は、高温超電導線材を用いて製造された被冷却物としての超電導コイル１を、極低温（例えば２０Ｋ程度）に冷却するものであり、極低温冷凍機１１、水素容器１２、伝熱部材としての伝熱板１３、及び凝縮部１４を有して構成される。

超電導コイル１の側面に伝熱板１３が取り付けられており、極低温冷凍機１１は、第１伝熱部材１５、第２伝熱部材１６及び伝熱板１３を介して超電導コイル１に熱的に接続されている。これにより、超電導コイル１は、極低温冷凍機１１により第１伝熱部材１５、第２伝熱部材１６及び伝熱板１３を介して伝導冷却される。

水素容器１２は、円筒形状で密閉構造に構成され、底面部１７が伝熱板１３に接触し、この伝熱板１３を介して超電導コイル１に熱的に接続される。また、水素容器１２の内側空間に極低温冷凍機１１、第１伝熱部材１５及び第２伝熱部材１６が配置され、このうちの第１伝熱部材１５が水素容器１２の内側の側面部１８を貫通して先端が水素容器１２内に至る。この第１伝熱部材１５の先端に凝縮部１４が設置され、従ってこの凝縮部１４は水素容器１２内に配置される。

水素容器１２内には加圧された水素ガス、例えば室温で１ＭＰａに加圧された水素ガスが注入されている。凝縮部１４は、第１伝熱部材１５を介して極低温冷凍機１１により冷却され、水素容器１２内の水素ガスを２０Ｋ程度またはそれ以下に冷却し、凝縮部１４の表面で凝縮させて液体水素２０とする。この液体水素２０は、水素容器１２の底面部１７に貯溜され、超電導コイル１は底面部１７及び伝熱板１３を介して液体水素２０によっても冷却可能に構成される。

ここで、水素容器１２内における水素の使用条件での圧力は、液体が存在するように、水素の臨界圧力である１．３ＭＰａ以下に設定される。具体的には、この水素の圧力は、７ＫＰａ（１４Ｋ）〜１．３ＭＰａ（３３Ｋ）の範囲に設定される。

また、水素容器１２内での液体水素２０の容積は、水素容器１２の容積の１％以下である。従って、液体水素２０によって超電導コイル１を効率良く冷却するためには、液体水素２０が水素容器１２内で分散しないようにして、液体水素２０と超電導コイル１との接触面積を大きくする必要がある。例えば、凝縮部１４は、下部１４Ｂが上部１４Ａよりも細く形成され、凝縮部１４の表面にて凝縮された液体水素２０が下部１４Ｂの先端から水素容器１２の底面部１７に滴下され、この底面部１７に確実に貯溜されるよう考慮されている。

また、水素容器１２の底面部１７の内面には、図３及び図４に示すように、リング形状の底面部１７の幅方向中央位置が最も深く、超電導コイル１の周方向全長に亘って延びる溝１９を形成するための傾斜面２１、２２が形成されている。この溝１９内に、凝縮部１４から滴下された液体水素２０が、超電導コイル１の周方向全長に亘って帯状に貯溜される。従って、超電導コイル１の任意の点α、βと溝１９内の液体水素２０との伝熱距離２３は、水素容器１２の底面部１７の幅方向の範囲内に収まり、短い距離となる。

更に、水素容器１２の底面部１７の内面には、図５及び図６に示すように、液体水素２０と底面部１７との接触面積（伝熱面積）を増大するためのフィン２４が多数形成されている。このフィン２４は、水素容器１２の底面部１７の幅方向に延在されたプレート形状であっても、上方向に立設されたピン形状であってもよい。

前記伝熱板１３は一般には銅板から構成されるが、渦電流の発生を抑制するために、銅棒もしくは銅箔から構成されてもよく、または、銅線を束ねたものから構成されてもよい。更に、伝熱板１３の材質は銅に限らず、例えばアルミニウムなどのように熱伝導率が高い材質であればよい。

従って、本実施の形態の極低温冷却装置１０では、超電導コイル１は、通常、第１伝熱部材１５、第２伝熱部材１６及び伝熱板１３を介して極低温冷凍機１１により、２０Ｋ程度に均一に伝導冷却される。このとき、水素容器１２内の水素は液体水素２０の状態に保たれる。

超電導コイル１の熱負荷が増加して、この超電導コイル１の温度が水素の沸点以上になった場合には、水素容器１２内において液体水素２０が蒸発し、このときの蒸発潜熱により上記熱負荷が吸収される。これにより、超電導コイル１の熱負荷が増加した場合にも、この超電導コイルの温度が極低温（２０Ｋ程度）に保持される。

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

（１）超電導コイル１が水素容器１２内の液体水素２０により冷却可能に構成されたことから、超電導コイル１の熱負荷が増加した場合に、水素容器１２内の液体水素２０の蒸発潜熱を利用して上記熱負荷を吸収することができる。この結果、超電導コイル１を２０Ｋ程度の極低温に安定して冷却保持できる。

（２）水素容器１２が密閉構造であり、この水素容器１２内に水素ガスが注入されて気相、液相間で相変化し、外部へ排出されることがないので、液体水素２０を安定して利用することができる。

［Ｂ］第２の実施の形態（図７〜図１０）
図７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斜視図である。図８は、図７のVIII−VIII線に沿う断面図である。図１０は、図７のX−X線に沿う断面図である。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については、同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

本実施の形態の極低温冷却装置３０が前記実施の形態の極低温冷却装置１０と異なる点は、縦置きに配置された超電導コイル１を極低温に冷却するものであり、水素容器３１は、側面部３２によって超電導コイル１を伝熱板１３を介して冷却可能に構成されている。

つまり、水素容器３１は楕円筒形状を有し、図８及び図１０に示すように、内側の側面部３２が伝熱板１３に接触して構成される。更に水素容器３１は、容器上部３３の幅Ｗ１よりも容器下部３４の幅Ｗ２が狭く設定され、この容器下部３４が、超電導コイル１の直径方向に延在して構成される。水素容器３１の容器下部３４が容器上部３３よりも狭い幅に設定されることで、図９に示すように、容器下部３４内で液体水素２０が所定の深さＨとなり、この液体水素２０と側面部３２との接触面積（伝熱面積）が増大される。

このとき、容器下部３４内には、この容器下部３４の全長に亘って、下方へ向かうに従い側面部３２に接近する傾斜面３５が形成されて、容器下部３４内の液体水素２０と側面部３２との伝熱面積がより一層増大される。

以上のように、水素容器３１の側面部３２が縦置き配置の超電導コイル１に伝熱板１３を介して接触され、このとき、水素容器３１における容器下部３４の幅Ｗ２が容器上部３３の幅Ｗ１よりも狭く設定されて、容器下部３４内に貯溜する液体水素２０と側面部３２との接触面積（伝熱面積）が増大されている。このことから、超電導コイル１が縦置き配置の場合にも、前記実施形態の効果（１）及び（２）と同様に、超電導コイル１を極低温に安定して冷却保持できると共に、液体水素２０を安全に利用することができる。

［Ｃ］第３の実施の形態（図１１）
図１１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断面図である。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については、同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

本実施の形態の極低温冷却装置４０が前記各実施の形態の極低温冷却装置１０及び３０と異なる点は、水素容器１２または３１（本実施の形態では水素容器３１）と同様な構成の水素容器が複数存在し、これらの水素容器４１Ａ、４１Ｂの気相部分が気相配管４２により連結され、液相部分が液相配管４３により連結された点である。

つまり、本実施の形態では、複数の超電導コイル１Ａ、１Ｂ（超電導コイル１と同様な構成 ）が例えば縦置きに配置され、この超電導コイル１Ａが伝熱板１３Ａ及び第１伝熱部材１５Ａを介して極低温冷凍機１１Ａにより伝導冷却される。また、超電導コイル１Ｂは、伝熱板１３Ｂ、第１伝熱部材１５Ｂを介して極低温冷凍機１１Ｂにより伝導冷却される。更に、超電導コイル１Ａ、１Ｂのそれぞれは、水素容器４１Ａ、４１Ｂ内の凝縮部１４Ａ、１４Ｂにより凝縮された液体水素２０により冷却可能に構成されている。

ここで、極低温冷凍機１１Ａ、１１Ｂは極低温冷凍機１１と同様に、伝熱板１３Ａ、１３Ｂは伝熱板１３と同様に、凝縮部１４Ａ、１４Ｂは凝縮部１４と同様に、第１伝熱部材１５Ａ、１５Ｂは第１伝熱部材１５と同様にそれぞれ構成されたものである。

そして、水素容器４１Ａと４１Ｂの気相部分である容器上部３３どうしが気相配管４２により連結され、水素容器４１Ａと水素容器４１Ｂの気相部分である容器下部３４どうしが液相配管４３により連結されている。水素容器４１Ａ、４１Ｂの容積に対して容積の少ない液体水素２０は、上述のように水素容器４１Ａと水素容器４１Ｂとが２本の配管４２、４３で連結されることで、各水素容器４１Ａ、４１Ｂ内に均一に分配され、各水素容器４１Ａ、４１Ｂ内での液体水素２０の液面が均一になる。このため、水素容器４１Ａにおいて超電導コイル１Ａを、水素容器４１Ｂにおいて超電導コイル１Ｂを、それぞれの内部の液体水素２０によって同様に冷却することが可能となる。

以上のように構成されたので、水素容器４１Ａと水素容器４１Ｂのそれぞれの容器上部３３が気相配管４２により、水素容器４１Ａと水素容器４１Ｂのそれぞれの容器下部３４が液相配管４３によりそれぞれ連結されたので、各水素容器４１Ａ、４１Ｂ内の液体水素２０により、超電導コイル１Ａ、１Ｂをそれぞれ均一に良好に冷却することができる。このため、本実施の形態においても、前記第１の実施の形態の効果（１）及び（２）と同様に、複数の超電導コイル１Ａ、１Ｂを極低温に安定して冷却保持できると共に、液体水素２０を安全に利用することができる。

［Ｄ］第４の実施の形態（図１２、図１３）
図１２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管路図である。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については、同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

本実施の形態の極低温冷却装置５０が前記第１及び第２の実施の形態と異なる点は、冷却ガス配管５１を流れる冷却ガスが、極低温冷凍機１１との熱交換部５１Ａ、水素容器３１との熱交換部５１Ｂを順次流れて冷却され、超電導コイル１との熱交換部５１Ｃを流れることで、この超電導コイル１を冷却する点である。

つまり、冷却ガス配管５１は、極低温冷凍機１１の冷却ステージ５２に設置された第１伝熱部材１５との熱交換部５１Ａと、水素容器３１の容器下部３４内の液体水素２０との熱交換部５１Ｂと、超電導コイル１の側面に設置された伝熱板１３との熱交換部５１Ｃとを備えると共に、冷却ガスが注入されている。この冷却ガスは例えばヘリウムガスである。前記超電導コイル１との熱交換部５１Ｃは、図１３に示すように、冷却ガス配管５１が超電導コイル１に対応する伝熱板１３の表面に沿って、例えば蛇行して配設されて構成される。また、この冷却ガス配管５１には、図１２に示すように、冷却ガスを加圧して循環させる圧縮機５３が配設されている。

極低温冷凍機１１の冷却ステージ５２、第１伝熱部材１５、水素容器３１、超電導コイル１及び後述の熱交換器５７は、冷却ガス配管５１の熱交換部５１Ａ、５１Ｂ及び５１Ｃ等も含めて、真空容器５４に囲まれた低温部５５に収容される。また、圧縮機５３は、この圧縮機５３を常温（室温）で稼働させるために、真空容器５４外の室温部５６に収容される。

熱交換器５７は、冷却ガス配管５１内で圧縮機５３へ流入する直前の冷却ガスと、冷却ガス配管５１内で圧縮機５３から流出し、極低温冷凍機１１との熱交換部５１Ａへ流入する直前の冷却ガスとを熱交換するものである。この熱交換器５７により圧縮機５３へ流入する冷却ガスが、例えば２０Ｋから常温（例えば２９８Ｋ程度）まで昇温され、圧縮機５３から流出して極低温冷凍機１１との熱交換部５１Ａへ流れる冷却ガスが、例えば常温から２２Ｋ程度まで冷却される。

圧縮機５３にて加圧された冷却ガスは、熱交換器５７で冷却された後、熱交換部５１Ａを流れる間に極低温冷凍機１１で２０Ｋ程度に冷却され、熱交換部５１Ｂを流れる間に水素容器３１内の液体水素２０で冷却され、この冷却された冷却ガスが熱交換部５１Ｃにおいて超電導コイル１を２０Ｋ程度の極低温に冷却する。通常運転時には、極低温冷凍機１１の冷凍能力によって冷却ガスを介し、超電導コイル１が２０Ｋ程度の極低温に冷却される。

超電導コイル１の熱負荷が増加した場合には、超電導コイル１から圧縮機５３へ戻る冷却ガスの温度が上昇し、このため圧縮機５３にて加圧された冷却ガスは、熱交換器５７で十分に冷却されないで極低温冷凍機１１との熱交換部５１Ａへ至る。従って、冷却ガスは、極低温冷凍機１１により十分に冷却されずに、この極低温冷凍機１１との熱交換部５１Ａを通過するが、水素容器３１との熱交換部５１Ｂに至って液体水素２０の蒸発潜熱により、２０Ｋ程度の極低温まで十分に冷却される。この結果、超電導コイル１との熱交換部５１Ｃにおいて、この超電導コイル１を極低温(２０Ｋ程度)まで冷却することが可能となる。

以上のように構成されたことから、本実施の形態おいては、冷却ガス配管５１を流れる冷却ガスが極低温冷凍機１１との熱交換部５１Ａ、水素容器３１との熱交換部５１Ｂを順次流れて冷却され、超電導コイル１との熱交換部５１Ｃを流れることでこの超電導コイル１を冷却している。このため、前記第１の実施の形態の効果（１）及び（２）と同様に、液体水素２０を安全に利用して、超電導コイル１を極低温に安定して冷却保持することができる。

更に、本実施の形態においては、冷却ガス配管５１を、複数の超電導コイル１のそれぞれに設置された伝熱板１３の表面に配設して、これらの超電導コイル１を同時に冷却したり、複数の水素容器３１に対して熱交換部５１Ｂをそれぞれ設けることなどが容易に実現できる。この結果、冷却ガス配管５１の引き回しを変更することで、冷却方法を容易に変更できるので、冷却方法の変更に関し自由度を高めることができる。

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斜視図。 図１のII−II線に沿う断面図。 図２のIII部を拡大して示す断面図。 図２のIV−IV線に沿う断面図。 図１のV−V線に沿う断面図 図５のVI部を拡大して示す断面図。 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斜視図。 図７のVIII−VIII線に沿う断面図。 図８のIX部を拡大して示す断面図。 図７のX−X線に沿う断面図。 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断面図。 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管路図。 図１２における冷却ガス配管の超電導コイルとの熱交換部を示す正面図。

符号の説明

１ 超電導コイル（被冷却物）
１０ 極低温冷却装置
１１ 極低温冷凍機
１２ 水素容器
１３ 伝熱板
１４ 凝縮部
１４Ａ 凝縮部の上部
１４Ｂ 凝縮部の下部
１７ 底面部
２１、２２ 傾斜面
３０ 極低温冷却装置
３１ 水素容器
３２ 水素容器の側面部
３３ 容器上部
３４ 容器下部
４０ 極低温冷却装置
４１Ａ、４１Ｂ 水素容器
４２ 気相配管
４３ 液相配管
５０ 極低温冷却装置
５１ 冷却ガス配管
５１Ａ、５１Ｂ、５１Ｃ 熱交換部
５３ 圧縮機
５５ 低温部
５６ 室温部
５７ 熱交換器
Ｗ１、Ｗ２ 幅

Claims (12)

1. 極低温冷凍機と、
   この極低温冷凍機を被冷却物に熱的に接続する伝熱部材と、
   加圧した水素ガスが注入され、この水素ガスが前記極低温冷凍機にて冷却され凝縮されて液体水素となり貯溜される密閉構造の水素容器とを有し、
   前記極低温冷凍機により前記伝熱部材を介して前記被冷却物が冷却されると共に、前記水素容器内の前記液体水素により前記被冷却物が冷却可能に構成されたことを特徴とする極低温冷却装置。
2. 前記水素容器は、被冷却物と伝熱部材を介して熱的に接続されたことを特徴とする請求項１に記載の極低温冷却装置。
3. 前記水素容器内には、極低温冷凍機で冷却されて、この水素容器内の水素ガスを表面で凝縮させる凝縮部が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の極低温冷却装置。
4. 前記凝縮部は、下部が上部よりも細く形成されたことを特徴とする請求項３に記載の極低温冷却装置。
5. 前記水素容器の底面部を経て被冷却物が冷却され、この底面部の内面に、液体水素を貯溜するための傾斜面が形成されたことを特徴とする請求項１に記載の極低温冷却装置。
6. 前記傾斜面は、被冷却物の周方向に沿って液体水素を帯状に貯留するための傾斜面であることを特徴とする請求項５に記載の極低温冷却装置。
7. 前記水素容器の側面部を経て被冷却物が冷却され、前記水素容器は、容器下部の幅が容器上部の幅よりも狭く設定されたことを特徴とする請求項１に記載の極低温冷却装置。
8. 前記水素容器が複数存在し、これらの水素容器の気相部分が気相配管により、液相部分が液相配管によりそれぞれ連結されたことを特徴とする請求項１に記載の極低温冷却装置。
9. 極低温冷凍機と、
   加圧した水素ガスが注入され、この水素ガスが前記極低温冷凍機にて冷却され凝縮されて液体水素となり貯溜される密閉構造の水素容器と、
   前記極低温冷凍機との熱交換部、前記水素容器との熱交換部、及び被冷却物との熱交換部分を備えると共に、冷却ガスが注入された冷却ガス配管と、
   この冷却ガス配管に配設され、前記冷却ガスを循環させる圧縮機とを有し、
   前記冷却ガス配管内を流れる前記冷却ガスが前記各熱交換部を流れる間に前記被冷却物を冷却することを特徴とする極低温冷却装置。
10. 前記冷却ガス配管には、被冷却物、水素容器、及び極低温冷凍機の冷却ステージを収容する低温部と、圧縮機を収容する室温部とのうち、前記低温部側に熱交換器が配置され、
    前記冷却ガス配管内で前記圧縮機へ流入する前の冷却ガスと、前記冷却ガス配管内で前記圧縮機から流出し前記極低温冷凍機の熱交換部へ流入する前の冷却ガスとが、前記熱交換器により熱交換されることを特徴とする請求項９に記載の極低温冷却装置。
11. 前記水素容器内における水素の使用条件での圧力が、１．３ＭＰａ以下に設定されたことを特徴とする請求項１または９に記載の極低温冷却装置。
12. 前記被冷却物が超電導コイルであることを特徴とする請求項１または９に記載の極低温冷却装置。

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