JP2009243820A - 極低温冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成で信頼性が高く、且つ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。
【解決手段】極低温冷却装置１０は、被冷却物としての超電導コイル１を内包し冷却ガスＧが充填された気密容器１１と、この気密容器１１内の冷却ガスＧを冷却する極低温冷凍機１２とを有し、この極低温冷凍機１２にて冷却された冷却ガスＧにより超電導コイル１を、２０Ｋ〜５０Ｋ（例えば２０Ｋ）程度の極低温に冷却するものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は極低温冷却装置に係り、特に高温超電導材にて構成された被冷却物を、冷却ガスを用いて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。

一般に超電導材は、抵抗ゼロの特性や高い電流密度を実現するために、周囲磁場と通電電流密度に依存する臨界温度以下に冷却する必要がある。金属系超電導材を用いた産業用超電導機器（例えば超電導コイル）は４Ｋ程度に冷却して使用される。この冷却方法としては、液体ヘリウム中に超電導コイルを浸す浸漬冷却方式（例えば特許文献１）と、極低温冷凍機と超電導コイルとを伝熱材で接続して冷却する伝導冷却方式（例えば非特許文献１）とがある。

伝導冷却方式は、冷媒の補給等の手間が必要ないこと、小型軽量化できることなどで浸漬冷却方式よりも優れている。しかし、熱負荷の増加や冷凍機の故障などが発生した場合に超電導コイルの温度が上昇する問題があり、この点では、液体の蒸発潜熱で熱負荷の増加分を吸収できる浸漬冷却方式が優れている。例えば超電導電力貯蔵装置（ＳＭＥＳ）では、通常時には１０Ｗ程度の熱負荷しかないが、作動時には数百Ｗの発熱があり、この大幅な熱負荷の増加分を液体ヘリウムの蒸発潜熱で吸収することができる。この蒸発したヘリウムガスを通常時の余剰冷凍能力で再液化することで、冷凍機に必要な冷凍能力を低く抑えている。

ところで、近年になって臨界温度の高い酸化物系超電導材（高温超電導材）が発見され、これを用いた超電導機器（例えば超電導コイル）の開発が盛んになっている。酸化物系超電導材は電流密度や温度マージンを考慮して、２０Ｋ〜５０Ｋ程度での利用が検討されている。この温度域では銅などの熱伝導率も高くなるので、伝導冷却に有利である。また、銅などの比熱が大きくなるため、上記蒸発潜熱の代わりに超電導コイルの熱容量を利用することで、ある程度の熱負荷変動に対処することが可能となる。
特開平７−１３０５３０号公報 低温工学 Ｖｏｌ．３７ Ｎｏ．１（２００２）ｐ１８−２６

ところが、前述したＳＭＥＳの熱負荷増加のような非常に大きな熱負荷の増加に対しては、超電導コイルの熱容量だけでは温度変化を十分に抑制することができない。また、超電導コイルの温度が上昇するとフロー損失などの発熱が増加し、超電導コイルがさらに温度上昇する悪循環に陥る。そこで、超電導コイルを急速に冷却することが求められ、液体ヘリウムの蒸発潜熱のような大きな熱バッファが必要とされる。

しかし、液体ヘリウムの沸点は４．２Ｋであり、必要な冷却温度が２０Ｋ〜５０Ｋ程度の高温超電導材を用いた超電導コイルの冷却に対しては冷却温度が低くなり過ぎるため、この液体ヘリウムの蒸発潜熱を利用することはできない。

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、簡素な構成で信頼性が高く、且つ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、被冷却物を内包し冷却ガスが充填された気密容器と、この気密容器内の冷却ガスを冷却する極低温冷凍機とを有し、この極低温冷凍機で冷却された冷却ガスにより前記被冷却物を極低温に冷却することを特徴とするものである。

本発明によれば、気密容器内の冷却ガスの自然対流による伝熱特性を利用して被冷却物を極低温に冷却し、更に、気密容器内の冷却ガスの熱容量を利用して被冷却物の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、冷却ガスが充填された気密容器と極低温冷凍機とを有する簡素な構成であるため、装置の信頼性を向上させることができる。

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２）
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断面図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。

本実施の形態における極低温冷却装置１０は、酸化物系超電導材などの高温超電導材を用いて製作された被冷却物としての超電導コイル１を、２０Ｋ〜５０Ｋ（例えば２０Ｋ）程度の極低温に冷却するものであり、超電導コイル１を内包し冷却ガスＧが充填された気密容器１１と、極低温冷凍機１２とを有して構成される。気密容器１１には、この気密容器１１内へ冷却ガスＧを供給するためのボンベ１３が、供給配管１４を介して接続されると共に、気密容器１１内での過大な圧力上昇を回避するための安全弁１５が取り付けられている。

気密容器１１、極低温冷凍機１２の冷却ステージ１２Ａ、及び後述の支持部材１６は、真空容器１７に囲まれた低温部１８内に設置される。また、ボンベ１３及び安全弁１５等は、真空容器１７外の室温部１９に設置される。極低温冷凍機１２は、真空容器１２に支持される。また、気密容器１１は、底面２３の下方に配置された支持部材１６を介して真空容器１７により支持される。

気密容器１１は密閉構造であり、内部に超電導コイル１が収容され、天面２０の内側に伝熱部材としての容器伝熱板２１が設置される。この容器伝熱板２１は、極低温冷凍機１２の冷却ステージ１２Ａと熱的に接続されており、気密容器１１内の冷却ガスＧは、容器伝熱板２１を介して極低温冷凍機１２により、２０Ｋ〜５０Ｋ（例えば２０Ｋ）程度の極低温に冷却される。気密容器１１内の超電導コイル１は、この気密容器１１内の冷却ガスＧの自然対流によって、２０Ｋ〜５０Ｋ（例えば２０Ｋ）程度の極低温に冷却される。

ここで、冷却ガスＧは、圧力が０．１ＭＰａ〜５ＭＰａ（例えば０．１ＭＰａ）のヘリウムガスが好適である。このヘリウムガスは、温度が２０Ｋ程度では、圧力が上記範囲内にあるときに比熱が高くなり、従って熱容量が大きくなって、この熱容量を後述の如く有効に利用できるからである。

前記容器伝熱板２１には、図２に示すように、気密容器１１内の冷却ガスＧに接触する伝熱フィン２２が形成されて、容器伝熱板２１と冷却ガスＧとの接触面積（伝熱面積）が増大され、極低温冷凍機１２から冷却ガスＧへの伝熱特性が高まる。この伝熱フィン２２は、気密容器１１の長手方向または短手方向に延びるプレート形状であっても、気密容器１１の底面２３方向へ立設されるピン形状であってもよい。

また、気密容器１１内の超電導コイル１には、通電のための電流リード２４が接続されており、この電流リード２４は、気密容器１１内の下部で超電導コイル１に接続されている。この構成で電流リード２４に通電がなされると、電流により電流リード２４が発熱し、気密容器１１内の下部の冷却ガスＧが加熱されて自然対流が発生する。この自然対流は、超電導コイル１周囲の冷却ガスＧの自然対流を促進することになるので、冷却ガスＧの熱伝達率が向上して、超電導コイル１から冷却ガスＧへの伝熱特性が高まる。

更に、気密容器１１を真空容器１７に支持する支持部材１６は、上端面が気密容器１１の底面２３の外側下面に接触すると共に、下端面が真空容器１７に接触する。これにより、真空容器１７から支持部材１６を介して気密容器１１内へ熱が侵入し、この熱侵入により気密容器１１内の冷却ガスＧに自然対流が発生する。この自然対流も、超電導コイル１周囲の冷却ガスＧの自然対流を促進することになるので、冷却ガスＧの熱伝達率が向上して、超電導コイル１から冷却ガスＧへの伝熱特性が高まる。

上述のように構成された極低温冷却装置１０では、通常時には、気密容器１１内の冷却ガスＧの自然対流による伝熱特性を利用して、超電導コイル１が２０Ｋ〜５０Ｋ（例えば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ときには、この超電導コイル１の温度が上昇し、超電導コイル１から冷却ガスＧへの自然対流による伝熱量が増加して、上記熱負荷の増加は、冷却ガスＧの温度上昇により吸収、つまり冷却ガスＧの熱容量により吸収される。ここで、気密容器１１内の冷却ガスＧの温度差は自然対流により小さくなるので、気密容器１１内のほとんど全ての冷却ガスＧの熱容量を利用することが可能となる。このため、超電導コイル１の熱負荷の増加が著しい場合にも、気密容器１１内に冷却ガスＧが十分に充填されることで、この十分な量の冷却ガスＧの熱容量によって上記熱負荷の増加が吸収される。

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）〜（５）を奏する。

（１）気密容器１１内に超電導コイル１が収容されると共に、冷却ガスＧが充填され、この冷却ガスＧが極低温冷凍機１２により冷却されている。このため、気密容器１１内の超電導コイル１は、気密容器１１内の冷却ガスＧの自然対流による伝熱特性を利用して、２０Ｋ〜５０Ｋ（例えば２０Ｋ）程度の極低温に冷却される。また、超電導コイル１の熱負荷の増加は、気密容器１１内の冷却ガスＧの熱容量によって吸収される。これらの結果、超電導コイル１を極低温に安定して冷却保持できる。

（２）超電導コイル１を内包し冷却ガスＧが充填された気密容器１１と、この気密容器１１内の冷却ガスＧを冷却する極低温冷凍機１２とを有する簡素な構成であるため、極低温冷却装置１０の信頼性を向上できると共に、コストを低減できる。

（３）気密容器１１の天面２０の内側に設置された容器伝熱板２１に、気密容器１１内の冷却ガスＧに接触する伝熱フィン２２が設けられたので、極低温冷凍機１２から冷却ガスＧへの伝熱特性を向上させることができる。

（４）気密容器１１内に収容される超電導コイル１の下部に電流リード２４が接続され、この電流リード２４が気密容器１１内の下部に配設されたので、電流リード２４の発熱によって、気密容器１１内で、超電導コイル１周囲の冷却ガスの自然対流を促進させることができる。このため、超電導コイル１から冷却ガスＧへの伝熱特性を向上させることができる。

（５）気密容器１１を真空容器１７に支持する支持部材１６が、気密容器１１の底面２３の外側下部に接触して設置されたので、真空容器１７から支持部材１６を経て気密容器１１内へ侵入する熱により、この気密容器１１内で、超電導コイル１周囲の冷却ガスＧの自然対流を促進させることができる。この結果、超電導コイル１から冷却ガスＧへの伝熱特性を向上させることができる。

［Ｂ］第２の実施の形態（図３、図４）
図３は、本発明に係る極低温冷却装置の第２の実施の形態における超電導コイル周囲を示す断面図である。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、超電導コイル１の表面に、直接またはコイル伝熱板３１を介して、気密容器１１内の冷却ガスＧに接触する伝熱フィン３２が設けられた点である。

この伝熱フィン３２は、図３及び図４においては、超電導コイル１の表面に取り付けられたコイル伝熱板３１に形成されている。この伝熱フィン３２は、例えば超電導コイル１の表面から立設されるピン形状に形成されてもよく、また、超電導コイル１の半径方向に延びるプレート形状に形成されてもよいが、図３及び図４ではピン形状のものを示す。

従って、本実施の形態の極低温冷却装置３０では、超電導コイル１の表面に伝熱フィン３２が設けられたことで、超電導コイル１と冷却ガスＧとの接触面積（伝熱面積）が増大するので、超電導コイル１から気密容器１１内の冷却ガスＧへの伝熱特性を向上させることができる。その他、本実施の形態の極低温冷却装置３０においても、前記実施の形態の効果（１）〜（５）と同様な効果を奏する。

［Ｃ］第３の実施の形態（図５）
図５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断面図である。この第３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４０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、気密容器１１の外側下方に、気密容器１１内の冷却ガスＧを加熱する加熱手段としての電気ヒータ４１が設置された点である。

従って、本実施の形態の極低温冷却装置４０によれば、電気ヒータ４１が通電されて加熱されることにより、気密容器１１内へ熱が侵入し、この熱侵入により気密容器１１内の冷却ガスＧに自然対流が発生する。この自然対流が、超電導コイル１の周囲の冷却ガスＧの自然対流を促進するので、超電導コイル１から冷却ガスＧへの伝熱特性を向上させることができる。その他、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）〜（５）と同様な効果を奏する。

［Ｄ］第４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４の実施の形態を示す概略断面図である。この第４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５０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、気密容器１１の外側下方に、気密容器１１内の冷却ガスＧを加熱する加熱手段としての加熱装置５１が配置され、この加熱装置５１が伝熱部材５２及び熱スイッチ５３を備えて構成された点である。

伝熱部材５２は、下端面が高温部分としての真空容器１７に接触して、この真空容器１７に設置される。また、熱スイッチ５３は、伝熱部材５２の上端部に取り付けられ、この伝熱部材５２を気密容器１１の底面２３に接触または離脱させる。熱スイッチ５３が気密容器１１の底面２３に接触したときに、真空容器１７の熱が伝熱部材５２及び熱スイッチ５３を経て気密容器１１内へ侵入し、この気密容器１１内の冷却ガスＧが加熱される。

従って、本実施の形態の極低温冷却装置５０によれば、加熱装置５１の熱スイッチ５３を気密容器１１の底面２３に適宜接触させ、加熱装置５１の伝熱部材５２及び熱スイッチ５３を介して、真空容器１７の熱を気密容器１１内へ導き、この気密容器１１内の冷却ガスＧを加熱することにより、気密容器１１内の冷却ガスＧに自然対流を発生させることができる。この自然対流が、超電導コイル１の周囲の冷却ガスＧの自然対流を促進させることになるので、超電導コイル１から冷却ガスＧへの伝熱特性を向上させることができる。その他、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）〜（５）と同様な効果を奏する。

［Ｅ］第５の実施の形態（図７）
図７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断面図である。この第５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し、または省略する。

本実施の形態の極低温冷却装置６０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、気密容器１１内に、この気密容器１１内の冷却ガスＧを強制的に対流させる送風装置６１が設置された点である。

従って、本実施の形態の極低温冷却装置６０によれば、気密容器１１内に設置された送風装置６１を稼働させて、気密容器１１内の冷却ガスＧを強制的に対流させることにより、超電導コイル１の周囲の冷却ガスＧの対流を増加させることができる。この結果、超電導コイル１から冷却ガスＧへの伝熱特性が向上し、冷却効率の高い極低温冷却装置６０を実現できる。その他、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）〜（５）と同様な効果を奏する。

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断面図。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図。 本発明に係る極低温冷却装置の第２の実施の形態における超電導コイル周囲を示す断面図。 図３のＩＶ矢視図。 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概略断面図。 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断面図。

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 気密容器
１２ 極低温冷凍機
１６ 支持部材
１７ 真空容器（高温部分）
２０ 天面
２１ 容器伝熱板（伝熱部材）
２２ 伝熱フィン
２４ 電流リード
３０ 極低温冷却装置
３１ コイル伝熱板
３２ 伝熱フィン
４０ 極低温冷却装置
４１ 電気ヒータ
５０ 極低温冷却装置
５１ 加熱装置
５２ 伝熱部材
５３ 熱スイッチ
６０ 極低温冷却装置
６１ 送風装置
Ｇ 冷却ガス

Claims (12)

1. 被冷却物を内包し冷却ガスが充填された気密容器と、
   この気密容器内の冷却ガスを冷却する極低温冷凍機とを有し、
   この極低温冷凍機で冷却された冷却ガスにより前記被冷却物を極低温に冷却することを特徴とする極低温冷却装置。
2. 前記ガスは、圧力が０．１ＭＰａ〜５ＭＰａのヘリウムガス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. 前記気密容器の天面の内側に、極低温冷凍機と熱的に接続された伝熱部材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. 前記伝熱部材は、気密容器内の冷却ガスに接触する伝熱フィンを備え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. 前記被冷却物に通電するための電流リードが、気密容器内の下部に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。
6. 前記気密容器を支持する支持部材が、前記気密容器の外側下部に接触して設置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。
7. 前記被冷却物の表面には、直接または伝熱板を介して、気密容器内の冷却ガスに接触する伝熱フィン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。
8. 前記気密容器の外側下方に、前記気密容器内の冷却ガスを加熱する加熱手段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。
9. 前記加熱手段が電気ヒータであることを特徴とする請求項８に記載の極低温冷却装置。
10. 前記加熱手段は、一端が高温部分に接触された伝熱部材と、この伝熱部材の他端に設けられて、この伝熱部材を気密容器に接触または離脱させる熱スイッチとを備え、前記高温部分の熱を前記気密容器へ伝熱可能とする加熱装置であることを特徴とする請求項８に記載の極低温冷却装置。
11. 前記気密容器内には、この気密容器内の冷却ガスを強制的に対流させる送風装置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。
12. 前記被冷却物は、高温超電導材にて製作された超電導コイル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。

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