JP2009243837A - 極低温冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被冷却物に熱負荷の変動が生じたときにも、この被冷却物を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１２とを備え、極低温冷凍機により伝熱管を介して超電導コイルを冷却する極低温冷却装置１０において、加圧した冷却ガスＧを収容可能な低温ガス容器１３と、この低温ガス容器に流量制御弁１４を介して接続され、超電導コイルに熱的に接続された冷却配管１５とを有し、加圧されて冷却された冷却ガスＧが低温ガス容器１３に蓄積されると共に、流量制御弁１４の開操作により、低温ガス容器１３から冷却配管１５へ冷却ガスＧが流れることで、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１

Description

本発明は極低温冷却装置に係り、特に高温超電導線材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。抵抗ゼロの特性から、発電機や電力ケーブルをはじめとする電力機器の高効率化や電力貯蔵装置への応用が進められている。また高い電流密度から、小型で低消費電力の高磁場発生装置である超電導マグネットが開発されており、研究開発用の高磁場発生装置としてはもとより、医療用ＭＲＩや単結晶引上げ装置、高磁場ＮＭＲ等で実用化されている。また、磁気浮上列車や磁気分離装置等、その応用範囲は現在も広がりつつある。

これらの装置では、超電導線材を巻いて超電導コイルとして使用するが、この超電導コイルは、超電導体の特性から超電導臨界温度以下の極低温に冷却する必要がある。当初の応用では、図６に示すように、超電導コイル１を液体ヘリウム容器２に貯溜した液体ヘリウム３に浸漬して４Ｋに冷却する浸漬冷却方式が採用されていた(例えば特許文献１)。これらの超電導コイル１、液体ヘリウム容器２及び液体ヘリウム３は、断熱のために真空容器４に収められている。尚、図１中の符号５は、超電導コイル１へ給電するための電流リードである。

その後、磁性蓄冷材を用いることで４Ｋまで冷却できる極低温冷凍機の開発と、高温超電導電流リードの開発により、図７に示すような極低温冷凍機６で伝導冷却する伝導冷却方式が開発された。

この伝導冷却方式では、超電導コイル１は、極低温冷凍機６により伝熱板８を介して冷却される。また、極低温冷凍機６の１段冷却ステージで冷却した熱シールド板９を設けることで、熱シールド板９内への熱侵入量の低減が図られている。特に、電流リード５からの熱侵入は、電流リード５に高温超電導電流リード７を接続することで、熱シールド板９での冷却と合わせて格段に低減される。これにより、全熱侵入量を極低温冷凍機６で冷却可能な程度まで低減できるようになった。上述の伝導冷却方式については非特許文献１に詳細に記載されている。

浸漬冷却方式と伝導冷却方式はそれぞれ長所短所があり、使用する機器の特性に合わせて使い分けられる。例えば、伝導冷却方式では液体ヘリウム３の供給が不要であり、簡易に使用できること、液体ヘリウム容器２がないため装置が小型になること等から研究開発用の小型超電導磁石で採用されている。一方で浸漬冷却方式は、熱負荷の変動があっても安定して冷却できることから、ＭＲＩや単結晶引上げ装置等の産業用機器で採用されている。

一方、近年になって超電導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。従来は４Ｋ程度に冷却する必要があったが、高温超電導コイルでは、２０Ｋ以上(２０Ｋ〜５０Ｋ程度)の温度で十分な特性を示す。

ここで、冷凍機の冷凍能力と所要電力の比であるＣＯＰ（Cost of performance：成績係数）を考えると、このＣＯＰは、理想的なサイクルであるカルノーサイクルでは、冷却温度Ｔ_Ｌ、排熱温度Ｔ_Ｈから下記の式(１)で求められる。

排熱温度Ｔ_Ｈを室温（３００Ｋ）とすると、冷却温度Ｔ_Ｌが２０ＫのときのＣＯＰは、冷却温度Ｔ_Ｌが４ＫのときのＣＯＰに比べ約５倍になる。実際のＣＯＰは、式（１）の理想的ＣＯＰよりも小さくはなるが、冷却温度Ｔ_Ｌを２０Ｋにすることで所要電力を格段に低減できることは間違いなく、高温超電導コイルを用いる大きな利点となっている。

また、冷却温度を高くすることは、伝導板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、伝導板等の熱伝導率が大きくなることから、伝導冷却方式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。これは、高温超電導コイルを用いる２つ目の利点であり、この結果、高温超電導コイルは伝導冷却方式による冷却が有利となる。

但し、高温超電導コイルを浸漬冷却方式により冷却することも考えられる。しかし、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。冷却温度が２０Ｋ近傍の場合には液体水素、液体ネオンを利用でき、液体を加圧・減圧することで沸点温度をある程度変更できるが、それでも、液体水素では１４Ｋ〜２０Ｋ、液体ネオンでは２５Ｋ〜２７Ｋと、冷却温度に制限が生ずる。この冷却温度の制限は超電導コイルの設計によりある程度対応可能であるが、水素が可燃性ガスであること、ネオンが高価であることから、これらの水素やネオンは実用上使用できない場合が多い。

このため、高温超電導コイルを浸漬冷却する場合には、液体ヘリウムで４Ｋに冷却することが多い。しかしこれは、前述した冷却温度が高い利点を活用していないことになる。実際には、高温超電導コイルは、従来の超電導コイルよりも電流密度が高くなる利点があるので意味はあるが、冷却温度を高く設定した方が良いことは明らかである。これらのことから、高温超電導コイルを用いた機器では伝導冷却方式が主流になると考えられる。
特開平７−１３０５３０号公報 低温工学Ｖｏｌ．３７ Ｎｏ.１（２００２）ｐ１８−２６

しかし、伝導冷却方式にも課題があり、それは熱負荷の変動に対して高温超電導コイルの温度が変動してしまう点である。つまり、伝導冷却方式では、高温超電導コイルと冷凍機間に温度差が生ずるが、この温度差は熱負荷にほぼ比例する。このため、熱負荷が増加すると高温超電導コイルと冷凍機間の温度差が増加し、冷凍機温度が一定であれば高温超電導コイルの温度が上昇する。これに加えて、熱負荷の増加は冷凍機温度を高くすることになるため、高温超電導コイルの温度はさらに上昇してしまう。

このような熱負荷の変動による高温超電導コイルの温度変動を抑える方法としては、比熱の大きな蓄熱材を高温超電導コイルに熱的に接続する方法が考えられる。ここで、蓄熱材の熱容量を有効に活用するためには、高温超電導コイルの熱が蓄熱材に十分に伝わる構造が必要となるため、蓄熱材としては銅などの熱伝導率の高い金属が用いられる。ところが、熱負荷変動の原因を検証すると、電力機器では電流変化による交流損失が主体であり、これは磁場の変動を伴う。この磁場の変動は、蓄熱材である銅などの良導体に誘起電流(渦電流)を発生させて発熱の原因となり、蓄熱材が発熱源になって熱負荷の増加が促進されてしまう。また、蓄熱材を使用すると、温度が上がりにくくなる一方で冷却しにくくなるという課題もある。

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、被冷却物に熱負荷の変動が生じたときにも、この被冷却物を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を備え、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を冷却する極低温冷却装置において、加圧した冷却ガスを収容可能な低温ガス容器と、この低温ガス容器に流量制御弁を介して接続され、前記被冷却物に熱的に接続された冷却配管とを有し、加圧され冷却された冷却ガスが前記低温ガス容器に蓄積されると共に、前記流量制御弁の開操作により、前記低温ガス容器から前記冷却配管へ冷却ガスが流れることで、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、被冷却物に熱負荷の変動が生じたときに流量制御弁を開操作して、低温ガス容器から冷却配管へ、加圧され冷却された低温ガス容器内の冷却ガスを流すことで被冷却物を冷却するので、被冷却物に熱負荷の変動が生じたときにも、この被冷却物を安定して冷却保持できる。

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の実施の形態を示し、（Ａ）が通常時、（Ｂ）が熱負荷増加時のそれぞれの場合について、弁の開閉状態を区別して示す構成図である。

本実施の形態の極低温冷却装置１０は、高温超電導線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、極低温冷凍機１１、伝熱部材としての伝熱板１２、低温ガス容器１３、流量制御弁１４を備えた冷却配管１５、及び冷凍機熱交換器１６を有して構成される。

超電導コイル１、極低温冷凍機１１の２段冷却ステージ１８、伝熱板１２、低温ガス容器１３、流量制御弁１４、冷却配管１５及び冷凍機熱交換器１６は、熱シールド板１９に囲まれて配置される。この熱シールド板１９は、極低温冷凍機１１の１段冷却ステージ１７により冷却されて、熱シールド板１９内への熱の侵入量を低減する。従って、熱シールド板１９に囲まれた内側空間は、２０Ｋ〜５０Ｋ（例えば２０Ｋ）程度に保持され、低温部２０となっている。

また、熱シールド板１９を覆い、極低温冷凍機１１の１段冷却ステージ１７を内包して、断熱のための真空容器２２が設置される。この真空容器２２の外側空間は、常温（例えば３００Ｋ程度）に保持されて室温部２１となっている。極低温冷凍機１１は、この真空容器２２にて支持される。

超電導コイル１へ電流を供給する電流リード２３は、熱シールド板１９及び真空容器２２を貫通して真空容器２２外へ至るが、熱シールド板１９の内側空間（つまり低温部２０）内では、高温超電導電流リード２４にて構成されて、電流リード２３から熱シールド板１９内（低温部２０）への熱侵入の低減がさらに高められている。

前記伝熱板１２には、超電導コイル１が載置されると共に、極低温冷凍機１１の２段冷却ステージ１８が熱的に接続される。従って、超電導コイル１は、伝熱板１２を介して極低温冷凍機１１に熱的に接続され、この極低温冷凍機１１により伝導冷却されて、２０Ｋ〜５０Ｋ（例えば２０Ｋ）程度の極低温に冷却される。

冷凍機熱交換器１６は、極低温冷凍機１１の２段冷却ステージ１８に配設されて、この２段冷却ステージ１８と熱的に接続される。この冷凍機熱交換器１６は、供給配管２５を介してボンベ２６に接続されると共に、低温ガス容器１３に接続される。ボンベ２６は、冷却ガスＧとしてのヘリウムガスを大気圧より高い圧力に加圧した状態で充填したものであり、真空容器２２外の室温部２１に設置される。また、供給配管２５には、室温部２１側にガス供給弁２７が配設されている。ガス供給弁２７の開操作時に、ボンベ２６内の冷却ガスＧが冷凍機熱交換器１６及び低温ガス容器１３へ供給される。冷却ガスＧは、冷凍機熱交換器１６内を流れることで、極低温冷凍機１１の２段冷却ステージ１８により２０Ｋ〜５０Ｋ（例えば２０Ｋ）程度に冷却される。

低温ガス容器１３は、伝熱板１２に載置され、この伝熱板１２を介して極低温冷凍機１１の２段冷却ステージ１８により２０Ｋ〜５０Ｋ（例えば２０Ｋ）程度に冷却される。この低温ガス容器１３内に、ボンベ２６内の加圧された冷却ガスＧが、冷凍機熱交換器１６により冷却された後に供給され、収容されて蓄積される。

冷却配管１５は、超電導コイル１の周囲に配設されて、この超電導コイル１と熱的に接続され、一端側に流量制御弁１４が配設されると共に、この一端が低温ガス容器１３に接続される。また、冷却配管１５の他端側は、熱シールド板１９及び真空容器２２を貫通して室温部２１に至り、この室温部２１側の端部にガス放出弁２８が配設される。この冷却配管１５は、配管壁の熱抵抗を十分小さくするために熱伝導率の良好な材料、例えば銅、アルミニウム、または銅もしくはアルミニウムの合金で構成されることが好ましい。

超電導コイル１の熱負荷が増加したときに、流量制御弁１４及びガス放出弁２８が開操作される。これらの流量制御弁１４とガス放出弁２８との開操作時に、低温ガス容器１３内に蓄積され、加圧され冷却された冷却ガスＧが冷却配管１５内を流れて大気に放出され、これにより、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。流量制御弁１４及びガス放出弁２８の開操作のタイミングは、超電導コイル１の温度上昇を検知したとき、または電流リード２３及び高温超電導電流リード２４を通して超電導コイル１へ流れる電流の増加を検知したときである。超電導コイル１の発熱は、この超電導コイル１へ流れる電流の増加に依存するからである。また、流量制御弁１４の開度は、低温ガス容器１３内に冷却ガスＧが多量に蓄積されているときに小さく、低温ガス容器１３内の冷却ガスＧが少量になったときに大きく調整される。

上述の極低温冷却装置１０において、通常時には、図１（Ａ）に示すように、超電導コイル１は、極低温冷凍機１１により伝熱板１２を介して伝導冷却され、２０Ｋ〜５０Ｋ（例えば２０Ｋ）の極低温に冷却される。このときには、流量制御弁１４及びガス放出弁２８が閉操作され、ガス供給弁２７が開操作されて、ボンベ２６内の加圧された冷却ガスＧが冷凍機熱交換器１６へ供給される。この冷却ガスＧは、冷凍機熱交換器１６内で２０Ｋ〜５０Ｋ（例えば２０Ｋ）程度の極低温に冷却され、低温ガス容器１３内に収容されて蓄積される。

超電導コイル１の熱負荷の増加時にも、図１（Ｂ）に示すように、超電導コイル１は、極低温冷凍機１１により伝熱板１２を介して伝導冷却される。しかしこのときには、ガス供給弁２７が閉操作され、流量制御弁１４及びガス放出弁２８が開操作されて、加圧され冷却された低温ガス容器１３内の冷却ガスＧが冷却配管１５内を流れ、これにより超電導コイル１が冷却される。超電導コイル１は、極低温冷凍機１１による伝導冷却と、冷却配管１５内を流れる冷却ガスＧによる冷却との相乗作用によって熱負荷が吸収され、２０Ｋ〜５０Ｋ（例えば２０Ｋ）程度の極低温状態に保持される。

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）を奏する。

（１）加圧され冷却された冷却ガスＧが低温ガス容器１３に蓄積されると共に、流量制御弁１４及びガス放出弁２８の開操作により、低温ガス容器１３から冷却配管１５内へ流れることで、超電導コイル１が冷却可能に構成されている。従って、超電導コイル１に熱負荷の増加が生じたときに流量制御弁１４及びガス放出弁２８を開操作して、低温ガス容器１３から冷却配管１５へ、加圧されて冷却された低温ガス容器１３内の冷却ガスＧを流すことで超電導コイル１を冷却できる。これにより、極低温冷凍機１１の見かけの冷凍能力が増大することになり、熱負荷が増加した場合の超電導コイル１の温度上昇を抑制でき、超電導コイル１を２０Ｋ〜５０Ｋ（例えば２０Ｋ）程度の極低温に安定して冷却保持できる。

本実施の形態の極低温冷却装置１０では、冷却配管１５に冷却ガスＧを十分に流すことで、極低温冷凍機１１の冷凍能力における数倍〜数１０倍の、超電導コイル１の熱負荷変動（増加）に対応することが可能となる。例えば、超電導電力貯蔵装置（ＳＭＥＳ）では、動作時に非常に大きな発熱があり、極低温冷却装置１０においても温度上昇を抑制することができないが、高温超電導電力貯蔵装置では、ある程度の温度上昇が許容可能であり、１分間程度の短時間で元の温度まで冷却できればよいので、この要求に対しては極低温冷却装置１０は有効である。

［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の実施の形態を示し、（Ａ）が通常時、（Ｂ）が熱負荷増加時のそれぞれの場合について、弁の開閉状態を区別して示す構成図である。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が前記第１の実施の形態の極低温冷却装置１０と異なる点は、ボンベ２６、ガス供給弁２７及びガス放出弁２８に代えて、冷却配管１５と供給配管２５間に、回収容器３１及び圧縮機３２を配設し、冷却配管１５内を流れて超電導コイル１を冷却した後の冷却ガスＧを回収した点である。

つまり、回収容器３１は、冷却配管１５の他端側に回収配管３５を介して接続され、冷却配管１５内を流れて超電導コイル１を冷却した後の冷却ガスＧを回収して収容する。回収配管３５には、回収容器３１の上流側に低圧出口弁３３が配設されている。また、圧縮機３２は、回収容器３１に接続されると共に、吐出配管３６を経て供給配管２５に接続される。この圧縮機３２は、回収容器３１内に回収された冷却ガスＧを加圧して圧縮し、冷凍機熱交換器１６を介して低温ガス容器１３に供給する。吐出配管３６には、圧縮機３２の下流側に高圧入口弁３４が配設されている。

この極低温冷却装置３０において、通常時には、図２（Ａ）に示すように、超電導コイル１は、極低温冷凍機１１により伝熱板１２を介して伝導冷却され、２０Ｋ〜５０Ｋ（例えば２０Ｋ）程度の極低温に冷却される。このときには、流量制御弁１４及び低圧出口弁３３が閉操作され、高圧入口弁３４が開操作されて、圧縮機３２にて圧縮された冷却ガスＧが冷凍機熱交換器１６へ供給される。この冷却ガスＧは、冷凍機熱交換器１６内で２０Ｋ〜５０Ｋ（例えば２０Ｋ）程度の極低温に冷却され、低温ガス容器１３内に収容されて蓄積される。

超電導コイル１の熱負荷の増加時にも、図２（Ｂ）に示すように、超電導コイル１は、極低温冷凍機１１により伝熱板１２を介して伝導冷却される。しかしこのときには、高圧入口弁３４が閉操作され、流量制御弁１４及び低圧出口弁３３が開操作されて、加圧（圧縮）され冷却された低温ガス容器１３内の冷却ガスＧが冷却配管１５内を流れ、これにより、超電導コイル１が冷却される。超電導コイル１は、極低温冷凍機１１による伝導冷却と、冷却配管１５内を流れる冷却ガスＧによる冷却との相乗作用によって熱負荷が吸収され、２０Ｋ〜５０Ｋ（例えば２０Ｋ）程度の極低温に安定して冷却保持される。冷却配管１５内を流れた冷却ガスＧは、その後回収容器３１にて回収され、圧縮機３２により圧縮される。

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、前記第１の実施の形態の効果（１）と同様な効果を奏する他、次の効果（２）を奏する。

（２）超電導コイル１を冷却した後の冷却ガスＧが回収容器３１にて回収され、圧縮機３２にて圧縮されて、冷凍機熱交換器１６を経て低温ガス容器１３へ供給されることから、冷却ガスＧを循環して利用できるので、冷却ガスＧの無駄を省くことができる。

［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の実施の形態を示し、（Ａ）が通常時、（Ｂ）が熱負荷増加時のそれぞれの場合について、弁の開閉状態を区別して示す構成図である。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２の実施の形態の極低温冷却装置３０と異なる点は、冷却配管１５に接続される蓄冷配管４１の低温部２０と室温部２１との間に、蓄冷材４２が充填された蓄冷器４３を備え、超電導コイル１を冷却した後の冷却ガスＧにて蓄冷材４２を冷却し、この蓄冷材４２を用いて、次に供給される冷却ガスＧを冷却するよう構成された点である。

つまり、一端が低温部２０側に、他端が室温部２１側にそれぞれ配設される蓄冷配管４１には、これらの低温部２０と室温部２１との境界部分に蓄冷器４３が設置される。この蓄冷配管４１の一端は、低温部２０内において供給配管２５及び冷却配管１５に接続される。これらの供給配管２５、冷却配管１５には、蓄冷配管４１との接続点近傍に高圧出口弁４４、低圧入口弁４５がそれぞれ配設されている。また、蓄冷配管４１の他端は、室温部２１内において回収配管３５及び吐出配管３６に接続される。これらの回収配管３５、吐出配管３６には、蓄冷配管４１との接続点近傍に、低圧出口弁３３、高圧入口弁３４がそれぞれ配設されている。

低圧出口弁３３、高圧入口弁３４、高圧出口弁４４及び低圧入口弁４５は、蓄冷配管４１及び蓄冷器４３内へ流れる冷却ガスＧの流れを切り替える切替弁である。即ち、低圧出口弁３３及び低圧入口弁４５の閉操作時で、且つ高圧入口弁３４及び高圧出口弁４４の開操作時に、圧縮機３２からの冷却ガスＧを、蓄冷配管４１及び蓄冷器４３を経て供給配管２５へ流す（図３（Ａ））。また、高圧入口弁３４及び高圧出口弁４４の閉操作時で、且つ低圧出口弁３３及び低圧入口弁４５の開操作時に、超電導コイル１を冷却した後の冷却ガスＧを冷却配管１５から、蓄冷器４３及び蓄冷配管４１を経て回収容器３１へ向かって流す（図３（Ｂ））。ここで、蓄冷材４２は、比熱の大きな銅、鉄、鉛、または銅、鉄もしくは鉛の合金にて構成される。

この極低温冷却装置４０において、通常時には、図３（Ａ）に示すように、超電導コイル１は、極低温冷凍機１１により伝熱板１２を介して伝導冷却され、２０Ｋ〜５０Ｋ（例えば２０Ｋ）程度の極低温に冷却される。このときには、流量制御弁１４、低圧出口弁３３及び低圧入口弁４５が閉操作され、高圧入口弁３４及び高圧出口弁４４が開操作されて、圧縮機３２にて圧縮された冷却ガスＧは、蓄冷器４３内で、後述のごとく、冷却配管１５内を流れて超電導コイル１を冷却した後の冷却ガスＧにより冷却された蓄冷材４２により冷却された後、冷凍機熱交換器１６へ供給される。この冷却ガスＧは、冷凍機熱交換器１６内で２０Ｋ〜５０Ｋ（例えば２０Ｋ）程度の極低温に冷却されて、低温ガス容器１３内に収容されて蓄積される。

超電導コイル１の熱負荷増加時にも、図３（Ｂ）に示すように、超電導コイル１は、極低温冷凍機１１により伝熱板１２を介して伝導冷却される。しかしこのときには、高圧入口弁３４及び高圧出口弁４４が閉操作され、流量制御弁１４、低圧入口弁４５及び低圧出口弁３３が開操作されて、加圧（圧縮）されて冷却された低温ガス容器１３内の冷却ガスＧが冷却配管１５内を流れ、これにより、超電導コイル１が冷却される。この超電導コイル１は、極低温冷凍機１１による伝導冷却と冷却配管１５内を流れる冷却ガスＧによる冷却との相乗作用によって熱負荷が吸収され、２０Ｋ〜５０Ｋ（例えば２０Ｋ）程度の極低温に安定して冷却保持される。

このときには、冷却配管１５内を流れた冷却ガスＧは、低圧入口弁４５及び蓄冷配管４１を経て蓄冷器４３内へ流入し、この蓄冷器４３の蓄冷材４２を冷却した後、回収容器３１にて回収され、圧縮機３２により再び圧縮される。

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、前記第１及び第２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）冷却配管１５内を流れて超電導コイル１を冷却した後の冷却ガスＧにて蓄冷器４３内の蓄冷材４２を冷却し、この蓄冷材４２を用いて、圧縮機３２から蓄冷器４３を経て冷凍機熱交換器１６至り、低温ガス容器１３内へ供給される冷却ガスＧを冷却している。この結果、冷却ガスＧを冷却する極低温冷凍機１１の熱負荷を低減できるので、極低温冷却装置４０全体としての冷却効率を向上させることができる。

尚、低温部２０内に配設されている高圧出口弁４４及び低圧入口弁４５は、逆止弁にて構成されてもよい。即ち、高圧出口弁４４は、蓄冷器４３から供給配管２５を経て冷凍機熱交換器１６側への流れのみを許容する逆止弁とする。また、低圧入口弁４５は、冷却配管１５から蓄冷器４３側への流れのみを許容する逆止弁とする。このように、高圧出口弁４４及び低圧入口弁４５を逆止弁にて構成すると、弁制御を省略できるばかりか、信頼性が低く熱侵入源となる低温弁を使用しなくてよいので、極低温冷却装置４０の信頼性、操作性、及び冷却効率の向上を図ることができる。

［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の実施の形態を示し、（Ａ）が蓄冷器のみを予冷する場合、（Ｂ）が超電導コイル及び蓄冷器を予冷する場合について、弁の開閉状態を区別して示す構成図である。この第４の実施の形態において、前記第１、第２及び第３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３の実施の形態の極低温冷却装置４０と異なる点は、極低温冷凍機１１の第１冷却ステージ１７にて冷却された冷却ガスＧを蓄冷器４３へ流して、この蓄冷器４３内の蓄冷材４２を予冷し、または上記冷却ガスＧを超電導コイル１及び蓄冷器４３へ流して、これらの超電導コイル１及び蓄冷器４３内の蓄冷材４２を予冷する予冷回路５１が設けられた点である。

つまり、予冷回路５１は、極低温冷凍機１１の第１冷却ステージ１７に熱的に接続された予冷熱交換器５２を備える予冷配管５３を有する。この予冷配管５３の上流端は、吐出配管３６において圧縮機３２と高圧入口弁３４との間に接続される。また、予冷配管５３の下流端は、供給配管２５において、高圧出口弁４４と冷凍機熱交換器１６との間に接続される。そして、予冷配管５３の上流端近傍に予冷弁５４が配設されている。

極低温冷却装置５０の運転当初、冷却ガスＧを最初に低温ガス容器１３へ供給して蓄積させるときには、図４（Ａ）に示すように、低圧出口弁３３及び高圧出口弁４４を開操作し、流量制御弁１４、高圧入口弁３４及び低圧入口弁４５を閉操作した状態で、予冷弁５４を開操作させる。すると、圧縮機３２にて圧縮された冷却ガスＧが、予冷配管５３を経て予冷熱交換器５２へ流れ、極低温冷凍機１１の第１冷却ステージ１７にて冷却される。この冷却された冷却ガスＧは、高圧入口弁４４を経て蓄冷器４３内へ至り、この蓄冷器４３の蓄冷材４２を冷却（予冷）した後、蓄冷配管４１及び回収配管３５を経て回収容器３１に回収される。このようにして、蓄冷器４３内の蓄冷材４２を運転の最初の段階で冷却（予冷）した後に、図５（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、予冷弁５４を閉操作して、蓄冷材４２の予冷を完了する。

本実施の形態の極低温冷却装置５０における通常時と超電導コイル１の熱負荷増加時の動作は、前記第３の実施の形態とほぼ同様である。

つまり、通常時には、図５（Ａ）に示すように、超電導コイル１は、極低温冷凍機１１により伝熱板１２を介して伝導冷却され、２０Ｋ〜５０Ｋ（例えば２０Ｋ）程度の極低温に冷却される。このときには、流量制御弁１４、低圧出口弁３３、低圧入口弁４５及予冷弁５４が閉操作され、高圧入口弁３４及び高圧出口弁４４が開操作されて、圧縮機３２にて圧縮された冷却ガスＧは、蓄冷器４３内で、予冷回路５１の予冷熱交換器５２にて予冷された蓄冷材４２により、または、後述のごとく冷却配管１５内を流れて超電導コイル１を冷却した後の冷却ガスＧによりそれぞれ冷却された蓄冷材４２により冷却された後、冷凍機熱交換器１６へ供給される。この冷却ガスＧは、冷凍機熱交換器１６内で２０Ｋ〜５０Ｋ（例えば２０Ｋ）程度の極低温に冷却されて、低温ガス容器１３内に収容されて蓄積される。

超電導コイル１の熱負荷増加時にも、図５（Ｂ）に示すように、超電導コイル１は、極低温冷凍機１１により伝熱板１２を介して伝導冷却される。しかしこのときには、高圧入口弁３４、高圧出口弁４４及び予冷弁５４が閉操作され、流量制御弁１４、低圧入口弁４５及び低圧出口弁３３が開操作されて、加圧（圧縮）されて冷却された低温ガス容器１３内の冷却ガスＧが冷却配管１５内を流れ、これにより、超電導コイル１が冷却される。この超電導コイル１は、極低温冷凍機１１による伝導冷却と冷却配管１５内を流れる冷却ガスＧによる冷却との相乗作用によって熱負荷が吸収され、２０Ｋ〜５０Ｋ（例えば２０Ｋ）程度の極低温に安定して冷却保持される。

このときには、冷却配管１５内を流れた冷却ガスＧは、低圧入口弁４５及び蓄冷配管４１を経て蓄冷器４３内へ流入し、この蓄冷器４３の蓄冷材４２を冷却した後、回収容器３１にて回収され、圧縮機３２により再び圧縮される。

また、図４（Ｂ）に示すように、極低温冷却装置５０の運転当初、流量制御弁１４、低圧出口弁３３及び低圧入口弁４５を開操作し、高圧入口弁３４及び高圧出口弁４４を閉操作した状態で、予冷弁５４を開操作したときには、圧縮機３２にて圧縮された冷却ガスＧが、予冷配管５３を経て予冷熱交換器５２へ流れ、極低温冷凍機１１の１段冷却ステージ１７にて冷却された後、供給配管２５を流れて冷凍機熱交換器１６により再度冷却される。この冷凍機熱交換器１６により冷却された冷却ガスＧは、低温ガス容器１３及び流量制御弁１４を経て冷却配管１５内へ流れ、超電導コイル１を冷却（予冷）する。超電導コイル１を予冷した冷却ガスＧは、更に蓄冷器４３へ流入して蓄冷材４２を冷却（予冷）した後、回収容器３１にて回収される。このようにして、超電導コイル１及び蓄冷器４３の蓄冷材４２を運転の最初の段階で冷却（予冷）した後に、図５（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、予冷弁５４を閉操作して、超電導コイル１及び蓄冷器４３の蓄冷材４２の予冷を完了する。

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、前記第１〜第３の実施の形態の効果（１）〜（３）と同様な効果を奏する他、次の効果（４）及び（５）を奏する。

（４）極低温冷却装置５０の運転当初、極低温冷凍機１１の１段冷却ステージ１７に配置の予冷熱交換器５２にて冷却された冷却ガスＧを蓄冷器４３へ流して、この蓄冷器４３内の蓄冷材４２を予冷する予冷回路５１が設けられている。第３の実施の形態の極低温冷却装置４０（図３）では、冷却配管１５に冷却ガスＧを流して超電導コイル１を冷却した後の冷却ガスＧによって蓄冷器４３の蓄冷材４２を冷却しているが、運転の最初の状態では、蓄冷器４３の蓄冷材４２は常温になっている。

そこで、極低温冷却装置５０の運転の最初の段階で予冷弁５４を開操作して予冷回路５１を稼働させ、この予冷回路５１の予冷熱交換器５２にて冷却された冷却ガスＧを蓄冷器４３へ導いて、この蓄冷器４３の蓄冷材４２を冷却する。これにより、極低温冷却装置５０の運転開始時に、圧縮機３２にて圧縮された冷却ガスＧを冷凍機熱交換器１６にて冷却して低温ガス容器１３に蓄積する際にも、冷凍機熱交換器１６による冷却前に、冷却ガスＧを蓄冷器４３の蓄冷材４２にて冷却させることができ、冷却効率を向上させることができる。

（５）予冷回路５１の稼働時に、高圧入口弁３４及び高圧出口弁４４を閉操作し、流量制御弁１４、低圧入口弁４５及び低圧出口弁３３を開操作することで、予冷熱交換器５２及び冷凍機熱交換器１６により冷却された冷却ガスＧによって、超電導コイル１を予冷すると共に、蓄冷器４３の蓄冷材４２を予冷することができる。このように超電導コイル１を予冷することで、極低温冷却装置５０の全体としての冷却効率を向上させることができる。特に、予冷熱交換器５２が配置された極低温冷凍機１１の１段冷却ステージ１７は、２段冷却ステージ１８よりも一桁大きな冷凍能力を有しており、この１段冷却ステージ１７の冷凍能力を活用することで、超電導コイル１の予冷時間を大幅に短縮することができる。

本発明に係る極低温冷却装置の第１の実施の形態を示し、（Ａ）が通常時、（Ｂ）が熱負荷増加時のそれぞれの場合について、弁の開閉状態を区別して示す構成図。 本発明に係る極低温冷却装置の第２の実施の形態を示し、（Ａ）が通常時、（Ｂ）が熱負荷増加時のそれぞれの場合について、弁の開閉状態を区別して示す構成図。 本発明に係る極低温冷却装置の第３の実施の形態を示し、（Ａ）が通常時、（Ｂ）が熱負荷増加時のそれぞれの場合について、弁の開閉状態を区別して示す構成図。 本発明に係る極低温冷却装置の第４の実施の形態を示し、（Ａ）が蓄冷器のみを予冷する場合、（Ｂ）が超電導コイル及び蓄冷器を予冷する場合について、弁の開閉状態を区別して示す構成図。 図４の極低温冷却装置において、（Ａ）が通常時、（Ｂ）が熱負荷増加時のそれぞれの場合について、弁の開閉状態を区別して示す構成図。 従来の浸漬冷却方式による極低温冷却装置を示す構成図。 従来の伝導冷却方式による極低温冷却装置を示す構成図。

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 極低温冷却器
１２ 伝熱管（伝熱部材）
１３ 低温ガス容器
１４ 流量制御弁
１５ 冷却配管
２０ 低温部
２１ 室温部
３０ 極低温冷却装置
３１ 回収容器
３２ 圧縮機
４０ 極低温冷却装置
４２ 蓄冷材
４３ 蓄冷器
５０ 極低温冷却装置
５１ 予冷回路
５２ 予冷熱交換器
５４ 予冷弁
Ｇ 冷却ガス

Claims (13)

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を備え、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を冷却する極低温冷却装置において、
   加圧した冷却ガスを収容可能な低温ガス容器と、
   この低温ガス容器に流量制御弁を介して接続され、前記被冷却物に熱的に接続された冷却配管とを有し、
   加圧され冷却された冷却ガスが前記低温ガス容器に蓄積されると共に、前記流量制御弁の開操作により、前記低温ガス容器から前記冷却配管へ冷却ガスが流れることで、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. 前記冷却ガスは、極低温冷凍機に熱的に接続された冷凍機熱交換器内を流れることで冷却され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. 前記低温ガス容器は伝熱部材に設置され、この伝熱部材を介して極低温冷凍機により冷却されるよう構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。
4. 前記冷却配管は、銅、アルミニウム、または銅もしくはアルミニウムの合金にて構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。
5. 前記被冷却物を冷却した後の冷却ガスを回収する回収容器と、この回収容器にて回収された冷却ガスを圧縮する圧縮機とを有し、
   この圧縮機にて圧縮された冷却ガスが低温ガス容器に供給されるよう構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. 前記冷却配管の室温部と低温部の間に、蓄冷材が充填された蓄冷器を備え、被冷却物を冷却した後の冷却ガスにて前記蓄冷材を冷却し、この蓄冷材を用いて、次に供給される冷却ガスを冷却するよう構成されたことを特徴とする請求項１または５に記載の極低温冷却装置。
7. 前記蓄冷材は、鉄、銅、鉛、または鉄、銅もしくは鉛の合金にて構成されたことを特徴とする請求項６に記載の極低温冷却装置。
8. 前記冷却配管またはこの冷却配管に接続される配管には、蓄冷器に対する室温部側と低温部側に、冷却ガスの流れを切り替える切替弁が配設されたことを特徴とする請求項６に記載の極低温冷却装置。
9. 前記切替弁のうち、低温部に配設された切替弁が逆止弁にて構成されたことを特徴とする請求項８に記載の極低温冷却装置。
10. 前記極低温冷凍機にて冷却された冷却ガスを蓄冷器に流して、この蓄冷器内の蓄冷材を予冷するための予冷回路が設けられたことを特徴とする請求項６に記載の極低温冷却装置。
11. 前記予冷回路は、冷却配管に接続されて、極低温冷凍機にて冷却された冷却ガスにより被冷却物を予冷すると共に、蓄冷器内の蓄冷材を予冷するよう構成されたことを特徴とする請求項１０に記載の極低温冷却装置。
12. 前記被冷却物は、高温超電導線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。
13. 前記冷却ガスがヘリウムガスから構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。

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