JP2009246231A - 極低温冷却制御装置およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】浸漬冷却方式のように冷却温度が特定の冷媒の沸点に制約されることなく、熱負荷変動があっても超電導コイル等の被冷却物を安定に冷却可能な極低温冷却装置および制御方法を提供すること。
【解決手段】被冷却物と、加圧したガスを収容可能な低温ガス容器と、前記低温ガス容器に接続されるとともに前記被冷却物に熱的に接触している冷却ガス配管と、前記冷却ガス配管に取り付けられた冷却ガス流量制御弁と、ガス冷却手段と、前記被冷却物の状態変化を測定する手段を有する極低温冷却装置。大気圧より加圧したガスを前記ガス冷却手段を用いて冷却した状態で前記低温ガス容器に蓄え、前記被冷却物の状態変化に応じて前記冷却ガス流量制御弁を開き、前記冷却ガス配管に流すことで前記被冷却物を冷却することにより、上記極低温冷却装置を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、熱負荷変動への対応性を改善した極低温冷却装置およびその制御方法に関する。

一般に超電導材は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。実際、金属系超電導材を用いた産業用超電導機器では４Ｋ程度に冷却して使用している。４Ｋ程度へ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を伝熱材でつなぐ伝導冷却方式（例えば非特許文献１）がある。伝導冷却方式は冷媒の補給等の手間がかからないこと、小型軽量化できることなどで浸漬冷却より優れている。しかし、熱負荷の増加や冷凍機の故障などがあると超電導コイル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増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分を液体ヘリウムの蒸発潜熱で吸収する。この蒸発したヘリウムを通常時の余剰冷凍能力で再液化することで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が発見され、これを用いた超電導機器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２０Ｋから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、伝導冷却に有利である。また比熱も大きくなるため、上記の蒸発潜熱の代わりにコイルの熱容量を利用することである程度の負荷変動に対応することも可能である。

一方で浸漬冷却は冷却温度が液体冷媒の沸点に制限される問題がある。２０Ｋ近傍では液体水素、液体ネオンが利用でき、液体を加圧・減圧することである程度温度を振れるが、それでも液体水素で１４Ｋ〜２０Ｋ、液体ネオンで２５Ｋ〜２７Ｋに冷却できる温度が制限される。この冷却温度の制限はコイル設計によりある程度対応可能であるが、水素は可燃性ガスであること、ネオンは高価であることから使用範囲が制限される。そのため高温超電導コイルを浸漬冷却する場合は液体ヘリウムで４Ｋに冷却している場合がある。これは前述した冷却温度が高い利点を活用していない。実際には従来の超電導コイルよりも高温超電導コイルは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。このため、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ている（例えば、非特許文献１参照）。

しかし、伝導冷却方式にも問題点があり、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。伝導冷却では高温超電導コイルと冷凍機の間に温度差が発生するが、この温度差は熱負荷にほぼ比例するため、熱負荷が増加するとコイルと冷凍機の間の温度差が増加し、冷凍機温度が一定であったとしてもコイル温度が上昇する。これに加えて、熱負荷の増加は冷凍機温度を高くするためコイル温度はさらに上昇することになる。

このような負荷変動によるコイル温度の変動を抑える方法としては、比熱の大きな蓄熱材をコイルに熱的に接続する方法がある。ここで蓄熱材の熱容量を有効に活用するためには、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銅などの熱伝導率の高い金属を用いることが考えられる。ところが、熱負荷変動の原因を見ると、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。この磁場の変動は銅などの良導体に誘起電流を発生させ、蓄熱材が発熱源になって熱負荷の増加を増幅してしまう。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問題点もある。
特開平７−１３０５３０号公報 低温工学 Vol.37 (2002) 18-26頁。

本発明は、浸漬冷却方式のように冷却温度が特定の冷媒の沸点に制約されることなく、熱負荷変動があってもコイル等の被冷却物を安定に冷却できる極低温冷却装置およびその制御方法を提供することを目的とする。

本発明の極低温冷却装置は、上述の目的を達成するために開発されたものであり、被冷却物と、加圧したガスを収容可能な低温ガス容器と、前記低温ガス容器に接続されるとともに前記被冷却物に熱的に接触している冷却ガス配管と、前記冷却ガス配管に取り付けられた冷却ガス流量制御弁と、ガス冷却手段を有し、大気圧より加圧したガスを冷却した状態で低温ガス容器に蓄え、前記被冷却物の温度に応じて前記冷却ガス流量制御弁を開き、前記冷却ガス配管に流すことで被冷却物を冷却する極低温冷却装置において、前記被冷却物を冷却した後のガスを収容可能な低温に冷却されたバッファ容器と、前記バッファ容器に蓄えたガスを加圧する圧縮機と、前記バッファ容器と前記圧縮機の間に設けられた熱交換器と、ガス冷却手段を有し、前記圧縮機で圧縮したガスを前記ガス冷却手段で冷却して前記低温ガス容器に戻すようにしたことを特徴とするものである。

また本発明は、被冷却物と、加圧したガスを収容可能な低温ガス容器と、前記低温ガス容器に接続されるとともに前記被冷却物に熱的に接触している冷却ガス配管と、前記冷却ガス配管に取り付けられた冷却ガス流量制御弁と、ガス冷却手段を有し、大気圧より加圧したガスを冷却した状態で低温ガス容器に蓄え、前記被冷却物の温度に応じて前記バルブを開き、前記冷却ガス配管に流すことで被冷却物を冷却する極低温冷却装置であって、前記被冷却物を冷却した後のガスを収容可能な低温に冷却されたバッファ容器と、前記バッファ容器に蓄えたガスを加圧する低温圧縮機と、ガス冷却手段を有し、前記低温圧縮機で圧縮したガスを前記ガス冷却手段で冷却して前記低温ガス容器に戻すようにしたことを特徴とする極低温冷却装置をも与える。

更に本発明は、被冷却物と、加圧したガスを収容可能な低温ガス容器と、前記低温ガス容器に接続されるとともに前記被冷却物に熱的に接触している冷却ガス配管と、前記冷却ガス配管に取り付けられた冷却ガス流量制御弁と、ガス冷却手段を有し、大気圧より加圧したガスを冷却した状態で低温ガス容器に蓄え、前記被冷却物の温度に応じて前記冷却ガス流量制御弁を開き、前記冷却ガス配管に流すことで被冷却物を冷却する極低温冷却装置であって、前記被冷却物を冷却した後のガスを収容可能な低温に冷却されたバッファ容器と、前記バッファ容器に蓄えたガスを加圧する圧縮機と、前記バッファ容器と前記圧縮機の間に設けられた熱交換器と、ガス冷却手段を有し、前記圧縮機で圧縮したガスを前記ガス冷却手段で冷却して前記低温ガス容器に戻すようにしたことを特徴とする極低温冷却装置をも与える。

更に本発明は、被冷却物と、加圧したガスを収容可能な低温ガス容器と、前記低温ガス容器に接続されるとともに前記被冷却物に熱的に接触している冷却ガス配管と、前記冷却ガス配管に取り付けられた冷却ガス流量制御弁と、ガス冷却手段を有し、大気圧より加圧したガスを冷却した状態で低温ガス容器に蓄え、前記被冷却物の温度に応じて前記冷却ガス流量制御弁を開き、前記ガス配管に流すことで被冷却物を冷却する極低温冷却装置であって、ガス冷却手段を有し、被冷却物を冷却した後のガスをガス冷却手段で冷却し、再度被冷却物の冷却に使用するようにしたことを特徴とする極低温冷却装置をも与える。

また本発明は、上記本発明の極低温冷却装置を、前記被冷却物の状態変化に応じて前記冷却ガス流量制御弁を開き、前記冷却ガス配管に流すことで前記被冷却物を冷却することにより制御する方法をも提供する。

上記本発明の極低温冷却装置および制御方法によれば、冷却手段と、被冷却物とを媒介する冷却ガス配管中を流れる冷却ガスを、被冷却物の温度等の状態変化に応じて制御することにより、浸漬冷却方式のように冷却温度が特定の冷媒の沸点に制約されることなく、熱負荷変動があっても超電導コイル等の被冷却物を安定に冷却可能となる。

以下、本発明に係る極低温冷却装置およびその制御方法の実施例について、図面を参照して説明する。

（実施例１）
図１（ａ）および（ｂ）は、本発明の極低温冷却装置の実施例１の二状態を示す主要な要素の模式配置図である。図において、バルブ（弁）５，１５，１６，１７および１８等において、白抜きの場合は“開”状態を、黒塗りの場合は”閉”状態を表すものとする。図１を参照して、本実施例の装置は、被冷却物としての超電導コイル１と、ガス冷却手段としての極低温冷凍機２と、低温ガス容器３と、超電導コイル１と熱的に接続した冷却ガス配管４と、から構成されている。また冷却ガス配管４には冷却ガス流量制御弁５が取り付けられており、超電導コイル１には被冷却物の状態変化を測定する手段としてのコイル温度計１９が、低温ガス容器３には容器圧力計２０が取り付けられている。超電導コイル１および低温がス容器３は、極低温冷凍機２と熱的に接続された銅、アルミニウム、窒化アルミニウム等からなる伝熱板６上に載置され、冷却を受けている。

まず、熱負荷の少ない図１（ａ）の過程では外部から供給されたヘリウムガスが極低温冷凍機２により熱交換器１０を介して冷却され、低温ガス容器３に蓄積される。次に図１（ｂ）に示すように、超電導コイル１の熱負荷が増加した場合には、冷却ガス流量制御弁５を開き低温のヘリウムガスを超電導コイル１に熱的に接続させたコイル冷却配管４に流すことで超電導コイル１を冷却する。これにより見かけの冷凍能力が増加することになり、熱負荷が増加した場合の超電導コイル１の温度上昇を抑えられる。別の表現をすると、ヘリウムガスの熱容量を熱バッファとして用いて熱負荷変動を吸収することにより超電導コイル１の温度上昇を抑える。

上記装置のうち、極低温作動系は、銅やアルミニウム等の非磁性で良伝導な材料等からなる熱シールド板１２で囲まれた空間中に配置され、更に、冷凍機２の室温稼動部、圧力計２０の表示部、室温ガスバッファ容器７および圧縮機８等の室温作動系以外は、真空容器１１中に配置される。

上記した実施例１の方式は流量を十分に流すことで冷凍能力の数倍の変動まで対応可能であるが、熱負荷が冷凍能力の数十倍にもなる場合にも有効である。たとえば本発明の極低温冷却装置の一実施形態としての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、本方式を用いても温度上昇を抑えることはできない。しかし高温超電導ＳＭＥＳではある程度の温度上昇は許容可能であり、１分程度の短時間で元の温度まで冷却できればよく、この要求に対しては本方式は有効である。

また、超電導コイル１を冷却した後のヘリウムガスはバッファ容器７に溜められ圧縮機８で圧縮して大気圧より加圧することで再び低温ガス容器３に戻す。これによりヘリウムガスを循環利用することでヘリウムガスを無駄にしない。また高温部と低温部の間に蓄冷器９を設け、入出のガスを熱交換させている。これにより過程（ｂ）で回収される低温ガスで蓄冷器９内部の蓄冷材を冷却し、次の過程（ａ）で充填する室温のガスを冷却することで、極低温冷凍機２への熱負荷を低減し、全体の冷却効率を高くしている。蓄冷器９には蓄冷材として比熱の大きな銅、鉄、鉛またはそれらの合金またはＥｒＮｉ_２もしくはＤｙＮｉ_２などの磁性蓄冷材が充填されている。また、蓄冷器９の前後には流路切替のために高圧入口弁１５、高圧出口弁１６、低圧入口弁１７、低圧出口弁１８を配置しガスの流れを制御する。

ここで熱負荷増が少ない場合には超電導コイル１の温度がすぐに下がるので、これをコイル温度計１９で検出し冷却ガス流量制御弁５を閉じる。これにより冷却ガスを無駄に流さないようにすることで冷却効率を上げるとともに、次の熱負荷変動にすばやく対応できるようになる。

尚、上記の説明では冷却ガス流量制御弁５を開閉制御する場合を例として述べたが、コイル温度に応じて多段的又は連続的にバルブ開度を制御しても良い。ここでガス流量と伝熱量の関係を考察する。管内強制対流では熱伝達率ｈとガス流速ｖの間に次式の関係がある：
Ｎｕ＝０．０２２Ｒｅ^０．８Ｐｒ^０．５
Ｎｕ＝ｈｄ／λ ， Ｒｅ＝ρｖｄ／μ ， Ｐｒ＝μＣ／λ
（ここで、Ｎｕ：ヌッセルト数、Ｒｅ：レイノルズ数、Ｐｒ：プラントル数、λ：配管熱伝導率、ρ：ガス密度、ｄ：配管内径、μ：ガス粘度、Ｃ：ガス定圧比熱）
これより伝熱量Ｑ＝Ａｈとガス流量（質量流速）ｖ_ｍ＝ρｖの関係を見ると、
Ｑ＝ｖ_ｍ ^０．８ … （１）
Ｑ／ｖ_ｍ＝ｖ_ｍ ^−０．２ … （２）
となる。

上記式（１）はガス流量が多いほど伝熱量が多いことを示し、式（２）はガス流量が多いほど、単位ガス流量当りの除熱量が減ることを意味している。すなわち急速に冷却するためにはガス流量を多くしたほうが良く、少ないガス量で効率よく冷却するためにはガス流量を減らしたほうがよい。一方超電導コイル１の冷却を考えると、コイル温度が高い場合にはフロー損失による超電導コイル１の発熱が多くなるので速くコイル温度を下げたほうが良く、コイル温度が低い場合には急ぐ必要は少ない。そこでコイル温度があらかじめ設定した設定温度より高い場合にはガス流量を多くして短時間で多くの熱量を除去してコイル温度を急速に下げ、コイル温度が設定温度より低い場合にはガス流量を少なくして単位ガス流量あたりの除熱量を増やすことで冷却効率を上げる。

同様にコイルの温度変化に対しても、コイル温度変化があらかじめ設定した設定温度変化より大きい場合にはガス流量を多くして急速冷却し、設定温度変化より少ない場合にはガス流量を少なくして冷却効率を優先させる。

一方、ガス流量は低温ガス容器３とバッファ容器７の圧力差に大きく依存する。そのためガス流量を制御する上で圧力変化を考慮する必要がある。ここで、コイル温度の変化は小さくなるように制御しており影響が小さいため、低温ガス容器３とバッファ容器７の圧力とガス流量の関係は一意に決まる。したがって低温ガス容器３内部の圧力を容器圧力計２０で測定すればガス流量を計算することが可能であり、この低温ガス容器圧力をもとにガス流量制御バルブ５を制御してもよい。すなわち低温ガス容器３内部の圧力があらかじめ設定した設定圧力より高い場合にはバルブ開度を小さくし、設定圧力より低い場合にはバルブ開度を大きくする。

また落雷等により瞬間的に低下する電圧を補償する瞬間低補償用ＳＭＥＳなどでは小さな発熱が連続的に発生する場合がある。この場合にはガスを長時間連続して放出し続けて使えるガスがなくなる可能性がある。そこで低温ガス容器３内部の圧力が低下した場合には、冷却ガスの再充填を優先したほうが良い。具体的には容器内圧があらかじめ設定した設定圧力より低くなった場合には、ガス流量を制御するための設定温度を高めに変更し、コイル温度がやや高くても再充填を開始するようにすることで使用できるガスがなくなる可能性を低減する。

以上の制御を行うことでコイル温度を低温に保ちつつ、効率よく冷却できるようになる。

以下、本発明の極低温冷却装置の他の実施例について、図２〜図９を参照して、順次説明するが、これら実施例における特徴事項を明示するため、および図面参照の煩雑化を避けるために、特徴要素以外で、先の実施例中の要素と共通する要素についての参照数字の表示および説明は、適宜省略する。

（実施例２）
本実施例は、上記実施例１の極低温冷却装置の変形例に相当するものであり、図２は、その特徴要素の部分模式配置図である。図２を参照して、実施例１では冷却ガス流量をバルブ開度と圧力から推定して制御しているが、この方法では精度は高くない。そこで冷却ガス配管４を流れているヘリウムガスの流量を精度良く求める方法として、本実施例ではガス配管の入口と出口に温度計２１、２２を取り付け、ガス配管の入口温度Ｔｉｎと出口温度Ｔｏｕｔを測定し、その温度差と、超電導コイルの温度変化から計算される電熱量Ｑに基づいて、ガス流量ｖ_ｍを次式で推定する：
Ｑ＝ｖ_ｍＣ（Ｔｏｕｔ−Ｔｉｎ）
よって、ｖ_ｍ＝Ｑ／Ｃ（Ｔｏｕｔ−Ｔｉｎ）。

以上述べたようにこの実施例ではガス流量を精度良く求められ、精度の高いガス制御が可能となる。これはシステム全体の効率向上につながる。

（実施例３）
本実施例は、上記実施例１の極低温冷却装置の別の変形例に相当するものであり、図３は、その特徴要素の部分模式配置図である。図３を参照して、本実施例では前記ガス流量制御バルブ５ａに加えて、これをバイパスする複数の配管と各々の配管を封止する絞り値の異なるバルブ５ｂ、５ｃ、５ｄを設けている。本実施例ではバルブ５ａ〜５ｄは開閉制御のみとし、開くバルブまたはその組み合わせを変えることで流量を制御できるようにしている。これにより高価な流量調整バルブを使用せずに細かな流量制御が可能となり、システムを低コスト化できる。また制御方法も簡単になるため制御回路を簡単にできる。

（実施例４）
図４は、本発明の極低温冷却装置の実施例４の要素の模式配置図である。本実施例の基本構成は実施例１と同じであるが、実施例１においては室温部に配置してあったバッファ容器（７）を低温部に配置し低温バッファ容器２４とし、低温バッファ容器２４に溜められたガスを低温圧縮機２３で圧縮して低温ガス容器３に戻している。これによりガスを室温まで戻さずに循環させられ、蓄冷器（９）での損失が無くなるため冷凍効率が向上する。また、バッファ容器が室温部に有る場合より必要な容積が格段に小さくなるため装置の小型化ができる。このように。本実施例によれば高効率で小型の極低温冷却装置が得られる。

（実施例５）
図５は、本発明の極低温冷却装置の実施例５の要素の模式配置図である。本実施例の基本構成は実施例１と同じであるが、本実施例では低温バッファ容器２４は、実施例４と同様に低温部に置かれるが、圧縮機８は室温部に配置している。そのためガスを低温と室温の間で循環させるため２つの熱交換器２５ａおよび２５ｂを設けている。これによりバッファ容器２４を小型にしつつ、実施例４で用いた高価な低温圧縮機（２３）を用いないシステムとすることで、低コストで小型の極低温冷却システムを構成できる。

（実施例６）
本実施例は、上記実施例４の極低温冷却装置の変形例に相当するものであり、図６は、その特徴要素の部分模式配置図である。図６を参照して、本実施例では２つの超電導コイル１ａ、１ｂがあり、それぞれを冷却するガス冷却配管４ａと４ｂの間に冷凍機で冷却した蓄冷器２６を有する。第一の超電導コイル１ａを冷却した後のガスをこの蓄冷器２６で冷却し、第二の超電導コイル１ｂの冷却に使用する。蓄冷器に充填する蓄冷材としては１０〜２０Ｋで比熱が大きいＥｒＮｉ_２またはＤｙＮｉ_２等が適している。ここで蓄冷器２６はバッファ容器を兼ねており、このバッファ容器は第二のガス流量制御バルブ５ｂを介してガス配管に接続されているため、第二の超電導コイル１ｂの温度に応じて第二のガス流量制御バルブ５ｂを制御することも可能である。

（実施例７ａおよび７ｂ）
次に、上記実施例１の変形例にそれぞれ相当する、本発明に係る極低温冷却装置の実施例７ａおよび７ｂを、要素の部分模式配置図である図７（ａ）および（ｂ）を用いて説明する。

図７（ａ）を参照して、本実施例７ａでは液体水素を充填した液体水素容器２７を有し、ガスを実施例１等で用いた極低温冷凍機（２）で冷却する代わりに液体水素で冷却している。液体水素を用いることで短時間に多量の熱負荷があっても対応できるためガスの再充填時間を短縮できる。また超電導コイル１の設計条件によってはガスを１０Ｋ以下に冷却する必要が有るが、この場合には７ａの冷媒として液体ヘリウムを用いて冷却しても良い。

また図７（ｂ）を参照して、実施例７ｂでは極低温冷凍機で冷却された蓄冷材を充填した蓄冷器２８を用いてガスを冷却している。この場合にも短時間に多量の熱負荷があっても対応できるため、ガスの再充填時間を短縮できる。また液体水素や液体ヘリウムを用いる場合のように利用できる温度の制限がないため、あらゆる冷却温度に対応でき、超電導コイル設計の自由度が増える利点がある。

また上記の実施例７ａおよび７ｂでは、液体水素又は蓄冷器単体でガスを冷却しているが、冷凍機と組み合わせて冷却してもよい。

このように本実施例によれば短時間でガスの再充填が可能な極低温冷却装置が得られる。

（実施例８）
本実施例は、上記実施例５の極低温冷却装置の変形例に相当するものであり、図８は、その特徴要素の部分模式配置図である。図８を参照して、本実施例では、電流リード１３の両端電圧を電圧計２９により測定し、通電電流の変化を検出している。これにより、本実施例のような系では発熱が通電電流の変化に依存することから、ガス流量制御バルブ５を、実施例５においては温度計（１９）により測定したコイル温度の変化の代わりに、通電電流の変化に応じて制御している。一般に温度の変化は通電電流の変化よりも応答が遅いので、通電電流の変化を測定する方が応答速度が速くなる。また温度測定よりも電圧測定の方が簡単である。

このように本実施例によれば応答が速く制御系が簡単な極低温冷却装置が得られる。

（実施例９ａおよび９ｂ）
次に、上記実施例１の変形例にそれぞれ相当する、本発明に係る極低温冷却装置の実施例９ａおよび９ｂを、要素の部分模式配置図である、図９（ａ）および（ｂ）を用いて説明する。図９ａを参照して、実施例９ａでは被冷却物が電流リード１３であり、その周りを巻回した冷却配管４１３により冷却する。電流リード１３は超電導コイル１に通電するときにのみ発熱するため、一時的な熱負荷増となる。特に永久電流モードの超電導磁石では電流値を変化させるときのみ通電し、定常時には通電しない。このため短時間の電流通電時の熱負荷に合わせた過大な冷凍能力が必要であった。しかし、本冷却方式を用いることで熱負荷が平準化され必要な冷凍能力が少なくてすみ、システムの小型化が可能となる。

図９ｂでは被冷却物が永久電流スイッチ３１であり、その周りを巻回した冷却配管４３１により冷却する。永久電流スイッチ３１も超電導コイル１の電流を変化させるときにのみ発熱するため、一時的な熱負荷増となる。同様に熱負荷を平準化することで必要な冷凍能力が少なくてすみ、システムの小型化が可能となる。

このように本実施例９ａおよび９ｂによれば必要な冷凍能力が少なくてすみ、システムの小型化が可能となる。

上述したように、本発明によれば、冷却手段と、被冷却物とを媒介する冷却ガス配管中を流れる冷却ガスを、被冷却物の温度等の状態変化に応じて制御することにより、浸漬冷却方式のように冷却温度が特定の冷媒の沸点に制約されることなく、熱負荷変動があっても超電導コイル等の被冷却物を安定に冷却可能な極低温冷却装置および制御方法が提供される。

本発明の実施例１の極低温冷却装置の要素の模式配置図。 本発明の実施例２の極低温冷却装置の要素の部分模式配置図。 本発明の実施例３の極低温冷却装置の要素の部分模式配置図。 本発明の実施例４の極低温冷却装置の要素の模式配置図。 本発明の実施例５の極低温冷却装置の要素の模式配置図。 本発明の実施例６の極低温冷却装置の要素の模式配置図。 （ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明の実施例７ａおよび７ｂの極低温冷却装置の要素の部分模式配置図。 本発明の実施例８の極低温冷却装置の要素の模式配置図。 （ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明の実施例９ａおよび９ｂの極低温冷却装置の要素の部分模式配置図。

符号の説明

１ 超電導コイル
２ 極低温冷凍機
３ 低温ガス容器
４ 冷却ガス配管
５ 冷却ガス流量制御弁
６ 伝熱板
７ バッファ容器
８ 圧縮機
９ 蓄冷器
１０ 冷凍機熱交換器
１１ 真空容器
１２ 熱シールド板
１３ 電流リード
１４ 高温超電導電流リード
１５ 高圧入口弁
１６ 高圧出口弁
１７ 低圧入口弁
１８ 低圧出口弁
１９ コイル温度計
２０ 容器圧力計
２１ 配管入口温度計
２２ 配管出口温度計
２３ 低温圧縮機
２４ 低温バッファ容器
２５ 熱交換器
２６ 蓄冷器
２７ 液体水素容器
２８ 蓄冷器
２９ 電圧計
３０ 電流リード熱交換器
３１ 永久電流スイッチ
４１３ 電流リード冷却配管
４３１ 永久電流スイッチ冷却配管

Claims (21)

1. 被冷却物と、加圧したガスを収容可能な低温ガス容器と、前記低温ガス容器に接続されるとともに前記被冷却物に熱的に接触している冷却ガス配管と、前記冷却ガス配管に取り付けられた冷却ガス流量制御弁と、ガス冷却手段と、前記被冷却物の状態変化を測定する手段を有し、大気圧より加圧したガスを前記ガス冷却手段を用いて冷却した状態で前記低温ガス容器に蓄え、前記被冷却物の状態変化に応じて前記冷却ガス流量制御弁を開き、前記冷却ガス配管に流すことで前記被冷却物を冷却するようにしたことを特徴とする極低温冷却制御装置。
2. 前記被冷却物の状態変化を測定する手段が前記被冷却物に取り付けられた温度計であり、前記被冷却物の状態変化が前記被冷却物の温度変化であることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷却制御装置。
3. 前記被冷却物の温度があらかじめ設定した設定温度より高い場合にはガス流量を多くし、設定温度より低い場合にはガス流量を少なくすることを特徴とする請求項２に記載の極低温冷却制御装置。
4. 前記被冷却物の温度変化があらかじめ設定した設定温度変化より大きい場合にはガス流量を多くし、設定温度変化より少ない場合にはガス流量を少なくすることを特徴とする請求項２又は３に記載の極低温冷却制御装置。
5. 前記低温ガス容器内部の圧力を測定する手段を有し、圧力があらかじめ設定した設定圧力より低い場合には、前記ガス流量を制御するための設定温度を高めに変更することを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の極低温冷却制御装置。
6. 前記被冷却物の状態変化を測定する手段が電流測定手段であり、前記被冷却物の状態変化が前記被冷却物の通電電流変化であることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷却制御装置。
7. 前記低温ガス容器内部の圧力を測定する手段を有し、圧力があらかじめ設定した設定圧力より高い場合にはバルブ開度を小さくし、設定圧力より低い場合にはバルブ開度を大きくすることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の極低温冷却制御装置。
8. 前記ガス配管の入口温度と出口温度を測定し、温度変化からガス流量を推定することを特徴とした請求項１〜７のいずれかに記載の極低温冷却制御装置。
9. 前記第一の冷却ガス流量制御弁をバイパスする少なくとも１つ以上の配管と各々の配管を封止する絞り値の異なる冷却ガス流量制御弁を有し、開閉する冷却ガス流量制御弁を選択することでガス流量を制御できるようにしたことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の極低温冷却制御装置。
10. 被冷却物と、加圧したガスを収容可能な低温ガス容器と、前記低温ガス容器に接続されるとともに前記被冷却物に熱的に接触している冷却ガス配管と、前記冷却ガス配管に取り付けられた冷却ガス流量制御弁と、ガス冷却手段を有し、大気圧より加圧したガスを冷却した状態で低温ガス容器に蓄え、前記被冷却物の温度に応じて前記バルブを開き、前記冷却ガス配管に流すことで被冷却物を冷却する極低温冷却装置であって、前記被冷却物を冷却した後のガスを収容可能な低温に冷却されたバッファ容器と、前記バッファ容器に蓄えたガスを加圧する低温圧縮機と、ガス冷却手段を有し、前記低温圧縮機で圧縮したガスを前記ガス冷却手段で冷却して前記低温ガス容器に戻すようにしたことを特徴とする極低温冷却装置。
11. 被冷却物と、加圧したガスを収容可能な低温ガス容器と、前記低温ガス容器に接続されるとともに前記被冷却物に熱的に接触している冷却ガス配管と、前記冷却ガス配管に取り付けられた冷却ガス流量制御弁と、ガス冷却手段を有し、大気圧より加圧したガスを冷却した状態で低温ガス容器に蓄え、前記被冷却物の温度に応じて前記冷却ガス流量制御弁を開き、前記冷却ガス配管に流すことで被冷却物を冷却する極低温冷却装置であって、前記被冷却物を冷却した後のガスを収容可能な低温に冷却されたバッファ容器と、前記バッファ容器に蓄えたガスを加圧する圧縮機と、前記バッファ容器と前記圧縮機の間に設けられた熱交換器と、ガス冷却手段を有し、前記圧縮機で圧縮したガスを前記ガス冷却手段で冷却して前記低温ガス容器に戻すようにしたことを特徴とする極低温冷却装置。
12. 被冷却物と、加圧したガスを収容可能な低温ガス容器と、前記低温ガス容器に接続されるとともに前記被冷却物に熱的に接触している冷却ガス配管と、前記冷却ガス配管に取り付けられた冷却ガス流量制御弁と、ガス冷却手段を有し、大気圧より加圧したガスを冷却した状態で低温ガス容器に蓄え、前記被冷却物の温度に応じて前記冷却ガス流量制御弁を開き、前記ガス配管に流すことで被冷却物を冷却する極低温冷却装置であって、ガス冷却手段を有し、被冷却物を冷却した後のガスをガス冷却手段で冷却し、再度被冷却物の冷却に使用するようにしたことを特徴とする極低温冷却装置。
13. 前記ガス冷却手段が極低温冷凍機であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の極低温冷却装置。
14. 前記ガス冷却手段が液体水素または液体ヘリウムであることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の極低温冷却装置。
15. 前記ガス冷却手段が冷却された蓄冷材であることを特徴とする請求項１〜１２に記載の極低温冷却装置。
16. 前記蓄冷材がＥｒＮｉ_２またはＤｙＮｉ_２であることを特徴とする請求項１５に記載の極低温冷却装置。
17. 前記蓄冷材をバッファ容器に収納し、前記バッファ容器とバルブを介して接続され、被冷却物に熱的に接続した冷却ガス配管を有し、前記被冷却物の温度に応じて前記バルブを開き、前記冷却ガス配管に流すことで被冷却物を冷却する請求項１５又は１６に記載の極低温冷却装置。
18. 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１〜１７のいずれかに記載の極低温冷却制御装置。
19. 前記被冷却物が電流リードであることを特徴とする請求項１〜１７のいずれかに記載の極低温冷却制御装置。
20. 前記被冷却物が永久電流スイッチであることを特徴とする請求項１〜１７のいずれかに記載の極低温制御冷却装置。
21. 前記被冷却物の状態変化に応じて前記冷却ガス流量制御弁を開き、前記冷却ガス配管に流すことで前記被冷却物を冷却することを特徴とする請求項１〜２０に記載の極低温冷却制御装置の制御方法。

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