JP2009283679A - 冷却容器および超電導装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷凍機を備えた冷却容器において、冷凍機の冷凍能力が増加しても、冷却ステージと被冷却体である冷媒の温度差を小さく保つ伝熱構造を実現する。
【解決手段】冷却容器は、低温液体の冷媒を収容して内部に冷媒１４の液面４０を形成する冷媒容器１３と、冷媒容器１３を取り囲む断熱容器１１と、冷媒容器１３内に収容された冷却ステージ１９を備えた冷凍機１８と、冷却ステージ１９と熱的に接続されて冷媒容器１３内に収容された伝熱部材２１と、を有する。伝熱部材２１は下方に向けて開放している筒状部を有して、筒状部の上端部は閉じて冷却ステージ１９に熱的に接続されている。
筒状部の下端部全体が冷媒１４の液面４０下に浸漬され、冷媒の液面４０上の空間が、筒状部によって仕切られていてもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍機を備えた冷却容器と、かかる冷却容器を用いた超電導装置に関する。

超電導は、抵抗ゼロで大電流を流せるという特長を有するため、電流応用、産業応用などさまざまな応用に向けた開発が進められている。さらに、高温超電導の出現以来、液体窒素温度である７７．４Ｋでの実用化が期待されている。確かに変圧器、電力用ケーブルおよび限流器など一部の超電導応用では、液体窒素温度での機器として実証が試験的に示されている。

たとえば、超電導コイルまたは超電導素子を有する超電導装置を、冷却容器内の冷媒内に浸漬して冷却する技術が知られている（特許文献１参照）。冷媒容器は、室温に置かれる断熱容器内に、真空などの断熱空間を介して配置している。冷媒容器には、冷媒の注入口と排出口が配置されている。排出口にはバルブが取り付けられている。また、超電導コイルを常温側に置かれる電源あるいは電力系統と接続するために、電流リードが配置されている。

超電導は、抵抗ゼロで大電流を流せるという特長があっても、冷媒に入熱される熱負荷は完全にゼロではない。まず、電流リードをはじめとして、その他構造体により、室温からの熱伝導による熱侵入がある。室温に置かれる断熱容器からの輻射による熱侵入もある。また、超電導といえども、交流通電に対しては交流損失が生ずる。さらには直流であっても、高温超電導体の場合にはその負荷率（運転電流値／臨界電流値）によっては、いわゆる磁束フロー損失を生ずる。これらの熱負荷による冷媒の蒸発を防ぐために、一般には冷凍機により熱負荷を補償する必要がある。

冷凍機を具備することで、冷媒の保持温度をその沸点にとどめておく必要が無くなる。例えば、液体窒素の沸点は７７．４Ｋであるが、圧力を大気圧付近に保ったままで、それより低い温度である７０Ｋ付近あるいはそれ以下にした冷媒、すなわちサブクール状態の冷媒の保持が可能となる。冷媒をサブクール状態とすることで、沸点の状態よりも、超電導特性が向上することが利点となる。また、何らかの理由で気泡が生じた時に、サブクール状態では、瞬時に気泡が消滅することもメリットである。

初期に冷媒容器に冷媒を貯液した時には沸点の状態にある冷媒をサブクール状態にまで冷却するには、冷凍機を運転するのが一般的かつ簡便な方法である。冷凍機が、冷媒から顕熱を奪い取り、冷媒がサブクール状態へと冷却されていく。しかしながら、このような構成には、次のような問題点がある。

装置の容量すなわち超電導機器の電気容量の大型化に伴い、付帯する冷凍機の冷凍能力も大きくする必要がある。近年、大容量の冷凍機、例えばギフォード・マクマホン型、パルスチューブ型の冷凍機が開発されつつある。容量の数値で言えば、これまでの１００Ｗクラスであったものが、数１００Ｗから１０００Ｗクラスに延びようとしている。
特開２００７−２７３７４０号公報

超電導コイルや超電導素子の浸漬冷却に使用される、液体窒素などの冷媒を貯える冷却容器では、冷媒をその圧力を大気圧付近に保ったままで、沸点より低い状態の冷媒、すなわちサブクール状態にして使用することで、超電導特性や耐電圧特性の向上を図る手法がよく用いられる。このような冷却容器では、冷媒を沸点より低い状態に冷却する手段として、冷凍機を具備することが一般的である。装置の容量の大型化に伴い、冷凍能力の大きな冷凍機を選択することが可能であるが、冷凍機の冷却ステージと被冷却体である冷媒を熱的に結ぶ、伝熱部材に多大な温度差が生ずることが問題となっていた。

本発明は、冷凍機を備えた冷却容器において、冷凍機の冷凍能力が増加しても、冷却ステージと被冷却体である冷媒の温度差を小さく保つ伝熱構造を実現することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る冷却容器は、低温液体の冷媒を収容して内部に冷媒の液面を形成する冷媒容器と、この冷媒容器を取り囲む断熱容器と、前記冷媒容器内に収容された冷却ステージを備えた冷凍機と、前記冷却ステージと熱的に接続されて前記冷媒容器内に収容された伝熱部材と、を有する冷却容器であって、前記伝熱部材は下方に向けて開放している筒状部を有して、前記筒状部の上端部は閉じて前記冷却ステージに熱的に接続されていること、を特徴とする。

また、本発明に係る超電導装置は、低温液体の冷媒を収容して内部に冷媒の液面を形成する冷媒容器と、この冷媒容器を取り囲む断熱容器と、前記冷媒容器内に収容された冷却ステージを備えた冷凍機と、前記冷却ステージと熱的に接続されて前記冷媒容器内に収容された伝熱部材と、前記冷媒容器内に収容された超電導コイルまたは超電導素子と、を有する超電導装置であって、前記伝熱部材は下方に向けて開放している筒状部を有して、前記筒状部の上端部は閉じて前記冷却ステージに熱的に接続されていること、を特徴とする。

本発明によれば、冷凍機を備えた冷却容器において、冷凍機の冷凍能力が増加しても、冷却ステージと被冷却体である冷媒の温度差を小さく保つことができる。

以下、本発明に係る冷却容器およびそれを用いた超電導装置の実施形態について、図面を参照して説明する。ただし、互いに同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。

［第１の実施形態］
図１は本発明の第１の実施形態に係る冷却容器を示す模式的立断面図である。冷媒容器１３は、室温に置かれる断熱容器１１内に真空などの断熱空間１２を介して配置されている。冷媒容器１３内には、液体窒素などの液体状の冷媒１４が貯えられ、冷媒容器１３内に冷媒の液面４０が形成されている。冷媒容器１３には、冷媒の注入口１５と排出口１６が配置されている。排出口にはバルブ１７が取り付けられている。本実施形態の冷却容器には冷凍機１８が配置され、その冷却ステージ１９は冷媒容器１３内にあって、液面４０よりも上方にある。冷却ステージ１９には、中空構造の伝熱部材２１が熱的に接続されていて、伝熱部材２１全体が液面４０よりも上方にある。伝熱部材２１は軸を鉛直にした筒状であって、上端は閉じていて冷却ステージ１９に固定され、下端は液面４０に向かって開放している。

以上説明した構成において、冷媒１４中で、容器の構成部材の高温部からの熱侵入、超電導コイル３０（図１１を参照して後述）などの熱負荷があると、冷媒の蒸発が生ずる。蒸発した冷媒は、中空構造の伝熱部材２１の内部で、冷却ステージ１９に達し、その表面で潜熱を奪われ再凝縮して液体として落下する。中空構造の伝熱部材２１により、冷媒の蒸気を効率よく集めることができる。

この実施形態で、中空構造の伝熱部材２１がないと仮定した場合の問題点は次の通りである。本実施形態に係る冷却容器では、内部の圧力を大気圧程度に保つため、何らかの加圧手段を具備することがある。冷媒１４よりは沸点の低い異種の気体で加圧することが一般的である。この場合、この異種気体は冷媒１４の蒸発気体より密度が低いので、冷媒容器１３内の上部に位置する冷却ステージ１９周囲に成層しやすくなる。このため、冷媒１４の蒸発気体の再凝縮が起きにくくなり、冷却効果が著しく低下する。図１に示した中空構造の伝熱部材２１によれば、この問題を防止し、冷媒の蒸発を効率よく集めることができる。

なお、冷却ステージ１９を極力冷媒１４に近づける構成はありうるが、その場合は冷媒容器１３の室温から冷媒への距離を縮めることになり多大な熱侵入を生ずることになる。装置容量が大型化した場合には好ましくない。

また、本構成では、冷媒１４と冷却ステージ１９との熱交換に凝縮伝熱を利用しているので、伝熱効果が大きい。

［第２の実施形態］
図２は本発明の第２の実施形態に係る冷却容器を示す模式的立断面図である。本実施形態は、中空構造の伝熱部材２１の冷媒側の端部（下端部）が全周にわたって冷媒１４に浸漬され、端部には気体に対して開放の部位がない。第１の実施形態（図１）の構成と効果は基本的に同じであるが、圧力保持に異種気体を使用したときに分離される効果がある。また、伝熱部材２１が冷媒に浸漬されているので熱伝導による伝熱も期待できる。

図３は、図２の実施形態に係る冷却容器の別の効果を補足説明する模式的立断面図である。図２の構成の場合、中空構造の伝熱部材２１内部の気液界面（液面）２２は、外側の液面４０よりも高くなる。冷却ステージ１９で冷媒の再凝縮が進むと、伝熱部材２１内部の圧力が外側よりも低くなるからである。このため、冷却ステージ１９と冷媒１４との距離が小さくなり、伝熱部材２１自身の熱伝導による伝熱が促進される。

［第３の実施形態］
図４は本発明の第３の実施形態に係る冷却容器を示す模式的立断面図である。本実施形態の場合は、中空構造をなす伝熱部材２１の内部に、冷却ステージ１９と熱的に接続された伝熱部材である筒状体２３を一つないし複数具備する。

各筒状体２３は、軸を鉛直方向として、上端は伝熱部材２１の上端に固定されて閉じており、下端は液面４０に向かって開いている。その他の構成は実施形態１と同様である。筒状体２３を配置することにより、熱伝導に寄与する固体部分の断面積、表面積を増大する効果がある。

［第４の実施形態］
図５は本発明の第４の実施形態に係る冷却容器を示す模式的立断面図である。第３の実施形態（図４）に対して、中空構造の伝熱部材２１および筒状体２３の下部が冷媒に浸漬された構成になっている。中空構造の伝熱部材２１の下端部は全周にわたり、気体に対して開放ではない。この実施形態によれば第２の実施形態（図３）の効果と第３の実施形態（図４）の効果とを合わせて得ることができる。

［第５の実施形態］
図６は本発明の第５の実施形態に係る冷却容器を示す模式的立断面図である。本実施形態は第３の実施形態（図４）の変形であって、中空構造の伝熱部材２１の内部に位置する筒状体２４それぞれが、冷凍機側（上側）に比べて冷媒側（下側）ほど断面積が小さくするような、錘形状（たとえば円錐または角錐）の筒状体２４である。伝熱として、冷却ステージ１９表面での凝縮伝熱を考えるとき、熱的に接続されている伝熱部材表面でも蒸発した冷媒の再凝縮が生ずる。筒状の伝熱部材の上部から凝縮が起きたとき、下部に行くに従い付着する液体の量は増えていく。すなわち、気液界面が次第に外側に向かっていく。この場合、隣接した筒状の伝熱部材表面の液体と干渉する可能性がある。図６のように伝熱部材を錘状の構成とすることで、これを防止し凝縮による伝熱効果をあげることができる。

［第６の実施形態］
図７は本発明の第６の実施形態に係る冷却容器を示す模式的立断面図である。本実施形態は第５の実施形態（図６）の変形であって、中空構造の伝熱部材２１および筒状体２４の下部が冷媒に浸漬された構成になっている。筒状体２４は、第５の実施形態と同様に錘形状である。中空構造の伝熱部材２１の端部は全周にわたり、気体に対して開放ではない。この実施形態によれば第４の実施形態（図５）の効果と第５の実施形態（図６）の効果とを合わせて得ることができる。

［第７の実施形態］
図８は本発明の第７の実施形態に係る冷却容器を示す模式的立断面図である。本実施形態は第２の実施形態（図２）の変形であって、冷媒容器１３において、大気圧あるいはそれ以上に加圧、保持する手段を具備することを特徴としている。図８では、加圧、保持するための配管２５とバルブ２６が配置されている。このような構成をとることにより、冷媒１４の温度を冷凍機１８により下げた際に、冷媒内部での気泡生成を抑制することができる。特に超電導機器においては、気泡生成により電気絶縁低下を防ぐことができる。

［第８の実施形態］
図９は本発明の第８の実施形態に係る冷却容器を示す模式的立断面図である。本実施形態は第７の実施形態（図８）の変形であって、中空構造をなす伝熱部材２１の内部から、冷却容器の外部へバルブ２８を介した配管２７が具備されていることを特徴とする。第７の実施形態（図８）においては、配管２５から冷媒１４とは異種ガスを用いて加圧する際に、異種ガスが冷媒１４に溶け中空構造をなす伝熱部材２１の内部に現出する可能性がある。このような状態になると冷却ステージ１９の周囲が、異種ガスで覆われ、伝熱効果が減少する。第８の実施形態の構成をとることにより、必要に応じて、中空構造をなす伝熱部材２１の内部から、異種ガスを抜くことができ、伝熱効果を維持できる。

［第９の実施形態］
図１０は本発明の第９の実施形態に係る冷却容器を示す模式的立断面図である。本実施形態は第２の実施形態（図２）の変形であって、中空構造をなす伝熱部材２１の外周に断熱部材２９を具備することを特徴としている。配管２５から冷媒１４と同種ガスを用いて加圧する際に、中空構造をなす伝熱部材２１の外周で凝縮が生ずる可能性がある。これは、加圧の効果を失うとともに、熱負荷の増加につながる。断熱部材２９を具備することにより、外周での凝縮を防止し、加圧の効果をいじするとともに熱負荷の増加を抑制できる。

［第１０の実施形態］
図１１は本発明の第１０の実施形態に係る超電導装置を示す模式的立断面図である。本実施形態は第２の実施形態（図２）の変形であって、冷却容器の中で、超電導コイル３０を冷却する構成である。超電導コイル３０に室温部にある電源から電力を供給するために電流リード３１が配置されている。

［他の実施形態］
以上説明した各実施形態は単なる例示であって、本発明はこれらに限定されるものではない。各実施形態の特徴を組み合わせることも可能である。たとえば、第７の実施形態（図８）および第９の実施形態（図１０）は第２の実施形態（図２）の変形として説明したが、これらに、第４の実施形態（図５）の筒状体２３や第６の実施形態（図７）の錐状筒状体２４を導入してもよい。また、第１０の実施形態（図１１）は超電導コイル３０を第２の実施形態（図２）の冷却容器内に収納した例であるが、超電導コイル３０や超電導素子を他の実施形態の冷却容器に収納できることは言うまでもない。

本発明の第１の実施形態に係る冷却容器を示す模式的立断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る冷却容器を示す模式的立断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る冷却容器の効果を示す図であって、図２の冷却容器の運転状態を示す模式的立断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る冷却容器を示す模式的立断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る冷却容器を示す模式的立断面図である。 本発明の第５の実施形態に係る冷却容器を示す模式的立断面図である。 本発明の第６の実施形態に係る冷却容器を示す模式的立断面図である。 本発明の第７の実施形態に係る冷却容器を示す模式的立断面図である。 本発明の第８の実施形態に係る冷却容器を示す模式的立断面図である。 本発明の第９の実施形態に係る冷却容器を示す模式的立断面図である。 本発明の第１０の実施形態に係る超電導装置を示す模式的立断面図である。

符号の説明

１１：断熱容器
１２：断熱空間
１３：冷媒容器
１４：冷媒
１５：注入口
１６：排出口
１７：バルブ
１８：冷凍機
１９：冷却ステージ
２１：伝熱部材
２２：気液界面（液面）
２３：筒状体
２４：筒状体
２５：配管
２６：バルブ
２７：配管
２８：バルブ
２９：断熱部材
３０：超電導コイル
３１：電流リード
４０：液面

Claims (8)

1. 低温液体の冷媒を収容して内部に冷媒の液面を形成する冷媒容器と、
   この冷媒容器を取り囲む断熱容器と、
   前記冷媒容器内に収容された冷却ステージを備えた冷凍機と、
   前記冷却ステージと熱的に接続されて前記冷媒容器内に収容された伝熱部材と、
   を有する冷却容器であって、
   前記伝熱部材は下方に向けて開放している筒状部を有して、前記筒状部の上端部は閉じて前記冷却ステージに熱的に接続されていること、
   を特徴とする冷却容器。
2. 前記筒状部の下端部全体が前記冷媒の液面下に浸漬され、前記冷媒の液面上の空間が、前記筒状部によって仕切られていること、を特徴とする請求項１に記載の冷却容器。
3. 前記筒状部内で前記冷媒の液面上の空間と前記断熱容器の外側とを接続する配管と、
   前記配管に取り付けられたバルブと、
   をさらに有すること、を特徴とする請求項２に記載の冷却容器。
4. 前記冷媒容器内で前記筒状部の外周を覆う断熱部材をさらに有すること、を特徴とする請求項２に記載の冷却容器。
5. 前記筒状部の内側に、下方に向けて開放している少なくとも一つの筒状体が配置されていて、前記筒状体の上端部は閉じて前記冷却ステージに熱的に接続されていること、を特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の冷却容器。
6. 前記筒状部の内側に、上端部は前記冷却ステージに熱的に接続されて下方に向かって細くなりながら延びる少なくとも一つの伝熱体が配置されていること、を特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の冷却容器。
7. 前記冷媒容器内の圧力を高めるための加圧手段を有すること、を特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の冷却容器。
8. 低温液体の冷媒を収容して内部に冷媒の液面を形成する冷媒容器と、
   この冷媒容器を取り囲む断熱容器と、
   前記冷媒容器内に収容された冷却ステージを備えた冷凍機と、
   前記冷却ステージと熱的に接続されて前記冷媒容器内に収容された伝熱部材と、
   前記冷媒容器内に収容された超電導コイルまたは超電導素子と、
   を有する超電導装置であって、
   前記伝熱部材は下方に向けて開放している筒状部を有して、前記筒状部の上端部は閉じて前記冷却ステージに熱的に接続されていること、
   を特徴とする超電導装置。

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