JP2010101580A - 極低温冷媒再凝縮装置および超電導磁石装置 - Google Patents

Abstract

【課題】既存の冷却設備に適用させやすく、通電時におけるガス冷却式電流リードの冷却不足を防ぐことができ、かつ液体冷媒の無駄な消費を抑えることができる極低温冷媒再凝縮装置、および該装置が搭載された超電導磁石装置を提供すること。
【解決手段】極低温冷媒再凝縮装置２は、ガス冷却式電流リード７を冷却したガス１０を再凝縮させる冷凍機１２と、冷凍機１２により再凝縮された液体冷媒を冷媒槽６に戻す冷媒導入管１４と、ガス冷却式電流リード７を冷却したガス１０を大気へ放出させるガス放出の動作と当該ガス放出を阻止する動作とを動的に切り替えるガス放出手段１６とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷媒槽に溜められた液体冷媒により対象物を冷却し、この対象物に電気的に接続された電流リードを前記液体冷媒の気化したガスにより冷却する冷却設備に適用される極低温冷媒再凝縮装置、および該装置が搭載された超電導磁石装置に関する。

超電導コイル等に電流を供給するための電流リードは、極低温部への熱侵入の主要因となるため、冷却が必要である。電流リードの冷却方法としては、冷凍機によって熱伝導で冷却する方式と、ヘリウムなどのガスにより冷却する方式（ガス冷却方式）とがある。

後者の場合、電流リードの冷却には、超電導コイル等を冷却する液体冷媒の気化ガスが用いられる。電流リードを冷却した気化ガスは、一般に、大気へ放出される。液体ヘリウムを用いる超電導磁石装置では、電流リードを冷却し大気に放出されたヘリウムを補充するため、毎月数百リッターの液体ヘリウムを注液する必要があり、ヘリウム価格高騰のおり、装置の運転コストを増大させている。一方で、気化したヘリウムを回収して再凝縮する装置が特許文献１〜３に開示されている。
特許第３０４３００９号公報 特許第２８３６２２１号公報 特許第２５５１０６７号公報

ところで、前述のガス冷却方式の電流リードの場合、自己からの熱侵入で液体冷媒を気化させ、その気化ガスにより自己を冷却するように設計されている。非通電時は、熱伝導による熱侵入、通電時には、さらに抵抗による発熱で、液体冷媒を気化させる。このため、非通電時と通電時とでは、電流リードの冷却に必要なガスの流量は大きく異なる。従って、気化ガスを再凝縮させる装置においては、再凝縮だけではなく、電流リードの冷却も考慮する必要がある。

しかしながら、特許文献１〜３の装置は、再凝縮は行っているものの、電流リードの冷却が考慮されておらず、通電時に冷却不足で電流リードを焼損させてしまう可能性がある。一方、電流リードの冷却不足を防ぐためには、通電時に必要なガス流量にあわせて冷凍機の容量を大きくしなければならず、コストやサイズの増大を招く。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、既存の冷却設備に適用させやすく、通電時におけるガス冷却式電流リードの冷却不足を防ぐことができ、かつ液体冷媒の無駄な消費を抑えることができる極低温冷媒再凝縮装置、および該装置が搭載された超電導磁石装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様による極低温冷媒再凝縮装置は、冷媒槽に溜められた液体冷媒により対象物を冷却し、この対象物に電気的に接続された電流リードを前記液体冷媒の気化したガスにより冷却する冷却設備に適用される極低温冷媒再凝縮装置であって、前記電流リードを冷却した気化ガスを再凝縮させる冷凍機と、前記冷凍機により再凝縮された液体冷媒を前記冷媒槽に戻す冷媒導入管と、前記電流リードを冷却した気化ガスを大気へ放出させるガス放出の動作と当該ガス放出を阻止する動作とを動的に切り替えるガス放出手段とを具備することを特徴とする。

本発明の他の態様による極低温冷媒再凝縮装置は、冷媒槽に溜められた液体冷媒により対象物を冷却し、この対象物に電気的に接続された電流リードを前記液体冷媒の気化したガスにより冷却する冷却設備に適用される極低温冷媒再凝縮装置であって、前記電流リードを冷却した気化ガスを再凝縮させる冷凍機と、前記冷凍機により再凝縮された液体冷媒を前記冷媒槽に戻す冷媒導入管と、前記電流リードを冷却した気化ガスを前記冷媒槽へ戻すガス循環の動作と当該ガス循環を阻止する動作とを動的に切り替えるガス循環手段とを具備することを特徴とする。

本発明によれば、既存の冷却設備に適用させやすく、通電時におけるガス冷却式電流リードの冷却不足を防ぐことができ、かつ液体冷媒の無駄な消費を抑えることができる極低温冷媒再凝縮装置、および該装置が搭載された超電導磁石装置を提供することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

（第１の実施形態）
最初に、図１〜図３を参照して、本発明の第１の実施形態について説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る極低温冷媒再凝縮装置が搭載された超電導磁石装置の構成の一例を示す図である。

図１に示されるように、超電導磁石装置１には、極低温冷媒再凝縮装置２が搭載される。

超電導磁石装置１は、クライオスタット３、真空容器４、輻射シールド５、冷媒槽６、ガス冷却式電流リード７、液体冷媒８、および超電導コイル９を有する。一方、極低温冷媒再凝縮装置２は、断熱容器１１、冷凍機１２、熱交換器１３、冷媒導入管１４、ガス配管１５、およびガス放出手段１６を有する。

超電導磁石装置１側のクライオスタット３は、真空容器４、輻射シールド５、冷媒槽６から構成され、外部電源から電流が供給されるガス冷却式電流リード７を備えている。ガス冷却式電流リード７は、自己からの熱侵入で液体冷媒８を気化させ、その気化ガスにより自己を冷却するように設計されている。冷媒槽６には、液体ヘリウムなどの液体冷媒８が貯められ、この液体冷媒８の中に冷却対象となる超電導コイル９が配置されている。この超電導コイル９には、電流を供給するガス冷却式電流リード７が電気的に接続されている。ガス冷却式電流リード７からの熱侵入で液体冷媒８から気化されたガス１０は、ガス冷却式電流リード７を冷却した後、極低温冷媒再凝縮装置２へと導入される。

極低温冷媒再凝縮装置２側では、断熱容器１１の中に冷凍機１２が備えられ、この冷凍機１２には熱交換器１３が備えられている。冷凍機１２は、ガス配管１５を通じて導入されるガス１０を冷却する。冷却されることで比重が重くなったガス１０は、断熱容器１１内下部へと導かれ、熱交換器１３で再凝縮される。再凝縮された液体冷媒は、冷媒導入管１４を通じて冷媒槽６へ戻される。

なお、冷媒導入管１４の先端は、液体冷媒８の液中に配置される。このように配置することにより、冷媒導入管１４をガス１０が上昇する逆流が起こりにくくなる。従って、ガス冷却式電流リード７を流れるガス１０の循環が妨げられることがなく、安定的にガス冷却式電流リード７を冷却することができる。

また、冷凍機１２には、例えば、周知のＧＭ（ギフォード・マクマホン）冷凍機、ＧＭ−ＪＴ（ジュール・トムソン）冷凍機、ＧＭ型パルス冷凍機、スターリング型パルス冷凍機、もしくはスターリング冷凍機を適用することができる。これらの中でも、室温のガスヘリウムを再凝縮する冷凍機としては、ＧＭ型パルスチューブ冷凍機が適している。ＧＭ型パルスチューブ冷凍機は、蓄冷式冷凍機の一種であり、冷媒ガスとして一般にヘリウムガスが使用されている。基本的な構成として、冷凍機は蓄冷器の他にヘリウムガスを圧縮する圧力振動源、および冷媒ガスの圧力変動と位置変動（変位）の時間差を制御する位置調節機構から構成されている。このＧＭ型パルスチューブ冷凍機を、冷凍機１２に適用することにより、再凝縮効率が高い極低温冷媒再凝縮装置２を実現することができる。

超電導コイル９を励磁する場合には、ガス冷却式電流リード７を介して外部電源により通電する。通電時には、ガス冷却式電流リード７が自己発熱するために、非通電時と比べて冷却に必要なガス１０の流量は増加するが、極低温冷媒再凝縮装置２での再凝縮量が少ないとガス１０の流量が不足してしまうことが考えられる。そのような事態にならないよう、極低温冷媒再凝縮装置２側には、ガス冷却式電流リード７を冷却したガス１０を必要に応じて放出させるガス放出手段１６が備えられる。このガス放出手段１６は、ガス冷却式電流リード７を冷却したガス１０を必要に応じて大気へ放出させるガス放出の動作と当該ガス放出を阻止する動作とを動的に切り替える機能を有する。これにより、液体冷媒８を無駄に消費することなく、ガス冷却式電流リード７を冷却するために必要な流量を確保することができる。

ガス冷却式電流リード７のガス１０の流量が不足しているかどうかは、（１）ヘリウム槽６の内部圧力が設定したレベルを超えているか否か、（２）ガス冷却式電流リード７の温度が設定したレベルを超えているか否か、（３）ガス冷却式電流リード７の励磁電流が設定したレベルを超えているか否か、もしくは、（４）ガス冷却式電流リード７を含む電気回路の一部の電圧の絶対値が設定したレベルを超えているか否か、の少なくとも１つを判定することにより把握することができる。

前述の（１）〜（４）の少なくとも１つを判定できるようにするため、例えば図２に示されるように、対象の物理量を計測して設定値との比較を行ない、その比較結果を示す信号（計測値が設定値を超えたことを示す信号、又は、計測値が設定値を超えていないことを示す信号、あるいは、計測値そのものを示す信号）をガス放出手段１６へ伝える検出部２１を所定の場所に設置しておく。

これにより、ガス放出手段１６は、図３に示されるように、検出部２１を通じて状態監視を行い（ステップＳ１１）、計測される物理量の値が設定したレベルを超えているときには（ステップＳ１２のＹＥＳ）、ガス冷却式電流リード７を冷却したガス１０を大気へ放出させ（ステップＳ１３）、一方、この設定したレベルを超えていないときには（ステップＳ１２のＮＯ）、当該ガスが大気へ放出されることを阻止する（ステップＳ１４）。以降、このような動作を繰り返す。

なお、ガス放出手段１６においてガス放出を実行する際には、計測される物理量の値と設定値との差に応じてガス放出の量を増減させるようにしてもよい。

この第１の実施形態によれば、ガス放出手段１６がガス１０を必要に応じて放出させるので、ガス冷却式電流リード７の冷却不足を抑えることができ、かつ液体冷媒８の無駄な消費を抑制することができる。また、このようなガス放出手段１６は、既存の冷却設備に大きな変更を加えることなく比較的簡単に設置することができる。

（第２の実施形態）
次に、図４〜図６を参照して、本発明の第２の実施形態について説明する。

図４は、本発明の第２の実施形態に係る極低温冷媒再凝縮装置が搭載された超電導磁石装置の構成の一例を示す図である。なお、図１と共通する要素には同一の符号を付している。以下では、図１と共通する要素についての詳細な説明を省略し、異なる要素を中心に説明する。

図１では、ガス放出手段１６が極低温冷媒再凝縮装置２側に備えられる例を示したが、図４では、ガス放出手段１６の代わりに、ガス循環手段１７が備えられる。すなわち、極低温冷媒再凝縮装置２側には、電流リード７を冷却したガス１０を必要に応じてガス配管１５の途中からバイパスさせて冷媒槽６へ戻すガス循環手段１７が備えられる。このガス循環手段１７は、ガス冷却式電流リード７を冷却したガス１０を冷媒槽６へ戻すガス循環の動作と当該ガス循環を阻止する動作とを動的に切り替える機能を有する。これにより、液体冷媒８を無駄に消費することなく、ガス冷却式電流リード７を冷却するために必要な流量を確保することができる。

ガス冷却式電流リード７のガス１０の流量が不足しているかどうかは、前述の（１）〜（４）を判定することにより把握することができる。

前述の（１）〜（４）の少なくとも１つを判定できるようにするため、例えば図５に示されるように、対象の物理量を計測して設定値との比較を行ない、その比較結果を示す信号（計測値が設定値を超えたことを示す信号、又は、計測値が設定値を超えていないことを示す信号、あるいは、計測値そのものを示す信号）をガス循環手段１７へ伝える検出部２２を所定の場所に設置しておく。

これにより、ガス循環手段１７は、図６に示されるように、検出部２２を通じて状態監視を行い（ステップＳ２１）、計測される物理量の値が設定したレベルを超えているときには（ステップＳ２２のＹＥＳ）、ガス冷却式電流リード７を冷却したガス１０を冷媒槽６へ戻し（ステップＳ２３）、一方、この設定したレベルを超えていないときには（ステップＳ２２のＮＯ）、当該ガスが冷媒槽６へ戻ることを阻止する（ステップＳ２４）。以降、このような動作を繰り返す。

なお、ガス循環手段１７においてガス循環を実行する際には、計測される物理量の値と設定値との差に応じてガス循環の量を増減させるようにしてもよい。

この第２の実施形態によれば、ガス循環手段１７がガス冷却式電流リード７を冷却したガス１０を必要に応じて冷媒槽６へ戻すので、ガス冷却式電流リード７の冷却不足を抑えることができ、かつ液体冷媒８の無駄な消費を抑制することができる。また、このようなガス循環手段１７は、既存の冷却設備に大きな変更を加えることなく比較的簡単に設置することができる。

本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る極低温冷媒再凝縮装置が搭載された超電導磁石装置の構成の一例を示す図。 図１中に示されるガス放出手段１６に適用される検出部２１を説明するための図。 図１中に示されるガス放出手段１６の動作を示すフローチャート。 本発明の第２の実施形態に係る極低温冷媒再凝縮装置が搭載された超電導磁石装置の構成の一例を示す図。 図４中に示されるガス循環手段１７に適用される検出部２２を説明するための図。 図４中に示されるガス循環手段１７の動作を示すフローチャート。

符号の説明

１…超電導磁石装置、２…極低温冷媒再凝縮装置、３…クライオスタット、４…真空容器、５…輻射シールド、６…冷媒槽、７…ガス冷却式電流リード、８…液体冷媒、９…超電導コイル、１０…ガス、１１…断熱容器、１２…冷凍機、１３…熱交換器、１４…冷媒導入管、１５…ガス配管、１６…ガス放出手段、１７…ガス循環手段、２１，２２…検出部。

Claims (13)

1. 冷媒槽に溜められた液体冷媒により対象物を冷却し、この対象物に電気的に接続された電流リードを前記液体冷媒の気化したガスにより冷却する冷却設備に適用される極低温冷媒再凝縮装置であって、
   前記電流リードを冷却した気化ガスを再凝縮させる冷凍機と、前記冷凍機により再凝縮された液体冷媒を前記冷媒槽に戻す冷媒導入管と、前記電流リードを冷却した気化ガスを大気へ放出させるガス放出の動作と当該ガス放出を阻止する動作とを動的に切り替えるガス放出手段とを具備することを特徴とする極低温冷媒再凝縮装置。
2. 請求項１に記載の極低温冷媒再凝縮装置において、前記ガス放出手段は、前記冷媒槽の内部圧力が設定したレベルを超えているときには前記電流リードを冷却したガスを大気へ放出させ、この設定したレベルを超えていないときには当該ガスが大気へ放出されることを阻止することを特徴とする極低温冷媒再凝縮装置。
3. 請求項１に記載の極低温冷媒再凝縮装置において、前記ガス放出手段は、前記電流リードの温度が設定したレベルを超えているときには前記電流リードを冷却したガスを大気へ放出させ、この設定したレベルを超えていないときには当該ガスが大気へ放出されることを阻止することを特徴とする極低温冷媒再凝縮装置。
4. 請求項１に記載の極低温冷媒再凝縮装置において、前記ガス放出手段は、前記電流リードに流れる電流が設定したレベルを超えているときには前記電流リードを冷却したガスを大気へ放出させ、この設定したレベルを超えていないときには当該ガスが大気へ放出されることを阻止することを特徴とする極低温冷媒再凝縮装置。
5. 請求項１に記載の極低温冷媒再凝縮装置において、前記ガス放出手段は、前記電流リードを含む電気回路の一部の電圧の絶対値が設定したレベルを超えているときには前記電流リードを冷却したガスを大気へ放出させ、この設定したレベルを超えていないときには当該ガスが大気へ放出されることを阻止することを特徴とする極低温冷媒再凝縮装置。
6. 冷媒槽に溜められた液体冷媒により対象物を冷却し、この対象物に電気的に接続された電流リードを前記液体冷媒の気化したガスにより冷却する冷却設備に適用される極低温冷媒再凝縮装置であって、
   前記電流リードを冷却した気化ガスを再凝縮させる冷凍機と、前記冷凍機により再凝縮された液体冷媒を前記冷媒槽に戻す冷媒導入管と、前記電流リードを冷却した気化ガスを前記冷媒槽へ戻すガス循環の動作と当該ガス循環を阻止する動作とを動的に切り替えるガス循環手段とを具備することを特徴とする極低温冷媒再凝縮装置。
7. 請求項６に記載の極低温冷媒再凝縮装置において、前記ガス循環手段は、前記冷媒槽の内部圧力が設定したレベルを超えているときには前記電流リードを冷却したガスを前記冷媒槽へ戻し、この設定したレベルを超えていないときには当該ガスが冷媒槽へ戻ることを阻止することを特徴とする極低温冷媒再凝縮装置。
8. 請求項６に記載の極低温冷媒再凝縮装置において、前記ガス循環手段は、前記電流リードの温度が設定したレベルを超えているときには前記電流リードを冷却したガスを前記冷媒槽へ戻し、この設定したレベルを超えていないときには当該ガスが冷媒槽へ戻ることを阻止することを特徴とする極低温冷媒再凝縮装置。
9. 請求項６に記載の極低温冷媒再凝縮装置において、前記ガス循環手段は、前記電流リードに流れる電流が設定したレベルを超えているときには前記電流リードを冷却したガスを前記冷媒槽へ戻し、この設定したレベルを超えていないときには当該ガスが冷媒槽へ戻ることを阻止することを特徴とする極低温冷媒再凝縮装置。
10. 請求項６に記載の極低温冷媒再凝縮装置において、前記ガス循環手段は、前記電流リードを含む電気回路の一部の電圧の絶対値が設定したレベルを超えているときには前記電流リードを冷却したガスを前記冷媒槽へ戻し、この設定したレベルを超えていないときには当該ガスが冷媒槽へ戻ることを阻止することを特徴とする極低温冷媒再凝縮装置。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の極低温冷媒再凝縮装置において、前記冷媒導入管の先端が前記液体冷媒中に配置されていることを特徴とする極低温冷媒再凝縮装置
12. 請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の極低温冷媒再凝縮装置において、前記冷凍機がＧＭ型パルスチューブ冷凍機であることを特徴とする極低温冷媒再凝縮装置。
13. 請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の極低温冷媒再凝縮装置が搭載された超電導磁石装置。

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