JP2010196909A - Cryogenic cooling device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は例えば単結晶引上げ装置、磁気分離装置等に適用される極低温冷却装置に関する。 The present invention relates to a cryogenic cooling device applied to, for example, a single crystal pulling device, a magnetic separation device, and the like.
近年、臨界温度が高い超電導材料を用いた高温超電導コイルが開発され、この高温超電導コイルを適用した超電導磁石が種々提案されている。超電導磁石は極低温に冷却して使用され、この冷却方式には液体ヘリウムで浸漬冷却する方式と、冷凍機で伝導冷却する方式とが採用されている。 In recent years, a high-temperature superconducting coil using a superconducting material having a high critical temperature has been developed, and various superconducting magnets using the high-temperature superconducting coil have been proposed. The superconducting magnet is used after being cooled to a very low temperature. For this cooling method, a method of immersion cooling with liquid helium and a method of conductive cooling with a refrigerator are employed.
一般的には、液体ヘリウム浸漬方式は大きい発熱がある装置および安定性が要求される装置等に適用され(例えば非特許文献1等参照)、伝導冷却方式は小型の超電導装置および熱負荷の少ない超電導磁石に適用される。 In general, the liquid helium immersion method is applied to a device that generates a large amount of heat and a device that requires stability (see, for example, Non-Patent Document 1), and the conduction cooling method is a small superconducting device and a small heat load. Applied to superconducting magnets.
高温超電導コイルは従来の金属系超電導コイルよりも高い温度で使用できるため、従来と異なる冷却方法が考えられる。特に、超電導エネルギ貯蔵装置(SMES)等の一時的に大きな発熱がある超電導コイルの冷却には、蒸発潜熱による大きな冷却能力が期待できる液体ヘリウムによる浸漬冷却方式が採用されてきた。しかし、液体ヘリウムによる浸漬冷却方式では冷却温度が4Kに限定されるため、高温超電導コイルに適した冷却方式ということはできない。 Since the high-temperature superconducting coil can be used at a higher temperature than the conventional metal-based superconducting coil, a cooling method different from the conventional one can be considered. In particular, for cooling a superconducting coil that generates a large amount of heat temporarily, such as a superconducting energy storage device (SMES), an immersion cooling method using liquid helium, which can be expected to have a large cooling capacity due to latent heat of vaporization, has been adopted. However, since the cooling temperature is limited to 4K in the immersion cooling method using liquid helium, it cannot be a cooling method suitable for the high-temperature superconducting coil.
これに対し、本願発明者らは高温超電導マグネットを使用することができる高い冷却温度でも、大きい冷却能力を有するガス蓄冷冷却方式を適用した極低温冷却装置を開発している。 On the other hand, the present inventors have developed a cryogenic cooling device to which a gas regenerative cooling system having a large cooling capacity is applied even at a high cooling temperature at which a high-temperature superconducting magnet can be used.
図8は、このガス蓄冷冷却方式を適用した従来の極低温冷却装置100を一部断面として示す側面図である。図8に示すように、この極低温冷却装置100は密閉容器として、気密な密閉箱形の真空断熱容器101を備えており、この真空断熱容器101内の一側壁側(図示右側)に冷却ガス配管102が縦長に配置されている。冷却ガス配管102の上端には極低温冷凍機101aが設けられ、下端側には低温ガス(例えばヘリウムガス)を収容する低温ガス容器103が設けてられている。
FIG. 8 is a side view showing, as a partial cross-section, a conventional
真空断熱容器101内の低温ガス容器103と対峙する下端位置(図示左側)には、低温バッファ104が配置されており、これらの真空断熱容器101と低温バッファ104とはコイル冷却ガス配管105によって接続されて、低温ガス容器103側から冷却ガスがコイル冷却ガス配管105に流れる構成としてある。
A low-
また、コイル冷却ガス配管105の長さ方向中央部分には、被冷却装置である超電導コイル106が配置されており、コイル冷却ガス配管105には超電導コイル106と同一の軸心をもって円弧状部分105aが形成されている。このコイル冷却ガス配管105の円弧状部分105aが、超電導コイル106の径方向の略中央部に配置されている。コイル冷却ガス配管105には、冷却ガス流量制御弁107が設けられている。超電導コイル106には温度検出器(温度計)108が設けてある。
In addition, a
低温バッファ104には高温ガス配管109が接続され、この高温ガス配管109は真空断熱容器101上方の圧縮機流量調整弁110を介して極低温圧縮機111に接続されている。また、高温ガス配管109には熱交換器112a,112bが設けられている。極低温圧縮機111の吐出側には、高圧配管113が連結され、この高圧配管113には圧縮機流量調整弁114が設けられている。
A high-temperature gas pipe 109 is connected to the low-
さらに、高圧配管113は真空断熱容器101内において熱交換器112a,112bを介して冷却ガス配管102の冷凍機熱交換器115a,115bに接続されている。冷凍機熱交換器115a,115bには予冷配管116が設けられ、この予冷配管116には予冷弁117が設けられている。超電導コイル106は、伝熱部材118を介して冷却ガス配管102に接続されている。
Further, the high-
この構成により、低温ガス容器103には低温に冷却した加圧ヘリウムガスが蓄えられ、必要に応じて低温バッファ104との差圧でコイル冷却ガス配管105にガスが流されて超電導コイル106が冷却される。低温ガス容器103から低温バッファ104に移動したヘリウムガスは、極低温圧縮機111で再度圧縮されるとともに、極低温冷凍機111と熱交換器112a,112bで冷却され、低温ガス容器103に戻されて次の冷却に備えられる。
With this configuration, pressurized helium gas cooled to a low temperature is stored in the low
ところで、図8に示した上述の冷却系については、下記の(1)―(4)に示す課題がある。 Incidentally, the above-described cooling system shown in FIG. 8 has the following problems (1) to (4).
(1)低温ガス容器の予冷方法についての課題
図8の構成では、超電導コイル106を室温から冷却する際に、冷却ガスを連続して流すことで超電導コイル106をガス冷却し、この超電導コイル106と極低温冷凍機101aとの温度差を低減することで効率よく冷却し、冷却時間を短縮している。しかし、この構成では低温ガス容器103および低温バッファ104の上面側にのみコイル冷却ガス配管105が設けられているため、必ずしもガス冷却を効率よく行うことができず、装置全体の冷却時間の短縮が図れないという課題がある。
(1) Problems concerning the method of pre-cooling the low temperature gas container In the configuration of FIG. 8, when the
また、低温ガス容器103および低温バッファ104に接続される配管105,109が、低温ガス容器103の上方の一箇所にまとめて配置されているため、低温ガスによる予冷を必ずしも効率よく行うことができず、予冷に一定以上の時間が必要となっていた。
In addition, since the
(2)ガスの膨張圧縮についての課題
従来の冷却方法では、ガスを加圧および減圧するときにヘリウムガスの温度が変化するが、この温度変化がガスの流れに悪影響を与える場合がある。
(2) Problems concerning expansion and compression of gas In the conventional cooling method, the temperature of the helium gas changes when the gas is pressurized and depressurized. This change in temperature may adversely affect the gas flow.
第1の影響は、低温ガス容器103から低温バッファ104にガスを流すときに、低温ガス容器103の圧力が低下することによって低温ガス容器103内のガス温度が低下する一方、低温バッファ104の圧力が高くなることにより低温バッファ104内のガス温度が上昇する場合である。
The first effect is that when the gas flows from the low
この場合には、低温ガス容器103のガス密度が高くなり、低温ガス容器103に残るガスの量が温度変化しない場合に比べて増加し、逆に低温バッファ104のガス密度が低くなり、低温バッファ104に充填できるガス量が、温度変化の無い場合に比べて減少する。この結果、低温ガス容器103から低温バッファ104に送り込むことができるガス量が、温度変化しない場合に比べて減少する。このように、利用できるガス量が減少するため、蓄冷量が減少し、除熱できる熱量が減少する。
In this case, the gas density of the low
第2の影響は、低温バッファ104のガスを低温ガス容器103に加圧して充填する場合である。この場合にも、低温ガス容器103内の温度が上昇してガス密度が低下し、低温バッファ104では温度が低下してガス密度が高くなるため、充填できるガス量が温度変化の無い場合に比べて減少する。この点も蓄冷量の減少に繋がり、除熱量が減少する。
The second effect is when the gas in the
(3)ガスの温度変化によるコイルへの影響の課題
また、従来では低温に冷却したガスを低温ガス容器103に充填していたが、この場合、ガス充填時に低温ガス容器103内に収容されていたガスを圧縮するために、ガス温度が上昇する問題があった。すなわち、ガス充填時に低温ガス容器103の温度が上昇すると、極低温冷凍機111の温度が上昇し、超電導コイル106の温度が上昇する。
(3) Problem of influence on coil due to change in gas temperature Conventionally, a gas cooled to a low temperature is filled in the
(4)2重冷却システムについての課題
図8に示した冷却システムでは、通常は伝導冷却により冷却し、一時的な発熱があった時のみガス冷却しており、二つの冷却システムを併用している。このため、構造が複雑になっている。
(4) Problems with the double cooling system The cooling system shown in FIG. 8 is usually cooled by conduction cooling and gas cooling only when there is temporary heat generation. Yes. For this reason, the structure is complicated.
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、予冷時間を短縮するとともに、ガスの温度変化による蓄冷量の減少やコイル温度の変化を少なくし、構成の簡単化も図ることができる極低温冷却装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such problems, and shortens the pre-cooling time, reduces the amount of cold storage and changes in coil temperature due to changes in gas temperature, and simplifies the configuration. An object of the present invention is to provide a cryogenic cooling device capable of achieving the above.
前記の目的を達成するため、本発明では、気密構造の密閉容器内に極低温冷却対象となる被冷却物を設置するとともに、前記密閉容器内に低温の加圧ガスを収容する低温ガス容器を配置し、この低温ガス容器から前記被冷却物と熱的に接触する冷却ガス配管を介して前記低温ガス容器から前記加圧ガスの供給を受ける低温バッファと、前記冷却ガス配管に設けられてその管路を開閉する冷却ガス流量制御弁と、前記低温バッファに収容されたガスの供給を低圧配管により受けて当該ガスを大気圧以上に加圧し、前記低温ガス容器に高圧配管を介して高圧ガスを供給する圧縮機と、前記被冷却物の状態変化を測定する測定手段とを備え、前記低温ガス容器は、前記高圧配管を接続する高圧配管接続口と、前記コイル冷却配管を接続するコイル冷却配管接続口とを当該ガス容器の異なる面に形成する一方、前記低温バッファは、前記低圧ガス配管を接続する低圧ガス配管口と前記コイル冷却配管を接続するコイル冷却配管接続口とを前記低温バッファの異なる面に形成したことを特徴とする極低温冷却装置を提供する。 In order to achieve the above object, in the present invention, an object to be cooled that is a cryogenic cooling object is installed in an airtight sealed container, and a low-temperature gas container that contains a low-temperature pressurized gas is contained in the airtight container. A low-temperature buffer that receives the pressurized gas from the low-temperature gas container via a cooling gas pipe that is in thermal contact with the object to be cooled from the low-temperature gas container, and is provided in the cooling gas pipe A cooling gas flow rate control valve that opens and closes the pipeline, and the supply of the gas stored in the low-temperature buffer is received by a low-pressure pipe, the gas is pressurized to atmospheric pressure or higher, and the high-pressure gas is supplied to the low-temperature gas container via the high-pressure pipe. And a measuring means for measuring a state change of the object to be cooled, wherein the low temperature gas container has a high pressure pipe connection port for connecting the high pressure pipe and a coil cooling port for connecting the coil cooling pipe. While the pipe connection port is formed on a different surface of the gas container, the low temperature buffer includes the low pressure gas pipe port connecting the low pressure gas pipe and the coil cooling pipe connection port connecting the coil cooling pipe. The cryogenic cooling device is characterized by being formed on different surfaces.
本発明によれば、低温ガス容器および低温バッファのそれぞれ異なる面に配管接続口を形成することによって効率よくガスを流動させることができ、予冷時間を短縮することができるとともに、ガスの温度変化による蓄冷量の減少やコイル温度の変化を減少することができ、しかも構成の簡素化を図ることができる。 According to the present invention, the gas can be efficiently flowed by forming the pipe connection ports on the different surfaces of the low temperature gas container and the low temperature buffer, the precooling time can be shortened, and the temperature change of the gas A decrease in the amount of cold storage and a change in coil temperature can be reduced, and the configuration can be simplified.
以下、本発明に係る極低温冷却装置の実施形態について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of a cryogenic cooling device according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[第1実施形態](図1)
図1は、本発明の第1実施形態による極低温冷却装置100Aを示す模式図である。
First Embodiment (FIG. 1)
FIG. 1 is a schematic diagram showing a
図1に示すように、本実施形態の極低温冷却装置100Aは、気密構造の真空断熱容器からなる密閉容器20を備えており、この密閉容器20内の一方の側(図示右下側)に低温ガス容器2が配置され、低温ガス容器2には低温の加圧ガスが収容されている。
As shown in FIG. 1, the
また、密閉容器20内には、極低温冷却の対象となる被冷却物である超電導コイル1が設置されている。さらに、密閉容器20内の他方の側(図示左側)には低温バッファ5が設けられ、低温ガス容器2側からコイル冷却配管であるコイル冷却ガス配管3を介して冷却ガス(矢印a1)の供給を受ける構成となっている。コイル冷却ガス配管3には管路を開閉する冷却ガス流量制御弁4が設けられている。
In the sealed
また、低温バッファ5に収容されたガスは低圧ガス配管10aを介して圧縮機9に供給されて、大気圧以上に加圧される。そして、高圧ガス配管10bを介して低温ガス容器2に高圧ガスが供給される。また、被冷却物である超電導コイル1の状態変化を測定する温度測定手段として、温度計7が備えられている。
Moreover, the gas accommodated in the
さらに、低温ガス容器2の上面側には、高圧ガス配管10bを接続する高圧配管接続口「A」が形成される一方、低温ガス容器2の下面側には、コイル冷却ガス配管3を接続するコイル冷却ガス配管接続口「B」が形成されている。このように、本実施形態では、ガス容器の異なる面に高圧配管接続口「A」と、コイル冷却ガス配管接続口「B」とが形成されている。
Further, a high pressure pipe connection port “A” for connecting the high
また、低温バッファ5には、コイル冷却ガス配管3を接続するコイル冷却ガス配管接続口「C」と低圧ガス配管2を接続する低圧ガス配管口「D」とが、低温バッファ5の異なる面に形成されている。すなわち、被冷却物である超電導コイル1と、加圧したガスを収容可能な低温ガス容器2と、前記低温ガス容器2に接続されるとともに被冷却物に熱的に接触しているコイル冷却ガス配管3とが設けられている。
The
また、コイル1を極低温冷凍機6で冷却するための伝熱部材8と、低温バッファ5に収容したガスを圧縮し低温ガス容器2に再充填するための圧縮機9と、低圧ガス配管10aおよび高圧ガス配管10bとが備えられている。さらに、圧縮したガスを極低温冷凍機6で冷却するための冷凍機熱交換器11a,11bと、圧縮機9による圧縮過程で低温部分と室温部分とを往復するガスの熱交換のための熱交換器12a,12bと、圧縮機9の出入口に設けられた圧縮機流量調整弁13a,13bとが備えられている。
Further, a
そして、高圧ガス配管10bから分岐した2段熱交換器12bをバイパスする予冷配管14と、この予冷配管14に設けられた予冷弁15と、これらの低温部分を内包する真空断熱容器20とが備えてある。また、超電導コイル6には、伝熱部材8が連結されており、コイル冷却ガス配管3は、傾斜状に配置された金属製の伝熱部材8により低温ガス容器2に接続されている。
A precooling
このように構成された極低温冷却装置100Aにおいて、超電導コイル1は定常時に伝熱部材8を介して極低温冷凍機6によって冷却される。電流変化等によって大きな発熱があり、超電導コイル1の温度が上昇した場合には、冷却ガス流量制御弁4が開となり、極低温冷凍機6で冷却されて、低温ガス容器2に蓄えられているガスが大気圧以上の加圧ガスとなる。
In the
そして、矢印a1で示すように、大流量の低温ガスを一気にコイル冷却ガス配管3に流すことで、超電導コイル1を速やかに冷却する。超電導コイル1を冷却した後のガスは、低温バッファ5に一時的に蓄えられ、低圧ガス配管10aを通り、圧縮機9で圧縮された後、高圧ガス配管10bを通して低温ガス容器2に充填される。
Then, as indicated by an arrow a1, the
このとき、圧縮ガスは2つの熱交換器12a,12bと、冷凍機熱交換器11a,11bによって冷却される。この場合のガス流量は、冷凍機6への熱負荷を少なくするため、超電導コイル1を冷却する場合の流量に比べて格段に少ない流量に設定される。
At this time, the compressed gas is cooled by the two
これにより、冷凍機6の冷凍能力に比べて極めて大きい冷凍能力で超電導コイル1を急速に冷却することが可能となる。
As a result, the
この極低温冷却装置100Aを室温から所定の温度まで冷却する場合には、冷却ガス流量制御弁4と予冷弁15とを開き、圧縮機流量制御弁13a,13bでガス充填過程と同程度に流量を絞った状態で、圧縮機9により圧縮したガスを冷凍機熱交換器11a,11bで冷却し、コイル冷却ガス配管3に流すことで超電導コイル1を冷却する。これにより超電導コイル1を伝熱部材8で冷却した場合に比べて短時間で超電導コイル1を冷却することができる。
When the
なお、予冷配管14および予冷弁15を設けることにより、1段冷凍機熱交換器11aで冷却したガスが、2段熱交換器12a,12bで低圧ガス配管10aを流れるガスに暖められ、冷凍効率が悪くなることを防止している。
In addition, by providing the
また、図1に示した構成では、低温ガス容器2に入る高温ガス配管10bの接続部Aと、低温ガス容器2から出るコイル冷却ガス配管3の接続部Bとが、低温ガス容器2の概ね反対側の相対する位置(上下位置)に取付けられているため、低温ガス容器2も短時間で冷却される。
Further, in the configuration shown in FIG. 1, the connection part A of the high
同様に、低温バッファ5に出入りする低圧ガス配管10aとコイル冷却ガス配管3の接続部C,Dも概ね反対側の相当する位置(上下位置)に取付けられているため、低温バッファ5を短時間で冷却することが可能になる。従来では低温ガス容器2に出入りする配管が1箇所にまとめて設置されていたため、低温ガスで予冷することができず、予冷時には一定以上の時間を必要としていたが、本実施形態によれば、低温ガス容器2および低温バッファ5を低温ガスで予冷することができるため、従来に比して予冷時間を短縮することができる。
Similarly, since the connecting portions C and D of the low
すなわち、本実施形態によれば、低温ガス容器2に、高圧配管10bを接続する接続口「A」と、コイル冷却配管であるコイル冷却ガス配管3を接続する接続口「B」とを個別に配置し、低温バッファ5にコイル冷却ガス配管3を接続する接続口「C」と、低圧ガス配管10aを接続する接続口「D」とを別々に設けたことにより、低温ガス容器2に入る高温ガス配管10bの接続部と、低温ガス容器2から出るコイル冷却ガス配管3の接続部が低温ガス容器2の概ね反対側に取付けられているため低温ガス容器2も短時間で冷却される。
That is, according to this embodiment, the connection port “A” for connecting the high-
[第2実施形態](図2)
図2は、本発明の第2実施形態による極低温冷却装置100Bを示す模式図である。なお、以下の実施の形態において第1実施形態と同一部分については同一符号を付し当該部分の構成の説明は省略する。
[Second Embodiment] (FIG. 2)
FIG. 2 is a schematic diagram showing a
本発明の第2実施形態では、図2に示すように、低温ガス容器2の内部にフィン16a付きの銅ブロック16が挿入されている。これにより、低温ガス容器2内部のガスがフィン16aとの直接接触により冷却される構成となっている。
In 2nd Embodiment of this invention, as shown in FIG. 2, the
すなわち、本実施形態では極低温冷凍機6で低温ガス容器2内のガスを直接冷却するため、低温ガス容器2内のガスを充分に冷却することが可能になる。この結果、超電導コイル1を冷却するときの低温ガスの温度を充分低温にできるのみならず、ガスの密度が高くなる結果、低温ガス容器2に充填できるガスの量を増やすことができる。
That is, in this embodiment, since the cryogenic refrigerator 6 directly cools the gas in the
ただし、本実施形態では充填時のガス流量が多いと、低温ガス容器2の温度が上昇して冷凍機の冷却ステージ温度が上昇し、超電導コイル1の温度が上昇する場合がある。そこで、本実施形態では低温ガス容器2の温度を測定するための温度計7bが取付けられており、この温度が上昇しないように圧縮機流量制御弁13bを調整する。これによりガス充填時に超電導コイル1の温度上昇を防止することができる。なお、他の構成については第1実施形態と略同様である。
However, in this embodiment, if the gas flow rate at the time of filling is large, the temperature of the
本実施形態によれば、従来低温に冷却したガスを低温ガス容器2に充填していた場合に比べて、ガス充填時に低温ガス容器2内にあったガスを圧縮するためのガス温度上昇を防止することができる。
According to the present embodiment, compared to the case where the gas cooled to a low temperature is filled in the low
[第3実施形態](図3)
図3は、本発明の第3実施形態による極低温冷却装置100cを示す模式図である。
[Third Embodiment] (FIG. 3)
FIG. 3 is a schematic diagram showing a cryogenic cooling device 100c according to a third embodiment of the present invention.
本実施形態では、図3に示すように、低温ガス容器2が大径管からなるコイル状の低温ガス蓄積配管2bとして構成されている。また、この低温ガス蓄積配管2bは銅ブロック16bに巻回された構成としてある。なお、他の構成については、第1実施形態と略同様である。
In this embodiment, as shown in FIG. 3, the
本実施形態によれば、極低温冷凍機6で低温ガス蓄積配管2b内のガスを充分に冷却することができるため、超電導コイル1を冷却するときのガスの温度を充分低温にすることができる。しかも、この構成によれば、低温ガスの密度が高くなる結果、低温ガス容器2に充填できるガスの量を増大することができる。なお、他の構成については第1実施形態と略同様である。
According to the present embodiment, the cryogenic refrigerator 6 can sufficiently cool the gas in the low temperature gas storage pipe 2b, so that the temperature of the gas when cooling the
[第4実施形態](図4)
図4は、本発明の第4実施形態による極低温冷却装置100dを示す模式図である。
[Fourth Embodiment] (FIG. 4)
FIG. 4 is a schematic diagram showing a cryogenic cooling device 100d according to a fourth embodiment of the present invention.
本実施形態では、図4に示すように、低温ガス容器2と低温バッファ5を伝熱部材17で熱的に接続している。これにより、温度上昇した低温バッファ5から温度低下した低温ガス容器2に熱が流れ、低温ガス容器2と低温バッファ5との温度変化が小さくなる。
In the present embodiment, as shown in FIG. 4, the low
その結果、低温ガス容器2から低温バッファ5へ流すことができるガス量が多くなり、冷凍能力を大きくすることができる。
As a result, the amount of gas that can flow from the low
すなわち、従来では低温ガス容器2から低温バッファ5へガスを流したときに、低温ガス容器2の温度は圧力が低下すると共に下がり、逆に低温バッファ5の温度は圧力が上昇するとともに上がっていた。このため、低温ガス容器2の圧力は流出したガスによる低下分を上回って下がり、逆に低温バッファ5の圧力は流入したガスによる圧力上昇分を上回って上がる。
That is, conventionally, when gas flows from the low
この結果、低温ガス容器2と低温バッファ5との圧力差が温度変化の無い場合よりも小さくなり、供給することができるガス量が少なくなっていた。
As a result, the pressure difference between the
これに対し、本実施形態によれば、低温ガス容器2から低温バッファ5へ流すことができるガス量が多くなり、冷凍能力を大きくすることができる。なお、他の構成については第1実施形態と略同様である。また、本実施の形態では伝熱部材17で接続した例を示したが、直接熱的に接続することも可能である。
On the other hand, according to the present embodiment, the amount of gas that can flow from the low
[第5実施形態](図5)
図5は、本発明の第5実施形態による極低温冷却装置100Eを示す模式図である。
[Fifth Embodiment] (FIG. 5)
FIG. 5 is a schematic diagram showing a
本実施形態では、低温バッファ5と極低温冷凍機6を接続する伝熱部材18と、低温ガス容器2を加熱するヒーター19を有する。これにより低温バッファ5の温度が上昇しても冷凍機6で冷却することで温度変化を小さくでき圧力上昇を抑えることができる。一方低温ガス容器2内の温度が設定値より低下した場合にはヒーター19で加熱することで低温ガス容器2の温度変化を小さくでき、圧力低下を小さく抑えることができる。その結果、低温ガス容器2から低温バッファ5へ流せるガス量が多くなり、冷凍能力を大きくすることができる。
In this embodiment, the heat transfer member 18 that connects the low-
[第6実施形態](図6)
図6は、本発明の第6実施形態による極低温冷却装置100Fを示す模式図である。
[Sixth Embodiment] (FIG. 6)
FIG. 6 is a schematic diagram showing a
本実施形態の極低温冷却装置100Fでは、図6に示すように、低温バッファ5のガスを圧縮して低温ガス容器2に充填する圧縮機9と、低温バッファ5と圧縮機9とを接続する低圧配管10aと、圧縮機9と低温ガス容器2とを接続する高圧配管10bと、低圧配管10aと高圧配管10bとを流れるガスを熱交換させる熱交換器12a,12bとを有し、これらの熱交換器12a,12b内またはその前後にバッファ10cを有する構成としてある。
In the
すなわち、低温ガス容器2と低温バッファ5とが直接または伝熱部材17を介して熱的に接続されている。
That is, the low
本実施形態では2段熱交換器12a,12bの高圧ガス配管10bの一部を太くしてバッファ10cとしている。
In the present embodiment, a part of the high-
低温ガス容器2のガスを流すと、高圧ガス配管10bの一部であるバッファ10c内の温度の高いガスが低温ガス容器2に流れ込み、低温ガス容器2の温度変化が小さくなり、圧力変化を小さく抑えることができる。他の構成については第1実施形態と略同様である。
When the gas in the low
[第7実施形態](図7)
図7は、本発明の第7実施形態による極低温冷却装置100Gを示す模式図である。
[Seventh Embodiment] (FIG. 7)
FIG. 7 is a schematic diagram showing a cryogenic cooling device 100G according to a seventh embodiment of the present invention.
本実施形態の極低温冷却装置100Gでは、図7に示すように、低温ガス容器2と超電導コイル1との間に設けられたコイル冷却ガス配管3に対し、前記各実施形態と同様の冷却ガス流量制御弁4と並列にバイパス配管3aが設けられ、このバイパス配管3aに流量調整弁4bが設けられている。この追加された流量調整弁4bは小流量用の流量調整弁とされている。また、低温ガス容器2にはヒーター19および温度計7bが設けられ、低温ガス容器2を所定温度に加熱することができる構成となっている。
In the cryogenic cooling device 100G of the present embodiment, as shown in FIG. 7, the same cooling gas as that of the above embodiments is applied to the coil cooling
そして、極低温冷却装置100Gの定常運転時には冷却ガス流量制御弁4を閉じ、小流量用の流量調整弁4bを開とし、この流量調整弁4b介して低温ガス容器2からコイル冷却ガス配管3に小流量のガスを流し、これにより超電導コイル1の冷却を行う。
During steady operation of the cryogenic cooling device 100G, the cooling gas flow
一方、電流変化等により大きな発熱があり、超電導コイル1の温度が上昇した場合には、本設の冷却ガス流量制御弁4も開として、大量のガスを流して急速に超電導コイル1の冷却を行う。
On the other hand, when there is a large heat generation due to a current change or the like and the temperature of the
本実施形態によれば、流量調整弁4bを設けたことにより、定常時の冷却に必要であった前記他の実施形態で設けたコイルの伝熱部材8が不要となる。
According to the present embodiment, the provision of the flow
また、超電導コイル1はコイル冷却ガス配管3からのみ冷却されるため、伝熱経路が一定になるので、冷却設計が容易になるという利点がある。なお、他の構成については前記各実施形態と同様であり、説明を省略する。
Further, since the
1‥超電導コイル
1a〜1g‥極低温冷却装置
2‥低温ガス容器
3‥コイル冷却ガス配管
4‥冷却ガス流量制御弁
5‥低温バッファ
6‥極低温冷凍機
7‥温度計(測定手段)
8‥伝熱部材
9‥圧縮機
10a‥低圧ガス配管
10b‥高圧ガス配管
11a,11b‥冷凍機熱交換器
12a,12b‥熱交換器
13a,13b‥圧縮機流量調整弁
14‥予冷配管
15‥予冷弁
16‥銅ブロック
16a‥フィン
17‥伝熱部材
18‥伝熱部材
19‥ヒーター
20‥密閉容器(真空断熱容器)
100A〜100F‥極低温冷却装置
101‥真空断熱容器
101a‥極低温冷凍機
102‥冷却ガス配管
103‥低温ガス容器
104‥低温バッファ
105‥コイル冷却ガス配管
105a‥円弧状状部分
106‥超電導コイル
107‥冷却ガス流量制御弁
108‥温度検出器
109‥高温ガス配管
110‥圧縮機流量調整弁
111‥極低温圧縮機
112a,112b‥熱交換器
113‥高圧配管
114‥圧縮気流量調整弁
115a,115b‥冷凍機熱交換器
116‥予冷配管
117‥予冷弁
118‥超電導部材
「A」‥高圧配管接続口
「B」‥コイル冷却配管接続口
「C」‥低圧ガス配管口
「D」‥コイル冷却配管接続口
DESCRIPTION OF
8
100A to 100F,
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