JP2012104781A - 車両に搭載されるパルス管冷凍機による高温超電導磁石冷却システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 車両に搭載されるパルス管冷凍機による高温超電導磁石冷却システムにおいて、クライオスタット2内に配置される高温超電導コイル3A〜3Dと、蓄冷器5及びパルス管6からなる低温生成部4と冷端熱交換部7とからなる、車両の走行時に前記高温超電導コイル3A〜3Dの伝導冷却を行う、パルス管冷凍機1の車両搭載部と、圧縮機12、ガス位相制御機構及びバルブユニット11からなる、前記車両の停車時に前記車両搭載部に接続して前記低温生成部4における低温生成を行う、前記パルス管冷凍機1の地上設備10とを具備する。
【選択図】 図1
Description
超電導応用機器を長時間運用するには、浸漬冷却として冷却用冷媒を途切れなく補給するか、伝導冷却で冷却システムを運転し続ける場合がほとんどである。
〔1〕車両に搭載されるパルス管冷凍機による高温超電導磁石冷却システムにおいて、クライオスタット内に配置される高温超電導コイルと、蓄冷器及びパルス管からなる低温生成部と冷端熱交換部とからなる、車両の走行時に前記高温超電導コイルの伝導冷却を行う、パルス管冷凍機の車両搭載部と、圧縮機、ガス位相制御機構及びバルブユニットからなる、前記車両の停車時に前記車両搭載部に接続して前記低温生成部における低温生成を行う、前記パルス管冷凍機の地上設備とを具備することを特徴とする。
〔3〕上記〔1〕又は〔2〕記載の車両に搭載されるパルス管冷凍機による高温超電導磁石冷却システムにおいて、前記高温超電導コイルが50Kレベルの超電導状態を維持できるRE系超電導コイルであることを特徴とする。
〔5〕上記〔1〕から〔4〕記載の何れか一項記載の車両に搭載されるパルス管冷凍機による高温超電導磁石冷却システムにおいて、前記パルス管の外周に密着させてFRP円筒を嵌め込むことを特徴とする。
〔8〕上記〔1〕から〔7〕記載の何れか一項記載の車両に搭載されるパルス管冷凍機による高温超電導磁石冷却システムにおいて、前記パルス管冷凍機の2つ以上の車両搭載部を1台の圧縮機で運転して、この圧縮機の圧力を平滑化させることを特徴とする。
(1)車両へ搭載する極低温を保持するパルス管冷凍機による高温超電導磁石冷却システムの軽量化を図ることができる。
(2)メンテナンスの簡略化を図ることができる。
(3)高圧ガス保安法の対象外となり、法の規制を受けないで済む可能性がある。
図1は本発明の実施例を示す車両へ搭載するパルス管冷凍機による高温超電導磁石冷却システムの全体構成図である。
この図において、1は蓄冷器5、パルス管6、冷端熱交換部(冷却部)7、ガス位相制御機構及びバルブユニット11、圧縮機12、磁気浮上式の鉄道車両を車庫にて冷却する際にガス位相制御機構及びバルブユニット11とパルス管5とを接続する配管13、ガス位相制御機構及びバルブユニット11と圧縮機12とを接続する配管14とからなるパルス管冷凍機、2は磁気浮上式の鉄道車両(図示なし)に搭載されるクライオスタット、3A〜3Dは高温(RE系)超電導コイル、4は蓄冷器5とパルス管6からなるパルス管冷凍機1の低温生成部、8はFRP円筒、10は地上設備である。ここで、高温超電導コイル3A〜3Dは、例えば、50Kレベルの超電導状態を維持できるRE系超電導コイルを用いることができる。
以下、本発明においてパルス管にFRP円筒を取り付けた場合の基礎特性試験について説明する。
これらの図において、21はパルス管冷凍機の冷端熱交換部(冷却部)、22は蓄冷器、23はパルス管、24は2分割に形成されたFRP円筒、25は常温部フランジ(トップフランジ)、26はアルミニウムブロック固定部、26Aはアルミニウムブロック固定部26に形成された固定用孔、27は2分割に形成されたアルミニウムブロック、27Aはアルミニウムブロック27に形成された固定用孔である。
ここでは、例えば、FRP円筒24の長さは200mm、内径は55mm、厚さは3mm、アルミニウムブロック27の長さは50mm、厚さは最大13mmとし、アルミニウムブロック27とFRP円筒24はエポキシ接着剤で接続するようにしている。
図5は基礎特性試験装置におけるパルス管とFRP円筒の非接触取付け状態を示す図面代用写真、図6はその接触取付け状態を示す図面代用写真である。
(1)図5では、パルス管23とFRP円筒24との間に隙間(空間)を設けて、パルス管23とFRP円筒24が非接触状態になるように構成している。なお、アルミニウムブロック27の直下に第1の温度センサ28Aと、続いてその下部に各々50mmの間隔を空けて、第2の温度センサ28Bと、第3の温度センサ28Cと、第4の温度センサ28Dとを取付けるようにした。
図7は本発明の基礎特性試験装置においてパルス管とFRP円筒が非接触状態となるように構成した場合のパルス管及びFRP円筒の温度を示す特性図であり、aはパルス管とFRP円筒とが非接触状態の場合のパルス管の温度、bはその場合のFRP円筒の温度を示している。図8は本発明の基礎特性試験装置においてパルス管とFRP円筒が接触状態となるように構成した場合のFRP円筒の温度を示す特性図であり、cはパルス管とFRP円筒とが接触状態の場合のFRP円筒の温度を示している。
図9は本発明の基礎特性試験装置のパルス管へのFRP円筒の取付け態様による冷凍能力を示す特性図であり、横軸に温度〔K〕、縦軸に冷凍能力〔W〕が示されている。
例えば、温度50Kにおいて、FRP円筒とパルス管が非接触の場合の冷凍能力は60Wであり、同じく温度50Kにおいて、FRP円筒とパルス管が接触している場合の冷凍能力は略70Wであり、FRP円筒とパルス管が密着している方が冷凍能力が高いことが分かる。
また、FRP円筒とパルス管が非接触の場合のFRP円筒とパルス管表面の間には温度差ができ、非接触状態では、その温度差による輻射熱の影響によって熱負荷が増えていると考えられる。
図1とこれらの図10及び図11を参照しながら、本発明のパルス管冷凍機による高温超電導磁石冷却システムの全体構成について説明する。
図10において、Aは車載部である第1のパルス管冷凍機本体(PTR)、Bは車載部である第2のパルス管冷凍機本体(PTR)、35は高圧側バッファタンク、36は低圧側バッファタンクである。また、HB1,HB2は高圧側バッファタンク35からの第1のPTR,第2のPTRへの供給ガスを制御する高圧側制御バルブ、LB1,LB2は第1のPTR,第2のPTRから低圧側バッファタンク36への戻りガスを制御する低圧側制御バルブ、HC1,HC2は圧縮機12から第1のPTR,第2のPTRへの供給ガスを制御する高圧側制御バルブ、LC1,LC2は第1のPTR,第2のPTRから圧縮機12への戻りガスを制御する低圧側制御バルブである。
まず、高圧側制御バルブHB1,HC1 を開き、0〜t/2の間に第1のPTRに、高圧側バッファタンク35と圧縮機12からそれぞれ供給ガス(高圧)を入れる。この時、低圧側制御バルブLB2,LC2を開いているので、第2のPTRからは低圧側バッファタンク36と圧縮機12に戻りガス(低圧)が戻っていく。
このような構成の本発明の冷凍システムについて、その性能評価試験を行った。
図10に示す第1のパルス管冷凍機本体(PTR)Aの冷端熱交換部7Aの4箇所に、図12に示すように、第1の熱電対41,第2の熱電対42,第3の熱電対43,第4の熱電対44が配置され、それぞれ第1の温度,第2の温度,第3の温度,第4の温度が計測される。同様に、第2のパルス管冷凍機本体(PTR)Bの冷端熱交換部7Bの4箇所に第1の熱電対45,第2の熱電対46,第3の熱電対47,第4の熱電対48が配置され、それぞれ第1の温度,第2の温度,第3の温度,第4の温度が計測される。
また、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
2 クライオスタット
3A〜3D 高温(RE系)超電導コイル
4 低温生成部
5,22 蓄冷器
6,6A,6B,23 パルス管
7,7A,7B,21 冷端熱交換部
8 FRP円筒
10 地上設備
11 ガス位相制御機構及びバルブユニット
12 圧縮機
13,14 配管
24 2分割に形成されたFRP円筒
25 常温部フランジ(トップフランジ)
26 固定金具
26A,27A 固定用孔
27 2分割に形成されたアルミニウムブロック
28A〜28D 温度センサ
31〜34 流量調整弁
35 高圧側バッファタンク
36 低圧側バッファタンク
41,45,52,56 第1の熱電対
42,46,53,57 第2の熱電対
43,47,54,58 第3の熱電対
44,48,55,59 第4の熱電対
51 冷凍機フランジ
A 第1のパルス管冷凍機本体(PTR)
B 第2のパルス管冷凍機本体(PTR)
HB1,HB2,HC1,HC2 高圧側制御バルブ
LB1,LB2,LC1,LC2 低圧側制御バルブ
Claims (9)
- (a)クライオスタット内に配置される高温超電導コイルと、
(b)蓄冷器及びパルス管からなる低温生成部と冷端熱交換部とからなる、車両の走行時に前記高温超電導コイルの伝導冷却を行う、パルス管冷凍機の車両搭載部と、
(c)圧縮機、ガス位相制御機構及びバルブユニットからなる、前記車両の停車時に前記車両搭載部に接続して前記低温生成部における低温生成を行う、前記パルス管冷凍機の地上設備とを具備することを特徴とする車両に搭載されるパルス管冷凍機による高温超電導磁石冷却システム。 - 請求項1記載の車両に搭載されるパルス管冷凍機による高温超電導磁石冷却システムにおいて、前記車両が磁気浮上式鉄道車両であることを特徴とする車両に搭載されるパルス管冷凍機による高温超電導磁石冷却システム。
- 請求項1又は2記載の車両に搭載されるパルス管冷凍機による高温超電導磁石冷却システムにおいて、前記高温超電導コイルが50Kレベルの超電導状態を維持できるRE系超電導コイルであることを特徴とする車両に搭載されるパルス管冷凍機による高温超電導磁石冷却システム。
- 請求項3記載の車両に搭載されるパルス管冷凍機による高温超電導磁石冷却システムにおいて、前記車両に搭載された高温超電導コイルが50Kレベルの超電導状態となる温度まで冷却することを特徴とする車両に搭載されるパルス管冷凍機による高温超電導磁石冷却システム。
- 請求項1から4記載の何れか一項記載の車両に搭載されるパルス管冷凍機による高温超電導磁石冷却システムにおいて、前記パルス管の外周に密着させてFRP円筒を嵌め込むことを特徴とする車両に搭載されるパルス管冷凍機による高温超電導磁石冷却システム。
- 請求項5記載の車両に搭載されるパルス管冷凍機による高温超電導磁石冷却システムにおいて、前記FRP円筒を接触状態で嵌め込んだ前記パルス管の上部を前記クライオスタットの常温部フランジに接触させ、前記パルス管の下部を前記低温生成部の冷端熱交換部に接触させることにより、前記FRP円筒を上下方向荷重支持材として用いることを特徴とする車両に搭載されるパルス管冷凍機による高温超電導磁石冷却システム。
- 請求項6記載の車両に搭載されるパルス管冷凍機による高温超電導磁石冷却システムにおいて、前記パルス管と前記FRP円筒との熱接触をとることを特徴とする車両に搭載されるパルス管冷凍機による高温超電導磁石冷却システム。
- 請求項1から7記載の何れか一項記載の車両に搭載されるパルス管冷凍機による高温超電導磁石冷却システムにおいて、前記パルス管冷凍機の2つ以上の車両搭載部を1台の圧縮機で運転して、該圧縮機の圧力を平滑化させることを特徴とする車両に搭載されるパルス管冷凍機による高温超電導磁石冷却システム。
- 請求項1から7記載の何れか一項記載の車両に搭載されるパルス管冷凍機による高温超電導磁石冷却システムにおいて、前記パルス管冷凍機の地上設備のバルブ制御を逆位相で行うことにより、前記パルス管冷凍機の冷凍能力を高めることを特徴とする車両に搭載されるパルス管冷凍機による高温超電導磁石冷却システム。
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