JP2014202457A - 熱媒体循環機能付き冷却手段および冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】熱媒体を循環する際、熱損失を低減させ、被冷却体の冷却性能が優れた安価な熱媒体循環機能付き冷却手段および冷却システムを提供する。【解決手段】熱媒体として例えばヘリウムガスを使用し、供給、回収する低温圧縮機を含む熱媒体循環系を低温域に設置し、低温圧縮機の回転シャフトを磁気カップリングで非接触結合の分離型とし、さらに低温圧縮機を同温度レベルの寒冷発生手段のヘリウム冷凍機の低温部を介して固定支持する構造にしたものである。【選択図】図２

Description

本発明は被冷却体を冷却する寒冷発生手段であるヘリウム冷凍機を使用した冷却システム係り、特に、ヘリウム冷凍機で発生する寒冷で冷却された熱媒体を使用し、前記被冷却体と前記冷却源の冷凍機間とを低温域で前記熱媒体を循環駆動させる熱媒体圧送手段と熱媒体循環流路で構成した熱媒体循環機能付き冷却手段および冷却システムに関するものである。

超伝導磁石やMRI装置、NMR装置、SQUID装置等の超伝導電子装置では、被冷却体である超伝導磁石や、電磁波受信センサー等を極低温に冷却することで、磁石の磁気性能が向上し、センサーの感度が向上するため、被冷却体を極低温に冷却する冷却システムが具備されている。

冷却システムは、真空断熱容器内部に配置された冷却源となるヘリウム冷凍機の寒冷で、別設のヘリウムガス循環流路内を流動する熱媒体のヘリウムガスを極低温に冷却し、循環輸送されるヘリウムガスで被冷却体を冷却し、被冷却体で加温され循環するヘリウムガスは再び冷凍機で冷却される構成を有しており、被冷却体の冷却性能を向上させるために、物理的な熱侵入等の、常温外部から低温のヘリウムガス循環流路内への熱侵入を極力防止できる冷却システムの提供が求められている。

従来の超伝導磁石の冷却システムであるヘリウム液化用冷凍装置において、装置内に内蔵された被冷却体の超伝導磁石を冷却する液体ヘリウムを液化して供給し、超伝導磁石で加温され蒸発したヘリウムガスを室温の圧縮機で回収し、熱交換器を介して低温、室温間を循環する熱媒体のヘリウムガスの熱交換を行い、別設のヘリウム冷凍機の寒冷で冷却され、連続再液化される冷却システム構成が、特開平８−１４５４８７公報（特許文献１）に開示されている。本冷却システムでは、液体ヘリウムの外部からの補充無しで被冷却体を液体ヘリウム温度に冷却することができ、被冷却体の低温温度維持の操作性を向上させる。

また、ＮＭＲ装置の冷却システムでは、被冷却体である電磁波受信センサーをヘリウム冷凍機の寒冷で熱媒体のヘリウムガスを冷却して供給し、センサーを冷却した後の加温されたヘリウムガスを、大気常温域に設置した回転電動機に連結された回転軸が、低温域の熱媒体圧縮機の回転翼に直結させた低温圧縮機で、回収、加圧して循環させ、冷凍機の寒冷発生部に熱的に一体化した熱交換器でヘリウムガスを冷却する冷却システムの構成が、特開２００６−１８９２７２公報（特許文献２）に開示されている。

本冷却システムでは、ヘリウムガスの外部からの補充無しで、低温域のみのヘリウムガスの循環で被冷却体を冷却でき、常温部からの熱侵入を低減させ被冷却体の冷却性能を向上させる。

特開平８−１４５４８７公報 特開２００６−１８９２７２公報

しかしながら、特許文献１では、熱媒体のヘリウムガスを循環させるヘリウムガス圧縮機を室温部に設置するため、室温と冷却温度間を循環する供給、回収ヘリウムガス間で熱回収を行う熱回収用熱交換器が設置されている。熱回収用熱交換器の熱交換効率はおよそ９５％であり、５％の熱損失が生じる。

この熱損失により、冷却源の冷凍機で冷却するヘリウムガスの温度が熱損失分上昇するため、冷凍機で冷却されるヘリウムガス温度が上昇し、被冷却体を冷却する冷却性能が低下するとともに、熱回収用熱交換器が必要で冷却システムが大型化し、製造コストが増加する問題があった。

一方、特許文献２の回転軸直結型低温圧縮機では、熱媒体圧送手段の低温圧縮機を構成する常温域で運転される回転手段の電動モータと低温圧縮機の回転翼の回転シャフトが、常温域から低温域に長尺の回転シャフトで直結されているので、回転シャフトを通じて常温から低温圧縮機側に伝導伝熱による大きな侵入熱が生じ、熱媒体のヘリウムガス温度が侵入熱で上昇し、熱媒体で冷却される被冷却体温度が上昇する問題や、長尺回転シャフトが低温運転時に熱収縮で回転シャフト長さが短くなり、直結された回転翼の位置が変わり、低温圧縮機内の静止ケーシングと回転翼との隙間が大きくなって圧縮中のヘリウムガスの逆流が生じて、圧縮性能が低減し、熱媒体のヘリウムガスの循環流量が低下し、被冷却体の冷却性能が低下する問題があった。

また、長尺回転シャフト体が、真空空間と隔離され、かつ低温圧縮機内と連通した常温域に伸びた回転シャフト保護管内を貫通するため、常温部の回転シャフト位置と低温圧縮機の回転シャフト位置との間に、冷却システム構成機器である冷凍機や接続配管等の熱収縮により、回転シャフトの軸方向以外の方向に熱歪が生じ、回転シャフトを支持する軸受等に前記熱歪による荷重が作用し、回転停止等の回転機能が阻害される問題があった。

また、前記常温の電動モータ、回転シャフト保護管、長尺回転シャフトと低温回転翼等で構成した回転軸直結型低温圧縮機は構造が複雑で、製造コストが高くなる問題があった。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、低温の熱媒体を循環する際、熱損失を低減させ、被冷却体の冷却性能が優れた安価な熱媒体循環機能付き冷却手段および冷却システムを提供することにある。

前述の目的を達成するために、本発明は熱媒体として使用する例えばヘリウムガスの冷却、加圧供給、回収する構成部材である、熱交換器、低温圧縮機および回転駆動系で構成された熱媒体循環機能を有した冷却手段のうち、熱交換器、低温圧縮機を低温域に設置し、冷却源であり寒冷発生手段のヘリウム冷凍機に熱的に一体化された前記熱交換器と被冷却体との間を循環する供給ヘリウムガスと回収ヘリウムガス間での熱回収を行う熱回収用熱交換器を不要として熱回収用熱交換器で生じる熱損失を無くす構造にし、かつ、低温域の前記低温圧縮機内の回転翼の回転シャフトと、回転駆動する前記回転駆動系の構成要素の１つである常温域の回転駆動手段との間を分離型とし、さらに少なくとも前記低温圧縮機を同温度レベルのヘリウム冷凍機の低温部を介して固定支持する構造にしたものである。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の熱媒体循環機能付き冷却手段および冷却システムは、循環駆動手段の構成要素である熱媒体圧送手段である低温圧縮機の回転翼を低温で循環する熱媒体流路内に配置し、前記回転翼を回転駆動する非接触駆動系を前記熱媒体流路外に配置したことを特徴としたものである。

本熱媒体循環機能付き冷却手段および冷却システムによれば、供給、回収する熱媒体のヘリウムガス間の熱回収用熱交換器が不要となり、回収用熱交換器による熱損失が発生しないとともに、回転駆動系の回転駆動伝達部分を非接触駆動にすることにより回転駆動系を構成する回転駆動手段の電動モータからの発熱や、回転シャフトを通じての常温域からの熱侵入が回転翼に伝わることを防止し、熱損失が少ない冷却手段を構成できるため被冷却体の冷却性能を向上することができる。

請求項２に記載の熱媒体循環機能付き冷却手段および冷却システムは、前記回転駆動系を非接触駆動型の対向する永久磁石で磁気結合された磁気カップリングで構成したことを特徴としている。

本構成によれば、低温の回転翼を磁気カップリングにより連結力を強くして前記常温の回転駆動手段の電動モータで回転駆動でき、非接触でありながら熱媒体を所定の量循環できるので効率よく被冷却体を冷却できる。

請求項３に記載の熱媒体循環機能付き冷却手段および冷却システムは、前記磁気カップリングで生じる変動磁場空間にある前記低温圧縮機と回転駆動系の一部の隔壁を、磁場変化に対して誘導電流による発熱の発生が少ない材質で構成したことを特徴としている。

本構成によれば、前記非接触駆動系と回転翼を磁気カップリングで非接触連結して回転する際の磁場変動が原因で、前記低温圧縮機の隔壁に発生する誘導電流で発熱する熱量を低減できるので、前記低温圧縮機内での熱媒体の温度上昇を防止でき、より低温に被冷却体を冷却できる。

請求項４に記載の熱媒体循環機能付き冷却手段および冷却システムは、前記回転翼と前記低温圧縮機を直接的もしくは間接的に冷却源のヘリウム冷凍機の冷却手段の低温構成部材から機械的に固定支持して構成したことを特徴としている。

本構成によれば、大気空間で固定されたヘリウム冷凍機で前記低温圧縮機の低温部を支持することで、前記低温圧縮機に大気空間から侵入する熱侵入量を低減できるので、低温圧縮機内での熱媒体の温度上昇を防止でき、効率よくより低温に被冷却体を冷却できる。

請求項５に記載の熱媒体循環機能付き冷却手段および冷却システムは、前記磁気カップリングの回転駆動系の回転駆動手段である電動モータを、真空空間に隔離され大気に導通した収納容器内に配置して構成したことを特徴としている。

本構成によれば、電気モータを大気導通内に配置できるので、安価な汎用電気モータを使用でき、熱媒体循環機能付き冷却手段および冷却システムの製造コストを低減できる。

請求項６に記載の熱媒体循環機能付き冷却手段および冷却システムは、寒冷発生手段を２温度レベルの寒冷を発生する冷凍機で構成し、２温度レベルの少なくともいずれかの温度で液化する熱媒体を循環させることを特徴としている。

本構成によれば、被冷却体を液体した熱媒体で冷却できるので、より低温に被冷却体を冷却し、被冷却体の低温物理性能を向上できる。

請求項７に記載の熱媒体循環機能付き冷却手段および冷却システムは、冷凍機を２温度レベルの寒冷を発生する冷凍機で構成し、２温度レベルの少なくともいずれかの温度で液化し、それぞれ異なる物性の熱媒体を循環させることを特徴としている。

本構成によれば、液体した熱媒体で２温度レベルの被冷却体を冷却できるので、第２の温度レベルの被冷却体をより低温に冷却し、被冷却体の低温物理性能を向上できる。

請求項８に記載の熱媒体循環機能付き冷却手段および冷却システムは、低温圧縮機の熱媒体流入部位に熱媒体中の固形物を捕捉するフィルターを具備して構成したことを特徴としている。

本構成によれば、前記低温圧縮機の回転翼の回転を保持する軸受等の回転隙間内に前記固形物が混入し、回転機能が低下することを防止し、安定的な循環機能を保持できる。

請求項９に記載の熱媒体循環機能付き冷却手段および冷却システムは、前記回転翼と一体化された磁気カップリング用の永久磁石の漏洩磁場空間に磁気センサーを具備したことを特徴としている。

本構成によれば、回転する前記永久磁石の変動磁場で前記回転翼の実際の回転数を計測できるのでこの回転数をもとに、電動モータの回転数を調整して熱媒体の循環流量を調整できるので熱媒体を所定の量循環でき、効率よく被冷却体を冷却でき、冷却運転が安定で運転信頼性を高くできる。

請求項１０に記載の２温度レベルの熱媒体循環機能付き冷却手段および冷却システムは、より温度が低い低温圧縮機の磁気カップリングの磁気空間の中に熱シールドおよびサーマルアンカー手段を配置し、熱シールド手段と前記２温度レベルの高温側の寒冷発生手段部と熱的に一体化する熱伝導体を具備したことを特徴としている。

本構成によれば、熱シールド手段およびサーマルアンカー手段で冷却された固定支持材で常温の回転駆動系の一部を固定支持できるので、常温の回転駆動系から低温圧縮機へ流入する熱侵入を低減することができる。

請求項１１に記載の熱媒体循環機能付き冷却手段および冷却システムは、前記回転駆動手段として、耐真空電動モータを使用したことを特徴としている。

本構成によれば、磁気カップリングを構成する対向する永久磁石の間隔をより近づけて配置できるので、より磁気力の強い磁気カップリングを構成でき、より精度よく低温の回転翼を回転駆動できるので、熱媒体の循環流量を精度よく低温の回転翼を回転駆動できるので、熱媒体の循環流量を調整し、効率よくより低温に被冷却体を冷却できる。

請求項１２に記載の熱媒体循環機能付き冷却手段および冷却システムは、前記寒冷発生手段を外部から補充される液化ガスを内蔵した液化ガス容器としたことを特徴としている。

本構成によれば、寒冷発生手段を真空断熱される液化ガス容器のみで構成されるので、安価な寒冷発生手段を提供できる。

本発明によれば、熱媒体を循環する際の熱損失を低減させ、被冷却体の冷却性能に優れ、製造コストが安価で、運転信頼性が高い熱媒体循環機能付き冷却手段および冷却システムを提供することができる。

本発明の第１実施例の熱媒体循環機能付き冷却手段および冷却システムの構成図である。 本発明の第１実施例の熱媒体循環機能の低温圧縮機周りの構成図である。 本発明の第２実施例の熱媒体循環機能の低温圧縮機周りの構成図である。 本発明の第３実施例の熱媒体循環機能の低温圧縮機周りの構成図である。 本発明の第４実施例の２温度レベルの熱媒体循環機能付き冷却手段を使用した冷却システムの構成図である。 本発明の第４実施例の２温度レベルの熱媒体循環機能の低温圧縮機周りの構成図である。 本発明の第５実施例の２温度レベルの熱媒体循環機能付き冷却手段を使用した冷却システムの構成図である。 本発明の第６実施例の回転機能の劣化防止機能付きの低温圧縮機周りの構成図である。 本発明の第７実施例の２温度レベルの熱媒体循環機能付冷却手段の低温部周りの構成図である。 本発明の第８実施例の回転センサー付の低温圧縮機周りの構成図である。 本発明の第９実施例の耐真空用電動モータを使用した低温圧縮機駆動系を具備した冷媒循環機能付き冷却手段および冷却システムの構成図である。 本発明の第９実施例の熱媒体循環機能の低温圧縮機周りの構成図である。

以下、本発明の複数の実施例について図を用いて説明する。各実施例の図における同一符号は同一物または相当物を示す。

[実施例１]

本発明の第１実施例の熱媒体循環機能付きの冷却手段および冷却システムについて、図１、図２を参照しながら、さらに具体的に説明する。図１は本発明の第１実施例の冷媒循環機能付き冷冷却手段および冷却システムの構成図、図２は熱媒体圧送手段の低温圧縮機周りの構成図を示す。

本実施例の冷却源となる寒冷発生手段である例えばギフォード・マクマホン型のヘリウム冷凍機１を内蔵した冷却システムは、主に、ヘリウム冷凍機１から離れた被冷却体である例えばBi-Ba-Cu-O系の酸化物高温超電導体で製作された線材をコイル状に巻きつけた超伝導磁石２と、ヘリウム冷凍機の寒冷を例えば圧力が例えば0.5MPaの別のヘリウムガスを熱媒体として超伝導磁石２まで輸送するための熱媒体圧送手段である回転翼を内蔵した低温圧縮機３と、ヘリウム冷凍機の寒冷で熱媒体を冷却する熱交換器４と、熱媒体を超伝導磁石前記ヘリウム冷凍機が配置された位置に移送し供給、回収する断熱供給配管５，断熱回収配管６を有する循環流路と、低温部を大気常温と真空断熱隔離する真空断熱容器７、真空断熱配管8とで構成される。

真空断熱容器７内は真空排気配管９を通じて外部の真空ポンプ１０により、真空弁１１を介して真空排気され真空空間１００を形成する。

低温圧縮機３に吸引される熱媒体のヘリウムガスは、ヘリウム冷凍機１の低温発生部の温度３８Kのコールドヘッド１２と熱的に一体化された熱交換器４を通り例えば４３K冷却され、低温圧縮機３で加圧されて吐出部にある断熱供給配管５に吐出される。

冷却されたヘリウムガスは、例えばフレキシブルなベロー管で構成された真空断熱配管8内の断熱供給配管５を通り、超伝導磁石２を冷却支持する冷却ステージ１３を冷却する熱交換器１４に流入し、冷却ステージ１３に熱的に一体化された冷却ステージ１３、超伝導磁石２を例えば超伝導臨界温度以下の４８Kに冷却する。

熱交換器１４内で例えば温度４７Kに加温されたヘリウムガスは、断熱回収配管６内を通じ真空断熱配管8を介して低温圧縮機３に回収され、熱交換器４で再び温度４３Kに冷却され、再び低温圧縮機３に吸引された後加圧供給される。

ヘリウム冷凍機１では、室温のヘリウムガス圧縮機１５で高圧に圧縮されたヘリウムガスが高圧ガス供給配管１６で高圧ガスが供給され、冷凍機内で中圧に断熱膨張することで寒冷を発生し、コールドヘッド１２を例えば温度３８Kの極低温に冷却する。膨張後の中圧のヘリウムガスは、中圧ガス回収配管１７を通じてヘリウムガス圧縮機１５に回収され、再び高圧に圧縮供給される。ヘリウムガス圧縮機１５では、多量の潤滑油が使用されるので、常温域の空間に設置されている。

超伝導臨界温度以下に冷却された超伝導磁石２は、室温空間に設置された電源装置１８から配線１９を通じて電流が供給され、強力な磁場を発生し、その磁場が磁気分離等に利用される。

また、配線はコールドヘッド１２に熱的に一体化された冷却板２０に例えば接着剤等でジグザグ状に熱的に一体化されて冷却され、室温部から配線を通じて流入する熱を冷却する。

冷却されガス密度が変化する熱媒体のヘリウムガスは、例えば室温部に設けた貯蔵タンク２１から配管２２を通じて、断熱回収配管６への流入充填や、冷却運転停止の回収が自由であり、熱媒体流路内のヘリウムガスの密度変化を最小にし、熱媒体の熱輸送性能がほぼ一定に維持される。

図２に熱交換器４および低温圧縮機３内部の構成を示す。図中矢印の向きは、ヘリウムガスの流動方向を示す。例えば熱伝導率が大きな銅製の熱交換器４の上部フランジ２３は、ヘリウム冷凍機１のコールドヘッド１２にハンダ等で熱的に一体化された例えば熱伝導率が大きな銅製の冷却フランジ２４に、例えばインジュームシート（図示せず）を介してボルト２５で熱的に一体化されている。

熱交換器４内には、例えば熱伝導率が大きな銅製の円盤に通気孔２６を多数有した多孔円板２７と、リング状のスペーサ円板２８の複数枚を、外周部が隔壁とハンダ等で熱的に一体化され、コールドヘッド１２の寒冷で低温に伝導伝熱で冷却され、断熱回収配管６内から熱交換器４内に流入し通気孔２６を通過するヘリウムガスが冷却される。

低温圧縮機３は、ヘリウムガスを加圧する例えば高強度のステンレス鋼製の回転翼であるインペラー２９と、ステンレス鋼製のケーシング３０、高速回転するインペラー２９を回転支持するボールベアリングの軸受３１の静止外輪を挟み込んで固定する上部フランジ３２と下部フランジ３３、インペラー２９下部にボルト３４で機械的に一体化され、永久磁石３５を固定内蔵した回転体３６、回転体３６を真空空間１００から隔離し、回転する永久磁石の変動磁場で生じる誘導電流による発熱を低減するために電気抵抗が小さく、かつ輻射率が小さな例えばアルミニウム製のカバーフランジ３７で構成される。

ケーシング３０と上部フランジ３２との間、上部フランジ３２と下部フランジ３３との間および下部フランジ３３とカバーフランジ３７との間は外部の真空空間と隔離する例えば銅製のシールリング３８，３９，４０を装着し、ボルト４１で締付けて固定一体化されている。

銅製の熱交換器４とステンレス鋼製の断熱回収配管６と、銅製の熱交換器４とステンレス鋼製のケーシング３０の接合面は、例えば銀ろう付けや電子ビーム溶接等で気密一体化されており、接合部はヘリウムガスの低温圧縮機３への吸引口となっている。

低温圧縮機３の回転駆動系の一部は、インペラー２９に一体化された永久磁石３５と磁気回路を形成し、磁気カップリングする永久磁石４２を固定する回転体４３と、ボルト４４で回転体４３と回転軸４５を機械的に一体化して永久磁石４２を回転させる電動モータ４６と、電気モータ４６を真空空間と隔離し、回転する永久磁石の変動磁場で生じる誘導電流による発熱を低減するために電気抵抗が小さく、かつ輻射率が小さな例えばアルミニウム製の収納容器４７と、収納容器４７内を大気空間と連通するために真空断熱容器７と気密フランジ４８に両端部を気密溶接されたフレキシブルな薄肉金属ベロー管で製作した導通管４９で構成される。

ここで、収納容器47やカバーフランジ３７の材質は、誘導電流による発熱を防止するために、電気絶縁材であるセラミックやガラス繊維入りの強化エポキシ樹脂であっても良い。気密フランジ４８と収納容器４７は、真空シールリング５０を介してボルト５１で機械的に締結され、真空空間１００と気密隔離されている。

電動モータ４６は、回転体３６と回転体４３の回転軸が一致するように収納容器４７内壁部に支持台５２で機械的に一体化され、電動モータの電源ケーブル５３は、室温大気空間に設置された電源装置５４に接続されている。

さらに、低温のカバーフランジ３７と常温の収納容器４７は、回転体３６と回転体４３の回転軸が一致するように、熱伝導率が小さな例えばカラス繊維入りエポキシ樹脂材で製作され、端部がカバーフランジ３７に接着剤等で固定された支持固定ボルト５５と、ナット５６で例えば円周４箇所で機械的に一体化されている。

電源装置５４のスイッチをONすることによって、駆動系の電動モータ４６が回転し、永久磁石４２を有する回転体４３が回転すると、磁気カップリングにより低温圧縮機３の回転体３６が回転し、インペラー２９が同期して回転し、熱交換器４で冷却されたヘリウムガスが加圧圧縮され、断熱供給配管５から吐出される。

なお、電動モータ４６は常温大気空間で運転されるので、汎用の安価な電動モータが適用できる。

低温の回転体３６と常温の回転体４３とは、非接触で、かつ真空空間１００を介して磁気的に連結されているので、両者間に熱伝導による熱侵入は、支持固定ボルト５５から侵入する伝導伝熱のみである。

支持固定ボルト５５は、回転体３６と回転体４３との相対位置を決め、さらに回転体４３を有する回転駆動系の構造物を支持するものである。

回転駆動系を構成する電動モータ４６は汎用モータが適用でき小型化軽量化が可能であり、それに伴ってアルミニウム製の収容容器４７、導通管４９も小型化軽量化が可能であり、支持固定ボルト５５の設置本数の低減、小径、長尺化を実施し、熱侵入の低減により低温圧縮機３内を流動する低温ヘリウムガスの昇温が低減できる。

いっぽう、電動モータ４６の運転時に発生する発熱で加温された収納容器４７内の空気は、例えばビニール製の排気管５７を通じて排気装置５８で大気に排気され、導通管４９内を通り収納容器４７内に流入する大気中の空気で空冷され、電動モータ４６の過熱を防止し安定な運転が担保される。

熱交換器４と低温圧縮機３がヘリウム冷凍機１のコールドヘッド１２に固定支持されており、低温圧縮機３を常温の真空断熱容器７から直接固定支持する必要がなく、常温の固定支持材からの熱侵入が無く、この固定支持材による低温圧縮機３内を流動する低温ヘリウムガスの昇温が無い。

熱交換器４内と低温圧縮機３の吸入口が直結されているので両者間の配管が無い構造となっている。

本実施例では、低温圧縮機３のインペラー２９の回転軸を常温の電動モータの回転軸と分離非接触にできるので、回転軸を介しての伝導伝熱による熱の侵入が無く、低温圧縮機３内を流動する低温ヘリウムガスの昇温を低減し、被冷却体の冷却温度を下げ、冷却性能を向上できる効果がある。

また、本実施例では、常温の電動モータ４６を真空空間１００内に隔離され低温圧縮機３の構成部材から固定支持された収納容器４７内の大気に連通した常温空間に設置できるので、電動モータ４６の運転操作を容易にし、回転駆動系の運転信頼性を担保できる効果がある。

また、本実施例では、インペラー２９の回転軸方向の長さを短くできるので、常温状態から低温状態に至るまでの温度変化に伴う熱収縮を大幅に小さくできるので、軸方向に熱収縮分の隙間を小さくでき、インペラー２９とケーシング３０の嵌合の隙間が大きくなることを防止して小さくでき、インペラー２９の回転で圧縮されたヘリウムガスがこの隙間を逆流してリークする量を減少し、加圧効率を向上させて熱媒体の流量の低減を防止でき、被冷却体の冷却温度を低下できる効果がある。

[実施例２]

本発明の第２実施例の熱媒体循環機能付き冷却手段および冷却システムについて、熱媒体循環機能の低温圧縮機周りの構成図を図３に示す。

本実施例が第１の実施例と異なる点は、熱交換器４を熱伝導率が大きな銅製やアルミニウム製の螺旋状に加工された螺旋フィン５９を有した熱伝熱体６０を、例えば熱伝導率が大きな銅製の熱交換器４の上部フランジ２３に熱的に一体化して構成した構造にある。

本実施例によれば、熱交換機能を有する熱伝導体６０を機械加工により１つの構成要素で製作できるので第一の実施例の場合に比べ熱交換器４の製作コストを低減できるので、熱媒体循環機能付き冷却手段の製作コストを低減できる効果がある。

[実施例３]

本発明の第３実施例の熱媒体循環機能付き冷却手段および冷却システムについて、熱媒体循環機能の低温圧縮機周りの構成図を図４に示す。

本実施例が第１の実施例と異なる点は、断熱回収配管６に連通し熱伝導率が大きな例えば銅製の伝熱管６１を熱伝導体６２に巻きつけて例えばハンダ等で熱的に一体化し、これを例えば熱伝導率が大きな銅製の上部フランジ２３に熱的に一体化し、伝熱管６１の端部を断熱回収配管６、U字継手６３を介して、低温圧縮機３のインペラー２９の吸引口に連通させて構成した構造にある。

本実施例によれば、熱交換器の伝熱面積を伝熱管６１の巻付け数を増減させることで容易に調整できるので、熱交換器の構造が簡素であり、これによって製造コストを低減できるため、熱媒体循環機能付き冷却手段の製作コストを低減できる効果がある。

[実施例４]

本発明の第４実施例では２温度レベルの熱媒体循環機能付き冷却手段を使用した冷却システムについて図５、図６を用いて説明する。

図５は２温度レベルの寒冷を発生する冷却手段であるヘリウム冷凍機を冷却手段とした冷却システムの構成図、図６は２温度レベルの低温圧縮機周りの構成図を示す。

本実施例が第１および第３の実施例と異なる点は、第１の被冷却体を熱シールド板６３、この熱シールド板６３の冷却温度よりさらに低温に冷却される第２の被冷却体を超伝導磁石２とし、それぞれの被冷却体の冷却源となる２温度レベルの寒冷を発生する冷却手段のヘリウム冷凍機６４を適用した構成にある。

ヘリウム冷凍機６４から離れた第１の被冷却体である例えば熱伝導率が大きな銅やアルミニウム製の熱シールド板６３は、ヘリウム冷凍機６４の温度７０Kの第１のコールドヘッド６５に熱的に一体化された熱交換器６６で温度８０Kに冷却された熱媒体のヘリウムガスは、断熱回収配管６７を通り低温圧縮機６８で加圧されて断熱供給配管６９に吐出され、真空断熱配管７０内の供給配管を通じて、輻射熱の侵入を防止するために超伝磁石２の周りに設置された熱シールド板６３に熱的に一体化された熱交換器７１で温度９０Kに冷却され、加温されたヘリウムガスは熱媒体の断熱回収配管７２を通り、熱交換器６６で再度冷却され、熱媒体回収配管６７を通り低温圧縮機６８に流入し、連続的に循環して熱シールド板６３を冷却する。

また、ヘリウム冷凍機６４から離れた第２の被冷却体である例えばBi-Ba-Cu-O系の酸化物高温超電導体で製作された線材をコイル状に巻きつけた超伝導磁石２は、ヘリウム冷凍機６４の冷却温度２５Kの第２のコールドヘッド７４に熱的に一体化された熱交換器７５で温度３０Kに冷却された熱媒体のヘリウムガスは、熱媒体の断熱回収配管７６を通り低温圧縮機７７で加圧されて熱媒体の断熱供給配管７８に吐出され、真空断熱配管７０内の熱媒体供給配管７８を通じて、超伝導磁石２を冷却支持する冷却ステージ７９を冷却する熱交換器８０に流入し、冷却ステージ７９、超伝導磁石２を例えば超伝導臨界温度以下の３６Kに冷却する。

熱交換器８０で温度３２Kに加温されたヘリウムガスは、熱媒体の断熱回収配管８１を通り、熱交換器７５で再度冷却され、熱媒体回収配管７６を通り低温圧縮機７７に流入し、連続的に循環して超伝導磁石２を冷却する。

ヘリウム冷凍機６４では、室温のヘリウムガス圧縮機８２で高圧に圧縮されたヘリウムガスが高圧ガス供給配管８３で高圧ガスが供給され、冷凍機内で中圧に断熱膨張することで寒冷を発生し、コールドヘッド６５を温度６０Kの極低温に、コールドヘッド７４を温度２０Kの極低温に冷却する。膨張後の中圧のヘリウムガスは、中圧ガス回収配管８４を通じてヘリウムガス圧縮機８２に回収され、再び高圧に圧縮供給される。ヘリウムガス圧縮機８２では、多量の潤滑油が使用されるので、常温域の空間に設置されている。

超伝導臨界温度以下に冷却された超伝導磁石２は、室温空間に設置された電源装置１８から配線１９を通じて電流が供給され、強力な磁場を発生し、その磁場が磁気分離等に利用される。また、配線はコールドヘッド６５に熱的に一体化された冷却板２０に例えば接着剤等でジグザグ状に熱的に一体化されて冷却され、室温部から配線を通じて流入する熱を排熱、冷却する。

冷却されガス密度が変化する熱媒体のヘリウムガスは、例えば室温部に設けた貯蔵タンク８５から弁８６を介し配管８７を通じて、断熱回収配管７２への流入が自由であり、また、弁８８を介し配管８９を通じて、断熱回収配管８１への流入が自由であり、例えば圧力が0.5MPaのヘリウムガスの密度変化を最小にし、熱媒体の熱輸送性能を一定に維持される。

弁８６，８８の開閉の操作により、温度レベルの異なる熱媒体のヘリウムガスの密度を別々に調整可能である。

図６に熱交換器６６および低温圧縮機６８、熱交換器７５および低温圧縮機７７周りの構成を示す。図中矢印の向きは、ヘリウムガスの流動方向を示す。

断熱回収配管７２に連通し熱伝導率が大きな例えば銅製の伝熱管９０を第１コールドヘッド６５に熱的に一体化された熱伝導体９１に巻きつけて例えばハンダ等で熱的に一体化し、伝熱管９０内を流動する熱媒体のヘリウムガスを冷却し、低温圧縮機６８の例えばステンレス製のケーシング９２に連通した熱媒体回収配管６７を通り低温圧縮機６８に流入する。

上部フランジ９２は、例えばステンレス製の固定支持フランジ９３により第１熱伝導体９１に一体化されたフランジ９４にボルト９５で機械的に一体化され、他端がボルト９６で低温圧縮機６８に固定されており、低温圧縮機６８が第１コールドヘッド６５から固定支持されている。

低温圧縮機６８では、ヘリウムガスを加圧する高強度のステンレス鋼製のインペラー９７と、ステンレス鋼製のケーシング９２、高速回転するインペラー９７を回転支持する軸受３１外輪を挟み込んで固定する上部フランジ３２と下部フランジ３３、インペラー９７下部にボルト３４で機械的に一体化され永久磁石３５を固定内蔵した回転体３６、回転体３６を真空空間１００から隔離し、回転する永久磁石の変動磁場で生じる誘導電流による発熱を低減するために電気抵抗が小さな、かつ輻射率が小さな例えばアルミニウム製のカバーフランジ３７で構成され、ケーシング９２と上部フランジ３２との間、上部フランジ３２と下部フランジ３３との間および下部フランジ３３とカバーフランジ３７との間は外部の真空空間と隔離する例えば銅製のシールリング３８，３９，４０を装着し、ボルト９６で締付けて固定一体化している。

ここで、高速回転するインペラー９７の形状は、被冷却体の冷却温度等で調整する熱媒体のヘリウムガスの流量、供給配管と回収配管での流動圧力損失をカバーする吐出圧、密度で最適な形状が定まり、これに嵌合するケーシング９２の形状もインペラー９７の形状で定まる。他の構成要素はほぼ形状、寸法が変わらず、共通部品となる。

低温圧縮機６８の駆動系は、インペラー９７に間接的に直結した永久磁石３５と磁気カップリングされる永久磁石４２を固定する回転体４３と、ボルト４４で回転体４３と回転軸４５を機械的に一体化して永久磁石４２を回転させる電動モータ４６と、駆動系を真空空間と隔離し、回転する永久磁石の変動磁場で生じる誘導電流による発熱を低減するために電気抵抗が小さな、かつ輻射率が小さな例えばアルミニウム製の収納容器４７と、収納容器４７内を大気空間と連通するために真空断熱容器７と気密フランジ４８に両端部を気密溶接されたフレキシブルな薄肉金属ベロー管で製作した導通管９８で構成される。

気密フランジ４８と収納容器４７は、真空シールリング５０を介してボルト５１で機械的に締結され、真空空間１００と気密隔離されている。

電動モータ４６は、回転体３６と回転体４３の回転軸が一致するように収納容器４７内壁部に支持台５２で機械的に一体化され、電動モータの電源ケーブル５３は、室温大気空間に設置された電源装置９９に接続されている。さらに、低温のカバーフランジ３７と常温の収納容器４７は、回転体３６と回転体４３の回転軸が一致するように、熱伝導率が小さな例えばカラス繊維入りエポキシ樹脂材で製作された支持固定ボルト５５を使用し、端部がカバーフランジ３７に接着剤等で固定された支持固定ボルト５５と、ナット５６で例えば円周４箇所で機械的に一体化されている。

電源装置９９のスイッチをONすることによって、駆動系の電動モータ４６が回転し、永久磁石４２を有する回転体４３が回転すると、磁気カップリングにより低温圧縮機６８の回転体３６が同期回転し、インペラー９７が回転して熱交換器６６で冷却されたヘリウムガスが加圧圧縮され、断熱供給配管６９から吐出される。

一方、低温圧縮機７７に連通した熱交換器７５の構造は、図２と同様に、例えば熱伝導率が大きな銅製の熱交換器７５の上部フランジ１０１が、ヘリウム冷凍機６４の第２コールドヘッド７４にハンダ等で熱的に一体化された例えば熱伝導率が大きな銅製の冷却フランジ１０２に例えばインジュームシート（図示せず）を介してボルト１０３で熱的に一体化されている。

熱交換器７５内には、例えば熱伝導率が大きな銅製の円盤に通気孔１０４を多数有した多孔円板１０５と、リング状のスペーサ円板１０６の複数枚を、外周部がケーシング１０７の隔壁とハンダ等で熱的に一体化され、コールドヘッド７４の寒冷で低温に伝導伝熱で冷却され、断熱回収配管８１内から熱交換器７５内に流入し通気孔１０４を通過するヘリウムガスが冷却される。

低温圧縮機７７は、ヘリウムガスを加圧する例えば高強度のステンレス鋼製のインペラー１０８と、ステンレス鋼製のケーシング１０９、高速回転するインペラー１０８を回転支持するボールベアリングの軸受３１外輪を挟み込んで固定する上部フランジ３２と下部フランジ３３、インペラー１０８の下部にボルト３４で機械的に一体化され永久磁石３５を固定内蔵した回転体３６、回転体３６を真空空間から隔離し、回転する永久磁石の変動磁場で生じる誘導電流による発熱を低減するために電気抵抗が小さな、かつ輻射率が小さな例えばアルミニウム製のカバーフランジ３７で構成され、ケーシング１０９と上部フランジ３２との間、上部フランジ３２と下部フランジ３３との間および下部フランジ３３とカバーフランジ３７との間は外部の真空空間と隔離する例えば銅製のシールリング３８，３９，４０を装着し、ボルト４１で締付けて固定一体化している。

低温圧縮機７７の駆動系は、インペラー１０８に間接的に直結した永久磁石３５と磁気カップリングされる永久磁石４２を固定する回転体４３と、ボルト４４で回転体４３と回転軸４５を機械的に一体化して永久磁石４２を回転させる電動モータ４６と、駆動系を真空空間と隔離し、回転する永久磁石の変動磁場で生じる誘導電流による発熱を低減するために電気抵抗が小さな、かつ輻射率が小さな例えばアルミニウム製の収納容器４７と、収納容器４７内を大気空間と連通するために真空断熱容器７と気密フランジ４８に両端部を気密溶接されたフレキシブルな薄肉金属ベロー管で製作した導通管１１０で構成される。

気密フランジ４８と収納容器４７は、真空シールリング５０を介してボルト５１で機械的に締結され、真空空間１００と気密隔離されている。

電動モータ４６は、回転体３６と回転体４３の回転軸が一致するように収納容器４７内壁部に支持台５２で機械的に一体化され、電動モータの電源ケーブル５３は、室温大気空間に設置された電源装置１１１に接続されている。さらに、低温のカバーフランジ３７と常温の収納容器４７は、回転体３６と回転体４３の回転軸が一致するように、熱伝導率が小さな例えばガラス繊維入りエポキシ樹脂材で製作された支持固定ボルト５５を使用し、端部がカバーフランジ３７に接着剤等で固定された支持固定ボルト５５と、ナット５６で例えば円周４箇所で機械的に一体化されている。

電源装置１１１のスイッチをONすることによって、駆動系の電動モータ４６が回転し、永久磁石４２を有する回転体４３が回転すると、磁気カップリングにより低温圧縮機３の回転体３６が同期回転し、インペラー１０８が回転して熱交換器７５で冷却されたヘリウムガスが加圧圧縮され、断熱供給配管７８から吐出される。

また、電動モータ４６は常温大気空間で運転され、汎用の電動モータが適用できる。

低温圧縮機６８，７７において、それぞれの低温の回転体３６と常温の回転体４３とは、図２と同様に、非接触で、かつ真空空間１００を介して磁気的に連結されているので、両者間に熱伝導による熱侵入は、例えば熱伝導率が小さいエポキシ樹脂製の支持固定ボルト５５から侵入する伝導伝熱のみである。支持固定ボルト５５は、回転体３６と回転体４３との相対位置を決め、さらに回転体４３を有する回転駆動系の構造物を支持するものである。

電動モータ４６は汎用モータが適用でき小型化軽量化が可能であり、それに伴ってアルミニウム製の収容容器４７、導通管４９も小型化軽量化が可能であり、支持固定ボルト５５の設置本数の低減、小径、長尺化を実施し、熱侵入の低減により低温圧縮機６８，７７内を流動する低温ヘリウムガスの昇温が低減できる。

いっぽう、電動モータ４６の運転時に発生する発熱で加温された収納容器４７内の空気は、例えばビニール製の排気管５７を通じて排気装置５８で大気に排気され、導通管９８．１１０内を通り収納容器４７内に流入する大気中の空気で空冷され、電動モータ４６の過熱を防止し安定な運転が担保される。

熱交換器６６と低温圧縮機６８がヘリウム冷凍機６４の第１コールドヘッド６５に固定支持、さらに熱交換器７５と低温圧縮機７７がヘリウム冷凍機６４の第１コールドヘッド７４に固定支持されており、低温圧縮機６８、７７を常温の真空断熱容器７から支持する必要がなく、常温の支持材からの熱侵入が無く、この支持材による低温圧縮機６８、７７内を流動する低温ヘリウムガスの昇温を低減できる。

以上、本実施例では、２温度レベルの複数の低温圧縮機６８、７７を用いることで２温度レベルのヘリウムガスを熱媒体として２温度レベルの被冷却体まで別々の配管内を通って循環でき、さらにのインペラー９７，１０８の回転軸を常温の駆動系の回転軸と分離非接触で構成できるので、回転軸を介しての伝導伝熱による熱の侵入が無く、低温圧縮機６８、７７内を流動する低温ヘリウムガスの昇温を低減し、２温度レベルの被冷却体の冷却温度を下げ、冷却性能を向上できる効果がある。

また、本実施例では、低温圧縮機６８、７７の駆動系のそれぞれの常温電動モータ４６を真空空間１００内において、低温圧縮機３の構成部材から固定支持され、大気に連通した常温空間内に設置できるので、電動モータ４６の運転操作を容易にし、駆動系の運転信頼性を担保できる効果がある。

[実施例５]

本発明の第５実施例では２温度レベルの熱媒体循環機能付き冷却手段を使用した冷却システムについて図７を用いて説明する。

図７は２温度レベルのヘリウム冷凍機を用いた２温度レベルの冷却システムの構成図を示す。本実施例が図５と異なる点は、冷却温度約７７Kと２７Kの２温度レベルの熱媒体として異なる熱媒体例えば第１温度レベル７７Kの熱媒体として窒素ガスを、第２の温度レベル２７Kの熱冷媒としてネオンガスを使用し、室温部に設けた貯蔵タンク１１２から弁８６を介し配管８７を通じて、断熱回収配管７２へ窒素ガスを補充、回収し、また、貯蔵タンク１１３から弁８８を介し配管８９を通じて、断熱回収配管８１へネオンガスを補充、回収し、温度レベルの異なる熱媒体の密度を別々に調整する。

すなわち、熱交換器６６内では熱媒体の窒素ガスが寒冷温度約７０Kの第１コールドヘッド６５で大部分が液化され温度約７５Kの液体窒素となって、低温圧縮機６８に流入し、液体窒素は断熱供給配管６９を通り、熱シールド板６３を７７Kに冷却する。熱交換器７１で加温されて蒸発した窒素ガスは、断熱回収配管７２の通り、熱交換器６５内で再液化される。

一方、熱交換器７５内では熱媒体のネオンガスが寒冷温度約２５Kの第２コールドヘッド７４で大部分が液化され温度約２７Kの液体ネオンとなって、低温圧縮機７７に流入し、液体ネオンは断熱供給配管７８を通り、超伝導磁石２を２７Kに冷却する。熱交換器８０で加温されて蒸発したネオンガスは、断熱回収配管７９の通り、熱交換器７５内で再液化される。

本実施例によれば、低温圧縮機からそれぞれの熱媒体を単位質量当たりの冷却能力が大きな蒸発潜熱を有する液化ガスで供給できるので、被冷却体である熱シールド板６３を７７Kに、超伝導磁石２を２７K被冷却体に冷却できる。

したがって、実施例４の場合に比べ熱シールド板６３をより低温の７７Kに冷却できるので、超伝導磁石２に熱シールド板６３から侵入する輻射熱をより低減でき、超伝導磁石２の温度上昇を防止できる効果が向上する。

さらに、超伝導磁石２も実施例４の場合に比べより低温の温度２７Kに冷却できるので、超伝導磁石２の臨界電流性が向上し、供給電流を増加させることによって超伝導磁石２の発生磁場が増加し、磁気性能が向上する効果がある。

なお、本実施例では２温度レベルでの熱媒体は窒素ガスとネオンガスを使用した場合について説明したが、窒素ガスとヘリウムガスの組み合わせや、ヘリウムガスとネオンガスの組み合せ等の熱媒体の組み合わせは、設計される冷却温度によって選定され、同様な効果が生じる。

[実施例６]

本発明の第６実施例では、回転機能の劣化防止機能付きの低温圧縮機３について図８を用いて説明する。

本実施例が第１実施例の図２と異なる構造は、低温圧縮機３の吸入口に、例えば焼結金属等で製作された通気孔が数十ミクロンメートルのフィルター１１４を配置した構造にある。

本実施例によれば、循環する熱媒体のヘリウムガスや窒素ガスやネオンガス中の残留水分や炭酸ガス等が熱交換器４内で固化し氷やドライアイスとなった微細な固形物片をフィルター１１４で捕捉し、低温圧縮機３のインペララー２９や軸受３１等の回転部に混入し、噛み込んで回転機能が停止することが防止できるので、低温圧縮機の安定な運転を担保できる効果がある。

[実施例７]

本発明の第７実施例では、２温度レベルの熱媒体循環機能付き冷却手段を使用した冷却システムについて図９を用いて説明する。

本実施例が図６と異なる点は、低温圧縮機７７において、温度２７Kの低温のカバーフランジ３７と常温のアルミニウム製の収容容器４７との間に電気抵抗値が小さく、かつ熱伝導率が大きく、輻射率が小さい銅板１１５が配置され、銅板１１５は温度７０Kの第１コールドヘッド６５に熱的に一体化されたフランジ９４に、ボルト１１６で熱的に一体化された例えば銅製の熱伝導体１１７に例えば端部を例えばハンダ等で熱的に一体化された伸縮可能な銅網体１１８の他端で例えばハンダ等で熱的に一体化され、熱伝導率が小さな例えばガラス繊維入りエポキシ樹脂材で製作された支持固定ボルト１１９の収容容器４７寄りの部分の位置で、例えば接着剤等で銅板１１５と熱的に一体化された構造にある。

本実施例によれば、銅板１１５で支持固定ボルト１１９を冷却させることで、支持固定ボルト１１９を介して常温の収容容器４７から熱伝導で低温のカバーフランジ３７に流入する熱侵入を低減し、さらに常温のアルミニウム製の収容容器４７から温度２７Kの低温のカバーフランジ３７に侵入する輻射熱を銅板１１５により熱シールドすることで流入する熱侵入を低減することができるので、低温圧縮機７７で循環される熱媒体の温度の上昇を低減でき、第２の被冷却体の冷却温度をさらに低下させることができる効果がある。

[実施例８]

本発明の第８実施例では、回転センサー付の低温圧縮機の構成図について図１０を用いて説明する。

本実施例が図２と異なる点は、低温圧縮機７７において、前記インペラー２９と一体化された磁気カップリング用の永久磁石３５の漏洩磁場空間にあるセンサー設置孔１１９に磁気センサー１２０を配置し、回転する永久磁石３５の漏洩磁場の磁場変動を計測線１２１、大気空間と真空空間１００とを隔離する結線コネクター１２２を介して回転計測装置１２３で実回転数を計測し、所定の回転数になるよう制御信号線１２４を介して回転調整駆動装置１２５を制御し、電動モータ４６の回転数を制御できる構成にある。

本実施例によれば、インペラー２９を所定の回転数に精度よく制御できるので、低温圧縮機３における熱媒体の循環流量を精度よく調整できるので、熱媒体を所定の量を循環でき効率よく被冷却体を冷却できる効果がある。

[実施例９]

本発明の第９実施例では、図１１に耐真空用電動モータを使用した低温圧縮機を具備した冷媒循環機能付き冷却手段および冷却システムの構成図を、図１２に低温圧縮機周りの構成図を用いて説明する。

本実施例が図２と異なる点は、真空空間で安定回転可能な電動モータ１２６を真空空間１００内に露出して配置し、電動モータ１２６はボルト５５で固定支持された熱伝導率が小さい例えばガラス繊維入りのエポキシ樹脂製の固定部材１２７に支持台５２を介して機械的に一体化され、電動モータ１２６の発熱は、常温部に設けた例えば水冷式の冷却装置１２８から供給され往復流路管１２９で供給、回収される冷却水で冷却する熱交換器１３０を電動モータ１２６に熱的に一体化させて構成する構造にある。電動モータ１２６は回転数制御電源装置１３１から配線１３２を介して回転運動する。例えば銅製の金属の往復流路管１２９および配線１３２は、大気空間と真空空間１００間を気密的に貫通させる接続コネクター１３３を介して連結されている。

本実施例によれば、磁気カップリングを構成する永久磁石３５と永久磁石４２をさらに近接して配置できるので磁気カップリング力を高めることができるので、インペラー２９を安定的に回転させて低温圧縮機３における熱媒体の循環流量を精度よく調整でき、熱媒体を所定の量で循環でき効率よく被冷却体を冷却できる効果がある。

以上の実施例では、低温圧縮機の軸受を１個配置した場合について説明したが、回転軸のスラスト方向、ラジアル方向での回転を支持可能な、複数の軸受を組み合わせて配置しても同様な効果が生じる。

また、軸受としてボールベアリングの軸受を適用した場合について説明したが、軸受が熱媒体の流体軸受を適用しても同様な効果が生じる。

また、以上の実施例では、冷却手段の冷却源のヘリウム冷凍機として蓄冷器が運転中に移動するギフォード・マクマホン型冷凍機を適用した場合について説明したが、ソルベイ式冷凍機、スターリング式冷凍機、パルス管式冷凍機を適用しても同様な効果が生じる。

また、以上の実施例では被冷却体の超電導磁石が高温超伝導線材で製作した場合について説明したが、液体ヘリウム温度に冷却される被冷却体がNbTi製の超伝導磁石や、SQUID素子であり、熱媒体のヘリウムガスが寒冷発生温度が４K以下のヘリウム冷凍機で液化され、液体ヘリウムを低温圧縮機で輸送供給しても同様な効果が生じる。

また、液化ガス容器内の液体ガスの蒸発ガスを被冷却体とし、熱媒体の極低温ヘリウムガスを前記液化ガスの気相中に露出配置した液化用熱交換器まで断熱輸送し、気相中で前記蒸発ガスを液体する循環機能付き冷却手段および冷却システムでも、液化ガス容器内の液化ガスを補充不要な効果を生じる。

このケースでは、ヘリウム冷凍機および低温圧縮機が、被冷却体の前記液化用熱交換器の配置位置よりも重力方向下部にあっても熱媒体のヘリウムガスを上部に循環輸送できるので、上部の位置にある被冷却体を安定に冷却できる効果がある。

また、以上の実施例では低温圧縮機をヘリウム冷凍機の低温部の部材から固定支持する場合について説明したが、前記低温部材からサーマルアンカーを具備して、前記ヘリウム冷凍機の低温部より高温の部材から固定支持する支持材で固定支持する構造であっても同様な効果が生じる。

また、以上の実施例では冷却手段の寒冷発生手段としてヘリウム冷凍機を適用した場合について説明したが、他のガス、例えばアンモニアを使用した冷凍機や、例えば図２のコールドヘッド１２の位置に、外部から補充される液化ガス、例えば液体窒素や液体ネオンや液体ヘリウムの液化ガス容器を配置し、熱交換器４および低温圧縮機３を前記液化ガス容器の底部に熱的に一体化される構成であっても、同様な被冷却体の冷却効果が生じる。

すなわち、寒冷発生手段の液化ガス容器内と熱媒体循環流路が隔離できるので、低温圧縮機３に液化ガス中の固形物が混入するリスクが無く、また、寒冷発生手段を低コストで製作できるので、低コストな熱媒体循環機能付き寒冷発生手段および冷却システムを提供できる効果がある。

さらに、液化ガス容器内と熱媒体循環流路が隔離できるので、低温圧縮機３に液化ガス中の固形物が混入する危険が無く、安定な熱媒体循環機能付き寒冷発生手段および冷却システムを提供できる効果がある。

また、以上の実施例では低温圧縮機を連続運転する場合について説明したが、液化した熱媒体の体積は大幅に減少するので、わずかな圧送量で十分な場合があり、低温圧縮機を不連続に運転しても、被冷却体の冷却性能を確保できる効果がある。

また、以上の実施例ではインペラー側の永久磁石に対向する電動モータの回転軸に直結した永久磁石で構成した磁気カップリングの場合について説明したが、インペラー側の永久磁石と回転磁界を発生する静止型コイル電磁石で構成した磁気カップリングの場合においても、同様な効果が生じる。

以上、本発明になる熱媒体循環機能付き冷却手段および冷却システムによれば、熱媒体のヘリウムガスは循環する際、寒冷発生減のヘリウム冷凍機の寒冷で冷却された後、低温圧縮機で圧送される場合について説明したが、低温圧縮機で圧送された後、ヘリウム冷凍機の寒冷で冷却される場合でも同様な熱媒体循環機能付き冷却手段および冷却システムを提供することができる効果がある。

以上、本発明になる熱媒体循環機能付き冷却手段および冷却システムによれば、熱媒体のヘリウムガスが熱交換器を介して間接的に被冷却体を冷却する場合について説明したが、被冷却体が熱媒体流路内に導通し、直接熱媒体で冷却される場合でも同様な熱媒体循環機能付き冷却手段および冷却システムを提供することができる効果がある。

また、以上の実施例では低温圧縮機を連続運転する場合について説明したが、液化した熱媒体の体積は大幅に減少するので、わずかな圧送量で十分な場合があり、低温圧縮機を不連続に運転しても、被冷却体の冷却性能を確保できる効果がある。

１…ヘリウム冷凍機、２…超伝導磁石、３…低温圧縮機、４…熱交換器、５…断熱供給配管、６…断熱回収配管、７…真空断熱容器、８…真空断熱配管、１２…コールドヘッド、１３…冷却ステージ、１４…熱交換器、２１…貯蔵タンク、２９…インペラー、３０…ケーシング、３１…軸受、３７…カバーフランジ、３５、４２…永久磁石、３６、４３…回転体、４６…電動モータ、４７…収納容器、４９…導通管、５５…支持固定ボルト、５４…電源装置、５７…排気管、５８…排気装置、１００…真空空間

Claims (13)

1. 真空断熱容器内に配置された冷却源となる寒冷発生手段と、前記寒冷発生手段と離れた被冷却体間を熱媒体圧送手段で熱交換器を備えた熱媒体循環流路内を流動させる熱媒体を介して、前記被冷却体を前記寒冷発生手段の寒冷で直接的もしくは間接的に冷却する冷却システムであって、
   前記熱媒体圧送手段を構成する回転翼を、前記循環する前記熱媒体循環流路内に配置し、前記回転翼を駆動する回転駆動手段を有した非接触回転駆動手段を前記熱媒体循環流路内と隔離され、前記熱媒体循環流路外に具備したことを特徴とする熱媒体循環機能付き冷却手段および冷却システム。
2. 請求項１に記載の熱媒体循環機能付き冷却手段および冷却システムにおいて、
   前記回転翼の回転軸と回転駆動手段の回転軸とを非接触の磁気カップリングで構成したことを特徴とする熱媒体循環機能付き冷却手段および冷却システム。
3. 請求項２に記載の熱媒体循環機能付き冷却手段および冷却システムにおいて、
   前記磁気カップリングが生じる磁場空間にある熱媒体圧送手段の隔壁を、磁場変化に対して誘導電流の発生が少ない銅やアルミニウム材質もしくは電気絶縁材で構成したことを特徴とする熱媒体循環機能付き冷却手段および冷却システム。
4. 請求項１および請求項２に記載の熱媒体循環機能付き冷却手段および冷却システムにおいて、
   少なくとも前記冷媒圧送手段を直接的もしくは間接的に前記寒冷発生手段の構成部材から機械的に固定支持したことを特徴とする熱媒体循環機能付き冷却手段および冷却システム。
5. 請求項１および請求項２に記載の熱媒体循環機能付き冷却手段および冷却システムにおいて、
   前記熱媒体圧送手段を構成する回転翼を、前記熱媒体流路内に配置し、前記回転翼を駆動する非接触の回転駆動手段を前記真空断熱容器内でかつ大気に導通した収納容器内に具備したことを特徴とする熱媒体循環機能付き冷却手段および冷却システム。
6. 請求項１および請求項２に記載の熱媒体循環機能付き冷却手段および冷却システムにおいて、
   前記寒冷発生手段を２温度レベルの寒冷を発生する寒冷発生手段で構成し、２温度レベルの少なくともいずれかの温度レベルで液化する熱媒体を循環させることを特徴とする熱媒体循環機能付き冷却手段および冷却システム。
7. 請求項６に記載の熱媒体循環機能付き冷却手段および冷却システムにおいて、
   前記寒冷発生手段を２温度レベルの寒冷を発生する寒冷発生手段で構成し、２温度レベル循環流路内の相互流路間を隔離可能としそれぞれ異なる物性の熱媒体を循環させることを特徴とする熱媒体循環機能付き冷却手段および冷却システム。
8. 請求項１に記載の熱媒体循環機能付き冷却手段および冷却システムにおいて、
   低温圧送手段の熱媒体流入部位に熱媒体中の固形物を捕捉するフィルターを具備して構成したことを特徴とする熱媒体循環機能付き冷却手段および冷却システム。
9. 請求項２に記載の熱媒体循環機能付き冷却手段および冷却システムにおいて、
   前記磁気カップリングの前記回転翼に同期する漏洩磁場空間に磁気センサーを具備したことを特徴とする熱媒体循環機能付き冷却手段および冷却システム。
10. 請求項６に記載の熱媒体循環機能付き冷却手段および冷却システムにおいて、
    ２温度レベルの寒冷を発生する寒冷発生手段の低温部に固定支持された、より温度が低い熱媒体圧送手段の磁気カップリングの磁気空間の中に、熱シールドおよびサーマルアンカー手段を配置し、熱シールド手段とおよびサーマルアンカー手段を前記寒冷発生手段の高温側の寒冷発生部と熱的に一体化する熱伝導手段を具備したことを特徴とする熱媒体循環機能付き冷却手段および冷却システム。
11. 請求項１および請求項２に記載の熱媒体循環機能付き冷却手段および冷却システムにおいて、
    前記回転駆動手段として耐真空電動モータを使用し、前記耐真空電動モータを前記真空断熱容器内の真空空間に露出して具備したことを特徴とする熱媒体循環機能付き冷却手段および冷却システム。
12. 請求項１および請求項２に記載の熱媒体循環機能付き冷却手段および冷却システムにおいて、
    前記寒冷発生手段が冷却源となる液化ガスを内蔵した液化ガス容器であることを特徴とする熱媒体循環機能付き冷却手段および冷却システム。
13. 請求項１に記載の熱媒体循環機能付き冷却手段および冷却システムにおいて、
    前記寒冷発生手段で液化した熱媒体を不連続に運転される前記熱媒体圧送手段で循環することを特徴とする熱媒体循環機能付き冷却手段および冷却システム。