JP2016217616A - 極低温冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】メンテナンス（保守）が容易で、かつ優れた信頼性を有する新規な極低温冷却装置の提供。【解決手段】真空容器１に、極低温液体１０を貯留しうるタンク２と、タンク２内の極低温液体１０を抜き出して冷却する冷凍機３と、冷凍機３で冷却された極低温液体１０を被冷却体５に供給する循環機４とをそれぞれ独立して収容する。このような構成によれば、最も故障しやすい循環機４が、タンク２や冷凍機３と独立して設けられているため、従来のようにタンク２を分解することなく循環機４単独でメンテナンス作業を行うことができる。【選択図】図１

Description

本発明は、高温超電導体を適用した回転機や変圧器などの超電導応用装置などを液体窒素などの極低温液体で冷却するための極低温冷却装置に関するものである。

高温超電導（超伝導）現象を利用した装置には、これを液体窒素などの極低温液体を用いて約８０Ｋ以下の極低温まで冷却するための冷却装置が不可欠となっている。従来、この種の冷却装置としては、例えば以下の特許文献１に示すように大気圧の飽和温度より低い温度の過冷却液体窒素を貯留する容器と、超電導装置との間を循環手段（循環ポンプ）を用いて連結した構成のものが知られている。

特開平１０−３２５６６１号公報

ところで、前記特許文献１に示したような従来の冷却装置の場合、特に可動部となる循環ポンプの部位が最も故障しやすい。そのため、定期的なメンテナンスが必要となってくるが、この循環ポンプは液体窒素貯留容器に一体的に設けられているため、その作業の都度、液体窒素貯留容器を全て分解しなければならず、多大な手間と時間を要する。そのため、極低温状態でも安定して稼働する信頼性の高い循環ポンプが要求されているが、現時点ではその要求を満足するような信頼性を有するものはまだ提案されていない。

そこで、本発明はこれらの課題を解決するために案出されたものであり、その目的はメンテナンス（保守）が容易で、かつ優れた信頼性を有する新規な極低温冷却装置を提供することにある。

前記目的を達成するために第１の発明は、真空容器に、極低温液体を貯留しうるタンクと、当該タンク内の極低温液体を抜き出して冷却する冷凍機と、当該冷凍機で冷却された極低温液体を被冷却体に供給する循環機とをそれぞれ独立して収容してなることを特徴とする極低温冷却装置である。このような構成によれば、最も故障しやすい循環機が、タンクや冷凍機と独立して設けられているため、従来のようにタンクを分解することなく循環機単独でメンテナンス作業を容易に行うことができる。

第２の発明は、第１の発明において、前記タンクまたは冷凍機のいずれか一方、あるいは両方にヒーターを備えたことを特徴とする極低温冷却装置である。このような構成によれば、冷凍機で冷却された極低温液体が過冷却状態になって凍結するようなことがないよう制御して操作性を向上させることができる。

第３の発明は、第１または第２の発明において、前記循環機は、極低温液体を被冷却体に供給するポンプ部と、当該ポンプ部を駆動する駆動部とを有し、前記ポンプ部は、前記極低温液体が流通するケーシング内に回転自在に収容された回転羽根と、当該回転羽根を前記ケーシングの外側から磁力で回転駆動する駆動体とを備え、前記ケーシングは、上部ケーシングと下部ケーシングとからなると共に、前記上部ケーシングと下部ケーシングとをインジウム製のシールを介して結合してなることを特徴とする極低温冷却装置である。このような構成によれば、極低温状態におけるケーシングのシール性やその信頼性が向上する。

第４の発明によれば、第１または第２の発明において、前記循環機は、極低温液体を被冷却体に供給するポンプ部と、当該ポンプ部を駆動する駆動部とを有し、前記ポンプ部は、前記極低温液体が流通するケーシング内に回転自在に収容された回転羽根と、当該回転羽根を前記ケーシングの外側から磁力で回転駆動する駆動体とを備え、前記回転羽根は、フッ素樹脂製のブッシングを介して前記ケーシング内のシャフトを軸として回転すると共に、窒化珪素からなるスラストリングを介して前記シャフトに支持されていることを特徴とする極低温冷却装置である。このような構成によれば、軸受けとなるブッシングやスラストリングの耐摩耗性が向上するため、ポンプ部の耐久性や信頼性が向上する。

第５の発明は、第１または第２の発明において、前記循環機は、極低温液体を被冷却体に供給するポンプ部と、当該ポンプ部を駆動する駆動部とを有し、前記ポンプ部は、前記極低温液体が流通するケーシング内に回転自在に収容された回転羽根と、この回転羽根を前記ケーシングの外側から磁力で回転駆動する駆動体とを備え、前記駆動体は、前記真空容器外に設けられた前記駆動部と回転軸を介して連結されると共に、前記回転軸は、その途中に設けられたオイルフリーの軸受けと磁性流体シールで真空気密封止状態に軸支されていることを特徴とする極低温冷却装置である。このような構成によれば、優れた気密性を発揮できるため、真空容器内の高真空状態を維持することができる。

第６の発明は、第５の発明において、前記ポンプ部と駆動部は、前記回転軸を囲繞するようにＦＲＰ製の筒体で連結されていることを特徴とする極低温冷却装置である。このような構成によれば、筒体を介して駆動部からポンプ部への侵入熱を低く抑えることができると共に、循環機が軽量化されて取り外しや取り付け容易となるため、メンテナンス作業も容易となる。

本発明の極低温冷却装置によれば、最も故障しやすい循環機をタンクや冷凍機と独立させたので、メンテナンス作業が従来より容易になる。また、この装置に使用される循環機の構成に工夫を加えることにより、信頼性が向上する。さらに、随所にヒーターを適用することにより操作性を向上できるなどといった優れた効果を発揮する。

本発明に係る極低温冷却装置１００の実施の一形態を示す構成図である。 図１中Ａ部（ポンプ部４Ａ付近）を示す部分拡大断面図である。 図１中Ｂ部（駆動部４Ｂ付近）を示す部分拡大断面図である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は本発明に係る極低温冷却装置１００の実施の一形態を示したものである。図示するようにこの極低温冷却装置１００は、大別して断熱のための真空容器１と、その中に配置されたタンク２と、冷凍機３と、循環機４と、冷却対象物の被冷却体５と、それらをつなぐ各種配管類とから構成されている。

真空容器１は、断熱材で形成された箱形の容器本体１ａに真空引きライン３７を接続したものであり、図示しない真空ポンプによってこの真空引きライン３７から内部の空気を抜き出して高真空状態を保つことで侵入熱を防ぐ構造となっている。そして、この容器本体１ａの天板１ｂから前記タンク２および冷凍機３、循環機４をそれぞれ独立して吊り下げるような状態で収容している。

タンク２は、極低温でも優れた耐久性を有する材料（金属など）からなる円筒容器で構成されており、その内部には液体窒素１０が貯留され、この液体窒素１０はバルブ１１付きの供給管１２を通して随時供給可能となっている。なお、このバルブ１１は初期の液体窒素１０充填時に利用されるものであり、定常使用時は閉じられている。

そして、このタンク２中で気化したガスは、バルブ１３付きのガス抜き管１４から放出される。ガス抜き管１４には安全弁１５が付設されている。さらに、このタンク２の最上部にはガス抜き管１４に併設した圧力センサー１６と連動して動作するヒーター１７が設けられている。なお、このバルブ１３も液体窒素１０の初期充填時に開放されるが定常使用時には閉じられている。

冷凍機３は、例えばギホードマクマホンサイクルを採用した小型の単段冷凍機からなっており、その低温発生部であるコールドステージ２１には、図示しない温度センサーと連動するヒーター２２と、熱交換器２３とが設けられている。この熱交換器２３は、抜出し管２ａを介してタンク２の底部と連結されており、タンク２内の液体窒素１０が流れ込むようになっている。また、この熱交換器２３には、排出管３ａが接続されており、タンク２から流れ込んできた液体窒素１０をこの排出管３ａを通して循環機４側に流すようになっている。

循環機４は、真空容器１内に位置するポンプ部４Ａと、このポンプ部４Ａを真空容器１の外側から駆動する駆動部４Ｂとから構成されている。なお、これらの詳細な構造は後述する。そして、このポンプ部４Ａには、冷凍機３の熱交換器２３から延びる排出管３ａと、供給ライン３１とが接続されている。

この供給ライン３１は、真空容器１を貫通してその外部にある、超電導体からなる被冷却体５側に接続されている。この供給ライン３１は、被冷却体５からの戻りライン３２と共に断熱配管３３に内蔵され、外部からの侵入熱が防止される構造となっている。この戻りライン３２は、真空容器１を貫通してその内部に延び、熱式流量計３４およびバルブ３５を経てタンク２側に連結されている。

この戻りライン３２のバルブ３５の前段には、真空容器１の外部に延びる分岐ライン３２ａが接続されており、この分岐ライン３２ａには、さらにこれを開閉するための放出弁３６が設けられている。この放出弁３６は、被冷却体５の初期冷却時に冷却に用いた液体窒素１０の気化ガスを分岐ライン３６から外部に放出するために開放するものであり、定常的な使用時は閉じられている。

次にこのような構成をした本発明に係る極低温冷却装置１００の動作例を示す。タンク２に貯留された液体窒素１０は、抜出し管２ａを介して冷凍機３側に抜き出され、その熱交換器２３を流れる間に冷却されて、例えば６５Ｋの過冷却液体になる。すなわち大気圧の液体窒素１０の温度は７７Ｋであるが冷凍機３側に抜き出された液体窒素１０は、この冷凍機３によって１０Ｋ以上過冷却されることになる。

この過冷却液体となった液体窒素１０は、熱交換器２３から排出管３ａを通過して循環機４に吸い込まれ、ここで圧力を高められてから供給ライン３１を通って被冷却体５に送り込まれる。被冷却体５に送り込まれた液体窒素１０は、この被冷却体５で受ける熱負荷によって例えば５Ｋ程度の温度上昇を伴って戻りライン３２に流れ、これを通過してタンク２内に戻ってくる。そのため、冷凍機３に必要とされる冷凍能力は、この被冷却体５における熱負荷のほかに、タンク２への侵入熱、循環機４の軸受摩擦熱、流体の圧縮熱、断熱配管３３での侵入熱などを補償しなければならない。

一方、このようにして戻ってきた液体窒素１０によってタンク２内の液体窒素１０の温度が下がり、その飽和圧が大気圧以下になると外気がタンク２内に吸い込まれ、その大気中の水分などの不純物がタンク２内に混じるおそれがある。そのため、タンク２の上部に設けられたヒーター１７は、圧力センサー１６の指示をモニターしながらタンク２を適度に加熱し、その液体窒素１０の飽和圧力を上げるように作用をする。

ちなみにこの加熱処理は、気体と接する液体窒素１０の気液界面付近の温度を上げるだけのごく僅かの熱量でいいので大きな熱負荷にはならない。逆に、この処理で圧力が上がりすぎたときには、安全弁１５が作動して自動的に圧力を下げるようになるため、タンク２の内圧は常に一定の範囲に保たれる。

また、冷凍機３のコールドステージ２１に付設されたヒーター２２は、熱交換器２３を通過する液体窒素１０の温度をその凝固温度６３Ｋより低くならないように併設された図示しない温度センサーの指示を基にこれを加熱制御することになる。これによって、冷却し過ぎによる液体窒素１０の凍結などを未然に防止して、安定的に過冷却液体窒素１０を供給ライン３１に供給することができる。

熱式流量計３４は、戻りライン３２の中途に設けたヒーターおよびその前後の温度センサーからなる一般的な計量方法を採用している。すなわち、ヒーター加熱量をＱ、ヒーター前後の温度差をΔＴ、液体の比熱をＣｐとすれば、質量流量はＶｍは、Ｖｍ＝Ｑ／（ＣｐΔＴ）となる。

次に、図２は図１中Ａ部、すなわち循環機４のポンプ部４Ａを示す部分拡大断面図である。図示するようにこのポンプ部４Ａは、両端にフランジ４０ａ、４０ｂを備えた筒状のアウターケース４０と、このアウターケース４０の下部フランジ４０ｂ側に連結ボルト４０ｃ、４０ｃで脱着自在に取り付けられるケーシング４１と、このケーシング４１内に収容された筒状の回転体４２と、アウターケース４０内に収容されたカップリング４３とを有する遠心ポンプからなっている。なお、このアウターケース４０は、その上端側のフランジ４０ａが駆動部４Ｂ側から延びる筒体５０の下端フランジ５０ｂに、ボルト５０Ｃを介して一体的に接続されている。

ケーシング４１は、下部ケーシング４１ａと上部ケーシング４１ｂとから構成されており、これら下部ケーシング４１ａと上部ケーシング４１ｂは、インジウム（Ｉｎ）製のシール４４を介してアウターケース４０の下部フランジ４０ｂと共に連結ボルト４０ｃ、４０ｃによって一体的に結合されている。

下部ケーシング４１ａの中央には、吸込口４５ａが形成されていると共に、その側部には吐出口４５ｂが形成されており、吸込口４５ａからケーシング４１内に液体窒素１０を吸い込んで吐出口４５ｂから吐出するようになっている。この吸込口４５ａには前述した冷凍機３の熱交換器２３から延びる排出管３ａが接続されると共に、吐出口４５ｂには前述した被冷却体５につながる供給ライン３１が接続されている。

ケーシング４１に収容された回転体４２は、筒状に形成されており、下部ケーシング４１ａと上部ケーシング４１ｂ間のほぼ中央に鉛直方向に架け渡されたシャフト４６上に、それぞれリング状をしたスラストリング４７ａおよびブッシング４７ｂを介して回転自在に取り付けられている。

このブッシング４７ｂは、回転体４２と共に回転するようになっており、スラストリング４７ａおよびシャフト４６の接合面で摺動するようになっている。スラストリング４７ａは耐摩耗性に優れた窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）から構成されており、ブッシング４７ｂは潤滑性に優れたフッ素樹脂から構成されている。

この回転体４２の下部には、その中央から四方に広がる羽根車４８が設けられており、この羽根車４８が回転体４２と共に回転した際の遠心力によって吸込口４５ａから液体窒素１０を連続してケーシング４１内に吸い込みつつ、吐出口４５ｂから連続的に吐出するようになっている。なお、この吸込口４５ａの高さ方向位置は、キャビテーションを防ぐために図１に示すようにタンク２に貯留された液体窒素１０の液面よりも十分低い位置になっている。

この回転体４２にはさらに永久磁石４２ａが複数設けられており、ケーシング４１の上部ケーシング４１ｂを挟んでその外側に位置するカップリング４３によって非接触状態で回転駆動されるようになっている。すなわち、このカップリング４３は、断面下向きコ字形をした筒状体に同じく前記永久磁石４２ａと対向するように永久磁石４３ａを複数設けた構造となっており、図示するように回転体４２側の永久磁石４２ａと、カップリング４３側の永久磁石４３ａとの間に生じる磁力（吸引力）を利用して回転体４２を非接触状態で回転駆動するようになっている。

このカップリング４３は、駆動部４Ｂ側から延びる回転軸４９に連結されており、駆動部４Ｂによって駆動する回転軸４９を介して回転駆動される。なお、この回転軸４９は、オイルフリーの軸受け５０ｂによって筒体５０の下端仕切板５０ａの中央部にこれを貫通するようにして軸支されている。この回転軸４９および筒体５０は、例えば繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）やステンレス鋼などのような熱伝導率の小さい材料から形成されている。

図３は図１中Ｂ部、すなわち循環機４の駆動部４Ｂを示す部分拡大断面図である。図示するようにこの駆動部４Ｂは、真空容器１の天板１ｂ側に取り付けられており、その天板１ｂに形成された取付穴１ｃに取り付けられるケーシング５５と、このケーシング５５内に設けられた磁性流体シール５１と、このケーシング５５上に設けられた駆動モーター５３とから主に構成されている。

この駆動モーター５３には、前述した回転軸４９がカップリング５２を介して連結されており、この回転軸４９を駆動モーター５３で駆動することで前記ポンプ部４Ａのカップリング４３を回転駆動するようになっている。この回転軸４９の上端は、このケーシング５５内に設けられた磁性流体シール５１と、取付穴１ｃを塞ぐように取り付けられる封止板５６に設けられたオイルフリーの軸受け５７とによって軸支されている。

このケーシング５５は、封止板５６上にその下端フランジ５５ａがボルト５５ｂによって着脱自在に取り付けられていると共に、この封止板５６は、ボルト５６ａによって真空容器１の天板１ｂ側に着脱自在に取り付けられている。さらに、この封止板５６の下面（真空容器１内）側には、ポンプ部４Ａから延びる筒体５０が接続されており、ポンプ部４Ａを真空容器１の天板１ｂ側から吊り下げるように支持している。また、この封止板５６と真空容器１の天板１ｂとの間、および磁性流体シール５１との間にはＯリング５４が挟まれており、真空容器１内の密閉状態を保持している。

そして、本発明の極低温冷却装置１００では、このような構成をした循環機４をタンク２や冷凍機３とは独立して設けたため、天板１ｂの取付穴１ｃに取り付けられるケーシング５５の封止板５６のボルト５６ａを外すだけで全体を簡単に真空容器１から取り外して、そのメンテナンス作業を行うことができる。

また、この循環機４のポンプ部４Ｂに設けられたブッシング４７ｂは、潤滑性のあるフッ素樹脂からなっているため、回転体４２の回転駆動時における摩擦熱の発生量が少なく、また、窒化珪素からなるスラストリング４７ａによって羽根車４８の軸方向のブレを低摩擦状態で抑えることができる。

また、下部ケーシング４１ａと上部ケーシング４１ｂは、これらの部材を完全に囲み、低温に抑えるインジウム製のシール４７を介して結合されているため、外部からその内部の液体窒素１０中への不純物の混入もない。また、ポンプ部４Ａと駆動部４Ｂを連結する筒体５０と回転軸４９は、ＦＲＰやステンレス鋼などの熱伝導率の小さい材料からなっているため、これらを伝わってくる侵入熱を小さく抑えることができる。

さらに、回転軸４９を支持する軸受け５０ｂ、５７は、低温真空中で使用されるオイルフリーであり、また、磁性流体シール５１を介して回転軸４９が真空容器１を貫通するので常に真空気密を保つことができる。

そして、このような構成をした循環機４を採用することにより、長時間の運転が可能となり、信頼性が向上する。特に故障の頻度が高いのは、摩耗しやすいブッシング４７ｂ、スラストリング４７ａ、軸受け５０ｂ、５７であるが、これらの交換・修理の際には循環機４のみを分解すれば良く、その作業は容易である。なお、本実施の形態では、極低温液体として液体窒素の例で説明したが、液体水素やその他の極低温液体を用いた場合も同様の作用・効果を発揮できる。

１００…極低温冷却装置
１…真空容器
１ｂ…天板
１ｃ…取付穴
２…タンク
３…冷凍機
４…循環機
４Ａ…ポンプ部（遠心ポンプ）
４Ｂ…駆動部
５…被冷却体
１０…液体窒素（極低温液体）
４１…ケーシング
４１ａ…下部ケーシング
４１ｂ…上部ケーシング
４２…回転体
４２ａ、４３ａ…永久磁石
４４…インジウム製のシール
４７ａ…スラストリング
４７ｂ…ブッシング
４９…回転軸
５１…磁性流体シール
５３…駆動モーター
５０ｂ、５７…軸受け

Claims (6)

1. 真空容器に、極低温液体を貯留しうるタンクと、当該タンク内の極低温液体を抜き出して冷却する冷凍機と、当該冷凍機で冷却された極低温液体を被冷却体に供給する循環機とをそれぞれ独立して収容してなることを特徴とする極低温冷却装置。
2. 請求項１に記載の極低温冷却装置において、
   前記タンクまたは冷凍機のいずれか一方、あるいは両方にヒーターを備えたことを特徴とする極低温冷却装置。
3. 請求項１または２に記載の極低温冷却装置において、
   前記循環機は、極低温液体を被冷却体に供給するポンプ部と、当該ポンプ部を駆動する駆動部とを有し、
   前記ポンプ部は、前記極低温液体が流通するケーシング内に回転自在に収容された回転羽根と、当該回転羽根を前記ケーシングの外側から磁力で回転駆動する回転体とを備え、
   前記ケーシングは、上部ケーシングと下部ケーシングとからなると共に、前記上部ケーシングと下部ケーシングとをインジウム製のシールを介して結合してなることを特徴とする極低温冷却装置。
4. 請求項１または２に記載の極低温冷却装置において、
   前記循環機は、極低温液体を被冷却体に供給するポンプ部と、当該ポンプ部を駆動する駆動部とを有し、
   前記ポンプ部は、前記極低温液体が流通するケーシング内に回転自在に収容された回転羽根と、当該回転羽根を前記ケーシングの外側から磁力で回転駆動する回転体とを備え、
   前記回転羽根は、フッ素樹脂製のブッシングを介して前記ケーシング内のシャフトを軸として回転すると共に、窒化珪素からなるスラストリングを介して前記シャフトに支持されていることを特徴とする極低温冷却装置。
5. 請求項１または２に記載の極低温冷却装置において、
   前記循環機は、極低温液体を被冷却体に供給するポンプ部と、当該ポンプ部を駆動する駆動部とを有し、
   前記ポンプ部は、前記極低温液体が流通するケーシング内に回転自在に収容された回転羽根と、この回転羽根を前記ケーシングの外側から磁力で回転駆動する回転体とを備え、
   前記回転体は、前記真空容器外に設けられた前記駆動部と回転軸を介して連結されると共に、
   前記回転軸は、その途中に設けられたオイルフリーの軸受けと磁性流体シールで真空気密封止状態に軸支されていることを特徴とする極低温冷却装置。
6. 請求項５に記載の極低温冷却装置において、
   前記ポンプ部と駆動部は、前記回転軸を囲繞するようにＦＲＰ製の筒体で連結されていることを特徴とする極低温冷却装置。

Images