JP2017172813A - Cryogenic cooling apparatus and cryogenic cooling method - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a cryogenic cooling apparatus and a cryogenic cooling method capable of precooling while reducing the amount of cryogenic liquid used.SOLUTION: The cryogenic cooling apparatus comprises: a cryostat; a main cooling system for cooling a superconducting coil by using a refrigerant gas in a cryogenic refrigerator; an auxiliary cooling system for cooling the superconducting coil using liquid helium; and a control unit for controlling a supply amount of the refrigerant gas and the liquid helium. The auxiliary cooling system comprises: a cooling pipe provided in contact with the outside of the superconducting coil for passing the liquid helium therethrough; a cooled-object temperature measuring unit provided in contact with the outside of a cooled object for measuring a temperature of the cooled object; an outflow liquid measuring unit for measuring a temperature of the liquid helium; and a flow regulating valve for regulating the supply amount of the liquid helium to be supplied to the cryostat. The opening degree of the flow regulating valve is regulated based on measurement results of the cooled-object temperature measuring unit and the outflow liquid measuring unit so that the supply amount of the liquid helium to the cooling pipe is controlled.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明の実施形態は、極低温冷却装置および極低温冷却方法に関する。   Embodiments described herein relate generally to a cryogenic cooling device and a cryogenic cooling method.

超電導線材は、抵抗ゼロの特性を有し、高い電流密度の電流を流せることから、発電機や電力ケーブルなどの電力機器、電力貯蔵装置、高磁場発生装置(超伝導マグネット)、MRI装置(磁気共鳴撮影装置)、重粒子線がん治療装置などのヘルスケア機器、単結晶引上げ装置、高磁場NMR(核磁気共鳴)などで実用化されている。また、超電導線材は、磁気浮上列車、磁気分離装置など様々な分野への応用も期待されている。   Superconducting wire has the characteristics of zero resistance and allows high current density to flow, so power equipment such as generators and power cables, power storage devices, high magnetic field generators (superconducting magnets), MRI devices (magnetic) (Resonance imaging apparatus), heavy particle beam cancer treatment apparatus and other healthcare equipment, single crystal pulling apparatus, high magnetic field NMR (nuclear magnetic resonance) and the like. In addition, superconducting wires are expected to be applied to various fields such as magnetic levitation trains and magnetic separation devices.

これらの装置では、例えば、超電導線材は巻かれて超電導コイルとして使用されるが、この超電導コイルは、抵抗ゼロの特性や高い電流密度を実現するために、周囲磁場と通電電流密度に依存する臨界温度以下の極低温に冷却する必要がある。例えば、超電導コイルなどは、例えば、4K(−269℃)程度に冷却して使用される。超電導コイルなどの産業用超電導機器の冷却方法としては、液体ヘリウム中に産業用超電導機器を浸す浸漬冷却方式と、極低温冷凍機と産業用超電導機器とを伝熱材を介して接続して冷却する伝導冷却方式とがある。   In these devices, for example, a superconducting wire is wound and used as a superconducting coil. This superconducting coil is a critical element that depends on the ambient magnetic field and the energizing current density in order to achieve the characteristics of zero resistance and high current density. It is necessary to cool to a very low temperature below the temperature. For example, the superconducting coil is used after being cooled to about 4K (−269 ° C.), for example. Cooling methods for industrial superconducting equipment such as superconducting coils include immersion cooling in which industrial superconducting equipment is immersed in liquid helium, and cryogenic refrigerators and industrial superconducting equipment connected via a heat transfer material. There is a conduction cooling system.

浸漬冷却方式を用いて超電導コイルを冷却する場合、超電導コイルの熱負荷の増加、極低温冷凍機の故障などがあると超電導コイルの温度が上昇しても、液体ヘリウムの蒸発潜熱で超電導コイルの熱負荷の増加分を吸収できる点で優れているといえる。   When cooling a superconducting coil using the immersion cooling method, if there is an increase in the thermal load of the superconducting coil or a cryogenic refrigerator breaks down, even if the temperature of the superconducting coil rises, It can be said that it is excellent in that it can absorb the increase in heat load.

そこで、例えば、断熱容器内の液体ヘリウムの液面または圧力面を検出して、液体ヘリウムの供給量を調整することで、超電導コイルを安定して冷却する方法が提案されている。   Therefore, for example, a method for stably cooling the superconducting coil by detecting the liquid level or pressure level of liquid helium in the heat insulating container and adjusting the supply amount of liquid helium has been proposed.

特開平6−221496号公報Japanese Patent Laid-Open No. 6-221696

ここで、ヘリウムの枯渇などにより液体ヘリウムの価格が上昇していることなどから、極低温冷却装置の運転費用を抑えるため、液体ヘリウムの使用量の削減が求められている。そのため、液体ヘリウムの使用量を低減しつつ、効率良く液体ヘリウムを超電導コイルなどの冷却に使用できる極低温冷却装置が求められている。   Here, since the price of liquid helium is rising due to depletion of helium, etc., it is required to reduce the amount of liquid helium used in order to reduce the operating cost of the cryogenic cooling device. Therefore, there is a need for a cryogenic cooling device that can efficiently use liquid helium for cooling a superconducting coil or the like while reducing the amount of liquid helium used.

そこで、本発明が解決しようとする課題は、極低温液体の使用量を低減しつつ、効率良く被冷却物を冷却することができる極低温冷却装置および極低温冷却方法を提供することである。   Therefore, the problem to be solved by the present invention is to provide a cryogenic cooling device and a cryogenic cooling method capable of efficiently cooling an object to be cooled while reducing the amount of cryogenic liquid used.

一の実施形態による極低温冷却装置は、被冷却物を収容するための断熱容器と、前記断熱容器を内部に内包する真空容器とを具備してなるクライオスタットと、極低温冷凍機を用いて冷媒ガスにより前記被冷却物を冷却する主冷却系統と、極低温液体を用いて前記被冷却物を冷却する副冷却系統と、前記冷媒ガスおよび前記極低温液体の供給量を制御する制御部と、を具備してなる極低温冷却装置であって、前記副冷却系統は、前記被冷却物の外側に接触させた状態で設けられた、前記極低温液体が通る冷却管と、前記被冷却物の外側と接触するように設けられた、前記被冷却物の温度を測定する被冷却物温度測定部と、前記冷却管の前記被冷却物に接触している部分よりも前記極低温液体の排出側に設けられた、前記極低温液体の温度を測定する流出液体測定部と、前記被冷却物に接触している部分に供給される前記極低温液体の供給量を調整する流量調整弁と、を具備してなり、前記制御部は、前記被冷却物温度測定部および前記流出液体測定部の測定結果に基づいて前記流量調整弁の開度を調整し、前記冷却管への前記極低温液体の供給量が制御される。   A cryogenic cooling device according to an embodiment includes a cryostat including a heat insulating container for containing an object to be cooled, a vacuum container containing the heat insulating container inside, and a refrigerant using a cryogenic refrigerator. A main cooling system that cools the object to be cooled with gas, a sub-cooling system that cools the object to be cooled using a cryogenic liquid, and a control unit that controls the supply amount of the refrigerant gas and the cryogenic liquid; The sub-cooling system is provided in a state of being in contact with the outside of the object to be cooled, the cooling pipe through which the cryogenic liquid passes, and the object to be cooled A cooled object temperature measuring unit for measuring the temperature of the cooled object provided in contact with the outside, and a discharge side of the cryogenic liquid from a portion of the cooling pipe that is in contact with the cooled object The temperature of the cryogenic liquid provided in the And a flow rate adjusting valve for adjusting a supply amount of the cryogenic liquid supplied to a portion in contact with the object to be cooled. The amount of the cryogenic liquid supplied to the cooling pipe is controlled by adjusting the opening of the flow rate adjusting valve based on the measurement results of the object temperature measuring unit and the effluent liquid measuring unit.

他の一の実施形態による極低温冷却装置は、被冷却物の周囲を囲む断熱容器と、前記断熱容器を内部に内包する真空容器とを具備してなるクライオスタットと、極低温冷凍機を用いて冷媒ガスにより前記被冷却物を冷却する主冷却系統と、極低温液体を用いて前記被冷却物を冷却する副冷却系統と、前記冷媒ガスおよび前記極低温液体の供給量を制御する制御部と、を具備してなる極低温冷却装置であって、前記副冷却系統は、前記被冷却物の外側に接触させた状態で設けられた、前記極低温液体が通る冷却管と、前記被冷却物に供給される前記極低温液体が通る前記冷却管から分岐して前記断熱容器の外側と接触するように設けられ、前記被冷却物と熱交換された前記極低温液体が通る前記冷却管に接続された分岐冷却管と、前記被冷却物の外側と接触するように設けられた、前記被冷却物の温度を測定する被冷却物温度測定部と、前記断熱容器の外側と接触するように設けられた、前記断熱容器内の温度を測定する容器温度測定部と、前記被冷却物に接触している部分に供給される前記極低温液体の供給量を調整する流量調整弁と、前記冷却管に設けられた、前記分岐冷却管に供給される前記極低温液体の流量を調整する分流調整弁と、前記容器温度測定部および前記被冷却物温度測定部の測定結果に基づいて、前記流量調整弁または前記分流調整弁を制御する制御部と、を具備してなり、前記制御部は、前記被冷却物温度測定部または前記容器温度測定部の測定結果に基づいて流量調整弁または分流調整弁の開度を調整し、前記冷却管または前記分岐冷却管への前記極低温液体の供給量が制御される。   A cryogenic cooling apparatus according to another embodiment uses a cryostat including a heat insulating container surrounding the object to be cooled, a vacuum container containing the heat insulating container, and a cryogenic refrigerator. A main cooling system for cooling the object to be cooled by the refrigerant gas, a sub-cooling system for cooling the object to be cooled by using a cryogenic liquid, and a control unit for controlling the supply amount of the refrigerant gas and the cryogenic liquid; The subcooling system is provided in a state of being in contact with the outside of the object to be cooled, the cooling pipe through which the cryogenic liquid passes, and the object to be cooled Branched from the cooling pipe through which the cryogenic liquid supplied to the pipe passes and contacts the outside of the heat insulating container, and connected to the cooling pipe through which the cryogenic liquid exchanged with the object to be cooled passes. Branched cooling pipe and the object to be cooled An object temperature measuring unit for measuring the temperature of the object to be cooled provided to be in contact with the outside, and a temperature in the heat insulating container provided to be in contact with the outside of the heat insulating container are measured. Supplyed to the branch cooling pipe provided in the cooling pipe, a flow rate adjusting valve for adjusting a supply amount of the cryogenic liquid supplied to a portion in contact with the object to be cooled, a container temperature measuring section, A flow control valve that adjusts the flow rate of the cryogenic liquid, and a control unit that controls the flow control valve or the flow control valve based on the measurement results of the container temperature measurement unit and the cooled object temperature measurement unit; The control unit adjusts the opening degree of the flow rate adjusting valve or the diversion adjusting valve based on the measurement result of the object to be cooled temperature measuring unit or the container temperature measuring unit, and the cooling pipe or the The cryogenic liquid to the branch cooling pipe The amount of feed is controlled.

他の一の実施形態による極低温冷却方法は、被冷却物の周囲を囲む断熱容器と、前記断熱容器を内部に内包する真空容器とを具備してなるクライオスタットと、極低温冷凍機を用いて冷媒ガスにより前記被冷却物を冷却する主冷却系統と、前記被冷却物の外側に接触させた状態で設けられた冷却管内を通る極低温液体を用いて前記被冷却物を冷却する副冷却系統とを具備してなる極低温冷却装置を用いて、前記冷却管に前記極低温液体を供給し、前記被冷却物を前記極低温液体で冷却する工程と、前記被冷却物の温度を測定すると共に、前記クライオスタットから排出される前記極低温液体の温度を測定する工程と、を含み、前記被冷却物の温度と、前記クライオスタットから排出される前記極低温液体の温度との測定結果に基づいて、前記冷却管への前記極低温液体の供給量を制御する。   A cryogenic cooling method according to another embodiment uses a cryostat including a heat insulating container surrounding the object to be cooled, a vacuum container containing the heat insulating container, and a cryogenic refrigerator. A main cooling system that cools the object to be cooled with a refrigerant gas, and a sub-cooling system that cools the object to be cooled using a cryogenic liquid that passes through a cooling pipe provided in contact with the outside of the object to be cooled. A step of supplying the cryogenic liquid to the cooling pipe, cooling the object to be cooled with the cryogenic liquid, and measuring the temperature of the object to be cooled. And measuring the temperature of the cryogenic liquid discharged from the cryostat, based on the measurement result of the temperature of the object to be cooled and the temperature of the cryogenic liquid discharged from the cryostat. The above Controlling the supply amount of the cryogenic liquid to 却管.

他の一の実施形態による極低温冷却方法は、被冷却物の周囲を囲む断熱容器と、前記断熱容器を内部に内包する真空容器とを具備してなるクライオスタットと、極低温冷凍機を用いて冷媒ガスにより前記被冷却物を冷却する主冷却系統と、前記被冷却物の外側に接触させた状態で設けられた冷却管内を通る極低温液体を用いて前記被冷却物を冷却する副冷却系統とを具備してなる極低温冷却装置を用いて、前記冷却管、または前記被冷却物に供給される前記極低温液体が通る前記冷却管から分岐して前記断熱容器の外側と接触するように設けられ、前記被冷却物と熱交換された前記極低温液体が通る前記冷却管に接続された分岐冷却管に前記極低温液体を供給し、前記被冷却物または前記断熱容器を前記極低温液体で冷却する工程と、前記被冷却物または前記断熱容器の温度を測定する工程と、を含み、前記被冷却物または前記断熱容器の温度結果に基づいて、前記冷却管または前記分岐冷却管への前記極低温液体の供給量を制御する。   A cryogenic cooling method according to another embodiment uses a cryostat including a heat insulating container surrounding the object to be cooled, a vacuum container containing the heat insulating container, and a cryogenic refrigerator. A main cooling system that cools the object to be cooled with a refrigerant gas, and a sub-cooling system that cools the object to be cooled using a cryogenic liquid that passes through a cooling pipe provided in contact with the outside of the object to be cooled. Using the cryogenic cooling device comprising: the cooling pipe or the cooling pipe through which the cryogenic liquid supplied to the object to be cooled branches and comes into contact with the outside of the heat insulating container The cryogenic liquid is supplied to a branch cooling pipe connected to the cooling pipe through which the cryogenic liquid exchanged with the object to be cooled passes, and the object to be cooled or the heat insulating container is connected to the cryogenic liquid. Cooling with Measuring the temperature of the reject or the insulated container, and based on the temperature result of the cooled object or the insulated container, the amount of the cryogenic liquid supplied to the cooling pipe or the branch cooling pipe Control.

本発明によれば、極低温液体の供給量を制御することにより、熱交換されずに放出される極低温液体の使用量を低減することができるため、極低温液体の使用量を低減しつつ、効率良く被冷却物を冷却することができる。   According to the present invention, by controlling the supply amount of the cryogenic liquid, the usage amount of the cryogenic liquid released without heat exchange can be reduced, and thus the usage amount of the cryogenic liquid is reduced. The object to be cooled can be efficiently cooled.

第1の実施形態による極低温冷却装置の構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of the cryogenic cooling device by 1st Embodiment. 流量調整弁、ガス放出弁、ガス供給弁の開閉状態の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the opening-and-closing state of a flow regulating valve, a gas discharge valve, and a gas supply valve. 流量調整弁、ガス放出弁、ガス供給弁の開閉状態の他の一例を示す図である。It is a figure which shows another example of the opening / closing state of a flow regulating valve, a gas discharge valve, and a gas supply valve. 第2の実施形態による極低温冷却装置の構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of the cryogenic cooling device by 2nd Embodiment. 流量調整弁、分流調整弁の開閉状態の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the open / close state of a flow regulating valve and a shunt regulating valve. 流量調整弁、分流調整弁の開閉状態の他の一例を示す図である。It is a figure which shows another example of the opening / closing state of a flow regulating valve and a shunt regulating valve. 第3の実施形態による極低温冷却装置の構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of the cryogenic cooling device by 3rd Embodiment.

以下、実施形態について図面を参照して説明する。なお、理解の容易のため、図面における各部材の縮尺は実際とは異なる場合がある。また、以下の説明において、極低温冷却装置の高さ方向の一方を上または上方といい、極低温冷却装置の高さ方向の他方を下または下方という場合がある。   Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. For ease of understanding, the scale of each member in the drawings may be different from the actual scale. In the following description, one of the cryogenic cooling devices in the height direction may be referred to as “upper” or “upper”, and the other of the cryogenic cooling devices in the height direction may be referred to as “lower” or “lower”.

(第1の実施形態)
第1の実施形態による極低温冷却装置について説明する。図1は、第1の実施形態による極低温冷却装置の構成を示す概略断面図である。図1に示すように、極低温冷却装置10Aは、クライオスタット11と、極低温冷凍機12と、冷却管13と、被冷却物温度測定部14と、流出液体測定部15と、制御部16と、流量調整弁V11、V12とを有し、超電導線材を用いて得られた被冷却物としての超電導コイル17をクライオスタット11内に内包している。極低温冷却装置10Aは、超電導コイル17を冷却する手段として、極低温冷凍機12を用いて冷媒ガス18により超電導コイル17を冷却する主冷却系統Aと、極低温液体として液体ヘリウム19を用いて超電導コイル17を冷却する副冷却系統Bとを有し、主冷却系統Aにおいて、超電導コイル17を、極低温に冷却された冷媒ガス18と熱交換させて、例えば、4K程度の極低温に冷却している。
(First embodiment)
The cryogenic cooling device according to the first embodiment will be described. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the cryogenic cooling device according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the cryogenic cooling device 10 </ b> A includes a cryostat 11, a cryogenic refrigerator 12, a cooling pipe 13, an object temperature measuring unit 14, an effluent liquid measuring unit 15, and a control unit 16. The cryostat 11 includes a superconducting coil 17 as an object to be cooled, which is obtained by using a superconducting wire. The cryogenic cooling device 10 </ b> A uses, as means for cooling the superconducting coil 17, a main cooling system A that cools the superconducting coil 17 with the refrigerant gas 18 using the cryogenic refrigerator 12, and liquid helium 19 as the cryogenic liquid. A sub-cooling system B that cools the superconducting coil 17, and in the main cooling system A, the superconducting coil 17 is heat-exchanged with the refrigerant gas 18 cooled to a cryogenic temperature, and cooled to a cryogenic temperature of about 4K, for example. doing.

なお、本実施形態では、被冷却物として、超電導コイル17を用いているが、超電導素子などでもよい。また、極低温液体として、液体ヘリウム19を用いているが、液体窒素などを用いることもでき、例えば、一般に、被冷却物を常温から80K程度まで冷却する場合は液体窒素を用い、80Kから4K程度まで冷却する場合は液体ヘリウムを用いる。   In this embodiment, the superconducting coil 17 is used as the object to be cooled, but a superconducting element or the like may be used. Further, although liquid helium 19 is used as the cryogenic liquid, liquid nitrogen or the like can also be used. For example, in general, when cooling an object to be cooled from room temperature to about 80K, liquid nitrogen is used, and 80K to 4K. Liquid helium is used for cooling to the extent.

クライオスタット11は、熱シールド板で形成された断熱容器21と、真空容器22とを備えている。   The cryostat 11 includes a heat insulating container 21 formed of a heat shield plate and a vacuum container 22.

断熱容器21は、超電導コイル17の周囲を囲むように形成されている。断熱容器21は、第1冷却ステージ31により冷却されて、断熱容器21内への伝熱が低減される。極低温冷凍機12の第2冷却ステージ32は、例えば、4K程度に冷却されているため、断熱容器21内にある超電導コイル17は、例えば4Kに保持されている。   The heat insulating container 21 is formed so as to surround the periphery of the superconducting coil 17. The heat insulating container 21 is cooled by the first cooling stage 31, and heat transfer into the heat insulating container 21 is reduced. Since the second cooling stage 32 of the cryogenic refrigerator 12 is cooled to about 4K, for example, the superconducting coil 17 in the heat insulating container 21 is held at 4K, for example.

真空容器22は、断熱容器21と、極低温冷凍機12の第1冷却ステージ31とを内部に内包しており、真空容器22の内部を真空にして真空断熱している。真空容器22の内側は、常温(例えば、300K程度)に保持されている。真空容器22に極低温冷凍機12が支持して設けられている。なお、本実施形態において、真空とは、真空容器22内が真空に近い圧力まで減圧された状態をいい、真空容器22内の真空度(内部圧力)が10−3Pa以下に減圧された状態をいう。 The vacuum container 22 contains the heat insulating container 21 and the first cooling stage 31 of the cryogenic refrigerator 12 inside, and the inside of the vacuum container 22 is evacuated to insulate the vacuum. The inside of the vacuum vessel 22 is held at normal temperature (for example, about 300K). A cryogenic refrigerator 12 is supported in a vacuum container 22. In the present embodiment, the vacuum means a state in which the inside of the vacuum vessel 22 is reduced to a pressure close to a vacuum, and the degree of vacuum (internal pressure) in the vacuum vessel 22 is reduced to 10 −3 Pa or less. Say.

主冷却系統Aは、極低温冷凍機12を備えた冷却系統であり、副冷却系統Bは、冷却管13、被冷却物温度測定部14、流出液体測定部15、および流量調整弁V11、V12を備えた冷却系統である。以下、主冷却系統A、副冷却系統Bを説明しつつ、極低温冷却装置10Aを構成する各部材について説明する。   The main cooling system A is a cooling system including a cryogenic refrigerator 12, and the sub cooling system B is a cooling pipe 13, a to-be-cooled object temperature measuring unit 14, an effluent liquid measuring unit 15, and flow rate adjusting valves V11 and V12. Is a cooling system. Hereinafter, each member constituting the cryogenic cooling device 10A will be described while explaining the main cooling system A and the sub cooling system B.

(主冷却系統A)
主冷却系統Aは、極低温冷凍機12を備え、極低温冷凍機12において冷媒ガス18により超電導コイル17は冷却される。
(Main cooling system A)
The main cooling system A includes a cryogenic refrigerator 12, and the superconducting coil 17 is cooled by the refrigerant gas 18 in the cryogenic refrigerator 12.

極低温冷凍機12は、超電導コイル17を冷却するものであり、第1冷却ステージ31および第2冷却ステージ32を有する。極低温冷凍機12は、真空容器22に支持して設けられ、第1冷却ステージ31は、断熱容器21に接触して設けられ、第2冷却ステージ32は、超電導コイル17に接触して設けられている。なお、超電導コイル17の外周に冷却管13が設けられるが、第2冷却ステージ32は、冷却管13の設置されていない場所に超電導コイル17に接触させて設けられている。また、第2冷却ステージ32は、冷却管13上に設置して、冷却管13を介して超電導コイル17を冷却するようにしてもよい。本実施形態では、主冷却系統Aには、超電導コイル17を冷却した後の冷媒ガス18を圧縮する圧縮機(コンプレッサ)34が設けられている。冷媒ガス18は、極低温冷凍機12、および圧縮機34を供給配管35を介して循環している。超電導コイル17を冷却した後の冷媒ガス18は、供給配管35を介して、圧縮機34に送られて圧縮される。冷媒ガス18としては、ヘリウムガスなどが用いられる。圧縮機34で、冷媒ガス18は、例えば、圧力が2.0MPa程度に圧縮されることが好ましい。冷媒ガス18がヘリウムガスである場合、ヘリウムガスは、温度が20K程度の時、圧力が上記範囲内にあれば、熱容量が大きくなるため、超電導コイル17を極低温に安定して冷却することができる。   The cryogenic refrigerator 12 cools the superconducting coil 17 and has a first cooling stage 31 and a second cooling stage 32. The cryogenic refrigerator 12 is provided to be supported by the vacuum vessel 22, the first cooling stage 31 is provided in contact with the heat insulating vessel 21, and the second cooling stage 32 is provided in contact with the superconducting coil 17. ing. The cooling pipe 13 is provided on the outer periphery of the superconducting coil 17, but the second cooling stage 32 is provided in contact with the superconducting coil 17 at a place where the cooling pipe 13 is not installed. Alternatively, the second cooling stage 32 may be installed on the cooling pipe 13 to cool the superconducting coil 17 via the cooling pipe 13. In the present embodiment, the main cooling system A is provided with a compressor (compressor) 34 that compresses the refrigerant gas 18 after cooling the superconducting coil 17. The refrigerant gas 18 circulates through the cryogenic refrigerator 12 and the compressor 34 via a supply pipe 35. The refrigerant gas 18 after cooling the superconducting coil 17 is sent to the compressor 34 via the supply pipe 35 and compressed. As the refrigerant gas 18, helium gas or the like is used. In the compressor 34, the refrigerant gas 18 is preferably compressed to a pressure of about 2.0 MPa, for example. When the refrigerant gas 18 is helium gas, the helium gas has a large heat capacity if the pressure is within the above range when the temperature is about 20K. Therefore, the superconducting coil 17 can be stably cooled to a very low temperature. it can.

圧縮機34で圧縮された冷媒ガス18が、供給配管35を介して、極低温冷凍機12内に供給される。冷媒ガス18は、極低温冷凍機12内を流れることで、断熱容器21は、第1冷却ステージ31により冷却され、断熱容器21内への熱の侵入量が低減される。また、第2冷却ステージ32は、例えば、4K程度に冷却されており、第2冷却ステージ32により超電導コイル17は、例えば、4K程度に保持される。冷媒ガス18は、極低温冷凍機12で膨張して、例えば、0.8MPa程度になり、圧縮機34に戻される。   The refrigerant gas 18 compressed by the compressor 34 is supplied into the cryogenic refrigerator 12 through the supply pipe 35. As the refrigerant gas 18 flows through the cryogenic refrigerator 12, the heat insulating container 21 is cooled by the first cooling stage 31, and the amount of heat entering the heat insulating container 21 is reduced. The second cooling stage 32 is cooled to about 4K, for example, and the superconducting coil 17 is held at about 4K by the second cooling stage 32, for example. The refrigerant gas 18 expands in the cryogenic refrigerator 12 and reaches, for example, about 0.8 MPa, and is returned to the compressor 34.

(副冷却系統B)
副冷却系統Bは、冷却管13、被冷却物温度測定部14、流出液体測定部15、および流量調整弁V11、V12を備え、液体ヘリウム19により超電導コイル17は冷却される。
(Sub cooling system B)
The sub cooling system B includes a cooling pipe 13, an object temperature measuring unit 14, an outflow liquid measuring unit 15, and flow rate adjusting valves V <b> 11 and V <b> 12, and the superconducting coil 17 is cooled by the liquid helium 19.

冷却管13は、その内部を液体ヘリウム19が通過可能な配管であり、冷却管13の供給口13aおよび排出口13bは、クライオスタット11の外側に配置されている。冷却管13は、超電導コイル17の外側に接触させた状態で設けられている。冷却管13は、超電導コイル17の外側に接触させて超電導コイル17を冷却することができれば、冷却管13の設置方法は特に限定されず、例えば、超電導コイル17の外側に接触させた状態で複数回巻いて設けることができる。第2冷却ステージ32は、例えば、4K程度に冷却されているため、超電導コイル17は、冷却管13を介して液体ヘリウム19と熱交換されて、4K程度に冷却されている。冷却管13は、配管壁の熱抵抗を十分小さくするために熱伝導率の良好な材料として、例えば、銅、アルミニウム、または銅もしくはアルミニウムの合金で構成されることが好ましい。   The cooling pipe 13 is a pipe through which liquid helium 19 can pass, and the supply port 13 a and the discharge port 13 b of the cooling pipe 13 are disposed outside the cryostat 11. The cooling pipe 13 is provided in contact with the outside of the superconducting coil 17. As long as the cooling pipe 13 can be brought into contact with the outside of the superconducting coil 17 to cool the superconducting coil 17, the method of installing the cooling pipe 13 is not particularly limited. For example, a plurality of cooling pipes 13 are brought into contact with the outside of the superconducting coil 17. It can be wound around. Since the second cooling stage 32 is cooled to about 4K, for example, the superconducting coil 17 is heat-exchanged with the liquid helium 19 via the cooling pipe 13 and cooled to about 4K. The cooling pipe 13 is preferably made of, for example, copper, aluminum, or a copper or aluminum alloy as a material having good thermal conductivity in order to sufficiently reduce the thermal resistance of the pipe wall.

また、冷却管13には流量調整弁V11、V12が設けられ、クライオスタット11に供給される液体ヘリウム19の供給量を調整している。なお、本実施形態では、冷却管13には流量調整弁V11、V12の両方が設けられているが、液体ヘリウム19の流入側に位置する流量調整弁V11のみを冷却管13に設けるようにしてもよい。   The cooling pipe 13 is provided with flow rate adjusting valves V <b> 11 and V <b> 12 to adjust the supply amount of liquid helium 19 supplied to the cryostat 11. In the present embodiment, the cooling pipe 13 is provided with both the flow rate adjusting valves V11 and V12. However, only the flow rate adjusting valve V11 located on the inflow side of the liquid helium 19 is provided in the cooling pipe 13. Also good.

冷却管13は、極低温液体注入部41より液体ヘリウム19が注入される。極低温液体注入部41は、内部に液体ヘリウム19を収容したデュワー42と、デュワー42から冷却管13に液体ヘリウム19を供給するトランスファーチューブ43とを備えている。デュワー42内の上部空間は、安全弁44と、ガス排気弁45と、ガス導入弁46とを備え、ガス導入弁46は、ヘリウムガスを収容しているヘリウムガスボンベ47に通じている。デュワー42には手動操作弁48が設けられ、手動操作弁48は、液体ヘリウム19内に貯留した液体ヘリウム19を冷却管13に供給する案内管49に設けられている。案内管49は、その他端がデュワー42内に収容されている液体ヘリウム19中に位置するように配置されている。案内管49の出口には挿入締結式の連結部50Aを介してトランスファーチューブ43の一端側が接続されている。このトランスファーチューブ43は、金属製の内管と、金属製の外管とを備え、内管と外管との間に真空断熱層を備えた二重管構造に形成されており、その他端側が連結部50Bを介して冷却管13と接続されている。すなわち、トランスファーチューブ43は、その入口側が案内管49の出口に接続され、その出口側が冷却管13の入口に接続されている。また、トランスファーチューブ43には流入液体センサー43aが設けられ、トランスファーチューブ43内を通る液体ヘリウム19の温度、流量、または圧力などが測定される。デュワー42内に貯蔵されている液体ヘリウム19は、ヘリウムガスボンベ47のヘリウムガスで加圧すると、デュワー42からトランスファーチューブ43を介して、冷却管13に供給される。なお、本実施形態では、流入液体センサー43aはトランスファーチューブ43に設けられているが、流入液体センサー43aの設置場所はこれに限定されず、例えば、冷却管13の入口側近傍に設けて、トランスファーチューブ43から冷却管13に供給される液体ヘリウム19の温度、流量、または圧力などを測定するようにしてもよい。   Liquid helium 19 is injected into the cooling pipe 13 from the cryogenic liquid injection part 41. The cryogenic liquid injection part 41 includes a dewar 42 in which the liquid helium 19 is accommodated, and a transfer tube 43 that supplies the liquid helium 19 from the dewar 42 to the cooling pipe 13. The upper space in the dewar 42 includes a safety valve 44, a gas exhaust valve 45, and a gas introduction valve 46. The gas introduction valve 46 communicates with a helium gas cylinder 47 that contains helium gas. The dewar 42 is provided with a manually operated valve 48, and the manually operated valve 48 is provided in a guide tube 49 that supplies the liquid helium 19 stored in the liquid helium 19 to the cooling tube 13. The guide tube 49 is arranged so that the other end is located in the liquid helium 19 accommodated in the dewar 42. One end side of the transfer tube 43 is connected to the outlet of the guide tube 49 via an insertion and fastening type connecting portion 50A. The transfer tube 43 includes a metal inner tube and a metal outer tube, and is formed in a double tube structure having a vacuum heat insulating layer between the inner tube and the outer tube. It is connected to the cooling pipe 13 via the connecting portion 50B. That is, the transfer tube 43 has an inlet side connected to the outlet of the guide tube 49 and an outlet side connected to the inlet of the cooling tube 13. The transfer tube 43 is provided with an inflow liquid sensor 43a, and the temperature, flow rate, pressure, etc. of the liquid helium 19 passing through the transfer tube 43 are measured. When the liquid helium 19 stored in the dewar 42 is pressurized with helium gas in the helium gas cylinder 47, the liquid helium 19 is supplied from the dewar 42 to the cooling pipe 13 through the transfer tube 43. In the present embodiment, the inflow liquid sensor 43a is provided in the transfer tube 43. However, the installation location of the inflow liquid sensor 43a is not limited to this. For example, the inflow liquid sensor 43a is provided in the vicinity of the inlet side of the cooling pipe 13 and transferred. The temperature, flow rate, pressure, or the like of the liquid helium 19 supplied from the tube 43 to the cooling pipe 13 may be measured.

被冷却物温度測定部14は、超電導コイル17に設けられており、超電導コイル17の温度を測定する。超電導コイル17の温度は、例えば、4K程度となることが好ましい。   The to-be-cooled object temperature measuring unit 14 is provided in the superconducting coil 17 and measures the temperature of the superconducting coil 17. The temperature of the superconducting coil 17 is preferably about 4K, for example.

流出液体測定部15は、冷却管13の超電導コイル17に接触している部分よりも液体ヘリウム19の排出側、すなわち、真空容器22の出口側に設けられており、クライオスタット11から排出される液体ヘリウム19の温度を測定している。   The effluent liquid measurement unit 15 is provided on the discharge side of the liquid helium 19, that is, on the outlet side of the vacuum vessel 22 with respect to the portion of the cooling pipe 13 that is in contact with the superconducting coil 17, and the liquid discharged from the cryostat 11. The temperature of helium 19 is measured.

制御部16は、被冷却物温度測定部14、流出液体測定部15、圧縮機34、流量調整弁V11、V12、流入液体センサー43a、安全弁44、ガス排気弁45、およびガス導入弁46など極低温冷却装置10Aを構成する各部材に接続されている。制御部16は、例えば、制御プログラムや各種記憶情報を格納する記憶手段と、制御プログラムに基づいて動作する演算手段とを含んで構成することができる。制御部16は、超電導コイル17の温度と、クライオスタット11から排出される液体ヘリウム19の温度との差の関係を示すマップなどを、予め記憶手段に記憶しておき、そのマップ情報を利用して制御してもよい。制御部16は、被冷却物温度測定部14で得られた超電導コイル17の温度および流出液体測定部15で得られた液体ヘリウム19の温度の測定結果に基づいて、超電導コイル17の冷却状態、液体ヘリウム19の状態などを判断して、流量調整弁V11、V12の開度の調整、または冷却管13への液体ヘリウム19の供給量の制御などを行う。本実施形態では、超電導コイル17の温度と、冷却管13から排出される液体ヘリウム19が、液体、気体、またはこれらの混合状態であるか否かとにより流量調整弁V11、V12の開度は調整される。例えば、超電導コイル17の温度が4K程度であり、冷却管13から排出される液体ヘリウム19の温度も4K程度であり、液体ヘリウム19が液体状態のまま冷却管13から排出されている場合、超電導コイル17と冷却管13から排出される液体ヘリウム19の温度差が小さい(例えば、1K以下)と判断する。この場合、超電導コイル17が4K程度に冷却されているのに対し、冷却管13に供給される液体ヘリウム19の流量は大きいといえる。そのため、液体ヘリウム19は超電導コイル17との熱交換にあまり利用されずに冷却管13から排出されていると判断し、制御部16は、流量調整弁V11の開度を小さくして、冷却管13に供給される液体ヘリウム19の流量を小さくするように制御する。   The control unit 16 includes poles such as an object temperature measurement unit 14, an outflow liquid measurement unit 15, a compressor 34, flow rate adjustment valves V 11 and V 12, an inflow liquid sensor 43 a, a safety valve 44, a gas exhaust valve 45, and a gas introduction valve 46. It is connected to each member constituting the low temperature cooling device 10A. The control part 16 can be comprised including the memory | storage means to store a control program and various memory | storage information, and the calculating means which operate | moves based on a control program, for example. The control unit 16 stores in advance a map indicating the relationship between the temperature of the superconducting coil 17 and the temperature of the liquid helium 19 discharged from the cryostat 11 in the storage means, and uses the map information. You may control. Based on the measurement results of the temperature of the superconducting coil 17 obtained by the cooled object temperature measuring unit 14 and the temperature of the liquid helium 19 obtained by the outflow liquid measuring unit 15, the control unit 16 determines the cooling state of the superconducting coil 17, The state of the liquid helium 19 is determined, and the opening degree of the flow rate adjusting valves V11 and V12 is adjusted, or the supply amount of the liquid helium 19 to the cooling pipe 13 is controlled. In this embodiment, the opening degree of the flow rate adjusting valves V11 and V12 is adjusted depending on the temperature of the superconducting coil 17 and whether or not the liquid helium 19 discharged from the cooling pipe 13 is in liquid, gas, or a mixed state thereof. Is done. For example, when the temperature of the superconducting coil 17 is about 4K, the temperature of the liquid helium 19 discharged from the cooling pipe 13 is also about 4K, and the liquid helium 19 is discharged from the cooling pipe 13 in a liquid state, the superconducting It is determined that the temperature difference between the liquid helium 19 discharged from the coil 17 and the cooling pipe 13 is small (for example, 1K or less). In this case, it can be said that the flow rate of the liquid helium 19 supplied to the cooling pipe 13 is large while the superconducting coil 17 is cooled to about 4K. Therefore, it is determined that the liquid helium 19 is discharged from the cooling pipe 13 without much use for heat exchange with the superconducting coil 17, and the control unit 16 reduces the opening of the flow rate adjustment valve V11 to reduce the cooling pipe. The flow rate of the liquid helium 19 supplied to 13 is controlled to be small.

次に、極低温冷却装置10Aを用いて、超電導コイル17を極低温、例えば4K程度に冷却するための極低温冷却方法の一例について説明する。なお、図2、3では、流量調整弁V11、V12の弁を白抜きで表示しているものは弁を開いていることを意味し、弁を黒抜きで表示しているものは弁を閉じていることを意味する。   Next, an example of a cryogenic cooling method for cooling the superconducting coil 17 to an extremely low temperature, for example, about 4K, using the cryogenic cooling device 10A will be described. In FIGS. 2 and 3, the flow control valves V11 and V12 that are indicated in white indicate that the valves are open, and those that are indicated in black are closed. Means that

極低温冷却装置10Aにおいて、超電導コイル17が極低温に冷却されている場合などの極低温冷却装置10Aが通常の運転状態の時などには、制御部16は、図2に示すように、圧縮機34の運転を開始する指示と、流量調整弁V11、V12を閉じる指示を送る。このとき、極低温冷却装置10Aにおいて、冷媒ガス18は、圧縮機34で加圧された後、極低温冷凍機12に供給され、使用された冷媒ガス18は、極低温冷凍機12から排出され、供給配管35を循環する。極低温冷凍機12に供給された冷媒ガス18により、極低温冷凍機12の第1冷却ステージ31は、20K〜50K(例えば、30K)程度に冷却されており、第2冷却ステージ32は、4K程度の極低温に冷却されている。そのため、断熱容器21は第1冷却ステージ31により冷却され、断熱容器21内への熱の侵入量が低減される。第2冷却ステージ32は、4K程度に冷却されており、第2冷却ステージ32により超電導コイル17を伝導冷却することにより、超電導コイル17は、4K〜6K(例えば、4K)程度に冷却され、断熱容器21は、20K〜50K(例えば、40K)程度に保持される。   In the cryogenic cooling device 10A, when the cryogenic cooling device 10A is in a normal operation state such as when the superconducting coil 17 is cooled to a cryogenic temperature, the control unit 16 performs compression as shown in FIG. An instruction to start the operation of the machine 34 and an instruction to close the flow rate adjusting valves V11 and V12 are sent. At this time, in the cryogenic cooling device 10 </ b> A, the refrigerant gas 18 is pressurized by the compressor 34 and then supplied to the cryogenic refrigerator 12, and the used refrigerant gas 18 is discharged from the cryogenic refrigerator 12. The supply pipe 35 is circulated. The first cooling stage 31 of the cryogenic refrigerator 12 is cooled to about 20K to 50K (for example, 30K) by the refrigerant gas 18 supplied to the cryogenic refrigerator 12, and the second cooling stage 32 is 4K. It is cooled to a very low temperature. Therefore, the heat insulating container 21 is cooled by the first cooling stage 31, and the amount of heat entering the heat insulating container 21 is reduced. The second cooling stage 32 is cooled to about 4K. By conducting and cooling the superconducting coil 17 by the second cooling stage 32, the superconducting coil 17 is cooled to about 4K to 6K (for example, 4K), and is insulated. The container 21 is hold | maintained at about 20K-50K (for example, 40K).

次に、極低温冷却装置10Aの運転開始時、または超電導コイル17が常温もしくはクエンチ(超伝導現象を消失した場合)後に超電導コイル17の温度が上昇しており励磁可能な極低温まで冷却が必要である場合、制御部16は、図3に示すように、圧縮機34の運転を行ったまま、流量調整弁V11、V12を開く指示を送る。また、手動操作弁48は、開いておく。このとき、極低温冷却装置10Aでは、デュワー42内の液体ヘリウム19は、トランスファーチューブ43を通って冷却管13に供給される。冷却管13の入口13aから供給された液体ヘリウム19は、冷却管13と接触している超電導コイル17と熱交換した後、冷却管13の出口13bから外部に放出される。   Next, at the start of operation of the cryogenic cooling device 10A, or after the superconducting coil 17 is at room temperature or after quenching (when the superconducting phenomenon disappears), the temperature of the superconducting coil 17 has risen and needs to be cooled to a very low temperature that can be excited. 3, the control unit 16 sends an instruction to open the flow rate adjusting valves V11 and V12 while the compressor 34 is operated as shown in FIG. The manual operation valve 48 is kept open. At this time, in the cryogenic cooling device 10 </ b> A, the liquid helium 19 in the dewar 42 is supplied to the cooling pipe 13 through the transfer tube 43. The liquid helium 19 supplied from the inlet 13 a of the cooling pipe 13 exchanges heat with the superconducting coil 17 in contact with the cooling pipe 13, and then is discharged to the outside from the outlet 13 b of the cooling pipe 13.

液体ヘリウム19の供給開始後、制御部16は、被冷却物温度測定部14と、流出液体測定部15とから、超電導コイル17の温度と、冷却管13から排出される液体ヘリウム19の温度を測定する。制御部16は、被冷却物温度測定部14および流出液体測定部15の値から、超電導コイル17の冷却状態、液体ヘリウム19の状態を判断する。超電導コイル17の温度が4K程度であり、冷却管13から排出される液体ヘリウム19の温度も4K程度である場合、液体ヘリウム19が液体状態のまま冷却管13から排出されており、超電導コイル17と冷却管13から排出される液体ヘリウム19の温度差が小さい(例えば、1K以下)と判断する。この場合、制御部16は、超電導コイル17が極低温(例えば、4K)にまで十分冷却され、液体ヘリウム19が超電導コイル17からほとんど吸熱せずに大気に放出され、液体ヘリウム19が無駄に消費しているといえる。この場合、制御部16は、流量調整弁V11の開度を絞るか閉じる指示を送り、デュワー42から供給される液体ヘリウム19の流量を減らす。制御部16による液体ヘリウム19の流量制御は、液体ヘリウム19の供給開始から超電導コイル17が目的の温度に到達するまで連続して行う。   After the supply of the liquid helium 19 is started, the control unit 16 determines the temperature of the superconducting coil 17 and the temperature of the liquid helium 19 discharged from the cooling pipe 13 from the cooled object temperature measurement unit 14 and the outflow liquid measurement unit 15. taking measurement. The control unit 16 determines the cooling state of the superconducting coil 17 and the state of the liquid helium 19 from the values of the object temperature measurement unit 14 and the outflow liquid measurement unit 15. When the temperature of the superconducting coil 17 is about 4K and the temperature of the liquid helium 19 discharged from the cooling pipe 13 is also about 4K, the liquid helium 19 is discharged from the cooling pipe 13 in a liquid state, and the superconducting coil 17 And the temperature difference between the liquid helium 19 discharged from the cooling pipe 13 is small (for example, 1K or less). In this case, the control unit 16 causes the superconducting coil 17 to be sufficiently cooled to an extremely low temperature (for example, 4K), the liquid helium 19 is released from the superconducting coil 17 into the atmosphere with little heat absorption, and the liquid helium 19 is consumed wastefully. It can be said that. In this case, the control unit 16 sends an instruction to reduce or close the opening of the flow rate adjustment valve V11 to reduce the flow rate of the liquid helium 19 supplied from the dewar 42. The flow control of the liquid helium 19 by the control unit 16 is continuously performed from the start of the supply of the liquid helium 19 until the superconducting coil 17 reaches the target temperature.

なお、極低温冷却装置10Aを用いた超電導コイル17を冷却するための運転方法の一例では、液体ヘリウム19を冷却管13に供給する際には、圧縮機34の運転を行っている状態のままとしているが、これに限定されず、圧縮機34の運転を停止するようにしてもよい。   In an example of an operation method for cooling the superconducting coil 17 using the cryogenic cooling device 10A, when the liquid helium 19 is supplied to the cooling pipe 13, the compressor 34 is still in operation. However, the present invention is not limited to this, and the operation of the compressor 34 may be stopped.

このように、本実施形態によれば、極低温冷却装置10Aは、被冷却物温度測定部14および流出液体測定部15で超電導コイル17の温度と、冷却管13から排出される液体ヘリウム19の温度を検出して、流量調整弁V11を制御して、冷却管13に供給される液体ヘリウム19の供給量を制御することにより、液体ヘリウム19の消費量を管理することができる。このため、極低温冷却装置10Aは、極低温冷却装置10Aの運転開始時の予冷時や超電導コイル17が常温またはクエンチ後の再冷却の場合などにおいて、超電導コイル17の冷却に使用される液体ヘリウム19の使用量を軽減することができ、超電導コイル17と熱交換しないまま外部に放出している液体ヘリウム19の量を低減しつつ、効率良く超電導コイル17を冷却することができる。極低温冷却装置10Aによれば、従来の冷却装置に比べて、熱交換しないまま外部に放出している液体ヘリウム19の量を、例えば10%以下、好ましくは5%以下にまで軽減することができると共に、液体ヘリウム19の使用量を、例えば80%程度に軽減することが可能となる。そのため、今後、極低温冷却装置10A、または超電導コイル17などの大型化に伴い、装置内に供給される液体ヘリウム19の使用量が増大することが予想されるような場合でも、超電導コイル17との熱交換に使用されずに外部に放出される液体ヘリウム19の量を軽減でき、液体ヘリウム19の使用量の削減効果を高めることができる。   As described above, according to this embodiment, the cryogenic cooling device 10 </ b> A includes the temperature of the superconducting coil 17 and the temperature of the liquid helium 19 discharged from the cooling pipe 13 in the object temperature measuring unit 14 and the outflow liquid measuring unit 15. By detecting the temperature and controlling the flow rate adjusting valve V11 to control the supply amount of the liquid helium 19 supplied to the cooling pipe 13, the consumption amount of the liquid helium 19 can be managed. For this reason, the cryogenic cooling device 10A is liquid helium used for cooling the superconducting coil 17 at the time of pre-cooling at the start of operation of the cryogenic cooling device 10A or when the superconducting coil 17 is cooled at room temperature or after quenching. 19 can be reduced, and the superconducting coil 17 can be efficiently cooled while reducing the amount of liquid helium 19 released to the outside without heat exchange with the superconducting coil 17. According to the cryogenic cooling device 10A, compared to the conventional cooling device, the amount of liquid helium 19 released to the outside without heat exchange can be reduced to, for example, 10% or less, preferably 5% or less. In addition, the amount of liquid helium 19 used can be reduced to about 80%, for example. For this reason, even if it is expected that the amount of liquid helium 19 supplied into the apparatus will increase as the cryogenic cooling device 10A or the superconducting coil 17 becomes larger in the future, the superconducting coil 17 and Therefore, the amount of liquid helium 19 released to the outside without being used for heat exchange can be reduced, and the effect of reducing the amount of liquid helium 19 used can be enhanced.

したがって、本実施形態によれば、発電機や電力ケーブルなどの電力機器、電力貯蔵装置、小型で低消費電力の高磁場発生装置である超電導マグネットなどの高磁場発生装置、医療用MRI、単結晶引上げ装置、回転ガントリーなどの超伝導機器、高磁場NMR、磁気浮上列車、磁気分離装置などに有効に用いることができる。   Therefore, according to this embodiment, power devices such as generators and power cables, power storage devices, high magnetic field generators such as superconducting magnets, which are small and low power consumption high magnetic field generators, medical MRI, single crystals It can be effectively used for pulling devices, superconducting equipment such as rotating gantry, high magnetic field NMR, magnetic levitation train, magnetic separation device and the like.

なお、本実施形態では、超電導コイル17と断熱容器21との組合せが1系統の場合について説明したが、超電導コイル17および断熱容器21の組合せが2系統以上の場合でもよく、超電導コイル17および断熱容器21の組合せが複数ある場合でも、複数の超電導コイル17の温度を測定して、それぞれの超電導コイル17に接続した冷却管13への液体ヘリウム19の供給を制御し、複数の系統を同時に制御してもよい。   In this embodiment, the case where the combination of the superconducting coil 17 and the heat insulating container 21 is one has been described. However, the combination of the superconducting coil 17 and the heat insulating container 21 may be two or more, and the superconducting coil 17 and the heat insulating container 21 may be insulated. Even when there are a plurality of combinations of containers 21, the temperature of the plurality of superconducting coils 17 is measured, the supply of liquid helium 19 to the cooling pipe 13 connected to each superconducting coil 17 is controlled, and the plurality of systems are controlled simultaneously. May be.

(第2の実施形態)
第2の実施形態による極低温冷却装置について、図面を参照して説明する。なお、上記実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。また、本実施形態では、極低温液体として、液体窒素を用いる場合について説明する。図4は、第2の実施形態による極低温冷却装置の構成を示す概略断面図である。図4に示すように、極低温冷却装置10Bは、クライオスタット11と、極低温冷凍機12と、冷却管13と、分岐冷却管51と、被冷却物温度測定部14と、容器温度測定部52と、制御部16と、流量調整弁V11、V12と、分流調整弁V21、V22とを有する。
(Second Embodiment)
A cryogenic cooling device according to a second embodiment will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the member which has the same function as the said embodiment, and detailed description is abbreviate | omitted. In this embodiment, a case where liquid nitrogen is used as the cryogenic liquid will be described. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the cryogenic cooling device according to the second embodiment. As shown in FIG. 4, the cryogenic cooling device 10 </ b> B includes a cryostat 11, a cryogenic refrigerator 12, a cooling pipe 13, a branch cooling pipe 51, an object temperature measuring unit 14, and a container temperature measuring unit 52. And the control part 16, the flow regulating valves V11 and V12, and the diversion regulating valves V21 and V22.

本実施形態では、デュワー42には液体窒素53が収容されており、冷却管13には、極低温液体注入部41より液体窒素53が注入される。   In this embodiment, liquid nitrogen 53 is accommodated in the dewar 42, and liquid nitrogen 53 is injected into the cooling pipe 13 from the cryogenic liquid injection part 41.

分岐冷却管51は、断熱容器21の外側で冷却管13の断熱容器21よりも液体窒素53の流れ方向の上流側から分岐して断熱容器21をバイパスし、断熱容器21の外側と接触するように設けられ、冷却管13の断熱容器21よりも液体窒素53の流れ方向の下に接続している。分岐冷却管51は、分流調整弁V21、V22を介して冷却管13と接続されている。これにより、冷却管13に供給された液体窒素53の一部は、分岐冷却管51に供給され、また、分岐冷却管51に供給された液体窒素53は、分岐冷却管51を介して、分岐冷却管51と接触している断熱容器21と熱交換させた後、冷却管13の出口側で冷却管13内の液体窒素53と合流し、冷却管13の出口13bから外部に放出される。   The branch cooling pipe 51 branches from the upstream side in the flow direction of the liquid nitrogen 53 to the outside of the heat insulating container 21 of the cooling pipe 13, bypasses the heat insulating container 21, and comes into contact with the outside of the heat insulating container 21. And connected below the heat-insulating container 21 of the cooling pipe 13 in the flow direction of the liquid nitrogen 53. The branch cooling pipe 51 is connected to the cooling pipe 13 via the diversion control valves V21 and V22. Thereby, a part of the liquid nitrogen 53 supplied to the cooling pipe 13 is supplied to the branch cooling pipe 51, and the liquid nitrogen 53 supplied to the branch cooling pipe 51 is branched via the branch cooling pipe 51. After exchanging heat with the heat insulating container 21 in contact with the cooling pipe 51, it merges with the liquid nitrogen 53 in the cooling pipe 13 on the outlet side of the cooling pipe 13, and is discharged to the outside from the outlet 13 b of the cooling pipe 13.

分流調整弁V21、V22は分岐冷却管51に設けられ、分岐冷却管51に供給される液体窒素53の流量を調整する。   The diversion regulating valves V21 and V22 are provided in the branch cooling pipe 51 and adjust the flow rate of the liquid nitrogen 53 supplied to the branch cooling pipe 51.

被冷却物温度測定部14は、超電導コイル17に設けられており、超電導コイル17の温度を測定するものであり、超電導コイル17の温度は、例えば、極低温(例えば、4K)程度となることが好ましい。   The to-be-cooled object temperature measuring unit 14 is provided in the superconducting coil 17 and measures the temperature of the superconducting coil 17, and the temperature of the superconducting coil 17 is, for example, about a very low temperature (for example, 4K). Is preferred.

容器温度測定部52は、断熱容器21に設けられており、断熱容器21内の温度を測定するものであり、断熱容器21内の温度は、例えば、20〜50K(例えば、40K)内となることが好ましい。   The container temperature measurement part 52 is provided in the heat insulation container 21, and measures the temperature in the heat insulation container 21, and the temperature in the heat insulation container 21 becomes 20-50K (for example, 40K) inside, for example. It is preferable.

制御部16は、被冷却物温度測定部14、圧縮機34、流量調整弁V11、V12、流入液体センサー43a、安全弁44、ガス排気弁45、およびガス導入弁46などの各部材の他に、容器温度測定部52、分流調整弁V21、V22など極低温冷却装置10Bを構成する各部材に接続されている。制御部16は、容器温度測定部52で測定される断熱容器21の基準となる所定の温度、被冷却物温度測定部14と容器温度測定部52との温度差の関係を示すマップなどを、予め記憶手段に記憶しておいてもよい。制御部16は、被冷却物温度測定部14および容器温度測定部52の測定結果に基づいて、超電導コイル17の冷却状態、液体ヘリウム19の状態、断熱容器21内の温度などを判断して、流量調整弁V11、V12、または分流調整弁V21、V22の開度を調整し、液体窒素53の状態、または断熱容器21内の温度などに応じて液体窒素53の冷却管13または分岐冷却管51への供給量を制御している。本実施形態では、断熱容器21の温度が、70〜100K(例えば、80K)程度に冷却されているか否かにより分流調整弁V21、V22の開度は調整される。   In addition to each member such as the object to be cooled temperature measurement unit 14, the compressor 34, the flow rate adjustment valves V11 and V12, the inflow liquid sensor 43a, the safety valve 44, the gas exhaust valve 45, and the gas introduction valve 46, the control unit 16 It is connected to each member which comprises cryogenic cooling device 10B, such as container temperature measurement part 52 and flow control valves V21 and V22. The control unit 16 includes a map indicating a relationship between a predetermined temperature as a reference of the heat insulating container 21 measured by the container temperature measuring unit 52, a temperature difference between the object temperature measuring unit 14 and the container temperature measuring unit 52, and the like. You may memorize | store in a memory | storage means beforehand. The control unit 16 determines the cooling state of the superconducting coil 17, the state of the liquid helium 19, the temperature in the heat insulating container 21, and the like based on the measurement results of the object temperature measuring unit 14 and the container temperature measuring unit 52, The opening degree of the flow rate adjusting valves V11 and V12 or the diversion adjusting valves V21 and V22 is adjusted, and the cooling pipe 13 or the branch cooling pipe 51 of the liquid nitrogen 53 according to the state of the liquid nitrogen 53, the temperature in the heat insulating container 21, or the like. The supply amount to is controlled. In this embodiment, the opening degree of the diversion regulating valves V21 and V22 is adjusted depending on whether or not the temperature of the heat insulating container 21 is cooled to about 70 to 100K (for example, 80K).

次に、極低温冷却装置10Bを用いて、超電導コイル17を極低温に冷却しつつ、断熱容器21内の温度を低下させるための極低温冷却方法の一例について説明する。なお、図5、6では、流量調整弁V11、V12、分流調整弁V21、V22の弁を白抜きで表示しているものは弁を開いていることを意味し、弁を黒抜きで表示しているものは弁を閉じていることを意味する。   Next, an example of a cryogenic cooling method for lowering the temperature in the heat insulating container 21 while cooling the superconducting coil 17 to a cryogenic temperature using the cryogenic cooling device 10B will be described. In FIGS. 5 and 6, the flow control valves V11 and V12 and the diversion control valves V21 and V22 shown in white indicate that the valves are open, and the valves are shown in black. Means that the valve is closed.

極低温冷却装置10Bにおいて、超電導コイル17が極低温に冷却されている場合などの極低温冷却装置10Bが通常の運転状態の時などには、制御部16は、図5に示すように、流量調整弁V11、V12、および分流調整弁V21、V22を閉じ、圧縮機34の運転を開始する指示を送る。このとき、極低温冷却装置10Bでは、上記の極低温冷却装置10Aと同様、超電導コイル17は、4K程度に冷却され、断熱容器21に囲まれた内側空間は、20K〜50K(例えば、40K)程度に保持される。   In the cryogenic cooling device 10B, when the cryogenic cooling device 10B is in a normal operation state, such as when the superconducting coil 17 is cooled to a cryogenic temperature, the control unit 16 performs a flow rate as shown in FIG. The control valves V11 and V12 and the flow dividing control valves V21 and V22 are closed, and an instruction to start the operation of the compressor 34 is sent. At this time, in the cryogenic cooling device 10B, like the cryogenic cooling device 10A, the superconducting coil 17 is cooled to about 4K, and the inner space surrounded by the heat insulating container 21 is 20K to 50K (for example, 40K). To a degree.

極低温冷却装置10Bの運転開始時、または超電導コイル17が常温もしくはクエンチ後に超電導コイル17の温度が上昇しており励磁可能な極低温まで冷却が必要である場合、制御部16は、制御部16は、図6に示すように、圧縮機34の運転を行ったまま、流量調整弁V11、V12を開く指示を送る。また、手動操作弁48は開いておく。このとき、極低温冷却装置10Bでは、デュワー42内の液体窒素53は、トランスファーチューブ43を通って冷却管13に供給される。冷却管13に供給された液体窒素53は冷却管13と接触している超電導コイル17と熱交換した後、冷却管13の出口から外部に放出される。   At the start of operation of the cryogenic cooling device 10B, or when the superconducting coil 17 is at room temperature or when the temperature of the superconducting coil 17 has risen after being quenched and needs to be cooled to a very low temperature that can be excited, the control unit 16 6 sends an instruction to open the flow rate adjusting valves V11 and V12 while operating the compressor 34, as shown in FIG. The manual operation valve 48 is kept open. At this time, in the cryogenic cooling device 10 </ b> B, the liquid nitrogen 53 in the dewar 42 is supplied to the cooling pipe 13 through the transfer tube 43. The liquid nitrogen 53 supplied to the cooling pipe 13 exchanges heat with the superconducting coil 17 in contact with the cooling pipe 13, and then is discharged to the outside from the outlet of the cooling pipe 13.

液体窒素53の供給開始後、制御部16は、被冷却物温度測定部14と、容器温度測定部52とから、超電導コイル17と断熱容器21の温度を測定する。制御部16は、容器温度測定部52の値から断熱容器21の温度を測定し、被冷却物温度測定部14の値から超電導コイル17の温度を測定する。   After starting the supply of the liquid nitrogen 53, the control unit 16 measures the temperatures of the superconducting coil 17 and the heat insulating container 21 from the object temperature measuring unit 14 and the container temperature measuring unit 52. The control unit 16 measures the temperature of the heat insulating container 21 from the value of the container temperature measurement unit 52 and measures the temperature of the superconducting coil 17 from the value of the cooled object temperature measurement unit 14.

制御部16は、被冷却物温度測定部14および容器温度測定部52の測定結果に基づいて、容器温度測定部52が所定の温度(例えば、120〜300K)以上であり、被冷却物温度測定部14と容器温度測定部52との温度差が所定の温度差(例えば、20K)以上となっている場合には、制御部16は、断熱容器21の温度が70〜100K(例えば、80K)程度に冷却されていないため、断熱容器21に囲まれた内側空間は、70〜100K(例えば、80K)程度に保持されていないと判断する。そのため、制御部16は、超電導コイル17と断熱容器21との間の空間と冷却管13内を通る超電導コイル17とが熱交換されて液体窒素53の温度が上昇することにより、液体窒素53により超電導コイル17が極低温にまで冷却されているか否かに関わらず、超電導コイル17に対する液体窒素53の冷却効率が低下しているため、液体窒素53が超電導コイル17から十分吸熱せずに大気に放出され、液体窒素53が無駄に消費している可能性があると判断する。この場合、制御部16は、図4に示すように、さらに分流調整弁V21、V22を開く信号を送り、冷却管13に供給された液体窒素53の少なくとも一部を分岐冷却管51に供給させる。分岐冷却管51に供給された液体窒素53は、分岐冷却管51を介して、分岐冷却管51と接触している断熱容器21と熱交換させ、断熱容器21を冷却した後、冷却管13の出口側で冷却管13内の液体窒素53と合流して、冷却管13の出口13bから外部に放出される。冷却管13および分岐冷却管51への液体窒素53の流量制御は、液体窒素53の供給開始から超電導コイル17および断熱容器21が、それぞれ所定の温度に到達するまで連続して行う。   Based on the measurement results of the object temperature measurement unit 14 and the container temperature measurement unit 52, the control unit 16 determines that the container temperature measurement unit 52 is equal to or higher than a predetermined temperature (for example, 120 to 300 K), and measures the object temperature to be cooled. When the temperature difference between the unit 14 and the container temperature measuring unit 52 is equal to or greater than a predetermined temperature difference (for example, 20K), the controller 16 determines that the temperature of the heat insulating container 21 is 70 to 100K (for example, 80K). Since it is not cooled to such a degree, it is determined that the inner space surrounded by the heat insulating container 21 is not maintained at about 70 to 100K (for example, 80K). Therefore, the control unit 16 performs heat exchange between the space between the superconducting coil 17 and the heat insulating container 21 and the superconducting coil 17 passing through the cooling pipe 13, thereby increasing the temperature of the liquid nitrogen 53. Regardless of whether or not the superconducting coil 17 is cooled to a very low temperature, the cooling efficiency of the liquid nitrogen 53 with respect to the superconducting coil 17 is reduced, so that the liquid nitrogen 53 does not sufficiently absorb heat from the superconducting coil 17 and enters the atmosphere. It is determined that there is a possibility that the liquid nitrogen 53 is discharged and is wasted. In this case, as shown in FIG. 4, the control unit 16 further sends a signal for opening the diversion regulating valves V <b> 21 and V <b> 22 to supply at least a part of the liquid nitrogen 53 supplied to the cooling pipe 13 to the branch cooling pipe 51. . The liquid nitrogen 53 supplied to the branch cooling pipe 51 is subjected to heat exchange with the heat insulating container 21 in contact with the branch cooling pipe 51 via the branch cooling pipe 51, and after cooling the heat insulating container 21, It merges with the liquid nitrogen 53 in the cooling pipe 13 on the outlet side, and is discharged to the outside from the outlet 13 b of the cooling pipe 13. Control of the flow rate of the liquid nitrogen 53 to the cooling pipe 13 and the branch cooling pipe 51 is continuously performed from the start of supply of the liquid nitrogen 53 until the superconducting coil 17 and the heat insulating container 21 reach predetermined temperatures.

なお、本実施形態では、液体窒素53を冷却管13および分岐冷却管51に供給したが、液体窒素53は、冷却管13または分岐冷却管51にのみ供給するようにしてもよい。   In this embodiment, the liquid nitrogen 53 is supplied to the cooling pipe 13 and the branch cooling pipe 51, but the liquid nitrogen 53 may be supplied only to the cooling pipe 13 or the branch cooling pipe 51.

よって、本実施系形態によれば、被冷却物温度測定部14および容器温度測定部52で超電導コイル17および断熱容器21の温度を測定して冷却管13の分流調整弁V21、V22を制御することにより、極低温冷却装置10Bは、極低温冷却装置10Bの運転開始時の予冷時や超電導コイル17が常温またはクエンチ後の再冷却の場合など、超電導コイル17と熱交換しないまま外部に放出している液体窒素53の量を低減しつつ、効率良く超電導コイル17および断熱容器21内の空間を冷却することができる。   Therefore, according to the present embodiment, the temperature of the superconducting coil 17 and the heat insulating container 21 is measured by the to-be-cooled object temperature measuring unit 14 and the container temperature measuring unit 52 to control the diversion regulating valves V21 and V22 of the cooling pipe 13. As a result, the cryogenic cooling device 10B discharges to the outside without exchanging heat with the superconducting coil 17, such as during pre-cooling at the start of operation of the cryogenic cooling device 10B or when the superconducting coil 17 is cooled at room temperature or after quenching. The space in the superconducting coil 17 and the heat insulating container 21 can be efficiently cooled while reducing the amount of the liquid nitrogen 53.

なお、本実施形態では、超電導コイル17が1つ設けられている場合について説明したが、複数設けてもよい。また、主冷却系統Aおよび副冷却系統Bが、それぞれ1つ設けられている場合について説明したが、超電導コイル17が複数設けられる場合、主冷却系統Aおよび副冷却系統Bは超電導コイル17ごとに備え、主冷却系統Aおよび副冷却系統Bは超電導コイル17の数に応じて複数備えるようにしてもよい。例えば、超電導コイル17が真空容器22内に3つ収容される場合、極低温冷却装置10Bは、主冷却系統Aとして極低温冷凍機12を3つ備え、副冷却系統Bとして、冷却管13、被冷却物温度測定部14、流出液体測定部15、および流量調整弁V11、V12を3つ備え、それぞれの超電導コイル17ごとに、極低温冷凍機12、冷却管13、被冷却物温度測定部14、流出液体測定部15、および流量調整弁V11、V12が備えられる。   In the present embodiment, the case where one superconducting coil 17 is provided has been described, but a plurality of superconducting coils 17 may be provided. Further, the case where one main cooling system A and one sub cooling system B are provided has been described, but when a plurality of superconducting coils 17 are provided, the main cooling system A and the sub cooling system B are provided for each superconducting coil 17. A plurality of main cooling systems A and sub cooling systems B may be provided according to the number of superconducting coils 17. For example, when three superconducting coils 17 are accommodated in the vacuum vessel 22, the cryogenic cooling device 10B includes three cryogenic refrigerators 12 as the main cooling system A, and the cooling pipe 13, The to-be-cooled object temperature measuring unit 14, the effluent liquid measuring unit 15, and the three flow rate adjusting valves V <b> 11 and V <b> 12 are provided, and the cryogenic refrigerator 12, the cooling pipe 13, and the to-be-cooled object temperature measuring unit 14, an effluent liquid measurement unit 15, and flow rate adjustment valves V11 and V12 are provided.

また、本実施形態では、極低温液体として液体窒素53を用いた場合について説明したが、上記第1の実施形態と同様、液体ヘリウム19を用いてもよい。また、液体ヘリウム19および液体窒素53の両方を用いてもよい。   In this embodiment, the case where liquid nitrogen 53 is used as the cryogenic liquid has been described. However, liquid helium 19 may be used as in the first embodiment. Further, both liquid helium 19 and liquid nitrogen 53 may be used.

(第3の実施形態)
第3の実施形態による極低温冷却装置について、図面を参照して説明する。なお、上記実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。また、本実施形態では、上記の第1の実施形態と同様、極低温液体として、液体窒素を用いる場合について説明する。図7は、第3の実施形態による極低温冷却装置の構成を示す概略断面図である。図7に示すように、極低温冷却装置10Cは、図1に示す第1の実施形態の極低温冷却装置10Aと、図4に示す第2の実施形態の極低温冷却装置10Bとの構成を組み合わせたものである。すなわち、本実施形態による極低温冷却装置10Cは、クライオスタット11と、極低温冷凍機12と、冷却管13と、被冷却物温度測定部14と、流出液体測定部15と、制御部16と、分岐冷却管51と、容器温度測定部52と、流量調整弁V11、V12と、分流調整弁V21、V22とを有する。
(Third embodiment)
A cryogenic cooling device according to a third embodiment will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the member which has the same function as the said embodiment, and detailed description is abbreviate | omitted. In the present embodiment, a case where liquid nitrogen is used as the cryogenic liquid will be described, as in the first embodiment. FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the cryogenic cooling device according to the third embodiment. As shown in FIG. 7, the cryogenic cooling device 10 </ b> C has a configuration of the cryogenic cooling device 10 </ b> A of the first embodiment shown in FIG. 1 and the cryogenic cooling device 10 </ b> B of the second embodiment shown in FIG. 4. It is a combination. That is, the cryogenic cooling device 10C according to the present embodiment includes a cryostat 11, a cryogenic refrigerator 12, a cooling pipe 13, a to-be-cooled object temperature measuring unit 14, an effluent liquid measuring unit 15, a control unit 16, It has the branch cooling pipe 51, the container temperature measurement part 52, the flow regulating valves V11 and V12, and the diversion regulating valves V21 and V22.

制御部16は、被冷却物温度測定部14、流出液体測定部15、圧縮機34、容器温度測定部52、流量調整弁V11、V12、流入液体センサー43a、安全弁44、ガス排気弁45、ガス導入弁46、ヘリウムガスボンベ47、および手動操作弁48など極低温冷却装置10Cを構成する各部材に接続されている。   The control unit 16 includes an object temperature measurement unit 14, an outflow liquid measurement unit 15, a compressor 34, a container temperature measurement unit 52, flow rate adjustment valves V11 and V12, an inflow liquid sensor 43a, a safety valve 44, a gas exhaust valve 45, and a gas. The inlet valve 46, the helium gas cylinder 47, and the manual operation valve 48 are connected to each member constituting the cryogenic cooling device 10C.

本実施形態は、上記第1実施形態および第2実施形態を組合せた形態であり、極低温冷却装置10Cを用いて、超電導コイル17を極低温、例えば4K程度に冷却するための極低温冷却方法は、上記第1実施形態および第2実施形態と同様にして行われるため、本実施形態では説明を省略する。   This embodiment is a combination of the first embodiment and the second embodiment, and a cryogenic cooling method for cooling the superconducting coil 17 to a cryogenic temperature, for example, about 4K, using the cryogenic cooling device 10C. Since this is performed in the same manner as in the first embodiment and the second embodiment, description thereof is omitted in this embodiment.

よって、本実施形態によれば、極低温冷却装置10Cは、被冷却物温度測定部14および流出液体測定部15の測定結果に基づいて流量調整弁V11を制御して、冷却管13に供給される液体ヘリウム19の供給量を制御すると共に、同時に、被冷却物温度測定部14および容器温度測定部52の測定結果に基づいて分流調整弁V21、V22を制御して、冷却管13に供給される液体ヘリウム19の供給量を制御することにより、さらに効率良く超電導コイル17および断熱容器21内の空間を冷却することができる。これにより、極低温冷却装置10Cは、極低温冷却装置10Cの運転開始時の予冷時や超電導コイル17が常温またはクエンチ後の再冷却の場合などにおいて、さらに効率良く超電導コイル17を冷却することができる。   Therefore, according to this embodiment, the cryogenic cooling device 10 </ b> C controls the flow rate adjustment valve V <b> 11 based on the measurement results of the cooled object temperature measurement unit 14 and the effluent liquid measurement unit 15 and is supplied to the cooling pipe 13. The supply amount of liquid helium 19 is controlled, and at the same time, the flow control valves V21 and V22 are controlled based on the measurement results of the object temperature measurement unit 14 and the container temperature measurement unit 52, and supplied to the cooling pipe 13. By controlling the amount of liquid helium 19 supplied, the space in the superconducting coil 17 and the heat insulating container 21 can be cooled more efficiently. Thereby, the cryogenic cooling device 10C can cool the superconducting coil 17 more efficiently in the case of pre-cooling at the start of operation of the cryogenic cooling device 10C or when the superconducting coil 17 is cooled at room temperature or after quenching. it can.

以上の通り、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の組み合わせ、省略、置き換え、変更などを行うことが可能である。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。   As mentioned above, although several embodiment of this invention was described, these embodiment is shown as an example and is not intending limiting the range of invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various combinations, omissions, replacements, changes, and the like can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

10A〜10C 極低温冷却装置
11 クライオスタット
12 極低温冷凍機
13 冷却管
14 被冷却物温度測定部
15 流出液体測定部
16 制御部
17 超電導コイル(被冷却物)
18 冷媒ガス
19 液体ヘリウム(極低温液体)
21 断熱容器
22 真空容器
31 第1冷却ステージ
32 第2冷却ステージ
34 圧縮機(コンプレッサ)
35 供給配管
41 極低温液体注入部
42 デュワー
43 トランスファーチューブ
43a 流入液体センサー
44 安全弁
45 ガス排気弁
46 ガス導入弁
47 ヘリウムガスボンベ
48 手動操作弁
49 案内管
50A、50B 連結部
51 分岐冷却管
52 容器温度測定部
53 液体窒素(極低温液体)
A 主冷却系統
B 副冷却系統
V11、V12 流量調整弁
V13 ガス供給弁
V21、V22 分流調整弁
10A to 10C Cryogenic cooling device 11 Cryostat 12 Cryogenic refrigerator 13 Cooling pipe 14 Cooled object temperature measuring part 15 Outflow liquid measuring part 16 Control part 17 Superconducting coil (cooled object)
18 Refrigerant gas 19 Liquid helium (cryogenic liquid)
21 Insulating container 22 Vacuum container 31 First cooling stage 32 Second cooling stage 34 Compressor
35 Supply piping 41 Cryogenic liquid injection part 42 Dewar 43 Transfer tube 43a Inflow liquid sensor 44 Safety valve 45 Gas exhaust valve 46 Gas introduction valve 47 Helium gas cylinder 48 Manual operation valve 49 Guide pipe 50A, 50B Connecting part 51 Branch cooling pipe 52 Container temperature Measuring unit 53 Liquid nitrogen (cryogenic liquid)
A Main cooling system B Sub cooling system V11, V12 Flow rate adjustment valve V13 Gas supply valve V21, V22 Split flow adjustment valve

Claims (10)

被冷却物を収容するための断熱容器と、前記断熱容器を内部に内包する真空容器とを具備してなるクライオスタットと、
極低温冷凍機を用いて冷媒ガスにより前記被冷却物を冷却する主冷却系統と、
極低温液体を用いて前記被冷却物を冷却する副冷却系統と、
前記冷媒ガスおよび前記極低温液体の供給量を制御する制御部と、
を具備してなる極低温冷却装置であって、
前記副冷却系統は、
前記被冷却物の外側に接触させた状態で設けられた、前記極低温液体が通る冷却管と、
前記被冷却物の外側と接触するように設けられた、前記被冷却物の温度を測定する被冷却物温度測定部と、
前記冷却管の前記被冷却物に接触している部分よりも前記極低温液体の排出側に設けられた、前記極低温液体の温度を測定する流出液体測定部と、
前記被冷却物に接触している部分に供給される前記極低温液体の供給量を調整する流量調整弁と、
を具備してなり、
前記制御部は、前記被冷却物温度測定部および前記流出液体測定部の測定結果に基づいて前記流量調整弁の開度を調整し、前記冷却管への前記極低温液体の供給量が制御されることを特徴とする、極低温冷却装置。
A cryostat comprising a heat insulating container for containing an object to be cooled, and a vacuum container containing the heat insulating container inside;
A main cooling system that cools the object to be cooled with refrigerant gas using a cryogenic refrigerator;
A sub-cooling system that cools the object to be cooled using a cryogenic liquid;
A control unit for controlling the supply amount of the refrigerant gas and the cryogenic liquid;
A cryogenic cooling device comprising:
The sub-cooling system is
A cooling pipe provided in contact with the outside of the object to be cooled, through which the cryogenic liquid passes;
A cooled object temperature measuring unit for measuring the temperature of the cooled object, which is provided in contact with the outside of the cooled object;
An effluent liquid measuring unit for measuring the temperature of the cryogenic liquid provided on the discharge side of the cryogenic liquid from a portion in contact with the object to be cooled of the cooling pipe;
A flow rate adjustment valve that adjusts the supply amount of the cryogenic liquid supplied to the portion in contact with the object to be cooled;
Comprising
The controller adjusts the opening of the flow rate adjustment valve based on the measurement results of the object temperature measuring unit and the effluent liquid measuring unit, and the supply amount of the cryogenic liquid to the cooling pipe is controlled. A cryogenic cooling device characterized by the above.
被冷却物の周囲を囲む断熱容器と、前記断熱容器を内部に内包する真空容器とを具備してなるクライオスタットと、
極低温冷凍機を用いて冷媒ガスにより前記被冷却物を冷却する主冷却系統と、
極低温液体を用いて前記被冷却物を冷却する副冷却系統と、
前記冷媒ガスおよび前記極低温液体の供給量を制御する制御部と、
を具備してなる極低温冷却装置であって、
前記副冷却系統は、
前記被冷却物の外側に接触させた状態で設けられた、前記極低温液体が通る冷却管と、
前記被冷却物に供給される前記極低温液体が通る前記冷却管から分岐して前記断熱容器の外側と接触するように設けられ、前記被冷却物と熱交換された前記極低温液体が通る前記冷却管に接続された分岐冷却管と、
前記被冷却物の外側と接触するように設けられた、前記被冷却物の温度を測定する被冷却物温度測定部と、
前記断熱容器の外側と接触するように設けられた、前記断熱容器内の温度を測定する容器温度測定部と、
前記被冷却物に接触している部分に供給される前記極低温液体の供給量を調整する流量調整弁と、
前記冷却管に設けられた、前記分岐冷却管に供給される前記極低温液体の流量を調整する分流調整弁と、
前記容器温度測定部および前記被冷却物温度測定部の測定結果に基づいて、前記流量調整弁または前記分流調整弁を制御する制御部と、
を具備してなり、
前記制御部は、前記被冷却物温度測定部または前記容器温度測定部の測定結果に基づいて流量調整弁または分流調整弁の開度を調整し、前記冷却管または前記分岐冷却管への前記極低温液体の供給量が制御されることを特徴とする、極低温冷却装置。
A cryostat comprising a heat insulating container surrounding the object to be cooled; and a vacuum container containing the heat insulating container inside;
A main cooling system that cools the object to be cooled with refrigerant gas using a cryogenic refrigerator;
A sub-cooling system that cools the object to be cooled using a cryogenic liquid;
A control unit for controlling the supply amount of the refrigerant gas and the cryogenic liquid;
A cryogenic cooling device comprising:
The sub-cooling system is
A cooling pipe provided in contact with the outside of the object to be cooled, through which the cryogenic liquid passes;
The cryogenic liquid that is supplied to the object to be cooled is provided so as to be branched from the cooling pipe through which the cryogenic liquid passes, and to contact the outside of the heat insulating container, and the cryogenic liquid that has exchanged heat with the object to be cooled passes through. A branch cooling pipe connected to the cooling pipe;
A cooled object temperature measuring unit for measuring the temperature of the cooled object, which is provided in contact with the outside of the cooled object;
A container temperature measurement unit for measuring the temperature in the heat insulation container, provided to be in contact with the outside of the heat insulation container;
A flow rate adjustment valve that adjusts the supply amount of the cryogenic liquid supplied to the portion in contact with the object to be cooled;
A shunt adjusting valve provided in the cooling pipe for adjusting a flow rate of the cryogenic liquid supplied to the branch cooling pipe;
Based on the measurement results of the container temperature measurement unit and the cooled object temperature measurement unit, a control unit that controls the flow rate adjustment valve or the diversion adjustment valve;
Comprising
The control unit adjusts an opening degree of a flow rate adjustment valve or a diversion control valve based on a measurement result of the object to be cooled temperature measurement unit or the container temperature measurement unit, and supplies the pole to the cooling pipe or the branch cooling pipe. A cryogenic cooling device, wherein a supply amount of a cryogenic liquid is controlled.
前記副冷却系統は、前記被冷却物に供給される前記極低温液体が通る前記冷却管から分岐して前記断熱容器の外側と接触するように設けられ、前記被冷却物と熱交換された前記極低温液体が通る前記冷却管に接続された分岐冷却管と、
前記断熱容器の外側と接触するように設けられた、前記断熱容器内の温度を測定する容器温度測定部と、
前記冷却管に設けられた、前記分岐冷却管に供給される前記極低温液体の流量を調整する分流調整弁と、
をさらに具備してなり、
前記制御部は、前記容器温度測定部および前記被冷却物温度測定部の測定結果に基づいて、前記流量調整弁または前記分流調整弁の開度を調整し、前記冷却管または前記分岐冷却管への前記極低温液体の供給量が制御される、請求項1に記載の極低温冷却装置。
The sub-cooling system is provided so as to be branched from the cooling pipe through which the cryogenic liquid supplied to the object to be cooled passes and is in contact with the outside of the heat insulating container, and the heat exchange with the object to be cooled is performed. A branch cooling pipe connected to the cooling pipe through which the cryogenic liquid passes;
A container temperature measurement unit for measuring the temperature in the heat insulation container, provided to be in contact with the outside of the heat insulation container;
A shunt adjusting valve provided in the cooling pipe for adjusting a flow rate of the cryogenic liquid supplied to the branch cooling pipe;
Further comprising
The control unit adjusts an opening degree of the flow rate adjustment valve or the diversion control valve based on the measurement results of the container temperature measurement unit and the cooled object temperature measurement unit, and supplies the cooling pipe or the branch cooling pipe. The cryogenic cooling device according to claim 1, wherein a supply amount of the cryogenic liquid is controlled.
前記主冷却系統および前記副冷却系統が、前記被冷却物の数に応じて複数具備されてなる、請求項2または3に記載の極低温冷却装置。   The cryogenic cooling device according to claim 2 or 3, wherein a plurality of the main cooling system and the sub cooling system are provided according to the number of the objects to be cooled. 前記主冷却系統は、前記被冷却物を冷却した後の冷媒ガスを圧縮する圧縮機を具備してなり、
前記圧縮機で圧縮された前記冷媒ガスが前記極低温冷凍機に供給されてなる、請求項1〜4の何れか一項に記載の極低温冷却装置。
The main cooling system comprises a compressor that compresses the refrigerant gas after cooling the object to be cooled,
The cryogenic cooling device according to any one of claims 1 to 4, wherein the refrigerant gas compressed by the compressor is supplied to the cryogenic refrigerator.
前記被冷却物が、超電導コイルまたは超電導素子である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の極低温冷却装置。   The cryogenic cooling device according to any one of claims 1 to 5, wherein the object to be cooled is a superconducting coil or a superconducting element. 前記極低温液体が、液体窒素または液体ヘリウムである、請求項1〜6のいずれか一項に記載の極低温冷却装置。   The cryogenic cooling device according to any one of claims 1 to 6, wherein the cryogenic liquid is liquid nitrogen or liquid helium. 被冷却物の周囲を囲む断熱容器と、前記断熱容器を内部に内包する真空容器とを具備してなるクライオスタットと、極低温冷凍機を用いて冷媒ガスにより前記被冷却物を冷却する主冷却系統と、前記被冷却物の外側に接触させた状態で設けられた冷却管内を通る極低温液体を用いて前記被冷却物を冷却する副冷却系統とを具備してなる極低温冷却装置を用いて、
前記冷却管に前記極低温液体を供給し、前記被冷却物を前記極低温液体で冷却する工程と、
前記被冷却物の温度を測定すると共に、前記クライオスタットから排出される前記極低温液体の温度を測定する工程と、
を含み、
前記被冷却物の温度と、前記クライオスタットから排出される前記極低温液体の温度との測定結果に基づいて、前記冷却管への前記極低温液体の供給量を制御することを特徴とする、極低温冷却方法。
A cryostat comprising a heat-insulating container surrounding the object to be cooled, a vacuum container containing the heat-insulating container, and a main cooling system for cooling the object to be cooled with refrigerant gas using a cryogenic refrigerator And a subcooling system that cools the object to be cooled using a cryogenic liquid that passes through a cooling pipe provided in contact with the outside of the object to be cooled. ,
Supplying the cryogenic liquid to the cooling pipe, and cooling the object to be cooled with the cryogenic liquid;
Measuring the temperature of the object to be cooled and measuring the temperature of the cryogenic liquid discharged from the cryostat;
Including
The supply amount of the cryogenic liquid to the cooling pipe is controlled based on the measurement result of the temperature of the object to be cooled and the temperature of the cryogenic liquid discharged from the cryostat. Low temperature cooling method.
被冷却物の周囲を囲む断熱容器と、前記断熱容器を内部に内包する真空容器とを具備してなるクライオスタットと、極低温冷凍機を用いて冷媒ガスにより前記被冷却物を冷却する主冷却系統と、前記被冷却物の外側に接触させた状態で設けられた冷却管内を通る極低温液体を用いて前記被冷却物を冷却する副冷却系統とを具備してなる極低温冷却装置を用いて、
前記冷却管、または前記被冷却物に供給される前記極低温液体が通る前記冷却管から分岐して前記断熱容器の外側と接触するように設けられ、前記被冷却物と熱交換された前記極低温液体が通る前記冷却管に接続された分岐冷却管に前記極低温液体を供給し、前記被冷却物または前記断熱容器を前記極低温液体で冷却する工程と、
前記被冷却物または前記断熱容器の温度を測定する工程と、
を含み、
前記被冷却物または前記断熱容器の温度結果に基づいて、前記冷却管または前記分岐冷却管への前記極低温液体の供給量を制御することを特徴とする、極低温冷却方法。
A cryostat comprising a heat-insulating container surrounding the object to be cooled, a vacuum container containing the heat-insulating container, and a main cooling system for cooling the object to be cooled with refrigerant gas using a cryogenic refrigerator And a subcooling system that cools the object to be cooled using a cryogenic liquid that passes through a cooling pipe provided in contact with the outside of the object to be cooled. ,
The pole that is provided so as to be branched from the cooling pipe or the cooling pipe through which the cryogenic liquid supplied to the object to be cooled passes and is in contact with the outside of the heat insulating container, and exchanges heat with the object to be cooled. Supplying the cryogenic liquid to a branch cooling pipe connected to the cooling pipe through which the cryogenic liquid passes, and cooling the object to be cooled or the heat insulating container with the cryogenic liquid;
Measuring the temperature of the object to be cooled or the insulated container;
Including
A cryogenic cooling method, comprising: controlling a supply amount of the cryogenic liquid to the cooling pipe or the branch cooling pipe based on a temperature result of the object to be cooled or the heat insulating container.
前記冷却管に前記極低温液体を供給しつつ、前記被冷却物に供給される前記極低温液体が通る前記冷却管から分岐して前記断熱容器の外側と接触するように設けられ、前記被冷却物と熱交換された前記極低温液体が通る前記冷却管に接続された分岐冷却管に前記極低温液体を供給し、前記被冷却物または前記断熱容器を前記極低温液体で冷却する工程と、
前記断熱容器または前記被冷却物の温度を測定する工程と、
をさらに含み、
前記被冷却物または前記断熱容器の温度結果に基づいて、前記冷却管または前記分岐冷却管への前記極低温液体の供給量を制御する、請求項8に記載の極低温冷却方法。
While being supplied with the cryogenic liquid to the cooling pipe, the cryogenic liquid supplied to the object to be cooled is branched from the cooling pipe through which the cryogenic liquid passes and is in contact with the outside of the heat insulating container. Supplying the cryogenic liquid to a branch cooling pipe connected to the cooling pipe through which the cryogenic liquid heat-exchanged with an object passes, and cooling the object to be cooled or the heat insulating container with the cryogenic liquid;
Measuring the temperature of the insulated container or the object to be cooled;
Further including
The cryogenic cooling method according to claim 8, wherein a supply amount of the cryogenic liquid to the cooling pipe or the branch cooling pipe is controlled based on a temperature result of the object to be cooled or the heat insulating container.
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