JP2019086182A - 蓄冷式冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】小型軽量で、熱輸送限界の高い伝熱素子を備えた蓄冷式冷凍機を提供すること。【解決手段】蓄冷式冷凍機１０において、ループ管１２は、第一冷却段１１ｃに熱的に接触して冷却されて、気化した作動流体が凝縮によって潜熱を放出して液化する中空状の放熱部１２ａと、第二冷却段１１ｄに熱的に接触して超電導磁石４からの熱によって加熱されて、液化した作動流体が蒸発によって潜熱を吸収して気化する中空状の吸熱部１２ｂと、放熱部１２ａと吸熱部１２ｂとを気密的に連通して液化した作動流体を吸熱部１２ｂに向けて流す液体導管１２ｃと、放熱部１２ａと吸熱部１２ｂとを気密的に連通して気化した作動流体を放熱部１２ａに向けて流す気体導管１２ｄと、を備え、放熱部１２ａ、液体導管１２ｃ、吸熱部１２ｂ及び気体導管１２ｄによって作動流体が循環するループを形成する。【選択図】図１

Description

本発明は、蓄冷式冷凍機に関する。

従来から、例えば、下記特許文献１に開示された冷却装置が知られている。この従来の冷却装置は、第一冷却段と、冷却すべき対象装置と熱的に接触する第二冷却段とを有する機械式冷凍機と、機械式冷凍機に対して並設されて冷却剤の封入された中空円筒状の本体部の上端側で第一冷却段に熱的に接触する第一部分と本体部の下端側で第二冷却段に熱的に接触する第二部分とを有するヒートパイプと、を備えている。従来の冷却装置においては、ヒートパイプの第一部分の温度が第二部分の温度より低くなると、第一部分で冷却剤が液化され、液化された冷却剤が本体部の内部にて第二部分に移動し、第二部分で冷却剤が気化され、気化された冷却剤が本体部の内部にて第一部分に移動するようになっている。

特表２０１４−５００４７０号公報

ところで、上記従来の冷却装置では、ヒートパイプ（伝熱素子）が冷却剤（作動流体）を封入する中空円筒状の本体部を有するため、機械式冷凍機の第一冷却段及び第二冷却段の側方にて第一部分及び第二部分が熱的に接触するようにヒートパイプを並設する必要がある。このため、冷却装置が大型化する。又、ヒートパイプの第一部分及び第二部分が高熱伝導性を有する銅等の金属塊で構成されるため、ヒートパイプ自体が重くなり、機械式冷凍機に対して偏った荷重が作用する。このため、機械式冷凍機の作動に伴って振動が生じた場合、偏った荷重によって振動が増幅されて機械式冷凍機の作動に悪影響を及ぼす可能性がある。

更に、上記従来の冷却装置では、本体部の内部にて、気化して上昇する作動流体の蒸気流と液化して下降する作動流体の液体流とが対向流となる。このため、蒸気流の流速が増加することに伴い、蒸気流は逆行する液体流によって吹き戻されて不連続な流れとなり、その結果、ヒートパイプにおいては作動流体による熱輸送の効率が低下する虞がある。そして、蒸気流の流速が更に増加した場合、液体流が第二部分に帰還しない状態が生じる可能性があり、ヒートパイプにおいては作動流体による熱輸送が不能となる虞がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものである。即ち、本発明の目的は、小型軽量で、熱輸送限界の高い伝熱素子を備えた蓄冷式冷凍機を提供することにある。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る蓄冷式冷凍機の発明は、第一冷却段と、被冷却物と熱的に接触した第二冷却段と、を有する機械式冷凍機と、第一冷却段と第二冷却段とに熱的に接触して、封入された作動流体の気化及び液化により熱輸送を行う伝熱素子と、を備えた蓄冷式冷凍機であって、伝熱素子は、第一冷却段に熱的に接触して冷却されて、気化した作動流体が凝縮によって潜熱を放出して液化する中空状の放熱部と、第二冷却段に熱的に接触して被冷却物からの熱によって加熱されて、液化した作動流体が蒸発によって潜熱を吸収して気化する中空状の吸熱部と、放熱部と吸熱部とを気密的に連通して放熱部にて液化した作動流体を吸熱部に向けて流す液体導管と、放熱部と吸熱部とを気密的に連通して吸熱部にて気化した作動流体を放熱部に向けて流す気体導管と、を備え、放熱部、液体導管、吸熱部及び気体導管によって作動流体が循環するループを形成する。

これによれば、伝熱素子を構成する放熱部及び吸熱部を機械式冷凍機の第一冷却段及び第二冷却段に配置し、放熱部、吸熱部、液体導管及び気体導管によって作動流体が循環するループを形成することができる。又、放熱部及び吸熱部を中空状に形成することができる。従って、伝熱素子の小型軽量化ひいては蓄冷式冷凍機の小型軽量化を達成することができる。

又、ループを形成することにより、放熱部にて液化した作動流体を液体導管を介して吸熱部に帰還させ、吸熱部にて気化した作動流体を気体導管を介して放熱部に帰還させることができる。即ち、液体導管と気体導管とが別体となっており、気化した作動流体の蒸気流と液化した作動流体の液体流とは対向流にならない。このため、蒸気流と液体流とが互いに干渉して熱輸送の効率を低下させることがない。従って、伝熱素子の熱輸送限界を大幅に高めることができる。

本発明の実施形態に係る蓄冷式冷凍機の概要を示す概略図である。 図１の伝熱素子の構成を示す図である。 図２の伝熱素子に封入される作動流体の物理特性を示す図である。 図２の伝熱素子を用いた場合と比較用の伝熱素子を用いた場合との冷却時における温度推移を説明するための図である。 本発明の実施形態の第一変形例に係る伝熱素子の構成を示す図である。 本発明の実施形態の第二変形例に係る伝熱素子の構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態に係る蓄冷式冷凍機について図面を参照しながら説明する。尚、以下の実施形態及び各変形例の相互において、互いに同一又は均等である部分には、同一の符号を付してある。又、説明に用いる各図は、概念図であり、各部の形状は必ずしも厳密なものではない場合がある。

本実施形態において、蓄冷式冷凍機１０は、図１に示すように、超電導磁石装置１に用いられる。超電導磁石装置１は、図示を省略する支持部材に固定された真空容器２と、真空容器２内に収容された輻射シールド３と、輻射シールド３内に収容された被冷却物である超電導磁石４と、超電導磁石４に熱的に接触する伝熱部材５と、から構成される。尚、以下の説明においては、超電導磁石装置１の構成及び作動についての詳細な説明を省略する。

真空容器２は、金属材料（例えば、ステンレス材）から形成されており、内部が所定の真空度となるように真空に維持されて、収容している輻射シールド３、超電導磁石４及び伝熱部材５を真空により断熱するようになっている。輻射シールド３は、金属材料（例えば、アルミ材）から形成されて真空容器２と超電導磁石４との間に配置されており、真空容器２の外部即ち常温からの輻射による熱進入を防止する。超電導磁石４は、例えば、銅酸化物系の超電導線材を円環状に巻回して形成されており、約１００Ｋ以下に冷却されることにより超電導状態で磁力を発生するものである。伝熱部材５は、高熱伝導性を有する金属材料（例えば、銅）から板状且つ円環状に形成されており、鉛直方向にて超電導磁石４の上面に配置されている。これにより、伝熱部材５は、冷却に際して、超電導磁石４の熱を蓄冷式冷凍機１０に効率よく伝熱することができる。

蓄冷式冷凍機１０は、例えば、ギフォード・マクマホン冷凍機であり、図１に示すように、鉛直方向に沿った軸線Ｊを有する略軸状に形成されている。蓄冷式冷凍機１０は、機械式冷凍機１１と、図示を省略する機械式圧縮機と、を備えている。機械式冷凍機１１は、段付きシリンダ１１ａと、段付きピストン１１ｂと、第一冷却段１１ｃと、第二冷却段１１ｄと、駆動部１１ｅと、を備えている。ここで、本実施形態においては、第一冷却段１１ｃ及び第二冷却段１１ｄは、第一冷却段１１ｃが鉛直方向（即ち、軸線Ｊ）に沿って第二冷却段１１ｄよりも上方となるように互いに対向して配置される。

段付きシリンダ１１ａは、金属材料（例えば、ステンレス材）から形成されており、大径部１１ａ１が真空フランジ１１ｆにより超電導磁石装置１の真空容器２に対して気密的に固定されている。又、段付きシリンダ１１ａは、小径部１１ａ２が第二冷却段１１ｄとともに輻射シールド３を貫通している。段付きシリンダ１１ａの内部には、図示を省略する機械式圧縮機からの所定の作動ガスが駆動部１１ｅ内の図示を省略するバルブ機構を介して給排されるようになっている。

段付きピストン１１ｂは、樹脂材料（例えば、ベークライト材）から形成され、内部に図示を省略する蓄冷器を有しており、段付きシリンダ１１ａ（より詳しくは、大径部１１ａ１及び小径部１１ａ２）の内部を段付きシリンダ１１ａの軸線Ｊの方向（即ち、鉛直方向）に沿って摺動可能に収容されている。そして、段付きピストン１１ｂが往復動し、段付きシリンダ１１ａの内部に作動ガス（例えば、ヘリウム）が給排されることにより、作動ガスを膨張させて、第一冷却段１１ｃ及び第二冷却段１１ｄを冷却するようになっている。

第一冷却段１１ｃは、高熱伝導性を有する金属材料（例えば、銅）から柱状に形成されている。第一冷却段１１ｃは、段付きシリンダ１１ａの大径部１１ａ１と小径部１１ａ２の境界部分、即ち、小径部１１ａ２の基端側にて、小径部１１ａ２を挿通した状態で段付きシリンダ１１ａに熱的に接触して設けられている。第一冷却段１１ｃは、超電導磁石装置１の輻射シールド３の外面に熱的に接触するフランジ状の大径部１１ｃ１と、輻射シールド３の内部に進入する円柱状（円環状）の小径部１１ｃ２とから構成されている。

第二冷却段１１ｄは、高熱伝導性を有する金属材料（例えば、銅）から柱状に形成されている。第二冷却段１１ｄは、輻射シールド３の内部に配置されており、段付きシリンダ１１ａの小径部１１ａ２の先端側にて、小径部１１ａ２を挿通した状態で段付きシリンダ１１ａに熱的に接触して設けられている。第二冷却段１１ｄは、超電導磁石装置１の伝熱部材５に熱的に接触するフランジ状の大径部１１ｄ１と、第一冷却段１１ｃの小径部１１ｃ２に向けて突出する円柱状（円環状）の小径部１１ｄ２とから構成されている。

又、蓄冷式冷凍機１０は、機械式冷凍機１１の第一冷却段１１ｃと第二冷却段１１ｄとに熱的に接触して、封入された作動流体の気化及び液化により熱輸送を行う伝熱素子としてのループ管１２を備えている。ループ管１２は、図２にて拡大して示すように、放熱部１２ａと、吸熱部１２ｂと、液体導管１２ｃと、気体導管１２ｄを有し、これら放熱部１２ａ、吸熱部１２ｂ、液体導管１２ｃ及び気体導管１２ｄによって作動流体が循環するループが形成されている。

放熱部１２ａは、中空状に形成されており、第一冷却段１１ｃの周方向に沿って熱的に接触して冷却される。放熱部１２ａにおいては、気化した作動流体が凝縮によって潜熱を放出して液化する。本実施形態においては、図１及び図２に示すように、放熱部１２ａは、第一冷却段１１ｃ、より詳しくは、小径部１１ｃ２の外周にて、第一冷却段１１ｃの第一軸線Ｊ１の方向に沿って螺旋状に巻き付けられた放熱側管体１２ａ１によって形成されている。

放熱側管体１２ａ１は、第一軸線Ｊ１の方向に沿って、鉛直方向にて上方から下方に向けて螺旋状に形成されている。そして、後述するように、放熱側管体１２ａ１においては、鉛直方向（第一軸線Ｊ１）にて上方側に気体導管１２ｄから気化した作動流体が流入し、放熱側管体１２ａ１の内部を作動流体が冷却されながら、即ち、作動流体が潜熱を放出して液化しながら鉛直方向（第一軸線Ｊ１）にて下方側に流れて液体導管１２ｃへ液化した作動流体が流出する。

吸熱部１２ｂは、中空状に形成されており、第二冷却段１１ｄの周方向に沿って熱的に接触し、伝熱部材５を介して被冷却物である超電導磁石４からの熱によって加熱される。吸熱部１２ｂにおいては、液化した作動流体が蒸発によって潜熱を吸収して気化する。本実施形態においては、図１及び図２に示すように、吸熱部１２ｂは、第二冷却段１１ｄ、より詳しくは、小径部１１ｄ２の外周にて、第二冷却段１１ｄの第二軸線Ｊ２の方向に沿って螺旋状に巻き付けられた吸熱側管体１２ｂ１によって形成されている。

吸熱側管体１２ｂ１は、第二軸線Ｊ２の方向に沿って、鉛直方向にて上方から下方に向けて螺旋状に形成されている。そして、後述するように、吸熱側管体１２ｂ１においては、鉛直方向（第二軸線Ｊ２）にて下方側に液体導管１２ｃから液化した作動流体が流入し、吸熱側管体１２ｂ１の内部を作動流体が加熱されながら、即ち、作動流体が潜熱を吸収して気化しながら鉛直方向（第二軸線Ｊ２）にて上方側に流れて気体導管１２ｄへ気化した作動流体が流出する。

液体導管１２ｃは、放熱部１２ａ（即ち、放熱側管体１２ａ１）と吸熱部１２ｂ（即ち、吸熱側管体１２ｂ１）とを気密的に連通して、熱輸送しているときに放熱部１２ａ（放熱側管体１２ａ１）にて液化した作動流体を吸熱部１２ｂ（吸熱側管体１２ｂ１）に向けて流す。液体導管１２ｃは、放熱部１２ａが第一冷却段１１ｃと熱的に接触する放熱側接触部分としての放熱側接触部１２ａ２において鉛直方向（第一軸線Ｊ１）に沿った下方側と連通するとともに、吸熱部１２ｂが第二冷却段１１ｄと熱的に接触する吸熱側接触部分としての吸熱側接触部１２ｂ２において鉛直方向（第二軸線Ｊ２）に沿った下方側と連通する。

ここで、本実施形態においては、図２に示すように、放熱側管体１２ａ１が第一冷却段１１ｃに複数回巻き付けられて放熱側接触部１２ａ２を形成する。又、吸熱側管体１２ｂ１が第二冷却段１１ｄに複数回巻き付けられて吸熱側接触部１２ｂ２を形成する。そして、液体導管１２ｃは、放熱側接触部１２ａ２の鉛直方向（第一軸線Ｊ１）にて最下端に巻き付けられた放熱側管体１２ａ１の下方側端部１２ａ３と連通するとともに、吸熱側接触部１２ｂ２の鉛直方向（第二軸線Ｊ２）にて最下端に巻き付けられた吸熱側管体１２ｂ１の下方側端部１２ｂ３と連通する。

気体導管１２ｄは、放熱部１２ａ（即ち、放熱側管体１２ａ１）と吸熱部１２ｂ（即ち、吸熱側管体１２ｂ１）とを気密的に連通して、熱輸送しているときに吸熱部１２ｂ（吸熱側管体１２ｂ１）にて気化した作動流体を放熱部１２ａ（放熱側管体１２ａ１）に向けて流す。気体導管１２ｄの内径は、液体導管１２ｃの内径に比べて大きく設定される。気体導管１２ｄは、放熱部１２ａの放熱側接触部１２ａ２において鉛直方向（第一軸線Ｊ１）に沿った上方側と連通するとともに、吸熱部１２ｂの吸熱側接触部１２ｂ２において鉛直方向（第二軸線Ｊ２）に沿った上方側と連通する。

ここで、本実施形態においては、図２に示すように、気体導管１２ｄは、放熱側接触部１２ａ２の鉛直方向（第一軸線Ｊ１）にて最上端に巻き付けられた放熱側管体１２ａ１の上方側端部１２ａ４と連通するとともに、吸熱側接触部１２ｂ２の鉛直方向（第二軸線Ｊ２）にて最上端に巻き付けられた吸熱側管体１２ｂ１の上方側端部１２ｂ４と連通する。

又、放熱側管体１２ａ１（放熱部１２ａ）、吸熱側管体１２ｂ１（吸熱部１２ｂ）、液体導管１２ｃ及び気体導管１２ｄから構成されるループ管１２は、図２に示すように、機械式冷凍機１１のシリンダ１１ａと同軸状に配置される。又、ループ管１２の巻回外径寸法は、第二冷却段１１ｄの大径部１１ｄ１の外径とほぼ同等とされている。

又、ループ管１２には、作動流体（冷媒）が冷媒封入管１２ｅを介して封入される。作動流体は、図３に示すように、ネオン（Ｎｅ）、窒素（Ｎ_２）、アルゴン（Ａｒ）、及び、テトラフルオロメタン（ＣＦ_４）のうちの少なくとも一つが選択される。尚、これら各物質の混合物を作動流体とすることも可能である。これらの作動流体は、図３に示すように、それぞれ、蒸発及び凝縮に関連する物理特性、具体的には、臨界点（臨界点温度）と三重点（三重点温度）が異なる。これにより、液化した作動流体が蒸発によって気化する際に吸収する潜熱の大きさ、及び、気化した作動流体が凝縮によって液化する際に放出する潜熱の大きさは、ループ管１２に封入される作動流体によって異なる。従って、被冷却物である超電導磁石４の作動温度、換言すれば、要求される冷却温度に応じて、ループ管１２に封入される作動流体を適宜選択することにより、ループ管１２の熱輸送特性を調整することができる。

このように構成された蓄冷式冷凍機１０においては、超電導磁石装置１の超電導磁石４を短時間で冷却し、超電導磁石４の立ち上げ時間を短縮することができる。以下、蓄冷式冷凍機１０にループ管１２を用い、超電導磁石４を常温から冷却する過程での第一冷却段１１ｃ及び第二冷却段１１ｄの温度推移について、図４を用いて説明する。尚、以下の説明において、伝熱素子であるループ管１２と比較するために、放熱部１２ａ、吸熱部１２ｂ、液体導管１２ｃ及び気体導管１２ｄを有していない、即ち、ループを形成していない通常のヒートパイプを比較品として採用する。

図４において、ａ線（長破線）は比較品を用いた場合の第一冷却段１１ｃの温度推移を示し、ｂ線（細破線）は比較品を用いた場合の第二冷却段１１ｄの温度推移を示す。又、図２において、ｃ線（細実線）は作動流体として窒素（Ｎ_２）が封入されたループ管１２を用いた場合の第一冷却段１１ｃの温度推移を示し、ｄ線（太実線）は作動流体として窒素（Ｎ_２）が封入されたループ管１２を用いた場合の第二冷却段１１ｄの温度推移を示す。

一般に、超電導磁石４の熱容量は、輻射シールド３の熱容量に比べて極めて大きい。このため、図４のｂ線により示すように、ループを形成していないヒートパイプを用いた場合、機械式冷凍機１１の第二冷却段１１ｄのみによる冷却では、超電導磁石４の冷却に長時間を要する。これは、超電導磁石４が所望の温度まで冷却されるまで、第二冷却段１１ｄの温度が第一冷却段１１ｃの温度よりも高い状態が長時間に亘り継続するため、例えば、作動流体の蒸気流の流速が大きくなり、上昇する蒸気流と落下する液体流との干渉が生じて蒸気流の流れが不連続になったり、或いは、帰還する液体流が不足したりする。その結果、比較品のヒートパイプにおいては、熱輸送限界に達し、第二冷却段１１ｄから第一冷却段１１ｃへの熱輸送の効率低下（或いは、熱輸送が不能となる状態）が生じる、換言すれば、第一冷却段１１ｃによって第二冷却段１１ｄを冷却できない状態が生じる。従って、比較品であるヒートパイプを用いた場合には、超電導磁石４の冷却に長時間を要する。

これに対して、図４のｄ線により示すように、ループ管１２を用いた場合、第二冷却段１１ｄの温度が第一冷却段１１ｃの温度よりも高い状態で、且つ、放熱部１２ａ（放熱側管体１２ａ１）の温度が作動流体の臨界点（臨界点温度）と三重点（三重点温度）との間にあるときに、放熱部１２ａ（放熱側管体１２ａ１）において作動流体が液化されて潜熱が放出される。そして、液化された作動流体が放熱部１２ａ（放熱側管体１２ａ１）から液体導管１２ｃを通って吸熱部１２ｂ（吸熱側管体１２ｂ１）に移動し、吸熱部１２ｂ（吸熱側管体１２ｂ１）において作動流体が気化されて潜熱が吸収され、気化された作動流体が吸熱部１２ｂ（吸熱側管体１２ｂ１）から気体導管１２ｄを通って放熱部１２ａ（放熱側管体１２ａ１）に移動する。

即ち、ループ管１２においては、作動流体の蒸気流の流速が大きくなっても、上昇する蒸気流と落下する液体流との干渉が生じることなく、又、帰還する液体流の不足が生じないため、作動流体は継続して且つ確実に循環する。その結果、ループ管１２においては、熱輸送限界が極めて高いため、第二冷却段１１ｄから第一冷却段１１ｃへの熱輸送の効率低下（或いは、熱輸送が不能となる状態）が生じることなく、換言すれば、第一冷却段１１ｃによって第二冷却段１１ｄを良好に冷却する。これにより、ループ管１２を用いた場合には、第二冷却段１１ｄが第一冷却段１１ｃによって冷却されることにより、第二冷却段１１ｄに伝熱部材５を介して熱的に接続された超電導磁石４が第一冷却段１１ｃによって冷却される。従って、図４にてΔｔとして示すように、ループ管１２を用いた場合（ｄ線）は、比較品を用いた場合（ｂ線）に比べて、超電導磁石４が短時間で冷却されて超電導磁石４の立ち上げ時間が大幅に短縮される。

以上の説明からも理解できるように、上記実施形態の蓄冷式冷凍機１０は、柱状の第一冷却段１１ｃと、被冷却物である超電導磁石４と伝熱部材５を介して熱的に接触した柱状の第二冷却段１１ｄと、を有する機械式冷凍機１１と、第一冷却段１１ｃと第二冷却段１１ｄとに熱的に接触して、封入された作動流体（例えば、窒素（Ｎ_２））の気化及び液化により熱輸送を行う伝熱素子としてのループ管１２と、を備えた蓄冷式冷凍機である。ここで、機械式冷凍機１１は、シリンダとしての段付きシリンダ１１ａと、段付きシリンダ１１ａの内部にて摺動可能に収容されたピストンとしての段付きピストン１１ｂと、を備え、段付きピストン１１ｂが往復動し、段付きシリンダ１１ａの内部に作動ガス（例えば、ヘリウム）が給排されることにより、作動ガスを膨張させて、超電導磁石４を冷却する。

そして、蓄冷式冷凍機１０において、ループ管１２は、第一冷却段１１ｃの小径部１１ｃ２に熱的に接触して冷却されて、気化した作動流体が凝縮によって潜熱を放出して液化する中空状の放熱部１２ａと、第二冷却段１１ｄの小径部１１ｄ２に熱的に接触して超電導磁石４からの熱によって加熱されて、液化した作動流体が蒸発によって潜熱を吸収して気化する中空状の吸熱部１２ｂと、放熱部１２ａと吸熱部１２ｂとを気密的に連通して熱輸送しているときに放熱部１２ａにて液化した作動流体を吸熱部１２ｂに向けて流す液体導管１２ｃと、放熱部１２ａと吸熱部１２ｂとを気密的に連通して熱輸送しているときに吸熱部１２ｂにて気化した作動流体を放熱部１２ａに向けて流す気体導管１２ｄと、を備え、放熱部１２ａ、液体導管１２ｃ、吸熱部１２ｂ及び気体導管１２ｄによって作動流体が循環するループを形成する。

この場合、放熱部１２ａは、第一冷却段１１ｃの小径部１１ｃ２の外周にて、第一冷却段１１ｃの第一軸線Ｊ１の方向に沿って螺旋状に巻き付けられた放熱側管体１２ａ１から構成され、吸熱部１２ｂは、第二冷却段１１ｄの小径部１１ｄ２の外周にて、第二冷却段１１ｄの第二軸線Ｊ２の方向に沿って螺旋状に巻き付けられた吸熱側管体１２ｂ１から構成される。

又、これらの場合、第一冷却段１１ｃ及び第二冷却段１１ｄは、第一冷却段１１ｃが鉛直方向に沿って第二冷却段１１ｄよりも上方となるように互いに対向して配置される。

これらによれば、ループ管１２を構成する放熱部１２ａ、吸熱部１２ｂ、液体導管１２ｃ及び気体導管１２ｄを機械式冷凍機１１の第一冷却段１１ｃ（小径部１１ｃ２）、第二冷却段１１ｄ（小径部１１ｄ２）及び段付きシリンダ１１ａの小径部１１ａ２の周方向に沿って配置し、作動流体が循環するループを形成することができる。又、放熱部１２ａ、吸熱部１２ｂ、液体導管１２ｃ及び気体導管１２ｄを中空状に形成することができる。従って、ループ管１２の小型軽量化ひいては蓄冷式冷凍機１０の小型軽量化を達成することができる。

又、ループを形成することにより、放熱部１２ａにて液化した作動流体を液体導管１２ｃを介して吸熱部１２ｂに帰還させ、吸熱部１２ｂにて気化した作動流体を気体導管１２ｄを介して放熱部１２ａに帰還させることができる。即ち、気化した作動流体の蒸気流と液化した作動流体の液体流とは対向流にならないため、蒸気流と液体流とが互いに干渉して熱輸送の効率を低下させることがない。従って、ループ管１２の熱輸送限界を大幅に高めることができる。

更に、ループ管１２においては、放熱部１２ａ、液体導管１２ｃ、吸熱部１２ｂ及び気体導管１２ｄによって形成されるループを第二冷却段１１ｄの大径部１１ｄ１の外径内に収めることができ、蓄冷式冷凍機１０のより小型化を達成することができる。又、軽量のループ管１２を鉛直方向にて互いに対向する第一冷却段１１ｃ及び第二冷却段１１ｄの周方向に沿って配置する、即ち、機械式冷凍機１１とループ管１２を同軸状に配置することにより、機械式冷凍機１１に対する荷重の偏りが生じることがなく、機械式冷凍機１１の作動に伴う振動を助長することを効果的に抑制することができる。

これらの場合、液体導管１２ｃは、放熱部１２ａ（放熱側管体１２ａ１）が第一冷却段１１ｃの小径部１１ｃ２と熱的に接触する放熱側接触部分である放熱側接触部１２ａ２において鉛直方向に沿った下方側となる下方側端部１２ａ３と連通するとともに吸熱部１２ｂ（吸熱側管体１２ｂ１）が第二冷却段１１ｄの小径部１１ｄ２と熱的に接触する吸熱側接触部分である吸熱側接触部１２ｂ２において鉛直方向に沿った下方側となる下方側端部１２ｂ３と連通し、気体導管１２ｄは、放熱部１２ａ（放熱側管体１２ａ１）の放熱側接触部１２ａ２において鉛直方向に沿った上方側となる上方側端部１２ａ４と連通するとともに吸熱部１２ｂ（吸熱側管体１２ｂ１）の吸熱側接触部１２ｂ２において鉛直方向に沿った上方側となる上方側端部１２ｂ４と連通する。

これによれば、放熱部１２ａ（放熱側管体１２ａ１）においては、気化した作動流体が鉛直方向にて上方の上方側端部１２ａ４から流入し、放熱側接触部１２ａ２にて冷却に伴って液化した作動流体が鉛直方向にて下方に降下して下方側端部１２ａ３から液体導管１２ｃに流れる。一方、吸熱部１２ｂ（吸熱側管体１２ｂ１）においては、液化した作動流体が鉛直方向にて下方の下方側端部１２ｂ３から流入し、吸熱側接触部１２ｂ２にて気化した作動流体が鉛直方向にて上方に上昇して上方側端部１２ｂ４から気体導管１２ｄに流れる。

これにより、放熱部１２ａ（放熱側管体１２ａ１）においては極めて効率よく気化した作動流体を液化することができ、液化した作動流体が液体導管１２ｃに流れる際に蒸気流と液体流とが対向流となることなくスムーズに液化した作動流体を液体導管１２ｃに流すことができる。又、吸熱部１２ｂ（吸熱側接触部１２ｂ２）においては極めて効率よく液化した作動流体を気化することができ、気化した作動流体が気体導管１２ｄに流れる際に液体流と蒸気流とが対向流となることなくスムーズに気化した作動流体を気体導管１２ｄに流すことができる。従って、液化又は気化した作動流体を確実に且つスムーズに循環させることができ、その結果、熱輸送限界を高めて、作動流体による極めて良好な熱輸送を実現することができる。

又、これらの場合、気体導管１２ｄの内径は、液体導管１２ｃの内径に比べて大きく設定される。

これによれば、吸熱部１２ｂ（吸熱側接触部１２ｂ２）において気化した作動流体は、圧力損失が小さくなる大径の気体導管１２ｄに優先的に流れる。又、放熱部１２ａ（放熱側管体１２ａ１）において液化した作動流体は、気体導管１２ｄから流入する気化した作動流体の圧力により液体導管１２ｃに優先的に流れる。これにより、気化した作動流体の流れ方向と液化した作動流体の流れ方向を適切に制限することができ、その結果、作動流体の循環を促すことができる。

又、これらの場合、作動流体は、ネオン（Ｎｅ）、窒素（Ｎ_２）、アルゴン（Ａｒ）及びテトラフルオロメタン（ＣＦ_４）のうちの少なくとも一つである。

これによれば、被冷却物である超電導磁石４の作動に必要な冷却温度に応じて作動流体を選択することができ、ループ管１２の熱輸送効率（冷却効率）を適宜調整することができる。

（第一変形例）
上記実施形態においては、蓄冷式冷凍機１０が放熱部１２ａ（放熱側管体１２ａ１）、吸熱部１２ｂ（吸熱側接触部１２ｂ２）、液体導管１２ｃ及び気体導管１２ｄで構成される一つのループ管１２を有するようにした。これに代えて、図５に示すように、蓄冷式冷凍機１０が、放熱部１２ａ（放熱側管体１２ａ１）、吸熱部１２ｂ（吸熱側接触部１２ｂ２）、液体導管１２ｃ及び気体導管１２ｄで構成されるループ管１２と、放熱部１１２ａ（放熱側管体１１２ａ１）、吸熱部１１２ｂ（吸熱側管体１１２ｂ１）、液体導管１１２ｃ及び気体導管１１２ｄからなるループ管１１２と、有することも可能である。この場合、ループ管１２とループ管１１２は並列に配置される。

そして、それぞれのループ管１２及びループ管１１２に封入する作動流体を異ならせることによって、より広い温度範囲で、第二冷却段１１ｄが第一冷却段１１ｃよりも高温の場合に、第一冷却段１１ｃで第二冷却段１１ｄを冷却することができる。具体的に、ループ管１２に作動流体（冷媒）として窒素（Ｎ_２）を封入し、ループ管１１２に作動流体としてネオン（Ｎｅ）を封入した場合、図３に示す物理特性に従い、第一冷却段１１ｃの温度が２４．６（Ｋ）〜１２６．２（Ｋ）の温度範囲で冷却することができる。尚、上記実施形態で説明したように、ループ管１２に作動流体（冷媒）として窒素（Ｎ_２）を封入した場合、第一冷却段１１ｃの温度が２４．６（Ｋ）〜４４．４（Ｋ）の温度範囲で冷却する。

従って、この第一変形例では、伝熱素子として複数のループを有する、即ち、ループ管１２及びループ管１１２が設けられ、それぞれのループ（即ち、ループ管１２及びループ管１１２）を、蒸発及び凝縮に関連する物理特性（臨界点（臨界点温度）及び三重点（三重点温度））が異なる作動流体が循環するように構成される。これにより、より広い温度範囲で、第二冷却段１１ｄが第一冷却段１１ｃよりも高温の場合に、第一冷却段１１ｃで第二冷却段１１ｄを冷却することができる。

（第二変形例）
上記実施形態においては、放熱部１２ａを螺旋状の放熱側管体１２ａ１により形成し、吸熱部１２ｂを螺旋状の吸熱側接触部１２ｂ２により形成するようにした。これに代えて、図６に示すように、放熱部１２ａを第一冷却段１１ｃの小径部１１ｃ２の周方向に沿って熱的に接触する中空状の放熱側ジャケット１２ｆで形成し、吸熱部１２ｂを第二冷却段１１ｄの小径部１１ｄ２の周方向に沿って熱的に接触する中空状の吸熱側ジャケット１２ｇで形成することも可能である。

この場合においても、液体導管１２ｃは、放熱部１２ａ（放熱側ジャケット１２ｆ）が第一冷却段１１ｃの小径部１１ｃ２と熱的に接触する放熱側接触部１２ａ２において鉛直方向に沿った下方側で連通するとともに吸熱部１２ｂ（吸熱側ジャケット１２ｇ）が第二冷却段１１ｄの小径部１１ｄ２と熱的に接触する吸熱側接触部１２ｂ２において鉛直方向に沿った下方側で連通し、気体導管１２ｄは、放熱部１２ａ（放熱側ジャケット１２ｆ）の放熱側接触部１２ａ２において鉛直方向に沿った上方側で連通するとともに吸熱部１２ｂ（吸熱側ジャケット１２ｇ）の吸熱側接触部１２ｂ２において鉛直方向に沿った上方側で連通する。

これにより、この第二変形例においても、上記実施形態と同様の効果が得られる。

本発明の実施に当たっては、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変形が可能である。

例えば、上記実施形態及び上記第一変形例においては、断面円形の放熱側管体１２ａ１が放熱側接触部１２ａ２に熱的に接触し、断面円形の吸熱側接触部１２ｂ２が吸熱側接触部１２ｂ２に熱的に接触するようにした。これに代えて、放熱側管体１２ａ１及び吸熱側管体１２ｂ１の断面形状を扁平（楕円状）として放熱側接触部１２ａ２及び吸熱側接触部１２ｂ２との接触面積を増加させることも可能である。このように、接触面積を増加させることにより、作動流体の液化又は気化を促進することができ、熱輸送効率を向上させることができる。

又、上記実施形態及び上記各変形例においては、蓄冷式冷凍機１０が段付きシリンダ１１ａ及び段付きピストン１１ｂを有する機械式冷凍機１１を備えたギフォード・マクマホン冷凍機であるとした。これに代えて、他の方式の機械式冷凍機を備えた蓄冷式冷凍機（例えば、スターリング冷凍機又はパルス管冷凍機）を用いることが可能であることは言うまでもない。

１…超電導磁石装置、２…真空容器、３…輻射シールド、４…超電導磁石（被冷却物）、５…伝熱部材、１０…蓄冷式冷凍機、１１…機械式冷凍機、１１ａ…段付きシリンダ、１１ａ１…大径部、１１ａ２…小径部、１１ｂ…段付きピストン（ピストン）、１１ｃ…第一冷却段、１１ｃ１…大径部、１１ｃ２…小径部、１１ｄ…第二冷却段、１１ｄ１…大径部、１１ｄ２…小径部、１１ｅ…駆動部、１１ｆ…真空フランジ、１２…ループ管（伝熱素子）、１２ａ…放熱部、１２ａ１…放熱側管体、１２ａ２…放熱側接触部（放熱側接触部分）、１２ａ３…下方側端部、１２ａ４…上方側端部、１２ｂ…吸熱部、１２ｂ１…吸熱側管体、１２ｂ２…吸熱側接触部（吸熱側接触部分）、１２ｂ３…下方側端部、１２ｂ４…上方側端部、１２ｃ…液体導管、１２ｄ…気体導管、１２ｅ…冷媒封入管、１２ｆ…放熱側ジャケット、１２ｇ…吸熱側ジャケット、１１２…ループ管（伝熱素子）、１１２ａ…放熱部、１１２ａ１…放熱側管体、１１２ｂ…吸熱部、１１２ｂ１…吸熱側管体、１１２ｃ…液体導管、１１２ｄ…気体導管、Ｊ…軸線、Ｊ１…第一軸線、Ｊ２…第二軸線

Claims (8)

1. 柱状の第一冷却段と、被冷却物と熱的に接触した柱状の第二冷却段と、を有する機械式冷凍機と、
   前記第一冷却段と前記第二冷却段とに熱的に接触して、封入された作動流体の気化及び液化により熱輸送を行う伝熱素子と、を備えた蓄冷式冷凍機であって、
   前記伝熱素子は、
   前記第一冷却段に熱的に接触して冷却されて、気化した前記作動流体が凝縮によって潜熱を放出して液化する中空状の放熱部と、
   前記第二冷却段に熱的に接触して前記被冷却物からの熱によって加熱されて、液化した前記作動流体が蒸発によって潜熱を吸収して気化する中空状の吸熱部と、
   前記放熱部と前記吸熱部とを気密的に連通して前記熱輸送をしているときに前記放熱部にて液化した前記作動流体を前記吸熱部に向けて流す液体導管と、
   前記放熱部と前記吸熱部とを気密的に連通して前記熱輸送をしているときに前記吸熱部にて気化した前記作動流体を前記放熱部に向けて流す気体導管と、を備え、
   前記放熱部、前記液体導管、前記吸熱部及び前記気体導管が前記作動流体が循環するループを形成する、蓄冷式冷凍機。
2. 前記放熱部は、
   前記第一冷却段の外周にて、前記第一冷却段の第一軸線の方向に沿って螺旋状に巻き付けられた放熱側管体から構成され、
   前記吸熱部は、
   前記第二冷却段の外周にて、前記第二冷却段の第二軸線の方向に沿って螺旋状に巻き付けられた吸熱側管体から構成された、請求項１に記載の蓄冷式冷凍機。
3. 前記液体導管は、
   前記放熱部が前記第一冷却段と熱的に接触する放熱側接触部分において鉛直方向に沿った下方側と連通するとともに前記吸熱部が前記第二冷却段と熱的に接触する吸熱側接触部分において前記鉛直方向に沿った下方側と連通し、
   前記気体導管は、
   前記放熱部の前記放熱側接触部分において前記鉛直方向に沿った上方側と連通するとともに前記吸熱部の前記吸熱側接触部分において前記鉛直方向に沿った上方側と連通する、請求項１又は請求項２に記載の蓄冷式冷凍機。
4. 前記第一冷却段及び前記第二冷却段は、
   前記第一冷却段が鉛直方向に沿って前記第二冷却段よりも上方となるように互いに対向して配置された、請求項１乃至請求項３のうちの何れか一項に記載の蓄冷式冷凍機。
5. 前記気体導管の内径は、
   前記液体導管の内径に比べて大きく設定される、請求項１乃至請求項４のうちの何れか一項に記載の蓄冷式冷凍機。
6. 前記伝熱素子は、
   複数の前記ループを有しており、
   それぞれの前記ループを、前記蒸発及び前記凝縮に関連する物理特性が異なる前記作動流体が循環するように構成された、請求項１乃至請求項５のうちの何れか一項に記載の蓄冷式冷凍機。
7. 前記作動流体は、
   ネオン、窒素、アルゴン及びテトラフルオロメタンのうちの少なくとも一つである、請求項１乃至請求項６のうちの何れか一項に記載の蓄冷式冷凍機。
8. 前記機械式冷凍機は、
   シリンダと、前記シリンダの内部にて摺動可能に収容されたピストンと、を備え、
   前記ピストンが往復動し、前記シリンダの前記内部に作動ガスが給排されることにより、前記作動ガスを膨張させて、前記被冷却物を冷却する、請求項１乃至請求項７のうちの何れか一項に記載の蓄冷式冷凍機。

Images