JP2020056533A

JP2020056533A - 極低温冷却装置

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Publication number: JP2020056533A
Application number: JP2018187229A
Authority: JP
Inventors: 高橋　政彦; Masahiko Takahashi; 政彦高橋; 大谷　安見; Yasumi Otani; 安見大谷
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2018-10-02
Filing date: 2018-10-02
Publication date: 2020-04-09
Anticipated expiration: 2038-10-02
Also published as: JP7034877B2

Abstract

【課題】定常時の冷凍能力を同等に維持しながら、予冷時間を大幅に短縮させることができる極低温冷却装置を提供する。【解決手段】真空容器３内に配置される冷却源１と、この冷却源を被冷却部２に熱的に接続する伝熱部材４とを備え、さらに冷却源１と伝熱部材４に熱的に接続され内部に冷媒が流通する冷却配管１３を有する極低温冷却装置２０であって、冷却配管１３に設けられ、かつ真空容器３外に配置され冷却配管１３内の冷媒を往復移動させるディスプレーサ１２を内部に有するディスプレーサ装置２３と、真空容器３内に配置され、ディスプレーサ装置２３の両端を介して冷却配管１３に設けられた２つの蓄冷器１１とを有し、ディスプレーサ装置２３内のディスプレーサ１２を駆動することで、冷却配管１３内の冷媒を往復移動させ、この冷媒を蓄冷器１１を介して冷却源１を通り、被冷却部２に到達させることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、極低温冷却装置に係り、特に超電導線材等にて構成された被冷却
物を極低温に安定して冷却保持する極低温冷却装置に関する。

超電導コイル等は極低温に冷却する必要があり、液体ヘリウムや極低温冷凍機で冷却さ
れる。極低温冷凍機で超電導コイルを冷却する場合の極低温冷却装置の従来例の構成を図
３から図５を参照して説明する。

図３における極低温冷却装置１０において、１段冷却ステージ７および２段冷却ステー
ジ８を有する２段のＧＭ（ギフォード・マクマホン、Gifford-McMahon）冷凍機（以下、
単に冷凍機と呼ぶ）１の２段冷却ステージ８で伝熱板４を介して超電導コイル２を冷却し
ている。超電導コイル２は真空断熱のために真空容器３に納められるとともに、輻射シー
ルド５で覆われている。なお、図示していないが、このほかに超電導コイル２を支持する
ための支持材や超電導コイル２に通電するための電流リードが真空容器３内に配置されて
いる。

ここで、超電導コイル２は常に所定温度以下に冷却する必要がある。そのため、伝導熱
侵入や輻射熱侵入に、励磁時のコイル発熱も加えた熱負荷を上回る冷凍機１を用意する場
合がある。この場合、保冷時には冷凍能力が余り、無駄に電力を消費することになる。そ
こで、図４に示すように２台の冷凍機１を用意し、通常時は１台で冷却し、励磁時には２
台で冷却する構成が考えられている。なお、図４において図３と同一部分には同一符号を
付し、その構成の説明は省略する。

図４に示す機械的熱スイッチを用いた極低温冷却装置１０において、冷凍機１を１台で
運転する時に、使用しない冷凍機１ａを停止すると、この冷凍機１ａを経由した熱侵入量
が問題となる。そのため、冷却停止する冷凍機１ａには熱スイッチ６を設けて、励磁時に
は２台で運転することから熱スイッチ６をＯＮにし、冷凍機１ａを停止して冷凍機１を１
台で運転する時には熱スイッチ６をＯＦＦにして熱侵入に対する温度制御をしている。

また、図３に示す極低温冷却装置１０では予冷時間が長くなることも課題である。この
予冷時間の短縮のために、冷凍能力の大きい１段冷却ステージ７で超電導コイル２を冷却
する方法がある。この場合にも予冷時には１段冷却ステージ７と超電導コイル２を熱的に
接続し、通常時は切り離す熱スイッチを用いることが考えられている。

図５は熱スイッチとしてガス循環系９を用いた場合の構成を示す。

このガス循環系９は、１段冷却ステージ７の冷凍機伝熱部１４に熱的に接続された冷却
配管１３が伝熱板４の伝熱板伝熱部１５と熱的に接続されている。この伝熱板伝熱部１５
と熱的に接続されている冷却配管１３は、熱交換機１８を介して真空容器３外に配置され
た圧縮機１７に接続され、再度熱交換器１８を介して冷凍機伝熱部１４に熱的に接続され
る構成となっている。

このガス循環系９の冷媒ガスを循環させると、熱スイッチＯＮの状態となり、熱は超電
導コイル２から伝熱板４、ガス循環系９を介して冷凍機１の１段ステージ７に運ばれる。

一方、ガスの循環を停止すると熱スイッチはＯＦＦの状態となり、冷凍機１の１段冷却
ステージ７と超電導コイル２は切り離される。このガス循環系９を用いた熱スイッチは前
記の複数台の冷凍機１、１ａを用いる極低温冷却装置１０にも適用できる。

また、向流熱交換器の替りに図示しないが蓄冷材を用いる方法もある。

特開２００９−２４６２３１号公報特開２００９−２４３８３７号公報

この極低温冷却装置におけるガス循環系は室温部の圧縮機と、冷凍機伝熱部（１段冷却
ステージ）、伝熱板伝熱部（伝熱板）から構成されており、熱媒体としてはヘリウムガス
等が使われている。冷凍機で冷却されたヘリウムガスは伝熱板で熱を受け取ると温度上昇
する。このため、冷凍機と伝熱板では温度差ΔＴが発生する。この温度差ΔＴと伝熱量（
質量流量：Kg/sec）Ｑの間にはヘリウムガスの比熱をＣ、流量をｍとして以下の式１の関
係がある。
Ｑ＝ｍＣΔＴ・・・（１）

伝熱量が同じ場合は流量ｍを大きくすれば温度差ΔＴが小さくなることが分かる。

一方で、このガス循環系では熱交換器の非効率分が損失となる。熱交換器損失Ｑ_lossは
、熱交換器効率をη、熱交換器の高温側ヘリウム温度をＴ_Ｈ、熱交換器の低温側ヘリウム
温度をＴ_Ｌとすると以下の式２で表され、流量ｍを増やすと比例して熱交換器損失Ｑ_loss
は増加する。
Ｑ_loss＝（１−η）ｍＣ（Ｔ_Ｈ−Ｔ_Ｌ）・・・（２）

このため、流量ｍを増やし過ぎると、熱交換器損失Ｑ_lossが増加して、冷凍機温度が上
昇し、超電導コイル温度が上昇する。一方で流量ｍが少なすぎると、式１より冷凍機とコ
イルの温度差ΔＴが大きくなり、超電導コイル温度が上昇する。したがってコイル温度が
最も低くなる最適流量があり、超電導コイル温度はこの温度より下げられない。

ここで向流型熱交換器の効率は９２〜９５％であるのに対し、特許文献１の蓄冷器では
効率は９９％が見込まれ大幅に損失を低減できる。しかし、特許文献１の方法ではガス充
填時に低温部で断熱圧縮による発熱が発生する問題があり、結局コイル温度を下げること
ができない。

本発明ではこの熱交換器損失を低減させるとともに、断熱圧縮による発熱が無い構成を
提供することで、定常時の冷凍能力を同等に維持しながら、予冷時間を大幅に短縮させる
ことのできる極低温冷却装置を得ることを目的とする。

上記実施形態に係る極低温冷却装置は、真空容器内に配置される冷却源と、この冷却源
を被冷却部に熱的に接続する伝熱部材とを備え、さらに前記冷却源と前記伝熱部材に熱的
に接続され内部に冷媒が流通する冷却配管を有する極低温冷却装置であって、前記冷却配
管に設けられ、かつ前記真空容器外に配置され前記冷却配管内の冷媒を往復移動させるデ
ィスプレーサを内部に有するディスプレーサ装置と、前記真空容器内に配置され、前記デ
ィスプレーサ装置の両端を介して前記冷却配管に設けられた２つの蓄冷器とを有し、前記
ディスプレーサ装置内のディスプレーサを駆動することで、前記冷却配管内の前記冷媒を
往復移動させ、この冷媒を前記蓄冷器を介して前記冷却源を通り、前記被冷却部に到達さ
せることを特徴とする。

本発明の実施形態に係る極低温冷却装置は、上述した課題を解決するためになされたも
のであり、熱交換器損失を低減させるとともに、断熱圧縮による発熱が無い構成とするこ
とで、定常時の冷凍能力を同等に維持しながら、予冷時間を大幅に短縮させることができ
る。

本発明の実施例１を示す極低温冷却装置の概略構成図。本発明の実施例２を示す極低温冷却装置の概略構成図。極低温冷却装置の従来例を示す概略縦断面図。機械的熱スイッチを用いた極低温冷却装置の従来例を示す概略縦断面図。ガス循環系を熱スイッチとして用いた極低温冷却装置の従来例を示す概略縦断面図。

以下、本発明に係る極低温冷却装置の実施例について、図面を参照して説明する。

（実施例１）
まず、極低温冷却装置の概略構成図である図１を参照して実施例１を説明する。なお、
図３から図５と同一部分には同一符号を付してその構成の部分は省略する。

本実施例１に係る極低温冷却装置２０は、ＧＭ冷凍機１と、超電導コイル２と、これら
を内包する真空容器３を有している。このＧＭ冷凍機１と超電導コイル２は伝熱板４を介
して熱的に接続され、ＧＭ冷凍機１によって超電導コイル２が冷却されている。

この超電導コイル２と伝熱板４は輻射シールド５で覆われ、ＧＭ冷凍機１の１段冷却ス
テージ７で冷却されている。

この極低温冷却装置２０には熱スイッチとなるガス循環系２１が配置され、このガス循
環系２１は、１段冷却ステージ７の冷凍機伝熱部１４に熱的に接続された冷却配管１３が
伝熱板４の伝熱板伝熱部１５と熱的に接続されている。この冷却配管１３は、真空容器３
内に配置された蓄冷器１１を介して真空容器３外に配置されたディスプレーサ装置２３に
接続され、さらにこのディスプレーサ装置２３から真空容器３内に配置された蓄冷器１１
を介して冷凍機伝熱部１４に熱的に接続される構成となっている。この蓄冷器１１はベー
クライト等の断熱容器内に金属の微小な球、例えば鉛、銅、ステンレス等の金属の球が充
填されて構成されている。

そして、ディスプレーサ装置２３はシリンダ１９内に往復移動自在にディスプレーサ１
２が配置され、このディスプレーサ装置２３にはバッファタンク１６が冷却配管１３を介
して接続されている。このシリンダ１９の内部容量は、蓄冷器１１から伝熱板伝熱部１５
までの冷却配管１３の内部流通量以上の容量に設定され、ディスプレーサ１２が一方の端
部に移動することによって、蓄冷器１１内の冷媒が伝熱板伝熱部１５に伝達される構成と
なっている。

このように構成された本実施の形態において、保冷時等の通常冷却時には超電導コイル
２は伝熱板４を介してＧＭ冷凍機１の２段冷却ステージ８で冷却されている。

通常冷却時の超電導コイル２への熱侵入量は１Ｗ以下であり、ＧＭ冷凍機１の２段冷却
ステージ８だけで４Ｋ程度に冷却されている。この時、ディスプレーサ１２は静止してお
り、冷却配管１３内には冷媒が満たされているが流通していない。また、冷却配管１３は
ステンレスの薄肉配管で製作されており、冷却配管１３を通じての熱侵入量は小さい。ま
た、冷却配管１３内の冷媒（ガス）の伝熱も冷媒ガスの熱伝導率が低いため熱侵入量は小
さく無視できる。

なお、冷却配管１３内には冷媒が満たされている旨示したが、伝熱を考慮して真空状態
に保持し、ディスプレーサ装置２３の使用時に冷媒ガスを冷却配管１３内に注入するよう
にすれば、より熱伝導率を低く抑えることができる。

一方で、予冷時にはディスプレーサ装置２３のディスプレーサ１２を図中において左右
に往復移動させることで、冷却配管１３内の冷媒ガスを往復移動させて流通させ、ＧＭ冷
凍機１の１段冷却ステージ７で冷却した冷媒ガスを伝熱板４の伝熱部１５に送り、伝熱板
４を冷却する。ＧＭ冷凍機１の２段冷却ステージ８の冷凍能力が３０Ｗ程度であるのに対
し、１段冷却ステージ７は１００Ｗ程度の冷凍能力を持つため、冷凍能力は４倍となり、
予冷時間を１／４に短縮できる。

また、蓄冷器１１の効率は９９％と見込まれ、向流型熱交換器の効率９２〜９５%に対
し格段に熱交換器損失が少ない。このため熱交換器損失が低減され、実効的な冷凍能力が
増加する。また、ディスプレーサ装置２３は冷却配管１３の圧力損失相当の低い圧力差で
冷媒ガスを移動するため、冷媒ガスの断熱圧縮による発熱も無視できる程度に小さい。

なお、予冷が進むと冷凍機近傍の冷却配管１３の温度が下がり、冷却配管内部の冷媒ガ
スも冷えて密度が高くなる。このため冷却配管内全体の圧力が低下し、配管内が負圧とな
ることで空気を吸い込み凍ることで閉塞する可能性が有る。この圧力低下の程度は、ガス
循環系２１の真空容器３外の室温部と真空容器３内の低温部の容積比で決まる。本実施例
１では室温部にバッファタンク１６を設け、室温部の容積を大きくしているため、圧力低
下が抑えられ、配管内が負圧になる可能性も避けられる。

このように本実施例１に係る極低温冷却装置２０によれば、定常時の冷凍能力を同等に
維持しながら、予冷時間を大幅に短縮させることが可能となる。

なお、本実施例１においては冷却源としてＧＭ冷凍機１で説明したが、スターリング冷
凍機、パルスチューブ冷凍機を使用することも可能である。

この場合においても１段冷却ステージおよび２段冷却ステージを有する２段の冷凍機で
ある場合には冷却能力に応じて１段冷却ステージを採用することが良好である。

（実施例２）
次に、本発明に係る極低温冷却装置２２の実施例２を、実施例２を示す極低温冷却装置
の概略構成図である図２を参照して説明する。なお実施例１と同一の構成には同一の符号
を付し、重複する説明は省略する。

本実施例２では冷却源である２台目のＧＭ冷凍機１ａがある。定常運転時にはこの冷凍
機１ａは停止しており、動力を消費しない。また、ディスプレーサ１２も停止している。
この状態では２台目のＧＭ冷凍機１ａは室温になっているが、冷却配管１３の伝導による
熱侵入量は少なく無視できる。

しかし、励磁時に超電導コイル等の発熱がある場合にはＧＭ冷凍機１ａを起動させると
ともに、ディスプレーサ１２を駆動して冷媒ガスを往復移動させることで、２台目のＧＭ
冷凍機１ａの冷凍能力を伝熱板４の冷却に加えられる。

このように本実施例２の構成を用いれば、冷凍能力の必要な励磁時には２台目の冷凍機
１ａを運転して冷却し、冷凍能力の不要な定常時には２台目の冷凍機１ａを停止すること
で、極低温冷却装置２２の使用電力量を削減することができる。

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、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。

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同様に、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ものである。

１、１ａ…ＧＭ冷凍機（冷却源）
２…超電導コイル（被冷却部）
３…真空容器
４…伝熱板
５…輻射シールド
６…熱スイッチ
７…１段冷却ステージ
８…２段冷却ステージ
９…ガス循環系（熱スイッチ）
１０…極低温冷却装置
１１…蓄冷器
１２…ディスプレーサ
１３…冷却配管
１４…冷凍機伝熱部
１５…伝熱板伝熱部
１６…バッファタンク
１７…圧縮機
１８…熱交換器
１９…シリンダ
２０…極低温冷却装置
２１…ガス循環系（熱スイッチ）
２２…極低温冷却装置
２３…ディスプレーサ装置

Claims

真空容器内に配置される冷却源と、この冷却源を被冷却部に熱的に接続する伝熱部材と
を備え、さらに前記冷却源と前記伝熱部材に熱的に接続され内部に冷媒が流通する冷却配
管を有する極低温冷却装置であって、
前記冷却配管に設けられ、かつ前記真空容器外に配置され前記冷却配管内の冷媒を往復移
動させるディスプレーサを内部に有するディスプレーサ装置と、
前記真空容器内に配置され、前記ディスプレーサ装置の両端を介して前記冷却配管に設
けられた２つの蓄冷器とを有し、
前記ディスプレーサ装置内のディスプレーサを駆動することで、前記冷却配管内の前記
冷媒を往復移動させ、この冷媒を前記蓄冷器を介して前記冷却源を通り、前記被冷却部に
到達させることを特徴とする極低温冷却装置。
前記ディスプレーサ装置と前記蓄冷器を接続する冷却配管にバッファタンクを接続した
ことを特徴とする請求項１に記載の極低温冷却装置。
前記被冷却部が、超電導コイル又は超電導コイルと熱的に接続された伝熱板であること
を特徴とする請求項１または２に記載の極低温冷却装置。
前記冷却源が、ＧＭ冷凍機、スターリング冷凍機、パルスチューブ冷凍機のいずれかで
あることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の極低温冷却装置。
前記冷却源が、冷凍機の１段冷却ステージあることを特徴とする請求項４に記載の極低
温冷却装置。
前記冷却配管の内部は通常真空状態に保持され、前記ディスプレーサの駆動時に冷媒ガ
スが注入されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の極低温冷却装置。
前記蓄冷器は、断熱容器内に金属の微小な球が充填されて構成されることを特徴とする
請求項１から６のいずれか１項記載の極低温冷却装置。