JP2022003284A - 極低温流体循環式冷却システム及び極低温流体循環式冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】液化冷媒の消費量を抑制しつつ、冷凍機を常に定格運転できる、極低温流体循環式冷却システム及び極低温流体循環式冷却方法の提供。【解決手段】第１の熱交換器ＨＸ１において、冷媒ガスと冷却ガスとを熱交換させて冷媒ガスを液化することを特徴とする、極低温流体循環式冷却システム。【選択図】図１

Description

本発明は、極低温流体循環式冷却システム及び極低温流体循環式冷却方法に関する。

送電ケーブル、モータ、限流器、変圧器等の高温超電導電力機器を冷却するための液化冷媒には、比較的安価で入手し易く、電気絶縁性に優れた液体窒素が一般に使用されている。この液体窒素を６５〜７７Ｋの過冷却温度（サブクール温度）まで冷却する冷凍機としては、ＧＭ冷凍機、パルス管冷凍機、スターリング冷凍機、ブレイトン冷凍機（特許文献１）等の機械式冷凍機が用いられている。

このような機械式冷凍機は、通常、定格運転（フル運転）で冷凍能力と効率が最大となるように設計されており、熱負荷が減少し、冷凍機が減量運転となった時は冷凍機効率（ＣＯＰ）が定格運転時よりも低下する。例えば、超電導送電ケーブルでは送電量が多い昼間には冷凍機が定格運転され、送電量が少ない夜間には冷凍機が減量運転となることが多く、冷凍機は昼夜で定格運転と減量運転を繰り返す運用がなされている。このような超電導電力機器の冷却装置では、液体窒素の貯槽やリザーバタンク、ケーブル端末部等において外部からの侵入熱によって液体窒素の一部が気化（蒸発）し、各機器の内圧が上昇するのを防止するため、気化した液体窒素は大気中に放出されている（特許文献２）。

超電導送電ケーブルの初期冷却時に発生する大量の気化した液体窒素を冷凍機の熱交換器に導入し、その冷熱エネルギーを回収する方法が知られている（特許文献３）。この方法は、超電導送電ケーブルを冷却して気化した液体窒素の温度に応じて冷凍機の熱交換器の導入位置を変えることによって冷却装置のクールダウンに要する冷凍機の消費電力を低減する方法である。

また、初期冷却時に発生する大量の気化した液体窒素を冷却装置で再液化して利用する装置及び方法が知られている（特許文献４）。この装置及び方法は、冷凍機によってリザーバタンク内の液体窒素をサブクール温度まで冷却し、気化した液体窒素をこのリザーバタンク内に導入してサブクール液体窒素と直接熱交換させることによって再液化する方法である。

従来の極低温流体循環式冷却システムの一例を図５に示す。従来の極低温流体循環式冷却システム５は、冷凍機ＲＥＦ、第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１、第２の液化冷媒貯留タンクＳＴ２、被冷却対象ＨＴＳ、液化冷媒循環ポンプＬＮＰ、第１の液化冷媒供給ライン１０１、液化冷媒戻りライン１０２、第１の気化冷媒移送ライン１０３、第２の気化冷媒移送ライン１０４、バイパスライン１０５、第２の液化冷媒供給ライン２０１、液化冷媒補充ライン２０２、第３の気化冷媒移送ライン２０３、冷媒ガスライン３０１、及び冷媒ガス放出ライン３０２を備える。
極低温流体循環式冷却システム５では、第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１から導出した液化冷媒が、冷凍機ＲＥＦでサブクール温度以下に冷却後、超電導送電ケーブル等の被冷却対象ＨＴＳに供給される。液化冷媒によって被冷却対象ＨＴＳが冷却されるとともに、液化冷媒の一部が気化して冷媒ガスを発生する。発生した冷媒ガスは、被冷却対象ＨＴＳ内部の圧力上昇を回避するため、第１の気化冷媒移送ライン１０３、第２の気化冷媒移送ライン１０４、冷媒ガスライン３０１を経由して冷媒ガス放出ライン３０２から大気中に放出される。
また、被冷却対象ＨＴＳが超電導送電ケーブル等である場合、冷凍機ＲＥＦは、送電量が多い昼間には定格運転され、送電量が少ない夜間には減量運転される。
このように、冷凍機ＲＥＦは、昼夜で定格運転と減量運転を繰り返す運用がなされる。

特開２０１１−１０６７５５号公報 特開２０１６−１８６９８３号公報 特開２０１６−１６９８８０号公報 特開２０１９−１１７０２６号公報

このような運用では、減量運転時に、第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１、第２の液化冷媒貯留タンクＳＴ２、被冷却対象ＨＴＳの内部等において外部からの侵入熱によって液化冷媒の一部が気化して冷媒ガスが発生する。従来の極低温流体循環式冷却システム５では、液化冷媒貯留タンクＳＴ１、ＳＴ２や被冷却対象ＨＴＳの内圧の上昇を回避するため、発生した冷媒ガスが、大気中に放出される。これにより、液化冷媒が不足することとなるため、タンクローリー等によって外部から液化冷媒を液化冷媒貯留タンクＳＴ１及びＳＴ２に補充する必要がある。
また、従来の極低温流体循環式冷却システム５では、減量運転時には冷凍機ＲＥＦの冷凍機効率（ＣＯＰ）が定格運転時に比べて低下する。

本発明は、液化冷媒の消費量を抑制しつつ、冷凍機を常に定格運転できる、極低温流体循環式冷却システム及び極低温流体循環式冷却方法を提供することを課題とする。

［１］ 液化冷媒が貯留される第１の液化冷媒貯留タンクと、
一端が前記第１の液化冷媒貯留タンクと接続され、被冷却対象の一端を介して、前記液化冷媒を前記被冷却対象に供給する第１の液化冷媒供給ラインと、
冷媒ガスを貯留する冷媒ガス貯留タンクと、
前記被冷却対象を介して気化した冷媒ガスを前記冷媒ガス貯留タンクに回収する第１の気化冷媒移送ラインと、
前記冷媒ガス貯留タンクから前記冷媒ガスを導出し、第１の熱交換器を介して、前記第１の液化冷媒貯留タンクに移送する移送ラインと、
前記第１の液化冷媒供給ラインに設けられ、前記第１の液化冷媒供給ラインに前記液化冷媒を圧送循環させる液化冷媒循環ポンプと、
冷却ガスを循環させる冷却ガス循環ライン、前記冷却ガス循環ラインに設けられ、前記冷却ガスを圧縮する圧縮機、前記圧縮機の二次側に位置する前記冷却ガス循環ラインに設けられ、前記冷却ガスを断熱膨張させる膨張タービン、前記膨張タービンで断熱膨張させた前記冷却ガスと前記第１の液化冷媒供給ラインを流れる前記液化冷媒とを熱交換させることにより、前記液化冷媒をサブクール温度まで冷却する第２の熱交換器、及び前記第２の熱交換器を通過した前記冷却ガスと前記圧縮機で圧縮された前記冷却ガスとを熱交換させる前記第１の熱交換器を含む冷凍機と、を備え、
前記第１の熱交換器において、前記冷媒ガスと前記冷却ガスとを熱交換させて前記冷媒ガスを冷却又は液化することを特徴とする、極低温流体循環式冷却システム。
［２］ 冷媒ガス発生装置をさらに備え、
前記冷媒ガス発生装置から発生させた冷媒ガスを液化させてから前記第１の液化冷媒貯留タンクに供給する、［１］に記載の極低温流体循環式冷却システム。
［３］ 第２の液化冷媒貯留タンクをさらに備え、
前記冷媒ガス発生装置から発生させた冷媒ガスを液化させてから前記第２の液化冷媒貯留タンクに供給する、［２］に記載の極低温流体循環式冷却システム。
［４］ 前記冷媒ガス発生装置の二次側に水分除去装置を有する、［２］又は［３］に記載の極低温流体循環式冷却システム。
［５］ 前記第１の熱交換器と前記第１の液化冷媒貯留タンクとの間に位置する前記移送ラインから分岐され、前記冷凍機と前記被冷却対象との間に位置する前記第１の液化冷媒供給ラインと接続された第３の液化冷媒供給ラインを有する、［１］〜［４］のいずれかに記載の極低温流体循環式冷却システム。
［６］ 前記被冷却対象と前記冷媒ガス貯留タンクとの間に位置する前記第１の気化冷媒移送ラインから分岐され、前記第１の熱交換器を介して前記冷媒ガス貯留タンクと接続され、前記第１の熱交換器の二次側に圧縮機を有する冷媒ガス圧縮ラインを有する、［１］〜［５］のいずれかに記載の極低温流体循環式冷却システム。
［７］ 前記冷凍機の前記圧縮機の回転数又は運転電力が最大となるように、前記冷媒ガス貯留タンクから第１の熱交換器に供給する冷媒ガスの流量を調節する流量調節部を有する、［１］〜［６］のいずれかに記載の極低温流体循環式冷却システム。
［８］ 前記被冷却対象をバイパスし、前記第２の熱交換器と前記第１の液化冷媒貯留タンクとを接続するバイパスラインを備え、
前記バイパスラインを介して過冷却の液化冷媒を前記第１の液化冷媒貯留タンクに供給することで、前記液化冷媒の圧力を下げて、前記第１の液化冷媒貯留タンクの圧力が、前記冷媒ガス貯留タンクの圧力よりも低くなるように調節する、［１］〜［７］のいずれかに記載の極低温流体循環式冷却システム。
［９］ 液化冷媒が貯留される第１の液化冷媒貯留タンクと、
一端が前記第１の液化冷媒貯留タンクと接続され、被冷却対象の一端を介して、前記液化冷媒を前記被冷却対象に供給する第１の液化冷媒供給ラインと、
冷媒ガスを貯留する冷媒ガス貯留タンクと、
前記被冷却対象を介して気化した冷媒ガスを前記冷媒ガス貯留タンクに回収する第１の気化冷媒移送ラインと、
前記冷媒ガス貯留タンクから前記冷媒ガスを導出し、第１の熱交換器を介して、前記第１の液化冷媒貯留タンクに移送する移送ラインと、
前記第１の液化冷媒供給ラインに設けられ、前記第１の液化冷媒供給ラインに前記液化冷媒を圧送循環させる液化冷媒循環ポンプと、
冷却ガスを循環させる冷却ガス循環ライン、前記冷却ガス循環ラインに設けられ、前記冷却ガスを圧縮する圧縮機、前記圧縮機の二次側に位置する前記冷却ガス循環ラインに設けられ、前記冷却ガスを断熱膨張させる膨張タービン、前記膨張タービンで断熱膨張させた前記冷却ガスと前記第１の液化冷媒供給ラインを流れる前記液化冷媒とを熱交換させることにより、前記液化冷媒をサブクール温度まで冷却する第２の熱交換器、及び前記第２の熱交換器を通過した前記冷却ガスと前記圧縮機で圧縮された前記冷却ガスとを熱交換させる第１の熱交換器を含む冷凍機と、を備え、
前記冷凍機の前記圧縮機の回転数又は運転電力が最大となるように、前記冷媒ガス貯留タンクから前記第１の熱交換器に供給する冷媒ガスを供給し、前記冷媒ガスを冷却又は液化することを特徴とする、極低温流体循環式冷却方法。
［１０］ 前記第１の熱交換器と前記第１の液化冷媒貯留タンクとの間に位置する前記移送ラインから分岐され、前記冷凍機と前記被冷却対象との間に位置する前記第１の液化冷媒供給ラインと接続された第３の液化冷媒供給ラインを有し、
前記被冷却対象の初期冷却時において、前記第３の液化冷媒供給ラインを介して前記第１の熱交換器により冷却された前記冷媒ガスを前記被冷却対象に供給し、前記被冷却対象を冷却する、［９］に記載の極低温流体循環式冷却方法。
［１１］ 前記被冷却対象と前記冷媒ガス貯留タンクとの間に位置する前記第１の気化冷媒移送ラインから分岐され、前記第１の熱交換器を介して前記冷媒ガス貯留タンクと接続され、前記第１の熱交換器の二次側に圧縮機を有する冷媒ガス圧縮ラインを有し、
前記被冷却対象から排出され、前記第１の熱交換器を介して昇温した冷媒ガスを前記圧縮機で圧縮して前記冷媒ガス貯留タンクに導入する、［９］又は［１０］に記載の極低温流体循環式冷却方法。
［１２］ 前記冷凍機の前記圧縮機の回転数又は運転電力が最大となるように、前記冷媒ガス貯留タンクから第１の熱交換器に供給する冷媒ガスの流量を調節する、［９］〜［１１］のいずれかに記載の極低温流体循環式冷却方法。
［１３］ 前記第１の熱交換器と前記第１の液化冷媒貯留タンクとの間に設置したジュール・トムソン弁の開度調節によって、前記冷媒ガス貯留タンクから第１の熱交換器に供給する冷媒ガスの流量を調節する、［１２］に記載の極低温流体循環式冷却方法。
［１４］ 前記第２の熱交換器で冷却されて過冷却となった液化冷媒を、前記第２の熱交換器と前記第１の液化冷媒貯留タンクとを接続するバイパスラインを介して前記第１の液化冷媒貯留タンクに供給し、前記液化冷媒の飽和温度を低下させることにより、前記第１の液化冷媒貯留タンクの圧力が、前記冷媒ガス貯留タンクの圧力よりも低くなるように調節する、［９］〜［１３］のいずれかに記載の極低温流体循環式冷却方法。

本発明によれば、液化冷媒の消費量を抑制しつつ、冷凍機を常に定格運転できる、極低温流体循環式冷却システム及び極低温流体循環式冷却方法を提供できる。

図１は、本発明の極低温流体循環式冷却システムの第１の実施形態の一例を示す概念図である。 図２は、本発明の極低温流体循環式冷却システムの第２の実施形態の一例を示す概念図である。 図３は、本発明の極低温流体循環式冷却システムの第３の実施形態の一例を示す概念図である。 図４は、本発明の極低温流体循環式冷却システムの第４の実施形態の一例を示す概念図である。 図５は、従来の極低温流体循環式冷却システムの一例を示す概念図である。

以下では、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。ただし、本発明は、後述する実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない限り、種々の変形が可能である。
本明細書において、「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の両側の数値をその範囲に含む。

［第１の実施形態］
本発明の極低温流体循環式冷却システム及び極低温流体循環式冷却方法の第１の実施形態について、図１を適宜参照しながら、説明する。

図１に示す第１の実施形態の極低温流体循環式冷却システム１は、冷凍機ＲＥＦ、第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１、第２の液化冷媒貯留タンクＳＴ２、被冷却対象ＨＴＳ、液化冷媒循環ポンプＬＮＰ、第１の液化冷媒供給ライン１０１、液化冷媒戻りライン１０２、第１の気化冷媒移送ライン１０３、第２の気化冷媒移送ライン１０４、第２の液化冷媒供給ライン２０１、液化冷媒補充ライン２０２、第３の気化冷媒移送ライン２０３、冷媒ガスライン３０１、冷媒ガス放出ライン３０２、冷媒ガス貯留タンクＧＴ及び移送ライン１０６を備える。本実施形態の極低温流体循環式冷却システム１では、さらに、バイパスライン１０５を備える。

第１の液化冷媒供給ライン１０１は、第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１と、被冷却対象ＨＴＳの一端ＨＴＳａとを接続する。第１の液化冷媒供給ライン１０１の途中には、液化冷媒循環ポンプＬＮＰが設置されている。第１の液化冷媒供給ライン１０１は、冷凍機ＲＥＦの熱交換器（第２の熱交換器ＨＸ２）を通過している。
液化冷媒戻りライン１０２は、被冷却対象ＨＴＳの他端ＨＴＳｂと、第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１とを接続する。液化冷媒戻りライン１０２の途中には、バルブＶ４が設置されている。
第１の気化冷媒移送ライン１０３は、被冷却対象ＨＴＳの他端ＨＴＳｂと冷媒ガスライン３０１とを接続する。第１の気化冷媒移送ライン１０３の途中には、バルブＶ３が設置されている。
第２の気化冷媒移送ライン１０４は、第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１と第１の気化冷媒移送ライン１０３とを接続する。第２の気化冷媒移送ライン１０４の途中にはバルブＶ７が設置されている。第２の気化冷媒移送ライン１０４が第１の気化冷媒移送ライン１０３に合流する点は、バルブＶ３と、第１の気化冷媒移送ライン１０３が冷媒ガスライン３０１と接続する点との間である。
第２の液化冷媒供給ライン２０１は、第２の液化冷媒貯留タンクＳＴ２の下端と、被冷却対象ＨＴＳの一端ＨＴＳａとを接続する。第２の液化冷媒供給ライン２０１の途中にはバルブＶ２が設置されている。
液化冷媒補充ライン２０２は、第２の液化冷媒貯留タンクＳＴ２の下端と、第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１とを接続する。液化冷媒補充ライン２０２の途中には、バルブＶ１が設置されている。
第３の気化冷媒移送ライン２０３は、第２の液化冷媒貯留タンクＳＴ２の上端と、冷媒ガスライン３０１とを接続する。
冷媒ガス放出ライン３０２は、冷媒ガスライン３０１に接続されている。冷媒ガスライン３０１と冷媒ガス放出ライン３０２の間には、バルブＶ６が設置されている。

冷媒ガスライン３０１の一端は冷媒ガス貯留タンクＧＴに接続されている。冷媒ガスライン３０１の他端は、冷媒ガス放出ライン３０２に接続されていてもよい。
移送ライン１０６は、冷媒ガス貯留タンクＧＴと第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１とを接続する。移送ライン１０６の途中には、冷凍機ＲＥＦの第１の熱交換器ＨＸ１及び等エンタルピー膨張弁（ジュール・トムソン弁）ＪＴＶが設置されている。
第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１、ジュール・トムソン弁ＪＴＶ及び液化冷媒循環ポンプＬＮＰは、真空断熱容器ＶＩＣ内に設置されている。

冷凍機ＲＥＦは、第１の熱交換器ＨＸ１、第２の熱交換器ＨＸ２、膨張タービンＥＴ及び冷却ガス循環ライン４０１を備える。
冷却ガス循環ライン４０１は、第１の熱交換器ＨＸ１を出た後、圧縮機Ｃ１及び水冷クーラーＷＣを経由して、第１の熱交換器ＨＸ１に戻る。
第１の熱交換器ＨＸ１を、移送ライン１０６が通過する。
第２の熱交換器ＨＸ２を、第１の液化冷媒供給ライン１０１が通過する。
圧縮機Ｃ１は冷却ガスを圧縮する。
冷凍機ＲＥＦで使用する冷却ガスとしては、ネオン、ヘリウム及びこれらの混合ガスからなる群から選択される少なくとも１種が好ましい。
水冷クーラーＷＣは、前記圧縮機Ｃ１により圧縮されて高温になった冷却ガスを冷却水と熱交換させることにより冷却水の温度近くまで冷却して、前記冷却ガスの温度を低下させる。
膨張タービンＥＴは、第１の熱交換器ＨＸ１を通過して冷却された前記冷却ガスを断熱膨張させ、前記冷却ガスの温度をさらに低下させる。
第１の熱交換器ＨＸ１は、水冷クーラーＷＣにより冷却された冷却ガスと断熱膨張後の冷却ガスとの間で熱交換を行わせる。第１の熱交換器ＨＸ１は、図１では１つの熱交換器ブロックとしているが、２つ以上の熱交換器ブロックでもよい。
第２の熱交換器ＨＸ２は、断熱膨張後の冷却ガスと第１の液化冷媒供給ライン１０１を流れる液化冷媒との間で熱交換を行わせ、液化冷媒の温度を低下させる。
冷却ガスは冷却ガス循環ライン４０１を循環して使用されるので、漏れ等により減少した分の補充を除き、補充の必要はない。
冷凍機ＲＥＦは圧縮機Ｃ１の回転数又は運転電力を最大とすることで定格運転となり、回転数又は運転電力を下げることで減量運転となる。

第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１内の液化冷媒は、第１の液化冷媒供給ライン１０１を通って、被冷却対象ＨＴＳに供給される。前記液化冷媒は、第１の液化冷媒供給ライン１０１を通過する途中で、冷凍機ＲＥＦによって冷却される。
前記液化冷媒としては、不活性であり、入手も用意であることから、液体窒素が好ましい。この場合、液化冷媒が気化した冷媒ガスは窒素ガスである。

第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１に接続された液化冷媒循環ポンプＬＮＰは、遠心式のポンプであり、インバータによって駆動され、ポンプの回転数を変えることで吐出圧力や流量を調整できる。
液化冷媒循環ポンプＬＮＰの吐出側液化冷媒は冷凍機ＲＥＦの第２の熱交換器ＨＸ２で冷却されて温度が低下し、サブクール温度（例えば６５〜７７Ｋ）となる。サブクール温度の液化冷媒は、被冷却対象ＨＴＳに供給され、被冷却対象ＨＴＳを冷却して昇温する。昇温した液化冷媒は、液化冷媒戻りライン１０２及びバルブＶ４を通じて、第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１の液層側に戻る。

液化冷媒は被冷却対象ＨＴＳの冷却開始時や、第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１内の液化冷媒が少なくなった場合に、第２の液化冷媒貯留タンクＳＴ２から、液化冷媒補充ライン２０２及びバルブＶ１を通じて、第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１に補充される。
第２の液化冷媒貯留タンクＳＴ２から、第２の液化冷媒供給ライン２０１及びバルブＶ２を通じて、被冷却対象ＨＴＳに液化冷媒を供給することも可能である。

冷凍機ＲＥＦの第２の熱交換器ＨＸ２と被冷却対象ＨＴＳとの間から分岐するバイパスライン１０５は、被冷却対象ＨＴＳを迂回するバイパス流路である。バイパスライン１０５の途中には、バルブＶ８が設置されている。被冷却対象ＨＴＳを冷却する際、Ｖ８は通常、閉となっている。第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１内の液化冷媒の温度又は圧力が高くなった場合には、バルブＶ８を開けて、冷凍機ＲＥＦで冷却された、より低温の液化冷媒を導入することで、第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１内の液化冷媒の温度又は圧力を降下させる。

液化冷媒が気化して発生した冷媒ガス（例えば窒素ガス）は、冷媒ガス放出ライン３０２及びバルブＶ６を通じて大気中に放出することも可能である。
しかし、本実施形態では、冷媒ガスを大気中に放出せず、冷媒ガス貯留タンクＧＴに回収、貯留し、被冷却対象ＨＴＳの熱負荷が減少して冷凍機ＲＥＦが減量運転となる場合（例えば、電力需要が減少する夜間など）に、ジュール・トムソン弁ＪＴＶを開いて、冷媒ガス貯留タンクＧＴから冷凍機ＲＥＦの第１の熱交換器ＨＸ１に冷媒ガスを導入して、冷凍機ＲＥＦの熱負荷を増加することで冷凍機を定格運転にする。冷凍機ＲＥＦは、圧縮機Ｃ１の回転数を最大回転数とすることで定格運転となり、回転数を下げることで減量運転となる。なお、冷凍機ＲＥＦの熱負荷増加は、例えば、膨張タービンＥＴの入口、出口の温度又は第２の熱交換器ＨＸ２の入口、出口の温度が上昇することで判断できる。
冷凍機ＲＥＦの第１の熱交換器ＨＸ１の冷端側出口で冷媒ガスは液化して飽和液化冷媒となるが、第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１に入る際には、ジュール・トムソン弁ＪＴＶによって圧力降下してさらに温度が低下した飽和液化冷媒となっている。
第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１内には冷凍機ＲＥＦでサブクール温度に冷却された液化冷媒が貯留されているので、前述したジュール・トムソン弁ＪＴＶからの飽和液化冷媒は、これと混ざり合うことでサブクール温度の液化冷媒となる。

冷媒ガスを再液化する場合、サブクール温度の液化冷媒を貯留する第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１の圧力が、冷媒ガス貯留タンクＧＴの圧力よりも低くなるように、液化冷媒循環ポンプＬＮＰ出口のバイパスライン１０５のバルブＶ８及び被冷却対象ＨＴＳ出口の液化冷媒戻りライン１０２のバルブＶ４の開度を調整することが好ましい。

また、冷凍機ＲＥＦが定格運転、すなわち冷凍機ＲＥＦの圧縮機Ｃ１の回転数が最大（又は、圧縮機Ｃ１の運転電力が最大）となるように、冷凍機ＲＥＦの第１の熱交換器ＨＸ１に導入する冷媒ガスの量を調整することが好ましい。

本実施形態では、極低温流体循環式冷却システム５にはない構成を備えることによって、従来、大気中に放出して廃棄していた冷媒ガスを回収、貯留、冷却して再度液化冷媒として利用できる。
これにより、気化した液化冷媒を再液化して有効利用することで、冷媒の消費を抑制し、かつ、冷凍機ＲＥＦは常に定格運転するので、冷却効率が高い冷却装置を提供できる。

本実施形態では、冷凍機ＲＥＦの圧縮機Ｃ１の回転数が最大となるように、冷媒ガス貯留タンクＧＴから第１の熱交換器ＨＸ１に供給する冷媒ガスの流量を調節する流量調節部として前述したジュール・トムソン弁ＪＴＶの開度を利用する。もし、被冷却対象ＨＴＳの熱負荷が増大して、第２の熱交換器ＨＸ２の入口、出口の温度が増加した場合には、ジュール・トムソン弁ＪＴＶの開度を小さくすることで被冷却対象ＨＴＳの冷却温度を一定に保持することができる。

また、第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１の圧力が、冷媒ガス貯留タンクＧＴの圧力よりも低くなるようにするには、液化冷媒循環ポンプＬＮＰ出口のバイパスライン１０５のバルブＶ８を開けて第２の熱交換器ＨＸ２で冷却されたサブクール温度に冷却された液化冷媒を部分的にバイパスさせ第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１に貯留された液化冷媒の飽和温度を低下させることにより圧力を低くすることができるので第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１の圧力を容易に調節することができる。
なお、図１に示した第１の実施形態では、バイパスライン１０５を流れるサブクール温度に冷却された液化冷媒は液化冷媒戻りライン１０２と合流してから第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１に供給されている。一般に、貯留タンクに貯留された液化冷媒の温度分布は自然対流によって一様でなく、上部は高く、下部は低い温度となる。したがって、バイパスライン１０５は、第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１の上部に位置する液化冷媒補充ライン２０２、第２の気化冷媒移送ライン、又はジュール・トムソン弁ＪＴＶのいずれかに合流してから前記第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１に供給してもよい。すなわち、下部よりも上部から供給する方がより速やかに液化冷媒の飽和温度を低下させ、その圧力を低くすることができる。

［第２の実施形態］
本発明の極低温流体循環式冷却システム及び極低温流体循環式冷却方法の第２の実施形態について、図２を適宜参照しながら、説明する。

図２に示す本発明の第２の実施形態の極低温流体循環式冷却システム２は、概して、図１に示す本発明の第１の実施形態の極低温流体循環式冷却システムに、冷媒ガス発生装置ＰＳＡ、冷媒ガス供給ライン３０３及び第３の液化冷媒供給ライン１０７を追加した構成となっている。
第３の液化冷媒供給ライン１０７は、移送ライン１０６の第１の熱交換器ＨＸ１とジュール・トムソン弁ＪＴＶとの間と、第２の液化冷媒供給ライン２０１のバルブＶ２と被冷却対象ＨＴＳとの間に接続される。第３の液化冷媒供給ライン１０７の途中には、バルブＶ１０が設置されている。
冷媒ガス供給ライン３０３は、冷媒ガス発生装置ＰＳＡと冷媒ガスライン３０１のバルブＶ９と冷媒ガスタンクＧＴとの間を接続する。冷媒ガス供給ライン３０３の途中には、バルブＣＶ１が設置されている。
冷媒ガス発生装置ＰＳＡは、冷媒ガスが窒素ガスである場合、圧力スイング吸着式窒素発生装置又は膜分離式窒素ガス発生装置が好ましい。

侵入熱又は被冷却対象ＨＴＳのクールダウン等で液化冷媒を消費して第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１又は第２の液化冷媒貯留タンクＳＴ２内の液化冷媒の保有量が減少した場合、冷媒ガス発生装置ＰＳＡを起動して、低純度冷媒ガスを冷媒ガス貯留タンクＧＴに貯留しておき、被冷却対象ＨＴＳの熱負荷が減少して冷凍機ＲＥＦの冷凍能力に余力が生じた状態、すなわち減量運転となる時に低純度冷媒ガスを液化して第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１に液化冷媒を補充する。第２の液化冷媒貯留タンクＳＴ２の液化冷媒保有量が減少した場合は、第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１から、第１の液化冷媒供給ライン１０１及び第２の液化冷媒供給ライン（液化冷媒循環ポンプＬＮＰ、第２の熱交換器ＨＸ２、バルブＶ２）を通って、第２の液化冷媒貯留タンクＳＴ２にサブクール温度の液化冷媒を移して液化冷媒を補充する。そのため、タンクローリー等によって外部から超高純度の液化冷媒を第２の液化冷媒貯留タンクＳＴ２に補充する必要がない。また、補充する液化冷媒はサブクール温度の液化冷媒なので、第２の液化冷媒貯留タンクＳＴ２に貯留されている液化冷媒の温度を下げることができ、補充によって第２の液化冷媒貯留タンクＳＴ２の液化冷媒が蒸発して内圧が高くなってバルブＶ５及びバルブＶ６を経由して液化冷媒の気化により生じた冷媒ガスを大気中に無駄に放出しなくて済む。

次に、本実施形態の被冷却対象ＨＴＳの初期冷却（クールダウン）時について説明する。
初期冷却時、被冷却対象ＨＴＳはまだ常温の状態にある。まず、冷凍機ＲＥＦ及び冷媒ガス発生装置ＰＳＡを起動して、冷媒ガス貯留タンクＧＴに、低純度冷媒ガスを貯留し、ジュール・トムソン弁ＪＴＶは閉、バルブＶ１０は開として、冷凍機ＲＥＦの第１の熱交換器ＨＸ１で冷却されて温度が常温よりも低下した低純度、低温の冷媒ガスを移送ライン１０６及び第３の液化冷媒供給ライン１０７を経由して被冷却対象ＨＴＳに供給して、被冷却対象ＨＴＳを冷却する。被冷却対象ＨＴＳを冷却して温度上昇した低純度の冷媒ガスは、第１の気化冷媒移送ライン１０３及びバルブＶ３、冷媒ガスライン３０１、冷媒ガス放出ライン３０２及びバルブＶ６を通じて大気中に放出される。

冷凍機ＲＥＦの運転によって、第１の熱交換器ＨＸ１の温度が低下するとともに、低純度、低温の冷媒ガスの温度も次第に低下する。低温の冷媒ガスにより、被冷却対象ＨＴＳは、クールダウンされていく。被冷却対象ＨＴＳの出口の冷媒ガスの温度（バルブＶ３の上流側温度）が所定の温度まで低下すれば、液化冷媒循環ポンプＬＮＰを起動して、第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１内の液化冷媒を、冷凍機ＲＥＦの第２の熱交換器ＨＸ２を介して、被冷却対象ＨＴＳに供給する。すなわち、この時は、バルブＶ１０からの低温冷媒ガス及び第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１からの液化冷媒を被冷却対象ＨＴＳに供給している状態である。被冷却対象ＨＴＳの入口は低温冷媒ガスと液化冷媒の中間温度となる。
被冷却対象ＨＴＳのクールダウンがさらに進行して、被冷却対象ＨＴＳの出口の冷媒ガスの温度が液化冷媒温度になれば、バルブＶ４を開、バルブＶ１０、バルブＶ３及びバルブＶ６を閉として、被冷却対象ＨＴＳの出口の液化冷媒を第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１に戻す。これによって、液化冷媒は、第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１から液化冷媒循環ポンプＬＮＰ、第２の熱交換器ＨＸ２、被冷却対象ＨＴＳ、バルブＶ４を通って第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１に戻る閉ループで循環され、クールダウンから定格運転に移行する。

クールダウンによって第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１、第２の液化冷媒貯留タンクＳＴ２の液化冷媒の保有量が減少した場合、第１の実施形態で述べたように、冷凍機ＲＥＦの冷凍能力に余力があるときに、ジュール・トムソン弁ＪＴＶを開けて、第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１又は第２の液化冷媒貯留タンクＳＴ２に低純度の液化冷媒を補充する。

被冷却対象ＨＴＳのクールダウン時に、最初は冷媒ガス発生装置ＰＳＡにより発生した低純度冷媒ガスを、冷凍機ＲＥＦの第１の熱交換器ＨＸ１に導入して低温の冷媒ガスとし、被冷却対象ＨＴＳに供給し、被冷却対象ＨＴＳが所定の温度まで冷却されると、冷凍機ＲＥＦでサブクール温度に冷却した過冷却液化冷媒と混合して被冷却対象ＨＴＳに供給して被冷却対象ＨＴＳをクールダウンすることによって被冷却対象ＨＴＳを常温から液化冷媒温度まで効率良く冷却することができる。

本実施形態では、超電導電力機器のクールダウン前に、冷媒ガス発生装置ＰＳＡと冷凍機ＲＥＦで製造した低純度の液化冷媒を第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１や第２の液化冷媒貯留タンクＳＴ２に貯留し、超電導電力機器のクールダウン時に冷凍機ＲＥＦを定格運転して気化した液化冷媒を再液化利用することにより、タンクローリー等で外部から高純度の液化冷媒を補充する必要がない。

また、本実施形態では、超電導電力機器の初期冷却時、冷凍機ＲＥＦに供給する冷媒ガスの量を増加することで、冷媒ガスを液化させずに、任意の低温度の冷媒ガスとして超電導電力機器をクールダウンする。これによって超電導電力機器をゆっくりと冷やすことができ、急激な熱収縮等による機器の損傷を防止することが可能となる。
なお、本実施形態とは異なり、冷媒ガス発生装置ＰＳＡを用いない第１の実施形態では、冷媒ガス貯留タンクＧＴの二次側にガスブロワー等を付帯させて、冷凍機ＲＥＦに供給する冷媒ガスの量を増加することもできる。

［第３の実施形態］
本発明の極低温流体循環式冷却システム及び極低温流体循環式冷却方法の第３の実施形態について、図３を適宜参照しながら、説明する。

図３に示す本発明の第３の実施形態の極低温流体循環式冷却システム３は、概して、図２に示す本発明の第２の実施形態の極低温流体循環式冷却システムに、冷媒ガス圧縮ライン１０８を追加した構成となっている。
冷媒ガス圧縮ライン１０８は、第１の気化冷媒移送ライン１０３と、冷媒ガス貯留タンクＧＴとを接続する。冷媒ガス圧縮ライン１０８の途中には、バルブ１１、第１の熱交換器ＨＸ１、圧縮機Ｃ２及びバルブＣＶ２が設置されている。

本実施形態は、第２の実施形態において被冷却対象ＨＴＳのクールダウン時に低温冷媒ガスを冷凍機ＲＥＦの第１の熱交換器ＨＸ１に戻すことで低温冷媒ガスが保有する冷熱を有効利用するものである。

被冷却対象ＨＴＳのクールダウンに伴い、被冷却対象ＨＴＳの出口の冷媒ガス温度が低下したら、バルブＶ１１を開けて圧縮機Ｃ２を運転する。バルブＶ６を閉じて低温冷媒ガスを大気放出せずに、第１の熱交換器ＨＸ１に低温冷媒ガスを導入し、第１の熱交換器ＨＸ１での熱交換により常温まで昇温した冷媒ガスを圧縮機Ｃ２で圧縮して高圧になった冷媒ガスを冷媒ガス貯留タンクＧＴに導入することで、冷媒ガスを大気放出せず、また冷媒ガス発生装置ＰＳＡの消費電力も削減でき、かつ、低温冷媒ガスの冷熱エネルギーを回収することで、冷凍機ＲＥＦの冷凍能力増大に寄与することが可能となる。
また、被冷却対象ＨＴＳの定格運転時に、侵入熱や圧力変動等によって、被冷却対象ＨＴＳの内圧が高くなり、被冷却対象ＨＴＳの出口のバルブＶ３から排出される気化した液化冷媒は、９０〜１００Ｋ（窒素の場合）といった低温ガスであるため、この冷熱エネルギーを回収する方法は、被冷却対象ＨＴＳのクールダウン時だけでなく、被冷却対象ＨＴＳの熱負荷が減少して冷凍機ＲＥＦを定格運転して気化した冷媒ガスを再液化している時にも有効である。冷凍機の冷凍能力増大に寄与するため、冷凍機性能（ＣＯＰ）が向上する。ただし、この再液化時は、バルブＶ１１を開、バルブＶ９及びバルブＶ６を閉とし、冷媒ガス圧縮ライン１０８を通じて第１の熱交換器ＨＸ１に低温冷媒ガスを導入し、圧縮機Ｃ２は運転しなくてもよい。又は、圧縮機Ｃ２をバイパスするラインを設けてもよい。

被冷却対象ＨＴＳのクールダウン時に、被冷却対象ＨＴＳから発生する低温の冷媒ガスの一部を冷凍機ＲＥＦの第１の熱交換器ＨＸ１に導入し、その冷熱を利用して冷凍機ＲＥＦの冷凍能力を増大させ、第１の熱交換器ＨＸ１から出た常温の冷媒ガスを圧縮機Ｃ２で圧縮して、冷媒ガス貯留タンクＧＴに回収することによって被冷却対象ＨＴＳを常温から液化冷媒温度まで効率良く冷却することができ、冷凍機の冷凍能力を増大させ、冷凍機性能（ＣＯＰ）を向上することができる。

［第４の実施形態］
本発明の極低温流体循環式冷却システム及び極低温流体循環式冷却方法の第４の実施形態について、図４を適宜参照しながら、説明する。

図４に示す本発明の第４の実施形態の極低温流体循環式冷却システム４は、概して、図２に示す本発明の第２の実施形態の極低温流体循環式冷却システムの冷媒ガス供給ライン３０３上に、水分除去装置ＴＳＡ、電気ヒーターＨＴＲ、大気放出ライン３０４を追加した構成となっている。大気放出ライン３０４は、冷媒ガス供給ライン３０３のバルブＣＶ１と水分除去装置ＴＳＡとの間に接続されている。大気放出ライン３０４上には、バルブＶ１２が設置されている。
水分除去装置ＴＳＡとしては、熱スイング吸着式乾燥器が好ましい。

本実施形態は、第２の実施形態で示した冷媒ガス発生装置ＰＳＡと冷媒ガス貯留タンクＧＴの間に、水分除去装置ＴＳＡを付帯させて、冷媒ガス発生装置ＰＳＡから出てくる低純度冷媒ガスの水分をさらに除去し、露点を低下させた点に特徴がある。
水分除去装置ＴＳＡに運転時間の積算計を設け、水分除去装置ＴＳＡの運転時間が所定の時間を経過したら、水分除去装置ＴＳＡの吸着材を加熱再生し吸着材に吸着された水分を除去する。運転時間の積算計ではなく、水分除去装置ＴＳＡの出口に露点計を設け、冷媒ガスの露点が所定値よりも劣化したら水分除去装置ＴＳＡを加熱再生する方法でもよい。加熱再生は、冷媒ガス発生装置ＰＳＡ及び水分除去装置ＴＳＡが停止した状態で、冷媒ガス貯留タンクＧＴ内の冷媒ガスを、電気ヒーターＨＴＲを介して１２０〜２００℃程度の高温冷媒ガスとし、これを水分除去装置ＴＳＡに導入して、水分除去装置ＴＳＡ内部の吸着材を加熱して吸着された水分を冷媒ガスに同伴させ、水分除去装置ＴＳＡを出た水分を含む冷媒ガスを、バルブＶ１２より大気放出する。

本実施形態では、冷媒ガス発生装置ＰＳＡの出口に水分除去装置ＴＳＡを設置し、冷媒ガス貯留タンクＧＴに貯留した冷媒ガスで水分除去装置ＴＳＡを加熱再生すれば、冷媒ガス発生装置ＰＳＡから出てくる低純度冷媒ガスの露点をさらに下げることができ、冷凍機ＲＥＦの熱交換器内で水分が凝固、蓄積せずに、長期連続運転が可能となる。
なお、もし冷媒ガス貯留タンクＧＴに貯留した冷媒ガスの量が少なく、前記水分除去装置ＴＳＡの加熱再生が十分でない場合は、図示しないが、冷媒ガス発生装置ＰＳＡの出口のバルブＣＶ１を３方弁とし、冷媒ガス発生装置ＰＳＡの冷媒ガスを電気ヒーターＨＴＲと冷媒ガス貯留タンクＧＴの間の冷媒ガス供給ライン３０３に導入することによって水分除去装置ＴＳＡを加熱再生してもよい。

本発明の極低温流体循環式冷却システム及び極低温流体循環式冷却方法は、冷媒ガスの大気中への放出を抑制し、液化冷媒を補充する頻度及び量を大きく減じることができ、しかも、冷凍機を常に定格運転できるため、冷凍機の効率が高い。本発明の極低温流体循環式冷却システム及び極低温流体循環式冷却方法は、超電導ケーブルの冷却等に広く適用できる。

ＲＥＦ…冷凍機
ＶＩＣ…真空断熱容器
ＳＴ１…第１の液化冷媒貯留タンク
ＳＴ２…第２の液化冷媒貯留タンク
ＧＴ …冷媒ガス貯留タンク
ＰＳＡ…冷媒ガス発生装置
ＨＴＳ…被冷却対象
ＥＴ …膨張タービン
ＪＴＶ…等エンタルピー膨張弁（ジュール・トムソン弁）
ＬＮＰ…液化冷媒循環ポンプ
ＷＣ …水冷クーラー
ＨＴＲ…電気ヒーター
ＴＳＡ…水分除去装置
ＨＸ１…第１の熱交換器
ＨＸ２…第２の熱交換器
Ｃ１，Ｃ２…圧縮機
Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５，Ｖ６，Ｖ７，Ｖ８，Ｖ９，Ｖ１０，Ｖ１１，Ｖ１２、ＣＶ１、ＣＶ２…バルブ
１０１…第１の液化冷媒供給ライン
１０２…液化冷媒戻りライン
１０３…第１の気化冷媒移送ライン
１０４…第２の気化冷媒移送ライン
１０５…バイパスライン
１０６…移送ライン
１０７…第３の液化冷媒供給ライン
１０８…冷媒ガス圧縮ライン
２０１…第２の液化冷媒供給ライン
２０２…液化冷媒補充ライン
２０３…第３の気化冷媒移送ライン
３０１…冷媒ガスライン
３０２…冷媒ガス放出ライン
３０３…冷媒ガス供給ライン
３０４…大気放出ライン
４０１…冷却ガス循環ライン

Claims (14)

1. 液化冷媒が貯留される第１の液化冷媒貯留タンクと、
   一端が前記第１の液化冷媒貯留タンクと接続され、被冷却対象の一端を介して、前記液化冷媒を前記被冷却対象に供給する第１の液化冷媒供給ラインと、
   冷媒ガスを貯留する冷媒ガス貯留タンクと、
   前記被冷却対象を介して気化した冷媒ガスを前記冷媒ガス貯留タンクに回収する第１の気化冷媒移送ラインと、
   前記冷媒ガス貯留タンクから前記冷媒ガスを導出し、第１の熱交換器を介して、前記第１の液化冷媒貯留タンクに移送する移送ラインと、
   前記第１の液化冷媒供給ラインに設けられ、前記第１の液化冷媒供給ラインに前記液化冷媒を圧送循環させる液化冷媒循環ポンプと、
   冷却ガスを循環させる冷却ガス循環ライン、前記冷却ガス循環ラインに設けられ、前記冷却ガスを圧縮する圧縮機、前記圧縮機の二次側に位置する前記冷却ガス循環ラインに設けられ、前記冷却ガスを断熱膨張させる膨張タービン、前記膨張タービンで断熱膨張させた前記冷却ガスと前記第１の液化冷媒供給ラインを流れる前記液化冷媒とを熱交換させることにより、前記液化冷媒をサブクール温度まで冷却する第２の熱交換器、及び前記第２の熱交換器を通過した前記冷却ガスと前記圧縮機で圧縮された前記冷却ガスとを熱交換させる前記第１の熱交換器を含む冷凍機と、を備え、
   前記第１の熱交換器において、前記冷媒ガスと前記冷却ガスとを熱交換させて前記冷媒ガスを冷却又は液化することを特徴とする、極低温流体循環式冷却システム。
2. 冷媒ガス発生装置をさらに備え、
   前記冷媒ガス発生装置から発生させた冷媒ガスを液化させてから前記第１の液化冷媒貯留タンクに供給する、請求項１に記載の極低温流体循環式冷却システム。
3. 第２の液化冷媒貯留タンクをさらに備え、
   前記冷媒ガス発生装置から発生させた冷媒ガスを液化させてから前記第２の液化冷媒貯留タンクに供給する、請求項２に記載の極低温流体循環式冷却システム。
4. 前記冷媒ガス発生装置の二次側に水分除去装置を有する、請求項２又は３に記載の極低温流体循環式冷却システム。
5. 前記第１の熱交換器と前記第１の液化冷媒貯留タンクとの間に位置する前記移送ラインから分岐され、前記冷凍機と前記被冷却対象との間に位置する前記第１の液化冷媒供給ラインと接続された第３の液化冷媒供給ラインを有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の極低温流体循環式冷却システム。
6. 前記被冷却対象と前記冷媒ガス貯留タンクとの間に位置する前記第１の気化冷媒移送ラインから分岐され、前記第１の熱交換器を介して前記冷媒ガス貯留タンクと接続され、前記第１の熱交換器の二次側に圧縮機を有する冷媒ガス圧縮ラインを有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の極低温流体循環式冷却システム。
7. 前記冷凍機の前記圧縮機の回転数又は運転電力が最大となるように、前記冷媒ガス貯留タンクから第１の熱交換器に供給する冷媒ガスの流量を調節する流量調節部を有する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の極低温流体循環式冷却システム。
8. 前記被冷却対象をバイパスし、前記第２の熱交換器と前記第１の液化冷媒貯留タンクとを接続するバイパスラインを備え、
   前記バイパスラインを介して過冷却の液化冷媒を前記第１の液化冷媒貯留タンクに供給することで、前記液化冷媒の圧力を下げて、前記第１の液化冷媒貯留タンクの圧力が、前記冷媒ガス貯留タンクの圧力よりも低くなるように調節する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の極低温流体循環式冷却システム。
9. 液化冷媒が貯留される第１の液化冷媒貯留タンクと、
   一端が前記第１の液化冷媒貯留タンクと接続され、被冷却対象の一端を介して、前記液化冷媒を前記被冷却対象に供給する第１の液化冷媒供給ラインと、
   冷媒ガスを貯留する冷媒ガス貯留タンクと、
   前記被冷却対象を介して気化した冷媒ガスを前記冷媒ガス貯留タンクに回収する第１の気化冷媒移送ラインと、
   前記冷媒ガス貯留タンクから前記冷媒ガスを導出し、第１の熱交換器を介して、前記第１の液化冷媒貯留タンクに移送する移送ラインと、
   前記第１の液化冷媒供給ラインに設けられ、前記第１の液化冷媒供給ラインに前記液化冷媒を圧送循環させる液化冷媒循環ポンプと、
   冷却ガスを循環させる冷却ガス循環ライン、前記冷却ガス循環ラインに設けられ、前記冷却ガスを圧縮する圧縮機、前記圧縮機の二次側に位置する前記冷却ガス循環ラインに設けられ、前記冷却ガスを断熱膨張させる膨張タービン、前記膨張タービンで断熱膨張させた前記冷却ガスと前記第１の液化冷媒供給ラインを流れる前記液化冷媒とを熱交換させることにより、前記液化冷媒をサブクール温度まで冷却する第２の熱交換器、及び前記第２の熱交換器を通過した前記冷却ガスと前記圧縮機で圧縮された前記冷却ガスとを熱交換させる第１の熱交換器を含む冷凍機と、を備え、
   前記冷凍機の前記圧縮機の回転数又は運転電力が最大となるように、前記冷媒ガス貯留タンクから前記第１の熱交換器に供給する冷媒ガスを供給し、前記冷媒ガスを冷却又は液化することを特徴とする、極低温流体循環式冷却方法。
10. 前記第１の熱交換器と前記第１の液化冷媒貯留タンクとの間に位置する前記移送ラインから分岐され、前記冷凍機と前記被冷却対象との間に位置する前記第１の液化冷媒供給ラインと接続された第３の液化冷媒供給ラインを有し、
    前記被冷却対象の初期冷却時において、前記第３の液化冷媒供給ラインを介して前記第１の熱交換器により冷却された前記冷媒ガスを前記被冷却対象に供給し、前記被冷却対象を冷却する、請求項９に記載の極低温流体循環式冷却方法。
11. 前記被冷却対象と前記冷媒ガス貯留タンクとの間に位置する前記第１の気化冷媒移送ラインから分岐され、前記第１の熱交換器を介して前記冷媒ガス貯留タンクと接続され、前記第１の熱交換器の二次側に圧縮機を有する冷媒ガス圧縮ラインを有し、
    前記被冷却対象から排出され、前記第１の熱交換器を介して昇温した冷媒ガスを前記圧縮機で圧縮して前記冷媒ガス貯留タンクに導入する、請求項９又は１０に記載の極低温流体循環式冷却方法。
12. 前記冷凍機の前記圧縮機の回転数又は運転電力が最大となるように、前記冷媒ガス貯留タンクから第１の熱交換器に供給する冷媒ガスの流量を調節する、請求項９〜１１のいずれか１項に記載の極低温流体循環式冷却方法。
13. 前記第１の熱交換器と前記第１の液化冷媒貯留タンクとの間に設置したジュール・トムソン弁の開度調節によって、前記冷媒ガス貯留タンクから第１の熱交換器に供給する冷媒ガスの流量を調節する、請求項１２に記載の極低温流体循環式冷却方法。
14. 前記第２の熱交換器で冷却されて過冷却となった液化冷媒を、前記第２の熱交換器と前記第１の液化冷媒貯留タンクとを接続するバイパスラインを介して前記第１の液化冷媒貯留タンクに供給し、前記液化冷媒の飽和温度を低下させることにより前記、第１の液化冷媒貯留タンクの圧力が、前記冷媒ガス貯留タンクの圧力よりも低くなるように調節する、請求項９〜１３のいずれか１項に記載の極低温流体循環式冷却方法。

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