JP2599564B2 - 冷却装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、冷却装置に係り、さら
に詳しくは、例えば超電導体等を用いる機器などのよう
に、冷却が必要な機器に用いられる冷却装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】核磁気共鳴診断装置等のように、超電導
体を用いた機器においては、超電導体に所望の物性を発
揮させるために、該機器ないしはその一部を冷却する必
要がある。

【０００３】このような機器の冷却には、液体窒素、液
体ヘリウム等の低温液化ガスを冷媒として用いて、冷却
する冷却方式が用いられることがある。この冷却方式で
は、所定の蒸気圧下で、被冷却物としての超電導体を液
状冷媒の温度と同一温度に均一に冷却できるという特徴
を有する。

【０００４】図６は、このような冷却方式を採用した冷
却装置を概略的に示したものである。矩形の被冷却物１
０１の外周には、真空断熱層１０２が形成してあり、そ
の内部空間に、冷媒貯溜槽１０３が形成してある。被冷
却物１０１としては、たとえば超電導体である。この冷
媒貯溜槽１０３の下方部には、冷媒供給ライン１０６の
一端が接続してある。冷媒供給ライン１０６の他端は、
外部に位置する冷媒供給タンク１０４に接続してあり、
ライン途中に装着された圧送ポンプ１０５により、貯溜
槽１０３内部へ液状冷媒を供給可能になっている。

【０００５】冷媒貯留槽１０３の上方部には、貯溜槽１
０３の外部へ、貯留槽１０３内の気化冷媒を導出する気
化媒体導出ライン１０７の末端が開口している。被冷却
物１０１の冷却は、冷媒供給ライン１０６を通じて冷媒
供給タンク１０４より冷媒貯溜槽１０３内に液状冷媒１
０８を供給し、貯溜槽１０３内部を液状冷媒１０８で満
たすことにより開始される。貯留槽１０３内に満たされ
た液状冷媒１０８は、時間と共に蒸発し、その蒸発潜熱
を利用して、超電導体などで構成される被冷却物１０１
を冷却する。貯留槽１０３内で気化された気化冷媒は、
気化冷媒導出ライン１０７を通して排出される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図６に
示すように、液状冷媒１０８の気化により、貯溜槽１０
３内に存在する液状冷媒１０８の量が減少し、その液面
１１０が低下してくると、該液面１１０よりも上部に位
置する部位の温度が上昇する。その結果、この温度上昇
部分に位置する被冷却物１０１の上部を所定の温度に保
持できなくなり、冷却の目的を果たせなくなるおそれが
ある。

【０００７】言い換えれば、液状冷媒１０８は、その貯
溜槽１０３内に、ある一定量以上存在しなければ（すな
わち、液面１１０が一定の高さ以上でなければ）、被冷
却物１０１全体を所定温度以下に保つという冷却の目的
を果たすことができない。したがって、貯留槽１０３内
に貯留してある液状冷媒が一定以下になる毎に、貯留槽
１０３内に液状冷媒を供給する必要があり、冷却状態を
維持できる時間（以下、保持時間）が短く、効率的に冷
却することができないなどの課題を有している。 な
お、保持時間とは、冷却途中で液状冷媒が補給されない
として、被冷却物の冷却を良好に行い得る最大の時間で
ある。この保持時間は、従来では、貯溜槽１０３の最大
貯溜能力（容量）により与えられる液状冷媒の量よりも
かなり少ない量の冷媒の気化に要する時間で決定されて
いた。

【０００８】本発明は、貯留槽内に貯留された液状冷媒
を用いて効率的に被冷却物を冷却し、上記保持時間をで
きるだけ長くすることができる冷却装置を提供すること
を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の冷却装置は、被冷却物の近くに装着され、
液状冷媒が貯留される冷却槽と、この冷却槽に液状冷媒
を供給する供給手段と、この冷却槽内で気化した気体状
冷媒を排出するベント手段と、前記冷却槽の内部の鉛直
方向複数位置に設けられ、液状冷媒を分散して貯留する
複数の貯溜容器とを有する。

【００１０】本発明では、冷却槽とは、液状冷媒を貯留
することができる形状であれば、その具体的形状は特に
限定されず、筒状容器、あるいはパイプを連結した冷媒
貯留容器でも良い。

【００１１】

【作用】本発明の冷却装置では、被冷却物の近くに装着
された冷却槽内に、まず供給手段により液状冷媒を供給
する。冷却槽内に供給された液状冷媒は、被冷却物を冷
却する。液状冷媒の蒸発につれて、液状冷媒の主液面は
低下する。しかしながら、本発明の装置では、冷却槽内
の鉛直方向複数位置に、液状冷媒を分散して貯留する複
数の貯溜容器が装着してあるので、主液面の上に位置す
る貯留容器内に液状冷媒が残存する。その結果、気化冷
媒が存在する部分に、液状冷媒が分散して配置されるこ
とになり、その部分の冷却が不十分になることを避けら
れる。したがって、冷却効率が向上し、最大冷却可能時
間である保持時間が長くなる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明に係る冷却装置を、好ましい実
施例に基づき説明する。第１実施例 図１は、本発明の一実施例に係る冷却装置の構成を概略
的に示す。

【００１３】図１に示すように、矩形の被冷却物１の外
周には、真空断熱層２が形成してあり、その内部空間
に、冷媒貯溜槽３が形成してある。被冷却物１として
は、たとえば超電導体である。超電導体としては、特に
限定されないが、ＮｂＮ，ＰｂＢｉ，Ｎｂ₃ Ｓｎ，Ｎｂ
₃ Ｇなどの金属系超伝導材料、ＢＥＤＴ- ＴＴＦ錯体な
どの有機系超伝導材料、Ｌａ- Ｂａ- Ｃｕ- Ｏ，Ｌａ-
Ｓｒ- Ｃｕ- Ｏ，Ｙ- Ｂａ- Ｃｕ- Ｏ，Ｂｉ- Ｓｒ- Ｃ
ａ- Ｃｕ- Ｏなどのセラミック系超伝導材料などを用い
ることができる。

【００１４】この冷媒貯溜槽３の下方部には、供給手段
としての冷媒供給ライン６の一端が接続してある。冷媒
供給ライン６の他端は、外部に位置する冷媒供給タンク
４に接続してあり、ライン途中に装着された圧送ポンプ
５により、貯溜槽３内部へ液状冷媒を供給可能になって
いる。

【００１５】冷媒貯留槽３の上方部には、貯溜槽３の外
部へ、貯留槽３内の気化冷媒を導出するベント手段とし
ての気化媒体導出ライン７の末端が開口している。本実
施例では、冷却槽の内部の鉛直方向複数位置に、液状冷
媒を分散して貯留する複数の貯溜容器８が装着してあ
る。各貯留容器８は、たとえば図１（ｂ）に示すよう
に、パイプ本体８ａの両端が盲板８ａ，８ｂで閉塞さ
れ、パイプ本体８ａの上部に、その長手方向に沿って細
い切欠き部８ｃが形成してある容器である。

【００１６】被冷却物１の冷却は、冷媒供給ライン６を
通じて冷媒供給タンク４より冷媒貯溜槽３内に液状冷媒
９を供給し、貯溜槽３内部を液状冷媒９で満たすことに
より開始される。貯留槽３内に満たされた液状冷媒９
は、超電導体などで構成される被冷却物１を冷却する。
貯留槽３内で気化された気化冷媒は、気化冷媒導出ライ
ン７を通して排出される。液状冷媒の蒸発につれて、液
状冷媒の主液面１０は低下する。

【００１７】本実施例の冷却装置では、冷却槽３内の鉛
直方向複数位置に、液状冷媒を分散して貯留する複数の
貯溜容器８が装着してあるので、主液面１０の上に位置
する貯留容器８内に液状冷媒９が残存する。その結果、
気化冷媒が存在する部分に、液状冷媒が分散して配置さ
れることになり、その部分の冷却が不十分になることを
避けられる。

【００１８】このように、本実施例の冷却装置によれ
ば、被冷却物１の近くに配された冷却槽３内部におい
て、時間の経過と共に液状冷媒９が気化により減少して
いく際に、前記容器８の存在により、冷却槽３内で液状
冷媒が三次元的、特に高さ方向において分散して保持さ
れる。このため、各容器８の内部から液状冷媒がなくな
るまで、所定の冷却が可能となり、保持時間をより延長
することができる。

【００１９】実施例２ 上記第１実施例の変形例として、図１に示す冷媒供給ラ
イン６の供給側開口端を、冷却槽３の上部位置に配置さ
れている貯留容器８に冷媒９を供給できるように設け、
冷却槽３の上部から液状冷媒を供給することもできる。
そして上側の貯留容器８から下側の貯留容器８に順次冷
媒が流下するようにしても良い。その実施例の場合に
は、液状冷媒の供給時に、必ずしも冷却槽３内を満杯に
液状冷媒で満たす必要はなくなる。

【００２０】実施例３ 図２は、超電導体の囲繞空間を磁気シールドルームとし
て用いる機器における冷却装置の構成を示す。この装置
においては、直径９００ｍｍ、長さ２ｍのステンレス鋼
製の金属円筒２１の内周面に薄い銀の層を介して厚さ３
００ミクロンの高温超電導体２２がコーティングしてあ
る。そして、この金属円筒２１の外周側には、金属円筒
２１と同軸に金属円筒２３を配置し、これら金属円筒２
１，２３との両末端を閉塞し、これら金属円筒２１，２
３に囲まれた空間を２００リットルの環状冷却槽２４と
している。

【００２１】この環状冷却槽２４には、外部より液状冷
媒ライン２５および気化媒体導出ライン２６が連通され
ている。また、金属円筒２１の内周側および金属円筒２
３の外周側には、さらに金属円筒２７および２８をそれ
ぞれ配置し、金属円筒２１と金属円筒２７の両末端、金
属円筒２３と金属円筒２８の両末端を、それぞれ閉塞
し、その内部を真空として、断熱層２９、３０としてい
る。

【００２２】前記環状冷却槽２４の内部には、貯留容器
３１が、冷却層２４の円周方向にほぼ均等に離間され、
かつ軸方向にほぼ平行に配置してある。この貯留容器３
１は、図１（ｂ）に示す貯留容器８と同様な構造であ
る。実際に、この貯留容器３１を１０個円周方向に均等
に配置し、液状冷媒ライン２５より環状冷却槽２４内に
液体窒素を満たし、超電導体２２を冷却し、その冷却温
度を７７Ｋに保持しうる保持時間を測定したところ、そ
の保持時間は約２００時間となった。一方、容器体３１
を全く設けない以外は同様の構成の冷却装置の保持時間
は１００時間であった。

【００２３】実施例４ 図３は、本発明の冷却装置の別の実施例の構成を示す。
この実施例の冷却装置は、超電導を用いた磁気シールド
ルームであり、その全体形状として、一側面が開放して
いる矩形箱形状を有している。この装置においては、矩
形箱を構成するための四角筒状ケーシング４１を熱絶縁
体で形成し、その内部に空間４９を設けている。そし
て、このケーシング４１の内部空間４９にケーシング形
状に沿って、超電導体４２を収容している。また、この
空間４９の内部には、超電導体４２に沿って、図４に示
すような複数の水平パイプ４３と垂直パイプ４４とを連
結パイプ４９により連結させてなる冷却管路４５を併せ
て収納している。この冷却管路４５には、ケーシング４
１の外部より液状冷媒ライン４６および気化媒体導出ラ
イン４７が連通されている。

【００２４】この冷却管路４５の垂直パイプ４４内に
は、上端が開口されたカップ状の容器４８が複数個高さ
方向に離間して配置してある。実際に、この装置におい
て、液状冷媒ライン４６から冷却管路４５内に液体窒素
を満たし、超電導体４２を７７Ｋに保持しうる保持時間
を測定したところ、その保持時間は約１００時間であっ
た。一方、容器４８を全く設けない以外は同様の構成の
冷却装置の保持時間は１０時間であった。

【００２５】実施例５ 図５は、本発明のさらに別の実施例の構成を示す。この
実施例の装置は、図３に示す実施例の装置と同様の外観
を有する矩形の磁気シールドルームである。この実施例
においても、四角筒状ケーシング５１を熱絶縁体で形成
してある。ただし、ケーシング５１の内部空間を直接冷
却槽５５とし、この内部に超電導体５２を収容する構成
としている。そして、この冷却槽５５には、ケーシング
５１の外部より液状冷媒ライン５６および気化媒体導出
ライン５７を連通してある。

【００２６】冷却槽５５の内部には、垂直方向部分にお
いては、上端が開口したカップ状の容器５８ａを、また
水平方向部分においては、両端が閉塞されかつ上部に複
数個の開口を有するチューブ状の容器５８ｂを、それぞ
れ複数個、離間配置している。

【００２７】この実施例でも、前記実施例と同様に、冷
却保持時間の延長を図ることができる。その他の実施例 以上、本発明を実施例に基づき説明したが、本発明の冷
却装置は、これらの実施例に何ら限定されるものではな
く、種々の変更が可能である。

【００２８】たとえば、冷却槽およびその内部に配置さ
れる貯留容器としては、上述した実施例に限定されず、
超電導体などの被冷却物が装着された装置の用途などに
応じて、種々の形状および構造を採用することができ
る。また、冷却に用いられる冷媒としても、液体窒素に
限られず、液体ヘリウム、液体水素等、被冷却物に必要
とされる所望の冷却温度を保持し得るものが適宜選択し
て用いられる。

【００２９】

【発明の効果】以上述べたように本発明の冷却装置によ
れば、鉛直方向複数位置に貯留容器を設けたので、気化
冷媒が存在する部分に、液状冷媒が分散して配置される
ことになり、その部分の冷却が不十分になることを避け
られる。したがって、冷却効率が向上し、最大冷却可能
時間である保持時間が長くなり、次の液状冷媒供給まで
の時間を長くすることができる。

【００３０】本発明の装置は、科学技術研究装置、医療
装置、あるいはその他の各種の装置に応用することで、
これらの装置の性能を大きく高めることが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（ａ）は本発明の一実施例に係る冷却装置
の原理を説明する概略構成図、図１（ｂ）は同図（ａ）
で用いる貯留容器の一例を示す斜視図である。

【図２】図２は本発明のその他の実施例に係る冷却装置
の構成を模式的に示す図面であり、（ａ）は側面図、
（ｂ）は断面図である。

【図３】図３は本発明のその他の実施例に係る冷却装置
の構成を模式的に示す図面であり、（ａ）は断面図、
（ｂ）および（ｃ）は要部拡大断面図である。

【図４】図４は図３に示す実施例の冷却装置における冷
却管路の構成を示す斜視図である。

【図５】図５は本発明のさらにその他の実施例に係る冷
却装置の構成を模式的に示す図面であり、（ａ）は断面
図、（ｂ）および（ｃ）は要部拡大断面図である。

【図６】図６は従来の冷却装置の原理を説明するための
使用状態における概略構成図である。

【符号の説明】

１… 被冷却物 ２… 真空断熱層 ３… 冷却槽 ６… 冷媒供給ライン ７… 気化媒体導出ライン ８，４８，５８ａ，５８ｂ… 貯留容器 ９… 液状冷媒

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷媒の蒸発潜熱を利用して被冷却物を冷
   却する冷却装置であって、 被冷却物（１）の近くに装着され、液状冷媒が貯留され
   る冷却槽（３）と、 この冷却槽（３）に液状冷媒を供給する供給手段（６）
   と、 この冷却槽内で気化した気体状冷媒を排出するベント手
   段（７）と、 前記冷却槽の内部の鉛直方向複数位置に設けられ、液状
   冷媒を分散して貯留する複数の貯溜容器（８）とを有す
   る冷却装置。