JP3176087B2 - 極低温冷凍装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は極低温冷凍装置に関す
る。この極低温冷凍装置は例えば磁気浮上式鉄道（リニ
アモーターカー）、核磁気共鳴装置に適用できる。

【０００２】

【従来の技術】極低温冷凍装置、例えば、磁気浮上式鉄
道（リニアモーターカー）に装備される極低温冷凍装置
として、特公平２−２７８２８号公報に開示されている
ものがある。この極低温冷凍装置は図４に示す様に、超
電導コイル１００が浸漬される液体ヘリウム１０２が収
納される液室１０４をもつ内槽１０６と、圧縮機１１２
と、圧縮機１１２の吐出口１０８と内槽１０６の液室１
０４とをつなぐ高圧路１１４と、液室１０４で蒸発した
ガスを圧縮機１１２に戻す低圧路１１６と、圧縮機１１
２の吐出口１０８から吐出された高圧ガスを極低温に冷
却する冷却機１１８と、高圧路１１４を流れるガスと低
圧路１１６を流れるガスとを熱交換して高圧路１１４の
ガスを冷却する熱交換器１２０と、ガスを貯め蓄圧する
中圧タンク１２２と、通路１２４が所定圧よりも高いと
きに開放してガスを中圧タンク１２２に移入させる逃圧
弁１２６と、低圧路１１６が所定圧よりも低いときに開
放して中圧タンク１２２のガスを低圧路１１６に補充す
る補充弁１３０と、超電導コイル１００と電源装置１３
２とをつなぐパワーリード１３４とを具備する。

【０００３】超電導コイル１００に極低温状態で電気を
投入すると、電源を切っても永久電流が流れるという超
電導現象が得られ、強力な磁界を発生させることができ
る。ここで、上記した極低温冷凍装置の通常運転時にお
いて、超電導コイル１００が浸漬されている極低温の液
体ヘリウム１０２は、外部からの熱伝導、熱輻射により
受熱し、よって液室１０４内の液体ヘリウム１０２から
ヘリウムガスが蒸発する。その蒸発したヘリウムガスは
低圧路１１６を介して中圧タンク１２２に貯溜され、ヘ
リウムガスの大気放出が防止されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、一般的に、
超電導コイル１００にパワーリード１３４を介して外部
から電気を投入することを励磁といい、超電導コイル１
００からパワーリード１３４を介して外部に電気を回収
することを消磁という。超電導コイル１００は検査のた
めに磁界を一時的になくす必要があり、そのため上記し
た極低温冷凍装置では励消磁操作を定期的に行う必要が
ある。このように励消磁を行うときには、超電導コイル
１００が発熱するので、超電導コイル１００を浸漬して
いる内槽１０６内の液体ヘリウム１０２からヘリウムガ
スが通常運転時よりも多量に蒸発する。ここで、蒸発し
たヘリウムガスは低圧路１１６を介して熱交換器１２０
に流入するが、熱交換器１２０では不可避的に圧損が生
じるので、熱交換器１２０にガスが流れにくくなる。そ
のため励消磁時に生じた多量のガスを中圧タンク１２２
で蓄圧できず、よって励消磁時には内槽１０６の液室１
０４のガス圧力が相当高まる問題がある。

【０００５】本発明は上記した実情に鑑みなされたもの
であり、その目的は、励消磁時において液室の液化ガス
が多量に蒸発した際に、多量に蒸発したガスを中圧タン
クに効率的に貯めて蓄圧でき、液室のガス圧力の増加も
抑え得る極低温冷凍装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者は上記目的を達
成するために鋭意開発を進め、超電導材料の励消磁のと
きに、通常運転時とは別系統のガス回収路で多量のガス
を回収する第１の手段、高圧路の液化ガスを収納タンク
の液室に送るのを停止する第２の手段、高圧路のガスを
中圧タンクに蓄圧する第３の手段を着想した。本発明は
かかる着想に基づくものである。

【０００７】即ち、本発明の極低温冷凍装置は、超電導
材料が浸漬される液状の液化ガスが収納される密閉状態
の液室をもつ収納タンクと、吐出口及び吸込口をもつ圧
縮機と、圧縮機の吐出口から吐出されたガスが高圧の高
圧路及び高圧路と液室とをつなぐ液化路とをもち液化ガ
スを液室に供給する供給路と、圧縮機の吸込口と収納タ
ンクの液室とをつなぎ液室で蒸発したガスを圧縮機の吸
込口に戻す低圧路と、供給路側に配置され圧縮機の吐出
口から吐出された高圧ガスを極低温に冷却する冷凍手段
と、供給路を流れるガスと低圧路を流れるガスとを熱交
換して供給路を流れるガスを冷却する熱交換器とを備え
た冷凍系と、蓄圧機能をもつ中圧タンクと、中圧タンク
と高圧路とをつなぐとともに中圧タンクと低圧路とをつ
なぐ中圧路と、中圧路を開閉する様に設けられ低圧路が
所定圧よりも高いときに開放して高圧路のガスを中圧タ
ンクに移入させる逃圧弁と、中圧路を開閉する様に設け
られ低圧路が所定圧よりも低いときに開放して中圧タン
クのガスを低圧路に補充する補充弁とを備えたガス補充
系と、低圧路に並列に配置され収納タンクの液室で蒸発
したガスを励消磁の際に熱交換器を経ないで圧縮機の吸
込口に送るガス回収路と、ガス回収路を開閉する様に設
けられ励消磁の際に開放し開放に伴い収納タンクの液室
のガスをガス回収路を介して圧縮機の吸込口に送るガス
回収弁と、高圧路を開閉する様に設けられ励消磁の際に
閉塞され閉塞に伴い高圧路のガスを収納タンクの液室に
送るのを停止する停止弁と、励消磁の際に開放され開放
に伴い高圧路のガスを中圧路を経て中圧タンクに送る逃
圧弁とを備えた励消磁操作系と、を具備することを特徴
とするものである。

【０００８】超電導材料とは極低温で超電導特性を示し
得るものをいう。冷凍手段としては、逆スターリングサ
イクルを用いた冷凍機、ジュールトムソン弁などを採用
できる。

【０００９】

【作用】通常運転時において冷凍手段は液化ガスを生成
する。その液化ガスは収納タンクの液室に送られ、超電
導材料を極低温に維持する。通常運転時においても液室
の液化ガスからガスは蒸発するが、その蒸発したガスは
その大気放出を回避するために低圧路を介して中圧タン
クに貯溜される。

【００１０】また超電導材料を励消磁する際には、超電
導材料の発熱で、超電導材料を浸漬した収納タンクの液
化ガスからガスが通常運転時よりも多量に蒸発する。そ
のため、ガス回収弁は開放される。よって、蒸発したガ
スはガス回収弁及びガス回収路を介して圧縮機の吸込口
に送られるが、熱交換器は通過しない。この様に熱交換
器を通過しないので、高圧路側のガスは熱交換されない
ので充分に低温化されず、液化が不十分のまま収納タン
クの液室に送られるおそれがある。そこで本発明では、
停止弁を閉塞作動して高圧路を閉じ、高圧路の高圧のガ
スを収納タンクの液室に送るのを停止する。更に、励消
磁操作系の逃圧弁を開放して高圧路の高圧のガスを中圧
路を経て中圧タンクで蓄圧する。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１に基づき説明す
る。 （構成）この極低温冷凍装置は、大別すると冷凍系１と
ガス補充系３と励消磁操作系５とに分かれる。冷凍系１
は、極低温の液体ヘリウムを生成、再生する系であり、
収納タンクとしての内槽１０と、外槽１１と、圧縮機１
２と、供給路２５と、低圧路１４と、冷却機１５と、ジ
ュールトムソン弁１６と、熱交換器１７、１８と、予冷
熱交換器１９とを備えている。内槽１０は液室１０ａを
もつ。液室１０ａには、超電導コイル２０が浸漬される
液状の液体ヘリウム２１が収納されている。外槽１１は
断熱のために内部が真空とされている。外槽１１は冷凍
機１５の寒冷取り出し部１５ａ、内槽１０、熱交換器１
７、１８、ジュールトムソン弁１６を密閉状態で包囲し
ている。なお、内槽１０内は極低温であるが、外槽１１
の外側は常温域とされている。圧縮機１２は、吐出口１
２ａ及び吸込口１２ｂをもつ室と、室に配置されシール
用のピストンリングをもつピストンとで構成されてい
る。供給路２５は圧縮機１２の吐出口１２ａと内槽１０
の液室１０ａとをつなぐ。供給路２５は、圧縮機１２か
らの高圧のガスが流れる高圧路１３と、低圧の液化路２
６とをもつ。低圧路１４は、圧縮機１２の吸込口１２ｂ
と内槽１０の液室１０ａとをつなぎ、液室１０ａで蒸発
したガスを圧縮機１２の吸込口１２ｂに戻す。冷凍機１
５は逆スターリングサイクル冷凍機であり、供給路２５
側に配置されており、圧縮機１５の吐出口１２ａから吐
出された高圧ガスを極低温に冷却する。熱交換器１７、
１８は供給路２５と低圧路１４とに架設されており、高
圧路１３を流れるガスと低圧路１４を流れるガスとを熱
交換し、高圧路１３を流れるガスを冷却する。

【００１２】なお高圧路１３と低圧路１４とをつなぐ通
路２３が設けられ、通路２３には高低圧バイパス弁２４
が配置されている。高低圧バイパス弁２４は、高圧路１
３が過剰に高いガス圧のときに開放して、高圧路１３の
過剰のガス圧を低圧路１４に逃がす安全弁として機能す
るものである。ガス補充系３は、余ったガスを蓄圧する
機能をもつ系であり、中圧タンク３０と、中圧路３１
と、逃圧弁３４と、補充弁３５と、中−低圧弁３７とを
備えている。中圧タンク３０は蓄圧により低圧路１４の
ガス量を調節するものである。中圧タンク３０には、中
圧タンク３０の内圧が過剰になると大気に開放する安全
弁３０ａが装備されている。中圧路３１は中圧タンク３
０と高圧路１３とをつなぐとともに、中圧タンク３０と
低圧路１４とをつなぐ。逃圧弁３４は、低圧路１４のガ
ス圧に応答して開閉する様に設けられ、低圧路１４が所
定圧よりも高いときに開放して高圧路１３の高圧のガス
を中圧タンク３０に移入させる。補充弁３５は、低圧路
１４のガス圧に応答して開閉する様に設けられ、低圧路
１４が所定圧よりも低いときに開放して中圧タンク３０
のガスを低圧路１４に補充する。

【００１３】励消磁操作系５は、超電導コイル２０を励
消磁する際に使用する系であり、パワーリード５０と、
電源装置５１と、ガス回収路５２と、ガス回収弁５３
と、停止弁５４と、逃圧弁５５とを備えている。パワー
リード５０は超電導コイル２０と電源装置５１とをつな
いでいる。ガス回収路５２は、低圧路１４に対して並列
に配置されており、内槽１０の液室１０ａで蒸発したガ
スを熱交換器１７、１８を経ないで圧縮機１２の吸込口
１２ｂに送る。ガス回収弁５３は電磁弁であり、ガス回
収路５２を開閉する様に設けられ、開放に伴い内槽１０
の液室１０ａのガスをガス回収路５２を介して圧縮機１
２の吸込口１２ｂに送る。停止弁５４は電磁弁であり、
高圧路１３を開閉する様に設けられ、閉塞に伴い高圧路
１３の高圧のガスを内槽１０の液室１０ａに送るのを停
止する。逃圧弁５５は電磁弁であり、開放に伴い高圧路
１３のガスを中圧路３１を経て中圧タンク３０に送る。 （作用）まず、通常運転時について説明する。通常運転
時では停止弁５４を開放し、ガス回収弁５３、逃圧弁５
５を閉じておく。この状態で、圧縮機１２により圧縮さ
れた１５ｋｇ／ｃｍ² 程度の高圧のヘリウムガスは、開
放状態の停止弁５４、熱交換器１７を経て予冷熱交換器
１９に送られ、冷凍機１５の寒冷取り出し部１５ａで１
０Ｋ程度の極低温に冷却され、更に熱交換器１８を経て
矢印Ｃ方向へ流れジュールトムソン弁１６で０．１ｋｇ
／ｃｍ² 程度にジュールトムソン膨張され、これにより
４．３Ｋ程度に冷却され、液化されて先端２６ａから内
槽１０の液室１０ａに至る。液室１０ａ内に収納された
液体ヘリウム２１は超電導コイル２０を極低温に維持す
る。

【００１４】ところで液室１０ａの液体ヘリウム２１は
外部からの熱により蒸発する。蒸発したぶん液体ヘリウ
ム２１の液面は低下する。この様に蒸発したヘリウムガ
スは先端１４ａから低圧路１４に流入し、矢印Ａ方向に
流れ、熱交換器１７、１８を通り、熱交換器１７、１８
で供給路２５のガスを冷却しつつ、圧縮機１２の吸込口
１２ｂに戻る。通常運転時においてはガス回収弁５３は
閉じているので、ガス回収路５２にはガスは流れない。
なお、通常運転時においては、高圧路１３のうち停止弁
５４付近のガス圧力は例えば１５ｋｇ／ｃｍ² （ゲージ
圧）程度とされている。また低圧路１４のガス圧力は例
えば０．１ｋｇ／ｃｍ² （ゲージ圧）程度とされてい
る。

【００１５】上記した通常運転時において、液室１０ａ
の液体ヘリウム２１からの蒸発が進行する等して低圧路
１４のガス圧力が上がった場合には、逃圧弁３４が開放
する。これにより高圧路１３の高圧のガスは中圧路３１
を通り中圧タンク３０に移入し中圧タンク３０で蓄圧さ
れる。なお中圧タンク３０のガス圧力は蓄圧の程度にも
よるが、例えば０〜１０ｋｇ／ｃｍ² （ゲージ圧）程度
とされている。また内槽１０のガス圧が低下する等して
低圧路１４のガス圧力が下がった場合には、補充弁３５
が開放して中圧タンク３０のガスは中圧路３１、開放状
態の中−低圧電磁弁３７を通り低圧路１４に移入するの
で、低圧路１４はガスが補充される。このとき逃圧弁３
４は閉じている。本実施例では上記した様にして高圧路
１３の吐出圧が通常運転時における適性値に調整され
る。

【００１６】ところで定期点検などの際にはパワーリー
ド５０を介して超電導コイル２０に外部から電気を投入
する励磁操作をしたり、超電導コイル２０からパワーリ
ード５０を介して外部に電気を回収する消磁操作をした
りすることがある。このとき超電導コイル２０の発熱
で、超電導コイル２０を浸漬した液体ヘリウム２１から
ガスが通常運転時よりも多量に蒸発する。そのため本実
施例では励消磁の際には、ガス回収弁５３は開放され
る。よって、蒸発したガスは矢印Ｂ方向に分岐し、ガス
回収弁５３、ガス回収路５２を介して圧縮機１２の吸込
口１２ｂに送られる。矢印Ｂ方向に流れたガスは熱交換
器１７、１８を通過しない。なお矢印Ａ方向に流れるガ
スは熱交換器１７、１８を通過する。ここで、熱交換器
１７、１８は不可避的に圧損があるためガスが流れにく
くなり、多量のガスを圧縮機１２に送ることができない
ので、多量のガスはガス回収路５２を通る。

【００１７】この様に励消磁操作の際には、ガス回収路
５２を通るガスは熱交換器１７、１８を通過しないの
で、高圧路１３側のガスはあまり熱交換されず、従って
充分に低温化されず、液化が不十分のまま内槽１０の液
室１０ａに送られ、液室１０ａのガス量が増加するおそ
れがある。そこで励消磁の際には、停止弁５４を閉塞作
動して高圧路１３を閉じ、高圧路１３の高圧のガスを冷
凍機１５側へつまり内槽１０の液室１０ａに送るのを停
止する。このとき圧縮機１２が駆動しているので高圧路
１３のガス圧力が増加する傾向にある。そのため、逃圧
弁５５を開放して高圧路１３の高圧のガスを中圧路３１
を経て中圧タンク３０に送り、中圧タンク３０で蓄圧す
るとともに、高圧路１３を減圧して高圧路１３と中圧路
３１とをほぼ同圧にする。これにより高圧路１３のガス
圧は例えば２ｋｇ／ｃｍ² （ゲージ圧）程度に低下す
る。

【００１８】この様に高圧路１３のガス圧が低下する
と、圧縮機１２のうち、ピストンで圧縮される圧縮室と
ピストンの背圧側空間との差圧が小さくなる。この様に
圧縮機１２における差圧が小さくなると、圧縮機１２の
所要動力を低減できる利点、更に、圧縮室のガスがピス
トンリングから背圧側空間に漏れにくくなる利点が得ら
れる。よって、励消磁の際には、圧縮機１２で多くのガ
スを中圧タンク３０に通常運転時よりも送ることがで
き、中圧タンク３０での蓄圧を効率よく行い得る。

【００１９】更に前述した様に本実施例では励消磁の際
には、高圧路１３の停止弁５４を閉じ、高圧路１３の高
圧のガスを内槽１０の液室１０ａ側に送るのを停止する
ので、内槽１０の液室１０ａのガス圧力の上昇を抑止す
ることができる。励消磁操作（一般的に所要時間は２〜
３分程度）が終了すると、停止弁５４は開放し、従って
通常運転に戻り、高圧路１３のガスは熱交換器１７、１
８、予冷熱交換器１９、ジュールトムソン弁１６を経て
液化され、液体ヘリウムとして内槽１０の液室１０ａに
貯められる。 （効果）以上説明した様に本実施例では、超電導コイル
２０を励消磁する際には、内層１０の液室１０ａの液体
ヘリウム２１からガスが通常運転時よりも多量に蒸発す
るが、ガス回収弁５３が開放されるので、蒸発したガス
はガス回収弁５３、ガス回収路５２を介して圧縮機１２
の吸込口１２ｂに送られる。このとき、ガス回収路５２
を通るガスは、圧損がある熱交換器１７、１８は通過し
ない。この様に圧損がある熱交換器１７、１８は通過し
ないので、蒸発した多量のガスを円滑に圧縮機１２に効
率よく回収できる。

【００２０】また励消磁の際には、逃圧弁５５を開放し
て高圧路１３のガスを中圧タンク３０に送り、中圧タン
ク３０で蓄圧する。これにより励消磁の際には、高圧路
１３のガス圧は通常運転時に比較して低下する。よっ
て、圧縮機１２のうち、ピストンで圧縮される圧縮室と
ピストンの背圧側空間との差圧が小さくなる。この様に
差圧が小さくなると、圧縮機１２の所要動力を低減でき
る利点、圧縮室のガスがピストンリングからピストンの
背圧側空間に漏れにくくなる利点が得られる。よって励
消磁の際には、圧縮機１２で通常運転時よりも多くのガ
スを中圧タンク３０に送ることができ、従って励消磁の
際における中圧タンク３０での効率的蓄圧に有利であ
る。

【００２１】また本実施例ではガスが多量のときには逃
圧弁５５を開いて逃圧弁５５を介してガスを中圧タンク
３０に送るので、他方の逃圧弁３４を小流量タイプで済
ませ得る利点が得られる。 （適用例）上記した実施例を磁気浮上式鉄道の車両に適
用した例を図２、図３に示す。この例では、車両５００
は、室５０１をもつ車体５０２と、車体５０２を支える
台車５０３とで形成されている。台車５０３には中圧タ
ンク３０、冷凍機１５、圧縮機１２、外槽１１が装備さ
れている。ここで中圧タンク３０は、車体方向にのびる
縦梁状の第１タンク部３０ｂと、車幅方向にのびる横梁
状の第２タンク部３０ｄとをもつ。なお、５０７は内槽
１０と冷凍機１５とを接続する可撓性配管であり、前記
した冷凍機１５の液体ヘリウムを内槽１０に送る供給路
２５が内装されている。５０９は車両が走行する走行路
を区画する側壁部５１０に設けられた車両浮上、推進、
案内用のコイルである。

【００２２】

【発明の効果】以上説明した様に本発明の極低温冷凍装
置によれば、超電導材料に励消磁操作を加える際には、
収納タンクの液室の液化ガスからガスが通常運転時より
も多量に蒸発するが、ガス回収弁は開放されるので、蒸
発したガスはガス回収弁、ガス回収路を介して圧縮機の
吸込口に送られるが、ガス回収路を通るガスは、圧損が
ある熱交換器は通過しない。この様に圧損がある熱交換
器は通過しないので、蒸発した多量のガスを円滑に回収
できる。

【００２３】また励消磁の際には、逃圧弁を開放して高
圧路のガスを中圧タンクに送り、中圧タンクで蓄圧す
る。これにより励消磁の際には高圧路のガス圧は低下す
るので、圧縮機のうち、圧縮室とその背圧側空間との差
圧が小さくなる。この様に差圧が小さくなると、圧縮室
のガスがピストンリングから背圧側空間に漏れにくくな
る。よって通常運転時よりも圧縮機で多くのガスを中圧
タンクに送ることができ、励消磁の際における中圧タン
クでの効率的蓄圧に有利である。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の極低温冷凍装置の構成図である。

【図２】磁気浮上式鉄道の車両を模式的に示す横断面図
である。

【図３】磁気浮上式鉄道の車両を要部を模式的に示す平
面図である。

【図４】従来の極低温冷凍装置の構成図である。

【符号の説明】

図中、１は冷凍系、１０ａは液室、１５は冷凍機、２１
は液体ヘリウム、３はガス補充系、３０は中圧タンク、
３１は中圧路、３４は逃圧弁、３５は補充弁、５は励消
磁操作系、５２はガス回収路、５３はガス回収弁、５４
は停止弁、５５は逃圧弁を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭57−20485（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−7675（ＪＰ，Ａ) 実開 昭58−51458（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 39/00 - 39/04 F25D 3/10

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超電導材料が浸漬される液状の液化ガス
   が収納される密閉状態の液室をもつ収納タンクと、吐出
   口及び吸込口をもつ圧縮機と、該圧縮機の吐出口から吐
   出されたガスが高圧の高圧路及び該高圧路と該液室とを
   つなぐ液化路とをもち液化ガスを該液室に供給する供給
   路と、該圧縮機の吸込口と該収納タンクの液室とをつな
   ぎ該液室で蒸発したガスを該圧縮機の吸込口に戻す低圧
   路と、該供給路側には配置され該圧縮機の吐出口から吐
   出された高圧ガスを極低温に冷却する冷凍手段と、該供
   給路を流れるガスと該低圧路を流れるガスとを熱交換し
   て該供給路を流れるガスを冷却する熱交換器とを備えた
   冷凍系と、 蓄圧機能をもつ中圧タンクと、該中圧タンクと該高圧路
   とをつなぐとともに該中圧タンクと該低圧路とをつなぐ
   中圧路と、該中圧路を開閉する様に設けられ該低圧路が
   所定圧よりも高いときに開放して該高圧路のガスを該中
   圧タンクに移入させる逃圧弁と、該中圧路を開閉する様
   に設けられ該低圧路が所定圧よりも低いときに開放して
   該中圧タンクのガスを該低圧路に補充する補充弁とを備
   えたガス補充系と、 該低圧路に並列に配置され該収納タンクの液室で蒸発し
   たガスを励消磁の際に該熱交換器を経ないで該圧縮機の
   吸込口に送るガス回収路と、該ガス回収路を開閉する様
   に設けられ励消磁の際に開放し開放に伴い該収納タンク
   の液室のガスを該ガス回収路を介して該圧縮機の吸込口
   に送るガス回収弁と、該高圧路を開閉する様に設けられ
   励消磁の際に閉塞され閉塞に伴い該高圧路のガスを該収
   納タンクの液室に送るのを停止する停止弁と、励消磁の
   際に開放され開放に伴い該高圧路のガスを該中圧路を経
   て該中圧タンクに送る逃圧弁とを備えた励消磁操作系
   と、を具備することを特徴とする極低温冷凍装置。