JP3409371B2 - 極低温予冷装置の制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、極低温予冷装置に関す
るもので、例えば超電導磁石等の被冷却体を冷却収容す
る極低温容器に液体ヘリウムを注入する前に、被冷却体
及び極低温容器を予冷するために用いられる。

【０００２】

【従来の技術】超電導磁石は、その超電導特性を確保す
るために数Ｋ程度に冷却される。このとき、超電導磁石
は極低温容器に収容され、容器内に液体ヘリウム等の冷
媒が注入される。しかし、超電導磁石や極低温容器の温
度が高いと注入された冷媒は直ちに蒸発してしまい、超
電導磁石や極低温容器を数Ｋ程度に冷却するには非常に
多量の冷媒が必要となる。

【０００３】そこで、超電導磁石や極低温容器を予冷装
置を用いて予め極低温領域まで予冷する予冷装置が、低
温工学協会１９８６年発行の「第３６回低温工学研究発
表会予稿集Ｂ３−１０、１２８頁」にて開示されてい
る。これを図６に基づいて説明すると、圧縮機５１にて
圧縮、吐出された常温の冷媒（ヘリウム）は吐出管５４
を流れ、精製器５２を通って精製された後、対向流熱交
換器５３にて吸入管５５を流れる冷媒と熱交換し１次冷
却される。そして、冷凍機（スターリング冷凍機やギフ
ォードマクマホン冷凍機等）５６にて冷媒が極低温領域
まで２次冷却され、超電導磁石等の被冷却体５７が収容
される極低温容器５８に注入される。ここで、極低温領
域まで冷却された冷媒によって被冷却体５７及び極低温
容器５８が予冷されていく。また、被冷却体５７及び極
低温容器５８を予冷して昇温した冷媒は、吸入管５５か
ら対向流熱交換器５３を介して圧縮機５１に吸入されて
いく。

【０００４】一般に、冷媒循環回路における圧力損失は
冷媒温度の低下に伴って低下していく。従って、予冷装
置の運転開始後、時間の経過に伴って冷媒温度が低下し
ていくと、極低温容器５８内の内部圧力も低下してい
く。また、予冷速度は冷媒流量の増加に伴って速くなる
こともよく知られている。従って、予冷を速くすすめる
ためには極低温容器の温度低下に伴って冷媒流量を増や
してやることが望ましい。しかし、極低温容器の耐圧は
低く、その破損を防ぐためには吐出管５４の開口部の直
上流に配設された開閉弁５９の開度を手動にて開度制御
し、極低温容器５８内の圧力を制限値以下に制御しなけ
ればならない。更に、予冷開始後しばらくの間は、吸入
管５５を圧縮機５１へと向かって流れる冷媒の温度が高
く、対向流熱交換器５３の吸入管側流路における圧力損
失が大きくなり、結果的に極低温容器５８に供給される
冷媒量が減少して、同様に予冷時間が長くなってしま
う。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明では、
冷却容器内の圧力を最大許容圧力以下に制御した上で、
冷却容器の予冷時間を短縮することを、その技術的課題
とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前述した本発明の技術的
課題を解決するために講じた本発明の技術的手段は、被
冷却体を収容する冷却容器の出入口に接続され且つ冷媒
を圧縮する圧縮機を有する冷媒配管と、該冷媒配管の往
路側と復路側とを熱接触させる第１と第２の対向流熱交
換器と、両対向流熱交換器間の前記冷媒配管の往路側と
熱接触する第１冷凍部と、前記第２対向流熱交換器と前
記冷却容器との間の前記冷媒配管の往路側と熱接触する
第２冷凍部と、冷媒配管の往路側に配されかつ前記圧縮
機からの冷媒量を制御する流量制御弁と、前記第２対向
流熱交換器の上流側を前記第２対向流熱交換器と前記第
１対向流熱交換器との間にバイパスさせるバイパス配管
と、該バイパス管に設けた第１開閉弁と、前記冷却容器
の下流側の冷媒の温度を測定する温度検出手段と、を有
する極低温予冷装置のための制御方法であって、前記冷
却容器の予冷開始時には、前記第１開閉弁を開状態とし
て予冷を開始し、前記温度検出手段の検出する冷媒温度
が所定値以下となった際には、前記流量制御弁の開度を
小さくした後に前記第１開閉弁を閉じるようにしたこと
である。

【０００７】さらに、本発明は、前記極冷温予冷装置
は、前記第２対向流熱交換器の復路側の上流側に第２開
閉弁を有するものであり、前記冷却容器の予冷開始時に
は、前記第２開閉弁を閉状態とする一方で前記第１開閉
弁を開状態として予冷を開始し、前記温度検出手段の検
出する冷媒温度が所定値以下となった際には、開状態に
ある前記第１開閉弁に加えて前記第２開閉弁も開状態と
し、前記流量制御弁の開度を小さくした後に前記第１開
閉弁を閉じるようにしたことを特徴とする。

【０００８】

【作用】上述した本発明の技術的手段によれば、冷却容
器の予冷開始時には、第２開閉弁を閉状態とする一方で
第１開閉弁を開状態として、第１対向流熱交換器のみ熱
交換作用をもたせた状態で予冷を開始し、温度検出手段
の検出する冷媒温度が所定値以下となった際には、開状
態にある第１開閉弁に加えて第２開閉弁も開状態とし、
流量制御弁の開度を小さくした後に第１開閉弁を閉じる
ことで、第１対向流熱交換器に加えて第２対向流熱交換
器にも熱交換作用をもたせて予冷を行う。

【０００９】一方、冷却容器の定常予冷時には、流量制
御弁の開度を制御することで冷却容器の耐圧を超えない
程度に冷媒が冷却容器内に供給される。

【００１０】図５の実施例によって代表される発明は、
冷媒配管の吸入側即ち復路側は常に圧縮機に連通してい
るので、開閉弁の故障があっても、冷却容器内の圧力を
異常上昇させない冷媒の循環が可能である。

【００１１】

【実施例】図１に示す極低温予冷装置１０において、圧
縮機１１の吐出側１１ａと冷却容器１２の入口側１２ａ
とは往路用冷媒配管１３によって接続され、圧縮機１１
の吸込側１１ｂと冷却容器１２の出口側１２ｂとは往路
用冷媒配管１４によって接続されている。ここで、圧縮
機１１は例えばＨｅ等の作動冷媒を圧縮し、冷却容器１
２は例えば液体ヘリウム容器等であり図示しない被冷却
物として例えば超電導磁石等を収容する。この極低温予
冷装置１０は、冷却容器１２への極低温冷媒注入に先立
って、冷却容器１２及び被冷却物を数Ｋ程度の極低温領
域近くまで予冷する。

【００１２】往路用冷媒配管１３上には、圧縮機１１側
から順次、第１対向流熱交換器２０の往路側２０ａ、第
１冷凍部２１、第２対向流熱交換器２２の往路側２２
ａ、第２冷凍部２３及び流量制御弁２４が配設されてい
る。ここで、第１冷凍部２１は極低温冷凍機２５の高温
側コールドヘッド２５ａと熱的に結合され、第２冷凍部
２３は極低温冷凍機２５の低温側コールドヘッド２５ｂ
や略同温度の低温側蓄冷器２５ｃと熱的に結合されてい
る。尚、極低温冷凍機２５としては例えばスターリング
冷凍機等がある。一方、復路用冷媒配管１４上には、冷
却容器１２側から順次、第２開閉弁２６、第２対向流熱
交換器２２の復路側２２ｂ及び第１対向流熱交換器２０
の復路側２０ｂが配設されている。そして、復路用冷媒
配管１４上の第２開閉弁２６上流部と第２対向流熱交換
器２２の復路側２２ｂ下流部との間は、バイパス配管２
７によりバイパスされ、このバイパス配管２７上には第
１開閉弁２８が配設されている。

【００１３】ここで、往路用冷媒配管１３の第１対向流
熱交換器２０を含むその下流側と復路用冷媒配管１４の
第１対向流熱交換器２０を含むその上流側は、真空断熱
容器２９内に収容されている。更に、往路用冷媒配管１
３の第１対向流熱交換器２０の下流側と復路用冷媒配管
１４の第１対向流熱交換器２０の上流側は、輻射シール
ド板３０内に収容され、輻射シールド板３０は２つの第
１冷凍部２１，２１間の往路用冷媒配管１３上に配設さ
れた熱交換器３１と熱的に結合されている。

【００１４】往路用冷媒配管１３の流量制御弁２４上流
部の冷媒温度は温度検出手段３２により検出され、復路
用冷媒配管１４の第２開閉弁２６上流部の冷媒温度は温
度検出手段３３により検出される。尚、温度検出手段３
２，３３としては例えば温度センサや温度スイッチ等が
用いられる。また、復路用冷媒配管上の第２開閉弁上流
部の冷媒圧力は圧力検出手段３４により検出される。
尚、圧力検出手段３４としては例えば圧力センサや圧力
スイッチ等が用いられる。但し、本実施例では、圧力検
出手段３４が復路用冷媒配管上の第２開閉弁上流部と同
圧の冷媒配管３５上に配設されている。また、冷媒配管
３５上に配設された開閉弁３６は、通常運転時において
常時閉状態を保たれる。尚、３８，３９はカップリング
を示す。

【００１５】図２に示すように、前述した温度検出手段
３２，３３及び圧力検出手段３４の出力情報や他の出力
情報は制御装置３７に入力され、制御装置３７は各種出
力情報に基づいて流量制御弁２４の開度を制御したり、
第１開閉弁２８及び第２開閉弁２６の開閉状態を制御す
る。

【００１６】以上の構成を有する極低温予冷装置１０の
作動について説明する。極低温予冷装置１０により予冷
される冷却容器１２の温度は、図３に示すように常温Ｔ
０から予冷完了温度Ｔ２まで徐々に低下していく。ま
た、予冷開始ｔ０から予冷完了ｔ２までの時間は、例え
ばリニアモーターカーの超電導磁石を冷却する場合、数
日程度である。

【００１７】まず、冷却容器１２の予冷開始時、即ち極
低温予冷装置１０の始動時には、第２開閉弁２６を閉状
態とする一方で第１開閉弁２８を開状態とするように、
制御装置３７が各開閉弁２６，２８を開閉制御し、あわ
せて圧縮機１１及び極低温冷凍機２５を始動する。そし
て、圧縮機１１から吐出された冷媒は往路用冷媒配管１
３上の第１対向流熱交換器２０の往路側２０ａ、第１冷
凍部２１、第２対向流熱交換器２２の往路側２２ａ、第
２冷凍部２３及び流量制御弁２４を順次流れ、冷却容器
１２内へと至る。ここで、極低温予冷装置１０の始動開
始直後には第１対向流熱交換器２０の復路側２０ｂを流
れる冷媒温度はほぼ常温であり、冷媒が第１対向流熱交
換器２０の往路側２０ａを流れても冷却されない。次
に、冷媒が第１冷凍部２１を流れる際には、極低温冷凍
機２５の冷凍能力が非常に高いので高温側コールドヘッ
ド２５ａの温度は直ちに低温領域となっており、冷媒が
第１段階の低温まで冷却される。次いで、冷媒は第２対
向流熱交換器２２の往路側２２ａを流れるが、いま第２
対向流熱交換器２２の復路側２２ｂには冷媒が流れてい
ないため、極低温予冷装置１０の始動開始直後には、む
しろ冷媒が第２対向流熱交換器２２のもつ熱容量によっ
て昇温する。そして、冷媒が第２冷凍部２３を流れる際
には、低温側コールドヘッド２５ｂ及び低温側蓄冷器２
５ｃの温度も直ちに低温領域となっており、冷媒が第２
段階の低温（＜第１段階の低温）まで冷却される。最後
に、流量制御弁２４の開度に応じて冷却容器１２内へと
流入していく。ここで、流量制御弁２４の開度は、圧力
検出手段３４の検出する冷媒圧力が図４に示す冷媒圧力
Ｐ１となるように制御される。この図４において、（Ｐ
０−Ｐ１）が冷却容器１２による圧損分である。

【００１８】一方、冷却容器１２内を流れた冷媒は、復
路用冷媒配管１４上のバイパス配管２７及び第１対向流
熱交換器２０の復路側２０ｂを順次流れ、圧縮機１１の
吸込側１１ｂへと至る。

【００１９】極低温予冷装置１０の始動後しばらく経過
すると（時間ｔ０とｔ１の間）、復路用冷媒配管１４を
流れる冷媒も常温以下の低温（温度Ｔ１以上Ｔ０以下）
になってくる。従って、第１対向流熱交換器２０の復路
側２０ｂを流れる冷媒温度は常温以下の低温となり、冷
媒が第１対向流熱交換器２０の往路側２０ａを流れる際
に、復路側２０ｂを流れる冷媒によって冷却される。ま
た、輻射シールド板３０は熱交換器３１を介して往路用
冷媒配管１３を流れる冷媒によって冷却される。尚、極
低温予冷装置１０の定常運転状態では、高温側コールド
ヘッド２５ａの温度は８０〜１００Ｋ程度であり、低温
側コールドヘッド２５ｂ及び低温側蓄冷器２５ｃの温度
は２０〜５０Ｋ程度である。

【００２０】極低温予冷装置１０の始動時に第２開閉弁
２６を閉状態として、第２対向流熱交換器２２の復路側
２２ｂに冷媒を流さないようにする理由には２つある。
第１に、復路用冷媒配管１４を流れる冷媒温度が、第１
冷凍部２１によって冷却される冷媒温度よりも高い状態
では、第２対向流熱交換器２２において復路側２２ｂを
流れる冷媒が往路側２２ａを流れる冷媒によって冷却さ
れてしまい、本来冷却されるべき往路側２２ａを流れる
冷媒が昇温してしまうからである。そして、第２に、冷
媒は低温時に比べて高温時にはその粘度が高く、第１対
向流熱交換器２０の復路側２０ｂと第２対向流熱交換器
２２の復路側２２ｂの両方に冷媒を流すと、各復路側２
０ｂ，２２ｂにおける冷媒の圧力損失が大きく、極低温
予冷装置１０の冷媒流量がかせげないために冷却容器１
２の予冷時間が長くなってしまうためである。

【００２１】そこで、復路用冷媒配管１４を流れる冷媒
温度が、第１冷凍部２１によって冷却される冷媒温度よ
りも低くなったこと、又は復路用冷媒配管１４を流れる
冷媒温度がある切替温度値Ｔ１よりも低くなったことを
制御装置３７が判断すると、この温度領域では冷媒の粘
性も低くなっており、第１対向流熱交換器２０の復路側
２０ｂに加えて第２対向流熱交換器２２の復路側２２ｂ
に冷媒を流しても、そこでの圧損は小さくなっているの
で、制御装置３７が第２開閉弁２６を開いた後、第１開
閉弁２８を閉じるよう切替制御する。尚、第１冷凍部２
１によって冷却される冷媒温度は、往路用冷媒配管１３
上の第２対向流熱交換器２２の往路側２２ａ付近等に配
設された図示しない温度検出手段により検出すればよ
い。また、切替温度値Ｔ１は、復路用冷媒配管１４を流
れる冷媒温度が、第１冷凍部２１によって冷却される冷
媒温度よりも低くなった時の復路用冷媒配管１４を流れ
る冷媒温度を予め計測しておくことで設定できる。

【００２２】図４に従って制御装置３７による流量制御
弁２４及び各開閉弁２６，２８の開閉制御を説明する
と、まずに示す状態は極低温予冷装置１０の定常予冷
時の状態であり、切替制御前なので、第１開閉弁２８が
開状態及び第２開閉弁２６が閉状態のもとで、圧力検出
手段３４の検出する冷媒圧力が最大許容圧力Ｐ１となる
ように、制御装置３７が流量制御弁２４の開度を制御す
る。尚、流量制御弁２４の開度は、極低温予冷装置１０
の始動後徐々に開かれていく。

【００２３】次に、に示す時点が前述の切替制御時の
開始時であり、開状態にある第１開閉弁２８に加えて第
２開閉弁２６が開状態とされる。従って、復路用冷媒配
管１４では、第１対向流熱交換器２０の復路側２０ｂに
至る冷媒の流路が、バイパス配管２７に加えて第２対向
流熱交換器２２の復路側２２ｂの分だけ増えるので冷媒
の圧力損失が低下し、圧力検出手段３４の検出する冷媒
圧力が圧力Ｐ２まで低下する。

【００２４】この後、第１開閉弁２８が閉じられると、
冷媒は第２対向流熱交換器２２の復路側２２ｂ及び第１
対向流熱交換器２０の復路側２０ｂを流れるようになる
ため、切替制御前には第１対向流熱交換器２０の復路側
２０ｂだけを流れていた時に比べて、復路用冷媒配管１
４における圧力損失が増大すると予想できる。そこで、
に示す時点から流量制御弁２４の開度を絞って圧力検
出手段３４の検出する冷媒圧力を圧力Ｐ３まで低下させ
る。

【００２５】そして、に示す時点で制御装置３７は第
１開閉弁２８を閉状態とする。この結果、復路用冷媒配
管１４における圧力損失が増大していき、圧力検出手段
３４の検出する冷媒圧力が圧力Ｐ４まで上昇していく。

【００２６】最後に、に示す状態で圧力検出手段３４
の検出する冷媒圧力が再び最大許容圧力Ｐ１となるよう
に、制御装置３７が流量制御弁２４の開度を制御し、定
常予冷が行われる。

【００２７】以上のようにして各開閉弁２６，２８の切
替制御が完了すると、第２対向流熱交換器２２の往路側
２２ａを流れる冷媒が、その復路側２２ｂを流れる冷媒
によって冷却されるようになる。そして、冷却容器１２
内の温度はどんどん低下していき、温度検出手段の検出
する冷媒温度が予冷完了温度Ｔ２になると予冷が終了
し、極低温予冷装置１０の運転を停止する。この運転停
止後にはカップリング３８，３９によって極低温予冷装
置１０を圧縮機１１及び冷却容器１２から切り離し、極
低温予冷装置１０に変えて図示しない液体ヘリウム生成
装置を圧縮機１１及び冷却容器１２に接続し、被冷却物
を数Ｋ程度の極低温状態に保持してその作動を保証す
る。尚、往路１３中の圧力検出手段としての圧力計４０
を冷却容器１２の入口側１２ａの上流に配してもよい。

【００２８】図５に示す本発明の第２実施例は、図１に
示す本発明の第１実施例と基本構成を同一とする部分が
多いので、同一構成部分についてはその説明を省略す
る。冷却容器１２の出口側１２ｂの復路用冷媒配管１４
を第２対向流熱交換器の入口に直接接続し、バイパス管
２７を、第１と第２の対向流熱交換器２０，２２の間の
復路用冷媒配管に、バイパス弁２８を介して接続する。
バイパス管２７は圧縮機１１の吸入口側へ直接接続しな
い。往路側１３の流量制御弁２４は、真空槽２９の外側
に配しているので、流量制御弁２４を駆動する手段（た
とえば、ソレノイド、モータ）への電気配線を真空槽２
９の壁を介して真空槽２９内へもってくる必要がない。
これは、壁と電気配線との間の気密と断熱のための手段
を設ける必要がない利点を示す。

【００２９】前述した例の操作手順は、図１の例と実質
的に同じなのでその説明を省略する。図５に示す前述例
では、冷媒配管の復路側が圧縮機１１の吸入口に常時連
通しているので、圧縮機１１が正常に動いている限り、
開閉弁としてのバイパス弁２８が故障しても、冷却容器
１２内の圧を不必要に上昇させることはない。

【００３０】

【発明の効果】上述したように本発明の極低温予冷装置
では、冷却容器の予冷開始時には、第２開閉弁を閉状態
とする一方で第１開閉弁を開状態として、第１対向流熱
交換器のみ熱交換作用をもたせた状態で予冷を開始する
ので、圧損を生じる部分が第１対向流熱交換器だけとな
って冷媒流量をかせぐことができ、極低温予冷装置の予
冷能力が高い。そして、温度検出手段の検出する冷媒温
度が所定値以下となった際には、開状態にある第１開閉
弁に加えて第２開閉弁も開状態とし、流量制御弁の開度
を小さくした後に第１開閉弁を閉じることで、第１対向
流熱交換器に加えて第２対向流熱交換器にも熱交換作用
をもたせて予冷を行う。従って、第１開閉弁を閉じた際
に冷媒圧力が系の最大許容圧力を超えることなく、第
１、第２開閉弁の切替制御ができ、第１、第２対向流熱
交換器が共に熱交換作用をもつことができるので、極低
温予冷装置の予冷能力が高い。一方、冷却容器の定常予
冷時には、流量制御弁の開度を制御することで冷却容器
の耐圧を超えない程度に冷媒が冷却容器内に供給され、
冷媒を最大限冷却容器に供給でき、極低温予冷装置の予
冷能力が高い。

【００３１】さらに、図５の例のように第２開閉弁を廃
止させ、冷却容器の出口と圧縮機の吸入口とを常時連通
させると、バイパス弁としての開閉弁が故障しても冷却
容器内の圧変化を最小とさせ得る。加えて、制御回路を
簡単にさせ、装置の小型化が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例の極低温予冷装置の構成図を示
す。

【図２】図１における制御装置の入出力関係図を示す。

【図３】図１における予冷温度特性図を示す。

【図４】図１における冷媒圧力特性図を示す。

【図５】本発明の別の実施例の極低温予冷装置の構成図
を示す。

【図６】従来技術の極低温予冷装置の構成図を示す。

【符号の説明】

１０ 極低温予冷装置 １１ 圧縮機 １２ 冷却容器 １３ 往路用冷媒配管 １４ 復路用冷媒配管 ２０ 第１対向流熱交換器 ２１ 第１冷凍部 ２２ 第２対向流熱交換器 ２３ 第２冷凍部 ２４ 流量制御弁 ２６ 第２開閉弁 ２７ バイパス配管 ２８ 第１開閉弁 ３３ 温度検出手段 ３４ 圧力検出手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤井 哲 愛知県刈谷市朝日町２丁目１番地 アイ シン精機株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−210573（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−129658（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−36849（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−196564（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−215557（ＪＰ，Ａ) 特公 昭58−21186（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F25B 9/00 395 F25B 9/02

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被冷却体を収容する冷却容器の出入口に
   接続され且つ冷媒を圧縮する圧縮機を有する冷媒配管
   と、該冷媒配管の往路側と復路側とを熱接触させる第１と第
   ２の対向流熱交換器と、 両対向流熱交換器間の前記冷媒配管の往路側と熱接触す
   る 第１冷凍部と、前記第２対向流熱交換器と前記冷却容器との間の前記冷
   媒配管の往路側と熱接触する 第２冷凍部と、 冷媒配管の往路側に配されかつ前記圧縮機からの冷媒量
   を制御する 流量制御弁と、 前記第２対向流熱交換器の上流側を前記第２対向流熱交
   換器と前記第１対向流熱交換器との間にバイパスさせる
   バイパス配管と、該バイパス管に設けた 第１開閉弁と、前記冷却容器の下流側の冷媒の温度を測定する 温度検出
   手段と、を有する極低温予冷装置のための制御方法であ
   って、 前記冷却容器の予冷開始時には、前記第１開閉弁を開状
   態として予冷を開始し、前記温度検出手段の検出する冷
   媒温度が所定値以下となった際には、前記流量制御弁の
   開度を小さくした後に前記第１開閉弁を閉じるようにし
   たことを特徴とする極低温予冷装置の制御方法。
2. 【請求項２】 前記極冷温予冷装置は、前記第２対向流
   熱交換器の復路側の上流側に第２開閉弁を有するもので
   あり、 前記冷却容器の予冷開始時には、前記第２開閉弁を閉状
   態とする一方で前記第１開閉弁を開状態として予冷を開
   始し、前記温度検出手段の検出する冷媒温度が所定値以
   下となった際には、開状態にある前記第１開閉弁に加え
   て前記第２開閉弁も開状態とし、前記流量制御弁の開度
   を小さくした後に前記第１開閉弁を閉じるようにしたこ
   とを特徴とする請求項１に記載の極低温予冷装置の制御
   方法。