JP3955022B2 - 冷凍設備 - Google Patents

Description

本発明は、熱サイホン効果に従って循環する冷媒のための導管システムを介して装置の被冷却部に熱結合される低温ヘッドを備えた冷凍設備に関する。国際公開第００／１３２９６号パンフレットには、そのような冷凍設備が記載されている。

非常に低い転移温度Ｔ_cを持ち、そのため低Ｔ_c超電導材料又はＬＴＳ材料とも称される、例えばＮｂＴｉ又はＮｂ₃Ｓｎ等の、かなり以前から知られている超電導金属材料と共に、１９８７年以来、７７Ｋを超える転移温度Ｔ_cを持つ金属酸化物超電導材料が知られてきた。後者の材料は高Ｔ_c超電導材料又はＨＴＳ材料とも称されている。

このＨＴＳ材料を用いた導体によって超電導巻線を作ることも研究されている。これまで特にテスラ範囲の誘導による磁界中での比較的僅かな電流負担能力を考慮して、この種の巻線導体は、数テスラの磁界強度の下でそれ相応の電流を負担し得るように、用いられる材料自体は高い転移温度を持っているにも係わらず、しばしば７７Ｋを下回る温度レベル、例えば１０〜５０Ｋに保たれる。

ＨＴＳ導体を用いた巻線を冷却すべく、上述の温度範囲では、Ｈｅ圧力ガスの密閉サイクルを用いた、所謂極低温冷却装置の形の特別な冷凍ユニットが用いられている。この冷却装置はギフォードマクマホン型又はスターリング型の特別なタイプのものであり、又は所謂パルス管型冷却器として構成される。それに加えて、対応する冷凍ユニットは、冷凍容量があたかもスイッチボタンの押圧操作により制御でき、かつユーザーにとって極低温の流体の取り扱い操作が省略されるという利点を持つ。かかる冷凍ユニットを用いる際、例えば電磁石コイルや変圧器巻線等の超電導技術を応用する装置は冷凍機の低温ヘッドに対する熱伝導でのみ間接的に冷却される（例えば"Proc. 16^th Int. Cryog. Engng. Conf. (ICEC 16)"、Kitakyusyu、JP、20.24.05.1996、Verlag Elsevier Science、1997の第1109〜1129頁参照）。

相応の冷却技術が、冒頭に述べた国際公開パンフレットから読み取れる回転電機の超電導回転子にも応用されている。該回転子は、極低温冷却器として構成された冷凍ユニットによって７７Ｋを明らかに下回る所望の運転温度に保たれるＨＴＳ導体からなる巻線を備えている。冷凍ユニットは回転子の外部に設けられた低温ヘッドを含む。その冷温側は、回転子内の巻線にまで突出する部分を有する導管システム内を、熱サイフォン効果を利用して循環する冷媒としてのネオン（Ｎｅ）を介して巻線に熱結合されている。しかし冷凍ユニット、特にその低温ヘッドの故障時や、修繕又は交換時には、被冷却巻線の運転状態を維持することが殆ど不可能になる。

更に欧州特許第０６９６３８０号明細書から、超電導巻線を冷却すべく極低温冷却器の形の２つの冷凍ユニットを含む冷凍設備を備えた、ＭＲＩ装置の超電導電磁石が公知である。その場合、極低温冷却器の両低温ヘッドは、巻線の被冷却部に熱伝導結合された塊状の熱伝導体に熱結合されている。そして両極低温冷却器の低温ヘッドは各々別個の真空室内に収容され、その結果、一方の極低温冷却器の運転中に第２の極低温冷却器を切り離したり交換したりできる。しかし、複数の低温ヘッドを同様構成の被冷却部に良好な熱伝導状態で結合すべく、通常、場合によって生じる切り離し低温ヘッドによる付加的な熱伝導損失を甘受せねばならない。

本発明の課題は、熱サイフォン効果を利用して導管部内を循環する冷媒を用いる冷却方式において、循環冷媒を介して大きな熱伝導損失を生ずる虞のない状態で、冒頭に述べた構成を有する冷凍設備を連続冷却運転可能とすることである。

この課題は、本発明によれば、導管システムの分岐部を介して第１の低温ヘッドに並列に接続された少なくとも１つの更なる低温ヘッドを設け、分岐部と両低温ヘッドとの間を走る導管システムの導管セクションを、各々少なくとも部分的に低熱伝導性に構成することで解決される。ここで、低熱伝導性の導管セクションとは、その管状材料によって生ずる各低温ヘッド領域内への熱侵入がヘッドの有効冷凍容量に比較して無視し得る程度に僅かなものであることを意味する。

本発明に従い構成した冷凍設備は、熱サイフォン導管システム内で冷媒ないし動作ガスの再凝縮が起る複数の分離された領域を含む。それに伴う利点は、特に対応する複数の低温ヘッドの熱結合が容易に可能になることである。付加的熱侵入を無視できる故、サイフォン式導管システムの導管セクションにおける十分に低い熱伝導が、組み込まれた全ての低温ヘッドを同時に運転する必要のない部分負荷時の経済的運転をも可能にする。それによって特に、例えば保守又は修繕のための低温ヘッドの交換を、単数又は複数の接続したままの低温ヘッドを用いて超電導装置の被冷却部の運転温度を保持したままで同時に行える。更に、例えば異なる温度レベルにある複数の低温ヘッドにおいて撓みの範囲内で必然的に生じる長さ変化の機械的補償を可能とすべく、導管部を分岐させることで、分岐した導管セクションを十分な可撓性をもって構成することができる。

本発明による冷凍設備の好ましい実施態様は従属請求項に記載している。

低熱伝導性の導管セクションは、各々少なくとも部分的に低熱伝導性の金属材料で構成するとよく、場合によってはプラスチック材料で構成できる。それにより両低温ヘッドを導管セクションの壁材料を介して被冷却部からの所望の熱的分離を達成できるばかりか、場合により生じる膨張問題を抑制することもできる。

更に、被冷却装置を真空容器の内室内に配置できる。その際、低温ヘッドは終端部が真空容器内に突出し、その突出部に導管セクションが熱結合される。この結果、被冷却装置の領域内への不所望の熱侵入が起こるのを防止できる。

その場合、低温ヘッドに終端側低温面を設け、該低温面に、内部で冷媒の冷却ないし凝縮を行う導管セクションの終端室を熱結合するとよい。このようにして所望の熱サイフォン効果を利用した冷媒の流れを引き起こすことができる。

低温ヘッドの終端部は、特に保守又は修繕上の理由から、分離された（固有の）真空（部分）室で取り囲むとよい。部分室は、例えば低温ヘッドの終端部又は導管セクションで、真空容器の残りの内室に対し低熱伝導性で真空気密性の接続片で分離できる。

本発明による設備は、装置の被冷却部のために７７Ｋ未満の温度に維持される超電導材料、特に高Ｔ_c超電導材料を含むものに特に適している。

装置の被冷却部の効果的な冷却に関連し、冷媒として、異なる凝縮温度を持つ複数の冷媒成分からなる混合気を用いるとよい。その代わりに又はそれに付加して、異なる冷媒を有する複数の熱サイフォン式導管システムを組み込むことも可能である。

本発明による冷凍設備の他の好ましい実施態様を、従属請求項から示す。

次に、特に超電導装置用の本発明による冷凍設備の２つの好ましい実施例を、図面を参照して説明する。なお、両図において互いに対応する部分には同一符号を付している。

本発明による冷凍設備は、複数の冷凍源が任意の装置の空間的に拡大される部分の冷却のために設けられる所ならどこでも広く適用可能である。その際、被冷却部は金属製でも非金属製でもよく、また導電性、特に超電導性でもよく、更に非導電性でもよい。ここでは特定の適用例として、被冷却部が回転電機の超電導巻線（例えば前述の国際公開第００／１３２９６号パンフレット又は米国特許第５４８２９１９号明細書参照）又は超電導電磁石（例えば米国特許第５３９６２０６号および同第６２４６３０８号明細書参照）である場合について説明する。

他の適用例では、装置の被冷却部分の冷却時に、時間節約のため２つの低温ヘッドを同時に運転し、通常運転時には１つの低温ヘッドだけで運転温度を維持する。対応する応用例に対し、特に図１に示す冷凍設備が設けられる。符号２で総称する冷凍設備は、例えば超電導電磁石等の、図に詳細には示さない装置３の被冷却部３ａを冷却すべく用いる。冷却は、例えばＨｅ等の液体又はガス状又はその両者の冷媒Ｋ又は動作媒体を用いて行う。冷媒Ｋ又は動作媒体は熱サイフォン効果により導管システム５内を循環する。そのため導管システム５は熱サイフォン式導管システムと称し得る。冷凍容量は２つの冷凍ユニット７ａ、８ａに提供される。図は、冷凍ユニット７ａ、８ａの各低温ヘッド７、８のみを示す。これら低温ヘッドは真空容器９の外部に位置している。真空容器９はその内室９ａ内に設けた、被冷却部３ａを有する装置３の熱絶縁のために用いる。図１による特定の実施例では、低温ヘッドは熱伝導性の良好な終端部７ｂ、８ｂのみが容器９の内室９ａ内に突出し、装置３に対向するその下端部に低温面７ｃ、８ｃを形成している。この低温面に直接に、凝縮室１１ａ、１２ａとして示す導管システム５の２つの導管セクション１１、１２の終端室が熱結合している。本発明によって構成した冷凍設備２に、互いに分離された複数の凝縮室１１ａ、１２ａを有する熱サイフォン式導管システム５も存在しており、凝縮室１１ａ、１２ａ内で、熱サイフォンプロセスの枠内で冷媒Ｋを再凝縮させ得る。導管セクション１１、１２は分岐部１３を経て導管システム５の共通の導管部１４に連通している。導管部１４は被冷却装置３の領域内に侵入される。分岐部１３および両導管セクション１１、１２による両低温ヘッド７、８の並列回路について説明する。

本発明では、導管セクション１１、１２を少なくとも部分的に十分低い熱伝導性を示すように構成する。かくして両低温ヘッド相互間の熱絶縁結合が可能となり、個々の凝縮室１１ａ又は１２ａを、被冷却部又は導管システム内に存在する冷媒Ｋへの左程の熱侵入を起こすことなく、例えば室温迄上昇させ得る。その際、導管セクション１１、１２は、異なる膨張率を示すとよい。例えば両導管セクション１１、１２を特殊鋼やＣｕ合金等の低熱伝導性材料で構成できる。場合によっては特別な低温用プラスチック材料も使える。該材料は繊維強化型や、セラミック材料にしてもよい。その際、これら導管セクションに異なる材料を用いたり、異なる構造形態にしたりできる。かくして導管セクションは、熱的に起因する長さ変化を補償する、例えば撓み、例えば渦巻き形状を持ち得る。

一方の低温ヘッドに万一の故障が生じた際、第２の低温ヘッドが冷却時間の後の（緊急）冷却を引き受けることができ、その間、システムの冷却に悪影響を与えることなく第１の低温ヘッドを休止状態で温度上昇させたり、交換や修理したりできる。冷却への悪影響なしに低温ヘッドの保守作業を実施可能とすべく、熱絶縁のために通常必要な両真空室を、一方では熱サイフォン式導管システム、他方では低温ヘッドに対し互いに分離可能に構成するとよい。そこで各低温ヘッドは、休止中の熱サイフォン式導管システムの熱絶縁に悪影響を与えることなく別々に取り外し可能となる。それに対応する実施例を図２に示す。符号２０で示す冷凍設備では、分離した真空部分室１５ａ、１５ｂ内に各々低温ヘッド７、８の終端部７ｂ、８ｂを配置している。これら真空部分室１５ａ、１５ｂは、真空容器９に付設できるものの、この真空容器９に組み込まれる。全ての場合、これらの真空部分室は被冷却装置を収容する真空容器９の残りの内室９ａに対し、例えば低温面７ｃ、８ｃの領域で真空気密性の接続片１６、１７により分離される。その際熱サイフォン式導管システム５と低温ヘッド７、８との間に必要な真空気密性の接続は、できるだけ低熱伝導性の状態で実施するとよい。図２の場合、かかる接続は、高温状態の真空容器９と運転中低温状態の熱サイフォン式導管システム５との間の、凝縮室１１ａ、１２ａの領域内で実施される。しかし場合によっては、この低温部と高温部との接続部に生ずる熱損失を最適化すべく、この接続部の直径が小さい場合、導管セクション１１、１２の他の部位でも管システムに直接設け得る。図に符号１６’、１７’を付し破線で示す如く、それに対応する分離部は、例えば横断面を拡大した終端室１１ａ、１２ａとして組み込める。

自明の如く、本発明による冷凍設備は複数の熱サイフォン式導管システムででも構成できる。その際、複数の熱サイフォン式導管システムの内の少なくとも１つは、この装置の分岐部により２つの低温ヘッドの並列回路を備える。この複数のシステムに異なる冷媒を使用できる。つまり適用上の要求、例えば予冷のために段階づけた動作温度に応じて、ほぼ連続した熱的結合、即ち冷媒の重複する動作温度領域を経てほぼ連続した熱的結合が並行して適用される。そのため、異なる動作媒体に対する互いに分離された凝縮領域を持つ凝縮室、又は単数又は複数の低温ヘッドへの個々に分離した複数の凝縮室を設ける。

更に、図を参照して説明した実施例の冷凍設備２又は２０では、冷媒Ｋが、例えばＨｅやＮｅ等の単独成分のみからなるとの前提で説明している。しかし冷媒として、例えば異なる凝縮温度を有するＮ₂とＮｅのような２つの冷媒成分の混合気を用いることも同様に可能である。その場合、少なくとも一方の低温ヘッドの徐冷時、まず最高凝縮温度を持つガスが凝縮し、装置の被冷却部での熱伝達のための密閉サイクルを形成できる。この部分をその三重点温度迄予冷した後、このガスを凝縮室の領域内で凍結させる。それにより、少なくとも１つの低温ヘッドを次の混合気成分の凝縮温度に迄冷却する。その際混合気の各成分は、各低温ヘッドの冷凍容量の最適利用時、ほぼ連続する冷却を実現できるように選択するとよい。即ち冷却モードの開始に対し、高温での低温ヘッドの運転がそれに対応するより大きな冷凍能力を導き、従ってより短い冷却時間を可能とする。

本発明による冷凍設備の第１の実施例の要部を示す縦断面図である。 本発明による冷凍設備の第２の実施例の要部を示す縦断面図である。

符号の説明

２、２０ 冷凍設備、３ 装置、５ 導管システム、７、８ 低温ヘッド、７ａ、８ａ 冷凍ユニット、７ｂ、８ｂ 終端部、７ｃ、８ｃ 低温面、９ 真空容器、９ａ 内室、１１、１２ 導管セクション、１１ａ、１２ａ 凝縮室、１３ 分岐部、１４ 導管部、１５ａ、１５ｂ 真空部分室、１６、１７ 接続片、１６’、１７’ 分離部

Claims (13)

1. 熱サイホン効果に従い循環する冷媒のための導管システムを経て装置（３）の被冷却部に熱結合される低温ヘッドを備えた冷凍設備において、
   前記導管システム（５）の分岐部（１３）を経て第１の低温ヘッド（７）に並列に接続された少なくとも１つの更なる低温ヘッド（８）を備え、前記分岐部（１３）と両低温ヘッド（７、８）との間を走る、導管システム（５）の導管セクション（１１、１２）が、各々少なくとも部分的に低熱伝導性に構成されたことを特徴とする冷凍設備。
2. 低熱伝導性の導管セクション（１１、１２）が、各々少なくとも部分的に低熱伝導性の金属材料又はプラスチックからなることを特徴とする請求項１記載の冷凍設備。
3. 前記装置（３）が真空容器（９）の内室（９ａ）内に配置され、前記低温ヘッド（７、８）の終端部（７ｂ、８ｂ）が前記真空容器（９）内に突出し、該突出部に前記導管セクション（１１、１２）が熱結合されたことを特徴とする請求項１又は２記載の冷凍設備。
4. 前記低温ヘッド（７、８）が終端側低温面（７ｃ、８ｃ）を備え、該低温面に、内部で冷媒の冷却ないし凝縮を行う前記導管セクション（１１、１２）の終端室（１１ａ、１２ａ）が熱結合されたことを特徴とする請求項３記載の冷凍設備。
5. 前記終端室（１１ａ、１２ａ）の横断面的が拡大されたことを特徴とする請求項４記載の冷凍設備。
6. 前記低温ヘッド（７、９）の少なくとも終端部（７ｂ、８ｂ）が、前記真空容器（９）の内室（９ａ）に対し低熱伝導性で真空気密性の接続片（１６、１７、１６’、１７’）により分離された別々の真空室（１５ａ、１５ｂ）により取り囲まれたことを特徴とする請求項３から５の１つに記載の冷凍設備。
7. 前記接続片（１６、１７）が、前記終端部（７ｂ、８ｂ）の終端側低温面（７ｃ、８ｃ）と前記真空容器（９）との間に延びることを特徴とする請求項６記載の冷凍設備。
8. 前記接続片（１６’、１７’）が、前記導管セクション（１１、１２）と前記真空容器（９）との間に延びることを特徴とする請求項６記載の冷凍設備。
9. 前記装置（３）の被冷却部（３ａ）が超電導材料を含むことを特徴とする請求項１から８の１つに記載の冷凍設備。
10. 前記超電導材料が高Ｔ_c超電導材料であることを特徴とする請求項９記載の冷凍設備。
11. 前記超電導材料が７７Ｋ未満の温度に維持されることを特徴とする請求項９又は１０記載の冷凍設備。
12. 冷媒（Ｋ）として、異なる凝縮温度を有する複数の冷媒成分からなる混合気が用いられることを特徴とする請求項１から１１の１つに記載の冷凍設備。
13. 複数の熱サイフォン式導管システムを備えることを特徴とする請求項１から１２の１つに記載の冷凍設備。

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