JP4040626B2 - 冷凍機の取付方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍機の冷却ステージを、該冷却ステージにより凝縮される冷媒ガスを収容する冷却装置の冷媒容器に着脱可能に取付けるための冷凍機の取付方法及び装置に係り、特に、高温超導電体を使用した電力機器を冷却するための、複数台の冷凍機が組み込まれた冷却装置に用いるのに好適な、運転されている冷却装置を停止することなく、即ち、他の正常な冷凍機を停止することなく、冷却対象物の冷却は続行したまま、故障した冷凍機のみを交換可能な冷凍機の取付方法及び装置に関する。

高温超導電体を使用した、発電機、モータ、変圧機等の電力機器は、約３０Ｋまで冷却して運転される。これらの電力機器を冷却するには大きな冷凍能力が必要で、複数台（５台位）のギフォードマクマホン（ＧＭ）冷凍機やパルスチューブ冷凍機（必要な場合を除いて、以下、単に冷凍機と総称する）が組み込まれた冷却装置が使用される。

電力機器を長期に亘り安定に運転するには、これらを冷やす冷却装置も長期に安定に運転できることが必要である。そのため、冷却装置に組み込まれた冷凍機が劣化又は故障して冷却能力が低下したときは、冷凍機を交換できることが望ましい。

図１に従来の冷却装置の概要を示す。この冷却装置では、冷却対象物（例えば高温超電導体を使用した電力機器、例えば発電機のロータ）１０の冷却温度がネオンの液化温度の３０Ｋ近辺の場合、冷媒ガスとして用いるネオンガスを一旦液化して液化ネオン容器１２に蓄え、これで配管２０により冷却対象物１０を循環しているヘリウムガスを冷却する間接冷却方式となっている。配管２０を循環するヘリウムガスは、室温にあるヘリウムガス循環ポンプ２２により送り出され、第１の熱交換器２４を通って戻ってくるヘリウムガスと熱交換して冷やされる。次に第２熱交換器２６に入り、液化ネオン容器１２内の液化ネオンで更に冷却され、約３０Ｋまで冷却される。そして、冷却対象物１０を冷却する第３の熱交換器２８を通って、再び第１の熱交換器２４に入り、室温まで昇温して、循環ポンプ２２へ戻る。

真空断熱容器である冷却装置のクライオスタット３０には、大きな冷凍能力を得るために複数台（図では２台）設けられた冷凍機４０、４２のシリンダ４４が丁度入る寸法に作られた冷凍機取付スリーブ３２が設けられている。なお、図では２台の冷凍機が取付けられているが、１台又は３台以上でもよい。

冷凍機４０、４２をクライオスタット３０に取付けるための冷凍機取付フランジ４６には、ネオンガスが外部に漏れたり、空気が内部に混入しないようにシールＯリング４８が取付けられている。なお、図では冷凍機のフランジ４６にＯリングを設けているが、クライオスタット３０側に設けてもよい。又、シールできればＯリングでなくとも良い。

前記液化ネオン容器１２から出た複数(図では２本)の配管１４は、その上部にある前記冷凍機取付スリーブ３２に接続されている。該配管１４の内径は、ネオンガスが循環するのに支障のない寸法とされる。

前記液化ネオン容器１２にはネオンガスを封入しているので、冷凍機を運転すると、その低温側冷却ステージ（２段冷却ステージ。以下、単に冷却ステージと称する）５０の温度はネオンの凝縮温度（液化温度）まで下がり、ネオンガスは凝縮し滴下して下部の容器１２に溜まる。なお、３０Ｋという低温の部分は高度に断熱しなければならず、通常、真空断熱容器（図ではクライオスタット３０）内に設置されている。なお、図では真空排気装置は省略している。

図において、５２は、冷凍機の圧縮機である。

さて、何らかの理由で、１台の冷凍機が劣化又は故障したときを考える。従来の冷却装置では、冷却装置の運転を停止して、全体を昇温することなく、性能が劣化又は故障した冷凍機を交換することはできなかった。何故ならば、冷却装置を運転した状態のまま（他の正常な冷凍機の運転を続行し、ネオンガスも回収せず）、該当する冷凍機を交換するために、その冷凍機を取り外すと、ネオンガスを封入した容器１２は開放状態となってネオンガスが失われ（漏れ出し）、容器１２内部に空気や水分が混入して温度が上昇し、冷却を続行することができないからである。従って、該当する冷凍機を取り外す場合は、冷却装置全体を停止し、ネオンガスを回収し（図１ではネオンガス回収装置は省略）、室温まで上昇してから、冷凍機を取り外す必要があった。

特許第３２６５１３９号公報 特開平９-１１３０４８号公報

なお、特許文献１や２には、予冷を早くするための熱スイッチを、冷凍機シリンダの高温側冷却ステージと低温側冷却ステージの間や、冷却対象物と低温部をカバーする熱シールド又は冷凍機の間に設けることが記載されているが、冷凍機は１台だけであり、複数台の冷凍機の中の一部のみを取外すことは全く考えられていなかった。

本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、冷却装置に組み込まれた冷凍機の１台が劣化又は故障して、冷却能力が低下したときに、運転されている冷却装置を停止することなく（他の正常な冷凍機を停止することなく）、冷却対象物の冷却は続行したまま、故障した冷凍機のみを交換できるようにすることを課題としている。

本発明は、冷凍機の取付に際して、冷凍機の冷却ステージと、該冷却ステージにより凝縮される冷媒ガスを収容する冷却装置の冷媒容器の間に熱伝導部材を挿入し、該熱伝導部材に保持された低融点金属により、前記冷却ステージと冷媒容器、ヒートパイプ又は熱シールド板を熱的に接触させるに際し、前記低融点金属の温度を、冷凍機交換時に、該低融点金属が溶ける一定の温度に制御するようにして、前記課題を解決したものである。

又、前記熱伝導部材を、前記冷却ステージと冷媒容器間を仕切る仕切り部材としたものである。

又、前記熱伝導部材を、前記冷却ステージとヒートパイプの間に挿入したものである。

又、前記熱伝導部材を、前記冷却ステージと熱シールド板の間に挿入したものである。

又、前記低融点金属を、インジウム、低融点はんだ又はウッドメタルとしたものである。

又、前記冷凍機を、ＧＭ冷凍機又はパルスチューブ冷凍機としたものである。

本発明は、又、冷凍機の冷却ステージを、該冷却ステージにより凝縮される冷媒ガスを収容する冷却装置の冷媒容器に着脱可能に取り付けるための冷凍機の取付装置であって、前記冷却ステージと冷媒容器、ヒートパイプ又は熱シールド板の間に挿入される熱伝導部材と、該熱伝導部材に保持された、前記冷却ステージと冷媒容器を熱的に接触させるための低融点金属と、前記仕切り部材を加熱するヒータと、前記熱伝導部材の温度を検出する温度センサとを備えることにより、前記課題を解決したものである。

又、前記熱伝導部材の冷媒容器又は熱シールド板側に凝縮フィンを設けたものである。

又、前記冷却ステージ、低融点金属及び熱伝導部材を収容する冷凍機取付スリーブと前記冷媒容器又は熱シールド板を接続する、配管壁と冷媒ガスの熱伝導による熱が許容できる長さの配管を設けたものである。

又、前記ヒータと温度センサを着脱自在としたものである。

更に、前記低融点金属の温度を、冷凍機交換時に、該低融点金属が溶ける一定の温度に制御する手段を備えたものである。

本発明は、又、前記の装置により取り付けられた冷凍機を備えたことを特徴とする電力機器を提供するものである。

従来の方法では、冷凍機を取り替える場合、冷却装置を停止し、冷媒ガスを回収して、装置全体を室温に戻した後でないと、冷凍機を取り替えることができなかった。このため、これらの作業の間、及び、再度規定の温度に冷却できるまでの間、冷却対象物（例えば電力機器）の運転はできない。これに対して、本発明によれば、冷却対象物の冷却は中断することなく継続したままで、不具合の起こった対象の冷凍機を交換することができる。又、仕切り部材と冷凍機の冷却ステージ間の熱抵抗は、薄い低融点金属の抵抗分であるため、小さなものとなり、大きな伝熱量（冷却能力）であるにも拘らず、非常に小さな温度差しか生じない。

特に、仕切り部材に電気ヒータと温度センサを取付けた場合は、このヒータにより、低融点金属が溶ける温度まで加熱すれば、作業に係わる範囲は全て室温又はこれより少し高い温度になっており、霜の付着防止等の煩わしい作業をすることなく、冷凍機の取付け、取り外しを簡単に行なうことができる。仕切り部材の加熱に温度調節計を使用して、低融点金属が溶ける一定の温度に制御すると、この作業は更に簡単なものになる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

本発明の第１実施形態は、図１と同様の冷却装置において、図２に示す如く、真空断熱容器であるクライオスタット３０に、複数の冷凍機シリンダ４４が丁度入る寸法に作られた冷凍機取付スリーブ（以下、単にスリーブと称する）３２が設けられている。液化したネオンを溜める容器１２から出た複数の配管１４は、その上部にあるスリーブ３２に接続されている。該スリーブ３２は、ステンレス鋼等の熱伝導率の小さい材料で作られ、スリーブ３２の下方中間部に、熱伝導率の大きい材料（例えば銅又は銅合金）で作られた熱伝導部材としての仕切り部材６０を配置している。この仕切り部材６０の下面には、凝縮フィン６０Fが備えられている.なお、この凝縮フィン６０Fは省略することもできる。

前記仕切り部材６０の位置は、前記スリーブ３２に冷凍機４０、４２を取り付けたとき、冷凍機先端の冷却ステージ５０が、丁度仕切り部材６０に接するか、僅かに隙間（５ｍｍ未満１ｍｍ以下が望ましい）ができるように配置する。なお、図では明示的に隙間を大きくし、後出低融点金属６２が溜まるように窪み６０Ｕが設けられている。この仕切り部材６０は、スリーブ３２に、蝋付け又は溶接、接着、ねじ止めにより、しっかり取り付けられ、気密になっている。

前記仕切り部材６０は、更に、電気ヒータ６４と温度センサ６６を内蔵している。

前記仕切り部材６０の上部には、低融点金属（例えばインジウム、又は、低融点はんだ、ウッドメタル、水銀等）を適量（冷凍機先端の冷却ステージ５０と仕切り部材６０が、低融点金属６２により良好な熱接続が図れる量）入れておく。仕切り部材６０の上面と冷凍機の冷却ステージ５０の表面は、良好な熱接続が図れるよう、予め低融点金属６２でめっきを施しておくことが望ましい。

冷却装置組立時には、前記電気ヒータ６４に通電して仕切り部材６０を加熱し、低融点金属６２を溶かして冷凍機４０、４２を取付けると、仕切り部材６０と冷凍機４０、４２は良好な熱接続を得ることができる。

ここで、温度センサ６６は、電気ヒータ６４に通電して仕切り部材６０を加熱するとき、過熱しないように温度を測定するのに用いる。なお、温度調節計を使用して、低融点金属６２が溶ける一定の温度に制御する方が望ましい。

冷凍機４０、４２を取り付けたとき、冷凍機取付フランジ４６から空気が混入しないようにＯリング４８等でシールされていれば、冷凍機シリンダ４４の外側とスリーブ３２の内側の間にできる空間は、真空排気したり、ヘリウムガスやネオンガス等で置換する必要はない。勿論、真空排気したり、ガス置換してもよい。

各スリーブ３２の下端は、冷却に使用するネオンガスが循環するのに支障のない大きさの配管１４で、下部の液化ネオン容器１２に連結されている。配管１４は、冷凍機４０、４２を取り外すときに、仕切り部材６０を低融点金属６２が溶ける温度まで加熱しても、下部の液化ネオン容器１２に対して過大な熱が伝わらないように、上下方向に対して、適当な長さ（配管壁とガスの熱伝導による熱が許容できる値以下となるような長さ）を持っている。

前記容器１２にはネオンガス（冷却対象物１０との冷却温度が３０Ｋ近辺の場合）が封入されている。冷凍機の冷却ステージ５０は、仕切り部材６０に対して、低融点金属６２によって、熱的にしっかり接続（例えば約１００Ｗの伝熱量に対して１Ｋ以下の小さな熱抵抗）されている。

冷凍機を運転し、仕切り部材６０の温度がネオンガスを凝縮する温度に達すると、仕切り部材６０の下面（凝縮フィン６０Ｆ）では、ネオンガスが液化して滴下を始める。液化し滴下した液化ネオンは、電力機器を冷却するヘリウムガスと熱交換して蒸発し、再び仕切り部材６０の下面へ戻り、凝縮するという循環を繰り返す。

複数取付けられた各冷凍機４０、４２で、このネオンガスの循環による伝熱（冷却）が行なわれる。

図１と同じ構成には、同じ符号を付して詳細な説明は省略する。

ここで、何らかの理由で、１台の冷凍機が劣化又は故障したときを考える。故障した冷凍機の運転を止めると、冷凍機の冷凍能力は無くなるので、そこでネオンガスの凝縮は止まる。そして、電気ヒータ６４に通電して仕切り部材６０を加熱し、低融点金属６２を溶かす。温度センサ６６は、電気ヒータ６４に通電して仕切り部材６０を加熱するとき、過熱しないように温度を測定するのに使用する。温度調整計を使用して、低融点金属６２が溶ける一定の温度に制御するのが望ましい。

仕切り部材６０の温度が低融点金属６２の溶ける温度まで上昇しても、冷凍機を取り付けたスリーブ３２と液化ネオン容器１２を連結する配管１４の長さは、配管壁とガスの熱伝導による熱が許容できる値以下となるように作られているので、このような状態でも、液化ネオン容器１２への伝熱量は小さな許容できる値となっている。

このとき、劣化又は故障している冷凍機の冷却ステージ５０は、低融点金属６２が溶ける温度まで昇温しているので、冷凍機はそのまま取り外すことができる。勿論、仕切り部材６０より上側は室温以上となっているので、霜が付いたりする不具合が起こることはない。

取り外したところには、正常な冷凍機を取付け、直ぐに運転を再開することができる。又、他の正常な状態にある冷凍機は運転したままで、ネオンガスを液化し続けており、冷却対象物１０は連続して低温に冷却されている状態を保っている。

第１実施形態では、比較的大きな冷却能力を持った冷凍機を使用して、３０Ｋという比較的高い温度であるため、熱シールド板を省略しているが、必要な場合には、図３に示す第２実施形態のように、熱シールド板７０の冷却にも同様の構造を使うことができる。

このとき、冷凍機を取付けるスリーブ３２に、更に冷凍機高温側ステージ（１段ステージと称する）５４で窒素ガス（又はアルゴンガス）を凝縮できるように、熱伝導板７２を設け、これに窒素ガスが凝縮循環する配管７４を取付けている。

前記熱伝導板７２は、冷凍機１段ステージ５４と、低融点金属６２を使用して熱的に接続する。該熱伝導板７２の配管７４内には、窒素ガスの凝縮を促進する凝縮フィン７２Fが設けられている。なお、この凝縮フィン７２Fは省略することもできる。

前記窒素ガス凝縮循環配管７４は、熱伝導率の小さい材料（例えばステンレス鋼等）で作られている。この配管７４の内径は、窒素ガスの循環に支障の無い寸法に作られている。この配管７４の下部には、熱シールド板７０を冷却する液化窒素容器（窒素の循環には支障なければパイプでも良い）７６を設ける。この液化窒素容器７６は、熱伝導率の大きな材料（銅又は銅合金が望ましい）で作られている。この液化窒素容器７６は、前記熱シールド板７０に、熱抵抗が十分小さい方法（例えば蝋付け、はんだ付け、接着、ねじ止め等）で取付ける。

前記液化窒素容器７６には、窒素ガスを充填しておく。図には示してないが、必要であれば窒素ガスの供給（又は回収）装置を設けることができる。

図において、７８は、冷凍機の１段冷却ステージ５４用の電気ヒータ、８０は同じく温度センサである。

他の構成は第１実施形態と同じであるので、同じ符号を付して、詳細な説明は省略する。

この第２実施形態においては、熱伝導板７２によって凝縮された窒素により、熱シールド板７０が冷却される。

この第２実施形態によれば、ネオンガスだけでなく、熱シールド板７０も本発明の方法により冷却することができる。

なお、第１、第２実施形態のいずれも、ネオンガス及び窒素ガスの容器１２、７６が複数（２台）の冷凍機４０、４２に連結されていたが、各冷凍機で独立したものとしてもよい。このとき、各凝縮と蒸発を繰り返す部分は、いわゆるヒートパイプと呼ばれる構造となる。

次に、各冷凍機の伝熱にヒートパイプを使用する本発明の第３実施形態を図４を参照して説明する。

本実施形態では、各ヒートパイプ８２の下端を１つの熱伝導部材８４に接続し、これと配管２０内を循環するヘリウムガスが熱交換するようになっている。

図において、８６はネオンガス補給回収タンクである。このネオンガス補給回収タンク８６は、通常は適当なガス量を保持できるタンクでよいが、ヒートパイプ８２内部のネオンガス量が不足する場合には、外部にネオンガス供給（又は回収）装置（図示省略）を取付けてもよい。

なお、図ではヒートパイプ８２の上下の直径を太くしているが、許容できれば、パイプは一定の直径のままでもよい。冷凍機を取り換えるとき、上部の仕切り部材６０の温度は低融点金属６２が溶解する温度まで昇温している。このため、ヒートパイプ壁及び内部にあるガスには温度勾配があり、パイプが太ければ、その分、低温部への熱負荷が増える。冷凍機を運転して内部のガスを凝縮しているときは、ヒートパイプ上下に温度差はないので、ヒートパイプによる損失は発生しない。

又、図ではヒートパイプ上下の内部に短い伝熱フィン（凝縮又は蒸発の熱伝達率は非常に大きいので、長いフィンは無意味となる）８２Fを設けているが、伝熱量の大きさによっては、フィンが無くてもよい。

ヒートパイプ下部に設けた熱伝導部材８４は、銅又は銅合金あるいはアルミニウム又はアルミニウム合金が適している。

又、図では、ヒートパイプ８２は真っ直ぐ下へ延ばして、大きな熱伝導部材８４に取付けているが、ヒートパイプ８２を斜めに配置して、比較的小さな熱伝導部材８４に取付けるようにしてもよい。図に示す間接冷却の場合は、このようにすると、熱伝導部材内部にできる温度勾配を小さくできる。又、大きな冷却対象物を直接冷やす場合は、逆にヒートパイプの下端を分散するように配置すれば、冷却対象物を一様に冷却することができる。

次に、図５を参照して、電気ヒータ６４と温度センサ６６を冷凍機４０、４２の取付け又は取り外しの作業時に後から取付けるようにした本発明の第４実施形態を詳細に説明する。

第１実施形態と同様の冷却装置において、図の右側の冷凍機４２は、取付け（又は取り外し）のため運転を停止している。そして、低融点金属６２を溶解するために、電気ヒータ６４と温度センサ６６をパイプ９２、９４内を通して、仕切り部材６０に、上部より挿入して取り付ける様子を示している。

左側の冷凍機４０は運転されており、ネオンを凝縮液化している。

このとき、電気ヒータと温度センサは取り外し、パイプ９２、９４の上部は空気を混入しないように蓋９６を取付けている。

又、前記説明では、間接冷却方式の場合を述べたが、図６に示す第５実施形態のように、液化ネオン容器１２内に冷却対象物１０を挿入し、液化したネオンガスで冷却対象物１０を直接冷却してもよい。

この場合は、外部にあるヘリウム循環ポンプや、熱交換器等は不要となる。

なお、前記説明においては、いずれも、冷凍機としてＧＭ冷凍機が用いられていたが、冷凍機の種類は基本的に限定されず、図７に示す第６実施形態のように、冷却にパルスチューブ冷凍機１００、１０２を用いてもよい。

このパルスチューブ冷凍機は、通常複数の円柱（蓄冷材を充填するパイプ１０４と膨張管１０６）で構成されているため、冷凍機取付スリーブ３２はＧＭ冷凍機の場合に比べて大きくなる。

なお、前記説明では、冷却温度が３０Ｋであるためネオンガスを使用したが、冷却対象温度によりアルゴンガス（９０〜１４０Ｋ）、窒素ガス（７０〜１２０Ｋ）、水素ガス（１４〜３０Ｋ）、ヘリウムガス（５Ｋ）を用いることができる。

又、前記説明では、本発明が高温超電導体を使用した電力機器の冷却に適用されていたが、冷却対象は、これに限定されず、クライオポンプ、超伝導マグネット、物性測定装置等にも、同様に適用可能である。

従来の冷却装置の概略構成を示す断面図 本発明に係る冷却装置の第１実施形態の概略構成を示す断面図 同じく第２実施形態の概略構成を示す断面図 同じく第３実施形態の概略構成を示す断面図 同じく第４実施形態の概略構成を示す断面図 同じく第５実施形態の概略構成を示す断面図 同じく第６実施形態の概略構成を示す断面図

符号の説明

１０…冷却対象物
１２…液化ネオン容器
４０、４２…（ＧＭ）冷凍機
５０、５４…冷却ステージ
６０…仕切り部材（熱伝導部材）
６２…低融点金属
６４、７８…電気ヒータ
６６、８０…温度センサ
７０…熱シールド板
７２…熱伝導板
７６…液化窒素容器
８２…ヒートパイプ
８４…熱伝導部材
８６…ネオンガス補給回収タンク
１００、１０２…パルスチューブ冷凍機

Claims (12)

1. 冷凍機の冷却ステージと、該冷却ステージにより凝縮される冷媒ガスを収容する冷却装置の冷媒容器、ヒートパイプ又は熱シールド板の間に熱伝導部材を挿入し、
   該熱伝導部材に保持された低融点金属により、前記冷却ステージと冷媒容器、ヒートパイプ又は熱シールド板を熱的に接触させるに際し、
   前記低融点金属の温度を、冷凍機交換時に、該低融点金属が溶ける一定の温度に制御することを特徴とする冷凍機の取付方法。
2. 前記熱伝導部材が、前記冷却ステージと冷媒容器間を仕切る仕切り部材であることを特徴とする請求項１に記載の冷凍機の取付方法。
3. 前記熱伝導部材が、前記冷却ステージとヒートパイプの間に挿入されていることを特徴とする請求項１に記載の冷凍機の取付方法。
4. 前記熱伝導部材が、前記冷却ステージと熱シールド板の間に挿入されていることを特徴とする請求項１に記載の冷凍機の取付方法。
5. 前記低融点金属が、インジウム、低融点はんだ又はウッドメタルであることを特徴とする請求項１に記載の冷凍機の取付方法。
6. 前記冷凍機が、ＧＭ冷凍機又はパルスチューブ冷凍機であることを特徴とする請求項１に記載の冷凍機の取付方法。
7. 冷凍機の冷却ステージを、該冷却ステージにより凝縮される冷媒ガスを収容する冷却装置の冷媒容器、ヒートパイプ又は熱シールド板に着脱可能に取り付けるための冷凍機の取付装置であって、
   前記冷却ステージと冷媒容器、ヒートパイプ又は熱シールド板の間に挿入される熱伝導部材と、
   該熱伝導部材に保持された、前記冷却ステージと冷媒容器を熱的に接触させるための低融点金属と、
   前記熱伝導部材を加熱するヒータと、
   前記熱伝導部材の温度を検出する温度センサと、
   を備えたことに特徴とする冷凍機の取付装置。
8. 前記熱伝導部材の冷媒容器又は熱シールド板側に凝縮フィンが設けられていることを特徴とする請求項７に記載の冷凍機の取付装置。
9. 前記冷却ステージ、低融点金属及び熱伝導部材を収容する冷凍機取付スリーブと前記冷媒容器又は熱シールド板を接続する、配管壁と冷媒ガスの熱伝導による熱が許容できる長さの配管を有することを特徴とする請求項７に記載の冷凍機の取付装置。
10. 前記ヒータと温度センサが着脱自在とされていることを特徴とする請求項７に記載の冷凍機の取付装置。
11. 前記低融点金属の温度を、冷凍機交換時に、該低融点金属が溶ける一定の温度に制御する手段を備えたことを特徴とする請求項７に記載の冷凍機の取付装置。
12. 請求項７乃至１１のいずれかに記載の装置により取り付けられた冷凍機を備えたことを特徴とする電力機器。

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