JP4372028B2 - 低温保持装置およびそのメンテナンス方法 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍機を用いて冷媒の蒸発量の低減を図った低温保持装置（低温容器）およびそのメンテナンス方法に関する。

冷媒を用いた低温保持装置は、伝導、輻射等による外部からの熱侵入により冷媒の蒸発があるため、定期的に冷媒を補給する必要がある。高価な冷媒の蒸発量の低減、あるいは補給作業回数低減のために、冷凍機がよく使われる。

低温保持装置は、断熱のための真空容器（断熱容器）中に冷媒を溜める冷媒容器が収められ、冷媒容器の一部は冷凍機の冷却ステージによって熱的に良好に接続されているか、あるいは冷凍機の冷却ステージがそのまま冷媒容器の中に挿入されている（たとえば特許文献１参照）。この冷凍機によって、蒸発・気化した冷媒を再液化する等により、冷媒の蒸発量を低減させている。

被冷却体としてはたとえば超電導コイルがある。超電導状態を維持するためには、コイルを極低温に保持する必要があり、極低温保持は、超電導磁石システムの重要な条件の一つである。近年、冷媒を用いないで、冷凍機のみで冷却、通電が可能な超電導磁石の開発が目覚しいが、大規模なコイルの冷却、発熱量の大きい磁石の冷却では、冷媒による冷却にもメリットがあり、現在でも利用されている。
特許第３３４７８７０号公報

上述の従来の低温保持装置の構成の場合、冷凍機の不具合等でメンテナンス（保守ともいう。点検・補修などを含む。）が必要な際、冷凍機を室温に戻す必要があり、このときに、熱的に良好に接続されている冷媒容器もともに昇温させる必要がある。冷媒を追い出し、冷媒容器を室温にまで戻し、メンテナンス後に再冷却、再注液を行なうまでの期間は、低温保持装置の大きさによっては、数日から数十日レベルになり、時間と労力とコストの面で効率が悪い。

なお、冷凍機コールドヘッドを冷媒容器から室温部にまで延びているポート内に挿入し、冷却ステージが冷えた状態で冷媒容器から抜くことが可能なプラグイン構成も可能である。しかしこの場合、メンテナンス以外の冷凍機運転時に、ポートからの熱侵入、プラグイン構成の冷凍機コールドヘッドの真空容器部の熱侵入量が加算されるため、見かけ上冷凍機の冷凍能力は低下する問題があった。

冷凍機のメンテナンス時に低温保持装置全体を昇温する必要がなく、かつポート等、新たに追加される部品による熱侵入量の増加がないような構成となれば、冷凍機メンテナンスの効率向上につながる。その際、課題となるのは冷凍機運転時には冷却ステージと冷媒容器の熱的リンクは良好であるが、メンテナンス時の冷凍機停止時には上記熱的リンクが悪くなるようにして、冷凍機の温度上昇と冷媒容器の低温保持を両立させることである。これは熱スイッチの機能であり、これまで機械式、ガス式等、さまざまな構成の熱スイッチが開発されている。熱スイッチに要求される性能は、オン時の熱伝達、熱伝導の良好性、オフ時の高熱抵抗性、オン／オフ繰り返しの操作簡便性、操作取り扱いの安全性、再現性が挙げられる。

そこで、本発明は、冷凍機メンテナンスの際に冷媒容器を昇温させる必要がなく、しかも冷凍能力の低下があまりない構成の低温保持装置およびそのメンテナンス方法を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するものであって、第１の態様の低温保持装置は、断熱容器と、常温で気体の冷媒を冷却して液体状態で溜めるための、前記断熱容器内に配置された冷媒容器と、前記断熱容器内に配置された冷却ステージを有する冷凍機と、内部にガスが封入され、前記断熱容器内で前記冷媒容器の外側に配置された密封容器と、前記密封容器と前記冷媒容器とを連絡する均圧管と、前記均圧管の途中に設けられた均圧バルブと、前記密封容器と前記断熱容器の外部とを結ぶ吸排気管と、この吸排気管の途中に設けられた吸排気バルブと、を有する低温保持装置であって、前記密封容器は、前記冷却ステージと熱的に接続されて前記ガスを液化する凝縮部と、前記冷媒容器と熱的に接続されて前記ガスを蒸発させる蒸発部を有し、前記密封容器の前記凝縮部および蒸発部を除く部分の少なくとも一部が前記凝縮部および蒸発部よりも細く形成されていること、を特徴とする。

また、本発明の第２の態様の低温保持装置は、断熱容器と、常温で気体の冷媒を冷却して液体状態で溜めるための、前記断熱容器内に配置された冷媒容器と、前記断熱容器内に配置された冷却ステージを有する冷凍機と、内部にガスが封入され、前記断熱容器内で前記冷媒容器の外側に配置された密封容器と、前記密封容器と前記冷媒容器とを連絡する均圧管と、前記均圧管の途中に設けられた均圧バルブと、前記密封容器と前記断熱容器の外部とを結ぶ吸排気管と、この吸排気管の途中に設けられた吸排気バルブと、を有する低温保持装置であって、前記密封容器は、前記冷却ステージと熱的に接続されて前記ガスを液化する凝縮部と、前記冷媒容器と熱的に接続されて前記ガスを蒸発させる蒸発部を有すること、を特徴とする。

本発明によれば、低温保持装置の冷凍機メンテナンスの際に冷媒容器を昇温させる必要がなく、しかも冷凍能力の低下を抑制できる。

以下、図面を参照しながら本発明の種々の実施形態を説明する。これらの説明で、互いに同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。

［第１の実施形態］
図１は本発明に係る低温保持装置の第１の実施形態の構成図である。ここでは、ＧＭ（ギフォード・マクマホン）冷凍機４を予冷用冷凍機とするＧＭ／ＪＴ（ジュール・トムソン）冷凍機３０を用いている。

図示のように、断熱容器（たとえば真空容器）５内に冷媒容器１３が配置され、この冷媒容器１３内に被冷却体としての超電導コイル１４が設置されている。冷媒としては、たとえば液体ヘリウムを用いる。断熱容器５内の冷媒容器１３の上方に凝縮器１１が配置され、冷媒容器１３の頂部と凝縮器１１の底部の間が液体導入管（連絡管）１２で連絡されている。連絡管１２の材料としては、ステンレス鋼などの熱伝導率の低いものが好ましい。凝縮器１１には、オン・オフ切替可能なヒーター１５が取り付けられている。

凝縮器１１の上方にはＧＭ／ＪＴ冷凍機が配置され、このＧＭ／ＪＴ冷凍機の冷却ステージ１０が凝縮器１１の上部と熱的に接続されている。

ＧＭ／ＪＴ冷凍機３０はＧＭ冷凍機４を予冷用冷凍機とするもので、ＧＭ冷凍機４は、図示の例では２段ＧＭ冷凍機である。ＧＭ冷凍機４では１段蓄冷材として銅、鉛等、あるいはそれらを積層した材料、２段蓄冷材として鉛、磁性蓄冷材、あるいはそれらを積層した材料が用いられており、１段ステージは５０〜１００ケルビン、２段ステージは１０〜２０ケルビンに保持される。ＪＴ冷凍機は熱交換器６、７、８を通じて予冷され、ＪＴ弁９により４Ｋレベルの低温が得られる。冷却ステージ１０で被冷却体を４Ｋレベルに冷却できる。ＧＭ／ＪＴ冷凍機３０には、コンプレッサユニット１、ＪＴ冷凍機用配管２、およびＧＭ冷凍機用配管３が含まれる。

冷凍機運転時は、凝縮器１１内で蒸発ガスが液化し、重力により落下し液体導入管１２を通って冷媒容器１３に戻る。その際、凝縮器１１、液体導入配管１２は輻射による熱侵入量のみであり、室温部との伝導によるリンクはないため、最低限の熱侵入ですむ。したがって冷凍機の冷凍能力を最大限に活用できる。

メンテナンスが必要な際には冷凍機を停止させるが、このときは凝縮器１１内での液化は起こらず冷凍機の冷却ステージ１０の温度は、自然昇温、あるいはヒーター１５等により、室温まで強制昇温する。一方、冷媒容器１３側は冷媒が満たされていれば温度は低温を保持したままである。冷凍機の冷却ステージ１０と冷媒容器１３との間には温度勾配がつき、冷媒容器１３への熱侵入が増大するが、この間には液体導入管１２が介されており、この管が熱抵抗となり熱侵入の増大を抑えることができる。

また、特にヒーター１５を用いることによって凝縮器１１を短時間で昇温できるので、冷凍機のメンテナンスに要する時間を短縮できる。

さらに、ヒーター１２による加熱と並行して、予熱用ＧＭ冷凍機４を運転しない状態で、ＪＴバルブ９を定常開度よりも開いてＪＴ冷凍機冷媒を循環させて冷凍機全体を昇温させ、ＪＴ冷凍機の冷媒のクリーニングあるいはＧＭ冷凍機４の部品交換などを行なうこともできる。

［第２の実施形態］
図２に第２の実施形態を示す。この実施形態では、冷凍機として、磁性蓄冷材を用いたＧＭ冷凍機４、あるいはパルスチューブ冷凍機を用いる。これにより、４ケルビンまでの冷却が可能であり、ＧＭ／ＪＴ冷凍機と同様にヘリウムガスの液化が可能であり、金属系超電導コイルの冷却が可能となる。

［第３の実施形態］
図３に第３の実施形態を示す。この実施形態は第２の実施形態の変形であって、液体導入管１２として、螺旋配管あるいは蛇行配管等の曲管部を有する配管を用いている。これにより、冷凍機４のメンテナンスのために凝縮器１１の温度が上昇したときでも、液体導入管１２を通じて冷媒容器１３へ侵入する熱量を抑制することができる。

なお、液体導入管１２の管の長さを長くする代わりに、ベローズ管を用いて管の長手方向の伝熱長さを長くしてもよい。

［第４の実施形態］
図４に第４の実施形態を示す。この実施形態は第１または第２の実施形態の変形である。この図では、断熱容器５や冷凍機４などの図示を省略している。この実施形態では、液体導入管１２とほぼ平行にガス導入管（第２の連絡管）１６が設けられている。ただし、液体導入管（第１の連絡管）１２は凝縮器１１の底部と冷媒容器１３頂部とを連絡しているのに対して、ガス導入管１６は凝縮器１１の上端近くと冷媒容器１３の頂部とを連絡している。ガス導入管１６も液体導入管１２と同様に、ステンレス鋼などの熱伝導率の低い材料で構成するのが好ましい。

このような構成により、凝縮器１１で液化した冷媒は液体導入管１２を通して冷媒容器１２に導かれ、冷媒容器１３で蒸発した蒸発ガスはガス導入管１６を通して凝縮器１１に導かれる。このように、液体導入管内１２の落下液体の流れとは逆方向の上昇蒸発ガス流れを分流させることにより、管内圧力損失を低減することができる。したがって、より細く、長い管を利用することが可能であり、メンテナンス時の熱侵入量を低減することが可能である。

［第５の実施形態］
図５に第５の実施形態を示す。この実施形態は第４の実施形態の変形である。この実施形態では、凝縮器１１内に、凝縮ステージ１７を設けている。凝縮ステージ１７は冷却ステージ１０と熱的に接続されている。これにより、凝縮器１１での液化性能の向上が図られる。

［第６の実施形態］
図６に第６の実施形態を示す。この実施形態は第５の実施形態の変形である。この実施形態では、凝縮器と液体導入管およびガス導入管を一体として、冷媒容器１３とは独立した密封容器１９としている。この密封容器１９の材料としては、ステンレス鋼などの熱伝導率の低いものが好ましい。

また、密封容器１９を細長い管にすることにより、冷凍機メンテナンス時の、管壁を通じた冷媒容器への熱侵入を抑制することができる。

［第７の実施形態］
図７に第７の実施形態を示す。この実施形態は第６の実施形態の変形である。この実施形態では、密封容器１９と冷媒容器１３とが均圧管２６で連絡されており、均圧管２６には均圧バルブ２０が設けられている。さらに、密封容器１９と真空容器５外部とを連絡する給排気管２１が設けられ、給排気管２１の途中に給排気バルブ２２が設けられている。

給排気バルブ２２を閉じ、均圧バルブ２０を開くことにより、密封容器１０内と冷媒容器１３内を均圧にすることができる。また、冷凍機メンテナンス時は、均圧バルブ２０を閉じ、給排気バルブ２２を開いて、密封容器１９内を真空にすることにより、密封容器１９を通じての熱伝達を抑制することができる。

［他の実施形態］
以上説明した各実施形態は単なる例示であって、本発明はこれらに限定されるものではない。各実施形態の特徴部分を種々に組み合わせることもできる。たとえば、第３の実施形態（図３）に示した曲がり配管やベローズ管を、第１または第４〜第７の実施形態に利用することもできる。

本発明に係る低温保持装置の第１の実施形態の概略構成図。 本発明に係る低温保持装置の第２の実施形態の概略構成図。 本発明に係る低温保持装置の第３の実施形態の概略構成図。 本発明に係る低温保持装置の第４の実施形態の要部を示す概略構成図。 本発明に係る低温保持装置の第５の実施形態の要部を示す概略構成図。 本発明に係る低温保持装置の第６の実施形態の要部を示す概略構成図。 本発明に係る低温保持装置の第７の実施形態の要部を示す概略構成図。

符号の説明

１…コンプレッサユニット、２…ＪＴ冷凍機用配管、３…ＧＭ冷凍機用配管、４…ＧＭ冷凍機、５…断熱容器、６…熱交換器、７…熱交換器、８…熱交換器、９…ＪＴ弁、１０…冷却ステージ、１１…凝縮器、１２…液体導入管（第１の連絡管）、１３…冷媒容器、１４…超電導コイル、１５…ヒーター、１６…ガス導入管（第２の連絡管）、１７…凝縮ステージ、１８…冷媒容器内凝縮ステージ、１９…密封容器、２０…均圧バルブ、２１…給排気管、２２…給排気バルブ、２６…均圧管、３０…冷凍機

Claims (6)

1. 断熱容器と、
   常温で気体の冷媒を冷却して液体状態で溜めるための、前記断熱容器内に配置された冷媒容器と、
   前記断熱容器内に配置された冷却ステージを有する冷凍機と、
   内部にガスが封入され、前記断熱容器内で前記冷媒容器の外側に配置された密封容器と、
   前記密封容器と前記冷媒容器とを連絡する均圧管と、
   前記均圧管の途中に設けられた均圧バルブと、
   前記密封容器と前記断熱容器の外部とを結ぶ吸排気管と、
   この吸排気管の途中に設けられた吸排気バルブと、
   を有する低温保持装置であって、
   前記密封容器は、前記冷却ステージと熱的に接続されて前記ガスを液化する凝縮部と、前記冷媒容器と熱的に接続されて前記ガスを蒸発させる蒸発部を有し、
   前記密封容器の前記凝縮部および蒸発部を除く部分の少なくとも一部が前記凝縮部および蒸発部よりも細く形成されていること、
   を特徴とする低温保持装置。
2. 断熱容器と、
   常温で気体の冷媒を冷却して液体状態で溜めるための、前記断熱容器内に配置された冷媒容器と、
   前記断熱容器内に配置された冷却ステージを有する冷凍機と、
   内部にガスが封入され、前記断熱容器内で前記冷媒容器の外側に配置された密封容器と、
   前記密封容器と前記冷媒容器とを連絡する均圧管と、
   前記均圧管の途中に設けられた均圧バルブと、
   前記密封容器と前記断熱容器の外部とを結ぶ吸排気管と、
   この吸排気管の途中に設けられた吸排気バルブと、
   を有する低温保持装置であって、
   前記密封容器は、前記冷却ステージと熱的に接続されて前記ガスを液化する凝縮部と、前記冷媒容器と熱的に接続されて前記ガスを蒸発させる蒸発部を有すること、
   を特徴とする低温保持装置。
3. 前記凝縮部および冷却ステージの少なくとも一方に、加熱器が取り付けられていることを特徴とする請求項１または２記載の低温保持装置。
4. 前記冷凍機は、ＧＭ／ＪＴ冷凍機または磁性蓄冷材を用いたＧＭ冷凍機であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか記載の低温保持装置。
5. 請求項３記載の低温保持装置のメンテナンス方法であって、前記ヒーターにより前記冷凍機の内部を室温程度に温度上昇させた後、室温程度になった状態の前記冷凍機をメンテナンスすること、を特徴とする低温保持装置メンテナンス方法。
6. 前記冷凍機は、ＪＴバルブを含むＪＴ冷凍機と予冷用ＧＭ冷凍機とを有するＧＭ／ＪＴ冷凍機であって、
   前記ヒータによる加熱と並行して、前記予冷用ＧＭ冷凍機を運転しない状態でＪＴ冷凍機のＪＴバルブを定常開度よりも開いて前記ＪＴ冷凍機の冷媒を循環させて冷凍機全体を昇温させ、その後に前記冷凍機のメンテナンスを行なうこと、
   を特徴とする請求項５記載の低温保持装置メンテナンス方法。

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