JP4724063B2 - Cryogenic equipment - Google Patents
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Description
本発明は、超電導コイル等の低温で稼動する機器を冷媒によって冷却し低温に保持する低温装置に関する。 The present invention relates to a low-temperature device that cools a device that operates at a low temperature, such as a superconducting coil, with a refrigerant and keeps it at a low temperature.
超電導コイル等の低温で稼動する機器は多くの場合、冷媒によって冷却される。このような低温の冷媒を保持する低温装置の容器において、特に熱侵入による冷媒の蒸発量を抑える、あるいは蒸発量をゼロにすることを目的として、冷凍機を用いることがある(特許文献1,2)。冷凍機の冷凍能力が熱侵入量よりも大きい場合には、冷媒容器は負圧になり容器内に空気を吸い込むことになる。この場合、空気中の水分が容器内に固着することにより閉塞をひき起こし、危険であることから、容器内を負圧にしないよう、容器内圧力が大気圧力程度になるように制御する必要がある。
冷媒容器内の圧力制御に求められる特性としては、信頼性、制御性、簡便性および効率性が挙げられる。
信頼性が特に求められる低温装置としては、液体窒素あるいは液体ヘリウムを冷媒として用いた超電導磁石(MRI、NMR、SMES、超電導限流器、超電導発電機、超電導変圧器、単結晶引上げ装置用超電導磁石等)のクライオスタットが挙げられる。これらの装置は通常長時間継続運転が求められており、冷凍機の高信頼性が求められるが、容器内の圧力制御に関しても同様の信頼性が求められる。
Characteristics required for pressure control in the refrigerant container include reliability, controllability, simplicity, and efficiency.
Low-temperature devices that require high reliability include superconducting magnets that use liquid nitrogen or liquid helium as refrigerants (MRI, NMR, SMES, superconducting fault current limiters, superconducting generators, superconducting transformers, superconducting magnets for single crystal pulling devices) Etc.). These devices are usually required to operate continuously for a long time, and high reliability of the refrigerator is required, but the same reliability is also required for pressure control in the container.
制御性に関しては、容器内圧力変化は様々な要因で起るため、その各々に対し迅速に追従するような制御性が求められる。例えば、外気温度のような1年周期、1日周期の変動、気圧のような数日周期の変動、およびトラブル時の不規則な変動等に対応する必要がある。 Regarding controllability, changes in the internal pressure of the container are caused by various factors, and thus controllability is required to quickly follow each of them. For example, it is necessary to deal with a one-year cycle, a daily cycle variation such as an outside temperature, a several-day cycle variation such as an atmospheric pressure, and an irregular variation at the time of trouble.
簡便性に関しては、上記の超電導磁石は通常無人運転をしており、圧力制御も自動運転が求められる。また装置の製造の点からも、構造が簡素であることがコスト低減と信頼性向上につながる。効率性に関しては、圧力制御に必要な電力を抑えるあるいはゼロにすることが求められる。 In terms of simplicity, the superconducting magnet is normally operated unattended, and automatic operation is also required for pressure control. From the standpoint of manufacturing the device, the simple structure leads to cost reduction and reliability improvement. With regard to efficiency, it is required to reduce or eliminate the power required for pressure control.
以上の課題を克服するための最良の方策として、電力を使わない、人間の操作を必要としない、電力を使う場合は、断線等のトラブルが起きにくい、等の要求を満たす必要がある。 As the best measures for overcoming the above problems, it is necessary to satisfy such requirements as not using electric power, requiring no human operation, and using electric power such that troubles such as disconnection are unlikely to occur.
例えば図6に示す従来の低温装置は、ヒーター20を冷凍機1の冷却ステージ2に取り付けているが、この部位は通常、断熱真空空間に置かれているため、ヒーター20と冷却ステージ2との熱接触が劣化した場合、ヒーター20が断熱加熱されて断線するトラブルが発生しやすい。ヒーター20の取換作業は、断熱真空容器3を開けないと行えないため、取替え作業は大きなメンテナンスコストを発生させる。
そこで本発明は、メンテナンスしやすい簡易な構成によって自動的に冷媒容器内の圧力制御を行うことのできる低温装置を提供することを目的とする。
For example, the conventional low-temperature apparatus shown in FIG. 6 has the
Therefore, an object of the present invention is to provide a low-temperature apparatus that can automatically control the pressure in the refrigerant container with a simple configuration that is easy to maintain.
上記課題を解決するために、本発明の請求項1は、冷媒液を貯留する冷媒容器と、前記冷媒容器を包囲する真空断熱容器と、前記真空断熱容器の外に設けられ前記真空断熱容器と前記冷媒容器に貫入して前記冷媒液を冷却する冷却ステージを有する冷凍機と、前記冷媒容器内の前記冷媒液液面上のガス空間に設けられ前記ガス空間の圧力変化に従って体積を変える体積可変容器と、前記真空断熱容器の外に設けられたバッファまたは体積可変容器と、前記冷媒容器内に設けられた体積可変容器と前記真空断熱容器の外に設けられたバッファまたは体積可変容器を連通する連通管と、を備えていることを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problem, claim 1 of the present invention includes a refrigerant container for storing a refrigerant liquid, a vacuum heat insulating container surrounding the refrigerant container, and the vacuum heat insulating container provided outside the vacuum heat insulating container. A refrigerator having a cooling stage that penetrates into the refrigerant container and cools the refrigerant liquid, and a variable volume that is provided in a gas space on the liquid surface of the refrigerant liquid in the refrigerant container and changes in volume according to a pressure change in the gas space. A container , a buffer or a variable volume container provided outside the vacuum insulation container, a variable volume container provided in the refrigerant container, and a buffer or variable volume container provided outside the vacuum insulation container. And a communication pipe .
本発明によれば、メンテナンスしやすい簡易な構成によって自動的に冷媒容器内の圧力制御を行うことのできる低温装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the low temperature apparatus which can perform the pressure control in a refrigerant | coolant container automatically with the simple structure which is easy to maintain can be provided.
以下、本発明の第1ないし第2の実施の形態の低温装置に関して図面を参照して説明する。
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態の第1の実施例を示す。すなわち、真空断熱容器3内に納められた冷媒容器4内に液体窒素、液体ヘリウム等の低温の冷媒液5が保持され、真空断熱容器3の上部に取り付けられた冷凍機1の冷却ステージ2は真空断熱容器3の上部と冷媒容器4の上部から貫入して冷媒液5に達している。冷媒液5には超電導コイル等の被冷却機器8が浸漬されている。
Hereinafter, the low temperature apparatus according to the first and second embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 shows a first example of the first embodiment of the present invention. That is, the
低温装置においては熱侵入により冷媒液5が蒸発するため、長期間冷媒の充填をしないためには冷凍機等で冷媒を冷却する必要がある。その際、熱侵入量と同じ冷凍能力をもつ冷凍機を用いれば、基本的に蒸発する冷媒は液化され、冷媒液5は長期間保持可能となる。しかし実際は、冷凍機の冷凍能力を、長期間厳密に侵入熱量と同じになるように運転することはできず、冷凍能力が小さくなれば容器内の圧力は上昇し、冷凍機の能力が大きくなれば容器内の圧力は低下する。通常は、冷凍能力が熱侵入量よりも大きい冷凍機を用いて、過剰な冷凍能力分はヒーター等の負の制御系により加熱して容器内の圧力を一定に保持する手段がとられる。従って本実施例における冷凍機1は熱侵入量より大きい冷凍能力を持っているものとする。
In the low-temperature apparatus, the
本実施例の低温装置は更に、冷媒容器4内に体積可変容器であるベローズ6を設け、ベローズ6の外側は冷媒容器4の内圧に面し、内側は室温部に所定の容積を持つバッファ15に連通管7で連結した構成とする。このときベローズ6の上端を冷媒液5の温度よりも高い温度の位置に取り付けることで、伸縮するベローズ6自体を熱侵入量制御のための熱伝導部材として機能させることもできる。熱伝導を良くする必要がある場合には、銅、銀、金等の金属部材で構成されたベローズ6を用いる。
本実施例によれば、冷媒液5の蒸発凝縮に従ってベローズ6が伸縮して冷媒容器4の内圧を大気圧程度に自動的に保つことができる。
The low-temperature apparatus of the present embodiment further includes a
According to the present embodiment, the
図2は本実施の形態の第2の実施例を示し、第1の実施例(図1)における室温バッファ15の代わりに、体積可変容器である室温側ベローズ16を設けた構成である。本実施例は、室温側ベローズ16を設けたことにより、冷媒容器4内の単位圧力変化あたりの低温側に付けたベローズ6のストローク量が大きくなり、圧力制御幅が広くなるメリットがある。このとき、室温側のベローズ16に、可動範囲を制限する停止装置、圧力を確認できる目盛、手動で伸縮量を調整できる装置等を取り付けることで、圧力制御性が更に向上する。また、低温側のベローズ6にも、可動範囲制限用の停止装置を取り付けることで、異常圧力発生時の保護が可能となる。
FIG. 2 shows a second example of the present embodiment, in which a room
図3は本実施の形態の第3の実施例を示し、低温側のベローズ6内と、室温側のベローズ16内を連通する連通管7の途中に冷媒液5および冷媒ガスとの熱交換部17を設けた構成である。熱交換部17により冷媒液5への熱侵入量の調整を行うことができる。冷凍機1の能力が勝り、冷媒容器4内の圧力が低下した際には、低温側のベローズ6が伸び、内部容積が大きくなるため、室温側のベローズ16内のガスを吸い込むが、このとき熱交換部17で熱侵入量が増えるため冷媒液5が蒸発し冷媒容器4の内圧が上昇する。逆に冷媒容器4の内圧が増加した際は、低温側のベローズ6内の低温ガスが熱交換部17に通るため、熱侵入量の増加は起きない。室温側のベローズ16には、可動部移動範囲制限のための停止装置、圧力確認用目盛、手動調整装置等を取り付けた構成としてもよい。また室温側ベローズ16を容積変化のないバッファに置き換えた構成としてもよい。
FIG. 3 shows a third example of the present embodiment, in which the heat exchange section between the
(第2の実施の形態)
図4は本発明の第2の実施の形態の第1の実施例を示し、冷媒液5中に設けたヒーター20および蒸発ガス溜め容器25と、冷媒容器4の上部から真空断熱容器3の外部へ突出して設けた圧力計22と、配線21,23によってヒーター20と圧力計22に接続された圧力制御器24とを備えた構成である。
(Second Embodiment)
FIG. 4 shows a first example of the second embodiment of the present invention. The
本実施例は、ヒーター20による加熱、加圧方式を採用しているが、冷媒容器4内に、ヒーター20の加熱により発生した蒸発ガスをいったん溜める容器25を設けている。こうすることで蒸発ガスが、冷媒容器4内の冷媒液5、あるいは冷媒液5面上部のガス空間の温度勾配を乱すことなく、内部ガス容積を安定して増加させることができる。そのため、ヒーター加熱に対する圧力上昇の応答性を向上させることができる。
In the present embodiment, a heating and pressurizing method using the
図5は、本実施の形態の第2の実施例を示す。本実施例は、再凝縮用の冷凍機1を冷凍機着脱機構27によって着脱可能な構成とし、圧力制御用のヒーター20を冷却ステージ2に取り付けた構成である。本実施例ではヒーター20の取換が容易である。更に冷凍機1として、蓄冷式GM冷凍機、GM型パルスチューブ冷凍機を用いることで、冷却ステージ2の温度制御が容易となる。
FIG. 5 shows a second example of the present embodiment. In this embodiment, the recondensing
1…冷凍機、2…冷却ステージ、3…真空断熱容器、4…冷媒容器、5…冷媒液、6…ベローズ、7…連通管、8…被冷却機器、15…室温バッファ、16…室温側ベローズ、17…熱交換部、20…ヒーター、21,23…配線、22…圧力計、24…圧力制御器、25…蒸発ガス溜め容器、26…再凝縮器、27…冷凍機着脱機構。
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