JP4855990B2 - 再凝縮装置、その取り付け方法およびそれを用いた超電導磁石 - Google Patents

Description

本発明は、超電導機器に使用される冷媒の蒸発ガスを再冷却、再凝縮することで、冷媒の使用量を低減する再凝縮装置、その取り付け方法およびそれを用いた超電導磁石に関する。

超電導機器に使用される極低温冷媒の蒸発ガスを再凝縮、再液化し、元の容器に戻すことで、ランニングコストの大幅な低減が可能である。再凝縮、再液化の手段としては、冷媒の液化温度（沸点）以下に冷却が可能な冷凍機が必要となる。

液化冷凍機を含めた極低温容器を新たに設計、製作する場合は、冷凍機は容器（クライオスタット）に据付けた構造をとることが可能だが、減少した冷媒の補充が必要な、冷凍機を備えていない極低温断熱容器に、再凝縮用の冷凍機を取り付けるためには、通常いくつかの制約を受ける。例えば、室温と極低温冷媒容器を結ぶポート（筒状の液、ガス通路）は主な熱侵入源になるため極力、内径を小さくしている。そのため、再凝縮用冷凍機を取り付けるためにはポートの形状の制約を受ける。

図３に、冷凍機のない断熱真空容器のポートに取り付けるタイプの、従来の再凝縮装置の構成図を示した。この例では、真空容器２に取り付けられた２段膨張方式の極低温冷凍機１の２段冷却ステージ４に、熱的に取り付けられた凝縮容器５は、トランスファーチューブ６を介して、図示されていない極低温断熱容器の冷媒容器内とつながっている。凝縮容器５内には冷媒の蒸発ガスが導入され、冷却ステージによって液化された冷媒は、同じくトランスファーチューブ６を通って重力により下降し、容器に還元される。なおトランスファーチューブは上端から下端まで冷媒と同レベルの温度となっている必要があるため、その外周には断熱のための筒状の真空容器３が設けられている。この真空容器３の外径は、極低温断熱容器の取付けポートの内径よりも小さい必要があり、また、真空容器３の上部付近には、容器内と大気との混入を防ぐためのシール部が必要である。このシール部は、通常室温部に設けられているため、真空容器３から容器内への筒部材を通した熱伝導による熱侵入量を低減するために、ポートの長さと同程度の長さが必要となる。
特開２００２−１２４４１０公報

従来の再凝縮装置の構成では、再凝縮装置を取り付ける際、凝縮容器へのアクセスはトランスファーチューブのみであり、空気等の不純物が入らないように装着することが困難である。不純物が入った場合、凝縮熱交換器の表面に不純物固体が付着することで、凝縮の際に冷凍機と液との温度差が増大し、効率の低下を招く恐れがあった。

また、冷凍機、あるいは蒸発ガスを液化する凝縮部が冷却容器側に取り付けられている場合は、冷凍機のメンテナンス等のため、冷凍機本体を取り外すことが困難である。冷凍機は定期的にメンテナンスが必要であり、しかも装置の稼動を極力止めないためには簡易に冷凍機が取り出せ、しかも不純物の混入等により低温部の閉塞が起きない構成が求められている。

本発明は、上述した課題を解決するために、トランスファーチューブへの不純物吸着を防ぐことを目的とする。

本発明に係る再凝縮装置は、少なくとも一つの冷却ステージを備えた冷凍機と、冷却ステージと熱的に接続された凝縮熱交換器を内蔵した凝縮容器と、凝縮容器を収納した断熱真空容器と、凝縮容器で凝縮した冷媒を冷媒貯蔵容器に導入するトランスファーチューブと、断熱真空容器に接続され前記トランスファーチューブの外周を覆う真空筒と、冷媒貯蔵容器の電流導入ポートに接続され蒸発ガスを回収する蒸発ガス導入配管と、蒸発ガス導入配管に接続され蒸発ガスを昇圧するコンプレッサと、コンプレッサで昇圧されたガスを凝縮容器に導入する加圧配管とを備えた再凝縮装置であり、この再凝縮装置を前記冷媒貯蔵容器に装着する際に、冷媒と同じ成分の加圧した室温ガスを、前記トランスファーチューブの先端より排気しながら取り付けるように開度が制御される前記加圧配管に取り付けられたバルブと、を備えたことを特徴とする。

本発明に係る再凝縮装置の取り付け方法は、再凝縮装置を冷媒貯蔵容器に装着する際に、加圧配管から冷媒と同じ成分の加圧したガスを供給し、トランスファーチューブの先端よりガスを排気しながら取り付けることを特徴とする。

本発明に係る再凝縮装置を用いた超電導磁石は、再凝縮装置で超電導コイルを浸漬して冷却する冷媒の蒸発ガスを再凝縮することを特徴とする。

本発明によれば、トランスファーチューブへの不純物吸着を防ぐことができる。

本発明に係る再凝縮装置、その取り付け方法およびそれを用いた超電導磁石の実施形態について、図１および図２を参照して説明する。

図１は、本発明に係る再凝縮装置の実施の形態を示す図である。

冷凍機１は、１段冷却ステージ１０と２段冷却ステージ４を備えている。冷凍機１の２段冷却ステージ４には図示しない凝縮熱交換器が熱的に接続されており、凝縮熱交換器は凝縮容器５に内蔵されている。２段冷却ステージ４および凝縮容器５は断熱真空容器２に収められている。凝縮容器５内で凝縮、液化した冷媒は重力により降下しトランスファーチューブ６により断熱容器用真空容器２０へと導入される。トランスファーチューブ６の外周は断熱のための細管の真空筒３で覆われている。真空筒３は、上端で断熱真空容器２と接続され断熱真空容器２と真空を共有し、下端でトランスファーチューブ６下端近くの外周に溶接等の手段で接続され閉じている。トランスファーチューブ６は、断熱容器用真空容器２０の注液用ポート１９および電流導入ポート１７に挿入する方法で着脱が可能な構成となっている。断熱容器用真空容器２０内の断熱容器用冷媒貯蔵容器２１には冷媒２２が貯蔵されている。電流導入ポート１７には蒸発ガス導入配管１５が接続されており、蒸発ガスを回収している。蒸発ガス導入配管１５には、蒸発ガスを昇圧するコンプレッサ１４と、昇圧されたガスを溜める室温部バッファ１３とが接続されている。室温部バッファ１３には加圧配管７と逆支弁９とが接続されている。なお、逆支弁９は加圧配管７に設けてもよい。加圧配管７は凝縮容器５に接続されており、冷媒と同じ成分のガスを加圧して導入する。加圧配管７の断熱真空容器２外には、室温部バッファ１３から凝縮容器５に適量の流量でガスを導くためのバルブ８とガスを貯蔵する低温バッファ１２とを設ける。加圧配管７の途中に１段冷却ステージ１０によりガスを予冷するための熱交換器１１を備える。１段冷却ステージ１０、２段冷却ステージ４、凝縮容器５のいずれかに温度制御用ヒーター及び温度計１６を設ける。温度制御用ヒーターおよび冷凍機１の入力電力を制御する制御装置を設け、断熱容器用真空容器２０が大気圧力よりも低くならない温度、すなわち冷媒の大気圧力での飽和温度以上、かつ液化が可能な温度以下になるように制御する。

再凝縮装置を被冷却体である断熱容器用真空容器２０に装着する際、加圧配管７に取り付けられたバルブ８より、冷媒と同じ成分の加圧した室温ガスを供給し、トランスファーチューブ６の先端よりガスを排気しながら取り付けることで、他成分のガス（空気等の不純物）がトランスファーチューブ６内に吸着するのを防ぐことができる。

また、逆支弁９は断熱真空容器２が所定の圧力以上になるとガスを放出するので、断熱真空容器２の圧力上昇を抑えることができ、低温バッファ１２を備えることで蒸発ガスが多い場合の圧力上昇を抑え、蒸発ガスが少ない際に再液化させるため、効率よく再凝縮ができる。さらに、加圧配管７の途中に１段冷却ステージ１０によりガスを予冷するための熱交換器１１を備えることで、効率よく再凝縮することができる。

以上のことから、本実施の形態によれば、再凝縮装置を被冷却体である断熱容器用真空容器２０に装着する際、加圧配管７から冷媒と同じ成分のガスを加圧しながら挿入することで、他成分のガス（空気等の不純物）がトランスファーチューブ６内に吸着するのを防ぐことができるので、性能が向上し、かつ、装着の作業での不純物混入によるトラブルを回避できるので、操作性が向上する。さらに、装着後も、断熱容器用真空容器２０の電流導入ポートからの蒸発ガスを加圧配管７から導入し、再凝縮を行なうことができ、装着後も再凝縮の効率を向上させることができる。

なお、本実施の形態では、冷凍機１として、ギフォードマクマホン冷凍機、スターリング冷凍機、パルスチューブ冷凍機等の蓄冷式の２段冷凍機を用い、凝縮させる冷媒として、ヘリウムを用いる場合を説明したが、冷凍機１として、ギフォードマクマホン冷凍機、スターリング冷凍機、パルスチューブ冷凍機等の蓄冷式の１段冷凍機を用い、凝縮させる冷媒として窒素を用いてもよい。

図２は、本発明に係る再凝縮装置を用いた超電導磁石の実施の形態を示す図である。

図２は、図１の断熱容器用真空容器２０の冷媒２２に超電導コイル２３を内蔵し、電流導入ポート１７から超電導コイルに電流を流すための電流リード２４を導入したものである。図１と重複する部分の説明は省略する。

電流リード２４の材質は銅、リン脱酸銅等が用いられ、所定の電流を流した際に、電気抵抗による発熱と、室温からの伝導による熱侵入量との合計が最小になるよう、材質、太さ、長さが決められる。その際、電流リード２４からの熱侵入量に応じた冷媒の蒸発が起こり、蒸発ガスは電流導入ポート１７を、電流リード２４を顕熱により冷却することで電流リード２４からの熱侵入量は低減される。ガス自身は温まり、最終的には室温近くまで昇温される。このように、ガス冷却を前提とした電流リード２４は、蒸発ガスの顕熱を使用するため、低温のまま再凝縮ができない。

本実施形態では、蒸発ガスにより電流リードを冷却し、かつそのガスを再凝縮装置により液化することで、断熱容器用真空容器２０に戻すことができる。また、通電、励磁、消磁、非通電時で熱負荷が大幅に変わるが、冷凍機の能力以上の熱負荷が発生している際は室温部バッファ１３および低温部バッファ１２に蒸発ガスを溜めておき、冷凍能力に余裕がある非通電時に、室温部バッファ１３および低温部バッファ１２に溜まっているガスを冷却、再凝縮することで効率よく液化ができ、ランニングコストの大幅な低減が可能となる。

以上のことから、本実施形態では、超電導磁石に使用される冷媒の蒸発ガスを再冷却、再凝縮することで、冷媒の使用量の低減（あるいは使用量０）を図り、かつ注液作業の頻度を低減させる（あるいはなくす）ことで、大幅なランニングコストの低減が可能になる。

なお、本発明は、MRI（Magnetic Resonance Imaging）、単結晶引上げ装置用超電導マグネット、NMR（Nuclear Magnetic Resonance）等、冷媒を用いた極低温容器全般に適用が可能である。

本発明の実施形態による再凝縮装置を示す図。 本発明の実施形態による再凝縮装置を用いた超電導磁石を示す図。 従来の再凝縮装置を示す図。

符号の説明

１ 冷凍機
２ 断熱真空容器
３ 真空筒
４ ２段冷却ステージ
５ 凝縮容器
６ トランスファーチューブ
７ 加圧配管
８ バルブ
９ 安全弁
１０ １段冷却ステージ
１１ 熱交換器
１２ 低温部バッファ
１３ 室温部バッファ
１４ コンプレッサ
１５ 蒸発ガス導入配管
１６ 温度制御用ヒーター及び温度計
１７ 電流導入ポート
１８ 室温シール部
１９ 注液用ポート
２０ 断熱容器用真空容器
２１ 断熱容器用冷媒貯蔵容器
２２ 冷媒
２３ 超電導コイル
２４ 電流導入リード

Claims (11)

1. 少なくとも一つの冷却ステージを備えた冷凍機と、
   前記冷却ステージと熱的に接続された凝縮熱交換器を内蔵した凝縮容器と、
   前記凝縮容器を収納した断熱真空容器と、
   前記凝縮容器で凝縮した冷媒を冷媒貯蔵容器に導入するトランスファーチューブと、
   前記断熱真空容器に接続され前記トランスファーチューブの外周を覆う真空筒と、
   前記冷媒貯蔵容器の電流導入ポートに接続され蒸発ガスを回収する蒸発ガス導入配管と、
   前記蒸発ガス導入配管に接続され蒸発ガスを昇圧するコンプレッサと、
   前記コンプレッサで昇圧されたガスを前記凝縮容器に導入する加圧配管と、
   を備えた再凝縮装置であり、
   この再凝縮装置を前記冷媒貯蔵容器に装着する際に、冷媒と同じ成分の加圧した室温ガスを、前記トランスファーチューブの先端より排気しながら取り付けるように開度が制御される前記加圧配管に取り付けられたバルブと、
   を備えたことを特徴とする再凝縮装置。
2. 前記加圧配管に設けられ前記コンプレッサで昇圧されたガスを溜める第１のバッファと、
   前記断熱真空容器内に設けられガスを貯蔵する第２のバッファと
   を備えたことを特徴とする請求項１記載の再凝縮装置。
3. 前記加圧配管または前記第１のバッファに設けられ前記断熱真空容器が所定の圧力以上になると前記断熱真空容器からガスを放出する逆止弁と
   を備えたことを特徴とする請求項２記載の再凝縮装置。
4. 前記冷却ステージにより前記加圧配管を流れるガスを冷却する熱交換器を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の再凝縮装置。
5. 前記冷却ステージまたは前記凝縮容器に設けられた温度制御用ヒーターと、
   前記温度制御用ヒーターを制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、冷媒の大気圧力での飽和温度以上かつ液化が可能な温度以下に制御することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の再凝縮装置。
6. 前記冷凍機の入力電流を制御する制御装置を備え、
   前記制御装置は、冷媒の大気圧力での飽和温度以上かつ液化が可能な温度以下に制御することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の再凝縮装置。
7. 前記冷凍機は、蓄冷式の２段冷凍機であり、凝縮させる冷媒は、ヘリウムであることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の再凝縮装置。
8. 前記冷凍機は、蓄冷式の１段冷凍機であり、凝縮させる冷媒は、窒素であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の再凝縮装置。
9. 請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の再凝縮装置を前記冷媒貯蔵容器に装着する際に、前記加圧配管から冷媒と同じ成分の加圧したガスを供給し、トランスファーチューブの先端よりガスを排気しながら取り付けることを特徴とする再凝縮装置の取付け方法。
10. 請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の再凝縮装置で超電導コイルを浸漬して冷却する冷媒の蒸発ガスを再凝縮することを特徴とする再凝縮装置を用いた超電導磁石。
11. 前記超電導コイルに電流を流すための電流導入リードが前記電流導入ポートから導入されていることを特徴とする請求項１０記載の再凝縮装置を用いた超電導磁石。

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