JP4886552B2

JP4886552B2 - 超電導コイルの冷却装置およびこれに用いる通気板

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Publication number: JP4886552B2
Application number: JP2007049818A
Authority: JP
Inventors: 茂吉田; 賢悦上森; 友哉大田
Original assignee: IHI Corp; Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: IHI Corp; Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 2007-02-28
Filing date: 2007-02-28
Publication date: 2012-02-29
Anticipated expiration: 2027-02-28
Also published as: JP2008215640A

Description

本発明は、超電導モータや超電導トランス等に用いられる超電導コイルを、液体窒素などの液体冷媒で低温に冷却して超電導状態を発生させるための冷却装置、および当該冷却装置を構成するバイオネット継手に装着して用いられる通気板に関する。

この種の冷却装置としては、超電導コイルを収容した断熱性の容器に対して、冷凍機で冷却した液体窒素をポンプで循環供給する超電導コイル冷却保持装置が知られている（下記特許文献１：図３，４を参照）。

一般に液体窒素などの液体冷媒を輸送するためのポンプとしては、（ア）遠心ポンプに代表される、羽根車などの回転体を液体冷媒中で軸回転させることでこれに運動量を与えて移送するポンプと、（イ）往復動ポンプに代表される、ピストンなどの往復動体によって液体冷媒を押しのけることでこれを圧送するポンプとが用いられている。

遠心ポンプは、羽根車の連続的な回転により、移送される液体冷媒には常に安定的な圧力を得ることができるという利点がある。
一方、往復動ポンプは、ピストンなどの往復動によって液体冷媒の吸い込みと吐き出しとを繰り返す方式をとるため、吸込工程では液体冷媒が低圧となり、吐出工程では逆に高圧となる、いわゆる脈動が生じてしまうという問題がある。

ここで、超電導コイルを収容する容器の材料にはＦＲＰなどの樹脂材料を用いることが通常である。熱伝導性が低くて外部雰囲気との熱授受が小さく、非磁性材料であって磁束の閉ループが形成されることがなく、さらに非導電性材料であるために超電導コイルの磁束に起因して渦電流が容器に発生することがなく抵抗発熱が生じないためである。
かかる容器を樹脂製とするにあたっては、樹脂材料は溶接による接合ができないことから、半割容器を併せてコイルを覆ったうえで容器同士を接着接合する必要がある。樹脂材料同士の接着には、接着力が強力で耐水性や充填効果が高いことからエポキシ系接着剤が一般に用いられている。

しかし、エポキシ系接着剤は低温で脆性破壊するため、超電導コイルの収容容器のように液体冷媒の低温に長期間曝される場合はクラックが生じるなどして強度が低下する懸念がある。特に、液体冷媒を循環させるために往復動ポンプを用いた場合、容器の内圧はポンプの脈動によって高圧と低圧とが繰り返されるため、かかる圧力負荷によって接着剤の低温脆性破壊が促進されて容器の液漏れが容易に生じる虞がある。
このため従来のこの種の冷却装置においては、下記特許文献中には明示の記載はないものの、脈動のない遠心ポンプを用いることが当業者の技術常識であった。

特開２００６−１６５４１８号公報

液体冷媒の循環供給に遠心ポンプを用いた場合、軸回転する羽根車から液体冷媒に対してその遠心方向に与えられる大きな動的エネルギーによって液体冷媒が加熱されるため、冷凍機で冷却された液体冷媒の低温に熱ロスが生じるという大きな問題がある。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、すなわち超電導コイルを収容した樹脂製の容器に、冷凍機で冷却した液体冷媒をポンプで循環供給して当該超電導コイルを臨界温度以下に冷却する冷却装置であって、実用に足る耐久性を備え、さらにポンプの駆動による液体冷媒の熱ロスを抑えることのできる冷却装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、液体冷媒を循環させるための動力源として遠心ポンプを用いることが従来の技術常識であったところ、敢えてこれに往復動ポンプを用いることを試みた。その結果、往復動ポンプで圧送される液体冷媒の脈動を緩和する手段を併用することにより、脈動を完全には除去せずとも、超電導コイルの収容容器を接合する接着剤の低温脆性破壊の発生を実用的なレベルにまで抑制することが可能であるという知見に想到し、もって本発明の完成に至った。

すなわち本発明の冷却装置は、
（１）超電導コイルを収容する樹脂製の容器と、液体冷媒を貯留するタンクと、タンクに貯留される液体冷媒を冷却する冷凍機と、容器とタンクとを連通し、液体冷媒を容器とタンクとの間で循環させる配管と、タンクから容器に向けて液体冷媒を圧送する往復動ポンプと、を備える超電導コイルの冷却装置において、前記配管のうち往復動ポンプの吐出口と容器との間には、内管と外管との間が真空断熱された断熱二重構造の雄型継手及び雌型継手のそれぞれを互いに遊嵌して、前記配管同士を連結するバイオネット継手が設けられ、前記雄型継手の外管と雌型継手の内管との間には、封止ガスが封止された空隙部が形成され、前記配管のうち往復動ポンプの吐出口と容器との間には、前記圧送される液体冷媒の脈動を低減する圧力緩和装置が設けられ、前記圧力緩和装置は、前記配管から分岐して設けられた枝管と、前記バイオネット継手の雄型継手を遊挿する挿通孔および前記空隙部と前記配管の外部とを連通する通気孔が形成され、前記雄型継手及び雌型継手のそれぞれに具備されたフランジの間に挟んで気密に装着された通気板と、前記通気孔の先端開口部を覆って設けられ、弾性復元力をもつ可動壁が移動して内容積が可変に構成されたガス受容部とを有し、前記空隙部および前記通気孔は、前記枝管として用いられ、前記液体冷媒が配管内を圧送される際には、液体冷媒の液面と枝管とガス受容部とで囲まれる封止ガスの閉領域が形成されるとともに、（ａ）前記液体冷媒が前記脈動に伴う高圧で前記配管内を圧送される際には、前記液面によって前記通気孔を介して前記ガス受容部に押し出される封止ガスを、ガス受容部がその内容積を拡大させて受容し、（ｂ）液体冷媒が前記脈動に伴う低圧で前記配管内を圧送される際には、ガス受容部が、前記可動壁の弾性復元力によりその内容積を縮小することで、前記脈動を緩和するように構成したことを特徴とする超電導コイルの冷却装置；
（２）ガス受容部が、前記可動壁として袋状の弾性膜を有する上記（１）記載の超電導コイルの冷却装置；
（３）超電導コイルを収容する樹脂製の容器と、液体冷媒を貯留するタンクと、タンクに貯留される液体冷媒を冷却する冷凍機と、容器とタンクとを連通し、液体冷媒を容器とタンクとの間で循環させる配管と、タンクから容器に向けて液体冷媒を圧送する往復動ポンプと、を備える超電導コイルの冷却装置において、前記配管のうち往復動ポンプの吐出口と容器との間には、内管と外管との間が真空断熱された断熱二重構造の雄型継手及び雌型継手のそれぞれを互いに遊嵌して、前記配管同士を連結するバイオネット継手が設けられ、前記雄型継手の外管と雌型継手の内管との間には、封止ガスが封止された空隙部が形成され、前記配管のうち往復動ポンプの吐出口と容器との間には、前記圧送される液体冷媒の脈動を低減する圧力緩和装置が設けられ、前記圧力緩和装置は、前記配管から分岐して設けられた枝管と、前記バイオネット継手の雄型継手を遊挿する挿通孔および前記空隙部と前記配管の外部とを連通する通気孔が形成され、前記雄型継手及び雌型継手のそれぞれに具備されたフランジの間に挟んで気密に装着された通気板と、前記通気孔の先端開口部に設けられたオリフィスと、前記オリフィスの先端に設けられたタンクと、を有し、前記空隙部および前記通気孔は、前記枝管として用いられ、前記液体冷媒が配管内を圧送される際には、液体冷媒の液面と枝管とオリフィスとタンクとで囲まれる封止ガスの閉領域が形成されるとともに、（ａ）前記液体冷媒の脈動によって配管の内圧が上昇した際には、オリフィスを通じて前記封止ガスが前記タンクに吸い込まれ、（ｂ）前記液体冷媒の脈動によって配管の内圧が下降した際には、前記タンクから前記封止ガスを放出することで、前記脈動を緩和するように構成したことを特徴とする超電導コイルの冷却装置；
を要旨とする。

また本発明においては、
（４）配管同士を接続するバイオネット継手の雄型継手と雌型継手がそれぞれ備えるフランジに挟んで用いられ、バイオネット継手の内部と外部とを連通する通気板であって、
前記雄型継手を遊挿し、前記雄型継手の先端部の外形寸法以上の内径を有する挿通孔が板厚方向に設けられ、前記通気板の表裏面にはＯリング装着溝が前記挿通孔を囲んでそれぞれ設けられ、かつ、前記通気板の板厚内には、表裏のＯリング装着溝の間をくぐって前記雄型継手の外管と雌型継手の内管との間に形成された空隙部と前記通気板の外部とを連通する通気孔が設けられていることを特徴とする通気板；
を構成部品として用いることにより上記課題を解決する超電導コイルの冷却装置を得ることができる。

上記請求項１に記載の発明によれば、冷凍機で冷却した液体冷媒を、超電導コイルを収容した樹脂製の容器に循環供給することで、超電導コイルを低温の超電導状態に維持することができるとともに、渦電流に起因する磁束のロスや熱損の発生を防止するという基本的な効果に加え、液体冷媒の移送に往復動ポンプを用いることにより、遠心ポンプの場合に比べて、液体冷媒に与えられる動的エネルギーを低減し、液体冷媒の低温の熱ロスを抑えることができる。往復動ポンプは、ピストンなどの往復動体の駆動方向が液体冷媒の移送方向と一致しているため、同等の移送能力をもつポンプ同士で比較した場合、ポンプから液体冷媒に与えられる動的エネルギーが遠心ポンプの場合よりも小さくなるためである。
また往復動ポンプは遠心ポンプに比べて一般に機構が単純で安価に得ることができるという利点もある。
さらに、往復動ポンプの吐出口と樹脂製容器との間に設置した圧力緩和装置によって、往復動ポンプで生じる脈動を低減することにより、樹脂製容器の接合に用いる接着剤の低温脆性破壊の発生を抑え、長期間の連続運転に耐える実用的な超電導コイルの冷却装置（以下、簡単のため「冷却装置」という場合がある。）を得ることができる。

また、上記請求項１に記載の冷却装置によれば、圧力緩和装置の備える枝管内の封止ガスをガス受容部に出入りさせる方式としたことにより、封止ガスの体積が小さくても効率的に液体冷媒の脈動を解消することができる。これは、送液に接する気相を固定容器内で圧縮して脈動を緩和する通常のアキュムレータ（バッファタンク）と比べ、本発明では内容積が可変のガス受容部に封止ガスを逃がすことができるためである。すなわち、通常のバッファタンクを圧力緩和装置に用いる場合と比較して、小さな設置スペースによって同等の脈動緩和能力を得ることができる。
また、上記請求項１に記載の冷却装置によれば、断熱二重配管用の継手であるバイオネット継手のフランジ同士の間に通気板を挟みこむことで当該配管と圧力緩和装置とが連通され、バイオネット継手内のガスを封止ガスとして利用することができる。このため、既存の冷却装置の配管構成を変更することなく圧力緩和装置を後付けすることができ、コストメリットやメンテナンス性に優れる。

また本発明における更に具体的な態様である上記請求項２に記載の冷却装置によれば、可動壁に袋状の弾性膜を用いてガス受容部を構成することができるため、きわめて簡単な構成で圧力緩和装置を得ることができる。これにより圧力緩和装置の製造が安価で、その取り付けや交換が容易であるとともに、軽量でハンドリング性に優れ、さらに往復動ポンプとコイル収容容器との間の配管からぶら下げて設置することもできるため、冷却装置全体が省スペースとなる。
また、上記請求項３に記載の冷却装置によれば、空隙部とタンクとの間にオリフィスを設けることで、脈動に追随する空隙部の圧力変動のタイミングに対して、所定の容積をもつタンクの内圧の変動のタイミングを遅らせることで、空隙部の圧力の変動幅を低減し、もって液体冷媒の脈動を緩和することができる。

また本発明における更に具体的な態様である上記請求項４に記載の通気板によれば、断熱二重配管用の継手であるバイオネット継手のフランジ同士の間に通気板を挟みこむことで当該配管と圧力緩和装置とが連通され、バイオネット継手内のガスを封止ガスとして利用することができる。このため、既存の冷却装置の配管構成を変更することなく圧力緩和装置を後付けすることができ、コストメリットやメンテナンス性に優れる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて具体的に説明する。図１は、本発明の第一の実施形態にかかる冷却装置１０の構成を示す模式図である。
冷却装置１０は、超電導コイル３２を内部に収容する樹脂製の容器３０と、超電導コイル３２を冷却するための液体冷媒２２を貯留するタンク２０と、液体冷媒２２を冷却する冷凍機２４と、容器３０とタンク２０とを連通し、液体冷媒２２を容器３０とタンク２０との間で循環させる配管２６（２６ａ，２６ｂ）と、タンク２０から容器３０に向けて液体冷媒２２を圧送する往復動ポンプ４０とを備えている。
冷凍機２４で冷却された液体冷媒２２は、往復動ポンプ４０の吐出口４２より押し出されると、配管（供給管）２６ａを通じて容器３０に送られ、超電導コイル３２を冷却したのち、配管（返送管）２６ｂを通じてタンク２０に還流される。

また本発明の冷却装置１０は、配管２６のうち、往復動ポンプ４０の吐出口４２と容器３０との間に、液体冷媒２２の脈動を低減する圧力緩和装置５０を備えることを特徴とするものである。

以下、本発明の冷却装置１０の各構成要素についてそれぞれ簡単に説明する。

液体冷媒２２は、低温液化ガスであり、代表的には液体窒素が用いられるが、このほか超電導コイル３２に必要な冷却温度に応じて液体ヘリウムや液体水素などを用いることもできる。

超電導コイル３２は、いわゆる超電導材料を螺旋状に巻き回したものであり、超電導トランスや超電導モータ、超電導マグネット、各種の低温計測機器等に用いられるものである。同図では容器３０内に二つの超電導コイル３２を直列して設置してあるが、用途に応じて設置する向きや個数は適宜選択できる。

容器３０は、非導電性かつ非磁性の材料であって熱伝導率の低い樹脂材料からなる。機械的強度の観点から、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）、特にＧＦＲＰが好適に用いられる。
図示のように容器３０は、超電導コイル３２を収容する内槽３３と、これを覆う外槽３４とが互いに真空断熱された内外二重壁構造からなり、外部雰囲気と内槽３３との熱授受が遮断されている。

容器３０の形状は特に限定されるものではないが、超電導コイル３２が超電導モータである場合、軸回転する超電導コイル３２にあわせて円筒状とすることが通常である。円筒の長手方向の両端は、それぞれ図示のように滑らかに半球状とすることで応力集中を防ぐことができる。
円筒状の容器３０は、まず半割筒状に成型されて、内部に超電導コイル３２を収容したうえで互いに併せられてエポキシ樹脂系等の接着剤によって接合される。
容器３０には、連結して内槽３３に液体冷媒２２を供給するための供給口３５と、超電導コイル３２を冷却した液体冷媒２２を内槽３３から排出する排出口３７とが設けられるほか、超電導コイル３２の給電線や各種の信号線を引き出すための貫通孔（図示せず）が設けられている。

容器３０の供給口３５には図示のようにバイオネット継手３６が設けられ、容器３０側に取り付けられた雌型継手３６ａと、配管２６ａの先端に取り付けられた雄型継手３６ｂとがそれぞれ断熱二重配管構造を有している。かかる雌型継手３６ａと雄型継手３６ｂとを嵌め合わせることで、配管２６ａが内槽３３と断熱状態で連通する。
排出口３７についても同様にバイオネット継手が設けられ、配管２６ｂと内槽３３とが断熱状態で連通している。

液体冷媒２２を貯留するタンク２０は、外部雰囲気と液体冷媒２２との熱授受を抑えるため、内槽２０ａと外槽２０ｂとからなる内外二重壁構造で構成され、内槽２０ａと外槽２０ｂとの間は真空断熱されている。容器３０と異なり内部で渦電流による発熱が生じる虞はないことから、タンク２０の材料は特に限定されず、ステンレス鋼（ＳＵＳ）などの金属材料を用いることができる。

容器３０とタンク２０とを連通して液体冷媒２２を循環させる配管２６（２６ａ，２６ｂ）には、内外二重構造の真空断熱配管を用いることができる。配管２６の先端にバイオネット継手を用いることで、上述のように液体冷媒２２を外部雰囲気から断熱したまま容器３０とタンク２０とを配管２６によって連通することができる。
したがってタンク２０のうち、配管２６ｂを通じて容器３０から還流された液体冷媒２２を受け入れる受入口２８と、後述する往復動ポンプ４０の吐出口４２についても、バイオネット継手の雄型継手または雌型継手（図示せず）が取り付けられている。

冷凍機２４には、小型の蓄冷式冷凍機であるＧＭ冷凍機やスターリング冷凍機を用いることができる。蓄冷式冷凍機は作動ガスの断熱膨張によって蓄冷材を徐冷して低温を得る冷凍機であり、４Ｋ程度の極低温まで冷却されるものが近年では開発されている。冷凍機２４は、作動ガスの切換駆動をする駆動部２４ｂと、低温が発生する冷却ヘッド２４ａとを備えている。かかる冷却ヘッド２４ａを液体冷媒２２と熱的に接触させることで、液体冷媒２２を飽和温度以下に冷却した状態で容器３０に供給することができる。特に超電導コイル３２の超電導特性を向上させるため、液体冷媒２２を飽和温度以下の過冷却状態に冷却してもよい。

冷凍機２４の配置位置は特に限定されるものではなく、図示のようにタンク２０に貯留された液体冷媒２２の中に冷却ヘッド２４ａを直接浸漬（どぶ漬け）し、駆動部２４ｂをタンク２０の外部に設ける方式が代表的であるが、タンク２０とは分離して、別途の断熱容器の中に駆動部２４ｂを設置してこれに配管２６を巻き付けたり、熱交換器を用いて液体冷媒２２と冷却ヘッド２４ａとを熱接触させたりしてもよい。
すなわち、液体冷媒２２はタンク２０と容器３０との間を循環するため、その経路上のいずれかに冷凍機２４を設置することで、タンク２０に貯留される液体冷媒２２を冷却して超電導コイル３２に連続的に供給することができる。
タンク２０の外部で液体冷媒２２を冷却する場合、超電導コイル３２に所望の低温の液体冷媒２２が供給されるよう、往復動ポンプ４０と、容器３０の供給口３５との間に冷凍機２４を設けるとよい。

往復動ポンプ４０は、タンク２０から容器３０に向けて所望の流量で液体冷媒２２を圧送することができ、かつ液体冷媒２２に対して与える摩擦熱の小さいものであれば特に限定されずに用いることができる。往復動ポンプは遠心ポンプに比べて送液（液体冷媒）に作用する仕事効率が高く、ピストンポンプ（プランジャポンプ）や膜ポンプの単動形、複動形または差動形のいずれを用いてもよい。このうち特に本発明においては、図示のように、ロッド４３によって昇降駆動される仕切板４４が蛇腹筒４５によってポンプ筐体４６に連結されたベローズ往復動ポンプを好適に用いることができる。シリンダ内でピストンが往復動する通常のピストンポンプ（シリンダポンプ）と比べ、ベローズ往復動ポンプは蛇腹筒４５自体の容積が可変であってポンプ内に摺動部がないため、ポンプ自体の発熱が小さいためである。

蛇腹筒４５と仕切板４４は内筒４７に収容され、これに沿って昇降可能である。ロッド４３は図示しない油圧シリンダのピストンロッドであり、これを図中上方に引き上げると蛇腹筒４５が縮み、内筒４７に空間があく。すると逆止弁である吸入弁４１１が開いて、吸入口４１を通じて液体冷媒２２がポンプ内に流入する（吸込工程）。続けてロッド４３を押し下げると、蛇腹筒４５は伸びて内筒４７内の空間が狭まる。すると逆止弁である吐出弁４２１が開いて液体冷媒２２が吐出口４２からタンク２０外に圧送される（吐出工程）。ロッド４３が下端まで下がると吐出工程は終わり、再度ロッド４３を引き上げると、吐出弁４２１が閉じるとともに吸入弁４１１が開いて次の吸込工程が行われる。

油圧シリンダで仕切板４４とともに駆動される蛇腹筒４５は、液体冷媒２２と直接接触するかまたは仕切板４４を通じて間接に冷却され、液体冷媒２２と同等の温度となることから、これを金属ベローズとすることで伸縮動作の凍結を防止するとよい。

圧力緩和装置５０は、往復動ポンプ４０が吸込工程と吐出工程とを繰り返すことで生じる液体冷媒２２の脈動を、容器３０に至る前に解消するものである。したがって圧力緩和装置５０は、配管２６のうち往復動ポンプ４０の吐出口４２の二次側と容器３０の一次側との間に設けられる。
図１では、吐出口４２と容器３０との間に圧力緩和装置５０を設けるという意味でこれを概念的に図示しているが、具体的な圧力緩和装置５０の配置位置としては、吐出口４２や供給口３５に設けられたバイオネット継手に組み込んで設けることもでき、また上述のように冷凍機２４をタンク２０と分離してその後段に設ける場合は、配管２６ａと冷凍機２４との間に設置してもよい。

圧力緩和装置５０は、圧送される液体冷媒２２の脈動を解消することができるものであれば作動原理は特に限定されるものではなく、大別すると（ａ）脈動の高圧または低圧に応じて液体冷媒２２の流路を拡張または収縮する流路拡張方式と、（ｂ）脈動の高圧と低圧の変動と逆位相の圧力を液体冷媒２２に与える打消方式とが考えられる。

流路拡張方式（ａ）としては、（ａ１）固定容器内で気相と液相（液体冷媒２２）とを隔膜で隔て、脈動にあわせて隔膜を揺動させることで液体冷媒２２の流路を拡張または収縮するアキュムレータ（バッファタンク）や、（ａ２）後述する第二の実施形態のように、液体冷媒２２と接する気相を出し入れする袋状の弾性膜（バルーン）などを例示することができる。

打消方式（ｂ）としては、（ｂ１）容器３０に供給する液体冷媒２２の流路を二式（複数式）とし、往復動ポンプ４０から圧送される液体冷媒２２の圧力変動と、他の往復動ポンプから圧送される液体冷媒の圧力変動とが逆位相となるよう、吸込工程と吐出工程のタイミングをずらす方式や、（ｂ２）後述する第三の実施形態のように、液体冷媒２２と接する気相を、オリフィスを介してタンクに出し入れさせる方式などを例示することができる。

図２は、本発明の第二の実施形態にかかる圧力緩和装置５０を示す断面模式図であり、同図（ａ）は圧力緩和装置５０が組み込んで設けられる、容器３０の供給口３５に設けられたバイオネット継手３６（３６ａ，３６ｂ）の断面図である。また同図（ｂ）は、ガス受容部としてのバルーン５４が連通した通気板５２により構成された圧力緩和装置５０と、これを挟み込む雌型継手３６ａおよび雄型継手３６ｂの断面図である。
図３は、第二の実施形態にかかる圧力緩和装置５０とバイオネット継手３６の分解図である。
また図４は通気板５２の三面図であり、同図（ａ）はその平面図、同図（ｂ）は正面図、同図（ｃ）は側面図である。図２，３に示す圧力緩和装置５０の断面模式図は、図４（ｂ）の正面視方向に対する縦断面図である。

図２（ａ）に示すようにバイオネット継手３６は、雌型継手３６ａと雄型継手３６ｂがそれぞれ備えるフランジ３６１ａ，３６１ｂを、Ｏリング３６５を挟んで互いに気密に接合してなる。フランジ３６１ａ，３６１ｂ同士の接合はネジ等の緊締具３６７によって着脱自在に行うことが通常であり、したがってフランジ３６１ａ，３６１ｂにはそれぞれ、ネジ留め用の通孔（図示せず）が穿設されている。またフランジ３６１ａ，３６１ｂには、Ｏリング装着溝３６６ａ，３６６ｂ（図３を参照）が設けられている。

雌型継手３６ａは、内管３６２ａと外管３６３ａとの間が真空断熱された断熱二重構造を備え、図中上端の開口部が大径に形成されている。
一方、雄型継手３６ｂもまた内管３６２ｂと外管３６３ｂとの間が真空断熱された断熱二重構造を備え、図中下方の開口部が小径に形成されている。また雌型継手３６ａの内管３６２ａの内径と雄型継手３６ｂの内管３６２ｂの内径とは同一に構成されている。
これにより、雄型継手３６ｂの開口端を雌型継手３６ａの開口端に挿入することで、雄型継手３６ｂの内管３６２ｂ内を流れる液体冷媒２２は、外部雰囲気と断熱されたまま雌型継手３６ａの内管３６２ａに流れ込むことができる。

雄型継手３６ｂの先端部には、外管３６３ｂの外周にラジアルシール３６４が周着されて、雌型継手３６ａの内管３６２ａと、雄型継手３６ｂの外管３６３ｂとの間に形成される空隙部３６８に液体冷媒２２が出入りすることを極力防止している。空隙部３６８には外部空気が封止ガス３６９として残置されるが、液体冷媒２２として液体窒素を内管３６２ａに流通させた場合、残置された空気中の酸素（大気圧下での飽和温度は９０．１８Ｋ）は液体窒素との界面にて凝集し、封止ガス３６９は、凝集されずに残った窒素ガスおよびその他の微量ガス成分と、液体窒素の気化ガスとが混合されてほぼ窒素ガスのみとなる。また液体冷媒２２として液体ヘリウムなど窒素よりも飽和温度の低い物質を用いた場合は、当該空気中の窒素と酸素が凝集し、封止ガス３６９は実質的に液体冷媒２２の気化ガスとなる。したがってかかる封止ガス３６９は、液体冷媒２２の液面と、雄型継手３６ｂの外管３６３ｂと、雌型継手３６ａの内管３６２ａとで囲まれる閉領域である空隙部３６８に存在することになる。

これに対し図２（ｂ）に示す本実施形態の圧力緩和装置５０は、この封止ガス３６９を有効に用いて液体冷媒２２の脈動を緩和することを特徴とする。
圧力緩和装置５０は、雌型継手３６ａのフランジ３６１ａと雄型継手３６ｂのフランジ３６１ｂとの間に通気板５２を挟着し、さらに通気板５２に横孔として設けられた通気孔５２２とバルーン５４とを接続管５６で連通して得ることができる。

図３および図４に示すように、通気板５２には雄型継手３６ｂの先端部を挿通するための挿通孔５２１が板厚方向に設けられ、かつその表裏面にはＯリング装着溝５２３，５２４が挿通孔５２１を囲んでそれぞれ設けられている。通気板５２に削成されたＯリング装着溝５２３，５２４は、バイオネット継手３６のフランジ３６１ａ，３６１ｂに削成されたＯリング装着溝３６６ａ，３６６ｂと同径である。したがって挿通孔５２１の最大内径は上記のようにフランジ３６１ａ，３６１ｂに予め設けられたＯリング装着溝３６６ａ，３６６ｂの内径以下である。また挿通孔５２１の最小内径は、雄型継手３６ｂの先端部の外管３６３ｂの外径以上とする必要があるが、外管３６３ｂがラジアルシール３６４を備える場合は、挿通孔５２１に雄型継手３６ｂを挿入する際に互いに干渉しないよう、ラジアルシール３６４の外径寸法以上とする。すなわち挿通孔５２１の内径は、雄型継手３６ｂ先端が遊挿可能な寸法とする。

これにより、フランジ３６１ａと通気板５２の間、および通気板５２とフランジ３６１ｂとの間に、それぞれＯリング３６５ａ，３６５ｂを挟みつつ通気板５２をフランジ３６１ａ，３６１ｂの間に介装することで、雄型継手３６ｂと雌型継手３６ａとは外部雰囲気との断熱状態を保ったまま互いに接合される。なお、雄型継手３６ｂと雌型継手３６ａの挿入深さは通気板５２の板厚分だけ浅くなるが、通常のバイオネット継手３６においては、かかる挿入深さは十分に用意されているため、継手同士の嵌合が不十分となることはない。
なお通気板５２には、緊締具３６７を挿通するための通孔５２５が、フランジ３６１ａ，３６１ｂの通孔に対応する位置に設けられている。また本実施形態では一枚の通気板５２をフランジ３６１ａ，３６１ｂの間に装着しているが、二枚以上の板体を組み合わせて通気板５２を構成してもよい。

通気板５２には、上記のようにその板厚内に通気孔５２２が設けられている。通気孔５２２を、通気板５２の表裏に設けられたＯリング装着溝５２３，５２４の間をくぐってその内側と外側とを連通するように設けることにより、バイオネット継手３６の内部に形成された空隙部３６８と通気板５２の外部とが通気孔５２２によって連通する。
通気孔５２２の態様としては、図示のように挿通孔５２１と周面５２６とを連通する横孔とするほか、Ｏリング装着溝５２３，５２４の間をくぐる横孔の一端または両端を通気板５２の板厚方向に折り曲げてその上面または下面に開口端を設けた曲孔としてもよい。

本実施形態の圧力緩和装置５０は、液体冷媒２２を流通する配管から枝管を分岐して設けることで液体冷媒２２の流路を脈動にあわせて一時的に拡張可能にするとともに、枝管の先端開口部に内容積が可変のガス受容部を設けることで、当該枝管と液体冷媒２２の液面２２１とガス受容部とで囲まれる封止ガス３６９をガス受容部に出し入れ可能としたものである。

具体的には、図２（ｂ）に図示する本実施形態の圧力緩和装置５０では、内管３６２ａ，３６２ｂから分岐する枝管として、バイオネット継手３６の空隙部３６８、および通気板５２の通気孔５２２を用いている。

また通気孔５２２の先端開口部を覆って設けられるガス受容部として、袋状の弾性膜であるバルーン５４、および接続管５６が常温かつ大気圧下で設けられている。バルーン５４は、ガス受容部の内容積を可変とする可動壁として作用する。
かかる状態で、所定の吐出圧で往復動ポンプ４０により液体冷媒２２を圧送した場合、バルーン５４内には液体冷媒２２の気化ガスと空気との混合ガスが大気圧＋吐出圧に相当する内圧で貯留され、また封止ガス３６９は接続管５６を介して空隙部３６８とバルーン５４との間を往来することができる。

したがって、雄型継手３６ｂの内管３６２ｂの内部を流れる液体冷媒２２の吐出圧が脈動によって一時的に高圧になった場合、内管３６２ｂから分岐する空隙部３６８に液体冷媒２２が流れ込むことでその流路を拡大して当該高圧を緩和することができる。
ここで、図２（ａ）に示す通常のバイオネット継手３６では空隙部３６８が閉領域であるため、液体冷媒２２の液面２２１の昇降は、僅かな体積にすぎない封止ガス３６９自身の膨張／収縮変形によって受ける必要があり、仮に雌型継手３６ａの内管３６２ａとラジアルシール３６４との隙間から液体冷媒２２が空隙部３６８に流入可能、すなわち液面２２１が昇降可能であったとしても、液体冷媒２２の脈動の解消効果は極めて僅かである。
これに対し、本実施形態の圧力緩和装置５０によれば、液体冷媒２２の脈動（高圧）に伴って液面２２１により押し上げられた封止ガス３６９は接続管５６を通じてバルーン５４に逃げることができるため、液面２２１は脈動の高低に応じて比較的自由に昇降可能となり、液体冷媒２２の僅かな脈動をも吸収することができる。逆に液体冷媒２２が低圧となった場合、封止ガス３６９およびバルーン５４内に貯留された気化ガス（＋空気）が空隙部３６８に流入するため、液体冷媒２２は液面２２１を低下させて流路を一時的に縮小し、脈動の低圧を解消することができる。
なお、本発明でいう液面２２１の昇降とは、液体冷媒２２と空隙部３６８との界面が脈動によっていずれかの方向に移動することをいい、必ずしも鉛直方向に対する上下動を意味するものではない。

なお、バルーン５４を常温雰囲気下に置いた場合、その内部に貯留される気化ガスや空気は常温またはこれに近い温度となることから、封止ガス３６９の出入りによって空隙部３６８には比較的高温のガスが流入することになるが、その流量は僅かであるとともに、封止ガス３６９の比熱は液体冷媒２２のそれに比べて圧倒的に小さいことから、液体冷媒２２の低温を奪う熱ロスとしては無視できる。少なくとも、従来の冷却装置で用いられている遠心ポンプの羽根車と軸受との間で生じる摺動摩擦熱の発熱量と比較すると、バルーン５４から流入する熱量は小さいものといえる。

バルーン５４は弾性膜であるため、脈動の高圧時には封止ガス３６９が流入することでその内容積を拡大させてこれを受容し、脈動の低圧時には弾性復元力によって内容積を縮小するとともに封止ガス３６９を吐き出すことができる。バルーン５４の弾性は液体冷媒２２の吐出圧に応じて選定可能である。すなわち、液体冷媒２２の脈動によって封止ガス３６９の全量がバルーン５４に流れ込んで液体冷媒２２と弾性膜とが直接接触することがない程度の十分な弾性力を有することが好ましい一方、樹脂製の容器３０の接着接合部に負荷を与えないよう液体冷媒２２の脈動を十分に解消できる程度に柔軟な弾性変形が可能であることが好ましい。

具体例として、往復動ポンプ４０として吐出圧０．０３ＭＰａＧ、脈動±０．０２ＭＰａＧのベローズ往復動ポンプを用い、往復動回転数を６〜８回／分、液体冷媒２２としての液体窒素を１５リットル／分の流量で圧送する試験を行った。封止ガスの体積が４０ｃｍ^３であるバイオネット継手３６に通気板５２を挟み込み、内容積２リットルのゴム膜（市販のフットボールチューブ）からなるバルーン５４を通気板５２の通気孔５２２と連通させたところ、上記脈動を±０．０１ＭＰａＧに解消することができた。

なお、本発明においては図１に示すように配管２６の途中にバッファタンクを配置することで液体冷媒２２の脈動を解消することが可能である。しかし、通常のバッファタンクでは気相と液相とを隔てる隔膜に送液（液体冷媒２２）が直接接触してこれが凍結する虞があることから、隔膜には金属ベローズを用いる必要があるところ、金属ベローズは一般に剛性が高く容易には変形しないことから脈動の解消能力は必ずしも十分には得られない。これに対し、枝管の先端開口部にガス受容部を設けて封止ガスを出入りさせる方式の圧力緩和装置５０であれば、ガス受容部と液体冷媒２２とは直接には接触しないため可動壁が凍結する虞はなく、可動壁にはゴム等の柔軟な弾性膜からなるバルーン５４を用いることが可能である。

また、本実施形態の圧力緩和装置５０は、雄型継手３６ｂの外管３６３ｂと雌型継手３６ａの内管３６２ａとの間に設けられる空隙部３６８を、脈動にあわせて配管２６（内管３６２ａ，３６２ｂ）の流路を一時的に拡張する枝管として用いるものであることから、雄型継手３６ｂの先端にラジアルシール３６４（図２（ａ）を参照）を設ける必要はない。

本実施形態の変形態様として、液体冷媒２２を流通する配管から分岐して枝管を設けることで液体冷媒２２の脈動にあわせてその流路を拡張可能にするとともに、枝管内のガス（封止ガス）をガス受容部に一時的に逃がすことで当該拡張を容易にするものであれば、上記に例示したバルーン５４および通気板５２の組み合わせ以外にも圧力緩和装置５０として各種を採ることができる。

例えば、配管２６からＴ字状に枝管を分岐させるとともに、枝管の開口端を覆うように、袋状またはシート状の弾性膜や、ピストンで隔てられたシリンダの一室などをガス受容部として設け、枝管内の封止ガスを受け入れ可能にするとよい。このように、弾性膜やピストンを可動壁として備えることによりガス受容部は内容積が可変となるため、液体冷媒２２の脈動による液面２２１の昇降に追随して封止ガスを出し入れさせることで、わずかな脈動に対しても液体冷媒２２の流路を容易に拡張または縮小することができる。
また弾性膜やピストンで隔てられる封止ガスの反対側は、一般的なアキュムレータ（バッファタンク）のような固定容積とするよりも、可動壁の移動変形を容易にする観点から大気圧に開放することが好ましいといえる。

図５は、本発明の第三の実施形態にかかる圧力緩和装置５０を示す断面模式図である。本実施形態の圧力緩和装置５０は、上記第二の実施形態における接続管５６に換えてオリフィス５７を、バルーン５４に換えてタンク５８を用いたものである。すなわち本実施形態の圧力緩和装置５０は、通気板５２の通気孔５２２と連通するオリフィス５７と、その先端に設けられたタンク５８とから構成されるオリフィス付きタンクである。かかるオリフィス付きタンクを通気板５２に接続することにより、液体冷媒２２の液面２２１の昇降に伴って封止ガス３６９をタンク５８内に緩やかに出入りさせることができる。

すなわち、液体冷媒２２の脈動によって配管２６ａの内圧が上昇した場合は、液面２２１が上昇することで封止ガス３６９が一時的に圧縮されて、空隙部３６８はタンク５８の内部よりも高圧となるため、オリフィス５７を通じて封止ガス３６９がタンク５８に吸い込まれる。
一方、脈動によって配管２６ａの内圧が下降した場合は、液面２２１が低下して空隙部３６８は一時的にタンク５８よりも低圧となるため、封止ガス３６９がタンク５８から放出される。

このように本実施形態の圧力緩和装置５０によれば、空隙部３６８とタンク５８との間にオリフィス５７を設けることで、脈動に追随する空隙部３６８の圧力変動のタイミングに対して、所定の容積をもつタンク５８の内圧の変動のタイミングを遅らせることで、空隙部３６８の圧力の変動幅を低減し、もって液体冷媒２２の脈動を緩和することができる。

タンク５８やオリフィス５７は強度や加工性に優れる金属材料から作製することができ、オリフィス５７の内径やタンク５８の容積は液体冷媒２２の脈動のレベルに応じて適宜選定可能である。
本実施形態の圧力緩和装置５０には弾性復元力をもつ可動壁が不要であるため、タンク５８を強固な部材より作製することができる。これにより、液体冷媒２２の脈動が高い場合もタンク５８が破裂することがなく、液体冷媒２２が溢れ出す虞がないという利点がある。

第一の実施形態にかかる冷却装置１０の構成を示す模式図である。第二の実施形態にかかる圧力緩和装置５０を示す断面模式図であり、（ａ）はバイオネット継手３６の断面図、（ｂ）はガス受容部としてのバルーン５４が連通した通気板５２により構成された圧力緩和装置５０と、これを挟み込む雌型継手３６ａおよび雄型継手３６ｂの断面図である。第二の実施形態にかかる圧力緩和装置５０とバイオネット継手３６の分解図である。通気板５２の三面図であり（ａ）はその平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図である。第三の実施形態にかかる圧力緩和装置５０を示す断面模式図である。

符号の説明

１０冷却装置
２０タンク
２２液体冷媒
２４冷凍機
２６配管
３０容器
３２超電導コイル
３６バイオネット継手
４０往復動ポンプ
５０圧力緩和装置
５２通気板
５４バルーン
５７オリフィス
５８タンク
３６８空隙部
３６９封止ガス

Claims

超電導コイルを収容する樹脂製の容器と、液体冷媒を貯留するタンクと、タンクに貯留される液体冷媒を冷却する冷凍機と、容器とタンクとを連通し、液体冷媒を容器とタンクとの間で循環させる配管と、タンクから容器に向けて液体冷媒を圧送する往復動ポンプと、を備える超電導コイルの冷却装置において、
前記配管のうち往復動ポンプの吐出口と容器との間には、内管と外管との間が真空断熱された断熱二重構造の雄型継手及び雌型継手のそれぞれを互いに遊嵌して、前記配管同士を連結するバイオネット継手が設けられ、
前記雄型継手の外管と雌型継手の内管との間には、封止ガスが封止された空隙部が形成され、
前記配管のうち往復動ポンプの吐出口と容器との間には、前記圧送される液体冷媒の脈動を低減する圧力緩和装置が設けられ、
前記圧力緩和装置は、
前記配管から分岐して設けられた枝管と、前記バイオネット継手の雄型継手を遊挿する挿通孔および前記空隙部と前記配管の外部とを連通する通気孔が形成され、前記雄型継手及び雌型継手のそれぞれに具備されたフランジの間に挟んで気密に装着された通気板と、前記通気孔の先端開口部を覆って設けられ、弾性復元力をもつ可動壁が移動して内容積が可変に構成されたガス受容部とを有し、
前記空隙部および前記通気孔は、前記枝管として用いられ、
前記液体冷媒が配管内を圧送される際には、液体冷媒の液面と枝管とガス受容部とで囲まれる封止ガスの閉領域が形成されるとともに、
（ａ）前記液体冷媒が前記脈動に伴う高圧で前記配管内を圧送される際には、前記液面によって前記通気孔を介して前記ガス受容部に押し出される封止ガスを、ガス受容部がその内容積を拡大させて受容し、
（ｂ）液体冷媒が前記脈動に伴う低圧で前記配管内を圧送される際には、ガス受容部が、前記可動壁の弾性復元力によりその内容積を縮小することで、前記脈動を緩和するように構成したことを特徴とする超電導コイルの冷却装置。
ガス受容部が、前記可動壁として袋状の弾性膜を有する請求項１記載の超電導コイルの冷却装置。
超電導コイルを収容する樹脂製の容器と、液体冷媒を貯留するタンクと、タンクに貯留される液体冷媒を冷却する冷凍機と、容器とタンクとを連通し、液体冷媒を容器とタンクとの間で循環させる配管と、タンクから容器に向けて液体冷媒を圧送する往復動ポンプと、を備える超電導コイルの冷却装置において、
前記配管のうち往復動ポンプの吐出口と容器との間には、内管と外管との間が真空断熱された断熱二重構造の雄型継手及び雌型継手のそれぞれを互いに遊嵌して、前記配管同士を連結するバイオネット継手が設けられ、
前記雄型継手の外管と雌型継手の内管との間には、封止ガスが封止された空隙部が形成され、
前記配管のうち往復動ポンプの吐出口と容器との間には、前記圧送される液体冷媒の脈動を低減する圧力緩和装置が設けられ、
前記圧力緩和装置は、
前記配管から分岐して設けられた枝管と、前記バイオネット継手の雄型継手を遊挿する挿通孔および前記空隙部と前記配管の外部とを連通する通気孔が形成され、前記雄型継手及び雌型継手のそれぞれに具備されたフランジの間に挟んで気密に装着された通気板と、
前記通気孔の先端開口部に設けられたオリフィスと、前記オリフィスの先端に設けられたタンクと、を有し、
前記空隙部および前記通気孔は、前記枝管として用いられ、
前記液体冷媒が配管内を圧送される際には、液体冷媒の液面と枝管とオリフィスとタンクとで囲まれる封止ガスの閉領域が形成されるとともに、
（ａ）前記液体冷媒の脈動によって配管の内圧が上昇した際には、オリフィスを通じて前記封止ガスが前記タンクに吸い込まれ、
（ｂ）前記液体冷媒の脈動によって配管の内圧が下降した際には、前記タンクから前記封止ガスを放出することで、前記脈動を緩和するように構成したことを特徴とする超電導コイルの冷却装置。
配管同士を接続するバイオネット継手の雄型継手と雌型継手がそれぞれ備えるフランジに挟んで用いられ、バイオネット継手の内部と外部とを連通する通気板であって、
前記雄型継手を遊挿し、前記雄型継手の先端部の外形寸法以上の内径を有する挿通孔が板厚方向に設けられ、
前記通気板の表裏面にはＯリング装着溝が前記挿通孔を囲んでそれぞれ設けられ、かつ、前記通気板の板厚内には、表裏のＯリング装着溝の間をくぐって前記雄型継手の外管と雌型継手の内管との間に形成された空隙部と前記通気板の外部とを連通する通気孔が設けられていることを特徴とする通気板。