JP5017640B2 - Cryogenic refrigeration method and cryogenic refrigeration system - Google Patents

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Description

本発明は、高温超電導体や高温超電導体を適用した機器、および赤外線望遠鏡における赤外線検出器の冷却に用いる極低温蓄冷媒体、ならびにそれを用いた極低温冷凍方法および極低温冷凍システムに関する。 The present invention relates to a high-temperature superconductor, a device to which the high-temperature superconductor is applied, a cryogenic refrigerant used for cooling an infrared detector in an infrared telescope, a cryogenic refrigerating method and a cryogenic refrigerating system using the cryogen.

従来、磁気共鳴断層撮影(MRI)装置や核磁気共鳴(NMR)分析装置等に用いられる超電導体や赤外線望遠鏡における赤外線検出器等、極低温に冷却されて使用されるものが存在する。 Conventionally, there are some which are used after being cooled to a very low temperature, such as a superconductor used in a magnetic resonance tomography (MRI) apparatus or a nuclear magnetic resonance (NMR) analyzer, or an infrared detector in an infrared telescope.

例えば、MRI装置等に用いられる超電導体は、従来、低温超電導(Low Tc Superconductor : LTS)線材から構成されており、液体ヘリウムを用いた浸漬冷却方式によって超電導状態とされていた。この液体ヘリウムを用いた浸漬冷却方式は、液体ヘリウムが高価であると共に取扱いに熟練を要するものであり、ランニングコストが非常に高いものであった。 For example, a superconductor used in an MRI apparatus or the like has conventionally been composed of a low temperature superconducting (LTS) wire, and has been brought into a superconducting state by an immersion cooling method using liquid helium. This immersion cooling method using liquid helium is expensive in liquid helium and requires skill in handling, and the running cost is very high.

これに対し、近年、液体ヘリウムよりも安価であって取扱いの容易な液体窒素により冷却可能なビスマス系やイットリウム系等の高温超電導(High Tc Superconductor : HTS)線材の開発が精力的に行われており、実用化に近づきつつある。しかし、液体窒素を用いた浸漬冷却方式であっても、依然として簡便性を欠き、ランニングコストの高いものであった。 In contrast, in recent years, bismuth-based and yttrium-based high-temperature superconducting (High Tc Superconductor: HTS) wires, which are cheaper than liquid helium and can be cooled by liquid nitrogen, have been vigorously developed. It is approaching practical use. However, even the immersion cooling method using liquid nitrogen still lacks simplicity and has a high running cost.

一方、GM(Gifford-McMahon)冷凍機やパルス管冷凍機に代表される極低温冷凍機の性能が、近年、飛躍的に向上しており、当該極低温冷凍機を用いて超電導体を直接的に伝導冷却する所謂伝導冷却方式が提案されている。この伝導冷却方式によれば、液体ヘリウムや液体窒素を取り扱う必要がなく、電力だけで超電導状態を維持することができるため、非常に簡便でランニングコストの低いシステムとすることができる。さらに、極低温冷凍機を使用すれば、酸化物高温超電導体だけでなくMgB2超電導体の冷却も可能となる。 On the other hand, the performance of cryogenic refrigerators such as GM (Gifford-McMahon) refrigerators and pulse tube refrigerators has improved dramatically in recent years, and superconductors can be directly used with such cryogenic refrigerators. In other words, a so-called conduction cooling method for conducting cooling is proposed. According to this conduction cooling method, it is not necessary to handle liquid helium or liquid nitrogen, and the superconducting state can be maintained only by electric power, so that the system can be very simple and low in running cost. Furthermore, if a cryogenic refrigerator is used, not only high-temperature oxide superconductors but also MgB 2 superconductors can be cooled.

しかし、伝導冷却方式は、極低温冷凍機による冷却面以外は断熱状態であることから、熱的安定性を欠き、トラブル等で一旦停止したり運転中に超電導体に擾乱が生じたりした際、短時間で温度が上昇してしまい、最悪の場合焼損してしまう場合があった。 However, since the conduction cooling method is insulative except for the cooling surface by the cryogenic refrigerator, it lacks thermal stability, and when it is temporarily stopped due to trouble or when the superconductor is disturbed during operation, The temperature rose in a short time, and in the worst case, it could burn out.

そこで、伝導冷却方式において、蓄冷媒体としての固体窒素によって超電導体を包み、熱容量を大きくして、上記の熱的不安定性を改善する方法が提案されている(例えば、非特許文献1参照)。 Therefore, in the conduction cooling system, a method of improving the thermal instability by enclosing a superconductor with solid nitrogen as a refrigerant storage body to increase the heat capacity has been proposed (for example, see Non-Patent Document 1).

この固体窒素を蓄冷媒体とした伝導冷却方式は、熱的不安定性を改善するだけでなく、以下の特長をも有している。
1.高い蓄冷効果によって冷凍機の断続運転が可能となる。
2.窒素は不活性で環境に優しい。
3.超伝導体が、運転中に生じる電磁力によって変形するのを防止し得る。
This conduction cooling method using solid nitrogen as a refrigerant storage body not only improves thermal instability, but also has the following features.
1. A high cold storage effect enables intermittent operation of the refrigerator.
2. Nitrogen is inert and environmentally friendly.
3. The superconductor can be prevented from being deformed by electromagnetic force generated during operation.

しかし、固体窒素を蓄冷媒体とする場合、クライオスタット内に窒素ガスを導入・液化するか、若しくは液体窒素を導入した後、固化させて、超電導体を接触しつつ包囲するように固体窒素を形成するのであるが、固化の際、その体積が約6%収縮してしまい、また一般に固体どうしを密着させることは困難であるため、図11Aの概念図に示す如く、超電導体との接触が部分的となって、熱接触が悪いという問題があった。
さらに、運転中に生じた擾乱によって超電導体が発熱すると、固体窒素の超電導体に対する接触部分が昇華し、熱接触が完全に消失する所謂ドライアウトが生じ(図11Bに示す概念図参照)、昇華した窒素ガスによる対流熱伝達のみとなって、冷却特性が極めて悪くなる場合もあった。
However, when solid nitrogen is used as a refrigerant storage body, nitrogen gas is introduced and liquefied in the cryostat, or liquid nitrogen is introduced and then solidified to form solid nitrogen so as to surround the superconductor while being in contact therewith. However, when solidifying, the volume shrinks by about 6%, and generally it is difficult to make solids closely contact each other. Therefore, as shown in the conceptual diagram of FIG. As a result, there was a problem of poor thermal contact.
Further, when the superconductor generates heat due to disturbance generated during operation, the contact portion of the solid nitrogen with the superconductor sublimates, and so-called dryout occurs in which the thermal contact completely disappears (see the conceptual diagram shown in FIG. 11B). In some cases, only the convective heat transfer by the nitrogen gas was performed and the cooling characteristics were extremely deteriorated.

そこで、本件出願人は、図12の概念図に示す如く、固体窒素SNに若干量の液体ネオンLNeを導入し、液体ネオンLNeが、固体窒素SNと超電導体2との隙間部分を満たすようにすることで、熱接触を向上すると共にドライアウトを回避する極低温蓄冷媒体Rについて提案した(非特許文献2、3参照)。
Y. Iwasa, "A ' Permanent ' HTS Magnet System : Key Design & Operational Issues ", Advances in Superconductivity X [Proc. ISS' 97](Springer-Verlag, Tokyo), 1998-05 中村武恒 他3名、「固体窒素含浸高温超電導線材の熱損失と液体ネオンによる特性向上」、電気学会超電導応用電力機器・リニアドライブ合同研究会資料、2004年1月、P55−60 T. Nakamura, K. Higashikawa, I. Muta and T. Hoshino “Performance of Conduction-Cooled HTS Tape with the Aid of Solid,Nitrogen-Liquid Neon Mixture” , Physica C, vol. 412-414 (2004),pp. 1221-1224.
Therefore, as shown in the conceptual diagram of FIG. 12, the applicant of the present invention introduces a small amount of liquid neon LN into the solid nitrogen SN so that the liquid neon LNe fills the gap portion between the solid nitrogen SN and the superconductor 2. Thus, the cryogenic regenerator R that improves thermal contact and avoids dryout has been proposed (see Non-Patent Documents 2 and 3).
Y. Iwasa, "A 'Permanent' HTS Magnet System: Key Design & Operational Issues", Advances in Superconductivity X [Proc. ISS '97] (Springer-Verlag, Tokyo), 1998-05 Takemura Nakamura and three others, "Improvement of heat loss and liquid neon characteristics of high-temperature superconducting wire impregnated with solid nitrogen," IEEJ Superconducting Applied Power Equipment and Linear Drive Joint Study Group, January 2004, P55-60 T. Nakamura, K. Higashikawa, I. Muta and T. Hoshino “Performance of Conduction-Cooled HTS Tape with the Aid of Solid, Nitrogen-Liquid Neon Mixture”, Physica C, vol. 412-414 (2004), pp. 1221-1224.

しかしながら、非特許文献2、3においては、ネオンの導入量に関する定量的な分析が間に合っておらず、非特許文献2、3に記載の技術は実用域に達していなかった。また、非特許文献2、3では、液体ネオンについてのみ言及されており、固体ネオンについては考えられていなかった However, in Non-Patent Documents 2 and 3, quantitative analysis on the amount of neon introduced is not in time, and the techniques described in Non-Patent Documents 2 and 3 have not reached the practical range. In Non-Patent Documents 2 and 3, only liquid neon is mentioned, and solid neon was not considered.

本発明は、上記研究をさらに発展させたものであり、その目的とするところは、熱接触が良く、ドライアウトを回避するのに好適な極低温蓄冷媒体を提供し、さらに、それを用いた簡便かつランニングコストの低い、極低温冷凍方法および極低温冷凍システムを提供することにある。 The present invention is a further development of the above-described research. The object of the present invention is to provide a cryogenic regenerator that has good thermal contact and is suitable for avoiding dryout, and further uses it. An object is to provide a cryogenic refrigeration method and a cryogenic refrigeration system that are simple and low in running cost.

上記課題を解決するために本発明は、(1)被冷却体に接触して冷却する極低温蓄冷媒体であって、固体窒素と、当該固体窒素に対して0.1〜50重量%であるネオンとの複合体からなり、当該ネオンの少なくとも一部が、固体または液体の状態で、前記被冷却体と前記固体窒素との間に挿入されていることを特徴とする極低温蓄冷媒体を提供するものである。
ここで、固体または液体とは、当該極低温蓄冷媒体が被冷却体を冷却する環境において、固体または液体状態であることを意味する。
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention is (1) a cryogenic storage medium that cools in contact with an object to be cooled, and is 0.1 to 50% by weight based on solid nitrogen and the solid nitrogen. Provided is a cryogenic refrigerant storage body comprising a complex with neon, wherein at least a part of the neon is inserted in a solid or liquid state between the cooled object and the solid nitrogen To do.
Here, solid or liquid means that the cryogenic refrigerant is in a solid or liquid state in an environment where the object to be cooled is cooled.

また本発明は、上記構成(1)において、(2)前記被冷却体を非接触若しくは接触状態で取り囲む補強部材をさらに包含することを特徴とする極低温蓄冷媒体を提供するものである。 Moreover, this invention provides the cryogenic refrigerant | coolant thermal storage body characterized by further including the reinforcement member which surrounds the said to-be-cooled body in non-contact or a contact state in the said structure (1).

また、上記課題を解決するために本発明は、(3)被冷却体を冷却する極低温冷凍方法であって、(A)クライオスタット内に収容された被冷却体に接触する固体窒素を形成するステップと、(B)前記固体窒素に液体ネオンを浸透させ、その少なくとも一部を前記被冷却体と前記固体窒素との間に挿入するステップと、(C)前記液体ネオンを固化させて、固体窒素および固体ネオンからなる複合体を形成するステップと、(D)前記複合体の寒冷のみにより、前記被冷却体を冷却するステップと、(E)前記ステップ(D)において、前記固体ネオンが液体状態となった後、前記ステップ(C)以降のステップを再度実行するステップと、を含むことを特徴とする極低温冷凍方法を提供するものである。 In order to solve the above problems, the present invention is (3) a cryogenic refrigeration method for cooling an object to be cooled, and (A) forms solid nitrogen in contact with the object to be cooled contained in a cryostat. And (B) impregnating liquid neon into the solid nitrogen and inserting at least a part thereof between the cooled object and the solid nitrogen; and (C) solidifying the liquid neon to form a solid Forming a complex comprising nitrogen and solid neon; (D) cooling the cooled object only by cooling the complex; and (E) in step (D), the solid neon is liquid. The present invention provides a cryogenic refrigeration method including the step of performing the steps after step (C) again after the state is reached.

また本発明は、上記構成(3)において、(4)前記ステップ(A)は、(A1)極低温冷凍機により、前記クライオスタット内を窒素が液体状態を保つ温度まで冷却するステップと、(A2)窒素が液体状態を保つ温度まで冷却された前記クライオスタット内に、窒素ガスを導入して液化させ、若しくは液体窒素を導入し、前記被冷却体が当該液体窒素によって浸漬されるようにするステップと、(A3)前記極低温冷凍機により、前記クライオスタット内を前記液体窒素が固化する温度までさらに冷却するステップと、により実行され、前記ステップ(B)は、(B1)前記極低温冷凍機により、固体窒素が形成された前記クライオスタット内をネオンが液体状態を保つ温度までさらに冷却するステップと(B2)ネオンが液体状態を保つ温度まで冷却された前記クライオスタット内に、ネオンガスを少なくともそれが液化するまで導入する、若しくは液体ネオンを導入するステップと、により実行され、前記ステップ(C)は、前記極低温冷凍機により、前記クライオスタット内をネオンが固化する温度よりも低い第1の温度までさらに冷却することによって実行され、前記ステップ(E)は、前記ステップ(D)において、前記クライオスタット内の温度が、ネオンが液化する温度以上の第2の温度まで達したとき、前記ステップ(C)以降のステップを再度実行する、ようになっていることを特徴とする極低温冷凍方法を提供するものである。 In the configuration (3), the present invention provides (4) the step (A) includes (A1) a step of cooling the cryostat to a temperature at which nitrogen is maintained in a liquid state by a cryogenic refrigerator, and (A2) ) Introducing nitrogen gas into the cryostat cooled to a temperature at which nitrogen is maintained in a liquid state, liquefying, or introducing liquid nitrogen so that the cooled object is immersed in the liquid nitrogen; (A3) The step of further cooling the cryostat to a temperature at which the liquid nitrogen solidifies by the cryogenic refrigerator, and the step (B) is performed by (B1) the cryogenic refrigerator, Further cooling the inside of the cryostat formed with solid nitrogen to a temperature at which neon maintains a liquid state; and (B2) neon maintains the liquid state. Introducing neon gas into the cryostat cooled to a temperature at least until it liquefies or introducing liquid neon, the step (C) is performed by the cryostat using the cryostat. The inside of the cryostat is further cooled to a first temperature lower than the temperature at which neon solidifies, and the temperature in the cryostat is equal to or higher than the temperature at which neon liquefies in step (D). When the temperature reaches the second temperature, the cryogenic refrigeration method is characterized in that the steps after the step (C) are executed again.

また、上記課題を解決するために本発明は、(5)被冷却体を冷却する極低温冷凍システムであって、前記被冷却体を収容するためのクライオスタットと、前記被冷却体を冷却するための極低温冷凍機と、前記クライオスタット内に窒素ガス若しくは液体窒素を導入するための窒素導入手段と、前記クライオスタット内にネオンガス若しくは液体ネオンを導入するためのネオン導入手段と、前記クライオスタット内部に関する温度を測定するための温度測定器と、前記クライオスタット内部に関する圧力を測定するための圧力測定器と、前記温度測定器が測定した温度ならびに前記圧力測定器が測定した圧力に基づいて、前記極低温冷凍機、前記窒素導入手段および前記ネオン導入手段を制御する制御器と、を含んでいることを特徴とする極低温冷凍システムを提供するものである。 In order to solve the above problems, the present invention provides (5) a cryogenic refrigeration system for cooling a cooled object, and a cryostat for housing the cooled object, and for cooling the cooled object. A cryogenic refrigerator, a nitrogen introducing means for introducing nitrogen gas or liquid nitrogen into the cryostat, a neon introducing means for introducing neon gas or liquid neon into the cryostat, and a temperature related to the inside of the cryostat. A temperature measuring device for measuring, a pressure measuring device for measuring a pressure related to the inside of the cryostat, a temperature measured by the temperature measuring device and a pressure measured by the pressure measuring device, and the cryogenic refrigerator And a controller for controlling the nitrogen introduction means and the neon introduction means. There is provided a temperature refrigeration systems.

また本発明は、上記構成(5)において、(6)前記制御器は、前記クライオスタット内に前記被冷却体が収容された際、前記極低温冷凍機を制御して、前記クライオスタット内を窒素が液体状態を保つ温度まで冷却し、次いで、窒素導入手段を制御して、当該クライオスタット内に窒素ガスを導入して液化させ、若しくは液体窒素を導入し、前記被冷却体が当該液体窒素によって浸漬されるようにし、次いで、前記極低温冷凍機を制御して、前記クライオスタット内を前記液体窒素が固化する温度までさらに冷却し、次いで、前記クライオスタット内をネオンが液体状態を保つ温度まで冷却し、次いで、ネオン導入手段を制御して、当該クライオスタット内に、ネオンガスを少なくともそれが液化するまで導入し、若しくは液体ネオンを導入し、次いで、前記極低温冷凍機を制御して、前記クライオスタット内をネオンが固化する温度よりも低い第1の温度までさらに冷却し、次いで、前記クライオスタット内に関する温度が、ネオンが液化する温度以上の第2の温度まで達したとき、前記極低温冷凍機を制御して、前記クライオスタット内をネオンが固化する温度よりも低い第1の温度まで冷却する、ように構成されていることを特徴とする極低温冷凍システムを提供するものである。 According to the present invention, in the configuration (5), (6) the controller controls the cryogenic refrigerator when the object to be cooled is accommodated in the cryostat so that nitrogen is contained in the cryostat. Cool to a temperature that maintains the liquid state, and then control the nitrogen introduction means to introduce nitrogen gas into the cryostat to be liquefied, or introduce liquid nitrogen, and the object to be cooled is immersed in the liquid nitrogen. And then controlling the cryogenic refrigerator to further cool the inside of the cryostat to a temperature at which the liquid nitrogen solidifies, and then cool the inside of the cryostat to a temperature at which neon maintains a liquid state, The neon introduction means is controlled to introduce neon gas into the cryostat at least until it is liquefied or to introduce liquid neon. Then, the cryogenic refrigerator is controlled to further cool the inside of the cryostat to a first temperature lower than the temperature at which neon solidifies, and the temperature related to the inside of the cryostat is equal to or higher than the temperature at which neon liquefies. When the second temperature is reached, the cryogenic refrigerator is controlled to cool the inside of the cryostat to a first temperature lower than the temperature at which neon solidifies. A cryogenic refrigeration system is provided.

また本発明は、上記構成(1)(2)において、(7)前記窒素をアルゴンに置き換え、かつ、前記ネオンを窒素に置き換えたことを特徴とする極低温蓄冷媒体を提供するものである。 The present invention also provides a cryogenic refrigerant storage unit characterized in that, in the above configurations (1) and (2), (7) the nitrogen is replaced with argon and the neon is replaced with nitrogen.

また本発明は、上記構成(3)(4)において、(8)前記窒素をアルゴンに置き換え、かつ、前記ネオンを窒素に置き換えたことを特徴とする極低温冷凍方法を提供するものである。 The present invention also provides a cryogenic refrigeration method characterized in that, in the above configurations (3) and (4), (8) the nitrogen is replaced with argon and the neon is replaced with nitrogen.

また本発明は、上記構成(5)(6)において、(9)前記窒素をアルゴンに置き換え、かつ、前記ネオンを窒素に置き換えたことを特徴とする極低温冷凍システムを提供するものである。 The present invention also provides a cryogenic refrigeration system characterized in that, in the above configurations (5) and (6), (9) the nitrogen is replaced with argon and the neon is replaced with nitrogen.

また本発明は、上記構成(1)(2)(7)において、(10)前記被冷却体は超電導体であることを特徴とする極低温蓄冷媒体を提供するものである。 Moreover, this invention provides the cryogenic refrigerant | coolant storage body characterized by the said structure to be cooled being a superconductor in said structure (1) (2) (7).

また本発明は、上記構成(3)(4)(8)において、(11)前記被冷却体は超電導体であることを特徴とする極低温冷凍方法を提供するものである。 The present invention also provides the cryogenic refrigeration method characterized in that, in the configurations (3), (4), and (8), (11) the object to be cooled is a superconductor.

また本発明は、上記構成(5)(6)(9)において、(12)前記被冷却体は超電導体であることを特徴とする極低温冷凍システムを提供するものである。 Moreover, this invention provides the cryogenic refrigeration system characterized in that in the above configurations (5), (6), and (9), (12) the object to be cooled is a superconductor.

本発明の極低温蓄冷媒体によれば、ネオンが固体状態から液体状態を保つ広範囲な温度範囲で、極低温蓄冷媒体の熱容量のみによって冷却できるため、その間冷凍機を断続的に運転することが可能となり、ランニングコストを低減することができる。 According to the cryogenic regenerator of the present invention, neon can be cooled only by the heat capacity of the cryogenic regenerator in a wide temperature range in which neon is maintained from a solid state to a liquid state, so that the refrigerator can be operated intermittently during that time. Thus, the running cost can be reduced.

また、発熱や冷凍機の故障等により冷却対象の温度が上昇しても、ネオンが液体状態となる温度を超えると、まず固体ネオンが液化し、冷却対象との隙間が埋められて熱接触が極めて良くなるため、それ以上の温度上昇を抑制することができ、従って、暫時運転継続が可能となる。
また、大きな擾乱が生じて固体窒素がドライアウトした場合であっても、液体ネオンによる温度上昇抑制効果によって、熱暴走を回避することができる。
In addition, even if the temperature of the cooling target rises due to heat generation or a refrigerator failure, when the temperature of neon exceeds the temperature at which the neon enters a liquid state, the solid neon liquefies first, filling the gap with the cooling target and making thermal contact. Since it becomes very good, it is possible to suppress further temperature rise, and therefore it is possible to continue operation for a while.
Moreover, even if a large disturbance occurs and solid nitrogen is dried out, thermal runaway can be avoided by the temperature rise suppression effect by liquid neon.

以下、図面を参照して本発明の好ましい一実施形態につき説明する。 Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

本実施形態にかかる極低温冷凍システム1は主に、図1に示す如く、内部の容器3に、MRI装置等に用いられる高温超電導コイル2を収容するクライオスタット4と、高温超電導コイル2に伝熱部材5を介して接続された極低温冷凍機6と、クライオスタット4における容器3内に窒素およびネオンを導入するための窒素導入手段7およびネオン導入手段8と、クライオスタット4に関する温度を測定するための温度測定器10と、クライオスタット4に関する圧力を測定するための圧力測定器11と、温度測定器10および圧力測定器11によって測定された温度および圧力に基づいて、冷凍機6、窒素導入手段7およびネオン導入手段8を制御する制御器9と、から構成されている。 The cryogenic refrigeration system 1 according to the present embodiment mainly transfers heat to a cryostat 4 that houses a high-temperature superconducting coil 2 used in an MRI apparatus or the like, and a high-temperature superconducting coil 2 as shown in FIG. A cryogenic refrigerator 6 connected through the member 5, a nitrogen introducing means 7 and a neon introducing means 8 for introducing nitrogen and neon into the container 3 in the cryostat 4, and a temperature for measuring the cryostat 4. Based on the temperature measuring device 10, the pressure measuring device 11 for measuring the pressure related to the cryostat 4, the temperature measuring device 10 and the temperature and pressure measured by the pressure measuring device 11, the refrigerator 6, the nitrogen introducing means 7 and And a controller 9 for controlling the neon introduction means 8.

クライオスタット4は、公知のクライオスタットと同様に真空断熱し得るように構成されており、その内部に、高温超電導体2を収容するための容器3を有している。 The cryostat 4 is configured so as to be thermally insulated in the same manner as a known cryostat, and has a container 3 for housing the high-temperature superconductor 2 therein.

高温超電導コイル2は、例えば、ビスマス系、イットリウム系またはタリウム系等の酸化物高温超電導線やMgB2線を巻いたものからなっており、クライオスタット4における容器3内に収容されている。 The high-temperature superconducting coil 2 is made of, for example, a bismuth-based, yttrium-based, or thallium-based oxide high-temperature superconducting wire or a MgB 2 wire, and is housed in a container 3 in the cryostat 4.

窒素導入手段7は、窒素貯蔵器および流量制御器(いずれも不図示)からなる窒素導入器7aと、窒素導入器7aからクライオスタット4の容器3まで延びる窒素導入管7bとから構成されている。 The nitrogen introducing means 7 includes a nitrogen introducing device 7 a composed of a nitrogen storage device and a flow rate controller (both not shown), and a nitrogen introducing tube 7 b extending from the nitrogen introducing device 7 a to the container 3 of the cryostat 4.

ネオン導入手段8は、窒素導入手段7と同様に、ネオン貯蔵器および流量制御器(いずれも不図示)からなるネオン導入器8aと、ネオン導入器8aからクライオスタット4の容器3まで延びるネオン導入管8bとから構成されている。 Similarly to the nitrogen introduction means 7, the neon introduction means 8 includes a neon introducer 8 a composed of a neon reservoir and a flow rate controller (both not shown), and a neon introduction pipe extending from the neon introducer 8 a to the container 3 of the cryostat 4. 8b.

冷凍機6は、圧縮機、膨張機および熱交換器(いずれも不図示)からなる極低温用の冷凍機であって、例えば、GMサイクルやソルベイサイクルによる2段膨張式冷凍機等から構成されている。
さらに、冷凍機6は、その冷却ステージ6aが、伝熱部材5を介してクライオスタット4内の高温超電導コイル2と接続されており、高温超電導コイル2を直接伝導冷却すると共に、間接的に容器3内を冷却する。
The refrigerator 6 is a cryogenic refrigerator composed of a compressor, an expander, and a heat exchanger (all not shown), and is composed of, for example, a two-stage expansion refrigerator using a GM cycle or a Solvay cycle. ing.
Further, the cooling stage 6a of the refrigerator 6 is connected to the high-temperature superconducting coil 2 in the cryostat 4 via the heat transfer member 5, and directly cools the high-temperature superconducting coil 2 and indirectly uses the container 3 Cool inside.

制御器9は、冷凍機6、窒素導入手段7、ネオン導入手段8、温度測定器10および圧力測定器11に接続されており、温度測定器10が測定した温度および圧力測定器11が測定した圧力に基づき、窒素およびネオンの導入量や導入タイミング、ならびに冷凍機6のON/OFFや冷却温度等を制御し得るようになっている。 The controller 9 is connected to the refrigerator 6, the nitrogen introducing means 7, the neon introducing means 8, the temperature measuring instrument 10 and the pressure measuring instrument 11, and the temperature and pressure measuring instrument 11 measured by the temperature measuring instrument 10 are measured. Based on the pressure, it is possible to control the introduction amount and introduction timing of nitrogen and neon, ON / OFF of the refrigerator 6, the cooling temperature, and the like.

次に、本実施形態にかかる極低温冷凍システム1を用いた極低温冷凍方法について、図2を参照しながら説明する。 Next, a cryogenic refrigeration method using the cryogenic refrigeration system 1 according to the present embodiment will be described with reference to FIG.

まず、冷凍機6により、クライオスタット4における容器3を、窒素が液体状態を保つ温度、(例えば63.2K〜77.3K)まで冷却する(S1)。 First, the container 6 in the cryostat 4 is cooled by the refrigerator 6 to a temperature at which nitrogen is kept in a liquid state (for example, 63.2K to 77.3K) (S1).

次に、窒素導入手段7により、クライオスタット4における容器3内に窒素ガスを導入して液化させ、若しくは液体窒素を導入し、高温超電導コイル2が当該液体窒素によって浸漬されるようにする(S2)。 Next, nitrogen gas is introduced into the container 3 of the cryostat 4 to be liquefied by the nitrogen introduction means 7 or liquid nitrogen is introduced so that the high temperature superconducting coil 2 is immersed in the liquid nitrogen (S2). .

次に、冷凍機6により、容器3を窒素が固化する温度、例えば25K付近、まで冷却し、上記液体窒素を固化させる(S3)。
なお、25Kはネオンが液体状態を保つ温度でもある。
Next, the refrigerator 6 cools the container 3 to a temperature at which nitrogen solidifies, for example, around 25K, and solidifies the liquid nitrogen (S3).
25K is also a temperature at which neon maintains a liquid state.

次に、ネオン導入手段8により、容器3内にネオンガスをそれが液化するまで導入し、若しくは液体ネオンを導入し、固体窒素に浸透させる(S4)。
このとき、図12に示す概念図の如く、液体ネオンLNeは、窒素とほとんど化学結合せず、固体窒素SNに対して容易に浸透し、固体窒素SNと高温超電導コイル2との間に浸入する。
なお、ネオンガスを導入する場合の導入量については、圧力測定器11によって容器3内の圧力を計測し、ネオンの飽和蒸気圧に達するまで導入すればよい。
ここで、ネオンの導入量は、窒素に対して0.1〜50重量%であればよいが、ネオンは高価であることから、必要以上導入する必要はない。一例によれば(後述する実験1または2参照)、ネオンの導入量は1〜5重量%あれば足り、さらに3重量%前後が好適である。
Next, neon gas is introduced into the container 3 by the neon introduction means 8 until it is liquefied, or liquid neon is introduced and infiltrated into solid nitrogen (S4).
At this time, as shown in the conceptual diagram of FIG. 12, the liquid neon LNe hardly chemically bonds with nitrogen, easily penetrates into the solid nitrogen SN, and enters between the solid nitrogen SN and the high-temperature superconducting coil 2. .
In addition, about the introduction amount in the case of introduce | transducing neon gas, the pressure in the container 3 should be measured with the pressure measuring device 11, and it should introduce | transduce until it reaches the saturated vapor pressure of neon.
Here, the amount of neon introduced may be 0.1 to 50% by weight with respect to nitrogen, but neon is expensive, so it is not necessary to introduce more than necessary. According to an example (see Experiment 1 or 2 described later), the amount of neon introduced is preferably 1 to 5% by weight, and more preferably about 3% by weight.

次に、冷凍機6により、容器3内をネオンが固化する温度、例えば20K付近、まで冷却し、液体ネオンを固化させて、固体窒素と固体ネオンとの複合体からなる極低温蓄冷媒体を形成する(S5)。 Next, the refrigerator 6 cools the inside of the container 3 to a temperature at which neon solidifies, for example, around 20 K, and solidifies liquid neon to form a cryogenic refrigerant that is a composite of solid nitrogen and solid neon. (S5).

次に、冷凍機6の運転を停止し(S6)、上記極低温蓄冷媒体の寒冷のみによって、高温超電導コイル2を冷却する(S7)。 Next, the operation of the refrigerator 6 is stopped (S6), and the high-temperature superconducting coil 2 is cooled only by the cooling of the cryogenic storage medium (S7).

そして、上記ステップS7において、容器3内の温度が上昇し、ネオンが液化する温度以上に達したとき、例えば25Kに達したとき、運転を継続する場合は冷凍機6の運転を再開し(S9)、上記ステップS5以降のステップを再度実行する(S8)。 In step S7, when the temperature in the container 3 rises and reaches or exceeds the temperature at which neon liquefies, for example, reaches 25K, the operation of the refrigerator 6 is resumed when the operation is continued (S9). ), The steps after step S5 are executed again (S8).

以降、極低温冷凍システム1は、上記ステップS5〜S9を実行するサイクルを繰り返し、高温超電導コイル2を継続して冷却することになる。 Thereafter, the cryogenic refrigeration system 1 repeats the cycle in which the above steps S5 to S9 are executed, and the high temperature superconducting coil 2 is continuously cooled.

上記のように構成された、極低温冷凍システム1を用いた極低温冷凍方法によれば、以下の効果を得ることができる。 According to the cryogenic refrigeration method using the cryogenic refrigeration system 1 configured as described above, the following effects can be obtained.

すなわち、固体ネオンは固体窒素と比べて、例えば温度20Kにおいて約2倍の比熱を有するため(固体ネオン:1.4J/(cm・K)、固体窒素:0.73J/(cm・K))、固体窒素のみの場合と比較して、冷却性能を高めることができる。 That is, solid neon has a specific heat approximately twice as high as that of solid nitrogen at a temperature of 20 K (solid neon: 1.4 J / (cm 3 · K), solid nitrogen: 0.73 J / (cm 3 · K). )), The cooling performance can be enhanced as compared with the case of solid nitrogen alone.

さらに、発熱や冷凍機の故障等により冷却対象の温度が上昇しても、ネオンが液体状態となる温度を超えると固体ネオンが液化し、冷却対象との隙間が埋められて熱接触が極めて良くなるため、それ以上の温度上昇を抑制することができる。したがって、大きな擾乱が生じて固体窒素がドライアウトした場合であっても、液体ネオンによる温度上昇抑制効果によって、熱暴走を回避することができる。 Furthermore, even if the temperature of the object to be cooled rises due to heat generation or a failure of the refrigerator, the solid neon liquefies when the temperature of neon exceeds the liquid state, and the gap between the object to be cooled is filled and the thermal contact is extremely good. Therefore, further temperature rise can be suppressed. Therefore, even if a large disturbance occurs and solid nitrogen is dried out, thermal runaway can be avoided by the temperature rise suppression effect by liquid neon.

また、ネオンが固体状態から液体状態となるまで、上記極低温蓄冷媒体の寒冷のみによって冷却できるため、冷凍機を断続的に運転することが可能となって、ランニングコストを低減することができる。 Further, since the cryogenic refrigerant can be cooled only until the neon changes from a solid state to a liquid state, the refrigerator can be operated intermittently, and the running cost can be reduced.

また、固体の蓄冷媒体によって冷却対象を接触しつつ包囲することで、機械的補強効果が得られ、超電導体が、運転中に生じる電磁力によって変形するのを防ぐことができる。 Further, by surrounding the object to be cooled while being in contact with the solid refrigerant storage body, a mechanical reinforcement effect can be obtained, and the superconductor can be prevented from being deformed by electromagnetic force generated during operation.

また、ネオンは現状高価であるが、窒素に対して僅かの量でよく、さらに一度導入すれば、原理的にはシステムが故障しない限り補充の必要がない。 In addition, neon is currently expensive, but it may be a small amount relative to nitrogen, and once introduced, in principle there is no need for replenishment unless the system fails.

また、冷凍機や極低温蓄冷媒体を収容するクライオスタットは既存のものでよく、特別な装置等を必要としない。 Moreover, the cryostat which accommodates a refrigerator and a cryogenic storage body may be an existing one, and no special device or the like is required.

[検証]
次に、本発明の作用・効果について検証すべく、実験を行った。以下、当該実験について図面を参照しながら説明する。
[Verification]
Next, an experiment was conducted to verify the operation and effect of the present invention. Hereinafter, the experiment will be described with reference to the drawings.

[実験装置]
まず、本実験に用いた実験装置ESについて説明する。
実験装置ESは主に、図3に示す如く、GM冷凍機の2ndステージS2に接続された銅製ステージCSと、銅製ステージCSの上方に形成された試料室SCと、試料室SC内に窒素ガスおよびネオンガスを導入するためのガス導入菅GI,GIと、これらを包囲するように形成された真空室VCと、ガス導入菅GIに接続されたガス導入システムGSとにより、構成されている。
[Experimental device]
First, the experimental apparatus ES used in this experiment will be described.
As shown in FIG. 3, the experimental apparatus ES mainly includes a copper stage CS connected to the 2nd stage S2 of the GM refrigerator, a sample chamber SC formed above the copper stage CS, and nitrogen gas in the sample chamber SC. And gas introduction rods GI and GI for introducing neon gas, a vacuum chamber VC formed so as to surround them, and a gas introduction system GS connected to the gas introduction rod GI.

ガス導入システムGSは、図3に示す如く、窒素ガスおよびネオンガスそれぞれについて、専用のマスフローコントローラMC1、MC2を備えており、それぞれの流量制御が可能であると共に、真空/圧力計PS(切り替え式)によって、試料室SC内の圧力を詳細に計測し得るようになっている。
なお、ガス導入システムGSはさらに、窒素・ネオン混合器MXも備えているが、本実験には用いなかった。
また、実験装置ESは、銅製ステージCSにおける部分CPの温度Tcpを、ヒータ(不図示)を用いてPID制御し得るようになっている。
As shown in FIG. 3, the gas introduction system GS includes dedicated mass flow controllers MC1 and MC2 for nitrogen gas and neon gas, respectively, and can control the flow rate of each, and is also equipped with a vacuum / pressure gauge PS (switching type). Thus, the pressure in the sample chamber SC can be measured in detail.
The gas introduction system GS further includes a nitrogen / neon mixer MX, which was not used in this experiment.
In addition, the experimental apparatus ES can perform PID control of the temperature Tcp of the partial CP in the copper stage CS using a heater (not shown).

[実験試料]
次に、本実験に用いた試料Sについて説明する。
試料Sは、HTS線材であるBi−2223/Ag多芯テープ材(100A、20K、self−field)からなり、図4に示す如く、両端が銅製ブロックCBに接続されている。
また、試料Sは、熱損失特性の評価を行うための電圧タップVTおよび高応答温度センサTSが設けられている。
[Experimental sample]
Next, the sample S used in this experiment will be described.
The sample S is made of a Bi-2223 / Ag multi-core tape material (100A, 20K, self-field), which is an HTS wire, and both ends thereof are connected to a copper block CB as shown in FIG.
In addition, the sample S is provided with a voltage tap VT and a high response temperature sensor TS for evaluating the heat loss characteristics.

そして、試料S、銅製ブロックCB、電圧タップVTおよび温度センサTSからなる試料ホルダSHを、図3に示す如く、実験装置ESの銅製ステージCS上に、熱伝導グリースを介して設置した。 Then, a sample holder SH composed of the sample S, the copper block CB, the voltage tap VT, and the temperature sensor TS was placed on the copper stage CS of the experimental apparatus ES via thermal conductive grease as shown in FIG.

[実験1]
次に、本発明の極低温蓄冷媒体における、固体窒素−液体ネオンの混相状態の有無、および上記混相状態形成に必要なネオン導入量について検証すべく、実験1を行った。以下、実験1の内容について説明する。
[Experiment 1]
Next, Experiment 1 was conducted in order to verify the presence or absence of the mixed phase of solid nitrogen-liquid neon and the amount of neon introduced necessary for forming the mixed phase in the cryogenic refrigerant of the present invention. Hereinafter, the contents of Experiment 1 will be described.

まず、実験装置ESを用いて、固体窒素−液体ネオンからなる極低温蓄冷媒体の作製を行った。すなわち、まず窒素を300g導入し、温度Tcpを変化させて、当該窒素を液化および固化させた(質量は、積算流量と標準状態の比重から評価した)。このとき、試料Sは固体窒素に浸漬された状態である。 First, the cryogenic refrigerant body made of solid nitrogen-liquid neon was produced using the experimental apparatus ES. That is, 300 g of nitrogen was first introduced, and the temperature Tcp was changed to liquefy and solidify the nitrogen (the mass was evaluated from the integrated flow rate and the specific gravity of the standard state). At this time, the sample S is in a state immersed in solid nitrogen.

その後、GM冷凍機による設定冷却温度を25.0Kに固定し、温度が安定した後に、表1に示す条件1〜5の通り、ネオンガスを導入した(温度Tcp、Tc、Tsの測定位置は図3参照)。なお、温度Tcpを25.0Kに制御しているにもかかわらず、TcおよびTsがネオン導入に伴って少しずつ上昇している。これは、残念ながら試料室SCに若干のリークがあることが原因である。ただし、以下の説明から明らかなように、少なくとも固体窒素中に液体ネオンが生成されていることは確実と考えられる。
Thereafter, the set cooling temperature by the GM refrigerator was fixed at 25.0 K, and after the temperature was stabilized, neon gas was introduced as shown in conditions 1 to 5 shown in Table 1 (measurement positions of temperatures Tcp, Tc, and Ts are shown in FIG. 3). Note that, although the temperature Tcp is controlled to 25.0 K, Tc and Ts gradually increase with the introduction of neon. This is unfortunately caused by a slight leak in the sample chamber SC. However, as is clear from the following description, it is considered that liquid neon is generated at least in solid nitrogen.

[実験1の結果]
図5は、条件1〜5における相状態を圧力P−温度T図上にプロットしたものである。同図から明らかなように、ネオン導入量が約10.8gとなったところで、相状態が飽和曲線上に達している。同温度における窒素の飽和蒸気圧はネオンに比較して非常に小さいことから、上記圧力はネオンの相状態を反映していると考えられる。つまり、ネオン量が10.8g付近に達したところで液化したと推測される。
ただし、図6に示す、温度25Kにおけるネオン導入時間に対する圧力変化から明らかなように、条件3(Ne:10.8g)では、まだ圧力が完全には飽和していない。つまり、厳密にはネオン量を10.8gよりもう少し多く導入したところで完全な液化が超こったものと推測される。
[Result of Experiment 1]
FIG. 5 is a plot of the phase states under conditions 1-5 on the pressure P-temperature T diagram. As is apparent from the figure, when the neon introduction amount reaches about 10.8 g, the phase state reaches the saturation curve. Since the saturated vapor pressure of nitrogen at the same temperature is much smaller than that of neon, it is considered that the pressure reflects the phase state of neon. That is, it is presumed that the liquid was liquefied when the neon amount reached around 10.8 g.
However, as is apparent from the pressure change with respect to the neon introduction time at a temperature of 25 K shown in FIG. 6, the pressure is not yet completely saturated under the condition 3 (Ne: 10.8 g). That is, strictly speaking, it is presumed that complete liquefaction exceeded when the neon amount was introduced a little more than 10.8 g.

[実験2]
次に、本発明の極低温蓄冷媒体にかかる上記混相状態の効果について検証すべく、実験2を行った。以下、実験2の内容について説明する。
[Experiment 2]
Next, Experiment 2 was conducted in order to verify the effect of the mixed phase state on the cryogenic refrigerant of the present invention. Hereinafter, the contents of Experiment 2 will be described.

上記条件1〜5において、試料Sに122A(負荷率:1.22)の過電流擾乱を10分間通電し、試料S表面についての初期温度からの変化(△Ts)を測定した。その結果を図7に示す。 Under the above conditions 1 to 5, an overcurrent disturbance of 122 A (load factor: 1.22) was passed through the sample S for 10 minutes, and the change (ΔTs) from the initial temperature on the surface of the sample S was measured. The result is shown in FIG.

[実験2の結果]
図7から明らかなように、固体窒素のみの場合(条件1(Ne:0g))と比較して、ネオンを微量でも導入すれば温度上昇が抑制されていることがわかる。特に、条件4(Ne:16.2g)と5(Ne:21.6g)では、過電流擾乱印加後、5分程度経過してから全く温度上昇が無くなっており、試料Sが安定状態を維持している。
[Result of Experiment 2]
As is clear from FIG. 7, it can be seen that the temperature rise is suppressed when neon is introduced even in a small amount, compared with the case of solid nitrogen alone (condition 1 (Ne: 0 g)). In particular, under conditions 4 (Ne: 16.2 g) and 5 (Ne: 21.6 g), the temperature does not increase at all after about 5 minutes have passed since the overcurrent disturbance is applied, and the sample S maintains a stable state. is doing.

このことは、図5および図6に示す結果から得られたように、ネオンが液化したためと推測される。すなわち、本発明の極低温蓄冷媒体の冷却メカニズムが、定量的な形で実証された。このとき、標準状態の窒素ガスに対するネオンガス量の割合は、ネオンガスが10.8gの場合に3.6%、16.2gの場合に5.4%である。前述したように、本システムでは試料室SCのリークが存在するため、実際には更にネオンガス導入割合を低く設定できると予測される。 This is presumed to be due to the liquefaction of neon as obtained from the results shown in FIGS. That is, the cooling mechanism of the cryogenic refrigerant of the present invention was demonstrated in a quantitative manner. At this time, the ratio of the neon gas amount to the nitrogen gas in the standard state is 3.6% when the neon gas is 10.8 g and 5.4% when the neon gas is 16.2 g. As described above, in the present system, since there is a leak in the sample chamber SC, it is predicted that the neon gas introduction ratio can actually be set lower.

[実験3]
次に、本発明の極低温蓄冷媒体において、固体窒素―固体ネオンの状態が実現しているかについて検証すべく、実験3を行った。以下、実験3の内容について説明する。
[Experiment 3]
Next, Experiment 3 was conducted to verify whether or not the solid nitrogen-solid neon state was realized in the cryogenic refrigerant of the present invention. Hereinafter, the contents of Experiment 3 will be described.

まず、窒素:300g(標準状態換算)、ネオン:32.4g(標準状態換算)を導入し、試料SHを設置しなかった以外は上記実験1と同一の方法で、固体窒素−固体ネオンからなる極低温蓄冷媒体を作製した。
次に、冷凍機によって温度Tcを13.0Kまで冷却した後、ヒータによって加熱してTcを25.5Kまで上昇させた。このとき測定したPc、Tcをネオンの相図上にプロットして図8に示す。また、Tcが25.0〜25.2Kである範囲におけるPc、Tcの時間変化を図9に示す。
First, nitrogen: 300 g (standard state conversion), neon: 32.4 g (standard state conversion) were introduced, and the sample SH was not installed, and was made of solid nitrogen-solid neon in the same manner as in Experiment 1 above. A cryogenic storage medium was produced.
Next, after the temperature Tc was cooled to 13.0K with the refrigerator, the heater was heated to raise Tc to 25.5K. Pc and Tc measured at this time are plotted on the phase diagram of neon and shown in FIG. Moreover, the time change of Pc and Tc in the range whose Tc is 25.0-25.2K is shown in FIG.

そして、ヒータによる加熱を停止し、冷凍機によってTcを25.5Kから下降させた。このときのPc、Tcの時間変化を図10に示す。
[実験3の結果]
図8、図9および図10から、本発明の極低温蓄冷媒体を加熱または冷却する際、ネオンの3重点付近において、温度および圧力の変化がほぼなくなる状態(図中のL)が存在していることがわかる。これは、この間で潜熱の放出または吸収が行われていることに違いなく、ネオンが固体状態から液体状態または液体状態から固体状態へ確実に相転移していることがわかる。
また、図8から、本実験の測定データがネオンの平衡状態のライン上に載っており、凝固点降下が起こっていないことがわかる。
つまり、本発明の極低温蓄冷媒体は、窒素およびネオンがそれぞれ独立して相状態を形成しており、固体窒素に対してネオンが独立して固体または液体に相転移することが実証された。
And the heating by a heater was stopped and Tc was lowered | hung from 25.5K with the refrigerator. The time change of Pc and Tc at this time is shown in FIG.
[Result of Experiment 3]
8, 9, and 10, when heating or cooling the cryogenic refrigerant of the present invention, there is a state (L in the figure) in which there is almost no change in temperature and pressure near the triple point of neon. I understand that. This indicates that the latent heat is released or absorbed during this period, and neon is surely undergoing a phase transition from the solid state to the liquid state or from the liquid state to the solid state.
Further, FIG. 8 shows that the measurement data of this experiment is on the neon equilibrium line, and no freezing point depression occurs.
That is, in the cryogenic storage medium of the present invention, it was demonstrated that nitrogen and neon each independently form a phase state, and neon independently transitions to solid or liquid with respect to solid nitrogen.

[変形例]
以上、本発明の実施の形態について具体的に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。
上記実施形態においては被冷却体を超電導体としたが、これに限定されるものではなく、赤外線望遠鏡における赤外線検出器等、超電導体と同様に極低温で使用されるものであればよい。
[Modification]
As mentioned above, although embodiment of this invention was described concretely, this invention is not limited to these.
In the above embodiment, the superconductor is used as the object to be cooled. However, the present invention is not limited to this, and any material can be used as long as it is used at a cryogenic temperature like the superconductor, such as an infrared detector in an infrared telescope.

また、上記実施形態においては、固体窒素と、固体状態または液体状態となるネオンとから極低温蓄冷媒体を構成したが、固体アルゴンと、固体状態または液体状態となる窒素とから構成してもよい。 Moreover, in the said embodiment, although the cryogenic refrigerant body was comprised from solid nitrogen and neon which will be in a solid state or a liquid state, you may comprise from solid argon and nitrogen which will be in a solid state or a liquid state. .

また、例えば被冷却体が大きく、電磁力による被冷却体の変形が大きいような場合であって、機械的補強効果をさらに高めたい場合は、本発明の極低温蓄冷媒体が、被冷却体を接触若しくは接触状態で取り囲むメッシュ状等の補強部材をさらに包含するように構成してもよい。 Further, for example, when the object to be cooled is large and the object to be cooled due to electromagnetic force is greatly deformed, and the mechanical reinforcement effect is to be further enhanced, the cryogenic refrigerant storage device of the present invention You may comprise so that the reinforcing member of mesh shape etc. which may be enclosed in a contact or a contact state may be further included.

本実施形態にかかる極低温冷凍システムを示す概略図である。It is the schematic which shows the cryogenic refrigeration system concerning this embodiment. 本実施形態にかかる極低温冷凍方法のフローを示す図である。It is a figure which shows the flow of the cryogenic refrigeration method concerning this embodiment. 本発明に関する実験に用いた実験装置を示す図である。It is a figure which shows the experimental apparatus used for the experiment regarding this invention. 本発明に関する実験に用いた実験試料を示す図である。It is a figure which shows the experimental sample used for the experiment regarding this invention. 本発明に関する実験により得られた結果を示す図である。It is a figure which shows the result obtained by the experiment regarding this invention. 本発明に関する実験により得られた別の結果を示す図である。It is a figure which shows another result obtained by experiment regarding this invention. 本発明に関する実験により得られたさらに別の結果を示す図である。It is a figure which shows another result obtained by experiment regarding this invention. 本発明に関する実験により得られたさらに別の結果を示す図である。It is a figure which shows another result obtained by experiment regarding this invention. 本発明に関する実験により得られたさらに別の結果を示す図である。It is a figure which shows another result obtained by experiment regarding this invention. 本発明に関する実験により得られたさらに別の結果を示す図である。It is a figure which shows another result obtained by experiment regarding this invention. 固体窒素と被冷却体との熱接触の状態を概念的に示す図である。It is a figure which shows notionally the state of the thermal contact of solid nitrogen and a to-be-cooled body. 固体窒素と液体ネオンとからなる極低温蓄冷媒体の構造を概念的に示す図である。It is a figure which shows notionally the structure of the cryogenic storage body which consists of solid nitrogen and liquid neon.

符号の説明Explanation of symbols

1 極低温冷凍システム
2 高温超電導コイル
3 容器
4 クライオスタット
5 伝熱部材
6 冷凍機
6a 冷却ステージ
7 窒素導入手段
8 ネオン導入手段
9 制御器
10 温度測定器
11 圧力測定器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cryogenic refrigeration system 2 High temperature superconducting coil 3 Container 4 Cryostat 5 Heat transfer member 6 Refrigerator 6a Cooling stage 7 Nitrogen introducing means 8 Neon introducing means 9 Controller 10 Temperature measuring instrument 11 Pressure measuring instrument

Claims (7)

被冷却体を冷却する極低温冷凍方法であって、A cryogenic refrigeration method for cooling an object to be cooled,
(A)クライオスタット内に収容された被冷却体に接触する固体窒素を形成するステップと、(A) forming solid nitrogen in contact with an object to be cooled contained in a cryostat;
(B)前記固体窒素に液体ネオンを浸透させ、その少なくとも一部を前記被冷却体と前記固体窒素との間に挿入するステップと、(B) penetrating liquid neon into the solid nitrogen, and inserting at least a portion thereof between the cooled object and the solid nitrogen;
(C)前記液体ネオンを固化させて、固体窒素および固体ネオンからなる複合体を形成するステップと、(C) solidifying the liquid neon to form a complex composed of solid nitrogen and solid neon;
(D)前記複合体の寒冷のみにより、前記被冷却体を冷却するステップと、(D) cooling the object to be cooled only by cooling the complex;
(E)前記ステップ(D)において、前記固体ネオンが液体状態となった後、前記ステップ(C)以降のステップを再度実行するステップと、(E) In the step (D), after the solid neon is in a liquid state, the step after the step (C) is executed again;
を含むことを特徴とする極低温冷凍方法。A cryogenic refrigeration method comprising:
前記ステップ(A)は、The step (A)
(A1)極低温冷凍機により、前記クライオスタット内を窒素が液体状態を保つ温度まで冷却するステップと、(A1) using a cryogenic refrigerator to cool the cryostat to a temperature at which nitrogen is kept in a liquid state;
(A2)窒素が液体状態を保つ温度まで冷却された前記クライオスタット内に、窒素ガスを導入して液化させ、若しくは液体窒素を導入し、前記被冷却体が当該液体窒素によって浸漬されるようにするステップと、(A2) Nitrogen gas is introduced into the cryostat cooled to a temperature at which nitrogen is maintained in a liquid state to be liquefied, or liquid nitrogen is introduced so that the cooled object is immersed in the liquid nitrogen. Steps,
(A3)前記極低温冷凍機により、前記クライオスタット内を前記液体窒素が固化する温度までさらに冷却するステップと、により実行され、(A3) further cooling by the cryogenic refrigerator to a temperature at which the liquid nitrogen solidifies in the cryostat,
前記ステップ(B)は、The step (B)
(B1)前記極低温冷凍機により、固体窒素が形成された前記クライオスタット内をネオンが液体状態を保つ温度までさらに冷却するステップと(B1) further cooling the inside of the cryostat in which solid nitrogen is formed with the cryogenic refrigerator to a temperature at which neon maintains a liquid state;
(B2)ネオンが液体状態を保つ温度まで冷却された前記クライオスタット内に、ネオンガスを少なくともそれが液化するまで導入する、若しくは液体ネオンを導入するステップと、により実行され、(B2) introducing neon gas into the cryostat cooled to a temperature at which neon is maintained in a liquid state, at least until it liquefies, or introducing liquid neon,
前記ステップ(C)は、The step (C)
前記極低温冷凍機により、前記クライオスタット内をネオンが固化する温度よりも低い第1の温度までさらに冷却することによって実行され、The cryogenic refrigerator is used to further cool the inside of the cryostat to a first temperature lower than the temperature at which neon solidifies,
前記ステップ(E)は、前記ステップ(D)において、前記クライオスタット内の温度が、ネオンが液化する温度以上の第2の温度まで達したとき、前記ステップ(C)以降のステップを再度実行する、In the step (E), when the temperature in the cryostat reaches a second temperature equal to or higher than the temperature at which neon liquefies in the step (D), the steps after the step (C) are executed again.
ようになっていることを特徴とする請求項1に記載の極低温冷凍方法。The cryogenic refrigeration method according to claim 1, wherein
被冷却体を冷却する極低温冷凍システムであって、A cryogenic refrigeration system for cooling an object to be cooled,
前記被冷却体を収容するためのクライオスタットと、A cryostat for accommodating the cooled object;
前記被冷却体を冷却するための極低温冷凍機と、A cryogenic refrigerator for cooling the object to be cooled;
前記クライオスタット内に窒素ガス若しくは液体窒素を導入するための窒素導入手段と、Nitrogen introducing means for introducing nitrogen gas or liquid nitrogen into the cryostat;
前記クライオスタット内にネオンガス若しくは液体ネオンを導入するためのネオン導入手段と、Neon introduction means for introducing neon gas or liquid neon into the cryostat;
前記クライオスタット内部に関する温度を測定するための温度測定器と、A temperature measuring device for measuring a temperature related to the inside of the cryostat;
前記クライオスタット内部に関する圧力を測定するための圧力測定器と、A pressure measuring device for measuring pressure related to the inside of the cryostat;
前記温度測定器が測定した温度ならびに前記圧力測定器が測定した圧力に基づいて、前記極低温冷凍機、前記窒素導入手段および前記ネオン導入手段を制御する制御器と、A controller for controlling the cryogenic refrigerator, the nitrogen introducing means and the neon introducing means based on the temperature measured by the temperature measuring instrument and the pressure measured by the pressure measuring instrument;
を含み、Including
前記制御器は、The controller is
前記クライオスタット内に前記被冷却体が収容された際、前記極低温冷凍機を制御して、前記クライオスタット内を窒素が液体状態を保つ温度まで冷却し、When the object to be cooled is accommodated in the cryostat, the cryogenic refrigerator is controlled to cool the inside of the cryostat to a temperature at which nitrogen is kept in a liquid state,
次いで、窒素導入手段を制御して、当該クライオスタット内に窒素ガスを導入して液化させ、若しくは液体窒素を導入し、前記被冷却体が当該液体窒素によって浸漬されるようにし、Next, by controlling the nitrogen introduction means, nitrogen gas is introduced into the cryostat to be liquefied, or liquid nitrogen is introduced so that the cooled object is immersed in the liquid nitrogen,
次いで、前記極低温冷凍機を制御して、前記クライオスタット内を前記液体窒素が固化する温度までさらに冷却し、Next, the cryogenic refrigerator is controlled to further cool the cryostat to a temperature at which the liquid nitrogen solidifies,
次いで、前記クライオスタット内をネオンが液体状態を保つ温度まで冷却し、Next, the cryostat is cooled to a temperature at which neon maintains a liquid state,
次いで、ネオン導入手段を制御して、当該クライオスタット内に、ネオンガスを少なくともそれが液化するまで導入し、若しくは液体ネオンを導入し、Next, the neon introduction means is controlled to introduce neon gas into the cryostat at least until it liquefies, or introduce liquid neon,
次いで、前記極低温冷凍機を制御して、前記クライオスタット内をネオンが固化する温度よりも低い第1の温度までさらに冷却し、Next, the cryogenic refrigerator is controlled to further cool the cryostat to a first temperature lower than the temperature at which neon solidifies,
次いで、前記クライオスタット内に関する温度が、ネオンが液化する温度以上の第2の温度まで達したとき、前記極低温冷凍機を制御して、前記クライオスタット内をネオンが固化する温度よりも低い第1の温度まで冷却する、Next, when the temperature related to the inside of the cryostat reaches a second temperature that is equal to or higher than the temperature at which neon liquefies, the cryogenic refrigerator is controlled, and the first temperature lower than the temperature at which neon solidifies inside the cryostat. Cool to temperature,
ように構成されていることを特徴とする極低温冷凍システム。A cryogenic refrigeration system configured as described above.
前記窒素をアルゴンに置き換え、かつ、前記ネオンを窒素に置き換えたことを特徴とする請求項1または2に記載の極低温冷凍方法。The cryogenic refrigeration method according to claim 1 or 2, wherein the nitrogen is replaced with argon and the neon is replaced with nitrogen. 前記窒素をアルゴンに置き換え、かつ、前記ネオンを窒素に置き換えたことを特徴とする請求項3に記載の極低温冷凍システム。The cryogenic refrigeration system according to claim 3, wherein the nitrogen is replaced with argon and the neon is replaced with nitrogen. 前記被冷却体は超電導体であることを特徴とする請求項1、2または4に記載の極低温冷凍方法。The cryogenic refrigeration method according to claim 1, wherein the object to be cooled is a superconductor. 前記被冷却体は超電導体であることを特徴とする請求項3または5に記載の極低温冷凍システム。The cryogenic refrigeration system according to claim 3 or 5, wherein the object to be cooled is a superconductor.
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