JP5191800B2 - 冷却容器および超電導装置 - Google Patents
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Description
図1は本発明の第1の実施形態に係る冷却容器を示す模式的立断面図である。冷媒容器13は、室温に置かれる断熱容器11内に真空などの断熱空間12を介して配置されている。冷媒容器13内には、液体窒素などの液体状の冷媒14が貯えられ、冷媒容器13内に冷媒の液面40が形成されている。冷媒容器13には、冷媒の注入口15と排出口16が配置されている。排出口にはバルブ17が取り付けられている。本実施形態の冷却容器には冷凍機18が配置され、その冷却ステージ19は冷媒容器13内にあって、液面40よりも上方にある。冷却ステージ19には、中空構造の伝熱部材21が熱的に接続されていて、伝熱部材21全体が液面40よりも上方にある。伝熱部材21は軸を鉛直にした筒状であって、上端は閉じていて冷却ステージ19に固定され、下端は液面40に向かって開放している。
図2は本発明の第2の実施形態に係る冷却容器を示す模式的立断面図である。本実施形態は、中空構造の伝熱部材21の冷媒側の端部(下端部)が全周にわたって冷媒14に浸漬され、端部には気体に対して開放の部位がない。第1の実施形態(図1)の構成と効果は基本的に同じであるが、圧力保持に異種気体を使用したときに分離される効果がある。また、伝熱部材21が冷媒に浸漬されているので熱伝導による伝熱も期待できる。
図4は本発明の第3の実施形態に係る冷却容器を示す模式的立断面図である。本実施形態の場合は、中空構造をなす伝熱部材21の内部に、冷却ステージ19と熱的に接続された伝熱部材である筒状体23を一つないし複数具備する。
図5は本発明の第4の実施形態に係る冷却容器を示す模式的立断面図である。第3の実施形態(図4)に対して、中空構造の伝熱部材21および筒状体23の下部が冷媒に浸漬された構成になっている。中空構造の伝熱部材21の下端部は全周にわたり、気体に対して開放ではない。この実施形態によれば第2の実施形態(図3)の効果と第3の実施形態(図4)の効果とを合わせて得ることができる。
図6は本発明の第5の実施形態に係る冷却容器を示す模式的立断面図である。本実施形態は第3の実施形態(図4)の変形であって、中空構造の伝熱部材21の内部に位置する筒状体24それぞれが、冷凍機側(上側)に比べて冷媒側(下側)ほど断面積が小さくするような、錘形状(たとえば円錐または角錐)の筒状体24である。伝熱として、冷却ステージ19表面での凝縮伝熱を考えるとき、熱的に接続されている伝熱部材表面でも蒸発した冷媒の再凝縮が生ずる。筒状の伝熱部材の上部から凝縮が起きたとき、下部に行くに従い付着する液体の量は増えていく。すなわち、気液界面が次第に外側に向かっていく。この場合、隣接した筒状の伝熱部材表面の液体と干渉する可能性がある。図6のように伝熱部材を錘状の構成とすることで、これを防止し凝縮による伝熱効果をあげることができる。
図7は本発明の第6の実施形態に係る冷却容器を示す模式的立断面図である。本実施形態は第5の実施形態(図6)の変形であって、中空構造の伝熱部材21および筒状体24の下部が冷媒に浸漬された構成になっている。筒状体24は、第5の実施形態と同様に錘形状である。中空構造の伝熱部材21の端部は全周にわたり、気体に対して開放ではない。この実施形態によれば第4の実施形態(図5)の効果と第5の実施形態(図6)の効果とを合わせて得ることができる。
図8は本発明の第7の実施形態に係る冷却容器を示す模式的立断面図である。本実施形態は第2の実施形態(図2)の変形であって、冷媒容器13において、大気圧あるいはそれ以上に加圧、保持する手段を具備することを特徴としている。図8では、加圧、保持するための配管25とバルブ26が配置されている。このような構成をとることにより、冷媒14の温度を冷凍機18により下げた際に、冷媒内部での気泡生成を抑制することができる。特に超電導機器においては、気泡生成により電気絶縁低下を防ぐことができる。
図9は本発明の第8の実施形態に係る冷却容器を示す模式的立断面図である。本実施形態は第7の実施形態(図8)の変形であって、中空構造をなす伝熱部材21の内部から、冷却容器の外部へバルブ28を介した配管27が具備されていることを特徴とする。第7の実施形態(図8)においては、配管25から冷媒14とは異種ガスを用いて加圧する際に、異種ガスが冷媒14に溶け中空構造をなす伝熱部材21の内部に現出する可能性がある。このような状態になると冷却ステージ19の周囲が、異種ガスで覆われ、伝熱効果が減少する。第8の実施形態の構成をとることにより、必要に応じて、中空構造をなす伝熱部材21の内部から、異種ガスを抜くことができ、伝熱効果を維持できる。
図10は本発明の第9の実施形態に係る冷却容器を示す模式的立断面図である。本実施形態は第2の実施形態(図2)の変形であって、中空構造をなす伝熱部材21の外周に断熱部材29を具備することを特徴としている。配管25から冷媒14と同種ガスを用いて加圧する際に、中空構造をなす伝熱部材21の外周で凝縮が生ずる可能性がある。これは、加圧の効果を失うとともに、熱負荷の増加につながる。断熱部材29を具備することにより、外周での凝縮を防止し、加圧の効果をいじするとともに熱負荷の増加を抑制できる。
図11は本発明の第10の実施形態に係る超電導装置を示す模式的立断面図である。本実施形態は第2の実施形態(図2)の変形であって、冷却容器の中で、超電導コイル30を冷却する構成である。超電導コイル30に室温部にある電源から電力を供給するために電流リード31が配置されている。
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。各実施形態の特徴を組み合わせることも可能である。たとえば、第7の実施形態(図8)および第9の実施形態(図10)は第2の実施形態(図2)の変形として説明したが、これらに、第4の実施形態(図5)の筒状体23や第6の実施形態(図7)の錐状筒状体24を導入してもよい。また、第10の実施形態(図11)は超電導コイル30を第2の実施形態(図2)の冷却容器内に収納した例であるが、超電導コイル30や超電導素子を他の実施形態の冷却容器に収納できることは言うまでもない。
12:断熱空間
13:冷媒容器
14:冷媒
15:注入口
16:排出口
17:バルブ
18:冷凍機
19:冷却ステージ
21:伝熱部材
22:気液界面(液面)
23:筒状体
24:筒状体
25:配管
26:バルブ
27:配管
28:バルブ
29:断熱部材
30:超電導コイル
31:電流リード
40:液面
Claims (8)
- 低温液体の冷媒を収容して内部に冷媒の液面を形成する冷媒容器と、
この冷媒容器を取り囲む断熱容器と、
前記冷媒容器内に収容された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て前記冷媒容器内に収容された伝熱部材と、
を有する冷却容器であって、
前記伝熱部材は下方に向けて開放している筒状部を有して、前記筒状部の上端部は閉じて前記冷却ステージに熱的に接続されていること、
を特徴とする冷却容器。 - 前記筒状部の下端部全体が前記冷媒の液面下に浸漬され、前記冷媒の液面上の空間が、前記筒状部によって仕切られていること、を特徴とする請求項1に記載の冷却容器。
- 前記筒状部内で前記冷媒の液面上の空間と前記断熱容器の外側とを接続する配管と、
前記配管に取り付けられたバルブと、
をさらに有すること、を特徴とする請求項2に記載の冷却容器。 - 前記冷媒容器内で前記筒状部の外周を覆う断熱部材をさらに有すること、を特徴とする請求項2に記載の冷却容器。
- 前記筒状部の内側に、下方に向けて開放している少なくとも一つの筒状体が配置されていて、前記筒状体の上端部は閉じて前記冷却ステージに熱的に接続されていること、を特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の冷却容器。
- 前記筒状部の内側に、上端部は前記冷却ステージに熱的に接続されて下方に向かって細くなりながら延びる少なくとも一つの伝熱体が配置されていること、を特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載の冷却容器。
- 前記冷媒容器内の圧力を高めるための加圧手段を有すること、を特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか一項に記載の冷却容器。
- 低温液体の冷媒を収容して内部に冷媒の液面を形成する冷媒容器と、
この冷媒容器を取り囲む断熱容器と、
前記冷媒容器内に収容された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て前記冷媒容器内に収容された伝熱部材と、
前記冷媒容器内に収容された超電導コイルまたは超電導素子と、
を有する超電導装置であって、
前記伝熱部材は下方に向けて開放している筒状部を有して、前記筒状部の上端部は閉じて前記冷却ステージに熱的に接続されていること、
を特徴とする超電導装置。
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