JP5893490B2 - パルス管冷凍機によるシールド板冷却装置 - Google Patents
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Description
本発明は、パルス管冷凍機によるシールド板冷却装置に関するものであり、特に、リニアモーターカーの超電導磁石、ＮｂＴｉ超電導コイルの輻射シールド板冷却装置に関するものである。
図３は従来のリニアモーターカーの超電導磁石のシールド板冷却方式の模式図である。
この図において、１０１Ａは複数の第１の超電導コイル（ＮｂＴｉ線材）、１０２Ａは複数の第１の超電導コイル１０１Ａの内槽、１０３Ａは第１の窒素シールド板、１０４Ａは第１の超電導コイル１０１Ａの外槽、１０１Ｂは複数の第２の超電導コイル（ＮｂＴｉ線材）、１０２Ｂは複数の第２の超電導コイル１０１Ｂの内槽、１０３Ｂは第２の窒素シールド板、１０４Ｂは第２の超電導コイル１０１Ｂの外槽、１０５は液体窒素タンク、１０６は液体ヘリウムタンク、１０７は液体ヘリウムタンク１０６の窒素シールド板、１０８はヘリウム圧縮機、１０９はヘリウム圧縮機１０８に接続され、液体窒素タンク１０５の蒸発ガス窒素を液化する８０Ｋ冷凍機（単段ＧＭ）、１１０は、冷凍機自身のシールド及び液体ヘリウムタンク１０６を冷却する４Ｋ冷凍機（２段ＧＭ）である。
ここでは、ＮｂＴｉ超電導コイル１０１Ａ，１０１Ｂが超電導状態を得るためには、超電導コイル１０１Ａ，１０１Ｂをヘリウム温度近くまで冷却しなければならず、超電導磁石としてクライオスタットを構成するためには、外気温度からの輻射熱除去に、超電導コイル１０１Ａ，１０１Ｂを囲った窒素シールド板１０３Ａ，１０３Ｂに配管を這わせ、液体窒素を循環させたり、液体窒素を充填補給したりして、液体窒素温度７７Ｋに保持する方式が採られている。
寺井元昭，他９名，「浮上式鉄道用８０ＫＧＭ冷凍システムの開発（４），４Ｋ／８０Ｋ両用冷凍システム適用ＳＣＭの評価，第５８回 １９９８年度春季低温工学・超電導学会，ｐｐ６７
中尾裕行 他７名，「浮上式鉄道用超電導磁石の４Ｋ／８０Ｋ両用ＧＭ冷凍システムの開発−窒素自然循環方式熱シールド板の冷却特性−，低温工学，Ｖｏｌ．３４，Ｎｏ．２（１９９９），ｐｐ．６５〜７２
上記した従来のシールド板冷却方式では「シールド板温度７７Ｋ」という制約の下でクライオスタットを設計することになり、超電導コイル内槽１０２Ａ，１０２Ｂ〜窒素シールド板１０３Ａ，１０３Ｂ、窒素シールド板１０３Ａ，１０３Ｂ〜超電導コイル外槽１０４Ａ，１０４Ｂの距離が超電導コイル１０１Ａ，１０１Ｂのスペックによって一様に定まることになる。
本願発明者は、新たな冷却方式を採用して、１段ＰＴＣ（１段パルスチューブクライオクーラー）であるパルス管冷凍機によりシールド板の温度を７７Ｋよりも低くすることにより、低温超電導磁石の小型化を可能とするようにした。
すなわち、本発明は、上記状況に鑑みて、シールド板の温度をパルス管冷凍機により７７Ｋよりも低くすることにより、低温超電導磁石の小型化を図り得る、パルス管冷凍機によるシールド板冷却装置を提供することを目的とする。
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕パルス管冷凍機のクライオコイル型の冷端熱交換配管を超電導磁石の輻射シールド板に這わせて、前記輻射シールド板の温度を均一に７７Ｋ以下に冷却させるパルス管冷凍機によるシールド板冷却装置であって、複数の第１の超電導コイルと、この第１の超電導コイルの内槽と、前記超電導コイルの第１の輻射シールド板と、第１の外槽と、複数の第２の超電導コイルと、この第２の超電導コイルの内槽と、前記超電導コイルの第２の輻射シールド板と、第２の外槽と、前記第１の輻射シールド板を冷却する第１のクライオコイル型の冷端熱交換配管と、前記第２の輻射シールド板を冷却する第２のクライオコイル型の冷端熱交換配管と、前記第１のクライオコイル型の冷端熱交換配管に接続される１段パルス管冷凍機と、前記第２のクライオコイル型の冷端熱交換配管に接続されるとともに、液体ヘリウムタンクの輻射シールド板を冷却する２段パルス管冷凍機と、前記１段パルス管冷凍機と前記２段パルス管冷凍機に接続されるガス圧縮機とを具備することを特徴とする。
〔１〕パルス管冷凍機のクライオコイル型の冷端熱交換配管を超電導磁石の輻射シールド板に這わせて、前記輻射シールド板の温度を均一に７７Ｋ以下に冷却させるパルス管冷凍機によるシールド板冷却装置であって、複数の第１の超電導コイルと、この第１の超電導コイルの内槽と、前記超電導コイルの第１の輻射シールド板と、第１の外槽と、複数の第２の超電導コイルと、この第２の超電導コイルの内槽と、前記超電導コイルの第２の輻射シールド板と、第２の外槽と、前記第１の輻射シールド板を冷却する第１のクライオコイル型の冷端熱交換配管と、前記第２の輻射シールド板を冷却する第２のクライオコイル型の冷端熱交換配管と、前記第１のクライオコイル型の冷端熱交換配管に接続される１段パルス管冷凍機と、前記第２のクライオコイル型の冷端熱交換配管に接続されるとともに、液体ヘリウムタンクの輻射シールド板を冷却する２段パルス管冷凍機と、前記１段パルス管冷凍機と前記２段パルス管冷凍機に接続されるガス圧縮機とを具備することを特徴とする。
本発明によれば、次のような効果を奏することができる。
（１）従来のパルス管冷凍機における液体窒素、液体窒素タンクが不要となる。そのために、タンク部の外槽が小さくなる。
（２）輻射シールド板の温度を低くすることで、超電導コイル、液体ヘリウムタンク及び輻射シールド板の距離を短くすることができる。
（３）上記（１），（２）により、超電導磁石の小型軽量化を図ることができる。
（４）超電導コイル、液体ヘリウムタンクから輻射シールド板の距離が現行のままでも、超電導コイル、液体ヘリウムタンクへの熱輻射量が少なくなり、液体ヘリウムへの熱侵入量が小さくなる。
本発明のパルス管冷凍機によるシールド板冷却装置は、パルス管冷凍機のクライオコイル型の冷端熱交換配管を超電導磁石の輻射シールド板に這わせて、前記輻射シールド板の温度を均一に７７Ｋ以下に冷却させるパルス管冷凍機によるシールド板冷却装置であって、複数の第１の超電導コイルと、この第１の超電導コイルの内槽と、前記超電導コイルの第１の輻射シールド板と、第１の外槽と、複数の第２の超電導コイルと、この第２の超電導コイルの内槽と、前記超電導コイルの第２の輻射シールド板と、第２の外槽と、前記第１の輻射シールド板を冷却する第１のクライオコイル型の冷端熱交換配管と、前記第２の輻射シールド板を冷却する第２のクライオコイル型の冷端熱交換配管と、前記第１のクライオコイル型の冷端熱交換配管に接続される１段パルス管冷凍機と、前記第２のクライオコイル型の冷端熱交換配管に接続されるとともに、液体ヘリウムタンクの輻射シールド板を冷却する２段パルス管冷凍機と、前記１段パルス管冷凍機と前記２段パルス管冷凍機に接続されるガス圧縮機とを具備する。
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は本発明の実施例を示すパルス管冷凍機によるシールド板冷却装置の模式図である。
この図において、１Ａは超電導コイルの第１の輻射シールド板、２Ａは超電導コイルの第１の外槽、１Ｂは超電導コイルの第２の輻射シールド板、２Ｂは超電導コイルの第２の外槽、３Ａは第１の輻射シールド板１Ａを冷却する第１のクライオコイル型の冷端熱交換配管、３Ｂは第２の輻射シールド板１Ｂを冷却する第２のクライオコイル型の冷端熱交換配管、４は液体ヘリウムタンク、５は液体ヘリウムタンク４の輻射シールド板、６は第１のクライオコイル型の冷端熱交換配管３Ａに接続される１段パルス管冷凍機（１段ＰＴＣ）、７は第２のクライオコイル型の冷端熱交換配管３Ｂに接続されるとともに、液体ヘリウムタンク４の輻射シールド板５を冷却する４Ｋ２段パルス管冷凍機（２段ＰＴＣ）、８は１段パルス管冷凍機６と４Ｋ２段パルス管冷凍機７に接続されるヘリウム圧縮機である。なお、図１では超電導コイル及び内槽は省略されているが、それらの配置は図３と同様である。また、４Ｋ２段パルス管冷凍機７は、１段を輻射シールド板冷却に使用し、２段は従来同様ガスヘリウムの液化に使用する。
この実施例では、パルス管冷凍機によるシールド板冷却装置において、パルス管冷凍機６，７に接続されるクライオコイル型の冷端熱交換配管３Ａ，３Ｂを超電導磁石の輻射シールド板１Ａ，１Ｂに這わせて、輻射シールド板１Ａ，１Ｂの温度を均一に７７Ｋ以下に冷却させる。
図２は本発明の実施例を示すパルス管冷凍機によるシールド板冷却装置の１段パルス管冷凍機の模式図である。
この図において、第１のクライオコイル型の冷端熱交換配管３Ａに接続される１段パルス管冷凍機（１段ＰＴＣ）６は、超電導コイルの第１の外槽２Ａに接続される蓄冷器１１と、この蓄冷器１１に接続される圧縮機低圧側制御バルブ１２と圧縮機高圧側制御バルブ１３とヘリウム圧縮機１４とを具備し、一方、超電導コイルの第１の外槽２Ａに接続される管状のパルス管１５と、高圧側バッファタンク制御バルブ１６と、低圧側バッファタンク制御バルブ１７と、高圧側バッファタンク１８と、低圧側バッファタンク１９とを具備している。
このように、パルス管冷凍機のクライオコイル型の冷端熱交換配管３Ａを輻射シールド板１Ａに這わせているので、このクライオコイル型の冷端熱交換配管３Ａにより熱交換が行われて、輻射シールド板１Ａの温度を均一に７７Ｋ以下に冷却させることができる。図示しないが、パルス管冷凍機のクライオコイル型の冷端熱交換配管３Ｂにおいても同様に冷却させることができる。
本発明によれば、
（１）従来の液体窒素、液体窒素タンクが不要となり、タンク部の外槽を小さくすることができる。
（２）輻射シールド板の温度を低くすることで、超電導コイル、液体ヘリウムタンク及び輻射シールド板の距離を短くすることができる。
（３）上記（１），（２）により、超電導コイル（超電導磁石）の小型軽量化を図ることができる。
（４）超電導コイル、液体ヘリウムタンクから輻射シールドの距離が現行のままでも、超電導コイル、液体ヘリウムタンクへの熱輻射量が少なくなり、液体ヘリウムへの熱侵入量を小さくすることができる。
（１）従来の液体窒素、液体窒素タンクが不要となり、タンク部の外槽を小さくすることができる。
（２）輻射シールド板の温度を低くすることで、超電導コイル、液体ヘリウムタンク及び輻射シールド板の距離を短くすることができる。
（３）上記（１），（２）により、超電導コイル（超電導磁石）の小型軽量化を図ることができる。
（４）超電導コイル、液体ヘリウムタンクから輻射シールドの距離が現行のままでも、超電導コイル、液体ヘリウムタンクへの熱輻射量が少なくなり、液体ヘリウムへの熱侵入量を小さくすることができる。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
本発明のパルス管冷凍機によるシールド板冷却装置は、シールド板の温度を冷凍機により７７Ｋよりも低くすることにより、低温超電導磁石の小型化を図り得る、パルス管冷凍機によるシールド板冷却装置として利用可能である。
１Ａ 超電導コイルの第１の輻射シールド板
１Ｂ 超電導コイルの第２の輻射シールド板
２Ａ 超電導コイルの第１の外槽
２Ｂ 超電導コイルの第２の外槽
３Ａ 第１のクライオコイル型の冷端熱交換配管
３Ｂ 第２のクライオコイル型の冷端熱交換配管
４ 液体ヘリウムタンク
５ 液体ヘリウムタンクの輻射シールド板
６ １段パルス管冷凍機（１段ＰＴＣ）
７ ４Ｋ２段パルス管冷凍機（２段ＰＴＣ）
８，１４ ヘリウム圧縮機
１１ 蓄冷器
１２ 圧縮機低圧側制御バルブ
１３ 圧縮機高圧側制御バルブ
１５ パルス管
１６ 高圧側バッファタンク制御バルブ
１７ 低圧側バッファタンク制御バルブ
１８ 高圧側バッファタンク
１９ 低圧側バッファタンク
１Ｂ 超電導コイルの第２の輻射シールド板
２Ａ 超電導コイルの第１の外槽
２Ｂ 超電導コイルの第２の外槽
３Ａ 第１のクライオコイル型の冷端熱交換配管
３Ｂ 第２のクライオコイル型の冷端熱交換配管
４ 液体ヘリウムタンク
５ 液体ヘリウムタンクの輻射シールド板
６ １段パルス管冷凍機（１段ＰＴＣ）
７ ４Ｋ２段パルス管冷凍機（２段ＰＴＣ）
８，１４ ヘリウム圧縮機
１１ 蓄冷器
１２ 圧縮機低圧側制御バルブ
１３ 圧縮機高圧側制御バルブ
１５ パルス管
１６ 高圧側バッファタンク制御バルブ
１７ 低圧側バッファタンク制御バルブ
１８ 高圧側バッファタンク
１９ 低圧側バッファタンク
Claims (1)
- パルス管冷凍機のクライオコイル型の冷端熱交換配管を超電導磁石の輻射シールド板に這わせて、前記輻射シールド板の温度を均一に７７Ｋ以下に冷却させるパルス管冷凍機によるシールド板冷却装置であって、複数の第１の超電導コイルと、該第１の超電導コイルの内槽と、前記超電導コイルの第１の輻射シールド板と、第１の外槽と、複数の第２の超電導コイルと、該第２の超電導コイルの内槽と、前記超電導コイルの第２の輻射シールド板と、第２の外槽と、前記第１の輻射シールド板を冷却する第１のクライオコイル型の冷端熱交換配管と、前記第２の輻射シールド板を冷却する第２のクライオコイル型の冷端熱交換配管と、前記第１のクライオコイル型の冷端熱交換配管に接続される１段パルス管冷凍機と、前記第２のクライオコイル型の冷端熱交換配管に接続されるとともに、液体ヘリウムタンクの輻射シールド板を冷却する２段パルス管冷凍機と、前記１段パルス管冷凍機と前記２段パルス管冷凍機に接続されるヘリウム圧縮機とを具備することを特徴とするパルス管冷凍機によるシールド板冷却装置。
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