JPH09250827A - 車載用極低温冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 液体ヘリウム貯槽の圧力情報をいち速く、か
つ正確に検知し、液体ヘリウム貯槽に付属の安全弁が開
く前に、ヘリウム回収用開放弁が開いて余剰のヘリウム
ガスをヘリウムタンク内に回収し得るようにすること。 【解決手段】 ヘリウム回収配管１０に設けられたヘリ
ウム回収用開閉弁１１を、戻り配管５内の圧力上昇によ
り開作動する常閉弁として構成したこと。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、極低温冷却装置に
関するものであり、特に、超伝導式磁気浮上鉄道の車輌
（リニアモーターカー）に車載される車載用極低温冷却
装置に係る。

【０００２】

【従来の技術】従来の車載用極低温冷却装置を図２に示
す。

【０００３】図において、圧縮機１は、吐出口１ａ及び
吸入口１ｂを備え、低圧のヘリウムガスを吸入口１ｂか
ら取り込み、内部でヘリウムガスを圧縮することにより
高圧に変換し、高圧のヘリウムガスを吐出口１ａから送
り出すものである。圧縮機１の吐出口１ａは、冷凍機２
と高圧配管３で連結されている。冷凍機２はさらに低圧
配管３１で液体ヘリウムが内部に貯溜された液体ヘリウ
ム貯槽４に連通している。また液体ヘリウム貯槽４は戻
り配管５にも連通しており、戻り配管５は冷凍機２を経
由して圧縮機１の吸入口１ｂに連通している。

【０００４】液体ヘリウム貯槽４は、その内部に超伝導
磁石２２が配置され、この超伝導磁石２２は、液体ヘリ
ウムにより冷却されて、超伝導状態を維持している。ま
た、液体ヘリウム貯槽４の外表面は、図において一点鎖
線で示す熱シールド板６に覆われている。熱シールド板
６は例えばアルミニウムからなり、外部から液体ヘリウ
ム貯槽４に熱が侵入することを防止するものである。さ
らに、熱シールド板６及び液体ヘリウム貯槽４は、内部
が真空にされた真空断熱外槽容器７内に収容されてい
る。

【０００５】上記説明したように、液体ヘリウム貯槽４
は、熱シールド板６、真空断熱外槽容器７により、熱的
に外部と遮蔽されているが、それでも一部の熱は液体貯
槽４に侵入する。このように液体ヘリウム貯槽４に侵入
した熱によって内部の液体ヘリウムは蒸発し、蒸発した
液体ヘリウムガスは戻り配管５を通り、冷凍機２を経由
して圧縮機１の吸入口１ｂへ帰還する。圧縮機１に帰還
したヘリウムガスは圧縮機１内で高圧に圧縮されて、吐
出口１ａから高圧配管３に送り込まれる。高圧配管３か
ら冷凍機２内に侵入したヘリウムガスは、冷凍機２で冷
却され、さらに冷凍機２内の図示せぬジュールトムソン
弁によりジュールトムソン膨張して低圧となり、一部が
液化する。一部が液化されたミスト状ヘリウムは、液体
ヘリウム貯槽４内に低圧配管３１を通じて導入される。
低圧配管３１の端部には気液分離器８が配置しており、
この気液分離器８によりミスト状ヘリウムが気液分離さ
れる。そして、液体ヘリウムのみが液体ヘリウム貯槽４
内に滴下され、残りのヘリウムガスは、戻り配管５から
圧縮機１の吸入口１ｂに帰還する。

【０００６】定常時においては、上記液化サイクルが形
成されているため、液体ヘリウム貯槽４内の液体ヘリウ
ムが減少することはない。しかし、液体ヘリウムを蒸発
させる熱が、外部からの熱侵入以外からも発生した場
合、液体ヘリウムの蒸発量が冷凍機２の冷凍能力を上回
り、液体ヘリウム貯槽４内の液層が減少し、代わって気
層が増加する。外部からの熱侵入以外の熱の発生は、車
輌が走行中に揺動することにより発生する車輌揺動損失
（スロッシングロス）、液体ヘリウム貯槽４の表面に生
じる渦電流により発生する渦電流損失（ＡＣロス）等が
原因となる。

【０００７】このように、定常時よりも蒸発するヘリウ
ムが増加すると、液体ヘリウム貯槽４内の圧力が上昇す
る。圧力が上昇したヘリウムガスは、戻り配管５を通じ
て圧縮機１の吸入口１ｂに戻り、圧縮機１内でより高圧
とされて吐出口１ａから排出される。より高圧となった
ヘリウムガスの圧力は、一端が高圧配管３の途中に連結
され他端がヘリウムタンク９に連結されているヘリウム
回収配管１０に介装されたヘリウム回収用開閉弁１１に
伝達される。ヘリウム回収用開閉弁１１は、高圧配管３
に連通するヘリウム回収配管１０内の圧力を受けて、そ
の圧力が所定圧力以上となると開作動する常閉弁であ
る。このため、高圧配管３、ヘリウム回収配管１０内の
圧力が所定圧力以上となるとヘリウム回収用開閉弁１１
が開となり、高圧となった余剰のヘリウムガスがヘリウ
ムタンク９内に回収される。また、液体ヘリウム貯槽４
には安全弁１２が付属されており、貯槽内の圧力が所定
圧力以上となると、自動的に開放して貯槽内のヘリウム
ガスを外部に放出する。通常、ヘリウム回収用開閉弁１
１が開くときの設定圧力は、安全弁１２が開くときの設
定圧力よりも低く設定されており、安全弁１２が開く前
にヘリウム回収用開放弁１１が開き、高圧のヘリウムは
ヘリウムタンク９内に戻される。これは、超伝導磁石を
冷却する冷却媒体たる貴重なヘリウムガスを、安全弁１
２から外部に放出して失ってしまう前に、ヘリウムタン
ク９に回収して再使用するための配慮である。

【０００８】ヘリウムタンク９と戻り配管５とは、ヘリ
ウム供給配管１３で連結されている。ヘリウム供給配管
１３には、ヘリウム供給用開閉弁１４が介装されてい
る。ヘリウム供給用開閉弁１４は、ヘリウム供給配管１
３内の圧力を受けて、その圧力が所定圧力以下となると
開作動する常閉弁である。このため、ヘリウム供給配管
１３内の圧力が所定圧力以下となるとヘリウム供給用開
閉弁１４が開となり、ヘリウムタンク９内のヘリウムを
低圧配管５に供給する。

【０００９】尚、１５は超伝導磁石２２に電流を流すた
めのパワーリード、１６はパワーリードの電流制御部、
１７はパワーリード１５を冷却するヘリウムガスを回収
する補助配管、１８はパワーリード１５を冷却するヘリ
ウムガスを供給するときに開作動する常閉弁、１９は液
体窒素タンク、２０は熱シールド板６内を液体窒素温度
に保つための液体窒素を封入した容器、２１は液体窒素
を液体窒素容器に補給するときに開作動する常閉弁であ
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】従来の極低温冷却装置
は上記のよう如く構成されているため、定常の熱侵入、
スロッシングロス、ＡＣロスによる液体ヘリウムの蒸発
による液体ヘリウム貯溜槽内の圧力上昇は、圧縮機を経
由した高圧配管側に配されているヘリウム回収用開閉弁
に伝達され、伝達された圧力が所定以上になると、ヘリ
ウム回収配管が開状態となってヘリウムガスが回収され
る。ところで、液体ヘリウム貯槽の圧力上昇が起こる
と、その圧力上昇はまず圧縮機の吸入口側に連通する戻
り配管側に伝わる。しかしながら、従来の極低温冷却装
置におけるヘリウム回収用開閉弁は、圧縮機の吐出口側
に連通する高圧配管内の圧力により開作動する構成のた
め、この高圧配管内の圧力から液体ヘリウム貯槽内の圧
力を推定しているものである。このため、液体ヘリウム
貯槽内の圧力がヘリウム回収用開閉弁に伝わるまでに、
圧縮機を経ているため、その分時間遅れを生じる。この
時間遅れの間に液体ヘリウム貯槽の圧力がさらに上昇
し、ヘリウム回収用開閉弁が開く前に、液体ヘリウム貯
槽に付属の安全弁が開いてヘリウムガスを大気に放出し
てしまう恐れがある。また、従来のようにヘリウム回収
用開閉弁が高圧配管内の圧力により開作動する構成であ
ると、圧縮機により機械的に加工されて高圧配管に送り
こまれたヘリウムガスの圧力を検知していることにな
り、正確な圧力情報を得られない。実際、圧縮機の吸入
口にて検知する、戻り配管内の圧力上昇は、０．０１〜
０．０２ｋｇ／ｃｍ² 程度の微小なものであり、これを
圧縮機で圧縮してしまうと、この微小な圧力情報は不正
確なものとなってしまう。このため、液体ヘリウム貯槽
の圧力上昇が正確に検知できず、ヘリウム回収用開閉弁
が開く前に、液体ヘリウム貯槽に付属の安全弁が開いて
ヘリウムガスを大気に放出してしまう恐れがある。安全
弁が一度開いてしまうと、極低温のヘリウムガスが安全
弁内を通過するために、安全弁内のシール材は冷凍によ
り固化してしまい、シール効果がなくなる。このため、
一旦安全弁が開状態となると、これを閉状態に戻すこと
は難しく、液体ヘリウム貯槽内のヘリウムは短時間の内
に外部に放出されてしまう。また、安全弁のシール材の
劣化が激しく、早期に取り替えなければならない。この
ようにして液体ヘリウム貯槽付属の安全弁から大気に放
出されて消失したヘリウムガスは、車輌の停止中に地上
設備から補給することになるが、従来では上記したよう
に安全弁が開く頻度が高いため、その都度地上設備から
ヘリウムガスを補給せねばならない。

【００１１】故に、本発明は、上記実情に鑑みてなされ
たものであり、液体ヘリウム貯槽の圧力情報をいち速
く、かつ正確に検知し、液体ヘリウム貯槽に付属の安全
弁が開く前にヘリウム回収用開閉弁が開いて余剰のヘリ
ウムガスをヘリウムタンク内に回収し得るようにするこ
とを、技術的課題とするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記技術的課題を解決す
るために、本発明の請求項１において講じた技術的手段
は、作動ガスの吐出口及び吸入口を備え、低圧の作動ガ
スを前記吸入口から吸入し、高圧の作動ガスを前記吐出
口から吐出する圧縮機と、前記圧縮機から吐出された高
圧の作動ガスを冷却して液化する冷凍機と、前記冷凍機
により液化された作動液体を貯溜する液体貯槽と、前記
液体貯槽内に配置され作動ガスの液化温度以上で超伝導
状態となる超伝導磁石と、前記圧縮機の吐出口と前記冷
凍機とを連通する高圧配管と、前記冷凍機と前記液体貯
槽とを連通し、前記冷凍機からの液体を前記液体貯槽に
供給する低圧配管と、前記圧縮機の吸入口と前記液体貯
槽とを連通し、前記液体貯槽内の作動ガスを前記圧縮機
に回収する戻り配管と、一端が前記高圧配管に連通し、
他端がヘリウムタンクに連通するヘリウム回収配管と、
前記ヘリウム回収配管に設けられ、前記戻り配管内の圧
力が所定圧力以上のときに開作動する常閉型のヘリウム
回収用開閉弁と、を備えた車載用極低温冷却装置とした
ことである。

【００１３】上記技術的手段は、ヘリウム回収用開閉弁
を、圧縮機の吸入口に連通する戻り配管の圧力上昇によ
り開作動するように構成したので、液体貯槽の圧力の変
化がいち速く圧力センサに検知される。また、上記構成
のため、圧縮機等により圧力が加工されていない液体貯
槽内の圧力を、直接検知できる。このため、液体ヘリウ
ム貯槽の圧力情報をいち速く、かつ正確に検知すること
ができるものである。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面に基づいて説明する。

【００１５】図１は、本発明の一実施形態例における、
極低温冷却装置の回路図であるが、図２に示したものと
同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。

【００１６】図において、連絡配管３２は、その一端が
戻り配管５に、他端がヘリウム回収用開閉弁１１に連通
している。ヘリウム回収用開閉弁１１は、戻り配管５に
通じた連絡配管３２内の圧力を受けて開作動する常閉弁
である。

【００１７】ヘリウム回収用開閉弁１１の一例の概略図
を図３に示す。図３において、ヘリウム回収配管１０の
途中に配され、連絡配管３２の接結部を有するヘリウム
回収用開閉弁１１は、ハウジング３３、ハウジング３３
の内部に配され連通路３４ａが形成された連通部材３
４、連通部材３４を図示右方向に付勢するスプリング３
５を主な構成とする。スプリング３５の付勢力は、定常
状態における連絡配管３２からの押圧力よりも強く設定
されているため、定常状態においては図に示すようにヘ
リウム回収配管１０の連通は遮断されている。この状態
から、連絡配管３２からの押圧力が強くなると、連通部
材３４は図示左方向に移動し、ヘリウム回収配管１０と
連通路３４ａとが連通するものである。

【００１８】上記のように構成された極低温冷却装置に
おいては、定常状態の冷却能力を上回る蒸発ヘリウムガ
ス、即ち、定常熱侵入による蒸発の他、スロッシングロ
ス、ＡＣロスによる蒸発によって発生した蒸発ヘリウム
ガスは、一部が液体ヘリウム貯槽９内の増加したガス層
に蓄えられるが、その他は戻り配管５を経由して圧縮機
１の吸入口１ｂ側に戻ってくる。戻りガスが増加した分
だけ圧縮機１の吸入口１ｂ側の圧力は上昇し、液体ヘリ
ウム貯槽４内の圧力は結果的に定常時より高くなる。こ
の場合において本実施形態例では、戻り配管５内の圧力
が、連絡配管３２を経て直接ヘリウム回収用開閉弁１１
に伝わる構成のため、素早く液体ヘリウム貯槽４内の圧
力上昇を検知でき、液体ヘリウム貯槽４の圧力上昇と殆
ど同時にヘリウム回収用開閉弁１１が開作動して経路内
のヘリウムガスが速やかにヘリウムタンク９内に回収さ
れる。このため、液体ヘリウム貯槽４に付属の安全弁１
２が開くこともなく、従って、ヘリウムガスが大気に放
出されることもない。

【００１９】尚、本実施形態例において、ヘリウム回収
用開閉弁１１を図３の如く説明したが、これは、あくま
で開閉弁の作動を示すための概略図にすぎず、この構成
に限定されることはない。本発明の要点は、戻り配管内
の圧力により開作動する常閉弁をヘリウム回収配管に設
けたことであり、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおい
て、如何なる弁構成も適用可能である。

【００２０】

【発明の効果】請求項１の発明は、以下の如く効果を有
する。

【００２１】ヘリウム回収配管に設けられたヘリウム回
収用開閉弁を、圧縮機の吸入口に連通する戻り配管の圧
力上昇により開作動する常閉弁として構成したので、液
体貯槽の圧力の変化がいち速く検知できる。また、上記
構成のため、圧縮機等により圧力が加工されていないそ
のままの液体貯槽内の圧力を、直接検知できる。このた
め、液体ヘリウム貯槽の圧力情報をいち速く、かつ正確
に検知することができるものである。従って、液体ヘリ
ウム貯槽に付属の安全弁が開く前に、ヘリウム回収用開
閉弁が開いて余剰のヘリウムガスをヘリウムタンク内に
回収することが可能となり、ヘリウムガスを途中補給す
るメンテナンスが必要最少限度に抑えられる。また、安
全弁のシール材も極低温にさらされる頻度が低下するた
め、長寿命となり、省資源で安定した信頼性の高い車載
用極低温冷却装置とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態例における、極低温冷却装置
の全体概略図である。

【図２】従来技術における、極低温冷却装置の全体概略
図である。

【図３】ヘリウム回収用開閉弁の概略構成図である。

【符号の説明】

１ 圧縮機、 １ａ 吐出口、 １ｂ 吸入口 ２ 冷凍機 ３ 高圧配管 ４ 液体ヘリウム貯槽 ５ 戻り配管 ９ ヘリウムタンク １０ ヘリウム回収配管 １１ ヘリウム回収用開閉弁 １２ 安全弁 ２２ 超伝導磁石 ３１ 低圧配管

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 作動ガスの吐出口及び吸入口を備え、低
   圧の作動ガスを前記吸入口から吸入し、高圧の作動ガス
   を前記吐出口から吐出する圧縮機と、 前記圧縮機から吐出された高圧の作動ガスを冷却して液
   化する冷凍機と、 前記冷凍機により液化された作動液体を貯溜する液体貯
   槽と、 前記液体貯槽内に配置され作動ガスの液化温度以上で超
   伝導状態となる超伝導磁石と、 前記圧縮機の吐出口と前記冷凍機とを連通する高圧配管
   と、 前記冷凍機と前記液体貯槽とを連通し、前記冷凍機から
   の液体を前記液体貯槽に供給する低圧配管と、 前記圧縮機の吸入口と前記液体貯槽とを連通し、前記液
   体貯槽内の作動ガスを前記圧縮機に回収する戻り配管
   と、 一端が前記高圧配管に連通し、他端がヘリウムタンクに
   連通するヘリウム回収配管と、 前記ヘリウム回収配管に設けられ、前記低圧配管内の圧
   力が所定圧力以上のときに開作動する常閉型のヘリウム
   回収用開閉弁と、 を備えた車載用極低温冷却装置。