JPS6277561A

JPS6277561A - 予冷流路つき冷凍システム

Info

Publication number: JPS6277561A
Application number: JP21771385A
Authority: JP
Inventors: 嘉宏石崎; 谷　巽雄
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; ECTI KK
Current assignee: ECTI KK; Aisin Corp
Priority date: 1985-09-30
Filing date: 1985-09-30
Publication date: 1987-04-09

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は超電導磁石またはこれとほぼ同じ温度領域に使
用さる装置などの被冷却体と組み合わされる冷凍システ
ムにおいて、被冷却体を常温付近から約４Ｋの使用温度
まで冷却するための機器のｉｔ成に関するものである。

〔発明の技術的背景〕

超電導磁石の冷却は現在液体ヘリウムを用いて行ってお
り、一般に液体ヘリウムの温度約４．２にの低温を保ち
つつ使用する。もつとも筒車な冷凍システムにおいては
、使用する液体ヘリウムから蒸発して発生したガスヘリ
ウムは、クライオスタット（極低温容器）の外部に導き
、大気に放散させるか、または別に設けた回収用の設備
によってガスヘリウムの回収を行う方法がある。

このようなシステムでは最初に貯えた液体ヘリウムが蒸
発して減少していくために、超電導磁石を運用できる時
間に制約があり、一定時間毎に液体ヘリウムを補給する
必要があった。また、回収用の設備が大掛かりとなると
いう欠点があった。

このような欠点を改善するために最近では、超電導磁石
の極低温容器に冷凍機を結合し、容器内で蒸発したガス
ヘリウムを再度液化し、ガスヘリウムを外部に放出する
ことなく、長時間運用可能なシステムを構成することが
試みられている。こうしたシステムの代表例として浮上
式鉄道の車上冷凍システムがあげられ、車上に搭載した
冷凍機によって長時間液体ヘリウムを封じ切った状態で
運用することが可能となっている。

〔背景技術の問題点〕

このような冷凍機と一体にして低温を保持することを目
的とした冷凍システムにおいて、従来全体の系が常温に
ある状態から４．２に程度の低温に冷却する予冷段階は
、磁石と一体となった上記冷凍機によらずに他の冷凍機
によって行う方式を採用することが多く、磁石と一体の
冷凍機の他に冷凍機を設ける必要があった。または磁石
と一体となった上記冷凍機を用いる考え方も従来からあ
るが構造が複雑になり、冷却途中の温度段階に応じて弁
の切り替えを何段階かにおいて行うため弁の数が多く、
設備が複雑になるという欠点があった。

超電導磁石の冷凍特性の改善には、操作性の良いことが
非常に重要となるが、そのためには液体ヘリウム温度ま
で冷却した後の定常運転におけ□る特性のみでなく、常
温からの冷却特性をも改善し、液体ヘリウム温度への到
達を容易にすることが重要である。このため、常温から
液体ヘリウム温度まで予冷を行う方法として可能な限り
、操作する必要のある弁の数を減少し、単純な冷凍シス
テムとすることが望まれている。

〔発明の目的〕

本発明は、超電界磁石とこの超電界磁石を冷却するため
の冷凍機の組み合わせにおいて、全体系が常温状態から
低温状態に移行するまでの被冷却体の予冷を他の冷凍機
等の設備を利用することなく、且つ単純な操作で可能に
するものである。

本発明によれば超電導磁石またはほぼ同じ温度領域で使
用する装置とこれらを冷却するための冷却機との組み合
わせにおいて、常温状態から使用温度領域までの冷却を
単純な操作で可能とすることができる。

また、予冷のみならず常温時には必要に応じて冷凍出力
を増大させることができるシステムを構成できる。

〔発明の実施例〕

本発明の一実施例を図面を用いて説明する。第１図は本
発明によるもつとも基本となる冷凍システムで冷凍機と
してクロードザイクル冷凍機を使用した場合の例を示す
フローである。第１図において、■は超電導コイル、２
は冷却用配管で、超電導コイルｌを冷却する目的で超電
導コイルｌに沿って取りつけである。３は液体ヘリウド
供給用配管、４はガスヘリウムの戻り用配管、５は液体
ヘリウム溜め、６．６゛〜１０，１０’　は熱交換器で
冷凍機の主要なパーツであり、とくに６，６゛はジュー
ルトムソン熱交換器である。また１０゛は熱交換器であ
り、１０．１０’　　と一体となって熱交換をするもの
である。１１．１２は膨脹機でクロードサイクル冷凍機
においてガスを断熱膨張させることにより低温のガスを
発生する装置である。１３は予冷流路で、熱交換器６と
７の中間から抽出され最低温度を生成する膨脹機１２の
出口ガスと熱交換器７．７゛で熱交換した低温のガスが
取り出される。また、１４は弁で、予冷流路１３′への
ガスの流れを制御する。１５．１５’　は熱交換器で、
熱交換器１５は予冷流路１３と直列に接続され、熱交換
器１５゛は内部に液体窒素を導（ための熱交換器である
。１６は液体窒素供給管で、１７は弁、１８は切換弁、
１９．２０は液体窒素流路で、切換弁１８によって両方
またはいづれか、に流れが制御される。２１は液体窒素
流路、２２は超電導磁石の輻射シールドで、液体流路２
１によって冷却される。２３は真空容器、２４は冷却後
の窒素ガスの出口である。２５は圧縮機、２６はガスヘ
リウムのバッファタンク、２７は圧縮機の高圧配管、２
８は圧縮機の低圧配管である。

また２９は冷凍機のジュール・トムソン弁で、３０は逆
止弁である。

予冷流路１３に入ったガスヘリウムは、弁１４と熱交換
器１５を経て、予冷用配管２に導かれた後に液体ヘリウ
ム供給配管３およびガスヘリウムの戻り配管４を経由し
て液体ヘリウム溜め５に入り、さらに冷凍機の低圧側の
熱交換器６′、７”。

８’　、９’　、１０’を経由して圧縮機の低圧配管２
８を通って、圧縮機２５に戻る。

このような構成における冷凍システムの予冷方法は以下
に述べる通りである。即ち、第１図において全体の系の
温度が常温にある状態から冷却を開始するには、圧縮機
２５および膨脹機１１．１２の運転をはじめると同時に
、弁１４を開いて圧縮機の高圧配管２７から高圧側の熱
交換器１０〜７を経由したガスヘリウムを予冷流路１３
に導く。

一方、切換弁１８を流路１９の方向に流れるように設定
しておくと、予冷流路１３に入ったガスヘリウムは熱交
換器１５を経由するときに熱交換器１５゛を流れる液体
窒素によって冷却される。その後、超電導磁石の冷却用
配管２を経由して超電導コイル１を冷却後、液体ヘリウ
ム溜め５にはいり、低圧側の熱交換器６°〜１０’を経
由して圧縮機の低圧配管２８を経て圧縮ｍ２５に戻るこ
とになり、圧縮機にて圧縮後再度高圧配管２７を経由す
る循環系を構成する。このとき予冷流路１３を流れるガ
スは冷凍機の膨脹機１１および１２によって冷却される
と共に、熱交換器１５において液体窒素によっても冷却
される。従って、超電導磁石は単に冷凍機のみで冷却す
るよりもはるかに早い速度で冷却を行うことができる。

冷凍機および超電導コイルの冷却が進み、超電導磁石が
液体窒素温度に近い温度となった段階で、切換弁１８の
流路を流路２０側に変更すれば、流路１９には液体窒素
が流なくなり、流路１３を流れるへりラムガスは熱交換
器１５で影響を受けることなく冷凍機の膨脹機の冷凍能
力のみによって冷却されることになり、約ｌＯ〜２０Ｋ
まで温度を低下させることができる。

このような温度に到達した後は、弁１４を閉じジュール
・トムソン弁２９を開けることによってヘリウムは、熱
交換器６を経由した後にジュール・トムソン弁で膨張液
化し、ヘリウム溜５に直接入り、液体ヘリウム溜５内に
液体ヘリウムを供給することになり、最終的には液体ヘ
リウムが液体ヘリウム溜５に貯蔵されることになる。

切換弁１８を経由した液体窒素は、流路１９または２０
を経由後に熱交換器１０゛に入り、圧縮機の高圧配管２
７から熱交換器１０を経由して熱交換器９に入るガスヘ
リウムの温度を下げる役割をもつ。このために、液体窒
素の冷熱が有効利用でき、冷凍機の冷凍能力の向上と同
時に予冷速度も向上させることができる。

また逆止弁３０を流路内に配置することにより切換弁１
８を流ろ１９から２０側に変更したのちに、液体窒素が
熱交換器１５゛にて冷却されて流路１９内を逆流して熱
交換器１５゛内にて固化し蓄積していくことを防止する
役割を有する。

第２図は、冷凍機にスターリング、ギホード・マクマホ
ンまたはソルベイ等の蓄冷型の冷凍サイクルを使用する
場合の実施例で３１．３２．３３はコールドヘッドで、
上記の冷凍機の低温を発生する膨張部に相当し、それぞ
れのコールドヘッドにおいてガスは冷凍機によって冷却
される。基本的には、クロードサイクル冷凍機の場合と
同様であり、予冷流路１３に流れるガスヘリウムを熱交
換器６と７の中間からとりだすことによって、冷凍機の
最も低い温度領域のガスを超電導磁石へ導ぐことが可能
な構成としている。

弁１４の作動は、手動による方法があるが、そのほかに
温度によって自動的に作動する方式を採用することも可
能である。自動的に作動する弁を採用すると、予冷のた
めの操作は一層単純とすることができる。弁１４を自動
弁とする方法としての実施例を第３図に示す。３４は弁
座で、弁１４の開閉機能を司る部分である。３５は圧力
室で、ベローズのような弾性体で作られ容積が可変の部
屋、３６は弁棒で圧力室３５の変化を弁座３４Ｋ伝達す
る。３７．３８は流路で、例えば３７がガスの入口、３
８が出口となる。３９は配管で、４０は温度計測部で、
配管３９によって圧力室３５と接続する。４１は配管、
４２は常温のガス室、４３は圧力計、４４は作動ガスの
充填口で、充填口から例えば水素ガスを入れた後封じ切
れば、温度計部４０の温度が変化するに伴い、圧力室の
圧力が変化し、水素の液化温度に近づくに従い圧力室の
温度が急激に低下し、弁座３４を閉じることになる。以
後は、温度計部４０は例えば超電導コイルのような被冷
却体に固定しておけば、温度が上昇しない限り開いて誤
動作することはない。このような構造によって、弁１４
の作動を内封するガスの種類選定と圧力の調整温度レベ
ルに応じて自動的に行わしめることが可能となる。

なお、液体窒素を制御する切換弁１８も同様に自動的に
作動させることが可能であり、その場合に作動温度を高
くするには、上記の水素ガスの代わりに窒素ガス等を封
入することによって、自動的に流路を変更させる弁を構
成することができる。

〔発明の効果〕

本発明は以上のような構成の冷凍システムであるから、
被冷却体（超電導コイル１）の予冷において、予冷用の
高圧流体の一部を弁１４より抜き出す時、その熱交換器
の高圧側の位置が冷凍サイクル上、低温を生成する膨脹
機やディスプレーサにより最低温度まで冷却される位置
から抜き出されるため被冷却体を弁−個で効率よく、し
がも短時間で常温よりヘリウム温度近くまで冷却するこ
とが出来る。なお、この弁１４は、温度が約２０Ｋにな
ると封入した水素ガス等が収縮して弁座が自動的に閉じ
るような構造にすることも可能で、この場合弁１４が閉
じるとジュール・トムソン弁２９への流体の流量が増え
ジュール・トムソン効果で以後、超電導コイルの温度が
低下し５に以下となってヘリウムが液化する。弁１４は
勿論、手動でも可能である。

また、被冷却体の温度を約７８Ｋまで冷却するのみでな
く、熱交換器１０゛を設けることによって、冷凍機の冷
凍出力を大幅に（３０〜５０％程度）増加させることが
可能となる。熱交換器１０゛°は使用する液体窒素を常
温近くまで有効利用する方法°と液体窒素の潜熱の一部
を利用する方法等色々あるが、いずれの場合も熱交換器
１０゛の温度領域の設定で容易に構成可能である。

本発明は、被冷却体の温度を液体ヘリウム温度まで冷却
するシステムのみならず、液体水素、またはネオン温度
（１３〜３０Ｋ）領域まで冷却するシステムにおいても
使用可能であり、また、超電導磁気浮上式鉄道の車上の
冷凍システムのみならず地上における定置式の種々の冷
凍システムとして使用出来ることは当然である。

以上述べたように本発明による冷凍システムによれば、
被冷却体の温度を超電導磁石に付属の冷凍機によって常
温から液体ヘリウム温度まで連続的に且つ短時間で冷却
することが可能となり、また定常時の冷凍機の能力を上
昇して運転することも可能となる。

これによって、超電導磁石内の輻射シールド板の冷却、
被冷却体の予冷、冷凍機の起動をそれぞれ独立に、ある
いは同時に行うことができ、超電導・冷凍システムとし
て使用可能になるまでの時間が大幅に短縮される。また
、省エネルギー効果も大である。

また、液体窒素を使用しない時の定格出力が長期間の連
続運転により低下したばしい、液体窒素を冷凍機の常温
より７８にの間に成る熱交換器１０゛に流すことにより
定格出力に戻したりすることも可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による冷凍システムのフローの例、第
２図は、蓄冷型冷凍機を用いた場合の実施例、第３図は
、自動的に作動する弁の構造例で、１・・・超電導コイ
ル、２・・・冷却用配管、３・・・液体ヘリウム供給用
配管、４・・・ガスヘリウムの戻り用配管、５・・・液
体ヘリウム溜、６．６“　・・・熱交換器、７．７゛　
・・・熱交換器、８，８”　・・・熱交換器、９．９・
・・熱交換器、１０．１０”、１０”　　・・・熱交換
器、１１．１２・・・膨脹機、１３・・・予冷流路、１
４・・・弁、１５．１５’　　・・・熱交換器、１６・
・・液体窒素供給管、１７・・・弁、１８・・・切換弁
、１９．２０・・・液体窒素流路、２１・・・輻射シー
ルド冷却用流路、２２・・・輻射シールド、２３・・・
真空容器、２４・・・窒素ガス出口、２５・・・圧縮機
、２６・・・バッファタンク、２７・・・高圧配管、２
８・・・低圧配管、２９・・・ジュール・トムソン弁、
２９・・・ジュール・トムソン弁、３ｏ・・・逆止弁、
３１３３３３・・・コールドヘッド、３４・・・弁座、
３５・・・圧力室、３６・−・・弁棒、３７・・・流路
、３８・・・流路、３９・・・配管、４０・・・温度計
測部、４Ｉ・・・配管、４２・・・常温のガス室、４３
・・・圧力計、４４・・・作動ガスの充填口である。

Claims

【特許請求の範囲】１）超電導磁石又はこれとほぼ同じ温度領域で使用され
る装置などの被冷却体と組み合わされる冷凍システムに
おいて、被冷却体を常温付近から約４Ｋの使用冷凍温度
まで冷却するとき、冷凍システムに使用する冷凍サイク
ルがクロード・サイクルの場合は最低温度を生成する膨
脹機、或いはジュール・トムソン・サイクルの予冷にス
ターリング、ギホード・マクマホン、ソルベイ等の蓄冷
形冷凍サイクルを使用する場合は最低温度を生成するデ
イスプレーサーなどと熱交換して温度降下するよう構成
された熱交換器の高圧流体側に、蒸気圧温度計を兼ね且
つ被冷却体の温度が設定値になると自動的に開閉する弁
、または手動によつて開閉する弁を取付け、これより流
体の一部を抜き出し被冷却体を冷却後、熱交換器の低圧
側に戻るよう構成したことを特長とする予冷流路つき冷
凍システム。２）特許請求範囲第一項において、冷凍システムの最低
温度を生成する膨脹機、あるいはスターリング・サイク
ル等の蓄冷形冷凍サイクルでは最低温度を生成するデイ
スプレーサーなどと熱交換して温度降下するよう構成さ
れた熱交換器の高圧流体側に、蒸気圧温度計を兼ね且つ
被冷却体の温度が設定値になると自動的に開閉する弁、
または手動による弁を取付け、その流体の一部を抜き出
し、この流体を液体窒素と熱交換させ温度降下させ被冷
却体を冷却後、熱交換器の低圧側に戻るよう構成したこ
とを特長とする特許請求範囲第一項の予冷流路つき冷凍
システム。３）特許請求範囲第一項の冷凍システムにおいて、二つ
、又は、二つ以上の液体窒素流路と流体（ヘリウム）と
を熱交換させる熱交換器を設け、被冷却体の液体窒素温
度までの予冷却と冷凍システムの冷凍出力を増加させる
二つの目的を液体窒素弁を用いてそれぞれ独立に、或い
は同時に行うよう構成したことを特長とする特許請求範
囲第一項の予冷流路つき冷凍システム。４）特許請求範囲第二項において、液体窒素と熱交換す
るための熱交換器の液体窒素流路の出口に逆止弁を取り
付け液体窒素の供給を停止したときに、窒素ガスが逆流
しないように構成したことを特長とする特許請求範囲第
一項の予冷流路つき冷凍システム。