WO2004055452A1 - 冷凍機の取付方法及び装置 - Google Patents

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WO2004055452A1
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heat
cooling
cooling stage
temperature
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Inventor
Shunji Yamada
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Sumitomo Heavy Industries, Ltd.
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25DREFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F25D19/00Arrangement or mounting of refrigeration units with respect to devices or objects to be refrigerated, e.g. infrared detectors
    • F25D19/006Thermal coupling structure or interface
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B25/00Machines, plants or systems, using a combination of modes of operation covered by two or more of the groups F25B1/00 - F25B23/00
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25B2400/00General features or devices for refrigeration machines, plants or systems, combined heating and refrigeration systems or heat-pump systems, i.e. not limited to a particular subgroup of F25B
    • F25B2400/06Several compression cycles arranged in parallel
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2400/00General features or devices for refrigeration machines, plants or systems, combined heating and refrigeration systems or heat-pump systems, i.e. not limited to a particular subgroup of F25B
    • F25B2400/17Re-condensers
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2500/00Problems to be solved
    • F25B2500/06Damage

Definitions

  • the present invention relates to a refrigerator mounting method and apparatus for detachably mounting a cooling stage of a refrigerator to a refrigerant container of a cooling device containing a refrigerant gas condensed by the cooling stage.
  • a refrigerator mounting method and apparatus for detachably mounting a cooling stage of a refrigerator to a refrigerant container of a cooling device containing a refrigerant gas condensed by the cooling stage.
  • the present invention relates to a method and an apparatus for mounting a refrigerator capable of replacing only a failed refrigerator while maintaining cooling of an object to be cooled without stopping the refrigerator.
  • Power equipment using high-temperature superconductors such as generators, motors, and transformers, is cooled to about 30 K and operated.
  • a large refrigeration capacity is required, and multiple (about five) giant MacMahon (GM) refrigerators or pulse tube refrigerators (except where necessary, simply Refrigerator) is used.
  • GM giant MacMahon
  • FIG. 1 shows an overview of a conventional cooling device.
  • the cooling temperature of the object to be cooled for example, power equipment using a high-temperature superconductor, for example, a generator
  • the helium gas circulating through the object 10 to be cooled by the piping 20 is cooled. It is a contact cooling system.
  • the helium gas circulating in the pipe 20 is sent out by a helium gas circulation pump 22 at room temperature, and exchanges heat with helium gas returning through the first heat exchanger 24 to be cooled.
  • the liquid enters the second heat exchanger 26 and is further cooled by liquefied neon in the liquefied neon container 12 and cooled to about 30K. Then, it passes through the third heat exchanger 28 for cooling the object 10 to be cooled, enters the first heat exchanger 2 again, is heated to room temperature, and returns to the circulation pump 22.
  • the cylinders 44 of the chillers 40 and 42 provided in the cryo-units '30 of the cooling system which is a vacuum insulated container, have just four cylinders.
  • Refrigerator mounting flanges 46 for mounting to the cryostats 40 and 42 with a cryogenic plate 30 have seal rings 4 8 to prevent neon gas from leaking out and air from entering inside. Is installed. In the figure, a zero ring is provided on the flange 46 of the refrigerator, but it may be provided on the cryostat 30 side. Also, the seal need not be an O-ring if it can be sealed.
  • a plurality (two in the figure) of pipes 14 coming out of the liquefied neon container 12 are connected to the refrigerator mounting sleeve 32 at the upper part thereof.
  • the inner diameter of the pipe 14 is set to a size that does not hinder circulation of the neon gas.
  • the temperature of the low-temperature side cooling stage (two-stage cooling stage, hereinafter simply referred to as a cooling stage) 50
  • the temperature (liquefaction temperature) drops, and the neon gas condenses, drops, and accumulates in the lower container 12.
  • the low temperature part of 30 K must be highly insulated, and is usually installed in a vacuum insulated container (30 in the figure). Note that the vacuum evacuation device is omitted in the figure.
  • 52 is a refrigerator compressor.
  • Japanese Patent No. 3,265,139 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-113048 disclose that a heat switch for quick precooling is provided by a high-temperature side cooling stage of a refrigerator cylinder and a low-temperature side. It is described that it is installed between the side cooling stages or between the cooling object and the heat shield or refrigerator that covers the low-temperature part.However, there is only one refrigerator, and there are multiple refrigerators. It was not at all conceived to remove only a part of it. Disclosure of the invention
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, and is operated when one of the refrigerators incorporated in the cooling device has deteriorated or failed and the cooling capacity has been reduced.
  • the task is to make it possible to replace only the failed refrigerator without stopping the cooling device (without stopping other normal refrigerators), while continuing to cool the cooling object.
  • the present invention relates to a method for mounting a refrigerator, comprising: a cooling stage of the refrigerator; and a refrigerant container of a cooling device containing a refrigerant gas condensed by the cooling stage.
  • This problem has been solved by introducing a heat conducting member into the cooling member, and bringing the cooling stage and the refrigerant container, the heat pipe or the heat shield plate into thermal contact with the low melting point metal held by the heat conducting member. Things.
  • the heat conduction member is a partition member that partitions between the cooling stage and the refrigerant container.
  • the heat conduction member is inserted between the cooling stage and a heat pipe. Further, the heat conduction member is inserted between the cooling stage and a heat shield plate.
  • the temperature of the low-melting-point metal is controlled to a constant temperature at which the low-melting-point metal melts when the refrigerator is replaced.
  • the low melting point metal is indium, low melting point solder or wood metal.
  • the refrigerator is a GM refrigerator or a pulse tube refrigerator.
  • the present invention also provides a refrigerator attachment device for detachably attaching a cooling stage of a refrigerator to a refrigerant container of a cooling device containing a refrigerant gas condensed by the cooling stage, wherein the cooling stage comprises: By providing a heat conductive member inserted between a refrigerant container, a heat pipe or a heat shield plate, and a low melting point metal held by the heat conductive member for bringing the cooling stage into thermal contact with the refrigerant container.
  • the present invention has solved the above problems. Further, a condensing fin is provided on the side of the heat conduction member on the side of the refrigerant container or the heat shield plate.
  • the cooling stage a refrigerator mounting sleeve for accommodating a low melting point metal and a heat conducting member, and the refrigerant container or the heat shield plate are connected. Is provided. Further, the temperature of the heat conducting member and the temperature of heating the partition member And a temperature sensor for detection.
  • the heater and the temperature sensor are made detachable.
  • the present invention also provides a power device comprising a refrigerator attached by the above device.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a conventional cooling device.
  • FIG. 2 is a sectional view showing a schematic configuration of a first embodiment of a cooling device according to the present invention
  • FIG. 3 is a sectional view showing a schematic configuration of the second embodiment
  • FIG. 4 is a sectional view showing a schematic configuration of the third embodiment
  • FIG. 5 is a sectional view showing a schematic configuration of the fourth embodiment
  • FIG. 6 is a sectional view showing a schematic configuration of the fifth embodiment
  • FIG. 7 is a sectional view showing a schematic configuration of the sixth embodiment. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • a plurality of refrigerator cylinders 44 are just inserted into a cryostat 30 which is a vacuum insulated container.
  • a refrigerator mounting sleeve (hereinafter, simply referred to as a sleeve) 32 is provided.
  • a plurality of pipes 1 coming out of a container 12 for storing liquefied neon are connected to a sleeve 32 at the upper part thereof.
  • the sleeve 32 is made of a material having a low thermal conductivity such as stainless steel, and a heat transfer material made of a material having a high thermal conductivity (for example, copper or a copper alloy) is provided in a lower intermediate portion of the sleeve 32.
  • a heat transfer material made of a material having a high thermal conductivity (for example, copper or a copper alloy) is provided in a lower intermediate portion of the sleeve 32.
  • Condensing fins 6OF are provided on the lower surface of the partition member 60. The condensing fins 6OF can be omitted.
  • the position of the partition member 60 is such that when the refrigerators 40 and 42 are attached to the sleeve 32, the cooling stage 50 at the tip of the refrigerator is in contact with the partition member 60 or a slight gap. (Preferably less than 5 mm and less than 1 mm).
  • the gap is explicitly enlarged, and a recess 60 U is provided so that the low-melting-point metal 62 described later can accumulate.
  • the partition member 60 is firmly attached to the sleeve 32 by gluing or welding, bonding, or screwing, and is airtight.
  • the partition member 60 further includes an electric heater 64 and a temperature sensor 66.
  • a low melting point metal for example, aluminum or low melting point solder, wood metal, mercury, etc.
  • the cooling stage 50 at the tip of the refrigerator and the partition member 60 is provided with a low melting point metal.
  • Amount that allows better thermal connection to metal 62 It is desirable that the upper surface of the partition member 60 and the surface of the cooling stage 50 of the refrigerator be pre-plated with a low-melting-point metal 62 so that good thermal connection can be achieved.
  • the electric heater 64 When assembling the cooling device, the electric heater 64 is energized to heat the partition member 60, the low melting point metal 62 is melted, and the refrigerators 40 and 42 are attached.
  • the temperature sensor 66 measures the temperature so as not to overheat when the electric heater 64 is energized to heat the partition member 50. Used for It is preferable to use a temperature controller to control the temperature at which the low melting point metal 52 is melted.
  • the refrigerators 40 and 42 When the refrigerators 40 and 42 are mounted, if they are sealed with a 0 ring 48 to prevent air from entering the refrigerator mounting flange 46, the refrigerator There is no need to evacuate or replace the space created between the outside of the cylinder 44 and the inside of the sleeve 32 with helium gas, neon gas, or the like. Of course, vacuum exhaust or gas replacement may be used.
  • each sleeve 32 is connected to the lower liquefied neon container 12 by a pipe 14 having a size that does not hinder the circulation of neon gas used for cooling.
  • a pipe 14 having a size that does not hinder the circulation of neon gas used for cooling.
  • the container 12 is filled with neon gas (when the cooling temperature with the object to be cooled 10 is around 30 K).
  • the cooling stage 50 of the refrigerator is thermally connected to the partition member 60 by means of a low melting point metal 62 (for example, a small thermal resistance of 1 K or less for a heat transfer of about 100 W). ) Has been.
  • the neon gas liquefies on the lower surface (condensation fin 60 F) of the partition member 60 and starts dripping.
  • the liquefied neon that has been liquefied and dropped exchanges heat with the helium gas that cools the power equipment, evaporates, returns to the lower surface of the partition member 60 again, and repeats a cycle of condensation.
  • Heat is transferred (cooled) by circulation of the neon gas in each of the plurality of refrigerators 40 and 42 mounted.
  • Temperature sensor Reference numeral 66 is used to measure the temperature so as not to overheat when the partition member 60 is heated by energizing the electric heater 64. It is desirable to use a temperature controller to control the temperature at which the low-melting-point metal 62 melts.
  • the length of the pipe 14 connecting the liquor neon container 12 with the pick-up and the refrigerator 32 attached with the refrigerator is Since the heat generated by the heat conduction between the pipe wall and the gas is less than an allowable value, the amount of heat transferred to the liquefied neon container 12 is a small allowable value even in such a state.
  • a normal refrigerator can be installed where it was removed, and operation can be resumed immediately.
  • the neon gas continues to be liquefied, and the object to be cooled 10 is continuously cooled to a low temperature.
  • a refrigerator having a relatively large cooling capacity is used, and since the temperature is relatively high at 30 K, the heat shield plate is omitted.
  • a similar structure can be used for cooling the heat shield plate 70.
  • a heat conducting plate 72 is provided on the sleeve 32 on which the refrigerator is mounted, so that nitrogen gas (or argon gas) can be condensed by the refrigerator high-temperature stage (referred to as the first stage) 54.
  • a pipe 74 for condensing and circulating nitrogen gas is attached to this.
  • the heat conducting plate 72 is thermally connected to the first stage 54 of the refrigerator by using a low melting point metal 62.
  • a condensation fin 72F for promoting the condensation of nitrogen gas is provided in the pipe 74 of the heat conduction plate 72. Note that this condensation Quinn 7 2 F can also be omitted.
  • the nitrogen gas condensing circulation pipe 74 is made of a material having a low thermal conductivity (for example, stainless steel).
  • the inner diameter of the pipe 74 is set to a size that does not hinder circulation of nitrogen gas.
  • a liquefied nitrogen container (a pipe may be used if it does not hinder the circulation of nitrogen) 76 for cooling the heat shield plate 70 is provided below the pipe 74.
  • the liquefied nitrogen container 76 is made of a material having high thermal conductivity (preferably copper or a copper alloy).
  • the liquefied nitrogen container 76 is attached to the heat shield plate 70 by a method having sufficiently small thermal resistance (for example, soldering, soldering, mounting, screwing, etc.).
  • the liquefied nitrogen container 76 is filled with nitrogen gas. Although not shown in the figure, a nitrogen gas supply (or recovery) device can be provided if necessary.
  • reference numeral 78 denotes an electric heater for the first cooling stage 54 of the refrigerator, and ⁇ ⁇ ⁇ 0 denotes a temperature sensor. '
  • the heat shield plate 70 is cooled by the nitrogen condensed by the heat conductive plate 72.
  • the neon gas but also the heat shield plate 70 can be cooled by the method of the present invention.
  • the neon gas and nitrogen gas containers 12 and 76 were connected to a plurality (two) of refrigerators 40 and 42. It may be independent. At this time, the part that repeats each condensation and evaporation has a so-called heat pipe structure.
  • each heat pipe 82 is connected to one heat conducting member 84. And the helium gas circulating in the pipe 20 exchanges heat.
  • reference numeral 86 denotes a neon gas supply and recovery tank.
  • the neon gas supply and recovery tank 86 is usually a tank that can hold an appropriate amount of gas, but if the amount of neon gas inside the heat pipe 82 is insufficient, supply neon gas to the outside (or recover it). )
  • a device (not shown) may be attached.
  • the upper and lower diameters of the heat pipe 82 are made thicker, but the pipe may be kept at a constant diameter if allowable. When the refrigerator is replaced, the temperature of the upper partition member 60 has risen to a temperature at which the low-melting-point metal 62 melts.
  • the gas inside the heat pipe wall and inside has a temperature gradient, and the thicker the pipe, the greater the heat load on the low-temperature part.
  • short heat transfer fins condensed X have a very high heat transfer coefficient for evaporation, so long fins are meaningless
  • the amount of heat transfer is large. In some cases, the fins may not be required.
  • the heat conducting member 84 provided under the heat pipe is suitably made of copper, a copper alloy, aluminum, or an aluminum alloy.
  • the heat pipe 82 extends straight down and is attached to the large heat conducting member 84.However, the heat pipe 82 is arranged diagonally, and the heat pipe 82 is attached to the relatively small heat conducting member 84. You may make it attach. In the case of the indirect cooling shown in the figure, this can reduce the temperature gradient formed inside the heat conducting member. In the case of directly cooling a large cooling object, if the lower end of the heat pipe is arranged to be dispersed, the cooling object can be uniformly cooled.
  • the operation of the refrigerator 42 on the right side of the drawing is stopped for mounting (or removing). Then, in order to dissolve the low melting point metal 62, the electric heater 64 and the temperature sensor 66 are passed through the pipes 92, 94, and inserted into the partition member 60 from above, and attached. ing.
  • the refrigerator 40 on the left is operating and is condensing and liquefying neon. At this time, the electric heater and the temperature sensor were removed, and the top of pipes 92 and 94 was fitted with a lid 96 to prevent air from entering.
  • the object to be cooled 10 is inserted into the liquefied neon container 12 and the object to be cooled is liquefied neon gas.
  • the object 10 may be cooled directly.
  • the GM refrigerator is used as the refrigerator in each case.
  • the type of the refrigerator is basically not limited, and the refrigerator is used for cooling as in the sixth embodiment shown in FIG. Pulse tube refrigerators 100 and 102 may be used.
  • this pulse tube refrigerator is usually composed of a plurality of cylinders (pipes 104 filled with regenerator material and expansion tubes 106), the refrigerator mounting sleeve 32 is used for the GM refrigerator. It is larger than.
  • neon gas was used because the cooling temperature was 30 K.
  • argon gas 90 to 140 K
  • nitrogen gas 70 to 120 K
  • Hydrogen gas 14 to 30K
  • helium gas 5K
  • the present invention was applied to cooling of power equipment using a high-temperature superconductor, but the object to be cooled is not limited to this.
  • the present invention can be similarly applied to superconducting magnets, physical property measuring devices, and the like.
  • the refrigerator when replacing the refrigerator, the refrigerator could not be replaced without stopping the cooling device, collecting the refrigerant gas, and returning the entire device to room temperature. Therefore, the cooling target (for example, power equipment) cannot be operated during these operations and until it can be cooled to the specified temperature again.
  • the cooling target for example, power equipment
  • the thermal resistance between the partition member and the cooling stage of the refrigerator is
  • the thin low-melting point metal because of the resistance of the thin low-melting point metal, it becomes smaller and has a very small temperature difference despite its large heat transfer (cooling capacity).
  • the heater when an electric heater and a temperature sensor are attached to the partition member, if the heater is used to heat the low-melting-point metal to a temperature at which the low-melting-point metal can be melted, the entire range involved in the work will be at room temperature or slightly higher.
  • the installation and removal of the refrigerator can be done easily without the need for troublesome work such as prevention of frost adhesion. This task is made even easier if the temperature of the low melting point metal is controlled to a constant temperature by using a temperature controller to heat the partition member.

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Description

明細書
冷凍機の取付方法及び装置
技術分野
本発明は、 冷凍機の冷却ステージを、 該冷却ステージにより凝縮され る冷媒ガスを収容する冷却装置の冷媒容器に着脱可能に取付けるための 冷凍機の取付方法及び装置に係り、 特に、 高温超導電体を使用した電力 機器を冷却するための、 複数台の冷凍機が組み込まれた冷却装置に用い るのに好適な、 運転されている冷却装置を停止することなく、 即ち、 他 の正常な冷凍機を停止することなく、 冷却対象物の冷却は続行したまま 、 故障した冷凍機のみを交換可能な冷凍機の取付方法及び装置に関する
背景技術
高温超導電体を使用した、 発電機、 モー夕、 変圧機等の電力機器は、 約 3 0 Kまで冷却して運転される。 これらの電力機器を冷却するには大 きな冷凍能力が必要で、 複数台 ( 5台位) のギフオードマクマホン (G M ) 冷凍機やパルスチューブ冷凍機 (必要な場合を除いて、 以下、 単に 冷凍機と総称する ) が組み込まれた冷却装置が使用される。
電力機器を長期に Bり安定に運転するには、 これらを冷やす冷却装置 も長期に安定に運転できることが必要である。 そのため、 冷却装置に組 み込まれた冷凍機が劣化又は故障して冷却能力が低下したときは、 冷凍 機を交換できることが望ましい。
図 1に従来の冷却装置の概要を示す。 この冷却装置では、 冷却対象物 (例えば高温超電導体を使用した電力機器、 例えば発電機のロー夕) 1 0の冷却温度がネオンの液化温度の 3 0 K近辺の場合、 冷媒ガスとして 用いるネオンガスを一旦液化して液化ネオン容器 1 2に蓄え、 これで配 管 2 0により冷却対象物 1 0を循環しているヘリウムガスを冷却する間 接冷却方式となっている。.配管 2 0を循環するヘリゥムガスは、 室温に あるヘリゥムガス循環ポンプ 2 2により送り出され、 第 1の熱交換器 2 4を通って戻ってくるヘリウムガスと熱交換して冷やされる。 次に第 2 熱交換器 2 6に入り、 液化ネオン容器 1 2内の液化ネオンで更に冷却さ れ、 '約 3 0 Kまで冷却される。 そして、 冷却対象物 1 0を冷却する第 3 の熱交換器 2 8を通 て、 再び第 1の熱交換器 2 に入-り、 室温まで昇 温して、 循環ポンプ 2 2へ戻る。
真空断熱容器である冷却装置のクライオス夕ッ ト ' 3 0には、 大きな冷 凍能力を得るために複数台 (図では 2台) 設けられた冷凍機 4 0、 4 2 のシリンダ 4 4が丁度入る寸法に作られた冷凍機取付スリーブ 3 2が設 けられている。 なお、 図では 2'台の冷凍機が取付けられているが、 1台 又は 3台以上でもよい。
冷凍機 4 0、 4 2きクライオス夕 ヅ ト 3 0に取付 &るための冷凍機取 付フランジ 4 6には、 ネオンガスが外部に漏れたり、 空気が内部に混入 しないようにシール〇リング 4 8が取付けられている。 なお、 図では冷 凍機のフランジ 4 6に 0リングを設けているが、 クライオス夕ヅ ト 3 0 側に設けてもよい。 又、 シールできれば 0リングでなくとも良い。
前記液化ネオン容器 1 2から出た複数(図では 2本)の配管 1 4は、 そ の上部にある前記冷凍機取付スリーブ 3 2に接続されている。 該配管 1 4の内径は、 ネオンガスが循環するのに支障のない寸法とされる。
前記液化ネオン容器 1 2にはネオンガスを封入しているので、 冷凍機 を運転すると、 その低温側冷却ステージ ( 2段冷却ステージ。 以下、 単 に冷却ステージと称する) 5 0の温度はネオンの凝縮温度 (液化温度) まで下がり、 ネオンガスは凝縮し滴下して下部の容器 1 2に溜まる。 な お、 3 0 Kという低温の部分は高度に断熱しなければならず、 通常、 真 空断熱容器 (図ではクライオス夕ッ ト 3 0 ) 内に設置されている。 なお 、 図では真空排気装置は省略している。 図において、 5 2は、 冷^機の圧縮機である。
さて、 何らかの理由で、 1台の冷凍機が劣化又は故障したときを考え る。 従来の冷却装置では、 冷却装置の運転を停止して、 全体を昇温する ことなく、 性能が劣化又は故障した冷凍機を交換することはできなかつ た。 .何故ならば、 冷却装置を運転した状態のまま (他の正常な冷凍機の 運転を続行し、 ネオンガスも回収せず) 、 該当する冷凍機を交換するた めに、 その冷凍機を取り外すと、 ネオンガスを封入した容器 1 2は開放 状態となってネオンガスが失われ (漏れ出し) 、 容器 1 2内部に空気や 水分が混入して温度が上昇し、 冷却を続行することができないからであ る。 従って、 該当する冷凍機を取り外す場合は、 冷却装置全体を停止し 、 ネオンガスを回収し (図 1ではネオンガス回収装置は省略) 、 室温ま で上昇してから、 冷凍機を取り外す必要があった。
なお、 日本特許第 3 2 6 5 1 3 9号ゃ特開平 9 - 1 1 3 0 4 8号公報 には、 予冷を早くするための熱スィッチを、 冷凍機シリンダの高温側冷 却ステージと低温側冷却ステージの間や、 冷却対象物と低温部をカバー する熱シールド又は冷凍機の間に設けることが記載されているが、 冷凍 機は 1台だけであり、 複数台の冷凍機.の中の一部のみを取外すことは全 く考えられていなかった。 発明の開示
本発明は、 前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、 冷却装 置に組み込まれた冷凍機の 1台が劣化又は故障して、 冷却能力が低下し たときに、 運転されている冷却装置を停止することなく (他の正常な冷 凍機を停止することなく) 、 冷却対象物の冷却は続行したまま、 故障し た冷凍機のみを交換できるようにすることを課題としている。
本発明は、 冷凍機の取付に際して、 冷凍機の冷却ステージと、 該冷却 ステージにより凝縮される冷媒ガスを収容する冷却装置の冷媒容器の間 に熱伝導部材を揷入し、 該熱伝導部材に保持された低融点金属により、 前記冷却ステージと冷媒容器、 ヒートパイプ又は熱シールド板を熱的に 接触させるようにして、 前記課題を解決したものである。
又、 前記熱伝導部材を、 前記冷却ステージと冷媒容器間を仕切る仕切 り部材としたものである。
又、 前記熱伝導部材を、 前記冷却ステージとヒートパイプの間に挿入 したものである。 ' 又、 前記熱伝導部材を、 前記冷却ステージと熱シールド板の間に挿入 したものである。
又、 前記低融点金属の温度を、 冷凍機交換時に、 該低融点金属が溶け る一定の温度に制御するようにした.ものである。
又、 前記低融点金属を、 インジウム、 低融点はんだ又はウッ ドメタル としたものである。
又、 前記冷凍機を、 G M冷凍機又 パルスチューブ冷凍機としたもの である。
本発明は、 又、 冷凍機の冷却ステージを、 該冷却ステージにより凝縮 される冷媒ガスを収容する冷却装置の冷媒容器に着脱可能に取り付ける ための冷凍機の取付装置であって、 前記冷却ステージと冷媒容器、 ヒー トパイプ又は熱シールド板の間に挿入される熱伝導部材と、 該熱伝導部 材に保持された、 前記冷却ステージと冷媒容器を熱的に接触させるため の低融点金属とを備えることにより、 前記課題を解決したものである。 又、 前記熱伝導部材の冷媒容器又は熱シールド板側に凝縮フィンを設 けたものである。
又、 前記冷却ステージ、 低融点金属及び熱伝導部材を収容する冷凍機 取付スリーブと前記冷媒容器又は熱シールド板を接続する、 配管壁と冷 媒ガスの熱伝導による熱が許容できる長さの配管を設けたものである。 更に、 前記仕切り部材を加熱するヒ一夕と、 前記熱伝導部材の温度を 検出する温度センサとを備えたものである。
又、 前記ヒータと温度センサを着脱自在としたものである。
更に、 前記低融点金属の温度を、 冷凍機交換時に、 該低融点金属が溶 ける一定の温度に制御する手段を備えたものである。
本発明は、 又、 前記の装置により取り付けられた冷凍機を備えたこと を特徴とする電力機器を提供するものである。 図面の簡単な説明
図 1は、 従来の冷却装置の概略構成を示す断面図。
図 2は、 本発明に係る冷却装置の第 1実施形態の概略構成を示す断面 図、
図 3は、 同じく第 2実施形態の概略構成を示す断面図、
図 4は、 同じく第 3実施形態の概略構成を示す断面図、
図 5は、 同じく第 4実施形態の概略構成を示す断面図、
図 6は、 同じく第 5実施形態の概略構成を示す断面図、
図 7は、 同じく第 6実施形態の概略構成を示す断面図である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 図面を参照して、 本発明の実施形態を詳細に説明する。
本発明の第 1実施形態は、 図 1と同様の冷却装置において、 図 2に示 す如く、 真空断熱容器であるクライオス夕ッ ト 3 0に、 複数の冷凍機シ リンダ 4 4が丁度入る寸法に作られた冷凍機取付スリーブ (以下、 単に スリーブと称する) 3 2が設けられている。 液化したネオンを溜める容 器 1 2から出た複数の配管 1 は、 その上部にあるスリーブ 3 2に接続 されている。 該スリーブ 3 2は、 ステンレス鋼等の熱伝導率の小さい材 料で作られ、 スリーブ 3 2の下方中間部に、 熱伝導率の大きい材料 (例 えば銅又は銅合金) で作られた熱伝達部材としての仕切り部材 6 0を配 置している。 この仕切り部材 6 0の下面には、 凝縮フィン 6 O F が備え られている.なお、 この凝縮フイン 6 O Fは省略することもできる。 前記仕切り部材 6 0の位置は、 前記スリ一ブ 3 2に冷凍機 4 0 , 4 2 を取り付けたとき、 冷凍機先端の冷却ステージ 5 0が、 丁度仕切り部材 6 0に接するか、 僅かに隙間 ( 5 m m未満 1 m m以下が望ましい) がで きるように配置する。 なお、 図では明示的に隙間を大きく し、 後出低融 点金属 6 2が溜まるように窪み 6 0 Uが設けられている。 この仕切り部 材 6 0は、 スリーブ 3 2に、 蠟付け又は溶接、 接着、 ねじ止めにより、 しっかり取り付けられ、 気密になっている。
前記仕切り部材 6 0は、 更に、 電気ヒー夕 6 4と温度センサ 6 6を内 §している。
前記仕切り部材 6 0の上部には、 低融点金属 (例えばィンジゥム、 又 は、 低融点はんだ、 ウッ ドメタル、 水銀等) を適量 (冷凍機先端の冷却 ステージ 5 0と仕切り部材 6 0が、 低融点金属 6 2により良好な熱接続 が図れる量) 入れておく。 仕切り部材 6 0の上面と冷凍機の冷却ステー ジ 5 0の表面は、 良好な熱接続が図れるよう、 予め低融点金属 6 2でめ つきを施しておくことが望ましい。
冷却装置組立時には、 前記電気ヒー夕 6 4に通電して仕切り部材 6 0 を加熱し、 低融点金属 6 2を溶かして冷凍機 4 0、 4 2を取付けると、 仕切り部材 6 0と冷凍機 4 0、 4 2は良好な熱接続を得ることができる ここで、 温度センサ 6 6は、 電気ヒー夕 6 4に通電して仕切り部材 5 0を加熱するとき、 過熱しないように温度を測定するのに用いる。 なお 、 温度調節計を使用して、 低融点金属 5 2が溶ける一定の温度に制御す る方が望ましい。
冷凍機 4 0 , 4 2を取り付けたとき、 冷凍機取付フランジ 4 6から空 気が混入しないように 0リング 4 8等でシールされていれば、 冷凍機シ リンダ 4 4の外側とスリーブ 3 2の内側の間にできる空間は、 真空排気 したり、 ヘリウムガスやネオンガス等で置換する必要はない。 勿論、 真 空排気したり、 ガス置換してもよい。
各スリーブ 3 2の下端は、 冷却に使用するネオンガスが循環するのに 支障のない大きさの配管 1 4で、 下部の液化ネオン容器 1 2に連結され ている。 配管 1 4は、 冷凍機 4 0、 4 2を取り外すときに、 仕切り部材 6 0を低融点金属 6 2が溶ける温度まで加熱しても、 下部の液化ネオン 容器 1 2に対して過大な熱が伝わらないように、 上下方向に対して、 適 当な長さ (配管壁とガスの熱伝導による熱が許容できる値以下となるよ うな長さ) を持っている。
前記容器 1 2にはネオンガス (冷却対象物 1 0との冷却温度が 3 0 K 近辺の場合) が封入されている。 冷凍機の冷却ステージ 5 0は、 仕切り 部材 6 0に対して、 低融点金属 6 2によって、 熱的にしっかり接続 (例 えば約 1 0 0 Wの伝熱量に対して 1 K以下の小さな熱抵抗) されている 。
冷凍機を運転し、 仕切り部材 6 0の温度がネオンガスを凝縮する温度 に達すると、 仕切り部材 6 0の下面 (凝縮フィ ン 6 0 F ) では、 ネオン ガスが液化して滴下を始める。 液化し滴下した液化ネオンは、 電力機器 を冷却するヘリゥムガスと熱交換して蒸発し、 再び仕切り部材 6 0の下 面へ戻り、 凝縮するという循環を繰り返す。
複数取付けられた各冷凍機 4 0、 4 2で、 このネオンガスの循環によ る伝熱 (冷却) が行なわれる。
図 1と同じ構成には、 同じ符号を付して詳細な説明は省略する。
ここで、 何らかの理由で、 1台の冷凍機が劣化又は故障したときを考 える。 故障した冷凍機の運転を止めると、 冷凍機の冷凍能力は無くなる ので、 そこでネオンガスの凝縮は止まる。 そして、 電気ヒー夕 6 4に通 電して仕切り部材 6 0を加熱し、 低融点金属 6 2を溶かす。 温度センサ 6 6は、 電気ヒー夕 6 4に通電して仕切り部材 6 0を加熱するとき、 過 熱しないように温度を測定するのに使用する。 温度調整計を使用して、 低融点金属 6 2が溶ける一定の温度に制御するのが望ましい。
仕切り部材 6 0の温度が低融点金属 6 2の溶ける温度まで上昇しても 、 冷凍機を取り付けたスリ,一プ 3 2 と液化ネオン容器 1 2を連結する配 管 1 4の長さは、 配管壁とガスの熱伝導による熱が許容できる値以下と なるように作られているので、 このような状態でも、 液化ネオン容器 1 2への伝熱量は小さな許容できる値となっている。
このとき、 劣化又は故障している冷凍機の冷却ステージ 5 0は、 低融 点金属 6 2が溶ける温度まで昇温しているので、 冷凍機はそのまま取り 外すことができる。 勿論、 仕切り部材 6 0より上側は室温以上となって いるので、 霜が付いたりする不具合が起こることはない。
取り外したところには、 正常な冷凍機を取付け、 直ぐに運転を再開す ることができる。 又、 他の正常な状態にある冷凍機は運転したままで、 ネオンガスを液化し続けており、 冷却対象物 1 0は連続して低温に冷却 されている状態を保っている。
, 第 1実施形態では、 比較的大きな冷却能力を持った冷凍機を使用して 、 3 0 Kという比較的高い温度であるため、 熱シ一ルド板を省略してい るが、 必要な場合には、 図 3に示す第 2実施形態のように、 熱シールド 板 7 0の冷却にも同様の構造を使うことができる。
このとき、 冷凍機を取付けるスリーブ 3 2に、 更に冷凍機高温側ステ —ジ ( 1段ステージと称する) 5 4で窒素ガス (又はアルゴンガス) を 凝縮できるように、 熱伝導板 7 2を設け、 これに窒素ガスが凝縮循環す る配管 7 4を取付けている。
前記熱伝導板 7 2は、 冷凍機 1段ステージ 5 4と、 低融点金属 6 2を 使用して熱的に接続する。 該熱伝導板 7 2の配管 7 4内には、 窒素ガス の凝縮を促進する凝縮フィ ン 7 2 F が設けられている。 なお、 この凝縮 クイン 7 2 Fは省略することもできる。
• 前記窒素ガス凝縮循環配管 7 4は、 熱伝導率の小さい材料 (例えばス テンレス鋼等) で作られている。 この配管 7 4の内径は、 窒素ガスの循 環に支障の無い寸法に作られている。 この配管 7 4の下部には、 熱シ一 ルド板 7 0を冷却する液化窒素容器 (窒素の循環には支障なければパイ プでも良い) 7 6を設ける。 この液化窒素容器 7 6は、 熱伝導率の大き な材料 (銅又は銅合金が望ましい) で作られている。 この液化窒素容器 7 6は、 前記熱シールド板 7 0に、 熱抵抗が十分小さい方法 (例えば蠟 付け、 はんだ付け、 璋着、 ねじ止め等) で取付ける。
前記液化窒素容器 7 6には、 窒素ガスを充填しておく。 図には示して ないが、 必要であれば窒素ガスの供給 (又は回収) 装置を設けることが で„きる。
図において、 7 8は、 冷凍機の 1段冷却ステージ 5 4用の電気ヒ一夕 、 § 0は同じく温度センサである。 '
他の構成は第 1実施形態と同じであるので、 同じ符号を付して、 詳細 な説明は省略する。
この第 2実施形態においては、 熱伝導板 7 2によって凝縮された窒素 により、 熱シ一ルド板 7 0が冷却される。
この第 2実施形態によれば、 ネオンガスだけでなく、 熱シールド板 7 0も本発明の方法により冷却することができる。
なお、 第 1、 第 2実施形態のいずれも、 ネオンガス及び窒素ガスの容 器 1 2、 7 6が複数 ( 2台) の冷凍機 4 0、 4 2に連結されていたが、 各冷凍機で独立したものとしてもよい。 このとき、 各凝縮と蒸発を繰り 返す部分は、 いわゆるヒートパイプと呼ばれる構造となる。
次に、 各冷凍機の伝熱にヒートパイプを使用する本発明の第 3実施形 態を図 4を参照して説明する。
本実施形態では、 各ヒートパイプ 8 2の下端を 1つの熱伝導部材 8 4 に接続し、 これと配管 2 0内を循環するヘリウムガスが熱交換するよう になっている。
図において、 8 6はネオンガス補給回収タンクである。 こ'のネオンガ ス補給回収夕ンク 8 6は、 通常は適当なガス量を保持できるタンクでよ いが、 ヒートパイプ 8 2内部のネオンガス量が不足する場合には、 外部 にネオンガス供給 (又は回収) 装置 (図示省略) を取付けてもよい。 なお、 図ではヒートパイプ 8 2の上下の直径を太く しているが、 許容 できれば、 パイプは一定の直径のままでもよい。 冷凍機を取り換えると き、 上部の仕切り部材 6 0の温度は低融点金属 6 2が溶解する温度まで 昇温している。 このため、 ヒートパイプ壁及び内部にあるガスには温度 勾配があり、 パイプが太ければ、 その分、 低温部への熱負荷が増える。 冷凍機を運転して内部のガスを凝縮しているときは、 ヒートパイプ上下 に温度差はないので、 ヒートパイプによる損失は発生しない。
又、 図ではヒートパイプ上下の内部に短い伝熱フィン (凝縮 Xは蒸発 の熱伝達率は非常に大きいので、 長いフィンは無意味となる) 8 2 F を 設けているが、 伝熱量の大きさによっては、 フィンが無くてもよい。
ヒ一トパイプ下部に設けた熱伝導部材 8 4は、 銅又は銅合金あるいは アルミニウム又はアルミニウム合金が適している。
又、 図では、 ヒートパイプ 8 2は真っ直ぐ下へ延ばして、 大きな熱伝 導部材 8 4に取付けているが、 ヒートパイプ 8 2を斜めに配置して、 比 較的小さな熱伝導部材 8 4に取付けるようにしてもよい。 図に示す間接 冷却の場合は、 このようにすると、 熱伝導部材内部にできる温度勾配を 小さくできる。 又、 大きな冷却対象物を直接冷やす場合は、 逆にヒート パイプの下端を分散するように配置すれば、 冷却対象物を一様に冷却す ることができる。
次に、 図 5を参照して、 電気ヒ一夕 6 4と温度センサ 6 6を冷凍機 4 0 , 4 2の取付け又は取り外しの作業時に後から取付けるようにした本 発明の第 4実施形態を詳細に説明する。
第 1実施形態と同様の冷却装置において、 図の右側の冷凍機 4 2は、 取付け (又は取り外し) のため運転を停止している。 そして、 低融点金 属 6 2を溶解するために、 電気ヒ一夕 6 4と温度センサ 6 6をパイプ 9 2、 9 4内を通して、 仕切り部材 6 0に、 上部より挿入して取り付ける 様子を示している。
左側の冷凍機 4 0は運転されており、 ネオンを凝縮液化している。 . このとき、 電気ヒ一夕と温度センサは取り外し、 パイプ 9 2、 9 4の 上部は空気を混入しないように蓋 9 6を取付けている。
又、 前記説明では、 間接冷却方式の場合を述べたが、 図 6に示す第 5 実施形態のように、 液化ネオン容器 1 2内に冷却対象物 1 0を挿入し、 液化したネオンガスで冷却対象物 1 0を直接冷却してもよい。
この場合は、 外部にあるヘリウム循環ポンプや、 熱交換器等は不要と なる。 '
なお、 前記説明においては、 いずれも、 冷凍機として G M冷凍機が用 いられていたが、 冷凍機の種類は基本的に限定されず、 図 7に示す第 6 実施形態のように、 冷却にパルスチューブ冷凍機 1 0 0、 1 0 2を用い てもよい。
このパルスチューブ冷凍機は、 通常複数の円柱 (蓄冷材を充填するパ イブ 1 0 4と膨張管 1 0 6 ) で構成されているため、 冷凍機取付スリ一 ブ 3 2は G M冷凍機の場合に比べて大きくなる。
なお、 前記説明では、 冷却温度が 3 0 Kであるためネオンガスを使用 したが、 冷却対象温度によりアルゴンガス ( 9 0〜 1 4 0 K ) 、 窒素ガ ス ( 7 0〜 1 2 0 K ) 、 水素ガス ( 1 4〜 3 0 K ) 、 ヘリゥムガス ( 5 K ) を用いることができる。
又、 前記説明では、 本発明が高温超電導体を使用した電力機器の冷却 に適用されていたが、 冷却対象は、 これに限定されず、 クライオポンプ 、 超伝導マグネッ ト、 物性測定装置等にも、 同様に適用可能である。 産業上の利用可能性
従来の方法では、 冷凍機を取り替える場合、 冷却装置を停止し、 冷媒 ガスを回収して、 装置全体を室温に戻した後でないと、 冷凍機を取り替 えることができなかった。 このため、 これらの作業の間、 及び、 再度規 定の温度に冷却できるまでの間、 冷却対象物 (例えば電力機器) の運転 はできない。 これに対して、 本発明によれば、 冷却対象物の冷却は中断 することなく継続したままで、 不具合の起こつた対象の冷凍機を交換す ることができる。 又、 仕切り部材と冷凍機の冷却ステージ間の熱抵抗は
、 薄い低融点金属の抵抗分であるため、 小さなものとなり、 大きな伝熱 量 (冷却能力) であるにも拘らず、 非常に小さな温度差しか生じない。 特に、 仕切り部材に電気ヒー夕と温度センサを取付けた場合は、 、 こ のヒータにより、 低融点金属が溶ける温度まで加熱すれば、 作業に係わ る範囲は全て室温又はこれより少し高い温度になっており、 霜の付着防 止等の煩わしい作業をすることなく、 冷凍機の取付け、 取り外しを簡単 に行なうことができる。 仕切り部材の加熱に温度調節計を使用して、 低 融点金属が溶ける一定の温度に制御すると、 この作業は更に簡単なもの になる。

Claims

請求の範囲
1 . 冷凍機の冷却ステージと、 該冷却ステージにより凝縮される冷媒ガ スを収容する冷却装 gの冷媒容器、 ヒートパイプ又は熱シールド板の間 に熱伝導部材を揷入し、
該熱伝導部材に保持された低融点金属により、 前記冷却ステージと冷 媒容器、 ヒートパイプ又は熱シールド板を熱的に接触させることを特徴 とする冷凍機の取付方法。' -
2 . 前記熱伝導部材が、 前記冷却ステージと冷媒容器間を仕切る仕切り 部材であることを特徴とする請求項 1に記載の冷凍機の取付方法。
3 . 前記熱伝導部材が、 前記冷却ステージとヒートパイプの間に挿入さ れていることを特徴とする請求項 1に記載の冷凍機の取付方法。
4 . 前記熱伝導部材が、 前記冷却ステージと熱シールド板の間に挿入さ れているこ'とを特徴とする請求,項 1に記載の冷凍機の取付方法。
5 . 前記低融点金属の温度を、 冷凍機交換時に、 該低融点金属が溶ける 一定の温度に制御することを特徴とする請求項 1乃至 4のいずれかに記 載の冷凍機の取付方法。
6 . 前記低融点金属が、 インジウム、 低融点はんだ又はウッ ドメタルで あることを特徴とする請求項 1に記載の冷凍機の取付方法。
7 . 前記冷凍機が、 G M冷凍機又はパルスチューブ冷凍機であることを 特徴とする請求項 1に記載の冷凍機の取付方法。
8 . 冷凍機の冷却ステージを、 該冷却ステージにより凝縮される冷媒ガ スを収容する冷却装置の冷媒容器、 ヒートパイプ又は熱シールド板に着 脱可能に取り付けるための冷凍機の取付装置であって、
前記冷却ステージと冷媒容器、 ヒートパイプ又は熱シールド板の間に 挿入される熱伝導部材と、
該熱伝導部材に保持された、 前記冷却ステージと冷媒容器を熱的に接 触させるための低融点金属と、 を備えたことに特徴とする冷凍機の取付装置。
9 . 前記熱伝導部材の冷媒容器又は熱シールド板側に凝縮フィンが設け られていることを特徴とする請求項 8に記載の冷凍機の取 fザ装置。
1 0 . 前記冷却ステージ、 低融点金属及び熱伝導部材を収容する冷凍機 取付スリーブと前記冷媒容器又は熱シールド板を接続する、 配管壁と冷 媒ガスの熱伝導による熱が許容できる長さの配管を有することを特徴と する請求項 8に記載の冷凍機の取付装置。
1 1 . 前記熱伝導部材を加熱するヒ一夕と、
前記熱伝導部材の温度を検出する温度センサと、
を更に備えたことを特徴とする請求項 8に記載の冷凍機の取付装置。
1 2 . 前記ヒ一夕と温度センサが着脱自在とされていることを特徴とす る請求項 1 1に記載の冷凍機の取付装置。 .
1 3 . 前記低融点金属の温度を、 冷凍機交換時に、 該低融点金属が溶け る一定の温度に制御する手段を備えたことを特徴とする請求項 8に記載 の冷凍機の取付装置。
1 4 . 請求項 8乃至 1 3のいずれかに記載の装置により取り付けられた 冷凍機を備えたことを特徴とする電力機器。
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