(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液化冷媒供給管及び気化冷媒排気管を有する冷媒液溜部と、
前記冷媒液溜部の下方に配設され該冷媒液溜部内部と連通する上部補助液溜部、及び該上部補助液溜部のさらに下方に配設された底部補助液溜部の双方の補助液溜部を介して閉ループの冷却回路を形成し、この閉ループを循環する液化冷媒が被冷却体との間で熱交換を行えるように配設された冷却配管と、
を備えた自然循環冷却方式の極低温装置において、
メインテナンス時に全ての冷却回路から冷媒を抜き取った後、前記閉ループ中に残存する酸素又は水分を除去するための加熱用ヒータを、前記底部補助液溜部に取り付けた、
ことを特徴とする極低温装置。
【請求項２】
前記閉ループが複数個形成されている、
ことを特徴とする請求項１記載の極低温装置。
【請求項３】
前記加熱用ヒータを前記上部補助液溜部にも取り付けた、
ことを特徴とする請求項１又は２記載の極低温装置。
【請求項４】
前記加熱用ヒータの取付部に温度計を取り付けたこと、
を特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の極低温装置。
【請求項５】
前記加熱用ヒータを良熱伝導部材を介して取り付けた、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の極低温装置。
【請求項６】
前記加熱用ヒータは、ある抵抗体部分における磁界変動が、その抵抗体部分に沿って配置された他の抵抗体部分における磁界変動によって相殺される無誘導回路を形成するものである、
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の極低温装置。
【請求項７】
前記加熱用ヒータの抵抗体部分は、折り返し部分が１個所となるように形成されたものである、
ことを特徴とする請求項６記載の極低温装置。
【請求項８】
前記加熱用ヒータの抵抗体部分は、折り返し部分が複数個所となるように形成されたものである、
ことを特徴とする請求項６記載の極低温装置。
【請求項９】
前記加熱用ヒータは、前記ある抵抗体部分と前記他の抵抗体部分とを接続する共通接続部を設けることにより、折り返し部分が形成されないようにしたものである、
ことを特徴とする請求項６記載の極低温装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液化窒素等の液化冷媒を用いて被冷却体を極低温状態に冷却する極低温装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超電導磁石装置を超電導状態で使用するためには超電導コイルを極低温状態に冷却する必要がある。リニアモータカーの分野においては、一般に、極低温装置として、外部動力を用いることなく、液化窒素、液化ヘリウム等の冷媒を自然循環させる方式のものが多く採用されている。図１０は、このような自然循環方式を採用した従来の極低温装置の構成図である。
【０００３】
図１０において、真空断熱容器１内部の上方に冷媒液溜部２が配設されており、この冷媒液溜部２には液化冷媒供給管３及び気化冷媒排気管４が接続されている。液化冷媒供給管３からは、図示を省略してある液化器からの液化冷媒（例えば、液化窒素）が冷媒液溜部２内に供給されるようになっており、また、冷媒液溜部２内に貯溜された冷媒液５の液面５ａ上方で気化した気化冷媒は、気化冷媒排気管４から排出されて前記の液化器に戻るようになっている。
【０００４】
冷媒液溜部２の底部には接続配管６が取り付けられており、この接続配管６を介して冷媒液溜部２内部と連通する上部補助液溜部７が冷媒液溜部２の下方に設置されている。上部補助液溜部７からは２つの蛇腹状の冷却配管８ａ，８ｂが下方に延びており、この２つの冷却配管８ａ，８ｂは底部補助液溜部９で合流している。したがって、これら上部補助液溜部７、冷却配管８ａ、底部補助液溜部９、冷却配管８ｂにより閉ループの冷却回路が形成されている。冷却配管８ａ，８ｂの周囲には被冷却体１０（例えば、上記の超電導磁石装置）が配設されており、この被冷却体１０と冷却配管８ａ，８ｂ内部を通る冷媒液５との間で熱交換が行われることにより、被冷却体１０が極低温状態になるまで冷却されるようになっている。そして、このときの熱交換により閉ループ内には蒸発気泡１１が発生するが、冷却配管８ａ，８ｂの傾斜角及び直径等は、この蒸発気泡１１の浮力がその表面張力及び粘着力に打ち勝って冷却配管８ａ，８ｂの管壁に極力付着することのないように設計されている。なお、冷却配管８ａ，８ｂに用いられる主な材料としては、アルミニウム、銅、あるいはそれらの合金などの良熱伝導体や、極低温状態においても高い強度を維持することができるステンレス鋼などが採用される。
【０００５】
底部補助液溜部９の下部には常温ガス流通配管１２が接続されており、この常温ガス流通配管１２の途中にはベローズ継手１３及びバルブ１４が取り付けられている。そして、常温ガス流通配管１２上端の外部ポート１２ａには図示を省略してある常温ガス（冷媒液５と同種のガスであり、この従来装置では窒素ガスを想定している。）の供給源が接続されている。バルブ１４は常時は閉じた状態となっており、したがって、常温ガス流通配管１２内の冷媒液５の液面５ａは、図示するように、冷媒液溜部２内の冷媒液５の液面５ａと同一高さとなっている。なお、図１０においては、できるだけ図面を簡略化するために、被冷却体１０の詳細な構造や、被冷却体１０及び冷媒液溜部２の周囲を覆う輻射シールド板、あるいは各種のバルブやセンサ等の図示を省略してある。
【０００６】
次に、図１０の動作について説明する。液化冷媒供給管３から供給された冷媒液５は冷媒液溜部２内に貯溜され、その一部が上部補助液溜部７、冷却配管８ａ、底部補助液溜部９、冷却配管８ｂにより形成される閉ループを回って被冷却体１０との間で熱交換を行う。このときの熱交換の過程で蒸発気泡１１が発生するが、前述したように、蒸発気泡１１の浮力がその表面張力及び粘着力に打ち勝つことができるように、冷却配管８ａ，８ｂの傾斜角及び直径等が設計されているので、大部分の蒸発気泡１１は上方の冷媒液溜部２に向かって浮上する。閉ループ内で被冷却体１０との熱交換を終えた冷媒液５の一部は気化され、気化冷媒排気管４から真空断熱容器１外部へ排出され、図示を省略してある液化器に回収される。
【０００７】
上記のようにして、冷媒液５と被冷却体１０との間での熱交換、及び液化冷媒供給管３から冷媒液溜部２への液化冷媒の供給が繰り返し行われるが、ある程度の期間が経過すると、どうしても冷媒液５中に混入する空気中の酸素や水分の量が多くなり、閉ループ中に存在する蒸発気泡１１の量も多くなる。そして、この蒸発気泡１１の量が多くなると、閉ループ中における冷媒液５の円滑な流れを阻害して（冷媒液が液化ヘリウムではなく、液化窒素の場合は粘性が大きなために特に蒸発気泡の影響が大きい。）熱交換効率を低下させるばかりでなく、蒸発気泡１１に含まれる酸素や水分のために冷却配管８ａ，８ｂ（特に、アルミ配管部分）に亀裂が生じ、装置の運転が不可能になる事態が生じかねない。
【０００８】
そこで、蒸発気泡１１が一定量を超えた時点で（蒸発気泡１１の発生量は、被冷却体１０各所における温度変化や温度上昇率等の監視に基づき推測している。）、装置の運転を停止し、全ての冷却回路に対して冷媒の入れ換えを行うメインテナンス作業を行うようにしている。しかし、冷却回路中に酸素又は水分が残存していたのでは、装置の運転再開後に、また、多くの蒸発気泡１１が発生することになる。そのため、メインテナンス作業実行の際には、全ての冷却回路から冷媒を抜き取り、その後、バルブ１４を開放し、図示を省略してある常温ガス供給源から常温の窒素ガスを常温ガス流通配管１２内に導入するようにする。これにより、閉ループ更にはその上方の冷却回路に残存している酸素又は水分を除去することができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、図１０の構成は、常温ガス流通配管１２を設け、常温ガスを上部補助液溜部７、冷却配管８ａ、底部補助液溜部９、冷却配管８ｂにより形成される閉ループに吹き込み、これにより閉ループの冷却回路、更にはその上方の冷却回路に残存する酸素又は水分の除去を行おうとするものである。しかし、このような冷却回路構成は構造上の制約が大きくなるため、特に、リニアモータカーのように装置の小型化及び軽量化が強く要求される分野においては設計上極めて不利なものとなっていた。
【００１０】
例えば、常温ガス流通配管１２内にも常時冷媒液５が存在することになるため、外部ポート１２ａの位置を冷媒液溜部２よりも高くしなければならず、また、常温ガス流通配管１２内部を真空状態に保つために締め切り弁としてのバルブ１４を設けなければならない。さらに、常温ガス流通配管１２は常温状態から極低温状態までの広い範囲にわたって温度が変化するために、配管途中の各種部材の熱収縮差を吸収するためのベローズ継手１３を設けなければならない。
【００１１】
このように、図１０のような冷却回路の構成は複雑な配管構成を採用せざるを得ないものであり、しかも、常温ガス流通配管１２は装置の運転中は全く使用されることのない付属的性格を有するものである。そこで、思い切って、常温ガス流通配管１２を省略してしまう構成も従来考えられたことがある。しかし、常温ガス流通配管１２を省略した構成とした場合、一旦、蒸発気泡１１により閉ループが閉塞されてしまうような事態が発生したときは、装置の運転を緊急停止させた後、冷却回路全体から冷媒液５を抜き取って装置を完全に昇温させ、さらに、高純度ガスによる冷却回路の置換作業を何度も繰り返すなど煩雑な作業を行わなければならない。そのため、多大な復旧時間を要することになり、運用上大きな問題となる。
【００１２】
また、冷媒を抜き取った後、閉ループ中に残存する酸素又は水分の除去を行う方策として、冷却配管８ａ，８ｂ全体に加熱用ヒータを取り付けることも考えられたが、このような構成では加熱用ヒータの合計容量が非常に大きなものとなり、実用的でない構成となってしまう。
【００１３】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、メインテナンス時に全ての冷却回路から冷媒を抜き取った後、閉ループ中に残存する酸素又は水分を簡単な構成でありながら効率的に除去し得る極低温装置を提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための手段として、請求項１記載の発明は、液化冷媒供給管及び気化冷媒排気管を有する冷媒液溜部と、前記冷媒液溜部の下方に配設され該冷媒液溜部内部と連通する上部補助液溜部、及び該上部補助液溜部のさらに下方に配設された底部補助液溜部の双方の補助液溜部を介して閉ループの冷却回路を形成し、この閉ループを循環する液化冷媒が被冷却体との間で熱交換を行えるように配設された冷却配管と、を備えた自然循環冷却方式の極低温装置において、メインテナンス時に全ての冷却回路から冷媒を抜き取った後、前記閉ループ中に残存する酸素又は水分を除去するための加熱用ヒータを、前記底部補助液溜部に取り付けた、ことを特徴とする。
【００１５】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記閉ループが複数個形成されている、ことを特徴とする。
【００１６】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、前記加熱用ヒータを前記上部補助液溜部にも取り付けた、ことを特徴とする。
【００１７】
請求項４記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の発明において、前記加熱用ヒータの取付部に温度計を取り付けたこと、を特徴とする。
【００１８】
請求項５記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の発明において、前記加熱用ヒータを良熱伝導部材を介して取り付けた、ことを特徴とする。
【００１９】
請求項６記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の発明において、前記加熱用ヒータは、ある抵抗体部分における磁界変動が、その抵抗体部分に沿って配置された他の抵抗体部分における磁界変動によって相殺される無誘導回路を形成するものである、ことを特徴とする。
【００２０】
請求項７記載の発明は、請求項６記載の発明において、前記加熱用ヒータの抵抗体部分は、折り返し部分が１個所となるように形成されたものである、ことを特徴とする。
【００２１】
請求項８記載の発明は、請求項６記載の発明において、前記加熱用ヒータの抵抗体部分は、折り返し部分が複数個所となるように形成されたものである、ことを特徴とする。
【００２２】
請求項９前記加熱用ヒータは、請求項６記載の発明において、前記ある抵抗体部分と前記他の抵抗体部分とを接続する共通接続部を設けることにより、折り返し部分が形成されないようにしたものである、ことを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図に基づき説明する。但し、図１０と同様の構成要素には同一の符号を付して重複した説明を省略する。図１は第１の実施形態の構成図である。図１が図１０と異なる点は、常温ガス流通配管１２、ベローズ継手１３、及びバルブ１４等が削除されている点と、底部補助液溜部９に加熱用ヒータ１５が取り付けられている点である。この加熱用ヒータ１５は、上部補助液溜部７、冷却配管８ａ、底部補助液溜部９、冷却配管８ｂにより形成される閉ループ中に残存する酸素又は水分の気化促進を目的とするものである。そして、この加熱用ヒータ１５は、抵抗体部分が絶縁性樹脂で覆われ且つ平坦形状に形成されており、熱伝導効率が高くなるようにされると共に、容易に取付を行えるようになっている。また、加熱用ヒータ１５は、接着剤により底部補助液溜部９の底面に取り付けられて一体化されているが、この接着剤としては、熱伝導性の良好な補強剤入りのエポキシ樹脂を主成分とするもの、あるいはエチレン及びメタクリル酸の共重合体を主成分とする熱可塑性樹脂などを用いることが好ましい。
【００２４】
次に、図１の動作につき説明する。前述したように、蒸発気泡１１の発生量は、被冷却体１０各所における温度変化や温度上昇率等の監視に基づき推測しており、この蒸発気泡１１の発生量が一定量を超えた時点で装置の運転を停止してメインテナンス作業を行う。すなわち、真空排気を行って全ての冷却回路から冷媒を抜き取るようにする。そして、その後、加熱用ヒータ１５のヒータ端子間に通電を行うようにする。これにより、上記の閉ループ中に残存する酸素又は水分の気化が促進され、一定時間後にこれらは全て除去される。
【００２５】
図１の構成を図１０と対比してみれば明らかなように、図１の構成は常温ガス流通配管１２等が省略され、代わりに加熱用ヒータ１５が底部補助液溜部９に取り付けられただけの簡単なものである。したがって、リニアモータカーのような小型化及び軽量化が強く要求される分野においては設計上極めて有利なものとなる。また、加熱用ヒータ１５の通電によって閉ループ中に残存する酸素又は水分を除去できる時間も図１０の常温ガス流通配管１２を用いた場合に比べて短いものであり、メインテナンス時間を大幅に短縮することができる。さらに、冷却回路から冷媒を抜き取る途中、つまり、冷却回路に対して真空排気を行っている途中で未だ冷却回路が極低温状態であるままであっても加熱用ヒータ１５の通電を行うようにすれば、閉ループ中から酸素又は水分を除去する時間を一層短縮することができる。
【００２６】
図２は第２の実施形態の構成図である。図２が図１と異なる点は、被冷却体が１０Ａ及び１０Ｂの２つになっており、それぞれの上部補助液溜部７Ａ，７Ｂ間に連絡配管１６が配設されている点と、それぞれの底部補助液溜部９に加熱用ヒータ１５が取り付けられている点である。本発明は、底部補助液溜部９に加熱用ヒータ１５を取り付けるだけの簡単なものであるため、被冷却体の数が増えても、装置全体の大きさ及び重量は殆ど変化することがない。この第２の実施形態の動作については、第１の実施形態の場合と同様であるため説明を省略する。
【００２７】
図３は第３の実施形態の構成図である。図３が図１と異なる点は、底部補助液溜部９における加熱用ヒータ１５の取付部に温度計１７が取り付けられている点である。このように、底部補助液溜部９に温度計１７を取り付けることにより、装置の運転中は底部補助液溜部９内における蒸発気泡１１の発生量を推測できると共に、メインテナンス時には加熱用ヒータ１５の通電による温度上昇変化の挙動をモニタすることができる。
【００２８】
図４は第４の実施形態の構成図である。図４が図１と異なる点は、上部補助液溜部７に加熱用ヒータ１８が取り付けられている点である。上部補助液溜部７は、底部補助液溜部９と共に蒸発気泡１１が滞留し易い個所であり、したがって、メインテナンス時にも酸素又は水分が残存し易い個所である。このような上部補助液溜部７にも加熱用ヒータ１８を取り付けることにより、閉ループ中に残存する酸素又は水分を一層速やかに除去することが可能になる。
【００２９】
図５は第５の実施形態の構成図である。この実施形態は、図２に示した構成において、上部補助液溜部７Ａ，Ｂのそれぞれに加熱用ヒータ１８を取り付けたものである。
【００３０】
図６は第６の実施形態の構成図である。図６が図１と異なる点は、底部補助液溜部９の底面に接続部材１９の上端側が取り付けられると共に、この接続部材１９の下端側に良熱伝導板２０が取り付けられている点である。そして、この良熱伝導板２０周縁部は輻射シールド板２１によって支持されている。なお、この良熱伝導板２０の材質としては、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金などがある。また、この図６では輻射シールド板２１が省略されることなく図示されているが、この輻射シールド板２１は図１乃至図５、及び図１０の構成においても設けられている部材である。
【００３１】
この第６の実施形態によれば、加熱用ヒータ１５の取付を容易に行うことができる。つまり、底部補助液溜部９の大きさは必ずしも同じものではなく、装置の機種毎に異なるものであるため、機種によってはヒータ加熱面が底部補助液溜部９の加熱面よりも大きすぎて取付がうまくできない場合がある。本実施形態では、良熱伝導板２０を介して加熱用ヒータ１５の取付を行うようにしているので、底部補助液溜部９の大きさが機種毎に異なっていたとしても用いる加熱用ヒータ１５を１種類の大きさのものに限定することができ、徒に加熱用ヒータ１５の種類を増やす必要がなくなる。
【００３２】
図７乃至図９は、上述した各実施形態において用いられる加熱用ヒータ１５の構成を示す説明図である。図７において、加熱用ヒータ１５は、ヒータ端子２２，２３と、第１の抵抗体２４と、この第１の抵抗体２４に沿って配置されている第２の抵抗体２５と、第１の抵抗体２４と第２の抵抗体２５との間に形成されている折り返し部２６と、これら第１の抵抗体２４、第２の抵抗体２５、及び折り返し部２６の周囲を被覆している絶縁部材２７と、により構成されている。
【００３３】
抵抗体部分としては、細い線状のもの、あるいは銅・ニッケル合金やステンレス材等を薄板状に加工してある程度の幅を持たせたものなどが用いられる。そして、加熱用ヒータ１５の通電回路の電気抵抗は、低温下でも数百Ω程度を維持できるように設定されている。また、絶縁部材２７としては、例えば、ＰＶＦ（ポリビニルホルマール）やＰＴＦＥ（ポリテトラフルオルエチレン）などが用いられる。
【００３４】
そして、図中に示した矢印は電流の向きを示しており、図示するように第１の抵抗体２４を流れる電流の向きと第２の抵抗体２５を電流の向きとは互いに逆方向となっており、これらの抵抗体部分は無誘導回路を形成するようになっている。このように、加熱用ヒータ１５の抵抗体部分は無誘導回路を形成するように作られているので、加熱用ヒータ１５の周囲に磁界変動が発生しても、この磁界変動に起因する電流が流れるのを防止することができる。
【００３５】
すなわち、加熱用ヒータ１５の通電はメインテナンス時に行うものであるが、この加熱用ヒータ１５自体は装置運転中においても取り付けられているものであるため、被冷却体１０が超電導磁石装置のような磁界変動を伴うものである場合には、その磁界変動の影響をまともに受けることになる。したがって、もし加熱用ヒータ１５の抵抗体部分が通常の渦巻き状に形成され、同一方向に電流が流れるように作られていたとすると、電源からの通電が行われていなくても装置の運転中に電磁誘導現象による誘導電流が発生して発熱してしまい、冷却回路に対する負荷を無用に増大させる結果となる。
【００３６】
しかし、図７の構成によれば、加熱用ヒータ１５の周囲に磁界変動が発生したとしても、第１の抵抗体２４に流れようとする電流によって生じる磁力線と、第２の抵抗体２５に流れようとする電流によって生じる磁力線とが相殺されるために、これらの抵抗体部分に電流が流れることはなく発熱を生じることはない。
【００３７】
図７は、ヒータ容量が小さく折り返し部２６が１個所しか形成されていない場合のものであるが、ヒータ容量が大きなものである場合には、図８のように折り返し部２６を複数個所設けることにより対処することができる。また、図７の構成に代えて、図９に示すように、第１の抵抗体２４と第２の抵抗体２５とを共通接続部２８を設けて接続するようにし、２つの閉ループ回路を設けることにより無誘導回をを形成するようにしてもよい。この図９の構成によれば、折り返し部２６を設けなくてすむために、加熱用ヒータ１５の製作がより容易になる。
【００３８】
なお、図７乃至図９に示した加熱用ヒータ１５は、平面形状が円形のものであるが、本発明においてはヒータ取付部の形状に対応して、正方形や長方形など種々の形状を採用することができる。
【００３９】
また、既述した各実施形態では、被冷却体１０が、例えばリニアモータカーの超電導磁石装置のように、磁界変動を発生させるものである場合を想定しているが、本発明の技術は特にこのようなものに限定されるわけではなく、磁界変動を発生させない被冷却体に対して本発明の技術を適用しても一向に差し支えない。
【００４０】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、底部補助液溜部に加熱用ヒータを取り付けた構成としたので、簡単な構成でありがら、メインテナンス時に全ての冷却回路から冷媒を抜き取った後、閉ループ中に残存する酸素又は水分を効率的に除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の構成図。
【図２】本発明の第２の実施形態の構成図。
【図３】本発明の第３の実施形態の構成図。
【図４】本発明の第４の実施形態の構成図。
【図５】本発明の第５の実施形態の構成図。
【図６】本発明の第６の実施形態の構成図。
【図７】上記の各実施形態において用いられる加熱用ヒータ１５の構成を示す説明図。
【図８】上記の各実施形態において用いられる加熱用ヒータ１５の構成を示す説明図。
【図９】上記の各実施形態において用いられる加熱用ヒータ１５の構成を示す説明図。
【図１０】従来の極低温装置の構成図。
【符号の説明】
１  真空断熱容器
２  冷媒液溜部
３  液化冷媒供給管
４  気化冷媒排気管
５  冷媒液
５ａ  液面
６  接続配管
７，７Ａ，７Ｂ  上部補助液溜部
８ａ，８ｂ  冷却配管
９  底部補助液溜部
１０，１０Ａ，１０Ｂ  被冷却体
１１  蒸発気泡
１２  常温ガス流通配管
１３  ベローズ継手
１４  バルブ
１５  加熱用ヒータ
１６  連絡配管
１７  温度計
１８  加熱用ヒータ
１９  接続部材
２０  良熱伝導板
２１  輻射シールド板
２２，２３  ヒータ端子
２４  第１の抵抗体
２５  第２の抵抗体
２６  折り返し部
２７  絶縁部材
２８  共通接続部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003586139.tif 000008
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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