(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被冷却物を収容するための断熱容器と、前記断熱容器を内部に内包する真空容器とを具備してなるクライオスタットと、
極低温冷凍機を用いて冷媒ガスにより前記被冷却物を冷却する主冷却系統と、
極低温液体を用いて前記被冷却物を冷却する副冷却系統と、
前記冷媒ガスおよび前記極低温液体の供給量を制御する制御部と、
を具備してなる極低温冷却装置であって、
前記副冷却系統は、
前記被冷却物の外側に接触させた状態で設けられた、前記極低温液体が通る冷却管と、
前記被冷却物に供給される前記極低温液体が通る前記冷却管から分岐して前記断熱容器の外側と接触するように設けられ、前記被冷却物と熱交換された前記極低温液体が通る前記冷却管に接続された分岐冷却管と、
前記被冷却物の外側と接触するように設けられた、前記被冷却物の温度を測定する被冷却物温度測定部と、
前記断熱容器の外側と接触するように設けられた、前記断熱容器内の温度を測定する容器温度測定部と、
前記冷却管の前記被冷却物に接触している部分よりも前記極低温液体の排出側に設けられた、前記極低温液体の温度を測定する流出液体測定部と、
前記被冷却物に接触している部分に供給される前記極低温液体の供給量を調整する流量調整弁と、
前記冷却管に設けられた、前記分岐冷却管に供給される前記極低温液体の流量を調整する分流調整弁と、
を具備してなり、
前記制御部は、前記被冷却物温度測定部および前記流出液体測定部の測定結果に基づいて前記流量調整弁の開度を調整し、前記冷却管への前記極低温液体の供給量が制御され、
前記制御部は、前記容器温度測定部および前記被冷却物温度測定部の測定結果に基づいて、前記流量調整弁または前記分流調整弁の開度を調整し、前記冷却管または前記分岐冷却管への前記極低温液体の供給量が制御されることを特徴とする、極低温冷却装置。
【請求項２】
被冷却物の周囲を囲む断熱容器と、前記断熱容器を内部に内包する真空容器とを具備してなるクライオスタットと、
極低温冷凍機を用いて冷媒ガスにより前記被冷却物を冷却する主冷却系統と、
極低温液体を用いて前記被冷却物を冷却する副冷却系統と、
前記冷媒ガスおよび前記極低温液体の供給量を制御する制御部と、
を具備してなる極低温冷却装置であって、
前記副冷却系統は、
前記被冷却物の外側に接触させた状態で設けられた、前記極低温液体が通る冷却管と、
前記被冷却物に供給される前記極低温液体が通る前記冷却管から分岐して前記断熱容器の外側と接触するように設けられ、前記被冷却物と熱交換された前記極低温液体が通る前記冷却管に接続された分岐冷却管と、
前記被冷却物の外側と接触するように設けられた、前記被冷却物の温度を測定する被冷却物温度測定部と、
前記断熱容器の外側と接触するように設けられた、前記断熱容器内の温度を測定する容器温度測定部と、
前記被冷却物に接触している部分に供給される前記極低温液体の供給量を調整する流量調整弁と、
前記冷却管に設けられた、前記分岐冷却管に供給される前記極低温液体の流量を調整する分流調整弁と、
前記容器温度測定部および前記被冷却物温度測定部の測定結果に基づいて、前記流量調整弁または前記分流調整弁を制御する制御部と、
を具備してなり、
前記制御部は、前記被冷却物温度測定部または前記容器温度測定部の測定結果に基づいて流量調整弁または分流調整弁の開度を調整し、前記冷却管または前記分岐冷却管への前記極低温液体の供給量が制御されることを特徴とする、極低温冷却装置。
【請求項３】
前記主冷却系統および前記副冷却系統が、前記被冷却物の数に応じて複数具備されてなる、請求項１または２に記載の極低温冷却装置。
【請求項４】
前記主冷却系統は、前記被冷却物を冷却した後の冷媒ガスを圧縮する圧縮機を具備してなり、
前記圧縮機で圧縮された前記冷媒ガスが前記極低温冷凍機に供給されてなる、請求項１〜３の何れか一項に記載の極低温冷却装置。
【請求項５】
前記被冷却物が、超電導コイルまたは超電導素子である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の極低温冷却装置。
【請求項６】
前記極低温液体が、液体窒素または液体ヘリウムである、請求項１〜５のいずれか一項に記載の極低温冷却装置。
【請求項７】
被冷却物の周囲を囲む断熱容器と、前記断熱容器を内部に内包する真空容器とを具備してなるクライオスタットと、極低温冷凍機を用いて冷媒ガスにより前記被冷却物を冷却する主冷却系統と、前記被冷却物の外側に接触させた状態で設けられた冷却管内を通る極低温液体を用いて前記被冷却物を冷却する副冷却系統とを具備してなる極低温冷却装置を用いて、
前記冷却管に前記極低温液体を供給し、前記被冷却物を前記極低温液体で冷却する工程と、
前記被冷却物の温度を測定すると共に、前記クライオスタットから排出される前記極低温液体の温度を測定する工程と、
前記冷却管に前記極低温液体を供給しつつ、前記被冷却物に供給される前記極低温液体が通る前記冷却管から分岐して前記断熱容器の外側と接触するように設けられ、前記被冷却物と熱交換された前記極低温液体が通る前記冷却管に接続された分岐冷却管に前記極低温液体を供給し、前記被冷却物または前記断熱容器を前記極低温液体で冷却する工程と、
前記断熱容器または前記被冷却物の温度を測定する工程と、
を含み、
前記被冷却物の温度と、前記クライオスタットから排出される前記極低温液体の温度との測定結果に基づいて、前記冷却管への前記極低温液体の供給量を制御し、
前記被冷却物または前記断熱容器の温度結果に基づいて、前記冷却管または前記分岐冷却管への前記極低温液体の供給量を制御することを特徴とする、極低温冷却方法。
【請求項８】
被冷却物の周囲を囲む断熱容器と、前記断熱容器を内部に内包する真空容器とを具備してなるクライオスタットと、極低温冷凍機を用いて冷媒ガスにより前記被冷却物を冷却する主冷却系統と、前記被冷却物の外側に接触させた状態で設けられた冷却管内を通る極低温液体を用いて前記被冷却物を冷却する副冷却系統とを具備してなる極低温冷却装置を用いて、
前記冷却管、または前記被冷却物に供給される前記極低温液体が通る前記冷却管から分岐して前記断熱容器の外側と接触するように設けられ、前記被冷却物と熱交換された前記極低温液体が通る前記冷却管に接続された分岐冷却管に前記極低温液体を供給し、前記被冷却物または前記断熱容器を前記極低温液体で冷却する工程と、
前記被冷却物または前記断熱容器の温度を測定する工程と、
を含み、
前記被冷却物または前記断熱容器の温度結果に基づいて、前記冷却管または前記分岐冷却管への前記極低温液体の供給量を制御することを特徴とする、極低温冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、極低温冷却装置および極低温冷却方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導線材は、抵抗ゼロの特性を有し、高い電流密度の電流を流せることから、発電機や電力ケーブルなどの電力機器、電力貯蔵装置、高磁場発生装置（超伝導マグネット）、ＭＲＩ装置（磁気共鳴撮影装置）、重粒子線がん治療装置などのヘルスケア機器、単結晶引上げ装置、高磁場ＮＭＲ（核磁気共鳴）などで実用化されている。また、超電導線材は、磁気浮上列車、磁気分離装置など様々な分野への応用も期待されている。
【０００３】
これらの装置では、例えば、超電導線材は巻かれて超電導コイルとして使用されるが、この超電導コイルは、抵抗ゼロの特性や高い電流密度を実現するために、周囲磁場と通電電流密度に依存する臨界温度以下の極低温に冷却する必要がある。例えば、超電導コイルなどは、例えば、４Ｋ（−２６９℃）程度に冷却して使用される。超電導コイルなどの産業用超電導機器の冷却方法としては、液体ヘリウム中に産業用超電導機器を浸す浸漬冷却方式と、極低温冷凍機と産業用超電導機器とを伝熱材を介して接続して冷却する伝導冷却方式とがある。
【０００４】
浸漬冷却方式を用いて超電導コイルを冷却する場合、超電導コイルの熱負荷の増加、極低温冷凍機の故障などがあると超電導コイルの温度が上昇しても、液体ヘリウムの蒸発潜熱で超電導コイルの熱負荷の増加分を吸収できる点で優れているといえる。
【０００５】
そこで、例えば、断熱容器内の液体ヘリウムの液面または圧力面を検出して、液体ヘリウムの供給量を調整することで、超電導コイルを安定して冷却する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平６−２２１４９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ここで、ヘリウムの枯渇などにより液体ヘリウムの価格が上昇していることなどから、極低温冷却装置の運転費用を抑えるため、液体ヘリウムの使用量の削減が求められている。そのため、液体ヘリウムの使用量を低減しつつ、効率良く液体ヘリウムを超電導コイルなどの冷却に使用できる極低温冷却装置が求められている。
【０００８】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、極低温液体の使用量を低減しつつ、効率良く被冷却物を冷却することができる極低温冷却装置および極低温冷却方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
一の実施形態による極低温冷却装置は、被冷却物を収容するための断熱容器と、前記断熱容器を内部に内包する真空容器とを具備してなるクライオスタットと、極低温冷凍機を用いて冷媒ガスにより前記被冷却物を冷却する主冷却系統と、極低温液体を用いて前記被冷却物を冷却する副冷却系統と、前記冷媒ガスおよび前記極低温液体の供給量を制御する制御部と、を具備してなる極低温冷却装置であって、前記副冷却系統は、前記被冷却物の外側に接触させた状態で設けられた、前記極低温液体が通る冷却管と、前記被冷却物の外側と接触するように設けられた、前記被冷却物の温度を測定する被冷却物温度測定部と、前記冷却管の前記被冷却物に接触している部分よりも前記極低温液体の排出側に設けられた、前記極低温液体の温度を測定する流出液体測定部と、前記被冷却物に接触している部分に供給される前記極低温液体の供給量を調整する流量調整弁と、を具備してなり、前記制御部は、前記被冷却物温度測定部および前記流出液体測定部の測定結果に基づいて前記流量調整弁の開度を調整し、前記冷却管への前記極低温液体の供給量が制御される。
【００１０】
他の一の実施形態による極低温冷却装置は、被冷却物の周囲を囲む断熱容器と、前記断熱容器を内部に内包する真空容器とを具備してなるクライオスタットと、極低温冷凍機を用いて冷媒ガスにより前記被冷却物を冷却する主冷却系統と、極低温液体を用いて前記被冷却物を冷却する副冷却系統と、前記冷媒ガスおよび前記極低温液体の供給量を制御する制御部と、を具備してなる極低温冷却装置であって、前記副冷却系統は、前記被冷却物の外側に接触させた状態で設けられた、前記極低温液体が通る冷却管と、前記被冷却物に供給される前記極低温液体が通る前記冷却管から分岐して前記断熱容器の外側と接触するように設けられ、前記被冷却物と熱交換された前記極低温液体が通る前記冷却管に接続された分岐冷却管と、前記被冷却物の外側と接触するように設けられた、前記被冷却物の温度を測定する被冷却物温度測定部と、前記断熱容器の外側と接触するように設けられた、前記断熱容器内の温度を測定する容器温度測定部と、前記被冷却物に接触している部分に供給される前記極低温液体の供給量を調整する流量調整弁と、前記冷却管に設けられた、前記分岐冷却管に供給される前記極低温液体の流量を調整する分流調整弁と、前記容器温度測定部および前記被冷却物温度測定部の測定結果に基づいて、前記流量調整弁または前記分流調整弁を制御する制御部と、を具備してなり、前記制御部は、前記被冷却物温度測定部または前記容器温度測定部の測定結果に基づいて流量調整弁または分流調整弁の開度を調整し、前記冷却管または前記分岐冷却管への前記極低温液体の供給量が制御される。
【００１１】
他の一の実施形態による極低温冷却方法は、被冷却物の周囲を囲む断熱容器と、前記断熱容器を内部に内包する真空容器とを具備してなるクライオスタットと、極低温冷凍機を用いて冷媒ガスにより前記被冷却物を冷却する主冷却系統と、前記被冷却物の外側に接触させた状態で設けられた冷却管内を通る極低温液体を用いて前記被冷却物を冷却する副冷却系統とを具備してなる極低温冷却装置を用いて、前記冷却管に前記極低温液体を供給し、前記被冷却物を前記極低温液体で冷却する工程と、前記被冷却物の温度を測定すると共に、前記クライオスタットから排出される前記極低温液体の温度を測定する工程と、を含み、前記被冷却物の温度と、前記クライオスタットから排出される前記極低温液体の温度との測定結果に基づいて、前記冷却管への前記極低温液体の供給量を制御する。
【００１２】
他の一の実施形態による極低温冷却方法は、被冷却物の周囲を囲む断熱容器と、前記断熱容器を内部に内包する真空容器とを具備してなるクライオスタットと、極低温冷凍機を用いて冷媒ガスにより前記被冷却物を冷却する主冷却系統と、前記被冷却物の外側に接触させた状態で設けられた冷却管内を通る極低温液体を用いて前記被冷却物を冷却する副冷却系統とを具備してなる極低温冷却装置を用いて、前記冷却管、または前記被冷却物に供給される前記極低温液体が通る前記冷却管から分岐して前記断熱容器の外側と接触するように設けられ、前記被冷却物と熱交換された前記極低温液体が通る前記冷却管に接続された分岐冷却管に前記極低温液体を供給し、前記被冷却物または前記断熱容器を前記極低温液体で冷却する工程と、前記被冷却物または前記断熱容器の温度を測定する工程と、を含み、前記被冷却物または前記断熱容器の温度結果に基づいて、前記冷却管または前記分岐冷却管への前記極低温液体の供給量を制御する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、極低温液体の供給量を制御することにより、熱交換されずに放出される極低温液体の使用量を低減することができるため、極低温液体の使用量を低減しつつ、効率良く被冷却物を冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施形態による極低温冷却装置の構成を示す概略断面図である。
【図２】流量調整弁、ガス放出弁、ガス供給弁の開閉状態の一例を示す図である。
【図３】流量調整弁、ガス放出弁、ガス供給弁の開閉状態の他の一例を示す図である。
【図４】第２の実施形態による極低温冷却装置の構成を示す概略断面図である。
【図５】流量調整弁、分流調整弁の開閉状態の一例を示す図である。
【図６】流量調整弁、分流調整弁の開閉状態の他の一例を示す図である。
【図７】第３の実施形態による極低温冷却装置の構成を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、実施形態について図面を参照して説明する。なお、理解の容易のため、図面における各部材の縮尺は実際とは異なる場合がある。また、以下の説明において、極低温冷却装置の高さ方向の一方を上または上方といい、極低温冷却装置の高さ方向の他方を下または下方という場合がある。
【００１６】
（第１の実施形態）
第１の実施形態による極低温冷却装置について説明する。図１は、第１の実施形態による極低温冷却装置の構成を示す概略断面図である。図１に示すように、極低温冷却装置１０Ａは、クライオスタット１１と、極低温冷凍機１２と、冷却管１３と、被冷却物温度測定部１４と、流出液体測定部１５と、制御部１６と、流量調整弁Ｖ１１、Ｖ１２とを有し、超電導線材を用いて得られた被冷却物としての超電導コイル１７をクライオスタット１１内に内包している。極低温冷却装置１０Ａは、超電導コイル１７を冷却する手段として、極低温冷凍機１２を用いて冷媒ガス１８により超電導コイル１７を冷却する主冷却系統Ａと、極低温液体として液体ヘリウム１９を用いて超電導コイル１７を冷却する副冷却系統Ｂとを有し、主冷却系統Ａにおいて、超電導コイル１７を、極低温に冷却された冷媒ガス１８と熱交換させて、例えば、４Ｋ程度の極低温に冷却している。
【００１７】
なお、本実施形態では、被冷却物として、超電導コイル１７を用いているが、超電導素子などでもよい。また、極低温液体として、液体ヘリウム１９を用いているが、液体窒素などを用いることもでき、例えば、一般に、被冷却物を常温から８０Ｋ程度まで冷却する場合は液体窒素を用い、８０Ｋから４Ｋ程度まで冷却する場合は液体ヘリウムを用いる。
【００１８】
クライオスタット１１は、熱シールド板で形成された断熱容器２１と、真空容器２２とを備えている。
【００１９】
断熱容器２１は、超電導コイル１７の周囲を囲むように形成されている。断熱容器２１は、第１冷却ステージ３１により冷却されて、断熱容器２１内への伝熱が低減される。極低温冷凍機１２の第２冷却ステージ３２は、例えば、４Ｋ程度に冷却されているため、断熱容器２１内にある超電導コイル１７は、例えば４Ｋに保持されている。
【００２０】
真空容器２２は、断熱容器２１と、極低温冷凍機１２の第１冷却ステージ３１とを内部に内包しており、真空容器２２の内部を真空にして真空断熱している。真空容器２２の内側は、常温（例えば、３００Ｋ程度）に保持されている。真空容器２２に極低温冷凍機１２が支持して設けられている。なお、本実施形態において、真空とは、真空容器２２内が真空に近い圧力まで減圧された状態をいい、真空容器２２内の真空度（内部圧力）が１０−３Ｐａ以下に減圧された状態をいう。
【００２１】
主冷却系統Ａは、極低温冷凍機１２を備えた冷却系統であり、副冷却系統Ｂは、冷却管１３、被冷却物温度測定部１４、流出液体測定部１５、および流量調整弁Ｖ１１、Ｖ１２を備えた冷却系統である。以下、主冷却系統Ａ、副冷却系統Ｂを説明しつつ、極低温冷却装置１０Ａを構成する各部材について説明する。
【００２２】
（主冷却系統Ａ）
主冷却系統Ａは、極低温冷凍機１２を備え、極低温冷凍機１２において冷媒ガス１８により超電導コイル１７は冷却される。
【００２３】
極低温冷凍機１２は、超電導コイル１７を冷却するものであり、第１冷却ステージ３１および第２冷却ステージ３２を有する。極低温冷凍機１２は、真空容器２２に支持して設けられ、第１冷却ステージ３１は、断熱容器２１に接触して設けられ、第２冷却ステージ３２は、超電導コイル１７に接触して設けられている。なお、超電導コイル１７の外周に冷却管１３が設けられるが、第２冷却ステージ３２は、冷却管１３の設置されていない場所に超電導コイル１７に接触させて設けられている。また、第２冷却ステージ３２は、冷却管１３上に設置して、冷却管１３を介して超電導コイル１７を冷却するようにしてもよい。本実施形態では、主冷却系統Ａには、超電導コイル１７を冷却した後の冷媒ガス１８を圧縮する圧縮機（コンプレッサ）３４が設けられている。冷媒ガス１８は、極低温冷凍機１２、および圧縮機３４を供給配管３５を介して循環している。超電導コイル１７を冷却した後の冷媒ガス１８は、供給配管３５を介して、圧縮機３４に送られて圧縮される。冷媒ガス１８としては、ヘリウムガスなどが用いられる。圧縮機３４で、冷媒ガス１８は、例えば、圧力が２．０ＭＰａ程度に圧縮されることが好ましい。冷媒ガス１８がヘリウムガスである場合、ヘリウムガスは、温度が２０Ｋ程度の時、圧力が上記範囲内にあれば、熱容量が大きくなるため、超電導コイル１７を極低温に安定して冷却することができる。
【００２４】
圧縮機３４で圧縮された冷媒ガス１８が、供給配管３５を介して、極低温冷凍機１２内に供給される。冷媒ガス１８は、極低温冷凍機１２内を流れることで、断熱容器２１は、第１冷却ステージ３１により冷却され、断熱容器２１内への熱の侵入量が低減される。また、第２冷却ステージ３２は、例えば、４Ｋ程度に冷却されており、第２冷却ステージ３２により超電導コイル１７は、例えば、４Ｋ程度に保持される。冷媒ガス１８は、極低温冷凍機１２で膨張して、例えば、０．８ＭＰａ程度になり、圧縮機３４に戻される。
【００２５】
（副冷却系統Ｂ）
副冷却系統Ｂは、冷却管１３、被冷却物温度測定部１４、流出液体測定部１５、および流量調整弁Ｖ１１、Ｖ１２を備え、液体ヘリウム１９により超電導コイル１７は冷却される。
【００２６】
冷却管１３は、その内部を液体ヘリウム１９が通過可能な配管であり、冷却管１３の供給口１３ａおよび排出口１３ｂは、クライオスタット１１の外側に配置されている。冷却管１３は、超電導コイル１７の外側に接触させた状態で設けられている。冷却管１３は、超電導コイル１７の外側に接触させて超電導コイル１７を冷却することができれば、冷却管１３の設置方法は特に限定されず、例えば、超電導コイル１７の外側に接触させた状態で複数回巻いて設けることができる。第２冷却ステージ３２は、例えば、４Ｋ程度に冷却されているため、超電導コイル１７は、冷却管１３を介して液体ヘリウム１９と熱交換されて、４Ｋ程度に冷却されている。冷却管１３は、配管壁の熱抵抗を十分小さくするために熱伝導率の良好な材料として、例えば、銅、アルミニウム、または銅もしくはアルミニウムの合金で構成されることが好ましい。
【００２７】
また、冷却管１３には流量調整弁Ｖ１１、Ｖ１２が設けられ、クライオスタット１１に供給される液体ヘリウム１９の供給量を調整している。なお、本実施形態では、冷却管１３には流量調整弁Ｖ１１、Ｖ１２の両方が設けられているが、液体ヘリウム１９の流入側に位置する流量調整弁Ｖ１１のみを冷却管１３に設けるようにしてもよい。
【００２８】
冷却管１３は、極低温液体注入部４１より液体ヘリウム１９が注入される。極低温液体注入部４１は、内部に液体ヘリウム１９を収容したデュワー４２と、デュワー４２から冷却管１３に液体ヘリウム１９を供給するトランスファーチューブ４３とを備えている。デュワー４２内の上部空間は、安全弁４４と、ガス排気弁４５と、ガス導入弁４６とを備え、ガス導入弁４６は、ヘリウムガスを収容しているヘリウムガスボンベ４７に通じている。デュワー４２には手動操作弁４８が設けられ、手動操作弁４８は、液体ヘリウム１９内に貯留した液体ヘリウム１９を冷却管１３に供給する案内管４９に設けられている。案内管４９は、その他端がデュワー４２内に収容されている液体ヘリウム１９中に位置するように配置されている。案内管４９の出口には挿入締結式の連結部５０Ａを介してトランスファーチューブ４３の一端側が接続されている。このトランスファーチューブ４３は、金属製の内管と、金属製の外管とを備え、内管と外管との間に真空断熱層を備えた二重管構造に形成されており、その他端側が連結部５０Ｂを介して冷却管１３と接続されている。すなわち、トランスファーチューブ４３は、その入口側が案内管４９の出口に接続され、その出口側が冷却管１３の入口に接続されている。また、トランスファーチューブ４３には流入液体センサー４３ａが設けられ、トランスファーチューブ４３内を通る液体ヘリウム１９の温度、流量、または圧力などが測定される。デュワー４２内に貯蔵されている液体ヘリウム１９は、ヘリウムガスボンベ４７のヘリウムガスで加圧すると、デュワー４２からトランスファーチューブ４３を介して、冷却管１３に供給される。なお、本実施形態では、流入液体センサー４３ａはトランスファーチューブ４３に設けられているが、流入液体センサー４３ａの設置場所はこれに限定されず、例えば、冷却管１３の入口側近傍に設けて、トランスファーチューブ４３から冷却管１３に供給される液体ヘリウム１９の温度、流量、または圧力などを測定するようにしてもよい。
【００２９】
被冷却物温度測定部１４は、超電導コイル１７に設けられており、超電導コイル１７の温度を測定する。超電導コイル１７の温度は、例えば、４Ｋ程度となることが好ましい。
【００３０】
流出液体測定部１５は、冷却管１３の超電導コイル１７に接触している部分よりも液体ヘリウム１９の排出側、すなわち、真空容器２２の出口側に設けられており、クライオスタット１１から排出される液体ヘリウム１９の温度を測定している。
【００３１】
制御部１６は、被冷却物温度測定部１４、流出液体測定部１５、圧縮機３４、流量調整弁Ｖ１１、Ｖ１２、流入液体センサー４３ａ、安全弁４４、ガス排気弁４５、およびガス導入弁４６など極低温冷却装置１０Ａを構成する各部材に接続されている。制御部１６は、例えば、制御プログラムや各種記憶情報を格納する記憶手段と、制御プログラムに基づいて動作する演算手段とを含んで構成することができる。制御部１６は、超電導コイル１７の温度と、クライオスタット１１から排出される液体ヘリウム１９の温度との差の関係を示すマップなどを、予め記憶手段に記憶しておき、そのマップ情報を利用して制御してもよい。制御部１６は、被冷却物温度測定部１４で得られた超電導コイル１７の温度および流出液体測定部１５で得られた液体ヘリウム１９の温度の測定結果に基づいて、超電導コイル１７の冷却状態、液体ヘリウム１９の状態などを判断して、流量調整弁Ｖ１１、Ｖ１２の開度の調整、または冷却管１３への液体ヘリウム１９の供給量の制御などを行う。本実施形態では、超電導コイル１７の温度と、冷却管１３から排出される液体ヘリウム１９が、液体、気体、またはこれらの混合状態であるか否かとにより流量調整弁Ｖ１１、Ｖ１２の開度は調整される。例えば、超電導コイル１７の温度が４Ｋ程度であり、冷却管１３から排出される液体ヘリウム１９の温度も４Ｋ程度であり、液体ヘリウム１９が液体状態のまま冷却管１３から排出されている場合、超電導コイル１７と冷却管１３から排出される液体ヘリウム１９の温度差が小さい（例えば、１Ｋ以下）と判断する。この場合、超電導コイル１７が４Ｋ程度に冷却されているのに対し、冷却管１３に供給される液体ヘリウム１９の流量は大きいといえる。そのため、液体ヘリウム１９は超電導コイル１７との熱交換にあまり利用されずに冷却管１３から排出されていると判断し、制御部１６は、流量調整弁Ｖ１１の開度を小さくして、冷却管１３に供給される液体ヘリウム１９の流量を小さくするように制御する。
【００３２】
次に、極低温冷却装置１０Ａを用いて、超電導コイル１７を極低温、例えば４Ｋ程度に冷却するための極低温冷却方法の一例について説明する。なお、図２、３では、流量調整弁Ｖ１１、Ｖ１２の弁を白抜きで表示しているものは弁を開いていることを意味し、弁を黒抜きで表示しているものは弁を閉じていることを意味する。
【００３３】
極低温冷却装置１０Ａにおいて、超電導コイル１７が極低温に冷却されている場合などの極低温冷却装置１０Ａが通常の運転状態の時などには、制御部１６は、図２に示すように、圧縮機３４の運転を開始する指示と、流量調整弁Ｖ１１、Ｖ１２を閉じる指示を送る。このとき、極低温冷却装置１０Ａにおいて、冷媒ガス１８は、圧縮機３４で加圧された後、極低温冷凍機１２に供給され、使用された冷媒ガス１８は、極低温冷凍機１２から排出され、供給配管３５を循環する。極低温冷凍機１２に供給された冷媒ガス１８により、極低温冷凍機１２の第１冷却ステージ３１は、２０Ｋ〜５０Ｋ（例えば、３０Ｋ）程度に冷却されており、第２冷却ステージ３２は、４Ｋ程度の極低温に冷却されている。そのため、断熱容器２１は第１冷却ステージ３１により冷却され、断熱容器２１内への熱の侵入量が低減される。第２冷却ステージ３２は、４Ｋ程度に冷却されており、第２冷却ステージ３２により超電導コイル１７を伝導冷却することにより、超電導コイル１７は、４Ｋ〜６Ｋ（例えば、４Ｋ）程度に冷却され、断熱容器２１は、２０Ｋ〜５０Ｋ（例えば、４０Ｋ）程度に保持される。
【００３４】
次に、極低温冷却装置１０Ａの運転開始時、または超電導コイル１７が常温もしくはクエンチ（超伝導現象を消失した場合）後に超電導コイル１７の温度が上昇しており励磁可能な極低温まで冷却が必要である場合、制御部１６は、図３に示すように、圧縮機３４の運転を行ったまま、流量調整弁Ｖ１１、Ｖ１２を開く指示を送る。また、手動操作弁４８は、開いておく。このとき、極低温冷却装置１０Ａでは、デュワー４２内の液体ヘリウム１９は、トランスファーチューブ４３を通って冷却管１３に供給される。冷却管１３の入口１３ａから供給された液体ヘリウム１９は、冷却管１３と接触している超電導コイル１７と熱交換した後、冷却管１３の出口１３ｂから外部に放出される。
【００３５】
液体ヘリウム１９の供給開始後、制御部１６は、被冷却物温度測定部１４と、流出液体測定部１５とから、超電導コイル１７の温度と、冷却管１３から排出される液体ヘリウム１９の温度を測定する。制御部１６は、被冷却物温度測定部１４および流出液体測定部１５の値から、超電導コイル１７の冷却状態、液体ヘリウム１９の状態を判断する。超電導コイル１７の温度が４Ｋ程度であり、冷却管１３から排出される液体ヘリウム１９の温度も４Ｋ程度である場合、液体ヘリウム１９が液体状態のまま冷却管１３から排出されており、超電導コイル１７と冷却管１３から排出される液体ヘリウム１９の温度差が小さい（例えば、１Ｋ以下）と判断する。この場合、制御部１６は、超電導コイル１７が極低温（例えば、４Ｋ）にまで十分冷却され、液体ヘリウム１９が超電導コイル１７からほとんど吸熱せずに大気に放出され、液体ヘリウム１９が無駄に消費しているといえる。この場合、制御部１６は、流量調整弁Ｖ１１の開度を絞るか閉じる指示を送り、デュワー４２から供給される液体ヘリウム１９の流量を減らす。制御部１６による液体ヘリウム１９の流量制御は、液体ヘリウム１９の供給開始から超電導コイル１７が目的の温度に到達するまで連続して行う。
【００３６】
なお、極低温冷却装置１０Ａを用いた超電導コイル１７を冷却するための運転方法の一例では、液体ヘリウム１９を冷却管１３に供給する際には、圧縮機３４の運転を行っている状態のままとしているが、これに限定されず、圧縮機３４の運転を停止するようにしてもよい。
【００３７】
このように、本実施形態によれば、極低温冷却装置１０Ａは、被冷却物温度測定部１４および流出液体測定部１５で超電導コイル１７の温度と、冷却管１３から排出される液体ヘリウム１９の温度を検出して、流量調整弁Ｖ１１を制御して、冷却管１３に供給される液体ヘリウム１９の供給量を制御することにより、液体ヘリウム１９の消費量を管理することができる。このため、極低温冷却装置１０Ａは、極低温冷却装置１０Ａの運転開始時の予冷時や超電導コイル１７が常温またはクエンチ後の再冷却の場合などにおいて、超電導コイル１７の冷却に使用される液体ヘリウム１９の使用量を軽減することができ、超電導コイル１７と熱交換しないまま外部に放出している液体ヘリウム１９の量を低減しつつ、効率良く超電導コイル１７を冷却することができる。極低温冷却装置１０Ａによれば、従来の冷却装置に比べて、熱交換しないまま外部に放出している液体ヘリウム１９の量を、例えば１０％以下、好ましくは５％以下にまで軽減することができると共に、液体ヘリウム１９の使用量を、例えば８０％程度に軽減することが可能となる。そのため、今後、極低温冷却装置１０Ａ、または超電導コイル１７などの大型化に伴い、装置内に供給される液体ヘリウム１９の使用量が増大することが予想されるような場合でも、超電導コイル１７との熱交換に使用されずに外部に放出される液体ヘリウム１９の量を軽減でき、液体ヘリウム１９の使用量の削減効果を高めることができる。
【００３８】
したがって、本実施形態によれば、発電機や電力ケーブルなどの電力機器、電力貯蔵装置、小型で低消費電力の高磁場発生装置である超電導マグネットなどの高磁場発生装置、医療用ＭＲＩ、単結晶引上げ装置、回転ガントリーなどの超伝導機器、高磁場ＮＭＲ、磁気浮上列車、磁気分離装置などに有効に用いることができる。
【００３９】
なお、本実施形態では、超電導コイル１７と断熱容器２１との組合せが１系統の場合について説明したが、超電導コイル１７および断熱容器２１の組合せが２系統以上の場合でもよく、超電導コイル１７および断熱容器２１の組合せが複数ある場合でも、複数の超電導コイル１７の温度を測定して、それぞれの超電導コイル１７に接続した冷却管１３への液体ヘリウム１９の供給を制御し、複数の系統を同時に制御してもよい。
【００４０】
（第２の実施形態）
第２の実施形態による極低温冷却装置について、図面を参照して説明する。なお、上記実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。また、本実施形態では、極低温液体として、液体窒素を用いる場合について説明する。図４は、第２の実施形態による極低温冷却装置の構成を示す概略断面図である。図４に示すように、極低温冷却装置１０Ｂは、クライオスタット１１と、極低温冷凍機１２と、冷却管１３と、分岐冷却管５１と、被冷却物温度測定部１４と、容器温度測定部５２と、制御部１６と、流量調整弁Ｖ１１、Ｖ１２と、分流調整弁Ｖ２１、Ｖ２２とを有する。
【００４１】
本実施形態では、デュワー４２には液体窒素５３が収容されており、冷却管１３には、極低温液体注入部４１より液体窒素５３が注入される。
【００４２】
分岐冷却管５１は、断熱容器２１の外側で冷却管１３の断熱容器２１よりも液体窒素５３の流れ方向の上流側から分岐して断熱容器２１をバイパスし、断熱容器２１の外側と接触するように設けられ、冷却管１３の断熱容器２１よりも液体窒素５３の流れ方向の下に接続している。分岐冷却管５１は、分流調整弁Ｖ２１、Ｖ２２を介して冷却管１３と接続されている。これにより、冷却管１３に供給された液体窒素５３の一部は、分岐冷却管５１に供給され、また、分岐冷却管５１に供給された液体窒素５３は、分岐冷却管５１を介して、分岐冷却管５１と接触している断熱容器２１と熱交換させた後、冷却管１３の出口側で冷却管１３内の液体窒素５３と合流し、冷却管１３の出口１３ｂから外部に放出される。
【００４３】
分流調整弁Ｖ２１、Ｖ２２は分岐冷却管５１に設けられ、分岐冷却管５１に供給される液体窒素５３の流量を調整する。
【００４４】
被冷却物温度測定部１４は、超電導コイル１７に設けられており、超電導コイル１７の温度を測定するものであり、超電導コイル１７の温度は、例えば、極低温（例えば、４Ｋ）程度となることが好ましい。
【００４５】
容器温度測定部５２は、断熱容器２１に設けられており、断熱容器２１内の温度を測定するものであり、断熱容器２１内の温度は、例えば、２０〜５０Ｋ（例えば、４０Ｋ）内となることが好ましい。
【００４６】
制御部１６は、被冷却物温度測定部１４、圧縮機３４、流量調整弁Ｖ１１、Ｖ１２、流入液体センサー４３ａ、安全弁４４、ガス排気弁４５、およびガス導入弁４６などの各部材の他に、容器温度測定部５２、分流調整弁Ｖ２１、Ｖ２２など極低温冷却装置１０Ｂを構成する各部材に接続されている。制御部１６は、容器温度測定部５２で測定される断熱容器２１の基準となる所定の温度、被冷却物温度測定部１４と容器温度測定部５２との温度差の関係を示すマップなどを、予め記憶手段に記憶しておいてもよい。制御部１６は、被冷却物温度測定部１４および容器温度測定部５２の測定結果に基づいて、超電導コイル１７の冷却状態、液体ヘリウム１９の状態、断熱容器２１内の温度などを判断して、流量調整弁Ｖ１１、Ｖ１２、または分流調整弁Ｖ２１、Ｖ２２の開度を調整し、液体窒素５３の状態、または断熱容器２１内の温度などに応じて液体窒素５３の冷却管１３または分岐冷却管５１への供給量を制御している。本実施形態では、断熱容器２１の温度が、７０〜１００Ｋ（例えば、８０Ｋ）程度に冷却されているか否かにより分流調整弁Ｖ２１、Ｖ２２の開度は調整される。
【００４７】
次に、極低温冷却装置１０Ｂを用いて、超電導コイル１７を極低温に冷却しつつ、断熱容器２１内の温度を低下させるための極低温冷却方法の一例について説明する。なお、図５、６では、流量調整弁Ｖ１１、Ｖ１２、分流調整弁Ｖ２１、Ｖ２２の弁を白抜きで表示しているものは弁を開いていることを意味し、弁を黒抜きで表示しているものは弁を閉じていることを意味する。
【００４８】
極低温冷却装置１０Ｂにおいて、超電導コイル１７が極低温に冷却されている場合などの極低温冷却装置１０Ｂが通常の運転状態の時などには、制御部１６は、図５に示すように、流量調整弁Ｖ１１、Ｖ１２、および分流調整弁Ｖ２１、Ｖ２２を閉じ、圧縮機３４の運転を開始する指示を送る。このとき、極低温冷却装置１０Ｂでは、上記の極低温冷却装置１０Ａと同様、超電導コイル１７は、４Ｋ程度に冷却され、断熱容器２１に囲まれた内側空間は、２０Ｋ〜５０Ｋ（例えば、４０Ｋ）程度に保持される。
【００４９】
極低温冷却装置１０Ｂの運転開始時、または超電導コイル１７が常温もしくはクエンチ後に超電導コイル１７の温度が上昇しており励磁可能な極低温まで冷却が必要である場合、制御部１６は、制御部１６は、図６に示すように、圧縮機３４の運転を行ったまま、流量調整弁Ｖ１１、Ｖ１２を開く指示を送る。また、手動操作弁４８は開いておく。このとき、極低温冷却装置１０Ｂでは、デュワー４２内の液体窒素５３は、トランスファーチューブ４３を通って冷却管１３に供給される。冷却管１３に供給された液体窒素５３は冷却管１３と接触している超電導コイル１７と熱交換した後、冷却管１３の出口から外部に放出される。
【００５０】
液体窒素５３の供給開始後、制御部１６は、被冷却物温度測定部１４と、容器温度測定部５２とから、超電導コイル１７と断熱容器２１の温度を測定する。制御部１６は、容器温度測定部５２の値から断熱容器２１の温度を測定し、被冷却物温度測定部１４の値から超電導コイル１７の温度を測定する。
【００５１】
制御部１６は、被冷却物温度測定部１４および容器温度測定部５２の測定結果に基づいて、容器温度測定部５２が所定の温度（例えば、１２０〜３００Ｋ）以上であり、被冷却物温度測定部１４と容器温度測定部５２との温度差が所定の温度差（例えば、２０Ｋ）以上となっている場合には、制御部１６は、断熱容器２１の温度が７０〜１００Ｋ（例えば、８０Ｋ）程度に冷却されていないため、断熱容器２１に囲まれた内側空間は、７０〜１００Ｋ（例えば、８０Ｋ）程度に保持されていないと判断する。そのため、制御部１６は、超電導コイル１７と断熱容器２１との間の空間と冷却管１３内を通る超電導コイル１７とが熱交換されて液体窒素５３の温度が上昇することにより、液体窒素５３により超電導コイル１７が極低温にまで冷却されているか否かに関わらず、超電導コイル１７に対する液体窒素５３の冷却効率が低下しているため、液体窒素５３が超電導コイル１７から十分吸熱せずに大気に放出され、液体窒素５３が無駄に消費している可能性があると判断する。この場合、制御部１６は、図４に示すように、さらに分流調整弁Ｖ２１、Ｖ２２を開く信号を送り、冷却管１３に供給された液体窒素５３の少なくとも一部を分岐冷却管５１に供給させる。分岐冷却管５１に供給された液体窒素５３は、分岐冷却管５１を介して、分岐冷却管５１と接触している断熱容器２１と熱交換させ、断熱容器２１を冷却した後、冷却管１３の出口側で冷却管１３内の液体窒素５３と合流して、冷却管１３の出口１３ｂから外部に放出される。冷却管１３および分岐冷却管５１への液体窒素５３の流量制御は、液体窒素５３の供給開始から超電導コイル１７および断熱容器２１が、それぞれ所定の温度に到達するまで連続して行う。
【００５２】
なお、本実施形態では、液体窒素５３を冷却管１３および分岐冷却管５１に供給したが、液体窒素５３は、冷却管１３または分岐冷却管５１にのみ供給するようにしてもよい。
【００５３】
よって、本実施系形態によれば、被冷却物温度測定部１４および容器温度測定部５２で超電導コイル１７および断熱容器２１の温度を測定して冷却管１３の分流調整弁Ｖ２１、Ｖ２２を制御することにより、極低温冷却装置１０Ｂは、極低温冷却装置１０Ｂの運転開始時の予冷時や超電導コイル１７が常温またはクエンチ後の再冷却の場合など、超電導コイル１７と熱交換しないまま外部に放出している液体窒素５３の量を低減しつつ、効率良く超電導コイル１７および断熱容器２１内の空間を冷却することができる。
【００５４】
なお、本実施形態では、超電導コイル１７が１つ設けられている場合について説明したが、複数設けてもよい。また、主冷却系統Ａおよび副冷却系統Ｂが、それぞれ１つ設けられている場合について説明したが、超電導コイル１７が複数設けられる場合、主冷却系統Ａおよび副冷却系統Ｂは超電導コイル１７ごとに備え、主冷却系統Ａおよび副冷却系統Ｂは超電導コイル１７の数に応じて複数備えるようにしてもよい。例えば、超電導コイル１７が真空容器２２内に３つ収容される場合、極低温冷却装置１０Ｂは、主冷却系統Ａとして極低温冷凍機１２を３つ備え、副冷却系統Ｂとして、冷却管１３、被冷却物温度測定部１４、流出液体測定部１５、および流量調整弁Ｖ１１、Ｖ１２を３つ備え、それぞれの超電導コイル１７ごとに、極低温冷凍機１２、冷却管１３、被冷却物温度測定部１４、流出液体測定部１５、および流量調整弁Ｖ１１、Ｖ１２が備えられる。
【００５５】
また、本実施形態では、極低温液体として液体窒素５３を用いた場合について説明したが、上記第１の実施形態と同様、液体ヘリウム１９を用いてもよい。また、液体ヘリウム１９および液体窒素５３の両方を用いてもよい。
【００５６】
（第３の実施形態）
第３の実施形態による極低温冷却装置について、図面を参照して説明する。なお、上記実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。また、本実施形態では、上記の第１の実施形態と同様、極低温液体として、液体窒素を用いる場合について説明する。図７は、第３の実施形態による極低温冷却装置の構成を示す概略断面図である。図７に示すように、極低温冷却装置１０Ｃは、図１に示す第１の実施形態の極低温冷却装置１０Ａと、図４に示す第２の実施形態の極低温冷却装置１０Ｂとの構成を組み合わせたものである。すなわち、本実施形態による極低温冷却装置１０Ｃは、クライオスタット１１と、極低温冷凍機１２と、冷却管１３と、被冷却物温度測定部１４と、流出液体測定部１５と、制御部１６と、分岐冷却管５１と、容器温度測定部５２と、流量調整弁Ｖ１１、Ｖ１２と、分流調整弁Ｖ２１、Ｖ２２とを有する。
【００５７】
制御部１６は、被冷却物温度測定部１４、流出液体測定部１５、圧縮機３４、容器温度測定部５２、流量調整弁Ｖ１１、Ｖ１２、流入液体センサー４３ａ、安全弁４４、ガス排気弁４５、ガス導入弁４６、ヘリウムガスボンベ４７、および手動操作弁４８など極低温冷却装置１０Ｃを構成する各部材に接続されている。
【００５８】
本実施形態は、上記第１実施形態および第２実施形態を組合せた形態であり、極低温冷却装置１０Ｃを用いて、超電導コイル１７を極低温、例えば４Ｋ程度に冷却するための極低温冷却方法は、上記第１実施形態および第２実施形態と同様にして行われるため、本実施形態では説明を省略する。
【００５９】
よって、本実施形態によれば、極低温冷却装置１０Ｃは、被冷却物温度測定部１４および流出液体測定部１５の測定結果に基づいて流量調整弁Ｖ１１を制御して、冷却管１３に供給される液体ヘリウム１９の供給量を制御すると共に、同時に、被冷却物温度測定部１４および容器温度測定部５２の測定結果に基づいて分流調整弁Ｖ２１、Ｖ２２を制御して、冷却管１３に供給される液体ヘリウム１９の供給量を制御することにより、さらに効率良く超電導コイル１７および断熱容器２１内の空間を冷却することができる。これにより、極低温冷却装置１０Ｃは、極低温冷却装置１０Ｃの運転開始時の予冷時や超電導コイル１７が常温またはクエンチ後の再冷却の場合などにおいて、さらに効率良く超電導コイル１７を冷却することができる。
【００６０】
以上の通り、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の組み合わせ、省略、置き換え、変更などを行うことが可能である。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００６１】
１０Ａ〜１０Ｃ  極低温冷却装置
１１  クライオスタット
１２  極低温冷凍機
１３  冷却管
１４  被冷却物温度測定部
１５  流出液体測定部
１６  制御部
１７  超電導コイル（被冷却物）
１８  冷媒ガス
１９  液体ヘリウム（極低温液体）
２１  断熱容器
２２  真空容器
３１  第１冷却ステージ
３２  第２冷却ステージ
３４  圧縮機（コンプレッサ）
３５  供給配管
４１  極低温液体注入部
４２  デュワー
４３  トランスファーチューブ
４３ａ  流入液体センサー
４４  安全弁
４５  ガス排気弁
４６  ガス導入弁
４７  ヘリウムガスボンベ
４８  手動操作弁
４９  案内管
５０Ａ、５０Ｂ  連結部
５１  分岐冷却管
５２  容器温度測定部
５３  液体窒素（極低温液体）
Ａ  主冷却系統
Ｂ  副冷却系統
Ｖ１１、Ｖ１２  流量調整弁
Ｖ１３  ガス供給弁
Ｖ２１、Ｖ２２  分流調整弁
【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】
0006616717.tif 000006
【図６】
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【図７】
0006616717.tif 000008