(57)【要約】【課題】同一設備で超電導電磁石に供給する超臨界圧ヘリウム（ＳＨｅ）の循環流量を広範囲に調整でき、かつ、逆に冷凍機の排気圧縮機を試験する場合にも、排気圧縮機の循環流量を広範囲に試験でき、動作点を振ったデータを入手することができる超電導電磁石冷却装置を提供する。【解決手段】クロードサイクル冷凍機６と低温圧縮機８の間から分岐し、低温圧縮機で圧縮した極低温のヘリウムガスを液体ヘリウム槽４内の液体ヘリウム中に循環させるガス循環ライン１２と、ガス循環ラインを流れる循環ガス流量を調節する循環流量調節弁１４とを備える。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体ヘリウムを内部に保有する液体ヘリウム槽と、該液体ヘリウム槽内の極低温のヘリウムガスを吸引し圧縮する低温圧縮機と、圧縮したヘリウムガスを常温で更に圧縮する常温圧縮機と、ヘリウムガスを熱交換して冷却するクロードサイクル冷凍機と、ヘリウムガスを断熱膨張させるＪＴ膨張弁とを備え、液体ヘリウム槽内のヘリウムガスを圧縮して昇圧し、クロードサイクル冷凍機で冷却し、ＪＴ膨張弁で断熱膨張させて液化し、該液体ヘリウムで超電導電磁石を強制冷却する超電導電磁石冷却装置において、
前記クロードサイクル冷凍機と低温圧縮機の間から分岐し、低温圧縮機で圧縮した極低温のヘリウムガスを液体ヘリウム槽内の液体ヘリウム中に循環させるガス循環ラインと、該ガス循環ラインを流れる循環ガス流量を調節する循環流量調節弁とを備える、ことを特徴とする超電導電磁石冷却装置。
【請求項２】
前記液体ヘリウム槽の液体ヘリウムに浸漬された熱交換器を備え、該熱交換器を介して断熱膨張前のヘリウムガスを液化して超電導電磁石に供給し超電導電磁石を強制冷却する、ことを特徴とする請求項１に記載の超電導電磁石冷却装置。
【請求項３】
前記液体ヘリウム槽の液体ヘリウムに浸漬された熱交換器と、該熱交換器を介して液体ヘリウムを超電導電磁石に循環供給する液体ヘリウムポンプとを備え、液体ヘリウムで超電導電磁石を強制冷却する、ことを特徴とする請求項１に記載の超電導電磁石冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は液体ヘリウムで超電導電磁石を冷却する超電導電磁石冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
大型加速器、核融合試験設備、ＭＨＤ発電、リニアモータ等に用いる超電導電磁石を冷却するために液体ヘリウムが用いられる。液体ヘリウムは実在気体のうちで最も低い沸点を有し、この液体ヘリウムで超電導電磁石を極低温に冷却することにより、電気抵抗が零となる超電導現象を確立することができる。
【０００３】
超電導電磁石の冷却方式は、浸漬冷却方式、強制冷却方式、及び超流動冷却方式に大別される。このうち、大型で高磁場を要求される超電導電磁石には、強制冷却方式が最も有力視されている。強制冷却方式では、冷媒として相変化のない超臨界圧ヘリウム（ＳＨｅ）を用いる。
【０００４】
また強制冷却方式は、図３（Ａ）（Ｂ）に示す低温循環ポンプ方式と常温圧縮機方式に大別される。
図３（Ａ）の低温循環ポンプ方式は、ＳＨｅポンプ５２によりＳＨｅを被冷却体５１（超電導電磁石）に循環させるものである。この方式は、被冷却体への循環流量や圧力の調整が冷凍サイクルによって制限されない利点があるが、ポンプ仕事が冷凍機５３の熱負荷として加算されるため、断熱効率の高いＳＨｅポンプ５２が必要となる欠点がある。
【０００５】
一方、図３（Ｂ）の常温圧縮機方式は、冷凍機５３の高圧低温冷媒を液体ヘリウム貯槽５４内の熱交換器５５で冷却したのち、被冷却体５１に直接供給して冷却するものである。この方式は、必要とされる循環流量が、冷凍機５３の冷凍能力に対応した循環流量と一致した場合には最適なシステムとなる。
なお、超電導電磁石の冷却技術は、特許文献１、非特許文献１〜３、等に記載されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−３２５６３０号公報
【０００７】
【非特許文献１】
極低温ヘリウム排気コンプレッサ、石川島播磨技報第２８巻第３号、昭和６３年５月
【非特許文献２】
加藤崇、上谷内洋一、大型強制冷却マグネット用低温ヘリウム・ポンプ、平成３年度冷凍部会、年間講演集、低温工学協会冷凍部会
【非特許文献３】
三宅明洋、超電導電磁石冷却装置、超電導エネルギー貯蔵シンポジウム‘９７、平成９年１２月１９日
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、常温圧縮機方式の超電導電磁石冷却装置では、必要とされる循環流量が、冷凍機の冷凍能力に対応した循環流量と一致した場合のみに最適なシステムとなる。そのため、超電導電磁石が必要とする循環流量が変化する場合や試験としてこれを変化させる場合に、冷凍機の循環流量の調整範囲が狭いため、超電導電磁石への循環流量も狭い範囲に制約される問題点があった。
また、超電導電磁石冷却装置を用いて逆に冷凍機の排気圧縮機を試験する場合にも、冷凍機の循環流量の調整範囲が狭いため、排気圧縮機の試験範囲も狭くなり、動作点を振ったデータを入手することが難しかった。
更に、低温循環ポンプ方式の超電導電磁石冷却装置の場合でも、冷凍機の排気圧縮機の循環流量の調整範囲は狭く、超電導電磁石の循環流量の広範囲の試験や、排気圧縮機の動作点を振った試験が困難であった。
【０００９】
本発明は、かかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、同一設備で超電導電磁石に供給する超臨界圧ヘリウム（ＳＨｅ）の循環流量を広範囲に調整でき、かつ、逆に冷凍機の排気圧縮機を試験する場合にも、排気圧縮機の循環流量を広範囲に試験でき、動作点を振ったデータを入手することができる超電導電磁石冷却装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、液体ヘリウムを内部に保有する液体ヘリウム槽と、該液体ヘリウム槽内の極低温のヘリウムガスを吸引し圧縮する低温圧縮機と、圧縮したヘリウムガスを常温で更に圧縮する常温圧縮機と、ヘリウムガスを熱交換して冷却するクロードサイクル冷凍機と、ヘリウムガスを断熱膨張させるＪＴ膨張弁とを備え、液体ヘリウム槽内のヘリウムガスを圧縮して昇圧し、クロードサイクル冷凍機で冷却し、ＪＴ膨張弁で断熱膨張させて液化し、該液体ヘリウムで超電導電磁石を強制冷却する超電導電磁石冷却装置において、
前記クロードサイクル冷凍機と低温圧縮機の間から分岐し、低温圧縮機で圧縮した極低温のヘリウムガスを液体ヘリウム槽内の液体ヘリウム中に循環させるガス循環ラインと、該ガス循環ラインを流れる循環ガス流量を調節する循環流量調節弁とを備える、ことを特徴とする超電導電磁石冷却装置が提供される。
【００１１】
上記本発明の構成によれば、ガス循環ラインを介して低温圧縮機で圧縮した極低温のヘリウムガスを液体ヘリウム槽内の液体ヘリウム中に循環させることができ、循環流量調節弁によりガス循環ラインを流れる循環ガス流量を調節することができる。
ガス循環ラインを介して循環する循環ガス（ヘリウムガス）は、低温圧縮機による断熱圧縮により温度が上昇しているので、液体ヘリウム中において循環ガス流量よりも多いヘリウムガスが蒸発する。
【００１２】
従って、低温圧縮機の運転状態を変えることなく、低温圧縮機を流れる流量を増加させることができ、同一設備で超電導電磁石に供給する超臨界圧ヘリウム（ＳＨｅ）の循環流量を広範囲に調整できる。また、低温圧縮機を試験する場合にも、低温圧縮機の循環流量を循環流量調節弁により広範囲に変化させられるので、動作点を振ったデータを入手することができる。
【００１３】
また、液体ヘリウム槽の熱負荷を熱交換器への分岐流量で調整が可能である。
更に、熱交換した後のガスと低温圧縮機出口の高温ヘリウムと混合することで、冷凍機へ戻すガス温度を調整することが可能であるので、冷凍機側の熱バランスを崩すことがない。
また、設計流量の異なる排気圧縮機の試験にも適用可能となる。
【００１４】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記液体ヘリウム槽の液体ヘリウムに浸漬された熱交換器を備え、該熱交換器を介して断熱膨張前のヘリウムガスを液化して超電導電磁石に供給し超電導電磁石を強制冷却する。
【００１５】
この構成により、冷凍機の高圧低温冷媒を液体ヘリウム貯槽内の熱交換器で冷却したのち、被冷却体に直接供給して冷却する常温圧縮機方式に、本発明を適用し、同一設備で超電導電磁石に供給する超臨界圧ヘリウム（ＳＨｅ）の循環流量を広範囲に調整でき、かつ、逆に冷凍機の排気圧縮機を試験する場合にも、排気圧縮機の循環流量を広範囲に試験でき、動作点を振ったデータを入手することができる。
【００１６】
また、別の好ましい実施形態によれば、前記液体ヘリウム槽の液体ヘリウムに浸漬された熱交換器と、該熱交換器を介して液体ヘリウムを超電導電磁石に循環供給する液体ヘリウムポンプとを備え、液体ヘリウムで超電導電磁石を強制冷却する。
【００１７】
この構成により、ポンプにより液体ヘリウムを被冷却体（超電導電磁石）に循環させる低温循環ポンプ方式に、本発明を適用し、同一設備で超電導電磁石に供給する超臨界圧ヘリウム（ＳＨｅ）の循環流量を広範囲に調整でき、かつ、逆に冷凍機の排気圧縮機を試験する場合にも、排気圧縮機の循環流量を広範囲に試験でき、動作点を振ったデータを入手することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する構成要素には同一の符号を付して使用する。
【００１９】
図１は、本発明の超電導電磁石冷却装置の第１実施形態を示す構成図である。この図に示すように、本発明の超電導電磁石冷却装置１０は、液体ヘリウムを内部に保有する液体ヘリウム槽４と、液体ヘリウム槽４内の極低温のヘリウムガスを圧縮する低温圧縮機８と、圧縮したヘリウムガスを常温で更に圧縮する常温圧縮機５と、ヘリウムガスを熱交換して冷却するクロードサイクル冷凍機６（コールドボックス）と、ジュール・トムソン効果によりヘリウムガスを断熱膨張させて冷却するＪＴ膨張弁７とを備え、液体ヘリウム槽４内のヘリウムガスを低温圧縮機８と常温圧縮機５で圧縮して昇圧し、クロードサイクル冷凍機６で冷却し、ＪＴ膨張弁７で断熱膨張させて液化し、液体ヘリウムで超電導電磁石１を強制冷却するようになっている。
【００２０】
また、この例では、液化ラインにヘリウム貯槽９がＪＴ膨張弁７をバイパスして設けられて液体ヘリウムを保有している。なおこの図において、６ａは複数の熱交換器、６ｂは最終の熱交換器、６ｃは膨張弁であり、６ｄ，９ａ，９ｂは開閉弁である。
【００２１】
図１における液体ヘリウム槽４の温度及び圧力は、例えば約４．５Ｋ，１．３ａｔｍである。図１において、本発明の超電導電磁石冷却装置１０は、更に、液体ヘリウム槽４の液体ヘリウムに浸漬された熱交換器３と、ＪＴ膨張弁７の上流側から分岐しＪＴ膨張弁７ａと熱交換器３を介して液化した液体ヘリウムを超電導電磁石１に供給する供給ライン１１ａと、超電導電磁石１を出た液体ヘリウムをＪＴ膨張弁７ｂを介して液体ヘリウム槽４に戻す戻りライン１１ｂとを備え、熱交換器３を介して断熱膨張前のヘリウムガスを液化して超電導電磁石１に供給し、超電導電磁石を強制冷却する。
【００２２】
図１における低温圧縮機８は、液体ヘリウム槽４とほぼ同一の温度及び圧力で作動する。また、常温圧縮機５の作動温度及び圧力は、例えば約３００Ｋ，１．０３ａｔｍであり、ほぼ常温常圧で作動する。
【００２３】
本発明の超電導電磁石冷却装置１０は、更に、ガス循環ライン１２、循環流量調節弁１４及び循環流量制御装置１６を備える。
ガス循環ライン１２は、クロードサイクル冷凍機６と低温圧縮機８の間から分岐し、低温圧縮機８で圧縮した極低温のヘリウムガスの一部を液体ヘリウム槽４内の液体ヘリウム中に循環させるガスラインである。また循環流量調節弁１４は、ガス循環ライン１２に設けられ、ガス循環ラインを流れる循環ガス流量を無段階に調節する機能を有する。循環流量制御装置１６は、図示しない外部からの指令により、循環流量調節弁１４の開度を制御する。
【００２４】
上述した本発明の構成によれば、ガス循環ライン１２を介して低温圧縮機８で圧縮した極低温のヘリウムガスを液体ヘリウム槽４内の液体ヘリウム中に循環させることができ、循環流量調節弁１４によりガス循環ラインを流れる循環ガス流量を調節することができる。
ガス循環ライン１２を介して循環する循環ガス（ヘリウムガス）は、低温圧縮機８による断熱圧縮により温度が上昇しているので、液体ヘリウム中において循環ガス流量よりも多いヘリウムガスが蒸発する。
【００２５】
従って、低温圧縮機８の運転状態を変えることなく、低温圧縮機８を流れる流量を増加させることができ、同一設備で超電導電磁石１に供給する超臨界圧ヘリウム（ＳＨｅ）の循環流量を広範囲に調整できる。また、低温圧縮機８を試験する場合にも、低温圧縮機８の循環流量を循環流量調節弁により広範囲に変化させられるので、動作点を振ったデータを入手することができる。
【００２６】
また、液体ヘリウム槽の熱負荷を熱交換器への分岐流量で調整が可能である。
更に、熱交換した後のガスと低温圧縮機出口の高温ヘリウムと混合することで、冷凍機へ戻すガス温度を調整することが可能であるので、冷凍機側の熱バランスを崩すことがない。
また、設計流量の異なる排気圧縮機の試験にも適用可能となる。
【００２７】
図２は、本発明の超電導電磁石冷却装置の第２実施形態を示す構成図である。この例では、液体ヘリウム槽４の液体ヘリウムに浸漬された熱交換器３と、この熱交換器３を介して液体ヘリウムを超電導電磁石に循環供給する液体ヘリウムポンプ１３とを備え、液体ヘリウムで超電導電磁石を強制冷却するようになっている。その他の構成は、図１と同様である。
【００２８】
この構成により、ポンプにより液体ヘリウムを被冷却体（超電導電磁石）に循環させる低温循環ポンプ方式に、本発明を適用し、同一設備で超電導電磁石に供給する超臨界圧ヘリウム（ＳＨｅ）の循環流量を広範囲に調整でき、かつ、逆に冷凍機の排気圧縮機を試験する場合にも、排気圧縮機の循環流量を広範囲に試験でき、動作点を振ったデータを入手することができる。
【００２９】
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更できることは勿論である。
【００３０】
【発明の効果】
上述したように、本発明の超電導電磁石冷却装置は、同一設備で超電導電磁石に供給する超臨界圧ヘリウム（ＳＨｅ）の循環流量を広範囲に調整でき、かつ、逆に冷凍機の排気圧縮機を試験する場合にも、排気圧縮機の循環流量を広範囲に試験できる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超電導電磁石冷却装置の第１実施形態を示す構成図である。
【図２】本発明の超電導電磁石冷却装置の第２実施形態を示す構成図である。
【図３】従来の超電導電磁石冷却装置の構成図である。
【符号の説明】
１  被冷却体（超電導電磁石）
２  低温ポンプ
３  熱交換器
４  熱交換用貯槽（液体ヘリウム槽）
５  常温圧縮機
６  クロードサイクル冷凍機（コールドボックス）
７，７ａ，７ｂ  ＪＴ膨張弁
８  低温圧縮機
９  ヘリウム貯槽
１０  超電導電磁石冷却装置
１１ａ  供給ライン
１１ｂ  戻りライン
１２  ガス循環ライン
１３  液体ヘリウムポンプ
１４  循環流量調節弁
１６  循環流量制御装置
【図１】
2005003314.tif 000003
【図２】
2005003314.tif 000004
【図３】
2005003314.tif 000005