(57)【要約】【課題】冷凍応答性が良好で、冷凍機の冷却ステージと冷媒との間に多大な温度差が生じることのない冷却容器を提供すること。【解決手段】内槽１１から外部に設置した冷媒循環配管２５の途中に、極低温冷凍機２２の冷却ステージ２３との熱交換を行う熱交換器２４を持った圧力調整部２１を配置し、冷媒１３を所定温度に冷却して設定した圧力に維持させる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
室温環境に置かれる外槽、この外槽内に断熱層を介して配され極低温の冷媒を収容する内槽および前記外槽と前記内槽との間に配され両者間を断熱する断熱層を有する容器と、
前記内槽内に冷媒を供給する冷媒注入管と、
冷媒注液の際に前記内槽内に発生する気体を排出する排出管と、
前記内槽容器内の前記内槽に連なる冷媒循環配管および前記冷媒循環配管の途中に配され、前記容器の外部に設けられる冷凍部に接続された熱交換器を有し、前記冷媒を設定した圧力に維持させる圧力調整部と
を備えた冷却容器。
【請求項２】
請求項１記載の冷却容器において、
前記熱交換器の設置位置を、前記容器内における被冷却体の上限高さ以上の高さにした冷却容器。
【請求項３】
請求項１記載の冷却容器において、
前記容器内における、前記内槽から前記冷媒循環配管に到る途中、あるいは前記内槽と前記冷媒循環配管との接続部付近に、撹拌機器を備えた冷却容器。
【請求項４】
請求項１記載の冷却容器において、
前記内槽から前記冷媒循環配管に到る途中に、金属等の異物を除去するためのフィルターを備えた冷却容器。
【請求項５】
請求項１記載の冷却容器において、
前記冷却容器において、前記排出管に接続された真空ポンプを有し、初期注液時には前記真空ポンプを作動させて前記内槽内を減圧することにより所定の温度への冷却を行い、冷却保持時には真空ポンプを使用せずに冷凍機運転を利用するようにした冷却容器。
【請求項６】
請求項１記載の冷却容器において、
前記熱交換器は、前記冷媒の一部を固化するようにした冷却容器。
【請求項７】
請求項１記載の冷却容器において、
前記冷媒の許容上限温度を設定し、通常運転の冷凍機運転により冷媒を前記許容上限温度より低い下限温度まで冷却し、その後、前記許容上限温度に達するまでは冷凍機を停止する運転パターンを有する冷却容器。
【請求項８】
請求項１記載の冷却容器において、
前記冷媒の許容上限温度およびこの許容上限温度より低い下限温度を設定し、前記冷媒を所定温度に収めるようにした冷却容器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超電導応用機器などの被冷却体を冷媒に浸漬して収容する冷却容器に係り、とくに冷媒の圧力を所定値に保持させつつ冷媒温度を極低温状態に冷却する冷却容器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、超電導線材を用いた超電導応用機器は、大電流、高磁場、低損失の機器を小型に構成できるため、産業応用、電力応用などへの展開が期待されている。そして、１０数年前に発見された超電導転移温度の高い酸化物超電導線材の開発が進められ、その応用機器の開発が盛んに行われている。
【０００３】
ところで、超電導応用機器を冷却する場合、高電圧に対する絶縁性を向上させる上で、冷媒として液体を用いることにより被冷却物を浸漬冷却することが好ましい。
【０００４】
冷却容器としては、例えば特許文献１に記載のものが知られている。これは、図９に示すように、真空空間で隔てられた外槽１および内槽２からなる容器に、冷媒３を蓄える。そして、容器と冷媒３との間に断熱部４を配し、断熱部４と冷媒３との間に気液界面５がある。
【０００５】
容器内の圧力を、所定圧力例えば飽和圧力以上に維持するために、給気管６から調整弁８ａを介して適当なガスを容器内に供給し、また排気管７および開閉弁８ｂによって容器内で発生するガスを排出する。
【０００６】
そして、冷媒供給管９から開閉弁８ｂを介して供給した冷媒３の温度を、冷凍機、熱交換器および伝導板を有する冷凍装置１０が極低温、例えば６３．５°Ｋに維持させる。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−５５５２号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１記載の装置は、比較的低熱負荷（１００Ｗレベルａｔ７０Ｋレベル）を対象としており、冷凍機は、１段のＧＭ冷凍機（ギフォード・マクマホン冷凍機）を想定している。これ以上の熱負荷、例えば１ｋＷレベルａｔ７０Ｋレベルを想定した場合、特許文献１の構成では熱交換面積が十分に得られない。そのため、冷却応答性が悪いとか、冷凍機の冷却ステージと冷媒との間に多大な温度差が生じる、という不具合が生じる。
【０００９】
本発明は上述の点を考慮してなされたもので、１ｋＷレベルａｔ７０Ｋレベルの熱負荷の場合でも、応答性の良好な冷却容器を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では、請求項１ないし８記載の発明を提供する。
【００１１】
請求項１記載の発明では、室温環境に置かれる外槽、この外槽内に断熱層を介して配され極低温の冷媒を収容する内槽および前記外槽と前記内槽との間に配され両者間を断熱する断熱層を有する容器と、前記内槽内に冷媒を供給する冷媒注入管と、冷媒注液の際に前記内槽内に発生する気体を排出する排出管と、前記内槽容器内の前記内槽に連なる冷媒循環配管および前記冷媒循環配管の途中に配され、前記容器の外部に設けられる冷凍部に接続された熱交換器を有し、前記冷媒を設定した圧力に維持させる圧力調整部とを備えた冷却容器、
を特徴とする。
【００１２】
この発明では、熱交換器を冷媒容器中ではなく、冷媒容器と接続した冷媒循環配管に配置することにより、自然対流循環によって伝熱が促進される。また、熱交換器の構成および伝熱面積拡大に裕度がある。
【００１３】
請求項２記載の発明では、外部に設置した冷媒循環配管の途中に配置した極低温冷凍機の冷却ステージとの熱交換器の設置位置を、被冷却体の上限高さ以上の高さにすることを特徴とする。
【００１４】
請求項３記載の発明では、外部に設置した冷媒循環配管の途中、あるいは内槽と冷媒循環配管との接続部付近に、冷媒循環を促進する撹拌機器を備えることを特徴とする。
【００１５】
請求項４記載の発明では、外部に設置した冷媒循環配管の途中に金属等の異物を除去するフィルターを備えることを特徴とする。
【００１６】
請求項５記載の発明では、冷媒注液の際に発生する気体を排出する排出管に真空ポンプを接続し、初期注液時には内槽内を減圧することによって所定温度への冷却所要時間を短縮し、冷却保持時には真空ポンプを使用せずに冷凍機運転を利用することを特徴とする。
【００１７】
請求項６記載の発明では、冷却容器において、冷媒循環配管の途中に配置した極低温冷凍機の冷却ステージとの熱交換器において、冷媒の一部を固化し内槽下部に搬送することを特徴とする。
【００１８】
請求項７記載の発明では、冷媒に許容上限温度を設定し、通常運転の冷凍機運転により冷媒を許容温度以下の下限所定値にまで冷却し、その後許容上限温度に達するまでは冷凍機を停止する運転パターンを有することを特徴とする。
【００１９】
請求項８記載の発明では、冷媒に許容上限温度と許容温度以下の下限所定値を設定し、冷凍機をインバータ制御運転することにより冷媒を所定温度に収めることを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る第１の実施例の構成を示す説明図である。この第１の実施例は、本発明の基本的な構成、すなわち被冷却体（図示せず）を収容する容器に、冷媒循環配管２５を付設したものである。
【００２１】
容器は、室温環境に置かれる外槽１１と、冷媒１３を収容して極低温環境に置く内槽１２と、外槽１１と内槽１２との間の断熱層１４とにより構成される。
【００２２】
断熱層１４は、例えば発泡ポリウレタン、発泡ガラス、発泡フェノール、発泡ポリスチレン、ファイバーグラス、パーライト等の多孔質の固体断熱材で構成されるもので、内槽１２の頂部側に設けられ、冷媒１３の気液界面１５を押し下げて熱侵入を防止している。
【００２３】
冷媒１３の気液界面１５は、例えばメタン、酸素、アルゴン、窒素、ネオン、水素、ヘリウムのうち少なくとも１種により、または２種以上を組み合わせることにより構成する。
【００２４】
内槽１２には、冷媒１３を収容する。内槽１２には、内槽１２に冷媒１３を供給する冷媒注入管１６と、内槽１２から冷媒１３の注液の際に発生する気体を排出する排出管１７とが設けられている。冷媒注入管１６および排出管１７には、それぞれ開閉弁１８が設けられている。そして、内槽１２の内部圧力を調整するために、調整弁２０を有する圧力調整回路１９が設けられている。
【００２５】
また、内槽１２は、外部に設置された圧力調整部２１により極低温冷凍機２２を用いた熱交換を行う。圧力調整部２１は、内槽１２と連通している冷媒循環配管２５の途中に配された熱交換器２４が極低温冷凍機２２の冷却ステージ２３と結合された構成となっており、内槽１２内の冷媒１３を設定した圧力に維持させる。
【００２６】
これにより、内槽１２内への冷媒１３の初期注液後、冷凍機２２の運転により冷媒１３の温度を大気圧飽和温度以下に冷却することができる。そして、冷媒１３の圧力が所定値に保持され、いわゆるサブクール冷媒が生成される。
【００２７】
熱交換器２４を、内槽１２内ではなく、冷媒循環配管２５に配置したことにより、自然対流循環効果によって伝熱が促進されるようになる。この結果、熱交換器２４の構成およびその伝熱面積の拡大に裕度が生じる。そして、熱交換器２４を、冷媒１３中の被冷却体（図示せず）の上限高さ以上の位置に配置すると、安定した冷媒循環が確保される。
【００２８】
図２は、本発明に係る第２の実施例の構成を示す説明図である。この第２の実施例では、室温環境に置かれる外槽１１と、冷媒１３を収容し極低温環境に置くための内槽１２との間を、真空断熱層として構成された断熱層１４ａとしている。
【００２９】
ここで、図１に示した第１の実施例では、気液界面１５が広く熱侵入量が大きい構成となっているのに対し、第２の実施例では、気液界面１５は、冷媒注入管１６、排出管１７および圧力調整回路１９内に限られるので、熱侵入量が低減される。
【００３０】
図３は、本発明に係る第３の実施例の構成を示す説明図である。この第３の実施例では、外部に設置した冷媒循環配管２５の途中、あるいは内槽１２と冷媒循環配管２５との接続部付近に、冷媒の循環を促進する撹拌機器２６を有し、伝熱促進を図っている。
【００３１】
図４は、本発明に係る第４の実施例の構成を示す説明図である。この第４の実施例では、外部に設置した冷媒循環配管２５の途中に、金属等の異物を除去するフィルター２７を設けている。これにより、絶縁低下の要因となる金属片等の冷媒中不純物を除去するようにしている。
【００３２】
図５は、本発明に係る第５の実施例の構成を示す説明図である。この第５の実施例では、冷媒１３の注液の際に発生する気体を排出する排出管１７に分岐配管２８を接続し、その先端に減圧ポンプ２９を接続している。これは、上述した第１ないし第４の実施例の場合、冷凍機による冷却のため、一般に冷媒１３の注液後の初期冷却に時間を要することを考慮して、冷却時間の短縮対策を施したものである。
【００３３】
すなわち、初期注液時には、内槽１３内を減圧することにより所定の温度への冷却所要時間を短縮するとともに、冷却保持時には、減圧ポンプ２９を使用せずに冷凍機運転を利用する。
【００３４】
図６は、本発明に係る第６の実施例の構成を示す説明図である。この第６の実施例では、冷媒循環配管２５の途中に配置した極低温冷凍機の冷却ステージ２３との熱交換器２４において、冷媒１３の一部を固化し固体冷媒片３０として内槽１３の下部に搬送させている。
【００３５】
図７（ａ），（ｂ），（ｃ）は、本発明に係る冷却容器の運転パターン例を示すタイムチャートである。この場合、内槽１２内に収容される冷媒１３の許容上限温度を設定し、通常運転の冷凍機運転により冷媒１３を上限温度より低い下限温度まで冷却し、その後、許容上限温度に達するまでは冷凍機を停止する冷却運転パターンである。
【００３６】
このような運転により、ある時間、例えば夜間などに冷凍機を停止させることができる。
【００３７】
図８は、本発明に係る冷却容器における冷媒の温度制御を、冷凍機をインバータ制御運転により達成するための構成を示す説明図である。すなわち、冷媒温度として許容し得る上限温度と下限温度とを設定して温度範囲を定め、冷凍機２２をインバータ制御運転することにより、冷媒１３の温度を上記温度範囲内に収めるものである。
【００３８】
【発明の効果】
本発明は上述のように、室温環境に置かれる外槽、この外槽内に断熱層を介して配され極低温の冷媒を収容する内槽および前記外槽と前記内槽との間に配され両者間を断熱する断熱層を有する容器と、前記内槽内に冷媒を供給する冷媒注入管と、冷媒注液の際に前記内槽内に発生する気体を排出する排出管と、前記内槽容器内の前記内槽に連なる冷媒循環配管および前記冷媒循環配管の途中に配され、前記容器の外部に設けられる冷凍部に接続された熱交換器を有し、前記冷媒を設定した圧力に維持させる圧力調整部とを備えた冷却容器として構成したため、応答性の良好な冷却容器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１の実施例の構成を示す説明図。
【図２】本発明に係る第２の実施例の構成を示す説明図。
【図３】本発明に係る第３の実施例の構成を示す説明図。
【図４】本発明に係る第４の実施例の構成を示す説明図。
【図５】本発明に係る第５の実施例の構成を示す説明図。
【図６】本発明に係る第６の実施例の構成を示す説明図。
【図７】本発明に係る冷却容器の運転パターン例を示すタイムチャート。
【図８】本発明に係る冷却容器の冷媒温度を所定範囲にするための構成例を示す説明図。
【図９】従来の冷却容器の構成を示す図。
【符号の説明】
１１  外槽、１２  内槽、１３  冷媒、１４  断熱層、１４ａ  真空断熱層、
１５  気液界面、１６  冷媒供給管、１７  蒸発ガス排出管、１８  開閉弁、
１９  圧力調整回路、２０  調整弁、２１  熱交換器、２２  冷凍機、
２３  冷却ステージ、２４  熱交換器、２５  冷媒循環配管、２６  攪拌機、
２７  フィルター、２８  分岐配管、２９  減圧ポンプ、３０  固体冷媒片、
３１  電源、３２  インバータ
【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】
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【図８】
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【図９】
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