(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヘリウム冷凍機と接続された液体ヘリウム貯槽内に熱交換器が配設され、該熱交換器と同期して発熱し得る複数の被冷却体の間を巡る循環閉ループの冷媒循環流路内を冷媒ヘリウムが循環して複数の前記被冷却体を冷却するヘリウム循環冷却装置であって、
一基の前記液体ヘリウム貯槽に、同期して発熱し得る複数の前記被冷却体と対応する複数の冷媒循環流路が設けられると共に、前記各冷媒循環流路は、熱入力位相変位手段によってそれぞれの前記液体ヘリウム貯槽への同期して発熱した各被冷却体からの熱入力の位相が異なるように構成されていることを特徴とするヘリウム循環冷却装置。
【請求項２】
上記熱入力位相変位手段は、上記各冷媒循環流路の流路長が異なることで構成されていることを特徴とする請求項１に記載のヘリウム循環冷却装置。
【請求項３】
上記各冷媒循環経路の上記ヘリウム貯槽より上流側に、液体ヘリウムを密閉した容器内に熱交換器が配設されて成るアキュムレーターが介設されて構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のヘリウム循環冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヘリウム冷凍機と接続された液体ヘリウム貯槽内に熱交換器が配設され、該熱交換器と被冷却体の間を巡る循環閉ループの冷媒循環流路内を冷媒ヘリウムが循環して被冷却体を冷却するヘリウム循環冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近時研究・開発が進められている核融合炉や超伝導磁気エネルギー貯蔵装置（Super Conducting Magnet Energe Storge：ＳＭＥＳ）等に用いられる超伝導コイルでは、その冷却に超臨界圧又は液体ヘリウムを循環させて強制冷却するヘリウム循環冷却装置の利用が考えられている。
【０００３】
ヘリウム循環冷却装置は、図８に概念図を示すように、ヘリウム冷凍機１２と戻りガス管路１３及び液送り管路１４を介して接続された液体ヘリウム貯槽１１の内部に熱交換器２０Ａ，２０Ｂが配設され、該熱交換器２０Ａ，２０Ｂと被冷却体２（磁気コイル等）の間を巡る循環閉ループの超臨界圧ヘリウム循環流路２０が形成されると共に、この超臨界圧ヘリウム循環流路２０に液体ヘリウムポンプ２０Ｃが介設されて構成されており、超臨界圧ヘリウム循環流路２０の内部を冷媒としての超臨界圧ヘリウムが循環し、被冷却体２の熱を超臨界圧ヘリウムが顕熱として搬送して液体ヘリウム貯槽１１内の液体ヘリウム１１Ｂとの間で熱交換を行い、液体ヘリウム貯槽１１ではその内部の液体ヘリウム１１Ｂが気化する潜熱でこれを吸収するようになっている。また、ガス化したヘリウムは戻りガス管路１３を介してヘリウム冷凍機１２に送られ、該ヘリウム冷凍機１２によって冷却液化されて、液送り管路１４を介して液体ヘリウム貯槽１１に戻される。尚、図中１５は戻りガス管路１３に介設された排気ポンプ，１６は気液分離器である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、複数の被冷却体を有するシステムになると、個々の被冷却体に対して個々に独立したヘリウム循環冷却装置を備えたのでは無駄の多い不合理な構成となるため、一つの液体ヘリウム貯槽に複数の冷媒循環流路を設けることが考えられる。
【０００５】
しかし、このように一つの液体ヘリウム貯槽に複数の冷媒循環流路を設けた構成では、被冷却体の熱出力に変動がある場合、各被冷却体の熱出力のピークが一致した状態を考慮して容量設定しなければならず、大型化を余儀なくされるという問題がある。
【０００６】
即ち、図９（Ａ）に示すように、複数の被冷却体の発熱が図中（Ａ），（Ｂ）に示すように同期している場合には、（Ｃ）に示すように両者を合成して極めて大きなピークが生ずるものである。
【０００７】
これにより、例えば複数の超伝導磁気コイルを有する核融合炉の場合には、各磁気コイルからの発熱はそれぞれ変化するため、各磁気コイルの発熱の位相が一致するとヘリウム循環冷却装置に大きな熱負荷がかかる。また、超伝導磁気エネルギー貯蔵装置の場合では電力を取り出す際に交流損失によって発熱するため、複数の超伝導磁気エネルギー貯蔵装置を一つのヘリウム循環冷却装置によって冷却するシステムでは、電力を取り出すタイミングが同期するとヘリウム循環冷却装置に大きな熱負荷がかかる。
【０００８】
ヘリウム循環冷却装置に大きな熱負荷がかかると、液体ヘリウム貯槽内で蒸発するヘリウムの量が増大するため、それを液化して液体ヘリウム貯槽に戻すヘリウム冷凍機にそれに対応した大きな容量（液化能力）が要求されることとなり、装置（ヘリウム冷凍機）が大型化してコストも増大し、また、特殊な大負荷時を想定したヘリウム冷凍機となるために通常時の運転効率は低下するものである。
【０００９】
本発明は、上記解決課題に鑑みてなされたものであって、被冷却体の発熱の変動する複数の冷媒循環流路を有するものであっても、各冷媒循環流路からの熱入力を平準化して大きな熱負荷の作用を防ぎ、小型で低コストに構成できると共に高い効率で運転可能なヘリウム循環冷却装置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本発明のヘリウム循環冷却装置は、ヘリウム冷凍機と接続された液体ヘリウム貯槽内に熱交換器が配設され、該熱交換器と同期して発熱し得る複数の被冷却体の間を巡る循環閉ループの冷媒循環流路内を冷媒ヘリウムが循環して複数の前記被冷却体を冷却するヘリウム循環冷却装置であって、一基の前記液体ヘリウム貯槽に、同期して発熱し得る複数の前記被冷却体と対応する複数の冷媒循環流路が設けられると共に、前記各冷媒循環流路は、熱入力位相変位手段によってそれぞれの前記液体ヘリウム貯槽への同期して発熱した各被冷却体からの熱入力の位相が異なるように構成されていることを特徴とする。
【００１１】
また、上記熱入力位相変位手段は、上記各冷媒循環流路の流路長が異なることで構成されていることを特徴とする。
【００１３】
また、上記冷媒循環経路の上記ヘリウム貯槽より上流側に、液体ヘリウムを密閉した容器内に熱交換器が配設されて成るアキュムレーターが介設されて構成されていることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００１５】
図１は本発明に係るヘリウム循環冷却装置を用いるトカマク型核融合炉を概念的に示す図であり、図２はその冷却系統の概念図である。
【００１６】
トカマク型核融合炉１は、トーラス方向に沿うトロイダル磁場１Ａとそれに平行なプラズマ電流の作るポロイダル磁場１Ｂとで螺旋状の合成磁力線１Ｃを形成し、プラズマ１Ｄを閉じこめる。超伝導コイルとしては、セントラルソレノイドコイル，トロイダル磁場コイル，ポロイダル磁場コイルがあるが、図はトロイダル磁場コイル２（２Ａ，２Ｂ）をヘリウム循環冷却装置１０によって冷却する例を示している。
【００１７】
トロイダル磁場コイル２等の超伝導コイルは、核融合炉１の運転を行うと、交流損失発熱，摩擦発熱，閣発熱により発熱するが、超伝導状態を維持するために、通常、４．５〜６．０Ｋに保持する必要がある。
【００１８】
ヘリウム循環冷却装置１０は、液体ヘリウム貯槽１１と、該液体ヘリウム貯槽１１に接続されたヘリウム冷凍機１２と、冷媒循環流路としての超臨界圧ヘリウム循環流路２０（２１，２２，２３）とにより構成されている。
【００１９】
液体ヘリウム貯槽１１は、容器１１Ａの内部に超臨界圧ヘリウム循環流路２０の熱交換器２０Ａ，２０Ｂが配設され、これら熱交換器２０Ａ，２０Ｂを浸すように液体ヘリウム１１Ｂが充填されている。
【００２０】
ヘリウム冷凍機１２は、詳細は図示しないが、熱交換器，コンプレッサ，膨張タービン及びＪＴ弁等から成り、液体ヘリウム貯槽１１から戻りガス管路１３を介して供給されるヘリウムガスを冷却液化して液送り管路１４を介して液体ヘリウム貯槽１１に戻すものである。尚、図中１５は戻りガス管路１３に介設された排気ポンプ，１６は気液分離器である。
【００２１】
超臨界圧ヘリウム循環流路２０は、被冷却体であるトロイダルコイル２と液体ヘリウム貯槽１１内に設けられた熱交換器２０Ａ，２０Ｂの間を巡る循環閉ループ状に形成されると共に、熱交換器２０Ａ，２０Ｂの間に液体ヘリウムポンプ２０Ｃが介設され、この液体ヘリウムポンプ２０Ｃによって内部の液体ヘリウムを循環駆動するようになっている。この超臨界圧ヘリウム循環流路２０は、各トロイダルコイル２（２Ａ，２Ｂ，２Ｃ）に対応してそれぞれ設けられている。即ち、一つの液体ヘリウム貯槽１１に複数の超臨界圧ヘリウム循環流路２０（２１，２２，２３）が設けられて構成されているものである。
【００２２】
上記のごとく構成されたヘリウム循環冷却装置１０では、液体ヘリウムポンプ２０Ｃの駆動によって、超臨界圧ヘリウム循環流路２０内を超臨界圧ヘリウムが循環駆動され、各トロイダルコイル２の発熱を超臨界圧ヘリウムが顕熱として搬送し、熱交換器２０Ａ，２０Ｂによって液体ヘリウム貯槽１１内の液体ヘリウム１１Ｂとの間で熱交換を行い、液体ヘリウム貯槽１１ではその内部の液体ヘリウム１１Ｂが気化する潜熱でこの熱を吸収する。これによってガス化したヘリウムは、ヘリウム冷凍機１２によって冷却液化されて液体ヘリウム貯槽１１に戻されるものである。
【００２３】
ここで、各超臨界圧ヘリウム循環流路２１，２２，２３の、トロイダルコイル２Ａ，２Ｂ，２Ｃからヘリウム循環冷却装置１０（熱交換器２０Ａ，２０Ｂ）までの流路長Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は、熱入力位相変位手段としてそれぞれ異なるように構成されている。
【００２４】
その流路長Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の差は、超臨界圧ヘリウム循環流路２０内の超臨界圧ヘリウムの流速に基づいて、各トロイダルコイル２Ａ，２Ｂ，２Ｃの発熱の位相が所定時間ずれてヘリウム循環冷却装置１０（熱交換器２０Ａ，２０Ｂ）に到達するように設定されているものである。
【００２５】
即ち、例えば、流量：１ｋｇ／ｓ，温度：４．２Ｋ，圧力：６ｂａｒ，配管断面積：３００Ａとすると、流速が０．１０６ｍ／ｓとなり、この条件で６０秒のずれを形成するためには流路長に６．４ｍの差を設ければ良いものである。
【００２６】
これにより、各トロイダルコイル２Ａ，２Ｂ，２Ｃが全く同期して発熱した場合にも、各超臨界圧ヘリウム循環流路２１，２２，２３からのヘリウム循環冷却装置１０への熱入力のピークの位相がずれる。つまり、図３に例示するように、被冷却体（トロイダルコイル）Ａ，Ｂからのヘリウム循環冷却装置１０への熱入力のピークの位相がずれ、両者を合成した熱入力Ｃは平均化された起伏の少ないものとなる。
【００２７】
従って、各超臨界圧ヘリウム循環流路２１，２２，２３からのヘリウム循環冷却装置１０への熱入力のピークが一致することによる熱負荷の増大によって液体ヘリウム貯槽１１内で蒸発するヘリウムの量が増加するためにヘリウム冷凍機１２にそれに対応した大きな容量（液化能力）が要求されることはない。このため、ヘリウム冷凍機１２が大型化することによるコストの増大や、特殊な大負荷時を想定した高容量のヘリウム冷凍機１２を通常時に低い効率で運転することを防ぐことができるものである。
【００２８】
図４は、上記構成のヘリウム循環冷却装置１０に対し、アキュムレーター３０を追加して更に熱負荷を平準化し得る構成のヘリウム循環冷却装置１０′を備えた冷却系統の概念図を示す。尚、図中上記構成例と同機能の部位には同符号を付して説明は省略する。
【００２９】
アキュムレーター３０は、密閉容器３１内に各超臨界圧ヘリウム循環流路２０の熱交換器２０Ｄが配設されると共に液体ヘリウム３２が封入・密閉されて構成されており、各熱交換器２０Ｄは各臨界圧ヘリウム循環流路２０（２１，２２，２３）の液体ヘリウム貯槽１１（熱交換器２０Ａ）より上流側に介設されるようになっている。
【００３０】
このようなアキュムレーター３０を介することにより、超臨界圧ヘリウム循環流路２０を介した熱入力（温度変化）を収斂することができる。
【００３１】
即ち、圧力：０．６Ｐａ，流量：１．０ｋｇ／ｓで循環する超臨界圧ヘリウムのアキュムレーター３０への入口部温度が、図５に示すように、温度：４．３Ｋから６．０Ｋに３０秒で上昇し、６．０Ｋから４．３Ｋに３０秒で下降し、１０秒間４．３Ｋを保持するとした場合、出口部温度変化は、図６に示すように収斂する。図は、容量の異なる三種類（０．５ｍ３，１ｍ３，５ｍ３）のアキュムレーター３０における出口部温度変化を示しており、アキュムレーター３０の容量に依存して収斂することが解る。
【００３２】
このアキュムレーター３０による熱入力の収斂作用と、各臨界圧ヘリウム循環流路２０（２１，２２，２３）のトロイダルコイル２（２Ａ，２Ｂ，２Ｃ）から当該アキュムレーター３０に至る流路長Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の違いによる熱入力の位相のずれによって、全体としての熱入力がより一層平準化され、ヘリウム冷凍機１２の小型・低コスト化と、高効率で安定した運転が可能となるものである。
【００３３】
尚、上記構成例では、トロイダルコイル２（２Ａ，２Ｂ，２Ｃ）からヘリウム循環冷却装置１０（熱交換器２０Ａ）までの流路長Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３をそれぞれ異ならせることで同期した熱出力の位相をずらし、これを熱入力位相変位手段としたものであるが、熱入力位相変位手段はこれに限るものではない。
【００３４】
即ち、例えば、図７に概念平面図を示すように、複数の超伝導磁気エネルギー貯蔵装置５０（５１，５２，５３）を一つのヘリウム循環冷却装置１０″によって冷却する構成では、超伝導磁気エネルギー貯蔵装置５０（５１，５２，５３）の電力の入出力を制御する制御装置６０が各超伝導磁気エネルギー貯蔵装置５１，５２，５３からの電力の取り出しのタイミングをずらし、これを熱入力位相変位手段としても良いものである。
【００３５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によるヘリウム循環冷却装置によれば、一基の液体ヘリウム貯槽に、同期して発熱し得る複数の被冷却体と対応する複数の冷媒循環流路が設けられると共に、各冷媒循環流路は、熱入力位相変位手段によってそれぞれの液体ヘリウム貯槽への同期して発熱した各被冷却体からの熱入力の位相が異なるように構成されていることにより、各冷媒循環流路からヘリウム循環冷却装置への熱入力のピークの位相がずれ、熱入力のピークが一致することによる熱負荷の増大に起因したヘリウム冷凍機の液化能力の大容量化は必要なくなる。このため、ヘリウム冷凍機が大型化することによるコストの増大や、特殊な大負荷時を想定した高容量のヘリウム冷凍機として通常時に低い運転効率となることを防ぐことができるものである。
【００３６】
また、熱入力位相変位手段は、各冷媒循環流路の流路長が異なることで構成されていることにより、複数の被冷却体から熱が同期して出力されるシステムでは、簡単な構成でヘリウム循環冷却装置への熱入力のピークの位相をずらすことができ、ヘリウム冷凍機が大型化することによるコストの増大や、特殊な大負荷時を想定した高容量のヘリウム冷凍機として通常時に低い運転効率となることを防ぐことができる。
【００３８】
また、各冷媒循環経路のヘリウム貯槽より上流側に、液体ヘリウムを密閉した容器内に熱交換器が配設されて成るアキュムレーターが介設されて構成されていることにより、アキュムレーターによる熱入力の収斂作用が加わって全体としての熱入力がより一層平準化され、ヘリウム冷凍機の小型・低コスト化と、高効率で安定した運転が可能となるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るヘリウム循環冷却装置を用いるトカマク型核融合炉を概念的に示す図である。
【図２】その冷却系統の概念図である。
【図３】熱入力のピークの位相がずれた合成熱入力を示す図である。
【図４】アキュムレーターを有するヘリウム循環冷却装置を備えた冷却系統の概念図である。
【図５】超臨界圧ヘリウムのアキュムレーターへの入口部温度変化を示す図である。
【図６】アキュムレーターの出口部温度変化を示す図である。
【図７】他の熱入力位相変位手段を適用した複数の超伝導磁気エネルギー貯蔵装置を一つのヘリウム循環冷却装置によって冷却する概念構成図である。
【図８】従来例としてのヘリウム循環冷却装置の概念構成図である。
【図９】複数の被冷却体の発熱の位相が一致した状態におけるヘリウム循環冷却装置への熱入力を示す説明図である。
【符号の説明】
２  トロイダルコイル（被冷却体）
１０  ヘリウム循環冷却装置
１１  液体ヘリウム貯槽
１２  ヘリウム冷凍機
２０  超臨界圧ヘリウム循環流路（冷媒循環流路）
２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ  熱交換器
３０  アキュムレーター
３１  容器
３２  液体ヘリウム
５０（５１，５２，５３）  超伝導磁気エネルギー貯蔵装置（被冷却体）
６０  制御装置（熱入力位相変位手段）
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３  流路長（熱入力位相変位手段）
【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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