(57)【要約】【課題】メンテナンス性向上、熱侵入防止、冷却効率の向上を図る。【解決手段】内側容器２１と外側容器２２とを有し、これら相互間が真空断熱されると共に上部に開口部を有する冷媒容器２０と、冷媒容器の開口部を閉塞可能な蓋体３０と、蓋体に支持された冷凍機４０とを備え、冷媒容器の内側容器内に液体冷媒６０が収容され、蓋体を貫通する冷凍機の冷却部４３，４４は内側容器内の液体冷媒の液面上方で垂下支持され、内側容器内おいて、垂下支持された冷却部を、その周囲及び上方からの対流する冷媒ガスから遮蔽する隔壁部５０を備える構成とした。【選択図】図１
2013247323.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内側容器と外側容器とを有し、これら相互間が真空断熱されると共に上部が開口した冷媒容器と、
前記冷媒容器の開口を閉塞可能な蓋体と、
前記蓋体に支持された冷凍機と、
を備え、
前記冷媒容器の内側容器内に液体冷媒が収容され、
前記冷凍機は前記蓋体を貫通し、
前記冷凍機の冷却部は、前記内側容器内の液体冷媒の液面上方で垂下支持され、
前記内側容器内おいて、前記垂下支持された冷却部を、その周囲及び上方からの対流する冷媒ガスから遮蔽する隔壁部を備えることを特徴とする冷却容器。
【請求項２】
前記隔壁部は、前記冷凍機又は前記蓋体に固定され、かつ前記冷却部の周囲を覆う側壁部を有すること特徴とする請求項１記載の冷却容器。
【請求項３】
前記隔壁部は、前記冷却部の上方を覆う天板部を有することを特徴とする請求項２記載の冷却容器。
【請求項４】
前記側壁部の上端部は前記蓋体の下面に接しており、当該側壁部と前記蓋体との協働により前記冷却部の周囲及び上方を囲繞することを特徴とする請求項２記載の冷却容器。
【請求項５】
前記冷凍機の冷却部の周囲を前記内部容器の内壁に至る範囲まで断熱材で満たすことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の冷却容器。
【請求項６】
前記断熱材は、前記蓋体又は前記隔壁部に固定されていることを特徴とする請求項５記載の冷却容器。
【請求項７】
前記隔壁部の側壁部が、下方に向かうに従って拡径する形状であることを特徴とする請求項２から４のいずれか一項に記載の冷却容器。
【請求項８】
前記液体冷媒を液体窒素としたことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の冷却容器。
【請求項９】
前記超電導機器に通電を行うための電流リードが前記蓋体に貫通装備されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の冷却容器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
容器内で液体の冷媒を介して被冷却物の冷却を行う冷却容器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＳＭＥＳ（Superconducting Magnetic Energy Storage：超電導磁気エネルギー貯蔵装置）、超電導変圧器、超電導限流器、ＮＭＲ（Nuclear Magnetic Resonance：核磁気共鳴）、半導体引上げ装置等に強磁場の発生源となる超電導マグネット等の分野では、ニオブ・チタン(NbTi)を代表とする金属系の超電導線材が使用されている。しかしながら、金属系の超電導線を超電導化するにはヘリウムの沸点温度（4K）程度に冷却しなければならず、そのため冷凍機の冷却効率（COP）が非常に低くなり多くの電力を消費してしまう問題と、ヘリウムはそれ自体が高価であるという問題があった。
【０００３】
通常、超電導線材はコイル化され、冷却するためクライオスタットと呼ばれる真空断熱化された冷却容器に収納される。このクライオスタットの断熱性能が機器の運転コストを大きく左右する。一般的にヘリウム冷凍機の冷凍能力は１Ｗ程度であり、クライオスタットへの侵入熱がこれより大きいと複数台の冷凍機を搭載することになり電力使用量が大幅に増加する。増設しない場合はヘリウムが徐々に蒸発して抜けていき、非常に高価なヘリウムの補充費用がかかってくる。
従って、エネルギーコストや運用コストの低減のために、現在開発が進められている高温超電導線材（酸化物系）へ転換するための研究が進められつつある。この高温超電導線材を利用すれば、より高温下で超電導が実現され、冷媒としてヘリウムではなく、より安価な窒素を利用することが可能となるからである。
しかしながら、いずれの冷媒を利用するにも、できるだけ侵入熱の小さいクライオスタットの開発が望まれていた。
【０００４】
特許文献１に示す、従来の冷却容器では、冷媒である液体窒素及び超電導コイルを格納する内槽と、内槽全体を格納する外槽と、冷凍ヘッドが内槽の内側まで延出された冷凍機とを備えており、内槽と外槽との間を真空化して真空断熱構造を構成し、熱侵入を防止している。
【０００５】
また、特許文献２に示す、従来の冷却容器では、内壁と外壁との間を真空化し、上部が開放された二重壁面構造の冷媒槽に液体窒素を貯留し、冷媒槽の上部を閉塞する蓋板に冷凍機を装備してその冷却ヘッドから液面近くまで伝熱部材を吊下して冷却を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１６５４１８号公報
【特許文献２】特開２００９−２８３６７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１に記載の冷却容器は、冷凍機の冷却ヘッドや超電導コイルが開閉困難な内槽の内側に配設されていることから、定期的にメンテナンスが必要な冷凍機の取り付け、取り外しや超電導コイルのメンテナンスが極めて困難であった。
さらに、この冷却容器は、その冷却ヘッドを液体窒素に浸漬して冷却する構造であるため、冷凍機が停止した場合に冷却ヘッドを通じて熱侵入が生じ、槽内が昇温してしまうという問題があった。
【０００８】
一方、特許文献２に記載の冷却容器は、冷媒槽が蓋板を備え、これを開放することで冷媒槽の内部にアクセスすることが可能となり、これによりメンテナンス性能を高めている。
また、冷凍機の冷却ヘッド及びこれに吊下装備された伝熱部材はいずれも液面に接触させない構成が例示されており、この例の場合には、冷凍機からの熱侵入を抑制する効果がある。
しかしながら、引用文献２の構造の場合、冷却ヘッド及び伝熱部材に接触している冷媒ガスが液化し、そのため周囲の冷媒ガスが集結してくるため、それにより冷媒槽の内部に対流が発生する。その結果、真空断熱構造を施されていない蓋板付近の温かい冷媒ガスも対流により冷却ヘッドと伝熱部材に集結するため、冷凍機は室温付近に温まった冷媒ガスを沸点近くまで冷却するための仕事と液化させるための気化潜熱分の仕事とをする必要があり、結果的に冷凍機に大きな冷凍能力が必要となるという問題があった。
また、対流が発生すると蓋板が冷却され、外部の空気中の水分が蓋板の上面で結露する。そして、この蓋板に冷却容器内で冷却する超電導線材に通電を行うための電流リード等が設けられていると、結露した水分により絶縁低下が起きる可能性があるという問題もあった。
【０００９】
本発明は、メンテナンスが容易で熱侵入が少なく冷却効率の高い冷却容器の提供を図ることをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、内側容器と外側容器とを有し、これら相互間が真空断熱されると共に上部に開口部を有する冷媒容器と、前記冷媒容器の開口部を閉塞可能な蓋体と、前記蓋体に支持された冷凍機と、を備え、前記冷媒容器の内側容器内に液体冷媒が収容され、前記蓋体を貫通する前記冷凍機の冷却部は、前記内側容器内の液体冷媒の液面上方で垂下支持され、前記内側容器内おいて、前記垂下支持された冷却部を、その周囲及び上方からの対流する冷媒ガスから遮蔽する隔壁部を備えることを特徴とする。
【００１１】
また、前記隔壁部は、前記冷却部の周囲を覆う側壁部を有する構成しても良い。
さらに、前記隔壁部は、前記冷却部の上方を覆う天板部を有する構成しても良い。
【００１２】
また、前記側壁部の上端部は前記蓋体の下面に接しており、当該側壁部と前記蓋体との協働により前記冷却部の周囲及び上方を囲繞する構成としても良い。
【００１３】
また、前記冷凍機の冷却部の周囲を前記内部容器の内壁に至る範囲まで断熱材料で満たす構成としても良い。
さらに、前記断熱材は、前記蓋体又は前記隔壁部に固定されている構成としても良い。
【００１４】
また、前記隔壁部の側壁部を、下方に向かうに従って拡径する形状としても良い。
【００１５】
また、前記液体冷媒を液体窒素としても良い。
【００１６】
また、前記超電導機器に通電を行うための電流リードを前記蓋体に貫通装備しても良い。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、冷媒容器に開閉可能な蓋体を備えるので、内部へのアクセスが容易となり、冷凍機の冷却部や内部に収容される被冷却物に関するメンテナンス作業を容易に行うことが可能である。
また、冷凍機の冷却部を内側容器内の液体冷媒の液面上方で垂下支持しているので、冷却部と液体冷媒を非接触とし、冷凍機から熱侵入を防止することが可能である。
なお、ここで「冷却部」とは冷凍機において外部に対して冷却効果を生じる低温部位をいう。例えば、シリンダを用いた蓄冷式冷凍機の場合には、シリンダにおける低温側の端部を示す。
【００１８】
さらに、本発明は、隔壁部を備えるので、垂下支持された冷却部に対して周囲及び上方からの対流冷媒ガスを遮断することができ、これにより、内部容器内における冷媒ガスの対流の発生を抑制すると共に、蓋体付近で暖められた冷媒ガスを沸点近くまで冷却するための仕事分の冷却能力が不要となり、効率的な冷却を行うことが可能となる。また、これにより、冷凍機をより能力の小さい小型ものに替えることも可能となる。
【００１９】
また、冷凍機は蓋体に貫通し、その冷凍機の端部に冷却部が支持され、隔壁部は冷却部の周囲を覆うように装備されているので、これらを一体的に取り外しが可能であり、メンテナンス時の作業性を向上することができる。
【００２０】
また、冷凍機の冷却部の周囲を内部容器の内壁に至る範囲まで断熱材で満たす構成とした場合には、蓋体からの熱侵入を効果的に防止することができる。
また、断熱材を蓋体又は隔壁部に固定した場合には、これらを一体的に取り外しが可能であり、メンテナンス時の作業性を向上することができる。
【００２１】
隔壁部の側壁部を下方に向かうに従って拡径する形状とした場合、液体冷媒の液面から気化した冷媒ガスを冷却部に効果的に導くことができ、蓋体近辺に達して暖められる前に液化することができ、効率良く冷却を行うことが可能となる。
【００２２】
液体冷媒を液体窒素とした場合、ヘリウムを冷媒とする場合よりも冷却温度を高く設定することができ、また、熱侵入の熱量の許容幅も大きくなるので、冷凍機をより能力の小さい小型ものに替えることも可能となる。また、消費しやすく高価なヘリウムと異なり、液体窒素は消費を抑え安く廉価であることから、ランニングコストの低減を図ることも可能となる。
【００２３】
超電導機器の電流リードを蓋体に装備する構成とした場合、超電導機器に対する配線作業、定期検査、修理等のメンテナンスを容易に行うことが可能となる。
また、蓋体に電流リードを貫通装備する構成とした場合であっても、隔壁部により冷媒ガスの対流を抑制することで蓋体上面での冷却による結露の発生を低減し、絶縁低下の防止を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】発明の実施形態に係るクライオスタットの垂直平面に沿った断面図である。
【図２】比較例としてのクライオスタットの垂直平面に沿った断面図である。
【図３】隔壁部の他の例を示す一部構成を省略した断面図である。
【図４】隔壁部のさらに他の例を示す一部構成を省略した断面図である。
【図５】隔壁部のさらに他の例を示す一部構成を省略した断面図である。
【図６】隔壁部のさらに他の例を示す一部構成を省略した断面図である。
【図７】隔壁部のさらに他の例を示す一部構成を省略した断面図である。
【図８】隔壁部のさらに他の例を示す一部構成を省略した断面図である。
【図９】隔壁部のさらに他の例を示す一部構成を省略した断面図である。
【図１０】図２のクライオスタットにおける冷媒容器内の冷媒ガス温度、液体冷媒液面温度、熱交換器の表面温度の温度変化及び冷媒ガス圧力変化を示した線図である。
【図１１】図１のクライオスタットにおける冷媒容器内の冷媒ガス温度、液体冷媒液面温度、熱交換器の表面温度の温度変化及び冷媒ガス圧力変化を示した線図である。
【図１２】図９のクライオスタットにおける冷媒容器内の冷媒ガス温度、液体冷媒液面温度、熱交換器の表面温度の温度変化及び冷媒ガス圧力変化を示した線図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
［実施形態の概略］
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
この実施形態では、超電導機器としての超電導コイル９０を収容して冷却を図る冷却容器としてのクライオスタット１０について説明するものとする。図１はクライオスタット１０の垂直平面に沿った断面図である。
このクライオスタット１０は、液体冷媒である液体窒素と被冷却物としての超電導コイル９０とを収容する冷媒容器２０と、上部が開口した冷媒容器２０の上部開口を閉塞可能な蓋体３０と、冷媒容器２０の内部を冷却する冷凍機４０と、冷凍機４０の冷却部の周囲及び上方からの対流する冷媒ガスを遮断する隔壁部５０と備えている。
【００２６】
［冷媒容器］
冷媒容器２０は、内側容器２１と外側容器２２とからなり、これら相互間が真空断熱された二重壁面構造の有底容器である。
内側容器２１は、上下方向に沿った円筒状であって、下端部が閉塞されて底部をなし、上端部が開放されている。
外側容器２２と、やはり上下方向に沿った円筒状であって、下端部が閉塞されて底部をなし、上端部が開放されている。そして、この外側容器２２は、内側容器２１よりに一回り大きく形成され、内側容器２１を内側に格納している。さらに、内側容器２１の外周面及び底部下面と外側容器２２の内周面及び底部上面とが相互に隙間空間を形成するように、内側容器２１と外側容器２２の上端部同士が接合されて一体化されている。また、内側容器２１と外側容器２２の互いの隙間空間は真空引きが行われた状態で密閉状態を維持しつつ接合が行われる。
また、内側容器２１と外側容器２２との隙間空間には、円筒部及び底部の全域に渡って、アルミニウムを蒸着させたポリエステルフィルムが積層されてなるスーパーインシュレーション材２３が介在し、外部からの輻射熱の遮断を図っている。
【００２７】
［蓋体］
内側容器２１と外側容器２２の接合部は水平に平滑化されており、このリング状の平滑面上に円板状の蓋体３０が載置装備されている。
この蓋体３０は、冷媒容器２０内へのアクセスができるように、冷媒容器２０からの着脱が可能な状態で取り付けられている。例えば、蓋体３０と冷媒容器２０の相互間の凹凸形状による嵌合構造或いはボルト止め等周知の方法で蓋体３０が冷媒容器２０に対して固定される。
なお、この蓋体３０は、冷凍機４０を載置し、超電導コイル９０を吊下支持するので、これらを支持することが可能な強度を有しつつも断熱性が極力高い材料から形成される。
【００２８】
また、前述した内側容器２１の内部には超電導機器としての超電導コイル９０が収容される。そして、蓋体３０には、超電導コイル９０に接続される二つの電流リード９１，９１が上下に貫通した状態で固定装備されている。各電流リード９１，９１は、一端が図示しない超電導コイル９０の電源装置に接続され、他端が冷媒容器２０内の超電導コイル９０から引き出されたケーブルにそれぞれが接続されている。そして、各電流リード９１，９１は、その表面にエポキシ等により絶縁被膜が形成されており、当該被膜を介して蓋体３０に密着装備されていることから、蓋体３０を冷媒容器２０から取り外すことにより、電流リード９１，９１を通じて超電導コイル９０を冷媒容器２０内から取り出すことができ、超電導コイル９０に対するメンテナンスを容易に行うことが可能である。
【００２９】
［冷凍機］
冷凍機４０は、蓄冷式のいわゆるＧＭ冷凍機であり、蓄冷材を内部に保有するディスプレーサ容器を上下に往復させるシリンダ部４１と、ディスプレーサ容器に上下の移動動作を付与するモータを駆動源とするクランク機構が格納された駆動部４２と、シリンダ部４１において最も低温となる低温伝達部４３に設けられた熱交換部材としての熱交換器４４とを備えている。
また、上記冷凍機４０には、図示しないコンプレッサ等が接続され、その内部に対して冷媒ガスの吸排気が行われるようになっている。
【００３０】
上記冷凍機４０は、蓋体３０の上面中央に駆動部４２が取り付けられ、シリンダ部４１は蓋体３０を貫通して冷媒容器２０の内側に垂下されている。
シリンダ部４１ではその内部で冷媒ガスが下方に移動する過程で断熱圧縮と吸熱が行われ、その下端部が最も低温状態となる。
そして、この最も低温となるシリンダ部４１の下端部に低温伝達部４３が形成されている。この低温伝達部４３は、シリンダ部４１の下部よりも底面積が大きな円形の平板状に形成されており、周囲との熱伝導性が高められている。
熱交換器４４は、シリンダ部４１と同等又はそれ以上の熱伝導率の高い素材で形成されている。また、熱交換器４４の上部は低温伝達部４３の底面に密着し、下部は下方に延びる複数のフィンが形成されている。この構造により、熱交換器４４は、周囲の冷媒ガスとの接触面積を拡張し、冷媒ガスとの熱伝導性がより高められており、冷媒ガスに対する高い冷却効果が得られる構造となっている。
そして、上記低温伝達部４３と熱交換器４４とが、冷凍機４０の冷却部として機能する。
【００３１】
［隔壁部］
隔壁部５０は、冷媒容器２０内において、冷凍機４０のシリンダ部４１に固定支持され、冷却部である低温伝達部４３及び熱交換器４４の上側とその周囲とを囲繞して、下方を除く全方向からの冷媒ガスを遮断している。
この隔壁部５０は、シリンダ部４１が貫通した状態で当該シリンダ部４１に固定された天板部５１と円筒状の側壁部５２とからなり、側壁部５２の上端部を塞ぐように天板部５１が一体的に接合されている。また、この隔壁部５０は、低温伝達部４３及び熱交換器４４よりも熱伝導率の低い、例えば、ステンレス材、或いは、いわゆる発泡樹脂断熱材、例えば、発泡ポリウレタン、発泡ポリエチレンや、ＦＲＰ、低温耐性のある樹脂等から形成されている。
【００３２】
隔壁部５０の天板部５１は、外径が低温伝達部４３より幾分大きく且つ当該低温伝達部４３の上面に接触しないよう隙間を形成した状態でシリンダ部４１に固定されている。
側壁部５２は、上端部に天板部５１が設けられ、下端部が開放されている。そして、その内径が低温伝達部４３及び熱交換器４４の外径よりも幾分大きく、これらに接触しないように内包した状態となっている。
また、側壁部５２と前述した熱交換器４４は、その下端部が、冷媒容器２０内の液体冷媒６０の液面６１の上限高さに近接し且つ液面６１の上限高さに届かない高さに設定されている。即ち、この冷媒容器２０に収容される液体冷媒６０の量は、液面６１が規定の上限高さを超えないよう管理される。
また、冷媒容器２０内に液体冷媒６０を自動的に補充する補充装置を設ける場合には、液面高さの検出装置を冷媒容器２０に設け、液面６１が規定の上限高さを超えないように補充装置を制御することが望ましい。
【００３３】
［実施形態の技術的効果］
図２は上記クライオスタット１０から隔壁部５０を除去した比較例としてのクライオスタット１０Ｘを示している。このクライオスタット１０Ｘのように、隔壁部５０が存在しない場合には、冷媒容器２０内の液体冷媒６０は蓋体３０側からの熱侵入や超電導コイル９０から発生する熱により気化して冷媒ガスが発生する。そして、かかる状態で冷凍機４０による冷却が行われると、冷媒ガスは低温伝達部４３及び熱交換器４４の周囲で冷却され、液化して下方の液体冷媒６０に戻される。これにより、蓋体３０の近傍で暖められた冷媒ガスも低温伝達部４３及び熱交換器４４に引き寄せられ、図２に示す矢印Ｙのように液面６１から上昇した冷媒ガスが蓋体３０の下面に沿って冷凍機４０側に集まり、シリンダ部４１に沿って下降する冷媒ガスの対流が形成される。これにより、蓋体３０の下側で暖められた冷媒ガスを液化温度まで冷却し、さらに、気体を液化させるための仕事を必要とするため、多大な冷却能力が必要となる。
【００３４】
一方、クライオスタット１０では、隔壁部５０が低温伝達部４３及び熱交換器４４の上方及び周囲を囲んでいるので、隔壁部５０の下方から内側に入ってくる冷媒ガスが主に冷却され、液体冷媒に戻されるため、クライオスタット１０Ｘのような冷媒ガスの対流が発生せず、液面と熱交換器４４との間で小さな対流が主に生じる。従って、蓋体３０の裏で暖められた冷媒ガスを冷却液化させるような状態が発生し難くなり、必要となる冷却能力を低減することが可能となる。そして、これにより、冷凍機４０をより能力の小さい小型ものに替えることも可能となる。また、冷凍機４０の電力消費を低減することも可能となる。
また、上記隔壁部５０を断熱材料で形成しているため、隔壁部５０内の冷媒ガスが外側の冷媒ガスにより暖められて冷却の効率を損なうことが回避され、効率良く冷却を行うことが可能となる。
また、隔壁部５０は、天板部５１及び側壁部５２がいずれも低温伝達部４３と熱交換器４４に接触又は密着していないので、低温伝達部４３及び熱交換器４４の表面全体で効率良く冷媒ガスの冷却を行うことが可能である。
【００３５】
その他、クライオスタット１０は、蓋体３０に電流リード９１，９１を固定装備し、蓋体３０は冷媒容器２０から取り外し可能であるため、超電導コイル９０や冷媒容器２０内へのアクセスが容易となり、メンテナンス性を向上させることが可能である。
さらに、蓋体３０に電流リード９１，９１が設けられているが、隔壁部５０による冷媒ガスの対流が押さえられるので、蓋体３０そのものに対する冷却が押さえられ、その上面での結露が低減し、各電流リード９１，９１の絶縁低下の防止を実現することが可能となる。
また、冷媒容器２０に収容する液体冷媒を液体窒素としているので、ヘリウムを冷媒とする場合よりも冷却温度を高く設定することができ、また、熱侵入の熱量の許容幅も大きくなるので、冷凍機４０をより能力の小さい小型ものに替えることが可能となる。また、消費しやすく高価なヘリウムと異なり、液体窒素は消費を抑え安く廉価であることから、ランニングコストの低減を図ることも可能となる。
【００３６】
［隔壁部の他の例(1)］
図３は他の例としての隔壁部５０Ａを備えるクライオスタット１０Ａを一部省略して図示している。クライオスタット１０Ａにおいて隔壁部５０Ａ以外の構成についてはクライオスタット１０と同一である。
この隔壁部５０Ａは、天板部５１を有しておらず、上下が開口した円筒状の側壁部のみからなり、その上端部は蓋体３０の下面に固着され、下端部は液体冷媒６０の液面６１の上限高さ近くまで延びた状態で垂下されている。また、この隔壁部５０Ａは前述した隔壁部５０と同一材料から形成されている。また、この隔壁部５０Ａの内径は低温伝達部４３及び熱交換器４４の外径よりも幾分大きく且つこれらとの非接触状態を維持できる値に設定されている。
つまり、この隔壁部５０Ａは、蓋体３０との協働により、冷凍機４０の低温伝達部４３及び熱交換器４４を、その周囲及び上方からの対流する冷媒ガスから遮蔽することができ、また、隔壁部５０Ａの下方から内側に入ってくる冷媒ガスが主に冷却され、液体冷媒に戻されるため、冷媒ガスの対流が発生し難くなり、液面と熱交換器４４との間で小さな対流が主に生じる。従って、必要となる冷却能力を低減し、冷凍機４０を小型化し、冷凍機４０の電力消費の低減を図ることを可能とする。
また、上記隔壁部５０Ａを断熱材料で形成することで冷却効率を高めることが可能となる。
また、隔壁部５０Ａは、低温伝達部４３と熱交換器４４に接触又は密着していないので、低温伝達部４３及び熱交換器４４の表面全体で効率良く冷媒ガスの冷却を行うことが可能である。
また、隔壁部５０Ａは、円筒状の部材からなり、蓋体３０に固着すれば良いので、製造及び組み立てが容易にとなる利点がある。
また、隔壁部５０Ａは、冷凍機４０のシリンダ部４１に支持される構造ではないので、当該シリンダ部４１に負担を与えず、冷凍機４０の耐久性の向上を図ることが可能となる。
【００３７】
［隔壁部の他の例(2)］
図４は他の例としての隔壁部５０Ｂを備えるクライオスタット１０Ｂを一部省略して図示している。クライオスタット１０Ｂにおいて隔壁部５０Ｂ以外の構成についてはクライオスタット１０と同一である。
この隔壁部５０Ｂは、冷媒容器２０内における液体冷媒６０の液面６１の上限高さより上側のほぼ全体の領域を埋める、隔壁部５０はステンレス材、或いは、いわゆる発泡樹脂断熱材、例えば、発泡ポリウレタン、発泡ポリエチレンや、ＦＲＰ、低温耐性のある樹脂等からなり、冷凍機４０のシリンダ部４１、低温伝達部４３及び熱交換器４４を挿通する上下に貫通した挿通穴５３Ｂを有している。この隔壁部５０Ｂは、その上端部は蓋体３０の下面に固着され、下端部は液面６１の上限高さの近くまで迫るようにその厚みが設定されている。
また、挿通穴５３Ｂの内径は、低温伝達部４３及び熱交換器４４の外径よりも幾分大きく且つこれらとの非接触状態を維持できる値に設定されている。
また、その外周面は内側容器２１の内面に対して多少の隙間が形成されており、これにより、蓋体３０の取り外し等の作業性の向上を図っている。なお、冷媒ガスの対流防止の観点から、上記隙間は小さい方が良い。
また、隔壁部５０Ｂには二つの電流リード９１，９１を通す貫通穴が形成されている。
【００３８】
かかる構造により、隔壁部５０Ｂは、冷凍機４０の低温伝達部４３及び熱交換器４４を、その周囲及び上方からの対流する冷媒ガスから遮蔽することができ、また、隔壁部５０Ｂの下方から内側に入ってくる冷媒ガスが主に冷却され、液体冷媒に戻されるため、冷媒ガスの対流が発生し難くなり、液面と熱交換器４４との間で小さな対流が主に生じる。従って、必要となる冷却能力を低減し、冷凍機４０を小型化し、冷凍機４０の電力消費の低減を図ることを可能とする。
また、隔壁部５０Ｂは、低温伝達部４３と熱交換器４４に接触又は密着していないので、低温伝達部４３及び熱交換器４４の表面全体で効率良く冷媒ガスの冷却を行うことが可能である。
また、隔壁部５０Ｂは、液体冷媒６０の液面６１より上の領域全体を埋めているので、蓋体３０の下面に到達する冷媒ガスを極力低減し、冷媒ガス温度の上昇を効果的に抑制する。また、隔壁部５０Ｂは、液体冷媒６０の液面６１より上の領域全体を埋めているので、液面から気化した冷媒ガスのほぼ全体が挿通穴５３Ｂ内に導かれ、発生する冷媒ガスのほとんどを低温伝達部４３及び熱交換器４４にて冷却することができ、より高効率の冷却を行うことが可能となる。このため、さらに小型の冷凍機４０を使用することが可能となる。
また、隔壁部５０Ｂは、断熱材料からなるので、蓋体３０からの熱侵入を効果的に防止することが可能である。また、隔壁部５０Ｂは、冷媒ガスの対流の発生空間を埋めているので、対流を効果的に防止することが可能である。
なお、低温伝達部４３の上面から蓋体３０の下面までの空間も隔壁部５０Ｂの断熱材料で埋めても良い。かかる構造により、低温伝達部４３の上方への冷媒ガスの回り込み量を低減し、冷却効率を高めることが可能となる。なお、その場合、断熱材料と低温伝達部４３の上面との間には隙間を設けることが望ましい。
【００３９】
［隔壁部の他の例(3)］
図５は他の例としての隔壁部５０Ｃを備えるクライオスタット１０Ｃを一部省略して図示している。クライオスタット１０Ｃにおいて隔壁部５０Ｃ以外の構成についてはクライオスタット１０と同一である。
この隔壁部５０Ｃは、熱交換器４４の下部の周囲に設けられ、上下が開口した円筒状の側壁部５２Ｃと、冷媒容器２０内における側壁部５２Ｃの上端位置より上側のほぼ全体の領域を埋める断熱ブロック５４Ｃからなり、これらは隔壁部５０と同一材料から形成されている。
側壁部５２Ｃは、その上端部は断熱ブロック５４Ｃの下面に固着され、下端部は液体冷媒６０の液面６１の上限高さ近くまで延びた状態で垂下されている。また、この側壁部５２Ｃの内径は低温伝達部４３及び熱交換器４４の外径よりも幾分大きく且つこれらとの非接触状態を維持できる値に設定されている。
断熱ブロック５４Ｃは、冷凍機４０のシリンダ部４１、低温伝達部４３及び熱交換器４４を挿通する上下に貫通した挿通穴５３Ｃを有しており、側壁部５２Ｃの内部と一体的に連通している。また、この断熱ブロック５４Ｃは、その上端部は蓋体３０の下面に固着され、下端部は側壁部５２Ｃの上端部の高さとなるようにその厚みが設定されている。
なお、この隔壁部５０Ｃの例では、側壁部５２Ｃと断熱ブロック５４Ｃがほぼ同じ厚さに設定されているが、これらの高さ比率は適宜変更しても良い。
また、断熱ブロック５４Ｃの外周面は内側容器２１の内面に対して多少の隙間が形成されており、これにより、蓋体３０の取り外し等の作業性の向上を図っている。なお、冷媒ガスの対流防止の観点から、上記隙間は小さい方が良い。
また、断熱ブロック５４Ｃには二つの電流リード９１，９１を通す貫通穴が形成されている。
【００４０】
かかる構造により、隔壁部５０Ｃは、冷凍機４０の低温伝達部４３及び熱交換器４４を、その周囲及び上方からの対流する冷媒ガスから遮蔽することができ、また、隔壁部５０Ｃの下方から内側に入ってくる冷媒ガスが主に冷却され、液体冷媒に戻されるため、冷媒ガスの対流が発生し難くなり、液面と熱交換器４４との間で小さな対流が主に生じる。従って、必要となる冷却能力を低減し、冷凍機４０を小型化し、冷凍機４０の電力消費の低減を図ることを可能とする。
また、隔壁部５０Ｃは、低温伝達部４３と熱交換器４４に接触又は密着していないので、低温伝達部４３及び熱交換器４４の表面全体で効率良く冷媒ガスの冷却を行うことが可能である。
また、断熱ブロック５４Ｃは、蓋体３０の下側の領域全体を埋めているので、蓋体３０の下面に到達する冷媒ガスを極力低減し、冷媒ガス温度の上昇を効果的に抑制する。また、断熱ブロック５４Ｃは、断熱材料からなるので、蓋体３０からの熱侵入を効果的に防止することが可能である。これにより、冷媒ガスの対流の発生を効果的に抑制し、冷媒ガスの冷却を効果的に行うことが可能となる。このため、冷凍機４０の小型化を図ることが可能となる。また、隔壁部５０Ｃは、冷媒ガスの対流の発生空間を広範囲で埋めているので、対流を効果的に防止することが可能である。
なお、低温伝達部４３の上面から蓋体３０の下面までの空間も隔壁部５０Ｃの断熱材料で埋めても良い。かかる構造により、低温伝達部４３の上方への冷媒ガスの回り込み量を低減し、液面に対する熱回収の交換率を高めることが可能となる。なお、その場合、断熱材料と低温伝達部４３の上面との間には隙間を設けることが望ましい。
【００４１】
［隔壁部の他の例(4)］
図６は他の例としての隔壁部５０Ｄを備えるクライオスタット１０Ｄを一部省略して図示している。クライオスタット１０Ｄにおいて隔壁部５０Ｄ以外の構成についてはクライオスタット１０と同一である。
この隔壁部５０Ｄは、天板部５１を有しておらず、上下が開口した円筒状の側壁部５２Ｄと、側壁部５２Ｄの下端部から内側容器２１の内周面までの全域を覆う底板部５５Ｄを備え、この隔壁部５０Ｄの全体は前述した隔壁部５０と同一材料から形成されている。
上記側壁部５２Ｄの上端部は蓋体３０の下面に固着され、下端部は液体冷媒６０の液面６１の上限高さの近くまで垂下されている。また、この側壁部５２Ｄの内径は低温伝達部４３及び熱交換器４４の外径よりも幾分大きく且つこれらとの非接触状態を維持できる値に設定されている。
また、底板部５５Ｄは、側壁部５２Ｄの下端部から外側に向かって内側容器２１の内面近くまで広がっており、熱交換器４４の直下となる部分を除いて、液体冷媒６０の液面６１の全体を覆っている。なお、底板部５５Ｄの外周は内側容器２１の内面との間に隙間を形成しているが、当該隙間は冷媒ガスの対流を生じさせるのでより狭くすることが望ましい。
また、隔壁部５０Ｄの底板部５５Ｄには二つの電流リード９１，９１を通す貫通穴が形成されている。
【００４２】
かかる構造により、隔壁部５０Ｄは、冷凍機４０の低温伝達部４３及び熱交換器４４を、その周囲及び上方からの対流する冷媒ガスから遮蔽することができ、また、隔壁部５０Ｄの下方から内側に入ってくる冷媒ガスが主に冷却され、液体冷媒に戻されるため、冷媒ガスの対流が発生し難くなり、液面と熱交換器４４との間で小さな対流が主に生じる。従って、必要となる冷却能力を低減し、冷凍機４０を小型化し、冷凍機４０の電力消費の低減を図ることを可能とする。
また、隔壁部５０Ｄは、低温伝達部４３と熱交換器４４に接触又は密着していないので、低温伝達部４３及び熱交換器４４の表面全体で効率良く冷媒ガスの冷却を行うことが可能である。
また、隔壁部５０Ｄは、底板部５５Ｄが液体冷媒６０の液面６１のほぼ全体を覆っているので、蓋体３０の下面に到達する冷媒ガスを極力低減し、冷媒ガス温度の上昇を効果的に抑制する。また、底板部５５Ｄにより、液面から気化した冷媒ガスのほぼ全体が側壁部５２Ｄの内側に導かれ、発生する冷媒ガスのほとんどを低温伝達部４３及び熱交換器４４にて冷却することができ、液面に対する熱回収の交換率を高めることが可能となる。このため、さらに小型の冷凍機４０を使用することが可能となる。
なお、低温伝達部４３の上面から蓋体３０の下面までの空間も隔壁部５０Ｄの断熱材料で埋めても良い。かかる構造により、低温伝達部４３の上方への冷媒ガスの回り込み量を低減し、液面に対する熱回収の交換率を高めることが可能となる。なお、その場合、断熱材料と低温伝達部４３の上面との間には隙間を設けることが望ましい。
また、或いは、隔壁部５０Ｄの側壁部５２Ｄの上端部に、隔壁部５０と同様に天板部５１を設け、当該天板部５１により、隔壁部５０Ｄ全体を冷凍機４０のシリンダ部４１に固定支持させる構造としても良い。この場合も、低温伝達部４３の上方への冷媒ガスの回り込み量を低減し、液面に対する熱回収の交換率を高めることが可能となる。
【００４３】
［隔壁部の他の例(5)］
図７と図８とは、それぞれ、他の例としての隔壁部５０Ｅ，５０Ｆを備えるクライオスタット１０Ｅ，１０Ｆを一部省略して図示している。クライオスタット１０Ｅ及び１０Ｆにおいて隔壁部５０Ｅ及び５０Ｆ以外の構成についてはクライオスタット１０と同一である。
これらの隔壁部５０Ｅ，５０Ｆは、いずれも、冷凍機４０のシリンダ部４１，低温伝達部４３及び熱交換器４４の周囲を囲繞する側壁部からなり、当該側壁部の上端部は蓋体３０の下面に固着され、当該側壁部の下端部は下方に向かうに従って拡径して、内側容器２１の内面に近接している。また、隔壁部５０Ｅ，５０Ｆの下端部は液体冷媒６０の液面６１の上限高さ近くまで下方に延びている。
また、これらの隔壁部５０Ｅ，５０Ｆは前述した隔壁部５０と同一材料から形成されており、これらの隔壁部５０Ｅ，５０Ｆの上端部の内径はシリンダ部４１の外径よりも幾分大きく設定され且つシリンダ部４１との非接触状態を維持できる値に設定されている。また、隔壁部５０Ｅ，５０Ｆの下端部の外周は内側容器２１の内面との間に隙間を形成しているが、当該隙間は冷媒ガスの対流を生じさせるのでより狭くすることが望ましい。
そして、隔壁部５０Ｅはストレートに傾斜して拡径する形状であり、隔壁部５０Ｆはその断面形状が内側に凹となるように湾曲して拡径する形状となっている。
また、隔壁部５０Ｅ，５０Ｆにはいずれも二つの電流リード９１，９１を通す貫通穴が形成されている。
【００４４】
かかる構造により、隔壁部５０Ｅ，５０Ｆは、冷凍機４０の低温伝達部４３及び熱交換器４４を、その周囲及び上方からの対流する冷媒ガスから遮蔽することができ、また、隔壁部５０Ｅ，５０Ｆの下方から内側に入ってくる冷媒ガスが主に冷却され、液体冷媒に戻されるため、冷媒ガスの対流が発生し難くなり、液面と熱交換器４４との間で小さな対流が主に生じる。従って、必要となる冷却能力を低減し、冷凍機４０を小型化し、冷凍機４０の電力消費の低減を図ることを可能とする。
また、隔壁部５０Ｅ，５０Ｆは、低温伝達部４３と熱交換器４４に接触又は密着していないので、低温伝達部４３及び熱交換器４４の表面全体で効率良く冷媒ガスの冷却を行うことが可能である。
また、隔壁部５０Ｅ，５０Ｆは、その下端部が液体冷媒６０の液面６１のほぼ全体を覆っているので、蓋体３０の下面に到達する冷媒ガスを極力低減し、冷媒ガス温度の上昇を効果的に抑制する。また、その下端部により、液面から気化した冷媒ガスのほぼ全体を低温伝達部４３及び熱交換器４４に導いて冷却することができ、液面に対する熱回収の交換率を高めることが可能となる。このため、さらに小型の冷凍機４０を使用することが可能となる。
また、隔壁部５０Ｅ，５０Ｆは、その下端部が拡径している形状であり、その外周面は内側容器２１の内面に対して多少の隙間が形成されており、これにより、蓋体３０の取り外し等の作業性の向上を図っている。なお、冷媒ガスの対流防止の観点から、上記隙間は小さい方が良い。
なお、隔壁部５０Ｅ，５０Ｆの上端部に、隔壁部５０と同様に天板部５１を設け、当該天板部５１により、隔壁部５０Ｅ，５０Ｆ全体を冷凍機４０のシリンダ部４１に固定支持させる構造としても良い。かかる構造により、低温伝達部４３の上方への冷媒ガスの回り込み量を低減し、液面に対する熱回収の交換率を高めることが可能となる。
【００４５】
［隔壁部の他の例(6)］
図９は他の例としての隔壁部５０Ｇを備えるクライオスタット１０Ｇを一部省略して図示している。クライオスタット１０Ｇにおいて隔壁部５０Ｇ以外の構成についてはクライオスタット１０と同一である。
この隔壁部５０Ｇは、前述した隔壁部５０と、隔壁部５０の外周から内側容器２１の内周面に至るまでのほぼ全体の領域を埋める断熱材５３Ｇとから構成されている。
断熱材５３Ｇの穴径は隔壁部５０の外径と略一致し、断熱材５３Ｇの内周面と隔壁部５０の外周面とが隙間なく密着している。
また、断熱材５３Ｇは、その上端面は蓋体３０の下面に密着し、下端面は隔壁部５０の高さ方向の中間位置より幾分下に位置している。なお、この断熱材５３Ｇの下端部の高さは適宜変更しても良い。例えば、より液面近くとしても良い。
また、断熱材５３Ｇの外周面は内側容器２１の内面に対して多少の隙間が形成されており、これにより、蓋体３０の取り外し等の作業性の向上を図っている。なお、冷媒ガスの対流防止の観点から、上記隙間は小さい方が良い。
また、断熱材５３Ｇには二つの電流リード９１，９１を通す貫通穴が形成されている。
また、この断熱材５３Ｇは、隔壁部５０若しくは蓋体３０の何れか一方又は双方に対して固着して一体的に連結しても良い。
【００４６】
かかる構造により、隔壁部５０Ｇは、冷凍機４０の低温伝達部４３及び熱交換器４４を、その周囲及び上方からの対流する冷媒ガスから遮蔽することができ、また、隔壁部５０の下方から内側に入ってくる冷媒ガスが主に冷却され、液体冷媒に戻されるため、冷媒ガスの対流が発生し難くなり、液面と熱交換器４４との間で小さな対流が主に生じる。従って、必要となる冷却能力を低減し、冷凍機４０を小型化し、冷凍機４０の電力消費の低減を図ることを可能とする。
また、隔壁部５０Ｇは、低温伝達部４３と熱交換器４４に接触又は密着していないので、低温伝達部４３及び熱交換器４４の表面全体で効率良く冷媒ガスの冷却を行うことが可能である。
また、断熱材５３Ｇは、蓋体３０の下側の領域全体を埋めているので、蓋体３０の下面に到達する冷媒ガスを極力低減し、冷媒ガス温度の上昇を効果的に抑制する。また、断熱材５３Ｇは、断熱材料からなるので、蓋体３０からの熱侵入を効果的に防止することが可能である。これにより、冷媒ガスの対流の発生を効果的に抑制し、冷媒ガスの冷却を効果的に行うことが可能となる。このため、冷凍機４０の小型化を図ることが可能となる。また、断熱材５３Ｇは、冷媒ガスの対流の発生空間を広範囲で埋めているので、対流を効果的に防止することが可能である。
【００４７】
［その他］
なお、上述した隔壁部５０〜５０Ｇは、低温伝達部４３に熱交換器４４を設けない冷凍機に適用することも可能である。その場合には、冷凍機４０の低温伝達部４３の底面高さを液体冷媒６０の液面６１の上限高さに近接し且つ幾分上方とすることが望ましい。
また、上述した冷凍機４０は、冷凍機ＧＭ冷凍機以外の他の蓄冷式の冷凍機や蓄冷式以外の冷凍機を利用することも可能である。
さらに、上述した冷却容器としてのクライオスタット１０〜１０Ｇが冷却を行う被冷却物は、超電導コイルに限らず、その他のあらゆる超電導機器を対象とすることが可能である。
【００４８】
［性能比較］
図１０は上記比較例のクライオスタット１０Ｘ（以下、図２のクライオスタットとする）における冷媒容器２０内の冷媒ガス温度Th1、液体冷媒温度Th2、熱交換器４４の表面温度Th3の温度変化（摂氏）及び内部圧力の変化Phを示した線図であり、図１１はクライオスタット１０（図１のクライオスタットとする）における冷媒容器２０内の冷媒ガス温度Tj1、液体冷媒液面温度Tj2、熱交換器４４の表面温度Tj3の温度変化（摂氏）及び内部圧力の変化Pjを示した線図である。また、発明を適用した他の例として図９に示すクライオスタット１０Ｇを用意し、これによる冷媒容器２０内の冷媒ガス温度Tk1、液体冷媒液面温度Tk2、熱交換器４４の表面温度Tk3の温度変化（摂氏）及び内部圧力の変化Pkの線図を図１２に示す。なお、これらのクライオスタットは装置における各温度の測定位置を同一とし、冷媒ガスの圧力Ph1、Pj1、Pk1は、槽内の同一位置で測定を行っている。
なお、上記各クライオスタット１０，１０Ｘ、１０Ｇにおける冷媒ガス温度の測定位置は、冷却部とリード線９１の間の位置であって、高さとしては図９に示す断熱材５３Ｇの直下となる程度の高さである。
【００４９】
図１０に示すように図２のクライオスタットでは、冷媒ガスの温度は、液体冷媒の温度変化に追従して＋10度程度の差を維持しつつ同様に冷却が行われているが、図１のクライオスタットと図９のクライオスタットでは、図１１及び図１２に示すように、液体冷媒が緩やかに冷却されるのに対して冷媒ガスは当初のみ冷却され、途中からは冷却が進まずむしろ緩やかに温度上昇が生じているのが分かる。
つまり、図２のクライオスタットでは冷媒ガスの対流が生じて冷凍機４０から離れた冷媒ガスまで冷却が行われており、図１のクライオスタットと図９のクライオスタットでは冷媒ガスの対流が生じないため、冷凍機４０から離れている場所では冷媒ガスは冷却されず、冷媒ガス温度が上昇に転じていることが観測された。
つまり、クライオスタット１０では、液体冷媒は正常に温度が低下していくことから、隔壁部５０の外側の冷媒ガスは冷却が進まないが、隔壁部５０内では冷媒ガスが適正に冷却されて液体冷媒に戻されていることが分かる。
また、図１のクライオスタットと図９のクライオスタットとで冷媒ガスの温度を比較した場合、図９のクライオスタットの方が液体冷媒や熱交換器との温度差が大きく、また、温度の上昇率も若干高くなっている。つまり、図９のクライオスタットでは、その隔壁部５０Ｇが断熱材５３Ｇ（図９参照）を備えているので、
より効果的に冷媒ガスの対流が抑制され、冷凍機４０から離れている場所では冷媒ガス温度が上昇しやすく、その一方で、冷凍機４０の冷却部は液体冷媒に対してより効率良く冷却を行っていることが観測された。
また、図２のクライオスタットに比べて図１のクライオスタットは、液体冷媒が効率的に冷却されるので冷媒ガスの液化が進み、冷媒ガスの圧力が時間と共に効率良く低下しており、図９のクライオスタットは、液体冷媒がより効率的に冷却されるので、冷媒ガスの圧力がより顕著に低下観測された。
【符号の説明】
【００５０】
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆ，１０Ｇ  クライオスタット（冷却容器）
２０  冷媒容器
３０  蓋体
４０  冷凍機
４３  低温伝達部（冷却部）
４４  熱交換器（冷却部）
５０，５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ，５０Ｄ，５０Ｅ，５０Ｆ  隔壁部
５１  天板部
５２，５２Ｃ側壁部
５２Ｄ  側壁部
５３Ｇ  断熱材
５４Ｃ  断熱ブロック
５５Ｄ  底板部
６０  液体冷媒
６１  液面
９０  超電導コイル（超電導機器）
９１，９１  電流リード
【図１】
2013247323.tif 000003
【図２】
2013247323.tif 000004
【図３】
2013247323.tif 000005
【図４】
2013247323.tif 000006
【図５】
2013247323.tif 000007
【図６】
2013247323.tif 000008
【図７】
2013247323.tif 000009
【図８】
2013247323.tif 000010
【図９】
2013247323.tif 000011
【図１０】
2013247323.tif 000012
【図１１】
2013247323.tif 000013
【図１２】
2013247323.tif 000014