(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の被冷却体を個別に収容する複数の個別容器と、これらの個別容器を一括して収容する共通容器とを備え、各個別容器にその中の被冷却体を冷却するための冷媒液が収容されるクライオスタットを運転する方法であって、前記冷媒液の蒸発ガスを液化冷凍装置に取り込んで液化し、これを各個別容器内に還元する一方、前記共通容器に溜まった冷媒液を蒸発させて前記液化冷凍装置に還元することを特徴とするクライオスタットの運転方法。
【請求項２】
請求項１記載のクライオスタットの運転方法において、前記共通容器の底部に溜まった冷媒液を加熱してこれを蒸発させることを特徴とするクライオスタットの運転方法。
【請求項３】
請求項１または２記載のクライオスタットの運転方法において、前記共通容器内において各個別容器における冷媒液の液面よりも下方に位置する冷媒をクライオスタット外部と熱交換させて加温しながら前記液化冷凍装置の圧縮機入口側に吸引することを特徴とするクライオスタットの運転方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のクライオスタットの運転方法において、前記共通容器に溜まった冷媒液の液面高さを一定に維持するように当該冷媒液の蒸発量を調節することを特徴とするクライオスタットの運転方法。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれかに記載のクライオスタットの運転方法において、前記共通容器に溜まった冷媒液の近傍の圧力を所定の目標圧力に維持するように当該冷媒液の蒸発量を調節することを特徴とするクライオスタットの運転方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載のクライオスタットの運転方法において、前記各個別容器から冷媒液をオーバーフローさせて共通容器の底部へ流下させることを特徴とするクライオスタットの運転方法。
【請求項７】
複数の被冷却体を個別に収容する複数の個別容器と、これらの個別容器を一括して収容する共通容器とを備え、各個別容器にその中の被冷却体を冷却するための冷媒液が収容されるクライオスタットにおいて、前記冷媒液の蒸発ガスを取り込んで液化し、これを各個別容器内に還元するための液化冷凍装置と、前記共通容器内に溜まった冷媒液を加熱して蒸発させ、前記液化冷凍装置に還元する加熱手段とを備えたことを特徴とするクライオスタット。
【請求項８】
請求項７記載のクライオスタットにおいて、前記加熱手段を前記共通容器の最下部に設けたことを特徴とするクライオスタット。
【請求項９】
複数の被冷却体を個別に収容する複数の個別容器と、これらの個別容器を一括して収容する共通容器とを備え、各個別容器にその中の被冷却体を冷却するための冷媒液が収容されるクライオスタットにおいて、前記冷媒液の蒸発ガスを取り込んで液化し、これを各個別容器内に還元するための液化冷凍装置と、前記共通容器内において各個別容器における冷媒液の液面よりも下方に位置する冷媒をクライオスタット外部と熱交換させて加温してから前記液化冷凍装置の圧縮機入口に導くための加温通路とを備えたことを特徴とするクライオスタット。
【請求項１０】
請求項７または８記載のクライオスタットにおいて、前記共通容器内において各個別容器における冷媒液の液面よりも下方に位置する冷媒をクライオスタット外部と熱交換させて加温してから前記液化冷凍装置の圧縮機入口に導く加温通路を備えたことを特徴とするクライオスタット。
【請求項１１】
請求項９または１０記載のクライオスタットにおいて、前記加温通路に冷媒流量を調節するための流量調節弁を設けたことを特徴とするクライオスタット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、核融合、超電導エネルギ貯蔵、加速器、ＮＭＲ、リニアモータカー等に用いられる超電導磁石その他の被冷却体を液体ヘリウム等の冷媒によって冷却するクライオスタットを運転する方法及びクライオスタットに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、超電導マグネット等の被冷却体を収容するクライオスタットとしては、真空容器の中に単一の液体ヘリウム容器（冷媒容器）を収容し、この液体ヘリウム容器内に収容した液体ヘリウム中に前記被冷却体を浸漬するようにしたものが知られている。
【０００３】
ところで、このようなクライオスタットでは、共通の液体ヘリウム容器内に複数の被冷却体を収容するようにすると、いずれかの被冷却体にクエンチが発生した場合、これに起因して液体ヘリウム容器内の液体ヘリウムが急速に蒸発することによって、他の被冷却体が液体ヘリウムの液面から露出し、当該他の被冷却体までも連鎖的にクエンチしてしまうことになる。従って、かかる構成では、クエンチ発生時の液体ヘリウムロスが多く、しかも、再起動に多大な時間を要する不都合がある。
【０００４】
そこで、前記のようなクエンチの連鎖的発生を防止する手段として、複数の被冷却体を個別に収容する個別容器を備えたクライオスタットが提案されるに至っている（例えば特開平９−１７１９２１号公報参照）。
【０００５】
その構造例を図５に示す。図示のクライオスタットは、外周に真空断熱層９２をもつ共通容器９０を備え、この共通容器９０の内側に、複数の個別容器９３が収容されている。各個別容器９３内には、冷却用の液体ヘリウム９４が収容されるとともに、当該液体ヘリウム９４に被冷却体（図例では超電導磁石９６）が個別に浸漬されている。共通容器９０内には、ヘリウム液化冷凍装置９８が接続され、液体ヘリウム９４の蒸発ガスが当該ヘリウム液化冷凍装置９８に回収されるとともに、この液化冷凍装置９８で液化された液体ヘリウム９４が各個別容器９３へ還元されるようになっている。
【０００６】
このようなクライオスタットによれば、仮にいずれかの超電導マグネット９６でクエンチが発生しても、これに直接起因して急速に蒸発するのは、当該クエンチが発生した超電導マグネット９６を収容する個別容器９３内の液体ヘリウム９４のみであり、他の超電導マグネット９６までが連鎖的にクエンチしてしまうのを防ぐことができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前記クライオスタットは、各個別容器９３内で液体ヘリウム９４に超電導マグネット９６を浸漬するものであり、共通容器９０の底部に液体ヘリウム９４が溜まることは全く想定されていない。また、仮に個別容器９３から液体ヘリウム９４がオーバーフローしたり、漏れたりしても、それが微小であれば、蒸発してヘリウムガスとなるため、共通容器９０の底部には液体ヘリウムが溜まらないはずである。
【０００８】
ところが、前記タイプのクライオスタットを用いて実験したところ、実際には、図示のように共通容器９０の底部にも液体ヘリウム９４が溜まっていくことが確認された。この現象は、共通容器９０内でのヘリウムガスの対流によって共通容器９０の底部に低温ヘリウムガスが偏在することによる温度勾配と、ヘリウムガスの自重による圧力勾配とに起因して、共通容器９０の底部におけるヘリウムガスが上部におけるヘリウムガスよりも相対的に低温、高圧となり、当該底部におけるヘリウムガスの圧力がその温度における飽和圧力を上回って凝縮するためと考えられる。
【０００９】
このような液体ヘリウム溜りを放置しておくと、その液位が次第に上昇し、最終的には個別容器９３の上端を超えてしまって、当該個別容器９３を設けた意味が全くなくなってしまう。このような不都合を回避する手段として、共通容器９０に溜まった液体ヘリウム９４をポンプ等で容器外へ汲み上げることも考えられるが、かかる手段を用いた場合には、ポンプ動力も含めてエネルギーロスが著しく大きくなる。
【００１０】
また、前記のように共通容器底部に液体ヘリウム９４が溜まることは、すなわち液体ヘリウム液化冷凍装置９８の冷凍能力が無駄に消費されていることを示すものであり、その改善策が望まれる。
【００１１】
本発明は、このような事情に鑑み、共通容器内に溜まる冷媒液の増加を少ないエネルギーで防止し、かつ、当該冷媒の液化率を向上させることができるクライオスタットの運転方法及びクライオスタットを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための手段として、本発明は、複数の被冷却体を個別に収容する複数の個別容器と、これらの個別容器を一括して収容する共通容器とを備え、各個別容器にその中の被冷却体を冷却するための冷媒液が収容されるクライオスタットを運転する方法であって、前記冷媒液の蒸発ガスを液化冷凍装置に取り込んで液化し、これを各個別容器内に還元する一方、前記共通容器に溜まった冷媒液を蒸発させて液化冷凍装置に還元するものである。
【００１３】
この方法によれば、共通容器底部に溜まった冷媒液をポンプなどで汲み上げなくても、これを蒸発させるだけの構成で当該冷媒液の増加を防ぐことができる。そして、その蒸発ガスを液化冷凍装置に還元することにより、その液化冷凍能力をフルに活用して液化率を高めることができる。
【００１４】
前記冷媒液の蒸発を行わせるには、前記共通容器の底部に溜まった冷媒液を加熱するようにしてもよいし、前記共通容器内において各個別容器における冷媒液の液面よりも下方に位置する冷媒をクライオスタット外部と熱交換させて加温しながら前記液化冷凍装置の圧縮機入口側に吸引するようにしてもよい。前者の方法では、後者の方法よりも液化率の向上度合いが高い利点がある。また、後者の場合には、特別な熱源を用いずに外側容器底部の冷媒液を蒸発させることができる利点が得られる。
【００１５】
前記冷媒液を蒸発させるための入熱量や圧縮機入口側への吸引量は、液化冷凍装置の能力や運転条件とのバランスを考慮して調節することが好ましい。具体的には、前記共通容器に溜まった冷媒液の液面高さを一定に維持するように当該冷媒液の蒸発量を調節する方法や、前記共通容器に溜まった冷媒液の近傍の圧力を所定の目標圧力に維持するように当該冷媒液の蒸発量を調節する方法が好適である。
【００１６】
上述のように、本発明では、共通容器に溜まる冷媒液を蒸発させて液化冷凍装置に還元するものなので、例えば前記各個別容器から冷媒液を意図的にオーバーフローさせて共通容器の底部へ流下させることも可能であり、これによって各個別容器での液面管理をする必要がなくなり、運転はさらに容易となる。
【００１７】
また本発明は、複数の被冷却体を個別に収容する複数の個別容器と、これらの個別容器を一括して収容する共通容器とを備え、各個別容器にその中の被冷却体を冷却するための冷媒液が収容されるクライオスタットにおいて、前記冷媒液の蒸発ガスを取り込んで液化し、これを各個別容器内に還元するための液化冷凍装置と、前記共通容器内に溜まった冷媒液を加熱して蒸発させ、前記液化冷凍装置に還元する加熱手段とを備えたものである。
【００１８】
このクライオスタットでは、加熱手段を前記共通容器の最下部に設けることが、より好ましい。これにより、共通容器底部に多くの冷媒液が残るのを防ぐことができる。
【００１９】
また本発明は、複数の被冷却体を個別に収容する複数の個別容器と、これらの個別容器を一括して収容する共通容器とを備え、各個別容器にその中の被冷却体を冷却するための冷媒液が収容されるクライオスタットにおいて、前記冷媒液の蒸発ガスを取り込んで液化し、これを各個別容器内に還元するための液化冷凍装置と、前記共通容器内において各個別容器における冷媒液の液面よりも下方に位置する冷媒をクライオスタット外部と熱交換させて加温してから前記液化冷凍装置の圧縮機入口に導くための加温通路とを備えたものである。
【００２０】
この加温通路は、前記加熱手段と組み合わせて活用することも可能である。
【００２１】
また、前記加温通路に冷媒流量を調節するための流量調節弁を設ければ、その流量調節によって、共通容器下部における冷媒液の液面管理あるいは圧力管理が可能になる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施の形態を図１及び図２に基づいて説明する。
【００２３】
図示のクライオスタットは、共通容器である共通容器１０を備え、この共通容器１０の外周部には真空断熱層１２が形成されている。共通容器１０内には、複数の個別容器１４が収容され、各個別容器１４内に冷媒液である液体ヘリウム１８が収容されるとともに、被冷却体として超電導マグネット１６が浸漬されている。図例では、共通容器１０の上部開口を塞ぐトップフランジ２０から容器内に支持軸２２が垂下し、この支持軸２２の下端部に設けられた支持フランジ２４上に６つの個別容器１４が放射状に配置されている。
【００２４】
なお、本発明では個別容器１４の具体的な個数やレイアウトについては適宜設定が可能である。また、特定の個別容器１４同士を連通管等で連通して液体ヘリウムを共有するようにしてもよい。例えば３つの個別容器１４同士を連通することにより全６つの個別容器１４を２グループに分けるようにしてもよい。この場合、一方のグループにおける超電導マグネット１６にクエンチが発生しても、これに起因して他方のグループにおける超電導マグネット１６に連鎖的にクエンチが発生することが防がれる。また、前記特開平９−１７１９２１号公報に示されるように、個別容器の上部（すなわち超電導マグネット収容部分よりも上側の部分）のみが共通化されたタイプの装置にも本発明の適用が可能である。
【００２５】
前記共通容器１０内には、ヘリウムの液化冷凍装置３０が接続されている。この液化冷凍装置３０は、各個別容器１４から蒸発したヘリウムガスを回収管２６によって回収し、これを液化して、液体ヘリウムを分配管２８を通じて各個別容器１４に分配するものである。
【００２６】
なお、前述のように個別容器１４がグループ化されている場合には、各グループに属する個別容器１４のうちの１つに液体ヘリウムを供給するようにすればよい。
【００２７】
図２に示すように、前記液化冷凍装置３０は、圧縮機３１及び保冷箱３２を備え、保冷箱３２内には、主熱交換器３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃ，３３Ｄ，３３Ｅ、予冷用熱交換器３４、寒冷発生用の膨張機３５Ａ，３５Ｂ、及びＪＴ弁３６を備えている。
【００２８】
そして、圧縮機３１から吐出されたヘリウムガスが、高圧ラインに沿って主熱交換器３３Ａ〜３３Ｅを順次通って冷却され、ＪＴ弁３６で断熱膨張して液化した後、分配管２８を通じて各個別容器１４に分配される一方、各個別容器１４から蒸発した低温のヘリウムガスが回収管２６を通じて回収され、低圧ラインに沿って主熱交換器３３Ｅ〜３３Ａを順次通って高圧ライン側のヘリウムガスを冷却した後、圧縮機３１の入口側に吸込まれるようになっている。この液化冷凍装置３０の作動により、クライオスタット内において超電導マグネット１６の保冷に必要な液体ヘリウム１８が随時補給されるようになっている。
【００２９】
さらに、このクライオスタットの特徴として、前記共通容器１０の底部（図例では最下部）には、加熱手段であるヒータ４０が設けられている。
【００３０】
次に、このクライオスタットの運転手順を説明する。
【００３１】
１）共通容器１０の外周部内を真空引きして真空断熱層１２を形成する。
【００３２】
２）クライオスタット内を予冷する。この予冷は、図略の予冷ラインを通じてのクライオスタット内への液体窒素の供給、さらには、液体ヘリウムの漸次的な供給によって行うが、その手順は一般的なものであり、ここでは省略する。
【００３３】
３）ヘリウム液化冷凍装置３０をクライオスタットに接続し、立ち上げる。これにより、各個別容器１４に超電導マグネット１６の浸漬に必要な液体ヘリウム１８が供給される。このとき、個別容器１４における液体ヘリウム１８の液面調整としては、当該液面を一定高さに保つように液体ヘリウム３０の運転制御を行うことも可能であるし、各個別容器１４の底部にヒータ（共通容器１０の底部におけるヒータとは別のヒータ）を設けて余剰の液体ヘリウム１８を適宜蒸発させるようにすることも可能である。
【００３４】
４）前述の理由で共通容器１０内に上下方向の温度勾配及び圧力勾配が発生するため、これに起因して共通容器底部の低温ヘリウムガスが凝縮を始め、当該底部に液体ヘリウム１８が溜まり始める（図１（ｂ）参照）。そこで、適当なタイミングでヒータ４０を作動させ、共通容器底部の液体ヘリウム１８を蒸発させる。この蒸発したヘリウムガス１８は、回収管２６を通じて液化冷凍装置３０内に回収されるため、その分、系全体の液化率は向上する。
【００３５】
ただし、ヒータ４０による入熱量をあまり大きくすると、液化冷凍装置３０の液化冷凍能力とのバランスを崩して過剰入熱となってしまうため、その入熱量は、液化冷凍装置３０の能力及び運転条件を加味して決定することが好ましい。具体的には、共通容器底部の液体ヘリウム１８の液面高さを略一定に保ち、あるいは、当該液面近傍の圧力を目標圧力（例えば目標温度に対応するヘリウムガスの飽和圧力）に維持するように入熱量を調節する方法が好適である。
【００３６】
以上のようなクライオスタット及び運転方法によれば、ポンプ等のように特別な動力源を要する機器を用いることなく、共通容器１０の底部にヒータ４０を設けて僅かな入熱を加えるだけの簡単かつ低コスト、低エネルギーの構成で、共通容器１０底部に溜まる液体ヘリウム１８の増加を防止し、かつ、液化率を向上させることができる効果が得られる。
【００３７】
また、この方法によれば、各個別容器１４から意図的に液体ヘリウム１８をオーバーフローさせ、このオーバーフローによって共通容器１０の底部に溜まった液体ヘリウム１８をヒータ４０による入熱で蒸発させるといった運転を行うことも可能であり、これによって各個別容器１４における液面制御用のヒータ等を省略できる利点も得られる。
【００３８】
次に、第２の実施の形態を図３及び図４に基づいて説明する。
【００３９】
この実施の形態では、前記図１（ｂ）に示したヒータ４０に代え、共通容器１０内と液化冷凍装置３０とを結ぶ加温管４２が導入されている。図３に示すように、加温管４２の一方の端部（下端部）４２ａは、共通容器１０の下部、詳しくは各個別容器１４における液体ヘリウム１８の液面よりも下の部分まで至っており、他方の端部は図４に示すように液化冷凍装置３０における圧縮機３１の入口側に接続されている。
【００４０】
この加温管４２の途中には、当該加温管４２を流れるヘリウムガスをクライオスタット外部の大気と熱交換させる（すなわち加温させる）熱交換器４４が設けられるとともに、当該加温管４２におけるヘリウムガスの流量を調節するための流量調節弁４６が設けられている。
【００４１】
このクライオスタットにおいて、その運転中に流量調節弁４６を開くと、共通容器１０の下部のヘリウムガスが圧縮機３１の動力によって容器外へ導出され、熱交換器４４で加温されてから前記圧縮機３１へ吸込まれる。このようにして共通容器下部の低温ヘリウムガスが抜き取られ、圧力が下がることにより、当該共通容器底部に溜まった液体ヘリウム１８の蒸発が促進され、その増加が防がれるとともに、前記蒸発ヘリウムガスが回収管２６を通じて液化冷凍装置３０内に回収されることにより、液化率が向上する。
【００４２】
このクライオスタット及びその運転方法では、一部のヘリウムガスが加温されてから液化冷凍装置３０に導入されるので、前記第１の実施の形態のものに比べて液化率の向上度合いは下がるが、ヒータ４０等の熱源を用いずに共通容器底部の液体ヘリウム１８を蒸発させることができる利点が得られる。この方法でも、底部に溜まった液体ヘリウム１８の液面レベルや液面近傍圧力をモニタしておき、その液面レベルまたは液面近傍圧力を一定に維持するように流量調節弁４６を操作してガス流量を調節することが、より好ましい。
【００４３】
また、この第２の実施の形態で示した加温管４２と、前記第１の実施の形態で示したヒータ４０とを組み合わせ、ヒータ４０による加温で液体ヘリウム１８が蒸発することに伴う圧力上昇を加温管４２を通じてのヘリウムガスの導出によって抑えるようにしてもよい。
【００４４】
なお、以上の実施形態では、液化冷凍装置３０で液化した液体ヘリウムを直接各個別容器１４に還元するものを示したが、その還元は間接的なものであってもよい。例えば、液化冷凍装置３０で液化した液体ヘリウムをクライオスタットとは別の液体ヘリウム容器に貯蔵しておき、この液体ヘリウム容器からクライオスタット内の各個別容器１４へ適宜液体ヘリウムを補給するようにしてもよい。
【００４５】
【実施例】
前記図１及び図２に示したクライオスタットにおいて、ヒータ４０による入熱を全く行わなかった場合、及び、0.5Ｗの入熱を行った場合について、得られる液化率を下記数１に基づいて算出した。その結果、前者の場合の液化率は60％であるのに対し、後者の場合の液化率は63.3％となり、液化率が3.3％向上することが判明した。
【００４６】
【数１】
（液化率）＝（Ｈ１−Ｈ２＋Ｑ１）／（Ｈ１−Ｈ３）
ただし、Ｈ１は回収管２６を通じて液化冷凍装置３０に導入される蒸発ヘリウムガス（1.2atm，4.4K，29.92J/g）の比エンタルピ（J/G）、Ｈ２はＪＴ弁３６に導入されるヘリウムガス（1.6atm，4.8K，18.35J/g）の比エンタルピ（J/G）、Ｈ３はクライオスタット内の液体ヘリウム（1.2atm，4.4K，10.66J/g）の比エンタルピ（J/G）、Ｑ１は入熱量をＪＴ弁流量（１g/s）で除した値（J/G）である。
【００４７】
なお、前記入熱量（0.5Ｗ）は、液化冷凍装置３０の運転条件とのバランスによって決まる上限値であるが、液化冷凍装置３０の液化冷凍能力を上げる（例えばＪＴ弁３６でのヘリウム流量をアップする）ことにより、入熱量をさらに増やすことが可能であり、その分液化率をさらに高めることが可能である。
【００４８】
【発明の効果】
以上のように本発明は、クライオスタットにおける冷媒の蒸発ガスを液化冷凍装置に取り込んで液化し、これを前記クライオスタットに設けられた各個別容器内に還元する一方、これら個別容器を一括して収容する共通容器に溜まった冷媒液を蒸発させて前記液化冷凍装置に還元するものであるので、共通容器内に溜まる冷媒液の増加を少ないエネルギーで防止し、かつ、当該冷媒の液化率を向上させる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は（ｂ）のＡ−Ａ線断面図、（ｂ）は本発明の第１の実施の形態にかかるクライオスタットの内部構造を示す断面正面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態において使用される液化冷凍装置のフローシートである。
【図３】本発明の第２の実施の形態にかかるクライオスタットの断面正面図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態において使用される液化冷凍装置のフローシートである。
【図５】従来のクライオスタットの内部構造を示す断面正面図である。
【符号の説明】
１０  共通容器（共通容器）
１４  個別容器
１６  超電導マグネット（被冷却体）
１８  液体ヘリウム
２６  回収管
２８  分配管
３０  液化冷凍装置
３１  圧縮機
４０  ヒータ（加熱手段）
４２  加温管
４４  熱交換器
４６  流量調節弁
【図１】
0003887509.tif 000002
【図２】
0003887509.tif 000003
【図３】
0003887509.tif 000004
【図４】
0003887509.tif 000005
【図５】
0003887509.tif 000006