(57)【要約】【課題】小型で、液体冷媒の補充も容易で、かつ、液体冷媒の温度の長期的な安定性にも優れた、液体冷媒過冷却用の冷却装置を提供すること。【解決手段】断熱槽１２と、断熱槽１２に囲まれるとともに、大気解放されており、液体冷媒を貯液するための液体冷媒槽１４と、液体冷媒槽１４内に設けられ、液体冷媒槽１４に貯液された液体冷媒の一部を、蒸発させるために内部に取り込むための蒸発部１６と、液体冷媒槽１４に貯液された液体冷媒の一部を蒸発部１６内に取り込ませ、取り込まれた液体冷媒を蒸発部１６内で蒸発させるために、蒸発部１６の内部の圧力を減圧する減圧手段１８と、蒸発部１６において液体冷媒が蒸発してなる気体の流量を調整するための流量調整器２０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】
断熱槽と、
前記断熱槽に囲まれるとともに、大気解放されており、液体冷媒を貯液するための液体冷媒槽と、
前記液体冷媒槽内に設けられ、前記液体冷媒槽に貯液された液体冷媒の一部を、蒸発させるために内部に取り込むための蒸発部と、
前記液体冷媒槽に貯液された液体冷媒の一部を前記蒸発部内に取り込ませ、前記取り込まれた液体冷媒を前記蒸発部内で蒸発させるために、前記蒸発部の内部の圧力を減圧する減圧手段と、
前記蒸発部において液体冷媒が蒸発してなる気体の流量を調整するための流量調整手段と、
を備える冷却装置。
【請求項２】
前記蒸発部の内部に液体冷媒が取り込まれることを阻止する阻止手段をさらに備える、請求項１に記載の冷却装置。
【請求項３】
前記蒸発部の内部側から外部側へ向かって前記阻止手段に対して所定圧力を加える加圧手段をさらに備え、
前記所定圧力と、前記蒸発部の内部の圧力との和が、前記液体冷媒槽内に貯液された液体冷媒の圧力よりも大きい場合、前記阻止手段が機能し、前記蒸発部の内部に液体冷媒が取り込まれることが阻止され、小さい場合、前記阻止手段が機能せず、前記蒸発部の内部に液体冷媒が取り込まれるようにした、請求項２に記載の冷却装置。
【請求項４】
前記阻止手段は、前記液体冷媒槽に貯液された液体冷媒の一部を前記蒸発部が取り込むための取込口を塞ぐことが可能な閉塞蓋であり、
前記加圧手段はバネであり、
前記閉塞蓋は、前記所定圧力と、前記蒸発部の内部の圧力との和が、前記液体冷媒槽内に貯液された液体冷媒の圧力よりも大きい場合、前記取込口を塞ぐことによって、前記蒸発部の内部に液体冷媒が取り込まれることを阻止し、小さい場合、前記取込口を塞がないことによって、前記蒸発部の内部に液体冷媒が取り込まれるようにした、請求項３に記載の冷却装置。
【請求項５】
前記蒸発部の内部に、前記蒸発部に取り込まれた液体冷媒をトラップするためのトラップ部を設け、
前記トラップ部にトラップされたすべての液体冷媒が蒸発される間、前記トラップ部にトラップされた液体冷媒の液面の面積は一定である、請求項１乃至４のうち何れか１項に記載の冷却装置。
【請求項６】
前記液体冷媒槽に貯液された液体冷媒を加熱するための加熱ヒータを、前記液体冷媒槽内の前記蒸発部の近傍に設けた、請求項１乃至５のうち何れか１項に記載の冷却装置。
【請求項７】
前記減圧手段はポンプである、請求項１乃至６のうち何れか１項に記載の冷却装置。
【請求項８】
前記液体冷媒は液体窒素である、請求項１乃至７のうち何れか１項に記載の冷却装置。
【請求項９】
前記液体冷媒槽が、高い熱伝導特性を有する金属からなる、請求項１乃至８のうち何れか１項に記載の冷却装置。
【請求項１０】
超伝導デバイスを冷却するために、前記断熱槽の内部でかつ前記液体冷媒槽の外部に前記超伝導デバイスを実装した、請求項１乃至９のうち何れか１項に記載の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、液体冷媒を過冷却する冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば液体窒素のような液体冷媒を過冷却する場合、特許文献１のように、液体窒素を冷凍機によって過冷却する方法や、液体窒素を入れた槽を減圧して、液体窒素を過冷却する方法が用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−８６４１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このような従来の過冷却方法では、以下のような問題がある。
【０００５】
すなわち、冷凍機によって液体冷媒を過冷却する方法は、温度の安定性には優れているが、装置全体の大型化をもたらし、可搬性が低下するという問題がある。
【０００６】
また、液体窒素を入れた槽を減圧して過冷却する場合、槽を密閉する必要がある。このため、蒸発した分の液体窒素の補充が困難となり、その結果、槽内の液体窒素の温度を長時間安定させることが困難になるという問題がある。
【０００７】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、小型で、液体冷媒の補充も容易で、かつ、液体冷媒の温度の長期的な安定性にも優れた、液体冷媒過冷却用の冷却装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態の冷却装置は、断熱槽と、液体冷媒槽と、蒸発部と、減圧手段と、流量調整手段とを備えている。液体冷媒槽は、断熱槽に囲まれるとともに、大気解放されており、液体冷媒を貯液する。蒸発部は、液体冷媒槽内に設けられ、液体冷媒槽に貯液された液体冷媒の一部を、蒸発させるために内部に取り込むための機構である。減圧手段は、液体冷媒槽に貯液された液体冷媒の一部を蒸発部内に取り込ませ、取り込まれた液体冷媒を蒸発部内で蒸発させるために、蒸発部の内部の圧力を減圧する。流量調整手段は、蒸発部において液体冷媒が蒸発してなる気体の流量を調整する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施形態の冷却装置の構成例を示す概念図である。
【図２】第２の実施形態の冷却装置の構成例を示す概念図である。
【図３】第３の実施形態の冷却装置の構成例を示す概念図である。
【図４】第４の実施形態の冷却装置の構成例を示す概念図である。
【図５】第５の実施形態の冷却装置の構成例を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本発明の各実施形態の冷却装置を、図面を参照して説明する。
【００１１】
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態の冷却装置１０の構成例を示す概念図である。
【００１２】
すなわち、本実施形態の冷却装置１０は、液体冷媒を過冷却するために好適な冷却装置であって、断熱槽１２と、液体冷媒槽１４と、蒸発部１６と、減圧手段１８と、流量調整器２０とを備えてなる。
【００１３】
液体冷媒槽１４は、例えば液体窒素のような液体冷媒を貯液するための槽であり、例えば銅やアルミニウムのように高い熱伝導特性を有する金属からなり、周囲を断熱槽１２によって囲まれている。液体窒素は、融点が６３．１５Ｋであり、極低温化でも凍結しないので、極低温の冷却を実現することができ、被冷却物をその近傍まで冷却して運用するのに好適である。なお、液体冷媒は、液体窒素に限られるものではなく、液体空気、液体Ｈｅ、液体アルゴン、液体ネオン、液体酸素も使用されうる。
【００１４】
液体冷媒槽１４はまた、図中上方に、液体冷媒を補充するための注入口として使用される大気解放された開口穴２１を備えている。したがって、液体冷媒もまた開口穴２１を介して大気解放されている。よって、開口穴２１を介した液体冷媒の補充は容易である。図１では一例として２つの開口穴２１を図示しているが、開口穴２１の数は、２つに限られるものではなく、１つであっても、３つ以上あっても良い。
【００１５】
蒸発部１６は、液体冷媒槽１４内に設けられており、液体冷媒槽１４に貯液された液体冷媒の一部を取り込み、蒸発させ、すなわち気化させ、気化の過程で奪われる気化熱により、蒸発部１６の周囲の液体冷媒を冷却し、もって、液体冷媒槽１４内の液体冷媒の過冷却を実現するための機構である。
【００１６】
このような蒸発部１６は、閉塞蓋１７を備えている。閉塞蓋１７は、通常は、加圧部２４によって図中左側に加圧されることによって、蒸発部１６への液体冷媒の取込口となる蒸発部１６の開口部２２を塞ぎ、液体冷媒槽１４に貯液された液体冷媒が開口部２２から蒸発部１６の内部に流入しないようにしている。
【００１７】
しかしながら、蒸発部１６の内部に液体冷媒を取り込む場合には、閉塞蓋１７が図中右方向に移動することによって開口部２２を開き、液体冷媒槽１４に貯液された液体冷媒の一部を開口部２２を介して蒸発部１６の内部に流入させる。
【００１８】
開口部２２を開くために閉塞蓋１７を図中右側に移動させる動作は、以下に説明するように、例えば真空ポンプのような減圧手段１８によって蒸発部１６の内圧が減じられることによってなされるようにしている。
【００１９】
すなわち、図１において、液体冷媒槽１４内の液体冷媒の圧力Ｐｌｉｑと、加圧部２４によって閉塞蓋１７に加えられる一定圧力Ｐ１と、蒸発部１６の内圧Ｐとの間には、以下のような２つの状態が成立する。
【００２０】
状態（１）・・・Ｐｌｉｑ＜Ｐ＋Ｐ１    閉塞蓋１７が開口部２２を閉塞し、蒸発部１６の内部への液体冷媒の流入が阻止される。
【００２１】
状態（２）・・・Ｐｌｉｑ＞Ｐ＋Ｐ１    閉塞蓋１７が図中右側に移動して開口部２２が開き、蒸発部１６の内部へ液体冷媒が流入する。
【００２２】
すなわち、状態（１）から、蒸発部１６内を、例えば真空ポンプのような減圧手段１８で排気することで減圧し、内圧Ｐを低下させることで、状態（２）となり、蒸発部１６の内部へ液体冷媒が流入するようになる。
【００２３】
このようにして蒸発部１６の内部に取り込まれた液体冷媒は、蒸発部１６の内圧Ｐが、減圧手段１８によってさらに減圧されることによって、強制的に蒸発すなわち気化される。この気化の過程で奪われる気化熱により、蒸発部１６に接している液体冷媒槽１４内の液体冷媒が冷却されるようにしている。
【００２４】
状態（２）になった後は、蒸発部１６の内部では、液体冷媒の蒸発が進み、蒸気圧が増加する。これにより内圧Ｐが増大し、いずれは状態（１）に復帰する。
【００２５】
このようにして、状態（１）と状態（２）とが自動的にサイクルし、蒸発部１６の内部に液体冷媒が断続的に供給され、液体冷媒の過冷却がなされるようになる。
【００２６】
なお、蒸発部１６によるこの冷却能力は、閉塞蓋１７の開閉制御による液体冷媒の流入量と、真空ポンプのような減圧手段１８によって排気されるガス状の冷媒の排気量とを、流量調整器２０が制御することによって調整されるようにしている。
【００２７】
以上のように構成した本発明の第１の実施形態の冷却装置１０によれば、液体冷媒の蒸発に伴う気化熱を利用することによって、液体冷媒を安定的にかつ効率良く冷却することが可能となる。
【００２８】
また、この冷却機能は、簡便な構成により実現でき、しかも、冷凍機等を必要としないので、装置全体のサイズの大型化をもたらすことなく、小型化を図ることが可能となる。
【００２９】
さらにまた、蒸発部１６への液体冷媒の流入量と、蒸発部１６によって蒸発され、気化された冷媒の排気量とを制御することによって冷却能力を調整することができるので、より安定した冷却性能を実現することも可能となる。
【００３０】
しかも、液体冷媒槽１４が密閉されておらず、大気解放された開口穴２１から液体冷媒を補充することができるので、液体冷媒の補充も容易である。
【００３１】
液体冷媒槽１４の容積を４０ｃｃとし、常温部から液体冷媒槽１４につながる開口部２１の素材として熱伝導率が小さいステンレス製配管を用いた場合、閉塞蓋１７の開閉制御と流量調整器２０の流量調整で、液体窒素の蒸発量を１ｃｃ／分とすることにより、７７．４Ｋ下で０．５Ｗ、７２．４Ｋ下で０．３Ｗの冷却能力を得ることが可能となった。
【００３２】
［第２の実施形態］
図２は、本発明の第２の実施形態の冷却装置３０の構成例を示す概念図である。
【００３３】
本実施形態の冷却装置３０は、第１の実施形態の冷却装置１０の変形例である。したがって、図２では、図１と同一部分については同一符号を付して示すことによってその説明を省略し、以下では第１の実施形態と異なる点を説明する。
【００３４】
すなわち、本実施形態の冷却装置３０は、第1の実施形態１０における加圧部２４を備えていない。その代わりに、閉塞蓋１７の蒸発部１６の内部側と、対向する蒸発部１６の内壁とを繋ぐバネ３２を備えた構成としている。なお、閉塞蓋１７の蒸発部１６の内部側に繋がれたバネ３２が繋がれる他端は、蒸発部１６の内壁に限られるものではなく、蒸発部１６の外部や、液体冷媒槽１４の内壁であっても良い。
【００３５】
バネ３２は、閉塞蓋１７に対して蒸発部１６の内部側から開口部２２側へと所定圧力を加えるために適切なバネ定数ｋｘを有している。具体的には、蒸発部１６の内圧Ｐが常圧の場合には、閉塞蓋１７が開口部２２を塞ぎ、蒸発部１６の内圧Ｐが一定圧力まで減圧された場合に、閉塞蓋１７が図中右側に移動して、開口部２２が開き、蒸発部１６の内部に液体冷媒が流入するようになるようにバネ定数ｋｘを決定する。
【００３６】
すなわち、図２において、液体冷媒槽１４内の液体冷媒の圧力Ｐｌｉｑと、バネ３２によって閉塞蓋１７に加えられるバネ圧力Ｐｋｘと、蒸発部１６の内圧Ｐとの間には、以下のような２つの状態が成立する。
【００３７】
状態（１）・・・Ｐｌｉｑ＜Ｐ＋Ｐｋｘ    閉塞蓋１７が開口部２２を閉塞し、蒸発部１６の内部への液体冷媒の流入が阻止される。
【００３８】
状態（２）・・・Ｐｌｉｑ＞Ｐ＋Ｐｋｘ    閉塞蓋１７が図中右側に移動して開口部２２が開き、蒸発部１６の内部へ液体冷媒が流入する。
【００３９】
すなわち、状態（１）から、蒸発部１６内を、例えば真空ポンプのような減圧手段１８で排気することで減圧し、内圧Ｐを低下させることで、状態（２）となり、蒸発部１６の内部へ液体冷媒が流入する。
【００４０】
このような構成とすることによっても、第１の実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
【００４１】
［第３の実施形態］
図３は、本発明の第３の実施形態の冷却装置４０の構成例を示す概念図である。
【００４２】
本実施形態の冷却装置４０は、第２の実施形態の冷却装置３０の変形例である。したがって、図３では、図２と同一部分については同一符号を付して示すことによってその説明を省略し、以下では第２の実施形態と異なる点を説明する。
【００４３】
すなわち、本実施形態の冷却装置４０は、蒸発部１６の内部に、蒸発部１６に取り込まれた液体冷媒をトラップするためのトラップ部４２を設けている。さらに、蒸発部１６は、底面がトラップ部４２に向かって下降するロート形状をしている。
【００４４】
蒸発部１６の内部に液体冷媒を取り込む原理や、蒸発部１６の内部に取り込まれた液体冷媒を蒸発させる（気化させる）原理は、第２の実施形態で説明した通りである。
【００４５】
蒸発部１６の内部に液体冷媒が取り込まれると、液体冷媒は、蒸発部１６の底面のロート形状に沿って移動し、確実にトラップ部４２に貯まる。
【００４６】
そして、トラップ部４２にトラップされた液体冷媒が、液面側から順に蒸発（気化）して行く。図３に示す例では、トラップ部４２は、鉛直方向に伸びた円柱形状をしている。これによって、トラップ部４２にトラップされたすべての液体冷媒が蒸発されるまでの間、トラップ部４２にトラップされた液体冷媒の液面、すなわち気液界面、の面積は常に一定となる。このような構成は冷却能力を一定に保つために必須である。
【００４７】
例えば、図３のような円柱形状ではなく、底が尖った円錐形状のトラップ部（図示せず）を考える。その際、円錐形状のトラップ部にトラップされた液体冷媒は、蒸発の進行に応じて、トラップ部内の液体冷媒の量の多寡により、気液界面の面積が変化する。その結果、蒸発部１６内における液体冷媒の蒸発量が変化するため、その蒸発量に比例する冷却能力も変化してしまうからである。
【００４８】
そこで、本実施形態では、トラップされている液体冷媒の量に関わらず、気液界面の面積が常に一定となるような形状のトラップ部４２とする。これによって、蒸発部１６において液体冷媒の蒸発がなされている間にわたって、時間当たりの蒸発量が一定となり、時間当たりに発生する気化熱が一定になるので、液体冷媒をコンスタントに過冷却するようにしている。
【００４９】
なお、本実施形態の冷却装置４０は、第２の実施形態の冷却装置３０の変形例として説明したが、第１の実施形態の冷却装置１０の変形例として実現することも可能である。すなわち、閉塞蓋１７に所定圧力を加えるために、図２に示すようなバネ３２ではなく、図１に示すような加圧部２４を用いた構成に対しても適用することが可能である。
【００５０】
本実施形態の冷却装置４０は、このような構成によって、第１および第２の実施形態の冷却装置１０，３０よりもさらに安定した冷却能力を提供することが可能となる。
【００５１】
［第４の実施形態］
図４は、本発明の第４の実施形態の冷却装置５０の構成例を示す概念図である。
【００５２】
本実施形態の冷却装置５０は、第２の実施形態の冷却装置３０の変形例である。したがって、図４では、図２と同一部分については同一符号を付して示すことによってその説明を省略し、以下では第２の実施形態と異なる点を説明する。
【００５３】
すなわち、本実施形態の冷却装置５０は、液体冷媒槽１４内の蒸発部１６の近傍に、液体冷媒槽１４に貯液された液体冷媒を加熱するための加熱ヒータ５２をさらに備えている。
【００５４】
第１乃至第３の実施形態では、液体冷媒を過冷却する場合について説明した。それに対して、本実施形態の冷却装置５０は、必要温度以下まで過冷却されてしまった液体冷媒を、必要温度まで昇温するための機能として、加熱ヒータ５２を備えている。
【００５５】
一般論として、昇温するためには、外部から熱を流入することにより、温度を上げる必要がある。しかしながら、液体冷媒の消費量を抑えるために、外部からの熱流入量を抑える構成を取れば、冷却対象が大きくなってしまう。これは、使用する液体冷媒の量の増加をもたらす。よって、全体の熱容量が増加した場合、外部からの熱流入のみで、温度を上げようとすると、長い時間が必要となってしまう。
【００５６】
そこで、本実施形態では、過冷却された液体冷媒を速やかに加熱し、所望の温度にするために、加熱ヒータ５２を用いる。例えば、液体冷媒が液体窒素である場合、液体窒素の温度が、目標温度である７０Ｋに対して、６８Ｋになった場合、加熱ヒータ５２に通電することで、液体窒素の温度を、速やかに７０Ｋまで昇温することが可能になる。
【００５７】
なお、本実施形態の冷却装置５０は、第２の実施形態の冷却装置３０の変形例として説明したが、第１の実施形態の冷却装置１０の変形例として実現することも可能である。すなわち、閉塞蓋１７に所定圧力を加えるために、図２に示すようなバネ３２ではなく、図１に示すような加圧部２４を用いた構成に対しても適用することが可能である。
【００５８】
また、第３の実施形態の冷却装置４０と組み合わせて適用することも可能である。
【００５９】
本実施形態の冷却装置５０は、このような構成によって、過冷却され過ぎた場合であっても、所定温度に速やかに昇温することが可能となる。
【００６０】
［第５の実施形態］
図５は、本発明の第５の実施形態の冷却装置６０の構成例を示す概念図である。
【００６１】
本実施形態は、冷却装置の構成ではなく、その適用例に関する。図５は、その一例として、図４に示す冷却装置５０によって例えば半導体デバイスのような超伝導デバイス６２を冷却する場合における構成例を示している。
【００６２】
前述したように、本実施形態では、液体冷媒として液体窒素が好適である。液体窒素は、融点が６３．１５Ｋであり、極低温化でも凍結しないので、極低温の冷却を実現することができ、超伝導デバイス６２を冷却するのに好適である。
【００６３】
そこで、本実施形態では、図５に示すように、断熱槽１２の内部であり、液体冷媒槽１４の外壁に超伝導デバイス６２を実装する。
【００６４】
したがって、図５のような構成によれば、蒸発部１６において生成された気化熱による吸熱効果によって過冷却された液体冷媒が、例えば銅やアルミニウムのような高い熱伝導特性を持つ金属で作製された液体冷媒槽１４を冷却し、液体冷媒槽１４の内壁から外壁への熱伝導により、外壁に実装された超伝導デバイス６２を冷却する。
【００６５】
また、超伝導デバイス６２は、断熱槽１２の内部であるので、外からの熱侵入が抑制されている。さらに、超伝導デバイス６２と液体冷媒とは、金属製の液体冷媒槽１４で仕切られているため、液体冷媒の増減あるいは、冷媒の気液変化による誘電率変化の影響からもシールドされる。
【００６６】
その結果、超伝導デバイス６２を、効率良く極低温に冷却することができ、もって、超伝導デバイス６２の安定した動作を実現することが可能となる。
【００６７】
なお、本実施形態では、例として、図４に示す第４の実施形態の冷却装置５０に超伝導デバイス６２を実装した場合について説明したが、冷却装置の構成は、冷却装置５０に限られるものではなく、第１、第２、および第３の実施形態の冷却装置１０，３０，４０にも同様に実装することも可能である。
【００６８】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【００６９】
例えば、第２乃至第５の実施形態では、閉塞蓋１７に所定圧力を加えるためにバネ３２を適用する例について説明したが、閉塞蓋１７に所定圧力を加える手段はバネ３２に限るものではなく、例えば磁石の磁力を利用することによって実現することもできる。
【符号の説明】
【００７０】
１０  冷却装置、１２  断熱槽、１４  液体冷媒槽、１６  蒸発部、１７  閉塞蓋、１８  減圧手段、２０  流量調整器、２１  開口穴、２２  開口部、２４  加圧部、３０  冷却装置、３２  バネ、４０  冷却装置、４２  トラップ部、５０  冷却装置、５２  加熱ヒータ、６０  冷却装置、６２  超伝導デバイス
【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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