(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超臨界ヘリウム循環系で超臨界ヘリウムを循環させて、超電導マグネットを冷却する冷却装置において、超電導マグネットを収納した断熱容器内に液体ヘリウム貯槽を設け、この液体ヘリウム貯槽の内部に、超臨界ヘリウムを充填するための中圧容器を収納し、この中圧容器は低温中圧状態を保つように常時冷却され、かつ中圧容器の一端を遠隔操作弁を介して前記超臨界ヘリウム循環系に、他端を遠隔操作弁を介して超電導マグネットに接続し、冷媒循環不能が発生した場合に、前記超電導マグネット内を循環していた超臨界ヘリウムから蒸発するヘリウムガスを回収する回収配管を介して回収精製系に放出し、かつ前記中圧容器内の超臨界ヘリウムを前記超電導マグネットに供給することを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
超臨界ヘリウム循環系で超臨界ヘリウムを循環させて、超電導マグネットを冷却する冷却装置において、超電導マグネットを収納した断熱容器内に、超臨界ヘリウムを充填するための中圧容器を設け、この中圧容器は低温中圧状態を保つように常時冷却され、かつ中圧容器の一端を遠隔操作弁を介して前記超臨界ヘリウム循環系に、他端を遠隔操作弁を介して超電導マグネットに接続すると共に、中圧容器内に熱交換器を配設し、この熱交換器に超臨界ヘリウム循環系から超臨界ヘリウムを貫流させて、前記中圧容器内の超臨界ヘリウムを冷却するように構成し、冷媒循環不能が発生した場合に、前記超電導マグネット内を循環していた超臨界ヘリウムから蒸発するヘリウムガスを回収する回収配管を介して回収精製系に放出し、かつ前記中圧容器内の超臨界ヘリウムを前記超電導マグネットに供給することを特徴とする冷却装置。
【請求項３】
超臨界ヘリウム循環系で超臨界ヘリウムを循環させて、超電導マグネットを冷却する冷却装置において、超電導マグネットを収納した断熱容器内に収納された超臨界ヘリウム循環系を構成する超臨界ヘリウム熱交換器槽の内部に、超臨界ヘリウムを充填するための中圧容器を収納し、この中圧容器は低温中圧状態を保つように常時冷却され、かつ中圧容器の一端を遠隔操作弁を介して前記超臨界ヘリウム循環系に、他端を遠隔操作弁を介して超電導マグネットに接続し、冷媒循環不能が発生した場合に、前記超電導マグネット内を循環していた超臨界ヘリウムから蒸発するヘリウムガスを回収する回収配管を介して回収精製系に放出し、かつ前記中圧容器内の超臨界ヘリウムを前記超電導マグネットに供給することを特徴とする冷却装置。
【請求項４】
中圧容器と超電導マグネットの間に、超臨界ヘリウムの流量を調節する流量調節手段を装着したことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３記載のいずれかの冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、超臨界ヘリウムを流路に流して冷却する強制冷却導体を巻回した強制冷却方式の超電導マグネットの冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高耐電圧・高磁界・高電流密度が要求される核融合実験装置（炉）やエネルギ貯蔵装置などの大型超電導機器には強制冷却方式の超電導マグネットが採用されている。この大型超電導装置用強制冷却超電導マグネットの冷却装置は、図６に示すように超電導マグネット１と、超電導マグネット１に超臨界ヘリウムを循環する超臨界ヘリウム循環用ポンプ４および熱交換器５と、これらを接続する超臨界ヘリウム供給管６ａ、超臨界ヘリウム戻り管６ｂ、遠隔操作弁１８ｂと、前記超臨界ヘリウム循環用ポンプ４および熱交換器を収納し、かつ、液体ヘリウム２を収納した超臨界ヘリウム熱交換器槽３とで超臨界ヘリウム循環系６を構成しており、超臨界ヘリウム循環系６は断熱容器１５内に収納されている。断熱容器１５の外部には、ヘリウム冷凍液化装置１０と、ここで精製された液体ヘリウム２を貯液する液体ヘリウム貯槽７と、蒸発ヘリウムガスを回収するための、ガスバッグ、回収圧縮機、精製装置などで構成された回収精製系１１と、ヘリウムガス充填容器１２、ヘリウム圧縮機１３および弁１４、回収配管２０、低温高圧ヘリウム供給ライン２１を含む配管類などが配備されている。なお、液体ヘリウム貯槽７の液体ヘリウム２は超臨界ヘリウム熱交換器槽３に液体ヘリウム移送管９で移送される。なお超電導マグネット１は図示しない電力供給源から電流リード８および給電ケーブル８ａを介して励磁される。
【０００３】
この様に構成された冷却装置は、長期間安定に、かつ信頼性高く運転しなければならないため、構成主要機器の信頼性向上、二重構成化などが必要である。また、これら主要機器への電力供給が停電等の不都合により停止した場合にも、超電導マグネットに冷媒を循環できるよう、無停電電源などの対策を講じる必要がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の冷却装置は、上述したように構成されているので、停電時などの緊急時に備え、ヘリウム冷凍液化装置１０や超臨界ヘリウム循環用ポンプ４、バルブ類などの運転や制御用には異なる種類の複数以上の電力供給源を備えることが望ましい。しかしながらこれら大型超電導装置のヘリウム冷凍液化装置１０は４．５Ｋ温度で数十キロワットから百キロワット相当の冷凍能力が必要であり、従来の冷凍機のエネルギー効率（（４．５Ｋでの冷凍能力）／（室温で必要な実電気動力））を０．００３程度とすると、莫大な電力供給源が複数以上必要となる。しかも常に運転に使用するわけではなく、非常用に設けることになる。このため一般にはヘリウム冷凍液化装置１０用電力供給源は一つとし、安全運転上、不可欠な遠隔操作弁１８ｂおよび超臨界ヘリウム循環用ポンプ４などの動作用についてのみ無停電電源等の予備電源を設けることになる。
【０００５】
しかしながら、これらの基本的に同一形態（電気）のエネルギーを動作用に使用しているため、主電源のみならず予備電源にも支障が生じた場合や、電力供給源と超臨界ヘリウム循環用ポンプ４間の動力ケーブルに断線等の事態が生じた場合、または、ヘリウム冷凍液化装置１０や超臨界ヘリウム循環用ポンプ４等の冷媒供給装置に機器故障が生じた場合には、超臨界ヘリウムの循環が不能になり、超電導マグネット１をクエンチ（常電導転移）することなく運転する事は勿論、停止にも支障を来す事になる。一般に、超電導マグネット１を停止する際には、励磁電流を徐々に降下させて、大きな蓄積エネルギーの放出を抑制している。
【０００６】
したがって、励磁電流の降下中でも冷媒の循環が必要である。また、冷媒が喪失すると超電導マグネット１の温度は急激に上昇することになるが、温度の急激な上昇は大きな熱応力を生じ、超電導マグネット１の絶縁や構造の健全性を維持できなくなって、再運転が不可能になる恐れがある。
【０００７】
そこで本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、その目的は電源喪失や冷媒供給装置の機器故障時でも、超電導マグネットに冷媒を確実に循環できる高信頼性の冷却装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１の発明は、超臨界ヘリウム循環系で超臨界ヘリウムを循環させて、超電導マグネットを冷却する冷却装置において、超電導マグネットを収納した断熱容器内に液体ヘリウム貯槽を設け、この液体ヘリウム貯槽の内部に、超臨界ヘリウムを充填するための中圧容器を収納し、この中圧容器は低温中圧状態を保つように常時冷却され、かつ中圧容器の一端を遠隔操作弁を介して前記超臨界ヘリウム循環系に、他端を遠隔操作弁を介して超電導マグネットに接続し、冷媒循環不能が発生した場合に、前記超電導マグネット内を循環していた超臨界ヘリウムから蒸発するヘリウムガスを回収する回収配管を介して回収精製系に放出し、かつ前記中圧容器内の超臨界ヘリウムを前記超電導マグネットに供給することを特徴とする。
【０００９】
請求項２の発明は、超臨界ヘリウム循環系で超臨界ヘリウムを循環させて、超電導マグネットを冷却する冷却装置において、超電導マグネットを収納した断熱容器内に、超臨界ヘリウムを充填するための中圧容器を設け、この中圧容器は低温中圧状態を保つように常時冷却され、かつ中圧容器の一端を遠隔操作弁を介して前記超臨界ヘリウム循環系に、他端を遠隔操作弁を介して超電導マグネットに接続すると共に、中圧容器内に熱交換器を配設し、この熱交換器に超臨界ヘリウム循環系から超臨界ヘリウムを貫流させて、前記中圧容器内の超臨界ヘリウムを冷却するように構成し、冷媒循環不能が発生した場合に、前記超電導マグネット内を循環していた超臨界ヘリウムから蒸発するヘリウムガスを回収する回収配管を介して回収精製系に放出し、かつ前記中圧容器内の超臨界ヘリウムを前記超電導マグネットに供給することを特徴とする。
【００１０】
請求項３の発明は、超臨界ヘリウム循環系で超臨界ヘリウムを循環させて、超電導マグネットを冷却する冷却装置において、超電導マグネットを収納した断熱容器内に収納された超臨界ヘリウム循環系を構成する超臨界ヘリウム熱交換器槽の内部に、超臨界ヘリウムを充填するための中圧容器を収納し、この中圧容器は低温中圧状態を保つように常時冷却され、かつ中圧容器の一端を遠隔操作弁を介して前記超臨界ヘリウム循環系に、他端を遠隔操作弁を介して超電導マグネットに接続し、冷媒循環不能が発生した場合に、前記超電導マグネット内を循環していた超臨界ヘリウムから蒸発するヘリウムガスを回収する回収配を介して回収精製系に放出し、かつ前記中圧容器内の超臨界ヘリウムを前記超電導マグネットに供給することを特徴とする。
【００１１】
請求項４の発明は、請求項１、請求項２、請求項３記載のいずれかの冷却装置において、中圧容器と超電導マグネットの間に、超臨界ヘリウムの流量を調節する流量調節手段を装着したことを特徴とする。
【００１５】
【作用】
請求項１に対応する冷却装置においては、電源喪失時や冷媒供給装置の機器故障時等による冷媒循環不能時に、液体ヘリウム貯槽に収容された液体ヘリウムによって冷却された、中圧容器に貯蔵してある１０atm 以下の中圧の超臨界ヘリウムを、遠隔操作弁を介して、圧力差で超電導マグネットに供給できるので、超電導マグネットの冷媒循環が確保されクエンチすることなく停止できると共に、急激な温度上昇を抑制して超電導マグネットに生じる熱応力を低減できる。
【００１６】
請求項２に対応する冷却装置においては、中圧容器に貯蔵してある１０atm 以下の中圧の超臨界ヘリウムを、中圧容器内に設けられた熱交換器に、超臨界ヘリウムを運転中に貫流させて冷却しておき、前述の冷媒循環不能時に、中圧容器に貯蔵してある超臨界ヘリウムを、遠隔操作弁を介して、圧力差で超電導マグネットに供給できる。
【００１７】
請求項３に対応する冷媒装置においては、前述の冷媒循環不能時に、超臨界ヘリウム熱交換器槽に収容された液体ヘリウムによって冷却された、中圧容器に貯蔵してある１０atm 以下の中圧の超臨界ヘリウムを、遠隔操作弁を介して、圧力差で超電導マグネットに供給できる。
【００１８】
請求項４に対応する冷媒装置においては、中圧容器と超電導マグネットとの間に設置した流量調節手段によって、供給流量（供給時間）を適切な値に調整できる。この為、中圧容器に貯蔵してある中圧の超臨界ヘリウムを圧力差で超電導マグネットに供給する場合に、適切な流量または供給時間を制御して供給できるので、より信頼性が向上する。
【００２３】
【実施例】
以下本発明の各実施例を図面を用いて説明する。
図１は本発明の冷却装置の第１の実施例を示す系統構成図である。本冷却装置は、超電導マグネット１に、超臨界ヘリウムを循環する超臨界ヘリウム循環用ポンプ４の吐出側に接続され、液体ヘリウム２を収容した超臨界ヘリウム熱交換器槽３に収納された熱交換器５と、超電導マグネット１と前記超臨界ヘリウム循環用ポンプ４とを遠隔操作弁１８ｂを介して接続する超臨界ヘリウム戻り管６ｂと、超電導マグネット１と前記熱交換器５とを遠隔操作弁１８ｂを介して接続する超臨界ヘリウム供給管６ａとで超臨界ヘリウム循環系６を構成している。また、超臨界ヘリウム循環系６には蒸発ヘリウムガスを回収するための回収配管２０および低温高圧ヘリウムを供給する低温高圧ヘリウム供給管２１が接続されている。
さらに断熱容器１５内に液体ヘリウム貯槽７を設け、この液体ヘリウム貯槽７の内部には超臨界ヘリウムを充填するための中圧容器１６が収納され、中圧容器１６は逆止弁１９、遠隔操作弁１８ａおよび流量調節手段２２を介して、超臨界ヘリウム循環系６に並列に接続されている。
なお、液体ヘリウム貯槽７内の液体ヘリウム２は超臨界ヘリウム熱交換器槽３から移送管９ａで移送される。
【００２４】
さらに、超電導マグネット１あるいは超臨界ヘリウム戻り管６ｂを流れる出口超臨界ヘリウムの温度を検出する温度検出手段２７と、温度検出手段からの信号で流量調節手段２２の開口面積を制御する制御器２８を具備している。
【００２５】
次に本第１の実施例の作用効果について説明する。電源喪失や冷媒供給装置の機器故障等による冷媒循環不能が発生しない定常時は、超臨界ヘリウムは超臨界ヘリウム循環用ポンプ４により所定の圧力まで昇圧されたのち、超臨界ヘリウム熱交換器槽３内に設置してある熱交換器５で、液体ヘリウム２の蒸発潜熱を利用し所定の温度まで再冷却され、遠隔操作弁１８ｂ、超臨界ヘリウム供給管６ａを介して超電導マグネット１に供給される。超電導マグネット１で発生する熱を冷却した超臨界ヘリウムは、超臨界ヘリウム戻り管６ｂ、遠隔操作弁１８ｂを介して再び超臨界ヘリウム循環用ポンプ４に戻る。
超電導マグネット１の初期冷却あるいは定常冷却時に冷却配管１７ｂ、逆止弁１９を介して超臨界ヘリウムが所定の圧力まで中圧容器１６に充填される。中圧容器１６は液体ヘリウム貯槽７内の液体ヘリウム２によって常時冷却され、低温中圧状態を保つことができる。
一方、電源喪失や機器故障等による冷媒循環不能が発生した場合には、遠隔操作弁１８ｂを閉口し、遠隔操作弁１８ａを開口する。なお、この操作は冷媒循環不能信号を受けて、ほぼ同等に瞬時に行われる。この遠隔操作弁１８ｂの閉口により超電導マグネット１内を所定の圧力、温度で循環していた超臨界ヘリウムは停止するが、この超臨界ヘリウムが蒸発したヘリウムガスは間髪をいれず回収配管２０のラインを介して回収精製系１１に放出される。さらに、中圧容器１６に貯蔵してあった低温中圧（〜１０atm 傍）の超臨界ヘリウムが遠隔操作弁１８ａの開口により、低温ヘリウム配管１７ａを経て超電導マグネット１に供給される。
また、超電導マグネット１と中圧容器１６との間に流量調節手段２２、例えばオリフィスや流量調節弁等を装備することにより超臨界ヘリウムの供給量を調整できるので、中圧容器１６に貯蔵してある中圧の超臨界ヘリウムを圧力差で超電導マグネット１に供給する場合に、適切な流量または供給時間を制御して供給できる。供給量の制御方法としては、中圧容器１６と超電導マグネット１を含めた超臨界ヘリウム循環系６との体積および圧力の関係から事前に供給量を計算し、オリフィスや流量調節弁等の流量調節手段２２の開口面積を設定する方法と、温度検出手段２７で超電導マグネット１あるいは超電導マグネット１からの出口側の超臨界ヘリウムの温度を検出し、この温度検出手段２２からの信号で制御器２８を介して流量調節弁等の流量調節手段２２の開口面積を制御する方法がある。
【００２６】
この様に、超電導マグネットを循環する超臨界ヘリウムの流量を、流量調節手段２２で調節するようにしたので、中圧容器１６に貯蔵された超臨界ヘリウムを有効に利用できる。
したがって、信頼性がより向上する。
【００２７】
超電導マグネット１を冷却した超臨界ヘリウムから蒸発したヘリウムガスは超臨界ヘリウム戻り管６ｂ、回収配管２０を介して回収精製系１１に放出される。この動作により超電導マグネット１を消磁させる間、確実に超臨界ヘリウムを供給することができる。
【００２８】
したがって、超電導マグネットの冷媒循環が確保されクエンチすることなく、超電導マグネットを停止できると共に、急激な温度上昇を抑制して超電導マグネットに生じる熱応力を低減できる。
【００２９】
次に本発明の第２の実施例を図２を参照して説明する。第１の実施例との相違は、中圧容器１６内の超臨界ヘリウムの冷却方法である。本実施例では、中圧容器１６内の超臨界ヘリウムの冷却を超電導マグネット１の冷却に用いられる超臨界ヘリウムを中圧容器１６内の熱交換器５に貫流させる事によって行うようにしたもので、定常運転時及び冷媒循環不能時の作用効果は第１の実施例と同様である。さらに本実施例によれば、液体ヘリウム貯槽７が不要になり、装置構成をコンパクトにすることができると共に、液体ヘリウム貯槽７内の液体ヘリウム２の液面制御や供給量の調整等が不要になるので、冷却装置の制御系が簡素化される。
【００３０】
第３の実施例を図３を参照して説明する。本実施例は、中圧容器１６を超臨界ヘリウム熱交換器槽３内に収納し、液体ヘリウム２で中圧容器１６内の超臨界ヘリウムを常時冷却するようにしたもので、第２の実施例と同様の作用効果を有する。
【００３１】
第４の実施例を図４を参照して説明する。
主要構成は図１と同様であるが、超電導マグネット１を収納した断熱容器１５内に、真空減圧した減圧容器２３を設け、この減圧容器２３の一端を遠隔操作弁１８ａを介して超電導マグネット１に接続し、他端を真空排気管２４で逆止弁１９を介して回収配管２０に接続すると共に、真空排気管２４の途中から分岐して遠隔操作弁１８ｂを介して排気装置２５が装備されている。
【００３２】
次に本実施例の作用効果について説明する。
減圧容器２３は断熱容器１５の外に設置された排気装置２５により遠隔操作弁１８ｂ、真空排気配管２４を介して常時排気されている。一方、電源喪失や機器故障等による冷媒循環不能が発生した場合には、連動して排気装置２５の手前に介装された遠隔操作弁１８ｂが閉口され、同時に回収管２０に介装された遠隔操作弁１８ａが開放される事によって、超電導マグネット１、超臨界ヘリウム循環系６内の超臨界ヘリウムは一部回収配管２０を介して回収精製系１１に放出される。次に超電導マグネット１と減圧容器２３との間に介装された遠隔操作弁１８ｃを開口し、残りの低温ヘリウムガスを減圧容器２３に接続された冷却配管１７を介して減圧容器２３内に吸い込むことにより、一種のジュールトムソン断熱膨張による効果をも利用して超電導マグネット１を冷却できるのでクエンチすることなく消磁できる。また、減圧容器２３に低温ヘリウムガスが充満し、内圧が大気圧近傍まで上昇すると、逆止弁１９が作動し、回収管２０を介して回収精製系１１へとヘリウムガスを放出することによって、減圧容器２３にヘリウムガスが異常に充填されないように構成されている。
【００３３】
第５の実施例を図５を参照して説明する。
主要構成は図１乃至図４と同様であるが、本実施例においては、第１の実施例乃至第３の実施例の中圧容器１６や第４の実施例の減圧容器２３を設置する代わりに、超臨界ヘリウム熱交換器槽３内の液体ヘリウム２中に加熱手段２６を設けたものである。加熱手段２６としては、例えば電気ヒーターあるいは、室温または高温のガスを貫流させる熱交換器等液体ヘリウムを蒸発させ得るものであればよい。
【００３４】
次に、本実施例図の作用効果について説明する。
電源喪失や機器故障等による冷媒循環不能が発生した場合には、超電導マグネット１に供給する低温ヘリウムガスを超臨界ヘリウム熱交換器槽３内に設けた加熱手段２８で超臨界ヘリウム熱交換器槽３内の液体ヘリウムを蒸発させて低温ヘリウムガスを発生させるもので、気化した際に生じる超臨界ヘリウム熱交換器槽３内の圧力上昇をも利用することができるので、より単純でコンパクトな構成で低温ヘリウムガスを超電導マグネットに供給できる。
【００３５】
なお、加熱手段２８を超臨界ヘリウム熱交換器槽３内に設ける代わりに、断熱容器１５内に別の液体ヘリウム貯槽７を設け、これに加熱手段２８を設けてもよい。
【００３６】
さらに、本発明は上記した各実施例にとどまらず、各実施例を組み合わせて使用する事により、超臨界ヘリウムの供給量を増やす事ができ、超電導マグネット１の熱負荷が大きい場合や、超臨界ヘリウムの供給時間を延ばしたい場合等に有効である。
【００３７】
また、第１の実施例で説明した流量調節手段２２や、超電導マグネット１あるいは超電導マグネットからの出口側超臨界ヘリウムの少なくともいずれかの温度を検出する温度検出手段２７と、温度検出手段２７からの信号で流量調節手段２２の開口面積を制御する制御器２８を具備して、超電導マグネット１への超臨界ヘリウムの供給量を制御する構成は他の実施例にも適用できる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば電源喪失や冷媒供給装置の機器故障時でも、液体ヘリウムを低温中圧状態を保つように常時冷却された中圧容器に貯蔵してある超臨界ヘリウムを、遠隔操作弁を介して、圧力差で超電導マグネットに供給できるので、超電導マグネットに超臨界ヘリウムを確実に供給でき、クエンチや過大な熱応力の発生を回避して安全に超電導マグネットを停止できる高信頼性の冷媒装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の冷却装置の第１の実施例を示す系統構成図。
【図２】本発明の冷却装置の第２の実施例を示す系統構成図。
【図３】本発明の冷却装置の第３の実施例を示す系統構成図。
【図４】本発明の冷却装置の第４の実施例を示す系統構成図。
【図５】本発明の冷却装置の第５の実施例を示す系統構成図。
【図６】従来の冷却装置の一実施例を示す系統構成図。
【符号の説明】
１…超電導マグネット
２…液体ヘリウム
３…超臨界ヘリウム熱交換器槽
４…超臨界ヘリウム循環ポンプ
５…熱交換器
６…超臨界ヘリウム循環系
６ａ…超臨界ヘリウム供給管
６ｂ…超臨界ヘリウム戻り管
７…液体ヘリウム貯槽
８…電流リード
９…液体ヘリウム移送管
１０…ヘリウム冷凍液化装置
１１…回収精製系
１４…弁
１５…断熱容器
１６…中圧容器
１７ａ，１７ｂ，１７ｃ…低温ヘリウム配管
１８ａ，１８ｂ，１８ｃ…遠隔操作弁
１９…逆止弁
２０…回収配管
２１…低温高圧ヘリウム配管
２２…流量調節手段
２３…減圧容器
２４…真空排気配管
２５…排気装置
２６…加熱手段
２７…温度検出手段
２８…制御器
【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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