JP2005201604A - 低温冷却システム及び蓄熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被冷却物の取付場所やサイズの制約が少なく、柔軟性が高い低温冷却システムを提供する。
【解決手段】冷却手段３０が停止した場合でも、被冷却物１０を低温に保つための低温冷却システムにおいて、切離手段３２を介して前記冷却手段と熱接触させた蓄熱装置４０と、該蓄熱装置の寒冷を被冷却物に伝達するための循環ライン５６を有する循環手段５０とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、低温冷却システム及び蓄熱装置に係り、特に、超電導マグネット、超電導コイル、大型コールドパネル等の、極低温冷却する必要が有り、常に低温状態を保つ必要がある機器の冷却に用いるのに好適な、メンテナンスや故障等で冷却装置が停止した場合でも、被冷却物を低温に維持することが可能な低温冷却システム、及び、そのための蓄熱装置に関する。

冷凍機の保守、点検等のためのメンテナンス作業の際に運転を中断する必要がなく、又、被冷却物の昇温を伴わずに冷凍機のみの昇温が行なえ、長時間運転に対応可能な極低温冷却装置として、特許文献１に記載されたものがある。この冷却装置では、図１に示す如く、冷凍機２０によって発生された寒冷は、熱スイッチ２２を経由して、伝熱板２４を冷却する。その結果、この伝熱板２４に直接、接触している被冷却物１０が冷却される。又、被冷却物１０は、熱的に接する状態で蓄熱装置２６によって覆われている。この蓄熱装置２６は、ヘリウムガス、磁性蓄冷材、鉛等の熱容量（比熱）の大きい物質より構成され、冷凍機２０をメンテナンスや故障等で交換する際、冷凍機２０から寒冷を発生させなくなった場合でも、この蓄熱装置２６に寒冷を保持し、被冷却物１０を低温状態に保持させる。又、熱スイッチ２２は、冷却状態のときＯＮになっていて、冷凍機２０をメンテナンスや故障等で交換するときにＯＦＦとなり、伝熱、断熱機能を果たす。

特開平９−１１３０４８号公報

しかしながら特許文献１に記載された冷却装置では、次のような問題点がある。

（１）被冷却物１０を直接、冷凍機２０との熱接触による伝導で冷却しているので、特に被冷却物１０が大型の場合、温度差が生じ、均等に冷却するのが困難である。

（２）被冷却物１０を、直接、冷却装置に結合するので、取付場所やサイズも制約が大きい。

（３）直接熱接触のため、被冷却物１０が動くもの（例えば回転体等）の場合、冷却が困難となる。

（４）蓄熱装置２６として使用される熱容量（比熱）の大きい物質は、概して熱伝導が悪いので、特に大型化しようとすると、蓄熱装置２６内部の温度差が大きくなり、蓄熱効率が低下する。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、被冷却物の取付場所やサイズの制約が少なく、柔軟性が高い低温冷却システムを提供することを課題とする。

本発明は、冷却手段が停止した場合でも、被冷却物を低温に保つための低温冷却システムにおいて、切離手段を介して前記冷却手段と熱接触させた蓄熱装置と、該蓄熱装置の寒冷を被冷却物に伝達するための循環ラインを有する循環手段とを備えることにより、前記課題を解決したものである。

又、前記切離手段に熱スイッチを含めて、冷却手段を切離したときに蓄熱装置への侵入熱を低減し、更に長い時間、低温状態を保てるようにしたものである。

又、前記循環手段が、常温の場所に配設された循環ポンプと、該循環ポンプにより常温近くまで、温度が上昇した循環流体を冷却するための熱交換器とを含むようにして、熱効率を高めたものである。

又、前記冷却手段、切離手段、蓄熱装置を複数設けて、冷却能力や蓄熱能力を高めたものである。

又、前記複数の蓄熱装置を、循環ラインに直列に設けて、熱効率を高めたものである。

本発明は、又、熱容量の大きい蓄熱体と、該蓄熱体の各部に熱を伝えて熱分布を均一にするための、循環ラインと熱接触される良熱伝導体と、を備えたことを特徴とする低温冷却システム用の蓄熱装置を提供するものである。

本発明によれば、蓄熱装置が熱を貯えるので、冷却手段が停止しても、被冷却物は低温状態を保つことができる。その際、循環ラインの流体によって被冷却物を冷却するので、（１）循環ラインを被冷却物全体に巻き付けて冷却することにより、被冷却物が大型になっても、その温度差を小さくでき、均一に冷却できる、（２）被冷却物を冷却系と別置きにでき、取付けの自由度が大きく、又、サイズの制約もない、（３）被冷却物が動くもの（例えば回転体等）でも冷却可能である。

又、蓄熱体と良熱伝導体により構成した蓄熱装置によれば、全体が均一な温度となり、蓄熱効率が良い。

又、複数の冷却手段を用いることで、同時に複数の被冷却物を複数の温度に冷却することもできる。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

本発明の第１実施形態は、図２に示す如く、スリーブや冷凍機シリンダ等の切離手段３２を介して冷凍機等の冷却手段３０と熱接触させた蓄熱装置４０と、該蓄熱装置４０の寒冷を被冷却物１０に伝達するための、循環ポンプ５２、熱交換器５４、循環ライン５６から構成される循環手段５０が備えられている。

前記冷却手段３０としては、ギフォード・マクマホン（ＧＭ）冷凍機、パルス管冷凍機、スターリング冷凍機等の機械式冷凍機、あるいは、寒剤を用いることができる。その際、機械式冷凍機として複数の段数を持つものを使用し、その高温側１段ステージへ輻射シールド板を接続することにより、侵入熱の低減を図ることもできる。

前記切離手段３２としては、スリーブや冷凍機シリンダ等を用いることができる。特許文献１に記載されたような熱スイッチ（ヒートパイプ、機械式スイッチ、電磁式スイッチ等）を、この切離手段３２に含めると、冷却手段３０を切離したときに、蓄熱装置４０への侵入熱低減を図ることができ、更に長い時間、低温状態を保つことができる。熱スイッチにヒートパイプを用いる場合、その中の流体としては、ヘリウム３、ヘリウム４、水素、ネオン、酸素、窒素、アルゴン等、又は、これらの混合体を用いることができる。

前記蓄熱装置４０は、図３（全体の斜視図）及び図４（底面図）に示す如く、熱容量（比熱）の大きい蓄熱体４２と、良熱伝導体の外枠４４及びフィン４６により構成することができる。

前記蓄熱体４２は、例えば溶かして流し込むことによって、外枠４４内に配置する。この蓄熱体４２としては、特に３０Ｋ以下で比熱の大きい半田、亜鉛、錫、亜鉛、ビスマス、インジウム、磁性蓄冷材、ヘリウムガス等を用いることができる。

前記外枠４４の形状は、図に示した角型の他、円筒形等を用いることができる。又、外枠４４内のフィン４６には、例えば図に示した板状の他、金網、発泡材等を用いることができる。この外枠４４及びフィン４６を構成する良熱伝導体としては、例えば低温で熱伝導の良い銅、アルミニウム、及び、それらの合金等を用いることができる。なお、良熱伝導体の構成は、外枠とフィンに限定されず、例えば、フィンを省略することもできる。

この蓄熱装置４０を前記循環ライン５６と充分に熱接触させ、熱交換させる。

前記循環ポンプ５２としては、圧縮機、ブロア、真空ポンプ等を用いることができる。なお、循環ラインの配置等によって自然循環が期待できる場合には、循環ポンプ５２を省略することもできる。

前記熱交換器５４は、常温の場所に配設された循環ポンプ５２により常温近くまで温度が上昇した循環流体を、被冷却物１０を冷却した後の循環流体により一次冷却するために設けられている。この熱交換器５４としては、例えば積層熱交換器、チューブインチューブ熱交換器等を用いることができる。この熱交換器５４も省略可能である。

前記循環ライン５６を流れる流体としては、ヘリウム３、ヘリウム４、水素、ネオン、酸素、窒素、アルゴン等、又は、これらの混合体を用いることができる。

この循環ライン５６と前記蓄熱装置４０との熱伝達は、半田付けや蝋付け等により、蓄熱装置４０を構成する良熱伝導体と循環ライン５６が十分に熱接触するように形成する。あるいは、図５（側面図）及び図６（平面図）に示す変形例のように、良熱伝導体（４４）内部に穴４４Ｈをあけ、循環ライン５６の一部を形成したり、若しくは、図７に示す他の変形例のように、循環ライン５６を良熱伝導体（４４、４６）の中に挿入することもできる。あるいは、図８に示す更に他の変形例のように、蓄熱装置４０の外側に、循環ライン５６をコイルのように巻付けても良い。

又、蓄熱体として熱容量の大きいヘリウムガスを用いる場合には、図９（縦断面図）及び図１０（図９のＸ−Ｘ線に沿う横断面図）に示す変形例のように、蓄熱装置として、内部にヘリウムガス流入用の多数の穴６４Ｈが形成されたヘリウムポット６０にヘリウムガスを充填したものを用いることもできる。図において、５６Ｈは循環ライン穴、６６は、上部６２又は下部６４の少なくとも一方（図では下部６４）の外周をカバーする締めリング、６８は、ヘリウム供給用配管である。

前記循環ライン５６と被冷却物１０との熱伝達も、半田付け、蝋付け等により、被冷却物全体に伝熱できるように形成する。

以下、本実施形態の作用を説明する。

まず通常運転時には、冷却手段３０で発生した寒冷により、切離手段３２を経由して蓄熱装置４０が直接伝導により冷却される。循環ポンプ５２により循環ライン５６内を流体が循環し、循環の途中で熱交換器５４や蓄熱装置４０と熱交換し、流体が冷却され、この流体により被冷却物１０を冷却する。

一方、冷却手段３０をメンテナンスや故障により停止する際には、切離手段３２により冷却手段３０を蓄熱装置４０から切り離す。蓄熱装置４０が熱（低温）を蓄えるので、冷却手段３０が停止したり、取り外されても、被冷却物１０は低温状態を保つ。

このように、流体の循環によって被冷却物１０を冷却するので、図示していないが、真空容器を冷却系と被冷却物で分けて設置できるため、被冷却物の取付場所やサイズの制約がない。又、冷却系と直接接触しておらず、流体によって被冷却物１０を冷却しているので、被冷却物が動くもの（例えば回転体等）でも取付可能となる。又、被冷却物が大型の場合は、循環ラインを被冷却物全体に巻き付かせて冷却することができるので、被冷却物の内部温度差が小さく、均等に冷却できる。

なお、本発明は流体の循環によって被冷却物を冷却するので、循環ライン５６に設ける冷却手段３０や蓄熱装置４０の数は１つに限定されず、図１１に示す第２実施形態のように、循環ライン５６内に例えば直列に複数（図では２組）の冷却手段３０Ａ、３０Ｂ、切離手段３２Ａ、３２Ｂ、蓄熱装置４０Ａ、４０Ｂを配置し、直列の場合は複数の被冷却物（冷却温度が高い被冷却物１０Ａと冷却温度が低い被冷却物１０Ｂ）を複数の温度に冷却することができる。

なお、蓄熱装置４０を循環ライン５６内に複数設ける場合には、直列に配置した方が有利である。以下その理由を説明する。図１２に、３組の冷却手段３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、切離手段３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、蓄熱装置４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃを循環ライン５６に直列配置した本発明の第３実施形態を示す。図１３に、３組の冷却手段３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、切離手段３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃを１つの蓄熱装置４０に一体化した一体型配置の本発明の第４実施形態を示す。図１４に、３組の冷却手段３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、切離手段３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、蓄熱装置４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃを循環ライン５６に並列配置した本発明の第５実施形態を示す。

これらの図で使用されている冷却手段は全く同一のものであり、同じ冷却能力を持つものとする。又、切離手段と蓄熱装置は熱的に寄与せず、冷却手段より発生した冷却能力をそのまま循環ラインへ伝えるものとする。即ち、切離手段と蓄熱装置は温度一定となり、単なる伝熱経路となり、又、冷却手段より発生した寒冷は効率１００％で循環ラインへ伝熱するものとする。又、循環ライン入口での温度、流量は全てのケースで同一とする。

冷却手段として機械式冷凍機を採用した場合、ある温度範囲においては温度と冷却能力の関係は直線となる。即ち、図１５に示すように温度が低くなると冷却能力も小さくなる。

一方、冷却手段と循環ラインの熱交換は１セットで考えると、入口から入った暖かな流体が段々冷却されて出口では冷却手段と同じ温度となる。即ち、図１６に示すように入口では冷却手段と循環ラインの温度差は大きいが、流れていくにつれて段々冷却され温度差は小さくなっていき、最終的には冷却手段と同じ温度となる。このときの出口温度は、循環ラインの流れによる熱移送と冷却手段の冷却能力がバランスする温度となる。即ち、熱移送は循環ラインを流れる流体の流量、比熱、温度差より算出され、冷却能力は図１５に示すようなロードマップより算出される。

上記のような考えで計算した温度の一例を図１２〜図１４中に示す。それぞれの出口温度を比較すると、図１２の直列配置では２０．２Ｋになるのに対し、図１３の一体型、図１４の並列配置では２１．４Ｋとなり、直列配置の方が温度が低くなる。これは流れの上流では温度が高く冷却能力が大きいので、３台トータルの冷却能力は一体型や並列配置より大きくなり、より循環ラインの流体を冷却できるからである。その結果、直列配置が最も出口温度が低い、即ち、被冷却物を最も効率良く冷却することができるので配列的に有利と言える。

なお、図１２乃至図１４に示した３つの実施形態のうち、直列配置の第３実施形態が最も有利ではあるが、図１３に示した一体型配置の第４実施形態、図１４に示した並列配置の第５実施形態も本発明の範囲に含まれる。

本発明は、超電導マグネット、超電導コイル等の超電導機器や、大型コールドパネル等、極低温冷却する必要があり、常に低温状態を保つ必要のある機器一般に適用できる。

特許文献１に記載された従来の極低温冷却装置の構成を示す断面図 本発明に係る低温冷却システムの第１実施形態の構成を示す管路図 第１実施形態の蓄熱装置の近傍を示す斜視図 同じく蓄熱装置の底面図 蓄熱装置の変形例を示す断面図 同じく平面図 蓄熱装置の他の変形例を示す側面図 蓄熱装置の更に他の変形例を示す断面図 蓄熱装置の更に他の変形例を示す断面図 図９のＸ−Ｘ線に沿う横断面図 本発明に係る低温冷却システムの第２実施形態の構成を示す管路図 同じく直列配置の第３実施形態を示す管路図 同じく一体型配置の第４実施形態を示す管路図 同じく並列配置の第５実施形態を示す管路図 直列配置が有利な理由を説明するための、機械式冷凍機の温度と冷却能力の関係を示す線図 同じく、冷却手段と循環ラインの温度分布の例を示す線図

符号の説明

１０…被冷却物
３０、３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ…冷却手段
３２、３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ…切離手段
４０、４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ…蓄熱装置
４２…蓄熱体
４４…外枠
４６…フィン
５０…循環手段
５２…循環ポンプ
５４…熱交換器
５６…循環ライン

Claims (6)

1. 冷却手段が停止した場合でも、被冷却物を低温に保つための低温冷却システムにおいて、
   切離手段を介して前記冷却手段と熱接触させた蓄熱装置と、
   該蓄熱装置の寒冷を被冷却物に伝達するための循環ラインを有する循環手段と、
   を備えたことを特徴とする低温冷却システム。
2. 前記切離手段が、熱スイッチを含むことを特徴とする請求項１に記載の低温冷却システム。
3. 前記循環手段が、
   常温の場所に配設された循環ポンプと、
   該循環ポンプにより常温近くまで温度が上昇した循環流体を冷却するための熱交換器と、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の低温冷却システム。
4. 前記冷却手段、切離手段、蓄熱装置が複数設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の低温冷却システム。
5. 前記複数の蓄熱装置が、循環ラインに直列に設けられていることを特徴とする請求項４に記載の低温冷却システム。
6. 熱容量の大きい蓄熱体と、
   該蓄熱体の各部に熱を伝えて熱分布を均一にするための、循環ラインと熱接触される良熱伝導体と、
   を備えたことを特徴とする低温冷却システム用の蓄熱装置。

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