JP2014055738A - 蓄冷式冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】強度を保ちつつ、より熱侵入が小さく、かつ冷凍機を停止しても、超電導磁石を長時間保冷できる蓄冷式冷凍機を提供する。
【解決手段】シリンダを有する蓄冷式冷凍機であって、１はパルス管、２は熱交換器、３は熱交換器２に接続された畜冷器であり、パルス管1はシリンダからなり、畜冷器はシリンダとその内部に充填された銅やステンレス鋼製などの畜冷材とからなる。シリンダがＮｉを２０ｗｔ％以上含有するＮｉ合金からなるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、パルス管冷凍機などのシリンダを有する蓄冷式冷凍機に関するものであり、特に強度を保ちつつ、より熱侵入の小さいシリンダを有する蓄冷式冷凍機に関するものである。

図９は従来のパルス管冷凍機の模式図である。
図９において、１０１は真空断熱容器、１０２はその真空断熱容器内に配置される熱交換器、１０３は熱交換器１０２に接続されるＳＵＳ（ステンレス）からなるパルス管、１０４は熱交換器１０２に接続されるＳＵＳからなる蓄冷器、１０５はバッファタンク、１０６はオリフィスバルブ、１０７は低圧側制御バルブ、１０８は高圧側制御バルブ、１０９はガス圧縮機である。

上記した従来のパルス管冷凍機において、蓄冷器は、シリンダとその内部に充填された銅やＳＵＳ製金網などの蓄冷材からなり、パルス管はシリンダからなる。
これらシリンダは、一端が高温端、他端が低温端であり、高温端から低温端への侵入熱が多いほど冷凍能力が低下し、低温端の温度が上昇するため、通常シリンダとしては熱伝導率が低いステンレス中空管が使用されている。

さらに熱伝導を抑制するためには、シリンダをより薄肉にする必要があるが、管内部に掛かる圧力に耐え得る範囲内でしか薄肉にすることは出来ず、例えば、内径５０ｍｍの場合、内圧３ＭＰａに耐え得る肉厚を許容応力から計算すると、０．７５ｍｍとなる。肉厚０．７５ｍｍの場合の侵入熱量は、シリンダ長さ２３５ｍｍで高温端温度３００Ｋ、低温端温度２０Ｋとすると１．４６Ｗとなる。

他方、シリンダの薄肉化が進むと、作動ガスの圧縮・膨張の繰り返しにより、シリンダが軸方向に伸縮し低温端が振動してしまう。このため、低温端側の肉厚を高温端側の肉厚よりも厚くしたシリンダと、厚さが一定のシリンダを用いて、熱侵入の防止と振動を抑制するパルス管冷凍機が提案されている（下記特許文献１参照）。

特開２００８−７５９９１号公報

しかしながら、上記した従来の蓄冷式冷凍機は、超電導コイルや計測機器の冷却などに使用されるが、例えば、超電導磁石を冷凍機で冷却して、冷凍機を停止させて超電導磁石が発熱や侵入熱で臨界温度に上昇するまでの間、超電導状態で使用するというような用途に所望される侵入熱量は、好ましくは１Ｗ以下のレベルであり、ステンレス管を薄肉にすることだけでは達成できていない。

また、上記特許文献１は、侵入熱量が多く、さらに加工性にも問題があった。
さらに、超電導磁石を鉄道車両などへ備える場合などにおいて、数時間以上の保冷時間が求められる場合には、冷凍機で被冷却物を冷やした後に、被冷却物と冷凍機を熱的に分離できるような機構を設ける必要があった。
本発明は、上記状況に鑑みて、熱侵入が小さく、強度が高く、かつ冷凍機を停止しても、超電導磁石を長時間保冷できる蓄冷式冷凍機を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕シリンダを有する蓄冷式冷凍機であって、前記シリンダがＮｉを２０ｗｔ％以上含有するＮｉ合金からなることを特徴とする。
〔２〕上記〔１〕記載の蓄冷式冷凍機において、前記Ｎｉ合金がハステロイもしくはインコネルであることを特徴とする。

〔３〕上記〔１〕記載の蓄冷式冷凍機において、前記蓄冷式冷凍機がパルス管冷凍機であることを特徴とする。
〔４〕上記〔３〕記載の蓄冷式冷凍機において、前記パルス管冷凍機がアクティブバッファ方式であることを特徴とする。
〔５〕上記〔３〕記載の蓄冷式冷凍機において、前記シリンダがパルス管及び／又は蓄冷管であることを特徴とする。

〔６〕上記〔１〕から〔５〕の何れか一項記載の蓄冷式冷凍機において、超電導磁石を備え、前記蓄冷式冷凍機の熱交換器に前記超電導磁石が熱的および機械的に接続されていることを特徴とする。

本発明によれば、強度を保ちつつ、熱侵入が小さい蓄冷式冷凍機を得ることができる。
また、上記の蓄冷式冷凍機によれば、冷凍機を停止しても超電導磁石を運用できる保冷時間を長くとることができる。

本発明の第１実施例を示す蓄冷式冷凍機としてのパルス管冷凍機の模式図である。 ＳＵＳと、Ｎｉを２０ｗｔ％以上含有するハステロイの熱伝導率の温度依存性を示す図である。 熱交換部５ｋｇ、非被冷却物１０ｋｇのときの昇温曲線の計算値を示す図である。 パルス管からの熱侵入量の計算値を示す図である。 本発明の第２実施例を示す蓄冷式冷凍機としてのアクティブバッファ方式パルス管冷凍機の模式図である。 本発明の第３実施例を示す蓄冷式冷凍機としてのスターリング型パルス管冷凍機の模式図である。 本発明の第４実施例を示す蓄冷式冷凍機としてのＧＭ型冷凍機の模式図である。 本発明の第５実施例を示す蓄冷式冷凍機としてのスターリング冷凍機の模式図である。 従来のパルス管冷凍機の模式図である。

本発明の蓄冷式冷凍機は、シリンダを有する蓄冷式冷凍機であって、前記シリンダがＮｉを２０ｗｔ％以上含有するＮｉ合金からなる蓄冷式冷凍機として利用可能である。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は本発明の第１実施例を示す蓄冷式冷凍機としてのパルス管冷凍機の模式図である。
この図において、１はパルス管、２は熱交換器、３は熱交換器２に接続された蓄冷器であり、パルス管１はシリンダからなり、蓄冷器はシリンダとその内部に充填された銅やステンレス鋼製などの蓄冷材とからなる。４は蓄冷器３の常温側に接続された低圧側制御バルブ、５はガス圧縮機、６は蓄冷器３の常温側に接続された高圧側制御バルブ、７はパルス管１の高温側に接続されたオリフィスバルブ、８はオリフィスバルブ７に接続されたバッファタンクである。

ここで、パルス管１又は蓄冷器３のシリンダは、Ｎｉを２０％以上含有するＮｉ合金からなる。なお、本発明のシリンダに用いられるＮｉ合金は、Ｎｉが２０ｗｔ％以上が好ましく、３５ｗｔ％以上がより好ましく、さらには４３％以上８０ｗｔ％以下であることがより好ましい。
具体的には、ハステロイ（商品名：ｈａｓｔｅｌｌｏｙ）（登録商標）又はインコネル（商品名：Ｉｎｃｏｎｅｌ）（登録商標）を用いることができる。シリンダを、ハステロイ又はインコネル等で構成することで、薄肉化してもステンレスと同等の強度を保ちつつ、より熱侵入を小さくすることができる。

なお、ハステロイやインコネルは、例えばＭＭＣスーパーアロイ社のＭＡシリーズ等の相当材でもよい。
そのハステロイは、ニッケル基の超合金の登録商標であり、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ系合金で、代表的な合金ハステロイＣの化学組成は、Ｃ ０．０８％、Ｓｉ １．０％、Ｍｎ １．０％、Ｃｒ １４．５〜１６．５％、Ｃｏ ２．５％、Ｍｏ １５〜１７％、Ｗ ３〜４．５％、Ｆｅ ４〜７％、残りＮｉであり、ジェットエンジン、炉などの用途で展伸材および精密鋳造品として使用されている。

また、インコネルもクロム１４．０〜１７．０％、鉄６．０〜１０．０％等（Ａｌｌｏｙ ６００）を含むニッケル系合金であり、水溶液による腐食や高温での酸化に対して強いという特徴がある。
図２はＳＵＳと、Ｎｉを２０ｗｔ％以上含有するＮｉ合金からなるハステロイの熱伝導率の温度依存性を示す図である。

この図において、横軸は温度〔Ｋ〕、縦軸は熱伝導度〔Ｗ／ｍＫ〕であり、点線はハステロイの温度−熱伝導率、実線はＳＵＳを示している。
内径５０ｍｍのハステロイ管の場合、内圧３ＭＰａに耐え得る肉厚を許容応力から計算すると０．４５ｍｍとなる。この肉厚０．４５ｍｍの場合の侵入熱量は、シリンダ長さ２３５ｍｍで、高温端温度３００Ｋ、低温端温度２０Ｋとすると０．６Ｗと、前述のステンレス管の場合の１．４６Ｗと比べ５０％以上低減することが可能となる。

表１はパルス管の材料を従来のＳＵＳ３０４を用いた場合と、ハステロイＣを用いた場合、パルス管の内径を５０ｍｍとしたときに、内圧３ＭＰａに耐え得る最小肉厚を許容応力から計算した結果の寸法を示す図である。

ＳＵＳ３０４の場合の外径は５１．５ｍｍ、内径は５０ｍｍ、肉厚は０．７５ｍｍであり、これに対して、ハステロイＣの場合の外径は５０．９ｍｍ、内径は５０ｍｍ、肉厚は０．４５ｍｍであり、ハステロイＣの場合の寸法は、ＳＵＳ３０４の場合の寸法に対して大幅に低減することができる。

このように、パルス管をハステロイＣで構成すると、熱伝導および管断面積を低減することができるため、熱侵入は従来のＳＵＳに比べると１／３から１／２程度となり、パルス管冷凍機の冷凍能力を向上させることもできる。
また、高温超電導線材の運用温度は２０Ｋ〜５０Ｋと考えられるが、運転温度が上昇すると熱容量が飛躍的に増大する。例えば銅の比熱で比較すると、５０Ｋでは４Ｋの約１０００倍となる。逆に言えば同じ熱侵入であればコイル温度の上昇が１／１０００に抑えられるため、一旦所望の温度まで冷凍機で磁石を冷却した後、冷凍機を停止しても高温超電導磁石が一定期間運用できるメリットがある。使用上限温度に近くなれば再度冷却してやればよい。

このような運用方法を考えた場合には、パルス管冷凍機を停止したときの静置熱侵入ができるだけ小さい方が、より長時間冷凍機を停止した状態で高温超電導磁石を運用できため有利である。パルス管をハステロイのような低熱伝導材料で構成すれば、このような運用に対しても利点がある。
以下、パルス管材質の違いによる保冷時間への影響について説明する。

パルス管材質の違いによる、保冷時間（冷凍機を停止しても超電導磁石が一定期間運用できる時間）への影響を検討した結果を図３に示す。
例えば運用温度を５０Ｋと考えた場合には、パルス管がＳＵＳ３０４だと保冷時間は高々４時間もたないが、パルス管をハステロイで構成すると、１０ｋｇ程度の超電導コイルを１０時間以上冷凍機なしで運用することが可能になる。

図３に熱交換部５ｋｇ、非被冷却物１０ｋｇのときの昇温曲線の計算値を、図４に熱侵入量の計算値をそれぞれ示す。
以下、本発明におけるパルス管冷凍機の熱侵入量の低減率について説明する。
パルス管長さを２３５ｍｍとし、ＳＵＳ３０４をパルス管に用いた場合と、ハステロイＣをパルス管に用いた場合の２０Ｋ〜７７Ｋへの熱侵入量を示す。なお、熱侵入量の低減は、熱伝導の低減および管断面積の低減の両方の効果による。
（１）２０Ｋへの熱侵入量
ＳＵＳ３０４の場合は１．４６〔Ｗ〕
ハステロイＣの場合は０．６６〔Ｗ〕
よって、２０Ｋへの熱侵入量の低減率は５５．１％である。
（２）５０Ｋへの熱侵入量
ＳＵＳ３０４の場合は１．４１〔Ｗ〕
ハステロイＣの場合は０．６２〔Ｗ〕
よって、５０Ｋへの熱侵入量の低減率は５６．１％である。
（３）７７Ｋへの熱侵入量
ＳＵＳ３０４の場合は１．３３〔Ｗ〕
ハステロイＣの場合は０．５７〔Ｗ〕
よって、７７Ｋへの熱侵入量の低減率は５６．９％である。

このように、パルス管の材質にハステロイＣを用いることで、上記のように２０Ｋ〜７７Ｋの領域において、ＳＵＳ３０４では達成できなかった侵入熱量１Ｗ以下を達成することが可能となった。
上記ではパルス管冷凍機のパルス管をハステロイＣとした場合についてのデータを提示したが、第１実施例で示したように、ハステロイに代えてインコネルを用いるようにしても同様の作用効果を奏することができる。

また、パルス管冷凍機の蓄冷器の管をハステロイとしたりインコネルとすることにより同様の作用効果を奏することができる。
さらに、冷凍機としては上記したパルス管冷凍機に限定されるものではなく、本発明は、以下のような蓄冷式冷凍機にも適用することができる。
図５は本発明の第２実施例を示す蓄冷式冷凍機としてのアクティブバッファ方式パルス管冷凍機の模式図である。

この図において、１１はパルス管であり、Ｎｉ合金、例えば、ハステロイ又はインコネルからなる。１２は熱交換器、１３は熱交換器１２に接続される、Ｎｉ合金、例えば、ハステロイ又はインコネルからなるシリンダを有する蓄冷器、１４は蓄冷器１３の常温側に接続される低圧側制御バルブ、１５はガス圧縮機、１６は蓄冷器１３の常温側に接続される高圧側制御バルブ、１７はパルス管１１の常温側に接続される低圧側バルブ、１８は低圧側バルブ１７に接続される低圧バッファタンク、１９はパルス管１１の常温側に接続される高圧側バルブ、２０は高圧側バルブ１９に接続される高圧バッファタンクである。

このアクティブバッファ方式パルス管冷凍機は、ＧＭ冷凍機等と同様に蓄冷器１３を備えた冷凍機である。他の冷凍機と比べて特異な点は、冷凍部（膨張機）に動く固体部分がないことである。機械的可動部分は常温部のみであるため、伝導冷却で超電導コイルを冷却する場合、超電導コイル部分を昇温せずともメンテナンスが可能となる。パルス管冷凍機は、圧力振動源（ガス圧縮機）１５と、膨張機（蓄冷器１３、パルス管１１で構成）、そして位相調整機構からなっている。アクティブバッファ方式は、位相調節方法の一つであり、優れた冷凍能力を達成できる。

図６は本発明の第３実施例を示す蓄冷式冷凍機としてのスターリング型パルス管冷凍機の模式図である。
この図において、２１はシリンダを有するパルス管であり、Ｎｉ合金、例えば、ハステロイ又はインコネルからなる。２２は熱交換器、２３は熱交換器１２に接続される、Ｎｉ合金、例えば、ハステロイ又はインコネルからなるシリンダを有する蓄冷器、２４は蓄冷器２３の常温側に接続されるピストン、２５はパルス管２１の常温側に接続されるバルブ、２６はバッファタンクである。

図７は本発明の第４実施例を示す蓄冷式冷凍機としてのＧＭ型冷凍機の模式図である。
この図において、３１はシリンダを有する蓄冷器であり、Ｎｉ合金、例えば、ハステロイ又はインコネルからなる。３２は蓄冷器３１の冷端側に接続される冷却ステージ、３３は冷却ステージ３２に接続されるディスプレーサであり、他端は蓄冷器３１の常温側に接続される。３４は蓄冷器３１の常温側に接続される低圧側制御バルブ、３５はガス圧縮機、３６は蓄冷器３１の常温側に接続される高圧側制御バルブである。

図８は本発明の第５実施例を示す蓄冷式冷凍機としてのスターリング冷凍機の模式図である。
この図において、４１はシリンダを有する蓄冷器であり、Ｎｉ合金、例えば、ハステロイ又はインコネルからなる。４２は蓄冷器３１の常温側に接続される第１のピストン、４３は蓄冷器４１の冷端側に接続される第２のピストンである。

本発明にるＮｉ合金からなるシリンダは、上記したような各種の蓄冷式冷凍機に適用することができ、熱侵入が小さく、強度を保ちながら、保冷時間も長くとることができる。
また、本発明は、上記した特許文献１に示されるような、２段，３段のパルス管冷凍機にも適用できることは言うまでもない。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の低熱侵入式冷凍機は、強度を保ちつつ、より熱侵入が小さく、かつ冷凍機を停止した状態で熱電導磁石を運用できる保冷時間を長くとることができる、ハステロイ又はインコネルなどのＮｉ合金で構成されたシリンダを有する低熱侵入式冷凍機として利用可能である。

１，１１，２１ パルス管
２，１２，２２ 熱交換器
３，１３，２３，３１，４１ 蓄冷器
４，１４，３４ 低圧側制御バルブ
５，１５，３５ ガス圧縮機
６，１６，３６ 高圧側制御バルブ
７，２５ バルブ
８，２６ バッファタンク
１７ 低圧側バルブ
１８ 低圧バッファタンク
１９ 高圧側バルブ
２０ 高圧バッファタンク
２４ ピストン
３２ 冷却ステージ
３３ ディスプレーサ
４２ 第１のピストン
４３ 第２のピストン

Claims (6)

1. シリンダを有する蓄冷式冷凍機であって、前記シリンダがＮｉを２０ｗｔ％以上含有するＮｉ合金からなることを特徴とする蓄冷式冷凍機。
2. 請求項１記載の蓄冷式冷凍機において、前記Ｎｉ合金がハステロイもしくはインコネルであることを特徴とする蓄冷式冷凍機。
3. 請求項１記載の蓄冷式冷凍機において、前記蓄冷式冷凍機がパルス管冷凍機であることを特徴とする蓄冷式冷凍機。
4. 請求項３記載の蓄冷式冷凍機において、前記パルス管冷凍機がアクティブバッファ方式であることを特徴とする蓄冷式冷凍機。
5. 請求項３記載の蓄冷式冷凍機において、前記シリンダがパルス管及び／又は蓄冷管であることを特徴とする蓄冷式冷凍機。
6. 請求項１から５の何れか一項記載の蓄冷式冷凍機において、超電導磁石を備え、前記蓄冷式冷凍機の熱交換器に前記超電導磁石が熱的および機械的に接続されていることを特徴とする蓄冷式冷凍機。