JP2705858B2 - 極低温冷凍装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は極低温冷凍装置に関す
る。この極低温冷凍装置は磁気浮上式鉄道（リニアモー
ターカー）に適用できる。

【０００２】

【従来の技術】極低温冷凍装置、例えば、磁気浮上式鉄
道（リニアモーターカー）に装備される極低温冷凍装置
として、特公平２−２７８２８号公報に開示されている
様に、超電導コイルが浸漬される極低温の液体ヘリウム
が収納される密閉状態の液室をもつ超電導装置と、超電
導装置の液室に供給する液体ヘリウムを生成する冷凍手
段と、超電導装置の液室に収納した液体ヘリウムから蒸
発したヘリウムガスが貯溜されるタンク室をもつ貯溜タ
ンクとを具備するものが知られている。

【０００３】ところで超電導コイルが浸漬される極低温
の液体ヘリウムは外部からの熱伝導、熱輻射により受熱
し、液体ヘリウムからヘリウムガスが蒸発する。例えば
ある体積の液体ヘリウムに１Ｗの熱負荷が加った場合に
は、１．４リットル／ｈｒ程度のヘリウムガスは蒸発す
る。その蒸発したヘリウムガスは貯溜タンクに貯溜さ
れ、ヘリウムガスの大気放出が防止されている。ここ
で、液体ヘリウムの蒸発量が多いと、液室の液体ヘリウ
ムの液位が低下し、超電導コイルに悪影響を与える。そ
こで、前記した特公平２−２７８２８号公報に開示され
ている装置では、液室内に液面計を装備し、液室内の液
体ヘリウムの量を液面計で検出し、液体ヘリウムの量が
減少した場合には冷凍手段の冷凍能力をアップし、冷凍
手段で生成する液体ヘリウムの量を増加し、液室に供給
する液体ヘリウムの量を増加することにしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら車両の停
止時には液室内の液体ヘリウムの量を液面計で検出でき
るものの、車両の走行中や増速減速時には、液室内の液
体ヘリウムの液面が揺動する。液室内に揺動防止板を装
備しても、揺動は完全には回避できない。そのため従来
の磁気浮上式鉄道においては、車両の走行中や増速減速
時では、液体ヘリウムの量を検出できない。そこで液体
ヘリウムの蒸発量が多い場合は勿論のこと、蒸発量が少
なく液体ヘリウムの増量を必要としない場合において
も、冷凍手段を常に最高出力状態で駆動させていた。故
に多量の電力を必要とし、電源が車載方式の場合には不
利である。

【０００５】本発明は上記した実情に鑑みなされたもの
であり、その目的は、車両の走行中／停止時にかかわら
ず液化ガスの蒸発量が多い必要時のみ冷凍手段の冷凍能
力をアップして、液室に送る液化ガスを増量し、これに
より液室内の液化ガスの液位を適切に維持し、更には、
節電の面で有利な極低温冷凍装置を提供することにあ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の極低温冷凍装置
は、超電導材料が浸漬される液化ガスが収納される密閉
状態の液室をもつ超電導装置と、超電導装置の液室に供
給する液化ガスを生成する冷凍手段と、冷凍手段と超電
導装置の液室とをつなぎ冷凍手段で生成された液化ガス
を超電導装置の液室に送る供給路と、超電導装置の液室
に収納した液化ガスから蒸発したガスが貯溜されるタン
ク室をもつ貯溜タンクと、貯溜タンクのタンク室に貯溜
されたガスを冷凍手段に戻す戻し路と、貯溜タンクのタ
ンク室のガスの圧力を検出するガス圧力検出手段と、貯
溜タンクのタンク室のガスの温度を検出するガス温度検
出手段と、ガス圧力検出手段で検出した実際のガス圧力
をガス温度検出手段で検出した温度で補正してガス蒸発
量を得、そのガス蒸発量が基準域よりも大きいときに冷
凍手段の冷凍出力を増加させる制御手段とを具備するこ
とを特徴とするものである。

【０００７】冷凍手段としては、逆スターリングサイク
ルを用いた冷凍機、ジュールトムソン弁などを採用でき
る。制御手段は、ガス蒸発量が基準域よりも大きいとき
に冷凍手段の冷凍出力を増加させるものであるが、冷凍
手段の冷凍出力を増大させるにあたっては、例えば、作
動流体のガス圧力の増減を図る手段、冷凍サイクルの回
転数の増減を図る手段、ジュールトムソン弁をもつジュ
ールトムソン回路の作動流体の増減を図る手段を採用で
きる。

【０００８】

【作用】冷凍手段は液化ガスを生成する。その液化ガス
は供給路を介して超電導装置の液室に送られ、超電導材
料を極低温に維持する。液室の液化ガスからガスは蒸発
するが、その蒸発したガスはその大気放出を回避するた
めに貯溜タンクのタンク室に貯溜される。

【０００９】またガス圧力検出手段は貯溜タンクのタン
ク室の実際の圧力を検出するとともに、ガス温度検出手
段は貯溜タンクのタンク室の実際の温度を検出する。そ
の信号は制御手段に入力される。ここで、ボイルシャル
ルの法則によれば、同一体積のガスであっても、温度に
応じてガス圧力は変動する。そのため制御手段は、ガス
圧力検出手段で検出した実際のガス圧力を基にし、更
に、ガス温度検出手段で検出した温度でそのガス圧力を
補正し、これにより液室から蒸発したガス蒸発量を得
る。そして、制御手段は、ガス蒸発量が基準域よりも大
きいときには冷凍手段の冷凍出力を増加させる。これに
より冷凍手段で生成される液化ガスが増量され、その増
量された液化ガスは供給路を介して超電導装置の液室に
送られる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１〜図３に基づき
説明する。 （構成）この極低温冷凍装置は、超電導装置１と、冷凍
手段２と、供給路３と、タンク室４０および元弁４２を
もつ貯溜としての中圧タンク４と、戻し路５と、ガス圧
力センサ６と、ガス温度センサ７と、制御装置８とをも
つ。

【００１１】超電導装置１は、内槽１０と熱シールド板
１１と車載液体窒素タンク１２と外槽１３とで形成され
ている。内槽１０には液室１６が形成されている。液室
１６に、液体ヘリウム１５が所定の液位で収納されてい
る。液体ヘリウム１５の下部には、永久電流を流して強
力な磁界を発生させる超電導コイル１４が浸漬されてい
る。車載液体窒素タンク１２には液体窒素供給管１７を
介して仕切り弁１８が装備されている。そして液体窒素
タンク１９からの補給路１９ａが仕切り弁１８に接続さ
れると、液体窒素タンク１９内の液体窒素は車載液体窒
素タンク１２に送られ、これにより熱シールド板１１の
図略のパイプに液体窒素が供給され、内槽１０の液体ヘ
リウム１５を熱シールドして液体ヘリウム１５の昇温を
抑止する。なお車載液化窒素タンク１２には、余剰の窒
素ガスを放出する大気連通タイプの窒素ガス放出管１２
ｂが装備されている。外槽１３内は高真空とされてお
り、真空断熱されている。

【００１２】冷凍手段２は極低温を生成するものであ
り、内槽１０の液室１６に供給する液体ヘリウムをヘリ
ウムガスから生成する。冷凍手段２は、逆スターリング
サイクルを利用した冷凍機２０と、冷凍機２０の膨張行
程および圧縮行程を行う第１電動機２１と、冷凍機２０
に高圧ヘリウムガスを送る圧縮機２２と、圧縮機２２を
駆動させる第２電動機２３と、ジュールトムソン膨張を
行うジュールトムソン弁２４とで形成されている。ジュ
ールトムソン弁２４は超電導装置１内に装備されてい
る。ここで、冷凍機２０で生成された極低温の高圧ヘリ
ウムは供給路３を通り、更にジュールトムソン弁２４で
気液混合のミスト状の液体ヘリウムとなる。

【００１３】供給路３は高圧路であり、冷凍手段２の冷
凍機２０と内槽１０の液室１６とをつないでおり、先端
には気液分離器３０が装備されている。気液分離器３０
は冷凍手段２から送られた気液混合のミスト状の液体ヘ
リウムから液体とガスとを分離して液体のみを液室１６
に滴下させるものである。したがって内槽１０の液室１
６の液上の上部空間には気液混合のミストでなく、ガス
が残るものである。これによりミストが金属製の中圧タ
ンク４内に進入することは回避される。

【００１４】蒸発ガス戻し路は９は通路９ａ、９ｂ、９
ｃ、９ｄ、９ｅからなる。通路９ａは液室１６の上部空
間と冷凍機２０とをつないでいる。通路９ｅには吐出圧
調整弁９０が配置されている。ここで、冷凍機２０に送
られるヘリウムガスが所定値よりも過剰になり、通路９
ｄの圧が所定値よりも高いときには、吐出圧調整弁９０
は自動的に開放するものである。そして吐出圧調整弁９
０が開放されているとき、内槽１０の液室１６で蒸発し
たガスは、通路９ｄの分岐点９ｒで分岐し、冷凍機２０
側に送られるとともに、吐出圧調整弁９０を介して中圧
タンク４のタンク室４０にも送られ、これにより圧縮機
２２の吐出圧が調整される。そして、中圧タンク４のタ
ンク室４０に送られたガスはそこで中圧される。

【００１５】戻し路５は、中圧タンク４のタンク室４０
に中圧されたガスを圧縮機２２の吸込側２２ａに戻すも
のであり、吸込圧調整弁５０が配置されている。ここ
で、冷凍機２０側に送られるヘリウムガスが所定値より
も過小となり、通路９ｃの圧が所定値よりも低下したと
きに吸込圧調整弁５０は自動的に開放し、中圧タンク４
内のヘリウムガスを圧縮機２２の吸込側２２ａに補給
し、圧縮機２２の吸込圧を調整するものである。

【００１６】ガス圧力センサ６は具体的には圧力変換器
であり、中圧タンク４のタンク室４０に配置されてお
り、タンク室４０のガスの圧力を検出する。ガス温度セ
ンサ７は具体的には熱電対であり、中圧タンク４のタン
ク室４０に配置されており、タンク室４０のガスの温度
を検出する。液面計８０は内槽１０に装備されている。
液面計８０で検出した内槽１０の液室１６の液体ヘリウ
ム１５の液位が低いときには、制御装置８１は気液分離
器３０から液体ヘリウムを供給する指令を出す。

【００１７】超電導装置１にはパワーリード９３が装備
されており、パワーリード９３は超電導コイル１４と電
源装置９５とをつなぐものであり、超電導コイル１４に
電気を投入する励磁、超電導コイル１４から電気を回収
する消磁を行なうものである。９４は超電導コイル１４
の励消磁のときに発熱したパワーリード９３を冷却する
ためにヘリウムの流路９ｙを開放する仕切り弁である。

【００１８】本実施例では、制御装置８には第１電動機
２１、第２電動機２３、ジュールトムソン弁２４、ガス
圧力センサ６、ガス温度センサ７が電気的に接続されて
おり、制御装置８は第１電動機２１、第２電動機２３、
ジュールトムソン弁２４を制御する出力信号を出力す
る。また、制御装置８にはガス圧力センサ６、ガス温度
センサ７の信号が入力される。 （作用）さて、第２電導機２３の駆動に伴い、圧縮機２
２で圧縮された高圧のヘリウムガスは冷凍機２０に送ら
れ、冷凍機２０で液化される。その液体ヘリウムは供給
路３を介して気液分離器３０から内槽１０の液室１６に
送られ、超電導コイル１４を極低温に維持する。ところ
で液室１６の液体ヘリウムは蒸発する。蒸発したぶん液
面は低下する。その蒸発したヘリウムガスは蒸発ガス戻
し路９の通路９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、開放した吐出圧
調整弁９０、通路９ｅを介して中圧タンク４のタンク室
４０に中圧される。

【００１９】またガス圧力センサ６は中圧タンク４のタ
ンク室４０の実際の圧力を検出する。ガス温度センサ７
は中圧タンク４のタンク室４０の実際の温度を検出す
る。その信号は制御装置８に入力される。ここで、ボイ
ルシャルルの法則によれば、同一体積のガスであって
も、温度に応じてガス圧力は変動する。そのため制御装
置８は、ガス圧力センサ６で検出した実際のガス圧力を
基にし、更に、ガス温度センサ７で検出した温度でその
ガス圧力を補正し、これにより液室１６から蒸発したガ
ス蒸発量を算出する。そして、制御装置８は、ガス蒸発
量が基準域よりも大きいときには冷凍手段２を構成する
第１電動機２１、第２電動機２３、ジュールトムソン弁
２４のうちの少なくとも一方の作動を調整し、これによ
り冷凍手段２による冷凍出力を増加させる。すると通路
９ｃのヘリウムガスが圧縮機２２へ吸込まれる量が増
し、吸込調整弁５０が開放して中圧タンク４内のヘリウ
ムガスが圧縮機２２へ補給される。そのため冷凍機２０
で生成される液体ヘリウムが増量され、その増量された
液体ヘリウムは供給路３を介して内槽１０の液室１６に
補給され、従って蒸発による液体ヘリウム１５の液面の
低下を補う。

【００２０】ところで制御装置８が実行するメインルー
チンのフローチャートの一例を図２に示す。図２に示す
様にステップＳ１ではレジスタ等を初期設定する。ステ
ップＳ３では内部タイマーをスタートする。ステップＳ
５、Ｓ７では制御サブルーチン、その他のサブルーチン
を実行し、ステップＳ９で１ルーチンの時間を一定にす
る内部タイマーの終了をまってステップＳ３に戻る。制
御サブルーチンのフローチャートの一例を図３に示す。
図３に示す様に、ステップＳ５００ではガス圧力センサ
６及びガス温度センサ７で検出した圧力信号Ｐ、温度信
号Ｔを制御装置８に入力する。ステップＳ５０２ではサ
ンプリング回数Ｎを１インクリメントし、ステップＳ５
０４ではサンプリング回数Ｎが所定回数に達したかを判
定し、所定回数であれば、ステップＳ５０６で液室１６
から蒸発したガス蒸発量Ｐｍを算出する。ステップＳ５
０８でＰｍが基準域Ｐ１を越えていると判断された時に
はステップＳ５１０で、出力増加指令を出し第１電動機
２１の回転数を増加する。ステップＳ５１２で基準域Ｐ
ｍがＰ２（Ｐ２＞Ｐ１）を越えていると判断された時に
は、ヘリウムガスの蒸発量が多いため、ステップＳ５１
４で出力増加指令を出し第２電動機２３の回転数を増加
するとともにジュールトムソン弁２４を冷凍能力増加側
に調整し、メインルーチンにリターンする。ステップＳ
５０８での判定の結果、Ｐｍが基準域Ｐ１を越えていな
いと判断された時にはステップＳ５５０でＰｍが基準域
Ｐ３（Ｐ３＜Ｐ１）未満か否か判定し、未満でなけれ
ば、ステップＳ５８０で常動指令を出し、第１電動機２
１、２電動機２３及びジュールトムソン弁２４を常動範
囲とする。ステップＳ５５０での判定の結果、Ｐｍが基
準域Ｐ３未満であると判断された時にはガス蒸発量が少
ないので、ステップＳ５５２で出力低下指令を出し、第
２電動機２１、第２電動機２３及びジュールトムソン弁
２４の冷凍出力を低下させ、液体ヘリウムの生成量を減
らす。またステップＳ５１２での判定の結果、Ｐｍが基
準域Ｐ２を越えていないと判断された時にはステップＳ
５７０で常動指令を出し、第１電動機２１を冷凍出力増
大側に維持するものの、第２電動機２３及びジュールト
ムソン弁２４を常動範囲とする。 （効果）以上説明した様に本実施例では、超電導装置１
の液室１６からのガス蒸発量が基準域Ｐ１、Ｐ２よりも
大きいときには液室１６の液位は低下するものの、制御
装置８は、冷凍手段２を構成する第１電動機２１、第２
電動機２３、ジュールトムソン弁２４の作動を調整し、
これにより冷凍手段２の冷凍出力を増加させる。そのた
め冷凍手段２で生成される液体ヘリウムが増量され、そ
の増量された液体ヘリウムは供給路３を介して内槽１０
の液室１６に送られる。従って液室１６の蒸発に起因す
る液体ヘリウムの液面低下を補い得る。そのため車両の
走行中／停止時にかかわらず超電導コイル１４を保護す
るのに有利である。

【００２１】また本実施例では、冷凍手段２を常に最高
出力とするのではなく、必要時のみ冷凍出力を増大させ
るので、節電に有利である。 （適用例）上記した実施例を磁気浮上式鉄道の車両に適
用した例を図４、図５に示す。この例では、車両１００
は、室１０１をもつ車体１０２と、車体１０２を支える
台車１０３とで形成されている。台車１０３には中圧タ
ンク４、冷凍機２０、圧縮機２２、超電導装置１が装備
されている。中圧タンク４は、車体方向にのびる縦梁状
の第１タンク部４ｃと、車幅方向にのびる横梁状の第２
タンク部４ｄとをもつ。なお、１０７は中圧タンク４と
冷凍機２０とを接続する可撓性配管であり、前記した冷
凍機２０の液体ヘリウムを超電導装置１に送る供給路３
が内装されている。１０９は車両が走行する走行路を区
画する側壁部１１０に設けられた車両浮上、推進、案内
用のコイルである。

【００２２】

【発明の効果】以上説明した様に本発明の極低温冷凍装
置によれば、液室の液化ガスが蒸発すると、その液位は
低下するものの、そのガス蒸発量が基準域よりも大きい
ときには制御手段は冷凍手段の作動を調整し、冷凍出力
を増加させる。そのため冷凍手段で生成される液化ガス
が増量され、その増量された液化ガスは供給路を介して
内槽の液室に送られ、従って液室の蒸発に起因する液化
ガスの液面低下を補い得る。そのため液室内の超電導材
料を保護するのに有利である。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の極低温冷凍装置の構成図である。

【図２】実施例のメインルーチンの一例を示すフローチ
ャートである。

【図３】実施例の制御サブルーチンの一例を示すフロー
チャートである。

【図４】磁気浮上式鉄道の車両を模式的に示す横断面図
である。

【図５】磁気浮上式鉄道の車両を要部を模式的に示す平
面図である。

【符号の説明】

図中、１は超電導装置、２は冷凍手段、２０は冷凍機、
２２は圧縮機、３は供給路、４は中圧タンク、５は戻し
路、６はガス圧力センサ、７はガス温度センサ、８は制
御装置を示す。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超電導材料が浸漬される液化ガスが収納
   される密閉状態の液室をもつ超電導装置と、該超電導装
   置の該液室に供給する液化ガスを生成する冷凍手段と、
   該冷凍手段と該超電導装置の該液室とをつなぎ該冷凍手
   段で生成された液化ガスを該超電導装置の該液室に送る
   供給路と、該超電導装置の該液室に収納した液化ガスか
   ら蒸発したガスが貯溜されるタンク室をもつ貯溜タンク
   と、該貯溜タンクの該タンク室に貯溜されたガスを該冷
   凍手段に戻す戻し路と、該貯溜タンクの該タンク室のガ
   スの圧力を検出するガス圧力検出手段と、該貯溜タンク
   の該タンク室のガスの温度を検出するガス温度検出手段
   と、該ガス圧力検出手段で検出した実際のガス圧力を該
   ガス温度検出手段で検出した温度で補正してガス蒸発量
   を得、そのガス蒸発量が基準域よりも大きいときに該冷
   凍手段の冷凍出力を増加させ液化ガスを増量する制御手
   段とを具備することを特徴とする極低温冷凍装置。