JP3691904B2 - 冷却システム及び超電導磁石装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷却対象物を極低温に冷却するための冷却システム及び超電導磁石装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、現在実用化されている超電導磁石装置の多くは、断熱容器内に超電導コイルと液体ヘリウムで代表される極低温冷媒とを一緒に収容する浸漬冷却方式と、断熱容器の断熱層中に設けられたサーマルシールドを極低温冷凍機で冷却する方式とが併用されている。また、最近では断熱容器内に収容された超電導コイルを極低温冷凍機で直接的に冷却する冷凍機直冷方式の超電導磁石装置が開発中である。
【０００３】
ところで、このような超電導磁石装置では、小型で、しかも十分に低い到達温度が得られるなどの理由から、極低温冷凍機として蓄冷式冷凍機を用いているものが多い。このような蓄冷式冷凍機は、通常、蓄冷器を複数段有した複数段膨張方式の冷却系統を備えるとともに冷却系統全体への高圧ガスの導入および冷却系統全体からのガス排出を交互に行うガス制御系を備えている。その代表的なものとしてギフォード・マクマホン冷凍サイクルを採用した蓄冷式冷凍機を挙げることができる。
【０００４】
このような蓄冷式冷凍機を用いて冷凍機直冷方式で超電導コイルを臨界温度以下に冷却する場合には、通常、２段膨張式の蓄冷式冷凍機を用いる。このような２段膨張式の蓄冷式冷凍機は、第１段冷却ステージでサーマルシールドを５０Ｋ程度に冷却し、第２段冷却ステージで超電導コイルを５Ｋ程度に冷却する方式が採られている。
【０００５】
ところで、超電導コイルを臨界温度以下まで冷し込む予冷時間は短い程よいが、上記構造の蓄冷式冷凍機を用いた場合には５０時間以上要するのが一般的である。これは次のような理由に基づく。すなわち、図８にギフォード・マクマホン冷凍サイクルを採用した２段膨張式の蓄冷式冷凍機における第１段冷却ステージおよび第２段冷却ステージの冷凍能力の一例が示されている。この図１から判るように、第１段および第２段冷却ステージの冷凍能力は常温（３００Ｋ）から１００Ｋ程度までほぽ一定である。すなわち、上記温度領域では、構造的に吸熱量が制限されてしまうため、ガス制御系からの供給ガス量に余力があっても予冷時間を短縮することができない問題があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、ガス制御系の能力を増加させることなく予冷時間の短縮に寄与できる蓄冷式冷凍機及び超電導磁石装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
すなわち、請求項１の発明の冷却システムは、第１冷凍機と、第２冷凍機と、コントローラとを具備している。第１冷凍機には、冷媒ガスが供給される。第２冷凍機は、第１冷凍機に接続され当該第１冷凍機からの冷媒ガスを受ける。コントローラは、冷却初期時に第１冷凍機から第２冷凍機へ冷媒ガスを供給し、被冷却体の温度が所定温度以下になったとき第２冷凍機への冷媒ガスの供給を停止する。
【０００８】
請求項２の発明の冷却システムは、第１冷凍機と、第２冷凍機と、コントローラとを具備している。第２冷凍機と、第１冷凍機から冷媒ガスの供給を受け該冷媒ガスを循環させるべく前記第１冷凍機と接続されている。バルブは、第２冷凍機が第１冷凍機に結合するように設けられる。コントローラは、冷却初期時に第１冷凍機から第２冷凍機へ冷媒ガスを供給し、被冷却体の温度が所定温度以下になったとき第２冷凍機への冷媒ガスの供給を停止すべくバルブを制御する。
【０００９】
請求項３の発明の冷却システムは、請求項１又は２に記載の冷却システムにおいて、コントローラは、被冷却体の温度を検出する温度センサと、この温度センサにより検出した前記被冷却体の温度に従って前記第２冷凍機への冷媒ガスの供給を制御する手段とを具備する。
【００１０】
請求項４の発明は、請求項１又は２に記載の冷却システムにおいて、コントローラは、冷却初期時に第２冷凍機へ冷媒ガスを供給し、当該第２冷凍機へ冷媒ガスが所定時間供給されたとき当該第２冷凍機への冷媒ガスの供給を停止する手段を具備する。
【００１１】
請求項５の発明は、請求項１又は２に記載の冷却システムにおいて、コントローラは、第２冷凍機への冷媒ガスの供給時間を計時するタイマと、このタイマにより計時した当該第２冷凍機への冷媒ガスの供給時間に従って前記第２冷凍機への冷媒ガスの供給を制御する手段とを具備する。
【００１２】
請求項６の発明は、請求項１又は２に記載の冷却システムにおいて、第１冷凍機及び第２冷凍機のうち少なくとも一方は、ギフォード・マクマホン冷凍サイクル、スターリング冷凍サイクル、修正型ソルベー冷凍サイクル、パルスチューブ冷凍機のいずれかを具備する。
【００１３】
請求項７の発明は、請求項１又は２に記載の冷却システムにおいて、第１冷凍機は、複数の冷却段を含み、少なくとも１段目はギフォード・マクマホン冷凍サイクル、スターリング冷凍サイクル、修正型ソルベー冷凍サイクルのいずれかで構成されている冷凍機を具備している。そして、１段目以外の冷却段は、当該１段目に直列に接続したパルスチューブ冷凍サイクルで構成されている他の冷凍機を具備している。
【００１４】
請求項８の発明の超電導磁石装置は、超電導コイルユニットと、冷却部とを備えている。更に、冷却部は、超電導コイルユニットを冷却するものであって、冷媒ガスが供給される第１冷凍機と、この第１冷凍機に接続され当該第１冷凍機からの冷媒ガスを受ける第２冷凍機と、冷却初期時に前記第１冷凍機から前記第２冷凍機へ冷媒ガスを供給し、被冷却体の温度が所定以下になったとき前記第２冷凍機への冷媒ガスの供給を停止するコントローラとを具備している。
【００１５】
請求項９の発明の超電導磁石装置は、超電導コイルユニットと、コントローラとを具備している。このコントローラは、超電導コイルユニットを冷却するものであって、第１冷凍機と、この第１冷凍機から冷媒ガスの供給を受け該冷媒ガスを循環させるべく第１冷凍機と接続された第２冷凍機と、第２冷凍機が第１冷凍機に結合するように設けられるバルブと、冷却初期時に第１冷凍機から第２冷凍機へ冷媒ガスを供給し、被冷却体の温度が所定以下になったとき第２冷凍機への冷媒ガスの供給を停止すべくバルブを制御するコントローラとを具備している。
【００１６】
請求項１０の発明は、請求項８又は９に記載の超電導磁石装置において、冷却部は、超電導コイルユニットが含む超電導コイルを直接に冷却する又は当該コイルを収容する槽を冷却する手段を具備している。
【００１７】
請求項１１の発明は、請求項８又は９に記載の超電導磁石装置において、第２冷凍機は、超電導コイルユニットに配置された複数の冷凍機を具備している。
【００１８】
上記のように構成された本発明によれば、第１冷凍機と並列に第２冷凍機を設けているので、被冷却物である超電導コイルユニットの予冷時には第１冷凍機と第２冷凍機との両方で予冷を行うことができ、第１冷凍機の余剰ガスを有効に利用して予冷することが可能となる。したがって、予冷時間の短縮化に寄与できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら実施形態を説明する。
図１には本発明の一実施形態に係る蓄冷式冷凍機を組込んだ超電導磁石装置、ここには冷凍機直冷方式の超電導磁石装置が示されている。
【００２０】
図１において、真空容器１には、その上壁および下壁を一体に、かつ気密に貫通する筒状壁２が設けられている。そして、真空容器１内には筒状壁２を囲む環状の空間３を形成するようにサーマルシールド４が配置されており、このサーマルシールド４によって形成された環状空間３内には筒状壁２と同心的に超電導コイル５が配置されている。この超電導コイル５は、臨界温度がたとえば１５Ｋ程度の超電導線で形成されており、その両線端は図示しない電流リードを介して真空容器１の外部へ導かれている。そして、超電導コイル５のたとえば側面には銅材などで形成された熱伝導部材６が添着されている。
【００２１】
真空容器１の内外には、一部が真空容器１内に位置し、残りが真空容器１外に位置して超電導コイル５の温度環境保持、具体的にはサーマルシールド４を５０Ｋ程度に、また超電導コイル５を５Ｋ程度に冷却するための蓄冷式冷凍機１０が配置されている。
【００２２】
この蓄冷式冷凍機１０は、主冷凍機１１と、この主冷凍機１１に対して並列に設けられた副冷凍機としてのパルスチューブ冷凍機１２と、主冷凍機１１への高圧ヘリウムガスの供給および主冷凍機１１からヘリウムガスの排出を行うガス制御系１３と、超電導コイル５に取付けた温度センサ７０又はサーマルシールド４に取付けた温度センサ７１の出力に基づいてサーマルシールド４及び／又は超電導コイル５の温度が所定の低温レベルに達した時点で、主冷凍機１１とパルスチューブ冷凍機１２との間の連絡路を閉じるコントローラ１４とで構成されている。尚、超電導コイル５に取付けた温度センサ７０及びサーマルシールド４に取付けた温度センサ７１から導出されたリード線７２，７３は、真空容器１に取付けたリード取出し口７４，７５を通ってコントローラ１４に接続されている。
【００２３】
主冷凍機１１は、この実施形態の場合、ギホード・マクマホン冷凍サイクルを採用した２段膨張式に構成されている。すなわち、主冷凍機１１は、第１段冷却部１５と第２段冷却部１６とを備えている。第１段冷却部１５内および第２段冷却部１６内にはそれぞれ蓄冷器を保持したディスプレーサ１７，１８が収容されており、これらディスプレーサ１７，１８はモータ１９の回転に同期して一体に図中上下方向に往復駆動される。第１段冷却部１５に設けられた第１段冷却ステージ２０はサーマルシールド４に熱的に接続されており、また第２段冷却部１６に設けられた第２段冷却ステージ２１は熱伝導部材６に熱的に接続されている。なお、ディスプレーサ１７が保持している蓄冷器の蓄冷材としては銅材のメッシュなどが用いられており、ディスプレーサ１８が保持している蓄冷器の蓄冷材としてはＥｒ3 Ｎｉ等からなる磁気相転移に伴う異常磁気比熱等を利用した磁性蓄冷材などが用いられている。
【００２４】
副冷凍機を構成しているパルスチューブ冷凍機１２は、主冷凍機１１におけるガス導入・排出部に配管２２の一端側を接続し、この配管２２の他端側を電動パルブ２３を介して蓄冷器２４の一方の接続口に接続し、蓄冷器２４の他方の接続口を吸熱管２５を介してパルスチューブ２６の一端に接続し、このパルスチューブ２６の他端をパッファータンク３５およびキャピラリーチューブ２７を介して前記電動パルブ２３の出口に接続している。すなわち、このパルスチューブ冷凍機１２は、ダブルインレット式に構成されている。なお、蓄冷器２４、吸熱管２５およびパルスチューブ２６の高温端を除く部分は、真空容器１の上壁とサーマルシールド４との間の空間に位置している。また、蓄冷器２４の蓄冷材としては銅材のメッシュ等が用いられている。
【００２５】
吸熱管２５とサーマルシールド４との間およびサーマルシールド４と超電導コイル５との間には熱スイッチ２８、２９が設けられている。これら熱スイッチ２８、２９は、内部にたとえば上下方向に噛み合う一対の櫛歯状熱伝導材を近接させて設けるとともに窒素ガス等を封入したものとなっている。
【００２６】
ガス制御系１３は、コンプレッサ３０と、モータ１９の回転に同期して開閉制御される高圧弁３１，低圧弁３２とを備えている。このガス制御系１３は、主冷凍機１１を経由するヘリウムガス循環系を構成している。すなわち、低圧（約８ａｔｍ）のヘリウムガスをコンプレッサ３０で高圧（約２０ａｔｍ）に圧縮して主冷凍機１１内に送り込む動作と、主冷凍機１１内のヘリウムガスを排気する動作とを交互に行うようにしている。
【００２７】
コントローラ１４は、サーマルシールド４又は超電導コイル５の温度が所定の低温レベルに達した時点で電動パルブ２３を閉じるように構成されている。
次に、上記のように構成された超電導磁石装置の予冷時における蓄冷式冷凍機の動作を説明する。
【００２８】
モータ１９を回転開始させると、ディスプレーサ１７，１８が往復動作を開始する。これに同期して高圧弁３１，低圧弁３２が開閉動作して主冷凍機１１の運転が開始される。主冷凍機１１における第１段冷却ステージ２０および第２段冷却ステージ２１における寒冷の発生は、従来のギフォード・マクマホン冷凍サイクルを採用した２段膨張式の冷凍機と全く同じである。したがって、第１段冷却ステージ２０はサーマルシールド４からの吸熱を開始し、また第２段冷却ステージ２１は超電導コイル５からの吸熱を開始する。
【００２９】
一方、この時点ではサーマルシールド４あるいは超電導コイル５の温度が所定の低温レベルに達していないので電動パルブ２３が開に制御されている。このため、高圧弁３１および低圧弁３２の開閉によって主冷凍機１１内に作られる高・低圧の圧力波によりパルスチューブ冷凍機１２の低温端、つまり吸熱管２５に寒冷を発生する。すなわち、電動パルブ２３が開に制御されることにより、従来主冷凍機１１が予冷時に余剰のヘリウムガスを冷却部に案内せずにパイパスさせて循環させていた分が副冷凍機たるパルスチューブ冷凍機１２に導かれて有効利用されることになる。
【００３０】
この時点では、各熱スイッチ２８，２９に封入されている窒素ガスがガス状態にあるので、吸熱管２５が熱スイッチ２８を介してサーマルシールド４に熱的に接続され、またサーマルシールド４が熱スイッチ２９を介して超電導コイル５に熱的に接続された状態にある。このため、吸熱管２５、つまりパルスチューブ冷凍機１２もサーマルシールド４および超電導コイル５からの吸熱を開始する。
【００３１】
このように、コンプレッサ３０から吐出されるヘリウムガスを有効に使って主冷凍機１１とパルスチューブ冷凍機１２との両方でサーマルシールド４と超電導コイル５とから吸熱することになる。したがって、主冷凍機１１だけで予冷を開始したときに比べて吸熱量を大幅に増加させることができ、予冷時間を短縮することが可能となる。
【００３２】
なお、熱スイッチ２８，２９に封入されている窒素ガスが氷結する温度まで予冷が進むと、熱スイッチ２８，２９内が真空状態となり、これらの熱スイッチ２８，２９がオフ状態となる。また、サーマルシールド４あるいは超電導コイル５の温度が所定の低温レベルに達すると、温度センサ７０，７１の出力によりコントローラ１４が動作して電動バルブ２３を閉じる。従って、この時点でパルスチューブ冷凍機１２が主冷凍機１１から分離され、コンプレッサ３０から吐出されたヘリウムガスの全量を主冷凍機１１が使って冷却するモードへと移行する。
【００３３】
このように、主冷凍機１１と並列にパルスチューブ冷凍機１２を設け、予冷時において主冷凍機１１の余剰のヘリウムガスをパルスチューブ冷凍機１２へ分配供給し、ガス制御系１３から供給されるヘリウムガスの全量を使って予冷できるようにしている。したがって、予冷時間の短縮化に寄与できる。実験によると、主冷凍機１１だけ使用して予冷したときには７０時間要したが、主冷凍機１１とパルスチューブ冷凍機１２との両方を使用して予冷したときには１２時間に短縮することができた。
【００３４】
図２には本発明の別の実施形態に係る蓄冷式冷凍機１０ａを組込んだ超電導磁石装置、ここにも冷凍機直冷方式の超電導磁石装置が示されている。なお、この図では図１と同一部分が同一符号で示されている。したがって、重複する部分の詳しい説明は省略する。
【００３５】
この実施形態は、図１に示すコントローラ１４と異なるコントローラ１４′を具備する。図１に示すコントローラ１４は、温度センサ７０，７１の出力に基づき動作するものであったが、図２に示すコントローラ１４′は、温度センサ７０，７１を不要とし、これに代えてタイマ−１４ａを具備する。すなわち、タイマー１４ａは、サーマルシールド４及び／又は超電導コイル５の温度が所定の低温レベルに達した時点を計算で求めるものである。副冷凍機であるパルスチューブ冷凍機１２に対し冷媒ガスを供給すると、供給開始時から所定時間の間冷媒ガスをパルスチューブ冷凍機１２に供給し続けると、サーマルシールド４及び／又は超電導コイル５が所定温度に到達する。コントローラ１４′は、タイマ−１４ａにより計算で求めた時点にて、主冷凍機１１とパルスチューブ冷凍機１２との間の連絡路を閉じる。このような構成は、温度センサ７０，７１が不要となり、装置を製作する上で有利である。
【００３６】
図３には本発明の別の実施形態に係る蓄冷式冷凍機１０ａを組込んだ超電導磁石装置、ここにも冷凍機直冷方式の超電導磁石装置が示されている。なお、この図では図１と同一部分が同一符号で示されている。したがって、重複する部分の詳しい説明は省略する。
【００３７】
この実施形態に係る蓄冷式冷凍機１０ａが図１に示すものと異なる点は、主冷凍機１１ａの構成にある。
すなわち、主冷凍機１１ａは、第１段冷却部１５がギフォード・マクマホン冷凍サイクルを採用したもので構成され、第２段冷却部１６ａが蓄冷器４１、吸熱管４２、パルスチューブ４３およびバファータンク３６からなるダブルインレッ卜方式でパルスチューブ冷凍サイクルを採用したもので構成されている。そして、吸熱管４２が熱伝導部材６に熱的に接続されている。
【００３８】
このように構成された主冷凍機１１ａを用いた場合においても図１に示される蓄冷式冷凍機と同様の効果を発揮させることができる。
図４には本発明のさらに別の実施形態に係る蓄冷式冷凍機１０ｂを組込んだ超電導磁石装置、ここにも冷凍機直冷方式の超電導磁石装置が示されている。なお、この図では図１と同一部分が同一符号で示されている。したがって、重複する部分の詳しい説明は省略する。
【００３９】
この実施形態に係る蓄冷式冷凍機１０ｂが図１に示すものと異なる点は、主冷凍機１１ｂの構成にある。
すなわち、主冷凍機１１ｂは、スターリング冷凍サイクルを採用したもので構成されている。この主冷凍機１１ｂにおける第１段冷却部１５および第２段冷却部１６は、図１に示されるギフォード・マクマホン冷凍サイクルを採用したもと同じ構成である。この主冷凍機１１ｂでは、ディスプレーサ１７，１８がクランク室５１内に設けられたクランク機構５２によって往復動制御される。なお、クランク室５１と主冷凍機１１ｂとはシール機構によって分離されている。また、クランク機構５２は図示しないモータによって回転制御される。
【００４０】
一方、クランク機構５２によってディスプレーサ１７，１８の往復動位相とは所定の位相差で往復動制御されるピストン５３が設けてあり、このピストン５３で容積が可変する部屋５４が形成されている。この部屋５４は配管５５を介して主冷凍機１１ｂのガス導入・排出空間５６に通じている。そして、部屋５４、配管５５、主冷凍機１１ｂからなる閉じられた空間にはヘリウムガス封入されている。また、電動パルブ２３の入口は、主冷凍機１１ｂのガス導入・排出空間５６に通じている。
【００４１】
スターリング冷凍サイクルもギフォード・マクマホン冷凍サイクルも基本的には同じ冷凍原理を採用している。すなわち、クランク機構５２が回転すると、ピストン５３が往復動し、部屋５４でヘリウムガスを圧縮して送り出す動作と、ヘリウムガスを部屋５４へ吸い込む動作とを繰り返す。したがって、部屋５４は、図１乃至図３に示したコンプレッサ３０、高圧弁３１、低圧弁３２と等価な動作を行っていることになる。
【００４２】
スターリング冷凍サイクルの場合には、予冷時に余剰ヘリウムガスは生じないが、スターリング冷凍サイクルのへリウムガスの一部をパルスチューブ冷凍機１２へ分配供給することにより、図１乃至図３に示される蓄冷式冷凍機と同様の効果を発揮させることができる。
【００４３】
図５には本発明のさらに異なる実施形態に係る蓄冷式冷凍機１０ｃを組込んだ超電導磁石装置、ここにも冷凍機直冷方式の超電導磁石装置が示されている。なお、この図では図４と同一部分が同一符号で示されている。したがって、重複する部分の詳しい説明は省略する。
【００４４】
この実施形態に係る蓄冷式冷凍機１０ｃが図４に示すものと異なる点は、主冷凍機１１ｃの構成にある。
すなわち、主冷凍機１１ｃは、第１段冷却部１５がスターリング冷凍サイクルを採用したもので構成され、第２段冷却部１６ｃが蓄冷器６１、吸熱管６２、パルスチューブ６３からなるダブルインレット方式でパルスチューブ冷凍サイクルを採用したもので構成されている。そして、吸熱管６２が熱伝導部材６に熱的に接続されている。
【００４５】
このように構成された主冷凍機Ｉｌｃを用いた場合においても図１〜図３に示される蓄冷式冷凍機と同様の効果を発揮させることができる。
図６及び図７には本発明のさらに異なる実施形態に係る蓄冷式冷凍機１０ｄを組込んだ超電導磁石装置、ここにも冷凍機直冷方式の超電導磁石装置が示されている。なお、この図では図１と同一部分が同一符号で示されている。したがって、重複する部分の詳しい説明は省略する。
【００４６】
この例が図１に示した例と大きく異なる点は、蓄冷式冷凍機１０ｄの構成及び超電導コイル５へ冷却構成にある。この例における蓄冷式冷凍機１０ｄは、主冷凍機１１と、この主冷凍機１１から４つにブランチした副冷凍機であるパルスチューブ冷凍機１２とで構成されている。
【００４７】
主冷凍機１１は、図１に示した蓄冷式冷凍機と同様に蓄冷器を可動構成にしたギフォード・マクマホン冷凍サイクルを採用している。また、副冷凍機１２は、４つにブランチされているものの、ブランチされたそれぞれの系統が図１に示した蓄冷式冷凍機の副冷凍機１２と同様のものである。
【００４８】
４つの副冷凍機１２は、図７に示すように、各部の寸法も含めてそれぞれ同一構成に形成されており、超電導コイル５の軸心線回りに９０度間隔に、かつ軸心線に対する姿勢を同じくして熱的に接続している。
【００４９】
このような構成であると、図１に示した装置と全く同じ原理で超電導コイル５を安定に冷却することができ図１に示した装置と同様の効果を得ることができる。
【００５０】
加えて、この例では、蓄冷式冷凍機１０ｄの静止型に構成されている副冷凍機１２を４つにブランチし、このブランチされた４つの副冷凍機１２を超電導コイル５の軸心線回りに等配し、かつ各副冷凍１２の冷却ステージである吸熱部を超電導コイル５に熱的に接続する構成を採用しているので、超電導コイル５内に温度差が生じないように超電導コイル５を均一に冷却することができる。また、副冷凍１２を超電導コイル５の軸心線回りに等配して超電導コイル５を冷却するようにしているので、副冷凍１２の各蓄冷器２４において磁性蓄冷材を用いても、これら磁性蓄冷材が超電導コイル５で発生した磁場の対称性を大きく崩すようなことはない。従って、対称性を増すための補正も容易化できる。
【００５１】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。すなわち、パルスチューブ冷凍機で効率よく寒冷を発生させるには、圧力の変化位相とガスの変位位相との間に所定の位相差を設けることが望まれる。この位相差を設けるためにパルスチューブの高温側をキャピラリーチューブや適当な流量絞り要素を介してパッファータンクなどに接続してもよい。また、主冷凍機としてパルスチューブ冷凍機を用いることができる。また、主冷凍機としてギフォード・マクマホン冷凍サイクル、スターリング冷凍サイクルの他に修正型ソルベー冷凍サイクルを用いることができ、またパルスチューブ冷凍機に代えて副冷凍機としてギフォード・マクマホン冷凍サイクル、スターリング冷凍サイクル、修正型ソルベー冷凍サイクルを用いてもよい。また、本発明に係る蓄冷式冷凍機は、超電導コイルの冷却に限らず、各種要素の冷却に使用できることは勿論である。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、被冷却物の予冷に要する時間の短縮化に寄与できる冷凍機及び超電導磁石装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の蓄冷式冷凍機を組込んだ超電導磁石装置の概略図。
【図２】本発明の別の実施形態の蓄冷式冷凍機を組込んだ超電導磁石装置の概略図。
【図３】本発明の別の実施形態の蓄冷式冷凍機を組込んだ超電導磁石装置の概略図。
【図４】本発明のさらに別の実施形態の蓄冷式冷凍機を組込んだ超電導磁石装置の概略図。
【図５】本発明のさらに異なる実施形態の蓄冷式冷凍機を組込んだ超電導磁石装置の概略図。
【図６】本発明のさらに異なる実施形態の蓄冷式冷凍機を組込んだ超電導磁石装置の概略図。
【図７】図６におけるVII −VII 方向に見た断面図。
【図８】２段膨張式の蓄冷式冷凍機における各冷却ステージの冷凍能力の一例を示す図。
【符号の説明】
１…真空容器、４…サーマルシールド、５…超電導コイル、６…熱伝導部材、１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ…蓄冷式冷凍機、１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ…主冷凍機、１２…副冷凍機としてのパルスチューブ冷凍機、１３…ガス制御系、１４…コントローラ、２８，２９…熱スイッチ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷却対象物を極低温に冷却するための冷却システム及び超電導磁石装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、現在実用化されている超電導磁石装置の多くは、断熱容器内に超電導コイルと液体ヘリウムで代表される極低温冷媒とを一緒に収容する浸漬冷却方式と、断熱容器の断熱層中に設けられたサーマルシールドを極低温冷凍機で冷却する方式とが併用されている。また、最近では断熱容器内に収容された超電導コイルを極低温冷凍機で直接的に冷却する冷凍機直冷方式の超電導磁石装置が開発中である。
【０００３】
ところで、このような超電導磁石装置では、小型で、しかも十分に低い到達温度が得られるなどの理由から、極低温冷凍機として蓄冷式冷凍機を用いているものが多い。このような蓄冷式冷凍機は、通常、蓄冷器を複数段有した複数段膨張方式の冷却系統を備えるとともに冷却系統全体への高圧ガスの導入および冷却系統全体からのガス排出を交互に行うガス制御系を備えている。その代表的なものとしてギフォード・マクマホン冷凍サイクルを採用した蓄冷式冷凍機を挙げることができる。
【０００４】
このような蓄冷式冷凍機を用いて冷凍機直冷方式で超電導コイルを臨界温度以下に冷却する場合には、通常、２段膨張式の蓄冷式冷凍機を用いる。このような２段膨張式の蓄冷式冷凍機は、第１段冷却ステージでサーマルシールドを５０Ｋ程度に冷却し、第２段冷却ステージで超電導コイルを５Ｋ程度に冷却する方式が採られている。
【０００５】
ところで、超電導コイルを臨界温度以下まで冷し込む予冷時間は短い程よいが、上記構造の蓄冷式冷凍機を用いた場合には５０時間以上要するのが一般的である。これは次のような理由に基づく。すなわち、図８にギフォード・マクマホン冷凍サイクルを採用した２段膨張式の蓄冷式冷凍機における第１段冷却ステージおよび第２段冷却ステージの冷凍能力の一例が示されている。この図１から判るように、第１段および第２段冷却ステージの冷凍能力は常温（３００Ｋ）から１００Ｋ程度までほぽ一定である。すなわち、上記温度領域では、構造的に吸熱量が制限されてしまうため、ガス制御系からの供給ガス量に余力があっても予冷時間を短縮することができない問題があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、ガス制御系の能力を増加させることなく予冷時間の短縮に寄与できる蓄冷式冷凍機及び超電導磁石装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
すなわち、請求項１の発明の冷却システムは、第１冷凍機と、第２冷凍機と、コントローラとを具備している。第１冷凍機には、冷媒ガスが供給される。第２冷凍機は、第１冷凍機に接続され当該第１冷凍機からの冷媒ガスを受ける。コントローラは、冷却初期時に第１冷凍機から第２冷凍機へ冷媒ガスを供給し、被冷却体の温度が所定温度以下になったとき第２冷凍機への冷媒ガスの供給を停止する。
【０００８】
請求項２の発明の冷却システムは、第１冷凍機と、第２冷凍機と、コントローラとを具備している。第２冷凍機と、第１冷凍機から冷媒ガスの供給を受け該冷媒ガスを循環させるべく前記第１冷凍機と接続されている。バルブは、第２冷凍機が第１冷凍機に結合するように設けられる。コントローラは、冷却初期時に第１冷凍機から第２冷凍機へ冷媒ガスを供給し、被冷却体の温度が所定温度以下になったとき第２冷凍機への冷媒ガスの供給を停止すべくバルブを制御する。
【０００９】
請求項３の発明の冷却システムは、請求項１又は２に記載の冷却システムにおいて、コントローラは、被冷却体の温度を検出する温度センサと、この温度センサにより検出した前記被冷却体の温度に従って前記第２冷凍機への冷媒ガスの供給を制御する手段とを具備する。
【００１０】
請求項４の発明は、請求項１又は２に記載の冷却システムにおいて、コントローラは、冷却初期時に第２冷凍機へ冷媒ガスを供給し、当該第２冷凍機へ冷媒ガスが所定時間供給されたとき当該第２冷凍機への冷媒ガスの供給を停止する手段を具備する。
【００１１】
請求項５の発明は、請求項１又は２に記載の冷却システムにおいて、コントローラは、第２冷凍機への冷媒ガスの供給時間を計時するタイマと、このタイマにより計時した当該第２冷凍機への冷媒ガスの供給時間に従って前記第２冷凍機への冷媒ガスの供給を制御する手段とを具備する。
【００１２】
請求項６の発明は、請求項１又は２に記載の冷却システムにおいて、第１冷凍機及び第２冷凍機のうち少なくとも一方は、ギフォード・マクマホン冷凍サイクル、スターリング冷凍サイクル、修正型ソルベー冷凍サイクル、パルスチューブ冷凍機のいずれかを具備する。
【００１３】
請求項７の発明は、請求項１又は２に記載の冷却システムにおいて、第１冷凍機は、複数の冷却段を含み、少なくとも１段目はギフォード・マクマホン冷凍サイクル、スターリング冷凍サイクル、修正型ソルベー冷凍サイクルのいずれかで構成されている冷凍機を具備している。そして、１段目以外の冷却段は、当該１段目に直列に接続したパルスチューブ冷凍サイクルで構成されている他の冷凍機を具備している。
【００１４】
請求項８の発明の超電導磁石装置は、超電導コイルユニットと、冷却部とを備えている。更に、冷却部は、超電導コイルユニットを冷却するものであって、冷媒ガスが供給される第１冷凍機と、この第１冷凍機に接続され当該第１冷凍機からの冷媒ガスを受ける第２冷凍機と、冷却初期時に前記第１冷凍機から前記第２冷凍機へ冷媒ガスを供給し、被冷却体の温度が所定以下になったとき前記第２冷凍機への冷媒ガスの供給を停止するコントローラとを具備している。
【００１５】
請求項９の発明の超電導磁石装置は、超電導コイルユニットと、コントローラとを具備している。このコントローラは、超電導コイルユニットを冷却するものであって、第１冷凍機と、この第１冷凍機から冷媒ガスの供給を受け該冷媒ガスを循環させるべく第１冷凍機と接続された第２冷凍機と、第２冷凍機が第１冷凍機に結合するように設けられるバルブと、冷却初期時に第１冷凍機から第２冷凍機へ冷媒ガスを供給し、被冷却体の温度が所定以下になったとき第２冷凍機への冷媒ガスの供給を停止すべくバルブを制御するコントローラとを具備している。
【００１６】
請求項１０の発明は、請求項８又は９に記載の超電導磁石装置において、冷却部は、超電導コイルユニットが含む超電導コイルを直接に冷却する又は当該コイルを収容する槽を冷却する手段を具備している。
【００１７】
請求項１１の発明は、請求項８又は９に記載の超電導磁石装置において、第２冷凍機は、超電導コイルユニットに配置された複数の冷凍機を具備している。
【００１８】
上記のように構成された本発明によれば、第１冷凍機と並列に第２冷凍機を設けているので、被冷却物である超電導コイルユニットの予冷時には第１冷凍機と第２冷凍機との両方で予冷を行うことができ、第１冷凍機の余剰ガスを有効に利用して予冷することが可能となる。したがって、予冷時間の短縮化に寄与できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら実施形態を説明する。
図１には本発明の一実施形態に係る蓄冷式冷凍機を組込んだ超電導磁石装置、ここには冷凍機直冷方式の超電導磁石装置が示されている。
【００２０】
図１において、真空容器１には、その上壁および下壁を一体に、かつ気密に貫通する筒状壁２が設けられている。そして、真空容器１内には筒状壁２を囲む環状の空間３を形成するようにサーマルシールド４が配置されており、このサーマルシールド４によって形成された環状空間３内には筒状壁２と同心的に超電導コイル５が配置されている。この超電導コイル５は、臨界温度がたとえば１５Ｋ程度の超電導線で形成されており、その両線端は図示しない電流リードを介して真空容器１の外部へ導かれている。そして、超電導コイル５のたとえば側面には銅材などで形成された熱伝導部材６が添着されている。
【００２１】
真空容器１の内外には、一部が真空容器１内に位置し、残りが真空容器１外に位置して超電導コイル５の温度環境保持、具体的にはサーマルシールド４を５０Ｋ程度に、また超電導コイル５を５Ｋ程度に冷却するための蓄冷式冷凍機１０が配置されている。
【００２２】
この蓄冷式冷凍機１０は、主冷凍機１１と、この主冷凍機１１に対して並列に設けられた副冷凍機としてのパルスチューブ冷凍機１２と、主冷凍機１１への高圧ヘリウムガスの供給および主冷凍機１１からヘリウムガスの排出を行うガス制御系１３と、超電導コイル５に取付けた温度センサ７０又はサーマルシールド４に取付けた温度センサ７１の出力に基づいてサーマルシールド４及び／又は超電導コイル５の温度が所定の低温レベルに達した時点で、主冷凍機１１とパルスチューブ冷凍機１２との間の連絡路を閉じるコントローラ１４とで構成されている。尚、超電導コイル５に取付けた温度センサ７０及びサーマルシールド４に取付けた温度センサ７１から導出されたリード線７２，７３は、真空容器１に取付けたリード取出し口７４，７５を通ってコントローラ１４に接続されている。
【００２３】
主冷凍機１１は、この実施形態の場合、ギホード・マクマホン冷凍サイクルを採用した２段膨張式に構成されている。すなわち、主冷凍機１１は、第１段冷却部１５と第２段冷却部１６とを備えている。第１段冷却部１５内および第２段冷却部１６内にはそれぞれ蓄冷器を保持したディスプレーサ１７，１８が収容されており、これらディスプレーサ１７，１８はモータ１９の回転に同期して一体に図中上下方向に往復駆動される。第１段冷却部１５に設けられた第１段冷却ステージ２０はサーマルシールド４に熱的に接続されており、また第２段冷却部１６に設けられた第２段冷却ステージ２１は熱伝導部材６に熱的に接続されている。なお、ディスプレーサ１７が保持している蓄冷器の蓄冷材としては銅材のメッシュなどが用いられており、ディスプレーサ１８が保持している蓄冷器の蓄冷材としてはＥｒ3 Ｎｉ等からなる磁気相転移に伴う異常磁気比熱等を利用した磁性蓄冷材などが用いられている。
【００２４】
副冷凍機を構成しているパルスチューブ冷凍機１２は、主冷凍機１１におけるガス導入・排出部に配管２２の一端側を接続し、この配管２２の他端側を電動パルブ２３を介して蓄冷器２４の一方の接続口に接続し、蓄冷器２４の他方の接続口を吸熱管２５を介してパルスチューブ２６の一端に接続し、このパルスチューブ２６の他端をパッファータンク３５およびキャピラリーチューブ２７を介して前記電動パルブ２３の出口に接続している。すなわち、このパルスチューブ冷凍機１２は、ダブルインレット式に構成されている。なお、蓄冷器２４、吸熱管２５およびパルスチューブ２６の高温端を除く部分は、真空容器１の上壁とサーマルシールド４との間の空間に位置している。また、蓄冷器２４の蓄冷材としては銅材のメッシュ等が用いられている。
【００２５】
吸熱管２５とサーマルシールド４との間およびサーマルシールド４と超電導コイル５との間には熱スイッチ２８、２９が設けられている。これら熱スイッチ２８、２９は、内部にたとえば上下方向に噛み合う一対の櫛歯状熱伝導材を近接させて設けるとともに窒素ガス等を封入したものとなっている。
【００２６】
ガス制御系１３は、コンプレッサ３０と、モータ１９の回転に同期して開閉制御される高圧弁３１，低圧弁３２とを備えている。このガス制御系１３は、主冷凍機１１を経由するヘリウムガス循環系を構成している。すなわち、低圧（約８ａｔｍ）のヘリウムガスをコンプレッサ３０で高圧（約２０ａｔｍ）に圧縮して主冷凍機１１内に送り込む動作と、主冷凍機１１内のヘリウムガスを排気する動作とを交互に行うようにしている。
【００２７】
コントローラ１４は、サーマルシールド４又は超電導コイル５の温度が所定の低温レベルに達した時点で電動パルブ２３を閉じるように構成されている。
次に、上記のように構成された超電導磁石装置の予冷時における蓄冷式冷凍機の動作を説明する。
【００２８】
モータ１９を回転開始させると、ディスプレーサ１７，１８が往復動作を開始する。これに同期して高圧弁３１，低圧弁３２が開閉動作して主冷凍機１１の運転が開始される。主冷凍機１１における第１段冷却ステージ２０および第２段冷却ステージ２１における寒冷の発生は、従来のギフォード・マクマホン冷凍サイクルを採用した２段膨張式の冷凍機と全く同じである。したがって、第１段冷却ステージ２０はサーマルシールド４からの吸熱を開始し、また第２段冷却ステージ２１は超電導コイル５からの吸熱を開始する。
【００２９】
一方、この時点ではサーマルシールド４あるいは超電導コイル５の温度が所定の低温レベルに達していないので電動パルブ２３が開に制御されている。このため、高圧弁３１および低圧弁３２の開閉によって主冷凍機１１内に作られる高・低圧の圧力波によりパルスチューブ冷凍機１２の低温端、つまり吸熱管２５に寒冷を発生する。すなわち、電動パルブ２３が開に制御されることにより、従来主冷凍機１１が予冷時に余剰のヘリウムガスを冷却部に案内せずにパイパスさせて循環させていた分が副冷凍機たるパルスチューブ冷凍機１２に導かれて有効利用されることになる。
【００３０】
この時点では、各熱スイッチ２８，２９に封入されている窒素ガスがガス状態にあるので、吸熱管２５が熱スイッチ２８を介してサーマルシールド４に熱的に接続され、またサーマルシールド４が熱スイッチ２９を介して超電導コイル５に熱的に接続された状態にある。このため、吸熱管２５、つまりパルスチューブ冷凍機１２もサーマルシールド４および超電導コイル５からの吸熱を開始する。
【００３１】
このように、コンプレッサ３０から吐出されるヘリウムガスを有効に使って主冷凍機１１とパルスチューブ冷凍機１２との両方でサーマルシールド４と超電導コイル５とから吸熱することになる。したがって、主冷凍機１１だけで予冷を開始したときに比べて吸熱量を大幅に増加させることができ、予冷時間を短縮することが可能となる。
【００３２】
なお、熱スイッチ２８，２９に封入されている窒素ガスが氷結する温度まで予冷が進むと、熱スイッチ２８，２９内が真空状態となり、これらの熱スイッチ２８，２９がオフ状態となる。また、サーマルシールド４あるいは超電導コイル５の温度が所定の低温レベルに達すると、温度センサ７０，７１の出力によりコントローラ１４が動作して電動バルブ２３を閉じる。従って、この時点でパルスチューブ冷凍機１２が主冷凍機１１から分離され、コンプレッサ３０から吐出されたヘリウムガスの全量を主冷凍機１１が使って冷却するモードへと移行する。
【００３３】
このように、主冷凍機１１と並列にパルスチューブ冷凍機１２を設け、予冷時において主冷凍機１１の余剰のヘリウムガスをパルスチューブ冷凍機１２へ分配供給し、ガス制御系１３から供給されるヘリウムガスの全量を使って予冷できるようにしている。したがって、予冷時間の短縮化に寄与できる。実験によると、主冷凍機１１だけ使用して予冷したときには７０時間要したが、主冷凍機１１とパルスチューブ冷凍機１２との両方を使用して予冷したときには１２時間に短縮することができた。
【００３４】
図２には本発明の別の実施形態に係る蓄冷式冷凍機１０ａを組込んだ超電導磁石装置、ここにも冷凍機直冷方式の超電導磁石装置が示されている。なお、この図では図１と同一部分が同一符号で示されている。したがって、重複する部分の詳しい説明は省略する。
【００３５】
この実施形態は、図１に示すコントローラ１４と異なるコントローラ１４′を具備する。図１に示すコントローラ１４は、温度センサ７０，７１の出力に基づき動作するものであったが、図２に示すコントローラ１４′は、温度センサ７０，７１を不要とし、これに代えてタイマ−１４ａを具備する。すなわち、タイマー１４ａは、サーマルシールド４及び／又は超電導コイル５の温度が所定の低温レベルに達した時点を計算で求めるものである。副冷凍機であるパルスチューブ冷凍機１２に対し冷媒ガスを供給すると、供給開始時から所定時間の間冷媒ガスをパルスチューブ冷凍機１２に供給し続けると、サーマルシールド４及び／又は超電導コイル５が所定温度に到達する。コントローラ１４′は、タイマ−１４ａにより計算で求めた時点にて、主冷凍機１１とパルスチューブ冷凍機１２との間の連絡路を閉じる。このような構成は、温度センサ７０，７１が不要となり、装置を製作する上で有利である。
【００３６】
図３には本発明の別の実施形態に係る蓄冷式冷凍機１０ａを組込んだ超電導磁石装置、ここにも冷凍機直冷方式の超電導磁石装置が示されている。なお、この図では図１と同一部分が同一符号で示されている。したがって、重複する部分の詳しい説明は省略する。
【００３７】
この実施形態に係る蓄冷式冷凍機１０ａが図１に示すものと異なる点は、主冷凍機１１ａの構成にある。
すなわち、主冷凍機１１ａは、第１段冷却部１５がギフォード・マクマホン冷凍サイクルを採用したもので構成され、第２段冷却部１６ａが蓄冷器４１、吸熱管４２、パルスチューブ４３およびバファータンク３６からなるダブルインレッ卜方式でパルスチューブ冷凍サイクルを採用したもので構成されている。そして、吸熱管４２が熱伝導部材６に熱的に接続されている。
【００３８】
このように構成された主冷凍機１１ａを用いた場合においても図１に示される蓄冷式冷凍機と同様の効果を発揮させることができる。
図４には本発明のさらに別の実施形態に係る蓄冷式冷凍機１０ｂを組込んだ超電導磁石装置、ここにも冷凍機直冷方式の超電導磁石装置が示されている。なお、この図では図１と同一部分が同一符号で示されている。したがって、重複する部分の詳しい説明は省略する。
【００３９】
この実施形態に係る蓄冷式冷凍機１０ｂが図１に示すものと異なる点は、主冷凍機１１ｂの構成にある。
すなわち、主冷凍機１１ｂは、スターリング冷凍サイクルを採用したもので構成されている。この主冷凍機１１ｂにおける第１段冷却部１５および第２段冷却部１６は、図１に示されるギフォード・マクマホン冷凍サイクルを採用したもと同じ構成である。この主冷凍機１１ｂでは、ディスプレーサ１７，１８がクランク室５１内に設けられたクランク機構５２によって往復動制御される。なお、クランク室５１と主冷凍機１１ｂとはシール機構によって分離されている。また、クランク機構５２は図示しないモータによって回転制御される。
【００４０】
一方、クランク機構５２によってディスプレーサ１７，１８の往復動位相とは所定の位相差で往復動制御されるピストン５３が設けてあり、このピストン５３で容積が可変する部屋５４が形成されている。この部屋５４は配管５５を介して主冷凍機１１ｂのガス導入・排出空間５６に通じている。そして、部屋５４、配管５５、主冷凍機１１ｂからなる閉じられた空間にはヘリウムガス封入されている。また、電動パルブ２３の入口は、主冷凍機１１ｂのガス導入・排出空間５６に通じている。
【００４１】
スターリング冷凍サイクルもギフォード・マクマホン冷凍サイクルも基本的には同じ冷凍原理を採用している。すなわち、クランク機構５２が回転すると、ピストン５３が往復動し、部屋５４でヘリウムガスを圧縮して送り出す動作と、ヘリウムガスを部屋５４へ吸い込む動作とを繰り返す。したがって、部屋５４は、図１乃至図３に示したコンプレッサ３０、高圧弁３１、低圧弁３２と等価な動作を行っていることになる。
【００４２】
スターリング冷凍サイクルの場合には、予冷時に余剰ヘリウムガスは生じないが、スターリング冷凍サイクルのへリウムガスの一部をパルスチューブ冷凍機１２へ分配供給することにより、図１乃至図３に示される蓄冷式冷凍機と同様の効果を発揮させることができる。
【００４３】
図５には本発明のさらに異なる実施形態に係る蓄冷式冷凍機１０ｃを組込んだ超電導磁石装置、ここにも冷凍機直冷方式の超電導磁石装置が示されている。なお、この図では図４と同一部分が同一符号で示されている。したがって、重複する部分の詳しい説明は省略する。
【００４４】
この実施形態に係る蓄冷式冷凍機１０ｃが図４に示すものと異なる点は、主冷凍機１１ｃの構成にある。
すなわち、主冷凍機１１ｃは、第１段冷却部１５がスターリング冷凍サイクルを採用したもので構成され、第２段冷却部１６ｃが蓄冷器６１、吸熱管６２、パルスチューブ６３からなるダブルインレット方式でパルスチューブ冷凍サイクルを採用したもので構成されている。そして、吸熱管６２が熱伝導部材６に熱的に接続されている。
【００４５】
このように構成された主冷凍機Ｉｌｃを用いた場合においても図１〜図３に示される蓄冷式冷凍機と同様の効果を発揮させることができる。
図６及び図７には本発明のさらに異なる実施形態に係る蓄冷式冷凍機１０ｄを組込んだ超電導磁石装置、ここにも冷凍機直冷方式の超電導磁石装置が示されている。なお、この図では図１と同一部分が同一符号で示されている。したがって、重複する部分の詳しい説明は省略する。
【００４６】
この例が図１に示した例と大きく異なる点は、蓄冷式冷凍機１０ｄの構成及び超電導コイル５へ冷却構成にある。この例における蓄冷式冷凍機１０ｄは、主冷凍機１１と、この主冷凍機１１から４つにブランチした副冷凍機であるパルスチューブ冷凍機１２とで構成されている。
【００４７】
主冷凍機１１は、図１に示した蓄冷式冷凍機と同様に蓄冷器を可動構成にしたギフォード・マクマホン冷凍サイクルを採用している。また、副冷凍機１２は、４つにブランチされているものの、ブランチされたそれぞれの系統が図１に示した蓄冷式冷凍機の副冷凍機１２と同様のものである。
【００４８】
４つの副冷凍機１２は、図７に示すように、各部の寸法も含めてそれぞれ同一構成に形成されており、超電導コイル５の軸心線回りに９０度間隔に、かつ軸心線に対する姿勢を同じくして熱的に接続している。
【００４９】
このような構成であると、図１に示した装置と全く同じ原理で超電導コイル５を安定に冷却することができ図１に示した装置と同様の効果を得ることができる。
【００５０】
加えて、この例では、蓄冷式冷凍機１０ｄの静止型に構成されている副冷凍機１２を４つにブランチし、このブランチされた４つの副冷凍機１２を超電導コイル５の軸心線回りに等配し、かつ各副冷凍１２の冷却ステージである吸熱部を超電導コイル５に熱的に接続する構成を採用しているので、超電導コイル５内に温度差が生じないように超電導コイル５を均一に冷却することができる。また、副冷凍１２を超電導コイル５の軸心線回りに等配して超電導コイル５を冷却するようにしているので、副冷凍１２の各蓄冷器２４において磁性蓄冷材を用いても、これら磁性蓄冷材が超電導コイル５で発生した磁場の対称性を大きく崩すようなことはない。従って、対称性を増すための補正も容易化できる。
【００５１】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。すなわち、パルスチューブ冷凍機で効率よく寒冷を発生させるには、圧力の変化位相とガスの変位位相との間に所定の位相差を設けることが望まれる。この位相差を設けるためにパルスチューブの高温側をキャピラリーチューブや適当な流量絞り要素を介してパッファータンクなどに接続してもよい。また、主冷凍機としてパルスチューブ冷凍機を用いることができる。また、主冷凍機としてギフォード・マクマホン冷凍サイクル、スターリング冷凍サイクルの他に修正型ソルベー冷凍サイクルを用いることができ、またパルスチューブ冷凍機に代えて副冷凍機としてギフォード・マクマホン冷凍サイクル、スターリング冷凍サイクル、修正型ソルベー冷凍サイクルを用いてもよい。また、本発明に係る蓄冷式冷凍機は、超電導コイルの冷却に限らず、各種要素の冷却に使用できることは勿論である。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、被冷却物の予冷に要する時間の短縮化に寄与できる冷凍機及び超電導磁石装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の蓄冷式冷凍機を組込んだ超電導磁石装置の概略図。
【図２】本発明の別の実施形態の蓄冷式冷凍機を組込んだ超電導磁石装置の概略図。
【図３】本発明の別の実施形態の蓄冷式冷凍機を組込んだ超電導磁石装置の概略図。
【図４】本発明のさらに別の実施形態の蓄冷式冷凍機を組込んだ超電導磁石装置の概略図。
【図５】本発明のさらに異なる実施形態の蓄冷式冷凍機を組込んだ超電導磁石装置の概略図。
【図６】本発明のさらに異なる実施形態の蓄冷式冷凍機を組込んだ超電導磁石装置の概略図。
【図７】図６におけるVII −VII 方向に見た断面図。
【図８】２段膨張式の蓄冷式冷凍機における各冷却ステージの冷凍能力の一例を示す図。
【符号の説明】
１…真空容器、４…サーマルシールド、５…超電導コイル、６…熱伝導部材、１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ…蓄冷式冷凍機、１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ…主冷凍機、１２…副冷凍機としてのパルスチューブ冷凍機、１３…ガス制御系、１４…コントローラ、２８，２９…熱スイッチ。
Claims (11)
- 冷媒ガスが供給される第１冷凍機と、
この第１冷凍機に接続され当該第１冷凍機からの冷媒ガスを受ける第２冷凍機と、
冷却初期時に前記第１冷凍機から前記第２冷凍機へ冷媒ガスを供給し、被冷却体の温度が所定温度以下になったとき前記第２冷凍機への冷媒ガスの供給を停止するコントローラと
を具備することを特徴とする冷却システム。 - 第１冷凍機と、
この第１冷凍機から冷媒ガスの供給を受け該冷媒ガスを循環させるべく前記第１冷凍機と接続された第２冷凍機と、
前記第２冷凍機が前記第１冷凍機に結合するように設けられるバルブと、
冷却初期時に前記第１冷凍機から前記第２冷凍機へ冷媒ガスを供給し、被冷却体の温度が所定温度以下になったとき前記第２冷凍機への冷媒ガスの供給を停止すべく前記バルブを制御するコントローラと
を具備することを特徴とする冷却システム。 - 前記コントローラは、被冷却体の温度を検出する温度センサと、この温度センサにより検出した前記被冷却体の温度に従って前記第２冷凍機への冷媒ガスの供給を制御する手段とを具備することを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却システム。
- 前記コントローラは、冷却初期時に第２冷凍機へ冷媒ガスを供給し、当該第２冷凍機へ冷媒ガスが所定時間供給されたとき当該第２冷凍機への冷媒ガスの供給を停止する手段を具備することを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却システム。
- 前記コントローラは、第２冷凍機への冷媒ガスの供給時間を計時するタイマと、このタイマにより計時した当該第２冷凍機への冷媒ガスの供給時間に従って前記第２冷凍機への冷媒ガスの供給を制御する手段とを具備することを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却システム。
- 前記第１冷凍機及び前記第２冷凍機のうち少なくとも一方は、ギフォード・マクマホン冷凍サイクル、スターリング冷凍サイクル、修正型ソルベー冷凍サイクル、パルスチューブ冷凍機のいずれかを具備することを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却システム。
- 前記第１冷凍機は、複数の冷却段を含み、少なくとも１段目はギフォード・マクマホン冷凍サイクル、スターリング冷凍サイクル、修正型ソルベー冷凍サイクルのいずれかで構成されている冷凍機を具備し、
前記１段目以外の冷却段は、当該１段目に直列に接続したパルスチューブ冷凍サイクルで構成されている他の冷凍機を具備することを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却システム。 - 超電導コイルユニットと、
この超電導コイルユニットを冷却するものであって、冷媒ガスが供給される第１冷凍機と、この第１冷凍機に接続され当該第１冷凍機からの冷媒ガスを受ける第２冷凍機と、冷却初期時に前記第１冷凍機から前記第２冷凍機へ冷媒ガスを供給し、被冷却体の温度が所定以下になったとき前記第２冷凍機への冷媒ガスの供給を停止するコントローラとを具備する冷却部と
を具備することを特徴とする超電導磁石装置。 - 超電導コイルユニットと、
この超電導コイルユニットを冷却するものであって、第１冷凍機と、この第１冷凍機から冷媒ガスの供給を受け該冷媒ガスを循環させるべく前記第１冷凍機と接続された第２冷凍機と、前記第２冷凍機が前記第１冷凍機に結合するように設けられるバルブと、冷却初期時に前記第１冷凍機から前記第２冷凍機へ冷媒ガスを供給し、被冷却体の温度が所定以下になったとき前記第２冷凍機への冷媒ガスの供給を停止すべく前記バルブを制御するコントローラとを具備することを特徴とする冷却部と
を具備することを特徴とする超電導磁石装置。 - 前記冷却部は、前記超電導コイルユニットが含む超電導コイルを直接に冷却する又は当該コイルを収容する槽を冷却する手段を具備することを特徴とする請求項８又は９に記載の超電導磁石装置。
- 前記第２冷凍機は、前記超電導コイルユニットに配置された複数の冷凍機を具備することを特徴とする請求項８又は９に記載の超電導磁石装置。
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