JP3908975B2 - 冷却装置及び冷却方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷却部より自圧返送された冷媒を２段の熱交換手段により、過冷却好ましくは、凝固点付近の温度まで冷却して、これを冷媒として再び冷却部に供給する冷却装置、及び冷却方法に関する。本発明は、特に、超電導トランス、超電導マグネット、超電導コイル、あるいは超電導ケーブルなどの高温超電導部材などを低温に冷却するための技術として有用である。
【０００２】
【従来の技術】
高温超電導を利用した超電導部材を冷却するにあたっては、冷媒（冷却媒体）として比較的安価な液体窒素（大気圧下での沸点は約７７Ｋである。）を使用することが多い。
【０００３】
この場合、一般的には真空断熱されたクライオスタットと称される大気に実質的に開放された冷却用容器に超電導部材を収容しておき、その冷却用容器内に約７７Ｋの大気圧飽和液体窒素を注入してその液体窒素中に高温超電導部材を浸漬させ、冷却・保持するのが通常である。
【０００４】
一方、高温超電導部材においては、若干でも温度が下がれば、安定な超伝導状態を維持できるなど、超電導特性に有利なことが知られている。
【０００５】
そこで、特許第３２０８０６９号公報には、超電導部材を収容した冷却用容器に冷媒となる液体窒素を供給する際に、減圧手段によって内部が減圧され温度６５Ｋとなった液体窒素を貯留する減圧用容器内の熱交換器に、温度７７Ｋの液体窒素を導いて熱交換により冷却して、大気圧で過冷却状態の冷媒として供給する方法が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の冷却方法では、供給される冷媒が大気圧付近の圧力であるため、過冷却温度域を十分利用できない。また、上記に用いる冷却装置において、減圧用容器内の熱交換器に液体窒素を導くための送液ポンプを用いて液体窒素の加圧を行っているので、第２熱交換手段における冷却熱負荷が大きくなり、冷却効率が悪くなる。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、冷媒を加圧・過冷却状態で使用することにより、被冷却物を効率良く冷却することができる冷却装置、及び冷却方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、下記の如き本発明により達成できる。
即ち、本発明の冷却装置は、被冷却物を大気圧より加圧した冷媒で冷却する冷却部と、その冷却部から自圧返送された冷媒を冷却側に導いて被冷却側の流体を冷却する第１熱交換手段と、その第１熱交換手段の冷却側からの流体を加圧した後に前記第１熱交換手段の被冷却側に供給する加圧手段と、前記第１熱交換手段で冷却された流体を被冷却側に導いて前記第１熱交換手段の冷却側より低圧に気相部が減圧された冷却側の流体で冷却する第２熱交換手段と、その第２熱交換手段の冷却側の気相部を減圧する減圧手段とを備え、前記第２熱交換手段で冷却された過冷却温度、好ましくは凝固点近傍の温度の流体を加圧冷媒として前記冷却部に供給することを特徴とする。
【０００９】
上記において、前記第１熱交換手段の冷却側の流体又は冷却側に供給される流体を、流量調整しつつ前記第２熱交換手段の冷却側へ導く経路を備えることが好ましい。
【００１０】
一方、本発明の冷却方法は、冷却部にて被冷却物を大気圧より加圧した冷媒で冷却し、その冷却部から自圧返送され第１熱交換手段の冷却側に導いた冷媒で被冷却側の流体を冷却して自身が加温された流体を導出し、その流体を加圧した後、前記第１熱交換手段の被冷却側に供給して前記冷却を行ってから第２熱交換手段の被冷却側に導くと共に、その第２熱交換手段の冷却側の気相部を減圧手段により前記第１熱交換手段の冷却側より低圧に減圧しながら、その冷却側の流体で前記被冷却側に導かれた流体を冷却し、過冷却温度、好ましくは凝固点近傍の温度の加圧冷媒として前記冷却部に供給することを特徴とする。
【００１１】
上記において、前記第１熱交換手段の冷却側の流体又は冷却側に供給される流体を、流量調整しつつ前記第２熱交換手段の冷却側へ導くことが好ましい。特に、前記第１熱交換手段の冷却側の流体を、流量調整しつつ前記第２熱交換手段の冷却側へ導くことが好ましい。
【００１２】
また、前記冷媒は液体窒素又は液体空気であることが好ましく、液体窒素であることがより好ましい。
【００１３】
［作用効果］
本発明の冷却装置によると、加圧手段の入口側流体と出口側流体とを第１熱交換手段にて熱交換させることで、第２熱交換手段にて冷却される被冷却側流体の予冷が行われるため、第２熱交換手段における熱負荷が低減される。従って、過冷却温度、好ましくは凝固点近傍の温度で、しかも大気圧より加圧した冷媒で被冷却物を効率良く冷却することができるようになる。
【００１４】
前記第１熱交換手段の冷却側の流体などを流量調整しつつ前記第２熱交換手段の冷却側へ導く経路を備える場合、第２熱交換手段の冷却側が第１熱交換手段の冷却側より減圧されているため、その差圧を利用して容易に流体を第２熱交換手段へと流動させることができる。
【００１５】
一方、本発明の冷却方法によると、上記の如き作用効果により、冷媒を加圧・過冷却状態で使用することにより、被冷却物を効率良く冷却するすることができる。
【００１６】
前記第１熱交換手段の冷却側の流体又は冷却側に供給される流体を、流量調整しつつ前記第２熱交換手段の冷却側へ導く場合、第２熱交換手段の冷却側が第１熱交換手段の冷却側より減圧されているため、その差圧を利用して容易に流体を第２熱交換手段へと流動させることができ、簡易な装置構成で補給することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の冷却装置の一例を示す概略構成図である。
【００１８】
本発明の冷却装置は、図１に示すように、被冷却物３４の冷却部３３、第１熱交換手段１０、加圧手段１５、第２熱交換手段２０、及び減圧手段２５を備え、２段の冷却によって凝固点近くの過冷却温度まで冷却した流体を冷媒として冷却部３３に再び供給するものである。
【００１９】
冷却部３３は、被冷却物３４を大気圧より加圧した過冷却冷媒で冷却するものであればよく、冷媒貯留型冷却槽、ジャケット型冷却槽、ヘリカルコイル型冷却槽など何れの構造でもよい。本実施形態では、図１に示すように、冷媒を容器内部に貯留する冷媒貯留型冷却槽を用いる例を示す。冷却部３３での冷却は、凝固点近傍の温度（過冷却温度）の加圧冷媒で行うことができる。
【００２０】
被冷却物３４としては、超電導トランス、超電導マグネット、超電導コイル、あるいは超電導ケーブルなどの高温超電導部材などがある。
【００２１】
第１熱交換手段１０としては、流体の貯留部１３に熱交換部１２が浸漬される型式のものが例示できる。自圧返送された冷媒は冷却側となる流体の貯留部１３に導かれ、熱交換部１２内の被冷却側の加圧流体と熱交換することで、被冷却側の加圧流体が冷却される。
【００２２】
冷媒としては、液体窒素が好ましい。貯留部１３に貯留される冷却側の流体は、流量調整のための弁１１を介して貯留部１３に導入され、貯留部１３では流体が大気圧付近の圧力（例えば１．２ｂａｒＡ）で維持されている。貯留部１３では冷却側の流体が蒸発し、それによって流体温度が略一定に保たれる（例えば７９Ｋ）。蒸発した冷却側の流体は、経路１９から排出される。
【００２３】
貯留部１３の流体は、一部が導出されて、流量の緩衝機能を有するキャッチタンク１４に導かれ、更に加圧ポンプなどの加圧手段１５に導かれる。この加圧手段１５では、冷却部の条件により２〜２０ｂａｒＡの任意の圧力まで加圧が行われる。本発明では、この圧力から供給経路での圧力損失により低下する圧力にて、最終的に冷媒を冷却部３３に供給することができる。
【００２４】
加圧手段１５で加圧された流体は、低温液体を貯留するコールドエバポレータ１６に貯留される。コールドエバポレータ１６に一旦、高圧の流体を貯留することにより、加圧ポンプの一時的な停止時のバックアップが可能となる。
【００２５】
本発明のように冷却部３３に供給した冷媒を自圧返送して再使用（リサイクル）する場合、第１熱交換手段１０の貯留部１３で蒸発する冷媒、及び後述の第２熱交換手段２０の貯留部２３で蒸発後に排気される冷媒が、リサイクル中に消費されるため、これを外部から補給する必要がある。本実施形態では、コールドエバポレータ１６に対して冷媒を補給する例を示す。一方、冷却部３３から自圧返送される冷媒の量と、上記冷媒の消費量とが同じ場合は、キャッチタンク１４を経て加圧手段１５で加圧される流体は無くなり、外部から補給した冷媒のみが、第１熱交換手段１０と第２熱交換手段２０とを経て、冷却部３３に供給されることになる。
【００２６】
このコールドエバポレータ１６からの流体は、第１熱交換手段１０の熱交換部１２に導かれるが、その際の温度は、例えば加圧圧力が６．８ｂａｒＡの場合、約９８Ｋまで上昇している。この流体は、第１熱交換手段１０により冷却側の流体で冷却された後、排出されて第２熱交換手段２０の熱交換部２２に導かれる。
【００２７】
この第２熱交換手段２０としては、流体の貯留部２３に熱交換部２２が浸漬される型式のものが例示でき、貯留部２３の冷却側の流体と熱交換部２２内の被冷却側の流体と熱交換することで、被冷却側の流体がさらに冷却される。
【００２８】
本実施形態では、第１熱交換手段１０の冷却側の流体（又は冷却側に供給される流体）を、流量調整しつつ第２熱交換手段２０の冷却側へ導く経路１７を備える例を示す。当該流量調整は、弁１８の開度調整により行うことができる。
【００２９】
第２熱交換手段２０の貯留部２３には冷却側の流体が貯留され、第１熱交換手段１０の冷却側より低圧に気相部が減圧されている。具体的には約０．２ｂａｒＡに減圧するのが好ましい。この減圧は、第２熱交換手段２０の冷却側の気相部を減圧する減圧手段２５により行うことができる。減圧手段２５としては、バキュームポンプ、ブロアー、エジェクターなどを用いればよい。この第２熱交換手段２０では、貯留部２３の圧力に応じた温度（ほぼ飽和蒸気圧温度）に冷却側の流体が冷却される（例えば温度６６Ｋ）。このような供給冷媒の温度としては、被冷却側の流体が凝固点近傍の温度まで過冷却されるのが好ましい。
【００３０】
本発明では、図１の破線で示すように、第１熱交換手段１０の冷却側に供給される流体（又は冷却側の流体）を、別の加圧手段３０で加圧しつつ第２熱交換手段２０の被冷却側へ導くことが可能な経路３１を更に備えていてもよい。また、このような経路３１への冷媒の流通を、弁１１側の経路への流通と切り換え可能としたり、両経路への流量配分を調節できるようにしてもよい。
【００３１】
また、本発明において、冷却部３３が実用超伝導ケーブルのような長い被冷却体を冷却する場合には、例えば図２に示すような断熱配管を使用するのが好ましい。つまり、供給する加圧した冷媒の流路４１（往路）に被冷却体（図示省略）を内蔵し、その流路４１の外側に真空断熱層４２を介して戻り冷媒の流路４３（復路）を設けると共に、その流路４３の外側に真空断熱層４４を更に設けたものが好ましい。この多重同軸真空断熱管を利用することにより、外部からの熱浸入を大幅に抑え、加圧冷媒の温度上昇を小さくすることができる。
【００３２】
一方、本発明の冷却方法は、以上のように、冷却部３３にて被冷却物３４を大気圧より加圧した冷媒で冷却し、その冷却部３３から自圧返送され第１熱交換手段１０の冷却側に導いた冷媒で被冷却側の流体を冷却して自身が加温された流体を導出し、その流体を加圧した後、前記第１熱交換手段１０の被冷却側に供給して前記冷却を行ってから第２熱交換手段２０の被冷却側に導くと共に、その第２熱交換手段２０の冷却側の気相部を減圧手段２５により前記第１熱交換手段１０の冷却側より低圧に減圧しながら、その冷却側の流体で前記被冷却側に導かれた流体を冷却し、凝固点近傍の過冷却温度の加圧冷媒として前記冷却部３３に供給するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の冷却装置の一例を示す概略構成図
【図２】本発明により冷媒供給する際に使用可能な配管の一例の半断面を示す斜視図
【符号の説明】
１０ 第１熱交換手段
１５ 加圧手段
１７ 経路（冷却側）
２０ 第２熱交換手段
２５ 減圧手段
３０ 加圧手段（補助用）
３３ 冷却部
３４ 被冷却物

Claims (5)

1. 被冷却物を大気圧より加圧した冷媒で冷却する冷却部と、その冷却部から自圧返送された冷媒を冷却側に導いて被冷却側の流体を冷却する第１熱交換手段と、その第１熱交換手段の冷却側からの流体を加圧した後に前記第１熱交換手段の被冷却側に供給する加圧手段と、前記第１熱交換手段で冷却された流体を被冷却側に導いて前記第１熱交換手段の冷却側より低圧に気相部が減圧された冷却側の流体で冷却する第２熱交換手段と、その第２熱交換手段の冷却側の気相部を減圧する減圧手段とを備え、前記第２熱交換手段で冷却された過冷却温度の流体を加圧冷媒として前記冷却部に供給する冷却装置。
2. 前記第１熱交換手段の冷却側の流体又は冷却側に供給される流体を、流量調整しつつ前記第２熱交換手段の冷却側へ導く経路を備える請求項１記載の冷却装置。
3. 冷却部にて被冷却物を大気圧より加圧した冷媒で冷却し、その冷却部から自圧返送され第１熱交換手段の冷却側に導いた冷媒で被冷却側の流体を冷却して自身が加温された流体を導出し、その流体を加圧した後、前記第１熱交換手段の被冷却側に供給して前記冷却を行ってから第２熱交換手段の被冷却側に導くと共に、その第２熱交換手段の冷却側の気相部を減圧手段により前記第１熱交換手段の冷却側より低圧に減圧しながら、その冷却側の流体で前記被冷却側に導かれた流体を冷却し、過冷却温度の加圧冷媒として前記冷却部に供給する冷却方法。
4. 前記第１熱交換手段の冷却側の流体又は冷却側に供給される流体を、流量調整しつつ前記第２熱交換手段の冷却側へ導く請求項３記載の冷却方法。
5. 前記冷媒が液体窒素又は液体空気である請求項３又は４に記載の冷却方法。

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