JP5579259B2 - 冷却システム及び冷却方法 - Google Patents

Description

本発明は、低温流体を使用して超伝導装置を冷却するための冷却システム及び冷却方法に関する。

超伝導マグネットや超伝導モータなどの超伝導装置には通常、超伝導状態を維持するための冷却システムが付設されている。例えば特許文献１には、超伝導の回転機械を冷却する低温冷却システムが記載されている。この冷却システムにおいては、ヘリウムを循環させるために１組の高速ファンが冷凍機内に設けられている。特許文献１によれば、このファンは、クライオクーラを通過してロータ・アセンブリまでヘリウムを移動させるために必要な力を提供すべく低温環境内に設けられた機械的手段である。

特表２００３−５１９７７２号公報

しかし、低温環境における機械要素の信頼性は必ずしも高くないのが実情である。低温環境に設置される機械要素に異常が生じた場合には、冷却性能の低下を引き起こすおそれがある。

そこで、本発明は、信頼性に優れる冷却システム及び冷却方法を提供することを目的とする。

本発明のある態様によれば、冷媒ラインに流れを与えるための流れ生成装置が冷却システムの低温容器の外部に設けられている。このようにすれば、流れ生成装置は低温環境の外部で使用されるから、信頼性の向上が期待できる。また、低温環境での使用が仕様上許容されていないが動作保証温度においては高い信頼性を有する汎用の流れ生成装置を冷却システムに採用することも可能となる。

この冷却システムは、超伝導装置へと低温流体を供給するための冷媒出口と、超伝導装置を経由した該流体を受け入れるための冷媒入口と、該入口と出口とを接続する冷媒ラインと、を含む冷媒回路を備えてもよい。低温容器は、冷媒出口よりも上流の冷媒ラインの第１部分と、該第１部分を冷媒出口に向けて流れる流体を冷却するための第１熱交換器と、冷媒入口よりも下流の冷媒ラインの第２部分と、該第２部分を流れる流体を加熱するための第２熱交換器と、を収容してもよい。流れ生成装置は、第１部分と第２部分とを接続する冷媒ラインの第３部分に設置されていてもよい。

本発明の別の態様によれば、低温流体を流すことにより超伝導装置を冷却する冷却方法が提供される。この方法は、超伝導装置を経由した低温流体を流れ生成装置の動作保証温度に加熱し、加熱された低温流体を流れ生成装置を使用して循環させ、低温流体を冷却して超伝導装置に供給することを含む。このようにすれば、冷却に使用された低温流体が流れ生成装置により循環される前に、流れ生成装置の動作保証温度に加熱される。よって、流れ生成装置ひいては冷却システムの信頼性の向上が期待できる。

本発明によれば、信頼性に優れる冷却システム及び冷却方法を実現することができる。

本発明の一実施形態に係る冷却システムを模式的に示す図である。 本発明の一実施形態に係る冷却システムに使用される連結機構の一例を示す図である。 本発明の他の一実施形態に係る冷却システムを模式的に示す図である。

図１は、本発明の一実施形態に係る冷却システム１０を模式的に示す図である。冷却システム１０は、低温流体を冷媒として供給することにより超伝導装置１２を冷却するための装置である。冷却システム１０は、超伝導装置１２に取り付けられることにより冷媒の循環経路を形成する。冷却システム１０は、その循環経路に冷媒を循環させることで超伝導装置１２を冷却する。冷媒は例えば、低温に冷却された気体のヘリウムである。あるいは窒素、水素、またはネオンを冷媒に用いてもよい。

超伝導装置１２は、動作時に超伝導状態を維持する必要のある装置であり、例えば超伝導マグネットや超伝導モータ、超伝導発電機などを含む。あるいは、超伝導装置１２は、超伝導を利用する構成要素を含むシステムであってもよく、例えば、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）装置であってもよい。

超伝導装置１２は、冷却システム１０により冷却されるべき被冷却体９０と、被冷却体９０を冷却するために冷媒を流通させる冷却配管９２と、を含む。被冷却体９０は例えば、超伝導装置１２が超伝導マグネットである場合には超伝導コイルを含み、超伝導モータや超伝導発電機である場合には超伝導ロータを含む。冷却配管９２は被冷却体９０を冷却するよう超伝導装置１２及び被冷却体９０の内部、または被冷却体９０の近傍に形成されている。冷却配管９２の一端９４は冷却システム１０の冷媒出口２０に連結可能に構成されており、冷却配管９２の他端９６は冷却システム１０の冷媒入口２２に連結可能に構成されている。

一実施例においては、超伝導装置１２は、冷却システム１０から独立した別の冷却システムを備えており、冷却システム１０は、その別の冷却システムの冷却開始温度まで超伝導装置１２を予冷するために使用されてもよい。別の冷却システムは例えば、超伝導装置１２の被冷却体９０を極低温の液体に浸漬させて冷却する冷却装置であってもよい。この場合、冷却システム１０は、２０Ｋ乃至８０Ｋの温度範囲、好ましくは３０Ｋ乃至５０Ｋの温度範囲に超伝導装置１２の被冷却体９０を予冷するために使用されてもよい。冷却システム１０により別の冷却システムの冷却開始温度まで超伝導装置１２が予冷されてから、別の冷却システムは超伝導装置１２の本冷却を開始する。

冷却システム１０は、低温流体を流通させるための冷媒回路１４と、内部を低温に保つ低温容器１６と、冷媒回路１４の冷媒循環経路に冷媒の流れを与えるための流れ生成装置１８と、を含んで構成される。冷媒回路１４は、超伝導装置１２へと低温流体を供給するための冷媒出口２０と、超伝導装置１２を経由した低温流体を受け入れるための冷媒入口２２と、冷媒入口２２と冷媒出口２０とを接続する冷媒ライン２４と、を含む。冷媒出口２０及び冷媒入口２２はそれぞれ、公知のバイオネット継手を介して冷却配管９２の一端９４及び他端９６に連結される。図示されるように、冷媒ライン２４は、冷媒出口２０及び冷媒入口２２を介して超伝導装置１２の冷却配管９２に連結されることにより冷媒の循環経路を形成する。

低温容器１６は例えば、真空断熱構造により内部の低温環境を維持するクライオスタットである。低温容器１６は室温または常温の環境に設置される。このため、低温容器１６の外部は室温または常温である。流れ生成装置１８は、低温容器１６の外部に設置されている。流れ生成装置１８は、正常に作動することが保証されている動作保証温度範囲が仕様として定められている。動作保証温度範囲は例えば室温または常温を含む。動作保証温度範囲は例えば５℃乃至４０℃である。流れ生成装置１８は例えば圧縮機である。一実施例においては、流れ生成装置１８は、ファン、サーキュレータ、ブロア、またはポンプであってもよい。

冷却システム１０は、冷媒を冷却するための冷却装置２６を備える。冷却装置２６は、第１冷凍機３０及び第２冷凍機３２を含む。例えば、第１冷凍機３０及び第２冷凍機３２はそれぞれ単段のＧＭ冷凍機である。第１冷凍機３０の冷却ステージ３４及び第２冷凍機３２の冷却ステージ３５は、低温容器１６の内部に設置されている。第１冷凍機３０及び第２冷凍機３２は、その冷却ステージを例えば１０Ｋ乃至１００Ｋの範囲から選択される所望の冷却温度に冷却するよう制御装置（図示せず）により制御される。

第１冷凍機３０の冷却ステージ３４に冷媒ライン２４の一部分３６が取り付けられ、それよりも下流側の冷媒ライン２４の一部分３７が第２冷凍機３２の冷却ステージ３５に取り付けられている。第１冷凍機３０の冷却ステージ３４とそこに取り付けられた冷媒ライン２４の一部分３６とにより冷媒を冷却するための冷却用熱交換器３８が構成されている。同様に、第２冷凍機３２の冷却ステージ３５とそこに取り付けられた冷媒ライン２４の一部分３７とにより冷媒を冷却するためのもう１つの冷却用熱交換器３９が構成されている。このため、２つの熱交換器３８、３９において冷却ステージ３４、３５との熱交換を順次することにより、冷媒ライン２４を流れる冷媒が冷却される。第２冷凍機３２の冷却温度は、第１冷凍機３０の冷却温度と等しいか、または第１冷凍機３０の冷却温度未満とされる。

冷却装置２６において、第１冷凍機３０及び第２冷凍機３２にはそれぞれ第１圧縮機３１及び第２圧縮機３３が付随して設けられている。第１圧縮機３１は、第１冷凍機３０にて膨張した低圧の作動気体を圧縮し高圧の作動気体を第１冷凍機３０へと再び送出する。同様に、第２圧縮機３３は、第２冷凍機３２にて膨張した低圧の作動気体を圧縮し高圧の作動気体を第２冷凍機３２へと再び送出する。第１圧縮機３１及び第２圧縮機３３は、低温容器１６の外部に設置されている。本実施例においては冷却装置２６の作動流体の循環経路と冷却システム１０の冷媒の循環経路とは分離されている。なお、第１冷凍機３０及び第２冷凍機３２は１つの圧縮機を共用していてもよい。

流れ生成装置１８として圧縮機を用いる場合には、第１圧縮機３１及び第２圧縮機３３は、流れ生成装置１８としての圧縮機と同一の機種の圧縮機であってもよい。この場合、第１圧縮機３１及び第２圧縮機３３と、流れ生成装置１８としての圧縮機とは異なる運転圧力で作動させる。第１圧縮機３１及び第２圧縮機３３の高圧側の圧力よりも、流れ生成装置１８としての圧縮機の高圧側の圧力は低圧とされる。

なお冷却装置２６は、冷媒としての低温流体を所望の冷却温度に冷却するためのいかなる冷却装置であってもよい。例えば、冷却装置２６は、２つの冷凍機を備える代わりに、単一の冷凍機を備えてもよいし、３つ以上の冷凍機を備えてもよい。冷凍機は単段ＧＭ冷凍機以外の冷凍機であってもよく、例えば２段ＧＭ冷凍機を用いてもよいし、パルスチューブ冷凍機、またはスターリング冷凍機を用いてもよい。また、作動気体の膨張により寒冷を生成する極低温冷凍機に代えて、低温液体生成装置または低温液体貯槽を用いてもよい。この場合、一実施例においては、第１冷凍機３０及び第２冷凍機３２の少なくとも一方を低温液体生成装置または低温液体貯槽に置き換えてもよい。低温液体生成装置または低温液体貯槽は、冷媒ガスとの熱交換により冷媒ガスを液化する。低温液体生成装置または低温液体貯槽の冷却源となる極低温液体は例えば液体ヘリウムまたは液体窒素であってもよい。

冷却システム１０は、超伝導装置１２を経由した冷媒を加熱するための加熱装置２８をさらに備える。加熱装置２８は、熱交換により冷媒を加熱する加熱用熱交換器４０を含む。熱交換器４０は、超伝導装置１２を冷却した低温流体を流れ生成装置１８の動作保証温度範囲にまで加熱するよう構成されている。熱交換器４０は、流れ生成装置１８から冷却装置２６へと送出される流体を熱源として低温流体を加熱する。熱交換器４０は、例えば積層熱交換器である。積層熱交換器は熱交換の効率に優れているので、熱源として流入する室温の冷媒とほぼ同温度にまで低温流体を加熱することができる。

熱交換器４０は、外部空気を熱源として低温流体を加熱するよう構成されていてもよい。この場合、熱交換器４０は、高温側の流路に外部空気を流通させるよう構成される。そのために、熱交換器４０の高温側流路に送風するための送風機が熱交換器４０に付随して設けられていてもよい。

また、熱交換器４０は積層熱交換器には限られず、その他の形式の熱交換器例えばチューブインチューブ型の熱交換器であってもよい。このように比較的単純な構成の熱交換器を使用する場合には、熱交換効率を高めるために、複数の熱交換器を直列に設置してもよい。

なお、本実施例では加熱装置２８は低温容器１６に収容されているが、加熱装置２８の少なくとも一部が低温容器１６の外部に設けられていてもよい。一実施例においては、流れ生成装置１８の動作保証温度に冷媒が加熱されることを保証するために、加熱用熱交換器４０から流れ生成装置１８に向けて排出された冷媒を加熱するためのヒータが設けられていてもよい。このヒータは例えば、加熱用熱交換器４０と流れ生成装置１８との間において低温容器１６の外部に設けられていてもよい。

冷媒ライン２４は、被冷却体の冷却温度に冷却された冷媒を流すための低温部と、流れ生成装置１８の動作保証温度に加熱された冷媒を流すための高温部と、を含む。冷媒ライン２４の低温部は、冷媒出口２０よりも上流の第１部分４２と、冷媒入口２２よりも下流の第２部分４４と、を含む。冷媒ライン２４の高温部は、低温容器１６の外部に配置されており、第１部分４２と第２部分４４とを接続する第３部分４６を含む。すなわち、冷媒入口２２から冷媒ライン２４に流入した冷媒は、第２部分４４、第３部分４６、第１部分４２を順次流れて冷媒出口２０から流出する。

低温部である第１部分４２には、上述の冷却用熱交換器３８、３９が設けられている。また、第１部分４２の中途に加熱用熱交換器４０の高温側流路が設けられており、第２部分４４の中途に加熱用熱交換器４０の低温側流路が設けられている。冷却用熱交換器３８、３９及び加熱用熱交換器４０は低温容器１６に収容されている。

冷媒ライン２４の低温部は、冷媒出口２０及び冷媒入口２２の近傍の末端部を除いて、低温容器１６の内部に収容されている。冷媒出口２０の近傍の冷媒ライン末端部は、出口側配管４８が低温容器１６から外部へと延出されている。冷媒入口２２の近傍の冷媒ライン末端部は、入口側配管５０が低温容器１６から外部へと延出されている。出口側配管４８及び入口側配管５０は断熱性能を有する配管として形成されており、例えば真空断熱配管である。出口側配管４８及び入口側配管５０の先端がそれぞれ冷媒出口２０及び冷媒入口２２として形成されている。

高温部である第３部分４６は、流れ生成装置１８に冷媒を回収するための回収配管５２と、流れ生成装置１８から冷媒を供給するための供給配管５４と、を含む。回収配管５２は一端が低温容器１６（具体的には冷媒ライン２４の第２部分４４）に接続され、他端が流れ生成装置１８の低圧側に接続される。供給配管５４は一端が低温容器１６（具体的には冷媒ライン２４の第１部分４２）に接続され、他端が流れ生成装置１８の高圧側に接続される。回収配管５２及び供給配管５４は、出口側配管４８及び入口側配管５０と同等またはそれよりも低い断熱性能を有する配管であってもよい。回収配管５２及び供給配管５４は例えばフレキシブルホースであってもよい。

流れ生成装置１８から吐出された高圧の流体を減圧するための圧力調整弁５６が、低温容器１６の外部において流れ生成装置１８の下流に設けられている。圧力調整弁５６は、供給配管５４の中途に設けられている。圧力調整弁５６は、入口側の圧力を所望の設定圧力へと機械的に減圧するよう構成されていてもよいし、圧力調整弁５６の開度を制御することにより設定圧力へと減圧するようにしてもよい。設定圧力は例えば、超伝導装置１２の冷却配管９２、または超伝導装置１２と冷却システム１０との連結機構に許容される最大圧力よりも低圧に設定される。

このようにすれば、比較的高圧の流体を送出する圧縮機を流れ生成装置１８として用いる場合に好適である。この場合、圧力調整弁５６の設定圧力は、第１冷凍機３０及び第２冷凍機３２における高圧側の作動気体圧力の約１／３乃至１／１０に設定されることが好ましい。超伝導装置１２の冷却配管９２における冷媒圧力を小さくすることができるので、冷却配管９２をコンパクトにすることが可能となる。なお、比較的低圧の流体を送出する流れ生成装置１８を用いる場合には圧力調整弁５６は省略されてもよい。

冷媒回路１４は、冷媒ライン２４に冷媒を補給するための冷媒補給部５８を備える。冷媒補給部５８は、冷媒を蓄えるバッファタンク６０と、冷媒ライン２４からバッファタンク６０への逆流を防止するためのチェック弁６２と、を含んで構成される。冷媒補給部５８は、回収配管５２の中途から分岐する分岐配管６４に設けられている。分岐配管６４にはチェック弁６２及びバッファタンク６０が直列に配置され、分岐配管６４の末端にバッファタンク６０が接続されている。チェック弁６２は、回収配管５２の圧力が所望の設定圧力よりも高圧であるときは閉弁され、回収配管５２の圧力が設定圧力より低圧となったときに開弁されるよう構成されている。このため、回収配管５２の圧力が設定圧力より低圧であるときにバッファタンク６０から回収配管５２へと冷媒が補給され、回収配管５２の圧力は設定圧力へと復帰される。

なお冷媒補給部５８は、供給配管５４に設けられていてもよい。この場合、冷媒補給部５８は圧力調整弁５６の上流に設けられてもよいし、下流に設けられていてもよい。あるいは、冷媒補給部５８は、低温容器１６に収容され冷媒ライン２４の第１部分４２または第２部分４４に設けられていてもよい。冷媒補給部５８を低温環境に設置することにより、バッファタンク６０の容積を小さくすることができる。

以上の構成の冷却システム１０による動作を以下に説明する。一実施例においては、冷却システム１０は、超伝導装置１２（例えばＭＲＩ装置）を病院等の設置場所に設置するに際しての予備冷却に使用される。この場合、本冷却（すなわち動作中の冷却）は例えば、超伝導装置１２の被冷却体９０が極低温液体（例えばヘリウム）に浸漬されることにより冷却される。

予備冷却を開始するためにまず、冷却システム１０が超伝導装置１２に取り付けられる。具体的には、冷媒ライン２４の冷媒出口２０及び冷媒入口２２が超伝導装置１２の冷却配管９２に接続される。そして、冷却システム１０の冷却装置２６及び流れ生成装置１８を始動させる。

冷却装置２６及び流れ生成装置１８の作動により冷媒が冷却され、運転当初は過渡的に冷媒ライン２４の冷媒圧力が減少傾向にある。設定圧力を下回るのを防止するように冷媒補給部５８から冷媒が補給される。定常運転状態に達した後も、冷媒の漏れ等により冷媒ライン２４の冷媒圧力が設定圧力を下回るのを防止するように冷媒補給部５８から冷媒が補給される。

冷却装置２６により冷却された低温流体は、冷媒ライン２４の第１部分４２、出口側配管４８、及び冷媒出口２０を通じて超伝導装置１２へと供給される。超伝導装置１２の冷却配管９２を通じて被冷却体９０を経由した低温流体は超伝導装置１２から冷却システム１０の冷媒入口２２へと排出される。冷媒入口２２に流入した低温流体は、入口側配管５０、第２部分４４、及び回収配管５２を通じて流れ生成装置１８へと流れる。冷媒ライン２４の第２部分４４に設けられている加熱用熱交換器４０により、低温流体は室温程度の高温に加熱されて低温容器１６の外部に送られる。

流れ生成装置１８から送出された室温程度の低温流体は、圧力調整弁５６により調圧され熱源として加熱用熱交換器４０に供給される。流れ生成装置１８から送出された低温流体は、加熱用熱交換器４０において超伝導装置１２からの回収低温流体により予冷されているとも言える。加熱用熱交換器４０を経由した低温流体は冷却装置２６により冷却される。このようにして、低温流体は冷却システム１０及び超伝導装置１２を循環する。

本発明の一実施形態によれば、本冷却の開始温度まで被冷却体９０を予冷をすることができる。このため、超伝導装置１２の設置に際して予冷をせずに本冷却を開始する場合に比べて本冷却用の極低温液体の使用量を少なくすることができる。また、閉ループの循環経路に冷媒を循環させながら予備冷却を行っていることも、極低温液体の使用量低減に寄与する。

また、本発明の一実施形態によれば、流れ生成装置１８、圧力調整弁５６、及び冷媒補給部５８のチェック弁６２といった機械要素が低温容器１６の外部の室温環境に設置されている。このため、これらの機械要素として極低温での使用に耐える専用の設計品を用いる必要がない。その結果、冷却システム１０の信頼性を高めることができる。また、室温環境で動作が保証されている汎用の機械要素を使用することができるので、低温専用品を用いる場合に比べてコスト面でも利点がある。

一実施形態においては、冷却システム１０は、被冷却体９０として回転部材を備える超伝導装置１２の本冷却に使用されてもよい。この場合、冷媒ライン２４の冷媒出口２０及び冷媒入口２２はそれぞれ、超伝導装置１２における回転運動を許容する状態で超伝導装置１２を冷媒回路１４に連結する連結機構を備えてもよい。一実施例においては、冷媒出口２０及び冷媒入口２２は配管方向に沿う軸まわりに回転可能に構成されているバイオネット継手であってもよい（図２参照）。このようにして、被冷却体９０の回転運動を許容する状態で冷却システム１０の冷媒ライン２４と超伝導装置１２の冷却配管９２とを接続することができる。

図２は、本発明の一実施形態に係る冷却システムに使用される連結機構の一例を示す図である。低温流体用バイオネット継手１２０は、第１の断熱パイプ１０２および第２の断熱パイプ１０３を組み合わせたもので、さらにＯリング１０４（シール部材）および袋ナット１０５を有する。第１の断熱パイプ１０２は、二重管構造であって、その内部を第１の断熱真空部１０６としてある。第２の断熱パイプ１０３も、二重管構造であって、その内部を第２の断熱真空部１０７としてある。第１の断熱パイプ１０２の端部は、これを凹部として、この内部に第２の断熱パイプ１０３の凸部とした端部を所定長さ（差込み部１０８）にわたって挿入し、回転継ぎ手部１０９とするとともに、この嵌合部分のわずかな間隙部を付属断熱部１１０としてある。

この付属断熱部１１０の最奥部（室温側）に、Ｏリング１０４と、差込み部１０８が抜けてしまうことを防止可能な脱落防止用ストッパー１１１および脱落防止用フランジ１１２と、袋ナット１０５と、を設けてある。したがって、第１の断熱パイプ１０２および第２の断熱パイプ１０３は、軸方向には一体で相対的に移動することはなく、わずかな隙間（付属断熱部１１０）があるため回転継ぎ手部１０９（差込み部１０８）において相対的に回転可能となっている。

Ｏリング１０４部分、さらに脱落防止用ストッパー１１１および脱落防止用フランジ１１２部分にはグリース１１３を塗布することにより、第１の断熱パイプ１０２および第２の断熱パイプ１０３の回転を保証するように潤滑を行う。なお、第１の断熱パイプ１０２あるいは第２の断熱パイプ１０３の回転操作を行う場合には、袋ナット１０５をゆるめればよい。

第１の断熱パイプ１０２および第２の断熱パイプ１０３により低温流体流路１１４を形成し、低温流体流路１１４内を低温流体たとえばヘリウムガスまたは液体窒素ＬＮを一方向に供給可能であるとともに、被冷却物（図示せず）を冷却可能で、被冷却物との熱的接触によりガス化した窒素ガスＧＮと混相状態で供給帰還させることができる。もちろん、この低温流体流路１１４内中央部に流体供給管（図示せず）を配置することにより、この流体供給管内を供給通路とし、流体供給管と第１の断熱パイプ１０２および第２の断熱パイプ１０３との間を帰還通路とすることもできる。

なお、付属断熱部１１０の部分から窒素ガスＧＮが外方に漏れ出る可能性はあるが、Ｏリング１０４によりシールしてあるとともに、付属断熱部１１０はわずかな隙間しかないので、この間に進入した窒素ガスＧＮは多少の温度差があっても対流することはほとんどできず、低温の窒素ガスＧＮの存在により、断熱作用を呈することができる。また、Ｏリング１０４部分は、室温程度となっているので、Ｏリング１０４が凍ることはないし、上述のようにグリース１１３などで潤滑することができる。さらに、第１の断熱パイプ１０２および第２の断熱パイプ１０３は、薄肉のステンレス鋼材料によりこれを構成すれば、この部分を伝わって低温部に入る侵入熱はこれを非常に少なくすることができる。

低温流体に圧力がかかっている場合であっても、脱落防止用ストッパー１１１および脱落防止用フランジ１１２が互いに係合しているとともに袋ナット１０５で固定しているため、この圧力のために差込み部１０８が飛び出たり、抜け出ることは防止されている。

こうした低温流体用バイオネット継手１２０を利用することにより、たとえば直線状にこれを設ける場合はもちろん、第１の断熱パイプ１０２あるいは第２の断熱パイプ１０３のいずれか一方を途中から任意の角度（たとえば直角）に折り曲げ、さらに多数本の低温流体用バイオネット継手１２０を組み合わせて多節リンクとすれば、三次元内での低温流体（冷却媒体）の移送配管の構築が可能である。すなわち、回転継ぎ手部１０９における回転が可能であるため、任意の範囲にわたって、被冷却物の動きに追随して冷却媒体を移送可能である。

低温流体用バイオネット継手１２０においては、第１の断熱パイプ１０２と第２の断熱パイプ１０３との間のＯリング１０４の低温側（第１の断熱パイプ１０２の入口側より付属断熱部１１０に沿った低温側）に環状のグリース溜まり空間１２１を形成してある。

このグリース溜まり空間１２１は、Ｏリング１０４の部分から付属断熱部１１０に至る隣にこれを形成するもので、さらにその中央部に全周突起１２２を設けることによってグリース溜まり空間１２１を二分割し、主溜まり空間１２３および副溜まり空間１２４とし、グリース１１３のさらなる低温側への進行を防止している。すなわち、グリース溜まり空間１２１は、第１の断熱パイプ１０２および第２の断熱パイプ１０３の間におけるグリース１１３の漏れ移動行程を延長するように、第１の断熱パイプ１０２と第２の断熱パイプ１０３との間の付属断熱部１１０に位置してこれを設けてある。

こうした構成の低温流体用バイオネット継手１２０において、第１の断熱パイプ１０２および第２の断熱パイプ１０３の間に凍結防止用のグリース溜まり空間１２１を設けることにより、回転継ぎ手部１０９（Ｏリング１０４およびグリース１１３部分）から低温側へのグリース１１３の移動をグリース溜まり空間１２１の部分で阻止し、グリース１１３の凍結を防止することができる。したがって、比較的多量のグリース１１３を使用しても、既述のような不具合を回避可能である結果、Ｏリング１０４部分の油切れを防止し、シール性能の向上、Ｏリング１０４の摩耗防止、さらに駆動力の低減化が可能となり、高い信頼性と耐久性を有することができる。

図３は、本発明の他の一実施形態に係る冷却システム１００を模式的に示す図である。図１に示される冷却システム１０が気体の冷媒を被冷却体９０に供給するのに対して、図３に示される冷却システム１００は極低温の液体冷媒を供給するよう構成されている点で異なっている。そのために、冷却システム１００は、２段ＧＭ冷凍機を冷却装置２６の第２冷凍機３２として備える。冷却装置２６は低温流体を液化するよう冷却し、加熱装置２８は該流体を気体に戻すよう加熱する。以下の説明においては既述の実施例との共通部分については冗長を避けるため同一の参照符号を付して説明を適宜省略する。また、図１に示す実施例に関連して説明した変形例は、図３に示す実施例にも適用可能である。

図示されるように、第２冷凍機３２は、第１ステージ１３５と、第１ステージ１３５よりも低温に冷却される第２ステージ１４０と、を備える。第１ステージ１３５は例えば３０Ｋ乃至７０Ｋに冷却され、第２ステージ１４０は冷媒の液化温度よりも低温に冷却される。例えば冷媒がヘリウムである場合には第２ステージ１４０は約４Ｋに冷却される。図１に示す実施例と同様に、第２冷凍機３２の第１ステージ１３５は、第１冷凍機３０の冷却ステージ３４よりも低温に冷却されてもよい。

第２冷凍機３２の第２ステージ１４０により追加の冷却用熱交換器１４２が提供される。第２ステージ１４０には、第１ステージ１３５に取り付けられた冷媒ライン２４の一部分３７よりも下流側の冷媒ライン２４の一部分１４４が取り付けられている。このようにして、第２ステージ１４０と冷媒ライン２４の一部分１４４とにより、冷媒の液化のための熱交換器１４２が構成されている。

冷媒ライン２４の第１部分４２においては、この液化のための熱交換器１４２の下流にポンプ１４６が設けられている。ポンプ１４６は、液化された冷媒を冷媒出口２０に向けて送出するために設けられている。

冷媒出口２０から超伝導装置１２の冷却配管９２へと送られた極低温液体は、被冷却体９０を冷却して少なくとも一部が気化する。こうして生成された気液混合流体は冷媒入口２２を通じて加熱装置２８へと戻される。加熱装置２８は、気液混合流体を完全に気化させるとともに冷媒を流れ生成装置１８の動作保証温度まで加熱する。加熱された冷媒は、図１に示す実施例と同様に流れ生成装置１８へと回収され、再び冷却装置２６へと送出される。このようにして低温流体は冷却システム１０を循環する。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。

図１及び図３に示されるように、冷媒回路１４に更なる熱交換器７０が設けられてもよい。熱交換器７０は、冷媒ライン２４の第１部分４２において冷却装置２６により冷却された冷媒を低温側とし、冷媒ライン２４の第１部分４２において加熱装置２８を経由し冷却装置２８による冷却前の冷媒を高温側とする。すなわち、熱交換器７０の低温側流路は冷媒ライン２４の第１部分４２において冷却装置２６の下流に設けられ、高温側流路は冷却装置２６の上流に設けられている。熱交換器７０は、低温容器１６の内部に収容されている。このようにすれば、冷却用の熱交換器３８に流入する冷媒の温度を下げることができるので、冷却システム１００全体の効率を向上することができるという点で好ましい。

また、冷却装置２６に付随して、または冷媒回路１４中に蓄冷器（図示せず）が設けられていてもよい。この蓄冷器は、冷却装置２６の生成した寒冷、または冷却された冷媒の寒冷を蓄えるよう構成されている。蓄冷器は例えば、冷媒ライン２４の第１部分４２において冷却装置２６の下流に設けられ、低温容器１６の内部に収容されている。こうして、冷却装置２６により冷却された冷媒の寒冷が蓄冷器に蓄えられる。このようにすれば、冷却装置２６の運転をメンテナンスのために一時的に停止させる場合や、冷却装置２６が異常により停止した場合にも、蓄えられた寒冷を利用して冷却システムの作動を継続することができる。冷却システムのフェイルセーフ性が向上される。蓄冷器を設置する実施例は、冷却システムが被冷却体の本冷却に使用されている場合に特に好ましい。

一実施例においては、冷却システム１０は、冷却装置２６で使用される冷凍機の作動気体を冷媒として循環させるよう構成されていてもよい。この場合、流れ生成装置１８として圧縮機を使用し、冷却装置２６として膨張エンジンを用いてもよい。冷却装置２６の圧縮機３１、３３は省略される。このようにすれば、冷却システム１０に使用される圧縮機の台数を少なくすることができる。

１０ 冷却システム、 １２ 超伝導装置、 １４ 冷媒回路、 １６ 低温容器、 １８ 流れ生成装置、 ２０ 冷媒出口、 ２２ 冷媒入口、 ２４ 冷媒ライン、 ２６ 冷却装置、 ２８ 加熱装置、 ３８ 冷却用熱交換器、 ４０ 加熱用熱交換器、 ４２ 第１部分、 ４４ 第２部分、 ４６ 第３部分、 ５６ 圧力調整弁、 １２０ バイオネット継手。

本発明は、冷却システム及び冷却方法の分野における利用が可能である。

Claims (9)

1. 低温流体により超伝導装置を冷却するための冷却システムであって、
   超伝導装置へと低温流体を供給するための冷媒出口と、超伝導装置を経由した該流体を受け入れるための冷媒入口と、該入口と出口とを接続する冷媒ラインと、を含む冷媒回路と、
   前記冷媒出口よりも上流の前記冷媒ラインの第１部分と、該第１部分を前記冷媒出口に向けて流れる流体を冷却するための第１熱交換器と、前記冷媒入口よりも下流の前記冷媒ラインの第２部分と、該第２部分を流れる流体を加熱するための第２熱交換器と、を収容する低温容器と、
   前記低温容器の外部に配置され前記第１部分と前記第２部分とを接続する前記冷媒ラインの第３部分に設置されており、前記冷媒ラインに流れを生成するための流れ生成装置と、を備え、
   前記冷媒回路は、前記冷媒ラインの第１部分において前記第１熱交換器により冷却された流体を低温側とし、前記冷媒ラインの第１部分において前記第２熱交換器を経由し前記第１熱交換器により冷却される前の流体を高温側とする更なる熱交換器を備えることを特徴とする冷却システム。
2. 前記第２熱交換器は、前記流れ生成装置の動作保証温度範囲に前記低温流体を加熱することを特徴とする請求項１に記載の冷却システム。
3. 前記動作保証温度範囲は室温を含み、前記流れ生成装置は室温環境に設置されていることを特徴とする請求項２に記載の冷却システム。
4. 前記第２熱交換器は、前記流れ生成装置から前記第１熱交換器へと送出される流体を熱源として前記第２部分を流れる流体を加熱することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の冷却システム。
5. 前記流れ生成装置は圧縮機であり、前記第３部分は該圧縮機から吐出された高圧の流体を減圧するための圧力調整弁を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の冷却システム。
6. 前記冷媒入口及び冷媒出口はそれぞれ、前記超伝導装置における回転運動を許容する状態で前記超伝導装置を前記冷媒回路に連結する連結機構を備えることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の冷却システム。
7. 前記第１熱交換器は低温流体を液化するよう冷却し、前記第２熱交換器は該流体を気体に戻すよう加熱することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の冷却システム。
8. 極低温液体に浸漬されることにより冷却される超伝導装置を予冷するための方法であって、
   請求項１から７のいずれかに記載の冷却システムを超伝導装置に取り付ける工程と、
   前記冷却システムにより前記超伝導装置を冷却する工程と、を含むことを特徴とする冷却方法。
9. 請求項１から７のいずれかに記載の冷却システムを使用して、低温流体を流すことにより超伝導装置を冷却する冷却方法であって、
   超伝導装置を経由した低温流体を流れ生成装置の動作保証温度に加熱し、
   加熱された低温流体を前記流れ生成装置を使用して循環させ、
   低温流体を冷却して前記超伝導装置に供給することを含むことを特徴とする冷却方法。

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