JP6048647B2 - 冷却システム - Google Patents
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[全体構成]
図1は、冷却対象として超電導ケーブルのケーブルコアを採用した本発明の冷却システムの概略基本構成図である。図1(A)は、冷却対象を冷却する液体冷媒の循環ルートと、液体冷媒自体を冷却する液体冷媒の循環ルートと、を別系統とした間接冷却タイプの冷却システム1である。一方、図1(B)は、冷却対象を冷却する液体冷媒の循環ルートの途中で液体冷媒を冷却する直接冷却タイプの冷却システム2である。以下、図1(A)の間接冷却タイプの冷却システム1を例にして説明する。なお、図1の構成はあくまで例示の一つに過ぎない。
リザーバタンク10は、経路20内の液体冷媒の温度変化に伴う液体冷媒の体積変化を吸収する内部空間を有すると共に、冷却対象の冷却に要求される液体冷媒を収納するなどの目的に使用する部材である。経路20内の液体冷媒には液体窒素(沸点;約77K)や、液体空気(沸点;約83K)、液体酸素(沸点;約90K)、液体水素(沸点;約20.6K)、液体ヘリウム(沸点;約4.2K)などを利用することができる。ケーブルコア51に備わる超電導導体が、例えばBi2223系や、RE123系(RE:希土類元素、例えばY、Ho、Nd、Sm、Gdなど)などの高温超電導材料の場合、約85K以下の沸点をもつ液体冷媒が好ましく、安全性、入手の容易さ、絶縁性、コストを考慮して、液体窒素が最も好ましい。
間接冷却タイプの本実施形態の冷却システム1における液体冷媒の経路20は、超電導ケーブル50を冷却するための第1循環路21と、液体冷媒を冷凍機30(後述する)で冷却するための第2循環路22と、を備える。なお、経路20は液体冷媒が循環しない非循環路(図示せず)を備えていても良い。そのような非循環路として、例えば液体冷媒をリザーバタンクに継ぎ足すための配管などが挙げられる。この配管には常時は液体冷媒が流されない。
冷凍機30は、特に限定されず、市販のものを利用することができる。例えば、断熱圧縮などを利用して冷媒を冷却する冷凍機30を利用することができる。冷凍機30は、冷却システム1の運転に関わる機器類の一つであり、冷却システム1における液体冷媒の経路20の一部を構成する。また、冷凍機30に備わるコールドヘッドは、経路20内の液体冷媒に接触する。
送液ポンプ41,42は、特に限定されず、極低温用のものを利用することができる。これら送液ポンプ41,42も冷凍機30と同様に冷却システム1の運転に関わる機器類の一つであり、冷却システム1における液体冷媒の経路20の一部を構成する。
冷却システム1に備わるバルブ(被冷却バルブ91a,91bを含む)は、特に限定されず、極低温用のものを利用することができる。例えば、グローブバルブ、ボールバルブ、ゲートバルブ、バタフライバルブなどを被冷却バルブ91a,91bとして利用することが期待できる。いずれのバルブも、断熱構造を有する弁箱、弁箱の内部で液体冷媒の経路20を開閉する弁体、弁体を動かす弁棒、および弁棒を操作する操作部を備えている。ここで、本発明における『被冷却バルブがリザーバタンク(第1カバー部材)の内部に収納される』とは、『少なくとも被冷却バルブの弁箱と弁体がリザーバタンクの内部に収納される』ことである。図1を含む本明細書の全ての図面において、被冷却バルブ91a,91b(後述する被冷却バルブ92a,92b,92c,95も同様)を簡素化してリザーバタンク10の内部に図示しているが、実際には被冷却バルブ91a,91bの弁棒はリザーバタンク10を貫通しており、弁棒の操作部はリザーバタンク10の外側に配置されている。なお、例えば、電動バルブのように遠隔操作が可能なバルブの場合、操作部をリザーバタンク10の内側(例えば、断熱部内)に設けることもできる。また、バルブを操作する場合にのみ弁棒を装着する構造などを採用することもできる。いずれの構成も、侵入熱の低減に有効である。
その他、図示しないが、冷却システム1の液体冷媒の経路20の途中には、液体冷媒の流量を監視する流量計や、液体冷媒を濾過するフィルタなどが設けられている。これら流量計やフィルタも、冷却システム1の運転に関わる機器類の一つである。
図1を用いて説明した基本構成を備える冷却システム1における被冷却バルブ91a,91bの具体的な配置を図2に基づいて説明する。図2は、冷却システムにおけるリザーバタンク10近傍の部分のみを示す部分拡大図である(後述する図3〜7も同様)。また、図2では、リザーバタンク10に液体冷媒を戻す第1復路配管21R(図1参照)の図示は省略している(後述する図3〜6も同様)。
第二実施形態では、第一実施形態で説明した構成に対し、リザーバタンク10の外周に着脱自在に取り付けられる第2カバー部材C2を設けた構成を図3に基づいて説明する。
第三実施形態では、図4に基づいて、導入管61として連通管25を採用し、その連通管25に連通管バルブ95を設けた構成を説明する。
第四実施形態では、断熱構造を備える概略蓋状の第2カバー部材C2をリザーバタンク10の外部に取り付けた構成を図5に基づいて説明する。
第五実施形態では、リザーバタンク10の断熱構造を二つの断熱部に区画した構成を図6に基づいて説明する。
第六実施形態では、リザーバタンク10に対し、第五実施形態に示す第2カバー部材C2を複数取り付けることによって複数の閉鎖空間10Sを形成し、各閉鎖空間10Sに送液ポンプ41,42を配置した構成を図7に基づいて説明する。この図7では、紙面の大きさの都合上、送液ポンプ41,42については本体部のみ図示し、動力部は図示を省略している。また、紙面上の各機器の配置は実際の配置とは異なる。なお、リザーバタンク10と第2カバー部材C2の構成として、第二実施形態〜第四実施形態の構成を採用することもできる。
第一実施形態〜第六実施形態では、冷却システムに備わる複数のバルブのうち、一部のバルブを被冷却バルブとしてリザーバタンクに収納した。つまり、第一実施形態〜第六実施形態では、リザーバタンクが被冷却バルブを収納する第1カバー部材を兼ねていた。これに対して、第七実施形態では、リザーバタンクとは別に用意した第1カバー部材に被冷却バルブが収納される構成を説明する。つまり、第七実施形態は、本発明における第1カバー部材がリザーバタンクに限定されないことを示す例である。
C1 第1カバー部材 C2 第2カバー部材
10 リザーバタンク
11 第1断熱部 12 第2断熱部 10d 仕切り部 13 第3断熱部
10S 閉鎖空間
20 経路
21 第1循環路 21G 第1往路配管 21R 第1復路配管
21Ga 吸入配管 21Gb 送出配管
22 第2循環路 22G 第2往路配管 22R 第2復路配管
22Ga 吸入配管 22Gb 送出配管
25 連通管
30 冷凍機
41 送液ポンプ 41p 本体部 41m 動力部
42 送液ポンプ
50 超電導ケーブル
51 ケーブルコア 52 断熱管 55 端末部
61 導入管 62 排出管
91a〜91c,92a〜92c,95 バルブ(被冷却バルブ)
Claims (11)
- 液体冷媒によって冷却対象を極低温に冷却する冷却システムであって、
外部環境から内部を断熱し、その内部が極低温とされる第1カバー部材と、
前記第1カバー部材の内部に収納される弁箱と弁体を有し、前記液体冷媒の経路の途中に設けられる被冷却バルブと、
前記第1カバー部材の外側に着脱自在に取り付けられる第2カバー部材と、を備え、
前記第1カバー部材と前記第2カバー部材とで囲まれることで外部環境から断熱された閉鎖空間に、前記冷却システムの運転に関わる機器類の少なくとも一部分が配置され、かつ前記閉鎖空間の温度が、常温から極低温の範囲で変更可能に構成されており、
さらに、前記閉鎖空間に液体状または気体状の冷媒を導入する導入管と
前記閉鎖空間から液体状または気体状の冷媒を排出する排出管と、を備え、
前記導入管を介した冷媒の導入、および前記排出管を介した冷媒の排出を制御することで、前記閉鎖空間の温度を制御する冷却システム。 - 前記導入管は、前記第1カバー部材の内部と前記閉鎖空間とを連通させる連通管であり、
当該連通管に、連通管バルブを設けた請求項1に記載の冷却システム。 - 液体冷媒によって冷却対象を極低温に冷却する冷却システムであって、
外部環境から内部を断熱し、その内部が極低温とされる第1カバー部材と、
前記第1カバー部材の内部に収納される弁箱と弁体を有し、前記液体冷媒の経路の途中に設けられる被冷却バルブと、
前記第1カバー部材の外側に着脱自在に取り付けられる第2カバー部材と、を備え、
前記第1カバー部材と前記第2カバー部材とで囲まれることで外部環境から断熱された閉鎖空間に、前記冷却システムの運転に関わる機器類の少なくとも一部分が配置され、かつ前記閉鎖空間の温度が、常温から極低温の範囲で変更可能に構成されており、
前記第1カバー部材の断熱構造は、前記第2カバー部材に覆われる第1断熱部と、この第1断熱部と仕切り部を介して区切られた第2断熱部と、を備え、
前記第1断熱部の断熱性能は変更可能に構成されており、
前記第1断熱部の断熱性能を変化させ、前記第1カバー部材の極低温の内部と前記閉鎖空間との間の熱交換量を変化させることで、前記閉鎖空間の温度を制御する冷却システム。 - 液体冷媒によって冷却対象を極低温に冷却する冷却システムであって、
外部環境から内部を断熱し、その内部が極低温とされる第1カバー部材と、
前記第1カバー部材の内部に収納される弁箱と弁体を有し、前記液体冷媒の経路の途中に設けられる被冷却バルブと、
前記第1カバー部材の外側に着脱自在に取り付けられる第2カバー部材と、を備え、
前記第1カバー部材と前記第2カバー部材とで囲まれることで外部環境から断熱された閉鎖空間に、前記冷却システムの運転に関わる機器類の少なくとも一部分が配置され、かつ前記閉鎖空間の温度が、常温から極低温の範囲で変更可能に構成されており、
前記第2カバー部材の断熱構造は、その全領域にわたって形成される第3断熱部を備え、
前記第3断熱部の断熱性能は変更可能に構成されており、
前記第3断熱部の断熱性能を変化させ、外部環境から前記閉鎖空間への侵入熱量を変化させることで、前記閉鎖空間の温度を制御する冷却システム。 - 液体冷媒によって冷却対象を極低温に冷却する冷却システムであって、
外部環境から内部を断熱し、その内部が極低温とされる第1カバー部材と、
前記第1カバー部材の内部に収納される弁箱と弁体を有し、前記液体冷媒の経路の途中に設けられる被冷却バルブと、
前記第1カバー部材の外側に着脱自在に取り付けられる第2カバー部材と、を備え、
前記第1カバー部材と前記第2カバー部材とで囲まれることで外部環境から断熱された閉鎖空間に、前記冷却システムの運転に関わる機器類の少なくとも一部分が配置され、かつ前記閉鎖空間の温度が、常温から極低温の範囲で変更可能に構成されており、
前記閉鎖空間を複数備え、
前記機器類が各閉鎖空間に分散して配置されている冷却システム。 - 前記第1カバー部材の断熱構造は、前記第2カバー部材に覆われる第1断熱部と、この第1断熱部と仕切り部を介して区切られた第2断熱部と、を備え、
前記第1断熱部の断熱性能は変更可能に構成されており、
前記第1断熱部の断熱性能を変化させ、前記第1カバー部材の極低温の内部と前記閉鎖空間との間の熱交換量を変化させることで、前記閉鎖空間の温度を制御する請求項1または請求項2に記載の冷却システム。 - 前記第2カバー部材の断熱構造は、その全領域にわたって形成される第3断熱部を備え、
前記第3断熱部の断熱性能は変更可能に構成されており、
前記第3断熱部の断熱性能を変化させ、外部環境から前記閉鎖空間への侵入熱量を変化させることで、前記閉鎖空間の温度を制御する請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の冷却システム。 - 前記閉鎖空間を複数備え、
前記機器類が各閉鎖空間に分散して配置されている請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の冷却システム。 - 前記液体冷媒の温度変化に伴う前記液体冷媒の体積変化を吸収する内部空間を有するリザーバタンクを備え、
このリザーバタンクが前記第1カバー部材を兼ねる請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の冷却システム。 - 前記液体冷媒が、液体窒素である請求項1から請求項9のいずれか一項に記載の冷却システム。
- 前記冷却対象は、超電導ケーブルのケーブルコアである請求項1から請求項10のいずれか一項に記載の冷却システム。
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