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公開番号2024055004
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-04-18
出願番号2022161552
出願日2022-10-06
発明の名称極低温冷却装置及び超電導装置
出願人株式会社東芝,東芝エネルギーシステムズ株式会社
代理人弁理士法人東京国際特許事務所
主分類F25B 9/08 20060101AFI20240411BHJP(冷凍または冷却;加熱と冷凍との組み合わせシステム;ヒートポンプシステム;氷の製造または貯蔵;気体の液化または固体化)
要約【課題】冷却源への熱負荷を低減して被冷却物を効率良く冷却できること。
【解決手段】室温領域Nと低温領域Mの両領域に亘り設けられ、低温領域に被冷却物1を配設するガス配管12と、室温領域に配設されて冷却ガスXをガス配管内で循環させる圧縮機13と、低温領域に配設されて、圧縮機からの高圧側冷却ガスを圧縮機に戻る低圧側冷却ガスにより熱交換して冷却させる熱交換器14と、低温領域内に配設されて冷却ガスを冷却し、この冷却ガスにより被冷却物を冷却する冷凍機15と、低温領域内に配設されて冷却ガスに対しポンプ機能を果たすエジェクタ16とを有し、エジェクタは、駆動口19が熱交換器の高圧側出口にガス配管を介して接続され、吐出口23に接続されるガス配管が分岐され、一方の分岐ガス配管12Aが熱交換器の低圧側入口に接続され、他方の分岐ガス配管12Bが、冷凍機及び被冷却物を順次配設した後にエジェクタの吸込口21に接続される。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
断熱容器により区画された室温領域と低温領域の両領域に亘り設けられ、前記低温領域に被冷却物を配設するガス配管と、
前記室温領域内の前記ガス配管に配設されて、冷却ガスを前記ガス配管内で循環させる圧縮機と、
前記低温領域内の前記ガス配管に配設されて、前記圧縮機からの高圧側の冷却ガスを前記圧縮機に戻る低圧側の冷却ガスにより熱交換して冷却させる熱交換器と、
前記低温領域内の前記ガス配管における前記被冷却物の上流側に配設されて冷却ガスを冷却し、この冷却ガスにより前記被冷却物を冷却する冷却源と、
前記低温領域内の前記ガス配管における前記熱交換器と前記冷却源との間に配設されて、冷却ガスに対しポンプ機能を果たすエジェクタと、を有し、
前記エジェクタは、駆動口が前記熱交換器の高圧側出口に前記ガス配管を介して接続され、吐出口に接続される前記ガス配管が分岐され、一方の分岐ガス配管が前記熱交換器の低圧側入口に接続され、他方の分岐ガス配管が、前記冷却源及び前記被冷却物を順次配設した後に前記エジェクタの吸込口に接続されて構成されたことを特徴とする極低温冷却装置。
続きを表示（約 1,400 文字）【請求項２】
断熱容器に囲まれた低温領域に設けられ、被冷却物を配設するガス配管と、
前記ガス配管に配設されて、冷却ガスを前記ガス配管内で循環させる低温ファンと、
前記ガス配管における前記被冷却物の上流側に配設されて冷却ガスを冷却し、この冷却ガスにより前記被冷却物を冷却する冷却源と、
前記ガス配管における前記低温ファンと前記冷却源との間に配設されて、冷却ガスに対しポンプ機能を果たすエジェクタと、を有し、
前記エジェクタは、駆動口が前記低温ファンの高圧側出口に前記ガス配管を介して接続され、吐出口に接続される前記ガス配管が分岐され、一方の分岐ガス配管が前記低温ファンの低圧側入口に接続され、他方の分岐ガス配管が、前記冷却源及び前記被冷却物を順次配設した後に前記エジェクタの吸込口に接続されて構成されたことを特徴とする極低温冷却装置。
【請求項３】
前記断熱容器は、冷却源及びエジェクタを収容する第１の断熱容器と、被冷却物を収容する第２の断熱容器とを有し、これらの両断熱容器内のガス配管が、断熱ガス配管にて接続されて構成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の極低温冷却装置。
【請求項４】
前記断熱容器は、冷却源及びエジェクタを収容する第１の断熱容器と、被冷却物を収容する第２の断熱容器とを有し、
前記第２の断熱容器は、それぞれに前記被冷却物を収容して複数設けられ、
前記第１の断熱容器内における他方の分岐ガス配管が前記冷却源の出口で更に分岐され、これらの冷却源側分岐ガス配管は、入口側断熱ガス配管を介して、複数の前記第２の断熱容器内におけるそれぞれの前記被冷却物を配設した後に、出口側断熱ガス配管を介して、前記第１の断熱容器内における前記エジェクタの吸込口の上流側で合流して、前記吸込口に接続されて構成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の極低温冷却装置。
【請求項５】
前記エジェクタの吐出口に接続されたガス配管における一方の分岐ガス配管に配設されたバルブと、
被冷却物の状態または前記被冷却物内の冷却ガスの状態を測定するセンサと、
前記センサからの測定値に基づいて前記バルブの開度を調整し、前記被冷却物の温度上昇を抑制するよう制御する監視装置と、を有して構成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の極低温冷却装置。
【請求項６】
複数の前記第２の断熱容器内でそれぞれの被冷却物を配設した複数の冷却源側分岐ガス配管における合流点の上流側に配設された複数のバルブと、
複数の前記被冷却物の状態または複数の前記被冷却物内の冷却ガスの状態を測定する複数のセンサと、
複数の前記センサからの測定値に基づいて複数の前記バルブの開度を調整し、複数の前記被冷却物間の温度差を抑制するよう制御する監視装置と、を有して構成されたことを特徴とする請求項４に記載の極低温冷却装置。
【請求項７】
前記エジェクタの吸込口に吸い込まれる冷却ガスの圧力が、冷却ガスの臨界圧力以上に設定されたことを特徴とする請求項１または２に記載の極低温冷却装置。
【請求項８】
前記被冷却物が超電導コイルである請求項１または２に記載の極低温冷却装置を有して構成されたことを特徴とする超電導装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、冷却ガスを用いて被冷却物を冷却するガス循環冷却方式の極低温冷却装置、及びこの極低温冷却装置を備えた超電導装置に関する。
続きを表示（約 1,800 文字）【背景技術】
【０００２】
超電導コイルを極低温に冷却する極低温冷却装置として、冷凍機（極低温冷凍機）を用いた伝導冷却方式がある。この伝導冷却方式は、液体ヘリウムで冷却する方式に比べて、専門知識が必要な液体ヘリウムを取扱う必要が無いことや、近年のヘリウム資源の枯渇問題での液体ヘリウムの入手困難性等の影響を受けないメリットがある。しかし、冷凍機が磁場中では使用できず超電導コイルから距離を離す必要がある場合や、一つの冷凍機で複数の被冷却物を冷却する場合には、冷凍機と超電導コイルとの伝熱距離が長くなる。このため、伝導冷却方式では、冷凍機と超電導コイルとの間の温度差が大きくなってしまう問題がある。
【０００３】
そこで、冷凍機で冷却した冷却ガスを循環させて冷却するガス循環冷却方式の極低温冷却装置が有利となる。このガス循環冷却方式では、冷凍機と超電導コイルとの距離を離しても両者の温度差が大きくならない利点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
特開平１０－３１１６１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の極低温冷却装置１００では、図１３(Ａ)に示すように、冷却ガスＺをガス配管１０１内で循環させる圧縮機１０２が、真空断熱容器１０４外の室温領域Ｖに設けられる。この圧縮機１０２の高圧側と低圧側に接続された熱交換器１０３が、真空断熱容器１０４内の低温領域Ｕに流入する高圧側の冷却ガスＺを、圧縮機１０２に戻る低圧側の冷却ガスＺにより熱交換して冷却させる。そして、熱交換器１０３の高圧側出口に接続されたガス配管１０１は、冷凍機(極低温冷凍機)１０５及び被冷却物１０６を順次配設した後に、熱交換器１０３の低圧側入口に接続されて、冷却ガスＺの循環ループを形成する。
【０００６】
従来の他の極低温冷却装置１１０では、図１３(Ｂ)に示すように、真空断熱容器１０４内の低温領域Ｕに、冷却ガスＺを循環させる低温ファン１１１を有する。この低温ファン１１１の高圧側出口に接続されたガス配管１１２は、冷凍機(極低温冷凍機)１０５及び被冷却物１０６を配設した後に、低温ファン１１１の低圧側入口に接続されて、冷却ガスＺの循環ループを形成する。
【０００７】
図１３(Ａ)に示す従来の極低温冷却装置１００では、超電導コイル等の被冷却物１０６は、超電導コイルの発熱と、室温領域Ｖからの放射や支持部材を介する熱伝導による侵入熱とを合わせた熱負荷を、冷凍機１０５が吸熱することで極低温に冷却される。ところが、熱交換器１０３において、室温領域Ｖの冷却ガスＺが低温領域Ｕに流入するとき、室温領域Ｖに戻る冷却ガスＺとの間で熱交換の損失に伴う熱負荷が追加で生じてしまい、このため、被冷却物１０６の温度が上昇してしまう。
【０００８】
特に、被冷却物１０６として大きな熱負荷を有する超電導コイルを冷却する場合、冷却ガスＺのガス流量を増加することで、被冷却物１０６の入口と出口の冷却ガスＺの温度差を低減できる。しかし、この場合には、室温領域Ｖから多量の冷却ガスＺが流入することになり、冷凍機１０５の熱負荷が増大してしまう。このため、被冷却物１０６を所望の温度以下に冷却するためには、冷凍機１０５の冷却能力の向上が必要になり、例えば冷凍機１０５の必要台数が増加する。
【０００９】
また、図１３(Ｂ)に示す従来の他の極低温冷却装置１１０では、低温領域Ｕに配置された低温ファン１１１を駆動するために、室温領域Ｖに設置された機械的接続部が必要である。このため、室温領域Ｖの機械的接続部から熱伝導により熱侵入が生じ、これに伴い冷凍機１０５に熱負荷が追加で生じるので、被冷却物１０６の温度が上昇してしまう。特に、被冷却物１０６が大きな熱負荷を有する超電導コイルである場合には、冷却ガスＺの流量を増加するために低温ファン１１１の動力を増大させる必要がある。これに伴い機械的接続部が大きくなって、低温ファン１１１を介し低温領域Ｕの冷却ガスＺへの熱侵入量が増加してしまう。
【００１０】
図１３(Ａ)及び(Ｂ)に示す従来の極低温冷却装置１００及び１１０では、上述のような冷凍機１０５への追加の熱負荷を抑え、被冷却物１０６の温度上昇を抑制することが課題である。
（【００１１】以降は省略されています）

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