JP6523779B2 - Cryogenic refrigeration system and cryogenic refrigeration method - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、超電導転移温度程度の極低温へ物体を冷却する冷却技術に関する。 Embodiments of the present invention relate to cooling techniques for cooling an object to cryogenic temperatures as high as the superconducting transition temperature.
超電導コイルを用いた超電導磁石は、その電気抵抗の顕著な低さから容易に高磁場を発生させることができるので、MRIや単結晶引き上げ装置などに使用されている。
この超電導磁石を超電導状態に維持するには、極低温冷凍機(以下、単に「冷凍機」という)などを用いて液体窒素温度以下の極低温まで冷却する必要がある。
A superconducting magnet using a superconducting coil can easily generate a high magnetic field because of its remarkable low electrical resistance, and is therefore used in MRI, single crystal pulling apparatus and the like.
In order to maintain the superconducting magnet in the superconducting state, it is necessary to cool it to a cryogenic temperature equal to or lower than the liquid nitrogen temperature using a cryogenic refrigerator (hereinafter, simply referred to as a "refrigerator") or the like.
超電導コイルを複数用いて特に強力な磁場を発生させる高磁場超電導磁石は、冷却時の熱負荷が大きくなるので、複数の冷凍機が設けられる。
この複数の冷凍機を有する複数の冷却系で1つの冷却ステージを冷却することで、この超電導コイルが最適な温度に冷却される。
A high magnetic field superconducting magnet that generates a particularly strong magnetic field by using a plurality of superconducting coils has a large thermal load at the time of cooling, so a plurality of refrigerators are provided.
By cooling one cooling stage with a plurality of cooling systems having the plurality of refrigerators, the superconducting coil is cooled to an optimum temperature.
ところで、超電導コイルには、4K程度の低温で超電導状態になる低温超電導コイル(以下、「LTSコイル」という)と、20K程度の比較的高い温度で超電導状態となる高温超電導コイル(以下、「HTSコイル」という)と、がある。 By the way, the superconducting coil is a low temperature superconducting coil (hereinafter referred to as "LTS coil") which becomes superconducting at a low temperature of about 4 K and a high temperature superconducting coil (hereinafter referred to as "HTS") which is in a superconducting state at a relatively high temperature of about 20 K It is called "coil".
HTSコイルは、20K程度の温度帯における使用が可能であることに加えて、磁場への耐性が高いという特徴がある。
一方、作成費用または扱い易さなどの観点では、LTSコイルがより優位である。
よって、物性研究等で使用される高磁場超電導磁石は、HTSコイルにLTSコイルが組み合わせられていることが多い。
HTSコイルおよびLTSコイルが組み合わせられる場合にも、定常運転温度の異なる其々の超電導コイルを最適な温度にするため、複数の冷却系が設けられる。
The HTS coil is characterized by high resistance to a magnetic field, in addition to being able to be used in a temperature range of about 20K.
On the other hand, the LTS coil is more advantageous in terms of production cost or ease of handling.
Therefore, high field superconducting magnets used in physical property research and the like often have an HTS coil combined with an LTS coil.
Even in the case where the HTS coil and the LTS coil are combined, a plurality of cooling systems are provided to optimize the temperature of each superconducting coil having different steady operation temperatures.
高磁場超電導磁石の冷却過程は、超電導コイルを超電転移温度付近まで冷却する予冷の段階と、超電導状態になった超電導コイルの温度を維持する定常運転の段階と、に大別することができる。
超電導転移温度が低いLTSコイルを冷却する場合には、GM/JT冷凍機が用いられる。
しかし、GM/JT冷凍機は80K程度以上では冷凍能力が低いので、予冷時には、効率的に冷却するため、冷却限界温度の異なる他の冷凍機の冷凍能力を利用する。
つまり、予冷配管を用いて冷媒の循環経路を変更して、冷熱源を切り換えながら冷却する。
一方、定常運転時には、特定の冷熱源で冷媒の冷却を継続することで、超電導コイルの超電導状態を維持する。
The cooling process of the high magnetic field superconducting magnet can be roughly divided into a stage of precooling for cooling the superconducting coil to near the transition temperature and a stage of steady operation for maintaining the temperature of the superconducting coil in a superconducting state. .
When the superconducting transition temperature to cool the low LTS coils, G M / JT refrigerator is used.
However, since the GM / JT refrigerator has a low refrigeration capacity at about 80 K or more, the refrigeration capacity of another refrigerator having a different cooling limit temperature is utilized in order to cool efficiently at the time of precooling.
In other words, the refrigerant circulation path is changed using the precooling piping, and cooling is performed while switching the cooling heat source.
On the other hand, at the time of steady operation, the superconducting state of the superconducting coil is maintained by continuing the cooling of the refrigerant with a specific cold heat source.
しかしながら、上述した従来の技術では、超電導コイルが不均一に冷却されて発生する熱応力によって、超電導コイルが劣化する可能性があるという課題があった。
特に、高磁場超電導磁石は、冷却特性の異なる複数の冷凍機で超電導コイルを冷却するため、超電導コイルの温度が不均一になることがある。
例えば、1つの冷却ステージを冷却している2台の冷凍機の冷却能力が異なる場合には、冷却ステージは不均一な温度分布になる。
また、同一の冷凍能力を有する2台のGM/JT冷凍機であっても、1台のみが他の冷却源で助勢されていると、冷却ステージに不均一な温度分布を発生させる。
However, in the above-described conventional technology, there is a problem in that the superconducting coil may be deteriorated due to the thermal stress generated by uneven cooling of the superconducting coil.
In particular, since the high magnetic field superconducting magnet cools the superconducting coil with a plurality of refrigerators having different cooling characteristics, the temperature of the superconducting coil may be uneven.
For example, if the cooling capacities of two refrigerators cooling one cooling stage are different, the cooling stages have an uneven temperature distribution.
In addition, even in the case of two GM / JT refrigerators having the same refrigeration capacity, if only one is assisted by another cooling source, uneven temperature distribution occurs in the cooling stage.
また、HTSコイルは、LTSコイルと比較して熱容量が小さい。
よって、HTSコイルが先に冷却され、LTSコイルとの間に大きな温度差を発生させることで、互いに熱応力を発生させることもある。
このように予冷時に発生する複数の冷却系の間の温度差によって超電導コイルが劣化する恐れがあるという課題は、冷却系の構成が同種か異種かによらず、共通する課題である。
Also, the HTS coil has a smaller heat capacity than the LTS coil.
Therefore, the HTS coils may be cooled first to generate a large temperature difference with the LTS coils, which may generate thermal stress.
Problem thus may deteriorate the superconducting coil by the temperature difference between the plurality of cooling system which occur during the pre-cooling, the configuration of the cooling system regardless of whether homologous or heterologous, which is a problem common to.
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、複数の冷却系で冷却される被冷却物における熱応力の発生を抑制するとともに効率よく予冷することが可能な極低温冷却装置および極低温冷却方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of such circumstances, and it is possible to suppress the generation of thermal stress in an object to be cooled by a plurality of cooling systems, as well as a cryogenic cooling device and pole capable of efficiently precooling. The purpose is to provide a low temperature cooling method.
本実施形態にかかる極低温冷却装置は、真空容器中に配置された被冷却物に供給される冷媒の循環経路を形成して冷却系とする冷却配管と、冷媒を冷却する冷熱源を有して冷却配管が環状に接続される冷凍機と、複数の冷却系のうち少なくとも1つの冷却配管の一部を構成するとともに冷却配管を環状に分岐して特定の冷熱源を迂回する予冷配管と、予冷配管に設けられて被冷却物に供給される冷媒の冷熱源を切り換えるバイパス弁と、冷却配管のうち予冷配管による分岐点から被冷却物までの区間に設けられて冷却配管とは冷却系の異なる冷却配管に接続される熱交換器と、を備えるものである。 The cryogenic cooling device according to the present embodiment includes a cooling pipe forming a circulation path of a refrigerant supplied to an object to be cooled disposed in a vacuum vessel to form a cooling system, and a cold heat source for cooling the refrigerant. A cooling pipe connected in an annular manner, and a pre-cooling pipe that constitutes a part of at least one of the plurality of cooling systems and branches the cooling pipe annularly to bypass a specific cold heat source; A bypass valve that is provided in the precooling piping to switch a cold heat source of the refrigerant supplied to the object to be cooled, and a section of the cooling piping from the branch point of the precooling piping to the object to be cooled And a heat exchanger connected to different cooling pipes.
本実施形態にかかる極低温冷却方法は、真空容器中に配置された被冷却物に2以上の冷却系の冷却配管で冷媒を供給するステップと、冷却配管に沿って循環する冷媒を冷却するステップと、被冷却物に供給される冷媒の循環経路を切り換えて冷熱源を切り換えるステップと、被冷却物に供給される2以上の冷却系の冷媒の温度を熱交換によって均一にするステップと、を含むものである。 In the cryogenic cooling method according to the present embodiment, a step of supplying a refrigerant to cooling objects disposed in a vacuum vessel with cooling pipes of two or more cooling systems, and a step of cooling a refrigerant circulating along the cooling pipe And switching the circulation path of the refrigerant supplied to the object to switch the cold heat source, and equalizing the temperatures of the refrigerants of the two or more cooling systems supplied to the object by heat exchange. It is included.
本発明により、複数の冷却系で冷却される被冷却物における熱応力の発生を抑制するとともに効率よく予冷することが可能な極低温冷却装置および極低温冷却方法が提供される。 The present invention provides a cryogenic cooling device and a cryogenic cooling method capable of suppressing the generation of thermal stress in an object to be cooled by a plurality of cooling systems and efficiently precooling.
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described based on the attached drawings.
(第1実施形態)
図1は、第1実施形態にかかる極低温冷却装置10(以下、単に「冷却装置10」という)の概略構成図である。
First Embodiment
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a cryogenic cooling device 10 (hereinafter simply referred to as “
第1実施形態にかかる冷却装置10は、図1に示されるように、被冷却物(超電導コイル)11が内部に配置された真空容器13に複数のGM/JT冷凍機15が備えられている。
第1実施形態では、被冷却物11は、4K程度に冷却されて内部空間24に高強度の磁場を発生させるLTSコイル11a(11)の1種類であるとして説明する。
In the
In the first embodiment, the object to be cooled 11 is described as one type of
LTSコイル11aを支持する冷却ステージ18とこれら複数のGM/JT冷凍機15(15a,15b)とは、冷却配管19(19A,19B)で環状に接続される。
冷却配管19で環状に接続されたGM/JT冷凍機15およびこの冷却配管19は、1つの冷却系を形成する。
つまり、1つの冷却系は、系内に1つ以上のGM/JT冷凍機15に備え、冷却配管19でGM/JT冷凍機15および冷却ステージ18に冷媒を循環させる。
このように構成される複数の冷却系は、それぞれ独立して制御することができる。
A
The GM / JT
That is, one cooling system is provided in one or more GM /
The plurality of cooling systems configured in this way can be independently controlled.
GM/JT冷凍機15は、冷却系を循環する気体ヘリウムなどの冷媒の冷却をする。
GM/JT冷凍機15は、例えば図1に示されるように、1台の単段GM冷凍機12(単段Gifford-McMahon冷凍機:以下、単に「単段冷凍機12」という)および2台のGM/JT冷凍機15(15a,15b)である。
The GM / JT
For example, as shown in FIG. 1, the GM / JT
単段冷凍機12は、外部からの熱輻射を遮蔽するシールド板21を60K程度にまで冷却する。
80K程度以上の温度帯において、単段冷凍機12は、他の冷凍機と比較して5倍以上の高い冷凍能力を発揮する。
そこで、予冷時において単段冷凍機12の冷却限界付近の80K程度までは、この単段冷凍機12を主要な冷熱源として用いる。
The single-
In a temperature range of about 80 K or more, the single-
Therefore, the single-
また、GM/JT冷凍機15とは、2段GM冷凍機16(以下、単に「GM冷凍機16」という)にJT(Joule-Thomson)冷却部17(17a,17b)が組み合わされた冷凍機である。
JT冷却部17は、JT弁31(31a,31b)を介して、冷媒であるヘリウムを断熱膨張させて液化させる。
GM/JT冷凍機15は、この液化したヘリウムの潜熱を利用することで、4K程度まで冷却することができる。
In addition, a GM / JT
The GM /
一般にJT冷凍機は、4K程度の温度帯における冷凍効率はGM冷凍機より優れるが、この温度帯よりも高い温度帯の冷凍効率はGM冷凍機よりも劣る。
そこで、予冷時には、組み合わされているGM冷凍機16の冷凍能力が低下する20K程度以下において切り換えられて主要な冷熱源となる。
すなわち、GM/JT冷凍機15は、内部にGM冷凍機16およびJT冷却部17の2つの冷熱源を有する。
冷媒は、JT冷却部17に設けられた循環用圧縮機35(35a,35b)によって、冷却系を循環する。
なお、GM/JT冷凍機15に代えて、スターリング/JT冷凍機(図示せず)を用いてもよい。
Generally, the JT refrigerator is superior to the GM refrigerator in refrigeration efficiency in the temperature range of about 4 K, but the refrigeration efficiency in the temperature range higher than this temperature zone is inferior to the GM refrigerator.
Therefore, at the time of precooling, the refrigeration capacity of the combined GM
That is, the GM / JT
The refrigerant is circulated in the cooling system by the circulation compressor 35 (35a, 35b) provided in the
In place of the GM / JT
冷却配管19は、GM/JT冷凍機15がその内部に備えるJT冷却部17などの冷熱源で冷却された冷媒を冷却ステージ18に供給する供給管22A,22Bと、冷却ステージ18を冷却した冷媒を冷熱源に返還する返還管23(23A,23B)と、で構成される。
The
GM/JT冷凍機15の内部の供給管221(22A1,22B1)は、外部の供給管22A,22Bに接続されて一体となる。
冷媒は、GM冷凍機16の各ステージに熱的に接続されたJT供給管221の管内を高温側ステージ26a、低温側ステージ26bの順番で流れて段階的に極低温まで冷却される。
このJT供給管221は、冷凍機16の内部の返還管23(23A,23B)に各ステージ26(26a,26b)の前後において、JT熱交換器28によって熱的に接続される。
GM /
Refrigerant is cooled
The
ところで、2つのGM/JT冷凍機15(15a,15b)には、それぞれJT供給管221(22A1,22B1)から分岐する予冷配管22a,22bが設けられる。
これらの予冷配管22a,22bには、それぞれ冷媒の流れのON/OFFを制御するバイパス弁29(29a,29b)が設けられる。
第1GM/JT冷凍機15aの高温側ステージ26aに接続された第1予冷配管22aは、単段冷凍機12を経由して第1供給管22Aに接続される。
第1予冷配管22aによって、低温側ステージ26bの下流に接続されたJT弁31aが迂回される。
The two GM / JT refrigerators 15 (15a, 15b) are provided with
The precooling
The
The
予冷時の初期には、この第1予冷配管22aによってJT冷却部17aを迂回して冷凍能力の高い単段冷凍機12で冷却された冷媒が、冷却ステージ18を冷却する。
すなわち、第1GM/JT冷凍機15aを備える第1冷却系は、予冷時の初期には、系外の単段冷凍機12で強力に助勢されて冷却ステージ18を冷却する。
At the initial stage of precooling, the refrigerant cooled by the single-
That is, the first cooling system including the first GM /
ここで、図2は、単段冷凍機12、GM冷凍機16およびJT冷却部17の温度と冷凍能力との関係を示す概略図である。
図2からわかるように、単段冷凍機12は80K程度以上ではGM/JT冷凍機15と比較して高い冷凍能力がある。
つまり、予冷時には、単段冷凍機12の冷凍能力を利用してLTSコイル11aを効率よく冷却して予冷時間を大幅に短縮することができる。
Here, FIG. 2 is a schematic view showing the relationship between the temperatures of the single-
As can be seen from FIG. 2, the single-
That is, at the time of precooling, the
しかし、50K程度以下では、シールド板21への熱侵入も考慮した単段冷凍機12の冷凍余力は、急激に小さくなる。
そこで、冷却ステージ18が50K程度以下となった場合、バイパス弁29aを閉止して、冷熱源をJT冷却部17aに切り換える。
However, at about 50 K or less, the remaining refrigeration capacity of the single-
Therefore, when the cooling
一方、第2JT供給管22B1から分岐する第2予冷配管22bは、他の冷熱源を経由せずJT弁31bを迂回して直接第2供給管22Bに接続される。
第2予冷配管22bによって、GM冷凍機16の低温側ステージ26bで冷却された冷媒が、JT冷却部17を迂回して直接冷却ステージ18に供給される。
GM冷凍機16の冷凍能力は、20K程度以上の高温ではJT冷却部17の冷凍能力よりも大きい。
よって、第2GM/JT冷凍機15bを備える第2冷却系は、GM冷凍機16の冷凍能力を利用して効率よく冷却ステージ18を冷却することができる。
On the other hand, the
The refrigerant cooled by the low
The refrigeration capacity of the
Therefore, the second cooling system including the second GM /
ただし、図2に示されるように、10K〜20K程度になるとこれらの冷凍能力は逆転する。
そこで、冷凍能力が逆転する温度まで冷却したらバイパス弁29bを閉止して冷熱源をJT冷却部17bに切り換える。
このようにして、LTSコイル11aは、予冷配管22a,22bによって、予冷時には単段冷凍機12およびGM冷凍機16の冷凍能力を適宜利用して効率よく極低温まで冷却される。
However, as shown in FIG. 2, these refrigeration capacities reverse at about 10K to 20K.
Therefore, switching the cold heat source in the
In this manner, the
ところで、上述したような構成でLTSコイル11aを冷却すると、50K程度以上の温度帯では、第1予冷配管22aは第2予冷配管22bと比較して数十Kも低温な冷媒が流れる。
また、50K〜20K程度の温度帯では、反対に第2予冷配管22bに第1予冷配管22aよりも低温な冷媒が流れる。
温度差のあるこれらの冷媒を冷却ステージ18に供給すると、GM/JT冷凍機15aで冷却される部分とGM/JT冷凍機15bで冷却される部分とで温度差ができる。
この温度差によって、LTSコイル11aの内部にも温度差ができて熱応力によりLTSコイル11aの特性が劣化する可能性がある。
By the way, when the
In the temperature range of about 50K to 20K, a refrigerant having a temperature lower than that of the
When these refrigerants having a temperature difference are supplied to the
Due to this temperature difference, a temperature difference is also generated inside the
そこで、供給熱交換器33を用いて、予冷配管22a,22bをそれぞれ流れた冷媒が流れる供給管22A,22Bどうしを冷却ステージ18の前段で熱交換させる。
供給熱交換器33で熱交換させることで、供給管22A,22Bでの冷媒の温度差を数K以下にして、この熱応力をLTSコイル11aが劣化しないレベルにまで低減させることができる。
Therefore, using the
By heat exchange with the
ここで、供給熱交換器33の構成材料および構成について説明する。
定常運転時には、GM/JT冷凍機15の内部ではJT冷却部17におけるヘリウム(冷媒)の断熱膨張によって、ヘリウム・ミストが作られる。
GM/JT冷凍機15の冷凍能力は、このヘリウム・ミストの発生量で定まる。
Here, constituent materials and a configuration of the
During steady operation , helium mist is produced inside the GM /
The refrigeration capacity of the GM /
一方、GM/JT冷凍機15の冷却限界温度は、この発生量と無関係に飽和蒸気圧温度で定まる。
このため、熱負荷が冷凍能力以下であるときは、冷凍機内のヘリウム・ミストの温度は一定となる。
一方、熱負荷が冷凍能力を超えると、ヘリウム・ミストの温度は一気に蒸発して、冷凍機内の温度が上昇する。
On the other hand, the cooling limit temperature of the GM /
Therefore, when the heat load is equal to or less than the refrigeration capacity, the temperature of the helium mist in the refrigerator becomes constant.
On the other hand, when the heat load exceeds the refrigeration capacity, the temperature of the helium mist evaporates at once, and the temperature in the refrigerator rises.
ここで、図3は、第1実施形態にかかる冷却装置10の供給熱交換器33の断面図である。
供給熱交換器33は、例えば図3に示されるように、平行に配置された2本の管体34と、この2本の管体34に密着して固定されることで、これらの管体34を熱的に接続する金属ブロック37と、で構成される。
Here, FIG. 3 is a cross-sectional view of the supplied
For example, as shown in FIG. 3, the
いま、2台のGM/JT冷凍機15で飽和蒸気圧がずれて冷凍機内の温度が異なる場合を考える。
この状態で金属ブロック37および管体34の伝熱が良好であると、低温側の供給管22A,22Bを流れるヘリウム・ミストに高温側から熱が移動する。
移動してくるこの熱によって、上述のように低温側のヘリウム・ミストが全て蒸発すると、GM/JT冷凍機15の冷凍機能が機能不全になる。
この場合、2つの冷却系のうち片方のみで冷却された冷却ステージ18は、LTSコイル11aに熱応力を発生させる。
Now, it is assumed that the saturated vapor pressure of two GM /
In this state, if the heat transfer of the
This moving heat causes the freezing function of the GM /
In this case, the cooling
このようなGM/JT冷凍機15の冷却原理を考慮すると、金属ブロック37は、低温で熱伝導率が低下する材料で構成されることが望ましい。
より具体的には、0.1Kの温度差における熱移動を0.5W以下にするとともに、300K程度の高温では、10Kの温度差で500W程度の熱移動にすることが望ましい。
すなわち、4K程度の極低温帯での熱伝導率が、300K程度の室温帯での熱伝導率の1/10以下となることが望ましい。
In consideration of the cooling principle of such a GM /
More specifically, the heat transfer at a temperature difference of 0.1 K is preferably 0.5 W or less, and at a high temperature of about 300 K, the heat transfer at a temperature difference of 10 K is preferably about 500 W.
That is, it is desirable that the thermal conductivity in the cryogenic temperature band of about 4 K is 1/10 or less of the thermal conductivity in the room temperature band of about 300 K.
このような条件を満たし金属ブロック37の構成材料として好適なものとして、JIS規格SUS316またはSUS304ステンレス、銅合金、JIS規格A5083またはA2024などのアルミ合金および炭素強化プラスティック(CFRP)などが挙げられる。
これらの材料を用いることで、2本の管体34の間では、高温では良好に伝熱する一方で、低温ではほとんど伝熱しない。
As a material suitable as a constituent material of the
By using these materials, the heat transfer between the two
ここで、図4は、上述した材料の300Kおよび4Kにおける熱伝導率を示す図である。
図4に示されるように、ステンレスをはじめ図4に示した材料の熱伝導率は300Kと4Kで10倍以上異なるため、上記の要求を満足する。
なお、2本の管体34は、供給熱交換器33として特別に用意するものでなく供給管22A,22Bであってもよい。
Here, FIG. 4 is a figure which shows the heat conductivity in 300 K and 4 K of the material mentioned above.
As shown in FIG. 4, the thermal conductivity of the materials shown in FIG. 4 including stainless steel is different by 10 times or more between 300 K and 4 K, and thus the above requirements are satisfied.
The two
また、図5は、第1実施形態にかかる冷却装置10の供給熱交換器33の変形例の断面図である。
そして、図6は、極低温に置かれて変形したときの図5の供給熱交換器33を示す断面図である。
供給熱交換器33は、図5に示されるように、2本の管体34は、筐体38に並列に配置されて構成される。
これら2本の管体34には、それぞれ同一の位置に良伝導のステンレス・ブロックが設けられる。
Moreover, FIG. 5 is sectional drawing of the modification of the
And FIG. 6 is a cross-sectional view showing the supplied
As the
The two
それぞれのステンレス・ブロックは、筐体38の内壁面に熱収縮材料39で接着されている。
この熱収縮材料39は、80K以下で室温時より2%以上熱収縮するエポキシ樹脂などの樹脂系接着剤などである。
ステンレス・ブロックどうしは、この熱収縮材料39によって、室温で密着するように固定される。
予冷が進行して、80K以下にまで冷却された熱収縮材料39は、図6に示されるように熱収縮して2本の管体34を引き離す。
Each stainless steel block is bonded to the inner wall surface of the
The heat-
The stainless steel blocks are fixed by the
As precooling progresses and the heat-
これらの管体34は、真空中で引き離されて断熱されて熱交換が停止する。
この供給熱交換器33によって、冷却装置10は、異なる冷却系から1つの冷却ステージ18に供給される冷媒を均一の温度にして供給することができる。
なお、供給熱交換器33を上述のような構造にするのは、ヘリウム・ミストの潜熱を利用するJT冷却部17の特性に起因する。
よって、JT冷却部17を組み合わせないで構成される冷凍機には、極低温で熱交換を停止させる工夫のない通常の熱交換器を用いてもよい。
These
The
The structure of the
Therefore, for a refrigerator configured without combining the
次に、第1実施形態にかかる冷却方法を図11のフローチャートを用いて説明する(適宜図1を参照)。 Next, the cooling method according to the first embodiment will be described using the flowchart of FIG. 11 (see FIG. 1 as needed).
室温の真空容器13に対して、設置されたGM/JT冷凍機15を起動して予冷を開始する(S11)。
まず、第1冷却系および第2冷却系のいずれのバイパス弁29も開放して予冷配管22a,22bに冷媒を流す。
LTSコイル11aは、単段冷凍機12およびGM冷凍機16で冷却される(S12)。
For the
First, the bypass valves 29 of both the first cooling system and the second cooling system are opened to flow the refrigerant through the precooling
The
室温程度においては、供給熱交換器33によって、2つの供給管22A,22Bが良好に熱交換するので、LTSコイル11aに供給される冷媒の温度が均一化する(S13)。
このように均一化された冷媒で冷却ステージ18を冷却することで、LTSコイル11aにおける熱応力の発生が抑制される。
真空容器13の内部の温度が50K程度以下になるまで、この状態で冷却を継続する(S14:NO:S12へ)。
At around room temperature, the heat exchange between the two
By cooling the
Cooling is continued in this state until the temperature inside the
温度が50K程度以下となったら、冷却を継続したままバイパス弁29を閉止して、予冷配管22a,22bを流れる冷媒をJT供給管221へ誘導する(S14:YES:S15,S16)。
この切り換えによって、冷熱源が単段冷凍機12からJT冷却部17に切り換わる。
そして、GM冷凍機16および切り換えられたJT冷却部17を冷熱源にして、20K程度以下になるまで冷却を継続する(S17:NO:S15へ)。
このとき、供給熱交換器33による冷媒の均一化も継続してなされる。
When the temperature becomes lower than about 50K, the cooling closes the bypass valve 29 while continuing the, induces precooled
By this switching, the cold heat source is switched from the single-
Then, the
At this time, equalization of the refrigerant by the
真空容器13の内部の温度が20K程度以下になると、バイパス弁29を閉止して、予冷配管22a,22bを流れる冷媒をJT供給管221へ誘導する(S17:YES:S18)。
この切り換えによって、冷熱源がGM冷凍機16からJT冷却部17に切り換わって予冷を終了する(S18)。
このとき、供給熱交換器33の温度は20K程度であるので、供給熱交換器33の熱伝導率はほとんどゼロとなり、ほとんど熱交換をしない(S19)。
When the internal temperature of the
As a result of this switching, the cold heat source switches from the
At this time, since the temperature of the
2つの供給管22A,22Bの間で熱交換がされないので、2つのJT冷却部17(17a,17b)の冷却温度にずれがあっても、熱移動による冷媒の蒸発で冷凍機能が機能不全になることはない。
この状態で、さらに冷却を継続して、LTSコイル11aの温度をLTSコイル11aの超電導状態を維持することができる4Kにする(S20)。
そして、2つのJT冷却部17で、LTSコイル11aの定常運転温度である4Kを維持する(S21)。
Since heat exchange is not performed between the two
In this state, the cooling is further continued, and the temperature of the
The two
以上のように、第1実施形態にかかる冷却装置10によれば、複数の冷却系で被冷却物11を冷却する場合にも、LTSコイル11aにおける熱応力の発生を抑制するとともに予冷することができる。
As described above, according to the
(第2実施形態)
図7は、第2実施形態にかかる冷却装置10の概略構成図である。
Second Embodiment
FIG. 7 is a schematic block diagram of the
第2実施形態にかかる冷却装置10の供給熱交換器33は、図7に示されるように、第1実施形態で示した2つの予冷配管22a,22bに設けられる。
予冷配管22a,22bも供給管22A,22Bの一部を構成しているので、このように配置された供給熱交換器33は、第1実施形態と同様の原理で超電導コイル11の熱応力の発生を抑制する。
しかし、供給熱交換器33は、予冷配管22a,22bに設けられているので、バイパス弁29aが閉止した場合には、同時に熱交換も停止する。
The
Since the precooling
However, since the
バイパス弁29aが閉止されて単段冷凍機12による冷却が終了した後は、2つの冷却系(14a,14b)の冷媒の温度に極端な差異はないので、大きな熱応力が発生する可能性は低い。
つまり、バイパス弁29aの閉止の後は、閉止前の段階と比較して熱交換の必要性が低下する。
After the
That is, after the
そこで、熱交換のON/OFFをバイパス弁29aのON/OFFに連動させて、バイパス弁29aを閉止した時点で冷媒のための均一化の熱交換を終了する。
このように、供給熱交換器33を予冷配管22a,22bに設けることで、バイパス弁29aを閉止した時点で、2つの供給管22A,22Bどうしの熱交換を確実に遮断することができる。
Therefore, the heat exchange ON / OFF is interlocked with the ON / OFF of the
Thus, by providing the
なお、供給熱交換器33の設置位置を予冷配管22a,22bにすること以外は、第2実施形態は第1実施形態と同じ構造および動作手順となるので、重複する説明を省略する。
図面においても、共通の構成または機能を有する部分は同一符号で示し、重複する説明を省略する。
The second embodiment has the same structure and operation procedure as the first embodiment except that the installation position of the
Also in the drawings, portions having common configurations or functions are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted.
このように、第2実施形態にかかる冷却装置10によれば、第1実施形態の効果に加え、バイパス弁29aの切り換えに連動させて熱交換を停止することができるので、熱交換のタイミングを熱交換が必要な予冷時に確実に限定することができる。
As described above, according to the
(第3実施形態)
図8は、第3実施形態にかかる冷却装置10の概略構成図である。
第3実施形態にかかる冷却装置10の供給熱交換器33は、図8に示されるように、被冷却物11が、LTSコイル11aとは異なる温度帯に冷却されるHTSコイル11b(11)を含む。
LTSコイル11aは、第1実施形態と同様に、2台のGM/JT冷凍機15(15a,15b)を含む2つの冷却系で構成されるLTS系で冷却される。
Third Embodiment
FIG. 8 is a schematic block diagram of the
As the
The
一方、HTSコイル11bは、LTS系とは異なりHTSコイル11bの転移温度以下の20K程度を定常運転温度とする冷却系であるHTS系で冷却される。
HTS系は、例えば図8に示されるように、2段GM冷凍機32に熱交換器41および循環用圧縮機42を備えた第3の冷却配管19C(19)が環状に接続されて構成される。
On the other hand, unlike the LTS system, the
For example, as shown in FIG. 8, the HTS system is configured by annularly connecting a third cooling pipe 19C (19) provided with a heat exchanger 41 and a
第3実施形態では、この定常運転温度の異なる冷却系(LTS系,HTS系)の供給管22a,22b,22Cの間に供給熱交換器33が設けられる。
特に、LTS系においては、供給熱交換器33は供給管22A,22Bのうち予冷配管22a,22bに設けられて、熱交換のタイミングをバイパス弁31(31a,31b)の切り換えに連動される。
供給熱交換器33によって、LTSコイル11aに供給される冷媒およびHTSコイル11bに供給される冷媒の温度が均一化される。
In the third embodiment, the
In particular, in the LTS systems, the
The temperature of the refrigerant supplied to the
HTSコイル11bは、LTSコイル11aと比較して低い熱容量を有する。
よって、HTSコイル11bは、LTSコイル11aよりも早く冷却されてLTSコイル11aとの間に大きな温度差を発生させる。
この温度差は、熱輻射となって互いの超電導コイル11(11a,11b)に熱応力を発生させる原因となる。
The
Therefore, the
This temperature difference causes thermal radiation to cause thermal stress in the superconducting coils 11 (11a, 11b).
そこで、LTS系の供給管22A,22Bと、HTS系の供給管22Cとを供給熱交換器33で接続する。
HTS系の供給管22CとLTS系の供給管22A,22Bとで熱交換することによって、HTS系の予冷時間は長くなり、HTSコイル11bとLTSコイル11aの温度差は緩和されて熱応力の発生が抑制される。
Therefore, the
By heat exchange between the HTS system supply pipe 22C and the LTS
また、単段冷凍機12は、上述したように80K程度以上の温度帯では、高い冷凍能力を有する。
そして、単段冷凍機12の冷凍能力が低下する50K程度の温度帯では、上記のようにHTSコイル11bの熱容量から2段GM冷凍機32の冷凍能力に余剰が発生する。
このようなHTS系およびLTS系の冷凍能力の余剰分で相互に助勢することによって、予冷時間も短縮することができる。
そこで、第3実施形態の供給熱交換器33は、予冷配管22a,22bを流れる冷媒の温度を均一にするとともに、単段冷凍機12の冷凍能力を他の冷却系で利用する。
Further, as described above, the single-
Then, in the temperature range of about 50 K where the refrigeration capacity of the single-
The precooling time can also be shortened by mutually assisting the surplus capacity of the HTS system and the LTS system.
Therefore, the
HTSコイル11bの超電導転移温度付近の10K〜20K程度では、予冷配管22a,22bによる予冷は終了するので、HTS系は独立して定常運転温度を維持する。
LTSコイル11aは、第1実施形態で示したように、予冷配管22a,22bによる予冷の終了後も、さらにJT冷却部17を冷熱源として4K程度まで冷却される。
At about 10 K to 20 K near the superconducting transition temperature of the
As shown in the first embodiment, the
このような予冷時間の短縮は、クエンチが発生した場合にも好的な効果がある。
クエンチして60K程度まで上昇したLTSコイル11aを再冷却する場合、できるだけ短時間で再冷却する必要がある。
再冷却の際、冷凍能力の低いJT冷却部17を供給熱交換器33で2段GM冷凍機32の冷却能力で助勢することで、超電導コイル11を短時間で超電導状態にすることができる。
Such shortening of the pre-cooling time has a favorable effect even when a quench occurs.
When the
At the time of recooling, the
また、図9は、第3実施形態にかかる冷却装置10の変形例を示す概略構成図である。
LTSコイル11aの冷却が1つの冷却系で賄われるあることもある。
例えば、図9に示されるように、LTSコイル11aを冷却する1つのGM冷凍機16の高温側ステージ26aおよび低温側ステージ26bのそれぞれに予冷配管22a,22bが設けられる。
Moreover, FIG. 9 is a schematic block diagram which shows the modification of the
The cooling of the
For example, as shown in FIG. 9,
高温側ステージ26aに接続された第1予冷配管22aは、第1実施形態と同様に単段冷凍機12を経由するとともにJT冷却部17を迂回して供給管22Aに接続される。
一方、低温側ステージ26bに接続された第2予冷配管22bは、JT冷却部17を迂回して直接第1予冷配管22aが接続される供給管22Bに接続される。
そして、この第1予冷配管22a、第2予冷配管22bおよび供給管22Cが供給熱交換器33で熱的に接続される。
このような構造であっても、供給熱交換器33によってHTSコイル11bの冷却を単段冷凍機12で助勢することができる。
The
On the other hand, the
Then, the
Even with such a structure, the cooling of the
また、図10は、図8の第3実施形態にかかる冷却装置10の他の変形例を示す図である。
図10に示されるように、第1予冷配管22aに第2予冷配管22bを合流させて、供給熱交換器33を第2予冷配管22bの合流点より下流側に設ける。
このように合流した予冷配管22a,22bに供給熱交換器33を接続した場合も、上述した冷却装置10と同様に、熱応力の発生の抑制および予冷時間の短縮が可能である。
また、予冷配管22a,22bの合流点より下流側に供給熱交換器33を設けることで、供給熱交換器33の構成を簡素にすることができ、故障などの頻度を抑制することができる。
Moreover, FIG. 10 is a figure which shows the other modification of the
As shown in FIG. 10, the
Also when the
Further, by providing the
なお、異なる冷却系の間で熱交換することで、異なる被冷却物11(11a,11b)に供給される冷媒の温度を均一にすること以外は、第3実施形態は第1実施形態と同じ構造および動作手順となるので、重複する説明を省略する。
図面においても、共通の構成または機能を有する部分は同一符号で示し、重複する説明を省略する。
The third embodiment is the same as the first embodiment except that the temperatures of the refrigerant supplied to different objects to be cooled 11 (11a, 11b) are made uniform by exchanging heat between different cooling systems. Since the structure and the operation procedure will be described, the redundant description will be omitted.
Also in the drawings, portions having common configurations or functions are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted.
このように、第3実施形態にかかる冷却装置10によれば、熱容量および冷却温度などの異なる超電導コイル11がある場合にも、一方の超電導コイル11における熱応力の発生を抑制するとともに冷却することができる。
また、冷凍能力に余力のある冷却系の冷凍能力で他の冷却系を助勢することで、予冷時間も短縮することができる。
また、第1実施形態で示した構成の供給熱交換器33を用いることで、定常運転温度が異なるHTS系およびLTS系の定常運転温度における熱交換を遮断することができる。
As described above, according to the
In addition, the precooling time can be shortened by assisting other cooling systems with the refrigeration capacity of the cooling system that has sufficient refrigeration capacity.
Further, by using the
なお、図8および図9では、すべての予冷配管22a,22bと熱交換するようにしたが、LTS系の複数の第1予冷配管22aの一部のみとHTS系の供給管22Cとを熱交換した場合でも、効果は期待できる。
In FIGS. 8 and 9, heat exchange is performed with all the
以上述べた少なくとも一つの実施形態の冷却装置10によれば、複数の冷却系で被冷却物11を冷却する場合にも、被冷却物11における熱応力の発生を抑制するとともに予冷時間を短縮することが可能となる。
According to the
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。
これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。
これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
While certain embodiments of the present invention have been described, these embodiments have been presented by way of example only, and are not intended to limit the scope of the invention.
These embodiments can be implemented in other various forms, and various omissions, substitutions, changes, and combinations can be made without departing from the scope of the invention.
These embodiments and modifications thereof are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof as well as included in the scope and the gist of the invention.
10…極低温冷却装置(冷却装置)、11…被冷却物(超電導コイル)、11a(11)…低温超電導コイル(LTSコイル)、11b(11)…高温超電導コイル(HTSコイル)、12…単段GM冷凍機(単段冷凍機)、13…真空容器、15(15a,15b)…GM/JT冷凍機、16…2段GM冷凍機(GM冷凍機)、17(17a,17b)…JT冷却部、18…冷却ステージ、19(19C)…冷却配管、21…シールド板、22A,22B,22C…供給管、22a,22b…予冷配管(供給管)、22 1 (22a 1 ,22b 1 )…JT供給管(供給管)、23…返還管、24…内部空間、26(26a,26b)…ステージ(高温側ステージ,低温側ステージ)、28…JT熱交換器、29(29a,29b)…バイパス弁、31(31a,31b)…JT弁、33…供給熱交換器、34…管体、35,42…循環用圧縮機、37…金属ブロック、38…筐体、39…熱収縮材料、41…熱交換器。
DESCRIPTION OF
Claims (13)
前記冷媒を冷却する冷熱源を有して前記冷却配管が環状に接続される冷凍機と、
複数の冷却系のうち少なくとも1つの前記冷却配管の一部を構成するとともに前記冷却配管を環状に分岐して特定の冷熱源を迂回する予冷配管と、
前記予冷配管に設けられて前記被冷却物に供給される前記冷媒の冷熱源を切り換えるバイパス弁と、
前記冷却配管のうち前記予冷配管による分岐点から前記被冷却物までの区間に設けられて前記冷却配管とは冷却系の異なる冷却配管に接続される熱交換器と、を備えることを特徴とする極低温冷却装置。 A cooling pipe forming a circulation path of a refrigerant supplied to an object to be cooled disposed in a vacuum vessel to form a cooling system;
A refrigerator having a cold heat source for cooling the refrigerant, and the cooling pipe being annularly connected;
Pre-cooling piping which constitutes a part of at least one of the plurality of cooling systems and which branches the cooling piping annularly to bypass a specific cold heat source;
A bypass valve provided in the pre-cooling pipe to switch a heat source of the refrigerant supplied to the object to be cooled;
A heat exchanger provided in a section from the branch point of the precooling piping to the object to be cooled among the cooling piping, and the cooling piping is connected to a cooling piping having a different cooling system. Cryogenic cooler.
前記熱交換器は、前記予冷配管のうち前記他の予冷配管が合流した合流点より下流に設けられる請求項2に記載の極低温冷却装置。 Another precooling pipe joins the precooling pipe,
The cryogenic cooling device according to claim 2, wherein the heat exchanger is provided downstream of a junction point where the other precooling pipes are joined among the precooling pipes.
第1の被冷却物を冷却する第1の冷却系と、
第2の被冷却物を冷却する第2の冷却系と、を備え、
前記熱交換器は、前記第1の冷却系の冷却配管および前記第2の冷却系の冷却配管を接続する請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の極低温冷却装置。 The cooling system is
A first cooling system for cooling the first object to be cooled;
A second cooling system for cooling a second object to be cooled,
The cryogenic cooling device according to any one of claims 1 to 6, wherein the heat exchanger connects a cooling pipe of the first cooling system and a cooling pipe of the second cooling system.
筐体に並列に配置されて室温では互いに密着する2つ以上の管体と、
前記2つ以上の管体のそれぞれを前記筐体の内壁面に接着するとともに20K以下で室温時より1%以上熱収縮して前記2つの管体を引き離す熱収縮材料と、を備える請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の極低温冷却装置。 The heat exchanger is
Two or more tubes arranged parallel to the housing and in close contact with one another at room temperature;
A heat-shrinkable material which adheres each of the two or more tubes to the inner wall surface of the housing and thermally shrinks by at least 1% from room temperature at 20 K or less to separate the two tubes. 9. A cryogenic cooling system according to any one of the preceding claims.
前記冷却配管に沿って循環する前記冷媒を冷却するステップと、
前記被冷却物に供給される前記冷媒の循環経路を切り換えて冷熱源を切り換えるステップと、
前記被冷却物に供給される前記2以上の冷却系の冷媒の温度を熱交換によって均一にするステップと、を含むことを特徴とする極低温冷却方法。 Supplying a refrigerant to the object to be cooled disposed in the vacuum vessel with cooling pipes of two or more cooling systems;
Cooling the refrigerant circulating along the cooling pipe;
Switching the circulation path of the refrigerant supplied to the object to switch the cold heat source;
And D. equalizing the temperatures of the refrigerants of the two or more cooling systems supplied to the object to be cooled by heat exchange.
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