JP7617721B2 - 予冷装置、極低温装置および予冷方法 - Google Patents

Description

本発明は、予冷装置、極低温装置および予冷方法に関する。

従来、クライオスタットに、極低温冷凍機を用いて冷媒ガスにより被冷却物を冷却する主冷却系統と、極低温液体を用いて被冷却物を冷却する副冷却系統を設けた極低温冷却装置が知られている。被冷却物が極低温に冷却されている場合などの極低温冷却装置が通常の運転状態のときには主冷却系統によって被冷却物が冷却される。極低温冷却装置の運転開始時など被冷却物の温度が上昇しており極低温までの冷却が必要である場合には主冷却系統と副冷却系統によって被冷却物が冷却される。

特開２０１７－１７２８１３号公報

上述の極低温冷却装置では、通常の運転状態で副冷却系統は動作しないから、副冷却系統を構成する極低温液体の配管は、周囲環境を被冷却物につなぐ伝熱経路として働き、この配管を通じた被冷却物への入熱は、極低温に維持されるべき被冷却物の温度を上昇させうる。また、この入熱は主冷却系統にとって熱負荷となり、被冷却物の温度上昇を抑えるために、主冷却系統にはより高い冷却能力が求められることになる。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、被冷却物への入熱を抑制する予冷装置を提供することにある。

本発明のある態様によると、極低温冷凍機によって冷却される被冷却物を予冷する予冷装置は、内部に貯留される液体冷媒によって被冷却物を冷却する液体冷媒貯留部を備え、液体冷媒貯留部は、冷却位置と待機位置との間で移動可能であり、冷却位置にあるとき被冷却物を液体冷媒によって冷却し、待機位置にあるとき極低温冷凍機から被冷却物への伝熱経路から物理的に離れて配置される。

本発明のある態様によると、極低温装置は、上述の態様の予冷装置と、極低温冷凍機と、を備え、極低温冷凍機は、被冷却物を伝導冷却により冷却するように被冷却物と熱的に結合されている。

本発明のある態様によると、極低温冷凍機によって冷却される被冷却物の予冷方法は、被冷却物を冷却する冷却位置に液体冷媒貯留部を移動させることと、液体冷媒貯留部に液体冷媒を供給することと、液体冷媒貯留部に液体冷媒を貯留することによって被冷却物を冷却することと、被冷却物の冷却後に、液体冷媒貯留部から液体冷媒を排出することと、被冷却物の冷却後に、極低温冷凍機から被冷却物への伝熱経路から物理的に離れた待機位置に液体冷媒貯留部を移動させることと、を備える。

本発明によれば、被冷却物への入熱を抑制する予冷装置を提供することができる。

実施の形態に係る極低温装置を概略的に示す図である。 実施の形態に係る予冷方法を概略的に示す図である。 実施の形態に係る予冷方法を概略的に示す図である。 実施の形態に係る予冷方法を概略的に示す図である。 実施の形態に係る予冷方法を概略的に示す図である。 実施の形態に係る予冷装置の他の例を概略的に示す図である。 実施の形態に係る予冷装置の他の例を概略的に示す図である。 実施の形態に係る予冷装置の他の例を概略的に示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。説明および図面において同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施の形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、実施の形態に係る極低温装置１０を概略的に示す図である。極低温装置１０は、被冷却物の一例としての超伝導コイル１２を室温から極低温に冷却するとともに、超伝導コイル１２の使用中、超伝導コイル１２を極低温に維持するように構成される。また、極低温装置１０は、超伝導コイル１２を予冷する予冷装置１００を備える。

超伝導コイル１２は、例えばＮＭＲシステム、ＭＲＩシステム、サイクロトロンなどの加速器、核融合システムなどの高エネルギー物理システム、またはその他の高磁場利用機器（図示せず）の磁場源として高磁場利用機器に搭載され、その機器に必要とされる高磁場を発生させることができる。超伝導コイル１２は、超伝導転移温度以下の極低温に冷却された状態で超伝導コイル１２に通電することにより強力な磁場を発生するように構成される。

極低温装置１０は、極低温冷凍機２０と、真空容器３０と、輻射熱シールド４０とを備える。この実施の形態では、極低温装置１０は、超伝導コイル１２を液体ヘリウムなどの極低温液体冷媒に浸して冷却する浸漬冷却式ではなく、超伝導コイル１２を極低温冷凍機２０で直接冷却する伝導冷却式として構成される。極低温冷凍機２０は、超伝導コイル１２を伝導冷却により冷却するように超伝導コイル１２と熱的に結合されている。なお、図１では例として、１台の極低温冷凍機２０を示しているが、例えば超伝導コイル１２が大型の場合など、必要に応じて、極低温装置１０は、一つの同じ被冷却物を冷却する複数台の極低温冷凍機２０を備えてもよい。

極低温冷凍機２０は、物体を伝導冷却により冷却する冷却ステージ２２、より具体的には、第１冷却ステージ２２ａと第２冷却ステージ２２ｂを備える。極低温冷凍機２０は、真空容器３０に設置され、第１冷却ステージ２２ａと第２冷却ステージ２２ｂは、真空容器３０の中に配置される。

極低温冷凍機２０は、作動ガス（たとえばヘリウムガス）の圧縮機（図示せず）と、コールドヘッドとも呼ばれる膨張機とを備え、圧縮機と膨張機により極低温冷凍機２０の冷凍サイクルが構成され、それにより第１冷却ステージ２２ａおよび第２冷却ステージ２２ｂがそれぞれ所望の極低温に冷却される。第１冷却ステージ２２ａは、第１冷却温度、例えば３０Ｋ～８０Ｋに冷却され、第２冷却ステージ２２ｂは、第１冷却温度よりも低い第２冷却温度、例えば３Ｋ～２０Ｋに冷却される。第２冷却温度は、超伝導コイル１２の超伝導転移温度より低い温度である。第１冷却ステージ２２ａおよび第２冷却ステージ２２ｂは、例えば銅などの金属材料またはその他の高い熱伝導率をもつ材料で形成される。

極低温冷凍機２０は、一例として、二段式のギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機であるが、パルス管冷凍機、スターリング冷凍機、またはそのほかのタイプの極低温冷凍機であってもよい。所望の冷却温度を提供できるのであれば、極低温冷凍機２０は、単段式のＧＭ冷凍機またはそのほかのタイプの極低温冷凍機であってもよい。

真空容器３０は、真空領域３２を外部環境１４から隔てるように構成される。真空領域３２は、真空容器３０内に定められる。真空容器３０は、例えばクライオスタットであってもよい。超伝導コイル１２、極低温冷凍機２０の冷却ステージ２２、輻射熱シールド４０は、真空領域３２に配置され、外部環境１４から真空断熱される。

例示的な構成として、真空容器３０は、上壁３０ａ、側壁３０ｂ、下壁３０ｃを有する。真空容器３０は、床面１６に設置されてもよく、例えば、真空容器３０の下壁３０ｃが適宜の支持部材３４を介して床面１６に設置されてもよい。

輻射熱シールド４０は、第１冷却ステージ２２ａと熱的に結合され第１冷却温度に冷却される。輻射熱シールド４０は、第２冷却温度に冷却される超伝導コイル１２、極低温冷凍機２０の第２冷却ステージ２２ｂ、およびその他の低温部を囲むように配置され、外部からの輻射熱からこれら低温部を熱的に保護することができる。輻射熱シールド４０は、例えば銅などの金属材料またはその他の高い熱伝導率をもつ材料で形成される。

輻射熱シールド４０は、第１冷却ステージ２２ａに直接取り付けられ、第１冷却ステージ２２ａと熱的に結合される。あるいは、輻射熱シールド４０は、可撓性または剛性をもつ伝熱部材を介して第１冷却ステージ２２ａに取り付けられてもよい。

超伝導コイル１２は、伝熱部材２４を介して第２冷却ステージ２２ｂと熱的に結合される。一例として、伝熱部材２４は、図１に示されるように、超伝導コイル１２の底面に取り付けられるが、超伝導コイル１２の側面または上面など他の部位に取り付けられてもよい。伝熱部材２４は、可撓性をもつように例えば細線の束または箔の積層として形成されてもよく、銅などの高熱伝導材料で形成されてもよい。伝熱部材２４は、例えばロッド状またはプレート状など、剛性の伝熱部材であってもよい。あるいは、超伝導コイル１２は、伝熱部材２４を介することなく、第２冷却ステージ２２ｂに直接取り付けられてもよい。

超伝導コイル１２の表面には、追加の伝熱部材が装着されてもよい。例えば、図１に示されるように、超伝導コイル１２の上面に装着されるコイル上面伝熱プレート２６ａと、超伝導コイル１２の外周面に装着されるコイル側面伝熱プレート２６ｂが設けられてもよい。超伝導コイル１２の内周面に伝熱プレートが設けられてもよい。こうした追加の伝熱部材は、伝熱部材２４を介して、または直接に、第２冷却ステージ２２ｂと熱的に結合されてもよい。

次に、予冷装置１００について説明する。予冷装置１００は、真空容器３０内に配置された可動式の液体冷媒貯留部１１０と、真空容器３０の外からの操作により液体冷媒貯留部１１０を真空容器３０内で移動させるための移動機構１２０と、液体冷媒貯留部１１０に接続され真空容器３０外へと引き出されている液体冷媒配管１３０およびガス配管１４０と、を備える。

詳細は後述するが、液体冷媒貯留部１１０は、真空容器３０内において冷却位置と待機位置との間で移動可能であり、冷却位置にあるとき超伝導コイル１２を液体冷媒によって冷却し、待機位置にあるとき極低温冷凍機２０から超伝導コイル１２への伝熱経路から物理的に離れて配置される。

図１では、液体冷媒貯留部１１０は、待機位置にある。図示されるように、この実施の形態では、待機位置にあるとき、液体冷媒貯留部１１０は、輻射熱シールド４０に物理的に接触し、より具体的には、輻射熱シールド４０に設けられた開口部４２を塞ぐようにして輻射熱シールド４０に物理的に接触する。液体冷媒貯留部１１０は、待機位置にあるとき、極低温冷凍機２０の第２冷却ステージ２２ｂ、伝熱部材２４、超伝導コイル１２、または第２冷却温度に冷却されるその他の部材と接触しないように配置される。

液体冷媒貯留部１１０は、冷却位置にあるとき第２冷却ステージ２２ｂから超伝導コイル１２への伝熱経路に物理的に接触する。この伝熱経路は、第２冷却ステージ２２ｂ、超伝導コイル１２、これらをつなぐ伝熱部材２４、およびこれら部材のいずれかと熱的に結合され第２冷却温度に冷却される部位を含みうる。

液体冷媒貯留部１１０は、一例として、液体冷媒（例えば液体窒素）を内部に貯留することのできる液体冷媒タンクとして構成され、タンク上壁１１０ａ、タンク側壁１１０ｂ、タンク底壁１１０ｃを有する。待機位置では、液体冷媒貯留部１１０は、例えばタンク上壁１１０ａ（及び／またはタンク側壁１１０ｂの上部）の外周部が開口部４２を塞ぐようにして輻射熱シールド４０に接触する。また、冷却位置では、液体冷媒貯留部１１０は、タンク底壁１１０ｃが伝熱部材２４と接触する。この液体冷媒タンクは、例えば、ステンレス鋼またはその他適宜の金属材料で形成されている。

液体冷媒貯留部１１０は、他の部材と接触したとき当該部材との接触熱抵抗を小さくするために、その外表面の少なくとも一部が伝熱層１１２で被覆されていてもよい。伝熱層１１２は、伝熱部材２４など第２冷却温度に冷却される部材と接触する液体冷媒貯留部１１０の外表面、この実施の形態では例えばタンク底壁１１０ｃに設けられていてもよい。伝熱層１１２は、液体冷媒貯留部１１０を形成する材料よりも熱伝導率が高い材料（例えば銅などの高熱伝導の金属材料）で形成されたシートまたはプレートであってもよい。あるいは、伝熱層１１２は、例えばインジウムなど、液体冷媒貯留部１１０を形成する材料よりも熱伝導率が高い軟質金属で形成されたシートまたはプレートであってもよい。

液体冷媒貯留部１１０は、液体冷媒配管１３０を通じて、真空容器３０外の液体冷媒源（例えば、図２に示されるデュワー１５０）から液体冷媒を受入可能であるとともに、液体冷媒を排出可能である。また、液体冷媒貯留部１１０は、ガス配管１４０を通じて、液体冷媒貯留部１１０で気化した液体冷媒を外部環境１４に排出可能である。後述するが、液体冷媒貯留部１１０は、ガス配管１４０を通じて、液体冷媒を液体冷媒貯留部１１０から排出するためのパージガスを受入可能である。

移動機構１２０は、操作部材１２１と、支持構造１２２とを備える。操作部材１２１は、真空容器３０内において輻射熱シールド４０を貫通している。輻射熱シールド４０の開口部４２は、操作部材１２１を通すために設けられている。操作部材１２１の一端（この実施の形態では下端）には液体冷媒貯留部１１０が固定される一方、操作部材１２１の他端（例えば上端）には支持構造１２２が設けられる。操作部材１２１の一端は例えば、タンク上壁１１０ａに固定される。操作部材１２１は、支持構造１２２によって真空容器３０の壁（例えば上壁３０ａ）に支持され、液体冷媒貯留部１１０を移動させるように真空容器３０の外から操作可能である。

操作部材１２１は、たとえば繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）などの断熱材料で形成される。あるいは、操作部材１２１は、たとえばステンレス鋼など、極低温装置１０において伝熱経路を形成する高熱伝導材料よりも熱伝導率が小さい材料で形成されてもよい。操作部材１２１は、例えば、直線的に延在するロッドである。操作部材１２１は、中実のロッドであってもよい。あるいは、操作部材１２１は、中空構造を有してもよい。この場合、操作部材１２１が中実のロッドである場合に比べて、操作部材１２１の断面積が小さくなり、操作部材１２１を通じた熱伝導による真空容器３０の外部環境から真空容器３０内の低温部への侵入熱を低減することができる。

支持構造１２２は、ベローズ１２３と支持フランジ１２４を有する。ベローズ１２３は真空容器３０の壁（例えば上壁３０ａ）を支持フランジ１２４に接続する。ベローズ１２３内において、操作部材１２１は支持フランジ１２４に固定されている。操作部材１２１は、真空容器３０の壁に形成された挿通孔を通じて支持フランジ１２４から真空容器３０内に延出している。支持フランジ１２４は、操作部材１２１を真空容器３０の外から操作するために設けられた操作部材１２１の一部分であるとみなされてもよい。

支持構造１２２には、支持フランジ１２４を移動させるように構成される加圧装置１２５が設けられてもよい。加圧装置１２５を利用して真空容器３０の外から操作部材１２１を操作することができる。加圧装置１２５は、例えば押しねじ式などの可動機構を有してもよく、この可動機構を手動により作動させて支持フランジ１２４を移動させてもよい。可動機構を作動させるために、加圧装置１２５は、油圧、空圧、電動モーター、電磁石など適宜の駆動源を有してもよい。

液体冷媒配管１３０は、液体冷媒貯留部１１０内に液体冷媒口１３１を有する。液体冷媒口１３１は、液体冷媒貯留部１１０内に配置された液体冷媒配管１３０の管端部であってもよい。液体冷媒配管１３０は、液体冷媒が液体冷媒口１３１を通じて液体冷媒貯留部１１０に供給されるように液体冷媒源に接続可能である。

液体冷媒配管１３０は、液体冷媒口１３１から液体冷媒貯留部１１０内を延び、例えばタンク上壁１１０ａ、またはタンク側壁１１０ｂの上部で液体冷媒貯留部１１０を気密に貫通して、液体冷媒貯留部１１０の外へと続く。液体冷媒貯留部１１０から外に延びる液体冷媒配管１３０は、輻射熱シールド４０の開口部４２を通じて輻射熱シールド４０の外に引き出され、さらに真空容器３０（例えば上壁３０ａ）を貫通して外部環境１４へと引き出されている。液体冷媒配管１３０は、真空フィードスルー配管であってもよい。液体冷媒配管１３０は、真空容器３０の外で液体冷媒源に接続されることができる。

この実施の形態では、液体冷媒配管１３０は、液体冷媒貯留部１１０への液体冷媒の供給だけでなく、液体冷媒貯留部１１０からの液体冷媒の回収にも使用される。液体冷媒配管１３０は、液体冷媒口１３１を通じて液体冷媒が液体冷媒貯留部１１０から排出されるように液体冷媒貯留部１１０に接続される。

１つの液体冷媒配管１３０を液体冷媒の供給と回収の両方に使用することにより、供給管と回収管をそれぞれ設ける場合に比べて、予冷装置１００の構造を簡素にすることができる。また、こうした配管は予冷装置１００が使用されていないとき外部環境１４から真空容器３０内への入熱経路となりうるが、１つの液体冷媒配管１３０を用いることにより、配管を通じた入熱量を低減することができる。

ガス配管１４０は、液体冷媒貯留部１１０内にガス口１４１を有する。ガス口１４１は、液体冷媒貯留部１１０に開口したガス出入口であってもよく、液体冷媒貯留部１１０の上部に配置され、例えば、タンク上壁１１０ａ、またはタンク側壁１１０ｂの上部に設けられていてもよい。ガス配管１４０は、液体冷媒貯留部１１０で気化した液体冷媒の液体冷媒貯留部１１０からの排出経路として設けられている。液体冷媒貯留部１１０から外に延びるガス配管１４０は、輻射熱シールド４０の開口部４２を通じて輻射熱シールド４０の外に引き出され、さらに真空容器３０（例えば上壁３０ａ）を貫通して外部環境１４へと引き出されている。ガス配管１４０は、真空フィードスルー配管であってもよい。

また、液体冷媒貯留部１１０には、第１真空バルブ１３２と第２真空バルブ１４２が接続されている。第１真空バルブ１３２は、真空容器３０の外で液体冷媒配管１３０に設けられ、第２真空バルブ１４２は、真空容器３０の外でガス配管１４０に設けられている。第１真空バルブ１３２と第２真空バルブ１４２はそれぞれ、閉鎖により液体冷媒貯留部１１０への流体の流入を遮断し、液体冷媒貯留部１１０の内部が真空であるとき液体冷媒貯留部１１０を真空保持することができる。第１真空バルブ１３２が開かれたときには液体冷媒配管１３０での液体冷媒流れが許容され、第２真空バルブ１４２が開かれたときにはガス配管１４０でのガス流れが許容される。

図２から図５は、実施の形態に係る予冷方法を概略的に示す図である。実施の形態に係る予冷方法は、超伝導コイル１２を冷却する冷却位置に液体冷媒貯留部１１０を移動させることと、液体冷媒貯留部１１０に液体冷媒１９０を供給することと、液体冷媒貯留部１１０に液体冷媒１９０を貯留することによって超伝導コイル１２を冷却することと、超伝導コイル１２の冷却後に、液体冷媒貯留部１１０から液体冷媒１９０を排出することと、超伝導コイル１２の冷却後に、極低温冷凍機２０から超伝導コイル１２への伝熱経路から物理的に離れた待機位置に液体冷媒貯留部１１０を移動させることと、を備える。

この予冷方法を開始する前に、図２に示されるように、デュワー１５０、真空ポンプ１６０、パージガス源１８０など、予冷方法に使用される予冷装置１００の付属品が予冷装置１００に取り付けられる。

デュワー１５０は、液体冷媒配管１３０に接続される。デュワー１５０には、液体冷媒として例えば液体窒素が保管されている。デュワー１５０は、第１開閉弁１５１を介して第１真空バルブ１３２に接続される。第１開閉弁１５１（および第１真空バルブ１３２）を開くことにより、デュワー１５０から液体冷媒配管１３０を通じて液体冷媒貯留部１１０に液体冷媒を供給し、または、液体冷媒貯留部１１０から液体冷媒配管１３０を通じてデュワー１５０に液体冷媒を回収することができる。デュワー１５０と液体冷媒貯留部１１０の間で液体冷媒の供給または回収をしないときは、第１開閉弁１５１は閉じられる。

真空ポンプ１６０も液体冷媒配管１３０に接続される。真空ポンプ１６０は、第２開閉弁１５２を介して第１真空バルブ１３２に接続される。真空ポンプ１６０と第２開閉弁１５２は、第１開閉弁１５１と第１真空バルブ１３２の間で液体冷媒配管１３０に接続される。第２開閉弁１５２（および第１真空バルブ１３２）を開き真空ポンプ１６０を作動させることにより、液体冷媒貯留部１１０を真空排気することができる。第１開閉弁１５１と第２開閉弁１５２は、一方を開くとき他方を閉じるように構成されまたは操作可能であり、それによりデュワー１５０または真空ポンプ１６０のいずれか一方のみを液体冷媒貯留部１１０に作用させることができる。なお、真空ポンプ１６０と第２開閉弁１５２は、液体冷媒配管１３０ではなく、ガス配管１４０に接続されてもよい。

真空容器３０から外部環境１４に引き出されたガス配管１４０の端部は、外部環境１４へのガス出口１７０として設けられている。ガス出口１７０には第３開閉弁１５３が設けられている。第３開閉弁１５３（および第２真空バルブ１４２）を開くことにより、液体冷媒貯留部１１０で気化した液体冷媒をガス配管１４０を通じてガス出口１７０から外部環境１４に排出することができる。

また、ガス配管１４０は、液体冷媒を液体冷媒貯留部１１０から排出するためのパージガスが液体冷媒貯留部１１０に供給されるようにパージガス源１８０に接続可能である。パージガス源１８０には、例えば窒素ガス、空気、またはその他のパージガスが蓄えられている。パージガス源１８０は、第４開閉弁１５４を介して第２真空バルブ１４２に接続される。第４開閉弁１５４（および第２真空バルブ１４２）を開くことにより、パージガス源１８０からガス配管１４０を通じて液体冷媒貯留部１１０にパージガスを供給することができる。パージガスを供給しないときは、第４開閉弁１５４は閉じられる。

パージガス源１８０と第４開閉弁１５４は、第３開閉弁１５３と第２真空バルブ１４２の間に接続される。第３開閉弁１５３と第４開閉弁１５４は、一方を開くとき他方を閉じるように構成されまたは操作可能であり、それにより、液体冷媒貯留部１１０へのパージガスの供給と、液体冷媒貯留部１１０からの気化した液体冷媒の排出とを切り替えることができる。

１つのガス配管１４０をガス排出とパージガス供給の両方に使用することにより、排出管と供給管をそれぞれ設ける場合に比べて、予冷装置１００の構造を簡素にすることができる。また、こうした配管は予冷装置１００が使用されていないとき外部環境１４から真空容器３０内への入熱経路となりうるが、１つのガス配管１４０を用いることにより、配管を通じた入熱量を低減することができる。

なお、パージガス源１８０を予冷装置１００に設けることは必須ではない。パージガス源１８０と第４開閉弁１５４がガス配管１４０に接続されない場合には、第３開閉弁１５３もガス配管１４０に設ける必要はない。

ガス配管１４０またはガス出口１７０には、圧力計１４３が設けられてもよい。液体冷媒貯留部１１０内に液体冷媒が存在する場合には、そこから気化され排出される冷媒により測定圧力は比較的高くなる。この圧力計１４３によって測定される圧力をモニタすることによって、液体冷媒貯留部１１０内の液体冷媒の有無を把握することができる。あるいは、液体冷媒の液位を測定するための液位計が液体冷媒貯留部１１０に設けられてもよい。あるいは、温度計が液体冷媒貯留部１１０に設けられてもよい。このようにしても、液体冷媒貯留部１１０内の液体冷媒の有無を把握することは可能である。

実施の形態に係る予冷方法では、まず、液体冷媒貯留部１１０が、図１に示される待機位置から、図２に示される冷却位置に移動される。具体的には、手動により、または加圧装置１２５を作動させて、支持フランジ１２４を真空容器３０に接近させるとベローズ１２３が収縮し、操作部材１２１が真空容器３０内に押し込まれる。液体冷媒貯留部１１０は、輻射熱シールド４０から離れ、伝熱部材２４に向かって移動し、タンク底壁１１０ｃの伝熱層１１２を伝熱部材２４に接触させる。こうして、液体冷媒貯留部１１０は、待機位置から冷却位置に移動される。

液体冷媒貯留部１１０が冷却位置に移動されると、図３に示されるように、液体冷媒貯留部１１０に液体冷媒１９０が供給される。第１開閉弁１５１（および第１真空バルブ１３２）が開かれ、デュワー１５０から液体冷媒配管１３０を通じて液体冷媒貯留部１１０に液体冷媒１９０が供給される。液体冷媒１９０は、液体冷媒口１３１から液体冷媒貯留部１１０に流入する。このとき、液体冷媒貯留部１１０で気化した液体冷媒１９０は、ガス口１４１からガス配管１４０に流入する。第３開閉弁１５３（および第２真空バルブ１４２）が開かれることにより、気化した液体冷媒はガス配管１４０を通じてガス出口１７０から外部環境１４に排出される。第２開閉弁１５２と第４開閉弁１５４は閉鎖されている。なお、液体冷媒貯留部１１０が待機位置にあるとき液体冷媒１９０が供給され、その後に液体冷媒貯留部１１０が冷却位置に移動されてもよい。

このようにして、液体冷媒貯留部１１０に液体冷媒１９０を貯留することによって、超伝導コイル１２が冷却される。冷却中、液体冷媒１９０の気化によって液体冷媒貯留部１１０から液体冷媒１９０は徐々に減っていく。そこで、冷却中にデュワー１５０から液体冷媒貯留部１１０に液体冷媒１９０が補充されてもよい。

超伝導コイル１２が目標温度まで予冷されると（例えば、液体冷媒１９０の温度まで冷却されると）、図４に示されるように、液体冷媒貯留部１１０から液体冷媒１９０が排出される。第４開閉弁１５４（および第２真空バルブ１４２）が開かれ、パージガス源１８０からガス配管１４０を通じて液体冷媒貯留部１１０にパージガスが供給される。このとき第３開閉弁１５３は閉じられる。パージガスが液体冷媒貯留部１１０に供給されることにより、液体冷媒貯留部１１０の内部は加圧される。パージガスに押し出されるようにして、液体冷媒貯留部１１０に残っている液体冷媒１９０が液体冷媒口１３１から液体冷媒配管１３０に流入し、液体冷媒配管１３０を通じてデュワー１５０に回収される。パージガスを用いて液体冷媒貯留部１１０を加圧することにより、液体冷媒貯留部１１０に残っている液体冷媒１９０をすばやく液体冷媒貯留部１１０から排出することができる。

液体冷媒口１３１は、液体冷媒貯留部１１０の下部に配置され、例えばタンク底壁１１０ｃに近接または隣接して設けられている。液体冷媒口１３１が位置する高さは、ガス口１４１が位置する高さよりも低くなっている。このようにすれば、液体冷媒貯留部１１０内での液体冷媒１９０の液位が下がり、タンク底壁１１０ｃに接近したときでも、液体冷媒口１３１は液体冷媒１９０に浸される。そのため、液体冷媒口１３１が液体冷媒貯留部１１０の上部に位置する場合に比べて、より多くの液体冷媒１９０を液体冷媒貯留部１１０から液体冷媒配管１３０に流入させデュワー１５０に回収することができる。

こうして液体冷媒貯留部１１０から液体冷媒１９０が排出されると、図５に示されるように、第２開閉弁１５２が開かれ、液体冷媒貯留部１１０が真空ポンプ１６０によって真空排気されてもよい。このとき、第２真空バルブ１４２は閉じられる。液体冷媒貯留部１１０が真空排気されると、第１真空バルブ１３２も閉鎖される。こうして、液体冷媒貯留部１１０内が真空に保持される。

そして、液体冷媒貯留部１１０が、冷却位置から待機位置に移動される。手動により、または加圧装置１２５を作動させて、支持フランジ１２４を真空容器３０から引き上げるとベローズ１２３が伸展され、操作部材１２１とともに液体冷媒貯留部１１０が持ち上げられる。液体冷媒貯留部１１０は、伝熱部材２４から離れ、輻射熱シールド４０に接触する。液体冷媒貯留部１１０と伝熱部材２４は真空領域３２に配置されるので、両者の間にわずかでも隙間ができれば熱伝導は遮断される。このようにして、液体冷媒貯留部１１０は、冷却位置から待機位置に移動される。なお、まず液体冷媒貯留部１１０を冷却位置から待機位置に移動させ、その後に液体冷媒貯留部１１０から液体冷媒１９０が排出されてもよい。

デュワー１５０、真空ポンプ１６０、パージガス源１８０などの予冷装置１００の付属品は取り外され、図１に示される状態に戻る。本予冷方法は終了する。

超伝導コイル１２の予冷が完了すると、極低温冷凍機２０が起動される。極低温冷凍機２０の第１冷却ステージ２２ａは第１冷却温度に冷却され、第２冷却ステージ２２ｂは第２冷却温度に冷却される。超伝導コイル１２は、第２冷却ステージ２２ｂによって、液体冷媒１９０による予冷温度から第２冷却温度に冷却される。図示されない電源から超伝導コイル１２に通電することにより、超伝導コイル１２は、強力な磁場を発生することができる。このようにして、極低温装置１０の定常運転を開始することができる。

なお、超伝導コイル１２の予冷中も、極低温冷凍機２０が動作していてもよい。超伝導コイル１２を予冷装置１００と極低温冷凍機２０の両方で冷却することができる。ただし、この場合、液体冷媒貯留部１１０が冷却位置にあるとき極低温冷凍機２０の第２冷却ステージ２２ｂによって過剰に冷却され、液体冷媒貯留部１１０内の液体冷媒１９０が凝固することが懸念される。これを避けるために、温度計を用いて液体冷媒貯留部１１０の温度をモニタし、測定温度が液体冷媒の凝固点を下回る前に、予冷装置１００による予冷が終了されてもよい。温度計は、液体冷媒貯留部１１０に設置されてもよく、または、第２冷却ステージ２２ｂや伝熱部材２４など第２冷却温度に冷却されるべき部位に設置されてもよい。

ところで、超伝導システムにおいては、システムの起動に際して室温または例えば２００Ｋ以上の高温から目標冷却温度（多くの場合例えば１０Ｋ以下）に超伝導機器を冷却する初期冷却が行われる。超伝導システムの定常運転は初期冷却の完了後に可能となる。超伝導機器を早く利用可能とするためには、初期冷却の所要時間をなるべく短くすることが望まれる。

しかしながら、既存の超伝導システムでは、超伝導機器、とくに、大型の超伝導コイルの初期冷却にはかなり長い時間を要するケースが多いのが実情である。その理由の一つは、超伝導機器を冷却する極低温冷凍機は通例、定常運転で冷凍能力を発揮するように設計されるが、この場合、極低温冷凍機の冷凍能力は初期冷却に望まれる冷凍能力に比べて不足することが多いからである。また、システムを構成する種々の部材の材料の比熱が高い温度ほど大きくなることも挙げられる。場合によっては、初期冷却に数日または一週間以上かかることもある。

実施の形態によると、予冷装置１００を利用して、超伝導コイル１２を予冷することができる。したがって、極低温冷凍機２０のみを用いて超伝導コイル１２を予冷する場合に比べて、極低温装置１０の初期冷却にかかる時間を短くすることができる。

また、初期冷却に備えて極低温冷凍機２０の冷凍能力を増強したり、極低温冷凍機２０の台数を増やすことの必要性は低くなる。したがって、実施の形態に係る極低温装置１０は、極低温冷凍機２０を定常運転に最適化するように設計することができ、例えば、より低い冷凍能力の極低温冷凍機２０を極低温装置１０に搭載したり、極低温装置１０に搭載される極低温冷凍機２０の台数を少なくすることができる。

本書の冒頭で言及したように、極低温冷却装置に極低温液体を用いて被冷却物を冷却する副冷却系統を設け、これを極低温冷却装置の通常の運転状態で動作させない場合には、極低温液体の配管は、周囲環境を被冷却物につなぐ伝熱経路として働く。この配管を通じた被冷却物への入熱は被冷却物を加熱しうる。また、この入熱は主冷却系統すなわち極低温冷凍機にとって熱負荷となるから、被冷却物の温度上昇を抑えるために、主冷却系統にはより高い冷却能力が求められることになる。加えて、この極低温冷却装置は、副冷却系統を動作させているとき、被冷却物の適正な温度調整のために極低温液体流を調節し続けなければならない。これは面倒であるか、または、調節のための制御機構を要する等、装置構成が複雑になりうる。

しかしながら、実施の形態に係る予冷装置１００では、液体冷媒貯留部１１０は、真空容器３０内において冷却位置と待機位置との間で移動可能であり、冷却位置にあるとき超伝導コイル１２を液体冷媒によって冷却し、待機位置にあるとき極低温冷凍機２０から超伝導コイル１２への伝熱経路から物理的に離れて配置される。したがって、予冷装置１００は、予冷完了後の極低温装置１０の定常運転において、超伝導コイル１２への入熱を抑制することができる。また、液体冷媒貯留部１１０は、内部に貯留される液体冷媒によって超伝導コイル１２を冷却するので、簡便である。液体冷媒が液体窒素である場合には、気化した冷媒を外部環境１４に放出することが許されるので、取り扱いが容易である。液体窒素は安価でもある。

また、実施の形態に係る予冷装置１００では、待機位置にあるとき、液体冷媒貯留部１１０は、輻射熱シールド４０に物理的に接触する。そのため、極低温装置１０の定常運転中、液体冷媒貯留部１１０は輻射熱シールド４０によって冷却され第１冷却温度に維持される。液体冷媒貯留部１１０を輻射熱シールド４０の一部として利用することができ、超伝導コイル１２および第２冷却温度に冷却されるその他の部位への入熱を抑制することができる。

さらに、実施の形態では、液体冷媒貯留部１１０は、輻射熱シールド４０に設けられた開口部４２を塞ぐようにして輻射熱シールド４０に物理的に接触する。このようにすれば、真空容器３０または外部環境１４から開口部４２を通じて入射しうる輻射熱を液体冷媒貯留部１１０で遮蔽することができる。よって、超伝導コイル１２および第２冷却温度に冷却されるその他の部位への入熱を抑制することができる。

また、実施の形態では、液体冷媒貯留部１１０は、待機位置にあるとき、液体冷媒貯留部１１０に接続された第１真空バルブ１３２と第２真空バルブ１４２によって真空保持される。真空断熱により、液体冷媒貯留部１１０を通じた入熱を抑制することができる。

予冷装置１００、とくに液体冷媒貯留部１１０は、ほかにも様々な構成をとりうる。図６から図８を参照して、実施の形態に係る予冷装置１００の他の例をいくつか述べる。

図６に示されるように、液体冷媒貯留部１１０は、可撓性伝熱要素５０を介して極低温冷凍機２０の第１冷却ステージ２２ａと熱的に結合されていてもよい。可撓性伝熱要素５０は、銅などの高熱伝導材料で形成され、可撓性をもつように例えば細線の束または箔の積層として形成されてもよい。あるいは、可撓性伝熱要素５０は、ばね形状に形成されてもよい。液体冷媒貯留部１１０が可撓性伝熱要素５０により例えば輻射熱シールド４０など、第１冷却ステージ２２ａによって第１冷却温度に冷却される部位に取り付けられる。こうして、液体冷媒貯留部１１０を当該部位に対して移動可能とすることができる。また、液体冷媒貯留部１１０は、冷却位置にあるとき、内部に貯留された液体冷媒１９０を利用して、超伝導コイル１２や第２冷却ステージ２２ｂだけでなく、輻射熱シールド４０などの第１冷却温度に冷却されるべき部位も可撓性伝熱要素５０を介して予冷することができる。

逆に、液体冷媒貯留部１１０が待機位置にあるときには、液体冷媒貯留部１１０を第１冷却ステージ２２ａによって可撓性伝熱要素５０を介して冷却することもできる。そのため、液体冷媒貯留部１１０は、待機位置にあるとき、輻射熱シールド４０など、第１冷却ステージ２２ａによって第１冷却温度に冷却される部位に物理的に接触しなくてもよい。

図７に示されるように、液体冷媒貯留部１１０は、冷却位置にあるとき極低温冷凍機２０の第２冷却ステージ２２ｂと熱的に結合され、待機位置にあるとき第１冷却ステージ２２ａと熱的に結合されるフランジ部５２を備えてもよい。フランジ部５２は、液体冷媒貯留部１１０の例えばタンク側壁１１０ｂの外側で全周にわたって形成されていてもよい。フランジ部５２は、タンク底壁１１０ｃと同じ高さに設けられていてもよい。フランジ部５２は、液体冷媒貯留部１１０が待機位置にあるとき開口部４２を塞ぐようにして輻射熱シールド４０に物理的に接触する。図７に破線で示されるように、冷却位置にあるときには、液体冷媒貯留部１１０は、フランジ部５２とタンク底壁１１０ｃで伝熱部材２４に接触する。このようにすれば、予冷が完了して液体冷媒貯留部１１０が待機位置にあるとき、液体冷媒貯留部１１０の少なくとも一部またはその大部分を輻射熱シールド４０の外側に収納し、第２冷却ステージ２２ｂ側への突出を避けることができる。

図８に示されるように、液体冷媒貯留部１１０は、輻射熱シールド４０の開口部４２を通じて真空容器３０側に突出していてもよい。このようにすれば、液体冷媒貯留部１１０の液体冷媒１９０の容量を増すことができ、予冷中に液体冷媒貯留部１１０に液体冷媒１９０を補充する回数を減らすことができる。

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。ある実施の形態に関連して説明した種々の特徴は、他の実施の形態にも適用可能である。組合せによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態それぞれの効果をあわせもつ。

上述の実施の形態では、液体冷媒貯留部１１０は、冷却位置にあるとき、伝熱部材２４に物理的に接触しているが、これに限られない。液体冷媒貯留部１１０は、冷却位置にあるとき、極低温冷凍機２０の第２冷却ステージ２２ｂ、超伝導コイル１２、または、第２冷却ステージ２２ｂと熱的に結合され第２冷却温度に冷却されるその他の部材に物理的に接触するように構成されてもよい。

上述の実施の形態では、液体冷媒貯留部１１０は、待機位置にあるとき、輻射熱シールド４０に物理的に接触しているが、これに限られない。液体冷媒貯留部１１０は、待機位置にあるとき、極低温冷凍機２０の第１冷却ステージ２２ａ、または第１冷却ステージ２２ａと熱的に結合され第１冷却温度に冷却されるその他の部材に物理的に接触するように構成されてもよい。

上述の実施の形態では、開口部４２は、輻射熱シールド４０に形成される貫通孔である。しかしながら、開口部４２は、極低温冷凍機２０の第１冷却ステージ２２ａ、または第１冷却ステージ２２ａと熱的に結合され第１冷却温度に冷却されるその他の部材に形成されてもよい。開口部４２は、こうした複数の部材間に設けられてもよく、例えば、輻射熱シールド４０と第１冷却ステージ２２ａの間に設けられてもよい。

上述の実施の形態では、予冷装置１００の移動機構１２０が真空容器３０の上壁３０ａに設けられ、液体冷媒貯留部１１０は移動機構１２０によって上下方向に移動可能とされているが、これに限られない。例えば、移動機構１２０は、真空容器３０の側壁３０ｂに設けられ、液体冷媒貯留部１１０は移動機構１２０によって水平方向に移動可能とされてもよい。

上述の実施の形態では、１つの液体冷媒配管１３０が液体冷媒の供給と回収の両方に使用されているが、予冷装置１００は、供給用の液体冷媒配管と回収用の液体冷媒配管を個別に備えてもよい。また、上述の実施の形態では、１つのガス配管１４０がガス排出とパージガス供給の両方に使用されているが、予冷装置１００は、排出用のガス配管とパージガス供給用のガス配管を個別に備えてもよい。

液体冷媒貯留部１１０の形状、構造も上述の特定の形態には限定されない。例えば、液体冷媒貯留部１１０が液体冷媒タンクとして構成されることは必須ではない。液体冷媒貯留部１１０は、真空容器３０内で可動式の液体冷媒配管の形で構成されてもよく、真空容器３０内において冷却位置と待機位置との間で移動可能であり、冷却位置にあるとき超伝導コイル１２を液体冷媒によって冷却し、待機位置にあるとき極低温冷凍機２０から超伝導コイル１２への伝熱経路から物理的に離れて配置されてもよい。

上述の実施の形態では、被冷却物として超伝導コイル１２を例に挙げて説明したが、本発明は、これに限られない。極低温装置１０は、超伝導機器、センサ、またはその他の極低温機器など、被冷却物を室温から極低温に冷却するとともに、こうした被冷却物の使用中、当該被冷却物を極低温に維持するように構成されてもよい。よって、極低温冷凍機２０は、被冷却物を冷却するように構成され、予冷装置１００は、被冷却物を予冷するように構成されてもよい。

極低温装置１０は、比較的少量の極低温冷媒（例えば液体ヘリウム）を冷媒配管により被冷却物に循環させることによって、被冷却物を極低温に冷却する冷却方式を採用することもできる。冷媒配管は被冷却物の表面または内部に設けられる。極低温冷凍機２０は、被冷却物との熱交換によって昇温した極低温冷媒を再び冷却するように冷媒配管と熱的に結合されていてもよい。実施の形態に係る予冷装置１００は、このようにして極低温冷凍機２０によって冷却される被冷却物を予冷するために、極低温装置１０に組み込まれてもよい。

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１０ 極低温装置、 ２０ 極低温冷凍機、 ２２ 冷却ステージ、 ２２ａ 第１冷却ステージ、 ２２ｂ 第２冷却ステージ、 ４２ 開口部、 １００ 予冷装置、 １１０ 液体冷媒貯留部、 １３０ 液体冷媒配管、 １３１ 液体冷媒口、 １４０ ガス配管、 １８０ パージガス源、 １９０ 液体冷媒。

Claims (9)

1. 極低温冷凍機によって冷却される被冷却物を予冷する予冷装置であって、前記極低温冷凍機は、第１冷却温度に冷却される第１冷却ステージと、前記被冷却物と熱的に結合され、前記第１冷却温度よりも低い第２冷却温度に冷却される第２冷却ステージと、を備えており、前記予冷装置は、
   内部に貯留される液体冷媒によって前記被冷却物を冷却する液体冷媒貯留部を備え、
   前記液体冷媒貯留部は、冷却位置と待機位置との間で移動可能であり、前記冷却位置にあるとき前記被冷却物を前記液体冷媒によって冷却し、前記待機位置にあるとき前記極低温冷凍機から前記被冷却物への伝熱経路から物理的に離れて配置され、
   前記液体冷媒貯留部は、前記冷却位置にあるとき前記第２冷却ステージから前記被冷却物への前記伝熱経路に物理的に接触することを特徴とする予冷装置。
2. 前記液体冷媒貯留部は、前記待機位置にあるとき前記第１冷却ステージまたは前記第１冷却ステージと熱的に結合された部材に物理的に接触することを特徴とする請求項１に記載の予冷装置。
3. 前記第１冷却ステージまたは前記部材には開口部が設けられ、
   前記液体冷媒貯留部は、前記待機位置にあるとき前記開口部を塞ぐようにして前記第１冷却ステージまたは前記部材に物理的に接触することを特徴とする請求項２に記載の予冷装置。
4. 前記液体冷媒貯留部は、可撓性伝熱要素を介して前記第１冷却ステージと熱的に結合されてい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予冷装置。
5. 極低温冷凍機によって冷却される被冷却物を予冷する予冷装置であって、
   内部に貯留される液体冷媒によって前記被冷却物を冷却する液体冷媒貯留部を備え、
   前記液体冷媒貯留部は、冷却位置と待機位置との間で移動可能であり、前記冷却位置にあるとき前記被冷却物を前記液体冷媒によって冷却し、前記待機位置にあるとき前記極低温冷凍機から前記被冷却物への伝熱経路から物理的に離れて配置され、
   液体冷媒口を前記液体冷媒貯留部の下部に有し、前記液体冷媒口を通じて前記液体冷媒が前記液体冷媒貯留部から排出されるように前記液体冷媒貯留部に接続されている液体冷媒配管と、
   前記液体冷媒貯留部に接続されているガス配管であって、前記液体冷媒を前記液体冷媒貯留部から排出するためのパージガスが前記液体冷媒貯留部に供給されるようにパージガス源に接続可能であるガス配管と、をさらに備えることを特徴とする予冷装置。
6. 前記液体冷媒配管は、前記液体冷媒が前記液体冷媒口を通じて前記液体冷媒貯留部に供給されるように液体冷媒源に接続可能であり、
   前記ガス配管は、前記液体冷媒貯留部で気化した液体冷媒の前記液体冷媒貯留部からの排出経路として設けられていることを特徴とする請求項５に記載の予冷装置。
7. 閉鎖により前記液体冷媒貯留部への流体の流入を遮断する真空バルブが、前記液体冷媒貯留部に接続されてい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予冷装置。
8. 請求項１から７のいずれかに記載の予冷装置と、前記極低温冷凍機と、を備え、
   前記極低温冷凍機は、前記被冷却物を伝導冷却により冷却するように前記被冷却物と熱的に結合されていることを特徴とする極低温装置。
9. 極低温冷凍機によって冷却される被冷却物の予冷方法であって、前記極低温冷凍機は、第１冷却温度に冷却される第１冷却ステージと、前記被冷却物と熱的に結合され、前記第１冷却温度よりも低い第２冷却温度に冷却される第２冷却ステージと、を備えており、前記方法は、
   前記被冷却物を冷却する冷却位置に液体冷媒貯留部を移動させることと、
   前記液体冷媒貯留部に液体冷媒を供給することと、
   前記液体冷媒貯留部に前記液体冷媒を貯留することによって前記被冷却物を冷却することと、
   前記被冷却物の冷却後に、前記液体冷媒貯留部から前記液体冷媒を排出することと、
   前記被冷却物の冷却後に、前記極低温冷凍機から前記被冷却物への伝熱経路から物理的に離れた待機位置に前記液体冷媒貯留部を移動させることと、を備え、
   前記液体冷媒貯留部は、前記冷却位置にあるとき前記第２冷却ステージから前記被冷却物への前記伝熱経路に物理的に接触することを特徴とする方法。

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