JPH0774019A - 極低温冷却システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 内槽冷却系の冷凍機とは別に、シールド冷却
系にも冷凍機を設けて、全体システム構成の小型・軽量
化を狙うと共に、万一シールド冷却系の冷凍機が異常停
止した場合でも、内槽冷却系の蒸発冷媒ガスを利用して
輻射シールド板の安定した冷却が続行可能となる極低温
冷却システムを提供することにある。 【構成】 超電導磁石装置の内槽容器１を冷却する内槽
冷却系の冷媒タンク２と冷凍機１０とは別に、輻射シー
ルド板３を冷却するシールド冷却系にも冷凍機３０を設
け、この冷凍機３０から冷媒ガスをシールド冷却ガスラ
イン３１に送出して輻射シールド板３を冷却する一方、
シールド冷却ガスライン３１を内槽冷却系の冷媒ガス回
収配管７とバルブ３４を介し接続し、万一のシールド冷
却系の冷凍機３０の異常停止時、バルブ３４を介し内槽
冷却系の蒸発冷媒ガスをシールド冷却ガスライン３１に
導入して輻射シールド板３の冷却を行う構成とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば超電導磁石装置
等の極低温機器を保冷するための極低温冷却システムに
関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、超電導磁石装置（ＳＣＭ）にお
いては、超電導コイルの超電導状態を保持するために、
その超電導コイルを内槽容器内に収納すると共に、その
内槽容器内に液体ヘリウム（ＬＨｅ）等の冷媒液を満た
して該超電導コイルを極低温状態に冷却している。

【０００３】また、その内槽容器は、外部からの熱侵入
量を出来るだけ低減するために、内部を真空とした外槽
容器内に断熱性に優れた荷重支持材を介して収納保持す
ると共に、その外槽容器と内槽容器との中間に該内槽容
器の外周を取り囲む輻射シールド板を設け、この輻射シ
ールド板を液体窒素の温度レベルに保って、外部からの
輻射熱の侵入をも阻止する構造としている。

【０００４】このために、超電導磁石装置の極低温冷却
システムとして、まず、内槽冷却系として、超電導コイ
ルを収納した内槽容器内に極低温配管を介して液体ヘリ
ウム等の冷媒液を供給する冷媒タンクと、この冷媒タン
ク内の蒸発ヘリウムガス（ＧＨｅ）の冷媒ガス液化用の
冷凍機と、冷媒ガス補給用のバッファタンクとが組み付
けられている。

【０００５】また、輻射シールド板の冷却のための熱負
荷が５０〜１００Ｗ以上の場合には、前記冷凍機以外に
別なシールド冷却系が必要となり、通常は液体窒素タン
クを設け、このタンクから液体窒素（ＬＮ₂ ）を輻射シ
ールド板に取り付けたシールド配管に流通させて該輻射
シールド板を冷却する構造を取っている。

【０００６】こうした極低温冷却システムのフローを図
４に示す。つまり、超電導コイルを収納した内槽容器１
に極低温配管を介して液体ヘリウムを導入する冷媒タン
ク２が接続されており、これら内槽容器１及び冷媒タン
ク２を取り囲むように輻射シールド板３が設けられ、更
にその外周を覆う真空の外槽容器４が設けられている。
この外槽容器４には外部接続ポート５が設けられ、ここ
から予冷・注液配管６及びガス回収配管７が冷媒タンク
２内に接続されている。

【０００７】また、外槽容器４に一部組み込むようにし
て冷媒ガス液化用の冷凍機１０が設けられ、この冷凍器
１０が前記冷媒タンク２に冷媒ガス回収配管１１及び冷
凍ガス供給配管１２を介して接続されている。更に、そ
の冷凍器１０には蒸発冷媒ガス圧縮器１３が配管接続し
て設けられていると共に、その圧縮器１３の高圧冷媒ガ
スライン１４ａと低圧冷媒ガス戻りライン１４ｂとに高
圧制御弁１５ａと低圧制御弁１５ｂを介して冷媒ガス補
給用のバッファタンク１６が接続されている。

【０００８】一方、内槽容器２を囲む輻射シールド板３
を冷却するシールド冷却系として、、液体窒素タンク１
７が外槽容器４内に組み込み設置され、このタンク１７
内の液体窒素（ＬＮ₂ ）を通すシールド配管１８が輻射
シールド板３に添って取り付けられている。その液体窒
素タンク１７に外部から液体窒素を供給したり蒸素ガス
を回収する供給配管１９及び回収配管２０並びに外部接
続ポート２１が設けられている一方、シールド配管１８
の端末が接続ポート２２と接続され、そこから圧送又は
循環装置２３に接続されている。

【０００９】これでシールド冷却系においては、液体窒
素タンク１７には外部接続ポート２１から供給配管１９
を介し液体窒素が貯液され、その液体窒素が自圧或いは
圧送方式でシールド配管１８を通って輻射シールド板３
を熱交換により冷却し、これで蒸発した窒素ガス（ＧＮ
₂ ）が接続ポート２２から外部へ放出又は回収されるこ
ととなる。

【００１０】また、内槽冷却系においては、外部接続ポ
ート５から予冷・注液配管６を介してヘリウムガスを注
入して内槽容器１を所定温度以下に予冷した後、冷媒タ
ンク２内に液体ヘリウムを供給して貯液すると共に、そ
の液体ヘリウムを内槽容器１内に満たす。この液体ヘリ
ウムは外部からの熱侵入負荷により蒸発してヘリウムガ
スとなるが、冷凍機１０により凝縮されて再液化して、
冷媒タンク２内に所定量確保されることとなる。

【００１１】こうした内槽冷却系の冷凍機１０及びシー
ルド冷却系の液体窒素圧送又は循環装置２３が別途設け
た制御装置により制御されることで、超電導磁石装置の
超電導コイルが極低温状態に冷却されて安定した超電導
状態を保持するようになる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前述した超
電導磁石装置等の極低温機器を保冷する極低温冷却シス
テムにおいては、全体システムの構造上の制約がある場
合、例えば浮上式鉄道のように車載システムの形をとる
必要がある場合には、特に小型・軽量化という条件が要
求される。

【００１３】このような場合には、特に内槽冷却系の冷
媒タンク２やシールド冷却系の液体窒素タンク１７の容
量に制約を受けることとなる。従って、例えば輻射シー
ルド板３の冷却熱負荷が１５０Ｗとし、液体窒素タンク
１７の容量を５０ｌと仮定すると、１日に２回程度該タ
ンク１７に外部から液体窒素を供給しなければならない
計算となる。

【００１４】こうした外部からの液体窒素の供給が日常
的に必要と言うことは、浮上式鉄道の場合、その都度外
部配管の接続・切り離し作業が発生する。さらには地上
設備として大規模な液体窒素供給装置及びタンクが必要
となり、全体システムのランニングコストが非常に高く
ついてしまうこととなる。

【００１５】そこで、前記内槽冷却系の冷凍機１０とは
別に、シールド冷却系にも輻射シールド板３の冷却用の
冷凍機を付加する試みがなされたが、この場合、全体構
成の制約から液体窒素タンク１７の容量をさらに小さく
するか、削除しなければならなくなる。

【００１６】したがって、万一シールド冷却系の冷凍機
が異常停止してしまうと、輻射シールド板３の温度が急
上昇し、内槽冷却系の冷凍機１０と超電導磁石装置への
熱侵入量とのバランスが急激に崩れ、冷媒タンク２内の
液体ヘリウム量が減少し始め、超電導磁石装置の超電導
状態を保持することが困難となってしまう恐れがある。

【００１７】本発明は、上記事情に鑑みなされ、超電導
磁石装置等の極低温機器の内槽容器を液体ヘリウム等の
冷媒により冷却する内槽冷却系に冷媒タンクと冷媒ガス
液化用の冷凍機を備えると共に、該内槽容器を囲む輻射
シールド板を冷却するためのシールド冷却系にも冷凍機
を設けて、全体システム構成の小型・軽量化を狙った極
低温冷却システムにおいて、通常は輻射シールド板をシ
ールド冷却系の冷凍機から吐出される冷媒ガスで冷却す
る一方、万一シールド冷却系の冷凍機が異常停止した場
合でも、内槽冷却系の蒸発冷媒ガスをシールド冷却系に
導入して、輻射シールド板の安定した冷却が続行可能と
なる極低温冷却システムを提供することにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明の極低温冷却シス
テムは、前記目的を達成するために、超電導磁石装置等
の極低温機器の内槽容器を液体ヘリウム等の冷媒により
冷却する内槽冷却系に冷媒タンクと冷媒ガス液化用の冷
凍機を備えると共に、該内槽容器を囲む輻射シールド板
を冷却するためのシールド冷却系にも冷凍機を設け、且
つ前記シールド冷却系は、この冷凍機から冷媒ガスをシ
ールド冷却ガスラインに送出して輻射シールド板を冷却
するガス冷却構造とし、かつ該シールド冷却ガスライン
を前記内槽冷却系の冷媒ガスラインとバルブを介し接続
し、万一のシールド冷却系の冷凍機の異常停止時、前記
バルブを介し内槽冷却系の蒸発冷媒ガスをシールド冷却
ガスラインに導入して輻射シールド板の冷却を行う構成
としたことを特徴とする。

【００１９】

【作用】前述した構成の極低温冷却システムであれば、
通常は、内槽冷却系の冷媒タンクを介して液体ヘリウム
等の冷媒が超電導磁石装置等の極低温機器の内槽容器に
満たされると共に、その蒸発冷媒ガスが内槽冷却系の冷
凍機により再液化されて冷媒タンク内に戻されて所要の
冷媒液量を保つ。これで該内槽容器を極低温に冷却す
る。一方、シールド冷却系の冷凍機からシールド冷媒ガ
スラインに吐出されるヘリウムガス等の冷媒ガスで輻射
シールド板を冷却するようになる。

【００２０】万一、シールド冷却系の冷凍機が異常停止
した場合には、そのシールド冷却系の冷媒ガスラインと
内槽冷却系の冷媒ガスラインとをバルブを介して接続
し、シールド冷却系がの冷凍機が停止したことによる内
槽冷却系の冷媒タンクへの熱侵入量増加に見合った蒸発
冷媒ガスが該シールド冷却系の冷媒ガスラインに導入さ
れて輻射シールド板を安定的に冷却するようになる。

【００２１】つまり、例えば超電導磁石装置において、
輻射シールド板への熱負荷をＱ_S 、内槽容器及び冷媒タ
ンクへの熱負荷をＱ_L とした場合、シールド冷却系の冷
凍機の能力Ｑ_SRと内槽冷却系の冷凍機の能力Ｑ_LRは、こ
れらにシステム上妥当な余裕代（安全率）を見込んだ設
計とする。同様に冷媒タンクは内槽冷却系の冷凍機又は
圧縮機が万一異常停止した場合においても、システム運
用上支障を来たさないある所定時間は冷媒としての例え
ば液体ヘリウムを所要量維持できる容量として設計す
る。これで、通常は、内槽冷却系及びシールド冷却系の
冷凍機が正常運転しており、Ｑ_SR＞Ｑ_S 、Ｑ_LR＞Ｑ_R と
いう条件の下、液体ヘリウムとヘリウムガスとで内槽容
器と輻射シールド板を冷却し、超電導磁石を極低温に保
冷して超電導状態を安定保持する。

【００２２】ところで、万一シールド冷却系の冷凍機が
何らかの原因で異常停止すると、輻射シールド板へのヘ
リウムガスの供給も止まりシールド温度が上昇する。こ
れに伴い、内槽冷却系の冷媒タンクへの熱負荷Ｑ_L も増
大してしまい、この状態が継続すると、該冷媒タンクの
液体ヘリウムが急激に減少し、ついには超電導磁石装置
の超電導状態が保持できなくなってしまう。

【００２３】これを阻止するために、シールド冷却系の
シールド冷却ガスラインと内槽冷却系の冷媒ガスライン
とをバルブの切替えなどにより接続する。これで、内槽
冷却系の蒸発ヘリウムガスが該シールド冷却ガスライン
に導入されて輻射シールド板の温度上昇を大幅に減少さ
せるようになる。

【００２４】この際、内槽冷却系の冷凍機の能力Ｑ_LRが
シールド冷却系の冷凍機の停止により増大した熱負荷Ｑ
_L に対し余裕がる場合は、内槽冷却系の冷凍機への戻り
ヘリウムガスが不足するが、その分のヘリウムガスを圧
縮機ライン内のバッファタンクから補給することにより
冷媒タンクの液体ヘリウム量の減少を防止して運転が行
われる。

【００２５】また、熱負荷Ｑ_L が内槽冷却系の冷凍機の
能力Ｑ_LRを越えた場合は、その分、冷媒タンク内の蒸発
ヘリウムガスが増加し、該冷媒タンク内圧が上昇するこ
とにより、シールド冷却系の冷媒ガスラインへのヘリウ
ムガス供給量が増すことになる。

【００２６】こうしたことを考慮して、内槽冷却系とシ
ールド冷却系とが予め設定したバランス条件の下で冷却
運転を行うように、予めＱ_S 、Ｑ_L 、Ｑ_SR、Ｑ_LR及び冷
媒タンク容量等を設計することにより、超電導磁石装置
等の極低温機器の信頼性の高い安定した極低温冷却が可
能となる。

【００２７】

【実施例】以下、本発明の極低温冷却システムの各種の
実施態様例を図１乃至図３により説明する。なお、ここ
では超電導磁石装置における極低温冷却システムを例示
する。また、図中前記第４図で述べたものと同様の構成
をなすものには同一の符号をつけて説明の簡略化を図る
こととする。

【００２８】まず、第１図は本発明の極低温冷却システ
ムの第１の実施例を示すもので、従来同様に超電導コイ
ルを収納した内槽容器１の上部に極低温配管を介し接続
して冷媒として液体ヘリウムを入れた冷媒タンク２が設
けれ、これらを輻射シールド板３及び真空の外槽容器４
で囲んで超電導磁石装置を構成している。

【００２９】その内槽容器１を冷却する内槽冷却系の前
記冷媒タンク２には、外槽容器４に設けた外部接続ポー
ト５から予冷・注液配管６及びガス回収配管７が接続さ
れている。また、内槽冷却系として、冷凍機（以下メイ
ン冷凍機と称する）１０が冷媒タンク２に冷媒ガス回収
配管１１及び冷凍ガス供給配管１２を介して接続して設
けられている。このメイン冷凍機１０は冷媒タンク２内
で蒸発したヘリウムガスを凝縮して再液化するクローズ
ドループ冷凍機で、これに冷媒ガス圧縮器１３が配管接
続して設けられていると共に、その圧縮器１３の高圧冷
媒ガスライン１４ａと低圧冷媒ガス戻りライン１４ｂと
に高圧制御弁１５ａと低圧制御弁１５ｂを介して冷媒ガ
ス補給用のバッファタンク１６が接続されている。こう
したメイン冷凍機１０により冷媒タンク２内の液体ヘリ
ウムを一定に保持して内槽容器１を液体ヘリウム温度
（約４．２Ｋ）に保つようなっている。

【００３０】一方、前記シールド板３を冷却するシール
ド冷却系に冷凍機（以下シールド冷凍機と称する）３０
が設けられている。このシールド冷凍機３０は、系内で
発生した低温の冷媒ガスであるヘリウムガス（約８０
Ｋ）を吐出してシールド冷却ガスライン３１途中のシー
ルド配管１８に流通させることで輻射シールド板３を熱
交換により約８０Ｋに保冷する構成である。なお、図中
３２はシールド冷凍機３０に接続した冷媒ガス再凝縮用
の圧縮機である。

【００３１】更に、こうしたシールド冷却系のシールド
冷却ガスライン３１のシールド配管１８手前（上流）部
と前記内槽冷却系の冷媒ガスラインである冷媒タンク２
の回収配管７とが分岐配管３３と開閉バルブ３４を介し
て接続されている。これで万一のシールド冷凍機３０の
異常停止時、開閉バルブ３４を開くことで、内槽冷却系
の蒸発冷媒ガスを分岐配管３３に通しシールド冷却ガス
ライン３１に導入して輻射シールド板３の冷却に用いる
構成とされている。

【００３２】また、そのシールド冷却ガスライン３１の
シールド配管１８の末端側のシールド冷凍機３０への戻
り側配管を分岐させて外層容器４に設けた外部ポート２
２に接続し、その外部ポート２２に開放バルブ３５を有
した配管を接続している。

【００３３】なお、前記輻射シールド板３への熱負荷を
Ｑ_S 、内槽容器１及び冷媒タンク２への熱負荷をＱ_L と
した場合、シールド冷却系のシールド冷凍機３０の能力
Ｑ_SRと内槽冷却系のメイン冷凍機１０の能力Ｑ_LRは、こ
れらにシステム上妥当な余裕代（安全率）を見込んだ設
計とする。同様に内槽冷却系の冷媒タンク２はメイン冷
凍機１又は圧縮機１３が万一異常停止した場合において
も、システム運用上支障を来たさないある所定時間は冷
媒としての液体ヘリウムを所要量維持できる容量として
設計する。これで、通常は、メイン冷凍機１０及びシー
ルド冷凍機３０がＱ_SR＞Ｑ_S 、Ｑ_LR＞Ｑ_R という条件の
下で正常運転するようになっている。

【００３４】こうした構成の極低温冷却システムであれ
ば、通常は、内槽冷却系の冷媒タンク２を介して冷媒と
しての液体ヘリウムが内槽容器１に満たされると共に、
その蒸発冷媒ガスがメイン冷凍機１９に送られ、かつ圧
縮機１３により凝縮さて戻されて、再液化されて冷媒タ
ンク２内に所要の冷媒液量を保つ。これで内槽容器１を
液体ヘリウム温度（約４．２Ｋ）の極低温に冷却する。

【００３５】一方、シールド冷却系のシールド冷凍機３
０からシールド冷却ガスライン３１に吐出される冷媒ガ
スとしてのヘリウムガスがシールド配管１８に流通して
輻射シールド板３を冷却するようになる。この平常時
は、開閉バルブ３４及び開放バルブ３５は閉の状態とな
っており、輻射シールド板３との熱交換後のヘリウムガ
スを循環させながらシールド冷凍機３０が圧縮機３２と
共に繰り返し再凝縮してシールド冷却ガスライン３１に
吐出し、輻射シールド板３を冷却する。

【００３６】ところで、万一何らかの異常により、シー
ルド冷却系のシールド冷凍機３０又はその圧縮機３２が
停止した場合は、シールド配管８にヘリウムガスが供給
されなくなり輻射シールド板３の温度が上昇し、これに
て内槽容器１及び冷媒タンク２への熱負荷（熱侵入量）
Ｑ_L が増加し、該タンク２内圧が上昇すると共に、その
熱負荷Ｑ_L がメイン冷凍機１０の能力Ｑ_LRを上回ってく
ると、冷媒タンク２内の液体ヘリウムが急激に減少し始
めるという大問題に発展してしまう。

【００３７】そこで、本発明では、そのシールド冷却系
の異常時には、その異常発生信号を受けて前記開放バル
ブ３４及び開放バルブ３５を自動的に開とするシーケン
スを組んでおくか、或いは手動的に該バルブ３４，３５
を開く。これでまず、シールド配管１８内のヘリウムガ
スが一旦開放バルブ３５を介して外部に放出又は回収さ
れる。

【００３８】次に、前述の如く内槽冷却系の冷媒タンク
２内で増加したヘリウムガスが、上昇した圧力で押し出
される形で前記回収配管７から開閉バルブ３４を介して
分岐配管３３よりシールド冷却ガスライン３１に導入さ
れ、そのヘリウムガスがシールド配管１８に流入して輻
射シールド板３を熱交換冷却し、そのまま開放バルブ３
５から外部に放出又は回収されるようになる。

【００３９】これで、通常は輻射シールド板３の冷却温
度は約８０〜９０Ｋレベルであるが、上記異常時には、
先に述べたようにＱ_S 、Ｑ_L 、Ｑ_SR及びＱ_LR並びに冷媒
タンク２の容量等の条件設定をしておくことにり、最大
でも約１２０〜１５０Ｋレベルまでの上昇に止めること
が可能となり、結果的に冷媒タンク２内の液体ヘリウム
の急激な減少を防止し、例えば、浮上式鉄道のような日
常運転においては特にシステム上に支障を来すことなく
日中の走行を終えることが可能となる。

【００４０】しかも、内槽冷却系の冷媒タンク２又は圧
縮機１３内におけるヘリウムガスの過不足は、その圧縮
機１３から高・低圧制御弁１５ａ、１５ｂを介して接続
されたバッファタンク１６により一定となるよう調整さ
れるようになっていることからも、前述の異常時におい
ても冷媒タンク２内の液体ヘリウムの急激な減少が防止
されるようになる。

【００４１】なお、前記シールド冷却系の冷媒ガスの外
部放出或いは回収用の外部ポート２２及び開放バルブ３
５は、該シールド冷却系の圧縮機３２側に設けることも
可能である。

【００４２】次に、本発明の極低温冷却システムのシー
ルドの実施例を図２により説明する。この基本的な構成
は前述の図１の実施例のものと同様であるが、ここで
は、内槽冷却系の冷媒タンク２の回収配管７から分岐さ
せた分岐配管３３の途中に逆止弁３６のみを設けると共
に、その分岐配管３３が接続するシールド冷却ガスライ
ン３１のシールド冷凍機３０の吐出口寄り部に調整バル
ブ３７を設けて、シールド配管１８内のヘリウムガス圧
力を一定に保つ構成としている。

【００４３】さらに、シールド冷却ガスライン３１のシ
ールド配管１８の末端側のシールド冷凍機３０への戻り
側配管を分岐させて外層容器４に設けた外部ポート２２
に接続し、その外部ポート２２からメイン冷凍機１０の
冷媒ガス圧縮機１３の低圧冷媒ガス戻りライン１４ｂに
回収する回収バルブ３８付き回収ライン３９を設けてい
る。

【００４４】この構成の実施例であれば、通常、内槽冷
却系の冷媒タンク２内の圧力はヘリウムガスの飽和温度
とメイン冷凍機１０及び圧縮機１３の特性に依存する
が、一般に0.1 〜0.4 ４kgf/cm² G であり、シールド冷
却系のシールド冷凍機３０の吐出ガス圧力は該冷凍機３
０の種類にもよるが圧縮機３２の特性上５〜10kgf/cm²G
程度であるが、前記調整バルブ３７により所定の圧力
に設定可能となっている。

【００４５】従って、シールド冷却系のシールド冷凍機
３０及び圧縮機３２が正常運転している場合は、そのシ
ールド冷却ガスライン３１のシールド配管１８と内槽冷
却系の冷媒タンク２内の圧力差が充分で、内槽冷却系の
蒸発ヘリウムガスが分岐配管３３を通ってシールド冷却
ガスライン３１に流れることはなく、同時に逆止弁３６
の効果によりシールド冷凍機１３の吐出ヘリウムガスが
分岐配管３３を通って内槽冷却系の冷媒タンク２側に流
れ込むこともない。これで前述した実施例と同様に内槽
冷却系で内槽容器１及び冷媒タンク２を、シールド冷却
系で輻射シールド板３を極低温に冷却保持するようにな
る。

【００４６】ここで、万一シールド冷却系が異常停止し
た場合には、その異常信号を受けて回ライン３９の回収
バルブ３８を開けることにより、シールド配管１８内の
ヘリウムガスが内槽冷却系の冷媒ガス圧縮機１３の低圧
冷媒ガス戻りライン１４ｂに回収させ、その後は、冷媒
タンク２内の蒸発ヘリウムガスの発生に伴う圧力上昇及
び該圧縮機１３の回収能力により、該蒸発ヘリウムガス
が冷媒タンク２の回収配管７から分岐配管３３の逆止弁
３６を通ってシールド冷却ガスライン３１に流れ、その
ヘリウムガスがシールド配管１８に流入して輻射シール
ド板３を熱交換冷却し、そのまま回収ライン３９の回収
バルブ３８を介して内槽冷却系の低圧冷媒ガス戻りライ
ン１４ｂに回収されるようになる。

【００４７】また、冷媒タンク２からの蒸発ヘリウムガ
ス量が過大となった際には、冷媒ガス圧縮機１３の運転
周波数を増加させる等により回収能力を向上して対応さ
せると共に、該圧縮機１３の能力を越えた場合には、高
圧制御弁１５ａによりバッファタンク１６へ回収するこ
とが可能である。更には前記メインの実施例と同様の開
放バルブ３５を冷媒ガス圧縮機１３側に設けて、システ
ムを簡素にすることも可能である。

【００４８】なお、このシールドの実施例においては、
分岐配管３３に逆止弁３６と共に前記メインの実施例で
設けた開閉バルブ３４を併用してもいっこうに構わな
い。次に、本発明の極低温冷却システムの第３の実施例
を図３により説明する。この基本的な構成は前述の図２
の実施例のものと同様であるが、ここでは、シールド冷
却系の異常時に内槽冷却系の蒸発ヘリウムガスを逆止弁
３６を介しシールド冷却ガスライン３１に導く分岐配管
３３Ａを、冷媒タンク２からメイン冷凍機１０への冷媒
ガス回収配管１１より分岐させた構成で、この場合にお
いても前記同様の効果が得られるようになる。

【００４９】また、この実施例では、シールド冷却系の
冷凍機３０の吐出口側と冷媒タンク２の予冷・注液配管
６とを切替バルブ４０付き分岐配管３３Ｂを介して接続
した構成とされている。これで、冷却初期時、シールド
冷却系の冷凍機３０を用いてヘリウムガスをシールド冷
却ガスライン３１に吐出し、そのガスをシールド配管１
８に通して輻射シールド板３の熱交換冷却を行うと共
に、そのガスの一部を前記切替バルブ４０の開放により
分岐配管３３Ｂを介して内槽冷却系の予冷・注液配管６
から冷媒タンク２に送り込んで、その冷媒タンク２及び
内槽容器１の初期予冷を行うことが可能となる。

【００５０】なお、前述した各実施例においては、内槽
冷却系のメイン冷凍機１０とシールド冷却系のシールド
冷凍機３０との圧縮機１３、３２を各々独立したスプリ
ット構成としているが、それら圧縮機１３、３２の一部
を共有させたマルチ構成とすることも可能であり、同様
の効果を得ることができる。

【００５１】また、シールド冷却系の異常時に、そのシ
ールド冷却ガスライン３１に内槽冷却系の蒸発ヘリウム
ガスを導入するにあたり、図１及び図２の実施例におい
ては、冷媒タンク２の回収配管７から分岐配管３３を分
岐させ、図３の実施例においては冷媒タンク２からメイ
ン冷凍機１０への冷媒ガス回収配管１１より分岐配管３
３Ａを分岐させたが、それら分岐配管の分岐接続位置は
特に限定されるものではなく、内槽冷却系の冷媒ガスラ
インであれば任意な部分から分岐させても可である。

【００５２】以上説明した各実施例のものであれば、内
槽容器１を囲む輻射シールド板３への熱負荷が比較的大
きな極低温機器のシステムにおいて、内槽冷却系の冷媒
タンクとメイン冷凍機１０に加え、シールド冷却系のシ
ールド冷凍機３０を設けて、通常はこのシールド冷凍機
３０からの減り梅ガスにより輻射シールド板３を冷却
し、そして万一、シールド冷却系のシールド冷凍機が異
常停止した場合でも、そのシールド冷却ガスライン３１
に内槽冷却系の冷媒タンク等の蒸発冷媒ガスラインから
ヘリウムガスをバルブを介し導入して輻射シールド板を
冷却続行でき、信頼性の高い安定した極低温冷却システ
ムが得られるようになる。

【００５３】従って、例えば浮上式鉄道などの車載用の
超電導磁石装置の冷却システムとした場合、輻射シール
ド板の冷却用の液体窒素タンクやその循環装置が不要
で、且つ外部からの液体窒素の定期的な補給が不要とな
るため、外部に大規模な供給装置を設けることもなくシ
ステム全体のランニングコストを低減させることが可能
となる。特に浮上式鉄道の車載システムにおいては、液
体窒素を供給をするために、車両の出庫又は帰庫の都
度、外部配管を接続しなければならないが、本発明によ
れば車載システムのみでクローズドな冷却システムの構
成となり煩雑な作業も必要なくなる。

【００５４】また、冷却システムに使用する冷媒が同一
種のヘリウムのみで済むため、この点からも単純なシス
テム構成となっており、超電導磁石装置の初期予冷の場
合、特に冷凍機が運転していなくても、予冷・注液ポー
トから内槽容器１を冷却した後の冷媒をシールド冷却ガ
スラインに流すことができるため、超電導磁石装置の予
冷作業が非常に簡単に実施することが可能となる。

【００５５】さらに、輻射シールド板３の冷却に従来の
如く液体窒素を使用した場合は、冷媒の温度を該液体窒
素の沸点である７７Ｋ以下とすることはできないが、ヘ
リウムガス冷却とすることにより、シールド冷却系のシ
ールド冷凍機３０及び圧縮機３２の能力を向上させて７
７Ｋ以下の冷却が可能となる。

【００５６】これにより、輻射シールド板３の温度が一
段と低くなり、４Ｋレベルである内槽容器１への熱侵入
量がさらに低減され、内槽冷却系のメイン冷凍機１０の
能力に余裕が生じることとなる。例えば、浮上式鉄道の
ように、夜間と日中運転という２系統を持ち、電力供給
に制約がある場合特に有効とある。

【００５７】即ち、夜間の電力が使える場合、圧縮機の
運転周波数の増加等で冷凍機の能力を一時的に向上させ
ることにより輻射シールド板３を冷却させることが可能
となる。その輻射シールド板３は、ある程度の熱容量を
持たせて畜熱機能を付加させておくことで、日中運転に
入る前に圧縮機を通常モードに変更しても、事前の冷や
し込み効果により該輻射シールド板３が冷却されてい
て、超電導磁石装置への熱負荷が低く抑えられているた
め、走行中何らかの原因で熱負荷が若干上昇しても冷凍
機の能力に余裕が生じている分だけ超電導磁石装置シス
テムにおける安定度が保たれるようになる。

【００５８】

【発明の効果】本発明は前述の如くなしたので、電超電
導磁石装置等の極低温機器の内槽容器を液体ヘリウム等
の冷媒により冷却する内槽冷却系に冷媒タンクと冷媒ガ
ス液化用の冷凍機を備えると共に、該内槽容器を囲む輻
射シールド板を冷却するためのシールド冷却系にも冷凍
機を設けて、全体システム構成の小型・軽量化を狙った
極低温冷却システムにおいて、通常はシールド冷却系の
冷凍機から吐出される冷媒ガスで輻射シールド板を冷却
する一方、万一シールド冷却系の冷凍機が異常停止した
場合でも、内槽冷却系の蒸発冷媒ガスをシールド冷却系
の冷媒ガスラインに導入して、輻射シールド板の安定し
た冷却を続行できる効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の極低温冷却システムの第１の実施例を
示すフロー図。

【図２】本発明の極低温冷却システムの第２の実施例を
示すフロー図。

【図３】本発明の極低温冷却システムの第２の実施例を
示すフロー図。

【図４】従来の極低温冷却システムを示すフロー図。

【符号の説明】

１…内槽容器、２…冷媒タンク、３…輻射シールド板、
４…外槽容器、６，７，１１，１２，１４ｂ…冷媒ガス
ライン（予冷・注入配管、回収配管、１１…例叔母委ガ
ス回収配管、１２…冷媒ガス供給配管、１４ｂ…低圧冷
媒ガス戻り配管）、１０…内槽冷却系のメイン冷凍機、
１３…冷媒ガス圧縮機、１８…シールド配管，３０…シ
ールド冷却系のシールド冷凍機、３１…シールド冷却ガ
スライン、３２…冷媒ガス圧縮機、３４，３６…バルブ
（３４…開閉弁、３６…逆止弁）、３５…開放バルブ、
３７…調整バルブ、３８…回収バルブ、３９…回収ライ
ン、４０…切り替えバルブ。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超電導磁石装置等の極低温機器の内槽容
   器を液体ヘリウム等の冷媒により冷却する内槽冷却系に
   冷媒タンクと冷媒ガス液化用の冷凍機を備えると共に、
   該内槽容器を囲む輻射シールド板を冷却するためのシー
   ルド冷却系にも冷凍機を設けた極低温冷却システムにお
   いて、 前記シールド冷却系は、この冷凍機から冷媒ガスをシー
   ルド冷却ガスラインに送出して輻射シールド板を冷却す
   るガス冷却構造とし、かつ該シールド冷却ガスラインを
   前記内槽冷却系の冷媒ガスラインとバルブを介し接続
   し、万一のシールド冷却系の冷凍機の異常停止時、前記
   バルブを介し内槽冷却系の蒸発冷媒ガスをシールド冷却
   ガスラインに導入して輻射シールド板の冷却を行う構成
   としたことを特徴とする極低温冷却システム。
2. 【請求項２】 請求項１記載の極低温冷却システムにお
   いて、シールド冷却系のシールド冷却ガスラインと内槽
   冷却系の冷媒ガスラインとを接続するバルブとして、逆
   止弁のみ或いは逆止弁と調整バルブとを併用して設けた
   ことを特徴とする請求項１記載の極低温冷却システム。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の極低温冷却システ
   ムにおいて、内槽冷却系の冷媒ガスラインから冷媒ガス
   をバルブを介しシールド冷却系のシールド冷却ガスライ
   ンに導入して輻射シールド板の冷却を行う時、該シール
   ド冷却ガスラインの端末から輻射シールド板との熱交換
   後の冷媒ガスを、外部に放出する開放バルブ又は内槽冷
   却系の冷媒ガスラインに回収する回収ラインを設けたこ
   とを特徴する極低温冷却システム。
4. 【請求項４】 請求項３記載の極低温冷却システムにお
   いて、輻射シールド板との熱変換後の冷媒ガスを、内槽
   冷却系の冷凍機の冷媒ガス圧縮機の低圧冷媒ガス戻りラ
   インに回収する回収ラインを設けたことを特徴とする極
   低温冷却システム。
5. 【請求項５】 請求項１記載の極低温冷却システムにお
   いて、シールド冷却系のシールド冷却ガスラインを内槽
   冷却系の冷凍機の冷媒ガス回収ラインとバルブを介し接
   続したことを特徴とする極低温冷却システム。
6. 【請求項６】 請求項１記載の極低温冷却システムにお
   いて、輻射シールド板の冷却と内槽冷却系の冷媒タンク
   の予冷とを同時に行うように、シールド冷却系の冷凍機
   の冷媒ガス吐出口側と内槽冷却系の冷媒タンクの予冷・
   注液ラインとを切替バルブを介し接続したことを特徴と
   する極低温冷却システム。
7. 【請求項７】 請求項４記載の極低温冷却システムにお
   いて、内槽冷却系の冷凍機の冷媒ガス圧縮機の低圧冷媒
   ガス戻りラインに回収する冷媒ガス量が過大となった時
   に、該圧縮機が高速運転してガス吸い込み量を増大する
   構成としたことを特徴とする極低温冷却システム。
8. 【請求項８】 請求項１乃至７いずれかに記載の極低温
   冷却システムにおいて、シールド冷却系の冷凍機又はこ
   の冷媒ガス圧縮機の運転周波数を制御することにより、
   輻射シールド板の冷却到達温度の設定を任意に行える構
   成としたことを特徴とする極低温冷却システム。
9. 【請求項９】 請求項８記載の極低温冷却システムにお
   いて、輻射シールド板に熱容量を持たせ畜熱機能を付加
   させておき、シールド冷却系の冷凍機又はこの冷媒ガス
   圧縮機を高速運転して輻射シールド板を過冷却すること
   により、所定時間内槽容器への熱侵入量を低減させて内
   槽冷却系の冷凍機に余裕を持たせ得る構成としたことを
   特徴とする極低温冷却システム。
10. 【請求項１０】 請求項１記載の極低温冷却システムに
    おいて、内槽冷却系の冷媒ガス圧縮機とシールド冷却系
    の冷媒ガス圧縮機とのラインを一部共有させて全体シス
    テムを簡素化したことを特徴とする極低温冷却システ
    ム。