特許 6718744 冷却装置及び冷却方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6718744

(24)【登録日】2020年6月17日

(45)【発行日】2020年7月8日

(54)【発明の名称】冷却装置及び冷却方法

(51)【国際特許分類】

   F25D 3/10 20060101AFI20200629BHJP

   F25D 9/00 20060101ALI20200629BHJP

   F25B 9/00 20060101ALI20200629BHJP

【ＦＩ】

   F25D3/10 B

   F25D9/00 B

   F25B9/00 395A

【請求項の数】8

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2016-108659(P2016-108659)

(22)【出願日】2016年5月31日

(65)【公開番号】特開2017-215089(P2017-215089A)

(43)【公開日】2017年12月7日

【審査請求日】2019年4月1日

(73)【特許権者】

【識別番号】000148357

【氏名又は名称】株式会社前川製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110000785

【氏名又は名称】誠真ＩＰ特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】仲村 直子

(72)【発明者】

【氏名】野口 雅人

【審査官】 河野 俊二

(56)【参考文献】

【文献】 特表２０１１−５１６８１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１９９７４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−１３６４６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００７／０２０４６３２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開平０８−２２２４２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０８２３４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５８−１６６７８０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２５Ｄ ３／１０

Ｆ２５Ｂ ９／００

Ｆ２５Ｄ ９／００

Ｈ０１Ｌ ３９／０４

Ｈ０１Ｌ ２３／４２７

Ｈ０５Ｋ ７／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

低温液化冷媒が充填され、被冷却物が前記低温液化冷媒に浸漬される密閉状態の液室をもつ内槽と、
前記液室に前記低温液化冷媒を供給する液化回路と、
前記内槽を覆う熱シールド部と、
前記熱シールド部に二次冷媒を供給する二次冷媒回路と、
前記二次冷媒回路を循環する前記二次冷媒を冷却する冷凍機と、
を備える冷却装置であって、
前記熱シールド部の入口側の前記二次冷媒回路に設けられ、前記二次冷媒回路を循環する前記二次冷媒の温度を検出する温度センサと、
前記熱シールド部の入口側の前記二次冷媒回路に設けられ、前記二次冷媒回路を循環する前記二次冷媒の圧力を検出する第１圧力センサと、
前記二次冷媒回路を循環する前記二次冷媒の温度及び圧力を制御し、前記二次冷媒回路を循環する前記二次冷媒を液状でかつ過冷却状態に保持するための制御部と、
を備えることを特徴とする冷却装置。

【請求項2】

前記熱シールド部出口側と前記冷凍機との間の前記二次冷媒回路に設けられた前記二次冷媒の貯留タンクと、
前記二次冷媒回路から分岐し、前記貯留タンクの気相部に連通する第１加圧路と、
前記第１加圧路に設けられた第１蒸発器と、
前記貯留タンクの前記気相部の圧力を検出する第２圧力センサと、
を備え、
前記制御部は、前記第２圧力センサの検出値が第１閾値未満となったとき、前記第１加圧路を解放して前記第１加圧路に前記二次冷媒を導入し、前記二次冷媒回路の圧力を前記第１閾値以上とするものであることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。

【請求項3】

前記二次冷媒が貯留されたバックアップタンクと、
前記貯留タンクと前記バックアップタンクとに接続される二次冷媒供給路と、
前記貯留タンクの気相部と前記バックアップタンクとに接続される第２加圧路と、
前記第２加圧路に設けられた第２蒸発器と、
をさらに備え、
前記制御部は、前記第２圧力センサの検出値が前記第１閾値より小さい第２閾値未満となったとき、前記第２加圧路を解放して前記バックアップタンクから前記第２加圧路に前記二次冷媒を導入し、前記貯留タンクの前記気相部の圧力を前記第２閾値以上とするものであることを特徴とする請求項２に記載の冷却装置。

【請求項4】

前記液化回路は、
前記液化回路に設けられた圧縮機ユニットと、
前記液化回路の往路及び復路が導設されて前記往路及び前記復路間で冷媒同士の熱交換が行われ、前記往路及び前記復路に対して直列に配置された複数の熱交換器と、
前記内槽入口の前記往路に設けられたジュール・トムソン弁と、
を含み、
前記二次冷媒回路から分岐し前記複数の熱交換器の少なくとも一つに導設される予冷回路を備えることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の冷却装置。

【請求項5】

前記冷凍機はブレイトンサイクルを構成する冷凍機であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の冷却装置。

【請求項6】

前記貯留タンクにおいて、
前記二次冷媒回路の接続部は、前記二次冷媒の液面より下方に配置され、
前記二次冷媒の前記液面と前記接続部との間に設けられ横方向に延在する対流防止板と、
を備え、
前記対流防止板より下方に貯留する前記二次冷媒は前記冷凍機で冷却されることを特徴とする請求項２又は３に記載の冷却装置。

【請求項7】

前記熱シールド部の出口と前記冷凍機との間の前記二次冷媒回路に設けられ、前記二次冷媒を前記冷凍機に向けて送給するための循環ポンプと、
をさらに備え、
前記温度センサおよび前記第１圧力センサは、前記冷凍機と前記熱シールド部の入口との間の前記二次冷媒回路に設けられる
請求項１乃至６の何れか一項に記載の冷却装置。

【請求項8】

低温液化冷媒が充填され、被冷却物が前記低温液化冷媒に浸漬される密閉状態の液室をもつ内槽と、
前記液室に前記低温液化冷媒を供給する液化回路と、
前記内槽を覆う熱シールド部と、
前記熱シールド部に二次冷媒を供給する二次冷媒回路と、
前記二次冷媒回路を循環する前記二次冷媒を冷却する冷凍機と、
前記熱シールド部出口側と前記冷凍機との間の前記二次冷媒回路に設けられた前記二次冷媒の貯留タンクと、
前記二次冷媒回路から分岐し、前記貯留タンクの気相部に接続される第１加圧路と、
前記第１加圧路に設けられた第１蒸発器と、
前記二次冷媒が貯留されたバックアップタンクと、
前記貯留タンクと前記バックアップタンクとに接続される二次冷媒供給路と、
前記貯留タンクの気相部と前記バックアップタンクとに連通する第２加圧路と、
前記第２加圧路に設けられた第２蒸発器と、
を備える冷却装置を用いる冷却方法であって、
前記二次冷媒回路を循環する前記二次冷媒の温度を検出する温度検出ステップと、
前記貯留タンクの前記気相部の圧力を検出する圧力検出ステップと、
前記二次冷媒回路を循環する前記二次冷媒の温度及び前記貯留タンクの前記気相部の圧力を制御し、前記二次冷媒回路を循環する前記二次冷媒を液状でかつ過冷却状態に保持する制御ステップと、
前記圧力検出ステップにおける検出値が第１閾値未満となったとき、前記第１加圧路を解放して前記第１加圧路に前記二次冷媒を導入し、前記気相部の圧力を前記第１閾値以上とする第１圧力制御ステップと、
前記貯留タンクの気相部の圧力が前記第１閾値より小さい第２閾値未満となったとき、前記第２加圧路を解放して前記第２加圧路に前記二次冷媒を導入し、前記気相部の圧力を前記第２閾値以上とする第２圧力制御ステップと、
前記貯留タンクに貯留される前記二次冷媒の液面が閾値を超えたら、前記二次冷媒供給路を介して前記貯留タンクに貯留される前記二次冷媒を前記バックアップタンクに移し、前記液面を前記閾値以下にする液面制御ステップと、
を含むことを特徴とする冷却方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、例えば超電導機器などの被冷却物の冷却に適用可能な冷却装置及び冷却方法に関する。

【背景技術】

【0002】

超電導機器を備える装置においては、超電導機器を超電導転移温度以下の超低温に保持して運転する必要がある。超電導機器を超電導転移温度以下に保持する方法として、沸点が低いヘリウムやネオン等の液化ガスに超電導機器を浸漬し、超電導機器の発熱をこれら液化ガスの蒸発により蒸発潜熱として取り去る方法が用いられる。
特許文献１には、例えば、ギフォード・マクマホン膨張機などで構成された寒冷発生機を備え、ジュール・トムソン液化回路を用いて製造した液化ヘリウムを超電導コイルなど超電導機器の冷却に用いる装置が開示されている。
特許文献２には、超電導機器を冷却する液化ガスの温度及び圧力を制御して過冷却状態に保持するようにした冷却システムが開示されている。

【0003】

特許文献３には、液化ヘリウムや液体ネオン等の超低温冷媒を貯留した内槽に超電導機器を浸漬し、この内槽の周囲を熱シールド部で覆い、輻射熱を遮断する構成が開示されている。この熱シールド部には液体窒素などの二次冷媒が供給される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平０８−２２２４２９号公報

【特許文献2】特開２０１４−１２６２８３号公報

【特許文献3】特開平０５−１３６４６９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献３に開示されているように、熱シールド部に供給される液体窒素などの二次冷媒は、輻射熱により蒸発した二次冷媒を外部に放出する方式では、常に二次冷媒の補給が必要となるという問題がある。そのため、加速器などの大型の超電導設備では、大量の二次冷媒の補給が必要になるため、ランニングコストが無視できないほど高価となる。
特許文献２に開示された冷却システムは、超電導機器を冷却する一次冷媒の冷却を対象とするものであり、一次冷媒の貯留部を囲む熱シールド部に供給される二次冷媒の冷却を対象とするものではない。また、二次冷媒の循環路に設けられたリザーバタンク内の圧力制御のために、複雑な加圧装置及び減圧装置を必要とする。
特許文献３では、蒸発した二次冷媒を冷凍機によって又は液化ヘリウムの冷熱を利用して冷却し液化させ、液化した二次冷媒を熱シールド部に戻すようにしている。しかし、蒸発した二次冷媒は大きな潜熱を保有するため、これを液化させるために容量の大きな冷却設備が必要になる。従って、熱効率が低下すると共に、イニシャルコストが高コストとなる。

【0006】

幾つかの実施形態は、冷却装置において、熱シールド部に用いられる二次冷媒の補給を不要にしてランニングコストを削減すると共に、冷却装置の簡素化及び低コスト化を可能にすることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

（１）幾つかの実施形態に係る冷却装置は、
低温液化冷媒が充填され、被冷却物が前記低温液化冷媒に浸漬される密閉状態の液室をもつ内槽と、
前記液室に前記低温液化冷媒を供給する液化回路と、
前記内槽を覆う熱シールド部と、
前記熱シールド部に二次冷媒を供給する二次冷媒回路と、
前記二次冷媒回路を循環する前記二次冷媒を冷却する冷凍機と、
を備える冷却装置であって、
前記熱シールド部の入口側の前記二次冷媒回路に設けられ、前記二次冷媒回路を循環する前記二次冷媒の温度を検出する温度センサと、
前記熱シールド部の入口側の前記二次冷媒回路に設けられ、前記二次冷媒回路を循環する前記二次冷媒の圧力を検出する第１圧力センサと、
前記二次冷媒回路を循環する前記二次冷媒の温度及び圧力を制御し、前記二次冷媒回路を循環する前記二次冷媒を液状でかつ過冷却状態に保持するための制御部と、
を備える。

【0008】

上記（１）の構成によれば、上記制御部によって、上記二次冷媒回路を循環する二次冷媒の温度及び圧力を制御することで、二次冷媒を液状でかつ過冷却状態に保持する。そのため、二次冷媒を放出することなく循環して再使用できる。これによって、二次冷媒の補給が不要となり、ランニングコストを削減できる。また、気化した二次冷媒を収容する貯留タンクや気化した二次冷媒を液化するための冷凍機が不要になるため、設備の小型化及び低コスト化が可能になる。
また、熱シールド部の入口側で二次冷媒の温度及び圧力を検出し、この検出値に基づいて二次冷媒を過冷却状態とすべく二次冷媒の温度及び圧力を制御するため、熱シールド部に供給される二次冷媒を確実に液状でかつ過冷却状態に保持できる。

【0009】

（２）一実施形態では、前記（１）の構成において、
前記熱シールド部出口側と前記冷凍機との間の前記二次冷媒回路に設けられた前記二次冷媒の貯留タンクと、
前記二次冷媒回路から分岐し、前記貯留タンクの気相部に連通する第１加圧路と、
前記第１加圧路に設けられた第１蒸発器と、
前記貯留タンクの前記気相部の圧力を検出する第２圧力センサと、
を備え、
前記制御部は、前記第２圧力センサの検出値が第１閾値未満となったとき、前記第１加圧路を解放して前記第１加圧路に前記二次冷媒を導入し、前記二次冷媒回路の圧力を前記第１閾値以上とするものである。

【0010】

上記（２）の構成において、上記第１閾値は、例えば、二次冷媒回路を循環する二次冷媒が液状でかつ過冷却状態を維持可能な下限値に設定される。貯留タンクと二次冷媒回路とは連通しているため、内部は同等の圧力となっている。
上記第２圧力センサの検出値が第１閾値未満となったとき、制御部は、上記第１加圧路を解放して第１加圧路に二次冷媒を導入する。第１加圧路に導入された二次冷媒は上記第１蒸発器で蒸発し、蒸発した二次冷媒ガスは上記貯留タンクに流入する。これによって、貯留タンク内の圧力が増加するため、二次冷媒回路の圧力も増加し、上記第１閾値以上に回復する。こうして、二次冷媒回路を循環する二次冷媒を液状でかつ過冷却状態に維持できる。
また、貯留タンクの気相部の圧力を制御対象とすることで、二次冷媒回路を循環する二次冷媒の圧力制御を容易かつ正確に行うことができる。また、二次冷媒回路を循環する二次冷媒を液状に保持することで、貯留タンクを小型化できる。

【0011】

（３）一実施形態では、前記（１）又は（２）の構成において、
前記二次冷媒が貯留されたバックアップタンクと、
前記貯留タンクと前記バックアップタンクとに接続される二次冷媒供給路と、
前記貯留タンクの気相部と前記バックアップタンクとに接続される第２加圧路と、
前記第２加圧路に設けられた第２蒸発器と、
をさらに備え、
前記制御部は、前記第２圧力センサの検出値が前記第１閾値より小さい第２閾値未満となったとき、前記第２加圧路を解放して前記バックアップタンクから前記第２加圧路に前記二次冷媒を導入し、前記貯留タンクの前記気相部の圧力を前記第２閾値以上とするものである。

【0012】

上記（３）の構成において、第２閾値は、例えば、冷凍機又は二次冷媒を循環させる循環ポンプ等が故障したときの二次冷媒回路の圧力に設定される。
冷凍機又は循環ポンプ等の故障によって、二次冷媒回路を循環する二次冷媒の温度が急激に上昇し、あるいは二次冷媒の圧力が急激に低下した時、上記バックアップタンク内の二次冷媒を上記二次冷媒供給路を介して貯留タンクに供給することで、二次冷媒回路における二次冷媒の循環を維持することができる。
また、制御部によって、上記第２加圧路を解放し、第２加圧路に二次冷媒を導入する。第２加圧路に導入した二次冷媒は上記第２蒸発器で蒸発し、蒸発した二次冷媒ガスは貯留タンクに流入する。これによって、貯留タンク内の気相部の圧力が上記第２閾値以上に回復するため、貯留タンクの気相部と連通した二次冷媒回路の圧力が第２閾値以上に回復し、熱シールド部への二次冷媒の供給を継続できる。

【0013】

（４）一実施形態では、前記（１）〜（３）の何れかの構成において、
前記液化回路は、
前記液化回路に設けられた圧縮機ユニットと、
前記液化回路の往路及び復路が導設されて前記往路及び前記復路間で冷媒同士の熱交換が行われ、前記往路及び前記復路に対して直列に配置された複数の熱交換器と、
前記内槽入口の前記往路に設けられたジュール・トムソン弁と、
を含み、
前記二次冷媒回路から分岐し前記複数の熱交換器の少なくとも一つに導設される予冷回路を備える。

【0014】

上記液化回路では、上記圧縮機ユニットで圧縮された冷媒ガスは、熱シールド部から戻る冷媒と複数の熱交換器で順々に熱交換して冷却される。そして、熱シールド部の入口で上記ジュール・トムソン弁を通って膨張し、膨張時に冷却されて低温液化冷媒となり、この低温液化冷媒が熱シールド部に供給される。
上記（４）の構成によれば、冷却装置の起動時などにおいて、上記予冷回路に冷凍機で冷却された二次冷媒を循環させることで、圧縮機ユニットから吐出された冷媒ガスの冷却を補助できる。このように、二次冷媒の冷熱を利用することで、冷却装置の成績係数（ＣＯＰ）を向上できる。

【0015】

（５）一実施形態では、前記（１）〜（４）の何れかの構成において、
前記冷凍機はブレイトンサイクルを構成する冷凍機である。
上記（５）の構成によれば、冷凍機としてブレイトンサイクルを構成する冷凍機を用いることで、熱シールド部に供給可能な低温の二次冷媒液を高効率で製造できる。

【0016】

（６）一実施形態では、前記（１）〜（５）の何れかの構成において、
前記貯留タンクにおいて、
前記二次冷媒回路の接続部は、前記二次冷媒の液面より下方に配置され、
前記二次冷媒の前記液面と前記接続部との間に設けられ横方向に延在する対流防止板と、
を備え、
前記対流防止板より下方に貯留する前記二次冷媒は前記冷凍機で冷却される。

【0017】

上記（６）の構成において、「横方向」とは、垂直方向と交差する方向を言う。
熱シールド部から貯留タンクに戻った二次冷媒は、上記対流防止板より下方の貯留領域に戻される。対流防止板より下方の領域に貯留する二次冷媒は冷凍機によって冷却されているため、熱シールド部から戻った二次冷媒はこの低温の二次冷媒で冷却される。このように、熱シールド部から戻った二次冷媒は、冷凍機以外に貯留タンクに貯留された二次冷媒によっても冷却されるため、被冷却物が急激に昇温しても冷凍機の負荷が過大にならず、二次冷媒回路を循環する二次冷媒も過冷却状態を保持できる。

【0018】

（７）幾つかの実施形態に係る冷却方法は、
低温液化冷媒が充填され、被冷却物が前記低温液化冷媒に浸漬される密閉状態の液室をもつ内槽と、
前記液室に前記低温液化冷媒を供給する液化回路と、
前記内槽を覆う熱シールド部と、
前記熱シールド部に二次冷媒を供給する二次冷媒回路と、
前記二次冷媒回路を循環する前記二次冷媒を冷却する冷凍機と、
前記熱シールド部出口側と前記冷凍機との間の前記二次冷媒回路に設けられた前記二次冷媒の貯留タンクと、
前記二次冷媒回路から分岐し、前記貯留タンクの気相部に連通する第１加圧路と、
前記第１加圧路に設けられた第１蒸発器と、
前記二次冷媒が貯留されたバックアップタンクと、
前記貯留タンクと前記バックアップタンクとに接続される二次冷媒供給路と、
前記貯留タンクの気相部と前記バックアップタンクとに接続される第２加圧路と、
前記第２加圧路に設けられた第２蒸発器と、
を備える冷却装置を用いる冷却方法であって、
前記二次冷媒回路を循環する前記二次冷媒の温度を検出する温度検出ステップと、
前記貯留タンクの前記気相部の圧力を検出する圧力検出ステップと、
前記二次冷媒回路を循環する前記二次冷媒の温度及び前記貯留タンクの前記気相部の圧力を制御し、前記二次冷媒回路を循環する前記二次冷媒を液状でかつ過冷却状態に保持する制御ステップと、
前記圧力検出ステップにおける検出値が第１閾値未満となったとき、前記第１加圧路を解放して前記第１加圧路に前記二次冷媒を導入し、前記気相部の圧力を前記第１閾値以上とする第１圧力制御ステップと、
前記貯留タンクの気相部の圧力が前記第１閾値より小さい第２閾値未満となったとき、前記第２加圧路を解放して前記第２加圧路に前記二次冷媒を導入し、前記気相部の圧力を前記第２閾値以上とする第２圧力制御ステップと、
前記貯留タンクに貯留される前記二次冷媒の液面が閾値を超えたら、前記二次冷媒供給路を介して前記貯留タンクに貯留される前記二次冷媒を前記バックアップタンクに移し、前記液面を前記閾値以下にする液面制御ステップと、
を含む。

【0019】

上記（７）の方法によれば、上記第１圧力制御ステップにおいて、貯留タンクの気相部の圧力が第１閾値未満となったとき、第１加圧路を解放して第１加圧路に二次冷媒を導入する。第１加圧路に導入された二次冷媒は第１蒸発器で蒸発し、蒸発した二次冷媒ガスは貯留タンクに流入する。これによって、貯留タンク内の気相部の圧力が増加するため、この気相部に連通する二次冷媒回路の圧力が増加し、上記第１閾値以上に回復する。
こうして、二次冷媒を液状でかつ過冷却状態に維持できる。また、貯留タンクの気相部の圧力を制御することで、二次冷媒回路を循環する二次冷媒の圧力制御を容易かつ正確に行うことができる。

【0020】

また、冷凍機又は循環ポンプ等の故障によって、二次冷媒回路を循環する二次冷媒の温度が急激に上昇し、あるいは二次冷媒の圧力が急激に低下した時、上記バックアップタンク内の二次冷媒を上記二次冷媒供給路を介して貯留タンクに供給することで、二次冷媒回路における二次冷媒の循環を維持できる。
上記第２圧力制御ステップにおいて、上記第２加圧路を解放し、第２加圧路に二次冷媒を導入することで、第２加圧路に導入された二次冷媒は上記第２蒸発器で蒸発し、貯留タンクに流入する。これによって、貯留タンク内の気相部の圧力が上記第２閾値以上に回復するため、貯留タンクの気相部と連通した二次冷媒回路の圧力が回復し、二次冷媒回路を循環する二次冷媒を液状でかつ過冷却状態に維持できる。

【0021】

また、貯留タンク内の気相部の二次冷媒ガスは液化するため、貯留タンクの二次冷媒液の液面は次第に上昇する。そのため、上記液面制御ステップにおいて、二次冷媒液の液面が閾値を超えたら、貯留タンク内の二次冷媒液をバックアップタンクに移す。逆に、バックアップタンクでは二次冷媒が蒸発するため、貯留タンクから二次冷媒が供給されることで、所定の液量を維持できる。こうして、貯留タンク及びバックアップタンクに貯留される二次冷媒の液面を所定レベルに維持できる。

【発明の効果】

【0022】

幾つかの実施形態によれば、一次冷媒の貯留部を覆う熱シールド部に用いられる二次冷媒の補給が不要になるため、冷却装置のランニングコストを節減できると共に、冷却装置を簡素化かつ低コスト化でき、イニシャルコストを削減できる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】一実施形態に係る冷却装置の系統図である。

【図2】一実施形態に係る冷却装置の系統図である。

【図3】一実施形態に係る冷却装置の系統図である。

【図4】一実施形態に係る冷却装置の系統図である。

【図5】一実施形態に係る冷却装置の系統図である。

【図6】ブレイトンサイクルを形成する冷凍機の一構成例を示す系統図である。

【図7】上記冷凍機のブレイトンサイクルを示す線図である。

【図8】一実施形態に係る貯留タンクの縦断面図である。

【図9】図８中のＡ部拡大図である。

【図10】一実施形態に係る冷却方法の工程図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載され又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一つの構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

【0025】

幾つかの実施形態に係る冷却装置１０（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ）は、図１〜図５に示すように、密閉状態の液室１２ａをもつ内槽１２と、液室１２ａに低温液化冷媒を供給する液化回路１４とを備える。液室１２ａには低温液化冷媒ＬＲ_１が充填され、被冷却物（例えば、超電導コイルなどの超電導機器）Ｍが低温液化冷媒に浸漬される。
内槽１２は輻射熱の侵入を防止するために熱シールド部１６で覆われる。熱シールド部１６に二次冷媒回路１８が接続され、二次冷媒回路１８から二次冷媒液ＬＲ_２が供給される。二次冷媒液ＬＲ_２は二次冷媒回路１８を循環し、冷凍機２０で冷却される。

【0026】

熱シールド部１６の入口側の二次冷媒回路１８に温度センサ２２及び第１圧力センサ２４が設けられる。これらセンサによって二次冷媒回路１８を循環する二次冷媒液ＬＲ_２の温度及び圧力が検出される。温度センサ２２及び第１圧力センサ２４の検出値は制御部２６に入力される。制御部２６は、二次冷媒回路１８を循環する二次冷媒液ＬＲ_２の温度及び圧力を制御し、二次冷媒回路１８を循環する二次冷媒液ＬＲ_２を液状でかつ過冷却状態に保持する。
低温液化冷媒として、例えば、沸点が非常に低いヘリウム、ネオン等が用いられ、二次冷媒として例えば窒素が用いられる。

【0027】

上記構成によれば、制御部２６によって二次冷媒回路１８を循環する二次冷媒液ＬＲ_２の温度及び圧力を制御することで、この二次冷媒液ＬＲ_２を液状でかつ過冷却状態に保持できる。これによって、蒸発した二次冷媒を放出することなく、二次冷媒を循環して再使用できるため、二次冷媒の補給が原則として不要となる。そのため、二次冷媒の消費を抑制でき、ランニングコストを抑制できる。また、気化した二次冷媒を収容する貯留タンクや気化した二次冷媒を液化するための冷凍機が不要になるため、設備の小型化が可能になり、イニシャルコストを削減できる。
また、熱シールド部１６の入口側で二次冷媒の温度及び圧力を検出し、この検出値に基づいて二次冷媒を液状でかつ過冷却状態とすべく二次冷媒の温度及び圧力を制御するため、熱シールド部１６に供給される二次冷媒を確実に液状でかつ過冷却状態に保持できる。

【0028】

図示した実施形態では、図１〜５に示すように、内槽１２及び熱シールド部１６は真空空間Ｓｖを形成した真空容器２８の内部に配置される。二次冷媒回路１８には、二次冷媒液ＬＲ_２を循環させるための循環ポンプ３０が設けられる。
また、熱シールド部１６の外側に真空空間Ｓｖを形成することで、外部からの輻射熱の侵入を効果的に抑制できる。

【0029】

幾つかの実施形態では、図１〜５に示すように、熱シールド部１６の出口側と冷凍機２０との間の二次冷媒回路１８に、二次冷媒を貯留するための貯留タンク３２が設けられる。また、二次冷媒回路１８から分岐し、貯留タンク３２の気相部Ｓｇに連通する第１加圧路３４が設けられ、第１加圧路３４に第１蒸発器３６が設けられる。さらに、気相部Ｓｇの圧力を検出する第２圧力センサ４０が設けられる。第２圧力センサ４０の検出値は制御部２６に入力される。

【0030】

上記構成において、制御部２６は、第２圧力センサ４０の検出値が第１閾値未満となったとき、第１加圧路３４を解放して二次冷媒回路１８から第１加圧路３４に二次冷媒液ＬＲ_２を導入する。第１閾値は、例えば、二次冷媒回路を循環する二次冷媒が液状でかつ過冷却状態を維持可能な下限値に設定される。貯留タンク３２と二次冷媒回路１８とは互いに連通しているため、これらの内部は同等の圧力を有する。第１加圧路３４に導入された二次冷媒液は第１蒸発器３６で蒸発し、蒸発した二次冷媒ガスは気相部Ｓｇに流入する。
これによって、気相部Ｓｇの圧力は増加して第１閾値以上に回復でき、二次冷媒回路１８を循環する二次冷媒液ＬＲ_２を液状でかつ過冷却状態に保持できる。また、貯留タンク３２の気相部Ｓｇの圧力を制御対象とすることで、二次冷媒回路１８を循環する二次冷媒液ＬＲ_２の圧力制御を容易かつ正確に行うことができる。また、二次冷媒回路１８を循環する二次冷媒を液状に保持することで、貯留タンク３２を小型化できる。

【0031】

図１〜図５に示す実施形態では、貯留タンク３２に貯留された二次冷媒の温度及び二次冷媒液の液面レベルを検出する温度センサ４２及び液面センサ４４が設けられ、これらセンサの検出値は制御部２６に入力される。
また、第１加圧路３４には流量調整弁３８が設けられる。図示した実施形態では、制御部２６は、圧力センサ２４の検出値が第１閾値未満となったとき、流量調整弁３８を解放して第１加圧路３４に二次冷媒液ＬＲ_２を導入する。
図１〜図３に示す実施形態では、第１加圧路３４は貯留タンク３２より下流側の二次冷媒回路１８に接続され、図４及び図５に示す実施形態では、第１加圧路３４は貯留タンク３２より上流側の二次冷媒回路１８に接続されている。この相違は冷却装置１０の機能に差をもたらすものではない。

【0032】

幾つかの実施形態では、図２及び図３に示すように、二次冷媒液が貯留されるバックアップタンク４６を備える。貯留タンク３２とバックアップタンク４６とは二次冷媒供給路４８で接続される。また、第２加圧路５０が貯留タンク３２の気相部Ｓｇとバックアップタンク４６とに接続される。第２加圧路５０には第２蒸発器５２が設けられる。
冷凍機２０や循環ポンプ３０等が故障し、二次冷媒回路１８から熱シールド部１６への二次冷媒液ＬＲ_２の供給が停止し、前記第２圧力センサ４０の検出値が第１閾値より小さい第２閾値未満となったとき、制御部２６は、第２加圧路５０を解放してバックアップタンク４６から第２加圧路５０に二次冷媒を導入する。第２閾値は、例えば、冷凍機２０又は二次冷媒を循環させる循環ポンプ３０等が故障したときの二次冷媒回路１８の圧力値に設定される。
第２加圧路５０に導入された二次冷媒は、第２蒸発器５２で蒸発し、蒸発した二次冷媒ガスは貯留タンク３２に流入する。これによって、貯留タンク３２の気相部Ｓｇの圧力が第２閾値以上に回復するため、貯留タンク３２と連通した二次冷媒回路１８の圧力が第２閾値以上に回復し、熱シールド部１６への二次冷媒の供給を継続できる。

【0033】

また、制御部２６は、冷凍機２０や循環ポンプ３０等が故障し、二次冷媒回路１８から熱シールド部１６への二次冷媒液ＬＲ_２の供給が停止したとき、二次冷媒供給路４８を解放してバックアップタンク４６内の二次冷媒液を貯留タンク３２に供給する。二次冷媒液は貯留タンク３２を介して二次冷媒回路１８に供給される。この手段によっても、熱シールド部１６への二次冷媒液ＬＲ_２の供給を継続できる。

【0034】

図２及び図３に示す実施形態では、第２加圧路５０は貯留タンク３２の気相部Ｓｇとバックアップタンク４６の液相部を接続する。第２加圧路５０を開放したとき大量の二次冷媒液が第２加圧路５０に導入され、第２蒸発器５２で大量の二次冷媒ガスが生成する。これによって、二次冷媒回路１８の圧力値を短時間で第２閾値以上に回復できる。
また、二次冷媒供給路４８は貯留タンク３２の液相部とバックアップタンク４６の液相部との間に接続される。
二次冷媒供給路４８に流量調整弁５４が設けられ、第２加圧路５０に流量調整弁５６が設けられる。制御部２６はこれら流量調整弁５４、５６の開度を制御することで、二次冷媒供給路４８及び第２加圧路５０に導入される二次冷媒の流量を制御できる。制御部２６は、第２圧力センサ４０の検出値が第２閾値未満となったとき、流量調整弁５６を解放して第２加圧路５０に二次冷媒を導入する。
また、バックアップタンク４６には、気相部Ｓｇの圧力を検出する第３圧力センサ５７と、バックアップタンク４６に貯留される二次冷媒液の液面レベルを検出する液面センサ５８が設けられる。これらセンサの検出値は制御部２６に入力される。

【0035】

図１〜図３に示す実施形態では、冷凍機２０と熱シールド部１６との間の二次冷媒回路１８に開閉弁６０が設けられ、熱シールド部１６と貯留タンク３２との間の二次冷媒回路１８に開閉弁６２が設けられる。さらに、熱シールド部１６と開閉弁６２との間の二次冷媒回路１８に放出路６４が分岐し、放出路６４に開閉弁６６が設けられる。
放出路６４は、メンテナンス時などにおいて二次冷媒回路１８から二次冷媒を放出する場合などに用いられる。また、冷却装置１０の運転開始時において、二次冷媒を室温から予冷する際に、開閉弁６０及び６６を開放し、開閉弁６２を閉鎖して、バックアップタンク４６から貯留タンク３２を介して二次冷媒回路１８に二次冷媒液を供給すると共に、放出路６４から蒸発ガスを放出する方法を採用できる。

【0036】

図１〜図３に示す冷却装置１０（１０Ａ〜１０Ｃ）の運転中、冷凍機２０や循環ポンプ３０等が故障し、二次冷媒回路１８から熱シールド部１６への二次冷媒液ＬＲ_２の供給が停止した時、制御部２６は、開閉弁６２を閉じ、開閉弁６０及び６６を開放して、貯留タンク３２から二次冷媒回路１８に二次冷媒液ＬＲ_２を供給する。二次冷媒回路１８を循環した二次冷媒は、放出路６４が放出される。また、バックアップタンク４６から二次冷媒液ＬＲ_２を貯留タンク３２に補給する。この方法で熱シールド部１６への二次冷媒液ＬＲ_２の供給を継続することができる。

【0037】

幾つかの実施形態では、図１〜図５に示すように、液化回路１４には圧縮機ユニット７０が設けられる。液化回路１４の往路１４ａ及び復路１４ｂに複数の熱交換器７２（７２ａ、７２ｂ、７２ｃ）が直列に配置される。複数の熱交換器７２に往路１４ａ及び復路１４ｂが導設され、複数の熱交換器７２の各々で往路１４ａ及び復路１４ｂを流れる一次冷媒同士が熱交換を行う。複数の熱交換器７２によって、圧縮機ユニットから吐出された一次冷媒ガスＧは内槽１２から戻る低温液化冷媒によって順々に冷却される。
内槽１２の入口側の往路１４ａにジュール・トムソン弁７４が設けられ、複数の熱交換器７２で順々に冷却された一次冷媒ガスＧは、最後にジュール・トムソン弁７４を通って膨張し冷却されて液化し、低温液化冷媒ＬＲ_１となった後、熱シールド部１６に供給される。

【0038】

一実施形態では、図３に示すように、二次冷媒回路１８から分岐し複数の熱交換器７２の少なくとも一つに導設される予冷回路７６を備える。
予冷回路７６を備えることで、冷却装置１０（１０Ｃ）の起動時などにおいて、予冷回路７６に二次冷媒液ＬＲ_２を循環させることで、圧縮機ユニット７０から吐出された一次冷媒ガスＧの冷却を補助できる。これによって、冷却装置１０（１０Ｃ）の成績係数（ＣＯＰ）を向上できる。
図３に示す実施形態では、予冷回路７６には流量調整弁７８が設けられる。制御部２６が流量調整弁７８の開閉を制御することで、必要時に予冷回路７６に二次冷媒液ＬＲ_２を循環させることができる。

【0039】

幾つかの実施形態では、図１〜図５に示す冷凍機２０として、ブレイトンサイクルを構成する冷凍機を用いる。以下、ブレイトンサイクルを用いる冷凍機の一構成例を図６及び図７に基づいて説明する。
図６において、電動機８０の共通の出力軸８０ａの両端に低段圧縮機８１及び中段圧縮機８２が設けられる。低段圧縮機８１で加圧された冷媒ガスは、熱交換器８３で冷却水ｗによって冷却された後、さらに、中段圧縮機８２で加圧される。中段圧縮機８２で加圧された二次冷媒ガスは熱交換器８４で冷却水ｗによって冷却された後、さらに、高段圧縮機８５で加圧される。高段圧縮機８５で加圧された冷媒ガスは、熱交換器８６で冷却水ｗによって冷却された後、さらに、冷熱回収熱交換器８７で冷却部９０から戻る冷媒ガスによって冷却され、膨張機８８に送られる。

【0040】

電動機８９の共通の出力軸８９ａの両端に高段圧縮機８５及び膨張機８８が設けられ、冷熱回収熱交換器８７から膨張機８８に送られた冷媒ガスは、膨張機８８で膨張し冷却される。膨張機８８で冷却された冷媒ガスは冷却部９０で二次冷媒回路１８を循環する二次冷媒と熱交換して二次冷媒を冷却する。なお、圧縮機の段数は冷凍機２０の仕様、運転条件等によって適宜選択できる。

【0041】

冷凍機２０は、熱サイクルとして図７に示すブレイトンサイクルを構成する。図７中に記載された符号ａ〜ｉは、図６に記載された符号ａ〜ｉの部位の状態量を示す。複数段に亘って圧縮機８１、８２、８５による断熱圧縮と、熱交換器８３、８４、８６による冷却とを繰り返すことによって成績係数（ＣＯＰ）が向上する。即ち、断熱圧縮と冷却とを複数段に亘って行うことで、ブレイトンサイクルの圧縮工程を理想的な等温圧縮に近づけることができる。
冷凍機２０に用いられる冷媒は、例えば、低沸点を有するヘリウム、ネオン等が用いられる。従って、液化回路１４で用いられる一次冷媒と共通の冷媒を用いることができる（ブレイトンサイクルを用いる冷凍機の詳細は、例えば、特開２０１４−２１９１２５号公報などを参照）。

【0042】

幾つかの実施形態では、図４及び図５に示すように、貯留タンク３２において、二次冷媒回路１８の接続部Ｐ_１及びＰ_２は貯留タンク３２に貯留される二次冷媒液の液面Ｌより下方に配置される。また、高さ方向で液面Ｌと接続部Ｐ_１及びＰ_２との間に横方向（垂直方向と交差する方向）に延在する対流防止板９２が設けられる。対流防止板９２より下方に貯留する二次冷媒液ＬＲ_２は冷凍機２０によって冷却される。
上記構成において、熱シールド部１６から貯留タンク３２に戻った二次冷媒は、接続部Ｐ_１から対流防止板９２より下方の貯留領域に戻される。貯留タンク３２内に流入した二次冷媒は比較的温度が高いので、上方へ移動しようとするが、上方への移動は対流防止板９２で阻止される。

【0043】

対流防止板９２より下方の領域に貯留された二次冷媒液ＬＲ_２は冷凍機２０によって冷却されているため、熱シールド部１６から戻った二次冷媒は低温の二次冷媒液ＬＲ_２で冷却される。このように、熱シールド部１６から戻った二次冷媒は、冷凍機２０以外に貯留タンク３２に貯留された低温の二次冷媒液ＬＲ_２と混合しかつ熱交換しながら冷却され、接続部Ｐ_２から流出する。これによって、冷凍機２０の冷却負荷を軽減できると共に、被冷却物Ｍが急激に昇温しても冷凍機２０の負荷が過大にならず、二次冷媒回路１８を循環する二次冷媒も液状でかつ過冷却状態を保持できる。

【0044】

図４及び図５に示す実施形態では、貯留タンク３２は、上下方向に延びた円筒状の胴部３２ａと、胴部３２ａの下部に接続されて下方に突出して湾曲する底部３２ｂと、胴部３２ａの上部に接続されて上方に突出して湾曲する頂部３２ｃと、を有し、内部が中空に形成されている。貯留タンク３２は、この外側に配置された外側槽９４内に収容され、貯留タンク３２と外側槽９４との間の空間は、真空ポンプ（不図示）によって減圧されて真空空間Ｓｖが形成されている。貯留タンク３２内には、二次冷媒液ＬＲ_２の液面Ｌよりも上方に気相部Ｓｇが形成されている。

【0045】

図４に示す実施形態では、貯留タンク３２の底部３２ｂの一方側端部には、二次冷媒回路１８の往路１８ａが接続され、底部３２ｂの他方側端部には二次冷媒回路１８の復路１８ｂが接続されている。復路１８ｂは底部３２ｂの他方側端部の下部に接続され、往路１８ａは復路１８ｂよりも上方であって底部３２ｂの一方側端部の上部に接続されている。
図５に示す実施形態では、復路１８ｂはその端部が対流防止板９２より下方の貯留タンク３２の底部３２ｂに接続され、往路１８ａは貯留タンク３２の底部３２ｂの一方側に接続されている。
往路１８ａには循環ポンプ３０が設けられる。循環ポンプ３０は往路１８ａを介して熱シールド部１６に冷却した二次冷媒液ＬＲ_２を圧送し、被冷却物Ｍが収納された液室１２ａに輻射熱が侵入するのを抑制する。二次冷媒液ＬＲ_２は熱シールド部１６から復路１８ｂを介して貯留タンク３２に戻る。

【0046】

図示した実施形態では、対流防止板９２は、ほぼ水平方向に延在し、貯留タンク３２に貯留する二次冷媒液ＬＲ_２に浸漬され、底部３２ｂよりも上方の胴部３２ａの下側に配置される。対流防止板９２は平面視において胴部３２ａの断面形状と相似する形状を有した板状部材であり、対流防止板９２の外縁部と胴部３２ａ内面との間には隙間ｓが形成されている。この隙間ｓによって対流防止板９２を胴部３２ａ内に挿入し易くしている。また、対流防止板９２は断熱性を有した材料で形成される。このため、対流防止板９２よりも上方に貯留される二次冷媒液ＬＲ_２’の熱が対流防止板９２よりも下方に貯留する二次冷媒液ＬＲ_２に伝わって二次冷媒液ＬＲ_２の温度上昇を招く事態を防止している。なお、対流防止板９２の比重は二次冷媒液ＬＲ_２と同程度又は若干大きい方が好ましい。

【0047】

ここで、復路１８ｂから貯留タンク３２内に流入する二次冷媒液ＬＲ_２は、熱シールド部１６の冷却に供された後の二次冷媒液ＬＲ_２であるので、その温度は熱シールド部１６に供される前の二次冷媒液ＬＲ_２の温度よりも高くなる。このため、貯留タンク３２内に対流防止板９２が設けられない場合には、温度が高くなった二次冷媒液ＬＲ_２が貯留タンク３２内に流入すると、貯留タンク３２内に貯留する二次冷媒液ＬＲ_２との間の温度差によって、二次冷媒液ＬＲ_２は貯留タンク３２内で上下方向に移動する対流が発生する。

【0048】

従って、貯留タンク３２内に貯留する二次冷媒液ＬＲ_２の上部に温度が比較的に高い二次冷媒液ＬＲ_２’が溜まり、貯留タンク３２の下部に温度が比較的に低い二次冷媒液ＬＲ_２が溜まるので、熱シールド部１６から戻る二次冷媒液ＬＲ_２を冷却することが出来ない虞がある。しかしながら、本実施形態では、貯留タンク３２内に貯留タンク３２の横方向に延びる対流防止板９２を設けることで、上下方向に移動する二次冷媒液の対流が阻止される。これによって、熱シールド部１６から戻る二次冷媒液と貯留タンク３２の底部３２ｂに貯留する比較的低温の二次冷媒液との間で熱交換が行われ、熱シールド部１６から戻る二次冷媒液を冷却することができる。

【0049】

一実施形態では、図４に示すように、貯留タンク３２は冷却部９６を備える。冷却部９６は対流防止板９２より下方に設けられ、対流防止板９２より下方に貯留する二次冷媒液ＬＲ_２を冷却する。冷却部９６には冷凍機２０から往復配管９８を介して冷却媒体が導入される。
これによって、接続部Ｐ_１から貯留タンク３２に流入する二次冷媒液ＬＲ_２は、貯留タンク３２に貯留される二次冷媒液との熱交換によって冷却されるだけでなく、冷却部９６によっても冷却される。そのため、被冷却物Ｍが急激に昇温しても冷凍機２０の負荷が過大にならず、二次冷媒回路１８を循環する二次冷媒液ＬＲ_２も過冷却状態を保持できる。

【0050】

図８は、一実施形態に係る貯留タンク３２において、熱シールド部１６から戻った二次冷媒を冷却する過程を説明するための部分断面図であり、図９は、図８中のＡ部の拡大断面図である。冷却部９６は、図８に示すように、対流防止板９２よりも下方に貯留する二次冷媒液ＬＲ_２を冷却する位置、即ち、対流防止板９２よりも下方に貯留する二次冷媒液ＬＲ_２のうち、対流防止板９２に近接する二次冷媒液を冷却する位置に配設される。

【0051】

図示した実施形態では、冷却部９６は、対流防止板９２よりも下方の貯留タンク３２に貯留された二次冷媒液ＬＲ_２のうち対流防止板９２に近接した二次冷媒液を囲む貯留タンク３２の胴部３２ａの側壁３２ａ１の外側面を囲むように配設される。この冷却部９６は、熱交換器で構成される。冷却部９６は、図９に示すように、冷媒が流れる流路を形成する複数の配管１００を有する。これらの複数の配管１００は、貯留タンク３２の胴部３２ａの外側面に接触しながら胴部３２ａの周方向に巻回されている。
図４に示すように、配管１００には冷凍機２０から往復配管９８を介して冷媒が導入される。冷凍機２０の作動は制御部２６によって制御される。
冷却部９６によって、対流防止板９２よりも下方であって対流防止板９２に近接して温度が上昇した二次冷媒液ＬＲ_２を効果的に冷却できる。

【0052】

対流防止板９２よりも下方の貯留タンク３２内には、図８に示すように、復路１８ｂから接続部Ｐ_１に戻る二次冷媒液ＬＲ_２を往路１８ａの接続部Ｐ_２に案内するための案内流路１０２が形成されている。この案内流路１０２は、貯留タンク３２内において、貯留タンク３２の横方向に延在し、かつ上下方向に間隔を有して配設された複数の敷板１０４を有する。

【0053】

図示した実施形態では、図８に示すように、複数の敷板１０４は上下方向に一定の間隔を有して配設されるとともに、上下に隣接する２つの敷板１０４が貯留タンク３２の横方向に互い違いにずれて配設される。このため、復路１８ｂの接続部Ｐ_１から貯留タンク３２内に戻された二次冷媒液が敷板１０４の下方に形成された案内流路１０２に沿って流れる。敷板１０４の横方向端部を超えた位置には、敷板１０４の上方で横方向に延在する他の敷板１０４によって二次冷媒液の流れの方向を変える方向変換流路１０２ａが形成されている。この方向変換流路１０２ａの体積は、上方に位置するものほど大きくなるように形成されている。このため、上方に位置する方向変換流路１０２ａでは、下方に位置する方向変換流路１０２ａと比較して二次冷媒液の流れが比較的に遅くなる。従って、冷却部９６の内側を流れる二次冷媒液は、体積が比較的に大きな方向変換流路１０２ａを流れるので、冷却部９６との間で十分な熱交換を行うことができる。このため、二次冷媒液を効果的に且つ所望の温度に冷却できる。

【0054】

なお、図８及び図９で図示した実施形態では、複数の敷板１０４は略水平方向に延在するように設けられているが、複数の敷板１０４は水平方向に対して斜め方向に傾いた状態で延在してもよい。

【0055】

図示した実施形態では、図４に示すように、温度センサ４２の温度検出部は、貯留タンク３２から延出する往路１８ａのうち冷却部９６に近接した位置に設けられる。このため、冷却部９６で冷却された直後の二次冷媒液の温度を検出できる。

【0056】

一実施形態では、図５に示すように、対流防止板９２よりも下方の貯留タンク３２内に貯留された二次冷媒液ＬＲ_２を導出する導出管１０６と、導出管１０６によって導出された二次冷媒液ＬＲ_２を冷却する冷凍機２０と、冷凍機２０によって冷却された二次冷媒液ＬＲ_２を対流防止板９２よりも下方の貯留タンク３２内に戻す導入管１０８と、導出管１０６に設けられて貯留タンク３２内の二次冷媒液ＬＲ_２を導出管１０６に送り出す導出ポンプ１１０と、を備える。

【0057】

導入管１０８は、二次冷媒液ＬＲ_２を導入する側の端部が対流防止板９２よりも下方の貯留タンク３２の他方側上部に接続されている。導出管１０６は、二次冷媒液ＬＲ_２の導出側端部が貯留タンク３２の底部の他方側に接続されている。
導出ポンプ１１０によって導出管１０６を介して導出された貯留タンク３２内の二次冷媒液ＬＲ_２は、冷凍機２０で冷却され、導入管１０８を介して貯留タンク３２に戻される。このように、導出管１０６及び導入管１０８は循環ループ１１２を形成し、二次冷媒液ＬＲ_２は導出ポンプ１１０によって循環ループ１１２を循環するように構成されている。

【0058】

このように、対流防止板９２よりも下方の貯留タンク３２内に貯留する二次冷媒液ＬＲ_２は、循環ループ１１２によって強制的に冷却される。このため、熱シールド部１６の冷却に供され温度上昇して貯留タンク３２内に戻された二次冷媒は、循環ループ１１２によって強制的に冷却された二次冷媒液ＬＲ_２と混合されて冷却される。このため、被冷却物Ｍの温度が急激に上昇しても、冷却装置１０（１０Ｅ）の負荷が過大にならずに、被冷却物Ｍを所望の温度に冷却することができる。

【0059】

なお、一実施形態として、図２及び図３に示すように、バックアップタンク４６を備える冷却装置１０（１０Ｂ、１０Ｃ）に、図４及び図５に示す冷却装置１０（１０Ｃ、１０Ｄ）の貯留タンク３２が備える対流防止板９２や、図８及び図９に示す冷却部９６及び敷板１０４等を具備させるようにすることができる。

【0060】

次に、一実施形態に係る冷却方法を説明する。この冷却方法は、少なくとも以下の構成を備える冷却装置を用いて行われる。この冷却装置は、図１〜図５に示すように、内槽１２と、液化回路１４と、を備える。内槽１２は密閉状態の液室１２ａを有し、液室１２ａに低温液化冷媒が充填され、被冷却物Ｍがこの低温液化冷媒に浸漬される。液化回路１４は液室１２ａに低温液化冷媒を供給する。内槽１２はその周囲を熱シールド部１６で覆われる。さらに、二次冷媒回路１８によって熱シールド部１６に二次冷媒液ＬＲ_２が供給され、二次冷媒回路１８を循環する二次冷媒液ＬＲ_２は冷凍機２０によって冷却される。熱シールド部１６の出口側と冷凍機２０との間の二次冷媒回路１８に貯留タンク３２が設けられ、第１加圧路３４が二次冷媒回路１８から分岐し、貯留タンク３２の気相部Ｓｇに連通する。第１加圧路３４には第１蒸発器３６が設けられる。

【0061】

上記冷却装置は、図２及び図３に示すように、さらに、バックアップタンク４６を備える。バックアップタンク４６には二次冷媒が貯留される。二次冷媒供給路４８が貯留タンク３２とバックアップタンク４６とに接続され、第２加圧路５０が貯留タンク３２の気相部Ｓｇとバックアップタンク４６とに接続される。第２加圧路５０に第２蒸発器５２が設けられる。

【0062】

一実施形態に係る冷却方法は、図１０に示すように、まず、温度検出ステップＳ１０で、二次冷媒回路１８を循環する二次冷媒の温度を検出し、かつ圧力検出ステップＳ１２で、貯留タンク３２の気相部Ｓｇの圧力を検出する。次に、制御ステップＳ１４で、二次冷媒回路１８を循環する二次冷媒の温度及び貯留タンク３２の気相部Ｓｇの圧力を制御し、二次冷媒回路１８を循環する二次冷媒を液状でかつ過冷却状態に保持する。
さらに、第１圧力制御ステップＳ１６では、検出した圧力検出値が第１閾値未満となった時、第１加圧路３４を解放して二次冷媒を導入する。第１加圧路３４に導入された二次冷媒は第１蒸発器３６で蒸発し、蒸発した二次冷媒ガスは貯留タンク３２に流入する。これによって、貯留タンク３２内の気相部Ｓｇの圧力が増加するため、気相部Ｓｇに連通する二次冷媒回路１８の圧力が増加し、二次冷媒回路１８の二次冷媒の圧力が第１閾値以上に回復する。

【0063】

こうして、二次冷媒回路１８を循環する二次冷媒の圧力を回復できるため、二次冷媒を液状でかつ過冷却状態に維持できる。また、貯留タンク３２の気相部Ｓｇの圧力を制御することで、二次冷媒回路１８を循環する二次冷媒の圧力制御を容易かつ正確に行うことができる。
また、冷凍機２０又は循環ポンプ３０等の故障によって、二次冷媒回路１８を循環する二次冷媒の温度が急激に上昇し、あるいは二次冷媒の圧力が急激に低下した時、バックアップタンク４６内の二次冷媒を二次冷媒供給路４８を介して貯留タンク３２に供給することで、二次冷媒回路１８における二次冷媒の循環を維持できる。

【0064】

また、冷凍機２０又は循環ポンプ３０等の故障によって、貯留タンク３２の気相部Ｓｇの圧力が第１閾値より小さい第２閾値未満となったとき、第２加圧路５０を解放して第２加圧路５０に二次冷媒を導入する。第２加圧路５０に導入された二次冷媒は第２蒸発器５２で蒸発し、蒸発した二次冷媒ガスは貯留タンク３２に流入するので、貯留タンク３２内の気相部Ｓｇの圧力が第２閾値以上に回復する（第２圧力制御ステップＳ１８）。
こうして、貯留タンク３２の気相部Ｓｇと連通した二次冷媒回路１８の圧力が回復し、二次冷媒回路１８における二次冷媒の循環を維持し、熱シールド部１６に対する二次冷媒のを供給を継続できる。

【0065】

また、貯留タンク３２内の気相部Ｓｇの二次冷媒ガスは液化するため、貯留タンク３２内の二次冷媒液の液面は次第に上昇する。そのため、液面制御ステップＳ２０において、貯留タンク３２に貯留される二次冷媒液ＬＲ_２の液面が閾値を超えたら、二次冷媒供給路４８を介して貯留タンク３２に貯留される二次冷媒液をバックアップタンク４６に移し、貯留タンク３２内の液面を閾値以下にする。
逆に、バックアップタンク４６では二次冷媒が蒸発するため、貯留される二次冷媒液の液面が低下する。これに対し、貯留タンク３２から二次冷媒液が供給されることで、所定の液量を維持できる。
これによって、貯留タンク３２及びバックアップタンクに貯留される二次冷媒の液面を所定レベルに維持できる。

【産業上の利用可能性】

【0066】

幾つかの実施形態によれば、熱シールド部に用いられる二次冷媒の補給が不要になると共に、冷却装置を小型化できるため、冷却装置のイニシャルコスト及びランニングコストを削減でき、例えば、超電導機器を超電導転移温度以下の超低温に保持する冷却装置に適用できる。

【符号の説明】

【0067】

１０（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ） 冷却装置
１２ 内槽
１２ａ 液室
１４ 液化回路
１６ 熱シールド部
１８ 二次冷媒回路
１８ａ 往路
１８ｂ 復路
２０ 冷凍機
２２、４２ 温度センサ
２４ 第１圧力センサ
２６ 制御部
２８ 真空容器
３０ 循環ポンプ
３２ 貯留タンク
３４ 第１加圧路
３６ 第１蒸発器
３８、５４、５６、７８ 流量調整弁
４０ 第２圧力センサ
４４、５８ 液面センサ
４６ バックアップタンク
４８ 二次冷媒供給路
５０ 第２加圧路
５２ 第２蒸発器
５７ 圧力センサ
６０、６２、６６ 開閉弁
６４ 放出路
７０ 圧縮機ユニット
７２（７２ａ、７２ｂ、７２ｃ） 熱交換器
７４ ジュール・トムソン弁
７６ 予冷回路
９２ 対流防止板
９４ 外側槽
９６ 冷却部
９８ 往復配管
１００ 配管
１０２ 案内流路
１０２ａ 方向転換流路
１０４ 敷板
１０６ 導出管
１０８ 導入管
１１０ 導出ポンプ
１１２ 循環ループ
Ｇ 一次冷媒ガス
Ｍ 被冷却物
ＬＲ_１ 低温液化冷媒
ＬＲ_２、ＬＲ_２’ 二次冷媒液
Ｐ_１、Ｐ_２ 接続部
Ｓｇ 気相部
Ｓｖ 真空空間
ｓ 隙間

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】