特許 7189039 極低温冷却装置及びその運転方法

(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】

(24)【登録日】2022-12-05

(45)【発行日】2022-12-13

(54)【発明の名称】極低温冷却装置及びその運転方法

(51)【国際特許分類】

   F25B 9/06 20060101AFI20221206BHJP

   F25B 11/02 20060101ALI20221206BHJP

【ＦＩ】

F25B9/06 K

F25B11/02 A

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2019017902

(22)【出願日】2019-02-04

(65)【公開番号】P2020125866

(43)【公開日】2020-08-20

【審査請求日】2021-11-19

(73)【特許権者】

【識別番号】320011650

【氏名又は名称】大陽日酸株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001634

【氏名又は名称】弁理士法人志賀国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】弘川 昌樹

(72)【発明者】

【氏名】服部 賢二

【審査官】森山 拓哉

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－１６９８８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－２１５０８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－０７９７１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００２／０１３４５３３（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２５Ｂ ９／００－９／１４

Ｆ２５Ｂ １１／０２

Ｈ０１Ｂ １２／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１液化冷媒を貯留する第１貯槽と、
前記第１貯槽と被冷却体との間にわたり、前記第１液化冷媒が循環する第１閉流路と、
前記第１閉流路に位置し、前記第１閉流路に前記第１液化冷媒を循環させる循環ポンプと、
第２液化冷媒を貯留する第２貯槽と、
前記第２貯槽の液相側に一端が接続し、前記第２液化冷媒が流通する第１供給経路と、
冷媒ガスが循環する第２閉流路と、前記第２閉流路に位置し、前記冷媒ガスを圧縮して循環させる圧縮機と、前記圧縮機の二次側の前記第２閉流路に位置し、前記冷媒ガスを断熱膨張させる膨張タービンと、前記膨張タービンの二次側の前記第２閉流路と前記第１閉流路とに位置する第１熱交換器と、前記圧縮機の二次側かつ前記膨張タービンの一次側の前記第２閉流路、前記第１熱交換器の二次側かつ前記圧縮機の一次側の前記第２閉流路、及び前記第１供給経路に位置する第２熱交換器と、を有する冷凍機と、
前記第１熱交換器の二次側の前記第１閉流路に位置する第１温度測定手段と、
前記第２熱交換器の一次側の前記第１供給経路に位置する第１開閉バルブと、
前記圧縮機、前記第１温度測定手段、及び前記第１開閉バルブとの間で電気信号の送信及び受信の少なくとも一方を行う制御手段と、を備える極低温冷却装置。

【請求項2】

前記第２熱交換器の二次側かつ前記圧縮機の一次側の前記第２閉流路に位置し、前記制御手段との間で電気信号の送信及び受信の少なくとも一方を行う第２温度測定手段をさらに備える、請求項１に記載の極低温冷却装置。

【請求項3】

第１液化冷媒を貯留する第１貯槽と、
前記第１貯槽と被冷却体との間にわたり、前記第１液化冷媒が循環する第１閉流路と、
前記第１閉流路に位置し、前記第１閉流路に前記第１液化冷媒を循環させる循環ポンプと、
第２液化冷媒を貯留する第２貯槽と、
前記第２貯槽の液相側に一端が接続し、前記第２液化冷媒が流通する第１供給経路と、
冷媒ガスが循環する第２閉流路と、前記第２閉流路に位置し、前記冷媒ガスを圧縮して循環させる圧縮機と、前記圧縮機の二次側の前記第２閉流路に位置し、前記冷媒ガスを断熱膨張させる膨張タービンと、前記膨張タービンの二次側の前記第２閉流路と前記第１閉流路とに位置する第１熱交換器と、前記圧縮機の二次側かつ前記膨張タービンの一次側の前記第２閉流路、前記第１熱交換器の二次側かつ前記圧縮機の一次側の前記第２閉流路、及び前記第１供給経路に位置する第２熱交換器と、を有する冷凍機と、
前記第１熱交換器の二次側かつ前記第２熱交換器の一次側の前記第２閉流路に位置する第３温度測定手段と、
前記第２熱交換器の一次側の前記第１供給経路に位置する第１開閉バルブと、
前記圧縮機、前記第３温度測定手段、及び前記第１開閉バルブとの間で電気信号の送信及び受信の少なくとも一方を行う制御手段と、を備える極低温冷却装置。

【請求項4】

前記第２貯槽の気相側に一端が接続し、前記第２熱交換器の二次側の前記第１供給経路に他端が接続する第２供給経路と、
前記第２供給経路に位置し、前記制御手段との間で電気信号の送信及び受信の少なくとも一方を行う第２開閉バルブと、をさらに備える、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の極低温冷却装置。

【請求項5】

前記第２貯槽の液相側に一端が接続し、前記被冷却体の二次側かつ前記第１貯槽の一次側の前記第１閉流路に他端が接続する第３供給経路と、
前記第３供給経路に位置し、前記制御手段との間で電気信号の送信及び受信の少なくとも一方を行う第３開閉バルブと、をさらに備える、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の極低温冷却装置。

【請求項6】

前記第１液化冷媒と前記第２液化冷媒とが、液体窒素である、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の極低温冷却装置。

【請求項7】

請求項１に記載の極低温冷却装置の運転方法であって、
前記圧縮機の、回転数、電力値及び電流値のうち、１以上の情報と、
前記第１温度測定手段による、前記第１熱交換器の二次側の前記第１閉流路内の前記第１液化冷媒の温度情報と、を電気信号として連続的又は間欠的に前記制御手段に送信し、
前記制御手段から、前記第１開閉バルブの開度の制御信号を連続的又は間欠的に前記第１開閉バルブに送信して、
前記第１供給経路内の前記第２液化冷媒の導入量を制御する、極低温冷却装置の運転方法。

【請求項8】

請求項２に記載の極低温冷却装置の運転方法であって、
前記圧縮機の、回転数、電力値及び電流値のうち、１以上の情報と、
前記第１温度測定手段による、前記第１熱交換器の二次側の前記第１閉流路内の前記第１液化冷媒の温度情報と、
前記第２温度測定手段による、前記第２熱交換器の二次側かつ前記圧縮機の一次側の前記第２閉流路内の前記冷媒ガスの温度情報と、を電気信号として連続的又は間欠的に前記制御手段に送信し、
前記制御手段から、前記第１開閉バルブの開度の制御信号を連続的又は間欠的に前記第１開閉バルブに送信して、
前記第１供給経路内の前記第２液化冷媒の導入量を制御する、極低温冷却装置の運転方法。

【請求項9】

請求項３に記載の極低温冷却装置の運転方法であって、
前記圧縮機の、回転数、電力値及び電流値のうち、１以上の情報と、
前記第３温度測定手段による、前記第１熱交換器の二次側かつ前記第２熱交換器の一次側の前記第２閉流路内の前記冷媒ガスの温度情報と、を電気信号として連続的又は間欠的に前記制御手段に送信し、
前記制御手段から、前記第１開閉バルブの開度の制御信号を連続的又は間欠的に前記第１開閉バルブに送信して、
前記第１供給経路内の前記第２液化冷媒の導入量を制御する、極低温冷却装置の運転方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、極低温冷却装置及びその運転方法に関する。

【背景技術】

【0002】

超電導送電ケーブルは、過冷却（サブクール）状態の液化冷媒によって冷却する必要がある。一般に、液化冷媒をサブクール温度まで冷却するには、液化冷媒を冷却する冷凍機を有する極低温冷却装置が用いられる。

【0003】

ところで、超電導送電ケーブルでは、電力需要の関係で昼間と夜間とで送電量が大きく異なる。超電導送電ケーブルに流れる電流が増加すると、超電導送電ケーブルの熱負荷が増大するため、極低温冷却装置に用いる冷凍機は、年間を通して昼間の最大送電量に応じた冷凍能力となるように選定される。

【0004】

このような極低温に冷却可能な冷凍機としては、ヘリウム液化機／冷凍機が知られている。しかしながら、ヘリウム液化機／冷凍機は、冷凍能力が低いため、安定して超電導送電ケーブル等の超電導電力機器を冷却することができないという課題があった。

【0005】

そこで、真空断熱の液体窒素貯槽を付帯させて、液体窒素をヘリウム液化機／冷凍機の熱交換器に導入してヘリウムの液化能力を増加させる極低温冷凍装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
また、ヘリウム液化機／冷凍機に、ネオンガスを冷媒とするネオン冷凍機を組み合わせて、ネオン冷凍機で発生させた低温のネオンガスでヘリウムガスを予冷することでヘリウム液化機／冷凍機の能力を増加させるカスケードターボヘリウム冷凍液化装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
さらに、超電導ケーブルの予冷処理時に発生する低温の気化冷媒を有効活用することで、冷凍機の冷媒ガスをサブクール温度まで短時間で冷却することが可能な超電導ケーブル冷却装置が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開平０５－０７９７１６号公報

【文献】特開昭５９－１２２８６８号公報

【文献】特開２０１６－１６９８８０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、従来の極低温冷凍装置及びカスケードターボヘリウム冷凍液化装置では、ヘリウム液化機／冷凍機の能力を増加させるため、付帯させた液体窒素貯槽から液体窒素を常に供給する必要があり、液体窒素の消費量が増大するという課題があった。また、従来の超電導ケーブル冷却装置では、超電導ケーブル等の超電導電力機器の予冷処理時以外において冷却能力を補うことができないという課題があった。

【0008】

本発明は、上述のような事情から為されたものであり、補助的な液化冷媒の消費量を抑制しつつ、予冷処理時以外においても冷凍機の冷却能力を増大させることが可能な極低温冷却装置及びその運転方法を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

かかる課題を解決するため、本発明は以下の構成を有する。
［１］ 第１液化冷媒を貯留する第１貯槽と、
前記第１貯槽と被冷却体との間にわたり、前記第１液化冷媒が循環する第１閉流路と、
前記第１閉流路に位置し、前記第１流路に前記第１液化冷媒を循環させる循環ポンプと、
第２液化冷媒を貯留する第２貯槽と、
前記第２貯槽の液相側に一端が接続し、前記第２液化冷媒が流通する第１供給経路と、
冷媒ガスが循環する第２閉流路と、前記第２閉流路に位置し、前記冷媒ガスを圧縮して循環させる圧縮機と、前記圧縮機の二次側の前記第２閉流路に位置し、前記冷媒ガスを断熱膨張させる膨張タービンと、前記膨張タービンの二次側の前記第２閉流路と前記第１閉流路とに位置する第１熱交換器と、前記圧縮機の二次側かつ前記膨張タービンの一次側の前記第２閉流路、前記第１熱交換器の二次側かつ前記圧縮機の一次側の前記第２閉流路、及び前記第１供給経路に位置する第２熱交換器と、を有する冷凍機と、
前記第１熱交換器の二次側の前記第１閉流路に位置する第１温度測定手段と、
前記第２熱交換器の一次側の前記第１供給経路に位置する第１開閉バルブと、
前記圧縮機、前記第１温度測定手段、及び前記第１開閉バルブとの間で電気信号の送信及び受信の少なくとも一方を行う制御手段と、を備える極低温冷却装置。
［２］ 前記第２熱交換器の二次側かつ前記圧縮機の一次側の前記第２閉流路に位置し、前記制御手段との間で電気信号の送信及び受信の少なくとも一方を行う第２温度測定手段をさらに備える、［１］に記載の極低温冷却装置。
［３］ 第１液化冷媒を貯留する第１貯槽と、
前記第１貯槽と被冷却体との間にわたり、前記第１液化冷媒が循環する第１閉流路と、
前記第１閉流路に位置し、前記第１流路に前記第１液化冷媒を循環させる循環ポンプと、
第２液化冷媒を貯留する第２貯槽と、
前記第２貯槽の液相側に一端が接続し、前記第２液化冷媒が流通する第１供給経路と、
冷媒ガスが循環する第２閉流路と、前記第２閉流路に位置し、前記冷媒ガスを圧縮して循環させる圧縮機と、前記圧縮機の二次側の前記第２閉流路に位置し、前記冷媒ガスを断熱膨張させる膨張タービンと、前記膨張タービンの二次側の前記第２閉流路と前記第１閉流路とに位置する第１熱交換器と、前記圧縮機の二次側かつ前記膨張タービンの一次側の前記第２閉流路、前記第１熱交換器の二次側かつ前記圧縮機の一次側の前記第２閉流路、及び前記第１供給経路に位置する第２熱交換器と、を有する冷凍機と、
前記第１熱交換器の二次側かつ前記第２熱交換器の一次側の前記第２閉流路に位置する第３温度測定手段と、
前記第２熱交換器の一次側の前記第１供給経路に位置する第１開閉バルブと、
前記圧縮機、前記第３温度測定手段、及び前記第１開閉バルブとの間で電気信号の送信及び受信の少なくとも一方を行う制御手段と、を備える極低温冷却装置。
［４］ 前記第２貯槽の気相側に一端が接続し、前記第２熱交換器の二次側の前記第１供給経路に他端が接続する第２供給経路と、
前記第２供給経路に位置し、前記制御手段との間で電気信号の送信及び受信の少なくとも一方を行う第２開閉バルブと、をさらに備える、［１］乃至［３］のいずれかに記載の極低温冷却装置。
［５］ 前記第２貯槽の液相側に一端が接続し、前記被冷却体の二次側かつ前記第１貯槽の一次側の前記第１閉流路に他端が接続する第３供給経路と、
前記第３供給経路に位置し、前記制御手段との間で電気信号の送信及び受信の少なくとも一方を行う第３開閉バルブと、をさらに備える、［１］乃至［４］のいずれかに記載の極低温冷却装置。
［６］ 前記第１液化冷媒と前記第２液化冷媒とが、液体窒素である、［１］乃至［５］のいずれかに記載の極低温冷却装置。
［７］ ［１］乃至［３］のいずれかに記載の極低温冷却装置の運転方法であって、
前記圧縮機の、回転数、電力値及び電流値のうち、少なくとも１以上の情報と、
前記第１温度測定手段による、前記第１熱交換器の二次側の前記第１閉流路内の前記第１液化冷媒の温度情報と、を電気信号として連続的又は間欠的に前記制御手段に送信し、
前記制御手段から、前記第１開閉バルブの開度の制御信号を連続的又は間欠的に前記第１開閉バルブに送信して、
前記第１供給経路内の前記第２液化冷媒の導入量を制御する、極低温冷却装置の運転方法。
［８］ 前記圧縮機の、回転数、電力値及び電流値のうち、１以上の情報と、
前記第１温度測定手段による、前記第１熱交換器の二次側の前記第１閉流路内の前記第１液化冷媒の温度情報と、
前記第２温度測定手段による、前記第２熱交換器の二次側かつ前記圧縮機の一次側の前記第２閉流路内の前記冷媒ガスの温度情報と、を電気信号として連続的又は間欠的に前記制御手段に送信し、
前記制御手段から、前記第１開閉バルブの開度の制御信号を連続的又は間欠的に前記第１開閉バルブに送信して、
前記第１供給経路内の前記第２液化冷媒の導入量を制御する、［７］に記載の極低温冷却装置の運転方法。
［９］ ［３］に記載の極低温冷却装置の運転方法であって、
前記圧縮機の、回転数、電力値及び電流値のうち、１以上の情報と、
前記第３温度測定手段による、前記第１熱交換器の二次側かつ前記第２熱交換器の一次側の前記第２閉流路内の前記冷媒ガスの温度情報と、を電気信号として連続的又は間欠的に前記制御手段に送信し、
前記制御手段から、前記第１開閉バルブの開度の制御信号を連続的又は間欠的に前記第１開閉バルブに送信して、
前記第１供給経路内の前記第２液化冷媒の導入量を制御する、極低温冷却装置の運転方法。

【発明の効果】

【0010】

本発明の極低温冷却装置及びその運転方法によれば、補助的な液化冷媒の消費量を抑制しつつ、予冷処理時以外においても冷凍機の冷却能力を増大させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明を適用した第１実施形態である極低温冷却装置の構成を模式的に示す系統図である。

【図2】本発明を適用した第２実施形態である極低温冷却装置の構成を模式的に示す系統図である。

【図3】本発明を適用した第３実施形態である極低温冷却装置の構成を模式的に示す系統図である。

【図4】本発明を適用した第４実施形態である極低温冷却装置の構成を模式的に示す系統図である。

【図5】本発明の極低温冷却装置の効果を説明するグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明を適用した一実施形態である極低温冷却装置について、その運転方法とともに図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

【0013】

本明細書において、「サブクール温度」とは、サブクール状態（液体がその飽和温度（沸騰が起きる温度）より低い状態）となる温度帯のことをいう。大気圧下における液体窒素を液化冷媒として用いる場合、サブクール温度とは、沸点（約７７Ｋ）から凝固点（約６３Ｋ）までの温度帯のことをいう。なお、飽和温度とは、ある圧力の下で液体が沸騰する、または蒸気が凝縮する温度のことをいう。

【0014】

＜第１実施形態＞
先ず、本発明を適用した第１の実施形態である極低温冷却装置の構成について、説明する。
図１は、本発明を適用した第１の実施形態である極低温冷却装置の構成の一例を示す系統図である。図１に示すように、本実施形態の極低温冷却装置１は、第１貯槽２と、第１閉流路ＣＬ１と、循環ポンプ３と、冷凍機４の第１熱交換器１０と、第２貯槽５と、第１供給経路Ｌ１と、第１開閉バルブＶ１と、第２供給経路Ｌ２と、第２開閉バルブＶ２と、第１温度測定装置（第１温度測定手段）Ｔ１と、第２温度測定装置（第２温度測定手段）Ｔ２と、第３温度測定装置（第３温度測定手段）Ｔ３と、制御装置（制御手段）６と、を備える。

【0015】

本実施形態の極低温冷却装置１は、液化冷媒（第１液化冷媒）をサブクール温度まで冷却し、冷却した液化冷媒を循環ポンプで循環させることにより超電導電力機器（被冷却体Ｓ）を構成する超電導体（例えば、コイルやケーブル等）を、その臨界温度以下に冷却する装置である。

【0016】

被冷却体Ｓとしては、超電導送電ケーブル、超電導変圧器、超電導モーター、超電導限流器、超電導電力貯蔵器等の超電導電力機器が挙げられる。

【0017】

第１貯槽２は、第１液化冷媒を貯留する。第１貯槽２の構造としては、外気の環境温度の影響の観点から、例えば、真空二重構造や断熱材を用いた断熱構造が好ましい。これにより、第１液化冷媒の気化を防ぐことができる。なお、第１貯槽２は、気相部分に接続する図示略の排ガス経路を有していてもよい。これにより、第１貯槽２内の圧力に応じて、気相部分の気化した第１液化冷媒を系外に排出できる。

【0018】

第１液化冷媒としては、被冷却体Ｓの超電導状態を維持可能な温度領域で液体状態となる物質が好ましく、かつサブクール状態で電気絶縁性の高いものが好ましい。このような第１液化冷媒としては、安全面やコスト面から、例えば、液化窒素（液体窒素）が挙げられる。

【0019】

第１閉流路ＣＬ１は、第１貯槽２と被冷却体Ｓとの間にわたって設けられた閉ループ状の供給経路である。第１閉流路ＣＬ１内には、第１液化冷媒が循環する。第１閉流路ＣＬ１には、第１液化冷媒の流れ方向に沿って、第１貯槽２と、循環ポンプ３と、後述する第１熱交換器１０と、第１温度測定装置Ｔ１と、被冷却体Ｓと、がこの順で配置される。第１閉流路ＣＬ１の分岐点ａにおいて、排気ラインＬ３が分岐する。

【0020】

循環ポンプ３は、第１貯槽２の二次側の第１閉流路ＣＬ１に位置する。循環ポンプ３は、第１貯槽２内の第１液化冷媒を圧送し、冷凍機４の第１熱交換器１０で冷却された第１液化冷媒を被冷却体Ｓに供給する。循環ポンプ３は、第１流路ＣＬ１内に第１液化冷媒を循環させる。
第１液化冷媒として液化窒素を用いる場合、循環ポンプ３としては、３０Ｌ／ｍｉｎ～１００Ｌ／ｍｉｎの範囲で液化窒素を圧送可能なものを用いるとよい。

【0021】

排気ラインＬ３は、一端が第１閉流路ＣＬ１の分岐点ａに接続し、他端が大気中に開放している。排気ラインＬ３は、第３開閉バルブＶ３を有する。被冷却体Ｓの予冷処理（液化冷媒を供給して大気温度から液化冷媒の飽和温度付近まで冷却する）において、被冷却体Ｓとの熱交換によって第１閉流路ＣＬ１内の第１液化冷媒が気化した際、第３開閉バルブＶ３を開放して、排気ラインＬ３から気化した第１液化冷媒を大気中に放出できる。

【0022】

なお、第１閉流路ＣＬ１は、排気経路Ｌ３以外に他の排気経路を有する構成でもよい。これにより、第１閉流路ＣＬ１内の圧力上昇を未然に防ぎ、安全に運転できる。また、被冷却体Ｓが超電導送電ケーブルの場合はケーブル長さが数ｋｍと長く、比較的大容量の第１貯槽２が必要となるため、第１閉流路ＣＬ１は、第１貯槽２と循環ポンプ３との間に、第１貯槽２よりも小さい容量のリザーバータンク１３を有する構成でもよい。

【0023】

冷凍機４は、第２閉流路ＣＬ２と、圧縮機７と、膨張タービン９と、第１熱交換器１０と、第２熱交換器１１と、を有し、水冷装置８を有することが好ましい。なお、圧縮機７及び水冷装置８を除く、冷凍機４の構成要素は、外部からの熱の侵入を抑制するため、図示しない真空断熱容器（コールドボックス）内に収容することが好ましい。

【0024】

第２閉流路ＣＬ２は、冷媒ガスが循環する閉ループ状の供給経路である。第２閉流路ＣＬ２には、冷媒ガスの流れ方向に沿って、圧縮機７と、水冷装置８と、第２熱交換器１１と、膨張タービン９と、第１熱交換器１０と、第２熱交換器１１と、がこの順で配置される。なお、圧縮機７の二次側から第１熱交換器１０までの第２閉流路ＣＬ２を「行き側の第２閉流路ＣＬ２」ということもある。また、第１熱交換器１０の二次側から圧縮機７までの第２閉流路ＣＬ２を「戻り側の第２閉流路ＣＬ２」ということもある。

【0025】

冷媒ガスは、第１貯槽２に貯留される第１液化冷媒の液化温度よりも十分に低い液化温度を有するものであれば、特に限定されない。第１液化冷媒として液化窒素を用いる場合、冷媒ガスとしては、ヘリウムガス、水素ガス、ネオンガス、あるいはこれらの混合ガスを用いることが可能であり、ネオンガスを用いることが好ましい。冷媒ガスとして、水素ガスあるいはヘリウムガスよりも分子量の大きいネオンガスを用いることで、音速が小さくなり、圧縮機７や膨張タービン９の回転数を低く抑えることができる。これにより、冷凍機４の設計が容易になり、冷凍機４の稼働信頼性が向上する。

【0026】

圧縮機７は、第２閉流路ＣＬ２に位置する。圧縮機７は、冷媒ガスを第２閉流路ＣＬ２内に循環させる。圧縮機７は、冷媒ガスを圧縮して、高温かつ高圧の冷媒ガスを生成する。圧縮機７は、高温かつ高圧の冷媒ガスを水冷装置８に供給する。

【0027】

水冷装置８は、圧縮機７の二次側の第２閉流路ＣＬ２に位置する。水冷装置８は、高温かつ高圧の冷媒ガスを冷却する。水冷後の冷媒ガスの温度は、大気温度（１０～３５℃）付近となる。水冷装置８は、圧縮機７から供給される高温かつ高圧の冷媒ガスを大気温度付近まで冷却できるものであれば、特に限定されない。水冷装置８としては、水冷式クーラーと空冷式クーラーが利用可能であるが、水冷式が好ましい。冷却された冷媒ガスは、第２熱交換器１１を通過した後、膨張タービン９に供給される。

【0028】

第２熱交換器１１は、第１の熱交換ブロック１１Ａ、第２の熱交換ブロック１１Ｂ、及び第３の熱交換ブロック１１Ｃを有する。圧縮機７の二次側（下流側）かつ膨張タービン９の一次側（上流側）の第２閉流路（行き側）ＣＬ２には、冷媒ガスの流れ方向に沿って、第１の熱交換ブロック１１Ａ、第２の熱交換ブロック１１Ｂ、第３の熱交換ブロック１１Ｃがこの順で配置される。また、第１熱交換器１０の二次側かつ圧縮機７の一次側の第２閉流路（戻り側）ＣＬ２には、冷媒ガスの流れ方向に沿って、第３の熱交換ブロック１１Ｃ、第２の熱交換ブロック１１Ｂ、第１の熱交換ブロック１１Ａがこの順で配置される。さらに、後述する第１供給経路Ｌ１の第１開閉バルブＶ１の二次側には、第２液化冷媒の流れ方向に沿って、第２の熱交換ブロック１１Ｂ、第１の熱交換ブロック１１Ａがこの順で配置される。第１～第３の熱交換ブロック１１Ａ～１１Ｃは、隣接する他の熱交換ブロックと所定の間隔を空けて配置され、第２閉流路（行き側と戻り側）ＣＬ２及び第１供給経路Ｌ１がそれぞれ接続されている。

【0029】

第１の熱交換ブロック１１Ａは、水冷装置８の二次側の第２閉流路（行き側）ＣＬ２と、第２の熱交換ブロック１１Ｂの二次側の第２閉流路（戻り側）ＣＬ２と、第２の熱交換ブロック１１Ｂの二次側の第１供給経路Ｌ１との間で互いに熱交換する。第１の熱交換ブロック１１Ａは、例えば、２２０Ｋ以上３００Ｋ未満の温度範囲で熱交換可能である。

【0030】

第２の熱交換ブロック１１Ｂは、第１の熱交換ブロック１１Ａの二次側の第２閉流路（行き側）ＣＬ２と、第３の熱交換ブロック１１Ｃの二次側の第２閉流路（戻り側）ＣＬ２と、第１供給経路Ｌ１との間で互いに熱交換する。第２の熱交換ブロック１１Ｂは、例えば、１５０Ｋ以上２３０Ｋ未満の温度範囲で熱交換可能である。

【0031】

第３の熱交換ブロック１１Ｃは、第２の熱交換ブロック１１Ｂの二次側の第２閉流路（行き側）ＣＬ２と、第１熱交換器１０の二次側の第２閉流路（戻り側）ＣＬ２との間で互いに熱交換する。第３の熱交換ブロック１１Ｃは、例えば、７０Ｋ以上１６０Ｋ未満の温度範囲で熱交換可能である。

【0032】

膨張タービン９は、圧縮機７の二次側の、第２熱交換器１１と第１熱交換器１０との間の第２閉流路ＣＬ２に位置する。膨張タービン９は、第２熱交換器１１で冷却された高圧の冷媒ガスを断熱膨張させることにより、前述した第１液化冷媒のサブクール温度まで冷媒ガスの温度を降下させる。

【0033】

第１熱交換器１０は、膨張タービン９の二次側の第２閉流路ＣＬ２と、循環ポンプ３の二次側の第１閉流路ＣＬ１とにわたって位置する。第１熱交換器１０は、循環ポンプ３の二次側の第１閉流路ＣＬ１内を流れる第１液化冷媒と、膨張タービン９による断熱膨張によってサブクール温度まで冷却された冷媒ガスとを熱交換し、第１液化冷媒をサブクール温度まで冷却する。サブクール温度まで冷却された第１液化冷媒は、被冷却体Ｓに供給される。一方、第１液化冷媒の冷却に寄与した冷媒ガスは、第２熱交換器１１を通過した後、圧縮機７に供給される。

【0034】

第１熱交換器１０及び第２熱交換器１１としては、小型化及び高性能化の観点から、例えば、アルミプレートフィン熱交換器を用いることができる。

【0035】

第２貯槽５は、第２液化冷媒を貯留する。第２貯槽５の構造としては、第１貯槽２と同様に、真空二重構造や断熱材を用いた断熱構造が好ましい。これにより、第２液化冷媒の気化を防ぎ、損失を少なくすることができる。

【0036】

第２液化冷媒としては、第１液化冷媒の冷却に寄与する冷媒ガスを冷却可能なものが好ましい。このような第２液化冷媒としては、例えば、液化天然ガス（ＬＮＧ）や液化窒素（液体窒素）が挙げられるが、安全面やコスト面から、液化窒素（液体窒素）が好ましい。また、第１液化冷媒が液化窒素である場合、第２液化冷媒も液化窒素を用いることが好ましい。

【0037】

第１供給経路Ｌ１は、第２貯槽５内の第２液化冷媒が流通する流路である。第１供給経路Ｌ１は、一端が第２貯槽５の液相側に接続し、他端が大気中に開放している。第１供給経路Ｌ１には、第２液化冷媒の流れ方向に沿って、第１開閉バルブＶ１、第２の熱交換ブロック１１Ｂ、第１の熱交換ブロック１１Ａ、逆止弁１２が、この順で配置される。第２の熱交換ブロック１１Ｂの一次側の第１供給経路Ｌ１には、一部気化しているが、そのほとんどが液体の第２液化冷媒が流通する。第１の熱交換ブロック１１Ａの一次側の第１供給経路Ｌ１には、気化した第２液化冷媒が流通する。

【0038】

第１開閉バルブＶ１は、第２貯槽５と、第２の熱交換ブロック１１Ｂの間の第１供給経路Ｌ１に位置する。第１開閉バルブＶ１としては、バルブの開度を連続的又は段階的に調節できるものであれば、特に限定されない。第１開閉バルブＶ１は、有線又は無線回線によって制御装置６と電気的に接続されている。第１開閉バルブＶ１は、制御装置６から送信される開度信号に基づいてバルブの開度を逐次変更可能である。また、第１開閉バルブＶ１は、バルブの開度の情報を電気信号として制御装置６に送信可能であってもよい。

【0039】

第２供給経路Ｌ２は、第２貯槽５内の上部空間に存在するガス状の第２液化冷媒が流通する流路である。第２供給経路Ｌ２は、一端が第２貯槽５の気相側に接続し、他端が第１供給経路Ｌ１の合流点ｂに接続する。なお、合流点ｂは、第２熱交換器１１の二次側の第１供給経路Ｌ１に位置する。第２供給経路Ｌ２には、第２開閉バルブＶ２が配置される。第２供給経路Ｌ２には、第２貯槽５内の気化した第２液化冷媒が流通する。

【0040】

第２開閉バルブＶ２は、第２供給経路Ｌ２に位置する。第２開閉バルブＶ２としては、バルブの開度を連続的又は段階的に調節できるものであれば、特に限定されない。第２開閉バルブＶ２は、有線又は無線回線によって制御装置６と電気的に接続されている。第２開閉バルブＶ２は、制御装置６から連続的あるいは間欠的に送信される開度信号に基づいてバルブの開度を逐次変更可能である。なお、第２開閉バルブＶ２は、バルブの開度の情報を電気信号として制御装置６に送信可能であってもよい。

【0041】

第１温度測定装置Ｔ１は、第１熱交換器１０の二次側の第１閉流路ＣＬ１に位置する。第１温度測定装置Ｔ１は、第１熱交換器１０を通過した後の第１閉流路ＣＬ１内の第１液化冷媒の温度を連続的あるいは間欠的に検出する。第１温度測定装置Ｔ１は、有線又は無線回線によって制御装置６と電気的に接続されている。第１温度測定装置Ｔ１は、検出した温度情報を電気信号として制御装置６に連続的あるいは間欠的に送信する。

【0042】

第２温度測定装置Ｔ２は、第２熱交換器１１の二次側かつ圧縮機７の一次側の第２閉流路（戻り側）ＣＬ２に位置する。第２温度測定装置Ｔ２は、第２熱交換器１１を通過した後の、戻り側の第２閉流路ＣＬ２内の冷媒ガスの温度を連続的あるいは間欠的に検出する。第２温度測定装置Ｔ２は、有線又は無線回線によって制御装置６と電気的に接続されている。第２温度測定装置Ｔ２は、検出した温度情報を電気信号として制御装置６に連続的あるいは間欠的に送信する。

【0043】

第３温度測定装置Ｔ３は、第１熱交換器１０の二次側かつ第２熱交換器１１の一次側の第２閉流路（戻り側）ＣＬ２に位置する。第３温度測定装置Ｔ３は、第１熱交換器１０を通過した後の、戻り側の第２閉流路ＣＬ２内の冷媒ガスの温度を連続的あるいは間欠的に検出する。第３温度測定装置Ｔ３は、有線又は無線回線によって制御装置６と電気的に接続されている。第３温度測定装置Ｔ３は、検出した温度情報を電気信号として制御装置６に連続的あるいは間欠的に送信する。

【0044】

制御装置６は、圧縮機７、第１温度測定装置Ｔ１、第２温度測定装置Ｔ２、第３温度測定装置Ｔ３、第１開閉バルブＶ１及び第２開閉バルブＶ２のそれぞれと、有線又は無線回線によって電気的に接続されている。なお、図１中に示す点線は、有線又は無線回線を示す。

【0045】

制御装置６は、図示略の記憶部、演算部、及びバルブ制御部を有する。
記憶部は、少なくとも第１開閉バルブＶ１及び第２開閉バルブＶ２を含む開閉バルブの制御全般に関するプログラムを格納する。
また、記憶部は、圧縮機７の最大回転数、最大電力値及び最大電流値のうち、冷凍機４の最大冷凍能力の指標となる１以上の情報と、第１温度測定装置Ｔ１で検出する、第１熱交換器１０を通過した後の第１閉流路ＣＬ１内の第１液化冷媒の温度の上下限の閾値を含む温度範囲の情報と、第２温度測定装置Ｔ２で検出する、第２熱交換器１１を通過した後の、戻り側の第２閉流路ＣＬ２内の冷媒ガスの温度の上下限の閾値を含む温度範囲の情報と、第３温度測定装置Ｔ３で検出する、第１熱交換器１０を通過した後の、戻り側の第２閉流路ＣＬ２内の冷媒ガスの温度の上下限の閾値を含む温度範囲の情報と、を記憶する。
さらに、記憶部は、圧縮機７、第１温度測定装置Ｔ１、第２温度測定装置Ｔ２、第３温度測定装置Ｔ３を識別する識別情報と、これらから送信される実測値を連続的あるいは間欠的に記憶する。

【0046】

演算部は、圧縮機７、第１温度測定装置Ｔ１、第２温度測定装置Ｔ２、及び第３温度測定装置Ｔ３が出力した検出結果を取得し、取得した検出結果に基づいて、第１供給経路Ｌ１への第２液化冷媒の供給量を決定する。
また、演算部は、圧縮機７、第１温度測定装置Ｔ１、第２温度測定装置Ｔ２、及び第３温度測定装置Ｔ３が出力した検出結果を取得し、取得した検出結果に基づいて、第２供給経路Ｌ２への第２液化冷媒の供給量を決定する。
演算部は、第１供給経路Ｌ１への第２液化冷媒の供給量、及び第２供給経路Ｌ２への第２液化冷媒の供給量に基づいて、第１開閉バルブＶ１及び第２開閉バルブＶ２の開度指示を生成し、生成した開度指示をバルブ制御部に出力する。

【0047】

バルブ制御部は、演算部が出力する開度指示に応じて、第１開閉バルブＶ１及び第２開閉バルブＶ２の開度をそれぞれ制御する。

【0048】

次に、上述した本実施形態の極低温冷却装置１の運転方法について、説明する。

【0049】

（極低温冷却装置１の運転開始時）
初めに、被冷却体Ｓを本冷却する前の段階として、被冷却体Ｓを予冷処理する。具体的には、冷凍機４を介することなく、第１貯槽２からリザーバータンクと被冷却体Ｓの間の経路に、所定流量の第１液化冷媒を被冷却体Ｓに供給して、ゆっくりと被冷却体Ｓの冷却を開始する。

【0050】

常温の被冷却体Ｓに接触した第２液化冷媒は、温度上昇により気化する。気化した第２液化冷媒は、第４３開閉バルブＶ３を開いて排気ラインＬ３を介して大気放出する。被冷却体Ｓの予冷処理に要する時間は、被冷却体Ｓの熱容量によって変化し、例えば、超電導送電ケーブルでは被冷却体Ｓが数ｋｍの長さとなるため、予冷には数日を要することがある。また、被冷却体Ｓが超電導変圧器、超電導モーターまたは超電導限流器の場合は、予冷時間は数時間で済む場合もある。

【0051】

被冷却体Ｓの予冷がほぼ終了する時点で、冷凍機４を起動して、冷凍機４の予冷を行う。ところで、冷凍機４の起動では、冷凍機４を比較的長い時間放置してから起動する場合や、冷凍機４の運転を停止して比較的短時間で再起動させる場合がある。冷凍機４を長時間放置した状態から起動する場合は、真空断熱容器（コールドボックス）内に収納された第１熱交換器１０及び第２熱交換器１１の温度は１５０～３００Ｋとなっており、冷凍機４を起動して第１熱交換器１０の出口の冷媒ガスの温度が所定の冷却温度（例えば、６５～７７Ｋ）となるまでの所要時間（クールダウン時間）は比較的長くなる。一方、冷凍機４の運転を停止して比較的短時間で再起動させる場合は、真空断熱容器（コールドボックス）内に収納された第１熱交換器１０及び第２熱交換器１１の温度は１００～１５０Ｋのままで、冷凍機４を起動して第１熱交換器１０の出口の冷媒ガスの温度がサブクール温度となるまでの所要時間（クールダウン時間）は比較的短い。
ここでは、冷凍機４を比較的長い時間放置してから起動する場合（第１熱交換器１０及び第２熱交換器１１の温度が１５０～３００Ｋ）について、以下の説明を行う。

【0052】

具体的には、第３温度測定装置Ｔ３により検出する第１熱交換器１０の出口側の冷媒ガスの温度が、常温あるいは低温（例えば、１５０～３００Ｋ）の状態から冷凍機４を起動する。同時に、制御装置６により、第１開閉バルブＶ１が所定の開度に制御されて、第２貯槽５内の液相の第２液化冷媒が第１供給経路Ｌ１を介して第２熱交換器１１を構成する第２の熱交換ブロック１１Ｂと第２の熱交換ブロック１１Ａとに導入される。これにより、第１熱交換器１０の出口側の冷媒ガスの温度が、所定の冷却温度（例えば、６５～７７Ｋ）までクールダウンするまでの時間を従来よりも大幅に短縮できる。

【0053】

また、第３温度測定装置Ｔ３により検出する第１熱交換器１０の出口側の冷媒ガスの温度が、所定の冷却温度となった場合、制御装置６により第１開閉バルブＶ１が閉塞される。このため、第２貯槽５内の第２液化冷媒を無駄に（または過剰に）消費することがない。

【0054】

本実施形態の極低温冷却装置１の運転方法によれば、第３温度測定装置Ｔ３によって第１熱交換器１０の出口側の冷媒ガスの温度を監視することで、冷凍機４の起動時に冷媒ガスのクールダウンに必要な補助冷却を過不足なく行うことができる。したがって、極低温冷却装置１の運転開始時において、第２液化冷媒を過剰に消費することなく、冷凍機４のクールダウン時間の短縮が可能となる。
なお、冷凍機４のクールダウン時間を短縮する際、圧縮機７の回転数は最大回転数（最大冷凍能力）の場合に限らず、それ以下であってもよい。

【0055】

（極低温冷却装置１の冷凍能力不足時）
冷凍機４を起動し、冷媒ガスのクールダウンが完了した後、極低温冷却装置１は通常運転を行う。
具体的には、圧縮機７は冷媒ガスを断熱圧縮する。断熱圧縮後の冷媒ガスの圧力は、例えば、１～２ＭＰａ程度である。断熱圧縮により高温になった冷媒ガスは、水冷装置８によって常温まで冷却された後、第２熱交換器１１を通過する。第２熱交換器１１では、圧縮機７により圧縮された冷媒ガス（行き側）と、第１熱交換器１０を通過後の低温の冷媒ガス（戻り側）とが熱交換することで、圧縮された冷媒ガスが冷却される。

【0056】

次いで、膨張タービン９では、冷却された冷媒ガスを断熱膨張させる。これにより、冷媒ガスの温度がさらに降下する。膨張タービン９の出口温度は、タービン入口温度に対して１０～１５Ｋ程度降下する。このとき、断熱膨張後の冷媒ガスの圧力は、例えば、０．５～１ＭＰａ程度となる。

【0057】

第１熱交換器１０では、第２閉流路ＣＬ２内の断熱膨張後の冷媒ガスと、第１閉流路ＣＬ１内の第１貯槽２から供給された第１液化冷媒とが熱交換することで、第１液化冷媒はサブクール温度まで冷却される。そして、サブクール温度まで冷却された第１液化冷媒は被冷却体Ｓに供給されて被冷却体Ｓを、その臨界温度以下に冷却する。

【0058】

ところで、被冷却体Ｓにおいて電力需要が増加して熱負荷が増大すると、圧縮機７を最大回転数で運転したとしても第１熱交換器１０において冷媒ガスの供給が追いつかなくなり、冷凍機４の最大冷凍能力を超えてしまい、被冷却体Ｓを十分冷却することができない。

【0059】

本実施形態の極低温冷却装置１の運転方法によれば、制御装置６により、圧縮機７の回転数や電力値等の運転情報と、第１温度測定装置Ｔ１により測定される第１液化冷媒の温度情報とを監視し、圧縮機７が最大冷凍能力を発揮しており、かつ、第１温度測定装置Ｔ１で検出する温度が設定値を上回っている場合、制御装置６は冷凍機４の冷凍能力不足と判定する。

【0060】

この判定がなされると、制御装置６により、第１開閉バルブＶ１が所定の開度に制御されて、第２貯槽５内の液相の第２液化冷媒が第１供給経路Ｌ１を介して第２熱交換器１１を構成する第２の熱交換ブロック１１Ｂと第２の熱交換ブロック１１Ａとに導入される。これにより、冷凍機４の冷凍能力を増加させることができる。一方、第１温度測定装置Ｔ１で検出する温度が設定値よりも低くなった場合、制御装置６は第１開閉バルブＶ１を閉じる方向に制御し、第２液化冷媒の導入量を減少させ、最終的に第１開閉バルブＶ１は全閉となる。これにより、冷凍機４が冷凍能力不足となった場合でも、補助的な冷凍能力を過不足なく付与することができる。

【0061】

また、制御装置６が冷凍機４の冷凍能力不足と判定し、第２貯槽５から第２液化冷媒を供給して冷凍機４の冷凍能力を増加させた場合、第２温度測定装置Ｔ２によって冷媒ガスの温度を監視することで、冷却状況を把握することができる。第２温度測定装置Ｔ２によって測定される戻り側の第２閉流路ＣＬ２内の冷媒ガスの温度が、設定値よりも低くなった場合、制御装置６により第１開閉バルブＶ１を閉じることによっても、冷凍機４の冷凍能力を制御することができる。

【0062】

具体的には、第２熱交換器１１の低圧側の冷媒ガスの出口温度、すなわち第２温度測定装置Ｔ２で検出された温度があらかじめ設定された下限値以下（例えば、０～１０℃の範囲内）になった場合、制御装置６が第１開閉バルブＶ１の開度を絞る方向に制御する。これにより、第２液化冷媒が過剰に第２熱交換器１１（第２の熱交換ブロック１１Ｂ及び第１の熱交換ブロック１１Ａ）に導入されない。

【0063】

（極低温冷却装置１の復旧時）
極低温冷却装置１の運転中に何らかの要因で停電が発生し、冷凍機４が短時間（例えば、１～６時間）停止した場合、あるいは何らかの異常を検知してインターロックによって冷凍機４が停止した後に冷凍機４を再起動した場合、冷凍機４の真空断熱容器（コールドボックス）内に収納された第１熱交換器１０及び第２熱交換器１１の温度は１００～１５０Ｋまで温度が上昇する。
本実施形態の極低温冷却装置１の運転方法によれば、上述した極低温冷却装置１の運転開始時と同様の制御を行うことで、第２液化冷媒を過剰に消費することなく、冷凍機４のクールダウン時間を短縮できる。

【0064】

（その他）
第２貯槽５内の第２液化冷媒を冷凍機４の第２熱交換器１１に導入しないとき、あるいは冷凍機４の運転停止中にあっては、第２貯槽５内の上部空間に存在するガス状の第２液化冷媒（以下、第２液化冷媒ガスという）を第２供給経路Ｌ２を介して第１供給経路Ｌ１に供給する。具体的には、制御装置６により第２開閉バルブＶ２を開き、第２貯槽５の気相部分から第２液化冷媒ガスを第２供給経路Ｌ２に導入し、合流点ｂから第１供給経路Ｌ１に供給する。これにより、第１供給経路Ｌ１の第１開閉バルブＶ１と逆止弁１２との間の流路内が第２液化冷媒ガスによってパージされ、外部からの水分の侵入を防止できる。

【0065】

なお、第２液化冷媒ガスによって第１供給経路Ｌ１内をパージする際、第２液化冷媒ガスの導入量は、外部から第１供給経路Ｌ１内に水分が入らないような最小流量であればよい。例えば、第１供給経路Ｌ１において、逆止弁１２の上流側に圧力計を設置し、この圧力計による圧力値が大気圧よりも数ｋＰａだけ高く維持できる程度の流量とすればよい。

【0066】

以上説明したように、本実施形態の極低温冷却装置１及びその運転方法によれば、第１温度測定装置Ｔ１が検出する第１熱交換器１０を通過した後の第１液化冷媒の温度に応じて、制御装置６が第１開閉バルブＶ１の開度を制御操作する。これにより、冷凍機４の第２熱交換器１１への第２液化冷媒の導入量を調整できる。すなわち、冷凍機４の冷凍能力を調整できる。

【0067】

また、被冷却体Ｓの熱負荷が増大して被冷却体Ｓを冷却するために必要な寒冷が冷凍機４の最大冷凍能力を上回った場合、第１温度測定装置Ｔ１が検出する第１液化冷媒の温度が所定の冷却温度よりも高くなる。この場合、制御装置６が第１開閉バルブＶ１の開度を開くように制御操作して、第２熱交換器１１に所定の流量で第２液化冷媒を導入する。これにより、冷凍機４において冷媒ガスを冷却するための寒冷が補われて冷凍機４の冷凍能力を増加させることができる。

【0068】

一方、冷凍機４の冷凍能力を増加させて運転した結果、第１温度測定装置Ｔ１が検出する第１液化冷媒の温度が所定の冷却温度よりも低くなる。この場合、制御装置６が第１開閉バルブＶ１の開度を閉じるように制御操作して、第２熱交換器１１への第２液化冷媒の導入を停止する。これにより、補助的な第２液化冷媒が過剰に消費されることを防止できる。

【0069】

また、本実施形態の極低温冷却装置１及びその運転方法によれば、第２温度測定装置Ｔ２が検出する戻り側の第２閉流路ＣＬ２内の冷媒ガスの温度に応じて、制御装置６が第１開閉バルブＶ１の開度を制御操作する。これにより、第２熱交換器１１への第２液化冷媒の導入量を調整できる。すなわち、第１温度測定装置Ｔ１と第２温度測定装置Ｔ２を併用して監視することにより、補助的な第２液化冷媒の過剰な消費を防止し、冷凍機４の冷凍能力をより精密に調整できる。

【0070】

さらに、本実施形態の極低温冷却装置１及びその運転方法によれば、第３温度測定装置Ｔ３が検出する第１熱交換器１０を通過した後の冷媒ガスの温度に応じて、制御装置６が第１開閉バルブＶ１の開度を制御操作する。これにより、第２熱交換器１１への第２液化冷媒の導入量を調整できる。したがって、極低温冷却装置１を常温状態から起動する場合、あるいは停電や何らかの要因によってインターロックが発生したりして冷凍機４が低温の中間温度域にある状態で冷凍機４を再起動させた場合、冷凍機４のクールダウン時間を短縮できる。また、冷凍機４のクールダウン中あるいはクールダウンした後に、補助的な第２液化冷媒が過剰に消費されることを防止できる。

【0071】

＜第２実施形態＞
次に、本発明を適用した第２の実施形態である極低温冷却装置およびその運転方法について、説明する。
図２は、本発明を適用した第２の実施形態である極低温冷却装置の構成の一例を示す系統図である。図２に示すように、本実施形態の極低温冷却装置２１は、第３温度測定装置（第３温度測定手段）Ｔ３を有しない点で、上述した第１実施形態の極低温冷却装置１とは構成が異なる。したがって、第２実施形態の極低温冷却装置２１の構成については、上述した第１実施形態の極低温冷却装置１と同一の構成部分について同じ符号を付すると共に説明を省略する。

【0072】

本実施形態の極低温冷却装置２１の運転方法によれば、極低温冷却装置２１の冷凍能力不足時に、上述した極低温冷却装置１の運転方法と同様の制御を行うことで、補助的な第２液化冷媒が過剰に消費されることを抑制しつつ、冷凍機４の冷凍能力を増加させることができる。

【0073】

＜第３実施形態＞
次に、本発明を適用した第３の実施形態である極低温冷却装置およびその運転方法について、説明する。
図３は、本発明を適用した第３の実施形態である極低温冷却装置の構成の一例を示す系統図である。図３に示すように、本実施形態の極低温冷却装置３１は、第１温度測定装置（第１温度測定手段）Ｔ１及び第２温度測定装置（第２温度測定手段）Ｔ２を有しない点で、上述した第１実施形態の極低温冷却装置１とは構成が異なる。したがって、第３実施形態の極低温冷却装置３１の構成については、上述した第１実施形態の極低温冷却装置１と同一の構成部分について同じ符号を付すると共に説明を省略する。

【0074】

本実施形態の極低温冷却装置３１の運転方法によれば、極低温冷却装置３１の運転開始時や復旧時に、上述した極低温冷却装置１の運転方法と同様の制御を行うことで、第２液化冷媒を過剰に消費することなく、冷凍機４のクールダウン時間を短縮できる。

【0075】

＜第４実施形態＞
次に、本発明を適用した第４の実施形態である極低温冷却装置およびその運転方法について、説明する。
図４は、本発明を適用した第４の実施形態である極低温冷却装置の構成の一例に示す系統図である。図４に示すように、本実施形態の極低温冷却装置４１は、上述した第１実施形態の極低温冷却装置１の構成に加えて、さらに、第１閉流路ＣＬ１に液化冷媒を供給するための貯槽を第２貯槽５と共通化し、第２貯槽５から第１閉流路ＣＬ１に液化冷媒を供給するためのバイパス経路（第３供給経路）Ｌ４および第４開閉バルブＶ４を備える。第１貯槽２を第２貯槽５と共通にすることにより、装置のコンパクト化、及びコスト削減することができる。
なお、本実施形態の極低温冷却装置４１は、第１貯槽２内の第１液化冷媒と、第２貯槽５内の第２液化冷媒とが、同一の場合（例えば、いずれも液化窒素の場合）に適用できる。

【0076】

バイパス経路Ｌ４は、第２貯槽５内の第２液化冷媒を第１閉流路ＣＬ１内に供給する流路である。バイパス経路Ｌ４は、一端が第１供給経路Ｌ１の分岐点ｃに接続し、他端が第１閉流路ＣＬ１の合流点ｄに接続する。なお、分岐点ｃは、第１開閉バルブＶ１の一次側の第１供給経路Ｌ１に位置する。また、合流点ｄは、被冷却体Ｓの二次側かつリザーバータンク１３の一次側の第１閉流路ＣＬ１に位置する。さらに、バイパス経路Ｌ４には、第４開閉バルブＶ４が配置される。これにより、バイパス経路Ｌ４は、第４開閉バルブＶ４が開いた際に、第１供給経路Ｌ１を介して第２貯槽５内の第２液化冷媒を第１閉流路ＣＬ１内に供給できる。

【0077】

第４開閉バルブＶ４は、バイパス経路Ｌ４に位置する。第４開閉バルブＶ４としては、バルブの開度を連続的又は段階的に調節できるものであれば、特に限定されない。第３４開閉バルブＶ４は、有線又は無線回線によって制御装置６と電気的に接続されている。第４開閉バルブＶ４は、制御装置６から連続的あるいは間欠的に送信される開度信号に基づいてバルブの開度を逐次変更可能である。なお、第４開閉バルブＶ４は、バルブの開度の情報を電気信号として制御装置６に送信可能であってもよい。

【0078】

ところで、上述したように、被冷却体Ｓを予冷処理する際、常温の被冷却体Ｓに接触した第１液化冷媒は、温度上昇により気化する。例えば、被冷却体Ｓが１ｋｍから数ｋｍといった長尺の超電導ケーブルであった場合、常温から本冷却まで予冷する際、超電導ケーブルを含む第１閉流路ＣＬ１内に第１液化冷媒を充満するには、第１閉流路ＣＬ１の外部から第１液化冷媒を大量に供給する必要がある。そのため、第１閉流路ＣＬ１の外部に、大容量の貯槽が不可欠である。

【0079】

本実施形態の極低温冷却装置４１によれば、第１液化冷媒と第２液化冷媒とが同じ場合（例えば、液化窒素）、第１閉流路ＣＬ１内に第１液化冷媒を供給するための大容量の貯槽として、第２貯槽５を利用できる。したがって、第１閉流路ＣＬ１の外部に、大容量の貯槽を新たに設ける必要がない。

【0080】

ここで、図５は、本発明を適用した第１～第４の実施形態における極低温冷却装置１，２１，３１，４１の最大冷凍能力を説明するグラフである。図５において、横軸は冷凍機４の冷却温度（例えば、図１の第１温度測定装置Ｔ１または第３温度測定装置Ｔ３の温度）であり、縦軸は冷凍機４の冷凍能力である。図５では、冷凍機４の圧縮機７の回転数（１００％は圧縮機の最大回転数）をパラメータとして回転数毎の冷凍能力の変化を示している。図５に示すように、圧縮機７の回転数が一定の場合、冷却温度と冷凍能力は比例し、ほぼ直線関係にある。また、冷却温度が同じ場合、圧縮機７の回転数が増加すると冷凍能力は増加し、回転数が減少すると冷凍能力は減少する。最大回転数１００％で冷凍機を運転する場合、各冷却温度に応じて最大冷凍能力が決まることが示されている。

【0081】

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、上述した第１～第４の実施形態の極低温冷却装置１，２１，３１，４１では、第２熱交換器１１が第１の熱交換ブロック１１Ａ、第２の熱交換ブロック１１Ｂ及び第３の熱交換ブロック１１Ｃの３つのブロックからなる構成を一例として説明したが、これに限定されない。例えば、第２熱交換器１１は１つのブロック構造であってもよい。第２熱交換器１１が１つのブロック構造の場合、第１供給経路Ｌ１をブロックの途中から導入する経路を設ければよい。

【0082】

また、上述した第１～第４の実施形態の極低温冷却装置１，２１，３１，４１では、冷凍機４が第２閉流路ＣＬ２に圧縮機７と水冷装置８とを１台ずつ有する構成を一例として説明したが、これに限定されない。第２閉流路ＣＬ２に位置する圧縮機７及び水冷装置８は、それぞれ２以上でもよい。また、圧縮機７として、多段圧縮機を用いてもよい。

【0083】

また、圧縮機７と膨張タービン９とを同軸に配置して、一体化させてもよい。これにより、膨張タービン７で発生した動力を圧縮機７の駆動に利用できるため、冷凍機４を小型化でき、動力の省力化を図れる。

【0084】

また、上述した第１～第４の実施形態の極低温冷却装置１，２１，３１，４１では、圧縮機７がターボ圧縮機であり、冷凍機４の最大冷凍能力の指標として圧縮機７の最大回転数を用いる例と説明したが、これに限定されない。ターボ圧縮機では、同じ回転数であっても冷媒ガスの温度、圧力によって圧縮機の動力が変化するため、最大回転数ではなく、圧縮機モーターの電力値、または電流値を最大冷凍能力の指標としてもよい。

【0085】

また、圧縮機７は、ターボ圧縮機に限定されない。圧縮機７として、往復動式の圧縮機、スクリュー式の圧縮機を用いてもよい。いずれの形式の圧縮機であっても、圧縮機モーターの電力値、または電流値を最大冷凍能力の指標として適用できる。

【産業上の利用可能性】

【0086】

本発明の極低温冷却装置及びその運転方法は、超電導ケーブル等の超電導電力機器を冷却する場合や、超電導電力機器を予冷する場合に利用可能性を有する。

【符号の説明】

【0087】

１，２１，３１，４１…極低温冷却装置
２…第１貯槽
３…循環ポンプ
４…冷凍機
５…第２貯槽
６…制御装置（制御手段）
７…圧縮機
８…水冷装置
９…膨張タービン
１０…第１熱交換器
１１…第２熱交換器
１２…逆止弁
１３…リザーバータンク
ＣＬ１…第１閉流路
ＣＬ２…第２閉流路
Ｌ１…第１供給経路
Ｌ２…第２供給経路
Ｌ３…排気ライン
Ｌ４…バイパス経路（第３供給経路）
Ｓ…超電導電力機器（被冷却体）
Ｔ１…第１温度測定装置（第１温度測定手段）
Ｔ２…第２温度測定装置（第２温度測定手段）
Ｔ３…第３温度測定装置（第３温度測定手段）
Ｖ１…第１開閉バルブ
Ｖ２…第２開閉バルブ
Ｖ３…第３開閉バルブ
Ｖ４…第４開閉バルブ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】