特許 7504707 極低温冷凍機の加熱装置

(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】2024-06-14

(45)【発行日】2024-06-24

(54)【発明の名称】極低温冷凍機の加熱装置

(51)【国際特許分類】

   F25B 9/06 20060101AFI20240617BHJP

   H10N 60/80 20230101ALI20240617BHJP

【ＦＩ】

F25B9/06 A

H10N60/80 Z

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2020134935

(22)【出願日】2020-08-07

(65)【公開番号】P2022030736

(43)【公開日】2022-02-18

【審査請求日】2023-02-17

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100145816

【弁理士】

【氏名又は名称】鹿股 俊雄

(74)【代理人】

【識別番号】100195718

【弁理士】

【氏名又は名称】市橋 俊規

(72)【発明者】

【氏名】高橋 政彦

(72)【発明者】

【氏名】上野 航生

(72)【発明者】

【氏名】宮崎 寛史

(72)【発明者】

【氏名】岩井 貞憲

【審査官】石田 佳久

(56)【参考文献】

【文献】特開平０６－０６９０２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５９－０８６２７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－０２６４２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－０２６７２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０４－１２１５６８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２５Ｂ ９／０６

Ｈ１０Ｎ ６０／８０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ディスプレーサが引抜かれた極低温冷凍機のシリンダに挿入可能な極低温冷凍機の加熱装置において、
前記極低温冷凍機の冷却ステージのみに対向するように設置され、前記シリンダに対し所定の間隙を介して配置される加熱ブロックと、前記加熱ブロックの内部に当該加熱ブロックに対し所定の間隙を介して配置される加熱部材と、前記加熱ブロックにヘリウムガスを供給するガス配管と、前記加熱ブロックを支持するフランジと、前記加熱ブロックに設けられた温度センサからの温度信号に基づいて前記加熱ブロックを加熱制御する電源制御部と、を有することを特徴とする極低温冷凍機の加熱装置。

【請求項2】

前記冷却ステージを複数有し、各冷却ステージに対向して前記加熱ブロックを配置したことを特徴とする請求項１記載の極低温冷凍機の加熱装置。

【請求項3】

前記加熱ブロックの近傍に複数の輻射シールド板を配置したことを特徴とする請求項１又は２に記載の極低温冷凍機の加熱装置。

【請求項4】

前記加熱ブロックの熱膨張率が前記シリンダの熱膨張率より大きいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の極低温冷凍機の加熱装置。

【請求項5】

前記加熱ブロックの材質がアルミで前記シリンダの材質がステンレスであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の極低温冷凍機の加熱装置。

【請求項6】

前記シリンダと前記加熱ブロックとの間の間隙、及び前記加熱ブロックと前記加熱部材との間の間隙を０．５ｍｍ以下にしたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の極低温冷凍機の加熱装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、超電導機器等に用いられる極低温冷凍機の加熱装置に関する。

【背景技術】

【0002】

一般に、医療用機器等に用いられる超電導コイルは極低温に冷却する必要があり、液体ヘリウム等の寒剤や極低温冷凍機で冷却する。

【0003】

図３は、極低温冷凍機１１により超電導コイル２１を伝導冷却する一般的な超電導磁石装置９の例で、真空容器２２と、真空容器２２内に配置された超電導コイル２１と、超電導コイル２１と真空容器２２の間に設けられた熱シールド２３と、から構成される。超電導コイル２１は真空容器２２により真空断熱されることで熱侵入を抑え、超電導コイル２１と真空容器２２の間に熱シールド２３を配置することで熱侵入量をさらに軽減する。

【0004】

熱シールド２３は、極低温冷凍機１１の第１冷却ステージ１２ａにより直接伝導冷却され、超電導コイル２１は、極低温冷凍機１１の第２冷却ステージ１２ｂにより直接又は伝熱板２４を介して伝導冷却される。なお、図中において符号１２ｃは第１シリンダ部、符号１２ｄは第２シリンダ部である。

【0005】

このような伝導冷却方式では、超電導コイル２１を所定温度以下に維持するために、極低温冷凍機１１と超電導コイル２１の間の温度差を小さくする必要があり、極低温冷凍機１１の第２冷却ステージ１２ｂを伝熱板２４に直接接触させる方法が一般的である。

【0006】

一方、極低温冷凍機１１は内部のシール部材等の磨耗部品があり、定期的な消耗部品の交換等のメンテナンス作業を行う必要がある。メンテナンス作業の際は、極低温冷凍機１１を超電導磁石装置９から外して外部へ搬出し、消耗部品の交換を行う方法があるが、大型の超電導磁石装置９では、極低温冷凍機１１の取外し作業だけでも長期の作業期間、大きな作業負担、作業コストが発生する。

【0007】

また、伝導冷却方式の極低温冷凍機１１では、超電導コイル２１を室温から運転温度まで冷却するのに数週間程度の長期間を要するという問題があり、超電導コイル２１が低温の状態で、極低温冷凍機１１を超電導磁石装置９に取付けたまま、極低温冷凍機１１を分解する方法が提案されている。

【0008】

具体的には、図４（ａ）に示すように、極低温冷凍機１１をシリンダ１２とディスプレーサ１３に分解し、ディスプレーサ１３をシリンダ１２から引抜く。その際、シリンダ１２は極低温であり内部の水分が氷結してしまうため、極低温冷凍機１１の周囲をガスバッグで覆い、ヘリウムガス雰囲気中でディスプレーサ１３を分解、引抜く方法が提案されている。

【0009】

また、ディスプレーサ１３を引抜いた後、図４（ｂ）に示すように、加熱装置１０をシリンダ１２内に挿入して加熱することでシリンダ１２を室温まで昇温し、内部の水分を除去する手段も提案されている。加熱装置１０により水分を除去した後、交換用のディスプレーサ１３を挿入し、内部をヘリウムガスに置換する。

【0010】

この加熱装置１０は、シリンダ１２の内面形状に対応させた段付き形状に形成するとともに、加熱装置１０本体には、長さ方向に延びる複数の盲孔を設けるとともに、長さ方向に貫通するヘリウムガスの導入路を設けて、各盲孔には電源に接続した加熱ヒーターをそれぞれ挿入している。

【0011】

また、加熱装置１０を外筒と内筒に分割し、両者の間に断熱材を挿入することで、伝熱量のバランスを改善し、加熱時間を短縮する方法も提案されている。さらに、加熱装置１０の外周部にらせん状のガス抜き溝を設けることで、シリンダ１２の内周面全体にガスが均等に流れるようにし、温度むらを低減する方法も提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0012】

【文献】特開平５－２２３３７９号公報

【文献】特開平３－５０４５６号公報

【文献】特開平６－２６７２０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0013】

上述した従来の極低温冷凍機１１のディスプレーサ１３の交換作業では、シリンダ１２を加熱装置１０により加熱する際、伝熱板２４を介して超電導コイル２１も加熱され温度上昇する。しかしながら、超電導コイル２１の温度が高くなると再冷却に長時間を要するため、超電導コイル２１の温度上昇をなるべく小さく抑えながら、シリンダ１２の温度を室温まで加熱する方法が求められる。

【0014】

ここで、加熱装置１０からの伝熱量と、シリンダ１２の温度及び超電導コイル２１の温度の時間変化をシミュレーション分析した結果、加熱装置１０からの伝熱量を大きくするほど、超電導コイル２１の温度上昇が少なくなることがわかった。これは、シリンダ１２と超電導コイル２１の温度差が伝熱量と熱抵抗の積になることに由来する。

【0015】

伝熱量が少ない場合には、シリンダ１２と超電導コイル２１の温度差が小さく、シリンダ１２を室温まで加熱するためには超電導コイル２１の温度が高くなるまで待つ必要がある。

【0016】

一方、伝熱量が多ければ、超電導コイル２１の温度が低くても、シリンダ１２との間の温度差が大きいため、シリンダ１２を室温まで加熱できる。このように、本発明者等は、加熱装置１０からの伝熱量を大きくすることで超電導コイル２１の温度上昇を抑制することができることを知見し、本発明に至ったものである。

【0017】

ところで、伝熱量を大きくする簡単な方法として、加熱装置１０の温度を高くする方法が考えられる。しかしながら、超電導コイル２１に接続されているシリンダ１２の伝熱部の温度がなかなか高くならないのに対して、それ以外のシリンダ１２の部分は直ぐに高温になってしまい、シリンダ１２の外周に施工した多層断熱材が溶出する恐れがあり、加熱装置１０の温度をあまり高くはできないという問題がある。

【0018】

また、ガスの対流を用いて伝熱する方法では、多量のガスを流し、流速を上げることで熱伝達率を上げる方法があるが、４Ｋ程度まで冷却されている極低温のシリンダ１２内に窒素ガス等を流すと凍結する恐れがあり、ヘリウムガス以外は使用できない。しかしながら、ヘリウムガスは希少資源であり、特に近年では需給がひっ迫しているとともに、大量のヘリウムガスを使用するとコスト増を招くという課題がある。

【0019】

本発明の実施形態は、上記課題を解決するためになされたものであり、ヘリウムガスの消費量を低減するとともに、シリンダ１２の過熱を回避しながら伝熱量を増やし、メンテナンス作業時間の短縮化と効率化を図ることができる極低温冷凍機の加熱装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0020】

本発明の実施形態に係る極低温冷凍機の加熱装置は、ディスプレーサが引抜かれた極低温冷凍機のシリンダに挿入可能な極低温冷凍機の加熱装置において、前記極低温冷凍機の冷却ステージのみに対向するように設置され、前記シリンダに対し所定の間隙を介して配置される加熱ブロックと、前記加熱ブロックの内部に当該加熱ブロックに対し所定の間隙を介して配置される加熱部材と、前記加熱ブロックにヘリウムガスを供給するガス配管と、前記加熱ブロックを支持するフランジと、前記加熱ブロックに設けられた温度センサからの温度信号に基づいて前記加熱ブロックを加熱制御する電源制御部と、を有することを特徴とする。

【発明の効果】

【0021】

本実施形態によれば、ヘリウムガスの消費量を低減するとともに、シリンダの過熱を回避しながら伝熱量を増やし、メンテナンス作業時間の短縮化と効率化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】本実施形態に係る加熱装置の概観図。

【図2】本実施形態に係る加熱装置をシリンダ内に挿入した際の概観図。

【図3】一般的な超電導磁石装置の概観図。

【図4】（ａ）、（ｂ）は極低温冷凍機の分解手順を示す模式図。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下、本発明に係る極低温冷凍機の加熱装置の実施形態について、図１及び図２を参照して説明する。なお、以下の説明では、極低温冷凍機１１が第１冷却ステージ１２ａ及び第２冷却ステージ１２ｂを有する例について説明するが、冷却ステージが１つの場合でも適用できることはもちろんである。

【0024】

（構成）
本実施形態に係る極低温冷凍機１１の加熱装置１０は、図１に示すように、アルミ製の第１加熱ブロック１ａ及び第２加熱ブロック１ｂと、第１加熱ブロック１ａ及び第２加熱ブロック１ｂにそれぞれ挿入された棒状ヒーター等からなる第１加熱部材２ａ及び第２加熱部材２ｂと、第１加熱ブロック１ａ及び第２加熱ブロック１ｂに埋め込んだ熱電対等からなる第１温度センサ３ａ及び第２温度センサ３ｂと、電源制御部４と、ヘリウムガスが収容されるガスボンベ５と、ガスボンベ５に接続されシリンダ１２内にヘリウムガスを供給するガス配管６と、第１及び第２加熱ブロック１ａ、１ｂの近傍（前面及び／又は後面）に配置された複数の輻射シールド板７ａ～７ｃと、第１及び第２加熱ブロック１ａ、１ｂや輻射シールド板７ａ～７ｃ等を保持するフランジ８と、から構成されている。

【0025】

電源制御部４は、第１及び第２加熱部材２ａ、２ｂ、並びに第１及び第２温度センサ３ａ、３ｂに接続され、第１及び第２温度センサ３ａ、３ｂからの温度信号に基づき、第１及び第２加熱部材２ａ、２ｂが所定の温度となるように供給電流を制御する。

【0026】

図２は、本実施形態に係る加熱装置１０がシリンダ１２に挿入された際の模式図である。加熱装置１０は、ディスプレーサ１３が引抜かれたシリンダ１２内に挿入され、フランジ８の上板が真空容器２２の上部に載置固定される。なお、ガス配管６は図示を省略している。

【0027】

ここでシリンダ１２は、銅製の第１冷却ステージ１２ａ及び第２冷却ステージ１２ｂと、ステンレス製の第１シリンダ部１２ｃ及び第２シリンダ部１２ｄを有する。第１加熱ブロック１ａは第１冷却ステージ１２ａに対向する部分に配置され、第２加熱ブロック１ｂは第２冷却ステージ１２ｂに対向する部分に配置される。

【0028】

（作用）
このように構成された本実施形態において、第２冷却ステージ１２ｂでの伝熱態様及び作用を、図２を用いて説明する。なお、第１冷却ステージ１２ａの伝熱態様及び作用も同様なので詳細な説明を省略する。

【0029】

第２加熱部材２ｂを電源制御部４からの通電により加熱することで、第２加熱ブロック１ｂを加熱する。ここでの伝熱態様は、第２加熱部材２ｂと第２加熱ブロック１ｂの間の狭い間隙におけるガスの熱伝導が主である。

【0030】

ところで、ガスの熱伝導により熱を伝える方法は、ガスの対流により熱を伝える方法よりも伝熱量は小さくなる。しかしながら、本実施形態におけるガスの熱伝導は間隙を狭くすることで伝熱量を増やすことができるのに対し、対流による方法では間隙を狭くすると圧力損失が大きくなり、十分なガス量を流すことができない。したがって、間隙を狭くした場合でも必要な伝熱量を確保することができるととともに、ガスの消費量を圧倒的に少なくすることができる。

【0031】

本実施形態では、第２加熱ブロック１ｂと第２加熱部材２ｂの温度差を小さくするために、両者間の間隙を０．５ｍｍ以下にすることが望ましい。
また、第２加熱ブロック１ｂとシリンダ１２の第２冷却ステージ１２ｂとの間の間隙も同様に０．５ｍｍ以下とし、ガスの熱伝導により熱を伝える。

【0032】

ここで、ガスボンベ５からガス配管６を介してヘリウムガスを流すことで、この間隙にはヘリウムガスが満たされている。ヘリウムガスは、空気の主成分である窒素ガスの熱伝導率に比べ５倍以上の熱伝導率を有するため、伝熱量が大きくなる。例えばこの間隙を０．３ｍｍ程度にすると３００Ｗ以上の伝熱量が得られる。

【0033】

この伝熱量でシリンダ１２を加熱すると、シリンダ１２を室温まで加熱しても、超電導コイル温度を３０Ｋ以下に保持することが可能となり、３０時間程度で再冷却することが可能となる。

【0034】

また、ステンレス製のシリンダ１２とアルミからなる第１及び第２加熱ブロック１ａ、１ｂの間隙は熱膨張により変化する。ここで、アルミからなる加熱ブロックの熱膨張率はステンレス製のシリンダの熱膨張率より大きいが、その差は０．１％程度あり、直径の大きな第１冷却ステージ１２ａでは、間隙が室温で約０．１ｍｍ小さくなり、伝熱量が多くなる方に作用する。

【0035】

一方、第１及び第２冷却ステージ以外のシリンダ１２の外側は真空断熱されているため、各冷却ステージと同様に加熱すると温度が高くなり、シリンダ１２の外側に施工されている多層断熱材が溶融し断熱性能が劣化する恐れがある。

【0036】

しかしながら、本実施形態では、第１及び第２シリンダ部１２ｃ、１２ｄには加熱ブロックを設けていないため過熱されることはなく、しかも、第１及び第２加熱ブロック１ａ、１ｂの近傍にはシリンダ１２に接触しないように複数の輻射シールド板７ａ～７ｃを設けることで、過熱による温度上昇を抑制可能としている。

【0037】

本発明者等が行った解析では、第１及び第２冷却ステージ１２ａ、１２ｂが３００Ｋ、第１及び第２加熱ブロックの温度が５００Ｋの場合、輻射シールド板７ａ～７ｃが無い場合には、第１及び第２加熱ブロック１ａ、１ｂから第２シリンダ部１２ｄへ１０Ｗ程度の輻射伝熱があり、シリンダ１２の中央部の温度が伝熱部より４０Ｋ程度高くなった。一方、輻射シールド板７ａ～７ｃを設けると、伝熱量は約１／１０に、また、温度差も約１／１０に低減できることが確認された。

【0038】

なお、本実施形態では第１加熱ブロック１ａと第２加熱ブロック１ｂは独立しており、かつ、両者は離間して配置されているため、第１及び第２冷却ステージ１２ａ、１２ｂの温度を個別に制御することが可能である。これにより、超電導コイルの温度上昇を抑え、かつ、シリンダ１２の過熱を抑制しながら、シリンダ１２を室温近傍まで効率的に昇温することができる。

【0039】

（効果）
以上説明したように、本実施形態に係る加熱装置１０によれば、超電導コイル２１の温度上昇を抑え、かつ、シリンダ１２の過熱を抑制しながら、シリンダ１２を室温近傍まで迅速かつ効率的に昇温させることができる。また、ヘリウムガスの消費量を大幅に低減することができる。これにより、メンテナンス作業時間の短縮化と効率化及び低コスト化を図ることが可能となる。

【0040】

以上、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。

【符号の説明】

【0041】

１ａ…第１加熱ブロック、１ｂ…第２加熱ブロック、２ａ…第１加熱部材、２ｂ…第２加熱部材、３ａ…第１温度センサ、３ｂ…第２温度センサ、４…電源制御部、５…ガスボンベ、６…ガス配管、７ａ～７ｃ…輻射シールド板、８…フランジ、９…超電導磁石装置、１０…加熱装置、１１…極低温冷凍機、１２…シリンダ、１２ａ…第１冷却ステージ、１２ｂ…第２冷却ステージ、１２ｃ…第１シリンダ部、１２ｄ…第２シリンダ部、１３…ディスプレーサ、２１…超電導コイル、２２…真空容器、２３…熱シールド、２４…伝熱板

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】