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公開番号2025083843
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-06-02
出願番号2023197470
出願日2023-11-21
発明の名称極低温冷却システム及び極低温冷却方法
出願人株式会社東芝,東芝エネルギーシステムズ株式会社
代理人弁理士法人東京国際特許事務所
主分類H01F 6/04 20060101AFI20250526BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】冷却源により冷却された熱媒体を循環させて被冷却物を冷却する際にエネルギ効率を向上できること。
【解決手段】極低温冷却システムであって、極低温の液体の冷媒12A及び気体の冷媒12Bを貯留する貯留容器12と、貯留容器内で液体の冷媒に接する液相熱交換器13と、貯留容器内で液体の冷媒に接すると共に液相熱交換器に接続される気相熱交換器14と、熱媒体15Hを液相熱交換器から超電導コイル1へ導く供給側配管16、及び熱媒体を超電導コイルから気相熱交換器へ導く戻り側配管17を備えて、熱媒体を循環させる循環系15と、を有し、超電導コイルよりも高温の熱シールド2が循環系の戻り側配管に熱的に接し、気相熱交換器、液相熱交換器による冷媒との熱交換により順次冷却された熱媒体が、供給側配管に供給されて超電導コイルを極低温に冷却すると共に、戻り側配管に導かれて熱シールドを極低温に冷却するものである。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
第１被冷却物及び第２被冷却物を極低温に冷却する極低温冷却システムであって、
極低温の液体の冷媒、及びこの冷媒が蒸発した気体の前記冷媒を共に貯留する貯留容器と、
前記貯留容器内に設けられて液体の前記冷媒に接する液相熱交換器と、
前記貯留容器内に設けられて気体の前記冷媒に接すると共に、前記液相熱交換器に接続される気相熱交換器と、
熱媒体を前記液相熱交換器から前記第１被冷却物へ導く供給側配管、及び前記熱媒体を前記第1被冷却物から前記気相熱交換器へ導く戻り側配管を備えて、前記熱媒体を循環させる循環系と、を有し、
前記第１被冷却物よりも高温に設定される前記第２被冷却物が前記循環系の前記戻り側配管に熱的に接して設けられ、
前記気相熱交換器、前記液相熱交換器による前記冷媒との熱交換により順次冷却された前記熱媒体が、前記供給側配管に供給されて前記第１被冷却物を極低温に冷却すると共に、前記戻り側配管に導かれて前記第２被冷却物を極低温に冷却するよう構成されたことを特徴とする極低温冷却システム。
続きを表示（約 980 文字）【請求項２】
前記第２被冷却物が、貯留容器と第１被冷却物の少なくとも一方を内包する熱シールドであることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷却システム。
【請求項３】
前記第２被冷却物が、第１被冷却物である超電導コイルに通電する電流リードであることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷却システム。
【請求項４】
前記第２被冷却物が、貯留容器と第１被冷却物である超電導コイルとの少なくとも一方を内包する熱シールドと、前記超電導コイルに通電する電流リードとであり、
戻り側配管が前記超電導コイル近傍で分岐され、一方の分岐配管が前記熱シールドに、他方の分岐配管が前記電流リードに、それぞれ熱的に接して構成されたことを特徴とする請求項１に記載の極低温冷却システム。
【請求項５】
前記戻り配管には、電流リードを冷却した後の熱媒体が流れる配管部分に、室温の圧縮機が配設されたことを特徴とする請求項３または４に記載の極低温冷却システム。
【請求項６】
前記冷媒が水素、ネオン、窒素またはアルゴンであることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷却システム。
【請求項７】
第１被冷却物及び第２被冷却物を極低温に冷却する極低温冷却方法であって、
極低温の液体の冷媒、及びこの冷媒が蒸発した気体の前記冷媒を共に貯留する貯留容器と、
前記貯留容器内に設けられて液体の前記冷媒に接する液相熱交換器と、
前記貯留容器内に設けられて気体の前記冷媒に接すると共に、前記液相熱交換器に接続される気相熱交換器と、
熱媒体を前記液相熱交換器から前記第1被冷却物へ導く供給側配管、及び前記熱媒体を前記第1被冷却物から前記気相熱交換器へ導く戻り側配管を備えて、前記熱媒体を循環させる循環系と、を準備し、
前記第１被冷却物よりも高温に設定される前記第２被冷却物を前記循環系の前記戻り側配管に熱的に接して設け、
前記気相熱交換器、前記液相熱交換器による前記冷媒との熱交換により順次冷却された前記熱媒体を、前記供給側配管に供給して前記第１被冷却物を極低温に冷却した後、前記戻り側配管に導いて前記第２被冷却物を極低温に冷却することを特徴とする極低温冷却方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、極低温冷却システム及び極低温冷却方法に関する。
続きを表示（約 2,200 文字）【背景技術】
【０００２】
一般に、超電導コイルは、液体ヘリウム等の寒剤や極低温冷凍機等の冷却源で極低温に冷却して使用される。ここで、超電導コイルと冷却源との間で熱を伝える方法としては、伝導冷却方式と冷媒循環方式がある。伝導冷却方式は、構成がシンプルであるため多くの超電導機器で用いられている。ところが、この伝導冷却方式は、高磁場の装置や大型の機器では冷却源と超電導コイルとの距離が長くなり、両者の温度差が大きくなる課題がある。そのような超電導機器では冷媒循環方式が用いられる。
【０００３】
一方、近年では、地球温暖化対策としての水素エネルギを用いた装置の開発が盛んで、液体水素とこれを利用した高温超電導機器の開発が進められている。液体の水素は気体の水素に比べて容積を小さくできることで、自動車や航空機等ではメリットがある。また、この液体水素を用いて冷却した高温超電導モータを用いることで、モータの小型化及び軽量化を実現することが可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
特開２００３－１４８８４４号公報
特開２００４－１１９９６６号公報
特公平５－５１８３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のような極低温冷却システムとしては、特許文献１、２及び３、並びに図４に示すようなものがある。図４では、極低温冷却システム１００は、被冷却物としての超電導コイル１０１を収容する第１真空容器１１１と、冷媒としての液体水素１１３Ｈが貯留された貯留容器１１３を収容する第２真空容器１１２と、供給側配管１１４、戻り側配管１１５及び低温ファン１１６を備えた循環系１１７と、を有してなる。この循環系１１７は、戻り側配管１１５に配設された低温ファン１１６の作動によって、貯留容器１１３内の液体水素１１３Ｈにより冷却された熱媒体１１８を、供給側配管１１４により超電導コイル１０１へ供給して循環させる。
【０００６】
上述の極低温冷却システム１００の課題の一つに、液体水素１１３Ｈの消費量の低減がある。そのためには、特に超電導コイル１０１への熱侵入量を低減すればよく、この熱侵入量の低減方法として、熱シールドを設ける方法等が知られている。しかし、熱シールドを冷却するためには、追加の冷却源が必要になるため、全体のエネルギ効率を考慮すると必ずしも有効であるとは言えない。
【０００７】
本発明の実施形態は、上述の事情を考慮してなされたものであり、冷却源により冷却された熱媒体を循環させて被冷却物を冷却する際にエネルギ効率を向上させることができる極低温冷却システム及び極低温冷却方法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】
【０００８】
本発明の実施形態における極低温冷却システムは、第１被冷却物及び第２被冷却物を極低温に冷却する極低温冷却システムであって、極低温の液体の冷媒、及びこの冷媒が蒸発した気体の前記冷媒を共に貯留する貯留容器と、前記貯留容器内に設けられて液体の前記冷媒に接する液相熱交換器と、前記貯留容器内に設けられて気体の前記冷媒に接すると共に、前記液相熱交換器に接続される気相熱交換器と、熱媒体を前記液相熱交換器から前記第１被冷却物へ導く供給側配管、及び前記熱媒体を前記第1被冷却物から前記気相熱交換器へ導く戻り側配管を備えて、前記熱媒体を循環させる循環系と、を有し、前記第１被冷却物よりも高温に設定される前記第２被冷却物が前記循環系の前記戻り側配管に熱的に接して設けられ、前記気相熱交換器、前記液相熱交換器による前記冷媒との熱交換により順次冷却された前記熱媒体が、前記供給側配管に供給されて前記第１被冷却物を極低温に冷却すると共に、前記戻り側配管に導かれて前記第２被冷却物を極低温に冷却するよう構成されたことを特徴とするものである。
【０００９】
本発明の実施形態における極低温冷却方法は、第１被冷却物及び第２被冷却物を極低温に冷却する極低温冷却方法であって、極低温の液体の冷媒、及びこの冷媒が蒸発した気体の前記冷媒を共に貯留する貯留容器と、前記貯留容器内に設けられて液体の前記冷媒に接する液相熱交換器と、前記貯留容器内に設けられて気体の前記冷媒に接すると共に、前記液相熱交換器に接続される気相熱交換器と、熱媒体を前記液相熱交換器から前記第1被冷却物へ導く供給側配管、及び前記熱媒体を前記第1被冷却物から前記気相熱交換器へ導く戻り側配管を備えて、前記熱媒体を循環させる循環系と、を準備し、前記第１被冷却物よりも高温に設定される前記第２被冷却物を前記循環系の前記戻り側配管に熱的に接して設け、前記気相熱交換器、前記液相熱交換器による前記冷媒との熱交換により順次冷却された前記熱媒体を、前記供給側配管に供給して前記第１被冷却物を極低温に冷却した後、前記戻り側配管に導いて前記第２被冷却物を極低温に冷却することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の実施形態によれば、冷却源により冷却された熱媒体を循環させて被冷却物を冷却する際にエネルギ効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
（【００１１】以降は省略されています）

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