JP6349390B2 - 冷却回路において過冷却液によって被冷却体を冷却する装置 - Google Patents

Description

本発明は、被冷却体に割り当てられる冷却流体循環用の冷却回路を備えた被冷却体の冷却装置に関する。この冷却回路にはポンプおよび過冷却器が設けられ、この過冷却器は、容器と、ガス除去ラインと、熱交換器とを有し、その容器は、膨張弁を具備する供給ラインを介して、冷却液用の貯蔵タンクに流体接続されると共に冷却浴を受け入れ、そのガス除去ラインは、蒸発した冷却液の排出用としてその容器上に配置され、その熱交換器は、装置の適正な使用の間、冷却浴内に浸漬されて冷却回路に組み込まれる。

低沸点の液化ガス、例えば、液化窒素、液化酸素または液化希ガスは、貯蔵容器および配管の特に良好な断熱によってのみ液体に維持することが可能である。きわめて僅かな熱の入射または摩擦熱によって、沸騰状態に応じて部分的な気化が生じる。部分的気化は、目標とする冷却作用を損なう沸騰気泡を冷却回路内に集積させる。従って、部分気化対策として、熱発生被冷却体に供給する前に、液体を過冷却することが推奨される。本発明に関連する場合、「過冷却」は、液体を、対応するそれぞれの圧力におけるその沸点未満の温度に冷却することとして理解される。例えば、二酸化炭素またはフッ化炭化水素のような高沸点の液化ガスの場合には、過冷却を生じさせるのは比較的簡単である。そのためには、貯蔵タンク内の液体冷却剤を、環状の配管系内における循環の間、熱の入射および摩擦損失の結果としての部分的な気化が生じない程度に、電気冷却ユニットによって過冷却する。しかし、これに必要なユニットは、その電力要求量が高いので入手および運転が非常に高価なものになる。

独国特許出願公開第２９２９７０９Ａ１号明細書は、液体を過冷却する装置を記述している。この装置は、液化極低温冷却剤の冷却浴が受け入れられる断熱容器であって、その上部空間内にガス流出弁が配置される容器から構成される。冷却浴内には、熱交換器、例えば冷却コイルが配置され、それを通して、過冷却されるべき液体が流れる。液体を過冷却するため、冷却浴上部の圧力が、冷却コイル内部の圧力より確実に低くなるように操作される。冷却浴は沸騰状態にあるが、その圧力は過冷却されるべき液体の圧力に比べて低下しているので、その沸騰温度は、過冷却されるべき液体の沸点未満であり、それによって、その液体は過冷却され、その内部にすでに形成されていたガスの気泡は再度液化される。冷却浴上部の圧力が低ければ低い程、その沸点も低くなり、冷却コイル内の液体の過冷却が効率的になる。

現在、このような過冷却器を、例えば被冷却体に割り当てられる冷却回路内に組み込むことによって、被冷却体の冷却に用いることができる。過冷却器は、過冷却された冷却液を被冷却体に定常的に供給する。このような形態の場合、冷却液が、被冷却体との熱接触の間にもその沸点に達しないように、冷却液の過冷却の間に除去される熱を被冷却体からの熱入力に合致させて、その冷却液を、冷却回路内において常に液体状態に維持できる。

特に不規則な熱入力事象の場合にも、密度または容積の変動を補償するために、このタイプの冷却回路には、冷却液の液位レベルの上部に均圧化のためのガスが存在する均等化容器を備えるべきである。例えば、欧州特許出願公開第１３５５１１４Ａ２号明細書は、冷気伝達媒体として極低温液体を含む、例えば、高温超電導ケーブルのような冷却コンポーネントのための閉冷却回路を記述しているが、この閉冷却回路においては、冷却回路に付属する均等化容器が、冷却回路を、例えば２〜２０ｂａｒの高められた圧力に維持すると共に、閉回路内に突然出現するガス形成と漏洩損失とを補償する機能を果たす。この場合、均等化容器は冷却回路に直接接続され、その容器には、冷却回路内を同様に循環する同じ極低温液体が充填される。

しかし、冷却回路に組み込まれる均等化容器は、いくつかの可能性と、特に冷却回路を運転し得る温度とを制限する。特に、過冷却液によって作動する冷却回路の場合には、気化した冷却液による均圧化が不可能または困難である。それは、過冷却液が均等化容器の中に進入することによって、その中の気体状の冷却剤を凝縮させ、均等化容器内の圧力を運転圧力未満に低下させると見られるからである。可能な一解決策は、均等化容器のガスチャンバ内の均圧化ガスとして、例えばヘリウムのような低沸点のガスを使用すること、あるいは、均等化容器の内部に、気相および液相の間の分離膜を設けることであろう。しかし、この両案共、構築および維持の点で大きなコストを伴う。

従って、本発明の目的は、冷却回路において過冷却された冷却液を用いて被冷却体を冷却する装置であって、冷却回路における均圧化を簡単な手段によって実現し得る装置を作出するという点にある。

冒頭に述べたタイプと設定目標との装置の場合、この目的は、装置の適正な使用の間、流れ開放型の接続ラインを冷却回路から分岐させ、その接続ラインを、貯蔵タンクに流体接続する、および／または、過冷却器の冷却浴に至る供給ラインに膨張弁の上流側で流体接続することによって実現される。

このため、本発明による装置は、それ自体最初に知られる方式において、冷却回路と、被冷却体の上流側に配置される過冷却器とを備える。この冷却回路には、被冷却体に加えて、冷却液（「冷却液（ｃｏｏｌｉｎｇ ｌｉｑｕｉｄ）」および「液体冷却剤（ｌｉｑｕｉｄ ｃｏｏｌａｎｔ）」の用語は、以下において同義語として用いる）を搬送するためのポンプが設けられる。過冷却器は、冷却液を、対応するそれぞれの圧力におけるその沸点未満の温度にするが、その場合、その過冷却は、過冷却の間に冷却液から除去される熱の量が、被冷却体、ポンプおよび任意の配管損失からの熱の入力を少なくとも相殺する程度に好適に実施される。過冷却器は、冷却回路に組み込まれる熱交換器を有し、過冷却されるべき液体冷却剤がその熱交換器を通って流れると共に、その熱交換器は冷却浴の中に受け入れられる。一方、冷却浴は、耐圧性で気密の容器内に受け入れられ、冷却回路内を循環する冷却液と同じ物質から構成されるが、冷却回路内の冷却液より低温である。そのため、冷却浴の低温度を実現するために、冷却浴上部の気相の圧力が、ガスの排出によって、具体的には、冷却浴の冷却液の沸点が冷却回路内の冷却液の沸点未満になる値（以下「目標圧力」と称する）まで調整される。従って、冷却回路内の冷却剤の間の温度の差異は、基本的に、冷却浴と冷却回路との間の圧力の差異によってもたらされる。冷却回路内の冷却液は、冷却浴との熱交換によって、その沸点（以下「目標温度」と呼称する）未満の温度に冷却される。その場合、冷却回路内の沸点と目標温度との間の差異は、基本的に、被冷却体、ポンプおよび冷却回路の配管からの熱の入力によって決定され、特に、熱の入力に応じて制御することも可能である。熱交換器における熱入力によって生じる冷却浴内における冷却液の損失を補償するために、冷却浴を受け入れる圧力容器は、冷却液用の貯蔵タンクに流体接続される。この貯蔵タンクの排液部を冷却浴に接続する液体供給ラインには、冷却浴上部の目標圧力を超えないようにする膨張弁が具備される。液体冷却剤としては、極低温液化ガス、例えば液体窒素、または液化希ガスを用いることが望ましい。

冷却回路において、場合によって生じる密度または容積の変動のために必要になる均圧化を実現するために、本発明によれば貯蔵タンクそのものを利用する。この目的のため、貯蔵タンクは接続ラインを介して冷却回路に流体接続され、その接続ラインは、膨張弁の上流側で液体供給ラインから分岐していると共に、装置の適正な使用の間、両方向に流れるように常に開放されている。この場合、この接続ラインは、貯蔵タンクそのものに開口しているか、あるいは、貯蔵タンクを過冷却器内の冷却浴に接続する液体供給ラインに、いずれの場合も膨張弁の上流側で開口している。従って、密度または容積が変動する事象が生起すると、冷却液が貯蔵タンクから冷却回路の中に流れること、あるいはその逆が可能になるが、その場合、その流れによって、冷却浴の領域内の圧力状態が顕著な影響を受けることはない。実際の均圧化は、貯蔵タンク内の冷却液上部に存在する気相によって実現される。特に、−冷却回路の容積に比べて−大容量の冷却液が貯蔵タンク内に保持されていると、貯蔵タンク内の冷却液の量と、その静圧とによって、接続ラインを経由して貯蔵タンクの排液部の中に流入する過冷却された冷却液が、貯蔵タンク内の液体冷却剤の温度を、貯蔵タンク内の気相が崩壊する程度にまで低下させることができなくなる。しかし、貯蔵容器内の圧力は、場合によっては、貯蔵タンクに接続される加圧気化器によって、例えば空気気化器によって、所定の圧力に維持できる。従って、冷却回路には、別個の均圧化容器は必要でなくなり、このため、先行技術による冷却回路に比べて、本発明による冷却装置の構造も簡素化され、かつ、均圧容器の中への熱入力によって惹起されるエネルギー損失が回避される。

本発明の有利な一実施形態においては、液体供給ラインに第２過冷却器が配置される。その位置は、膨張弁の上流側であるが、液体供給ラインへの接続ラインの入口の下流側である。この第２過冷却器によって、気相状態において存在する液体冷却剤のかなりの部分が、膨張弁に達した際に気相状態にあることが避けられる。液体冷却剤が膨張弁に達した際に気相状態にあることは、膨張弁の機能性を損ない、また、第１過冷却器（以下「主過冷却器」と呼称する）の機能性にも影響を及ぼすことになる。第２過冷却器としては、例えば、過冷却されるべき媒体を搬送するラインが冷却浴を通って導かれて、冷却浴に熱的に接続されるような方式の対象が用いられる。この場合、冷却浴の温度は、ラインを通して導かれる媒体の温度より低い。

本発明の別の有利な実施形態は、供給ラインに相分離器が設けられる方式を提供する。この相分離器の位置は、膨張弁の上流側で、接続ラインの分岐点の下流側である。相分離器としては、分離されるべき媒体が供給される容器であって、その媒体が、その容器の中で、底部に集まる液相（媒体は引き続いて過冷却器に送られる）と、その上部の気相（これは引き続いて引き抜かれ、場合によっては別の用途に供給される）とに分離される容器が用いられる。相分離器は、特に、主過冷却器の冷却浴に対する液体供給ラインへの接続ラインからのフラッシュガスを、液体から分離して、このガスが主過冷却器に達しないようにする機能を果たす。相分離器は、さらにまた、主過冷却器に供給される冷却剤の予備冷却用としても用いることが可能である。この場合には、相分離器の上流側であるが接続ラインの分岐点の下流側に別の膨張弁が配置され、相分離器は、貯蔵タンクの排液部の圧力未満の圧力、例えば未加圧の圧力（１ｂａｒ）で運転される。過冷却器または相分離器を追加することによって、主過冷却器の負担が緩和され、主過冷却器の冷却浴に真空（ｐ＜１ｂａｒ）を印加して特別に低い冷却温度を実現しなければならない場合に、冷却剤の消費量が低減される。

接続ラインは、原理的には、冷却回路の任意の点において冷却回路に開口することができるが、貯蔵タンクに対する過冷却器の温度の影響をできる限り小さく維持するために、過冷却器の上流側で冷却回路に開口することが望ましい。被冷却体の領域におけるいかなる密度の変動をも特に効果的に均等化できるようにするため、接続ラインは、被冷却体の下流側であるがポンプの上流側で冷却回路に開口することが特に望ましい。

本発明の有利な一発展形態は、ガス除去ラインに真空ポンプを設ける方式を提供する。この方式によって、冷却浴を受け入れる圧力容器内の目標圧力を、大気圧未満の値、すなわち、１ｂａｒ未満に低減でき、これによって、さらに低い冷却浴温度を実現できる。

貯蔵タンクには、加圧気化器、例えば空気気化器を設けることが有利である。これによって、貯蔵タンク内の一定圧力が維持される。

本発明の別の好ましい一実施形態は、冷却浴の温度を、測定および制御装置によって、冷却回路への熱入力に応じて制御できるという特徴を有する。従って、例えば、冷却回路の冷却液の温度を常時または所定の時間間隔で検出して、決定された温度を制御ユニットに提供し、温度の設定値と比較する。続いて、冷却浴を受け入れる圧力容器内の圧力を、液体供給における膨張弁および／またはガス流出口における真空ポンプの再調整によって調整する。

本発明による装置は、特に、超電導、特に高温超電導のコンポーネントを冷却するのに適している。従って、この場合、冷却回路に組み込まれる被冷却体は、超電導コンポーネント、例えば超電導ケーブルまたは超電導マグネットである。超電導状態を達成して維持するために、このタイプの超電導コンポーネントを、材料と電流および磁束による負荷とに応じて、ほぼゼロと、現在のところ（いくつかの高温超電導体の場合には）約１４０Ｋとの間の低い運転温度に保持しなければならない。この運転温度を実現するために、超電導コンポーネントを、例えば、液体窒素、液体ヘリウム、または他の液化ガスによって冷却する。しかし、運転の間、超電導コンポーネントは、冷却剤の中にほぼ無に等しい熱を導入する。このため、これらのコンポーネントは、冷却回路内に循環する過冷却液による冷却に特によく適している。

被冷却体、例えば超電導ケーブルを冷却するための冷却回路において、冷却剤として、冷却回路内を８〜１０ｂａｒの圧力で循環する液体窒素を使用する。冷却回路内に配置される過冷却器によって、窒素の温度を−２０６℃にする。被冷却体およびポンプを通過した後、窒素の温度は、過冷却器の入口において−２００℃である。この温度差に対応する熱が、過冷却器の冷却浴の圧力を、真空ポンプによって例えば０．１５〜０．２ｂａｒにすることによって、液体窒素から除去される。冷却回路内の圧力は、貯蔵容器の排液部の圧力に等しく、その結果、本発明によれば、貯蔵容器を均等化容器として使用できる。

本発明の例示的な実施形態が添付の模式図に表現されている。

本発明による装置の第１実施形態の回路図を示す。 本発明による装置の第２実施形態の回路図を示す。 本発明による装置の第３実施形態の回路図を示す。

以下においては、提示する実施形態の同じ効果を有する部品は、それぞれ同じ参照番号を有する。

図１に示す装置１は、被冷却体（図１には図示されていない）、例えば、超電導ケーブルまたはマグネットを冷却するための冷却回路２を含む。冷却回路２は、被冷却体に、液体冷却剤、特に、例えば液体窒素、ＬＮＧまたは液化希ガスのような極低温冷却剤を供給するための前方流れライン３と、被冷却体から液体冷却剤を取り出すための戻り流れライン４とを含む。前方流れライン３および戻り流れライン４は、相互に流体接続され、ポンプ５が、冷却回路２の内部において液体冷却剤を搬送する。

過冷却器６は、前方流れライン内においてポンプ５の下流側に配置される。過冷却器６は、冷却浴８が受け入れられる圧力容器７を含む。圧力容器７を貫通して導かれる前方流れライン３であって、熱交換器、例えば冷却コイル９を備えた前方流れライン３が、冷却浴８の中に浸漬される。冷却浴８に新鮮な液体冷却剤を供給するために、供給ライン１２が圧力容器７内に開口しており、その供給ライン１２は、例えば立型タンクである貯蔵タンク１１の排液部に接続される。この場合、貯蔵タンク１１内の圧力は、タンク圧力制御ユニットによって、例えば空気気化器１３を用いて所定圧力に保持される。供給ライン１２には膨張弁１４が配置され、その膨張弁１４によって、膨張弁１４の下流側の供給ライン１２内の最高圧力を調整できる。圧力容器７内部の上部領域−装置１の適正な使用の間、気体状の冷却剤によって充満される−にガス除去ライン１５が開口しており、そのガス除去ライン１５に、任意選択的に真空ポンプ１６が組み込まれる。冷却回路２と、貯蔵タンク１１に流体接続される装備品とは、流体的に相互に独立しているのではなく、接続ライン１７によって相互に連結されている。接続ライン１７は、膨張弁の上流側の分岐点１８と、ポンプ５の上流側の分岐点１９との間において、供給ライン１２と冷却回路２との間に流れの接続を形成する。

装置１が作動している時、液体冷却剤が冷却回路２を通って流れる。冷却回路２内の圧力は、基本的に、貯蔵タンク１１の底部における圧力に合致しており、従って、貯蔵タンク１１内の液体表面における冷却剤の沸点より高い沸点を有する。冷却剤は、過冷却された状態で前方流れライン３を経由して被冷却体に供給され、被冷却体との、および／または被冷却体から／に出入りする配管部分との熱接触によって加熱された冷却剤は、まだ液体状態のまま、かつ、好ましくは過冷却状態において、被冷却体から、戻り流れライン４を経由して流出し、ポンプ５によって、前方流れライン３の中に戻される。

冷却剤を全冷却回路２内において確実に液体状態に保持するために、前方流れライン３内の冷却剤を、過冷却器６によって、その沸点より例えば５Ｋ〜１０Ｋ低い所定温度に冷却する。この「所定温度」は、冷却回路２における全熱入力が、過冷却された冷却剤をその沸点に加熱するには不十分である−あるいは、せいぜいのところぎりぎりで十分である−状況になるように選択される。このため、圧力容器７内に存在する圧力における沸点が前方流れライン３内の冷却剤の所定温度未満になるように、冷却浴８の冷却剤を、冷却回路２内の冷却剤より低圧にする。必要な圧力は、膨張弁１４において調整される。この場合、必要であれば、その圧力を、真空ポンプ１６によって１ｂａｒ未満の圧力に低下させることも可能である。ガス除去ライン１５から除去されるガスは、大気に放出されるか、あるいは他用途に供給される。また、圧力容器７内の圧力を、前方流れライン３内の冷却剤の測定温度に応じて制御することも、本発明の範囲内において考えることができる。

冷却回路２の運転の間に圧力変動が生じる場合は、均等化容積が必要である。装置１の場合には、貯蔵タンク１１がそのような均等化容積として機能する。それは、冷却剤が、装置１の運転の間、両方向に流れるように開放されている接続ライン１９を経由して、冷却回路２および貯蔵タンク１１の間に自由に流れることができるからである。加圧気化器１３によって、貯蔵タンク１１内に要求される任意の圧力形成が可能である。このため、装置１は、冷却回路２に付属する別個の均等化容器を必要としない。供給ライン１２における分岐点１８は膨張弁１４の上流側に配置され、膨張弁１４が所定の終端圧力に制御するので、冷却回路２内に生じる圧力変動が、容器７内における圧力状態に顕著な影響を及ぼすことはない。

図２に示す装置２０は、供給ライン１２における膨張弁１４の上流側に追加の過冷却器２１が配置されるという点においてのみ、装置１と異なっている。過冷却器２１は、冷却浴２３の中に浸漬される熱交換器２２を有する。冷却浴２３も貯蔵タンク１１から供給されるが、この場合、膨張弁２４によって、冷却浴２３の圧力がライン１２内の圧力より確実に低くなり、従って、冷却浴２３の温度が、熱交換器２２を通って流れる冷却剤の温度より確実に低くなる点が相違点である。供給ライン１２を通って流れる冷却剤を過冷却することによって、冷却剤のかなりの部分がすでに気化状態になって膨張弁１４に達することが回避される。冷却剤が部分気化状態で膨張弁１４に達すると、膨張弁１４の機能が損なわれ、過冷却器６の性能に影響が及ぶことになる。

図３に示す装置２５においては、供給ライン１２における膨張弁１４の上流側に相分離器２６が配置され、その相分離器２６の上流側に別の膨張弁２７が設けられる。相分離器は容器２８を含み、この容器２８内において、相分離器２６の上流側で液体冷却剤の気化によって生成された気体状の冷却剤、および／または、接続ライン１９を経由して冷却回路２から導入された気体状の冷却剤が、相分離器２６内のガス相２９に集合し、一方、液体状態のまま残った冷却剤は、相分離器２６内に液相３０を形成する。液相３０は、相分離器２６の下流側の供給ライン１２の部分を介して過冷却器６と流体接続され、一方、ガスは、ガス相２９に流体接続されたガス排出ライン３１を経由して、ガス相２９から除去できる。相分離器２６によって、装置２０における第２過冷却器２１の場合と同様に、膨張弁１４の直前の供給ライン１２内には気体状の冷却剤が全く存在しないか、またはごく僅かしか存在しない状況が確保され、従って、膨張弁１４の機能の障害になることが回避される。相分離器２６は、同時に、運転の間、ガス相２９を貯蔵タンク１１の底部の圧力より低い圧力に保持することによって、過冷却器６に供給される冷却剤の予備冷却用として用いることができる。

１ 装置
２ 冷却回路
３ 前方流れライン
４ 戻り流れライン
５ ポンプ
６ 過冷却器
７ 圧力容器
８ 冷却浴
９ 冷却コイル
１０ −
１１ 貯蔵タンク
１２ 供給ライン
１３ 空気気化器
１４ 膨張弁
１５ ガス除去ライン
１６ 真空ポンプ
１７ 接続ライン
１８ 分岐点
１９ 分岐点
２０ 装置
２１ 過冷却器
２２ 熱交換器
２３ 冷却浴
２４ 膨張弁
２５ 装置
２６ 相分離器
２７ 膨張弁
２８ 容器
２９ ガス相
３０ 液相
３１ ガス排出ライン

Claims (8)

1. 被冷却体に割り当てられる冷却流体循環用の冷却回路（２）であって、ポンプ（５）および過冷却器（６）が設けられる冷却回路（２）を備えた被冷却体の冷却装置であって、前記過冷却器（６）は、容器（７）と、ガス除去ライン（１５）と、熱交換器（９）とを有し、前記容器（７）は、膨張弁（１４）を具備する供給ライン（１２）を介して冷却液用の貯蔵タンク（１１）に流体接続されると共に、冷却浴（８）を受け入れる機能を担い、前記ガス除去ライン（１５）は、蒸発した冷却液の排出用として前記容器（７）上に配置され、前記熱交換器（９）は、前記装置（１、２０、２５）の適正な使用の間、前記冷却浴（８）内に浸漬されて前記冷却回路（２）に組み込まれる、冷却装置において、
   前記装置（１、２０、３５）の適正な使用の間、両方向に流れるように常に開放されている接続ライン（１７）が前記冷却回路（２）から分岐しており、前記接続ライン（１７）は、前記貯蔵タンク（１１）に流体接続され、および／または、前記過冷却器（６）の前記冷却浴（８）に至る前記供給ライン（１２）に前記膨張弁（１４）の上流側で流体接続される、
   ことを特徴とする冷却装置。
2. 前記供給ライン（１２）において、前記接続ライン（１７）の入口部（１８）と前記膨張弁（１４）との間に第２過冷却器（２１）が配置される、ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記供給ライン（１２）において、前記膨張弁（１４）の上流側に相分離器（２６）が設けられる、ことを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
4. 前記接続ライン（１７）が、前記被冷却体の下流側であるが前記ポンプ（５）の上流側において前記冷却回路（２）に開口している、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
5. 前記ガス除去ライン（１５）に真空ポンプ（１６）が装備される、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
6. 前記貯蔵タンク（１１）に加圧気化器（１３）が装備される、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
7. 前記冷却浴（８）の温度を、測定および制御装置によって、前記冷却回路（２）における熱入力に応じて制御できる、ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置。
8. 前記被冷却体として超電導コンポーネントが設けられる、ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。

Images