JP2000154944A - 極低温容器の冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱負荷変動による膨張機故障等の不都合を生
ずることなく、少ない液体ヘリウム消費量で極低温容器
の冷却をする。 【解決手段】 超電導磁石１２とこれを冷却するための
液体ヘリウムとを収容する極低温容器１０を冷却する装
置。上記極低温容器１０に、当該容器１０内へ液体ヘリ
ウムを供給するための液体ヘリウム容器１４を接続する
とともに、膨張機なしのヘリウム冷却器２０等からなる
ヘリウム還元手段を接続し、極低温容器１０内で蒸発し
た低温ヘリウムガスを導出してこれを液化した後に当該
容器１０内へ還元するようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、核融合、超電導エ
ネルギ貯蔵、加速器、ＮＭＲ、リニアモータカー等に用
いられる超電導磁石その他の被冷却体を液体ヘリウムに
よって冷却するための極低温容器の冷却装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来、上記のような極低温容器の冷却装
置として、次のようなものが知られている。

【０００３】Ａ）図６に示すように、超電導磁石等の被
冷却体８２及び液体ヘリウムが収容されたクライオスタ
ット（極低温容器）８０にヘリウム導入通路８６を介し
て液体ヘリウム貯槽（デュワー）８４を接続したもの。
この装置では、液体ヘリウム貯槽８４からクライオスタ
ット８０に供給される液体ヘリウムによってクライオス
タット８０内の低温が維持され、このクライオスタット
８０内で蒸発したヘリウムガスは系外（すなわち大気）
に放出される。

【０００４】Ｂ）図７に示すように、前記クライオスタ
ット８０にヘリウム液化冷凍機９０が接続されたもの。
図において、クライオスタット８０内の蒸発ヘリウムガ
スは、低圧ライン９２を通じて圧縮機ＣＰに導入され、
圧縮される。圧縮機ＣＰから吐出されたヘリウムガス
は、高圧ライン９１を通じてクライオスタット８０に導
入されるが、その途中、保冷箱９５内に収容された複数
段の熱交換器９４Ａ，９４Ｂ，９４Ｃ，９４Ｄ，９４
Ｅ，９４Ｆで低圧ライン９２を流れる低温ヘリウムガス
と熱交換し、さらに膨張弁９６でジュール−トムソン膨
張して液化された後にクライオスタット８０に導入され
る。さらに、高圧ライン９１を流れるヘリウムガスの一
部は、膨張機（例えば膨張タービン）９８Ａ，９８Ｂで
仕事をしてから低圧ライン９２に戻され、これによりク
ライオスタット８０内の冷却に必要な寒冷が発生する
（例えば特公平６−10564号公報参照）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】Ａ）に示す装置では、
蒸発したヘリウムガスをそのまま大気中に逃がしている
ので、効率が悪く、高価なヘリウムガスを大量に消費し
なければならない。従って、ランニングコストが非常に
高くなる。

【０００６】一方、Ｂ）に示す装置によれば、ヘリウム
ガスの消費量は削減されるが、次のような不都合があ
る。

【０００７】一般に、クライオスタット８０内の熱負荷
は、超電導磁石等からなる被冷却体８２の運転状態によ
って大きく変動する場合が多い。ここで、Ｂ）の装置で
は、クライオスタット８０内にヘリウム液化冷凍機９０
が単独で直結されているため、当該冷凍機９０の膨張機
９８Ａ，９８Ｂが上記熱負荷の変動による影響をもろに
受けてしまうことになる。具体的には、クエンチ等の外
乱によってクライオスタット８０内の熱負荷が増え、蒸
発ヘリウムガス量が急増した場合、低圧ライン９２での
ヘリウムガス流量も増えて熱バランスが崩れ、特に膨張
機９８Ａの入口温度が急降下することになる。その結
果、膨張機９８Ａの回転が不安定となり、最悪の場合に
は焼損に至るおそれがある。

【０００８】なお、前記特公平６−10564号公報には、
ヘリウム液化冷凍機中にバッファタンクを設け、余剰の
ヘリウムガスを当該タンクに一時的に溜めておく方法が
開示されているが、これによる熱負荷変動の吸収には限
界がある。また、系内に膨張機が存在する以上、その故
障のおそれが完全になくなることはあり得ず、抜本的な
解決策とはなっていない。

【０００９】本発明は、このような事情に鑑み、膨張機
の故障等の不都合を生ずることなく、蒸発ヘリウムガス
を効率よく回収してその消費量を削減できるクライオス
タット等の極低温容器の冷凍装置を提供することを目的
とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の手段として、本発明は、被冷却体とこれを冷却するた
めの液体ヘリウムとを収容する極低温容器の冷却装置で
あって、上記極低温容器に、当該容器内へ液体ヘリウム
を供給する液体ヘリウム供給手段を接続するとともに、
当該容器内で蒸発した低温ヘリウムガスを導出してこれ
を液化した後に当該容器内へ還元するヘリウム還元手段
を接続したものである。

【００１１】この装置によれば、液体ヘリウム供給手段
によって極低温容器内に適宜液体ヘリウムが供給される
ことにより、この極低温容器の低温維持のために必要と
される寒冷が随時補給される。その一方で、極低温容器
内で発生した低温のヘリウムガスがヘリウム還元手段に
取り込まれ、ここで液化された後に極低温容器に還元さ
れるので、前記図６に示したように蒸発ヘリウムガスを
そのまま大気へ放出するものに比べ、液体ヘリウム消費
量は飛躍的に削減される。

【００１２】ここで、上述のように、極低温容器内で必
要とされる寒冷は、液体ヘリウム供給手段による液体ヘ
リウムの供給によって補われるため、上記ヘリウム還元
手段には寒冷を発生させるための膨張機を設ける必要が
ない。すなわち、このヘリウム還元手段は、例えば膨張
機をもたないヘリウム冷却器によって構成することが可
能である。従って、極低温容器における被冷却体の熱負
荷が大きく変動したところで、前記図７に示した従来装
置のように膨張機が故障するといった不都合を生じるこ
とはなく、良好な運転を持続することができる。

【００１３】すなわち、本発明では、液体ヘリウム供給
手段とヘリウム還元手段とを併設することにより、液体
ヘリウムの消費量削減という課題と、膨張機故障の回避
という課題とを同時に解決することができるのである。

【００１４】具体的に、上記ヘリウム冷却器としては、
上記極低温容器内で蒸発したヘリウムガスを当該容器の
外部に導出する低圧ラインと、この低圧ラインを通じて
導出されたヘリウムガスを圧縮する圧縮機と、この圧縮
機から吐出されたヘリウムガスを上記極低温容器内へ導
入するための高圧ラインと、この高圧ラインを流れるヘ
リウムガスと上記低圧ラインを流れるヘリウムガスとの
間で熱交換を行わせる熱交換器と、この熱交換器の下流
側で高圧ライン中のヘリウムガスを膨張させて液化する
膨張弁とからなるヘリウム冷却器を備え、その膨張弁で
液化された液体ヘリウムが上記極低温容器内に還元され
るようにしたものが好適である。

【００１５】このヘリウム冷却器では、膨張機がないた
め、その入口圧力を考慮することなく高圧ラインの圧力
すなわち圧縮機の吐出圧力を自由に設定することができ
る。このため、圧縮機の吐出圧力をヘリウムガスの液化
が可能となる範囲で下げることができ、その必要動力を
削減できる。

【００１６】さらに、上記ヘリウム冷却器に複数段の熱
交換器を設けるとともに、最低温段の熱交換器を挟んで
複数の膨張弁を直列に配するようにすれば、単一の膨張
弁で加圧ヘリウムガスを一気に膨張させる場合よりも液
化効率を高めることができる。

【００１７】上記液体ヘリウム供給手段としては、液体
ヘリウムを収容する液体ヘリウム容器と、この液体ヘリ
ウム容器内の液体ヘリウムを上記極低温容器内に導入す
る導入通路とを備えたものが好適である。

【００１８】この場合、さらに、上記液体ヘリウム容器
に、寒冷発生用膨張機を備えたヘリウム液化冷凍機を接
続するようにすれば、被冷却体の熱負荷変動が大きい場
合にも対応でき、安定した運転を続けることができる。
この装置にかかるヘリウム液化冷凍機は寒冷発生用膨張
機を備えているが、このヘリウム液化冷凍機は前記図７
に示した従来装置のように極低温容器に単独で直結され
たものではなく、液体ヘリウム供給手段である液体ヘリ
ウム容器に接続されたものであり、専ら液体ヘリウム生
成用液化機として機能するものなので、極低温容器側の
被冷却体の熱負荷に大きな変動があっても上記膨張機が
直接影響を受けることはなく、安定した運転を続けるこ
とができる。そして、上記熱負荷変動によるヘリウムガ
ス蒸発量の急変は、ヘリウム還元手段で吸収することが
できる。

【００１９】また、上記液体ヘリウム供給手段として
は、上記極低温容器に、上記ヘリウム還元手段とは別
の、寒冷発生用膨張機を備えたヘリウム液化冷凍機を接
続するようにしてもよい。

【００２０】この場合も、従来のようにヘリウム液化冷
凍機が単独で極低温容器に接続されているのではなく、
これとは別のヘリウム還元手段と併設されているので、
極低温容器内での熱負荷変動により寒冷発生用膨張機が
受ける影響は少ない。

【００２１】さらに、上記ヘリウム液化冷凍機内の温度
に基づいて当該ヘリウム液化冷凍機内への蒸発ヘリウム
ガス導入流量を制御するとともに、このヘリウム液化冷
凍機内へ導入されない余剰の蒸発ヘリウムガスを上記ヘ
リウム還元手段に導入させる流量制御手段を備えるよう
にすれば、極低温容器内の熱負荷変動にかかわらず、ヘ
リウム液化冷凍機側ではその温度に基づく安定した膨張
機の運転制御を行うことができ、上記熱負荷変動に伴う
ヘリウムガス蒸発量の変動はヘリウム還元手段で吸収す
ることが可能になる。

【００２２】また、上記のようなヘリウム液化冷凍機を
用いる場合、当該液化冷凍機及びヘリウム冷却器の圧縮
機を共有化すれば、上記ヘリウム液化冷凍機及びヘリウ
ム冷却器に各々別の圧縮機を設ける場合よりもコストを
削減できる。

【００２３】さらに、この場合、複数の圧縮機を直列に
配するとともに、膨張機がなくてさほどヘリウムガス圧
力が要求されないヘリウム冷却器の高圧ラインは最終段
圧縮機よりも手前側の圧縮機の吐出側に接続し、膨張機
の良好な運転のためにその入口圧力が要求されるヘリウ
ム液化冷凍機の高圧ラインは最終段圧縮機の吐出側に接
続するようにすることにより、各高圧ラインで要求され
る圧力に見合った運転ができ、当該運転の効率を高める
ことかできる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。

【００２５】１）第１の実施の形態（図１） 図において、極低温容器であるクライオスタット１０内
には、被冷却体としての超電導磁石１２と、これを冷却
するための液体ヘリウムとが収容されている。さらに、
この極低温容器１０の外部には液体ヘリウム容器（デュ
ワー）１４が設置され、この液体ヘリウム容器１４内の
液体ヘリウムが適宜ヘリウム導入通路１６を通じて極低
温容器１０内に供給されるようになっている。

【００２６】さらに、この装置では、上記極低温容器１
０に、そのヘリウム還元手段としてヘリウム冷却器２０
が接続されている。

【００２７】このヘリウム冷却器２０は、圧縮機ＣＰを
備え、その吐出側が高圧ライン２１を介して、また吸込
み側が低圧ライン２２を介して、それぞれクライオスタ
ット１０内に接続されている。これら高圧ライン２１及
び低圧ライン２２の途中には、高圧ライン２１を流れる
ヘリウムガスと低圧ライン２２を流れるヘリウムガスと
の間で熱交換を行わせる複数段の熱交換器２４Ａ，２４
Ｂ，２４Ｃが設けられている。さらに、最も高温側の熱
交換器２４Ａでは、各ライン２１，２２を流れるヘリウ
ムガスと冷却用の液体窒素との間でも熱交換が行われる
ようになっており、これにより装置全体の小型化が図ら
れ、また予冷機能も確保されている。

【００２８】高圧ライン２１において、最低温側の熱交
換器２４Ｃのさらに下流側の位置には、膨張弁２６が設
けられている。この膨張弁２６及び上記各熱交換器２４
Ａ，２４Ｂ，２４Ｃは、共通の保冷箱２５内に収容され
ている。

【００２９】なお、図において２７は、圧縮機ＣＰから
吐出されたヘリウムガスの余剰分を一時的に貯留してお
くためのバッファタンクである。

【００３０】次に、この装置の作用を説明する。

【００３１】クライオスタット１０内で蒸発したヘリウ
ムガスは、低圧ライン２２内に入り、熱交換器２４Ｃ，
２４Ｂ，２４Ａで高圧ライン２１内のヘリウムガスと熱
交換して昇温した後、圧縮機ＣＰに導入され、加圧され
る。この圧縮機ＣＰから吐出されたヘリウムガスは、高
圧ライン２１を通り、その途中に設けられた熱交換器２
４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃで低圧ライン２２側のヘリウムガ
スと熱交換することにより冷却される。さらに、その下
流側の膨張弁２６でジュール−トムソン膨張し、液化さ
れた後にクライオスタット１０内へ還元される。このよ
うに、クライオスタット１０内の蒸発ヘリウムガスがヘ
リウム冷却器２０に回収され、少なくともその一部が液
体ヘリウムとしてクライオスタット１０内に還元される
ことにより、前記図６に示した従来装置に比べ、液体ヘ
リウムの消費量は大幅に削減される。

【００３２】一方、圧縮機ＣＰから吐出されたヘリウム
ガスの余剰分は、一時的にバッファタンク２７に貯留さ
れ、貯留しきれない分は大気へ放出される。この放出
分、すなわち、ヘリウム冷却器２０で還元しきれなかっ
た液体ヘリウムの分は、液体ヘリウム容器１４からヘリ
ウム導入通路１６を通じて適宜クライオスタット１０内
に補給される。このような液体ヘリウムの補給により、
クライオスタット１０内における超電導磁石１２の熱負
荷、及び、外部からクライオスタット１０内に侵入する
熱を相殺してクライオスタット１０内を極低温に維持す
るための寒冷が補われる。

【００３３】このように、クライオスタット１０で必要
とされる寒冷は、液体ヘリウム容器１４内の液体ヘリウ
ムによって補われるので、ヘリウム冷却器２０は寒冷を
発生させる手段を要しない。従って、このヘリウム冷却
器２０には、例えば前記図７のヘリウム液化冷凍機９０
に具備されている膨張タービン９８Ａ，９８Ｂのような
膨張機を設ける必要がない。その結果、次のような利点
を得ることができる。

【００３４】ａ）上記膨張機を備えている場合には、超
電導磁石１２の熱負荷が急変してヘリウムガスの蒸発量
が急増すると、膨張機入口温度が急降下して膨張機の回
転が不安定となり、最悪の場合には膨張機が焼損するお
それがあるが、図１に示すヘリウム冷却器２０では、液
体ヘリウム容器１４及びヘリウム導入通路１６からなる
液体ヘリウム供給手段との併用によって膨張機が不要と
なっているので、上記熱負荷変動が生じても膨張機が故
障するおそれがなく、安定した運転を続けることができ
る。

【００３５】ｂ）前記図７に示した膨張タービン付のヘ
リウム液化冷凍機では、膨張タービン９８Ａ，９８Ｂを
効率よく運転するために必要なタービン入口圧力の範囲
が限られている。このため、圧縮機ＣＰの吐出圧力もそ
れに制限されることになり（実際には約15〜18atｍ）、
当該吐出圧を大幅に下げることができない。これに対し
て図１に示すヘリウム冷却器２０では、上記膨張タービ
ンをもたないので、ヘリウムガスの液化が可能となる範
囲で圧縮機ＣＰの吐出圧力を下げることが可能であり、
これにより装置の必要動力を減らしてランニングコスト
を削減できる。

【００３６】このように、図１に示す装置では、液体ヘ
リウム供給手段である液体ヘリウム容器１４と、ヘリウ
ム還元手段としてのヘリウム冷却器２０との併設によ
り、液体ヘリウム消費量及び圧縮機ＣＰの必要動力の双
方を削減することが可能となっているのである。

【００３７】２）第２の実施の形態（図２） この実施の形態にかかる装置では、前記図１に示した装
置における液体ヘリウム容器１４にヘリウム液化冷凍機
３０が接続されている。このヘリウム液化冷凍機３０の
構成は、前記図７で示したヘリウム液化冷凍機９０と構
成と同等であり、当該図７で示されている高圧ライン９
１、低圧ライン９２、複数段の熱交換器９４Ａ，９４
Ｂ，９４Ｃ，９４Ｄ，９４Ｅ，９４Ｆ、保冷箱９５、膨
張弁９６と同等の高圧ライン３１、低圧ライン３２、複
数段の熱交換器３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃ，３４Ｄ，３４
Ｅ，３４Ｆ、保冷箱３５、膨張弁３６を備えている。そ
して、高圧ライン３１における熱交換器３４Ｂ，３４Ｃ
同士の間の個所と、低圧ライン３２における熱交換器３
４Ｅ，３４Ｆ同士の間の個所とが熱交換器３４Ｄを通る
バイパスライン３７を介して接続されるとともに、この
バイパスライン３７において上記熱交換器３４Ｄを挟む
位置に、２段の膨張タービン３８Ａ，３８Ｂが設けられ
ており、高圧ライン３１を流れるヘリウムガスの一部が
膨張タービン３８Ａ，３８Ｂを回して仕事をすることに
より、液体ヘリウム１４内に液体ヘリウムを生成するた
めに必要な寒冷が発生するようになっている。

【００３８】ただし、本発明では膨張機の段数は問わ
ず、例えば１段のみであってもよい。

【００３９】さらに、この実施の形態では、ヘリウム冷
却器２０とヘリウム液化冷凍機３０とに共通の圧縮機Ｃ
Ｐが用いられている。すなわち、この圧縮機ＣＰの吐出
側には、ヘリウム冷却器２０の高圧ライン２１とヘリウ
ム液化冷凍機３０の高圧ライン３１との双方が接続され
ており、圧縮機ＣＰの吸込み側には、ヘリウム冷却器２
０の低圧ライン２２とヘリウム液化冷凍機３０の低圧ラ
イン３２との双方が接続されている。

【００４０】この装置によれば、ヘリウム液化冷凍機３
０の設置により、液体ヘリウム容器１４内に随時液体ヘ
リウムを補給することができ、長時間にわたって安定し
た連続運転を行うことができるとともに、このヘリウム
液化冷凍機３０とヘリウム冷却器２０の圧縮機ＣＰを共
有化することにより、イニシャルコスト及びランニング
コストを削減できる。この装置は、ＳＭＥＳ（超電導エ
ネルギー貯蔵装置）のように電気を出し入れするような
場合や、核融合設備のように通常運転時でも負荷変動が
大きいような場合に特に有効である。

【００４１】なお、前記図７に示した従来装置でもヘリ
ウム液化冷凍機９０を用いているが、この従来装置で
は、当該ヘリウム液化冷凍機９０のみが極低温容器８０
に接続されており、このヘリウム液化冷凍機９０が、液
体ヘリウムを生成する手段としての機能と、極低温容器
８０内で蒸発したヘリウムガスを液体ヘリウムとして還
元するヘリウム還元手段としての機能とを兼ねているた
め、極低温容器８０内の被冷却体８２の熱負荷が急変し
て蒸発ヘリウムガスが急増した場合、ヘリウム液化冷凍
機９０内の膨張タービン９８Ａ，９８Ｂがもろに影響を
受け、故障するおそれがあるのに対し、図２に示す装置
では、ヘリウム還元手段として膨張機なしのヘリウム冷
却器２０をクライオスタット１０に接続し、これとは別
に構成されたヘリウム液化冷凍機３０を液体ヘリウム容
器１４側に接続するようにしているので、クライオスタ
ット１０内で発生するヘリウムガスの変化はヘリウム冷
却器２０で吸収し、ヘリウム液化冷凍機３０は専ら液体
ヘリウム容器１４内の液体ヘリウムを生成する液化機と
してのみ機能させることができる。従って、超電導磁石
１２の熱負荷が急変しても、これに膨張タービン３８
Ａ，３８Ｂが直接悪影響を受けることはなく、終始安定
したタービン運転を続けることができる。

【００４２】３）第３の実施の形態（図３） この実施の形態では、前記図２に示した液体ヘリウム容
器１４が省略され、同図に示すヘリウム液化冷凍機３０
が液体ヘリウム供給手段として直接極低温容器１０に接
続されている。すなわち、極低温容器１０内にヘリウム
液化冷凍機３０の高圧ライン３１及び低圧ライン３２が
直接接続されている。

【００４３】さらに、この装置では、各低圧ライン２
２，３２の入口側部分に、これら低圧ライン２２，３２
へ導入されるヘリウムガスの流量を変化させるための流
量調節弁２９，３９が設けられるとともに、その開度を
調節する制御器（流量制御手段）４０が具備されてい
る。この制御器４０は、ヘリウム液化冷凍機３０におけ
る保冷箱３５内の温度を検出し、この温度を所定の許容
温度（具体的には膨張タービン３８Ａ，３８Ｂを正常に
運転させるのに必要なタービン入口温度に対応する温
度）に保つように流量調節弁３９の開度を調節するとと
もに、このヘリウム液化冷凍機３０に導入しきれない分
のヘリウムガスをヘリウム冷却器２０側に導入するよう
に流量調節弁２９の開度を調節する制御を行う。

【００４４】このような装置においても、極低温容器１
０内における超電導磁石１２の熱負荷変動にかかわら
ず、ヘリウム液化冷凍機３０のヘリウム導入量は所定の
流量、すなわち、タービン入口温度を所定温度に保つ流
量に制限しておき、ここで処理しきれないヘリウムガス
をヘリウム還元手段であるヘリウム冷却器２０側に導入
することにより、ヘリウム液化冷凍機３０は専ら液体ヘ
リウム供給手段としてのみ機能させて、その膨張タービ
ン３８Ａ，３８Ｂの良好な運転を続けることができる。
すなわち、本発明では、ヘリウム液化冷凍機３０を直接
極低温容器１０に直接接続した構成としても、これと併
せて膨張機なしヘリウム冷却器２０をヘリウム還元手段
として極低温容器１０に接続し、極低温容器１０内にお
ける蒸発ヘリウムガスの急増分は当該ヘリウム冷却器２
０で吸収することにより、ヘリウム液化冷凍機３０の安
定した運転を確保することができるのである。

【００４５】なお、この第３の実施の形態及び前記第２
の実施の形態では、ヘリウム冷却器２０及びヘリウム液
化冷凍機３０の圧縮機ＣＰを共有化させたものを示した
が、それぞれに別の圧縮機を設けることは自由である。

【００４６】４）第４の実施の形態（図４） 前記第２の実施の形態及び第３の実施の形態では、単一
の圧縮機ＣＰをヘリウム冷却器２０及びヘリウム液化冷
凍機３０が共有しているので、その吐出圧力は、ヘリウ
ム液化冷凍機３０における膨張タービン３８Ａ，３８Ｂ
に求められるタービン入口圧力に制約されることになる
（例えば15〜18atm）。従って、ヘリウム冷却器２０側
では高圧ライン２１にさほどの圧力は要求されないにも
かかわらず、圧縮機ＣＰの吐出圧力を下げることができ
ず、必要以上の動力を消費しなければならない不都合が
ある。

【００４７】そこで、この第４の実施の形態では、前記
図３に示した装置において、ヘリウム冷却器２０及びヘ
リウム液化冷凍機３０に共有される圧縮機として２段の
圧縮機ＣＰ１，ＣＰ２を直列に配置し、１段目の圧縮機
ＣＰ１の吐出側にヘリウム冷却器２０の高圧ライン２１
を接続し（すなわち両圧縮機ＣＰ１，ＣＰ２の間の部分
に高圧ライン２１を接続し）、２段目の圧縮機ＣＰ２の
吐出側にヘリウム液化冷凍機３０の高圧ライン３１を接
続するようにしている。

【００４８】この装置によれば、圧縮機ＣＰ１及び圧縮
機ＣＰ２による２段圧縮によって、膨張タービン３８
Ａ，３８Ｂの好適な運転に要求される高い圧力を発生さ
せる一方、さほど高い圧力を要しないヘリウム冷却器２
０の高圧ライン２１には、１段目の圧縮機ＣＰ１から吐
出されたヘリウムガスをそのまま導入することにより、
装置全体の必要動力を削減することができる。

【００４９】この構成が前記図２に示した装置にもその
まま適用できることは、いうまでもない。また、膨張機
を３段以上配するようにしてもよい。

【００５０】５）その他の実施形態 本発明において、ヘリウム冷却器２０における熱交換器
の具体的な段数や構造は適宜設定が可能である。例え
ば、図５（ａ）に示すように、高圧ライン２１において
最低温段の熱交換器２４Ｃを挟む位置に複数（図では２
つ）の膨張弁２６Ａ，２６Ｂを直列に配し、ヘリウムガ
スを複数段階にわたって膨張させれば、１段の膨張弁で
一気に大気圧まで膨張させる場合よりも液化効率を高め
ることができる。また、同図（ｂ）に示すように、前記
図１等に示した熱交換器２４Ｂを大型化して液体窒素熱
交換用の熱交換器２４Ａを省略するようにしてもよい。

【００５１】

【実施例】前記図１に示した装置において、液体ヘリウ
ム１４から極低温容器１０に供給される液体ヘリウムの
質量流量及び比エンタルピをそれぞれｍ₁［ｇ／ｓ］及
びｈ₁［Ｊ／ｇ］、膨張弁２６の出口側の質量流量及び
比エンタルピをそれぞれｍ₂［ｇ／ｓ］及びｈ₂［Ｊ／
ｇ］、クライオスタット１０内から低圧ライン２２に導
入される蒸発ヘリウムガスの質量流量及び比エンタルピ
をそれぞれｍ₃［ｇ／ｓ］及びｈ₃［Ｊ／ｇ］、圧縮機Ｃ
Ｐから吐出されるヘリウムガスの質量流量及び比エンタ
ルピをそれぞれｍ₄［ｇ／ｓ］及びｈ₄［Ｊ／ｇ］、圧縮
機ＣＰに吸入されるヘリウムガスの質量流量及び比エン
タルピをそれぞれｍ₅［ｇ／ｓ］及びｈ₅［Ｊ／ｇ］、膨
張弁２６の入口側のヘリウムガス質量流量をｍ₆、発熱
量をＱ［Ｗ］とすると、次の各式が成立する。

【００５２】

【数１】ｍ₂＝ｍ₄＝ｍ₆ … ｍ₃＝ｍ₅ … ｍ₃＝ｍ₁＋ｍ₂ … Ｑ＋ｍ₁ｈ₁＋ｍ₂ｈ₂＝ｍ₃ｈ₃ … ｍ₃(ｈ₅−ｈ₃)＝ｍ₂(ｈ₄−ｈ₂) … ここで、圧縮機吐出側圧力以外の上記各個所における温
度及び圧力として通常の値を採用し、圧縮機吐出側圧力
を４atmに設定すると、各比エンタルピｈ₁〜ｈ₄の値は
次のようになる。

【００５３】

【数２】 ｈ₁＝11.4Ｊ/ｇ（圧力：1.3atm、温度：4.5K、液相） ｈ₂＝16.56Ｊ/ｇ（圧力：４atm、温度：5.353K、２相） ｈ₃＝29.92Ｊ/ｇ（圧力：1.3atm、温度：4.5K、気相） ｈ₄＝1641Ｊ/ｇ（圧力：４atm、温度：313K、気相） この数２と前記数１とから、次式を得ることができる。

【００５４】

【数３】Q＝18.52ｍ₁＋13.36ｍ₂ ｍ₁＝0.02483ｍ₂ ここで、ｍ₁に相当する体積流量を７リットル／ｈとす
ると、ｍ₂＝9.79ｇ/ｓ、Ｑ＝135Ｗとなる。従って、1時
間あたり7リットルの液体ヘリウムを補給すれば、135Ｗ
の冷凍能力を得ることができる。

【００５５】これに対し、前記図6に示したようにヘリ
ウム還元手段のない従来装置では、ヘリウム潜熱を11.4
Ｊ/ｇとすると、Ｑ＝135Ｗの冷凍能力を得るのに必要な
ヘリウム補給量は、135／(29.92−11.4)＝7.29ｇ/ｓ=21
0リットル／ｈとなり、1時間当たり210リットルもの液
体ヘリウムを補給しなければならない。従って、この従
来装置に比べ、前記図1に示した装置によれば、液体ヘ
リウム消費量を１／３０に削減できることになる。

【００５６】

【発明の効果】以上のように本発明は、被冷却体を収容
する極低温容器を冷却するにあたり、当該容器内へ液体
ヘリウムを供給する液体ヘリウム供給手段と、当該容器
内で蒸発した低温ヘリウムガスを導出してこれを液化し
た後に当該容器内へ還元するヘリウム還元手段とを併設
したものであるので、従来装置のような寒冷発生用の膨
張機の故障をまねくことなく、液体ヘリウムの消費量を
減らしてランニングコストを削減できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態にかかるクライオス
タットの冷却装置を示すフローシートである。

【図２】本発明の第２の実施の形態にかかるクライオス
タットの冷却装置を示すフローシートである。

【図３】本発明の第３の実施の形態にかかるクライオス
タットの冷却装置を示すフローシートである。

【図４】本発明の第４の実施の形態にかかるクライオス
タットの冷却装置を示すフローシートである。

【図５】(ａ)（ｂ）は上記冷却装置におけるヘリウム冷
却器の変形例を示すフローシートである。

【図６】従来のクライオスタットの冷却装置の一例を示
すフローシートである。

【図７】従来のクライオスタットの他の例を示すフロー
シートである。

【符号の説明】

１０ クライオスタット（極低温容器） １２ 超電導磁石（被冷却体） １４ 液体ヘリウム容器 １６ ヘリウム導入通路 ２０ ヘリウム冷却器 ２１ 高圧ライン ２２ 低圧ライン ２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ 熱交換器 ２６，２６Ａ，２６Ｂ 膨張弁 ２９，３９ 流量調節弁 ３０ ヘリウム液化冷凍機 ３１ 高圧ライン ３２ 低圧ライン ３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃ，３４Ｄ，３４Ｅ，３４Ｆ 熱
交換器 ３６ 膨張弁 ３８Ａ，３８Ｂ 膨張タービン ４０ 制御器（流量制御手段） ＣＰ，ＣＰ１，ＣＰ２ 圧縮機

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 林 秀美 福岡市南区塩原二丁目１番47号 九州電力 株式会社総合研究所内 (72)発明者 山村 秀政 大阪市西区江戸堀１丁目６番14号 株式会 社神戸製鋼所大阪支社内 (72)発明者 渡辺 幸夫 大阪市西区江戸堀１丁目６番14号 株式会 社神戸製鋼所大阪支社内

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被冷却体とこれを冷却するための液体ヘ
   リウムとを収容する極低温容器の冷却装置であって、上
   記極低温容器に、当該容器内へ液体ヘリウムを供給する
   液体ヘリウム供給手段を接続するとともに、当該容器内
   で蒸発した低温ヘリウムガスを導出してこれを液化した
   後に当該容器内へ還元するヘリウム還元手段を接続した
   ことを特徴とする極低温容器の冷却装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の極低温容器の冷却装置に
   おいて、上記ヘリウム還元手段は、膨張機をもたないヘ
   リウム冷却器であることを特徴とする極低温容器の冷却
   装置。
3. 【請求項３】 請求項２記載の極低温容器の冷却装置に
   おいて、上記ヘリウム冷却器は、上記極低温容器内で蒸
   発したヘリウムガスを当該容器の外部に導出する低圧ラ
   インと、この低圧ラインを通じて導出されたヘリウムガ
   スを圧縮する圧縮機と、この圧縮機から吐出されたヘリ
   ウムガスを上記極低温容器内へ導入するための高圧ライ
   ンと、この高圧ラインを流れるヘリウムガスと上記低圧
   ラインを流れるヘリウムガスとの間で熱交換を行わせる
   熱交換器と、この熱交換器の下流側で高圧ライン中のヘ
   リウムガスを膨張させて液化する膨張弁とを備え、その
   膨張弁で液化された液体ヘリウムが上記極低温容器内に
   還元されるようにしたことを特徴とする極低温容器の冷
   却装置。
4. 【請求項４】 請求項３記載の極低温容器の冷却装置に
   おいて、上記ヘリウム冷却器に複数段の熱交換器を設け
   るとともに、最低温段の熱交換器を挟んで複数の膨張弁
   を直列に配したことを特徴とする極低温容器の冷却装
   置。
5. 【請求項５】 請求項１〜４のいずれかに記載の極低温
   容器の冷却装置において、上記液体ヘリウム供給手段と
   して、液体ヘリウムを収容する液体ヘリウム容器と、こ
   の液体ヘリウム容器内の液体ヘリウムを上記極低温容器
   内に導入する導入通路とを備えたことを特徴とする極低
   温容器の冷却装置。
6. 【請求項６】 請求項５記載の極低温容器の冷却装置に
   おいて、上記液体ヘリウム容器に、寒冷発生用膨張機を
   備えたヘリウム液化冷凍機を接続したことを特徴とする
   極低温容器の冷却装置。
7. 【請求項７】 請求項１〜４のいずれかに記載の極低温
   容器の冷却装置において、上記極低温容器に、上記ヘリ
   ウム還元手段とは別の、寒冷発生用膨張機を備えたヘリ
   ウム液化冷凍機を接続したことを特徴とする極低温容器
   の冷却装置。
8. 【請求項８】 請求項７記載の極低温容器の冷却装置に
   おいて、上記ヘリウム液化冷凍機内の温度に基づいて当
   該ヘリウム液化冷凍機内への蒸発ヘリウムガス導入流量
   を制御するとともに、このヘリウム液化冷凍機内へ導入
   されない余剰の蒸発ヘリウムガスを上記ヘリウム還元手
   段に導入させる流量制御手段を備えたことを特徴とする
   極低温容器の冷却装置。
9. 【請求項９】 請求項３記載の極低温容器の冷却装置に
   おいて、上記液体ヘリウム供給手段として、液体ヘリウ
   ムを収容する液体ヘリウム容器と、この液体ヘリウム容
   器内の液体ヘリウムを上記極低温容器内に導入する導入
   通路とを備え、上記液体ヘリウム容器に、圧縮機及び寒
   冷発生用膨張機を備えたヘリウム液化冷凍機を接続する
   とともに、このヘリウム液化冷凍機と上記ヘリウム冷却
   器とでその圧縮機を共有化したことを特徴とする極低温
   容器の冷却装置。
10. 【請求項１０】 請求項３記載の極低温容器の冷却装置
    において、上記液体ヘリウム供給手段として、上記液体
    ヘリウム容器に、上記ヘリウム冷却器とは別の、寒冷発
    生用膨張機を備えたヘリウム液化冷凍機を接続するとと
    もに、このヘリウム液化冷凍機と上記ヘリウム冷却器と
    でその圧縮機を共有化したことを特徴とする極低温容器
    の冷却装置。
11. 【請求項１１】 請求項９または１０記載の極低温容器
    の冷却装置において、複数の圧縮機を直列に配するとと
    もに、最終段圧縮機よりも手前側の圧縮機の吐出側に上
    記ヘリウム冷却器の高圧ラインを接続し、最終段圧縮機
    の吐出側に上記ヘリウム液化冷凍機の高圧ラインを接続
    したことを特徴とする極低温容器の冷却装置。