JP2016504558A - 冷凍及び／又は液化装置、並びにこれらに対応する方法 - Google Patents

Abstract

作動ガスのためのループ状の作動回路を備え、及び、順に、圧縮ステーション（１）と、低温箱（２）と、冷却された作動ガスとユーザー（１０）との間で熱を交換するためのシステム（１４）と、補助的な低温流体ボリューム（３）を備える、圧縮ステーション（１）を離れる作動ガスの付加的な事前冷却のためのシステムと、を備え、低温箱（２）は、第１の熱交換器（５）及び第２の熱交換器（１５）を備える作動ガスのための第１の冷却用ステージを備え、これらは圧縮ステーション（１）の出口で作動回路に直列及び並列の両方に接続されており、また、第１の冷却用ステージは、補助的液体と選択的に熱を交換する第３の熱交換器（２５）を備える、冷凍装置であって、第３の熱交換器（２５）は、第１の熱交換器（５）及び第２の熱交換器（１５）と直列及び並列の両方に接続されており、作動回路は、少なくとも１つの弁（２２５）が取り付けられ及び第２の熱交換器（１５）に第３の熱交換器（２５）の出口を接続する回復管（１２５）を備えることを特徴とする、冷凍装置。

Description

本発明は、冷凍及び／又は液化装置、並びにこれらに対応する方法に関する。

本発明は、より具体的には、ヘリウムを含有するか又は純ヘリウムからなる作動ガスの冷凍及び／又は液化のための装置に関し、装置は、作動ガスのためのループの形状の作動回路を備え、作動回路は直列に、
− 少なくとも１つの圧縮機を備えた作動ガス圧縮ステーションと、
− 作動ガスを冷却するための、直列に配置された複数の熱交換器と作動ガスを膨張させるための少なくとも１つの部材とを備える、低温箱と、
− 冷却された作動ガスとユーザーとの間で熱を交換するためのシステムと、
− 熱交換システムを通過した作動ガスを圧縮ステーションに戻す少なくとも１つの戻し管であって、作動ガスを加温するための少なくとも１つの交換器を備える戻し管とを備え、装置は、さらに、圧縮ステーションからの出口に、作動ガスを事前冷却するための付加的なシステムを備え、事前冷却システムは、液体窒素のような補助的な低温流体のボリュームを備え、ボリュームは、作動ガスに補助的流体からフリゴリーを選択的に伝達するために、少なくとも１つの熱交換器を介して作動回路に接続されており、低温箱は、圧縮ステーションの出口で作動回路に直列及び並列の両方に接続された第１の及び第２の熱交換器を備える第１の作動ガス冷却用ステージを備え、これは、圧縮ステーションを離れる作動ガスは第１の及び／又は第２の熱交換器に選択的に通され得ることをいうことを意味し、また、第１の冷却ステージは、補助的流体との熱交換関係で、選択的に第３の熱交換器を備える。

本発明は、特に、超電導ケーブル又はプラズマ発生装置（「トカマク」）の構成要素のようなユーザー（使用するもの）、を連続的に冷却することを目的として非常に低い温度（例えば、ヘリウムの場合は４．５Ｋ）を発生するヘリウム冷凍機／液化機に関する。冷凍／液化装置によって意味されているのは、特に、ヘリウムのような低モル質量を有するガスを冷却し、適切であれば液化する、非常に低い温度（極低温）の冷凍装置及び／又は液化装置である。

ユーザーが冷却されるとき、これは、ユーザーが、相対的に高い開始温度（例えば３００Ｋ以上）から、定められた低い公称動作温度（例えば、約８０Ｋ）に下げられる必要があるときということを意味する。冷凍／液化装置は、一般的に、そのような冷却に不向きである。
重い構成要素（例えば、超電導磁石など）が周囲温度から８０Ｋに至るまで長期間にわたって（数十日にわたって）冷却されるときに起きることは、ヘリウムの相対的に熱い流れ及び冷たい流れ（ユーザーに向かって供給され、及びユーザーから戻る）は、共通の交換器を対向流方向に通過する。装置が終始正確に動作するために、ヘリウムのこれらの流れの間の温度の差を制限する必要がある（例えば、最大で４０Ｋから５０Ｋまでの間の差に）。

そうするために、装置は、このクールダウンの間にフリゴリーを供給する補助的な事前冷却システムを備える。
特に論文（「ヘリウム冷凍サイクルにおける液体窒素事前冷却のための解決策（Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｌｉｑｕｉｄ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｐｒｅーｃｏｏｌｉｎｇ ｉｎ ｈｅｌｉｕｍ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ ｃｙｃｌｅ）」、Ｕ．Ｗａｇｎｅｒ ｏｆ ＣＥＲＮ−２０００）に例示されるように、事前冷却システムは、一般に、少なくとも１つの熱交換器によって作動ガスにフリゴリーを供給する（例えば８０Ｋの定温の）液体窒素のボリュームを備える。
これらの知られている事前冷却システムは、しかしながら、制約又は不利点を有する。

したがって、８０Ｋのヘリウムを（周囲温度、又は冷却されるべきユーザーからヘリウムが戻る温度の）より熱いヘリウムと混合する必要がある。

液体窒素の消費を制限するために、ユーザーが徐々に冷却される際に、冷却されるべきユーザーから戻るヘリウムからフリゴリーを取り戻すことが、さらに必要である。温度差及び性能に関するこれらの制約は、様々な動作構成（クールダウン、公称動作）により異なる熱交換器技術を要求する。
したがって、公称動作（クールダウン段階以外）の間、交換器は、非常に高い性能、すなわち低い圧力降下を有する必要があり、大幅な温度差に直面すべきではない。この公称動作に適している熱交換器は、アルミニウムろう付け板及びフィンタイプの熱交換器を備える。このタイプの交換器は、典型的に、対向流流体間に５０Ｋを超える温度差を許容し得る。

ヘビーユーザーのクールダウンの間、交換器において要求される熱交換性能は、それほど高くは無いが、依然として高い。それに反して、温度差（一定温度の液体窒素による）は、相対的に大きくなる（５０Ｋを超える）。
回路及び交換器におけるヘリウム温度が依然として高いとき、圧力降下は、公称動作において要求されるものよりもはるかに大きい。
これらの問題に対処するための存在する解決策は、ヘリウムと窒素との間の熱の交換を提供する低温箱への入り口に主交換器を伴う。他の解決策は、この主交換器への供給が、流体（ヘリウム又は窒素）の性質により異なる熱交換器技術を用いて作り出されたいくつかの独立したセクションに分割されるようにする。
これらの解決策は、装置が公称動作に適さないか又はクールダウン段階に適さないかのいずれかなので、問題に対して満足のいく解決策を提供しない。
上述に開示した先行技術の不利点の全て又は一部を軽減させることが、本発明の目的である。

この目的に向けて、本発明による装置は、上記前文において与えられたその包括的定義に従う別の点で、本質的に、第３の熱交換器が第１の及び第２の熱交換器に直列及び並列の両方に接続されていることを特徴としており、これは、第１及び／又は第２の熱交換器を離れる作動ガスは第３の熱交換器に選択的に通されることをいうことを意味し、作動回路は、少なくとも１つの弁が取り付けられ、第２の熱交換器に第３の熱交換器を離れる作動ガスからのフリゴリーを伝達することを選択的に可能にするように第２の熱交換器に第３の熱交換器出口を接続する、回収管を備える。

さらに、本発明のいくつかの実施形態は、以下の特徴のうち１つ又は複数を備え得る。
− 第１の、第２の及び第３の熱交換器のうちの少なくとも１つは、板及びフィンタイプのアルミニウム交換器である、
− 第３の熱交換器は、補助的流体のボリュームに少なくとも部分的に浸された熱交換器である、
− 第３の熱交換器は、ボリュームから遠く、少なくとも１つの供給管を備える回路を経由して補助的流体が選択的に供給される、交換器である、
− 本装置は、気化した補助的なガスを排出し、作動ガスに、気化したガス状の補助的流体からフリゴリーを選択的に伝達するように、第２の熱交換器において通路を介して遠隔の回収システムにボリュームの上端を接続する管を備え、
− 第３の熱交換器の出口に、作動回路は、２つの並行ラインに細分される限定された部分を備え、そのうち、２つのラインのうちの１つは回収管を構成し、前記部分は２つの並行ライン間での選択的な配分を保証する一群の弁（複数可）を備える、
− 第３の熱交換器を通過した回収管は、作動ガスの冷却を継続するように、低温箱の作動回路に下流で接続される、
− 第１の及び第２の熱交換器は、２つの熱交換器と第１の熱交換器をバイパスするバイパスラインとの間の並列接続と直列接続とを形成する管及び弁のネットワークによって、圧縮ステーションの出口で作動回路に直列及び並列の両方に接続される、
− ボリュームは、補助的流体の源に接続され弁を備えた輸送管を経由して、補助的流体が選択的に供給される、
− 第１の熱交換器は、異なるそれぞれの温度の作動ガスの異なる流れの間で熱を交換するタイプのものであり、圧縮ステーションを離れる熱い高圧作動ガスといわれるものが供給される第１の通路と、第１の通路と流れが対向し、冷たく低圧であるといわれる作動ガスのための戻し管によって供給される第２の通路と、第１の通路と流れが対向し、熱交換システムを通過しなかった低温箱からの作動ガスを戻す作動回路戻し管によって、中圧であるといわれる作動ガスが供給される第３の通路と、を備える、
− 第２の熱交換器は、作動ガスと補助的なガスとの間で熱を交換するタイプのものであり、第１の熱交換器から来る及び／又は低温箱から直接的に来る作動ガスが供給される第１の通路と、第１の通路と流れが対向し、排出管を経由して、気化した補助的なガスが供給される第２の通路と、回収管によって作動ガスが供給される第３の通路と、を備える、
− 第１の及び第２の熱交換器の作動流体出口と、第１の熱交換器をバイパスするバイパスラインと、は、第３の熱交換器が、第１の熱交換器のみから来る作動流体及び／又は第２の熱交換器のみから来る作動流体及び／又は第１の次いで第２の熱交換器を通過した作動流体のいずれかを選択的に受容するように、管及び弁のネットワークによって第３の交換器の作動流体入口に並列に接続される。

また、本発明は、上記又は下記特徴のうちの任意の１つに従う作動ガスの冷凍及び／又は液化のための装置を用いてユーザーを冷却する方法に関し、ユーザーは、熱交換システムによって冷却され、方法は、１２０Ｋから４００Ｋまでの間の初期温度を有する、ユーザーを事前冷却するステップを含み、このステップにおいて、圧縮ステーションを離れる作動ガスは、第１の熱交換器において次いで第２の熱交換器において、次いで第３の熱交換器において熱の交換によって冷却され、第３の交換器を離れる冷却された作動ガスは、それがフリゴリーを引き渡す第２の熱交換器内に少なくとも部分的に上流で再び通される。

さらに、本発明のいくつかの実施形態は、１つ又は複数の以下の特徴を備え得る。
− ユーザーは、熱交換システムによって冷却され、方法は、５０Ｋから２００Ｋまでの間の初期温度を有する、ユーザーを事前冷却するステップを含み、このステップにおいて、圧縮ステーションを離れる作動ガスは、第１の熱交換器において、次いで第２の熱交換器において、次いで第３の熱交換器において熱の交換により冷却され、第３の交換器を離れる冷却された作動ガスは、第２の熱交換器を経由して上流に戻ることなしに、低温箱内に作動回路の下流に向けられる、
− ユーザーは、熱交換システムによって冷却され、方法は、９０から４００Ｋまでの間の初期温度を有する、ユーザーを事前冷却するステップを備え、事前冷却ステップの後、ユーザーが５０から９０Ｋまでの間の温度に到達したとき、方法は、次いで、ユーザーを連続的に冷却するステップを含み、このステップにおいて、圧縮ステーションを離れる作動ガスは、それぞれ第１の熱交換器において及び第２の熱交換器において熱の交換によって冷却される２つの画分に分割され、２つのガス画分は、次いで再結合され及び第３の熱交換器において冷却され、第３の熱交換器を離れる冷却された作動ガスは、第２の熱交換器を経由して上流に戻ることなく、低温箱内に前記作動回路の下流に向けられる、
− 本方法は、気化した補助的流体の少なくとも一部を回収するステップと、第２の熱交換器において作動ガスにこの気化した補助的流体からフリゴリーを伝達するステップと、を含む。

本発明は、また、上記又は下記特徴の任意の組み合わせを備える、任意の代替的な装置又は方法に関し得る。
図面を参照して以下に与えられる説明を読むことから、さらなる詳細及び利点が明らかになるであろう。

使用部材を冷却するために使用される液化／冷凍装置の構造を例示する簡略化された概略的な部分図。 使用部材を冷却するために使用される液化／冷凍装置の構造及び動作の第１の例を概略的及び部分的に描写する図。 第２の実施形態による液化／冷凍装置の低温箱の詳細を概略的及び部分的に描写する図。 様々な別個の動作構成における図３の詳細を描写する図。 様々な別個の動作構成における図３の詳細を描写する図。 様々な別個の動作構成における図３の詳細を描写する図。

図１に描写されるように、プラント１００は、慣用された方法で、低温を生み出すためにヘリウムを作業のサイクルの対象とする作動回路を備える冷凍／液化装置を備え得る。冷凍装置２の作動回路は、少なくとも１つの圧縮機１１とヘリウムを圧縮する好ましくはいくつかの圧縮機とを備えた圧縮ステーション１を備える。

圧縮ステーション１を離れると、ヘリウムは、ヘリウムを冷却するための低温箱２に入る。低温箱２は、いくつかの熱交換器５を備え、これは、後者を冷却するためにヘリウムと熱を交換する。加えて、低温箱２は、圧縮されたヘリウムを膨張させるための１つ又は複数のタービン７を備える。好ましくは、低温箱２は、ブレイトンタイプの熱力学サイクル又は他の適当なサイクルに基づいて動作する。少なくともいくらかのヘリウムは、低温箱２を離れると液化され、液体ヘリウムと冷却されるべきユーザー（使用するもの）１０との間の熱の選択的交換を提供するように設計された熱交換システム１４に入る。ユーザー１０は、例えば、超電導磁石及び／又は１つ又は複数の低温凝縮ポンプユニット又は非常に低温の冷却を要求する任意の他の部材を用いることによって得られる磁界発生器を備える。

図１に概略的に示されるように、装置は、それ自体が知られている方法で、圧縮ステーション１からの出口で作動ガスを事前冷却するための付加的な事前冷却システムをさらに備える。事前冷却システムは、液体窒素のような補助的な低温流体のボリューム３を備える。ボリューム３は、作動ガスに補助的流体からフリゴリーを選択的に伝達するために、少なくとも１つの熱交換器によって作動回路に接続されている。
例えば、ボリューム３は、補助的流体の源（不図示）に接続され、弁２３（図３参照）が取り付けられた輸送管１３によって補助的流体が供給され得る。

図２のより詳細な例において、圧縮ステーション１は、例えば、ヘリウムに関して、３つの圧力レベルを画定する２つの圧縮機１１、１２を直列に備える。概略的に示されるように、圧縮ステーション１は、ヘリウム精製部材８を備えていてもよい。
圧縮ステーション１からの出口で、ヘリウムは低温箱２に通され、このヘリウムはいくつかの交換器５で熱の交換により冷却され、ヘリウムはタービン７を通って膨張させられる。

低温箱２において液化されたヘリウムは、冷却されるべきユーザー１０と熱を交換することが意図される交換器１４４が備わっているリザーバー１４に貯蔵され得る（例えば、ポンプを備えた回路）。ヘリウムとユーザー１０との間の熱の交換のためのこのシステム１４は、任意の他の適当な構造を備えていてもよい。

熱交換システム１４を通過した低圧ヘリウムは、作業のサイクルを再開するために、戻し管９によって圧縮ステーション１に戻される。この戻りの間、相対的に冷たいヘリウムは、熱交換器５にフリゴリーを引き渡し、及びしたがって、相対的に熱いヘリウムを冷却し、これは、ユーザー１０に到達する前に、冷却され及び反対方向に膨張させられる。
例示されるように、作動回路は、熱交換システム１４を通過しなかった低温箱２からのヘリウムを圧縮ステーション１に戻す戻し管１９を備えていてもよい。

図２において見えるように、装置は、例えば、８０Ｋの温度の、液体窒素のような補助的な低温流体のボリューム１３を備える事前冷却システムを備える。
低温箱２は、ヘリウムが圧縮ステーション１を離れるとすぐにそれを受容する第１のヘリウム冷却ステージを備える。
この第１の冷却ステージは、圧力ステーション１の出口に、作動回路に直列及び並列の両方に接続される第１の熱交換器５と第２の熱交換器１５とを備える。これは、圧縮ステーション２を離れる作動ガスは、第１の熱交換器５及び／又は第２の熱交換器１５に選択的に通され得ることをいうことを意味する。

第１の熱交換器５は、例えば、その中で、異なるそれぞれの温度のヘリウムの異なる流れの間の熱の交換があるタイプである。第１の交換器５は、圧縮ステーション１を直接的に離れる、熱く高圧といわれる作動ガスが供給される第１の通路６と、第１の通路と流れが対向し、冷たく低圧であるといわれる作動ガスが戻し管９によって供給される第２の通路と、第１の通路と流れが対向し、戻し管１９によって中圧であるといわれる作動ガスが供給される第３の通路とを備えていてもよい。

第２の熱交換器１５は、作動ガスと補助的なガスとの間で熱を交換するタイプものであり、及び、例えば、第１の熱交換器５から来る及び／又は低温箱２から直接的に来る作動ガスが供給される第１の通路１６と、第１の通路と流れが対向し、及び気化した補助的なガスを対象とした第２の通路と、回収管１２５を経由する作動ガスが供給される第３の通路と、を備える。

図３の例に例示されるように、第１の熱交換器５及び第２の熱交換器１５は、
− ２つの熱交換器５、１５の間の並列接続と、
− ２つの熱交換器５、１５の間の直列接続と、
− 第１の熱交換器５をバイパスするバイパスラインと、
を形成する、管６、１６、２６、３６の及び弁１１６、１２６、１３６のネットワークによって、圧力ステーション１の出口で、作動回路に直列及び並列の両方に接続されていてもよい。

また、第１の冷却ステージは、第３の熱交換器２５を備える。この第３の熱交換器２５は、第１の熱交換器５及び第２の熱交換器１５に直列及び並列の両方に接続される。これがいわんとすることは、第１の熱交換器５及び／又は第２の熱交換器１５を離れる作動ガスは、第３の熱交換器２５に選択的に通されることである。例えば図３により詳細に例示されるように、これは、第１の熱交換器５及び第２の熱交換器１５にそれぞれ属する２つの流体出口に、第３の熱交換器２５の流体入口を接続することによって、得られる。

図２に例示されるように、作動回路は、第２の熱交換器１５への第３の熱交換器２５を離れる作動ガスからのフリゴリーの伝達を選択的に可能にするために、第２の熱交換器１５に第３の熱交換器２５の出口を選択的に接続する回収管１２５を備える。
例えば、第３の熱交換器のヘリウム出口２５で、作動回路は、２つの並行ラインに細分された限定された部分を備え、このうち、２つのラインのうちの１つは、回収管１２５を構成する。この回路部分は、２つの並行ライン間でのヘリウムの選択的な配分を保証するために、一群の弁２２５、４４を備えていてもよい（図３参照）。
加えて、第３の熱交換器２５を通過した回収管１２５は、作動ガスの冷却を継続するように、低温箱の作動回路２に下流で接続される。

第３の熱交換器２５は、補助的流体（例えば窒素）が選択的に供給される。例えば、第３の熱交換器２５は、ボリューム３から遠隔の交換器であり、及び少なくとも１つの供給管１３を備える回路を経由して補助的流体が選択的に供給される。これは、第３の熱交換器２５内でヘリウムに補助的流体からフリゴリーが選択的に伝達されるのを可能にする。

図２において見えるように、本装置は、好ましくは、気化した補助的なガスのための、第２の熱交換器１５において通路によって遠隔の回収システムにボリュームの上端３を接続する、排出管２２５を備える。これは、第２の熱交換器１５を通過する作動ガスに気化したガス状の補助的流体からフリゴリーが選択的に伝達されるのを可能にする。

図３は、装置の第１の冷却ステージの実施形態の代替的な形態を例示する。図３の実施形態の形態は、図２のものと、第３の熱交換器２５が、今回は、補助的流体のボリュームに浸されているという点のみで異なる。

図４から図６は、それぞれ、装置の動作の連続する１つの可能な例において採用され得る３つの別個の構成を例示する。
ユーザーをクールダウンさせる第１の段階、この段階は図４に例示される、において、圧力ステーション１から来るヘリウムは、連続して第１の熱交換器５、第２の熱交換器１５及び第３の熱交換器２５において直列に冷却される（弁１１６及び１２６は閉鎖、弁１３６は開放）。加えて、第３の熱交換器２５からの出口で、冷却されたヘリウムは戻り、回収管１２５を経由して、第２の熱交換器１５を通過する（弁２２５及び４４は開放）。

補助的流体（窒素）は、約８０Ｋの温度で、第２の熱交換器２５を通って循環することが許される（それは、例えば約２７０Ｋの温度でそこから再出現する）。
これは、当初３００Ｋの温度でユーザーをクールダウンする動作の開始に対応し得る。この第１の段階の間、ヘリウムの温度は、
− 第１の熱交換器５からの出口で３００Ｋにほぼ等しい、
− 第２の熱交換器１５からの出口で１１０Ｋにほぼ等しい、
− 第３の熱交換器２５からの出口で８０Ｋにほぼ等しい、
− 第１の冷却ステージの下流４で１５４Ｋにほぼ等しい、
であってもよい。

２００Ｋの温度を有する、ユーザーのクールダウンの第２の段階は、図４のものと同一の構成を含んでいてもよい。
この第２の段階の間、ヘリウムの温度は、
− 第１の熱交換器５からの出口で２００Ｋにほぼ等しい、
− 第２の熱交換器１５からの出口で１１０Ｋにほぼ等しい、
− 第３の熱交換器２５からの出口で８０Ｋにほぼ等しい、
− 第１の冷却ステージの下流４で１５４Ｋにほぼ等しい、
であってもよい。

この第２の段階において、約８０Ｋの温度の補助的流体（窒素）は、第２の熱交換器１５を通って循環することが許され、及び例えば約１９０Ｋの温度でそこから再出現する。

１４０Ｋの温度を有する、ユーザーをクールダウンさせる第３の段階は、図４のものと同一の構成を含んでいてもよい。
この第３の段階の間、ヘリウムの温度は、
− 第１の熱交換器５からの出口で１４０Ｋにほぼ等しい、
− 第２の熱交換器１５からの出口で１１５Ｋにほぼ等しい、
− 第３の熱交換器２５からの出口で８０Ｋにほぼ等しい、
− 第１の冷却ステージの下流４で９６Ｋにほぼ等しい、
であってもよい。

この第３の段階において、約８０Ｋの温度の補助的流体（窒素）は、第２の熱交換器１５を通って循環することが許され、及び例えば約１４０Ｋの温度でそこから再出現する。

１２０Ｋの温度を有する、ユーザーをクールダウンさせる第４の段階は、図４のものと、第３の熱交換器２５を離れるヘリウムが、第２の熱交換器１５を通って再循環されない点のみで異なる構成を含んでいてもよい（弁２２５は閉鎖）。
この第４の段階の間、ヘリウムの温度は、
− 第１の熱交換器５からの出口で１２０Ｋにほぼ等しい、
− 第２の熱交換器１５からの出口で１１５Ｋにほぼ等しい、
− 第３の熱交換器２５からの出口で８０Ｋにほぼ等しい、
− 第１の冷却ステージの下流４で８０Ｋにほぼ等しい、
であってもよい。
この第４の段階において、約８０Ｋの温度の補助的流体（窒素）は、第２の熱交換器１５を通って循環することが許され、及び例えば約１２０Ｋの温度でそこから再出現する。

最後に、この事前冷却プロセスの後、ユーザーがその低い公称動作温度（例えば８０Ｋ）に到達したとき、本装置は、図６に例示される動作の第５の段階を採用してもよい。
この動作の第５の段階は、「公称」又は通常といわれ（これは安定化されたということを意味する）、図５の構成と、圧力ステーション１からのヘリウムが、第１の熱交換器５と第２の熱交換器１５との間で配分される点のみが異なる（弁１１６及び１２６は閉鎖、一方、弁１３６は開放）。
この第５の段階の間、ヘリウムの温度は、
− 第３の熱交換器２５に入る前に８６Ｋにほぼ等しい、
− 第３の熱交換器２５からの出口で８０Ｋにほぼ等しい、
であってもよい。
この第５の段階において、約８０Ｋの温度の補助的流体（窒素）は、第２の熱交換器１５を通って循環することが許され、及び例えば約３００Ｋの温度でそこから再出現する。

上述のアーキテクチャは、したがって、冷凍機／液化機の通常（公称）動作のために必要とされるのと同じ量の機器で、相対的に低い温度（例えば８０Ｋ）に相対的に熱い温度（例えば４００Ｋ）から重厚な構成要素をクールダウンすることを可能にする。
実際に、３つの交換器５、１５及び２５は、有利には、同じタイプの熱交換器、例えば、アルミニウム板及びフィン交換器であってもよい。これは、コンパクトな交換器５、１５及び２５を使用することを可能にし、並びに装置の全ての動作モード（クールダウン又は通常動作）に関して効果的にそのようにする。
このアーキテクチャは特に、知られているシステムと比べると、第１の熱交換器５のサイズを低減させることができる。具体的には、この第１の熱交換器５は、ヘリウムのみを受け入れる（窒素は受け入れない）。加えて、高圧ヘリウム（圧力ステーション１から来る）の流量は、第２の熱交換器１５にこのヘリウムのうちのいくらかを配分することによって部分的にその中で低減され得る。

加えて、ヘリウムの相対的に熱い及び冷たい流れは、完全にはバランスが取れず、これは、冷たい流れはピンチの増大を引き起こすことをいうこと意味し、これは、交換器に沿った冷たい流れと熱い流れとの間の最小の温度差の増大及びＬＭＴＤの増大、すなわち熱交換器５の対数平均温度差の増大をいうことを意味する。具体的には、比例的に、冷たい流れによって提供されたフリゴリーは、熱い流れから抽出されるべき熱エネルギーよりも大きくなる。冷たい流れは、したがって受ける加温がより少なく、したがって熱交換器５のＬＭＴＤを増大させる。

通常動作において、第１の交換器５及び第２の交換器１５は、並列に動作する（図６）。クールダウンの間、これら２つの交換器５、１５は、それに反して、直列に動作する。
この配列は、回収管１２５によって第２の交換器１５内に伝達されるヘリウムのために、第２の熱交換器１５で温度差を低減させることができる。
回収管１２５からのこのヘリウムは、ウォームアップされ、第２の熱交換器１５にフリゴリーを引き渡し、次いで、低温箱において下流方向に逸れるヘリウムの相対的に冷たい流れと混合される。

本装置は、先行技術に対して多数の利点がある。
したがって、装置は、特に、冷凍機の通常動作のための第１の交換器５、第２の交換器１５及び第３の交換器２５を特定することができ、及びこれらは、したがって、アルミニウム板及びフィンタイプの交換器で構成されていてもよい。
加えて、本装置は、動作のモードによるヘリウムの温度を調節する簡単で効果的な方法を可能にする。

Claims (12)

1. ヘリウムを含有するか又は純ヘリウムからなる作動ガスの冷凍及び／又は液化のための、作動ガスのためのループの形状の作動回路を備える装置であって、該装置は、順に、
   − 少なくとも１つの圧縮機（１１、１２）を備えた作動ガス圧縮ステーション（１）と、
   − 作動ガスを冷却するための、及び順番に配置された複数の熱交換器（５）と前記作動ガスを膨張させるための少なくとも１つの部材（７）とを備える、低温箱（２）と、
   − 冷却された前記作動ガスとユーザー（１０）との間の熱を交換するためのシステム（１４）と、
   − 前記熱交換システム（１４）を通過した前記作動ガスを前記圧縮ステーション（１）に戻す少なくとも１つの戻し管（９）とを備え、該戻し管（９）は、前記作動ガスを加温するための少なくとも１つの交換器（５）を含むものであり、
   該装置は、圧縮ステーション（２）からの出口に、前記作動ガスを事前冷却するための付加的なシステムをさらに備え、該事前冷却システムは、液体窒素のような補助的な低温流体のボリューム（３）を備え、該ボリューム（３）は、前記作動ガスに前記補助的流体からフリゴリーを選択的に伝達するために、少なくとも１つの熱交換器により前記作動回路に接続されており、
   前記低温箱（２）は、前記圧縮ステーション（１）の前記出口で前記作動回路に直列及び並列の両方に接続された第１の熱交換器（５）及び第２の熱交換器（１５）を備える第１の作動ガス冷却用ステージを備え、これは、前記圧縮ステーション（１）を離れる前記作動ガスは、前記第１の熱交換器（５）に及び／又は第２の熱交換器（１５）に選択的に通され得ることをいうことを意味し、また、前記第１の冷却ステージは、前記補助的流体と選択的に熱交換関係にある第３の熱交換器（２５）を備える装置において、
   前記第３の熱交換器（２５）は、前記第１の熱交換器（５）及び第２の熱交換器（１５）に直列及び並列の両方に接続されていることを特徴とし、これは、前記第１の熱交換器（５）及び／又は前記第２の熱交換器（１５）を離れる前記ガスは前記第３の熱交換器（２５）に選択的に通されることをいうことを意味し、前記作動回路は、少なくとも１つの弁（２２５）が取り付けられ、前記第２の熱交換器（１５）に前記第３の熱交換器（２５）を離れる作動ガスからのフリゴリーを伝達することを選択的に可能にするように、前記第２の熱交換器（１５）に前記第３の熱交換器（２５）の出口を接続する回収管（１２５）を備えることを特徴とする、前記装置。
2. 前記第１の熱交換器（５）、前記第２の熱交換器（１５）及び前記第３の熱交換器（２５）のうち少なくとも１つが、板及びフィンタイプのアルミニウム交換器であることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記第３の熱交換器（２５）は、補助的流体の前記ボリューム（３）に少なくとも部分的に浸されている熱交換器であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記第３の熱交換器（２５）は、前記ボリューム（３）から遠隔の交換器であり、及び少なくとも１つの供給管（１３）を備える回路を経由して補助的流体が選択的に供給されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
5. 前記気化した補助的なガスを排出するための、前記作動ガスに前記気化したガス状の補助的流体からフリゴリーを選択的に伝達するように、前記第２の熱交換器（１５）における通路によって遠隔の回収システムにボリュームの上端（３）を接続する、管（２２５）を備えることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記第３の熱交換器（２５）の前記出口に、前記作動回路は、２つの並行ラインに細分された限定された部分を備え、そのうち、前記２つのラインのうちの１つは前記回収管（１２５）を構成し、前記部分は、前記２つの並行ライン間での選択的な配分を保証するための一群の弁（２２５、４４）を備えることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記第３の熱交換器（２５）を通過した前記回収管（１２５）は、前記作動ガスの冷却を継続するように、前記低温箱（２）の前記作動回路に下流に接続されていることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
8. ユーザー（１０）が前記熱交換システム（１４）によって冷却される、請求項１から７のいずれか一項に記載の作動ガスの冷凍及び／又は液体化のための装置を用いてユーザー（１０）を冷却する方法。
9. １２０Ｋから４００Ｋまでの間の初期温度を有するユーザー（１０）を事前冷却するステップを含み、このステップにおいて、前記圧縮ステーション（１）を離れる前記作動ガスは、前記第１の熱交換器（５）において次いで前記第２の熱交換器（１５）において次いで前記第３の熱交換器（２５）において熱の交換によって冷却されることを特徴とし、及び前記第３の交換器（２５）を離れる前記冷却された作動ガスの少なくとも部分は、それがフリゴリーを引き渡す前記第２の熱交換器（１５）内の上流に再び通されることを特徴とする、請求項８に記載の冷却方法。
10. ５０Ｋから２００Ｋまでの間の初期温度を有するユーザー（１０）を事前冷却するステップを含み、このステップにおいて、前記圧縮ステーション（１）を離れる前記作動ガスは、前記第１の熱交換器（５）において、次いで前記第２の熱交換器（１５）において、次いで前記第３の熱交換器（２５）において、熱の交換によって冷却されることを特徴とし、及び、前記第３の熱交換器（２５）を離れる前記冷却された作動ガスは、前記第２の熱交換器（１５）を経由して上流に戻ることなく、前記低温箱（２）内に前記作動回路の下流に向けられることを特徴とする、請求項８又は９に記載の冷却方法。
11. ９０から４００Ｋまでの間の初期温度を有するユーザー（１０）を事前冷却するステップを備えることを特徴とし、及び、前記事前冷却ステップ後、前記ユーザーが５０から９０Ｋまでの間の温度に到達したとき、前記方法は、次いで、前記ユーザー（１０）の連続的な冷却のステップを含み、このステップにおいて、前記圧縮ステーション（１）を離れる前記作動ガスは、それぞれ前記第１の熱交換器（５）において及び前記第２の熱交換器（１５）において熱の交換により冷却される２つの画分に分割され、前記２つのガス画分は、次いで再結合され及び前記第３の熱交換器（２５）において冷却されることを特徴とし、及び、前記第３の熱交換器を離れる前記冷却された作動ガス（２５）は、前記第２の熱交換器（１５）を経由して上流に戻ることなく、前記低温箱（２）内に前記作動回路の下流に向けられることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載の冷却方法。
12. 気化した補助的流体の少なくとも一部を回収するステップ（２２５）と、前記第２の熱交換器（１５）において、前記作動ガスに、この気化した補助的流体からフリゴリーを伝達するステップと、を含むことを特徴とする、請求項８から１１のいずれか一項に記載の冷却方法。

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