JP2585704B2 - 極低温冷凍装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は極低温冷凍装置に係り、特にヘリウムを冷媒
とする極低温冷凍装置に関する。

〔従来の技術〕

従来のヘリウムを用いた冷凍装置としては、特開昭54
−36326号公報に記載のように、ジュールトムソン膨脹
弁の上流に膨脹器を設けた例が示されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術においては、ジュールトムソン膨脹弁の
直前に液化効率をよくするための膨脹タービン（超臨界
膨脹タービン）を設置する場合の問題について配慮され
ておらず、超臨界膨脹タービンが故障した場合は、冷凍
装置の運転を停止しなければならなかった。

本発明の課題は、ジュールトムソン膨脹弁の上流に、
直列に接続された超臨界膨脹タービンが故障した場合で
も、冷媒であるヘリウムの液化を継続して行うことので
きる極低温冷凍装置を提供するものにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記の課題は、ジュールトムソン膨脹弁の上流側に直
列に設けられた超臨界膨脹タービンのタービン出入口配
管に設けられた出口弁および入口弁と、前記入口弁の上
流側のタービン入口配管と前記出口弁の下流側のタービ
ン出口配管とを連通する弁を備えたすくなくともひとつ
のヘリウムガスバイパス流路とを設けた極低温冷凍装置
により達成される。

〔作用〕

超臨界膨脹タービンのヘリウムガス出入口には入口弁
および出口弁が設けられており、この入口弁の上流側の
ヘリウムガス配管と出口弁の下流側のヘリウムガス配管
とを連通して前記超臨界膨脹タービンをバイパスする、
弁を備えたヘリウムガスバイパス流路が設けられてい
る。超臨界膨脹タービンが故障した場合、入口弁およぶ
出口弁が閉じられ、ヘリウムガスバイパス流路に設けら
れた弁が開かれて、ヘリウムガスは前記超臨界膨脹ター
ビンをバイパスしてジュールトムソン膨脹弁へ流れて等
エンピタル膨脹を行うので、ヘリウムガスの液化率は多
少低下するが、ヘリウムガスの液化は継続して行われ
る。

〔実施例〕

以下本発明の一実施例を、第１図により説明する。圧
縮機20の出口側に接続された圧縮機出口側ヘリウムガス
配管２は、第１熱交換器21の高温側、第２熱交換器22の
高温側、第３熱交換器23の高温側、第４熱交換器24の高
温側、および第５熱交換器11の高温側入口を直列に接続
し、第５熱交換器11の高温側中間出口と超臨界膨脹ター
ビン５のヘリウムガス入口は、タービン入口配管３で接
続されている。前記超臨界膨脹タービン５のヘリウムガ
ス出口と第５熱交換器11の高温側中間入口とはタービン
出口配管６により接続され、第５熱交換器11の高温側出
口と冷凍負荷10の入口とはジュールトムソン弁９を介し
て連通されている。冷凍負荷10の出口、第５熱交換器11
の低温側、第４熱交換器24の低温側、第３熱交換器23の
低温側、第２熱交換器22の低温側、第１熱交換器21の低
温側、および前記圧縮機20の入口側は、圧縮機入口側ヘ
リウムガス配管12により直列に接続されている。第１熱
交換器21の高温側出口と第２熱交換器22の高温側入口を
接続している圧縮機出口側ヘリウムガス配管２にはヘリ
ウムガス分岐配管29が接続され、このヘリウムガス分岐
配管29は、第１膨脹タービン、第３熱交換器23の高温
側、第２膨脹タービン、および第５熱交換器11の低温側
出口と第４熱交換器24の低温側入口とを接続する圧縮機
入口側ヘリウムガス配管12を直列に接続している。ター
ビン入口配管３の超臨界膨脹タービン５入口側には入口
弁４が設けられ、タービン出口配管６の前記タービン５
出口側には出口弁４′が設けられている。さらに入口弁
４の上流側のタービン入口配管３と出口弁４′の下流側
のタービン出口配管６を連通するヘリウムガスバイパス
流路７が設けられ、該バイパス流路７には、バイパス弁
８が設けられている。

圧縮機20で16atm,300K（常温）に圧縮されたヘリウム
ガスは、第１、第２、第３、および第４熱交換器を通っ
て予冷され、高圧・低温のヘリウムガス（例えば、16at
m.10K）となって第５熱交換器11の高温側に流入する。
第５熱交換器11の高温側に流入したヘリウムガスは、前
記熱交換器11の高温側中間出口からタービン入口配管３
へ流入する。通常運転状態においてはバイパス弁８は閉
じられ、入口弁４および出口弁４′が開かれているか
ら、タービン入口配管３に流入したヘリウムガスは入口
弁４で適当な圧力に調整されて超臨界膨脹タービン５に
入り、断熱膨脹を行って温度、圧力が低下する。温度・
圧力が低下した中圧ヘリウムガス（例えば4atm.6K）は
出口弁４′を経てタービン出口配管６を通り、第５熱交
換器11の高温側中間入口から該熱交換器11の高温側に戻
って低温側のヘリウムガスと熱交換してさらに温度が下
がる。温度が下ったヘリウムガスはジュールトムソン膨
脹弁９を通過しつつ等エンタルピー膨脹（例えば1.2atm
4.4K）を行って液化する。液化したヘリウムは冷凍負荷
10を通過しつつ気化し、圧縮機入口側配管12,第5,第4,
第3,第2,第１各熱交換器の低温側を通りながら、高温側
を流れるヘリウムガスと熱交換し、圧縮機20に戻って循
環を繰り返す。超臨界膨脹タービンは、ジュールトムソ
ン膨脹弁よりも効率の良い等エントロピー膨脹を行うの
で、従来のジュールトムソン膨脹弁だけでヘリウムを液
化させる装置よりも効率良くヘリウムが液化される。

一方、超臨界膨脹タービンが何かの原因で故障したと
きは、入口弁４および出口弁４′を閉じ、バイパス弁８
を開けば、第５熱交換器11の高温側中間出口から出た高
圧のヘリウムガスは、ヘリウムガスバイパス流路７を通
ってジュールトムソン膨脹弁９に流れこみ、この膨脹弁
９で従来の装置のように等エンタルピー膨張を行って液
化する。このように超臨界膨脹タービンが故障した場合
でも、液化効率（あるいは冷凍効率）は低下するが、ヘ
リウムの液化を継続し、冷凍装置の運転を維持できる。
さらに、この状態では、超臨界膨脹タービンは、ヘリウ
ムが循環している管系統から弁によって隔離されている
ので、タービンの修理、交換が可能であり、修理のため
に系統全体のヘリウムを置換する手間を省くことができ
る。

以上述べたように、本実施例によれば、超臨界膨脹タ
ービンが故障した場合でも、容易にヘリウムガスの液化
を続ける効果があり、冷凍装置の信頼性を高めると共に
超臨界膨脹タービンの保守を容易にする効果がある。

第２図には他の実施例を示す。第１図に示したものと
同様の部分は同一の符号を付して説明を省略するととも
に、第１図の破線で囲んだ部分は同じであるので、囲ん
だ部分の記載は省略した（第４図〜第６図に示す実施例
についても同じ）。本実施例においては、ヘリウムガス
バイパス流路７には、第１ジュールトムソン膨脹弁８′
が設けられ、第５熱交換器11の高温側出口に接続された
第２ジュールトムソン膨脹弁（以下、第2JT弁という）
９′には、液体リリウムタンク16内の液体ヘリウム14液
面上に設けられた凝縮器13が接続されている。該凝縮器
13は他端の圧縮器入口側ヘリウムガス配管12に接続さ
れ、液体ヘリウム14内には超伝導マグネット15が沈設さ
れている。超臨界膨脹タービン５が故障したときは、入
口弁４および出口４′を閉じて第１ジュールトムソン膨
脹弁（以下第1JT弁という）８′を開くと、第５熱交換
器11の高温側中間出口を出た高圧ヘリウムガス（例えば
16atm.8K）は、第1JT弁８′で等エンタルピー膨脹を行
って温度・圧力が低下する（例えば4atm.6.5K）。ヘリ
ウムガスはさらに第５熱交換器11の高温側を経て第2JT
弁９′に導かれて等エンタルピー膨脹を行う。このと
き、第2JT弁９′入口におけるヘリウムガスの温度・圧
力を4atm.5.5Kとすると、1.2atmまで等エンタルピー膨
脹を行うとヘリウムガスは液化して4.4Kの気液二相流と
なる。一方、液体ヘリウムタンク16内の液体ヘリウム14
内に沈設されている超伝導マグネット15を冷却している
液体ヘリウム14は、外部から侵入する熱によって気化す
るが、前記4.4Kの気液二相流が流れる凝縮器13によって
冷却・凝縮されて液化する。凝縮器13内を流れるヘリウ
ムの気液二相流は再び気化して第５〜第１の各熱交換器
の低温側を経て、圧縮機20へ戻り、循環を繰り返す。

以上の動作原理を第３図のＴ−Ｓ線図により説明す
る。第２図の実施例の場合、第1JT弁８′直前のヘリウ
ムガスの状態をＡ点（16atm,8K）とすると、このヘリウ
ムガスは第1JT弁８′で等エンタルピー膨脹を行って
Ｂ′点（4atm.6.5K）になり、第５熱交換器11の高温側
で熱交換を行って温度降下して第2JT弁９′入口でＣ′
点となり、第2JT弁９′で等エンタルピー膨脹を行って
Ｄ″となる。このときヘリウムガスの液化率はＴ−Ｓ線
図上では線分Ｄ″ＦとEFの比（Ｄ″F/EF）となる。次に
第１図の実施例において、ヘリウムガスが、バイパス弁
８を通る場合は、熱交換器の性能が同じ（ジュールトム
ソン膨脹弁９入口温度が同じ5.5K）とすると、ヘリウム
ガスはジュールトムソン膨脹弁９入口を示すＡ′点（16
atm.5.5K）から該膨脹弁９で等エンタルピー膨脹を行
い、Ｄ′点となる。このときの液化率は線分Ｄ′Ｆと線
分EFの比（Ｄ′F/EF）となる。第１回の実施例において
ヘリウムガスが超臨界膨脹タービン５で膨脹する場合
は、タービン入口でのヘリウムガスの状態はＡ点であ
り、該タービン５の断熱効率を70％とすると、ヘリウム
ガスは超臨界膨脹タービン５で等エントロピー膨脹を行
ってＢ点（4atm.6K）になる。この等エントロピー膨脹
で前述のＢ′点（4atm.6.5K）に比して低い温度まで冷
却されるので、熱交換器の能力が同じなら、第５熱交換
器11の高温側出口でのヘリウムガス温度は、Ｃ′点より
低くなり、Ｃ点（例えば5.3K）になる。ここからジュー
ルトムソン膨脹弁９で等エンタルピー膨脹を行うたＤ点
になる。したがって超臨界膨脹タービン５を用いた場合
が一番ヘリウムの液化効率がよく、次にジュールトムソ
ン膨脹弁２段、最後に従来のジュールトムソン膨脹弁
（以下JTと記す）１段の順になる。具体的な数字で表す
と、上述の実施例の場合、液化率は、上記の順に合わ
せ、0.72,0.65,0.48となる。

上記の液化率から明らかなように、第２図で示した実
施例では、超臨界膨脹タービンが故障したときに、JT弁
１段のときよりもさらにヘリウムガスの液化率（冷凍機
の冷凍能力）を大きくできる効果があり、ひいては液体
ヘリウムの蒸発量を低くできる効果が得られ、信頼性の
高い冷凍装置が得られる。尚、凝縮器13を設けず、第2A
図に示すように、液化したヘリウムを液体ヘリウムタン
ク16内に注入し、気化したヘリウムを圧縮機入口配管12
を経て、圧縮機20へ循環させてもよい。

第４図に示す実施例は、第２図に示す実施例の凝縮器
13に代えて冷凍負荷10を設け、ヘリウムガスバイパス流
路７の分岐点よりも上流側のタービン入口配管３に、フ
ィルター３′を設けたものであり、他は第２図に示す実
施例と同じであるので同一符号を付して説明は省略す
る。このフィルター３′により上流から流れてくるヘリ
ウムガス中に含まれる不純物（ゴミ、固化した油等）が
捕捉されるので、これらの不純物が超臨界ヘリウムター
ビン５や第1JT弁８′、第2JT弁９′に運ばれてタービン
故障やJT弁の閉塞をひきおこす心配がない。

第５図に示す実施例は、第４図に示された実施例の超
臨界膨脹タービン５のブレーキファンに循環配管を設
け、タービンロータを含む低温部を真空保冷槽60に収納
したものであり、その他は同じてあるので同一の符号を
付して説明は省略する。超臨界膨脹タービン５は、高速
回転してヘリウムガスを断熱膨脹させるタービンロータ
51と、該ロータ51の動力を回収するブレーキファン52と
該ブレーキファン52に接続され、ブレーキファン52で圧
縮されて循環するヘリウムガスの流路となるブレーキフ
ァン循環配管53とからなっている。ブレーキファン循環
配管53は、ブレーキファン52を含んでループをなすルー
プ配管53Aと、ループ配管53Aに分岐して設けられ排気弁
17を介装する排気管53Bと、排気管53Bに接続して設けら
れた真空ポンプ19と、排気弁17とループ配管53Aの間の
排気管53Bに分岐して設けられ給気弁18を介装する給気
管53Cとからなっている。ブレーキファン52がヘリウム
を圧縮するときに生ずる圧縮熱は、図示されていない熱
交換器により系外へ取り出される。発熱部のブレーキフ
ァン52は、真空保冷槽60の外部に設置されている。本実
施例において、超臨界膨脹タービン５が故障したときは
前述の実施例と同様に、出入口弁４、４′を閉じ、第1J
T弁８′を開いてヘリウム液化が継続される。一方、故
障した超臨界膨脹タービンを交換した場合は、給気弁18
を閉じ、排気弁17を開いて、真空ポンプ19によりブレー
キファン循環配管およびタービン部を排気したのち、給
気弁18からヘリウムガスを一定圧力になるまで供給す
る。以上の操作を繰り返してブレーキファン循環配管お
よびタービン部のヘリウム置換が行われる。本実施例で
は、ブレーキファン循環配管53に給気弁18および排気弁
17が設けられているので、ブレーキファン配管を分解す
ることなく容易にヘリウム置換を行うことが可能であ
る。本実施例によれば、ヘリウムの液化を行いつつ、容
易にかつ迅速に超臨界膨脹タービンの保守を行うことが
可能である。

第６図に示す実施例には、第１図に示す実施例のバイ
パス弁８に代えて第1JT弁８′を備えたヘリウムガスバ
イパス流路７を２個設けたものである。本実施例によれ
ば、超臨界膨脹タービン５による減圧の程度が、第2JT
弁９による減圧の程度より大きい場合であっても、前記
タービン５の停止時に同一仕様のJT弁により、前記ター
ビン５による減圧と同様の減圧を行わせることを可能に
する効果がある。

〔発明の効果〕

本発明によれば、超臨界膨脹タービンに並列にヘリウ
ムバイパス流路を設けたので、前記超臨界膨脹タービン
が故障した場合でも、ヘリウムの液化を継続して冷凍装
置の運転をつづけることが可能となり、冷凍装置の信頼
性を高める効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す系統図であり、第２図は
本発明の他の実施例を示す系統図であり、第2A図は第２
図に示す実施例の一部を変更して示す断面図であり、第
３図は、本発明の動作原理を示すＴ−Ｓ線図であり、第
４図〜第６図は本発明のさらに他の実施例を示す系統図
である。 ３……タービン入口配管、４……入口弁、 ４′……出口弁、５……超臨界膨脹タービン、 ６……タービン出口配管、 ７……ヘリウムガスバイパス流路、 ８……弁（バイパス弁）、 ９……ジュールトムソン膨脹弁、10……冷凍負荷、 11,21,22,23,24……熱交換器、 20……圧縮機。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ヘリウムガスを圧縮・循環させる圧縮機
   と、該圧縮機に接続されて、圧縮された前記ヘリウムガ
   スと冷凍負荷で気化したヘリウムガスとの間で熱交換を
   行わせる熱交換器と、前記熱交換器に接続して設けられ
   前記圧縮されたヘリウムガスを膨脹させる超臨界膨脹タ
   ービンと、該膨脹タービンの出口側に直列に接続されて
   前記膨脹したヘリウムガスを液化させるジュールトムソ
   ン膨脹弁とを備え、液化したヘリウムを冷凍負荷で気化
   させる極低温冷凍装置において、前記ジュールトムソン
   膨脹弁の上流側の超臨界膨脹タービンの出入口配管に設
   けられた出口弁および入口弁と、前記出口弁の下流側の
   タービン出口配管と前記入口弁の上流側のタービン入口
   配管とを連通する弁を備えた少くともひとつのヘリウム
   ガスバイパス流路とを設けたことを特徴とする極低温冷
   凍装置。