JP2841955B2 - 超臨界ヘリウム冷却装置およびその運転方法 - Google Patents
超臨界ヘリウム冷却装置およびその運転方法Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、強制冷却型超伝導マグ
ネット等を用いた極低温分野での冷却に好適な超臨界ヘ
リウム冷却装置およびその運転方法に関するものであ
る。
ネット等を用いた極低温分野での冷却に好適な超臨界ヘ
リウム冷却装置およびその運転方法に関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】ヘリウム冷凍装置の代表的被冷却体とし
て超伝導マグネット（以下「ＳＣＭ」と呼ぶ。）がある
が、核融合実験装置の大型化によってＳＣＭも大きくな
り、このため耐電圧を大きくとれ、剛性の大きいＳＣＭ
が必要となり、このようなＳＣＭに適用できるものとし
て、例えば、ケーブルインコンジットタイプの超電導線
を用いたＳＣＭがある。このタイプのＳＣＭでは、ケー
ブル内を通しての超臨界ヘリウムでの強制冷却が必須と
なってくる。超臨界ヘリウムでの強制冷却は、基本的に
超臨界ヘリウムの温度上昇を伴う顕熱で熱負荷を吸収す
るために、ＳＣＭ側で許容する上限温度にもよるが、一
般的に液体ヘリウムの潜熱によって熱負荷を吸収し、気
化したヘリウムガス分を液体ヘリウムで補給する浸漬冷
却と比較して、循環させるヘリウムガスを多く必要とす
る。
て超伝導マグネット（以下「ＳＣＭ」と呼ぶ。）がある
が、核融合実験装置の大型化によってＳＣＭも大きくな
り、このため耐電圧を大きくとれ、剛性の大きいＳＣＭ
が必要となり、このようなＳＣＭに適用できるものとし
て、例えば、ケーブルインコンジットタイプの超電導線
を用いたＳＣＭがある。このタイプのＳＣＭでは、ケー
ブル内を通しての超臨界ヘリウムでの強制冷却が必須と
なってくる。超臨界ヘリウムでの強制冷却は、基本的に
超臨界ヘリウムの温度上昇を伴う顕熱で熱負荷を吸収す
るために、ＳＣＭ側で許容する上限温度にもよるが、一
般的に液体ヘリウムの潜熱によって熱負荷を吸収し、気
化したヘリウムガス分を液体ヘリウムで補給する浸漬冷
却と比較して、循環させるヘリウムガスを多く必要とす
る。
【０００３】超臨界ヘリウムを用いた強制冷却では、ヘ
リウム冷凍機とは別に、専用の超臨界ヘリウム循環ポン
プを組み込み超臨界ヘリウムを循環させる場合もある
が、比較的流量が少ない場合には、ヘリウム冷凍機の液
化ラインから、ヘリウムガスの圧力，温度を調節して直
接、被冷却体に超臨界ヘリウムとして送ることが多い。
リウム冷凍機とは別に、専用の超臨界ヘリウム循環ポン
プを組み込み超臨界ヘリウムを循環させる場合もある
が、比較的流量が少ない場合には、ヘリウム冷凍機の液
化ラインから、ヘリウムガスの圧力，温度を調節して直
接、被冷却体に超臨界ヘリウムとして送ることが多い。
【０００４】従来技術の一例を図４を用いて説明する。
図４において、１は圧縮機、２は高圧ライン、３は低圧
戻りライン、１０はコールドボックス、１１ａ〜１１ｆ
は熱交換器、１２は入口弁、１３ａ，１３ｂは膨張ター
ビン、１４は第１のＪＴ弁、１６は第２のＪＴ弁、１７
ａ，１７ｂは極低温冷媒移送管、１８は液体ヘリウム容
器、２３は熱交換器、３０は被冷却体（詳細図示省略）
を内臓したクライオスタットである。
図４において、１は圧縮機、２は高圧ライン、３は低圧
戻りライン、１０はコールドボックス、１１ａ〜１１ｆ
は熱交換器、１２は入口弁、１３ａ，１３ｂは膨張ター
ビン、１４は第１のＪＴ弁、１６は第２のＪＴ弁、１７
ａ，１７ｂは極低温冷媒移送管、１８は液体ヘリウム容
器、２３は熱交換器、３０は被冷却体（詳細図示省略）
を内臓したクライオスタットである。
【０００５】次に、上記のように構成された従来例の動
作について説明する。圧縮機１で、例えば、１６〜１８
ａｔｍに圧縮された高圧ヘリウムガスは、高圧ヘリウム
ライン２からコールドボッククス１０へ供給され、第１
の熱交換器１１ａで液体窒素および戻りの低圧ヘリウム
と熱交換し、さらに第２の熱交換器１１ｂで冷却された
後、膨張タービンラインと液化ラインに分岐される。膨
張タービンラインに分岐された高圧ヘリウムガスは、入
口弁１２を通り第１の膨張タービン１３ａで断熱膨張仕
事をし温度降下して第４の熱交換器１１ｄに入り、第４
の熱交換器１１ｄを出た膨張タービンラインのヘリウム
ガスは、第２の膨張タービン１３ｂで低圧までさらに断
熱膨張仕事をし温度降下して低圧戻りラインに合流す
る。
作について説明する。圧縮機１で、例えば、１６〜１８
ａｔｍに圧縮された高圧ヘリウムガスは、高圧ヘリウム
ライン２からコールドボッククス１０へ供給され、第１
の熱交換器１１ａで液体窒素および戻りの低圧ヘリウム
と熱交換し、さらに第２の熱交換器１１ｂで冷却された
後、膨張タービンラインと液化ラインに分岐される。膨
張タービンラインに分岐された高圧ヘリウムガスは、入
口弁１２を通り第１の膨張タービン１３ａで断熱膨張仕
事をし温度降下して第４の熱交換器１１ｄに入り、第４
の熱交換器１１ｄを出た膨張タービンラインのヘリウム
ガスは、第２の膨張タービン１３ｂで低圧までさらに断
熱膨張仕事をし温度降下して低圧戻りラインに合流す
る。
【０００６】一方、液化ラインに分岐した高圧ヘリウム
ガスは、第３〜第６の熱交換器１１ｃ〜１１ｆによって
戻りの低圧ガスと熱交換して冷却された後、第１のＪＴ
弁１４で、例えば、８〜１０ａｔｍに断熱膨張させて超
臨界ヘリウム（ここでは、臨界圧以上のヘリウムガスを
いう。）とし、液体ヘリウム容器１８内の熱交換器２３
で冷却して、極低温冷媒移送管１７ａを介してクライオ
スタット３０に供給し、被冷却体を冷却する。被冷却体
を冷却し圧力損失で、例えば、６〜８ａｔｍとなった超
臨界ヘリウムは、極低温冷媒移送管１７ｂを介してコー
ルドボックス１０内に戻され、第２のＪＴ弁１６で断熱
膨張させ、一部が液体ヘリウムとなって液体ヘリウム容
器１８に貯液され、熱交換器２３の寒冷源として利用さ
れる。第２のＪＴ弁１６で断熱膨張した残りのヘリウム
ガスは、液体ヘリウム容器１８で気化した低温ヘリウム
ガスと一緒になって低圧戻りライン３通って熱交換器１
１ａ〜１１ｆによって寒冷回収されて圧縮機１の吸入側
へ戻る。
ガスは、第３〜第６の熱交換器１１ｃ〜１１ｆによって
戻りの低圧ガスと熱交換して冷却された後、第１のＪＴ
弁１４で、例えば、８〜１０ａｔｍに断熱膨張させて超
臨界ヘリウム（ここでは、臨界圧以上のヘリウムガスを
いう。）とし、液体ヘリウム容器１８内の熱交換器２３
で冷却して、極低温冷媒移送管１７ａを介してクライオ
スタット３０に供給し、被冷却体を冷却する。被冷却体
を冷却し圧力損失で、例えば、６〜８ａｔｍとなった超
臨界ヘリウムは、極低温冷媒移送管１７ｂを介してコー
ルドボックス１０内に戻され、第２のＪＴ弁１６で断熱
膨張させ、一部が液体ヘリウムとなって液体ヘリウム容
器１８に貯液され、熱交換器２３の寒冷源として利用さ
れる。第２のＪＴ弁１６で断熱膨張した残りのヘリウム
ガスは、液体ヘリウム容器１８で気化した低温ヘリウム
ガスと一緒になって低圧戻りライン３通って熱交換器１
１ａ〜１１ｆによって寒冷回収されて圧縮機１の吸入側
へ戻る。
【０００７】このようなヘリウム冷凍装置については、
例えば、神鋼技報第４１巻（１９９１）第３号１３８頁
に記載のものが知られている。
例えば、神鋼技報第４１巻（１９９１）第３号１３８頁
に記載のものが知られている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、装置
の効率的な運転について配慮されておらず、被冷却体を
冷却した後のヘリウムガスの圧力によって、該ヘリウム
ガスを液化させるときの効率や被冷却体を冷却する効率
等が変化するという問題があった。
の効率的な運転について配慮されておらず、被冷却体を
冷却した後のヘリウムガスの圧力によって、該ヘリウム
ガスを液化させるときの効率や被冷却体を冷却する効率
等が変化するという問題があった。
【０００９】すなわち、従来用いられた膨張弁は、等エ
ンタルピー膨張を生じさせるものであり、寒冷の発生が
十分ではない。そのため、ヘリウムガスの圧力が変化す
るとそれによって寒冷発生効率がさらに変わり、十分な
寒冷を得ることができないという問題があった。また、
超臨界ヘリウムによる被冷却体の冷却においては、操作
圧力によって同一温度差，同一流量においても超臨界ヘ
リウムの吸収可能な熱量が大幅に変わる。例えば、被冷
却体入口温度４．５Ｋ，出口温度４．８Ｋの時、被冷却
体入口で１０ａｔｍ、出口で８ａｔｍの場合は、０．１
７Ｗ／（ｇ／ｓ）であり、被冷却体入口で８ａｔｍ、出
口で６ａｔｍの場合は、０．３４Ｗ／（ｇ／ｓ）であ
る。一般に被冷却体の運転圧力は、圧力が高いと同じ流
量当りの吸収熱量が小さくなり、またクエンチ時の圧力
上昇が高くなる。一方、圧力が低いと流動の不安定性が
生じるなどの問題があり、それぞれのシステムで総合的
に選定する必要があった。
ンタルピー膨張を生じさせるものであり、寒冷の発生が
十分ではない。そのため、ヘリウムガスの圧力が変化す
るとそれによって寒冷発生効率がさらに変わり、十分な
寒冷を得ることができないという問題があった。また、
超臨界ヘリウムによる被冷却体の冷却においては、操作
圧力によって同一温度差，同一流量においても超臨界ヘ
リウムの吸収可能な熱量が大幅に変わる。例えば、被冷
却体入口温度４．５Ｋ，出口温度４．８Ｋの時、被冷却
体入口で１０ａｔｍ、出口で８ａｔｍの場合は、０．１
７Ｗ／（ｇ／ｓ）であり、被冷却体入口で８ａｔｍ、出
口で６ａｔｍの場合は、０．３４Ｗ／（ｇ／ｓ）であ
る。一般に被冷却体の運転圧力は、圧力が高いと同じ流
量当りの吸収熱量が小さくなり、またクエンチ時の圧力
上昇が高くなる。一方、圧力が低いと流動の不安定性が
生じるなどの問題があり、それぞれのシステムで総合的
に選定する必要があった。
【００１０】本発明の目的は、効率の良い運転を行なう
ことのできる超臨界ヘリウム冷却装置およびその運転方
法を提供することにある。
ことのできる超臨界ヘリウム冷却装置およびその運転方
法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明では、リウムガスを圧縮・循環させる圧縮機
と、該圧縮機からの高圧ヘリウムガスを、液体ヘリウム
容器からの戻りの低圧ヘリウムガスと熱交換させ前記高
圧ヘリウムガスを冷却する熱交換器と、前記高圧ヘリウ
ムガスの一部から分岐して前記戻りの低圧ヘリウムガス
と合流するラインに設けられ前記高圧ヘリウムガスを断
熱膨張させて寒冷を発生する膨張機と、前記高圧ヘリウ
ムガスの分岐した残りの高圧ヘリウムガスをさらに低温
に冷却する手段と、該手段によって冷却されたヘリウム
ガスを前記液体ヘリウム容器内の液体ヘリウムと熱交換
させて冷却する冷却手段と、該冷却手段によって冷却さ
れたヘリウムガスによって冷却される被冷却体と、該被
冷却体を冷却した後のヘリウムガスを断熱膨張させ、一
部が液化されたヘリウムガスを発生する膨張タービン
と、該膨張タービンからの液体ヘリウムおよびヘリウム
ガスを前記液体ヘリウム容器に供給する供給路とが設け
られる。
め、本発明では、リウムガスを圧縮・循環させる圧縮機
と、該圧縮機からの高圧ヘリウムガスを、液体ヘリウム
容器からの戻りの低圧ヘリウムガスと熱交換させ前記高
圧ヘリウムガスを冷却する熱交換器と、前記高圧ヘリウ
ムガスの一部から分岐して前記戻りの低圧ヘリウムガス
と合流するラインに設けられ前記高圧ヘリウムガスを断
熱膨張させて寒冷を発生する膨張機と、前記高圧ヘリウ
ムガスの分岐した残りの高圧ヘリウムガスをさらに低温
に冷却する手段と、該手段によって冷却されたヘリウム
ガスを前記液体ヘリウム容器内の液体ヘリウムと熱交換
させて冷却する冷却手段と、該冷却手段によって冷却さ
れたヘリウムガスによって冷却される被冷却体と、該被
冷却体を冷却した後のヘリウムガスを断熱膨張させ、一
部が液化されたヘリウムガスを発生する膨張タービン
と、該膨張タービンからの液体ヘリウムおよびヘリウム
ガスを前記液体ヘリウム容器に供給する供給路とが設け
られる。
【００１２】
【作用】膨張弁は等エンタルピー膨張を生じさせるもの
であり、膨張タービンは理想的には等エントロピー膨張
を行なうものである。これらは共に断熱膨張であるが、
等エンタルピー膨張を行なう膨張弁の前後ではエンタル
ピーは同じであり、等エントロピー膨張を行なう膨張タ
ービンの前後では、膨張タービンにおいてエネルギーが
とりだされ、出口側のエンタルピーが入口側のそれより
減少し、寒冷を発生する。このため、被冷却体の後の流
路に膨張タービンを設けることにより、被冷却体を冷却
したヘリウムガスの圧力が変動しても膨張弁に比べ、冷
却効率を高くとれる。
であり、膨張タービンは理想的には等エントロピー膨張
を行なうものである。これらは共に断熱膨張であるが、
等エンタルピー膨張を行なう膨張弁の前後ではエンタル
ピーは同じであり、等エントロピー膨張を行なう膨張タ
ービンの前後では、膨張タービンにおいてエネルギーが
とりだされ、出口側のエンタルピーが入口側のそれより
減少し、寒冷を発生する。このため、被冷却体の後の流
路に膨張タービンを設けることにより、被冷却体を冷却
したヘリウムガスの圧力が変動しても膨張弁に比べ、冷
却効率を高くとれる。
【００１３】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図１により説明す
る。本図において、図４と同符号のものは同一部材を示
し、説明を省略する。本図が図４と異なる点は、高圧ラ
イン２の熱交換器１１ｆの後流側に設けられた膨張弁１
４の代わりに膨張タービン３１ａを設け、膨張タービン
３１ａを挟んで弁３２ａおよび３３ａを設け、これら弁
３２ａ，３３ａおよび膨張タービン３１ａをバイパスす
るバイパス弁３４ａを設けた点と、これらの低温側に熱
交換器１１ｇを設けた点と、クライオスタット３０から
液体ヘリウム容器１８への戻しのラインに設けた膨張弁
１６の代わりに膨張タービン３１ｂを設け、膨張タービ
ン３１ｂを挟んで弁３２ｂおよび３３ｂを設け、これら
弁３２ｂ，３３ｂおよび膨張タービン３１ｂをバイパス
するバイパス弁３４ｂを設けた点と、クライオスタット
３０のヘリウム循環流路の出入口側にクッションタンク
３５ａおよび３５ｂを設けた点と、クライオスタット３
０内のヘリウム循環流路出口部に温度計４０および圧力
計４１を設け、これら温度計４０および圧力計４１から
の信号を制御装置４２に入力し、制御装置４２からの出
力で膨張タービン３１ｂおよびバイパス弁３４ｂを制御
するようにした点である。なお、この場合、膨張タービ
ン３１ｂの後流側に設けた弁３３ｂは、膨張弁である。
る。本図において、図４と同符号のものは同一部材を示
し、説明を省略する。本図が図４と異なる点は、高圧ラ
イン２の熱交換器１１ｆの後流側に設けられた膨張弁１
４の代わりに膨張タービン３１ａを設け、膨張タービン
３１ａを挟んで弁３２ａおよび３３ａを設け、これら弁
３２ａ，３３ａおよび膨張タービン３１ａをバイパスす
るバイパス弁３４ａを設けた点と、これらの低温側に熱
交換器１１ｇを設けた点と、クライオスタット３０から
液体ヘリウム容器１８への戻しのラインに設けた膨張弁
１６の代わりに膨張タービン３１ｂを設け、膨張タービ
ン３１ｂを挟んで弁３２ｂおよび３３ｂを設け、これら
弁３２ｂ，３３ｂおよび膨張タービン３１ｂをバイパス
するバイパス弁３４ｂを設けた点と、クライオスタット
３０のヘリウム循環流路の出入口側にクッションタンク
３５ａおよび３５ｂを設けた点と、クライオスタット３
０内のヘリウム循環流路出口部に温度計４０および圧力
計４１を設け、これら温度計４０および圧力計４１から
の信号を制御装置４２に入力し、制御装置４２からの出
力で膨張タービン３１ｂおよびバイパス弁３４ｂを制御
するようにした点である。なお、この場合、膨張タービ
ン３１ｂの後流側に設けた弁３３ｂは、膨張弁である。
【００１４】膨張タービン３１ｂは、この場合、ノズル
からのヘリウムガスの吐出量を調整可能な可変容量式の
ものとなっている。制御装置４２は、膨張タービン３１
ｂに入るヘリウムガス圧力および温度によって、一番効
率良く寒冷を発生させられるノズルからのヘリウムガス
の吐出量を調整するもので、ヘリウムガスの圧力および
温度とノズル開口量との関係は、予め実験等によって求
めておき、その関係を制御装置に記憶させておくことに
より、制御することができる。また、制御装置４２は、
ヘリウムガスの圧力によって、バイパス弁３４ｂを制御
してヘリウムガスの圧力を一定に制御することができ
る。
からのヘリウムガスの吐出量を調整可能な可変容量式の
ものとなっている。制御装置４２は、膨張タービン３１
ｂに入るヘリウムガス圧力および温度によって、一番効
率良く寒冷を発生させられるノズルからのヘリウムガス
の吐出量を調整するもので、ヘリウムガスの圧力および
温度とノズル開口量との関係は、予め実験等によって求
めておき、その関係を制御装置に記憶させておくことに
より、制御することができる。また、制御装置４２は、
ヘリウムガスの圧力によって、バイパス弁３４ｂを制御
してヘリウムガスの圧力を一定に制御することができ
る。
【００１５】このように構成された装置においては、高
圧ライン２で膨張タービンラインと液化ラインに分岐さ
れ、液化ラインに分岐され熱交換器１１ｃないし１１ｆ
によって冷却された高圧ヘリウムガス（この場合、１６
〜１８ａｔｍ）は、第１の膨張タービン３１ａで８〜１
０ａｔｍに断熱膨張して寒冷を発生し、熱交換器１１ｇ
でさらに冷却され超臨界ヘリウムとして熱交換器２３で
冷却（この場合、４．５Ｋに冷却）されて、クッション
タンク３５ａおよび極低温冷媒移送管１７ａを介してク
ライオスタット３０に供給され、被冷却体を冷却する。
被冷却体を冷却し圧力損失を受けて、例えば、６〜８ａ
ｔｍとなった超臨界ヘリウムは、極低温冷媒移送管１７
ｂおよびクッションタンク３５ｂを介して第２の膨張タ
ービン３１ｂで断熱膨張して寒冷を発生し、さらに、膨
張弁である弁３３ｂによって断熱膨張し、一部が液体ヘ
リウムとなり液体ヘリウム容器１８に貯液される。液体
ヘリウム容器１８に貯液された液体ヘリウムは、熱交換
器２３の寒冷源として利用される。弁３３ｂで断熱膨張
した残りのヘリウムガスは、液体ヘリウム容器１８内で
気化した低温ヘリウムガスと一緒になって低圧戻りライ
ン３通って熱交換器１１ａ〜１１ｆによって寒冷回収さ
れて圧縮機１の吸入側へ戻る。液体ヘリウム容器１８内
の圧力は、例えば、１．２ａｔｍである。
圧ライン２で膨張タービンラインと液化ラインに分岐さ
れ、液化ラインに分岐され熱交換器１１ｃないし１１ｆ
によって冷却された高圧ヘリウムガス（この場合、１６
〜１８ａｔｍ）は、第１の膨張タービン３１ａで８〜１
０ａｔｍに断熱膨張して寒冷を発生し、熱交換器１１ｇ
でさらに冷却され超臨界ヘリウムとして熱交換器２３で
冷却（この場合、４．５Ｋに冷却）されて、クッション
タンク３５ａおよび極低温冷媒移送管１７ａを介してク
ライオスタット３０に供給され、被冷却体を冷却する。
被冷却体を冷却し圧力損失を受けて、例えば、６〜８ａ
ｔｍとなった超臨界ヘリウムは、極低温冷媒移送管１７
ｂおよびクッションタンク３５ｂを介して第２の膨張タ
ービン３１ｂで断熱膨張して寒冷を発生し、さらに、膨
張弁である弁３３ｂによって断熱膨張し、一部が液体ヘ
リウムとなり液体ヘリウム容器１８に貯液される。液体
ヘリウム容器１８に貯液された液体ヘリウムは、熱交換
器２３の寒冷源として利用される。弁３３ｂで断熱膨張
した残りのヘリウムガスは、液体ヘリウム容器１８内で
気化した低温ヘリウムガスと一緒になって低圧戻りライ
ン３通って熱交換器１１ａ〜１１ｆによって寒冷回収さ
れて圧縮機１の吸入側へ戻る。液体ヘリウム容器１８内
の圧力は、例えば、１．２ａｔｍである。
【００１６】また、クライオスタット３０内の負荷の変
動によって、クライオスタット３０内のヘリウム循環流
路の超臨界ヘリウムの圧力が変動する場合、例えば、負
荷が大きくなって圧力が上昇する場合、ヘリウムガスの
吸収熱量が小さくなり十分な冷却ができなくなるので、
制御装置４２は圧力計４１からの信号を受けて、バイパ
ス弁３４ｂを開方向に制御し循環流路内の圧力が一定に
なるように制御する。
動によって、クライオスタット３０内のヘリウム循環流
路の超臨界ヘリウムの圧力が変動する場合、例えば、負
荷が大きくなって圧力が上昇する場合、ヘリウムガスの
吸収熱量が小さくなり十分な冷却ができなくなるので、
制御装置４２は圧力計４１からの信号を受けて、バイパ
ス弁３４ｂを開方向に制御し循環流路内の圧力が一定に
なるように制御する。
【００１７】また、クライオスタット３０内の被冷却体
の運転の変更により負荷が変わる場合、例えば、負荷が
大きくなる場合には、冷却能力を上げるためにクライオ
スタット３０内に流れるヘリウムガスの圧力を少し下げ
た運転となる。このため、膨張タービン３１ｂでは入口
圧力が変わるため、寒冷発生効率が最適な状態から変わ
ってしまい寒冷発生効率の低下が生じてしまう。そのた
め、制御装置４２によって、膨張タービン３１ｂに入っ
て来るヘリウムガスの圧力および温度から、膨張タービ
ン３１ｂを最適な効率で運転できるノズルの開口率に制
御する。
の運転の変更により負荷が変わる場合、例えば、負荷が
大きくなる場合には、冷却能力を上げるためにクライオ
スタット３０内に流れるヘリウムガスの圧力を少し下げ
た運転となる。このため、膨張タービン３１ｂでは入口
圧力が変わるため、寒冷発生効率が最適な状態から変わ
ってしまい寒冷発生効率の低下が生じてしまう。そのた
め、制御装置４２によって、膨張タービン３１ｂに入っ
て来るヘリウムガスの圧力および温度から、膨張タービ
ン３１ｂを最適な効率で運転できるノズルの開口率に制
御する。
【００１８】本実施例によれば、膨張タービン３１ａ，
３１ｂを用いて寒冷を発生させているので、弁による断
熱膨張よりも効率が高くなり、多少の圧力変動に対して
も効率の良い運転を行なうことができるという効果があ
る。
３１ｂを用いて寒冷を発生させているので、弁による断
熱膨張よりも効率が高くなり、多少の圧力変動に対して
も効率の良い運転を行なうことができるという効果があ
る。
【００１９】また、膨張タービン３１ｂとして可変容量
型を用いているので、被冷却体の負荷変更による圧力，
温度に応じて膨張タービンの容量を変えて運転できる。
これにより膨張タービンの効率を高く維持できるという
効果がある。
型を用いているので、被冷却体の負荷変更による圧力，
温度に応じて膨張タービンの容量を変えて運転できる。
これにより膨張タービンの効率を高く維持できるという
効果がある。
【００２０】また、膨張タービン３１ｂと並列にバイパ
ス弁３４ｂを設置しているので、膨張タービン３１ｂと
パラレルに超臨界ヘリウムを流すことができる。これに
より、被冷却体の負荷変動による圧力に応じてバイパス
量を調整して圧力を一定にして運転でき、被冷却体を安
定して冷却できる。また、バイパス量を調整することに
より、膨張タービン３１ｂでの寒冷発生量の調整ができ
る。さらに、急激な圧力変動に対しては、膨張タービン
３１ｂ側の流れを停止し、バイパス弁３４ｂ側の流れだ
けにし、安全に膨張タービン３１ｂを停止することがで
きる。
ス弁３４ｂを設置しているので、膨張タービン３１ｂと
パラレルに超臨界ヘリウムを流すことができる。これに
より、被冷却体の負荷変動による圧力に応じてバイパス
量を調整して圧力を一定にして運転でき、被冷却体を安
定して冷却できる。また、バイパス量を調整することに
より、膨張タービン３１ｂでの寒冷発生量の調整ができ
る。さらに、急激な圧力変動に対しては、膨張タービン
３１ｂ側の流れを停止し、バイパス弁３４ｂ側の流れだ
けにし、安全に膨張タービン３１ｂを停止することがで
きる。
【００２１】また、液体ヘリウム容器１８内の熱交換器
２３の前流側の高圧ラインにも膨張タービン３１ａが設
けてあるので、効率の良い寒冷発生を行なうことができ
る。また、膨張タービン３１ａ側においてもバイパス弁
３４ａが並列に設置してあるので、バイパス量を調整す
ることにより、膨張タービン３１ａでの寒冷発生量の調
整ができる。さらに、急激な圧力変動に対しては、膨張
タービン３１ａ側の流れを停止し、バイパス弁３４ａ側
の流れだけにし、安全に膨張タービン３１ａを停止する
ことができる。
２３の前流側の高圧ラインにも膨張タービン３１ａが設
けてあるので、効率の良い寒冷発生を行なうことができ
る。また、膨張タービン３１ａ側においてもバイパス弁
３４ａが並列に設置してあるので、バイパス量を調整す
ることにより、膨張タービン３１ａでの寒冷発生量の調
整ができる。さらに、急激な圧力変動に対しては、膨張
タービン３１ａ側の流れを停止し、バイパス弁３４ａ側
の流れだけにし、安全に膨張タービン３１ａを停止する
ことができる。
【００２２】さらに、被冷却体が収納されたクライオス
タット３０の前後にクッションタンク３５ａ，３５ｂが
設けてあるので、急激な圧力変動に対しても圧力の変動
を緩和し、膨張タービンの安全な運転・停止を可能と
し、全体の信頼性を高めることが可能となる。
タット３０の前後にクッションタンク３５ａ，３５ｂが
設けてあるので、急激な圧力変動に対しても圧力の変動
を緩和し、膨張タービンの安全な運転・停止を可能と
し、全体の信頼性を高めることが可能となる。
【００２３】以上、本一実施例では、液体ヘリウム容器
１８内の熱交換器２３の前流側の高圧ラインにも膨張タ
ービン３１ａを設けたが、ここは膨張弁でも良い。ま
た、膨張タービン３１ｂの後流側の弁３３ｂはこの場
合、膨張弁であったが、膨張タービン３１ｂでヘリウム
ガスを液化し、弁３３ｂは弁３２ｂと同じ単なる開閉弁
にしても良い。
１８内の熱交換器２３の前流側の高圧ラインにも膨張タ
ービン３１ａを設けたが、ここは膨張弁でも良い。ま
た、膨張タービン３１ｂの後流側の弁３３ｂはこの場
合、膨張弁であったが、膨張タービン３１ｂでヘリウム
ガスを液化し、弁３３ｂは弁３２ｂと同じ単なる開閉弁
にしても良い。
【００２４】次に、図２によって本発明の第２の実施例
を説明する。図２において、図１と同符号は同一部材を
示し、説明を省略する。また、コールドボックス１０の
常温側は図１と同じで図示を省略し、極低温部分のみを
示した。本図が図１と異なる点は、液体ヘリウム容器１
８内およびクライオスタット３０内を超臨界ヘリウムの
循環流路が２度通る点である。
を説明する。図２において、図１と同符号は同一部材を
示し、説明を省略する。また、コールドボックス１０の
常温側は図１と同じで図示を省略し、極低温部分のみを
示した。本図が図１と異なる点は、液体ヘリウム容器１
８内およびクライオスタット３０内を超臨界ヘリウムの
循環流路が２度通る点である。
【００２５】この場合、膨張タービン３１ａを出たヘリ
ウムガスは、熱交換器２３ａで冷却され極低温冷媒移送
管１７ａを介してクライオスタット３０内に入り、被冷
却体を冷却した後、極低温冷媒移送管１７ｂを介して再
び液体ヘリウム容器１８内に戻り、熱交換器２３ｂで冷
却された後、極低温冷媒移送管１７ｃを介して再びクラ
イオスタット３０内に入り、被冷却体を冷却した後、極
低温冷媒移送管１７ｄを介して膨張タービン３１ｂに送
られる。以下、前記一実施例と同様である。
ウムガスは、熱交換器２３ａで冷却され極低温冷媒移送
管１７ａを介してクライオスタット３０内に入り、被冷
却体を冷却した後、極低温冷媒移送管１７ｂを介して再
び液体ヘリウム容器１８内に戻り、熱交換器２３ｂで冷
却された後、極低温冷媒移送管１７ｃを介して再びクラ
イオスタット３０内に入り、被冷却体を冷却した後、極
低温冷媒移送管１７ｄを介して膨張タービン３１ｂに送
られる。以下、前記一実施例と同様である。
【００２６】本第２の実施例によれば、前記一実施例と
同様の効果があるとともに、被冷却体を２度冷却ができ
るので、より効果的な冷却が可能となる。なお、本構成
は、被冷却体における圧力損失が比較的小さいときに有
効である。
同様の効果があるとともに、被冷却体を２度冷却ができ
るので、より効果的な冷却が可能となる。なお、本構成
は、被冷却体における圧力損失が比較的小さいときに有
効である。
【００２７】次に、図３によって本発明の第３の実施例
を説明する。
を説明する。
【００２８】図３において、図１と同符号は同一部材を
示し、説明を省略する。また、コールドボックス１０の
常温側は図１と同じで図示を省略し、極低温部分のみを
示した。本図が図１と異なる点は、膨張タービン３１ａ
の変わりに膨張弁１４を設けた点と膨張弁１４を出たヘ
リウムガスが、第１の液体ヘリウム容器１８ｃ内に送ら
れ、熱交換器２３ｃで冷却された後、さらに第２の液体
ヘリウム容器１８ｄに送られ、熱交換器２３ｄで冷却さ
れる点と、クライオスタット３０を出たヘリウムガスが
膨張タービン３１ｃおよび３１ｂによって２段に連続し
て断熱膨張させられるようになっている点と、第２の液
体ヘリウム容器は減圧ポンプ３６によって大気圧以下、
例えば、０．８ａｔｍに減圧している点と、液体ヘリウ
ム容器１８ｄ内の圧力が一定になるように、制御装置４
４によって圧力計４３からの信号を受けて減圧ポンプ３
６を制御するようにした点である。液体ヘリウム容器１
８ｃ内の圧力は、例えば、１．２ａｔｍである。液体ヘ
リウム容器１８ｄへの液体ヘリウムの供給は、膨張弁３
７を介して液体ヘリウム容器１８ｃから供給され、液体
ヘリウム容器１８ｄ内で気化したヘリウムガスは、減圧
ポンプ３６で昇圧され、低圧戻りライン３へ送られる。
また、膨張タービン３１ｃの前後には弁３２ｃおよび３
３ｃを設け、バイパス弁３４ｃを有しこれらをバイパス
するラインを併設してある。
示し、説明を省略する。また、コールドボックス１０の
常温側は図１と同じで図示を省略し、極低温部分のみを
示した。本図が図１と異なる点は、膨張タービン３１ａ
の変わりに膨張弁１４を設けた点と膨張弁１４を出たヘ
リウムガスが、第１の液体ヘリウム容器１８ｃ内に送ら
れ、熱交換器２３ｃで冷却された後、さらに第２の液体
ヘリウム容器１８ｄに送られ、熱交換器２３ｄで冷却さ
れる点と、クライオスタット３０を出たヘリウムガスが
膨張タービン３１ｃおよび３１ｂによって２段に連続し
て断熱膨張させられるようになっている点と、第２の液
体ヘリウム容器は減圧ポンプ３６によって大気圧以下、
例えば、０．８ａｔｍに減圧している点と、液体ヘリウ
ム容器１８ｄ内の圧力が一定になるように、制御装置４
４によって圧力計４３からの信号を受けて減圧ポンプ３
６を制御するようにした点である。液体ヘリウム容器１
８ｃ内の圧力は、例えば、１．２ａｔｍである。液体ヘ
リウム容器１８ｄへの液体ヘリウムの供給は、膨張弁３
７を介して液体ヘリウム容器１８ｃから供給され、液体
ヘリウム容器１８ｄ内で気化したヘリウムガスは、減圧
ポンプ３６で昇圧され、低圧戻りライン３へ送られる。
また、膨張タービン３１ｃの前後には弁３２ｃおよび３
３ｃを設け、バイパス弁３４ｃを有しこれらをバイパス
するラインを併設してある。
【００２９】このように構成した装置は、被冷却体にお
ける運転温度が低いときに有効であり、前記一実施例と
同様の効果がある。また、膨張タービン３１ｂ，３１ｃ
は、直列に配置してあるが、膨張比，流量に応じてそれ
ぞれを台数を適宜増やしたり並列に配置して構成して
も、同様の機能・効果を有することはいうまでもない。
ける運転温度が低いときに有効であり、前記一実施例と
同様の効果がある。また、膨張タービン３１ｂ，３１ｃ
は、直列に配置してあるが、膨張比，流量に応じてそれ
ぞれを台数を適宜増やしたり並列に配置して構成して
も、同様の機能・効果を有することはいうまでもない。
【００３０】なお、以上各実施例においては、膨張ター
ビン，液体ヘリウム容器等は、コールドボックス内に設
置されているが、コールドボックスの外に別置しても、
同様の機能・効果を有することはいうまでもない。
ビン，液体ヘリウム容器等は、コールドボックス内に設
置されているが、コールドボックスの外に別置しても、
同様の機能・効果を有することはいうまでもない。
【００３１】
【発明の効果】本発明によれば、超臨界ヘリウム冷却装
置において効率の良い運転を行なうことができるという
効果がある。
置において効率の良い運転を行なうことができるという
効果がある。
【図１】本発明の一実施例である超臨界ヘリウム冷却装
置を示すフロー図である。
置を示すフロー図である。
【図２】本発明の第２の実施例である超臨界ヘリウム冷
却装置を示すフロー図である。
却装置を示すフロー図である。
【図３】本発明の第２の実施例である超臨界ヘリウム冷
却装置を示すフロー図である。
却装置を示すフロー図である。
【図４】従来の超臨界ヘリウム冷却装置を示すフロー図
である。
である。
１……圧縮機、１１ａ〜１１ｇ…熱交換器、１３ａ，１
３ｂ……膨張タービン、１８，１８ｃ，１８ｄ……液体
ヘリウム容器、２３，２３ａ〜２３ｄ……熱交換器、３
０……クライオスタット、３１ｂ……膨張タービン、３
４ｂ……バイパス弁、４０……温度計、４１……圧力
計、４２……制御装置。
３ｂ……膨張タービン、１８，１８ｃ，１８ｄ……液体
ヘリウム容器、２３，２３ａ〜２３ｄ……熱交換器、３
０……クライオスタット、３１ｂ……膨張タービン、３
４ｂ……バイパス弁、４０……温度計、４１……圧力
計、４２……制御装置。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−293567（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−269875（ＪＰ，Ａ) 特開 昭49−78953（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) F25B 9/06 F25B 9/02
Claims (9)
- 【請求項１】ヘリウムガスを圧縮・循環させる圧縮機
と、該圧縮機からの高圧ヘリウムガスを、液体ヘリウム
容器からの戻りの低圧ヘリウムガスと熱交換させ前記高
圧ヘリウムガスを冷却する熱交換器と、前記高圧ヘリウ
ムガスの一部から分岐して前記戻りの低圧ヘリウムガス
と合流するラインに設けられ前記高圧ヘリウムガスを断
熱膨張させて寒冷を発生する膨張機と、前記高圧ヘリウ
ムガスの分岐した残りの高圧ヘリウムガスをさらに低温
に冷却する手段と、該手段によって冷却されたヘリウム
ガスを前記液体ヘリウム容器内の液体ヘリウムと熱交換
させて冷却する冷却手段と、該冷却手段によって冷却さ
れたヘリウムガスによって冷却される被冷却体と、該被
冷却体を冷却した後のヘリウムガスを断熱膨張させ、一
部が液化されたヘリウムガスを発生する膨張タービン
と、該膨張タービンからの液体ヘリウムおよびヘリウム
ガスを前記液体ヘリウム容器に供給する供給路とからな
ることを特徴とする超臨界ヘリウム冷却装置。 - 【請求項２】前記膨張タービンのノズルを可変容量式と
した請求項１記載の超臨界ヘリウム冷却装置。 - 【請求項３】前記膨張タービンの前後に弁を設け、前記
膨張タービンおよび前記弁をバイパスさせてバイパス弁
を設けた請求項１または２記載の超臨界ヘリウム冷却装
置。 - 【請求項４】前記膨張タービンの後流に膨張弁を設けた
請求項１または２記載の超臨界ヘリウム冷却装置。 - 【請求項５】前記膨張タービンを２段設けた請求項１記
載の超臨界ヘリウム冷却装置。 - 【請求項６】請求項１記載の超臨界ヘリウム冷却装置に
おいて、前記膨張タービンを可変容量式ノズルを有した
ものとし、前記被冷却体を冷却した後のヘリウムガスの
圧力および温度によって前記膨張タービンのノズルを制
御する制御手段を設けたことを特徴とする超臨界ヘリウ
ム冷却装置。 - 【請求項７】請求項１記載の超臨界ヘリウム冷却装置に
おいて、バイパス弁を有し前記膨張タービンをバイパス
するバイパスラインを設け、前記被冷却体を冷却した後
のヘリウムガスの圧力によって前記バイパス弁を制御す
る制御手段を設けたことを特徴とする超臨界ヘリウム冷
却装置。 - 【請求項８】請求項１記載の超臨界ヘリウム冷却装置の
運転方法において、前記膨張タービンを可変容量式ノズ
ルを有したものとし、前記被冷却体を冷却した後のヘリ
ウムガスの圧力および温度によって前記膨張タービンの
ノズルを制御することを特徴とする超臨界ヘリウム冷却
装置の運転方法。 - 【請求項９】請求項１記載の超臨界ヘリウム冷却装置の
運転方法において、バイパス弁を有し前記膨張タービン
をバイパスするバイパスラインを有したものとし、前記
被冷却体を冷却した後のヘリウムガスの圧力によって前
記バイパス弁を制御することを特徴とする超臨界ヘリウ
ム冷却装置の運転方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22142891A JP2841955B2 (ja) | 1991-09-02 | 1991-09-02 | 超臨界ヘリウム冷却装置およびその運転方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22142891A JP2841955B2 (ja) | 1991-09-02 | 1991-09-02 | 超臨界ヘリウム冷却装置およびその運転方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08128745A JPH08128745A (ja) | 1996-05-21 |
| JP2841955B2 true JP2841955B2 (ja) | 1998-12-24 |
Family
ID=16766589
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP22142891A Expired - Lifetime JP2841955B2 (ja) | 1991-09-02 | 1991-09-02 | 超臨界ヘリウム冷却装置およびその運転方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2841955B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20130018688A (ko) * | 2010-03-12 | 2013-02-25 | 레르 리키드 쏘시에떼 아노님 뿌르 레？드 에렉스뿔라따시옹 데 프로세데 조르즈 클로드 | 펄스 부하 냉각을 위한 방법 및 장치 |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006128465A (ja) * | 2004-10-29 | 2006-05-18 | Toshiba Corp | 超電導コイルの冷却装置 |
| JP4563269B2 (ja) * | 2005-07-05 | 2010-10-13 | 財団法人鉄道総合技術研究所 | タービン型冷凍機の冷凍能力制御装置 |
| JP4689498B2 (ja) * | 2006-03-01 | 2011-05-25 | 株式会社デンソー | 膨張機およびその制御装置 |
| CN105118536B (zh) * | 2015-08-18 | 2017-05-31 | 中国人民解放军陆军军官学院 | 一种可调式充放型高温高压氦气实验系统及方法 |
| CN109215815B (zh) * | 2018-08-22 | 2022-07-15 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种用于聚变堆内部部件性能测试的高温高压氦冷系统 |
| CN114704973B (zh) * | 2022-05-07 | 2023-03-24 | 中国科学院理化技术研究所 | 一种超流氦制冷机 |
-
1991
- 1991-09-02 JP JP22142891A patent/JP2841955B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20130018688A (ko) * | 2010-03-12 | 2013-02-25 | 레르 리키드 쏘시에떼 아노님 뿌르 레？드 에렉스뿔라따시옹 데 프로세데 조르즈 클로드 | 펄스 부하 냉각을 위한 방법 및 장치 |
| KR101691253B1 (ko) | 2010-03-12 | 2016-12-29 | 레르 리키드 쏘시에떼 아노님 뿌르 레드 에렉스뿔라따시옹 데 프로세데 조르즈 클로드 | 펄스 부하 냉각을 위한 방법 및 장치 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH08128745A (ja) | 1996-05-21 |
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