JP2964055B2 - 超臨界ヘリウム発生装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超臨界ヘリウム発生装
置に関し、詳しくは、超伝導マグネット等を極低温に冷
却するための超臨界ヘリウムを効率よく発生させる装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】上記超伝導マグネット等を数Ｋの極低温
に冷却するための手段として、従来から超臨界ヘリウム
が用いられている。この超臨界ヘリウムを発生させる手
段としては、超臨界ヘリウムの供給温度に合わせて適当
な飽和温度の液体ヘリウムを貯留する貯槽内に熱交換器
を設置し、該熱交換器に超臨界ヘリウムを流して所望温
度に冷却する装置が用いられている。

【０００３】即ち、図４に示すように、低温液体ヘリウ
ムＬＨｅを貯留する液体ヘリウム貯槽１内に熱交換器２
を設け、該熱交換器２に、圧縮機１０，熱交換器群４，
適当数設けられた膨張タービン及びこれらを接続する管
路等から構成されたヘリウム冷凍機から管３を介して供
給され、熱交換器群４で戻りヘリウムと熱交換して低温
となった高圧のヘリウムを流して所望温度の超臨界ヘリ
ウムを発生させている。

【０００４】上記超臨界ヘリウムは、管５を介して超伝
導マグネット等の被冷却体に寒冷を供給して、これを冷
却する冷却路６に供給される。被冷却体を冷却した後の
ヘリウムは、管７を経てＪＴ弁８に至り、膨張して液体
ヘリウムとヘリウムガスの混相流となり、液体ヘリウム
貯槽１内にフラッシュする。

【０００５】液体ヘリウム貯槽１内に発生するヘリウム
ガスは、戻りヘリウムとして管９に導出され、前記熱交
換器４で、供給される高圧のヘリウムを冷却した後、圧
縮機１０に吸引され、上記経路を循環する。

【０００６】このような構成の装置において、被冷却体
を十分に冷却するために必要な超臨界ヘリウムの温度に
よっては、上記液体ヘリウム貯槽１内の圧力を大気圧以
下にしなければならないが、該液体ヘリウム貯槽１内が
大気圧以下になると、前記管９を介して圧縮機１０に吸
引されるヘリウムも大気圧以下となるため、圧縮機１０
の吸入圧力が負圧となる。このように圧縮機１０の吸入
圧力が大気圧あるいは負圧になると、体積流量の増大を
招いて圧縮機１０が大型化するとともに、圧縮比が増大
して効率が低下することになる。

【０００７】このため、図５に示すように、高圧及び低
圧の２基の液体ヘリウム貯槽１１ａ，１１ｂを設けると
ともに、それぞれに熱交換器１２ａ，１２ｂを設置し、
２段階にヘリウムを冷却することにより、低圧側の液体
ヘリウム貯槽１１ｂの負荷を減少させ、低圧側の液体ヘ
リウム貯槽１１ｂからの大気圧以下のヘリウムの回収量
を減らすことが行われている。

【０００８】なお、上記液体ヘリウム貯槽１１ａ，１１
ｂにおける高圧及び低圧は、両者の相対的な圧力の高低
を意味するものであって、一般の高圧ガスの概念とは異
なるものである。

【０００９】図５に示す装置において、図示しないヘリ
ウム冷凍機から管１３を経て供給される高圧のヘリウム
は、熱交換器群１４，熱交換器１２ａ，１２ｂで冷却さ
れて管１５から被冷却体を冷却する冷却路１６に供給さ
れる。冷却路１６から管１７に導出されたヘリウムは、
ＪＴ弁１８で膨張して気液混相流となり、高圧側の液体
ヘリウム貯槽１１ａ内にフラッシュする。

【００１０】上記高圧側の液体ヘリウム貯槽１１ａから
は、管１９によりヘリウムガスが導出されるとともに、
底部から流量調節弁２０を介して液体ヘリウムが低圧側
の液体ヘリウム貯槽１１ｂに供給されている。また、低
圧側の液体ヘリウム貯槽１１ｂからは、低圧のヘリウム
ガスが管２１により導出されている。

【００１１】上記管１９のヘリウムガスは、前記同様に
ヘリウム冷凍機の圧縮機に吸引され、また、管２１の低
圧のヘリウムガスは、別に設けた低圧圧縮機等により管
１９のヘリウムガスと略同等の圧力まで昇圧した後、ヘ
リウム冷凍機の圧縮機に吸引される。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上記のように液体ヘリ
ウム貯槽を２段階とすることにより、吸入圧力の低い圧
縮機の処理流量を減少させることができ、圧縮機の効率
的な問題はある程度解決することはできるものの、戻り
ヘリウムが２系統となるため、該戻りヘリウムと供給さ
れる高圧のヘリウムとを熱交換させる熱交換器群の流路
数が増大し、装置が複雑になるという問題があった。

【００１３】そこで本発明は、簡単な装置構成で効率よ
く、かつ安定して極低温の超臨界ヘリウムを発生させる
ことができる超臨界ヘリウム発生装置を提供することを
目的としている。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ため、本発明の超臨界ヘリウム発生装置は、第１の構成
として、ヘリウムを圧縮する圧縮機、戻りヘリウムと圧
縮ヘリウムとを熱交換させる熱交換器、圧縮ヘリウムを
断熱膨張させる膨張タービン、低温圧縮ヘリウムをＪＴ
膨張させるＪＴ弁、冷却用熱交換器を内蔵する液体ヘリ
ウム貯槽等を備えた超臨界ヘリウム発生装置において、
飽和圧力が異なる２基の液体ヘリウム貯槽と、該液体ヘ
リウム貯槽内にそれぞれ設けられた熱交換器と、高圧低
温ヘリウムを前記高圧側の液体ヘリウム貯槽内の熱交換
器，低圧側の液体ヘリウム貯槽内の熱交換器に順次導入
して冷却した後、被冷却体に供給する手段と、被冷却体
冷却後の高圧ヘリウムを駆動源とし、前記低圧側の液体
ヘリウム貯槽内のヘリウムガスを吸引するエジェクター
と、該エジェクター導出後のヘリウムを前記高圧側の液
体ヘリウム貯槽に導入する手段と、前記高圧側の液体ヘ
リウム貯槽内の熱交換器を導出した高圧低温ヘリウムの
一部を分岐し、膨張させた後に前記低圧側の液体ヘリウ
ム貯槽に導入する手段とを備えていることを特徴として
いる。

【００１５】また、本発明の第２の構成は、前記エジェ
クターの駆動源を、被冷却体冷却後の高圧ヘリウムに代
えて前記高圧低温ヘリウムの一部にするとともに、前記
被冷却体冷却後の高圧ヘリウムを膨張させた後、前記高
圧側の液体ヘリウム貯槽に導入する手段を設けたことを
特徴としている。

【００１６】

【作 用】上記第１構成によれば、ヘリウム冷凍機から
供給される高圧低温のヘリウムは、両熱交換器で冷却さ
れて被冷却体を冷却した後、エジェクターで膨張して高
圧側の液体ヘリウム貯槽に導入される。このとき、エジ
ェクターで低圧側の液体ヘリウム貯槽内の低圧のヘリウ
ムガスを吸引するので、該低圧側の液体ヘリウム貯槽内
を所望の低圧状態にできるとともに、低圧のヘリウムガ
スもエジェクターで吸引されて高圧側の液体ヘリウム貯
槽に導入され、該貯槽から戻りヘリウムとしてヘリウム
冷凍機の圧縮機に戻るため、ヘリウム冷凍機の熱交換器
群の戻りヘリウム流路を増加させる必要がない。

【００１７】また、低圧側の液体ヘリウム貯槽内への液
体ヘリウムの供給は、ヘリウム冷凍機から供給され、高
圧側の液体ヘリウム貯槽内の熱交換器で冷却されて導出
した高圧低温の超臨界ヘリウムを膨張させて行っている
ため、フラッシュロスを少なくすることができる。さら
に、フラッシュロスが少ないことから、エジェクターで
吸引すべき低圧ヘリウムガス量を少なくできる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明を、図面に示す実施例に基づい
て、さらに詳細に説明する。まず、図１は本発明の第１
実施例を示すものである。この超臨界ヘリウム発生装置
は、飽和圧力が異なる高圧側及び低圧側の２基の液体ヘ
リウム貯槽３１，３２と、該液体ヘリウム貯槽３１，３
２内にそれぞれ設けられた第１及び第２の熱交換器３
３，３４と、前記同様に構成されているヘリウム冷凍機
の熱交換器群３５を経て管３６から供給される高圧低温
ヘリウムを、前記高圧側液体ヘリウム貯槽３１内に設け
られた第１熱交換器３３及び低圧側液体ヘリウム貯槽３
２内に設けられた第２熱交換器３４に順次導入して冷却
し、超臨界ヘリウムとした後、被冷却体を冷却する冷却
路３７に供給する管３８と、該冷却路３７で被冷却体を
冷却した後の超臨界状態の高圧ヘリウムを駆動源とし、
前記低圧側液体ヘリウム貯槽３２内のヘリウムガスを管
３９を介して吸引するエジェクター４０と、該エジェク
ター４０導出後の気液混相流となったヘリウムを前記高
圧側液体ヘリウム貯槽３１に導入する管４１と、前記高
圧側液体ヘリウム貯槽３１内の第１熱交換器３３を導出
した超臨界状態の高圧低温ヘリウムの一部を分岐し、Ｊ
Ｔ弁４２で膨張させた後に前記低圧側液体ヘリウム貯槽
３２に導入する管４３と、高圧側液体ヘリウム貯槽３１
内のヘリウムガスを、ヘリウム冷凍機の熱交換器群３５
を介して圧縮機に戻す管４４とを備えている。

【００１９】なお、熱交換器群３５を含む上記ヘリウム
冷凍機は、従来と同様に構成することができるため、そ
の詳細な図示及び説明は省略する。

【００２０】上記のように構成した超臨界ヘリウム発生
装置は、前記したヘリウム冷凍機の圧縮機により圧縮さ
れた循環ヘリウムが熱交換器群３５及び膨張タービンに
より寒冷を付与されて冷却され、前記熱交換器群３５の
最終段熱交換器を経て超臨界状態又は超臨界に近い状態
となり、例えば圧力１４ｋｇ／ｃｍ² Ｇ、温度６Ｋで管
３６から供給される低温ヘリウムガスを、前記第１熱交
換器３３及び第２熱交換器３４で順次冷却して、例え
ば、温度４．２Ｋ程度の超臨界ヘリウムを発生し、管３
８から超伝導マグネット等の被冷却体を冷却する冷却路
３７に供給する。

【００２１】このとき、供給する超臨界ヘリウムを上記
４．２Ｋに冷却するためには、前記低圧側液体ヘリウム
貯槽３２内の液体ヘリウムを４．２Ｋ以下、例えば４．
１５Ｋにする必要があるが、これに対応する圧力は０．
９３ａｔｍとなる。

【００２２】したがって、前述の従来装置では、圧縮機
吸入圧力が負圧となって圧縮機の圧縮比増大のために効
率が大幅に低下したり、熱交換器群の流路が増えて装置
構成が複雑になったりするが、上記のようにエジェクタ
ー４０で低圧側液体ヘリウム貯槽３２内のヘリウムガス
を吸引することにより、低圧圧縮機や真空ポンプ等を用
いることなく、該低圧側液体ヘリウム貯槽３２内を０．
９３ａｔｍの圧力に保持することができる。

【００２３】また、上記エジェクター４０の駆動源とし
て、被冷却体の冷却路３７を導出後の高圧ヘリウムを用
いているので、従来、ＪＴ弁で膨張させていた膨張時の
エネルギーを低圧ヘリウムガスの吸入エネルギーとして
有効に利用することができる。

【００２４】さらに、上記低圧ヘリウムガスは、膨張後
の高圧ヘリウムガスと共に高圧側液体ヘリウム貯槽３１
内に導入されるので、該貯槽３１内の飽和圧力、例えば
１．２８ａｔｍとなる。このため、圧縮機へ帰還するガ
スは、高圧側液体ヘリウム貯槽３１内の圧力を有するヘ
リウムガスだけとなり、圧縮機の吸入圧力が負圧となる
こともなく、熱交換器群３５の流路数を増加させる必要
もない。

【００２５】また、低圧側液体ヘリウム貯槽３２内への
液体ヘリウムの供給は、前記ヘリウム冷凍機から供給さ
れ、高圧側液体ヘリウム貯槽３１内の第１熱交換器３３
で冷却された超臨界状態の高圧低温ヘリウムの一部を分
岐し、これをＪＴ膨張させて行っているため、フラッシ
ュロスを少なくすることができる。さらに、フラッシュ
ロスが少ないことから、低圧側液体ヘリウム貯槽３２内
に生じるヘリウムガス量も減少し、これにより、エジェ
クターで吸引すべき低圧ヘリウムガス量を少なくでき、
該貯槽３１内をより低い圧力にして、より低い温度の超
臨界ヘリウムを発生させることが可能となる。

【００２６】次に、図２は、本発明の第２実施例を示す
ものである。なお、以下の説明において、前記第１実施
例と同一要素のものには同一符号を付して、その詳細な
説明は省略する。

【００２７】本実施例においては、エジェクター４０の
駆動源として、ヘリウム冷凍機の熱交換器群３５を経て
管３６から供給される高圧低温ヘリウムの一部を用いて
いる。即ち、上記管３６から管５０を分岐し、該管５０
にエジェクター４０を設けて低圧側液体ヘリウム貯槽３
２内のヘリウムガスを吸引するように構成するととも
に、被冷却体の冷却路３７を冷却した後のヘリウムは、
ＪＴ弁５１で膨張して高圧側液体ヘリウム貯槽３１内に
フラッシュように構成している。

【００２８】このように構成することにより、被冷却体
３７の冷却路３７を冷却した後のヘリウムの温度が高
く、高圧側液体ヘリウム貯槽３１で必要とする液体ヘリ
ウムが十分に得られない場合でも安定した運転を行うこ
とができる。

【００２９】また、図３は、本発明の第３実施例を示す
もので、エジェクター４０における低圧ヘリウムガスの
吸引効率を向上させるとともに、前記図１に示した構成
の装置に制御系を加えたものである。

【００３０】まず、本実施例装置では、低圧側液体ヘリ
ウム貯槽３２からヘリウムガスを導出する管３９の途中
に、高圧側液体ヘリウム貯槽３１内の液体ヘリウムと熱
交換する熱交換器６１を設け、低圧ヘリウムガスを該熱
交換器６１で冷却した後、前記エジェクター４０に吸引
させるように構成している。

【００３１】これにより、エジェクター４０に吸引され
るガスを低温にでき、吸引効率を向上させることができ
る。

【００３２】また、本実施例装置では、低圧側液体ヘリ
ウム貯槽３２に液面計Ｌと圧力計Ｐとを設けて低圧側液
体ヘリウム貯槽３２内の液量及び圧力を一定に保つよう
にしている。

【００３３】即ち、上記液面計Ｌは、低圧側液体ヘリウ
ム貯槽３２内の液面高さを検出し、該検出値に応じてＪ
Ｔ弁４２の開度を調節し、これによって液量を調節す
る。また、圧力計Ｐは、低圧側液体ヘリウム貯槽３２内
の圧力を検出し、該検出値に応じて圧力調節弁６２の開
度を調節し、これによって低圧側液体ヘリウム貯槽３２
内の圧力を調節する。

【００３４】これにより、低圧側液体ヘリウム貯槽３２
内の液量及び圧力を自動的に一定に保つことができ、安
定した運転を行うことができる。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の超臨界ヘ
リウム発生装置は、エジェクターにより貯槽内のヘリウ
ムガスを吸引することにより、極めて容易に低圧の液体
ヘリウム貯槽を得ることができ、必要とされる超低温度
の超臨界ヘリウムを供給することができる。また、ヘリ
ウム冷凍機の圧縮機の効率低下を生じることがなく、熱
交換器群の流路を増大させることもないので、装置構成
を単純化でき、製造コストの低減や運転コストの低減が
図れる。

【００３６】さらに、低圧側の貯槽に供給する液体ヘリ
ウムを、ヘリウム冷凍機から供給され、高圧側の液体ヘ
リウム貯槽内の熱交換器で冷却されて導出した超臨界状
態の高圧低温ヘリウムを膨張させて行っているため、フ
ラッシュロスを少なくすることができ、エジェクターで
吸引すべき低圧ヘリウムガス量も減少させることができ
るので、より低温度の超臨界ヘリウムを供給することが
可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の超臨界ヘリウム発生装置の第１実施
例を示す系統図である。

【図２】 同じく第２実施例を示す系統図である。

【図３】 同じく第３実施例を示す系統図である。

【図４】 従来の超臨界ヘリウム発生装置の一例を示す
系統図である。

【図５】 同じく他の例を示す系統図である。

【符号の説明】

３１…高圧側液体ヘリウム貯槽 ３２…低圧側液体ヘ
リウム貯槽 ３３…第１熱交換器 ３４…第２熱交換器 ３５…
熱交換器群 ３７…冷却路 ４０…エジェクター ４２…ＪＴ弁 Ｌ…液面計 Ｐ…圧力計

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ヘリウムを圧縮する圧縮機、戻りヘリウ
   ムと圧縮ヘリウムとを熱交換させる熱交換器、圧縮ヘリ
   ウムを断熱膨張させる膨張タービン、低温圧縮ヘリウム
   をＪＴ膨張させるＪＴ弁、冷却用熱交換器を内蔵する液
   体ヘリウム貯槽等を備えた超臨界ヘリウム発生装置にお
   いて、飽和圧力が異なる２基の液体ヘリウム貯槽と、該
   液体ヘリウム貯槽内にそれぞれ設けられた熱交換器と、
   高圧低温ヘリウムを前記高圧側の液体ヘリウム貯槽内の
   熱交換器，低圧側の液体ヘリウム貯槽内の熱交換器に順
   次導入して冷却した後、被冷却体に供給する手段と、被
   冷却体冷却後の高圧ヘリウムを駆動源とし、前記低圧側
   の液体ヘリウム貯槽内のヘリウムガスを吸引するエジェ
   クターと、該エジェクター導出後のヘリウムを前記高圧
   側の液体ヘリウム貯槽に導入する手段と、前記高圧側の
   液体ヘリウム貯槽内の熱交換器を導出した高圧低温ヘリ
   ウムの一部を分岐し、膨張させた後に前記低圧側の液体
   ヘリウム貯槽に導入する手段とを備えていることを特徴
   とする超臨界ヘリウム発生装置。
2. 【請求項２】 前記エジェクターの駆動源を、被冷却体
   冷却後の高圧ヘリウムに代えて前記高圧低温ヘリウムの
   一部にするとともに、前記被冷却体冷却後の高圧ヘリウ
   ムを膨張させた後、前記高圧側の液体ヘリウム貯槽に導
   入する手段を設けたことを特徴とする請求項１記載の超
   臨界ヘリウム発生装置。