JP3113990B2 - ヘリウム液化冷凍装置及びその運転方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ヘリウム液化冷凍装置
及びその運転方法に関し、詳しくは、冷凍負荷が大きく
変動する被冷却体を冷却するのに適したヘリウム液化冷
凍装置及びその運転方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】超伝導マグネット等の被冷却体を数Ｋの
極低温に冷却するための手段として、従来から熱伝導度
の良い超臨界ヘリウムを発生させるヘリウム液化冷凍装
置が用いられている。このヘリウム液化冷凍装置は、一
般に、図２に示すように、循環圧縮機１，複数の熱交換
器を組合わせた熱交換器群２，ＪＴ弁３，液体ヘリウム
貯槽４及び図示しない膨張タービン等からなるヘリウム
液化機５と、前記液体ヘリウム貯槽４内の液体ヘリウム
が供給される被冷却体冷却部６等から構成されている。

【０００３】また、前記ヘリウム液化機５には、系内を
循環するヘリウム量を一定に保つための経路として、循
環圧縮機１の吐出側及び吸入側に、それぞれ循環量調節
弁８ａ，９ａを有する経路８，９を介して接続するバッ
ファータンク１０と、循環圧縮機１の吐出圧力を測定し
て前記循環量調節弁８ａ，９ａを開閉する圧力調節器１
１とが設けられ、また、循環圧縮機１の吸入圧力を一定
に保つための経路として、循環圧縮機１の吐出側及び吸
入側をバイパス弁１２ａを介して接続する経路１２と、
循環圧縮機１の吸入圧力を測定して前記バイパス弁１２
ａの開度を調節する圧力調節器１３とが設けられてい
る。さらに、前記液体ヘリウム貯槽４には、該貯槽４内
の液体ヘリウム量を一定に保つための加熱器１４と液面
調節器１５とが設けられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このような構成のヘリ
ウム液化冷凍装置における冷凍能力は、通常、被冷却体
が必要とする最大冷凍負荷に合わせて設計される。例え
ば、電力貯蔵等に応用されるＳＭＥＳ(Super conductin
g magnet energy strage) 等では、常時は超伝導状態に
維持されているが、運用時には短時間の磁場変化を起こ
すため、ＡＣロスが発生して大きな冷凍負荷が要求され
る。このようなＳＭＥＳにおいては、例えば、定常時に
必要な冷凍能力が１００Ｗであり、ピーク時の必要冷凍
能力が２０００Ｗに達することも十分可能性があるが、
このときに上記ヘリウム液化冷凍装置に要求される冷凍
能力は２１００Ｗとなる。したがって、定常運転時に
は、２０００Ｗの冷凍能力が無駄に消費されていること
になる。

【０００５】即ち、定常運転時には、上記２０００Ｗ相
当分の寒冷が過剰となり、液体ヘリウムの発生量が過剰
な状態となるため、前記液体ヘリウム貯槽４内に加熱器
１４を設置し、その入熱により液体ヘリウムを蒸発させ
て所定量の戻りガスを発生させて定常状態を維持しなけ
ればならず、動力の無駄が生じていた。

【０００６】特に、上記のようなＡＣロスにより大きな
熱負荷が必要となる期間は、余り長くなく、例えば１日
に２０秒程度と考えても実際的な場合があるが、このよ
うな場合は、１日の運転時間のほとんどが無駄な寒冷を
発生させるために費やされていることになる。

【０００７】そこで本発明は、定常運転時に必要な冷凍
能力と運用時に必要な最大冷凍能力との差が大きく、ま
た、最大冷凍能力を必要とする時間が定常運転時間に比
べて短い被冷却体を冷却するのに適したヘリウム液化冷
凍装置及びその運転方法を提供することを目的としてい
る。

【０００８】

【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、本発明のヘリウム液化冷凍装置は、ヘリウムを循
環させる圧縮機、圧縮したヘリウムを戻りヘリウムとの
熱交換により冷却する熱交換器、冷却後のヘリウムをＪ
Ｔ膨張させるＪＴ弁、ＪＴ膨張により液化したヘリウム
を貯留する液体ヘリウム貯槽、該液体ヘリウム貯槽内の
液体ヘリウムが供給される被冷却体冷却部、該冷却部で
気化したヘリウムガス及び前記液体ヘリウム貯槽内のヘ
リウムガスを戻りヘリウムとして前記熱交換器を介して
前記圧縮機に循環させる経路等を備えたヘリウム液化冷
凍装置において、前記被冷却体冷却部に、該冷却部内の
圧力が上昇したときに開弁する弁を介してガスホルダー
を連設するとともに、該ガスホルダー内に貯蔵されたヘ
リウムガスを前記循環するヘリウムに合流させる手段を
設けたことを特徴としている。

【０００９】さらに、本発明装置は、上記構成におい
て、前記圧縮機の吸入側及び吐出側に、それぞれ循環量
調節弁を有する経路を介してバッファータンクを接続す
るとともに、前記両循環量調節弁を圧縮機の吐出圧力に
応じて開閉する圧力調節器を設けたことを特徴とし、ま
た、前記ガスホルダー内に貯蔵されたヘリウムガスを前
記循環するヘリウムに合流させる手段は、前記圧縮機で
圧縮されたヘリウムガスを駆動源として前記ガスホルダ
ー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ガスを圧縮機の吸入側に循環
させる経路により構成されていることを特徴としてい
る。

【００１０】加えて、上記のように構成したヘリウム液
化冷凍装置における安定運転を行うための制御手段とし
て、前記圧縮機の吐出側及び吸入側をバイパス弁を介し
て接続する経路と、該バイパス弁を圧縮機の吸入圧力に
応じて開閉する圧力調節器と、前記冷却部とガスホルダ
ーとの間に設けた弁を冷却部の圧力に応じて開閉する圧
力調節器と、前記ガスホルダー内の圧力に応じて前記エ
ジェクターの駆動源となる圧縮されたヘリウムガスの流
量を調節する圧力調節器と、前記ガスホルダー内のヘリ
ウムガス量に応じて該ガスホルダーから前記エジェクタ
ーに吸引されるヘリウムガスの流量を調節するガス量調
節器と、前記液体ヘリウム貯槽内の液体ヘリウムの量に
応じて該貯槽内に設けた加熱器を作動させて液体ヘリウ
ム量を調節する液量調節器とを備えていることを特徴と
している。

【００１１】また、本発明のヘリウム液化冷凍装置の運
転方法は、圧縮したヘリウムを戻りヘリウムとの熱交換
により冷却し、ＪＴ膨張により液化して液体ヘリウム貯
槽内に貯蔵し、該液体ヘリウム貯槽内の液体ヘリウムを
所定量導出して被冷却体の冷却源とし、該被冷却体冷却
後のヘリウムを昇温後、再び圧縮して循環させるヘリウ
ム液化冷凍装置の運転方法において、前記被冷却体の冷
却負荷増大時に、前記液体ヘリウム貯槽から導出する液
体ヘリウム量を増量するとともに、該増量分に対応する
被冷却体冷却後のヘリウムをガスホルダーに一時貯蔵し
た後、前記循環するヘリウムに合流させることを特徴と
している。

【００１２】

【作 用】被冷却体の冷却負荷が増大して被冷却体冷却
部で気化するヘリウム量が増加し、該気化量の増加によ
り被冷却体冷却部の圧力が上昇すると、ガスホルダーに
連設する弁が開いて、通常の戻りガスより過剰となるヘ
リウムガスをガスホルダーに導出するとともに、液体ヘ
リウム貯槽内の液体ヘリウムが被冷却体冷却部に供給さ
れて被冷却体を所定の温度に保持する。

【００１３】このように、通常運転時に比べて大量に発
生する被冷却体冷却部内のヘリウムガスを、ガスホルダ
ー内に貯蔵することにより、循環系のヘリウム量を増大
させることなく大きな冷却負荷に対応することができ
る。したがって、通常運転時に必要な冷凍能力（ヘリウ
ム液化量）より僅かに大きな余剰冷凍能力を有するヘリ
ウム冷凍機を用いて、該余剰冷凍能力により最大負荷の
際に必要となる量の液体ヘリウムを液体ヘリウム貯槽内
に貯留しておくことにより、最大負荷の際に該貯槽内の
液体ヘリウムを被冷却体冷却部に供給して被冷却体を所
定温度に保つことができる。

【００１４】上記余剰冷凍能力は、通常運転に対する高
負荷運転の割合や必要な冷凍能力に応じて設定される
が、最大負荷運転時の必要能力との差が大きく、かつ最
大負荷運転時間が短い場合には、通常運転に必要な冷凍
能力より僅かに大きな冷凍能力を付与するだけで良く、
前記最大冷凍負荷に合わせて設計されたヘリウム冷凍機
に比べて冷凍能力を小さくすることができる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明を、図１に示す一実施例に基づ
いて、さらに詳細に説明する。

【００１６】図１に示すヘリウム液化冷凍装置は、前記
図２に示した従来装置と同様に、循環圧縮機２１，複数
の熱交換器を組合わせた熱交換器群２２，ＪＴ弁２３，
液体ヘリウム貯槽２４及び図示しない膨張タービン等か
ら構成されたヘリウム液化機部分と、前記液体ヘリウム
貯槽２４内の液体ヘリウムが供給される被冷却体冷却部
２５と、該被冷却体冷却部２５に接続されたガスホルダ
ー２６と、該ガスホルダー２６内のヘリウムガスをヘリ
ウム液化機の循環系に回収する回収経路２７と、定常運
転時に被冷却体冷却部２５で気化したヘリウムガス及び
液体ヘリウム貯槽２４内のヘリウムガスを循環圧縮機２
１の吸入側に戻す経路２８，２９等とから構成されてい
る。

【００１７】上記ヘリウム液化機部分は、従来と同様
に、循環圧縮機２１で圧縮したヘリウムガスを熱交換器
群２２で戻りガスと熱交換させて冷却し、ＪＴ弁２３で
ＪＴ膨張させて液体ヘリウム貯槽２４内に液体ヘリウム
を発生させるものであり、液体ヘリウム貯槽２４内のヘ
リウムガスは、低温の戻りガスとして経路２９に導出さ
れ、熱交換器群２２を通って前記圧縮されたヘリウムガ
スを冷却した後、前記循環圧縮機２１に吸入されて再び
圧縮される。

【００１８】また、前記被冷却体冷却部２５に冷却源と
して供給された液体ヘリウムは、被冷却体を冷却するこ
とにより気化してヘリウムガスとなり、前記経路２８か
ら前記経路２９の戻りガスと合流して循環圧縮機２１に
吸入される。

【００１９】一方、前記被冷却体冷却部２５とガスホル
ダー２６とを接続する経路３１には、被冷却体冷却部２
５内の圧力を測定する圧力調節器３２により開閉作動す
る弁３３と、ガスホルダー２６に向かうヘリウムガスを
加温する加熱器３４とが設けられている。

【００２０】上記圧力調節器３２は、被冷却体の冷却負
荷が増大してヘリウムの気化量が多くなり、被冷却体冷
却部２５内の圧力が設定圧以上に上昇したときに前記弁
３３を開くもので、これにより被冷却体冷却部２５内の
ヘリウムガスをガスホルダー２６に流入させるように作
動する。また、加熱器３４は、ガスホルダー２６に流入
するヘリウムガスが低温のままだと、該ガスホルダーに
断熱構造を施したり、熱伸縮に対応するための配慮が必
要であることから、ヘリウムガスを略常温に加温して一
般的なガスホルダーを使用できるようにするためのもの
である。なお、加熱器３４には、運転コストのかからな
い空温式を用いることが可能である。

【００２１】上記ガスホルダー２６は、その形式に特に
制限はないが、内部に貯蔵されるヘリウムガスに水分や
窒素，酸素等が混入することのないものを選定する必要
があるとともに、被冷却体冷却部２５内のヘリウムガス
が円滑に流入できるように、内部の圧力を被冷却体冷却
部２５内の圧力より低く保てる構造を有している必要が
ある。このようなガスホルダーとしては、例えば、槽内
に、気密に上下動可能な仕切板を配設し、該仕切板をバ
ランサーで吊持した形式のものを挙げることができる。

【００２２】また、前記回収経路２７は、循環圧縮機２
１の吐出側から吸入側に至る回収循環路４１と、該循環
路４１に設けられたエジェクター４２及び流量調節弁４
３と、前記ガスホルダー２６とエジェクター４２の吸入
側とを接続する吸入路４４及び該吸入路４４に設けられ
た流量調節弁４５とにより構成されている。

【００２３】即ち、上記回収経路２７は、循環圧縮機２
１から吐出される高圧のヘリウムガスを駆動源とするエ
ジェクター４２により、ガスホルダー２６内のヘリウム
ガスを吸入し、循環圧縮機２１の吸入側に回収するよう
に形成されており、その回収量は、ガスホルダー２６に
設けたガス量検出器４６と吸入路４４に設けた圧力調節
器４７により、前記両流量調節弁４３，４５の開度を調
節することにより行われる。

【００２４】また、本発明では、被冷却体冷却部２５内
の圧力が上昇したときに、気化したヘリウムガスの一部
をガスホルダー２６内に一時的に貯留するため、このと
きには、前記ヘリウム液化機部分を循環するヘリウム量
が減少し、一方、ガスホルダー２６内のヘリウムガスを
前記回収経路２７で回収すると、循環ヘリウム量が増大
する現象が生じる。

【００２５】上記のように循環ヘリウム量が大きく変動
すると、装置の安定運転に支障を来すことがあるため、
循環ヘリウム量を略一定に保つ経路として、循環圧縮機
２１１の吐出側及び吸入側に、それぞれ循環量調節弁５
１ａ，５２ａを有する経路５１，５２を介して接続する
バッファータンク５３と、循環圧縮機２１の吐出圧力を
測定して前記循環量調節弁５１ａ，５２ａを開閉する圧
力調節器５４とが設けられ、また、循環圧縮機２１の吸
入圧力を略一定に保つため、循環圧縮機２１の吐出側及
び吸入側をバイパス弁５５ａを介して接続する経路５５
と、循環圧縮機２１の吸入圧力を測定して前記バイパス
弁５５ａの開度を調節する圧力調節器５６とが設けられ
ている。

【００２６】さらに、本発明では、最大負荷時に必要と
なる液体窒素所要量を液体ヘリウム貯槽２４内に貯留し
ておくが、該貯留量の最大レベルを略一定に保つため、
該液体ヘリウム貯槽２４には、該貯槽２４内の液体ヘリ
ウム量を測定する液面調節器５７と、該液面調節器５７
により作動する加熱器５８とが設けられている。

【００２７】次に、上記構成のヘリウム液化冷凍装置に
おいて、前記同様に、定常時に必要な冷凍能力が１００
Ｗであり、ピーク時の必要冷凍能力が２０００Ｗ、その
時間が１日２０秒程度の被冷却体を冷却するときの一例
を説明する。

【００２８】まず、ピーク時に被冷却体を冷却すること
により蒸発する液体ヘリウム量は、約１００ｇ／秒であ
るから、２０秒間で約２ｋｇとなり、これは液体ヘリウ
ム１６リットル、ヘリウムガスにして７．２ｍ³ に相当
する。したがって、約１０ｍ³ の容量を持つガスホルダ
ー２６を用いることにより、ピーク時に発生するヘリウ
ムガスを完全に取り込むことができる。

【００２９】また、ピーク時には、液体ヘリウム貯槽２
４から上記１６リットルの液体ヘリウムが被冷却体冷却
部２５に供給され、液体ヘリウム貯槽２４内の液体ヘリ
ウムが減少する。したがって、この減少分の１６リット
ルの液体ヘリウムを補充する必要があるが、この液体ヘ
リウムの補充は、上記ピーク時以外の定常運転時に行え
ば良い。１日の内、この定常運転の時間は、上記ピーク
時間を差し引いた２３時間５９分４０秒あるが、余裕を
みて１２時間で補充を完了できるようにしても、１時間
に１．３リットルの余分な液化能力があれば良いことに
なる。したがって、通常運転時に必要な液化能力に、
１．３リットル／時の液化能力を加えておけば良く、こ
の場合は、１１０Ｗ程度の液化能力があれば十分であ
る。

【００３０】即ち、ピーク時に必要となる１６リットル
の液体ヘリウムは、通常運転時において、１時間に１．
３リットルの割合で液体ヘリウム貯槽２４内に補充され
ることになり、約１２時間で必要量の補充が行われる。
所定量の液体ヘリウムが液体ヘリウム貯槽２４内に貯留
され、その液面高さが設定されたレベル以上になると、
前記液面調節器５７により加熱器５８が作動して余剰分
を蒸発させ、液体ヘリウム量を略一定に保つとともに、
循環ヘリウム量も一定に保つようにする。

【００３１】また、ピーク時に被冷却体冷却部２５内で
気化した７．２ｍ³ のヘリウムガスは、被冷却体冷却部
２５内の圧力上昇を検出した圧力調節器３２により開作
動した弁３３を通り、加熱器３４で加温されてガスホル
ダー２６内に流入する。これと同時に、ヘリウム液化機
部分では、循環ヘリウム量が７．２ｍ³ 分減少すること
になり、循環圧縮機２１の吸入圧力が低下するため、前
記圧力調節器５６が作動してバイパス弁５５ａを開き、
吸入圧力を設定圧力以上に保つようにするとともに、吐
出圧力が低下するため、前記圧力調節器５４が作動して
循環量調節弁５２ａを開き、バッファータンク５３内の
ヘリウムガスを循環系内に導入する。

【００３２】そして、ガスホルダー２６内のガス量が設
定値以上になると、前記ガス量検出器４６が流量調節弁
４５を開くとともに、被冷却体冷却部２５からのヘリウ
ムガスの流入による圧力上昇を圧力計４７が検出して流
量調節弁４３を開く。これにより、回収経路２７に循環
圧縮機２１で圧縮された高圧のヘリウムガスが導入さ
れ、該ガスを駆動源とするエジェクター４２によりガス
ホルダー２６内のヘリウムガスが吸入され、循環圧縮機
２１の吸入側に回収される。

【００３３】さらに、上記ガスホルダー２６からのヘリ
ウムガスの回収による循環系内のヘリウム量の増加に伴
う圧力上昇を、前記圧力調節器５４が検出して循環量調
節弁５１ａを開き、循環系内の余剰のヘリウムガスをバ
ッファータンク５３に導入する。

【００３４】また、ピーク後の定常運転の初期は、前述
のように液体ヘリウム貯槽２４内に液体ヘリウムを補充
する運転になるため、加熱器５８は作動せず、設定量に
達すると液面調節器５７が加熱器５８を作動させて補充
量相当分、即ち液体ヘリウムを毎時１．３リットルの割
合で蒸発させる。

【００３５】このように、従来２１００Ｗ必要だった冷
凍能力を、約１１０Ｗにすることができるとともに、加
熱器５８による入熱量も大幅に低減することができ、ヘ
リウム液化冷凍装置の設備コストや運転コストを大幅に
低減することができる。

【００３６】さらに、ガスホルダー２６内に貯留したヘ
リウムガスの回収も、エジェクター４２を用いることに
より、不純物の混入の可能性もほとんどなく、また、ほ
とんど動力を必要としないため、低コストの運転が行え
るが、循環圧縮機２１の吸入側圧力が低いので、簡単な
圧縮機でガスホルダー２６から循環圧縮機２１吸入側に
ヘリウムガスを戻すことも可能である。

【００３７】なお、ヘリウム液化機部分における各部の
構成、例えば寒冷発生のための膨張タービンの設置数や
その容量、温度域等は、必要寒冷量に応じて適宜設定さ
れるものであり、各熱交換器も、上記膨張タービンの設
置状況等に応じて適宜に分割することができる。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
冷凍負荷が大きく変動する被冷却体を冷却するヘリウム
液化冷凍装置の冷凍能力を従来に比べて大幅に小さくす
ることができ、その設備コストや運転コストを大幅に低
減することができる。

【００３９】したがって、超伝導マグネット等の被冷却
体を極低温に冷却する装置として好適であり、これらの
実験等に要する費用の大幅な節減を図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明のヘリウム液化冷凍装置の一実施例を
示す系統図である。

【図２】 従来のヘリウム液化冷凍装置の一例を示す系
統図である。

【符号の説明】

２１…循環圧縮機 ２２…熱交換器群 ２３…ＪＴ
弁 ２４…液体ヘリウム貯槽 ２５…被冷却体冷却
部 ２６…ガスホルダー ２７…回収経路 ３２，４７，５４，５６…圧力調節器 ４２…エジェ
クター ４６…ガス量検出器 ５３…バッファータ
ンク ５７…液面調節器 ５８…加熱器

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ヘリウムを循環させる圧縮機、圧縮した
   ヘリウムを戻りヘリウムとの熱交換により冷却する熱交
   換器、冷却後のヘリウムをＪＴ膨張させるＪＴ弁、ＪＴ
   膨張により液化したヘリウムを貯留する液体ヘリウム貯
   槽、該液体ヘリウム貯槽内の液体ヘリウムが供給される
   被冷却体冷却部、該冷却部で気化したヘリウムガス及び
   前記液体ヘリウム貯槽内のヘリウムガスを戻りヘリウム
   として前記熱交換器を介して前記圧縮機に循環させる経
   路等を備えたヘリウム液化冷凍装置において、前記被冷
   却体冷却部に、該冷却部内の圧力が上昇したときに開弁
   する弁を介してガスホルダーを連設するとともに、該ガ
   スホルダー内に貯蔵されたヘリウムガスを前記循環する
   ヘリウムに合流させる手段を設けたことを特徴とするヘ
   リウム液化冷凍装置。
2. 【請求項２】 前記圧縮機の吸入側及び吐出側に、それ
   ぞれ循環量調節弁を有する経路を介してバッファータン
   クを接続するとともに、前記両循環量調節弁を圧縮機の
   吐出圧力に応じて開閉する圧力調節器を設けたことを特
   徴とする請求項１記載のヘリウム液化冷凍装置。
3. 【請求項３】 前記ガスホルダー内に貯蔵されたヘリウ
   ムガスを前記循環するヘリウムに合流させる手段は、前
   記圧縮機で圧縮されたヘリウムガスを駆動源として前記
   ガスホルダー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ガスを圧縮機の吸
   入側に循環させる経路により構成されていることを特徴
   とする請求項１記載のヘリウム液化冷凍装置。
4. 【請求項４】 前記圧縮機の吐出側及び吸入側をバイパ
   ス弁を介して接続する経路と、該バイパス弁を圧縮機の
   吸入圧力に応じて開閉する圧力調節器と、前記冷却部と
   ガスホルダーとの間に設けた弁を冷却部の圧力に応じて
   開閉する圧力調節器と、前記ガスホルダー内の圧力に応
   じて前記エジェクターの駆動源となる圧縮されたヘリウ
   ムガスの流量を調節する圧力調節器と、前記ガスホルダ
   ー内のヘリウムガス量に応じて該ガスホルダーから前記
   エジェクターに吸引されるヘリウムガスの流量を調節す
   るガス量調節器と、前記液体ヘリウム貯槽内の液体ヘリ
   ウムの量に応じて該貯槽内に設けた加熱器を作動させて
   液体ヘリウム量を調節する液量調節器とを備えているこ
   とを特徴とする請求項３記載のヘリウム液化冷凍装置。
5. 【請求項５】 圧縮したヘリウムを戻りヘリウムとの熱
   交換により冷却し、ＪＴ膨張により液化して液体ヘリウ
   ム貯槽内に貯蔵し、該液体ヘリウム貯槽内の液体ヘリウ
   ムを所定量導出して被冷却体の冷却源とし、該被冷却体
   冷却後のヘリウムを昇温後、再び圧縮して循環させるヘ
   リウム液化冷凍装置の運転方法において、前記被冷却体
   の冷却負荷増大時に、前記液体ヘリウム貯槽から導出す
   る液体ヘリウム量を増量するとともに、該増量分に対応
   する被冷却体冷却後のヘリウムをガスホルダーに一時貯
   蔵した後、前記循環するヘリウムに合流させることを特
   徴とするヘリウム液化冷凍装置の運転方法。