JP4570546B2 - ヘリウム凝縮装置 - Google Patents
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Description
本発明は、液体ヘリウムを例えば超電導コイル等の冷却媒体として使用した際に気化するヘリウムガスを回収し、再度凝縮、液化する際に用いられるヘリウム凝縮装置に関する。
この種のヘリウム凝縮装置として、特許第３６６８９１９号公報に開示されたものがある。
この装置は、図３に示すように、第１冷凍機１と第２冷凍機２とを用いるものである。これら冷凍機１、２は、例えばＧＭ（ギフォード・マクマホン）式蓄冷型冷凍機などの蓄冷型冷凍機であって、同種類のものが２基用いられる。
この装置は、図３に示すように、第１冷凍機１と第２冷凍機２とを用いるものである。これら冷凍機１、２は、例えばＧＭ（ギフォード・マクマホン）式蓄冷型冷凍機などの蓄冷型冷凍機であって、同種類のものが２基用いられる。
各冷凍機１、２には、それぞれ第１段冷却ステージ１Ａ、１Ｂと、第２段冷却ステージ２Ａ、２Ｂとが形成されており、それぞれの第２段冷却ステージ１Ｂ、２Ｂは、その温度が液体ヘリウム温度（４．２Ｋ以下）となる冷凍能力を備えているものである。
なお、ＧＭ式蓄冷型冷凍機については周知であり、例えば特開平４−５２４６８号公報第１頁左下欄最終行〜第３頁左上欄第１行、第５図に、その構造、動作が詳しく解説されている。
これら第１冷凍機１と第２冷凍機２とは、その主要部が真空断熱チャンバー３内に収容され、外部から熱的に遮断されている。
また、各冷凍機１、２の各冷却ステージ１Ａ、１Ｂ、２Ａには、銅管などの金属管が複数回巻き付けられて冷却部が形成されており、第２冷凍機２の第２段冷却ステージ２Ｂには凝縮器が取り付けられて凝縮部となっている。
また、各冷凍機１、２の各冷却ステージ１Ａ、１Ｂ、２Ａには、銅管などの金属管が複数回巻き付けられて冷却部が形成されており、第２冷凍機２の第２段冷却ステージ２Ｂには凝縮器が取り付けられて凝縮部となっている。
以下、第１冷凍機１の第１段冷却ステージ１Ａに形成された冷却部を冷却部イと呼び、第２段冷却ステージ１Ｂに形成された冷却部を冷却部ロと呼び、第２冷凍機２の第１段冷却ステージ２Ａに形成された冷却部を冷却部ハと呼び、第２冷凍機２の第２段冷却ステージ２Ｂに形成された凝縮部を凝縮部ニと呼ぶことにする。
また、これら冷却部イ〜ハおよび凝縮部ニは、図示のように、銅管などからなる接続管４によって直列的に接続されている。すなわち、冷却部イは冷却部ハに接続され、冷却部ハは冷却部ロに接続され、冷却部ロは凝縮部に接続されている。
さらに、冷却部イの始端は、銅管などからなる往路管５の一端に接続され、他端は圧縮機６を介してヘリウム容器７に接続されている。凝縮部ニの出口には銅管などからなる復路管８の一端が接続され、復路管８の他端はヘリウム容器７に接続されている。
ヘリウム容器７は、例えばその内部に満たされた液体ヘリウム中に超電導コイルを浸漬したり、あるいは外部の超低温機器に接続されて、これに液体ヘリウムを冷却媒体として供給し、気化したヘリウムガスを回収したりするものである。
さらに、冷却部イの始端は、銅管などからなる往路管５の一端に接続され、他端は圧縮機６を介してヘリウム容器７に接続されている。凝縮部ニの出口には銅管などからなる復路管８の一端が接続され、復路管８の他端はヘリウム容器７に接続されている。
ヘリウム容器７は、例えばその内部に満たされた液体ヘリウム中に超電導コイルを浸漬したり、あるいは外部の超低温機器に接続されて、これに液体ヘリウムを冷却媒体として供給し、気化したヘリウムガスを回収したりするものである。
ここで、ヘリウム容器７において気化したヘリウムガスは、圧縮機６を通り加圧されて往路管５を流れ、冷却部イから冷却部ハを経て冷却部ロに、さらに冷却部ニへと流れ、凝縮部ニにおいて凝縮、液化し、復路管８を通ってヘリウム容器７に戻るようになっている。
この動作に際して、凝縮部ニの温度をヘリウムの液化温度以下の４Ｋに定めておき、往路管５を流れるヘリウムガスの流量と各冷凍機１、２の冷凍能力とから各冷却部イ〜ハの温度を算出して運転を実施する。
ヘリウムガスの流量を１０．６リットル／分とすると、図３に示した装置では、冷却部イにおいて４５Ｋとされ、冷却部ハにおいて２６Ｋとされ、冷却部ロにて５．５Ｋとされ、凝縮部ニにおいて４Ｋに冷却されて凝縮液化するようになっている。
また、各冷却部イ〜ハおよび凝縮部ニにおいて得られる冷凍能力は、図３にあるように、冷却部イにおいて４２Ｗ、冷却部ロにおいて３．５Ｗ、冷却部ハにおいて３．５Ｗ、冷却部ニにおいて１．０Ｗとされる。
ヘリウムガスの流量を１０．６リットル／分とすると、図３に示した装置では、冷却部イにおいて４５Ｋとされ、冷却部ハにおいて２６Ｋとされ、冷却部ロにて５．５Ｋとされ、凝縮部ニにおいて４Ｋに冷却されて凝縮液化するようになっている。
また、各冷却部イ〜ハおよび凝縮部ニにおいて得られる冷凍能力は、図３にあるように、冷却部イにおいて４２Ｗ、冷却部ロにおいて３．５Ｗ、冷却部ハにおいて３．５Ｗ、冷却部ニにおいて１．０Ｗとされる。
この冷凍能力は、図４に示す冷凍能力曲線から求められる。
図４に示した冷凍能力曲線は、この種のヘリウム凝縮装置に用いられる蓄冷型冷凍機についての第１段冷却ステージと第２段冷却ステージとの温度とそれら温度における各冷却ステージの冷凍能力との関係を示すグラフである。
図４に示した冷凍能力曲線は、この種のヘリウム凝縮装置に用いられる蓄冷型冷凍機についての第１段冷却ステージと第２段冷却ステージとの温度とそれら温度における各冷却ステージの冷凍能力との関係を示すグラフである。
このグラフにおける縦軸に沿う曲線群は、第１段冷却ステージにおける冷凍能力を示し、横軸に沿う曲線群は、第２段冷却ステージにおける冷凍能力を示す。
例えば、第１段冷却ステージでの温度を４５Ｋ、第２段冷却ステージでの温度を５．５Ｋと設定すると、第１段冷却ステージにおける冷凍能力は約４２Ｗ、第２段冷却ステージにおける冷却能力は約３．５Ｗとなる。
例えば、第１段冷却ステージでの温度を４５Ｋ、第２段冷却ステージでの温度を５．５Ｋと設定すると、第１段冷却ステージにおける冷凍能力は約４２Ｗ、第２段冷却ステージにおける冷却能力は約３．５Ｗとなる。
また、この冷凍能力曲線においては、第２段冷却ステージでの冷凍能力曲線群が、第１段冷却ステージの温度が約２５〜６５Ｋまでの範囲では緩やかな右肩下がりがりとなっているので、第２段冷却ステージの等温度における冷凍能力は、第１段冷却ステージの温度に比例して大きくなる傾向を有していることがわかる。
すなわち、第１段冷却ステージの温度が高い方が第２段冷却ステージでの冷凍能力が高いことになり、第２段冷却ステージでの冷凍能力を有効に引き出すためには、第１段冷却ステージにおける温度が約２５〜６５Ｋまでの範囲では第１段冷却ステージの温度よりも高く保つ必要がある。
すなわち、第１段冷却ステージの温度が高い方が第２段冷却ステージでの冷凍能力が高いことになり、第２段冷却ステージでの冷凍能力を有効に引き出すためには、第１段冷却ステージにおける温度が約２５〜６５Ｋまでの範囲では第１段冷却ステージの温度よりも高く保つ必要がある。
上述の先行発明では、第２冷凍機２の第１段冷却ステージ２Ａの温度を２６Ｋと比較的低くしているため、第２冷凍機２の第２段冷却ステージ２Ｂにおいてヘリウムの凝縮を行うためにその液化温度である４Ｋとしていることから、第２段冷却ステージ２Ｂでの冷却能力が１Ｗとなり、第２冷凍機２の第２段冷却ステージ２Ｂでの冷凍能力が最大限発揮されていない。
このため、上記先行発明では、例えば第２冷凍機２の第１段冷却ステージ２Ａに電気ヒータを付設して第１段冷却ステージ２Ａの温度を上げ、第２段冷却ステージ２Ｂでの冷凍能力を高めるようにしている。
しかしながら、この方法では、電気ヒータ、電源などの余分な設備が必要となり、コストアップの要因となる。
特許第３６６８９１９号公報
しかしながら、この方法では、電気ヒータ、電源などの余分な設備が必要となり、コストアップの要因となる。
よって、本発明における課題は、２段以上の冷却ステージを有し、その最終段冷却ステージの温度を液体ヘリウム温度とする能力を有する冷凍機を２台もしくは３台以上用いるヘリウム凝縮装置において、余分な設備を用いることなく、ヘリウムの凝縮に関与する最終段冷却ステージにおける冷凍能力を高め、ヘリウムの液化効率を向上させるようにすることにある。
かかる課題を解決するため、
請求項１にかかる発明は、２段以上の冷却ステージを有し、その最終段冷却ステージの温度を液体ヘリウム温度とする能力を有する冷凍機を２台用いるヘリウム凝縮装置であって、
凝縮すべきヘリウムを、第１冷凍機の第１段冷却ステージにおいて冷却したのち、第２冷凍機の第１段冷却ステージにおいて冷却し、ついで第２冷凍機の最終段冷却ステージにおいて冷却し、さらに第１冷凍機の最終段冷却ステージにおいて冷却するようにしたことを特徴とするヘリウム凝縮装置である。
請求項１にかかる発明は、２段以上の冷却ステージを有し、その最終段冷却ステージの温度を液体ヘリウム温度とする能力を有する冷凍機を２台用いるヘリウム凝縮装置であって、
凝縮すべきヘリウムを、第１冷凍機の第１段冷却ステージにおいて冷却したのち、第２冷凍機の第１段冷却ステージにおいて冷却し、ついで第２冷凍機の最終段冷却ステージにおいて冷却し、さらに第１冷凍機の最終段冷却ステージにおいて冷却するようにしたことを特徴とするヘリウム凝縮装置である。
請求項２にかかる発明は、２段以上の冷却ステージを有し、その最終段冷却ステージの温度を液体ヘリウム温度とする能力を有する冷凍機を３台以上用いるヘリウム凝縮装置であって、
これら冷凍機を第１冷凍機群と第２冷凍機群とに分け、各冷凍機群における同程度の温度の冷却ステージ間を良熱伝導材料で熱的に連結して、冷却ステージ群を形成し、
凝縮すべきヘリウムを、第１冷凍機群の第１段冷却ステージ群において冷却したのち、第２冷凍機群の第１段冷却ステージ群において冷却し、ついで第２冷凍機群の最終段冷却ステージ群において冷却し、さらに第１冷凍機群の最終段冷却ステージ群において冷却するようにしたことを特徴とするヘリウム凝縮装置である。
これら冷凍機を第１冷凍機群と第２冷凍機群とに分け、各冷凍機群における同程度の温度の冷却ステージ間を良熱伝導材料で熱的に連結して、冷却ステージ群を形成し、
凝縮すべきヘリウムを、第１冷凍機群の第１段冷却ステージ群において冷却したのち、第２冷凍機群の第１段冷却ステージ群において冷却し、ついで第２冷凍機群の最終段冷却ステージ群において冷却し、さらに第１冷凍機群の最終段冷却ステージ群において冷却するようにしたことを特徴とするヘリウム凝縮装置である。
本発明によれば、凝縮すべきヘリウムを、第１冷凍機（群）の第１段冷却ステージ（群）において冷却したのち、第２冷凍機（群）の第１段冷却ステージ（群）において冷却し、ついで第２冷凍機（群）の最終段冷却ステージ（群）において冷却し、さらに第１冷凍機群）の最終段冷却ステージ（群）において冷却するため、第１冷凍機（群）での第１段冷却ステージ（群）の温度が上がり、これに伴ってヘリウムの凝縮が行われる第１冷凍機（群）の最終段冷却ステージ（群）での冷凍能力が高くなる。このため、従来装置のような電気ヒータ等の余分な設備が不要になる。
図１は、本発明のヘリウムの凝縮装置の第１の例を示すもので、図３に示した従来の装置と同一構成部分には同一符号を付してその説明を省略する。
この例にあっては、第１冷凍機１の第２段冷却ステージ１Ｂに凝縮器が設けられて凝縮部ロとされ、第２冷凍機２の第２段冷却ステージ２Ｂには冷却部ニが形成されている。また、冷却部イは接続管４により冷却部ハに接続され、冷却部ハは冷却部ニに接続され、さらに冷却部ニは凝縮部ロに接続され、復路管８の一端が凝縮部ロの出口に接続されている。
この例にあっては、第１冷凍機１の第２段冷却ステージ１Ｂに凝縮器が設けられて凝縮部ロとされ、第２冷凍機２の第２段冷却ステージ２Ｂには冷却部ニが形成されている。また、冷却部イは接続管４により冷却部ハに接続され、冷却部ハは冷却部ニに接続され、さらに冷却部ニは凝縮部ロに接続され、復路管８の一端が凝縮部ロの出口に接続されている。
そして、このものでは、ヘリウム容器７からのヘリウムガスは、圧縮機６，往路管５から、冷却部イに送られ、ここで冷却されたのち、冷却部ハに流れ、ここから冷却部ニに送られ、さらに凝縮部ロにおいて、凝縮液化し、復路管８を通ってヘリウム容器７に戻るようになっている。
このようなヘリウムの流路を設定することで、図１にあるように、第１冷凍機１の第１段冷却ステージ１Ａの温度を４５Ｋとし、第１冷凍機１の第２段冷却ステージ１Ｂの温度をヘリウム凝縮温度である４Ｋとし、また第２冷凍機２の第１段冷却ステージ２Ａでの温度を２８Ｋとし、第２冷凍機２の第２段冷却ステージ２Ｂの温度を６Ｋとして運転することになる。
このようにして、第１冷凍機１の第１段冷却ステージ１Ａおよび第２段冷却ステージ１Ｂの温度を設定することにより、図４の冷凍能力曲線からヘリウムの凝縮が行われる第１冷凍機１の第２段冷却ステージ１Ｂ（凝縮部ニ）での冷凍能力を１．２Ｗとすることができる。
この冷凍能力は、従来装置での１．２倍であり、２０％の冷凍能力の向上が達成されることになる。
そして、この例では、往路管５を流れるヘリウムガスの流量を１１．７リットル／分として運転することができ、ヘリウムガス液化量が従来の装置に比較して１０％増加することになる。
この冷凍能力は、従来装置での１．２倍であり、２０％の冷凍能力の向上が達成されることになる。
そして、この例では、往路管５を流れるヘリウムガスの流量を１１．７リットル／分として運転することができ、ヘリウムガス液化量が従来の装置に比較して１０％増加することになる。
図２は、本発明のヘリウム凝縮装置の第２の例を示すもので、請求項２に記載の発明に対応するものである。
この例の装置にあっては、４基の同種の冷凍機１０、１１、１２、１３を用い、そのうちの２基１０、１１を１組として第１冷凍機群１０１とし、残る２基の冷凍機１２、１３を一組として第２冷凍機群１０２としている。
この例の装置にあっては、４基の同種の冷凍機１０、１１、１２、１３を用い、そのうちの２基１０、１１を１組として第１冷凍機群１０１とし、残る２基の冷凍機１２、１３を一組として第２冷凍機群１０２としている。
また、第１冷凍機群１０１をなす２基の冷凍機１０、１１のそれぞれの第１段冷却ステージ１０Ａ、１１Ａの間が銅、銀などの良熱伝導材料からなるブロック状の連結材１４によって熱的に連結されて第１段冷却ステージ群１０１Ａとなっている。さらに、第１冷凍機群１０１をなす２基の冷凍機１０、１１のそれぞれの第２段冷却ステージ１０Ｂ、１１Ｂの間も銅、銀などの良熱伝導材料からなるブロック状の連結材１４によって熱的に連結されて第２段冷却ステージ群１０１Ｂとなっている。
これにより、第１冷凍機群１０１は、１基の冷凍機と同様の動作を行うものとなる。
これにより、第１冷凍機群１０１は、１基の冷凍機と同様の動作を行うものとなる。
また、第２冷凍機群１０２についても同様に、冷凍機１２、１３のそれぞれの第１段冷却ステージ１２Ａ、１３Ａの間が銅、銀などの良熱伝導材料からなるブロック状の連結材１４によって熱的に連結されて第１段冷却ステージ群１０２Ａとなっている。さらに、２基の冷凍機１２、１３のそれぞれの第２段冷却ステージ１２Ｂ、１３Ｂの間も銅、銀などの良熱伝導材料からなるブロック状の連結材１４によって熱的に連結されて第２段冷却ステージ群１０２Ｂとなっている。
これにより、第２冷凍機群１０２も、１基の冷凍機と同様の動作を行うものとなる。
これにより、第２冷凍機群１０２も、１基の冷凍機と同様の動作を行うものとなる。
また、第１冷凍機群１０１をなす２基の冷凍機１０、１１のぞれぞれの第１段冷却ステージ１０Ａ、１１Ａ、第２冷凍機群１０２の２基の冷凍機１２、１３の第１段冷却ステージ１２Ａ、１３Ａ、第２段冷却ステージ１２Ｂ、１３Ｂには、先の例と同様の冷却部が形成され、第１冷凍機群１０１の第２段冷却ステージ群１０１Ｂには、それぞれ凝縮器が設けられた凝集部が形成されている。
以下、冷凍機１０の第１段冷却ステージ１０Ａの冷却部を冷却部ａと呼び、第２段冷却ステージ１０Ｂの凝集部を凝集部ｂと呼び、冷凍機１１の第１段冷却ステージ１１Ａの冷却部を冷却部ｃと呼び、第２段冷却ステージ１１Ｂの凝集部を凝集部ｄと呼ぶ。
また、冷凍機１２の第１段冷却ステージ１２Ａの冷却部を冷却部ｅと呼び、第２段冷却ステージ１２Ｂの冷却部を冷却部ｆと呼ぶ。
さらに、冷凍機１３の第１段冷却ステージ１３Ａの冷却部を冷却部ｇと呼び、第２段冷却ステージ１３Ｂの冷却部を冷却部ｈと呼ぶ。
また、冷凍機１２の第１段冷却ステージ１２Ａの冷却部を冷却部ｅと呼び、第２段冷却ステージ１２Ｂの冷却部を冷却部ｆと呼ぶ。
さらに、冷凍機１３の第１段冷却ステージ１３Ａの冷却部を冷却部ｇと呼び、第２段冷却ステージ１３Ｂの冷却部を冷却部ｈと呼ぶ。
そして、冷却部ａは、冷却部ｃに接続管４により接続され、冷却部ｃは冷却部ｅに接続され、冷却部ｅは冷却部ｇに接続され、冷却部ｇは、冷却部ｈに接続され、冷却部ｈは、冷却部ｆに接続され、冷却部ｆは凝集部ｄに接続され、凝集部ｄは凝集部ｂに接続されている。また、凝集部ｂの出口は復路管５の一端に接続されている。
このものでは、ヘリウム容器７からのヘリウムガスは、圧縮機６，往路管５から、冷却部ａに送られ、ここで冷却されたのち、冷却部ｃに流れ、ここから冷却部ｅに送られ、冷却部ｇ、冷却部ｈを通って冷却部ｆに送られ、ここから凝集部ｄに送られ、さらに凝集部ｂに送られ、凝集部ｄおよび凝集部ｂにおいて凝縮液化して、復路管８からヘリウム容器７に戻る。
そして、この例でも、第１冷凍機群１０１の第１冷却ステージ群１０１Ａでの温度を４５Ｋと、第２段冷却ステージ群１０１Ｂでの温度を４Ｋとし、第２冷凍機群１０２の第１段冷却ステージ群１０２Ａの温度を２８Ｋと、第２段冷却ステージ群１０２Ｂの温度を６Ｋとして運転が行われる。
この例では、第２段冷却ステージ群１０１Ｂでの冷凍能力は、第１の例の２倍の２．４Ｗとなって従来装置に比べて２．４倍となり、ヘリウム液化量が増加する。
なお、以上の説明では、冷凍機には、２段冷却ステージを有するものを用いた例を示したが、本発明では３段以上の冷却ステージを有する冷凍機を使用することも可能であり、この場合には、第１段冷却ステージと最終段冷却ステージとに冷却部および凝縮部が形成されることになる。
１・・第１冷凍機、２・・第２冷凍機、１Ａ・・第１冷凍機の第１段冷却ステージ、１Ｂ・・第１冷凍機の第２段冷却ステージ、２Ａ・・第２冷凍機の第１段冷却ステージ、２Ｂ・・第２冷凍機の第２段冷却ステージ、１０１・・第１冷凍機群、１０２・・第２冷凍機群、１０１Ａ・・第１冷凍機群の第１段冷却ステージ群、１０１Ｂ・・第１冷凍機群の第２段冷却ステージ群、１０２Ａ・・第２冷凍機群の第１段冷却ステージ群、１０２Ｂ・・第２冷凍機群の第２段冷却ステージ群。
Claims (2)
- ２段以上の冷却ステージを有し、その最終段冷却ステージの温度を液体ヘリウム温度とする能力を有する冷凍機を２台用いるヘリウム凝縮装置であって、
凝縮すべきヘリウムを、第１冷凍機の第１段冷却ステージにおいて冷却したのち、第２冷凍機の第１段冷却ステージにおいて冷却し、ついで第２冷凍機の最終段冷却ステージにおいて冷却し、さらに第１冷凍機の最終段冷却ステージにおいて冷却するようにしたことを特徴とするヘリウム凝縮装置。 - ２段以上の冷却ステージを有し、その最終段冷却ステージの温度を液体ヘリウム温度とする能力を有する冷凍機を３台以上用いるヘリウム凝縮装置であって、
これら冷凍機を第１冷凍機群と第２冷凍機群とに分け、各冷凍機群における同程度の温度の冷却ステージ間を良熱伝導材料で熱的に連結して、冷却ステージ群を形成し、
凝縮すべきヘリウムを、第１冷凍機群の第１段冷却ステージ群において冷却したのち、第２冷凍機群の第１段冷却ステージ群において冷却し、ついで第２冷凍機群の最終段冷却ステージ群において冷却し、さらに第１冷凍機群の最終段冷却ステージ群において冷却するようにしたことを特徴とするヘリウム凝縮装置。
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