JP5547465B2

JP5547465B2 - 真空断熱配管

Info

Publication number: JP5547465B2
Application number: JP2009281152A
Authority: JP
Inventors: 洋松田
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 2009-12-11
Filing date: 2009-12-11
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2029-12-11
Also published as: JP2011122675A

Description

本発明は、真空断熱配管に関し、詳しくは、液体ヘリウムや液体水素のような極低温流体を移送する極低温流体移送用の真空断熱配管に関する。

液体ヘリウムや液体水素のような極低温流体を移送する配管として、極低温流体が流通する内管と、該内管との間に真空断熱空間を構成する外管と、内管と外管との間に設けられた熱シールド板と、該熱シールド板を冷却するために熱シールド板に取り付けられた冷却管とを備えた真空断熱配管が用いられており、前記冷却管には、極低温流体の一部、あるいは、内管温度と外管温度との中間の温度を有する低温流体、例えば液体窒素を流通させるようにしている（例えば、特許文献１参照。）。このような真空断熱配管では、適当な間隔で熱伸縮吸収部を設け、内管、冷却管及び熱シールド板の熱伸縮を吸収する必要がある（例えば、特許文献２参照。）。

特開平９−３０３６７５号公報特開２００２−３４９７８６号公報

しかし、熱シールド板及び冷却管の熱伸縮をベローズで吸収する場合、熱シールド板に一体的に取り付けられている冷却管は、熱伸縮吸収部におけるベローズの部分には取り付けることができないため、冷却管内の低温流体でベローズを冷却することができなくなり、熱伸縮吸収部での侵入熱量が大きくなる。さらに、熱伸縮をベローズで確実に吸収するためには、冷却管伸縮量の１０倍以上の長さのベローズを用いる必要があることから、熱伸縮吸収部の長さ、すなわち、冷却管内の低温流体で冷却されている熱シールド板が存在しない部分が長くなり、真空断熱配管の断熱性能に大きく影響することになる。

そこで本発明は、冷却管の熱伸縮を確実に吸収しつつ、熱伸縮吸収部の長さを短くして断熱性能を向上させることができる真空断熱配管を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の真空断熱配管は、極低温流体が流通する内管と、該内管との間に真空断熱空間を構成する外管と、内管と外管との間に設けられた熱シールド板と、該熱シールド板を冷却するために熱シールド板に取り付けられた冷却管とを備えた真空断熱配管において、前記冷却管及び前記熱シールド板の熱伸縮吸収部で冷却管の端部同士及び熱シールド板の端部同士を対向配置し、熱シールド板の対向面間外周を熱シールドカバーで覆うとともに、冷却管の端部同士は、前記熱シールドカバーの内側に円環状に配置されるフレキシブルホースで接続し、前記フレキシブルホースは、常温状態での捩れ方向と低温状態での捩れ方向とが逆方向となっていることを特徴としている。

さらに、本発明の真空断熱配管は、前記冷却管の端部と前記フレキシブルホースの端部との間を継手を介して接続し、前記フレキシブルホースを前記熱シールドカバーの周方向に配置したこと、特に、前記フレキシブルホースが前記熱シールドカバーの内周面に沿って配置されていることを特徴としている。また、前記フレキシブルホースの最大捩れ角度が１０度以下に設定されていることを特徴としている。

本発明の真空断熱配管によれば、熱シールドカバーの内側に円環状に配置されるフレキシブルホースの捩れを利用して熱伸縮を吸収するようにしたので、ベローズに比べて冷却管の端部同士の間隔を狭くすることができる。特に、フレキシブルホースを熱シールドカバーの周方向に配置し、また、熱シールドカバーの内周面に沿って配置することにより、フレキシブルホースを有効に利用することができる。さらに、フレキシブルホースの最大捩れ角度が１０度以下、好ましくは６度以下、より好ましくは４度以下に設定することにより、フレキシブルホースに加わる応力を小さくすることができる。また、あらかじめ逆方向に捩れた状態で組み付けることにより、冷却管の端部同士の間隔を狭くしたり、熱伸縮吸収量を大きくすることができる。

本発明の真空断熱配管の一形態例を示す要部の正面図である。同じく要部の平面図である。熱シールド板及び冷却管の熱伸縮吸収部を示す断面図である。フレキシブルホースの捩れ状態を示す要部の正面図である。フレキシブルホースの捩れ状態を示す要部の平面図である。真空断熱配管の一形態例を示す断面図である。

図６に示すように、例えば、ヘリウム冷凍機から超電導実験設備に液体ヘリウムを供給するための真空断熱配管は、液体ヘリウムやヘリウムガスなどの極低温流体が流通する複数の内管１１，１１と、該内管１１との間に真空断熱空間１２を構成するための外管１３と、内管１１と外管１３との間に設けられた管状の熱シールド板１４と、該熱シールド板１４に溶接やロウ付けにより一体的に取り付けられた冷却管１５とを備えている。外管１３内の内管１１や熱シールド板１４は、従来と同様に、熱伝導率が小さいスペーサ１６によって所定位置に保持されている。また、内管１１の熱伸縮には、従来と同様に、内管１１を所定長さで切断分割してベローズなどの伸縮部材で接続することにより対応している（図示せず）。

熱シールド板１４及び冷却管１５の熱伸縮に対しては、図１乃至図５に示す熱伸縮吸収部１７で対応している。この熱伸縮吸収部１７は、所定長さで切断された熱シールド板１４の端部１４ａ、１４ｂ同士及び冷却管１５の端部１５ａ、１５ｂ同士を、熱伸縮寸法に対応できる間隔で対向配置し、熱シールド板１４の端部１４ａ、１４ｂ同士の対向面間外周を、熱伸縮によって最大に開いた状態における対向面間距離よりも長い寸法の熱シールドカバー１８で覆うとともに、冷却管１５の端部１５ａ、１５ｂ同士の間を、前記熱シールドカバー１８の内側に円環状に配置されるフレキシブルホース１９で接続したものである。また、フレキシブルホース１９には、熱シールド板１４を冷却するために冷却管１５内を流れる低温ヘリウムガスや液体窒素等に対応したフレキシブルホースが用いられている。

冷却管１５の端部１５ａ、１５ｂとフレキシブルホース１９の両端との間には、フレキシブルホース１９を円環状に配置するためのエルボや短管を適宜組み合わせた継手２０，２０がそれぞれ設けられており、両継手２０の反冷却管側を冷却管１５の軸線に対して直交する方向で、かつ、逆方向に向けて開いた状態で開口させることにより、両継手２０の反冷却管側に接続されるフレキシブルホース１９を熱シールドカバー１８の周方向で、かつ、内周面に沿うように円環状に配置している。

冷却管１５への低温流体の流通によって冷却管１５及び熱シールド板１４の温度が低下すると、冷却管１５及び熱シールド板１４が熱収縮することにより、図１及び図２に示す状態から図４及び図５に示すように、冷却管１５及び熱シールド板１４の各端部同士が互いに離れる方向に移動する。このとき、フレキシブルホース１９は、円環部が捩れることによって冷却管１５の移動を吸収し、冷却管１５の引っ張り方向に作用する応力のほとんどを吸収し、冷却管１５や継手２０を保護することができる。

フレキシブルホース１９の長さ（周長）は、冷却管１５の熱伸縮量及び熱シールドカバー１８の内径に応じて設定されるもので、冷却管１５の端部１５ａ、１５ｂ同士が最も近接した位置（図１及び図２）から端部１５ａ、１５ｂ同士が最も離間した位置（図４及び図５）まで変形して螺旋状態となったフレキシブルホース１９の捩れ角度θ（リード角）が、使用したフレキシブルホース１９の許容捩れ角度未満になるように設定する。フレキシブルホース１９の捩れ角度θは、フレキシブルホース１９の太さ、円環部の径及び長さ、冷却管１５の熱伸縮量により異なってくるが、繰り返しの変形にも耐えられるように、最大でも１０度以下、好ましくは６度以下、より好ましくは４度以下とすることが望ましい。

なお、フレキシブルホース１９を長くしたり、円環部の径を大きくしたりすることによってフレキシブルホース１９の捩れ角度を小さくできるので、フレキシブルホース１９に加わる応力を低減することができるが、フレキシブルホース１９を使用したときのコスト上昇、冷却管１５の分割長さ、熱シールドカバー１８の大きさなどを勘案して選択すればよい。

また、熱シールドカバー１８の長さは、端部１５ａ、１５ｂ同士が最も離間した位置で、極低温状態の内管１１と常温状態の外管１１とを十分に遮蔽できる長さに設定されており、放射による内管１１への熱侵入を抑えるようにしている。この熱シールドカバー１８は、一端を一方の冷却管１５の外周に固定し、他端を他方の冷却管１５の外周に軸方向に移動可能に設けることにより、熱シールド板１４の熱伸縮を吸収するようにしている。

このように、冷却管１５の熱伸縮を熱シールドカバー１８の内周面に沿うように円環状に配置したフレキシブルホース１９によって吸収するように形成することにより、ベローズを軸方向に配置して冷却管１５の熱伸縮を吸収する場合に比べて、冷却管１５及び熱シールド板１４の各端部同士の間隔を狭くすることができる。例えば、アルミニウム製の冷却管１５（熱シールド板１４）の長さを７ｍとした場合、冷却管１５が３００Ｋから８０Ｋに温度低下したときの収縮量は約４０ｍｍとなる。この収縮量をベローズで吸収するためには端部同士の間隔を５００ｍｍ程度にする必要があるのに対し、フレキシブルホース１９を円環状に配置した場合には端部同士の間隔を２５０ｍｍ以下にすることができる。

すなわち、フレキシブルホース１９の円環部の径が６００ｍｍで、フレキシブルホース１９の外周を熱シールドカバー１８の内周に沿って半周分に配置する場合、両側の継手２０の寸法を考慮しても端部同士の間隔を２５０ｍｍ以下にすることが可能である。このとき、冷却管１５の収縮によってフレキシブルホース１９の両端が離れる方向に４０ｍｍ移動した状態での前記捩れ角度θは約８度であるから、冷却管１５の伸縮が繰り返されてもフレキシブルホース１９が破損することはない。

したがって、冷却管１５によって直接冷却されず、熱シールド板１４に比べて温度が高い状態の熱シールドカバー１８の長さを短くすることができるので、内管１１と熱シールドカバー１８との間の放射熱量（侵入熱量）を低減することができ、例えば、ヘリウム冷凍機からの液体ヘリウムを確実に使用先に供給することができ、液体ヘリウムの供給効率が向上することにより、ヘリウム冷凍機の小型化、消費電力の削減を図ることができる。

さらに、常温状態で熱伸縮吸収部１７を組み付ける際に、中間温度でフレキシブルホース１９の捩れ角度θが０度となり、フレキシブルホース１９の軸線を通る平面が冷却管１５の軸線と直交する状態になるように設定し、常温状態での捩れ方向と低温状態での捩れ方向とが逆方向になるようにすることにより、例えば、常温の３００Ｋで前記捩れ角度θを収縮方向とは逆方向に捩られたマイナスの値、低温の８０Ｋで捩れ角度θをプラスの値（図４の状態）、中間温度の１９０Ｋ付近で０度（図１の状態）となるように設定することにより、常温の３００Ｋで捩れ角度θを０度に設定する場合に比べて冷却管１５の端部１５ａ、１５ｂ同士の間隔を狭くすることが可能となり、熱シールドカバー１８の長さを短くすることができ、熱侵入量を更に低減することができる。

また、３００Ｋで捩れ角度θを０度に設定したときに比べて大きな熱伸縮に対応することが可能となり、冷却管１５の切断分割長さを長くすることができるので、真空断熱配管における熱伸縮吸収部１７の設置数を少なくしてコストの低減を図ることができる。

一方、捩れ角度θを半分にすることにより、すなわち、フレキシブルホース１９の捩れ角度θを３００Ｋで−４度、８０Ｋで＋４度になるように設定することにより、フレキシブルホース１９に加わる応力を低減してより安全に使用することができる。

なお、前述のように屈曲させた継手を用いることによって熱伸縮吸収部を短くすることができるが、フレキシブルホースの径に対して熱シールド板や熱シールドカバーが十分に大きければ、継手を用いずにフレキシブルホースの両端を冷却管にそれぞれ接続するようにしてもよい。

１１…内管、１２…真空断熱空間、１３…外管、１４…熱シールド板、１４ａ、１４ｂ…端部、１５…冷却管、１５ａ、１５ｂ…端部、１６…スペーサ、１７…熱伸縮吸収部、１８…熱シールドカバー、１９…フレキシブルホース、２０…継手

Claims

極低温流体が流通する内管と、該内管との間に真空断熱空間を構成する外管と、内管と外管との間に設けられた熱シールド板と、該熱シールド板を冷却するために熱シールド板に取り付けられた冷却管とを備えた真空断熱配管において、前記冷却管及び前記熱シールド板の熱伸縮吸収部で冷却管の端部同士及び熱シールド板の端部同士を対向配置し、熱シールド板の対向面間外周を熱シールドカバーで覆うとともに、冷却管の端部同士は、前記熱シールドカバーの内側に円環状に配置されるフレキシブルホースで接続し、
前記フレキシブルホースは、常温状態での捩れ方向と低温状態での捩れ方向とが逆方向となっていることを特徴とする真空断熱配管。
前記冷却管の端部と前記フレキシブルホースの端部との間を継手を介して接続し、前記フレキシブルホースを前記熱シールドカバーの周方向に配置したことを特徴とする請求項１記載の真空断熱配管。
前記フレキシブルホースは、前記熱シールドカバーの内周面に沿って配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載の真空断熱配管。
前記フレキシブルホースの最大捩れ角度が１０度以下に設定されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の真空断熱配管。