JPH0212349B2 - - Google Patents

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JPH0212349B2
JPH0212349B2 JP57233113A JP23311382A JPH0212349B2 JP H0212349 B2 JPH0212349 B2 JP H0212349B2 JP 57233113 A JP57233113 A JP 57233113A JP 23311382 A JP23311382 A JP 23311382A JP H0212349 B2 JPH0212349 B2 JP H0212349B2
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helium
neon
gas
temperature
heat exchanger
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Kenji Hosoyama
Hiromi Hirabayashi
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KOENERUGII BUTSURIGAKU KENKYU SHOCHO
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Description

【発明の詳細な説明】
本発明はネオンガスを利用したカスケードター
ボヘリウム冷凍液化装置に関するものである。 近年、超伝導技術の発達に伴い、液体ヘリウム
の需要が急速に増大している。液体ヘリウムを生
成するヘリウム冷凍装置は、一般に圧縮機，熱交
換器，膨脹機から構成されている。この内大形の
冷凍装置の信頼性および効率を向上させる為多く
の研究開発が行なわれ、特に熱交換器，膨脹機に
ついて多くの研究開発が行なわれてきた結果、こ
れらについての技術的な多くの問題点が解決され
ている。これに対して大形の圧縮機については、
開発が立遅れているのが現状である。 第１図に従来1.8〓〜20〓の温度領域の低温を
生成するのに用いられている装置を示す。この装
置を用いる方法では、ヘリウム圧縮機１により圧
縮された約10〜15気圧の如き高い圧力のヘリウム
ガスは冷凍機へ送られ、熱交換器２で膨脹タービ
ン５並びにジユール―トムソン（Joule―
Thomson）弁６からの低温戻りガスと熱交換し
て温度が下げられる。次に熱交換器２を出たガス
の一部は分流され、膨脹タービンで仕事を行なつ
て温度が下がり低温戻りガスとなる。一方残りの
高圧ガスは熱交換器３，４で更に温度が下げられ
た後、ジユール―トムソン弁６に送られ、そこで
断熱自由膨脹を行ない温度が下がり、一部は液化
し超伝導電磁石等の負荷７に送られ冷却に利用さ
れる。 上記ヘリウム圧縮機としては、従来ピストン式
またはスクリユー式が使用されているが、ピスト
ン式は等温効率等の性能は良いが長時間に亘る信
頼性に問題がある。これに対しスクリユー式は長
期間の信頼性は良いが、その等温効率が低いため
問題がある外に、これらの圧縮機は大形になると
いう欠点がある。 このため上記ピストン式およびスクリユー式の
圧縮機に比してその大きさ，信頼性，性能の面で
優れた特性を有するターボ式圧縮機を採用するこ
とにより大形ヘリウム冷凍装置の信頼性，性能を
飛躍的に向上させ、しかもその大きさを極めて小
さくすることが可能になることが考えられる。し
かしながら分子量の小さく平均分子速度の大きい
室温のヘリウムガスは、ターボ式圧縮機では効率
良く圧縮することができない。 そこで本発明者らは分子量が20とヘリウムに比
べて大きい、室温でターボ圧縮機を用い効率よく
圧縮することができるネオンガスを用いて約30〓
までの予冷用のネオン冷凍機を作り、これを用い
てヘリウムガスを一旦30〓領域まで冷却し平均分
子速度を充分小さくした後、ターボ式圧縮機によ
り効率よく圧縮することにより従来装置の欠点を
解決し本発明を達成するに至つた。 ターボ式圧縮機を用いてヘリウムを冷凍液化す
るに当つては、圧縮しようとするヘリウムガスを
約30〓まで下げることがターボ圧縮機強度設計の
上で重要である。このため本発明の装置は、ター
ボ圧縮機，熱交換器，ターボ式膨脹機を備えた予
冷用のネオンガス冷凍サイクルを、ターボ式圧縮
機，熱交換器，膨脹タービン，ジユールトムソン
弁を備えたヘリウム冷凍サイクルに、ネオン冷凍
サイクルでヘリウムを予冷するよう関連構成した
ことを特徴とする。このように構成することによ
り全冷凍装置を完全にターボ化することが可能に
なり、コンパクトな大容量高性能ヘリウム冷凍・
液化装置が可能となつた。 次にターボ式圧縮機と他の圧縮機の性能を比較
して示す。
【表】 ターボ式圧縮機は上記特徴をもつ他に(1)ガス軸
受を使用することができるので、従来のコンプレ
ツサの最大の欠点であつた「ヘリウム・ラインへ
の水や油の混入」がない。(2)非接触支持方式であ
るので平均故障間隔（Mean Time Between
Failure）で約50000時間が期待できる長寿命で信
頼性が高い。(3)4KW（4.4〓）クラスの冷凍・液
化システムに対する常温コンプレツサの羽根径
は、直径320mm（最大）と小形なので、パワータ
ービンと一体化した構造で、しかもカートリツジ
形とできる。従つて故障した場合簡単に機器を交
換することにより修復でき、整備性に優れ、設置
が容易である。 次に本発明を図面につき説明する。 第２図に本発明のネオンガス予冷凍サイクルを
用いた装置を示す。ネオン冷凍サイクルはネオン
ガスを用いた冷凍サイクルで、図示するサイクル
では、ターボ式圧縮機１１，熱交換器１８，１
９，２０，２１並びにターボ式膨脹機１２，１３
から構成されている。 約300〓のネオンガスを圧縮機１１により圧縮
し約10〜20気圧となつたネオンガスは冷凍機に送
り、熱交換器１８で第１ネオン膨脹タービン１
２，液体窒素（LN2），第２ネオン膨脹タービン
１３およびジユール―トムソン弁からの低温戻り
ガスと熱交換させ、25〜30〓の温度まで下げた
後、分流させ、一部を第１ネオン膨脹タービン１
２に送り、仕事を行わせ温度の下つたガスは戻り
ガスとする。残りの高圧ネオンガスは次いで熱交
換器１９および２０において第２ネオン膨脹ター
ビン１３およびジユール―トムソン弁からの低温
戻りガスと熱交換させ、温度を下げた後分流さ
せ、一部を第２ネオン膨脹タービン１３に送り、
第１ネオン膨脹タービンの場合と同様にしてター
ビン１３を出た低温ガスは戻りガスとする。残り
のガスは熱交換器２１，２２において更に温度を
下げると同時にターボ圧縮機１４により圧縮した
約10〜20気圧のヘリウムガスを冷却する。熱交換
器２２を出たネオンガスはジユール―トムソン弁
に送り、ここで断熱自由膨脹を行ない温度を下げ
一部は液化して貯槽２６に滞留し、熱交換器２２
で冷却されたヘリウムガスを更に冷却する。この
際貯槽温度は25〜30〓である。次いで気化したネ
オンガスは熱交換器２２，２１，２０，１９，１
８の順に通過した後、ターボ圧縮機１１で再び圧
縮する。このようにしてネオン冷凍サイクルでは
ヘリウムガスを約30〓まで予冷し、ヘリウムガス
の圧縮に伴つて発生する熱を吸収する機能を有す
る。熱交換器としてはアルミウムフイン形熱交換
器を用いることができる。 また熱交換器１８，１９，２０では供給ヘリウ
ムを冷却し、図示する如くヘリウムサイクルへ導
入する。上記液体窒素によりネオン、ヘリウムを
冷却するラインはクローズド・ループとして熱を
吸収して気化したN2ガス（N2液化点77〓）と上
述の如くネオン予冷サイクルの一部でネオン
（Ne液化点27〓）とを熱交換させることにより窒
素を再液化することができる。従つてLN2の補充
は不要である。 前記貯槽２６は、液化したネオンLNeとヘリ
ウムの熱交換器として用いられ、この際極めて小
さい熱交換器で充分高い効率が得られる（液対気
体の方が伝熱に優れている）。またヘリウムサイ
クルの高温度域であるため、この熱交換器におけ
る高温端のロスは、システムのCOP（成績係数）
の効率がネオン冷凍サイクルを用いることにより
向上する。 次にヘリウム冷凍液化サイクルは、ネオン冷凍
サイクルで約30〓に予冷されたヘリウムガスを利
用した冷凍サイクルで、ターボ式圧縮機１４，熱
交換器２３，２４および２５，ヘリウム膨脹ター
ビン１６並びにジユール―トムソン弁１７から構
成されている。 ネオン冷凍サイクルで約30〓に予冷されたヘリ
ウムガスは電動機等の適切な動力源により駆動さ
れたターボ式圧縮機により約10〜20気圧の高圧ガ
スとなり、このガスを熱交換器２３に送り、膨脹
タービン１６およびジユール―トムソン弁１７か
らの低温戻りガスと熱交換し冷却した後、一部は
膨脹タービン１６に送り仕事を行わせ戻りガスと
する。残りの高圧ガスは熱交換器２４，２５によ
り更に冷却し、ジユール―トムソン弁に送り、こ
こで断熱自由膨脹を行なつて温度が下がり一部は
液化し、貯槽２７に滞留する。この貯槽２７で超
伝導磁石等の負荷の冷却又はここから外部に取り
出して利用する。上記ネオンガスにおいて、ネオ
ンガスの外に多少の不純ガス（水素、ヘリウム）
を含んだ混合ガスであつても同じ結果が得られ
る。 上記ヘリウム冷凍サイクルで用いる低温ヘリウ
ムターボ圧縮機は、4KW（4.4〓）クラスで圧縮
機の外径は直径130mm（最大）（入口圧力1.2気圧）
であり、小形なのでコールドボツクスの中に収納
できる。又圧力を負圧にして2.2〓等の温度を得
ることが、超伝導材のより大きい臨界磁場を造り
出すために肝要となつている。従来方式ではこの
目的のために別置きの常温の減圧ポンプと、極低
温で負圧のHeガスが常温に戻るまでの膨大な熱
交換器が必要であつたが、本発明においてはこの
必要はない。 更に低温ヘリウム圧縮機の延長線上に低温ヘリ
ウム減圧ポンプを考えると、0.5気圧に対して直
径180mm程度の羽根で充分上述の能力をまかなえ
るので、減圧ポンプをコールド・ボツクス内に収
納でき熱交換器30〜50〓までで良いので極めてコ
ンパクトに対応できる。この結果コールドボツク
スの大きさは、従来の1/2程度となり、減圧ポン
プ等を考慮すると、さらに小さくできることにな
る。 上述のように本発明によると、(1)ネオン冷凍サ
イクルを予冷凍サイクルとして利用した結果、冷
凍システム全体を信頼性の高いタービン式とする
ことにより長期の連続運転が可能となり信頼性が
著しく向上し、システムの成績係数が25％以上改
良される。そしてすべてガス軸受を使用できるの
で、圧縮機，膨脹機等の重要機器の平均故障間隔
が50000時間以上になる。(2)ヘリウム冷凍装置の
効率が悪い最大の原因は圧縮機の効率が悪いこと
に依存しているが、圧縮効率の良いネオンを使用
したタービン式の圧縮機とヘリウムガスを圧縮効
率の良い約30〓と充分低い温度で圧縮することに
より、冷凍装置の高能率化を計ることができる。
又ネオンのターボ式圧縮機の動力源として電動機
の他にガスタービンエンジン等の使用が可能とな
る。(3)従来の冷凍装置の構成要素の内、最も重量
の大きい圧縮機をターボ化することにより、圧縮
機を小形化することが可能となつた。又ネオンサ
イクルはヘリウムサイクルと分離されるので動作
圧力を高くすることができる。この結果ネオンサ
イクルの熱交換器を小型化することができる。ヘ
リウム冷凍装置の小形，軽量化によりヘリウム冷
凍機の船舶等へ塔載が可能となる。特に動力源に
ガスタービン等を使用することにより、著しく小
形，軽量化できる。(4)ヘリウム圧縮機の動力を強
化することによりヘリウムサイクルの低圧側を負
圧とすることができ、冷却温度を容易に4.2〓よ
り下げることが可能となる。この際ヘリウム冷凍
サイクルが30〓以下の温度に閉じられているので
熱交換器を比較的小さく設計しても圧力損失を小
さく押えることができる。 本発明の装置は、前述の構成より成り且つ上記
利点を有することにより高エネルギー物理，核融
合，超伝導送電，電力貯蔵，MHD発電，超伝導
発電機，電動機の船舶等への塔載など大形の超伝
導装置の冷却用に利用することができるもので工
業的利用価値が極めて大である。
【図面の簡単な説明】
第１図は従来のヘリウム冷凍液化装置の系統
図、第２図は本発明のヘリウム冷凍液化装置の系
統図である。 １…圧縮機、２，３，４…熱交換器、５…ター
ビン式膨脹機、６…ジユール―トムソン弁、７…
貯槽、１１…ターボ圧縮機、１２…第１ネオン膨
脹タービン、１３…第２ネオン膨脹タービン、１
４…ヘリウムターボ圧縮機、１５，１７…ジユー
ル―トムソン弁、１６…ヘリウム膨脹タービン、
１８，１９，２０，２１，２２，２３，２４，２
５…熱交換器、２６…液体ネオン貯槽、２７…液
体ヘリウム貯槽。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. １ ターボ式圧縮機，熱交換器，ターボ式膨脹機
    を備えたネオン冷凍サイクルと、ターボ式圧縮
    機，熱交換器，膨脹タービン，ジユールトムソン
    弁を備えたヘリウム冷凍サイクルから成り、ネオ
    ン冷凍サイクルでヘリウムを予冷するよう関連構
    成したことを特徴とするネオンガスを利用したカ
    スケードターボヘリウム冷凍液化装置。
JP57233113A 1982-12-27 1982-12-27 ネオンガスを利用したカスケ−ドタ−ボヘリウム冷凍液化装置 Granted JPS59122868A (ja)

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EP83307970A EP0115206B1 (en) 1982-12-27 1983-12-23 Compact helium gas-refrigerating and liquefying apparatus
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EP0115206A2 (en) 1984-08-08
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