JPH0247675B2 - Heriumuekika*reitosochi - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は複数の極低温環境必要部（以下極低温
環境部又は環境部という）に１基の冷凍機から寒
冷を供給するヘリウム液化・冷凍装置に関し、詳
細には極低温環境部の一部を個別に起動・停止さ
せるに当り自己の寒冷出力を利用して運転中の他
の極低温環境部に悪影響を与えることなく速やか
に且つ安全に起動・停止操作を行なうことのでき
る様なヘリウム液化・冷凍装置に関するものであ
る。

ヘリウム（以下「He」と表記する）液化・冷
凍装置は、約15〜20気圧まで圧縮された高圧の
Heガスの一部を膨張機で断熱膨張させることに
よつて寒冷を発生させ、該寒冷を利用してHeガ
スの残部を熱交換作用により所定の低温度（いわ
ゆる逆転温度）まで段階的に予冷した後、ジユー
ルトムソン（以下JTという）弁に通し、JT効果
を利用した冷却作用によりHeガスの液化を行な
い、液体He温度即ち極低温を得る様にしたもの
である。こうして得られた液体Heを製品として
取り出す形式とすれば液化装置となり、一方液体
Heを取り出すことなく閉回路的に循環使用する
様にし、該液体Heの潜熱を利用して極低温環境
部内の被冷却体の熱負荷を吸収し、該環境部の温
度を一定に維持する形式とすれば冷凍装置とな
る。即ち冷凍装置が液化装置と異なる点は、液化
装置では低圧側He（戻り側He）のガス流量が高
圧側He（入り側He）のガス流量に比べて液化量
分だけ少ないのに対し、冷凍装置では、液化He
も蒸発して低圧側に戻るため高圧側と低圧側の
Heガス流量が等しい点にある。このため液化装
置と冷凍装置とでは、装置本体内の熱交換器及び
膨張機の温度分布が異なり、それらの熱的設計が
異なつてくるに過ぎず、装置の構造上、本質的な
相違はない。従つて以下He冷凍装置を代表的に
とり挙げて説明する。

この様なHe冷凍装置のうち、１台の冷凍装置
本体に対して複数の極低温環境部を並列に接続し
た冷凍装置（以下マルチユーザシステムという）
としては、例えば第１図に略示する構成のものが
知られている（特願昭58−8319）。即ち第１図に
示すマルチユーザシステムは複数の極低温環境部
１０ｅ〜１０ｇに対応させて高圧側経路２２ｅ〜
２２ｇを夫々設けると共に、該高圧側経路２２ｅ
〜２２ｇにおける常温側にはHeガスの流れ方向
に沿つて部分停止用ストツプ弁２３ｅ〜２３ｇ及
びJT弁制御用のガス流量調節計２０ｅ〜２０ｇ
を直列に設けたものである。本システムによれ
ば、ガス流量調節計２０ｅ〜２０ｇにより各極低
温環境部への寒冷の配分は正確に行なえると共に
部分停止の際はストツプ弁２３ｅ〜２３ｇにより
確実に寒冷の供給を遮断出来る。

ところで上記のHe冷凍装置においては、全体
としての冷凍運転を継続しつつ一部の極低温環境
部を常温に戻したあと本体装置の寒冷出力を利用
して再冷却を行なうことは困難である。

以下これらについて検討する。例えば第１図に
示す極低温環境部１０ｅのウオームアツプ操作を
行なう場合を考えると、浸漬用液化Heを先ず別
の容器に回収したのち当該環境部１０ｅ用の高圧
側経路２２ｅに設けられているストツプ弁２３ｅ
を閉鎖すると共に環境部１０ｅ内の温度をシーズ
ヒータ（図示せず）等によつて昇温させていき、
環境部１０ｅにおかれた熱交換器９ｅ内の液化
Heを気化させつつ系統L₁を通して圧縮機３の常
温側へ還流させる。そして該環境部１０ｅ内が常
温に戻つてから蓋を開け被冷却物体をとり出す。
このさいウオームアツプ中に環境部１０ｅ内の熱
交換器９ｅから排出されるHeガスは内部滞留し
ている液化Heが蒸発する間はその飽和温度であ
り、また液化Heが蒸発してしまつたのちは、そ
の温度が上昇するもののその流量は配管中のHe
ガスの温度上昇による膨張分だけで量的にも少な
いので、いずれにしても運転中の他の極低温環境
部１０ｆ，１０ｇの運転条件に悪影響を与えるお
それは少ない。しかし上記常温の環境部１０ｅに
新たな被冷却体を収納し環境部１０ｅのクールダ
ウン操作を行なう場合には冷凍装置本体の発生寒
冷によりクールダウンを行なうことはできず、他
の寒剤の使用が必要となる。即ち閉止されていた
ストツプ弁２３ｅを開き高圧側経路２２ｅにHe
ガスを流しながら環境部１０ｅに低温Heガス乃
至Heミストを送給して該環境部１０ｅの温度を
低下させることになるがもどりガスの温度が最高
300〓と高温であるため、冷凍装置本体の低温部
の温度バランスがくずれ運転中の他の極低温環境
部１０ｆ，１０ｇの正常な運転が困難となる。そ
こでクールダウンに当つては下記の様な方法が採
られる。即ち常温の環境部１０ｅに別ルートから
液体窒素を注入することにより該環境部１０ｅを
約80〓まで予冷した後液体窒素を抜き出し、次い
で同じく別途準備しておいた液化Heを注入する
ことにより極低温度まで冷却するという方法であ
る。この方法によると比較的速やかにクールダウ
ン操作を行なうことができるが液体窒素配管の着
脱などの危険な作業を余分に伴なうと共に、液体
窒素を液化Heに完全置換が完了するまでの間に
多量の液化ヘリウムを消費するなど経済的損失も
大きいものになる。

本発明はこうした事情に着目してなされたもの
であつて、複数の極低温環境部に１基の冷凍機か
ら寒冷を供給するHe冷凍装置において運転中の
他の極低温環境部に悪影響を与えないで、冷凍装
置本体のもつ寒冷出力を有効に活用して各環境部
を個々に容易にウオームアツプ並びにクールダウ
ンすることができる様なHe液化・冷凍装置を提
供しようとするものである。

しかして上記目的を達成した本発明のHe液
化・冷凍装置とはヘリウムガスの減圧膨張によつ
て得られた寒冷を利用する熱交換作用により常温
高圧のヘリウムガスを段階的に予冷した後、並列
的に複数個配設されたジユールトムソン弁に夫々
通すことによつて得られる各液体ヘリウムを、各
ジユールトムソン弁に対応して配設された複数の
極低温環境必要部に分配する様にしたヘリウム液
化・冷凍装置において、前記常温高圧ヘリウムガ
スの供給系統を、膨張機へ入つて寒冷を発生させ
る系統と、前記各ジユールトムソン弁を通つて液
化させる複数の系統とに分岐すると共に、後者の
各系統における常温側にはヘリウムの流れ方向に
沿つてストツプ弁及びJT弁を制御するガス流量
調節計を直列に設け、低温側には３方弁を設ける
と共に、高温側膨張機排気温度部分とジユールト
ムソン弁の入口側管とを結ぶ高圧バイパス流路を
設け、また、もどりガス通路の低温側において
も、前記各系統に対応して各極低温環境必要部と
これにもとづく極低温熱交換器との中間部分に３
方弁を設けると共に、該中間部分と高温側膨張機
排気温度部分を結ぶ低圧バイパス流路を設けた点
に要旨を有するものである。

以下実施例図面に沿つて本発明の構成及び作用
効果を説明するが、図は代表例であつて本発明を
限定する性質のものではなく、例えば冷凍装置本
体に内蔵される熱交換器や膨張機等の具体的な構
成及び配置、あるいは極低温環境部の構造等を必
要に応じて変更すること等はいずれも本発明の技
術的範囲に含まれる。

第２図は本発明のHe液化・冷凍装置の実施例
を示す概略全体図で、(1)２４ｅ〜２４ｇは高温側
膨張機排出温度部分の高圧側経路２２ｅ〜２２ｇ
に夫々介設された３方弁、(2)２６ｅ〜２６ｇは各
極低温環境部１０ｅ〜１０ｇと極低温熱交換器５
ｅ〜５ｇの間における低圧側経路に夫々介設され
た３方弁を夫々示し、３方弁２４ｅとJT弁６ｅ
の上流側配管の間、３方弁２４ｆとJT弁６ｆの
上流側配管の間及び３方弁２４ｇとJT弁６ｇの
上流側配管の間は高圧側バイパス流路２７ｅ〜２
７ｇによつて夫々連結されると共に３方弁２６ｅ
〜２６ｇと高温側膨張機７ａの排出側につながる
低圧主管L₁は低圧側バイパス流路２８によつて
連絡されている。尚低圧側バイパス流路２８につ
いては途中で１本に合流されているが、該流路２
８は合流させないで膨張機７ａの排出側とつなが
る低圧主管L₁と個々に連結させることもできる。
また本発明において流量調節計２０ｅ〜２０ｇ
は、JT弁６ｅ〜６ｇ方向へ送給される高圧Heガ
スの流量を調節するもので、その流量に応じて
JT弁６ｅ〜６ｇの開度を調整することによりHe
の液化が行なわれる。つまり、流量調節計２０ｅ
〜２０ｇとJT弁６ｅ〜６ｇによつて、環境部１
０ｅ〜１０ｇへ送られる液体Heの流量が制御さ
れることになる。

以上の様なマルチユーザシステム１において冷
凍運転中の極低温環境部１０ｅ〜１０ｇのうち、
今仮に１基の極低温環境部１０ｅ内の被冷却物を
とり出す為のウオームアツプ操作は次の順序で行
なう。まず極低温環境部１０ｅ内の浸漬用液化
Heを別の容器に回収したのち当該高圧側経路２
２ｅのストツプ弁２３ｅを閉鎖すると共に環境部
１０ｅからの戻りガスが低圧側バイパス流路２８
へ流入する様に３方弁２６ｅを切替える。次いで
環境部１０ｅに組み込んだシーズヒータ（図示せ
ず）によつて環境部１０ｅ内を加熱する。加熱に
より気化または昇温により膨張した熱交換器９ｅ
内のHeは３方弁２６ｅ、低圧側バイパス流路２
８、低圧側Heガス系統L₁を順次通過して圧縮機
３の吸入側に戻る。そして環境部１０ｅ内が常温
になると蓋を開いて被冷却体を取り出すことがで
きる。ついで常温の環境部１０ｅに新たな被冷却
体を収納したのちの環境部１０ｅのクールダウン
操作は次の順序で行なう。まず高圧Heが高圧側
バイパス流路２７ｅを流れる様に３方弁２４ｅを
切替えたのち閉鎖されていたストツプ弁２３ｅを
開く、そののちシステムの運転状態を乱さぬ様に
流量調節計２０ｅによつて高圧Heの流量を制御
しながら環境部１０ｅへ低温Heを送給して環境
部１０ｅの予冷を行なう。このとき環境部１０ｅ
からの戻りガスは低圧側バイパス流路２８を経由
して圧縮機吸入側へ戻る。クールダウンの初期段
階において環境部１０ｅに供給されるHeガスは
高温側の膨張機の排気温度で比較的高温（80〓程
度）であるが、予冷には十分な寒冷出力を得るこ
とができるので、環境部１０ｅは短時間のうちに
予冷温度まで効率良く冷却される。また環境部１
０ｅからのもどりガスのもどり主管L₁への流入
位置が約80〓の温度部分であるため、もどりガス
の温度が最高300〓であつてもより低温部分の温
度バランスをくずすことなく、他の極低温環境部
１０ｆ，１０ｇの正常な運転を確保できる。環境
部１０ｅが約80〓まで冷却されると３方弁２４ｅ
を切換えて高圧Heを定常高圧側経路２２ｅへ流
す。こうすることにより環境部１０ｅへは極低温
He又はHeミストが導入され極低温環境部１０ｅ
は極低温（4.5〓以下）まで冷却される。その後
環境部１０ｅからの戻りガスが定常低圧側経路２
９を流れる様に３方弁２６ｅを切換え運転条件を
定常状態に復帰させたのち、浸漬用液化Heを極
低温環境部１０ｅへ注入してクールダウンを終了
する。このクールダウン操作中はシステムの運転
状態を乱さぬ様に流量調節計２０ｅによつて高圧
Heの流量を調整しながら行なうことはもちろん
である。

尚上記実施例では極低温環境部１０ｅ〜１０ｇ
が再凝縮冷却方式（環境部内に浸漬用液化Heを
いれ、再凝縮用熱交換器９ｅ〜９ｇで蒸発Heを
再凝縮させる）のものを用いて説明を行なつた
が、冷凍機よりのHeミストを直接極低温環境部
へ供給する通常の冷却方式であつてもよい。

その他、本発明においてはクールダウン時に大
きな寒冷出力を必要とし、通常運転中は極低温環
境部の温度を一定に保持し得るだけの寒冷出力さ
えあれば良いので圧縮機３及び膨張機７ａ，７ｂ
は可変容量式とすることもできる。

又液体窒素（LN₂）が容易に得られる場合には
第２図に１点鎖線で示す如くLN₂ラインを設け、
クールダウン時のみLN₂を流して冷凍出力を増加
させることもできる。

本発明は以上の様に構成されており、複数の極
低温環境部に１つの冷凍機から寒冷を提供する
He冷凍装置において、冷凍運転中の極低温環境
部に影響を与えることなく冷凍装置本体の寒冷出
力を活用して迅速且つ安全に個々の環境部をウオ
ームアツプ並びにクールダウンさせることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のマルチユーザシステムを示すフ
ロー図、第２図は本発明実施例のマルチユーザシ
ステムを示すフロー図である。 ２……冷凍装置本体、３……圧縮機、５ａ，５
ｂ……高温側の熱交換器、５ｃ，５ｄ，５ｅ……
低温側の熱交換器、６，６ｅ〜６ｆ……JT弁、
７ａ，７ｂ……膨張機、９ｅ〜９ｇ……再凝縮用
熱交換器、１０ｅ〜１０ｇ……極低温環境部、２
４ｅ〜２４ｇ，２６ｅ〜２６ｇ……３方弁、２７
ｅ〜２７ｇ……高圧側バイパス流路、２８……低
圧側バイパス流路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ヘリウムガスの減圧膨張によつて得られた寒
   冷を利用する熱交換作用により常温高圧のヘリウ
   ムガスを段階的に予冷した後、並列的に複数個配
   設されたジユールムトムソン弁に夫々通すことに
   よつて得られる各液体ヘリウムを、各ジユールト
   ムソン弁に対応して配設された複数の極低温環境
   必要部に分配する様にしたヘリウム液化・冷凍装
   置において、前記常温高圧ヘリウムガスの供給系
   統を、膨張機へ入つて寒冷を発生させる系統と、
   前記各ジユールトムソン弁を通つて液化させる複
   数の系統とに分岐すると共に、後者の各系統にお
   ける常温側にはヘリウムの流れ方向に沿つてスト
   ツプ弁及びJT弁を制御するガス流量調節計を直
   列に設け、低温側には３方弁を設けると共に高温
   側膨張機排気温度部分とジユールトムソン弁の入
   口側管とを結ぶ高圧バイパス流路を設け、またも
   どりガス通路の低温側においても前記各系統に対
   応して各極低温環境必要部とこれにつづく極低温
   熱交換器との中間部分に３方弁を設けると共に、
   該中間部分と高温側膨張機排気温度部分を結ぶ低
   圧バイパス流路を設けたことを特徴とするヘリウ
   ム液化・冷凍装置。