JPH0250381B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は極低温冷凍装置に係り、特に長時間の
予冷時間を必要とする冷凍負荷を対象とする極低
温冷凍装置の改良に関するものである。

〔従来技術〕

極低温冷凍装置において、冷凍負荷として超電
導マグネツトを考えた場合、被冷却負荷は非常に
大容量（数十トンから数千トン）となり、常温か
らの予冷に長時間を必要とする。この場合には、
極低温冷凍装置が非定常状態で長時間運転される
ことになり、非定常状態での効率的運転が重要な
課題となる。以下、ヘリウム冷凍装置の場合を例
にとり、従来技術について説明する。

第１図は従来のヘリウム冷凍装置の構成を示す
ブロツク図である。第１図において、１は圧縮
機、２はコールドボツクス、３ａ〜３ｅは圧縮機
１で圧縮された高圧ヘリウムガスを逆転温度以下
に冷却するための熱交換器、４ａ，４は熱交換器
３ａ〜３ｅの途中から導出された高圧ヘリウムガ
スに外部仕事をさせることによつて寒冷を発生さ
せる第１、第２の膨張機、５ａ，５ｂは膨張機４
ａ，４ｂに導入する高圧ヘリウムガスの流量を調
節し、装置を最適な運転状態とするための膨張機
流量制御弁、６は熱交換器３ａ〜３ｅにて逆転温
度以下に冷却された高圧ヘリウムガスを所定圧力
まで膨張させることによつて液化ヘリウムを発生
させる膨張弁、７は補助寒冷源である液体窒素を
コールドボツクス２に導入するための液体窒素導
入管、８はコールドボツクス２で発生した極低温
冷媒を冷凍負荷９に送出し、更に、冷凍負荷９に
て負荷吸収した極低温冷媒ガスをコールドボツク
ス２に帰還せしめる極低温冷媒移送管である。

次に、上記のように構成された従来のヘリウム
冷凍装置の動作について述べる。圧縮機１にて圧
縮された高圧ヘリウムガスはコールドボツクス２
に導入され、第１の熱交換器３ａにて液体窒素お
よび低圧ヘリウムガスと熱交換して冷却された
後、一部のヘリウムガスは第１の膨張機４ａに導
かれ、外部仕事をすることによつて温度降下して
低圧ヘリウムガスに合流する。第１の熱交換器３
ａで冷却された高圧ヘリウムガスの残りは、第２
の熱交換器３ｂ、第３の熱交換器３ｃにて低圧ヘ
リウムガスと熱交換して更に温度降下し、一部の
ガスは第２の膨張機４ｂに導かれ外部仕事をする
ことによつて温度降下して低圧ヘリウムガスと合
流する。第３の熱交換器３ｃにて冷却された残り
の高圧ヘリウムガスは第４の熱交換器３ｄ、第５
の熱交換器３ｅで低圧ヘリウムガスと熱交換して
逆転温度以下に冷却された後、膨張弁６にて所定
圧力まで膨張し、一部は液体ヘリウムである極低
温冷媒となつて極低温冷媒移送管８より冷凍負荷
９に送出され、冷凍負荷９にて負荷吸収を行い、
ガス化して、極低温冷媒移送管８よりコールドボ
ツクス２に帰還する。

以上のような構成および動作の従来のヘリウム
冷凍装置において、冷凍負荷９、例えば超電導マ
グネツトを常温から予冷する場合、第１の膨張機
４ａおよび第２の膨張機４ｂは定常状態より高い
温度で運転されることになるが、第２の膨張機４
ｂに導入される高圧ヘリウムガスは、第１の膨張
機４ａで発生される寒冷で冷却され、更に高性能
の熱交換器３ｃで冷却されるため、第１の膨張機
４ａに導入される高圧ヘリウムガスより大幅に低
い温度、すなわち、第４図に示すように予冷の段
階では第１と第２の膨張機の間には約20〜80〓の
温度差が生じ、予冷段階の殆どの間では第２の膨
張機４ｂは大幅に低い温度で運転せざるを得なく
なる。一方、膨張機は、導入ガス温度が高いほど
寒冷発生量が大きくなるという特性、すなわち、 寒冷発生量∝√温度 という関係を有している。したがつて、従来のヘ
リウム冷凍装置では、超電導マグネツトを予冷す
る非定常状態においては、装置に最大冷却能力を
発生させることができず、予冷時間が長くなると
いう欠点がある。

〔発明の目的〕

本発明は上記に鑑みてなされたもので、その目
的とするところは、予冷時間を必要とする冷凍負
荷の場合に予冷時の冷却効率を高めることができ
る極低温冷凍装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、高温側の膨張機の上流側から分岐し
低温側の膨張機の入口側につながるバイパス路を
設け、該バイパス路に流量調整弁を設けるととも
に、低温側の膨張機の入口側につながる分岐路に
流量調整弁を設けることにより、冷凍負荷の予冷
時に、分岐路の流量調整弁を閉じバイパス路の流
量調整弁を開けて、バイパス路を介して低温側の
膨張機に高温側の膨張機に導入する冷媒ガス温度
と同じ温度の冷媒ガスを導入させるようにし、低
温側の膨張機の寒冷発生量を多くして、予冷時の
冷却効率を高められるようにしたものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第２図及び第３図に
より説明する。

第２図は本発明の極低温冷凍装置の構成の一実
施例を示すブロツク図で、第１図と同一部分は同
じ符号で示し、ここでは説明を省略する。第２図
においては、第１の膨張機４ａの高圧冷媒ガス入
口側より第２の膨張機４ｂの高圧冷媒ガス入口側
に通ずる途中に予冷用膨張機流量制御弁１０を設
けた予冷用膨張機冷媒ガス導入管１１を設けた構
成としてあり、その他は第１図と同様としてあ
る。

次に、以上のように構成された本発明に係る極
低温冷凍装置の動作について説明する。冷凍負荷
９である超電導マグネツトの予冷開始時には、第
２の膨張機４ｂへの定常時用膨張機流量制御弁５
ｂは全閉状態としておき、予冷用膨張機流量制御
弁１０を開とし、第１の膨張機４ａに導入される
高圧ヘリウムガスと同様の温度の高圧ヘリウムガ
スを予冷用膨張機冷媒ガス導入管１１を通して第
２の膨張機４ｂに導入するようにする。そして、
超電導マグネツトの予冷の進行とともに予冷用膨
張機流量制御弁１０を徐々に閉じ、それに応じて
定常時用膨張機流量制御弁５ｂを徐々に開き、装
置の熱収支を最適な状態に保つ。さらに予冷が進
行したら、最終的には予冷用膨張機流量制御弁１
０を全閉とする。その後の動作は、第１図で説明
したのと同様である。これにより、第３図に示す
ように、予冷段階の間ずつと第１及び第２の膨張
機での温度差が約20〓と小さく、例えば、第１の
膨張機の入口温度が100〓の時、第２の膨張機の
入口温度は約80〓となり、第２の膨張機での寒冷
発生量が増え、予冷時の冷却効率が高められる。
これに対して、従来の装置では、第１の膨張機の
入口温度が100〓の時、第２の膨張機の入口温度
は約40〓となり、その温度差は約60〓と大きくな
つており、第２の膨張機での寒冷発生量は小さい
ものとなつていた。

上記したように、本発明の実施例によれば、予
冷用膨張機流量制御弁１０と予冷用膨張機冷媒ガ
ス導入管１１とを設けたので、予冷時に冷却負荷
９の予冷温度に対応して第２の膨張機４ｂを最適
な温度条件で運転することができ、装置の冷却能
力を常に最大に保持することができる。

なお、第２図に示す実施例では、膨張機が４
ａ，４ｂの単段の膨張式のもの２基としてある
が、多段膨張式の膨張機あるいは３基以上の膨張
機の場合にも本発明を適用でき、同様の効果があ
る。また、予冷用膨張機冷媒ガス導入管１１を複
数個設けるようにしてもよく、このときは装置の
予冷時の冷却効率をさらに向上させることができ
る。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、予冷時
間を必要とする冷凍負荷の場合に、予冷時の冷却
効率を高めることができ、予冷時間を短縮できる
とともに予冷運転に必要な動力を低減できるとい
う効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のヘリウム冷凍装置の構成を示す
ブロツク図、第２図は本発明の極低温冷凍装置の
構成の一実施例を示すブロツク図、第３図は第２
図の装置における予冷時の膨張機の入口温度を示
す図、第４図は第１図の従来装置における予冷時
の膨張機の入口温度を示す図である。 １……圧縮機、２……コールドボツクス、３ａ
〜３ｅ……熱交換器、４ａ，４ｂ……膨張機、５
ａ，５ｂ……膨張機流量制御弁、６……膨張弁、
８……極低温冷媒移送管、９……冷凍負荷、１０
……予冷用膨張機流量制御弁、１１……予冷用膨
張機冷媒ガス導入管。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 冷媒ガスを圧縮する圧縮機と、高温側よび低
   温側に配置され前記圧縮機からの高圧冷媒ガスの
   一部をそれぞれに分岐し断熱膨張させて寒冷を発
   生させ低圧戻りガスに合流させる複数の膨張機
   と、該それぞれの膨張機への高圧冷媒ガスの導入
   量を調整する流量調整弁と、前記寒冷を有する低
   圧戻りガスと熱交換させて前記冷媒ガスを冷却す
   る複数段の熱交換器と、該冷却された冷媒ガスを
   断熱膨張させて液化させる膨張弁とから成る極低
   温冷凍装置において、 前記高温側の膨張機の上流側から分岐し前記低
   温側の膨張機の入口側につながるバイパス路と、
   該バイパス路に流れる高圧冷媒ガスの流量を調整
   する流量調整弁とを具備したことを特徴とする極
   低温冷凍装置。