JPH0321833B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、超電導マグネツトの冷却等に使用さ
れるヘリウム冷凍液化装置に関するものである。

この種のヘリウム冷凍液化装置では、ヘリウム
液化機で液化させた液体ヘリウムを液体チツソに
より冷却されるトランスフアチユーブ内を通して
熱負荷たる超電導マグネツト等に供給するように
したものが一般化している。ところが、従来のも
のは、前記トランスフアチユーブの冷却に使われ
て気化したチツソをそのまま大気中に廃棄するよ
うにしているので、エネルギーロスが大きくラン
ニングコストが高くつくという不都合がある。す
なわち、液体チツソは、大気を空気分離すること
により得られるが、このとき、空気を液化温度ま
で冷し込んだ上で分離するという仕事が必要とな
るため、多大なエネルギを消費する。一方、前記
トランスフアチユーブを冷却して気化したチツソ
は、いまだ液化点近傍の低温度に保持されている
にもかかわらず、そのまま大気中へ廃棄されてし
まうため、該チツソが気化した後、常温になるま
での冷熱は何らの仕事をなすこともなく無駄にす
てられてしまうことになる。そのため、システム
全体を観察した場合には、エネルギの有効利用が
十分に図られていないといわざるをえない。

本発明は、このような事情に着目してなされた
もので、トランスフアチユーブの冷却に使用され
気化したチツソガスを常温まで高めることなくヘ
リウムコンプレツサ用駆動機構のパワーの一部を
利用して再液化させて使用に供し得るようにする
ことによつて、構造の複雑化を招くことなしにエ
ネルギの回収率を大幅に高めることができ、効率
のよい運転を行なうことができるヘリウム冷凍液
化装置を提供するものである。

以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明
する。

図面は、本発明に係るヘリウム冷凍液化装置の
システム説明図であり、図中１は該装置の主要部
をなすヘリウム液化機である。ヘリウム液化機１
は、例えば、55゜K程度の低温のヘリウムガスａ
を圧縮するラジアル式のコンプレツサ２と、この
コンプレツサ２から吐出される高圧のヘリウムガ
スａを後述する熱交換器３および４を通過させる
ことにより冷却しつつデユワー５方向へ導くヘリ
ウム高圧管路６と、このヘリウム高圧管路６の終
端部に設けられ該管路６内の低温、高圧のヘリウ
ムガスａを自由膨脹させてその一部を液化させる
ジユール・トムソン弁７と、液化しきらなかつた
膨脹後の低温、低圧のヘリウムガスａを前記熱交
換器４を通過させて前記コンプレツサ２の入口に
戻すヘリウム低圧管路８と、自由膨脹により液化
し前記デユワー５内に溜る液体ヘリウムa′を熱負
荷たる超電導コイル９の配設部に供給するヘリウ
ム供給管路１１と、前記超電導コイル９を冷却す
ることによつて気化したヘリウムガスａを前記ヘ
リウム低圧管路８内へ戻すヘリウム返還管路１２
とを具備してなる。そして、前記ヘリウム供給管
路１１と前記ヘリウム返還管路１２とは、前記デ
ユワー５配設部から前記超電導コイル９配設部に
亘つて設けた所要長さのトランスフアチユーブ１
３内に挿通させてある。トランスフアチユーブ１
３は、前記各管路１１，１２に対する外部からの
熱侵入を防止するためのもので、液体チツソb′に
よつて冷却されている。

また、このヘリウム液化機１のコンプレツサ２
を駆動機構１４により作動させるようにしてい
る。駆動機構１４は、前記コンプレツサ２に直結
したタービン１５と、常温領域に配置した常温コ
ンプレツサ（図示せず）から吐出される高圧のネ
オンガスＣを熱交換器１６，１７および３を順次
に通過させることによつて冷却しつつ前記タービ
ン１５に導くネオン高圧管路１８と、前記タービ
ン１５を付勢することによつて断熱膨脹した低温
低圧のネオンガスＣを前記熱交換器３，１７，１
６を順次に通過させて前記常温コンプレツサに戻
すネオン低圧管路１９とを具備してなる。前記熱
交換器３は、前記ネオン低圧管路１９内を流れる
ネオンガスＣの冷気で前記ヘリウム高圧管路６内
のヘリウムガスａを冷却するためのものであり、
前記熱交換器１６，１７は、前記ネオン低圧管路
１９内を流れるネオンガスＣの冷気で前記ネオン
高圧管路１８内を流れるネオンガスＣを冷却する
ためのものである。

また、前記トランスフアチユーブ１３の冷却に
使用されて気化したチツソガスｂを前記駆動機構
１４のパワーの一部を利用して再液化させるため
のチツソ液化機２１を設けている。すなわち、こ
のチツソ液化機２１は、低温のチツソガスｂを圧
縮するコンプレツサ２２と、このコンプレツサ２
２から吐出される加圧されたチツソガスｂを熱交
換器２３および２４を通過させることにより冷却
しつつデユワー２５方向へ導くチツソ高圧管路２
６と、このチツソ高圧管路２６の終端部に設けら
れ該管路２６内のチツソガスｂを前記デユワー２
５内に噴射して自由膨脹させることによつてその
一部を液化させるジユール・トムソン弁２７と前
記デユワー２５内の低圧のチツソガスｂを前記熱
交換器２４を通過させて前記コンプレツサ２２に
導くチツソ低圧管路２８とを具備している。そし
て、前記デユワー２５に、該デユワー２５内に溜
る液体チツソb′を前記トランスフアチユーブ１３
に供給するチツソ供給系路３１と、前記トランス
フアチユーブ１３から導出させたチツソガスｂを
該デユワー２５内に案内するチツソ排出系路３２
とをそれぞれ接続している。また、前記コンプレ
ツサ２２にタービン３３を直結している。そして
前記ネオン高圧管路１８内を流れる高圧のネオン
ガスＣの一部を給気管路３４を介して前記タービ
ン３３に供給するとともに、このタービン３３を
付勢することによつて断熱膨脹した低温、低圧の
ネオンガスＣを前記熱交換器２３を通過する排気
系路３５を介して前記ネオン低圧管路１９に戻す
ようにしている。なお、このチツソ液化器２１は
前記ヘリウム液化機１および前記駆動機構１４の
主要部を収納したコールドボツクス（図示せず）
内に収められている。

次いで、この実施例の作動を説明する。

常温コンプレツサから吐出された高圧のネオン
ガスＣが熱交換器１６，１７を通過する毎に冷さ
れながらネオン高圧管１８に案内されてタービン
１５に供給されると、該タービン１５が高速で回
転する。そして、このタービン１５を付勢するこ
とによつて断熱膨脹した低温、低圧のネオンガス
Ｃは、ネオン低圧管路１９を通して前記常温コン
プレツサに戻される。このようにして、前記ター
ビン１５が回転すると、これに直結されたコンプ
レツサ２が作動状態となる。そうすると、このコ
ンプレツサ２によりヘリウムガスａが圧縮されそ
の圧縮された高圧のヘリウムガスａがヘリウム高
圧管路６を通してデユワー５方向に送られるがそ
の際に、このヘリウムガスａは、前記熱交換器３
で前述した低温のネオンガスＣと熱交換を行なう
ことによつて予冷されるとともに、前記熱交換器
４でリターンのヘリウムガスＣと熱交換を行なつ
て反転温度にまで冷却される。そのため、この低
温、高圧のヘリウムガスａがジユール・トムソン
弁７により自由膨脹させられることによつて、そ
の一部が液化しデユワー５の底部に溜る。そし
て、このデユワー５内の低圧のヘリウムガスａは
ヘリウム低圧管路８を介してコンプレツサ２に戻
されて循環する。このようにして、前記デユワー
５内に溜つた液体ヘリウムa′は、トランスフアチ
ユーブ１内に挿通させたヘリウム供給管路１１を
通して熱負荷たる超電導コイル９に供給され、該
コイル９の冷却に使われる。そして、この超電導
コイル９を冷却することによつて気化したヘリウ
ムガスａは、ヘリウム返還管路１２を通してヘリ
ウム低圧管路８内に戻され、前記デユワー５から
コンプレツサ２に向うヘリウムガスａに合流して
循環する。また、このような冷凍運転時には、チ
ツソ液化機２１も作動状態となる。すなわち、ネ
オン高圧管路３４内の高圧のネオンガスＣの一部
が給気管路３４を通してタービン３３に供給され
ると、該タービン３３が高速で回転する。そし
て、このタービン３３を付勢することによつて断
熱膨脹した低温、低圧のネオンガスＣは、排気管
路３５を通して前記ネオン低圧管路１９中に放出
される。このようにして、前記タービン３３が回
転すると、これに直結されたコンプレツサ２２が
作動状態となる。そうすると、このコンプレツサ
２２により前記トランスフアチユーブ１３から戻
されるチツソガスｂが圧縮され、その圧縮された
高圧のチツソガスｂがチツソ高圧管路２６を通し
てデユワー２５方向に送られるが、その際に、こ
のチツソガスｂは、前記熱交換器２３で前述した
低温のネオンガスＣと熱交換を行なうことによつ
て予冷されるとともに、前記熱交換器２４でリタ
ーンのチツソガスｂと熱交換を行なつて反転温度
にまで冷却される。そのため、この低温、高圧の
チツソガスｂがジユール・トムソン弁２７により
自由膨脹させられることによつて、その一部が液
化しデユワー２５の底部に溜る。そして、この液
体チツソb′は、チツソ供給系路３１を通してトラ
ンスフアチユーブ１３に供給され、該トランスフ
アチユーブ１３の冷却に使用される。また、この
トランスフアチユーブ１３を冷却することによつ
て気化したチツソガスｂは、チツソ排出系路３２
を通して前記デユワー２５内に戻される。そして
この戻されたチツソガスｂと前記ジユール・トム
ソン弁２７によつて液化しきれなかつたチツソガ
スｂは、チツソ低圧管路２８を通して前記コンプ
レツサ２２に戻され再循環する。すなわち、再び
液化され前記トランスフアチユーブ１３の冷却に
使用されることになる。

なお、ヘリウム冷凍機の構成は、図示実施例の
ものに限定されないのは勿論であり、例えば、コ
ンプレツサにより圧縮したヘリウムガスを液化さ
せる冷凍液化部分と、ヘリウムを循環させて熱負
荷を冷却する冷却部分とをそれぞれ独立した閉ル
ープによつて構成し、前記冷凍液化部分の冷熱で
前記冷却部分のヘリウムを液化させるようにした
もの等であつてもよい。

また、駆動機構の構成も前記実施例のものに限
られるものではなく、例えば、ネオンガスの代わ
りに、チツソガス、アルゴンガス、酸素ガス、水
素ガス、乾燥空気あるいはこれらの混合ガス等を
用いたものであつてもよい。

さらに、チツソ液化機の構成も図示実施例のも
のに限られず、例えば、コンプレツサ２２の代わ
りにフアンを用いたものでもよい。また、タービ
ン３３に供給する作動ガスの温度を低く設定すれ
ば、ジユール・トムソン弁２７を用いないでチツ
ソガスを液化させることもできる。

本発明は、以上のような構成であるから、次の
ような効果が得られる。

まず、トランスフアチユーブの冷却に使用され
気化したチツソを常温に戻る前にチツソ液化機で
再液化させて再びトランスフアチユーブの冷却に
用い得るようにしているので、常温の空気を液化
温度にまで冷し込むことによつてチツソを分離
し、その分離したチツソを使いすてにするような
場合に比べてはるかに少量のエネルギで熱負荷の
冷却を続けることできる。すなわち、本発明によ
れば、前記チツソ液化機にチツソの潜熱に相当す
るエネルギを付与することによつてチツソを再液
化させ再使用することができる。そのため、使用
後のチツソを廃棄している従来のものに比べてシ
ステム効率を大幅に向上させることが可能であ
り、ランニングコストを有効に低減させることが
できる。

また、前記チツソ液化機をヘリウム液化機用駆
動機構のパワーの一部を利用して作動させ得るよ
うにしているので、構造の簡略化が可能であり、
また、ヘリウム液化機とチツソ液化機とを１つの
コールドボツクスに納めることができ、システム
全体が大形化するのを有効に防止することができ
るものである。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の一実施例を示すシステム説明図
である。 １……ヘリウム液化機、２……コンプレツサ、
１３……トランスフアチユーブ、１４……駆動機
構、２１……チツソ液化機、３１……チツソ供給
系路、３２……チツソ排出系路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ヘリウムガスを液化させるとともにその液体
   ヘリウムを液体チツソにより冷却されるトランス
   フアチユーブ内を通して熱負荷配設部にまで供給
   するヘリウム液化機と、このヘリウム液化機のコ
   ンプレツサを駆動する駆動機構と、前記トランス
   フアチユーブに液体チツソを供給するチツソ供給
   系路と、前記トランスフアチユーブから気化した
   チツソガスを導出させるチツソ排出系路と、この
   チツソ排出系路を通して導出される低温のチツソ
   ガスを前記駆動機構のパワーの一部を利用して液
   化させるとともにその液体チツソを前記チツソ供
   給系路内に送り込むチツソ液化機とを具備してな
   ることを特徴とするヘリウム冷凍液化装置。