JPH04189B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は大気圧飽和温度以下の冷却温度を必要
とする極低温冷凍装置及びその運転方法に係り、
特に超流動ヘリウムを使用する被冷却体に好適な
極低温冷凍装置及びその運転方法に関するもので
ある。

〔発明の背景〕

極低温冷凍装置において、被冷却体として超電
導マグネツトを考えた場合、これの冷却の方法の
一つに超流動ヘリウムを使う方法がある。液体ヘ
リウムを約1.8K（飽和圧力として約10Ton）に冷
却していくと超流動ヘリウムが得られ、粘性が悪
く、熱伝達速度が非常に大きい特異な性質を示
す。一方、被冷却体である超電導マグネツトに使
用している超電導線の特性の一つに冷却される温
度が低い程電流密度が大きくとれるという性質が
ある。つまり、超電流ヘリウムを使うことにより
コンパクトな超電導マグネツトで高磁界が得られ
ることになるために、有力な冷却方法の一つとも
なつている。以下、極低温液化冷媒として液体ヘ
リウムの場合を例にとり説明する。

第２図は従来の超流動ヘリウム装置の構成の一
例を示すブロツク図である。第２図において、１
は圧縮機、２は極低温冷凍機、３ａ〜３ｆは熱交
換器、４は膨張機入口弁、５はジユールトムソン
膨張弁（以下、JT弁と称する）、６ａ及び６ｂは
膨張機、７は液体窒素供給管、１１は極低温冷媒
供給管、１２は極低温冷媒戻管、１３は極低温減
圧冷媒戻管、２０はクライオスタツト、２１は気
液分離器、２２は減圧弁、２３は液体ヘリウム
槽、２４は超電導マグネツト、３０は加温器、３
１は真空ポンプである。

次に、上記のように構成された従来の超流動ヘ
リウム装置の動作について説明する。圧縮機１で
高圧まで圧縮されたヘリウムガスは極低温冷凍機
２に導入され、第１の熱交換器３ａで低圧戻りガ
ス及び液体窒素供給管７から導入される液体窒素
と熱交換し、更に第２の熱交換器３ｂで冷却され
た後膨張機ラインとJTラインに分岐する。膨張
機ラインに分岐した高圧ヘリウムは膨張機入口弁
４を通り第１の膨張機６ａで断熱膨張仕事を行い
温度低下して第４の熱交換器３ｄに入り、第４の
熱交換器３ｄで冷却された後、第２の膨張機６ｂ
で再び断熱膨張仕事を行い温度低下して低圧ライ
ンに合流する。一方、JTラインに分岐した高圧
ヘリウムは、第３〜第６の熱交換器３ｃ〜３ｆで
順次冷却され、JT弁５で大気圧近くまで断熱膨
張することによつて一部のガスが液化し気液混相
状態となる。気液混相状態の極低温冷媒は極低温
冷媒供給管１１でクライオスタツト２０に供給さ
れ、気液分離器２１で気液分離される。気液分離
されたガスは極低温冷媒戻管１２を通り極低温冷
凍機２に戻り、第６〜第１の熱交換器３ｆ〜３ａ
で寒冷回収されて大気温に戻り、圧縮機１の吸入
側に帰還する。一方、気液分離器２１で分離され
た約4.4K（約1.2atm）の液体ヘリウムは、減圧弁
２２で約10Torrに減圧されて液体ヘリウム槽２
３に供給され、約1.8Kの超流動ヘリウムとなつ
て超電導マグネツト２４を冷却する。超電導マグ
ネツト２４を冷却してガス化した極低温減圧ガス
は極低温減圧冷媒戻管１３を通り、加温器３０で
大気温まで加温された後、真空ポンプ３１で圧縮
機１の吸入圧力まで昇圧されて圧縮機１の吸入側
に戻る。

以上のような構成、動作の従来の超流動ヘリウ
ム装置では、超電導マグネツトを冷却してガス化
した極低温減圧冷媒（以下、帰還冷媒と略）の寒
冷を有効に回収していないために効率の悪い装置
となつていた。

なお、この種の装置として関連するものには例
えば特開昭56−151850号等がある。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、極低温液化冷媒を大気飽和温
度以下の温度に冷却して被冷却体を冷却するもの
において、帰還冷媒の寒冷を回収して効率的なシ
ステムとするとともに、装置をより小型化するこ
との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、圧縮機によつて極低温冷凍機に冷媒
ガスを圧縮循環して気液混相状態の極低温冷媒を
生成し、該極低温冷媒中の極低温液化冷媒を被冷
却体が収納された極低温液化冷媒容器に送り、該
極低温容器内を減圧して極低温液化冷媒を大気圧
飽和温度以下の温度に冷却し被冷却体を冷却する
極低温冷凍装置において、極低温液化冷媒容器が
収納されているクライオスタツト内に気液分離器
を設け、気液分離器からの極低温液化冷媒を減圧
弁を介して直接極低温液化冷媒容器内に供給可能
とし、極低温液化冷媒容器からの帰還冷媒が流通
する流路に該帰還冷媒を中間圧力まで昇圧する昇
圧手段を設けるとともに、該流路を極低温冷凍機
の熱交換器群を介して減圧ポンプにつなげた装置
とすることにより、熱交換器群を大きくすること
なく圧力損失を抑えて帰還冷媒を戻すとともに、
気液分離器から極低温液化冷媒容器に至るまでの
熱侵入を最小にし、極低温液化冷媒容器からの帰
還冷媒のガス量を最小にして昇圧手段および減圧
ポンプの容量を最小に抑え、極低温冷凍機の熱交
換器群によつて帰還冷媒の寒冷を回収して、効率
的なシステムにするとともに、装置をより小型化
することができ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１図によつて説明
する。第１図において、重複を避けるために、第
２図と同一部分は同一符号を付してその説明を省
略し、第２図も異なる部分を重点的に述べること
にする。

第１図は本発明の極低温冷凍装置の一実施例の
構成を示すブロツク図である。第１図において、
２′は被冷却体からの帰還極低温減圧冷媒の寒冷
回収が行える極低温冷凍機、３a′〜３d′及び３
f′は帰還冷媒が流通する流路が形成された熱交換
器、９は昇圧手段、例えば、極低温真空ポンプ、
３１′は極低温真空ポンプ９で昇圧された中間圧
力から圧縮機１の吸入圧力まで昇圧するための減
圧ポンプである。その他の部分は第１図と同様で
ある。

以上のように構成された本発明の極低温冷凍装
置の動作について、以下説明する。

被冷却体である超電導マグネツト２４を冷却し
てガス化した帰還冷媒は極低温冷媒戻管１３を通
り、極低温冷凍機２′に導入され、第６の熱交換
器３f′で寒冷回収された後、極低温真空ポンプ９
で約50〜100Torrの中間圧力まで昇圧され、再び
第４〜第１の熱交換器３d′〜３a′で熱交換器する
ことによつて寒冷回収され、減圧ポンプ３１′で
圧縮機１の吸入圧力まで昇圧されて低圧ラインに
合流して圧縮機の吸込側に帰還する。

ここで、寒冷回収するためには、上記のように
帰還冷媒を極低温冷凍機２′に導入し熱交換器で
熱交換させる必要があるが、超流動ヘリウムの場
合は圧力が約10Torrと非常に低いために圧力損
失を小さくする必要がある。しかし、液体ヘリウ
ム槽２３からの帰還冷媒を熱交換器を介して直接
に減圧ポンプ３１′に吸入させるようにした場合
は、圧力損失を小さくするために非常に大きな熱
交換器を必要とする。そこで、圧力損失が概略ガ
ス圧力に反比例することに着目して、極低温真空
ポンプ９で圧力約10Torrの極低温冷媒を50〜
100Torrの中間圧力まで昇圧することによつて、
熱交換器を実現可能な大きさにできる。一方、極
低温真空ポンプ９で昇圧する際に、帰還冷媒は温
度上昇する。一般的に、寒冷の評価は絶対温度の
逆数に比例（∝１／Ｔ）し、圧力損失は概略、絶
対温度の1.25乗に比例するので、液体ヘリウム槽
２３から帰還冷媒を直接に極低温真空ポンプ９で
昇圧するのはシステム的に効率的でなく、極低温
部の一部の熱交換器、この場合は、第６の熱交換
器３′ｆで帰還冷媒の寒冷回収後に極低温真空ポ
ンプ９で中間圧力に昇圧し、再び熱交換器で寒冷
回収する。これによつて、最も有効なシステムを
実現できる。

また、第１図に示すように、極低温液化冷媒容
器である液体ヘリウム槽２３が収納されているク
ライオスタツト２０内に気液分離器２１を設け、
気液分離器２１からの極低温液化冷媒である液体
ヘリウムを減圧弁２２を介して直接液体ヘリウム
槽２３内に供給可能としているので、気液分離器
２１から液体ヘリウム槽２３に至るまでの熱侵入
が最小となり、液体ヘリウム槽２３からの帰還冷
媒のガス量を最小にでき、極低温真空ポンプ９お
よび減圧ポンプ３１′の容量を最小に抑えること
ができる。一方、極低温冷媒供給管１１内に侵入
した熱によつて極低温冷媒が加温され気化ガス量
が多くなつても気液分離器２１から極低温冷媒戻
り管１２にながれる低圧冷媒ガスである低圧・低
温のヘリウムガスの量が増えるだけで、極低温減
圧冷媒戻管１３内を流れる帰還冷媒量が多くなる
ということはないので、昇圧手段９および減圧ポ
ンプ３１′の容量が大きくなるということはない。
これにより、装置をより小型化することができ
る。

以上詳述したように、本実施例によれば、極低
温真空ポンプによつて中間圧力まで昇圧して熱交
換器を通し帰還冷媒を減圧ポンプに入れるように
しており、熱交換器内を通る戻りガスの圧力を圧
力損失の問題にならない程度に高くし、熱交換器
を大きくすることなく圧力損失を小さく抑えると
ともに、クライオスタツト内で気液分離器から減
圧弁を介して直流液体ヘリウム槽内に液体ヘリウ
ムを供給可能とし、気液分離器から液体ヘリウム
槽に至るまでの熱侵入を最小にして、液体ヘリウ
ム槽からの帰還冷媒のガス量を最小にし、昇圧手
段および減圧ポンプの容量を最小に抑えているの
で、帰還冷媒の寒冷を回収して効率的なシステム
ができるとともに、よりコンパクトな装置にする
ことができるという効果がある。また、一部の熱
交換器で帰還冷媒の寒冷を回収した後に、極低温
真空ポンプに導入するようにしているので、寒冷
の回収効率が向上するとともに、極低温真空ポン
プの吸入温度を安定した温度に保持でき、装置を
安定に運転できるという効果がある。

〔発明の効果〕

本発明によれば、極低温液化冷媒を大気飽和温
度以下の温度に冷却して被冷却体を冷却するもの
において、極低温液化冷媒容器が収納されている
クライオスタツト内に気液分離器を設け、気液分
離器からの極低温液化冷媒を減圧弁を介して直接
極低温液化冷媒容器内に供給可能とし、極低温液
化冷媒容器からの帰還冷媒が流通する流路に該帰
還冷媒を中間圧力まで昇圧する昇圧手段を設ける
とともに、該流路を極低温冷凍機の熱交換器群を
介して減圧ポンプにつなげた構成としているの
で、昇圧手段および減圧ポンプの容量を最小にで
きるとともに、熱交換器群を大きくすることなく
圧力損失を抑えて帰還冷媒を戻すことができるの
で、帰還冷媒の寒冷を回収して効率的なシステム
にできるとともに、より装置を小型化することが
できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による極低温冷凍装置の一実施
例の構成を示すブロツク図、第２図は従来の超流
動ヘリウム装置の構成を示すブロツク図である。 １……圧縮機、２……極低温冷凍機、３a′ない
し３ｄ，３ｆ……熱交換器、９……極低温真空ポ
ンプ、２４……超電導マグネツト。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 冷媒ガスを圧縮・循環するための圧縮機と、 内部に熱交換器群、膨張器、膨張弁、前記圧縮
   機からの高圧ライン、前記圧縮機に戻る低圧ライ
   ンおよび前記高圧ラインから分岐し前記低圧ライ
   ンに合流する膨張機ラインを有し、前記高圧ライ
   ンの高圧冷媒ガスの一部を前記膨張機ラインに設
   けた前記膨張機によつて断熱膨張させて寒冷を発
   生させ前記低圧ラインの低圧戻りガスに合流させ
   て前記圧縮機に戻すとともに、前記高圧ラインの
   高圧冷媒ガスの残りを前記熱交換器群によつて前
   記低圧ラインの低圧戻りガスのもつ寒冷と熱交換
   させて冷却し、該冷却された高圧冷媒ガスを前記
   膨張弁によつて断熱膨張させて気液混相状態の極
   低温冷媒を生成する極低温冷凍機と、 被冷却体を収納した極低温液化冷媒容器を有す
   るクライオスタツトと、 該クライオスタツト内に収納され、前記極低温
   液化冷媒容器に減圧弁を介してつながる気液分離
   器と、 前記極低温冷凍機と前記クライオスタツトとの
   間に設けられ、前記極低温冷凍機で生成された気
   液混相状態の極低温冷媒を前記気液分離器に送給
   する極低温冷媒供給管と、 前記極低温冷凍機と前記クライオスタツトとの
   間に設けられ、前記気液分離器内の低圧冷媒ガス
   を前記極低温冷凍機の前記低圧ラインに戻す極低
   温冷媒戻管と、 前記クライオスタツトと前記極低温冷凍機との
   間に設けられ、前記極低温液化冷媒容器内の気化
   ガスを帰還冷媒とし前記極低温冷凍機内に帰還さ
   せる極低温減圧冷媒戻管と、 前記極低温減圧冷媒戻管からの前記帰還冷媒を
   前記極低温冷凍機内の前記熱交換器群を介して、
   前記圧縮機の吸込側の前記低圧ラインに合流させ
   る寒冷回収ラインと、 前記寒冷回収ラインの前記極低温冷凍機と前記
   低圧ラインとの間に設けられ、前記極低温液化冷
   媒容器内を大気圧以下の圧力に減圧させるととも
   に、前記帰還冷媒を前記圧縮機の吸い込み圧力ま
   で昇圧させる減圧ポンプと、 前記寒冷回収ラインの前記減圧ポンプの前流側
   で前記熱交換器群の低温側途中に設けられ、前記
   帰還冷媒を大気圧以下の圧力と前記圧縮機の吸い
   込み圧力との中間圧力に昇圧する昇圧手段とから
   構成したことを特徴とする極低温冷凍装置。