JPH0610564B2 - 極低温冷凍機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、たとえば超電導コイルを極低温に冷却すると
きなどに用いられる極低温冷凍機に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

周知のように、超電導磁石装置の主要部は、内部に液体
ヘリウムで代表される極低温冷媒液を収容した断熱容器
と、この断熱容器内に上記冷媒液に浸漬状態で配置され
た超電導コイルとで構成されている。

ところで、このように構成された超電導磁石装置にあっ
て、断熱容器内への熱侵入を出来るだけ少なくすること
が望ましいが、現実問題として皆無にすることはできな
い。すなわち、優れた断熱材で断熱容器を構成しても外
部からの僅かの熱侵入を抑えることはできないし、ま
た、超電導コイル自身も交流損失等で発熱する。このよ
うに熱侵入があると、この熱によって極低温冷媒液が蒸
発し、良好な冷却機能を発揮しなくなる。したがって、
超電導磁石装置を長期に亙って安定に動作させるには、
蒸発によって生成された蒸気を液化させ、断熱容器内の
液位を常に所定以上のレベルに保つ必要がある。

このようなことから従来の超電導磁石装置では、第２図
に示すように冷凍機を付設して蒸発によって生成された
蒸気を再液化させるようにしている。すなわち、図中１
は内容器であり、この内容器１内に超電導コイル２と、
極低温冷媒液である液体ヘリウム３とが収容されてい
る。内容器１は外容器４内に収容されており、この外容
器４と内容器１との間の空間５に超断熱材等が設けら
れ、さらに、この空間５は真空引きされている。そし
て、内容器１内、空間５内および外部に亙って冷凍機６
が配置されている。この冷凍機６は、内容器１の上部空
間に配置された凝縮熱交換器７と、空間５に配置された
複数の熱交換器８およびジュールトムソン弁９と、外部
に直列状態に設けられてガス圧縮系を構成する第１段圧
縮機１０ａおよび第２段圧縮機１０ｂからなる圧縮機１
０とを閉ループ的に接続するとともに上記熱交換器の中
間団に膨張エンジン１１、１２を接続したものとなって
いる。

このように構成された超電導磁石装置にあっては、内容
器１内への熱侵入が、交流損失や外気温変化で変化して
も、冷凍機６の能力内なら凝縮熱交換器７で吸収させる
ようにし、また、熱侵入が冷凍機６の能力を越えたとき
には、安全を確保するために余分のヘリウムガスを図示
しないガス放出管で外容器４外に放出させるようにして
いる。

しかしながら、このように構成された超電導磁石装置、
特にその冷却系にあっては次のような問題があった。す
なわち、内容器１の液面上に漂っているヘリウムガスを
凝縮熱交換器７を用い、間接的に冷却して再液化するよ
うにしているので効率が悪いと言う問題があった。ま
た、一時的な熱侵入増加に対してもガス放出系を動作さ
せて余分のヘリウムガスを放出させるようにしているの
で、液体ヘリウムが徐々に減少するのを免れ得ない。こ
のため、液体ヘリウムの再注液が必要となり、保守が面
倒化するとともに経済的な損失を免れ得ない問題もあっ
た。

〔発明の目的〕

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、そ
の目的とするところは、効率がよく、しかも熱侵入が一
時的に冷却能力を上回っても冷媒ガスを外部に放出させ
る必要がなく、もって経済的で、保守の容易な極低温冷
凍機を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明に係る極低温冷凍機は、極低温冷媒液を収容する
容器と、この容器と閉ループをなす関係に設けられ上記
容器内の液面上に漂っている冷媒ガスを導いてガス圧縮
機を複数直列接続したガス圧縮系で圧縮した後、液化し
て上記容器内に戻すとともに上記ガス圧縮系の吐出圧力
によって冷却能力が左右される液化系と、冷媒ガスを収
容するバッファータンクと、前記ガス圧縮系の吸入圧が
規定圧力Ｐ_１を下回ったときに上記規定圧力Ｐ_１を維持
するのに必要な量の冷媒ガスを前記バッファータンクか
ら上記ガス圧縮系の吸入ラインに補給する第１の手段
と、前記バッファータンクからの冷媒ガス補給分では前
記規定圧力Ｐ_１を維持し得なくなったときに前記ガス圧
縮系の途中を流れている冷媒ガスの一部を上記バッファ
ータンクもしくは上記ガス圧縮系の前記吸入ラインに補
給する第２の手段と、前記ガス圧縮系の吐出圧力が前記
規定圧力Ｐ_１より高い規定圧力Ｐ_２を上回ったときに上
記規定圧力Ｐ_２を維持するのに必要な量の冷媒ガスを上
記ガス圧縮系の吐出側から前記バッファータンクに送り
込む第３の手段とを具備してなる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、次のような作用で効率の向上化および
冷媒液の再注液を不要化できる。

すなわち、液化系の能力が熱侵入を上回っているときに
は、上記能力と熱侵入量との差によって容器内の冷媒液
が徐々に増加する。このように増加すると、ついにはガ
ス圧縮系の吸入側の冷媒ガスが不足し、この吸入側の圧
力が低下する。吸入側の圧力が規定圧力Ｐ_１を下回る
と、規定圧力Ｐ_１を維持するように、第１の手段によっ
てバッファータンクから冷媒ガスが補給される。この状
態が続くと、バッファータンク内の冷媒ガスが徐々に減
少し、逆に容器内の冷媒液が増加する。そして、バッフ
ァータンク内の冷媒ガスが減少して、ガス圧縮系の吸入
圧を規定圧力Ｐ_１に維持できなくなると、こんどは第２
の手段が作動してガス圧縮系の途中を流れている冷媒ガ
スの一部がガス圧縮系の吸入ラインにもどされる。した
がって、ガス圧縮系の吸入圧力は一定に保たれる。この
ように、ガス圧縮系の途中を流れている冷媒ガスの一部
がガス圧縮系の吸入側に還流されると、必然的に液化系
の冷却能力が低下する。そして、最終的に液化系の冷却
能力と熱侵入とがバランスした状態で系が安定する。

この冷凍機では、容器内の液面上に漂っている冷媒ガス
を冷却系で液化して容器内に直接戻すようにしている。
したがって、凝縮熱交換器を用い間接的に冷却して液化
させるようにしたものに比べて効率を向上させることが
できる。また、ガス圧縮系としては、通常、ガス圧縮機
を複数直列接続したものが用いられる。したがって、第
１段圧縮機から吐出された冷媒ガスを第２の手段でバッ
ファータンクを経由させるか、あるいは直接的にガス圧
縮系の吸入ライン側に戻すようにすれば、第２段以降の
圧縮機では吸入圧力が低下するので、入力を減少させる
ことができる。このため、冷却能力が上回っているとき
の効率を向上させることができるので、総合効率を一層
向上させることができる。

一方、熱侵入が冷却能力が上回ると、必然的に液化系が
必要とする以上の冷媒ガスがガス圧縮系に送り込まれて
圧縮される。このため、ガス圧縮系の吐出圧力が上昇す
る。そして、この吐出圧力が規定圧力Ｐ_２を越えたとき
に第３の手段が作動して余分の冷媒ガスがバッファータ
ンクに送り込まれる。したがって、余分の冷媒ガスを外
部に放出させることなくバッファータンクへ溜めること
ができる。

このように、効率を向上させることができ、また、熱侵
入が冷凍能力を一時的に上回ったときには、余分の冷媒
ガスをバッファータンクに一時的に溜め込むようにして
いるので、冷媒ガスの減少を防止でき、これによって保
守の容易化および経済性を向上させることができる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を参照しながら説明する。

第１図は、本発明を超電導コイル冷却用に適用した例を
示すものであり、第２図と同一部分は同一符号で示して
ある。したがって、重複する部分の説明は省略する。

この発明に係る冷凍機が従来のものと異なる点は、ジュ
ールトムソン弁９を出たヘリウムミストを内容器１内に
直接導入して、その液分を内容器１内に溜め、この内容
器１内に導入された蒸気分と熱侵入で発生した蒸気分と
を圧縮機１０の吸入側に戻すように液化系２０を構成し
たこととバッファー系２１を設けたこととにある。

上気バッファー系２１は、バッファータンク２２と、こ
のバッファータンク２２と第１段圧縮機１０ａの吸入ラ
インとの間に接続された減圧弁２３と、第１段圧縮機１
０ａと吐出口とバッファータンク２２との間に接続され
た減圧弁２４と、第２の圧縮機１０ｂの吐出ラインとバ
ッファータンク２２との間に接続された歩圧弁２５とで
構成されている。

減圧弁２３は、第１段圧縮機１０ａの吸入圧が規定圧力
Ｐ_１を下回ったとき、上記規定圧力Ｐ_１を維持する量の
ヘリウムガスをバッファータンク２２から補給できるよ
うに設定されている。また、減圧弁２４は、バッファー
タンク２２内の圧力が前記規定圧力Ｐ_１より若干高い規
定圧力Ｐ_３を下回ったとき、上記規定圧力Ｐ_３を維持す
る量のヘリウムガスを第１段圧縮機１０ａの吐出口から
バッファータンク２２に補給できるように設定されてい
る。一方、前記保圧弁２５は、第２の圧縮機１０ｂの吐
出ライン圧力が前記規定圧力Ｐ_１より高い規定圧力Ｐ_２
を上回ったとき、この規定圧力Ｐ_２を維持する量のヘリ
ウムガスをバッファータンク２２内に送り込むように設
定されている。

このように構成された冷凍機の動作を説明すると以下の
通りである。

すなわち、今、この冷凍機が能力最大で運転しており、
この状態で上記能力と熱侵入とがバランスしているもの
とする。このときバッファータンク２２内には規定圧力
Ｐ_３以上のヘリウムガスが収容されており、また第１段
圧縮機１０ａの吸入圧が規定圧力Ｐ_１に、また第２段圧
縮機１０ｂの吐出圧が規定圧力Ｐ_２に保たれているもの
とする。また、減圧弁２３を介して流れるヘリウムガス
の流量をＡとし、保圧弁２５を介して流れるヘリウムガ
スの流量をＢとし、減圧弁２４を介して流れるヘリウム
ガスの流量をＣとし、熱交換器８の二次側を介して第１
段圧縮機１０ａに流れ込むヘリウムガスの流量をＤと
し、さらに熱交換器８の一次側に流れるヘリウムガスの
流量をＥとしたとき、Ａ＝Ｂ、Ｄ＝Ｅ、Ｃ＝零の状態に
保たれているものとする。すなわち、冷凍機が能力最大
で、かつこの能力と熱侵入量とがバランスしている条件
下では上記流量関係が成立するようにＰ_１およびＰ_２が
設定されているものとする。

この運転状態下では、内容器１の液面上に漂っているヘ
リウムガスは、熱交換器８を通って圧縮機１０に吸入さ
れ、圧縮された後、熱交換器８を経由してジュールトム
ソン弁９に至り、ここで断熱膨張してミストに変換され
る。そして、液分は内容器１内に溜められ、また蒸気分
は再び圧縮機１０へと運ばれる。このとき、液化系２０
の冷却能力と熱侵入とがバランスしているので、内容器
１内の液面は一定レベルに保たれる。またバッファータ
ンク２２内の圧力も一定に保たれる。

このような運転が行われているとき、熱侵入が減少し
て、冷却能力が熱侵入を上回る状態になったときには次
のような動作が行なわれる。すなわち、冷却能力の方が
上回っているので、内容器１内の液位が徐々に上昇す
る。この結果、圧縮機１０の吸入ガスが不足し、圧縮機
１０の吸入圧が規定圧力Ｐ_１を下回る状態となる。この
ように吸入圧が規定圧力Ｐ_１下回ろうとすると、減圧弁
２３を介してバッファータンク２２から補給されるヘリ
ウムガスの量が増加し、これによって上記規定圧力Ｐ_１
が維持される。このとき流量関係は、Ａ＞Ｂ、Ｄ＜Ｅ、
Ｃ＝零となる。上記のようにバフアータンク２２から補
給されるヘリウムガス量が増加すると、内容器１内の液
位はさらに上昇し、またバッファータンク２２内のヘリ
ウムガスは徐々に減少する。この状態が続くと、ついに
はバッファータンク２２内の圧力が規定圧力Ｐ_３以下に
低下する。こうなると、こんどは減圧弁２４を介して、
上記規定圧力Ｐ_３を維持するのに必要な量のヘリウムガ
スが第１段圧縮機１０ａの吐出口からバッファータンク
２２へ補給される。したがって、第１段圧縮機１０ａの
吸入圧は規定圧力Ｐ_１に維持される。上記のように第１
圧縮機１０ａから吐出したヘリウムガスの一部がバッフ
ァータンク２２を経由して還流すると、第２段圧縮機１
０ｂの吸入圧が低下し、また吐出圧も低下する。このた
め、液化系２０の冷却能力が低下し、内容器１内に送り
込まれる液分も少なくなって、ついには冷却能力と熱侵
入量とがバランスした状態で系全体が安定する。このと
き流量関係は、Ａ＝Ｃ、Ｂ＝零、Ｄ＝Ｅとなる。

一方、一時的に熱侵入が大幅に増加した場合には次のよ
うに動作する。この場合には、蒸気発生量が増大するの
で、圧縮機１０の吸入圧が増加し、また、これに伴って
圧縮機１０の吐出圧も必要以上に上昇する。このため、
この保圧弁２５を介してバッフアータンク２２へ流れ込
むヘリウムガス量も増加する。つまり余分のヘリウムガ
スがバッファータンク２２に溜め込まれる。このときの
流量関係は、Ａ＜Ｂ、Ｄ＞Ｅ、Ｃ＝零となる。そして、
熱侵入が減少して冷却能力の方が上回ると、流量Ｄが減
少するのでバッフアータンク２２からの補給が増加し、
冷却能力と熱侵入とがバランスする条件まで前述した制
御が自動的に行われる。以上の説明から分かるように通
常必要とされる圧縮機の圧縮能力より若干高い能力を有
した圧縮機を組込むことによって安定に動作させること
ができる。

このように、凝縮熱交換器を用いずに、ジュールトムソ
ン弁９から送り出されたヘリウムミストの液分を直接、
内容器１内に溜めるようにしている。したがって、従来
のものに比べて効率を向上させることができる。これに
加えて、冷却能力が熱侵入を上回っているときには、第
２段圧縮機１０ｂは、軽負荷運転状態となるので入力が
低い値に抑えられる。したがって、なお一層の効率向上
化を図ることができる。また、熱侵入が一時的に冷却能
力を大幅に越えた場合には、発生したヘリウムガスのう
ち余分のガスがバッファータンク２２に溜め込まれるの
で、余分のガスを外部に向けて放出する必要はない。し
たがって、従来のものとは違って、保守の容易化を図れ
るばかりかヘリウムガスの無駄な消費をなくすことがで
き、結局、前述した効果を発揮させることができる。

なお、上述した実施例は、本発明をクロードサイクルの
冷凍機に適用した例であるが、本発明はギホードマクマ
ホンサイクルとジュールトムソンサイクルとを組合せた
冷凍機にも適用できる。すなわち、圧縮機の吐出圧力に
よって冷却能力が左右される冷凍機に適用できる。ま
た、上述した実施例ではバッファータンク内の圧力が規
定圧力Ｐ_３を下回ったとき第１段圧縮機の吐出口からバ
ッファータンクにヘリウムガスを補給するようにしてい
るが、第１段圧縮機の吸入圧が規定圧力Ｐ_１より若干低
い規定圧力Ｐ_４を下回ったとき、第１段圧縮機から吐出
されたヘリウムガスの一部をバッファータンクに補給す
るようにしてもよいし、さらに第１段圧縮機から吐出さ
れたヘリウムガスの一部をこの第１段圧縮機の吸入ライ
ンに直接還流させるようにしてもよい。また、本発明
は、冷媒としてヘリウムを用いるものに限らず、窒素、
酸素を用いるものにも適用できることは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る極低温冷凍機の模式的
構成図、第２図は従来の極低温冷凍機の模式的構成図で
ある。 １……内容器、２……超電導コイル、３……液体ヘリウ
ム、４……外容器、８……熱交換器、９……ジュールト
ムソン弁、１０……圧縮機、１０ａ……第１段圧縮機、
１０ｂ……第２段圧縮機、２０……液化系、２１……バ
ッファー系、２２……バッファータンク、２３、２４…
…減圧弁、２５……保圧弁。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】極低温冷媒液を収容する容器と、この容器
   と閉ループをなす関係に設けられ上記容器内の液面上に
   漂っている冷媒ガスを導いてガス圧縮機を複数直列接続
   したガス圧縮系で圧縮した後、液化して上記容器内に戻
   すとともに上記ガス圧縮系の吐出圧力によって冷却能力
   が左右される液化系と、冷媒ガスを収容するバッファー
   タンクと、前記ガス圧縮系の吸入圧が規定圧力Ｐ_１を下
   回ったときに上記規定圧力Ｐ_１を維持するのに必要な量
   の冷媒ガスを前記バッファータンクから上記ガス圧縮系
   の吸入ラインに補給する第１の手段と、前記バッファー
   タンクからの冷媒ガス補給分では前記規定圧力Ｐ_１を維
   持し得なくなったときに前記ガス圧縮系の途中を流れて
   いる冷媒ガスの一部を上記バッファータンクもしくは上
   記ガス圧縮系の前記吸入ラインに補給する第２の手段
   と、前記ガス圧縮系の吐出圧力が前記規定圧力Ｐ_１より
   高い規定圧力Ｐ_２を上回ったときに上記規定圧力Ｐ_２を
   維持するのに必要な量の冷媒ガスを上記ガス圧縮系の吐
   出側から前記バッファータンクに送り込む第３の手段と
   を具備してなることを特徴とする極低温冷凍機。
2. 【請求項２】前記第２の手段は、前記バッファータンク
   内の圧力が前記規定圧力Ｐ_２より低く、かつ前記規定圧
   力Ｐ_１より高い規定圧力Ｐ_３を下回ったとき、上記規定
   圧力Ｐ_３を維持するのに必要な量の冷媒ガスを上記バッ
   ファータンクへ補給するものであることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の極低温冷凍機。
3. 【請求項３】前記第２の手段は、前記ガス圧縮系の吸入
   圧が前記規定圧力Ｐ_１より低い規定圧力Ｐ_４を下回った
   とき、上記規定圧力Ｐ_４を維持するのに必要な量の冷媒
   ガスを上記ガス圧縮系の前記吸入ラインへ補給するもの
   であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の極
   低温冷凍機。
4. 【請求項４】前記第１の手段は、前記バッファータンク
   と前記ガス圧縮系の前記吸入ラインとの間に設けられた
   減圧弁で構成されていることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の極低温冷凍機。
5. 【請求項５】前記第２の手段は、前記ガス圧縮系の途中
   の冷媒ガス通路と前記バッファータンクもしくは上記ガ
   ス圧縮系の前記吸入ラインとの間に設けられた減圧弁で
   構成されていることを特徴とする特許請求の範囲第２項
   または第３項に記載の極低温冷凍機。