JPH06241594A - 超臨界ヘリウム冷却システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】超臨界ヘリウム冷却システムにおいて、装置容
量を適正にすると共に、高効率で信頼性の高いシステム
を提供することを目的とする。 【構成】コールドボックスの液化ラインの流量と超臨界
ヘリウム循環ポンプの流量を合流されて被冷却体に供給
するようにすると共に、被冷却体で生じる急激なな熱負
荷変動の伝播を緩和するための超臨界ヘリウムバッファ
ーボリュームを設けることにより、装置容量を適正な容
量まで下げることができ、又、変動する熱負荷条件に効
率良く，安定して対応できる。さらに、液化ラインに、
超臨界ヘリウム膨張タービンを設置し、効率良く寒冷を
発生させるとともに、第２超臨界ヘリウム膨張タービン
に可変容量型膨張タービンを設置することにより被冷却
体の圧力条件の変化に対して高効率を維持する。超臨界
ヘリウム膨張タービンと並列にバイパス弁を設置し、被
冷却体の圧力変動に対処する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、強制冷却型超伝導マグ
ネット等の極低温分野で用いられる超臨界ヘリウム冷却
システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】ヘリウム冷凍装置の代表的被冷却体とし
て超伝導マグネット（以下ＳＣＭと略称）があるが、核
融合実験装置用などでＳＣＭが大形になってくると耐電
圧を大きくとれること、剛性を大きくとれることなどに
よって、超臨界ヘリウムでの強制冷却が必須となってく
る。超臨界ヘリウムでの強制冷却は、基本的に超臨界ヘ
リウムの温度上昇を伴う顕熱で熱負荷を吸収するため、
ＳＣＭ側で許容する上限温度にもよるが、一般的に液体
ヘリウムの潜熱によって熱負荷を吸収する浸漬冷却と比
較して、循環させる超臨界ヘリウムは大幅に多い。又、
核融合実験装置用ＳＣＭ運転上の特徴は、短時間での急
速励磁，急速消磁を繰り返すことであり、これに伴うＡ
Ｃロスの発生によって急激な熱負荷変動が生じる。

【０００３】従来技術の一例を図３を用いて説明する。

【０００４】図３において、１はヘリウム圧縮機，２は
高圧ヘリウム入口ライン，３は低圧ヘリウム出口ライ
ン，１０はコールドボックス，１１ａ〜１１ｆは熱交換
器，１２は膨張タービン入口弁，１３ａ，１３ｂは膨張
タービン，１４は第１ＪＴ弁，１６は第２ＪＴ弁，１７
ａ〜１７ｂは極低温冷媒移送管，１８は液体ヘリウム容
器，２３は超臨界ヘリウム熱交換器，３０は被冷却体
（図示省略）を内臓したクライオスタットである。

【０００５】次に、上記のように構成された従来例の動
作について説明する。ヘリウム圧縮機１で１６〜１８ａ
ｔｍに圧縮されたヘリウムガスは、高圧ヘリウム入口ラ
イン２からコールドボッククス１０へ供給され、第１の
熱交換器１１ａで液体窒素及び低圧ヘリウムと熱交換
し、さらに第２の熱交換器１１ｂで冷却された後、膨張
タービンラインと液化ラインに分岐する。膨張タービン
ラインに分岐したヘリウムは、膨張タービン入口弁１２
を通り第１の膨張タービン１３ａで断熱膨張仕事をする
事によって温度降下して第４の熱交換器１１ｄに入る。
第４の熱交換器１１ｄを出た膨張タービンラインのヘリ
ウムは、第２の膨張タービン１３ｂで低圧まで断熱膨張
仕事をし温度降下して低圧ラインに合流する。

【０００６】一方、液化ラインに分岐したヘリウムは、
第３〜第６の熱交換器１１ｃ〜１１ｆで冷却された後、
第１ＪＴ弁１４で８〜１０ａｔｍに断熱膨張し超臨界ヘ
リウムとして超臨界ヘリウム熱交換器２３で冷却され
て、極低温冷媒移送管１７ａでクライオスタット３０に
供給され被冷却体を冷却する。被冷却体を冷却し圧力損
失で６〜８ａｔｍとなった超臨界ヘリウムは、極低温冷
媒移送管１７ｂを通り第２ＪＴ弁１６で断熱膨張して、
一部が液体ヘリウムとなり、液体ヘリウム容器１８に貯
液され、超臨界ヘリウム熱交換器２３の寒冷源として利
用される。液体ヘリウム容器１８で発生した低温ヘリウ
ムガスは、コールドボックス１０に戻り低圧ラインを通
ってヘリウム圧縮機１の吸入側へ戻る。

【０００７】超臨界ヘリウムによる被冷却体の冷却にお
いては、操作圧力によって同一温度差，同一流量におい
ても超臨界ヘリウムの吸収可能な熱量が大幅に変わる。
例えば、被冷却体入口温度４．５Ｋ，出口温度４．８Ｋ
の時、被冷却体入口で１０ａｔｍ，出口で８ａｔｍの場
合は、０．１７Ｗ／（ｇ／ｓ）であり、被冷却体入口で
８ａｔｍ，出口で６ａｔｍの場合は０．３４Ｗ／（ｇ／
ｓ）である。

【０００８】一般に被冷却体の運転圧力は、圧力が高い
と同じ流量当りの吸収熱量が小さくなり、またクエンチ
時の圧力上昇が高くなる。一方、圧力が低いと流動の不
安定性が生じるななどの問題があり、それぞれのシステ
ムで総合的に選定される。

【０００９】このようなヘリウム冷凍システムについて
は、例えば神鋼技報第４１巻（１９９１）第３号１３８
頁に紹介されている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、液化
ラインの流量を最大熱負荷条件に合わせざるを得ず、装
置が大容量になると共に、効率の良い運転が行えないと
いう問題があった。

【００１１】本発明は、適正な装置容量で効率の良い運
転を可能とし、超臨界ヘリウムラインの運転圧力が変っ
ても高効率を維持し、運転中の急激な熱負荷変動に対し
ても安定した運転が可能となる信頼性の高い超臨界ヘリ
ウム冷却システムを提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、最大熱負荷運転時に対応する超臨界ヘリウム循環ポ
ンプを設けることにより、装置容量を平均熱負荷に対応
したものとし、ＪＴ弁の替わりに超臨界ヘリウム膨張タ
ービンを設置することにより効率向上を図り、また、被
冷却体の出口側の超臨界ヘリウム膨張タービンは可変容
量式とすることにより超臨界ヘリウムラインの運転圧力
の変動に高効率で対応し、さらに、超臨界ヘリウム膨張
タービンにバイパス弁を設け、また、被冷却体からの戻
りにクッションタンクを設け被冷却体で生じる急激な熱
負荷変動の伝播を緩和し安定した運転を可能としたもの
である。

【００１３】

【作用】ＳＣＭの熱負荷はＳＣＭの運転状態で大きく変
動するが、装置容量は全平均熱負荷に対応するものと
し、液化ラインの流量を越した超臨界ヘリウム流量を必
要とする最大熱負荷運転時には超臨界ヘリウム循環ポン
プで不足流量をカバーする。これにより、装置容量を適
正に選定することができる。

【００１４】ＪＴ弁は、等エンタルピー膨張を生じさせ
るものであり、膨張タービンは、理想的には等エントロ
ピー膨張を行なうものである。共に断熱膨張であるが、
等エンタルピー膨張を行なうＪＴ弁の前後では、エンタ
ルピーは同じであり、等エントロピー膨張を行なう膨張
ターピンの前後では、膨張ターピンにおいてエネルギー
がとりだされ出口側のエンタルピーが入口側のそれより
減少し、寒冷を発生する。従って、同じように温度の低
下を目的としているが、膨張タービンはＪＴ弁に比較し
て寒冷を発生し、システム全体に対して、よりその冷却
効率を高めるものである。さらに、容量が固定の膨張タ
ービンにおいては、主として入口圧力，温度条件で風量
が決定され、入口圧力，温度条件の変動により風量も変
動する。風量を適正に保持するためには膨張タービン入
口圧力を弁等の他の手段で変えざるをえず、入口条件の
変動に対して、必ずしも効率の良い運転がされない。こ
れに対し、可変容量型の膨張タービンでは、入口条件の
変動に膨張タービンノズルの通路面積を調整することに
より効率を高く維持することができ、システム全体の効
率を高く維持することが可能となる。

【００１５】さらに、超臨界ヘリウム膨張タービンにバ
イパス弁を設けることにより、超臨界ヘリウム膨張ター
ビンとパラレルに超臨界ヘリウムを流すことが可能とな
り、バイパス側に流す流量と超臨界ヘリウム膨張タービ
ン側に流す流量を調整することにより寒冷発生量の調整
が可能となる。また、急激な圧力変動に対しては、超臨
界ヘリウム膨張タービン側の流れを停止し、バイパス側
の流れだけにし、安全に超臨界ヘリウム膨張タービンを
停止することが可能となる。

【００１６】さらに、被冷却体からの戻りにバッファー
タンクを設けることにより、被冷却体で生じる急激な熱
負荷変動の伝播を緩和し、システム全体の安定な運転を
可能とし、信頼性を高めることができる。一般的に、Ｓ
ＣＭの熱負荷条件は極低温保持に伴う常温部からの熱伝
導等による保持負荷，励磁・消磁に伴う励・消磁負荷，
通電保持に伴う通電負荷がある。この内、励・消磁負荷
は磁場の変動に伴う渦電流損失（ＡＣロス）によるもの
で、保持負荷の数十倍から数百倍になることもある。こ
の急激な熱負荷変動を直接的に吸収するためには、膨大
な装置が必要になるが、クッションタンクを設けること
により熱負荷変動の伝播を緩和することができる。

【００１７】以下、事例によって説明する。

【００１８】保持運転，及び通電保持運転時を同一熱負
荷（定常熱負荷）とし、１ｋＷ，ＡＣロスを２０ｋＷ×
３０ｓとし、運転サイクルを６００ｓとすると、全平均
の熱負荷は、 １ｋＷ＋２０ｋＷ×３０ｓ／６００ｓ＝２ｋＷ となる。定常熱負荷に対する圧力，温度条件を６ａｔ
ｍ，４．５Ｋとし、励・消磁運転に伴う圧力上限を７ａ
ｔｍとすると、超臨界ヘリウムの物性から、必要となる
超臨界ヘリウムのクッションボリューム（ＳＣＭ本体保
持分＋戻り配管系＋クッションタンク）は３，６００ｌ
となる。

【００１９】これに対し、運転サイクル６００ｓ内に流
出する条件として、３，６００ｌ／４００ｓを選定する
と、コールドボックス系に対する最大熱負荷は １ｋＷ＋２０ｋＷ×３０ｓ／４００ｓ＝２．５ｋＷ に緩和されて伝播することになる。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１により説明す
る。図１において、ヘリウム圧縮機１で１６〜１８ａｔ
ｍに圧縮されたヘリウムガスは、高圧ヘリウム入口ライ
ン２からコールドボッククス１０へ供給され、第１の熱
交換器１１ａで液体窒素及び低圧ヘリウムと熱交換し、
さらに第２の熱交換器１１ｂで冷却された後、膨張ター
ビンラインと液化ラインに分岐する。膨張タービンライ
ンに分岐したヘリウムは、膨張タービン入口弁１２を通
り第１の膨張タービン１３ａで断熱膨張仕事をする事に
よって温度降下して第４の熱交換器１１ｄに入る。第４
の熱交換器１１ｄを出た膨張タービンラインのヘリウム
は、第２の膨張タービン１３ｂで低圧まで断熱膨張仕事
をし温度下して低圧ラインに合流する。

【００２１】一方、液化ラインに分岐したヘリウムは、
第３〜第６の熱交換器１１ｃ〜１１ｆで冷却された後、
第１超臨界ヘリウム膨張タービン３１ａで８〜１０ａｔ
ｍに断熱膨張して寒冷を発生し、熱交換器１１ｆでさら
に冷却され超臨界ヘリウムとして超臨界ヘリウム熱交換
器２３で冷却されて、極低温冷媒移送管１７ａでクライ
オスタット３０に供給され被冷却体を冷却する。被冷却
体を冷却し圧力損失で６〜８ａｔｍとなった超臨界ヘリ
ウムは、極低温冷媒移送管１７ｂを通りクッションタン
ク３５を経て第２超臨界ヘリウム膨張タービン３１ｂで
断熱膨張して寒冷を発生し、一部が液体ヘリウムとな
り、液体ヘリウム容器１８に貯液され、超臨界ヘリウム
熱交換器２３の寒冷源として利用される。液体ヘリウム
容器１８で発生した低温ヘリウムガスは、コールドボッ
クス１０に戻り低圧ラインを通ってヘリウム圧縮機１の
吸入側へ戻る。

【００２２】コールドボックス１０から供給される超臨
界ヘリウム流量では不足する最大熱負荷条件で被冷却体
を運転する場合には、超臨界ヘリウム循環ポンプ４１を
運転する。超臨界ヘリウム循環ポンプ４１での超臨界ヘ
リウム昇圧に必要な動力は入口温度にほぼ比例して増大
するため、戻り超臨界ヘリウム熱交換器４５で入口温度
を安定した条件に保持するようにしている。

【００２３】なを、超臨界ヘリウム循環ポンプ４１を運
転する最大熱負荷条件時には、液体ヘリウム容器１８内
の液体ヘリウムを寒冷バッファーとして使用する。

【００２４】本実施例によれば、最大熱負荷条件時に超
臨界ヘリウム流量を補助する超臨界ヘリウム循環ポンプ
４１を有し、さらに、被冷却体で生じる急激な熱負荷変
動の伝播を緩和するクッションタンク３５を有している
ため、コールドボックス１０等の装置を適正な容量にす
ることができると共に、変動する熱負荷条件に柔軟，安
定な対応ができるという効果がある。

【００２５】さらに、超臨界ヘリウム膨張タービン３１
ａ，３１ｂを用いて寒冷を発生させているので、弁によ
る断熱膨張よりもシステムの効率が高くなるという効果
がある。

【００２６】さらに、第２超臨界ヘリウム膨張タービン
３１ｂとして可変容量型を用いることにより、被冷却体
の圧力，温度の変動に応じて超臨界ヘリウム膨張タービ
ンの容量を変えて運転でき、システムの効率を高く維持
できるという効果がある。

【００２７】さらに、超臨界ヘリウム膨張タービン３１
ａ，３１ｂと並列にバイパス弁３４ａ，３４ｂを設置し
ているので、超臨界ヘリウム膨張タービンとパラレルに
超臨界ヘリウムを流すことができる。バイパス量を調整
することにより、寒冷発生量の調整ができ、また、急激
な圧力変動に対しては、超臨界ヘリウム膨張タービン側
の流れを停止し、バイパス弁側の流れだけにし、安全に
超臨界ヘリウム膨張タービンを停止することが可能とな
る。

【００２８】次に、本発明の他の一実施例を図２により
説明する。

【００２９】図２において、コールドボックス１０は図
１と同じである。一般的に、被冷却体の温度条件は上限
が決められるため、一定の熱負荷を吸収する考え方とし
て、超臨界ヘリウム供給温度を比較的高くし供給流量を
大きくする方式と、供給温度を比較的低くし供給流量を
小さくする方式がある。本実施例は、超臨界ヘリウム供
給温度を低くし、供給流量を小さくしたものである。

【００３０】第１図と異なるところは、液体ヘリウム容
器を２個設け、超臨界ヘリウムと熱交換する液体ヘリウ
ムの温度を下げるための減圧ポンプを有することにあ
る。

【００３１】第２超臨界ヘリウム膨張タービンは３１ｂ
等を出た気液二相のヘリウムは常圧の気液分離器５２で
気液分離される。気液分離器５２の液体ヘリウムは液体
ヘリウム供給弁５３を通り、液体ヘリウム容器１８に供
給される。液体ヘリウム容器１８は、減圧ポンプ５１で
減圧状態に保持され、減圧ポンプ５１を出たほぼ大気圧
の低温ヘリウムガスは気液分離器５２の低温ヘリウムガ
スと合流してコールドボックス１０に戻る。

【００３２】本実施例は、図１の実施と同様な効果がえ
られる。

【００３３】他の実施例として、被冷却体の冷却を直列
に分割するものがある。すなわち、被冷却体の分割され
た一部を冷却した超臨界ヘリウムを超臨界ヘリウム熱交
換器で再冷却し、被冷却体の分割された他の一部を冷却
する、等のように直列に繰り返すものである。この方式
は、超臨界ヘリウムの必要流量を少なくすることがで
き、被冷却体の圧力損失が比較的小さく、被冷却体と超
臨界ヘリウム熱交換器を比較的近接して配置できる場合
には、非常に有効な方式である。

【００３４】第１図、及び第２図では、コールドボック
ス１０，超臨界ヘリウム発生装置２０，クライオスタッ
ト３０を独立した真空断熱機器とし、この間を極低温冷
媒移送管で接続しているが、コールドボックスと超臨界
ヘリウム発生装置とを同一真空断熱容器内に収納する等
は、システム全体の建屋計画等を含めた総合的な検討事
項であり、超臨界ヘリウム膨張タービン等の収納容器を
変えても本発明の意図する機能・効果を有することはい
うまでもない。

【００３５】また、超臨界ヘリウム膨張タービン等は、
１台ずつで構成されているが、複数台を直列あるいは並
列に設置，構成しても、同様の機能・効果を有すること
はいうまでもないことである。

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、超臨界ヘリウム流量を
補助する超臨界ヘリウム循環ポンプを有し、さらに、被
冷却体で生じる急激な熱負荷変動の伝播を緩和するクッ
ションタンクを有するため、装置容量を適正な容量にす
ることができると共に、変動する熱負荷条件に安定し
て、効率良く対応できる。さらに、膨張タービンにより
寒冷を発生しているので、より高い効率の運転が可能と
なる。第２超臨界ヘリウム膨張タービンとして可変容量
型の膨張タービンを用いることにより、被冷却体の圧
力，温度の変動に応じて超臨界ヘリウム膨張タービンの
容量を変えて運転でき、システムの効率を高く維持でき
る。さらに、超臨界ヘリウム膨張タービンと並列にバイ
パス弁を設けることにより、バイパス側に流す流量を調
整して寒冷の発生を調節でき、被冷却体の急激な圧力変
動に対しては、超臨界ヘリウム膨張タービンを安全に停
止でき、システムの信頼性を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の超臨界ヘリウム冷却システ
ムのフロー図である。

【図２】本発明の他の一実施例の超臨界ヘリウム冷却シ
ステムのフロー図である。

【図３】従来例の超臨界ヘリウム冷却システムのフロー
図である。

【符号の説明】

１…ヘリウム圧縮機、１０…コールドボックス、１１…
熱交換器、１３…膨張タービン、１７…極低温冷媒移送
管、１８…液体ヘリウム容器、２３…超臨界ヘリウム熱
交換器、３０…クライオスタット、３１…超臨界ヘリウ
ム膨張タービン、４１…超臨界ヘリウム循環ポンプ。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ヘリウムガスを圧縮する圧縮機と、熱交換
   器や膨張機を有し寒冷を発生するコールドボックスと、
   超臨界ヘリウムを冷却する超臨界ヘリウム熱交換器と、
   超臨界ヘリウムで冷却される被冷却体とから構成される
   超臨界ヘリウム冷却システムにおいて、前記コールドボ
   ックスから供給される超臨界ヘリウムと極低温で作動す
   る超臨界ヘリウム循環ポンプから供給される超臨界ヘリ
   ウムとを合流させて被冷却体に供給したことを特徴とす
   る超臨界ヘリウム冷却システム。
2. 【請求項２】超臨界ヘリウムが流れる液化ラインに、超
   臨界ヘリウム膨張タービンを被冷却体をはさんで、直列
   に配置したことを特徴とする請求項１記載の超臨界ヘリ
   ウム冷却システム。
3. 【請求項３】被冷却体の後流側に配置される超臨界ヘリ
   ウム膨張タービンとして、可変容量式膨張タービンを用
   いることを特徴とする請求項２記載の超臨界ヘリウム冷
   却システム。
4. 【請求項４】可変容量式膨張タービンの容量制御により
   被冷却体を流れる超臨界ヘリウムの圧力を制御すること
   を特徴とする請求項３記載の超臨界ヘリウム冷却システ
   ム。
5. 【請求項５】超臨界ヘリウム膨張タービンと並列にバイ
   パス弁を設置したことを特徴とする請求項２乃至請求項
   ４記載の超臨界ヘリウム冷却システム。
6. 【請求項６】被冷却体を流れる超臨界ヘリウムの圧力変
   動に対応して超臨界ヘリウム膨張タービン及びバイパス
   弁の風量の制御をすることを特徴とする請求項５記載の
   超臨界ヘリウム冷却システム。
7. 【請求項７】被冷却体で生じる急激な熱負荷変動の伝播
   を緩和するために、被冷却体からの戻りにクッションタ
   ンクを設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項６記
   載の超臨界ヘリウム冷却システム。