JPH0640773U - ヘリウム液化・冷凍装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本考案は真空容器内に設置して、外気からの
対流による熱伝達を遮断しているヘリウム液化・冷凍装
置において、輻射による熱伝達を減少させる熱交換器の
配置構造を提案するものである。 【構成】 ギフォード・マクマホン（Ｇ−Ｍ）サイクル
等を利用した蓄冷器式小型冷凍機と、ジュール・トムソ
ン（Ｊ−Ｔ）膨張を利用したＪ−Ｔサイクルを組み合わ
せて構成したヘリウム液化／冷凍装置において、高温の
熱交換器を外側に、低温の熱交換器を内側に、Ｊ−Ｔ弁
などの最も温度が低くなる構成部品を最も内側にして外
側の熱交換器が内側の熱交換器またはＪ−Ｔ弁等を囲む
ように設置し、熱交換器が輻射熱シールドとなるように
構成する。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案はヘリウム液化・冷凍装置、特にヘリウム液化・冷凍装置における熱交 換器の配置に関する。

【０００２】

【従来の技術】

図２に従来の、ジュール・トムソンサイクル（Ｊ−Ｔサイクル）と蓄冷器式小 型冷凍機を組み合わせたヘリウム液化・冷凍装置を示す。 （１）はヘリウム液化・冷凍装置を外気から断熱するための真空容器、（２） ，（４），（６）はそれぞれＪ−Ｔサイクルの第１熱交換器、第３熱交換器、第 ５熱交換器であり、ヘリウムコンプレッサ（１１）で圧縮された高温，高圧のヘ リウムガスと低温，低圧の戻りガスとの間で熱交換を行う。（３），（５）はそ れぞれＪ−Ｔサイクルの第２熱交換器，第４熱交換器であり、Ｊ−Ｔサイクル側 の高温，高圧のヘリウムガスと蓄冷器式小型冷凍機（１２）の寒冷発生部（２１ ），（２２）との間で熱交換を行う。（７）はジュール・トムソン弁（Ｊ−Ｔ弁 ）であり、この弁の入口に到達するまでに熱交換器（２），（３），（４），（ ５），（６）で予冷された高圧のヘリウムガスは、この弁に設けられた細孔を通 って断熱膨張を行うことで液化温度まで冷却され、その全部或は一部が液化する 。（８）は液化したヘリウム（或いは液、ガス二相）を真空容器（１）の外部へ 導くための配管、（９）は被冷却体を冷却した後のヘリウムガスを真空容器（１ ）の外部より内部のＪ−Ｔサイクルへ導くための配管、（１０）はトランスファ チューブであり、本ヘリウム液化・冷凍装置と被冷却体の間で液体ヘリウム（或 いは液，ガス二相）と戻りヘリウムガスの移送を行う。（１１）はＪ−Ｔサイク ル用ヘリウムコンプレッサである。ヘリウムガスに混入した油分などを分離する 不純物分離器もここに含まれているものとする（図示せず）。（２）は蓄冷器式 小型冷凍機であり、例えば、（ギフォード・マクマホンサイクル）（Ｇ−Ｍサイ クル）や逆スターリングサイクルなどが用いられる。本冷凍機の寒冷発生部（２ １），（２２）にてＪ−Ｔサイクル側の高圧ヘリウムガスを冷却する。（１３） は蓄冷器式小型冷凍機（１２）用コンプレッサである。Ｊ−Ｔサイクル用ヘリウ ムコンプレッサ（１１）と同様に本コンプレッサにも不純物分離器が含まれてい るものとする（図示せず）。

【０００３】 図３に本ヘリウム液化冷凍装置のサイクルを模式的に示す。（３１）は本液化 ・冷凍装置の寒冷出力部であり、ヘリウムの液化温度で被冷却体を冷却する。他 の各部の働きは前述の通りである。

【０００４】

【考案が解決しようとする課題】

本ヘリウム液化冷凍装置は通常真空容器内に設置して対流による熱伝達を防止 する。 この場合、全侵入熱のうち輻射熱の割合が無視できなくなる。 従って、前述した従来技術によると、真空容器壁面（常温）とＪ−Ｔ弁出口（ ヘリウム液化温度（圧力１ａｔｍで約４．２Ｋ））との温度差が大きいため輻射 熱が大きくなる等の問題点がある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】

Ｇ−Ｍサイクル（ギフォード・マクマホンサイクル）等を利用した蓄冷器式小 型冷凍機とＪ−Ｔサイクル（ジュール・トムソンサイクル）（断熱膨張）を組み 合わせて構成したヘリウム液化・冷凍装置において、 より高温の熱交換器を外側に、より低温の熱交換器を内側に、最も低温となる Ｊ−Ｔ弁（ジュール・トムソン弁）等の構成部品を最も内側に、外側の熱交換器 が内側の熱交換器やＪ−Ｔ弁等を囲むように設置することによって、熱交換器に 輻射熱シールドとしての機能を持たせる。

【０００６】

【作用】

温度の低い熱交換器が温度の高い熱交換器に取り囲まれ、最も内側にＪ−Ｔ弁 等が設置されているため、最も外側の熱交換器は比較的温度が高く、真空容器壁 面との温度差が小さいため、輻射侵入熱が小さくなる。また、最も温度が低いＪ −Ｔ弁は比較的温度の低い熱交換器で囲まれているため、この両者間の温度差は 、Ｊ−Ｔ弁と真空容器壁間に比べ小さく、輻射侵入熱も小さくなる。

【０００７】

【実施例】

図１に本考案に係るヘリウム液化・冷凍装置の実施例を示す。 （１）はヘリウム液化・冷凍装置を外気から断熱するための真空容器、（２） ，（４），（６）はそれぞれＪ−Ｔサイクル（ジュール・トムソンサイクル）の 第１熱交換器、第３熱交換器、第５熱交換器であり、ヘリウムコンプレッサ（１ １）で圧縮された高温、高圧のヘリウムガスと低温，低圧の戻りガスとの間で熱 交換を行う。（３），（５）はそれぞれＪ−Ｔサイクルの第２熱交換器、第４熱 交換器であり、Ｊ−Ｔサイクル側の高温，高圧のヘリウムガスと蓄冷器式小型冷 凍機（１２）の寒冷発生部（２１），（２２）との間で熱交換を行う。（７）は Ｊ−Ｔ弁であり、この弁の入口に到着するまでに熱交換器（２），（３），（４ ），（５），（６）にて予冷された高圧のヘリウムガスは、この弁に設けられた 細孔を通って断熱膨張を行うことで液化温度まで冷却され、その全部或いは一部 が液化する。（８）は液化したヘリウム（或いは液、ガス二相）を真空容器（１ ）の外部へ導くための配管、（９）は被冷却体を冷却した後のヘリウムガスを真 空容器（１）の外部より内部のＪ−Ｔサイクルへ導くための配管、（１０）はト ランスファチューブであり、本ヘリウム液化・冷凍装置と被冷却体の間で液体ヘ リウム（或いは液、ガス二相）と戻りヘリウムガスの移送を行う。（１１）はＪ −Ｔサイクル用ヘリウムコンプレッサである。ヘリウムガスに混入した油分など を分離する不純物分離器もここに含まれているものとする（図示せず）。（１２ ）は蓄冷器式小型冷凍機であり、例えばＧ−Ｍサイクル（ギフォード・マクマホ ンサイクル）や逆スターリングサイクルなどが用いられる。本冷凍機の寒冷発生 部（２１），（２２）にてＪ−Ｔサイクル側の高圧ヘリウムガスを冷却する。（ １３）は蓄冷器式小型冷凍機（１２）用コンプレッサである。Ｊ−Ｔサイクル用 ヘリウムコンプレッサ（１１）と同様に本コンプレッサにも不純物分離器が含ま れているものとする（図示せず）。（１４），（１５），（１６）はそれぞれ熱 交換器（２），（４），（６）を巻きつけた密閉円筒型の伝熱板（銅製など）で ある。本伝熱板（１４），（１５），（１６）と熱交換器（２），（４），（６ ）は熱伝導の良い方法で接触（例えば銀ろう付けなど）しており、伝熱板は熱交 換器とほぼ同程度の温度となる。このため本伝熱板は輻射熱シールドとして機能 する。

【０００８】 本実施例では密閉円筒型伝熱板に熱交換器を巻きつける形式であるが、この他 にも、熱交換器を円筒状に密に巻き、上下の円形蓋板のみ伝熱板とし、当該円筒 状熱交換器の上下面に銀ろう付けするなどの方法が考えられる。また、形状も円 筒形ばかりではなく直方体など全体の構成に応じた形状とすることが可能である 。

【０００９】

【考案の効果】

本考案によるヘリウム液化・冷凍装置では、より低温の熱交換器をより高温の 熱交換器で取り囲み、また最も温度の低いＪ−Ｔ弁等を最も内側に設置するため 、真空容器壁面からの輻射侵入熱は熱交換器でシールドされ、Ｊ−Ｔ弁等へ達す る侵入熱量が低減される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案ヘリウム液化・冷凍装置の実施例の断面
図である。

【図２】従来のヘリウム液化・冷凍装置の断面図であ
る。

【図３】ヘリウム液化・冷凍サイクルを示す模式図であ
る。

【符号の説明】

１ 真空容器 ２ 熱交換器 ３ 熱交換器 ４ 熱交換器 ５ 熱交換器 ６ 熱交換器 ７ Ｊ−Ｔ弁 １１ Ｊ−Ｔサイクル用ヘリウムコンプレッサ １２ 蓄冷器式小型冷凍機 ２１ 寒冷発生部 ２２ 寒冷発生部

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】ギフォード・マクマホンサイクル等を利用
   した蓄冷器式小型冷凍機と、ジュール・トムソン膨張サ
   イクルを組み合わせて構成したヘリウム液化・冷凍装置
   において、高温の熱交換器を外側に、低温の熱交換器を
   内側に、ジュール・トムソン弁などの最も温度が低くな
   る構成部品を最も内側にして、外側の熱交換器が内側の
   熱交換器またはジュール・トムソン弁等を囲むように設
   置し、熱交換器が輻射熱シールドとなるように構成した
   ことを特徴とするヘリウム液化・冷凍装置。