JPH09243191A - ヘリウム液化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 励消磁時等の過剰負荷時であっても最大冷凍
能力を得ることができるヘリウム液化装置を提供する。 【解決手段】 被冷却物に供給する液体ヘリウムを蓄積
するヘリウムタンクとジュールトムソン効果により高圧
ヘリウムガスからその液体ヘリウムを生成するジュール
トムソンループとそのジュールトムソンループと低圧管
路により接続される低圧回路とその低圧回路に接続され
ヘリウムガスを圧縮して高圧ヘリウムガスにするヘリウ
ム圧縮機とそのヘリウム圧縮機に接続されるとともにそ
のジュールトムソンループと高圧管路により接続される
高圧回路を備えたヘリウム液化装置において、そのヘリ
ウム圧縮機の取入側の圧力を低圧に維持するための弁を
設けたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は超電導磁石等の被冷
却物に液体ヘリウムを供給するヘリウム液化装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のヘリウム液化装置の構成につい
て、図２を参照しつつ説明する。図２に示すように、こ
のヘリウム液化装置７は超電導磁石２０を冷却するヘリ
ウムタンク１８に液体ヘリウムを供給する装置であり、
低圧回路１Ａとヘリウム圧縮機３Ａと高圧回路２と極低
温用膨張機６とバッファタンク１７とを備え、高圧回路
２と極低温用膨張機６とを高圧管路Ｌ２により接続する
とともに、極低温用膨張機６と低圧回路１Ａとを低圧管
路Ｌ１により接続し、ヘリウム圧縮機３Ａにバッファタ
ンク１７を接続することによって構成されている。

【０００３】また、ヘリウム圧縮機３Ａの取入側には低
圧回路１Ａが接続され、ヘリウム圧縮機３Ａの出力側に
は高圧回路２が接続されている。高圧回路２は流量絞り
弁８，９と電磁弁１０ａ，１０ｂとを有している。そし
て、低圧回路１Ａと高圧回路２との間には、第１低圧調
整弁１１と高圧保圧弁１２とバッファタンク１７とが設
けられている。また、極低温用膨張機６はジュールトム
ソンループ４と膨張機部５を有している。そして、ジュ
ールトムソンループ４は３個の熱交換器１４と膨張機冷
熱発生部１５とジュールトムソン弁１６とを有してい
る。また、ジュールトムソンループ４と高圧回路２は高
圧管路Ｌ２によって接続され、ジュールトムソンループ
４と低圧回路１Ａは低圧管路Ｌ１によって接続されてい
る。

【０００４】前記のような構成により、ヘリウム圧縮機
３Ａで圧縮された高圧ガスは高圧回路２を経て高圧管路
Ｌ２から極低温用膨張機６のジュールトムソンループ４
に導かれ、３個の熱交換器１４と膨張機冷熱発生部１５
とによって冷却され、ジュールトムソン弁１６で低圧に
膨張し、ヘリウムガスはジュールトムソン効果により超
電導磁石２０のヘリウムタンク内で液化し、液体ヘリウ
ムとなる。この液体ヘリウムは、超電導磁石内の超電導
コイル１９に供給され、超電導コイル１９を冷却する。
一方、ヘリウムタンク内で蒸発したヘリウムガスはジュ
ールトムソンループ内の３個の熱交換器１４から低圧管
路Ｌ１を経て低圧回路１Ａに戻り、ヘリウム圧縮機３Ａ
により再び圧縮される。

【０００５】前記のヘリウム液化装置７Ａにおいては、
通常はヘリウムの液化量がヘリウムタンク１８と超電導
コイル１９に侵入する熱負荷により蒸発するヘリウム量
よりも多いか、又は、ほぼ等しい。このため、ヘリウム
タンク内の液体ヘリウム量が増加するか、又は、ほぼ一
定量に保たれる。液体ヘリウム量が増加した場合は系内
のヘリウムガス圧力が低下してくる。そこで、従来はこ
のヘリウムガスの不足分をバッファタンク１７から第１
低圧調整弁１１を介して低圧回路１Ａに供給し、系内の
ヘリウムガス圧力を一定に保持するように制御してい
た。

【０００６】しかし、超電導コイル１９を励磁又は消磁
する場合などにおいては、超電導コイル１９に侵入する
熱負荷によって蒸発するヘリウム量が液化量を大きく上
回るため、液体ヘリウムが通常よりも多く蒸発し、ヘリ
ウムガスとなる。このような余分なヘリウムガスはジュ
ールトムソンループ４の３個の熱交換器１４と低圧管路
Ｌ１を経て、低圧回路１Ａに戻ってくる。このため、低
圧回路１Ａ及び高圧回路２の内部の圧力が上昇する。そ
こで、従来はこのような余分なヘリウムガスを高圧回路
２から高圧保圧弁１２を介してバッファタンク１７に回
収していた。

【０００７】このため、ジュールトムソンループ４へ高
圧ガスを供給する高圧回路２には、絞り度の小さい流量
絞り弁８と流量絞り弁８に比べて絞り度の大きい流量絞
り弁９とが並列に設けられ、各流量絞り弁８，９にはそ
れぞれ直列に電磁弁１０ａ，１０ｂが接続されていた。
このような構成により、通常は絞り度の小さい流量絞り
弁８を経由させることにより、ジュールトムソンループ
４に高圧管路Ｌ２を経て、より高圧にしたヘリウムガス
を供給し、励消磁時等の過剰負荷時には、絞り度の大き
い流量絞り弁９を経由させることにより、ジュールトム
ソンループ４への高圧ヘリウム流量を制限し、高圧回路
２の圧力を上昇させ、余分なヘリウムガスを高圧回路２
から高圧保圧弁１２を経てバッファタンク１７に回収す
ることが可能となっていた。

【０００８】しかし、励消磁時等の過剰負荷時には、高
圧管路Ｌ２からジュールトムソンループ４に流すべき高
圧ヘリウム流量の一部をバッファタンク１７へ回収する
ため、高圧側の流量が低圧側の流量よりも少なくなる。

【０００９】本来、ヘリウム液化装置においては、高圧
側と低圧側の流量がほぼ等しい場合に熱交換器の効率が
最も高くなる。すなわち、前記のように高圧側の流量が
低圧側の流量よりも少ない場合には、低圧側のヘリウム
ガスが持つ顕熱を効率よく利用できず、低圧側のヘリウ
ムガスは低温の状態で極低温用膨張機６から低圧管路Ｌ
１を経て低圧回路１Ａに戻る。この低温のヘリウムガス
は極低温用膨張機６とヘリウム圧縮機３Ａとの間の低圧
管路Ｌ１で常温の大気と熱交換して昇温し、さらにヘリ
ウム圧縮機内で常温まで昇温するが、本来、この冷熱は
高圧ガスを冷却することにより、このヘリウム液化装置
７の液化率を向上しうるはずのものであり、高圧ガスの
流量が少なくなった分、冷熱を無駄に捨てていることに
なる。

【００１０】したがって、高圧側の流量が低圧側の流量
よりも少なくなると、このヘリウム液化装置７の最大冷
凍能力を得ることはできない。このため、低圧側のヘリ
ウムガスの冷熱を有効に利用することができなくなり、
ヘリウムタンク内での液体ヘリウムの蒸発が増加し、バ
ッファタンク１７へのヘリウムガスの回収量が多くな
り、結果として、バッファタンク１７の容量を大きくし
なければならない、という欠点があった。

【００１１】この問題の解決策として、励消磁時に、ヘ
リウム圧縮機３Ａの回転数を上げ、ジュールトムソンル
ープ４への高圧ヘリウム流量を増加させ、ヘリウム液化
装置７の冷凍能力を増加させるというやり方が考えられ
る。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このやり方で
は、高圧回路２の圧力があがりすぎ、結果としてバッフ
ァタンク１７にヘリウムガスを回収することには変りは
ないため、やはり高圧側の流量は低圧側の流量よりも少
なくなり、ヘリウム液化装置の最大冷凍能力は得られな
いという問題点があった。

【００１３】本発明は前記の問題点を解決するためにな
されたものであり、本発明の解決しようとする課題は、
励消磁時等の過剰負荷時であっても最大冷凍能力を得る
ことができるヘリウム液化装置を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、請求項１に記載した発明は、被冷却物に供給する液
体ヘリウムを蓄積するヘリウムタンクとジュールトムソ
ン効果により高圧ヘリウムガスからその液体ヘリウムを
生成するジュールトムソンループとそのジュールトムソ
ンループと低圧管路により接続される低圧回路とその低
圧回路に接続されヘリウムガスを圧縮して高圧ヘリウム
ガスにするヘリウム圧縮機とそのヘリウム圧縮機に接続
されるとともにそのジュールトムソンループと高圧管路
により接続される高圧回路を備えたヘリウム液化装置に
おいて、そのヘリウム圧縮機の取入側の圧力を低圧に維
持するための弁を設けたことを特徴とする。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態につい
て、図面を参照しながら説明する。図１は本発明に係る
ヘリウム液化装置の一実施形態の構成を示したものであ
る。図１に示すように、このヘリウム液化装置７は超電
導磁石２０を冷却するヘリウムタンク１８に液体ヘリウ
ムを供給する装置であり、低圧回路１とヘリウム圧縮機
３と高圧回路２と極低温用膨張機６とを備え、高圧回路
２と極低温用膨張機６とを高圧管路Ｌ２により接続する
とともに、極低温用膨張機６と低圧回路１とを低圧管路
Ｌ１により接続することによって構成されている。

【００１６】また、ヘリウム圧縮機３の取入側のヘリウ
ム圧縮機吸込口２１には低圧回路１が接続され、ヘリウ
ム圧縮機３の出力側には高圧回路２が接続されている。
低圧回路１と吸込み口２１との間には、第２低圧調整弁
１３が設けられている。第２低圧調整弁１３はヘリウム
圧縮機３の取入側のヘリウム圧縮機吸込口２１の圧力を
低圧に維持するための弁である。その他の構成は前に述
べたように、図２で説明したヘリウム液化装置７と同様
である。

【００１７】すなわち、本実施形態のヘリウム液化装置
７が図２に示したヘリウム液化装置７と異なる点は、ヘ
リウム圧縮機３の取入側のヘリウム圧縮機吸込口２１と
低圧回路１との間に第２低圧調整弁１３を設けた点と、
絞り度の大きい流量絞り弁９とバッファタンク１７とを
除去した点である。

【００１８】このように構成することにより、ヘリウム
圧縮機３で圧縮された高圧ガスは通常運転では高圧回路
内に設けられた絞り度の小さい流量絞り弁８を通り、若
干降圧され、電磁弁１０ａと高圧管路Ｌ２とを経て、極
低温用膨張機内のジュールトムソンループ４からヘリウ
ムタンク１８に導かれる。一方、ヘリウムタンク１８で
蒸発したヘリウムガスはジュールトムソンループ４から
低圧管路Ｌ１を経て、ヘリウム圧縮機３の低圧回路１に
戻る。

【００１９】また、励消磁時等の過剰負荷時には、ヘリ
ウムタンク１８で通常よりも余分に発生し、通常よりも
圧力の高くなったヘリウムガスは第２低圧調整弁１３に
より減圧される。このため、ヘリウム圧縮機３の取入側
のヘリウム圧縮機吸込口２１の圧力はほぼ一定な低圧値
に保たれる。また、高圧回路２においては、電磁弁１０
ｂを経由させることにより、ジュールトムソンループ４
へ高圧ヘリウムが送られる。

【００２０】この場合、ヘリウムタンク１８で発生した
余分のヘリウムガスは一時的にヘリウムタンク１８に蓄
積されヘリウムタンク１８の内圧は高くなるが、この余
剰のヘリウムガスは過剰負荷の発生が終了した後にヘリ
ウム液化装置７の余剰能力により再液化される。すなわ
ち、ヘリウムタンク内で発生した過渡的な発熱エネルギ
をヘリウムタンク１８の内圧を上昇させることによりヘ
リウムタンク内のヘリウムのエンタルピー増加として保
持させることになる。これにより、このヘリウム液化装
置７では、低圧側のヘリウム流量と高圧側のヘリウム流
量とが等しくなる。したがって、このヘリウム液化装置
７の運転効率（冷凍能力）は通常運転時と等しく最大の
まま維持することができる。

【００２１】なお、本発明は前記実施形態に限定される
ものではない。前記実施形態は例示であり、本発明の特
許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な
構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなる
ものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ヘリウム液化装置のヘリウム圧縮機の取入れ側に圧力を
低圧に維持するための弁を設け、バッファタンクへの出
入りをなくしたので、低圧側のヘリウム流量と高圧側の
ヘリウム流量とが等しくなり、ヘリウム液化装置の運転
効率又は冷凍能力は通常運転時と等しく最大のまま維持
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施形態であるヘリウム液化装置の
構成を示すブロック図である。

【図２】従来のヘリウム液化装置の構成を示すブロック
図である。

【符号の説明】

１，１Ａ 低圧回路 ２ 高圧回路 ３，３Ａ ヘリウム圧縮機 ４ ジュールトムソンループ ５ 膨張機部 ６ 極低温用膨張機 ７ ヘリウム液化装置 ８，９ 流量絞り弁 １０ａ，１０ｂ 電磁弁 １１ 第１低圧調整弁 １２ 高圧保圧弁 １３ 第２低圧調整弁 １４ 熱交換器 １５ 膨張機冷熱発生部 １６ ジュールトムソン弁 １７ バッファタンク １８ ヘリウムタンク １９ 超電導コイル ２０ 超電導磁石 ２１ ヘリウム圧縮機吸込口 Ｌ１ 低圧管路 Ｌ２ 高圧管路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 富田 優 東京都国分寺市光町二丁目８番地38 財団 法人鉄道総合技術研究所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被冷却物に供給する液体ヘリウムを蓄積
   するヘリウムタンクと、ジュールトムソン効果により高
   圧ヘリウムガスから該液体ヘリウムを生成するジュール
   トムソンループと、該ジュールトムソンループと低圧管
   路により接続される低圧回路と、該低圧回路に接続され
   ヘリウムガスを圧縮して高圧ヘリウムガスにするヘリウ
   ム圧縮機と、該ヘリウム圧縮機に接続されるとともに該
   ジュールトムソンループと高圧管路により接続される高
   圧回路を備えたヘリウム液化装置において、 該ヘリウム圧縮機の取入側の圧力を低圧に維持するため
   の弁を設けたことを特徴とするヘリウム液化装置。