JPH11118349A - ヘリウムガス凝縮液化装置 - Google Patents

ヘリウムガス凝縮液化装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 液体ヘリウム装置2などにおける蒸発ガ
スを再凝縮して液体ヘリウム面を保持するとともに、必
要に応じて外部からのヘリウムガスを液化する冷凍能力
を高めることができるヘリウムガス凝縮液化装置を提供
すること。 【解決手段】 少なくとも2台のGM冷凍機4、5を用
いてヘリウムガスを液体ヘリウムに凝縮液化するに際
し、第1のGM冷凍機4および第2のGM冷凍機5の第
1段冷却ステージ7、9および第2段冷却ステージ8、
10(最終段冷却ステージ)においてヘリウムガス温度
を順次低下させて冷却することに着目したもので、一方
の冷凍機4の最終段冷却ステージ8を第1の冷却温度と
するとともに、他方の冷凍機5の最終段冷却ステージ1
0を第1の冷却温度より低い第2の冷却温度に運転可能
とし、凝縮器21を他方の冷凍機5における第2の冷却
温度にある最終冷却ステージ10に熱接触させたことを
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】本発明はヘリウムガス凝縮液
化装置にかかるもので、とくに液来ヘリウムレベルの温
度(大気圧で温度4.2K)にヘリウムガスを冷却可能
な蓄冷式冷凍機(たとえばGM冷凍機など)その他の冷
凍機を用いて、ヘリウムガスを液体ヘリウムに凝縮液化
可能なヘリウムガス凝縮液化装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来から、液体ヘリウムを使用する各種
の液体ヘリウム装置、たとえば超電導磁石、SQUID
(超電導量子干渉デバイス)およびMRI(磁気共鳴
像)、などにおいては、蒸発して消費される液体ヘリウ
ムの補給が問題となる。この液体ヘリウムの補給システ
ムとして、たとえばヘリウムガスを液体ヘリウムに冷却
可能な冷凍機を装備することにより、蒸発ガスを再凝縮
し、補給なしで連続的に運転することが可能になる。ま
た、何らかの理由により液体ヘリウムの量が減少した場
合に、外部から供給されるヘリウムガスを液化してこれ
を補充する追加的な液化システムが必要となる。すなわ
ち、液体ヘリウムの補給システムに装備するヘリウム冷
凍機としては、再凝縮運転モード、さらに、追加的液化
運転モードないし液化運転モードの両方の運転モードが
要求されるケースが多い。
【0003】上述のような液体ヘリウム補給システム用
のヘリウム冷凍機として温度4Kレベルに冷却可能なG
M冷凍機(4K−GM冷凍機)などの蓄冷式冷凍機を使
用することができるが、1台当たりの冷凍能力に限界が
あり、要求される冷凍能力が大きな場合には、複数台の
冷凍機を用いることになる。
【0004】なお、ヘリウムガスを単純に液化するため
のヘリウムガス液化装置においても、上述と同様にヘリ
ウムガスを液化する機能はもちろん、蒸発ガスを再凝縮
する機能を要求される場合がある。
【0005】図8は、温度4Kレベルの冷凍能力を有す
る蓄冷式冷凍機(たとえばGM冷凍機)を複数台(たと
えば2台)用いた場合の一般的なヘリウムガス凝縮液化
装置1の概略側面図であって、ヘリウムガス凝縮液化装
置1は、液体ヘリウム装置2(液体ヘリウム容器)から
蒸発するヘリウムガスを再凝縮して液体ヘリウムとする
とともに、外部からヘリウムガスを補充してこれを液体
ヘリウムとして供給することができるもので、クライオ
スタット3と、2台のGM冷凍機(第1のGM冷凍機4
および第2のGM冷凍機5)と、凝縮器6と、を有す
る。
【0006】液体ヘリウム装置2は、液体ヘリウムを使
用する、たとえば超電導磁石、SQUID(超電導量子
干渉デバイス)、MRI(磁気共鳴像)、あるいはヘリ
ウムガスの液化装置などである。
【0007】クライオスタット3は、その内部にヘリウ
ムガス凝縮液化装置1とともに液体ヘリウム装置2を収
容してある。
【0008】第1のGM冷凍機4および第2のGM冷凍
機5は、同一の構成を有するとともにこれを並列的に使
用するもので、第1のGM冷凍機4は第1段冷却ステー
ジ7および第2段冷却ステージ8を、第2のGM冷凍機
5は第1段冷却ステージ9および第2段冷却ステージ1
0をそれぞれ有する。それぞれの第1段冷却ステージ7
および第1段冷却ステージ9を熱伝導性の良好な第1段
熱接触部材11により互いに熱接触させる。第2段冷却
ステージ8および第2段冷却ステージ10を同じく熱伝
導性の良好な第2段熱接触部材12により互いに熱接触
させる。
【0009】第1のGM冷凍機4および第2のGM冷凍
機5の運転によって、第1段冷却ステージ7および第1
段冷却ステージ9(第1段熱接触部材11)は通常、温
度30K〜60K程度に冷却され、第2段冷却ステージ
8および第2段冷却ステージ10(第2段熱接触部材1
2)は、温度4K程度に冷却される。
【0010】凝縮器6は、これを第2段冷却ステージ8
および第2段冷却ステージ10(第2段熱接触部材1
2)に熱接触させてあるもので、外部からのヘリウムガ
スの供給配管13(予冷配管)、液体ヘリウム装置2か
らの蒸発配管14、および液体ヘリウム装置2への液化
配管15を接続してある。
【0011】供給配管13には、第1段冷却ステージ7
および第1段冷却ステージ9の部分において第1の熱交
換器16を設け、第2段冷却ステージ8および第2段冷
却ステージ10の部分において第2の熱交換器17を設
けてある。これら第1の熱交換器16および第2の熱交
換器17の構成としては、第1のGM冷凍機4および第
2のGM冷凍機5のステンレス製のシリンダーに銅製円
筒状の熱負荷フランジをロウ付けし、この熱負荷フラン
ジに供給配管13の部分の銅管をコイル状に巻き付ける
とともにロウ付けて予冷用の構成とするのが一般的であ
る。
【0012】こうした構成のヘリウムガス凝縮液化装置
1において、ヘリウムの蒸発ガスを再凝縮して液体ヘリ
ウム装置2内の液面を一定に保持する再凝縮運転モード
の場合、蒸発したヘリウムガスを低温状態のまま蒸発配
管14を介して凝縮器6に導いて再凝縮する。この再凝
縮運転モードの場合には、供給配管13を介した外部か
らのヘリウムガスの供給は行われず、基本的に、温度
4.2Kの蒸発ヘリウムガスを凝縮して温度4.2Kの
液体ヘリウムにするだけであり、凝縮器6における熱負
荷は、ヘリウムガスの蒸発潜熱量のみである。
【0013】液体ヘリウム装置2内の液面が低下してヘ
リウムを追加液化する追加液化運転モードの場合、ある
いは運転当初に液体ヘリウム装置2内に液体ヘリウムを
充填するような液化運転モード場合には、ヘリウムボン
ベ(図示せず)などからの常温のヘリウムガスを供給配
管13からヘリウムガス凝縮液化装置1に供給し、第1
段冷却ステージ7および第1段冷却ステージ9の第1の
熱交換器16の部分で温度約40Kまで予冷し、次の第
2段冷却ステージ8および第2段冷却ステージ10の第
2の熱交換器17の部分における凝縮器6で温度約4.
2Kに冷却して凝縮液化し、液化配管15を介して液体
ヘリウムとして液体ヘリウム装置2に補充ないし充填す
る。
【0014】上述のような液化運転モードの場合には、
再凝縮運転モードの場合とは異なり、第2段冷却ステー
ジ8および第2段冷却ステージ10における熱負荷は、
第1段冷却ステージ7および第1段冷却ステージ9の温
度に予冷されたヘリウムガスをさらに液化温度まで冷却
するために必要とする顕熱量と、液化温度にあるヘリウ
ムガスを凝縮して液体ヘリウムとするために必要とする
蒸発潜熱量との和となる。ヘリウムガスの顕熱量は比較
的大きいため、第1のGM冷凍機4および第2のGM冷
凍機5におけるそれぞれの第2段冷却ステージ8および
第2段冷却ステージ10の冷凍能力は、かなりの部分を
この顕熱量分の冷却に費やされることになる。
【0015】たとえば、1気圧のヘリウムガスを液化す
る場合、第1段冷却ステージ7および第1段冷却ステー
ジ9の温度を40Kとすると、温度40Kのヘリウムガ
スを温度4.2Kのヘリウムガスに冷却するための顕熱
量は、温度40Kのヘリウムガスのエンタルピーが22
3ジュール/グラム、温度4.2Kのヘリウムガスのエ
ンタルピーが30ジュール/グラムであるから、223
−30=193ジュール/グラムとなる。また、温度
4.2Kのヘリウムガスを同じ温度の液体ヘリウムにす
るための潜熱量は、温度4.2Kの液体ヘリウムのエン
タルピーが10.1ジュール/グラムであるから、30
−10.1=19.9ジュール/グラムとなる。上記顕
熱量とこの潜熱量との比は、193:19.9≒10:
1にもなる。すなわち、液化速度でみれば、再凝縮運転
モードでは、たとえば1リットル/日だけの液体ヘリウ
ムを得ることができるが、液化運転モードでは、1/1
1リットル/日しか液化することができないことにな
る。
【0016】具体的な流量を計算してみると、図8のヘ
リウムガス凝縮液化装置1において2台の第1のGM冷
凍機4および第2のGM冷凍機5を並列に組み合わせて
冷凍能力を上げようとする場合、1台の第2段冷却ステ
ージにおける冷凍能力(熱負荷)を1ワットとすると、
2台を組み合わせた場合に温度4Kレベルにおける冷凍
能力は、1+1=2ワットである。実際の熱負荷は、温
度40Kのヘリウムガスを温度4.2Kの液体ヘリウム
にするのであるから、(223−10.1)×流量とな
る。したがって、2=(223−10.1)×流量、の
式から、流量=2/212.9=0.0094グラム/
秒、つまり毎秒0.0094グラムの液体ヘリウムしか
得られないことになる。
【0017】要するに、要求される冷凍能力を高めるた
めに複数台の第1のGM冷凍機4および第2のGM冷凍
機5を使用する場合に、これを単純に並列に接続して運
転する構成では、それほど冷凍能力を高めることにはな
らず、冷凍能力を向上可能なヘリウムガス凝縮液化装置
が要請されるものである。
【0018】
【発明が解決しようとする課題】本発明は以上のような
諸問題にかんがみなされたもので、液体ヘリウム装置な
どにおける蒸発ガスを再凝縮して液体ヘリウム面を保持
するとともに、必要に応じて外部からヘリウムガスを供
給して追加液化することができるヘリウムガス凝縮液化
装置を提供することを課題とする。
【0019】また本発明は、液化能力を高めることが可
能なヘリウムガス凝縮液化装置を提供することを課題と
する。
【0020】また本発明は、必要に応じて能率よくヘリ
ウムガスを液体ヘリウムに凝縮液化することができるヘ
リウムガス凝縮液化装置を提供することを課題とする。
【0021】
【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、少な
くとも2台のGM冷凍機を用いてヘリウムガスを液体ヘ
リウムに凝縮液化するに際し、第1のGM冷凍機および
第2のGM冷凍機の第1段冷却ステージおよび第2段冷
却ステージ(最終段冷却ステージ)においてヘリウムガ
ス温度を順次低下させて冷却することに着目したもの
で、第一の発明は、少なくとも二段の冷却ステージを有
するとともにその最終段冷却ステージを液体ヘリウム温
度とすることができる冷凍機を少なくとも2台用いるこ
とにより、上記最終段冷却ステージに熱接触させた凝縮
器においてヘリウムガスを凝縮液化可能なヘリウムガス
凝縮液化装置であって、上記一方の冷凍機の最終段冷却
ステージを第1の冷却温度とするとともに、上記他方の
冷凍機の最終段冷却ステージをこの第1の冷却温度より
低い第2の冷却温度に運転可能とし、上記凝縮器を上記
他方の冷凍機におけるこの第2の冷却温度にある最終冷
却ステージに熱接触させたことを特徴とするヘリウムガ
ス凝縮液化装置である。
【0022】上記一方の冷凍機の第1段冷却ステージを
第1の冷却温度とするとともに上記他方の冷凍機の第1
段冷却ステージをこの第1の冷却温度より低い第2の冷
却温度に運転可能とし、外部から供給される前記ヘリウ
ムガスがこの第1の冷却温度の第1段冷却ステージおよ
びこの第2の冷却温度の第1段冷却ステージとそれぞれ
順次熱交換可能とすることができる。
【0023】上記冷凍機の冷却ステージに熱接触可能に
外部から供給される上記ヘリウムガスを、上記少なくと
も2台の冷凍機の第1段冷却ステージにそれぞれ熱交換
可能に室温部から供給する予冷配管を設け、これらの予
冷配管の少なくとも一方に流量調節弁を設けることがで
きる。
【0024】上記凝縮器は、これを上記それぞれの冷凍
機の上記最終冷却ステージにそれぞれ設けるとともに、
一方の凝縮器と他方の凝縮器との間を上記ヘリウムガス
および液体ヘリウムが流れるように配管接続することが
できる。
【0025】上記ヘリウムガスの精製器を上記冷凍機の
上流側に取り付けるとともに、上記冷凍機によって冷却
される低温精製器として、ヘリウムガス中の不純物を除
去することができる。
【0026】上記冷凍機の少なくとも一方の第1段冷却
ステージに電気ヒーターなどの加熱手段を設けることが
できる。
【0027】第二の発明は、ふたつの凝縮器をそれぞれ
熱的に独立して最終段冷却ステージに熱接触することに
着目したもので、少なくとも二段の冷却ステージを有す
るとともにその最終段冷却ステージを液体ヘリウム温度
とすることができる冷凍機を少なくとも2台用いること
により、上記最終段冷却ステージに熱接触させた凝縮器
においてヘリウムガスを凝縮液化可能なヘリウムガス凝
縮液化装置であって、上記凝縮器は、これを上記それぞ
れの冷凍機の上記最終冷却ステージにそれぞれ設け、か
つ互いに熱的に分離するとともに、これら凝縮器の互い
の間にガス相配管および混相配管を接続したことを特徴
とするヘリウムガス凝縮液化装置である。
【0028】本発明によるヘリウムガス凝縮液化装置に
おいては、第1のGM冷凍機および第2のGM冷凍機の
第1段冷却ステージおよび第2段冷却ステージ(最終段
冷却ステージ)においてヘリウムガス温度を順次低下さ
せて冷却するようにしたので、それぞれの冷却ステージ
の間における冷却温度差を小さくし、能率的な冷却を可
能とする。換言すれば、高温部から低温部にいきなり冷
却するのではなく、徐々に低温に冷却し、より低い温度
で有効に機能するGM冷凍機を活用するようにしたの
で、ヘリウムガス凝縮液化装置としての冷凍能力を増強
することができる。
【0029】また第二の発明においては、ふたつの凝縮
器を熱的に独立に最終段冷却ステージに熱接触するよう
にしたので、再凝縮運転モード(ヘリウムガスを液体ヘ
リウム装置からの蒸発ガスとして凝縮器に直接供給可能
とする場合)のみを行う場合は2台の冷凍機ともに第2
段冷却ステージは約4Kの温度となり、蒸発ガスはどち
らの凝縮器にも流入して凝縮される。すなわち、凝縮器
を2個設けたことにより、2台分の冷凍能力で凝縮を行
うことができる。一方、液化運転モード(ヘリウムガス
を外部から第1段冷却ステージを経て順次供給する場
合)では、前段の凝縮器は、たとえば約6Kの温度とな
って凝縮作用は行わず、外部から供給されるヘリウムガ
スを温度6Kに予冷する役割を担うことになり、凝縮器
が1個だけの場合と同じように最終段の凝縮器が凝縮液
化の役割を行うことになる。
【0030】本発明によるヘリウムガス凝縮液化装置
は、液体ヘリウムを使用する各種の液体ヘリウム装置、
たとえば超電導磁石、SQUID(超電導量子干渉デバ
イス)、MRI(磁気共鳴像)用のヘリウム液面保持装
置としてはもちろん、ヘリウムガスの液化装置としても
使用可能である。
【0031】
【発明の実施の形態】つぎに本発明の第1の(基本的
な)実施の形態によるヘリウムガス凝縮液化装置20を
図1にもとづき説明する。ただし、図8と同様の部分に
は同一符号を付し、その詳述はこれを省略する。図1
は、ヘリウムガス凝縮液化装置20の概略側面図であっ
て、ヘリウムガス凝縮液化装置20は、ヘリウムガス凝
縮液化装置1(図8)とは異なり、凝縮器6に相当する
凝縮器21を第2のGM冷凍機5の第2段冷却ステージ
10のみに設けてこれに熱接触させてある。第1のGM
冷凍器4の第2段冷却ステージ8には凝縮器を設けてい
ない。
【0032】すなわち、供給配管13の第1の熱交換器
16を第1段冷却ステージ7および第1段冷却ステージ
9に熱接触させるとともに、第2の熱交換器17は第2
段冷却ステージ8および第2段冷却ステージ10に共通
ではなく第2段冷却ステージ8のみに熱接触させてあ
る。つまり、第2段冷却ステージ8および第2段冷却ス
テージ10を第2段熱接触部材12(図8)などで熱的
に接触させることなく、第2段冷却ステージ8および第
2段冷却ステージ10が異なる冷却温度で運転すること
ができるようにする。たとえば、第2段冷却ステージ8
における第2の熱交換器17は温度6Kレベル(第1の
冷却温度)でヘリウムガスを冷却し、第2段冷却ステー
ジ10は温度4Kレベル(第2の冷却温度)でヘリウム
ガスを冷却する。
【0033】こうした構成のヘリウムガス凝縮液化装置
20において、追加液化運転モードの場合、第1段冷却
ステージ7および第1段冷却ステージ9の第1の熱交換
器16の部分で予冷されたヘリウムガスは、従来のよう
にいきなり温度4Kレベルに冷却されるのではなく、第
2段冷却ステージ8(第2の熱交換器17)の部分にお
いて一度温度6Kに冷却された上で第2のGM冷凍機5
の第2段冷却ステージ10において温度4Kに冷却され
るので、第2段冷却ステージ10の部分における冷却能
率を向上させることができる。
【0034】具体的な流量を計算してみると、1台の第
2のGM冷凍機5の第2段冷却ステージ10における冷
凍能力(熱負荷)を1ワットとする。実際の熱負荷は、
温度6Kのヘリウムガスのエンタルピーが43ジュール
/グラムであるから、温度6Kのヘリウムガスを温度
4.2Kの液体ヘリウムにするのであるから、(43−
10.1)×流量となる。したがって、1=(43−1
0.1)×流量、の式から、流量=1/32.9=0.
0304グラム/秒、つまり毎秒0.0304グラムの
液体ヘリウムを得ることができる。図8のヘリウムガス
凝縮液化装置1の場合には、GM冷凍機4、5の2台で
0.0094グラム/秒であるから、本実施の形態のヘ
リウムガス凝縮液化装置20のように第2段冷却ステー
ジ8および第2段冷却ステージ10を分離して使用する
場合の方が液化能力を増強することができる。
【0035】なお、再凝縮運転モードの場合には、蒸発
配管14からの蒸発ヘリウムガスの凝縮能率は、ヘリウ
ムガス凝縮液化装置1(図8)の場合の約半分となる。
上述のように、追加液化運転モードにおける能率を大幅
に向上させると同時に、再凝縮運転モードでの凝縮能率
も維持したい場合には、後述するように、2台の冷凍機
のそれぞれに凝縮器を設ければよい。
【0036】図2は、本発明の第2の実施の形態による
ヘリウムガス凝縮液化装置30の概略側面図であって、
ヘリウムガス凝縮液化装置20(図1)のように第2段
冷却ステージ8および第2段冷却ステージ10の分離の
みではなく、第1段冷却ステージ7および第1段冷却ス
テージ9もこれを熱的に分離した構成としてある。すな
わち、ヘリウムガス凝縮液化装置30は、第2段冷却ス
テージ10のみに凝縮器21を熱接触してあるととも
に、供給配管13の第1の熱交換器16を分離して、第
1段冷却ステージ7に熱接触している第1の熱交換器3
1、および第1の熱交換器31とは独立に第1段冷却ス
テージ9に熱接触している第2の熱交換器32を設けて
いる。したがって、供給配管13の第1の熱交換器3
1、第2の熱交換器32および第2の熱交換器17は、
直列に接続されていることになる。
【0037】こうした構成のヘリウムガス凝縮液化装置
30において、たとえば図示のように第1のGM冷凍機
4の第1段冷却ステージ7を温度60K(図1のヘリウ
ムガス凝縮液化装置20とは異なり第1の熱交換器31
は第1のGM冷凍機4のみに熱接触しているので、温度
40Kまでには低下しない)、第2のGM冷凍機5の第
1段冷却ステージ9を温度35K、第1のGM冷凍機4
の第2段冷却ステージ8を温度6K、さらに第2のGM
冷凍機5の第2段冷却ステージ10および凝縮器21を
温度4Kに保持して運転することが可能となり、供給配
管13からの常温のヘリウムガスを段階的に冷却するこ
とができ、さらに冷却能率を向上することができる。
【0038】すなわち、図1のヘリウムガス凝縮液化装
置20の場合に比較して、ヘリウムガス凝縮液化装置3
0では、第1のGM冷凍機4の第1段冷却ステージ7か
ら第2のGM冷凍機5の第1段冷却ステージ9へと順次
冷却していくため、ヘリウムガスをより低い温度で第1
のGM冷凍機4の第2段冷却ステージ8へ送り込むこと
ができる。
【0039】ただし、第2のGM冷凍機5の第1段冷却
ステージ9の温度が低くなりすぎると、第1段冷却ステ
ージ9にヘリウムガスがより多く通過する結果、その第
2段冷却ステージ10へのヘリウムガスの供給量が減少
して、第2段冷却ステージ10の冷凍能力が低下するお
それがある。図3は、4K−GM冷凍機の冷凍性能試験
のグラフであって、グラフ中の縦方向の一群のプロット
は、第1段冷却ステージの熱負荷が0ワット、20ワッ
ト、40ワットの場合を示し、グラフ中の横方向の一群
のプロットは、第2段冷却ステージの熱負荷が0ワッ
ト、2ワット、4ワット、6ワット、8ワット、10ワ
ット、12ワットの場合を示している。たとえば、第1
段冷却ステージおよび第2段冷却ステージともに無負荷
(熱負荷が0ワット)で運転した場合、第1段冷却ステ
ージの温度が約21K、第2段冷却ステージの温度が約
3Kで安定することを示しており、また図1のヘリウム
ガス凝縮液化装置20の場合のように第1段冷却ステー
ジ7(第1段冷却ステージ9)を温度40K、第2段冷
却ステージ8を温度6Kで運転した場合には、第1段冷
却ステージ7(第1段冷却ステージ9)の熱負荷は約3
7ワット、第2段冷却ステージ8の熱負荷は約3.5ワ
ットであることを示している。図3に示すように、同じ
熱負荷で第1段冷却ステージ9を運転している前提でそ
の温度がより低くなると、第2段冷却ステージ10の部
分の冷凍能力が低下してしまうことになる。
【0040】図4は、本発明の第3の実施の形態による
ヘリウムガス凝縮液化装置40の概略側面図であって、
ヘリウムガス凝縮液化装置40では第1のGM冷凍機4
および第2のGM冷凍機5へのヘリウムガスの供給量を
調整可能とすることにより、第2のGM冷凍機5の第1
段冷却ステージ9の温度を調整しやすくして、第2段冷
却ステージ10の部分の冷凍能力が低下してしまうこと
を防止可能としている。すなわち、ヘリウムガス凝縮液
化装置40においては、ヘリウムガス凝縮液化装置30
(図2)に加えて、供給配管13を第1のGM冷凍機側
予冷配管41および第2のGM冷凍機側予冷配管42に
分岐して第1のGM冷凍機4への配管をバイパスして第
2のGM冷凍機5にも直接ヘリウムガスを供給可能とす
るとともに、第2のGM冷凍機側予冷配管42に流量調
節弁43を設けて、第1のGM冷凍機4および第2のG
M冷凍機5へのヘリウムガスの流量を調節可能としてあ
る。
【0041】こうした構成のヘリウムガス凝縮液化装置
40においては、第1のGM冷凍機4および第2のGM
冷凍機5へのヘリウムガスの供給量を、たとえば1:1
あるいは2:1などと任意に配分することができるの
で、第1のGM冷凍機4および第2のGM冷凍機5の第
2段冷却ステージ8および第2段冷却ステージ10の冷
凍能力を最適化することができる。
【0042】すなわち、図3に示したように、第2段冷
却ステージ8あるいは第2段冷却ステージ10の冷凍能
力は第1段冷却ステージ7あるいは第1段冷却ステージ
9におけるそれぞれの温度の影響を受けることになる。
そこで、流量調節弁43を操作して第1のGM冷凍機4
および第2のGM冷凍機5へのヘリウムガスの流量配分
を調節することにより、第1段冷却ステージ7および第
1段冷却ステージ9の冷凍負荷すなわち温度を調節し
て、第2段冷却ステージ8および第2段冷却ステージ1
0の冷凍能力がより大となるように適正化し、追加液化
運転モードの性能を向上させることができる。
【0043】図5は、本発明の第4の実施の形態による
ヘリウムガス凝縮液化装置50の概略側面図であって、
ヘリウムガス凝縮液化装置50においては、ヘリウムガ
ス凝縮液化装置40(図4)に加えて、第2のGM冷凍
機5の第2段冷却ステージ10に熱接触している凝縮器
21(第2の凝縮器)とは熱的に独立して、第1のGM
冷凍機4の第2段冷却ステージ8にも凝縮器51(第1
の凝縮器)を熱接触してある。凝縮器51には、温度6
K(あるいは4K、後述)の第2段冷却ステージ8が熱
接触しているとともに、凝縮器21との間にガス相配管
52および混相配管53を接続してある。
【0044】ガス相配管52は、凝縮器51のガス相部
と凝縮器21の上方に位置するガス相部とを接続してい
る。混相配管53は、再凝縮運転モード時には、液体お
よびガスが、液化運転モード時においてはガスが流れ、
凝縮器21のガス相部に接続している。
【0045】なお、少なくとも第1のGM冷凍機4の第
1段冷却ステージ7あるいは第2のGM冷凍機5の第1
段冷却ステージ9に電気ヒーター54(加熱手段)を設
け、必要に応じて第1段冷却ステージ7あるいは第1段
冷却ステージ9の温度をより高く調節可能として、第2
段冷却ステージ8あるいは第2段冷却ステージ10の冷
凍能力の効率化を図る。
【0046】また、凝縮器51を設けてある第2段冷却
ステージ8の部分に第2の熱交換器17を設け、ヘリウ
ムガスの予冷を確実に行うことができるようにしてあ
る。
【0047】こうした構成のヘリウムガス凝縮液化装置
50において、再凝縮運転モードの場合には、液体ヘリ
ウム装置2から蒸発したヘリウムガスは、蒸発配管14
を介して凝縮器21内、あるいはさらにガス相配管52
を通って凝縮器51内のいずれにおいても冷却されて再
凝縮され、凝縮器51から混相配管53を通って、ある
いは凝縮器21から直接、液化配管15から液体ヘリウ
ム装置2に至る。なお、この再凝縮運転モードの場合に
は、第1のGM冷凍機4の第2段冷却ステージ8および
第2のGM冷凍機5の第2段冷却ステージ10いずれも
が温度約4.2Kで運転される(図中カッコ内、および
ガス相配管52における点線の矢印参照)。したがっ
て、再凝縮能力としては、図8のヘリウムガス凝縮液化
装置1の場合ととくに変わるところはない。
【0048】ヘリウムガスを供給配管13から供給する
液化運転モードの場合は、ヘリウムガス凝縮液化装置4
0(図4)の場合と同様に、第1のGM冷凍機4の第1
段冷却ステージ7および第2のGM冷凍機5の第1段冷
却ステージ9において予冷され、第1のGM冷凍機4の
第2段冷却ステージ8において温度6Kに冷却された上
で第2のGM冷凍機5の第2段冷却ステージ10におい
て温度約4.2Kで最後に液体ヘリウムに凝縮液化され
る(図中、ガス相配管52における実線の矢印参照)。
なお、液化運転モードが主体の場合には、凝縮器51は
これを設けなくても構わない。
【0049】かくして、このヘリウムガス凝縮液化装置
50においては、再凝縮運転モードおよび液化運転モー
ドのいずれの場合にも良好な冷凍能力で運転可能であ
る。
【0050】なお、第1のGM冷凍機4および第2のG
M冷凍機5において、第1段冷却ステージ7および第1
段冷却ステージ9の温度が低すぎる場合、第1段冷却ス
テージ7および第1段冷却ステージ9におけるヘリウム
ガスの流量が増加し、第1のGM冷凍機4および第2の
GM冷凍機5における圧縮器流量の配分として第2段冷
却ステージ8および第2段冷却ステージ10に供給され
るヘリウムガスの流量分が低下するため、第2段冷却ス
テージ8および第2段冷却ステージ10の冷凍能力が低
下する傾向を示すことが多い。そこで、ヘリウムガス凝
縮液化装置50においては、第1段冷却ステージ7およ
び第1段冷却ステージ9の冷凍能力に余裕があって第1
段冷却ステージ7および第1段冷却ステージ9の温度が
低くなりすぎる場合には、電気ヒーター54により、た
とえば第1段冷却ステージ9の温度を上昇させ、第2段
冷却ステージ8および第2段冷却ステージ10の冷凍能
力を向上させることができる。
【0051】図6は、本発明の第5の実施の形態による
ヘリウムガス凝縮液化装置60の概略側面図であって、
ヘリウムガス凝縮液化装置60においては、ヘリウムガ
ス凝縮液化装置50(図5)に加えてヘリウムガスの精
製器61を第1のGM冷凍機4の上流側に設けてある。
精製器61は、その内部に活性炭を収容し、供給配管1
3からのヘリウムガス中の不純物を吸着除去することに
より、下流側への不純物の流入を防止し、冷却によるそ
の固化を回避する。精製器61は、これを冷却するほど
精製能力が高まるので、第1のGM冷凍機4の第1段冷
却ステージ7においてこれを冷却可能としている。
【0052】すなわち、精製器61と第1のGM冷凍機
4の第1段冷却ステージ7との間に精製器用熱接触部材
62を設けてこれを冷却可能とし、供給配管13からま
ず精製器61にヘリウムガスを供給可能とし、精製器6
1において精製されたヘリウムガスを精製器側予冷配管
63および熱交換器64を通し、さらに第2のGM冷凍
機側予冷配管42の流量調節弁43を介して、第2のG
M冷凍機5の第1段冷却ステージ9に供給可能とする。
また、精製器側予冷配管63から冷凍機側予冷配管65
を分岐させ、第1の熱交換器31および流量調節弁66
を介して第2の熱交換器32に至る。
【0053】こうした構成のヘリウムガス凝縮液化装置
60においては、精製器61を第1のGM冷凍機4の第
1段冷却ステージ7において冷却しつつヘリウムガス中
の不純物を除去して安定した運転を保証することができ
る。精製器61を再生する場合には、流量調節弁66お
よび流量調節弁43を閉鎖し、第1のGM冷凍機4を停
止・昇温する。第2のGM冷凍機5はそのまま冷却運転
を継続し、蒸発ガスの再凝縮作用を続行することができ
る。
【0054】図7は、本発明の第6の実施の形態による
ヘリウムガス凝縮液化装置70の概略側面図であって、
第1のGM冷凍機4および第2のGM冷凍機5に加えて
さらに第3のGM冷凍機71を設け、3台の冷凍機4、
5、71で冷却する場合を示す。すなわち、第3のGM
冷凍機71は、第1段冷却ステージ72および第2段冷
却ステージ73を有して、第2段冷却ステージ73に凝
縮器21を熱接触してある。
【0055】さらにこの実施の形態においては、より単
純化を図るために、図8に示したヘリウムガス凝縮液化
装置1のように、第1段熱接触部材11および第2段熱
接触部材12により第1のGM冷凍機4と第2のGM冷
凍機5とを第1段冷却ステージ7および第1段冷却ステ
ージ9において、ならびに第2段冷却ステージ10およ
び第2段冷却ステージ73においてそれぞれ熱的に一体
化し、第2段熱接触部材12に単一の凝縮器21を設け
る。また、図2に示したヘリウムガス凝縮液化装置30
のように、第1の熱交換器31および第2の熱交換器3
2を設けるとともに、第3のGM冷凍機71の第1段冷
却ステージ72に第3の熱交換器74を設け、図4に示
したヘリウムガス凝縮液化装置40のように、流量調節
弁43を設けてある。
【0056】こうした構成のヘリウムガス凝縮液化装置
70においては、たとえば第1のGM冷凍機4の第1段
冷却ステージ7および第2のGM冷凍機5の第1段冷却
ステージ9で温度50K、第3のGM冷凍機71の第1
段冷却ステージ72で温度30Kのように、順次低温と
し、複数段による冷却効率の向上を図ることができる。
以下、同様にして任意の複数台のGM冷凍機を用いた場
合にもカスケード式に順次ヘリウムガスの温度を低下さ
せて、冷凍能力の増強を図ることも可能である。
【0057】上述のいずれの実施の形態によるヘリウム
ガス凝縮液化装置20(図1)、30(図2)、40
(図4)、50(図5)、60(図6)、70(図7)
も液体ヘリウム装置2の種類および条件、第1のGM冷
凍機4および第2のGM冷凍機5の種類や運転条件、そ
の他要請される諸条件に応じて任意に選択して実施可能
であるとともに、それぞれの構成の要素を任意に組み合
わせて適宜構成することも可能である。
【0058】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、少なくと
も2台のGM冷凍機の最終段冷却ステージにおける凝縮
器を熱的に分離し、ヘリウムガスを段階的に冷却する構
成としたので、冷凍能力を向上し、凝縮液化性能の増強
を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の、第1の(基本的な)実施の形態によ
るヘリウムガス凝縮液化装置20の概略側面図である。
【図2】本発明の第2の実施の形態によるヘリウムガス
凝縮液化装置30の概略側面図である。
【図3】一般の4K−GM冷凍機の冷凍性能試験のグラ
フである。
【図4】本発明の第3の実施の形態によるヘリウムガス
凝縮液化装置40の概略側面図である。
【図5】本発明の第4の実施の形態によるヘリウムガス
凝縮液化装置50の概略側面図である。
【図6】本発明の第5の実施の形態によるヘリウムガス
凝縮液化装置60の概略側面図である。
【図7】本発明の第6の実施の形態によるヘリウムガス
凝縮液化装置70の概略側面図である。
【図8】温度4Kレベルの冷凍能力を有する蓄冷式冷凍
機(たとえばGM冷凍機)を複数台(たとえば2台)用
いた場合の一般的なヘリウムガス凝縮液化装置1の概略
側面図である。
【符号の説明】
1 ヘリウムガス凝縮液化装置(図8) 2 液体ヘリウム装置(液体ヘリウム容器) 3 クライオスタット 4 第1のGM冷凍機(冷凍機) 5 第2のGM冷凍機(冷凍機) 6 凝縮器 7 第1のGM冷凍機4の第1段冷却ステージ 8 第1のGM冷凍機4の第2段冷却ステージ 9 第2のGM冷凍機5の第1段冷却ステージ 10 第2のGM冷凍機5の第2段冷却ステージ 11 第1段熱接触部材 12 第2段熱接触部材 13 ヘリウムガスの供給配管(予冷配管) 14 蒸発配管 15 液化配管 16 第1の熱交換器 17 第2の熱交換器 20 ヘリウムガス凝縮液化装置(第1の実施の形態、
図1) 21 凝縮器 30 ヘリウムガス凝縮液化装置(第2の実施の形態、
図2) 31 第1の熱交換器 32 第2の熱交換器 40 ヘリウムガス凝縮液化装置(第3の実施の形態、
図4) 41 第1のGM冷凍機側予冷配管(予冷配管) 42 第2のGM冷凍機側予冷配管(予冷配管) 43 流量調節弁 50 ヘリウムガス凝縮液化装置(第4の実施の形態、
図5) 51 凝縮器(第1の凝縮器) 52 ガス相配管 53 混相配管 54 電気ヒーター(加熱手段) 60 ヘリウムガス凝縮液化装置(第5の実施の形態、
図6) 61 ヘリウムガスの精製器 62 精製器用熱接触部材 63 精製器側予冷配管 64 熱交換器 65 冷凍機側予冷配管 66 流量調節弁 70 ヘリウムガス凝縮液化装置(第6の実施の形態、
図7) 71 第3のGM冷凍機(冷凍機) 72 第3のGM冷凍機71の第1段冷却ステージ 73 第3のGM冷凍機71の第2段冷却ステージ 74 第3の熱交換器

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 少なくとも二段の冷却ステージを有す
    るとともにその最終段冷却ステージを液体ヘリウム温度
    とすることができる冷凍機を少なくとも2台用いること
    により、前記最終段冷却ステージに熱接触させた凝縮器
    においてヘリウムガスを凝縮液化可能なヘリウムガス凝
    縮液化装置であって、 前記一方の冷凍機の最終段冷却ステージを第1の冷却温
    度とするとともに、前記他方の冷凍機の最終段冷却ステ
    ージをこの第1の冷却温度より低い第2の冷却温度に運
    転可能とし、 前記凝縮器を前記他方の冷凍機におけるこの第2の冷却
    温度にある最終冷却ステージに熱接触させたことを特徴
    とするヘリウムガス凝縮液化装置。
  2. 【請求項2】 前記一方の冷凍機の第1段冷却ステー
    ジを第1の冷却温度とするとともに前記他方の冷凍機の
    第1段冷却ステージをこの第1の冷却温度より低い第2
    の冷却温度に運転可能とし、 外部から供給される前記ヘリウムガスがこの第1の冷却
    温度の第1段冷却ステージおよびこの第2の冷却温度の
    第1段冷却ステージとそれぞれ順次熱交換可能としたこ
    とを特徴とする請求項1記載のヘリウムガス凝縮液化装
    置。
  3. 【請求項3】 前記冷凍機の冷却ステージに熱接触可
    能に外部から供給される前記ヘリウムガスを、前記少な
    くとも2台の冷凍機の第1段冷却ステージにそれぞれ熱
    交換可能に室温部から供給する予冷配管を設け、これら
    の予冷配管の少なくとも一方に流量調節弁を設けたこと
    を特徴とする請求項1記載のヘリウムガス凝縮液化装
    置。
  4. 【請求項4】 前記凝縮器は、これを前記それぞれの
    冷凍機の前記最終冷却ステージにそれぞれ設けるととも
    に、 一方の凝縮器と他方の凝縮器との間を前記ヘリウムガス
    および液体ヘリウムが流れるように配管接続したことを
    特徴とする請求項1記載のヘリウムガス凝縮液化装置。
  5. 【請求項5】 前記ヘリウムガスの精製器を前記冷凍
    機の上流側に取り付けるとともに、前記冷凍機により冷
    却される低温精製器としたことを特徴とする請求項1記
    載のヘリウムガス凝縮液化装置。
  6. 【請求項6】 前記冷凍機の少なくとも一方の第1段
    冷却ステージに加熱手段を設けたことを特徴とする請求
    項1記載のヘリウムガス凝縮液化装置。
  7. 【請求項7】 少なくとも二段の冷却ステージを有す
    るとともにその最終段冷却ステージを液体ヘリウム温度
    とすることができる冷凍機を少なくとも2台用いること
    により、前記最終段冷却ステージに熱接触させた凝縮器
    においてヘリウムガスを凝縮液化可能なヘリウムガス凝
    縮液化装置であって、 前記凝縮器は、これを前記それぞれの冷凍機の前記最終
    冷却ステージにそれぞれ設け、かつ互いに熱的に分離す
    るとともに、 これら凝縮器の互いの間にガス相配管および混相配管を
    接続したことを特徴とするヘリウムガス凝縮液化装置。
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