JPS59122868A - ネオンガスを利用したカスケ−ドタ−ボヘリウム冷凍液化装置 - Google Patents

ネオンガスを利用したカスケ−ドタ−ボヘリウム冷凍液化装置

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JPS59122868A
JPS59122868A JP57233113A JP23311382A JPS59122868A JP S59122868 A JPS59122868 A JP S59122868A JP 57233113 A JP57233113 A JP 57233113A JP 23311382 A JP23311382 A JP 23311382A JP S59122868 A JPS59122868 A JP S59122868A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はネオンガスを利用したカスケードターボヘリウ
ム冷凍液化装置に関するものである。
近年、超伝導技術の発達に伴い、液体ヘリウムの需要が
急速忙増大している。液体ヘリウムを生成するヘリウム
冷凍装置は、一般に圧縮機、熱交換器、膨張機から構成
されている。この内大形の冷凍装置の信頼性および効塞
を向上させる為多くの研究開発が行なわれ、特に熱交換
器、膨張機について多くの研究開発が行なわれてきた結
果、これらについての技術的な多くの問題点が解決され
【いる。これに対して大形の圧縮機については、開発が
立遅れているのが現状である。
第１図に従来１．８°に一２０°にの温度領域の低温を
生成するのに用いられている装置を示す。この装置を用
いる方法では、ヘリウム圧縮機ｌにより圧縮された約１
０〜１５気圧の如き高い圧力のヘリウムガスは冷凍機へ
送られ、熱交換器２で膨張タービン５並びにジュール−
トムソン（Ｊｏｕｌｅ　−Ｔｈｏｍａｏｎ　）弁６から
の低温戻りガスと熱交換して温度が下げられる。次に熱
交換器１を出たガスの一部は分流され、膨張タービンで
仕事を行なって温度が下がり低温戻りガスとなる。一方
残りの高圧ガスは熱交換器８．４で更に温度が下げられ
た後、ジュール−トムソン弁６に送られ、そこで断熱自
由膨張を行ない温度が下がり、一部は液化し超伝導電磁
石等の負荷７に送られ冷却に利用される。
上記ヘリウム圧縮機としては、従来ピストン式またはス
クリュ一式が使用されているが、ピストン式は等温効寛
等の性能は良いが長時間に亘る信頼性に問題がある。こ
れに対しスクリュ一式は長期間の信頼性は良いが、その
等巴効率が低いため問題がある外に、これらの圧縮機は
大形になるという欠点がある。
このため上記ピストン式およびス・クリユ一式の圧縮機
に比してその大きさ、信頼性、性能の面で優れた特性を
有するターボ式圧縮機を採用するととＫより大形ヘリウ
ム冷凍装置の信頼性、性能を飛躍的に向上させ、しかも
その大きさを極めて小さくすることが可能になることが
考えられる。しかしながら分子量の小さく平均分子速度
の大きい室温のヘリウムガスは、ターボ式圧縮機では動
車良く圧縮することができない。
そこで本発明者らは分子量が２０とヘリウムに比べて大
きい、室温でターボ圧縮機を用い効嘉よく圧縮すること
ができるネオンガスな用いて約８０°Ｋまでの予冷用の
ネオン冷凍機を作り、これを用いてヘリウムガスを一旦
８０°に領域まで冷却し平均分子速度を充分小さくした
後、ターボ式圧縮機により効軍よく圧縮することにより
従来装置の欠点を解決し本発明を達成するに至った。
ターボ式圧縮機を用いてヘリウムを冷凍液化するに当っ
ては、圧縮しようとするヘリウムガスを約８０°Ｋまで
下げることがターボ圧縮機強度設計の上で重要である。
このため本発明の装置は、ターボ圧縮機、熱交換器、タ
ーボ式膨張機を備えた予冷用のネオンガス冷凍サイクル
を、ターボ式圧縮機、熱交換器、膨張タービン、ジュー
ルトムソン弁を備えたヘリウム冷凍サイクルに、ネオン
冷凍サイクルでヘリウムを予冷するよう関連構成したこ
とを特徴とする。このように構成することにより全冷凍
装置を完全にターボ化することが可能になり、コンパク
トな大容量高性能ヘリウム冷凍液化装置が可能となった
。
次にターボ式圧縮機と他の圧縮機の性能を比較して示す
。
＊１・・・ターボ式の出現以前には、大形のものがあっ
た用されている。
＊２・・・ヘリウムガスは分子量が小さいため、常温の
ターボ圧縮機では圧縮できない。この欄に記載した数字
はネオンを用いたときの値である。
＊８・・・ＯＮ　５ＩＴＥ方式は圧縮機を直接パワータ
ービンでできるため、熱効墨が良い。
＊４・・・ＯＦ’Ｆ　５ＩＴＥ方式とは例えば所謂発電
所で得た電２５％が上限である。
＊５・・・ＣＯＰは成績係数 ターボ式圧縮機は上記特徴をもつ他に（１）ガス軸受を
使用することができるので、従来のコンプレッサの最大
の欠点であった「ヘリウム・ラインへの水や油の混入」
がない。（２）非接触支持方式であるので平均故障間隔
（Ｍｅａｎ　Ｔｉｍｅ　Ｂｅｔｗｅｅｎ　Ｆａｉｌｕｒ
ｅ　）で約５００００時間が期待できる長寿命で信頼性
が高い。（８）　４　ＫＷ　（４，４°Ｋ）クラスの冷
凍・液化システムに対する常温コンプレッサの羽根径は
、直径ａ　２０１１１（最大）と小形なので、パワータ
ービンと一体化した構造で、しかもカートリッジ形とで
きる。従って故障した場合簡単に機器を交換することに
より修復でき、整備性に優れ、設置が容易である。
次に本発明を一戸につき説明する。
第２図に本発明のネオンガス予冷凍サイクルな用いた装
置を示す。ネオン冷凍サイクルはネオンガスな用いた冷
凍サイクルで、図示するサイクルでは、ターボ式圧縮機
１１．熱交換器１８，１９゜２０．２１並びにターボ式
膨張機１２．１８から構成されている。
約８００°にのネオンガスを圧縮機１１により圧縮し約
１０〜２０気圧となったネオンガスは冷凍機に送り、熱
交換器１８で第１ネオン膨張タービン１２．液体窒素（
ＬＮ２）、第２ネオン膨張タービン１Ｂおよびジュール
−トムソン弁からの低温戻りガスと熱交換させ、２５〜
８０°にの温度まで下げた後、分流させ、一部を第１ネ
オン膨張タービン１２に送り、仕事を行わせ温度の下っ
たガスは戻りガスとする。残りの高圧ネオンガスは次い
で熱交換器１９およびｇｏにおいて第２ネオン膨張ター
ビン１８およびジュール−トムソン弁からの低温戻りガ
スと熱交換させ、温度を下げた後分流させ、一部を第２
ネオン膨張タービン１Ｂに送り、第１ネオン膨張タービ
ンの場合と同様にしてタービン１８を出た低温ガスは戻
りガスとする。
残りのガスは熱交換器２１．２２において更に温度を下
げると同時にターボ圧縮機１４により圧縮した約１０〜
２０気圧のヘリウムガスを冷却する。
熱交換器′２２を出たネオンガスはジュール−トムソン
弁に送り、ここで断熱自由膨張を行ない温度を下げ一部
は液化して貯槽２６に滞留し、熱交換器２２で冷却され
たヘリウムガスを更に冷却する。
この際貯槽温度は２５〜８０°にである。次いで気化し
たネオンガスは熱交換器２２，２１，２０゜１９．１８
の順に通過した後、ターボ圧縮機１１で再び圧縮する。
このようにしてネオン冷凍サイクルではヘリウムガスを
約８０°Ｋまで予冷し、ヘリウムガスの圧縮に伴って発
生する熱を吸収する機能を有する。熱交換器としてはア
ルミニウムフィン形熱交換器を用いることができる。
また熱交換器１Ｂ、１９．２０では供給ヘリウムを冷却
し、図示する如くヘリウムサイクルへ導入する。上記液
体窒素によりネオン、ヘリウムを冷却するラインはクロ
ーズド・ループとして熱を吸収して気化したＮ、ガス（
Ｎ、液化点７７°Ｋ）と上述の如くネオン予冷サイクル
の一部でネオン（Ｎｅ液化点２７°Ｋ）とを熱交換させ
ることにより窒素を再液化することができる。従ってＬ
Ｎ２の補充は不要である。
前記貯槽２６は、液化したネオンＬＮｅとヘリウムの熱
交換器として用いられ、この際極めて小さい熱交換器で
充分高い動量が得られる（液封気体の方が伝熱に優れて
いる）。またヘリウムサイクルの高温度域であるため、
この熱交換器における高温端のロスは、シス、テムのｃ
ｏｐ　（成績係数）の効耶がネオン冷凍サイクルを用い
ることにより向上する。
次にヘリウム冷凍液化サイクルは、ネオン冷凍サイクル
で約８０’Ｋに予冷されたヘリウムガスを利用した冷凍
サイクルで、ターボ式圧縮機１４゜熱交換器２８．２４
および２５．ヘリウム膨張タービン１６誠びにジュール
−トムソン弁１７かう構成されている。
ネオン冷凍サイクルで約８０’ＫＫ予冷されたヘリウム
ガスは電動機等の適切な動力源により駆動されたターボ
式圧縮機により約１０〜２０気圧の高圧ガスとなり、こ
のガスを熱交換器ｚ８に送り、膨張タービン１６および
ジュールートムソノン４ｊｌ　？からの低温戻りガスと
熱交換し冷却した後、一部は膨張タービン１６に送り仕
事を行わせ戻りガスとする。残りの高圧ガスは熱交換器
２４．２５により更に冷却し、ジュール−トムソン弁九
送り、ここで断熱自由膨張を行なって温度が下がり一部
は液化し、貯槽２７に滞留する。この貯槽２７で超伝導
電磁石等の負荷の冷却又はここから外部に取り出して利
用する。
一上記ヘリウム冷凍サイクルで用いる低温ヘリウムター
ボ圧縮機は、４　ＫＷ　（４，４°Ｋ）クラスで圧縮機
の外径は直径１８０Ｍ（最大）（入口圧力１．２気圧）
であり、小形なのでコールドボックスの中に収納できる
。又圧力な負圧にして２．２’に等の温度を得ることが
、超伝導材のより大きい臨界磁場を造り出すために肝要
となっている。従来方式ではこの目的のために別置きの
常温の減圧ポンプと、極低温で負圧のＨｅガスが常温に
戻るまでの膨大な熱交換器が必要であったが、本発明に
おいてはこの必要はない。
更に低温ヘリウム圧縮機の延長線上に低温ヘリウム減圧
ポンプを考えると、０．５気圧に対して直径１８０１１
ｍ程度の羽根で充分上述の能力をまかなえるので、減圧
ポンプをコールド・ボックス内に収納でき熱交換器８０
〜５０’Ｋまでで良いので極めてコンバク）Ｋ対応でき
る。この結果コールドボックスの大きさは、従来のに程
度となり、減圧ポンプ等を考慮すると、さらに小さくで
きるととＫなる。
上述のように本発明によると、（１）ネオン冷凍サイク
ルな予冷凍サイクルとして利用した結果、冷凍システム
全体を信頼性の高いタービン式とすることにより長期の
連続運転が可能となり信頼性が著しく向上し、システム
の成績係数が２５％以上改良される。そしてすべてガス
軸受を使用できるので、圧縮機、膨張機等の重要機器の
平均故障間隔が６０，０００時間以上になる。（１りヘ
リウム冷凍装置の動車が悪い最大の原因は圧縮機の動車
が悪いことに依存しているが、圧縮効高の良いネオンを
使用したタービン式の圧縮機とヘリウムガスを圧縮効高
の良い約８０°にと充分低い温度で圧縮することにより
、冷凍装置の高能率化を計ることができる。又ネオンの
ターボ式圧縮機の動力源として電動機の他にガスタービ
ンエンジン等の使用が可能となる。（８）従来の冷凍装
置の構成要素の内、最も重量の大きい圧縮機をターボ化
することにより、圧縮機を小形化することが可能となっ
た。又ネオンサイクルはヘリウムサイクルと分離される
ので動作圧力を高くすることができる。この結果ネオフ
サ４クルの熱交換器を小型化することができる。
ヘリウム冷凍装置の小形、軽量化によりヘリウム冷凍機
の船舶等へ塔載が可能となる。特に動力源にガスタービ
ン等を使用することにより、著しく小形、軽量化できる
。（４）ヘリウム圧縮機の動力を強化することによりヘ
リウムサイクルの低圧側を負圧左することができ、冷却
温度を容易に４．２°により下げることが可能となる。
この際ヘリウム冷凍サイクルが８０’に以下の温度に閉
じられているので熱交換器を比較的小さく設計しても圧
力損失を小さく押えることができる。
本発明の装置は、前述の構成より成り且つ上記利点を有
することにより高エネルギー物理、核融合、超伝導送電
、電力貯蔵、　ＭＨＤ発電、超伝導発電機、電動機の船
舶等への塔載など大形の超伝導装置の冷却用に利用する
ことができるもので工業的利用価値が極めて大である。
【図面の簡単な説明】
第１図は従来のヘリウム冷凍液化装置の系統図、第２回
は本発明のヘリウム冷凍液化装置の系統図である。 ｌ・・・圧縮機、　　　　　　Ｊ８，４・・・熱交換器
、５・・・タービン式膨張機、６・・・ジュール−トム
ソン弁、？・・・貯槽、　　　　　　　１１・・・ター
ボ圧縮機、１ｚ・・・第１ネオン膨張タービン、 １８・・・第２ネオン膨張タービン、 １４・・・ヘリクムターボ圧縮機、 １５　、１？・・・ジュール−トムソン弁、１６・・・
ヘリウム膨張タービン、 １８　、１９　、２０　、２１　、２１Ｂ　、　２Ｂ　
、　２４　、２５　・・・熱交換器、２６・・・液体ネ
オン貯槽、　ｚ７・・・液体ヘリウム貯槽。 特許出願人　高エネルギー物理学研究所長手続補正書 昭和５８年１２月１５日 １、事件の表示 昭和５７年　特　許願第２３３１１８号２発明の名称　
・ ネオンガスを利用したカスケード ターボヘリウム冷凍液化装置 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 高エネルギー物理学研究所長 ５゜ ６補正の対象　明細書の「発明の詳細な説明」の欄、「
図面」７、補正の内容（別紙の通０） １、明細書第１０頁第１１行「取り出して利用する占」
の後に「上記ネオンガスにおいて、ネオンガスの外に多
少の不純ガス（水素、ヘリウム）を含んだ混合ガスであ
っても同じ結果が得られる。」を加入する。 ２図面中筒１図に、添付する図面に赤字で示すように「
５」および「６」を加入する。（第２図には、訂正箇所
ありません。）

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. １　ターボ式圧縮機、熱交換器、ターボ式膨張機を備え
    たネオン冷凍サイクルと、ターボ式圧縮機、熱交換器、
    膨張タービン、ジュールトムソン弁を備えたヘリウム冷
    凍サイクルから成り、ネオン冷凍サイクルでヘリウムな
    予冷するよう関連構成したことを特徴とするネオンガス
    を利用したカスケードターボヘリウム冷凍液化装置。　
    　　　□
JP57233113A 1982-12-27 1982-12-27 ネオンガスを利用したカスケ−ドタ−ボヘリウム冷凍液化装置 Granted JPS59122868A (ja)

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