JPS59134465A - ヘリウム冷凍液化装置 - Google Patents

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、ヘリウム冷凍液化装置１こ関するものである
。

従来のヘリウム冷凍液化装置は、導入された低温、高圧
のヘリウムガスを複数の熱交換器または蓄冷器、ヘリウ
ム膨張タービンまたは膨張器およびジュール・トムソン
弁等を用いて液化させるととも揮散化しきれない低温、
低圧のヘリウムガスを外４部へ排出するヘリウム液化機
構と、このヘリウム液化機構から排出されるヘリウムガ
スをピストン式あるいはスクリュ一式のコンプレッサを
用いて常温の下で圧縮しその圧縮したヘリウムガスを適
宜な手段により必要な温度にまで冷却して前記ヘリウム
液化機構へ戻すヘリウム圧縮系路とを具備してなるもの
が一般的である。

ところが、このような構成のものでは、ヘリウム液化機
構から排出され、コンプレッサで圧縮されて再び前記ヘ
リウム液化機構に導入されるヘリウムガスが、その循環
途中１こおいて−Ｈ常温ｌこまで昇温され膨大な体積を
有し１こものになるため前記コンプレッサ等の大形化並
びに大重量化を招くという不都合がある。

そのため、近時、かかる不都合に対処するための装置と
して、ヘリウム液化機構から排出される低温、低圧のヘ
リウムガスを低温のままラジアルコンプレッサに導入す
るよう１こし、このラジアルコンプレッサをガスターヒ
ンｉこより高速で回転駆動して前記ヘリウムガスを圧縮
し得るようＩこしたものが考えられている。しがして、
この装置「こよれは、ヘリウムガスを常温１こまで昇温
させることなし１こ循環させることができるので、装置
全体のコンパクト化が可能ｌこなるわけである。

しかしながら、このような装置１こは、次のような不都
合がゐろ。すなわち、運転を開始した直後の冷し込み時
１こは、前記ヘリウム液化機構ケ経由して循環するヘリ
ウムカスの温度がしだいに低丁しでいくため、その循環
回路内の圧力を一定１こ保つ１こめには、ヘリウムの質
量流量を漸次増加させろことが必要となる。そのため、
かかる装置Ｉこは、前記循環回路内ｌこ新たなヘリウム
ガスを必要に応じて補給するためのヘリウムガス補給回
路を設けることが不可欠となる。ところが、このような
ヘリウムガス補給系路から補給されるヘリウムガスが常
温のものであると、ヘリウムガスの補給と同時ｌこ多大
の熱量が前記循環回路Ｐ３に流入することになり、冷凍
能力に大きなロスが発生するという問題がある。

ところで、このような構成のヘリウム冷凍液化装置では
、冷し込み時１こ前記タービンに供給する作動ガスを液
体チッソ等の補助冷却用流体を用いて予冷し得るように
構成した補助冷却機構を設けるのが普通である。

本発明は、このような事情に着目してなされたもので、
前述したヘリウムガス補給系路内のヘリウムガスを前述
した補助冷却用流体の冷気゛を一部利用して予冷し得る
ように構成すること１こよって、構造の複雑化を招くこ
となしＩこ外部がら循環回路内に供給されるヘリウムガ
スを冷却することができ、無駄な熱侵入を防止して冷凍
能力ｌこロスが発生するのを防ぐことができるヘリウム
冷凍液化装置を提供するものである。

以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

ヘリウム液化機構１とヘリウム圧縮径路２と１こよって
、ヘリウムを低温のまま循環させる循環回路３を構成し
ている。ヘリウム液化機構１は、低温、高圧のヘリウム
ガスを液化させるとともに液化しきれない低温、低圧の
ヘリウムカスを逐次排出するようＩこしたもので、具体
的１こは、終端をジュール・トムソン弁４を介してデユ
ワ−５内１こ臨ませた高圧管路６と、始端を前記デユワ
−５に連通させた低圧管路７と、この低圧管路７を通し
て排出される低温、低圧のヘリウムガスの冷気で前記高
圧管路６内を流れるヘリウムガスを冷却するための熱交
換器８とを具備してなる。一方、ヘリウム圧縮径路２は
、前記低圧管路７と前記高圧管路６とを接続する接続管
路９の途中にラジアルコンプレッサ１１を介設してなる
もので、このラジアルコンプレッサ１１の下流部分には
後述する熱交換器１２が設けである。そして、このラジ
アルコンプレッサ１１をタービン１３Ｉこよって駆動す
−るようにしている。タービン１３は軸１４を介して前
記ラジアルコンプレッサ１１に直結されたもので、その
人口１８ａ＋こ給気系路１５を接続するととも１こ出口
１８ｂ　ｔこ排気系路１６を接続している。

給気系路１５は、常温領域Ａ　１ｍ配置したコンプレッ
サ（図示せず）から吐出される作動ガス、−例えは、高
圧のネオンガスを前記タービン１３１こ供給するための
もので、該タービン１３はこのネオンガスｔこ付勢され
て回転するよう１こなっている。また、排気系路１６は
、前記タービン１３を付勢することによって断熱膨張し
た低温、低圧のネオンガスを前記常温領域Ａのコンプレ
ッサに戻すためのもので、その途中１こ前記熱交換器１
２が介設されている。すなわち、この熱交換器１２は、
前記排気系路１６内のネオンガスの冷気を利用して前記
連結管路９内のヘリウムガスを冷却するためのものであ
る。また、前記常温領域Ａと本装置の主要部が収容され
ている低温領域Ｂとの境界部分１こは、前記排気系路１
６円のネオンガスと前記給気系路１５内のネオンガスと
の間で熱交換を行なわせる熱交換器１７が設けである。

そして、この熱交換器１７１こ関連させて補助冷却機構
１８を設けている。補助冷却機構１８は、例えは、補助
冷却用流体たる液体チッソを貯留する液体チッソ溜め１
９と、この液体チッソ溜め１９から導出させた液体チッ
ソを前記熱交換器１７へ導くチッソ案内管路２１とを具
備してなるもので、主として冷し込み時に前記チッソ案
内管路２１内を流れる液体チッソの冷気によって前記熱
交換器１７を通過する給気系路１５内のネオンガスを冷
却するよう１こなっている。

ｔ−ｊこ、前記循環回路８内１こヘリウムガスを補給す
るヘリウムガス補給系路２２を設けるとともｌこ、この
ヘリウムガス補給系路２２内を流通するヘリウムガスを
前記補助冷却用流体たる液体チッソの冷気を利用して予
冷する熱交換手段２３を設けている。ヘリウムガス補給
系路２２は、前記常温［ＭＡ＋こ配置したヘリウムタン
ク２４内のヘリウムガスをヘリウムガス供給管路２５ケ
介して前記接続管路９の途中に導入し得るよう１こした
もので、ａｎ記ヘリウムガス供給管路２５の途中Ｉζは
、下流側の圧力が設定値を下まわった場合Ｉこ開成する
調圧弁２６が介設しである。また、前記熱交換手段２３
は、前記ヘリウムガス供給管路２５と前記チッソ案内管
路２１との間ｆこ設けた熱交換器であり、Ｏｕ記管路２
１内を流れる液体チッソと前記管路２５内を流通するヘ
リウムガスとの間で熱交換を行なわせ得るようじ仁なっ
ている。

次いで、この実施例の作動を説明する。

常温領域Ａに配置さねたコンプレッサがう吐出される高
圧のネオンガスを給気系路１５を通しテターヒン１３１
ζ供給すると、このタービン１８が高速で回転する。そ
して、このタービン１ａｌｔ付勢することｆこよって断
熱膨張しｔコ低温、低圧のネオンガスが排気系路１６１
ｉ：導入され、熱交換器１２．１７を通つで前記常温領
域Ａのコンプレッサ１こ戻される。まＴこ、前記タービ
ン１３が回転すると、該タービン１８に直結されたラジ
アルコンプレッサ１１が、その羽根車の周速が音速１こ
近づく程度の高速で作動し、ヘリウム液化機構ｌの低圧
管路７から供給される低温、低圧のへ９ウムカスを順次
圧縮する。そして、このラジアルコンプレッサ１１１こ
よって圧縮され１こ高圧のヘリウムガスは、熱交換器１
２を通過することｌこまって冷却さねヘリウム液化機構
１の高圧管路６内ｌこ導入されろ。高圧管路６内に導び
がれた高圧のヘリウムガスは、熱交換器５を通過するこ
とによっでさらｆこ冷却され、ジュール・トムソン弁４
を介してデユワ−５内ｆこ噴射されること１こより自由
膨張してその一部が液化する。そして、前記デユワ−５
内で液化しきねなかっ１こヘリウムガス／）るいハ、一
旦液化した後、熱負荷から熱を受は取って気化したヘリ
ウムガスは、前記低圧管路７を通してデユワ−５外へ導
びかれ、前記ラジアルコンプレッサ１１に送られて循環
する。

このようにして、ヘリウムによる冷凍液化サイクルが営
まれるわけであるが、運転開始直後のいわゆる冷し込み
時には、システム全体の温度が高いため熱交換器１７を
通過するリターンのネオンガスの温度が充分ｌこ低くな
らない。′従って、給気系路１５１Ｐ通してタービン１
８＋こ供給する高圧のネオンガスを効果的１こ冷却する
ことができないそのため、補助冷却として液体チッソ溜
めＩ９から導出させた液体チッソをチッソ案内管路２１
を通して前記熱交換器１７へ導ひき、該液体チッソと前
記給気系路１５内のネオンガスとのｍｌで熱交換を行な
わせる。また、この冷し込み時には、循環回路８内のヘ
リウムもしｔごいに温度が低下するため、該回路３内の
圧力を一定に保つため１こはヘリウムの質量流Ｒｙｅ増
加させることが必要となる。

そのため、調圧弁２６が必要ｔこ応じて開成し、ヘリウ
ムタンク２４内のヘリウムガスがヘリウムガス供給管路
２５を介して前記循環回路８内に補給されろ。このとき
、前記ヘリウムガス供給管路２５内のヘリウムガスは、
熱交換手段２３を通過する際に前記チッソ案内管路２１
内を流れる液体チッソと熱交換を行なって冷却される。

従って、補給されるヘリウムガスは、液体チッソ温ｆｉ
ｔこまで冷却され１こ後に前記循環回路３内ｉこ導入さ
れること１こなり、該循環回路３内への無駄な熱の侵入
を防止することができる。

なお、ヘリウム液化機構の構成は図示実施例のものに限
定されるものではなく、例えば、熱交換器を多段１こ股
は膨張タービンを組合せる等、種々変形が可能である。

まＴこ、タービンを駆動するための作動ガスはネオンガ
スに限らず、例えば、チッソガスや乾燥空気等であって
もよい。

さら１ζ、熱交換手段の構成も図示実施例のものｆこ限
られないのは勿論であり、例えば、ヘリウムガス補給系
路のヘリウムガス供給管路２５が、液体チッソ溜め１９
内や熱交換器１７内を通過するよう１こ構成して、該ヘ
リウムガス補給系路内のヘリウムガスを冷却し得るよう
にしてもよい。

ま１こ、補助冷却機構は、作動ガスを予冷するためのも
のに限らず、例えば、デユワ−内の液体ヘリウムを遠隔
の熱負荷配設部にまで案内するトランスファーチューブ
を液体チッソ等の補助冷却用流体膓ζより冷却し得るよ
うにしたもの等であってもよい。

本発明は、以上のような構成であるから、次のような効
果が得られる。

まず、ヘリウムを常温にまで昇温させることなく、低温
のままで循環させて冷凍液化サイクルを営ませるように
しているので、循環するヘリウムの体積が膨大なものに
なる領域がなく、装置全体を非常コこコンパクトなもの
にすることができる。

−また、冷し込み時等に循環回路内に補給するヘリウム
ガスを予冷することかできるので、冷凍液化サイクル円
１こ外部から無駄な熱が侵入するのを防止することがで
き、冷凍能力ｌこロスが生じるのを効果的に抑制するこ
とができるものである。

しかも、この種の装置に当然設けられるべき補助冷却機
構の冷却能力の一部を利用して、前記循環回路内に供給
するヘリウムガスの予冷を行なうことができるようにし
ているので、かかる予冷のための各別な配管や機器類の
追加を最小限にとどめることができろ。そのため、構造
の複雑化を招くことなしに冷凍能力を効果的に向上させ
ることができるものである。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の一実施例を示す回路説明図である。 １・・・ヘリウム液化機構 ２・・・ヘリウム圧縮系路 ３・・・循環回路 １１・・・コンプレッサ（ラジアルコンプレッサ）１３
・・・タービン　　１５・・・給気系路１８・・・補助
冷却機構 ２２・・・ヘリウムガス補給系路 ２３・・・熱交換手段 代理人　弁理士　赤澤−博

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 低温、高圧のヘリウムガスを液化させるとともｌこ液化
   しきれない低温、低圧のヘリウムガスを逐次排出するヘ
   リウム液化機構と、このヘリウム液化機構から排出され
   る低温のヘリウムカスを直接コンプレッサで圧縮し−で
   前記ヘリウム液化機構に再び導入するヘリウム圧縮系路
   と、前記コンプレッサを駆動するためのタービンと、こ
   のタービンに駆動用の作動ガスを供給する給気系路と、
   液体チッソ等の補助冷却用流体を用いて前記作動ガスの
   予冷等ヘリウム液化に付随する補助的な冷却を行なう補
   助冷却機構と、前記ヘリウム液化機構と前記ヘリウム圧
   縮系路と１ζよって構成される循環回路内にヘリウムガ
   スを補給するヘリウムガス補給系路と、このヘリウムガ
   ス補給系路内を流通するヘリウムガスを前記補助冷却用
   流体の冷気を利用して予冷する熱交換手段とを具備して
   なることを特徴とするヘリウム冷凍液化装置。