JPS59134478A - 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、超電導マグネットの冷却等Ｉこ使用されるヘ
リウム冷凍液化装置に関するものである。

この種のヘリウム冷凍液化装置では、ヘリウム液化機で
液化させた液体ヘリウムを液体チッソにより冷却される
トランスファチューブ内を通して熱負荷たる超電導マグ
ネット等Ｅこ供給するようｌこしたものが一般化してい
る。ところが、従来のものは、前記トランスファーチュ
ーブの冷却■こ使われて気化し１こチッソをそのまま大
気中１こ廃棄するようｆこしているので、エネルキーロ
スか大きくランニングコストが高くつくという不都合が
ある。

すなわち、液体チッソは、大気を空気分離すること１こ
より得られるが、このとき、空気を液化温度まで冷し込
Ａ、　？ご上で分離するという仕事が必要となるため、
多大なエネルギを消費する。−万、前記トランスファチ
ューブを冷却して気化したチッソは、いまだ液化点近傍
の低温度に保持されている１こもかかわらす、そのまま
大気中へ廃棄されてしまうため、該チッソが気化した後
、常温ｆこなるまでの冷熱は何らの仕事をなすこともな
く無駄ｌこすてられてしまうこと１こなる。そのため、
システム全体を観察した場合ｔこは、エネルギの有効利
用が十分に図られていないといわざるをえな０゜本発明
は、このような事情に着目してなされたもので、トラン
スファチューブの冷却１こ使用され気化したチッソガス
を常温まで高めることなくヘリウムコンプレッサ用駆動
機構（７）ノｆワｔ：ｖ　　ＦｆｌＳを利用して再液化
させて便用Ｉこ供し得るようｉこすること１こよって、
構造の復雑化を招くことなし１こエネルギの回収率を太
幅１こ高めることができ、効率のよい運転を行なうこと
ができるヘリウム冷凍液を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。

図面は、本発明１こ係るヘリウム冷凍液化装置のシステ
ム説明内であり、図中１は該装置の主要ｇ！５をなすヘ
リウム液化機である。ヘリウム液化機１は、例えは、５
５°に程度の低温のヘリウムガスａｆ圧縮するラジアル
式のコンプレッサ２と、このコンプレッサ２から吐出さ
れる高圧のヘリウムガスａを後述する熱交換器３および
４を通過させること１こより冷却しつつデユワ−５方向
へ導くへリウム高圧管路６と、このヘリウム高圧管路６
の終端部１こ設けられ該管路６内の低温、高圧のヘリウ
ムガスａを自由膨張させてその一部を液化させるジュー
ル・トムソン惑、液化しきらなかった膨張後の低温、低
圧のヘリウムガスａを前記熱交換器４を通過させて前記
コンプレッサ２の入口１こ戻すヘリウム低圧管路８と、
自由膨張ｆこより液化し前記デユワ−５内ｆこ溜る液体
ヘリウムａ′を熱負荷たる超電導コイル９の配設部ｆこ
供給するヘリウム供給管路１１と、前記超電導コイル９
を冷却すること１こよって気化したヘリウムガスａを前
記ヘリウム低圧管路８内へ戻すヘリウム返還管路１２と
を具備してなる。そして、ｎ■記ヘリウム供給管路１１
と前記ヘリウム返還管路１２とは、前記デユワ−５配設
部から前記超電導コイル９配設部に亘って設けた所要長
さのトランスファチューブ１３内に挿通させである。ト
ランスファチューブ１３は、前記各管路１１．１２＋こ
対する外部からの熱侵入を防止するためのもので、液体
チッソｂ′ｌこよって冷却されている。

ま１こ、このヘリウム液化機１のコンプレッサ２を駆動
機構１４＋こより作動させるようｌこしている。駆動機
構１４は、前記コンプレッサ２Ｉこ直結したタービン１
５と、常温領域に配置した常温コンプレッサ（図示せず
）から吐出される高圧のネオンガスＣを熱交換器１６．
１７および３を順次１こ通過させることｌこよって冷却
しつつ前記タービン１５１こ導くネオン高圧管路１８と
、ｌＩＩ記タービニ／１５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Ｃを前記熱交換器８．１
７．１６を順次に通過させて前記常温コンプレッサに戻
すネオン低圧管路１９とを具備してなる。前記熱交換器
３は、前記ネオン低圧管路１９円を流れるネオンガスＣ
の冷気でＮＵ記ヘリウム高圧管路６内のヘリウムガスａ
を冷却するためのものであり、前記熱交換器１６．１７
は、前記ネオン低圧管路１９内を流れるネオンガスＣの
冷気で　−−一、−− 前記ネオン高圧管路１８内を流れるネオンガスＣを冷却
するためのものである。

また、前記トランスファチューブ１３の冷却に使用され
て気化し１こチッソガスｂを前記駆動機構１４のパワー
の一部を利用して再液化させるためのチッソ液化機２１
を設けている。すなわち、このチッソ液化機２１は、低
温のチッソガスｂ７／圧縮するコンプレッサ、２２と、
このコンプレッサ２２から吐出される加圧されたチッソ
ガスｂを熱交換器２３および２４を通過させること１こ
より冷却しつつデユワ−２５方向へ導くチッソ高圧管路
２６と、このチッソ高圧管路２６の終端部１こ設けられ
該管路２６内のチッソガスｂを前記デユワ−２５内ｌこ
噴射して自由膨張させることによってその一部を液化さ
せるジュール・トムソン弁２７と前記デユワ−２５内の
低圧のチッソガスｂを前記熱交換器２４を通過させ゛（
６’Ｕ記コンプレツサ２２１こ導くチッソ低圧管路２８
とを具備している。そして、前記デユワ−２５１こ、該
デユワ−２５内１こ溜る液体チッソｂＩ５−前記トラン
スファチューブ１８に供給するチッソ供給系路３１と、
前記トランスファチューブ１３から導出させたチッソガ
スｂを該デユワ−２５内に案内するチッソ排出系路３２
とをそれぞれ接続している。また、前記コンプレッサ２
２１こタービン３３を直結している。そして前記ネオン
高圧管路１８内を流れろ高圧のネオンガスＣの一部を給
気管路３４ｆ／−介して前記タービン３３に供給すると
とも１こ、このタービン３３を付勢することｌこよって
断熱膨張した低温、低圧のネオンガスＣを前記熱交換器
２３を通過する排気系路３５を介してｇＵ記キネオン低
圧管路１９１戻すよう１こしている。なお、このチッソ
液化器２１（よ前記ヘリウム液化機１および前記駆動機
ｍ１４の主要部を収納したコールドボックス（図示せず
）円に収められている。

次いで、この実施例の作動を説明する。

常温コンプレッサから吐出された高圧のネオンガスＣが
熱交換器１６．１７を通過する毎ξこ冷されながらネオ
ン高圧管１８に案内されてタービン１５１こ供給される
と、該タービン１５が高速で回転する。そして、このタ
ービン１５を伺勢することによつて断熱膨張した低温、
低圧のネオンガスＣは、ネオン低圧管路１９を通して前
記常温コンプレッサに戻される。このよう１こして、前
記タービン１５が回転すると、これ１こ直結されたコン
プレッサ２が作動状態となる。そうすると、このコンプ
レッサ２１こよりヘリウムガスａが圧縮されその圧縮さ
れた高圧のヘリウムガスａがヘリウム高圧管路６を通し
てデユワ−５方向に送られるがその際１こ、このヘリウ
ムガスａは、前記熱交換器３で前述した低温のネオンガ
スＣと熱交換を行なうこと１こよって予冷されるととも
に、前記熱交換器４でリターンのヘリウムガスＣと熱交
換を行なって反転温度にまで冷却される。その１こめ、
この低温、高圧のヘリウムガスａがジュール・トム゛ノ
ン弁７により自由膨張させられることによって、その一
部が液化しデユワ−５の底部ｌこ溜る。そして、このデ
ユワ−５内の低圧のヘリウムカスａはヘリウム低圧管路
８を介してコンプレッサ２に戻されて循環する。このよ
うｆこして、前記デユワー５内＋こ溜った液体ヘリウム
ａ′は、トランスファチューブ１３内ｌこ挿通させたヘ
リウム供給管路１１を通して熱負荷たる超電導コイル９
に供給され、該コイル９の冷却１こ便われる。そして、
この超電導コイル９を冷却すること１こよって気化した
ヘリウムガスａは、ヘリウム返還管路１２を通してヘリ
ウム低圧管路８内１こ戻され、前記デユワ−５からコン
プレッサ２１こ向うヘリウムガスａＩこ合流して循環す
る。また、このような冷凍運転時１こは、チッソ液化機
２１も作動状態となる。すなわち、ネオン高圧管路３４
円の高圧の半オンガスＣの一部が給気管路３４を通して
タービン３３に供給されると、該タービン３３が高速で
回転する。そして、このタービン３３を付勢すること１
こよって断熱膨張した低温、低圧のネオンガスＣは、排
気管路３５を通して前記ネオン低圧管路１９中１こ放出
される。このよう１こして、前記タービン３３が回転す
ると、これに直結され１こコンプレッサ２２が作動状態
となる。そうすると、このコンプレッサ２２＋こより前
記トランスファチューブ１３から戻されるチッソガスｂ
が圧縮され、その圧縮された高圧のチッソガスｂがチッ
ソ低圧管路２６を通してデユワ−２５方向１こ送られる
力Ｓ１その際１こ、このチッソガスｂは、前記熱交換器
２３で前述しｆこ低温のネオンガスＣと熱交換を行なう
こと１乙よって予冷されるととも１こ、前記熱交換器２
４でリターンのチッソガスｂと熱交換を行なって反転温
度Ｅこまで冷却される。そのため、この低温、高圧のチ
ッソガスｂがジュール・トムソン弁２７１こより自由膨
張させられること１こよって、その一部力≦液化しデユ
ワ−２５の底部に溜る。そして、この液体チッソｂ！は
、チッソ供給系路３１を通してトランスファチューブ１
８１こ供給され、該トランスファチューブ１８の冷却暑
こ使用される。ま１こ、このトランスファチューブ１３
８−冷却することＣよって気化したチッソガスｂは、チ
ツ゛ノυＦ出糸路３２を通して前記デユワ−２５内１こ
戻される。そしてこの戻され１こチッソガスｂと前記ジ
ューＪし・トムソン弁２７］こよって液化しきれな力ｊ
つだチッソガスｂは、チッソ低圧管路２８を通して前記
コンブレッサ２２＋こ戻され湯循環する。すなわち、再
び液化され前記トランスファチューブ１３の冷却１こ（
突出されることｆこなる。

なお、ヘリウム冷凍機の構成は、図示実施例のもの１こ
限定されないのは勿論であり、例えは、コンプレッサ１
こより圧縮し１こヘリウムガスを液化させる冷凍液化部
分と、ヘリウムを循環させて熱負荷を冷却する冷却部分
とをそれぞれ独立し１こ閉ループｌこよって構成し、醪
記冷凍液化部分の冷熱で前記冷却部分のヘリウムを液化
させるようにしｔこもの等であってもよい。

ま１こ、駆動機構の構成も前記実施例のものに限られる
ものではなく、例えは、半オンガスの代わり１こ、チッ
ソガス、アルゴンガス、酸素ガス、水素ガス、乾燥空気
あるいはこれらの混合ガス等を用いｔこものであっても
よい。

さら１こ、チッソ液化機の構成も図示実施例のもの１こ
限られず、例えは、コンプレッサ２２の代わり３こファ
ンを用いたものでもよ（゛。ま１こ、タービン８３　＋
ｃ供給する作動ガスの温度を低く設定すれは、ジュール
・トムソン弁２７を用いないでチッソガスを液化させる
こともできる。

本発明は、以上のような構成であるから、仄のような効
果が得られる。

ます、トフンスファチューブの冷却ｌこ炉用され気化し
１こチッソを常温１こ戻る前ｌこチッソ液化機で再液化
させて再びトランスファチューブの冷却Ｉこ用い得るよ
う１こしているので、常温の空気を液化温度ｌこまで冷
し込むことｆこよってチッソを分離し、その分離したチ
ッソをＣ史いすて１こするような場合１こ比べてはるか
１こ少量のエネルギで熱負荷の冷却を続けることができ
る。すなオっち、本発明ｌこよれは、前記チッソ液化機
ｔこチッソの潜熱に相当するエネルギを付与すること１
こよってチッソを再液化させ再使用することができる。

そのため、使用後のチッソを廃棄している従来のものｌ
こ比べてシステム効率を大幅Ｉこ向上させることが可能
であり、ランニングコスｌ−を有効１こ低減させること
ができる。

ま１こ、前記チッソ液化機をヘリウム液化機用駆動機構
のパワーの一部を利用して作動させ得るよう★こしてい
るので、構造の簡略化が可能であり、ま１こ、ヘリウム
液化機とチッソ液化機とを１つのコールドボックスｌこ
納めることができ、ノステム全体が大形化するのを有効
Ｉこ防止す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システム説明図である。 １−・ヘリウム液化機 ２・・・コンプレッサ １３・・・トランスファチューブ １４・・駆動機構　　２１・・・チッソ液化機３１・・
チッソ供給系路 ３２・・チッソ排出系路 代理人　弁理士　赤澤−博

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ヘリウムガスを液化させるととも１こその液体ヘリウム
   を液体チッソ１こより冷却されるトランスファチューブ
   内を通して熱負荷配設部１こまで供給するヘリウム液化
   機と、このヘリウム液化機のコンプレッサを駆動する駆
   動機構と、前記トランスファチューブ１こ液体チッソを
   供給するチッソ供給系路と、前記トランスファチューブ
   から気化し１こチッソガスを導出させるチッソ排出系路
   と、このチッソ排出系路を通して導出される低温のチッ
   ソガスｆＦ前記駆動機構のパワーの一部を利用して液化
   させるとともにその液体チッソを前記チッソ供給系路内
   １こ送り込むチッソ液化機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。