JPS60178260A - 極低温冷凍装置 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、極低温冷媒移送配管を有する極低温冷凍装置
に係り、特に大形の被冷却体や多数の被冷却体を有する
装置に好適な極低温冷凍装置に関するものである。

〔発明のＲ景〕

極低温冷媒移送配管を有する極低温冷凍装置では、極低
温冷媒移送配管の侵入熱を低減することがシステムの成
否を決定する一つの要因であるために、極低温冷媒移送
配管は真空断熱し、さらに、積層断熱材を使用するのが
一般的である。

したがって、極低温冷媒移送配管は非′帛に高価であり
、システム上、極低温冷媒移送配管をいかに効率的に配
置するかが重要な問題となる。さらに、極低温冷凍装置
の自動制御を行う場合を考えると、システムを単純化す
ると共に、予冷時等の非定常時の操作を、いかに効率的
に行うかも重要な課題である。以下、極低温冷媒として
液体ヘリウムの場合を例にとり説明する。

第１図は従来のヘリウム冷凍装置の系統図であり、第２
図は三重管式極低温冷媒移送配管の断面図である。第１
図および第２図において、ｌはヘリウム冷凍機、２は三
重管式極低温冷媒移送管、３は冷媒供給管、４は冷媒戻
り管、５は供給弁、６はクライオスタット、７はシール
ド槽、８は超電導マグネ１ト、９は液体ヘリウム槽、ｌ
Ｏはバイパス用極低温冷媒移送配管、１１は加温器、１
２はバイパス弁、１３はバイパス管、１４はシールド槽
７への液体窒素供給管、１５はシールド槽７からのガス
窒素放出管、１６は三重管式極低温冷媒移送配管２の外
管である。

上記の構成において、ヘリウム冷凍機ｌで生成した極低
温冷媒は、冷媒供給管３を通りクライオスタット６へ供
給され、液体ヘリウム槽９に液体′＼リウムが貯液され
る。液体ヘリウム槽９の「１月こは被冷却体である超電
導マグネット８が浸漬されでいて、必要な極低温冷媒量
は、液体ヘリウム槽９の液体ヘリウム液面を一定に保持
するように供給弁５で制御される。液体ヘリウム槽９で
冷凍負荷を吸収しカス化したガスヘリウムは、冷媒戻り
管４を通りヘリウム冷凍ｆｆ１ｌに戻る。クライオスタ
ット６は、液体ヘリウム槽９に常温部から入る侵入熱を
低減するために真空断熱されているが、さらに侵入熱の
低減を図るために、液体ヘリウムと常温との中間の温度
を有する液体窒素を補助冷媒とした熱シールド機構とし
てシールド槽７を有し、液体窒素供給管１４から供給さ
れる液体窒素で冷却され、ガス化したガス窒素はガス窒
素放出管１５より大気に放出される。冷媒供給管３と冷
媒戻り管４は、三重管式極低温冷媒移送配管２内に配置
し、真空断熱するための外管１６と共に、第２図に示す
ように三重管を構成している。三重管式極低温冷媒移送
配管２を使用するのは、第１に、非′帛に高価である極
低温冷媒移送配管を供給用と戻り用の２本設置する必要
がなく、価格的に安価となること、第２に、供給側と戻
り側が熱交換できる構造となっているために、ヘリウム
冷凍８！１に戻る極低温ヘリウムガスの温度が供給冷媒
とほとんど同一となり、ヘリウム冷凍Ｓ１の安定した運
転が可能になるなどの利点が有るためである。

以上は、定常運転時の動作であるが、つぎに予冷時の動
作について述べる。予冷時には、供給冷媒と戻り冷媒が
熱的に接触した構造を有する極低温冷媒移送配管（三重
管式極低温冷媒移送配管がその一例である。）を使用す
ることがデメリットとなり、冷媒戻り管４を使用すると
予冷効率が大きく悪化する。したがって、予冷時にはバ
イパス機構を設け、戻り冷媒をバイパス用極低温冷媒移
送配管１０を通し、加温器１１で常温まで温度回復さ（
ｔだ後、常温配管であるバイパス管１３を通してヘリウ
ム冷凍機１に戻す。バイパス弁１２は戻り冷媒の流」■
調節用に使用する。

以上のような構成、および動作の従来のヘリウド冷凍装
置は、バイパス機構を必要とするため装「を構成が複雑
で高価になると共に、運転操作も複雑であり、特に、自
動制御を行う場合などは信頼性に欠けるなどの欠点があ
った。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上記の点にかんがみなされたもので、
極低温冷凍装置の構成を単純化して安価にすると共に、
運転操作を容易にして自動制御する場合に好適な極低温
冷凍装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

極低温冷凍機は、負荷側の条件、すなわち液化負荷か冷
凍負荷か（この中間の液化」−冷凍もある）によって最
適な運転条件が存在する。従来の極低温冷凍装置の場合
は、被冷却体の予冷時には極低温冷凍機は液化モードが
基本であり、定常時には冷凍モードが基本である。した
がって、装置の自動制御のためには、これら被冷却体側
の条件に合わせて極低温冷凍機の制御条件を変更すると
共に、バイパスラインの制御等を行う必要があり、多く
の困難が伴った。極低温冷凍機の運転条件を常に一定に
保つことができれば、運転操作が容易になると共に信頼
性が向上する。

被冷却体の予冷時の条件を考えてみると、冷媒として液
体ヘリウムを考えた場合の単位流量当りの予冷能力は、
Ｑｒ＝６Ｈ＋Ｃｐ　（Ｔ−４，５）である。

ここに、６Ｈは液体ヘリウムの蒸発潜熱であり（中２０
　ｊ／！ｉ’　）、ＣＰはガスヘリウムの比較、（中５
２ｊ７ηＫ）、Ｔはガスヘリウムの被冷却体からの戻り
温度である、したがって、Ｔ＝３００Ｋ（２３℃）の場
合にはＱｒ　＝　１　ｓ　６０　Ｗ／ＣＰ／ｓ）となる
。

これに対し、三重管式極低温冷媒移送配管を予冷時にも
使用すると、冷却能力としては蒸発潜熱のみが使用でき
るために（＋、’　−ｉ−２０Ｗ／　（ｆ！／　Ｓ　）
となり、予冷に長時間を要する二とになる。ヘリウム福
凍機の特性として、冷凍モードでは液化モードの場合に
比較し、約４倍の液体ヘリウムを生成できるため、冷凍
モードでの予冷では、約１５６０／２０／４−２０倍 の予冷時間がかかることになる。

一方、被冷却体の予冷負荷としては、補助冷媒である液
体窒素渇Ｐ二（約８０Ｋ）を「１川Ｉｌｌ　１ｌ＝１度
とすると、′帛湛〜液体窒素温ｌ叱間の予冷負荷が、常
温〜液体ヘリウム温度間の全予冷負荷の約９割を占めて
いる（被冷却体である金属体等の比熱は低温になるにし
たがって犬ＩＪに低トするためである）。

したがって、ρノ期予冷時には、被冷却体でｈｌｉ助冷
媒として使用している液体窒素の寒冷を使用することが
考えられる。この場合には、初期予冷時の予冷能力は　
ｑｒ″＝５．２ｊ／ＰＫ（３００−ｓｏ）＝１１４０　
となり、さらに、流量の違いを考慮すると　１５６０／
１１４０／４＝０．３４即ち、冷凍モードでの予冷能力
が、被冷却体が窟温近くでは大きくなることになる。次
に、被冷却体温度が約１００に以下では補助冷媒を使用
しないとすると、液化モードでの予冷能力はｑｒ＝２０
＋５２（１００−４，５）＊５２０Ｗ冷凍モードの予冷
能ノＪは ｑ、４　＝２ｏｘ４−ｓｏｗ したがって、冷凍モードでの予冷凍能力は８０１５２０
＝０．１５ と、なお小さいが、′帛温から液体ヘリウムの温度まで
の全予冷負荷の約１割のみしか占めない温度範囲である
ことを考えると、全体的には問題にならない。

本発明は、極低温冷凍機より被冷却体に極低温冷媒を供
給する冷媒供給管に、予冷用切替弁を介して被冷却体に
連通ずる予冷ラインを設け、該予冷ラインに極低温冷媒
の冷凍温度より高い温度レベルの補助冷媒と熱交換する
予冷用熱交換部を設け、初期予冷時に補助冷媒の寒冷を
利用することにより、や冷時間を大巾に変更することな
く、極低温冷凍機を′畠に同一冷凍モードで運転できる
ようにしたものである。

〔発明の実施例〕

以−ト、本発明の一実施例を第３図によって説明する。

第３図において、第１図と同一部分は同一符号で示し、
説明を省略する。

第３図において、１９は冷媒供給管３より分岐され、シ
ールド槽７内を経て液体ヘリウム槽９に連通された予冷
ライン、加は予冷ライン１９に設けられた予冷用切替弁
、２１は予冷ライン１９のシールド槽７内に設けられた
予冷用熱交換部である１、」−記の構成において、定常
運転時の動作は第１図と同様のため省略し、予冷時の動
作について説明する。予冷時には供給弁５を閉じておき
、ヘリウム冷凍機ｌから供給された極低温冷媒は、冷媒
供給管３を通り、冷媒戻り管４を流れる戻り冷媒と熱交
換しながら温度上昇してクライオスタット６に供給され
、予冷用切替弁加を通って予冷ライン１９よりシールド
槽７に入り、液体窒素と予冷用熱交換部２１で熱交換し
温度降下して液体ヘリウム槽９に供給され、超電導マグ
ネット８を冷却して温度上昇し、冷媒戻り管４に入る。

冷媒戻り管４に入った戻り冷媒は、冷媒供給管３を流れ
る供給冷媒と熱交換しながら温度降下してヘリウム冷凍
［１に戻る。しかして、超電導マグネット８の予冷が進
行し、約１００Ｋになると、予冷用切替弁加を全閉とし
、供給弁５を開くことにより、クライオスタット６に供
給された供給冷媒は供給弁５を通る定常時の流れになる
。

なお、上記実施例では、予冷用熱交換部２１をクライオ
スタット６内に設けであるが、クライオスタット６外に
設けてもよく、また、三重管式極低温冷媒移送配管に補
助冷媒として液体窒素を使用したシールド管を設ける場
合には、この補助冷媒と熱交換するように予冷用熱交換
部を設けてもよい０　＼ 以上述べたように本実施例によれば、加温器等のバイパ
ス機構が不要になる効果がある。さらに、ヘリウム冷媒
機は、常に同一の冷凍モードで運転することができ、運
転操作が容易−こなると共に、信頼性も向上する。

〔発明の効果〕

以」ユ述べたように本発明によれば、予冷時使用する加
温器等のバイパス機構が不要となるので、装置構成を単
純化することができ、経済性が向上する。また、極低温
冷凍機は笥に同一運転状態で保持すればよく、運転操作
が容易になると共に、信頼性が向上する。さらにまた、
装置１１／構成の単純化、および運転操作の単純化によ
り、自動制御が容易になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のヘリウム冷凍装置の系統図、第２図は三
重管式極低温冷媒移送配管の断面図、第３図は本発明に
よる極低温冷凍装置の一実施例を示す系統図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 】　極低温冷媒を生成する極低温冷凍機と、極低温冷媒
   により冷却される被冷却体と、極低温冷凍機から被冷却
   体に供給する極低温冷媒と被冷却体から極低温冷凍機に
   戻す極低温冷媒とが熱的に接触する如く配設した冷媒供
   給管と冷媒戻り管よりなる極低温冷媒移送配管とからな
   る極低温冷凍袋（＾“においで、上記冷媒供給管に予冷
   用切持弁を介して被冷却体に連通ずる予冷ライ／を設け
   、該予冷ライノに極低温冷媒の冷凍温度より高い温度レ
   ベルの補助冷媒と熱交換する予冷用熱交換部を設けたこ
   とを特徴とする極低温冷凍装置。