JPS60240965A - 冷凍機付クライオスタツトの熱侵入防止方法及び装置 - 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、冷凍機付クライオスタットの熱侵入防止方法
および装置に関するものである。

〔発明の背景〕

真空槽に内設された容器に冷媒である極低温液化ガス、
例えば、液化ヘリウムを貯蔵するクライオスタットでは
、容器への液化ヘリウム封入後に真空槽内を真空にして
大気より隔離、密閉し、クライオスタットの常温部より
液化ヘリウムへ侵入してくる熱によって蒸発した液化ヘ
リウムの蒸発ガスをクライオスタットに一体に設けられ
た冷凍機であるヘリウム冷凍機の発生する寒冷によって
再凝縮することで、容器内の液化ヘリウムの飽和蒸気圧
は一定圧に保持される。

このようなりライオスタットの常温部より液化ヘリウム
へ侵入して鳴る熱の量（以下、侵入熱量と略）を小さく
抑制するために、中間シールド板が容器の外側に配設さ
れる。この中間シールド板の冷却は、従来、例えば、住
人重機機械技術、Ｖｏｆ、２５．４７３、（１９７７−
３）の第６１頁の超高速磁気浮上列車用クライオスタッ
トの開発１′（その２）およびＪＲＢＡ（昭和５２年３
月）の浮上式鉄道の車両用超電導磁石の研究（超電導磁
石の冷却システムの研究）報告書にて論じられているよ
うに、飽和温度４．５にの液化ヘリウムの蒸発ガスを再
凝縮するためのガスで、ヘリウム冷凍機で温度約７７Ｋ
に冷却されたプロセスガスであるヘリウムガスで、まず
、より温度レベルの高い中間シールド板を冷却し、その
後、該中間シールド板を冷却したヘリウムガスをヘリウ
ム冷凍機で温度約２０Ｋに冷却し該ヘリウムガスで、よ
り温度レベルの低い中間シールド板を冷却することでな
されている。なお、より温度レベルの低い中間シールド
板を冷却した後のヘリウムガスは、ヘリウム冷凍機の該
中間シールド板の温度よりも温度が低いプロセスライン
に戻される。

このような、冷凍機付クライオスタットの熱侵入防止技
術では次のような問題がある。

（１）　中間シールド板を冷却した後のガスを、冷凍機
の該中間シールド板の温度よりも温度が低いプロセスラ
インに戻すため、容器に貯蔵されている冷媒より蒸発し
たガスを再凝縮するためのプロセス主流のガス温度が上
昇し冷凍機の再凝縮能力が低下する。

（２）冷凍機の再凝縮能力の低下分をカバーするには、
冷凍機の再凝縮能力をその分だけ余分に大きくする必要
があるため、冷凍機が大型化する。

（３）冷凍機の大型化により、プロセスガス量が増加し
、これにより冷凍機の圧縮機ユニットの能力を太き（す
る必要があるため、装置コストおよび運転コストが増大
する。

（４）容器に貯蔵される冷媒が液化ヘリウムの場合、該
液化ヘリウムへの侵入熱量をより小さくするためには、
温度４．５Ｋを超え常温未満の間に最低５段階の温度レ
ベルの中間シールド板を配設する必要があるが、温度約
７７にと約２０にの２段階の温度レベルの中間シールド
板しか配設できないため、液化ヘリウムへの侵入熱量を
良好に小さく抑制することができない。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、容器に貯蔵されている冷媒より蒸発し
たガスを再凝縮するためのプロセス主流のガス温度の上
昇を抑制することで、冷凍機の再凝縮能力の低下を防止
できる冷凍機付クライオスタットの熱侵入防止方法およ
び装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、クライオスタットの真空槽に内設された冷媒
貯蔵用の容器の外側に複数段配設された中間シールド板
を、クライオスタットに一体で設けられた冷凍機で冷却
されたガスで温度レベルの低い中間シールド板から温度
レベルの高い中間シールド板へと順次冷却し、該冷却に
より温度上昇したガスを中間シールド板の内で温度レベ
ルが最も高い中間シールド板よりも温度が高い冷凍機の
低圧プロセスラインに戻すようにしたもので、容器に貯
蔵されている冷媒より蒸発したガスを再凝縮するための
プロセス主流のガス温度上昇を抑制しようとするもので
ある。

〔発明の実施例〕

本発明の一実施例を第１図により説明する。

第１図で、クライオスタット１０の真空槽１１には、容
器１２が内設されている。容器１２には、一端部、この
場合は上端部が真空槽１１外に突出した液化冷媒注入管
１３の他端、この場合は、下端が連通して連結されてい
る。液化冷媒注入管１３ｙｌは、封じ切り可能な構造と
なっている。

第１図で、クライオスタット１ｏに一体で設けられる冷
凍機加は、この場合、圧縮機ユニット２１と、２段のコ
ールドステーシロンＺ！ａ、２２ｂを有する往復動型の
蓄冷器式膨張機（以下、膨張機と略）Ｚと、間接熱交換
器、例えば、向流式の積層熱交換器冴〜加と、ジュール
・トムソン効果を有する膨張弁であるジュール・トムソ
ン弁（以下、ＪＴ弁と略）２７とで主に構成されている
。圧縮機ユニシト２１は、真空槽１１外に設置されてい
る。膨張機るは、そのディスプレーサ（図示省略）の往
復駆動部器を真空槽１１外に残し、コールドステーシロ
ン２２ｂ側から真空槽１１内に、この場合、その頂壁側
から挿設される。積層熱交換器スル加は、この場合、真
空槽１１内に、膨張機おの右横で高さ方向にそれぞれ配
設されている。圧縮機ユニット２１の吐出端と往復駆動
部あのプロセスガス入口とは、高圧ガス配管囚で連結さ
れ、往復駆動部部のプロセスガス出口と圧縮機ユニット
２１の吸入端とは、中圧ガス配管間で連結されている。

高圧ガス配管四の途中から高圧ガス配管３１　ａが分岐
して積層熱交換器部の高圧流路３２　ａの入口に連結さ
れている。

コールドステーシロン２２ａには熱交換器、例えば、コ
イル管式の熱交換器間が取伺けられ、熱交換器３３の入
口は、積層熱交換器部の高圧流路３２ａの出口に高圧ガ
ス配管３１　ｂで連結され、熱交換器おの出口は、積層
熱交換器５の高圧流路３２ｂの入口に高圧力ス配管３１
　ｃで連結されている。コールドステーション２２ｂに
は、熱交換器、例えば、熱交換器おと同タイプの熱交換
器あか取り付けられ、熱交換器あの入口は、積層熱交換
器５の高圧流路３２ｂの出口に高圧ガス配管３１　ｄで
連結され、熱交換器調の出口は、積層熱交換器がの高圧
流路３２　ｃの入口に高圧ガス配管３１　ｅで連結され
ている。積層熱交換器かの高圧流路３２　ｃの出口とＪ
Ｔ弁ｎの入口とは高圧ガス配管３１　ｆで連結されてい
る。容器１２には、その上方位置で再凝縮器、例えば、
コイル管式の熱交換器あが内設され、ＪＴ弁ｎの出口と
再凝縮器あの入口とは、低圧配管あで連結されている、
１再凝縮器あの出口と積層熱交換器がの低圧流路３７　
ａの入口と、積層熱交換器部の低圧流路３７　ａの出口
と積層熱交換器５の低圧流路３７ｂの入口と、積層熱交
換器５の低圧流路３７　ｂの出口と積層熱交換器部の低
圧流路３７　ｃの入口と、積層熱交換器部の低圧流路３
７　ｃの出口と圧縮機ユニット４の他の吸入端とは、そ
れぞれ低圧ガス配管３８ａ〜３８ｄで連結されている。

なお、高圧ガス配管囚。

３１　ａ〜３１　ｆで冷凍機加の高圧プロセスラインを
、低圧ガス配管３８　ａ　−３８ｄで低圧プロセスライ
ンを構成している。

第１図で、容器１２の外側で真空槽１１内には、この場
合、第１中間シールド板１４　ａ−第５中間シールド板
１４　ｅまで所定の空間をそれぞれ有し５段配設されて
いる。それぞれの空間は、使用時、勿論真空排気される
。第１中間シールド板１４４〜第５中間シールド板１４
　ｅには、熱交換器、例えば、コイル管式の熱交換器４
０　ａ　−４０ｅがそれぞれ取り付けられている。熱交
換器４０ａの入口には、高圧ガス配管３１　ｅより分岐
したガス配管４１　ａが連結されている。熱交換器４０
ａの出口と熱交換器４０　ｂの入口と、熱交換器４０　
ｂの出口と熱交換器４０　ｃの入口と、熱交換器４０ｃ
の出口と熱交換器４０　ｄの入口と、熱交換器４０　ｄ
の出口と熱交換器４０　ｅの入口とは、ガス配管４１　
ｂ〜４１　ｅでそれぞれ連結されている。

熱交換器４０　ｅの出口には、ガス配管４］　ｆの一端
が連結され、ガス配管４１　ｆの他端は、真空槽１１の
外側で低圧ガス配管３８ｄに合流連結されている。ガス
配管４１　ｆには、この場合、真空槽１１の外側でガス
流量調整手段として流量調整弁５０が設けられている。

第１図で、容器１２には、被冷却体６ｏが内蔵され、使
用時には、容器１２内に液化冷媒注入管１３より冷媒で
ある液化ヘリウムが注入され、これにより被圧縮機ユニ
ブト２１でプロセスガスは、約１６ａｔｍ△ の圧力に昇圧され、この高圧のヘリウムガスは、高圧ガ
ス配管囚、往復駆動部列を介して膨張機器内に供給され
、ここで圧力約１６　ａｔｎｌから約４ａｔｍに膨張さ
せられて寒冷を発生し、その後、この中圧のヘリウムガ
スは膨張ａ２３で常温まで温度回復し、膨張機田から往
復駆動部列、中圧ガス配管（９）を介して圧縮機ユニッ
ト２１に戻される。このような寒冷発生によりコールド
ステージ官ン２２ａは、温度約７７Ｋに冷却され、コー
ルドステーション２２ｂは、温度約１５Ｋに冷却される
３、一方、高圧ガス配管３１　ａに分流され、その後、
積層熱交換器列の高圧流路３２ａ、高圧ガス配管３１ｂ
、熱交換器お、高圧ガス配管３１ｃ、積層熱交換器５の
高圧流路３２ｂ、高圧ガス配管３１ｄ、熱交換器あ、高
圧ガス配管３１ｅ、積層熱交換器５の高圧流路３２ｃ、
高圧ガス配管３１ｆ、ＪＴ弁ｎの順に流通する高圧のヘ
リウムガスは、その途中で、熱交換器オ、３４を介して
コールドステーション２２ａ、２２ｂの寒冷と積層熱交
換器冴〜浸の低圧流路３７３〜３７　ｃを流通する低温
のヘリウムガスが有する寒冷とで順次冷）：　却さ１・
ＪＴ弁″Ｔ１６“”から１゛２°゛″ま１膨張し出口で
温度約４．５Ｋまで冷却される。この温度約４．５にの
液化ヘリウムとヘリウムガスとの気液混相流は、低圧配
管あを介して再凝縮器あに供給される。これにより、容
器１２内に注入された液化ヘリウムが蒸発したヘリウム
ガスは再凝縮器あで凝縮、液化され、容器１２内の液化
ヘリウムの飽和蒸気圧は一定圧に保持される。その後、
再凝縮器あを出た温度約４．５にの低温で圧力約１．２
　ａｉｍの低圧のヘリウムガスは、低圧ガス配管３８ａ
、積層熱交換器加の低圧流路３７ａ、低圧ガス配管３８
ｂ。

積層熱交換器５の低圧流路３７ｂ、低圧ガス配管羽Ｃ１
積層熱交換器冴の低圧流路３７Ｃ２低圧ガス配管３８ｄ
を順次流通し、温度常温となって圧縮機ユニット２１に
戻される。この間、積層熱交換器列〜がの高圧流路３２
　ａ　＝　３２　ｃをＪＴ弁ｎ方向に流通する高圧のヘ
リウムガスを順次冷却し、これにより積層熱交換器列の
低圧流路３７　ｃを出た低圧のヘリウムガスの温度は、
常温となる。

一方、第１図で、高圧ガス配管３１　ｅよりガス配管４
１　ａに分流された温度約１５にのヘリウムガスは、熱
交換器４０　ａ　、ガス配管４１ｂ、熱交換器４ｏｂ。

ガス配管４１Ｃ１熱交換器４０ｃ、ガス配管４１ｄ、熱
交換器４０ｄ、ガス配管４１ｅ、熱交換器４０ｅ、開弁
している流量調整弁閉を介してガス配管４１　ｆを順次
流通した後に、低圧ガス配管３８ｄを流通している常温
で低圧のヘリウムガスと合流して圧縮機ユニット２１に
戻される。この際、第１中間シールド板１４　ａ−第５
中間シールド板１４　ｅは、熱交換器伯ａ　−４０ｅを
昇温しながら流通する低温のヘリウムガスが有する寒冷
により、クライオスタット１０の常温部から容器１２内
の液化ヘリウムへの侵入熱量を極力小さく抑制するのに
必要な温度レベルにそれぞれ冷却される。即ち、第１中
間シールド板１４ａは、温度約１６Ｋに、第２中間シー
ルド板１４　ｂは、温度９６Ｋに、第３中間シールド板
１４　ｃは、温度１６３Ｋに、第４中間シールド板１４
ｄは、温度２１２Ｋに、第５中間シールド板１４　ｅは
、温度２５０Ｋにそれぞれ冷却される。この場合、第１
中間シールド板１４　ａ−第５中間シールド板１４　ｅ
の温度レベルを上記した温度レベルに制御するには、熱
交換器４０ａｚ４０ｅをそれぞれ順次流通するヘリウム
ガスの温度と流量、即ち、高圧ガス配管３１　ｅからガ
ス配管４１　ａに分流されたヘリウムガスの温度と流量
とを調整する必要がある。具体的には、高圧ガス配管３
１　ｅからガス配管４１　ａに分流されたヘリウムガス
の温度は、約１５にと一定であるため、流量調整弁間の
弁開度調節により、このヘリウムガスの流量を調整して
いる。例えば、直径１６ｍ長さ２．４ｍのクライオスタ
ットであれば、流量約５０　ｍ９７８のヘリウムガスを
分流させることにより、各中間シールド板を上記温度に
保つことができる。

なお、液化冷媒注入管１３からの容器１２内の液化ヘリ
ウムの熱侵入は、第１中間シールド板１４　ａ〜第５中
間シールド板１４　ｅと液化冷媒注入管１３とが、液化
冷媒注入管１３の軸方向の温度分布に沿って同−ｍ度レ
ベルの箇所で熱的に導通しているため、十分に防止され
ている。

本実施例のような冷凍機付クライオスタットでは、次の
ような効果を得ることができる。

（１）冷凍機で温度約１５Ｋに冷却されて分流されたヘ
リウムガスで、より温度レベルの低い第１中間シールド
板からより温度レベルの高い第２〜′！Ｊ４中間シール
ド板、更に温度レベルが最も高い第５中間シールド板へ
と順次冷却し、該冷却により温度上昇したヘリウムガス
を冷凍機の常温、低圧のヘリウムガスが流通する低圧ガ
ス配管に戻すようにしているため、容器に貯蔵されてい
る液化ヘリウムより蒸発したヘリウムガスを再凝縮する
ためのプロセス主流のヘリウムガス温度の上昇を抑制で
き、冷凍機の再凝縮能力の低下を防止できる。

（２）冷凍機の再凝縮能力の低下を防止できるので、冷
凍機の大型化を防止できる。

（３）冷凍機の大型化を防止できるので、ヘリウムガス
量が増加せず、したがって、冷凍機の圧縮機ユニットの
能力を大きくする必要がな（なり、装置コストおよび運
転コストの増大を抑制できる。

（４）温度４．５Ｋを趙え常温未満の間に５段階の温度
レベルの第１中間シールド板〜第５中間シールド板を配
設できるため、液化ヘリウムへの侵入熱量を良好に小さ
く抑制できる。

第２図は、本発明の第２の実施例を示すもので、第１図
と異なる点は、最高の温度レベルにある第５中間シール
ド板１４　ｅに、更に別の熱交換器、例えば、コイル管
式の熱交換器４Ｏｆを取り付け、熱交換器４０　ｆの入
口に高圧ガス配管３１　ｃより分岐したガス配管４１　
ｇを連結し、熱交換器４０　ｆの出口とガス配管４１　
ｆとをガス配管４１　ｈで連結した点である。なお、第
２図で、その他第１図と同−装置等は同一符号で示し説
明を省略する。

本実施例のような冷凍機付クライオスタットでは、膨張
機の温度約７７にのコールドステーションで冷却された
後に分岐されたヘリウムガスを第５中間シールド板に更
に別に設けた熱交換器に供給できるので、本発明の一実
施例に比較し各中間シールド板の熱負荷能力を更に高め
ることができ、更に大型のクライオスタットの適用が可
能となる効果がある。

第３図は、本発明の第３の実施例を示すもので、第１図
と異なる点は、最低の温度レベルにある第１中間シール
ド板１４　ａに取り付けられた熱交換器４０ａの入口に
連結されるガス配管４１　ａを高圧ガス配管３１　ｆよ
り分岐させた点である。なお、第３図で、その他第１図
と同−装置等は同一符号で示し説明を省略する。

本実施例のような冷凍機付クライオスタットは、温度約
６にのヘリウムガスで、第１中間シールド板〜ＩＪ５シ
ールド板を順次冷却できるので、上記した本発明の一実
施例に比較して第１中間シールド板の温度レベルを更に
低くでき、容器内の液化ヘリウムへの侵入熱量を更に小
さく抑制できる。

〔発明の効果〕

本発明は、以上説明したように、クライオスタットの真
空槽に内股された冷媒貯蔵用の容器の外側に複数段配設
された中間シールド板を、クライオスタットに一体で設
けられた冷凍機で冷却されたガスで温度レベルの低い中
間シールド板から温度レベルの高い中間シールド板へと
順次冷却し、該冷却により順次温度上昇したガスを中間
シールド板の内で温度レベルが最も高い中間シールド板
よりも温度が高い冷凍機の低圧プロセスラインに戻すこ
とで、容器に貯蔵されている冷媒より蒸発したガスを再
凝縮するためのプロセス主流のガス温度上昇を抑制でき
るので、冷凍機の再凝縮能力の低下を防止できるという
効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を実施した冷凍機付クライオスタット
の一例を示す系統図、第２図は、同じ（第２の例を示す
系統図、第３図は、同じく第３の例を示す系統図である
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １６　クライオスタットの容器に貯蔵された冷媒へ侵入
   する熱を吸収する複数段の中間シールド板を、前記クラ
   イオスタットに一体で設けられた奮 冷凍機で冷却されたガスで温度レベルの迂い前記中間シ
   ールド板から温度レベルの高い前記中間シールド板へと
   順次冷却し、該冷却により温度上昇した前記ガスを前記
   中間シールド板の内で温度レベルが最も高い中間シール
   ド板よりも温度が高い前記冷凍機の低圧プロセスライン
   に戻すことを特徴とする冷凍機付クライオスタットの熱
   侵入防止方法。 ２、クライオスタットの真空槽に内設された冷媒貯蔵用
   の容器の外側に複数段配設された中間シールド板にそれ
   ぞれ熱交換器を取り付け、前記クライオスタットに一体
   で設けられた冷凍機の高圧プロセスラインから分岐した
   ガス配管を温度レベルが最も低い前記中間シールド板に
   取り付けられた前記熱交換器の入口に連結し、より温度
   レベルの低い前記中間シールド板に取り付けられた前記
   熱交換の出口とより温度レベルの高い前記中間シールド
   板に取り付けられた前記熱交換器の入口とをガス配管で
   順次連結し、温度レベルが最も高い前記中間シールド板
   に取り付けられた前記熱交換器の出口に連結したガス配
   管を前記冷凍機の低圧プロセスラインで温度レベルが最
   も高い前記中間シールド板よりも温度が高い低圧プロセ
   スラインに合流連結し、該低圧プロセスラインに合流連
   結された前記ガス配管にガス流量調整手段を設けたこと
   を特徴とする冷凍機付クライオスタットの熱侵入防止装
   置。