JPS61226904A - 極低温冷却方法および極低温冷却装置 - 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】 （発明の技術分野〕 本発明は超電導マグネットやクライオポンプ等の極低温
装置を極低温に冷却する極低温冷ノ」方法おｊ：び極低
温冷却装置に関する。

（発明の技術的背量とその問題点〕 人形超電導マグネッ１−の冷２ＪＩは大型ヘリウム冷凍
液化機によって生成される液体ヘリウムを利用して行な
われている。大型ヘリウム冷凍液化機の運転はヘリウム
を閉じたサイクル内で循環させて行なわれるため、ヘリ
ウムの損失が少なく、またこの運転により超電導マグネ
ツ１へは室温り目ら／ＩＫまで予冷され、続いて超電導
マグネッ１〜を４にの極低温状態に保つため、液体ヘリ
ウムの貯液やマグネッ１〜の定常運転時の保液をしてい
る。

近年、核磁気共鳴ＣＴスキ鵞・ナーなどに超電導マグネ
ッ１〜が応用され、この超電聯マグネツ１−の商品化が
急ピッチで促進されるようになってきた。

超電導マグネットは小形とはいえないものもあるが、コ
ーチの立場や使用条件などから、超電導マグネッ１〜を
冷却するヘリウム冷凍液化機に大型のものを設置できな
い場合がある。この場合、超電導マグネットは、比較的
安価な液体窒素を用いて予備冷却させ、その後、液体窒
素を抜ぎ出して液体ヘリウムを注入し、極低温に冷却し
ているが、このときには液体ヘリウムや液体窒素は大気
放出どなって相当な損失となる一方、超電導マグネツ１
〜の定常運転時には液体ヘリウムの自然蒸発があり、か
つ定常運転は長期にわたるからヘリウム蒸発量が多く、
ヘリウム損失が大きい。

ヘリウム損失を解消させるために、小型のヘリウム冷凍
機が開発されている。このヘリウム冷凍機には４にヘリ
ウム冷凍機と２０にヘリウム冷凍機とがあるが、４にヘ
リウム冷凍機はヘリウムを循環させる閉サイクルにジュ
ールトムソンサイクルが加わり、このジュールトムソン
サイクルには極小径のジコールトムソン弁が用いられて
いるため、不純物による弁閉塞や熱負荷の僅かな変動に
も熱バランスが崩れる虞れがあり、充分な信頼性が得ら
れていない。

一方、２０にヘリウム冷凍機は、冷凍機自体にジュール
トムソン回路を含まないので信頼性も高く、広く利用さ
れているが、極低温冷却装置に適用した場合、ヘリウム
損失があり、必ずしも充分な信頼性があるとはいえなか
った。

〔発明の目的〕

本発明は−［述した事情を考慮してなされたもので、ヘ
リウム損失を防止して外部からのヘリウム補給を極力少
なくし、超電導マグネッ１〜等の極低温装置を効果的に
冷却させることができ、信頼性や経済性に優れた極低温
冷却方法および極低温冷却装置を提供することを目的と
する。

〔発明の概要〕

上述した目的を達成するために、本イ′１の第１番目に
記載の発明は、超電導マグネット等の極低温装置で蒸発
した蒸発ヘリウムガスをヘリウム圧縮機で圧縮し、圧縮
された高圧ヘリウムガスをヘリラム冷凍機で冷却し、冷
却された低調高圧ヘリウムガスを前記蒸発ヘリウムガス
と熱交換してざらに冷却し、この低温高圧ヘリウムガス
を断熱膨脹ざｌて気液二相流を生成し、このうら液体ヘ
リウムガスを極低温装置冷却用に還流させることを特徴
とＪるものである。

また、本件の第２番目に記載された発明は、超電導マグ
ネット等の極低温装置を収容し、液体ヘリウムが充填さ
れた密閉容器と、この密閉容器内で蒸発した蒸発ヘリウ
ムガスがヘリウムガス供給ラインを紅で案内されるヘリ
ウム圧縮機と、このヘリウム圧縮機で圧縮された高圧ヘ
リウムガスを冷却？Ｉるヘリウム冷凍機と、冷却された
低温高圧ヘリウムガスを蒸発ヘリウムガスと熱交換可能
に貯溜される圧力容器と、この圧力容器内の低温ヘリウ
ムガスを断熱膨脹さゼる断熱膨脹機構とを有し、前記圧
力容器内で断熱膨脹により生成された気液二相流のうち
、液体ヘリウムを前記密閉容器内に還流させるように構
成したことを特徴とするものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の好ましい実施例についで添イ・１図面を
参照して説明する。

図は本発明に係る極低温冷却装置を承り系統図であり、
図中符号１０は極低温装置どして超電導マグネッ１〜１
１を収容した密閉容器であり、この密閉容器１０内には
液体ヘリウム１２が充填され、貯液されるにうになって
いる。密閉容器１ｏは真空密閉ｌ　ｍの真空断熱隔壁１
３内に収納される。

超電導マグネット１１の冷却にＪ：り蒸発した蒸発ヘリ
ウムガスはヘリウムガス供給ライン１５に案内される。

ヘリウムガス供給ライン１５には圧力容器１６を冷却す
る熱交換器１７、逆止弁１８、蒸発ヘリウムガスを加熱
する加温器１９および容積可変構造のバッファタンク２
０が順次配設され、ヘリウム圧縮機２１に接続される。

ヘリウム圧１ｉｆ１２１では蒸発ヘリウムガスを圧縮し
、圧縮された高圧ヘリウムガスを還流ライン２３に吐出
している。

還流ライン２３には高圧ヘリウムガスに含まれ−７−゛ る油や水分等の異物を吸着除去する吸着器２４や２０に
小型冷凍機としてのヘリウム冷凍機２５、低温弁２６、
圧力容器１６および常閉の低温弁２７が順次配設され、
密閉容器１０に接続される。

ヘリウム冷凍機２５はヘリウム圧縮機２１で圧縮された
高圧ヘリウムガスを多段構造、具体的には２段のコルド
ヘッド２５ａで段階的に冷却する。

第１段コールドヘッドで高圧ヘリウムガスは５０に〜８
０Ｋに冷却され、第２段目で１５に〜２０Ｋに冷却され
る。

冷却された低温高圧ヘリウムガスは低温弁２６を経て斤
ノ〕容器１６に送られ、ここに貯溜される。

圧力容器１６には断熱膨脹機構３０が備えられている。

断熱膨脹機構３０は、ガス膨脹ライン３１を有し、この
ガス膨脹ライン３１はヘリウムガス供給ライン１５に、
加温器１９の上流側で接続され、合流せしめられる。上
記ガス膨脹ライン３１には断熱膨脹弁３２が設置され、
この断熱膨脹弁３２を開放することにＪ：す、圧力容器
１６内の低温高圧ヘリウムガスを生成するようになって
いる。

生成されＩζ気液二相流のうら、液体ヘリウム１．ｔ　
還流ライン２３を通って密閉容器１０内に還流され、ヘ
リウムガスはガス膨脹ライン３１を通ってヘリウムガス
供給ライン１５に案内され、蒸発ヘリウムガスど合流せ
しめられる。

なお、外部からヘリウムガスを補給したり、外部に回収
するラインや安全弁等は簡略化のために省略されている
。

次に、極低温冷却装置の作業について説明Ｊ−る。

密閉容器１０内で超電導］イル１１の冷に１にＪ、り蒸
発した蒸発ヘリウムガスはヘリウムガス供給ライン１５
に案内され、熱交換器１７にＪ、り圧力容器１６を冷却
し、温度上行す゛る。温度上行した蒸発ヘリウムガスは
逆止弁１８を通り加温器１９に案内され、ここで加熱さ
れて室温となりバッファタンク２０内に入る。バッフ７
タンク２０は容積可変４ｆＩＸＭによりほぼ大気圧に保
たれる。バッフ７タンク２０は大気の透過がほどんとな
い材質および気密横道に構成される。バッファ・タンク
２０内の蒸発ヘリウムガスはヘリウムガス量が所定量に
達した後、ヘリウム圧縮機２１に案内されてここで圧縮
作用を受け、高圧のヘリウムガスとなり還流ライン２３
に吐出される。

吐出された高圧ヘリウムガスは吸着器２４にＪ：り油や
水分が除去されてヘリウム冷凍ｔｊｌ１２５に案内され
、このヘリウム冷凍機２５で、多段Ｉ造の］−ルドヘッ
ド２５ａにより２０に近くまで冷却される。冷却された
低温高圧ヘリウムガスは低温弁２６を経て圧力容器１６
に案内され、この圧力容器１６内に蓄圧される。圧力容
器１６内に蓄圧される低温ヘリウムガスは蒸発ヘリウム
ガスと熱交換して充分に冷却される。

圧力容器１６内に蓄圧（貯溜）される低温ヘリウムガス
の温度および圧力が所定値に達した後、断熱膨脹弁３２
を開き、圧力容器１６内の圧力を大気圧まで解放させる
。これにＪ：り圧力容器１６内の低調ヘリウムガスは急
激に断熱膨脹（等エンＩ〜〇ビ変化）し、公知の３　ｉ
ｍｏｎの単一膨脹によるヘリウムガス液化の原理により
、低温ヘリウムガスの一部は液化して気液二相流となっ
て、圧力容器１６内に４にの液体ヘリウム１２が貯溜さ
れる。

このときの液体ヘリウム量は圧力容器１６内に蓄圧され
る低温ヘリウムガスの温度・圧力に依存し、圧力容器１
６の容積が一定の場合、ヘリウムガス圧力が高いほと、
ヘリウムガス温度が低いほと、液体ヘリウム出が多くな
る。

圧力容器１６内に液体ヘリウムか生成されたら、圧力容
器１６内の圧力が充分に低下していることを確かめた後
、常閉の低温弁２７を開き、液体ヘリウムを密閉容器１
０内に還流させる。これにＪ：す、密閉容器１０内の液
体ヘリウム１２の液面レベルの低下を防止している。

このＪ：うに、ヘリウムガス供給ライン１５ど還流ライ
ン２３どからなる閉じたサイクル内でヘリウムを循環さ
せ、この開サイクルを適当な時間間隔で繰り返１ことに
よって、断続的に液体ヘリウムの補給が行なわれ、密閉
容器１０内に収容される超電導マグネッ］・１１を有効
的に冷ｒＪＩさせることができる。また、密閉容器１０
内に収容される超低温装置は超電導マグネット１１に限
定されず、クライオポンプなどであってもよい。

〔発明の効果〕

以上に述べたように本発明においては、超電導マグネッ
ト等の極低温装置で蒸発した蒸発ヘリウムガスをヘリウ
ム圧縮機で圧縮し、圧縮された高圧ヘリウムガスをヘリ
ウム冷凍機で冷却し、この冷却された低温高圧ヘリウム
ガスを前記蒸発ヘリウムガスと熱交換してさらに冷却さ
せる一方、この低温高圧ヘリウムガスを断熱膨脹させて
気液二相流を生成し、生成された気液二相流のうち液体
ヘリウムを極低温装置冷却用に間欠的に還流させるよう
にしたから、へり「クムの損失が少なく、外部から補給
するヘリウムを極力少なくすることができ、経済的に優
れ、極低温装置を有効的に能率よく冷却することができ
る。

また、ヘリウム冷凍機で冷却された低温高圧ヘリウムガ
スを断熱膨脹させてさらに冷却し、液化するようにした
から、ヘリウム冷凍機を２０にの小型冷凍機を使用すれ
ばよく、しかも、ヘリウムを循環させるリーイクルにジ
ュール１−ムソン回路を必要としないので、ヘリウムを
循環させる閉サイクルの機成が単純化され、信頼性が向
上する。

また、ヘリウムを循環させる閉サイクルは間欠運転され
るため、定常運転が長時間にわたってもヘリウム圧縮機
や各種弁類の実作動時間が短く、それらの耐用年数を延
ばすことができる。

【図面の簡単な説明】

図は本発明に係る極低温冷却装置の一実施例を示す系統
図である。 １０・・・密閉容器、１１・・・超電導マグネット、１
２・・・液体ヘリウム、１５・・・ヘリウムガス供給ラ
イン、１６・・・圧力容器、１７・・・熱交換器、１８
・・・逆止弁、１９・・・加温器、２０・・・バッファ
タンク、２１・・・ヘリウム圧縮機、２４・・・吸着器
、２５・・・ヘリウム冷凍機、３０・・・断熱膨脹機構
、３１・・・ガス膨脹ライン、３２・・・断熱ｉ服弁。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、超電導マグネット等の極低温装置で蒸発した蒸発ヘ
   リウムガスをヘリウム圧縮機で圧縮し、圧縮された高圧
   ヘリウムガスをヘリウム冷凍機で冷却し、冷却された低
   温高圧ヘリウムガスを前記蒸発ヘリウムガスと熱交換し
   てさらに冷却し、この低温高圧ヘリウムガスを断熱膨脹
   させて気液二相流を生成し、このうち液体ヘリウムガス
   を極低温装置冷却用に還流させることを特徴とする極低
   温冷却方法。 ２、極低温装置で蒸発した蒸発ヘリウムガスは、ヘリウ
   ム冷凍機で冷却された低温高圧ヘリウムガスと熱交換さ
   れて温度上昇し、温度上昇した蒸発ヘリウムガスを加温
   器で室温に加熱してヘリウム圧縮機に案内する特許請求
   の範囲第１項に記載の極低温冷却方法。 ３、ヘリウム冷凍機で冷却された低湿高圧ヘリウムガス
   は、蒸発ヘリウムガスと熱交換可能な圧力容器内に案内
   され、この圧力容器内で断熱膨脹させて気液二相流を生
   じさせる一方、生じた気液二相流のうち、低温ヘリウム
   ガスは蒸発ヘリウムガスに回収せしめられる特許請求の
   範囲第１項に記載の極低温冷却方法。 ４、超電導マグネット等の極低温装置を収容し、液体ヘ
   リウムが充填された密閉容器と、この密閉容器内で蒸発
   した蒸発ヘリウムガスがヘリウムガス供給ラインを経て
   案内されるヘリウム圧縮機と、このヘリウム圧縮機で圧
   縮された高圧ヘリウムガスを冷却するヘリウム冷凍機と
   、冷却された低温高圧ヘリウムガスを蒸発ヘリウムガス
   と熱交換可能に貯溜される圧力容器と、この圧力容器内
   の低温ヘリウムガスを断熱膨脹させる断熱膨脹機構とを
   有し、前記圧力容器内で断熱膨脹により生成された気液
   二相流のうち、液体ヘリウムを前記密閉容器内に還流さ
   せるように構成したことを特徴とする極低温冷却装置。 ５、ヘリウムガス供給ラインには、圧力容器内の低湿ヘ
   リウムガスを加熱する加温器と、バッファタンクとが順
   次この順に設けられた特許請求の範囲第４項に記載の極
   低温冷却装置。 ６、ヘリウム圧縮機とヘリウム冷凍機との間には、吸着
   器が設けられ、この吸着器で圧縮された高圧ヘリウムガ
   スに混入する油や水分等の異物が吸着除去される特許請
   求の範囲第４項に記載の極低温冷却装置。 ７、断熱膨脹機構は、圧力容器と加温器上流側のヘリウ
   ムガス供給ラインとを接続するガス膨脹ラインに断熱膨
   脹弁を設けることにより構成された特許請求の範囲第４
   項に記載の極低温冷却装置。 ８、ヘリウムガス供給ラインには、ガス膨脹ラインとの
   合流部より上流側に逆止弁が設けられ、上記合流部下流
   側に設けられたバッファタンクは容積可変構造に構成さ
   れた特許請求の範囲第７項に記載の極低温冷却装置。 ９、密閉容器および圧力容器は密閉された真空断熱隔壁
   内に収容された特許請求の範囲第４項に記載の極低温冷
   却装置。