JPS61252473A - Ｈｅ液化冷凍装置 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、被冷却物を極低温に保持するに際して使用さ
れる液体Ｈｅの発生及び供給装置に関し、詳細には、１
台のＨｅ液化冷凍装置で極低温保持作用だけでなく供給
用液体Ｈｅの製造及び被冷却物の予冷を合わせて遂行す
ることのできる様なＨｅ液化冷凍装置に関するものであ
る。

［従来の技術１ 材料の極低温強度試験設備等の様に被冷却物を極低温に
保持する必要のある設備においては、極低温環境をつく
る為にＨｅ液化冷凍装置が用いられている。即ち該設備
では被冷却物を極低温容器に入れておき、Ｈｅ液化冷凍
装置で製造した液体Ｈｅを上記極低温容器に供給し、被
冷却物を液体Ｈｅ中に浸漬することにより極低温保持の
目的を達成する。

ところで極低温容器内から被冷却物を取り出す必要がな
ければ問題が無いのであるが、上記極低温設備では被冷
却物の取り換えあるいは検査の為にしばしば極低温容器
を開放する必要があり、そのたびに極低温容器内だけで
なく極低温容器内に開口するＨｅガス流路が外気によっ
て汚染されてしまう、もしＨｅガス中に空気が混入して
しまうと、該混入空気の凍結による流路閉塞等の問題を
引き起こすので、いったん極低温容器を開放した後はＨ
ｅ液化冷凍装置の全系統をクリーニングする必要があり
、この作業の為に多大の労力と時間を費すことになる。

そこで上記問題の解決法として再凝縮型のＨｅ液化冷凍
装置が種々提案されており（特公昭５５−２２９７９号
、特開昭５２−６２５７号、特開昭５６−１３８６５５
号等）、これを用いることによりＨｅガス流路の汚染を
防止している。即ち丑記再凝縮型のＨｅ液化冷凍装置と
は、極低温容器内に再凝縮器を設置してＨｅ液化冷凍装
置から該再凝縮器に向う閉回路を形成し、該閉回路内に
液体Ｈｅを流すことによって極低温容器内のＨｅガスを
凝縮させ被冷却物を極低温に保持するものであり、Ｈｅ
液化冷凍装置内のＨｅは再凝縮器内を閉回路的に流れて
いるので、極低温容器を開放することがあっても外気と
接触するおそれがなくＨｅを清浄な状態に維持すること
ができる。

しかるに上記再凝縮型Ｈｅ液化冷凍装置においては、液
体Ｈｅは再凝縮器内を流れるだけで極低温容器内へは供
給されないので極低温容器の再使用に当たって、極低温
容器内へ液体Ｈｅを供給再開しようとするときには、他
のＨｅ液化冷凍機の助けを借りなければならないという
欠点があった。即ちこの間の事情を更に詳しく説明する
と。

極低温容器内の被冷却物を取り換えるに際しては、Ｈｅ
液化冷凍装置の運転をいったん停止すると共にヒーター
等で極低温容器を加熱し、容器内の液体Ｈｅを気化させ
て系外のガスバッグ等へ導入・貯留する０次いで容器を
開放して被冷却物を取り出した後新たな被冷却物を装入
して極低温運転を再開するが、再開に当たっては、まず
液体Ｎ２等を容器内に導入して容器及び被冷却物を予冷
した後、液体Ｎ２と液体Ｈｅを置換する。このとき液体
Ｈｅが必要となるが、前記Ｈｅ液化冷凍装置は液体Ｈｅ
供給機能を備えていないので他のＨｅ液化冷凍機で液体
Ｈｅを製造し供給しなければならない、こうして容器を
閉鎖し、前記Ｈｅ液化冷凍装置を運転して再凝縮器内に
液化Ｈｅを流すことによって容器内の気化Ｈｅを凝縮さ
せ容器及び被冷却物を極低温に保持する。

上記説明から理解できる様に、再凝縮をＨｅ液化冷凍装
置においては、極低温設備の運転再開に際して他のＨｅ
液化冷凍機を稼動させることが必要であり、また容器並
びに被冷却物の予冷や容器からのＨｅ回収という操作に
ついても別系統のラインを準備しておかなければならな
いという設備的な無駄が大きかった。

［発明が解決しようとする問題点］ 本発明はこうした事態に着目し研究を重ねた結果完成さ
れたものであって、（１）予冷、（２）液体Ｈｅの製造
争供給並びに（３）極低温の保持のすべてを１台の装置
で行なうことができる様な再凝縮型のＨｅ液化冷凍装置
を提供しようとするものである。

［問題点を解決するための手段］ 上記目的を達成した本発明のＨｅ液化冷凍装置は、再凝
縮型の極低温容器を併設したＨｅ液化冷凍装置において
、液化Ｈｅ貯留部を設けると共に、Ｈｅ液化冷凍装置の
高圧側ラインに設けたジュールトムソン弁の下流に流路
切換機構を設け、液化Ｈｅの供給先を前記極低温容器に
設けた再凝縮器と前記液化Ｈｅ貯留部の間で切換えでき
るように構成した点に要旨を有するものであ［作用］ 本発明者等は、再凝縮型Ｈｅ液化冷凍装置の場合、各単
位装置を稼動するのは極低温容器並びに被冷却物を定常
的の極低温に保持する間だけであって、極低温容器を開
放して被冷却物を取り出す間ならびに容器内へ新しい被
冷却物を投入して予冷し、並びに液体Ｈｅを注入する間
はその運転は停止しておれば良いということに注目し、
この間に再凝縮型Ｈｅ液化冷凍装置を運転することによ
って液体Ｈｅを製造すれば良いのではないかと考えた。

そこで液体Ｈｅの供給先として液体Ｈｅ貯留部を設け、
再凝縮型Ｈｅ液化冷凍装置で製造される液体Ｈｅを再凝
縮器だけでなく上記液体Ｈｅ貯留部へも供給できる様に
構成するという結論に至った。即ち再凝縮型Ｈｅ液化冷
凍装置の高圧側ラインに設けたジュールトムソン弁の下
流に流路切換機構を設け、ジュールトムソン弁において
生成した液体Ｈｅを再凝縮用熱交換器及び液体Ｈｅ貯留
部のいずれへも供給することができる様にしたのである
。

１記構成を採ることにより流路切換機構を所望方向へ切
換えることができ、被冷却物の取り換え作業中は液体Ｈ
ｅを液体Ｈｅ貯留部へ供給し貯留することができる。こ
うして液体Ｈｅを貯蔵しておき、極低温容器並びに被冷
却物が予冷されると極低温容器内へ該液体Ｈｅを注入す
ればよい、かくして従来必要であった他のＨｅ液化冷凍
機が省略され、１台の再凝縮型Ｈｅ液化冷凍装置によっ
て液体Ｈｅの製造、極低温容器等の極低温保持等を併せ
て行なうことができる様になった。

［実施例］ 第１図は本発明に係るＨｅ液化冷凍装置の一例を示すフ
ロー説明図で、１は主圧縮機、１０〜１４は熱交換器、
１５．１６は膨張機、１７はジュールトムソン弁（以下
ＪＴ弁という）、１８は３方弁、２０は液体Ｈｅ貯留槽
、２２は極低温容器、２３は再凝縮器、２５は被冷却物
、２９はガスバッグ、３０は回収用圧縮機を夫々示す。

第１図において、Ｈｅ液化冷凍装置Ｓは、再凝縮型Ｈｅ
液化冷凍措置Ｓａを基本構成とし、これに液体Ｈｅ貯留
槽２０．Ｈｅ回収系統ｓｂを付設している。再凝果型Ｈ
ｅ液化冷凍装置Ｓａは、主圧１１１ｍ１の吐出側に油分
離器２及びストップ弁６を設け、さらに高圧ガス管８を
経由して熱交換器１０〜工４の高圧側ラインＨに接続し
ている。高圧側ラインＨは熱交換器１０と１１の間並び
に熱交換器１２と１３の間で夫々分岐され、膨張機１５
．１６に接続されると共に膨張機１５．１６の吐出側は
夫々熱交換器１１と１２の間並びに熱交換器１３と１４
の間の低圧ラインＬに接続している。また熱交換器１４
と再凝縮器２３の間の高圧ライン側にはＪＴＴｉＩ４介
設され、さらにその下流側に３方弁１８が設置されてい
る。尚熱交換器１０には予冷用の液体Ｎ２供給ライン３
３を引き込んでいる。この様な再凝縮型Ｈｅ液化冷凍装
置Ｓａに対し、３方弁１８から管路３５が分岐され液体
Ｈｅ貯留層２０に接続されており、ざらに液体Ｈｅ貯留
槽２０の気相からはＨｅガス抜出管３６が引出され低圧
ラインＬに接続される。また液体Ｈｅ貯留槽２０と極低
温容器２２は液体Ｈｅ移送管３７で連絡されている。尚
液体Ｈｅ貯留槽２０は熱交換器ｔｏ−１４やＪＴＴｉＩ
４と共に真空断熱容器９内に収納されている。一方Ｈｅ
回収系統ｓｂはガスバッグ２９の下流側に順に回収用圧
縮機３０．油分離器３１．ガス精製器３が配置され、油
分離器３１とガス精製器３の間で流路が分岐され分岐端
には回収用ガス溜３２が配置されている。そしてガスバ
ッグ２９のガス導入側に極低温容器２２の気相から引出
された回収Ｈｅ配管２８が接続されると共にガス精製器
３のガス排出側は高圧ガス管８に接続されている。尚上
記装置には図示する如くストップ弁４〜７゜３４、およ
び２７が夫々各配管に介設されている。

次に上記の様に構成されるＨｅ液化冷凍装置Ｓの運転方
法を説明する。尚運転は液体Ｈｅ貯留。

予冷、極低温保持、Ｈｅ回収の４つの工程に分けられる
ので以下各工程毎に説明を展開する。

（１）液体Ｈｅ貯留運転 まず始めにＨｅ液化冷凍装置の液化罪転を下記の手順で
開始する。ストップ６．７．３４およびＪＴＴｉＩ４開
放し、且つストー／プ弁４，５゜１９．２７を閉鎖して
おく、液体Ｎ２配管３３から液体Ｎ２を供給し、熱交換
器１０の予冷を行なう、圧ｌａ機１を運転し、生成した
高圧Ｈｅガスを油分離器２に通して潤滑油を完全に除去
し清浄化した後、ストップ弁６および高圧ガス管８を経
由して熱交換器群１０〜１４へ供給する。熱交換器群１
０〜１４に入った高圧Ｈｅガスの一部は膨張機１５．１
６に入りここで等エントロピー膨張により寒冷を発生し
、熱交換器１３〜ｌＯの低圧ラインＬを主圧縮機１側へ
戻る間に、高圧Ｈｅガスとの間で熱交換を行ないこれを
冷却する。冷却された高圧ＨｅガスはＪＴＴｉＩ４至り
断熱膨張し更に温度降下してＨｅミストを発生する。Ｈ
ｅミストは３方弁１８（液体Ｈｅ貯留槽２０側が開放さ
れている）、管路３５を経て液体Ｈｅ貯留槽２０に入り
液体Ｈｅとして槽内に貯留される。液化しなかったＨｅ
ガスはＨｅガス抜出管３６を通り熱交換器１４〜ｌＯを
順に流下して常温に戻り低圧配管２６を経て主圧縮機ｌ
に還流する。尚液体Ｈｅ発生までの温度降下によるＨｅ
ガス体積減少については図示しない純Ｈｅボンベから本
系統へのＨｅの補給により対撚する。

Ｈｅの液化が始まるとストップ弁４．５を開放しストッ
プ弁６を閉鎖して回収用ガス溜３２内の粗Ｈｅガスをガ
ス精製器３によって精製純化した後高圧ガス管８へ供給
する。こうして液体Ｈｅ貯留槽２０に所定量の液体Ｈｅ
を貯留する。

（２）予冷運転 一方常温状態にある極低温容器２２に被冷却物２５を入
れ、容器内に液体Ｎ２を導入してこれらを予冷した後、
極低温容器２２内をＨｅガスで置換し、ストップ弁２７
を開放する０次いで３方弁　。

１８を回動させ、ＪＴＴｌ２Ｏら供給されるＨｅミスト
を再凝縮器２３へ導入する。その後ストップ弁１９を開
き液体Ｈｅ貯留槽２０内の液体Ｈｅを徐々に極低温容器
２２へ注入する。尚液体Ｈｅ貯留槽２０はＨｅ液化冷凍
機の低圧側に連通しでいる為大気圧より若干の正圧力を
有し、一方極低温容器２２は回収配管２８を介してガス
バッグ２９に連通しているので大気圧になっていること
から、ストップ弁１９の開放により液体Ｈｅは速やかに
極低温容器２２に注入される。

被冷却物２５が液体Ｈｅ温度に冷却されるまでは注入さ
れた液体Ｈｅの蒸発がおこるが、蒸発したＨｅガスは回
収配管２８を経由してガスバッグ２９に回収され１回収
量が一定量以上になると回収圧縮機３０により圧縮され
、油分離器３１により潤滑油分等を除去した後回収溜３
２に貯留する。被冷却物２５が所定の温度に冷却された
後は液体Ｈｅを所定液位に調整した後ストップ弁１９ｍ
いてストップ弁ｚ７を閉鎖し冷却運転に入る。

（３）冷却運転 冷却運転に入るとストップ弁４，５．７を閉鎖しストッ
プ弁６を開放して本件とＨｅ回収系を切離す、これによ
ってＨｅ液化冷凍装置Ｓは再凝縮器２３を通る閉回路で
運転されるので水分等の不純物の侵入はなく長時間安定
に運転することができる。そしてＪＴＴｌ２ＯらのＨｅ
ミストは３方弁１８を経て引きつづき再凝縮器２２内に
供給されており、極低温容器２２内の液体Ｈｅが侵入熱
によって気化すると再凝縮器２３により再液化され、そ
の液面は一定に保持される。

（４）Ｈｅ回収運転 被冷却物２３を一定時間冷却して試験が完了し、それ以
上の冷却が不要になると、ストップ弁２７を開き主圧縮
機１を停止する０図示しないヒータで極低温容器２２内
を加熱して液体Ｈｅを蒸発させ、Ｈｅガスをストップ弁
２７９回収配管２８を経由してガスバッグ２９へ回収す
る。このとき回収配管２８には図示しない加熱器が付設
され、Ｈｅガスの常温への昇温か行なわれる。ガスバッ
グ２９に回収され九Ｈｅガスは回収用圧縮機３０により
圧縮後油分離器３１で浄化され、回収用ガス溜３２に貯
留される。尚Ｈｅ回収運転中液化Ｈｅの製造を行なう場
合には主圧縮機１を停止せずに３方弁１８を再凝縮器２
３側から液体Ｈｅ貯留槽２０側へ切換えればよい。

本発明実施例装置は以上の様に構成され、従来の様に他
のＨｅ液化冷凍機を用いる必要がなく、１台のＨｅ液化
冷凍装置で液体Ｈｅの製造と被冷却物の極低温保持を行
なうことができる。そして製造した液体Ｈｅは液体Ｈｅ
移送管３７を介して極低温容器２２に注入することがで
きるので、これにより被冷却物等の予冷と液体Ｈｅの充
填をすることができる。またＨｅ回収系統を付設するこ
とにより、液体Ｈｅを損失することなく回収することが
できる。尚図例ではＨｅ回収系統を専用としたが、他の
Ｈｅ液化冷凍装置と兼用してもよい、。

第２図は本発明に係る流路切換機構の他の実施例を示す
フロー説明図で、ＪＴＴｌ２Ｏ下流側において液体Ｈｅ
貯留槽２０へ至る管路３５ａを分岐し、再凝縮器２３へ
至る管路３５ｂと上記管路３５ａに夫々ストップ弁１８
ａ、１８ｂを設けている。ストップ１８ａ、１８ｂを交
互に開放することにより前記と同様の作用効果を得るこ
とができる。

尚液体Ｈｅ貯留槽２０は第１図の如＜Ｈｅ液化冷凍装置
の真空断熱容器９の内部に設ける場合のほか、Ｈｅ液化
冷凍装置とは極低温用断熱配管で結んで別置とすること
も可能である。

［発明の効果］ 本発明は以上の様に構成されており、以下要約する効果
を得ることができる。

（１）液化Ｈｅの供給先を極低温容器と液化Ｈｅ貯留槽
の間で切換えできる様にしたので、１台のＨｅ液化冷凍
装置で液体Ｈｅの製造と極低温容器等の極低温保持を行
なうことができる。

（２）流路切換機構をＪＴ弁の下流側に設けたので切換
に伴なう圧力変動が少なく流路切換機構におけるＨｅの
洩れ等のトラブルの発生がない。

（３）Ｈｅ液化冷凍装置は極低温保持運転中再凝縮器を
通る閉回路で運転されるので、不純ガスの混入がなく長
時間安定して極低温保持を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

ｍ１図は本発明に係るＨｅ液化冷凍装置を示すフロー説
明図、第２図は流路切換機構の他の実施例を示すフロー
説明図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 再凝縮型の極低温容器を併設したＨｅ液化冷凍装置にお
   いて、液化Ｈｅ貯留部を設けると共に、Ｈｅ液化冷凍装
   置の高圧側ラインに設けたジュールトムソン弁の下流に
   流路切換機構を設け、液化Ｈｅの供給先を前記極低温容
   器に設けた再凝縮器と前記液化Ｈｅ貯留部の間で切換え
   できるように構成したことを特徴とするＨｅ液化冷凍装
   置。