JPS62210360A - 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、冷凍装置に係り、特化温度の異なる液化ガス
をそれぞれ貯蔵する液化ガス貯蔵手段内でそれぞれの液
化ガスからの蒸発ガスを１つの寒冷発生手段で発生した
寒冷により凝縮、液化させる冷凍装置に関するものであ
る。

〔従来の技術〕

従来の装置は、例えば、特開昭５９−３２７５８号公報
に記載のように、液体ヘリウムを貯蔵する液体ヘリウム
槽と該液体ヘリウム槽の囲りに配置された液体窒素を貯
蔵する液体窒素槽とがクライオスタットに内設され、液
体ヘリウム槽内で液体ヘリウムから蒸発したヘリウムガ
スと液体窒素槽内で液体窒素から蒸発した窒素ガスとは
、ヘリウム冷凍装置で発生した寒冷によりそれぞれ凝縮
。

液化されるようになっていた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来の装置では、液体ヘリウム槽つまり温度の低い
液化ガスが貯蔵される液化ガス貯蔵手段化おける冷凍量
を減じることなしに液体窒素槽つまり温度の高い液化ガ
スが貯蔵される液化ガス貯蔵手段での冷凍ｌのみを調整
しようとする認識を有していない。

このため、温度の高い液化ガスが貯蔵される液化ガス貯
蔵手段における冷凍量に余裕がある場合、該液化ガス貯
蔵手段内は負圧になり、次のような問題が生じる。

（１）温度の高い液化ガスが貯蔵される液化ガス貯蔵手
段の密閉機能によっては外部から空気が吸入され液体酸
素が作られる。この液体酸素は、静電気等により爆発す
る危険性がある。また、液化ガス貯蔵手段内が氷で閉塞
され、これによって、液化ガス貯蔵手段内の圧力が上昇
して該液化ガス貯蔵手段が破損される危険性がある。

（２）寒冷発生手段での寒冷により、初期大気圧である
温度の高い液化ガスは過冷却される。この間、液化ガス
貯蔵手段の熱侵入の他に初期の温度の高い液化ガスの熱
負荷が凝縮手段に侵入する。

このため、液化ガス貯蔵手段での温度の高い液化ガスの
過冷却状態が終了するまで、寒冷発生手段に余分な熱負
荷が作用し該寒冷発生手段のクールダウン時間が長くな
る。

本発明の主な目的は、温度の高い液化ガスを貯蔵する液
化ガス貯蔵手段の安全性を確保できる冷凍装置を提供す
ることにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記主な目的は、冷凍装置を、温度の異なる液化ガスを
別々に貯蔵する液化ガス貯蔵手段と、前記液化ガスから
の蒸発ガスを前記液化ガス貯蔵手段内で凝縮、液化させ
る凝縮手段と、寒冷を発生し該寒冷を前記凝縮手段に供
給する寒冷発生手段と、温度の高い液化ガスを貯蔵する
前記液化ガス貯蔵手段内のガス層の圧力を検出する圧力
検出手段と、該手段での検出圧力により前記ガス層の圧
力を正圧に調節維持する圧力調節手段とを具備したもの
とすることにより、達成される。

〔作用〕

温度の高い液化ガスを貯蔵する液化ガス貯蔵手段内のガ
ス層の圧力を圧力検出手段で検出し、該検出圧力により
該液化ガス貯蔵手段内での蒸発ガスの凝縮、液化量や該
蒸発ガスの発生量を圧力調節手段で調節する。これによ
り温度の高い液化ガスを貯蔵する液化ガス貯蔵手段のガ
ス層の圧力は正圧に常に調節維持される。

〔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には、液体ヘリウムを
貯蔵する液体ヘリウム槽２０と液体窒素を貯蔵する液体
窒素槽３０とが内設されている。

液体窒素槽３０は、液体ヘリウム槽２０の囲りに配置さ
れている。クライオスタットｌＯ内は、真ＸＰに維持さ
れている。液体゛ヘリウム槽２０には、液体ヘリウム注
入用のサービスポート２１が設けられ、サービスポート
２１には弁２２が設けられている。液体窒素槽３０には
、液体窒素注入用のサービスポート３１が設けられ、サ
ービスポート３１には弁３２が設けられている。液体ヘ
リウム槽２０内のガス層２３にはコイル管式等の凝縮器
４０が設けられている。液体窒素槽３０内のガスＪ１３
３にはコイル管式等の凝縮器４１が設けられている。寒
冷発生手段５０は、この場合、第１段圧縮機５１と第２
段圧縮機５２と往復動式の膨張［５３と２流路を有する
第１熱交換器５４と同じく第２熱交換器５５と同じく第
３熱交換器５６と冷却コイル５７．５８とジュール・ト
ムソン弁（以下、ＪＴ弁と略）５９とで構成されている
。第１〜第３熱交換器５４〜５６は間接熱交換器である
。

膨張ａ５３は、第１段膨張機６０と第２段膨張機６１と
を具備している。第１段圧縮機５１と第２段圧＊６ｍ５
２とは、クライオスタット１０外に設置されている。第
１熱交換器５４と第２熱交換器５５と第３熱交換器５６
と冷却コイル５７．５８とＪＴ弁５９と第１段膨張機６
０と第２段膨張機６１は、クライオスタット１０に内股
されている。

第１段圧縮８１５１の吐出口と第２段圧縮機５２の吸入
口とはライン７０で連結されている。第２段圧縮機５２
の吐出口と膨張ａ５３の供給口とはライン７１で連結さ
れている。ライン７２は、ライン７１の途中から分岐さ
れ第１熱交換器５４の一方の流路の入口に連結されてい
る。冷却コイル５７は、第１段膨張機６０のコールドス
テーションに設けられている。第１熱交換器５４の一方
の流路の出口と冷却コイル５７の入口とはライン７３で
連結されている。冷却コイル５７の出口と第２熱交換器
５５の一方の流路の入口とはライン７４で連結されてい
る。冷却コイル５８は、第２段膨張１ｉ６１のコールド
ステーションに設けられている。

第２熱交換器５５の一方の流路の出口と冷却コイル５８
の入口とはライン７５て連結されている。

冷却コイル５８の出口と第３熱交換器５６の一方の流路
の入口とはライン７６で連結されている。

第３熱交換器５６の一方の流路の出口と凝縮器４０−入
′口とはライン７７で連結されている。ＪＴ弁５９は、
第３熱交換器５６の一方の流路の出口側でライン７７に
設けられている。凝縮器４０の出口と第３熱交換器５６
の他方の流路の入口とはライン７８で連結されている。

第３熱交換器５６の他方の流路の出口と第２熱交換器５
５の他方の流路の入口とはライン７９で連結されている
。第２熱交換器５５の他方の流路の出口と第１熱交換器
５４の他方の流路の入口とはライン８０で連結されてい
る。第１熱交換器５４の他方の流路の出口と第１段圧縮
機５１の吸入口とはライン８１で連結されている。ライ
ン８２は、ライン７３から分岐して凝縮器４１の入口に
連結されている。凝縮器４１の出口に連結されたライン
８３は、ライン８２の分岐ケ所の後流側でライン７３に
合流連結されている。膨張機５３の排出口に連結された
ライン８４は、ライン７０に合流連結されている。

圧力検出手段は、圧力計９０である。圧力計９０は、液
体窒素槽３０内のガス層３３の圧力を検出可能に液体窒
素槽３０に設けられている。圧力計９０は、圧力検出信
号を出力する機能も有している。圧力調節手段は、制御
器１００と制御弁１０１とで構成されている。制御器１
００は、マイクロコンピュータ等であり、クライオスタ
ット１０外に設置されている。制御器１００には、圧力
計９０か電気的に接続されている。制御器１００は、予
め入力された基準圧力と圧力計９０からの検出圧力との
比較演算を行い、該演算結果によって制御信号と制御弁
１０１に出力する機能を有している。

制御器１００には、基準圧力として、例えば、大気圧よ
りもやや高い圧力１、例えば、１．１　ａ、ｔｍカイ用
いられる。制御弁１０１は、ライン８２の分岐ケ所とラ
イン８３の合流ケ所との間でライン７３に設けられてい
る。制御弁１０１は、制御器１００に電気的に接続され
ている。

第１図で、寒冷発生手段５０の運転を開始し定常状態、
即ち、作動ガスであるヘリウムガスがＪＴ弁５９でのジ
ュール・トムソン効果化より一部液化する状態に達した
時点で、弁２２．３２はそれぞれ閉止され、これにより
液体ヘリウム槽２０内並び務と液体窒素槽３０内は密閉
される。この密閉後の初期の時点では、液体ヘリウム槽
２０内の液体ヘリウムの温度は４゜２にであり、ＪＴ弁
５９で生成した４、５にの液体ヘリウムを含んだヘリウ
ムガスで４．５Ｋに冷却されている凝縮器４０では、吸
熱作用は生じない。その後、液体ヘリウム槽２０への侵
入熱によって液体ヘリウム槽２０内の液体ヘリウムの温
度、圧力が上昇する。これにより４．５Ｋを超えるとガ
ス層２３のヘリウムガスは、凝縮器４０での吸熱作用］
こよって凝縮、液化され、液体ヘリウム槽２０のガス層
２３の圧力は約１．２　ａ　ｔｍに維持される。一方、
第１熱交換器５４で冷却されライン７３．８２を介して
凝縮器４１に供給されるヘリウムガスの温度は６０にで
あり、液体窒素槽３０内の液体窒素の温度７７によりも
低い。

従って、６０にのヘリウムガスで６０Ｋに冷却されてい
る凝縮器４１では、吸熱作用が生じ、液体窒素槽３０の
ガス層３３の窒素ガスは凝縮、液化され、このままでは
、第２図に示すように、液体窒素槽３０のガス層３３の
圧力は負圧になってしまう。そこで、この場合は、液体
窒素槽３０のガス層３３の圧力が負圧にな°らないよう
に凝縮器４１番こ供給されるヘリウムガスの流伝を調節
してガス層３３の窒素ガスの凝縮、液化量を調節する。

即ち、圧力計９０でガス層３３の圧力を検出し、該検出
圧力を制御器１００に出力する。廁御器１００では、基
準圧力と検出圧力との比較演算が行われ、検出圧力が基
準圧力よりも低い場合には、制御器１００から制御信号
を制御弁１０１に出力する。

これにより制御弁１０１の弁開度は大きい開度化制御さ
れ凝縮器４１に供給されるヘリウムガスの流２は減口さ
れる。これにより、ガス層３３の窒素ガスの凝縮、液化
量は減少し、ガス層３３の圧力は基準圧力以上つまり正
圧にυ、・ｄ節維持される。

尚、ガス層の圧力が高くなりすぎた場合には、上記操作
と逆の操作を実施すればよい。但し、このような操作を
実施するには、制御器１００に上限圧力を予め入力し該
上限圧力と検出圧力との比較演算結果によって制御弁１
０１の弁開度を制御し得るように構成する必要がある。

尚、凝縮器４１を出たヘリウムガスは、ライン７３を流
通しているヘリウムガスに合流され、その後、ＪＴ弁５
９で断熱膨張させられる。

本実施例ζこよれば、次のような効果が得られる。

（１）液体窒素槽のガス層の圧力を正圧に調節維持でき
るため、液体窒素槽内への外部からの空気の吸入を防止
でき液体窒素槽が危険状況に落ち入るのを防止できる。

（２）　　液体窒素槽のガス層の圧力を正圧に調節維持
できるため、液体窒素槽の液体窒素は過冷却されず、従
って、寒冷発生手段のクールダウン時間を短縮できる。

茅３図は、本発明の第２の実施例を示すもので、本発明
の一実施例を示す第１ン１と異なる点は、圧力調節手段
を制御器１００と制御弁１０１と絞り手段１０２とでも
一〜成し、制御弁１０１をライン８２に設けると共Ｉこ
、ライン８２の分岐ケ所とライン８３の合流ケ所との間
でライン７３に絞り手段１０２を設けた点である。尚、
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。

本実施例では、液体窒素槽のガス層の凝縮器へ供給され
るヘリウムガス流量を直接制御できるため、該凝縮器に
おける冷凍口をより精密に制御できる液体窒素槽のガス
層の圧力をより精密に調節維持することができる。

第４図は、本発明の第３の実施例を示すもので、本発明
の一実施例を示す第１図と異なる点は、第２段圧縮機５
２をバイパスしてライン８５をライン７０とライン７２
とに連結し、制御弁１０１をライン８５（こ設け、第１
熱交換器５４の一方の流路の出口と凝縮器４１の入口と
をライン８６で連結し、凝縮器４１の出口と第２熱交換
器５５の一方の流路の入口とをライン８７で連結した点
である。尚、第４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。

本実施例では、制御弁の弁開度を操作することで、膨張
機側へ供給されるヘリウムガス流量と熱交換器側へ供給
されるヘリウムガス流量とを調整でき、第１段膨張機で
の発生寒冷及び液体窒素槽のガス層の凝縮器への供給ヘ
リウムガス量を調整できる。

本実施例では、上記一実施例でのように、制御弁を低温
部に設けなくてもすむため、上記一実施例での効果の他
に、低温部への熱侵入を防止できると共１ζ、低温部の
構造を簡略化でき製造コストを低減できるという効果が
ある。

第５図は、本発明の第４の実施例を示すもので、本発明
の一実施例を示す第１図と異なる点は、制御弁１０１を
ライン７２に設け、第１熱交換器５４の一方の流路の出
口と凝縮器４１の入口とをライン８６で連結し、凝縮器
４１の出口と第２熱交換器の一方の流路の入口とをライ
ン８７で連結した点である。尚、第５因で、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。

本実施例では、膨張機へのヘリウムガスの供給量を減じ
ることなしに、液体窒素槽のガス層の凝縮器へのヘリウ
ムガスの供給量を調整できるため、第１段膨張機、第２
段膨張機の温度及び寒冷発生量は制御弁の弁開度を操作
しても一定状態にあり、更に液体窒素槽のガス層の凝縮
器の冷凍量を安定ｊこ操作できるという効果が、上記一
実施例での効果の他に得られる。

第６図は、本発明の第５の実施例を示すもので、本発明
の一実施例を示す第１図と異なる点は、圧力調節手段を
制御器１００とインバータコントローラ１０３とで構成
し、制御器１００からの操作信号によりインバータコン
トローラ１０３を作動させて第１段圧縮機５１．第２段
圧縮機５２の吐出ヘリウムガス流量又は圧力を調整する
ようにし、第１熱交換器５４の一方の流路の出口と凝縮
器４１の入口とをライン８６で連結し、凝縮器４１の出
口と第２熱交換器５５の一方の流路の入口とをライン８
７で連結した点である。尚、第６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。

本実施例では、制御器からの操作信号によりインバータ
コントローラを作動させて第１段圧縮機、第２段圧縮機
での電気入力を調整することで、膨張機での寒冷発生量
及び高圧のヘリウムガス流量を調整し液体窒素槽のガス
層の凝縮器の冷凍量を操作できる。従って、冷凍量を減
少させるとき消費電力を節減できるという効果が、上記
一実施例での効果の他に得られる。

第７図は、本発明の第６の実施例を示すもので・本発明
の一実施例を示す第１図と異なる点は、圧力調節手段を
制御器１００と加熱器１０４と加熱電源１０５とで構成
し、加熱器１０４を第１熱交換器５４の一方の流路の出
口と凝縮器４１の入口とを連結するライン８６１ζ設け
、加熱電源１０５を制御器１００に電気的Ｉこ接続した
点であり、凝縮器４１の出口と第２熱交換器５５の一方
の流路の入口とをライン８７で連結した点である。尚、
第７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。

本実施例では、液体窒素槽のガス層の凝縮器ｌζ供給さ
れるヘリウムガスの温度を調節して該凝縮器での冷凍量
を調整できる。従って、該冷凍全調節のための構造を簡
略化でき製造コストを低減できるという効果が上記一実
施例での効果の他に得られる。

第８図は、本発明の第７の実施例を示すもので本発明の
一実施例を示す第１図と異なる点は、圧力調節手段を制
御器１００と加熱器１０４と加熱電源１０５とで構成し
、加熱器１０４を液体窒素槽３０の液体窒素Ｉこ浸漬し
て設け、加熱電源１０５を制御器１００に電気的に接続
し、第１熱交換器５４の一方の流路の出口と凝縮器４１
の入口とをライン８６で連結し、凝縮器４１の出口と第
２熱交換器５５の一方の流路の入口とをライン８７で連
結した点である。尚、第８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。

本実施例では、液体窒素槽のガス層の圧力制御を加熱器
で蒸発ガス発生量を調節して直接行うことができるため
、液体窒素槽のガス層の圧力調節を更ＩＣ精密に行うこ
とができる。

第９図は、本発明の第８の実施例を示すもので、本発明
の一実施例を示す第１図と異なる点は、圧力調節手段を
制御器１００と加熱器１０４と加熱電源１０５とで構成
し、加熱器１０４を液体窒素槽３０の液体窒素に浸漬し
て設け、加熱電源１０５を制御器ｌＯＯに電気的に接続
し、第１熱交換器５４の一方の流路の出口と凝縮器４１
の入口とをライン８６で連結し、凝縮器４１の出口と第
２熱交換器５５の一方の流路の入口とをライン８７で連
結し、凝縮器４１を液体窒素槽３０の液体窒素に浸漬可
能に設けた点である。尚、第９図で、その他第１図と同
−装置等は同−祠号で示し説明を省略する。

本実施例では、液体窒素槽の液体窒素の液面を調整する
ことで、凝縮器の液体窒素液面上の面積つまり凝縮伝熱
面積を調整し一窒素ガスの凝縮。

液化量を制御して液体窒素槽のガス層の圧力を正圧に調
節維持できる。即ち、本実施例は、液体窒素に浸漬され
た部分の凝縮器の面積は、凝縮伝熱面積として役に立た
なくなることを利用したものである。尚、液体窒素の適
正液面つまり凝縮器の適正な凝縮伝熱面積は、制御器の
操作信号により加熱器の加熱量を調節し液体窒素を蒸発
させることでセットされる。この場合、蒸発した窒素ガ
スは、弁３２より大気へ放出される。セット後、加熱電
源は切られる。

本実施例では、液体窒素槽の凝縮器の冷凍負荷量を適正
にでき、余分な熱量を第１段膨張機のコールドステージ
ョンに設けた冷却コイル以下に運ばないようにできると
いう効果が上記一実施例での効果の他に得られる。

第１０図は、本発明の第９の実施例を示すもので、本発
明の一実施例を示す第１図と異なる点は、圧力調節手段
を制御器１００と制御弁１０６とで構成し、液体ヘリウ
ム槽２０のガス層２３と液体窒素槽３０のガス層３３と
を、この場合、サービスポート２１．３１を介して連通
させるライン８８に制御弁１０６を設け、制御弁１０６
を制御器１００に電気的に接続した点である。この場合
、第１熱交換器５４の一方の流路の出口と凝縮器４１の
入口とは、ライン８６で連結され、凝縮器４１の出口と
第２熱交換器５５の一方の流路の入口とは、ライン８７
で連結されている。尚、第１０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。

第１０ｒＡで、ガスＩｆｉｉ３３ノ圧力が１．１　ａｔ
ｍ　トナった時点で、制御器１００より制御弁１０６に
操作信号を出力し、制御弁１０６を開ける。これにより
、ガス層２３の圧ツ３１．２　ａｔｍのヘリウムガスは
、サービスポート２１．ライン８８．サービスポート３
１を介してガス層３３に流入し、これにより、ガス層３
３の圧力は、１．１ａｔｍ以上になる。

この後、制御弁１０６は、制御器１００からの操作信号
により閉じられる。

本実施例では、上記一実施例での効果の他に次のような
効果も得られる。

ヘリウムガスの凝縮温度は、窒素ガスの凝縮温度よりも
低いため、液体窒素槽のガス層に設けられた凝縮器では
、ヘリウムガスは凝縮、液化しない。従って、該凝縮器
と窒素ガス間の伝熱効率は、ヘリウムガスによって大幅
に低下することになる。

このため該凝縮器の冷却性能が低下し、冷凍能力を押え
寒冷発生手段側に余分な熱負荷をかけず４．５にの冷凍
能力を減することなしにクールダウン時間を短縮できる
。

尚、本実施例では、液体ヘリウム槽のヘリウムガスを液
体窒素槽のガス層に供給するようにしているが、この他
に、寒冷発生手段でのプロセスガスであるヘリウムガス
や、別のガス源（例えば、ガスボンベ）にあるヘリウム
ガスを液体窒素槽のガス層に供給するようにしても良い
。また、液体窒素槽のガス層に供給されるガスとしては
、ヘリウムガスの他に、窒素ガスの凝縮温度よりも凝縮
温度の低いガス、例えば、ネオンガス等を用いても良い
。

尚、以上の実施例では、圧力検出手段として圧力計を用
いて説明したが、この他に、温度計を用いて液体窒素槽
の液体窒素やガス層の温度を検出し、該検出温度により
液体窒素槽のガス層の圧力を換算して検出するようにし
ても良い。圧力計を用いた場合、圧力測定配管等が水分
等で目詰りを生じ検出不能となる危険性があるが、温度
計を用いた場合、電気信号により行うため、このような
危険性は排除できる。また、本発明は、以上の実施例に
とどまらず温度の異なる液化ガスをそれぞれ貯蔵する液
化ガス貯蔵手段内でそれぞれの液化ガスからの蒸発ガス
を１つの寒冷発生手段で発生した寒冷により凝縮、液化
させる場合１ζ有効である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、温度の高い液化ガスを貯蔵する液化ガ
ス貯蔵手段内の圧力を正圧に調節維持でき該液化ガス貯
蔵手段内への空気の吸入を防止できるので、該液化ガス
貯蔵手段の安全性を確保できるという効果かある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を示す冷凍装置の構成図、
第２図は、液体窒素槽での飽和温度と飽和圧力との関係
模式図、第３図〜第１０図は、本発明の第２〜第９の実
施例を示す冷凍装置の構成図である。 ２０・・・・・・液体ヘリウム槽、３０・・・・・・液
体窒素槽、３３・・・・・・ガス層、４０．４１・・・
・・・凝縮器、５０・・・・・・寒冷発生手段、９０・
・・・・・圧力計、１００・・・・・・制御器、１０１
．１０６・・・・・・制御弁、１０２・・曲絞ｆｆｆ　
　圀 第２図 骨法ａ週 ￥３図 才４図 第５図 １６図 ）ゾ　Ｉグ　７７　２ｒり　　〃 オフ０ ５’／７８７Ｖ２０３０ 才９図 オ　１０　凶

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、温度の異なる液化ガスをそれぞれ貯蔵する液化ガス
   貯蔵手段と、前記液化ガスからの蒸発ガスを前記液化ガ
   ス貯蔵手段内で凝縮、液化させる凝縮手段と、寒冷を発
   生し該寒冷を前記凝縮手段に供給する寒冷発生手段と、
   温度の高い液化ガスを貯蔵する前記液化ガス貯蔵手段内
   のガス層の圧力を検出する圧力検出手段と、該手段での
   検出圧力により前記温度の高い液化ガスを貯蔵する前記
   液化ガス貯蔵手段内のガス層の圧力を正圧に調節維持す
   る圧力調節手段とを具備したことを特徴とする冷凍装置
   。