JPS62261868A - ヘリウム冷却装置 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野〉 本発明は、クライオスタット内のヘリウムガスを冷却し
て再凝縮させるヘリウム冷却装置に係わり、特にクライ
オスタットとは常温部を介して離間した位置に冷凍振を
配置したヘリウム冷却装置に関する。

（従来の技術） 従来、ヘリウムガスを冷却して再凝縮させるヘリウム冷
却装置としては、クライオスタットに一体に設けられた
ものと、クライオスタットとは別の容器内に設けられク
ライオスタットと取外し可能なものとがある。

後者のヘリウム冷却装置の構成をクライオスタットと共
に第３図に示す。図中１１は液体ヘリウム容器、１２は
熱シールド板、１３は真空容器であり、これらからクラ
イオスタット８が構成されている。また、２１は冷凍機
、２２はコンプレッサ、２３．２４はヘッド、２５，２
６．２７は熱交換器、２８はＪＴ弁（ジュール・トムソ
ン弁）、２９は凝縮熱交換器、３０はトランスファーチ
ューブであり、これらからヘリウム冷却装置Ａが構成さ
れている。

上記のヘリウム冷却装置１ｔＡでは、冷凍機２１により
予冷されたヘリウムガスが、ＪＴ弁２８によりジュール
・トムソン膨脹した後、ヘリウム濃度となって常温部に
設けたトランスファーチューブ３０を通り凝縮熱交換器
２９に流れ、熱交換したのち再びトランスファーチュー
ブ３０を通り最終段の熱交換器２７に戻る。凝縮熱交換
器２９では、クライオスタットＢ内の液体ヘリウム容器
１１への熱侵入によって蒸発したヘリウムガスを冷却し
て再凝縮させる。そして、凝縮熱交換器２９における吸
熱量を液体ヘリウム容Ｈ１１への熱侵入―に等しくする
ことにより、液体ヘリウム容器１１内の液体ヘリウム１
４の量を一定に保っている。

しかしながら、この種の装置にあっては次のような問題
があった。即ち、トランスファーチューブ３０が常温部
に配置されているので、このトランスファーチューブ３
０内の配管に常温部からの熱侵入が生じる。特に、トラ
ンスファーチューブ３０を通るヘリウムガスはＪＴ弁２
８によりジュール・トムソン膨脹したガスであり、ヘリ
ウム温度の寒冷が常温部のトランスファーチューブ３０
を通る構造であるため、最も低い温度レベル（ヘリウム
温度）での熱侵入の増加を招く。その結果、液体ヘリウ
ム容器１１内への熱侵入量が多くなり、冷却効率向上に
は限界があり、ヘリウム冷却装置の客員を大きくする必
要があった。

（発明が解決しようとする問題点） このように従来装置では、トランスファーチューブにお
ける最も低い温度レベルでの熱侵入があり、これが全体
効率の向上を妨げる問題点となっていた。

本発明は上記事情を考慮してなされたもので、その目的
とするところは、トランスファーチューブにおける熱侵
入を少なくすることができ、全体効率の向上をはかり得
るヘリウム冷却装置を提供することにある。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明の骨子は、常温部に配設するトランスファーチュ
ーブに流すヘリウムガスをジュール・トムソン膨脹させ
る前のガスとし、トランスファーチューブにおける熱侵
入を低減することにある。

即ち本発明は、クライオスタットと常温部を介して離間
した位置に配設された冷凍機により圧縮されたヘリウム
ガスを予冷した後、ジュール・トムソン膨脹させること
により寒冷を発生させ、その寒冷によって凝縮熱交換器
を冷却し、この凝縮熱交換器でクライオスタット内のヘ
リウムガスを冷却して凝縮させるヘリウム冷却装置にお
いて、前記ジュール・トムソン膨脹させる前の最終段の
熱交換器及びジュールトムソン弁を前記クライオスタッ
ト側に配置すると共に、ｊｆｌＦ段以外の熱交換器を前
記冷凍機側に配置し、最終段の熱交換器とその前段の熱
交換器とをトランスファーチューブで連結するようにし
たものである。

（作用） 上記の構成であれば、□トランスファーチューブにおけ
る熱侵入が、従来より高い温度レベルでの熱侵入となる
。これは、ジュール・トムソン膨脹したヘリウム温度に
おける熱侵入よりも少ないものであり、従ってクライオ
スタットの液体ヘリウム容器内への熱侵入を少なくする
ことが可能となる。

（実施例） 以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。

第１図は本発明の一実施例に係わるヘリウム冷却装置Ａ
をクライオスタットＢに取付けた例を示す模式因である
。

クライオスタットＢは液体ヘリウム容器１１゜熱シール
ド板１２及び真空容器１３等から構成されており、液体
ヘリウム容器１１内には液体ヘリウム１４が充填されて
いる。そして、液体ヘリウム１４中に図示しない超電導
コイル等が浸漬され、これが橿低温下に冷却されるもの
となっている。

ヘリウム冷却装置Ａは、冷凍機２１．コンプレッサ２２
．冷凍機ヘッド２３．２４．熱交換器２５．２６．２７
．ＪＴ弁（ジュール・トムソン弁〉２８．凝縮熱交換器
２９及びトランスファーチューブ３０等から構成されて
いる。

ヘリウム冷却装置Ａでは、コンプレッサ２２によって圧
縮されたヘリウムガスは予冷用の冷凍機２１の１段ヘッ
ド２３及び２段ヘッド２４により約８０に、　２０Ｋに
冷却された後、ＪＴ弁２８によりジュール・トムソン膨
脹し、ヘリウム温度となり、凝縮熱交換器２９を冷却し
てコンプレッサ２２に戻る。この時、膨脹前と後のヘリ
ウムガスは、室温部と冷凍園１段ヘッド２３との間の第
１熱交換器２５、冷凍機１段ヘッド２３と２段ヘッド２
４との間の第２熱交換器２６、及び冷凍１１２段ヘッド
２４とＪＴ弁２８との間の第３熱交換器２７で熱交換さ
れる。

ここで、冷凍機２１はクライオスタットＢとは常温部を
介して離れた位置に設置されており、第１及び第２の熱
交換器２５．２６は冷凍機２１と同じ容器Ｃ内に収容さ
れている。最終段の第３熱交換器２７及びＪＴ弁２８は
上記容器Ｃとは別の容器り内に収容されており、クライ
オスタットＢに隣接して設けられている。また、それぞ
れの容器Ｃ，Ｄは、真空断熱されている。そして、上記
第２及び第３の熱交換器２６．２７は、高圧配管３１及
び低圧配管３２を備えたトランスファーチューブ３０に
よって連結されている。

また、凝縮熱交換器２９は、凝縮伝熱面を液体ヘリウム
容器１１内のヘリウムガス中に配置されている。そして
、この凝縮熱交換器２９にジュール・トムソン膨脹した
ヘリウムガスが供給されることにより、液体ヘリウム１
４のうち熱侵入によって蒸発した分を再凝縮し、液体ヘ
リウム容器１１内の液体ヘリウム１４の層を一定に保つ
ものとなっている。

このような構成であれば、第２及び第３の熱交換器２６
．２７の間をトランスファーチューブ３０で連結してい
るので、トランスファーチューブ３０内の高圧配管３１
には約２０にのヘリウムガスが流れることになる。この
ため、トランスファーチューブ３０において従来４．２
Ｋ　１度のヘリウムガスに入っていた熱が、約２０に温
度のヘリウムガスに入ることになる。

ここで、温度Ｔ［Ｋ］に１Ｗの熱が入った時、これを取
除くために必要な３００にでの仕事量［Ｗ］を、理想的
な逆カルノーサイクルを働かせた場合について第２図に
示す。この図から判るように、４．２にと２０にとのヘ
リウムガスにそれぞれに１Ｗの熱が入った時、それを取
除くための室温部での仕事量は約５倍も違う。つまり、
１Ｗの熱が入った時にそれを取除くための室温部での仕
事量は、２０にのガスの方は４．２にのガスに比べて約
１１５で済むことになる。従って、本実施例の場合、ヘ
リウム冷却装置Ａの全体効率が大幅に上がり、クライオ
スタット８の液体ヘリウム容器１１内の液体ヘリウム１
４を、従来よりも少ない入力で一定に保つことが可能と
なる。

このように本実施例によれば、最終段の熱交換器（第３
熱交換器２７）とその前段の熱交換器（第２熱交換器２
６）との間にトランスファーチューブ３０を配置し、こ
のトランスファーチューブ３０よりも凝縮熱交換Ｂ２９
側でＪＴ弁２８によりヘリウムガスをジュール・トムソ
ン膨脹させているので、トランスファーチューブ３０に
おける熱侵入を従来よりも高い温度レベルでの熱侵入と
し、液体ヘリウム容器１１内への熱侵入層を低減するこ
とができる。このため、ヘリウム冷却装！ｆＡの冷却効
率の大幅な向上をはかることができ、より小さい能力の
ヘリウム冷却装置を用いることが可能となる。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
く、その要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施す
ることができる。例えば、前記凝縮熱交換器をクライオ
スタットの外に持ち、液体ヘリウム容器と凝縮熱交換器
の存在する空間を配管によって結ぶような構造を持つヘ
リウム冷却装置に適用することも可能である。また、熱
交換器の段数等の条件も適宜変更可能である。

［発明の効果］ 以上詳述したように本発明によれば、クライオスタット
側に配置された最終段の熱交換器と、冷凍機側に配置さ
れたその前段の熱交換器との間にトランスファーチュー
ブを設置し、トランスフアーチューブ内に流すガスをジ
ュールトムソン膨脹させる前のヘリウムガスとしている
ので、トランスファーチューブにおける熱侵入が従来よ
り高い温度レベルでの熱侵入となる。従って、クライオ
スタットの液体ヘリウム容器内への熱侵入を少なくする
ことができ、ヘリウム冷却装置としての全体効率の向上
をはかり得る。

【図面の簡単な説明】

第１因は本発明の一実施例に係わるヘリウム冷却装置を
クライオスタットに取付けた例を示す模式図、第２図は
温度Ｔ［Ｋ］における熱侵入１Ｗを除去するために３０
０Ｋにおいて必要な仕事量を理想的な逆カルノーサイク
ルにより計算した結果を示す特性図、第３図は従来装置
の概略構成を示す模式図である。 １１・・・液体ヘリウム容器、１２・・・熱シールド板
、１３・・・真空容器、１４・・・液体ヘリウム、２１
・・・冷凍機、２２・・・コンプレッサ、２３．２４・
・・ヘッダ、２５、〜，２７・・・熱交換器、２８・・
・ＪＴ弁、２９・・・凝縮熱交換器、３０・・・トラン
スファーチューブ、３１・・・高圧配管、３２・・・低
圧配管。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第１図 １　　賓　　（に）　□ 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. クライオスタットと常温部を介して離間した位置に配設
   された冷凍機により圧縮されたヘリウムガスを予冷した
   後、ジュール・トムソン膨脹させることにより寒冷を発
   生させ、その寒冷によって凝縮熱交換器を冷却し、この
   凝縮熱交換器でクライオスタット内のヘリウムガスを再
   凝縮させるヘリウム冷却装置において、前記ジュール・
   トムソン膨脹させる前の最終段の熱交換器、ジュール・
   トムソン弁及び凝縮熱交換器を前記クライオスタット側
   に配置すると共に、最終段以外の熱交換器を前記冷凍機
   側に配置し、最終段の熱交換器とその前段の熱交換器と
   をトランスファーチューブで連結してなることを特徴と
   するヘリウム冷却装置。