JPS6240291Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は被冷却体を４〓以下の温度に冷却する
ためのヘリウム冷凍装置に関する。

近年大容量排気用クライオポンプ、超電導マグ
ネツトなどの被冷却体を冷却するため４〓以下の
冷凍装置が各種開発されている。従来の４〓以下
のヘリウム冷凍装置はユーザーの要求により特別
に設計された装置であり、汎用性を持たないもの
であつた。

本考案は従来すでに実用化されている４〓以上
のヘリウム液化冷凍機を利用して、汎用性を持つ
４〓以下のヘリウム液化冷凍装置を得ることを目
的とする。

従来の４〓以下のヘリウム液化冷凍装置の一例
を第１図に示す。図において１はヘリウム圧縮
機、１０は減圧装置、３はヘリウム液化冷凍機で
ある。ヘリウム液化冷凍機３は、ヘリウム圧縮機
１によつて圧縮された高圧ヘリウムガス、ほゞ大
気圧の低圧ヘリウムガス、大気圧より低い減圧ヘ
リウムガスなどの間の３流体式熱交換器HX−１
〜HX−５、膨張機Ｔ−１，Ｔ−２、液化ヘリウ
ム溜４、別の熱交換器HX−６、低温制御弁Ｖ−
１，Ｖ−２などの機器を断熱容器に内蔵したもの
である。

第１図に従つて作動を説明すると、大気圧のヘ
リウムガスをヘリウム圧縮機１により圧縮した高
圧ヘリウムガスは導管２を経てヘリウム液化冷凍
機３に供給される。高圧ヘリウムガスは熱交換器
HX−１〜HX−５及び膨張機Ｔ−１，Ｔ−２によ
り冷却され、低温制御弁Ｖ−１で液化され、液化
ヘリウム溜４に大気圧で貯蔵される。液化ヘリウ
ム溜４内の気化したヘリウムガスは熱交換器HX
−５〜HX−１を経て低圧タンク１１に回収さ
れ、及びヘリウム圧縮機１で圧縮される。一方液
化ヘリウム溜４内の大気圧の液化ヘリウムは低温
制御弁Ｖ−２で減圧されて低温移送管６を経て被
冷却体７に供給される。被冷却体７からの戻りガ
スは低温移送管８を経てヘリウム液化冷凍機３に
導かれ、熱交換器HX−６〜HX−１を経て減圧装
置１０に吸引され、大気圧まで圧縮される。

被冷却体７を初期冷却する場合、液化ヘリウム
溜４から液化ヘリウムが被冷却体７に供給され
る。このとき戻りガスは被冷却体７が液化ヘリウ
ム温度まで冷却されるまでは別系統の弁Ｖ−５、
導管１２を経て昇温器１３により常温まで加熱し
てから減圧装置１０に吸引されるようにする。

ヘリウム液化冷凍機３を停止するときは気化し
たヘリウムガスを高圧タンク１４に回収する。

上述した従来の４〓以下のヘリウム冷凍装置は
つぎの欠点を持つている。

(1) それぞれの要求条件に基づいて特別に設計す
る必要があり、従つてコストが高い。

(2) ヘリウム液化冷凍機３内の熱交換器が３流体
式の多段熱交換器であるため減圧ラインの圧力
損失が大きく、減圧装置１０を容量の大きいも
のとする必要がある。

(3) 被冷却体７の熱負荷量の変動が大きい場合、
ヘリウム液化冷凍機３内の温度バランスの保持
が困難である。

(4) ヘリウム液化冷凍機内に故障確率の高い膨張
機があるため、故障した場合に４〓以下の温度
保持が困難となる。

(5) 被冷却体７の初期冷却時、すなわち常温から
ヘリウム液化温度まで冷却するとき、ヘリウム
液化冷凍機３内に戻りガスを戻すと熱交換器の
温度バランスがくずれるため、別ラインで回収
する必要があり、このとき寒冷の回収ができな
い。

(6) ヘリウム液化冷凍機３は３流体（高圧、低
圧、減圧などの流体）形式であるから制御機器
が複雑となり、操作が困難である。

本考案は上記の如き従来の冷凍装置の欠点を除
去することを目的としており、従来実用化されて
いる４〓以上のヘリウム液化冷凍装置を使用し、
これとヘリウム減圧装置と再生熱交換装置とを組
み合せ、各独立した機器構成により４〓以下のヘ
リウム冷凍装置を構成する如くしたものである。

該再生熱交換装置は被冷却体からも戻りガスの
寒冷でヘリウムガスを再液化させる如く構成され
る。

本考案の一実施例を第２図について説明する。

図示する装置は４〓以下の寒冷を発生させるヘ
リウム冷凍装置で、ヘリウム圧縮機１０１、ヘリ
ウム液化冷凍機１０３、液化ヘリウム容器１０
４、被冷却体１０７、再生熱交換装置１２５、昇
温器１１３、ヘリウム減圧装置１１０、低圧タン
ク１１１、高圧回収タンク１１４などから構成さ
れる。これらのうちヘリウム圧縮機１０１、ヘリ
ウム液化冷凍機１０３、液化ヘリウム容器１０
４、低圧タンク１１１、高圧回収タンク１１４の
組合せは４〓以上のヘリウム液化冷凍装置として
公知であり、市販されている。

すなわち本考案は従来の４〓以上のヘリウム冷
凍装置に再生熱交換装置１２５と昇温器１１３、
ヘリウム減圧装置１１０を附加することによつて
４〓以下のヘリウム冷凍装置とするものである。

第２図に示すヘリウム冷凍装置の基本的フロー
はつぎのとおりである。

(1) ４〓以上のヘリウム液化冷凍装置により液化
ヘリウム容器１０４内に４〓以上の液化ヘリウ
ムを製造し、貯蔵する。

(2) 液化ヘリウム容器１０４内の液化ヘリウムを
ヘリウム減圧装置１１０により被冷却体１０７
に移送管１０６を経て供給する。

(3) 被冷却体１０７への入口制御弁Ｖ−１０によ
り、このとき４〓以上の液化ヘリウムは減圧し
て４〓以下となる。

(4) 被冷却体１０７の熱負荷によつて気化したヘ
リウムガスは移送管１１２を経て再生熱交換装
置１２５に導かれる。

(5) 再生熱交換装置１２５に導かれたヘリウムガ
スは熱交換器１２６内で高圧ヘリウムガスと熱
交換して温められ、昇温器１１３で常温のヘリ
ウムガスに昇温してヘリウム減圧装置１１０に
吸引される。

(6) 吸引されたヘリウムガスはヘリウム減圧装置
１１０によつて大気圧よりも少し高めの圧力で
低圧タンク１１１に回収され、ヘリウム圧縮機
１０１で再圧縮される。

(7) ヘリウム圧縮機１０１で圧縮された高圧ヘリ
ウムガスはヘリウム液化冷凍機１０３と再生熱
交換装置１２５とに供給される。

ヘリウム液化冷凍機１０３に供給された高圧
ヘリウムガスは熱交換機HX′−１ないしHX′−
５、膨張機T′−１，T′−２及び導管１１５内
を通る液化窒素などにより冷却されて、膨張弁
Ｖ−８によつて４〓以上の液化ヘリウムガスを
つくる。

一方、再生熱交換装置１２５へ供給される高
圧ヘリウムガスは被冷却体１０７からの戻り寒
冷によつて冷却され、低温制御弁Ｖ−１２によ
り大気圧附近まで自由膨張し、一部は液化して
液化ヘリウム容器１０４内に貯蔵される。

(8) 液化ヘリウム容器１０４内の気化したヘリウ
ムガス（主として膨張弁Ｖ−８及び低温制御弁
Ｖ−１２による）は全量ヘリウム液化冷凍機１
０３に回収される。この場合、気化した寒冷ヘ
リウムガスの量は再生熱交換装置１２５の低温
制御弁Ｖ−１２によつて気化ヘリウムガスが追
加されるため、増加する。

(9) 増加した寒冷ヘリウムガスはヘリウム液化冷
凍機１０３内の熱交換器により高圧ヘリウムガ
スに増加した寒冷を与え、従つてヘリウム液化
冷凍機１０３の液化能力を増大させる。

(10) このヘリウムガスはヘリウム液化冷凍機１０
３から低圧タンク１１１およびヘリウム圧縮機
１０１に導かれる。

(11) ヘリウム液化冷凍機１０３の停止時にはヘリ
ウム圧縮機１０１により高圧回収タンク１１４
にヘリウムガスが回収される。

ヘリウム冷凍装置の運転時にヘリウム圧縮機
１０１の吸入圧力が高くなり、吐出圧力が規定
より高くなるほど、ヘリウム流量のバランスが
くずれるような場合、自動的に高圧回収タンク
１１４にヘリウムガスが回収される。逆に低圧
タンク１１１の圧力が規定より減つた場合には
高圧回収タンク１１４からヘリウムガスが自動
的に供給される。

(12) 次に再生熱交換装置１２５の機能について説
明する。この装置１２５はヘリウム液化冷凍機
１０３とは独立した装置であり、断熱された容
器内に熱交換器１２６と低温制御弁Ｖ−１２と
が内蔵されている。

熱交換器１２６は被冷却体１０７からの大気
圧以下に減圧された寒冷ヘリウムガスと、ヘリ
ウム圧縮機１０１から供給される高圧ヘリウム
ガスとの間の熱交換を行う機器であり、低温制
御弁Ｖ−１２は熱交換器１２６によつて高圧ヘ
リウムガスが該熱交換器の出口において約５〜
７〓の温度まで冷却されたときにこの温度を検
知する検知器Ｓ−２の指令によつて開く温度制
御弁としての役割と、高圧ヘリウムガスを大気
圧附近の圧力まで減圧して自由膨張によりその
一部を液化させる膨張弁（ジユールトムソン
弁）としての役割とを持つものである。

なお供給される高圧ヘリウムガスの圧力は望
ましくは６〜20気圧とする。

(13) 本装置による被冷却体１０７の初期冷却、
すなわち常温から４〓以下の温度までの冷却は
つぎの如く行われる。

ヘリウム圧縮機１０１とヘリウム液化冷凍機
１０３とにより液化ヘリウムを液化ヘリウム容
器１０４内に製造し、貯蔵する。次に液化ヘリ
ウム容器１０４内の液化ヘリウムをヘリウム減
圧装置１１０によつて被冷却体１０７に移送し
て冷却を行う。被冷却体１０７で気化したヘリ
ウムガスは再生熱交換装置１２５を予冷して昇
温器１１３で常温まで昇温しヘリウム減圧装置
１１０に吸引される。ヘリウム減圧装置１１０
に吸引されたヘリウムガスは大気圧程度まで圧
縮され、ヘリウム圧縮機１０１に導かれる。な
お再生熱交換装置１２５内の高圧ヘリウムガス
は低温制御弁Ｖ−１２が作動する温度まで冷却
されない限り、弁が閉じており、流れは生じな
い。

被冷却体１０７が５〜７〓まで冷却すると再
生熱交換装置１２５内の低温制御弁Ｖ−１２が
作動して定常運転に入り、被冷却体１０７は４
〓以下まで冷却される。

(14) 第２図において主要な制御機器の機能はつ
ぎのとおりである。

ヘリウム液化冷凍機１０３内の膨張弁Ｖ−８
は従来の４〓以上のヘリウム液化冷凍機に附属
しているものである。

被冷却体１０７の入口制御弁Ｖ−１０は４〓
以上の液化ヘリウムを自由膨張により４〓以下
の温度とする圧力調節弁である。

Ｖ−１１は常温減圧制御弁であつて、ヘリウ
ム減圧装置１１０の吸引圧力を調節する。Ｖ−
１２は低温制御弁であつて、熱交換器１２６の
高圧ヘリウム出口温度によつて開閉する機能と
高圧ヘリウムを大気圧附近まで減圧する機能と
を持つている。さらに、被冷却体１０７内の熱
負荷量が規定よりも小さく、液化ヘリウム容器
１０４内の貯蔵液量が増加して規定量に達した
ときは液面計Ｓ−１の信号によつて弁Ｖ−１２
が閉じる。

常温高圧制御弁Ｖ−１３はヘリウム圧縮機１
０１の吐出圧力が規定値よりも高くなつたとき
に高圧ガスを高圧回収タンク１１４に回収する
制御弁である。常温低圧制御弁Ｖ−１４はヘリ
ウム圧縮機１０１の吸入圧力が規定値より低く
なつたときに高圧回収タンク１１４から圧力を
供給する制御弁である。

以上説明したように本考案によればヘリウム液
化冷凍機１０３、ヘリウム圧縮機１０１及び液化
ヘリウム容器１０４を有した従来の４〓以上のヘ
リウム冷凍装置に再生熱交換装置１２５と昇温器
１１３とヘリウム減圧装置１１０とを付加するこ
とにより４〓以下のヘリウム冷凍装置を与えるも
のであり、製作コストが安い。さらに本考案の装
置は各主要機器が独立した構成であるから各機器
の操作、制御が容易であり、設置場所に達した配
置とすることができ、整備、修理も容易である。

減圧ヘリウムラインがヘリウム液化冷凍機１０
３とは分離されているため、被冷却体１０７の負
荷熱量に変動があつてもヘリウム液化冷凍機１０
３の温度バランスをくずす等の影響がなく、被冷
却体を所望の温度に冷却できる。

さらに、本考案による再生熱交換装置１２５は
被冷却体１０７からの減圧ヘリウムガスの寒冷を
有効に利用して、ヘリウムガスの液化を行い且つ
ヘリウム液化冷凍機１０３のヘリウム液化能力を
増大する効果を有する。

なお、減圧ヘリウムラインの圧力損失は、熱交
換器が多段型３流体式熱交換器でないこと、独立
した減圧配管であるため管径を大きくできるこ
と、などのため小さくでき、ヘリウム減圧装置１
１０の規模を小さくでき、駆動電動機を小とする
ことができる。

さらに、故障確率の高いヘリウム液化冷凍機１
０３内の膨張機T′−１，T′−２と減圧ヘリウム
ラインとが分離されているから、ヘリウム液化冷
凍機１０３が故障しても液化ヘリウム容器１０４
内の液化ヘリウムがなくなるまで連続運転ができ
る。

なお、被冷却体１０７の初期冷却時に再生熱交
換装置１２５も予冷でき、減圧ヘリウムガスの寒
冷の有効な利用ができる。

被冷却体１０７の冷凍温度はヘリウム減圧装置
１１０の常温減圧制御弁Ｖ−１１と被冷却体１０
７の入口制御弁Ｖ−１０とにより任意の温度に設
定することができ、このときヘリウム液化冷凍機
１０３に影響を与えない。

実施例 １ 本考案の一実施例を第３図に示す。これは複数
の被冷却体１０７ａ，１０７ｂ……を各独立して
冷却するフローを示している。ヘリウム圧縮機１
０１、ヘリウム液化冷凍機１０３、液化ヘリウム
容器１０４、昇温器１１３、ヘリウム減圧装置１
１０、低圧タンク１１１、高圧回収タンク１１
４、などは第２図のものと同様であるが、各被冷
却体ごとに再生熱交換装置１２５ａ，１２５ｂ…
…が設けてある。

第３図に基づいて3.5〓のヘリウム冷凍装置の
設計を行つた。設計条件はつぎのとおりである。

(1) ヘリウム圧縮機 吸入圧力：大気圧、吐出圧力：18atm 処理量 ：1100Nm³／hr (2) ヘリウム液化冷凍機（市販品） 液化能力：60〜70／hr（4.5〓） (3) 液化ヘリウム容器 容量：1000 (4) 再生熱交換装置： 高圧側：圧力：18atm、流量９〜10ｇ／ｓ 減圧側：圧力：0.3atm、流量11ｇ／ｓ (5) ヘリウム減圧装置 吸入圧力：0.2atm、吐出圧力：1.1atm 処理量 ：220Nm³／hr 以上の結果被冷却体全系でのヘリウム冷凍量は
3.5〓で約200Wであつた。

なお実施例１においては複数の被冷却体につい
てそれぞれ再生熱交換装置を使用したが、勿論単
一の再生熱交換装置によつて複数の被冷却体を処
理することもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の４〓以下のヘリウム冷凍装置の
フローを示す概略図、第２図は本考案によるヘリ
ウム冷凍装置の基本的フローを示す図、第３図は
複数の被冷却体に対する本考案の実施例を示す
図。 １０１：ヘリウム圧縮機、１０３：ヘリウム液
化冷凍機、１０４：液化ヘリウム容器、１０７：
被冷却体、１１０：ヘリウム減圧装置、１１１：
低圧タンク、１１４：高圧回収タンク、１１３：
昇温器、１０６，１０８，１１２：導管、１１
５：液化窒素導管、HX′−１ないしHX′−５：熱
交換器、T′−１，T′−２：膨張機、Ｖ−８：膨
張弁、Ｖ−９：低温止弁、Ｖ−１０：入口制御
弁、Ｖ−１１：常温減圧制御弁、Ｖ−１３：常温
高圧制御弁、Ｖ−１４：常温低圧制御弁、１２
５：再生熱交換装置、１２６：熱交換器、Ｖ−１
２：低温制御弁、Ｓ−１：液面計、Ｓ−２：温度
検知器。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 (1) ヘリウム液化冷凍機、該ヘリウム液化冷凍機
   に加圧されたヘリウムを供給するヘリウム圧縮
   機及び前記ヘリウム液化冷凍機により得られた
   液化ヘリウムを貯蔵する液化ヘリウム容器を有
   した４〓以上用のヘリウム液化冷凍装置と； 前記液化ヘリウム容器より被冷却体にヘリウ
   ムを送る管路に設けられヘリウムを膨張させる
   制御弁と； 前記被冷却体内で発生した寒冷ヘリウムガス
   を大気圧以下に減圧して回収するヘリウム減圧
   装置と； その減圧された寒冷ヘリウムガスの寒冷を利
   用し、常温高圧のヘリウムガスを冷却し、液化
   させるための機器を備えた再生熱交換装置と； を有することを特徴とする連続的に被冷却体
   を４〓以下に冷却することができるヘリウム冷
   凍装置。 (2) 実用新案登録請求の範囲第１項に記載のヘリ
   ウム冷凍装置において、前記再生熱交換装置は
   前記ヘリウム液化冷凍機とは独立した断熱容器
   内に熱交換器と低温制御弁を収納した装置であ
   り、熱交換器は常温で６〜20気圧に収縮された
   高圧ヘリウムガスと４〓以下で大気圧以下の寒
   冷ヘリウムガスとで熱交換する機器であり、低
   温制御弁は前記熱交換器の出口温度が５〜７〓
   になつたとき開き５〜７〓に冷却された高圧ヘ
   リウムガスを大気圧付近まで減圧し、ヘリウム
   ガスの一部を液化させる温度制御機能と膨張弁
   としての機能とを兼ねる機器であることを特徴
   とするヘリウム冷凍装置。