JPH0317059B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、被冷却対象の初期冷凍時における冷
却時間を向上させるための予冷系統を備えた冷却
装置の改良に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

近年、核融合炉、磁気浮上車両、NMR−CT
等に利用される超電導機器や、深冷蒸溜によるガ
ス分離技術等の進展に伴つて極低温技術の開発も
著しい。極低温状態を得るには目下のところ液体
ヘリウムを冷媒として用いた冷却システムが使用
されている。

第２図は、従来のこの種の冷却システムの構成
を示したもので、図中１は、たとえば超電導磁石
等の被冷却対象２を冷凍する冷凍機である。この
冷凍機１は、ヘリウムガスなどの冷媒を循環させ
る主冷却系統３を有し、この主冷却系統３に、圧
縮機４、JT（ジユール・トムソン）弁５、冷却管
６をそれぞれ介在させたものとなつている。主冷
却系統３には、圧縮機４からJT弁５に至る高圧
側の主冷却系統３を通流する冷媒と、冷却管６か
ら圧縮機４に至る低圧側の主冷却系統３を通流す
る冷媒とを熱交換させるために熱交換器７，８，
９，１０，１１が高温側から低温側へ順に多段に
介挿されている。主冷却系統３の高圧側でかつ熱
交換器７，８間と、主冷却系統３の低圧側でかつ
熱交換器９，８間との間には、バイパス経路１２
が設けられており、このバイパス経路１２には、
高圧側から低圧側に導く冷媒を断熱膨張させるた
めの膨張機１３が設けられている。また、主冷却
系統３の高圧側でかつ熱交換器９，１０間と、主
冷却系統３の低圧側でかつ熱交換器１１，１０間
との間には、バイパス経路１４が設けられてお
り、このバイパス経路１４には、高圧側から低圧
側に導く冷媒を断熱膨張させるための膨張機１５
が設けられている。

しかして、冷凍機１には、冷凍機１の運転初期
時において被冷却対象２を予冷するための予冷系
統１６が設けられている。この予冷系統１６は、
主冷却系統３の高圧側でかつ熱交換器８と熱交換
器９との間から冷媒を分岐させ、同低圧側で冷却
管６と熱交換器１１との間に上記冷媒を帰還させ
るように形成されたものである。この予冷系統１
６には、予冷系統１６の入口の圧力と出口の圧力
とに冷媒の圧力を対応させるべく減圧弁１７が設
けられており、また、この減圧弁１７で減圧され
た冷媒を被冷却対象２と熱交換させるための冷却
管１８が設けられている。

一方、このように構成された冷凍機１の低温部
分（たとえば熱交換器９〜１０、JT弁５、冷却
管６、予冷系統１６など）や被冷却対象２は、熱
シールド手段１９によつて熱シールドされ、外部
からの熱侵入を効果的に防止するような工夫がな
されている。極低温状態を得る冷却システムにあ
つては、たとえばスーパーインシユレーシヨンな
どの断熱手段２１で被断熱対象２を覆い、かつ液
体窒素等の冷媒を内部に通流させた冷却管２２を
前記断熱手段２１に熱的に接触させて80Kレベル
の低温障壁を形成し、これによつて熱シールド手
段を構成するようにしている。

このように構成された冷却システムでは、JT
弁５によるJT膨張を利用して極低温状態を得る
ようにしている。JT膨張による冷却を行なうた
めには、JT弁５に供給する冷媒を予冷してその
温度を十分に低下せしめておく必要がある。上記
のシステムでは、圧縮機４で圧縮された冷媒が、
熱交換器７〜１１および２つの膨張機１３，１５
によつて熱交換器７〜１１の高圧側を通過する過
程で十分に予冷されるので、冷却管６にはJT膨
張によつて十分な液体ヘリウムを得ることができ
る。

このように熱交換器を多段に設けた冷却システ
ムの場合、定常冷却時には安定した冷凍運転が可
能である。しかし、初期冷凍時においては、被冷
却対象２の冷凍に時間を要するため、被冷却対象
２の予冷が必要となる。そこで、この場合には、
減圧弁１７を開放し、冷媒を予冷系統１６に通流
させることによつて被冷却対象２の予冷を行なう
ようにしている。

しかしながら、従来の冷却システムでは、予冷
系統１６を通流する冷媒の温度が主冷却系統３を
通流する冷媒の温度に依存するため、運転初期に
おいては、十分な予冷温度を得ることが困難であ
り、結局、立上り特性の改善効果が期待できなか
つた。また、このように、主冷却系統３から冷媒
を分岐させると、主冷却系統３における冷却能力
も低下して、所期の目的を達成することができな
いという不具合があつた。

一方、主冷却系統３の負担を軽減させるため、
主冷却系統３とは別系統で予冷ラインを設けるこ
とも考えられるが、予冷のみの目的で、別個に独
立した冷却系統を設けるには、装置の規模、コス
ト上のデメリツトが大きいという問題があつた。

〔発明の目的〕

本発明は、かかる問題点に鑑みなされたもので
あり、その目的とするところは、主冷却系統の負
担増や装置の複雑さを伴うことなしに、予冷能力
の向上化を図ることができ、もつて予冷時間の短
縮化を図ることができる冷却装置を提供すること
にある。

〔発明の概要〕

本発明は、被冷却対象を冷却する主冷却系統
と、前記被冷却対象を囲む障壁を冷却して該被冷
却対象を熱シールドするシールド用冷却系統と、
前記被冷却対象の予冷時において前記主冷却系統
内を循環する冷媒を前記主冷却系統から分岐させ
前記被冷却対象と熱交換させる如く導く予冷系統
とを備えた冷却装置であつて、前記予冷系統の前
記主冷却系統の分岐点から前記被冷却対象に至る
までの間に、該予冷系統を流れる冷媒を前記シー
ルド用冷却系統を流れる冷媒と熱交換する熱交換
部を設けたことを特徴としている。

〔発明の効果〕

本発明によれば、予冷系統を通流する冷媒の温
度は、必ず熱シールド手段の温度に依存する。そ
して、この熱シールド手段は、通常主冷却系統と
は別系統であるため、熱シールド手段の温度を所
望の温度に設定することによつて、予冷系統を通
流する冷媒の温度を主冷却系統の温度に関わりな
く所望の温度に設定することができる。この結
果、所望の予冷温度を得ることができる。しか
も、この場合には、主冷却系統から冷媒を分岐す
ることによつて低下した主冷却系統の冷凍能力
を、熱シールド手段との熱交換によつて向上した
予冷系統の冷凍能力で補うことができるので、全
体的な冷凍能力が低下することもない。

この結果、所期冷却時における予冷時間の短縮
化を図ることができる。

〔発明の実施例〕

以下、図面を参照して本発明の実施例について
説明する。

第１図は、本発明の一実施例に係る冷却システ
ムの構成を示す図であり、図において第２図と同
一部分には同一符号を付してある。したがつて、
重複する部分の説明は省くことにする。

本実施例に係る冷却システムが従来の冷却シス
テムと異なる点は、その予冷系統２５の構成にあ
る。

すなわち、このシステムにおける予冷系統２５
は、減圧弁１７から被冷却対象２を冷却する冷却
管１８に至る冷媒流路に、熱交換用配管２６を介
在させ、この熱交換用配管２６を流れる冷媒と、
熱シールド用の冷却管２２を流れる冷媒とを熱交
換させるように構成されたものとなつている。

この様に構成された本実施例に係る冷却システ
ムにおいては、予冷時に減圧弁１７が開に設定さ
れる。このように減圧弁１７が開に設定される
と、主冷却系統３を通流する冷媒（たとえばヘリ
ウムガス）の一部は、主冷却系統３から分岐され
て予冷系統２５を流れる。予冷系統２５を流れる
冷媒は、予冷系統２５を通流する過程で熱交換用
配管２６を通流する。この熱交換用配管２６を通
流する冷媒は、熱シールド用の冷却管２２を通流
する冷媒（たとえば液体窒素）と熱交換される。
通常、液体窒素の温度は、70〜80Kで一定であ
る。したがつて、予冷系統２５を通流する冷媒の
温度は、主冷却系統３の温度に関わらず、一定の
温度に冷却されることになる。なお、定常冷却時
には、前記減圧弁１７は閉に設定される。

このように、本実施例によれば、予冷系統２５
を通流する冷媒の温度が主冷却系統３の温度に関
わりなく常に一定の温度に冷却されるので、冷凍
機１の運転初期時においても、被冷却対象の効果
的な予冷を行なうことができる。しかも、この場
合、熱シールド用の冷却管２２で冷却された冷媒
は、主冷却系統３の低圧側に帰還されているの
で、主冷却系統３の低圧側の冷却に寄与させるこ
とができる。すなわち、予冷系統２５は、被冷却
対象２の予冷に止どまらず主冷却系統３の予冷に
も供されることになるので、予冷に要する時間を
従来に較べて大幅に短縮させることが可能であ
る。

なお、本発明は上記実施例に限定されるもので
はない。

たとえば、上記実施例では主冷却系統３の高圧
側から同低圧側へ冷媒を通流させるように予冷系
統２５を設定したが、冷媒を低圧側から分岐する
ように予冷系統を構成してもよい。

すなわち、予冷系統を主冷却系統３から単に分
岐させるだけの従来の冷却システムにあつては、
必ず高圧側から冷媒を分流させる必要があつた
が、上述のように冷媒を熱シールドと熱交換させ
る方式を採用すれば、温度の高い低圧側の冷媒を
分流させて予冷系統に導くようにしても、冷媒
は、熱シールド用の冷媒によつて冷却されるの
で、十分な予冷能力を確保することができる。こ
のように構成された冷却システムの構成例を第３
図に示す。

つまり、この場合には、主冷却系統３の低圧側
を通流する冷媒の一部を、たとえば熱交換器１
０，１１間から熱交換器８，９間に導くように予
冷系統３１を構成すればよい。予冷系統３１に
は、熱交換用配管３２と被冷却対象冷却用の冷却
管３３とが設けられる。熱交換用配管３２を通流
する冷媒は、熱シールド用の冷却管２２を通流す
る冷媒と熱交換される。

このような構成であると、予冷系統の入口と出
口との圧力差を上述した例に較べて小さくするこ
とができるので、減圧弁が不要となり、さらに構
成を簡易化させることができる。また、低圧側の
冷媒を分流させる方式であるため、予冷系統３１
を構成する配管も低圧用の配管で済み、被冷却対
象がパイプ状のものである場合には、被冷却対象
そのものを予冷系統の一部に使用することも可能
になる。したがつて、全体の低廉化にも寄与でき
るなどの効果を奏する。

また、本発明は、特に予冷系統を通流する冷媒
が主冷却系統に帰還するシステムに限定されるも
のではない。要は、予冷系統を通流する冷媒が熱
シールド手段と熱交換し得るような構成であれば
良く、主冷却系統に冷媒を帰還させない冷却シス
テムにも応用可能である。また、主冷却系統３や
熱シールド用の冷却管２２を通流する冷媒の種類
も上述したものに限定されるものではないことは
勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る冷却システム
の構成を示すフローシート図、第２図は従来の冷
却システムの一例の構成を示すフローシート図、
第３図は本発明の他の実施例に係る冷却システム
の構成を示すフローシート図である。 １……冷凍機、２……被冷却対象、３……主冷
却系統、４……圧縮機、５……JT弁、６，１８，
２２，３３……冷却管、７〜１１……熱交換器、
１２，１４……バイパス流路、１３，１５……膨
張機、１６，２５，３１……予冷系統、１７……
減圧弁、１９……熱シールド手段、２１……断熱
手段、２６，３２……熱交換用配管。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 被冷却対象を冷却する主冷却系統と、前記被
   冷却対象を囲む障壁を冷却して該被冷却対象を熱
   シールドするシールド用冷却系統と、前記被冷却
   対象の予冷時において前記主冷却系統内を循環す
   る冷媒を前記主冷却系統から分岐させ前記被冷却
   対象と熱交換させる如く導く予冷系統とを備えた
   冷却装置において、前記予冷系統の前記主冷却系
   統の分岐点から前記被冷却対象に至るまでの間
   に、該予冷系統を流れる冷媒を前記シールド用冷
   却系統を流れる冷媒と熱交換する熱交換部を設け
   てなることを特徴とする冷却装置。 ２ 前記予冷系統は、前記主冷却系統の高圧側か
   ら前記冷媒を分岐させ、前記主冷却系統の低圧側
   に帰還させるように前記冷媒を導くものであるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の冷却
   装置。 ３ 前記予冷系統は、前記主冷却系統の低圧側か
   ら前記冷媒を分岐させるようにしたことを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の冷却装置。