JPH0345862A - 極低温冷却装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は極低温冷却装置に係り、特に補助寒冷源を用い
るもの）こ好適な極低温冷却装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来の装置の一例を第４図により説明する。

′！Ｊ４図において、圧縮機１で圧縮されたヘリウムガ
スは、コールドボックス２に入り熱交換器３で、戻りヘ
リウムガスおよび予冷用液体窒素と熱交換を行なったの
ち、一部は、膨張タービン４で、断熱１１＊ｕ、寒冷を
発生し、低圧ヘリウムガスとなり、圧縮機ｌの吸入側に
戻る。他の一部のガスは、さらに、熱交換器３で、熱交
換し、温度が下がった状態で、ＪＴ弁（ジュール・トム
ソン、ｍｇｋ弁）５で膨張し、一部が液ｆヒした状態で
、断熱真空配管６を耗で、超電導マグネット等の被冷却
体７へ送られる。被冷却体を冷却し、蒸発した低温ヘリ
ウムは、断熱真空配管６を経て、コールドボックス２に
戻り、さらに、圧縮機１の吸入側に至る。

一方、被冷却体７は、真空断熱容器８の内部におかれ、
液体ヘリウムへの熱負荷を軽減するために、真空断熱容
器８の真空断熱層内に、液体窒素温度レベル（約８０Ｋ
）の断熱シールド板９が設置されている。断熱シールド
板への液体窒素の供給は、液体窒素配管１０．およびセ
を経て行なわれる。断熱シールド板９の温度を低温に保
持するためには、窒素配管出口１３も十分に低温に保つ
ことになり、−数的に液体窒素ミストを同伴して、大気
へ放出することになる。また、ヘリウム冷凍機の予冷寒
冷として利用される液体窒素は、液体窒素配管１０．お
よび１１を軽て、コールドボックス２に供給され、熱交
換器３において、ヘリウムガスと熱交換し、窒素出口配
管１４では、はぼ常温となって、大気へ放出される。

なお、この種のシステムとして関連するものには、平成
元年度春期低温工学発表会予備集　Ｂ１−３　大内他著
「トリスタン用超伝導四極電磁石の冷却システム（２）
　Ｊ　Ｐ　２５　（１９８９）等が挙げられる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は補助寒冷源である液体窒素の有効利用に
ついて配慮されておらず、断熱シールド板を冷却した後
の液体窒素がそのまま排出されており、液体窒素の寒冷
が十分に利用されておらず、システムの原単価が悪くな
るという無駄があった。

本発明の第１の目的は補助寒冷源を有効に利用すること
のできる極低温冷却装置を提供することにある。

本発明の第２の目的は、冷凍機と被冷却体とのそれぞれ
の運転に合わせて効果的に冷却することのできる極低温
冷却装置を提供することにある。

本発明の第３の目的は、安定した運転を行なうことので
きる極低温冷却装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記第１の目的を達成するために、冷媒ガスを断熱膨張
させて極低温冷奴を生成し、該極低温冷媒により被冷却
体を冷却する極低温冷却装置において、前記冷媒ガスを
予冷する予冷用冷媒の一部を前記被冷却体の熱シールド
側に分岐させ、該熱シールド冷却後の予冷用冷媒を前記
冷媒ガスの予冷用冷媒に合流させたものである。

上ｔｅｌ！２の目的を達成するために、冷媒ガスを断熱
膨張させて極低温冷媒を生成する冷凍！ｋｌｌと。

前記生成された極低温冷媒を有する被冷却部と、該被冷
却部に設けられ前記極低温冷媒への熱侵入を防ぐ熱シー
ルド体と、前記冷凍！＆置の前記冷媒ガスを予冷する予
冷用冷媒の冷媒供給源と、該冷媒供給源からの予冷用冷
媒の一部を分岐して前記熱シールド体部へ供給する手段
と、前記熱シールド体部からの予冷用冷媒を前記令？１
に装置の予冷部に供給する手段と、前記熱シールド体部
からの予冷用冷奴を排出させる手段と、前記熱シールド
体部からの予冷用冷媒の前記供給と前記排出とを切り換
える手段とから構成したものである。

上記ｇＪ３の目的を連成するために、冷媒ガスを生皮す
る冷凍装置と、前記生成された極低温冷媒を有する被冷
却部と、該被冷却部に設けられ前記極低温冷媒への熱侵
入を防ぐ熱シールド体と、前記冷凍装置の前記冷媒ガス
を予冷する予冷用冷媒の冷媒供給源と、該冷媒供給源か
らの予冷用冷媒の一部を分岐して前記熱シールド体部へ
供給する手段と、前記熱シールド体部からの予冷用冷媒
を前記冷凍装置の予冷部に供給する手段と、該供給され
る予冷冷媒と前記冷媒供給源から直接に供給される予冷
用冷媒とを気液分離して供給する手段とから構成したも
のである。

〔作　　用〕

被冷却体の熱シールドから出た予冷用冷媒は、そのまま
大気へ放出すれば、寒冷を失うことになるが、冷凍装置
の予冷寒冷として利用することにより、はぼ常温まで１
１ｉｌＦ！を回復させることができるので、寒冷の有効
利用が図れる。

また、熱シールドが、比較的高温の予冷時にある場合に
は、熱シールド出口温度が高く、そのまま冷凍装置に供
給すると冷凍装置の温度バランスをくずす恐れがあるが
、熱シールド出口に切換え手段を設けることにより、温
度の高い予冷用冷媒を冷凍装置に供給することなく、大
気へすてることができるので、冷凍装置の制御性が良く
なる。

さらに、冷凍装置に今冷用冷媒の気液分離を設けること
により、熱シールド板冷却後の予冷用冷媒の影響を受け
ずに、冷凍装置の予冷が安定して行なえる。

〔実　施　例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。

！Ｊ１図において、ｌは冷媒ガス、例えば、ヘリウムガ
スを昇圧・循環させる圧縮機、２は真空断熱されたコー
ルドボックス、３は多段に設けられた熱交換器（図示省
略のため取付範囲で図示）、４は寒冷発生用の膨張ター
ビン、５は極低温冷媒発生用のＪＴ弁、６はコールドボ
ックスと真空断熱容器８とをつなぐ断熱真空配管、７は
真空断熱容器８内に収納された被冷却体、９は被冷却体
７への熱侵入を防止する断熱シールド板、１０は予冷冷
媒、例えば、液体窒素供給用の配管、■は弁巧を介して
配管１０につながり熱交換器３につながる配管、Ｕは配
管１０から断熱シールド板９につながる配管、１３は断
熱シールド板９から配管１１につながる配管、１６は配
管Ｕに設けた弁である。

上記の構成により、圧縮機ｌで圧縮されたヘリウムガス
は、コールドボックス２に入り、熱交換器３で、戻りヘ
リウムガスおよび予冷用液体Ｍｓと熱交換を行なったの
ち、一部は、膨張タービン４で断熱膨張し、寒冷を発生
し、低圧ヘリウムガスとなり、圧縮１ａｌの吸入側に戻
る。他の一部のガスは、さらに、熱交換器３で熱交換し
、温度が下がった状態でＪＴ弁（ジュール・トムソン膨
張弁）５で膨張し、一部が液化した状態で断熱真空配管
６を経て、超電導マグネット等の被冷却体７へ送られる
。被冷却体７を冷却し、蒸発した低温ヘリウムは、断熱
真空配管６を経て、コールドボックス２に戻り、さらに
、圧縮ｉｌｌの吸入側に至る。

一方、被冷却体７は、真空断熱容器８の内部におかれ、
液体ヘリウムへの熱負荷を軽減するために、真空断熱容
器８の真空断熱層内に、液体窒素温度レベル（約８０Ｋ
）の断熱シールド板９が設置されている。断熱シールド
板９への液体窒素の供給は、液体窒素配管１０．および
セを経て行なわれる。断熱シールド板９の温度を低温に
保持するためには、窒素配管１３出口も十分に低温に保
つことになり、液体窒素ミストを同伴する。

液体窒素ミストを同伴した、低温窒素ガスは、窒素配管
１３を経て、コールドボックス側への液体窒素供給配管
１１に合流し、コールドボックス２に供給され、熱交換
器３において、ヘリウムガスと熱交換し、窒素出口配管
１４では、はぼ常温となって、大気へ放出される。

本実施例によれば、断熱シールド板９の冷却後の液体窒
素および低温窒素ガスの寒冷を顕熱も含めて、ヘリウム
冷凍機の予冷に有効利用できるので、全体として、液体
窒素の消費量を減少できるという経済的効果がある。

ＩＪ２随に、本発明の第２の実施例を示す。

１８２図において、第１図と同符号は同一部材を示し、
説明を消略する。本図が第１図と異なる点は、窒素配管
１３の途中に三方弁１７を設け、一方は大気放出側とし
た点である。

上記の構成により、断熱シールド板９より出たＮ素は、
温度が高い予冷時においては、三方弁１７において、大
気側に放出し、コールドボックス２側は送らない。断熱
シールド板９より出た窒素の温度が下ってくれば、三方
弁１７をコールドボックス２側に切替え、コールドボッ
クス２の予冷に利用する。

本実施例によれば、前記一実施例と同様の効果があると
ともに、コールドボックス２側の温度と被冷却体７側の
温度とを独立に管理、運転ができるので、運転制御性が
良くなるという効果がある。

また、窒素温度による三方弁の開閉を自動化すること、
三方弁を二方向弁２台とし、それぞれ、大気側とコール
ドボックス側へ流せるようにし、その流量を制御できる
ようにすることも、同様に有効である。

第３図に、本発明の第３の実施例を示す。

第３図において、第１図および第２図と同符号は同一部
材を示し、説明を省略する。本図においで第２図と異な
る点は、窒素配管１１の熱交換器３に入る前に気液分離
１ｉｉ１８を設け、気体側を熱交換器３の高温側に、液
体側を熱交換器３の低温側に通して予冷可能をこした点
、およびコールドボックス２の液体窒素予冷において、
液体窒素とガス窒素とを分離する気液分離器１８の液位
な制御（図示省略）して、適正な液体窒素の供給を可能
とした点である。

断熱シールド板９部の窒素配管１３から出てくる液体窒
素ミストの量は、被冷却体７の運転状況によって変わる
が、温度の測定では、直接、把握することができず、ヘ
リウムコールドボックスの温度分布で遅れて検知される
ことになるが、気液分離Ｒ１８を設けて液面制御するこ
とにより、コールドボックスの液体窒素予冷を安定して
実施でき、運転制御が容易になる。

また、気液分離器１８の気体部分と流体部分でそれぞれ
に熱交換器３を有効に予冷することができ、さらに予冷
効率を向上できるとともに、予冷用冷媒である液体窒素
の効率的利用が可能となる。

以上、本実施例によれば、前ｌ！ｅ第２の実施例の効果
に合わせ、上記の効果を得ることができる。

また、本図においては、配管１３に温度検出器１９を設
け、制御装！加に検出信号を入力して、制御装置加によ
って三方弁１７を自動制御可能にしであるが、制御装［
２０に冷凍装置側の情報、例えば、停止等を与え、配管
ｌｌ側へ流れないように三方弁１７を切り換え制御する
ようにすることも可能である。

なお、これら実施例において、予冷用液体窒素の利用に
被冷却体の断熱シールド板について述べたが、断熱真空
配管６の寒冷移送用の配管等の熱シールドに適用しても
同様の効果が期待できることは云うまでもない。

〔発明の効果〕

本発明によれば、補助寒冷源を無駄に排出せず冷凍装置
の予冷に有効利用でき、また、全体として補助寒冷源の
消費量を減少できるという経済的効果がある。

また、切換え手段を設けることに、被冷却体とコールド
ボックスの温度を独立に管理、運転ができるので運転制
御性が良くなるという効果がある。

さらに、気液分離器をコールドボックス内に設置するこ
とにより、コールドボックスの予冷を安定して実施でき
るという運転制御上の効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である極低温冷却装置を示す
フロー図、第２図は本発明の第２の一実施例である極低
温冷却装置を示すフロー図、第３図は本発明の第３の一
実施例である極低温冷却装置を示すフロー図、第４図は
従来例の装置を示すフロー図である。 １・・・・・・圧縮機、２・・・・・−コールドボック
ス、３・・・熱交換器、７・・・・・・被冷却体、８・
・−・・真空断熱容器、９・・・・・・断熱シールド板
、１０．１１．１２．１３・・−・・配管、ソ １ 図 １５、に−−−−−−ｒ ７掖々（Ｐ体

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、冷媒ガスを断熱膨張させて極低温冷媒を生成し、該
   極低温冷媒により被冷却体を冷却する極低温冷却装置に
   おいて、前記冷媒ガスを予冷する予冷用冷媒の一部を前
   記被冷却体の熱シールド側に分岐させ、該熱シールド冷
   却後の予冷用冷媒を前記冷媒ガスの予冷用冷媒に合流さ
   せたことを特徴とする極低温冷却装置。 ２、前記熱シールド冷却後の予冷用冷媒を排出側へ分岐
   させる手段を設けた特許請求の範囲第１項記載の極低温
   冷却装置。 ３、前記予冷用冷媒の前記冷媒ガス側に気液分離器を設
   けた特許請求の範囲第１項記載の極低温冷却装置。 ４、冷媒ガスを断熱膨張させて極低温冷媒を生成する冷
   凍装置と、前記生成された極低温冷媒を有する被冷却部
   と、該被冷却部に設けられ前記極低温冷媒への熱浸入を
   防ぐ熱シールド体と、前記冷凍装置の前記冷媒ガスを予
   冷する予冷用冷媒の冷媒供給源と、該冷媒供給源からの
   予冷用冷媒の一部を分岐して前記熱シールド体部へ供給
   する手段と、前記熱シールド体部からの予冷用冷媒を前
   記冷凍装置の予冷部に供給する手段と、前記熱シールド
   体部からの予冷用冷媒を排出させる手段と、前記熱シー
   ルド体部からの予冷用冷媒の前記供給と前記排出とを切
   り換える手段とから成ることを特徴とする極低温冷却装
   置。 ５、冷媒ガスを断熱膨張させて極低温冷媒を生成する冷
   凍装置と、前記生成された極低温冷媒を有する被冷却部
   と、該被冷却部に設けられ前記極低温冷媒への熱侵入を
   防ぐ熱シールド体と、前記冷凍装置の前記冷媒ガスを予
   冷する予冷用冷媒の冷媒供給源と、該冷媒供給源からの
   予冷用冷媒の一部を分岐して前記熱シールド体部へ供給
   する手段と、前記熱シールド体部からの予冷用冷板を前
   記冷凍装置の予冷部に供給する手段と、該供給される予
   冷用冷媒と前記冷媒供給源から直接に供給される予冷冷
   媒とを気液分離して供給する手段とから成ることを特徴
   とする極低温冷却装置。