JPH05223381A - 極低温ヘリウム冷却システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】低温ヘリウムを熱シールドにもつ極低温ヘリウ
ム冷凍システムにおいて、メインタービンをシールドラ
インの２次側におかず、効率及び信頼性の高いシステム
の構築を目的とする。 【構成】直列に設置されたメインタービン１３ａ、及び
１３ｂの中間からシールドライン３１をぬき、熱シール
ド３２の２次側に膨張タービン１３ｃ及び１３ｄを設置
し、寒冷を発生させ、シールドラインの温度に応じて、
低圧ラインとの温度差が小さい点を求めて弁１５ａ，１
５ｂ，１５ｃのいづれかを開けて、低圧ラインと合流さ
せる。膨張タービンに可変容量式膨張タービンを用い、
シールドラインの運転状況に応じて効率を維持する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超伝導マグネット等の
極低温分野で用いられる極低温ヘリウム冷却システムに
関する。

【０００２】

【従来の技術】４．４Ｋレベルの極低温ヘリウムは、超
伝導装置の冷凍に用いられるが、一般的に、極低温レベ
ルの熱負荷を少しでも低減する方が経済的であり、その
ため、８０Ｋレベルの熱シールドが設置されることが多
い。８０Ｋレベルであれば、より安価な液体窒素が使用
できるためである。しかし、大量の放射線にさらされる
装置においては、放射化され易い窒素を用いることは危
険である。そのため、ヘリウムを熱シールドの冷媒とし
て用いる必要がある。

【０００３】従来の技術の一例を図２を用いて説明す
る。

【０００４】図２において、１はヘリウム圧縮機，２は
高圧ヘリウム入口ライン，３は低圧ヘリウムライン，１
０はコールドボックス，１１ａ〜１１ｆは熱交換器，１
２は膨張タービン入口弁，１３ａ，１３ｂは膨張タービ
ン，１４はＪＴ弁，１７ａ〜１７ｄは極低温冷媒移送
管，３０は被冷却体，３２は被冷却体廻りの熱シール
ド，３３は被冷却体，熱シールドを内蔵したクライオス
タットである。

【０００５】次に、上記のように構成された従来例の動
作について説明する。ヘリウム圧縮機１で１６〜１８ａ
ｔｍに圧縮されたヘリウムガスは、高圧ヘリウム入口ラ
イン２からコールドボックス１０へ供給され、第１の熱
交換器１１ａで低圧ヘリウムと熱交換し、さらに第２，
第３の熱交換器１１ｂ，１１ｃで冷却された後、シール
ドラインと液化ラインに分岐する。シールドラインに分
岐したヘリウムは、極低温冷媒移送管１７ｃを通り、ク
ライオスタット３３内の熱シールド３２を冷却し、極低
温冷媒移送管１７ｄを通り、コールドボックス１０に戻
る。この間、ヘリウムは熱シールド内で圧損を生じ、た
とえば１３〜１５ａｔｍになる。さらに、ヘリウムガス
は、膨張タービン入口弁１２を通り第１の膨張タービン
１３ａで断熱膨張仕事をする事によって温度降下して第
４の熱交換器１１ｄに入る。第４の熱交換器１１ｄを出
たヘリウムは、第２の膨張タービン１３ｂで低圧まで断
熱膨張仕事をし温度降下して低圧ラインに合流する。こ
の膨張タービン１３ａ及び１３ｂは極低温ヘリウム生成
に必要不可欠なメインタービンである。

【０００６】一方、液化ラインに分岐したヘリウムは、
第４〜第６の熱交換器１１ｄ〜１１ｆで冷却された後、
ＪＴ弁１４で約１ａｔｍに断熱膨張し、一部液化し極低
温冷媒移送管１７ａでクライオスタット３３に供給され
被冷却体３０を冷却する。被冷却体を冷却した極低温ヘ
リウムガスは、極低温冷媒移送管１７ｂを通り、コール
ドボックス１０に戻り低圧ラインを通ってヘリウム圧縮
機１の吸入側へ戻る。

【０００７】尚、このようなヘリウム冷凍システムにつ
いては、例えば、アドヴァンシズ・イン・クライオジェ
ニック・エンジニアリング，第３１巻（１９８６)，第
６３５頁から第６４５頁（Advances in Cryogenic Engi
neering, Vol.31（1986)，PP635−645）において論じら
れている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来技術は、メ
インタービンを流れる全量がシールドラインに流れるの
で、必要以上に圧損を生じる恐れがあり、シールドライ
ンの運転状況がメインタービンへ直接影響を与えるとい
う不具合点がある。

【０００９】本発明は、シールドラインを含む全体のエ
ネルギー効率が良く、シールドラインの運転状況が変わ
ってもメインタービンへの影響が少なく、安定した運転
が可能となる信頼性の高い極低温ヘリウム冷却システム
を提供する事を目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、直列に設置されたメインタービンの中間よりシール
ドラインを設置し、さらに、熱シールドの２次側に膨張
タービンを設置することにより、効率向上を図り、ま
た、可変容量型膨張タービンを設けることにより、シー
ルドラインの運転状況に応じて容量を変更し、さらに、
シールドラインと低圧ラインとの合流点をシールドライ
ンの温度に応じて切替可能とすることで効率の維持向上
を図り、また、シールドラインの２次側にメインタービ
ンが設置されないので、シールドラインの運転状況の変
動に対しても安定した運転が可能となるようにしたもの
である。

【００１１】

【作用】熱シールドは、低温ヘリウムの温度上昇による
顕熱によって熱負荷を吸収するものであり、入口温度が
一定の場合、熱負荷の変動に対して流量を変動させるこ
とが望ましい。また、熱シールドの運転状況，熱負荷の
変動等により、熱シールド２次側の圧力，温度は運転モ
ードにより変動する。一方、極低温ヘリウムの生成に関
連して、メインタービンの効率的な運転が不可欠であ
る。シールドラインの後流にメインタービンを設置しな
いことにより、シールドラインの運転状況がメインター
ビンへ与える影響が少なく、メインタービンを効率良
く、かつ、安定して運転維持することが可能となる。

【００１２】さらに、容量が固定の膨張タービンにおい
ては、主として入口圧力，温度条件で風量が決定され、
入口圧力，温度条件の変動に対して必ずしも効率の良い
点で運転がなされないが、可変容量型の膨張タービンに
おいては、入口条件の変動に対して、ノズルの通路面積
を調整することなどにより効率を高く維持することが可
能となる。これにより、システム全体の効率を高く維持
することが可能となる。

【００１３】一般的に、温度の異なるヘリウムを混合す
ることは熱力学的に損失を伴う。低圧ラインとシールド
ラインとの合流点における双方の温度が完全に一致する
ことが望ましいが、次善の策としてシールドラインの温
度により合流点を切替えることにより、比較的温度差の
小さい状態で合流させることができるので、シールドラ
インの運転状況の変化に対してシステムの効率を良好に
維持することが可能となる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１により説明す
る。

【００１５】図１において、ヘリウム圧縮機１で１６〜
１８ａｔｍに圧縮されたヘリウムガスは、高圧ヘリウム
入口ライン２からコールドボックス１０へ供給され、第
１の熱交換器１１ａで低圧ヘリウムと熱交換し、さらに
第２の熱交換器１１ｂで冷却された後、膨張タービンラ
インと液化ラインに分岐する。膨張タービンラインに分
岐したヘリウムは、膨張タービン入口弁１２を通り第１
の膨張タービン１３ａで断熱膨張仕事をする事によって
温度降下し、シールドラインを分岐した膨張タービンラ
インのヘリウムは、第４の熱交換器１１ｄに入り、さら
に冷却され、第２の膨張タービン１３ｂで低圧まで断熱
膨張仕事をし温度降下して低圧ラインに合流する。

【００１６】シールドラインに分岐したヘリウムは、極
低温冷媒移送管１７ｃを通り、クライオスタット３３内
の熱シールド３２を冷却し、極低温冷媒移送管１７ｄを
通り、コールドボックス１０に至る。さらに、ヘリウム
ガスは、第３，第４の膨張タービン１３ｃ，１３ｄで断
熱膨張仕事する事によって温度降下し、その温度に対応
して低圧ライン３の比較的温度が近い合流点を選んで弁
１３ａ，弁１３ｂ，弁１３ｃのいづれかを経て低圧ライ
ンに合流する。

【００１７】一方、液化ラインに分岐したヘリウムは、
第３〜第６の熱交換器１１ｃ〜１１ｆで冷却された後、
ＪＴ弁１４で約１ａｔｍに断熱膨張し、一部液化し、極
低温冷媒移送管１７ａでクライオスタット３３に供給さ
れ被冷却体３０を冷却する。被冷却体を冷却した極低温
ヘリウムガスは、極低温冷媒移送管１７ｂを通りコール
ドボックスに戻り低圧ラインを通ってヘリウム圧縮機１
の吸入側へ戻る。

【００１８】一般的に弁でヘリウムを減圧することは、
膨張タービンによって断熱膨張させ寒冷を発生させるこ
とに比して、熱力学的に損失であるが、本実施例では熱
シールド部の圧損は存在するものの、メインタービン１
３ａ，１３ｂ及びシールドラインに設置した膨張タービ
ン１３ｃ，１３ｄにより有効に寒冷を発生しているとい
える。

【００１９】本実施例によれば、シールドライン３１の
２次側にメインタービン１３ａ，１３ｂが設置されてい
ないので、シールドラインの運転状況に対してもメイン
タービンの安定した運転が可能となるという効果があ
る。

【００２０】さらに、第２膨張タービン１３ｂ、第３，
第４膨張タービン１３ｃ，１３ｄとして可変容量型を用
いることにより、シールドラインの圧力，温度に応じて
ヘリウム膨張タービンの容量を変えて運転できる。これ
により、ヘリウム膨張タービンの効率を高く維持できる
という効果がある。

【００２１】さらに、シールドラインと低圧ラインとの
合流点をシールドラインの温度に応じて切替可能として
いるので、温度差の大きいガスの混合を防止でき効率を
高く維持できるという効果がある。

【００２２】実施例において、ヘリウム膨張タービン，
液体ヘリウム容器等は、コールドボックス内に設置され
ているが、コールドボックスの外に別置されても、同様
の機能・効果を有することはいうまでもないことであ
る。

【００２３】また、各ヘリウム膨張タービンは、１台ず
つで構成されているが、膨張比，流量に応じてそれぞれ
を複数台の膨張タービンを直列あるいは並列に設置，構
成しても、同様の機能・効果を有することはいうまでも
ないことである。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、シールドラインの２次
側にメインタービンが設置されていないので、シールド
ラインの運転状況に対してもメインタービンの安定した
運転が可能となるという効果がある。ヘリウム膨張ター
ビンとして可変容量型の膨張タービンを用いることによ
り、シールドラインの運転状況に応じてヘリウム膨張タ
ービンの容量を変えて運転できるので、ヘリウム膨張タ
ービンの効率を高く維持できる。さらに、シールドライ
ンと低圧ラインとの合流点をシールドラインの温度に応
じて切替可能としているので、温度差の大きいガスの混
合を防止でき効率を高く維持できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のフロー図である。

【図２】従来例のフロー図である。

【符号の説明】

１…ヘリウム圧縮機、１０…コールドボックス、１１…
熱交換器、１３…膨張タービン、１７…極低温冷媒移送
管、３０…被冷却体、３１…シールドライン、３２…熱
シールド、３３…クライオスタット。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ヘリウムガスを圧縮する圧縮機と、熱交換
   器や膨張機を有し寒冷を発生するコールドボックスと、
   低温ヘリウムで冷却されるシールドラインとを有し、さ
   らに、極低温ヘリウムで冷却される被冷却体から構成さ
   れる極低温ヘリウム冷却システムにおいて、 直列に設置された複数の膨張タービンの中間からシール
   ドラインをとり、該シールドラインの熱シールドの２次
   側に膨張タービンを設置し、圧縮機吸入側に導かれる低
   圧ラインと合流させることを特徴とする極低温ヘリウム
   冷却システム。
2. 【請求項２】直列に設置された複数の膨張タービンのう
   ち、シールドラインを分岐した後流側に設置されるヘリ
   ウム膨張タービンまたは／及びシールドラインの熱シー
   ルドの２次側に設置されるヘリウム膨張タービンとし
   て、可変容量式膨張タービンを用いたことを特徴とする
   請求項１に記載の極低温ヘリウム冷却システム。
3. 【請求項３】シールドラインと圧縮機吸入側に導かれる
   低圧ラインとの合流点をシールドラインの温度に応じて
   複数箇所に切替可能に構成したことを特徴とする請求項
   １に記載の極低温ヘリウム冷却システム。