JPS60256761A

JPS60256761A - 冷却装置

Info

Publication number: JPS60256761A
Application number: JP11250784A
Authority: JP
Inventors: 司和田; 勝政荒岡; 啓嗣大熊; 石塚　光二
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1984-06-01
Filing date: 1984-06-01
Publication date: 1985-12-18
Also published as: JPH0317059B2

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システムの改良
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
進展に伴っ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ｔｌｔ１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（ジュール・トム
ソン）弁５、冷却管６をそれぞれ介在させたものとなっ
ている。主冷却系統３には、圧縮［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ｔｉ１４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の熱交換器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１幾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１１．１０１１ｇ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ｍ１には、冷凍ｌａ１の運転初期１　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１Ｇ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と熱交検器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１６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
って熱シールドされ、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
システムにあっては、たとえばスーパーインシュレーシ
ョンなどの断熱手段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８０にレベルの低温
障壁を形　・）ｊ成し、これによっ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１ｆｉ
１３．１５によって熱交換器７〜１１の高圧側を通過す
る過程で十分１こ予冷されるので、冷却管６にはＪＴ膨
張によっ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って被冷却対象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った。　。

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った。

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、コスト上のデメリットが大きいと
いう問題があった。

〔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、もって予冷時間の短縮化を図ることができる冷却
システム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
冷却対象を低温度の障壁によって熱シールドする熱シー
ルド手段と、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
えた冷却システムにあって、前記予冷系統を流れる冷媒
を前記主冷却系統の分岐点から前記被冷却対象に至るま
での間に前記熱シールド手段ど熱交換させるようにした
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
って、予冷系統を通１　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
によっ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っ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、初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
符号を付しである。したがって、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、′１減圧弁１７から被冷却対象２を冷却する冷却管１８に　
ニー至る冷媒流路に、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
たものとなっている。

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１１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２
５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、７０〜８０にで一定である。したがって、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がら単に分岐させる
だけの従来の冷却システムにあっては、必ず高圧側から
冷媒を分流させる必要があったが、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って冷却されるの
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１０゜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３
２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、ざらに゛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°　ヵ、７＜イアＭ（１）６（Ｄ−ｃ
あ８．＠。よ、ツ□□工のものを予冷系統の一部に使用
することも可能になる。したがって、全体の低廉化にも
寄与できるなとの効果を秦する。

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９ｉＪ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れ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ＩＩＪ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）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７０−シート図
である。１・・・冷凍機、２・・・被冷却対象、３・・・主冷却
系統、４０．、□ｍ、５−＝＝Ｊ工い、６．１８．２２
．３３９．□　・・ｊ゛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、１１・・・減圧
弁、１９・・・熱シールド手段、２１・・・断熱手段、
２６゜３２・・・熱交換用配管。出願人代理人　弁理士　鈴江武彦第１図

Claims

【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
対象を低温度の障壁によって熱シールドする熱シールド
手段と、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
冷却システムにおいて、前記予冷系統を流れる冷媒は前
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
間に前記熱シールド手段と熱交換されるものであること
を特徴とする冷却システム。（ａ　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這させ
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項記載の冷却システム。（ａ　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項記載の冷却システム。