JPS6060465A - ヘリウム液化・冷凍装置 - 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】 本発明はヘリウム液化・冷凍装置に関し、詳細には冷凍
負荷の変動特に複数設置された冷凍負荷部分の１つ以上
の冷却停止、およびその後の再冷却による冷凍負荷の変
動等があっても冷凍出力の過不足を発生ずることなく安
定した運転状態を維持できる様なヘリウム液化・冷凍装
置に関するものである。

ヘリウム（以上「Ｈｅ」と表記する）液化・冷凍装置は
、約１５〜２０気圧まで圧縮された高圧のＨｅガスの一
部を１膨張機で等エントロピー膨張させることによって
寒冷を発生させ、該寒冷を利用してＨｅカスの残部を熱
交換作用により所定の低温度（いわゆる逆転温度）まで
段階的に予冷した後、ジュールＩ・ムソン（以下ＪＴと
いう）弁に通し、ＪＴ効果を利用した冷却作用によりＨ
ｅカスの液化を行ない、液体Ｈｅ温度即ち極低温を得る
様にしたものである。こうして（すられた静体Ｈｅを製
品として取り出す形式とすれば液化装置となり、一方液
体Ｈｅを取り出すことなく閉回路的に循環使用する様に
し、該液体Ｈｅの潜熱を利川して極低温環境部（冷凍負
荷部分）内の被冷却体の熱負荷を吸収し、該環境部の温
度を−）ＰにＭ１持する形式とすれば冷凍装置となる。

即ち冷凍装置が液化装置δと異なる点は、液化装置では
低圧側Ｈｅ（戻り側Ｈｅ）のガス流量が高圧側Ｈｅ（入
り側Ｈｅ）のガス流却に比へて液化が分だけ少ないのに
対し、冷凍装置では、液化ＨｅもＡ発して低圧側に戻る
ため高圧側と低圧側のＨｅガス流星か等しくなる点にあ
る。このため液化装置と冷凍装置とでは、装δ本体内の
熱交換器及び膨張機の温度分ｊｅ＋が異なり、それらの
熱的設計が異なってくるに過ぎず、装置の構造上、木質
的な相違はない。従って以下Ｈｅ冷凍装置を代表的にと
り挙げて説明する。

この様なＨｅ冷凍装若としては、例えは第１図に略示す
る様な構成のものが知られている。即ち第１図において
冷凍装置１は、熱交換器５ａ〜５ｅ、膨張機７ａ、７ｂ
、ＪＴ弁６等が内蔵された装置本体２、該本体２人口側
に連結された圧縮機３及び精製器４．装置本体２の出口
側に連結された極低温環境部１０等から構成されている
。そしてＨｅカスはＪに縮機３で加圧された後、第１〜
第５の熱交換器５ａ〜５ｅを降下（以下この鋒下経路を
「高圧側経路」という）して熱交換を受けつつ冷却され
、更にＪＴ弁６で大気圧近くまで断熱膨張することによ
り一部液化してＨｅの気液混合状態、即ちＨｅミスト（
以下単に［液体ＨｅＪということがある）となった後、
Ｈｅミスト供給！６・８から極低温環境部１０内へ送ら
れ、該環境部１０の雰囲気を極低温まで冷却する。尚極
低温環境部１０の具体的な用途としては、例えば極低温
下における金属材料の機械的性質を調べる為の極低温疲
労試験装器を代表的に挙げることができる。この場合に
は同試験装置内の液体Ｈｅが気化した場合にこれをｉ’
ｆ凝縮させるための凝縮器を設けることもできる。

さて極低温環境部１０内に存在する被冷却体の熱を奪っ
て気化したＨｅガスは、再び装置本体２の熱交換器５ａ
〜５ｅを逆方向に上Ａ（以下このに昇経路を「低圧側経
路」という）し、対向流の高圧側経路を揄れるＨｅを冷
却した後、自らは略常温常圧のＨｅカスとなって圧縮機
３に戻る。そしてＨｅがこの経路を循環することによっ
て極低温環境７ｆｌ１１０を継続して極低温に保つ様に
なっている。この様な従来のＨｅ冷凍機では膨張機の処
理品、の調節は手動で行ない、ｉ膨張機による寒冷の発
生量を制御しているので負荷の変動を生じた場合や、起
動時なとにはその都度、流量調１かを行なう必要かあっ
た。特に１台のＨｅ冷凍機に対し複数の極低温環境部（
以下ユーザと言うことがある）を並列的に接続した冷凍
システム（以下マルチューザシステムと言う）において
は負荷の変動か大きく、適切な膨張機処理楢の調節か１
１なわれなければ、過剰の寒冷発生によりエネルギーの
浪費を生しることかある。また冷却運転中のユーザのう
ち１　）、Ｌ　（又は２基以」−）の冷却を曽・圧した
り再び冷却を開始する場合には、これらの操作にイ゛１
ってＨｅ冷凍装置の運転条件が変動し、従来の手動操作
では冷却運転中のユーザの温度条件を一定に保つ様に運
転するためには高度の熟練が要求される。

本発明はこうした事情に着目してなされたものであって
、１膨張機における過剰な寒冷の発生を抑えながらユー
ザの環境温度を一定に保持するとともに、更にマルチユ
ーザシステムにおいては１基（又は２基以Ｌ）のユーザ
の冷却停止および再冷却を他のユーザの運転条件に悪影
響を及ぼすことなく適正に行なうことのできる様なＨｅ
液化・冷凍装置を提供しようとするものである。

しかしてト記目的を達成した本発明のＨｅ液化・冷凍装
置は、Ｈｅカスの等エンタルピー膨張によって得られた
寒冷を利用する熱交換作用により常温高圧のＨｅカスを
段階的に予冷した後、ＪＴ弁に通すことによって液化Ｈ
ｅを発生する採にしたＨｅ液化・冷凍装置において、最
低温度膨張機の排出カスと極低温環境部からの戻りカス
との合流点よりド流側に設けられた温度測定器により検
出された温度に応じて前記膨張機の処理量を制御する様
にした点に要旨が存在する。

以下実施例図面に沿って本発明の構成及び作用効果を説
明するか、図は代表例であって本発明を限定する性質の
ものではなく１例えばＨｅ液化・冷凍装置本体に内蔵さ
れる熱交換器や膨張＠等の基体的な構成及び配置、ある
いは極低温環境部の構造等を必要に応じて変更すること
等はいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。

第２図は本発明のＨｅ冷凍装置の実施例を示す概略全体
図で、１３は温度制御コントローラ、１４は圧力制御コ
ントローラ、１５は測温点、１６は圧力検出点を夫々示
す。

圧縮機３のＨｅカス吐出側の系統Ｌ２の高圧Ｈｅガスの
一部は膨張機７ａ、７ｂにより寒冷を発生し、この寒冷
により冷却された残部のＨｅガスはＪＴ（Ｆ６を通過し
てＪＴ効果によりＨｅミストを発生して極低温環境部ｌ
Ｏの雰囲気を極低温まで冷却する。ここで低温側の膨張
機７ｂからυ１出されたＨｅガスＧ１と極低温環境部１
０からの戻りカスＧ２との合流点より下流側に測温点１
５を設け、測温点１５における測温値を温度制御コント
ローラ１３に入力し該測温値の高低に応して低温側膨張
機７ｂの処理量を調節している。即ち測温値が設定１＋
ｆｉより高い場合には膨張機７ｂによる寒冷発生量が不
足していることを意味するので温度制御コントローラ１
３から膨張機７ｂへ出力増大の指令を発信し膨張機７ｂ
の処理が：を増大させて寒冷発生（−を増加しこれによ
り測温点１５の温度を低下させる。一方ｆｌｌｌｌ温値
が設定値より低い場合には膨張＠７ｂによる寒冷発生量
が過剰であることを意味するので温度制御コントローラ
１３から膨張機７ｂへ出力減少の指令を発信し膨張機７
ｂの処理用を減少させて寒冷発生量を減少し、これによ
り測温点１５の温度を高める。この様にして測温点１５
の温度が一定に保持される。その結果熱交換器５ｄにお
いて冷奴である高圧側Ｈｅカスは一定の設定温度をもつ
冷却剤である所の低圧側Ｈｅガスによって畠に安定した
冷却作用を受けるので、熱交換後の温度は所定の温度を
保つことができる。これによって運転条件の変動にかか
わらず極低温環境部１０は容易に一定の温度に保持され
る。尚測温点１５は合流点と直後の熱交換器の人１１部
間（入口部を含む）に設けるものとし、合流点と７Ｉ＋
１１温点１５の間には利用カスＧｌと戻りガスＧ２のＩ
Ｘｙ合をよくするために混合器を設けることもでＳる。

しかし、圧縮機３の吐出量が一定の場合には１膨張機７
ｂの処理量を冷凍負荷に応じて変化させてもＨｅ冷凍装
置の所要動力は変らず、特に冷凍負荷が減少した場合に
はエネルギー原単位が低下する。この低下を防止するた
めに本発明のＨｅ冷凍装置では圧縮機３の吐出圧力を圧
力検出点１６にて検出し、この圧力を一定に保つ様に圧
力制御コントローラ１４により圧縮機３の吐出量、を調
節する様にしである。これによって冷凍負荷が減少した
場合にはＪＴゴｔのみを絞れば、膨張機７ｂの処理♀も
冷凍負荷に応じて低下し圧縮機３の吐出圧力を一定に保
つ様に圧力制御コントローラ１４の作用により吐出風量
が減少することにより、エネルギー原単位の低下を防止
し、省エネルギー運転を行なうことができる。

第３図は本発明に係る再凝縮方式のマルチユーザシステ
ムの例を示す概略全体図で、１基の冷凍装置２に再凝縮
機１１ｅ　、　ｌｌｆを内装したユーザ１０ｅ　、　１
０ｆが２基接わりされている。尚本発明に係るマルチユ
ーザシステムは多くのユーザを並列に接続するものを含
むが、第３図例は理解の便宜を考慮して２基のユーザを
持つシステムを例示した。

圧縮機３のＨｅ吐出側の常温高圧Ｈｅ供給系統Ｌ２は膨
ｉ３％機へ至る系統Ｌ４とユーザ１０ｅｌＴＩＪＴ弁６
ｅ及びユーザ１０ｆｊ［ＪＴ弁６ｆにそれぞれ導入され
る系統Ｌｅ　、Ｌｆに分岐されており、後者の各系統の
常温部にはＨｅの流れ方向に沿ってストップ弁１７ｅ　
、　１７ｆ及び流−オ調筒針＋２ｅ　、　＋２ｆが夫々
介設されている。尚ＪＴ弁の開度調整は流量調節計１２
ｅ　、　１２ｆによって行なわれる。そしてユーザＩＯ
ｅ、１０ｆからの戻りガスＧ１と低温側膨張機７ｂから
り出されるガスＧ２が合流する点より下流側に測温点１
５ｂを設けると共に、本例では該合流ガスＧ３と高温側
膨張機７ａから排出されるガスＧ４との合流点より下流
側にも測温点１５ａを設けており、旧つ夫々の測温点１
５ｂ、１５ａに対応して温度制御コントローラ１３ｂ　
、　１３ａを設置している。尚当然ながら測温点＋５ａ
は省略することもできる。又ｉ′ｉｉｆ例と同じく圧力
検出点１６を圧縮機３の吐出側に設けると共に該圧力検
出点１６に対応する圧力制御コントローラ１４を設置し
ている。

］−記４１ｆｔ　ｄのマルチユーザシステムにおいて、
２ノ、（のユーザの中１）Ｊ、、例えばユーザｌＧｆの
み運転する場合はストフプ（＋１７ｅを閉じるとユーザ
ｆｏｅには冷媒である高圧Ｈｅは供給されなくなり冷凍
魚６；１は所定の１７２となる。従って膨張ａ７ｂ。

７ａの処理早か所定の場合は寒冷発生量は過剰となり、
＋！１１１温点１５ｂ　、　＋５ａの温度か所定の（＋
ｒ口こ比ベト降するのでこの温度を所定の温度にもとす
様に温度制御コントローラ１３ｂ　、　１３ａが作動し
て膨張機７ｂ、７ａの処理量を低下させる。以」−の作
動によりＨｅ冷凍機の高圧Ｈｅガスの所定ｊｉが減少す
るので、圧力検出点１６の圧力を一定に保つ様に、圧力
制御コントローラ１４が作動して圧縮機以上の如くマル
チユーザシステムにおいて、一部のユーザを杯）Ｉする
場合はその系統のストンプ弁（上述の例では１７ｅ）を
閉しるだけで、寒冷発生量、圧縮機吐出量が自動的に調
節され、容易に常に最適条件での運転を行なうことによ
り省エネルギーをはかることができる。

又ユーザｌｏｆを冷却運転中にユーザ１０ｅを極低温に
冷却する場合には、ユーザＩＯｅを例えば液体窒素で予
冷後、ストップ弁１７ｅを徐々に開き、冷奴Ｈｅを供給
すると冷凍負荷の増加により測温点１５ｂ　、　＋５ａ
の温度か」−昇するので、この温度上昇を検知して温度
制御コントローラ１３ｂ、＋３ａの作動により、膨張ａ
７ｂ、７ａの処理量を増加して発生基冷却をふやし測温
点１５ｂ　、　＋５ａの温度を所定値に保つ様にする。

以上の作動によりＨｅ冷凍機の高圧Ｈｅカスの所定礒が
増加するので、圧力検出点１６の圧力を一定に保つ様に
圧力制御コントローラ１４が作動して圧縮機３の吐出風
量を調節する。

以］−のごとくマルチユーザシステムにおいて、体１１
−中のユーザを再冷却する場合にはその系統のストンプ
ゴｒ（上述の例では＋７ｅ）を徐々に開くだけで、運転
中の他のユーザ１０ｆの正常な運転を乱すことなく、寒
冷発生量、圧縮機の吐出量が自動的に調整され容易に再
冷却を行なうことができる。

本発明は以上の様に構成ネれており、以下に要約する効
果を得ることができる。

（１）冷凍負荷の変動等の運転条件に対して膨張機の寒
冷発生量を最適に保つ様に増減させるので、最良の運転
状態を保つことができ、極低温環境部の温度を所定の値
に保士りしながら最低のエネルギー原単位で運転するこ
とができる。

（２）マルチユーザシステムにおいて、運転中の複数の
ユーザのうち１基（又は２基以−に）のユーザの停止・
再起動を他のユーザの２Ｖ転状・態を乱すことなく容易
に行なうことかてき

【図面の簡単な説明】

第１（４は従メくのＨｅ冷凍装置を示す概略全体図、第
２図は未発り１に係るＨｅ冷凍装置を示す概略全体図、
第３図は本発明に係るマルチユーザシステムのＨｅ冷凍
装置を示す概略全体ＩΔである。 ２・・・冷凍装置本体　３・・・圧縮機５ａ〜５ｅ・・
・熱交換器　６・・・ＪＴ弁７ａ・・・高温側膨張機　
７ｂ・・・低温側膨張機１０・・・極低温環境部（ユー
ザ） １３　、１３ａ　、　１３ｂ・・・温度制御コンＩ・ロ
ーラ１４・・・圧力制御コントローラ ＋５　、　＋５ａ　、　＋５ｂ・・・測温点　１６・・
・圧力検出点出願人　４１学技術庁長官官房会計課長第
１図 ル コーニ 第２図 １

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）ヘリウドガスの等エントロピー１１杉弓長によっ
   て得られた寒冷を利用する熱交換作用により常温高圧の
   ヘリウムカスを階段的に予冷した後、ジュールトムソン
   弁に通すことによって液化ヘリウドを発生する様にしｊ
   こヘリウム液化・冷ｄ）装置において、最低温度１膨張
   機の摺出ガスと極低温環境部からの戻りガスとの合流点
   より下節側に設けられた温度測定器による測温結果に応
   して前記膨張機における処理量を制御する様に構成した
   ことを４．＋ｊ徴とするヘリウム液化・冷凍装；イ１゜
   （２、特許請求の範囲第１項の装置において、常温高圧
   のヘリウムカスを製造する圧縮機の吐出側圧力を検出す
   ると共にその検出値か一定となる様に圧縮機を制御する
   様に構成してなるヘリウム液化・冷凍装置。