JPS61153371A - 極低温冷媒移送ユニツト - 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〕 本発明は液化冷媒を含む極低温冷媒を移送するユニット
に関し、特に移送ユニット部分における熱侵入を経済的
に防止し極低温冷媒移送効率を高めるだけでなく、極低
温冷媒発生装置のコンパクト化を達成した高圧極低温冷
媒移送ユニットに関するものである。

〔従来の技術〕

第８図（概略説明図）に示す様に、従来の極低温冷媒発
生装置（例えばＨｅ液化・冷凍装置、Ｈ３液化装置等）
において、極低温冷媒（液化冷媒を含む、以下同じ）を
得るに当たって拡圧縮機１で加圧して得た高圧冷媒ガス
人の一部を膨張機２で膨張させることによって寒冷Ｂを
発生させ、該寒冷Ｂを利用して高圧冷媒ガスＡの残部を
熱交換作用によ〕段階的に予冷して高圧低温冷媒ガスＣ
を得る。次いで該高圧低温冷媒ガスＣを極低温冷媒需要
部３から戻される低圧極低温冷媒ガスＤとの熱交換によ
って所定の低温度（いわゆる逆転温度、尚逆転温度まで
冷却する為の熱交換器を以下ジェルトムソン熱交換器と
いう）まで冷却した後、ジュールトムソン（以下ＪＴと
いう）弁４に通し、ＪＴ効果を利用し九冷却作用によシ
冷媒ガスの液化を行い極低温冷媒Ｅを得る。こうして得
た極低温冷媒Ｅａ超超電導ダグネット用２イオスタツト
や極低温材料強度試験用クライオスタット等のクライオ
スタットあるいは極低温冷媒貯蔵容器等の極低温冷媒需
要部３へ移送される。

ところで上記極低温冷媒の移送に当たっては極、低温冷
媒移送管（以下単に移送管という）５が使用されている
が、極低温冷媒状態での移送である為液化状態にある極
低温冷媒の一部が熱侵入によプ蒸発してしまい極低温冷
媒の移送効率は７０〜８０％に低下する。そこでこれを
防止する目的で液化冷媒（液体Ｎ１等）による移送管の
熱シールドを行なうこともあるが、この場合には液化冷
媒の消費コストが大きいという問題がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明者等はこうした事態を憂慮し、多量の液化冷媒を
消費することなく移送管部分における熱侵入を経済的に
防止し、移送効率を高め得る様な方策を提供すべく種々
検討を重ねた。

即ち移送管部分に訃ける熱侵入を防止する為には、移送
管をできる限シ短縮して外気に曝される部分を少なくす
ればよいが、極低温冷媒発生装置と極低温冷媒需要部（
一般に複数個が併設されている）の間には設計上どうし
ても相当の距離が必要である為上述の短縮化を行なおう
としても限度がある。

そこで本発明者等は発想を転換し、移送管を短縮するの
ではなく移送管内にＪＴ熱交換器及びＪＴ弁を設置する
ことによって極低温冷媒需要部に近接した位置において
極低温冷媒を発生させ、極低温冷媒状態での移送距離を
できる限シ短くすれば液化状態での熱侵入を大幅に低減
することができるのではないかという構想を得るに至っ
た。

〔問題点を解決する為の手段〕

本発明は上記構想を具体化すべく研究を重ねた結果完成
されたものであって、本発明移送ユニットは、高圧冷媒
ガス予冷部と極低温冷媒需要部の間に介設される移送ユ
ニットであって、高圧冷媒ガス予冷部から得られた高圧
低温冷媒ガスを低圧極低温冷媒ガスとの熱交換によって
更に冷却する熱交換部（ＪＴ熱交換部）並びに該熱交換
部で冷却された高圧極低温冷媒ガスを膨張・液化させて
極低温冷媒とするＪＴ弁を有する点に要旨を有するもの
である。

〔作用〕

本発明においてはＪＴ熱交換部の高圧側流路が移送路の
大部分に相当するが、該高圧側流路を通過するのは高圧
低温の冷媒ガスでありて液化状態にある極低温冷媒では
ない。従ってこの部分において熱侵入があったとしても
高圧低温冷媒ガスの温度が上昇するだけで液化状１１に
ある極低温冷媒が蒸発する訳ではないから移送効率が直
ちに悪化することはない。又上記ＪＴ熱交換部内の高圧
側流路は熱交換器の形式の如何にかかわらず低圧側流路
に挾まれるかあるいは被包されるものであるから高圧側
流路を流れる高圧極低温冷媒ガスは低圧側流路を流れる
低圧極低温冷媒ガスによって言わば熱シールド状態にあ
夛、その為直接の熱侵入は殆んど零であ〕、低圧側流路
を流れる極低温冷媒ガスに対する熱侵入が僅かに予想さ
れるだけである。しかしＪＴ熱交換部及びＪＴ弁は従来
から必須的に真空断熱容器内に収納されるものであるか
ら元来熱侵入を受は難く、従って低圧側流路を流れる低
圧極低温冷媒ガスに対する熱侵入も極めて僅かである。

この様にＪＴ熱交換部を流れる高圧極低温冷媒ガスに対
する熱侵入はほぼ完全に抑えられるので低圧極低温冷媒
ガスとの熱交換によって高圧冷媒ガスを逆転温度まで支
障なく冷却することができ、これをＪＴ熱交換部の冷端
に設けたＪＴ弁で膨張・液化させることによって極低温
冷媒を得ることができる。しかも極低温冷媒は、熱交換
器の冷端に設けられたＪＴ弁で発生するので需要部まで
の移送経路は極めて短く、この間の熱侵入は極めて僅か
である為極低温冷媒を殆んど蒸発させることなく需要部
へ供給することができ、優れた移送効率を確保すること
ができる。

又極低温冷媒移送路に設けるＪＴ熱交換部及びＪＴ弁は
元来極低温発生装置の必須構成要素であるので、これら
を極低温冷媒移送路に移設することは何ら設備コストの
増大をまねくものではなく、従って上記作用効果を経済
的に得ることができる。

〔実施例〕

第１図は本発明に係る極低温冷媒移送ユニットを組込ん
でなる極低温冷媒発生装置を示す概略説明図で、装置Ｓ
は圧縮機１．高圧冷媒ガス予冷熱交換器７．移送ユニッ
ト６等から構成され、特に移送ユニット６は高圧側流路
９ａと低圧側流路９ｂを内蔵し、高圧側流路９ａの冷端
にＪＴ弁を設けてなるＪＴ熱交換器８を真空断熱部１０
で被包して構成されている。

この様な極低温冷媒発生装置Ｓにおいて、従来と同様に
圧縮機１で加圧された高圧冷媒ガスを予冷熱交換器７で
冷却して得た高圧低温冷媒ガスＣは、移送ユニット６殊
にＪＴ熱交換器８の高圧側流路９ａに導入され極低温冷
媒貯留槽３から返送される低圧極低温冷媒ガスＤとの間
で熱交換され逆転温度まで冷却された後、ＪＴ弁で膨張
・液化して極低温冷媒Ｅとなシ極低温冷媒貯留檜３へ貯
留される。

第１図例は上記の様に構成され、ＪＴ熱交換器の冷端に
設けられたＪＴ弁で得られた極低温冷媒は、直ちに極低
温冷媒貯留４１１３へ投入される。即ち極低温冷媒貯留
槽３に近接した位置において極低温冷媒を発生させるこ
とができるので極低温冷媒状態での移送区間が極めて短
くて済み、従って熱侵入による液化状態での損失が少な
い状態で極低温冷媒を低温のまま貯留槽へ移送すること
ができる。

第２図は極低温冷媒需要部が、極低温冷媒を収納してな
るクライオスタットである冥流力を示す概略説明図で、
予冷用熱交換器７や移送ユニット６等は第１図と同様に
構成されている。但しフライオスタラ）３ａ内には液体
冷媒り用の再凝縮器１８を配置している。

即ちＪＴ弁４で発生した極低温冷媒Ｅは再凝縮器１８内
に導入され、フライオスタラ）３ａ内の蒸発冷媒Ｌｓを
冷却して再凝縮させる。このとき極低温冷媒Ｅは再凝縮
器１８内で蒸発して低圧極低温冷媒ガスＤとなシＪＴ熱
交換器８の低圧側流路９ｂへ返送される。第２図に係る
実施例は上記の様に構成されておシ、第１図例と同様の
効果を得ることができる。

第３図は第１図及び第２図に模式的に示した移送ユニッ
トの具体例を示す断面説明図で、予冷用熱交換器７及び
極低温冷媒需要部３は一部分だけを示しておシ、予冷用
熱交換器７と極低温冷媒需要部３０間に逆Ｕ字型（図面
上）の移送ユニット６が介設されている。

移送ユニット６は、最も丙饅の部分に高圧側流路９ａ、
その周囲に低圧側流路９ｂを設けさらにその外周に真空
断熱部１０を冷媒ガスの流れ方向に区画して設けている
。又高圧流路９ａの冷端にはＪＴ弁４を設けている。即
ちＪＴ弁４は気室１１の側方に高圧極低温ガス導入部１
２を接続すると共に、下方に排出口１３を設は該排出口
１３に弁棒１４の円錐状先端部１４ａがクリアランスを
もって挿入されている。更にＪＴ弁４へ至るまでの高圧
側流路９ａ並びに低圧側流路９ｂは第５図（マーマ線断
面矢視図）に示す様に高圧側流路管１９の外周面に長手
方向に沿う伝熱フィン２０を付設し、高圧側流路９ａ内
のガスと低圧側流路９ｂ内のガスの熱交換の向上をはか
る様に構成されている。尚高圧側流路管の形状は上記に
限定される訳ではなく、例えば第６図（第５図相当断面
図）に示す様に、高圧側流路管１９の外周面に螺旋状フ
ィン２０ａを付設したシ、あるいは第７図（第５図相当
断面図）に示す様に高圧側流路管１９自体を螺旋状とし
たものであってもよい。その他１５は断熱性スペーサ、
１６はシール用ガスケットを夫々示す。

上記の様に構成される移送ユニット６において、予冷用
熱交換器７から供給された高圧低温冷媒ガスＣは黒矢印
に沿って高圧側流路９ａを流れＪＴ弁４へ至る間に、低
圧側流路９ｂ内を極低温冷媒需要部３から矢印に沿って
返送されてくる低圧極低温冷媒ガスＤと熱交換されて逆
転温度以下の高圧極低温冷媒ガスとなる。次すでＪＴ弁
４に導入された高圧極低温冷媒ガスは膨張・液化して極
低温冷媒Ｅとなシ極低温冷媒需要部３へ供給される。

尚高圧低温冷媒ガスとの熱交換によシ昇温した低圧極低
温冷媒ガス°Ｄはヘッダ１７を経由して予冷用熱交換器
７へ供給される。

その他、ＪＴ弁については第４図に示す様に、気室１１
ａの下方に高圧極低温冷媒ガス導入部１２ａを接続し、
該導入部に弁棒１４の円錐状先端をクリアランスを設け
て挿入する一方、気室１１ａの側方に排出口１８ａを設
けたものであってもよい。

〔発明の効果〕

本発明は以上の様に構成されておプ、高圧冷媒ガス予冷
部と極低温冷媒需要部の間に介設される移送ユニット部
に、ＪＴ熱交換器及びＪＴ弁を設けたので、極低温冷媒
発生部を極低温冷媒需要部に近接させることができ、極
低温冷媒（液化状釦の移送区間を飛躍的に短縮すること
ができる。従って極低温冷媒状態における熱侵入をほぼ
完全に防止することができる。又移送ユニット内のＪＴ
熱交換部において高圧低温冷媒ガスは低圧極低温冷媒ガ
スとの熱交換状態、換言すれば低圧極低温冷媒ガスに熱
シールドされた状態にあシ、この間の高圧低温冷媒ガス
に対する熱侵入も極めて少ないものとすることができる
。更に移送ユニット内には従来の極低温冷媒発生装置に
不可欠なＪＴ熱交換器及びＪＴ弁を移設するだけである
ので設備コストの増大をまねく訳ではなく、むしろ従来
の極低温冷媒発生装置からＪＴ熱交換器及びＪＴ弁が省
かれるので設備はコンパクトになる。かくして移送３−
ニット部分における熱侵入を経済的に防止し、且つ極低
温冷媒の移送効率を殆んど１００チにまで高めることが
でき、しかも設備をコンパクトにすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１．２図は本発明に係る移送ユニットを組合わせてな
る極低温冷媒発生装置を示す概略説明図、第３，４図は
本発明移送ユニットを示す所間説明図、第５図は第３図
におけるマーｖ線断面矢視図、第６．７図は他の熱交換
管形状を示す第５図相当断面図、第８図は従来の極低温
冷媒発生装置を示す概略説明図である。 １・・・圧縮機　　　　　２・・・膨張機３・−極低温
冷媒需要部 ４・・・ＪＴ弁　　　　　５・・・移送管６・・・移送
ユニット　　７・・・予冷熱交換器８・・・ＪＴ熱交換
器　　９ａ・・・高圧側流路９ｂ・・・低圧側流路　　
　ｌＯ・・・真空断熱部用願人　　株式会社神戸製鋼所 第１図 第２図 第４図 ゛　第５図 第８図 手続補正書（自発） 昭和６０年４月２５日 １、事件の表示 昭和５９年特許願第２７８２８４号 ２、発明の名称 極低温冷媒移送ユニット ３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 神戸市中央区脇浜町−丁目３番１８号 （１１９）株式会社　神戸製鋼所 代表者　　牧　　　冬　彦 ４、代理人〒５３０ 大阪市北区堂島２丁目３番７号 シンコービル 図面 ６、補正の内容 （１）第３．４図を別紙図面写しに朱書した如く第、４
図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 高圧冷媒ガス予冷部と極低温冷媒需要部の間に介設され
   る移送ユニットであって、高圧冷媒ガス予冷部から得ら
   れた高圧低温冷媒ガスを低圧極低温冷媒ガスとの熱交換
   によって更に冷却する熱交換部並びに該熱交換部で冷却
   された高圧極低温冷媒ガスを膨張・液化させて極低温冷
   媒とするジュールトムソン弁を有することを特徴とする
   極低温冷媒移送ユニット。