JPS6246786B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はHeガスを用いる極低温用冷却方法に
関し、特に冷却装置の冷凍能力を低下させること
なく、操作圧力を低下させて操作性および保守性
を高めた極低温用冷却方法に関するものである。

極低温液化Heは極低温技術の進歩に伴なつて
益々重要性が高まつており、例えば超電導コイル
を使用する磁気浮上列車、超電導回転機、低温送
電体、MHD発電機等に活用されている。

これらの装置に採用される極低温用冷却方法と
しては、例えば第１図（概略説明図）に示す様な
方法が最も一般的である。即ち第１図において１
は極低温発生装置、２は冷却ボツクス、３は負荷
部を示し、Heガスは圧縮機４で加圧された後冷
却ボツクス２内に送り込まれる。そして第１〜第
５の熱交換器５ａ〜５ｅで熱交換により冷却され
液化した後JT弁（ジユールトムソン弁）６で更
に冷却され、負荷部３で被冷却体の熱を奪つて昇
温した後、再び熱交換器５ｅ〜５ａを逆方向に流
れて入り側のHeを冷却した後再び圧縮機４に戻
り、この経路で循環することによつて負荷部３で
極低温が得られる様になつている。この場合、負
荷部３からの返還Heだけでは入り側Heを十分に
冷却することができないから、入り側Heの管路
の一部を分岐させてHeの一部を膨張タービン７
方向に流し、断熱膨張により冷却した後返還He
へ合流させることによつて、冷却効率の向上を図
つている。尚補給Heガスは圧縮機４の直前等か
ら適宜供給される。

ところでこの種の冷却方法では、Heガスを最
終的に極低温の液化Heに変換して負荷部に供給
するものであり、その為には循環系を15〜20Kg／
cm²程度の高圧に保持する必要があり、強力な耐圧
機器が要求されると共に操作性も低く、しかも保
守・点検が煩雑である等の欠点があつた。更には
液体Heへの変換量と負荷部における必要寒冷量
を一致させる為のコントロールシステムが不可欠
であり、装置は複雑にならざるを得なかつた。ま
たこの様な装置の性能（動力原単位）を向上させ
る為には、JT弁６を通るHeガス量を極力少なく
するのが有効と考えられている。ところが従来の
装置では、JT弁を通つた後の流体（気・液混合
物）中に含まれる液体Heは30〜60％にすぎず、
負荷部で冷却に消費されるのは該液体Heの蒸発
潜熱のみである。ここで液体Heの蒸発潜熱は約
20J／gKであるから、JT弁６を通過した全流体
が保有する冷却エネルギーは６〜12J／gKという
ことになる。従つて冷却効率を高める為には、
JT弁６を出た流体中の液体He含有率を高め単位
流量当りの蒸発潜熱を増大するのが有効と考えら
れるが、その為には操作圧力を更に高めたり熱交
換器の数を増加し或はその熱交換効率を高める必
要があり、装置は更に複雑且つ大規模になる。

一方超電導技術の進歩に伴なつて超電導材料等
の改良も急速に進んでおり、最近では必ずしも液
体He程度の極低温でなくとも、若干高めの温度
（５〜10〓）でも十分実用化し得る様になつてき
た。

本発明者等は上記の様な状況をふまえ、必要程
度の極低温を効率良く得ることができ、しかも装
置及び操作を簡素化すると共に動力原単位を向上
し得る様な技術の開発を期して鋭意研究を進めて
きた。その結果、ある温度及び圧力の状態下にお
けるHeガスは高い比熱を有しており、この比熱
を利用し、極低温Heガス自体の顕熱によつて冷
却する方法を採用すれば上記の目的が見事に達成
されることを知り、茲に本発明の完成をみた。

即ち本発明に係る極低温用冷却方法とは、閉サ
イクル内でHeガスをガス状のままで循環させ、
その循環過程でHeガスの圧縮と膨張を行なうこ
とによりHeを極低温に冷却させる極低温冷却方
法であつて、ほぼ常温常圧の低圧Heガスを圧縮
機によつて５〜８気圧Heガスとし、該加圧Heガ
スを、熱交換器を通して帰還する低圧Heガスと
熱交換させて冷却する他、その冷却過程で該加圧
Heガスの一部を膨張タービンに供給して冷却し
た後上記低温低圧Heガス帰環流路に供給し、最
終熱交換器において５〜８〓、５〜８気圧の極低
温Heガスとし、該Heガスを極低温利用系に供給
して冷却を行ない、該利用系より帰還する昇温し
たHeガスを、膨張弁に通して低圧Heガスとした
後前記最終熱交換器に供給し、続いて低圧Heガ
ス帰還流路を通して加圧Heガスを冷却しつつ前
記圧縮機入口側に帰還させるところに要旨が存在
する。

以下実施例を示す図面に基づいて本発明の構成
及び作用効果を説明するが、下記は代表例であつ
て本発明を限定する性質のものではなく、熱交換
器の数や配置、膨張タービンの取付け位置や数等
は極低温利用系の熱容量や要求される寒冷の程度
等に応じて任意に変更することができ、それらは
すべて本発明技術の範囲に含まれる。

まず本発明者等は、液化Heガスの蒸発潜熱を
利用した従来の極低温発生技術に代えて、Heガ
ス自体の顕熱を冷却に利用するという着想を生か
す為、極低温下におけるHeガスの比熱と圧力の
関係を調べた。その結果第２図に示す如く極めて
特徴的な傾向を示すことが分かつた。即ち第２図
からも明らかな様に、液体Heの比熱は温度が８
〓以下で且つ圧力が２〜８気圧の範囲で最大の値
を示す。従つてHeガスの顕熱を冷却に利用する
という立場からすれば、前述の様な循環閉回路の
負荷部におけるHeガスの温度及び圧力を上記範
囲に設定してやれば、Heガスをあえて液化させ
るまでもなくガス状のままで効率良く冷却するこ
とができ、それに伴なつて操作圧力を大幅に低下
させることが可能になる。但し負荷部における圧
力が低すぎると、後で詳述する如く負荷部で昇温
したHeガスの膨張弁通過時の膨張率が不十分に
なつて十分な寒冷が得られなくなり、熱交換によ
り入り側Heガスの冷却が不十分になるので、負
荷部における圧力は少なくとも５気圧以上にしな
ければならない。即ち本発明では負荷部における
Heガスの温度が５〜８〓、圧力が５〜８気圧に
なる様に操作条件を設定することによつて、ガス
状Heの顕熱を最大限有効に活用した高い冷却効
果を得ることができる。

第３図は本発明の実施例を示す概略説明図であ
り、１は極低温発生装置、２は冷却ボツクス、３
は負荷部を示し、Heガスはほぼ常温・常圧の状
態で圧縮機４に供給され、この部分で５〜８気圧
程度に加圧した後冷却ボツクス２に送り込まれ
る。冷却ボツクス２内には複数の熱交換器５ａ〜
５ｅが直列に配置されており、加圧Heガスは該
熱交換器５ａ〜５ｅを順次通過しつつ、負荷部３
からJT弁を経て帰還する低温の低圧Heガスとの
熱交換によつて順次冷却され、負荷部３に送られ
る。尚負荷部３では、前述の如くHeガスの温度
を５〜８〓にする必要があり、その為には入り側
の加圧Heガスが最終熱交換器５ｅを出るまでの
間に所定温度まで冷却する必要がある。そこで本
発明では負荷部３で昇温したHeガスをJT弁６で
ほぼ常圧まで断熱膨張させ、帰還側の低圧Heガ
スを冷却するが、この低圧Heガスだけでは入り
側高圧Heガスを十分に冷却されることができな
いから、入り側管路を適所で分岐させて加圧He
ガスの一部を膨張タービン７に送り、ほぼ常圧ま
で断熱膨張させて冷却し帰還側の低圧Heガスに
合流させる。このときの加圧Heガスの分岐量を
調整することによつて、最終熱交換器５ｅから出
た後の加圧Heガス温度（即ち負荷部３に供給さ
れる加圧Heガス温度）を適宜調整することがで
きる。尚加圧Heガスの圧力は、熱交換器群を通
過し冷却する過程で圧力損失を生じ、低下するか
らこの圧力低下を考慮して圧縮機４では若干高め
の圧力（５〜８気圧以上）に調整する必要があ
る。尚加圧Heガスの圧力が低すぎると、JT弁６
による断熱膨張率を十分に高めることができず。
しかも膨張タービン７による断熱膨張率も小さく
なり、これらによる低圧Heガスの冷却が不十分
になる結果、熱交換による入り側加圧Heガスの
冷却が不十分になる。即ち負荷部に供給される加
圧Heガスの温度を５〜８〓に調整する為には、
加圧Heガスの圧力を５気圧以上に設定し、JT弁
６及び膨張タービン７による低圧Heガスの冷却
を十分に行なう必要があり、第２図で説明した
Heガスの比熱を考慮すると、加圧Heガスの適正
圧力は５〜８気圧ということになる。

上記の様に温度及び圧力を設定した加圧Heガ
スの比熱は、第２図からも明らかな様に約9J／
gK以上を示すが、これは従来のHeガスを液化さ
せるときの蒸発潜熱を利用する方法にほぼ匹敵す
る冷凍能力を発揮する。即ち先に説明した様に、
従来法でJT弁を通過させ負荷部に供給される気
液混合状態のHe（液体含有率は30〜60％程度）
が保有する冷却エネルギーは６〜12J／gK（液体
Heの蒸発潜熱によるもの）であり、本発明のHe
ガスの比熱が約9J／gK以上であることを考える
と、本発明法は従来法に比べてまつたく遜色のな
い冷凍能力を発揮することが理解される。

本発明は概略以上の様に構成されており、その
効果を要約すれば下記の通りである。

Heガスを液化させることなくガス状のまま
で負荷部に供給して冷却する方法であり、循環
系の圧力を大幅に低下させることができ、装置
の設計及び保全が容易になる。また圧縮機等の
動力も低く抑えることができ、極低温を得る為
の動力原単位を低減できる。

Heをガス状のままで負荷部に供給する方法
であり、従来例の如く冷却エネルギー所要量と
液体Heの生成量を調整する必要がなく、操作
が簡単で且つ冷却エネルギーの調整が容易であ
る。

従来法では、JT弁通過後の液化He生成率に
よつて冷却能率が支配され、液化He生成率は
せいぜい60％程度であるが、本発明では比熱の
大きいHeガスをそのまま冷却エネルギーとし
て利用する方法であり、冷却効率はむしろ向上
する。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の極低温発生装置を示す略図、第
２図はHeガスの温度及び圧力と比熱の関係を示
すグラフ、第３図は本発明の実施例を示す説明図
である。 １……極低温発生装置、２……冷却ボツクス、
３……負荷部、４……圧縮機、５ａ〜５ｅ……熱
交換器、６……JT弁、７……膨張タービン。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 閉サイクル内でHeガスを循環させ、その循
   環過程でHeガスの圧縮と膨張を行なうことによ
   りHeを極低温に冷却させる極低温用冷却方法に
   おいて、ほぼ常温常圧の低圧Heガスを圧縮機に
   よつて５〜８気圧の加圧Heガスとして熱交換器
   に通し、該熱交換器を通つて帰還する低温低圧
   Heガスと熱交換させて冷却する他、その冷却過
   程で該加圧Heガスの一部を膨張タービンに供給
   して冷却した後上記の低温低圧Heガス帰還流路
   に合流させ、最終熱交換器において５〜８〓、５
   〜８気圧の極低温Heガスとし、該Heガスを極低
   温利用系に供給して冷却を行ない、該利用系より
   帰還する昇温したHeガスを膨張弁を通して低圧
   Heガスとした後前記最終熱交換器に供給し、更
   に低圧Heガス帰還流路を通して加圧Heガスを冷
   却しつつ前記圧縮機入口側に帰還させることを特
   徴とするHeガスを用いる極低温用冷却方法。 ２ 特許請求の範囲第１項において、加圧Heガ
   スを直列に配置した第１〜第５の熱交換器を通し
   て冷却し、第５熱交換器出口側において５〜８
   〓、５〜８気圧とすると共に、膨張弁を出た低圧
   Heガスを第５〜第１熱交換器の順に通して圧縮
   機入口側へ帰還させる他、第１熱交換器及び第３
   熱交換器出口側の加圧Heガスの一部を夫々膨張
   タービンに供給して冷却した後、該各タービンか
   らの出口ガスを低圧Heガス帰還流路の第２熱交
   換器及び第４熱交換器入口側に夫々供給する極低
   温用冷却方法。