JPS62785A - 極低温装置の予冷方法 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は超電導利用機器等に利用する極低温装置の予冷
方法に関し、詳細には液体窒素の寒冷によって前記装置
の予冷を行なう方法であり、特にヘリウム液化冷凍機に
よって代表される極低温装置の予冷方法に関するもので
ある。

［従来の技術］ 極低温装置の例としてヘリウム液化機をとりあげ以下に
説明する。第２図は複数の熱交換器４ａ、４ｂ、５〜９
．３つｃｎ［張ａ１２１．１０゜１１及び膨張弁１２（
ジュールトムソン弁）等をコールトポ７りｌ内に配設し
、圧縮ｌａ２及び液体ヘリウム貯留槽１５をコールドボ
ックス１の外側に設けたヘリウム液化機を示すものであ
る。低圧管１６から循環的に供給されるＨｅガスを圧ｍ
ｍ２によって加圧し、高圧管３へ導入する。導入された
Ｈｅガスは膨張ｆｉ２１，１０．１１によって断熱膨張
させ１発生した寒冷により順次冷却され、さらに膨張弁
工２でジュールトムソン効果によって一部液化され生成
した液体Ｈｅは貯留槽１５へ貯められる。

［発明が解決しようとする問題点］ 第２図に示す様なＨｅ液化機ではコールドボックス１の
運転開始と同時に液体Ｈｅが得られるわけではなく、液
体Ｈｅを得るためには数十分から数時間の予冷運転を行
なわなければならなかった。予冷運転を効果的に行なう
目的でコールドボックス１内には補助冷凍機として熱交
換器４ａ、４ｂ及び膨張機２１を配設している。ところ
が膨張機２１は低温下で長時間使用される為、運転に対
する信頼性の欠陥及び機械設備コストの高騰を引き起こ
し易く、これを回避するため、近年はもっばら第３図に
示す様な装置が汎用されている。即ちコールドボックス
２１内に設ける補助冷凍機として液体窒素（以下単にＬ
Ｎ２と記す）供給管１３及び熱交換器４を装備し、でき
るだ（す機械的稼動部を少なくしたものである。この様
な装置であれば大型ＬＮ２タンクより直接熱交換器４へ
ＬＮ２を供給するだけでなく、機械的稼動部及び付属設
備が少なくて済み、前記第２図で示したＨｅ液化機に比
べて運転の安定性及び設備コストの点で優れている。

しかしながらＬＮ２を利用する予冷方法では、予冷に使
用する寒冷は、ＬＮ２が蒸発する際の潜熱が主であり、
得られる寒冷の温度はＬＮ２の沸点温度である約７７．
４″Ｋが下限であり、熱交換器４を使う場合には、有効
利用される寒冷温度は８０’に以上となってしまい、こ
れが液化機の予冷効果向上における隘路となっている。

そこで本発明者らは極低温装置に利用されるＬＮ２の有
効利用温度を８０′により低く保つことによって予冷効
果を向上させることを目的に種々研究を績み重ねた結果
、本発明を完成するに至った。

［問題点を解決するための手段］ ＬＮ２を使って予冷を行なうに当たり、本発明では低圧
雰囲気に形成した予冷部に液体窒素を供給し、該液体窒
素の沸点が低くなる条件下で寒冷を発生させる点に要旨
が存在する。

［作用］ ＬＮ２を使用する通常の熱交換器や熱シールド部では大
気圧下でＬＮ２が供給され、当該ＬＮ２の沸点温度近く
まで夫々の機器を冷却した後、Ｎ２ガスとして系外へ排
出される。ＬＮ２の沸点温度は１気圧で約７７．４”Ｋ
であるが、低圧雰囲気下で（１気圧以下）の状態では沸
点が下るという原理に着目しＬＮ２を真空下に供給すれ
ば、例えば圧力が約１００↑ｏｒｒではＬＮ２沸点は約
６５′Ｋまで下げることができる。ただし減圧の程度は
液体Ｎ２が凝固しない圧力まででなければならない。

従ってＬＮ２が供給される熱交換器や熱シールド部を真
空ポンプ等で低圧雰囲気に保てば、常圧時よりも低い温
度まで冷却することができるようになる。しかしこれに
よって真空ポンプ等の機械稼動部が追加されることにな
るが、該装置はコールドボックス外の常温部に設置する
ことが可能なので、低温稼動におけるトラブルを考慮す
る必要は全くない。

［実施例］ 本発明方法が利用される代表的なＨｅ液化機の例を第１
図に示す、コールドボックスｌ内には熱交換器４〜９．
膨張機１０．１１及び膨張弁１２を配設し、予冷装置と
してＬＮ２供給管１３とＮ２排出管１４そして該排出管
１４に接続された真空ポンプ１７を設ける。尚真空ポン
プ１７はコールドボックスｌ外へ常温雰囲気下に設置さ
れる。

Ｈｅ液化機の起動時には、真空ポンプ１７によってＬＮ
２が凝固しない圧力まで減圧しＬＮ２供給管１３からＬ
Ｎ２を供給する。同時に圧ｍ機２を稼動させてＨｅガス
をコールドボックス１内へ圧入循環させ、まず熱交器４
によって冷却すると共に一部を分岐させて膨張機ｉｏ、
ｉｔに送り、ここで寒冷を得て、コールドボックス１全
体の予冷を行なう、この予冷段階では約７０″Ｋまで降
下した（但し減圧条件は約１００Ｔｏｒｒとした）時点
でＬＮ２の供給を止めてＨｅガスだけで運転を！１続し
、その後膨張弁１２によってＨｅガスの液化を開始し貯
留槽１５内にＬＨｅを貯留させる。

上記した様にＬＮ２の有効利用温度を８０″により低く
下げることによって予冷に要するＬＮ２量は少なくて済
むようになり、ざらに予冷が効果的に行なわれるのでＨ
ｅ循環系における圧縮機２の流量は約２０％削減するこ
とができる様になった。

本発明は予冷の為の熱交換器だけに利用されるものでは
なく、第４図に示す様にコールドボックス内の熱シール
ド部を冷却するときやクライオペンプの熱シールド板を
冷却するときにも適用することができる。第４図は液体
Ｈｅ冷凍機を示す実施例であり、クライオスタット１９
内のＬＨｅ中に浸漬させた被冷却部体（ａ電導マグネッ
ト等）を極低温に保つための冷凍機であるが、これは本
発明を制限する趣旨のものではない。

［発明の効果］ 極低温装置の冷却や予冷に本発明方法を利用することに
よってＬＮ２の有効温度を下げることが可能になり、冷
却効果を高めることができる。これに伴ない極低温装置
に用いられる圧縮機や熱交換器の容量を小さく抑えるこ
とができ、極低温装置自体を小型化させることが可能と
なった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法に用いるＨｅ液化機の代表的な実施
例を示す説明図、第２，３図は従来のＨｅ液化方法に用
いる液化機を示す説明図、第４図は、本発明に用いる液
化Ｈｅ冷凍機の例を示す説明図である。 １・・・コールドボックス ２・・・圧縮ａ　　　　　　３・・・Ｈｅ高圧管４．４
ａ、４ｂ、５，８，７，８．９　・＝熱交°換器１０．
１１・・・膨張機　　　　１２・・・膨張弁１３・・・
液体Ｎ２供給ｖ１４・・・Ｎ２排出管！５・・・液体Ｈ
ｅ貯留槽　　１８・・・Ｈｅ低圧管１７・・・真空ポン
プ　　　　１８・・・熱シールド部１８・・・クライオ
スタット ２０・・・被冷却体

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 極低温装置を液体窒素で予冷する方法であって、低圧雰
   囲気に形成した予冷部に液体窒素を供給し、該液体窒素
   の沸点が低くなる条件下で寒冷を発生させることを特徴
   とする極低温装置の予冷方法。