JPS6353470B2

JPS6353470B2 -

Info

Publication number: JPS6353470B2
Application number: JP4235380A
Authority: JP
Inventors: Noriaki Shiki; Ryuichi Fukusato; Tetsuya Ootani
Original assignee: KAGAKU GIJUTSUCHO CHOKAN KANBO
Current assignee: KAGAKU GIJUTSUCHO CHOKAN KANBO
Priority date: 1980-03-31
Filing date: 1980-03-31
Publication date: 1988-10-24
Also published as: JPS56138655A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、Heを冷媒として極低温（液体He温
度）を発生し、その極低温を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ための疲労試
験機に使用する極低温冷却装置に関するものであ
る。

従来、Heを冷媒とする極低温冷却装置は種々
提案されているが、実用上長時間（数千時間）連
続運転に耐えうるものとして満足すべきものはな
い。

Heを冷媒として極低温を発生させるためには、
少くとも液体窒素温度レベルでの熱シールドを有
する真空容器内に極低温発生装置を収納する必要
がある。そして、この熱シールドには、液体窒素
あるいは補助冷凍機が使用されていた。このた
め、装置が複雑になるとともに、長時間運転する
場合、ランニングコストが高くなるという欠点を
有していた。

また、Heを冷媒として長時間循環使用する場
合、ほぼ完全にHe内への不純物（CO₂、O₂、
N₂、Ar、H₂、H₂O等）の混入を防止しなければ
ならない。なぜならば、殆どの不純物は極低温を
得る過程において熱交換部および配管部において
凝縮あるいは凍結してしまい、循環経路を閉塞し
て装置の機能を停止させるからである。

これに対して、精製装置を用いて、He内の不
純物を吸着除去しつつ循環させる方法が公知であ
る。しかしながら、このものでは吸着能の向上の
ため、吸着器冷却用に液体窒素を用い、さらに精
製装置の再生のためにHeを用いるため、これら
に要する費用が大となる欠点を有していた。

本発明は、前記従来の欠点に鑑みてなされたも
ので、その目的はHeを閉サイクル内にて循環使
用することによりランニングコストを低減し、か
つ長時間連続運転可能な極低温冷却装置を提供す
ることにある。

次に、本発明を一実施例である図面にしたがつ
て説明する。

図において、１はガス貯蔵タンクで、一方に
Heボンベ３からHeガスを受入れる供給口２を有
し、他方において等温圧縮装置４に接続してい
る。等温圧縮装置４は、圧縮機間に冷却機を配置
したもので、Heガスを等温圧縮したのち、ガス
精製装置５に送り出している。

ガス精製装置５内において、Heガスは冷熱回
収熱交換器６からガス冷却器８、さらにガス精製
器９を経たのち、再び冷熱回収熱交換器６を通過
し、次工程に流れる。ここで、冷熱回収熱交換器
６は、ガス冷却器８により冷却され、かつガス精
製器９により精製されたHeガスにより、等温圧
縮装置４からHeガスを冷却するものである。

ガス冷却器８は、補助冷凍機７により冷却さ
れ、補助冷凍機７はフロン、NH₃等を冷媒とし、
約260〓程度までの冷却能力を有する。

また、ガス製精器９は２つの吸着筒１０ａ，１
０ｂを並列に配置して構成されている。そして、
吸着筒１０ａ，１０ｂは合成ゼオライトを吸着材
とし、He中の不純物のうちH₂O、CO₂分を吸着
してHeガスを精製するとともに、内部に自己再
生用ヒータ１１ａ，１１ｂを有している。各吸着
筒１０ａ，１０ｂの流入、流出側にはバルブ１
２，１５，１７，２０が設けられ、さらにバルブ
１４，１６，１９を介して各吸着筒１０ａ，１０
ｂは真空ポンプ５０に接続されており、それぞれ
の作動時間に応じて、適宜精製、再生を切換えて
使用できるようになつている。

なお、流路２３は再生後、精製作業開始前の吸
着筒１０ａ，１０ｂを予冷するために設けてあ
り、冷熱回収熱交換器６を出た流れを２つの分岐
流２４，２５とし、その一方の分岐流２４をバル
ブ２１を介してガス冷却器８に導き、さらに前記
バルブ１３，１８を介して吸着筒１０ａ，１０ｂ
に戻らせたものである。

また、前記他方の分岐流２５は、ガス精製装置
５を出たのち、さらに２つの分岐流２６，２７と
なり、He冷凍装置２８に到つている。

He冷凍装置２８は、多段に配置した熱交換器
２９，３０，３１，３２，３３，３４，３５を有
し、これらに、前記一方の分岐流２６の、進入流
れ２６ａと帰還流れ２６ｂとを逆方向に順次連続
的に通過させている。ここで、進入流れ２６ａ
は、分岐流２６で、後記する疲労試験機４４に到
る流れであり、帰還流れ２６ｂは疲労試験機４４
からの戻りである。

また、熱交換器３０，３２，３４では、流入流
れ２６ａの入側の一部を分岐させ、内部精製器３
７、寒冷発生器である膨張エンジン３８を経て帰
還流れ２６ｂの入側に合流させている。なお、内
部精製器３７は、内部に活性炭フイルタを有し、
He中のAr、N₂、O₂等の不純物（空気成分）を
除去するものである。

流入流れ２６ａの熱交換の最終段階にある熱交
換器３５はジユールトムソン（以下JTと称す
る。）熱交換器で、つづく３９はJT弁であり、
JT効果を利用したものである。流入流れ２６ａ
の中間部には２ケ所において内部精製器３７ａが
設けられている。

さらに、前記他方の分岐流２７は、熱交換器３
０，３６により冷却され、熱シールド部４０を経
て、再び熱交換器３６を通り、He冷凍装置２８
外へ送り出される。熱シールド部４０は、前記冷
却用構成機器全体を内部に含むHe冷凍機本体４
１の周囲にコイル状に配置されており、He冷凍
機本体４１を熱シールドするものである。なお、
熱交換器３６，３０間には内部精製器３７ａが設
けられている、He冷凍機本体４１の外側は、さ
らに断熱用の真空容器であるコールドボツクス４
２により覆われている。

したがつて、流入流れ２６ａは熱交換器２９〜
35を通過する間に帰還流れ２６ｂと熱交換を行
い、段階的に温度を下げ、かつ内部精製器３７に
より純度を上げて行く。このようにして冷却され
たHeガスは、JT弁３９にて大気圧近くまで等エ
ンタルピー膨張することにより一部液化され、気
化混合状態（ミスト）となる。ミストとなつた
Heは、He冷凍装置２８を出てミスト移送管４３
により負荷である疲労試験機４４に導かれる。

疲労試験機４４は、外部から供給される液体
He４５を貯めておく密閉可能な極低温容器４６
と、被試験体４７に試験条件を付与する検査部４
８と、前記ミストが流れる再凝縮器４９とから構
成される。液体He４５から蒸発するHeガスは再
凝縮器４９により冷却され、再度液化し、検査部
４８を液体He温度（4.4〓）に保持している。

再凝縮器４９を通過してきたHeは、前記帰還
流れ２６ｂとなり、再び前記熱交換器３５〜２９
を経てHe冷凍装置２８外へ出たのち、分岐流２
７と合流してガス貯蔵タンク１に戻り閉サイクル
を形成している。

なお、５１，５２，５３は真空ポンプで、コー
ルドボツクス４２内、He冷凍装置内のHe流路、
極低温容器４６を脱気する。

次に、前記構成からなる極低温冷却装置の作動
について説明する。

まず、真空ポンプ５０，５１，５２，５３によ
り極低温冷却装置内を脱気して不純物を除去した
のち、Heボンベ３から供給口２よりガス貯蔵タ
ンク１に高純度Heガスを供給する。ガス貯蔵タ
ンク１内の状態は、約１気圧ならびに約310〓と
する。

ガス貯蔵タンク１のHeガスは等温圧縮装置４
により約15〜20気圧に圧縮されて、ガス精製装置
５に到る。この内部では、Heガスは冷熱回収熱
交換器６からガス冷却器８を経て260〓に冷却さ
れ、ガス精製器９に送られる。

ガス精製器９の吸着筒１０ａ，１０ｂは前記の
ように、作動時間に応じ、適宜バルブ操作を行う
ことにより精製、再生を切換えて使用できる。例
えば吸着筒１０ａで精製させ、吸着筒１０ｂで再
生させる場合は、バルブ１２，１５，１６，１
８，１９を開、バルブ１３，１４，１７，２０，
２１を閉とし、ヒータ１１ｂを加熱して真空ポン
プ５０を働かせればよい。

また、吸着筒１０ｂの再生が完了すると、バル
ブ１６，１９を開、バルブ２１を開として吸着筒
１０ｂを予冷する。その後、バルブ１８，２１を
閉、バルブ１７，２０を開とすれば精製を開始す
ることができる。

吸着筒１０ａで再生させ、吸着筒１０ｂで精製
させる場合は、対称の位置関係にあるバルブにつ
き開閉切替え、前記操作を行えばよい。

以上のように、ガス精製器９で精製されたHe
ガスは冷熱回収熱交換器６にて熱交換して約300
〓となり、ガス精製装置５からHe冷凍装置２８
に送られる。

He冷凍装置２８では、まず熱交換器２９，３
０により流入流れ２６ａおよび分岐流２７を約80
〓に冷却し、He冷凍機本体４１を約80〓に冷却
した熱シールド部４０により熱シールドする。

この内、流入流れ２６ａについては熱交換器３
１〜３５により約５〓に冷却する。さらに、JT
弁３９によりHeガスを4.4〓に冷却し、一部液化
させ、ミスト状態とする。

ミスト状態のHeは、He冷凍装置２８から疲労
試験機４４の再凝縮器に到り、極低温容器４６内
の液体He４５の気化を抑える。そして、He冷凍
装置２８に戻る帰還流れ２６ｂとなり、流入流れ
２６ａを冷却しつつ通過して、ガス貯蔵タンク１
に入り、再度、以上の閉サイクルを循環する。

なお、He冷凍装置２８の作動開始時において
は、図中破線で示す液体窒素（約80〓）の予冷ラ
イン５４を設けてHe冷凍機本体４１を熱シール
ドすれば予冷時間の短縮等の冷却効果が改善され
る。

また、極低温容器４６内の液体He４５を繰返
し使用する場合は、図中破線にて示すHeガス回
収系５５を設ければよい。５６はガス貯蔵器、５
７は高圧圧縮装置、５８は精製器である。この場
合、ガス貯蔵器５６より極低温容器４６内に定圧
高純度Heガスを供給し、He冷凍装置２８より供
給される寒冷を再凝縮器４９を介して伝達するこ
とにより前記定圧高純度Heガスは逐次極低温容
器４６内において液体He４５となり疲労試験機
４４に供される。

したがつて、疲労試験機４４にある液体He４
５は、He冷凍装置２８と再凝縮器４９を用いて
効果的に再液化されるため液化Heの実質的消費
は殆どない。

以上の説明より明らかなように、本発明によれ
ば、Heを閉サイクル内にて循環使用しているた
め、およびガス精製器の再生をヒータにより不純
物を放出させることにより行つているため、He
の消耗は殆どない。そして、He冷凍機本体の熱
シールドを閉サイクルの余剰能力を利用して行つ
ていること等によりランニングコストを大巾に低
減させることができる。

また、ガス精製装置は２つの吸着筒を適宜切換
えて精製、再生作業を並行して行わせることがで
きるため、長時間の連続運転に対しても安定した
性能を示す。

さらに、常温操作部であるバルブ類を極低温部
には一切設けていないため、熱損失は少く、冷却
性能が良好である等種々の効果を有する。

【図面の簡単な説明】

図は本発明に係る極低温冷却装置の系統図であ
る。１…ガス貯蔵タンク、２…供給口、４…等温圧
縮装置、５…ガス精製装置、２８…He冷凍装置、
４０…熱シールド部、４４…疲労試験機、４９…
再凝縮器。

Claims

【特許請求の範囲】

１ Heガス貯蔵タンクと、圧縮装置と、再生機
能を備えたガス精製装置と、周囲に熱シールド部
を備えるとともに、内部に多段の熱交換器および
ジユールトムソン弁等のミスト化手段を備えた冷
凍装置と、前記貯蔵タンクおよび圧縮装置からガ
ス精製装置を経て分岐し、分岐した一方が前記ミ
スト化手段を通過して、流入流れとし負荷へ至る
一方、負荷からの帰還流れとして前記熱交換器を
通過して前記流入流れとの間での熱交換により流
入流れを冷却して前記貯蔵タンクに帰還するとと
もに、前記分岐した他方が前記熱交換器の一部を
通過して前記熱シールド部となつた後、前記貯蔵
タンクに帰還するHe循環用閉サイクル回路とか
ら構成したことを特徴とする極低温冷却装置。