JPH0221497B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は極低温発生装置の熱侵入防止方法に関
し、特にHe液化冷凍機における熱シールド機構
部（以下熱シールド部という）への寒冷供給方法
の改良により設備コスト及びランニングコストの
低減を図る様にしたものである。

He液化冷凍機においては極低温部と室温部の
温度差が大きいため放射又は伝導により真空断熱
容器壁等を介して室温部から極低温部へ熱が侵入
するという構造上不可避の問題がある。そこで真
空断熱容器の室温部と極低温部との中間に熱シー
ルド部を設けて熱シールド部へ寒冷を供給するこ
とにより、極低温部への熱侵入をできる限り防止
することが行なわれている。例えば放射伝熱に関
していえば熱シールド部の温度を10℃Ｋに保持す
ると、極低温部への放射入熱量を室温部からの放
射入熱量の1/80程度に軽減できることが知られて
いる。ところで熱シールド部への寒冷供給方法と
してはこれまで提案又は更に実施されているもの
としては色々な具体例が挙げられるが、要約すれ
ば次の〜の方法に大別できる。

液体窒素を供給する方法：クロードサイクル
又はブライトンサイクルの熱力学的原理を応用
した極低温装置の典型例であるHe冷凍機装置
について図説すれば、次の通りである。第１図
はHe凍凍装置を例示する概略説明図で、He冷
凍装置１は、熱交換器５ａ〜５ｅ、膨張機７
ａ，７ｂ、JT弁６、熱シールド部１１等及び
これらを内蔵する真空断熱容器４より構成され
He液化冷凍機２、該冷凍機２入口側に連結さ
れた圧縮機３、該冷凍機２の出口側に連結され
た極低温環境部１０を中心に構成されている。
そしてHeガスは圧縮機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
の降下経路を「高圧側経路」という）して熱交
換を受けつつ膨張機７ａ，７ｂで発生した寒冷
により冷却され、更にJT弁６で大気圧近くま
で等エンタルピー膨張することにより一部液化
してHeの気液混合状態、即ちHeミストとなつ
た後、Heミスト供給管８から極低温環境部１
０内へ送られ、該環境部１０内におかれた被冷
却体９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
における超電導現象を利用した超電導コイルの
冷却を代表的に挙げることができる。

さて極低温環境部１０内に存在する被冷却体
９の熱を奪つて気化したHeミストは、Heガス
となつて再びHe液化冷凍機２の熱交換器５ａ
〜５ｅを逆方向に上昇（以下この上昇経路を
「低圧側経路」という）し、対向流の高圧側経
路を流れるHeガスを冷却した後、自らは略常
温常圧のHeガスとなつて圧縮機３に戻る。そ
してHeガスがこの経路を循環することによつ
て極低温環境部１０内の被冷却体９を継続して
極低温に保つ様になつている。

この様なHe液化冷凍機２において極低温部
に近い熱交換器５ｅ，５ｄ等は大きな表面積を
有するが故に真空断熱容器４の室温の壁から多
くの放射熱の侵入をうけ、液化冷凍能力の低下
を招き易い。そこで熱交換器５ｅ，５ｄと真空
断熱容器４の壁との間に熱シールド部１１を設
け、この熱シールド部１１に外部の液体窒素容
器１２より経路L₃を通して液体窒素を供給す
ることにより低温に保持し、熱交換器５ｅ，５
ｄへの放射熱の侵入を防止している。

しかしこの場合は液体窒素の供給がなければ
He液化冷凍機２は所要の能力を発揮できない
欠点があり、設備費の増大と運転の自由度が制
約されるという問題がある。

補助冷凍機を設けてこれにより寒冷を供給す
る方法：例えば第２図に示す様、第１図の構成
に対して真空断熱容器４内に補助熱交換器５ｆ
及び補助膨張機７ｃによりなる補助冷凍機２′
を新設すると共に、これらと真空断熱容器４外
に新設された補助圧縮機３′及び熱シールド部
１１とを経路L₄，L₅で連結する。該冷凍機
２′の運転により補助膨張機７ｃで発生した該
寒冷を熱シールド部１１へ供給することにより
熱侵入の防止を図つている。しかしこの場合も
補助冷凍機２′の並設によりHe液化冷凍機２の
構成が複雑且つ大型化し、設備コストの増加と
運転操作の複雑化を招く。

冷媒の一部を分岐し、真空断熱容器内の熱交
換器を通して冷却し、これにより寒冷を供給す
る方法：即ち第３図に示す様に圧縮機３で加圧
された冷媒（Heガス）の一部を分岐した後、
経路L₆から補助熱交換器５ｆ、第２熱交換器
５ｂを通過する間に与えられた寒冷を熱シール
ド部１１へ供給し、次いで補助熱交換器５ｆ、
経路L₇を通つて経路L₁へ戻す方法である。し
かしこの方法においては補助熱交換器５ｆの新
設及び第２熱交換器５ｂの通路数増加による液
化冷凍機２の複雑且つ大型化を避けることはで
きず、又分岐した高圧の冷媒を余分に必要とす
るのみならず、その圧力を有効に利用せずに低
圧部へ戻すため圧縮動力の損失が大きくなると
いう欠点がある。

膨張機の排出管を熱シールド部と直接連結し
て寒冷を供給する方法：即ち第４図に示す様に
膨張機７ａ，７ｂからの排出ガスの全量を熱シ
ールド部１３，１４へ通して寒冷を供給する方
法であるが、この場合には排気管L₈，L₉の管
径を大きくして膨張機７ａ，７ｂの背圧損失が
極端に大きくなることを防がなければならな
い。従つて液化冷凍機２の容量が大きい場合に
はその排気管径が大きくなり過ぎ、冷却配管施
工の面で困難な問題が生じる。

本発明は上記〜の欠点をすべて解消し、設
備コスト及びランニングコストの低減を図り得る
「熱シールド部への寒冷供給方法」を開発すべく
鋭意検討の結果完成したものであり、この様な本
発明の構成とは最も高温側に配置された膨張機の
排気管からのガスを分岐し、その一部を熱シール
ド部へ送つて所要の寒冷を供給したのち絞り部分
を通過した残部のガスと共に低圧側経路に合流さ
せる点に要旨を有するものである。

以下実施例図面に基づき本発明の構成及び作用
効果を説明するが、下記実施例は単に一代表例に
過ぎないものであつて、前・後記の趣旨に沿つて
適宜変更して実施し得ることは言うまでもない。

第５図は本発明の熱侵入防止方法を適用してな
るHe液化冷凍機を含むHe冷凍装置を例示する概
略説明図で、第１〜４図に示す従来例と基本的構
成は同一であり、同一構成のものには同一の符号
を付し、その説明は省略する。以下本実施例の特
徴とする構成を中心に説明する。まず最も高温部
に配置された膨張機７ａの排気管L₁₀の途中に絞
り１５を設けると共に、該絞り１５の前後をバイ
パスする管を熱シールド部１６に直接連結せしめ
ている。即ち寒冷発生効率が最も高い膨張機７ａ
からの断熱膨張排気の保有寒冷のうちから絞り１
５によつて必要十分な量だけ熱シールド部１６へ
供給できるように構成されている。従つてこの様
に構成された液化冷凍機２においては、上記の
方法（第１図参照）に比べて液体窒素の供給を必
要とせず、従つて液化冷凍機２単独の運転を行な
うことができ、上記の方法の欠点を解消するこ
とができる。次に上記の方法（第２図参照）に
比べた場合、補助冷凍機２′を必要としないので
の方法の欠点も解消することができる。又上記
の方法（第３図参照）に比べて補助熱交換器５
ｆが不要であると共に第２熱交換器５ｂの通路数
を増加する必要もなく、又冷媒分岐方式故に問題
とされていた余分の高圧冷媒を無駄に減圧するこ
とによる動力損失を回避でき、の方法の欠点も
解消することができる。

更に上記の方法（第４図参照）に比べて、膨
張機７ａの排気管L₁₀における圧力損失を一定に
保つた状態では、熱シールド部１６へ寒冷を供給
する配管を細くできる利点があり、冷却配管施工
の面で有利となる。

尚絞り１５の代わりに例えばエゼクターを設け
てもよく、要は熱シールド部１６に必要十分な寒
冷量だけ供給できる様に排気管L₁₀の途中が絞ら
れた構成となつておればよい。又液化冷凍機２の
運転状況に応じて（例えば寒冷バランスの関係を
考慮して）上記の構成を更に膨張機７ｂの排気管
L₁₁に組込むことも可能である。

本発明の熱侵入防止方法は以上の様に構成した
ので、設備コスト及びランニングコストの点で非
常に有利なHe液化冷凍機を提供できることとな
つた。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図は従来の熱侵入防止方法を適用
してなるHe液化冷凍機を含むHe冷凍装置を示す
概略説明図、第５図は本発明の熱侵入防止方法を
適用してなるHe液化冷凍機を含むHe冷凍装置を
例示する概略説明図である。 １……He冷凍装置、２……He液化冷凍機、
２′……He補助冷凍機、３……圧縮機、３′……
補助圧縮機、４……真空断熱容器、５ａ〜５ｆ…
…熱交換器、６……JT弁、７ａ〜７ｃ……膨張
機、８……Heミスト供給管、９……被冷却体、
１０……極低温環境部、１１，１３，１４，１６
……熱シールド部、１５……絞り、L₈，L₉，
L₁₀，L₁₁……排気管。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 熱シールド機構を有する真空断熱容器、複数
   の熱交換器、複数の膨張機及びジユールトムソン
   膨張弁より構成されるHe液化冷凍機の前記熱シ
   ールド機構部へ寒冷を供給することにより該He
   液化冷凍機への熱侵入を防止する方法において、
   最も高温側に配置された膨張機の低温ガス排気管
   を分岐し、該膨張機で得られた低温ガスの一部を
   前記熱シールド機構部へ送つて該機構部を冷却し
   たのち絞り管路を通つた残部の低温ガス及び極低
   温環境部からの戻りガスと合流させることを特徴
   とするHe液化冷凍機の熱侵入防止方法。