JPH0689955B2 - 極低温冷凍装置 - Google Patents

極低温冷凍装置

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JPH0689955B2
JPH0689955B2 JP59032336A JP3233684A JPH0689955B2 JP H0689955 B2 JPH0689955 B2 JP H0689955B2 JP 59032336 A JP59032336 A JP 59032336A JP 3233684 A JP3233684 A JP 3233684A JP H0689955 B2 JPH0689955 B2 JP H0689955B2
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refrigerant
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tank
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孝三 松本
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【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、極低温冷媒移送配管を有する極低温冷凍装置
に係り、特に大形の被冷却体や多数の被冷却体を有する
装置に好適な極低温冷凍装置に関するものである。
〔発明の背景〕
極低温冷媒移送配管を有する極低温冷凍装置では、極低
温冷媒移送配管の侵入熱を低減することがシステムの成
否を決定する一つの要因であるために、極低温冷媒移送
配管は真空断熱し、さらに、積層断熱材を使用するのが
一般的である。
したがって、極低温冷媒移送配管は非常に高価であり、
システム上、極低温冷媒移送配管をいかに効率的に配置
するかが重要な問題となる。さらに、極低温冷凍装置の
自動制御を行う場合を考えると、システムを単純化する
と共に、予冷時等の非定常時の操作を、いかに効率的に
行うかも重要な課題である。以下、極低温冷媒として液
体ヘリウムの場合を例にとり説明する。
第1図は従来のヘリウム冷凍装置の系統図であり、第2
図は三重管式極低温冷媒移送配管の断面図である。第1
図および第2図において、1はヘリウム冷凍機、2は三
重管式極低温冷媒移送配管、3は冷媒供給管、4は冷媒
戻り管、5は供給弁、6はクライオスタット、7はシー
ルド槽、8は超電導マグネット、9は液体ヘリウム槽、
10はバイパス用極低温冷媒移送配管、11は加温器、12は
バイパス弁、13はバイパス管、14はシールド槽7への液
体窒素供給管、15はシールド槽7からのガス窒素放出
管、16は三重管式極低温冷媒移送配管2の外管である。
上記の構成において、ヘリウム冷凍機1で生成した極低
温冷媒は、冷媒供給管3を通りクライオスタット6へ供
給され、液体ヘリウム槽9に液体ヘリウムが貯液され
る。液体ヘリウム槽9の中には被冷却体である超電導マ
グネット8が浸漬されていて、必要な極低温冷媒量は、
液体ヘリウム槽9の液体ヘリウム液面を一定に保持する
ように供給弁5で制御される。液体ヘリウム槽9で冷凍
負荷を吸収しガス化したガスヘリウムは、冷媒戻り管4
を通りヘリウム冷凍機1に戻る。クライオスタット6
は、液体ヘリウム槽9に常温部から入る侵入熱を低減す
るために真空断熱されているが、さらに侵入熱の低減を
図るために、液体ヘリウムと常温との中間の温度を有す
る液体窒素を補助冷媒とした熱シールド機構としてシー
ルド槽7を有し、液体窒素供給管14から供給される液体
窒素で冷却され、ガス化したガス窒素はガス窒素放出管
15より大気に放出される。冷媒供給管3と冷媒戻り管4
は、三重管式極低温冷媒移送配管2内に配置し、真空断
熱するための外管16と共に、第2図に示すように三重管
を構成している。三重管式極低温冷媒移送配管2を使用
するのは、第1に、非常に高価である極低温冷媒移送配
管を供給用と戻り用の2本設置する必要がなく、価格的
に安価となること、第2に、供給側と戻り側が熱交換で
きる構造となっているために、ヘリウム冷凍機1に戻る
極低温ヘリウムガスの温度が供給冷媒とほとんど同一と
なり、ヘリウム冷凍機1の安定した運転が可能になるな
どの利点が有るためである。
以上は、定常運転時の動作であるが、つぎに予冷時の動
作について述べる。予冷時には、供給冷媒と戻り冷媒が
熱的に接触した構造を有する極低温冷媒移送配管(三重
管式極低温冷媒移送配管がその一例である。)を使用す
ることがデメリットとなり、冷媒戻り管4を使用すると
予冷効率が大きく悪化する。したがって、予冷時にはバ
イパス機構を設け、戻り冷媒をバイパス用極低温冷媒移
送配管10を通し、加温器11で常温まで温度回復させた
後、常温配管であるバイパス管13を通してヘリウム冷凍
機1に戻す。バイパス弁12は戻り冷媒の流量調節用に使
用する。
以上のような構成、および動作の従来のヘリウム冷凍装
置は、バイパス機構を必要とするため装置構成が複雑で
高価になると共に、運転操作も複雑であり、特に、自動
制御を行う場合などは信頼性に欠けるなどの欠点があっ
た。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、上記の点にかんがみなされたもので、
極低温冷凍装置の構成を単純化して安価にすると共に、
運転操作を容易にして自動制御する場合に好適な極低温
冷凍装置を提供することにある。
〔発明の概要〕
極低温冷凍機は、負荷側の条件、すなわち液化負荷か冷
凍負荷か(この中間の液化+冷凍もある)によって最適
な運転条件が存在する。従来の極低温冷凍装置の場合
は、被冷却体の予冷時には極低温冷凍機は液化モードが
基本であり、定常時には冷凍モードが基本である。した
がって、装置の自動制御のためには、これら被冷却体側
の条件に合わせて極低温冷凍機の制御条件を変更すると
共に、バイパスラインの制御等を行う必要があり、多く
の困難が伴った。極低温冷凍機の運転条件を常に一定に
保つことができれば、運転条件が容易になると共に信頼
性が向上する。
被冷却体の予冷時の条件を考えてみると、冷媒として液
体ヘリウムを考えた場合の単位流量当りの予冷能力は、
=△H+C(T−4.5)である。ここに、△Hは
液体ヘリウムの蒸発潜熱であり(≒20j/g)、Cはガ
スヘリウムの比較、(≒5.2j/gK)、Tはガスヘリウム
の被冷却体からの戻り温度である。したがって、T=30
0K(23℃)の場合にはq≒1560W/(g/s)となる。こ
れに対し、三重管式極低温冷媒移送配管を予冷時にも使
用すると、冷却能力としては蒸発潜熱のみが使用できる
ためにq′≒20W/(g/s)となり、予冷に長時間を要
することになる。ヘリウム冷凍機の特性として、冷凍モ
ードでは液化モードの場合に比較し、約4倍の液体ヘリ
ウムを生成できるため、冷凍モードでの予冷では、約 1560/20/4=20倍 の予冷時間がかかることになる。
一方、被冷却体の予冷負荷としては、補助冷媒である液
体窒素温度(約80K)を中間温度とすると、常温〜液体
窒素温度間の予冷負荷が、常温〜液体ヘリウム温度間の
全予冷負荷の約9割を占めている(被冷却体である金属
体等の比熱は低温になるにしたがって大巾に低下するた
めである)。
したがって、初期予冷時には、被冷却体で補助冷媒とし
て使用している液体窒素の寒冷を使用することが考えら
れる。この場合には、初期予冷時の予冷能力は q
=5.21j/gK(300−80)=1140となり、さらに、流量の
違いを考慮すると 1560/1140/4=0.34 即ち、冷凍モードでの予冷能力が、被冷却体が常温近く
では大きくなることになる。次に、被冷却体温度が約10
0K以下では補助冷媒を使用しないとすると、液化モード
での予冷能力は q=20+5.2(100−4.5)≒520W 冷凍モードの予冷能力は q′=20×4=80W したがって、冷凍モードでの予冷能力は 80/520=0.15 と、なお小さいが、常温から液体ヘリウムの温度までの
全予冷負荷の約1割のみしか占めない温度範囲であるこ
とを考えると、全体的には問題にならない。
本発明は、極低温冷凍機から液体槽内に極低温冷媒を供
給する冷媒供給管を供給弁(液体槽の液面制御弁)を介
して液体槽に連通し、該冷媒供給管から該供給弁の前段
で分岐する予冷ラインを設け、該予冷ラインを予冷用切
替弁を介して被冷却体に連通し、該予冷ラインに極低温
冷媒の冷凍温度より高い温度レベルの補助冷媒と熱交換
する予冷用熱交換部を設け、初期予冷時に補助冷媒の寒
冷を利用することにより、予冷時間を大巾に変更するこ
となく、極低温冷凍機を常に同一冷凍モードで運転でき
るようにしたものである。
〔発明の実施例〕
以下、本発明の一実施例を第3図によって説明する。第
3図において、第1図と同一部分は同一符号で示し、説
明を省略する。
第3図において、19は冷媒供給管3より分岐され、シー
ルド槽7内を経て液体ヘリウム槽9に連通された予冷ラ
イン、20は予冷ライン19に設けられた予冷用切替弁、21
は予冷ライン19のシールド槽7内に設けられた予冷用熱
交換部である。
上記の構成において、定常運転時の動作は第1図と同様
のため省略し、予冷時の動作について説明する。予冷時
には供給弁5を閉じておき、ヘリウム冷凍機1から供給
された極低温冷媒は、冷媒供給管3を通り、冷媒戻り管
4を流れる戻り冷媒と熱交換しながら温度上昇してクラ
イオスタット6に供給され、予冷用切替弁20を通って予
冷ライン19よりシールド槽7に入り、液体窒素と予冷用
熱交換部21で熱交換し温度降下して液体ヘリウム槽9に
供給され、超電導マグネット8を冷却して温度上昇し、
冷媒戻り管4に入る。冷媒戻り管4に入った戻り冷媒
は、冷媒供給管3を流れる供給冷媒と熱交換しながら温
度降下してヘリウム冷凍機1に戻る。しかして、超電導
マグネット8の予冷が進行し、約100Kになると、予冷用
切替弁20を全閉とし、供給弁5を開くことにより、クラ
イオスタット6に供給された供給冷媒は供給弁5を通る
定常時の流れになる。
なお、上記実施例では、予冷用熱交換部21をクライオス
タット6内に設けてあるが、クライオスタット6外に設
けてもよく、また、三重管式極低温冷媒移送配管に補助
冷媒として液体窒素を使用したシールド管を設ける場合
には、この補助冷媒と熱交換するように予冷用熱交換部
を設けてもよい。
以上述べたように本実施例によれば、加温器等のバイパ
ス機構が不要になる効果がある。さらに、ヘリウム冷凍
機は、常に同一の冷凍モードで運転することができ、運
転操作が容易になると共に、信頼性も向上する。
〔発明の効果〕
以上述べたように本発明によれば、予冷時使用する加温
器等のバイパス機構が不要となるので、装置構成を単純
化することができ、経済性が向上する。また、極低温冷
凍機は常に同一運転状態で保持すればよく、運転操作が
容易になると共に、信頼性が向上する。さらにまた、装
置構成の単純化、および運転操作の単純化により、自動
制御が容易になる。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来のヘリウム冷凍装置の系統図、第2図は三
重管式極低温冷媒移送配管の断面図、第3図は本発明に
よる極低温冷凍装置の一実施例を示す系統図である。 1……ヘリウム冷凍機、2……三重管式極低温冷媒移送
配管、3……冷媒供給管、4……冷媒戻り管、5……供
給弁、6……クライオスタット、7……シールド槽、8
……超電導マグネット、9……液体ヘリウム槽、10……
バイパス用極低温冷媒移送配管、11……加温器、12……
バイパス弁、13……バイパス管、14……液体窒素供給
管、15……ガス窒素放出管、16……外管、19……予冷ラ
イン、20……予冷用切替弁、21……予冷用熱交換部

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】極低温冷媒を生成する極低温冷凍機と、該
    極低温冷凍機で生成された極低温冷媒により冷却される
    被冷却体を収納した液体槽と、該液体槽を補助冷媒で囲
    んだシールド槽と、前記液体槽及びシールド槽を収納し
    た外槽とより構成され、各槽間の空間を真空断熱したク
    ライオスタットを有し、前記極低温冷凍機から液体槽内
    に供給する極低温冷媒と液体槽内から極低温冷凍機に戻
    すガス化した戻り冷媒とが熱的に接触する如く配設した
    冷媒供給管と冷媒戻り管よりなる極低温冷媒移送配管と
    からなる極低温冷凍装置において、 前記冷媒供給管を供給弁を介して液体槽に連通し、該冷
    媒供給管から該供給弁の前段で分岐する予冷ラインを設
    け、該予冷ラインを予冷用切替弁を介して被冷却体に連
    通し、該予冷ラインに極低温冷媒の冷凍温度より高い温
    度レベルの補助冷媒と熱交換する予冷用熱交換部を設
    け、初期予冷時に補助冷媒の寒冷を利用するように構成
    したことを特徴とする極低温冷凍装置。
JP59032336A 1984-02-24 1984-02-24 極低温冷凍装置 Expired - Lifetime JPH0689955B2 (ja)

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