JPH11132584A - ヘリウム液化冷凍システム - Google Patents
ヘリウム液化冷凍システムInfo
- Publication number
- JPH11132584A JPH11132584A JP29670797A JP29670797A JPH11132584A JP H11132584 A JPH11132584 A JP H11132584A JP 29670797 A JP29670797 A JP 29670797A JP 29670797 A JP29670797 A JP 29670797A JP H11132584 A JPH11132584 A JP H11132584A
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- JP
- Japan
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- dewar
- helium
- liquid helium
- gas
- liquid
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- Pending
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Abstract
(57)【要約】
【課題】小型ヘリウム冷凍機システムにおける液化部の
外部侵入熱による熱効率の阻害、従来構造の液体ヘリウ
ムデュワの予冷、加温時間の遅れ、定常運転における電
気ヒータによる液面制御を不要にしたヘリウム液化冷凍
システムを提供する。 【解決手段】ＪＴ弁および第７熱交換機(HX-87)を液体
ヘリウムデュワの上部に内包させた機器構成とすること
により、サイクルの液化冷凍能力の向上、液体ヘリウム
デュワの予冷・加温促進、電気ヒータ制御の廃止を廃止
可能にする。
外部侵入熱による熱効率の阻害、従来構造の液体ヘリウ
ムデュワの予冷、加温時間の遅れ、定常運転における電
気ヒータによる液面制御を不要にしたヘリウム液化冷凍
システムを提供する。 【解決手段】ＪＴ弁および第７熱交換機(HX-87)を液体
ヘリウムデュワの上部に内包させた機器構成とすること
により、サイクルの液化冷凍能力の向上、液体ヘリウム
デュワの予冷・加温促進、電気ヒータ制御の廃止を廃止
可能にする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、極低温(ヘリウム)
冷凍システムに係わり、特に液体ヘリウムデュワと組み
合わされたヘリウム液化冷凍システムに関する。
冷凍システムに係わり、特に液体ヘリウムデュワと組み
合わされたヘリウム液化冷凍システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来のヘリウム液化冷凍機では、コール
ドボックスと液化貯槽(液体ヘリウムデュワ)は別置きに
されており、コールドボックス最低温部分に相当するジ
ュールトムソン(ＪＴ)弁から気液混相の極低温ヘリウム
がトランスファーチューブを介して液体ヘリウムデュワ
側へ送られ、気液分離された後、再びトランスファーチ
ューブを介してコールドボックス低温部に戻される。
(図３)従来の構造では、プラント起動時の常温からの初
期冷凍において、液体ヘリウムデュワに供給される予冷
ガスは、ＪＴ弁を介した末端部のみからの供給となるこ
とから、定常低温時に対して温度が高い場合は循環しず
らく、予冷に多大な時間を要すひとつの要因になってい
る。
ドボックスと液化貯槽(液体ヘリウムデュワ)は別置きに
されており、コールドボックス最低温部分に相当するジ
ュールトムソン(ＪＴ)弁から気液混相の極低温ヘリウム
がトランスファーチューブを介して液体ヘリウムデュワ
側へ送られ、気液分離された後、再びトランスファーチ
ューブを介してコールドボックス低温部に戻される。
(図３)従来の構造では、プラント起動時の常温からの初
期冷凍において、液体ヘリウムデュワに供給される予冷
ガスは、ＪＴ弁を介した末端部のみからの供給となるこ
とから、定常低温時に対して温度が高い場合は循環しず
らく、予冷に多大な時間を要すひとつの要因になってい
る。
【０００３】また、従来では、液体ヘリウムデュワの液
面を急速に下降させる場合には、デュワ内に設置され
た、電気ヒータにより、強制的に液体ヘリウムを蒸発さ
せている。
面を急速に下降させる場合には、デュワ内に設置され
た、電気ヒータにより、強制的に液体ヘリウムを蒸発さ
せている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記従来の方式では、
通常のプロセスにおけるヘリウムを極低温液化させる最
低温部分は、おおむね4〜5Kであり、プロセス上最も温
度が低い領域に相当する。従来の機器構成では、極低温
中圧ヘリウムをＪＴ弁で液体ヘリウムデュワの内部圧力
まで膨張させ、飽和の気液混相状態の極低温ヘリウムを
真空断熱多重構造のトランスファーチューブを介して液
体ヘリウムデュワ側に送られる。
通常のプロセスにおけるヘリウムを極低温液化させる最
低温部分は、おおむね4〜5Kであり、プロセス上最も温
度が低い領域に相当する。従来の機器構成では、極低温
中圧ヘリウムをＪＴ弁で液体ヘリウムデュワの内部圧力
まで膨張させ、飽和の気液混相状態の極低温ヘリウムを
真空断熱多重構造のトランスファーチューブを介して液
体ヘリウムデュワ側に送られる。
【０００５】この過程(部分)において、最低温部分への
外部侵入熱はプロセスに要求される液化能力や冷凍能力
に大きく影響してくるため、この部分の外部侵入熱低減
が、ヘリウム冷凍システムの課題となっていた。特に小
型のヘリウム液化冷凍システムほど、この部分の侵入熱
の影響割合が大きくなる。
外部侵入熱はプロセスに要求される液化能力や冷凍能力
に大きく影響してくるため、この部分の外部侵入熱低減
が、ヘリウム冷凍システムの課題となっていた。特に小
型のヘリウム液化冷凍システムほど、この部分の侵入熱
の影響割合が大きくなる。
【０００６】図２にJT熱交換器(HX-7)以下の模式図を示
す。
す。
【０００７】FL:必要液化量(g/s), QR:必要冷凍能力
(W), QL87:外部侵入熱(W),ｍ91:中圧ヘリウム流量(g/
s), h**:各点のエンタルヒ゜(J/g)
(W), QL87:外部侵入熱(W),ｍ91:中圧ヘリウム流量(g/
s), h**:各点のエンタルヒ゜(J/g)
【０００８】
【数１】
【０００９】中圧ヘリウム流量ｍ91は、ヘリウム圧縮機
で圧縮される動力にほぼ直接的に影響することから、シ
ステムの熱効率向上には、中圧ヘリウム流量を減少させ
ることが目標とされる。中圧ヘリウム流量は(1)式の関
係で表わされるが、現実には小型のヘリウム冷凍システ
ムほど、外部侵入熱分：QL87の影響割合が大きくなる。
で圧縮される動力にほぼ直接的に影響することから、シ
ステムの熱効率向上には、中圧ヘリウム流量を減少させ
ることが目標とされる。中圧ヘリウム流量は(1)式の関
係で表わされるが、現実には小型のヘリウム冷凍システ
ムほど、外部侵入熱分：QL87の影響割合が大きくなる。
【００１０】また、常温状態からの起動ではまず系内の
初期冷凍を行なうが、従来構造では、定常状態と同じ末
端部分からしか、液体ヘリウムデュワ内部に、定常状態
から比べてはるかに少ないガスしか流動できないため、
液体ヘリウムデュワ部分の冷却に最も時間を要してい
る。これは、液体ヘリウムデュワの全加温時も同様で、
単独加温には時間を要している更に、従来の液体ヘリウ
ムデュワでは、液面制御用および液体ヘリウムの回収時
用に電気ヒータが使用され、わずかではあるが、電力を
消費する上に専用の制御回路も必要であった。
初期冷凍を行なうが、従来構造では、定常状態と同じ末
端部分からしか、液体ヘリウムデュワ内部に、定常状態
から比べてはるかに少ないガスしか流動できないため、
液体ヘリウムデュワ部分の冷却に最も時間を要してい
る。これは、液体ヘリウムデュワの全加温時も同様で、
単独加温には時間を要している更に、従来の液体ヘリウ
ムデュワでは、液面制御用および液体ヘリウムの回収時
用に電気ヒータが使用され、わずかではあるが、電力を
消費する上に専用の制御回路も必要であった。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、図１に示す如く、ＪＴ弁および第７熱交換機(HX-8
7)を液体ヘリウムデュワの上部に内包させた機器構成と
する。更に、HX-87の中圧上端部分より、初期冷凍用の
ラインを分岐し、HX-87入口ガスが直接液体ヘリウムュワ
を冷却可能とするとともに、定常運転時の２次的な液面
制御を行なう。
に、図１に示す如く、ＪＴ弁および第７熱交換機(HX-8
7)を液体ヘリウムデュワの上部に内包させた機器構成と
する。更に、HX-87の中圧上端部分より、初期冷凍用の
ラインを分岐し、HX-87入口ガスが直接液体ヘリウムュワ
を冷却可能とするとともに、定常運転時の２次的な液面
制御を行なう。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例形態を図１
により説明する。コールドボックスは液体窒素で約80K
まで冷却する上部熱交換器部(HX-81,82)と寒冷発生のた
めのタービン回路や更にガスを冷却する熱交換器(HX-8
3,84,85,86)とから構成され、HX86から更に低温液化部
分に対しては、往復のトランスファーチューブで連結さ
れている。液体ヘリウムデュワ内上部に最終液化部であ
るＪＴ熱交換器(HX-87)やＪＴ弁が組み込まれたシステ
ム構造となる。
により説明する。コールドボックスは液体窒素で約80K
まで冷却する上部熱交換器部(HX-81,82)と寒冷発生のた
めのタービン回路や更にガスを冷却する熱交換器(HX-8
3,84,85,86)とから構成され、HX86から更に低温液化部
分に対しては、往復のトランスファーチューブで連結さ
れている。液体ヘリウムデュワ内上部に最終液化部であ
るＪＴ熱交換器(HX-87)やＪＴ弁が組み込まれたシステ
ム構造となる。
【００１３】ヘリウム圧縮機1で圧縮されたヘリウムガ
スは中圧ヘリウムガスとしてコールドボックス4へ導か
れる。コールドボックス内部で中圧ヘリウムガスは、上
部熱交換器HX81,82で極低温部分からの戻りガスおよび
液体窒素の寒冷と熱交換し、約80Kまで冷却され、さら
にHX-83で40K以下に冷却された後、一部の中圧ガスは寒
冷発生源である第１、第２膨張タービン2,3側へ抽気さ
れ、膨張し、戻りガスライン9へ合流する。残りの中圧
ヘリウムガスは更に熱交換器HX84〜86により、10〜15K
レベルまで温度降下後、トランスファチューブにて液体
ヘリウムデュワ側容器5へ送られる。定常運転において
は、液体ヘリウムデュワ上部に内蔵された熱交換器HX-8
7を介して、ＪＴ弁7で膨張液化し、非液化分は低圧戻り
ライン9にてコールドボックス内で常温まで温度回復さ
れる。
スは中圧ヘリウムガスとしてコールドボックス4へ導か
れる。コールドボックス内部で中圧ヘリウムガスは、上
部熱交換器HX81,82で極低温部分からの戻りガスおよび
液体窒素の寒冷と熱交換し、約80Kまで冷却され、さら
にHX-83で40K以下に冷却された後、一部の中圧ガスは寒
冷発生源である第１、第２膨張タービン2,3側へ抽気さ
れ、膨張し、戻りガスライン9へ合流する。残りの中圧
ヘリウムガスは更に熱交換器HX84〜86により、10〜15K
レベルまで温度降下後、トランスファチューブにて液体
ヘリウムデュワ側容器5へ送られる。定常運転において
は、液体ヘリウムデュワ上部に内蔵された熱交換器HX-8
7を介して、ＪＴ弁7で膨張液化し、非液化分は低圧戻り
ライン9にてコールドボックス内で常温まで温度回復さ
れる。
【００１４】装置起動時の初期冷凍や、停止時の全加温
動作において、液体ヘリウムデュワ上部の中圧ラインか
ら分岐11させた中圧ヘリウムを直接液体ヘリウムデュワ
に膨張12させることにより、予冷時にはＪＴ弁7末端部
より温度の低いガスを、加温時にはＪＴ弁7末端部より
温度の高いガスを供給可能な構造となっている。
動作において、液体ヘリウムデュワ上部の中圧ラインか
ら分岐11させた中圧ヘリウムを直接液体ヘリウムデュワ
に膨張12させることにより、予冷時にはＪＴ弁7末端部
より温度の低いガスを、加温時にはＪＴ弁7末端部より
温度の高いガスを供給可能な構造となっている。
【００１５】さらに、定常運転中の液化冷凍負荷変動に
対しては、ＪＴ弁7末端部とは異なるエンタルピのガス
を分岐ライン11から一部抽気・膨張させることにより、
系内の熱バランスを微妙に制御可能な構造となってい
る。
対しては、ＪＴ弁7末端部とは異なるエンタルピのガス
を分岐ライン11から一部抽気・膨張させることにより、
系内の熱バランスを微妙に制御可能な構造となってい
る。
【００１６】
【発明の効果】ＪＴ弁や最低温部分熱交換器HX87を液体
ヘリウムデュワ内部へ設置したことにより、コールドボ
ックス内部サポートされた従来方式に対して、液化ガス
雰囲気中に設置されているため定常的な外部侵入熱を低
減出来る。
ヘリウムデュワ内部へ設置したことにより、コールドボ
ックス内部サポートされた従来方式に対して、液化ガス
雰囲気中に設置されているため定常的な外部侵入熱を低
減出来る。
【００１７】ＪＴ弁や最低温部分熱交換器HX-87への外
部侵入熱の低減による、必要ヘリウム流量の低減すなわ
ち、システム熱効率の向上につながる。また、液体ヘリ
ウムデュワの初期冷凍や、加温時間の短縮にも効果があ
る。更に定常運転時における液体ヘリウムデユワ内部の
熱バランスを電気ヒータを使わずに直接的にかつ微妙に
制御できる効果がある。
部侵入熱の低減による、必要ヘリウム流量の低減すなわ
ち、システム熱効率の向上につながる。また、液体ヘリ
ウムデュワの初期冷凍や、加温時間の短縮にも効果があ
る。更に定常運転時における液体ヘリウムデユワ内部の
熱バランスを電気ヒータを使わずに直接的にかつ微妙に
制御できる効果がある。
【図１】本発明によるヘリウム液化冷凍システムの一実
施例を示す構成図である。
施例を示す構成図である。
【図２】図１において用いられるJT熱交換器(HX-7)を示
す模式的構成図である。
す模式的構成図である。
【図３】従来式の一般的なヘリウム液化冷凍システムを
示す構成図である。
示す構成図である。
２…ヘリウム圧縮機、２….第１膨張タービン、３…第2
膨張タービン、４….コールドボックス、５…液体ヘリ
ウムデュワ、６…トランスファーチューブ、７…ＪＴ
弁、８…中圧ヘリウムライン、９…低圧戻りヘリウムラ
イン、１１…中圧ヘリウム分岐ライン、１２…分岐ライ
ン用膨張弁。
膨張タービン、４….コールドボックス、５…液体ヘリ
ウムデュワ、６…トランスファーチューブ、７…ＪＴ
弁、８…中圧ヘリウムライン、９…低圧戻りヘリウムラ
イン、１１…中圧ヘリウム分岐ライン、１２…分岐ライ
ン用膨張弁。
Claims (4)
- 【請求項１】液体ヘリウムデュワ等の被冷却体断熱容器
と、主コールドボックスと、上記被冷却体断熱容器と主
コールドボックスとの間を接続し、極低温流体を循環さ
せるトランスファーチューブとからなるヘリウム液化冷
凍システムにおいて、最終液化過程のＪＴ弁とその上部
熱交換器を液体ヘリウムデユワ上部に内包させ、最低温
部分の熱侵入量を減少させたことを特徴とするヘリウム
液化冷凍システム。 - 【請求項２】上記液体ヘリウムデュワの初期冷凍、加温
を促進させるため、10〜15Kレベルのガスを直接液体ヘ
リウムデュワ内面に供給可能な分岐を備えたことを特徴
とする請求項１記載のヘリウム液化冷凍システム。 - 【請求項３】液体ヘリウムデュワ内上部に内包された熱
交換器の中圧入口部分から、直接デュワ内部に膨張させ
る回路を有し、液体ヘリウムデュワの単独予冷・加温時
間促進を図ったことを特徴とする請求項１記載のヘリウ
ム液化冷凍システム。 - 【請求項４】液体ヘリウムデュワ内上部に内包された熱
交換器の中圧入口部分から、直接デュワ内部に膨張させ
る回路を有し、液体ヘリウムデュワヒータの代用として
の負荷変動に対処可能としたことを特徴とする請求項１
記載のヘリウム液化冷凍システム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29670797A JPH11132584A (ja) | 1997-10-29 | 1997-10-29 | ヘリウム液化冷凍システム |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29670797A JPH11132584A (ja) | 1997-10-29 | 1997-10-29 | ヘリウム液化冷凍システム |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11132584A true JPH11132584A (ja) | 1999-05-21 |
Family
ID=17837052
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP29670797A Pending JPH11132584A (ja) | 1997-10-29 | 1997-10-29 | ヘリウム液化冷凍システム |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH11132584A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113138130A (zh) * | 2021-04-22 | 2021-07-20 | 哈尔滨工业大学 | 超低温原位拉伸台及扫描电镜超低温原位拉伸测试*** |
-
1997
- 1997-10-29 JP JP29670797A patent/JPH11132584A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113138130A (zh) * | 2021-04-22 | 2021-07-20 | 哈尔滨工业大学 | 超低温原位拉伸台及扫描电镜超低温原位拉伸测试*** |
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