JPS5863A - Ｈｅガスを用いる極低温用冷却方法 - 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】 本発明けＨ・ガスを用匹る極低温用冷却方法に関し、特
に冷却装着の冷凍能力を低下させることなく、操作圧力
を低下させて操作性および保守性を高めた極低温用冷却
方法忙関するものである。

極低ｍ液化Ｈ６は極低温技術の進歩に伴なって益々重要
性が高まっておｐｌ例えば超電導フイＶを使用する磁気
浮上列車、超電導回転１１．低温送電体、ＭｉｉＤ発電
機尋に活用されてｈる。

これらの装ＷＫ採用される極低温用冷却方法としては１
例えば第１ｍ（概略説明図）に示す様な方法が最も一般
的である。即ち第１図にお−て１は極低温発生装置、２
は冷却ボックス、８は負荷部を示し、■のガスは圧縮機
４で加圧された後冷却ボックス！内に送夛込まれる。そ
して！！１〜第１〜熱交換器６ａ−５・で熱交換により
冷却され液化し良後ＪＴ弁ｃジュールトムソン弁）６で
更に冷却され、負荷１１３１で被冷却体の熱を奪って昇
温し丸後、再び熱交換器６・〜３ａを逆方向に流れて入
ｐ側のＨｅを冷却した後再び圧縮機４に戻）、この経路
で循環することによって負荷部８で極低温が得られる様
になっている。この場合、負萄部麿からの返ｆｌｌＨ・
だけでは入り側Ｈ・を十分に冷却することができ１に−
から、入〕側Ｈａの管路の一部を分岐させてＨ・の一部
を膨張Ｉ−ビン７方崗に流し、断熱膨張によ〕冷却した
後返還Ｈｅへ合流させることによって、冷却効率の向上
を図ってｈる。淘補給Ｈｅガスは圧縮機４の直前等から
適宜供給される。

ところでとの植ｆｌ？ｉ＆ＪｉＯ方法では、Ｈ・ガスを
最終的に極低温の液化Ｈ＠に変換して負荷部に供給する
ものであ〕、その為には循環系を１ｂ〜２０匂／ａｗ２
ｓ度の高圧に保持する必要があり１強力な耐圧機器が要
求されると共に操作性も低く、シかも保守・点検が煩雑
である等の欠点があった。

更にｋｉ液体Ｈｅへの変換量と負荷部にシける必要等冷
食を一致させる為のコントロールＶステムが不可欠であ
ｐ、装置は複雑にならざるを得なかった。またこの様な
装置の性＠（動力原単位）を向上させる為には、ＪＴ＊
＠を通るＨ・のガス量を極力少なくするのが有効と考え
られている。ところが従来の装置では、ＪＴ弁を通った
後の流体（気・液混合物）中に金管れる液体■虐は８０
〜６０嚢にすぎず、負荷部で冷却に消費されるのは該液
体Ｈ・の蒸発潜熱のみである。ここで液体Ｈ・の蒸発潜
熱は約！ＯＪ／ｇＫであるから、ＪＴ弁６を通過した全
流体が保有す為冷却エネルギーは６〜■１／ｇＫと→こ
とＫなる。従って冷却効率を高めゐ為には、ＪＴ弁６を
出た流体中の液体Ｈ・含有率を高め単位流量当ｐの蒸発
潜熱を増大するのが有効と考えられるが、その為＃Ｃ＃
ｉ操作圧カをＩ！に高めたｐ熱交換器の数を増加し或は
その熱交換効率を高める必要かあ〕、装置は更に複雑且
つ大規模［する。

一方超電導技術の進歩に伴なって超電導材料等の改良も
急速〈進んでか〕、最近では必ずしも液体Ｈ・程度ＤＩ
ｉ低温でな（とも、若干高めの温度（６〜１０　＠［）
でも十分賽用化し得る様になってきえ。

本発明者等は上記の皺な伏況をふまえ、必要程度の極低
温を効率良（得ることができ、しかも装置及び操作を簡
素化すると共に動力原単位を向上し褐る様な技術の開発
を期して鋭意研究を進めてきた。その結果、ある温度及
び圧力の状態下におけるＨ・ガスは高い比熱を有してシ
〕、この比熱を利用し、極低温Ｈ・ガス自体の顕熱によ
って冷逓する方法を採用すれば上記の目的が兄事に達成
されることを知〕、対に本発明の完成をみた。

即ち本発明に係る極低温用冷却方法とは、閉サイクル内
でＨｅガスをガス状のままで循環させ。

その循環過程でＨｅ、ガスの圧縮と膨張を行なうことに
よりＨ・を極低温に冷却させる極低温用冷却方法であっ
て、はぼ常温常圧の低圧Ｈ・ガスを圧ＩｔｉＩ４１１に
よって５〜８ＳＣ圧Ｈｅガスとし、該加ｆＥ）Ｉｓガス
を、熱交換器を通して帰還する低圧Ｈｅガスと熱交換さ
せて冷却する他、その冷却過程で該加圧Ｈ・ガスの一部
を膨張タービンに供給して冷却した後上記低温低圧Ｈｅ
ガス帰還流路に供給し。

最終熱交換器において５〜８°に、Ｓ〜８’ｊＣ圧の極
低温Ｈｅガスとし、蒙Ｈ・ガスを極低温利用系に供給し
て冷却を行ない、ａ利用系よシ帰還すゐ昇温したＨ１ｌ
ガスを、膨張弁に通して低圧Ｈｅガスとした後前記最終
熱交換器に供給し、続りて低圧Ｈ・ガス帰還流路を通し
て加圧Ｈｅガスを冷却しつつ前記圧縮機入口側に帰還さ
せるところに要旨が存在する。

以下実施例を示す図面に基づいて本発明の構成及び作用
効果を説明するが、下記は代表例であつて本発明を限定
する性質のものではな（、熱交換器の数や配瞳、膨鰻タ
ービンの取付は位置十数等は極低謳利用系の熱容量や要
求される噂冷の程度等に応じて任意に変芝することがで
き、それらはすべて本発明技術の範囲に含まれる。

まず本発明者等は、液化Ｈ・ガスの蒸発潜熱を利用した
従来の極低温発生技術に代えて、Ｈ・ガス自体の顕熱を
冷ｔｌｌｌＩＫ利用するという着想を生かす為、Ｗｉ低
温下におけるＨ・ガスの比熱と圧力の関係を調べた。そ
の結果嬉！図に示す如く極めて特徴的な傾向を示すこと
が分かった。却ち第２図からも明らかな様に、液体ｌｉ
ｅの比熱は温度が８０に以下で且つ圧力が２〜８ｇＣ圧
の範囲で最大の値を示す。従ってＨ・ガスの顕熱を冷却
に利用するという立場からすれば、前述のＩＩＩな循環
閉回路の負荷部におけるＨｅガスの温度及び圧力を上記
範囲に設定してやれば、Ｈ・ガスをあえて液化させるま
でもなくガス状の１まで効率良く冷却することがで暑、
それに伴なって操作圧力を大幅に低下させることが可能
になる。但し負荷部＃！ｃシける圧力が低すぎると、後
で詳述する如（負荷部で昇温したＨｅガスの膨張弁通過
時の膨張率が不十分になって十分な寒冷が得られなく１
に、ａ、熱交換による入シ側Ｈ・ガスの冷却が不十分＃
Ｃ′＆るので。

負荷部における圧力は少なくとも５ｇＩＣ圧以上にしな
ければならない。即ち本発明では負荷部におけるＨ６ガ
スの温度が５〜８＠に、圧力が１５〜８ｇＣ圧になる様
に操作条件を設定すゐととによって。

ガス状Ｈ・の顕熱を最大限有効に活用した高い冷却効果
を得ることができる。

第８図は本発明の実施例を示す概略説明図であシ、１け
極低温発生装置、２は冷却ボックス、８は負荷部を示し
、Ｈｅガスはほぼ常温・常圧の状態で圧！１１１４に供
給され、この部分でｒ１〜８［圧程度に加圧した後冷却
ボックス２に送ル込！れる。

冷却ボックス２内には複数の熱交換ｌ！Ｓａ〜５ｅが直
列に配着されてお）、加圧Ｈ・ガス＃ｉ該熱交換器５１
〜５・を順次通過しつつ、負荷部８からＪＴ弁を経て帰
還する低温の低圧Ｈ・ガスとの熱交換によって順次冷却
され、負荷ｓ８に送られる。

爾負荷ａｍでは、前述の如くＨ・ガスの温度を５〜８°
Ｋにする必要があ〕、その為には入シ側の加圧Ｈ・ガス
が最終熱交換器ｂ６を出る壕での間に所定温度オで冷却
する必要がある。そこで本発明でＦｉ負萄部８で昇１し
たＨ・がスをＪＴ弁６ではｔ！常圧塘で断熱膨張させ、
帰還側の低圧Ｈｅガスを冷却するが、この低圧Ｈ・ガス
だけでは入り側高圧Ｈｅガスを十分に冷却させることが
できないから、入〕側管路を適所で分岐させて加圧Ｈ・
ガスの一部を膨張タービン７に送プ、はぼ常圧まで断熱
膨張させて冷却し帰還側の低圧Ｈ・ガスに合流させる。

このときの加圧■・ガスの分岐量を調整することによっ
て、最終熱交換器６ｏから出先後の加圧Ｈ６ガス温度（
Ｅち負荷部８に供給される加圧Ｈ・ガス温度）を適宜関
整することがで自る。崗加圧Ｈ・ガスの圧力は、熱交換
器群を通過し冷却する過程で圧力損失を生じ、低下する
からこの圧力低下を考慮して圧縮機４では若干高めの圧
力（６〜８気圧以上）Ｋｌｌ！ｌＩする必Ｗ１１ボある
。

淘加圧Ｈ・ガスの圧力が低すぎると、ＪＴ弁６による断
熱膨張率を十分に高めることができず、しか４膨張ター
ビン７による断熱膨張率も小さく１に夛、とれらによる
低圧Ｈ・ガスの冷却が不十分になる結果、熱交換による
入）側加圧Ｈ・ガスの冷却が不十分になる。即ち負荷部
に供給される加圧Ｈ・ガスの温度を５〜８°Ｋ　Ｋ＠＠
する為には。

加圧［ｅガスの圧力をｂｇｌｃ圧以上ＶＣ設定し、ＪＴ
弁６及び膨張タービン７による低圧Ｈ６ガスの冷却を十
分に行なう必要があ〕、第２図で説明したＨｅガスの比
熱を考慮すると、加圧Ｈ・ガスの適正圧力＃ｉ５〜８電
圧ということになる。

上記の様に温度及び圧力を設定した加圧Ｈ・ガスの比熱
は、ｔｌｉＲ図からも明らかな様に約９１／ｇＫ以上を
示すが、これは従来のＨｅガスを液化させるときの蒸発
潜熱を利用する方法にほぼ匹敵する冷凍能力を発揮する
。即ち先に説明した様に、従来法でＪＴ弁を通過させ１
ＬＪｉｌＷ６に供給される電液混合伏麹のＨ・（８体含
有率は８０〜６０参程度）が保育する冷却エネルギーは
６〜１　ｆｌ　１／ｇＫ（液体Ｈ・の蒸発潜熱によるも
の）であ）、本発明のＨ・ガスの比熱が約９ＶｇＫ以上
であることを考えると１本発明法は従来法に比べて★り
た〈遜色ノない冷凍能力を発揮すゐことが理解される。

本発明は概略以上の様に＠成されておシ、その効果を要
約すれば下記の通ルである。

■Ｈ・ガスを液化させることなくガス状のｔｔで負荷部
に供給して冷却する方法であ夛、１１環系の圧力を大幅
に低下させることができ、装置の設計及び保全が容易ｉ
ｃ＆る。ｔ−に圧！Ｉ１１等の動力も低く抑えることが
でき、極低温を得る為の動力原本位を低減できる。

■Ｈ・をガス状の１まで負荷部に供給する方法であり、
従来例の如く冷却エネルギー所要量と液体Ｈ・の組成量
を調整する必要がな（、操作が簡単で且つ冷却エネルギ
ーの調整が容易である。

■従来法では、ＪＴ弁通過後の液化Ｈ・生成率によって
冷却能率が支配４され、液化Ｈ６生成率はせいぜい６０
憾程度であるが１本発明では比熱の大１１藝Ｈ・ガスを
そのまま冷却エネルギートシテ刊用する方法であシ、冷
却効率はむしろ向上する。

を図面の簡単１ｋｌｌｉ！明 第゛１図は従来の極低温発生装置を示す略図、第２図は
Ｈ・ガスの温度及び圧力と比熱の関係を示すグラフ、第
８図は本発明の賽施例を示す説明図である。

１・・・極低温発生装置　２・・・冷却ボックス８・・
・負荷部　　　　　４・・・圧縮機５「４ｅ−熱交換器
　　６−・１丁弁 ７・・・膨張タービン

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ＋１１閉サイクル内でＰ６ガスを循環させ、その循環過
   程でＨｅガスの圧縮と膨張を行なうことによｌＨｅを極
   低ｍＶｃ冷却させる極低温用冷却方法において、はぼ常
   温常圧の低圧Ｈ・ガスを圧縮機によって６〜８ｇｐｃ圧
   の加圧Ｈｅガスとして熱交換器に通し１ｗ！熱交換器を
   通って帰還する低温低回・ガスと熱交換させて冷却する
   他、その冷却過程で該加圧Ｈｅガスの一部を膨張タービ
   ンに供給して冷却した後上記の低温低圧Ｈｅガス帰還流
   路に合流させ、最終熱交換器においてｂ〜８°に、　ｆ
   ｓ〜８［圧の極低温Ｈ・ガスとし、−Ｈｅガスを極低温
   利用糸に供給して冷却を行ない、該利用系より帰還する
   昇温したＨ・ガスを膨張弁を通して低圧Ｈｅガスとし九
   後前記最終熱交換Ｈに供給し、更に低圧Ｈ・ガス帰還流
   路を通して加圧Ｈ６ガスを冷却しつつ前記圧縮機入口側
   に帰還させることを特徴とするＨｅガスを用いる極低温
   用冷却方法。 （２、特許請求の範囲第１項において、加圧Ｈ・ガスを
   直列に配着し九ｍ！１〜第６の熱交換器を通して冷却し
   、第５熱交換器出口側において５〜８°Ｋ。 ６〜８就圧とすると共に、膨張弁を出た低圧Ｈｅガスを
   第６〜嬉１熱交換器のＩＩｊｉに通して圧縮機入口側ぺ
   帰還させる他、第１熱交換器及び第８熱交換器出口側の
   加圧Ｈ６ガスの一部を夫々膨張タービンに供給して冷却
   した後、該各タービンからのａロガスを低圧Ｈ・ガス帰
   還流路の第２熱交換器及び第４熱交換器入口側に夫々供
   給する極低温用冷却方法。