(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも二段の冷却ステージを有するとともにその最終段冷却ステージを液体ヘリウム温度とすることができる冷凍機を少なくとも２台用いることにより、前記最終段冷却ステージに熱接触させた凝縮器においてヘリウムガスを凝縮液化可能なヘリウムガス凝縮液化装置であって、前記一方の冷凍機の最終段冷却ステージを第１の冷却温度とするとともに、前記他方の冷凍機の最終段冷却ステージをこの第１の冷却温度より低い第２の冷却温度に運転可能とし、前記凝縮器を前記他方の冷凍機におけるこの第２の冷却温度にある最終冷却ステージに熱接触させ、前記一方の冷凍機の第１段冷却ステージを第１の冷却温度とするとともに前記他方の冷凍機の第１段冷却ステージをこの第１の冷却温度より低い第２の冷却温度に運転可能とし、外部から供給される前記ヘリウムガスがこの第１の冷却温度の第１段冷却ステージおよびこの第２の冷却温度の第１段冷却ステージとそれぞれ順次熱交換可能としたことを特徴とするヘリウムガス凝縮液化装置。
【請求項２】
少なくとも二段の冷却ステージを有するとともにその最終段冷却ステージを液体ヘリウム温度とすることができる冷凍機を少なくとも２台用いることにより、前記最終段冷却ステージに熱接触させた凝縮器においてヘリウムガスを凝縮液化可能なヘリウムガス凝縮液化装置であって、前記一方の冷凍機の最終段冷却ステージを第１の冷却温度とするとともに、前記他方の冷凍機の最終段冷却ステージをこの第１の冷却温度より低い第２の冷却温度に運転可能とし、前記凝縮器を前記他方の冷凍機におけるこの第２の冷却温度にある最終冷却ステージに熱接触させ、
前記冷凍機の冷却ステージに熱接触可能に外部から供給される前記ヘリウムガスを、前記少なくとも２台の冷凍機の第１段冷却ステージにそれぞれ熱交換可能に室温部から供給する予冷配管を設け、これらの予冷配管の少なくとも一方に流量調節弁を設けたことを特徴とするヘリウムガス凝縮液化装置。
【請求項３】
少なくとも二段の冷却ステージを有するとともにその最終段冷却ステージを液体ヘリウム温度とすることができる冷凍機を少なくとも２台用いることにより、前記最終段冷却ステージに熱接触させた凝縮器においてヘリウムガスを凝縮液化可能なヘリウムガス凝縮液化装置であって、前記一方の冷凍機の最終段冷却ステージを第１の冷却温度とするとともに、前記他方の冷凍機の最終段冷却ステージをこの第１の冷却温度より低い第２の冷却温度に運転可能とし、前記凝縮器を前記他方の冷凍機におけるこの第２の冷却温度にある最終冷却ステージに熱接触させ、
前記凝縮器は、これを前記それぞれの冷凍機の前記最終冷却ステージにそれぞれ設けるとともに、一方の凝縮器と他方の凝縮器との間を前記ヘリウムガスおよび液体ヘリウムが流れるように配管接続したことを特徴とするヘリウムガス凝縮液化装置。
【請求項４】
少なくとも二段の冷却ステージを有するとともにその最終段冷却ステージを液体ヘリウム温度とすることができる冷凍機を少なくとも２台用いることにより、前記最終段冷却ステージに熱接触させた凝縮器においてヘリウムガスを凝縮液化可能なヘリウムガス凝縮液化装置であって、前記一方の冷凍機の最終段冷却ステージを第１の冷却温度とするとともに、前記他方の冷凍機の最終段冷却ステージをこの第１の冷却温度より低い第２の冷却温度に運転可能とし、前記凝縮器を前記他方の冷凍機におけるこの第２の冷却温度にある最終冷却ステージに熱接触させ、
前記ヘリウムガスの精製器を前記冷凍機の上流側に取り付けるとともに、前記冷凍機により冷却される低温精製器としたことを特徴とするヘリウムガス凝縮液化装置。
【請求項５】
少なくとも二段の冷却ステージを有するとともにその最終段冷却ステージを液体ヘリウム温度とすることができる冷凍機を少なくとも２台用いることにより、前記最終段冷却ステージに熱接触させた凝縮器においてヘリウムガスを凝縮液化可能なヘリウムガス凝縮液化装置であって、前記一方の冷凍機の最終段冷却ステージを第１の冷却温度とするとともに、前記他方の冷凍機の最終段冷却ステージをこの第１の冷却温度より低い第２の冷却温度に運転可能とし、前記凝縮器を前記他方の冷凍機におけるこの第２の冷却温度にある最終冷却ステージに熱接触させ、
前記冷凍機の少なくとも一方の第１段冷却ステージに加熱手段を設けたことを特徴とするヘリウムガス凝縮液化装置。
【請求項６】
少なくとも二段の冷却ステージを有するとともにその最終段冷却ステージを液体ヘリウム温度とすることができる冷凍機を少なくとも２台用いることにより、前記最終段冷却ステージに熱接触させた凝縮器においてヘリウムガスを凝縮液化可能なヘリウムガス凝縮液化装置であって、前記凝縮器は、これを前記それぞれの冷凍機の前記最終冷却ステージにそれぞれ設け、かつ互いに熱的に分離するとともに、これら凝縮器の互いの間にガス相配管および混相配管を接続したことを特徴とするヘリウムガス凝縮液化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はヘリウムガス凝縮液化装置にかかるもので、とくに液来ヘリウムレベルの温度（大気圧で温度４．２Ｋ）にヘリウムガスを冷却可能な蓄冷式冷凍機（たとえばＧＭ冷凍機など）その他の冷凍機を用いて、ヘリウムガスを液体ヘリウムに凝縮液化可能なヘリウムガス凝縮液化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、液体ヘリウムを使用する各種の液体ヘリウム装置、たとえば超電導磁石、ＳＱＵＩＤ（超電導量子干渉デバイス）およびＭＲＩ（磁気共鳴像）、などにおいては、蒸発して消費される液体ヘリウムの補給が問題となる。
この液体ヘリウムの補給システムとして、たとえばヘリウムガスを液体ヘリウムに冷却可能な冷凍機を装備することにより、蒸発ガスを再凝縮し、補給なしで連続的に運転することが可能になる。また、何らかの理由により液体ヘリウムの量が減少した場合に、外部から供給されるヘリウムガスを液化してこれを補充する追加的な液化システムが必要となる。
すなわち、液体ヘリウムの補給システムに装備するヘリウム冷凍機としては、再凝縮運転モード、さらに、追加的液化運転モードないし液化運転モードの両方の運転モードが要求されるケースが多い。
【０００３】
上述のような液体ヘリウム補給システム用のヘリウム冷凍機として温度４Ｋレベルに冷却可能なＧＭ冷凍機（４Ｋ−ＧＭ冷凍機）などの蓄冷式冷凍機を使用することができるが、１台当たりの冷凍能力に限界があり、要求される冷凍能力が大きな場合には、複数台の冷凍機を用いることになる。
【０００４】
なお、ヘリウムガスを単純に液化するためのヘリウムガス液化装置においても、上述と同様にヘリウムガスを液化する機能はもちろん、蒸発ガスを再凝縮する機能を要求される場合がある。
【０００５】
図８は、温度４Ｋレベルの冷凍能力を有する蓄冷式冷凍機（たとえばＧＭ冷凍機）を複数台（たとえば２台）用いた場合の一般的なヘリウムガス凝縮液化装置１の概略側面図であって、ヘリウムガス凝縮液化装置１は、液体ヘリウム装置２（液体ヘリウム容器）から蒸発するヘリウムガスを再凝縮して液体ヘリウムとするとともに、外部からヘリウムガスを補充してこれを液体ヘリウムとして供給することができるもので、クライオスタット３と、２台のＧＭ冷凍機（第１のＧＭ冷凍機４および第２のＧＭ冷凍機５）と、凝縮器６と、を有する。
【０００６】
液体ヘリウム装置２は、液体ヘリウムを使用する、たとえば超電導磁石、ＳＱＵＩＤ（超電導量子干渉デバイス）、ＭＲＩ（磁気共鳴像）、あるいはヘリウムガスの液化装置などである。
【０００７】
クライオスタット３は、その内部にヘリウムガス凝縮液化装置１とともに液体ヘリウム装置２を収容してある。
【０００８】
第１のＧＭ冷凍機４および第２のＧＭ冷凍機５は、同一の構成を有するとともにこれを並列的に使用するもので、第１のＧＭ冷凍機４は第１段冷却ステージ７および第２段冷却ステージ８を、第２のＧＭ冷凍機５は第１段冷却ステージ９および第２段冷却ステージ１０をそれぞれ有する。
それぞれの第１段冷却ステージ７および第１段冷却ステージ９を熱伝導性の良好な第１段熱接触部材１１により互いに熱接触させる。第２段冷却ステージ８および第２段冷却ステージ１０を同じく熱伝導性の良好な第２段熱接触部材１２により互いに熱接触させる。
【０００９】
第１のＧＭ冷凍機４および第２のＧＭ冷凍機５の運転によって、第１段冷却ステージ７および第１段冷却ステージ９（第１段熱接触部材１１）は通常、温度３０Ｋ〜６０Ｋ程度に冷却され、第２段冷却ステージ８および第２段冷却ステージ１０（第２段熱接触部材１２）は、温度４Ｋ程度に冷却される。
【００１０】
凝縮器６は、これを第２段冷却ステージ８および第２段冷却ステージ１０（第２段熱接触部材１２）に熱接触させてあるもので、外部からのヘリウムガスの供給配管１３（予冷配管）、液体ヘリウム装置２からの蒸発配管１４、および液体ヘリウム装置２への液化配管１５を接続してある。
【００１１】
供給配管１３には、第１段冷却ステージ７および第１段冷却ステージ９の部分において第１の熱交換器１６を設け、第２段冷却ステージ８および第２段冷却ステージ１０の部分において第２の熱交換器１７を設けてある。
これら第１の熱交換器１６および第２の熱交換器１７の構成としては、第１のＧＭ冷凍機４および第２のＧＭ冷凍機５のステンレス製のシリンダーに銅製円筒状の熱負荷フランジをロウ付けし、この熱負荷フランジに供給配管１３の部分の銅管をコイル状に巻き付けるとともにロウ付けて予冷用の構成とするのが一般的である。
【００１２】
こうした構成のヘリウムガス凝縮液化装置１において、ヘリウムの蒸発ガスを再凝縮して液体ヘリウム装置２内の液面を一定に保持する再凝縮運転モードの場合、蒸発したヘリウムガスを低温状態のまま蒸発配管１４を介して凝縮器６に導いて再凝縮する。この再凝縮運転モードの場合には、供給配管１３を介した外部からのヘリウムガスの供給は行われず、基本的に、温度４．２Ｋの蒸発ヘリウムガスを凝縮して温度４．２Ｋの液体ヘリウムにするだけであり、凝縮器６における熱負荷は、ヘリウムガスの蒸発潜熱量のみである。
【００１３】
液体ヘリウム装置２内の液面が低下してヘリウムを追加液化する追加液化運転モードの場合、あるいは運転当初に液体ヘリウム装置２内に液体ヘリウムを充填するような液化運転モード場合には、ヘリウムボンベ（図示せず）などからの常温のヘリウムガスを供給配管１３からヘリウムガス凝縮液化装置１に供給し、第１段冷却ステージ７および第１段冷却ステージ９の第１の熱交換器１６の部分で温度約４０Ｋまで予冷し、次の第２段冷却ステージ８および第２段冷却ステージ１０の第２の熱交換器１７の部分における凝縮器６で温度約４．２Ｋに冷却して凝縮液化し、液化配管１５を介して液体ヘリウムとして液体ヘリウム装置２に補充ないし充填する。
【００１４】
上述のような液化運転モードの場合には、再凝縮運転モードの場合とは異なり、第２段冷却ステージ８および第２段冷却ステージ１０における熱負荷は、第１段冷却ステージ７および第１段冷却ステージ９の温度に予冷されたヘリウムガスをさらに液化温度まで冷却するために必要とする顕熱量と、液化温度にあるヘリウムガスを凝縮して液体ヘリウムとするために必要とする蒸発潜熱量との和となる。
ヘリウムガスの顕熱量は比較的大きいため、第１のＧＭ冷凍機４および第２のＧＭ冷凍機５におけるそれぞれの第２段冷却ステージ８および第２段冷却ステージ１０の冷凍能力は、かなりの部分をこの顕熱量分の冷却に費やされることになる。
【００１５】
たとえば、１気圧のヘリウムガスを液化する場合、第１段冷却ステージ７および第１段冷却ステージ９の温度を４０Ｋとすると、温度４０Ｋのヘリウムガスを温度４．２Ｋのヘリウムガスに冷却するための顕熱量は、温度４０Ｋのヘリウムガスのエンタルピーが２２３ジュール／グラム、温度４．２Ｋのヘリウムガスのエンタルピーが３０ジュール／グラムであるから、２２３−３０＝１９３ジュール／グラムとなる。
また、温度４．２Ｋのヘリウムガスを同じ温度の液体ヘリウムにするための潜熱量は、温度４．２Ｋの液体ヘリウムのエンタルピーが１０．１ジュール／グラムであるから、３０−１０．１＝１９．９ジュール／グラムとなる。
上記顕熱量とこの潜熱量との比は、１９３：１９．９≒１０：１にもなる。すなわち、液化速度でみれば、再凝縮運転モードでは、たとえば１リットル／日だけの液体ヘリウムを得ることができるが、液化運転モードでは、１／１１リットル／日しか液化することができないことになる。
【００１６】
具体的な流量を計算してみると、図８のヘリウムガス凝縮液化装置１において２台の第１のＧＭ冷凍機４および第２のＧＭ冷凍機５を並列に組み合わせて冷凍能力を上げようとする場合、１台の第２段冷却ステージにおける冷凍能力（熱負荷）を１ワットとすると、２台を組み合わせた場合に温度４Ｋレベルにおける冷凍能力は、１＋１＝２ワットである。実際の熱負荷は、温度４０Ｋのヘリウムガスを温度４．２Ｋの液体ヘリウムにするのであるから、（２２３−１０．１）×流量となる。したがって、２＝（２２３−１０．１）×流量、の式から、流量＝２／２１２．９＝０．００９４グラム／秒、つまり毎秒０．００９４グラムの液体ヘリウムしか得られないことになる。
【００１７】
要するに、要求される冷凍能力を高めるために複数台の第１のＧＭ冷凍機４および第２のＧＭ冷凍機５を使用する場合に、これを単純に並列に接続して運転する構成では、それほど冷凍能力を高めることにはならず、冷凍能力を向上可能なヘリウムガス凝縮液化装置が要請されるものである。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は以上のような諸問題にかんがみなされたもので、液体ヘリウム装置などにおける蒸発ガスを再凝縮して液体ヘリウム面を保持するとともに、必要に応じて外部からヘリウムガスを供給して追加液化することができるヘリウムガス凝縮液化装置を提供することを課題とする。
【００１９】
また本発明は、液化能力を高めることが可能なヘリウムガス凝縮液化装置を提供することを課題とする。
【００２０】
また本発明は、必要に応じて能率よくヘリウムガスを液体ヘリウムに凝縮液化することができるヘリウムガス凝縮液化装置を提供することを課題とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明は、少なくとも２台のＧＭ冷凍機を用いてヘリウムガスを液体ヘリウムに凝縮液化するに際し、第１のＧＭ冷凍機および第２のＧＭ冷凍機の第１段冷却ステージおよび第２段冷却ステージ（最終段冷却ステージ）においてヘリウムガス温度を順次低下させて冷却することに着目したもので、第一の発明は、少なくとも二段の冷却ステージを有するとともにその最終段冷却ステージを液体ヘリウム温度とすることができる冷凍機を少なくとも２台用いることにより、上記最終段冷却ステージに熱接触させた凝縮器においてヘリウムガスを凝縮液化可能なヘリウムガス凝縮液化装置であって、上記一方の冷凍機の最終段冷却ステージを第１の冷却温度とするとともに、上記他方の冷凍機の最終段冷却ステージをこの第１の冷却温度より低い第２の冷却温度に運転可能とし、上記凝縮器を上記他方の冷凍機におけるこの第２の冷却温度にある最終冷却ステージに熱接触させ上記一方の冷凍機の第１段冷却ステージを第１の冷却温度とするとともに上記他方の冷凍機の第１段冷却ステージをこの第１の冷却温度より低い第２の冷却温度に運転可能とし、外部から供給される前記ヘリウムガスがこの第１の冷却温度の第１段冷却ステージおよびこの第２の冷却温度の第１段冷却ステージとそれぞれ順次熱交換可能とすることを特徴とするヘリウムガス凝縮液化装置である。
【００２３】
上記冷凍機の冷却ステージに熱接触可能に外部から供給される上記ヘリウムガスを、上記少なくとも２台の冷凍機の第１段冷却ステージにそれぞれ熱交換可能に室温部から供給する予冷配管を設け、これらの予冷配管の少なくとも一方に流量調節弁を設けることができる。
【００２４】
上記凝縮器は、これを上記それぞれの冷凍機の上記最終冷却ステージにそれぞれ設けるとともに、一方の凝縮器と他方の凝縮器との間を上記ヘリウムガスおよび液体ヘリウムが流れるように配管接続することができる。
【００２５】
上記ヘリウムガスの精製器を上記冷凍機の上流側に取り付けるとともに、上記冷凍機によって冷却される低温精製器として、ヘリウムガス中の不純物を除去することができる。
【００２６】
上記冷凍機の少なくとも一方の第１段冷却ステージに電気ヒーターなどの加熱手段を設けることができる。
【００２７】
第二の発明は、ふたつの凝縮器をそれぞれ熱的に独立して最終段冷却ステージに熱接触することに着目したもので、少なくとも二段の冷却ステージを有するとともにその最終段冷却ステージを液体ヘリウム温度とすることができる冷凍機を少なくとも２台用いることにより、上記最終段冷却ステージに熱接触させた凝縮器においてヘリウムガスを凝縮液化可能なヘリウムガス凝縮液化装置であって、上記凝縮器は、これを上記それぞれの冷凍機の上記最終冷却ステージにそれぞれ設け、かつ互いに熱的に分離するとともに、これら凝縮器の互いの間にガス相配管および混相配管を接続したことを特徴とするヘリウムガス凝縮液化装置である。
【００２８】
本発明によるヘリウムガス凝縮液化装置においては、第１のＧＭ冷凍機および第２のＧＭ冷凍機の第１段冷却ステージおよび第２段冷却ステージ（最終段冷却ステージ）においてヘリウムガス温度を順次低下させて冷却するようにしたので、それぞれの冷却ステージの間における冷却温度差を小さくし、能率的な冷却を可能とする。
換言すれば、高温部から低温部にいきなり冷却するのではなく、徐々に低温に冷却し、より低い温度で有効に機能するＧＭ冷凍機を活用するようにしたので、ヘリウムガス凝縮液化装置としての冷凍能力を増強することができる。
【００２９】
また第二の発明においては、ふたつの凝縮器を熱的に独立に最終段冷却ステージに熱接触するようにしたので、再凝縮運転モード（ヘリウムガスを液体ヘリウム装置からの蒸発ガスとして凝縮器に直接供給可能とする場合）のみを行う場合は２台の冷凍機ともに第２段冷却ステージは約４Ｋの温度となり、蒸発ガスはどちらの凝縮器にも流入して凝縮される。すなわち、凝縮器を２個設けたことにより、２台分の冷凍能力で凝縮を行うことができる。
一方、液化運転モード（ヘリウムガスを外部から第１段冷却ステージを経て順次供給する場合）では、前段の凝縮器は、たとえば約６Ｋの温度となって凝縮作用は行わず、外部から供給されるヘリウムガスを温度６Ｋに予冷する役割を担うことになり、凝縮器が１個だけの場合と同じように最終段の凝縮器が凝縮液化の役割を行うことになる。
【００３０】
本発明によるヘリウムガス凝縮液化装置は、液体ヘリウムを使用する各種の液体ヘリウム装置、たとえば超電導磁石、ＳＱＵＩＤ（超電導量子干渉デバイス）、ＭＲＩ（磁気共鳴像）用のヘリウム液面保持装置としてはもちろん、ヘリウムガスの液化装置としても使用可能である。
【００３１】
【発明の実施の形態】
つぎに本発明の基本的な形態によるヘリウムガス凝縮液化装置２０を図１にもとづき説明する。ただし、図８と同様の部分には同一符号を付し、その詳述はこれを省略する。図１は、ヘリウムガス凝縮液化装置２０の概略側面図であって、ヘリウムガス凝縮液化装置２０は、ヘリウムガス凝縮液化装置１（図８）とは異なり、凝縮器６に相当する凝縮器２１を第２のＧＭ冷凍機５の第２段冷却ステージ１０のみに設けてこれに熱接触させてある。第１のＧＭ冷凍器４の第２段冷却ステージ８には凝縮器を設けていない。
【００３２】
すなわち、供給配管１３の第１の熱交換器１６を第１段冷却ステージ７および第１段冷却ステージ９に熱接触させるとともに、第２の熱交換器１７は第２段冷却ステージ８および第２段冷却ステージ１０に共通ではなく第２段冷却ステージ８のみに熱接触させてある。つまり、第２段冷却ステージ８および第２段冷却ステージ１０を第２段熱接触部材１２（図８）などで熱的に接触させることなく、第２段冷却ステージ８および第２段冷却ステージ１０が異なる冷却温度で運転することができるようにする。
たとえば、第２段冷却ステージ８における第２の熱交換器１７は温度６Ｋレベル（第１の冷却温度）でヘリウムガスを冷却し、第２段冷却ステージ１０は温度４Ｋレベル（第２の冷却温度）でヘリウムガスを冷却する。
【００３３】
こうした構成のヘリウムガス凝縮液化装置２０において、追加液化運転モードの場合、第１段冷却ステージ７および第１段冷却ステージ９の第１の熱交換器１６の部分で予冷されたヘリウムガスは、従来のようにいきなり温度４Ｋレベルに冷却されるのではなく、第２段冷却ステージ８（第２の熱交換器１７）の部分において一度温度６Ｋに冷却された上で第２のＧＭ冷凍機５の第２段冷却ステージ１０において温度４Ｋに冷却されるので、第２段冷却ステージ１０の部分における冷却能率を向上させることができる。
【００３４】
具体的な流量を計算してみると、１台の第２のＧＭ冷凍機５の第２段冷却ステージ１０における冷凍能力（熱負荷）を１ワットとする。
実際の熱負荷は、温度６Ｋのヘリウムガスのエンタルピーが４３ジュール／グラムであるから、温度６Ｋのヘリウムガスを温度４．２Ｋの液体ヘリウムにするのであるから、（４３−１０．１）×流量となる。
したがって、１＝（４３−１０．１）×流量、の式から、流量＝１／３２．９＝０．０３０４グラム／秒、つまり毎秒０．０３０４グラムの液体ヘリウムを得ることができる。
図８のヘリウムガス凝縮液化装置１の場合には、ＧＭ冷凍機４、５の２台で０．００９４グラム／秒であるから、本実施の形態のヘリウムガス凝縮液化装置２０のように第２段冷却ステージ８および第２段冷却ステージ１０を分離して使用する場合の方が液化能力を増強することができる。
【００３５】
なお、再凝縮運転モードの場合には、蒸発配管１４からの蒸発ヘリウムガスの凝縮能率は、ヘリウムガス凝縮液化装置１（図８）の場合の約半分となる。上述のように、追加液化運転モードにおける能率を大幅に向上させると同時に、再凝縮運転モードでの凝縮能率も維持したい場合には、後述するように、２台の冷凍機のそれぞれに凝縮器を設ければよい。
【００３６】
図２は、本発明の第１の実施の形態によるヘリウムガス凝縮液化装置３０の概略側面図であって、ヘリウムガス凝縮液化装置２０（図１）のように第２段冷却ステージ８および第２段冷却ステージ１０の分離のみではなく、第１段冷却ステージ７および第１段冷却ステージ９もこれを熱的に分離した構成としてある。すなわち、ヘリウムガス凝縮液化装置３０は、第２段冷却ステージ１０のみに凝縮器２１を熱接触してあるとともに、供給配管１３の第１の熱交換器１６を分離して、第１段冷却ステージ７に熱接触している第１の熱交換器３１、および第１の熱交換器３１とは独立に第１段冷却ステージ９に熱接触している第２の熱交換器３２を設けている。したがって、供給配管１３の第１の熱交換器３１、第２の熱交換器３２および第２の熱交換器１７は、直列に接続されていることになる。
【００３７】
こうした構成のヘリウムガス凝縮液化装置３０において、たとえば図示のように第１のＧＭ冷凍機４の第１段冷却ステージ７を温度６０Ｋ（図１のヘリウムガス凝縮液化装置２０とは異なり第１の熱交換器３１は第１のＧＭ冷凍機４のみに熱接触しているので、温度４０Ｋまでには低下しない）、第２のＧＭ冷凍機５の第１段冷却ステージ９を温度３５Ｋ、第１のＧＭ冷凍機４の第２段冷却ステージ８を温度６Ｋ、さらに第２のＧＭ冷凍機５の第２段冷却ステージ１０および凝縮器２１を温度４Ｋに保持して運転することが可能となり、供給配管１３からの常温のヘリウムガスを段階的に冷却することができ、さらに冷却能率を向上することができる。
【００３８】
すなわち、図１のヘリウムガス凝縮液化装置２０の場合に比較して、ヘリウムガス凝縮液化装置３０では、第１のＧＭ冷凍機４の第１段冷却ステージ７から第２のＧＭ冷凍機５の第１段冷却ステージ９へと順次冷却していくため、ヘリウムガスをより低い温度で第１のＧＭ冷凍機４の第２段冷却ステージ８へ送り込むことができる。
【００３９】
ただし、第２のＧＭ冷凍機５の第１段冷却ステージ９の温度が低くなりすぎると、第１段冷却ステージ９にヘリウムガスがより多く通過する結果、その第２段冷却ステージ１０へのヘリウムガスの供給量が減少して、第２段冷却ステージ１０の冷凍能力が低下するおそれがある。
図３は、４Ｋ−ＧＭ冷凍機の冷凍性能試験のグラフであって、グラフ中の縦方向の一群のプロットは、第１段冷却ステージの熱負荷が０ワット、２０ワット、４０ワットの場合を示し、グラフ中の横方向の一群のプロットは、第２段冷却ステージの熱負荷が０ワット、２ワット、４ワット、６ワット、８ワット、１０ワット、１２ワットの場合を示している。
たとえば、第１段冷却ステージおよび第２段冷却ステージともに無負荷（熱負荷が０ワット）で運転した場合、第１段冷却ステージの温度が約２１Ｋ、第２段冷却ステージの温度が約３Ｋで安定することを示しており、また図１のヘリウムガス凝縮液化装置２０の場合のように第１段冷却ステージ７（第１段冷却ステージ９）を温度４０Ｋ、第２段冷却ステージ８を温度６Ｋで運転した場合には、第１段冷却ステージ７（第１段冷却ステージ９）の熱負荷は約３７ワット、第２段冷却ステージ８の熱負荷は約３．５ワットであることを示している。
図３に示すように、同じ熱負荷で第１段冷却ステージ９を運転している前提でその温度がより低くなると、第２段冷却ステージ１０の部分の冷凍能力が低下してしまうことになる。
【００４０】
図４は、本発明の第２の実施の形態によるヘリウムガス凝縮液化装置４０の概略側面図であって、ヘリウムガス凝縮液化装置４０では第１のＧＭ冷凍機４および第２のＧＭ冷凍機５へのヘリウムガスの供給量を調整可能とすることにより、第２のＧＭ冷凍機５の第１段冷却ステージ９の温度を調整しやすくして、第２段冷却ステージ１０の部分の冷凍能力が低下してしまうことを防止可能としている。すなわち、ヘリウムガス凝縮液化装置４０においては、ヘリウムガス凝縮液化装置３０（図２）に加えて、供給配管１３を第１のＧＭ冷凍機側予冷配管４１および第２のＧＭ冷凍機側予冷配管４２に分岐して第１のＧＭ冷凍機４への配管をバイパスして第２のＧＭ冷凍機５にも直接ヘリウムガスを供給可能とするとともに、第２のＧＭ冷凍機側予冷配管４２に流量調節弁４３を設けて、第１のＧＭ冷凍機４および第２のＧＭ冷凍機５へのヘリウムガスの流量を調節可能としてある。
【００４１】
こうした構成のヘリウムガス凝縮液化装置４０においては、第１のＧＭ冷凍機４および第２のＧＭ冷凍機５へのヘリウムガスの供給量を、たとえば１：１あるいは２：１などと任意に配分することができるので、第１のＧＭ冷凍機４および第２のＧＭ冷凍機５の第２段冷却ステージ８および第２段冷却ステージ１０の冷凍能力を最適化することができる。
【００４２】
すなわち、図３に示したように、第２段冷却ステージ８あるいは第２段冷却ステージ１０の冷凍能力は第１段冷却ステージ７あるいは第１段冷却ステージ９におけるそれぞれの温度の影響を受けることになる。そこで、流量調節弁４３を操作して第１のＧＭ冷凍機４および第２のＧＭ冷凍機５へのヘリウムガスの流量配分を調節することにより、第１段冷却ステージ７および第１段冷却ステージ９の冷凍負荷すなわち温度を調節して、第２段冷却ステージ８および第２段冷却ステージ１０の冷凍能力がより大となるように適正化し、追加液化運転モードの性能を向上させることができる。
【００４３】
図５は、本発明の第３の実施の形態によるヘリウムガス凝縮液化装置５０の概略側面図であって、ヘリウムガス凝縮液化装置５０においては、ヘリウムガス凝縮液化装置４０（図４）に加えて、第２のＧＭ冷凍機５の第２段冷却ステージ１０に熱接触している凝縮器２１（第２の凝縮器）とは熱的に独立して、第１のＧＭ冷凍機４の第２段冷却ステージ８にも凝縮器５１（第１の凝縮器）を熱接触してある。凝縮器５１には、温度６Ｋ（あるいは４Ｋ、後述）の第２段冷却ステージ８が熱接触しているとともに、凝縮器２１との間にガス相配管５２および混相配管５３を接続してある。
【００４４】
ガス相配管５２は、凝縮器５１のガス相部と凝縮器２１の上方に位置するガス相部とを接続している。混相配管５３は、再凝縮運転モード時には、液体およびガスが、液化運転モード時においてはガスが流れ、凝縮器２１のガス相部に接続している。
【００４５】
なお、少なくとも第１のＧＭ冷凍機４の第１段冷却ステージ７あるいは第２のＧＭ冷凍機５の第１段冷却ステージ９に電気ヒーター５４（加熱手段）を設け、必要に応じて第１段冷却ステージ７あるいは第１段冷却ステージ９の温度をより高く調節可能として、第２段冷却ステージ８あるいは第２段冷却ステージ１０の冷凍能力の効率化を図る。
【００４６】
また、凝縮器５１を設けてある第２段冷却ステージ８の部分に第２の熱交換器１７を設け、ヘリウムガスの予冷を確実に行うことができるようにしてある。
【００４７】
こうした構成のヘリウムガス凝縮液化装置５０において、再凝縮運転モードの場合には、液体ヘリウム装置２から蒸発したヘリウムガスは、蒸発配管１４を介して凝縮器２１内、あるいはさらにガス相配管５２を通って凝縮器５１内のいずれにおいても冷却されて再凝縮され、凝縮器５１から混相配管５３を通って、あるいは凝縮器２１から直接、液化配管１５から液体ヘリウム装置２に至る。
なお、この再凝縮運転モードの場合には、第１のＧＭ冷凍機４の第２段冷却ステージ８および第２のＧＭ冷凍機５の第２段冷却ステージ１０いずれもが温度約４．２Ｋで運転される（図中カッコ内、およびガス相配管５２における点線の矢印参照）。したがって、再凝縮能力としては、図８のヘリウムガス凝縮液化装置１の場合ととくに変わるところはない。
【００４８】
ヘリウムガスを供給配管１３から供給する液化運転モードの場合は、ヘリウムガス凝縮液化装置４０（図４）の場合と同様に、第１のＧＭ冷凍機４の第１段冷却ステージ７および第２のＧＭ冷凍機５の第１段冷却ステージ９において予冷され、第１のＧＭ冷凍機４の第２段冷却ステージ８において温度６Ｋに冷却された上で第２のＧＭ冷凍機５の第２段冷却ステージ１０において温度約４．２Ｋで最後に液体ヘリウムに凝縮液化される（図中、ガス相配管５２における実線の矢印参照）。
なお、液化運転モードが主体の場合には、凝縮器５１はこれを設けなくても構わない。
【００４９】
かくして、このヘリウムガス凝縮液化装置５０においては、再凝縮運転モードおよび液化運転モードのいずれの場合にも良好な冷凍能力で運転可能である。
【００５０】
なお、第１のＧＭ冷凍機４および第２のＧＭ冷凍機５において、第１段冷却ステージ７および第１段冷却ステージ９の温度が低すぎる場合、第１段冷却ステージ７および第１段冷却ステージ９におけるヘリウムガスの流量が増加し、第１のＧＭ冷凍機４および第２のＧＭ冷凍機５における圧縮器流量の配分として第２段冷却ステージ８および第２段冷却ステージ１０に供給されるヘリウムガスの流量分が低下するため、第２段冷却ステージ８および第２段冷却ステージ１０の冷凍能力が低下する傾向を示すことが多い。
そこで、ヘリウムガス凝縮液化装置５０においては、第１段冷却ステージ７および第１段冷却ステージ９の冷凍能力に余裕があって第１段冷却ステージ７および第１段冷却ステージ９の温度が低くなりすぎる場合には、電気ヒーター５４により、たとえば第１段冷却ステージ９の温度を上昇させ、第２段冷却ステージ８および第２段冷却ステージ１０の冷凍能力を向上させることができる。
【００５１】
図６は、本発明の第４の実施の形態によるヘリウムガス凝縮液化装置６０の概略側面図であって、ヘリウムガス凝縮液化装置６０においては、ヘリウムガス凝縮液化装置５０（図５）に加えてヘリウムガスの精製器６１を第１のＧＭ冷凍機４の上流側に設けてある。精製器６１は、その内部に活性炭を収容し、供給配管１３からのヘリウムガス中の不純物を吸着除去することにより、下流側への不純物の流入を防止し、冷却によるその固化を回避する。精製器６１は、これを冷却するほど精製能力が高まるので、第１のＧＭ冷凍機４の第１段冷却ステージ７においてこれを冷却可能としている。
【００５２】
すなわち、精製器６１と第１のＧＭ冷凍機４の第１段冷却ステージ７との間に精製器用熱接触部材６２を設けてこれを冷却可能とし、供給配管１３からまず精製器６１にヘリウムガスを供給可能とし、精製器６１において精製されたヘリウムガスを精製器側予冷配管６３および熱交換器６４を通し、さらに第２のＧＭ冷凍機側予冷配管４２の流量調節弁４３を介して、第２のＧＭ冷凍機５の第１段冷却ステージ９に供給可能とする。
また、精製器側予冷配管６３から冷凍機側予冷配管６５を分岐させ、第１の熱交換器３１および流量調節弁６６を介して第２の熱交換器３２に至る。
【００５３】
こうした構成のヘリウムガス凝縮液化装置６０においては、精製器６１を第１のＧＭ冷凍機４の第１段冷却ステージ７において冷却しつつヘリウムガス中の不純物を除去して安定した運転を保証することができる。
精製器６１を再生する場合には、流量調節弁６６および流量調節弁４３を閉鎖し、第１のＧＭ冷凍機４を停止・昇温する。第２のＧＭ冷凍機５はそのまま冷却運転を継続し、蒸発ガスの再凝縮作用を続行することができる。
【００５４】
図７は、本発明の第５の実施の形態によるヘリウムガス凝縮液化装置７０の概略側面図であって、第１のＧＭ冷凍機４および第２のＧＭ冷凍機５に加えてさらに第３のＧＭ冷凍機７１を設け、３台の冷凍機４、５、７１で冷却する場合を示す。すなわち、第３のＧＭ冷凍機７１は、第１段冷却ステージ７２および第２段冷却ステージ７３を有して、第２段冷却ステージ７３に凝縮器２１を熱接触してある。
【００５５】
さらにこの実施の形態においては、より単純化を図るために、図８に示したヘリウムガス凝縮液化装置１のように、第１段熱接触部材１１および第２段熱接触部材１２により第１のＧＭ冷凍機４と第２のＧＭ冷凍機５とを第１段冷却ステージ７および第１段冷却ステージ９において、ならびに第２段冷却ステージ１０および第２段冷却ステージ７３においてそれぞれ熱的に一体化し、第２段熱接触部材１２に単一の凝縮器２１を設ける。
また、図２に示したヘリウムガス凝縮液化装置３０のように、第１の熱交換器３１および第２の熱交換器３２を設けるとともに、第３のＧＭ冷凍機７１の第１段冷却ステージ７２に第３の熱交換器７４を設け、図４に示したヘリウムガス凝縮液化装置４０のように、流量調節弁４３を設けてある。
【００５６】
こうした構成のヘリウムガス凝縮液化装置７０においては、たとえば第１のＧＭ冷凍機４の第１段冷却ステージ７および第２のＧＭ冷凍機５の第１段冷却ステージ９で温度５０Ｋ、第３のＧＭ冷凍機７１の第１段冷却ステージ７２で温度３０Ｋのように、順次低温とし、複数段による冷却効率の向上を図ることができる。
以下、同様にして任意の複数台のＧＭ冷凍機を用いた場合にもカスケード式に順次ヘリウムガスの温度を低下させて、冷凍能力の増強を図ることも可能である。
【００５７】
上述のいずれの実施の形態によるヘリウムガス凝縮液化装置２０（図１）、３０（図２）、４０（図４）、５０（図５）、６０（図６）、７０（図７）も液体ヘリウム装置２の種類および条件、第１のＧＭ冷凍機４および第２のＧＭ冷凍機５の種類や運転条件、その他要請される諸条件に応じて任意に選択して実施可能であるとともに、それぞれの構成の要素を任意に組み合わせて適宜構成することも可能である。
【００５８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、少なくとも２台のＧＭ冷凍機の最終段冷却ステージにおける凝縮器を熱的に分離し、ヘリウムガスを段階的に冷却する構成としたので、冷凍能力を向上し、凝縮液化性能の増強を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一般的な形態によるヘリウムガス凝縮液化装置２０の概略側面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態によるヘリウムガス凝縮液化装置３０の概略側面図である。
【図３】一般の４Ｋ−ＧＭ冷凍機の冷凍性能試験のグラフである。
【図４】本発明の第２の実施の形態によるヘリウムガス凝縮液化装置４０の概略側面図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態によるヘリウムガス凝縮液化装置５０の概略側面図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態によるヘリウムガス凝縮液化装置６０の概略側面図である。
【図７】本発明の第５の実施の形態によるヘリウムガス凝縮液化装置７０の概略側面図である。
【図８】温度４Ｋレベルの冷凍能力を有する蓄冷式冷凍機（たとえばＧＭ冷凍機）を複数台（たとえば２台）用いた場合の一般的なヘリウムガス凝縮液化装置１の概略側面図である。
【符号の説明】
１ ヘリウムガス凝縮液化装置（図８）
２ 液体ヘリウム装置（液体ヘリウム容器）
３ クライオスタット
４ 第１のＧＭ冷凍機（冷凍機）
５ 第２のＧＭ冷凍機（冷凍機）
６ 凝縮器
７ 第１のＧＭ冷凍機４の第１段冷却ステージ
８ 第１のＧＭ冷凍機４の第２段冷却ステージ
９ 第２のＧＭ冷凍機５の第１段冷却ステージ
１０ 第２のＧＭ冷凍機５の第２段冷却ステージ
１１ 第１段熱接触部材
１２ 第２段熱接触部材
１３ ヘリウムガスの供給配管（予冷配管）
１４ 蒸発配管
１５ 液化配管
１６ 第１の熱交換器
１７ 第２の熱交換器
２０ ヘリウムガス凝縮液化装置（一般的な形態、図１）
２１ 凝縮器
３０ ヘリウムガス凝縮液化装置（第１の実施の形態、図２）
３１ 第１の熱交換器
３２ 第２の熱交換器
４０ ヘリウムガス凝縮液化装置（第２の実施の形態、図４）
４１ 第１のＧＭ冷凍機側予冷配管（予冷配管）
４２ 第２のＧＭ冷凍機側予冷配管（予冷配管）
４３ 流量調節弁
５０ ヘリウムガス凝縮液化装置（第３の実施の形態、図５）
５１ 凝縮器（第１の凝縮器）
５２ ガス相配管
５３ 混相配管
５４ 電気ヒーター（加熱手段）
６０ ヘリウムガス凝縮液化装置（第４の実施の形態、図６）
６１ ヘリウムガスの精製器
６２ 精製器用熱接触部材
６３ 精製器側予冷配管
６４ 熱交換器
６５ 冷凍機側予冷配管
６６ 流量調節弁
７０ ヘリウムガス凝縮液化装置（第５の実施の形態、図７）
７１ 第３のＧＭ冷凍機（冷凍機）
７２ 第３のＧＭ冷凍機７１の第１段冷却ステージ
７３ 第３のＧＭ冷凍機７１の第２段冷却ステージ
７４ 第３の熱交換器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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