(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体ヘリウムにより冷却される被冷却体の熱負荷が変動する被冷却体冷却部と、循環圧縮機，熱交換器，膨張タービン，ＪＴ弁等を有するヘリウム液化機部と、該ヘリウム液化機部で液化した液体ヘリウムを貯留し、前記被冷却体の熱負荷の変動に応じて必要量の液体ヘリウムを被冷却体冷却部に供給する液体ヘリウム貯槽と、前記被冷却体冷却部で蒸発したヘリウムガスを前記ヘリウム液化機部に戻すヘリウムガス帰還経路とを備えたヘリウム液化冷凍装置において、前記ヘリウムガス帰還経路に、前記被冷却体冷却部の被冷却体の熱負荷の変動による蒸発ヘリウムガス量の変動を吸収可能な容量を有する低温バッファタンクを設置したことを特徴とするヘリウム液化冷凍装置。
【請求項２】
前記ヘリウムガス帰還経路は、低温バッファタンクの入口側に、前記被冷却体冷却部の圧力を所定圧力に調節する圧力調節弁を有するとともに、低温バッファタンクの出口側に、前記ヘリウム液化機部に戻るヘリウムガスの圧力を所定圧力に調節する圧力調節弁を有していることを特徴とする請求項１記載のヘリウム液化冷凍装置。
【請求項３】
前記ヘリウムガス帰還経路は、低温バッファタンクの入口側に、前記被冷却体冷却部の圧力を所定圧力に調節する圧力調節弁を有するとともに、低温バッファタンクの出口側に、前記ヘリウム液化機部に戻るヘリウムガスの流量を所定流量に調節する流量調節弁を有していることを特徴とする請求項１記載のヘリウム液化冷凍装置。
【請求項４】
前記低温バッファタンクは、ヘリウム液化機部から供給される低温ヘリウムガス又は液体窒素で冷却される輻射熱シールド板を備えた多層真空断熱構造で形成されていることを特徴とする請求項１記載のヘリウム液化冷凍装置。
【請求項５】
請求項１記載のヘリウム液化冷凍装置の運転方法であって、前記低温バッファタンクからヘリウム液化機部に戻るヘリウムガスの圧力又は流量を検出して低温バッファタンクを導出するヘリウムガス量を制御するとともに、前記ヘリウム液化機部の循環圧縮機の吸入側の圧力を検出し、該検出圧力に応じて循環圧縮機吐出側のヘリウムガスを循環圧縮機吸入側に循環させて循環圧縮機吸入側の圧力を所定圧力に制御することを特徴とするヘリウム液化冷凍装置の運転方法。
【請求項６】
前記被冷却体冷却部の圧力を検出し、前記低温バッファタンクへ導入する蒸発ヘリウムガス量を制御することを特徴とする請求項５記載のヘリウム液化冷凍装置の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ヘリウム液化冷凍装置及びその運転方法に関し、詳しくは、被冷却体の熱負荷が大幅に増加する際に増量する蒸発ヘリウムガスを回収する系統を備えたヘリウム液化冷凍装置及びその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超伝導マグネットや、水素ガスの凝縮排気を行うクライオパネル等の被冷却体の温度を４．２Ｋ以下（飽和圧力１気圧以下）に冷却する手段として、従来から減圧液体ヘリウムを供給するヘリウム液化冷凍装置が用いられている。このヘリウム液化冷凍装置は、図３に示すように、第１循環圧縮機１，第２循環圧縮機２，熱交換器群３，ＪＴ（ジュールトムソン）弁４，膨張タービン５，加温器６等から構成されるヘリウム液化機部７と、該ヘリウム液化機部７で液化した液体ヘリウムを貯留する液体ヘリウム貯槽８及び被冷却体冷却部９等から構成されている。
【０００３】
第１循環圧縮機１及び第２循環圧縮機２で昇圧したヘリウムガスは、ヘリウム液化機部７内の熱交換器群３で、循環圧縮機に戻る帰還低温ヘリウムガスと向流熱交換して冷却された後、ＪＴ弁４で自由膨張して気液二相状態のヘリウムとなる。この気液二相状態のヘリウムは、圧力が大気圧より低い被冷却体冷却部９には直接導入されず、大気圧より僅かに高い圧力（例えば１．２気圧）で運転されている液体ヘリウム貯槽８に一旦貯液され、ここで液とガスとの分離が行われる。
【０００４】
また、前記第１，第２循環圧縮機１，２で昇圧されたヘリウムガスの一部は、熱交換器群３内の適当な温度位置で流路１０から流路１１に分岐して膨張タービン５に導入され、断熱膨張して寒冷を発生した後、流路１２を経て熱交換器群３内の適当な温度位置で流路１３に合流し、前記昇圧ヘリウムガスの冷却源となり、循環流入する流路１０の昇圧ヘリウムガスに寒冷を与えて略大気温度まで昇温し、吸入圧力が略大気圧状態の第２循環圧縮機２に吸入され、再び圧縮されて前記経路を循環する。
【０００５】
前記液体ヘリウム貯槽８で分離したヘリウムガスは、流路１４によりヘリウム液化機部７に戻され、前記熱交換器群３の中で前記膨張タービン５を導出した流路１２のタービン流体と合流して流路１３を通り、略大気温度まで昇温して第２循環圧縮機２の吸入側に戻される。
【０００６】
一方、前記液体ヘリウム貯槽８に貯液された液体ヘリウムは、流路１５に導出して被冷却体冷却部９に供給され、ここで被冷却体１６を冷却することにより蒸発してガス化し、流路１７を介して前記ヘリウム液化機部７に戻され、熱交換器群３で循環流入する流路１０の昇圧ヘリウムガスに寒冷を与えることにより略大気温度まで昇温し、吸入圧力が大気圧より低い圧力状態の前記第１循環圧縮機１に吸入される。
【０００７】
このように吸入圧力の異なる圧縮機を二段構成にすることにより、第１循環圧縮機１側の吸入量を小さくでき、全体の圧縮動力を軽減することができる。
【０００８】
第１循環圧縮機１は、前記のように被冷却体冷却部９から該第１循環圧縮機１に至る系統のヘリウムガスを大気圧より低い圧力で吸入し、第２循環圧縮機２の吸入圧力に応じた圧力、即ち大気圧と略同じ圧力まで昇圧して導出するものであり、被冷却体冷却部９から熱交換器群３を経由して導入される帰還ヘリウムガス量の変動に対応し、吸入圧力を一定に保持するように、循環バイパス流路１８及びバイパス弁１９を設け、第１循環圧縮機１の吸入口付近の流路に設けられた圧力調節器２０の信号により前記バイパス弁１９の開度が調節される。
【０００９】
第２循環圧縮機２は、前記第１循環圧縮機１を導出するヘリウムガスを所定の圧力まで昇圧するためのものであり、前記第１循環圧縮機１と同様に、導入されるヘリウムガス量の変動に対応し、吸入圧力を一定に保持するように、循環バイパス流路２１及びバイパス弁２２を設け、第２循環圧縮機２の吸入口付近の流路に設けられた圧力調節器２３の信号により前記バイパス弁２２の開度が調節される。
【００１０】
前記熱交換器群３は、昇圧ヘリウムガスを帰還ヘリウムガスと向流熱交換させて寒冷を回収するものであり、昇圧ヘリウムガスを所定の温度まで冷却するとともに、帰還ヘリウムガスを昇温させ、また、昇圧ヘリウムガスの一部を所定の温度で膨張タービン５に導出し、該膨張タービン５で寒冷を発生した後の低温ガスを導入するため、複数個の熱交換器及び連絡配管で構成されている。
【００１１】
さらに、被冷却体冷却部９には、液体ヘリウムの量を一定に保持するために液体ヘリウム供給弁２４の開度を調整する液位調節器２５と、被冷却体１６の冷却温度、即ち被冷却体冷却部９の圧力を一定に保持するように、圧力調節器２６からの信号により開度が調節される圧力調節弁２７が設けられている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来構成の装置の場合、以下のような問題があった。すなわち、被冷却体１６の熱負荷変動量が大きい場合のヘリウム液化冷凍装置においては、第１循環圧縮機１の容量は、被冷却体１６の熱負荷増大時に増加する蒸発ガス量を処理するのに十分な容量のものが選定され、一方、被冷却体１６の熱負荷減少時には、蒸発ガス量が減少するにも拘らず、圧縮機の特性から一定量のガスを吸入させる必要があるため、被冷却体１６の熱負荷減少運転中は、バイパス弁１９を介して第１循環圧縮機１の吐出ガスの一部を吸入側に戻す、いわゆるバイパス運転をしなければならないので、設備容量が大きくなりランニングコストが上昇する。
【００１３】
また、被冷却体１６の熱負荷増大時は、蒸発ガス量が増加するため、その寒冷を熱交換器群３で有効に回収することができず、第１循環圧縮機１の吸入温度の異常低下や、吸入配管の結露等、運転上の支障をきたすので、熱交換器温端出口部に温度調節器２８の信号により温度調節を行う前記加温器６を設置して寒冷を捨てる必要がある。
【００１４】
一方、寒冷回収の方法として、膨張タービン入口弁２９の開度を絞って発生寒冷を抑え、同時にＪＴ弁４の開度を増加して熱交換器群３の流路１０内の流量を増加させて寒冷の回収を行うことにより加温器６を省略することができるが、この場合は、運転制御が複雑となるばかりでなく、熱交換器群３の各熱交換器の温度が安定するまでのタイムラグがあるため、被冷却体１６の熱負荷変動周期の短い運転が必要な場合においては採用できない。
【００１５】
寒冷回収の別の方法として、熱交換器群３の容量を大きくすることも考えられるが、この場合も、前記寒冷回収方法と同様な運転上の問題に加え、ヘリウム液化機部７が大型化となり設備コストが上昇する。
【００１６】
また、被冷却体１６の熱負荷変動量が比較的に小さい場合には、ヘリウム液化機部７は最大冷凍能力で運転し、加温器６の代わりに被冷却体冷却部９内に液位調節器及びヒーター（図示せず）を設置し、熱負荷減少時に被冷却体冷却部９内の液体ヘリウムの液位によってヒーターを制御し、蒸発ヘリウムガス量を一定にすることも行われているが、ヘリウム液化冷凍装置の冷凍能力は、被冷却体の最大熱負荷に見合う容量で設計されるため、設備容量が大きくなり、また、被冷却体１６の熱負荷減少時は、戻りヘリウムガス量を一定にするように余剰の寒冷をヒーターで消費するため、動力的に無駄を生じている。
【００１７】
そこで本発明は、被冷却体の熱負荷量が大きく変動し、また、熱負荷増大時間が熱負荷減少時間に比べて短い運転が要求される被冷却体を冷却するのに好適なヘリウム液化冷凍装置及びその運転方法を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するため、本発明のヘリウム液化冷凍装置は、液体ヘリウムにより冷却される被冷却体の熱負荷が変動する被冷却体冷却部と、循環圧縮機，熱交換器，膨張タービン，ＪＴ弁等を有するヘリウム液化機部と、該ヘリウム液化機部で液化した液体ヘリウムを貯留し、前記被冷却体の熱負荷の変動に応じて必要量の液体ヘリウムを被冷却体冷却部に供給する液体ヘリウム貯槽と、前記被冷却体冷却部で蒸発したヘリウムガスを前記ヘリウム液化機部に戻すヘリウムガス帰還経路とを備えたヘリウム液化冷凍装置において、前記ヘリウムガス帰還経路に、前記被冷却体冷却部の被冷却体の熱負荷の変動による蒸発ヘリウムガス量の変動を吸収可能な容量を有する低温バッファタンクを設置したことを特徴とするものであり、さらに、前記低温バッファタンクの入口側に、前記被冷却体冷却部の圧力を所定圧力に調節する圧力調節弁を設けるとともに、低温バッファタンクの出口側に、前記ヘリウム液化機部に戻るヘリウムガスの圧力を所定圧力に調節する圧力調節弁、あるいは、ヘリウムガスの流量を所定流量に調節する流量調節弁を設けたことを特徴とし、また、前記低温バッファタンクを、ヘリウム液化機部から供給される低温ヘリウムガス又は液体窒素で冷却される輻射熱シールド板を備えた多層真空断熱構造で形成したことを特徴としている。
【００１９】
すなわち、本発明装置は、被冷却体冷却部の圧力より僅かに低い圧力で運転される所定の容量の低温バッファタンクを、被冷却体冷却部とヘリウム液化機部との間に設け、該低温バッファタンク内に被冷却体の熱負荷増大時に増加する蒸発ガスを一時蓄積し、被冷却体の熱負荷減少時、即ち蒸発ガス量が減少した時に、一時蓄積されている低温バッファタンク内のヘリウムガスを一定圧力又は一定流量でヘリウム液化機部に回収する手段を設けたものである。
【００２０】
そして、前記低温バッファタンクは、ヘリウム液化冷凍装置の冷凍能力を可及的に増大させないように、即ち熱侵入量を数Ｗ程度に抑制すべく多層真空断熱構造とし、該真空断熱層内には、冷媒としてヘリウム液化機部からの低温ヘリウムガスや他の流体、例えば液体窒素等を供給する冷却管を付設した輻射熱シールド板を内蔵したものである。
【００２１】
また、本発明装置は、被冷却体冷却部には、被冷却体の熱負荷に応じて蒸発した液体ヘリウムを自動的に補充し、被冷却体冷却部の液位を一定に保持するように、液位調節器と、該液位調節器からの信号により開度調整を行う液体ヘリウム供給弁とを備えるとともに、被冷却体冷却部の出口流路に、圧力調節器と、該圧力調節器からの信号により開度調整を行い、設定圧力以上になった場合に蒸発ガスを後流に設置した低温バッファタンクに送出し、被冷却体の熱負荷変動に関係なく被冷却体冷却部の圧力を常時一定に保持する圧力調節弁とを備えている。
【００２２】
さらに、低温バッファタンクを出てヘリウム液化機部内の熱交換器群を経て循環圧縮機に戻る帰還ヘリウムガス回収流路の流量を一定に保持する手段として、低温バッファタンクの出口流路に圧力調節器と、該圧力調節器からの信号により開度調整を行う圧力調節弁とを備え、あるいは、帰還ヘリウムガス回収流路の流量を一定に保持する手段として、前記圧力調節器及び圧力調節弁の代わりに、低温バッファタンク出口流路に流量調節器と、該流量調節器からの信号により開度調整を行う流量調節弁とを備えている。
【００２３】
上記構成において、液体ヘリウム貯槽と低温バッファタンクとは、それぞれ、被冷却体の熱負荷増大時と減少時（定常時）に必要となる変動量を吸収し得る容量に形成されている。
【００２４】
加えて、循環圧縮機の吸入圧力を一定に保持する手段として、循環圧縮機の吐出側と吸入側とをバイパス弁を介して接続するバイパス流路と、該バイパス弁を循環圧縮機の吸入圧力に応じて開閉する圧力調節器とを備えている。このバイパス流路の圧力調節器及びバイパス弁は、循環圧縮機が複数段の圧縮機で構成される場合は、それぞれの圧縮機に備えることができる。
【００２５】
また、本発明のヘリウム液化冷凍装置の運転方法は、上記構成のヘリウム液化冷凍装置の運転方法であって、前記低温バッファタンクからヘリウム液化機部に戻るヘリウムガスの圧力又は流量を検出して低温バッファタンクを導出するヘリウムガス量を制御するとともに、前記循環圧縮機の吸入側の圧力を検出し、該検出圧力に応じて循環圧縮機吐出側のヘリウムガスを循環圧縮機吸入側に循環させて循環圧縮機吸入側の圧力を制御することを特徴とし、さらに、前記被冷却体冷却部の圧力を検出し、前記低温バッファタンクへ導入する蒸発ヘリウムガス量を制御することを特徴としている。
【００２６】
すなわち、本発明方法は、ヘリウムガスを液化し、生成した液体ヘリウムを一時液体ヘリウム貯槽に貯留し、該液体ヘリウムを被冷却体冷却部に導入して被冷却体を冷却するヘリウム液化冷凍装置の運転方法であって、被冷却体を冷却することにより蒸発したヘリウムガスを、該蒸発ヘリウムガス量の増減を吸収し得る容量を有する低温バッファタンクに一時蓄積し、該低温バッファタンクを導出して前記ヘリウム液化機部の熱交換器群を経て循環圧縮機の吸入口に至る流路の圧力又は該流路の流量を検出して、低温バッファタンクを導出するヘリウム量を制御するとともに、前記循環圧縮機を導出するヘリウムガスの一部を分岐し、該循環圧縮機の吸入側へ循環する循環バイパスヘリウム量を制御するものであり、また、被冷却体冷却部の圧力を検出して前記低温バッファタンクへ導入する蒸発ヘリウムガス量を制御することを特徴としている。
【００２７】
上記のように、本発明方法は、循環圧縮機で昇圧したヘリウムガスを、膨張タービンで断熱膨張により寒冷を得た戻り低温ヘリウムガスと、冷却体冷却部から戻る帰還ヘリウムガスとの熱交換により冷却し、ＪＴ膨張により液化して液体ヘリウム貯槽内に貯蔵し、該液体ヘリウム貯槽内の液体ヘリウムを所定量導出して被冷却体の冷却源とし、該被冷却体を冷却することにより蒸発した低温ヘリウムガスを熱交換により昇温後、再び昇圧して循環させるヘリウム液化冷凍装置の運転方法において、前記被冷却体の熱負荷増大時に、前記液体ヘリウム貯槽から冷却体冷却部に供給する液体ヘリウム量を増量するとともに、該増量分に相当して増量する被冷却体冷却後の低温ヘリウムガスを低温バッファタンクに一時蓄積し、該一時低温バッファタンクに蓄積された増量分のヘリウムガスを、前記被冷却体の熱負荷減少時に減少するガス量に応じて導出し、該ヘリウムガス自身が保持している寒冷を捨てることなく低温の状態で回収し、増減量を平均化して常時略一定量を循環させるようにしたものである。
【００２８】
【作  用】
上記構成によれば、被冷却体の熱負荷が変動するヘリウム液化冷凍装置において、熱負荷増大運転時、増加した蒸発ガスを低温バッファタンクに一時蓄積しておき、一方、熱負荷減少運転時、即ち蒸発ガス減少時に、先に蓄積され前記増加した蒸発ガスを該蒸発ガスが有する寒冷と共に有効に回収することが可能となる。
【００２９】
このように、定常運転時（熱負荷減少時）に比べて熱負荷増大時に一時的に増量する蒸発ガスを、低温バッファタンクに蓄積し寒冷と共に回収することにより、ヘリウム液化機部を平均熱負荷に対応する容量で構成し、熱負荷の変動に拘らず常に一定の状態での運転が可能となり、ヘリウム液化機部の容量を増大させることなく大きな熱負荷に対応することができる。したがって、定常運転時に必要な液化冷凍能力に、必要最小限の一定量を加えた余剰液化冷凍能力を有するヘリウム液化冷凍装置を用いて、該余剰液化冷凍能力により、熱負荷増大時に必要となる量の液体ヘリウムを液体ヘリウム貯槽に貯留することができる。
【００３０】
前記余剰液化冷凍能力は、定常運転時に対する熱負荷増大時の容量と運転時間（運転サイクル）の割合及び熱ロスを含めた必要な液化冷凍能力により設定されるが、熱負荷が最大時と定常時で大幅に異なり、かつ、熱負荷最大運転時間が定常運転時間に比べて短い場合は、定常運転に必要な液化冷凍能力に、必要最小限の液化冷凍能力を付与するだけでよく、最大液化冷凍能力で設計された従来のヘリウム液化冷凍装置に比べて装置全体を小型化でき、消費動力の低減と容易な運転制御が可能なヘリウム液化冷凍装置が得られる。本発明は、被冷却体の熱負荷が最大時と定常時とで、その必要液化冷凍能力の差が大きいほど、また、熱負荷最大運転時間が定常運転時間に比べて短いほど効果が大きい。
【００３１】
【実施例】
以下、本発明を、図面に示す実施例に基づいてさらに詳細に説明する。なお、以下の各実施例の説明において、前記従来例と同一要素のものには同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００３２】
図１は、本発明を適用した第１実施例のヘリウム液化冷凍装置を示すもので、前記図３に示した従来装置と同様の第１循環圧縮機１，第２循環圧縮機２，熱交換器群３，ＪＴ弁４及び膨張タービン５，５を備えたヘリウム液化機部７と、液体ヘリウム貯槽８，被冷却体冷却部９とに加え、前記被冷却体冷却部９で蒸発したヘリウムガスを前記ヘリウム液化機部７に戻すヘリウムガス帰還経路５１に低温バッファタンク５２を設置したものであり、本実施例は、前記被冷却体冷却部９，前記低温バッファタンク５２及び第１循環圧縮機１の吸入系統を大気圧力より低い圧力で運転する場合の例である。
【００３３】
前記低温バッファタンク５２は、熱侵入量を最少限にするため、真空断熱式二重殻構造で形成するとともに、真空断熱層５２ａに輻射熱シールド板５２ｂを設け、該輻射熱シールド板５２ｂに付設された冷却管５２ｃに、冷媒として必要な低温ヘリウムガスをヘリウム液化機部７から流路Ａを介して供給し、寒冷を与えた後、流路Ｂを介して再びヘリウム液化機部７に戻すようにしている。なお、冷媒は他の流体、例えば液体窒素等を使用することもできる。
【００３４】
前記被冷却体冷却部９には、該被冷却体冷却部９内の液体ヘリウム量を検出する液位調節器２５が設けられるとともに、液体ヘリウム貯槽８に貯液された液体ヘリウムを被冷却体冷却部９に供給する流路１５には、前記液位調節器２５により制御される液体ヘリウム供給弁２４が設けられ、被冷却体１６の熱負荷に応じた必要量の液体ヘリウムが被冷却体冷却部９に供給されるよう構成されている。
【００３５】
また、ヘリウムガス帰還経路５１の低温バッファタンク５２の入口側、すなわち、被冷却体冷却部９と低温バッファタンク５２との間には、被冷却体１６の冷却温度、即ち被冷却体冷却部９の圧力を、被冷却体１６の熱負荷変動に拘らず常に一定に保持できるように、圧力調節器２６と該調節器２６により制御される圧力調節弁２７とが設けられている。さらに、低温バッファタンク５２とヘリウム液化機部７との間のヘリウムガス帰還経路５１には、圧力調節器５３と該調節器５３で制御される圧力調節弁５４とが設置され、低温バッファタンク５２からヘリウム液化機部７に回収する帰還ヘリウムガスの圧力を、被冷却体１６の熱負荷変動に拘らず変動量を平均化した一定量に常時保持するようにしている。
【００３６】
前記第１循環圧縮機１及び第２循環圧縮機２には、該循環圧縮機１，２の吸入圧力を一定に保持するように、該両循環圧縮機１，２から吐出されたヘリウムガスを一部分岐して吸入側へ戻す循環バイパス流路１８，２１がそれぞれ設けられ、両循環圧縮機１，２の吸入口付近の流路には、循環バイパス流路１８，２１にそれぞれ設けたバイパス弁（圧力調節弁）１９，２２を制御する圧力調節器２０，２３が設けられている。
【００３７】
次に、上記構成のヘリウム液化冷凍装置において、熱負荷が周期的に大幅に変動する例について説明する。即ち、被冷却体１６の熱負荷が定常運転時２５０Ｗ、最大熱負荷運転時４０００Ｗ、その最大熱負荷運転サイクルが３００秒毎に２０秒間、被冷却体の温度を３．６Ｋ（液体ヘリウム飽和圧力０．５２気圧）に冷却する場合について説明する。
【００３８】
この場合、平均熱負荷は、（２５０Ｗ×２８０秒＋４０００Ｗ×２０秒）÷３００秒＝５００Ｗとなるので、ヘリウム液化冷凍装置の液化冷凍能力は５００Ｗに設定される。したがって、定常運転時の２８０秒間に、余剰の液化冷凍能力（５００Ｗ−２５０Ｗ）＝２５０Ｗによって得られる液体ヘリウムは約３７１０ｇ（約３０リットル）となり、該液体ヘリウムは、運転圧力が１．２気圧の液体ヘリウム貯槽８に貯液され、該液体ヘリウム貯槽８の液面を上昇させる。
【００３９】
上記定常運転（２８０秒間）時に液体ヘリウム貯槽８に貯液された液体ヘリウムは、最大熱負荷運転（２０秒間）時に不足する液化冷凍能力（４０００Ｗ−５００Ｗ）＝３５００Ｗ相当分の液体ヘリウムとして、液位調節器２５により調節される液体ヘリウム供給弁２４を介して被冷却体冷却部９に補充され、液体ヘリウム貯槽８の液面は元の位置に下がる。
【００４０】
最大熱負荷運転（２０秒間）時に増加する蒸発ヘリウムガス量は約３７１０ｇであり、温度３．６Ｋの容積に換算して約４００リットルに相当するから、低温バッファタンク５２の運転圧力下限値を被冷却体冷却部９の運転圧力０．５気圧より０．１気圧低い０．４気圧と設定すれば、内容積約２０００リットルを有する低温バッファタンク５２を設置することにより、蒸発ヘリウムガス約４００リットルの全量を蓄積することができる。
【００４１】
すなわち、最大熱負荷運転（２０秒間）時に増加する蒸発ヘリウムガスは、被冷却体冷却部９の出口に設置された圧力調節器２６の信号を受けて開度調節される圧力調節弁２７の開度を増加させ、被冷却体冷却部９の圧力を一定に保ちつつ、低温バッファタンク５２の圧力を０．４気圧から０．５気圧に上昇させて該低温バッファタンク５２に全量が蓄積される。
【００４２】
一方、第１循環圧縮機１は、前記平均熱負荷（冷凍能力）５００Ｗ分に相当する蒸発ガス量２６．５ｇ／ｓ（温度３．６Ｋでの体積流量で２．９リットル／ｓに相当）程度の定格容量を有するものが選定される。前記低温バッファタンク５２より導出してヘリウム液化機部７に回収される蒸発ガスは、低温バッファタンク５２の出口に設けられた圧力調節器５３及び該調節器５３の信号を受けて開度調節される圧力調節弁５４により、熱負荷の増減に拘らず常時一定に保持されつつ、前記第１循環圧縮機１に循環吸入される。
【００４３】
定常運転（２８０秒間）時の熱負荷（２５０Ｗ）による蒸発ガス量は１３．２５ｇ／ｓであるから、第１循環圧縮機１は、定格風量２６．５ｇ／ｓに対して１３．２５ｇ／ｓの余裕を持つことになる。この余裕分は、前工程、即ち最大熱負荷運転時に低温バッファタンク５２に蓄積された前記蒸発ガス増量分約３７１０ｇの吸引に充てられ、増量分の全量（１３．２５ｇ／ｓ×２８０秒＝３７１０ｇ）が処理されるから、前記低温バッファタンク５２の圧力は、０．５気圧から元の圧力０．４気圧に戻る。
【００４４】
第１循環圧縮機１に付属するバイパス弁１９は、低温バッファタンク５２の圧力が設定下限値（０．４気圧）に達した時に、相当する第１循環圧縮機１の吸入圧力を圧力調節器２０で検出し、該調節器２０の信号によりバイパス弁１９の開度を増加するようにしている。これは、最大熱負荷運転時の蒸発ガス量が所定量（計画値）よりも少なく、定常運転時間（２８０秒）より早く低温バッファタンク５２の圧力が所定の設定下限値（０．４気圧）に達してしまった場合等、低温バッファタンク５２から規定量以上の蒸発ガスを吸引し、ヘリウム液化機部７内の熱交換器群３における熱バランスを崩さないようにするためである。このとき、第１循環圧縮機１の吐出ガスの一部がバイパス弁１９を経由して吸入側に戻され、第１循環圧縮機１の吸入圧力を一定に保持することにより、ヘリウム液化機部７内の熱交換器群３に流入する低温バッファタンク５２からの蒸発ガス回収量が常時一定量に調節される。
【００４５】
このように、被冷却体１６の熱負荷が大幅に変動するヘリウム液化冷凍装置において、熱負荷増大時に増加する蒸発ガスを一時低温バッファタンク５２に蓄積し、熱負荷減少時に該蓄積蒸発ガスの全量を低温のまま回収することにより、従来の装置では最大熱負荷に相当する液化冷凍能力（４０００Ｗ）が必要であったが、本発明によれば、これを大幅に低減（５００Ｗ）することができ、ヘリウム液化冷凍装置の設備コストや運転コストを低減することができるとともに、運転制御を容易ならしめることができる。
【００４６】
なお、本実施例では、低温バッファタンク５２に一時蓄積した蒸発ガスをヘリウム液化機部７に一定圧力で回収するように、圧力調節器５３と圧力調節弁５４とを設けたが、該圧力調節器５３及び圧力調節弁５４に代えて、流量調節器と流量調節弁とを低温バッファタンク５２の出口側のヘリウムガス帰還経路５１に設け、流量調節器の信号で流量調節弁を制御して低温バッファタンク５２に一時蓄積した蒸発ガスを一定流量で回収するようにしてもよい。
【００４７】
図２は、本発明を適用した第２実施例のヘリウム液化冷凍装置を示すもので、被冷却体１６の冷却温度がヘリウムの大気圧における飽和温度より若干高くてもよい場合に適用されるものであり、被冷却体冷却部９の圧力が、例えば１．２気圧、液体ヘリウム貯槽８の圧力が、例えば１．５気圧のヘリウム液化冷凍装置に本発明を適用したものである。
【００４８】
この場合、循環圧縮機は、前記第２循環圧縮機２に相当する１台でのみよく、液体ヘリウム貯槽８の蒸発ガスは、圧力調節機構である圧力調節器６１及び圧力調節弁６２で液体ヘリウム貯槽８内の圧力を一定に保持しつつ、低温バッファタンク５２からの蒸発ガスとヘリウム液化機部７内で合流され、熱交換器群３で寒冷回収後、循環圧縮機２に導入される。したがって、低温バッファタンク５２からヘリウム液化機部７に回収する蒸発ガスは、圧力調節器５３及び該調節器５３の信号で制御される圧力調節弁５４で、前記液体ヘリウム貯槽８からのガスと同じ圧力に調節される。
【００４９】
また、液体ヘリウム貯槽８、被冷却体冷却部９及びその液位調節機構である液位調節器２５と液体ヘリウム供給弁２４、圧力調節機構である圧力調節器２６と圧力調節弁２７は、前記第１実施例と同様に設けられ、同様に機能する。
【００５０】
なお、本実施例で循環圧縮機２が多段式となる場合、該循環圧縮機２の吸入圧力制御用の圧力制御機構である循環バイパス流路２１、バイパス弁２２及び圧力調節器２３は、該循環圧縮機２の前段圧縮段と後段圧縮段の間の適当な中間段から取り出してもよい。
【００５１】
また、本実施例においても、低温バッファタンク５２の出口側のヘリウムガス帰還経路５１に、圧力調節器５３及び圧力調節弁５４に代えて流量調節器と流量調節弁とを設け、流量調節器の信号で流量調節弁を制御し、低温バッファタンク５２に一時蓄積した蒸発ガスを一定流量で回収するようにしてもよい。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、被冷却体の熱負荷が変動するヘリウム液化冷凍装置において、被冷却体の熱負荷増大時に増加する蒸発ヘリウムガスを低温のまま、有効に回収することができ、装置容量及び動力消費が小さく、かつ、容易な運転制御が可能なヘリウム液化冷凍装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示すヘリウム液化冷凍装置の系統図である。
【図２】本発明の第２実施例を示すヘリウム液化冷凍装置の系統図である。
【図３】従来のヘリウム液化冷凍装置の一例を示す系統図である。
【符号の説明】
１…第１循環圧縮機、２…第２循環圧縮機、３…熱交換器群、４…ＪＴ弁、５…膨張タービン、７…ヘリウム液化機部、８…液体ヘリウム貯槽、９…被冷却体冷却部、２４…液体ヘリウム供給弁、２５…液位調節器、２６…圧力調節器、２７…圧力調節弁、５１…ヘリウムガス帰還経路、５２…低温バッファタンク、５２ｂ…輻射熱シールド板、５３…圧力調節器、５４…圧力調節弁
【図１】
0003595910.tif 000002
【図２】
0003595910.tif 000003
【図３】
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