(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヘリウムを圧縮して高圧経路に送出する圧縮機、高圧経路の高圧ヘリウムを低圧戻り経路を戻る低圧ヘリウムとの熱交換により冷却する熱交換器、高圧ヘリウムの一部を断熱膨張させて低温の低圧ヘリウムとする膨張タービン、前記熱交換器で冷却された高圧ヘリウムをＪＴ膨張させるＪＴ弁、ＪＴ膨張により一部が液化した液体ヘリウムを液体ヘリウム貯槽内に導入する液体ヘリウム導入経路、前記液体ヘリウム貯槽内のガス状のヘリウムを前記低圧ヘリウムとして前記熱交換器から前記圧縮機に循環させる低圧戻り経路及び前記液体ヘリウム貯槽内から前記低圧戻り経路に戻るヘリウムの量を液体ヘリウム貯槽内の圧力に応じて調節する戻り量調節手段とを備えたヘリウム液化機を、一つの前記液体ヘリウム貯槽に対して複数基設置したヘリウム液化装置において、前記液体ヘリウム貯槽内に、該液体ヘリウム貯槽内の気相を仕切る仕切板を設けて複数の気相室を区画形成するとともに、区画された一つの気相室には、一つの前記ヘリウム液化機における前記液体ヘリウム導入経路、前記低圧戻り経路及び前記戻り量調節手段を配置し、前記複数の気相室の気相を互いに連通可能な連通手段を備えていることを特徴とするヘリウム液化装置。
【請求項２】
ヘリウムを圧縮して高圧経路に送出する圧縮機、高圧経路の高圧ヘリウムを低圧戻り経路を戻る低圧ヘリウムとの熱交換により冷却する熱交換器、高圧ヘリウムの一部を断熱膨張させて低温の低圧ヘリウムとする膨張タービン、前記熱交換器で冷却された高圧ヘリウムをＪＴ膨張させるＪＴ弁、ＪＴ膨張により一部が液化した液体ヘリウムを液体ヘリウム貯槽内に導入する液体ヘリウム導入経路、前記液体ヘリウム貯槽内のガス状のヘリウムを前記低圧ヘリウムとして前記熱交換器から前記圧縮機に循環させる低圧戻り経路及び前記液体ヘリウム貯槽内から前記低圧戻り経路に戻るヘリウムの量を液体ヘリウム貯槽内の圧力に応じて調節する戻り量調節手段とを備えたヘリウム液化機を、一つの前記液体ヘリウム貯槽に対して複数基設置したヘリウム液化装置において、前記液体ヘリウム貯槽内に、該液体ヘリウム貯槽内の気相を仕切る仕切板を設けて複数の気相室を区画形成するとともに、区画された一つの気相室には、一つの前記ヘリウム液化機における前記液体ヘリウム導入経路、前記低圧戻り経路及び前記戻り量調節手段を配置し、前記仕切板は、液体ヘリウム貯槽内の全体を仕切る状態で形成され、該仕切り板の下部に液連通部が設けられていることを特徴とするヘリウム液化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヘリウム液化装置に関し、詳しくは、一つの液体ヘリウム貯槽に複数のヘリウム液化機を設置したヘリウム液化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ヘリウムを液化するためのヘリウム液化機は、一般に、圧縮機、熱交換器、膨張タービン、ＪＴ弁、液体ヘリウム貯槽などを備えており、圧縮機で高圧に圧縮したヘリウムを熱交換器で約６Ｋまで冷却した後、ＪＴ弁でＪＴ膨張（ジュールトムソン膨張）させることによりヘリウムの一部を液化し、液化した液体ヘリウムを液体ヘリウム貯槽内に貯留している。このようなヘリウム液化機では、所定の経路内の温度や圧力を検出して所定の弁を開閉制御することことにより、ヘリウムの液化を効率よく行うようにしている（例えば、特許文献１参照。）。なお、本明細書（特許請求の範囲、要約書も含む）では、液体のヘリウムは液体ヘリウムと表すが、気体のヘリウムは単にヘリウムと表す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−１４８７３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、ヘリウムの液化における冗長化を図るために一つの貯槽に対して複数、例えば２基のヘリウム液化機を設置した場合、両ヘリウム液化機が同じ仕様であっても、計測器、制御器、操作器などの各機器の個性により、同じ条件であっても同じ結果を得られるとは限らず、一方のヘリウム液化機が所定の運転状態を保持していても、他方のヘリウム液化機が設計点から乖離した非効率な運転状態に陥るおそれがあった。
【０００５】
そこで本発明は、一つの貯槽に対して複数のヘリウム液化機を設置したときに、各ヘリウム液化機の運転状態をそれぞれ所定の安定した状態で継続させることができるヘリウム液化装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明のヘリウム液化装置は、ヘリウムを圧縮して高圧経路に送出する圧縮機、高圧経路の高圧ヘリウムを低圧戻り経路を戻る低圧ヘリウムとの熱交換により冷却する熱交換器、高圧ヘリウムの一部を断熱膨張させて低温の低圧ヘリウムとする膨張タービン、前記熱交換器で冷却された高圧ヘリウムをＪＴ膨張させるＪＴ弁、ＪＴ膨張により一部が液化した液体ヘリウムを液体ヘリウム貯槽内に導入する液体ヘリウム導入経路、前記液体ヘリウム貯槽内のガス状のヘリウムを前記低圧ヘリウムとして前記熱交換器から前記圧縮機に循環させる低圧戻り経路及び前記液体ヘリウム貯槽内から前記低圧戻り経路に戻るヘリウムの量を液体ヘリウム貯槽内の圧力に応じて調節する戻り量調節手段とを備えたヘリウム液化機を、一つの前記液体ヘリウム貯槽に対して複数基設置したヘリウム液化装置において、前記液体ヘリウム貯槽内に、該液体ヘリウム貯槽内の気相を仕切る仕切板を設けて複数の気相室を区画形成するとともに、区画された一つの気相室には、一つの前記ヘリウム液化機における前記液体ヘリウム導入経路、前記低圧戻り経路及び前記戻り量調節手段を配置し、前記複数の気相室の気相を互いに連通可能な連通手段を備えていることを特徴としている。
【０００７】
さらに、本発明のヘリウム液化装置は、ヘリウムを圧縮して高圧経路に送出する圧縮機、高圧経路の高圧ヘリウムを低圧戻り経路を戻る低圧ヘリウムとの熱交換により冷却する熱交換器、高圧ヘリウムの一部を断熱膨張させて低温の低圧ヘリウムとする膨張タービン、前記熱交換器で冷却された高圧ヘリウムをＪＴ膨張させるＪＴ弁、ＪＴ膨張により一部が液化した液体ヘリウムを液体ヘリウム貯槽内に導入する液体ヘリウム導入経路、前記液体ヘリウム貯槽内のガス状のヘリウムを前記低圧ヘリウムとして前記熱交換器から前記圧縮機に循環させる低圧戻り経路及び前記液体ヘリウム貯槽内から前記低圧戻り経路に戻るヘリウムの量を液体ヘリウム貯槽内の圧力に応じて調節する戻り量調節手段とを備えたヘリウム液化機を、一つの前記液体ヘリウム貯槽に対して複数基設置したヘリウム液化装置において、前記液体ヘリウム貯槽内に、該液体ヘリウム貯槽内の気相を仕切る仕切板を設けて複数の気相室を区画形成するとともに、区画された一つの気相室には、一つの前記ヘリウム液化機における前記液体ヘリウム導入経路、前記低圧戻り経路及び前記戻り量調節手段を配置し、前記仕切板が液体ヘリウム貯槽内の全体を仕切る状態で形成され、該仕切り板の下部に液連通部が設けられていることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のヘリウム液化装置によれば、液体ヘリウム貯槽内に各ヘリウム液化機毎に独立した気相室を形成しているので、各気相室それぞれの圧力を独立して制御することができ、ＪＴ弁で液化せずに低圧戻り経路に戻るヘリウムをそれぞれのヘリウム液化機内で循環させることができる。これにより、各ヘリウム液化機の運転状態に応じた量のヘリウムを低圧戻り経路に戻すことができ、他のヘリウム液化機の運転状態に影響されずに効率よくヘリウムを液化することができる。
【０００９】
また、気相室を連通させる連通手段によって各気相を連通させることにより、液体ヘリウム貯槽内の液相及び気相が連通した状態になるので、１つのヘリウム液化機のみを運転しても液体ヘリウム貯槽の全体にヘリウムを貯留することができるとともに、液体ヘリウム貯槽内から液体ヘリウムを取り出す位置を１箇所にすることができる。さらに、液体ヘリウム貯槽内の全体を仕切る状態の仕切板の下部に液連通部を設けることにより、仕切板の製造や槽内への設置を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明のヘリウム液化装置の一形態例を示す系統図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本形態例に示すヘリウム液化装置は、一つの液体ヘリウム貯槽１１に第１ヘリウム液化機２１と第２ヘリウム液化機３１とを設置したものであって、液体ヘリウム貯槽１１の内部には、槽内を区画するための仕切板１２が設けられている。槽内上部には、仕切板１２により第１気相室１３ａと第２気相室１３ｂとがそれぞれ独立した状態で区画形成されており、槽内下部には、仕切板１２の下部に設けた液連通部１４を介して連通した状態で第１液相室１５ａと第２液相室１５ｂとが区画形成されている。また、槽上部には、第１気相室１３ａと第２気相室１３ｂとを連通可能な連通管１６が設けられ、該連通管１６に設けた連通弁１７を開くことにより、両気相室１３ａ，１３ｂを連通状態とすることができるように形成されている。
【００１２】
両ヘリウム液化機２１，３１は、同一仕様で同一の液化能力を有するものであって、ヘリウムを圧縮して高圧経路２２，３２に高圧ヘリウムとして送出する圧縮機２３，３３と、高圧経路２２，３２の高圧ヘリウムを、低圧戻り経路２４，３４を圧縮機２３，３３に戻る低圧ヘリウムとの熱交換により冷却する複数の熱交換器２５，３５と、冷却途中の高圧ヘリウムの一部を調節弁２６Ｖ，３６Ｖにより流量調節して分岐した高圧ヘリウムの一部を断熱膨張させることで低温の低圧ヘリウムとする複数の膨張タービン２６，３６と、前記熱交換器２５，３５で冷却された高圧ヘリウムをＪＴ膨張させるＪＴ弁２７，３７と、該ＪＴ弁２７，３７でのＪＴ膨張により一部が液化した液体ヘリウムを液体ヘリウム貯槽１１内に導入する液体ヘリウム導入経路２８，３８と、液体ヘリウム貯槽１１内のガス状のヘリウムを前記低圧ヘリウムとして前記熱交換器２５，３５から前記圧縮機２３，３３に循環させる前記低圧戻り経路２４，３４と、液体ヘリウム貯槽１１内から低圧戻り経路２４，３４に戻るヘリウムの量を液体ヘリウム貯槽１１内の各液相室１５ａ，１５ｂの圧力に応じてそれぞれ調節する戻り量調節手段２９，３９とをそれぞれ備えている。
【００１３】
さらに、膨張タービン２６，３６の出口部には、膨張タービン２６，３６で断熱膨張した低圧ヘリウムの温度を検出して前記ＪＴ弁２７，３７の開度を調節する温度指示調節計（ＴＩＣ）２７ａ，３７ａがそれぞれ設けられている。また、圧縮機２３，３３の吸入側及び吐出側には、バッファタンク（図示せず）に接続したアンロード経路２３ａ，３３ａ及びロード経路２３ｂ，３３ｂがそれぞれ設けられている。さらに、熱交換器２５，３５の温端側には、高圧ヘリウムを冷却する補助寒冷として液体窒素（ＬＮ２）が供給されている。
【００１４】
前記戻り量調節手段２９，３９は、各気相室１３ａ，１３ｂ内の圧力を圧力検出手段２９ａ，３９ａでそれぞれ検出して前記熱交換器２５，３５の冷端側にそれぞれ設けられた第１調節弁２９ｂ，第２調節弁３９ｂの開度を調節するものであって、気相室内の圧力が上昇すると調節弁が開方向に調節され、気相室内の圧力が下降すると調節弁が閉方向に調節されることにより、気相室内の圧力があらかじめ設定された圧力に保持される。
【００１５】
両ヘリウム液化機２１，３１が安定した状態で運転しているとき、何らかの原因で、一方のヘリウム液化機、例えば、第１ヘリウム液化機２１に対応する第１気相室１３ａの圧力が僅かに上昇すると、圧力検出手段２９ａからの信号で第１調節弁２９ｂが開方向に作動して第１気相室１３ａからのヘリウムの導出量を増加させることにより、第１気相室１３ａの圧力を下降させて第１気相室１３ａ内を所定の圧力に保持する。
【００１６】
このとき、第１気相室１３ａの圧力の僅かな上昇は、仕切板１２が存在することによって第１液相室１５ａから液連通部１４を介して第２液相室１５ｂの液体ヘリウムに伝達され、第２液相室１５ｂの液体ヘリウムから第２気相室１３ｂ内のヘリウムに伝達されることになるが、第１気相室１３ａの圧力上昇が第２気相室１３ｂ内に完全に伝達される前に第１調節弁２９ｂが開いて第１気相室１３ａの圧力が降下するので、第２気相室１３ｂの圧力はほとんど上昇せず、第２ヘリウム液化機３１の第２調節弁３９ｂは、そのときの開度を保持して安定した運転状態を継続する。
【００１７】
一方、仕切板１２が無い場合は、液体ヘリウム貯槽１１の気相全体の圧力が同時に上昇するため、第１気相室１３ａの圧力が僅かに上昇したときに第２ヘリウム液化機３１の第２調節弁３９ｂも、第１調節弁２９ｂと同時に開方向に作動してしまい、第２ヘリウム液化機３１の運転状態に乱れが生じてしまう。さらに、第２ヘリウム液化機３１の運転状態の乱れが液体ヘリウム貯槽１１の気相全体の圧力に影響を及ぼすと、両ヘリウム液化機２１，３１が共に不安定な状態になり、ヘリウムの液化効率が低下するおそれがある。
【００１８】
したがって、液体ヘリウム貯槽１１内に気相室１３ａ、１３ｂを区画し、各気相室１３ａ、１３ｂ毎にヘリウム液化機２１，３１を配置することにより、各気相室１３ａ、１３ｂの一方の圧力が上昇したり、下降したりしても、他方に影響を与えることがなく、各ヘリウム液化機２１，３１をそれぞれ安定した運転状態として効率よくヘリウムを液化することができる。
【００１９】
また、両気相室１３ａ、１３ｂを連通させる連通手段として連通弁１７を有する連通管１６を設けているので、連通弁１７を開くことによって両気相室１３ａ、１３ｂを連通させることができる。両液相室１５ａ，１５ｂが液連通部１４で連通していることから、連通弁１７を開くことにより、液体ヘリウム貯槽１１内の気相及び液相を相互に連通させた状態にすることができる。このようにして気相及び液相を連通させることにより、一方のヘリウム液化機、例えば、第１ヘリウム液化機２１のみを運転しても、液化したヘリウムを液体ヘリウム貯槽１１内に貯留することができ、液体ヘリウム貯槽１１の全体の気相の圧力変化に応じて戻り量調節手段２９が作動し、一つの第１ヘリウム液化機２１のみで効率よくヘリウムを液化して貯留することができる。
【００２０】
さらに、両気相室１３ａ、１３ｂを連通させることにより、液体ヘリウム貯槽１１の１箇所から液体ヘリウムを取り出しても、液体ヘリウム取出時の圧力変化や液面変化が液体ヘリウム貯槽１１の全体で同時に生じるので、液体ヘリウムを取り出す経路を両液相室１５ａ，１５ｂの任意の位置に設定することができる。
【００２１】
仕切板１２の形状及び液連通部１４の構造は、液体ヘリウム貯槽１１の形状や容量に応じて任意に設定することができ、配管にて液連通部１４を形成することも可能であるが、液体ヘリウム貯槽１１の内面形状に対応した外縁形状を有し、液体ヘリウム貯槽内の全体を仕切る状態の板材の下縁部を切り欠いたり、開口を形成したりして液連通部１４を形成することにより、仕切板１２を容易に製作することができるとともに、液体ヘリウム貯槽１１内への取付も容易に行うことができる。
【００２２】
なお、前記形態例では、一つの液体ヘリウム貯槽に、同一仕様の２基のヘリウム液化機を設置した例を挙げたが、３基以上のヘリウム液化機を、３室以上に気相室を区画した一つの液体ヘリウム貯槽に設置することも可能であり、異なる仕様のヘリウム液化機を設置することもできる。
【符号の説明】
【００２３】
１１…液体ヘリウム貯槽、１２…仕切板、１３ａ…第１気相室、１３ｂ…第２気相室、１４…液連通部、１５ａ…第１液相室、１５ｂ…第２液相室、１６…連通管、１７…連通弁、２１…第１ヘリウム液化機、２２…高圧経路、２３…圧縮機、２３ａ…アンロード経路、２３ｂ…ロード経路、２４…低圧戻り経路、２５…熱交換器、２６…膨張タービン、２６Ｖ…調節弁、２７…ＪＴ弁、２７ａ…温度指示調節計、２８…液体ヘリウム導入経路、２９…戻り量調節手段、２９ａ…圧力検出手段、２９ｂ…第１調節弁、３１…第２ヘリウム液化機、３２…高圧経路、３３…圧縮機、３３ａ…アンロード経路、３３ｂ…ロード経路、３４…低圧戻り経路、３５…熱交換器、３５Ｖ…調節弁、３６…膨張タービン、３７…ＪＴ弁、３７ａ…温度指示調節計、３８…液体ヘリウム導入経路、３９…戻り量調節手段、３９ａ…圧力検出手段、３９ｂ…第２調節弁
【図１】
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