(57)【要約】【課題】貯留タンク内の液体ヘリウムの液面が下がりすぎても運転を停止させる必要がなく、かつ、低温圧縮機により昇温されたヘリウムガスの熱エネルギーを有効利用することができる極低温冷却装置を提供する。【解決手段】低温圧縮機とクロードサイクル冷凍機の間から分岐する分岐ガスラインと、低温圧縮機から吐き出されるヘリウムガスの一部と貯留タンク内の液体ヘリウムとの間で熱交換を行う貯留タンク用熱交換器を設ける。貯留タンク用熱交換器内を流れるヘリウムガスの流量は、流量調節弁の弁開度を制御することにより行う。【選択図】      図１
2005003308.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体ヘリウムを内部に保有する液体ヘリウム貯槽と、該液体ヘリウム貯槽の極低温のヘリウムガスを吸引し圧縮する低温圧縮機と、圧縮したヘリウムガスを常温で更に圧縮する常温圧縮機と、ヘリウムガスを熱交換して冷却するクロードサイクル冷凍機と、ヘリウムガスを断熱膨張させ液化させるＪＴ膨張弁と、被冷却体を強制冷却した液体ヘリウムを一時的に貯留する貯留タンクとを備える極低温冷却装置において、
前記低温圧縮機から吐き出されるヘリウムガスの一部と前記貯留タンク内の液体ヘリウムとの間で熱交換を行う貯留タンク用熱交換器と、
該貯留タンク用熱交換器内を流れるヘリウムガスの流量を調節する流量調節弁とを備える、ことを特徴とする極低温冷却装置。
【請求項２】
前記貯留タンク用熱交換器を通過したヘリウムガスを、前記低温圧縮機と前記クロードサイクル冷凍機とを接続するガスラインに送る戻しガスラインを備える、ことを特徴とする請求項１記載の極低温冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体ヘリウムで被冷却体を冷却する極低温冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
大型加速器、核融合試験設備、ＭＨＤ（Ｍａｇｎｅｔｏ  Ｈｙｄｒｏ  Ｄｙｎａｍｉｃｓ）発電、リニアモータ、ＭＲＩ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒｅｓｏａｎｃｅ  Ｉｍａｇｉｎｇ：磁気共鳴診断）等には超伝導電磁石が用いられており、この超伝導電磁石を冷却するために、従来から液体ヘリウムが用いられている。この液体ヘリウムは実在気体のうちで最も低い沸点（４．２Ｋ）を有し、この液体ヘリウムで超伝導電磁石を極低温に冷却することにより、電気抵抗が零となる超伝導現象を確立することができる。
【０００３】
超伝導電磁石の冷却方式は、浸漬冷却方式、強制冷却方式、及び超流動冷却方式に大別される。このうち、大型で高磁場を要求される超伝導電磁石には、強制冷却方式が最も有力視されている。強制冷却方式では、冷媒として相変化のない超臨界圧ヘリウム（ＳＨｅ）が用いられる。
【０００４】
また、強制冷却方式は、低温循環ポンプ方式と常温圧縮機方式に大別される。低温循環ポンプ方式による極低温冷却装置は、ＳＨｅポンプによりＳＨｅを被冷却体（超伝導電磁石）に循環させるものである。この方式は、被冷却体への循環流量や圧力の調整が冷凍サイクルによって制限されない利点がるが、ポンプ仕事が冷凍機の熱負荷として加算されるため、断熱効率の高いＳＨｅポンプが必要となる欠点がある。
【０００５】
一方、図２に示すような常温圧縮機方式による極低温冷却装置２０は、冷凍機２６の高圧低温冷媒を液体ヘリウム貯槽２４内の熱交換器２３で冷却した後、被冷却体２１に直接供給して強制冷却するものであり、この方式によれば必要とされる循環流量が、冷凍機の冷凍能力に対応した循環流量と一致した場合には最適なシステムとなる。より具体的に説明すると、２４は液体ヘリウム貯槽、２５は常温（例えば３００Ｋ）で作動する常温圧縮機、２７ａ、２７ｂはジュールトムソン効果により冷却するＪＴ膨張弁、２８は低温（例えば４〜５Ｋ）で作動する低温圧縮機である。液体ヘリウム貯槽２４内のヘリウムガスは、低温圧縮機２８と常温圧縮機２５で高圧に昇圧され、冷凍機２６で冷却されてＪＴ膨張弁２７ａ、２７ｂで断熱膨張して液化する。ＪＴ膨張弁２７ｂを通過した液体ヘリウムは液体ヘリウム槽２４へと流入し、他方ＪＴ膨張弁２７ａを通過した液体ヘリウムは熱交換器により更に冷却され被冷却体２１を冷却した後、貯留タンク２９に一時的に貯留される。貯留タンク２９には電気ヒータ３０と液位計（図示せず）が備えられており、液位計の検出値に基づいて電気ヒータ３０により液体ヘリウムを加熱し、ヘリウムガスにして貯留タンク２９内の液面制御を行っている。ヘリウムガスはガス回収器３１により回収され、通常は冷凍機２６に戻されるようになっている。なお、これらの冷却技術は、特許文献１、非特許文献１〜３等に記載されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−３２５６３０号公報
【非特許文献１】
極低温ヘリウム排気コンプレッサ、石川島播磨技報第２８巻第３号、昭和６３年５月
【非特許文献２】
加藤崇、上谷内陽一、大型強制冷却マグネット用低温ヘリウム・ポンプ、平成３年度冷凍部会、年間公演集、低温工学協会冷凍部会
【非特許文献３】
三宅明洋、超伝導電磁石冷却装置、超伝導エネルギー貯蔵シンポジウム９７、平成９年１２月１９日
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来の極低温冷却装置２０では、貯留タンク２９内の液体ヘリウムの液位を制御するための加熱手段として電気ヒータ３０を用いており、液体ヘリウム中に浸漬し加熱するようになっている。この電気ヒータ３０は発熱体として電熱線を用いているが、液面制御がうまくいかず液面が下がりすぎてしまう場合がある。そしてこのような場合、液面が下がり続けると電気ヒータ３０の電熱線が液面上に露出して電熱線が焼き切れてしまい冷却装置の運転を停止させなければならないという問題があった。また、液体ヘリウム貯槽２４を出た約４Ｋのヘリウムガスは低温圧縮機２８により昇圧されることにより約７．３Ｋ程度まで昇温されるが、これをそのままクロードサイクル冷凍機に供給していたため、クロードサイクル冷凍機２６の熱負荷という観点からは好ましいものではなかった。
【０００８】
本発明は、かかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、貯留タンク内の液体ヘリウムの液面が下がりすぎても運転を停止させる必要がなく、かつ、低温圧縮機により昇温されたヘリウムガスの熱エネルギーを有効利用することができる極低温冷却装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、液体ヘリウムを内部に保有する液体ヘリウム貯槽と、該液体ヘリウム貯槽の極低温のヘリウムガスを吸引し圧縮する低温圧縮機と、圧縮したヘリウムガスを常温で更に圧縮する常温圧縮機と、ヘリウムガスを熱交換して冷却するクロードサイクル冷凍機と、ヘリウムガスを断熱膨張させ液化させるＪＴ膨張弁と、被冷却体を強制冷却した液体ヘリウムを一時的に貯留する貯留タンクとを備える極低温冷却装置において、前記低温圧縮機から吐き出されるヘリウムガスの一部と前記貯留タンク内の液体ヘリウムとの間で熱交換を行う貯留タンク用熱交換器と、該貯留タンク用熱交換器内を流れるヘリウムガスの流量を調節する流量調節弁とを備える、ことを特徴とする極低温冷却装置が提供される。
【００１０】
上記本発明の構成によれば、低温圧縮機から吐き出されるヘリウムガスの一部を流通させる貯留タンク用熱交換器を備え、これにより貯留タンクに貯留されている液体ヘリウムを加熱してヘリウムガスとすることにより液体ヘリウムの液面制御を行うので、従来のように電気ヒータを設ける必要がなく電力を節減して省エネルギー化を図ることができるとともに、昇温されたヘリウムガスの熱エネルギーを有効利用することができる。また、貯留タンクの液体ヘリウムを加熱する手段として電気ヒータに代えて貯留タンク用熱交換器としたので、貯留タンクの液面が下がりすぎた場合でも冷却装置の運転を停止させる必要がない。
【００１１】
また本発明の好ましい実施形態によれば、前記貯留タンク用熱交換器を通過したヘリウムガスを、前記低温圧縮機と前記クロードサイクル冷凍機とを接続するガスラインに送る戻しガスラインを備える。
【００１２】
戻しガスラインにより、貯留タンク用熱交換器を通過して温度が低下したヘリウムガスを低温圧縮機とクロードサイクル冷凍機とを接続するガスラインに送るので、低温圧縮機により温度が上昇したヘリウムガスをそのままクロードサイクル冷凍機に送る場合に比べてクロードサイクル冷凍機の熱負荷を軽減することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明に係る極低温冷却装置１０の全体構成図であり、液体ヘリウムを内部に保有する液体ヘリウム貯槽４と、該液体ヘリウム貯槽４の極低温のヘリウムガスを吸引し圧縮する低温圧縮機８と、圧縮したヘリウムガスを常温で更に圧縮する常温圧縮機５と、ヘリウムガスを熱交換して冷却するクロードサイクル冷凍機６と、ヘリウムガスを断熱膨張させ液化させるＪＴ膨張弁７ａ、７ｂと、液体ヘリウム槽４の液体ヘリウムに浸漬された熱交換器３と、被冷却体１を強制冷却した液体ヘリウムを一時的に貯留する貯留タンク９と、貯留タンク９内のヘリウムガスを回収するガス回収器１２とを備えている。
【００１５】
また、図１に示すように極低温冷却装置１０は、さらに低温圧縮機８とクロードサイクル冷凍機６とを接続するガスラインである低温圧縮ガスライン１３の上流側に、この低温圧縮ガスライン１３から分岐する分岐ガスライン１４と、分岐ガスライン１４に接続され前記貯留タンク９に浸漬する貯留タンク用熱交換器１１と、貯留タンク用熱交換器１１を流れるヘリウムガスの流量を調節する流量調節弁１５ａと、貯留タンク９内に設けられ液体ヘリウムの液位を計測する液位計（図示せず）の計測値に基づいて流量調節弁１５ａの弁開度を制御する制御装置１９と、前記貯留タンク用熱交換器１１の下流側に接続され熱交換を終えたヘリウムガスを低温圧縮ガスライン１３の前記分岐ガスライン１４との接続点より下流側に戻す戻しガスライン１６とを備えている。なお、１５ｂは流体抵抗を与える弁、１８ａ、１８ｂ、１８ｃはそれぞれ所定のガスラインを示す。
【００１６】
次に、本発明に係る極低温冷却装置１０の動作について説明する。図１における液体ヘリウム貯槽４の温度及び圧力は、例えば、約４Ｋ，１．３ａｔｍであり、この液体ヘリウム貯槽４を出たヘリウムガスは低温圧縮機８により圧縮され約７．３Ｋまで昇温される。低温圧縮機８は、液体ヘリウム貯槽４とほぼ同一の温度及び圧力で作動する。低温圧縮機８を出たヘリウムガスは、低温圧縮ガスライン１３を通り、更に常温圧縮機で圧縮され昇圧される。この常温圧縮機５の作動温度及び圧力は、例えば約３００Ｋ，１．０３ａｔｍであり、ほぼ常温常圧で作動する。常温圧縮機５により昇圧されたヘリウムガスは、クロードサイクル冷凍機６で冷却されガスライン１８ａを介してＪＴ膨張弁７ａ、７ｂを通過する。ＪＴ膨張弁７ａ、７ｂは流体を断熱膨張させて冷却する機能を有する弁であり、このＪＴ膨張弁７ａ、７ｂによる冷却によりヘリウムガスは液化して液体ヘリウムとなり、ＪＴ膨張弁７ｂからの液体ヘリウムは液体ヘリウム貯槽４内へ流入し、ＪＴ膨張弁７ａからの液体ヘリウムは液体ヘリウム貯槽４内の液体ヘリウム中に浸漬する熱交換器３を通ってガスライン１８ｂを介して被冷却体１（超伝導電磁石）に供給され被冷却体１を強制冷却する。被冷却体１を強制冷却した液体ヘリウムは、ガスライン１８ｃを介してこれに接続される貯留タンク９内に流入し、貯留タンク用熱交換器１１により加熱されヘリウムガスとなり、回収ガスライン１７を介してこれに接続されるガス回収器１２により回収されるようになっている。
【００１７】
本発明では、貯留タンク９内の液体ヘリウムの液位制御において、液体ヘリウムを加熱する手段として貯留タンク用熱交換器１１を用いる。この貯留タンク用熱交換器１１は貯留タンク９内の液体ヘリウム中に浸漬しており、上流側に低温圧縮ガスライン１３から分岐する分岐ガスライン１４が接続され、その内部に低温圧縮機８から出たヘリウムガスを流通させている。上述したように、低温圧縮機８から出たヘリウムガスは約７．３Ｋに昇温されており、一方、貯留タンク９内の液体ヘリウムは約４Ｋであるので、これらの間で熱交換を行うことにより貯留タンク９内の液体ヘリウムを加熱してヘリウムガスにする。したがって、従来のように液体ヘリウム加熱用の電気ヒータを設ける必要がなく電力を節減して省エネルギー化を図ることができとともに、昇温されたヘリウムガスの熱エネルギーを有効利用することができる。しかも、貯留タンクの液面が下がりすぎた場合でも冷却装置の運転を停止させる必要がない。
【００１８】
また液位制御は、貯留タンク９に設けられた液位計（図示せず）の計測値に基づいて分岐ガスライン１４に設けられた流量調節弁１５ａの弁開度を制御装置１９により制御し、これにより貯留タンク用熱交換器１１内を流れるヘリウムガスの流量を調節して熱交換量を調節することにより行う。すなわち、制御装置１９により流量調節弁１５ａの開度を調節して、貯留タンク９内の液体ヘリウムが所定値より多いときは貯留タンク用熱交換器を流れるヘリウムガスの流量を増大させ、一方、貯留タンク９内の液体ヘリウムが所定値より少ないときは貯留タンク用熱交換器１１を流れるヘリウムガスの流量を減少させ又は零にする。
【００１９】
また、本発明では、貯留タンク用熱交換器１１で熱交換を終え温度が低下したヘリウムガスを、戻しガスライン１７を介して低温圧縮ガスライン１３に戻すようにしている。これにより、分岐ガスライン１４に分岐しないで低温圧縮ガスラインをそのまま下流に流れた約７．３Ｋのヘリウムガスと戻しガスライン１６からのこれより低温のヘリウムガスとが混合し、全体としてヘリウムガスの温度が下がる。したがって、低温圧縮機８により温度が上昇したヘリウムガスをそのままクロードサイクル冷凍機６に送る場合に比べてクロードサイクル冷凍機６の熱負荷を軽減することができる。
【００２０】
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更し得ることは勿論である。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る極低温冷却装置は、以下のような優れた効果を有する。
（１）貯留タンクの液体ヘリウムを加熱する手段として、従来のような電気ヒータを設ける必要がないので、電力を節減して省エネルギー化を図ることができるとともに、低温圧縮機により昇温されたヘリウムガスの熱エネルギーを有効利用することができる。
（２）貯留タンクの液体ヘリウムを加熱する手段として電気ヒータに代えて貯留タンク用熱交換器としたので、貯留タンクの液面が下がりすぎた場合でも冷却装置の運転を停止させる必要がない。
（３）戻しガスラインにより貯留タンク用熱交換器を通過して温度が低下したヘリウムガスを低温圧縮機とクロードサイクル冷凍機とを接続するガスラインクに送るので、低温圧縮機により温度が上昇したヘリウムガスをそのままクロードサイクル冷凍機に送る場合に比べてクロードサイクル冷凍機の熱負荷を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る極低温冷却装置の全体構成図である。
【図２】従来の極低温冷却装置の全体構成図である。
【符号の説明】
１  被冷却体（超伝導電磁石）
３  熱交換器
４  液体ヘリウム貯層
５  常温圧縮機
６  クロードサイクル冷凍機
７ａ，７ｂ  ＪＴ膨張弁
８  低温圧縮機
９  貯留タンク
１０  極低温冷却装置
１１  貯留タンク用熱交換器
１２  ガス回収器
１３  低温圧縮ガスライン
１４  分岐ガスライン
１５ａ  流量調節弁
１５ｂ  弁
１６  戻しガスライン
１７  回収ガスライン
１８ａ，１８ｂ，１８ｃ  ガスライン
１９  制御装置
【図１】
2005003308.tif 000003
【図２】
2005003308.tif 000004