(57)【要約】【課題】ヘリウムガスを効率的に液化する。【解決手段】室温ヘリウムガスを第１冷凍機第１ステージ１４ａで冷却し、得られたヘリウムガスに室温ヘリウムガスを加えた後第２冷凍機第１ステージ１６ａで冷却し、得られたヘリウムガスを第２冷凍機第２ステージ１６ｂに導入し、ここで冷却する。そして、得られたヘリウムガスを第１冷凍機第２ステージ１４ｂに導入し、ここで液化する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２台の２ステージ式冷凍機を用いた液体ヘリウム生成システムであって、
室温ヘリウムガスを第１冷凍機の第１ステージに導入し、ここで冷却し、
得られたヘリウムガスに室温ヘリウムガスを加え、
得られたヘリウムガスを第２冷凍機の第１ステージに導入し、ここで冷却し、
得られたヘリウムガスを第２冷凍機の第２ステージに導入し、ここでさらに冷却し、
得られたヘリウムガスを第１冷凍機の第２ステージに導入し、ここで液化し、
かつ、第１および第２冷凍機の第１ステージへの室温ヘリウムガスの流量を調節する、
液体ヘリウム生成システム。
【請求項２】
３台の２ステージ式冷凍機を用いた液体ヘリウム生成システムであって、
室温ヘリウムガスを第１冷凍機の第１ステージに導入し、ここで冷却し、
得られたヘリウムガスに室温ヘリウムガスを加え、
得られたヘリウムガスを第２冷凍機の第１ステージに導入し、ここで冷却し、
得られたヘリウムガスに室温ヘリウムガスを加え、
得られたヘリウムガスを第３冷凍機の第１ステージに導入し、ここで冷却し、
得られたヘリウムガスを第１、第２および第３冷凍機のいずれか１つの第２ステージに導入し、ここで冷却し、
得られたヘリウムガスを第１、第２および第３冷凍機の中の残りの２台の冷凍機の第２ステージに導入し、ここで液化し、
かつ、第１冷凍機および第２または第３冷凍機の第１ステージへの室温ヘリウムガスの流量を調節する、
液体ヘリウム生成システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の液体ヘリウム生成システムにおいて、
少なくとも１つのヘリウムガスの冷却を行う第１または第２ステージにおける冷却負荷をヒータにより調節する、
液体ヘリウム生成システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は複数台の冷凍機を用いる、液体ヘリウム生成システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＲＩ、ＮＭＲなどの超電導磁石を利用する装置の多くは、液体ヘリウムを必要とする。ヘリウムは、４．２Ｋで蒸発することにより、上記装置を超電導状態に保持するが、近年ヘリウムの価格が高騰しているため、蒸発したヘリウムガスを回収し、これを液化して利用することについての要求が強い。
【０００３】
従来の液化方式については、特許文献１では、２台の２ステージ冷凍機を用いたものについての提案があり、第１の冷凍機の第１ステージで冷却したヘリウムガスに室温ヘリウムを一部加え、これを第２の冷凍機の第１ステージで冷却し、次に第１の冷凍機の第２ステージで冷却した後、第２の冷凍機の第２ステージで液化する装置が開示されている。
【０００４】
特許文献２では、第１の冷凍機の第１ステージで冷却したヘリウムガスを第２の冷凍機の第１ステージで冷却し、次に第２の冷凍機の第２ステージで冷却した後、第１の冷凍機の第２ステージで液化する装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−１１８３４９号公報
【特許文献２】特開２００７−８５７００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ヘリウムガスをさらに効率的に液化することが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、２台の２ステージ式冷凍機を用いた液体ヘリウム生成システムであって、室温ヘリウムガスを第１冷凍機の第１ステージに導入し、ここで冷却し、得られたヘリウムガスに室温ヘリウムガスを加え、得られたヘリウムガスを第２冷凍機の第１ステージに導入し、ここで冷却し、得られたヘリウムガスを第２冷凍機の第２ステージに導入し、ここでさらに冷却し、得られたヘリウムガスを第１冷凍機の第２ステージに導入し、ここで液化し、かつ、第１および第２冷凍機の第１ステージへの室温ヘリウムガスの流量を調節することを特徴とする。
【０００８】
また、他の形態は、３台の２ステージ式冷凍機を用いた液体ヘリウム生成システムであって、室温ヘリウムガスを第１冷凍機の第１ステージに導入し、ここで冷却し、得られたヘリウムガスに室温ヘリウムガスを加え、得られたヘリウムガスを第２冷凍機の第１ステージに導入し、ここで冷却し、得られたヘリウムガスに室温ヘリウムガスを加え、得られたヘリウムガスを第３冷凍機の第１ステージに導入し、ここで冷却し、得られたヘリウムガスを第１、第２および第３冷凍機のいずれか１つの第２ステージに導入し、ここで冷却し、得られたヘリウムガスを第１、第２および第３冷凍機の中の残りの２台の冷凍機の第２ステージに導入し、ここで液化し、かつ、第１冷凍機および第２または第３冷凍機の第１ステージへの室温ヘリウムガスの流量を調節することを特徴とする。
【０００９】
また、少なくとも１つのヘリウムガスの冷却を行う第１または第２ステージにおける冷却負荷をヒータにより調節することが好適である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、室温ヘリウムガスの混合量を制御することで、全体として効率的なヘリウムガスの液化を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施形態の構成を示す図である。
【図２】第２実施形態の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。なお、本発明は、ここに記載される実施形態に限定されるものではない。
【００１３】
「第１実施形態」
＜構成＞
図１は、実施形態に係る液体ヘリウム生成システムの構成を示す図である。
【００１４】
ＭＲＩやＮＭＲから蒸発したヘリウムガスを回収し、回収したヘリウムガスは、貯蔵タンクに貯蔵され、ここからポンプなどによって流入管にほぼ室温（３００Ｋ程度）で送られてくる。流入管には、リリーフ弁１０が配置されており、ここで内部のガス圧が例えば０．２ＭＰａを超えないようにする。
【００１５】
流入管にマスフローコントローラ１２が設けられており、流量を計測するとともに、流量をコントロールする。マスフローコントローラ１２からの室温のヘリウムガスは、第１冷凍機第１ステージ１４ａに流入する。ヘリウムガスは、この第１ステージ１４ａにおいて冷却され、第１冷凍機第２ステージ１４ｂでの４．２Ｋにおける冷却能力が最大になる温度、例えば７２Ｋ程度にする。
【００１６】
第１ステージ１４ａからのヘリウムガスは、第２冷凍機第１ステージ１６ａに供給されるが、この流路にはマスフローコントローラ１８を介し室温ヘリウムガスが追加混合できるようになっている。従って、第１ステージ１６ａに流入されるヘリウムガスの温度は７２Ｋより高くなっている。マスフローコントローラ１８により混合する室温ヘリウムガスの量が制御される。
【００１７】
室温ヘリウムガスが混合されたヘリウムガスは第１ステージ１６ａにおいて冷却され、例えば４５Ｋ程度になる。この第１ステージ１６ａで冷却されたヘリウムガスは第２ステージ１６ｂの凝縮器１６ｃに導入され、ここで第２ステージ１６ｂによって冷却される。温度は７．５Ｋ程度になる。なお、凝縮器１６ｃでは、液化は行われず、単に第２ステージ１６ｂによるヘリウムガスの冷却が行われる。
【００１８】
第２冷凍機第２ステージ１６ｂからのヘリウムガスは、第１冷凍機１４の第２ステージ１４ｂの凝縮器１４ｃに流入される。ここで、導入されたヘリウムガスは、第２ステージ１４ｂによって冷却されて液化する。
【００１９】
なお、第１冷凍機第１ステージ１４ａ、第２冷凍機第１ステージ１６ａ、第２冷凍機第２ステージ１６ｂには、ヒータＨ１，Ｈ２，Ｈ３がそれぞれ設けられており、これらヒータを利用して、対応するステージの冷却能力を調整することができる。
【００２０】
液化された４．２Ｋの液体ヘリウムは、貯留タンク２０に導入され、ここに液体ヘリウムが貯留され、各種の用途に利用される。
【００２１】
なお、第１冷凍機１４、第２冷凍機１６は、ＧＭ冷凍機やパルスチューブ冷凍機と呼ばれるタイプのものが好適である。
【００２２】
＜運用＞
まず、第１冷凍機第１ステージ１４ａには、第１冷凍機第２ステージ１４ｂの冷凍能力が最大になる温度付近になるように室温ヘリウムガス量を設定する。この設定は、マスフローコントローラ１２によって行う。
【００２３】
次に、第２冷凍機第１ステージ１６ａに流入するヘリウムガスについては、第１ステージ１６ａで冷却したヘリウムガスを第２ステージ１６ｂで冷却したときに、ヘリウムガスとしてできるだけ液化温度に近い温度（例えば、７．５Ｋ程度）になるような条件とする。本実施形態において、第２冷凍機１６は、第１ステージ１６ａで冷却したヘリウムガスを第２ステージ１６ｂで冷却する。従って、第１ステージ１６ａへ流入するヘリウムガスの温度、流量を決定する必要がある。この際、冷凍機の販売業者から提供される第２冷凍機１６の平均的な冷却特性表から、第２ステージ１６ｂから流出するヘリウムガスのおおよその温度は予測できる。
【００２４】
しかしながら、個々の冷凍機には、１０％以上の冷凍能力のばらつきがある上に、図示しないコールドチャンバの熱シールドおよびトランスファーチューブの熱シールドを冷却するための熱負荷や装置の仕上がり状態、室温などの環境要因でシステムの液化能力は大きく変動する。他方、ＧＭ冷凍器などの特性として、第１ステージの負荷が適切なときに第２ステージの冷却能力が最大化する。
【００２５】
そこで、第２ステージ１６ｂから流出するヘリウムガスの温度が１０Ｋ以下、例えば７．５Ｋとなるように、混合する第１ステージ１６ａへ供給するヘリウムガスの量および温度をマスフローコントローラ１８を用いて調整する。また、必要な場合には、ヒータＨ１，Ｈ２，Ｈ３に電流を流して最適な条件に設定する。マスフローコントローラ１２，１８における流量と、ヒータＨ１，Ｈ２，Ｈ３の加熱量をパラメータとして変動させ、冷却能力を調べることで最適な値を求めることができる。
【００２６】
そして、第２冷凍機第２ステージ１６ｂからの低温のヘリウムガスが第１冷凍機１４の第２ステージ１４ｂに供給され、ここで液化される。なお、液体ヘリウムはこれを貯留する容器である凝縮器１６ｃ内に溜まった後、貯留タンク２０に導入される。
【００２７】
このように、本実施形態によれば、流入（室温）ヘリウムガスを第１冷凍機第１ステージ１４ａ→第２冷凍機第１ステージ１６ａ→第２冷凍機第２ステージ１６ｂ→第１冷凍機第２ステージ１４ｂの順番でヘリウムスを冷却液化し、第２冷凍機の第１ステージ１６ａに導入されるヘリウムガスに室温ヘリウムガスを混合することおよびヒータＨ１，Ｈ２，Ｈ３を適切に設定することで、全体システムとして効率的なヘリウムガスの液化が行える。
【００２８】
「第２実施形態」
図２に、第２実施形態の構成を示す。このように、第２実施形態では、３つの２ステージ冷凍機を有する。すなわち、第１ステージ２２ａ、第２ステージ２２ｂを有する第３冷凍機２２を有している。また、第３冷凍機第１ステージ２２ａに導入されるヘリウムガスに室温の流入ガスを混合する経路を有しており、この経路には流量を計測するとともに制御するマスフローコントローラ２４が配置されている。
【００２９】
そして、第１冷凍機第１ステージ１４ａ、第２冷凍機第１ステージ１６ａ、第３冷凍機第１ステージ２２ａ、第２冷凍機第２ステージ１６ｂによりヘリウムガスを冷却し、１０Ｋ以下の低温のヘリウムガスを得る。そして、この低温のヘリウムガスを第１冷凍機第２ステージ１４ｂ、第３冷凍機第２ステージ２２ｂで液化し、凝縮器１４ｃ，２２ｃにおいて液体ヘリウムを得る。
【００３０】
さらに、第２冷凍機の第１ステージ１６ａに導入されるヘリウムガス、および第３冷凍機の第１ステージ２２ａに供給するヘリウムガスについては、マスフローコントローラ１８、２４によって流量が調整された室温ヘリウムガスを混合することおよびヒータＨ１〜Ｈ５を適切に設定することで、全体システムとして効率的なヘリウムガスの液化を行う。なお、いずれの冷凍機の第２ステージを液化に用いるかは任意に選択することができる。
【００３１】
特に、本実施形態では、３つの冷凍機の第１ステージを直列に接続しながら、２つの中間部分で室温ヘリウムガスを混合することで、各冷凍機の第１ステージの冷却負荷を個別に調整でき、各冷凍機の第２ステージの冷却能力も設定できる。そして、１つの冷凍機の第２ステージを液体ヘリウム温度に近い低温までの冷却に用い、他の２つの冷凍機の第２ステージを液化に利用することで、３台の冷凍機の能力を十分に利用することができる。
【符号の説明】
【００３２】
１０  リリーフ弁、１２，１８，２４  マスフローコントローラ、１４  第１冷凍機、１４ａ  第１冷凍機第１ステージ、１４ｂ  第１冷凍機第２ステージ、１４ｃ，１６ｃ，２２ｃ  凝縮器、１６  第２冷凍機、１６ａ  第２冷凍機第１ステージ、１６ｂ  第２冷凍機第２ステージ、２０  貯留タンク、２２  第３冷凍機、２２ａ  第３冷凍機第１ステージ、２２ｂ  第３冷凍機第２ステージ、Ｈ１〜Ｈ５  ヒータ。
【図１】
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【図２】
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