JP5839734B2 - 低温液化ガスの蒸発ガス再液化装置 - Google Patents

Description

本発明は、低温液化ガスを収容したクライオスタット内から気化する蒸発ガスを再液化して、クライオスタット内へ供給する低温液化ガスの蒸発ガス再液化装置に関する。

超電導マグネットコイル等は、所定の機能を維持する為に、常時、所定の温度に冷却する必要がある。このような超電導マグネットコイル等の冷却は、液体ヘリウムや液体窒素等の低温液化ガスを真空断熱された容器（クライオスタット）内で行われるのが一般的である。
超電導マグネットコイル等の冷却対象物を低温状態に維持するため、或いはクライオスタット自体への侵入熱により、クライオスタット内の低温液化ガスは気化して蒸発ガスとなる。そのため、当該蒸発ガスを冷却して再液化し、クライオスタットに導入する事でクライオスタットから低温液化ガスの蒸発による減少を抑える必要がある。

低温液化ガスの蒸発を抑制する蒸発ガス再液化装置として、例えば特許文献１に開示された再凝縮装置がある。
特許文献１に開示された再凝縮装置は、「少なくとも一つの冷却ステージを備えた冷凍機と、前記冷却ステージと熱的に接続された凝縮熱交換器を内蔵した凝縮容器と、前記凝縮容器を収納した断熱真空容器と、前記凝縮容器で凝縮した冷媒を冷媒貯蔵容器に導入するトランスファーチューブと、前記断熱真空容器に接続され前記トランスファーチューブの外周を覆う真空筒と、前記冷媒貯蔵容器の電流導入ポートに接続され蒸発ガスを回収する蒸発ガス導入配管と、前記蒸発ガス導入配管に接続され蒸発ガスを昇圧するコンプレッサと、前記コンプレッサで昇圧されたガスを前記凝縮容器に導入する加圧配管と、を備えたことを特徴とする」ものである。

特開２００８−２４９２０１号公報

特許文献１の再凝縮装置においては、蒸発ガスを、加圧配管を介して凝縮容器に導入する構造を採用しているが、加圧配管は一般的に径が4〜5mmと小径であることから圧力損失が大きく、それ故、蒸発ガスを昇圧するためのコンプレッサを必要としている。
しかしながら、蒸発ガスをコンプレッサで昇圧すると蒸発ガスの温度が上昇するので、蒸発ガスの液化に必要なエネルギが増加するという問題がある。
また、昇圧ガスが加圧配管やコンプレッサの配管接続箇所からリークする可能性があり、これに対する対策が必要になるという問題もある。
特許文献１においては、小径の加圧配管を通流する蒸発ガスとの熱交換器をどのようにするかについての詳細は不明であるが、効率的な熱交換を行うには配管等が複雑化するという問題もある。

クライオスタット内に測定機器を収容した場合には、クライオスタット内の測定機器に振動が伝わるとノイズとなり極端に性能が低下し、最悪の場合は測定不能となる。
この点、特許文献１の再凝縮装置のようにコンプレッサを用いた場合には、コンプレッサの振動がクライオスタット側に伝わる可能性があり、これに対する対策が必要となり、機器の構造が複雑化するという問題がある。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、構造が簡単であり、かつ、コンプレッサ等の蒸発ガスを昇圧するための機器が不要な低温液化ガスの蒸発ガス再液化装置を得ることを目的とする。

（１）本発明に係る低温液化ガスの蒸発ガス再液化装置は、低温液化ガスを収容したクライオスタット内から気化する蒸発ガスを再液化して、前記クライオスタット内へ供給する低温液化ガスの蒸発ガス再液化装置であって、
外槽と、該外槽内に設けられた内槽とを有し、前記外槽と前記内槽との間の空間が真空断熱されたコールドボックスと、
冷凍機本体と該冷凍機本体から延出するシリンダー部及び該シリンダー部に設けられた少なくとも１個のコールドステージからなるコールドヘッドを有し、該コールドヘッドが前記内槽に挿入されてなり、前記コールドヘッドと前記内槽の周壁によって環状のガス流路を形成する冷凍機と、
前記クライオスタット内の蒸発ガスを前記ガス流路に導入する蒸発ガス導入管と、
前記ガス流路に設けられて、前記コールドステージの冷熱によって前記ガス流路を通流する蒸発ガスの冷却を行う熱交換器と、
該熱交換器によって冷却された蒸発ガスを再液化する凝縮器と、
該凝縮器で再液化された低温液化ガスを前記クライオスタットに導入するトランスファーチューブとを備えたことを特徴とするものである。

（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記熱交換器は、該冷凍機の前記コールドステージが挿入可能なリング状をしており、前記コールドステージに取り付けて前記内槽に装着した状態で、前記熱交換器の外周壁が前記内槽の周壁に当接していることを特徴とするものである。

本発明においては、外槽と、該外槽内に設けられた内槽とを有し、外槽と内槽との間の空間が真空断熱されたコールドボックスと、冷凍機本体と該コールドヘッドが内槽に挿入されてなり、コールドヘッドと内槽との周壁によって環状のガス流路を形成する冷凍機と、クライオスタット内の蒸発ガスをガス流路に導入する蒸発ガス導入管と、ガス流路に設けられて、ガス流路を通流する蒸発ガスの冷却を行う熱交換器と、該熱交換器によって冷却された蒸発ガスを再液化する凝縮器と、凝縮器で再液化された低温液化ガスをクライオスタットに導入するトランスファーチューブとを備えたことにより、コールドヘッドをコールドボックスに挿入するだけでガス流路が形成されるので、従来のように小径のパイプでガス流路を形成していた場合と比較して、該パイプや弁等が不要となり、装置自体の構造が極めて簡単であり、かつ蒸発ガスのリークの危険もない。また、ガス流路が環状流路となり、流路断面積が広いことから圧力損失がほとんどなく、従来用いていたようなコンプレッサが不要となり、コンプレッサの稼働に伴う振動がクライオスタット側に伝わるという危険もない。

本発明の一実施の形態に係る低温液化ガスの蒸発ガス再液化装置の立断面図である。 本発明の一実施の形態に係る低温液化ガスの蒸発ガス再液化装置のコールドボックスの内部構造を説明する立断面図である。 本発明の一実施の形態に係る低温液化ガスの蒸発ガス再液化装置に用いる冷凍機及び熱交換器の説明図である。

本発明の一実施の形態に係る低温液化ガスの蒸発ガス再液化装置１（以下、単に「蒸発ガス再液化装置１」という）は、図１に示すように、クライオスタット７内から気化する蒸発ガス５を再液化してクライオスタット７内へ供給するものであるので、蒸発ガス再液化装置１の構成を説明する前に、クライオスタット７について図１に基づいて説明する。

＜クライオスタット＞
クライオスタット７は、低温液化ガス３を貯留する貯留容器９と、貯留容器９を収容して真空断熱する真空容器１１と、貯留容器９と真空容器１１の間に設けられ外部からの輻射熱を防ぐ第１輻射シールド１３及び第２輻射シールド１５と、低温液化ガス３を貯留容器９に注液するための注液用ポート１７と、蒸発ガス５を取り出すための蒸発ガス放出管１９とを有している。

貯留容器９に貯留される低温液化ガス３としては、液体ヘリウム、液体窒素、液体ネオン等が挙げられる。
注液用ポート１７は、一端が貯留容器９に連通し、他端が真空容器１１の外部に延出する管状からなり、他端側から蒸発ガス再液化装置１の下部（真空筒４１）が挿入可能になっている。注液用ポート１７は、例えばＯリングポートで構成される。
蒸発ガス放出管１９は、一端が貯留容器９に連通し、他端が真空容器１１の外部に延出するように設けられている。

貯留容器９内の低温液化ガス３の一部が気化した蒸発ガス５は、蒸発ガス放出管１９内を上昇して蒸発ガス導入管３１に供給される。蒸発ガス５は極低温であり、蒸発ガス放出管１９内を上昇する際に、蒸発ガス放出管１９に当接している第２輻射シールド１５、第１輻射シールド１３、真空容器１１を冷却することで、外部から貯留容器９への入熱を遮断している。

＜蒸発ガス再液化装置＞
次に、上述した構造を有するクライオスタット７に取り付けられる蒸発ガス再液化装置１について、図１〜３に基づいて説明する。
蒸発ガス再液化装置１は、外槽２１ａと、外槽２１ａ内に設けられた内槽２１ｂとを有するコールドボックス２１と、冷凍機本体２３とコールドヘッド２５を有し、コールドヘッド２５が内槽２１ｂに挿入されてコールドヘッド２５と内槽２１ｂの周壁によってガス流路２７を形成する冷凍機２９と、クライオスタット７内の蒸発ガス５をガス流路２７に導入する蒸発ガス導入管３１と、ガス流路２７に設けられてガス流路２７を通流する蒸発ガス５の冷却を行う第１熱交換器３３及び第２熱交換器３５と、第２熱交換器３５によって冷却された蒸発ガス５を再液化する凝縮器３７と、凝縮器３７で再液化された低温液化ガス３をクライオスタット７に導入するトランスファーチューブ３９とを備えている。

≪コールドボックス≫
コールドボックス２１は、外槽２１ａと、外槽２１ａ内に設けられた内槽２１ｂとを有している。
外槽２１ａは有底円筒状からなり、底部にはクライオスタット７の注液用ポート１７に挿入されるトランスファーチューブ３９が設けられている。

外槽２１ａと内槽２１ｂの開口端には円環状の蓋体４３が設けられており、これによって、外槽２１ａと内槽２１ｂとの間の空間が密閉されている。外槽２１ａと内槽２１ｂとの間の密閉空間は真空断熱されており、外部からの入熱を防止している。
蓋体４３には、冷凍機本体２３がボルトによって固定されている。

≪冷凍機≫
冷凍機２９は、冷凍機本体２３とコールドヘッド２５を有している。冷凍機２９の態様としては、例えば、パルスチューブ冷凍機２９を用いることができる。
コールドヘッド２５は、冷凍機本体２３から延出する第１シリンダー部２５ａと、その先端側に延出する第２シリンダー部２５ｂと、第１シリンダー部２５ａと第２シリンダー部２５ｂとの間に設けられた第１コールドステージ２５ｃと、第２シリンダー部２５ｂの先端に設けられた第２コールドステージ２５ｄを備えている。

冷凍機本体２３の下部には外方に張り出すフランジ部２３ａが設けられており、冷凍機本体２３はフランジ部２３ａによってコールドボックス２１の蓋体４３に取り付けられる。
冷凍機２９は、コールドヘッド２５が内槽２１ｂに挿入され冷凍機本体２３がコールドボックス２１に取り付けられことでコールドボックス２１に装着されている。このとき、冷凍機本体２３の下面によって内槽２１ｂの開口部が覆われ、これによって内槽２１ｂ内が密閉されている。

第１シリンダー部２５ａ及び第２シリンダー部２５ｂは円筒状からなり、コールドヘッド２５が内槽２１ｂに挿入されることで、第１シリンダー部２５ａ及び第２シリンダー部２５ｂと内槽２１ｂの周壁によって環状のガス流路２７が形成される。このように蒸発ガス再液化装置１は、従来のように加圧配管によってガス流路を形成する場合と比較して、構造が簡単である上、コールドヘッド２５を内槽２１ｂに挿入するという極めて簡易な手段によってガス流路２７を容易に形成することができる。

ガス流路２７には、内槽２１ｂの上部から導入される蒸発ガス５が通流される。なお、図１中において、蒸発ガス５の流れを太矢印で示している。
従来例のように、加圧配管を用いていた場合と比較して、ガス流路２７は面積が格段に広いので圧力損失が殆どなく、それ故、コンプレッサを用いなくても蒸発ガス５を導入することが可能である。この点についてはさらに後述する。

第１コールドステージ２５ｃ及び第２コールドステージ２５ｄは円板状からなり、蒸発ガス５を冷却するための冷熱を発生させるものである。
第１コールドステージ２５ｃは、第２コールドステージ２５ｄよりも冷却能力が大きく、室温まで昇温した蒸発ガス５を例えば約40Kまで冷却可能であり、第２コールドステージ２５ｄは、第１コールドステージ２５ｃで冷却された蒸発ガス５をさらに約4Kまで冷却可能になっている。

≪蒸発ガス導入管≫
蒸発ガス導入管３１は、一端が蒸発ガス放出管１９に挿入され、他端が内槽２１ｂに連通する管状からなり、クライオスタット７の貯留容器９内の蒸発ガス５をガス流路２７に導入するものである。
蒸発ガス導入管３１には開閉弁４５が設けられており、流路の開閉や流量調整を行えるようになっている。

≪第１熱交換器及び第２熱交換器≫
第１熱交換器３３及び第２熱交換器３５は、図１及び図３に示すように、銅製のリング状からなり、リングの外壁と内壁がガス流路なっており、このガス流路には多数のフィンが形成されている。
第１熱交換器３３のリング穴には第１コールドステージ２５ｃが、第２熱交換器３５のリング穴には第２コールドステージ２５ｄがそれぞれ挿入されることで、第１熱交換器３３及び第２熱交換器３５がコールドヘッド２５に取付可能になっている。

第１熱交換器３３及び第２熱交換器３５が第１コールドステージ２５ｃ及び第２コールドステージ２５ｄに取り付けられた状態で、コールドヘッド２５が内槽２１ｂに装着されると、図１に示すように、各熱交換器はガス流路２７内に配置され、第１コールドステージ２５ｃ及び第２コールドステージ２５ｄの冷熱によってガス流路２７を通流する蒸発ガス５の冷却を行う。
また、この状態で第１熱交換器３３及び第２熱交換器３５の外周壁が内槽２１ｂの周壁に当接するようになっており、内槽２１ｂを冷却して内槽２１ｂの外側からの入熱を遮断している。

≪凝縮器≫
凝縮器３７は、第２コールドステージ２５ｄの下面に設けられて、第２熱交換器３５によって冷却された蒸発ガス５を再液化して低温液化ガス３にするものである。再液化された低温液化ガス３は内槽２１ｂの底部に滴下される。
蒸発ガス５が順次再液化されることで内槽２１ｂ内が減圧され、これによって蒸発ガス５が貯留容器９からガス導入管３１を介して内槽２１ｂ内へ吸気される。このことと、ガス流路２７の流路面積が広く圧力損失が殆どないこととが相まって、コンプレッサを用いなくても、蒸発ガスを内槽２１ｂ内へ導入することができる。

≪トランスファーチューブ≫
トランスファーチューブ３９は、上端が内槽２１ｂの底部に連通し下端がクライオスタット７の貯留容器９に連通する管状からなり、凝縮器３７で再液化されて滴下される低温液化ガス３を貯留容器９に導入するものである。

以上のように構成された蒸発ガス再液化装置１を用いてクライオスタット７内から気化する蒸発ガス５を再液化して、クライオスタット７内へ供給する方法を、蒸発ガス再液化装置１の動作と共に説明する。
貯留容器９に貯留された低温液化ガス３はその一部が気化して蒸発ガス５となる。
蒸発ガス５は、蒸発ガス放出管１９内を上昇するとともに、第２輻射シールド１５、第１輻射シールド１３、真空容器１１を冷却し、蒸発ガス導入管３１内を通流して内槽２１ｂ内に導入される。

蒸発ガス５は、その後、内槽２１ｂ内に形成されたガス流路２７を通流する間に、第１熱交換器３３及び第２熱交換器３５によって冷却され、さらに凝縮器３７によって再液化されて低温液化ガス３となる。低温液化ガス３は、滴下して、トランスファーチューブ３９を介して再びクライオスタット７の貯留容器９に供給される。また、この液化によって内槽２１ｂ内が減圧されることで、蒸発ガス５が貯留容器９から内槽２１ｂ内に円滑に導入される。
なお、内槽２１ｂには、内槽２１ｂの周囲及び上部からの入熱があるが、第１熱交換器３３及び第２熱交換器３５が内槽２１ｂの周壁に当接して内槽２１ｂを冷却するので、前記入熱を遮断することができる。

以上のように、本実施の形態においては、第１熱交換器３３及び第２熱交換器３５が取り付けられたコールドヘッド２５をコールドボックス２１に挿入することでガス流路２７が形成されるので、従来のように小径のパイプでガス流路を形成していた場合と比較して、該パイプや弁等が不要となり、装置自体の構造が極めて簡単であり、かつ蒸発ガスのリークの危険もない。
ガス流路２７が広いことから圧力損失がほとんどなく、従来用いていたようなコンプレッサが不要となり、機器の不具合の発生の危険が軽減され、長期運転の容易性と、メンテナンス性が改善される。

また、コンプレッサを使用しなくともよいため、外部循環装置の簡略化を行うことで装置全体のコンパクト化を図ることが可能である。さらに、蒸発ガス５を圧縮することなく低温の状態から冷却、液化するので、従来の様に圧縮熱を除去する必要がなくなり、効率的に蒸発ガス５の冷却、液化が可能となる。
さらにまた、コンプレッサを使用しないため振動が発生せず、冷却対象物の性能が低下することもない。

なお、上記の説明では、冷凍機の例として、コールドステージを２個有するものを例に挙げたが、冷凍機のコールドステージの個数はこれに限られず、要求される冷却能力に応じた個数を有する冷凍機を適宜選択可能である。例えば、液体窒素を貯留する場合等であればコールドステージが１個の冷凍機を使用することができる。また、ガスの種類によっては３個以上を有する冷凍機を用いてもよい。熱交換器の数や凝縮器の取付位置等は、コールドステージの個数に応じて適宜変更する。

また、上記の説明では、熱交換器をコールドステージに挿入して取り付けるものを例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、内槽の周壁に取り付けるようにしてもよく、この場合であっても、ガス流路２７の形成の容易性やコンプレッサが不要になることに基づく効果を奏することができる。

なお、本発明に係る低温液化ガスの蒸発ガス再液化装置は、液体ヘリウム等の低温液化ガスを使用する機器すべて使用することが可能である。
例えばＮＭＲ装置は、超電導マグネットを冷却する液体ヘリウム槽と熱シールドとして使用する液体窒素槽を有しているが、このようなＮＭＲ装置には液体ヘリウム用の本装置と液体窒素用の本装置をそれぞれ設置することで、各冷媒の蒸発が抑制され、冷媒補充の不要となり、長期間にわたり安定した運転が可能となる。

１ 蒸発ガス再液化装置
３ 低温液化ガス
５ 蒸発ガス
７ クライオスタット
９ 貯留容器
１１ 真空容器
１３ 第１輻射シールド
１５ 第２輻射シールド
１７ 注液用ポート
１９ 蒸発ガス放出管
２１ コールドボックス
２１ａ 外槽
２１ｂ 内槽
２３ 冷凍機本体
２３ａ フランジ部
２５ コールドヘッド
２５ａ 第１シリンダー部
２５ｂ 第２シリンダー部
２５ｃ 第１コールドステージ
２５ｄ 第２コールドステージ
２７ ガス流路
２９ 冷凍機
３１ 蒸発ガス導入管
３３ 第１熱交換器
３５ 第２熱交換器
３７ 凝縮器
３９ トランスファーチューブ
４１ 真空筒
４３ 蓋体
４５ 開閉弁

Claims (1)

1. 低温液化ガスを収容したクライオスタット内から気化する蒸発ガスを再液化して、前記クライオスタット内へ供給する低温液化ガスの蒸発ガス再液化装置であって、
   外槽と、該外槽内に設けられた内槽とを有し、前記外槽と前記内槽との間の空間が真空断熱されたコールドボックスと、
   冷凍機本体と該冷凍機本体から延出するシリンダー部及び該シリンダー部に設けられた少なくとも１個のコールドステージからなるコールドヘッドを有し、該コールドヘッドが前記内槽に挿入されてなり、前記コールドヘッドと前記内槽の周壁によって環状のガス流路を形成する冷凍機と、
   前記クライオスタット内の蒸発ガスを前記ガス流路に導入する蒸発ガス導入管と、
   前記ガス流路に設けられて、前記コールドステージの冷熱によって前記ガス流路を通流する蒸発ガスの冷却を行う熱交換器と、
   該熱交換器によって冷却された蒸発ガスを再液化する凝縮器と、
   該凝縮器で再液化された低温液化ガスを前記クライオスタットに導入するトランスファーチューブとを備え、
   前記熱交換器は、該冷凍機の前記コールドステージが挿入可能なリング状をしており、前記コールドステージに取り付けて前記コールドヘッドを前記内槽に装着した状態で、前記熱交換器の外周壁が前記内槽の周壁に当接していることを特徴とする低温液化ガスの蒸発ガス再液化装置。

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