JPS6032099B2 - 過冷却液化ガス供給装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は液体ヘリウム等の液化ガスを飽和温度以下に
過冷却して被冷却体、例えば超電導コイルに過冷却液化
ガスを連続的に供給する過冷却液化ガス供聯合装置に関
するものである。

第１図は従釆の過冷却液化ガス供給装置の概略的な構成
を示すシステムブロック図である。

図において、１は液化ガス槽で、この液化ガス槽１に液
化ガスを充填した場合には、槽内に液相部ｌａと気相部
ｌｂとが形成される。２Ａは過冷却器で、気相部ｌｂの
空間に設けられる。

過冷却器２Ａ内には２系統の流路がありその流路の流体
が相互に熱交換を行なうように構成されている。３は液
化ガス加圧系路で、この液化ガス加圧系統３は過冷却器
２Ａを経て、液化ガス槽１内の液化ガスを糟内の圧力状
態のまま、糟外に導出するもので、液化ガス加圧系統３
の槽内での開□端は液化ガスの液面下になるように構成
されている。

４は液化ガス減圧系統で、この液化ガス減圧系統４１に
は減圧装置５および気液分離器６が設けられており、液
化ガス槽１内の液化ガスを減圧して所定温度まで降下さ
せ、低温になった液化ガスを過冷却器２Ａを通したのち
、凝縮器７Ａの減圧ガス系統８を経て槽外に導出される
ように構成されている。

９は液化ガス減圧系統４を通じて液化ガス配管１０‘こ
出されるガスの圧力を制御する減圧系圧力制御弁で、こ
の圧力制御弁９の動作特性を補うために減圧容器１１が
設けられている。

１３は液化ガス槽１から排気装置１２によって排出され
たガスを圧縮精製し再び液化ガス槽１に戻すためのガス
加圧装置で、このガス加圧装置１３の吸込側、すなわち
排気装置１２の吐出側には保庄タンク１４が設けられて
おり、ガス加圧装置１３の吸込側の圧力を一定に保つよ
うにされている。

またガス加圧装置１３によって液化ガス槽１に戻される
ガスは凝縮器７Ａの再液化系統１５において液化ガス槽
１からの排気ガスによって予冷され、一部が液化される
ように構成されている。１６は再液化系統１５に供給さ
れるガスの圧力を調整するために系統内の余剰ガスに放
出するための圧力調整弁を示す。

上述の構成において過冷却液化ガスを得る場合を具体的
に説明する。

なお以下においては、液化ガスとしては液体ヘリウムを
用いた場合について説明する。まず液化ガス補給タンク
１７から補給移送管１８を通して液化ガス槽１に圧力１
．２ｔｍ温度４．巡の液体ヘリウムを注入する。

過冷却液体ヘリウムを被冷却体１９Ａに供給する場合に
は、液化ガス槽１の気相部ｌｂに上述のように１．後ｔ
ｍのガス圧を加えると、液化ガス加圧系統３および液化
ガス減圧系統４を経て液化ガスは槽外に導出される。こ
の導出過程において、液化ガス減圧系統４を流れる液体
ヘリウムは減圧装置５を通って過冷却器２Ａに流入し、
ここで蒸発する。例えば減圧装置５において０．１ａｔ
ｍに減圧されると２．５Ｋまで温度降下する。液化ガス
加圧系統３を流れる液体ヘリウムは過冷却器２Ａに入り
、液化ガス減圧系統４を流れる液体ヘリウムと熱交換し
、１．２ｔｍにおいて約雛に過冷却されたのち、過冷却
液移送管２０を通じて被冷却体１９Ａに送られる。上述
の場合の液化ガス減圧系統４において、例えば毎時３０
その割合で被冷却体１９Ａへ液体ヘリウムを供給する場
合には毎時９．１その液体ヘリウムが過冷却器２Ａ内で
蒸発する。過冷却器２Ａで蒸発したヘリウムガスは気液
分離器６で液相分を残して凝縮器７Ａの減圧系統８に入
り、再液化系統１５に入ってくる加圧ガスを熱交換によ
り冷却し、圧力１．２ｔｍ、温度４．巡で減圧系統流量
の弘％に相当する４．９そ／時のヘリウムを凝縮液化す
る。このため再液化系統で液化できなかった４６％のガ
スは圧力調整弁１６から大気中に放出される。つぎに被
冷却体１９Ａの過冷却液体ヘリウムによる冷却方法を説
明する。

なお以下においては、被冷却体１９Ａとしての超電導回
転子について説明する。被冷却体１９Ａは超電導コイル
２１「超電導コイルに電流を供給するパワーリード２２
、回転力を伝達するトルクチューブ２３、電磁力を緩和
する電磁ダンパ２４、液体ヘリウムを導入するヘリウム
供Ｖ給口２５、パワーリードを冷却したヘリウムガスを
放出する常温ガス排出口２６およびトルクチュープと電
磁ダンパを冷却したヘリウムガスを放出する低温排出口
２７から構成される。

被冷却体１９Ａの冷却は、まず、過冷却液移送管２０を
通ってヘリウム供孫合口２５から入った過冷却液体ヘリ
ウムが被冷却体１９Ａ内で回転による遠心力を受けて、
超電導コイル２１部分に流入し浸潰した状態となり、冷
却を行なう。超電導コイル２１部分に熱負荷があると、
過冷却液体ヘリウムは温度上昇し、飽和温度に達したの
ち、蒸発してガスとなり、一部はパワーリード２２を冷
却して常温ガス排出口２６から大気中に放出される。ま
たパワーリード２２に流れない他のガスは低温部分のト
ルクチューブ２３および電磁ダンバを冷却したのち、低
温状態のまま低温ガス排出口２７から大気中に放出され
る。上述のように過冷却器２Ａの減圧ガス系統４で蒸発
したへＩＪゥムは加圧されて再液化系統１５に戻り過冷
却器で約１／２が凝縮液化するが、残りのガスは液化さ
れないで圧力調整弁１６から大気中に放出されていた。

また被冷却体１９Ａで蒸発したヘリウムは、大部分は低
温ガス排出口から３０〜１０血の低温状態のまま大気中
に放出され、一部分は常温ガス排出口からこれも同じく
大気中に放出していた。このためヘリウムガスの消費量
が多くなって、連続運転が困難となり運転費が高くなる
こと、および低温ガスの冷凍を再生しないため、液体ヘ
リウムの供給に必要なガス液化装置が大きくなる欠点が
あった。この発明は上述の欠点を解消するためになされ
たもので、ヘリウムガスの消費がほとんどなく、さらに
容量の小さいガス液化装置で構成できる過冷却液化ガス
供給装置を提供することを目的とするものである。

以下、図面に従ってこの発明を説明する。

第２図はこの発明の過冷却液化ガス供聯合装置の一実施
例の構成を示すシステムブロック図である。

図において１は液化ガス槽で、過冷却器２Ａを通って被
冷却体１９Ａに過冷却液化ガスを僕聯合するために過冷
却液移送管２０と、減圧装置５、過冷却器２Ａ、気液分
離器６および凝縮器７Ａを通って排気装置１２に蒸発ガ
スを送りだすための減圧ガス配管１０と、ガス加圧装置
１３から再液化のために加圧ガスを導入する加圧ガス導
入管１１６と、液化ガス補給タンク１７から液化ガスを
移送する補給液移送管１８とから成っている。

２８Ａはガス回収装置で、ガス圧縮機２９、低圧ガス容
器３０と、第１膨張機３１、第２膨張機３２と、常温か
ら低温に向って第１熱交換器３３、第２熱交換器３４、
第３熱交換器３５、第４熱交換器３６、第５熱交換器３
７の５つの熱交換器群とこれらを結ぶ配管により構成さ
れる。

ここでガス圧縮機２９のガス吐出管３８に連なる系統を
高圧系統、ガス吸込管３９に連なる系統を低圧系統と呼
ぶ。ガス回収装置２８Ａには被冷却体１９Ａの常温ガス
排出口２６よりガス回収用弁４０を介して低圧ガス容器
３０１こガスを回収する常温ガス回収配管ａ４１と、ガ
ス加圧装置１３よりガス回収系圧力制御弁４２を介して
低圧ガス容器３０にガスを回収する常温ガス回収配管ｂ
４３と、被冷却体１９Ａの低温ガス排出口２７より低温
弁ａ４４または低温弁ｂ４５あるいは低温弁ｃ４６を介
して第３熱交換器３５または第２熱交換器３４あるいは
第１熱交換器３３に低温ガスを回収する低温ガス回収配
管４７がおのおの接続される。

また熱交換器群の低圧系統入口には分岐管ａ１４４、分
岐管ｂ１４５および分岐管ｃ１４６があり被冷却体１９
Ａの低温排出ガスを導入するようになっている。第５熱
交換器３７を通った低温高圧ガスはＪ−Ｔ（ジュール・
トムソン）高圧配管４８を通つて液化ガス補給タンク１
７内のＪ−Ｔ弁（ジュール・トムソン）４９に至り、等
ェンタルピ膨張を行なって一部が液化する。この膨張過
程で液化しなかった低温低圧ガスはＪ−Ｔ低圧配管５０
を通り、低温弁ｄ５１を介して第５熱交換器３７の低圧
側に戻るように構成されている。次に上述の構成におけ
る過冷却液化ガス供給装置の一連の動作について、説明
する。

なお以下においては液化ガスとして液体ヘリウムを用い
た場合を取り上げて説明する。まずガス回収装置２８Ａ
において低圧ガス容器３０のヘリウムガスはガス吸入管
３９からガス圧縮機２９に吸込まれ、約１松ｔｍに圧縮
されてガス吐出管３８から第１熱交換器３３の高圧系統
に入る。

ここで低圧系統のガスによって冷却され約１３０１１と
なって、第１熱交換器３４の出口に至り、一部が第１膨
脹機３１に入って、膨脹し、約８雌の低温低圧ガスとな
り第２熱交換器３４の低圧系統入口に戻る。第１熱交換
器３４の高圧系統出口で別れたガスは第２熱交換器３４
および第３熱交換器３５の低圧系統を流れるガスと熱交
換して約２歌に冷却され第３熱交換器３５の出口に至り
、一部が第２膨張機３２に入って膨脹し、約１靴の低温
低圧ガスとなり第４熱交換器３６の低圧系統入口に戻る
。第３熱交換器３５の高圧系統出口で別れたガスは、第
４熱交換器３６および第５熱交換器３７の低圧系統を流
れるガスと熱交換して、約郎に冷却され、第５熱交換器
３７の出口に至り、Ｊ−Ｔ高圧配管４８を通って液化ガ
ス補給タンク１７内のＪ−Ｔ弁４９に流れ込んで膨張し
、一部が液化して液化ガス補給タンク１７に貯えられる
。１７で液化しなかった残りのガスは低温ガス回収配管
５０を通り低温弁ｃ５１を介してＪ−Ｔ熱交換器３７の
低圧系統に戻り高圧系統のガスを冷却しながら、順次温
度の高い第４熱交換器３６、第３熱交換器３５、第２熱
交換器３４および第１熱交換器３３の低圧系統を流れて
常温となり、ガス吸込管３９に戻る。

液化ガス補給タンク１７に貯められた液体ヘリウムは、
補給液移送管１８を通って液化ガス槽１に充填される。

液化ガス槽１から過冷却液体ヘリウムを被冷却体１９Ａ
に供繋合する構成は第１図と同じである。すなわち、液
化ガス槽１の気相部ｌｂにガス圧例えば１．２ｔｍを加
えると液化ガス減圧系統を流れる液体ヘリウムは減圧装
置５を通って過冷却器２Ａに流入し、ここで例えば０．
１ａｔｍに減圧されて２．歌まで温度降下する。液化ガ
ス加圧系統に流れる液体ヘリウムは過冷却器２Ａに入り
、液化ガス減圧系統４を流れる液体ヘリウムと熱交換し
、１．２ｔｍ‘こおいて約兆に過冷却されたのち、低温
供給配管２０を通じて被冷却１９Ａに送られる。被冷却
体１９Ａの過冷却ヘリウムによる冷却は、第１図の説明
と同じであり、超電導コイル２１部分に熱負荷があると
蒸発してガスとなり、一部はパワーリード２２を冷却し
て常温ガス排気口２６から常温ガス回収配管ａ４１を通
り、常温排出ガスとしてガス回収用弁４０を介して低圧
ガス容器３０‘こ回収される。

またパワーリード２２に流れない残りのガスは低温部分
のトルクチューブ２３および電磁ダンパ２４を冷却した
のち、低温状態のまま低温ガス排出口２７から低温ガス
回収配管４６を通り、ガス回収装置２８Ａの熱交換器群
３５，３４または３３の低圧系統に回収される。このと
き低温回収ガスの温度が第２膨張機の入□温度例えば２
弧より低いときは第３熱交換器３５の低圧系統入口に流
し、２弧より８血までのときは第２熱交換器３４の低圧
系統入口に流し、８皿より１３皿までのときは第１熱交
換器３３の低圧系統入口に流す。このように被冷却体１
９Ａからの低温回収ガスの温度によってガス回収装置２
８Ａの熱交換器３５，３４または３３の低圧系統に回収
する低温弁４４，４５または４６を開くようにすれば、
低温ガスの冷凍を効率よく回収することができる。一方
過冷却器２Ａで蒸発してヘリウムガスは凝縮器７Ａの減
圧ガス系統８に入り「液化ガス槽１内の圧力を上昇させ
るために新たに入ってくる再液化系統１５のガスを冷却
し、そののち、減圧ガス配管１０、減圧系圧力制御弁９
を通って排気装置１２に至る。

排気装置１２からの吐出ガスは保圧タンク１４に回収さ
れ、ガス加圧装置１３で圧縮精製して凝縮器７Ａの再液
化系統１５に流入し、減圧ガス系統８のガスと熱交換し
、減圧ガス流量の約５０％が凝縮液化する。加圧ガス導
入管１１６で液化しなかった残りのガスは、ガス回収系
圧力制御弁４２を通って常温ガス回収配管ｂ４３を流れ
、低圧ガス容器３川こ回収される。したがって、液化ガ
ス槽１内の圧力はガス回収圧力制御弁４２によって自動
制御され、過冷却器２Ａの動作温度の変動が防止される
。以上の実施例においては、特に液体ヘリウムを取り上
げて説明したが、他に、水素、ネオン、窒素、アルゴン
、ＬＮＧなどの液化ガスにも適用できることは言うまで
もない。

また以上の実施例で被冷却体１９Ａからの低温回収ガス
の温度によって、ガス回収装置２８Ａの熱交換器３５，
３４または３３の低圧系統に接続する低温弁ａ４４ｂ４
５または低温弁ｃ４４を開くような選択方式にしたが、
被冷却体１９Ａからの低温回収ガスの温度が予じめ判明
している場合には、その温度に見合った低圧系統、例え
ば５０％の場合には第２熱交換器３４の低圧系統入口に
接続する分岐管１４５および低温弁ｂ４５を設けるだけ
でよい。

以上のようにこの発明によれば、被冷却体を冷却するこ
とにより生じたガスと、凝縮器で液化しなかったガスと
を回収するガス回収装置を設けたので、系外にガスを放
出することなく、液化のためのガスを多量に消費しない
で済む。

また被冷却体からの低温排出ガスによって熱交換器に導
かれたガスを冷却するようにすればガス液化能力が増加
し系の効率が向上し、よりガス消費の少ない過冷却液化
ガス供野合装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の過冷却液化ガス供給装置の構成を示すシ
ステムブロック図、第２図はこの発明に係る過冷却液化
ガス供給装置の一実施例の構成を示すシステムフロツク
図である。 図において、２Ａは過冷却器、８は減圧ガス系統、１３
はガス加圧装置、１９Ａは被冷却体、２０は過冷却液移
送管、２６は常温ガス排出口、２７は低温ガス排出口、
２８Ａはガス回収装置、３３は第１熱交換器、３４は第
２熱交換器、３５は第３熱交換器、３９はガス吸込管、
４１は常温ガス回収配管ａ、４３は常温ガス回収配管、
４４は低温弁ａ、ａ１４５は分岐管ｂ、１４６は分岐管
ｃを示す。 なお、図中同一符号は各々同一または相当部分を示す。
第１図 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 液化ガスの一部を気化させて他の上記液化ガスを過
   冷却する過冷却器と、この過冷却器からの過冷却液化ガ
   スによつて冷却される被冷却体、及び上記過冷却器で他
   の液化ガスを過冷却するために使用された上記液化ガス
   のガスを加圧し、この加圧したガスを上記過冷却器で気
   化した上記ガスにより冷却して凝縮させる凝縮器とを備
   えた過冷却液化ガス供給装置において、上記被冷却体を
   冷却することにより生じたガス及び上記凝縮器で液化さ
   せなかつたガスを圧力制御弁を介して回収するガス回収
   装置を設けたことを特徴とする過冷却液化ガス供給装置
   。 ２ ガス回収装置を、被冷却体を冷却することにより生
   じたガスのうち低温以外のガス及び凝縮器により液化さ
   せなかつたガスとを加圧する加圧器と、この加圧器から
   の加圧ガスを上記被冷却体を冷却することにより生じた
   ガスのうち低温ガスにより冷却する熱交換器と、この熱
   交換器からのガスを等エンタルピ膨脹させ液化させるジ
   ユール・トムソン（Ｊ−Ｔ）弁とにより構成したことを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の過冷却液化ガス
   供給装置。 ３ 被冷却体からの低温ガスとジユール・トムソン弁に
   よつて液化しないガスをガス回収装置の熱交換器に送り
   加圧器を低温ガスと共に冷却するようにしたことを特徴
   とする特許請求の範囲第２項記載の過冷却液化ガス供給
   装置。 ４ 熱交換器を多段式とし各段の出口のガス温度より低
   い温度の低温ガスを上記各段に導入するようにしたこと
   を特徴とする特許請求の範囲第２項記載の過冷却液化ガ
   ス供給装置。