| 【発明の名称】 |
液体ヘリウムの回収・再凝縮補給装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】上岡 泰晴
【氏名】鈴木 佳明
【氏名】小林 英樹
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| 【要約】 |
【課題】液体ヘリウムを収容したクライオスタットから気化したヘリウムガスを回収して再凝縮させ、クライオスタットへ戻すようにした液体ヘリウム回収・再凝縮補給装置において、クライオスタットの形状や構造に応じて、再凝縮装置の経済性、効率を重視した運転状態と、クライオスタットでの液体ヘリウムの蒸発量の低減を重視した運転状態とに切替えられるようにする。
【解決手段】クライオスタット内の液体ヘリウムの液面で気化したヘリウムガスを再凝縮装置へ導くためのガス回収管路として、液面上空間の上端から常温（もしくは常温に近い温度）のヘリウムガスを導出する第１のガス回収管路と、液面上空間の下部（液面に近い位置）から低温のヘリウムガスを導出する第２のガス回収管路とを設けて、状況に応じていずれのガス回収管路からのヘリウムガスを再凝縮装置へ導出するかを選択するための選択手段を設けることとした。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 液体ヘリウムを収容したクライオスタット内から、気化したヘリウムガスを回収して再凝縮させ、得られた液体ヘリウムをクライオスタットへ補給するための液体ヘリウム回収・再凝縮補給装置において、ヘリウムガスを冷却して凝縮させるための凝縮装置と、クライオスタット内で気化したヘリウムガスをクライオスタットから前記凝縮装置へ導くための第１のガス回収管路および第２のガス回収管路と、前記凝縮装置で凝縮された液体ヘリウムをクライオスタットへ導くための補給管路とを有し、前記第１のガス回収管路は、クライオスタット内の液体ヘリウム液面上の空間の上端からヘリウムガスを導出するように構成され、また第２のガス回収管路はクライオスタット内の液体ヘリウム液面上の空間の下部からヘリウムガスを導出するように構成され、しかもこれらの第１のガス回収管路および第２のガス回収管路には、いずれの管路からヘリウムガスを前記凝縮装置へ導入するかを選択するための選択手段が設けられていることを特徴とする、液体ヘリウムの回収・再凝縮補給装置。
【請求項２】 請求項１に記載の液体ヘリウムの回収・再凝縮補給装置において、前記再凝縮装置は、冷凍機と熱交換器とを備えており、その冷凍機内の冷媒と前記第１のガス回収管路もしくは第２のガス回収管路からのヘリウムガスとを熱交換することによりそのヘリウムガスを冷却および凝縮させるように構成され、さらに凝縮装置内には、凝縮されて得られた液体ヘリウムを受ける液溜め部が設けられており、その液溜め部の底部に補給管路の一端が連結され、その補給管路の他端側は前記クライオスタット内に挿入され、また前記液溜め部は、その底部が前記クライオスタット内の液体ヘリウムの液面よりも上方に位置するように配設され、さらに前記補給管路は、その最も高い位置の部分でも前記液溜め部の底部よりも下方に位置するように設定されていることを特徴とする、液体ヘリウムの回収・再凝縮補給装置。
【請求項３】 請求項１に記載の液体ヘリウムの回収・再凝縮補給装置において、前記第２のガス回収管路が、前記補給管路の外周上を取囲むように設けられていることを特徴とする、液体ヘリウムの回収・再凝縮補給装置。
【請求項４】 請求項１に記載の液体ヘリウムの回収・再凝縮補給装置において、前記第２のガス回収管路が、前記補給管路に平行に沿わされていることを特徴とする、液体ヘリウムの回収・再凝縮補給装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、極低温の液体ヘリウム中において各種実験や測定を行なうためのクライオスタット内に液体ヘリウムを補給するための装置に関し、特に実験・測定中にクライオスタット内で気化したヘリウムガスを回収して再凝縮させ、得られた液体ヘリウムをクライオスタットに補給する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】最近では、低温工学の発展に伴なって、各種材料や半導体などについて低温で実験や測定などを行なう必要性がますます高まっている。このような場合、一般には真空断熱を施したクライオスタットと称される容器中に低温の液化ガスを収容し、そのクライオスタット内の液化ガス中に対象物、対象装置を浸漬させるか、あるいはクライオスタット内の液化ガスに間接的に対象物、対象装置を接触させて実験や測定を行なうのが通常であり、特に極低温域での実験・測定の場合は液化ガスとして液体ヘリウムをクライオスタット内に収容しておくのが一般的である。
【０００３】このような液体ヘリウムを用いたクライオスタットによる実験や測定にあたっては、その実験・測定の開始前にクライオスタット内に予め液体ヘリウムを注入しておかなければならないことはもちろんであるが、実験や測定を行なっている最中にもクライオスタット内の液体ヘリウムは外部からの侵入熱により次第に蒸発して減少するから、長時間にわたって実験・測定を行なうためには、その実験や測定を行なっている期間中においても液体ヘリウムをクライオスタット内へ補給することが望まれる。したがってクライオスタットによる実験・測定中においてクライオスタット内へ簡便に液体ヘリウムを補給することのできる装置が強く望まれている。
【０００４】そこで本願発明者等は、上述の要請に応える装置として、クライオスタット内で気化したヘリウムガスを回収して再凝縮させ、得られた液体ヘリウムをクライオスタットへ戻すようにした液体ヘリウム装置として、特開平６−６４５６７号に示す装置を提案している。
【０００５】上記提案の装置は、既存のクライオスタットに容易に適用でき、しかも設備的にも簡単かつ安価な液体ヘリウム補給装置としたものであり、基本的には、クライオスタット内で蒸発したヘリウムガスを外部へ導くためのガス回収管路の一端側を、クライオスタットの上部に着脱可能に取付け、そのガス回収管路の他端側を、ヘリウムガスを冷却して再凝縮させるための再凝縮装置に導く構成とし、さらにその再凝縮装置を、冷凍機と熱交換器とを備えたものとして、その冷凍機内の冷媒と前記ガス回収管路からのヘリウムガスとを熱交換することによりそのヘリウムガスを冷却および再凝縮させるように構成し、また再凝縮装置内に、再凝縮されて得られた液体ヘリウムを受ける液溜め部を設け、その液溜め部の底部に補給管路の一端を連結し、その補給管路の他端側を前記クライオスタット内に挿抜可能に挿入し、また前記液溜め部を、その底部が前記クライオスタット内の液体ヘリウムの液面よりも上方に位置するように配設し、さらに前記補給管路を、その最も高い位置の部分でも前記液溜め部の底部よりも下方に位置するように設定したことを特徴とするものである。
【０００６】上記提案による液体ヘリウム補給装置をさらに具体化した例を図５に示し、以下にその詳細を説明する。
【０００７】図５において、クライオスタット３は、従来の一般的なものと同様に、上部に開口部８を設けた容器本体１０の周囲および底部の壁を２重構造として、その壁部内の空間を真空断熱層１２とし、容器本体１０の開口部８に蓋体１４を着脱可能に取付けた構成とされている。前記蓋体１４には、ガス回収管路２０の一端２０Ａが着脱可能に取付けられており、このガス回収管路２０は、開閉弁２２を介して、次に述べる再凝縮装置２６の第１熱交換器３２に導かれている。なおガス回収管路２０における開閉弁２２よりもクライオスタット３側の位置には、安全弁２８が接続されている。
【０００８】前記再凝縮装置２６は、ヘリウムガス温度降下用の第１熱交換器３２および第２熱交換器３４と、これらの第１熱交換器３２、第２熱交換器３４に冷媒を供給する補助冷凍機３６と、ヘリウムガスを再凝縮して液体ヘリウムとするための再凝縮用熱交換器３８と、この再凝縮用熱交換器３８に冷媒を供給する再凝縮用冷凍機４０と、前記再凝縮用熱交換器３８において再凝縮・液化された液体ヘリウムを一旦貯溜する液溜め部４２とを有する構成とされている。なお液溜め部４２は、図示の例では再凝縮用熱交換器３８の全体を取囲む容器として構成されている。また前述の第１熱交換器３２と、第２熱交換器３４と、再凝縮用熱交換器３８を囲む液溜め部４２とは、その全体が真空断熱層４４によって断熱されている。
【０００９】前記液溜め部４２の底部には補給管路４６の一端４６Ａが結合されており、この補給管路４６の他端側は再凝縮装置２６の外部へ延出されて、クライオイスタット３内に蓋体１４を経て挿抜可能に挿入され、その先端４６Ｂがクライオスタット３内の液体ヘリウム４中に浸漬されている。ここで、再凝縮装置２６は、液溜め部４２がクライオスタット３内の液体ヘリウム４の液面４Ａよりも上方に位置するように配置されていれば良いが、実際上は図に示すように液溜め部４２がクライオスタット３の上端よりも上方に位置するように位置決めするのが通常である。また補給管路４６は、要はその最も高い位置にある部分でも液溜め部４２よりも下方にあるように位置決めされれば良いが、実際上は図に示すように液溜め部４２に連結された基端側からクライオスタット内に挿入された先端側まで上方へ立ち上がる部分がないように配置するのが通常である。なおまた、補給管路４６における再凝縮装置２６の外側へ延出した部分は、真空断熱層４８によって断熱されており、この真空断熱層４８はクライオスタット３内に挿入される部分まで連続している。
【００１０】さらに図５において、ガス回収管路２０における開閉弁２２よりも再凝縮装置２６に近い位置には、ヘリウムガスボンベ等のヘリウムガス源５０からのヘリウムガス導入管路５２が開閉弁５４を介して接続されている。また再凝縮装置２６内の液溜め部４２の上部には、外部の液体ヘリウム供給源からの液体ヘリウムを導入するための液体ヘリウム導入管路５６が接続されており、この液体ヘリウム導入管路５６には適宜図示しない液体ヘリウム源を接続するためのポート５８が設けられている。
【００１１】以上のような図５に示される例においては、クライオスタット３内の液体ヘリウム４が蒸発すれば、発生したヘリウムガスが後述する負圧によってガス回収管路２０に吸い込まれ、開閉弁２２を経て再凝縮装置２６に導入される。そしてこのヘリウムガスは、第１熱交換器３２および第２熱交換器３４にその順に導かれて、補助冷凍機３６からの冷媒と熱交換され、第１熱交換器３２では８０Ｋ程度の温度に冷却され、続いて第２熱交換器３４で２０Ｋ程度の温度に冷却される。さらにその２０Ｋ程度まで冷却されたヘリウムガスは再凝縮用熱交換器３８へ導かれて、再凝縮用冷凍機４０からの冷媒と熱交換され、ヘリウム液化温度（４．２Ｋ）以下に冷却されて再凝縮され、液体ヘリウムとなる。このようにして再凝縮用熱交換器３８において液化されて得られた液体ヘリウムは、再凝縮用熱交換器３８から液溜め部４２の底部に滴下し、その液溜め部４２に一旦溜まる。その液溜め部４２に溜った液体ヘリウムは、その液溜め部４２の液面とクライオスタット３内の液体ヘリウム４の液面４Ａとの水頭差に基いて自重により補給管路４６を流れ、クライオスタット３の液体ヘリウム４中へ補給されることになる。またここで、液溜め部４２内で回収ヘリウムガスが再凝縮用熱交換器３８により再凝縮されることにより、その液溜め部４２内における回収ヘリウムガス側の圧力が下がり、そのためガス回収管路２０内においても再凝縮装置２６の側の圧力が下がることになるため、負圧によってクライオスタット３内の蒸発したヘリウムガスがガス回収管路２０に吸い込まれることになる。
【００１２】なお、ヘリウムガス導入管路５２の開閉弁５４を開けば、クライオスタット３からの回収ヘリウムガスとともに別のヘリウムガス供給源５０からのヘリウムガスを再凝縮装置２６に導入して液化させ、これをクライオスタット３に導くことができる。
【００１３】またポート５８に図示しない液体ヘリウム源を接続して、別途液体ヘリウムを液溜め部４２に導入することもでき、この場合も外部から導入された液体ヘリウムを、液溜め部４２から補給管路４６を経て自重によりクライオスタット３内へ導くことができる。
【００１４】図５に示されるような前記提案の液体ヘリウム補給装置によれば、クライオスタットでの実験や測定を行なっている間に、連続してクライオスタット内の蒸発ガスを回収しかつそれを再凝縮させてクライオスタット内へ補給することができ、そのため液体ヘリウム注入のために実験や測定を停止させることなく、長時間安定して実験や測定を継続させることができる。そしてまた図５に示される装置は、クライオスタット自体に対してはガス回収管路と補給管路を取付けるだけで済むため、既存のクライオスタットに簡単に適用することができ、また設備コストも安価であり、しかもポンプ等の輸送手段を用いることなく、自然循環によってクライオスタットからのヘリウムガスの回収、再凝縮、クライオスタットへの補給が連続的になされ、したがってその点からも著しく低コスト化されるなど、種々の効果を奏することができる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】前述の提案の液体ヘリウム補給装置においては、ガス回収管路２０におけるクライオスタット３側の端部２０Ａを、蓋体１４の位置に取付けて、クライオスタット３内において気化されたヘリウムガスを、液体ヘリウムの液面上の空間における上端部から導出するように構成している。これは、気化したヘリウムガスの冷熱を利用して、蓋体１４の側からの侵入熱を防いで、液体ヘリウムの蒸発量を少なくするためである。
【００１６】すなわち、クライオスタット３における容器本体１０の外周壁部分及び底部は一般に真空断熱されており、したがって外周側及び底部側からはほとんど侵入熱がないが、容器本体１０の上端開口部８には蓋体１４が着脱可能に取付けられているため、その蓋体１４と容器本体１０の開口部８との重合部分や蓋体１４自体を通じて外部から熱が侵入する。そしてこのような外部からの侵入熱が多ければ、クライオスタット内の液体ヘリウムの蒸発量が多くなってランニングコストが嵩むことになる。そこで前述の提案の液体ヘリウム補給装置では、クライオスタット３内における液体ヘリウムの液面４Ａで蒸発した低温のヘリウムガスをクライオスタットの上端（液面上空間の上端）まで導くようにして、液面４Ａから上端までの間に低温のヘリウムガスが外部からの侵入熱を奪って、その侵入熱が液面４Ａまで可及的に及ばないようにし、液面４Ａでの液体ヘリウムの蒸発を少なくしているのである。そしてこの場合、液面４Ａで気化したヘリウムガスは、液面上空間を上方へ導かれる間に、外部からの侵入熱によって暖められるため、ガス回収管路２０には、常温あるいは常温に近い温度となったヘリウムガスが導入されて、その常温もしくは常温に近い温度のヘリウムガスが再凝縮装置２６により再凝縮されることになる。
【００１７】ところで常温のヘリウムガスを再凝縮装置によって液化する場合、常温から４．２Ｋまでのエンタルピー差（熱容量差）に液化潜熱を加えた熱を冷凍機によって吸収しなければならない。この値は、大気圧下において１５６３．７２Ｊ／ｇとなる。
【００１８】一方、蒸発した直後の低温（例えば４．２Ｋ）のヘリウムガスを再凝縮装置によって液化する場合は、冷凍機は液化潜熱の２０．７２Ｊ／ｇのみを吸収すれば良い。したがって蒸発した直後の低温のヘリウムガスを直ちに再凝縮装置に導入して液化すれば、前記提案の液体ヘリウム補給装置のように常温もしくは常温に近い温度のヘリウムガスを再凝縮装置に導入して液化する場合と比較して、格段に効率良く迅速かつ大量に液化することができ、経済性も良好となると考えられる。
【００１９】しかるに前記提案の装置では、既に述べたようにクライオスタット内での液体ヘリウムの蒸発量を少なくすることを目的として、クライオスタット内の液面で気化したヘリウムガスを外部からの侵入熱対策に用いている都合上、再凝縮装置へ導入されるヘリウムガスは常温（もしくはそれに近い温度）のものとならざるを得ず、したがって再凝縮装置の経済性を犠牲にせざるを得なかったのである。ところでクライオスタットの構造、形状、用途などによっては、クライオスタットにおける外部からの侵入熱対策のためにクライオスタット内で気化した低温のヘリウムガスを液面上空間の上端まで導かなくても良い場合がある。例えば図６に示すように容器本体１０に細くて長いネック部１１が形成されていて、その細くて長いネック部１１が充分に断熱されている場合には、ネック部１１の長さ方向に充分な温度勾配を与えることができるため、液面上空間における液面に近い位置から、蒸発した直後の未だ低温のヘリウムガスを外部へ導き出して再凝縮装置へ送るようにしても、クライオスタット内での液体ヘリウムの蒸発量を比較的小さく抑えることが可能である。またネック部１１の周囲を液体窒素によって保冷することもあり、このような場合も同様である。そしてこれらの場合には、既に述べたところから明らかなように、再凝縮装置の効率、経済性を高めることが可能となる。
【００２０】この発明は以上の事情を背景としてなされたもので、クライオスタットの形状や構造、あるいは用途などに応じて、再凝縮装置での経済性を重視した運転状態と、クライオスタット内での液体ヘリウムの蒸発量の低減を重視した運転状態とに択一的に切替運転できるようにした液体ヘリウムの回収・再凝縮補給装置を提供することを目的とするものである。
【００２１】
【課題を解決するための手段】この発明は、基本的には、クライオスタット内の液体ヘリウムの液面で気化したヘリウムガスを再凝縮装置へ導くためのガス回収管路として、液面上空間の上端から常温（もしくは常温に近い温度）のヘリウムガスを導出する第１のガス回収管路と、液面上空間の下部（液面に近い位置）から低温のヘリウムガスを導出する第２のガス回収管路とを設けて、状況に応じていずれのガス回収管路からのヘリウムガスを再凝縮装置へ導出するかを選択するための選択手段を設けることとした。さらにこの発明では、前記第２のガス回収管路について、再凝縮装置から再凝縮後の液体ヘリウムをクライオスタットへ導くための補給管路に沿わせて、クライオスタットから第２のガス回収管路により導出される低温のヘリウムガスを、補給管路内を流れる液体ヘリウムの保冷に利用することとした。
【００２２】具体的には、請求項１の発明は、液体ヘリウムを収容したクライオスタット内から、気化したヘリウムガスを回収して再凝縮させ、得られた液体ヘリウムをクライオスタットへ補給するための液体ヘリウム回収・再凝縮補給装置において、ヘリウムガスを冷却して凝縮させるための凝縮装置と、クライオスタット内で気化したヘリウムガスをクライオスタットから前記凝縮装置へ導くための第１のガス回収管路および第２のガス回収管路と、前記凝縮装置で凝縮された液体ヘリウムをクライオスタットへ導くための補給管路とを有し、前記第１のガス回収管路は、クライオスタット内の液体ヘリウム液面上の空間の上端からヘリウムガスを導出するように構成され、また第２のガス回収管路はクライオスタット内の液体ヘリウム液面上の空間の下部からヘリウムガスを導出するように構成され、しかもこれらの第１のガス回収管路および第２のガス回収管路には、いずれの管路からヘリウムガスを前記凝縮装置へ導入するかを選択するための選択手段が設けられていることを特徴とするものである。
【００２３】また請求項２の発明は、請求項１に記載の液体ヘリウムの回収・再凝縮補給装置において、前記再凝縮装置は、冷凍機と熱交換器とを備えており、その冷凍機内の冷媒と前記第１のガス回収管路もしくは第２のガス回収管路からのヘリウムガスとを熱交換することによりそのヘリウムガスを冷却および凝縮させるように構成され、さらに凝縮装置内には、凝縮されて得られた液体ヘリウムを受ける液溜め部が設けられており、その液溜め部の底部に補給管路の一端が連結され、その補給管路の他端側は前記クライオスタット内に挿入され、また前記液溜め部は、その底部が前記クライオスタット内の液体ヘリウムの液面よりも上方に位置するように配設され、さらに前記補給管路は、その最も高い位置の部分でも前記液溜め部の底部よりも下方に位置するように設定されていることを特徴とするものである。
【００２４】さらに請求項３の発明は、請求項１に記載の液体ヘリウムの回収・再凝縮補給装置において、前記第２のガス回収管路が、前記補給管路の外周上を取囲むように設けられていることを特徴とするものである。
【００２５】そしてまた請求項４の発明は、請求項１に記載の液体ヘリウムの回収・再凝縮補給装置において、前記第２のガス回収管路が、前記補給管路に平行に沿わされていることを特徴とするものである。
【００２６】
【発明の実施の形態】図１にこの発明の第１の実施例の全体構成を示す。なお図１において、図５に示される装置の要素と同一の要素については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００２７】図１において、第１のガス回収管路２１は、図５に示される装置におけるガス回収管路２０に相当するものである。この第１のガス回収管路２１におけるクライオスタット３側の一方の端部２１Ａは、クライオスタット３内の液体ヘリウム４の液面４Ａの上方の空間１５の上端からヘリウムガスを導出するべく、蓋体１４に着脱可能に取付けられている。そしてこの第１のガス回収管路２１は、開閉弁２２を介して再凝縮装置２６内の第１熱交換器３２に導かれている。
【００２８】一方、第２のガス回収管路２３は、再凝縮装置２６の液溜め部４２から液体ヘリウムをクライオスタット３内へ導くための補給管路４６に沿わされており、その第２のガス回収管路２３のクライオスタット３側の端部２３Ａは、液体ヘリウム４の液面４Ａに近い位置、すなわち液面上空間１５の下部において開口しており、またその第２のガス回収管路２３の他端側は再凝縮装置２６内において開閉弁２５を介して再凝縮用熱交換器３８に導かれている。なお第２のガス回収管路２３および補給管路４６は、真空断熱層４８によって断熱されている。
【００２９】ここで、第１のガス回収管路２１における開閉弁２２と、第２のガス回収管路２３における開閉弁２５は、第１のガス回収管路２１と第２のガス回収管路２３のうち、いずれの管路からヘリウムガスを再凝縮装置２６へ導くかを選択するための選択手段を構成している。
【００３０】図２には第２のガス回収管路２３と補給管路４６とが沿わされた部分の一例の拡大斜視断面図を示し、また図３には同様な部分の他の例の拡大斜視断面図を示す。
【００３１】図２の例では、外管７１の内側に２本の内管７３，７５が平行に収容されており、外管７１と内管７３，７５との間が真空断熱層４８とされている。そして内管７３内が補給管路４６とされ、また内管７５内が第２のガス回収管路２３とされている。したがってこの例では、第２のガス回収管路２３が補給管路４６に平行に沿わされていることになる。
【００３２】一方図３の例では、外管７１の内側に大径内管７７と小径内管７９とが同軸状に２重に設けられており、外管７１と大径内管７７との間が真空断熱層４８とされ、大径内管７７と小径内管７９との間が第２のガス回収管路２３とされ、さらに小径内管７９の内側が補給管路４６とされている。したがってこの例では第２のガス回収管路２３が補給管路４６の外周上を取囲むように設けられていることになる。
【００３３】以上の実施例において、クライオスタット３内で気化したヘリウムガスの冷熱を侵入熱対策に利用しようとする場合には、第１のガス回収管路２１における開閉弁２２を開放する一方、第２のガス回収管路２３における開閉弁２５を閉じた運転状態とする。この状態では、クライオスタット３内の液面４Ａで気化したヘリウムガスは、液面上空間１５の上端まで導かれ、その位置から再凝縮装置２６の側の負圧により第１のガス回収管路２１を介して再凝縮装置２６に導かれる。この場合は、液面４Ａで気化した低温のヘリウムガスは、液面上空間１５の上端まで導かれる間に、蓋体１４の側からの外部からの侵入熱を奪うことに寄与し、その間にヘリウムガスは常温もしくは常温に近い温度まで温度上昇する。したがって第１のガス回収管路２１を経て再凝縮装置２６に導入されるヘリウムガスも、常温もしくは常温に近い温度となっているから、そのヘリウムガスを再凝縮させて液体ヘリウムとするためには、かなりの冷熱エネルギを必要とする。なおこの場合における再凝縮装置２６の動作は、既に述べた図５に示される装置の場合と同様である。そして液化した液体ヘリウムは液溜め部４２から補給管路４６を経てクライオスタット３内に戻される。
【００３４】一方、クライオスタット３内で気化したヘリウムガスの冷熱をクライオスタットの侵入熱対策に積極的に利用する必要がない場合には、第１のガス回収管路２１の開閉弁２２を閉じ、第２のガス回収管路２３の開閉弁２５を開放した運転状態とする。この状態では、クライオスタット３内の液面４Ａで気化した低温のヘリウムガスは、直ちに液面近くの位置から第２のガス回収管路２３を介して再凝縮装置２６に導かれる。この場合は、ヘリウムガスは暖められることなく低温のまま再凝縮装置２６の側の負圧によって再凝縮装置２６に導入されるから、少ない冷熱エネルギで効率良く再凝縮させることができ、したがって第１熱交換器３２や第２熱交換器３４を経ずに、直接再凝縮用熱交換器３８に導入して、補助冷凍機３６は動作させずに再凝縮用冷凍機４０のみを動作させることにより容易に再凝縮させることができる。なお再凝縮用熱交換器３８によって再凝縮された液体ヘリウムは、図５の装置の場合と同様に液溜め部４２に溜まり、さらに補給管路４６を介してクライオスタット３内へ戻される。
【００３５】なお、第２のガス回収管路２３は、補給管路４６に沿って設けられているため、その第２のガス回収管路を流れる低温のヘリウムガスによって、補給管路４６を流れる液体ヘリウムの温度上昇を防止し、液体ヘリウム蒸発量を少なくすることができる。
【００３６】なおまた、図１では第１のガス回収管路２１からヘリウムガスを回収する運転状態と、第２のガス回収管路２３からヘリウムガスを回収する運転状態とのいずれの場合も、同じクライオスタット３を用いているように示しているが、実際には前述の如くクライオスタットの形状や構造等に応じて運転状態を選択することはもちろんである。
【００３７】図４にはこの発明の第２の実施例を示す。この第２の実施例は、図１に示される第１の実施例の構成を簡略化したものであり、ヘリウムガスの再凝縮能力は第１の実施例の場合よりも低いが、小型のクライオスタットには充分に適用可能である。なお図４の実施例において、図１に示される第１の実施例あるいは図５に示される従来例と同一の要素については同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００３８】図４において、再凝縮装置２６は、第１熱交換器３２、第２熱交換器３４、再凝縮用熱交換３８のすべてが一基の冷凍機６０によって駆動されるようになっている。すなわち冷凍機６０からの各温度段階の冷媒がそれぞれ第１熱交換器３２、第２熱交換器３４、再凝縮用熱交換器３８に与えられるようになっている。そして第２のガス回収管路２３の開閉弁２５を閉じた状態で第１のガス回収管路２１の開閉弁２２を開放して、常温もしくは常温に近い温度のヘリウムガスを再凝縮装置２６に導入した場合、そのヘリウムガスは先ず第１熱交換器３２に与えられ、次いで第２熱交換器３４を経て再凝縮用熱交換器３８において最終的に凝縮・液化される。一方第１のガス回収管路２１の開閉弁２２を閉じるとともに第２のガス回収管路２３の開閉弁２５を開放して、低温のヘリウムガスを再凝縮装置２６に導入した場合には、その低温のヘリウムガスは再凝縮用熱交換器３８に直接与えられ、その再凝縮用熱交換器３８において凝縮・液化される。
【００３９】なお図４に示される第２の実施例の場合も、第２のガス回収管路２３を補給管路４６に沿わせた部分の構造としては、図２に示される平行配列構造、図３に示される同軸状配列構造のいずれを適用しても良いことはもちろんである。
【００４０】
【発明の効果】この発明の液体ヘリウムの回収・再凝縮補給装置によれば、クライオスタット内で気化したヘリウムガスを再凝縮装置へ導いて再凝縮させ、液体ヘリウムとしてクライオスタット内へ補給するにあたり、使用するクライオスタットの形状や構造、用途などに応じて、クライオスタット内の液面上空間の上端からヘリウムガスを導出する運転状態と、液面上空間の下部からヘリウムガスを導出する運転状態とに切替えることができ、そのためトータル的に経済性や効率を高めることができる。すなわち、クライオスタット内で気化したヘリウムガスの冷熱によりクライオスタット外部からの侵入熱を奪って、クライオスタット内の液体ヘリウムの蒸発量を少なくしようとする場合には、液面上空間の上端からヘリウムガスを導出する運転状態とし、一方外部侵入熱に対してクライオスタット内で気化したヘリウムガスの冷熱を利用する必要がない場合においては、液面上空間の下部から蒸発したばかりの低温のヘリウムガスを導出する運転状態として、再凝縮装置における再凝縮・液化効率を高めて、再凝縮装置の経済性を高めることができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００２０８１６７
【氏名又は名称】大陽東洋酸素株式会社
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| 【出願日】 |
平成１１年４月１５日（１９９９．４．１５） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００８３２７５
【弁理士】
【氏名又は名称】豊田 武久
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| 【公開番号】 |
特開２０００−３０４３６５（Ｐ２０００−３０４３６５Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年１１月２日（２０００．１１．２） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−１０７６５５ |
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