CN1459356A - 极低温冷冻装置 - Google Patents

Abstract

极低温冷冻装置，具有JT冷冻机和预冷冷冻机。JT冷冻机具有JT阀和第一开闭阀，该JT阀在解除闭塞运转时被全开，该第一开闭阀设在JT回路的低压路线上，并且在解除闭塞运转时被关闭。极低温冷冻装置具有将氦罐内的氦气回收到缓冲罐中的PL配管。PL配管具有在解除闭塞运转时被打开的第二开闭阀和第三开闭阀。

Description

极低温冷冻装置

技术领域

本发明涉及一种极低温冷冻装置，特别涉及一种对于装置内不纯物的对策。

背景技术

原来，例如如日本特开平9-229503号公报所公开的那样，作为极低温冷冻装置，人们知道的有组合了JT冷冻机和预冷冷冻机的极低温冷冻装置。预冷冷冻机使用GM冷冻机等。

上述JT冷冻机是通过由JT阀使来自压缩机的高压氦气焦耳—汤姆逊膨胀而产生极低温水平的寒冷的冷冻机。另外，GM冷冻机是由排出器的往复运动使来自压缩机的高压氦气膨胀，而使其产生寒冷的冷冻机。作为预冷冷冻机的GM冷冻机由该寒冷预冷焦耳—汤姆逊膨胀前的JT冷冻机的氦气。

在具有JT冷冻机和预冷冷冻机的极低温冷冻装置中，有具有使装置内的高压氦和低压氦热交换的回收热用的热交换器。

在这样的极低温冷冻装置中，通过在装置内进行热回收，其运转效率提高。

但是，当在作为制冷剂的氦中混入作为不纯物的水分时，水分在回收热用的热交换器的内部或其前后的配管内冻结，有闭塞流路的情况。因此，提出了附加用于消除流路闭塞的以下那样的装置(参照特开2001-108320号公报)。

如图9所示，上述极低温冷冻装置(100)具有压缩机单元(101)和冷冻机单元(102)。在压缩机单元(101)中设有低段侧压缩机(103)和高段侧压缩机(104)。在冷冻单元(102)中设有具有第一热站(113)和第二热站(114)的GM冷冻机(112)和具有JT阀(116)的JT冷冻机(111)。

在压缩机单元(101)中，在高段侧压缩机(104)的排出侧连接排出配管(105)，在低段侧压缩机(103)的吸入侧连接吸入配管(109)。在排出配管(105)设置油分离器(106)和吸附器(107)。排出配管(105)分支为两根高压配管(108、110)，第一高压配管(108)连接在JT冷冻机(111)上，第二高压配管(110)连接在GM冷冻机(102)上。在第一高压配管(108)上设有流量控制阀(135)和开闭阀(134)，该开闭阀(134)用于防止在装置停止运转时常温的制冷剂流入到冷冻机单元(102)。另外，在吸入配管(109)上设置单向阀(126)，该单向阀(126)用于防止在装置停止运转时常温的制冷剂流入到冷冻机单元(102)。

冷冻机单元(102)中的JT回路(115)由高压线路(117)和低压线路(118)组成，JT阀(116)设在高压线路(117)。在高压线路(117)上设置第一预冷部(119)和第二预冷部(120)。该第一预冷部(119)配置在第一热站(113)上，该第二预冷部(120)配置在第二热站(114)上。另外，在JT回路(115)中设置第一至第三回收热用热交换器(121～123)，该第一至第三回收热用热交换器(121～123)使在高压线路(117)中流动的高压氦气和在低压线路(118)中流动的低压氦气进行热交换。

而且，该极低温冷冻装置具有供给管(124)和回收管(125)，该供给管(124)作为在第一热交换器(121)的流路被闭塞了时消除其闭塞的消除闭塞装置将来自压缩机(103、104)的排出气体供给到第一热交换器(121)的高压侧流路的出口侧，该回收管(125)将流过第一热交换器(121)的高压侧流路后的上述排出气体回收到压缩机(103、104)的吸入配管(109)。为了在通常的冷却运转时不使制冷剂流入到供给管(124)及回收管(125)中，在供给管(124)上设置开闭阀(127)，在回收管(125)上设置开闭阀(129)。相反，为了在解除闭塞运转时适当地使制冷剂流通到供给管(124)及回收管(125)中，在第一高压配管(108)上设置开闭阀(128)，在吸入配管(127)上设置开闭阀(130)。另外，也可以在回收管(125)上设置吸附器(131)和开闭阀(132)，开闭阀(132)用于防止来自冷却运转时的吸附器(131)的水分的逆流。另外，也可以在回收管(125)上设置流量控制阀(133)。

在冷却运转时，开闭阀(128)及开闭阀(130)被打开，同时，开闭阀(127)及开闭阀(129)被关闭，从压缩机(103、104)排出的高压氦气按照第一热交换器(121)→第一预冷部(119)→第二热交换器(122)→第二预冷部(120)→第三热交换器(123)的顺序被冷却后，在JT阀(116)中膨胀，成为极低温水平的液体氦流入氦罐(136)中。在氦罐(136)内蒸发了的氦气通过低压线路(118)流入到压缩机(103、104)的吸入配管(109)，由压缩机(103、104)压缩后再反复进行上述循环动作。

在消除闭塞运转时，开闭阀(128)及开闭阀(130)被关闭，同时，开闭阀(127)及开闭阀(129)被打开，从压缩机(103、104)排出的高压氦气通过供给管(124)供给到第一热交换器(121)的高压侧流路的出口侧，在该高压侧流路中逆流。高压氦气由于温度比较高，即使在第一热交换器(121)内水分冻结着，冻结的冰也由高压氦气熔解。而且，上述高压氦气与第一热交换器(121)内的不纯物一起在回收管(125)中流动，流入压缩机(103、104)的吸入配管(109)。如以上所述那样，第一热交换器(121)的闭塞被消除，不纯物被除去。

但是，在上述极低温冷冻装置(100)中，在第一热交换器(121)的高压侧流路的下游侧部分、例如第二热交换器(122)或第三热交换器(123)中产生了闭塞时，不能消除其闭塞。

另外，由于在消除闭塞运转时，需要暂时使JT冷冻机(111)的运转停止，氦罐(136)内的液体氦容易蒸发，其结果，氦罐(136)的压力上升。因此，在原来的极低温冷冻装置中，当氦罐(136)的压力过度地上升时，设在氦罐(136)上的未图示的开放阀打开，通过将氦气排放到大气中，使压力降低。但是，在此，在结束了解除闭塞运转后到再开始冷却运转之间必须在装置内补充相当量的氦，因此，不能避免装置的运转成本的上升。

本发明是鉴于该点而做出的，其目的是提供一种在极低温冷冻装置中可以消除更广范围区域的闭塞、而且可以有助于运转成本降低的新技术。

发明内容

本发明的第一极低温冷冻装置，具有压缩机、JT冷冻机、第一热交换器、预冷冷冻机、气体制冷剂回收管；上述JT冷冻机具有使从上述压缩机排出的高压制冷剂气体焦耳—汤姆逊膨胀的JT阀及储存由焦耳—汤姆逊膨胀液化了的制冷剂的制冷剂罐；上述第一热交换器具有使从上述压缩机排出的高压制冷剂气体流通的高压侧流路和使来自上述制冷剂罐的低压制冷剂气体流通的低压侧流路，使该高压侧流路的高压制冷剂气体与该低压侧流路的低压制冷剂气体进行热交换；上述预冷冷冻机在由上述JT阀进行的膨胀前预冷用上述第一热交换器冷却的高压制冷剂气体；上述第一开闭阀设置在上述第一热交换器的低压侧流路的出口侧；上述气体制冷剂回收管具有第二开闭阀，用于连接上述制冷剂罐和上述压缩机的吸入侧的配管；实行与打开上述JT阀的同时关闭上述第一开闭阀、且打开上述第二开闭阀，一方面使从上述压缩机排出的制冷剂至少在上述第一热交换器的高压侧流路及在上述JT阀中流通并导入上述制冷剂罐、一方面使上述制冷剂罐的制冷剂气体通过上述气体制冷剂回收管进行回收的消除闭塞运转。

第二极低温冷冻装置，在上述第一极低温冷冻装置中，在上述第一热交换器的高压侧流路的下游侧还设置使高压制冷剂气体和低压制冷剂气体热交换的一个或二个以上的热交换器。

第三极低温冷冻装置，在上述第一极低温冷冻装置中，在上述第一热交换器的高压侧流路的下游侧还设置使高压制冷剂气体和低压制冷剂气体热交换的第二及第三热交换器，另外，还具有旁管和开闭阀，该旁管其一端连接在上述第一热交换器的高压侧流路与上述第二热交换器的高压侧流路之间，另一端被连接在上述第三热交换器的高压侧流路与JT阀之间，上述开闭阀设置在上述旁管上，在进行消除闭塞运转时，打开上述旁管的开闭阀，将从压缩机排出的制冷剂经上述第一热交换器的高压侧流路、上述旁管及上述JT阀导入到上述制冷剂罐。

上述第四极低温冷冻装置，在上述第一极低温冷冻装置中，在上述第一热交换器的高压侧流路的下游侧还设置使高压制冷剂气体和低压制冷剂气体热交换的第二及第三热交换器，另外，具有旁管和开闭阀，该旁管其一端连接在上述第二热交换器的高压侧流路与上述第三热交换器的高压侧流路之间，另一端被连接在上述第三热交换器的高压侧流路与JT阀之间，上述开闭阀设置在上述旁管上；在进行消除闭塞运转时，打开上述旁管的开闭阀，将从压缩机排出的制冷剂经上述第一热交换器的高压侧流路、上述第二热交换器的高压侧流路、上述旁管及上述JT阀导入到上述制冷剂罐。

第五极低温冷冻装置，在上述第一极低温冷冻装置中，在上述气体制冷剂回收管上设置吸附器。

第六极低温冷冻装置，在上述第五极低温冷冻装置中，在上述气体制冷剂回收管的吸附器与制冷剂罐之间设置第三开闭阀，该第三开闭阀在消除闭塞运转时被打开、且在非消除闭塞运转时被关闭。

第七极低温冷冻装置，在上述第一极低温冷冻装置中，在上述JT阀的上游侧设置吸附器。

第八极低温冷冻装置，具有压缩机、JT冷冻机、第一热交换器、预冷冷冻机、第一开闭阀、气体制冷剂回收管、第二及第三热交换器、旁管；上述JT冷冻机具有使从上述压缩机排出的高压制冷剂气体焦耳—汤姆逊膨胀的JT阀和储存由焦耳—汤姆逊膨胀液化了的制冷剂的制冷剂罐；上述第一热交换器具有使从上述压缩机排出的高压制冷剂气体流通的高压侧流路和使来自上述制冷剂罐的低压制冷剂气体流通的低压侧流路，使该高压侧流路的高压制冷剂气体与该低压侧流路的低压制冷剂气体进行热交换；上述预冷冷冻机在由上述JT阀产生的膨胀前预冻用上述第一热交换器冷却了的高压制冷剂；上述第一开闭阀设置在上述第一热交换器的低压侧流路的出口侧；上述气体制冷剂回收管具有第二开闭阀，连接上述制冷剂罐和上述压缩机的吸入侧的配管；上述第二、第三热交换器设置在上述第一热交换器的高压侧流路的下游侧，使高压制冷剂气体和低压制冷剂气体进行热交换；上述旁管具有开闭阀，其一端连接在上述第一热交换器的高压侧流路与上述第二热交换器的高压侧流路之间，其另一端连接在上述JT阀与上述制冷剂罐之间；实行与打开上述JT阀的同时关闭上述第一开闭阀、且打开上述第二开闭阀及上述旁管的开闭阀，一方面使从上述压缩机排出的制冷剂流通上述第一热交换器的高压侧流路并导入上述制冷剂罐、一方面使上述制冷剂罐的制冷剂气体通过上述气体制冷剂回收管进行回收的消除闭塞运转。

第九极低温冷冻装置，在上述第八极低温冷冻装置中，在上述气体制冷剂回收管上设置吸附器。

第十极低温冷冻装置，在上述第九极低温冷冻装置中，在上述气体制冷剂回收管的吸附器与制冷剂罐之间设置第三开闭阀，该第三开闭阀在消除闭塞运转时被打开、且在非消除闭塞运转时被关闭。

第十一极低温冷冻装置，在上述第八极低温冷冻装置中，在上述JT阀的上游侧设置吸附器。

第十二极低温冷冻装置，具有压缩机、JT冷冻机、第一热交换器、预冷冷冻机、第一开闭阀、气体制冷剂回收管、第二及第三热交换器、旁管；上述JT冷冻机具有使从上述压缩机排出的高压制冷剂气体焦耳—汤姆逊膨胀的JT阀和储存由焦耳—汤姆逊膨胀液化了的制冷剂的制冷剂罐；上述第一热交换器具有使从上述压缩机排出的高压制冷剂气体流通的高压侧流路和使来自上述制冷剂罐的低压制冷剂气体流通的低压侧流路，使该高压侧流路的高压制冷剂气体与该低压侧流路的低压制冷剂气体热交换；上述预冷冷冻机在由上述JT阀进行的膨胀前预冷用上述第1热交换器冷却的高压制冷剂气体；上述第一开闭阀设置在上述第一热交换器的低压侧流路的出口侧；上述气体制冷剂回收管具有第二开闭阀，连接上述制冷剂罐和上述压缩机的吸入侧的配管；上述第二、第三热交换器设置在上述第一热交换器的高压侧流路的下游侧，使高压制冷剂气体和低压制冷剂气体进行热交换；上述旁管具有开闭阀，其一端连接在上述第二热交换器的高压侧流路与上述第三热交换器的高压侧流路之间，其另一端连接在上述JT阀与上述制冷剂罐之间；实行与打开上述JT阀的同时关闭上述第一开闭阀、且打开上述第二开闭阀及上述旁管的开闭阀，一方面使从上述压缩机排出的制冷剂流通上述第一热交换器的高压侧流路及上述第二热交换器的高压侧流路并导入上述制冷剂罐、一方面使上述制冷剂罐的制冷剂气体通过上述气体制冷剂回收管进行回收的消除闭塞运转。

第十三极低温冷冻装置，在上述第十二极低温冷冻装置中，在上述气体制冷剂回收管上设置吸附器。

第十四极低温冷冻装置，在上述第十三极低温冷冻装置中，在上述气体制冷剂回收管的吸附器与制冷剂罐之间设置第三开闭阀，该第三开闭阀在消除闭塞运转时被打开、且在非消除闭塞运转时被关闭。

第十五极低温冷冻装置，在上述第十二极低温冷冻装置中，在上述JT阀的上游侧设置吸附器。

在第一极低温冷冻装置中，在通常的冷却运转时，从压缩机排出的高压制冷剂在第一热交换器中被冷却，由预冷冷冻机进一步冷却，由JT阀焦耳一汤姆逊膨胀液化了后，被导入制冷剂罐。另外，在进行消除闭塞运转时，从压缩机排出的高压制冷剂流通第一热交换器的高压侧流路、再通过JT阀流入制冷罐。因此，不仅滞留在第一热交换器的高压侧流路中的不纯物被高压制冷剂除去，而且滞留在该高压侧流路的下游侧的不纯物也被高压制冷剂除去。制冷剂罐内的气体制冷剂的至少一部分不放出到大气中而通过气体制冷剂回收管导入到压缩机的吸入侧配管中。因此，气体制冷剂的至少一部分不放出到大气中，被再次利用于冷却运转，因此，装置的运转成本被降低。

在第二极低温冷却装置中，具有相互串联被连接的多个热交换器，不仅解除了位于最上游侧的第一热交换器的流路的闭塞，而且，也解除了其下游侧的热交换器中的流路的闭塞。

在第三及第八极低温冷却装置中，可以只解除第一热交换器的闭塞。

在第四及第十二极低温冷却装置中，可以只解除第一热交换器及第二热交换器的闭塞。

在第五、第九及第十三各极低温冷却装置中，由于在气体制冷剂回收管上设置吸附器，因此，在流入到制冷剂罐中的不纯物在制冷剂罐内的气体制冷剂通过气体制冷剂回管被回收时被上述吸附器除去。

在第六、第十及第十四各极低温冷却装置中，在冷却运转时，由于第三开闭阀被关闭，气体制冷剂回收管的吸附器上游侧被关闭。因此，防止了在消除闭塞运转时被吸附的不纯物在冷却运转时逆流而返回制冷剂罐。

在第七、第十一及第十五各极低温冷却装置中，由于在JT阀的上游侧设置吸附器，滞留在热交换器的高压侧流路的下游侧的不纯物被该吸附器吸附，被除去。

根据本发明，在消除闭塞运转时，由于将从压缩机排出的高压制冷剂供给到第一热交换器的高压侧流路，而且，也供给到该高压侧流路的下游侧，因此，不仅可以解除第一热交换器的闭塞，而且也可以解除其下游侧部分的流路的闭塞。在消除闭塞运转时，由于将制冷剂罐的气体制冷剂通过制冷剂回收管进行回收，因此，可以抑制制冷剂罐的压力上升。而且，可以在冷却运转时再次利用回收的制冷剂，可以降低运转成本。

附图说明

图1是实施例1的极低温冷冻装置的制冷剂回路图。

图2是第一热交换器的纵断面图。

图3是用于说明冷却运转时的制冷剂循环的制冷剂回路图。

图4是用于说明消除闭塞运转时的制冷剂循环的制冷剂回路图。

图5是实施例2的极低温冷冻装置的制冷剂回路图。

图6是实施例2的变形例的极低温冷冻装置的制冷剂回路图。

图7是实施例3的极低温冷冻装置的制冷剂回路图。

图8是实施例3的变形例的极低温冷冻装置的制冷剂回路图。

图9是现有技术的低温冷冻装置的制冷剂回路图。

具体实施方式

以下，根据附图说明本发明的实施例。

<实施例1>

本实施例的极低温冷冻装置搭载在超导线性电动机车上(未图示)，将超导线圈(未图示)冷却到极低温水平。

-极低温冷冻装置的构成-

如图1所示，极低温冷冻装置10具有储存液体氦的氦罐11，上述超导线圈用氦罐11内的液体氦冷却到临界温度以下。

极低温冷冻装置10具有JT冷冻机20和预冷冷冻机30。作为JT冷冻机20的制冷剂回路的JT回路2A和作为预冷冷冻机30的制冷剂回路的预冷回路3A沿压缩机单元1A及制冷剂单元1B配设。JT回路2A由设在冷冻机单元1B中的低温部2D和设在压缩机单元1A中的常温部2G构成。

压缩机单元1A兼用作JT回路2A的压缩机单元和预冷回路3A的压缩机单元。该压缩机单元1A中设置低段侧压缩机21和高段侧压缩机22，以便两级压缩氦气。

在高段侧压缩机22的排出侧连接着高压配管23。在低段侧压缩机21的吸入侧连接着低压配管24。高压配管23上从高段侧压缩机22的排出侧顺序地设置着两个油分离器2a、2b和吸附器2c。高压配管23分支为JT回路2A用的高压配管77和预冷回路3A用的高压配管31。在JT回路2A的高压配管77上从高段侧压缩机22的排出侧顺次地设置着开闭阀V1和流量控制阀V2。在低压配管24上从压缩机单元1A侧朝向冷冻机单元1B侧顺次地设置着只允许朝向低段侧压缩机21的方向的流动制冷剂的单向阀79和第一开闭阀81。另外，单向阀79是用于防止在压缩机21、22的运转停止中从JT回路2A的常温部2G朝向低温部2D流入常温的氦气的阀。

在低段侧压缩机21的排出侧和高段侧压缩机22的吸入侧之间连接着预冷回路3A的中间压配管32。通过采用这样的构成，高段侧压缩机22兼作JT回路2A及预冷回路3A双方的压缩机。

在低段侧压缩机21的吸入侧通过气体配管13连接着缓冲罐12。在该气体配管13上设置低压控制阀V4。低压控制阀V4构成为当低压配管24的压力(低压侧压力)成为规定值以下时，自动被打开的构造。当该低压控制阀V4被打开时，缓冲罐12的氦气补给到JT回路2A。

在气体配管13上连接着从高压配管23分支的剩余气体回收配管14。即剩余气体回收配管14的一端连接在高压配管23中的吸附器2c与分支部(两高压配管31、77的分支部)之间，其另一端与气体配管13连接。在剩余气体回收配管14上设置高压控制阀V3。高压控制阀V3构成为当高压配管23的压力(高压侧压力)成为规定值以上时被自动地打开的构造。当该高压控制阀V3被打开时，高压氦气被回收到缓冲罐12中。

接着，对冷冻机单元1B进行说明。冷冻机单元1B由预冷冷冻机30和JT回路2A的低温部2D构成。

预冷冷冻机30是为了预冷作为JT冷冻机20的制冷剂的氦气而设置的，由用氦气的压力使置换器(デイスプレ一サ)往复运动的气体压驱动形的G-M(ギフオ一ド·マクマホン)循环冷冻机构成。该预冷冷冻机30具有电动机头34和与该电动机头34连接的两阶段构造的气缸35。在电动机头34上连接着高压配管31和中间压配管32。在气缸35的大径部的前端侧设置被冷却保持到规定温度水平的第一热站36。另外，在气缸35的小径部的前端侧设置被冷却保持为比第一热站36低的温度水平的第二热站37。

在气缸35的内部往复自由运动地收纳着自由式的两个置换器(未图示)。各置换器在与各热站36、37对应的位置分别划分形成膨胀空间。

在电动机头34上收容着转子阀和驱动转子阀的阀电动机。该转子阀交替地切换将高压配管31的高压氦气供给到气缸35的各膨胀空间的供给状态和将在各膨胀空间膨胀了的低压氦气排出到中间压配管32的排出状态。

在电动机头34上设置通过小孔与气缸35的膨胀空间连通的中间压室。在该中间压室和膨胀空间之间由于转子阀的切换而产生压力差，该压力差成为驱动力，置换器进行往复运动。而且，高压氦气随着上述转子阀的开闭而在气缸35的各膨胀空间中进行西蒙(simon)膨胀。由于该氦气的膨胀而产生极低温水平的寒冷。寒冷被保持在第一及第二热站(36、37)中，被使用于JT冷冻机20的高压氦气的预冷。

JT回路2A是通过使氦气焦耳—汤姆逊膨胀而产生约4K水平的寒冷。JT回路2A的低温部2D具有第一热交换器40、第二热交换器50、第三热交换器60、JT阀25以及氦罐11。这些热交换器40、50、60用于使高压氦气和膨胀后的低压氦气进行热交换，热交换温度按照第一热交换器40、第二热交换器50、第三热交换器60的顺序变低。

第一热交换器40的高压侧流路41的入口侧与高压配管77连接。在第一热交换器40的高压侧流路41的出口侧配管与第二热交换器50的高压侧流路51的入口侧之间设置第一预冷部27。第一预冷部27配置在预冷冷冻机30的第一热站36的外周部。在第二热交换器50的高压侧流路51的出口侧与第三热交换器60的高压侧流路61的入口侧之间设置第二预冷部28。第二预冷部28配置在预冷冷冻机30的第二热站37的外周部。在第三热交换器60的高压侧流路61的出口处与氦罐11之间设置JT阀25。另外，在第三热交换器60的高压侧流路61与JT阀25之间设置吸附器87。

在JT阀25上连接着调节阀开度的操作杆2d。JT阀25构成为由控制器80控制开度，在后述的消除闭塞运转时被设定为全开状态。

这样，从高段侧压缩机22到高压配管23、高压配管77、热交换器40、50、60的高压侧流路41、51、61、预冷部27、28以及JT阀25的线路成为高压氦气流通的高压线路2H。

第三热交换器60的低压侧流路62、第二热交换器50的低压侧流路52、第一热交换器40的低压侧流路42由制冷剂配管26顺序地连接着。第三热交换器60的低压侧流路62通过制冷剂配管26连接在氦罐11上。第一热交换器40的低压侧流路42与低压配管24连接。这样，从氦罐11经过热交换器60、50、40的低压侧流路62、52、42到达低段侧压缩机21的线路成为低压的氦气流通的低压线路2L。

氦罐11和低压配管24由PL配管83连接着，PL配管83的一端与氦罐11连接，其另一端连接在低压配管24的第一开闭阀81与单向阀79之间。在该PL配管83上从一端朝向另一端顺序地设置着第三开闭阀86、吸附阀84、流量控制阀85及第二开闭阀82。第一开闭阀81、第二开闭阀82及第三开闭阀86都由电磁阀构成。第二开闭阀82和第三开闭阀86被设定为相互同步地动作。

另外，在氦罐11上连接着用于将罐内的氦气放出的大气中的放出管88。在放出管88上设置着由电磁阀构成的开闭阀89，该开闭阀89当氦罐11的内部压力过高时自动地被打开。

第一热交换器40和第二热交换器50和第三热交换器60相互具有相同的构成。在此，参照图2只对第一热交换器40的构成进行说明，省略第二热交换器50及第三热交换器60的说明。

如图2所示，第一热交换器40具有管43、收容在管43中的心轴44、高压管45。高压管45是带有翅的传热管，螺旋状地绕在心轴44的外周上。该高压管45的内部成为高压氦气流动的高压侧流路41。另外，管43与心轴44之间成为低压氦气流动的低压侧流路42。因此，高压侧流路41的高压氦气与低压侧流路42的低压氦气通过高压管45进行热交换。

如图1所示，预冷冷冻机30的高压配管31与中间压配管32之间设置旁管75。该旁配管75上设置差压阀76。由该差压阀76的作用，当在消除闭塞运转时使预冷冷冻机30的阀电动机停止时，高压的氦气朝向中间压配管32分流。

在极低温冷冻装置中，有时混入作为不纯物的空气等的不纯气体(氦以外的气体)和水分等。特别是本实施例的极低温冷冻装置采用了用于冷却超导线圈的液体氦和作为制冷剂的氦气在开放类的回路中流动的构成(开式循环的构成)，需要添加充填液体氦的注入液和氦气，因此，与采用封闭类的循环的装置相比，混入不纯物的可能性高。但是，当混入作为不纯物的水分时，由于该水分被冷却而冻结，有闭塞流路的危险。因此，本极低温冷冻装置10构成为除了冷却超导线圈的冷却运转之外，还进行用于消除流路的消除闭塞运转。

以下，对各运转动作进行说明。

—冷却运转—

冷却运转是由氦罐11的液化氦将超导线圈冷却保持在临界温度以下的运转。在本运转中，冷却超导线圈后蒸发了的氦气从氦罐11流出而在JT回路2A的低压线路2L中流动，在压缩机21、22产生的压缩及JT阀25产生的膨胀的作用下再次被液化后返回到氦罐11。由该循环动作，使得在氦罐11中经常地储存着规定量的液体氦，超导线圈被稳定地冷却。

在冷却运转时，JT回路2A及预冷回路3A的氦如图3中用实线箭头所示那样地进行循环。即，在冷却运转中，JT回路2A的低压线路2L的第一开闭阀81被打开，PL配管83的第二开闭阀82及第三开闭阀86被关闭。JT阀25被调整为规定开度，预冷冷冻机30的阀电动机进行驱动。

在该状态下，从高段侧压缩机22排出的高压氦气的一部分通过高压配管31流入到预冷冷冻机30。该高压氦气在预冷冻机30的气缸35的各膨胀空间内进行膨胀，由该膨胀使氦气的温度降低，各热站36、37分别被冷却到规定的温度水平。膨胀后的氦气通过中间压配管32返回到高段侧压缩机22。在预冷回路3A中进行以上那样的进行制冷剂循环动作。

另外，JT回路2A中，氦气以下那样地进行循环。即，从高段侧压缩机22排出的高压氦气的剩余部分通过高压配管77流入到JT回路2A的低温部2D。流入到低温部2D的高压氦气首先流过第一热交换器40的高压侧流路41。那时，流过高压侧流路41的高压氦气与流过低压侧流路42的低压氦气进行热交换器而被冷却。例如，高压氦气在第一热交换器40中从作为常温的300K被冷却到约50K。然后，高压氦气在第一预冷部27中流动被预冷冷冻机30的第一热站36冷却。

接着，高压氦气通过第二热交换器50的高压侧流路51，与流通低压侧流路52的低压氦气进行热交换而被冷却。例如，在流通第二热交换器50的高压侧流路51时，高压氦气被冷却到约15K。然后，高压氦气在第二预冷部28中流动，被预冷冷冻机30的第二热站37冷却。接着，高压氦气通过第三热交换器60的高压侧流路61。那时，高压氦气与流通低压侧流路62的低压氦气进行热交换而被冷却。

然后，高压氦气在JT阀25中进行焦耳—汤姆逊膨胀，成为约4K的液体氦。然后，该液体氦流入到氦罐11中。

另外，在氦罐11内蒸发的低压氦气顺序地流过第三热交换器60的低压侧流路62、第二热交换器50的低压侧流路52、第三热交换器40的低压侧流路42而经由低压配管24返回到低段侧压缩机21。

在上述冷却运转时，当热交换器40、50、60的高压侧流路41、51、61或其前后的配管的流路由不纯物(水分等)闭塞时，进行以下的消除闭塞运转，流路的闭塞的有无可以根据例如流路内的氦气的压力损失等进行判断。另外，也可以不管闭塞的有无在进行了一定时间的冷却运转后进行消除闭塞运转。接着，参照图4对消除闭塞运转进行说明。

—消除闭塞运转—

在消除闭塞运转中，氦气如图4中由实线箭头所示那样地进行循环。JT回路(2A)的低压线路(2L)的第一开闭阀(81)被关闭，PL配管83的第二开闭阀82及第三开闭阀86被打开。JT阀25被设定为全开状态。预冷冷冻机30的运转被停止。

在该状态中，从高段侧压缩机22排出的高压氦气的一部分按照第一热交换器40的高压侧流路41、第一预冷部27、第二热交换器50的高压侧流路51、第二预冷部28、第三热交换器60的高压侧流路61、JT阀25的顺序沿高压线路2H流动。由于低压线路2L的第一开闭阀21被关闭着，在低压线路2L中不流通氦气。因此，高压氦气在热交换器40、50、60及预冷部27、28中不被冷却，以常温的温度水平的状态流通高压线路2H。其结果，在高压线路2H的流路内即使水分被冻结，该水分也由高压氦气熔解而与高压氦气一起经过高压线路(2H)朝向氦罐11流去。

由于在高压线路2H上设置吸附器87，因此，含在高压氦中的水分等的不纯物被吸附器87除去。

由于在氦罐11中流入了常温的氦气，罐内的温度上升。其结果，氦罐11内的液体氦蒸发而成为氦气。该氦气通过PL配管83被导入低压配管24。这时，含在氦气中的不纯物由吸附器84吸附、除去。被导入低压配管24的氦气由压缩机21、22压缩，被回收到缓冲罐12中。在具有没有被回收完的氦气时，可以通过放出管88放出到大气中或另外设置缓冲罐回收到其罐中。

如以上所述那样，JT回路2A的流路的闭塞被消除，不纯物被除去。在结束了消除闭塞运转后，缓冲罐12内的氦返回到JT回路2A，再开始冷却运转。

—实施例的效果—

因此，若采用本实施例，不仅可以消除第一热交换器40的高压侧流路41中的闭塞，而且还可以消除其下游侧的流路的闭塞。另外，在消除闭塞运转时，由于将氦罐11内的氦气至少一部分通过PL配管83回收到缓冲罐12中，因此再开始冷却运转时可以不需要补充氦、或可以减少补充量。因此，可以降低运转成本。

在对超导线圈通电时，在氦罐11内多数的氦进行蒸发，为了回收其蒸发了的氦气多预先设置PL配管83。在那样的情况下，由于可以原样不变地挪用已设置的PL配管83，因此，在进行消除闭塞运转时不必另外新设置用于回收氦罐11的氦气的专用的配管。因此，可以减少为了进行消除闭塞运转而附加的零件的数量。

由于在PL配管83的吸附器84的上游侧设置在冷却运转时被关闭的第三开闭阀86，因此，可以防止在消除闭塞运转时吸附的不纯物在冷却运转时从吸附器84逆流到氦罐11中。

—变型例—

在上述实施例中，第一开闭阀81、第二开闭阀82及第三开闭阀86由控制器80自动控制着，但是，当然也可以由手动控制这些。

在不特别需要除去PL配管83中的不纯物时，也可以省略掉PL配管83的吸附器84及第三开闭阀86。

<实施例2>

实施例2是通过对实施例1加以更换而可以只进行第一热交换40的闭塞消除的实施例。

如图5所示，实施例2的极低温冷冻装置10设置有旁管91，该旁管91其一端连接在预冷冷冻机30的第一预冷部27与第二热交换器50的高压侧流路51之间，其另一端连接在第三热交换器60的高压侧流路61与吸附器81之间。在旁管91上设置在冷却运转时被关闭的开闭阀92。

在本实施例中，除了实施例的消除闭塞运转之外，还可以进行以下那样的消除闭塞运转。即，在本消除闭塞运转中，JT回路2A的低压线路2L的第一开闭阀81被关闭，PL配管83的第二开闭阀82及第三开闭阀86被打开。JT阀25被设定为全开状态，预冷冷冻机30的运转被停止。而且，旁管91的开闭阀92被打开。

氦气如图5中用实线箭头所示那样地进行循环。即，从高段侧压缩机22排出的高压氦气的一部分按照第一热交换器40的高压侧流路41、第一预冷部27、旁管91、JT阀25的顺序沿高压路线2H流动，流入氦罐11。然后，与实施例1的闭塞解除运转同样，氦气从氦罐11通过PL配管83被导入低压配管24。

因此，根据本实施例，由于只可以进行第一热交换器40的闭塞解除，因此，在仅第一热交换器40闭塞着时，可以有效地解除其闭塞。另外，由于不会导致第二热交换器50及第三热交换器60的温度上升，因此在结束了解除闭塞运转后，可以迅速地再开始冷却运转。

另外，旁管91的上游端也可以连接于第一热交换器40的高压侧流路41与第一预冷部27之间。另外，如图6所示，旁管91的下游端也可以连接在JT阀25与氦罐11之间。即使在这样的情况下也可以进行上述解除闭塞运转。

<实施例3>

实施例3是通过对实施例1施加变更，从而可以只进行第一热交换器40及第二热交换器50的闭塞解除的实施例。

如图7所示，实施例3的极低温冷冻装置10设置有旁管93，该旁管93其一端被连接在预冷冷冻机30的第二预冷部28与第三热交换器60的高压流路61之间，其另一端被连接在第三热交换器60的高压侧流路61与吸附器87之间。在旁管93上设置在冷却运转时被关闭的开闭阀94。

在本实施例中，除了实施例1的解除闭塞运转之外、还可以进行以下那样的解除闭塞运转。即，在本解除闭塞运转中，JT回路2A的低压线路2L的第一开闭阀81被关闭，PL配管83的第二开闭阀82及第三开闭阀86被打开。JT阀25被设定为为全开状态，预冷冷冻机30的运转被停止。而且，旁管93的开闭阀94被打开。

氦气如图7中用实线箭头所示那样地进行循环，即从高段侧压缩机22排出的高压氦气的一部分按照第一热交换器40的高压侧流路41、第一预冷部27、第二热交换器50的高压侧流路51、第二预冷部28、旁管93、JT阀25的顺序沿高压线路2H流动，流入氦罐11。然后，与第一实施例的解除闭塞运转同样，氦气从氦罐11通过PL配管83被导入低压配管24。

因此，根据本实施例，由于只可以进行第一热交换器40及第二热交换器50的闭塞解除，因此，在仅第一热交换器40和第二热交换器50闭塞着时，可以有效地解除其闭塞。另外，由于不会导致第三热交换器60的温度上升，因此在结束了解除闭塞运转后，可以迅速地再开始冷却运转。

另外，旁管93的上游端也可以连接于第二热交换器50的高压侧流路51与第二预冷部28之间。另外，如图8所示，旁管93的下游端也可以连接在JT阀25与氦罐11之间。即使在这样的情况下也可以进行上述解除闭塞运转。

本发明不限定于上述第一及第三实施例，在不脱离其精神或主要的特征的情况下可以以其它的各种各样的形式进行实施。

这样，上述的实施例在所有的点中只不过是例示，不能进行限定性的解释。本发明的保护范围是由权利要求表示的，不被说明书进行任何约束。另外，属于权利要求的均等范围的变型或变更都包括在本

发明的范围内。

Claims (15)

1.极低温冷冻装置，具有压缩机、JT冷冻机、第一热交换器、预冷冷冻机、第1开闭阀、气体制冷剂回收管；上述JT冷冻机具有使从上述压缩机排出的高压制冷剂气体焦耳—汤姆逊膨胀的JT阀和储存由焦耳—汤姆逊膨胀液化了的制冷剂的制冷剂罐；上述第一热交换器具有使从上述压缩机排出的高压制冷剂气体流通的高压侧流路和使来自上述制冷剂罐的低压制冷剂气体流通的低压侧流路，使该高压侧流路的高压制冷剂气体与该低压侧流路的低压制冷剂气体热交换；上述预冷冷冻机在由上述JT阀进行的膨胀前预冷由上述第1热交换器冷却的高压制冷剂气体；第一开闭阀设置在上述第一热交换器的低压侧流路的出口侧；上述气体制冷剂回收管具有第二开闭阀，连接上述制冷剂罐和上述压缩机的吸入侧的配管；实行与打开上述JT阀的同时关闭上述第一开闭阀、且打开上述第二开闭阀，一方面使从上述压缩机排出的制冷剂至少在上述第一热交换器的高压侧流路及上述JT阀中流通并导入上述制冷剂罐、一方面使上述制冷剂罐的制冷剂气体通过上述气体制冷剂回收管进行回收的消除闭塞运转。

2.如权利要求1所述的极低温冷冻装置，其特征在于，在上述第一热交换器的高压侧流路的下游侧还设置使高压制冷剂气体和低压制冷剂气体热交换的一个或二个以上的热交换器。

3.如权利要求1所述的极低温冷冻装置，其特征在于，在上述第一热交换器的高压侧流路的下游侧还设置使高压制冷剂气体和低压制冷剂气体热交换的第二及第三热交换器，另外，还具有旁管和开闭阀，该旁管其一端连接在上述第一热交换器的高压侧流路与上述第二热交换器的高压侧流路之间，另一端被连接在上述第三热交换器的高压侧流路与JT阀之间，上述开闭阀设置在上述旁管上，在进行消除闭塞运转时，打开上述旁管的开闭阀，将从压缩机排出的制冷剂经上述第一热交换器的高压侧流路、上述旁管及上述JT阀导入到上述制冷剂罐。

4.如权利要求1所述的极低温冷冻装置，其特征在于，上述第一热交换器的高压侧流路的下游侧还设置使高压制冷剂气体和低压制冷剂气体热交换的第二及第三热交换器，另外，具有旁管和开闭阀，该旁管其一端连接在上述第二热交换器的高压侧流路与上述第三热交换器的高压侧流路之间，另一端被连接在上述第三热交换器的高压侧流路与JT阀之间，上述开闭阀设置在上述旁管上；在进行消除闭塞运转时，打开上述旁管的开闭阀，将从压缩机排出的制冷剂经上述第一热交换器的高压侧流路、上述第二热交换器的高压侧流路、上述旁管及上述JT阀导入到上述制冷剂罐。

5.如权利要求1所述的极低温冷冻装置，其特征在于，在上述气体制冷剂回收管上设置吸附器。

6.如权利要求5所述的极低温冷冻装置，其特征在于，在上述气体制冷剂回收管的吸附器与制冷剂罐之间设置第三开闭阀，该第三开闭阀在消除闭塞运转时被打开且在非消除闭塞运转时被关闭。

7.如权利要求1所述的极低温冷冻装置，其特征在于，在上述JT阀的上游侧设置吸附器。

8.极低温冷冻装置，具有压缩机、JT冷冻机、第一热交换器、预冷冷冻机、第一开闭阀、气体制冷剂回收管、第二及第三热交换器、旁管；上述JT冷冻机具有使从上述压缩机排出的高压制冷剂气体焦耳—汤姆逊膨胀的JT阀和储存由焦耳—汤姆逊膨胀液化了的制冷剂的制冷剂罐；上述第一热交换器具有使从上述压缩机排出的高压制冷剂气体流通的高压侧流路和使来自上述制冷剂罐的低压制冷剂气体流通的低压侧流路，使该高压侧流路的高压制冷剂气体与该低压侧流路的低压制冷剂气体进行热交换；上述预冷冷冻机在由上述JT阀产生膨胀前预冷由上述第一热交换器冷却的高压制冷剂气体；上述第一开闭阀设置在上述第一热交换器的低压侧流路的出口侧；上述气体制冷剂回收管具有第二开闭阀，连接上述制冷剂罐和上述压缩机的吸入侧的配管；上述第二、第三热交换器设置在上述第一热交换器的高压侧流路的下游侧，使高压制冷剂气体和低压制剂气体进行热交换；上述旁管具有开闭阀，其一端连接在上述第一热交换器的高压侧流路与上述第二热交换器的高压侧流路之间，其另一端连接在上述JT阀与上述制冷剂罐之间；实行与打开上述JT阀的同时关闭上述第一开闭阀、且打开上述第二开闭阀及上述旁管的开闭阀，一方面使从上述压缩机排出的制冷剂流通上述第一热交换器的高压侧流路并导入上述制冷剂罐、一方面使该制冷剂罐的制冷剂气体通过上述气体制冷剂回收管进行回收的消除闭塞运转。

9.如权利要求8所述的极低温冷冻装置，其特征在于，在上述气体制冷剂回收管上设置吸附器。

10.如权利要求9所述的极低温冷冻装置，其特征在于，在上述气体制冷剂回收管的吸附器与制冷剂罐之间设置第三开闭阀，该第三开闭阀在消除闭塞运转时被打开、且在非消除闭塞运转时被关闭。

11.如权利要求8所述的极低温冷冻装置，其特征在于，在上述JT阀的上游侧设置吸附器。

12.极低温冷冻装置，具有压缩机、JT冷冻机、第一热交换器、预冷冷冻机、第一开闭阀、气体制冷剂回收管、第二及第三热交换器、旁管；上述JT冷冻机具有使从上述压缩机排出的高压制冷剂气体焦耳—汤姆逊膨胀的JT阀和储存由焦耳—汤姆逊膨胀液化了的制冷剂的制冷剂罐；上述第一热交换器具有使从上述压缩机排出的高压制冷剂气体流通的高压侧流路和使来自上述制冷剂罐的低压制冷剂气体流通的低压侧流路，使该高压侧流路的高压制冷剂气体与该低压侧流路的低压制冷剂气体热交换；上述预冷冷冻机在由上述JT阀膨胀前预冷用上述第一热交器冷却的高压制冷剂气体；上述第一开闭阀设置在上述第一热交换器的低压侧流路的出口侧；上述气体制冷剂回收管具有第二开闭阀，连接上述制冷剂罐和上述压缩机的吸入侧的配管；上述第二、第三热交换器设置在上述第一热交换器的高压侧流路的下游侧，使高压制冷剂气体和低压制剂气体进行热交换；上述旁管具有开闭阀，其一端连接在上述第二热交换器的高压侧流路与上述第三热交换器的高压侧流路之间，其另一端连接在上述JT阀与上述制冷剂罐之间；实行与打开上述JT阀的同时关闭上述第一开闭阀、且打开上述第二开闭阀及上述旁管的开闭阀，一方面使从上述压缩机排出的制冷剂流通上述第一热交换器的高压侧流路及上述第二热交换器的高压侧流路并导入上述制冷剂罐、一方面使该制冷剂罐的制冷剂气体通过上述气体制冷剂回收管进行回收的消除闭塞运转。

13.如权利要求12所述的极低温冷冻装置，其特征在于，在上述气体制冷剂回收管上设置吸附器。

14.如权利要求13所述的极低温冷冻装置，其特征在于，在上述气体制冷剂回收管的吸附器与制冷剂罐之间设置第三开闭阀，该第三开闭阀在消除闭塞运转时被打开、且在非消除闭塞运转时被关闭。

15.如权利要求12所述的极低温冷冻装置，其特征在于，在上述JT阀的上游侧设置吸附器。

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