JP2002005534A - 極低温冷凍装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 温度振動の無い極低温冷凍装置を提供するこ
と。 【解決手段】 Ｊ−Ｔ回路２のＪ−Ｔ弁２１を、Ｊ−Ｔ
弁２１を駆動する電動モータ３０を介して、制御装置３
１によって開度調節する。時系列におけるＪ−Ｔ弁２１
の開度の変化パターンが、極低温冷凍装置の特性等を考
慮して予め定められて、制御装置３１に参照される格納
部３２に格納されている。Ｊ−Ｔ弁２１の開度が、予め
定められた変化パターンに沿って制御装置３１によって
調節されると、例えば高段圧縮機１０に起因する冷媒ガ
スの流量の変化等が打ち消されて、第３ヒートステーシ
ョン１８’の温度が一定になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、例えばヘリウム
等の冷媒ガスを用いて極低温を得る極低温冷凍装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の極低温冷凍装置として、
図４に示すようなものがある（特開昭６１−２３５６５
０号公報）。この極低温冷凍装置は、予冷冷凍回路１と
ジュールトムソン回路（以下、Ｊ−Ｔ回路という）２と
によって概略構成されている。

【０００３】上記予冷冷凍回路１は、予冷用の冷媒ガス
を圧縮する予冷用圧縮機３、油分離器４、吸着器５、膨
張機６およびサージボトル７を順次冷媒ガス管で接続し
て構成されている。一方、Ｊ−Ｔ回路２は低段圧縮機
８、油分離器９、高段圧縮機１０、油分離器１１、吸着
器１２、第１ジュールトムソン熱交換器（以下、Ｊ−Ｔ
熱交換器という）１３、吸着器１４、第１ヒートステー
ション１５、第２Ｊ−Ｔ熱交換器１６、吸着器１７、第
２ヒートステーション１８、第３Ｊ−Ｔ熱交換器１９、
吸着器２０、ジュールトムソン弁（以下、Ｊ−Ｔ弁とい
う）２１、冷却器２２、第３Ｊ−Ｔ熱交換器１９、第２
Ｊ−Ｔ熱交換器１６および第１Ｊ−Ｔ熱交換器１３を順
次冷媒ガス管で連通して構成されている。

【０００４】上記構成を有する極低温冷凍装置は次のよ
うに動作する。まず、予冷冷凍回路１において、予冷用
圧縮機３から膨張機６に供給された高圧の冷媒ガスは、
膨張機６内の第１、第２ディスプレーサ（図示せず）内
の蓄冷材と順次冷熱交換を行って冷却される。そうした
後、上記第１、第２ディスプレーサ内が低圧室（図示せ
ず）に接続されて、高圧の冷媒ガスが一気に膨張され
て、ガス温度が低下する。こうして、冷媒ガスの膨張に
よって得られた冷熱は、上記蓄冷材に蓄積される。以
下、上記第１、第２ディスプレーサ内への高圧冷媒ガス
の導入と、その膨張とを繰り返して、第２ヒートステー
ション１８が２０Ｋ（ケルビン）レベルの超低温に冷却
される。

【０００５】一方、上記Ｊ−Ｔ回路２においては、高段
圧縮機１０から吐出された高圧の冷媒ガスは、第１Ｊ−
Ｔ熱交換器１３によって戻り冷媒ガスと熱交換を行って
冷却され、膨張機６の第１ヒートステーション１５、第
２Ｊ−Ｔ熱交換器１６、２０Ｋレベルの第２ヒートステ
ーション１８および第３Ｊ−Ｔ熱交換器１９によって更
に冷却されて、Ｊ−Ｔ弁２１に至る。そして、Ｊ−Ｔ弁
２１によって急激に膨張されて極低温度となった冷媒ガ
スは、膨張機６における２０Ｋレベルの第２ヒートステ
ーション１８に接続された第３ヒートステーション１
８’の冷却器２２で熱交換を行って、第３ヒートステー
ション１８’を４．２Ｋレベルまで冷却するのである。
そうした後、上記冷却器２２で熱交換を行った後の冷媒
ガスは、第３，第２，第１Ｊ−Ｔ熱交換器１９，１６，
１３において供給冷媒ガスと熱交換を行った後に、低段
圧縮機８に戻る。

【０００６】上記構成の極低温冷凍装置においては、運
転開始から定常運転に至るクールダウン運転に際して
は、クライオスタットＣ側の温度が常温レベルから４．
２Ｋレベルの定常運転レベルまで変化する。そうする
と、それにつれて冷媒ガスの密度が変化して、Ｊ−Ｔ回
路２内の冷媒ガス体積が変化して、Ｊ−Ｔ弁２１を通過
する冷媒ガス量が大きく変化する。そこで、高圧冷媒ガ
ス管２３と低圧冷媒ガス管２４との間をバイパス回路２
７で連通して、このバイパス回路２７に設けた電磁弁２
６で冷媒ガスのバイパス量を調節している。上記電磁弁
２６は、高圧冷媒ガス管２３と低圧冷媒ガス管２４の冷
媒ガス圧を検知するセンサに接続したクールダウン制御
装置によって、開度を調節される。そうして、上記高圧
および低圧冷媒ガス管２３，２４の間の差圧に基づい
て、冷媒ガスをバイパス回路２７と高圧冷媒ガス管２３
のＪ−Ｔ弁２１側とに適切に振り分けている。一方、Ｊ
−Ｔ弁２１は手動の弁であって、極低温冷凍装置の運転
時に予め全開にしている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の極低温冷凍装置においては、以下のような問題があ
る。すなわち、クールダウン運転時において、例えば高
段圧縮機１０および低段圧縮機８の動作温度の変化等に
よって、Ｊ−Ｔ弁２１に至る高圧冷媒ガス管２３の冷媒
ガス流量が変化する。また、上記バイパス回路２７を迂
回する冷媒ガス量の変化に伴って、Ｊ−Ｔ弁２１を流れ
る冷媒ガス流量が短時間の間に増減して脈動する場合が
ある。そうすると、Ｊ−Ｔ弁２１を通過する冷媒ガス量
が変化して、第３ヒートステーション１８’の温度が一
定に保たれずに温度振動が生じるという問題がある。こ
の極低温冷凍装置の被冷却物が、例えば超伝導体を用い
たセンサである場合、上記第３ヒートステーション１
８’の温度振動は上記センサのノイズとなるから、大き
な問題である。

【０００８】そこで、最近、冷媒ガス流量の変動による
温度振動を吸収するために、上記第３ヒートステーショ
ン１８’に蓄熱器を設置した極低温冷凍装置が提案され
た。しかし、この蓄熱器を取り付けるための工数の増加
や材料費の増加によって、極低温冷凍装置が高価になる
という問題がある。

【０００９】そこで、この発明の目的は、第３ヒートス
テーション１８’の温度が一定に保たれて温度振動がな
い極低温冷凍装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１の発明の極低温冷凍装置は、Ｊ−Ｔ回路
と、このＪ−Ｔ回路を流れる冷媒ガスを冷却する予冷冷
凍回路を有する極低温冷凍装置において、上記Ｊ−Ｔ回
路のＪ−Ｔ弁の開度を調節する開度調節手段と、上記Ｊ
−Ｔ弁の開度が、時系列において予め定められた変化パ
ターンになるように、上記開度調節手段を制御する制御
手段とを備えたことを特徴としている。

【００１１】請求項１の極低温冷凍装置によれば、上記
Ｊ−Ｔ弁は、上記制御手段で制御される開度調節手段に
よって駆動されて、時間の経過に伴って開度が変化す
る。この開度の変化パターンは、例えばＪ−Ｔ回路の冷
媒圧縮機の圧縮性能や、冷媒ガスがＪ−Ｔ弁に至るまで
の経路等に基づいて定められている。すなわち、例えば
Ｊ−Ｔ回路の圧縮機の温度変化による冷媒ガス流量の変
化や、バイパス回路を迂回する冷媒流量の変化による冷
媒ガス流量の脈動等に起因するＪ−Ｔ弁を通過する冷媒
ガス量の変化を、予め予測しておく。そして、これらの
冷媒ガス流量の変化を打ち消すように、Ｊ−Ｔ弁の開度
の変化パターンを予め定めておく。そのような変化パタ
ーンに基づいてＪ−Ｔ弁の開度を調節すると、Ｊ−Ｔ弁
を通過する冷媒ガス量が適量になって、極低温冷凍装置
の最終ヒートステーションの温度振動がなくなる。この
ように、Ｊ−Ｔ弁の開度を直接調節するので、Ｊ−Ｔ回
路の他の部分で冷媒ガス流量を調整する必要がない。し
たがって、従来における例えばバイパス回路に設けられ
たクールダウン制御装置等は不要になる。また、最終ヒ
ートステーションの温度振動を吸収するための蓄熱器等
も不要であるので、極低温を安定して得られる極低温冷
凍装置を安価に提供できる。

【００１２】請求項２の発明の極低温冷凍装置は、Ｊ−
Ｔ回路と、このＪ−Ｔ回路を流れる冷媒ガスを冷却する
予冷冷凍回路を有する極低温冷凍装置において、上記Ｊ
−Ｔ回路のＪ−Ｔ弁の開度を調節する開度調節手段と、
上記Ｊ−Ｔ回路における最終のヒートステーションの温
度を検出する温度センサと、上記温度センサによって検
出された温度に基づいて、上記開度調節手段を制御する
制御手段とを備えたことを特徴としている。

【００１３】請求項２の極低温冷凍装置によれば、Ｊ−
Ｔ弁の開度が、上記最終ヒートステーションの温度に基
づいて調節される。すなわち、最終ヒートステーション
に温度振動が生じると、上記温度センサからの信号を受
け取った上記制御手段は、上記温度振動を抑える適切な
温度上昇および温度降下が起こるように、上記開度調節
手段に命令してＪ−Ｔ弁の開度を調節する。その結果、
最終ヒートステーションの温度が一定に保たれる。した
がって、例えば冷媒圧縮機の圧縮特性や、極低温冷凍装
置の雰囲気温度等、最終ヒートステーションの温度を変
化させる原因が重複して生じても、最終ヒートステーシ
ョンの温度を一定に保って温度振動が防止される。

【００１４】請求項３の発明の極低温冷凍装置は、Ｊ−
Ｔ回路と、このＪ−Ｔ回路を流れる冷媒ガスを冷却する
予冷冷凍回路を有する極低温冷凍装置において、上記Ｊ
−Ｔ回路のＪ−Ｔ弁の開度を調節する開度調節手段と、
上記Ｊ−Ｔ回路における最終のヒートステーションより
も下流側の圧力を検出する圧力センサと、上記圧力セン
サによって検出された圧力に基づいて、上記開度調節手
段を制御する制御手段とを備えたことを特徴としてい
る。

【００１５】請求項３の極低温冷凍装置によれば、Ｊ−
Ｔ弁の開度が、最終ヒートステーションよりも下流側の
圧力に基づいて調節される。すなわち、Ｊ−Ｔ弁を通過
する冷媒ガスの圧力が変化し始めると、上記圧力センサ
からの信号を受け取った上記制御手段は、上記開度調節
手段に命令して、上記冷媒ガスの圧力の変化を抑えるよ
うにＪ−Ｔ弁の開度を調整する。そうすると、Ｊ−Ｔ弁
を通過する冷媒ガスの圧力を一定にできて、最終ヒート
ステーションの温度変化が抑えられて温度振動がなくな
る。したがって、例えばＪ−Ｔ回路の冷媒圧縮機の特性
や、冷媒ガスのＪ−Ｔ弁に至るまでの経路等に起因する
Ｊ−Ｔ弁での冷媒ガスの圧力変動が防止されて、最終ヒ
ートステーションの温度変化が防止される。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、この発明を図示の実施の形
態により詳細に説明する。

【００１７】図１は、第１の実施形態における極低温冷
凍装置の冷媒回路図である。この極低温冷凍装置は、電
動モータ３０と、制御装置３１と、パターン格納部３２
とを有する以外は、図４に示した極低温冷凍装置と同じ
構成であり、図４と同一の部分には同一の参照番号を付
して詳細な説明を省略する。

【００１８】この極低温冷凍装置は、Ｊ−Ｔ回路２のＪ
−Ｔ弁２１に、開度調節手段としての電動モータ３０を
接続している。この電動モータ３０は、制御手段として
のＣＰＵ（中央演算装置）からなる制御装置３１に接続
している。この制御装置３１は、Ｊ−Ｔ弁２１の開度パ
ターンを格納したＥＥＰＲＯＭ（電気的消去可能プログ
ラマブル読出し専用メモリ）等の格納部３２に接続して
いて、極低温冷凍装置を起動して経過した時間に基づい
て、上記格納部３２からＪ−Ｔ弁２１の設定開度を読み
出す。そして、Ｊ−Ｔ弁２１をその設定開度にする制御
信号を上記電動モータ３０に送出して、電動モータ３０
によってＪ−Ｔ弁２１の開度を上記設定開度にする。

【００１９】上記格納部３２に格納されたＪ−Ｔ弁２１
の開度パターンは、例えば高段圧縮機１０および低段圧
縮機の８の特性や、Ｊ−Ｔ回路２の経路等に基づいて設
定されている。すなわち、極低温冷凍装置を運転開始し
て第３ヒートステーション１８’の温度を４．２Ｋレベ
ルにまで降下して、その温度を保持する間において、例
えば高段圧縮機１０の動作温度の変化に伴う圧縮流量の
変化等によって生じるＪ−Ｔ弁２１での冷媒ガスの流量
の変化を予め予測しておく。そして、この冷媒ガスの流
量の変化を打ち消すように、Ｊ−Ｔ弁２１の開度を時系
列において設定しておくのである。

【００２０】上記構成の極低温冷凍装置を起動して所定
の時間が経過すると、高段圧縮機１０の動作温度が変わ
って圧縮流量が変化したり、バイパス回路２７にバイパ
スされる冷媒ガスの流量が変わってＪ−Ｔ弁２１の冷媒
流量が脈動したりする。しかし、上記制御装置３１は、
そのときのＪ−Ｔ弁２１の設定開度を上記格納部３２か
ら読み出して、電動モータ３０に命令してＪ−Ｔ弁２１
の開度を上記設定開度にする。この設定開度は、上記高
段圧縮機１０やバイパス回路２７等に起因する冷媒ガス
流量の変化を打ち消すＪ−Ｔ弁２１の開度であるから、
Ｊ−Ｔ弁２１での冷媒ガスの流量の変化が抑えられる。
その結果、Ｊ−Ｔ弁２を通過する冷媒ガス量が一定に保
たれて、第３ヒートステーション１８’の温度が保持さ
れて温度振動が防止される。

【００２１】図２は、第２の実施形態における極低温冷
凍装置の冷媒回路図である。この極低温冷凍装置は、制
御装置３４と、温度センサ３６とを有する以外は図１に
示した第１の実施形態の極低温冷凍装置と同じ構成であ
り、図１と同一の部分には同一の参照番号を付して詳細
な説明を省略する。

【００２２】本第２の実施形態では、第３ヒートステー
ション１８’に、第３ヒートステーション１８’の温度
を検出する温度センサ３６を設置している。この温度セ
ンサ３６からの信号は、電動モータ３０を制御する制御
装置３４に送られる。この制御装置３４は、温度センサ
３６からの信号に基づいて電動モータ３０を制御して、
Ｊ−Ｔ弁２１を所定の開度にする。

【００２３】上記構成の極低温冷凍装置を起動すると、
高段圧縮機１０の圧縮圧力が脈動したり、バイパス回路
２７にバイパスされる冷媒ガスの流量が変わって、第３
ヒートステーション１８’が温度振動する場合がある。
上記制御装置３４は、温度センサ３６からの信号によっ
て上記温度振動を検知すると、この温度振動による温度
の上昇または下降を打ち消す温度変化をなすようなＪ−
Ｔ弁２１の設定開度を計算する。そして、制御装置３４
は、上記電動モータ３０に命令してＪ−Ｔ弁２１を駆動
させて、Ｊ−Ｔ弁２１の開度を上記設定開度にする。そ
うすると、その結果、Ｊ−Ｔ弁２１を流れる冷媒ガス流
量が、ヒートステーション１８’の温度変化を抑える所
定の流量になって、ヒートステーション１８’の温度振
動が無くなる。

【００２４】図３は、第３の実施形態における極低温冷
凍装置の冷媒回路図である。この極低温冷凍装置は、制
御装置３８と、圧力センサ３９とを有する以外は図１に
示した第１の実施形態の極低温冷凍装置と同じ構成であ
り、図１と同一の部分には同一の参照番号を付して詳細
な説明を省略する。

【００２５】本第３の実施形態では、Ｊ−Ｔ回路２にお
ける第３ヒートステーション１８’の下流側に、冷媒ガ
スの圧力を検出する圧力センサ３９を設置している。こ
の圧力センサ３９からの信号は、電動モータ３０を制御
する制御装置３８に送られる。この制御装置３８は、圧
力センサ３９からの信号に基づいて電動モータ３０を制
御して、Ｊ−Ｔ弁２１を所定の開度にする。

【００２６】上記構成の極低温冷凍装置を起動すると、
高段圧縮機１０の圧縮流量が変化したり、バイパス回路
２７にバイパスされる冷媒ガス流量の変化によって高圧
冷媒ガス管２３の冷媒ガス流量が脈動して、Ｊ−Ｔ弁２
１を通過する冷媒ガスの圧力値が変動する場合がある。
この冷媒ガスの圧力変動は、第３ヒートステーション１
８’の温度振動を引き起こす。この場合、Ｊ−Ｔ弁２１
の下流側であって、第３ヒートステーションの下流側に
配置された圧力センサ３９からの信号によって、制御装
置３８が冷媒ガスの圧力変動を察知する。そうすると、
上記制御装置３８は、上記圧力変動を打ち消すＪ−Ｔ弁
２１の設定開度を計算して、上記電動モータ３０に命令
してＪ−Ｔ弁２１を上記設定開度に駆動する。その結
果、Ｊ−Ｔ弁２１における冷媒ガスの圧力変動が抑えら
れて、ヒートステーション１８’の温度振動が無くな
る。

【００２７】上記第１乃至３のいずれの実施形態におい
ても、Ｊ−Ｔ弁２１の開度を直接調節して、Ｊ−Ｔ弁２
１を通過する冷媒ガスの流量を適量にするので、Ｊ−Ｔ
回路２において他の部分に、Ｊ−Ｔ弁２１に至る冷媒ガ
ス流量を調節する装置を設ける必要がない。したがっ
て、従来におけるようなバイパス回路２７の流量を調節
するためのクールダウン制御装置は不要になるので、極
低温冷凍装置が安価になる。また、第３ヒートステーシ
ョンに熱振動を抑制するための蓄熱器等を設ける必要が
ないので、さらに極低温冷凍装置が安価になる。

【００２８】

【発明の効果】以上より明らかなように、請求項１の極
低温冷凍装置は、Ｊ−Ｔ弁の開度を、例えばＪ−Ｔ回路
の冷媒圧縮機の圧縮特性や、冷媒ガスがＪ−Ｔ弁に至る
までの経路等に基づいて予め定められた変化パターンを
なすように、開度調節手段を介して制御手段によって制
御するので、Ｊ−Ｔ弁において膨張する冷媒ガス量を一
定にできて、極低温冷凍装置の最終ヒートステーション
の温度振動を無くすることができる。その結果、Ｊ−Ｔ
回路の他の部分で冷媒流量を調整する必要がないので、
従来における例えばバイパス回路に流す冷媒ガスのバイ
パス量を制御するためのクールダウン制御装置等が不要
になる。また、最終ヒートステーションの温度振動を吸
収するための蓄熱器等も不要になるので、極低温を安定
して保持できる極低温冷凍装置を安価に得ることができ
る。

【００２９】請求項２の極低温冷凍装置は、最終ヒート
ステーションに設けられた温度センサからの温度信号に
基づいて、開度調節手段を介して制御手段によってＪ−
Ｔ弁の開度を調節するので、最終ヒートステーションの
温度上昇および下降に対応してＪ−Ｔ弁の開度を適切に
調節して、最終ヒートステーションの温度を一定に保つ
ことができる。したがって、例えばＪ−Ｔ回路の冷媒圧
縮機の圧縮特性や、冷媒ガスのＪ−Ｔ弁に至るまでの経
路等の互いに異なる原因による最終ヒートステーション
の温度変化を、全て防止することができる。

【００３０】請求項３の極低温冷凍装置は、圧力センサ
で検出した最終ヒートステーションよりも下流側の冷媒
ガス圧力に基づいて、開度調節手段を介して制御手段に
よってＪ−Ｔ弁の開度を調節するので、Ｊ−Ｔ弁での冷
媒ガス圧力の上昇および下降を直接抑えてＪ−Ｔ弁にお
ける冷媒ガスの膨張量を一定にして、最終ヒートステー
ションの温度を一定にできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の第１の実施形態における極低温冷
凍装置の冷媒回路を示した図である。

【図２】 この発明の第２の実施形態における極低温冷
凍装置の冷媒回路を示した図である。

【図３】 この発明の第３の実施形態における極低温冷
凍装置の冷媒回路を示した図である。

【図４】 従来の極低温冷凍装置の冷媒回路を示した図
である。

【符号の説明】

１ 予冷冷凍回路 ２ Ｊ−Ｔ回路 ６ 膨張器 １０ 高段圧縮機 １５ 第１ヒートステーション １８ 第２ヒートステーション １８’ 第３ヒートステーション ２１ Ｊ−Ｔ弁 ２３ 高圧冷媒ガス管 ２７ バイパス回路 ３０ 電動モータ ３１ 制御装置 ３２ 格納部 ３４ 制御装置 ３６ 温度センサ ３９ 圧力センサ ３８ 制御装置 Ａ 予冷用圧縮機ユニット Ｂ Ｊ−Ｔ側圧縮機ユニット Ｃ クライオスタット

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ジュールトムソン回路（２）と、このジ
   ュールトムソン回路（２）を流れる冷媒ガスを冷却する
   予冷冷凍回路（１）を有する極低温冷凍装置において、 上記ジュールトムソン回路（２）のジュールトムソン弁
   （２１）の開度を調節する開度調節手段（３０）と、 上記ジュールトムソン弁（２１）の開度が、時系列にお
   いて予め定められた変化パターンになるように、上記開
   度調節手段（３０）を制御する制御手段（３１）とを備
   えたことを特徴とする極低温冷凍装置。
2. 【請求項２】 ジュールトムソン回路（２）と、このジ
   ュールトムソン回路（２）を流れる冷媒ガスを冷却する
   予冷冷凍回路（１）を有する極低温冷凍装置において、 上記ジュールトムソン回路（２）のジュールトムソン弁
   （２１）の開度を調節する開度調節手段（３０）と、 上記ジュールトムソン回路（２）における最終のヒート
   ステーション（１８’）の温度を検出する温度センサ
   （３６）と、 上記温度センサ（３６）によって検出された温度に基づ
   いて、上記開度調節手段（３０）を制御する制御手段
   （３４）とを備えたことを特徴とする極低温冷凍装置。
3. 【請求項３】 ジュールトムソン回路（２）と、このジ
   ュールトムソン回路（２）を流れる冷媒ガスを冷却する
   予冷冷凍回路（１）を有する極低温冷凍装置において、 上記ジュールトムソン回路（２）のジュールトムソン弁
   （２１）の開度を調節する開度調節手段（３０）と、 上記ジュールトムソン回路（２）における最終のヒート
   ステーション（１８’）よりも下流側の圧力を検出する
   圧力センサ（３９）と、 上記圧力センサ（３９）によって検出された圧力に基づ
   いて、上記開度調節手段（３０）を制御する制御手段
   （３８）とを備えたことを特徴とする極低温冷凍装置。