JP2707624B2 - 極低温冷凍装置 - Google Patents

極低温冷凍装置

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JP2707624B2 JP63217347A JP21734788A JP2707624B2 JP 2707624 B2 JP2707624 B2 JP 2707624B2 JP 63217347 A JP63217347 A JP 63217347A JP 21734788 A JP21734788 A JP 21734788A JP 2707624 B2 JP2707624 B2 JP 2707624B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 (産業上の利用分野) 本発明は、極低温冷凍装置に関し、ジヨセフソン素
子,スキツド素子等を常時極低温の状態に維持する、あ
るいは液体ヘリウムで冷却される超電導磁石を液体ヘリ
ウムの温度まで冷却または維持する等の目的に利用され
る。
(従来の技術) 従来、この種の極低温冷凍装置として特公昭58-21186
号公報に示されるものがある。
この極低温冷凍装置は、複数個の熱交換器を有する冷
媒ガスの循環回路と、少なくとも1段の低温端を有し該
低温端にて前記循環回路を流れる冷媒ガスと熱的に接触
し該冷凍ガスを冷却する少なくとも1つの冷凍機と、前
記循環回路及び前記冷凍機への輻射熱を遮蔽する輻射熱
シールド板とを備えている。
(発明が解決しようとする課題) 上記した従来の極低温冷凍装置においては、輻射熱シ
ールド板の冷却が液体窒素あるいは、冷凍機との接触,
例えば冷凍機のシリンダのフランジに固定されることに
よる伝導により行われ、冷凍機の低温端にて循環回路系
の冷媒ガスの冷却が行われている。そのため、循環回路
系と輻射熱シールド板との熱的な相互の関係が密接でな
く、例えば循環回路系に急激に熱負荷等の外乱が入った
場合に、すぐに温度バランスをくずし、しかもそれが循
環回路系のみに生じ、冷凍機及び、輻射熱シールド板に
はその影響が及んでいない不安定な状態が発生すること
があつた。即ち、循環回路系に急激に熱負荷等の外乱が
入り同系の冷媒ガスの温度が上昇した場合、該冷媒ガス
と熱的に接触している冷凍機の温度も上昇し、それと共
に輻射熱シールド板の温度も上昇する。その後に循環回
路系の冷媒ガスの温度が低下してすぐには輻射熱シール
ド板の温度は低下せず、冷凍装置の冷却に要する時間が
長くなる。また、循環回路系と輻射熱シールド板との熱
的な応答性も悪く、制御がしにくいという問題がある。
そこで本発明は、循環回路系と冷凍機との熱的な相互
の関係を密接にして、急激な熱負荷等の外乱に対し、温
度バランスをくずしにくい安定した系を形成すること
を、その技術的課題とする。
〔発明の構成〕
(課題を解決するための手段) 上記した技術的課題を解決するために講じた技術的手
段は、複数個の熱交換器を有する冷媒ガスの循環回路
と、少なくとも1段の低温端を有し該低温端にて前記循
環回路を流れる冷媒ガスと熱的に接触して冷媒ガスを冷
却する冷凍機と、前記循環回路及び前記低温端を包囲し
前記循環回路及び前記冷凍機への輻射熱を遮蔽する輻射
熱シールド板とを備えた極低温冷凍装置において、 前記輻射熱シールド板と前記低温端とを熱的に接触さ
せるとともに、 前記冷凍機の1段目の低温端に設けた前記熱交換器へ
接続される前記循環回路の配管をその上流側にて前記輻
射熱シールド板に接触し、もしくは固定したことであ
る。
(作用) これによれば、循環回路の配管が輻射熱シールド板に
接触しているので、循環回路に急激に熱負荷等の外乱が
入り冷媒ガスの温度が上昇した場合、この温度上昇は輻
射熱シールド板に伝達される。輻射熱シールド板は冷凍
機の低温端に熱的に接触されているので、この温度上昇
は輻射熱シールド板から冷凍機に伝達される。また、そ
の後に循環回路の冷媒ガスの温度が低下すると、この温
度低下は輻射熱シールド板から冷凍機の低温端に伝達さ
れ、冷凍機は速やかに冷却される。このように、輻射熱
シールド板と冷凍機の低温端とを熱的に接触させるとと
もに、循環回路の配管を輻射熱シールド板に熱的に接触
もしくは固定し、循環回路を輻射熱シールド板及び低温
端を解して冷凍機と熱的に接触させることによって、循
環回路と冷凍機及び輻射熱シールド板との熱的に相互の
関係を密接にして急激な熱負荷等の外乱に対して、温度
バランスをくずしにくい熱的に安定した系を形成するこ
とができる。
(実施例) 以下、本考案に従つた極低温冷凍装置の1実施例を図
面に基づき説明する。
第1図に示す極低温冷凍装置において、10は循環回路
内の冷媒ガス(ヘリウム等、その他の冷媒)を圧縮する
ガス圧縮機、11,13は循環回路内の冷媒ガスにより同ガ
スの熱交換を行う向流型の熱交換器、14は液体ヘリウム
槽等に収納された超電導磁石等の被冷却部である。12は
2段の低温端12a,12bを有した冷凍機であり、その1段
目の低温端12aには熱交換器11の1次側11aにて熱交換さ
れた冷媒ガスを熱的に接触せしめて冷却する熱交換器15
が設けられており、またその2段目の低温端12bには熱
交換器15により冷却された冷媒ガスを熱交換器13の一次
側13aにて熱交換された冷媒ガスを熱的に接触せしめて
冷却する熱交換器16が設けられている。
17は熱交換器16から被冷却部14に至る循環回路に介装
され、該回路を流れる冷媒ガスの流量を調整する流量調
整弁であり、18は冷媒ガスを貯溜する低圧ガスホルダで
ある。
本実施例においては、熱交換器13,15,16、冷凍機12の
各低温端12a,12b及び被冷却部14は輻射熱シールド板19
により包囲されていて、これらの部材はその内部に形成
される低温室19a内に位置されている。また、熱交換器1
1の一次側11aから熱交換器15に至る循環回路の配管を熱
接続部20にて輻射熱シールド板19に接触または固定させ
ている。
以上の構成から成る本実施例の作用を説明する。
定常の冷凍運転が行われているときは、ガス圧縮器10
から高圧側冷媒ガス管路21を介して供給される高圧冷媒
ガスは、各熱交換器11,13の一次側11a,13aを流れる途中
で冷凍機12の一段目の熱交換器15で予冷され、更に熱交
換器16により冷却されて、流量調整弁17において膨張さ
れて被冷却部14の液体ヘリウム槽等に供給される。循環
回路の冷凍能力と被冷却体の冷凍負荷との平衡が保たれ
ていると、ガス圧縮器10から供給される高圧ガス冷媒ガ
スと同量の低温,低圧冷媒ガスが被冷却部14から低圧側
冷媒ガス管路22を経て各熱交換器11,13の二次側11b,13b
を帰還し、各熱交換器の一次側11a,13aの高圧冷媒ガス
と熱交換しながらほぼ室温に達し、ガス圧縮機10に吸入
される。そして再びガス圧縮機10で昇圧されて高圧冷媒
ガスとなり、以後同様なサイクルが繰り返されて冷凍運
転が行われる。
しかして本実施例においては、熱交換器11の一次側11
aから熱交換器15に至る循環回路の配管を熱接続部20に
て輻射熱シールド板19に接触または固定させている。こ
れにより、循環回路系に急激に熱負荷等の外乱が入り同
系の冷媒ガスの温度が上昇した場合、熱接続部20にて熱
的に接触している輻射熱シールド板19の温度が上昇する
と共に、各熱交換器15,16により熱交換されて冷凍機12
の温度も上昇するが、その後に冷媒ガスの温度が低下す
ると熱接続部20を介してその温度がすぐに輻射熱シール
ド板19に伝わる。このように、本実施例においては循環
回路の配管を輻射熱シールド板に熱的に接触もしくは固
定することにより、循環回路を輻射熱シールド板及び低
温端を介して冷凍機と熱的に接触させることによつて、
循環回路と冷凍機との熱的な相互の関係を密接にして急
激な熱負荷等の外乱に対し、温度バランスをくずしにく
い熱的に安定した系を形成することができる。また更に
熱的な応答性も向上でき、冷凍機の制御によつて循環系
の制御も容易にすることができる。更に、輻射熱シール
ド板は配管により冷却されて構成であるため、配管の引
き回しにより、輻射熱シールド板の自由な所で冷却がで
き、構成がしやすいと共に、冷凍機の低温端のフランジ
部等での接触による冷却とは異なり、伝熱面積を自由に
確保でき、輻射熱シールド板の温度を設定し易くでき
る。
第2図は本発明の第2実施例を示し、この実施例にお
いては、1段の低温端112A1を有する冷凍機112Aと2段
の低温端112B1,112B2を有する冷凍機112Bの2個の冷凍
機を備えていて、ガス圧縮機110,熱交換器111の一次側1
11aからの冷媒ガスは冷凍機112Aの低温端112A1に設けら
れている熱交換器115aにてまず70K〜50Kに冷却され、更
に冷凍機112Bの1段目の低温端112B1に設けられている
熱交換器115bにて50K〜30Kまで冷却され、その後熱交換
器113の一次側113aにて熱交換された後、冷凍機112Bの
2段目の低温端112B2に設けられている熱交換器116にて
30K〜10Kまで冷却されるようになつていて、順序良く冷
却することにより冷却効率を高めている。その他の構成
及び作用は第1図に示す実施例と同じであり、同じ構成
には第1図で用いた番号符号に100を加えた番号符号を
付し、その説明はここでは省略する。
本実施例においては、冷凍機112Aの低温端112A1と冷
凍機112Bの1段目の低温端112B1間の循環系の配管が輻
射熱シールド板119に熱接続部120にて接触もしくは固定
されており、循環回路と冷凍機との熱的な相互の関係を
密接にして急激な熱負荷等の外乱に対し、温度バランス
をくずしにくい安定した系を形成している。
第3図は本発明の第3実施例を示し、この実施例にお
いては3段の低温端212a,212b,212cを有する冷凍機212
を備え、1段目の低温端212aを収容する第1室219aを形
成する第1輻射熱シールド板219Aと該第1室219a内に2
段目及び3段目の低温端212b,212cを収容する第2室219
bを形成する第2輻射熱シールド板219Bの2層に配置さ
れた2つの輻射熱シールド板を備えている。
本実施例においては、ガス圧縮機210より熱交換器211
の一次側211aを経て、冷凍機212の1段目の低温端212a
に設けられた熱交換器215に至る循環系の配管が第1輻
射熱シールド板219Aに接触もしくは固定されて、第1輻
射熱シールド板219Aが70K程度に冷却されると共に、冷
凍機212の1段目の低温端212aに設けられた熱交換器215
より熱交換器213の一次側213aを経て、冷凍機212の2段
目の低温端212bに設けられた熱交換器216に至る循環系
の配管が第2輻射熱シールド板219Bに接触もしくは固定
されて、第2輻射熱シールド板219Bが20K程度に冷却さ
れるようになつていて、循環回路と冷凍機との熱的な相
互の関係に密接にされている。尚、熱交換器216で熱交
換された循環系の冷媒ガスはその後熱交換器223の一次
側223a及び冷凍機212の3段目の低温端212cに設けられ
た熱交換器224を経て流量調整弁217及び被冷却部214に
至る。本実施例において、その他の構成及び作用は第1
図に示す実施例とほぼ同じであるため、同じ構成には第
1図で用いた番号符号に200を加えた番号符号を付し、
その説明はここでは省略する。
(発明の効果) 本発明によれば、輻射熱シールド板と冷凍機の低温端
とを熱的に接触させるとともに、循環回路の配管を輻射
熱シールド板に熱的に接触もしくは固定することによ
り、循環回路を輻射熱シールド板及び低温端を介して冷
凍機と熱的に接触させることによつて、循環回路と冷凍
機との熱的な相互の関係を密接にして急激な熱負荷等の
外乱に対し、温度バランスをくずしにくい熱的に安定し
た系を形成することができる。また、更に熱的な応答性
が応答性も良くなり、冷凍機の制御によつて循環系の制
御も容易とすることができる。
また本発明によれば、輻射熱シールド板が配管により
冷却されるため、輻射熱シールド板の自由なところで冷
却ができて構成がし易いと共に、冷凍機の低温端のフラ
ンジ部等での接触による冷却とは異なり、伝熱面積を自
由に確保でき、輻射熱シールド板の温度の設定を容易に
することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の第1実施例を示す構成図、第2図は本
発明の第2実施例を示す構成図、第3図は本発明の第3
実施例を示す構成図である。 10……ガス圧縮機、11,13,15,16……熱交換器、12……
冷凍機、12a,12b……低温端、14……被冷却部、17……
流量制御弁、19……輻射熱シールド板、20……熱接触
部。

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】複数個の熱交換器を有する冷媒ガスの循環
    回路と、少なくとも1段の低温端を有し該低温端にて前
    記循環回路を流れる冷媒ガスと熱的に接触して冷媒ガス
    を冷却する冷凍機と、前記循環回路及び前記低温端を包
    囲し前記循環回路及び前記冷凍機への輻射熱を遮蔽する
    輻射熱シールド板とを備えた極低温冷凍装置において、 前記輻射熱シールド板と前記低温端とを熱的に接触させ
    るとともに、 前記冷凍機の1段目の低温端に設けた前記熱交換器へ接
    続される前記循環回路の配管をその上流側にて前記輻射
    熱シールド板に接触、もしくは固定したことを特徴とす
    る極低温冷凍装置。
  2. 【請求項2】前記冷凍機が2個配置され、各冷凍機の1
    段目の低温端に設けた前記熱交換器を互いに前記循環回
    路を介して接続されてなり、該循環回路が前記各冷凍機
    の各低温端間にて前記輻射熱シールド板に接触、もしく
    は固定されていることを特徴とする請求項(1)に記載
    の極低温冷凍装置。
  3. 【請求項3】前記輻射熱シールド板が温度レベル毎に多
    重に配置されていることを特徴とする請求項(1)又は
    (2)に記載の極低温冷凍装置。
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JPS6128907A (ja) * 1984-07-19 1986-02-08 Showa Electric Wire & Cable Co Ltd 光分配器及びその製造方法

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