JP2720715B2 - 極低温冷凍機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、圧縮機で圧縮された
ヘリウム等の冷媒ガスを断熱膨張させることにより極低
温レベルの寒冷を発生させる極低温冷凍機に関する。

【０００２】

【従来の技術】４Ｋ程度の極低温レベルで作動させる低
温作動機器を同温度レベルまで冷却するための極低温冷
凍機としては、例えば米国特許第４２２３５４０号等に
記載されているように予冷冷凍機とＪ−Ｔ（ジュール・
トムソン）冷凍機とを組合わせた冷凍機が知られてい
る。予冷冷凍機はＧ−Ｍ（ギフォード・マクマホン）サ
イクル等の冷凍機からなるもので、圧縮機で圧縮された
ヘリウムガス（冷媒ガス）を膨張機で断熱膨張させてそ
のガスの温度降下によりヒートステーションに極低温レ
ベルの寒冷を発生させる。

【０００３】上記Ｇ−Ｍ冷凍機としては、図８に示すよ
うに、膨張機（ａ）においてシリンダ（ｂ）内のフリー
ディスプレーサ（ｃ）を冷媒ガス圧によって駆動するよ
うにしたガス圧駆動式のものが知られている。この種の
Ｇ−Ｍ冷凍機（Ａ）では、圧縮機（ｄ）から吐出される
高圧冷媒ガスの高圧通路（ｄＨ）と上記圧縮機（ｄ）に
吸込まれる低圧冷媒ガスの低圧通路（ｄＬ）とを、切換
バルブ（ｅ）の開閉切換えにより交互にシリンダ（ｂ）
内に連通させ、高圧冷媒ガスの供給によってディスプレ
ーサ（ｃ）を上死点に向けて移動させ、低圧冷媒ガスの
排出によってディスプレーサ（ｃ）を下死点に向けて移
動させる。この往復動によりシリンダ（ｂ）内の膨張空
間（ｆ）でガスを断熱膨張させて寒冷を発生させ、その
寒冷をヒートステーション（ｇ）に保持させるように構
成されている。

【０００４】一方、Ｊ−Ｔ冷凍機（Ｂ）では、圧縮機
（ｄ）から吐出された高圧冷媒ガスを、低段圧縮機
（ｈ）に吸込まれる低温の低圧冷媒ガスとの間で複数段
の熱交換器（ｉ）にて熱交換させるとともに、上記Ｇ−
Ｍ冷凍機（Ａ）を予冷冷凍機としてその予冷器（ｊ）に
て予冷し、該予冷された高圧冷媒ガスをＪ−Ｔ弁（ｋ）
によりジュール・トムソン膨張させて４Ｋレベルの寒冷
を発生させるようになされている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記Ｇ−Ｍ
冷凍機（Ａ）では、従来、上記切換バルブ（ｅ）をシン
クロナスモータによって所定のタイミングで開閉制御す
るようにしているが、このシンクロナスモータは一定周
波数でしか回転しない。このため、温度低下に伴ってｐ
−Ｖ図示能力が減少してもバルブ（ｅ）の開閉時間はや
はり一定にしかならず、冷却ステーションの最低到達温
度に限度がある。また、負荷等の外乱により、ディスプ
レーサ（ｃ）が上死点または下死点に達しないことがあ
り、この場合にも十分に対応することが困難である。

【０００６】一方、予冷冷凍機と組合わされたＪ−Ｔ冷
凍機（Ｂ）では、クールダウン時には、冷媒の温度が高
いときには熱交換器（ｉ）等での圧損が大きいので、先
ず冷媒流量を多くするためにＪ−Ｔ弁（ｋ）の開度を大
きくしておく。そして、温度が低下してくると上記圧損
が小さくなるので、Ｊ−Ｔ弁（ｋ）を徐々に絞って寒冷
温度を下げることができる。このとき、絞り過ぎると圧
損が増えて流量が減るので、微妙な調整を行わなければ
ならない。そして、定常運転時に平衡状態が壊れて能力
低下が生じた場合には、Ｊ−Ｔ弁（ｋ）の開度をその度
に調整しなければならない。

【０００７】しかし、従来は、このようなＪ−Ｔ弁
（ｋ）の微妙な開度調整を手動で行うのが一般的であ
り、その操作が煩雑であるという問題がある。

【０００８】この発明は斯かる諸点に鑑みてなされたも
ので、その目的とするところは、上記の如きＧ−Ｍ冷凍
機等については、ディスプレーサの挙動を適正化して最
低到達温度を下げるとともに、Ｊ−Ｔ冷凍機について
は、クールダウン時及び定常運転時におけるＪ−Ｔ弁の
開度調整を自動化することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１〜３の発明では、Ｇ−Ｍ冷凍機等の極低
温冷凍機において、切換手段による高圧ガス供給時間及
び低圧ガス排出時間を、膨張機の作動状態に基づいて制
御するようにした。

【００１０】すなわち、具体的には、請求項１の発明で
は、図１に示すように、圧縮機（１）から吐出される高
圧冷媒ガスの高圧通路（１Ｈ）と上記圧縮機（１）に吸
込まれる低圧冷媒ガスの低圧通路（１Ｌ）とを切換手段
（９）により交互に膨張機（２）のシリンダ（３）内に
連通させて、該シリンダ（３）内でフリーディスプレー
サ（７）を往復動させ、シリンダ（３）内で高圧冷媒ガ
スを断熱膨張させて寒冷を発生させるようにした極低温
冷凍機が前提である。

【００１１】そして、上記切換手段（９）を切換駆動す
る駆動手段（１０）と、上記膨張機（２）の寒冷温度を
検出する温度検出手段（１６）と、該温度検出手段（１
６）の検出信号を受け、膨張機（２）の寒冷温度に基づ
いてガスの給排周期を変更するように上記駆動手段（１
０）を制御する給排制御手段（１８）とを備えた構成と
する。

【００１２】また、請求項２の発明では、上記請求項１
の発明の場合と同じ前提に立ち、切換手段（９）を切換
駆動する駆動手段（１０）と、フリーディスプレーサ
（７）のシリンダ（３）内での変位を検出する変位検出
手段（１７）と、該変位検出手段（１７）の検出信号を
受け、フリーディスプレーサ（７）の変位に基づいてガ
スの給排時間の比率を変更するように上記駆動手段（１
０）を制御する給排制御手段（１８）とを備えた構成と
する。

【００１３】また、請求項３の発明では、上記請求項１
又は２の発明において、給排制御手段（１８）を、検出
信号に基づいてパルス信号を出力するように構成する。
そして、駆動手段（１０）を、上記パルス信号に応じて
切換手段（９）を切換駆動するパルスモータ（１０）で
構成する。

【００１４】上記Ｊ−Ｔ冷凍機からなる極低温冷凍機に
おいて、請求項４及び５の発明では、温度低下や冷媒ガ
ス圧の増減に応じてＪ−Ｔ弁の開度を制御するようにし
た。

【００１５】具体的には、請求項４の発明では、図７に
示すように、圧縮機（２１）から吐出された高圧冷媒ガ
スを少なくとも予冷冷凍機（Ａ）にて予冷した後、Ｊ−
Ｔ弁（２２）によりジュール・トムソン膨張させて寒冷
を発生させるようにした極低温冷凍機が前提である。

【００１６】そして、上記Ｊ−Ｔ弁（２２）を開閉駆動
するバルブ開閉手段（２６）と、Ｊ−Ｔ弁（２２）の低
圧側直後での冷媒圧力を検出する圧力検出手段（２８）
と、上記圧力検出手段（２８）の検出信号を受け、Ｊ−
Ｔ弁（２２）の低圧側直後での冷媒圧力に基づいてＪ−
Ｔ弁（２２）の開度を調整するようにバルブ開閉手段
（２６）を制御する開度制御手段（２９）とを備えた構
成とする。

【００１７】また、請求項５の発明では、上記請求項４
の発明において、圧力検出手段（２８）の他に、Ｊ−Ｔ
弁（２２）の高圧側直前での冷媒温度を検出する温度検
出手段（２７）を設ける。そして、開度制御手段（２
９）を、圧力検出手段（２８）及び上記温度検出手段
（２７）の検出信号を受け、Ｊ−Ｔ弁（２２）の低圧側
直後での冷媒圧力及び高圧側直前での冷媒温度に基づい
てＪ−Ｔ弁（２２）の開度を調整するようにバルブ開閉
手段（２６）を制御する構成とする。

【００１８】

【作用】請求項１の発明では、給排制御手段（１８）か
らの駆動信号が入力された駆動手段（１０）により切換
手段（９）が切換駆動される。そして、通常時には、シ
リンダ（３）に対し高圧ガスの供給状態にある時間と低
圧ガスの排出状態にある時間とが互いに略同じ、つまり
ガスの給排時間が互いに略同じになるように切換手段
（９）が切換駆動される。これにより、シリンダ（３）
内のフリーディスプレーサ（７）は高圧ガス供給時には
シリンダ（３）の上死点に向けて移動させられ、また低
圧ガス排出時には下死点に向けて移動させられる。この
とき、ディスプレーサ（７）の往復周期は一定である。

【００１９】そこで、膨張機（２）の寒冷温度に基づい
てガスの給排比率変更がされる。このため、例えば寒冷
温度が下がるのに応じて冷凍能力が低下した場合には、
例えば高圧ガス供給時間と低圧ガス排出時間とを同様に
短くする。つまり、ガスの給排比率を速めるように切換
手段（９）が切換駆動される。これにより、ディスプレ
ーサ（７）の往復周期が速まって冷凍能力がアップする
ので、最低到達温度を 下げることができる。この能力ア
ップは定常運転時及びクールダウン運転時のどちらにも
有効である。

【００２０】また、請求項２の発明では、上記請求項１
の発明の場合とは異なり、給排周期はそのままで、ディ
スプレーサ（７）のシリンダ（３）内での変位に基づい
てガス給排時間の比率が変更される。つまり、一方の時
間を長くして他方の時間をその分だけ短くするように切
換手段（９）を切換駆動すると、高圧ガス供給時間の方
を長くした場合にはディスプレーサ（７）は上死点に向
けて、また低圧ガス排出時間の方を長くした場合には下
死点に向けてそれぞれ大きく移動させられるようにな
り、ストロークが大きくなる。このため、例えば負荷等
の外乱が原因でディスプレーサ（７）が上死点または下
死点まで十分に達していない場合にも、それを変位検出
手段（１７）によって検出し、ガス給排時間の比率を変
更することにより、上記外乱に対してディスプレーサ
（７）のストロークを適正化することができる。

【００２１】また、請求項３の発明では、上記請求項１
又は２の発明において、ガスの給排を切換える切換手段
（９）をパルスモータ（１０）を用いて駆動するように
したので、給排周期や給排比率の変更を容易にかつ精度
よく行うことができる。

【００２２】また、請求項４の発明では、冷凍機の運転
状態で、Ｊ−Ｔ弁（２２）の低圧側の冷媒圧力が圧力検
出手段（２８）により検出され、クールダウン時には、
この圧力検出手段（２８）の検出信号を受けた開度制御
手段（２９）によりバルブ開閉手段（２６）がＪ−Ｔ弁
（２２）の開度を絞り過ぎないように制御される。つま
り、絞り過ぎると流量が少なくなり過ぎて上記圧力が負
圧となるので、負圧が生じない程度にＪ−Ｔ弁（２２）
の開度を開くように制御される。また、定常運転時に
は、平衡状態が壊れた場合に、冷媒圧力の変化に応じて
Ｊ−Ｔ弁（２２）の開度を調整するように制御され、こ
れにより平衡状態は回復される。尚、定常運転時には、
基本的には平衡状態が維持されていればよいので、圧力
（Ｐ）の経時変化（ｄＰ／ｄｔ）に応じて開度調整を行
うようにすると好適である。

【００２３】さらに、請求項５の発明では、冷凍機の運
転状態で、Ｊ−Ｔ弁（２２）の高圧側直前における冷媒
温度が温度検出手段（２７）により検出され、クールダ
ウン時には、この温度検出手段（２７）の検出信号を受
けた開度制御手段（２９）によりバルブ開閉手段（２
６）がＪ−Ｔ弁（２２）の開度を徐々に絞るように制御
され、これにより冷媒の温度低下に応じて寒冷温度が下
がる。また、定常運転時には、冷凍能力が低下すると、
昇温して圧損が大きくなり、流量が減ってさらに昇温す
るので、この場合には開度を開いて流量を増やすように
制御され、これにより冷凍能力が回復される。

【００２４】よって、Ｊ−Ｔ弁（２２）の高圧側直前に
おける冷媒温度が温度検出手段（２７）により、またＪ
−Ｔ弁（２２）の低圧側の冷媒圧力が圧力検出手段（２
８）によりそれぞれ検出され、クールダウン時には、各
検出信号を受けた開度制御手段（２９）により、バルブ
開閉手段（２６）がＪ−Ｔ弁（２２）の開度を、温度低
下に応じては負圧が生じない程度に徐々に絞るように制
御され、これにより温度低下に応じて寒冷温度は円滑に
下がっていく。また、定常運転時には、冷媒温度及び冷
媒圧力の両方の変化に基いて適切な開度調整がなされる
ので、平衡状態が壊れた場合についても冷凍能力の回復
性が高まる。

【００２５】

【実施例】以下、この発明の実施例を図面に基づいて説
明する。

【００２６】（実施例１） 図１はこの実施例に係る極低温冷凍機（Ａ）を示し、こ
の冷凍機（Ａ）はＧ−Ｍ冷凍機で、冷媒としてのヘリウ
ムガスを圧縮する圧縮機（１）と、この圧縮機（１）で
圧縮された高圧ヘリウムを膨張させる膨張機（２）とを
閉回路に接続してなる。

【００２７】上記膨張機（２）は大小２段構造のシリン
ダ（３）と、該シリンダ（３）に連設された切換ユニッ
ト（４）とを有する。上記切換ユニット（４）の高圧ポ
ート（４Ｈ）には、上記圧縮機（１）の吐出側に一端が
接続された高圧ガス配管（１Ｈ）の他端が、また低圧ポ
ート（４Ｌ）には同吸込側に一端が接続された低圧ガス
配管（１Ｌ）の基端がそれぞれ接続されている。一方、
シリンダ（３）の大径部先端は所定温度レベルに冷却保
持される第１ヒートステーション（５ａ）に、また小径
部先端は上記第１ヒートステーション（５ａ）よりも低
い温度レベルに冷却保持される第２ヒートステーション
（５ｂ）にそれぞれ形成されている。シリンダ（３）の
内部には、上記各ヒートステーション（５ａ），（５
ｂ）に対応する位置にそれぞれ膨張空間（６ａ），（６
ｂ）を区画形成する大小２段構造のフリーディスプレー
サ（７）が往復動可能に嵌挿されている。

【００２８】上記切換ユニット（４）は、図２〜図５に
示すように有底筒状のハウジング（８）を備えている。
このハウジング（８）はシリンダ（３）側が開口され、
該開口には円柱状のバルブステム（１１）が嵌挿されて
おり、内部にはバルブ室（１２）が形成されている。そ
して、バルブ室（１２）には上記バルブステム（１１）
と共にロータリバルブ（９）（切換手段）を構成するバ
ルブディスク（１３）と、該ディスク（１３）を回転駆
動してロータリバルブ（９）の切換動作を行うパルスモ
ータ（１０）（駆動手段）とが配設されている。また、
バルブ室（１２）には高圧ポート（４Ｈ）を介して上記
高圧ガス配管（１Ｈ）が常に連通している。

【００２９】上記バルブステム（１１）には、図２に示
すように、バルブ室（１２）を上記シリンダ（３）の基
端側空間に連通する給排路（１４）が設けられている。
給排路（１４）のバルブ室（１２）側は二股に分岐さ
れ、図３に示すようにステム（１１）の端面には給排口
（１４ａ）が２箇所に開設されている。一方、図４及び
図５に示すように、低圧ガスを排出するための排出路
（１５）が、ステム（１１）の上記端面において上記両
給排口（１４ａ），（１４ａ）の間に開設された排出口
（１５ａ）から、上記低圧ポート（４Ｌ）にかけて設け
られている。具体的には、排出路（１５）は、上記排出
口（１５ａ）からステム（１１）の軸心に沿って上記給
排路（１４）の分岐部手前まで直線状の通路が延び、そ
こから半径方向外方に向けて２つの通路が互いに逆向き
にステム（１１）の側周面にそれぞれ達し、該側周面と
ハウジング（８）との間に形成された円環状の通路が上
記低圧ポート（４Ｌ）に向かう直線状の通路に接続され
て全体が構成されている。

【００３０】上記バルブディスク（１３）はバルブステ
ム（１１）の端面に対して回転摺動可能に配設されてい
る。このディスク（１３）は上記パルスモータ（１０）
により、ステム（１１）に対して９０°ピッチで間欠的
に回転駆動される。ディスク（１３）のステム（１１）
に対する摺接面は、基本的にはステム（１１）の端面に
密着した状態で給排路（１４）の両給排口（１４ａ），
（１４ａ）、及び排出路（１５）の排出口（１５ａ）を
密閉するように設けられている。このような摺接面に、
バルブ室（１２）をそれぞれの給排口（１４ａ）に連通
する高圧連通部（１３ａ）が直径方向の２箇所に、また
両給排口（１４ａ），（１４ａ）を上記排出口（１５
ａ）に連通する長円形状の低圧連通部（１３ｂ）が両高
圧連通部（１３ａ），（１３ａ）の間にそれぞれ設けら
れている。つまり、ロータリバルブ（９）は、ディスク
（１３）がステム（１１）に対して９０°回転するごと
に、高圧ガス配管（１Ｈ）と低圧ガス配管（１Ｌ）とを
交互に上記シリンダ（３）内に連通させ、該シリンダ
（３）に対して高圧冷媒ガスの供給を行うガス供給状態
（図２及び図３）と、低圧冷媒ガスの排出を行うガス排
出状態（図４及び図５）とに交互に切換わる。

【００３１】この発明の特徴として、上記シリンダ
（３）の第１ヒートステーション（５ａ）には、ディス
プレーサ（７）のストローク方向での変位を検出して検
出信号としての変位信号を出力する測距センサ（１７）
（変位検出手段）が設置されている。また、第２ヒート
ステーション（５ｂ）には、該ステーション（５ｂ）の
寒冷温度を検出して検出信号としての温度信号を出力す
る温度センサ（１６）（温度検出手段）が設置されてい
る。これら変位信号及び温度信号は、上記パルスモータ
（１０）を制御するための給排制御部（１８）（給排制
御手段）に入力されている。

【００３２】上記給排制御部（１８）は上記パルスモー
タ（１０）にパルス信号を出力するもので、この給排制
御部（１８）では、図６（ａ）に示すように、通常運転
時では、シリンダ（３）内の膨張空間（６ａ），（６
ｂ）に対する高圧ガスの供給（Ｈ）及び膨張空間（６
ａ），（６ｂ）からの低圧ガスの排出（Ｌ）がそれぞれ
基本時間（ＴＨ），（ＴＬ）づつ行われるように、また
変位信号及び温度信号に基づいて上記供給（Ｈ）の時間
及び排出（Ｌ）の時間を変更するようにパルスモータ
（１０）を制御する。すなわち、この実施例では、所定
数のパルス信号によってモータ（１０）がバルブディス
ク（１３）をガス供給位置に回動させ、次の所定数のパ
ルス信号によってディスク（１３）をガス排出位置に回
動させる。

【００３３】以上の構成において、フリーディスプレー
サ（７）のシリンダ（３）内でのストロークが負荷等の
外乱によって不十分である場合には、給排制御部（１
８）は測距センサ（１７）の変位信号を受け、ガスの給
排比率を変更するようにパルスモータ（１０）を制御す
ることにより能力をアップさせる。つまり、例えばディ
スプレーサ（７）が上死点に達しない場合には、図６
（ｃ）に示すようにガス供給（Ｈ）の時間を基本時間
（ＴＨ）よりも長くして、その分、ガス排出（Ｌ）の時
間を基本時間（ＴＬ）よりも短くする。また、下死点に
達しない場合には逆に供給（Ｈ）の時間を短くして排出
（Ｌ）の時間を長くする。これらの場合には、給排周期
は変更しない。本発明者が行ったシュミレーションによ
れば、ガス供給（Ｈ）の基本時間（ＴＨ）が 0.226秒
で、ガス排出（Ｌ）の基本時間（ＴＬ）が0.274秒（つ
まり、給排周期は 0.5秒）の場合に、ガス供給（Ｈ）の
時間を 0.255秒に、またガス排出（Ｌ）の時間を 0.245
秒にそれぞれ変更することにより、現行のＧ−Ｍ冷凍機
に比べてｐ−Ｖ図示能力が第１ヒートステーション（５
ａ）では約１．６％、また第２ヒートステーション（５
ｂ）では約３．０％（尚、各数字は圧力条件等のパラメ
ータによって変わり得る。）それぞれ増加した。このよ
うにして、ディスプレーサ（７）の挙動を向上させるこ
とにより、冷凍能力を高めることができる。

【００３４】ところで、冷凍温度が下がると冷凍効率が
低下するので温度低下に応じて冷凍能力を大きくする必
要がある。これについては、図６（ｂ）に示すように温
度センサ（１６）からの温度信号に応じてガスの給排周
期を速める。つまり供給（Ｈ）の時間及び排出（Ｌ）の
時間を共に設定時間（ＴＨ），（ＴＬ）よりも短縮し
て、ディスプレーサ（７）の往復周期を速める。このよ
うにして、ディスプレーサ（７）の挙動を向上させるこ
とにより、冷凍機の最低到達温度を下げることができ
る。

【００３５】尚、この実施例では、膨張機（２）の作動
状態を検出するために、膨張機（２）の寒冷温度を検出
する温度センサ（１６）と、フリーディスプレーサ
（７）のシリンダ（３）内でのストローク方向での変位
を検出する測距センサ（１７）とを配設しているが、デ
ィスプレーサ（７）の挙動を制御する上で必要があれば
その他の検出手段を適切な部位に設置することができ
る。また、上記ストローク方向での変位を検出する変位
検出手段としては、例えば振動計を用い、ディスプレー
サ（７）がシリンダ（３）の上死点側または下死点側の
端部壁に衝突したときの振動の有無により、ディスプレ
ーサ（７）が上死点または下死点まで達しているか否か
のみを検知するように構成してもよい。

【００３６】（実施例２） 図７は実施例２を示し、図１と同じ部分には同じ符号を
付し、その詳細な説明は省略する。この実施例では、極
低温冷凍機は上記実施例１と同様のＧ−Ｍ冷凍機からな
る予冷冷凍機（Ａ）（Ｇ−Ｍ冷凍機）とＪ−Ｔ冷凍機
（Ｂ）とを組合わせた冷凍機で構成されている。

【００３７】上記Ｊ−Ｔ冷凍機（Ｂ）は、約４Ｋレベル
の寒冷を発生させるためにヘリウムガスを圧縮して膨張
させる冷凍機であって、ヘリウムガスを圧縮するＪ−Ｔ
側圧縮機ユニット（２１）と、その圧縮されたヘリウム
ガスをジュール・トムソン膨張させるＪ−Ｔ弁（２２）
とを備えている。上記Ｊ−Ｔ側圧縮機ユニット（２１）
には、ヘリウムガスを所定圧力に圧縮する低段圧縮機
（２１ａ）と、該圧縮機（２１ａ）から吐出された高圧
ヘリウムガスをさらに高圧に圧縮する高段圧縮機（１）
とが設けられている。この高段圧縮機（１）は予冷冷凍
機（Ａ）の圧縮機を兼用している。尚、予冷冷凍機
（Ａ）は上記実施例１とは異なり、圧縮機（１）からの
高圧ガス配管（１Ｈ）の高圧バルブ（３０Ｈ）と、圧縮
機（１）に戻る低圧ガス配管（１Ｌ）の低圧バルブ（３
０Ｌ）との開閉動作を交互に行うことにより、シリンダ
（３）内のフリーディスプレーサ（７）を往復動させる
ように構成されている。

【００３８】また、Ｊ−Ｔ冷凍機（Ｂ）は、圧縮機ユニ
ット（２１）の吐出側（高圧側）と吸込側（低圧側）と
の間に第１〜第３のＪ−Ｔ熱交換器（２３ａ）〜（２３
ｃ）を備えている。この各熱交換器（２３ａ）〜（２３
ｃ）は高圧側及び低圧側をそれぞれ通過するヘリウムガ
ス間で互いに熱交換させるもので、第１熱交換器（２３
ａ）の高圧側は上記高段圧縮機（１）の吐出側に接続さ
れている。そして、第１及び第２の熱交換器（２３
ａ），（２３ｂ）の各高圧側は予冷冷凍機（Ａ）におけ
る膨張機（２）の第１ヒートステーション（５ａ）外周
に配置した第１予冷器（２４ａ）を介して、また第２及
び第３熱交換器（２３ｂ），（２３ｃ）の各高圧側は膨
張機（２）の第２ヒートステーション（５ｂ）外周に配
置した第２予冷器（２４ｂ）を介してそれぞれ互いに接
続されている。さらに、上記第３熱交換器（２３ｃ）の
高圧側はＪ−Ｔ弁（２２）を介してデュワー（２５）内
に開放され、このデュワー（２５）に冷却対象（図示せ
ず）が伝熱可能に接続されている。上記Ｊ−Ｔ弁（２
２）はバルブ開閉手段（２６）によって開度が調整され
る。一方、上記デュワー（２５）内は上記第３及び第２
熱交換器（２３ｃ），（２３ｂ）の各低圧側を経て第１
熱交換器（２３ａ）の低圧側に接続され、該熱交換器
（２３ａ）の低圧側は圧縮機ユニット（２１）における
低段圧縮機（２１ａ）の吸込側に接続されている。

【００３９】よって、Ｊ−Ｔ冷凍機（Ｂ）では、圧縮機
ユニット（２１）によりヘリウムガスを高圧に圧縮して
第１〜第３熱交換器（２３ａ）〜（２３ｃ）に供給し、
圧縮機（２１）側に戻る低温低圧のヘリウムガスと熱交
換させるとともに、第１及び第２予冷器（２４ａ），
（２４ｂ）でそれぞれ予冷冷凍機（Ａ）の第１及び第２
ヒートステーション（５ａ），（５ｂ）により冷却した
後、Ｊ−Ｔ弁（２２）でジュール・トムソン膨張させて
デュワー（２５）内で約４Ｋの液体ヘリウムとなす。ま
た、上記デュワー（２５）内で蒸発したヘリウムガスを
第３〜第１熱交換器（２３ｃ）〜（２３ａ）の各低圧側
を通して圧縮機ユニット（２１）に戻し、その低段及び
高段圧縮機（２１ａ），（１）に吸入させて再圧縮する
ように構成されている。

【００４０】この発明の特徴として、Ｊ−Ｔ弁（２２）
の高圧側直前には冷媒の温度を検出する温度センサ（２
７）が設けられている。また、Ｊ−Ｔ弁（２２）の低圧
側直後となるデュワー（２５）には該デュワー（２５）
内の冷媒のガス圧を検出する圧力センサ（２８）が設け
られている。そして、上記温度センサ（２７）からの検
出信号としての温度信号と、上記圧力センサ（２８）か
らの検出信号としての圧力信号とは、上記バルブ開閉手
段（２６）にバルブ開度信号を出力して上記Ｊ−Ｔ弁
（２２）の開度を制御するための開度制御部（２９）
（開度制御手段）に入力されている。

【００４１】この開度制御部（２９）は、クールダウン
時には、冷媒温度の低下に応じてＪ−Ｔ弁（２２）を徐
々に絞るように、またガス圧が負圧になるようであれば
Ｊ−Ｔ弁（２２）の開度を大きくするようにバルブ開閉
手段（２６）を制御する。一方、定常運転時には、Ｊ−
Ｔ弁（２２）の高圧側直前における冷媒温度の変化にお
いては、４Ｋレベルで能力が低下した場合には、冷媒温
度が上がって熱交換器（２３ａ）〜（２３ｃ）での圧損
が大きくなり、冷媒の流量が減ってさらに昇温する。従
って、この場合には、Ｊ−Ｔ弁（２２）の開度を大きく
するように制御がなされる。また、デュワー（２５）内
の冷媒ガス圧の変化から見ると、平衡状態が壊れて昇温
すると、その熱でデュワー（２５）内の液体ヘリウムが
蒸発し、デュワー（２５）内の圧力が上がるので、やは
りＪ−Ｔ弁（２２）の開度を大きくするように制御がな
される。

【００４２】以上の構成において、クールダウン時に
は、未だ冷媒ガスの温度が高く、各熱交換器（２３ａ）
〜（２３ｃ）での圧損が大きいので、冷媒ガスを多量に
流すためにＪ−Ｔ弁（２２）の開度は大きくされてい
る。そして、温度低下に伴って上記圧損が小さくなるの
で、今度は冷却能力を高めるためにＪ−Ｔ弁（２２）を
絞ることになる。しかし、絞り過ぎると圧損が再び大き
くなるので、この絞り作業は大変に微妙である。

【００４３】そこで、温度センサ（２７）からの温度信
号に応じて、開度制御部（２９）はＪ−Ｔ弁（２２）を
徐々に絞る一方、絞り過ぎによって圧損が大きくなると
デュワー（２５）内の冷媒ガス圧が高くなることを利用
して、圧力センサ（２８）からの圧力信号に基づき、絞
り過ぎの場合にはデュワー（２５）内が負圧にならない
程度にＪ−Ｔ弁（２２）の開度を大きくする。これによ
り、クールダウン時のＪ−Ｔ弁（２２）の開度調整を自
動化することができる。

【００４４】一方、定常運転時には、冷凍能力が低下す
ると冷媒ガスの温度が上昇して圧損が大きくなり、ガス
流量が減ってさらに昇温する。また、平衡状態が壊れて
昇温すると、デュワー（２５）内の液体冷媒がその熱で
蒸発し、デュワー（２５）内のガス圧が上がる。従っ
て、上記冷凍能力の低下を回避するには、温度センサ
（２７）からの温度信号を受け、開度制御部（２９）は
上記昇温が生じた場合にはＪ−Ｔ弁（２２）の開度を大
きくして冷媒ガスの流量を確保する。また、圧力信号に
よるデュワー（２５）内のガス圧（Ｐ）については、経
時変化（ｄＰ／ｄｔ）をセンシングして、ある設定値以
上になった場合にＪ−Ｔ弁（２２）の開度を調整させる
ようにする。これにより、定常運転時のＪ−Ｔ弁（２
２）の開度調整を自動化することができる。

【００４５】尚、この発明は、上記実施例１，２の如き
Ｇ−Ｍサイクルタイプのヘリウム冷凍機のみならず、他
のタイプのヘリウム冷凍機にも適用でき、さらにはヘリ
ウム以外の冷媒を使用する極低温冷凍機に適用すること
ができる。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
よれば、ガス圧駆動式のＧ−Ｍ冷凍機等の極低温冷凍機
において、膨張機のシリンダに対する冷媒ガスの給排周
期を該膨張機の寒冷温度に基づいて変更するようにした
ので、その寒冷温度に基づいてディスプレーサの往復周
期を調整することができ、その結果、温度低下に応じて
ディスプレーサの往復周期を速めることにより最低到達
温度を下げることができる。

【００４７】また、請求項２の発明によれば、ディスプ
レーサの変位に基づいて冷媒ガスの給排時間の比率を変
更できるようにしたので、負荷等の外乱に対しディスプ
レーサのストロークを適正化することによりｐ−Ｖ図示
能力を増大させて冷凍能力を高めることができる。

【００４８】さらに、請求項３の発明によれば、パルス
モータでガス給排の切換手段を駆動するようにしたこと
により、上記請求項１の発明における冷媒ガスの給排周
期の変更又は上記請求項２の発明における給排時間の比
率の変更を容易に行うことができる。

【００４９】請求項４の発明によれば、Ｊ−Ｔ冷凍機に
おいて、Ｊ−Ｔ弁の低圧側直後における冷媒圧力に基づ
いて該Ｊ−Ｔ弁の開度調整が制御されるようにしたこと
により、クールダウン時及び定常運転時におけるＪ−Ｔ
弁の操作を自動化することができ、特にクールダウン時
においては、冷媒温度の低下に応じて寒冷温度を下げる
際にＪ−Ｔ弁の絞り過ぎを防止することができ、寒冷温
度を円滑に下げることができる。

【００５０】請求項５の発明によれば、Ｊ−Ｔ冷凍機に
おいて、Ｊ−Ｔ弁の高圧側直前における冷媒温度と、低
圧側直後における冷媒圧力との両方に基づいて該Ｊ−Ｔ
弁の開度調整が制御されるようにしたことにより、クー
ルダウン時及び定常運転時におけるＪ−Ｔ弁の操作を効
率よく自動化することができ、高い冷凍能力を容易に引
出しかつ維持することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例１に係るＧ−Ｍ冷凍機の全体
構成図である。

【図２】高圧ガス供給状態にある切換ユニットの縦断面
図である。

【図３】図２のIII−III線断面図である。

【図４】低圧ガス供給状態にある切換ユニットの縦断面
図である。

【図５】図４のＶ−Ｖ線断面図である。

【図６】ロータリバルブの切換動作を示すタイムチャー
ト図である。

【図７】この発明の実施例２に係る冷凍機の全体構成図
である。

【図８】従来例の冷媒回路図である。

【符号の説明】

（１） 圧縮機 （１Ｈ） 高圧ガス配管（高圧通路） （１Ｌ） 低圧ガス配管（低圧通路） （２） 膨張機 （４） シリンダ （７） フリーディスプレーサ （９） ロータリバルブ（切換手段） （１０） パルスモータ（駆動手段） （１６） 温度センサ（温度検出手段） （１７） 測距センサ（変位検出手段） （１８） 給排制御部（給排制御手段） （２１） Ｊ−Ｔ側圧縮機ユニット（圧縮機） （２２） Ｊ−Ｔ弁 （２６） バルブ開閉手段 （２７） 温度センサ（温度検出手段） （２８） 圧力センサ（圧力検出手段） （２９） 開閉制御部（開閉制御手段） （Ａ） Ｇ−Ｍ冷凍機（予冷冷凍機）

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧縮機（１）から吐出される高圧冷媒ガ
   スの高圧通路（１Ｈ）と上記圧縮機（１）に吸込まれる
   低圧冷媒ガスの低圧通路（１Ｌ）とを切換手段（９）に
   より交互に膨張機（２）のシリンダ（３）内に連通させ
   て、該シリンダ（３）内でフリーディスプレーサ（７）
   を往復動させ、シリンダ（３）内で高圧冷媒ガスを断熱
   膨張させて寒冷を発生させるようにした極低温冷凍機に
   おいて、 上記切換手段（９）を切換駆動する駆動手段（１０）
   と、 上記膨張機（２）の寒冷温度を検出する温度検出手段
   （１６）と、 上記温度検出手段（１６）の検出信号を受け、膨張機
   （２）の寒冷温度に基づいてガスの給排周期を変更する
   ように上記駆動手段（１０）を制御する給排制御手段
   （１８）とを備えたことを特徴とする極低温冷凍機。
2. 【請求項２】 圧縮機（１）から吐出される高圧冷媒ガ
   スの高圧通路（１Ｈ）と上記圧縮機（１）に吸込まれる
   低圧冷媒ガスの低圧通路（１Ｌ）とを切換手段（９）に
   より交互に膨張機（２）のシリンダ（３）内に連通させ
   て、該シリンダ（３）内でフリーディスプレーサ（７）
   を往復動させ、シリンダ（３）内で高圧冷媒ガスを断熱
   膨張させて寒冷を発生させるようにした極低温冷凍機に
   おいて、 上記切換手段（９）を切換駆動する駆動手段（１０）
   と、 上記フリーディスプレーサ（７）のシリンダ（３）内で
   の変位を検出する変位検出手段（１７）と、 上記変位検出手段（１７）の検出信号を受け、フリーデ
   ィスプレーサ（７）の変位に基づいてガスの給排時間の
   比率を変更するように上記駆動手段（１０）を制御する
   給排制御手段（１８）とを備えた ことを特徴とする極低
   温冷凍機。
3. 【請求項３】 給排制御手段（１８）は検出信号に基づ
   いてパルス信号を出力するものであり、 駆動手段（１０）は上記パルス信号に応じて切換手段
   （９）を切換駆動するパルスモータ（１０）であること
   を特徴とする請求項１又は２記載の極低温冷凍機。
4. 【請求項４】 圧縮機（２１）から吐出された高圧冷媒
   ガスを少なくとも予冷冷凍機（Ａ）にて予冷した後、Ｊ
   −Ｔ弁（２２）によりジュール・トムソン膨張させて寒
   冷を発生させるようにした極低温冷凍機において、 上記Ｊ−Ｔ弁（２２）を開閉駆動するバルブ開閉手段
   （２６）と、 上記Ｊ−Ｔ弁（２２）の低圧側直後での冷媒圧力を検出
   する圧力検出手段（２８）と、 上記圧力検出手段（２８）の検出信号を受け、上記Ｊ−
   Ｔ弁（２２）の低圧側直後での冷媒圧力に基づいて該Ｊ
   −Ｔ弁（２２）の開度を調整するように上記バルブ開閉
   手段（２６）を制御する開度制御手段（２９）とを備え
   たことを特徴とする極低温冷凍機。
5. 【請求項５】 Ｊ−Ｔ弁（２２）の高圧側直前での冷媒
   温度を検出する温度検出手段（２７）を設け、 開度制御手段（２９）は圧力検出手段（２８）及び上記
   温度検出手段（２７）の検出信号を受け、Ｊ−Ｔ弁（２
   ２）の低圧側直後での冷媒圧力及び高圧側直前での冷媒
   温度に基づいてＪ−Ｔ弁（２２）の開度調整を制御する
   ように構成されていることを特徴とする請求項４記載の
   極低温冷凍機。