JP2725631B2 - 極低温冷凍機の均圧制御方法及び均圧制御装置 - 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
ヘリウムガス等のガス冷媒を膨張機で膨張させて極低温
レベルの寒冷を発生させるようにした極低温冷凍機にお
いて、その圧縮機の停止時の冷媒回路の圧力を均圧に制
御するようにした均圧制御装置及び均圧制御方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に、超電導現象を利用する超電導体
においては、その温度を臨界温度以下に冷却保持するた
めにタンク内に貯溜した液体ヘリウムを用いることが行
われているが、この液体ヘリウムがタンク内で蒸発する
ので、この蒸発したヘリウムガスを冷却凝縮させて液化
する必要があり、この目的で極低温冷凍機が使用され
る。

【０００３】このヘリウムガスを凝縮温度まで冷却する
冷凍機の一例として、従来、例えば米国特許第４２２３
５４０号等に記載されているように、予冷冷凍機とＪ−
Ｔ冷凍機とを組み合わせた冷凍機がある。上記予冷冷凍
機はＧＭサイクル（ギフォード・マクマホンサイクル）
や改良ソルベー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（ガス冷媒）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。

【０００４】一方、Ｊ−Ｔ冷凍機は、圧縮機から供給さ
れたヘリウムガスを上記予冷冷凍機における膨張機のヒ
ートステーションとの間で熱交換して予冷する予冷器
と、ヘリウムガスをジュール・トムソン膨張させるＪ−
Ｔ弁とを接続してなるもので、圧縮機からのヘリウムガ
スを予冷器で予冷するとともに、該予冷されたヘリウム
ガスをＪ−Ｔ弁でジュール・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っている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、この種の極
低温冷凍機においては、圧縮機の停止後に冷媒回路内の
圧力を均圧にして、その停止後の再起動を容易化するこ
とが行われており、その場合、圧縮機が例えばスクロー
ル圧縮機等の容積型のものであると、その均圧圧力が低
いほど圧縮機の起動トルクを小さくすることができ、そ
の作動信頼性を向上させることができる。

【０００６】しかし、冷媒回路が単純な閉じサイクルで
ある場合、その冷媒回路内で均圧に用いられる全冷媒量
は一定であるので、均圧するのに要する時間に長短の違
いはあっても、その最終的な均圧圧力自体を下げること
に限度があった。

【０００７】本発明は斯かる点に鑑みてなされたもので
あり、その目的は、一部がガス冷媒の膨張降温により液
化した液冷媒を溜める液化槽内に開放されているオープ
ンサイクルの冷媒回路に対し、その構造的な特徴を利用
することで、コストアップを招くことなく、圧縮機停止
時の冷媒回路の均圧圧力自体を低下させ、圧縮機の作動
信頼性を向上させることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成すべ
く、この発明では、圧縮機の停止時、その圧縮機と膨張
手段との間の冷媒回路を所定時間だけ開状態のまま保持
し、圧縮機側のガス冷媒を膨張手段側に流して圧縮機側
の冷媒回路におけるガス冷媒量を減少させることで、均
圧圧力そのものを低下させるようにした。

【０００９】具体的には、請求項１の発明では、図１〜
図３に示すように、ヘリウムガス等のガス冷媒を圧縮す
る圧縮機（４），（８）と、高圧のガス冷媒を膨張させ
て寒冷を発生させる膨張手段（４１）とを高圧配管（１
５）及び低圧配管（３）により接続してなる冷媒回路
（５３）と、この冷媒回路（５３）の一部が内部に開放
され、液冷媒を溜める液化槽（ＤL ）とを備え、この液
化槽（ＤL ）内で蒸発したガス冷媒を冷媒回路（５３）
に吸入して圧縮機（４），（８）で圧縮するとともに、
この圧縮されたガス冷媒を膨張手段（４１）で膨張さ
せ、その膨張による温度降下により液冷媒を生成して液
化槽（ＤL ）内に戻すようにした極低温冷凍機が前提で
ある。

【００１０】そして、上記圧縮機（４），（８）と膨張
手段（４１）とを連通又は連通遮断する開閉手段（５
４）と、圧縮機（４），（８）の停止から所定時間が経
過するまでの間は上記開閉手段（５４）を開き、上記所
定時間の経過後に開閉手段（５４）を閉じるように制御
する制御手段（６１）とを設ける。

【００１１】請求項２の発明では、上記制御手段（６
１）が圧縮機（４），（８）の停止後に開閉手段（５
４）を開く時間は、液化槽（ＤL ）内部の圧力が設定圧
力に上昇するまでの時間とする。

【００１２】請求項３の発明では、図１又は図３に示す
ように、上記開閉手段（５４）は、高圧配管（１５）を
開閉する開閉弁（ＡＶ）と、低圧配管（３）に配設さ
れ、膨張手段（４１）のガス冷媒が圧縮機（４），
（８）に戻るのは許容する一方、圧縮機（４），（８）
からガス冷媒が膨張手段（４１）に移動するのは阻止す
る逆止弁（ＣＶ）とで構成されているものとする。

【００１３】請求項４の発明では、図３に示す如く、上
記開閉弁（ＡＶ）は電磁弁とする。また、請求項５の発
明では、図１に示すように、開閉弁（ＡＶ）は空気圧力
により開閉する空圧弁とする。

【００１４】請求項６の発明では、極低温冷凍機の均圧
制御方法であり、上記請求項１の発明の前提の極低温冷
凍機において、圧縮機（４），（８）の停止から所定時
間が経過するまでの間は圧縮機（４），（８）と膨張手
段（４１）とを連通させ、上記所定時間の経過後に圧縮
機（４），（８）と膨張手段（４１）との連通を遮断す
ることを特徴としている。

【００１５】

【作用】上記の構成により、請求項１又は６の発明で
は、冷凍機が運転状態にあるときには、開閉手段（５
４）は開かれて圧縮機（４），（８）と膨張手段（４
１）とが連通される。この状態では、圧縮機（４），
（８）の運転に伴い、液化槽（ＤL ）内で蒸発したガス
冷媒が冷媒回路（５３）に吸入されて圧縮機（４），
（８）で圧縮され、この圧縮されたガス冷媒はその後に
膨張手段（４１）で膨張によって温度降下して液冷媒と
なり、この液冷媒が液化槽（ＤL ）内に戻される。

【００１６】この冷凍機が運転状態から停止されて圧縮
機（４），（８）が停止したとき、制御手段（６１）に
より開閉手段（５４）が開閉制御される。まず、その圧
縮機（４），（８）の停止から所定時間が経過するまで
の間は圧縮機（４），（８）の運転状態と同様に開閉手
段（５４）が開状態に保たれる。このため、圧縮機
（４），（８）と膨張手段（４１）とは連通保持され、
圧縮機（４），（８）の停止により冷媒回路（５３）の
高圧配管（１５）内のガス冷媒が膨張手段（４１）側に
両者の差圧によって流れ、このことで冷媒回路（５３）
における圧縮機（４），（８）側のガス冷媒量が減少す
る。

【００１７】次いで、圧縮機（４），（８）の停止から
所定時間が経過すると、上記開閉手段（５４）が閉じら
れ、上記圧縮機（４），（８）と膨張手段（４１）との
連通が開閉手段（５４）によって遮断される。この遮断
により、液化槽（ＤL ）内の圧力が圧縮機（４），
（８）側と同じ圧力で均圧することを防止でき、液化槽
（ＤL ）の耐圧圧力を低く設定することができる。

【００１８】このように、圧縮機（４），（８）の停止
時に所定時間の間だけ開閉手段（５４）の閉じ動作を遅
延させて圧縮機（４），（８）と膨張手段（４１）とを
連通保持し、圧縮機（４），（８）側の冷媒回路（５
３）のガス冷媒の量を減少させるので、その後に圧縮機
（４），（８）側の冷媒回路（５３）でガス冷媒が均圧
になったときの均圧圧力自体を下げることができる。こ
のため、その均圧状態で圧縮機（４），（８）を再起動
するときに、その起動トルクを小さくすることができ、
圧縮機（４），（８）の作動信頼性を向上させることが
できる。

【００１９】また、上記開閉手段（５４）は、液化槽
（ＤL ）内の圧力の圧縮機（４），（８）側と同じ圧力
での均圧を防止するためにも使用できるので、この開閉
手段（５４）の兼用化によってコストアップを招くこと
なく、上記効果が得られる。

【００２０】請求項２の発明では、圧縮機（４），
（８）の停止から開閉手段（５４）が開かれるまでの時
間は、液化槽（ＤL ）内部の圧力が設定圧力に上昇する
までの時間であるので、液化槽（ＤL ）内部の圧力が設
定圧力に上昇すると、開閉手段（５４）が閉じられるこ
とになり、液化槽（ＤL ）内部の圧力が設定圧力を越え
て上昇するのを確実に防止することができる。

【００２１】請求項３の発明では、開閉手段（５４）
は、高圧配管（１５）を開閉する開閉弁（ＡＶ）と、低
圧配管（３）に配設された逆止弁（ＣＶ）とで構成され
ているので、そのうちの開閉弁（ＡＶ）のみを開閉動作
させるだけで圧縮機（４），（８）と膨張手段（４１）
との連通又は連通遮断を切り換えることができ、開閉手
段（５４）の構成を簡略にすることができる。

【００２２】請求項４の発明では、開閉弁（ＡＶ）は電
磁弁であり、請求項５の発明では、開閉弁（ＡＶ）は空
圧弁であるので、開閉弁（ＡＶ）の具体的構成が得られ
る。特に、請求項５の発明のように、空気圧力により開
閉する空圧弁を用いると、磁場等の影響があっても開閉
弁（ＡＶ）を誤動作することなく安定して開閉させるこ
とができる。

【００２３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。 （実施例１）図２は本発明の実施例１に係る冷凍機
（Ｒ）の全体構成を示し、この冷凍機（Ｒ）は圧縮機ユ
ニット（１）と、真空槽（Ｄ）内に配置される冷凍機ユ
ニット（３１）とからなる。

【００２４】上記圧縮機ユニット（１）には、低圧ガス
吸入口（２）からの低圧ヘリウムガスを低圧配管（３）
を介して吸い込んで圧縮する低段用圧縮機（４）と、こ
の低段用圧縮機（４）から吐出されたヘリウムガスを冷
却する熱交換器（５）と、この熱交換器（５）から吐出
されたヘリウムガスを、中間圧ガス吸入口（６）から中
間圧配管（７）を介して吸入された中間圧のヘリウムガ
スと共にさらに高圧に圧縮する高段用圧縮機（８）と、
この高段用圧縮機（８）から吐出された高圧ヘリウムガ
スから圧縮機潤滑用の油を分離する前段油分離器（９）
と、この前段油分離器（９）から吐出された高圧ヘリウ
ムガスを冷却する熱交換器（１０）と、この熱交換器
（１０）から吐出されたヘリウムガスからさらに潤滑用
の油を分離する後段油分離器（１１）と、この後段油分
離器（１１）から吐出されたヘリウムガスから不純物を
吸着除去する吸着器（１２）とが配設され、該吸着器
（１２）の吐出側に高圧配管（１３）の一端が接続され
ている。この高圧配管（１３）の他端側は予冷用高圧配
管（１４）及びＪ−Ｔ用高圧配管（１５）に分岐され、
予冷用高圧配管（１４）は予冷用高圧ガス吐出口（１
６）に、またＪ−Ｔ用高圧配管（１５）はＪ−Ｔ用高圧
ガス吐出口（１７）にそれぞれ接続されている。

【００２５】さらに、上記低段用圧縮機（４）の吸込側
と低圧ガス吸入口（２）との間の低圧配管（３）にはヘ
リウムガス供給配管（１８）の一端が分岐接続されてい
る。また、上記高圧配管（１３）の一部であるＪ−Ｔ用
高圧配管（１５）には高圧制御弁（ＨＰＲ）を配置した
ヘリウムガス戻し配管（２０）の一端が分岐接続され、
このヘリウムガス戻し配管（２０）の他端は上記ヘリウ
ムガス供給配管（１８）の他端と集合されてヘリウムガ
ス給排配管（２１）の一端に接続され、このヘリウムガ
ス給排配管（２１）の他端は、ヘリウムガスを所定圧力
で貯蔵するバッファタンク（Ｔｂ）に接続されている。

【００２６】上記高圧制御弁（ＨＰＲ）は、高圧配管
（１３）（Ｊ−Ｔ用高圧配管（１５））でのヘリウムガ
スの圧力が設定圧以上に上昇したときにそれをパイロッ
ト圧として自動的に開くもので、この高圧制御弁（ＨＰ
Ｒ）の開弁によりＪ−Ｔ用高圧配管（１５）（後述の冷
媒回路（５３））のヘリウムガスがバッファタンク（Ｔ
ｂ）内に回収される。

【００２７】上記ヘリウムガス供給配管（１８）は途中
で２つの分岐配管（１８ａ），（１８ｂ）に並列に分岐
され、一方の分岐配管（１８ａ）には流路閉止用の絞り
固定式の閉止弁（Ｖ２）と、この閉止弁（Ｖ２）の低圧
配管（３）側に常時閉の第１低圧制御弁（ＬＰＲ１）と
が配設されている一方、他方の分岐配管（１８ｂ）には
同様の閉止弁（Ｖ３）と常時閉の第２低圧制御弁（ＬＰ
Ｒ２）とが配設されている。上記各低圧制御弁（ＬＰＲ
１），（ＬＰＲ２）は、低圧配管（３）でのヘリウムガ
スの圧力が設定圧以下に低下したときにそれをパイロッ
ト圧として自動的に開くもので、この低圧制御弁（ＬＰ
Ｒ１），（ＬＰＲ２）の開弁に伴いバッファタンク（Ｔ
ｂ）内のヘリウムガスが低圧配管（３）（冷媒回路（５
３））に供給される。

【００２８】これに対し、上記冷凍機ユニット（３１）
には、圧縮機ユニット（１）の高段用圧縮機（８）に対
し閉回路に接続された予冷冷凍機（３２）と、低段用圧
縮機（４）及び高段用圧縮機（８）に対し直列に接続さ
れたＪ−Ｔ冷凍機（４１）（膨張手段）とが設置されて
いる。上記予冷冷凍機（３２）は、Ｇ−Ｍ（ギフォード
・マクマホン）サイクルの冷凍機で構成されていて、Ｊ
−Ｔ冷凍機（４１）におけるヘリウムガス（ガス冷媒）
を予冷するためにヘリウムガスを圧縮及び膨張させる。
この予冷冷凍機（３２）は上記真空槽（Ｄ）の外部に配
置される密閉円筒状のケース（３３）と、該ケース（３
３）に連設された大小２段構造のシリンダ（３４）とを
有する。上記ケース（３３）には上記圧縮機ユニット
（１）の予冷用高圧ガス吐出口（１６）にフレキシブル
配管（３５）を介して接続される高圧ガス入口（３６）
と、同中間圧ガス吸入口（６）にフレキシブル配管（３
７）を介して接続される低圧ガス出口（３８）とが開口
されている。一方、シリンダ（３４）は真空槽（Ｄ）の
側壁を貫通してその内部に延びており、その大径部（３
４ａ）の先端部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（３９）に、また小径部（３４ｂ）
の先端部は上記第１ヒートステーション（３９）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（４０）にそれぞれ形成されている。

【００２９】すなわち、ここでは図示しないが、シリン
ダ（３４）内には、上記各ヒートステーション（３
９），（４０）に対応する位置にそれぞれ膨張空間を区
画形成するフリータイプのディスプレーサ（置換器）が
往復動可能に嵌挿されている。一方、上記ケース（３
３）内には、回転する毎に開閉するロータリバルブと、
該ロータリバルブを駆動するバルブモータとが収容され
ている。ロータリバルブは、上記高圧ガス入口（３６）
から流入したヘリウムガスをシリンダ（３４）内の各膨
張空間に供給し、又は各膨張空間内で膨張したヘリウム
ガスを低圧ガス出口（３８）から排出するように切り換
わる。そして、このロータリバルブの開閉により高圧ヘ
リウムガスをシリンダ（３４）内の各膨張空間でサイモ
ン膨張させて、その膨張に伴う温度降下により極低温レ
ベルの寒冷を発生させ、その寒冷をシリンダ（３４）に
おける第１及び第２ヒートステーション（３９），（４
０）にて保持する。つまり、予冷冷凍機（３２）では、
高段用圧縮機（８）から吐出された高圧のヘリウムガス
を断熱膨張させてヒートステーション（３９），（４
０）の温度を低下させ、Ｊ−Ｔ冷凍機（４１）における
後述の予冷器（４６），（４７）を予冷するとともに、
膨張した低圧ヘリウムガスを圧縮機（８）に戻して再圧
縮するようになされている。

【００３０】一方、上記Ｊ−Ｔ冷凍機（４１）は、約４
Ｋレベルの寒冷を発生させるためにヘリウムガスをジュ
ール・トムソン膨張させる冷凍機であって、この冷凍機
（４１）は上記真空槽（Ｄ）内に配置された第１〜第３
のＪ−Ｔ熱交換器（４２）〜（４４）を備えている。こ
の各Ｊ−Ｔ熱交換器（４２）〜（４４）は１次側及び２
次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１Ｊ−Ｔ熱交換器（４２）の１次側は
圧縮機ユニット（１）のＪ−Ｔ用高圧ガス吐出口（１
７）にフレキシブル配管（４５）を介して接続されてい
る。また、第１及び第２のＪ−Ｔ熱交換器（４２），
（４３）の各１次側同士は、上記予冷冷凍機（３２）に
おけるシリンダ（３４）の第１ヒートステーション（３
９）外周に配置した第１予冷器（４６）を介して接続さ
れている。同様に、第２及び第３Ｊ−Ｔ熱交換器（４
３），（４４）の各１次側同士は、第２ヒートステーシ
ョン（４０）外周に配置した第２予冷器（４７）を介し
て接続されている。さらに、上記第３Ｊ−Ｔ熱交換器
（４４）の１次側は、高圧のヘリウムガスをジュール・
トムソン膨張させるＪ−Ｔ弁（４８）に吸着器（４９）
を介して接続されている。このＪ−Ｔ弁（４８）は、液
体ヘリウム戻し配管（５０）を介して液化槽（ＤL ）内
に連通されている。この液化槽（ＤL ）は所定量の液体
ヘリウムを貯溜するもので、この液体ヘリウムにより図
外の冷却対象物を極低温レベルに冷却する。また、液化
槽（ＤL ）の内部は、ヘリウムガス吸入配管（５１）を
介して上記第３Ｊ−Ｔ熱交換器（４４）の２次側に接続
されている。そして、この第３Ｊ−Ｔ熱交換器（４４）
の２次側は第２Ｊ−Ｔ熱交換器（４３）の２次側を経て
第１Ｊ−Ｔ熱交換器（４２）の２次側に接続され、この
第１Ｊ−Ｔ熱交換器（４２）の２次側はフレキシブル配
管（５２）を介して圧縮機ユニット（１）の低圧ガス吸
入口（２）に接続されている。

【００３１】すなわち、Ｊ−Ｔ冷凍機（４１）はフレキ
シブル配管（４５），（５２）、低圧配管（３）、両圧
縮機（４），（８）及び高圧配管（３）のＪ−Ｔ用高圧
配管（１５）に対し直列に接続された冷媒回路（５３）
をなし、この冷媒回路（５３）は一部が液化槽（ＤL ）
内に開放されたオープンサイクルとされており、冷却対
象物の熱負荷により液化槽（ＤL ）内で蒸発したヘリウ
ムガスをヘリウムガス吸入配管（５１）から冷媒回路
（５３）に吸い込んで第３〜第１Ｊ−Ｔ熱交換器（４
４）〜（４２）の各２次側を通して低段用及び高段用圧
縮機（４），（８）に吸入圧縮する一方、その高段用圧
縮機（８）により圧縮された高圧ヘリウムガスを第１〜
第３のＪ−Ｔ熱交換器（４２）〜（４４）において、圧
縮機（４）側に向かう低温低圧のヘリウムガスと熱交換
させ、かつ第１及び第２予冷器（４６），（４７）でそ
れぞれシリンダ（３４）の第１及び第２ヒートステーシ
ョン（３９），（４０）で冷却した後、Ｊ−Ｔ弁（４
８）でジュール・トムソン膨張させて約４Ｋの液状態の
ヘリウムとなし、この液体ヘリウムを液体ヘリウム戻し
配管（５０）を経て液化槽（ＤL ）に戻すようになされ
ている。尚、上記Ｊ−Ｔ弁（４８）は真空槽（Ｄ）外側
から操作ロッド（４８ａ）によって開度が調整される。

【００３２】図１に拡大詳示するように、上記Ｊ−Ｔ用
高圧配管（１５）の途中には流量調整用の絞り固定式の
絞り弁（Ｖ１）と、この絞り弁（Ｖ１）の吸着器（１
２）側に高圧配管（１５）を開閉する開閉弁（ＡＶ）と
が配設され、この開閉弁（ＡＶ）は空気圧力により開閉
する空圧弁からなる。

【００３３】また、ヘリウムガス供給配管（１８）との
接続部よりも低圧ガス吸込口（２）側（上流側）の低圧
配管（３）の途中には逆止弁（ＣＶ）が配設され、この
逆止弁（ＣＶ）は、Ｊ−Ｔ冷凍機（４１）側のヘリウム
ガスが圧縮機（４），（８）に戻るのは許容する一方、
圧縮機（４），（８）からヘリウムガスがＪ−Ｔ冷凍機
（４１）に移動するのは阻止する機能を有する。そし
て、この実施例では、上記開閉弁（ＡＶ）及び逆止弁
（ＣＶ）により、圧縮機（４），（８）とＪ−Ｔ冷凍機
（４１）とを連通又は連通遮断する開閉機構（５４）が
構成されている。

【００３４】上記開閉弁（ＡＶ）には空気配管（５５）
を介して空圧源（５６）が接続され、上記空気配管（５
５）の途中には、制御装置（６１）からの電気制御信号
を受けて空圧源（５６）からの空気圧力の開閉弁（Ａ
Ｖ）への作用又は作用停止を切り換えて開閉弁（ＡＶ）
を開閉するための空圧用電磁弁（５７）が配設されてい
る。また、上記制御装置（６１）には、信号線を図示し
ないが、上記高段用圧縮機（８）から吐出された高圧ヘ
リウムガスの圧力を検出する高圧スイッチ（ＨＰＳ）の
検出信号と、低段用圧縮機（４）の吸込側に連通する低
圧配管（３）内の低圧ヘリウムガスの圧力を検出する低
圧スイッチ（ＬＰＳ）の検出信号と、ヘリウムガス給排
配管（２１）内の圧力（バッファタンク（Ｔｂ）の内
圧）を検出する中圧スイッチ（ＭＰＳ）の検出信号と、
圧縮機ユニット（１）における３つの保護スイッチ（Ｓ
Ｓ１）〜（ＳＳ３）の作動信号とが入力されている。

【００３５】すなわち、上記制御装置（６１）は制御手
段を構成するもので、この制御装置（６１）において開
閉弁（ＡＶ）を空圧用電磁弁（５７）を介して開閉制御
し、圧縮機（４），（８）の運転中は開閉弁（ＡＶ）を
開いて圧縮機（４），（８）とＪ−Ｔ冷凍機（４１）と
を連通させる一方、この圧縮機（４），（８）を運転状
態から停止させるときには、その圧縮機（４），（８）
の停止から所定時間が経過するまでの間、詳しくは圧縮
機（４），（８）の停止に伴う冷媒回路（５３）での均
圧によって液化槽（ＤL ）内部の圧力が設定圧力に上昇
するまでの時間、圧縮機（４），（８）の運転状態と同
様に開閉弁（ＡＶ）を開状態に保持し、上記所定時間が
経過した後に開閉弁（ＡＶ）を閉じるようになされてい
る。

【００３６】尚、図２中、（２４）は前段油分離器
（９）でヘリウムガスから分離された油の一部と後段油
分離器（１１）で分離された油とを、低段用圧縮機
（４）から吐出されて高段用圧縮機（８）に吸入される
ヘリウムガス中にインジェクションする油戻し配管、
（２５）は前段油分離器（９）で分離された油の残部を
高段用圧縮機（８）に戻す油戻し配管、（２６）は高段
用圧縮機（８）内下部の油を上記油戻し配管（２５）に
供給して同圧縮機（８）内上部にインジェクションする
ための油インジェクション配管、（２７）は低段用圧縮
機（４）内下部の油を同圧縮機（４）内上部にインジェ
クションする油インジェクション配管、（２８）は両圧
縮機（４），（８）内下部間を連通して両者の油面レベ
ルを一定にするための均油管である。

【００３７】次に、上記実施例の作用について説明す
る。冷凍機（Ｒ）が運転状態にあると、圧縮機ユニット
（１）の高段用圧縮機（８）から供給された高圧のヘリ
ウムガスの一部が予冷冷凍機（３２）に供給される。こ
のヘリウムガスは該予冷冷凍機（３２）におけるシリン
ダ（３４）内の各膨張空間で膨張し、このガスの膨張に
伴う温度降下により第１ヒートステーション（３９）が
所定温度レベルに、また第２ヒートステーション（４
０）が第１ヒートステーション（３９）よりも低い温度
レベルにそれぞれ冷却される。膨張空間で膨張したヘリ
ウムガスは圧縮機ユニット（１）に戻り、その中間圧配
管（７）を経由して高段用圧縮機（８）に吸い込まれて
圧縮される。

【００３８】一方、圧縮機ユニット（１）におけるＪ−
Ｔ用高圧配管（１５）の開閉弁（ＡＶ）が制御装置（６
１）によって開かれて高段用圧縮機（８）がＪ−Ｔ冷凍
機（４１）に連通され、上記高段用圧縮機（８）から吐
出された高圧のヘリウムガスの残部がＪ−Ｔ用高圧配管
（１５）の絞り弁（Ｖ１）を経由してＪ−Ｔ冷凍機（４
１）の第１Ｊ−Ｔ熱交換器（４２）の１次側に入り、そ
こで圧縮機（４）側へ向かう２次側の低圧ヘリウムガス
と熱交換されて常温３００Ｋから例えば約５０Ｋまで冷
却され、その後、上記予冷冷凍機（３２）の第１ヒート
ステーション（３９）外周の第１予冷器（４６）に入っ
てさらに冷却される。この冷却されたガスは第２Ｊ−Ｔ
熱交換器（４３）の１次側に入って、同様に２次側の低
圧ヘリウムガスとの熱交換により例えば約１５Ｋまで冷
却された後、予冷冷凍機（３２）の第２ヒートステーシ
ョン（４０）外周の第２予冷器（４７）に入ってさらに
冷却される。この後、ガスは第３Ｊ−Ｔ熱交換器（４
４）の１次側に入って２次側の低圧ヘリウムガスとの熱
交換によりさらに冷却され、しかる後にＪ−Ｔ弁（４
８）に至る。このＪ−Ｔ弁（４８）では高圧ヘリウムガ
スは絞られてジュール・トムソン膨張し、約４Ｋの液状
態のヘリウムとなり、この液体ヘリウムは液体ヘリウム
戻し配管（５０）を介して液化槽（ＤL ）に供給され
る。一方、液化槽（ＤL ）内の液体ヘリウムの一部は冷
却対象物の熱負荷によって蒸発し、この液化槽（ＤL ）
内の蒸発ヘリウムガスはヘリウムガス吸入配管（５１）
を介して第３Ｊ−Ｔ熱交換器（４４）の２次側に吸入さ
れ、第２及び第１Ｊ−Ｔ熱交換器（４３），（４２）の
各２次側を経由して低段用圧縮機（４）に吸い込まれて
圧縮される。

【００３９】斯かる冷凍機（Ｒ）の運転中、圧縮機
（４），（８）が停止されて冷凍機（Ｒ）の運転が停止
したとき、その圧縮機（４），（８）の停止から所定時
間が経過するまでの間、それまでの圧縮機（４），
（８）の運転状態と同様に開閉弁（ＡＶ）が開かれ、Ｊ
−Ｔ用高圧配管（１５）が開状態に保たれて高段用圧縮
機（８）とＪ−Ｔ冷凍機（４１）とは連通保持される。
そして、圧縮機（４），（８）の停止直後は冷媒回路
（５３）のＪ−Ｔ用高圧配管（１５）内の圧力はＪ−Ｔ
冷凍機（４１）側の圧力よりも高いので、両者の差圧に
よってＪ−Ｔ用高圧配管（１５）内のヘリウムガスがＪ
−Ｔ冷凍機（４１）側に流れ、このことで圧縮機
（４），（８）側のヘリウムガス量が減少する。尚、低
圧配管（３）には逆止弁（ＣＶ）が配設されているの
で、圧縮機（４）の吸込側がＪ−Ｔ冷凍機（４１）側よ
りも高圧になったとしても、圧縮機（４）側のヘリウム
ガスがＪ−Ｔ冷凍機（４１）側に戻ることはない。

【００４０】そして、上記圧縮機（４），（８）の停止
から所定時間が経過すると開閉弁（ＡＶ）が閉じられ、
上記圧縮機（４），（８）とＪ−Ｔ冷凍機（４１）との
連通が開閉弁（ＡＶ）によって遮断される。この遮断に
より、液化槽（ＤL ）内の圧力が圧縮機（４），（８）
側と同じ圧力で均圧することを防止することができる。

【００４１】その際、圧縮機（４），（８）の停止から
開閉弁（ＡＶ）が開弁保持される時間は、液化槽（ＤL
）内部の圧力が設定圧力に上昇するまでの時間である
ので、液化槽（ＤL ）内部の圧力が設定圧力に上昇する
と、開閉弁（ＡＶ）が閉じられることとなる。よって、
液化槽（ＤL ）内部の圧力が設定圧力を越えて上昇する
のを確実に防止することができる。

【００４２】この実施例では、圧縮機（４），（８）の
停止時に所定時間の間だけ開閉弁（ＡＶ）を開いて圧縮
機（４），（８）とＪ−Ｔ冷凍機（４１）とを連通保持
し、圧縮機（４），（８）側のヘリウムガスを減少させ
るので、その後、開閉弁（ＡＶ）が閉弁された状態で圧
縮機（４），（８）側の冷媒回路（５３）のヘリウムガ
スが均圧になったときの均圧圧力を下げることができ
る。このため、その均圧状態で圧縮機（４），（８）を
再起動するときに、その起動トルクを小さくすることが
でき、圧縮機（４），（８）の作動信頼性を向上させる
ことができる。

【００４３】また、上記開閉弁（ＡＶ）は、液化槽（Ｄ
L ）内の圧力が圧縮機（４），（８）側と同じ圧力で均
圧するのを防止するためにも使用されるので、この開閉
弁（ＡＶ）の機能の兼用化によってコストアップを招く
ことなく、上記効果が得られる。

【００４４】さらに、低圧配管（３）には逆止弁（Ｃ
Ｖ）が配設されているので、圧縮機（４），（８）の停
止時にはＪ−Ｔ用高圧配管（１５）（高圧配管（１
３））側の開閉弁（ＡＶ）を所定時間開いた後に閉じれ
ばよく、高圧配管（１５）及び低圧配管（３）の双方を
それぞれ開閉弁で開閉制御する場合に比べ、開閉機構
（５４）の構成を簡略にすることができる。

【００４５】また、開閉弁（ＡＶ）が空圧源（５６）か
らの空気圧力により開閉する空圧弁で、空圧用電磁弁
（５７）の切換動作により開閉制御されるので、開閉弁
（ＡＶ）が磁場中に配置されていても、その磁場の影響
を受けることなく開閉弁（ＡＶ）を安定して開閉動作さ
せることができる。

【００４６】（実施例２）図３は本発明の実施例２を示
し（尚、図１及び図２と同じ部分については同じ符号を
付してその詳細な説明は省略する）、上記実施例１で
は、開閉弁（ＡＶ）を空圧弁で構成しているのに対し、
制御装置（６１）からの電気制御信号を受けてＪ−Ｔ用
高圧配管（１５）を開閉する電磁弁で構成したものであ
る。従って、この実施例でも、上記実施例１と同様の作
用効果を奏することができる。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１又は６の
発明によると、圧縮機と膨張手段とを高圧配管及び低圧
配管により接続した冷媒回路の一部を液化槽内に開放し
てなり、液化槽内で蒸発したガス冷媒を圧縮機に吸い込
んで圧縮し、この圧縮機で圧縮されたガス冷媒を膨張手
段で膨張させて液化し、この液冷媒を液化槽に戻すよう
にした極低温冷凍機において、圧縮機の停止時、その圧
縮機と膨張手段との間の冷媒回路を所定時間だけ開状態
に保持して圧縮機側のガス冷媒を膨張手段側に流し、圧
縮機側の冷媒回路におけるガス冷媒量を減少させるよう
にしたことにより、その圧縮機側の冷媒回路での均圧圧
力自体を低下させることができ、コストアップを抑制し
つつ、圧縮機の再起動時の起動トルクを小さくしてその
作動信頼性の向上を図ることができる。

【００４８】請求項２の発明によると、圧縮機の停止か
ら開閉手段を開くまでの時間は、液化槽内部の圧力が設
定圧力に上昇するまでの時間としたことにより、液化槽
内部の過大な圧力上昇を確実に防止することができる。

【００４９】請求項３の発明によると、開閉手段を、高
圧配管を開閉する開閉弁と、低圧配管に配設され、圧縮
機からガス冷媒が膨張手段に移動するのを阻止する逆止
弁とで構成したことにより、開閉手段の構成の簡略化を
図ることができる。

【００５０】請求項４の発明では、開閉弁は電磁弁と
し、請求項５の発明では、開閉弁は空圧弁とした。これ
ら発明によると、開閉弁の具体的構成が得られる。特
に、請求項５の発明によると、開閉弁としての空圧弁は
空気圧力により開閉するので、磁場等の影響を受けるこ
となく安定して冷媒回路を開閉することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１における要部の構成を示す図
である。

【図２】本発明の実施例１における冷凍機の全体構成を
示す冷媒回路図である。

【図３】本発明の実施例２を示す図１相当図である。

【符号の説明】

（Ｒ） 冷凍機 （１） 圧縮機ユニット （３） 低圧配管 （４），（８） 圧縮機 （１３） 高圧配管 （１５） Ｊ−Ｔ用高圧配管 （３１） 冷凍機ユニット （３２） 予冷冷凍機 （４１） Ｊ−Ｔ冷凍機（膨張手段） （４８） Ｊ−Ｔ弁 （５３） 冷媒回路 （ＡＶ） 開閉弁 （ＣＶ） 逆止弁 （５４） 開閉機構（開閉手段） （５７） 空圧用電磁弁 （６１） 制御装置（制御手段） （ＤL ） 液化槽

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ヘリウムガス等の冷媒ガスを圧縮する圧
   縮機（４），（８）と、高圧のガス冷媒を膨張させて寒
   冷を発生させる膨張手段（４１）とを高圧配管（１５）
   及び低圧配管（３）により接続してなる冷媒回路（５
   ３）と、 内部に上記冷媒回路（５３）の一部が開放され、液冷媒
   を溜める液化槽（ＤL）とを備え、 液化槽（ＤL ）内で蒸発したガス冷媒を冷媒回路（５
   ３）に吸入して圧縮機（４），（８）で圧縮するととも
   に、この圧縮されたガス冷媒を膨張手段（４１）で膨張
   させ、その膨張による温度降下により液冷媒を生成して
   液化槽（ＤL ）内に戻すようにした極低温冷凍機におい
   て、 上記圧縮機（４），（８）と膨張手段（４１）とを連通
   又は連通遮断する開閉手段（５４）と、 圧縮機（４），（８）の停止から所定時間が経過するま
   での間は上記開閉手段（５４）を開き、所定時間の経過
   後に上記開閉手段（５４）を閉じるように制御する制御
   手段（６１）とを設けたことを特徴とする極低温冷凍機
   の均圧制御装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の極低温冷凍機の均圧制御
   装置において、 制御手段（６１）が圧縮機（４），（８）の停止後に開
   閉手段（５４）を開く時間は、液化槽（ＤL ）内部の圧
   力が設定圧力に上昇するまでの時間であることを特徴と
   する極低温冷凍機の均圧制御装置。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の極低温冷凍機の均
   圧制御装置において、 開閉手段（５４）は、高圧配管（１５）を開閉する開閉
   弁（ＡＶ）と、 低圧配管（３）に配設され、膨張手段（４１）のガス冷
   媒が圧縮機（４），（８）に戻るのは許容する一方、圧
   縮機（４），（８）からガス冷媒が膨張手段（４１）に
   移動するのは阻止する逆止弁（ＣＶ）とで構成されてい
   ることを特徴とする極低温冷凍機の均圧制御装置。
4. 【請求項４】 請求項３記載の極低温冷凍機の均圧制御
   装置において、 開閉弁（ＡＶ）は電磁弁であることを特徴とする極低温
   冷凍機の均圧制御装置。
5. 【請求項５】 請求項３記載の極低温冷凍機の均圧制御
   装置において、 開閉弁（ＡＶ）は、空気圧力により開閉する空圧弁であ
   ることを特徴とする極低温冷凍機の均圧制御装置。
6. 【請求項６】 ヘリウムガス等のガス冷媒を圧縮する圧
   縮機（４），（８）と、高圧のガス冷媒を膨張させて寒
   冷を発生させる膨張手段（４１）とを高圧配管（１５）
   及び低圧配管（３）により接続してなる冷媒回路（５
   ３）と、 内部に上記冷媒回路（５３）の一部が開放され、液冷媒
   を溜める液化槽（ＤL）とを備え、 液化槽（ＤL ）内で蒸発したガス冷媒を冷媒回路（５
   ３）に吸入して圧縮機（４），（８）で圧縮するととも
   に、この圧縮されたガス冷媒を膨張手段（４１）で膨張
   させ、その膨張による温度降下により液冷媒を生成して
   液化槽（ＤL ）内に戻すようにした極低温冷凍機におい
   て、 上記圧縮機（４），（８）の停止から所定時間が経過す
   るまでの間は圧縮機（４），（８）と膨張手段（４１）
   とを連通させ、 上記所定時間の経過後に圧縮機（４），（８）と膨張手
   段（４１）との連通を遮断することを特徴とする極低温
   冷凍機の均圧制御方法。