JP3159554B2 - 極低温冷凍機のプラグイン取付け構造 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、冷媒ガスを利用した極
低温冷凍機と液体冷媒タンクとの取付け構造に係り、特
に、冷媒配管が挿通するプラグイン部が形成された極低
温冷凍機と液体冷媒タンクとのプラグイン取付け構造に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、ヘリウム等の冷媒ガスを液体
状態として貯溜する液体冷媒タンクに極低温冷凍機を取
付け、該タンク内部で蒸発した冷媒ガスを、この極低温
冷凍機でもって再凝縮させるようにしていた。そこで、
このような極低温冷凍機をメンテナンス等により液体冷
媒タンクから容易に取外し可能とするために、該冷凍機
に、冷媒配管が挿通するためのプラグイン部を形成し、
このプラグイン部を液体冷媒タンクに形成した導入管に
挿通可能として、該冷凍機を液体冷媒タンクから着脱自
在に取付けられたものが知られている。また、タンク内
部の液体冷媒が熱伝導や輻射等によって熱ロスすること
を防ぐため、液体冷媒タンクには真空断熱層及び輻射シ
ールドが形成されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たようなプラグイン構造を有する極低温冷凍機を、液体
冷媒タンクに対して水平に設置するような場合、該タン
クの導入管とプラグイン部との隙間に冷媒ガスが充満し
たようなときには、この部分で対流伝熱が生じる。これ
は、例えば４Ｋという極低温度の状態にある液体冷媒タ
ンクと、常温の外部に設置されている極低温冷凍機の温
度差による現象であり、プラグイン部において、この対
流伝熱の発生により大きな熱ロスが生じるという問題が
ある。また、液体冷媒タンク内の液体冷媒が増加し、該
液体冷媒の液面が上昇したときには、上述した隙間に該
液体冷媒が流入し、上記と同様に熱ロスが生じるという
問題がある。

【０００４】本発明は、上述した問題点を解決するもの
で、極低温冷凍機に形成したプラグイン部を液体冷媒タ
ンクに形成した導入部に挿し込んで該冷凍機を液体冷媒
タンクに取付け、該冷凍機のタンクからの脱着を容易と
した構成にあって、該タンクの導入管と該冷凍機のプラ
グイン部との隙間における対流伝熱による熱ロスを効果
的に抑制することができる極低温冷凍機のプラグイン取
付け構造を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に請求項１の発明は、液体冷媒タンクに付設され、該タ
ンク内で蒸発した冷媒ガスを再凝縮する極低温冷凍機に
おいて、前記極低温冷凍機に形成された、該冷凍機の冷
媒配管が挿通するプラグイン部を、前記液体冷媒タンク
に形成された導入管に挿し込んで該冷凍機を該タンクに
取付け、かつ、このプラグイン部の先端部と該タンクの
間にパッキン、或いはシール機構を装備し、プラグイン
部の常温部近辺にベローズを組み込んだものである。 請
求項２の発明は、液体冷媒タンクに付設され、該タンク
内で蒸発した冷媒ガスを再凝縮する極低温冷凍機におい
て、前記極低温冷凍機に形成された、該冷凍機の冷媒配
管が挿通するプラグイン部を、前記液体冷媒タンクに形
成された導入管に挿し込んで該冷凍機を該タンクに取付
け、かつ、前記液体冷媒タンクの導入管とプラグイン部
との隙間内にあるガスの対流を抑制する対流防止板をプ
ラグイン部の外周部に設置し、対流防止板は、熱伝導率
が小さい薄膜を複数枚重ね、剛性の高い板で挟み込んで
構成されたものである。

【０００６】

【作用】請求項１記載の構成によれば、極低温冷凍機の
プラグイン部を液体冷媒タンクの導入管に挿入したとき
に、該プラグイン部の先端部に装備したパッキン、或い
はシール機構により、該タンクの導入管とプラグイン部
との隙間に液体冷媒ガスが侵入することが抑制され、該
ガスの対流伝熱を低減する。さらには、プラグイン部の
常温部近辺に組み込まれたベローズは、極低温冷凍機か
らの侵入熱を防止し、また、プラグイン部の先端部に装
着されるパッキン等に押付け力を付与し、シール性を上
げる。 請求項２記載の構成によれば、極低温冷凍機のプ
ラグイン部を液体冷媒タンクの導入管に挿入したとき
に、プラグイン部の外周部に設置された対流防止板は、
該タンクの導入管とプラグイン部との隙間における液体
冷媒ガスの対流を抑制する。また、対流防止板は熱伝導
率が小さい薄膜を剛性の高い支持板で挟み込んで構成さ
れているため、プラグイン部を導入管に挿入したとき
に、導入管との密着性がよくなる。

【０００７】

【実施例】本発明の一実施例による車載用極低温冷凍機
を図面を参照して説明する。図１は本冷凍機の全体構成
を示し、本冷凍機は、液体ヘリウムタンク１内で蒸発し
たヘリウムガスを再凝縮するためのもので、液体ヘリウ
ムタンク１にプラグインにより付設される冷凍機本体３
と、ジュールトムソン（ＪＴという）側の圧縮機ユニッ
ト８及び予冷側圧縮機ユニット９とで構成される。ＪＴ
側圧縮機ユニット８は、極低温を発生すべくヘリウムガ
スをジュールトムソン膨脹させるＪＴ回路１０により冷
凍機本体３と連結され、予冷側圧縮機ユニット９は、ヘ
リウムガスを予冷するための予冷冷凍回路１１により冷
凍機本体３と連結されている。また、ＪＴ側圧縮機ユニ
ット８は、２段圧縮サイクルのヘリウム冷凍機１２，１
３と、油分離器１４、吸着器１５、バイパス回路１６、
バッファタンク１７等を備え、予冷側圧縮機ユニット９
は、圧縮機１８、油分離器１９、吸着器２０、サージボ
トル２１等を備えている。

【０００８】冷凍機本体３は、ＪＴ回路１０を構成する
第１、第２、第３のＪＴ熱交換器３１，３２，３３と、
予冷冷凍回路１１側の予冷機３４と、その第１、第２の
予冷熱交換器３５，３６と、吸着器３７、ＪＴ弁３８等
を備えている。そして、ＪＴ回路１０は、その１次側
（往路）が第１ＪＴ熱交換器３１、第１予冷熱交換器３
５、第２ＪＴ熱交換器３２、第２予冷熱交換器３６、第
３ＪＴ熱交換器３３の直列回路を介し、さらに吸着器３
７、ＪＴ弁３８を経て冷媒配管４に至る。また、２次側
（復路）が冷媒配管５より第３ＪＴ熱交換器３３、第２
ＪＴ熱交換器３２、第１ＪＴ熱交換器３１の直列回路に
より構成されている。また、冷凍機本体３には、冷媒配
管４，５が挿通するプラグイン部６が構成され、液体ヘ
リウムタンク１には、上記プラグイン部６が挿し込まれ
る導入管２が形成されており、冷凍機本体３はタンク１
にプラグイン構造にて着脱自在に結合される。なお、Ｊ
Ｔ回路１０と予冷冷凍回路１１の構成及び動作は既に知
られており、また、本発明の要旨とするところでないの
で詳細説明は省略する。

【０００９】次に、上記システムにおける冷凍機本体３
と液体ヘリウムタンク１の取付け構造を図２、図３によ
り説明する。これらの図において、液体ヘリウムタンク
１は真空断熱層を形成する外壁１ａと内壁１ｂにより周
囲壁が構成され、この壁部材を貫通して導入管２が形成
されている。この導入管２に、冷凍機本体１のプラグイ
ン部６を挿し込み、冷凍機本体３側のフランジ部３ｃを
該タンク１の外壁１ａに固定することにより、冷凍機本
体３はタンク１に取付けられる。この取付け状態にて、
プラグイン部６を挿通した冷媒配管４，５が液体ヘリウ
ムタンク１内に臨むことになる。

【００１０】また、プラグイン部６の先端部にはフラン
ジ６ａが設けられており、このフランジ６ａとタンク１
の内壁１ｂとの間にはシール機構としてパッキン４０が
嵌め込まれている。このパッキン４０は冷凍機本体３を
液体ヘリウムタンク１に取付けたときに、該タンク１内
で蒸発したヘリウムガス、もしくは該タンク１内の液体
ヘリウムがプラグイン部６と導入管２の隙間に流入する
ことを防ぐためのものである。また、プラグイン部６の
冷凍機本体３側、すなわち、常温部近辺にベローズ４２
が組み込まれている。このベローズ４２は、上述したプ
ラグイン部６の先端部に嵌め込まれるパッキン４０へ押
付け力を付与すると同時に対流伝熱により起こりうる熱
ひずみを吸収するためのものである。なお、導入管２の
一部にはベローズ２ａを設け、伝熱ロスを抑えるように
している。

【００１１】プラグイン部６の外周面には、複数枚の対
流防止板４１が嵌着されている。上記の隙間には、プラ
グイン部６を導入管２に挿入するときにヘリウムガスが
入り込んでいるために、このガスがプラグイン部６の温
度差に因り対流を起こし、対流伝熱による熱ロスを発生
し易い。上記対流防止板４１はこのようなガスの対流発
生を抑え、熱ロスの発生を防止するためのものである。
なお、プラグイン部６の温度差に関しては、その先端部
が液体ヘリウムタンク１に臨み、ほぼ４Ｋという極低温
であるのに対し、プラグイン部６の基端部、つまりフラ
ンジ３ｃ側は冷凍機本体３に連続し、ほぼ常温の３００
Ｋである。

【００１２】前述した対流防止板４１について図４〜図
６を用いて説明する。図４はプラグイン部６を導入管２
に挿入した状態での、プラグイン部６に取付けられた対
流防止板４１の構成を示し、図５は対流防止板４１の構
成要素を示し、図６は図４のＡ部の詳細を示す。これら
の図において、対流防止板４１は、液体ヘリウムタンク
１に冷凍機本体３を取付けるとき、或いは交換時には、
プラグイン部６を液体ヘリウムタンク１の導入管２に挿
し込み可能なように、かなりの支持剛性を有する必要が
あり、また、対流防止のために導入管２との接触が密で
あると同時に、極低温領域においても弾力性を有する必
要がある。

【００１３】そこで、対流防止板４１は、図５に示すよ
うに熱絶縁性の薄膜シート４３を数枚重ね合わせ、ステ
ンレス、或いはエポキシ等の剛性の高い支持板４４，４
５で挟み込み、リベット等により固定し、支持板４５を
プラグイン部６の外周部に溶接、ロー付け等により固定
することにより構成されている。薄膜シート４３の材質
はポリエステル系、或いはテフロン系のシートが適当で
ある。このような材質による薄膜シート４３は、極低温
域においてもある程度弾力性を有するため、図６に示す
ようにプラグイン部６を導入管２に挿し込んだときに密
着性がよい。このため、ヘリウムガスの漏れ流れによる
ラビリンス効果が期待でき、対流を効果的に抑制するこ
とができる。

【００１４】次に、上述したプラグイン部６の先端部の
シール機構の他の各種の例を図７の（ａ），（ｂ），
（ｃ）を用いて説明する。これらの図においては、プラ
グイン部６の先端部のフランジ６ｂ，６ｃ，６ｄとタン
ク１の内壁１ｂとの間に、シール機構としての各種のパ
ッキン５０，５１，５２が嵌着された例を示している。
図７の（ａ）に示すパッキン５０は、タンク１の内壁１
ｂに当接する面に複数の凸部が形成されたラビリンスパ
ッキンである。これにより、プラグイン部６を導入管２
に挿し込んだときに、パッキン５０が圧着されると、ラ
ビリンス効果により、確実にシールすることができる。
また、図７の（ｂ）に示すフランジ６ｃ及びパッキン５
１には、夫々テーパ面が形成されている。これにより、
プラグイン部６を導入管２に挿し込んだときに、パッキ
ン５１が圧着されると、テーパコンタクトシールによ
り、確実にシールすることができる。また、図７の
（ｃ）に示すフランジ６ｄ及びパッキン５２には、夫々
凸部及び凹部が形成されており、プラグイン部６を導入
管２に挿し込んだときに、互いに嵌合する。これによ
り、ダブルテーパコンタクトシールにより、確実にシー
ルすることができる。なお、本発明は上記実施例構成に
限られず、種々の変形が可能である。例えば、上記で
は、冷凍機本体３のプラグイン部６を液体ヘリウムタン
ク１の導入管２に挿し込んで取付ける場合に着脱自在と
したが、溶接等により、固定する場合においても同様に
適用可能である。

【００１５】

【発明の効果】以上のように請求項１の発明によれば、
極低温冷凍機に形成したプラグイン部を液体冷媒タンク
に形成した導入管に挿し込んで取付けるときに、このプ
ラグイン部の先端部にパッキン等のシール機構を装着さ
せているため、該タンクの導入管とプラグイン部との隙
間に液体冷媒ガスが侵入することを抑制することができ
る。これにより、該ガスの対流伝熱による熱ロスを低減
することができる。さらには、プラグイン部の常温部近
辺にベローズを組み込んでいるため、極低温冷凍機から
の侵入熱を防止することができる。また、このベローズ
により、プラグイン部の先端部に装着されるパッキン等
に押付け力が付与されるため、シール性が向上し、熱ロ
スを低減することができる。 請求項２の発明によれば、
極低温冷凍機に形成したプラグイン部を液体冷媒タンク
に形成した導入管に挿し込んで取付けるときに、このプ
ラグイン部の外周部に対流防止板を設置しているため、
該タンクの導入管とプラグイン部との隙間で発生する液
体冷媒ガスの対流を抑制することができる。これによ
り、効果的に該ガスの対流伝熱による熱ロスを低減する
ことができる。また、熱伝導率が小さい薄膜を、剛性の
高い支持板で挟み込んで対流防止板を構成しているた
め、プラグイン部を導入管に挿入したときでも剛性があ
り、しかも導入管との密着性がよいので、より効果的に
液体冷媒ガスの対流を抑制して、熱ロスを低減すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による車載用極低温冷凍機の
全体構成図である。

【図２】本冷凍機と液体冷媒タンクとの関係図である。

【図３】本冷凍機のプラグイン部の断面構成図である。

【図４】プラグイン部に取付けられた対流防止板を示す
断面図である。

【図５】対流防止板の構成要素の分解斜視図である。

【図６】図４のＡ部の拡大図である。

【図７】シール機構の他の各種例を示す断面図である。

【符号の説明】

１ 液体ヘリウムタンク（液体冷媒タンク） ２ 導入管 ３ 車載用極低温冷凍機（極低温冷凍機） ４，５ 冷媒配管 ６ プラグイン部 ４０ パッキン ４１ 対流防止板 ４２ ベローズ

フロントページの続き (72)発明者 三浦 秋彦 愛知県名古屋市中村区名駅一丁目１番４ 号 東海旅客鉄道株式会社内 (72)発明者 寺井 元昭 愛知県名古屋市中村区名駅一丁目１番４ 号 東海旅客鉄道株式会社内 (72)発明者 山地 睦彦 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東 芝 府中工場内 (72)発明者 藤本 悟 大阪府堺市金岡町1304番地 ダイキン工 業株式会社 堺製作所内 (56)参考文献 特開 平５−332655（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−140275（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−115506（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−206351（ＪＰ，Ａ) 実開 平１−73662（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F25B 9/00 F25B 9/02

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液体冷媒タンクに付設され、該タンク内
   で蒸発した冷媒ガスを再凝縮する極低温冷凍機におい
   て、 前記極低温冷凍機に形成された、該冷凍機の冷媒配管が
   挿通するプラグイン部を、前記液体冷媒タンクに形成さ
   れた導入管に挿し込んで該冷凍機を該タンクに取付け、
   かつ、このプラグイン部の先端部と該タンクの間にパッ
   キン、或いはシール機構を装備し、このプラグイン部の
   常温部近辺にベローズを組み込んだことを特徴とする極
   低温冷凍機のプラグイン取付け構造。
2. 【請求項２】 液体冷媒タンクに付設され、該タンク内
   で蒸発した冷媒ガスを再凝縮する極低温冷凍機におい
   て、 前記極低温冷凍機に形成された、該冷凍機の冷媒配管が
   挿通するプラグイン部を、前記液体冷媒タンクに形成さ
   れた導入管に挿し込んで該冷凍機を該タンクに取付け、
   かつ、前記液体冷媒タンクの導入管とプラグイン部との
   隙間内にあるガスの対流を抑制する対流防止板をプラグ
   イン部の外周部に設置し、 前記対流防止板は、熱伝導率が小さい薄膜を複数枚重
   ね、剛性の高い板で挟み込んで構成されている ことを特
   徴とする極低温冷凍機のプラグイン取付け構造。