JP3244007B2 - 極低温冷凍装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は極低温冷凍装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】極低温冷凍装置は、図３に示すように、
冷凍装置本体９０にヘリウムガスを送り込むためのヘリ
ウム圧縮装置１００を備えることが多い。このヘリウム
圧縮装置１００は、圧縮機１１１と、ガスと油とを分離
する油分離器１１３と、水分等を吸着する吸着器１１４
を備えている。

【０００３】運転停止中は、バイパス配管１３１に介挿
された電磁弁１２０が開状態に設定され、バイパス配管
１３１を通して高圧側と低圧側の差圧が解消されてい
る。これにより、運転停止中に、高圧側と低圧側との差
圧による油の移動が防止される。運転開始と同時に電磁
弁１２０が閉状態に切り替えられ、バイパス配管１３１
が遮断される。圧縮機１１１によって圧縮されたヘリウ
ムガス（油や水分等を含む）は、圧縮機１１１の吐出口
１１１ａと油分離器１１３のガス入口１１３ａとをつな
ぐ配管１２１、油分離器１１３、油分離器１１３のガス
出口１１３ｂと吸着器１１４のガス入口１１４ａとをつ
なぐ配管１２２、吸着器１１４を順に通り、吸着器１１
４のガス出口１１４ｂと冷凍装置本体９０とを継手１４
８を介してつなぐ配管１２３および１２４を通して２２
kgf/cm²程度で冷凍装置本体９０に送り込まれる。な
お、油分離器１１３の高圧側にはガス抜き口１１３ｄが
設けられており、このガス抜き口１１３ｄは高圧制御弁
１１８を介して配管１３０によって低圧側配管１２６に
接続されている。この高圧制御弁１１８によって、高圧
側の圧力が一定の設定値に制御される。高圧側、低圧側
の圧力は圧力計１４１，１４２によって常時監視されて
いる。冷凍装置本体９０に送り込まれるヘリウム流量
は、配管１２２に介挿された流量調節用絞り弁１１９に
よって調節される。冷凍装置本体９０の内部で、ヘリウ
ムガスは等温圧縮および断熱膨張によって降温される。
そのヘリウムガスは、冷凍装置本体９０内部の復路で往
路のヘリウムガスと熱交換を行って昇温され、９kgf/cm
²程度の低圧になって配管１２５を通してヘリウム圧縮
装置１００に戻される。そして、継手１４９、配管１２
６、サージボトム１１５、配管１２７を通して吸入口１
１１ｂから圧縮機１１１に入り、再び圧縮される。

【０００４】なお、油分離器１１３の油出口１１３ｃか
ら出た油は、フィルタ１１６、配管１２８および１２７
を通して圧縮機１１１に戻り、また、圧縮機１１１の油
出口１１１ｃから出た油は、油冷却器１１２、フィルタ
１１６、配管１２９および１２７を通して圧縮機１１１
に戻る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、一般に極低
温冷凍装置では、冷凍装置本体９０内部が冷えていない
状態では、１サイクルで処理できるヘリウム流量（質量
流量）が少ないため、低圧側圧力が定常運転時の値に比
して低くなる。このため、冷凍装置本体９０内部が十分
に冷えていない起動直後の段階では、高圧側と低圧側の
圧力差が大きくなって、冷凍装置本体９０内部の膨張器
の挙動も大きくなり、振動が大きくなるという問題があ
る。この振動は被冷却物にとってノイズ源となったり、
極端な場合は装置の損傷を引き起こしたりする。

【０００６】そこで、この発明の目的は、起動直後の冷
凍装置本体の振動を低減することができるヘリウム圧縮
装置を提供することにある。

【０００７】

【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に記載の極低温冷凍装置は、圧縮機によっ
て圧縮したヘリウムガスを、ガスと油とを分離する油分
離器を通して冷凍装置本体の往路に送り込み、上記冷凍
装置本体の復路から出たヘリウムガスを上記圧縮機の吸
入側に戻す極低温冷凍装置において、上記冷凍装置本体
へヘリウムガスを送り込む側の高圧側配管と、上記冷凍
装置本体からヘリウムガスを戻す側の低圧側配管との間
に、電磁弁が介挿されたバイパス配管が接続され、運転
停止中および運転開始後の一定期間は上記電磁弁を開状
態に設定する一方、上記一定期間経過後の運転中は上記
電磁弁を閉状態に設定する制御部を備えたことを特徴と
する。

【０００８】この請求項１の極低温冷凍装置では、運転
停止中は、制御部がバイパス配管に介挿された電磁弁を
開状態に設定するので、従来と同様に、バイパス配管を
通して高圧側と低圧側の差圧が解消され、これにより、
運転停止中における高圧側と低圧側の差圧による油の移
動が防止される。しかも、運転開始後の一定期間も引き
続き、上記制御部が上記電磁弁を開状態に保持するの
で、圧縮機によって圧縮されたヘリウムガスの一部が上
記バイパス配管を通してバイパスする結果、冷凍装置本
体に流入するヘリウム流量が少なくなる。この結果、冷
凍装置本体内部が十分に冷えていない起動直後の段階で
は、高圧側と低圧側の圧力差が従来に比して小さくなっ
て、冷凍装置本体内部の膨張器の挙動も小さくなる。し
たがって、起動直後の冷凍装置本体の振動が従来に比し
て低減される。なお、上記一定期間経過後の運転中、す
なわち冷凍装置本体内部が十分に冷えた段階では、上記
制御部が上記電磁弁を閉状態に設定するので、圧縮機に
よって圧縮されたヘリウムガスは、上記バイパス配管を
通してバイパスすることなく全て冷凍装置本体に流入す
る。これにより冷凍能力が元にもどる（本来のレベルに
もどる）。

【０００９】請求項２に記載の極低温冷凍装置は、請求
項１に記載の極低温冷凍装置において、上記バイパス配
管を流れるヘリウムガスの流量を調節する流量調節手段
が設けられていることを特徴とする。

【００１０】この請求項２に記載の極低温冷凍装置で
は、運転開始後の一定期間、すなわち冷凍装置本体内部
が十分に冷えていない起動直後の段階で、上記制御部が
上記電磁弁を開状態に保持しているとき、流量調節手段
によって、上記バイパス配管を通して流れるヘリウムガ
スの流量が調節される。この結果、冷凍装置本体に流入
するヘリウム流量が適正レベルに容易に調節される。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を詳
細に説明する。

【００１２】図１は、冷凍装置本体９０に高圧ヘリウム
ガスを送り込むためのヘリウム圧縮装置１０を備えた一
実施形態の極低温冷凍装置を示している。

【００１３】このヘリウム圧縮装置１０は、圧縮機１１
と、ガスと油とを分離する油分離器１３と、水分等を吸
着する吸着器１４を備えている。圧縮機１１の吐出口１
１ａと油分離器１３のガス入口１３ａとは配管２１で接
続され、また、油分離器１３のガス出口１３ｂと吸着器
１４のガス入口１４ａとは、流量調整用絞り弁１９が介
挿された配管２２で接続されている。また、吸着器１４
の上部に設けられたガス出口１４ｂは配管２４、継手４
８、配管２４を介して冷凍装置本体９０に接続されてい
る。

【００１４】油分離器１３の高圧側にはガス抜き口１３
ｄが設けられている。このガス抜き口１３ｄは、高圧制
御弁１８を介して配管３０によって低圧側配管２６に接
続されている。高圧制御弁１８は、高圧側ヘリウムガス
圧力が一定の設定値以下ならば閉じた状態にあるが、高
圧側ヘリウムガス圧力がその設定値を超えると開くよう
になっている。これにより、運転時に高圧側の圧力が上
記設定値に制御される。高圧側、低圧側の圧力は、それ
ぞれ高圧側配管２２、低圧側配管２６に設けられた圧力
計４１，４２によって常時監視されている。

【００１５】また、高圧側配管２２と低圧側配管２６と
は、電磁弁２０が介挿されたバイパス配管３１で接続さ
れている。この電磁弁２０の開閉状態は制御部４０によ
って制御されている。制御部４０は、運転停止中および
運転開始後の一定期間は電磁弁２０を開状態に設定する
一方、上記一定期間経過後の運転中は電磁弁２０を閉状
態に設定するようになっている。

【００１６】 運転停止中は、上述のように制御部４
０が電磁弁２０を開状態に設定する。したがって、従来
と同様に、バイパス配管３１を通して高圧側と低圧側の
差圧が解消され、これにより、運転停止中における高圧
側と低圧側の差圧による油の移動が防止される。

【００１７】 運転が開始されると、上記制御部４０
は、運転開始後の一定期間も引き続き、電磁弁２０を開
状態に保持する。したがって、圧縮機１１によって圧縮
されたヘリウムガスの一部がバイパス配管３１を通して
バイパスする結果、冷凍装置本体９０に流入するヘリウ
ム流量が少なくなる。この結果、冷凍装置本体９０内部
が十分に冷えていない起動直後の段階では、高圧側と低
圧側の圧力差が従来に比して小さくなって、冷凍装置本
体９０内部の膨張器の挙動も小さくなる。したがって、
起動直後の冷凍装置本体９０の振動を従来に比して低減
することができる。

【００１８】このとき、図２中に示すように、バイパス
配管３１にオリフィス、キャピラリチューブその他の流
量調節手段４４を設けておくによって、バイパス配管３
１を通して流れるヘリウムガスの流量を調節することが
できる。この結果、配管２２に介挿された流量調節用絞
り弁１９の設定に応じて、冷凍装置本体９０に流入する
ヘリウム流量を適正レベルに容易に調節することができ
る。

【００１９】 上記一定期間経過後の運転中、すなわ
ち冷凍装置本体９０内部が十分に冷えた段階では、制御
部４０は電磁弁２０を切り替えて閉状態に設定する。し
たがって、圧縮機１１によって圧縮されたヘリウムガス
は、バイパス配管３１を通してバイパスすることなく全
て冷凍装置本体９０に流入する。すなわち、圧縮機１１
によって圧縮されたヘリウムガス（油や水分等を含む）
は、配管２１、油分離器１３、配管２２、吸着器１４を
順に通り、配管２３、継手４８および配管２４を通して
２２kgf/cm²程度で冷凍装置本体９０に送り込まれる。
このとき、冷凍装置本体９０に送り込まれるヘリウム流
量は、専ら配管２２に介挿された流量調節用絞り弁１９
によって調節される。冷凍装置本体９０の内部で、ヘリ
ウムガスは数段の等温圧縮および断熱膨張によって降温
される。そのヘリウムガスは、冷凍装置本体９０内部の
復路で９kgf/cm²程度の低圧になって配管２５を通して
ヘリウム圧縮装置１０に戻される。そして、継手４９、
配管２６、サージボトム１５、配管２７を通して吸入口
１１ｂから圧縮機１１に入り、再び圧縮される。

【００２０】なお、運転時に圧縮機１１の吐出口１１ａ
からヘリウムガスとともに吐出された油は、圧縮機１１
の吐出側配管２１を通して油分離器１３に溜まり、油分
離器１３の下部に設けられた油出口１３ｃから出てその
下方に設けられたフィルタ１６、配管２８および２７を
通して圧縮機１１に戻る。このように油を使う主な理由
は、ヘリウムガスは単原子気体であって比熱比κ（定圧
比熱ｃ_pと定容比熱ｃ_vとの比（ｃ_p／ｃ_v））が大きいこ
とから、圧縮時の発熱が大きく、圧縮機１１を冷却する
必要が大きいからである。圧縮機１１を冷却することに
よって昇温された油は、圧縮機１１の油出口１１ｃから
出て、油冷却器１２によって冷却された後、フィルタ１
６、配管２９および２７を通して圧縮機１１に戻る。

【００２１】

【発明の効果】以上より明らかなように、請求項１の極
低温冷凍装置では、運転開始後の一定期間も引き続き、
制御部がバイパス配管に介挿された電磁弁を開状態に保
持するので、圧縮機によって圧縮されたヘリウムガスの
一部が上記バイパス配管を通してバイパスする結果、冷
凍装置本体に流入するヘリウム流量が少なくなる。この
結果、冷凍装置本体内部が十分に冷えていない起動直後
の段階では、高圧側と低圧側の圧力差が従来に比して小
さくなって、冷凍装置本体内部の膨張器の挙動も小さく
なる。したがって、起動直後の冷凍装置本体の振動を従
来に比して低減することができる。

【００２２】請求項２に記載の極低温冷凍装置では、運
転開始後の一定期間、すなわち冷凍装置本体内部が十分
に冷えていない起動直後の段階で、上記制御部が上記電
磁弁を開状態に保持しているとき、流量調節手段によっ
て、上記バイパス配管を通して流れるヘリウムガスの流
量が調節される。この結果、冷凍装置本体に流入するヘ
リウム流量を適正レベルに容易に調節することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の一実施形態の極低温冷凍装置を示
す図である。

【図２】 図１の極低温冷凍装置の変形例を示す図であ
る。

【図３】 従来の極低温冷凍装置を示す図である。

【符号の説明】

１１ 圧縮機 １３ 油分離器 ４４ 流量調節手段 １０，１０Ａ ヘリウム圧縮装置 ９０ 冷凍装置本体

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧縮機（１１）によって圧縮したヘリウ
   ムガスを、ガスと油とを分離する油分離器（１３）を通
   して冷凍装置本体（９０）の往路に送り込み、上記冷凍
   装置本体（９０）の復路から出たヘリウムガスを上記圧
   縮機（１１）の吸入側に戻す極低温冷凍装置において、 上記冷凍装置本体（９０）へヘリウムガスを送り込む側
   の高圧側配管（２２）と、上記冷凍装置本体（９０）か
   らヘリウムガスを戻す側の低圧側配管（２６）との間
   に、電磁弁（２０）が介挿されたバイパス配管（３１）
   が接続され、 運転停止中および運転開始後の一定期間は上記電磁弁
   （２０）を開状態に設定する一方、上記一定期間経過後
   の運転中は上記電磁弁（２０）を閉状態に設定する制御
   部（４０）を備えたことを特徴とする極低温冷凍装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の極低温冷凍装置におい
   て、 上記バイパス配管（３１）を流れるヘリウムガスの流量
   を調節する流量調節手段（４４）が設けられていること
   を特徴とする極低温冷凍装置。