JP3267163B2 - 極低温冷凍機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高圧の冷媒ガスを
断熱膨張させて極低温レベルの寒冷を発生させる極低温
冷凍機に関し、特に、冷媒回路に少なくとも２つの絞り
部を直列に配置して複数段階の膨張を行わせるようにし
たものの技術分野に属する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、この種の極低温冷凍機とし
て、特開平６―３２３６６１号や特開平６―３２３６６
２号の各公報に示されるように、ＪＴ弁を有するＪＴ回
路において、その冷媒ガスとしてのヘリウムガスの膨張
を２段階で行わせるようにした２段膨張方式の極低温冷
凍機は知られている。

【０００３】図５は通常の１段膨張方式の回路構成の要
部を例示し、（３９）はＪＴ熱交換器で、その１次側
は、予冷冷凍機（２５）のヒートステーション（３３）
で冷却される予冷器（４４）及び他のＪＴ熱交換器（図
示せず）を介して図外の圧縮機の吐出側に接続されてお
り、このＪＴ熱交換器（３９）において、圧縮機で圧縮
されて吐出された後に他のＪＴ熱交換器並びに予冷冷凍
機（２５）により予冷された高圧ヘリウムガスを膨張後
の低圧ヘリウムガスと熱交換して冷却する。また、この
ＪＴ熱交換器（３９）の１次側は液体ヘリウムを貯溜す
る液体ヘリウムタンク（Ｔｈ）（４Ｋ冷却部）に絞り
（４５）（ＪＴ弁）を介して接続されている。この液体
ヘリウムタンク（Ｔｈ）で液体ヘリウムから蒸発した低
圧ヘリウムガスは、上記ＪＴ熱交換器（３９）及び他の
ＪＴ熱交換器の各２次側に戻って高圧のヘリウムガスを
冷却した後、元の圧縮機の吸入側に戻るようになってい
る。そして、熱交換器等での圧力損失を無視した理想的
の場合、図７に示すヘリウムのＰ−ｈ線図（圧力−エン
タルピー線図）において、ヘリウムの状態は点（ｈ１）
から順に点（ｈ２），（ｈ３），…，（ｈ５）を経た後
に点（ｈ１）に戻る。すなわち、点（ｈ１）から点（ｈ
２）に移行する間にＪＴ熱交換器（３９）を通って温度
が下がる。点（ｈ２）から点（ｈ３）に移る間に絞り
（４５）（ＪＴ弁）によりＪＴ膨張してヘリウムガスの
一部が液化し（尚、ＪＴ膨張では、等エンタルピー変化
で圧力が下がるので、線図では下側に向かって真直ぐに
変化する）、その際、ヘリウム流量×（ｈ４−ｈ３）が
ヘリウムの蒸発潜熱による冷凍能力となる。尚、上記線
図の各点（ｈ１）〜（ｈ５）となるヘリウムの状態を図
５の各位置に対応して示している。

【０００４】一方、図６は２段膨張方式の回路構成の要
部を示し（図５と同じ部分については同じ符号を付して
説明する）、上記図５に示す１段膨張方式の回路構成に
対し、そのＪＴ熱交換器（３９）と液体ヘリウムタンク
（Ｔｈ）との間に今１つのＪＴ熱交換器（４０）と絞り
（４５′）とを直列に接続したものである（或いは１段
膨張方式の回路構成において、予冷冷凍機（２５）のヒ
ートステーション（３３）にある予冷器（４４）とＪＴ
熱交換器（４０）との間に今１つのＪＴ熱交換器（３
９）と絞り（４５）とを直列に接続したものと考えても
よい）。そして、図７に示すヘリウムのＰ−ｈ線図にお
いて、点（ｈ１′）から点（ｈ６）に移る間にＪＴ熱交
換器（３９）を通ることで温度が低下し、その後、最初
の絞り（４５）で点（ｈ６）から点（ｈ７）に膨張して
圧力が下がる。さらに、点（ｈ７）から点（ｈ２′）に
移行する間に温度が下がった後、２つ目の絞り（４
５′）で点（ｈ２′）から点（ｈ３′）に膨張する。そ
して、このように２段階で膨張させることで、点（ｈ
３′）が１段膨張方式における点（ｈ３）よりも図７の
左側に移動し、冷凍能力（＝ヘリウム流量×（ｈ４−ｈ
３′））を上げることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記従来の
ような２段膨張方式の極低温冷凍機では、以下に示す問
題があった。すなわち、一般に、微妙なヘリウム流量を
調整するために、常温から操作ロッドにより開度調整を
行うことができるＪＴ弁を絞りとして使用する必要があ
るが、その反面、ヘリウムが液化する直前の絞りとして
のＪＴ弁は、その操作ロッドにより常温部と直接に接続
されているので、その常温部からの熱侵入の原因とな
り、冷凍能力の低下を招くという問題がある。このこと
から、上記２段膨張方式のＪＴ回路において、２つの絞
り（４５），（４５′）を共に、常温部から操作可能な
ＪＴ弁とすることは、その分、熱侵入の虞れが大きくな
って好ましくない。

【０００６】そこで、上記従来例のように、２つの絞り
（４５），（４５′）のうちの一方をＪＴ弁とし、他方
を固定オリフィスとしてもよいが、その場合、固定オリ
フィスがＪＴ回路内に接続されるので、冷凍機の運転開
始からクールダウンまでの時間がかかる。つまり、通常
は、冷凍機の運転開始の初期段階でヘリウム流量を稼ぐ
ためにＪＴ弁を全開状態にしておき、クールダウン後に
ＪＴ弁の開度を適正開度に変えてヘリウム流量を調整す
るようにしているが、固定オリフィスがＪＴ回路内にあ
ると、その固定オリフィスにヘリウム流量が制限される
ので、ＪＴ弁を全開にしても効果がなく、ヘリウムガス
流量を大流量に保つことができず、その結果、クールダ
ウンまでの時間がかかる。

【０００７】また、製造時に固定オリフィス上流側に埃
やフラックス等のコンタミネーションが入ると、その除
去を容易に行い得ず、固定オリフィスが詰まる虞れがあ
る。

【０００８】一方、２つの絞り（４５），（４５′）を
共に固定オリフィスとすると、極低温部を常温部と完全
に隔離でき、熱侵入の虞れがなくて有利であるが、反
面、ヘリウム流量を調整できないので、現実的な解決策
とはならない。しかも、上記のようにクールダウンまで
の時間がかかることやコンタミネーションを除去できな
いという問題は依然として残る。

【０００９】本発明は斯かる諸点に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、上記のように冷媒ガ
スを複数段に膨張させる極低温冷凍機に対し、その絞り
部を適正なものとすることで、冷凍機の運転開始時から
クールダウン状態までの時間を短縮するとともに、極低
温部への常温部からの熱侵入を低減させて冷凍能力を良
好に確保するようにすることにある。

【００１０】

【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、この発明では、前段目の絞り部に常温部から操作
可能なＪＴ弁を使用し、後段目の絞り部は冷媒ガス圧の
変化により冷媒ガス流量が変わる可動オリフィスを使用
するようにした。

【００１１】具体的には、請求項１の発明では、図１又
は図４に示すように、高圧の冷媒ガスを絞り部により少
なくとも前後２段階に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、上記前段
目の絞り部は、常温部から開度調整可能なＪＴ弁（４
５）で構成され、後段目の絞り部は、入口側及び出口側
間の冷媒ガス圧の差により冷媒ガス流量を変化させる可
動オリフィス（５１）で構成されていることを特徴とす
る。

【００１２】上記の構成により、前段目の絞り部での冷
媒ガス温度は後段目の絞り部よりも高く、この前段目の
絞り部に常温部から開度調整可能なＪＴ弁（４５）が用
いられているので、極低温部に対する常温部からの熱侵
入を良好に低減することができる。

【００１３】また、極低温冷凍機の運転開始時に前段目
の絞り部としてのＪＴ弁（４５）の開度を全開状態にす
ると、後段目の絞り部としての可動オリフィス（５１）
において入口側及び出口側間の冷媒ガス圧の差が大きく
なるので、その可動オリフィス（５１）の開度が大きく
なる。これらの結果、冷媒ガスの流量が増加してクール
ダウンまでの時間を短縮することができる。

【００１４】そして、この冷凍機がクールダウン状態に
なると、上記ＪＴ弁（４５）の開度を小さくすればよ
い。このことで、可動オリフィス（５１）における入口
側及び出口側間の冷媒ガス圧の差が小さくなるので、そ
の可動オリフィス（５１）の開度がＪＴ弁（４５）の開
度に対応した小さな開度となる。

【００１５】また、絞りはＪＴ弁（４５）及び可動オリ
フィス（５１）で構成されているので、製造時に埃等の
コンタミネーションが混入していても、可動オリフィス
（５１）についてはその入口側に高圧の冷媒ガスを作用
させることで、そのコンタミネーションを容易に除去で
き、コンタミネーションによる絞り部の詰まりを防止す
ることができる。

【００１６】請求項２の発明では、上記請求項１の発明
の極低温冷凍機において、図１に示す如く、膨張前後の
冷媒ガス同士を熱交換する２つのＪＴ熱交換器（３
９），（４０）が直列に接続されている回路構成に対
し、ＪＴ弁（４５）は上記２つのＪＴ熱交換器（３
９），（４０）の間に直列に接続されている一方、可動
オリフィス（５１）は、上記下流側ＪＴ熱交換器（４
０）の下流側に直列に接続されているものとする。

【００１７】一方、請求項３の発明では、請求項１の発
明の極低温冷凍機において、図４に示すように、ＪＴ弁
（４５）は、膨張前後の冷媒ガス同士を熱交換する１つ
のＪＴ熱交換器（３９′）の内部に直列に接続され、可
動オリフィス（５１）は、上記ＪＴ熱交換器（３９′）
の下流側に直列に接続されているものとする。

【００１８】これら発明によると、上記請求項１の発明
を適用するのに好適な複数段膨張方式の極低温冷凍機が
具体的に容易に得られる。

【００１９】請求項４の発明では、上記請求項１、２又
は３の発明の極低温冷凍機において、図２に示す如く、
可動オリフィス（５１）は、高圧側配管（５０）に接続
されるガス入口（５４）及び低圧側配管（４８）に接続
されるガス出口（５５）を有するハウジング（５２）
と、このハウジング（５２）のガス入口（５４）を開閉
するように移動可能に設けられ、オリフィス孔（５８）
を有するオリフィス本体（５７）と、このオリフィス本
体（５７）をガス入口（５４）が閉じられる方向に移動
付勢するばね（６４）とを備えてなる構成とする。

【００２０】このことで、極低温冷凍機の運転開始時
に、可動オリフィス（５１）の上流側にあるＪＴ弁（４
５）を開くと、ハウジング（５２）において高圧側配管
（５０）に接続されるガス入口（５４）でのガス圧が低
圧側配管（４８）に接続されるガス出口（５５）でのガ
ス圧よりも高くなって両ガス圧の差も増大し、このこと
によりオリフィス本体（５７）がばね（６４）の付勢力
に抗してガス入口（５４）を開くように移動し、このオ
リフィス本体（５７）の開き動作によりガス入口（５
４）の開度が増大する。従って、冷媒ガスはガス入口
（５４）及びオリフィス本体（５７）のオリフィス孔
（５８）の双方を通ってガス出口（５５）に至り、その
流量、つまり可動オリフィス（５１）を流れる冷媒ガス
流量が増加して、冷凍機のクールダウンまでの時間を短
縮することができる。

【００２１】一方、このようなクールダウンの後にＪＴ
弁（４５）の開度を小さくすると、ハウジング（５２）
のガス入口（５４）でのガス圧と低圧側配管（４８）に
接続されるガス出口（５５）でのガス圧との差圧は小さ
くなり、このことでオリフィス本体（５７）はばね（６
４）の付勢力によりガス入口（５４）を閉じるように移
動し、ガス入口（５４）が閉じられる。この状態ではガ
ス入口（５４）の冷媒ガスはオリフィス本体（５７）の
オリフィス孔（５８）のみを通ってのみガス出口（５
５）に流れ、その冷媒ガスの流量、つまり可動オリフィ
ス（５１）を流れる冷媒ガス流量が減少してＪＴ弁（４
５）の開度に対応した流量となる。よって、可動オリフ
ィス（５１）の具体的な構成を容易に得ることができ
る。

【００２２】請求項５の発明では、上記オリフィス本体
（５７）によるガス入口（５４）の開度調整が可能とな
るようにばね（６４）の付勢力を変更するばね力調整手
段（６３）を設ける。こうすれば、ばね（６４）のオリ
フィス本体（５７）に対する付勢力を容易に適正値に調
整することができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】

（実施形態１）図３は本発明の実施形態１に係る極低温
冷凍機としてのヘリウム冷凍機（Ｒ）の全体構成を示
す。このヘリウム冷凍機（Ｒ）はＧＭ冷凍機用圧縮機ユ
ニット（１）、ＪＴ冷凍機用圧縮機ユニット（１１）及
び冷凍機ユニット（２４）からなる。上記ＧＭ冷凍機用
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（４）を介して吸い込ん
で圧縮する圧縮機（５）と、この圧縮機（５）から吐出
された高圧ヘリウムガス中に含まれる油を分離除去する
油分離器（６）と、この油分離器（６）で油が除去され
たヘリウムガスからコンタミネーションを吸着除去する
吸着器（７）とを備え、この吸着器（７）の吐出側は高
圧配管（８）を経て高圧ガス吐出口（３）に接続されて
いる。

【００２４】一方、ＪＴ冷凍機用圧縮機ユニット（１
１）には、低圧ガス吸入口（１２）からの低圧ヘリウム
ガスを低圧配管（１４）を介して吸い込んで圧縮する低
段圧縮機（１５）と、この低段圧縮機（１５）から吐出
されたヘリウムガスを吸い込んでさらに高圧に圧縮する
高段圧縮機（１６）と、この高段圧縮機（１６）から吐
出された高圧ヘリウムガス中に含まれる油を分離除去す
る油分離器（１７）と、この油分離器（１７）で油が除
去されたヘリウムガスからコンタミネーションを吸着除
去する吸着器（１８）とを備え、この吸着器（１８）の
吐出側は高圧配管（１９）を経て高圧ガス吐出口（１
３）に接続されている。

【００２５】上記高圧配管（１９）の途中にはヘリウム
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、ヘリウムガスを貯
蔵するバッファタンク（Ｔｂ）に接続されている。上記
ヘリウムガス戻し配管（２０）には高圧制御弁（ＨＰ
Ｒ）が配設されている。この高圧制御弁（ＨＰＲ）は、
高圧配管（１９）でのヘリウムガス圧が設定圧以上に上
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（ＨＰＲ）の開弁に伴い、高圧配
管（１９）内の高圧ヘリウムガスの一部がバッファタン
ク（Ｔｂ）内に戻される。

【００２６】また、このバッファタンク（Ｔｂ）にはヘ
リウムガス供給配管（２１）の一端部が接続され、この
ヘリウムガス供給配管（２１）の他端は、上記高段圧縮
機（１６）の吸込み側（低段及び高段圧縮機（１５），
（１６）の間）に接続されている。また、上記ヘリウム
ガス供給配管（２１）には低圧制御弁（ＬＰＲ）が配設
されている。この低圧制御弁（ＬＰＲ）は、高段圧縮機
（１６）の吸入側でのヘリウムガス圧が設定圧以下に低
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（ＬＰＲ）の開弁に伴い、バッフ
ァタンク（Ｔｂ）内のヘリウムガスがヘリウムガス供給
配管（２１）を介して高段圧縮機（１６）の吸込み側
（ＪＴ回路）に供給される。

【００２７】これに対し、上記冷凍機ユニット（２４）
はクライオスタット（Ｃ）を有し、このクライオスタッ
ト（Ｃ）内部に、超電導磁石等の冷却対象物（図示せ
ず）を冷却するための４Ｋレベルの液体ヘリウムを貯溜
する液体ヘリウムタンク（Ｔｈ）が外部から熱シールド
された状態で収容されている。

【００２８】上記冷凍機ユニット（２４）は予冷冷凍機
（２５）及びＪＴ冷凍機（３６）を備えてなる。予冷冷
凍機（２５）は、上記ＧＭ冷凍機用圧縮機ユニット
（１）の低圧ガス吸入口（２）及び高圧ガス吐出口
（３）に閉回路に接続されている。この予冷冷凍機（２
５）は、ＪＴ冷凍機（３６）におけるヘリウムガスを予
冷するためにヘリウムガスを圧縮及び膨張させるもの
で、ディスプレーサ（図示せず）に対するヘリウムガス
圧により該ディスプレーサを往復動させるガス圧駆動型
のＧＭサイクル（ギフォード・マクマホン・サイクル）
の膨張機で構成されている。

【００２９】すなわち、予冷冷凍機（２５）は上記クラ
イオスタット（Ｃ）の外部に配置される密閉状のモータ
ヘッド（２６）と、該モータヘッド（２６）に連設され
た大小２段構造のシリンダ（２７）とを有する。上記モ
ータヘッド（２６）には高圧ガス入口（２８）及び低圧
ガス出口（２９）が開口され、高圧ガス入口（２８）は
予冷側高圧配管（３０）を介して上記ＧＭ冷凍機用圧縮
機ユニット（１）の高圧ガス吐出口（３）つまり圧縮機
（５）の吐出側に、また低圧ガス出口（２９）は予冷側
低圧配管（３１）を介して同圧縮機ユニット（１）の低
圧ガス吸入口（２）つまり圧縮機（５）の吸入側にそれ
ぞれ接続されている。

【００３０】一方、シリンダ（２７）の先端部はクライ
オスタット（Ｃ）の壁部を貫通してその内部に延びてお
り、その大径部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（３２）に、また小径部の
先端部は上記第１ヒートステーション（３２）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
（３３）にそれぞれ形成されている。

【００３１】すなわち、ここでは図示しないが、シリン
ダ（２７）内には、上記各ヒートステーション（３
２），（３３）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、モータヘッド（２
６）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（２８）
から流入したヘリウムガスをシリンダ（２７）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（２９）から排出するように切り換
わる。また、モータヘッド（２６）には、シリンダ（２
７）内の膨張空間に対しオリフィスを介して連通する中
間圧室が設けられており、ロータリバルブの切換えによ
り膨張空間と中間圧室との間に圧力差を生じさせ、この
圧力差によりディスプレーサを往復駆動するようにして
いる。そして、ロータリバルブの開閉により圧縮機ユニ
ット（１）の圧縮機（５）からの高圧ヘリウムガスをシ
リンダ（２７）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（２７）における第１及び
第２ヒートステーション（３２），（３３）にて保持す
る。つまり、予冷冷凍機（２５）では、圧縮機（５）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（３２），（３３）の温度を低下させ、
ＪＴ冷凍機（３６）における後述の予冷器（４３），
（４４）を予冷するとともに、膨張した中間圧のヘリウ
ムガスを圧縮機（５）の吸入側に戻して再圧縮するよう
になされている。

【００３２】一方、ＪＴ冷凍機（３６）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（３６）
は上記クライオスタット（Ｃ）内に配置された第１〜第
４ＪＴ熱交換器（３７）〜（４０）を備えている。この
各ＪＴ熱交換器（３７）〜（４０）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１ＪＴ熱交換器（３７）の１次側は上記Ｊ
Ｔ冷凍機用圧縮機ユニット（１１）の高圧ガス吐出口
（１３）つまり高段圧縮機（１６）の吐出側にＪＴ側高
圧配管（４１）を介して接続されている。また、第１及
び第２ＪＴ熱交換器（３７），（３８）の各１次側同士
は、上記予冷冷凍機（２５）におけるシリンダ（２７）
の第１ヒートステーション（３２）外周に配置した第１
予冷器（４３）を介して接続されている。

【００３３】図１にも示すように、第２及び第３ＪＴ熱
交換器（３８），（３９）の各１次側同士は、第２ヒー
トステーション（３３）外周に配置した第２予冷器（４
４）を介して接続されている。さらに、上記第３ＪＴ熱
交換器（３９）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、前段目の絞り部としてのＪＴ
弁（４５）に吸着器（４６）を介して接続されている。
上記ＪＴ弁（４５）はクライオスタット（Ｃ）外側の常
温部から操作ロッド（４５ａ）によって開度が調整され
る。このＪＴ弁（４５）は、第４ＪＴ熱交換器（４０）
の１次側に接続され、この第４ＪＴ熱交換器（４０）の
１次側は、上記ＪＴ弁（４５）と同様に高圧ヘリウムガ
スを膨張させる、後段目の絞り部としての可動オリフィ
ス（５１）に吸着器（４７）を介して接続されている。
さらに、この可動オリフィス（５１）は液体ヘリウム戻
し配管（４８）を介して上記液体ヘリウムタンク（Ｔ
ｈ）内に連通されている。このヘリウムタンク（Ｔｈ）
内は、ヘリウムガス吸入配管（４９）を介して上記第４
ＪＴ熱交換器（４０）の２次側に接続されている。そし
て、この第４ＪＴ熱交換器（４０）の２次側は第３及び
第２ＪＴ熱交換器（３９），（３８）の各２次側を経て
第１ＪＴ熱交換器（３７）の２次側に接続され、この第
１ＪＴ熱交換器（３７）の２次側は低圧配管（４２）を
介してＪＴ冷凍機用圧縮機ユニット（１１）の低圧ガス
吸入口（１２）つまり低段圧縮機（１５）の吸入側に接
続されている。

【００３４】上記可動オリフィス（５１）は、入口側及
び出口側間のヘリウムガス圧の差によりヘリウムガス流
量を変化させるもので、図２に拡大詳示するように、内
部に空間（５３）を有する密閉円筒状のハウジング（５
２）を備えている。このハウジング（５２）の壁部に
は、その長さ方向の一端にガス入口（５４）が、また中
間部にガス出口（５５）がそれぞれ空間（５３）に連通
するように開口され、ガス入口（５４）には、上記吸着
器（４７）を介して第４ＪＴ熱交換器（４０）の１次側
に連通する高圧側配管（５０）が、またガス出口（５
５）には低圧側配管として上記液体ヘリウム戻し配管
（４８）がそれぞれ接続されている。すなわち、ハウジ
ング（５２）内の空間（５３）は、ガス入口（５４）か
らガス出口（５５）に至るヘリウム流路の一部をなして
いる。

【００３５】上記ハウジング（５２）の内面においてガ
ス入口（５４）の周囲部は座面（５６）（弁座）とされ
ている。また、ハウジング（５２）の空間（５３）内に
はオリフィス本体（５７）が上記ガス入口（５４）を開
閉するように移動可能に配設されている。このオリフィ
ス本体（５７）は有底円筒状のもので、その開口端をガ
ス入口（５４）と反対側に向けた状態で配置され、その
外側底面が上記座面（５６）に当接したときにガス入口
（５４）が閉じられる。そして、このオリフィス本体
（５７）の底壁には小孔からなるオリフィス孔（５８）
が貫通形成されており、オリフィス本体（５７）がガス
入口（５４）を閉じた状態では、ガス入口（５４）と空
間（５３）内とがオリフィス孔（５８）を介して連通さ
れるようになっている。

【００３６】また、ハウジング（５２）の壁部には、そ
の長さ方向の他端面の中心に有底の調整穴（６０）が形
成され、この調整穴（６０）の底面中心にはハウジング
（５２）内の空間（５３）まで貫通するねじ孔（６１）
が形成され、このねじ孔（６１）には、ハウジング（５
２）の長さ方向に延びるばね力調整手段としてのばね受
け（６３）が螺動可能に支持され、このばね受け（６
３）の外端部にはドライバ等と係止可能な係止部（６３
ａ）が形成されている。一方、ばね受け（６３）の内端
部はハウジング（５２）内の空間（５３）内に突出し、
その突出部分と上記オリフィス本体（５７）との間には
オリフィス本体（５７）をガス入口（５４）が閉じられ
る方向（座面５６に着座する方向）に移動付勢するばね
（６４）が縮装されている。そして、上記ばね受け（６
３）を螺動させることで、上記ばね（６４）の付勢力を
変更してオリフィス本体（５７）によるガス入口（５
４）の開度調整を可能とし、ばね受け（６３）を図２で
右側に螺動させたときには、オリフィス本体（５７）に
対するばね（６４）の付勢力（押付け力）を小さくする
一方、逆に図２で左側に螺動させたときには、オリフィ
ス本体（５７）に対するばね（６４）の付勢力を大きく
するようになっている。尚、このばね（６４）の付勢力
は、ＪＴ弁（４５）を絞ったときにガス入口（５４）及
びガス出口（５５）間のヘリウムガス差圧がオリフィス
本体（５７）に作用する力よりも大きく、かつＪＴ弁
（４５）を全開状態にしたときにガス入口（５４）及び
ガス出口（５５）間のヘリウムガス差圧がオリフィス本
体（５７）に作用する力よりも小さい値に設定されてい
る。

【００３７】尚、図２中、（６５）はハウジング（５
２）の調整穴（６０）に螺合締結された蓋ボルト、（６
６）は該蓋ボルト（６５）と調整穴（６０）との間を極
低温状態でもシール可能なメタルＯリングである。

【００３８】そして、このことで、上記ＪＴ冷凍機（３
６）はＪＴ冷凍機用圧縮機ユニット（１１）の両圧縮機
（１５），（１６）に対し高低圧配管（４１），（４
２）を介して直列に接続されたヘリウム回路（ＪＴ回
路）をなし、そのヘリウム回路の一部が液体ヘリウム戻
し配管（４８）及びヘリウムガス吸入配管（４９）を介
してヘリウムタンク（Ｔｈ）内に開放されており、この
ヘリウムタンク（Ｔｈ）内で蒸発したヘリウムガスをガ
ス吸入配管（４９）からヘリウム回路に吸い込み、さら
に第４〜第１ＪＴ熱交換器（４０）〜（３７）の各２次
側を通して圧縮機ユニット（１１）の低段圧縮機（１
５）、次いで高段圧縮機（１６）にそれぞれ吸入して圧
縮する。また、この高段圧縮機（１６）により圧縮され
た高圧ヘリウムガスを第１〜第４ＪＴ熱交換器（３７）
〜（４０）において、上記圧縮機ユニット（１１）側に
向かう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（４３），（４４）でそれぞれ
予冷冷凍機（２５）の第１及び第２ヒートステーション
（３２），（３３）で冷却（予冷）した後、ＪＴ弁（４
５）でジュールトムソン膨張させ、さらに可動オリフィ
ス（５１）で膨張させて約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（４８）
を経由してタンク（Ｔｈ）内に戻すようになされてい
る。

【００３９】次に、上記実施形態の作用について説明す
る。基本的には、ＧＭ冷凍機用圧縮機ユニット（１）の
圧縮機（５）から供給された高圧のヘリウムガスが予冷
冷凍機（２５）におけるシリンダ（２７）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（３２）が所定温度レベルに、また
第２ヒートステーション（３３）が第１ヒートステーシ
ョン（３２）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、その圧縮機（５）に吸い込まれて再圧縮
される。

【００４０】一方、ＪＴ冷凍機用圧縮機ユニット（１
１）の高段圧縮機（１６）から供給された高圧のヘリウ
ムガスは、ＪＴ用高圧配管（４１）を経由してＪＴ冷凍
機（３６）の第１ＪＴ熱交換器（３７）の１次側に入
り、そこで圧縮機ユニット（１１）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（２
５）の第１ヒートステーション（３２）外周の第１予冷
器（４３）に入ってさらに冷却される。この冷却された
ガスは第２ＪＴ熱交換器（３８）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（２５）の第２
ヒートステーション（３３）外周の第２予冷器（４４）
に入ってさらに冷却される。この後、ガスは第３ＪＴ熱
交換器（３９）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ＪＴ
弁（４５）に至る。このＪＴ弁（４５）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する。さらに、
この膨張後のガスは、第４ＪＴ熱交換器（４０）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
さらに冷却された後に可動オリフィス（５１）に流れ、
この可動オリフィス（５１）における主としてオリフィ
ス本体（５７）のオリフィス孔（５８）で絞られて膨張
する。このＪＴ弁（４５）及び可動オリフィス（５１）
での２段階の膨張によりヘリウムガスは約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（４８）を経由して液体ヘリウムタンク（Ｔｈ）
へ供給される。このヘリウムタンク（Ｔｈ）内の液体ヘ
リウムにより冷却対象物が極低温レベルに冷却保持され
る。また、この液体ヘリウムタンク（Ｔｈ）内で蒸発し
たヘリウムガスは、ヘリウムガス吸入配管（４９）を介
して第４ＪＴ熱交換器（４０）の２次側に吸入され、さ
らに第３〜第１ＪＴ熱交換器（３９）〜（３７）の各２
次側を経由して低段圧縮機（１５）に吸い込まれて再圧
縮される。

【００４１】そして、ヘリウム冷凍機（Ｒ）が運転開始
されるときには、上記１段目の絞り部としてのＪＴ弁
（４５）の開度がクライオスタット（Ｃ）外側の常温部
から操作ロッド（４５ａ）によって全開状態に調整され
る。すると、２段目の絞り部としての可動オリフィス
（５１）においては、そのハウジング（５２）のガス入
口（５４）とガス出口（５５）（空間（５３））とのヘ
リウムガス圧の差が大きくなるので、このヘリウムガス
の差圧の増大によりオリフィス本体（５７）がばね（６
４）の付勢力に抗して図２右側に移動してガス入口（５
４）が開き、ガス入口（５４）及びガス出口（５５）間
のヘリウムガスの差圧とばね（６４）の閉じ付勢力とが
釣り合った状態が保たれる。この状態では、ガス入口
（５４）のヘリウムガスは、オリフィス本体（５７）の
オリフィス孔（５８）のみならず、オリフィス本体（５
７）と開かれたガス入口（５４）周囲の座面（５６）と
の間の間隙をも通って空間（５３）内に流れる。この結
果、ＪＴ冷凍機（３６）でのヘリウムガスの流量が増加
し、ヘリウム冷凍機（Ｒ）のクールダウンまでの時間を
短縮することができる。

【００４２】その後、ヘリウム冷凍機（Ｒ）がクールダ
ウン状態になると、上記ＪＴ弁（４５）の開度が常温部
から操作ロッド（４５ａ）によって小さく調整される。
このことで、可動オリフィス（５１）においては、その
ハウジング（５２）のガス入口（５４）とガス出口（５
５）とのヘリウムガス圧の差が小さくなるので、オリフ
ィス本体（５７）がばね（６４）の付勢力により図２左
側に移動してガス入口（５４）が閉じる。この状態で
は、ガス入口（５４）のヘリウムガスはオリフィス本体
（５７）のオリフィス孔（５８）のみを経て空間（５
３）内に流れ、ＪＴ冷凍機（３６）でのヘリウムガスの
流量が減少してＪＴ弁（４５）の開度に対応した適正流
量になる。

【００４３】したがって、この実施形態では、ＪＴ冷凍
機（３６）において高圧ヘリウムガスを２段階に膨張さ
せるとき、ヘリウムガス温度の高い側である１段目がＪ
Ｔ弁（４５）である一方、低い側である２段目が可動オ
リフィス（５１）であるので、上記ガス温度の高い側で
ある１段目に常温部から開度調整可能なＪＴ弁（４５）
を用いても、そのＪＴ弁（４５）で常温部からの熱侵入
の影響は小さく、よって冷凍機（Ｒ）の極低温部分に対
する常温部からの熱侵入を低減させることができる。

【００４４】また、上記ＪＴ冷凍機（３６）のヘリウム
回路に接続される２段目の絞り部として開度調整可能な
可動オリフィス（５１）が設けられているので、製造時
に埃等のコンタミネーションがＪＴ冷凍機（３６）のヘ
リウム回路内に混入していても、可動オリフィス（５
１）のガス入口（５４）に高圧のヘリウムガスを作用さ
せるだけで、そのコンタミネーションを容易に除去する
ことができ、コンタミネーションによる詰まりを防止す
ることができる。

【００４５】さらに、上記可動オリフィス（５１）にお
けるばね（６４）によるオリフィス本体（５７）の開度
調整が可能であるので、ばね（６４）の付勢力を容易に
適正値に調整することができる。

【００４６】（実施形態２）図４は本発明の実施形態２
を示し（尚、図１〜図３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）、上記実施形態１
では、第１〜第４の４つのＪＴ熱交換器（３７）〜（４
０）を配設し、第３ＪＴ熱交換器（３９）と第４ＪＴ熱
交換器（４０）との間にＪＴ弁（４５）を接続している
のに対し、第１〜第３の３つのＪＴ熱交換器（３７）〜
（３９′）を設け、そのうちの最下流側にある第３ＪＴ
熱交換器（３９′）内部にＪＴ弁（４５）を接続したも
のである。

【００４７】すなわち、この実施形態では、図４に示す
ように、第３ＪＴ熱交換器（３９′）内部の１次側の途
中にＪＴ弁（４５）が直列に接続されている。そして、
上記実施形態１における第４ＪＴ熱交換器（４０）はな
く、上記第３ＪＴ熱交換器（３９′）の１次側と液体ヘ
リウム（Ｔｈ）との間、つまり第３ＪＴ熱交換器（３
９′）の下流側に直列に可動オリフィス（５１）が接続
されている。その他の構成は上記実施形態１と同じであ
る。したがって、この実施形態でも、実施形態１と同様
の作用効果を奏することができる。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明の
極低温冷凍機によると、高圧の冷媒ガスを絞り部により
少なくとも前後２段階に膨張させて極低温レベルの寒冷
を発生させる場合に、前段目の絞り部は常温部から開度
調整可能なＪＴ弁で、また後段目の絞り部は、入口側及
び出口側間の冷媒ガス圧の差により冷媒ガス流量を変化
させる可動オリフィスでそれぞれ構成したことにより、
冷媒ガス温度が後段目の絞り部よりも高い前段目の絞り
部に常温部から開度調整可能なＪＴ弁を用いて、冷凍機
の極低温部に対する常温部からの熱侵入の低減を図るこ
とができるとともに、極低温冷凍機の運転開始時にＪＴ
弁の開度を全開状態にすれば、可動オリフィスにおいて
入口側及び出口側間の冷媒ガス圧の差の増大により可動
オリフィスの開度を大きくして冷媒ガスの流量を増加で
き、クールダウンまでの時間の短縮を図ることができ
る。さらには、製造時に埃等のコンタミネーションが混
入していても、そのコンタミネーションを容易に除去し
て、絞り部の詰まりを防止することができる。

【００４９】請求項２の発明では、膨張前後の冷媒ガス
同士を熱交換する２つのＪＴ熱交換器が直列に接続され
ている回路構成に対し、ＪＴ弁は２つのＪＴ熱交換器の
間に直列に接続し、可動オリフィスは下流側ＪＴ熱交換
器の下流側に直列に接続した。また、請求項３の発明で
は、ＪＴ弁は、膨張前後の冷媒ガス同士を熱交換する１
つのＪＴ熱交換器の内部に直列に接続し、可動オリフィ
スはＪＴ熱交換器の下流側に直列に接続した。従って、
これら発明によると、上記発明を適用するのに好適な複
数段膨張方式の極低温冷凍機が具体的に容易に得られ
る。

【００５０】請求項４の発明によると、可動オリフィス
は、高圧側配管に接続されるガス入口及び低圧側配管に
接続されるガス出口を有するハウジングと、このハウジ
ングのガス入口を開閉するように移動可能に設けられ、
オリフィス孔を有するオリフィス本体と、このオリフィ
ス本体をガス入口が閉じられる方向に移動付勢するばね
とを備えてなる構成としたことにより、可動オリフィス
の具体的な構成を容易に得ることができる。

【００５１】請求項５の発明によると、ばねによるオリ
フィス本体の開度調整を可能としたことにより、ばねの
付勢力を容易に適正値に調整することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１に係る極低温冷凍機の要部
を示す冷媒回路図である。

【図２】可動オリフィスの構造を示す拡大断面図であ
る。

【図３】極低温冷凍機の全体構成を示す冷媒回路図であ
る。

【図４】本発明の実施形態２を示す図１相当図である。

【図５】１段膨張方式の極低温冷凍機の要部を示す図１
相当図である。

【図６】従来の２段膨張方式の極低温冷凍機の要部を示
す図１相当図である。

【図７】ヘリウム冷凍機でのヘリウムについてのＰ−ｈ
線図である。

【符号の説明】

（Ｒ） ヘリウム冷凍機（極低温冷凍機） （５），（１５），（１６） 圧縮機 （２４） 冷凍機ユニット （２５） 予冷冷凍機 （３２），（３３） ヒートステーション （３６） ＪＴ冷凍機 （３７）〜（４０） ＪＴ熱交換器 （４５） ＪＴ弁 （４５ａ） 操作ロッド （４８） 液体ヘリウム戻し配管（低圧側配管） （５０） 高圧側配管 （５１） 可動オリフィス （５２） ハウジング （５４） ガス入口 （５５） ガス出口 （５７） オリフィス本体 （５８） オリフィス孔 （６３） ばね受け（ばね力調整手段） （６４） ばね （Ｃ） クライオスタット （Ｔｈ） 液体ヘリウムタンク

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F25B 9/02

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高圧の冷媒ガスを絞り部により少なくと
   も前後２段階に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、 上記前段目の絞り部は、常温部から開度調整可能なＪＴ
   弁（４５）で構成され、 上記後段目の絞り部は、入口側及び出口側間の冷媒ガス
   圧の差により冷媒ガス流量を変化させる可動オリフィス
   （５１）で構成されていることを特徴とする極低温冷凍
   機。
2. 【請求項２】 請求項１記載の極低温冷凍機において、 膨張前後の冷媒ガス同士を熱交換する２つのＪＴ熱交換
   器（３９），（４０）が直列に接続されており、 ＪＴ弁（４５）は上記２つのＪＴ熱交換器（３９），
   （４０）の間に直列に接続されている一方、 可動オリフィス（５１）は、上記下流側ＪＴ熱交換器
   （４０）の下流側に直列に接続されていることを特徴と
   する極低温冷凍機。
3. 【請求項３】 請求項１記載の極低温冷凍機において、 ＪＴ弁（４５）は、膨張前後の冷媒ガス同士を熱交換す
   る１つのＪＴ熱交換器（３９）の内部に直列に接続さ
   れ、 可動オリフィス（５１）は、上記ＪＴ熱交換器（３９）
   の下流側に直列に接続されていることを特徴とする極低
   温冷凍機。
4. 【請求項４】 請求項１、２又は３記載の極低温冷凍機
   において、 可動オリフィス（５１）は、高圧側配管（５０）に接続
   されるガス入口（５４）及び低圧側配管（４８）に接続
   されるガス出口（５５）を有するハウジング（５２）
   と、 上記ハウジング（５２）のガス入口（５４）を開閉する
   ように移動可能に設けられ、オリフィス孔（５８）を有
   するオリフィス本体（５７）と、 上記オリフィス本体（５７）をガス入口（５４）が閉じ
   られる方向に移動付勢するばね（６４）とを備えてなる
   ことを特徴とする極低温冷凍機。
5. 【請求項５】 請求項４記載の極低温冷凍機において、 オリフィス本体（５７）によるガス入口（５４）の開度
   調整が可能となるようにばね（６４）の付勢力を変更す
   るばね力調整手段（６３）を設けたことを特徴とする極
   低温冷凍機。