JP3589434B2 - 極低温冷凍装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧縮機に対し膨張機からなる冷凍機が接続された極低温冷凍装置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装置として、例えば特公平６―８４８５４号公報に開示されるように、圧縮機からの高圧ヘリウムガスをＪＴ弁でジュールトムソン膨張させるＪＴ冷凍機と、圧縮機からの高圧ヘリウムガスをディスプレーサの往復動により膨張させて極低温を発生させ、上記ＪＴ冷凍機でジュールトムソン膨張する前のヘリウムガスを予冷する予冷冷凍機とを備え、上記ＪＴ弁でのヘリウムガスの膨張によって約４Ｋの極低温レベルの寒冷を発生させるようにした４Ｋ冷凍装置は知られている。
【０００３】
そして、この従来のものでは、予冷冷凍機に供給される高圧ヘリウムガスを圧縮により生成するための圧縮機として予冷用圧縮機が、またＪＴ冷凍機のＪＴ弁に供給される高圧ヘリウムガスを圧縮生成するための圧縮機として、直列に接続された低段及び高段の２段のＪＴ用圧縮機がそれぞれ互いに独立して設けられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来のものでは、予冷冷凍機及びＪＴ冷凍機で同じ高圧ヘリウムガスを膨張させるようになっているにも拘らず、予冷用圧縮機とＪＴ用の高低段圧縮機との計３台の圧縮機が用いられており、圧縮機の必要台数が増加するという難がある。
【０００５】
また、ＪＴ冷凍機により極低温レベルに冷却される極低温冷却部分を外部の常温レベルから熱シールドするために、上記予冷冷凍機と同じディスプレーサ駆動型の膨張機からなるシールド冷凍機を設け、このシールド冷凍機で得られた極低温の寒冷によりＪＴ冷凍機による極低温冷却部分を熱シールドするようにした場合、そのシールド冷凍機に供給する高圧ヘリウムガスを圧縮生成するための圧縮機も必要となり、圧縮機の必要台数がさらに増加する。
【０００６】
本発明は斯かる点に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、圧縮機に対し予冷冷凍機、シールド冷凍機及びＪＴ冷凍機を接続する場合に、その圧縮機に対する各冷凍機の接続構造を改良することにより、少ない台数の圧縮機で３種類の冷凍機に高圧冷媒ガスを供給できるようにし、圧縮機の必要台数を低減しようとすることにある。
【０００７】
【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、圧縮機は互いに直列に接続された高低段の２段の圧縮機とし、その高段圧縮機の吐出側に予冷冷凍機、シールド冷凍機及びＪＴ冷凍機の各冷媒ガス入口側を接続する一方、ディスプレーサ型膨張機からなる予冷冷凍機及びシールド冷凍機の冷媒ガス出口は高段圧縮機の吸入側に、またＪＴ冷凍機の冷媒ガス出口は低段圧縮機の吸入側にそれぞれ接続することとした。
【０００８】
具体的には、図１に示すように、請求項１の発明では、冷媒ガスを圧縮する低段圧縮機（５）と、この低段圧縮機（５）から吐出された冷媒ガスを圧縮する高段圧縮機（８）と、この高段圧縮機（８）からの高圧冷媒ガスをＪＴ弁（５８）でジュールトムソン膨張させて極低温を発生させるとともに、その膨張した後の冷媒ガスを上記低段圧縮機（５）の吸入側に戻すＪＴ冷凍機（５１）と、シリンダ内に往復動可能なディスプレーサにより区画された膨張空間を有し、上記高段圧縮機（８）からの高圧冷媒ガスを該膨張空間で膨張させて極低温を発生させ、上記ＪＴ冷凍機（５１）でジュールトムソン膨張する前の冷媒ガスを予冷するとともに、膨張した後の冷媒ガスを上記高段圧縮機（８）の吸入側に戻す予冷冷凍機（２６）と、シリンダ内に往復動可能なディスプレーサにより区画された膨張空間を有し、上記高段圧縮機（８）からの高圧冷媒ガスを該膨張空間で膨張させて極低温を発生させ、少なくとも上記ＪＴ冷凍機（５１）による極低温冷却部分を外部から熱シールドするとともに、上記膨張した後の冷媒ガスを上記高段圧縮機（８）の吸入側に戻すシールド冷凍機（４０）とを備えた構成とする。
【０００９】
さらに、上記高段圧縮機（８）の吐出側からＪＴ冷凍機（５１）に至る冷媒回路を開閉するＪＴ開閉手段（ＡＶ１）と、上記高段圧縮機（８）の吐出側を、ＪＴ冷凍機（５１）をバイパスして低段圧縮機（５）の吸入側に接続するバイパス回路（１８）と、このバイパス回路（１８）を開閉するバイパス開閉手段（ＡＶ２）と、上記高段圧縮機（８）からバイパス回路（１８）を経て低段圧縮機（５）の吸入側に流れる冷媒ガスがＪＴ冷凍機（５１）のＪＴ弁（５８）に逆流するのを阻止する逆流阻止手段（３）と、上記ＪＴ冷凍機（５１）の運転時には、ＪＴ開閉手段（ＡＶ１）を開きかつバイパス開閉手段（ＡＶ２）を閉じる一方、ＪＴ冷凍機（５１）の運転停止状態でシールド冷凍機（４０）を運転するときには、ＪＴ開閉手段（ＡＶ１）を閉じかつバイパス開閉手段（ＡＶ２）を開くように制御する制御手段（７１）とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
上記の構成により、低段圧縮機（５）から吐出された冷媒ガスは高段圧縮機（８）に吸入され、その高段圧縮機（８）によりさらに高圧に圧縮されて吐出され、その高段圧縮機（８）から吐出された高圧冷媒ガスがそれぞれ予冷冷凍機（２６）、シールド冷凍機（４０）及びＪＴ冷凍機（５１）に供給される。そして、この予冷冷凍機（２６）及びシールド冷凍機（４０）で各々のディスプレーサの往復動により極低温レベルの寒冷がそれぞれ発生し、予冷冷凍機（２６）での寒冷により、ＪＴ冷凍機（５１）での膨張前の高圧冷媒ガスが予冷され、この予冷された冷媒ガスがＪＴ弁（５８）でジュールトムソン膨張して、４Ｋレベルの寒冷が発生する。また、シールド冷凍機（４０）での寒冷により、ＪＴ冷凍機（５１）による極低温冷却部分が外部から熱シールドされる。さらに、上記予冷冷凍機（２６）及びシールド冷凍機（４０）で膨張した低圧冷媒ガスは、低段圧縮機（５）からの吐出冷媒ガスと共に高段圧縮機（８）の吸入側に吸入されて再圧縮される。また、ＪＴ冷凍機（５１）でジュールトムソン膨張した低圧冷媒ガスは、低段圧縮機（５）に吸入されて再圧縮される。従って、このように低段及び高段圧縮機（５），（８）で冷媒ガスを圧縮して予冷冷凍機（２６）、シールド冷凍機（４０）及びＪＴ冷凍機（５１）で必要な高圧冷媒ガスを供給することができ、３種類の冷凍機（２６），（４０），（５１）であっても２段の圧縮機（５），（８）があればよく、圧縮機の必要台数を低減することができる。
【００１１】
また、この発明では、制御手段（７１）によりＪＴ開閉手段（ＡＶ１）及びバイパス開閉手段（ＡＶ２）が開閉制御され、ＪＴ冷凍機（５１）の運転時にはＪＴ開閉手段（ＡＶ１）が開かれ、かつバイパス開閉手段（ＡＶ２）が閉じられ、このバイパス開閉手段（ＡＶ２）によりバイパス回路（１８）が閉じられる。この場合には、高段圧縮機（８）から吐出された高圧冷媒ガスが通常のとおり冷媒回路を経てＪＴ冷凍機（５１）に供給される。
【００１２】
これに対し、ＪＴ冷凍機（５１）の運転停止状態で、シールド冷凍機（４０）を運転する場合に、高段圧縮機（８）の吐出側からＪＴ冷凍機（５１）に至る冷媒回路がＪＴ開閉手段（ＡＶ１）により閉じられ、かつバイパス開閉手段（ＡＶ２）が開かれてバイパス回路（１８）が開く。このことにより、高段圧縮機（８）から吐出された高圧冷媒ガスの一部がバイパス回路（１８）によりＪＴ冷凍機（５１）をバイパスして低段圧縮機（５）の吸入側に流れる。また、このように高段圧縮機（８）からバイパス回路（１８）を経て低段圧縮機（５）の吸入側に流れる冷媒ガスがＪＴ冷凍機（５１）のＪＴ弁（５８）に逆流するのは逆流阻止手段（３）により阻止される。このため、上記のようにＪＴ冷凍機（５１）に至る冷媒回路がＪＴ開閉手段（ＡＶ１）により閉じられて、ＪＴ冷凍機（５１）で膨張した後に低段圧縮機（５）に吸入される低圧冷媒ガス流量が零となっても、その代わり、上記バイパス回路（１８）を経た冷媒ガスが低段圧縮機（５）の吸入側に供給されるので、その低段圧縮機（５）の吸入側が負圧になることはない。よって、上記のように高低段の圧縮機に３種類の冷凍機が接続されている極低温冷凍装置に対し、ＪＴ冷凍機（５１）を運転停止した状態でのシールド冷凍機（４０）の運転を支障なく実行することができる。
【００１３】
請求項２の発明では、図２に示す如く、請求項１の発明と同様に、冷媒ガスを圧縮する低段圧縮機（５）と、この低段圧縮機（５）から吐出された冷媒ガスを圧縮する高段圧縮機（８）と、この高段圧縮機（８）からの高圧冷媒ガスをＪＴ弁（５８）でジュールトムソン膨張させて極低温を発生させるとともに、その膨張した後の冷媒ガスを上記低段圧縮機（５）の吸入側に戻すＪＴ冷凍機（５１）と、シリンダ内に往復動可能なディスプレーサにより区画された膨張空間を有し、上記高段圧縮機（８）からの高圧冷媒ガスを該膨張空間で膨張させて極低温を発生させ、上記ＪＴ冷凍機（５１）でジュールトムソン膨張する前の冷媒ガスを予冷するとともに、膨張した後の冷媒ガスを上記高段圧縮機（８）の吸入側に戻す予冷冷凍機（２６）と、シリンダ内に往復動可能なディスプレーサにより区画された膨張空間を有し、上記高段圧縮機（８）からの高圧冷媒ガスを該膨張空間で膨張させて極低温を発生させ、少なくとも上記ＪＴ冷凍機（５１）による極低温冷却部分を外部から熱シールドするとともに、上記膨張した後の冷媒ガスを上記高段圧縮機（８）の吸入側に戻すシールド冷凍機（４０）とを備えた構成とする。
【００１４】
さらに、上記高段圧縮機（８）の吐出側からＪＴ冷凍機（５１）に至る冷媒回路を開閉するＪＴ開閉手段（ＡＶ１）と、低段圧縮機（５）の吸入側に冷媒供給回路（１６）を介して接続されるとともに、高段圧縮機（８）の吐出側に冷媒戻し回路（１７）を介して接続され、冷媒ガスを貯蔵するバッファタンク（Ｔｂ）と、上記冷媒供給回路（１６）に並列に接続され、低段圧縮機（５）の吸入側圧力が設定圧以下に低下したときにそれぞれ開弁する複数の圧力制御弁（ＬＰＲ１），（ＬＰＲ２）と、上記少なくとも１つの圧力制御弁（ＬＰＲ２）の冷媒供給回路（１６ｂ）を開閉する冷媒供給側開閉手段（ＡＶ３）と、上記バッファタンク（Ｔｂ）から冷媒供給回路（１６）を経て低段圧縮機（５）の吸入側に流れる冷媒ガスがＪＴ冷凍機（５１）のＪＴ弁（５８）に逆流するのを阻止する逆流阻止手段（３）と、ＪＴ冷凍機（５１）の運転時には、ＪＴ開閉手段（ＡＶ１）を開きかつ冷媒供給側開閉手段（ＡＶ３）を閉じる一方、ＪＴ冷凍機（５１）の運転停止状態でシールド冷凍機（４０）を運転するときには、ＪＴ開閉手段（ＡＶ１）を閉じかつ冷媒供給側開閉手段（ＡＶ３）を開くように制御する制御手段（７１）とを設ける。
【００１５】
この発明によると、請求項１の発明と同様に、低段及び高段圧縮機（５），（８）で冷 媒ガスを圧縮して予冷冷凍機（２６）、シールド冷凍機（４０）及びＪＴ冷凍機（５１）で必要な高圧冷媒ガスを供給することができ、３種類の冷凍機（２６），（４０），（５１）であっても２段の圧縮機（５），（８）があればよく、圧縮機の必要台数を低減することができる。
【００１６】
また、制御手段（７１）によりＪＴ開閉手段（ＡＶ１）及び冷媒供給側開閉手段（ＡＶ３）が開閉制御され、ＪＴ冷凍機（５１）の運転時にはＪＴ開閉手段（ＡＶ１）が開かれ、かつ冷媒供給側開閉手段（ＡＶ３）が閉じられる。このことで、通常のとおり、高段圧縮機（８）から吐出された高圧冷媒ガスが冷媒回路を経てＪＴ冷凍機（５１）に供給されてＪＴ冷凍機（５１）が作動する。また、低段圧縮機（５）の吸入側の圧力が下がったときには、冷媒供給側開閉手段（ＡＶ３）の配置されていない側の冷媒供給回路（１６ａ）が圧力制御弁（ＬＰＲ１）の開弁によって開き、バッファタンク（Ｔｂ）の冷媒ガスが上記開いた圧力制御弁（ＬＰＲ１）を経て低段圧縮機（５）の吸入側に吸入される。このとき、冷媒供給側開閉手段（ＡＶ３）の配置されていない側の圧力制御弁（ＬＰＲ１）のみが開き、複数の圧力制御弁（ＬＰＲ１），（ＬＰＲ２）が同時に開かないので、バッファタンク（Ｔｂ）からの冷媒ガス供給量が必要以上に増えることはなく、ＪＴ冷凍機（５１）の冷凍能力を適正に保つことができる。
【００１７】
一方、ＪＴ冷凍機（５１）の運転停止状態でシールド冷凍機（４０）を運転する場合には、ＪＴ開閉手段（ＡＶ１）が閉じて、高段圧縮機（８）の吐出側からＪＴ冷凍機（５１）に至る冷媒回路が閉じられ、かつ冷媒供給側開閉手段（ＡＶ３）が開かれる。そして、この状態では、バッファタンク（Ｔｂ）と低段圧縮機（５）の吸入側とは複数の圧力制御弁（ＬＰＲ１），（ＬＰＲ２）を介して連通することとなり、両圧力制御弁（ＬＰＲ１），（ＬＰＲ２）の開弁に伴い、バッファタンク（Ｔｂ）内から十分な流量の冷媒ガスが冷媒供給回路（１６）を経て低段圧縮機（５）の吸入側に流れる。しかも、このようにバッファタンク（Ｔｂ）内から冷媒供給回路（１６）を経て低段圧縮機（５）の吸入側に流れる冷媒ガスがＪＴ冷凍機（５１）のＪＴ弁（５８）に逆流するのは逆流阻止手段（３）により阻止される。このため、上記のようにＪＴ冷凍機（５１）の運転停止により、ＪＴ冷凍機（５１）で膨張した後に低段圧縮機（５）に吸入される低圧冷媒ガスの流量が零となっても、上記バッファタンク（Ｔｂ）から十分な流量の冷媒ガスが冷媒供給回路（１６）を経て供給されて低段圧縮機（５）に吸入されるので、低段圧縮機（５）の吸入側が負圧になることはなく、よって上記請求項１の発明と同様に、ＪＴ冷凍機（５１）を運転停止した状態でのシールド冷凍機（４０）の運転を実行することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１に係る極低温冷凍装置（Ｒ）の全体構成を示し、この冷凍装置（Ｒ）は超電導磁石（Ｍ）をその超電導コイルが極低温レベルになるように冷却するためのもので、液体ヘリウム（冷媒）を貯溜する液体ヘリウムタンク（Ｔｈ）に付設されている。そして、このヘリウムタンク（Ｔｈ）内に超電導磁石（Ｍ）が液体ヘリウムにより浸漬されて収容され、この液体ヘリウムにより磁石（Ｍ）の超電導コイルが臨界温度以下に冷却保持される。
【００１９】
冷凍装置（Ｒ）は圧縮機ユニット（１）と冷凍機ユニット（２１）とからなる。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、逆止弁（３）を有する低圧配管（４）を介して吸い込んで圧縮する低段圧縮機（５）と、この低段圧縮機（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吸い込んでさらに高圧に圧縮する高段圧縮機（８）とが配設され、この高段圧縮機（８）の吐出側は冷凍機用高圧配管（９）を介して冷凍機用高圧ガス吐出口（１０）に、また上記冷凍機用高圧配管（９）から分岐したＪＴ用高圧配管（１１）を介してＪＴ用高圧ガス吐出口（１２）にそれぞれ接続されている。上記逆止弁（３）は、高段圧縮機（８）から後述するバイパス配管（１８）を経て低段圧縮機（５）の吸入側に流れるヘリウムガスが後述のＪＴ冷凍機（５１）のＪＴ弁（５８）側に逆流するのを阻止する逆流阻止手段を構成している。
【００２０】
上記高段圧縮機（８）の吐出側からＪＴ冷凍機（５１）に至る冷媒回路としての上記ＪＴ用高圧配管（１１）には流量調整用の絞り固定式のＪＴ流量調整弁（Ｖ１）と、このＪＴ流量調整弁（Ｖ１）の圧縮機吐出側に電磁弁からなるＪＴ開閉弁（ＡＶ１）（ＪＴ開閉手段）とが配設されている。
【００２１】
（Ｔｂ）はヘリウムガスを貯蔵するバッファタンクで、このバッファタンク（Ｔｂ）にはヘリウムガス給排配管（１５）の一端部が接続されている。このヘリウムガス給排配管（１５）の他端側は圧縮機ユニット（１）内でヘリウムガス供給配管（１６）とヘリウムガス戻し配管（１７）とに分岐され、ヘリウムガス供給配管（１６）の端部は、上記低段圧縮機（５）の吸込側と逆止弁（４）との間の低圧配管（４）に接続され、このヘリウムガス供給配管（１６）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、低圧配管（４）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低圧配管（４）（冷媒回路）に供給される。
【００２２】
一方、ヘリウムガス戻し配管（１７）の端部は上記冷凍機用高圧配管（９）（ＪＴ用高圧配管（１１））に接続され、このヘリウムガス戻し配管（１７）の途中には高圧制御弁（ＨＰＲ）が配置されている。この高圧制御弁（ＨＰＲ）は、冷凍機用高圧配管（９）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）の開弁により冷凍機用高圧配管（９）及びＪＴ用高圧配管（１１）（冷媒回路）のヘリウムガスがバッファタンク（Ｔｂ）内に戻される。
【００２３】
さらに、上記高段圧縮機（８）の吐出側と上記ＪＴ用高圧配管（１１）への分岐部との間の冷凍機用高圧配管（９）にはバイパス配管（１８）の一端部が接続され、このバイパス配管（１８）の他端部は、上記逆止弁（３）とヘリウムガス供給配管（１６）への分岐部との間の低圧配管（４）に接続されており、このバイパス配管（１８）により、高段圧縮機（８）の吐出側がＪＴ冷凍機（５１）をバイパスして低段圧縮機（５）の吸入側に接続されている。そして、上記バイパス配管（１８）には、流量調整用の絞り固定式のバイパス流量調整弁（Ｖ２）と、このバイパス流量調整弁（Ｖ２）の圧縮機吐出側に電磁弁からなるバイパス開閉弁（ＡＶ２）（バイパス開閉手段）とが配設されている。
【００２４】
これに対し、上記冷凍機ユニット（２１）は真空デュワー（Ｄ）を有し、この真空デュワー（Ｄ）内部に上記液体ヘリウムタンク（Ｔｈ）が熱シールド板（Ｓ）により外部から熱シールドされた状態で収容されており、この熱シールド板（Ｓ）の内部が、後述のＪＴ冷凍機（５１）により極低温レベルに冷却される極低温冷却部分とされている。
【００２５】
また、真空デュワー（Ｄ）の内部には液体窒素を貯溜する液体窒素タンク（Ｔｎ）が配設されている。この液体窒素タンク（Ｔｎ）の底部には窒素配管（２２）の一端部が接続され、この窒素配管（２２）の他端部は同じ液体窒素タンク（Ｔｎ）内の上部に開口されていて、窒素配管（２２）及び液体窒素タンク（Ｔｎ）により閉回路の窒素回路が構成されている。
【００２６】
そして、上記窒素配管（２２）の途中には上記熱シールド板（Ｓ）に伝熱可能に接触したシールド板熱交換器（２３）が配設されており、液体窒素タンク（Ｔｎ）内の液体窒素を窒素配管（２２）を介してシールド板熱交換器（２３）に供給し、その熱交換器（２３）での熱交換により熱シールド板（Ｓ）を液体窒素の温度（約８０Ｋ）に冷却して、熱シールド板（Ｓ）内の液体ヘリウムタンク（Ｔｈ）等を外部から熱シールドするとともに、シールド板熱交換器（２３）での熱交換によって蒸発した窒素ガスを窒素タンク（Ｔｎ）内に戻すようにしている。尚、（２４）は窒素配管（２２）に接続された大気放出弁で、液体窒素タンク（Ｔｎ）内の余剰の窒素を真空デュワー（Ｄ）外部に放出するためのものである。
【００２７】
上記冷凍機ユニット（２１）は、圧縮機ユニット（１）の高段圧縮機（８）に対し互いに並列に閉回路に接続された予冷冷凍機（２６）、シールド冷凍機（４０）及びＪＴ冷凍機（５１）からなる。上記予冷冷凍機（２６）は、ＪＴ冷凍機（５１）におけるヘリウムガス（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Ｇ−Ｍ（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。
【００２８】
この予冷冷凍機（２６）は上記真空デュワー（Ｄ）の外部に配置される密閉状のモータヘッド（２７）と、該モータヘッド（２７）に連設された大小２段構造のシリンダ（２８）とを有する。上記モータヘッド（２７）には高圧ガス入口（２９）及び低圧ガス出口（３０）が開口され、高圧ガス入口（２９）は予冷側分岐高圧配管（３１）及び集合高圧配管（３３）を介して上記圧縮機ユニット（１）の冷凍機用高圧ガス吐出口（１０）つまり高段圧縮機（８）の吐出側に、また低圧ガス出口（３０）は予冷側分岐中間圧配管（３４）及び集合中間圧配管（３６）を介して圧縮機ユニット（１）の中間圧ガス吸入口（６）つまり高段圧縮機（８）の吸入側にそれぞれ接続されている。
【００２９】
一方、シリンダ（２８）の先端部は真空デュワー（Ｄ）の側壁を貫通してその内部の熱シールド板（Ｓ）内に延びており、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（３７）に、また小径部の先端部は上記第１ヒートステーション（３７）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（３８）にそれぞれ形成されている。
【００３０】
すなわち、ここでは図示しないが、シリンダ（２８）内には、上記各ヒートステーション（３７），（３８）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（２７）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（２９）から流入したヘリウムガスをシリンダ（２８）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（３０）から排出するように切り換わる。また、モータヘッド（２７）には、シリンダ（２８）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）の高段圧縮機（８）からの高圧ヘリウムガスをシリンダ（２８）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（２８）における第１及び第２ヒートステーション（３７），（３８）にて保持する。つまり、予冷冷凍機（２６）では、高段圧縮機（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（３７），（３８）の温度を低下させ、ＪＴ冷凍機（５１）における後述の予冷器（５６），（５７）を予冷するとともに、膨張した中間圧のヘリウムガスを高段圧縮機（８）の吸入側に戻して再圧縮するようになされている。
【００３１】
一方、シールド冷凍機（４０）は上記予冷冷凍機（２６）と同じ構造のガス圧駆動型のもので、真空デュワー（Ｄ）の外部に配置されるモータヘッド（４１）と、該モータヘッド（４１）に連設され、真空デュワー（Ｄ）の側壁を貫通してその内部に延びるシリンダ（４２）とを有する。上記モータヘッド（４１）には高圧ガス入口（４４）及び低圧ガス出口（４５）が開口され、高圧ガス入口（４４）はシールド側分岐高圧配管（３２）を介して上記集合高圧配管（３３）、つまり圧縮機ユニット（１）の冷凍機用高圧ガス吐出口（１０）（高段圧縮機（８）の吐出側）に、また低圧ガス出口（４５）はシールド側分岐中間圧配管（３５）を介して上記集合中間圧配管（３６）、つまり圧縮機ユニット（１）の中間圧ガス吸入口（６）（高段圧縮機（８）の吸入側）にそれぞれ接続されている。一方、シリンダ（４２）の先端部は所定温度レベルに冷却保持されるヒートステーション（４３）に形成されていて、このヒートステーション（４３）は上記液体窒素タンク（Ｔｎ）内部に臨んでいる。そして、シールド冷凍機（４０）により、高段圧縮機（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（４３）の温度を低下させ、液体窒素タンク（Ｔｎ）内の蒸発窒素ガスを冷却して液化するとともに、膨張した中間圧ヘリウムガスを高段圧縮機（８）の吸入側に戻して再圧縮するようになされている。
【００３２】
上記ＪＴ冷凍機（５１）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（５１）は上記真空デュワー（Ｄ）内で熱シールド板（Ｓ）の外側に配置された第１ＪＴ熱交換器（５２）と、熱シールド板（Ｓ）の内側に配置された第２及び第３ＪＴ熱交換器（５３），（５４）とを備えている。この各ＪＴ熱交換器（５２）〜（５４）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（５２）の１次側は圧縮機ユニット（１）のＪＴ用高圧ガス吐出口（１２）つまり高段圧縮機（８）の吐出側にＪＴ側高圧配管（５５）を介して接続されている。また、第１及び第２ＪＴ熱交換器（５２），（５３）の各１次側同士は、上記予冷冷凍機（２６）におけるシリンダ（２８）の第１ヒートステーション（３７）外周に配置した第１予冷器（５６）を介して接続されている。同様に、第２及び第３ＪＴ熱交換器（５３），（５４）の各１次側同士は、第２ヒートステーション（３８）外周に配置した第２予冷器（５７）を介して接続されている。さらに、上記第３ＪＴ熱交換器（５４）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ＪＴ弁（５８）に吸着器（５９）を介して接続されている。上記ＪＴ弁（５８）は真空デュワー（Ｄ）外側から操作ロッド（５８ａ）によって開度が調整される。このＪＴ弁（５８）は、液体ヘリウム戻し配管（６０）を介して上記液体ヘリウムタンク（Ｔｈ）内に連通されている。また、このヘリウムタンク（Ｔｈ）内は、ヘリウムガス吸入配管（６１）を介して上記第３ＪＴ熱交換器（５４）の２次側に接続されている。そして、この第３ＪＴ熱交換器（５４）の２次側は第２ＪＴ熱交換器（５３）の２次側を経て第１ＪＴ熱交換器（５２）の２次側に接続され、この第１ＪＴ熱交換器（５２）の２次側は低圧配管（６２）を介して圧縮機ユニット（１）の低圧ガス吸入口（２）つまり低段圧縮機（５）の吸入側に接続されている。
【００３３】
すなわち、ＪＴ冷凍機（５１）は圧縮機ユニット（１）の両圧縮機（５），（８）に対し高低圧配管（５５），（６２）を介して直列に接続された冷媒回路をなし、その冷媒回路の一部が液体ヘリウム戻し配管（６０）及びヘリウムガス吸入配管（６１）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（６１）から冷媒回路に吸い込み、さらに第３〜第１ＪＴ熱交換器（５４）〜（５２）の各２次側を通して圧縮機ユニット（１）の低段圧縮機（５）、次いで高段圧縮機（８）にそれぞれ吸入して圧縮する。また、この高段圧縮機（８）により圧縮された高圧ヘリウムガスを第１〜第３ＪＴ熱交換器（５２）〜（５４）において、圧縮機ユニット（１）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（５６），（５７）でそれぞれ予冷冷凍機（２６）の第１及び第２ヒートステーション（３７），（３８）で冷却（予冷）した後、ＪＴ弁（５８）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（６０）を経由してタンク（Ｔｈ）内に戻すようになされている。
【００３４】
上記第１及び第２開閉弁（ＡＶ１），（ＡＶ２）は制御装置（７１）に接続されていて、該制御装置（７１）からの制御信号によって開閉制御されるようになっている。この制御装置（７１）では、シールド冷凍機（４０）及びＪＴ冷凍機（５１）の運転状態に応じてＪＴ開閉弁（ＡＶ１）及びバイパス開閉弁（ＡＶ２）を開閉切換えし、ＪＴ冷凍機（５１）の運転時には、ＪＴ開閉弁（ＡＶ１）を開きかつバイパス開閉弁（ＡＶ２）を閉じる一方、ＪＴ冷凍機（５１）の運転停止状態でシールド冷凍機（４０）（予冷冷凍機（２６）及びシールド冷凍機（４０）の双方でもよい）を運転するときには、ＪＴ開閉弁（ＡＶ１）を閉じかつバイパス開閉弁（ＡＶ２）を開くようにしている。
【００３５】
次に、上記実施形態の作用について説明する。
【００３６】
基本的に、超電導磁石（Ｍ）が作動する定常状態では、その超電導コイルがヘリウムタンク（Ｔｈ）内の液体ヘリウムにより臨界温度以下に冷却保持される。また、上記ヘリウムタンク（Ｔｈ）内で蒸発したヘリウムガスは、タンク（Ｔｈ）内に開口するヘリウムガス吸入配管（６１）から吸い込まれて極低温冷凍装置（Ｒ）の冷媒回路に供給され、そこで圧縮及び膨張により冷却されて液化する。この液体ヘリウムは液体ヘリウム戻し配管（６０）を経てタンク（Ｔｈ）内に戻される。このことによって、タンク（Ｔｈ）内に液体ヘリウムが所定量以上貯溜されて、超電導コイルが臨界温度以下に安定して冷却される。
【００３７】
一方、液体窒素タンク（Ｔｎ）内の液体窒素が窒素配管（２２）を介してシールド板熱交換器（２３）に供給されて、該シールド板熱交換器（２３）により熱シールド板（Ｓ）が約８０Ｋに冷却保持され、この冷却によって熱シールド板（Ｓ）内の液体ヘリウムタンク（Ｔｈ）やその内部の超電導磁石（Ｍ）、予冷冷凍機（２６）の各ヒートステーション（３７），（３８）等が外部から熱シールドされる。また、上記シールド板熱交換器（２３）で熱シールド板（Ｓ）との熱交換により液体窒素が蒸発して窒素ガスとなり、この窒素ガスは窒素配管（２２）を経て液体窒素タンク（Ｔｎ）内の上部に戻る。
【００３８】
上記冷凍装置（Ｒ）の運転についてさらに詳しく説明すると、ＪＴ冷凍機（５１）を運転状態とするときには、バイパス開閉弁（ＡＶ２）が閉弁してバイパス配管（１８）が閉じられ、同時に、ＪＴ開閉弁（ＡＶ１）が開弁してＪＴ用高圧配管（１１）が開く。このことで、圧縮機ユニット（１）の高段圧縮機（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（２６）におけるシリンダ（２８）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（３７）が所定温度レベルに、また第２ヒートステーション（３８）が第１ヒートステーション（３７）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）を経由して上記高段圧縮機（８）に吸い込まれて圧縮される。
【００３９】
また、上記圧縮機ユニット（１）の高段圧縮機（８）から供給された高圧のヘリウムガスの残りの一部がシールド冷凍機（４０）におけるシリンダ（４２）内の膨張空間で膨張し、このガスの膨張に伴う温度降下により上記液体窒素タンク（Ｔｎ）内のヒートステーション（４３）が所定温度レベルに冷却される。このことで、液体窒素タンク（Ｔｎ）内上部の窒素ガスが冷却されて液化し、液体窒素に戻る。尚、このシールド冷凍機（４０）のシリンダ（４２）内の膨張空間で膨張したヘリウムガスも、上記予冷冷凍機（２６）のガスと同様に圧縮機ユニット（１）に戻り、その中間圧配管（７）を経由して高段圧縮機（８）に吸い込まれて圧縮される。
【００４０】
一方、圧縮機ユニット（１）における高段圧縮機（８）から吐出された高圧のヘリウムガスの残部は、上記開弁しているＪＴ開閉弁（ＡＶ１）及びＪＴ用高圧配管（１１）を経由してＪＴ冷凍機（５１）の第１ＪＴ熱交換器（５２）の１次側に入り、そこで圧縮機ユニット（１）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（２６）の第１ヒートステーション（３７）外周の第１予冷器（５６）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（５３）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（２６）の第２ヒートステーション（３８）外周の第２予冷器（５７）に入ってさらに冷却される。この後、ガスは第３ＪＴ熱交換器（５４）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（５８）に至る。このＪＴ弁（５８）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（６０）を経由して液体ヘリウムタンク（Ｔｈ）へ供給される。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（６１）を介して第３ＪＴ熱交換器（５４）の２次側に吸入され、第２及び第１ＪＴ熱交換器（５３），（５２）の各２次側を経由して低段圧縮機（５）に吸い込まれて圧縮される。
【００４１】
一方、例えば、このような極低温冷凍装置（Ｒ）の運転開始時にＪＴ冷凍機（５１）を運転停止した状態で、或いは極低温冷凍装置（Ｒ）の運転中にＪＴ冷凍機（５１）が故障等により運転停止された状態で、シールド冷凍機（４０）（予冷冷凍機（２６）及びシールド冷凍機（４０）の双方でもよい）を運転するときには、上記ＪＴ開閉弁（ＡＶ１）が閉弁してＪＴ用高圧配管（１１）が閉じ、ＪＴ弁（５８）への高圧ヘリウムガスの供給が停止される。この状態では、ＪＴ冷凍機（５１）に至るＪＴ用高圧配管（１１）が閉じられるので、ＪＴ冷凍機（５１）で膨張した後に低段圧縮機（５）に吸入される低圧ヘリウムガスの流量が零となり、その低段圧縮機（５）の吸入側が負圧になる虞れがある。しかし、この実施形態では、上記ＪＴ開閉弁（ＡＶ１）の閉弁によりＪＴ用高圧配管（１１）が閉じるのと共に、バイパス開閉弁（ＡＶ２）が開弁してバイパス配管（１８）が開く。このことで、高段圧縮機（８）から吐出された高圧ヘリウムガスの一部がバイパス配管（１８）によりＪＴ冷凍機（５１）をバイパスして低段圧縮機（５）の吸入側に流れる。尚、このバイパス配管（１８）は逆止弁（３）よりも低段圧縮機（５）の吸入側にある低圧配管（４）に接続されているので、上記高段圧縮機（８）からバイパス配管（１８）を経て低段圧縮機（５）の吸入側に流れるヘリウムガスがＪＴ冷凍機（５１）のＪＴ弁（５８）に逆流することはない。このため、上記のように、ＪＴ冷凍機（５１）で膨張した後に低段圧縮機（５）に吸入される低圧ヘリウムガスの流量が零となっても、それに代わり、上記バイパス配管（１８）を経たヘリウムガスが低段圧縮機（５）の吸入側に供給されるので、その低段圧縮機（５）の吸入側は負圧にならない。よって、高低段の圧縮機（５），（８）に３種類の冷凍機（２６），（４０），（５１）が接続されている極低温冷凍装置（Ｒ）に対し、ＪＴ冷凍機（５１）を運転停止した状態でのシールド冷凍機（４０）の運転を支障なく実行することができる。
【００４２】
また、この実施形態では、極低温冷凍装置（Ｒ）における圧縮機ユニット（１）に高低段の２段の圧縮機（５），（８）が設けられ、その高段圧縮機（８）の吐出側に予冷冷凍機（２６）及びシールド冷凍機（４０）の各高圧ガス入口（２９），（４４）とＪＴ冷凍機（５１）の高圧ガス入口側とが接続され、一方、予冷冷凍機（２６）及びシールド冷凍機（４０）の各低圧ガス出口（３０），（４５）は高段圧縮機（８）の吸入側に、またＪＴ冷凍機（５１）のヘリウムガス出口側は低段圧縮機（５）の吸入側にそれぞれ接続されているので、低段及び高段圧縮機（５），（８）でヘリウムガスを圧縮して予冷冷凍機（２６）、シールド冷凍機（４０）及びＪＴ冷凍機（５１）で必要な高圧ヘリウムガスを供給することができ、３種類の冷凍機（２６），（４０），（５１）であっても２段の圧縮機（５），（８）があればよく、圧縮機の必要台数を低減することができる。
【００４３】
（実施形態２）
図２は本発明の実施形態２を示し（尚、図１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）、上記実施形態では、ＪＴ冷凍機（５１）の運転停止状態でシールド冷凍機（４０）（及び予冷冷凍機（２６））を運転する場合、高段圧縮機（８）から吐出された高圧ヘリウムガスの一部をバイパス配管（１８）を経て低段圧縮機（５）の吸入側に供給するようにしているのに対し、バッファタンク（Ｔｂ）内のヘリウムガスを低段圧縮機（５）の吸入側に供給するようにしたものである。
【００４４】
すなわち、この実施形態では、ヘリウムガス供給配管（１６）は途中で第１及び第２の２つの分岐配管（１６ａ），（１６ｂ）に並列に分岐され、第１分岐配管（１６ａ）には第１低圧制御弁（ＬＰＲ１）が、また第２分岐配管（１６ｂ）には第２低圧制御弁（ＬＰＲ２）がそれぞれ配設されている。これらの低圧制御弁（ＬＰＲ１），（ＬＰＲ２）は、上記実施形態１の低圧制御弁（ＬＰＲ）と同様のもので、低圧配管（４）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。よって、上記ヘリウムガス供給配管（１６）に、低段圧縮機（５）の吸入側圧力が互いに異なる設定圧以下に低下したときにそれぞれ開弁する２つの低圧制御弁（ＬＰＲ１），（ＬＰＲ２）が並列に接続されている。
【００４５】
さらに、上記第２分岐配管（１６ｂ）には、流量調整用の絞り固定式のヘリウム供給側流量調整弁Ｖ３と、このヘリウム供給側流量調整弁Ｖ３の第２低圧制御弁（ＬＰＲ２）側に、電磁弁からなるヘリウム供給側開閉弁（ＡＶ３）（冷媒供給側開閉手段）とが配設されており、このヘリウム供給側開閉弁（ＡＶ３）を閉じたときには、第１低圧制御弁（ＬＰＲ１）の開弁により第１分岐配管（１６ａ）を介して、またヘリウム供給側開閉弁（ＡＶ３）を開いたときには、第１及び第２低圧制御弁（ＬＰＲ１），（ＬＰＲ２）の開弁により第１及び第２分岐配管（１６ａ），（１６ｂ）の双方を介してそれぞれバッファタンク（Ｔｂ）からヘリウムガスを低圧配管（４）に供給するようになっている。
【００４６】
また、このヘリウム供給側開閉弁（ＡＶ３）は、ＪＴ開閉弁（ＡＶ１）と共に制御装置（７１）によって開閉制御されるようになっており、ＪＴ冷凍機（５１）の運転時には、ＪＴ開閉弁（ＡＶ１）を開きかつヘリウム供給側開閉弁（ＡＶ３）を閉じる一方、ＪＴ冷凍機（５１）の運転停止状態でシールド冷凍機（４０）（予冷冷凍機（２６）及びシールド冷凍機（４０）の双方でもよい）を運転するときには、ＪＴ開閉弁（ＡＶ１）を閉じかつヘリウム供給側開閉弁（ＡＶ３）を開くようになされている。
【００４７】
尚、バイパス配管（１８）及びその途中のバイパス開閉弁（ＡＶ２）はなく、その他の構成は実施形態１と同様である。
【００４８】
したがって、この実施形態では、極低温冷凍装置（Ｒ）の運転時、その制御装置（７１）によりＪＴ開閉弁（ＡＶ１）及びヘリウム供給側開閉弁（ＡＶ３）が開閉制御され、ＪＴ冷凍機（５１）を運転するときには、ＪＴ開閉弁（ＡＶ１）が開かれ、ヘリウム供給側開閉弁（ＡＶ３）は閉じられる。このことで、通常のとおり、高段圧縮機（８）から吐出された高圧ヘリウムガスがＪＴ用高圧配管（１１）を経てＪＴ冷凍機（５１）に供給されてＪＴ冷凍機（５１）が作動する。また、低圧配管（４）の圧力が第１低圧制御弁（ＬＰＲ１）の開弁圧よりも下がると、その第１低圧制御弁（ＬＰＲ１）が開弁し、ヘリウムガス供給配管（１６）において、ヘリウム供給側開閉弁（ＡＶ３）の配置されていない側の第１分岐配管（１６ａ）が開き、バッファタンク（Ｔｂ）のヘリウムガスが上記第１低圧制御弁（ＬＰＲ１）を経て低段圧縮機（５）の吸入側に吸入される。このとき、第１及び第２の両低圧制御弁（ＬＰＲ１），（ＬＰＲ２）は同時に開かず、ヘリウム供給側開閉弁（ＡＶ３）の配置されていない側の第１低圧制御弁（ＬＰＲ１）のみが開くので、バッファタンク（Ｔｂ）から低圧配管（４）（冷媒回路）に供給されるヘリウムガス量が無闇に増えず、ＪＴ冷凍機（５１）の冷凍能力に影響を及ぼすことはない。
【００４９】
一方、ＪＴ冷凍機（５１）の運転停止状態で、シールド冷凍機（４０）（予冷冷凍機（２６）及びシールド冷凍機（４０）の双方でもよい）を運転する場合には、ＪＴ開閉弁（ＡＶ１）が閉じて、高段圧縮機（８）の吐出側からＪＴ冷凍機（５１）に至るＪＴ高圧配管が閉じられ、ＪＴ冷凍機（５１）へのヘリウムガスの供給が停止される。また、これと同時に、ヘリウム供給側開閉弁（ＡＶ３）が開かれる。このヘリウム供給側開閉弁（ＡＶ３）の開弁に伴い、低圧配管（４）の圧力が両低圧制御弁（ＬＰＲ１），（ＬＰＲ２）の開弁圧よりも下がりさえすると、その両低圧制御弁（ＬＰＲ１），（ＬＰＲ２）が開弁して、ヘリウムガス供給配管（１６）の両分岐配管（１６ａ），（１６ｂ）が開き、バッファタンク（Ｔｂ）のヘリウムガスが上記両低圧制御弁（ＬＰＲ１），（ＬＰＲ２）を経て低段圧縮機（５）の吸入側に吸入される。このため、上記ＪＴ冷凍機（５１）の運転停止に伴い、ＪＴ冷凍機（５１）で膨張した後に低段圧縮機（５）に吸入される低圧ヘリウムガスの流量が零となっても、上記バッファタンク（Ｔｂ）から開弁した両低圧制御弁（ＬＰＲ１），（ＬＰＲ２）を経て供給されるヘリウムガスが低段圧縮機（５）に吸入されるので、低段圧縮機（５）の吸入側が負圧になることはなく、よって上記実施形態１と同様に、ＪＴ冷凍機（５１）を運転停止した状態でのシールド冷凍機（４０）の運転を実行することができる。
【００５０】
尚、この実施形態２において、第２低圧制御弁（ＬＰＲ２）の開弁圧（設定圧）を第１低圧制御弁（ＬＰＲ１）よりも低く、また第２低圧制御弁（ＬＰＲ２）のガス流量を第１低圧制御弁（ＬＰＲ１）よりも大きくそれぞれ設定して、ヘリウム供給側開閉弁（ＡＶ３）の開弁に伴い、第２低圧制御弁（ＬＰＲ２）のみを経てバッファタンク（Ｔｂ）のヘリウムガスを供給するようにしてもよい。
【００５１】
また、実施形態２において、第１及び第２の２つの低圧制御弁（ＬＰＲ１），（ＬＰＲ２）の分岐配管（１６ａ），（１６ｂ）をそれぞれ開閉するヘリウム供給側開閉弁を設け、シールド冷凍機（４０）の運転時には、それらを同時に開弁させるようにしてもよい。さらには、低圧制御弁を３つ以上に増加させることもできる。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１又は２の発明によると、冷媒ガスを圧縮する圧縮機に、ディスプレーサ型の予冷冷凍機及びシールド冷凍機と、ＪＴ弁で冷媒ガスをジュールトムソン膨張させるＪＴ冷凍機とを接続する場合において、圧縮機は高低段の２段の圧縮機とし、その高段圧縮機の吐出側に予冷冷凍機、シールド冷凍機及びＪＴ冷凍機の各冷媒ガス入口側を接続する一方、予冷冷凍機及びシールド冷凍機の冷媒ガス出口は高段圧縮機の吸入側に、またＪＴ冷凍機の冷媒ガス出口は低段圧縮機の吸入側にそれぞれ接続した。そしてさらに、請求項１の発明では、高段圧縮機の吐出側からＪＴ冷凍機に至る冷媒回路を開閉するＪＴ開閉手段と、高段圧縮機の吐出側をＪＴ冷凍機をバイパスして低段圧縮機の吸入側に接続するバイパス回路と、このバイパス回路を開閉するバイパス開閉手段と、上記高段圧縮機からバイパス回路を経て低段圧縮機の吸入側に流れる冷媒ガスがＪＴ冷凍機のＪＴ弁に逆流するのを阻止する逆流阻止手段とを設け、ＪＴ冷凍機の運転時には、ＪＴ開閉手段を開きかつバイパス開閉手段を閉じる一方、ＪＴ冷凍機の運転停止状態でのシールド冷凍機の運転時には、ＪＴ開閉手段を閉じかつバイパス開閉手段を開くようにした。また、請求項２の発明では、高段圧縮機の吐出側からＪＴ冷凍機に至る冷媒回路を開閉するＪＴ開閉手段と、低段圧縮機の吸入側に冷媒供給回路を介して接続されるとともに、高段圧縮機の吐出側に冷媒戻し回路を介して接続され、冷媒ガスを貯蔵するバッファタンクと、上記冷媒供給回路に並列に接続され、低段圧縮機の吸入側圧力が設定圧以下に低下したときにそれぞれ開弁する複数の圧力制御弁と、上記少なくとも１つの圧力制御弁の冷媒供給回路を開閉する冷媒供給側開閉手段と、バッファタンクから冷媒供給回路を経て低段圧縮機の吸入側に流れる冷媒ガスがＪＴ冷凍機のＪＴ弁に逆流するのを阻止する逆流阻止手段とを設け、ＪＴ冷凍機の運転時には、ＪＴ開閉手段を開きかつ冷媒供給側開閉手段を閉じる一方、ＪＴ冷凍機の運転停止状態でのシールド冷凍機の運転時には、ＪＴ開閉手段を閉じかつ冷媒供給側開閉手段を開くようにした。従って、これらの発明によると、予冷冷凍機、シールド冷凍機及びＪＴ冷凍機の３種類の冷凍機であっても、低段及び高段の２段の圧縮機があればよく、圧縮機の必要台数の低減化を図ることができる。しかも、ＪＴ冷凍機に至る冷媒回路がＪＴ開閉手段により閉じられて、ＪＴ冷凍機で膨張した後に低段圧縮機に吸入される低圧冷媒ガス流量が零となっても、高段圧縮機からバイパス回路を経た冷媒ガス、又はバッファタンクから冷媒供給回路を経た冷媒ガスを低段圧縮機の吸入側に供給して、その低段圧縮機の吸入側が負圧になるのを防止でき、よって高低段の圧縮機に３種類の冷凍機が接続されている極低温冷凍装置においてＪＴ冷凍機を運転停止した状態でのシールド冷凍機の運転実行化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係る極低温冷凍装置の全体構成を示す図である。
【図２】実施形態２を示す図１相当図である。
【符号の説明】
（Ｒ） 極低温冷凍装置
（１） 圧縮機ユニット
（５） 低段圧縮機
（８） 高段圧縮機
（１１） ＪＴ高圧配管
（１６） ヘリウムガス供給配管（冷媒供給回路）
（１７） ヘリウムガス戻し配管（冷媒戻し回路）
（１８） バイパス配管（バイパス回路）
（ＡＶ１） ＪＴ開閉弁（ＪＴ開閉手段）
（ＡＶ２） バイパス開閉弁（バイパス開閉手段）
（ＡＶ３） ヘリウム供給側開閉弁（冷媒供給側開閉手段）
（ＬＰＲ１），（ＬＰＲ２） 低圧制御弁（圧力制御弁）
（２１） 冷凍機ユニット
（２６） 予冷冷凍機
（３７），（３８） ヒートステーション
（４０） シールド冷凍機
（４３） ヒートステーション
（５１） ＪＴ冷凍機
（５８） ＪＴ弁
（７１） 制御装置（制御手段）
（Ｔｂ） バッファタンク
（Ｔｈ） 液体ヘリウムタンク
（Ｄ） 真空デュワー
（Ｔｎ） 液体窒素タンク
（Ｓ） 熱シールド板
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧縮機に対し膨張機からなる冷凍機が接続された極低温冷凍装置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装置として、例えば特公平６―８４８５４号公報に開示されるように、圧縮機からの高圧ヘリウムガスをＪＴ弁でジュールトムソン膨張させるＪＴ冷凍機と、圧縮機からの高圧ヘリウムガスをディスプレーサの往復動により膨張させて極低温を発生させ、上記ＪＴ冷凍機でジュールトムソン膨張する前のヘリウムガスを予冷する予冷冷凍機とを備え、上記ＪＴ弁でのヘリウムガスの膨張によって約４Ｋの極低温レベルの寒冷を発生させるようにした４Ｋ冷凍装置は知られている。
【０００３】
そして、この従来のものでは、予冷冷凍機に供給される高圧ヘリウムガスを圧縮により生成するための圧縮機として予冷用圧縮機が、またＪＴ冷凍機のＪＴ弁に供給される高圧ヘリウムガスを圧縮生成するための圧縮機として、直列に接続された低段及び高段の２段のＪＴ用圧縮機がそれぞれ互いに独立して設けられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来のものでは、予冷冷凍機及びＪＴ冷凍機で同じ高圧ヘリウムガスを膨張させるようになっているにも拘らず、予冷用圧縮機とＪＴ用の高低段圧縮機との計３台の圧縮機が用いられており、圧縮機の必要台数が増加するという難がある。
【０００５】
また、ＪＴ冷凍機により極低温レベルに冷却される極低温冷却部分を外部の常温レベルから熱シールドするために、上記予冷冷凍機と同じディスプレーサ駆動型の膨張機からなるシールド冷凍機を設け、このシールド冷凍機で得られた極低温の寒冷によりＪＴ冷凍機による極低温冷却部分を熱シールドするようにした場合、そのシールド冷凍機に供給する高圧ヘリウムガスを圧縮生成するための圧縮機も必要となり、圧縮機の必要台数がさらに増加する。
【０００６】
本発明は斯かる点に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、圧縮機に対し予冷冷凍機、シールド冷凍機及びＪＴ冷凍機を接続する場合に、その圧縮機に対する各冷凍機の接続構造を改良することにより、少ない台数の圧縮機で３種類の冷凍機に高圧冷媒ガスを供給できるようにし、圧縮機の必要台数を低減しようとすることにある。
【０００７】
【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、圧縮機は互いに直列に接続された高低段の２段の圧縮機とし、その高段圧縮機の吐出側に予冷冷凍機、シールド冷凍機及びＪＴ冷凍機の各冷媒ガス入口側を接続する一方、ディスプレーサ型膨張機からなる予冷冷凍機及びシールド冷凍機の冷媒ガス出口は高段圧縮機の吸入側に、またＪＴ冷凍機の冷媒ガス出口は低段圧縮機の吸入側にそれぞれ接続することとした。
【０００８】
具体的には、図１に示すように、請求項１の発明では、冷媒ガスを圧縮する低段圧縮機（５）と、この低段圧縮機（５）から吐出された冷媒ガスを圧縮する高段圧縮機（８）と、この高段圧縮機（８）からの高圧冷媒ガスをＪＴ弁（５８）でジュールトムソン膨張させて極低温を発生させるとともに、その膨張した後の冷媒ガスを上記低段圧縮機（５）の吸入側に戻すＪＴ冷凍機（５１）と、シリンダ内に往復動可能なディスプレーサにより区画された膨張空間を有し、上記高段圧縮機（８）からの高圧冷媒ガスを該膨張空間で膨張させて極低温を発生させ、上記ＪＴ冷凍機（５１）でジュールトムソン膨張する前の冷媒ガスを予冷するとともに、膨張した後の冷媒ガスを上記高段圧縮機（８）の吸入側に戻す予冷冷凍機（２６）と、シリンダ内に往復動可能なディスプレーサにより区画された膨張空間を有し、上記高段圧縮機（８）からの高圧冷媒ガスを該膨張空間で膨張させて極低温を発生させ、少なくとも上記ＪＴ冷凍機（５１）による極低温冷却部分を外部から熱シールドするとともに、上記膨張した後の冷媒ガスを上記高段圧縮機（８）の吸入側に戻すシールド冷凍機（４０）とを備えた構成とする。
【０００９】
さらに、上記高段圧縮機（８）の吐出側からＪＴ冷凍機（５１）に至る冷媒回路を開閉するＪＴ開閉手段（ＡＶ１）と、上記高段圧縮機（８）の吐出側を、ＪＴ冷凍機（５１）をバイパスして低段圧縮機（５）の吸入側に接続するバイパス回路（１８）と、このバイパス回路（１８）を開閉するバイパス開閉手段（ＡＶ２）と、上記高段圧縮機（８）からバイパス回路（１８）を経て低段圧縮機（５）の吸入側に流れる冷媒ガスがＪＴ冷凍機（５１）のＪＴ弁（５８）に逆流するのを阻止する逆流阻止手段（３）と、上記ＪＴ冷凍機（５１）の運転時には、ＪＴ開閉手段（ＡＶ１）を開きかつバイパス開閉手段（ＡＶ２）を閉じる一方、ＪＴ冷凍機（５１）の運転停止状態でシールド冷凍機（４０）を運転するときには、ＪＴ開閉手段（ＡＶ１）を閉じかつバイパス開閉手段（ＡＶ２）を開くように制御する制御手段（７１）とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
上記の構成により、低段圧縮機（５）から吐出された冷媒ガスは高段圧縮機（８）に吸入され、その高段圧縮機（８）によりさらに高圧に圧縮されて吐出され、その高段圧縮機（８）から吐出された高圧冷媒ガスがそれぞれ予冷冷凍機（２６）、シールド冷凍機（４０）及びＪＴ冷凍機（５１）に供給される。そして、この予冷冷凍機（２６）及びシールド冷凍機（４０）で各々のディスプレーサの往復動により極低温レベルの寒冷がそれぞれ発生し、予冷冷凍機（２６）での寒冷により、ＪＴ冷凍機（５１）での膨張前の高圧冷媒ガスが予冷され、この予冷された冷媒ガスがＪＴ弁（５８）でジュールトムソン膨張して、４Ｋレベルの寒冷が発生する。また、シールド冷凍機（４０）での寒冷により、ＪＴ冷凍機（５１）による極低温冷却部分が外部から熱シールドされる。さらに、上記予冷冷凍機（２６）及びシールド冷凍機（４０）で膨張した低圧冷媒ガスは、低段圧縮機（５）からの吐出冷媒ガスと共に高段圧縮機（８）の吸入側に吸入されて再圧縮される。また、ＪＴ冷凍機（５１）でジュールトムソン膨張した低圧冷媒ガスは、低段圧縮機（５）に吸入されて再圧縮される。従って、このように低段及び高段圧縮機（５），（８）で冷媒ガスを圧縮して予冷冷凍機（２６）、シールド冷凍機（４０）及びＪＴ冷凍機（５１）で必要な高圧冷媒ガスを供給することができ、３種類の冷凍機（２６），（４０），（５１）であっても２段の圧縮機（５），（８）があればよく、圧縮機の必要台数を低減することができる。
【００１１】
また、この発明では、制御手段（７１）によりＪＴ開閉手段（ＡＶ１）及びバイパス開閉手段（ＡＶ２）が開閉制御され、ＪＴ冷凍機（５１）の運転時にはＪＴ開閉手段（ＡＶ１）が開かれ、かつバイパス開閉手段（ＡＶ２）が閉じられ、このバイパス開閉手段（ＡＶ２）によりバイパス回路（１８）が閉じられる。この場合には、高段圧縮機（８）から吐出された高圧冷媒ガスが通常のとおり冷媒回路を経てＪＴ冷凍機（５１）に供給される。
【００１２】
これに対し、ＪＴ冷凍機（５１）の運転停止状態で、シールド冷凍機（４０）を運転する場合に、高段圧縮機（８）の吐出側からＪＴ冷凍機（５１）に至る冷媒回路がＪＴ開閉手段（ＡＶ１）により閉じられ、かつバイパス開閉手段（ＡＶ２）が開かれてバイパス回路（１８）が開く。このことにより、高段圧縮機（８）から吐出された高圧冷媒ガスの一部がバイパス回路（１８）によりＪＴ冷凍機（５１）をバイパスして低段圧縮機（５）の吸入側に流れる。また、このように高段圧縮機（８）からバイパス回路（１８）を経て低段圧縮機（５）の吸入側に流れる冷媒ガスがＪＴ冷凍機（５１）のＪＴ弁（５８）に逆流するのは逆流阻止手段（３）により阻止される。このため、上記のようにＪＴ冷凍機（５１）に至る冷媒回路がＪＴ開閉手段（ＡＶ１）により閉じられて、ＪＴ冷凍機（５１）で膨張した後に低段圧縮機（５）に吸入される低圧冷媒ガス流量が零となっても、その代わり、上記バイパス回路（１８）を経た冷媒ガスが低段圧縮機（５）の吸入側に供給されるので、その低段圧縮機（５）の吸入側が負圧になることはない。よって、上記のように高低段の圧縮機に３種類の冷凍機が接続されている極低温冷凍装置に対し、ＪＴ冷凍機（５１）を運転停止した状態でのシールド冷凍機（４０）の運転を支障なく実行することができる。
【００１３】
請求項２の発明では、図２に示す如く、請求項１の発明と同様に、冷媒ガスを圧縮する低段圧縮機（５）と、この低段圧縮機（５）から吐出された冷媒ガスを圧縮する高段圧縮機（８）と、この高段圧縮機（８）からの高圧冷媒ガスをＪＴ弁（５８）でジュールトムソン膨張させて極低温を発生させるとともに、その膨張した後の冷媒ガスを上記低段圧縮機（５）の吸入側に戻すＪＴ冷凍機（５１）と、シリンダ内に往復動可能なディスプレーサにより区画された膨張空間を有し、上記高段圧縮機（８）からの高圧冷媒ガスを該膨張空間で膨張させて極低温を発生させ、上記ＪＴ冷凍機（５１）でジュールトムソン膨張する前の冷媒ガスを予冷するとともに、膨張した後の冷媒ガスを上記高段圧縮機（８）の吸入側に戻す予冷冷凍機（２６）と、シリンダ内に往復動可能なディスプレーサにより区画された膨張空間を有し、上記高段圧縮機（８）からの高圧冷媒ガスを該膨張空間で膨張させて極低温を発生させ、少なくとも上記ＪＴ冷凍機（５１）による極低温冷却部分を外部から熱シールドするとともに、上記膨張した後の冷媒ガスを上記高段圧縮機（８）の吸入側に戻すシールド冷凍機（４０）とを備えた構成とする。
【００１４】
さらに、上記高段圧縮機（８）の吐出側からＪＴ冷凍機（５１）に至る冷媒回路を開閉するＪＴ開閉手段（ＡＶ１）と、低段圧縮機（５）の吸入側に冷媒供給回路（１６）を介して接続されるとともに、高段圧縮機（８）の吐出側に冷媒戻し回路（１７）を介して接続され、冷媒ガスを貯蔵するバッファタンク（Ｔｂ）と、上記冷媒供給回路（１６）に並列に接続され、低段圧縮機（５）の吸入側圧力が設定圧以下に低下したときにそれぞれ開弁する複数の圧力制御弁（ＬＰＲ１），（ＬＰＲ２）と、上記少なくとも１つの圧力制御弁（ＬＰＲ２）の冷媒供給回路（１６ｂ）を開閉する冷媒供給側開閉手段（ＡＶ３）と、上記バッファタンク（Ｔｂ）から冷媒供給回路（１６）を経て低段圧縮機（５）の吸入側に流れる冷媒ガスがＪＴ冷凍機（５１）のＪＴ弁（５８）に逆流するのを阻止する逆流阻止手段（３）と、ＪＴ冷凍機（５１）の運転時には、ＪＴ開閉手段（ＡＶ１）を開きかつ冷媒供給側開閉手段（ＡＶ３）を閉じる一方、ＪＴ冷凍機（５１）の運転停止状態でシールド冷凍機（４０）を運転するときには、ＪＴ開閉手段（ＡＶ１）を閉じかつ冷媒供給側開閉手段（ＡＶ３）を開くように制御する制御手段（７１）とを設ける。
【００１５】
この発明によると、請求項１の発明と同様に、低段及び高段圧縮機（５），（８）で冷 媒ガスを圧縮して予冷冷凍機（２６）、シールド冷凍機（４０）及びＪＴ冷凍機（５１）で必要な高圧冷媒ガスを供給することができ、３種類の冷凍機（２６），（４０），（５１）であっても２段の圧縮機（５），（８）があればよく、圧縮機の必要台数を低減することができる。
【００１６】
また、制御手段（７１）によりＪＴ開閉手段（ＡＶ１）及び冷媒供給側開閉手段（ＡＶ３）が開閉制御され、ＪＴ冷凍機（５１）の運転時にはＪＴ開閉手段（ＡＶ１）が開かれ、かつ冷媒供給側開閉手段（ＡＶ３）が閉じられる。このことで、通常のとおり、高段圧縮機（８）から吐出された高圧冷媒ガスが冷媒回路を経てＪＴ冷凍機（５１）に供給されてＪＴ冷凍機（５１）が作動する。また、低段圧縮機（５）の吸入側の圧力が下がったときには、冷媒供給側開閉手段（ＡＶ３）の配置されていない側の冷媒供給回路（１６ａ）が圧力制御弁（ＬＰＲ１）の開弁によって開き、バッファタンク（Ｔｂ）の冷媒ガスが上記開いた圧力制御弁（ＬＰＲ１）を経て低段圧縮機（５）の吸入側に吸入される。このとき、冷媒供給側開閉手段（ＡＶ３）の配置されていない側の圧力制御弁（ＬＰＲ１）のみが開き、複数の圧力制御弁（ＬＰＲ１），（ＬＰＲ２）が同時に開かないので、バッファタンク（Ｔｂ）からの冷媒ガス供給量が必要以上に増えることはなく、ＪＴ冷凍機（５１）の冷凍能力を適正に保つことができる。
【００１７】
一方、ＪＴ冷凍機（５１）の運転停止状態でシールド冷凍機（４０）を運転する場合には、ＪＴ開閉手段（ＡＶ１）が閉じて、高段圧縮機（８）の吐出側からＪＴ冷凍機（５１）に至る冷媒回路が閉じられ、かつ冷媒供給側開閉手段（ＡＶ３）が開かれる。そして、この状態では、バッファタンク（Ｔｂ）と低段圧縮機（５）の吸入側とは複数の圧力制御弁（ＬＰＲ１），（ＬＰＲ２）を介して連通することとなり、両圧力制御弁（ＬＰＲ１），（ＬＰＲ２）の開弁に伴い、バッファタンク（Ｔｂ）内から十分な流量の冷媒ガスが冷媒供給回路（１６）を経て低段圧縮機（５）の吸入側に流れる。しかも、このようにバッファタンク（Ｔｂ）内から冷媒供給回路（１６）を経て低段圧縮機（５）の吸入側に流れる冷媒ガスがＪＴ冷凍機（５１）のＪＴ弁（５８）に逆流するのは逆流阻止手段（３）により阻止される。このため、上記のようにＪＴ冷凍機（５１）の運転停止により、ＪＴ冷凍機（５１）で膨張した後に低段圧縮機（５）に吸入される低圧冷媒ガスの流量が零となっても、上記バッファタンク（Ｔｂ）から十分な流量の冷媒ガスが冷媒供給回路（１６）を経て供給されて低段圧縮機（５）に吸入されるので、低段圧縮機（５）の吸入側が負圧になることはなく、よって上記請求項１の発明と同様に、ＪＴ冷凍機（５１）を運転停止した状態でのシールド冷凍機（４０）の運転を実行することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１に係る極低温冷凍装置（Ｒ）の全体構成を示し、この冷凍装置（Ｒ）は超電導磁石（Ｍ）をその超電導コイルが極低温レベルになるように冷却するためのもので、液体ヘリウム（冷媒）を貯溜する液体ヘリウムタンク（Ｔｈ）に付設されている。そして、このヘリウムタンク（Ｔｈ）内に超電導磁石（Ｍ）が液体ヘリウムにより浸漬されて収容され、この液体ヘリウムにより磁石（Ｍ）の超電導コイルが臨界温度以下に冷却保持される。
【００１９】
冷凍装置（Ｒ）は圧縮機ユニット（１）と冷凍機ユニット（２１）とからなる。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、逆止弁（３）を有する低圧配管（４）を介して吸い込んで圧縮する低段圧縮機（５）と、この低段圧縮機（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吸い込んでさらに高圧に圧縮する高段圧縮機（８）とが配設され、この高段圧縮機（８）の吐出側は冷凍機用高圧配管（９）を介して冷凍機用高圧ガス吐出口（１０）に、また上記冷凍機用高圧配管（９）から分岐したＪＴ用高圧配管（１１）を介してＪＴ用高圧ガス吐出口（１２）にそれぞれ接続されている。上記逆止弁（３）は、高段圧縮機（８）から後述するバイパス配管（１８）を経て低段圧縮機（５）の吸入側に流れるヘリウムガスが後述のＪＴ冷凍機（５１）のＪＴ弁（５８）側に逆流するのを阻止する逆流阻止手段を構成している。
【００２０】
上記高段圧縮機（８）の吐出側からＪＴ冷凍機（５１）に至る冷媒回路としての上記ＪＴ用高圧配管（１１）には流量調整用の絞り固定式のＪＴ流量調整弁（Ｖ１）と、このＪＴ流量調整弁（Ｖ１）の圧縮機吐出側に電磁弁からなるＪＴ開閉弁（ＡＶ１）（ＪＴ開閉手段）とが配設されている。
【００２１】
（Ｔｂ）はヘリウムガスを貯蔵するバッファタンクで、このバッファタンク（Ｔｂ）にはヘリウムガス給排配管（１５）の一端部が接続されている。このヘリウムガス給排配管（１５）の他端側は圧縮機ユニット（１）内でヘリウムガス供給配管（１６）とヘリウムガス戻し配管（１７）とに分岐され、ヘリウムガス供給配管（１６）の端部は、上記低段圧縮機（５）の吸込側と逆止弁（４）との間の低圧配管（４）に接続され、このヘリウムガス供給配管（１６）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、低圧配管（４）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低圧配管（４）（冷媒回路）に供給される。
【００２２】
一方、ヘリウムガス戻し配管（１７）の端部は上記冷凍機用高圧配管（９）（ＪＴ用高圧配管（１１））に接続され、このヘリウムガス戻し配管（１７）の途中には高圧制御弁（ＨＰＲ）が配置されている。この高圧制御弁（ＨＰＲ）は、冷凍機用高圧配管（９）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）の開弁により冷凍機用高圧配管（９）及びＪＴ用高圧配管（１１）（冷媒回路）のヘリウムガスがバッファタンク（Ｔｂ）内に戻される。
【００２３】
さらに、上記高段圧縮機（８）の吐出側と上記ＪＴ用高圧配管（１１）への分岐部との間の冷凍機用高圧配管（９）にはバイパス配管（１８）の一端部が接続され、このバイパス配管（１８）の他端部は、上記逆止弁（３）とヘリウムガス供給配管（１６）への分岐部との間の低圧配管（４）に接続されており、このバイパス配管（１８）により、高段圧縮機（８）の吐出側がＪＴ冷凍機（５１）をバイパスして低段圧縮機（５）の吸入側に接続されている。そして、上記バイパス配管（１８）には、流量調整用の絞り固定式のバイパス流量調整弁（Ｖ２）と、このバイパス流量調整弁（Ｖ２）の圧縮機吐出側に電磁弁からなるバイパス開閉弁（ＡＶ２）（バイパス開閉手段）とが配設されている。
【００２４】
これに対し、上記冷凍機ユニット（２１）は真空デュワー（Ｄ）を有し、この真空デュワー（Ｄ）内部に上記液体ヘリウムタンク（Ｔｈ）が熱シールド板（Ｓ）により外部から熱シールドされた状態で収容されており、この熱シールド板（Ｓ）の内部が、後述のＪＴ冷凍機（５１）により極低温レベルに冷却される極低温冷却部分とされている。
【００２５】
また、真空デュワー（Ｄ）の内部には液体窒素を貯溜する液体窒素タンク（Ｔｎ）が配設されている。この液体窒素タンク（Ｔｎ）の底部には窒素配管（２２）の一端部が接続され、この窒素配管（２２）の他端部は同じ液体窒素タンク（Ｔｎ）内の上部に開口されていて、窒素配管（２２）及び液体窒素タンク（Ｔｎ）により閉回路の窒素回路が構成されている。
【００２６】
そして、上記窒素配管（２２）の途中には上記熱シールド板（Ｓ）に伝熱可能に接触したシールド板熱交換器（２３）が配設されており、液体窒素タンク（Ｔｎ）内の液体窒素を窒素配管（２２）を介してシールド板熱交換器（２３）に供給し、その熱交換器（２３）での熱交換により熱シールド板（Ｓ）を液体窒素の温度（約８０Ｋ）に冷却して、熱シールド板（Ｓ）内の液体ヘリウムタンク（Ｔｈ）等を外部から熱シールドするとともに、シールド板熱交換器（２３）での熱交換によって蒸発した窒素ガスを窒素タンク（Ｔｎ）内に戻すようにしている。尚、（２４）は窒素配管（２２）に接続された大気放出弁で、液体窒素タンク（Ｔｎ）内の余剰の窒素を真空デュワー（Ｄ）外部に放出するためのものである。
【００２７】
上記冷凍機ユニット（２１）は、圧縮機ユニット（１）の高段圧縮機（８）に対し互いに並列に閉回路に接続された予冷冷凍機（２６）、シールド冷凍機（４０）及びＪＴ冷凍機（５１）からなる。上記予冷冷凍機（２６）は、ＪＴ冷凍機（５１）におけるヘリウムガス（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Ｇ−Ｍ（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。
【００２８】
この予冷冷凍機（２６）は上記真空デュワー（Ｄ）の外部に配置される密閉状のモータヘッド（２７）と、該モータヘッド（２７）に連設された大小２段構造のシリンダ（２８）とを有する。上記モータヘッド（２７）には高圧ガス入口（２９）及び低圧ガス出口（３０）が開口され、高圧ガス入口（２９）は予冷側分岐高圧配管（３１）及び集合高圧配管（３３）を介して上記圧縮機ユニット（１）の冷凍機用高圧ガス吐出口（１０）つまり高段圧縮機（８）の吐出側に、また低圧ガス出口（３０）は予冷側分岐中間圧配管（３４）及び集合中間圧配管（３６）を介して圧縮機ユニット（１）の中間圧ガス吸入口（６）つまり高段圧縮機（８）の吸入側にそれぞれ接続されている。
【００２９】
一方、シリンダ（２８）の先端部は真空デュワー（Ｄ）の側壁を貫通してその内部の熱シールド板（Ｓ）内に延びており、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（３７）に、また小径部の先端部は上記第１ヒートステーション（３７）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（３８）にそれぞれ形成されている。
【００３０】
すなわち、ここでは図示しないが、シリンダ（２８）内には、上記各ヒートステーション（３７），（３８）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（２７）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（２９）から流入したヘリウムガスをシリンダ（２８）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（３０）から排出するように切り換わる。また、モータヘッド（２７）には、シリンダ（２８）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）の高段圧縮機（８）からの高圧ヘリウムガスをシリンダ（２８）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（２８）における第１及び第２ヒートステーション（３７），（３８）にて保持する。つまり、予冷冷凍機（２６）では、高段圧縮機（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（３７），（３８）の温度を低下させ、ＪＴ冷凍機（５１）における後述の予冷器（５６），（５７）を予冷するとともに、膨張した中間圧のヘリウムガスを高段圧縮機（８）の吸入側に戻して再圧縮するようになされている。
【００３１】
一方、シールド冷凍機（４０）は上記予冷冷凍機（２６）と同じ構造のガス圧駆動型のもので、真空デュワー（Ｄ）の外部に配置されるモータヘッド（４１）と、該モータヘッド（４１）に連設され、真空デュワー（Ｄ）の側壁を貫通してその内部に延びるシリンダ（４２）とを有する。上記モータヘッド（４１）には高圧ガス入口（４４）及び低圧ガス出口（４５）が開口され、高圧ガス入口（４４）はシールド側分岐高圧配管（３２）を介して上記集合高圧配管（３３）、つまり圧縮機ユニット（１）の冷凍機用高圧ガス吐出口（１０）（高段圧縮機（８）の吐出側）に、また低圧ガス出口（４５）はシールド側分岐中間圧配管（３５）を介して上記集合中間圧配管（３６）、つまり圧縮機ユニット（１）の中間圧ガス吸入口（６）（高段圧縮機（８）の吸入側）にそれぞれ接続されている。一方、シリンダ（４２）の先端部は所定温度レベルに冷却保持されるヒートステーション（４３）に形成されていて、このヒートステーション（４３）は上記液体窒素タンク（Ｔｎ）内部に臨んでいる。そして、シールド冷凍機（４０）により、高段圧縮機（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（４３）の温度を低下させ、液体窒素タンク（Ｔｎ）内の蒸発窒素ガスを冷却して液化するとともに、膨張した中間圧ヘリウムガスを高段圧縮機（８）の吸入側に戻して再圧縮するようになされている。
【００３２】
上記ＪＴ冷凍機（５１）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（５１）は上記真空デュワー（Ｄ）内で熱シールド板（Ｓ）の外側に配置された第１ＪＴ熱交換器（５２）と、熱シールド板（Ｓ）の内側に配置された第２及び第３ＪＴ熱交換器（５３），（５４）とを備えている。この各ＪＴ熱交換器（５２）〜（５４）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（５２）の１次側は圧縮機ユニット（１）のＪＴ用高圧ガス吐出口（１２）つまり高段圧縮機（８）の吐出側にＪＴ側高圧配管（５５）を介して接続されている。また、第１及び第２ＪＴ熱交換器（５２），（５３）の各１次側同士は、上記予冷冷凍機（２６）におけるシリンダ（２８）の第１ヒートステーション（３７）外周に配置した第１予冷器（５６）を介して接続されている。同様に、第２及び第３ＪＴ熱交換器（５３），（５４）の各１次側同士は、第２ヒートステーション（３８）外周に配置した第２予冷器（５７）を介して接続されている。さらに、上記第３ＪＴ熱交換器（５４）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ＪＴ弁（５８）に吸着器（５９）を介して接続されている。上記ＪＴ弁（５８）は真空デュワー（Ｄ）外側から操作ロッド（５８ａ）によって開度が調整される。このＪＴ弁（５８）は、液体ヘリウム戻し配管（６０）を介して上記液体ヘリウムタンク（Ｔｈ）内に連通されている。また、このヘリウムタンク（Ｔｈ）内は、ヘリウムガス吸入配管（６１）を介して上記第３ＪＴ熱交換器（５４）の２次側に接続されている。そして、この第３ＪＴ熱交換器（５４）の２次側は第２ＪＴ熱交換器（５３）の２次側を経て第１ＪＴ熱交換器（５２）の２次側に接続され、この第１ＪＴ熱交換器（５２）の２次側は低圧配管（６２）を介して圧縮機ユニット（１）の低圧ガス吸入口（２）つまり低段圧縮機（５）の吸入側に接続されている。
【００３３】
すなわち、ＪＴ冷凍機（５１）は圧縮機ユニット（１）の両圧縮機（５），（８）に対し高低圧配管（５５），（６２）を介して直列に接続された冷媒回路をなし、その冷媒回路の一部が液体ヘリウム戻し配管（６０）及びヘリウムガス吸入配管（６１）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（６１）から冷媒回路に吸い込み、さらに第３〜第１ＪＴ熱交換器（５４）〜（５２）の各２次側を通して圧縮機ユニット（１）の低段圧縮機（５）、次いで高段圧縮機（８）にそれぞれ吸入して圧縮する。また、この高段圧縮機（８）により圧縮された高圧ヘリウムガスを第１〜第３ＪＴ熱交換器（５２）〜（５４）において、圧縮機ユニット（１）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（５６），（５７）でそれぞれ予冷冷凍機（２６）の第１及び第２ヒートステーション（３７），（３８）で冷却（予冷）した後、ＪＴ弁（５８）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（６０）を経由してタンク（Ｔｈ）内に戻すようになされている。
【００３４】
上記第１及び第２開閉弁（ＡＶ１），（ＡＶ２）は制御装置（７１）に接続されていて、該制御装置（７１）からの制御信号によって開閉制御されるようになっている。この制御装置（７１）では、シールド冷凍機（４０）及びＪＴ冷凍機（５１）の運転状態に応じてＪＴ開閉弁（ＡＶ１）及びバイパス開閉弁（ＡＶ２）を開閉切換えし、ＪＴ冷凍機（５１）の運転時には、ＪＴ開閉弁（ＡＶ１）を開きかつバイパス開閉弁（ＡＶ２）を閉じる一方、ＪＴ冷凍機（５１）の運転停止状態でシールド冷凍機（４０）（予冷冷凍機（２６）及びシールド冷凍機（４０）の双方でもよい）を運転するときには、ＪＴ開閉弁（ＡＶ１）を閉じかつバイパス開閉弁（ＡＶ２）を開くようにしている。
【００３５】
次に、上記実施形態の作用について説明する。
【００３６】
基本的に、超電導磁石（Ｍ）が作動する定常状態では、その超電導コイルがヘリウムタンク（Ｔｈ）内の液体ヘリウムにより臨界温度以下に冷却保持される。また、上記ヘリウムタンク（Ｔｈ）内で蒸発したヘリウムガスは、タンク（Ｔｈ）内に開口するヘリウムガス吸入配管（６１）から吸い込まれて極低温冷凍装置（Ｒ）の冷媒回路に供給され、そこで圧縮及び膨張により冷却されて液化する。この液体ヘリウムは液体ヘリウム戻し配管（６０）を経てタンク（Ｔｈ）内に戻される。このことによって、タンク（Ｔｈ）内に液体ヘリウムが所定量以上貯溜されて、超電導コイルが臨界温度以下に安定して冷却される。
【００３７】
一方、液体窒素タンク（Ｔｎ）内の液体窒素が窒素配管（２２）を介してシールド板熱交換器（２３）に供給されて、該シールド板熱交換器（２３）により熱シールド板（Ｓ）が約８０Ｋに冷却保持され、この冷却によって熱シールド板（Ｓ）内の液体ヘリウムタンク（Ｔｈ）やその内部の超電導磁石（Ｍ）、予冷冷凍機（２６）の各ヒートステーション（３７），（３８）等が外部から熱シールドされる。また、上記シールド板熱交換器（２３）で熱シールド板（Ｓ）との熱交換により液体窒素が蒸発して窒素ガスとなり、この窒素ガスは窒素配管（２２）を経て液体窒素タンク（Ｔｎ）内の上部に戻る。
【００３８】
上記冷凍装置（Ｒ）の運転についてさらに詳しく説明すると、ＪＴ冷凍機（５１）を運転状態とするときには、バイパス開閉弁（ＡＶ２）が閉弁してバイパス配管（１８）が閉じられ、同時に、ＪＴ開閉弁（ＡＶ１）が開弁してＪＴ用高圧配管（１１）が開く。このことで、圧縮機ユニット（１）の高段圧縮機（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（２６）におけるシリンダ（２８）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（３７）が所定温度レベルに、また第２ヒートステーション（３８）が第１ヒートステーション（３７）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）を経由して上記高段圧縮機（８）に吸い込まれて圧縮される。
【００３９】
また、上記圧縮機ユニット（１）の高段圧縮機（８）から供給された高圧のヘリウムガスの残りの一部がシールド冷凍機（４０）におけるシリンダ（４２）内の膨張空間で膨張し、このガスの膨張に伴う温度降下により上記液体窒素タンク（Ｔｎ）内のヒートステーション（４３）が所定温度レベルに冷却される。このことで、液体窒素タンク（Ｔｎ）内上部の窒素ガスが冷却されて液化し、液体窒素に戻る。尚、このシールド冷凍機（４０）のシリンダ（４２）内の膨張空間で膨張したヘリウムガスも、上記予冷冷凍機（２６）のガスと同様に圧縮機ユニット（１）に戻り、その中間圧配管（７）を経由して高段圧縮機（８）に吸い込まれて圧縮される。
【００４０】
一方、圧縮機ユニット（１）における高段圧縮機（８）から吐出された高圧のヘリウムガスの残部は、上記開弁しているＪＴ開閉弁（ＡＶ１）及びＪＴ用高圧配管（１１）を経由してＪＴ冷凍機（５１）の第１ＪＴ熱交換器（５２）の１次側に入り、そこで圧縮機ユニット（１）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（２６）の第１ヒートステーション（３７）外周の第１予冷器（５６）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（５３）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（２６）の第２ヒートステーション（３８）外周の第２予冷器（５７）に入ってさらに冷却される。この後、ガスは第３ＪＴ熱交換器（５４）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（５８）に至る。このＪＴ弁（５８）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（６０）を経由して液体ヘリウムタンク（Ｔｈ）へ供給される。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（６１）を介して第３ＪＴ熱交換器（５４）の２次側に吸入され、第２及び第１ＪＴ熱交換器（５３），（５２）の各２次側を経由して低段圧縮機（５）に吸い込まれて圧縮される。
【００４１】
一方、例えば、このような極低温冷凍装置（Ｒ）の運転開始時にＪＴ冷凍機（５１）を運転停止した状態で、或いは極低温冷凍装置（Ｒ）の運転中にＪＴ冷凍機（５１）が故障等により運転停止された状態で、シールド冷凍機（４０）（予冷冷凍機（２６）及びシールド冷凍機（４０）の双方でもよい）を運転するときには、上記ＪＴ開閉弁（ＡＶ１）が閉弁してＪＴ用高圧配管（１１）が閉じ、ＪＴ弁（５８）への高圧ヘリウムガスの供給が停止される。この状態では、ＪＴ冷凍機（５１）に至るＪＴ用高圧配管（１１）が閉じられるので、ＪＴ冷凍機（５１）で膨張した後に低段圧縮機（５）に吸入される低圧ヘリウムガスの流量が零となり、その低段圧縮機（５）の吸入側が負圧になる虞れがある。しかし、この実施形態では、上記ＪＴ開閉弁（ＡＶ１）の閉弁によりＪＴ用高圧配管（１１）が閉じるのと共に、バイパス開閉弁（ＡＶ２）が開弁してバイパス配管（１８）が開く。このことで、高段圧縮機（８）から吐出された高圧ヘリウムガスの一部がバイパス配管（１８）によりＪＴ冷凍機（５１）をバイパスして低段圧縮機（５）の吸入側に流れる。尚、このバイパス配管（１８）は逆止弁（３）よりも低段圧縮機（５）の吸入側にある低圧配管（４）に接続されているので、上記高段圧縮機（８）からバイパス配管（１８）を経て低段圧縮機（５）の吸入側に流れるヘリウムガスがＪＴ冷凍機（５１）のＪＴ弁（５８）に逆流することはない。このため、上記のように、ＪＴ冷凍機（５１）で膨張した後に低段圧縮機（５）に吸入される低圧ヘリウムガスの流量が零となっても、それに代わり、上記バイパス配管（１８）を経たヘリウムガスが低段圧縮機（５）の吸入側に供給されるので、その低段圧縮機（５）の吸入側は負圧にならない。よって、高低段の圧縮機（５），（８）に３種類の冷凍機（２６），（４０），（５１）が接続されている極低温冷凍装置（Ｒ）に対し、ＪＴ冷凍機（５１）を運転停止した状態でのシールド冷凍機（４０）の運転を支障なく実行することができる。
【００４２】
また、この実施形態では、極低温冷凍装置（Ｒ）における圧縮機ユニット（１）に高低段の２段の圧縮機（５），（８）が設けられ、その高段圧縮機（８）の吐出側に予冷冷凍機（２６）及びシールド冷凍機（４０）の各高圧ガス入口（２９），（４４）とＪＴ冷凍機（５１）の高圧ガス入口側とが接続され、一方、予冷冷凍機（２６）及びシールド冷凍機（４０）の各低圧ガス出口（３０），（４５）は高段圧縮機（８）の吸入側に、またＪＴ冷凍機（５１）のヘリウムガス出口側は低段圧縮機（５）の吸入側にそれぞれ接続されているので、低段及び高段圧縮機（５），（８）でヘリウムガスを圧縮して予冷冷凍機（２６）、シールド冷凍機（４０）及びＪＴ冷凍機（５１）で必要な高圧ヘリウムガスを供給することができ、３種類の冷凍機（２６），（４０），（５１）であっても２段の圧縮機（５），（８）があればよく、圧縮機の必要台数を低減することができる。
【００４３】
（実施形態２）
図２は本発明の実施形態２を示し（尚、図１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）、上記実施形態では、ＪＴ冷凍機（５１）の運転停止状態でシールド冷凍機（４０）（及び予冷冷凍機（２６））を運転する場合、高段圧縮機（８）から吐出された高圧ヘリウムガスの一部をバイパス配管（１８）を経て低段圧縮機（５）の吸入側に供給するようにしているのに対し、バッファタンク（Ｔｂ）内のヘリウムガスを低段圧縮機（５）の吸入側に供給するようにしたものである。
【００４４】
すなわち、この実施形態では、ヘリウムガス供給配管（１６）は途中で第１及び第２の２つの分岐配管（１６ａ），（１６ｂ）に並列に分岐され、第１分岐配管（１６ａ）には第１低圧制御弁（ＬＰＲ１）が、また第２分岐配管（１６ｂ）には第２低圧制御弁（ＬＰＲ２）がそれぞれ配設されている。これらの低圧制御弁（ＬＰＲ１），（ＬＰＲ２）は、上記実施形態１の低圧制御弁（ＬＰＲ）と同様のもので、低圧配管（４）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。よって、上記ヘリウムガス供給配管（１６）に、低段圧縮機（５）の吸入側圧力が互いに異なる設定圧以下に低下したときにそれぞれ開弁する２つの低圧制御弁（ＬＰＲ１），（ＬＰＲ２）が並列に接続されている。
【００４５】
さらに、上記第２分岐配管（１６ｂ）には、流量調整用の絞り固定式のヘリウム供給側流量調整弁Ｖ３と、このヘリウム供給側流量調整弁Ｖ３の第２低圧制御弁（ＬＰＲ２）側に、電磁弁からなるヘリウム供給側開閉弁（ＡＶ３）（冷媒供給側開閉手段）とが配設されており、このヘリウム供給側開閉弁（ＡＶ３）を閉じたときには、第１低圧制御弁（ＬＰＲ１）の開弁により第１分岐配管（１６ａ）を介して、またヘリウム供給側開閉弁（ＡＶ３）を開いたときには、第１及び第２低圧制御弁（ＬＰＲ１），（ＬＰＲ２）の開弁により第１及び第２分岐配管（１６ａ），（１６ｂ）の双方を介してそれぞれバッファタンク（Ｔｂ）からヘリウムガスを低圧配管（４）に供給するようになっている。
【００４６】
また、このヘリウム供給側開閉弁（ＡＶ３）は、ＪＴ開閉弁（ＡＶ１）と共に制御装置（７１）によって開閉制御されるようになっており、ＪＴ冷凍機（５１）の運転時には、ＪＴ開閉弁（ＡＶ１）を開きかつヘリウム供給側開閉弁（ＡＶ３）を閉じる一方、ＪＴ冷凍機（５１）の運転停止状態でシールド冷凍機（４０）（予冷冷凍機（２６）及びシールド冷凍機（４０）の双方でもよい）を運転するときには、ＪＴ開閉弁（ＡＶ１）を閉じかつヘリウム供給側開閉弁（ＡＶ３）を開くようになされている。
【００４７】
尚、バイパス配管（１８）及びその途中のバイパス開閉弁（ＡＶ２）はなく、その他の構成は実施形態１と同様である。
【００４８】
したがって、この実施形態では、極低温冷凍装置（Ｒ）の運転時、その制御装置（７１）によりＪＴ開閉弁（ＡＶ１）及びヘリウム供給側開閉弁（ＡＶ３）が開閉制御され、ＪＴ冷凍機（５１）を運転するときには、ＪＴ開閉弁（ＡＶ１）が開かれ、ヘリウム供給側開閉弁（ＡＶ３）は閉じられる。このことで、通常のとおり、高段圧縮機（８）から吐出された高圧ヘリウムガスがＪＴ用高圧配管（１１）を経てＪＴ冷凍機（５１）に供給されてＪＴ冷凍機（５１）が作動する。また、低圧配管（４）の圧力が第１低圧制御弁（ＬＰＲ１）の開弁圧よりも下がると、その第１低圧制御弁（ＬＰＲ１）が開弁し、ヘリウムガス供給配管（１６）において、ヘリウム供給側開閉弁（ＡＶ３）の配置されていない側の第１分岐配管（１６ａ）が開き、バッファタンク（Ｔｂ）のヘリウムガスが上記第１低圧制御弁（ＬＰＲ１）を経て低段圧縮機（５）の吸入側に吸入される。このとき、第１及び第２の両低圧制御弁（ＬＰＲ１），（ＬＰＲ２）は同時に開かず、ヘリウム供給側開閉弁（ＡＶ３）の配置されていない側の第１低圧制御弁（ＬＰＲ１）のみが開くので、バッファタンク（Ｔｂ）から低圧配管（４）（冷媒回路）に供給されるヘリウムガス量が無闇に増えず、ＪＴ冷凍機（５１）の冷凍能力に影響を及ぼすことはない。
【００４９】
一方、ＪＴ冷凍機（５１）の運転停止状態で、シールド冷凍機（４０）（予冷冷凍機（２６）及びシールド冷凍機（４０）の双方でもよい）を運転する場合には、ＪＴ開閉弁（ＡＶ１）が閉じて、高段圧縮機（８）の吐出側からＪＴ冷凍機（５１）に至るＪＴ高圧配管が閉じられ、ＪＴ冷凍機（５１）へのヘリウムガスの供給が停止される。また、これと同時に、ヘリウム供給側開閉弁（ＡＶ３）が開かれる。このヘリウム供給側開閉弁（ＡＶ３）の開弁に伴い、低圧配管（４）の圧力が両低圧制御弁（ＬＰＲ１），（ＬＰＲ２）の開弁圧よりも下がりさえすると、その両低圧制御弁（ＬＰＲ１），（ＬＰＲ２）が開弁して、ヘリウムガス供給配管（１６）の両分岐配管（１６ａ），（１６ｂ）が開き、バッファタンク（Ｔｂ）のヘリウムガスが上記両低圧制御弁（ＬＰＲ１），（ＬＰＲ２）を経て低段圧縮機（５）の吸入側に吸入される。このため、上記ＪＴ冷凍機（５１）の運転停止に伴い、ＪＴ冷凍機（５１）で膨張した後に低段圧縮機（５）に吸入される低圧ヘリウムガスの流量が零となっても、上記バッファタンク（Ｔｂ）から開弁した両低圧制御弁（ＬＰＲ１），（ＬＰＲ２）を経て供給されるヘリウムガスが低段圧縮機（５）に吸入されるので、低段圧縮機（５）の吸入側が負圧になることはなく、よって上記実施形態１と同様に、ＪＴ冷凍機（５１）を運転停止した状態でのシールド冷凍機（４０）の運転を実行することができる。
【００５０】
尚、この実施形態２において、第２低圧制御弁（ＬＰＲ２）の開弁圧（設定圧）を第１低圧制御弁（ＬＰＲ１）よりも低く、また第２低圧制御弁（ＬＰＲ２）のガス流量を第１低圧制御弁（ＬＰＲ１）よりも大きくそれぞれ設定して、ヘリウム供給側開閉弁（ＡＶ３）の開弁に伴い、第２低圧制御弁（ＬＰＲ２）のみを経てバッファタンク（Ｔｂ）のヘリウムガスを供給するようにしてもよい。
【００５１】
また、実施形態２において、第１及び第２の２つの低圧制御弁（ＬＰＲ１），（ＬＰＲ２）の分岐配管（１６ａ），（１６ｂ）をそれぞれ開閉するヘリウム供給側開閉弁を設け、シールド冷凍機（４０）の運転時には、それらを同時に開弁させるようにしてもよい。さらには、低圧制御弁を３つ以上に増加させることもできる。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１又は２の発明によると、冷媒ガスを圧縮する圧縮機に、ディスプレーサ型の予冷冷凍機及びシールド冷凍機と、ＪＴ弁で冷媒ガスをジュールトムソン膨張させるＪＴ冷凍機とを接続する場合において、圧縮機は高低段の２段の圧縮機とし、その高段圧縮機の吐出側に予冷冷凍機、シールド冷凍機及びＪＴ冷凍機の各冷媒ガス入口側を接続する一方、予冷冷凍機及びシールド冷凍機の冷媒ガス出口は高段圧縮機の吸入側に、またＪＴ冷凍機の冷媒ガス出口は低段圧縮機の吸入側にそれぞれ接続した。そしてさらに、請求項１の発明では、高段圧縮機の吐出側からＪＴ冷凍機に至る冷媒回路を開閉するＪＴ開閉手段と、高段圧縮機の吐出側をＪＴ冷凍機をバイパスして低段圧縮機の吸入側に接続するバイパス回路と、このバイパス回路を開閉するバイパス開閉手段と、上記高段圧縮機からバイパス回路を経て低段圧縮機の吸入側に流れる冷媒ガスがＪＴ冷凍機のＪＴ弁に逆流するのを阻止する逆流阻止手段とを設け、ＪＴ冷凍機の運転時には、ＪＴ開閉手段を開きかつバイパス開閉手段を閉じる一方、ＪＴ冷凍機の運転停止状態でのシールド冷凍機の運転時には、ＪＴ開閉手段を閉じかつバイパス開閉手段を開くようにした。また、請求項２の発明では、高段圧縮機の吐出側からＪＴ冷凍機に至る冷媒回路を開閉するＪＴ開閉手段と、低段圧縮機の吸入側に冷媒供給回路を介して接続されるとともに、高段圧縮機の吐出側に冷媒戻し回路を介して接続され、冷媒ガスを貯蔵するバッファタンクと、上記冷媒供給回路に並列に接続され、低段圧縮機の吸入側圧力が設定圧以下に低下したときにそれぞれ開弁する複数の圧力制御弁と、上記少なくとも１つの圧力制御弁の冷媒供給回路を開閉する冷媒供給側開閉手段と、バッファタンクから冷媒供給回路を経て低段圧縮機の吸入側に流れる冷媒ガスがＪＴ冷凍機のＪＴ弁に逆流するのを阻止する逆流阻止手段とを設け、ＪＴ冷凍機の運転時には、ＪＴ開閉手段を開きかつ冷媒供給側開閉手段を閉じる一方、ＪＴ冷凍機の運転停止状態でのシールド冷凍機の運転時には、ＪＴ開閉手段を閉じかつ冷媒供給側開閉手段を開くようにした。従って、これらの発明によると、予冷冷凍機、シールド冷凍機及びＪＴ冷凍機の３種類の冷凍機であっても、低段及び高段の２段の圧縮機があればよく、圧縮機の必要台数の低減化を図ることができる。しかも、ＪＴ冷凍機に至る冷媒回路がＪＴ開閉手段により閉じられて、ＪＴ冷凍機で膨張した後に低段圧縮機に吸入される低圧冷媒ガス流量が零となっても、高段圧縮機からバイパス回路を経た冷媒ガス、又はバッファタンクから冷媒供給回路を経た冷媒ガスを低段圧縮機の吸入側に供給して、その低段圧縮機の吸入側が負圧になるのを防止でき、よって高低段の圧縮機に３種類の冷凍機が接続されている極低温冷凍装置においてＪＴ冷凍機を運転停止した状態でのシールド冷凍機の運転実行化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係る極低温冷凍装置の全体構成を示す図である。
【図２】実施形態２を示す図１相当図である。
【符号の説明】
（Ｒ） 極低温冷凍装置
（１） 圧縮機ユニット
（５） 低段圧縮機
（８） 高段圧縮機
（１１） ＪＴ高圧配管
（１６） ヘリウムガス供給配管（冷媒供給回路）
（１７） ヘリウムガス戻し配管（冷媒戻し回路）
（１８） バイパス配管（バイパス回路）
（ＡＶ１） ＪＴ開閉弁（ＪＴ開閉手段）
（ＡＶ２） バイパス開閉弁（バイパス開閉手段）
（ＡＶ３） ヘリウム供給側開閉弁（冷媒供給側開閉手段）
（ＬＰＲ１），（ＬＰＲ２） 低圧制御弁（圧力制御弁）
（２１） 冷凍機ユニット
（２６） 予冷冷凍機
（３７），（３８） ヒートステーション
（４０） シールド冷凍機
（４３） ヒートステーション
（５１） ＪＴ冷凍機
（５８） ＪＴ弁
（７１） 制御装置（制御手段）
（Ｔｂ） バッファタンク
（Ｔｈ） 液体ヘリウムタンク
（Ｄ） 真空デュワー
（Ｔｎ） 液体窒素タンク
（Ｓ） 熱シールド板
Claims (2)
- 冷媒ガスを圧縮する低段圧縮機（５）と、
上記低段圧縮機（５）から吐出された冷媒ガスを圧縮する高段圧縮機（８）と、
上記高段圧縮機（８）からの高圧冷媒ガスをＪＴ弁（５８）でジュールトムソン膨張させて極低温を発生させるとともに、上記膨張した後の冷媒ガスを上記低段圧縮機（５）の吸入側に戻すＪＴ冷凍機（５１）と、
シリンダ内に往復動可能なディスプレーサにより区画された膨張空間を有し、上記高段圧縮機（８）からの高圧冷媒ガスを該膨張空間で膨張させて極低温を発生させ、上記ＪＴ冷凍機（５１）でジュールトムソン膨張する前の冷媒ガスを予冷するとともに、上記膨張した後の冷媒ガスを上記高段圧縮機（８）の吸入側に戻す予冷冷凍機（２６）と、
シリンダ内に往復動可能なディスプレーサにより区画された膨張空間を有し、上記高段圧縮機（８）からの高圧冷媒ガスを該膨張空間で膨張させて極低温を発生させ、少なくとも上記ＪＴ冷凍機（５１）による極低温冷却部分を外部から熱シールドするとともに、上記膨張した後の冷媒ガスを上記高段圧縮機（８）の吸入側に戻すシールド冷凍機（４０）と、
上記高段圧縮機（８）の吐出側からＪＴ冷凍機（５１）に至る冷媒回路を開閉するＪＴ開閉手段（ＡＶ１）と、
上記高段圧縮機（８）の吐出側を、ＪＴ冷凍機（５１）をバイパスして低段圧縮機（５）の吸入側に接続するバイパス回路（１８）と、
上記バイパス回路（１８）を開閉するバイパス開閉手段（ＡＶ２）と、
上記高段圧縮機（８）からバイパス回路（１８）を経て低段圧縮機（５）の吸入側に流れる冷媒ガスがＪＴ冷凍機（５１）のＪＴ弁（５８）に逆流するのを阻止する逆流阻止手段（３）と、
上記ＪＴ冷凍機（５１）の運転時には、ＪＴ開閉手段（ＡＶ１）を開きかつバイパス開閉手段（ＡＶ２）を閉じる一方、ＪＴ冷凍機（５１）の運転停止状態でシールド冷凍機（４０）を運転するときには、ＪＴ開閉手段（ＡＶ１）を閉じかつバイパス開閉手段（ＡＶ２）を開くように制御する制御手段（７１）とを備えたことを特徴とする極低温冷凍装置。 - 冷媒ガスを圧縮する低段圧縮機（５）と、
上記低段圧縮機（５）から吐出された冷媒ガスを圧縮する高段圧縮機（８）と、
上記高段圧縮機（８）からの高圧冷媒ガスをＪＴ弁（５８）でジュールトムソン膨張させて極低温を発生させるとともに、上記膨張した後の冷媒ガスを上記低段圧縮機（５）の吸入側に戻すＪＴ冷凍機（５１）と、
シリンダ内に往復動可能なディスプレーサにより区画された膨張空間を有し、上記高段圧縮機（８）からの高圧冷媒ガスを該膨張空間で膨張させて極低温を発生させ、上記ＪＴ冷凍機（５１）でジュールトムソン膨張する前の冷媒ガスを予冷するとともに、上記膨張した後の冷媒ガスを上記高段圧縮機（８）の吸入側に戻す予冷冷凍機（２６）と、
シリンダ内に往復動可能なディスプレーサにより区画された膨張空間を有し、上記高段圧縮機（８）からの高圧冷媒ガスを該膨張空間で膨張させて極低温を発生させ、少なくとも上記ＪＴ冷凍機（５１）による極低温冷却部分を外部から熱シールドするとともに、上記膨張した後の冷媒ガスを上記高段圧縮機（８）の吸入側に戻すシールド冷凍機（４０）と、
上記高段圧縮機（８）の吐出側からＪＴ冷凍機（５１）に至る冷媒回路を開閉するＪＴ開閉手段（ＡＶ１）と、
上記低段圧縮機（５）の吸入側に冷媒供給回路（１６）を介して接続されるとともに、高段圧縮機（８）の吐出側に冷媒戻し回路（１７）を介して接続され、冷媒ガスを貯蔵するバッファタンク（Ｔｂ）と、
上記冷媒供給回路（１６）に並列に接続され、低段圧縮機（５）の吸入側圧力が設定圧 以下に低下したときにそれぞれ開弁する複数の圧力制御弁（ＬＰＲ１），（ＬＰＲ２）と、
上記少なくとも１つの圧力制御弁（ＬＰＲ２）の冷媒供給回路（１６ｂ）を開閉する冷媒供給側開閉手段（ＡＶ３）と、
上記バッファタンク（Ｔｂ）から冷媒供給回路（１６）を経て低段圧縮機（５）の吸入側に流れる冷媒ガスがＪＴ冷凍機（５１）のＪＴ弁（５８）に逆流するのを阻止する逆流阻止手段（３）と、
上記ＪＴ冷凍機（５１）の運転時には、ＪＴ開閉手段（ＡＶ１）を開きかつ冷媒供給側開閉手段（ＡＶ３）を閉じる一方、ＪＴ冷凍機（５１）の運転停止状態でシールド冷凍機（４０）を運転するときには、ＪＴ開閉手段（ＡＶ１）を閉じかつ冷媒供給側開閉手段（ＡＶ３）を開くように制御する制御手段（７１）とを備えたことを特徴とする極低温冷凍装置。
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