JP3672873B2

JP3672873B2 - 極低温冷却装置

Info

Publication number: JP3672873B2
Application number: JP2002016904A
Authority: JP
Inventors: 俊治山田
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-01-25
Filing date: 2002-01-25
Publication date: 2005-07-20
Anticipated expiration: 2022-01-25
Also published as: JP2003214718A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、極低温冷却装置に係り、特に、冷凍機にジュール・トムソン（ＪＴ）回路を付加して、冷凍能力を増大させたり、冷凍温度を低下させた冷凍機に用いるのに好適な、冷凍機を安定に運転することが可能な極低温冷却方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常使われる冷凍機、例えばギフォードマクマホン（ＧＭ）冷凍機、パルスチューブ冷凍機、スターリング冷凍機等は、２段で構成されており、ＧＭ冷凍機２０について図示した図１に示す如く、運転すると１段目（１段ステージと称する）２１の温度は、例えば７７Ｋ（使用する機種や負荷の大きさにより決まり、４５〜９０Ｋとなるようにする）、２段目（２段ステージと称する）２２の温度は、例えば１０Ｋ以下まで冷却することができる。特に、２段ステージ２２の温度は、用途に合わせ、ＧＭ冷凍機内部のディスプレーサに入れる蓄冷材を変えることにより、２．５Ｋ程度まで冷却することができるようになっている。通常、超伝導マグネットの冷却等の場合、４Ｋ以下まで冷却する。
【０００３】
図において、１０は、超伝導マグネット等の被冷却物、１２は、断熱のための真空容器、１８は、ＧＭ冷凍機の圧縮機である。
【０００４】
しかしながら、ＧＭ冷凍機単体では、通常２．５Ｋ以下に冷却することはできない。又、この時の冷凍能力は０になる。通常、超伝導マグネット等の冷却に良く使用されるＧＭ冷凍機２０の場合は、１段ステージ２１で３〜５０Ｗ（温度が７７Ｋの時）、２段ステージ２２で０．１〜１．５Ｗ（温度が４．２Ｋの時）の冷凍能力があり、用途により、適当な容量の機種を選定する。
【０００５】
しかしながら、更に低い温度までの冷却や、１０Ｋ以下（特に５Ｋ以下）で、より大きい冷凍能力が必要な場合には、ＧＭ冷凍機２０だけでは対応できないため、図１に示した如く、ＧＭ冷凍機２０を一次の冷却装置として用い、これに、いわゆるＪＴ回路３０を付加して冷凍機を構成している（特開平１０−７３３３３、特開平１１−１０８４７６参照）。
【０００６】
前記ＪＴ回路３０は、３つの冷却器３１、３２、３３と、３つの熱交換器３４、３５、３６と、ＪＴバルブ３８で構成されており、これらは断熱のため、真空容器１２内に入れられている。ここで、ＪＴという名前は、ヘリウムガスを断熱自由膨張させ、ジュール・トムソン効果による冷却を利用することから、そう呼ばれている。ＪＴ回路を付加したＧＭ冷凍機で低圧圧力が０．１ＭＰａ、高圧圧力が１ＭＰａの温度（Ｔ）−エントロピー（Ｓ）線図の例を図２に示す。
【０００７】
このＪＴ回路３０を付加した冷凍機の場合、圧縮機４０から出た高圧（１〜２ＭＰ）のヘリウムガスは、第１熱交換器３４に入り、戻って来る低温のヘリウムガスと熱交換して、９０Ｋ程度まで冷却される。次に、ＧＭ冷凍機２０の１段ステージ２１に設けられた１段冷却器３１で７５Ｋ程度まで冷却される。この１段冷却器３１は、主に第１熱交換器３４（効率が高い程良いが、１００％にすることはできない）で生ずる損失を補う。次に、第２熱交換器３５に入り、戻って来る低温のヘリウムガスと熱交換して、１５Ｋ程度まで冷却される。この、ＧＭ冷凍機２０の２段ステージ２２に設けられた２段冷却器３２で１０Ｋ程度まで冷却される。次に、第３熱交換器３６に入り、戻って来る低温のヘリウムガスと熱交換して、約６Ｋまで冷却される。
【０００８】
ヘリウムガスは、約３０Ｋに逆転温度があり、この温度以下では膨張することにより、温度が低下する領域（温度と圧力で決まる）がある。従って、６Ｋ程度まで冷却されている高圧のヘリウムガスを、断熱自由膨張で大気圧（約０．１ＭＰａで温度は４．２Ｋになる）まで膨張すると、一部液体になる。どの程度の量が液化するかは、膨張前の温度と圧力及び膨張後の圧力で決まる。
【０００９】
膨張後にヘリウムが液化している場合は、その液体ヘリウムの蒸気圧（膨張後の圧力と同じ）で決まる温度（平衡温度と称する）になる。
【００１０】
ヘリウムガスの膨張は、膨張弁であるＪＴバルブ３８を通して行われる。この膨張は断熱自由膨張であるため、膨張弁は単なる絞り弁（通常は小さなニードルバルブを使用する）となっている。膨張後のヘリウムは、負荷冷却器３３により被冷却物１０を冷やし（熱を受け取り）、液が蒸発して、第３熱交換器３６、第２熱交換器３５、第１熱交換器３４の順に戻って行き、室温に戻り、再び圧縮機４０で圧縮される。
【００１１】
このようなＪＴ回路３０を付加することにより、ＪＴガス回路３０のガスを圧縮するための動力は必要となるが、低温（５Ｋ以下）での冷却能力は、ＧＭ冷凍機単体の場合の約１０倍程度まで増大させることができる。例えば、４．２Ｋで１Ｗの冷却能力があるＧＭ冷凍機を、ＪＴ回路の一次冷却装置に使った場合、４．２Ｋで約１０Ｗの冷凍能力のある冷凍機を作ることができる。
【００１２】
又、ヘリウムガスの膨張後の温度は、膨張後の圧力で決まる（膨張後、液が生成される領域にある場合）ため、この圧力を下げることにより、１．８Ｋ程度まで、下げることが可能になる。なお、温度を下げれば、その分、冷凍能力も小さくなる。
【００１３】
このように、ＪＴ回路３０は、機構的には単純である。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＪＴバルブの温度は、６Ｋ若しくはそれ以下であるため、膨張前のヘリウムガスは超臨界状態にあり、極僅かな温度変化で、密度や粘性が大きく変化する。従って、ＪＴバルブは、少しの温度変化で物性値が大きく変わるヘリウムガスを、設定した最適な流量になるよう調節する必要がある。このため、ＪＴバルブに小さなニードルバルブを使用していても、非常に微妙な調整が必要となる。
【００１５】
通常、ＪＴバルブ３８のニードル３８Ｎの駆動には、図３に示す如く、マイクロメータのヘッド３８Ｈを使い、ニードルの動きをμｍの単位で調節している。それでも、冷却負荷の変化、冷凍機の運転環境の温度変化等で、ＪＴバルブの温度が微妙に変わり、最適に設定していた流量が、大きくずれてしまって、冷凍機が最適な運転状態から大きく外れてしたまうことが多く発生する。
【００１６】
このような場合、再度調整（冷凍機が安定するのを待って調整するため、長い時間がかかる）しなければならない。これらを改善するために、ＪＴバルブを電気又はエアーで駆動する方法も考えられるが、バルブそのものは同じであるため、ニードル自体の動きが小さいことは変わらず、ニードルの非常に小さなストロークを正確に動かさなければならないため、駆動装置が大掛かりに、又、高価な物になってしまうという問題点を有していた。
【００１７】
又、従来のＪＴバルブ３８は、高圧側の流量を調整できるように、バルブの駆動部（電動や空気圧駆動のアクチュエータ、人力による調整の場合は前記マイクロメータヘッド３８Ｈ）を、真空容器１２外に出すように設置している。従って、ＪＴバルブは、真空のシールと侵入熱の防止に、特に注意を払って設計する必要がある。このため、構造が複雑になり、寸法も大きくなって、他の部材の配置等にも影響し、冷凍機の寸法を大きく複雑にして、製作費が高価な物になっていた。更に、ＪＴバルブのステム３８Ｓ部分の寸法が、侵入熱を少なくするために５０ｃｍ〜１ｍ程度と長いので、温度変化の影響を受け易く、流量が不安定になり易くなっていた。
【００１８】
なお、特開平５−６０４０９には、ＪＴバルブの代わりに冷媒の圧力を下げる固定抵抗体を介装すると共に、真空容器外の高圧配管に、冷媒の圧力を調節する圧力調整弁を介装して、ＪＴバルブを廃止することが提案されているが、低温部で圧力調整ができないため、動作が不安定になるだけでなく、特に低流量では、ＪＴバルブの機能が得られないという問題点を有していた。
【００１９】
本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、ＪＴ回路に流れる冷媒の流量を安定化することができ、従って、冷凍機を安定に運転できるようにすると共に、ＪＴバルブを小さくコンパクトにし、冷凍機の構造を簡略化し、安く製作することが可能となるようにすることを課題とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
ＪＴバルブは、本来、膨張弁としての機能と、流量調節弁としての機能を持っており、この二つの機能は、ＪＴバルブとして考えた時、一つの弁で実現する必要はない。特に、低温部に置く弁は膨張弁としての機能があれば良く、流量調節弁として働く必要はない。そこで、膨張機能だけを持った弁を用意すれば、ＪＴバルブとして扱うことができる。
【００２３】
本発明は、このような点に着目してなされたもので、冷媒を一次冷却するための冷凍機と、該冷凍機で一次冷却された冷媒を断熱自由膨張させ、ジュール・トムソン効果により更に冷却して極低温を得るためのジュール・トムソン回路とを備えた極低温冷却装置において、冷媒を膨張させるための、低温部に配設された膨張弁と、冷媒の流量を調整するための、室温部に配設された流量調整手段とを備え、前記膨張弁の駆動部を、真空容器内に配設することにより、前記課題を解決したものである。
【００２４】
又、前記膨張弁を、入側の圧力を設定値に保つ一次圧調整弁として、構成を簡略化したものである。
【００２６】
本発明は、更に、前記膨張弁の駆動部を、所定の低温に冷却するようにして、ＪＴ回路に必要なガス量を大幅に減少させ、冷凍装置、特にＪＴ回路のバッファタンクを小さくする（場合によっては無くす）ことができるようにして、冷凍装置全体をコンパクトにし、安く製作することができるようにしたものである。
【００２７】
又、前記膨張弁の駆動部を、熱アンカーを介して、冷凍機の冷却部材に接続して、構成を簡略化したものである。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２９】
先ず比較例について説明する。この比較例は、図１に示した如く、膨張弁としての機能と、流量調節弁としての機能を合わせ持つ従来のＪＴバルブ３８を、図４に示す如く、膨張弁としての機能のみを持つ膨張弁（ＪＴバルブとも称する）５０と、流量調整機能を持つバルブ（流量調整弁）５２に分け、低温（約６Ｋ）に置く必要のある膨張弁５０を従来通り第３熱交換器３６の後に置き、一方、流量調整弁５２は、室温の冷凍機入口配管５４に置くようにしたものである。
【００３０】
他の点については、図１に示した従来例と同様であるので、説明は省略する。
【００３１】
前記膨張弁５０としては、例えば図５に示すような、入口側の圧力（一次圧と称する）を、ある設定した圧力に保つように働く一次圧調整弁を用いることができる。この一次圧調整弁５０は、入口圧力が上昇すると、ばね５０Ｃに抗してベローズ５０Ｂが伸びてニードル５０Ｎの先端を上げ、バルブを開いて、入口圧力を下げる。逆に、入口圧力が下がると、ばね５０Ｃの作用でベローズ５０ｂが縮んでニードル５０Ｎの先端を下げ、バルブを絞って、入口圧力が低下するのを防ぐ。
【００３２】
図において、５０Ａは、ばね５０Ｃを介して圧力を調整するための圧力調整ねじ、５０Ｓは、侵入熱を少なくするために、従来例と同じく長くされたステムである。
【００３３】
このように、一次圧調整弁５０は、流れる流量に関係なく、入口圧力を一定に保つ。入口圧力の検出とアクチュエータとしての機能は、上部に設けられたべローズ５０Ｂ又はダイヤフラムで行う。調整圧力の設定は、ベローズ５０Ｂ又はダイヤフラムを抑えるばね５０Ｃの力を、圧力調整ねじ５０Ａで調整して行う。
【００３４】
以下、一次圧調整弁５０の動作を詳細に説明する。
【００３５】
ガス入口は、バルブステム５０Ｓにより、上部にあるベローズ５０Ｂの内部と連通している。ベローズ５０Ｂの上部蓋５０Ｕには長いニードル５０Ｎが取り付けられている。ベローズ５０Ｂの上には、ばね５０Ｃが設けられ、ベローズ５０Ｂを押している。
【００３６】
今、入口に、ある圧力のガスを供給した時、ベローズ５０Ｂの内部は供給圧力となる。ベローズ５０Ｂの有効面積をＡ、ベローズ５０Ｂの内と外の差圧をＰとすると、ベローズ５０Ｂに発生する力Ｆは、
Ｆ＝Ａ×Ｐ
となる。供給圧力が高く、この力Ｆが、ベローズ５０Ｂを押しているばね５０Ｃの力より大きいときは、ベローズ５０Ｂは伸びてニードル５０Ｎが持ち上げられる。これにより、ニードルバルブが開いて、供給ガスを出口から逃す。逆に、供給圧力が低い時には、ニードルバルブは閉じている。このようにして、このバルブは、入口圧力を一定に保つ。
【００３７】
前記のように、ＪＴバルブ５０はＪＴ回路３０の高圧側圧力を一定に保つ働きをするため、これより少し高い（０．０５〜０．１ＭＰａ）圧力のガス源（圧縮機）４０から冷凍機へガスを流してやると、ＪＴバルブ５０は高圧側の圧力を一定に保つように動作するため、流量調整弁が無いと、流量は、熱交換器や配管の圧力損失で制限されるまで、どんどん大きくなる。
【００３８】
これでは冷凍機として正常に働かないので、ガス源と冷凍機入口の間に、流量を調整するバルブ５２を入れ、これで冷凍機の運転に最適なガス流量を流してやれば、冷凍機を安定に運転することができる。
【００３９】
前記流量調整弁５２は、室温にあるので、流量を調整できれば、どのような形式でも構わず、普遍に市販されているバルブを用いることができる。
【００４０】
前記流量調整弁５２の例を図６に示す。図において、５２Ｎはニードル、５２Ａは、該ニードル５２Ｎを上下させて、流量を調整するためのねじ、５２０は０リングである。
【００４１】
この流量調整弁５２は、室温に置いているので、低温に置いたバルブに比べ、遥かに安定に決まった流量を流すことができる。又、より安定させたい時でも、低温の自動調整弁よりも安価に製作することができる。逆に、厳密に調整する必要がない場合には、オリフィスを用いて固定化することも可能である。
【００４２】
このようにして、低温に置くＪＴバルブを、膨張弁の機能を持った一次圧調整弁５０とすることによって、従来のＪＴバルブが必要とした微妙な調整が不要になる。又、流量調整は、室温に置いた流量調整弁５２を調節すれば良く、低温での調整バルブに比べ、格段に良い安定性が得られる。又、バルブ以外にオリフィスを用いることも可能である。
【００４３】
更に、冷凍機が冷えていてもいなくても、冷凍機を運転する時最初に流量調整をしておけば、後は安定に設定された流量で流れる。更に安定させるには、流量計で流量を測定して、一定の流量に調整するようフィードバック制御を行うことも、比較的簡単な回路で可能である。
【００４４】
これにより、ＪＴ回路を負荷した冷凍機を非常に安定に運転することが可能になる。
【００４５】
次に、比較例を改良した本発明の第一実施形態について詳細に説明する。
【００４６】
普通、冷凍機の高圧圧力は、冷凍機の効率を上げるため、１〜２ＭＰａの圧力としている。冷凍機の運転中は、この圧力はあまり変える必要はなく、普通、圧縮機の運転の都合上、一定に保っている。このため、比較例のように、ＪＴバルブに一次圧調整弁の機能を持たせると、この設定圧力を変える必要はない。従って、ＪＴバルブの駆動部を、真空容器外に出す必要はない。特に、バルブの駆動部は低温にすることができる場合は、バルブの長いステム部は不要となる。
【００４７】
そこで、本実施形態では、図７に示す如く、ＪＴバルブ６０が低温でも動作できるように、駆動部に金属（ステンレス、銅合金、ニッケル等）製のベローズ６０Ｂ又はダイヤフラムを使用し、溶接又はろう付けで組み立て、ステム部６０Ｓを極く短くしている。図において、６０Ｎはニードル、６０Ｃはばね、６０Ａは圧力調整ねじであり、これらは全て真空容器１２内の低温部に配設される。
【００４８】
本実施形態では、バルブステム６０Ｓが短いため、ベローズ６０Ｂ又はダイヤフラム部も、低温（ＪＴ弁が動作する数Ｋの温度）まで冷却されるが、金属製で溶接やろう付けにより組み立てられているため、動作に支障をきたすことはない。又、バルブのステム６０Ｓは短い（又は無い）が、ベローズ６０Ｂ又はダイヤフラム部との温度差が小さい（又は同一温度となる）ため、ＪＴバルブ６０に起因する侵入熱は無視することができる。
【００４９】
このように、第一実施形態によれば、ＪＴバルブが小さくコンパクトになり、配置も自由になるので、冷凍機の構造は簡略化され、安く製作することが可能となる。
【００５０】
次に、本発明の第二実施形態について説明する。
【００５１】
第一実施形態によれば、ＪＴバルブの駆動部も冷却してコンパクトにすることが可能となり、冷凍機内部の配置も簡略化できる。しかしながら、第一実施形態では、ＪＴバルブの駆動部もバルブ本体と同じ温度まで冷却されるため、駆動部内部には超臨界のガスが充満する。温度が臨界点付近で高圧のガスであるため、密度は液体の状態とあまり変わらない。ヘリウムの場合、標準状態では、液体の約６００倍の体積となるので、ＪＴバルブの駆動部の体積が大きいと、その分、室温に、これに見合うだけのガスタンクを設ける必要がある。例えば、ＪＴバルブの駆動部に０．１リットルの体積があるとすると、この６００倍（６０リットル）のガスを保持しなければならない。このため、第一実施形態のように、ＪＴバルブ全体を低温（８〜４Ｋ）まで冷却すると、ＪＴバルブの駆動部の体積に見合ったガスタンクを室温部に設けなければならなくなる。
【００５２】
第二実施形態は、この点を解決するべくなされたもので、図８に示す如く、ＪＴバルブ７０の駆動部（金属製のベローズ７０Ｂ又はダイヤフラム）とバルブ本体の間に適当な長さ（使用する冷凍機の能力により決めるが、通常１０〜２０ｃｍ程度）のステム部７０Ｓを設け、駆動部の温度が数十Ｋ（３０〜７０Ｋ）になるようにする。
【００５３】
駆動部の温度を数十Ｋに保つため、例えばＧＭ冷凍機２０の１段ステージ２１（通常６０Ｋ程度で運転されることが多い）から、駆動部へ、例えば銅線又は銅板等で作った熱アンカー７２を取り付ける。
【００５４】
他の点については、第一実施形態と同様であるので、説明は省略する。
【００５５】
本実施形態によれば、例えば駆動部の体積が０．１リットルで、圧力が１ＭＰａ、温度が６０Ｋの場合、駆動部に必要なガス量約５リットルとなる。このように、駆動部の温度を数十Ｋに上げることによって、必要とするガス量を大幅に減少させることができる。従って、冷凍装置、特にＪＴ回路のバッファタンクを小さく（場合によっては無くす）ことができ、冷凍装置全体もコンパクトになり、安く製作することが可能となる。
【００５６】
本実施形態においては、熱アンカー７２を、ＧＭ冷凍機２０の１段ステージ２１に取付けているので、構成が簡略である。なお、熱アンカーの取付け先は、これに限定されない。
【００５７】
前記実施形態においては、いずれも、冷凍機としてＧＭ冷凍機が用いられていたが、冷凍機の種類はこれに限定されず、パルスチューブ冷凍機やスターリング冷凍機であっても良い。又、冷媒もヘリウムに限定されず、適用対象も超伝導マグネットの冷却器に限定されず、ヘリウム液化機や水素液化機にも同様に適用することができる。
【００５８】
【発明の効果】
本発明によれば、ＪＴ回路に流れる冷媒の流量を安定させることができ、冷凍機を非常に安定に運転することが可能となる。
【００５９】
又、ＪＴバルブの駆動部も冷却するようにした場合には、コンパクトにすることができ、冷凍機の横の配置も簡略化できる。
【００６０】
更に、駆動部の温度をバルブ本体の温度よりも上げることにより、必要とするガス量を大幅に減少することができ、冷凍装置、特にＪＴ回路のバッファタンクを小さく（場合によって無くす）して、冷凍機全体をコンパクトにし、安く製作することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＪＴ回路が付加された従来の冷凍機の構成を示すフロー図
【図２】同じく従来の冷凍機の作用を示すＴＳ線図
【図３】従来の冷凍機で用いられているＪＴバルブの例を示す断面図
【図４】比較例の構成を示すフロー図
【図５】比較例で用いられているＪＴバルブの例を示す断面図
【図６】同じく流量調整弁の例を示す断面図
【図７】本発明の第一実施形態で用いられているＪＴバルブの構成を示す断面図
【図８】同じく本発明の第二実施形態で用いられているＪＴバルブの構成及び配置を示す断面図
【符号の説明】
１０…被冷却物
１２…真空容器
２０…ＧＭ冷凍機
２１…１段ステージ
２２…２段ステージ
１８、４０…圧縮機
３０…ＪＴ回路
３１、３２、３３…冷却器
３４、３５、３６…熱交換器
４４…駆動部
５０、６０、７０…膨張弁（一次圧調整弁、ＪＴバルブ）
５０Ｂ、６０Ｂ、７０Ｂ…ベローズ
５０Ｃ、６０Ｃ、７０Ｃ…はね
５０Ｎ、６０Ｎ、７０Ｎ…ニードル
５２…流量調整弁
７２…熱アンカー

Claims

冷媒を一次冷却するための冷凍機と、
該冷凍機で一次冷却された冷媒を断熱自由膨張させ、ジュール・トムソン効果により更に冷却して極低温を得るためのジュール・トムソン回路とを備えた極低温冷却装置において、
冷媒を膨張させるための、低温部に配設された膨張弁と、
冷媒の流量を調整するための、室温部に配設された流量調整手段とを備え、
前記膨張弁の駆動部が、真空容器内に配設されていることを特徴とする極低温冷却装置。
前記膨張弁が、入側の圧力を設定値に保つ一次圧調整弁であることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷却装置。
前記膨張弁の駆動部が、所定の低温に冷却されていることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷却装置。
前記膨張弁の駆動部が、熱アンカーを介して、冷凍機の冷却部材に接続されていることを特徴とする請求項３に記載の極低温冷却装置。