JP3756711B2 - 極低温冷凍装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、極低温冷凍装置に関し、特に、不純物対策に係るものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、極低温冷凍装置には、特公平６―８４８５４号公報に開示されているように、ＪＴ冷凍機と予冷冷凍機とを組み合わせたものがある。この予冷冷凍機にはＧＭ冷凍機が用いられている。
【０００３】
上記ＪＴ冷凍機は、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ている。
【０００４】
一方、上記予冷冷凍機は、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ている。この予冷冷凍機は、ジュールトムソン膨張する前のＪＴ冷凍機のヘリウムガスを予冷している。
【０００５】
そして、上記ＪＴ冷凍機は、ＪＴ弁における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。
【０００６】
具体的に、図５に基づいて極低温冷凍装置を説明する。この図５は極低温冷凍装置の要部を示している。該極低温冷凍装置は、圧縮機ユニット（ａ）と冷凍機ユニット（ｂ）とを備えている。ＪＴ冷凍機のＪＴ回路（ｃ）は、圧縮機ユニット（ａ）から冷凍機ユニット（ｂ）に亘って配管されている。そして、該ＪＴ回路（ｃ）は、高圧ライン（ｄ）と低圧ライン（ｅ）とを備えている。
【０００７】
上記高圧ライン（ｄ）は、冷凍機ユニット（ｂ）において、第１熱交換器（ｆ）と第１予冷部（ｇ）と第２熱交換器（ｈ）と第２予冷部（ｉ）と第３熱交換器（ｊ）とＪＴ弁（ｋ）とを順に接続し、ヘリウムタンク（ｍ）に接続されている。また、上記低圧ライン（ｅ）は、ヘリウムタンク（ｍ）から第３熱交換器（ｊ）と第２熱交換器（ｈ）と第１熱交換器（ｆ）とを順に接続している。
【０００８】
一方、上記第１予冷部（ｇ）及び第２予冷部（ｉ）は予冷冷凍機の予冷機（ｎ）における第１ヒートステイション（ｐ）及び第２ヒートステイション（ｑ）に配置されている。
【０００９】
したがって、上記高圧ライン（ｄ）を流れる高圧ヘリウムガスは、圧縮機ユニット（ａ）から、第１熱交換器（ｆ）と第１予冷部（ｇ）と第２熱交換器（ｈ）と第２予冷部（ｉ）と第３熱交換器（ｊ）とを順に経て冷却される。その後、上記高圧ヘリウムガスは、ＪＴ弁（ｋ）でジュールトムソン膨張し、約４Ｋの液状態となり、ヘリウムタンク（ｍ）に供給される。
【００１０】
このヘリウムタンク（ｍ）には超伝導コイルが設けられている。そして、液体ヘリウムが超伝導コイルを極低温レベルまで冷却している。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の極低温冷凍装置において、ヘリウムガスに微少量の不純ガスや水分などの不純物が混入する場合がある。この不純物がＪＴ回路（ｃ）に蓄積し、冷凍機ユニット（ｂ）におけるＪＴ回路（ｃ）が閉塞するという問題があった。
【００１２】
このＪＴ回路（ｃ）の閉塞が生ずると、ＪＴ回路（ｃ）を循環するヘリウムガスの流量が低下する。この結果、冷凍能力が低下する。
【００１３】
従来の極低温冷凍装置は、上記閉塞に対して何らの対策も講じられていなかった。したがって、上記閉塞を解消する場合、先ず、冷凍運転を停止し、配管を取り外す。更に、図５のＸ点に示す高圧ライン（ｄ）から冷凍機ユニット（ｂ）のＪＴ回路（ｃ）にヘリウムガスを供給する一方、ヘリウムタンク（ｍ）を大気に開放する。上記ヘリウムガスの供給により、水分などの不純物を除去していた（フラッシング）。
【００１４】
しかしながら、これでは、冷凍機ユニット（ｂ）を常温まで昇温する必要がある。また、ヘリウムタンク（ｍ）の液体ヘリウムがフラッシング用ガスによって蒸発するという問題があった。
【００１５】
この結果、再び超伝導コイルを極低温レベルまで冷却し、該超伝導コイルが機能するまでに長時間を要するという問題があった。
【００１６】
本発明は、斯かる点に鑑みて成されたもので、不純物を除去する際、低温部の昇温を抑制すると同時に、液体ヘリウムの蒸発を抑制することを目的とするものである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
〈発明の概要〉
本発明は、ＪＴ冷凍機（20）の冷媒ガスを利用し、該冷媒ガスを熱交換器（40）の高圧通路（41）に供給して不純物を除去するようにしたものである。
【００１８】
〈解決手段〉
具体的に、図２に示すように、本発明が講じた手段は、高圧冷媒ガスをジュールトムソン膨張させて極低温を発生させる一方、上記高圧冷媒ガスと低圧冷媒ガスを熱交換させる複数の熱交換器（40，50，60）が設けられたＪＴ冷凍機（20）と、該ＪＴ冷凍機（20）の高圧冷媒ガスを予冷する予冷冷凍機（30）とを備えている。そして、上記ＪＴ冷凍機（20）の圧縮機（21，22）から吐出した冷媒ガスを少なくとも１つの熱交換器（40）の高圧通路（41）に供給し、該高圧通路（41）の不純物を除去するための供給通路（70）が設けられている。更に、上記供給通路（70）から熱交換器（40）に供給される冷媒ガスを加熱する加熱手段（H1，H2，H3）が設けられている。
【００１９】
また、上記供給通路（70）から熱交換器（40）への冷媒ガスの供給時にＪＴ弁（25）を閉鎖する弁制御手段（80）を設けるようにしてもよい。
【００２０】
また、上記供給通路（70）は、冷媒ガスが熱交換器（40）の高圧通路（41）を逆方向に流れるように、ＪＴ冷凍機（20）の圧縮機の吐出側と、熱交換器（40）の出口側との間に接続されていてもよい。その際、ＪＴ冷凍機（20）には、上記供給通路（70）から熱交換器（40）を流れた冷媒ガスを圧縮機（21，22）の吸込側に戻すための戻し通路（71）が設けられる。
【００２１】
また、上記戻し通路（71）には、吸着器（72）が設けられていてもよい。
【００２２】
また、上記ＪＴ冷凍機（20）には、供給通路（70）の流出側接続端より下流側に吸着器（73）が設けられていてもよい。
【００２３】
すなわち、本発明では、冷却運転時において、熱交換器（40）の高圧通路（41）が不純物により閉塞すると、閉塞解消運転が行われる。この場合、例えば、ＪＴ弁（25）を全閉にし、加熱手段（H1，H2，H3）を加熱動作させる。
【００２４】
この状態において、圧縮機（21，22）で圧縮された冷媒ガスが供給通路（70）を流れ、熱交換器（40）の高圧通路（41）に供給される。
【００２５】
その際、ＪＴ弁（25）が閉じているので、上記冷媒ガスは、熱交換器（40）の高圧通路（41）を逆流し、例えば、戻し配管（71）を流れる。その後、上記冷媒ガスは、圧縮機（21，22）に戻り、この循環を繰り返す。
【００２６】
この閉塞解消運転時において、加熱手段（H1，H2，H3）が加熱動作しているので、冷媒ガスが加熱される。したがって、上記不純物が水分で、熱交換器（40）で凍結して付着している場合、加熱された冷媒ガスによって融解される。つまり、上記冷媒ガスの噴出流と加熱とによって不純物が熱交換器（40）から除去される。
【００２７】
この融解した水分は、戻し配管（71）の吸着器（72）によって除去される。また、上記冷媒ガスが熱交換器（40）より下流側に流れ、該冷媒ガスに水分が含まれている場合がある。その際、上記水分は、下流側の吸着器（73）によって除去される。
【００２８】
【発明の効果】
したがって、本発明によれば、ＪＴ冷凍機（20）の圧縮機（21，22）から吐出した冷媒ガスを供給配管（70）から熱交換器（40）の高圧通路（41）に供給するようにしたために、該高圧通路（41）に付着した不純物を確実に除去することができる。
【００２９】
特に、閉塞除去時にＪＴ弁（25）を閉鎖するようにすると、冷媒ガスが下流側のタンクに流れることがない。この結果、低温部が常温まで昇温することを抑制することができる。更に、上記タンクの液冷媒の蒸発を確実に防止することができる。
【００３０】
この結果、例えば、再び超伝導コイルを極低温レベルまで冷却し、該超伝導コイルが機能するまでの時間を短縮することができる。
【００３１】
また、加熱手段（H1，H2，H3）を設けているので、冷媒ガスを加熱して該冷媒ガスの温度を高くすることができ、凍結した不純物を融解して確実に除去することができる。
【００３２】
また、戻し配管（71）に吸着器（72）を設けるようにすると、不純物を確実に除去することができ、信頼性の向上を図ることができる。
【００３３】
また、ＪＴ冷凍機（20）における供給通路（70）の流出側接続端より下流側に吸着器（73）を設けるようにすると、該下流側に流れようとする不純物を確実に除去することができ、より信頼性の向上を図ることができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００３５】
図１及び図２に示すように、極低温冷凍装置（10）は超電導コイルを極低温レベルにまで冷却する冷凍装置である。つまり、該極低温冷凍装置（10）は、ヘリウムを冷媒とし、液体ヘリウムを貯溜するヘリウムタンク（11）を備えている。該ヘリウムタンク（11）には超電導磁石が収容され、液体ヘリウムが超電導磁石の超電導コイルを臨界温度以下に冷却している。
【００３６】
上記極低温冷凍装置（10）は、ＪＴ冷凍機（20）と予冷冷凍機（30）とより構成されている。該ＪＴ冷凍機（20）のＪＴ回路（2A）と予冷冷凍機（30）の予冷回路（3A）とは圧縮機ユニット（1A）と冷凍機ユニット（1B）とに亘って構成されている。そして、上記ＪＴ回路（2A）は、冷凍機ユニット（1B）に設けられる低温部（2D）と、該低温部（2D）から圧縮機ユニット（1A）に設けられるガス部（2G）とより構成されている。
【００３７】
上記圧縮機ユニット（1A）は、ＪＴ回路（2A）の圧縮機ユニットと、予冷回路（3A）の圧縮機ユニットとを兼用している。
【００３８】
上記圧縮機ユニット（1A）には、ＪＴ回路（2A）の低段側圧縮機（21）と高段側圧縮機（22）とが設けられている。該低段側圧縮機（21）の吐出側は高段側圧縮機（22）の吸込側に連結されている。そして、該両圧縮機（21，22）はヘリウムガスを２段圧縮するように構成されている。
【００３９】
上記高段側圧縮機（22）の吐出側には高圧配管（23）が接続され、低段側圧縮機（21）の吸込側には低圧配管（24）が接続されている。上記高圧配管（23）には、高段側圧縮機（22）の吐出側から２つの油分離器（2a，2b）と吸着器（2c）と開閉弁（V1）と流量制御弁（V2）とが順に設けられている。
【００４０】
そして、上記ＪＴ回路（2A）のガス部（2G）は、低段側圧縮機（21）及び高段側圧縮機（22）を始め、高圧配管（23）及び低圧配管（24）などによって構成されている。
【００４１】
上記高圧配管（23）には予冷回路（3A）の予冷用高圧配管（31）が接続されている。該予冷用高圧配管（31）は、吸着器（2c）と開閉弁（V1）の間の高圧配管（23）から分岐されている。また、上記低段側圧縮機（21）の吐出側と高段側圧縮機（22）の吸込側との間には予冷回路（3A）の中間圧配管（32）が接続されている。
【００４２】
つまり、上記高段側圧縮機（22）が、ＪＴ回路（2A）と予冷回路（3A）の圧縮機を兼用している。
【００４３】
上記低段側圧縮機（21）の吸込側には、バッファタンク（12）がガス配管（13）を介して接続されている。該ガス配管（13）には低圧制御弁（V4）が設けられると共に、回収配管（14）が接続されている。
【００４４】
上記低圧制御弁（V4）は、低圧配管（24）の低圧圧力が所定値以下に低下すると、自動的に開口する。この開口によってバッファタンク（12）のヘリウムガスが低段側圧縮機（21）に供給される。
【００４５】
上記回収配管（14）の一端は、高圧配管（23）における吸着器（2c）と分岐部との間に接続され、他端がガス配管（13）に接続されている。該回収配管（14）には高圧制御弁（V3）が設けられている。該高圧制御弁（V3）は、高圧配管（23）の高圧圧力が所定値以上に上昇すると、自動的に開口する。この開口によって高圧ヘリウムガスがバッファタンク（12）に回収される。
【００４６】
上記高圧配管（23）と予冷用高圧配管（31）と中間圧配管（32）と低圧配管（24）は、圧縮機ユニット（1A）から冷凍機ユニット（1B）に延長されている。
【００４７】
上記冷凍機ユニット（1B）は、予冷回路（3A）の予冷機（33）とＪＴ回路（2A）の低温部（2D）とより構成されている。
【００４８】
上記予冷冷凍機（30）は、図２に示すように、ＪＴ冷凍機（20）の冷媒であるヘリウムガスを予冷するための冷凍機で、ヘリウムガスを圧縮及び膨張させている。上記予冷機（33）は、図示しないが、ディスプレーサを備えている。該予冷機（33）は、ヘリウムガス圧により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ある。
【００４９】
上記予冷機（33）は、モータヘッド（34）と、該モータヘッド（34）に連結された２段構造のシリンダ（35）とを備えている。該モータヘッド（34）には、予冷用高圧配管（31）と中間圧配管（32）とが接続されている。
【００５０】
上記シリンダ（35）の大径部の先端部が所定の温度レベルに冷却保持される第１ヒートステーション（36）に形成されている。また、上記シリンダ（35）の小径部の先端部が第１ヒートステーション（36）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（37）に形成されている。
【００５１】
上記予冷機（33）を詳述すると、次の通りである。上記シリンダ（35）には、図示しないが、フリータイプのディスプレーサ（置換器）が往復動可能に収納されている。該各ディスプレーサは、各ヒートステーション（36，37）に対応する位置にそれぞれ膨張空間を区画形成する。
【００５２】
上記モータヘッド（34）には、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。該ロータリバルブは、予冷用高圧配管（31）の高圧ヘリウムガスをシリンダ（35）の各膨張空間に供給する切換え状態と、各膨張空間で膨張した低圧ヘリウムガスを中間圧配管（32）に排出する切換え状態とに切り換わる。
【００５３】
上記モータヘッド（34）には、シリンダ（35）の膨張空間にオリフィスを介して連通する中間圧室が設けられている。該中間圧室と膨張空間との間には、ロータリバルブの切り換わりによって圧力差が生じる。ディスプレーサが上記圧力差によって往復駆動する。
【００５４】
そして、上記高圧ヘリウムガスがロータリバルブの開閉によってシリンダ（35）の各膨張空間でサイモン膨張する。このヘリウムガスの膨張によって極低温レベルの寒冷が発生する。この寒冷を第１ヒートステーション（36）及び第２ヒートステーション（37）に保持する。該第１ヒートステーション（36）及び第２ヒートステーション（37）の寒冷が、ＪＴ冷凍機（20）の高圧ヘリウムガスを予冷する。
【００５５】
一方、上記ＪＴ回路（2A）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ている。該ＪＴ回路（2A）の低温部（2D）は冷凍機ユニット（1B）に配置された第１熱交換器（40）と第２熱交換器（50）と第３熱交換器（60）とＪＴ弁（25）とを備えている。
【００５６】
該各熱交換器（40，50，60）は、１次側である高圧ヘリウムガスと２次側である低圧ヘリウムガスとを互いに熱交換させている。
【００５７】
上記第１熱交換器（40）の高圧通路（41）の入口側は高圧配管（23）に接続されている。また、上記第１熱交換器（40）の高圧通路（41）の出口側と第２熱交換器（50）の高圧通路（41）の入口側とは冷媒配管（26）を介して第１予冷部（27）に接続されている。該第１予冷部（27）は、予冷機（33）の第１ヒートステーション（36）の外周に配置されている。
【００５８】
上記第２熱交換器（50）の高圧通路（51）の出口側と第３熱交換器（60）の高圧通路（51）の入口側とは冷媒配管（26）を介して第２予冷部（28）に接続されている。該第２予冷部（28）は、予冷機（33）の第２ヒートステーション（37）の外周に配置されている。
【００５９】
上記第３熱交換器（60）の高圧通路（61）の出口側は、冷媒配管（26）によってＪＴ弁（25）を経てヘリウムタンク（11）に接続されている。該ＪＴ弁（25）には、弁開度を調節する操作ロッド（2d）が連結されている。
【００６０】
上記高段側圧縮機（22）から高圧配管（23）と各熱交換器（40，50，60）と各予冷部（27，28）とＪＴ弁（25）を経てヘリウムタンク（11）に至るラインが高圧ライン（2H）となる。
【００６１】
上記第３熱交換器（60）の低圧通路（62）と第２熱交換器（50）の低圧通路（52）と第１熱交換器（40）の低圧通路（42）とは順に冷媒配管（26）によって接続されている。そして、上記第３熱交換器（60）の低圧通路（62）がヘリウムタンク（11）に接続され、上記第１熱交換器（40）の低圧通路（42）が低圧配管（24）に接続されている。
【００６２】
上記ヘリウムタンク（11）から各熱交換器（40，50，60）と低圧配管（24）を経て低段側圧縮機（21）に至るラインが低圧ライン（2L）となる。
【００６３】
つまり、上記高段側圧縮機（22）から吐出した高圧ヘリウムガスは、各熱交換器（40，50，60）において、圧縮機ユニット（1A）に戻る低温の低圧ヘリウムガスと熱交換する。同時に、上記高圧ヘリウムガスは、各予冷部（27，28）でそれぞれ予冷機（33）の第１ヒートステーション（36）及び第２ヒートステーション（37）で冷却（予冷）される。その後、上記高圧ヘリウムガスは、ＪＴ弁（25）でジュールトムソン膨張して約４Ｋの液状態のヘリウムになる。この液体ヘリウムがヘリウムタンク（11）に供給される。
【００６４】
一方、上記ヘリウムタンク（11）で蒸発したヘリウムガスは低圧ライン（2L）を流れ、各熱交換器（40，50，60）を通り、圧縮機ユニット（1A）の低段側圧縮機（21）に戻る。
【００６５】
ここで、上記各熱交換器（40，50，60）の構造を説明する。尚、上記各熱交換器（40，50，60）の構造は同じである。したがって、第１熱交換器（40）を例に図３に基づいて説明する。
【００６６】
上記第１熱交換器（40）は、チューブ（43）と該チューブ（43）に収納されたマンドレル（44）及び高圧管（45）とを備えている。該高圧管（45）はフィン付きの配管であり、マンドレル（44）の外周に螺旋状に巻き付けられている。該高圧管（45）の内部は、高圧ヘリウムガスが流れる高圧通路（41）となる。
【００６７】
一方、上記チューブ（43）とマンドレル（44）の間は、低圧ヘリウムガスが流れる低圧通路（42）となる。そして、上記高圧ヘリウムガスと低圧ヘリウムガスとが高圧管（45）を介して熱交換する。
【００６８】
一方、上記ＪＴ回路（2A）には、ヘリウムガスの供給配管（70）と戻し配管（71）が設けられている。該供給配管（70）は、第１熱交換器（40）の高圧通路（41）に生じた不純物を除去するために該高圧通路（41）にヘリウムガスを供給する供給通路である。
【００６９】
上記供給配管（70）の一端は、圧縮機ユニット（1A）における高圧配管（23）に接続されている。また、上記供給配管（70）の他端は、第１熱交換器（40）の高圧通路（41）の出口側と第１予冷部（27）の間の冷媒配管（26）に接続されている。つまり、上記供給配管（70）は、ヘリウムガスが第１熱交換器（40）の高圧通路（41）を逆流するように該ヘリウムガスを高圧通路（41）に供給する。
【００７０】
上記戻し配管（71）は、第１熱交換器（40）の高圧通路（41）を流れたヘリウムガスを低段側圧縮機（21）に戻す戻し通路である。上記戻し配管（71）の一端は、高圧配管（23）における供給配管（70）の接続部と第１熱交換器（40）との間に接続されている。また、上記戻し通路の他端は、圧縮機ユニット（1A）における低圧配管（24）に接続されている。
【００７１】
上記供給配管（70）には、第１閉鎖弁（V6）が設けられると共に、ヒータ（H1）が設けられている。また、上記第１熱交換器（40）の高圧通路（41）の出口側における冷媒配管（26）にはヒータ（H2）が設けられ、更に、上記第１熱交換器（40）のチューブ（43）の外側にはヒータ（H3）が設けられている。上記各ヒータ（H1，H2，H3）は、ヘリウムガスを加熱する加熱手段である。
【００７２】
つまり、上記不純物は、水分である場合が多く、凍結して第１熱交換器（40）の高圧管（45）に付着する。したがって、上記ヒータ（H1，H2，H3）は、この不純物を除去するために、第１熱交換器（40）に供給するヘリウムガスを加熱すると共に、第１熱交換器（40）を加熱する。この加熱によって凍結した不純物を融解する。この不純物は、ヘリウムガスと共に第１熱交換器（40）より排出される。
【００７３】
上記戻し配管（71）には、第２閉鎖弁（V7）と吸着器（72）が設けられている。また、上記第１予冷部（27）と第２熱交換器（50）の高圧通路（51）の入口側との間の冷媒配管（26）には吸着器（73）が設けられている。該吸着器（72，73）は、ヘリウムガスに混入している水分を吸着して除去するものである。
【００７４】
特に、上記戻し配管（71）の吸着器（72）は、第１熱交換器（40）の高圧通路（41）を流れたヘリウムガスに含まれている水分を除去する。一方、上記第２熱交換器（50）の入口側の吸着器（73）は、供給配管（70）から第２熱交換器（50）に流れるヘリウムガスに含まれている水分を除去する。
【００７５】
また、上記供給配管（70）には、第１熱交換器（40）へ向かうヘリウムガスの流れのみを許容する逆止弁（74）が設けられている。つまり、該逆止弁（74）は、ヘリウムガスが通常の冷却運転時に供給配管（70）に流れ込まないようにしている。
【００７６】
上記圧縮機ユニット（1A）における高圧配管（23）には、供給配管（70）の接続部と戻し配管（71）の接続部との間に第３閉鎖弁（V8）が設けられている。また、上記圧縮機ユニット（1A）における低圧配管（24）には、戻し配管（71）の接続部と第１熱交換器（40）との間に第４閉鎖弁（V9）が設けられている。
【００７７】
尚、上記予冷用高圧配管（31）と中間圧配管（32）との間には、バイパス配管（75）が設けられている。該バイパス配管（75）には差圧弁（76）が設けられている。該バイパス配管（75）は、不純物の除去時において、予冷機（33）のバルブモータを停止した際、予冷機（33）に流れるヘリウムガスが中間圧配管（32）に流れるようにしている。
【００７８】
上記ＪＴ弁（25）は、コントローラ（80）によって開度が制御されている。該コントローラ（80）は、不純物の除去運転時にＪＴ弁（25）を閉鎖する弁制御手段を構成している。
【００７９】
〈作用〉
次に、上述した極低温冷凍装置（10）の冷却動作について説明する。
【００８０】
基本的に、超電導磁石が作動する状態では、超電導コイルがヘリウムタンク（11）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（11）で蒸発したヘリウムガスは、ＪＴ回路（2A）を流れ、圧縮及び膨張により冷却されて液化する。この液体ヘリウムがヘリウムタンク（11）に供給される。この動作によって、所定量の液体ヘリウムがヘリウムタンク（11）に溜まる。そして、この液体ヘリウムが超電導コイルを臨界温度以下に安定して冷却する。
【００８１】
上記冷却運転をさらに詳しく説明する。この場合、図２に示すように、第３閉鎖弁（V8）及び第４閉鎖弁（V9）を開き、第１閉鎖弁（V6）及び第２閉鎖弁（V7）を閉じる。また、ＪＴ弁（25）は所定開度に開口している。一方、各ヒータ（H1，H2，H3）はオフし、予冷機（33）のバルブモータは駆動している。
【００８２】
この状態において、圧縮機ユニット（1A）の高段側圧縮機（22）から吐出した高圧ヘリウムガスの一部が予冷用高圧配管（31）から予冷機（33）に流れる。該高圧ヘリウムガスは、予冷機（33）のシリンダ（35）の各膨張空間で膨張する。この膨張により、ヘリウムガスが温度降下する。そして、第１ヒートステーション（36）が所定温度レベルに冷却される。また、第２ヒートステーション（37）が第１ヒートステーション（36）よりも低い温度レベルに冷却される。膨張したヘリウムガスは圧縮機ユニット（1A）に戻り、中間圧配管（32）を流れて高段側圧縮機（22）に戻る。この循環動作を繰り返す。
【００８３】
一方、上記圧縮機ユニット（1A）における高段側圧縮機（22）から吐出された高圧ヘリウムガスの残部は、ＪＴ高圧配管（23）を通り、ＪＴ回路（2A）の低温部（2D）に流れる。この低温部（2D）において、上記高圧ヘリウムガスは、第１熱交換器（40）の高圧通路（41）を通る。その際、上記高圧ヘリウムガスは、圧縮機ユニット（1A）へ戻る低圧通路（42）の低圧ヘリウムガスと熱交換して冷却される。例えば、上記高圧ヘリウムガスは、第１熱交換器（40）において、常温３００Ｋから約５０Ｋまで冷却される。その後、上記高圧ヘリウムガスは、第１予冷部（27）を流れ、予冷機（33）の第１ヒートステーション（36）によって冷却される。尚、上記第１熱交換器（40）を流れた高圧ヘリウムガスは、供給配管（70）に逆止弁（74）が設けられているので、該供給配管（70）に流れ込むことはない。
【００８４】
続いて、上記高圧ヘリウムガスは、第２熱交換器（50）の高圧通路（51）を通る。その際、上記高圧ヘリウムガスは、圧縮機ユニット（1A）へ戻る低圧通路（52）の低圧ヘリウムガスと熱交換して冷却される。例えば、上記高圧ヘリウムガスは、第２熱交換器（50）において、約１５Ｋまで冷却される。その後、上記高圧ヘリウムガスは、第２予冷部（28）を流れ、予冷機（33）の第２ヒートステーション（37）によって冷却される。
【００８５】
更に、上記高圧ヘリウムガスは、第３熱交換器（60）の高圧通路（61）を通る。その際、上記高圧ヘリウムガスは、圧縮機ユニット（1A）へ戻る低圧通路（62）の低圧ヘリウムガスと熱交換して冷却される。
【００８６】
その後、上記高圧ヘリウムガスは、ＪＴ弁（25）において、ジュールトムソン膨張し、約４Ｋの液体ヘリウムとなる。この液体ヘリウムがヘリウムタンク（11）に供給される。
【００８７】
また、上記ヘリウムタンク（11）で蒸発した低圧ヘリウムガスは、第３熱交換器（60）の低圧通路（62）を流れ、第２熱交換器（50）の低圧通路（52）及び第１熱交換器（40）の低圧通路（42）を経由して低段側圧縮機（21）に戻る。この循環動作を繰り返す。
【００８８】
上記冷却運転時において、第１熱交換器（40）の高圧通路（41）が不純物により閉塞すると、閉塞解消運転が行われる。この場合、図４に示すように、第３閉鎖弁（V8）及び第４閉鎖弁（V9）を閉じ、第１閉鎖弁（V6）及び第２閉鎖弁（V7）を開ける。また、ＪＴ弁（25）はコントローラ（80）により全閉になる。一方、上記各ヒータ（H1，H2，H3）はオンし、予冷機（33）のバルブモータは停止する。
【００８９】
この状態において、低段側圧縮機（21）及び高段側圧縮機（22）で２段圧縮されたヘリウムガスが高圧配管（23）から供給配管（70）を流れる。尚、上述した冷却運転時に予冷機（33）に流れるヘリウムガスは、バイパス配管（75）を流れて中間圧配管（32）に流れる。
【００９０】
上記供給配管（70）を流れるヘリウムガスは、冷凍機ユニット（1B）に流れ、第１熱交換器（40）と第１予冷部（27）の間の冷媒配管（26）に流れる。
【００９１】
その際、ＪＴ弁（25）が閉じているので、上記ヘリウムガスは、第１熱交換器（40）の高圧通路（41）を逆流し、圧縮機ユニット（1A）に戻り、高圧配管（23）から戻し配管（71）を流れる。その後、上記ヘリウムガスは、低圧配管（24）を流れ、低段側圧縮機（21）に戻る。この循環を繰り返す。
【００９２】
上記閉塞解消運転時において、各ヒータ（H1，H2，H3）がオンしているので、ヘリウムガスが加熱される。したがって、上記不純物が水分で、第１熱交換器（40）で凍結し、高圧管（45）に付着している場合、加熱されたヘリウムガスによって融解する。つまり、上記ヘリウムガスの噴出流と加熱とによって不純物が第１熱交換器（40）から除去される。
【００９３】
この融解した水分は、戻し配管（71）の吸着器（72）によって除去される。また、上記水分は、高圧配管（23）の吸着器（2c）によっても除去される。
【００９４】
尚、上記ヘリウムガスが第２熱交換器（50）に流れ、該ヘリウムガスに水分が含まれている場合がある。その際、上記水分は、第２熱交換器（50）の入口側の吸着器（73）によって除去される。
【００９５】
〈実施形態の効果〉
以上のように、本実施形態によれば、高段側圧縮機（22）から吐出したヘリウムガスを供給配管（70）から第１熱交換器（40）の高圧通路（41）に供給するようにしたために、該高圧通路（41）に付着した不純物を確実に除去することができる。
【００９６】
特に、閉塞除去時にＪＴ弁（25）を閉鎖するので、ヘリウムガスがヘリウムタンク（11）に流れることがない。この結果、冷凍機ユニット（1B）が常温まで昇温することを抑制することができる。更に、ヘリウムタンク（11）の液体ヘリウムの蒸発を確実に防止することができる。
【００９７】
この結果、再び超伝導コイルを極低温レベルまで冷却し、該超伝導コイルが機能するまでの時間を短縮することができる。
【００９８】
また、ヒータ（H1，H2，H3）を設けているので、ヘリウムガスの温度を高くすることができ、凍結した不純物を融解して確実に除去することができる。
【００９９】
また、戻し配管（71）に吸着器（72）を設けているので、不純物を確実に除去することができ、信頼性の向上を図ることができる。
【０１００】
また、第２熱交換器（50）の手前に吸着器（73）を設けているので、第２熱交換器（50）に流れようとする不純物を確実に除去することができ、より信頼性の向上を図ることができる。
【０１０１】
また、上記供給配管（70）に逆止弁（74）を設けているので、通常の冷却運転時にヘリウムガスが供給配管（70）に流れ込むことを防止することができる。この結果、入熱の増加を防止することができる。尚、上記逆止弁（74）によって閉塞解消機能が損なわれることはない。
【０１０２】
【発明の他の実施の形態】
上記実施形態においては、ＪＴ回路（2A）と予冷回路（3A）とを設けるようにしたが、シールド冷凍回路を設けてもよい。つまり、上記予冷機（33）やＪＴ回路（2A）の低温部（2D）を熱シールド板によって覆い、該熱シールド板をシールド冷凍回路によって冷却する。
【０１０３】
その際、上記シールド冷凍回路は予冷機（33）と並列に接続されていてもよい。
【０１０４】
また、上記圧縮機ユニット（1A）は、ＪＴ回路（2A）と予冷回路（3A）とに対応してそれぞれ別個に設けてもよい。
【０１０５】
また、本実施形態は、第１熱交換器（40）に不純物が付着することを前提としている。しかしながら、本発明は、第２熱交換器（50）又は第３熱交換器（60）に不純物が付着する場合にも適用することができる。つまり、供給通路（70）を第２熱交換器（50）又は第３熱交換器（60）の下流側に接続するようにしてもよい。この場合、ヘリウムガスは、第２熱交換器（50）又は第３熱交換器（60）から第１熱交換器（40）へ流れることになる。
【０１０６】
また、上記実施形態においては、ヒータ（H1，H2，H3）を３つ設けるようにしたが、冷凍機ユニット（1B）に１つのヒータ（H1，H2，H3）を設けるようにしてもよい。また、圧縮機ユニット（1A）に１つのヒータ（H1，H2，H3）を設けるようにしてもよい。
【０１０７】
また、戻し配管（71）に吸着器（72）と、第２熱交換器（50）の手前に吸着器（73）は、必ずしも設ける必要はない。つまり、高圧配管（23）の吸着器（2c）のみでもよい。
【０１０８】
また、閉塞解消時にＪＴ弁（25）を閉鎖するようにしたが、ＪＴ弁（25）とは別個に専用の閉鎖弁を設けるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態を示す極低温冷凍装置の冷媒回路図である。
【図２】 極低温冷凍装置の低温側要部を示す冷媒回路図である。
【図３】 第１熱交換器を示す縦断面図である。
【図４】 閉塞解消時を示す極低温冷凍装置の低温側要部の冷媒回路図である。
【図５】 従来の極低温冷凍装置の低温側要部を示す冷媒回路図である。
【符号の説明】
10 極低温冷凍装置
11 ヘリウムタンク
20 ＪＴ冷凍機
21，22 圧縮機
25 ＪＴ弁
40，50，60 熱交換器
41，51，61 高圧通路
42，52，62 低圧通路
30 予冷冷凍機
33 予冷機
70 供給配管（供給通路）
71 戻し配管（戻し通路）
72，73 吸着器
H1，H2，H3 ヒータ（加熱手段）

Claims (5)

1. 高圧冷媒ガスをジュールトムソン膨張させて極低温を発生させる一方、上記高圧冷媒ガスと低圧冷媒ガスを熱交換させる複数の熱交換器（40，50，60）が設けられたＪＴ冷凍機（20）と、該ＪＴ冷凍機（20）の高圧冷媒ガスを予冷する予冷冷凍機（30）とを備えた極低温冷凍装置において、
   上記ＪＴ冷凍機（20）の圧縮機（21，22）から吐出した冷媒ガスを少なくとも１つの熱交換器（40）の高圧通路（41）に供給し、該高圧通路（41）の不純物を除去するための供給通路（70）が設けられ、
   上記供給通路（ 70 ）から熱交換器（ 40 ）に供給される冷媒ガスを加熱する加熱手段（ H1 ， H2 ， H3 ）が設けられている極低温冷凍装置。
2. 請求項１において、
   供給通路（70）から熱交換器（40）への冷媒ガスの供給時にＪＴ弁（25）を閉鎖する弁制御手段（80）が設けられている極低温冷凍装置。
3. 請求項１において、
   供給通路（70）は、冷媒ガスが熱交換器（40）の高圧通路（41）を逆方向に流れるように、ＪＴ冷凍機（20）の圧縮機の吐出側と、熱交換器（40）の出口側との間に接続される一方、
   ＪＴ冷凍機（20）には、上記供給通路（70）から熱交換器（40）を流れた冷媒ガスを圧縮機（21，22）の吸込側に戻すための戻し通路（71）が設けられている極低温冷凍装置。
4. 請求項３において、
   戻し通路（71）には、吸着器（72）が設けられている極低温冷凍装置。
5. 請求項１において、
   ＪＴ冷凍機（20）には、供給通路（70）の流出側接続端より下流側に吸着器（73）が設けられている極低温冷凍装置。

Images