JP3756780B2 - 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、極低温冷凍装置に係り、特に、装置内の不純物対策に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、特公平６−８４８５４号公報に開示されているように、極低温冷凍装置として、ＪＴ冷凍機と予冷冷凍機とを組み合わせたものが知られている。予冷冷凍機としては、例えばＧＭ冷凍機が用いられる。
【０００３】
ＪＴ冷凍機は、圧縮機からの高圧ヘリウムガスをＪＴ弁によりジュールトムソン膨張させ、極低温を発生させるものである。一方、ＧＭ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、極低温を発生させるものである。上記極低温冷凍装置では、ジュールトムソン膨張を行う前のＪＴ冷凍機のヘリウムガスを上記ＧＭ冷凍機によって予冷し、予め低温のヘリウムガスとする。そのうえで当該ヘリウムガスをＪＴ弁において膨張させることにより、約４Ｋの極低温レベルの寒冷を発生させる。
【０００４】
具体的に、図７を参照しながら上記極低温冷凍装置を説明する。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。冷凍機ユニット（b）には、第１ヒートステーション（p）および第２ヒートステーション（q）を有する予冷冷凍機が設けられている。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）にわたって配設されている。ＪＴ回路（c）は、高圧のヘリウムガスが流通する高圧ライン（d）と、低圧のヘリウムガスが流通する低圧ライン（e）とを備えている。ＪＴ回路（c）には、高圧のヘリウムガスと低圧のヘリウムガスとを熱交換させる第１〜第３熱交換器（f，h，j）が設けられている。また、ＪＴ回路（c）の高圧ライン（d）には、第１ヒートステーション（p）に配置された第１予冷部（g）と、第２ヒートステーション（q）に配置された第２予冷部（i）とが設けられている。第１予冷部（g）は第１熱交換器（f）と第２熱交換器（h）との間に設けられ、第２予冷部（i）は第２熱交換器（h）と第３熱交換器（j）との間に設けられている。
【０００５】
圧縮機ユニット（a）から供給された高圧ヘリウムガスは、第１熱交換器（f）、第１予冷部（g）、第２熱交換器（h）、第２予冷部（i）、第３熱交換器（j）の順に高圧ライン（d）を流れ、段階的に冷却される。第３熱交換器（j）を流出した高圧ヘリウムガスは、ＪＴ弁（k）においてジュールトムソン膨張を行い、約４Ｋの液状態となってヘリウムタンク（m）に供給される。なお、ヘリウムタンク（m）には、超電導コイル等の冷却対象物が設けられている。
【０００６】
このような極低温冷凍装置においては、ヘリウムガスの補充の際などに、配管内のヘリウムガスに他成分のガスや水分などの不純物が混入する場合がある。このような不純物がＪＴ回路（c）に蓄積すると、ＪＴ回路（c）の流路が閉塞したり、ヘリウムガスの流量が低下するという問題があった。
【０００７】
従来は、ＪＴ回路（c）の不純物を除去する場合には、ＪＴ回路（c）の一部を取り外すとともにヘリウムタンク（m）を大気に開放していた。そのため、不純物を除去した後に、ヘリウムタンク（m）の冷却対象物を再び極低温レベルにまで冷却するまでには、相当長い時間が必要であった。
【０００８】
そこで、本発明者は、低温部の昇温を抑制するとともに液体ヘリウムの蒸発を抑制するために、ＪＴ回路（c）の取り外しやヘリウムタンク（m）の開放を不要にする新たな不純物除去手段を考案した（特願平１１−２８７９４３参照）。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、上記不純物除去手段を作動させる時期は重要である。なぜなら、不純物を除去している間は冷却運転を一時的に停止するので、除去動作を頻繁に行ったのでは、その分冷却運転の停止時間が長くなり、かえって運転効率を損なうからである。そのため、人間の判断に頼ることなく適切な時期に不純物除去動作を自動的に実行する手段があれば、極低温冷凍装置の更なる高性能化を図ることができる。
【００１０】
本発明は、かかる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、適切な時期に不純物除去動作を行う極低温冷凍装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る極低温冷凍装置は、高圧冷媒ガスをジュールトムソン膨張させることによって極低温を発生させるＪＴ冷凍機と、該ＪＴ冷凍機の高圧冷媒ガスを予冷する予冷冷凍機とを備えた極低温冷凍装置であって、上記ＪＴ冷凍機は、高圧冷媒ガスと該高圧冷媒ガスが膨張してなる低圧冷媒ガスとを熱交換させる熱交換器と、上記予冷冷凍機のヒートステーションの温度を検出する温度検出手段と、上記ヒートステーションの温度が所定値以下になると、上記ＪＴ冷凍機の圧縮機から吐出された冷媒ガスによって上記熱交換器の高圧側流路内の不純物を排出するように、該高圧側流路に該吐出冷媒ガスを供給するとともに該高圧側流路を流通した冷媒ガスを該圧縮機の吸入側に導く不純物排出手段とを備えているものである。
【００１２】
なお、本明細書において「閉塞」とは、流路が完全に塞がれてしまう場合だけでなく、流路の一部が塞がれることによって冷媒ガスの流通が阻害される場合も意味するものとする。
【００１３】
上記極低温冷凍装置において、不純物が装置内に混入すると、その不純物は高圧冷媒ガスとともに熱交換器の高圧側流路において冷却され、凍結する。不純物が凍結することによって高圧側流路が閉塞すると、高圧冷媒ガスの流量は減少する。そのため、予冷冷凍機の冷却負荷は減少することになり、予冷冷凍機のヒートステーションの温度は低下する。その結果、温度検出手段の検出温度は所定値以下になり、このことにより高圧側流路の閉塞が検知される。そして、閉塞が検知されると、前述したように吐出冷媒ガスによって不純物は排出される。
【００１４】
上記極低温冷凍装置において、前記予冷冷凍機は、第１ヒートステーションと、該第１ヒートステーションよりも低温に維持される第２ヒートステーションとを備え、前記温度検出手段は、上記第２ヒートステーションの温度を検出するように構成されていてもよい。
【００１５】
予冷冷凍機の第２ヒートステーションには、装置の状態を検知するために予め温度センサ等が取り付けられていることが多い。そのため、従来から取り付けられている温度センサ等を温度検出手段として流用することにより、閉塞検知のために新たなセンサ類を追加する必要はなくなる。
【００１６】
なお、前記不純物排出手段の具体的構成は特に限定されるものではないが、例えば以下のように構成することができる。
【００１７】
すなわち、前記不純物排出手段は、前記圧縮機の吐出冷媒ガスを前記熱交換器の高圧側流路の出口側配管に供給する供給通路と、上記供給通路を開閉する供給通路開閉手段と、上記熱交換器の高圧側流路の出口側から入口側に流通した冷媒ガスを該熱交換器の低圧側流路の出口側配管に導くように、該熱交換器の高圧側流路の入口側配管と該低圧側流路の出口側配管とを接続する排出通路と、上記排出通路を開閉する排出通路開閉手段とを備えていてもよい。
【００１８】
上記事項によれば、通常の冷却運転の際には、供給通路開閉手段および排出通路開閉手段は閉鎖される。そして、高圧の吐出冷媒ガスは熱交換器の高圧側流路を入口側から出口側に向かって流通し、低圧冷媒ガスによって予冷される。一方、不純物を除去するときには、供給通路開閉手段および排出通路開閉手段は開放される。その結果、吐出冷媒ガスは、供給通路を通じて熱交換器の高圧側流路の出口側配管に供給される。そして、吐出冷媒ガスは高圧側流路を出口側から入口側に向かって流通し、不純物を融解するとともに搬送する。不純物とともに高圧側流路の入口側配管に流出した冷媒ガスは、排出通路を通じて低圧側流路の出口側配管に流入する。その後、これら冷媒ガスおよび不純物は、低圧側流路の出口側配管から圧縮機の吸入側に回収される。以上により、不純物は排出される。
【００１９】
【発明の効果】
本発明によれば、予冷冷凍機のヒートステーションの温度に基づいて閉塞を検知し、閉塞が生じた時に不純物を排出することとしたので、適切な時期に不純物排出動作を実行することができる。
【００２０】
従って、不純物排出動作を必要最小限に抑えることができ、装置の効率を向上させることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２２】
〈前提技術〉
本発明の前提技術に係る極低温冷凍装置は、超電導リニアモーターカー（図示せず）に搭載され、超電導コイル（図示せず）を極低温レベルにまで冷却するものである。
【００２３】
図１および図２に示すように、極低温冷凍装置（10）は、液体ヘリウムを貯留するヘリウムタンク（11）を備えている。上記超電導コイルは、ヘリウムタンク（11）内の液体ヘリウムを用いて臨界温度以下に冷却される。
【００２４】
極低温冷凍装置（10）は、ＪＴ冷凍機（20）および予冷冷凍機（30）により構成されている。ＪＴ冷凍機（20）の冷媒回路であるＪＴ回路（2A）と、予冷冷凍機（30）の冷媒回路である予冷回路（3A）とは、圧縮機ユニット（1A）および冷凍機ユニット（1B）にわたって配設されている。ＪＴ回路（2A）は、冷凍機ユニット（1B）に設けられた低温部（2D）と、常温部（2G）とから構成されている。
【００２５】
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。この圧縮機ユニット（1A）には、ヘリウムガスを２段圧縮するように、低段側圧縮機（21）および高段側圧縮機（22）が設けられている。高段側圧縮機（22）の吐出側には、高圧配管（23）が接続されている。低段側圧縮機（21）の吸入側には、低圧配管（24）が接続されている。高圧配管（23）には、高段側圧縮機（22）の吐出側から順に、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）とが設けられている。
【００２６】
ＪＴ回路（2A）の高圧配管（23）には、予冷回路（3A）の高圧配管（31）が接続されている。この予冷回路（3A）の高圧配管（31）は、高圧配管（23）における吸着器（2c）と開閉弁（V1）との間から分岐されている。低段側圧縮機（21）の吐出側と高段側圧縮機（22）の吸入側との間には、予冷回路（3A）の中間圧配管（32）が接続されている。このような構成を採ることにより、高段側圧縮機（22）は、ＪＴ回路（2A）と予冷回路（3A）の圧縮機を兼用している。
【００２７】
低段側圧縮機（21）の吸入側には、ガス配管（13）を介してバッファタンク（12）が接続されている。このガス配管（13）には、低圧制御弁（V4）が設けられている。この低圧制御弁（V4）は、低圧配管（24）の圧力（低圧側圧力）が所定値以下になると、自動的に開口するように構成されている。この低圧制御弁（V4）が開口すると、バッファタンク（12）のヘリウムガスは低段側圧縮機（21）に補給されることになる。
【００２８】
ガス配管（13）には、高圧配管（23）から分岐した回収配管（14）が接続されている。つまり、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、その他端はガス配管（13）に接続されている。回収配管（14）には、高圧制御弁（V3）が設けられている。高圧制御弁（V3）は、高圧配管（23）の圧力（高圧側圧力）が所定値以上になると、自動的に開口するように構成されている。この高圧制御弁（V3）が開口すると、高圧ヘリウムガスがバッファタンク（12）に回収されることになる。
【００２９】
次に、冷凍機ユニット（1B）について説明する。冷凍機ユニット（1B）は、予冷冷凍機（30）とＪＴ回路（2A）の低温部（2D）とから構成されている。
【００３０】
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に設けられており、ヘリウムガスの圧力によって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）サイクル冷凍機により構成されている。この予冷冷凍機（30）は、モータヘッド（34）と、このモータヘッド（34）に連結された２段構造のシリンダ（35）とを備えている。モータヘッド（34）には、高圧配管（31）と中間圧配管（32）とが接続されている（図１参照）。シリンダ（35）の大径部の先端側には、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）が設けられている。また、シリンダ（35）の小径部の先端側には、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）が設けられている。
【００３１】
図示は省略するが、シリンダ（35）の内部には、フリータイプの２つのディスプレーサが往復動自在に収納されている。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している。
【００３２】
モータヘッド（34）には、ロータリバルブと、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。このロータリバルブは、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供給状態と、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）に排出する排出状態とに交互に切り替わるように構成されている。
【００３３】
また、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。この中間圧室と膨張空間との間には、ロータリバルブの切り替えによって圧力差が生じるようになっており、この圧力差が駆動力となってディスプレーサは往復動を行う。そして、高圧ヘリウムガスは、上記ロータリバルブの開閉に従って、シリンダ（35）の各膨張空間においてサイモン膨張を行う。そして、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。寒冷は第１および第２ヒートステーション（36，37）に保持され、ＪＴ冷凍機（20）の高圧ヘリウムガスの予冷に利用される。
【００３４】
ＪＴ回路（2A）は、ヘリウムガスをジュールトムソン膨張させることにより約４Ｋレベルの寒冷を発生させるものである。ＪＴ回路（2A）の低温部（2D）は、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）とヘリウムタンク（11）とを備えている。これら熱交換器（40，50，60）は、高圧ヘリウムガスと膨張後の低圧ヘリウムガスとを熱交換させるものであり、第１熱交換器（40）、第２熱交換器（50）、第３熱交換器（60）の順に熱交換温度が低くなっている。
【００３５】
第１熱交換器（40）の高圧側流路（41）の入口側は、高圧配管（23）から延びる入口配管（77）に接続されている。第１熱交換器（40）の高圧側流路（41）の出口配管（78）と第２熱交換器（50）の高圧側流路（51）の入口側との間には、第１予冷部（27）が設けられている。第１予冷部（27）は、予冷冷凍機（30）の第１ヒートステーション（36）の外周部に配置されている。第２熱交換器（50）の高圧側流路（51）の出口側と第３熱交換器（60）の高圧側流路（61）の入口側との間には、第２予冷部（28）が設けられている。第２予冷部（28）は、予冷冷凍機（30）の第２ヒートステーション（37）の外周部に配置されている。第３熱交換器（60）の高圧側流路（61）の出口側とヘリウムタンク（11）との間には、ＪＴ弁（25）が設けられている。
【００３６】
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。ＪＴ弁（25）は、コントローラ（80）によって開度が制御されるように構成されており、後述する閉塞解消運転の際には閉鎖される。
【００３７】
このように、高段側圧縮機（22）から高圧配管（23）、熱交換器（40，50，60）の高圧側流路（41，51，61）、予冷部（27，28）およびＪＴ弁（25）に至るラインは、高圧のヘリウムガスが流通する高圧ライン（2H）となっている。
【００３８】
第３熱交換器（60）の低圧側流路（62）と、第２熱交換器（50）の低圧側流路（52）と、第１熱交換器（40）の低圧側流路（42）とは、冷媒配管（26）によって順に接続されている。第３熱交換器（60）の低圧側流路（62）は、冷媒配管（26）を介してヘリウムタンク（11）に接続されている。第１熱交換器（40）の低圧側流路（42）は、出口配管（79）を経て低圧配管（24）に接続されている。このように、ヘリウムタンク（11）から熱交換器（60，50，40）の低圧側流路（62，52，42）を経て低段側圧縮機（21）に至るラインは、低圧のヘリウムガスが流通する低圧ライン（2L）となっている。
【００３９】
第１熱交換器（40）と第２熱交換器（50）と第３熱交換器（60）とは、互いに同様の構成を有している。ここでは、図３を参照しながら、第１熱交換器（40）の構成のみを説明し、第２熱交換器（50）および第３熱交換器（60）の構成の説明は省略する。
【００４０】
図３に示すように、第１熱交換器（40）は、チューブ（43）と、チューブ（43）に収容されたマンドレル（44）と、高圧管（45）とを備えている。高圧管（45）はフィン付きの伝熱管であり、マンドレル（44）の外周に螺旋状に巻き付けられている。この高圧管（45）の内部は、高圧ヘリウムガスが流れる高圧側流路（41）となっている。一方、チューブ（43）とマンドレル（44）との間は、低圧ヘリウムガスが流れる低圧側流路（42）となっている。従って、高圧側流路（41）の高圧ヘリウムガスと低圧側流路（42）の低圧ヘリウムガスとは、高圧管（45）を介して熱交換を行う。
【００４１】
ところで、極低温冷凍装置には、不純物として空気等の不純ガス（ヘリウム以外のガス）や水分などが混入する場合がある。特に、この前提技術に係る極低温冷凍装置は、超電導コイルを冷却するための液体ヘリウムと冷媒としてのヘリウムガスとが開放系になっているオープンサイクルを採用し、液体ヘリウムの注液やヘリウムガスの追加充填などが必要となるものであるため、閉鎖系のサイクルを採用する装置に比べると、不純物が混入する可能性は高い。しかし、不純物として水分が混入すると、この水分は冷却されることによって凍結し、流路を閉塞するおそれがある。本装置では、第１熱交換器（40）、第２熱交換器（50）、第３熱交換器（60）の順に温度レベルが低下していくが、第１熱交換器（40）において既に氷点以下の温度となるので、凍結は第１熱交換器（40）の高圧側流路（41）において特に発生しやすい。そこで、この前提技術では、以下に説明するように、第１熱交換器（40）の高圧側流路（41）の不純物を排出する不純物排出手段を設けることとした。
【００４２】
図２に示すように、ＪＴ回路（2A）には、供給配管（70）と排出配管（71）とが設けられている。供給配管（70）および排出配管（71）は、高段側圧縮機（22）から吐出されたヘリウムガスを第１熱交換器（40）の高圧側流路（41）の出口側から入口側に流通させ、高圧側流路（41）に滞留した不純物を除去するものである。
【００４３】
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。供給配管（70）の他端は、第１熱交換器（40）の高圧側流路（41）の出口配管（78）に接続されている。つまり、供給配管（70）は、ヘリウムガスが第１熱交換器（40）の高圧側流路（41）を逆流するように、ヘリウムガスを高圧側流路（41）の出口側から供給するように構成されている。
【００４４】
排出配管（71）は、高圧側流路（41）を逆流したヘリウムガスを低段側圧縮機（21）の吸入側に戻すための配管である。排出配管（71）の一端は、高圧側流路（41）の入口配管（77）に接続されている。排出配管（71）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。
【００４５】
供給配管（70）には、第１開閉弁（V6）およびヒータ（H1）が設けられている。また、第１熱交換器（40）の高圧側流路（41）の出口配管（78）にも、ヒータ（H2）が設けられている。さらに、第１熱交換器（40）のチューブ（43）の外側にも、ヒータ（H3）が設けられている。ヒータ（H1，H2）は、第１熱交換器（40）に供給されるヘリウムガスを加熱する加熱手段であり、ヒータ（H3）は第１熱交換器（40）自体を加熱する加熱手段である。つまり、ヒータ（H1，H2，H3）は、ヘリウムガスを加熱してより高温のガスにするとともに、第１熱交換器（40）自体を加熱することによって、第１熱交換器（40）内の凍結物の融解を促進するものである。
【００４６】
排出配管（71）には、第２開閉弁（V7）および吸着器（72）が設けられている。また、第１予冷部（27）と第２熱交換器（50）の高圧側流路（51）の入口側との間にも、吸着器（73）が設けられている。これら吸着器（72，73）は、ヘリウムガスに混入している水分を吸着することによって除去するものである。特に、吸着器（72）は、供給配管（70）から供給されて第１熱交換器（40）の高圧側流路（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ものである。一方、吸着器（73）は、第１予冷部（27）から第２熱交換器（50）に向かって流れるヘリウムガスに含まれている水分を除去するものである。
【００４７】
圧縮機ユニット（1A）における高圧配管（23）には、供給配管（70）との接続部と排出配管（71）との接続部との間に、第３開閉弁（V8）が設けられている。また、圧縮機ユニット（1A）における低圧配管（24）には、排出配管（71）との接続部と第１熱交換器（40）との間に第４開閉弁（V9）が設けられている。
【００４８】
なお、図１に示すように、予冷冷凍機（30）の高圧配管（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。このバイパス配管（75）には、差圧弁（76）が設けられている。この差圧弁（76）の作用により、閉塞解消運転の際に予冷冷凍機（30）のバルブモータを停止させると、高圧のヘリウムガスは中間圧配管（32）に向かってバイパスするようになっている。
【００４９】
この前提技術では、第１熱交換器（40）の高圧側流路（41）の閉塞を検知する閉塞検知手段として、差圧センサ（81）が設けられている。差圧センサ（81）は、高圧側流路（41）の入口側と出口側との間の圧力差を検出するものである。差圧センサ（81）の一端は、高圧側流路（41）の入口配管（77）に接続されている。一方、差圧センサ（81）の他端は、供給配管（70）に接続されている。
【００５０】
次に、極低温冷凍装置（10）の冷却運転について説明する。
【００５１】
冷却運転においては、超電導コイルがヘリウムタンク（11）の液体ヘリウムによって臨界温度以下に冷却保持される。ヘリウムタンク（11）内で蒸発したヘリウムガスは、ＪＴ回路（2A）を流れ、圧縮機（21，22）による圧縮およびＪＴ弁（25）による膨張により、再び液化してヘリウムタンク（11）に戻る。この循環動作により、ヘリウムタンク（11）に所定量の液体ヘリウムが常時貯留され、超電導コイルは安定して冷却されることになる。
【００５２】
上記冷却運転をさらに詳しく説明すると、ＪＴ回路（2A）のヘリウムは、図２に実線矢印で示すように循環する。すなわち、冷却運転においては、第３開閉弁（V8）および第４開閉弁（V9）は開放され、第１開閉弁（V6）および第２開閉弁（V7）は閉鎖される。ＪＴ弁（25）は、所定開度に開口される。ヒータ（H1，H2，H3）はＯＦＦ状態に設定され、予冷冷凍機（30）のバルブモータは駆動する。
【００５３】
この状態において、高段側圧縮機（22）から吐出した高圧ヘリウムガスの一部は、高圧配管（31）を通じて予冷冷凍機（30）に流れ込む。この高圧ヘリウムガスは、予冷冷凍機（30）のシリンダ（35）の各膨張空間内で膨張する。この膨張によってヘリウムガスの温度は低下し、各ヒートステーション（36，37）はそれぞれ所定の温度レベルにまで冷却される。膨張後のヘリウムガスは中間圧配管（32）を通じて高段側圧縮機（22）に戻る。予冷回路（3A）においては、以上のような循環動作が行われる。
【００５４】
一方、ＪＴ回路（2A）においては、ヘリウムガスは以下のように循環する。すなわち、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、高圧配管（23）を通り、ＪＴ回路（2A）の低温部（2D）に流入する。低温部（2D）に流れ込んだ高圧ヘリウムガスは、まず第１熱交換器（40）の高圧側流路（41）を流通する。その際、高圧側流路（41）を流通する高圧ヘリウムガスは、低圧側流路（42）を流通する低圧ヘリウムガスと熱交換を行い、冷却される。例えば、高圧ヘリウムガスは、第１熱交換器（40）において、常温である３００Ｋから約５０Ｋにまで冷却される。その後、高圧ヘリウムガスは第１予冷部（27）を流れ、予冷冷凍機（30）の第１ヒートステーション（36）によって冷却される。
【００５５】
次に、高圧ヘリウムガスは、第２熱交換器（50）の高圧側流路（51）を通り、低圧側流路（52）を流通する低圧ヘリウムガスと熱交換を行って冷却される。例えば、第２熱交換器（50）の高圧側流路（51）を流通する際に、高圧ヘリウムガスは約１５Ｋにまで冷却される。その後、高圧ヘリウムガスは、第２予冷部（28）を流れ、予冷冷凍機（30）の第２ヒートステーション（37）によって冷却される。
【００５６】
次に、高圧ヘリウムガスは、第３熱交換器（60）の高圧側流路（61）を通る。その際、高圧ヘリウムガスは、低圧側流路（62）を流通する低圧ヘリウムガスと熱交換を行い、冷却される。
【００５７】
その後、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を行い、約４Ｋの液体ヘリウムとなる。そして、この液体ヘリウムは、ヘリウムタンク（11）に流れ込む。
【００５８】
ヘリウムタンク（11）内で蒸発した低圧ヘリウムガスは、第３熱交換器（60）の低圧側流路（62）、第２熱交換器（50）の低圧側流路（52）、第１熱交換器（40）の低圧側流路（42）を順に流れ、低圧配管（24）を経由して低段側圧縮機（21）に戻る。
【００５９】
上記冷却運転の際に、第１熱交換器（40）の高圧側流路（41）が不純物によって閉塞すると、その閉塞状態が検出され、閉塞解消運転が行われる。次に、図４を参照しながら、閉塞解消運転について説明する。
【００６０】
冷却運転のときに第１熱交換器（40）の高圧側流路（41）が閉塞すると、高圧側流路（41）の出入口圧力差は大きくなる。そこで、閉塞状態のときの圧力差を予め実験等により把握しておき、その圧力差を閉塞の判定基準となる判定基準値に設定しておく。まず、ステップＳＴ１においては、高圧側流路（41）の出入口圧力差が上記判定基準値以上か否かを判定し、上記判定基準以上のときには閉塞が起こったと判断してステップＳＴ２に進む。上記判定基準未満のときには、閉塞は生じていないと判断し、所定時間経過後に再びステップＳＴ１の判定を行う。
【００６１】
リニアモータカーの走行中に冷却運転を停止するのは適当でないため、閉塞解消運転はリニアモーターカーが車両基地にいるときに実行すべきである。そこで、ステップＳＴ２においては、上記リニアモーターカーが車両基地に停車しているか否かを判定する。その結果、車両基地に停車している場合には、ステップＳＴ３に進んで閉塞解消運転を実行する。一方、リニアモーターカーが車両基地にいないときには、車両基地に戻るまで冷却運転を続行する（ステップＳＴ５）。
【００６２】
ステップＳＴ３における閉塞解消運転は、以下のようにして行われる（図５参照）。まず、第３開閉弁（V8）および第４開閉弁（V9）は閉鎖され、第１開閉弁（V6）および第２開閉弁（V7）は開放される。ＪＴ弁（25）は閉鎖される。ヒータ（H1，H2，H3）はＯＮ状態となり、予冷冷凍機（30）のバルブモータは停止する。
【００６３】
この状態において、低段側圧縮機（21）および高段側圧縮機（22）で２段圧縮されたヘリウムガスは、高圧配管（23）を流通した後、供給配管（70）を通じて第１熱交換器（40）の高圧側流路（41）の出口配管（78）に供給される。出口配管（78）に供給されたヘリウムガスは、ＪＴ弁（25）が閉鎖されているために第１予冷部（27）に向かって流れることがなく、高圧側流路（41）を出口側から入口側に向かって逆流する。
【００６４】
この際、ヘリウムガスはヒータ（H1，H2）によって加熱されて高温になっており、また、第１熱交換器（40）はヒータ（H3）によって加熱されているので、第１熱交換器（40）内に付着している凍結物（不純物）は速やかに融解する。そして、不純物は高圧側流路（41）を逆流するヘリウムガスの流れによって容易に搬送され、高圧側流路（41）から排出される。
【００６５】
高圧側流路（41）から排出されたヘリウムガスおよび不純物は、排出配管（71）を流通し、低段側圧縮機（21）に吸入される。その際、ヘリウムガス中に含まれる水分は、吸着器（72）によって除去される。なお、ヘリウムガス中の水分は、ＪＴ回路（2A）の他の吸着器（2c）によっても除去される。また、供給配管（70）から第２熱交換器（50）側にヘリウムガスが流れ出た場合であっても、当該ヘリウムガスに含まれる水分は吸着器（73）によって除去される。
【００６６】
以上の閉塞解消運転を所定時間実行すると、ステップＳＴ４（図４参照）に進み、閉塞解消運転を終了する。
【００６７】
以上のように、この前提技術によれば、冷却運転時の高圧側流路（41）の出口側圧力と入口側圧力との圧力差を検出し、この圧力差が所定の判定基準値以上になると閉塞が生じたものと判定することにより、閉塞の発生を検出することとした。そして、このような閉塞検知に基づいて閉塞解消運転を実行するようにしたので、適切な時期に自動的に閉塞解消運転を実行することができる。そのため、閉塞解消運転の実行が遅れたり、また、閉塞解消運転を過度に繰り返すことがなくなるので、装置の運転効率および信頼性を向上させることができる。
【００６８】
差圧センサ（81）を既存の配管（70，77）に接続するだけで足りるので、閉塞検知のために複雑な機構を追加する必要はない。つまり、簡単な構成で閉塞検知を行うことができる。
【００６９】
また、差圧センサ（81）を常温側部分に設けることとしたので、取り付けおよび管理は容易となる。また、低温側部分の回路変更が不要であるので、この点においても、閉塞検知のための回路構成は簡単化されている。
【００７０】
〈本発明の実施形態〉
図６に示すように、本実施形態に係る極低温冷凍装置は、閉塞検知手段として、前提技術の差圧センサ（81）に代えて、予冷冷凍機（30）の第２ヒートステーション（37）の温度を検出する温度センサ（84）を備えたものである。閉塞検知手段以外の構成は前提技術と同様であるので、それらの説明は省略する。
【００７１】
温度センサ（84）は、予冷冷凍機（30）の第２ヒートステーション（37）の外周部に設けられている。
【００７２】
前述したように、第１熱交換器（40）の高圧側流路（41）が閉塞すると、ＪＴ回路（2A）のヘリウムガスの流量は減少する。そのため、予冷冷凍機（30）にとっては冷却負荷が減少することになり、ヒートステーション（36，37）の温度は低下する。従って、ヒートステーション（36，37）の温度低下を検出することによって、閉塞を検出することができる。
【００７３】
本実施形態では、リニアモーターカーが車両基地にいるときに、温度センサ（84）の検出温度が所定値以下か否かを判定し、所定値以下の場合には閉塞が生じたものと判定する。なお、閉塞状態を示す上記所定値は、予め実験等によって求めることができる。
【００７４】
従って、本実施形態においても、適切な時期に自動的に閉塞解消運転を実行することができる。
【００７５】
また、第２ヒートステーション（37）には予冷冷凍機（30）の運転状態を検知するために予め温度センサが設けられている場合が多いので、既存の温度センサをそのまま閉塞検知用の温度センサとして利用することとすれば、新たにセンサ類を追加する必要がなくなる。そのため、より簡単な構成によって閉塞検知を実行することができる。ただし、温度センサ（84）を第１ヒートステーション（36）に設け、第１ヒートステーション（36）の温度変化に基づいて閉塞を検知してもよいことは勿論である。
【００７６】
なお、ヘリウムタンク（11）の液体ヘリウムが大量に蒸発する場合（例えば、超電導磁石の励消磁のとき）や、あるいは走行時に冷却負荷が増大し、蒸発したヘリウムガスにより第２ヒートステーション（37）が冷却される場合等においては、閉塞がなくても第２ヒートステーション（37）の温度が低下することが考えられる。そのため、温度センサ（84）による閉塞検知は、それらの影響を受けないときに行うことが好ましい。例えば、リニアモーターカーが車両基地に戻った後、冷却運転が安定してから行うことが好ましい。
【００７７】
〈その他の実施形態〉
上記実施形態では、第１熱交換器（40）の不純物の除去を前提としている。しかし、本発明は、第２熱交換器（50）または第３熱交換器（60）の不純物除去に対しても適用することができる。つまり、供給配管（70）を第２熱交換器（50）の高圧側流路（51）または第３熱交換器（60）の高圧側流路（61）の出口側に接続するようにしてもよい。
【００７８】
予冷冷凍機は、ＧＭ冷凍機に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 前提技術に係る極低温冷凍装置の冷媒回路図である。
【図２】 前提技術に係る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熱交換器の縦断面図である。
【図４】 閉塞検知および閉塞解消運転のフローチャートである。
【図５】 前提技術に係る極低温冷凍装置の冷媒回路図である。
【図６】 本発明の実施形態に係る極低温冷凍装置の冷媒回路図である。
【図７】 従来の極低温冷凍装置の冷媒回路図である。
【符号の説明】
（1A） 圧縮機ユニット
（1B） 冷凍機ユニット
（2A） ＪＴ回路
（10） 極低温冷凍装置
（11） ヘリウムタンク
（20） ＪＴ冷凍機
（21） 低段側圧縮機
（22） 高段側圧縮機
（30） 予冷冷凍機
（36） 第１ヒートステーション
（37） 第２ヒートステーション
（40） 第１熱交換器（熱交換器）
（41） 第１熱交換器の高圧側流路
（42） 第１熱交換器の低圧側流路
（70） 供給配管
（71） 排出配管
（84） 温度センサ（温度検出手段）

Claims (3)

1. 高圧冷媒ガスをジュールトムソン膨張させることによって極低温を発生させる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であって、
   上記ＪＴ冷凍機（20）は、
   高圧冷媒ガスと該高圧冷媒ガスが膨張してなる低圧冷媒ガスとを熱交換させる熱交換器（40）と、
   上記予冷冷凍機（30）のヒートステーション（37）の温度を検出する温度検出手段（84）と、
   上記ヒートステーション（37）の温度が所定値以下になると、上記ＪＴ冷凍機（20）の圧縮機（21，22）から吐出された冷媒ガスによって上記熱交換器（40）の高圧側流路（41）内の不純物を排出するように、該高圧側流路（41）に該吐出冷媒ガスを供給するとともに該高圧側流路（41）を流通した冷媒ガスを該圧縮機（21，22）の吸入側に導く不純物排出手段と
   を備えている極低温冷凍装置。
2. 請求項１に記載の極低温冷凍装置であって、
   前記予冷冷凍機（30）は、第１ヒートステーション（36）と、該第１ヒートステーション（36）よりも低温に維持される第２ヒートステーション（37）とを備え、
   前記温度検出手段（84）は、上記第２ヒートステーション（37）の温度を検出するように構成されている極低温冷凍装置。
3. 請求項１又は２に記載の極低温冷凍装置であって、
   前記不純物排出手段は、
   前記圧縮機（21，22）の吐出冷媒ガスを前記熱交換器（40）の高圧側流路（41）の出口側配管（78）に供給する供給通路（70）と、
   上記供給通路（70）を開閉する供給通路開閉手段（V6）と、
   上記熱交換器（40）の高圧側流路（41）の出口側から入口側に流通した冷媒ガスを該熱交換器（40）の低圧側流路（42）の出口側配管（79）に導くように、該熱交換器（40）の高圧側流路（41）の入口側配管（77）と該低圧側流路（42）の出口側配管（79）とを接続する排出通路（71）と、
   上記排出通路（71）を開閉する排出通路開閉手段（V7）と
   を備えている極低温冷凍装置。

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