JP3895516B2 - パルス管冷凍機 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、パルス管冷凍機に関し、特に、そのメンテナンス作業を容易にしたパルス管冷凍機に関する。
【0002】
【従来の技術】
各種超伝導磁石装置、各種センサー冷却システム、液化装置、液化ガス再凝縮装置、クライオポンプ、MRI診断機器、及び理化学機器などに利用される冷凍機の一つとして、パルス管冷凍機がある。
【0003】
従来のパルス管冷凍機は、図3に示すように、圧縮機31、バルブユニット32、コールドヘット33、及びバッファータンク34を有している。
【0004】
圧縮機31は、作動ガスを圧縮してコールドヘッド33へ供給する高圧力源、及びコールドヘッド33から作動ガスを回収する低圧力源として働く。
【0005】
バルブユニット32は、圧縮機31とコールドヘッド33との間に接続され、圧縮機31の高圧配管35及び低圧配管36を交互にコールドヘッド33に連通させる。この結果、コールドヘッド33に対して、作動ガスの供給と回収が周期的に行なわれる。なお、バルブユニット32と圧縮機31との接続は、しばしば、セルフシーリング・カップリング37を備えた連結管により行なわれる。ここで、セルフシーリング・カップリングとは、単独では配管の先端をシールドし、かつ互いに結合させると配管を連通させることができる、2つの配管の先端にそれぞれ固定されるオスハーフ及びメスハーフの2つの部材からなる管用継手のことである。このセルフシーリング・カップリングを使用すると、一度2つの配管を連通させた後でも、2つの部材の結合を解除することにより、再び各配管の先端を自動的にシールドすることができる。即ち、セルフシーリング・カップリングを用いると、管内の流体を外部に流出させることなく、2つの配管の着脱が自在に行なえる。
【0006】
コールドヘッド33は、バルブユニット32にその高温端側が接続される蓄冷器33aと、バッファータンク34にその高温端側が接続されるパルス管33bと、蓄冷器33a及びパルス管33bの低温端側同士を連結する低温端連結部33cと、これらを収容する真空槽33dとを有している。そして、このコールドヘッド33は、作動ガスの供給と回収を周期的に受けて、周囲の温度を低下させる。
【0007】
バッファータンク34は、パルス管33bから流出する作動ガスを収容して、パルス管33bにおける作動ガスの圧力変動と流速変動との位相差を制御する位相制御機構として働く。なお、位相制御機構は、バッファータンク34以外にオリフィスを備えることもある。
【0008】
以上のような構成のパルス管冷凍機は、その目的に応じて主に次に2つの形態のうちのいずれかが採用される。
【0009】
第1の形態は、コールドヘッドにおける振動を抑えるために、可動部品を有するバルブユニット32をコールドヘッド33から離れた位置に設置するというものである。この場合、バルブユニット32とコールドヘッド33との間は、数十cmから数mの連結管によって連結される。
【0010】
第2の形態は、その冷凍能力を最大限に発揮させるために、バルブユニットとコールドヘッドとを一体化し、これらの間の距離を最小にするというものである。
【0011】
なお、第1の形態、第2の形態のいずれの場合も、小型化を実現するために、バッファータンク34(及びオリフィス)とコールドヘッド33とを一体化する場合がある。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
従来のパルス冷凍機のメンテナンスは、次のようにして行なわれる。即ち、まず、パルス冷凍機又はパルス冷凍機を備えた装置(超電導装置等)の運転を停止する。そして、その装置からコールドヘッドを取り外し、取り外したコールドヘッドの温度を室温にまで昇温させる。あるいは、装置全体の温度を室温にまで昇温させて、コールドヘッド内部の結露防止などの処理を行なう。それから、必要な箇所に対してメンテナンス作業を行なう。その後、各構成部品のガス置換(内部に侵入した空気を作動ガスに置換)を行ない、冷却を再開する。あるいは、装置の運転を再開する。
【0013】
上記のメンテナンス作業手順は、例えば、可動部分が摩耗した場合や作動ガス中に不純物(水)が混入してコールドヘッド内で凍結してしまった場合のように、一部の構成部品のみのメンテナンスが必要な場合であっても、定期点検のように全構成部品のメンテナンスが必要な場合であっても、基本的には同じである。これは、従来のパルス冷凍機では、構成部品間が連結管により連通しているため、いずれかの構成部品を取り外す、あるいは分解すると、全構成部品内の作動ガスが流出し、代わりに大気が流入するからである。つまり、一つの構成部品のメンテナンスを行なう場合であっても、全構成部品におけるガス流路が大気に曝されるからである。
【0014】
なお、圧縮機とバルブユニットとの間にセルフシーリング・カップリングが用いられている場合には、圧縮機に関する限り、その内部が大気に曝されることはない。しかしながら、他の構成部品については上記と同様、ある構成部品のメンテナンス時に、それ以外の構成部品の内部が大気に曝されることになる。
【0015】
以上のように、従来のパルス冷凍機では、ある構成部品についてメンテナンスを行なおうとすると、全ての構成部品のメンテナンスを行なう場合と同じ程度の長い時間と面倒な作業を要するという問題点がある。
【0016】
本発明は、メンテナンス作業の簡素化と時間短縮を実現できるパルス管冷凍機を提供することを目的とする。
【0017】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、2段式パルス管を備えたコールドヘッドと、該コールドヘッドの蓄冷管に作動ガスを供給し、回収するための圧縮機と、前記蓄冷管と前記圧縮機との間に接続され、前記作動ガスの供給及び回収を制御するためのバルブユニットと、前記パルス管に接続され、前記作動ガスの圧力変化と流速変化との位相差を制御するためのバッファータンクとを備えたパルス管冷凍機において、前記圧縮機と前記バルブユニットとの間を接続する高圧配管及び低圧配管が、それぞれセルフシーリング・カップリングを備えるとともに、前記バルブユニットと前記蓄冷管との間を接続する連結管が1mよりも短く、かつセルフシーリング・カップリングを備え、前記セルフシーリング・カップリングにより前記バルブユニットを取り外し可能としたことを特徴とするパルス管冷凍機が得られる。
【0018】
【作用】
セルフシーリング・カップリングの結合を解除することにより、各構成部品を、その内部を大気に曝すことなく、個々に分離することができる。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。ここで、従来と同一のものには同一番号を付し、その説明を省略する。
【0020】
図1に本発明の第1の実施の形態を示す。図1のパルス管冷凍機は、1段式パルス冷凍機であって、バルブユニット32とコールドヘッド33とを接続する連結管として、4m連結管11を備えている。また、このパルス管冷凍機は、コールドヘッド33とバッファタンク34とを接続する連結管として、1m連結管12を備えている。
【0021】
4m連結管11は、例えば、外径6.35mm、内径4.35mmのCu管、SUS管、あるいは樹脂系チューブであって、その両端には、セルフシーリング・カップリング13,14のオスハーフ又はメスハーフが固定されている。バルブユニット32及びコールドヘッド33には、それぞれ、4m連結管11に固定されたセルフシーリング・カップリング13,14のオスハーフ又はメスハーフに結合されるメスハーフ又はオスハーフが、直接又は短い連結管を介して固定されている。
【0022】
また、1m連結管12は、4m連結管11と同様、例えば、外径6.35mm、内径4.35mmのCu管、SUS管、あるいは樹脂系チューブであって、その一端はバッファータンク34に接続され、他端には、セルフシーリング・カップリング15のオスハーフ又はメスハーフが固定されている。コールドヘッド33には、1m連結管12に固定されたセルフシーリング・カップリング15のオスハーフ又はメスハーフに結合されるメスハーフ又はオスハーフが、直接又は短い連結管を介して固定されている。
【0023】
なお、パルス管冷凍機に使用できるセルフシーリング・カップリングとしては、米国エイロクイップ社製(日本では横浜エイロクイップ株式会社より入手可能)のものがある。
【0024】
このパルス管冷凍機では、バルブユニット32とコールドヘッド33との間の距離を約4mとすることができる。それゆえ、バルブユニット32の設置場所や設置方法などに大きな自由度を持つとともに、バルブユニット32で発生する振動は、ほとんどコールドヘッド33には伝わらない。従って、このパルス管冷凍機は、多様な用途に利用することができる。
【0025】
図1のパルス管冷凍機では、バルブユニット32内の可動部品に摩耗が生じた場合、次のようにメンテナンスが行なわれる。
【0026】
まず、パルス管冷凍機の運転を停止する。次に、4m連結管11とバルブユニット32との間のセルフシーリング・カップリング13の結合を解除する。また、バルブユニット32と圧縮機31とを接続する高圧配管35及び低圧配管36のセルフシーリング・カップリング32も結合を解除する。これにより、圧縮機31及びコールドヘッド33の内部に大気や不純物を侵入させることなく、作動ガスを保持した状態で、バルブユニット32を取り外すことができる。この後、取り外したバルブユニット32の分解を行ない、メンテナンス作業を進める。作業終了後、バルブユニット32の内部の空気を作動ガスで置換し、セルフシーリング・カップリング37及び13を結合させて、バルブユニット32を圧縮機31とコールドヘッド33とに接続する。
【0027】
こうして、本実施の形態では、バルブユニット32のメンテナンスが行なわれ、パルス管冷凍機の運転の再開が可能になる。
【0028】
以上のように、本実施の形態によれば、バルブユニット32のみのメンテナンスを行なう場合には、コールドヘッド内部に作動ガスが保持される。それゆえ、コールドヘッド33を昇温させる必要がないので、作業時間が短縮される。特に、バルブユニット32を丸ごと交換する場合のように、作業が短時間で済む場合には、コールドヘッドの温度上昇がわずかで済むので、パルス冷凍機の運転再開から通常動作に移行するまでの復帰所要時間を従来に比べて大幅に短縮することができる。
【0029】
また、図1のパルス管冷凍機では、不純物の混入によりコールドヘッド33のメンテナンスが必要になった場合には、次のようにして行なわれる。
【0030】
まず、パルス管冷凍機の運転を停止する。そして、コールドヘッド33と4m連結管11及び1m連結管12との間のセルフシーリング・カップリング14,15の結合を解除して、コールドヘッド33を取り外し、昇温させる。そして、コールドヘッドの温度が室温にまで達したならば、それを分解して、蓄冷材の交換や清掃など、必要なメンテナンス作業を行なう。この後、コールドヘッド33内の空気を作動ガスに置換し、4m連結管11及び1m連結管12の各セルフシーリング・カップリング14,15の結合を行なう。
【0031】
以上のようにして、コールドヘッド33のメンテナンスが行なわれ、パルス管冷凍機の運転再開が可能になる。
【0032】
コールドヘッド33のみのメンテナンスを行なう場合には、コールドヘッド33の昇温工程が必ず必要になる。このため、バルブユニット32のみのメンテナンスを行なう場合に比べて、メンテナンスに要する時間が長くなる。しかしながら、メンテナンスの対象となる構成部品以外については、その内部が大気に曝されることがないので、大気と作動ガスとの置換等の作業が不要になり、作業工程の簡素化、作業時間の短縮を実現することができる。
【0033】
次に、図2を参照して、本発明の第2の実施の形態について説明する。
【0034】
図2のパルス管冷凍機は、2段式パルス管冷凍機であって、1段目蓄冷器21a、1段目パルス管21b、1段目低温端連結部21c、2段目蓄冷器21d、2段目パルス管21e、及び2段目低温端連結部21fを備えたコールドヘッド21と、1段目パルス管21bの高温端に連結管により接続される1段目バッファータンク22と、2段目パルス管21eの高温端に連結管により接続される2段目バッファータンク23と、バルブユニット32とコールドヘッド21との間を連結する連結管の途中に設けられたセルフシーリング・カップリング24と、コールドヘッド21と1段目バッファータンク22及び2段目バッファータンク23のそれぞれを接続する連結管の、コールドヘッド21近傍に設けられたセルフシーリング・カップリング25,26とを備えている。
【0035】
バルブユニット32とコールドヘッド21とを接続する連結管は、例えば、外径12.7mm、内径10.5mm、長さ20cmのCu管、SUS管、あるいは樹脂チューブからなる連結管であって、そのほぼ中央にセルフシーリング・カップルが設けられている。また、2つのバッファータンク22,23とコールドヘッド21とを接続する連結管は、上記外径及び内径を有する長さ1mの連結管である。
【0036】
本実施の形態によるパルス管冷凍機においても、第1の実施の形態の場合と同様にして、簡素な工程で、かつ短時間で、メンテナンスを行なうことができる。
【0037】
なお、2段式パルス管冷凍機では、バルブユニット32とコールドヘッド21とを接続する連結管が長くなると(例えば、1m以上になると)冷凍性能が著しく低下するので、第1の実施例のように、これらの間の距離を大きくすることは避けた方が良い。
【0038】
【発明の効果】
本発明によれば、パルス管冷凍機の各構成要素を連結する連結管にセルフシーリング・カップリングを設けるようにしたことで、いずれかの構成要素のみのメンテナンスを行なう際の作業行程を簡素化し、作業時間の短縮を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態によるパルス管冷凍機の構成を示す図である。
【図2】本発明の第2の実施の形態によるパルス管冷凍機の構成を示す図である。
【図3】従来のパルス管冷凍機の構成を示す図である。
【符号の説明】
11 4m連結管
12 1m連結管
13,14,15 セルフシーリング・カップリング
21 コールドヘッド
22 1段目バッファータンク
23 2段目バッファータンク
24,25,26 セルフシーリング・カップリング
31 圧縮機
32 バルブユニット
33 コールドヘッド
34 バッファータンク
35 高圧配管
36 低圧配管
37 セルフシーリング・カップリング
Claims (2)
- 2段式パルス管を備えたコールドヘッドと、
該コールドヘッドの蓄冷管に作動ガスを供給し、回収するための圧縮機と、
前記蓄冷管と前記圧縮機との間に接続され、前記作動ガスの供給及び回収を制御するためのバルブユニットと、
前記パルス管に接続され、前記作動ガスの圧力変化と流速変化との位相差を制御するためのバッファータンクとを備えたパルス管冷凍機において、
前記圧縮機と前記バルブユニットとの間を接続する高圧配管及び低圧配管が、それぞれセルフシーリング・カップリングを備えるとともに、
前記バルブユニットと前記蓄冷管との間を接続する連結管が1mよりも短く、かつセルフシーリング・カップリングを備え、
前記セルフシーリング・カップリングにより前記バルブユニットを取り外し可能としたことを特徴とするパルス管冷凍機。 - 前記パルス管と前記バッファータンクとの間を接続する連結管がセルフシーリング・カップリングを備え、当該セルフシーリング・カップリングにより前記バッファータンクを取り外し可能としたことを特徴とする請求項1に記載のパルス管冷凍機。
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