JP3936282B2

JP3936282B2 - 極低温冷凍機

Info

Publication number: JP3936282B2
Application number: JP2002348680A
Authority: JP
Inventors: 陽一郎池谷
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-11-29
Filing date: 2002-11-29
Publication date: 2007-06-27
Anticipated expiration: 2022-11-29
Also published as: JP2004183917A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、極低温冷凍機に係り、特に、ヘリウムガスを冷媒とする極低温冷凍機（以下、単に冷凍機とも称する）に用いるのに好適な、冷媒により極低温に冷却される極低温冷却部に、その温度変動を吸収するためのサーマルダンパが付設された極低温冷凍機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ヘリウムガスを冷媒とした極低温冷凍機において、被冷却体として、例えばジョセフソン素子センサ等を冷却する場合、冷凍機の冷却ステージに素子を固定することは、冷凍機の温度振幅が大きいため、センサの性能を著しく阻害する。
【０００３】
即ち、従来のように構成された極低温冷凍機の冷却ステージは、一般に銅で作られているが、２０Ｋ以下の温度において銅の比熱が小さくなるため、冷凍機の膨張室に高圧のヘリウムガスが入る温度と、低圧に膨張して寒冷が発生して降下した温度とが、熱交換授受され、冷却ステージ外表面に極めて抵抗のない形で温度振幅として現われてくる。
【０００４】
この冷凍機の温度振幅を小さくするために、冷却ステージと被冷却体の間に、ナイロン、ポリテトラフルオロエチレン、ＦＲＰ樹脂等の熱伝導の悪い材料を介装して冷却する方法があるが、熱伝達損失が大きい等の欠点がある。
【０００５】
又、前記温度振幅を小さくする他の方法として、出願人は、特許文献１で、膨張室の内部空洞とヘリウムガス容器の内部空洞とをガス流路で連通させ、膨張室内の圧力が変化したとき、ヘリウムガス容器内の圧力が膨張室内の圧力よりもゆっくり変化するように、前記ガス流路に所定の流動抵抗を持たせることを提案している。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−２４８９２８号公報
【０００７】
又、前記温度振幅を小さくする更に他の方法として、特許文献２や特許文献３に、図１に示す如く、被冷却体８と冷凍機ユニット２０の最終段（図１では２段）冷却ステージ２８の間にサーマルダンパ１６を設けることが提案されている。図において、１０は圧縮機ユニット、１２は高圧側配管、１４は低圧側配管、２２は１段シリンダ、２４は１段冷却ステージ、２６は２段シリンダである。
【０００８】
【特許文献２】
特公平３−１６５９２号公報
【特許文献３】
特許第２７７３７９３号公報
【０００９】
このサーマルダンパを冷凍装置に適用した場合、サーマルダンパ１６内に多量のヘリウムガスが移動する。この多量のヘリウムガスは高い比熱を有し、冷凍機の吸排気動作に伴う温度変動を緩衝する役割を持つ。通常、サーマルダンパ１６へのヘリウムガスの供給は、冷凍機の高圧側配管１２又は低圧側配管１４から分岐させる形で実施される（図１では高圧側配管１２から分岐した配管１７による）。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、冷凍機運転中は、高圧側、低圧側共に、吸排気動作と同期して圧力の脈動が生じる。この脈動により、サーマルダンパ１６と冷凍機を接続する配管１７内をヘリウムガスが往復動して、熱損失が発生し、冷凍能力及び温度振幅低減効果が低下する。
【００１１】
このため、前記配管１７の途中に手動バルブ１８を設け、冷凍機が冷えた状態では、該バルブ１８を閉じることによって、冷凍能力及び温度振幅の緩衝作用を発揮させることが考えられる。
【００１２】
しかしながら、このバルブ１８の開閉操作は、ユーザにとって煩雑であり、特に操作を誤って閉じたままで温度が上昇した場合、配管１７の圧力が急上昇するか、あるいは配管１７に設けた安全弁１９から多量のヘリウムガスが外部に放出され、再度使用する場合、ヘリウムガスを再充填する必要があるという問題点を有していた。
【００１３】
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、煩雑な手動バルブの開閉操作無しに、自動的に安定した冷凍能力及び小さな温度振幅を得ることを課題とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、冷媒により極低温に冷却される極低温冷却部に、その温度変動を吸収するためのサーマルダンパが付設された極低温冷凍機において、前記サーマルダンパと冷凍機高圧側又は低圧側を接続する配管の途中に、動作方向が逆向きの一対の逆止弁を並列に挿入し、冷凍機のクールダウン過程でサーマルダンパ内の圧力が低下した時に、一方の逆止弁のみが開かれて、冷凍機からサーマルダンパ方向へのガスの流れを許容し、冷凍機の定常状態では、逆止弁が両方共閉じられて、サーマルダンパと冷凍機が隔離され、冷凍機の昇温過程でサーマルダンパ内の圧力が上昇した時に、他方の逆止弁のみが開かれて、サーマルダンパ内のガスを冷凍機内部へ戻すようにすることにより、前記課題を解決したものである。
【００１５】
又、前記逆止弁の設定圧力を、冷凍機高圧側又は低圧側の圧力変動の値以上に設定したものである。
【００１６】
又、前記逆止弁を、冷凍機の外側に配設して、メンテナンスを容易としたものである。
【００１７】
あるいは、前記逆止弁を冷凍機に内蔵して、コンパクト化したものである。
【００１８】
本発明は、又、前記極低温冷凍機を備えたことを特徴とするクライオポンプ、超伝導マグネット、物性測定装置、再凝縮機を提供するものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２０】
本発明の第１実施形態は、図２に示す如く、サーマルダンパ（例えばヘリウムポット）１６を備え、該サーマルダンパ１６が配管１７´により冷凍機（コールドヘッドとも称する）の低圧側配管１４に接続された極低温冷凍機において、前記配管１７´の途中に、動作方向が逆向きの一対の逆止弁３０、３１を並列に挿入したものである。図中の逆止弁３０、３１の△印の向きは、ガスの流れ方向を示す。図において、ＰＲは低圧側圧力計、ＰＳは高圧側圧力計である。
【００２１】
以下、図３を参照して、作用を説明する。
【００２２】
まず冷凍機のクールダウン過程では、図３（Ａ）に示す如く、サーマルダンパ１６は冷却されるため、内部のヘリウムガスの圧力は低下する。この際生じる圧力差によって、コールドヘッドからサーマルダンパ方向へのガスの流れを許容する一方の逆止弁３０が開となる。一方、逆にサーマルダンパからコールドヘッド方向へのガスの流れを許容する他方の逆止弁３１は逆圧となるため、閉のままとなる。従って、冷凍機内部のヘリウムガスは、前記一方の逆止弁３０を通じて、サーマルダンパ１６の内部に移動する。
【００２３】
クールダウンが終わり、冷凍機温度が定常となった冷凍機定常状態では、図３（Ｂ）に示す如く、サーマルダンパ１６内部の圧力と冷凍機内の圧力差は、一方の逆止弁３０の設定差圧（例えば１．７ｋｇｆ／ｃｍ²）以内となり、該一方の逆止弁３０は閉となる。又、脈動では他方の逆止弁３１が開かないように設定されているので、サーマルダンパ１６内部のヘリウムガスは、吸排気動作により変動する冷凍機内部のヘリウムガス圧力と隔離され、適正な温度振幅緩衝作用を発揮する。
【００２４】
次に、冷凍機昇温過程では、図３（Ｃ）に示す如く、冷凍機停止と同時に、サーマルダンパ１６内部に溜められた多量のヘリウムガスの温度が上昇し、圧力も上昇する。この圧力差が、他方の逆止弁３１の設定圧力を超えた場合、サーマルダンパ１６内部のヘリウムガスは自動的に冷凍機内部へ戻される。
【００２５】
冷凍機の各過程におけるバルブの開閉状態を図４にまとめて示す。
【００２６】
前記逆止弁３０、３１は、図５に具体的に示す如く、冷凍機ハウジング２１の外に配設されており、メンテナンスが容易とされている。
【００２７】
なお、逆止弁３０、３１を、図６（縦断面図）及び図７（図６のVII−VII線に沿う縦断面図）に示す第２実施形態の如く、冷凍機ハウジング２１内に内蔵することもできる。この場合には、冷凍機をコンパクトに構成できる。
【００２８】
前記実施形態においては、いずれも、逆止弁３０、３１が配設された配管１７´が圧縮機ユニット１０入側の低圧側配管１４に接続されていたが、配管の接続対象はこれに限定されず、図１に示した従来例のように、圧縮機ユニット１０出側の高圧側配管１２に接続することも可能である。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、煩雑な手動バルブの開閉操作無しに、自動的に、安定した冷凍能力及び小さな温度振幅を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のサーマルダンパが配設された極低温冷凍機を示す構成図
【図２】本発明の第１実施形態の要部構成を示す構成図
【図３】第１実施形態の作用を説明するための管路図
【図４】同じく逆止弁の開閉状態を示す図表
【図５】第１実施形態の具体的構成を示す縦断面図
【図６】逆止弁を冷凍機ハウジングに内蔵した第２実施形態の構成を示す縦断面図
【図７】図６のVII−VII線に沿う縦断面図
【符号の説明】
１０…圧縮機ユニット
１２…高圧側配管
１４…低圧側配管
１６…サーマルダンパ
１７、１７´…配管
１９…安全弁
２０…冷凍機ユニット
２１…冷凍機ハウジング
３０、３１…逆止弁

Claims

冷媒により極低温に冷却される極低温冷却部に、その温度変動を吸収するためのサーマルダンパが付設された極低温冷凍機において、
前記サーマルダンパと冷凍機高圧側又は低圧側を接続する配管の途中に、動作方向が逆向きの一対の逆止弁が並列に挿入され、
冷凍機のクールダウン過程でサーマルダンパ内の圧力が低下した時に、一方の逆止弁のみが開かれて、冷凍機からサーマルダンパ方向へのガスの流れを許容し、
冷凍機の定常状態では、逆止弁が両方共閉じられて、サーマルダンパと冷凍機が隔離され、
冷凍機の昇温過程でサーマルダンパ内の圧力が上昇した時に、他方の逆止弁のみが開かれて、サーマルダンパ内のガスを冷凍機内部へ戻すようにされていることを特徴とする極低温冷凍機。
前記逆止弁の設定圧力が、冷凍機高圧側又は低圧側の圧力変動の値以上に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機。
前記逆止弁が、冷凍機の外側に配設されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の極低温冷凍機。
前記逆止弁が、冷凍機に内蔵されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の極低温冷凍機。
請求項１乃至４のいずれかに記載の極低温冷凍機を備えたことを特徴とするクライオポンプ。
請求項１乃至４のいずれかに記載の極低温冷凍機を備えたことを特徴とする超伝導マグネット。
請求項１乃至４のいずれかに記載の極低温冷凍機を備えたことを特徴とする物性測定装置。
請求項１乃至４のいずれかに記載の極低温冷凍機を備えたことを特徴とする再凝縮装置。