JPH0472138B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、ヘリウムガスの膨脹時に発生する寒
冷を利用して被冷却物を３〜70〓の極低温に冷却
するようにした極低温冷凍機の改良に関する。

（従来の技術） 従来より、この種の極低温冷凍機として、例え
ば第３図に示すように、ヘリウム圧縮機ａと、該
ヘリウム圧縮機ａで圧縮された高圧ヘリウムガス
を膨張させる極低温用膨張機ｂとを高圧ガスライ
ンｃおよび低圧ガスラインｄにより接続して閉回
路ｅを形成し、上記膨脹機ｂでの高圧ヘリウムガ
スの膨張減圧により寒冷を発生して被冷却物を３
〜70〓の極低温に冷却するようにしたものが知ら
れている。

ところで、上記極低温用膨張機ｂは、例えば該
膨張機ｂの内部通路ｎを高圧ガスラインｃおよび
低圧ガスラインｄに交互に連通せしめるロータリ
弁ｆと、該ロータリ弁ｆを電源同期回転数で回転
せしめる電動機ｇと、上記ロータリ弁ｆの回転に
伴うヘリウムガスの吸入および吐出に応じて往復
動し、内部に吸入ガスおよび吐出ガスのガス通路
ｈを有するピストンｉと、該ピストンｉのガス通
路ｈに介設された蓄冷器ｊ１，ｊ２とピストンｉ
下面およびケーシングｋで形成され、高圧ヘリウ
ムガスを上記ピストンｉのガス通路ｈを介して吸
入する膨張室１１，１２とが備えられており、ピ
ストンｉの往復動に伴う膨張室１１，１２の拡大
および縮小に応じて該膨張室１１，１２内の高圧
ヘリウムガスを吐出過程において膨張させて、該
膨張室１１，１２下部（つまり冷却部）を３〜70
〓の極低温に冷却するようになされている（1972
年９月発行の「超低温技術」の79〜87ページ参
照）。しかし、上記膨張機ｂはロータリ弁ｆが圧
縮機ａと同様に電動機ｇによつて電源同期回転数
で回転するものであるため、膨張室１１，１２の
温度が300〓程度の常温である初期予冷時には、
ロータリ弁ｆの１回転当りのガス吸入量が少ない
関係上、膨張機ｂへの単位時間当りのガス吸入量
が少なくて、高圧ガスラインｃの高圧が定格運転
圧（例えば20atg）よりも著しく高い値（例えば
30〜40atg）になり、その結果、圧縮機ａや膨張
機ｂが故障したり破壊したりすることがあるとい
う欠点があつた。

そこで、従来、第３図に示すように、膨張機ｂ
をバイパスするバイパスラインｏを設けるととも
に、該バイパスラインｏに所定開度に設定したバ
イパス弁ｐを介設して、初期予冷時には高圧ガス
ラインｃの高圧ヘリウムガスを該バイパスライン
ｏを経てバイパスさせて、高圧の異常上昇を防止
することが行われている。尚、ロータリ弁ｆの１
回転当りのガス吸入量は膨張機ｂの膨張室１１，
１２下部（つまり冷却部）の温度低下に伴い次第
に増大するので、最終定格運転時にはバイパスラ
インｏへのバイパスガス量は零となる。尚、図
中、ｍはサージタンクである。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記従来のものでは、初期予冷
時、膨張機ｂへの単位時間当りのガス吸入量が少
なくて、ほとんどがバイパスラインｏを経てバイ
パスされるため、冷却部の冷却が緩慢で初期予冷
に長時間を要するとともに、ヘリウム圧縮機ａの
電力損失が大きい。しかも、ピストンｉの往復動
が上記の如くガス圧の高低差に応じて行われるも
のでは、ガス圧に変動が生じると、ピストンｉが
上死点又は下死点を越えて周囲との衝突を生じる
ことがあり、静粛性能を害する。さらに、定格運
転時にはピストンｉの往復動回数が電源周波数に
応じた比較的多い回数であるため、これに起因す
る振動が大きいという問題がある。

本発明は斯かる点に鑑みてなされたもので、そ
の目的とするところは、上記の如き極低温用膨張
機のピストンの単位時間当りの往復動回数を適切
に制御するようにすることにより、初期予冷時に
は膨張機への単位時間当りのガス吸入量を従来よ
りも多くして、初期予冷を短時間でしかも膨張機
の電力損失少なく行いつつ高圧の異常上昇を確実
に防止するととももに、ピストンの往復動をガス
圧の変動に拘らず常に正確に規制し、さらに定格
運転時におけるピストンの往復動に起因する振動
を有効に抑制することにある。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため、本発明の構成は、ヘ
リウム圧縮機と極低温用膨張機とを閉回路に接続
してなる極低温冷凍機において、上記閉回路を流
通するヘリウムガスの圧力又はこれに関連する信
号を検出する信号検出手段と、上記極低温用膨張
機を回転数制御するインバータと、上記信号検出
手段の出力に応じて、ヘリウムガスの圧力が定常
値よりも高いほど高い周波数設定信号を上記イン
バータに出力する制御手段とを備えて、極低温用
膨張機の初期予冷時には該極低温用膨張機の回転
数を高くし、定常時には低くする構成としてい
る。

（作 用） 上記の構成により、本発明では、初期予冷時に
は、ヘリウムガスの圧力は高く、従つて制御手段
はインバータに高い周波数設定信号を出力するの
で、極低温用膨張機の回転数が高くなる。このこ
とにより、膨張機のピストンの単位時間当りの往
復動回数が多くなつて、膨張機への単位時間当り
のガス吸入量が増大するので、初期予冷時間の短
縮および圧縮機の電力損失の低減が図られなが
ら、高圧の異常上昇が防止される。更に、ピスト
ンの往復動がヘリウムガスの圧力差に応じて行わ
れるものでは、ロータリ弁のヘリウムガス圧に応
じた回転数制御によつて、ヘリウムガスの圧力差
の変動が有効に抑制されて均一化するので、その
ピストンの往復動を常に正確に規制して、ピスト
ン上面および下面の周囲との衝突を確実に防止で
きる。さらに最終定格運転時には、ピストン往復
動回数を電源周波数に同期した回数よりも減少さ
せて、ピストン往復動に起因する膨張機の振動を
抑制することができる。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明の極低温冷凍機に
よれば、閉回路のヘリウムガス圧が定常時よりも
高い際には、これに応じた極低温用膨張機の高回
転数制御によつて膨張機への単位時間当りのガス
吸入量が増大するので、初期予冷時間の短縮化お
よび圧縮機の電力損失の低減化を図りつつ、初期
予冷時における高圧の異常上昇を確実に防止する
ことができるとともに、ピストンの往復動がヘリ
ウムガスの圧力差に応じて行われるものでは、そ
の圧力差を均一化して、そのピストン往復動を常
に正確に規制でき、また定格運転時のピストン往
復動に起因する膨張機の振動を有効に抑制するこ
とができるなど、冷凍能力の向上、省エネルギー
化および静粛性能の向上を一挙に図ることができ
るものである。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に
説明する。

第１図において、１はヘリウム圧縮機、２は該
圧縮機１で圧縮された高圧ヘリウムガスを膨張さ
せる極低温用膨張機であつて、該両機器１，２間
は高圧ガスライン３および低圧ガスライン４によ
り接続されて閉回路５が形成されている。

上記極低温用膨張機２は、高圧ガスライン３に
連通する吸入口６と、低圧ガスライン４に連通す
る吐出口７と、中心に設けた内部通路８を該吸入
口６と吐出口７とに交互に連通するロータリ弁９
と、該ロータリ弁９を回転駆動する電動機１０
と、内部に上記内部通路８に連通するガス通路１
１を有するピストン１２と、該ピストン１２のガ
ス通路１１に介設された蓄冷器１３ａ，１３ｂと
ピストン１２下面とケーシング１４とで形成さ
れ、ピストン１２のガス通路１１に連通する膨張
室１５ａ，１５ｂと、ピストン１２上面を所定圧
Ｐで下方に押圧する圧力室１６と、該圧力室１６
にオリフイス１７を介して連通するサージタンク
１８とを備え、ピストン１２は当初は図示の下端
位置にあり、ロータリ弁９によつて吸入口６が内
部通路８に連通したとき、高圧ヘリウムガスが下
方に吸入されながら蓄冷器１３ａ，１３ｂで冷却
されて膨張室１５ａ，１５ｂに流入し、膨張室１
５ａ，１５ｂ内圧力を高めて所定圧Ｐ以上になる
とピストン１２を上昇移動させる一方、これによ
りピストン１２が上端位置に達するとロータリ弁
９により吸入口６が閉じられるととももに吐出口
７が内部通路８に連通し、膨張室１５ａ，１５ｂ
の吸入ガスが膨張減圧しながら寒冷を発生したの
ち、ガス通路１１を上昇し、蓄冷器１３ａ，１３
ｂで暖められて吐出口７から低圧ガスライン４に
流出することを繰返して、膨張室１５ａ，１５ｂ
下部（つまり冷却部）を３〜70〓に冷却するよう
になされている。

そして、本発明の特徴として、２０は高圧およ
び低圧ガスライン３，４の圧力を検知して閉回路
５のヘリウムガスの高低圧力差を検出する差圧セ
ンサよりなる信号検出手段、２１は膨張機２の電
動機１０を回転数制御するインバータであつて、
上記信号検出手段２０は上記インバータ２１に周
波数設定信号を出力する制御手段２２に信号の授
受可能に接続されている。

上記制御手段２２は、信号検出手段２０からの
圧力差信号値Psが定格運転時に相当する定格圧
力差値Poに一致するときには、定格運転時に相
当する定格周波数設定信号foを出力する一方、圧
力差信号値Psが上記定格圧力差値Poよりも大き
いときには、その差（Ps−Po）に応じて定格周
波数設定信号foよりも高い周波数設定信号を出力
するものである。また、上記定格周波数設定信号
foは例えばヘリウム圧縮機１の電源周波数（50／
60Hz）の約半分の30Hzに設定されている。尚、図
中、２３はサージタンクである。

次に、上記実施例に作動について説明する。先
ず、初期予冷時、膨張機２、膨張室１５ａ，１５
ｂ下部（つまり冷却部）は当初は約300〓の常温
にあつて、高圧ガスライン３の高圧は定格運転時
に較べて著しく高くなつており、このため信号検
出手段２０の圧力差信号値Psは定格圧力差値Po
よりも高い。そのため、制御手段２２からは定格
周波数設定信号foよりも高い周波数設定信号がイ
ンバータ２１に出力され、膨張機２の電動機１０
は高回転数で回転し始める。このことにより、ロ
ータリ弁９による内部通路８の吸入口６と吐出口
７との交互の連通が頻繁に行われて、膨張機２へ
の単位時間当りのガス吸入量が多くなり、その結
果、冷却部の冷却が急速に且つ圧縮機１の電力損
失を少なくして行われながら高圧が低下する。そ
して、高圧が低下すると共に膨張機２の冷却部に
冷却が進行するのに従つて、ロータリ弁９の１回
転当りのガス吸入量が増大するとともに、インバ
ータ２１への周波数設定信号が小さくなつて電動
機１０の回転数つまりロータリ弁９による吸入口
６と吐出口７との連通切換回数が少なくなること
を繰返して、膨張機２への単位時間当りのガス吸
入量をほぼ同一値に保持しながら高圧が低下し、
インバータ２１への周波数設定信号が定格周波数
設定信号foとなる定格運転状態に早期に移行する
ことになる。よつて、初期冷却時間を短縮すると
共に圧縮機１の電力損失を低減しながら、高圧の
異常上昇を確実に防止することができる。

また、定格運転時において、高圧が上昇し又は
低圧が下降して高低圧力差に変動が生りた場合に
は、インバータ２１への周波数設定信号値がそれ
に応じて大きくなるので、ロータリ弁９の回転数
が増大して、膨張機２の吸入口６又は吐出口７の
連通−遮断切換が早期に行われ、その結果、ピス
トン１２は上死点又は下死点を越えることがなく
なり、よつてピストン１２の上面および下面の周
囲との衝突を防止して静粛性能の向上を図ること
ができる。しかも、定格周波数設定信号値foは電
源周波数の約半分値であるので、ピストン１２の
単位時間当りの往復動回数の半減によりピストン
１２の往復動に起因する膨張機２の振動を有効に
抑制することができ、よつて静粛性能のより一層
の向上を図ることができる。

また、第２図は極低温用膨張機２′として上記
実施例とは異なる構造のものを用いた変形例を示
し、上記実施例ではロータリ弁９の回転に応じて
ピストン１２を圧力差によつて往復動させるよう
にしたにの代え、ピストン１２上端部に、内部通
路８を有し、該内部通路８を吸入口６と吐出口７
とを交互に連通切換する切換弁２４を固着し、該
切換弁２４およびピストン１２をクランク２５を
介して電動機１０によつて直接往復動させるよう
にしたものである。

したがつて、電動機１０のインバータ２１によ
る回転数制御によつて上記実施例と同様に、初期
予冷の短縮化および圧縮機の電力損失の低減を図
りながら高圧の異常上昇を防止することができる
とともに、定格運転時におけるピストン１２の往
復動回数を減少させて静粛性能の向上を図ること
ができる。

尚、上記実施例では、信号検出手段２０を、閉
回路５のヘリウムガスの高低圧力差を検出する差
圧センサで構成したが、その他、温度差等の高低
圧力差に関連する信号を検出するようにしたもの
で構成してもよいのは勿論のこと、高低圧力差に
限らず、高圧ガスライン３の圧力のみを検出する
ようにしたもので構成してもよい。また、ピスト
ン１２の上面および下面の周囲との衝突は、これ
を直接に電気式変位計で検出してもよい。さら
に、制御手段２２によるインバータ２１への周波
数設定信号は連続的に変化させる必要はなく、段
階的であつてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の実施例を示し、
第１図は全体構成図、第２図は極低温用膨張機と
して第１図とは異なる構造のものを用いた場合の
極低温用膨張機の断面図、第３図は従来例を示す
全体構成図である。 １…ヘリウム圧縮機、２…極低温用膨張機、２
０…信号検出手段、２１…インバータ、２２…制
御手段。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ヘリウム圧縮機１と、極低温用膨張機２とを
   閉回路に接続してなる極低温冷凍機において、上
   記閉回路を流通するヘリウムガスの圧力又はこれ
   に関連する信号を検出する信号検出手段２０と、
   上記極低温用膨張機２を回転数制御するインバー
   タ２１と、上記信号検出手段２０の出力に応じ
   て、ヘリウムガスの圧力が定常値よりも高いほど
   高い周波数設定信号を上記インバータ２１に出力
   する制御手段２２とを備えて、極低温用膨張機２
   の初期予冷時には該極低温用膨張機２の回転数を
   高くし、定常時には低くしたことを特徴とする極
   低温冷凍機。