JPH06323663A - 冷凍装置 - Google Patents

冷凍装置

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Publication number
JPH06323663A
JPH06323663A JP11560393A JP11560393A JPH06323663A JP H06323663 A JPH06323663 A JP H06323663A JP 11560393 A JP11560393 A JP 11560393A JP 11560393 A JP11560393 A JP 11560393A JP H06323663 A JPH06323663 A JP H06323663A
Authority
JP
Japan
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pressure
gas
helium
temperature
helium gas
Prior art date
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Pending
Application number
JP11560393A
Other languages
English (en)
Inventor
Norihide Saho
典英 佐保
Hisashi Isokami
尚志 磯上
Takeo Nemoto
武夫 根本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
Priority to JP11560393A priority Critical patent/JPH06323663A/ja
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Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明の目的は、蒸発したヘリウムガスを5.
0K以下で凝縮する、または、被冷却体を5.0K以下
に冷却する小型軽量で簡便な、かつ、大ききな冷凍量を
発生する冷凍装置を提供することにある。 【構成】寒冷発生機に例えばギフォード・マクマホン
(G・M)式往復動形膨張機(1)を使用し、ジュール
・トムソン(J・T)回路の熱交換器(6、7、9、1
0、12)の下端部に設けたJ・T弁(13)戻り配管
に、熱交換器の低圧流路をバイパスする流路を設けて、
J・T弁(13)出口の圧力を、正圧から負圧の任意の
値に制御することによって達成できる。 【効果】本発明によれば、ジュール・トムソン回路のJ
・T弁出口の圧力をより低圧の任意の値に制御できるの
で、J・T弁出口で5.0K以下の任意のヘリウム温度
を発生でき、被冷却体の冷却温度を5.0K以下の任意
の温度に冷却できる効果がある。また、J・T回路のヘ
リウムガス流量を増加することにより、容易に5.0K
以下の冷凍量を増加することが出来る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、冷凍装置に関し、特に
冷却温度をより低温に低下し、かつ、その冷凍量を増加
するのに好適な極低温冷凍装置に関する。
【0002】
【従来の技術】超伝導マグネットを使用した核磁気共鳴
診断装置、ジョセフソン素子や各種センサー等の各種電
子機器や、高真空、高排気速度のクライオポンプ、超伝
導マグネットを使用した電子加速器や放射光発生装置の
冷媒には、極低温の液体ヘリウムを使用する。これらの
被冷却装置の冷媒温度を、低くすればするほど、超伝導
マグネットの安定化や高磁場化、各種センサーのNS比
の向上に非常に有効である。冷媒の液体ヘリウムは、わ
ずかな熱で蒸発し、かつ、高価であるため、蒸発したヘ
リウムガスを凝縮する冷凍装置を装着した構造が特開昭
61ー16968号公報に記載されている。この冷凍装
置は、寒冷発生器にギフォード・マクマホン(G・M)
式往復動形膨張機を使用し、ジュールトムソン弁を極低
温部に有するジュールトムソン(JT)回路で液体ヘリ
ウム温度を発生する。膨張機及びJT回路には圧縮機で
圧縮したヘリウムガスを供給し、膨張機及びJT回路か
らの排気ヘリウムガスを圧縮機の吸気口入口で正圧の状
態で回収する。この時、JT回路で発生する液化温度、
すなわち冷凍温度はJT弁出口の圧力、すなわち膨張後
の飽和圧力によって定まる飽和温度を示す。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の技術では、JT弁出口圧力は圧縮機の吸気口入口圧
力にJT回路内の熱交換器低圧流路内でのガス流動圧力
損失を加算した圧力である。したがって、ガス流動圧力
損失分飽和圧力が上昇し、これによって、飽和温度も圧
力が上昇した分高くなると言う問題があった。
【0004】本発明の目的は、蒸発したヘリウムガスを
より低い温度で凝縮する、または、より低い温度で被冷
却体を冷却する小型軽量で簡便な、かつ、大ききな冷凍
量を発生する冷凍装置を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記目的は、J・T回路
の低圧流路の排気ヘリウムガスの一部をJT回路内の熱
交換器低圧流路を通らずに圧縮機の吸気口入口にバイパ
スさせることによって、熱交換器低圧流路内でのガス流
動圧力損失を低減させ、JT弁出口圧をより低圧にする
ことによって達成する。
【0006】
【作用】寒冷発生機に例えばギフォード・マクマホン
(G・M)式往復動形膨張機を使用し、ジュールトムソ
ン(J・T)回路のJT弁出口の圧力をより低圧の値に
制御する。それによって、J・T弁出口で5.0K以下
の任意のヘリウム温度を発生できる。また、J・T回路
のヘリウムガス流量を増加することにより、容易に5.
0K以下の冷凍量を増加することが出来る。また、吸気
口入口で負圧の状態で回収し、正圧に圧縮したヘリウム
ガスをJ・T回路の高圧流路に供給する操作を同一圧縮
機で行うことにより、小型軽量で簡便な冷凍装置とな
る。
【0007】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図1により説明す
る。寒冷発生機1は、例えば、ギフォード・マクマホン
膨張機で構成される。ヘリウム圧縮機ユニット2の高圧
ガスは寒冷発生機1中に流入して内部で断熱膨張し、第
1ステージ3、第2ステージ4でそれぞれ温度約40
K、15Kの寒冷を発生する。膨張後のガスは、再び、
圧縮機ユニット2に戻る。
【0008】一方、ジュール・トムソン回路(J・T回
路)の圧縮機ユニット5で加圧された高圧のヘリウムガ
スは、高圧配管16aを通り第1熱交換器6、第2熱交
換器7、第1吸着器8、第3熱交換器9、第4熱交換器
10、第2吸着器11、第5熱交換器12を通り温度約
6K以下に冷却され、ジュール・トムソン弁(以下J・
T弁)で断熱膨張してその一部のガスが液化し、液体ヘ
リウム槽14に溜まり超電導マグネット15等の被冷却
体を冷却する。
【0009】未液化のヘリウムガスや液体ヘリウム14
aの蒸発ガスの1部は、低圧配管16b内に流入し、第
5熱交換器12、第3吸着器17、第3熱交換器9、第
4吸着器18、第1熱交換器6及び第5吸着器18aを
通り、ほぼ常温となって低圧配管16cより圧縮機ユニ
ット5に戻る。
【0010】ここで、残りのヘリウムガスは、第5熱交
換器12の低圧流路入口に連通した低圧バイパス流路1
6dを通り、室温部に配置した流量調整弁16eを通っ
て、ほぼ常温となって、低圧配管16cより圧縮機ユニ
ット5に戻る。低圧バイパス流路16dの流路断面積
は、流動圧力損失が少なくとも残りのヘリウムガスが熱
交換器及び吸着器内を流動するときに生じる流動圧力損
失よりも小さくなる様に設定されている。
【0011】クライオスッタト19内は真空断熱され、
極低温部は液体窒素槽21、及び、底板22、上板23
で熱シールドされている。液体窒素20の蒸発ガスは、
排気管24で大気に放出され、液体窒素は液体窒素タン
ク25で定期的に補充される。各吸着器ではヘリウムガ
ス中の不純物を除去する。
【0012】J・T弁13出口の温度は、J・T弁で膨
張した後のヘリウムガスの圧力、すなわち、ヘリウム槽
内の液化飽和圧力で決まる。ヘリウム槽内の圧力は圧力
検知器38、温度は温度センサー39、温度検知器40
で計測され、そのデータを圧縮機ユニット5に送り、所
定の圧力、温度になるように圧縮機の回転数やJ・T弁
13の開度、流量調整弁16eを調整する。
【0013】これらの制御により、J・T弁出口の圧力
を10Toorから1.5atmの範囲で調整でき、こ
れにより、冷却温度を1.2Kから5.0Kの範囲で制
御できる。 このようにして、超電導マグネット15を
5.0K以下特に4.2K以下に冷却することにより、
液体ヘリウムによる超電導マグネットの冷却性能が向上
し、局部発熱等によるクエンチの発生が抑制され、安定
性が向上すると共に超電導マグネットの印加電流を増し
て発生磁場強度を増加できる。
【0014】本実施例によれば、J・T回路の低圧流路
の排気ヘリウムガスを圧縮機の吸気口入口で正圧から負
圧の状態で回収し、同圧縮機で正圧に加圧したヘリウム
ガスをJT回路の高圧流路に供給できる。さらに、J・
T回路の低圧流路の排気ヘリウムガスの一部をJT回路
内の熱交換器低圧流路を通らずに圧縮機の吸気口入口に
バイパスさせることによって、熱交換器低圧流路内での
ガス流動圧力損失を低減させ、JT弁出口圧力をより低
圧にすることができるので、J・T弁出口でより低温の
液体ヘリウムを発生することができる効果がある。ま
た、J・T回路のヘリウムガス流量を増加し、バイパス
流量を調整することにより、J・T弁にて等エンタルピ
ー膨張で発生する5.0K以下の冷凍量を容易に増加す
ることができ、また、単位冷凍量当りの圧縮機入力電力
量も小さくて済む効果がある。
【0015】なお、本実施例では、寒冷発生機にG・M
サイクルの膨張機を適用した例で説明したが、ソルベイ
サイクル、スターリングサイクル、ビルマイヤサイク
ル、タービン式、クロード式膨張機を適用しても同等な
効果がある。
【0016】また、本実施例では、超電導マグネットを
被冷却体にした場合について説明したが、ジョセフソン
素子や各種センサー等の各種電子機器や、高真空、高排
気速度のクライオパネルを被冷却体にしても、被冷却体
の温度が低下することによりSN比の向上や排気速度の
高速化が増加する効果がある。
【0017】本発明の他の実施例を図2に示す。図2に
示す実施例が図1に示す実施例と異なる点は、低圧バイ
パス流路16dの低温端を第1熱交換器6の低圧流路入
口に連通したところにある。
【0018】すなわち低圧バイパス流路に流すヘリウム
ガスを、第5熱交換器12、第3吸着器17、第3熱交
換器9、第4吸着器18に流すことによって第5熱交換
器12、第3熱交換器9で高圧ヘリウムガスと熱交換さ
せて冷熱の無駄を無くす一方で、JT回路内での熱交換
器ので最も流動圧力損失が大きくなる第1熱交換器6部
のみをバイパスさせることで、JT弁出口圧力すなわち
JT弁出口温度をより低くすることができる。
【0019】
【発明の効果】本発明によれば、ジュール・トムソン回
路のJ・T弁出口の圧力を低く任意の値に制御できるの
で、J・T弁出口で5.0K以下の任意のヘリウム温度
を発生でき、被冷却体の冷却温度を5.0K以下の任意
の温度に冷却できる効果がある。また、JT弁出口圧力
を低い状態でJ・T回路のヘリウムガス流量を増加でき
ることにより、容易に5.0K以下の冷凍量を増加する
ことが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の冷凍装置の構成を説明する
図。
【図2】本発明の一他の実施例の冷凍装置の構成を説明
する図。
【符号の説明】
1・・膨張機、 5・・圧縮機ユニット、6、7、9、
10、12・・熱交換器、13・・J・T弁、14a・
・液体ヘリウム、15・・超電導マグネット、16d・
・バイパス、16e・・流量調整弁

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】一連の高圧配管及び低圧配管を内蔵した熱
    交換器、前記高圧配管の極低温部に膨張弁を設け、前記
    膨張弁の出口が前記低圧配管の極低温部に連通し、高圧
    配管の極低温部と前記低圧配管の極低温部の間で被冷却
    体を冷却する冷凍装置において、前記低圧配管の1部に
    少なくとも熱交換器の1部をバイパスする配管を設けた
    ことを特徴する冷凍装置。
  2. 【請求項2】請求項1において、バイパスする配管の途
    中に流量調整弁を設けたことを特徴する冷凍装置。
JP11560393A 1993-05-18 1993-05-18 冷凍装置 Pending JPH06323663A (ja)

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JP11560393A JPH06323663A (ja) 1993-05-18 1993-05-18 冷凍装置

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JP11560393A JPH06323663A (ja) 1993-05-18 1993-05-18 冷凍装置

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JP11560393A Pending JPH06323663A (ja) 1993-05-18 1993-05-18 冷凍装置

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JP (1) JPH06323663A (ja)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20170015568A (ko) * 2010-05-12 2017-02-08 브룩스 오토메이션, 인크. 극저온 냉각용 시스템 및 방법
CN108109806A (zh) * 2016-11-24 2018-06-01 日本超导体技术公司 超导磁体装置
CN108106037A (zh) * 2016-11-24 2018-06-01 日本超导体技术公司 超导磁体装置
CN113324345A (zh) * 2021-06-18 2021-08-31 中国科学院兰州化学物理研究所 一种免液氦低温系统的1.5k超低温实现系统及方法

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CN108106037A (zh) * 2016-11-24 2018-06-01 日本超导体技术公司 超导磁体装置
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