JPH06323664A

JPH06323664A - 冷凍装置

Info

Publication number: JPH06323664A
Application number: JP11560593A
Authority: JP
Inventors: Norihide Saho; 典英佐保; Hisashi Isokami; 尚志磯上; Takeo Nemoto; 武夫根本
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-05-18
Filing date: 1993-05-18
Publication date: 1994-11-25

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】寒冷発生機に膨張機（１）を使用し、Ｊ・Ｔ回
路の熱交換器（６、７、９、１０、１２a,１２b）の間
及び下端部に複数段のＪ・Ｔ弁（１３a,１３b）設け、
最終段のＪ・Ｔ弁（１３b）入口側の熱交換器（１２b）
の低圧側流路にバイパス管を設ける。【効果】本発明によれば、、バイパス流量を制御するこ
とによりＪ・Ｔ弁（１３b）入口温度を最適値に制御し
て、冷凍効率を向上する。

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
冷却温度を任意の温度に低下し、かつ、操作性が簡便な
高効率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、熱物性測定装置、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、特に１ａｔ
ｍの液体ヘリウム蒸発温度の４．２Ｋ以下にすれば、超
伝導マグネットの臨界電流値が向上するために、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。

【０００３】しかし、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、一般にこれらの装
置には、蒸発したヘリウムガスを凝縮する冷凍装置を装
着する。また、熱物性測定装置では、４．２Ｋ以下の広
範囲な冷却温度で被冷却体を冷却する必要があり、冷却
温度を容易変えられる装置が有益である。

【０００４】従来の冷凍装置の構造では、特に４.５Ｋ
未満の冷却温度を発生できる装置として、例えば１台ロ
ータリィ型の真空ポンプと２台の圧縮機を３段に配置す
る圧縮機ユニットで負圧ヘリウムガスを１０atm 以上に
加圧したヘリウムガスを、予冷用の寒冷発生機にギフォ
ード・マクマホン（Ｇ・Ｍ）式往復動形膨張機を使用し
た寒冷発生回路と、ジュール・トムソン弁（以下Ｊ・Ｔ
弁）を極低温部に有するジュール・トムソン回路（Ｊ・
Ｔ回路）の高圧流路に同じ配管で供給し、前記予冷用の
寒冷発生機の排気ヘリウムガスを前記２段に配置した圧
縮機ユニットの中圧ラインに戻し、Ｊ・Ｔ回路の排気ヘ
リウムガスを前記２段に配置した圧縮機ユニットの低圧
ラインに戻する方法がAdvances in Cryogenic Engineer
ing Volume 35,Part B（１９９０年）の第１２７７頁か
ら１２８８頁に記載されている。本装置では（Ｊ・Ｔ回
路）のＪ・Ｔ弁を熱交換器を介して直列に２段配置し
て、２段階で膨張し４.２Ｋ以下の極低温度領域での冷
凍量発生効率の向上を図っている。

【０００５】この場合、冷凍量発生効率の向上のポイン
トは、Ｊ・Ｔ回路の流量、高圧側圧力及び、Ｇ・Ｍ式往
復動形膨張機の寒冷発生量等の変化に対して、Ｊ・Ｔ回
路の１段目のＪ・Ｔ弁入口温度と圧力を最適な値に制御
することである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記したごとく、従来
の技術では、１段目と２段目のＪ・Ｔ弁の開度を調整す
ることにより、この圧力の調整は容易に行うことが出来
る。しかし、１段目のＪ・Ｔ弁入口温度は１段目のＪ・
Ｔ弁入口、出口側の熱交換器での熱交換量、及び流量、
Ｇ・Ｍ式往復動形膨張機の寒冷発生量によって定まる値
であり、１段目のＪ・Ｔ弁入口温度を任意の値に制御で
きなかった。また、１段目のＪ・Ｔ弁入口温度を任意の
値に制御し、効率よく冷却する方法に関しては述べられ
ていない。

【０００７】本発明の目的は、Ｊ・Ｔ回路の流量、高圧
側圧力及び、Ｇ・Ｍ式往復動形膨張機の寒冷発生量等の
変化に対して、蒸発したヘリウムガスを４．５Ｋ未満で
凝縮する、または、被冷却体を４．５Ｋ未満特に大気圧
下の飽和液体ヘリウム温度４．２Ｋ以下に、効率よく安
定に冷却する冷凍装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的は、１段目のＪ
・Ｔ弁出口側の熱交換器内の低圧側流路を流動する低温
低圧のヘリウムガスの１部を、低圧側流路を通らずにこ
の熱交換器の出口に合流させるバイパス管を設け、バイ
パス流量を制御することにより達成できる。

【０００９】

【作用】上記バイパス管内のバイパス流量を制御するこ
とにより、この熱交換器での熱交換量を制御し、１段目
のＪ・Ｔ弁出口側の熱交換器内での熱交換量を制御でき
る。これにより１段目のＪ・Ｔ弁出口側の熱交換器低圧
出口のヘリウムガス温度は変化しこれにともなって、１
段目のＪ・Ｔ弁入口側の熱交換器高圧出口のヘリウムガ
ス温度すなわちＪ・Ｔ弁入口温度を制御し、常に最適な
冷凍性能を供給する冷凍装置となる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１により説明す
る。予冷用の寒冷発生回路に配置した寒冷発生機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４０Ｋ、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。

【００１１】一方、予冷用の寒冷発生回路と隔離したＪ
・Ｔ回路の圧縮機ユニット５で約１６atmに加圧された
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
１２aを通り温度約７Ｋ程度に冷却され、第１Ｊ・Ｔ弁1
3aで断熱膨張して約８atmになる。次に第６熱交換器１
２bを通り温度約５Ｋ以下に冷却され、第２Ｊ・Ｔ弁13b
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。

【００１２】未液化のヘリウムガスや液体ヘリウム１４
ａの蒸発ガスは、低圧配管１６ｂ内に流入し、第６熱交
換器１２b,第５熱交換器１２a、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１６
ｂより圧縮機ユクライオスッタト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。

【００１３】ニット５に戻る。

【００１４】ここで、第１Ｊ・Ｔ弁13a入口温度が最適
値よりも高い場合、未液化のヘリウムガスや液体ヘリウ
ム１４ａの蒸発ガスの１部は、バイパス管１６ｄに流入
し、流量調整弁１３ｃでその流量を調整して第６熱交換
器１２bの出口に合流する。これによって、第６熱交換
器１２b内の交換熱量は減少し、第５熱交換器１２aの低
圧入口温度が低下し、これにともなって、第５熱交換器
１２aの高圧出口温度が低下して、第１Ｊ・Ｔ弁13a入口
温度が最適値まで下がる。これによって、第２Ｊ・Ｔ弁
13b出口における冷凍効率が向上する。

【００１５】また、第１Ｊ・Ｔ弁13a入口温度が最適値
よりも低い場合、第５熱交換器１２aの高圧入口と第５
熱交換器１２aの高圧出口とを流量調整弁１３ｄを介し
て連通したバイパス管１６ｅから、第５熱交換器１２a
の高圧入口の高圧のヘリウムガスをバイパスし、第５熱
交換器１２aの高圧出口に合流させる。これによって、
第５熱交換器１２a内の交換熱量は減少し、第５熱交換
器１２a内の熱交換量が減少し、これにともなって、第
５熱交換器１２aの高圧出口温度が上昇して、第１Ｊ・
Ｔ弁13a入口温度が最適値まで上がる。これによって、
第２Ｊ・Ｔ弁13b出口における冷凍効率が向上する。

【００１６】このように、本実施例によれば、Ｊ・Ｔ回
路の流量、高圧側圧力及びＧ・Ｍ式往復動形膨張機の寒
冷発生量等の変化に対して、第１Ｊ・Ｔ弁13a入口温度
を最適値に制御できるので冷凍性能が優れた冷凍装置を
提供できる。

【００１７】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内の制御器４１に送り所定
の圧力、温度になるように圧縮機ユニット５回転数やＪ
・Ｔ弁１３a,１３b、流量調整弁１３c,１３dの開度を調
整する。この制御によりＪ・Ｔ弁１３bの入口、出口の
温度、圧力を所定の温度、圧力に調整でき、これによ
り、冷却温度を４．５Ｋ未満の範囲で、高効率な冷凍性
能を安定に提供できる。

【００１８】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。

【００１９】本発明の他の実施例を図２に示す。図２に
示す実施例においては、第１Ｊ・Ｔ弁13a入口温度が最
適値よりも高い場合には、流量調整弁１３ｃをバイパス
管１６ｄと第６熱交換器１２b低圧入口配管１６bとの結
合点寄りも第６熱交換器１２b低圧入口側に配置し、第
６熱交換器１２b低圧入口流入量を絞ることによって、
未液化のヘリウムガスや液体ヘリウム１４ａの蒸発ガス
の１部をバイパス管側に流入させ、その流量を流量調整
弁１３ｃで調整して第６熱交換器１２bの出口に合流す
る。本実施例では第６熱交換器１２bの低圧流路内の圧
力損失が小さい場合でも、必要とするバイパス流量を確
保できる。これによって、第６熱交換器１２b内の交換
熱量は減少し、第５熱交換器１２aの低圧入口温度が低
下し、これにともなって、第５熱交換器１２aの高圧出
口温度が低下して、第１Ｊ・Ｔ弁13a入口温度が最適値
まで下がる。これによって、第２Ｊ・Ｔ弁13b出口にお
ける冷凍効率が向上する。

【００２０】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た冷凍サイ
クルやブレイトンサイクルでも同等な効果がある。

【００２１】

【発明の効果】本発明によれば、Ｊ・Ｔ回路の流量、高
圧側圧力及び、Ｇ・Ｍ式往復動形膨張機の寒冷発生量等
の変化に対して、第１Ｊ・Ｔ弁13a入口温度、圧力を最
適値に制御できるので、第２Ｊ・Ｔ弁13b出口における
冷凍効率が向上し、常に最適な冷凍性能を供給する冷凍
装置にできる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の冷凍装置の一実施例の構成を説明する
図。

【図２】本発明の冷凍装置の他の実施例の構成を説明す
る図。

【符号の説明】

１・・膨張機、５・・圧縮機ユニット、６、７、９、１
０、１２・・熱交換器、１３a,１３b・・Ｊ・Ｔ弁、１
４ａ・・液体ヘリウム、１５・・超電導マグネット１３c,１３d・・流量調整弁、１６d,１６e・・バイパス
管

Claims

【特許請求の範囲】

【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複数段の膨張弁を設
け前記膨張弁の入口側熱交換器の低圧側流路の入口と出
口間を連通するバイパス管を設け、前記最終段の膨張弁
出口と低圧配管の低温部が連通し、前記膨張弁の出口と
前記低圧配管の低温部の間に被冷却体との冷却部を設
け、前記高圧配管と前記低圧配管が常温部で圧縮手段を
介して連通したことを特徴する冷凍装置。
【請求項２】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複数段の膨張弁を設
け前記膨張弁の入口側熱交換器の高圧側流路の入口と出
口間を連通するバイパス管を設け、前記最終段の膨張弁
出口と低圧配管の低温部が連通し、前記膨張弁の出口と
前記低圧配管の低温部の間に被冷却体との冷却部を設
け、前記高圧配管と前記低圧配管が常温部で圧縮手段を
介して連通したことを特徴する冷凍装置。
【請求項３】請求項１又は請求項２において、バイパス
管の途中に流量調整手段を設けたことを特徴するの冷凍
装置。
【請求項４】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複数段の膨張弁を設
け前記膨張弁の入口側熱交換器の低圧側流路の入口と出
口間を連通するバイパス管を設け、かつ、前記熱交換器
の低圧側流路の入口と前記バイパス管の連通部よりも前
記熱交換器側に流量調整手段を設けたことを特徴する請
求項記載の冷凍装置。