JPH067023B2 - ヘリウム冷凍装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、極低温を得るためのヘリウム冷凍装置に関す
るものである。

（従来の技術） 近年、極低温を得るためのヘリウム冷凍装置の開発が進
められており、例えば、特公昭５８−２１１８６号公報
記載の如き極低温冷凍装置が提案されている。即ち、ジ
ュールトムソン回路（以下、Ｊ−Ｔ回路と称す）におい
て、１台の圧縮機から吐出された高圧ヘリウムガスを該
圧縮機へ戻る低圧ヘリウムガスおよび別設の予冷器で冷
却した後、ジュールトムソン弁（Ｊ−Ｔ弁と称す）で減
圧し、極低温のヘリウム（気液混合状態）を得るように
し、この気液混合状態のヘリウムの蒸発潜熱を極低温冷
却用に利用するようにしている。

（問題が解決しようとする問題点） 一般にヘリウム冷凍装置においては、運転開始直後（Ｊ
−Ｔ弁後のヘリウム温度≒３００Ｋ）から定常冷凍運転
（Ｊ−Ｔ弁前のヘリウム温度≒５Ｋ）に至る初期冷凍過
程、所謂クールダウン運転中におけるＪ−Ｔ弁を通るヘ
リウム重量循環量は、どの温度レベルでもほぼ同じであ
るが、容積循環量は、ヘリウムガス密度の変化に依存す
るところから、Ｊ−Ｔ弁前のヘリウムガス温度に左右さ
れる。従って、運転開始時のヘリウム容積循環量は、定
常運転時の６０〜１００倍にもなり、Ｊ−Ｔ弁開度を定
常運転時の4.2Ｋレベルで運転すると、絞り過ぎに起因
してＪ−Ｔ弁における圧力損失が大きくなる結果、Ｊ−
Ｔリターン圧力が極端に低下し、低圧スイッチの設定圧
力以下となって、該低圧スイッチの動作により運転不能
におちいる。

それ故、上記公知例に示すような構成のヘリウム冷凍装
置においては、運転開始時にはＪ−Ｔ弁を全開とし、Ｊ
−Ｔ弁前のヘリウムガス温度が下がるにしたがって、Ｊ
−Ｔ弁の開度を絞る操作を度々行なう必要がある。その
ため、クールダウン運転中の数時間は、人がついて運転
をしなければならないという問題が存する。

本発明は、上記問題点を解消せんとしたもので、Ｊ−Ｔ
弁の開度を運転開始直後から定常運転レベルに保ち、ク
ールダウン運転中におけるＪ−Ｔ弁操作を不要ならしめ
ることを目的とするものである。

（問題点を解決するための手段） 本発明では、上記問題点を解決するための手段として、
第１図図示の如く、予冷用圧縮機３および膨張機６を有
する予冷冷凍回路１と、直列接続された低段圧縮機８お
よび高段圧縮機１０を有するジュールトムソン回路２と
を備え、ジュールトムソン回路２を流れる高圧冷媒ガス
を予冷冷凍回路１により冷却するヘリウム冷凍装置にお
いて、前記高段圧縮機１０の吐出側と吸入側との間に高
圧制御弁３６と中間圧制御弁３８に挟まれたガスバラス
トタンク３７を有するバイパス回路３９を介設し、冷凍
装置のクールダウン運転中はジュールトムソン弁２１の
開度を定常運転レベルに絞ったままで、前記予冷用圧縮
機３と高段圧縮機１０とを同時運転し、クールダウン終
了を検知する検知手段４４からの指令により前記低段圧
縮機８を起動させる如く運転制御する制御手段４３を付
設している。

（作用） 本発明では、上記手段によって、次のような作用が得ら
れる。

クールダウン運転中において、Ｊ−Ｔ回路２におけるＪ
−Ｔ弁２１の開度を定常運転レベルに絞ったままで運転
をしても、高段圧縮機１０の循環ヘリウムガスの大部分
がガスバラストタンク３７をバイパスし、Ｊ−Ｔ弁２１
を通るヘリウムガスは残りの１部となり、高段圧縮機１
０の吸入側圧力の低下が防止される。

（実施例） 以下、添付の図面を参照して、本発明の好適な実施例を
説明する。

このヘリウム冷凍装置は、予冷冷凍回路１とＪ−Ｔ回路
２と制御手段４３とによって構成されている。

前記予冷冷凍回路１は、予冷用のヘリウムガスを圧縮す
る予冷用圧縮機３、油分離器４、吸着器５、後に詳述す
る膨張機６およびサージボルト７を順次冷媒ガス管路
（即ち、高圧冷媒ガス管路２３および低圧冷媒ガス管路
２４）で接続して構成されている。ここで、予冷用圧縮
機３、油分離器４、吸着器５、サージボルト７は予冷用
圧縮機ユニットＡを構成している。

一方、前記Ｊ−Ｔ回路２は、大容量の低段圧縮機８、油
分離器９、小容量の高段圧縮機１０、油分離器１１、吸
着器１２、第１のジュールトムソン熱交換器（以下、Ｊ
−Ｔ熱交換器と称す）１３、吸着器１４、第１予冷器１
５、第２Ｊ−Ｔ熱交換器１６、吸着器１７、第２予冷器
１８、第３Ｊ−Ｔ熱交換器１９、吸着器２０、Ｊ−Ｔ弁
２１、冷却器２２、前記第３、第２および第１Ｊ−Ｔ熱
交換器１９，１６および１３を順次冷媒ガス管（即ち、
高圧冷媒ガス管２５および低圧冷媒ガス管２６）で接続
して構成されている。ここで、低段及び高段圧縮機８，
１０、油分離器９，１１、吸着器１２および後述するガ
スバラストタンク３７はＪ−Ｔ側圧縮機ユニットＢを構
成している。

前記予冷用圧縮機３、低段および高段圧縮機８および１
０には、それぞれ冷却水コイル２７，２８および２９が
付設されており、これら冷却水コイル２７，２８，２９
によってそれぞれの吐出ガスコイル３０，３１，３２お
よびインゼクション用油コイル３３，３４，３５を冷却
し得るように構成されている。

前記各油分離器４，９，１１で分離された油はそれぞれ
の圧縮機３，８，１０の吸入側にインゼクションされる
ようになっている。

前記各吸着器５，１２，１４，１７，２０は、それぞれ
の状態におけるヘリウムガス中の不純物を除去する作用
を有している。

前記サージボトル７は、予冷用圧縮機３へ返戻される低
圧ヘリウムガスの脈動を少なくする作用を有している。

又、前記Ｊ−Ｔ回路２において、吸着器１２出口側の高
圧冷媒ガス管２５と高段圧縮機１０の吸入側との間に
は、高圧制御弁３６、ガスバラストタンク３７および中
間圧制御弁３８を付設したバイパス回路３９が介設され
ている。該ガスバラストタンク３７は、高圧制御弁３６
あるいは中間圧制御弁３８を開閉制御することによっ
て、Ｊ−Ｔ回路２を循環するヘリウムガス量を調整する
作用を有している。

前記膨張機６、Ｊ−Ｔ熱交換器１３，１６，１９予冷器
１５，１８、Ｊ−Ｔ弁２１および冷却器２２は、高真空
度に保持された真空容器４０内に収容され、且つ第２、
第３Ｊ−Ｔ熱交換器１６，１９、第２予冷器１８、Ｊ−
Ｔ弁２１および冷却器２２は輻射シールド４１に囲繞さ
れクライオスタットＣを構成している。符号４２は、冷
却器２２の温度を検出する温度計である。

前記膨張機６は、高圧側入口６１が予冷用圧縮機３の吐
出側に低圧側出口６２が予冷用圧縮機３の吸入側に接続
され、膨張機６内部における高圧ヘリウムガスの膨張行
程で冷却を行なう如くなっており、第１および第２ヒー
トステーション７０，７１の外周に設けられた第１およ
び第２予冷器１５，１８においてＪ−Ｔ回路２を流れる
ヘリウムガスを予冷する如く成っている。

而して、本発明の特徴として、運転開始直後から定常運
転時に至る初期冷却過程、所謂クールダウン運転中はジ
ュールトムソン弁２１の開度を定常運転レベルに絞った
ままで、予冷用圧縮機３と高段圧縮機１０とを同時運転
し、クールダウン終了を検知する検知手段４４からの指
令により低段圧縮機８を起動させる如く運転制御する制
御手段４３がヘリウム冷凍装置に付設されている。

前記検知手段４４として、本実施例では、Ｊ−Ｔ弁２１
後のヘリウム温度の検出する温度計４２の測定値が設定
値、即ち、低常運転レベルの4.2Ｋ以下になると信号を
出力する温度検知タイプのものが採用されている。な
お、この検知手段４４としては、中間圧力又はＪ−Ｔリ
ターン圧力等を検知する圧力検知タイプのものを使用し
てもよいことは勿論である。

次に図示のヘリウム冷凍装置の作用を説明する。

まず、運転開始から定常運転に至るクールダウン運転中
の作用を説明する。

運転開始時には、制御手段４３からの指令により予冷冷
凍回路１の予冷用圧縮機３とＪ−Ｔ回路２の高段圧縮機
１０とが同時に起動され、低段圧縮機８は停止状態とさ
れる。予冷冷凍回路１の膨張機６の各ヒートステーショ
ン７０，７１は温度降下する。

一方、Ｊ−Ｔ回路２においては、クールダウン運転中は
高段圧縮機１０のみが運転されるが、Ｊ−Ｔ弁２１の開
度が定常運転時レベル（即ち、4.2Ｋレベル）の開度に
保たれたままなので、高段圧縮機１０の吸入圧力（以
下、中間圧力という）が低下する。中間圧力が低下する
と、バイパス回路３９の中間圧制御弁３８が開弁され、
ガスバラストタンク３７内のヘリウムガスがＪ−Ｔ回路
２へ放出されて、中間圧力を一定に保とうとする。そし
て、ガスバラストタンク３７からヘリウムガスが連続的
に放出されると、Ｊ−Ｔ弁２１の開度が絞られているた
め、Ｊ−Ｔ回路２の高圧が高くなり、バイパス回路３９
の高圧制御弁３６が開弁され、高圧が一定値以下になる
ようにＪ−Ｔ回路２のヘリウムガスがガスバラストタン
ク３７内へ吸収される。このように、高段圧縮機１０の
循環ヘリウムガスのほとんどがガスバラストタンク３７
をバイパスすることにより、Ｊ−Ｔ弁２１を通るヘリウ
ムガスは残りの１部となる。従って、高段圧縮機１０の
運転圧力は、ガスバラストタンク３７の高圧および中間
制御弁３６，３８の設定値に支配されることとなり、低
圧スイッチの設定値以下になるほど極端に低下すること
はなく、運転を継続できる。而して、クールダウン運転
中、高段圧縮機１０から吐出された高圧ヘリウムガス
は、膨張機６の各ヒートステーション７０，７１に付設
した第１，第２予冷器１５，１８にて冷却され、Ｊ−Ｔ
熱交換器１３，１６，１９およびＪ−Ｔ弁２１前のヘリ
ウムガス温度も徐々に下がってくる。ヘリウムガス温度
が低下してくると当然ヘリウムガスの密度が大きくな
り、Ｊ−Ｔ弁２１を通るヘリウムガス量も徐々に増加
し、逆にガスバラストタンク３７を通るバイパス量が減
少する。そして、Ｊ−Ｔ弁２１後のヘリウム温度が定常
運転レベルである4.2Ｋに近づくと、検知手段４４から
指令が出力され、制御手段４３により低段圧縮機８を起
動させる。すると、Ｊ−Ｔ回路２は定常の圧力条件とな
り、ガスバラストタンク３７のバイパス量がほとんどな
くなり、高段圧縮機１０から吐出されたヘリウムガスの
ほぼ全量がＪ−Ｔ弁２１を通り、4.2Ｋのヘリウム液化
温度が得られる。

上述の如く、高段圧縮機１０を先行運転するだけで、Ｊ
−Ｔ弁２１の開度操作をすることなくクールダウン運転
が可能となるのである。

なお、クールダウン運転中において、Ｊ−Ｔ弁２１を通
る温度の高いヘリウムガス量が少なくおさえられるとこ
ろから、冷却器２２によりヘリウムを再凝縮する装置と
して使用する場合における、液体ヘリウムの蒸発量を少
なくすることができる。

次に、定常運転状態に達すると、低段圧縮機８が起動
し、クライオスタットＣからのＪ−Ｔ回路リターンヘリ
ウムガスを低段圧縮機８が吸引、圧縮し、冷却水コイル
２８で冷却水により常温３００Ｋまで冷却し、油分離器
９で油分離した後、高段圧縮機１０が吸引・圧縮する。
その後、冷却水コイル２９で冷却水により常温３００Ｋ
まで冷却し、油分離器１１で油分離した後、吸着器１２
で不純物を吸着し、クリーンな高圧ヘリウムガスをクラ
イオスタットＣに供給する。

クライオスタットＣ側に供給された高圧ヘリウムガスは
第１Ｊ−Ｔ熱交換器１３の一次側に入り、Ｊ−Ｔ側圧縮
機ユニットＢへ戻る二次側の低圧ヘリウムガスと熱交換
し、常温３００Ｋから約７０Ｋまで冷却され、膨張機６
の第１ヒートステーション７０（５０〜６０Ｋ）の外周
に設けられた第１予冷器１５に入り、膨張機６により約
５５Ｋまで冷却され、第２Ｊ−Ｔ熱交換器１６の一次側
に入り、Ｊ−Ｔ側圧縮機ユニットＢへ戻る低圧ヘリウム
ガスと熱交換して約２０Ｋまで冷却され、膨張機６の第
２ヒートステーション７１（１５〜２０Ｋ）の外周に設
けられた第２予冷器１８に入り、膨張機６により約１５
Ｋまで冷却され、更に、第３Ｊ−Ｔ熱交換器１９の一次
側に入り、Ｊ−Ｔ側圧縮機ユニットＢへ戻る二次側の低
圧ヘリウムガスと熱交換して約５Ｋまで冷却され、Ｊ−
Ｔ弁２１に至る。なお、上記過程中において、各Ｊ−Ｔ
熱交換器１３，１６，１９の出口側では、吸着器１４，
１７，２０により窒素、酸素、水素等の不純ガスを低温
吸着し、よりクリーンなヘリウムガスにしてＪ−Ｔ弁２
１や各予冷器１５，１８のつまりを防止している。

而して、高圧ヘリウムガスはＪ−Ｔ弁２１で絞られ、ジ
ュールトムソン膨張をして１気圧、4.2Ｋの気液混合状
態のヘリウムとなって冷却器２２へ供給される。冷却器
２２では、このヘリウムの液部分の蒸発潜熱が他のヘリ
ウムガスの液化や再凝縮あるいは被冷却体の冷却に利用
される。

その結果、冷却器２２から第３Ｊ−Ｔ熱交換器１９の二
次側に戻る低圧ヘリウムガスは、約4.2Ｋの飽和ガスと
なる。そして、この低圧ヘリウムガスは第２および第１
Ｊ−Ｔ熱交換器１６，１３において一次側の高圧ヘリウ
ムガスを冷却し、約３００Ｋに温度上昇して、Ｊ−Ｔ側
圧縮機ユニットＢへ戻って行く。以後、同様なサイクル
が繰返されて冷凍運転が行なわれる。

（発明の効果） 叙上の如く、本発明によれば、クールダウン運転中には
予冷用圧縮機３と高段圧縮機１０とを同時運転して、高
段圧縮機１０の循環ヘリウムガスのほとんどがガスバラ
ストタンク３７をバイパスするようにし、クールダウン
終了と同時に低段圧縮機８を起動させて定常運転するよ
うにしたので、Ｊ−Ｔ弁２１の開度操作を行なうことな
く、クールダウンの自動運転を行なうことができるとい
う優れた効果がある。

又、このヘリウム冷凍装置を液体ヘリウムの再凝縮機と
して使用する場合、クールダウン運転中にＪ−Ｔ弁２１
を通る温度の高いヘリウムガス量が少なくおさえられる
ため、液体ヘリウムの蒸発量を少なくすることができる
という利点もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例にかかるヘリウム冷凍装置の
系統図である。 １……予冷冷凍回路 ２……ジュールトムソン回路 ３……予冷用圧縮機 ８……低段圧縮機 １０……高段圧縮機 ２１……ジュールトムソン弁 ３６……高圧制御弁 ３７……ガスバラストタンク ３８……中間圧制御弁 ３９……バイパス回路 ４３……制御手段 ４４……検知手段

フロントページの続き (72)発明者 野口 聡 大阪府堺市金岡町1304番地 ダイキン工業 株式会社堺製作所金岡工場内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】予冷用圧縮機（３）および膨張機（６）を
   有する予冷冷凍回路（１）と、直列接続された低段圧縮
   機（８）および高段圧縮機（１０）を有するジュールト
   ムソン回路（２）とを備え、ジュールトムソン回路
   （２）を流れる高圧冷媒ガスを予冷冷凍回路（１）によ
   り冷却するヘリウム冷凍装置において、前記高段圧縮機
   （１０）の吐出側と吸入側との間に、高圧制御弁（３
   ６）と中間圧制御弁（３８）とに挟まれたガスバラスト
   タンク（３７）を有するバイパス回路（３９）を介設
   し、冷凍装置のクールダウン運転中はジュールトムソン
   弁（２１）の開度を定常運転レベルに絞ったままで、前
   記予冷用圧縮機（３）と高段圧縮機（１０）とを同時運
   転し、クールダウン終了を検知する検知手段（４４）か
   らの指令により前記低段圧縮機（８）を起動させる如く
   運転制御する制御手段（４３）が付設されていることを
   特徴とするヘリウム冷凍装置。