JPH0684854B2 - Helium refrigerator - Google Patents

Helium refrigerator

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JPH0684854B2
JPH0684854B2 JP4178287A JP4178287A JPH0684854B2 JP H0684854 B2 JPH0684854 B2 JP H0684854B2 JP 4178287 A JP4178287 A JP 4178287A JP 4178287 A JP4178287 A JP 4178287A JP H0684854 B2 JPH0684854 B2 JP H0684854B2
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helium gas
pressure
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compressor
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昭一 種谷
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、ヘリウムガスを膨脹させる予冷冷凍回路およ
びJ−T回路(ジュールトムソン回路)の2元回路を有
するヘリウム冷凍機に関し、特に、その作動停止状態
(常温状態)から定常運転状態(極低温の発生状態)ま
でのいわゆるクールダウン運転時間を短縮化する対策に
関する。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a helium refrigerator having a binary circuit of a pre-cooling refrigeration circuit for expanding helium gas and a JT circuit (Joule Thomson circuit), and particularly The present invention relates to a measure for shortening the so-called cooldown operation time from an operation stop state (normal temperature state) to a steady operation state (generation state of extremely low temperature).

(従来の技術) 従来より、ヘリウム圧縮機で圧縮された高圧のヘリウム
ガスを膨脹機で膨脹させてクライオスタット(低温槽)
内の低温発生部を外部から輻射シールドする予冷冷凍回
路と、上記圧縮機からの高圧ヘリウムガスを上記予冷冷
凍回路で熱交換して予冷するとともに、その予冷された
ヘリウムガスをさらJ−T弁でジュールトムソン膨脹さ
せてその膨脹作用により上記クライオスタットの低温発
生部内に極低温を発生させるJ−T回路とを備えた2元
式のヘリウム冷凍機は知られている。
(Prior Art) Conventionally, a high-pressure helium gas compressed by a helium compressor is expanded by an expander to perform a cryostat (low temperature tank).
A pre-cooling refrigeration circuit that shields the low-temperature generation part inside from the outside by radiation, and high-pressure helium gas from the compressor is heat-exchanged in the pre-cooling refrigeration circuit to pre-cool, and the pre-cooled helium gas is further exposed to the JT valve. There is known a binary helium refrigerator provided with a JT circuit for expanding Joule-Thomson and generating an extremely low temperature in the low temperature generating portion of the cryostat by the expansion action.

(発明が解決しようとする問題点) ところで、このようなJ−T回路を有するヘリウム冷凍
機においては、その作動によるクールダウン運動の初
期、J−T回路内のヘリウムガスの温度は常温(300K)
であり、定常運転状態の極低温(約4K)に比してその密
度が小さい。このため、J−T弁の開度が冷凍機におけ
る定常運転レベルの開度(一定開度)に保持されている
と、そのJ−T弁通過時のガスの抵抗が大きくなり、そ
の結果、ヘリウムガスの圧縮機へのリターン圧力が低下
することが生じる。従って、このリターン圧力の低下を
避けるために、J−T弁の開度をクールダウン運転の進
行に伴って変更調整する必要があるが、クールダウン運
転時間は極めて長く、その長時間に亘ってJ−T弁の開
度を継続的に調整せねばならず、その操作に甚大な手間
がかかるという問題があった。
(Problems to be Solved by the Invention) In a helium refrigerator having such a JT circuit, the temperature of the helium gas in the JT circuit is at room temperature (300 K )
And its density is small compared to the cryogenic temperature (about 4K) in the steady operation state. Therefore, if the opening of the JT valve is maintained at the opening (constant opening) at the steady operation level in the refrigerator, the resistance of the gas when passing through the JT valve becomes large, and as a result, The return pressure of the helium gas to the compressor may drop. Therefore, in order to avoid the reduction of the return pressure, it is necessary to change and adjust the opening of the JT valve as the cooldown operation progresses, but the cooldown operation time is extremely long and the cooldown operation time is long. There has been a problem that the opening of the JT valve has to be continuously adjusted, and its operation requires a great deal of trouble.

そこで、本出願人は、上記したクールダウン運転時にお
けるJ−T弁の開度調整を不要とすべく、J−T回路の
圧縮機ユニットの高低圧配管同士をバイパス回路により
接続するとともに、該バイパス回路を開閉する電磁弁お
よび絞り機構を設け、クールダウン運転時の初期から所
定時間が経過するまでの間、圧縮機から吐出されたヘリ
ウムガスを上記バイパス回路を通すようにすることによ
り、J−T弁の開度調整の操作を不要化するようにした
ものを提案している。
Therefore, the applicant of the present invention connects the high-low pressure pipes of the compressor unit of the J-T circuit with each other by a bypass circuit in order to eliminate the need to adjust the opening degree of the J-T valve during the cool-down operation. By providing a solenoid valve for opening and closing the bypass circuit and a throttle mechanism, and allowing helium gas discharged from the compressor to pass through the bypass circuit from the beginning of the cool-down operation until a predetermined time elapses. -A proposal is made that the operation of adjusting the opening of the T valve is made unnecessary.

ところが、その場合、クールダウン運転の初期にはJ−
T回路自体に僅かな量しか流れないため、特に4Kステー
ジの冷却器を300K(常温)から150Kレベルまで低下させ
るのに時間を要し、該4Kステージの熱容量が大きいとき
にはクールダウン時間が大幅に長くなってしまい、改良
の余地がある。
However, in that case, J-
Since only a small amount flows into the T circuit itself, it takes time to lower the cooler of the 4K stage from 300K (normal temperature) to 150K level, and when the heat capacity of the 4K stage is large, the cool down time is drastically increased. It becomes longer and there is room for improvement.

本発明は以上の問題を解決すべくなされたものであり、
その目的とするところは、上記した予冷冷凍回路とJ−
T回路とからなる2元回路を有するヘリウム冷凍機にお
いて、上記の如きJ−T回路における圧縮機ユニットの
高低圧配管同士を接続するユニット側のバイパス回路に
加え、ヘリウムガスを上記J−T弁をバイパスさせて流
通させるJ−T弁側バイパス回路を設け、これら2つの
バイパス回路の開閉を適切に制御するようにすることに
より、4Kステージの熱容量が大きくてもクールダウン時
間が長くなることなく、クールダウン運転時にJ−T弁
の開度調整を不要化できるようにすることにある。
The present invention has been made to solve the above problems,
The purpose is to use the pre-cooling refrigeration circuit and J-
In a helium refrigerator having a binary circuit consisting of a T circuit, a helium gas is added to the bypass circuit on the unit side connecting the high and low pressure pipes of the compressor unit in the JT circuit as described above, and helium gas is added to the JT valve. By providing a J-T valve side bypass circuit that bypasses and circulates and controls the opening and closing of these two bypass circuits appropriately, even if the heat capacity of the 4K stage is large, the cool down time does not become long. The purpose is to make it unnecessary to adjust the opening of the JT valve during the cool-down operation.

(問題点を解決するための手段) 上記の目的を達成するために、本発明では、第1図に示
すように、圧縮機(3)で圧縮された高圧ヘリウムガス
を膨脹機(7)で膨脹させて極低温を発生させる予冷冷
凍回路(2)と、圧縮機(14),(16)からの高圧ヘリ
ウムガスを上記予冷冷凍回路(2)との熱交換により予
冷し、その予冷されたヘリウムガスをJ−T弁(29)よ
りジュールトムソン膨脹させて極低温を発生させるJ−
T回路(1)とを備えたヘリウム冷凍機を前提とする。
(Means for Solving the Problems) In order to achieve the above object, in the present invention, as shown in FIG. 1, high-pressure helium gas compressed by the compressor (3) is expanded by the expander (7). The pre-cooling refrigeration circuit (2) that expands to generate cryogenic temperature and the high-pressure helium gas from the compressors (14) and (16) are pre-cooled by heat exchange with the pre-cooling refrigeration circuit (2), and then pre-cooled. J-Thomson expansion of helium gas from J-T valve (29) to generate cryogenic temperature J-
Assume a helium refrigerator with T-circuit (1).

そして、上記J−T回路(1)の圧縮機ユニット(A)
の高低圧配管(22),(30)同士を接続するユニット側
バイパス回路(31)と、該ユニット側バイパス回路(3
1)を開閉するユニット側電磁弁(SV1)および絞り機構
(32)と、ヘリウムガスを上記J−T弁(29)をバイパ
スさせて流通させるJ−T弁側バイパス回路(33)と、
該J−T弁側バイパス回路(33)を開閉するJ−T弁側
電磁弁(SV2)および減圧機構(34)とを設ける。
The compressor unit (A) of the JT circuit (1)
A unit side bypass circuit (31) for connecting the high and low pressure pipes (22) and (30) to each other, and the unit side bypass circuit (3
Unit-side electromagnetic valve for opening and closing the 1) and (SV 1) and throttle mechanism (32), a J-T valve bypass circuit which helium gas is circulated by bypassing the J-T valve (29) (33),
A JT valve side solenoid valve (SV 2 ) for opening and closing the JT valve side bypass circuit (33) and a pressure reducing mechanism (34) are provided.

さらに、クールダウン運転時、その初期に上記J−T弁
側電磁弁(SV2)を開きかつユニット側電磁弁(SV1)を
閉じ、冷却器(27)から圧縮機(14),(16)に戻るヘ
リウムガスのリターン圧力が所定圧力以上に上昇したと
きないし上記冷却器(7)の温度が所定温度以下に低下
したときに、上記ユニット側電磁弁(SV1)を開いた後
にJ−T弁側電磁弁(SV2)を閉じ、終期に上記ユニッ
ト側電磁弁(SV1)をも閉じるように制御する制御手段
(50)を設ける。
Furthermore, during the cool-down operation, the JT valve side solenoid valve (SV 2 ) is opened and the unit side solenoid valve (SV 1 ) is closed at the initial stage, and the cooler (27) moves to the compressors (14), (16). When the return pressure of helium gas returning to) rises above a predetermined pressure or when the temperature of the cooler (7) drops below a predetermined temperature, J- after opening the unit side solenoid valve (SV 1 ) A control means (50) is provided to control so that the T valve side solenoid valve (SV 2 ) is closed and the unit side solenoid valve (SV 1 ) is also closed at the end.

(作用) この構成により、本発明では、ヘリウム冷凍機のクール
ダウン運転時、制御手段(50)の作動により、先ずその
4Kステージである冷却器(27)の温度レベルが常温(30
0K)である初期、J−T弁側電磁弁(SV2)が開かれか
つユニット側電磁弁(SV1)が閉じられる。この状態で
は、圧縮機(14),(16)から吐出されたヘリウムガス
はJ−T弁(29)を殆ど流れず、大半が該J−T弁(2
9)をバイパスするようにJ−T弁側バイパス回路(3
3)を流れる。このため、4Kステージにおけるヘリウム
ガスの温度が高く、その密度が小さくても、その圧縮機
(14),(16)に戻るリターン圧力が低下するのは抑制
される。
(Operation) With this configuration, in the present invention, during the cool-down operation of the helium refrigerator, the operation of the control means (50) causes
The temperature level of the cooler (27), which is a 4K stage, is at room temperature (30
Initially (0K), the JT valve side solenoid valve (SV 2 ) is opened and the unit side solenoid valve (SV 1 ) is closed. In this state, the helium gas discharged from the compressors (14) and (16) hardly flows through the J-T valve (29), and most of the J-T valve (2).
9) bypass the JT valve side bypass circuit (3
3) flow. Therefore, even if the temperature of the helium gas in the 4K stage is high and the density thereof is low, the return pressure returning to the compressors (14) and (16) is prevented from decreasing.

この後、クールダウン運転の進行に伴って、上記冷却器
(27)から圧縮機(14),(16)に戻るヘリウムガスの
リターン圧力が所定圧力以上に上昇したときないし上記
冷却器(27)の温度が所定温度以下に低下したときに
は、上記ユニット側電磁弁(SV1)が開かれ、その後に
J−T弁側電磁弁(SV2)が閉じられる。しかる後、ク
ールダウン運転の終期に移行し、上記ユニット側電磁弁
(SV1)も閉じられて、最終的に定常運転状態に移行す
る。
Thereafter, as the cool-down operation progresses, when the return pressure of the helium gas returning from the cooler (27) to the compressors (14) and (16) rises above a predetermined pressure, or the cooler (27). When the temperature falls below a predetermined temperature, the unit side solenoid valve (SV 1 ) is opened, and then the JT valve side solenoid valve (SV 2 ) is closed. Then, at the end of the cool-down operation, the solenoid valve (SV 1 ) on the unit side is closed, and finally the operation goes to the steady operation state.

そして、この場合、上記の如くクールダウン運転時にお
いて、J−T弁側電磁弁(SV2)の開き状態(ユニット
側電磁弁(SV1)の閉じ状態)ではヘリウムガスはJ−
T弁(29)をバイパスして流れ、その後のユニット側電
磁弁(SV1)の開き状態(J−T弁側電磁弁(SV2)の閉
じ状態)ではヘリウムガスは高低圧配管(22),(30)
同士を短絡して流れるため、クールダウン運転の全体に
亘りJ−T弁(29)の開度を冷凍機の定常運転時の定常
開度に維持することができ、よってクールダウン運転中
のJ−T弁(29)の開度調整操作を不要化することがで
きることとなる。
In this case, during the cool down operation as described above, when the JT valve side solenoid valve (SV 2 ) is open (the unit side solenoid valve (SV 1 ) is closed), the helium gas is J-
Helium gas flows through the T-valve (29) by bypass, and then the unit side solenoid valve (SV 1 ) is opened (J-T valve side solenoid valve (SV 2 ) is closed). , (30)
Since the two flow short-circuiting each other, the opening of the J-T valve (29) can be maintained at the steady opening during steady operation of the refrigerator throughout the cool down operation, and thus J during the cool down operation can be maintained. -The operation of adjusting the opening of the T valve (29) can be eliminated.

また、クールダウン運転の初期には、ヘリウムガスはJ
−T弁(29)をバイパスしながらもJ−T回路(1)自
体を流れるため、該J−T回路(1)の冷却能力が確保
され、よって4Kステージの熱容量が大であってもクール
ダウン時間を大幅に短縮できるのである。
At the beginning of the cool-down operation, J
-By flowing through the JT circuit (1) itself while bypassing the T valve (29), the cooling capacity of the JT circuit (1) is ensured, so even if the heat capacity of the 4K stage is large, it is cool. The downtime can be greatly reduced.

(実施例) 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。(Example) Hereinafter, the Example of this invention is described based on drawing.

第1図は本発明の実施例に係る2元2段圧縮サイクルの
ヘリウム冷凍機の全体構成を示し、(1)は極低温を発
生させるためにヘリウムガスを圧縮してジュールトムソ
ン膨脹させるJ−T回路、(2)は上記J−T回路
(1)におけるヘリウムガスを予冷するためにヘリウム
ガスを圧縮膨脹させて極低温を発生させる予冷冷凍回路
であって、上記J−T回路(1)はJ−T側圧縮機ユニ
ット(A)と、被冷却体(図示せず)を冷却状態に保持
する低温発生部(C1)を内有するクライオスタット
(C)(低温槽)とに亘って、また予冷冷凍回路(2)
は予冷用圧縮機ユニット(B)と上記クライオスタット
(C)とに亘って互いに並列に配設されている。
FIG. 1 shows the overall structure of a helium refrigerator of a two-stage two-stage compression cycle according to an embodiment of the present invention. (1) is a J-Thomson expansion for compressing helium gas to generate a cryogenic temperature. A T circuit, (2) is a precooling refrigeration circuit for compressing and expanding the helium gas in order to precool the helium gas in the JT circuit (1) to generate an extremely low temperature. The JT circuit (1) Between the JT side compressor unit (A) and the cryostat (C) (low temperature tank) having the low temperature generation part (C 1 ) for holding the cooled object (not shown) in a cooled state, Pre-cooling refrigeration circuit (2)
Are arranged in parallel with each other across the precooling compressor unit (B) and the cryostat (C).

上記予冷用圧縮機ユニット(B)はヘリウムガスを圧縮
する予冷用圧縮機(3)と、該圧縮機(3)で圧縮され
た高圧ヘリウムガスから圧縮機(3)用の潤滑油を分離
除去する油分離器(4)と、該油分離器(4)を通過し
たヘリウムガス中の水分や不純ガス等の不純物を吸着除
去する吸着器(5)とを備え、上記吸着器(5)は高圧
配管(6)を介してクライオスタット(C)に嵌装した
膨脹機(7)におけるケーシング(8)の高圧側入口
(8a)に接続されている。
The pre-cooling compressor unit (B) separates and removes the pre-cooling compressor (3) for compressing helium gas, and the lubricating oil for the compressor (3) from the high-pressure helium gas compressed by the compressor (3). And an adsorber (5) for adsorbing and removing impurities such as water and impure gas in the helium gas that has passed through the oil separator (4). It is connected to the high pressure side inlet (8a) of the casing (8) in the expander (7) fitted in the cryostat (C) through the high pressure pipe (6).

上記膨脹機(7)は、クライオスタット(C)外に配置
される上記ケーシング(8)と、該ケーシング(8)の
下部に連設されたシリンダ(9)とを有し、該シリンダ
(9)の外周にはクライオスタット(C)内に挿通され
る第1および第2ヒートステーション(10),(11)が
設けられている。そして、図示しないが、上記ケーシン
グ(8)内には、回転する毎に開弁して上記高圧側入口
(8a)から流入したヘリウムガスを上記シリンダ(9)
内に供給するロータリバルブと、該ロータリバルズを駆
動するバルブモータとが嵌装されてる一方、上記シリン
ダ(9)内には、ロータリバルブの開閉に応じて往復動
するスラックピストンと、該スラックピストンに一体的
に係止駆動されてシリンダ(9)内を往復動し、ヘリウ
ムガスをサイモン膨脹させるディスプレーサとが嵌挿さ
れている。そして、上記シリンダ(9)の第1ヒートス
テーション(10)は、クライオスタット(C)内の低温
発生部(C1)を取り囲むように配置した輻射シールド部
(C2)に熱接触しており、膨脹機(7)におけるロータ
リババルブの開弁により高圧のヘリウムガスをシリンダ
(9)内で膨脹させて低温状態を発生させ、その低温状
態をシリンダ(9)における第1および第2ヒートステ
ーション(10),(11)にて保持するとともに、第1ヒ
ートステーション(10)に熱接触している輻射シールド
部(C2)を低温に冷却してその内部の低温発生部(C1
を外部から輻射シールドするように構成されている。
The expander (7) includes the casing (8) arranged outside the cryostat (C) and a cylinder (9) connected to a lower portion of the casing (8). The cylinder (9) First and second heat stations (10) and (11) which are inserted into the cryostat (C) are provided on the outer circumference of the. Although not shown, the helium gas, which is opened at every rotation of the casing (8) and flows from the high pressure side inlet (8a), is introduced into the cylinder (9).
A rotary valve to be supplied to the inside and a valve motor to drive the rotary valves are fitted, while a slack piston that reciprocates according to opening and closing of the rotary valve in the cylinder (9) and the slack piston. A displacer that is integrally driven to reciprocate and reciprocates in the cylinder (9) to expand the helium gas by Simon is inserted. The first heat station (10) of the cylinder (9) is in thermal contact with the radiation shield part (C 2 ) arranged so as to surround the low temperature generation part (C 1 ) in the cryostat (C), By opening the rotary valve of the expander (7), high-pressure helium gas is expanded in the cylinder (9) to generate a low temperature state, and the low temperature state is generated in the first and second heat stations ( The radiation shield part (C 2 ) which is held in 10) and (11) and is in thermal contact with the first heat station (10) is cooled to a low temperature, and the low temperature generating part (C 1 ) inside thereof is cooled.
Is configured to shield the radiation from the outside.

また、上記膨脹機(7)のケーシング(8)には膨脹後
の低圧のヘリウムガスを吐出させる低圧側出口(8b)が
開口され、該低圧側出口(8b)は低圧配管(12)を介し
て上記予冷用圧縮機ユニット(B)に設けたサージボト
ル(13)に接続され、該サージボトル(13)は上記予冷
用圧縮機(3)の吸入側に接続されており、膨脹機
(7)から吐出された低圧ヘリウムガスをその圧力変動
をサージボトル(13)で吸収して圧縮機(3)に吸引す
るようになされている。以上により、予冷用圧縮機
(3)から吐出された高圧のヘリウムガスを油分離器
(4)および吸着器(5)を経由して膨脹機(7)に供
給し、その膨脹機(7)での断熱膨脹によりヒートステ
ーション(10),(11)の温度を低下させ、クライオス
タット(C)内の低温発生部(C1)を輻射シールドする
とともに、J−T回路(1)における後述の予冷器(2
4),(25)を予冷し、膨脹した低圧ヘリウムガスをサ
ージボトル(13)を介して圧縮機(3)に戻して再圧縮
するように構成されている。
In addition, the casing (8) of the expander (7) is provided with a low pressure side outlet (8b) for discharging the expanded low pressure helium gas, and the low pressure side outlet (8b) is passed through a low pressure pipe (12). Is connected to a surge bottle (13) provided in the precooling compressor unit (B), the surge bottle (13) is connected to the suction side of the precooling compressor (3), and the expander (7) is connected. The pressure fluctuation of the low-pressure helium gas discharged from (1) is absorbed by the surge bottle (13) and sucked into the compressor (3). As described above, the high-pressure helium gas discharged from the precooling compressor (3) is supplied to the expander (7) via the oil separator (4) and the adsorber (5), and the expander (7) is supplied. The temperature of the heat stations (10) and (11) is lowered by adiabatic expansion at the temperature to shield the low temperature generation part (C 1 ) in the cryostat (C) from radiation and pre-cooled later in the JT circuit (1). Bowl (2
4) and (25) are pre-cooled, and the expanded low-pressure helium gas is returned to the compressor (3) via the surge bottle (13) and re-compressed.

一方、上記J−T側圧縮機ユニット(A)には、ヘリウ
ムガスを所定圧力に圧縮する低段圧縮機(14)と、該圧
縮機(14)から吐出された高圧ヘリウムガスから圧縮機
(14)用の潤滑油を分離除去する油分離器(15)と、該
油分離器(15)から出されて中間圧配管(35)を経由し
た高圧ヘリウムガスを更に高圧に圧縮する高段圧縮機
(16)と、該圧縮機(16)から吐出された高圧ヘリウム
ガスから圧縮機(16)用の潤滑油を分離除去する油分離
器(17)と、該油分離器(17)を経由した高圧ヘリウム
ガス中の不純物を吸着除去する吸着器(18)とが設けら
れている。
On the other hand, in the JT side compressor unit (A), a low-stage compressor (14) that compresses helium gas to a predetermined pressure, and a compressor (from a high-pressure helium gas discharged from the compressor (14) ( 14) An oil separator (15) for separating and removing lubricating oil, and a high-stage compression for compressing the high pressure helium gas discharged from the oil separator (15) and passing through the intermediate pressure pipe (35) to a higher pressure. Machine (16), an oil separator (17) for separating and removing lubricating oil for the compressor (16) from the high-pressure helium gas discharged from the compressor (16), and the oil separator (17) And an adsorber (18) for adsorbing and removing impurities in the high-pressure helium gas.

また、上記クライオスタット(C)には1次側および2
次側をそれぞれ通過するヘリウムガス間で互いに熱交換
させる第1〜第3のJ−T熱交換器(19)〜(21)が嵌
装され、これらJ−T熱交換器(19)〜(21)のうち、
第2および第3J−T熱交換器(20),(21)はクライオ
スタット(C)の輻射シールド部(C2)内に配置されて
いる。上記第1J−T熱交換器(19)の1次側は高圧配管
(22)を介して上記J−T側圧縮機ユニット(A)の吸
着器(18)に接続されている。また、上記第1および第
2のJ−T熱交換器(19),(21)の各1次側同士は吸
着器(23)と上記膨脹機(7)の第1ヒートステーショ
ン(10)外周に配置した第1予冷器(24)とを介して接
続されているとともに、第2および第3J−T熱交換器
(20),(21)の各1次側同士は同様に吸着器(25)と
膨脹機(7)の第2ヒートステーション(11)外周に配
置した第2予冷器(26)とを介して接続されている。さ
らに、上記第3J−T熱交換器(21)の1次側は、膨脹機
(7)のシリンダ(9)下端に支持されて低温発生部
(C1)内に位置する4Kステージとしての冷却器(27)に
対し吸着器(28)およびJ−T弁(29)を介して接続さ
れている。このJ−T弁(29)は、高圧のヘリウムガス
をジュールトムソン膨脹させるものであり、その開度は
ヘリウム冷凍機の定常運転時の定常開度に一定に固定さ
れている。そして、上記冷却器(27)は上記第3および
第2J−T熱交換器(21),(20)の各2次側を経て第1J
−T熱交換器(19)の2次側に接続され、該第1J−T熱
交換器(19)の2次側は低圧配管(30)を介して上記J
−T側圧縮機ユニット(A)における低段圧縮機(14)
の吸入側に接続されている。よって、上記2段直列に接
続された2台の圧縮機(14),(16)によりヘリウムガ
スを高圧に圧縮してクライオスタット(C)側に供給
し、それをクライオスタット(C)の第1〜第3のJ−
T熱交換器(19)〜(21)においてJ−T側圧縮機ユニ
ット(A)に戻る低温低圧のヘリウムガスと熱交換させ
るとともに、第1および第2予冷器(24),(26)で膨
脹機(7)の第1および第2ヒートステーション(1
0),(11)と熱交換させて冷却したのち、J−T弁(2
9)でジュールトムソン膨脹させて冷却器(27)で定常
運転時に1気圧、約4Kのヘリウムとなし、しかる後、低
圧となったヘリウムガスを第1ないし第3J−T熱交換器
(19)〜(21)の各2次側を通してJ−T側圧縮機ユニ
ット(A)の低段圧縮機(14)に吸入させて再圧縮する
ように構成されている。
In addition, the cryostat (C) has a primary side and a secondary side.
First to third JT heat exchangers (19) to (21) for exchanging heat with each other between the helium gases passing through the next sides are fitted, and these JT heat exchangers (19) to (). 21) out of
The second and third J-T heat exchangers (20), (21) are arranged in the radiation shield part (C 2 ) of the cryostat (C). The primary side of the first J-T heat exchanger (19) is connected to the adsorber (18) of the J-T side compressor unit (A) via a high pressure pipe (22). The primary sides of the first and second JT heat exchangers (19) and (21) are connected to the adsorber (23) and the outer periphery of the first heat station (10) of the expander (7). Is connected via the first precooler (24) arranged in the same manner, and the primary sides of the second and third J-T heat exchangers (20), (21) are similarly adsorbed by the adsorber (25 ) And a second precooler (26) arranged on the outer periphery of the second heat station (11) of the expander (7). Further, the primary side of the third J-T heat exchanger (21) is supported by the lower end of the cylinder (9) of the expander (7) and is cooled as a 4K stage located in the low temperature generating part (C 1 ). It is connected to the container (27) through an adsorber (28) and a JT valve (29). The JT valve (29) expands high-pressure helium gas by Joule-Thomson, and its opening is fixed to a steady opening during steady operation of the helium refrigerator. The cooler (27) passes through the secondary sides of the third and second J-T heat exchangers (21) and (20) to the first JJ.
The secondary side of the -T heat exchanger (19) is connected to the secondary side of the first J-T heat exchanger (19) through the low pressure pipe (30).
-Low side compressor (14) in T side compressor unit (A)
Is connected to the suction side of. Therefore, the two compressors (14) and (16) connected in series in two stages compress the helium gas to a high pressure and supply the helium gas to the cryostat (C) side. Third J-
In the T heat exchangers (19) to (21), heat is exchanged with the low temperature and low pressure helium gas returning to the JT side compressor unit (A), and at the first and second precoolers (24) and (26). The first and second heat stations (1) of the expander (7)
After cooling by heat exchange with (0) and (11), the JT valve (2
At 9), the Joule-Thomson was expanded, and the cooler (27) produced helium at 1 atm and about 4K during steady operation. Then, the low pressure helium gas was passed through the first to third JT heat exchangers (19). Through (21) through the respective secondary sides, the low-stage compressor (14) of the JT side compressor unit (A) is sucked and recompressed.

さらに、本発明の特徴として、上記J−T回路(1)の
圧縮機ユニット(A)にその高圧配置(22)の低圧配管
(30)とはユニット側バイパス回路(31)によって接続
され、該ユニット側バイパス回路(31)には該バイパス
回路(31)を開閉するユニット側電磁弁(SV1)と、絞
り機構としてのキャピラリチューブ(32)とが配設され
ており、このユニット側バイパス回路(31)のキャピラ
リチューブ(32)により決まるヘリウムガスの流量は、
圧縮機(14),(16)に戻るヘリウムガスのリターン圧
力が冷凍機のクールダウン運転時の開始時である常温
(300K)下でも通常のリターン圧力になるように設定さ
れている。
Further, as a feature of the present invention, the compressor unit (A) of the JT circuit (1) is connected to the low pressure pipe (30) of the high pressure arrangement (22) by a unit side bypass circuit (31), The unit side bypass circuit (31) is provided with a unit side solenoid valve (SV 1 ) for opening and closing the bypass circuit (31) and a capillary tube (32) as a throttle mechanism. The flow rate of helium gas determined by the capillary tube (32) of (31) is
The return pressure of the helium gas returning to the compressors (14) and (16) is set to be the normal return pressure even at room temperature (300K), which is the start of the cooldown operation of the refrigerator.

一方、上記クライオスタット(C)内におけるJ−T回
路(1)には、ヘリウムガスを上記J−T弁(29)をバ
イパスさせて流通させるJ−T弁側バイパス回路(33)
が分岐接続され、該J−T弁側バイパス回路(33)には
該バイパス回路(33)を開閉するJ−T弁側電磁弁(SV
2)と、減圧機構としてのキャピラリチューブ(34)と
が配設されている。
On the other hand, in the JT circuit (1) in the cryostat (C), a JT valve side bypass circuit (33) that allows helium gas to flow by bypassing the JT valve (29).
Is branched and connected to the JT valve side bypass circuit (33) to open and close the JT valve side solenoid valve (SV).
2 ) and a capillary tube (34) as a pressure reducing mechanism are arranged.

そして、上記両電磁弁(SV1),(SV2)はその開閉が制
御手段としてのコントローラ(50)によって制御される
ように構成され、該コントローラ(50)には、上記4Kス
テージとしての冷却器(27)から圧縮機(14),(16)
に戻るヘリウムガスのリターン圧力を検出する圧力セン
サ(51)の出力信号が入力されており、このコントロー
ラ(50)による制御により、クールダウン運転時、その
初期に上記J−T弁側電磁弁(SV2)が開かれかつユニ
ット側電磁弁(SV1)が閉じられる一方、冷却器(27)
から圧縮機(14),(16)に戻るヘリウムガスのリター
ン圧力が所定圧力以上に上昇したときに、上記ユニット
側電磁弁(SV1)が開いた後にJ−T弁側電磁弁(SV2
が閉じられ、最終的に上記ユニット側電磁弁(SV1)が
閉じられるように制御される。
The solenoid valves (SV 1 ) and (SV 2 ) are configured so that their opening and closing are controlled by a controller (50) as a control means, and the controller (50) includes a cooling unit as the 4K stage. From vessel (27) to compressor (14), (16)
The output signal of the pressure sensor (51) for detecting the return pressure of the helium gas returned to is input to the solenoid valve of the JT valve side at the initial stage of the cool-down operation under the control of this controller (50). SV 2 ) is opened and unit side solenoid valve (SV 1 ) is closed, while cooler (27)
When the compressor (14), the return pressure of the helium gas back to (16) rises above a predetermined pressure from the unit-side electromagnetic valve (SV 1) is J-T valve side electromagnetic valve after opening (SV 2 )
Is closed and finally the unit side solenoid valve (SV 1 ) is controlled to be closed.

また、第2図にも示すように、上記J−T回路(1)の
J−T側圧縮機ユニット(A)において、油分離器(1
5)の吐出側(高段圧縮機(16)の吸込側)に接続され
る中間圧配管(35)と、吸着器(23)の吐出側に接続さ
れる高圧配管(22)とは接続配管(36)により接続さ
れ、その接続配管(36)の途中には、所定圧力のヘリウ
ムガスを溜めるバラストタンク(37)と、高圧配管(2
2)内のヘリウムガス圧力が所定圧力よりも上昇したと
きに自動的に開いて高圧配管(22)内の高圧ヘリウムガ
スをバラストタンク(37)内に流入させる高圧制御弁
(38)と、中間圧配管(35)内のヘリウムガス圧力がバ
ラストタンク(37)内のガス圧力よりも低下したときに
その圧力の差に応じたバラストタンク(37)内のヘリウ
ムガスを中間圧配管(35)内に流入させるキャピラリチ
ユーブ(39)とが配設されている。また、この接続配管
(36)には電磁弁(SV3)が上記高圧制御弁(38)と並
列に接続されている。
Further, as shown in FIG. 2, in the JT side compressor unit (A) of the JT circuit (1), the oil separator (1
The intermediate pressure pipe (35) connected to the discharge side of 5) (the suction side of the high-stage compressor (16)) and the high-pressure pipe (22) connected to the discharge side of the adsorber (23) are connection pipes. A ballast tank (37) for storing helium gas at a predetermined pressure and a high-pressure pipe (2) connected in the middle of the connection pipe (36).
2) A high pressure control valve (38) that automatically opens when the helium gas pressure in the rises above a predetermined pressure and allows the high pressure helium gas in the high pressure pipe (22) to flow into the ballast tank (37). When the helium gas pressure in the pressure pipe (35) becomes lower than the gas pressure in the ballast tank (37), the helium gas in the ballast tank (37) corresponding to the difference in pressure is fed into the intermediate pressure pipe (35). And a capillary tube (39) for flowing into the chamber. Further, a solenoid valve (SV 3 ) is connected to the connection pipe (36) in parallel with the high pressure control valve (38).

尚、上記予冷用圧縮機ユニット(B)の圧縮機(3)お
よびJ−T側圧縮機ユニット(A)の2台の圧縮機(1
4),(16)の構造およびその周辺機器は同様の構造に
構成されおり、第1図中、(40)は各圧縮機(3),
(14),(16)の吐出側から油分離器(4),(15),
(17)に至る流路の途中に介設された吐出ガスコイルで
あって、該吐出ガスコイル(40)は各圧縮機(3),
(14),(16)のケーシング(図示せず)外周の上半部
に巻き付けられてなるものである。また、各圧縮機
(3),(14),(16)のケーシング外周面全体には冷
却水が流れる冷却水コイル(41)が上記吐出ガスコイル
(40)と略平行に巻き付けられており、この冷却水コイ
ル(41)を流れる冷却水により、圧縮機(3),(1
4),(16)から吐出されて吐出ガスコイル(40)内を
流れる高温高圧のヘリウムガスを冷却するようになされ
ている。
In addition, the two compressors (1) of the compressor (3) of the precooling compressor unit (B) and the JT side compressor unit (A)
The structure of 4) and (16) and its peripheral devices are constructed in the same structure. In FIG. 1, (40) is each compressor (3),
Oil separators (4), (15), from the discharge side of (14), (16)
A discharge gas coil (40) provided in the middle of a flow path reaching (17), wherein the discharge gas coil (40) is provided for each compressor (3),
It is wound around the upper half of the outer circumference of the casing (not shown) of (14) and (16). Further, a cooling water coil (41) through which cooling water flows is wound around the entire outer peripheral surface of each compressor (3), (14), (16) substantially in parallel with the discharge gas coil (40). The cooling water flowing through the cooling water coil (41) causes the compressors (3), (1
The high temperature and high pressure helium gas discharged from 4) and (16) and flowing in the discharge gas coil (40) is cooled.

また、(42)は各圧縮機(3),(14),(16)のケー
シング外周面下半部に冷却水コイル(41)と略平行に巻
き付けられてなる油コイルであって、該油コイル(42)
の上流端は各圧縮機(3),(14),(16)におけるケ
ーシング内底部の油溜に、下流端は油フィルタ(43)を
介設したインジェクション管(44)を介して圧縮機
(3),(14),(16)の吸入側にそれぞれ接続されて
おり、圧縮機(3),(14),(16)からヘリウムガス
とともに吐出されるケーシング内の潤滑油を油コイル
(42)に送給して上記冷却水コイル(41)内の冷却水に
より冷却器し、この冷却された潤滑油をインジェクショ
ン管(44)によって吸入ヘリウムガス中に噴射注入させ
るようになされている。
Reference numeral (42) is an oil coil wound around the lower half of the outer peripheral surface of the casing of each compressor (3), (14), (16) substantially parallel to the cooling water coil (41). Coil (42)
Of the compressor (3), (14), (16) has an oil reservoir at the bottom of the casing, and a downstream end of the compressor (3), (14), (16) via an injection pipe (44) provided with an oil filter (43). 3), (14) and (16) are respectively connected to the suction side, and the lubricating oil in the casing discharged from the compressors (3), (14) and (16) together with the helium gas is transferred to the oil coil (42). ) To cool the cooling water in the cooling water coil (41) and inject the cooled lubricating oil into the suction helium gas through the injection pipe (44).

次に、上記実施例のヘリウム冷凍機の作動について詳述
する。
Next, the operation of the helium refrigerator of the above embodiment will be described in detail.

ヘリウム冷凍機の起動に伴い、先ず、予冷冷凍回路
(2)の圧縮機(3)とJ−T回路(1)の低段および
高段の2台の圧縮機(14),(16)とが起動されてクー
ルダウン運転が行われる。このクールダウン運転状態で
は、基本的には、予冷冷凍回路(2)におけるクライオ
スタット(C)側の膨脹機(7)で圧縮機(3)から供
給された高圧のヘリウムガスが膨脹し、このガスの膨脹
に伴い、シリンダ(9)の各ヒートステーション(1
0),(11)および第1ヒートステーション(10)に熱
接触している輻射シールド部(C2)の温度が低下して、
クライオスタット(C)内の低温発生部(C1)が外部に
対し輻射シールドされる。
With the start-up of the helium refrigerator, first, the compressor (3) of the pre-cooling refrigeration circuit (2) and the two low-stage and high-stage compressors (14), (16) of the JT circuit (1) are connected. Is activated and the cool-down operation is performed. In this cool-down operation state, basically, the high-pressure helium gas supplied from the compressor (3) is expanded by the expander (7) on the cryostat (C) side in the pre-cooling refrigeration circuit (2), and this gas is expanded. As the cylinders (9) expand, the heat stations (1
0), (11) and the temperature of the radiation shield part (C 2 ) that is in thermal contact with the first heat station (10),
The low temperature generation part (C 1 ) in the cryostat (C) is shielded against the outside.

一方、これと同時に、上記クライオスタット(C)から
J−T回路(1)を経てリターンするヘリウムガスが低
段圧縮機(14)により吸引・圧縮されてその周りの冷却
水コイル(41)で冷却水により常温300Kまで冷却され、
このヘリウムガスは油分離器(15)で油成分が分離され
た後、高段圧縮機(16)により吸引・圧縮される。さら
に、この圧縮機(16)からの吐出ガスは圧縮機(16)周
りの冷却水コイル(41)で冷却水により再び常温300Kま
で冷却され、油分離器(17)で油分離された後に吸着器
(18)で不純物が吸着され、こうして得られたクリーン
な高圧ヘリウムガスがクライオスタット(C)に供給さ
れる。
Meanwhile, at the same time, the helium gas returning from the cryostat (C) through the JT circuit (1) is sucked and compressed by the low-stage compressor (14) and cooled by the cooling water coil (41) around it. Cooled to 300K at room temperature with water,
This helium gas is sucked and compressed by the high-stage compressor (16) after the oil component is separated by the oil separator (15). Further, the discharge gas from the compressor (16) is cooled again to room temperature 300K by the cooling water in the cooling water coil (41) around the compressor (16), and is separated by the oil separator (17) and then adsorbed. Impurities are adsorbed in the vessel (18), and the clean high-pressure helium gas thus obtained is supplied to the cryostat (C).

このクライオスタット(C)側に供給された高圧ヘリウ
ムガスは第1J−T熱交換器(19)の1次側に入り、J−
T側圧縮機ユニット(A)へ戻る2次側の低圧ヘリウム
ガスと熱交換されて常温300Kから冷却され、その後、上
記膨脹機(7)の50〜60Kに冷却されている第1ヒート
ステーション(10)外周の第1予冷器(4)に入ってさ
らに低温度まで冷却される。この冷却されたガスは第2J
−T熱交換器(20)の1次側に入って、J−T側圧縮機
ユニット(A)へ戻る2次側の低圧ヘリウムガスとの熱
交換により冷却された後、膨脹機(7)の15〜20Kに冷
却されている第2ヒートステーション(11)外周の第2
予冷機(26)に入って低温度まで冷却される。さらに、
ガスは第3J−T熱交換器(21)の1次側に入って、J−
T側圧縮機ユニット(A)へ亘る2次側の低圧ヘリウム
ガスとの熱交換により冷却され、J−T弁(29)に至
る。このJ−T弁(29)で高圧ヘリウムガスは絞られて
ジュールトムソン膨脹し、その後、冷却器(27)へ供給
される。しかる後、上記冷却器(27)を出た低圧のリタ
ーンヘリウムガスは、第3〜第1J−T熱交換器(21)〜
(19)の各2次側を通過してその1次側の高圧ヘリウム
ガスとの熱交換により約300Kに温度上昇した後、低圧配
管(30)を通ってJ−T側圧縮機ユニット(A)へ戻
る。以後、同様なサイクルが繰り返されてクールダウン
運転が所定時間だけ行われる。
The high-pressure helium gas supplied to the cryostat (C) side enters the primary side of the first J-T heat exchanger (19), and J-
Returning to the T-side compressor unit (A), heat is exchanged with the low-pressure helium gas on the secondary side to cool from room temperature 300K, and then the first heat station (50) to 60K of the expander (7). 10) It enters the first precooler (4) on the outer periphery and is further cooled to a low temperature. This cooled gas is the 2nd J
After entering the primary side of the −T heat exchanger (20) and returning to the JT side compressor unit (A), the expander (7) is cooled by heat exchange with the low pressure helium gas on the secondary side. No. 2 on the outer periphery of the No. 2 heat station (11) cooled to 15 to 20K
It enters the precooler (26) and is cooled to a low temperature. further,
The gas enters the primary side of the 3rd J-T heat exchanger (21) and
It is cooled by heat exchange with the low pressure helium gas on the secondary side over the T side compressor unit (A), and reaches the JT valve (29). The high-pressure helium gas is throttled by the JT valve (29) and expanded by Joule-Thomson, and then supplied to the cooler (27). Thereafter, the low-pressure return helium gas that has exited the cooler (27) is supplied to the third to first J-T heat exchangers (21) to
After passing through each secondary side of (19) and raising the temperature to about 300K by heat exchange with the high pressure helium gas on the primary side, it passes through the low pressure pipe (30) and the JT side compressor unit (A ) Return to. After that, the same cycle is repeated and the cool down operation is performed for a predetermined time.

このようなクールダウン運転が終了すると、冷凍機は定
常運転状態に移り、この定常運転状態では、上記J−T
弁(29)でのジュールトムソン膨脹によって高圧ヘリウ
ムガスは1気圧、4.2Kの気液混合状態のヘリウムとな
り、この後の冷却器(27)で上記気液混合状態のヘリウ
ムにおける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。また、
上記冷却器(27)から出た低圧ヘリウムガスは、約4.2K
の飽和ガスとなった後、J−T側圧縮機ユニット(A)
へ戻り、このサイクルが継続される。
When such a cool-down operation is completed, the refrigerator shifts to a steady operation state, and in this steady operation state, the above J-T
Due to Joule-Thomson expansion in the valve (29), the high-pressure helium gas becomes helium in a gas-liquid mixed state of 1 atm and 4.2K, and then the latent heat of vaporization of the liquid portion in the helium in the gas-liquid mixed state in the cooler (27). Is used for the liquefaction and recondensation of other helium gas or for cooling the cooled object. Also,
Low-pressure helium gas from the cooler (27) is about 4.2K.
After becoming saturated gas of JT side compressor unit (A)
Return to and continue this cycle.

そして、この実施例では、上記ヘリウム冷凍機の起動と
同時に、コントローラ(50)の作動により、第3図に示
すように、J−T回路(1)の圧縮機ユニット(A)に
おけるユニット側電磁弁(SV1)が閉じられてユニット
側バイパス回路(31)が閉鎖されるとともに、J−T弁
側電磁弁(SV2)は開かれてJ−T弁側バイパス回路(3
3)が開放され、このJ−T弁側バイパス回路(33)の
開放により、圧縮機ユニット(A)の圧縮機(14),
(16)から供給された高圧ヘリウムガスは、その大半が
上記J−T弁(29)をバイパスして上記J−T弁側バイ
パス回路(33)を介して圧縮機(14),(16)に戻る。
このことにより、上記圧縮機(14),(16)に戻るヘリ
ウムガスのリターン圧力が大に確保される。
Then, in this embodiment, at the same time when the helium refrigerator is activated, the controller (50) is actuated so that the unit side electromagnetic wave in the compressor unit (A) of the JT circuit (1) is changed as shown in FIG. The valve (SV 1 ) is closed to close the unit side bypass circuit (31), and the JT valve side solenoid valve (SV 2 ) is opened to open the JT valve side bypass circuit (3).
3) is opened, and by opening the JT valve side bypass circuit (33), the compressor (14) of the compressor unit (A),
Most of the high pressure helium gas supplied from (16) bypasses the JT valve (29) and passes through the JT valve side bypass circuit (33) to the compressors (14), (16). Return to.
This ensures a large return pressure of the helium gas returning to the compressors (14) and (16).

この後、冷凍機のクールダウン運転の進行によってJ−
T回路(1)の冷却器(27)でのガス温度が極低温近く
まで低下し、それに伴うヘリウムガスの密度の増大によ
りJ−T回路(1)内のヘリウムガスの体積が減少して
そのリターン圧力が低下すると、圧力センサ(51)の出
力信号を受けたコントローラ(50)により上記ユニット
側電磁弁(SV1)が開かれ、かつその後にJ−T弁側電
磁弁(SV2)が閉じられ、これら電磁弁(SV1),(S
V2)の開閉切換えにより、上記圧縮機(14),(16)か
ら供給された高圧ヘリウムガスは上記J−T弁(29)を
流れて、該J−T弁(29)でジュールトムソン膨脹した
後に圧縮機(14),(16)に戻る。そして、最終的に
は、上記ユニット側電磁弁(SV1)も閉じられて定常運
転状態に移行する。
After this, J-
The gas temperature in the cooler (27) of the T circuit (1) is lowered to near cryogenic temperature, and the density of the helium gas is increased accordingly, so that the volume of the helium gas in the JT circuit (1) is reduced and When the return pressure decreases, the unit side solenoid valve (SV 1 ) is opened by the controller (50) which receives the output signal of the pressure sensor (51), and then the JT valve side solenoid valve (SV 2 ) is opened. These solenoid valves (SV 1 ), (S
The high pressure helium gas supplied from the compressors (14) and (16) flows through the JT valve (29) by switching the V 2 ), and the Joule-Thomson expansion is performed by the JT valve (29). After that, it returns to the compressor (14), (16). Then, finally, the unit side solenoid valve (SV 1 ) is also closed to shift to the steady operation state.

この場合、上記冷凍機のクールダウン運転状態では、ヘ
リウムガスがJ−T弁(29)をバイパスして流れるの
で、上記J−T弁(29)の開度が一定開度つまり冷凍機
の定常運転時の定常開度に固定されていても、圧縮機
(14),(16)に戻るヘリウムガスのリターン圧力を大
に確保でき、クールダウン運転時におけるJ−T弁(2
9)の開度調整操作をなくしてその手間を簡略化でき、
よってヘリウム冷凍機のクールダウン運転を自動化する
ことができる。
In this case, in the cool-down operation state of the refrigerator, helium gas flows by-passing the JT valve (29), so that the opening degree of the JT valve (29) is constant, that is, the refrigerator is stationary. Even if it is fixed to the steady opening during operation, the return pressure of the helium gas returning to the compressors (14) and (16) can be secured to a large extent, and the JT valve (2
You can simplify the work by eliminating the opening adjustment operation of 9),
Therefore, the cooldown operation of the helium refrigerator can be automated.

また、このようなクールダウン運転中にヘリウムガスが
J−T弁(29)をバイパスしながらもJ−T回路(1)
自体を流れるため、4Kステージとしての冷却器(27)の
熱容量が大きくても、特に、該冷却器(27)を常温(30
0K)から150Kレベルまで短時間で冷却でき、よって冷凍
機の定常運転状態に到達するまでのクールダウン時間を
大幅に短縮することができる。
Also, during such a cool-down operation, helium gas bypasses the JT valve (29), but the JT circuit (1)
Since it flows through itself, even if the heat capacity of the cooler (27) as a 4K stage is large, especially when the cooler (27) is kept at room temperature (30
It is possible to cool from 0K) to 150K level in a short time, so that the cooldown time until the steady operation state of the refrigerator is reached can be greatly shortened.

さらに、上記J−T弁(29)に対するヘリウムガスのバ
イパスの解除に伴ってJ−T弁側電磁弁(SV2)が閉じ
られた後はバイパス側電磁弁(SV1)が開き状態に保た
れるため、ヘリウムガスのリターン圧力を大に確保で
き、上記J−T弁側電磁弁(SV2)の閉じタイミングを
大まかに設定しても悪影響はさほど生じない。
Further, after the JT valve side solenoid valve (SV 2 ) is closed along with the release of the helium gas bypass to the JT valve (29), the bypass side solenoid valve (SV 1 ) is kept open. Since the return pressure of the helium gas can be secured to a large extent, the adverse effect does not occur so much even if the closing timing of the JT valve side solenoid valve (SV 2 ) is roughly set.

また、このような制御と並行して、冷凍機のクールダウ
ン運転時には、バラストタンク(37)内とJ−T回路
(1)との間でヘリウムガスのやり取りが自動的に行わ
れる。すなわち、J−T回路(1)の冷却器(27)での
ガス温度が極低温近くまで低下し、それに伴うヘリウム
ガスの密度の増大によりJ−T回路(1)内のヘリウム
ガスの体積が減少してその中間圧配管(35)内のガス圧
力が定常状態よりも低下してバラストタンク(37)内の
ガス圧力よりも低くなると、該中間圧配管(35)とバラ
ストタンク(37)内ガス圧力との差によりタンク(37)
内のヘリウムガスがキャピラリチューブ(39)を介して
自動的に中間圧配管(35)内に流入し、このことにより
不足分のヘリウムガスがJ−T回路(1)内に補充され
て、J−T回路(1)内のガス圧力が定常状態に保たれ
る。
In parallel with such control, helium gas is automatically exchanged between the ballast tank (37) and the JT circuit (1) during the cooldown operation of the refrigerator. That is, the gas temperature in the cooler (27) of the JT circuit (1) decreases to near cryogenic temperature, and the density of the helium gas increases accordingly, so that the volume of the helium gas in the JT circuit (1) is reduced. When the gas pressure in the intermediate pressure pipe (35) decreases and becomes lower than the gas pressure in the ballast tank (37) below the steady state, the gas pressure in the intermediate pressure pipe (35) and the ballast tank (37) decreases. Tank due to the difference in gas pressure (37)
The helium gas in the inside automatically flows into the intermediate pressure pipe (35) through the capillary tube (39), whereby the insufficient helium gas is replenished in the JT circuit (1), and J -The gas pressure in the T circuit (1) is kept in a steady state.

そして、冷凍機の定常運転時に、何等かの原因により上
記冷却器(27)でのガス温度が上昇し、そのヘリウムガ
スの密度の低下によりJ−T回路(1)内のガスの体積
が増加してガス圧力が定常状態よりも増大しようとする
と、その時点で高圧制御弁(38)が自動的に開いて、J
−T回路(1)内のヘリウムガスはその体積の増加分だ
け上記開いた高圧制御弁(38)を通ってバラストタンク
(37)内に流入することとなり、このようなバラストタ
ンク(37)による圧力吸収作用によりJ−T回路(1)
内のガス圧力が異常上昇するのを抑えることができる。
また、冷凍機の運転が停止されると、それに伴って電磁
弁(SV3)が即座に開き、このことにより高圧配管(2
2)内の高圧ヘリウムガスがバラストタンク(37)内に
に流入して、該バラストタンク(37)内に所定圧力のヘ
リウムガスが貯留される。
Then, during steady operation of the refrigerator, the gas temperature in the cooler (27) rises for some reason, and the density of the helium gas decreases, so that the volume of gas in the JT circuit (1) increases. Then, when the gas pressure tries to increase above the steady state, the high pressure control valve (38) automatically opens at that point, and J
-The helium gas in the T circuit (1) flows into the ballast tank (37) through the open high pressure control valve (38) by the amount of increase in the volume, and the helium gas is generated by the ballast tank (37). JT circuit (1) due to pressure absorption
It is possible to suppress an abnormal rise in the gas pressure inside.
Also, when the operation of the refrigerator is stopped, the solenoid valve (SV 3 ) is immediately opened accordingly, which causes the high pressure pipe (2
The high-pressure helium gas in 2) flows into the ballast tank (37), and the helium gas having a predetermined pressure is stored in the ballast tank (37).

この場合、バラストタンク(37)と中間圧配管(35)と
がキャピラリチューブ(39)によって接続され、このキ
ャピラリチューブ(39)により、冷凍機のクールダウン
運転時におけるバラストタンク(37)内のヘリウムガス
のJ−T回路(1)内へ自動的な供給が行われるので、
従来から一般的に行われている低圧制御弁を使用する場
(第4図参照)に比べて、その高価な低圧制御弁を省略
でき、その分、コストダウン化を図ることができる。
In this case, the ballast tank (37) and the intermediate pressure pipe (35) are connected by the capillary tube (39), and the capillary tube (39) allows the helium in the ballast tank (37) during the cooldown operation of the refrigerator. Since the gas is automatically supplied into the JT circuit (1),
Compared to the conventional case where a low pressure control valve is used (see FIG. 4), the expensive low pressure control valve can be omitted, and the cost can be reduced accordingly.

(他の実施例) 第4図は本発明の他の実施例を示し、(尚、第2図と同
じ部分については同じ符号を付してその詳細な説明を省
略する)、J−T回路(1)の中間圧配管(30)とバラ
ストタンク(37)とを低圧制御弁(45)により接続する
一方、上記実施例における高圧制御弁(38)を省略し
て、電磁弁(SV′)のみとし、この電磁弁(SV′
を、高圧配管(22)内のガス圧力を検出する圧力スイッ
チ(PS)のON・OFF信号に応じて開閉制御するようにし
たものである。
(Other Embodiments) FIG. 4 shows another embodiment of the present invention (note that the same parts as those in FIG. 2 are designated by the same reference numerals and detailed description thereof will be omitted), JT circuit. The intermediate pressure pipe (30) of (1) and the ballast tank (37) are connected by the low pressure control valve (45), while the high pressure control valve (38) in the above embodiment is omitted and the solenoid valve (SV ′ 3) is used. ) Only, this solenoid valve (SV ' 3 )
The open / close control is performed according to the ON / OFF signal of the pressure switch (PS) that detects the gas pressure in the high-pressure pipe (22).

したがって、この実施例では、冷凍機のクールダウン運
転の進行により中間圧配管(35)内のガス圧力が所定圧
力以下に低下すると、低圧制御弁(45)が自動的に開
て、バラストタンク(37)内のヘリウムガスが中間圧配
管(35)内に供給される。一方、温度上昇により高圧配
管(22)内のガス圧力が所定圧力以上に上昇すると、圧
力スイッチ(PS)がON作動し、この圧力スイッチ(PS)
のON信号により電磁弁(SV′)が開いて、高圧配管
(22)内のヘリウムガスがバラストタンク(37)内に貯
留される。よって、この実施例の場合、高価な高圧制御
弁が省略されているので、その分、コストダウン化を図
ることができる。
Therefore, in this embodiment, when the gas pressure in the intermediate pressure pipe (35) drops below a predetermined pressure due to the progress of the cooldown operation of the refrigerator, the low pressure control valve (45) automatically opens and the ballast tank ( The helium gas in 37) is supplied into the intermediate pressure pipe (35). On the other hand, when the gas pressure in the high-pressure pipe (22) rises above the predetermined pressure due to the temperature rise, the pressure switch (PS) turns ON, and this pressure switch (PS)
The solenoid valve (SV ′ 3 ) is opened in response to the ON signal, and the helium gas in the high-pressure pipe (22) is stored in the ballast tank (37). Therefore, in the case of this embodiment, the expensive high pressure control valve is omitted, and the cost can be reduced accordingly.

尚、上記各実施例では、ヘリウム冷凍機のクールダウン
運転時、ヘリウムガスのリターン圧力が所定圧力以上に
上昇したときに、ユニット側電磁弁(SV1)を開きかつ
J−T弁側電磁弁(SV2)を閉じるようにしているが、
その電磁弁(SV1),(SV2)の開閉切換えは冷却器(2
7)の温度が所定温度以下に低下したときに行うように
してもよく、上記各実施例と同様の作用効果を奏するこ
とができる。
In each of the above embodiments, when the return pressure of helium gas rises above a predetermined pressure during the cool down operation of the helium refrigerator, the unit side solenoid valve (SV 1 ) is opened and the JT valve side solenoid valve is opened. I'm trying to close (SV 2 ),
The solenoid valves (SV 1 ) and (SV 2 ) are opened and closed by switching to the cooler (2
It may be performed when the temperature of 7) drops below a predetermined temperature, and the same operational effect as each of the above-described embodiments can be obtained.

(発明の効果) 以上説明したように、本発明によれば、予冷冷凍回路お
よびJ−T回路の2元回路を有するヘリウム冷凍機に対
し、上記J−T回路の圧縮機ユニットの高低圧配管同士
を接続するユニット側バイパス回路と、ヘリウムガスを
J−T弁をバイパスさせて流通させるJ−T弁側バイパ
ス回路とを設け、冷凍機のクールダウン運転時、その初
期に上記J−T弁側バイパス回路を開きかつユニット側
バイパスを閉じる一方、ヘリウムガスのリターン圧力が
所定圧以上に上昇したときないし冷却ステージの温が所
定温度以下に低下したときに、上記ユニット側バイパス
回路を開いた後にJ−T弁側バイパス回路を閉じ、最終
的に上記ユニット側バイパス回路をも閉じるようにした
ことにより、クールダウン運転時、J−T弁の開度調整
のための操作を要することなく、ヘリウムガスのリター
ン圧力を大に確保してクールダウン時間を短くでき、よ
ってJ−T回路を持つヘリウム冷凍機のクールダウン運
転の自動化およびその短縮化を図ることができる。
(Effects of the Invention) As described above, according to the present invention, the helium refrigerator having the pre-cooling refrigeration circuit and the binary circuit of the JT circuit is used, as opposed to the high / low pressure pipe of the compressor unit of the JT circuit. A unit-side bypass circuit that connects the two to each other and a J-T valve side bypass circuit that allows helium gas to flow by bypassing the J-T valve are provided, and the J-T valve described above is initially provided during the cool-down operation of the refrigerator. After opening the side bypass circuit and closing the unit side bypass, after opening the unit side bypass circuit when the return pressure of the helium gas rises above a predetermined pressure or when the temperature of the cooling stage drops below a predetermined temperature. By closing the J-T valve side bypass circuit and finally closing the unit side bypass circuit as well, it is possible to adjust the opening degree of the J-T valve during the cool down operation. It is possible to secure a large return pressure of the helium gas and shorten the cooldown time without requiring any operation for automating the cooling down operation of the helium refrigerator having the JT circuit, and to shorten the cooldown operation. it can.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

図面は本発明の実施例を示し、第1図はヘリウム冷凍機
の全体構成図、第2図はバラストタンク周辺の配管系統
図、第3図はクールダウン運転時のJ−T回路における
4Kステージの温度変化およびヘリウムガスのリターン圧
力変化の各特性を示す特性図である。第4図は他の実施
例を示す第2図相当図である。 (A)……J−T側圧縮機ユニット、(B)……予冷用
圧縮機ユニット、(C)……クライオスタット、(1)
……J−T回路、(2)……予冷冷凍回路、(3)……
予冷用圧縮機、(7)……膨脹機、(14)……低段圧縮
機、(16)……高段圧縮機、(22)……高圧配管、(2
9)……J−T弁、(30)……低圧配管、(31)……ユ
ニット側バイパス回路、(SV1)……ユニット側電磁
弁、(32)……キャピラリチューブ、(33)……J−T
弁側バイパス回路、(SV2)……J−T弁側電磁弁、(3
4)……キャピラリチューブ、(35)……中間圧配管、
(37)……バラストタンク、(50)……コントローラ。
The drawings show an embodiment of the present invention. Fig. 1 is an overall configuration diagram of a helium refrigerator, Fig. 2 is a piping system diagram around a ballast tank, and Fig. 3 is a JT circuit during cooldown operation.
It is a characteristic view showing each characteristic of the temperature change of the 4K stage and the return pressure change of helium gas. FIG. 4 is a view corresponding to FIG. 2 showing another embodiment. (A) ... JT side compressor unit, (B) ... precooling compressor unit, (C) ... cryostat, (1)
…… JT circuit, (2) …… Pre-cooling refrigeration circuit, (3) ……
Pre-cooling compressor, (7) …… expander, (14) …… low stage compressor, (16) …… high stage compressor, (22) …… high pressure piping, (2
9) …… JT valve, (30) …… Low pressure piping, (31) …… Unit side bypass circuit, (SV 1 ) …… Unit side solenoid valve, (32) …… Capillary tube, (33)… ... JT
Valve side bypass circuit, (SV 2 ) …… JT valve side solenoid valve, (3
4) …… Capillary tube, (35) …… Intermediate pressure piping,
(37) …… Ballast tank, (50) …… Controller.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】圧縮機(3)で圧縮された高圧ヘリウムガ
スを膨脹機(7)は膨脹させて極低温を発生させる予冷
冷凍回路(2)と、圧縮機(14),(16)からの高圧ヘ
リウムガスを上記予冷冷凍回路(2)との熱交換により
予冷し、その予冷されたヘリウムガスをJ−T弁(29)
によりジュールトムソン膨脹させて極低温を発生させる
J−T回路(1)とを備えたヘリウム冷凍機において、
上記J−T回路(1)の圧縮機ユニット(A)の高低圧
配管(22),(30)同士を接続するユニット側バイパス
回路(31)と、該ユニット側バイパス回路(31)を開閉
するユニット側電磁弁(SV1)および絞り機構(32)
と、ヘリウムガスを上記J−T弁(29)をバイパスさせ
て流通させるJ−T弁側バイパス回路(33)と、該J−
T弁側バイパス回路(33)を開閉するJ−T弁側電磁弁
(SV2)および減圧機構(34)と、クールダウン運転
時、その初期に上記J−T弁側電磁弁(SV2)を開きか
つユニット側電磁弁(SV1)を閉じ、冷却器(27)から
圧縮機(14),(16)に戻るヘリウムガスのリターン圧
力が所定圧力以上に上昇したときないし上記冷却器(2
7)の温度が所定温度以下に低下したときに、上記ユニ
ット側電磁弁(SV1)を開いた後にJ−T弁側電磁弁(S
V2)を閉じ、終期に上記ユニット側電磁弁(SV1)をも
閉じるように制御する制御手段(50)とを備えたことを
特徴とするヘリウム冷凍機。
1. A precooling refrigeration circuit (2) for expanding a high pressure helium gas compressed by a compressor (3) to generate an extremely low temperature by an expander (7), and a compressor (14), (16). Of the high pressure helium gas is pre-cooled by heat exchange with the pre-cooling refrigeration circuit (2), and the pre-cooled helium gas is cooled by the JT valve (29).
And a JT circuit (1) for expanding the Joule-Thomson to generate a cryogenic temperature.
The unit side bypass circuit (31) connecting the high and low pressure pipes (22) and (30) of the compressor unit (A) of the JT circuit (1) and the unit side bypass circuit (31) are opened and closed. Unit side solenoid valve (SV 1 ) and throttle mechanism (32)
And a JT valve side bypass circuit (33) that allows helium gas to flow by bypassing the JT valve (29), and
The J-T valve side solenoid valve (SV 2 ) that opens and closes the T valve side bypass circuit (33) and the pressure reducing mechanism (34), and the above J-T valve side solenoid valve (SV 2 ) at the initial stage of cool-down operation. Open and close the solenoid valve (SV 1 ) on the unit side, and when the return pressure of the helium gas returning from the cooler (27) to the compressors (14), (16) rises above a predetermined pressure or the cooler (2
When the temperature of 7) drops below the specified temperature, open the unit side solenoid valve (SV 1 ) and then open the JT valve side solenoid valve (SV1).
A helium refrigerator comprising: a control means (50) for closing V 2 ) and closing the unit side solenoid valve (SV 1 ) at the end.
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