JPH0712415A - 極低温冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、定格運転状態での冷却対象の温度
上昇を冷却媒体の圧力から検出することにより、異常を
早期発見して迅速な対応を図る。 【構成】 コンプレッサにより圧縮された冷却媒体を低
温発生部により膨脹させてコンプレッサに送出する循環
サイクルを有し、且つ低温発生部による冷却媒体の膨脹
過程で低温を発生する極低温冷凍機において、コンプレ
ッサ（４）及び低温発生部（１）の間に介在して設けら
れ、冷却媒体の圧力を検出すると共に、この冷却媒体の
圧力が所定の限界値を越えたとき、低温発生部及びコン
プレッサのうちの少なくとも一方を停止させる非常停止
手段（１１）と、予め非常停止手段の無効が設定された
とき、非常停止手段による停止を阻止する切換スイッチ
（１２）とを備えた極低温冷凍機。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えばギフォードマク
マホンサイクル、ソルベーサイクル及びその改良サイク
ルなどの冷凍サイクルを用いた極低温冷凍機に係わり、
特に異常を早期に検出し、迅速に対応し得る極低温冷凍
機に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、冷却対象を極低温に冷凍する分
野では、ヘリウムガスを用いた小型の極低温冷凍機が広
く用いられている。図２はこの種の極低温冷凍機の構成
を示すブロック図である。

【０００３】この極低温冷凍機は、円筒状に形成された
シリンダ１ａと、このシリンダ内に摺動可能に設けられ
て蓄熱器を内蔵したディスプレーサ（図示せず）と、こ
のディスプレーサを上下方向に往復駆動させる駆動機構
とを備えた寒冷発生部（低温発生部）１を有している。

【０００４】また、寒冷発生部１の底部には予備冷却部
としての１段冷却ステージ２が取り付けられ、且つこの
１段冷却ステージ２の底部には冷却対象を内蔵する２段
冷却ステージ３が取り付けられている。

【０００５】さらに、寒冷発生部１の側部にはヘリウム
ガス（冷却媒体）の入出口としてのコールドヘッド１ｂ
が設けられ、このコールドヘッド１ｂには、吸込んだヘ
リウムガスを圧縮して吐出すコンプレッサ４の吸込口４
ａ及び吐出口４ｂが接続されている。また、コンプレッ
サ４の吸込口４ａ及び吐出口４ｂはリリーフ弁５を介し
て接続されている。なお、このリリーフ弁５は、コンプ
レッサ４の吐出圧が所定値を越えないように動作する保
圧弁、又は吸込圧と吐出圧の差圧が一定値を越えないよ
うに動作する差圧リリーフ弁が使用可能となっている。

【０００６】また、図示しない圧縮機ユニットは、コン
プレッサ４から吐き出されるヘリウムガスから潤滑油を
分離して戻す機構、吐出側温度スイッチ、吐出圧圧力計
及びこれに応動する圧力スイッチを吐出口４ｂ側に有
し、吸込側温度スイッチ及び吸込圧圧力計を吸込口４ａ
側に備えている。

【０００７】このような極低温冷凍機は、ディスプレー
サを往復駆動させると共に、このディスプレーサの動作
に対応させてヘリウムガスをコンプレッサ４から供給
し、且つ当該ヘリウムガスをシリンダ１ａ内で膨脹させ
て寒冷発生部１からコンプレッサ４に排出させる循環閉
ループを形成することにより、寒冷発生部１で低温を発
生させて１段及び２段冷却ステージを冷却している。

【０００８】また、極低温冷凍機は、ヘリウムガス圧の
異常な上昇又は低下やコンプレッサ４の異常な温度上昇
並びに過電流といった重故障を検知すると、運転を停止
するインターロック装置（図示せず）を有している。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上の
ような極低温冷凍機では、冷凍能力の低下や冷却対象の
熱負荷の増加による冷却対象の温度上昇といった軽故障
がインターロック装置で検知されないため、当該異常状
態で運転を継続して不測の事態を招くという可能性があ
る。

【００１０】例えば、ディスプレーサのシール漏れや摩
擦発熱の増加又は寒冷発生部１のバルブ不具合のよう
に、異常の原因によっては、運転を継続すると極低温冷
凍機が逆に冷却対象に熱を与えて加温器として動作する
場合がある。

【００１１】また、冷却対象の温度上昇を検知したとし
ても、クールダウン運転時のように過渡的に冷却対象が
設定温度以上となる場合があり、一律には運転を停止で
きない問題がある。

【００１２】本発明は上記実情を考慮してなされたもの
で、定格運転状態での冷却対象の温度上昇を冷却媒体の
圧力から検出することにより、異常を早期発見して迅速
に対応し得る極低温冷凍機を提供することを目的とす
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】請求項１に対応する発明
は、コンプレッサにより圧縮された冷却媒体を低温発生
部により膨脹させて前記コンプレッサに送出する循環サ
イクルを有し、且つ前記低温発生部による前記冷却媒体
の膨脹過程で低温を発生する極低温冷凍機において、前
記コンプレッサ及び前記低温発生部の間に介在して設け
られ、前記冷却媒体の圧力を検出すると共に、この冷却
媒体の圧力が所定の限界値を越えたとき、前記低温発生
部及び前記コンプレッサのうちの少なくとも一方を停止
させる非常停止手段と、予め前記非常停止手段の無効が
設定されたとき、前記非常停止手段による停止を阻止す
る切換スイッチとを備えた極低温冷凍機である。

【００１４】また、請求項２に対応する発明は、コンプ
レッサにより圧縮された冷却媒体を低温発生部により膨
脹させて前記コンプレッサに送出する循環サイクルを有
し、且つ前記低温発生部による前記冷却媒体の膨脹過程
で低温を発生する極低温冷凍機において、前記コンプレ
ッサ及び前記低温発生部の間に介在して設けられ、前記
冷却媒体の圧力を検出すると共に、この冷却媒体の圧力
が所定の限界値を越えたとき、圧力異常報知信号を出力
する異常報知手段と、予め前記異常報知手段の無効が設
定されたとき、前記異常報知手段による異常報知を阻止
する切換スイッチとを備えた極低温冷凍機である。

【００１５】

【作用】従って、請求項１に対応する発明は以上のよう
な手段を講じたことにより、非常停止手段をコンプレッ
サ及び低温発生部の間に介在させ、この非常停止手段が
冷却媒体の圧力を検出すると共に、この冷却媒体の圧力
が所定の限界値を越えたとき、低温発生部及びコンプレ
ッサのうちの少なくとも一方を停止させ、且つ、切換ス
イッチが予め非常停止手段の無効が設定されたとき、非
常停止手段による停止を阻止するので、定格運転状態で
の冷却対象の温度上昇を冷却媒体の圧力から検出するこ
とにより、異常を早期発見して迅速に対応することがで
きる。

【００１６】また、請求項２に対応する発明は、異常報
知手段をコンプレッサ及び低温発生部の間に介在させて
設け、この異常報知手段が冷却媒体の圧力を検出すると
共に、この冷却媒体の圧力が所定の限界値を越えたと
き、圧力異常報知信号を出力し、且つ、切換スイッチが
予め異常報知手段の無効が設定されたとき、異常報知手
段による異常報知を阻止するので、定格運転状態での異
常を早期発見し、作業者又は外部装置による迅速な対応
を図ることができる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を用いて
説明する。図１は本発明の一実施例に係る極低温冷凍機
の構成を示すブロック図であり、図２と同一部分につい
てはその詳しい説明を省略し、ここでは異なる部分につ
いてのみ述べる。

【００１８】すなわち、本実施例装置は、定格運転状態
での冷却対象の温度上昇をヘリウムガスの圧力上昇から
検知して軽故障に迅速に対応するものであって、具体的
には、図２に示す装置に対し、コンプレッサ４の吐出口
４ｂとコールドヘッド１ｂとの間に非常停止手段及び異
常報知手段としての高圧圧力スイッチ１１を設け、この
高圧圧力スイッチに第１及び第２の切換スイッチ１２，
１３を取り付けた構成となっている。

【００１９】ここで、高圧圧力スイッチ１１は、コンプ
レッサ４におけるヘリウムガスの吐出圧を検出し、この
検出結果を所定の圧力上限値を越えたときに寒冷発生部
１及びコンプレッサ４を停止させるように非常停止信号
を停止信号出力部１１ａから第１の切換スイッチ１２に
送出すると共に、圧力異常報知信号を報知信号出力部１
１ｂから第２の切換スイッチ１３に送出する機能をもっ
ている。

【００２０】なお、所定の圧力上限値は定格運転時の吐
出圧より若干高めに設定され、ここでは定格運転時の吐
出圧を２０ｋｇ／ｃｍ² とし、当該所定の圧力上限値を
約２２ｋｇ／ｃｍ² としている。また、この場合、運転
開始時の吐出圧が約２４ｋｇ／ｃｍ² になり、重故障を
検知する従来のインターロック装置の圧力上限値が約２
６ｋｇ／ｃｍ² となっている。

【００２１】また、第１の切換スイッチ１２は、予め非
常停止信号の有効又は無効が切換設定され、有効のとき
には高圧圧力スイッチ１１の停止信号出力部１１ａにイ
ンターロック装置を接続し、無効のときには停止信号出
力部１１ａにアースを接続するものである。

【００２２】第２の切換スイッチ１３は、予め圧力異常
報知信号の有効又は無効が切換設定され、有効のときに
は高圧圧力スイッチ１１の報知信号出力部１１ｂに図示
しない外部警報装置を接続し、無効のときには報知信号
出力部１１ｂにアースを接続するものである。

【００２３】なお、これら高圧圧力スイッチ１１、第１
の切換スイッチ１２及び第２の切換スイッチ１３は軽故
障検出ユニット１４を構成している。次に、以上のよう
に構成された極低温冷凍機の動作を説明する。

【００２４】まず、高圧圧力スイッチ１１の両出力部１
１ａ，１１ｂはアースに接続されている。いま、運転開
始時においては、寒冷発生部１の１段冷却ステージ２及
び２段冷却ステージ３が常温であり、このステージ温度
に逆比例して少量のヘリウムガスが寒冷発生部１で膨脹
処理されて各冷却ステージ２，３の熱を奪いつつコンプ
レッサ４に送出される。

【００２５】コンプレッサ４は各冷却ステージ２，３が
定格温度のときの寒冷発生部１での膨脹処理量を標準と
してヘリウムガスを圧縮処理する。よって、寒冷発生部
１が少量のヘリウムガスを処理するクールダウン運転時
にはコンプレッサ４の吐出圧が２４ｋｇ／ｃｍ² まで上
昇し、これに伴ってリリーフ弁５が開となり、ヘリウム
ガスが吐出口４ｂ側からリリーフ弁５を介して吸込口４
ａ側に送出される。

【００２６】なお、高圧圧力スイッチ１１はコンプレッ
サ４の吐出圧２４ｋｇ／ｃｍ² を検出し、この吐出圧が
所定の圧力上限値２２ｋｇ／ｃｍ² を越えているので、
非常停止信号及び圧力異常報知信号を送出する。しかし
ながら、運転開始時において、高圧圧力スイッチ１１の
両出力１１ａ，１１ｂはアースに接続されているので、
非常停止信号及び圧力異常報知信号はアースに流れて無
効となる。

【００２７】続いて、各冷却ステージ２，３が中間温度
まで冷えると、寒冷発生部１がコンプレッサ４の吐出す
ヘリウムガスを全量処理するため、コンプレッサ４の吐
出圧が低下してリリーフ弁５が閉となる。

【００２８】しかる後、各冷却ステージ２，３が定格温
度まで冷えると、寒冷発生部１でのヘリウムガス処理量
が最大になり、コンプレッサ４の吐出圧力が２０ｋｇ／
ｃｍ² に低下し、吸込圧が上昇した状態で安定して定格
運転状態が始まる。

【００２９】これにより、第１及び第２の切換スイッチ
１２，１３が作業者によって切換操作され、高圧圧力ス
イッチ１１の両出力部１１ａ，１１ｂはインターロック
装置及び外部警報装置に接続される。

【００３０】この定格運転状態で、例えば冷却対象の熱
負荷が増加すると、前述した通り、各冷却ステージ２，
３の温度が上昇する。また、これに伴い、コンプレッサ
４の吐出圧が２０ｋｇ／ｃｍ² から上昇すると共に、吸
込圧が低下する。

【００３１】このとき、高圧圧力スイッチ１１は吐出圧
を検出して圧力上限値２２ｋｇ／ｃｍ² と比較してい
る。続いて、コンプレッサ４の吐出圧が圧力上限値２２
ｋｇ／ｃｍ² を越えると、高圧圧力スイッチ１１は非常
停止信号を第１の切換スイッチ１２を介してインターロ
ック装置に送出すると共に、圧力異常報知信号を第２の
切換スイッチ１３を介して外部警報装置に送出する。

【００３２】インターロック装置は、非常停止信号を受
けると、寒冷発生部１及びコンプレッサ４を停止させる
ことにより、不測の事態の発生を阻止する。また、外部
警報装置は、圧力異常報知信号を受けると警報を発生
し、作業者に異常を報知して迅速な対応を促す。

【００３３】上述したように本実施例によれば、第１及
び第２の切換スイッチ１２，１３により定格運転時のみ
高圧圧力スイッチ１１を有効にし、且つ高圧圧力スイッ
チ１１がコンプレッサ４の吐出圧を検知し、この吐出圧
が所定の圧力上限値を越えたとき、非常停止信号をイン
ターロック装置に送出すると共に、圧力異常報知信号を
外部警報装置に送出するようにしたので、定格運転状態
での冷却対象の温度上昇を冷却媒体の圧力から検出する
ことにより、異常を早期発見して迅速に対応し、不測の
事態の発生を阻止することができる。

【００３４】なお、上記実施例では、軽故障検出ユニッ
ト１４をコンプレッサ４の吐出口とコールドヘッド１ｂ
との間に介在させた場合について説明したが、これに限
らず、軽故障検出ユニット１４をコンプレッサ４の吸込
口４ａとコールドヘッド１ｂとの間に介在させて定格運
転時のコンプレッサ４の吸込口４ｂ側におけるヘリウム
ガスの圧力低下を検出することにより、非常停止信号及
び圧力異常報知信号を送出する構成としても、本発明を
同様に実施して同様の効果を得ることができる。

【００３５】また、上記実施例では、第１及び第２の切
換スイッチ１２，１３を設けて高圧圧力スイッチ１１か
ら送出される信号を有効又は無効にした場合について説
明したが、これに限らず、高圧圧力スイッチ１１を可変
接点付き圧力計などのように設定圧力を変更可能なもの
とし、この高圧圧力スイッチ１１の圧力上限値を運転開
始時では高い値に予め設定し、定格運転時になると低い
値に更新設定する構成としても、本発明を同様に実施し
て同様の効果を得ることができる。

【００３６】さらに、上記実施例では、第１及び第２の
切換スイッチ１２，１３を作業者が切換える場合につい
て説明したが、これに限らず、ヘリウムガスの圧力変動
に基づいて圧力の安定状態を検知すると共に、第１及び
第２の切換スイッチを自動的に切換える構成としても、
本発明を同様に実施して同様の効果を得ることができ
る。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々
変形して実施できる。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、切
換スイッチにより定格運転時のみ非常停止手段及び異常
報知手段を有効に動作可能とし、且つ非常停止手段及び
異常報知手段がコンプレッサの吐出圧を検知し、この吐
出圧が所定の圧力上限値を越えたとき、非常停止信号及
び圧力異常報知信号を送出するようにしたので、定格運
転状態での冷却対象の温度上昇を冷却媒体の圧力から検
出することにより、異常を早期発見して迅速に対応でき
る極低温冷凍機を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る極低温冷凍機の構成を
示すブロック図。

【図２】従来の極低温冷凍機の構成を示すブロック図。

【符号の説明】

１…寒冷発生部、２…１段冷却ステージ、３…２段冷却
ステージ、４…コンプレッサ、５…リリーフ弁、１１…
高圧圧力スイッチ、１２…第１の切換スイッチ、１３…
第２の切換スイッチ、１４…軽故障検出ユニット。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コンプレッサにより圧縮された冷却媒体
   を低温発生部により膨脹させて前記コンプレッサに送出
   する循環サイクルを有し、且つ前記低温発生部による前
   記冷却媒体の膨脹過程で低温を発生する極低温冷凍機に
   おいて、 前記コンプレッサ及び前記低温発生部の間に介在して設
   けられ、前記冷却媒体の圧力を検出すると共に、この冷
   却媒体の圧力が所定の限界値を越えたとき、前記低温発
   生部及び前記コンプレッサのうちの少なくとも一方を停
   止させる非常停止手段と、 予め前記非常停止手段の無効が設定されたとき、前記非
   常停止手段による停止を阻止する切換スイッチとを備え
   たことを特徴とする極低温冷凍機。
2. 【請求項２】 コンプレッサにより圧縮された冷却媒体
   を低温発生部により膨脹させて前記コンプレッサに送出
   する循環サイクルを有し、且つ前記低温発生部による前
   記冷却媒体の膨脹過程で低温を発生する極低温冷凍機に
   おいて、 前記コンプレッサ及び前記低温発生部の間に介在して設
   けられ、前記冷却媒体の圧力を検出すると共に、この冷
   却媒体の圧力が所定の限界値を越えたとき、圧力異常報
   知信号を出力する異常報知手段と、 予め前記異常報知手段の無効が設定されたとき、前記異
   常報知手段による異常報知を阻止する切換スイッチと備
   えたことを特徴とする極低温冷凍機。