JPH0721357B2 - 極低温冷凍装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、極低温冷凍装置に係り、特に熱シールドを有
する被冷却体の冷却に好適な極低温冷凍装置に関するも
のである。

〔従来の技術〕

極低温冷凍装置、例えば、ヘリウム冷凍機で冷却される
被冷却体は、通常極低温冷凍温度より高い温度の熱シー
ルド板を持ち極低温冷凍負荷を軽減させている。これ
は、より高い温度、例えば、液体窒素温度で熱負荷を吸
収することが、経済的であるためである。また、被冷却
体を含めた装置全体をコンパクト化するため、極低温冷
凍装置は極低温冷凍寒冷の他に熱シールド冷却用の寒冷
も供給する必要が生じている。

従来の極低温冷凍装置においては、この熱シールド冷却
用のラインは第２図に示すように、膨張機とシリーズに
設けることにより実現していた。ここで、１は圧縮機、
２は内部を真空断熱したコールドボックス、３はコール
ドボックス２内に収納され圧縮機１からの高圧冷媒ガス
と圧縮機１へ戻る低圧冷媒ガスとの熱交換を行なう熱交
換器、９は圧縮機１からの高圧冷媒ガスが流れるライン
の熱交換器３の最下流側に設けたJT弁、12はJT弁９を出
た最も温度の低い冷媒により冷却された被冷却体、11は
被冷却体12を囲む熱シールド板、10は被冷却体12および
熱シールド板11を内部に収納した内部を真空断熱したク
ライオスタット、８は圧縮機１からの高圧冷媒ガスが流
れ熱交換器３によってある程度冷却されたラインから分
岐し熱シールド板11を冷却するシールド冷却ライン、７
はシールド冷却ライン８の後流につながる膨張ライン、
５は膨張ライン７の上流に設けた膨張機である第１膨張
タービン、６は膨張ライン７の下流に設けた膨張機であ
る第２膨張タービン、４は膨張ライン７の前に設けた流
量調整弁である。

なお、この種の装置として関連するものには、例えば、
アドバンシーズ・イン・クライオジニック・エンジニア
リング 31（1986年）第693頁から第698頁（Advances
in Cryogenic Engineering，vol 31 （1986） pp
693−698）が挙げられる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は被冷却体の冷却負荷と熱シールド板の冷
却負荷とのバランス調整の点について配慮されておら
ず、シールド冷却ラインと膨張ラインとがシリーズにな
っているので、被冷却体の冷却負荷を変える必要がある
場合（例えば、装置の据え付け時の運転調整で当初計画
時の負荷に多少の誤差があった場合等）に、膨張ライン
側の冷媒流量を調整しようとすれば、シールド冷却ライ
ンの冷媒流量も変わってしまい、膨張ラインとシールド
冷却ラインとのそれぞれの冷媒流量の関係を最適にする
ことができないという問題があった。

本発明の目的は、被冷却体の冷却と熱シールド冷却とを
有する極低温冷凍装置のそれぞれの運転をバランス良く
調整し最適化することのできる極低温冷凍装置を提供す
ることにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、極低温冷凍装置において、膨張機を有する
膨張ラインから分岐し圧縮機の戻りラインに合流するよ
うに熱シールド用のラインを形成することにより、達成
される。

〔作 用〕

熱シールド用のラインを膨張ラインから分岐されること
により、熱シールド用のラインに流す冷媒の流量と膨張
ラインに流す冷媒の流量との割合を変化させることがで
きるので、熱シールド負荷と被冷却体負荷とに見合った
冷媒流量にバランス良く調整でき、運転を最適化でき
る。

〔実 施 例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。

第１図は、冷媒ガスとして、例えば、ヘリウムガスを用
いた極低温冷凍装置である。第１図において、第２図と
同符号は同一部材を示し、同一部分の構成は説明を省略
する。本図が第２図と異なる点は、熱シールド用のライ
ンが膨張ラインから分岐して分けられている点である。

膨張ライン7aは、この場合、圧縮機１の吐出側のライン
で熱交換器3aの下流側から分岐し、圧縮機１の吸込側の
ラインで熱交換器3dの上流側に合流する。第１膨張ター
ビン５は熱交換器3cの上流側の膨張ライン7aに設けら
れ、第２膨張タービン６は熱交換器3cの下流側の膨張ラ
イン7aに設けてある。また、膨張ライン7aの第１膨張タ
ービン５の上流側に流量調整弁４が設けてある。

シールド冷却ライン8aは、この場合、膨張ライン7aの第
１膨張タービン５と熱交換器3cとの間から分岐し、被冷
却体12の熱シールド板11を冷却したのち、圧縮機１の吸
込側のラインで熱交換器3aの上流に合流する。また、シ
ールド冷却ライン8aの分岐部に流量調整弁13が設けてあ
る。

このように構成した極低温冷凍装置において、ヘリウム
ガスは、圧縮機１で圧縮された後、コールドボックス２
に送られ、熱交換器３で圧縮機１へ戻るヘリウムガスと
熱交換して冷却され、JT弁９に至る。また、熱交換器３
で冷却されるヘリウムガスの一部は、流量調整弁４を経
て第１膨張タービン５に入り寒冷を発生する。第１膨張
タービン５を出たヘリウムガスは第２膨張タービン６に
て寒冷を生成し、圧縮機１へ戻る低圧ラインを経て、圧
縮機１へ戻る。さらに、第１膨張タービン５を出たヘリ
ウムガスの一部は、流量調整弁７を経て、シールド冷却
ライン8aを通り、熱シールド板11をシールド冷却を行な
い、圧縮機１へ戻る低圧ラインを経て、圧縮機１へ戻
る。

一方、クライオスタット10内の被冷却体12はJT弁９を経
て供給される極低温のヘリウムガスにより冷却され、ま
た、熱シールド板11はシールド冷却ライン8aにより冷却
される。ヘリウムガスを用いた極低温冷凍装置の場合、
例えば、被冷却体12を冷却する温度は２〜4Kであり、熱
シールド板11を冷却する温度は40〜100Kである。

シールド冷却ライン8aは、膨張ライン7aから分岐し、圧
縮機１へ戻る低圧ラインに合流するように形成してある
ので、この場合、第１膨張タービン５の出口圧力から、
低圧ラインの合流点の圧力までの圧の損失が許される。
このため、シールド冷却ライン８は圧力損失を大きくし
たライン、すなわち、細く長いラインにしても充分使用
できる。

また、シールド冷却ライン8aの入口部に設けた流量調整
弁13を調整することによって、シールド冷却ライン8aと
第２膨張タービン６とへ流れるヘリウムガスの量をバラ
ンスさせることができる。すなわち、第１膨張タービン
５を出たヘリウムガスが、シールド冷却ライン8aと第２
膨張タービン６とへ分配されるわけであるから、流量調
整弁13を絞ったときには、シールド冷却ライン8aへ流れ
るヘリウムガスの流量が減り、第２膨張タービン６へ流
れるヘリウムガスの流量が増え、これら流量の和は一定
となる。また、流量調整弁13を開いたときには、上記の
反対になり、これら流量の和は一定となる。このよう
に、シールド冷却ライン8aの流量と第２膨張タービン６
の流量とは補完の関係にあるので、一方の流量を調整す
ることにより、それぞれに流れる割合を調整することが
できる。

これにより、例えば、クライオスタット10の被冷却体12
の負荷容量と熱シールド板12の負荷容量とが決まり、全
体としての負荷容量を許容し得る極低温冷凍装置を運転
する場合に、被冷却体12の冷却能力を得る第２膨張ター
ビン６の流量と、熱シールド板11の冷却能力を得るシー
ルド冷却ライン8aの流量との配分を調整できるので、効
率の良い冷却を行なうことができる。

以上、本一実施例によれば、シールド冷却ライン8aを膨
張ライン7aから分岐させ圧縮機１へ戻る低圧ラインに合
流させて形成しているので、第２膨張タービン６の流量
とシールド冷却ライン8aの流量との配分バランスを調整
でき、冷却運転を最適化することができるという効果が
ある。

また、シールド冷却ライン8aは膨張ライン7aから分岐し
て圧縮機１へ戻る低圧ラインに合流させているので、圧
損を大きくすることができる。

さらに、第２膨張タービン６の入口温度および圧力条件
は変化せず安定しているので、第２膨張タービン６の流
量を変化させることで被冷却体の冷却能力を調整でき、
被冷却体12の負荷が変動した場合でも安定した運転を行
なうことができる。

なお、本一実施例ではシールド冷却ライン8aの入口部に
流量調整弁13を設けて流量バランスを調整するようにし
ていたが、第２膨張タービン６の入口部に流量調整弁13
を設けても同様の効果がある。また、流量調整弁13の代
わりに、第２膨張タービン６を可変ノズルタイプにして
流量を調整するようにしても良い。

また、シールド冷却ライン8aの圧損が小さく、圧力的，
流量的に余裕がある場合には、シールド冷却ライン8aの
後流側に膨張機、例えば、膨張タービンを設けて、圧力
を低圧ラインの圧力に落すとともに、温度を下げて熱交
換に寄与するようにしても良い。

〔発明の効果〕

本発明によれば、膨張ラインから分岐し圧縮機の戻りラ
インに合流させて熱シールド用のラインを形成している
ので、被冷却体の冷却と熱シールド冷却とのそれぞれの
運転をバランスさせることができ、運転を最適化するこ
とができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である極低温冷凍装置を示す
構成図、第２図は従来の極低温冷凍装置を示す構成図で
ある。 １……圧縮機、２……コールドボックス、３……熱交換
器、5,6……膨張タービン、7a……膨張ライン、8a……
シールド冷却ライン、11……熱シールド板、12……被冷
却体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−250482（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−69462（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−117059（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】冷媒ガスを圧縮する圧縮機と、 該圧縮機の吐出側に接続された吐出側ラインと吸入側に
   接続された吸入側ラインとの間で熱交換を行なう熱交換
   器と、 この熱交換器の吐出側ラインの中途から上記熱交換器の
   吸入側ラインの中途に対して直列接続された第１および
   第２の膨張機からなり、前記吐出側ラインの中途におい
   て分岐された冷媒ガスから寒冷を発生して、この寒冷を
   有する冷媒ガスを前記吸入側ラインの中途に対して供給
   する寒冷発生手段と、 前記吐出側ラインから出力され前記吸入側ラインに戻る
   冷媒ガスにより冷却される被冷却体と、 この被冷却体を囲む熱シールド板と、 前記第１および第２の膨張機の接続中点から分岐して前
   記熱シールド板を冷却して前記吸入側ラインに合流する
   熱シールド冷却ラインと、 前記第２の膨張機を含み、前記接続中点から前記吸入側
   ラインに合流するラインと、前記熱シールド冷却ライン
   とのいずれかのライン中に設けられ、前記いずれかのラ
   インを流れる冷媒ガスの流量を調整する流量調整手段
   と、 からなることを特徴とする極低温冷凍装置。