JPH0788980B2 - ヘリウム冷凍機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、例えば、医療用機器などにおいて、極低温を
得るために使用するヘリウム冷凍機に関する。

（従来の技術） 近年、医療用機器として、人体における分子内の水素含
有率を、電磁マグネットと高周波発生器とにより探知
し、人体の内部を画像化して、その異常を調べる磁気共
鳴画像CT（Magnetic Resonance Imaging−Computer To
mograph.以下MRI−CTと略称する）が広く使用されてい
る。また、前記MRI−CTは、極低温で作動する超伝導マ
グネットが使用されるため、該マグネットを低温槽内に
貯溜された液体ヘリウムによって、極低温にまで冷却す
るようにしている。

そして、前記ヘリウム冷凍機は、以上のような医療用機
器において、前記低温槽内に貯溜されている液体ヘリウ
ムから蒸発されたヘリウムガスを冷却して再凝縮するた
めに使用される。

しかして以上のようなヘリウム冷凍機として、従来で
は、例えば、特開昭61−235650号公報に記載され、か
つ、第５図に示したごとく、複数のジュールトムソン熱
交換器（a,b,c）をもつジュールトムソン回路（Ｄ）
と、複数のヒートステーション（S1,S2）をもつ膨張機
（Ｅ）を備えた予冷冷凍回路（Ｆ）とから成り、前段側
熱交換器（a,b）の高圧出口側を予冷コイル（Ｇ）
（Ｇ）を介して前記ヒートステーション（S1,S2）の近
くに配設すると共に、最終段側熱交換器（ｃ）の高圧出
口側と低圧入口側との間に、ジュールトムソン弁（Ｖ）
を介して再凝縮器（Ｈ）を接続する一方、この再凝縮器
（Ｆ）を、超伝導マグネット（Ｍ）が内装される低温槽
（Ｔ）内に配設するようにしている。こうして、前記ジ
ュールトムソン回路（Ｄ）と予冷冷凍回路（Ｆ）とを併
用運転させて前記前段側熱交換器（a,b）の高圧出口側
から流出されるヘリウムガスを前記ヒートステーション
（S1,S2）で冷却し、さらに前記ジュールトムソン弁
（Ｖ）で減圧して、前記再凝縮器（Ｈ）を絶対温度4K近
くの極低温にまで冷却し、この再凝縮器（Ｈ）により前
記低温槽（Ｔ）内で蒸発されたヘリウムガスを冷却して
再凝縮液化させて液面レベルを保ち、前記マグネット
（Ｍ）の冷却効果を均一化すると共に、蒸発ガス化によ
る漏れを低減して低温槽（Ｔ）内のヘリウムの絶対量の
損失を抑制できるようにしている。

（発明が解決しようとする課題） ところが、以上のようにジュールトムソン回路（Ｄ）と
予冷冷凍回路（Ｆ）とを単に併用運転させるものでは、
運転を開始する場合や、停電などで運転が一時的に停止
され、その後に再起動するような場合、前記予冷冷凍回
路（Ｆ）側のヒートステーション（S1,S2）が充分に冷
却されていない状態で、前記ジュールトムソン回路
（Ｄ）側にヘリウムが循環されることになるから、前記
再凝縮器（Ｈ）に比較的高温のヘリウムが流れて、本来
の再凝縮器としては作用せず、逆にこの再凝縮器（Ｈ）
を流れる高温のヘリウムで前記低温槽（Ｔ）に貯溜され
た液体ヘリウムを加熱し、該貯溜液体ヘリウムを急激に
蒸発気化させて多量の液体ヘリウムを損失してしまう問
題があった。

本発明は以上のような問題に鑑みてなしたもので、その
目的は、運転開始時や停電後の再起動時に、低温槽に貯
溜された液体ヘリウムの損失量を少なくできるヘリウム
冷凍機を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明は、複数のジュール
トムソン熱交換器（13,16,19）をもつジュールトムソン
回路（２）と、前段側熱交換器（13,16）の高圧出口側
から流出するヘリウムガスを冷却するヒートステーショ
ン（70,71）をもつ予冷冷凍回路（１）とを備え、最終
段熱交換器（19）の高圧出口側と低圧入口側との間に、
ジュールトムソン弁（21）を介して極低温液媒体の再凝
縮器（22）を接続したヘリウム冷凍機において、起動
時、前記予冷冷凍回路（１）の運転を先行して行い、前
記ヒートステーション（70,71）をクールダウンした後
に、前記ジュールトムソン回路（２）の運転を併用して
行う運転制御手段（80）を設けたことを特徴とするもの
である。

前記ヘリウム冷凍機には、前記ヒートステーション（70
又は71）の温度を検出する温度検出器（42）を設け、該
検出器（42）での検出値が所定値を下回るとき、併用運
転に移行する切換手段（83）を備えてもよい。

また、タイマ手段（84）を設け、起動から所定時間経過
したとき、併用運転に移行する切換手段（83）を備えて
もよい。

更に、一つの前段側熱交換器（13又は16）の高圧入口側
と低圧入口側との間に、絞り機構（46）と開閉弁（47）
とを直列に介装したバイパス路（45）を設け、併用運転
に移行後、定常運転に到達するまで、前記開閉弁（47）
を開き、定常運転に到達後、前記開閉弁（47）を閉じる
弁制御手段（85）を備えてもよい。

（作用） 以上のヘリウム冷凍機では、起動するとき、前記運転制
御手段（80）により、先ず、前記予冷冷凍回路（１）の
運転が行われ、前記ヒートステーション（70,71）がク
ールダウンされた後に、前記ジュールトムソン回路
（２）の運転が併用して行われるものであり、従って、
起動当初から前記再凝縮器（22）側に高温のヘリウムガ
スが流れたりすることはなく、該再凝縮器（22）側での
液体ヘリウムの蒸発量が低減される。

前記ヒートステーション（70又は71）の温度を検出する
温度検出器（42）を備え、該検出器（42）での検出値が
所定値を下回るとき、併用運転に移行する切換手段（8
3）を設け、又は、前記タイマ手段（84）を備え、起動
から所定時間経過したとき、併用運転に移行する切換手
段（83）を設けるときには、前記ヒートステーション
（70,71）を充分に冷却した後に、前記併用運転に移行
することが可能となり、液体ヘリウムの蒸発量の低減効
果を自動的に得ることができる。

また、一つの前段側熱交換器（13又は16）の高圧入口側
と低圧出口側との間に、絞り機構（46）と開閉弁（47）
とを直列に介装したバイパス路（45）を設け、併用運転
に移行後、定常運転に到達するまで、前記開閉弁（47）
を開き、定常運転に到達後、前記開閉弁（47）を閉じる
弁制御手段（85）を備えるときには、併用運転移行後定
常運転に到達するまでの間、定常運転時に比べてはその
温度が未だ高いヘリウムの前記再凝縮器（22）への供給
量を少なくでき、該再凝縮器（22）側での液体ヘリウム
の蒸発量を更に少なくできるものである。

（実施例） 第１図に示したヘリウム冷凍機は、予冷冷凍回路（１）
と、ジュールトムソン回路（以下Ｊ−Ｔ回路と略称す
る）（２）とから構成される。

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）、膨張機（６）及びサージボトル（７）を、高圧
冷媒ガス管（23）と低温冷媒ガス管（24）とで接続して
構成されている。ここで、前記予冷用圧縮機（３）、油
分離器（４）、吸着器（５）、サージボトル（７）と
で、圧縮機ユニット（Ａ）を構成している。

また、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ジュールトムソン
熱交換器（以下Ｊ−Ｔ熱交換器と略称する）（13）、吸
着器（14）、第１予冷器（15）、第2J−Ｔ熱交換器（1
6）、吸着器（17）、第２予冷器（18）、第3J−Ｔ熱交
換器（19）、吸着器（20）、ジュールトムソン弁（以下
Ｊ−Ｔ弁と略称する）（21）、再凝縮器（22）、前記第
１〜第3J−Ｔ熱交換器（13,16,19）を、高圧側冷媒ガス
管（25）と低温側冷媒ガス管（26）とで接続して構成さ
れている。ここで、前記低段及び高段側圧縮機（8,10）
と、油分離器（9,11）、吸着器（12）とで、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）、低段及び高段圧縮機（8,10）
には、そぞれ冷却水コイル（27,28,29）が付設され、こ
れら各コイル（27,28,29）によって、それぞれの吐出ガ
スコイル（30,31,32）及びインジェクション用油コイル
（33,34,35）を冷却するようにしている。

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）の吸入側にインジェクションするよ
うにしており、また、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
除去する作用を備えている。

また、前記サージボトル（７）は、前記予冷用圧縮機
（３）に戻される低圧ヘリウムガスの脈動を少なくする
作用を備えている。

さらに、前記Ｊ−Ｔ回路（２）において、前記吸着器
（12）の出口側における高圧冷媒ガス管（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）及び中間圧制御弁（38）を介
装したバイパス回路（39）が設けられている。前記ガス
バラストタンク（37）は、高圧制御弁（36）又は中間圧
制御弁（38）を開閉制御することにより、前記Ｊ−Ｔ回
路（２）を循環するヘリウム量を調節する作用を備えて
いる。

前記膨張機（６）、前記第１〜第3J−Ｔ熱交換器（13,1
6,19）、予冷器（15,18）、Ｊ−Ｔ弁（21）及び再凝縮
器（22）は、それぞれ高真空に保持された真空容器（4
0）内に収容されており、前記第２及び第３熱交換器（1
6,19）と、第２予冷器（18）と、Ｊ−Ｔ弁（21）及び再
凝縮器（22）は、輻射シールド（41）に囲繞され、これ
ら各者でクライオスタット（Ｃ）を構成している。

前記膨張機（６）は、その高圧側入口（61）が予冷用圧
縮機（３）の吐出側に、また、低圧側出口（62）が予冷
用圧縮機（３）の吸入側に接続され、前記膨張機（６）
内における高圧ヘリウムガスの膨張工程で冷却するよう
にしており、前記膨張機（６）の下部側に設けた第１及
び第２ヒートステーション（70,71）の外周部に、前記
第１及び第２予冷器（15,18）を配設し、この各予冷器
（15,18）により前記Ｊ−Ｔ回路（２）を流れるヘリウ
ムガスを予冷するようにしている。

また、前記再凝縮器（22）は、超伝導マグネット（Ｍ）
が内装された低温槽（Ｔ）の内部で、前記マグネット
（Ｍ）を埋没させる液体ヘリウムの上部側に臨ませてお
り、第１及び第2J−Ｔ熱交換器（13,16）の予冷器（15,
18）を通過するヘリウムガスを、前記ヒートステーショ
ン（70,71）で冷却し、さらに前記Ｊ−Ｔ弁（21）で減
圧して、前記再凝縮器（22）を極低温にまで冷却し、こ
の再凝縮器（22）により前記低温槽（Ｔ）内で蒸発され
たヘリウムガスを冷却して凝縮液化させるようにしてい
る。

しかして、以上のへリウム冷凍機において、起動時に、
前記予冷冷凍回路（１）の運転を先行して行い、善意ヒ
ートステーション（70,71）をクールダウンした後に、
前記Ｊ−Ｔ回路（２）の運転を併用して行う運転制御手
段（80）を設けたのである。

具体的には、前記予冷用圧縮機（３）を駆動する予冷側
駆動手段（81）と、前記Ｊ−Ｔ側圧縮機（8,10）を駆動
するＪ−Ｔ側駆動手段（82）とを備えた運転制御手段
（80）を構成し、前記各駆動手段（81）（82）で前記各
圧縮機（3,8,10）をそれぞれ駆動させるようになすと共
に、前記各駆動手段（81,82）を切換制御する切換手段
（83）を設け、この切換手段（83）で前記各駆動手段
（81,82）を切換制御し、停電などによる運転停止後に
再起動させるようなとき、先ず、前記予冷用圧縮機
（３）の運転を行い、前記ヒートステーション（70,7
1）での温度が所定値以下にまでクールダウンされた後
に、前記Ｊ−Ｔ側圧縮機（8,10）と前記予冷用圧縮機
（３）とを併用運転させるのである。

また、前記各予冷器（15）（18）が配設されるヒートス
テーション（70又は71）の温度を検出する温度検出器
（42）を設け、該検出器（42）を前記運転制御手段（8
0）の切換手段（83）に接続して、前記検出器（42）で
の検出温度が所定値以下に低下されたとき、前記切換手
段（80）で前記併用運転に切換えるようにしてもよい。

更に、第１図に仮想線で示したように、前記運転制御手
段（80）の切換手段（83）にタイマ手段（84）を接続
し、該タイマ手段（84）で起動開始からの時間を計時し
て所定時間を経過したとき、前記併用運転に切換えるよ
うにしてもよい。

また、前記Ｊ−Ｔ側圧縮機ルニット（Ｂ）の高圧冷媒ガ
ス管（25）と低圧冷媒ガス管（26）との間に、絞り機構
（46）と開閉弁（47）とを直列に介装したバイパス路
（45）を設けると共に、前記併用運転に移行後に定常運
転に到達するまで、前記開閉弁（47）を開き、定常運転
に到達した後に、前記開閉弁（47）を閉じる弁制御手段
（85）を前記運転制御手段（80）に備えることも可能で
ある。

前記バイパス路（45）は、前記第1J−Ｔ熱交換器（13）
と第2J−Ｔ熱交換器（16）との間に介装させることもで
きる。

次に、以上のごとく構成したヘリウム冷凍機の制御態様
を、第２図乃至第４図に示すフローチャートに基づいて
説明する。

前記温度検出器（42）で制御する場合には、第２図のフ
ローチャートに基づいて行うのであり、即ち、先ず、運
転スイッチをオンした後、前記運転制御手段（80）の予
冷側駆動手段（81）が作動されて、予冷冷凍回路（１）
側がオン動作し、次に、前記ヒートステーション（70又
は71）のうちの一つ、例えば第２ヒートステーション
（71）側の温度（T2）が所定の設定温度（Tx2）よりも
低いか否かが判断され、イエスの場合にのみ、つまり前
記第２ヒートステーション（71）での温度が前記設定温
度（Tx2）以下となったときにのみ、前記Ｊ−Ｔ側駆動
手段（82）がオン動作されるのである。

また、前記タイマ手段（84）で制御する場合には、第３
図のフローチャートに基づいて行うのであり、先ず、運
転スイッチをオンした後、前記運転制御手段（80）の予
冷側駆動手段（81）が作動されて、予冷冷凍回路（１）
側がオン動作し、次に、前記タイマ手段（84）で設定さ
れた一定時を経過した後に、前記Ｊ−Ｔ側駆動手段（8
2）がオン動作されるのである。

更に、前記バイパス路（45）を設けるときには、第４図
のフローチャートに基づいて行うのであり、先ず運転ス
イッチをオンした後、前記運転制御手段（80）の予冷側
駆動手段（81）が作動されて、予冷冷凍回路（１）側が
オン動作し、次に、前記第２ヒートステーション（71）
側の温度（T2）が所定の設定温度（Tx2）よりも低いか
否かが判断され、イエスの場合にのみ、前記Ｊ−Ｔ側駆
動手段（82）がオン動作され、この後前記バイパス路
（45）の開閉弁（47）が開動作され、次に、前記再凝縮
器（22）側の温度（T3）が所定の設定温度（Tx3）より
も低いか否かが判断され、イエスの場合にのみ、つまり
前記再凝縮器（22）側での温度が前記設定温度（Tx3）
以下となったときにのみ、前記開閉弁（47）が閉動作さ
れて、定常運転に移行されるのである。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明のヘリウム冷凍機では、起
動時に、先ず予冷冷凍回路（１）の運転を行い、ヒート
ステーション（70,71）をクールダウンした後、ジュー
ルトムソン回路（２）の運転を併用して行う運転制御手
段（80）を設けたから、再凝縮器（22）側に高温のヘリ
ウムガスが流れたりするのを防止できて、該再凝縮器
（22）側での液体ヘリウムの蒸発量を低減できるに至っ
たのである。

又、前記ヒートステーション（70又は71）の温度を検出
する温度検出器（42）を備え、該検出器（42）での検出
値が所定値を下回るとき、併用運転に移行する切換手段
（83）を設け、若しくは、タイマ手段（84）を備え、起
動から所定時間経過したとき、併用運転に移行する切換
手段（83）を設けるときには、前記ヒートステーション
（70,71）を充分に冷却した後に、前記併用運転に移行
することが可能となり、液体ヘリウムの蒸発量を自動的
に低減できる。

更に、一つの前段側熱交換器（13又は16）における高圧
入口側と低圧出口側との間に、絞り機構（46）と開閉弁
（47）とを直列に介装したバイパス路（45）を設け、併
用運転に移行後、定常運転に到達するまで、前記開閉弁
（47）を開き、定常運転に到達後、前記開閉弁（47）を
閉じる弁制御手段（85）を設けるときには、併用運転開
始から定常運転に移行するまでの間に、前記再凝縮器
（22）側に至る高温ヘリウムガス量を少なくできて、該
再凝縮器（22）側での液体ヘリウムの蒸発量を少なくで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかるヘリウム冷凍機の配管系統図、
第２図乃至第４図は制御態様を示すフローチャート、第
５図は従来例を示す配管系統図である。 （１）……予冷冷凍回路 （２）……ジュールトムソン回路 （13）……第１ジュールトムソン熱交換器 （16）……第２ジュールトムソン熱交換器 （19）……第３ジュールトムソン熱交換器 （21）……ジュールトムソン弁 （22）……再凝縮器 （42）……温度検出器 （45）……バイパス路 （46）……絞り機構 （47）……開閉弁 （70）……ヒートステーション （71）……ヒートステーション （80）……運転制御手段 （83）……切換手段 （84）……タイマ手段 （85）……弁制御手段

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数のジュールトムソン熱交換器（13,16,
   19）をもつジュールトムソン回路（２）と、前段側の前
   記熱交換器（13,16）の高圧出口側から流出するヘリウ
   ムガスを冷却するヒートステーション（70,71）をもつ
   予冷冷凍回路（１）とを備え、最終段の前記熱交換器
   （19）の高圧出口側と低圧入口側との間に、ジュールト
   ムソン弁（21）を介して極低温液媒体の再凝縮器（22）
   を接続したヘリウム冷凍機において、起動時、前記予冷
   冷凍回路（１）の運転を先行して行い、前記ヒートステ
   ーション（70,71）をクールダウンした後に、前記ジュ
   ールトムソン回路（２）の運転を併用して行う運転制御
   手段（80）を設けたことを特徴とするヘリウム冷凍機。
2. 【請求項２】ヒートステーション（70又は71）の温度を
   検出する温度検出器（42）を設け、該検出器（42）での
   検出値が所定値を下回るとき、併用運転に移行する切換
   手段（83）を備える請求項１記載のヘリウム冷凍機。
3. 【請求項３】タイマ手段（84）を設け、起動から所定時
   間経過したとき、併用運転に移行する切換手段（83）を
   備える請求項１記載のヘリウム冷凍機。
4. 【請求項４】前段側の一つの熱交換器（13又は16）の高
   圧入口側と低圧出口側との間に、絞り機構（46）と開閉
   弁（47）とを直列に介装したバイパス路（45）を設け、
   併用運転に移行後、定常運転に到達するまで、前記開閉
   弁（47）を開き、定常運転に到達後、前記開閉弁（47）
   を閉じる弁制御手段（85）を備える請求項１記載のヘリ
   ウム冷凍機。