JPH0812024B2 - 極低温冷凍機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、絶対温度4Kレベルの極低温を得る極低温冷
凍機に関する。

（従来の技術） 従来、特開昭61−235650号公報に開示され且つ第４図
に示すように、真空容器（Ｄ）の内部に、３段接続され
るジュール・トムソン熱交換器（A,B,C）と、その前段
２つの熱交換器（A,B）の高圧出口から各冷却器（a,b）
に流出される冷媒を予冷する予冷機（Ｅ）の第１及び第
２ヒートステージ（X,Y）と、最終段熱交換器（Ｃ）の
高圧出口と低圧入口との間に接続されるジュール・トム
ソン弁（Ｖ）、及び第３ヒートステージ（Ｚ）を各々配
設し、各部を真空断熱した状態で予冷側圧縮ユニット
（Ｋ）とジュール・トムソン側圧縮ユニット（Ｍ）とを
併用運転し、第３ヒートステージ（Ｚ）に4.2Kの極低温
を得、超伝導マグネット等を冷却したりヘリウムを凝縮
したりするようにしている。

尚、この場合、第１ヒートステージ（Ｘ）は60〜70
K、第２ヒートステージ（Ｙ）は15K程度となり、これら
と冷却器（a,b）を介して熱的に接続される各熱交換器
（A,B,C）及び配管等は、各ステージの温度勾配に見合
う低温レベルとされる。

（考案が解決しようとする課題） しかし、以上の構成で、冷凍機を長時間運転後に停止
すると、各ヒートステージ及び各ジュール・トムソン熱
交換器等の極低温部の温度が上昇して、その部分に凍結
していた水素、窒素、酸素等が真空容器（Ｄ）の内部に
放出され、該容器内の真空圧力が上昇し、この状態でク
ールダウン運転を再開すると、真空断熱性が悪く、各部
がクールダウンし難い問題がある。

すなわち、完全真空という状態は現実には有り得ず、
もともと真空容器（Ｄ）の内部には、若干の水素、窒
素、酸素等の気体分子が残存している。又、該容器
（Ｄ）と外気とのシール部を介した漏れや、真空容器
（Ｄ）を構成するステンレス鋼の材料内部からの水素放
出もある。このため、真空容器（Ｄ）の内部には気体分
子が存在し、冷凍機の長時間運転により、極低温まで冷
やされる部分には、時間経過に伴い水素等の気体分子が
凍結することとなる。従って、この長時間運転後に停止
し、各部が温度上昇すると、極低温部に凍結していた気
体分子が放出されて真空断熱性を悪化し、この状態でク
ールダウンを再開しても、真空容器（Ｄ）の外部からの
熱侵入で冷却効果が阻害されてしまうのである。

こうしたことから、従来では、再起動に際して、前記
容器（Ｄ）に真空ポンプを接続してその都度内部の真空
引きを行う必要があり、運転が煩雑となるのである。

本発明の目的は、長時間運転後に停止した場合、真空
ポンプで容器内の真空引きを行うことなく再クールダウ
ンが行え、運転を簡略化できる極低温冷凍機を提供する
ことにある。

（課題を解決するための手段） そこで、本発明では、上記目的を達成するため、多段
接続されるジュール・トムソン熱交換器（4,5,6）と、
その前段熱交換器（4,5）の高圧出口側から流出する冷
媒を予冷する予冷機（10）のヒートステージ（1,2）
と、最終段熱交換器（６）の高圧出口側と低圧入口側と
の間に接続されるジュール・トムソン弁（７）及び最終
ヒートステージ（３）を備え、これら各極低温部（1,2,
3,4,5,6,7）を、真空容器（８）の内部に配設した極低
温冷凍機において、前記真空容器（８）の内部に臨む前
記極低温部の外面若しくは該極低温部に接続される接続
機器類の外面の一部に、活性炭（９）を取付けることに
した。

以上の構成で、予冷機（10）のヒートステージが２段
の場合、第１ヒートステージ（１）に対し低温の第２ヒ
ートステージ（２）に、活性炭（９）を接着又は活性炭
（９）を接着した活性炭パネル（21）を取付けるのが好
ましい。

この他、活性炭（９）は、ジュール・トムソン熱交換
器（4,5,6）に接続される配管の外面に取付けたり、又
は、ジュール・トムソン熱交換器（4,5,6）の外面に接
着してもよい。

また、他に、活性炭（９）は、予冷機（10）のヒート
ステージ（１）に取付ける輻射シールドパネル（11）の
内面に接着してもよい。

（作用） 真空容器（８）内に気体分子が存在していても、クー
ルダウン運転すれば、その温度低下に伴い、前記容器
（８）内の気体分子が活性炭（９）に吸着されるため、
該容器（８）内の真空圧力が順次低下されていく。この
ため、長時間運転後に停止し、再起動する場合、その都
度容器（８）内の真空引きを行わずとも、クールダウン
が可能となる。

ここで、特に、活性炭（９）を、第１ヒートステージ
（１）に対し低温の第２ヒートステージ（２）に接着す
る場合、真空容器（８）の内面から比較的多量に放出さ
れる水素を良好に吸着することができる。更に、活性炭
パネル（21）に活性炭（９）を接着して、このパネルを
第２ヒートステージ（２）に取付ける場合には、水素吸
着性を向上できる他、活性炭（９）による吸着面積を大
きく確保でき吸着能力を向上できると共にメンテナンス
等も便利となる。

又、活性炭（９）を、ジュール・トムソン熱交換器
（4,5,6）に接続される配管の外面や該熱交換器（4,5,
6）の外面に接着等する場合も、活性炭（９）による容
器（８）内の真空圧力低下に寄与できる。

更に、活性炭（９）を、輻射シールドパネル（11）の
内面に接着する場合、活性炭（９）による吸着面積を大
幅に確保することができる。

（実施例） 第１図に示す冷凍機は、極低温部をステンレスの真空
容器（８）内に配設したクライオスタット（100）と、
ヘリウムガスを圧縮するジュール・トムソン側圧縮ユニ
ット（200）及び予冷用のヘリウムガスを圧縮する予冷
側圧縮ユニット（300）を備えるものである。

前記クライオスタット（100）における真空容器
（８）の内部には、ジュール・トムソン側圧縮ユニット
（200）の高圧ガス管（201）と低圧ガス管（202）に多
段接続される第１〜第３ジュール・トムソン熱交換器
（4,5,6）と、その前段の第1,第２熱交換器（4,5）の高
圧出口側から次段の高圧入口側に各々接続される第1,第
２冷却器（40,50）と、最終段の第３熱交換器（６）の
高圧出口側と低圧入口側との間に接続されるジュール・
トムソン弁（７）及び第３ヒートステージ（３）と、前
記予冷側圧縮ユニット（300）の高圧ガス管（301）と低
圧ガス管（302）に接続される予冷機（10）の第１及び
第２ヒートステージ（1,2）をそれぞれ配設している。
尚、符号（11）は第１ヒートステージ（１）に取付ける
輻射シールドパネル、（67）は前記弁（７）に流入する
ヘリウムガスから不純物等を除去する吸着器である。

又、前記ジュール・トムソン側圧縮ユニット（200）
は、大容量の低段圧縮機（203）並びに、小容量の後段
圧縮機（204）、油分離器（205）及び吸着器（206）を
順次介装し、高圧ガス管（201）に高圧のヘリウムガス
を吐出し、クライオスタット（100）側の前記熱交換器
（4,5,6）に供給すると共に、低圧ガス管（202）から低
圧のヘリウムガスをリターンさせるようにしている。
尚、（207）はガスバラストタンクであり、高圧制御弁
（208）及び中間圧制御弁（209）の制御で、前記熱交換
器側へのヘリウムガスの循環量を調節できるようにして
いる。

前記予冷側圧縮ユニット（300）は、予冷圧縮機（30
3）、油分離器（304）、吸着器（305）及びサージボト
ル（306）を備え、予冷機（10）に高圧ヘリウムガスを
供給し、該予冷機（10）で膨張した後の低圧ヘリウムガ
スをリターンさせるようにしている。

尚、各圧縮ユニット（200）（300）において、（21
0）（310）は冷却水コイルであり、各吐出ガスコイル
（211,212）及び（311）、並びにインジェクション用油
コイル（213,214）及び（312）を冷却するようにしてい
る。

こうして、前記圧縮ユニットの併用運転で、前記熱交
換器（4,5,6）に流れる高圧ヘリウムガスは、各リター
ン側の低圧ヘリウムガスにより冷却されると共に、冷却
器（40,50）を介して、60〜70Kの第１ヒートステージ
（１）及び15K程度の第２ヒートステージ（２）で各々
冷却され、ジュール・トムソン弁（７）で膨張した後、
第３ヒートステージ（３）に4.2Kの極低温を得るように
している。

以上の構成で、前記容器（８）の内部に臨む各極低温
部（1,2,3,4,5,6,7等）の外面若しくはこれら極低温部
に接続される配管等の接続機器類の外面の一部に、活性
炭（９）を取付ける。具体的には、第２ヒートステージ
（２）の端面に活性炭（９）を接着により取付ける。

これによれば、真空容器（８）内の残存気体分子や該
容器（８）と外気とのシール部分を介した漏れや前記容
器（８）を構成するステンレス鋼の材料内部からの水素
放出等の影響で、前記容器（８）の内部に気体分子が存
在していても、クールダウン運転を行えば、その温度低
下に伴い、前記容器（８）内の気体分子が活性炭（９）
に吸着され、容器（８）内の真空圧力が順次低下されて
いく。従って、長時間運転後に停止して再起動する場合
でも、前記容器（８）の内部をその都度真空引きするこ
となく、最終の第３ヒートステージ（３）に目標の4.2K
の極低温を得ることができるのである。

又、以上のように活性炭（９）を極低温部における第
２ヒートステージ（２）の端面に接着したから、前記容
器（８）の内面から比較的多量に放出される水素を良好
に吸着することができるのである。即ち、水素の凍結温
度は20K程度であるのに対し、第２ヒートステージ
（２）は15K程度の低い温度レベルであるため、この第
２ヒートステージ（２）に接着した活性炭（９）には水
素が良好に吸着できることになるのである。

又、第２ヒートステージ（２）に直接活性炭（９）を
接着する他、第２図に示すように、半円筒形状の活性炭
パネル（21）を形成して該パネル（21）の内側外面（21
a）に活性炭（９）を接着し、このパネル（21）を第２
ヒートステージ（２）に取付けるようにしてもよい。こ
の場合には、活性炭（９）による吸着面積を大きくする
ことができ、吸着能力を向上できると共に、メンテナン
ス等も便利となる。尚、前記活性炭パネル（21）は、半
円筒の他、円筒、円板、円錐形等、その形はどんなもの
であってもよい。

更に、活性炭（９）はヒートステージに設ける他、第
１図における各熱交換器（4,5,6）間を接続する高圧配
管（45a,56a）や低圧配管（45b,56b）の表面等に、直接
又はパネル等を介して取付けるようにしてもよいし、又
第３図に示すように、各熱交換器（4,5,6）における外
筒（60）の表面に接着等により取付けるようにしてもよ
い。これらの場合にも水素吸着性を良くするため、第２
ヒートステージ（２）の温度に近い第３熱交換器（６）
の表面又はこれに接続される配管に接続等するのが好ま
しい。

その他、活性炭（９）は、第１図において、第１ヒー
トステージ（１）に取付けた輻射シールドパネル（11）
の内側外面（11a）に接着してもよく、この場合には、
該輻射シールドパネル（11）が各極低温部をほぼ全部覆
う大きな形状のため、活性炭（９）による吸着面積を極
めて大きく確保できるのである。

ところで、第１図に示したものでは、ジュール・トム
ソン側圧縮ユニット（200）の高圧ガス管（201）と低圧
ガス管（202）の間に、絞り機構（215）と開閉弁（21
6）を直列に介装したバイパス回路（217）を接続し、ク
ールダウン運転の開始当初は前記開閉弁（216）を開け
てクライオスタット（100）側へのヘリウムの供給量を
少なくし、温度検知等によりクールダウン完了近くにな
ると前記開閉弁（216）を閉じて全量をクライオスタッ
ト（100）側に流すようにして、ジュール・トムソン弁
（７）の開度を運転当初から低温時の絞られた開度に一
定に保持するようにしても低圧ガス管（202）での低圧
が異常に低下するのを防止し、それでいて前記弁（７）
の開度調節を不要にすることより運転の自動化が図れる
ようにしている。従って、上述した活性炭（９）による
真空引きを不要にしたことと相俟って、一層の運転の簡
略化が図れるのである。

（発明の効果） 以上本発明によれば、真空容器（８）の内部に臨む極
低温部の外面若しくは該極低温部に接続される接続機器
類の外面の一部に活性炭（９）を取付けたから、長時間
運転後に停止し、再起動する場合にも、その都度容器
（８）内の真空引きを行わずとも、クールダウンが可能
となり、運転を簡略化できるのである。

ここで、特に、活性炭（９）を、第１ヒートステージ
（１）に対し低温の第２ヒートステージ（２）に接着す
る場合、真空容器（８）の内面から比較的多量に放出さ
れる水素を良好に吸着することができる。更に、活性炭
パネル（21）に活性炭（９）を接着して、このパネルを
第２ヒートステージ（２）に取付ける場合には、水素吸
着性を向上できる他、活性炭（９）による吸着面積を大
きく確保でき、吸着能力を向上できると共に、メンテナ
ンス等も便利となる。

又、活性炭（９）を、ジュール・トムソン熱交換器
（4,5,6）に接続される配管の外面や該熱交換器（4,5,
6）の外面に接着等する場合も、真空容器（８）内の真
空圧力低下に寄与でき、真空引きなしでクールダウンが
行える。

更に、活性炭（９）を、輻射シールドパネル（11）の
内面に接着する場合、活性炭（９）による吸着面積を大
幅に確保することができ、吸着能力の向上が図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかる極低温冷凍機の回路図、第２図
は同活性炭パネルの斜視図、第３図は同ジュール・トム
ソン熱交換器の斜視図、第４図は従来例の回路図であ
る。 （１）……第１ヒートステージ （２）……第２ヒートステージ （３）……第３ヒートステージ （４）……第１ジュール・トムソン熱交換器 （５）……第２ジュール・トムソン熱交換器 （６）……第３ジュール・トムソン熱交換器 （７）……ジュール・トムソン弁 （８）……真空容器 （９）……活性炭 （10）……予冷機 （11）……輻射シールドパネル （21）……活性炭パネル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三浦 和夫 大阪府堺市築港新町３丁12番地 ダイキン 工業株式会社堺製作所臨海工場内 (56)参考文献 特開 昭64−6656（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−148475（ＪＰ，Ａ)

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】多段接続されるジュール・トムソン熱交換
   器（4,5,6）と、その前段熱交換器（4,5）の高圧出口側
   から流出する冷媒を予冷する予冷機（10）のヒートステ
   ージ（1,2）と、最終段熱交換器（６）の高圧出口側と
   低圧入口側との間に接続されるジュール・トムソン弁
   （７）及び最終ヒートステージ（３）を備え、これら各
   極低温部（1,2,3,4,5,6,7）を、真空容器（８）の内部
   に配設した極低温冷凍機において、前記真空容器（８）
   の内部に臨む前記極低温部の外面若しくは該極低温部に
   接続される接続機器類の外面の一部に、活性炭（９）を
   取付けていることを特徴とする極低温冷凍機。
2. 【請求項２】予冷機（10）のヒートステージが２段あ
   り、第１ヒートステージ（１）に対し低温の第２ヒート
   ステージ（２）に、活性炭（９）を接着している請求項
   １記載の極低温冷凍機。
3. 【請求項３】予冷機（10）のヒートステージが２段あ
   り、第１ヒートステージ（１）に対し低温の第２ヒート
   ステージ（２）に、活性炭（９）を接着した活性炭パネ
   ル（21）を取付けている請求項１記載の極低温冷凍機。
4. 【請求項４】ジュール・トムソン熱交換器（4,5,6）に
   接続される配管の外面に、活性炭（９）を取付けている
   請求項１記載の極低温冷凍機。
5. 【請求項５】ジュール・トムソン熱交換器（4,5,6）の
   外面に、活性炭（９）を接着している請求項１記載の極
   低温冷凍機。
6. 【請求項６】予冷機（10）のヒートステージ（１）に取
   付ける輻射シールドパネル（11）の内面に、活性炭
   （９）を接着している請求項１記載の極低温冷凍機。