JPH09113052A

JPH09113052A - 冷凍装置

Info

Publication number: JPH09113052A
Application number: JP26668595A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Isokami; 尚志磯上; Norihide Saho; 典英佐保; Takeo Nemoto; 武夫根本; Minoru Morita; 穣森田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-10-16
Filing date: 1995-10-16
Publication date: 1997-05-02

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明の目的は、極低温を発生させる冷凍装置
の冷却時間を短縮させる構造及びその冷却方法を提供す
ることにある。【解決手段】予冷用の寒冷発生機に膨張機（１）を使用
し、膨張機第２ステージ（４）の下流側と被冷却体（２
４）を冷却する冷却配管（１６ｃ）直前との間に、バイ
パス弁（３１）を持ったバイパスライン（３２）を設置
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、極低温の冷凍装置
に関し、特に冷却時間を短縮する構造及びその冷却方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】超電導マグネットを使用した核磁気共鳴
診断装置、熱物性測定装置、ジョセフソン素子や各種セ
ンサー等の各種電子機器や、高真空、高排気速度のクラ
イオポンプ、超電導マグネットを使用した電子加速器や
放射光発生装置等の冷媒には、極低温の液体ヘリウムを
使用する。

【０００３】一般にこれらの被冷却装置には、冷媒であ
る液体ヘリウムを溜めておく液体ヘリウムタンクを内装
する。しかし、液体ヘリウムはわずかな熱で蒸発し、か
つ、高価であるため、蒸発したヘリウムガスを凝縮する
冷凍装置を装着している。この冷凍装置の構造は、例え
ば、特公平3-49022号公報に記載されている。これは、
３段階の低温を発生する予冷冷凍機の各部毎にジュール
トムソン冷凍装置の高圧配管と熱交換する熱交換器を設
け、高圧配管を流れるヘリウムと低圧配管を流れるヘリ
ウムとの熱交換を行う熱交換器を複数設け、熱負荷（冷
却対象）に一番近い熱交換器（以下、最終熱交換器）の
高圧配管下流にＪＴ弁（膨張弁）を設け、この最終熱交
換器の高圧側入口と低圧側入口との間を接続するバイパ
ス回路を挿入し、この最終熱交換器のクールダウンを図
ることが記載されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記示
した従来例では、バイパス弁によるクールダウンは最終
熱交換器の温度を下げるためのものであり、冷却対象を
クールダウンすることについてはなんら配慮がされてい
ない。従って、例え、最終熱交換器をクールダウンした
としても、その後、この熱交換器よりも熱容量の大きい
冷却対象を冷却しなければならないためクールダウン時
間が長くなるという問題がある。

【０００５】本発明の目的は、極低温を発生させる冷凍
装置の冷却時間を短縮させることにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的は、複数の温度
段階を有する寒冷発生手段と、冷却対象となる被冷却体
と、冷媒を圧縮する圧縮手段と、この冷媒を膨張させる
膨張手段と、前記圧縮手段からこの膨張手段に至る高圧
側経路に設けられ、前記寒冷発生手段と熱交換する第１
の熱交換手段と、前記高圧側経路と前記膨張手段から前
記圧縮手段に至る低圧側経路との間で熱交換を行う複数
の第２の熱交換手段とを備えた冷凍装置において、前記
第２の熱交換器のうち高圧側経路の前記第１の熱交換器
よりも下流側に存在する第２の熱交換器をバイパスする
流路を備えることにより達成される。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図１
を用いて説明する。予冷用の寒冷発生回路に配置した寒
冷発生機１は、例えば、ギフォード・マクマホン膨張機
（ＧＭ膨張機）で構成される。ヘリウム圧縮機ユニット
２の高圧ガスは寒冷発生機１中に流入して内部で断熱膨
張し、第１ステージ３、第２ステージ４でそれぞれ温度
約４０Ｋ、１０Ｋの寒冷を発生する。膨張後のガスは、
再び、圧縮機ユニット２に戻る。

【０００８】一方、予冷用の寒冷発生回路と隔離したＪ
・Ｔ（ジュールトムソン）回路の圧縮機ユニット５で約
１.6MPaに加圧された高温高圧のヘリウムガスは、高圧
配管１６ａを通り第１熱交換器６、第２熱交換器７、第
１吸着器８、第３熱交換器９、第４熱交換器１０、第２
吸着器１１、第５熱交換器１２、第３吸着器１３に至
る。第３吸着器１３の高圧流路出口の下流（最終熱交換
器である第６熱交換器に至る経路の途中）には第１ＪＴ
弁１４が存在し、ここで圧力約0.8MPaまでヘリウムを膨
張させる。その後、第６熱交換器１５に入り、温度約５
Ｋの超臨界ヘリウムとなって冷却部配管１６ｃに流れ込
む。例えば、超電導磁石で代表される被冷却体は、冷凍
機の冷却配管に熱的に接続され、冷却配管中に極低温の
ヘリウムガスが流れることによって冷却される。冷却部
配管１６ｃを流れて、外部からの熱侵入による熱負荷を
受けて若干温度上昇したヘリウムガスは、そのまま低圧
配管１６ｂ内に流入し、第２ＪＴ弁１７で圧力約0.12MP
aまで膨張して一部が液化し、第６熱交換器１５に入
る。その後、第４吸着器１８、第５熱交換器１２、第５
吸着器１９、第３熱交換器９、第６吸着器２０、第２熱
交換器６、第７吸着器２１を通り、ほぼ常温となって、
低圧配管１６ｂより圧縮機ユニット５に戻る。また、ク
ライオスッタト２２内は真空断熱され、極低温部は液体
窒素槽あるいは、寒冷発生回路の第１ステージ３によっ
て冷却された熱シールド板２３によって、外部からの輻
射熱を遮蔽している。各吸着器はヘリウムガス中の不純
物を除去するためのものである。

【０００９】ところで、この冷却装置の運転開始時はす
べての機器が常温であるので、これを冷却していかなけ
ればならない。寒冷発生機１は或る程度時間が経てば第
１ステージ３及び第２ステージ４はそれぞれ温度約４０
Ｋ、１０Ｋに到達する。このため、ＪＴ回路の第４熱交
換器１０の下流側のヘリウムは１０Ｋ付近まで冷却され
る。一方、第５熱交換器１２、第６熱交換器１５及び被
冷却体２４は常温であるので、第５熱交換器１２の高圧
配管を通過したヘリウムは温められ温度上昇し、この温
度及び圧力下ではＪＴ弁による冷却は期待できないの
で、第６熱交換器１５を出るとさらに温度上昇し、被冷
却体２４を冷却する冷却部配管１６ｃを通過すると最高
温度となる。その後、低圧配管１６ｂに流入し、第６熱
交換器１５にて高圧配管のヘリウムと熱交換されるので
低圧配管側のヘリウムは冷却され、第５熱交換器１２で
さらに冷却され、１０Ｋよりも高い温度に戻る。すなわ
ち、第２ステージ４以降の温度勾配が上向きとなってい
るのである。このため、全体が所望の温度（被冷却体２
４が要求する温度）になるまで相当時間がかかってしま
う。この点を解決するため、本実施形態では、第５熱交
換器１２及び第６熱交換器１５をバイパスする流路を設
け、直接被冷却体２４を冷却するように構成した。以
下、詳細説明する。予冷用の寒冷発生機１の第２ステー
ジ４の下流側と被冷却体２４を冷却する冷却配管１６ｃ
直前との間に、バイパス弁３１を持ったバイパスライン
３２が設けてある。バイパス弁３１はシャフト３５を介
して常温のダイヤル３４に接続されている。まず、ダイ
ヤル３４を回してバイパス弁３１を開け、第１ＪＴ弁１
４を閉じてバイパス弁３１を開けてクールダウンを開始
する。この時、第２ＪＴ弁１７を用いて冷却配管１６ｃ
及び熱交換器内のヘリウムガスの熱伝達が良くなるよう
に流量及び圧力を制御する。第１ＪＴ弁及び第２ＪＴ弁
は、常温部のコントローラ３６から電気的あるいは機械
的に接続されており、制御される。被冷却体２４が冷却
されれば、第１ＪＴ弁１４を少し開け、熱交換器の冷却
を行う。この時、第２ＪＴ弁１７を絞ることによって第
２ＪＴ弁１７においてジュールトムソン効果が現れ、熱
交換器のクールダウンに貢献する。被冷却体冷却用配管
１６ｃ及び第５及び第６熱交換器の全体の温度が約10Ｋ
に下がれば、バイパス弁３１を閉じて第１及び第２ＪＴ
弁を調整した後、定常冷却運転に入る。定常冷却運転
時には、バイパス弁３１は閉じられているうえに、バイ
パスラインの分岐点及び合流点より上方にあるため、バ
イパスライン３２の中のヘリウムガスは流れを持たず、
上側の温度が高く下側が低くなる温度分布を持つ。ここ
で、バイパス弁３１は常温のダイヤル３４及びフランジ
と熱的に接続されており、さらにシャフトに比べてバイ
パスラインが長いためにバイパス弁３１の温度は常温付
近になる。ここで、バイパスライン３２は管径の細いキ
ャピラリチューブ等で構成すれば、より効果的である。

【００１０】このように、はじめはジュールトムソン弁
を完全に閉止状態にしておくことによって、循環ヘリウ
ムの全流量をバイパスラインに流すことができ、効率良
くクールダウンを行うことができる。その後、被冷却体
の温度が下がってきてから、ジュールトムソン弁を開け
れば、最終熱交換器のクールダウンが行え、その後バイ
パス弁を閉止することによって定常運転に入ることがで
きる。また、定常運転時にはバイパス弁３１の温度をほ
ぼ常温に保つことによって、バイパス弁３１全閉時にお
ける信頼性を高め、バイパス弁からリークすることによ
る性能劣化の危険性を防ぐ。

【００１１】本実施例では、被冷却体として、超電導磁
石を取り上げ、超電導磁石を冷却配管を用いて伝導冷却
的に冷却する構造を示したが、本冷凍装置により製造し
た液体ヘリウムに超電導磁石を浸漬して冷却する構造で
も、効果は同様である。

【００１２】また、本実施例では、第２ＪＴ弁を被冷却
体２４を冷却するための冷却配管１６ｃの下流側に設置
したが、上流側に設置した場合でも効果は同様である。
さらにＪＴ弁が１つの場合、すなわち第２ＪＴ弁１７及
び第６熱交換器１５が存在しない場合でも、本発明によ
る効果は同様である。

【００１３】また、図２に示すように、第６熱交換器の
構造を液体ヘリウム槽２６に変えても同様の効果を得る
ことができる。さらに、図３に示すように、バイパス弁
３１をコントローラ３６により制御される構成してもよ
い。本構成により、クールダウンの自動化を図ることが
できる。図示していないが、冷凍機内部の温度及び圧
力、さらに被冷却体の温度等を測定し、それをコントロ
ーラに取り込むことによって、自動冷却運転が可能とな
る。また、バイパス弁３１は図１で示したようにシャフ
トを介して常温部と接続されていてもよいが、接続され
ていない場合でも、常温付近に設置されているだけで、
定常冷却運転時には常温部からの輻射により常温付近ま
で温度上昇し、リークの危険性を抑制する効果は同様で
ある。また、常温部からのシャフトが不要なため、構造
が簡素となり小型化を図ることができる。

【００１４】さらに、図４に示すように、バイパスライ
ン３２中に熱交換器３７設置することにより、バイパス
ライン３２をバイパス弁３１に向かうヘリウムガスとバ
イパス弁３１から帰ってくるヘリウムガスとの熱交換を
行ようにした。本構成によれば、シャフト３５が熱伝導
率の良い材質で構成されていた場合でもクールダウン時
にその影響をほとんど受けず、クールダウン時にバイパ
ス弁３１の温度がほとんど下がらないため、定常冷却運
転に切り替えた直後からバイパス弁の信頼性を高くする
ことができ、低温のヘリウムガスがリークすることによ
って、バイパス弁の温度上昇が抑制されリークが止まら
なくなるというような危険がほとんどなくなる。

【００１５】以上の実施形態では、超電導マグネットを
被冷却体にした場合について説明したが、ジョセフソン
素子や各種センサー等の各種電子機器や、高真空、高排
気速度のクライオパネルを被冷却体にしても、効果は同
様である。また、寒冷発生機に２段のＧＭサイクルの膨
張機を適用した例で説明したが、３段のＧＭサイクル、
ソルベイサイクル、スターリングサイクル、ビルマイヤ
サイクル、タービン式、クロード式膨張機を適用した冷
凍サイクルやブレイトンサイクルでも同等な効果があ
る。

【００１６】

【発明の効果】本発明によれば、効率良く循環ヘリウム
ガスをクールダウンに使用することができるため、冷凍
機のクールダウン時間を短縮することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態である冷凍装置の構成を説
明する図。

【図２】図１に示した実施形態の第６熱交換器に改良を
施した図。

【図３】図１に示した実施形態のバイパス弁に改良を施
した図。

【図４】図１に示した実施形態のバイパス流路に改良を
施した図。

【符号の説明】

１…膨張機、２…圧縮機ユニット、５…圧縮機ユニッ
ト、６…熱交換器、７…熱交換器、９…熱交換器、１０
…熱交換器、１２…熱交換器、１５…熱交換器、１４…
Ｊ・Ｔ弁、１７…Ｊ・Ｔ弁、１６ｃ…冷却配管、２２…
真空容器、２３…熱シールド板、２４…超電導コイル、
２５…磁石枠、２６…液体ヘリウムタンク３１…バイパ
ス弁、３２…バイパスライン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者森田穣茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の温度段階を有する寒冷発生手段と、
冷却対象となる被冷却体と、冷媒を圧縮する圧縮手段
と、この冷媒を膨張させる膨張手段と、前記圧縮手段か
らこの膨張手段に至る高圧側経路に設けられ、前記寒冷
発生手段と熱交換する第１の熱交換手段と、前記高圧側
経路と前記膨張手段から前記圧縮手段に至る低圧側経路
との間で熱交換を行う複数の第２の熱交換手段とを備え
た冷凍装置において、前記第２の熱交換器のうち高圧側
経路の前記第１の熱交換器よりも下流側に存在する第２
の熱交換器をバイパスする流路を備えた冷凍装置。
【請求項２】請求項１において、前記膨張手段は、前記
第１の熱交換手段よりも下流側であって、前記被冷却体
の上流側及び下流側に夫々設けられるものである冷凍装
置。
【請求項３】請求項１において、前記バイパス流路はそ
の流路中にバイパス弁を有するものである冷凍装置。
【請求項４】請求項３において、前記バイパス弁は常温
と熱的に接続されている冷凍装置
【請求項５】請求項３において、前記バイパス弁の入口
側バイパス流路と出口側バイパス流路とを熱交換する第
３の熱交換手段とを備えた冷凍装置。
【請求項６】請求項２において、冷却開始時、前記被冷
却体の上流側に存在する膨張手段を閉じ、前記バイパス
弁を開け、前記被冷却体が所定の温度に達したとき、前
記被冷却体の上流側に存在する膨張手段を開け、さらに
熱交換器が所定の温度に達したとき、前記バイパス弁を
閉じる制御手段とを備えた冷凍装置。
【請求項７】複数の温度段階を有する寒冷発生手段と、
冷却対象となる被冷却体と、冷媒を圧縮する圧縮手段
と、この冷媒を膨張させる膨張手段と、前記圧縮手段か
らこの膨張手段に至る高圧側経路に設けられ、前記寒冷
発生手段と熱交換する第１の熱交換手段と、前記高圧側
経路と前記膨張手段から前記圧縮手段に至る低圧側経路
との間で熱交換を行う複数の第２の熱交換手段とを備え
た冷凍装置において、前記第２の熱交換器のうち高圧側
経路の前記第１の熱交換器よりも下流側に存在する第２
の熱交換器をバイパスする流路と、前記被冷却体より下
流側に圧力調節可能な弁手段とを備えた冷凍装置。