JPH1073333A - 極低温冷却装置 - Google Patents

極低温冷却装置

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JPH1073333A
JPH1073333A JP22843696A JP22843696A JPH1073333A JP H1073333 A JPH1073333 A JP H1073333A JP 22843696 A JP22843696 A JP 22843696A JP 22843696 A JP22843696 A JP 22843696A JP H1073333 A JPH1073333 A JP H1073333A
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JP
Japan
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circuits
compressor unit
pressure regulator
compressor
pressure
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JP22843696A
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English (en)
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Katsuhiro Narasaki
勝弘 楢崎
Kunihiro Kuroki
邦広 黒木
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Sumitomo Heavy Industries Ltd
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Sumitomo Heavy Industries Ltd
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Publication date
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/10Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point with several cooling stages
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/02Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point using Joule-Thompson effect; using vortex effect
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 装置の構成が簡素で、信頼性が高く、取扱い
の容易な冷却温度が超流動ヘリウム温度(1.8K)域と
なる閉サイクル運転の極低温冷却装置を実現することを
課題とする。 【解決手段】 予冷用GM冷凍機21とGM圧縮機ユニ
ットBを結ぶ回路23,24と、JT圧縮機ユニットC
とJT弁16とを結ぶJT回路25,26を別系統とし
て両者を夫々独立させ、前者の回路23,24に於ける
循環ガスとして4Heを、後者のJT回路25,26に於
ける循環ガスとして3Heを使用する。JT圧縮機ユニッ
トCは1段の圧縮機本体1とこれと並列に接続した逆止
弁5と、一次圧力調整器6と、バッファタンク7と、二
次圧力調整器8及び逆止弁付微差圧調整器9とからなる
減圧調整機構とによってJT回路の低圧側を負圧保持可
能にした。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は極低温冷却装置に関
するものである。
【0002】
【従来の技術】
(1) 多段のGM(ギフォ−ド・マクマホン)冷凍機
やスタ−リング冷凍機にJT(ジュ−ル・トムソン)回
路を組合せた4K冷却システム:これは一般には液体ヘ
リウム温度(4.2K)での冷却能力を発生させる装置で
あり、負圧運転機構を有しても3Kレベルが限界であっ
た(実公平7−9000参照)。これは、JT回路を循
環する4He(ヘリウム4)の1.8Kでの飽和蒸気圧が
16.6mbarと非常に低いので、JT回路の低圧側の圧
力を、16.6mbarにする排気用ポンプ装置が必要にな
るのと、JT低圧系の圧力損失の許容値が厳しくなるた
めである。従って、装置が複雑となり、コストアップと
なる。
【0003】(2) クロ−ドサイクルにJT回路を組
合せた冷却システム:これは超流動ヘリウム温度を生成
させる冷却システムであるが、装置が複数段の排気用ポ
ンプ、複数段の圧縮機、複数個のJTバルブ、及び5個
以上の熱交換器等により構成され、非常に複雑となる。
従って構成の複雑さにともない信頼性が低下し、取扱い
が容易でない。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】装置の構成が簡素で、
信頼性が高く、取扱いの容易な冷却温度が超流動ヘリウ
ム温度(1.8K)域となる閉サイクル運転の極低温冷却
装置を実現することを課題とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】予冷用GM冷凍機21と
GM圧縮機ユニットBを結ぶ回路23,24と、JT圧
縮機ユニットCとJT弁16とを結ぶJT回路25,2
6を別系統として両者を夫々独立させ、前者の回路2
3,24に於ける循環ガスとして4Heを、後者のJT回
路25,26に於ける循環ガスとして3Heを使用した。
JT圧縮機ユニットCは1段の圧縮機本体1と、これと
並列に接続した逆止弁5と、一次圧力調整器6と、バッ
ファタンク7と、二次圧力調整器8及び逆止弁付微差圧
調整器9とからなる減圧調整機構とによってJT回路の
低圧側を負圧保持可能にした。
【0006】
【発明の実施の形態】図1に基いて説明する。図1は本
発明の3He/JT方式による2Kレベル冷凍装置のフロ
−を示す。Aは冷凍機ユニット、BはGM圧縮機ユニッ
ト、CはJT圧縮機ユニットで、冷凍機ユニットAとG
M圧縮機ユニットBは管路23,24で、又冷凍機ユニ
ットAとJT圧縮機ユニットCは管路25,26で接続
されている。
【0007】冷凍機ユニットAとGM圧縮機ユニットB
は従来型のものを使用している。21は予冷用GM冷凍
機である。GM圧縮機ユニットBは、GM冷凍機21専
用の圧縮機である。11は第1段熱負荷フランジ、12
は第2段熱負荷フランジ、13は第1段熱交換器、14
は第2段熱交換器、15は第3段熱交換器である。16
はJT弁、17は7〜15Kステ−ジ、18は2Kステ
−ジで、19は40〜60Kシ−ルド、20は7〜15
Kシ−ルドである。これらは真空断熱容器22内に収め
られている。
【0008】JT圧縮機ユニットCは圧縮機本体1に吸
込弁及び吐出弁のないスクロ−ル式圧縮機を用いてい
る。高い圧縮比と吸込側を減圧することが必要である本
発明のJT回路に、弁を有する圧縮機を用いると弁が破
損しやすくなる為スクロ−ル式が最も適している。この
スクロ−ル式圧縮機は、図2に示す如く、固定スクロ−
ルaと旋回スクロ−ルbのラップは基本的に同形であ
り、位相が180度ずれた状態で、かつ各々の中心をε
離した状態で組合わされている。この結果、両ラップの
間に圧縮室Cが形成される。図2(b)はラップ外周部の
圧縮室Cが閉じた吸入完了状態を示し、旋回スクロ−ル
bの中心が時計回りに円軌道運動することによって圧縮
室Cがラップ中心部へ向って体積を縮少しながら移動し
圧縮作用が行われる。
【0009】図1に戻って2は油分離器(オイルセパレ
−タ)、3は吸着器(アドゾ−バ)である。5は逆止
弁、6は一次圧力調整器、7はバッファタンク、8は二
次圧力調整器、9は逆止弁付微差圧調整器で、これらは
圧縮機本体1と並列に接続されている。二次圧力調整器
8及び逆止弁付差圧調整器9とで、JT弁16後の圧力
を負圧に保持する減圧調整機構を構成している。従来は
循環ガスは全て4He(ヘリウム4)であったが、本発明
では予冷用GM冷凍機21とGM圧縮機ユニットBは4
He(ヘリウム4)を循環ガスとし、JT回路とJT圧
縮機ユニットCは3He(ヘリウム3)を循環ガスとして
いる。
【0010】(作用)運転前の3Heガス系内は高圧側、
低圧側に3Heを所定の圧力(5〜6kg/cm2)で封入して
ある。制御回路(図示しない)の運転スイッチを「オ
ン」にすると、GM圧縮機ユニットBと圧縮機本体1及
び予冷用GM冷凍機21が起動する。
【0011】GM圧縮機ユニットBで約20kg/cm2
まで圧縮された4He(ヘリウム4)ガスは管路23を経
て冷凍機ユニットAの予冷用GM冷凍機21へ流れる。
GM冷凍機21へ流入した4Heはこゝで低温を発生さ
せ、1段熱負荷フランジ11、2段熱負荷フランジ12
を冷却したのち、管路24を経てGM圧縮機ユニットB
内へ吸入される。
【0012】JT圧縮機ユニットC内の圧縮機本体1で
圧縮された3He(ヘリウム3)ガスは約5kg/cm2Gと
なり、油分離器2と吸着器3を通ってクリ−ンな3Heと
なり、管路25を経て冷凍機ユニットAのJT回路へと
流れる。
【0013】JT回路の3Heは第1段熱交換器13を通
って第1段熱負荷フランジ11で冷却され、第2段熱交
換器14を通り、さらに第2段熱負荷フランジ12で冷
却され、第3段熱交換器15、JT弁16を出たのち、
0kg/cm2G以下に膨張して2Kステ−ジ18を冷却す
る。2Kステ−ジ18を冷却した低圧3Heは第3段熱交
換器15、第2段熱交換器14、第1段熱交換器13を
通って、高圧の流入3Heと熱交換して昇温し、JT圧縮
機ユニットCの圧縮機本体1に管路26を経て吸入され
る。その後の運転で、予冷用GM冷凍機21の1段、2
段熱負荷フランジ11,12が冷却され1段,2段,3
段熱交換器13,14,15とJT弁16のジュ−ルト
ムソン効果によって、2Kステ−ジ18は定常温度に冷
却される。この時の定常温度はJT弁16後の圧力に対
する飽和温度となり、JT弁16後の圧力を0kg/cm2
G以下に減圧することによって、3.2K以下の温度が
得られる。たとえば、約−0.9kg/cm2Gまで減圧すれ
ば超流動ヘリウム温度(1.8K)域の温度が得られ
る。
【0014】JT圧縮機ユニットCの圧力制御作用は、
吸着器3の個所の3Heが6kg/cm2G以上になると、一
次圧力調整器6が作動し、吐出3Heガスの一部をバッフ
ァタンク7へ保持し、圧縮機本体1の吸入圧力が低下す
ると、二次圧力調整器8と逆止弁付微差圧調整器9が作
動し、バッファタンク7の3Heが供給される。この二次
圧力調整器8と逆止弁付微差圧調整器9を所定の吸込圧
力になるように調整すれば約3.2Kから約1.5Kま
での任意の冷却温度を得ることができる。又、二次圧力
調整器8と逆止弁付微差圧調整器9を使用しない方法と
して、JT弁開度によるJT流量に対し、所定の吸込圧
力になるよう、JT圧縮機ユニットCの運転周波数をイ
ンバ−タで制御することもできる。
【0015】
【発明の効果】冷凍機ユニットAとJT圧縮機ユニット
Cを結ぶJT回路と、冷凍機ユニットAとGM圧縮機ユ
ニットBとを結ぶ回路とを別系統とし、JT回路の循環
ガスとして3He(ヘリウム3)を、又JT圧縮機ユニット
Cの循環ガスとして3Heを使用し、かつこの回路に減圧
調整機構を設けたので、超流動ヘリウム温度(1.8K)
域まで任意に冷却可能となった。このような構成にした
ので、冷凍機ユニットAは従来のGM圧縮機ユニットと
JT弁との4K冷却システムと同様の構成でよく、操作
も同程度で比較的簡単である。そしてJT回路は、10
kg/cm2G未満の低圧でよいので、従来システムより安
全となった。超流動ヘリウム温度(1.8K)域の冷却
温度を要求される場合で、比較的簡単な操作が可能な極
低温冷却装置が望まれる場合に本発明装置は最適であ
り、その利用が大いに期待される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る極低温冷却装置の回路図である。
【図2】(a)はスクロ−ル式圧縮機の断面図、(b)は同
じく圧縮室が閉じた吸入完了状態を示す断面図。
【符号の説明】
A 冷凍機ユニット B GM圧縮機ユニ
ット C JT圧縮機ユニット 1 圧縮機本体 2 油分離器 3 吸着器 4 圧力計 5 逆止弁 6 一次圧力調整器 7 バッファタンク 8 二次圧力調整器 9 逆止弁付微差圧調整器 10 圧力計 11 第1段熱負荷フランジ 12 第2段熱負荷フ
ランジ 13 第1段熱交換器 14 第2段熱交換器 15 第3段熱交換器 16 JT弁 17 7〜15Kステ−ジ 18 2Kステ−ジ 19 40〜60Kシ−ルド 20 7〜15Kシ−
ルド 21 予冷用GM冷凍機 22 真空断熱容器 23,24,25,26 管路

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 予冷用GM冷凍機(21)とGM圧縮機ユニ
    ット(B)を結ぶ回路(23,24)と、JT圧縮機ユニット
    (C)とJT弁(16)とを結ぶJT回路(25,26)を別系統と
    して両者を夫々独立させ、前者の回路(23,24)に於ける
    循環ガスとして4Heを、後者のJT回路(25,26)に於け
    る循環ガスとして3Heを使用することを特徴とする極低
    温冷却装置。
  2. 【請求項2】 JT圧縮機ユニット(C)は1段の圧縮機
    本体(1)と、これと並列に接続した逆止弁(5)と、一次
    圧力調整器(6)と、バッファタンク(7)と、二次圧力調
    整器(8)及び逆止弁付微差圧調整器(9)とからなる減圧
    調整機構とによってJT回路の低圧側を負圧保持可能に
    した請求項1記載の極低温冷却装置。
JP22843696A 1996-08-29 1996-08-29 極低温冷却装置 Pending JPH1073333A (ja)

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