JPS60171359A - 極低温冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、ヘリウムガスの膨張時に発生でる寒冷を利用
して被冷却物を３〜７０’にの極低温に冷ＩＡＴＩるよ
うにした極低温冷ｉｌｌ　＋ｆｆｉの改良に関りる。

（従来技術） 従来より、この種の極低温冷凍機として、例えば第３図
に示ずように、ヘリウム圧縮機（ａ）と、該ヘリウム圧
縮機（ａ　）で圧縮された高圧ヘリウムガスを膨張させ
る極低温用膨張機（ｂ）とを高圧ガスライン（Ｃ’）お
よび低圧ガスライン（ｄ、）にＪ：り接続して開回路（
ｅ　）を形成し、上記膨張機（ｂ）での高圧ヘリウムガ
スの膨張減圧により寒冷を発生して被冷却物を３〜７０
’にの極低温に冷却するようにしたものが知られている
。

ところぐ、上記極低温用膨張ｍ（ｂ）は、例えば該膨張
機（ｂ）の内部通路（ｎ）を高圧ガスライン（Ｃ）およ
び低圧ガスライン＜ｄ　）に交互に連通せしめるローク
リ弁（ｆ）と、該ロータリ弁（「）を電源同期回転数で
回転′ヒしめる電！Ｉ’ＪＪ　ｍ（す）と、上記ロータ
リ弁（ｆ）の回転に伴うヘリウムガスの吸入および吐出
に応じて往復動じ、内部に吸入ガスおよび吐出ガスのカ
ス通路（ｈ）を有するピストン−（＋）と、該ピストン
（１）のガス通路（１１）に介設された蓄冷器（Ｊ＋）
。

（ｊ２）と、ピストン（＋＞下面およびケーシング（ｋ
）で形成され、高圧ヘリウムガスを上記ビス１ヘンく１
）のガス通路（１＋）をｆＰＬ　’Ｃ吸入する膨張室（
９＋　）、（９，２）とが（４１１λられており、ピス
トン（ｉ　）の往復動に伴う膨°張？、６　（９＋　）
　。

（９２〉の拡大および縮小に応じ（該膨張室（９＋）、
（Ｉ１２＞内の高圧ヘリウムガスを吐出過程にお′いて
膨張さして、該膨張室（Ｕ＋　）、（Ｑ２）１部（つま
り冷却部）を３〜７０°にの極低温に冷却するようにな
されている（１９７２年９月発行の「超低温技術」の７
９〜８７ページ参照）。

しかし、上記膨張１ｍ（ｂ）はロータリ弁＜［）が圧縮
機（ａ　）と同様に電動＃ｊＨｏ）によって電源同期回
転数で回転するものであるため、膨張室（５１＋　）、
＜９．２＞の温度が３００’　Ｋ稈麿の常温である初期
予冷時には、ロータリブｒ（［）の１回転当りのガス吸
入量が少ない関係上、膨張機（１））への単位時間当り
のガス吸入量が少なくて、高圧ガスライン（Ｃ）の高圧
が定格運転圧（例えば２０ａｔｇ）よりも著しく高い（
ｔｌ’！　（例えば３０〜４０ａｔｇ＞になり、その結
果、圧縮１ｆｆ（ａ）や膨張ｍ（１））が故障したり破
壊したりすることがあるという欠点があった。

そこで、従来、第３図に示すように、膨張機（ｂ　）を
バイパスづ゛るバイパスライン（０）を設けるとともに
、該バイパスラインく０）に所定開度に設定したバイパ
ス弁（ｐ）を介設して、初期予冷時には高圧ガスライン
（Ｃ）の高圧ヘリウムガスを該バイパスライン（０）を
経“Ｃバイパスさせて、高圧の異常上昇を防止すること
が行われている。尚、ロータリ弁（ｆ）の１回転当りの
ガス吸入量は膨張機（ｂ）の膨張室ＣＵ＋）、（Ｕｚ）
下部（つまり冷却部）の温度低下に伴い次第に増大する
ので、最終定格運転時にはバイパスライン（０）へのバ
イパスガス量は零となる。尚、図中、（ｍ　）はサージ
タンクである。

しかしながら、上記従来のものでは、初期予冷時、膨張
機（ｂ）への単位時間当りのガス吸入ｍが少なくて、は
とんどがバイパスライン（０）を経てバイパスされるた
め、冷却部の冷却が緩慢で初期予冷に長時間を要すると
ともに、ヘリウム圧縮Ｒ（ａ）の電力損失が大きい。し
かし、ピストン＜ｒ　＞の往復動が上記の如くガス圧の
高低差に応じて行われるものでは、ガス１１［に変動が
生じると、ピストン（１）が上死点又は下死魚を越えＣ
周囲との衝突を生じることがあり、静粛性能を害する。

さらに、定格運転時にはピストン（ｉ）の往復動回数が
電源周波数に応じた比較的多い回数であるため、これ、
に起因Ｊる振動が大きいという問題がある。

（発明の目的） 本発明は斯かる点に鑑みてなされたちのＣ１その目的と
するところは、上記の如き極低温用膨張機のビ・ストン
の単位時間当りの１１復動回数を過すノに制御するよう
にすることにＪ：す、初期ｊ；冷ｕ；’７には膨張１幾
への１４１位哨間当りのガス吸入量を従来よりも多くし
て、初期予冷をλ（目１・目Ｉ’＋Ｉ　？’　シか°ｂ
圧縮機の電力損失少なく行いつつ高圧の異常−１−芦を
確実に防止するとともに、ピストンの往復動をガス圧の
変動に拘らず常に正確に規制し、さらに定格運転時にお
けるピストンの往復動に起因りる振！ＦＩＪを有効に抑
制することにある。

（発明の構成） 」１記目的を達成するため、本発明の構成は、ヘリウム
圧縮機と、極低温用膨張機とを閉回路に接続してなる極
低温冷凍機において、上記閉回路を流通するヘリウムガ
スの圧力又はこれに関連する信号を検出覆る信号検出手
段と、上記極低温用膨張（幾を回転数制御するインバー
タと、上記信号検出手段の出力に応じた周波数設定信号
を上記インパークに出力する制御手段とを備えて、初期
予冷間には、極低温用膨張機のピストンの単位時間当り
の往復動回数を従来よりも多くして膨張機への１１位時
間当りのガス吸入量を増大させることによって、初期予
冷時間の短縮おにび圧縮機の電力損失の低°減を図りな
がら高圧の異常上昇を防止しているとともに、ピストン
の往復動がヘリウムガスの圧力差に応じて行われるもの
では、−ロータリ弁のヘリウムガス圧に応じた回転数制
御によって、ピストンの往復動を常に正確に規制してピ
ストン上面および下面の周囲との衝突を確実に防止し、
さらに最終定格運転時には、ピストン４１復初回数を電
源周波数に同期した回数にりも減少さＵ−（、ピストン
往復動に起因づる膨張機の振動を抑制り゛るようにした
ちのぐある。

（発明の効果） したがって、本発明の極低温冷凍機によれば、極低温用
膨張機のインバータによるヘリウムガス圧に応じた回転
数制御によつ“（゛膨張機へのｌｊ位＋１．’１間当り
のガス吸入量が増減制御されるので、初期予冷時にお番
）る高圧の異常上ｙ？を、初期予冷時間の短縮化および
圧縮機の電力損失の（ｌ（減化を図りつつ確実に防止す
ることがでさるとともに、ピストンの往復動がヘリウム
ガスのＪ１力差に応じて行われるものでは、そのピスト
ン１１１ｕ動を常に正確に規制でき、また定格運転時の
ピストン往復動に起′囚する膨張１幾の振動を有効に抑
制りることができるなど、冷凍能力の向上、省エネルギ
ー化Ｊ５よび静粛性能の向」：を−挙に図ることかぐき
るものである。

（実施例）。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する
。

第１図において、（１）はヘリウム圧縮機、（２〉は該
圧縮機（１）で圧縮された高圧ヘリウムガスを膨張させ
る極低温用膨張機であって、該両機器（１）、（２）間
は高圧ガスライン（３）（＋３Ｊ：び低圧ガスライン（
４）により接続されて閉回路（５）が形成されている。

上記極低温用膨張機（２）は、高圧ガスライン〈３〉に
清適する吸入口（６〉と、低圧ガスライン（４）に連通
ずる吐出口（７）と、中心に設けた内部通路（８）を該
吸入口（６）と吐出口（７）とに交互に連通ずるロータ
リ弁（９）と、該ロータリ弁（９）を回転駆動する電動
機〈１０）と、内部に上記内部通路（８）に連通Ｊ“る
ガス通路（１１）を有するピストン（１２）と、該ピス
トン（１２）のガス通路（１１）に介設された蓄冷器（
１３ａ）、（１３ｂ）と、ピストン（１２）下面とケー
シング（１４）とで形成され、ピストン（１２）のガス
通路（１１）に連通ずる膨張室（１５ａ　）、（１５ｂ
　）と、ピストン（１２）上面を所定圧（Ｐ）で下方に
押圧づる圧力室（１６）と、該肚力室（１６）にＡリフ
イス（１７７を介して連通Ｊるり一−ジタンク（１８）
とを備え、ピストン（１２）は当初は図示の上端位ｆｆ
ｆｌにあり、ロータリ弁（９）ににつて吸入［：’、１
　（Ｃ５）が内部通路（８）に連通したとき、高圧ヘリ
ウムガスが下方に吸入されながら蓄冷器（１３ａ　）、
（１３ｂ　）で冷却されて膨張室（１５ａ）、（１５ｂ
）に流入し、膨張室（１５ａ　）、（１’５ｂ　）内几
力を高めて所定１′＋：、（Ｐ　）以上になるとピスト
ン（１２）を上昇移動さＵる一方、これににリビスｉ・
ン〈′１２）が上端位置に達すると１コータリ弁（９）
にＪ、り吸入口（６）が閉じられるととしに＋＋ｌ、　
ｉｆｆ　１．１１　（７）が内部通路（８）に連通し、
膨張室（１５ａ）。

（１５ｂ）の吸入ガスが膨張減圧しながら寒冷を発生し
たのち、ガス通路（’＋　１　）をＩνｒし、ｙｉ冷器
（１３ａ　）、（１３ｂ　＞で１ｒＡめられて吐出口（
７）から低仄ガスライン（４）に流出することを繰返し
て、膨張室（１５ａ’）　、（１５ｂ　）下部（つまり
冷却部）を３〜７０°Ｋに冷却リ−るようになされてい
る。

そして、本発明の特徴として、（２０）は高圧および低
圧ガスライン（３）、（４）の圧力を検知して開回路（
５）のヘリウムガスの高低圧力差を検出する差圧センサ
よりなる信号検出手段、（２１）は膨張機（２）の電動
機（１０）を回転数制御するインバータであって、上記
信号検出手段（２０）は上記インバータ（２１）に周波
数設定４８号を出力する制御手段（２２）に信号の授受
可能に接続されている。

上記制御手段（２２）は、信号検出手段（２０）からの
圧力差信号値（Ｐｓ）が定格運転時に相当づる定格圧力
差値（Ｐｏ）に一致するとぎには、定格運転時に相当す
る定格周波数設定（Ｕ＠（ｆｏ）を出力する一方、圧力
差信号値（Ｐｓ　）が上記定格圧力差値（Ｐｏ）よりも
大きいときには、その差（Ｉ］５−Ｐｏ）に応じ【定格
周波数設定１８号（ｔｏ＞よりも高い周波数設定信号を
出力するものである。また、上記定格周波数設定（３号
（ｆｏ）は例えばヘリウム圧縮ｅｉ　＜　ｉ　＞の電源
周波数（５０／６０１−１ｚ）の約半分舶の３０　Ｌｌ
　ｚに設定され【いる。尚、図中、（２３）はリージタ
ンクである。

次に、上記実施例に作動について説明する。先ず、初期
予冷時、膨張機（２）の膨張室＜１５８）、（１５１＋
）下部（つまり冷却部）は当初は約３００°にの常温に
あって、高１１刀スライン（３３）の高圧は定格運転時
に較べて）３しく高くなっており、このため信号検出手
段（２０＞の圧力＃　イ、”；　０値（Ｐｓ）は定格圧
力差値（１）ｏ）Ｊ、リム高い。

そのため、制御手段（２２）　ｌ）’　”ｌは定格周波
数設定信号（ｆｏ）よりも高い周波数設定１ｒｉ　３号
がインバータ（２１）に出力され、膨張は（２）の電動
機（１０）は高回転数で回転しりｌｉめる。このことに
より、ロータリ弁（９）ににる内部通路（８）の吸入口
（６）と吐出口（７）との交互の連通が頻繁に行われて
、膨張機（２）への単位時間当りのガス吸入ｍが多くな
り、その結果、冷却部の冷却が急速に且つ圧縮ａｌｔ、
（１）の電力損失を少なくして行われながら高圧が低下
する。そして、高圧が低下すると共に膨張ａ（２）の冷
却部の冷却が進行りる□のに従って、ロータリ弁（９）
の１回転当りのガス吸入量が増大するとともに、インバ
ータ（２１）への周波数設定信号値が小さくなって電動
１３１　（１０）の回転数つまりロータリ弁（９）にＪ
ζる吸入口（６）と吐出口（７）との連通切換回数が少
なくなることを繰返して、膨張機（２）への単位時間当
りのガス吸入量をほぼ同一値に保持しながら高圧が低下
し、インバータ（２１）への周波数設定信号が定格周波
数設定信号（ｆＯ）どなる定格運転状態に早期に移行す
ることになる。

よって、初期冷却時間を短縮すると共に圧縮機（１）の
電力損失を低減しな、がら、高圧の異常上昇を確実に防
止することができる。

また、定格運転時において、高圧が上昇し又は低辻が下
降し−（高低圧力差に変動が生じた場合には、インバー
タ（２１）への周波数設定信号値がそれに応じて大きく
なるので、ロータリ弁く９）′の回転数が増大して、膨
張機（２）の吸入口（６）又は吐出口（７）　（７）連
通Ｉｌｌ　ｒ１７ｉ　１ＪＪ　模が！ｉｊ　ｌυ」に（
Ｉわれ、その結果、ピストン（１２）４よ１−死点又は
下死点を越えることがなくなり、よつ（ピストン（１２
）の上面Ｊ５　Ｊ：び下面の周囲とのＨｊ文を防止して
静粛性能の向上を図ることが？′さる。しか−し、定格
周波数設定信号値（ｆｏ）Ｌよ電源周波数の約半分値で
あるのひ、ピストン（１２）のｌ［１位時間当りの往復
初回数の半減によりピストン（１２）の往復動に起因す
る膨張機（２）の振動を有効に抑制Ｊることができ、よ
って静粛性能のより一層の向上を図ることができる。

また、第２図は極低温用膨張機（２′）として上記実施
例とは異なる構造のものを用いた変形例を示し、上記実
施例ではロータリ弁（１２）の回・　転に応じてピスト
ン（１２）を江力差によつ°Ｕ−Ｖｉ復動させるように
したのに代え、ビス１ヘン（１２）上端部に、内部通路
（８）をイコし、該内部通路（８）を吸入口（６）と吐
出Ｄ　（７）とを交互に連通切換する切、換弁（２４）
を固着し、該切換弁（２４）およびピストン〈１２）を
クランク（２５）を介して電動機（１０）によつＣ直接
往復動させるようにしたものである。

したがって、電動ｉ１　（１０）のインバータ（２１）
による回転数制御にＪ：って上記実施例と同様に、初期
量Ｉ冷の短縮化および圧縮機の電力損失の低減を図りな
がら高圧の異常上昇を防止づることができるとともに、
定格運転時におけるピストン（１２）の往復動回数を減
少さｕＴ、静粛性能の向上を図ることができる。

尚、上記実施例では、信号検出手段（２０〉を、閉回路
（５）のヘリウムガスの高低圧力差を検出り”る差圧セ
ンナで構成したが、その他、温度差等の高低圧力差に関
連する信号を検出するようにしたもので構成してもよい
のは勿論のこと、高低圧力差に限らず、高圧ガスライン
（３）の圧力のみを検出す°るようにしたもの’Ｃ４１
１成してもよい。また、ピストン（１２）の上面および
下面の周囲との衝突は、これを直接に電気式変位訂ぐ検
出しでもにい。さらに、制御手段（２２）によるインバ
ータ（２１）への周波数設定信号は連続的に変化さぼる
必要はなく、段階的であってもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の実施例を示し、第１図は
全体構成図、第２図は極低箭用膨張Ｉ幾として第１図と
は異なる構造の６のを用いた場合の極低温用膨張機の断
面図、第３図は従来例を承り全体構成図である。 （１）・・・ヘリウム圧縮機、（２）・・・極低温用膨
張機、（２０）・・・信号検出手段、（２１）・・・イ
ンバータ、（２２）・・・制御手段。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）ヘリウム圧縮機（１）ど、極低温用１１５ｊ張機
   （２）とを閉回路に接続してへる極低温冷凍（幾におい
   （、上記閉回路を流通りるヘリウムガスの圧力又はこれ
   に関連する信Ｆ３を検出する信号検出手段（２０）と、
   上記極低温用膨張機（２）を回転数制御するインバータ
   （２１）ζ、上記信号検出手段（２０）の出力に応じた
   周波数設定信号を上記インバータ（２１）に出力りる制
   御手段（２２）とを備えたことを１４徴どりる極低温冷
   凍機。