JPS61235649A - ヘリウム冷凍装置 - 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、極低温を得るためのヘリウム冷凍装置に関す
るものである。

（従来の技術） 近年、極低温を得るためのヘリウム冷凍装置の開発が進
められており、例えば、特公昭５８−２１１８６号公報
記載の如き極低温冷凍装置が提案されている。即ち、ジ
ュールトムソン回路（以下、Ｊ−Ｔ回路と称す）におい
て、１台の圧縮機から吐出された高圧ヘリウムガスを該
圧縮機へ戻る低圧ヘリウムガスおよび別設の予冷器で冷
却した後、ジュールトムソン弁（、Ｊ−Ｔ弁と称す）で
減圧し、極低温のヘリウム（気液混合状態）を得るよう
にし、この気液混合状態のヘリウムの蒸発潜熱を極低温
冷却用に利用するようにしている。

（問題が解決しようとする問題点） 一般にヘリウム冷凍装置においては、運転開始直後（Ｊ
−Ｔ弁後のヘリウム温度′；３００Ｋ）から定常冷凍運
転（，１−Ｔ弁面のヘリウム温度＝、５Ｋ）に至る初期
冷却過程、所謂クールダウン運転中におけるＪ−Ｔ弁を
通るヘリウム重量循環量は、どの温度レベルでもほぼ同
じであるが、容積循環量は、ヘリウムガス密度の変化に
依存するところから、Ｊ−Ｔ弁面のヘリウムガス温度に
左右される。

従って、運転開始時のヘリウム容積循環量は、定常運転
時の６０〜１００倍にもなり、Ｊ−Ｔ弁開度を定常運転
時の４．２にレベルで運転すると、絞り過ぎに起因して
Ｊ−Ｔ弁における圧力損失が大きくなる結果、Ｊ−Ｔリ
ターン圧力が極端に低下し、低圧スイッチの設定圧力以
下となって、該低圧スイッチの動作により運転不能にお
ちいる。

それ故、上記公知例に示すような構成のヘリウム冷凍装
置においては、運転開始時にはＪ−Ｔ弁を全開とし、Ｊ
−Ｔ弁面のヘリウムガス温度が下がるにしたがって、Ｊ
−Ｔ弁の開度を絞る操作を度々行なう必要がある。その
ため、クールダウン運転中の数時間は、人がついて運転
をしなければならないという問題が存する。

本発明は、」二足問題点を解消せんとしたちので、Ｊ−
Ｔ弁の開度を運転開始直後から定常運転レベルに保ち、
クールダウン運転中におけるＪ　−１”弁操作を不要な
らしめることを目的とするものである。

（問題点を解決するための手段） 本発明では、上記問題点を解決するための手段として、
第１図図示の如く、予冷用圧縮機３および膨張機６を有
する予冷冷凍回路１と、直列接続された低段圧縮機８お
よび高段圧縮機ｌＯを有するジュールトムソン回路２と
を備え、ジュールトムソン回路２を流れろ高圧冷媒ガス
を予冷冷凍回路１により冷却するヘリウム冷凍装置にお
いて、前記高段圧縮機ＩＯの吐出側と吸入側との間に高
圧制御弁３６と中間圧制御弁３８に挟まれたガスバラス
トタンク３７を有するバイパス回路３９を介設し、冷凍
装置のクールダウン運転中はジュールトムソン弁２１の
開度を定常運転レベルに絞ったままで、前記予冷用圧縮
機３と高段圧縮機１０とを同時運転し、クールダウン終
了を検知する検知手段４４からの指令により前記低段圧
縮機８を起動させる如く運転制御する制御手段４３を付
設している。

（作　用） 本発明では、上記手段によって、次のような作用が得ら
れる。

クールダウン運転中において、Ｊ−Ｔ回路２におけるＪ
−Ｔ弁２１の開度を定常運転レベルに絞ったままで運転
をしても、高段圧縮機１０の循環ヘリウムガスの大部分
がガスバラストタンク３７をバイパスし、Ｊ−Ｔ弁２Ｉ
を通るヘリウムガスは残りの１部となり、高段圧縮機Ｉ
Ｏの吸入側圧力の低下が防止される。

（実施例） 以下、添付の図面を参照して、本発明の好適な実施例を
説明する。

このヘリウム冷凍装置は、予冷冷凍回路ＩとＪ−Ｔ回路
２と制御手段４３とによって構成されている。

前記予冷冷凍回路ｌ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、後に詳述す
る膨張機６およびサージボトル７を順次冷媒ガス管路（
即ち、高圧冷媒ガス管路２３および低圧冷媒ガス管路２
４）で接続して構成されている。ここで、予冷用圧縮機
３、油分離器４、吸着器５、サージボトル７は予冷用圧
縮機ユニッ）Ａを構成している。

一方、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ｌＯ１油分離器１１．吸
着器Ｉ２、第１のジュールトムソン熱交換器（以下、Ｊ
−Ｔ熱交換器と称す）１３、吸着器１４、第１予冷器１
５、第２Ｊ−Ｔ熱交換器１６、吸着器１７、第２予冷器
１８、第３Ｊ−Ｔ熱交換器１９、吸着器２０、Ｊ−Ｔ弁
２１、冷却器２２、前記第３、第２および第１Ｊ−Ｔ熱
交換器１９．１６および１３を順次冷媒ガス管（即ち、
高圧冷媒ガス管２５および低圧冷媒ガス管２６）で接続
して構成されている。ここで、低段及び高段圧縮機８．
１０、油分離器９．＋　１．吸着器１２および後述する
ガスバラストタンク３７は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、低段および高段圧縮機８およびＩ
Ｏには、それぞれ冷却水コイル２７．２８および２９が
付設されており、これら冷却水コイル２７，２８．２９
によってそれぞれの吐出ガスコイル３０．３１．３２お
よびインゼクション用油コイル３３．３．．３５を冷却
し得るように構成されている。

前記各油分離器４，９．Ｉｆで分離された油はそれぞれ
の圧縮機３，８．１０の吸入側にインゼクンヨンされる
ようになっている。

前記各吸着器５，１２．＋　４．１７，２０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
用を有している。

前記サージボトル７は、予冷用圧縮機３へ返戻される低
圧ヘリウムガスの脈動を少なくする作用を有している。

又、前記Ｊ−Ｔ回路２において、吸着器１２出口側の高
圧冷媒ガス管２５と高段圧縮機ＩＯ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および中間
圧制御弁３８を付設したバイパス回路３９が介設されて
いる。該ガスバラストタンク３７は、高圧制御弁３６あ
るいは中間圧制御弁３８を開閉制御することによって、
Ｊ−Ｔ回路２を循環するヘリウムガス量を調整する作用
を有している。

前記膨張機６、Ｊ−Ｔ熱交換器１３．＋　６．＋　９予
冷器１５，１８、Ｊ−Ｔ弁２１および冷却器２２は、高
真空度に保持された真空容器４０内に収容され、且つ第
２、第３Ｊ−Ｔ熱交換器！　６．１９、第２予冷器１８
、Ｊ−Ｔ弁２１および冷却器２２は輻射シールド４Ｉに
囲繞されクライオスタットＣを構成している。符号４２
は、冷却器２２の温度を検出する温度計である。

前記膨張機６は、高圧側人口６１が予冷用圧縮機３の吐
出側に低圧側出口６２が予冷用圧縮機３の吸入側に接続
され、膨張機６内部における高圧ヘリウムガスの膨張行
程で冷却を行なう如くなっており、第１および第２ヒー
トステーンヨン７０゜−７＝ ７１の外周に設けられた第１および第２予冷器１５．１
８においてＪ−Ｔ回路２を流れるヘリウムガスを予冷す
る如く成っている。

而して、本発明の特徴として、運転開始直後から定常運
転時に至る初期冷却過程、所謂クールダウン運転中はジ
ュールトムソン弁２１の開度を定常運転レベルに絞った
ままで、予冷用圧縮機３と高段圧縮機ＩＯとを同時運転
し、クールダウン終了を検知する検知手段４４からの指
令により低段圧縮機８を起動させる如く運転制御する制
御手段４３がヘリウム冷凍装置に付設されている。

前記検知手段４４として、本実施例では、Ｊ−Ｔ弁２Ｉ
後のヘリウム温度の検出する温度計４２の測定値が設定
値、即ち、定常運転レベルの４．２に以下になると信号
を出力する温度検知タイプのものが採用されている。な
お、この検知手段４４としては、中間圧力又はＪ−Ｔリ
ターン圧力等を検知する圧力検知タイプのものを使用し
てもよいことは勿論である。

次に図示のヘリウム冷凍装置の作用を説明する。

まず、運転開始から定常運転に至るクールダウン運転中
の作用を説明する。

運転開始時には、制御手段４３からの指令により予冷冷
凍回路ｌの予冷用圧縮機３とＪ−Ｔ回路２の高段圧縮機
ｌＯとが同時に起動され、低段圧縮機８は停止状態とさ
れる。予冷冷凍回路１の膨張機６の各ヒートステーソヨ
ン７０．７１は温度降下する。

一方、Ｊ−Ｔ回路２においては、クールダウン運転中は
高段圧縮機ＩＯのみが運転されるが、Ｊ−Ｔ弁２１の開
度が定常運転時レベル（即ち、４，２にレベル）の開度
に保たれたままなので、高段圧縮機１０の吸入圧力（以
下、中間圧力という）が低下する。中間圧力が低下する
と、バイパス回路３９の中間圧制御弁３８が開弁され、
ガスバラストタンク３７内のヘリウムガスがＪ−Ｔ回路
２へ放出されて、中間圧力を一定に保とうとする。そし
て、ガスバラストタンク３７からヘリウムガスが連続的
に放出されると、Ｊ−Ｔ弁２１の開度が絞られているた
め、Ｊ−Ｔ回路２の高圧が高くなり、バイパス回路３９
の高圧制御弁３６が開弁され、高圧が一定値以下になる
ようにＪ−Ｔ回路２のヘリウムガスがガスバラストタン
ク３７内へ吸収される。このように、高段圧縮機１０の
循環ヘリウムガスのほとんどがガスバラストタンク３７
をバイパスすることにより、Ｊ−Ｔ弁２１を通るヘリウ
ムガスは残りの１部となる。従って、高段圧縮機ＩＯの
運転圧力は、ガスバラストタンク３７の高圧および中間
圧制御弁３６．３８の設定値に支配されることとなり、
低圧スイッチの設定値以下になるほど極端に低下するこ
とはなく、運転を継続できる。而して、クールダウン運
転中、高段圧縮機１０から吐出された高圧ヘリウムガス
は、膨張機６の各ヒートステーション７０．７１に付設
した第１．第２予冷器］　５．１８にて冷却され、Ｊ−
Ｔ熱交換器＋　３．１６．１９およびＪ−Ｔ弁２１前の
ヘリウムガス温度も徐々に下がってくる。ヘリウムカス
温度が低下してくると当然ヘリウムガスの密度が大きく
なり、Ｊ−Ｔ弁２１を通るヘリウムガス量も徐々に増加
し、逆にガスバラストタンク３７を通るバイパス量が減
少する。そして、Ｊ−Ｔ弁２１後のヘリウム温度が定常
運転レベルである４、２Ｋに近づくと、検知手段４４か
ら指令が出力され、制御手段４３により低段圧縮機８を
起動させる。すると、Ｊ−Ｔ回路２は定常の圧力条件と
なり、ガスバラストタンク３７のバイパス量がほとんど
なくなり、高段圧縮機１０から吐出されたヘリウムガス
のほぼ全量がＪ−Ｔ弁２１を通り、４．２にのヘリウム
液化温度が得られる。

上述の如く、高段圧縮機１０を先行運転するだけで、Ｊ
−Ｔ弁２１の開度操作をすることなくクールダウン運転
が可能となるのである。

なお、クールダウン運転中において、Ｊ−Ｔ弁２１を通
る温度の高いヘリウムガス量が少なくおさえられるとこ
ろから、冷却器２２によりヘリウムを再凝縮する装置と
して使用する場合における、液体ヘリウムの蒸発量を少
なくすることができる。

次に、定常運転状態に達すると、低段圧縮機８が起動し
、クライオスタットＣからのＪ−Ｔ回路リターンヘリウ
ムガスを低段圧縮機８が吸引、圧縮し、冷却水コイル２
８で冷却水により常温３００Ｋまで冷却し、油分離器９
で油分離した後、高段圧縮機ＩＯが吸引・圧縮する。そ
の後、冷却水コイル２９で冷却水により常温３００Ｋま
で冷却し、油分離器ＩＩで油分離した後、吸着器１２で
不純物を吸着し、クリーンな高圧ヘリウムガスをクライ
オスタットＣに供給する。

クライオスタットＣ側に供給された高圧ヘリウムガスは
第１Ｊ−Ｔ熱交換器１３の一次側に入り、Ｊ−Ｔ側圧縮
機ユニットＢへ戻る二次側の低圧ヘリウムガスと熱交換
し、常温３００Ｋから約７０Ｋまで冷却され、膨張機６
の第１ヒートステーシヨン７０（５０〜６０Ｋ）の外周
に設けられた第１予冷器１５に入り、膨張機６により約
５５Ｋまで冷却され、第２Ｊ−Ｔ熱交換器１６の一次側
に入り、Ｊ−Ｔ側圧縮機ユニットＢへ戻る低圧ヘリウム
ガスと熱交換して約２０Ｋまで冷却され、膨張機６の第
２ヒートステーシヨン７１（１５〜２０Ｋ）の外周に設
けられた第２予冷器１８に入り、膨張機６により約１５
Ｋまで冷却され、更に、第３Ｊ−Ｔ熱交換器Ｉ９の一次
側に入り、Ｊ−Ｔ側圧縮機ユニットＢへ戻る二次側の低
圧ヘリウムガスと熱交換して約５Ｋまで冷却され、Ｊ−
Ｔ弁２１に至る。なお、上記過程中において、各、１−
Ｔ熱交換器１３，１６．１９の出口側では、吸着器１４
．１７．２０により窒素、酸素、水素等の不純ガスを低
温吸着し、よりクリーンなヘリウムガスにしてＪ−Ｔ弁
２１や各予冷器１５．１８のつまりを防止している。

而して、高圧ヘリウムガスはＪ−Ｔ弁２１で絞られ、ジ
ュールトムソン膨張をして１気圧、４．２にの気液混合
状態のヘリウムとなって冷却器２２へ供給される。冷却
器２２では、このヘリウムの液部分の蒸発潜熱が他のヘ
リウムガスの液化や再凝縮あるいは被冷却体の冷却に利
用される。

その結果、冷却器２２から第３Ｊ−Ｔ熱交換器Ｉ９の二
次側に戻る低圧ヘリウムガスは、約４２にの飽和ガスと
なる。そして、この低圧ヘリウムガスは第２および第１
Ｊ−Ｔ熱交換器１６．１３において一次側の高圧ヘリウ
ムガスを冷却し、約３００Ｋに温度上昇して、Ｊ−Ｔ側
圧縮機ユニットＢへ戻って行く。以後、同様なサイクル
が繰返されて冷凍運転が行なわれる。

（発明の効果） 叙上の如く、本発明によれば、クールダウン運転中には
予冷用圧縮機３と高段圧縮機１０とを同時運転して、高
段圧縮機ｌＯの循環ヘリウムガスのほとんどがガスバラ
ストタンク３７をバイパスするようにし、クールダウン
終了と同時に低段圧縮機８を起動させて定常運転するよ
うにしたので、Ｊ−Ｔ弁２１の開度操作を行なうことな
く、クールダウンの自動運転を行なうことができるとい
う優れた効果がある。

又、このヘリウム冷凍装置を液体ヘリウムの再凝縮機と
して使用する場合、クールダウン運転中にＪ−Ｔ弁２１
を通る温度の高いヘリウムガス量が少なくおさえられる
ため、液体ヘリウムの蒸発量を少なくすることができる
という利点もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例にかかるヘリウム冷凍装置の
系統図である。 １　・・・・・予冷冷凍回路 ２　・・・・・シュ乙ルトムソン回路 ３　・・・・・予冷用圧縮機 ８　・・・・・低段圧縮機 ＩＯ・・・・・高段圧縮機 ２１・・・・・ジュールトムソン弁 ３６・・・・・高圧制御弁 ３７・・・・・ガスバラストタンク ３８・・・・・中間圧制御弁 ３９・・・・・バイバス回路 ４３・・・・・制御手段 ４４・・・・・検知手段

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．予冷用圧縮機（３）および膨張機（６）を有する予
   冷冷凍回路（１）と、直列接続された低段圧縮機（８）
   および高段圧縮機（１０）を有するジュールトムソン回
   路（２）とを備え、ジュールトムソン回路（２）を流れ
   る高圧冷媒ガスを予冷冷凍回路（１）により冷却するヘ
   リウム冷凍装置において、前記高段圧縮機（１０）の吐
   出側と吸入側との間に、高圧制御弁（３６）と中間圧制
   御弁（３８）とに挟まれたガスバラストタンク（３７）
   を有するバイパス回路（３９）を介設し、冷凍装置のク
   ールダウン運転中は、ジュールトムソン弁（２１）の開
   度を定常運転レベルに絞ったままで、前記予冷用圧縮機
   （３）と高段圧縮機（１０）とを同時運転し、クールダ
   ウン終了を検知する検知手段（４４）からの指令により
   前記低段圧縮機（８）を起動させる如く運転制御する制
   御手段（４３）が付設されていることを特徴とするヘリ
   ウム冷凍装置。