JPS61240061A - 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、第
４図図示の如くジュールトムソン回路（以下Ｊ−Ｔ回路
と称す）２′におい□て、１台の圧縮機３′から吐出さ
れた高圧ヘリウムガスを該圧縮機３′へ戻る低圧ヘリウ
ムガスおよび別設の予冷器ビ、ビで冷却した後、ジュー
ルトムソン弁（以下Ｊ−Ｔ弁と称す）４′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。

（発明が解決しようとする問題点） 一般にこの種ヘリウム冷凍装置においては、Ｊ−Ｔ回路
２′の高圧ガスは、圧縮機３′吐出後、油分離器および
吸着器によって潤滑油、系内の水分およびその他の不純
物ガスを分離、吸着してできるだけクリーンなヘリウム
ガスとしてジュールトムソン熱交換器（以下、Ｊ−Ｔ熱
交換器という）５’　、６’　、７’　に送られる。し
かし、それにもか“かわらず、高圧ヘリウムガス中にＩ
　ＰＰＭ程度の水分、油等が含まれているため、Ｊ−Ｔ
熱交換器のうち、最上流側に位置する第１Ｊ−Ｔ熱交換
器５′で高圧ヘリウムガスが低温のリターンヘリウムガ
スと熱交換して３００Ｋから１００に程度まで冷却され
る際、第１Ｊ−Ｔ熱交換器５′の高圧側で高圧ヘリウム
ガス中に含まれる水分および油、その他の不純物ガスが
結霜および凝固し、５００〜１０００時間連続運転した
時、第１Ｊ−Ｔ熱交換器５′の高圧側が目詰りをおこす
。すると、第・ＩＩＪ−Ｔ熱交換器５′での圧力損失が
大きくなり、ヘリウムガスの流量が極端に減少し、冷凍
性能が低下する結果、ついには第５図図示の如く、連続
運転ができなくなってしまう。なお、第５図には従来例
における運転時間Ｔに対する冷凍能力Ｑおよび低圧ＰＬ
の変化が示されている。

そこで、かかる事態に至った場合、従来では、冷凍装置
の運転を停止し、外部からの侵入熱により、第１Ｊ−Ｔ
熱交換器５′があたたまって凝固物が溶けるまで２〜３
時間待期しなければならず、冷却対象物、例えば液体ヘ
リウムの温度が上昇するなどの問題があった。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、上記の如
き第１Ｊ７Ｔ熱交換器５′の目詰りを簡単な回路を付加
することによって解消し、もって冷凍性能をそこなうこ
となく長期運転を可能ならしめることを目的としている
。

（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図および第２図に示すように、ヘリウム冷凍装置の
Ｊ−Ｔ回路２に、該Ｊ−Ｔ回路２の最上流に位置する第
１Ｊ−Ｔ熱交換器１３に出入する高低圧ガスの流通方向
を切換える切換弁４５を付設して、前記Ｊ−Ｔ回路２の
低圧が設定圧力以下になった時前記切換弁４５を所定時
間切換え作動せしめる如くなすとともに、前記第１Ｊ−
Ｔ熱交換器１３の通常運転時における高圧側出口１３ｂ
と低圧側入口１３ｃとの間に、低圧側入口１３ｃから高
圧側出口１３ｂへのガス流通のみを許容するバイパス回
路４４を介設している。

（作　用） 本発明では、上記手段によって下記の如き作用が得られ
る。

即ち、切換弁４５の切換作動によって第１Ｊ−Ｔ熱交換
器１３の高圧側に目詰りをおこしている水分の結霜およ
び油やその他のガスの凝固物が、低圧側からバイパス回
路４４を介して第１Ｊ−Ｔ熱交換器１３の高圧側へ逆流
する高温高圧ヘリウムガスによりデフロストされ、しか
も、凝固物のデフロストにより生じた水分その他の不純
物がＪ−Ｔ側圧縮機ユニットＢ側へ直接リターンされる
。

（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、第１図図示の如く予冷冷凍回
路ｌとＪ−Ｔ回路２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
縮機ユニット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１２、第１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１５、
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Ｉ９、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および夏３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、低段および高段圧縮機ｓ、ｉ
　ｏ、油分離器９，１１．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１
０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
およびインジェクション用油コイル３３，３４．３５を
冷却し得るように構成されている。

前記各油分離器４，９．１１で分離された油はそれぞれ
の圧縮機３，８．１０の吸入側にインジェクションされ
るようになっている。

７　　　　　　　前記各吸着器５，１２，１４，１７．
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１０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１３，１６，１９、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１６．１９、第２予冷器１８、Ｊ
−Ｔ弁２１および冷却器２２は輻射シールド４１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、高圧側入口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ヒートステーショ
ン７０．７１の外周に設けられた第１および第２予冷器
１５，１８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、このヘリウム冷凍装置に
おいては、Ｊ−Ｔ回路２の最上流に位置する第１Ｊ−Ｔ
熱交換器１３の高圧側入口１３ａの高圧冷媒ガス管２５
と低圧側出口１３ｄの低圧冷媒ガス管２６とに跨ってガ
ス流通方向を切換える切換弁４５が付設される一方、前
記第１Ｊ−Ｔ熱交換器１３の高圧側出口１３ｂと低圧側
入口１３ｃとの間には、低圧側入口１３ｃから高圧側出
口１３ｂへのガス流通のみを許容する逆止弁４３をもっ
たバイパス回路４４が介設されている。

前記切換弁４５は、Ｊ−Ｔ回路２の低圧が設定圧力以下
になった時（換言すれば、第１Ｊ−Ｔ熱交換器１３の高
圧側に結霜および凝固物による目詰りか生じた時）に、
高圧冷媒ガス管２５と低圧冷媒ガス管２６とが相互に交
差する如く切換え作動され（第２図点線矢示）、所定時
間、即ち、予め実験により求められたデフロストに要す
る時間が経過した時、常態に復帰される（第２図実線矢
示）。

なお、低圧の検知は低圧検出器（図示省略）で行ない、
弁切換時期の選定はタイマー（図示省略）で行なえばよ
い。

又、本実施例では、バイパス回路４４に逆止弁４３を介
設しているが、逆止弁に代えて、前記切換弁４５の切換
作動と同期して開閉する開閉弁を用いてもよいことは勿
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。

このヘリウム冷凍装置において、被冷却体、即ち、冷却
器２２が液体ヘリウム温度に達して定常の冷凍運転が行
なわれているときには次のように作動する。

クライオスタットＣから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２８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１０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１１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。この時、切換弁４５は、第２図実
線矢示の如く、高圧冷媒ガス管２゛５および低圧冷媒ガ
ス管２６がそれぞれ連通状態を確保し得る状態とされて
いる。

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の高圧側に入り、Ｊ−Ｔ側圧縮
機ユニットＢへ戻る低圧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１　　　　　　却され、第２Ｊ−Ｔ熱交換
器１６の高圧側に入り、Ｊ−Ｔ側圧縮機ユニットＢへ戻
る低圧側の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（１
５〜２０Ｋ）の外周に設けられた第２予冷器Ｉ８に入り
、膨張機６により約１．５Ｋまで冷却され、更に、第３
Ｊ−Ｔ熱交換器１９の高圧側に入り、Ｊ−Ｔ側圧縮機ユ
ニット日へ戻る低圧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Ｊ−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のっ
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！９の低
圧側に戻る低圧ヘリウムガスは、約４．２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
１Ｊ−Ｔ熱交換器１６．１３において高圧側の高圧ヘリ
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。

上記の如き冷凍運転を継続していると、従来技術の項で
既に説明したように、第１Ｊ−Ｔ熱交換器１３の高圧側
において、Ｊ−Ｔ側圧縮機ユニットＢから送られた高圧
ヘリウムガス中にわずか（即ち、約Ｉ　ＰＰＭ）含まれ
る水分等の不純物が結霜、凝固して目詰り状態となるが
、この時、Ｊ−Ｔ回路２の低圧が降下してくるので、こ
れを検知して、切換弁４５を第２図点線矢示の如く切換
えて、高圧冷媒ガス管２５と低圧冷媒ガス管２６とが相
互に交差する如くなす。すると、常温（３００Ｋ）の高
圧ヘリウムガスは、切換弁４５を経て低圧側出口１３ｄ
より第１Ｊ−Ｔ熱交換器１３の低圧側に入り、低圧側入
口１３ｃおよびバイパス回路４４を経て高圧側出口１３
ｂから第１Ｊ−Ｔ熱交換器１３の高圧側に入り、その後
高圧側入口１３ａから切換弁４５に至る。従って、第１
Ｊ−Ｔ熱交換器１３の高圧側の凝固物は、低圧側より間
接的に加熱されるばかりでなく　、高圧側では高温ヘリ
ウムガスにより直接的に加熱されて、デフロストされる
。而して、該デフロストにより融解された水分等の不純
物を高濃度（１０〜１００　ＰＰＭ以上）含むヘリウム
ガスは、切換弁４５および低圧冷　　　　　　　　２媒
ガス管２６を通ってＪ−Ｔ側圧縮機ユニットＢへ戻り、
油分離器１１および吸着器１２で不純物が分離吸着され
る。所定時間デフロスト運転実施後、第１Ｊ−Ｔ熱交換
器１３内がクリーンアップされると、切換弁４５を第２
図実線矢示の常態に復帰せしめることにより再び冷凍運
転が実施される。

なお、本実施例では、デフロスト運転中において、Ｊ−
Ｔ回路２は勿論のこと予冷冷凍回路ｌの運転も継続され
ており、このことにより、Ｊ−Ｔ回路２側の温度上昇を
最小におさえることができる。

上記仕る如く、本実施例においては、積極的デフロスト
運転を実施するため、短時間で冷凍運転を再開すること
ができ、第３図図示の如く、冷凍能力をそこなうことな
く長期間運転を継続することができるのである。

（発明の効果） 畝上の如く、本発明によれば、Ｊ−Ｔ回路２の最上流に
位置する第１Ｊ−Ｔ熱交換器１３の高圧側にヘリウムガ
ス中に含まれる水分等の不純物が凝固して目詰りをおこ
した時、切換弁４５を切換えることにより、前記第１Ｊ
−Ｔ熱交換器１３の低圧側から高圧側へバイパス回路４
４を介して高圧高温のヘリウムガスを逆流せしめ得るよ
うにしたので、第１Ｊ−Ｔ熱交換器１３の高圧側の不純
物の凝固体をすみやかにデフロストすることができるこ
ととなり、冷凍性能をそこなうことなく長期運転を継続
することができるという優れた効果１　　　　　　　が
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、第２図は：第１図における切換弁の切換状態を
示す要部拡大図、第３図は、本発明実施例における運転
時間Ｔに対する冷凍能力Ｑおよび低圧ＰＬの変化を示す
特性図、第４図は、従来公知のヘリウム冷凍装置の系統
図、第５図は従来例における第３図相当図である。 ｌ・・・・・予冷冷凍回路 ２・・・・・ジュールトムソン回路（Ｊ−Ｔ回路）１３
・・・・第１ジュールトムソン熱交換器（第１Ｊ−Ｔ熱
交換器） ４４・・・・バイパス回路 ４５・・・・切換弁 第２図 運転時間７（ｈｒ）→ 第３図 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、ジュールトムソン回路（２）と、該ジュールトムソ
   ン回路（２）を流れる高圧ヘリウムガスを冷却する予冷
   冷凍回路（１）とを備えたヘリウム冷凍装置において、
   前記ジュールトムソン回路（２）には該ジュールトムソ
   ン回路（２）の最上流に位置する第１ジュールトムソン
   熱交換器（１３）に出入する高低圧ガスの流通方向を切
   換える切換弁（４５）を付設して、前記ジュールトムソ
   ン回路（２）の低圧が設定圧力以下になった時前記切換
   弁（４５）を所定時間切換え作動せしめる如くなすとと
   もに、前記第１ジュールトムソン熱交換器（１３）の通
   常運転時における高圧側出口（１３ｂ）と低圧側入口（
   １３ｃ）との間には、低圧側入口（１３ｃ）から高圧側
   出口（１３ｂ）へのガス流通のみを許容するバイパス回
   路（４４）を介設したことを特徴とするヘリウム冷凍装
   置。