JPS6128907B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は極低温冷却装置に係り、特に寒冷発生
部である冷凍機と寒冷利用部であるクライオスタ
ツトが分離されたスプリツト形に好適な極低温冷
却装置に関するものである。

従来、動作ガスにヘリウムを用いた極低温冷却
装置としては種々の形式があるが、大別すると冷
凍機とクライオスタツトが一体になつた一体形お
よび分離されて両者間を動作ガス管を内設した連
絡管で連結したスプリツト形に分けられるる。そ
して一般的な傾向としては小容量のものは一体形
が多く採用され、大容量のものにはスプリツト形
が多く採用されている。

ところが、小容量のものはそのほとんどが冷凍
機部に往復動式の膨張エンジンを採用しているた
め、振動や騒音が大きいという欠点がある。

そこで、寒冷利用部であるクライオスタツトに
おいて振動や騒音をきらう場合は小容量のもので
もスプリツト形にするケースがある。

いま、そのようなケースにおける従来例を第１
図にしたがつて説明する。

１は１段目圧縮機、２は２段目圧縮機、３は冷
凍機、１４はクライオスタツト、２６は冷凍機３
とクライオスタツト１４を結ぶ連絡管である。２
段目圧縮機２から吐出された高圧のヘリウムガス
の一部はバルブ機構４を通つて膨張手段である第
１膨張エンジン５，第２膨張エンジン６に供給さ
れ、ここで寒冷を発生させて中圧のヘリウムとな
つて１段目圧縮機１と２段目圧縮機２の間にもど
る。

一方、２段目圧縮機２から吐出された高圧のヘ
リウムガスの残りは保冷槽１３内の第１熱交換器
９に入り、ここを通る間に冷却され、真空断熱さ
れた連絡管２６に内設されたヘリウムガス管３７
ａを通りクライオスタツト１４内の第１シールド
ステーシヨン２３に入る。ここで第１シールドス
テーシヨン２３につながる第１シールド板１５を
を冷却して、内部への熱侵入を低減させる。第１
シールドステーシヨン２３を出た高圧のヘリウム
ガスは連絡管２６に内設されたヘリウムガス管３
７ｂを通り第１膨張エンジン５の先端にある第１
コールドステーシヨン７と熱交換してさらに低温
になり、第２熱交換器１０に入る。ここを通る間
にさらに冷却され、連絡管２６に内設されたヘリ
ウムガス管３７ｃを通りクライオスタツト１４内
の第２のシールドステーシヨン２４に入り、第２
シールド板１６を冷却する。第２シールドステー
シヨン２４を出た高圧のヘリウムガスは連絡管２
６に内設されたヘリウムガス管３７ｄを通り第２
膨張エンジン６の先端にある第２コールドステー
シヨン８と熱交換してさらに低温になり、第３熱
交換器１１に入る。第３熱交換器１１で十分に冷
却された高圧のヘリウムガスは連絡管２６に内設
されたヘリウムガス管３７ｅを通りジユールトム
ソン弁１８に至り、ここで減圧されて等エンタル
ピ膨張し、一部は液化して容器１７の中にたま
る。容器１７に十分液体ヘリウムがたまつてくる
とジユールトムソン弁１８で減圧された低圧、低
温のヘリウムガスは３方弁１９、凝縮熱交換器２
０を経て連絡管２６に内設されたヘリウムガス管
３７ｆを通り保冷槽１３内の第３熱交換器１１の
低圧流路に入り、それぞれ第２熱交換器１０、第
１熱交換器９の低圧流路を経て、１段目圧縮機１
の吸込側にもどる。もちろん、各熱交換器の低圧
流路を通る際には高圧流路のヘリウムガスを冷却
しながら自身は温度上昇して最終的にはほぼ常温
の低圧ヘリウムガスとなる。

また２５は、いわゆるヒートパイプの一種で、
例えば、極低温冷却装置全体を冷却しはじめる
際、いわゆる、クールダウン時に容器１７の温度
が第２シールド板１６の温度よりも高いときには
中に封入した流体の沸騰、凝縮によつて容器１７
と第２シールド板１６との間の熱の授受を行なつ
て容器１７の冷却を促進するが、容器１７の温度
が低下してきて第２シールド板１６の温度より低
くなつたときには熱の授受がなくなるようになつ
ている。なお、ヒートパイプの呼び方には、他に
サーマルダイオード、サーマルカツプリング等が
ある。

このような極低温冷却装置では、次のような欠
点があつた。すなわち連絡管２６に内設されるヘ
リウムガス管が６本と多いため、連絡管２６が大
きなものになり、それだけ熱侵入が増大するとい
う欠点があつた。特に小容量の極低温冷却装置の
場合、冷凍能力または液化能力に余裕がないので
連絡管２６における熱侵入が大きくなると、所定
の性能が得られずそれだけ大きな容器の冷凍機を
必要とする。また、ヒートパイプ２５は常時、第
２シールド板１６と容器１７間を熱授受を行う流
体が密封された筒状容器で連結しているため、容
器１７の温度が第２シールド板１６よりも低温に
なつて流体の循環による熱の授受がなくなつた時
点以降でも、ヒートパイプ２５の壁をつたわる熱
伝導による熱の移動はなくならず、この現象は、
低温部である容器１７への熱侵入と同じ現象であ
るため、容器１７の温度が低下して定常温度にな
つた後はむしろ容器１７への熱侵入を増大させる
欠点があつた。

本発明は、上記欠点の解消を目的としたもの
で、クライオスタツトに少なくとも２段以上の熱
交換器を内設させ、かつ、該熱交換器の低温端部
をそれぞれ対応する温度レベルのシールド板並び
に容器に熱的に接触させて設置した極低温冷却装
置を提供するものである。

以下、本発明の一実施例を第２図、第３図によ
つて説明する。なお、第２図，第３図で、第１図
と同一部品は同一符号で示している。まず、第２
図で極低温冷却装置全体について説明すると、２
段目圧縮機２から吐出された高圧の動作ガスであ
るヘリウムガスの一部はバルブ機構４を通つて冷
凍機３の保冷槽１３に内設された膨張手段である
第１膨張ンジン５，第２膨張エンジン６に供給さ
れ、ここで寒冷を発生させて中圧のヘリウムガス
となつて１段目圧縮機１と２段目圧縮機２の間に
もどる。

一方、２段目圧縮機２から吐出された高圧ヘリ
ウムガスの残りはクライオスタツト１４に内設さ
れた１段目の熱交換器である第１熱交換器３１に
入り、ここを通る間に対向して流れる低圧ヘリウ
ムガスで冷却され、真空断熱された連絡管２６に
配設されたヘリウムガス管３８ａを通つて第１膨
張エンジン５の先端にある第１コールドステーシ
ヨン７と熱交換してさらに低温になる。

ここで第１熱交換器３１の低温端部は対応する
温度レベルの第１のシールド板１５と熱的に接触
して設置されており、第１シールド板１５は第１
熱交換器３１の低温端部で冷却され、内部への熱
侵入を低減させる。

第１コールドステーシヨン７で低温となつた高
圧ヘリウムガスは連絡管２６に内設されたヘリウ
ムガス３８ｂを通つて２段目の熱交換器である第
２熱交換器３２に入り、ここでも対向して流れる
低圧ヘリウムガスで冷却され、連絡管２６に内設
されたヘリウムガス管３８ｃを通つて第２膨張エ
ンジン６の先端にある第２コールドステーシヨン
８と熱交換してさらに低温になる。

ここで、第２熱交換器３２の低温端部は対応す
る温度レベルの第２シールド板１６と熱的に接触
して設置しており、第２シールド板１６は第２熱
交換器３２の低温端部で冷却され、内部への熱侵
入を更に低減させる。

第２コールドステーシヨン８で更に低温となつ
た高圧ヘリウムガスは連絡管２６に内設されたヘ
リウムガス管３８ｄを通つて３段目の熱交換器で
ある第３熱交換器３３に入る。第３熱交換器３３
で十分に冷却された高圧ヘリウムガスはジユール
トソン弁１８で等エンタルピ膨張し、低圧、低温
のヘリウムガスとなり一部は液化して容器１７の
中にたまる。末液化の低圧・低温のヘリウムガス
は凝縮熱交換器２０を経て、第３熱交換器３３の
低圧流路に入り、続いて第２熱交換器３２、第１
熱交換器３１の低圧流路を経て１段目圧縮機１の
吸込側にもどる。

そして第３熱交換器３３の低温端部は対応する
温度レベルの容器１７と熱的に接触して設置され
ており、容器１７は、クールダウン時にも第３熱
交換器３３の低温端部で従来用いられていたヒー
トパイプと同等の冷却能力で冷却され、その上、
容器１７の温度が定常温度になつた後は、ヒート
パイプを用いた場合に生じたような容器１７への
熱侵入が防止される。

次に第３図でクライオスタツト内のシールド板
や容器に熱的に接触して設置された熱交換器の具
体的な構造について説明する。

２重管式熱交換である第１熱交換器３１′の下
端部すなわち低温端部は対応する温度レベルの第
１シールド板１５と熱的に接触して設置されると
共に、第１熱交換器３１′の上部すなわち高温部
と第１シールド板１５の間には、第１熱交換器３
１′の高温部と第１シールド板での熱交換を防止
するための熱絶縁材３４が取付けられ、第１熱交
換器３１′は第１シールド板１５に巻装されてい
る。。このように第１熱交換器３１′の下端部のみ
第１シールド板１５と熱的に接続させることによ
つて第１シールド板１５は第１熱交換機３１′の
低温端部とほぼ同じ温度まで冷却され、内部への
熱侵入量が低減される。また、２重管式熱交換器
である第２熱交換器３２′および同じく第３熱交
換器３３′についても同様にそれらの下端部すな
わち低温端部のみをそれぞれ対応する温度レベル
の第２シールド板１６および容器１７と熱的に接
触して設置されると共に、第２熱交換器３２′お
よび第３熱交換器３３′の上部すなわち高温部と
第２シールド板１６および容器１７の間には、第
２熱交換器３２′および第３熱交換器３３′の高温
部と第２シールド板１６および容器１７での熱交
換を防止するためめ熱絶縁材３５，３６がそれぞ
れ取付けられ第２熱交換器３２′は第２シールド
板１６に、第３熱交換器３３′は容器１７に巻装
され、第２シールド板１６は第２熱交換器３２′
の低温端部とほぼ同じ温度まで冷却され、また容
器１７は第３熱交換器３３′の低温端部とほぼ同
じ温度まで冷却され、内部への熱侵入量が更に低
減される。

このように、第１熱交換器〜第３熱交換器を、
それぞれの低温端部を対応する温度レベルの第１
シールド板、第２シールド板、容器に熱的に接触
させ設置した状態でクライオスタツトに内設させ
た場合は、連絡管に内設されるヘリウムガス管の
本数を従来の６本から４本に減らし連絡管を小さ
くできるので、外部からの熱侵入をそれだけ小さ
く抑制でき、特に、最も低温のヘリウムガスが通
る第３熱交換器とジユールトムソン弁を連結する
ヘリウムガス管を連絡管に内設させずにすむの
で、外部からの熱侵入を更に小さく抑制でき、か
つ、クールダウン時にも容器をヒートパイプによ
らず第３熱交換器で冷却するようにしたので、容
器の温度が定常温度になつた後の容器への熱侵入
を防止できると共に、シールドステーシヨンとヒ
ートパイプの設置が不要となるので、極低温冷却
装置全体の構造を簡単にできる。

本発明は以上説明したように、極低温冷却装置
において、クライオスタツトに少なくとも２段以
上の熱交換器を内設させ、かつ、該熱交換器の低
温端部をそれぞれ対応する温度レベルのシールド
板並びに容器に熱的に接触させ設置したというこ
とで、次の効果を得ることができる。

(1) 連絡管を介する外部からの熱侵入を小さく抑
制できるので、冷凍機の容量を小容量化でき
る。

(2) ヒートパイプによらず容器を冷却できるの
で、タールダウン時に容器の温度が定常温度に
なつた後の容器への熱侵入を防止できる。

(3) シールンステーシヨンとヒートパイプの設置
が不要となるので、極低温冷却システム全体の
構造を簡単化できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の極低温冷却装置を説明するも
ので、スプリツト形の極低温冷却装置の系統図、
第２図，第３図は、本発明の一実施例を説明する
もので、第２図は、本発明によるスプリツト形の
極低温冷却装置の系統図、第３図は、各段の熱交
換器に２重管式熱交換器を用いたクライオスタツ
トの断面図である。 １，２……圧縮機、３……冷凍機、５……第１
膨張エンジン、６……第２膨張エンジン、１３…
…保冷槽、１４……クライオスタツト、１５……
第１シールド板、１６……第２シールド板、１７
……容器、２６……連絡管、３１から３３，３
１′から……３３′熱交換器、３４から３６……熱
絶縁板、３８ａから３８ｄ……ヘリウムガス管。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 低圧の動作ガスを圧縮し高圧の動作ガスを供
   給する圧縮機と、高圧の動作ガスを膨張させて寒
   冷を発生させる膨張手段とよりなる冷凍機と、液
   化した動作ガスや被冷却体を収納する容器および
   該容器の囲りに設けられたシールド板を内設し前
   記冷凍機で発生した寒冷を利用するクライオスタ
   ツトと、該クライオスタツトと前記冷凍機とを連
   結した連絡管とで構成されたスプリツト形の極低
   温冷却装置において、前記クライオスタツトに少
   なくとも２段以上の熱交換器を内設し、かつ、該
   熱交換器の低温端部をそれぞれ対応する温度レベ
   ルの前記シールド板ならびに前記容器に熱的に接
   触させて設置したとを特徴とする極低温冷却装
   置。