JPS63210572A - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は超電導マグネット、クライオポンプなどを冷却
する極低温冷凍機に関する。

（従来の技術） ヘリウムガスを用いて２０にとか８０にの極低温を得る
小形軽量の冷凍機が実用化されている。この冷凍機の原
理は、基本的に断熱膨張による謳度低下を用いるもので
、ある容積の円筒に圧縮ヘリウムガスを導入し、続いて
、このガスを急激に膨張させて円筒の外に排出すると断
熱的な気体の膨張のためヘリウムガス自体が冷却される
。このヘリウムガスの圧縮膨張を繰り返す過程に、蓄冷
器と呼ぶ銅や鉛の熱容量により冷熱を蓄える装置を用い
ることにより、断熱膨張による冷却効果を次々と釆 蓄積して、膨餅空間部の金属壁は次第に冷却して最終的
に流入熱とバランスしである温度に到達する。この到達
温度は流入ヘリウムの圧力流量温度および膨張空間の容
積によって決まる。

汎用冷凍機では、上記膨張空間を同一軸の２段円筒の各
段に設け、蓄冷器をモーターで駆動することにより効果
的な熱交換を行い、各段に約８０におよび２０にの温度
で所要の冷凍量を得るようになっている。この各段は通
常鋼のフランジ形状の冷却部を有し、この部分に被冷却
物を熱的に接触させて冷却するようになっている。

（発明が解決しようとする問題点） 上記冷凍機の冷却部は冷凍機本体に密接しておリ、これ
を超電導マグネットの熱ふく射シールドの冷却などに用
いようとすればボルト、溶接などによりふく射シールド
に固定しなければならない。

このため冷凍機が故障した場合、その修理のために超電
導マグネット全体を室温まで昇温し分離する必要があっ
た。液体ヘリウムは非常に高価で。

極低温冷却には長い時間を要するから、この作業は大変
な損失となる。

本発明は上記問題を解決するために、冷凍機の延 冷却部を冷凍機本体より外部に肴長し、超電導マグネッ
トに着脱可能に取り付けられる構造の冷凍機を提供する
ことを目的とする。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 本発明の極低温冷凍機は、冷凍部をヘリウムガスから延
長した断熱真空層でおおい、被冷却体に着脱自在に挿入
して冷却出来るようにしたもので′　ある。延長管は冷
凍機の２段冷却部の各段にそれぞれ取りつけるか必要な
温度の段に取り付ける。

（作　用） 冷凍機の冷凍部をヘリウムガス冷却の蛇管で延長し、被
冷却体に着脱自在に取り付けられるように構成したこと
により、冷凍機故障時に容易に修理交換が可能となる。

またガス循環冷却のため、流量調整により延長熱交換部
の温度をある程度コントロール出来る。

（実施例） 第１図において、１はヘリウム冷凍機の真空断熱外筒、
２は冷凍機の１段蓄冷器、３は２段蓄冷が 器で、それぞれ銅メツシユあるいは銅粉、鉛の侍などが
充填してあり、ヘリウムガスが中を通過出来るように構
成されている。４はヘリウムガスの１段膨張シリンダー
、５は２段膨張シリンダー、６は蓄冷器の熱交換効率を
高めるために蓄冷器を駆動するモータ、７はその駆動機
構である。８゜９はヘリウム圧縮ｖ＆２２からの膨張ヘ
リウムガスの出、入口、１０は真空断熱空間、１１は真
空断熱延長管である。１２は１段熱交換器、１３は２段
熱交換器で材質は銅など良熱伝導材料からなる冷却蛇管
で４．５の膨張シリンダー上にろう付けなどの方法によ
りそれぞれ取り付けられている。１４．１５は１段およ
び２段の延長熱交換器である。１６は第一冷却容器、１
７は第２冷却容器、１８は液体窒素、１９は液体水素ま
たは、液体ネオン、その地温合液である。２０はガスの
封止機構である。２１は被冷却体の断熱真空容器である
。

真空断熱空間１０は予め排気されて真空断熱層を形成し
ている６２２のヘリウム圧縮機より圧縮されたヘリウム
ガスが入口８を通り、蓄冷器２，３の３内を通り出口９
から２２のヘリウム圧縮機に戻る。

このとき膨張シリンダ４，５内の膨張空間のヘリウムガ
スは断熱膨張するから空間容積に応じて残留ガスが冷却
される。このとき蓄冷器２，３は駆動機構７により、４
，５内の膨張空間部に移動し居。

て寒冷の一部を吸収して冷却される。次に再び動線ガス
が入口８より流入し、同様のサイクルが繰り返されると
蓄冷作用により膨張イシリンダ４゜５内の残留ガスは次
第に冷却され、外部からの侵入熱とバランスしである温
度に落ち着く。一般的な冷凍機では膨張シリンダー４，
５はそれぞれ５０〜８０に、　１５〜２０にの温度にな
る。

一方、１段および２段熱交換器の１２．１３、そして、
１段および２段延長熱交換器１４．１５は、第２図に示
すようにシリーズに接続される。１２．１３は１段およ
び２段膨張シリンダー４，５と熱的に密接して取り付け
られ、特に１２は往路、復路のヘリウムガスが向流熱交
換するように構成される。

圧縮機２２のヘリウムガスの一部が、第２図に示す回路
で各熱交換器の管路内を流れることによって、膨張シリ
ンダー４，５で得た寒冷を、延長熱交換器１４．１５に
運び、ここで熱を吸収して１段熱交換ｆ＠１２で流入す
る室温のヘリウムガスと熱交換１５の外表面温度は、第
１および第２の冷却容器１６゜１７内に封入した窒素ガ
ス、ネオンガスなどを液化する温度に設定することが出
来る。

もちろん１図示していないが延長熱交換器１４゜１５を
直接、ふく射シールドその他、被冷却体に接触させて冷
却することも可能である。この場合は前者のガス封入構
造の場合のよう□に冷凍機の着脱は容易にはならない。

ガスを封入した第１、第２の冷却容器１６．１７は内部
で封入ガスが液化して一定の温度、圧力に保持されるか
ら、これ等の容器をふく射シールド、その地被冷却体に
熱的に接続すれば冷凍機が着脱容易な状態で冷却可能で
ある。

冷凍機本体から離れた場所に任意の寸法形状の熱交換器
を配置出来、被冷却体に窒素、水素、ネオンなどの液溜
めを設ければ封じ切りの凝縮運転が可能となる。従って
、超電導マグネットの８０Ｋ。

２０にの熱ふく射シールドの一部に上記液溜めを設けて
凝縮運転を行えば、シールドを長期間一定温度にメイン
テナンスフリーで保持出来る。また液溜めのガス相に熱
交換器を挿入して冷却するので書零李寺１９−通常の公
知の極低温冷媒移送管（トランスファーチューブと呼ぶ
）と同様の取扱Ｕ）で着脱自在姓今り、冷凍機の修理点
検が極めて容易となる。また超電導装置の設計において
、冷凍機付きと冷凍機無しの両方を共通のクライオスタ
ットで設計できる。

また、超電導装置の熱ふく射シールドを小形冷凍機のみ
で冷却すると冷凍能力不足のために非常に長時間を要し
、通常は液体窒素を注入して予冷する。しかし従来の冷
凍機固定式だと取外しが不可能で予冷用の回路をシール
ドに別に設ける必要があった。本実施例によれば、冷凍
機を容易に取外せるので、冷凍機挿入ポートを利用して
、ふく射シールドなどの予冷を行うことが出来る。すな
わち、１６．１７の第１、第２容器に連通ずる冷却蛇管
をふく射シールドなどに取り付け、入口、出口を並設し
ておけば、液体窒素を注入して、予冷することか出来る
６予冷後、真空置換などにより、所定のガスを再封入し
て、冷凍機による冷却が可能である。

また、各熱交換器内に循環するヘリウムガスの流量を調
整すれば、延長熱交換器１４．１５の表面温度のコント
ロールがある程度可能である。この場温度と熱交換効率
に応じた温度に被冷却体を保持することが出来る。

〔発明の効果〕

本発明においては、ヘリウム冷凍機の冷却部を本体から
延長してその先端に熱交換器を設け、着脱可能な構造と
したので、超電導マグネットの熱ふく射シールドの冷却
が簡単になり、冷凍機約故障時の修理、交換が容易とな
る。また超電マグネットの設計において、ふく射シール
ドの予冷回路を別に設ける必要はなく、冷凍機のオプシ
ョン扱いも何らクライオスタットの変更を必要としない
。

超電導マグネットの設計にも有利りとなり、また、冷凍
機の故障対策にも余裕をもって対応出来る。

また、予め、冷凍機の能力に余裕をもって設計すれば、
熱交換器に流す流量をコントロールすることにより、被
冷却体の温度調整がある程度可能となる。さらに、ヒー
トパイプ式と比較して冷凍機の取付は位置に制約を受け
ない利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の極低温冷凍機の断面図、第
２図は第１図におけるヘリウムガスの流れを示す図であ
る。 １・・・真空断熱外筒　　　２，３・・・蓄冷器４．５
・・・膨張シリンダー　１１・・・延長管１２．１３・
・・熱交換器　　　１４．１５・・・延長熱交換器１６
．１７・・・冷却容器 代理人　弁理士　則　近　憲　佑 同　　三俣弘文

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 冷媒を吸入排出して寒冷を発生する膨張シリンダーの周
   囲をおおう外筒に接続され被冷却体に着脱可能に取付け
   られた延長管と、この延長管の先端に取付けられた延長
   熱交換器と、この延長熱交換器に接続され前記膨張シリ
   ンダーに密着形成された熱交換器とを具えたことを特徴
   とする極低温冷凍機。