JPH0289963A

JPH0289963A - 極低温冷凍機

Info

Publication number: JPH0289963A
Application number: JP24150588A
Authority: JP
Inventors: Toru Kuriyama; 透栗山
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-09-27
Filing date: 1988-09-27
Publication date: 1990-03-29

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、極低温冷凍機に関し、特に予冷用の流路をも
つ極低温冷凍機に係わるものである。

（従来の技術）従来の極低温冷凍機としては、第２図のフロー図に示す
構成のものが知られている。即ち、図中の１は予冷用の
寒冷発生装置、１１はジュール・トムソンループである
。前記寒冷発生装置１は、例えばギフオード−マクマホ
ン（ＧＭ）冷凍機が用いられる。このＧＭ冷凍機は、コ
ンプレッサ２、コールドヘッド３及びヘリウムガス配管
４から構成され、かつ前記コールドヘッド３は第１段及
び第２段の冷却へラド５１．５２を備えている。−方、
前記ジュール・トムソンループ１１は主にジュール・ト
ムソンループコンプレッサ１２、第１〜第３熱交換器１
３．〜１３３、前記寒冷発生装置１の第１段、第２段の
冷却ヘッド５１％５２に接触される第１、第２の冷却ス
テージ１４］　ｓ　１４２　、ジュール・トムソン弁１
５から構成されている。

このような第２図に示す極低温冷凍機の作用を説明する
。

まず、前記予冷用の寒冷発生装置１のコンプレッサ２に
よって圧縮されたヘリウムガス（約１８ａＬｍ　）はヘ
リウムガス配管４を介してコールドヘッド３に供給され
、該ヘッド３内で低圧（約５ａｔｅ　）に膨張すること
により寒冷を発生させる。

この時、第１段冷却ヘッド５１は約４０Ｋに、第２膜冷
却ヘッド５２は約１５Ｋに冷却される。こうした状態で
、ジュールやトムソンループ１１のコンプレッサ１２に
より圧縮ヘリウムガス（約１８ａｔｍ）を第１熱交換器
１３１を通った後、第１冷却ステージ＋４．で前記寒冷
発生装置１の第１段冷却ヘッド５１において約４０Ｋに
冷却される。つづいて、第２熱交換器１３２を通り、第
２冷却ステージ１４２で前記寒冷発生装置■の第２段冷
却へラド５□において約１５Ｋに冷却される。次いで、
第３熱交換器１３３を通り、第３熱交換器１３３の高圧
出口では約５に程度まで温度が下がり、ジュール・トム
ソン弁１５で約１　ａｔｉまでジュール・トムソン膨張
し、ヘリウムガスの温度は膨張後の圧力におけるヘリウ
ム飽和温度（約４．２Ｋ）まで冷却される。この時のヘ
リウムガスの状態は、飽和温度の気液二相流で、この二
相流で発生した寒冷を用いて被冷却体（例えば超電導マ
グネット、ヘリウムガス等）ＩＢを冷却する。被冷却体
１Ｂを通った後のヘリウムガスは、第３熱交換器１３３
、第２熱交換器１３２、第１熱交換器】３１を通り、各
熱交換器１３３．１３□、１３１において高圧ヘリウム
ガスを冷却しながら常温に戻り、再びコンプレッサ１２
によって昇圧される。

しかしながら、前記ジュール・トムソン弁１５でジュー
ル・トムソン膨張させてヘリウムガスが寒冷を発生させ
るためには最終段である第３熱交換５１３３の出口側で
のヘリウムガスの温度が十分下がって（約４５に以下）
いることが必要である。これは、第３図に示すヘリウム
ガスのジュール・トムソン効果における逆転曲線からも
理解される。

従って、常温からクールダウンを行なった時、第３熱交
換器１３３、ジュール・トムソン弁１５、被冷却体１６
は熱負荷となってしまい、ジュール・トムソン弁１５人
口のヘリウムガスの温度を十分に下げることを阻害する
。しかも、第２冷却ステージ１４２で冷却されたヘリウ
ムガスは第３熱交換器１３３において温度の上がった還
流低圧ヘリウムガスと熱交換して暖められるため、冷却
にますます多くの時間を必要とする。

そこで、予冷時間の短縮のために同第２図に示すように
最終段である第３熱交換器ｔａ３の高圧側出口（ジュー
ルφトムソン弁１５の手前）と第１熱交換器１３１の低
圧側出口（常温部の低圧側流路）とを予冷流路１７で連
結し、かつ該流路１７の常温部付近に予冷弁１８を設け
ている。かかる構成によれば、予冷時（ジュール・トム
ソン効果が現われるまで）には前記予冷弁１８を開けて
被冷却体１６を冷却した後の暖められたヘリウムガスが
第３熱交換器１３３の低圧側に流れる量を減少させ、該
熱交換器１３３において高圧のヘリウムガスが前記低圧
側のヘリウムガスと熱交換して暖められる度合を減少さ
せて予冷時間の短縮が図られる。

しかしながら、上述した従来構成の極低温冷凍機では次
のような問題があった。即ち、第２冷却ステージ１４２
で冷却されたヘリウムガスを予冷流路１７を通して常温
部まで戻すため、該予冷流路１７に設けた弁１８の調整
により予冷流路１７に冷却したヘリウムガスを流し過ぎ
ると、弁１８が凍結してヘリウムガス漏れを生じる恐れ
がある。このため、操作に細心の注意を払う必要があり
、運転作業が繁雑となるという問題があった。また、第
２冷却ステージ１４２でせっかく冷却したヘリウムガス
の一部を被冷却体１Ｂの冷却に用いずに常温まで戻すこ
とは、非効率的であった。

（発明が解決しようとする課題）本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたも
ので、予冷時間の短縮を図るための運転操作を簡便化で
き、かつ寒冷の無駄な排出を解消して有効に利用するこ
とが可能な極低温冷凍機を提供しようとするものである
。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）本発明は、圧縮したヘリウムガスを予冷用の寒冷発生装
置によって予冷した後ジュール・トムソン膨張させるこ
とにより寒冷を発生する極低温冷凍機において、前記ジ
ュール・トムソン膨張させる前の最終段の熱交換器の高
圧側入口とジュール・トムソン弁の出口とを配管で連結
し、かつ該配管の途中に弁を設けたことを特徴とする極
低温冷凍機である。

（作用）本発明によれば、ジュール−トムソン膨張させる前の最
終段の熱交換器の高圧側入口とジュール・トムソン弁の
出口とを配管で連結し、かつ該配管の途中に弁を設け、
予冷時に該弁を開くことによって、最も冷えているヘリ
ウムガスを被冷却体及び最終段の熱交換器の低圧流路に
流すことができる。従って、簡単な弁操作で予冷時に得
られる寒冷を全て有効に使用して主な熱負荷である被冷
却体及び最終段の熱交換器を冷却し、予冷時間の短縮を
図ることが可能となる。

（実施例）以下、本発明の実施例を第１図を参照して詳細に説明す
る。なお、第１図において前述した第２図と同様な部材
は同符号を付して説明を省略する。

本実施例の極低温冷凍機は、第１図のフロー図に示すよ
うにジュール拳トムソン膨張される前の最終段の熱交換
器である第３熱交換器ｉａ３の高圧側入口とジュール・
トムソン弁１５の出口とを配管（予冷流路）１９で連結
し、かつ該予冷流路１９の途中に予冷弁２０を設けた構
造になっている。

このような構成によれば、予冷時に予冷流路Ｉ９の予冷
弁２０を開くことによりジュール・トムソンループ１１
のジュール・トムソン弁１５が該予冷弁２０に比べて非
常に圧力損失が大きいため、第２冷却ステージ１４２で
冷却されたヘリウムガスが第３熱交換器１３３の高圧流
路に流れることなく殆どのヘリウムガスを予冷流路１９
に流すことができる。このため、前記第２冷却ステージ
１４２で冷却されたヘリウムを該予冷流路１９を通って
被冷却体１６に直接流すことができるため、被冷却体重
６を短時間で冷却することができる。また、こうした予
冷時においては第３熱交換器１３３内へのヘリウムガス
の流れが殆ど低圧側のみであり、高・低圧のヘリウムガ
スの間での熱交換が行われず、被冷却体１６から出たヘ
リウムガスによって第３熱交換器１３３も冷やすことが
できる。ジュール・トムソン弁１５人口の温度がジュー
ル・トムソン効果を十分に発揮できる温度（約２０Ｋ）
に達した時点で予冷弁２０を閉じると、全てのヘリウム
ガスは第３熱交換器１３３に流れ始め、ジュール・トム
ソン効果によってジュール・トムソン弁１５出口の温度
は益々下がり、最終的には約４．２Ｋまで被冷却体１６
は冷やされる。従って、ジュール・トムソンループ１１
の特定の箇所に予冷流路１９を連結することによって、
該予冷流路１９に設けた予冷弁２０の単純な開閉のみで
寒冷を肴効に利用でき、予冷時間の大幅な短縮を達成で
きる。

なお、本発明は上記実施例で説明した第１図に示す構成
に限定されない。例えば、予冷用の寒冷発生装置はスタ
ーリング冷凍機や液体窒素、液体水素を用いてもよい。

また、極低温冷凍機のサイクルも、例えば膨張エンジン
を２つ有するクロードサイクルであっても上記実施例と
同様な効果を達成することが可能である。

［発明の効果］以上詳述した如く、本発明によれば配管により予冷時に
最も冷えているヘリウムガスを被冷却体等の最大の熱負
荷にバイパスし、かつ該配管に弁を設けた構成とするこ
とによって、前記弁の単純な開閉のみで寒冷を有効に利
用でき、ひいては極めて簡便な操作により予冷時間の大
幅な短縮を達成し得る極低温冷凍機を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す極低温冷凍機のフロー
図、第２図は従来の極低温冷凍機を示すフロー図、第３
図はヘリウムガスのジュール・トムソン効果を説明する
ための特性図である。ｌ・・・予冷用の寒冷発生装置、２・・・コンプレッサ
、３・・・コールドヘッド、５１％５２・・・冷却ヘッ
ド、Ｕ・・・ジュール・トムソンループ、１２・・・ジ
ュール・トムソンループコンブレッド、１３１〜１３３
・・・熱交換器、１４１．１４２・・・冷却ステージ、
１５・・・ジュール・トムソン弁、１Ｂ・・・被冷却体
、１９・・・予冷流路（配管）、２０・・・予冷弁。出願人代理人　弁理士　鈴江武彦ご図第２図

Claims

【特許請求の範囲】

圧縮したヘリウムガスを予冷用の寒冷発生装置によって
予冷した後ジュール・トムソン膨脹させることにより寒
冷を発生する極低温冷凍機において、前記ジュール・ト
ムソン膨張させる前の最終段の熱交換器の高圧側入口と
ジュール・トムソン弁の出口とを配管で連結し、かつ該
配管の途中に弁を設けたことを特徴とする極低温冷凍機
。