JPH06307728A - 極低温冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 圧縮機（１）から吐出された高圧ヘリウムガ
スを予冷するＧ−Ｍ冷凍回路（Ａ）と、該冷凍回路
（Ａ）にて予冷された高圧ガスをＪ−Ｔ弁（３）により
ジュール・トムソン膨張させるＪ−Ｔ冷凍回路（Ｂ）
と、液体ヘリウムを貯溜するデュワー（８）とを備えた
極低温冷凍機の定常運転時におけるデュワー（８）内へ
の侵入熱の増加を回避し、かつデュワー（８）内の過熱
ガスがＪ−Ｔ冷凍回路（Ｂ）側に導入されるのを効果的
に防止する。 【構成】 デュワー（８）内に配設され、該デュワー
（８）内の蒸発ガスをＪ−Ｔ冷凍回路（Ｂ）でジュール
・トムソン膨張した低圧ガスにより凝縮させる凝縮熱交
換器（９）と、Ｊ−Ｔ冷凍回路（Ｂ）が有するＪ−Ｔ熱
交換器（２）の低圧配管における過熱温度相当位置とデ
ュワー（８）とを互いに連通する連通管（１０）とを備
える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、圧縮機で圧縮された
ヘリウム等の冷媒ガスを断熱膨張させることにより極低
温レベルの寒冷を発生させる極低温冷凍機に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、４Ｋ程度の極低温レベルで作
動させる低温作動機器を同温度レベルまで冷却するため
に用いられる極低温冷凍機としては、例えば米国特許第
４２２３５４０号等に記載されているように、圧縮機か
ら吐出された高圧ヘリウムガスを予冷するＧ−Ｍ（ギフ
ォード・マクマホン）サイクル等の冷凍回路からなる予
冷冷凍手段と、該予冷冷凍手段にて予冷された高圧ガス
をジュール・トムソン膨張させるＪ−Ｔ弁を有するＪ−
Ｔ（ジュール・トムソン）冷凍手段とを組み合わせた冷
凍機が知られている。この種の極低温冷凍機では、Ｊ−
Ｔ弁の低圧側に冷却器を設け、該冷却器に４Ｋレベルの
寒冷を発生させるようになされている。このとき、上記
Ｊ−Ｔ弁から冷却器に供給されたヘリウムガスをそのま
ま圧縮機側に戻すようにしたクローズドサイクル式があ
るが、このクローズドサイクル式では、液化ガスの安全
性を保つ上で、別途、蒸発ガスを保存するための大きな
容器が常温部に必要となる。

【０００３】一方、このような常温部での大きな保存容
器を不要化できるものとして、オープンサイクル式のも
のがある。このオープンサイクル式とは、液体ヘリウム
が貯溜される冷媒容器を備えたもので、Ｊ−Ｔ弁でＪ−
Ｔ膨張して気液状態となったヘリウムを冷媒容器に貯溜
する一方、該冷媒容器内の蒸発ガスをＪ−Ｔ冷凍手段側
に回収して常温部で高圧状態に保持できるものとされて
いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のオープンサイクル式のものでは、その定常運転時、
Ｊ−Ｔ弁から出たガスが冷媒容器内に流入してそのガス
を掻き混ぜるために、相対的に高い温度になっている容
器上壁部分からの液体ヘリウムへの侵入熱が増加し易
い。また、冷媒容器内の蒸発ガスを圧縮機側に戻す際
に、回収冷媒容器内の過熱ガスがＪ−Ｔ冷凍手段側に導
入されてＪ−Ｔ弁前のガス温度が高くなり易い。これら
のことで、実際の冷凍能力が低下するという問題があ
る。

【０００５】この発明は斯かる諸点に鑑みてなされたも
のであり、その目的は、Ｊ−Ｔ冷凍手段側に蒸発ガスを
回収できるオープンサイクル式の利点を保ちつつ、定常
運転時において、侵入熱の増加を回避し、かつ過熱ガス
の導入を効果的に防止できるようにすることにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１の発明では、冷媒容器内に凝縮熱交換器
を配設してクローズドサイクル式とする一方、Ｊ−Ｔ冷
凍手段における低圧配管の過熱温度相当位置と冷媒容器
とを互いに連通するようにした。

【０００７】具体的には、この発明では、図１に示すよ
うに、圧縮機（１）から吐出された高圧冷媒ガスを予冷
する予冷冷凍手段（Ａ）と、該予冷冷凍手段（Ａ）にて
予冷された高圧冷媒ガスをＪ−Ｔ弁（３）によりジュー
ル・トムソン膨張させるＪ−Ｔ冷凍手段（Ｂ）と、冷媒
液を貯溜する冷媒容器（８）とを備えた極低温冷凍機が
前提である。

【０００８】そして、上記冷媒容器（８）内に配設さ
れ、冷媒容器（８）内で蒸発した冷媒ガスを上記Ｊ−Ｔ
冷凍手段（Ｂ）でジュール・トムソン膨張した低圧冷媒
ガスにより凝縮させる凝縮熱交換器（９）を備えるとと
もに、上記Ｊ−Ｔ冷凍手段（Ｂ）の低圧配管における過
熱温度相当位置と冷媒容器（８）とを互いに連通し、冷
媒容器（８）内の蒸発冷媒ガスをＪ−Ｔ冷凍手段（Ｂ）
側に回収する連通管（１０）を備えた構成とする。

【０００９】請求項２の発明では、上記請求項１の発明
において、Ｊ−Ｔ冷凍手段（Ｂ）は、圧縮機（１）から
吐出された高圧冷媒ガスを該圧縮機（１）に吸い込まれ
る低温の低圧冷媒ガスとの間で熱交換させるＪ−Ｔ熱交
換手段（２）を有するものとする。その上で、上記Ｊ−
Ｔ熱交換手段（２）の低圧配管における過熱温度相当位
置に連通管（１０）を連通させる。

【００１０】請求項３の発明では、上記請求項１又は２
の発明において、凝縮熱交換器（９）及び連通管（１
０）を、それぞれ冷媒容器（８）に対し抜き外し可能に
構成する。

【００１１】

【作用】以上の構成により、請求項１の発明では、定常
運転時において、圧縮機（１）から吐出されて予冷冷凍
手段（Ａ）により予冷された高圧冷媒ガスは、Ｊ−Ｔ冷
凍手段（Ｂ）のＪ−Ｔ弁（３）でジュール・トムソン膨
張して低圧冷媒ガスとなり、冷媒容器（８）内の凝縮熱
交換器（９）に導かれる。そして、該凝縮熱交換器
（９）では、冷媒容器（８）内で蒸発した冷媒ガスが上
記低圧冷媒ガスにより冷却されて凝縮する。このとき、
上記低圧冷媒ガスは、凝縮熱交換器（９）の内部を通っ
てＪ−Ｔ冷凍手段（Ｂ）の低温配管に戻されるので、冷
媒容器（８）内の冷媒を掻き混ぜることがなく、したが
って侵入熱の増加を招かない。一方、冷媒容器（８）内
の蒸発冷媒ガスは連通管（１０）を経由してＪ−Ｔ冷凍
手段（Ｂ）側に回収される。そして、その定常運転時に
は、Ｊ−Ｔ冷凍手段（Ｂ）の低圧配管における過熱温度
相当位置に上記連通管（１０）が連通されていることに
より、低圧配管における過熱温度相当位置の冷媒ガスと
冷媒容器（８）内の過熱ガスとが連通管（１０）の両端
で均衡し、このことで冷媒容器（８）内の過熱ガスは上
記低圧配管への流入が抑えられる。これにより、Ｊ−Ｔ
冷凍手段（Ｂ）の低圧配管には過熱ガスが導入されず、
したがって、Ｊ−Ｔ冷凍手段（Ｂ）のＪ−Ｔ弁（３）前
のガス温度が高くなるのを防止できる。

【００１２】請求項２の発明では、連通管（１０）が、
Ｊ−Ｔ冷凍手段（Ｂ）の有するＪ−Ｔ熱交換手段（２）
の低圧配管における過熱温度相当位置に連通しているこ
とにより、該Ｊ−Ｔ熱交換手段（２）の高圧配管を通る
冷媒ガスと低圧配管を通る低温の冷媒ガスとの間で熱交
換する際に、冷媒容器（８）内の過熱ガスが上記低圧配
管に導入されて高圧配管側の冷媒ガスに対する冷却能力
が低下するのを抑えることができ、このことで、Ｊ−Ｔ
冷凍手段（Ｂ）のＪ−Ｔ弁（３）前のガス温度が高くな
るのを防止できる。

【００１３】請求項３の発明では、凝縮熱交換器（９）
及び連通管（１０）をそれぞれ冷媒容器（８）に対して
抜き外しすることができるので、冷凍機の保守や点検が
容易である。

【００１４】

【実施例】以下、この発明の実施例を図面に基づいて説
明する。図１はこの実施例に係る極低温冷凍機の全体構
成を示し、該極低温冷凍機は予冷冷凍手段としてのＧ−
Ｍ冷凍回路（Ａ）とＪ−Ｔ冷凍手段としてのＪ−Ｔ冷凍
回路（Ｂ）とを組み合わせて構成されている。

【００１５】上記Ｊ−Ｔ冷凍回路（Ｂ）は、約４Ｋレベ
ルの寒冷を発生させるために冷媒としてのヘリウムガス
を圧縮して膨張させる冷凍回路であって、ヘリウムガス
を圧縮して吐出する圧縮機ユニット（１）と、該圧縮機
ユニット（１）から吐出された高圧ヘリウムガスを圧縮
機ユニット（１）に吸い込まれる低温の低圧ヘリウムガ
スとの間で熱交換させるＪ−Ｔ熱交換手段としてのＪ−
Ｔ熱交換器（２）と、上記Ｇ−Ｍ冷凍回路（Ａ）により
予冷された高圧ヘリウムガスをジュール・トムソン膨張
させるＪ−Ｔ弁（３）とを備えている。このＪ−Ｔ冷凍
サイクルにおけるヘリウムガスの圧力（ｐ）とエンタル
ピー（ｈ）との関係を表すｐ−ｈ線図は図２に実線で示
すようになる。

【００１６】上記圧縮機ユニット（１）は、ヘリウムガ
スを所定圧力に圧縮する低段圧縮機（１ａ）と、該低段
圧縮機（１ａ）から吐出された高圧ヘリウムガスをさら
に高圧に圧縮する高段圧縮機（１ｂ）とからなる。この
高段圧縮機（１ｂ）はＧ−Ｍ冷凍回路（Ａ）の圧縮機を
兼用している。

【００１７】上記Ｇ−Ｍ冷凍回路（Ａ）は上記高段圧縮
機（１ｂ）と膨張機（４）とを閉回路に接続してなり、
該膨張機（４）は大小２段構造のシリンダ（５）と、該
シリンダ（５）に連通された切換ユニット（６）とを有
する。上記切換ユニット（６）には上記高段圧縮機（１
ｂ）の吐出側から延びる高圧配管と、吸込側から延びる
低圧配管とがそれぞれ接続されており、該高圧配管と低
圧配管とを交互にシリンダ（５）内に連通させるように
なされている。一方、図示はしないが、上記シリンダ
（５）内には大小２段構造のフリーディスプレーサが往
復動可能に嵌装されており、このことでシリンダ（５）
内の大径部先端側と小径部先端側とに各々の膨張空間を
区画形成するようになされている。また、シリンダ
（５）の大径部先端は所定温度レベルに冷却保持される
第１ヒートステーション（５ａ）に、また小径部先端は
第１ヒートステーション（５ａ）よりも低い温度レベル
に冷却保持される第２ヒートステーション（５ｂ）にそ
れぞれなされている。そして、高圧ガス配管と低圧ガス
配管とがシリンダ（５）内に交互に連通されることによ
り、フリーディスプレーサがシリンダ（５）内で往復動
する。このＧ−Ｍ冷凍サイクルにおけるｐ−ｈ線図を図
２に一点鎖線で示す。

【００１８】上記Ｊ−Ｔ熱交換器（２）は、高圧配管及
び低圧配管をそれぞれ通過するヘリウムガス間で互いに
熱交換させるもので、第１〜第３の３段のＪ−Ｔ熱交換
器（２ａ）〜（２ｃ）を直列状態に連設してなる。第１
Ｊ−Ｔ熱交換器（２ａ）の高圧配管は上記高段圧縮機
（１ｂ）の吐出側に接続されている。そして、第１及び
第２Ｊ−Ｔ熱交換器（２ａ），（２ｂ）の両高圧配管は
Ｇ−Ｍ冷凍回路（Ａ）の膨張機（２）における第１ヒー
トステーション（５ａ）外周に配置した第１予冷器（７
ａ）を介して、また第２及び第３熱交換器（２ｂ），
（２ｃ）の両高圧配管は膨張機（２）の第２ヒートステ
ーション（５ｂ）外周に配置した第２予冷器（７ｂ）を
介してそれぞれ互いに接続されている。さらに、上記第
３Ｊ−Ｔ熱交換器（２ｃ）の高圧配管はＪ−Ｔ弁（３）
に接続され、該Ｊ−Ｔ弁（３）の低圧側には、液体ヘリ
ウムを貯溜するとともに冷却対象を冷却するための冷媒
容器としてのデュワー（８）が連設されている。そし
て、上記デュワー（８）内には、該デュワー（８）内の
蒸発ヘリウムガスを凝縮するための凝縮熱交換器（９）
が配設されている。

【００１９】上記凝縮熱交換器（９）は、図３に示すよ
うに同心状に接合された内外２重の円筒状シェル（９
ａ），（９ｂ）を有する。上記内側シェル（９ａ）の基
端にはＪ−Ｔ弁（３）が接続され、また外側シェル（９
ｂ）の基端には低圧配管を介して上記第３Ｊ−Ｔ熱交換
器（２ｃ）が接続されている。上記外側シェル（９ｂ）
の先端は有底状に閉塞されているとともに、その外周に
は多数の円板状フィン（９ｃ）が軸心方向に所定ピッチ
間隔で一体に取り付けられている。この凝縮熱交換器
（９）はデュワー（８）の側壁に形成した熱交換器取付
孔（８ａ）に対し水平方向において外部から抜き外し可
能に構成されていて、図４に示すように該凝縮熱交換器
（９）の基部外周にはシール部（９ｄ）が周設されてお
り、凝縮熱交換器（９）がデュワー（８）の熱交換器取
付孔（８ａ）に装着された状態で該取付孔（８ａ）との
間をシール部（９ｄ）で密閉するようになされている。
尚、該シール部（９ｄ）の外径寸法は上記各フィン（９
ｃ）の外径寸法よりも大径とされており、凝縮熱交換器
（９）がデュワー（８）に対して抜き外される際に各フ
ィン（９ｃ）がデュワー（８）に干渉しないようになっ
ている。

【００２０】さらに、上記デュワー（８）と第３Ｊ−Ｔ
熱交換器（２ｃ）との間には、該デュワー（８）の内部
空間と第３Ｊ−Ｔ熱交換器（２ｃ）の低圧配管における
過熱温度相当位置とを連通する連通管（１０）が配設さ
れている。該連通管（１０）のデュワー（８）側端部は
デュワー（８）内の過熱温度相当位置に開口されてい
る。また、この連通管（１０）もデュワー（８）に形成
した連通管取付孔（８ｂ）に対して水平方向において外
部から抜き外し可能になされており、上記凝縮熱交換器
（９）と同様に、デュワー（８）内に挿入される部分の
基部外周には該連通管取付孔（８ｂ）との間を密閉する
シール部（１０ａ）が周設されている。

【００２１】したがって、この実施例によれば、定常運
転時には、圧縮機ユニット（１）により高圧に圧縮され
たヘリウムガスは、第１〜第３Ｊ−Ｔ熱交換器（２ａ）
〜（２ｃ）に供給され、圧縮機ユニット（１）側に戻る
低温低圧のヘリウムガスと熱交換されて冷却されるとと
もに、第１及び第２予冷器（７ａ），（７ｂ）でそれぞ
れＧ−Ｍ冷凍回路（Ａ）の第１及び第２ヒートステーシ
ョン（５ａ），（５ｂ）により冷却された後、Ｊ−Ｔ弁
（３）でジュール・トムソン膨張して４Ｋ程度の気液混
合状態となり、この液状態のヘリウムの蒸発潜熱によ
り、デュワー（８）内に貯溜されているヘリウムガスが
図３に示すように凝縮熱交換器（９）の周りで凝縮し、
約４Ｋの液体ヘリウムとなる。

【００２２】このとき、上記Ｊ−Ｔ弁（３）から出たヘ
リウムガスは、凝縮熱交換器（９）を経て第３Ｊ−Ｔ熱
交換器（２ｃ）の低温配管に戻されるので、デュワー
（８）内のヘリウムガスを掻き混ぜることがなく、した
がって、比較的高い温度になっているデュワー（８）上
壁部分から液体ヘリウムへの侵入熱が増加するのを抑え
ることができ、該侵入熱に起因する冷凍能力の低下を回
避することができる一方、上記冷媒容器（８）内の蒸発
ヘリウムガスは連通管（１０）を経由してＪ−Ｔ冷凍手
段（Ｂ）側に回収される。そして、定常運転時には、第
３Ｊ−Ｔ熱交換器（２ｃ）の低圧配管における過熱温度
相当位置に上記連通管（１０）が連通されていることに
より、連通管（１０）の両端ではヘリウムガスの圧力及
び温度が均衡することになる。特に、上記Ｊ−Ｔ弁
（３）からのヘリウムガスによるデュワー（８）内の掻
き混ぜが生じないことから、該均衡状態は安定して維持
される。よって、デュワー（８）内の過熱ガスは上記低
圧配管への流入が抑えられるので、該過熱ガスが導入さ
れて高圧配管側のヘリウムガスに対する予冷能力が低下
するのを抑えることができ、Ｊ−Ｔ弁（３）前のガス温
度が高くなるのを防止することができる。

【００２３】また、上記凝縮熱交換器（９）及び連通管
（１０）をデュワー（８）の熱交換器取付孔（８ａ）及
び連通管取付孔（８ｂ）に対してそれぞれ抜き外すこと
ができるので、冷凍機の保守及び点検が容易であるとい
う利点もある。

【００２４】尚、上記実施例では、Ｊ−Ｔ熱交換手器
（２）を第１〜第３熱交換器（２ａ）〜（２ｃ）の３段
に分け、第３熱交換器（２ｃ）の低圧配管における略中
央部分に連通管（１０）を連通させているが、この連通
管のＪ−Ｔ熱交換手段への連通位置は例えば第２熱交換
器と第３熱交換器との間であってもよい。また、定常運
転時の過熱温度相当位置によっては、上記Ｊ−Ｔ熱交換
器以外の低圧配管部分に連通管を連通させることができ
る。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
よれば、冷媒液を貯溜する冷媒容器内で蒸発した冷媒ガ
スをＪ−Ｔ冷凍手段のＪ−Ｔ弁でジュール・トムソン膨
張した低圧冷媒ガスにより凝縮させる凝縮熱交換器を設
けるとともに、冷媒容器内の蒸発冷媒ガスをＪ−Ｔ冷凍
手段側に回収する連通管を、Ｊ−Ｔ冷凍手段の低圧配管
における過熱温度相当位置に連通させたことにより、上
記Ｊ−Ｔ弁から出たガスを凝縮熱交換器を経てＪ−Ｔ冷
凍手段の低温配管に戻すことができ、冷媒容器内の冷媒
を掻き混ぜることを防いで侵入熱の増加を抑えることが
できるとともに、定常運転時に上記連通管両端における
冷媒ガスの状態を互いに均衡させ、冷媒容器内の過熱ガ
スが連通管を通ってＪ−Ｔ冷凍手段側に導入されるのを
防止することができ、これらのことで、Ｊ−Ｔ冷凍手段
の冷凍能力の低下を抑えることができる。

【００２６】請求項２の発明によれば、Ｊ−Ｔ冷凍手段
が有するＪ−Ｔ熱交換手段の低圧配管における過熱温度
相当位置に連通管を連通したことにより、定常運転時に
Ｊ−Ｔ熱交換手段の低圧配管に冷媒容器内の過熱ガスが
連通管を通して導入されるのを防止でき、高圧配管側の
冷媒ガスに対するＪ−Ｔ熱交換手段の冷却能力が低下す
るのを回避してＪ−Ｔ冷凍手段の冷凍能力の低下を抑え
ることができる。

【００２７】請求項３の発明によれば、凝縮熱交換器及
び連通管を冷媒容器に対し抜き外し可能に構成したの
で、凝縮熱交換器及び連通管を冷媒容器から抜き外して
行われる冷凍機の保守点検作業を容易なものとすること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例に係る極低温冷凍機を示す全
体構成図である。

【図２】極低温冷凍機のｐ−ｈ線図である。

【図３】実施例の要部を示す概略図である。

【図４】凝縮熱交換器及び連通管の各デュワー側端部を
示す斜視図である。

【符号の説明】

（１） 圧縮機ユニット（圧縮機） （２） Ｊ−Ｔ熱交換器（Ｊ−Ｔ熱交換手段） （３） Ｊ−Ｔ弁 （８） デュワー（冷媒容器） （９） 凝縮熱交換器 （１０） 連通管 （Ａ） Ｇ−Ｍ冷凍回路（予冷冷凍手段） （Ｂ） Ｊ−Ｔ冷凍回路（Ｊ−Ｔ冷凍手段）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧縮機（１）から吐出された高圧冷媒ガ
   スを予冷する予冷冷凍手段（Ａ）と、該予冷冷凍手段
   （Ａ）にて予冷された高圧冷媒ガスをＪ−Ｔ弁（３）に
   よりジュール・トムソン膨張させるＪ−Ｔ冷凍手段
   （Ｂ）と、冷媒液を貯溜する冷媒容器（８）とを備えた
   極低温冷凍機において、 上記冷媒容器（８）内に配設され、冷媒容器（８）内で
   蒸発した冷媒ガスを上記Ｊ−Ｔ冷凍手段（Ｂ）でジュー
   ル・トムソン膨張した低圧冷媒ガスにより凝縮させる凝
   縮熱交換器（９）と、 上記Ｊ−Ｔ冷凍手段（Ｂ）の低圧配管における過熱温度
   相当位置と冷媒容器（８）とを互いに連通し、冷媒容器
   （８）内の蒸発冷媒ガスをＪ−Ｔ冷凍手段（Ｂ）側に回
   収する連通管（１０）とを備えていることを特徴とする
   極低温冷凍機。
2. 【請求項２】 請求項１記載の極低温冷凍機において、 Ｊ−Ｔ冷凍手段（Ｂ）は、圧縮機（１）から吐出された
   高圧冷媒ガスを該圧縮機（１）に吸い込まれる低温の低
   圧冷媒ガスとの間で熱交換させるＪ−Ｔ熱交換手段
   （２）を有し、このＪ−Ｔ熱交換手段（２）の低圧配管
   における過熱温度相当位置に連通管（１０）が連通され
   ていることを特徴とする極低温冷凍機。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の極低温冷凍機にお
   いて、 凝縮熱交換器（９）及び連通管（１０）はそれぞれ冷媒
   容器（８）に対し抜き外し可能に構成されていることを
   特徴とする極低温冷凍機。