JPH0684854B2 - ヘリウム冷凍機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、ヘリウムガスを膨脹させる予冷冷凍回路およ
びＪ−Ｔ回路（ジュールトムソン回路）の２元回路を有
するヘリウム冷凍機に関し、特に、その作動停止状態
（常温状態）から定常運転状態（極低温の発生状態）ま
でのいわゆるクールダウン運転時間を短縮化する対策に
関する。

（従来の技術） 従来より、ヘリウム圧縮機で圧縮された高圧のヘリウム
ガスを膨脹機で膨脹させてクライオスタット（低温槽）
内の低温発生部を外部から輻射シールドする予冷冷凍回
路と、上記圧縮機からの高圧ヘリウムガスを上記予冷冷
凍回路で熱交換して予冷するとともに、その予冷された
ヘリウムガスをさらＪ−Ｔ弁でジュールトムソン膨脹さ
せてその膨脹作用により上記クライオスタットの低温発
生部内に極低温を発生させるＪ−Ｔ回路とを備えた２元
式のヘリウム冷凍機は知られている。

（発明が解決しようとする問題点） ところで、このようなＪ−Ｔ回路を有するヘリウム冷凍
機においては、その作動によるクールダウン運動の初
期、Ｊ−Ｔ回路内のヘリウムガスの温度は常温（300K）
であり、定常運転状態の極低温（約4K）に比してその密
度が小さい。このため、Ｊ−Ｔ弁の開度が冷凍機におけ
る定常運転レベルの開度（一定開度）に保持されている
と、そのＪ−Ｔ弁通過時のガスの抵抗が大きくなり、そ
の結果、ヘリウムガスの圧縮機へのリターン圧力が低下
することが生じる。従って、このリターン圧力の低下を
避けるために、Ｊ−Ｔ弁の開度をクールダウン運転の進
行に伴って変更調整する必要があるが、クールダウン運
転時間は極めて長く、その長時間に亘ってＪ−Ｔ弁の開
度を継続的に調整せねばならず、その操作に甚大な手間
がかかるという問題があった。

そこで、本出願人は、上記したクールダウン運転時にお
けるＪ−Ｔ弁の開度調整を不要とすべく、Ｊ−Ｔ回路の
圧縮機ユニットの高低圧配管同士をバイパス回路により
接続するとともに、該バイパス回路を開閉する電磁弁お
よび絞り機構を設け、クールダウン運転時の初期から所
定時間が経過するまでの間、圧縮機から吐出されたヘリ
ウムガスを上記バイパス回路を通すようにすることによ
り、Ｊ−Ｔ弁の開度調整の操作を不要化するようにした
ものを提案している。

ところが、その場合、クールダウン運転の初期にはＪ−
Ｔ回路自体に僅かな量しか流れないため、特に4Kステー
ジの冷却器を300K（常温）から150Kレベルまで低下させ
るのに時間を要し、該4Kステージの熱容量が大きいとき
にはクールダウン時間が大幅に長くなってしまい、改良
の余地がある。

本発明は以上の問題を解決すべくなされたものであり、
その目的とするところは、上記した予冷冷凍回路とＪ−
Ｔ回路とからなる２元回路を有するヘリウム冷凍機にお
いて、上記の如きＪ−Ｔ回路における圧縮機ユニットの
高低圧配管同士を接続するユニット側のバイパス回路に
加え、ヘリウムガスを上記Ｊ−Ｔ弁をバイパスさせて流
通させるＪ−Ｔ弁側バイパス回路を設け、これら２つの
バイパス回路の開閉を適切に制御するようにすることに
より、4Kステージの熱容量が大きくてもクールダウン時
間が長くなることなく、クールダウン運転時にＪ−Ｔ弁
の開度調整を不要化できるようにすることにある。

（問題点を解決するための手段） 上記の目的を達成するために、本発明では、第１図に示
すように、圧縮機（３）で圧縮された高圧ヘリウムガス
を膨脹機（７）で膨脹させて極低温を発生させる予冷冷
凍回路（２）と、圧縮機（14），（16）からの高圧ヘリ
ウムガスを上記予冷冷凍回路（２）との熱交換により予
冷し、その予冷されたヘリウムガスをＪ−Ｔ弁（29）よ
りジュールトムソン膨脹させて極低温を発生させるＪ−
Ｔ回路（１）とを備えたヘリウム冷凍機を前提とする。

そして、上記Ｊ−Ｔ回路（１）の圧縮機ユニット（Ａ）
の高低圧配管（22），（30）同士を接続するユニット側
バイパス回路（31）と、該ユニット側バイパス回路（3
1）を開閉するユニット側電磁弁（SV₁）および絞り機構
（32）と、ヘリウムガスを上記Ｊ−Ｔ弁（29）をバイパ
スさせて流通させるＪ−Ｔ弁側バイパス回路（33）と、
該Ｊ−Ｔ弁側バイパス回路（33）を開閉するＪ−Ｔ弁側
電磁弁（SV₂）および減圧機構（34）とを設ける。

さらに、クールダウン運転時、その初期に上記Ｊ−Ｔ弁
側電磁弁（SV₂）を開きかつユニット側電磁弁（SV₁）を
閉じ、冷却器（27）から圧縮機（14），（16）に戻るヘ
リウムガスのリターン圧力が所定圧力以上に上昇したと
きないし上記冷却器（７）の温度が所定温度以下に低下
したときに、上記ユニット側電磁弁（SV₁）を開いた後
にＪ−Ｔ弁側電磁弁（SV₂）を閉じ、終期に上記ユニッ
ト側電磁弁（SV₁）をも閉じるように制御する制御手段
（50）を設ける。

（作用） この構成により、本発明では、ヘリウム冷凍機のクール
ダウン運転時、制御手段（50）の作動により、先ずその
4Kステージである冷却器（27）の温度レベルが常温（30
0K）である初期、Ｊ−Ｔ弁側電磁弁（SV₂）が開かれか
つユニット側電磁弁（SV₁）が閉じられる。この状態で
は、圧縮機（14），（16）から吐出されたヘリウムガス
はＪ−Ｔ弁（29）を殆ど流れず、大半が該Ｊ−Ｔ弁（2
9）をバイパスするようにＪ−Ｔ弁側バイパス回路（3
3）を流れる。このため、4Kステージにおけるヘリウム
ガスの温度が高く、その密度が小さくても、その圧縮機
（14），（16）に戻るリターン圧力が低下するのは抑制
される。

この後、クールダウン運転の進行に伴って、上記冷却器
（27）から圧縮機（14），（16）に戻るヘリウムガスの
リターン圧力が所定圧力以上に上昇したときないし上記
冷却器（27）の温度が所定温度以下に低下したときに
は、上記ユニット側電磁弁（SV₁）が開かれ、その後に
Ｊ−Ｔ弁側電磁弁（SV₂）が閉じられる。しかる後、ク
ールダウン運転の終期に移行し、上記ユニット側電磁弁
（SV₁）も閉じられて、最終的に定常運転状態に移行す
る。

そして、この場合、上記の如くクールダウン運転時にお
いて、Ｊ−Ｔ弁側電磁弁（SV₂）の開き状態（ユニット
側電磁弁（SV₁）の閉じ状態）ではヘリウムガスはＪ−
Ｔ弁（29）をバイパスして流れ、その後のユニット側電
磁弁（SV₁）の開き状態（Ｊ−Ｔ弁側電磁弁（SV₂）の閉
じ状態）ではヘリウムガスは高低圧配管（22），（30）
同士を短絡して流れるため、クールダウン運転の全体に
亘りＪ−Ｔ弁（29）の開度を冷凍機の定常運転時の定常
開度に維持することができ、よってクールダウン運転中
のＪ−Ｔ弁（29）の開度調整操作を不要化することがで
きることとなる。

また、クールダウン運転の初期には、ヘリウムガスはＪ
−Ｔ弁（29）をバイパスしながらもＪ−Ｔ回路（１）自
体を流れるため、該Ｊ−Ｔ回路（１）の冷却能力が確保
され、よって4Kステージの熱容量が大であってもクール
ダウン時間を大幅に短縮できるのである。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明の実施例に係る２元２段圧縮サイクルの
ヘリウム冷凍機の全体構成を示し、（１）は極低温を発
生させるためにヘリウムガスを圧縮してジュールトムソ
ン膨脹させるＪ−Ｔ回路、（２）は上記Ｊ−Ｔ回路
（１）におけるヘリウムガスを予冷するためにヘリウム
ガスを圧縮膨脹させて極低温を発生させる予冷冷凍回路
であって、上記Ｊ−Ｔ回路（１）はＪ−Ｔ側圧縮機ユニ
ット（Ａ）と、被冷却体（図示せず）を冷却状態に保持
する低温発生部（C₁）を内有するクライオスタット
（Ｃ）（低温槽）とに亘って、また予冷冷凍回路（２）
は予冷用圧縮機ユニット（Ｂ）と上記クライオスタット
（Ｃ）とに亘って互いに並列に配設されている。

上記予冷用圧縮機ユニット（Ｂ）はヘリウムガスを圧縮
する予冷用圧縮機（３）と、該圧縮機（３）で圧縮され
た高圧ヘリウムガスから圧縮機（３）用の潤滑油を分離
除去する油分離器（４）と、該油分離器（４）を通過し
たヘリウムガス中の水分や不純ガス等の不純物を吸着除
去する吸着器（５）とを備え、上記吸着器（５）は高圧
配管（６）を介してクライオスタット（Ｃ）に嵌装した
膨脹機（７）におけるケーシング（８）の高圧側入口
（8a）に接続されている。

上記膨脹機（７）は、クライオスタット（Ｃ）外に配置
される上記ケーシング（８）と、該ケーシング（８）の
下部に連設されたシリンダ（９）とを有し、該シリンダ
（９）の外周にはクライオスタット（Ｃ）内に挿通され
る第１および第２ヒートステーション（10），（11）が
設けられている。そして、図示しないが、上記ケーシン
グ（８）内には、回転する毎に開弁して上記高圧側入口
（8a）から流入したヘリウムガスを上記シリンダ（９）
内に供給するロータリバルブと、該ロータリバルズを駆
動するバルブモータとが嵌装されてる一方、上記シリン
ダ（９）内には、ロータリバルブの開閉に応じて往復動
するスラックピストンと、該スラックピストンに一体的
に係止駆動されてシリンダ（９）内を往復動し、ヘリウ
ムガスをサイモン膨脹させるディスプレーサとが嵌挿さ
れている。そして、上記シリンダ（９）の第１ヒートス
テーション（10）は、クライオスタット（Ｃ）内の低温
発生部（C₁）を取り囲むように配置した輻射シールド部
（C₂）に熱接触しており、膨脹機（７）におけるロータ
リババルブの開弁により高圧のヘリウムガスをシリンダ
（９）内で膨脹させて低温状態を発生させ、その低温状
態をシリンダ（９）における第１および第２ヒートステ
ーション（10），（11）にて保持するとともに、第１ヒ
ートステーション（10）に熱接触している輻射シールド
部（C₂）を低温に冷却してその内部の低温発生部（C₁）
を外部から輻射シールドするように構成されている。

また、上記膨脹機（７）のケーシング（８）には膨脹後
の低圧のヘリウムガスを吐出させる低圧側出口（8b）が
開口され、該低圧側出口（8b）は低圧配管（12）を介し
て上記予冷用圧縮機ユニット（Ｂ）に設けたサージボト
ル（13）に接続され、該サージボトル（13）は上記予冷
用圧縮機（３）の吸入側に接続されており、膨脹機
（７）から吐出された低圧ヘリウムガスをその圧力変動
をサージボトル（13）で吸収して圧縮機（３）に吸引す
るようになされている。以上により、予冷用圧縮機
（３）から吐出された高圧のヘリウムガスを油分離器
（４）および吸着器（５）を経由して膨脹機（７）に供
給し、その膨脹機（７）での断熱膨脹によりヒートステ
ーション（10），（11）の温度を低下させ、クライオス
タット（Ｃ）内の低温発生部（C₁）を輻射シールドする
とともに、Ｊ−Ｔ回路（１）における後述の予冷器（2
4），（25）を予冷し、膨脹した低圧ヘリウムガスをサ
ージボトル（13）を介して圧縮機（３）に戻して再圧縮
するように構成されている。

一方、上記Ｊ−Ｔ側圧縮機ユニット（Ａ）には、ヘリウ
ムガスを所定圧力に圧縮する低段圧縮機（14）と、該圧
縮機（14）から吐出された高圧ヘリウムガスから圧縮機
（14）用の潤滑油を分離除去する油分離器（15）と、該
油分離器（15）から出されて中間圧配管（35）を経由し
た高圧ヘリウムガスを更に高圧に圧縮する高段圧縮機
（16）と、該圧縮機（16）から吐出された高圧ヘリウム
ガスから圧縮機（16）用の潤滑油を分離除去する油分離
器（17）と、該油分離器（17）を経由した高圧ヘリウム
ガス中の不純物を吸着除去する吸着器（18）とが設けら
れている。

また、上記クライオスタット（Ｃ）には１次側および２
次側をそれぞれ通過するヘリウムガス間で互いに熱交換
させる第１〜第３のＪ−Ｔ熱交換器（19）〜（21）が嵌
装され、これらＪ−Ｔ熱交換器（19）〜（21）のうち、
第２および第3J−Ｔ熱交換器（20），（21）はクライオ
スタット（Ｃ）の輻射シールド部（C₂）内に配置されて
いる。上記第1J−Ｔ熱交換器（19）の１次側は高圧配管
（22）を介して上記Ｊ−Ｔ側圧縮機ユニット（Ａ）の吸
着器（18）に接続されている。また、上記第１および第
２のＪ−Ｔ熱交換器（19），（21）の各１次側同士は吸
着器（23）と上記膨脹機（７）の第１ヒートステーショ
ン（10）外周に配置した第１予冷器（24）とを介して接
続されているとともに、第２および第3J−Ｔ熱交換器
（20），（21）の各１次側同士は同様に吸着器（25）と
膨脹機（７）の第２ヒートステーション（11）外周に配
置した第２予冷器（26）とを介して接続されている。さ
らに、上記第3J−Ｔ熱交換器（21）の１次側は、膨脹機
（７）のシリンダ（９）下端に支持されて低温発生部
（C₁）内に位置する4Kステージとしての冷却器（27）に
対し吸着器（28）およびＪ−Ｔ弁（29）を介して接続さ
れている。このＪ−Ｔ弁（29）は、高圧のヘリウムガス
をジュールトムソン膨脹させるものであり、その開度は
ヘリウム冷凍機の定常運転時の定常開度に一定に固定さ
れている。そして、上記冷却器（27）は上記第３および
第2J−Ｔ熱交換器（21），（20）の各２次側を経て第1J
−Ｔ熱交換器（19）の２次側に接続され、該第1J−Ｔ熱
交換器（19）の２次側は低圧配管（30）を介して上記Ｊ
−Ｔ側圧縮機ユニット（Ａ）における低段圧縮機（14）
の吸入側に接続されている。よって、上記２段直列に接
続された２台の圧縮機（14），（16）によりヘリウムガ
スを高圧に圧縮してクライオスタット（Ｃ）側に供給
し、それをクライオスタット（Ｃ）の第１〜第３のＪ−
Ｔ熱交換器（19）〜（21）においてＪ−Ｔ側圧縮機ユニ
ット（Ａ）に戻る低温低圧のヘリウムガスと熱交換させ
るとともに、第１および第２予冷器（24），（26）で膨
脹機（７）の第１および第２ヒートステーション（1
0），（11）と熱交換させて冷却したのち、Ｊ−Ｔ弁（2
9）でジュールトムソン膨脹させて冷却器（27）で定常
運転時に１気圧、約4Kのヘリウムとなし、しかる後、低
圧となったヘリウムガスを第１ないし第3J−Ｔ熱交換器
（19）〜（21）の各２次側を通してＪ−Ｔ側圧縮機ユニ
ット（Ａ）の低段圧縮機（14）に吸入させて再圧縮する
ように構成されている。

さらに、本発明の特徴として、上記Ｊ−Ｔ回路（１）の
圧縮機ユニット（Ａ）にその高圧配置（22）の低圧配管
（30）とはユニット側バイパス回路（31）によって接続
され、該ユニット側バイパス回路（31）には該バイパス
回路（31）を開閉するユニット側電磁弁（SV₁）と、絞
り機構としてのキャピラリチューブ（32）とが配設され
ており、このユニット側バイパス回路（31）のキャピラ
リチューブ（32）により決まるヘリウムガスの流量は、
圧縮機（14），（16）に戻るヘリウムガスのリターン圧
力が冷凍機のクールダウン運転時の開始時である常温
（300K）下でも通常のリターン圧力になるように設定さ
れている。

一方、上記クライオスタット（Ｃ）内におけるＪ−Ｔ回
路（１）には、ヘリウムガスを上記Ｊ−Ｔ弁（29）をバ
イパスさせて流通させるＪ−Ｔ弁側バイパス回路（33）
が分岐接続され、該Ｊ−Ｔ弁側バイパス回路（33）には
該バイパス回路（33）を開閉するＪ−Ｔ弁側電磁弁（SV
₂）と、減圧機構としてのキャピラリチューブ（34）と
が配設されている。

そして、上記両電磁弁（SV₁），（SV₂）はその開閉が制
御手段としてのコントローラ（50）によって制御される
ように構成され、該コントローラ（50）には、上記4Kス
テージとしての冷却器（27）から圧縮機（14），（16）
に戻るヘリウムガスのリターン圧力を検出する圧力セン
サ（51）の出力信号が入力されており、このコントロー
ラ（50）による制御により、クールダウン運転時、その
初期に上記Ｊ−Ｔ弁側電磁弁（SV₂）が開かれかつユニ
ット側電磁弁（SV₁）が閉じられる一方、冷却器（27）
から圧縮機（14），（16）に戻るヘリウムガスのリター
ン圧力が所定圧力以上に上昇したときに、上記ユニット
側電磁弁（SV₁）が開いた後にＪ−Ｔ弁側電磁弁（SV₂）
が閉じられ、最終的に上記ユニット側電磁弁（SV₁）が
閉じられるように制御される。

また、第２図にも示すように、上記Ｊ−Ｔ回路（１）の
Ｊ−Ｔ側圧縮機ユニット（Ａ）において、油分離器（1
5）の吐出側（高段圧縮機（16）の吸込側）に接続され
る中間圧配管（35）と、吸着器（23）の吐出側に接続さ
れる高圧配管（22）とは接続配管（36）により接続さ
れ、その接続配管（36）の途中には、所定圧力のヘリウ
ムガスを溜めるバラストタンク（37）と、高圧配管（2
2）内のヘリウムガス圧力が所定圧力よりも上昇したと
きに自動的に開いて高圧配管（22）内の高圧ヘリウムガ
スをバラストタンク（37）内に流入させる高圧制御弁
（38）と、中間圧配管（35）内のヘリウムガス圧力がバ
ラストタンク（37）内のガス圧力よりも低下したときに
その圧力の差に応じたバラストタンク（37）内のヘリウ
ムガスを中間圧配管（35）内に流入させるキャピラリチ
ユーブ（39）とが配設されている。また、この接続配管
（36）には電磁弁（SV₃）が上記高圧制御弁（38）と並
列に接続されている。

尚、上記予冷用圧縮機ユニット（Ｂ）の圧縮機（３）お
よびＪ−Ｔ側圧縮機ユニット（Ａ）の２台の圧縮機（1
4），（16）の構造およびその周辺機器は同様の構造に
構成されおり、第１図中、（40）は各圧縮機（３），
（14），（16）の吐出側から油分離器（４），（15），
（17）に至る流路の途中に介設された吐出ガスコイルで
あって、該吐出ガスコイル（40）は各圧縮機（３），
（14），（16）のケーシング（図示せず）外周の上半部
に巻き付けられてなるものである。また、各圧縮機
（３），（14），（16）のケーシング外周面全体には冷
却水が流れる冷却水コイル（41）が上記吐出ガスコイル
（40）と略平行に巻き付けられており、この冷却水コイ
ル（41）を流れる冷却水により、圧縮機（３），（1
4），（16）から吐出されて吐出ガスコイル（40）内を
流れる高温高圧のヘリウムガスを冷却するようになされ
ている。

また、（42）は各圧縮機（３），（14），（16）のケー
シング外周面下半部に冷却水コイル（41）と略平行に巻
き付けられてなる油コイルであって、該油コイル（42）
の上流端は各圧縮機（３），（14），（16）におけるケ
ーシング内底部の油溜に、下流端は油フィルタ（43）を
介設したインジェクション管（44）を介して圧縮機
（３），（14），（16）の吸入側にそれぞれ接続されて
おり、圧縮機（３），（14），（16）からヘリウムガス
とともに吐出されるケーシング内の潤滑油を油コイル
（42）に送給して上記冷却水コイル（41）内の冷却水に
より冷却器し、この冷却された潤滑油をインジェクショ
ン管（44）によって吸入ヘリウムガス中に噴射注入させ
るようになされている。

次に、上記実施例のヘリウム冷凍機の作動について詳述
する。

ヘリウム冷凍機の起動に伴い、先ず、予冷冷凍回路
（２）の圧縮機（３）とＪ−Ｔ回路（１）の低段および
高段の２台の圧縮機（14），（16）とが起動されてクー
ルダウン運転が行われる。このクールダウン運転状態で
は、基本的には、予冷冷凍回路（２）におけるクライオ
スタット（Ｃ）側の膨脹機（７）で圧縮機（３）から供
給された高圧のヘリウムガスが膨脹し、このガスの膨脹
に伴い、シリンダ（９）の各ヒートステーション（1
0），（11）および第１ヒートステーション（10）に熱
接触している輻射シールド部（C₂）の温度が低下して、
クライオスタット（Ｃ）内の低温発生部（C₁）が外部に
対し輻射シールドされる。

一方、これと同時に、上記クライオスタット（Ｃ）から
Ｊ−Ｔ回路（１）を経てリターンするヘリウムガスが低
段圧縮機（14）により吸引・圧縮されてその周りの冷却
水コイル（41）で冷却水により常温300Kまで冷却され、
このヘリウムガスは油分離器（15）で油成分が分離され
た後、高段圧縮機（16）により吸引・圧縮される。さら
に、この圧縮機（16）からの吐出ガスは圧縮機（16）周
りの冷却水コイル（41）で冷却水により再び常温300Kま
で冷却され、油分離器（17）で油分離された後に吸着器
（18）で不純物が吸着され、こうして得られたクリーン
な高圧ヘリウムガスがクライオスタット（Ｃ）に供給さ
れる。

このクライオスタット（Ｃ）側に供給された高圧ヘリウ
ムガスは第1J−Ｔ熱交換器（19）の１次側に入り、Ｊ−
Ｔ側圧縮機ユニット（Ａ）へ戻る２次側の低圧ヘリウム
ガスと熱交換されて常温300Kから冷却され、その後、上
記膨脹機（７）の50〜60Kに冷却されている第１ヒート
ステーション（10）外周の第１予冷器（４）に入ってさ
らに低温度まで冷却される。この冷却されたガスは第2J
−Ｔ熱交換器（20）の１次側に入って、Ｊ−Ｔ側圧縮機
ユニット（Ａ）へ戻る２次側の低圧ヘリウムガスとの熱
交換により冷却された後、膨脹機（７）の15〜20Kに冷
却されている第２ヒートステーション（11）外周の第２
予冷機（26）に入って低温度まで冷却される。さらに、
ガスは第3J−Ｔ熱交換器（21）の１次側に入って、Ｊ−
Ｔ側圧縮機ユニット（Ａ）へ亘る２次側の低圧ヘリウム
ガスとの熱交換により冷却され、Ｊ−Ｔ弁（29）に至
る。このＪ−Ｔ弁（29）で高圧ヘリウムガスは絞られて
ジュールトムソン膨脹し、その後、冷却器（27）へ供給
される。しかる後、上記冷却器（27）を出た低圧のリタ
ーンヘリウムガスは、第３〜第1J−Ｔ熱交換器（21）〜
（19）の各２次側を通過してその１次側の高圧ヘリウム
ガスとの熱交換により約300Kに温度上昇した後、低圧配
管（30）を通ってＪ−Ｔ側圧縮機ユニット（Ａ）へ戻
る。以後、同様なサイクルが繰り返されてクールダウン
運転が所定時間だけ行われる。

このようなクールダウン運転が終了すると、冷凍機は定
常運転状態に移り、この定常運転状態では、上記Ｊ−Ｔ
弁（29）でのジュールトムソン膨脹によって高圧ヘリウ
ムガスは１気圧、4.2Kの気液混合状態のヘリウムとな
り、この後の冷却器（27）で上記気液混合状態のヘリウ
ムにおける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。また、
上記冷却器（27）から出た低圧ヘリウムガスは、約4.2K
の飽和ガスとなった後、Ｊ−Ｔ側圧縮機ユニット（Ａ）
へ戻り、このサイクルが継続される。

そして、この実施例では、上記ヘリウム冷凍機の起動と
同時に、コントローラ（50）の作動により、第３図に示
すように、Ｊ−Ｔ回路（１）の圧縮機ユニット（Ａ）に
おけるユニット側電磁弁（SV₁）が閉じられてユニット
側バイパス回路（31）が閉鎖されるとともに、Ｊ−Ｔ弁
側電磁弁（SV₂）は開かれてＪ−Ｔ弁側バイパス回路（3
3）が開放され、このＪ−Ｔ弁側バイパス回路（33）の
開放により、圧縮機ユニット（Ａ）の圧縮機（14），
（16）から供給された高圧ヘリウムガスは、その大半が
上記Ｊ−Ｔ弁（29）をバイパスして上記Ｊ−Ｔ弁側バイ
パス回路（33）を介して圧縮機（14），（16）に戻る。
このことにより、上記圧縮機（14），（16）に戻るヘリ
ウムガスのリターン圧力が大に確保される。

この後、冷凍機のクールダウン運転の進行によってＪ−
Ｔ回路（１）の冷却器（27）でのガス温度が極低温近く
まで低下し、それに伴うヘリウムガスの密度の増大によ
りＪ−Ｔ回路（１）内のヘリウムガスの体積が減少して
そのリターン圧力が低下すると、圧力センサ（51）の出
力信号を受けたコントローラ（50）により上記ユニット
側電磁弁（SV₁）が開かれ、かつその後にＪ−Ｔ弁側電
磁弁（SV₂）が閉じられ、これら電磁弁（SV₁），（S
V₂）の開閉切換えにより、上記圧縮機（14），（16）か
ら供給された高圧ヘリウムガスは上記Ｊ−Ｔ弁（29）を
流れて、該Ｊ−Ｔ弁（29）でジュールトムソン膨脹した
後に圧縮機（14），（16）に戻る。そして、最終的に
は、上記ユニット側電磁弁（SV₁）も閉じられて定常運
転状態に移行する。

この場合、上記冷凍機のクールダウン運転状態では、ヘ
リウムガスがＪ−Ｔ弁（29）をバイパスして流れるの
で、上記Ｊ−Ｔ弁（29）の開度が一定開度つまり冷凍機
の定常運転時の定常開度に固定されていても、圧縮機
（14），（16）に戻るヘリウムガスのリターン圧力を大
に確保でき、クールダウン運転時におけるＪ−Ｔ弁（2
9）の開度調整操作をなくしてその手間を簡略化でき、
よってヘリウム冷凍機のクールダウン運転を自動化する
ことができる。

また、このようなクールダウン運転中にヘリウムガスが
Ｊ−Ｔ弁（29）をバイパスしながらもＪ−Ｔ回路（１）
自体を流れるため、4Kステージとしての冷却器（27）の
熱容量が大きくても、特に、該冷却器（27）を常温（30
0K）から150Kレベルまで短時間で冷却でき、よって冷凍
機の定常運転状態に到達するまでのクールダウン時間を
大幅に短縮することができる。

さらに、上記Ｊ−Ｔ弁（29）に対するヘリウムガスのバ
イパスの解除に伴ってＪ−Ｔ弁側電磁弁（SV₂）が閉じ
られた後はバイパス側電磁弁（SV₁）が開き状態に保た
れるため、ヘリウムガスのリターン圧力を大に確保で
き、上記Ｊ−Ｔ弁側電磁弁（SV₂）の閉じタイミングを
大まかに設定しても悪影響はさほど生じない。

また、このような制御と並行して、冷凍機のクールダウ
ン運転時には、バラストタンク（37）内とＪ−Ｔ回路
（１）との間でヘリウムガスのやり取りが自動的に行わ
れる。すなわち、Ｊ−Ｔ回路（１）の冷却器（27）での
ガス温度が極低温近くまで低下し、それに伴うヘリウム
ガスの密度の増大によりＪ−Ｔ回路（１）内のヘリウム
ガスの体積が減少してその中間圧配管（35）内のガス圧
力が定常状態よりも低下してバラストタンク（37）内の
ガス圧力よりも低くなると、該中間圧配管（35）とバラ
ストタンク（37）内ガス圧力との差によりタンク（37）
内のヘリウムガスがキャピラリチューブ（39）を介して
自動的に中間圧配管（35）内に流入し、このことにより
不足分のヘリウムガスがＪ−Ｔ回路（１）内に補充され
て、Ｊ−Ｔ回路（１）内のガス圧力が定常状態に保たれ
る。

そして、冷凍機の定常運転時に、何等かの原因により上
記冷却器（27）でのガス温度が上昇し、そのヘリウムガ
スの密度の低下によりＪ−Ｔ回路（１）内のガスの体積
が増加してガス圧力が定常状態よりも増大しようとする
と、その時点で高圧制御弁（38）が自動的に開いて、Ｊ
−Ｔ回路（１）内のヘリウムガスはその体積の増加分だ
け上記開いた高圧制御弁（38）を通ってバラストタンク
（37）内に流入することとなり、このようなバラストタ
ンク（37）による圧力吸収作用によりＪ−Ｔ回路（１）
内のガス圧力が異常上昇するのを抑えることができる。
また、冷凍機の運転が停止されると、それに伴って電磁
弁（SV₃）が即座に開き、このことにより高圧配管（2
2）内の高圧ヘリウムガスがバラストタンク（37）内に
に流入して、該バラストタンク（37）内に所定圧力のヘ
リウムガスが貯留される。

この場合、バラストタンク（37）と中間圧配管（35）と
がキャピラリチューブ（39）によって接続され、このキ
ャピラリチューブ（39）により、冷凍機のクールダウン
運転時におけるバラストタンク（37）内のヘリウムガス
のＪ−Ｔ回路（１）内へ自動的な供給が行われるので、
従来から一般的に行われている低圧制御弁を使用する場
（第４図参照）に比べて、その高価な低圧制御弁を省略
でき、その分、コストダウン化を図ることができる。

（他の実施例） 第４図は本発明の他の実施例を示し、（尚、第２図と同
じ部分については同じ符号を付してその詳細な説明を省
略する）、Ｊ−Ｔ回路（１）の中間圧配管（30）とバラ
ストタンク（37）とを低圧制御弁（45）により接続する
一方、上記実施例における高圧制御弁（38）を省略し
て、電磁弁（SV′_３）のみとし、この電磁弁（SV′_３）
を、高圧配管（22）内のガス圧力を検出する圧力スイッ
チ（PS）のON・OFF信号に応じて開閉制御するようにし
たものである。

したがって、この実施例では、冷凍機のクールダウン運
転の進行により中間圧配管（35）内のガス圧力が所定圧
力以下に低下すると、低圧制御弁（45）が自動的に開
て、バラストタンク（37）内のヘリウムガスが中間圧配
管（35）内に供給される。一方、温度上昇により高圧配
管（22）内のガス圧力が所定圧力以上に上昇すると、圧
力スイッチ（PS）がON作動し、この圧力スイッチ（PS）
のON信号により電磁弁（SV′_３）が開いて、高圧配管
（22）内のヘリウムガスがバラストタンク（37）内に貯
留される。よって、この実施例の場合、高価な高圧制御
弁が省略されているので、その分、コストダウン化を図
ることができる。

尚、上記各実施例では、ヘリウム冷凍機のクールダウン
運転時、ヘリウムガスのリターン圧力が所定圧力以上に
上昇したときに、ユニット側電磁弁（SV₁）を開きかつ
Ｊ−Ｔ弁側電磁弁（SV₂）を閉じるようにしているが、
その電磁弁（SV₁），（SV₂）の開閉切換えは冷却器（2
7）の温度が所定温度以下に低下したときに行うように
してもよく、上記各実施例と同様の作用効果を奏するこ
とができる。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば、予冷冷凍回路お
よびＪ−Ｔ回路の２元回路を有するヘリウム冷凍機に対
し、上記Ｊ−Ｔ回路の圧縮機ユニットの高低圧配管同士
を接続するユニット側バイパス回路と、ヘリウムガスを
Ｊ−Ｔ弁をバイパスさせて流通させるＪ−Ｔ弁側バイパ
ス回路とを設け、冷凍機のクールダウン運転時、その初
期に上記Ｊ−Ｔ弁側バイパス回路を開きかつユニット側
バイパスを閉じる一方、ヘリウムガスのリターン圧力が
所定圧以上に上昇したときないし冷却ステージの温が所
定温度以下に低下したときに、上記ユニット側バイパス
回路を開いた後にＪ−Ｔ弁側バイパス回路を閉じ、最終
的に上記ユニット側バイパス回路をも閉じるようにした
ことにより、クールダウン運転時、Ｊ−Ｔ弁の開度調整
のための操作を要することなく、ヘリウムガスのリター
ン圧力を大に確保してクールダウン時間を短くでき、よ
ってＪ−Ｔ回路を持つヘリウム冷凍機のクールダウン運
転の自動化およびその短縮化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示し、第１図はヘリウム冷凍機
の全体構成図、第２図はバラストタンク周辺の配管系統
図、第３図はクールダウン運転時のＪ−Ｔ回路における
4Kステージの温度変化およびヘリウムガスのリターン圧
力変化の各特性を示す特性図である。第４図は他の実施
例を示す第２図相当図である。 （Ａ）……Ｊ−Ｔ側圧縮機ユニット、（Ｂ）……予冷用
圧縮機ユニット、（Ｃ）……クライオスタット、（１）
……Ｊ−Ｔ回路、（２）……予冷冷凍回路、（３）……
予冷用圧縮機、（７）……膨脹機、（14）……低段圧縮
機、（16）……高段圧縮機、（22）……高圧配管、（2
9）……Ｊ−Ｔ弁、（30）……低圧配管、（31）……ユ
ニット側バイパス回路、（SV₁）……ユニット側電磁
弁、（32）……キャピラリチューブ、（33）……Ｊ−Ｔ
弁側バイパス回路、（SV₂）……Ｊ−Ｔ弁側電磁弁、（3
4）……キャピラリチューブ、（35）……中間圧配管、
（37）……バラストタンク、（50）……コントローラ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧縮機（３）で圧縮された高圧ヘリウムガ
   スを膨脹機（７）は膨脹させて極低温を発生させる予冷
   冷凍回路（２）と、圧縮機（14），（16）からの高圧ヘ
   リウムガスを上記予冷冷凍回路（２）との熱交換により
   予冷し、その予冷されたヘリウムガスをＪ−Ｔ弁（29）
   によりジュールトムソン膨脹させて極低温を発生させる
   Ｊ−Ｔ回路（１）とを備えたヘリウム冷凍機において、
   上記Ｊ−Ｔ回路（１）の圧縮機ユニット（Ａ）の高低圧
   配管（22），（30）同士を接続するユニット側バイパス
   回路（31）と、該ユニット側バイパス回路（31）を開閉
   するユニット側電磁弁（SV₁）および絞り機構（32）
   と、ヘリウムガスを上記Ｊ−Ｔ弁（29）をバイパスさせ
   て流通させるＪ−Ｔ弁側バイパス回路（33）と、該Ｊ−
   Ｔ弁側バイパス回路（33）を開閉するＪ−Ｔ弁側電磁弁
   （SV₂）および減圧機構（34）と、クールダウン運転
   時、その初期に上記Ｊ−Ｔ弁側電磁弁（SV₂）を開きか
   つユニット側電磁弁（SV₁）を閉じ、冷却器（27）から
   圧縮機（14），（16）に戻るヘリウムガスのリターン圧
   力が所定圧力以上に上昇したときないし上記冷却器（2
   7）の温度が所定温度以下に低下したときに、上記ユニ
   ット側電磁弁（SV₁）を開いた後にＪ−Ｔ弁側電磁弁（S
   V₂）を閉じ、終期に上記ユニット側電磁弁（SV₁）をも
   閉じるように制御する制御手段（50）とを備えたことを
   特徴とするヘリウム冷凍機。