JPH08254367A - 極低温冷凍装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】コンパクトで信頼性の高い極低温冷凍装置で提
供する。 【構成】補助寒冷源の温度レベルで作動し被冷却体から
の戻りガスを圧縮する低温圧縮機を設け、低温圧縮機の
吐出ガスを常温部で作動する主圧縮機の吸入ラインに接
続する。 【効果】主な戻りラインを１系統にできると共に、低温
圧縮機で生じる熱負荷は補助寒冷源で吸収できるためコ
ンパクトな極低温冷凍装置を実現できる。又、減圧系は
真空断熱部に限定できるため、空気吸入の可能性は少な
く信頼性が高くなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、極低温冷凍装置に係
り、特に大気圧以下に減圧された極低温冷媒を生成する
に好適な極低温冷凍装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の極低温冷凍装置としては、例え
ば、実公昭６３−１０４４８号公報記載のように常温部
に全ての圧縮手段を設けていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、主な
戻りラインが主圧縮機の吸入ラインである低圧ラインと
減圧ポンプの吸入ラインである減圧ラインとの２系統の
ため系統が複雑となり装置が大形化するという問題があ
った。さらに、常温部の減圧ラインはフランジ等から空
気を吸入する可能性が高く、冷媒系に混入した空気の固
着により極低温冷凍装置の運転継続が不可能となる危険
性が大きいという問題があった。さらに又、ガスの密度
は圧力に比例し温度に反比例するため、常温部に設ける
圧縮手段が大形化するという問題があった。

【０００４】本発明の目的は、上記従来技術の問題点を
解決し、コンパクトで信頼性の高い極低温冷凍装置を提
供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的は、補助寒冷源
の温度レベルで作動し被冷却体からの戻りガスを圧縮す
る低温圧縮機を設け、低温圧縮機の吐出ガスを常温部で
作動する主圧縮機の吸入ラインに接続することにより達
成できる。

【０００６】

【作用】極低温冷凍装置の被冷却体での冷凍温度は、被
冷却体の特性に合わせ決められ、極低温冷凍装置計画上
の基本条件の１つとなる。この冷凍温度と極低温冷媒の
気液平衡関係とにより、被冷却体での冷媒圧力が決ま
り、主圧縮機の吸入圧力は、コールドボックス内の熱交
換器を含む戻りラインの圧力損失を考慮して決められ
る。主圧縮機の吸入圧力が大気圧力以上の場合は、コー
ルドボックスの主寒冷源である膨張タービンの出口ガス
と被冷却体からの戻りガスを合流させた通常の極低温冷
凍装置が使用される。

【０００７】一方、主圧縮機の吸入圧力を大気圧力より
低くしなければならないような冷凍温度を必要とする場
合は、上記で引用した従来技術のように低圧と減圧の二
系統の戻りラインが使用され、上記のような問題があっ
た。

【０００８】この対策として極低温部に低圧ライン圧力
まで圧縮する極低温圧縮機を設けることが考えられる
が、一般的に極低温冷凍装置の効率は低く、極低温圧縮
機の効率も低いため、極低温冷凍装置で必要な冷凍能力
が増大し装置も大形化する。

【０００９】そこで、上記のように、コールドボックス
で使用する補助寒冷源（例えば、液体窒素）の温度レベ
ルで作動し被冷却体からの戻りガスを低圧ライン圧力ま
で圧縮する低温圧縮機を設ける。低温圧縮機での圧縮に
より生じた熱負荷は、補助寒冷源で容易に吸収すること
ができ、膨張タービン等の主冷媒系には大きな影響を与
えない。低温圧縮機は、真空断熱部に設けられ、被冷却
体を含む減圧ラインは真空断熱部に限定される。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１により説明す
る。以下、ヘリウム（Ｈｅ）冷凍装置を例として説明す
る。大気圧力以上の圧力を有する低圧ライン１のＨｅガ
スは、主圧縮機２で圧縮され中圧ライン３を通り、コー
ルドボックス４に導入され、低圧ライン１の戻りガス及
び補助寒冷源である液体窒素（ＬＮ２）と第１の熱交換
器５ａで熱交換しＬＮ２温度レベルまで冷却される。Ｌ
Ｎ２温度レベルまで冷却された中圧Ｈｅは、第２の熱交
換器５ｂで低圧ライン１及び減圧ライン６の戻りガスと
熱交換・冷却され、膨張タービン系と液化系に分岐し、
膨張タービン系のＨｅは膨張タービン入口弁７を通り第
１の膨張タービン８ａに導入される。第１の膨張タービ
ン８ａに導入されたＨｅガスは、断熱膨脹仕事をするこ
とにより寒冷を発生（温度降下）し、第４の熱交換器５
ｄで冷却された後、第２の膨脹タービン８ｂで再び寒冷
発生して低圧ライン１に合流する。

【００１１】一方、液化系のＨｅガスは、第３の熱交換
器５ｃ，……第６の熱交換器５ｆで順次冷却され、ＪＴ
弁９で断熱膨張して一部が液化し気液分離器１０に導入
される。気液分離器１０の液体ヘリウム（ＬＨｅ）は、
ＬＨｅ供給弁１１を通り被冷却体１２に送られる。液化
しなかったＨｅは、低圧ライン１を通り、第６の熱交換
器５ｆ，……第１の熱交換器５ａで寒冷回収された後、
主圧縮機２に戻る。

【００１２】被冷却体１２で熱負荷を吸収しガス化した
Ｈｅは、減圧ライン６を通り、第６の熱交換器５ｆ，…
…第２の熱交換器５ｂで寒冷回収されＬＮ２温度レベル
まで温度回復し、低温圧縮機入口弁１３を通り、低温圧
縮機１４で低圧圧力まで圧縮されて低圧ライン１に合流
する。バイパスラインのバイパス弁１５は、減圧運転を
必要としない予冷運転時等に使用すめために設けられて
いる。

【００１３】本実施例によれば、補助寒冷源であるＬＮ
₂温度レベルで作動する低温圧縮機で被冷却体からの戻
りガスを圧縮し大気圧力以上の低圧ラインに合流させ、
主な戻りラインを低圧ラインのみとできると共に、低温
圧縮機での圧縮で生じる熱負荷はＬＮ₂で容易に吸収で
き、圧縮手段の吸入圧力も比較的高いためコンパクトな
装置を実現できる効果がある。さらに、低温圧縮機を含
み減圧系は真空断熱部に限定されるため、空気を吸入す
る可能性が少なく信頼性の高い装置を実現できる効果が
ある。

【００１４】次に、図２により他の実施例を説明する。
図２の実施例は、気液分離器１０のＨｅガスを気液分離
器加圧弁１６を介して、極低温状態で減圧ライン６に合
流させ、第２の熱交換器５ｂ，……第６の熱交換器５ｆ
の戻りラインを減圧ライン６のみとしたものである。

【００１５】本実施例によれば、図１と同様な効果が得
られると共に、ライン系統がさらに単純化でき、コンパ
クトな装置を実現できる効果がある。

【００１６】尚、低温圧縮機の吸入側の圧力を低温圧縮
機の容量制御、例えば、回転数制御で所定の設定値に保
持することにより、被冷却体の熱負荷が変動しても被冷
却体の冷凍温度を一定に保持することができる。

【００１７】又、低温圧縮機を複数台で構成することに
より、装置運転上の冗長性を確保できると共に、信頼性
を向上できる。

【００１８】

【発明の効果】本発明によれば、補助寒冷源の温度レベ
ルで作動し被冷却体からの戻りガスを圧縮する低温圧縮
機を設け、低温圧縮機の吐出ガスを常温部で作動する主
圧縮機の吸入ラインに接続することにより、主な戻りラ
インを１系統のみとできると共に、低温圧縮機での冷媒
圧縮で生じる熱負荷は補助寒冷源で容易に吸収でき、圧
縮手段の吸入圧力も比較的高いため、コンパクトな極低
温冷凍装置を実現できるという効果がある。さらに、低
温圧縮機を含め冷媒の減圧系は真空断熱部に限定できる
ため、空気を吸入する可能性が少なく、信頼性の高い極
低温冷凍装置を実現できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による極低温冷凍装置の一実施例を示す
系統図である。

【図２】本発明による極低温冷凍装置の他の実施例を示
す系統図である。

【符号の説明】

２…主圧縮機、４…コールドボックス、５……熱交換
器、８…膨脹タービン、１２…被冷却体、１４…低温圧
縮機。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】冷媒ガスを常温で圧縮する主圧縮機と、補
   助寒冷源を使用し極低温冷媒を生成するコールドボック
   スと、極低温冷媒で冷却される被冷却体とを有する極低
   温冷凍装置において、補助寒冷源の温度レベルで作動し
   被冷却体からの戻りガスを圧縮する低温圧縮機を設け、
   上記低温圧縮機の吐出ガスを上記主圧縮機の吸入ライン
   に接続したことを特徴とする極低温冷凍装置。
2. 【請求項２】低温圧縮機のバイパスラインを設けたこと
   を特徴とする請求項１記載の極低温冷凍装置。
3. 【請求項３】低温圧縮機の吸入側の圧力を低温圧縮機の
   容量制御により所定の設定値に保持する制御手段を有す
   ることを特徴とする請求項１又は２記載の極低温冷凍装
   置。
4. 【請求項４】請求項１記載の極低温冷凍装置に使用され
   る低温圧縮機。
5. 【請求項５】請求項１記載の低温圧縮機を複数台で構成
   したことを特徴とする極低温冷凍装置。