JPH09236344A - Cryogenic refrigeration equipment - Google Patents

Cryogenic refrigeration equipment

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Publication number
JPH09236344A
JPH09236344A JP4463196A JP4463196A JPH09236344A JP H09236344 A JPH09236344 A JP H09236344A JP 4463196 A JP4463196 A JP 4463196A JP 4463196 A JP4463196 A JP 4463196A JP H09236344 A JPH09236344 A JP H09236344A
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JP
Japan
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shield
heat
refrigerator
heat exchanger
refrigerant
Prior art date
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Application number
JP4463196A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Toshiyuki Kurihara
利行 栗原
Keiji Tomioka
計次 富岡
Masakazu Okamoto
昌和 岡本
Katsuya Miura
克哉 三浦
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Daikin Industries Ltd
Original Assignee
Daikin Industries Ltd
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Publication date
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  • Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ディスプレーサ型膨張機からなる予冷及びシ
ールド冷凍機26,40と、JT冷凍機48とに対し、
JT冷凍機48の冷凍能力への予冷冷凍機26の冷凍能
力の影響を小さくし、液体ヘリウムタンクTh内の蒸発
ヘリウムガスを冷却して凝縮液化する場合にタンクTh
内のヘリウムガスを常温から凝縮温度まで短時間で冷却
する。 【解決手段】 JT冷凍機48において圧縮機5,8か
らの高圧ヘリウムガスを、圧縮機5,8側に戻る低温度
の低圧ヘリウムガスと熱交換する4段のJT熱交換器5
1〜54のうち、その最高温側の第1JT熱交換器51
で冷却された後のヘリウムガスを予冷熱交換器50でシ
ールド冷凍機40のヒートステーション43により予冷
した後に、予冷冷凍機26のヒートステーション37,
38で予冷するようにする。
(57) [PROBLEMS] For precooling and shield refrigerators 26, 40, which are displacer type expanders, and JT refrigerator 48,
When the effect of the refrigerating capacity of the pre-cooling refrigerator 26 on the refrigerating capacity of the JT refrigerator 48 is reduced and the evaporated helium gas in the liquid helium tank Th is cooled to be condensed and liquefied, the tank Th
The helium gas inside is cooled from room temperature to the condensation temperature in a short time. SOLUTION: In a JT refrigerator 48, a high-pressure helium gas from compressors 5 and 8 exchanges heat with low-pressure low-pressure helium gas returning to the compressors 5 and 8 in a four-stage JT heat exchanger 5.
The first JT heat exchanger 51 on the highest temperature side among 1 to 54
After precooling the helium gas after being cooled by the precooling heat exchanger 50 by the heat station 43 of the shield refrigerator 40, the heat station 37 of the precooling refrigerator 26,
Precool at 38.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、圧縮機に対しディ
スプレーサ駆動型膨張機からなる予冷及びシールド冷凍
機とJT冷凍機とが接続された極低温冷凍装置の技術分
野に属する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention belongs to the technical field of a cryogenic refrigeration system in which a pre-cooling / shielding refrigerator composed of a displacer-driven expander and a JT refrigerator are connected to a compressor.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来より、この種の極低温冷凍装置とし
て、例えば特開平7―127936号、特開平7―12
7937号、特開平7―127938号の各公報に示さ
れるように、高圧ヘリウムガスをJT弁でジュールトム
ソン膨張させるJT冷凍機と、高圧ヘリウムガスをディ
スプレーサの往復動により膨張させて極低温を発生さ
せ、上記JT冷凍機でジュールトムソン膨張する前のヘ
リウムガスを予冷するディスプレーサ駆動型膨張機から
なる予冷冷凍機と、高圧ヘリウムガスをディスプレーサ
の往復動により膨張させて極低温を発生させるディスプ
レーサ駆動型膨張機からなるシールド冷凍機とを備え、
JT冷凍機のJT弁でのヘリウムガスの膨張によって約
4Kの極低温レベルの寒冷を発生させるとともに、この
JT冷凍機により極低温レベルに冷却される極低温冷却
部分を、シールド冷凍機で得られた極低温の寒冷により
外部の常温レベルから熱シールドするようにした4K冷
凍装置は知られている。
2. Description of the Related Art Conventionally, as a cryogenic refrigerating apparatus of this type, for example, JP-A-7-127936 and JP-A-7-12.
As disclosed in Japanese Patent No. 7937 and Japanese Patent Laid-Open No. 7-127938, a JT refrigerator that expands high-pressure helium gas with a JT valve and a high-pressure helium gas by a reciprocating motion of a displacer to generate an extremely low temperature. And a pre-cooling refrigerator consisting of a displacer-driven expander for pre-cooling the helium gas before Joule-Thomson expansion in the JT refrigerator, and a displacer-driven type that expands high-pressure helium gas by reciprocating motion of the displacer to generate cryogenic temperature With a shield refrigerator consisting of an expander,
The expansion of the helium gas in the JT valve of the JT refrigerator produces a cryogenic level of about 4K, and the cryogenic cooling portion cooled to the cryogenic level by this JT refrigerator is obtained by the shield refrigerator. Also known is a 4K refrigerating device which is designed to provide a heat shield from the outside room temperature level by extremely low temperature cold.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記従来の
ものでは、JT冷凍機の高圧ヘリウムガスは予冷冷凍機
により予冷された後にJT弁でジュールトムソン膨張す
るようになっているので、そのJT冷凍機の冷凍能力は
予冷冷凍機の冷凍能力に大きく依存し、長期間が経過し
て予冷冷凍機の劣化等によりその冷凍能力が低下する
と、それに連れてJT冷凍機の冷凍能力も低下するとい
う問題がある。
By the way, in the above-mentioned conventional one, since the high-pressure helium gas of the JT refrigerator is pre-cooled by the pre-cooling refrigerator, the JT valve expands the Joule-Thomson. The refrigerating capacity of the cooling machine largely depends on the cooling capacity of the pre-cooling refrigerator, and if the refrigerating capacity of the pre-cooling refrigerator decreases due to deterioration of the pre-cooling refrigerator over a long period of time, the refrigerating capacity of the JT refrigerator also decreases. There is.

【0004】また、例えばJT冷凍機で得られた寒冷に
より、液体ヘリウムタンク内の蒸発ヘリウムガスを冷却
して凝縮液化するようにしている場合において、ヘリウ
ムタンク内でヘリウムガスを常温から凝縮温度まで冷却
して液化する際、JT冷凍機の冷凍能力として予冷冷凍
機の冷凍能力のみしか利用できず、ヘリウムタンク内に
十分な量の液体ヘリウムを貯溜するのに長時間がかか
る。
In the case where the vaporized helium gas in the liquid helium tank is cooled and condensed and liquefied by the cold obtained by a JT refrigerator, for example, the helium gas in the helium tank is cooled from room temperature to the condensation temperature. When cooling and liquefying, only the refrigerating capacity of the pre-cooling refrigerator can be used as the refrigerating capacity of the JT refrigerator, and it takes a long time to store a sufficient amount of liquid helium in the helium tank.

【0005】本発明は斯かる点に鑑みてなされたもの
で、その目的は、予冷冷凍機、JT冷凍機及びシールド
冷凍機からなる3種類の冷凍機の構成を旨く利用するこ
とにより、JT冷凍機の冷凍能力に対する予冷冷凍機の
冷凍能力の影響を小さくするとともに、JT冷凍機によ
り冷媒タンク内の蒸発冷媒ガスを冷却して凝縮液化する
場合に、冷媒タンク内での冷媒ガスを常温から凝縮温度
まで短時間で冷却できるようにすることにある。
The present invention has been made in view of the above points, and an object thereof is to make good use of the configurations of three types of refrigerators including a pre-cooling refrigerator, a JT refrigerator, and a shield refrigerator, to achieve a JT refrigerator. In addition to reducing the influence of the refrigerating capacity of the pre-cooling refrigerator on the refrigerating capacity of the machine, when the JT refrigerator cools the condensed refrigerant gas in the refrigerant tank to condense and liquefy, the refrigerant gas in the refrigerant tank is condensed from room temperature. It is to be able to cool to the temperature in a short time.

【0006】[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、この発明では、JT冷凍機での高圧冷媒ガスを予
冷冷凍機で予冷するばかりでなく、その所定の段階でシ
ールド冷凍機によっても予冷するようにした。
In order to achieve the above object, the present invention not only precools a high-pressure refrigerant gas in a JT refrigerator by a precooling refrigerator but also uses a shield refrigerator at a predetermined stage thereof. I also tried pre-cooling.

【0007】具体的には、請求項1の発明では、図1〜
図4に示すように、冷媒ガスを圧縮する圧縮機(5),
(8)と、この圧縮機(5),(8)からの高圧冷媒ガ
スを圧縮機(5),(8)側に戻る低温度の低圧冷媒ガ
スと熱交換する複数段のJT熱交換器(51)〜(5
4)、及び該JT熱交換器(51)〜(54)で冷却さ
れた高圧冷媒ガスをジュールトムソン膨張させて極低温
を発生させるJT弁(58)を有するJT冷凍機(4
8)と、上記圧縮機(5),(8)からの高圧冷媒ガス
をディスプレーサの往復動により膨張させてヒートステ
ーション(37),(38)に極低温を発生させ、上記
JT冷凍機(48)でジュールトムソン膨張する前の冷
媒ガスを上記ヒートステーション(37),(38)に
より予冷する予冷冷凍機(26)と、少なくとも上記J
T冷凍機(48)による極低温冷却部分を囲むように配
設され、冷却された状態で極低温冷却部分を外部から熱
シールドする熱シールド部(S)と、上記圧縮機
(5),(8)からの高圧冷媒ガスをディスプレーサの
往復動により膨張させてヒートステーション(43)に
極低温を発生させ、該ヒートステーション(43)によ
り上記熱シールド部(S)を冷却するシールド冷凍機
(40)と、上記複数段のJT熱交換器(51)〜(5
4)のうちの最高温側のJT熱交換器(51)で冷却さ
れた後でかつ予冷冷凍機(26)のヒートステーション
(37),(38)で冷却される前の高圧冷媒ガスを上
記シールド冷凍機(40)のヒートステーション(4
3)により冷却する予冷熱交換器(50)とを備えたこ
とを特徴とするものである。
More specifically, according to the first aspect of the present invention, FIGS.
As shown in FIG. 4, a compressor (5) for compressing the refrigerant gas,
(8) and a multi-stage JT heat exchanger for exchanging heat between the high-pressure refrigerant gas from the compressors (5) and (8) and the low-temperature low-pressure refrigerant gas returning to the compressors (5) and (8) (51) ~ (5
4), and a JT refrigerator (4) having a JT valve (58) for expanding the Joule-Thomson expansion of the high-pressure refrigerant gas cooled by the JT heat exchangers (51) to (54) to generate a cryogenic temperature.
8) and the high pressure refrigerant gas from the compressors (5) and (8) are expanded by the reciprocating motion of the displacer to generate cryogenic temperatures in the heat stations (37) and (38), and the JT refrigerator (48). ), A precooling refrigerator (26) for precooling the refrigerant gas before Joule-Thomson expansion by the heat stations (37), (38);
A heat shield part (S) which is arranged so as to surround a cryogenic cooling part of the T refrigerator (48) and which shields the cryogenic cooling part from the outside in a cooled state, and the compressor (5), ( The high pressure refrigerant gas from 8) is expanded by the reciprocating motion of the displacer to generate cryogenic temperature in the heat station (43), and the heat refrigerator (40) cools the heat shield part (S) by the heat station (43). ) And the JT heat exchangers (51) to (5) of the plurality of stages.
The high pressure refrigerant gas after being cooled by the JT heat exchanger (51) on the highest temperature side of 4) and before being cooled by the heat stations (37), (38) of the precooling refrigerator (26) is Shield refrigerator (40) heat station (4
And a precooling heat exchanger (50) for cooling by 3).

【0008】この構成により、圧縮機(5),(8)か
ら吐出された高圧冷媒ガスがそれぞれ予冷冷凍機(2
6)、シールド冷凍機(40)及びJT冷凍機(48)
に供給される。そして、予冷冷凍機(26)のヒートス
テーション(37),(38)及びシールド冷凍機(4
0)のヒートステーション(43)で各々のディスプレ
ーサの往復動により極低温レベルの寒冷がそれぞれ発生
し、予冷冷凍機(26)のヒートステーション(3
7),(38)での寒冷により、JT冷凍機(48)で
ジュールトムソン膨張する前の高圧冷媒ガスが予冷され
る。また、JT冷凍機(48)では、圧縮機(5),
(8)からの高圧冷媒ガスが複数段のJT熱交換器(5
1)〜(54)において、圧縮機(5),(8)側に戻
る低温度の低圧冷媒ガスと熱交換されて冷却(予冷)さ
れる。こうして予冷された冷媒ガスがJT弁(58)で
ジュールトムソン膨張して、4Kレベルの寒冷が発生す
る。また、シールド冷凍機(40)のヒートステーショ
ン(43)での寒冷により熱シールド部(S)が冷却さ
れ、この熱シールド部(S)によりJT冷凍機(48)
による極低温冷却部分が外部から熱シールドされる。
With this structure, the high-pressure refrigerant gas discharged from the compressors (5) and (8) is respectively cooled in the precooling refrigerator (2).
6), shield refrigerator (40) and JT refrigerator (48)
Is supplied to. Then, the heat stations (37) and (38) of the pre-cooling refrigerator (26) and the shield refrigerator (4
At the heat station (43) of 0), reciprocating motion of each displacer generates cold at a cryogenic level, and the heat station (3) of the pre-cooling refrigerator (26).
The high temperature refrigerant gas before the Joule-Thomson expansion in the JT refrigerator (48) is pre-cooled by the cooling in 7) and (38). In the JT refrigerator (48), the compressor (5),
The high-pressure refrigerant gas from (8) has multiple stages of JT heat exchanger (5
In 1) to (54), heat is exchanged with the low-temperature low-pressure refrigerant gas returning to the compressors (5) and (8) to be cooled (precooled). The refrigerant gas thus pre-cooled expands at the JT valve (58) by Joule-Thomson to generate cold at 4K level. Moreover, the heat shield part (S) is cooled by the cold in the heat station (43) of the shield refrigerator (40), and the JT refrigerator (48) is cooled by this heat shield part (S).
The cryogenic cooling part is heat shielded from the outside.

【0009】そして、予冷熱交換器(50)では、上記
複数段のJT熱交換器(51)〜(54)のうちの最高
温側のJT熱交換器(51)で冷却された後でかつ予冷
冷凍機(26)のヒートステーション(37),(3
8)で冷却される前の高圧冷媒ガスが上記熱シールド部
(S)と共にシールド冷凍機(40)のヒートステーシ
ョン(43)により冷却される。従って、このようにJ
T冷凍機(48)のJT弁(58)で膨張する前の高圧
冷媒ガスがシールド冷凍機(40)からの寒冷をも受け
て予冷されるので、その分、予冷冷凍機(26)の冷凍
能力が低減されて、その予冷冷凍機(26)の冷凍能力
の影響をJT冷凍機(48)が受け難くなる。しかも、
シールド冷凍機(40)による冷却によりJT冷凍機
(48)での高圧冷媒ガスの予冷段数が増えるので、極
低温冷凍装置の効率を高めることができ、圧縮膨張用の
冷媒タンク(Th)内の蒸発冷媒ガスを冷却して凝縮液
化する場合に、その冷媒タンク(Th)内で冷媒ガスを
常温から凝縮温度まで冷却する時間を短くすることがで
きる。
In the pre-cooling heat exchanger (50), after being cooled by the JT heat exchanger (51) on the highest temperature side among the JT heat exchangers (51) to (54) of the plurality of stages, and Heat stations (37), (3) of the pre-cooling refrigerator (26)
The high pressure refrigerant gas before being cooled in 8) is cooled by the heat station (43) of the shield refrigerator (40) together with the heat shield part (S). Therefore, J
Since the high pressure refrigerant gas before being expanded by the JT valve (58) of the T refrigerator (48) is also precooled by receiving the cold from the shield refrigerator (40), the refrigeration of the precooling refrigerator (26) is correspondingly. The capacity is reduced, and the JT refrigerator (48) is less likely to be affected by the refrigerating capacity of the pre-cooling refrigerator (26). Moreover,
Since the number of precooling stages of high-pressure refrigerant gas in the JT refrigerator (48) increases due to the cooling by the shield refrigerator (40), the efficiency of the cryogenic refrigerator can be increased, and the refrigerant tank (Th) for compression and expansion can be When the evaporated refrigerant gas is cooled to be condensed and liquefied, it is possible to shorten the time for cooling the refrigerant gas from room temperature to the condensation temperature in the refrigerant tank (Th).

【0010】請求項2の発明では、図1に示すように、
請求項1の発明の極低温冷凍装置において、熱シールド
部(S)を冷却する液体シールド冷媒を貯溜するシール
ド冷媒タンク(Tn)と、このシールド冷媒タンク(T
n)内の液体シールド冷媒により熱シールド部(S)を
冷却するシールド熱交換器(23)とを設ける。そし
て、シールド冷凍機(40)は、そのヒートステーショ
ン(43)により上記シールド冷媒タンク(Tn)内の
蒸発シールド冷媒ガスを冷却して凝縮液化するように構
成する。また、予冷熱交換器(50)は、高圧冷媒ガス
を上記シールド冷媒タンク(Tn)内の液体シールド冷
媒と熱交換するように構成する。
According to the second aspect of the invention, as shown in FIG.
In the cryogenic refrigeration system of the invention of claim 1, a shield refrigerant tank (Tn) for storing a liquid shield refrigerant for cooling the heat shield part (S), and this shield refrigerant tank (T
and a shield heat exchanger (23) for cooling the heat shield part (S) by the liquid shield refrigerant in n). Then, the shield refrigerator (40) is configured to cool and evaporate the condensed shield refrigerant gas in the shield refrigerant tank (Tn) by its heat station (43). The pre-cooling heat exchanger (50) is configured to exchange heat with the high pressure refrigerant gas with the liquid shield refrigerant in the shield refrigerant tank (Tn).

【0011】このことで、シールド冷媒タンク(Tn)
内に貯溜されている液体シールド冷媒がシールド熱交換
器(23)に供給されて、熱シールド部(S)が冷却さ
れる。また、シールド冷凍機(40)のヒートステーシ
ョン(43)によりシールド冷媒タンク(Tn)内に蒸
発シールド冷媒ガスが冷却されて液化する。そして、予
冷熱交換器(50)では、JT冷凍機(48)の高圧冷
媒ガスが上記シールド冷媒タンク(Tn)内の液体シー
ルド冷媒と熱交換されて冷却される。つまり、このJT
冷凍機(48)の冷媒ガスは、シールド冷凍機(40)
のヒートステーション(43)によりシールド冷媒タン
ク(Tn)内の液体シールド冷媒を介して間接的に冷却
される。よって、請求項1の発明と同様の作用効果が得
られる。
As a result, the shield refrigerant tank (Tn)
The liquid shield refrigerant stored therein is supplied to the shield heat exchanger (23) to cool the heat shield part (S). Further, the evaporation shield refrigerant gas is cooled and liquefied in the shield refrigerant tank (Tn) by the heat station (43) of the shield refrigerator (40). Then, in the precooling heat exchanger (50), the high pressure refrigerant gas of the JT refrigerator (48) is heat-exchanged with the liquid shield refrigerant in the shield refrigerant tank (Tn) to be cooled. In other words, this JT
The refrigerant gas of the refrigerator (48) is the shield refrigerator (40).
Is indirectly cooled by the heat station (43) via the liquid shield refrigerant in the shield refrigerant tank (Tn). Therefore, the same effect as that of the first aspect of the invention can be obtained.

【0012】特に、この発明では、JT冷凍機(48)
の高圧冷媒ガスを予冷熱交換器(50)でシールド冷媒
タンク(Tn)内の液体シールド冷媒により冷却するの
で、極低温冷凍装置を定常運転にするクールダウン時
に、シールド冷媒タンク(Tn)内に液体シールド冷媒
を供給すれば、その時点で直ちにJT冷凍機(48)の
高圧冷媒ガスを冷却(予冷)でき、クールダウン時間を
短縮することができる。
Particularly, in the present invention, the JT refrigerator (48)
Since the high-pressure refrigerant gas is cooled in the pre-cooling heat exchanger (50) by the liquid shield refrigerant in the shield refrigerant tank (Tn), during the cooldown to bring the cryogenic refrigeration system to the steady operation, the high pressure refrigerant gas is kept in the shield refrigerant tank (Tn). If the liquid shield refrigerant is supplied, the high pressure refrigerant gas of the JT refrigerator (48) can be immediately cooled (pre-cooled) at that time, and the cool down time can be shortened.

【0013】請求項3の発明では、図2に示すように、
請求項1の発明の極低温冷凍装置において、熱シールド
部(S)を冷却する液体シールド冷媒を貯溜するシール
ド冷媒タンク(Tn)を設ける。そして、シールド冷凍
機(40)は、そのヒートステーション(43)により
上記シールド冷媒タンク(Tn)内に蒸発シールド冷媒
ガスを冷却して凝縮液化するように構成する。また、予
冷熱交換器(50)は、高圧冷媒ガスを上記シールド冷
媒タンク(Tn)内の液体シールド冷媒と熱交換するよ
うに構成する。上記予冷熱交換器(50)に、該予冷熱
交換器(50)でシールド冷媒タンク(Tn)内の液体
シールド冷媒により冷却された冷媒ガスにより熱シール
ド部(S)を冷却するシールド熱交換器(23)を接続
する。
According to the third aspect of the invention, as shown in FIG.
In the cryogenic refrigeration system of the invention of claim 1, a shield refrigerant tank (Tn) for storing the liquid shield refrigerant for cooling the heat shield portion (S) is provided. The shield refrigerator (40) is configured to cool and condense the evaporated shield refrigerant gas into the shield refrigerant tank (Tn) by the heat station (43). The pre-cooling heat exchanger (50) is configured to exchange heat with the high pressure refrigerant gas with the liquid shield refrigerant in the shield refrigerant tank (Tn). A shield heat exchanger for cooling the heat shield part (S) with the refrigerant gas cooled by the liquid shield refrigerant in the shield refrigerant tank (Tn) in the precool heat exchanger (50). Connect (23).

【0014】この構成により、シールド冷凍機(40)
のヒートステーション(43)によりシールド冷媒タン
ク(Tn)内に蒸発シールド冷媒ガスが冷却されて液化
する。また、予冷熱交換器(50)では、JT冷凍機
(48)の高圧冷媒ガスが上記シールド冷媒タンク(T
n)内の液体シールド冷媒と熱交換されて冷却され、こ
の予冷熱交換器(50)で液体シールド冷媒により冷却
された高圧冷媒ガスがシールド熱交換器(23)に供給
され、この冷却された冷媒ガスにより熱シールド部
(S)が冷却される。つまり、この発明では、このJT
冷凍機(48)の高圧冷媒ガスが、シールド冷凍機(4
0)によりシールド冷媒タンク(Tn)内の液体シール
ド冷媒を介して間接的に冷却された後にシールド熱交換
器(23)に流れて熱シールド部(S)を冷却する。よ
って、請求項1の発明と同様の作用効果が得られる。
With this configuration, the shield refrigerator (40)
The evaporative shield refrigerant gas is cooled and liquefied in the shield refrigerant tank (Tn) by the heat station (43). Further, in the pre-cooling heat exchanger (50), the high pressure refrigerant gas of the JT refrigerator (48) is transferred to the shield refrigerant tank (T
n) The high pressure refrigerant gas that has been cooled by heat exchange with the liquid shield refrigerant in n) and cooled by the liquid shield refrigerant in this precooling heat exchanger (50) is supplied to the shield heat exchanger (23) and cooled. The heat shield part (S) is cooled by the refrigerant gas. In other words, in this invention, this JT
The high pressure refrigerant gas of the refrigerator (48) is transferred to the shield refrigerator (4
0) is indirectly cooled through the liquid shield refrigerant in the shield refrigerant tank (Tn) and then flows to the shield heat exchanger (23) to cool the heat shield part (S). Therefore, the same effect as that of the first aspect of the invention can be obtained.

【0015】請求項4の発明では、図3に示すように、
請求項1の発明の極低温冷凍装置において、予冷熱交換
器(50)は、高圧冷媒ガスをシールド冷凍機(40)
のヒートステーション(43)と直接に熱交換するよう
に構成する。そして、予冷熱交換器(50)に、該予冷
熱交換器(50)でシールド冷凍機(40)のヒートス
テーション(43)により冷却された冷媒ガスにより熱
シールド部(S)を冷却するシールド熱交換器(23)
を接続する。
According to the invention of claim 4, as shown in FIG.
In the cryogenic refrigerator of the invention of claim 1, the precooling heat exchanger (50) shields the high pressure refrigerant gas from the refrigerator (40).
It is configured to directly exchange heat with the heat station (43). Then, in the pre-cooling heat exchanger (50), the shield heat for cooling the heat shield part (S) by the refrigerant gas cooled by the heat station (43) of the shield refrigerator (40) in the pre-cooling heat exchanger (50). Exchanger (23)
Connect.

【0016】こうすれば、予冷熱交換器(50)におい
て、JT冷凍機(48)の高圧冷媒ガスがシールド冷凍
機(40)のヒートステーション(43)と熱交換され
て冷却された後、シールド熱交換器(23)に供給さ
れ、この冷却された高圧冷媒ガスにより熱シールド部
(S)が冷却される。つまり、この発明では、JT冷凍
機(48)の高圧冷媒ガスがシールド冷凍機(40)の
ヒートステーション(43)から直接的に冷却された後
にシールド熱交換器(23)で熱シールド部(S)を冷
却することとなり、この場合にも、請求項1の発明と同
様の作用効果が得られる。
In this way, in the pre-cooling heat exchanger (50), the high pressure refrigerant gas of the JT refrigerator (48) is heat-exchanged with the heat station (43) of the shield refrigerator (40) to be cooled, and then the shield. The heat shield part (S) is cooled by the cooled high-pressure refrigerant gas supplied to the heat exchanger (23). In other words, in the present invention, the high pressure refrigerant gas of the JT refrigerator (48) is directly cooled from the heat station (43) of the shield refrigerator (40) and then the heat shield part (S) of the shield heat exchanger (23). ) Is cooled, and also in this case, the same effect as the invention of claim 1 can be obtained.

【0017】請求項5の発明では、図4に示す如く、請
求項1の発明の極低温冷凍装置において、予冷熱交換器
(50)は、高圧冷媒ガスをシールド冷凍機(40)の
ヒートステーション(43)と直接に熱交換するように
構成する。そして、シールド冷凍機(40)のヒートス
テーション(43)に熱シールド部(S)を熱接触させ
る。
In the fifth aspect of the invention, as shown in FIG. 4, in the cryogenic refrigeration system of the first aspect of the invention, the precooling heat exchanger (50) heats the high pressure refrigerant gas to the heat station of the shield refrigerator (40). It is configured to directly exchange heat with (43). Then, the heat shield part (S) is brought into thermal contact with the heat station (43) of the shield refrigerator (40).

【0018】このことで、請求項4の発明と同様に、J
T冷凍機(48)の高圧冷媒ガスがシールド冷凍機(4
0)のヒートステーション(43)と熱交換されて冷却
される。また、シールド冷凍機(40)のヒートステー
ション(43)に熱シールド部(S)が熱接触している
ので、このシールド冷凍機(40)のヒートステーショ
ン(43)により熱シールド部(S)が直接的に冷却さ
れる。よって、請求項1の発明と同様の作用効果が得ら
れる。
As a result, J
The high pressure refrigerant gas of the T refrigerator (48) is the shield refrigerator (4
It is cooled by exchanging heat with the heat station (43) of 0). In addition, since the heat shield part (S) is in thermal contact with the heat station (43) of the shield refrigerator (40), the heat shield part (S) is changed by the heat station (43) of the shield refrigerator (40). It is cooled directly. Therefore, the same effect as that of the first aspect of the invention can be obtained.

【0019】[0019]

【発明の実施の形態】BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION

(実施形態1)図1は本発明の実施形態1に係る極低温
冷凍装置(R)の全体構成を示し、この冷凍装置(R)
は超電導磁石(M)をその超電導コイルが極低温レベル
になるように冷却するためのもので、液体ヘリウム(冷
媒)を貯溜する液体ヘリウムタンク(Th)に付設され
ている。そして、このヘリウムタンク(Th)内に超電
導磁石(M)が液体ヘリウムにより浸漬されて収容さ
れ、この液体ヘリウムにより磁石(M)の超電導コイル
が臨界温度以下に冷却保持される。
(Embodiment 1) FIG. 1 shows the entire configuration of a cryogenic refrigerator (R) according to Embodiment 1 of the present invention.
Is for cooling the superconducting magnet (M) so that the superconducting coil has a cryogenic level, and is attached to a liquid helium tank (Th) for storing liquid helium (refrigerant). Then, the superconducting magnet (M) is dipped in the helium tank (Th) and accommodated therein, and the liquid helium cools and holds the superconducting coil of the magnet (M) below the critical temperature.

【0020】冷凍装置(R)は圧縮機ユニット(1)と
冷凍機ユニット(21)とからなる。上記圧縮機ユニッ
ト(1)には、低圧ガス吸入口(2)からの低圧ヘリウ
ムガスを、逆止弁(3)を有する低圧配管(4)を介し
て吸い込んで圧縮する低段圧縮機(5)と、この低段圧
縮機(5)から吐出されたヘリウムガスを、中間圧ガス
吸入口(6)から中間圧配管(7)を介して吸入された
中間圧のヘリウムガスと共に吸い込んでさらに高圧に圧
縮する高段圧縮機(8)とが配設され、この高段圧縮機
(8)の吐出側は冷凍機用高圧配管(9)を介して冷凍
機用高圧ガス吐出口(10)に、また上記冷凍機用高圧
配管(9)から分岐したJT用高圧配管(11)を介し
てJT用高圧ガス吐出口(12)にそれぞれ接続されて
いる。上記高段圧縮機(8)の吐出側からJT冷凍機
(48)に至る上記JT用高圧配管(11)には流量調
整用の絞り固定式のJT流量調整弁(V)が配設されて
いる。
The refrigerator (R) comprises a compressor unit (1) and a refrigerator unit (21). A low-stage compressor (5) for sucking and compressing low-pressure helium gas from the low-pressure gas suction port (2) into the compressor unit (1) through a low-pressure pipe (4) having a check valve (3). ) And the helium gas discharged from the low-stage compressor (5) together with the intermediate-pressure helium gas sucked from the intermediate-pressure gas suction port (6) through the intermediate-pressure pipe (7) to further increase the pressure. And a high-stage compressor (8) for compressing the high-pressure compressor (8), and the discharge side of the high-stage compressor (8) is connected to the high-pressure gas discharge port (10) for the refrigerator via the high-pressure pipe (9) for the refrigerator. Further, they are respectively connected to the JT high pressure gas discharge port (12) via the JT high pressure pipe (11) branched from the refrigerator high pressure pipe (9). A JT high-pressure pipe (11) extending from the discharge side of the high-stage compressor (8) to the JT refrigerator (48) is provided with a throttle-fixed type JT flow rate adjusting valve (V) for flow rate adjustment. There is.

【0021】(Tb)はヘリウムガスを貯蔵するバッフ
ァタンクで、このバッファタンク(Tb)にはヘリウム
ガス給排配管(15)の一端部が接続されている。この
ヘリウムガス給排配管(15)の他端側は圧縮機ユニッ
ト(1)内でヘリウムガス供給配管(16)とヘリウム
ガス戻し配管(17)とに分岐され、ヘリウムガス供給
配管(16)の端部は、上記低段圧縮機(5)の吸込側
と逆止弁(4)との間の低圧配管(4)に接続され、こ
のヘリウムガス供給配管(16)には低圧制御弁(LP
R)が配設されている。この低圧制御弁(LPR)は、
低圧配管(4)でのヘリウムガス圧が設定圧以下に低下
したときにそれをパイロット圧として自動的に開くもの
で、この低圧制御弁(LPR)の開弁に伴い、バッファ
タンク(Tb)内のヘリウムガスが低圧配管(4)(冷
媒回路)に供給される。
(Tb) is a buffer tank for storing helium gas, and one end of a helium gas supply / discharge pipe (15) is connected to the buffer tank (Tb). The other end of the helium gas supply / discharge pipe (15) is branched into a helium gas supply pipe (16) and a helium gas return pipe (17) in the compressor unit (1), and the helium gas supply pipe (16) The end portion is connected to a low pressure pipe (4) between the suction side of the low stage compressor (5) and the check valve (4), and a low pressure control valve (LP) is connected to the helium gas supply pipe (16).
R). This low pressure control valve (LPR)
When the helium gas pressure in the low-pressure pipe (4) drops below a set pressure, it automatically opens as a pilot pressure. With the opening of this low-pressure control valve (LPR), the buffer tank (Tb) is opened. Helium gas is supplied to the low pressure pipe (4) (refrigerant circuit).

【0022】一方、ヘリウムガス戻し配管(17)の端
部は上記冷凍機用高圧配管(9)(JT用高圧配管(1
1))に接続され、このヘリウムガス戻し配管(17)
の途中には高圧制御弁(HPR)が配置されている。こ
の高圧制御弁(HPR)は、冷凍機用高圧配管(9)で
のヘリウムガス圧が設定圧以上に上昇したときにそれを
パイロット圧として自動的に開くもので、この高圧制御
弁(HPR)の開弁により冷凍機用高圧配管(9)及び
JT用高圧配管(11)(冷媒回路)のヘリウムガスが
バッファタンク(Tb)内に戻される。
On the other hand, the end of the helium gas return pipe (17) is connected to the high pressure pipe (9) for the refrigerator (high pressure pipe for JT (1
1)) connected to this helium gas return pipe (17)
A high pressure control valve (HPR) is arranged in the middle of. This high pressure control valve (HPR) automatically opens as a pilot pressure when the helium gas pressure in the refrigerator high pressure pipe (9) rises above a set pressure. This high pressure control valve (HPR) By opening the valve, the helium gas in the refrigerator high-pressure pipe (9) and the JT high-pressure pipe (11) (refrigerant circuit) is returned to the buffer tank (Tb).

【0023】これに対し、上記冷凍機ユニット(21)
は真空デュワー(D)を有し、この真空デュワー(D)
内部に上記液体ヘリウムタンク(Th)が熱シールド部
としての熱シールド板(S)により外部から熱シールド
された状態で収容されており、この熱シールド板(S)
の内部が、後述のJT冷凍機(48)により極低温レベ
ルに冷却される極低温冷却部分とされている。
On the other hand, the refrigerator unit (21)
Has a vacuum dewar (D), and this vacuum dewar (D)
The liquid helium tank (Th) is accommodated in the inside in a state of being thermally shielded from the outside by a heat shield plate (S) as a heat shield portion. This heat shield plate (S)
The inside of is a cryogenic cooling portion cooled to a cryogenic level by a JT refrigerator (48) described later.

【0024】また、真空デュワー(D)の内部にはシー
ルド冷媒としての液体窒素を貯溜する液体窒素タンク
(Tn)が配設されている。この液体窒素タンク(T
n)の底部には窒素配管(22)の一端部が接続され、
この窒素配管(22)の他端部は同じ液体窒素タンク
(Tn)内の上部に開口されていて、窒素配管(22)
及び液体窒素タンク(Tn)により閉回路の窒素回路が
構成されている。
Further, inside the vacuum dewar (D), a liquid nitrogen tank (Tn) for storing liquid nitrogen as a shield refrigerant is arranged. This liquid nitrogen tank (T
One end of the nitrogen pipe (22) is connected to the bottom of n),
The other end of this nitrogen pipe (22) is opened in the upper part in the same liquid nitrogen tank (Tn), and the nitrogen pipe (22)
And a liquid nitrogen tank (Tn) form a closed-circuit nitrogen circuit.

【0025】そして、上記窒素配管(22)の途中には
上記熱シールド板(S)に伝熱可能に接触したシールド
熱交換器としてのシールド板熱交換器(23)が配設さ
れており、液体窒素タンク(Tn)内の液体窒素を窒素
配管(22)を介してシールド板熱交換器(23)に供
給し、そのシールド板熱交換器(23)で液体窒素タン
ク(Tn)内からの液体窒素との熱交換により熱シール
ド板(S)を液体窒素の温度(約80K)に冷却して、
熱シールド板(S)内の液体ヘリウムタンク(Th)等
を外部から熱シールドするとともに、シールド板熱交換
器(23)での熱交換によって蒸発した窒素ガスを窒素
タンク(Tn)内に戻すようにしている。尚、(24)
は液体窒素タンク(Tn)内に連通するように接続され
た大気放出弁で、液体窒素タンク(Tn)内の余剰の窒
素を真空デュワー(D)外部に放出するためのものであ
る。
A shield plate heat exchanger (23) as a shield heat exchanger that is in contact with the heat shield plate (S) in a heat transferable manner is disposed in the middle of the nitrogen pipe (22), The liquid nitrogen in the liquid nitrogen tank (Tn) is supplied to the shield plate heat exchanger (23) through the nitrogen pipe (22), and the shield plate heat exchanger (23) is used to supply liquid nitrogen from the liquid nitrogen tank (Tn). The heat shield plate (S) is cooled to the temperature of liquid nitrogen (about 80 K) by heat exchange with liquid nitrogen,
The liquid helium tank (Th) in the heat shield plate (S) is externally heat shielded, and the nitrogen gas evaporated by heat exchange in the shield plate heat exchanger (23) is returned to the nitrogen tank (Tn). I have to. Incidentally, (24)
Is an atmosphere release valve connected so as to communicate with the liquid nitrogen tank (Tn), and is for discharging excess nitrogen in the liquid nitrogen tank (Tn) to the outside of the vacuum dewar (D).

【0026】上記冷凍機ユニット(21)は、圧縮機ユ
ニット(1)の高段圧縮機(8)に対し互いに並列に閉
回路に接続された予冷冷凍機(26)、シールド冷凍機
(40)及びJT冷凍機(48)からなる。上記予冷冷
凍機(26)は、JT冷凍機(48)におけるヘリウム
ガス(冷媒)を予冷するためにヘリウムガスを圧縮及び
膨張させるもので、ディスプレーサ(図示せず)に対す
るヘリウムガス圧により該ディスプレーサを往復動させ
るガス圧駆動型のG−M(ギフォード・マクマホン)サ
イクルの膨張機で構成されている。
The refrigerator unit (21) is connected to the high-stage compressor (8) of the compressor unit (1) in parallel with each other in a closed circuit to form a precooling refrigerator (26) and a shield refrigerator (40). And a JT refrigerator (48). The pre-cooling refrigerator (26) compresses and expands the helium gas in order to pre-cool the helium gas (refrigerant) in the JT refrigerator (48). The helium gas pressure to the displacer (not shown) causes the displacer to operate. It is composed of a reciprocating gas pressure drive type GM (Gifford McMahon) cycle expander.

【0027】この予冷冷凍機(26)は上記真空デュワ
ー(D)の外部に配置される密閉状のモータヘッド(2
7)と、該モータヘッド(27)に連設された大小2段
構造のシリンダ(28)とを有する。上記モータヘッド
(27)には高圧ガス入口(29)及び低圧ガス出口
(30)が開口され、高圧ガス入口(29)は予冷側分
岐高圧配管(31)及び集合高圧配管(33)を介して
上記圧縮機ユニット(1)の冷凍機用高圧ガス吐出口
(10)つまり高段圧縮機(8)の吐出側に、また低圧
ガス出口(30)は予冷側分岐中間圧配管(34)及び
集合中間圧配管(36)を介して圧縮機ユニット(1)
の中間圧ガス吸入口(6)つまり高段圧縮機(8)の吸
入側にそれぞれ接続されている。
This pre-cooling refrigerator (26) has a hermetic motor head (2) arranged outside the vacuum dewar (D).
7) and a cylinder (28) of large and small two-stage structure connected to the motor head (27). A high-pressure gas inlet (29) and a low-pressure gas outlet (30) are opened in the motor head (27), and the high-pressure gas inlet (29) is connected through a pre-cooling side branch high-pressure pipe (31) and a collective high-pressure pipe (33). The high-pressure gas discharge port (10) for the refrigerator of the compressor unit (1), that is, the discharge side of the high-stage compressor (8), and the low-pressure gas outlet (30) is a pre-cooling side branch intermediate pressure pipe (34) and a collection. Compressor unit (1) through intermediate pressure pipe (36)
Are connected to the intermediate pressure gas suction port (6), that is, to the suction side of the high-stage compressor (8).

【0028】一方、シリンダ(28)の先端部は真空デ
ュワー(D)の側壁を貫通してその内部の熱シールド板
(S)内に延びており、その大径部の先端部は所定温度
レベルに冷却保持される第1ヒートステーション(3
7)に、また小径部の先端部は上記第1ヒートステーシ
ョン(37)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(38)にそれぞれ形成されてい
る。
On the other hand, the tip of the cylinder (28) penetrates the side wall of the vacuum dewar (D) and extends into the heat shield plate (S) therein, and the tip of the large-diameter portion has a predetermined temperature level. The first heat station (3
7) and the tip of the small diameter portion is formed in the second heat station (38) which is cooled and held at a temperature level lower than that of the first heat station (37).

【0029】すなわち、ここでは図示しないが、シリン
ダ(28)内には、上記各ヒートステーション(3
7),(38)に対応する位置にそれぞれ膨張空間を区
画形成するフリータイプのディスプレーサ(置換器)が
往復動可能に嵌挿されている。一方、モータヘッド(2
7)内には、回転する毎に開閉するロータリバルブと、
該ロータリバルブを駆動するバルブモータとが収容され
ている。ロータリバルブは、上記高圧ガス入口(29)
から流入したヘリウムガスをシリンダ(28)内の各膨
張空間に供給し、又は各膨張空間内で膨張したヘリウム
ガスを低圧ガス出口(30)から排出するように切り換
わる。また、モータヘッド(27)には、シリンダ(2
8)内の膨張空間に対しオリフィスを介して連通する中
間圧室が設けられており、ロータリバルブの切換えによ
り膨張空間と中間圧室との間に圧力差を生じさせ、この
圧力差によりディスプレーサを往復駆動するようにして
いる。そして、ロータリバルブの開閉により圧縮機ユニ
ット(1)の高段圧縮機(8)からの高圧ヘリウムガス
をシリンダ(28)内の各膨張空間でサイモン膨張させ
て、その膨張に伴う温度降下により極低温レベルの寒冷
を発生させ、その寒冷をシリンダ(28)における第1
及び第2ヒートステーション(37),(38)にて保
持する。つまり、予冷冷凍機(26)では、高段圧縮機
(8)から吐出された高圧のヘリウムガスを断熱膨張さ
せてヒートステーション(37),(38)の温度を低
下させ、JT冷凍機(48)における後述の予冷器(5
6),(57)を予冷するとともに、膨張した中間圧の
ヘリウムガスを高段圧縮機(8)の吸入側に戻して再圧
縮するようになされている。
That is, although not shown here, each heat station (3
Free type displacers (replacers) that partition and form expansion spaces are reciprocally fitted at positions corresponding to 7) and (38). On the other hand, the motor head (2
In 7), a rotary valve that opens and closes each time it rotates,
A valve motor for driving the rotary valve is housed. The rotary valve includes the high pressure gas inlet (29).
The helium gas flowing in from is supplied to each expansion space in the cylinder (28), or the helium gas expanded in each expansion space is switched to be discharged from the low pressure gas outlet (30). Further, the motor head (27) has a cylinder (2
8) An intermediate pressure chamber that communicates with the expansion space inside via an orifice is provided, and a pressure difference is generated between the expansion space and the intermediate pressure chamber by switching the rotary valve, and the displacer is caused by this pressure difference. It is designed to reciprocate. Then, by opening and closing the rotary valve, high-pressure helium gas from the high-stage compressor (8) of the compressor unit (1) is Simon-expanded in each expansion space in the cylinder (28), and the temperature drop accompanying the expansion causes a polar drop. It produces a low level of cold, which is the first in the cylinder (28).
And the second heat stations (37) and (38). That is, in the pre-cooling refrigerator (26), the high-pressure helium gas discharged from the high-stage compressor (8) is adiabatically expanded to lower the temperature of the heat stations (37), (38), and the JT refrigerator (48). ) Later described precooler (5
6) and (57) are pre-cooled, and the expanded intermediate pressure helium gas is returned to the suction side of the high-stage compressor (8) and re-compressed.

【0030】一方、シールド冷凍機(40)は上記予冷
冷凍機(26)と同じ構造のガス圧駆動型のもので、真
空デュワー(D)の外部に配置されるモータヘッド(4
1)と、該モータヘッド(41)に連設され、真空デュ
ワー(D)の側壁を貫通してその内部に延びるシリンダ
(42)とを有する。上記モータヘッド(41)には高
圧ガス入口(44)及び低圧ガス出口(45)が開口さ
れ、高圧ガス入口(44)はシールド側分岐高圧配管
(32)を介して上記集合高圧配管(33)、つまり圧
縮機ユニット(1)の冷凍機用高圧ガス吐出口(10)
(高段圧縮機(8)の吐出側)に、また低圧ガス出口
(45)はシールド側分岐中間圧配管(35)を介して
上記集合中間圧配管(36)、つまり圧縮機ユニット
(1)の中間圧ガス吸入口(6)(高段圧縮機(8)の
吸入側)にそれぞれ接続されている。一方、シリンダ
(42)の先端部は所定温度レベルに冷却保持されるヒ
ートステーション(43)に形成されていて、このヒー
トステーション(43)は上記液体窒素タンク(Tn)
内部に臨んでいる。そして、シールド冷凍機(40)に
より、高段圧縮機(8)から吐出された高圧のヘリウム
ガスを断熱膨張させてヒートステーション(43)の温
度を低下させ、そのヒートステーション(43)で液体
窒素タンク(Tn)内の蒸発窒素ガスを冷却して凝縮液
化するとともに、膨張した中間圧ヘリウムガスを高段圧
縮機(8)の吸入側に戻して再圧縮するようになされて
いる。
On the other hand, the shield refrigerator (40) is of the gas pressure drive type having the same structure as the pre-cooling refrigerator (26), and the motor head (4) is arranged outside the vacuum dewar (D).
1) and a cylinder (42) connected to the motor head (41) and penetrating the side wall of the vacuum dewar (D) and extending inside thereof. A high-pressure gas inlet (44) and a low-pressure gas outlet (45) are opened in the motor head (41), and the high-pressure gas inlet (44) passes through the shield-side branch high-pressure pipe (32) to the collective high-pressure pipe (33). That is, the high pressure gas discharge port (10) for the refrigerator of the compressor unit (1)
(On the discharge side of the high-stage compressor (8)), and the low-pressure gas outlet (45) is connected via the shield side branch intermediate pressure pipe (35) to the above-mentioned collective intermediate pressure pipe (36), that is, the compressor unit (1). Of the intermediate pressure gas (6) (the suction side of the high-stage compressor (8)). On the other hand, the front end of the cylinder (42) is formed in a heat station (43) which is cooled and held at a predetermined temperature level, and this heat station (43) is in the liquid nitrogen tank (Tn).
It faces inside. Then, the shield refrigerator (40) adiabatically expands the high-pressure helium gas discharged from the high-stage compressor (8) to lower the temperature of the heat station (43), and the heat nitrogen of the heat station (43) is reduced. The evaporated nitrogen gas in the tank (Tn) is cooled to be condensed and liquefied, and the expanded intermediate pressure helium gas is returned to the suction side of the high-stage compressor (8) and recompressed.

【0031】上記JT冷凍機(48)は、約4Kレベル
の寒冷を発生させるためにヘリウムガスをジュールトム
ソン膨張させる冷凍機であって、このJT冷凍機(4
8)は、上記真空デュワー(D)内で熱シールド板
(S)の外側に配置された第1JT熱交換器(51)
と、熱シールド板(S)の内側に配置された第2〜第4
JT熱交換器(52)〜(54)とを備えている。この
4段のJT熱交換器(51)〜(54)の各々は1次側
及び2次側をそれぞれ通過するヘリウムガス間で互いに
熱交換させるもので、第1JT熱交換器(51)の1次
側は圧縮機ユニット(1)のJT用高圧ガス吐出口(1
2)つまり高段圧縮機(8)の吐出側にJT側高圧配管
(55)を介して接続されている。また、第2及び第3
JT熱交換器(52),(53)の各1次側同士は、上
記予冷冷凍機(26)におけるシリンダ(28)の第1
ヒートステーション(37)外周に配置した第1予冷器
(56)を介して接続されている。同様に、第3及び第
4JT熱交換器(53),(54)の各1次側同士は、
第2ヒートステーション(38)外周に配置した第2予
冷器(57)を介して接続されている。さらに、上記第
4JT熱交換器(54)の1次側は、高圧のヘリウムガ
スをジュールトムソン膨張させるJT弁(58)に吸着
器(59)を介して接続されている。上記JT弁(5
8)は真空デュワー(D)外側から操作ロッド(58
a)によって開度が調整される。このJT弁(58)
は、液体ヘリウム戻し配管(60)を介して上記液体ヘ
リウムタンク(Th)内に連通されている。また、この
ヘリウムタンク(Th)内は、ヘリウムガス吸入配管
(61)を介して上記第4JT熱交換器(54)の2次
側に接続されている。そして、この第4JT熱交換器
(54)の2次側は第3及び第2JT熱交換器(5
3),(52)の各2次側を経て第1JT熱交換器(5
1)の2次側に接続され、この第1JT熱交換器(5
1)の2次側は低圧配管(62)を介して圧縮機ユニッ
ト(1)の低圧ガス吸入口(2)つまり低段圧縮機
(5)の吸入側に接続されている。
The JT refrigerator (48) is a refrigerator that expands helium gas by Joule-Thomson in order to generate cold of about 4K. The JT refrigerator (4)
8) is a first JT heat exchanger (51) arranged outside the heat shield plate (S) in the vacuum dewar (D).
And the second to the fourth arranged inside the heat shield plate (S).
It is equipped with JT heat exchangers (52) to (54). Each of the four-stage JT heat exchangers (51) to (54) exchanges heat between helium gases passing through the primary side and the secondary side, respectively. The next side is the high pressure gas discharge port (1) for JT of the compressor unit (1).
2) That is, it is connected to the discharge side of the high-stage compressor (8) via the JT-side high-pressure pipe (55). Also, the second and third
The primary sides of the JT heat exchangers (52), (53) are connected to each other by the first cylinder (28) of the precooling refrigerator (26).
It is connected via a first precooler (56) arranged on the outer periphery of the heat station (37). Similarly, the respective primary sides of the third and fourth JT heat exchangers (53) and (54) are
It is connected via a second precooler (57) arranged on the outer periphery of the second heat station (38). Further, the primary side of the fourth JT heat exchanger (54) is connected to a JT valve (58) for expanding Joule-Thomson of high-pressure helium gas via an adsorber (59). Above JT valve (5
8) is the operation rod (58) from the outside of the vacuum dewar (D).
The opening is adjusted by a). This JT valve (58)
Are communicated with the liquid helium tank (Th) through a liquid helium return pipe (60). The inside of the helium tank (Th) is connected to the secondary side of the fourth JT heat exchanger (54) through a helium gas suction pipe (61). The secondary side of the fourth JT heat exchanger (54) is connected to the third and second JT heat exchangers (5
3), through the respective secondary sides of (52), the first JT heat exchanger (5
1) is connected to the secondary side of the first JT heat exchanger (5
The secondary side of 1) is connected to the low-pressure gas suction port (2) of the compressor unit (1), that is, the suction side of the low-stage compressor (5) via a low-pressure pipe (62).

【0032】本発明の特徴として、上記第1及び第2J
T熱交換器(51),(52)の各1次側同士は、上記
液体窒素タンク(Tn)内に配置した予冷熱交換器(5
0)を介して接続されている。この予冷熱交換器(5
0)は液体窒素タンク(Tn)内の液体窒素に浸漬され
ていて、予冷熱交換器(50)内部を通る高圧ヘリウム
ガスを液体窒素タンク(Tn)内の液体窒素と熱交換す
るようになっており、第1〜第4の4段のJT熱交換器
(51)〜(54)のうちの最高温側の第1JT熱交換
器(51)で冷却された後でかつ予冷冷凍機(26)の
ヒートステーション(37),(38)で冷却される前
のヘリウムガスを、予冷熱交換器(50)においてシー
ルド冷凍機(40)のヒートステーション(43)によ
り液体窒素を介して間接的に冷却するようにしている。
As a feature of the present invention, the first and second J
The primary sides of the T heat exchangers (51) and (52) are connected to each other in the precooling heat exchanger (5) arranged in the liquid nitrogen tank (Tn).
0). This pre-cooling heat exchanger (5
0) is immersed in the liquid nitrogen in the liquid nitrogen tank (Tn) so that the high pressure helium gas passing through the inside of the precooling heat exchanger (50) exchanges heat with the liquid nitrogen in the liquid nitrogen tank (Tn). Of the first to fourth four-stage JT heat exchangers (51) to (54), after being cooled by the first JT heat exchanger (51) on the highest temperature side, the precooling refrigerator (26 Helium gas before being cooled in the heat stations (37) and (38) of (1) is indirectly passed through liquid nitrogen by the heat station (43) of the shield refrigerator (40) in the precooling heat exchanger (50). I try to cool.

【0033】そして、JT冷凍機(48)は圧縮機ユニ
ット(1)の両圧縮機(5),(8)に対し高低圧配管
(55),(62)を介して直列に接続された冷媒回路
をなし、その冷媒回路の一部が液体ヘリウム戻し配管
(60)及びヘリウムガス吸入配管(61)を介してヘ
リウムタンク(Th)内に開放されており、このヘリウ
ムタンク(Th)内で蒸発したヘリウムガスをガス吸入
配管(61)から冷媒回路に吸い込み、さらに第4〜第
1JT熱交換器(54)〜(51)の各2次側を通して
圧縮機ユニット(1)の低段圧縮機(5)、次いで高段
圧縮機(8)にそれぞれ吸入して圧縮する。また、この
高段圧縮機(8)により圧縮された高圧ヘリウムガスを
第1〜第4JT熱交換器(51)〜(54)において、
圧縮機ユニット(1)側に向かう低温低圧のヘリウムガ
スと熱交換させて冷却するとともに、予冷熱交換器(5
0)でシールド冷凍機(40)のヒートステーション
(43)で、また第1及び第2予冷器(56),(5
7)で予冷冷凍機(26)の第1及び第2ヒートステー
ション(37),(38)でそれぞれ冷却(予冷)した
後、JT弁(58)でジュールトムソン膨張させて約4
Kの液状態のヘリウムとなし、この液体ヘリウムを液体
ヘリウム戻し配管(60)を経由してタンク(Th)内
に戻すようになされている。
The JT refrigerator (48) is a refrigerant connected in series to both compressors (5) and (8) of the compressor unit (1) via high and low pressure pipes (55) and (62). A circuit is formed, and a part of the refrigerant circuit is opened into the helium tank (Th) through the liquid helium return pipe (60) and the helium gas suction pipe (61), and vaporizes in the helium tank (Th). The helium gas is sucked into the refrigerant circuit from the gas suction pipe (61), and further passed through the secondary sides of the fourth to first JT heat exchangers (54) to (51) to the low-stage compressor (1) of the compressor unit (1). 5) and then sucked into the high-stage compressor (8) and compressed. Further, the high-pressure helium gas compressed by the high-stage compressor (8) is supplied to the first to fourth JT heat exchangers (51) to (54),
The pre-cooling heat exchanger (5) is used to cool by exchanging heat with the low temperature and low pressure helium gas toward the compressor unit (1) side.
0) at the heat station (43) of the shield refrigerator (40) and at the first and second precoolers (56), (5).
After cooling (precooling) in the first and second heat stations (37) and (38) of the precooling refrigerator (26) in 7), the JT valve (58) expands the Joule Thomson to about 4
The liquid helium is liquid K, and the liquid helium is returned to the tank (Th) via the liquid helium return pipe (60).

【0034】次に、上記実施形態の作用について説明す
る。基本的に、超電導磁石(M)が作動する定常状態で
は、その超電導コイルがヘリウムタンク(Th)内の液
体ヘリウムにより臨界温度以下に冷却保持される。ま
た、上記ヘリウムタンク(Th)内で蒸発したヘリウム
ガスは、タンク(Th)内に開口するヘリウムガス吸入
配管(61)から吸い込まれて極低温冷凍装置(R)に
おけるJT冷凍機(48)の冷媒回路に供給され、そこ
で圧縮及び膨張により冷却されて液化する。この液体ヘ
リウムは液体ヘリウム戻し配管(60)を経てタンク
(Th)内に戻される。このことによって、タンク(T
h)内に液体ヘリウムが所定量以上貯溜されて、超電導
コイルが臨界温度以下に安定して冷却される。
Next, the operation of the above embodiment will be described. Basically, in a steady state in which the superconducting magnet (M) operates, the superconducting coil is cooled and maintained below the critical temperature by the liquid helium in the helium tank (Th). In addition, the helium gas evaporated in the helium tank (Th) is sucked from the helium gas suction pipe (61) opening in the tank (Th), and the helium gas of the JT refrigerator (48) in the cryogenic refrigerator (R) is discharged. It is supplied to the refrigerant circuit where it is cooled and liquefied by compression and expansion. This liquid helium is returned to the tank (Th) through the liquid helium return pipe (60). By this, the tank (T
A predetermined amount or more of liquid helium is stored in h), and the superconducting coil is stably cooled below the critical temperature.

【0035】一方、液体窒素タンク(Tn)内の液体窒
素が窒素配管(22)を介してシールド板熱交換器(2
3)に供給されて、該シールド板熱交換器(23)によ
り熱シールド板(S)が約80Kに冷却保持され、この
冷却によって熱シールド板(S)内の液体ヘリウムタン
ク(Th)やその内部の超電導磁石(M)、予冷冷凍機
(26)の各ヒートステーション(37),(38)等
が外部から熱シールドされる。また、上記シールド板熱
交換器(23)で熱シールド板(S)との熱交換により
液体窒素が蒸発して窒素ガスとなり、この窒素ガスは窒
素配管(22)を経て液体窒素タンク(Tn)内の上部
に戻る。
On the other hand, the liquid nitrogen in the liquid nitrogen tank (Tn) is transferred to the shield plate heat exchanger (2) through the nitrogen pipe (22).
3), the heat shield plate (S) is cooled and held at about 80 K by the shield plate heat exchanger (23), and by this cooling, the liquid helium tank (Th) in the heat shield plate (S) and its The internal superconducting magnet (M), the heat stations (37), (38) of the pre-cooling refrigerator (26), etc. are heat shielded from the outside. Further, liquid nitrogen is evaporated into nitrogen gas by heat exchange with the heat shield plate (S) in the shield plate heat exchanger (23), and the nitrogen gas is passed through the nitrogen pipe (22) to the liquid nitrogen tank (Tn). Return to the upper part.

【0036】上記冷凍装置(R)の運転についてさらに
詳しく説明すると、JT冷凍機(48)を運転状態とす
るときには、圧縮機ユニット(1)の高段圧縮機(8)
から供給された高圧のヘリウムガスの一部が予冷冷凍機
(26)におけるシリンダ(28)内の各膨張空間で膨
張し、このガスの膨張に伴う温度降下により第1ヒート
ステーション(37)が所定温度レベルに、また第2ヒ
ートステーション(38)が第1ヒートステーション
(37)よりも低い温度レベルにそれぞれ冷却される。
膨張空間で膨張したヘリウムガスは圧縮機ユニット
(1)に戻り、その中間圧配管(7)を経由して上記高
段圧縮機(8)に吸い込まれて圧縮される。
The operation of the refrigeration system (R) will be described in more detail. When the JT refrigerator (48) is brought into an operating state, the high-stage compressor (8) of the compressor unit (1).
A part of the high-pressure helium gas supplied from the gas expands in each expansion space in the cylinder (28) of the pre-cooling refrigerator (26), and the first heat station (37) causes the predetermined temperature drop due to the temperature drop accompanying the expansion of this gas. The second heat station (38) is cooled to a temperature level lower than the first heat station (37).
The helium gas expanded in the expansion space returns to the compressor unit (1), is sucked into the high-stage compressor (8) through the intermediate pressure pipe (7), and is compressed.

【0037】また、上記圧縮機ユニット(1)の高段圧
縮機(8)から供給された高圧のヘリウムガスの残りの
一部がシールド冷凍機(40)におけるシリンダ(4
2)内の膨張空間で膨張し、このガスの膨張に伴う温度
降下により上記液体窒素タンク(Tn)内のヒートステ
ーション(43)が所定温度レベルに冷却される。この
ことで、液体窒素タンク(Tn)内上部の窒素ガスが冷
却されて液化し、液体窒素に戻る。尚、このシールド冷
凍機(40)のシリンダ(42)内の膨張空間で膨張し
たヘリウムガスも、上記予冷冷凍機(26)のガスと同
様に圧縮機ユニット(1)に戻り、その中間圧配管
(7)を経由して高段圧縮機(8)に吸い込まれて圧縮
される。
The remaining part of the high-pressure helium gas supplied from the high-stage compressor (8) of the compressor unit (1) is the cylinder (4) in the shield refrigerator (40).
The heat station (43) in the liquid nitrogen tank (Tn) is cooled to a predetermined temperature level by expanding in the expansion space in 2) and the temperature drop accompanying the expansion of this gas. As a result, the nitrogen gas in the upper part of the liquid nitrogen tank (Tn) is cooled and liquefied, and returns to liquid nitrogen. The helium gas expanded in the expansion space in the cylinder (42) of the shield refrigerator (40) also returns to the compressor unit (1) in the same manner as the gas of the pre-cooling refrigerator (26), and its intermediate pressure pipe. It is sucked into the high-stage compressor (8) via (7) and compressed.

【0038】一方、圧縮機ユニット(1)における高段
圧縮機(8)から吐出された高圧のヘリウムガスの残部
は、JT用高圧配管(11)を経由してJT冷凍機(4
8)の第1JT熱交換器(51)の1次側に入り、そこ
で圧縮機ユニット(1)側へ向かう2次側の低圧ヘリウ
ムガスと熱交換されて常温300Kから所定温度まで冷
却された後、上記液体窒素タンク(Tn)内で液体窒素
に浸漬されている予冷熱交換器(50)に入って液体窒
素の温度(約80K)まで冷却される。次いで、この高
圧ヘリウムガスは、第2JT熱交換器(52)の1次側
に入り、そこで圧縮機ユニット(1)側へ向かう2次側
の低圧ヘリウムガスと熱交換されてさらに冷却された
後、上記予冷冷凍機(26)の第1ヒートステーション
(37)外周の第1予冷器(56)に入って冷却され、
この冷却されたガスは第3JT熱交換器(53)の1次
側に入って、同様に2次側の低圧ヘリウムガスとの熱交
換により例えば約15Kまで冷却された後、予冷冷凍機
(26)の第2ヒートステーション(38)外周の第2
予冷器(57)に入ってさらに冷却される。この後、ガ
スは第4JT熱交換器(54)の1次側に入って2次側
の低圧ヘリウムガスとの熱交換によりさらに冷却され、
しかる後にJT弁(58)に至る。このJT弁(58)
では高圧ヘリウムガスは絞られてジュールトムソン膨張
し、約4Kの液状態のヘリウムとなり、この液体ヘリウ
ムは液体ヘリウム戻し配管(60)を経由して液体ヘリ
ウムタンク(Th)へ供給される。また、この液体ヘリ
ウムタンク(Th)内で蒸発したヘリウムガスは、ヘリ
ウムガス吸入配管(61)を介して第4JT熱交換器
(54)の2次側に吸入され、第3〜第1JT熱交換器
(53)〜(51)の各2次側を経由して低段圧縮機
(5)に吸い込まれて圧縮される。
On the other hand, the remainder of the high-pressure helium gas discharged from the high-stage compressor (8) in the compressor unit (1) passes through the JT high-pressure pipe (11) and the JT refrigerator (4).
8) After entering the primary side of the first JT heat exchanger (51), where it is heat-exchanged with low-pressure helium gas on the secondary side toward the compressor unit (1) side, and after being cooled from room temperature 300K to a predetermined temperature In the liquid nitrogen tank (Tn), it enters the precooling heat exchanger (50) immersed in the liquid nitrogen and is cooled to the temperature of the liquid nitrogen (about 80 K). This high pressure helium gas then enters the primary side of the second JT heat exchanger (52) where it is heat exchanged with the secondary low pressure helium gas towards the compressor unit (1) side and further cooled. , Enters the first precooler (56) around the first heat station (37) of the precooling refrigerator (26) and is cooled,
The cooled gas enters the primary side of the third JT heat exchanger (53) and is cooled to, for example, about 15 K by heat exchange with the low pressure helium gas on the secondary side, and then the precooling refrigerator (26 ) Second heat station (38) second outer circumference
It enters the precooler (57) and is further cooled. Thereafter, the gas enters the primary side of the fourth JT heat exchanger (54) and is further cooled by heat exchange with the low pressure helium gas on the secondary side,
Then, the JT valve (58) is reached. This JT valve (58)
Then, the high-pressure helium gas is squeezed and subjected to Joule-Thomson expansion to become liquid helium of about 4K, and this liquid helium is supplied to the liquid helium tank (Th) via the liquid helium return pipe (60). The helium gas evaporated in the liquid helium tank (Th) is sucked into the secondary side of the fourth JT heat exchanger (54) through the helium gas suction pipe (61), and the third to first JT heat exchanges are performed. It is sucked into the low-stage compressor (5) and compressed via the respective secondary sides of the vessels (53) to (51).

【0039】したがって、この実施形態では、JT冷凍
機(48)における第1及び第2JT熱交換器(5
1),(52)の各々の1次側同士の間に予冷熱交換器
(50)が直列に接続され、この予冷熱交換器(50)
は液体窒素タンク(Tn)内の液体窒素に浸漬されてい
るので、予冷熱交換器(50)において、4段のJT熱
交換器(51)〜(54)のうちの最高温側の第1JT
熱交換器(51)で冷却された後のヘリウムガスが上記
シールド冷凍機(40)のヒートステーション(43)
により液体窒素タンク(Tn)内の液体窒素を介して間
接的に冷却され、その後に、予冷冷凍機(26)のヒー
トステーション(37),(38)で冷却される。この
ようにJT冷凍機(48)のJT弁(58)で膨張する
前の高圧ヘリウムガスがシールド冷凍機(40)のヒー
トステーション(43)からの寒冷を受けて予冷される
ので、その分、予冷冷凍機(26)の冷凍能力が低減さ
れて、JT冷凍機(48)の冷凍能力の予冷冷凍機(2
6)の冷凍能力による影響が小さくなり、JT冷凍機
(48)に対する予冷冷凍機(26)の影響を受け難く
することができる。
Therefore, in this embodiment, the first and second JT heat exchangers (5) in the JT refrigerator (48) are used.
A pre-cooling heat exchanger (50) is connected in series between the respective primary sides of the pre-cooling heat exchangers (1) and (52).
Is immersed in the liquid nitrogen in the liquid nitrogen tank (Tn), so in the precooling heat exchanger (50), the first JT on the highest temperature side among the four-stage JT heat exchangers (51) to (54).
The helium gas after being cooled by the heat exchanger (51) is the heat station (43) of the shield refrigerator (40).
Is indirectly cooled through the liquid nitrogen in the liquid nitrogen tank (Tn), and then cooled by the heat stations (37) and (38) of the precooling refrigerator (26). As described above, the high pressure helium gas before being expanded by the JT valve (58) of the JT refrigerator (48) is precooled by receiving the cold from the heat station (43) of the shield refrigerator (40). The refrigerating capacity of the pre-cooling refrigerator (26) is reduced, and the pre-cooling refrigerator (2) having the refrigerating capacity of the JT refrigerator (48) is reduced.
The influence of the refrigerating capacity of 6) is reduced, and the influence of the pre-cooling refrigerator (26) on the JT refrigerator (48) can be reduced.

【0040】しかも、シールド冷凍機(40)による冷
却によってJT冷凍機(48)での高圧ヘリウムガスの
予冷段数が1段増えるので、全体として極低温冷凍装置
(R)の効率を高めることができ、JT冷凍機(48)
により液体ヘリウムタンク(Th)内の蒸発ヘリウムガ
スを冷却して凝縮液化する場合に、その液体ヘリウムタ
ンク(Th)内のヘリウムガスを常温から凝縮温度まで
冷却する冷却時間を短縮することができる。
Moreover, since the number of precooling stages of the high-pressure helium gas in the JT refrigerator (48) is increased by one by cooling with the shield refrigerator (40), the efficiency of the cryogenic refrigerator (R) can be increased as a whole. , JT refrigerator (48)
Thus, when the evaporated helium gas in the liquid helium tank (Th) is cooled and condensed and liquefied, the cooling time for cooling the helium gas in the liquid helium tank (Th) from normal temperature to the condensation temperature can be shortened.

【0041】また、JT冷凍機(48)のヘリウムガス
を、液体窒素タンク(Tn)内の液体窒素に浸漬された
予冷熱交換器(50)に通してその液体窒素により冷却
するので、極低温冷凍装置(R)を運転開始から定常運
転にするクールダウン状態で、液体窒素タンク(Tn)
内に液体窒素を供給しておけば、その時点で直ちにJT
冷凍機(48)のヘリウムガスを液体窒素により予冷で
き、クールダウン時間を短縮できる。
Further, the helium gas of the JT refrigerator (48) is passed through the precooling heat exchanger (50) immersed in the liquid nitrogen in the liquid nitrogen tank (Tn) and cooled by the liquid nitrogen, so that the temperature is extremely low. The liquid nitrogen tank (Tn) is in a cool-down state in which the refrigeration system (R) is switched from operation start to steady operation.
If liquid nitrogen is supplied inside, JT will immediately
The helium gas in the refrigerator (48) can be precooled by liquid nitrogen, and the cooldown time can be shortened.

【0042】(実施形態2)図2は本発明の実施形態2
を示し(尚、以下の各実施形態では、図1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は省略す
る)、上記実施形態1では、シールド板熱交換器(2
3)を液体窒素タンク(Tn)内外をループ状に接続す
る窒素配管(22)に接続しているのに対し、窒素配管
(22)を略し、JT冷凍機(48)の回路の一部にシ
ールド板熱交換器(23)を直列に接続したものであ
る。
(Second Embodiment) FIG. 2 shows a second embodiment of the present invention.
In addition, in each of the following embodiments, the same portions as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals and detailed description thereof is omitted), and in the above-described first embodiment, the shield plate heat exchanger (2
3) is connected to a nitrogen pipe (22) that connects the inside and outside of the liquid nitrogen tank (Tn) in a loop, whereas the nitrogen pipe (22) is omitted and a part of the circuit of the JT refrigerator (48) is connected. A shield plate heat exchanger (23) is connected in series.

【0043】すなわち、この実施形態では、上記実施形
態1における窒素配管(22)がなく、シールド板熱交
換器(23)は、液体窒素タンク(Tn)内の予冷熱交
換器(50)と第2JT熱交換器(52)の1次側との
間に直列に接続されていて、液体窒素タンク(Tn)内
の液体窒素により冷却された高圧ヘリウムガスにより熱
シールド板(S)を冷却するようになっている。その他
の構成は実施形態1と同様である。
That is, in this embodiment, the nitrogen pipe (22) in the first embodiment is not provided, and the shield plate heat exchanger (23) is the same as the precooling heat exchanger (50) in the liquid nitrogen tank (Tn). It is connected in series with the primary side of the 2JT heat exchanger (52) so that the heat shield plate (S) is cooled by the high pressure helium gas cooled by the liquid nitrogen in the liquid nitrogen tank (Tn). It has become. Other configurations are the same as those of the first embodiment.

【0044】したがって、この実施形態では、JT冷凍
機(48)の高圧ヘリウムガスが第1JT熱交換器(5
1)で冷却された後に予冷熱交換器(50)に流れ、こ
の予冷熱交換器(50)において液体窒素タンク(T
n)内の液体窒素と熱交換されて冷却される。次いで、
この液体窒素により冷却された高圧ヘリウムガスはシー
ルド板熱交換器(23)に供給され、この冷却された高
圧ヘリウムガスにより熱シールド板(S)が冷却され
る。そして、このシールド板熱交換器(23)でシール
ド板を冷却した後の高圧ヘリウムが第2JT熱交換器
(52)の1次側に流れる。つまり、この場合、JT冷
凍機(48)の高圧ヘリウムガスが、シールド冷凍機
(40)のヒートステーション(43)から液体窒素タ
ンク(Tn)内の液体窒素を介して間接的に冷却された
後にシールド板熱交換器(23)に流れて熱シールド板
(S)を冷却することとなる。よって、上記実施形態1
と同様の作用効果が得られる。
Therefore, in this embodiment, the high pressure helium gas of the JT refrigerator (48) is used as the first JT heat exchanger (5).
After being cooled in 1), it flows into the precooling heat exchanger (50), and in this precooling heat exchanger (50), the liquid nitrogen tank (T
It is cooled by exchanging heat with the liquid nitrogen in n). Then
The high pressure helium gas cooled by the liquid nitrogen is supplied to the shield plate heat exchanger (23), and the heat shield plate (S) is cooled by the cooled high pressure helium gas. Then, the high-pressure helium after cooling the shield plate by the shield plate heat exchanger (23) flows to the primary side of the second JT heat exchanger (52). That is, in this case, after the high-pressure helium gas of the JT refrigerator (48) is indirectly cooled from the heat station (43) of the shield refrigerator (40) via the liquid nitrogen in the liquid nitrogen tank (Tn). It flows into the shield plate heat exchanger (23) to cool the heat shield plate (S). Therefore, the first embodiment
The same operation and effect as described above can be obtained.

【0045】(実施形態3)図3は本発明の実施形態3
を示し、上記実施形態2では、シールド冷凍機(40)
のヒートステーション(43)により液体窒素タンク
(Tn)内の液体窒素を介して間接的に予冷熱交換器
(50)を冷却するようにしているのに対し、液体窒素
タンク(Tn)を略し、シールド冷凍機(40)のヒー
トステーション(43)により予冷熱交換器(50)を
直接に冷却するようにしたものである。
(Third Embodiment) FIG. 3 shows a third embodiment of the present invention.
In the second embodiment, the shield refrigerator (40) is shown.
While the heat station (43) indirectly cools the precooling heat exchanger (50) through the liquid nitrogen in the liquid nitrogen tank (Tn), the liquid nitrogen tank (Tn) is omitted. The precooling heat exchanger (50) is directly cooled by the heat station (43) of the shield refrigerator (40).

【0046】すなわち、この実施形態では、液体窒素タ
ンク(Tn)は略されている。そして、シールド冷凍機
(40)のヒートステーション(43)に予冷熱交換器
(50)が直接に熱交換するように取り付けられてい
る。また、実施形態2と同様に、予冷熱交換器(50)
に、該予冷熱交換器(50)にてシールド冷凍機(4
0)のヒートステーション(43)により冷却された高
圧ヘリウムガスにより熱シールド板(S)を冷却するシ
ールド板熱交換器(23)が接続されている。
That is, in this embodiment, the liquid nitrogen tank (Tn) is omitted. The precooling heat exchanger (50) is attached to the heat station (43) of the shield refrigerator (40) so as to directly exchange heat. Further, as in the second embodiment, the pre-cooling heat exchanger (50) is used.
In the precooling heat exchanger (50), the shield refrigerator (4
A shield plate heat exchanger (23) for cooling the heat shield plate (S) by the high pressure helium gas cooled by the heat station (43) of 0) is connected.

【0047】この実施形態の場合、予冷熱交換器(5
0)において、JT冷凍機(48)の高圧ヘリウムガス
はシールド冷凍機(40)のヒートステーション(4
3)と直接の熱交換により冷却された後にシールド板熱
交換器(23)に供給され、この冷却された高圧ヘリウ
ムガスにより熱シールド板(S)が冷却される。この場
合にも、上記実施形態2と同様の作用効果が得られる。
In the case of this embodiment, the pre-cooling heat exchanger (5
At 0), the high pressure helium gas of the JT refrigerator (48) is transferred to the heat station (4) of the shield refrigerator (40).
After being cooled by direct heat exchange with 3), it is supplied to the shield plate heat exchanger (23), and the cooled high pressure helium gas cools the heat shield plate (S). Also in this case, the same effect as that of the second embodiment can be obtained.

【0048】(実施形態4)図4は本発明の実施形態4
を示し、上記実施形態3では、予冷熱交換器(50)で
シールド冷凍機(40)のヒートステーション(43)
により冷却されたヘリウムガスをシールド板熱交換器
(23)に供給して熱シールド板(S)を冷却するよう
にしているのに対し、シールド板熱交換器(23)を略
し、シールド冷凍機(40)のヒートステーション(4
3)により熱シールド板(S)を予冷熱交換器(50)
と共に直接に冷却するようにしたものである。
(Fourth Embodiment) FIG. 4 shows a fourth embodiment of the present invention.
In the third embodiment, the heat station (43) of the shield refrigerator (40) is provided by the precooling heat exchanger (50).
While the helium gas cooled by the above is supplied to the shield plate heat exchanger (23) to cool the heat shield plate (S), the shield plate heat exchanger (23) is omitted and the shield refrigerator is omitted. (40) Heat Station (4
3) The heat shield plate (S) is precooled by the heat exchanger (50).
With this, it is designed to be cooled directly.

【0049】すなわち、この実施形態では、上記実施形
態3におけるシールド板熱交換器(23)は略されてい
る。そして、シールド冷凍機(40)のヒートステーシ
ョン(43)に予冷熱交換器(50)と熱シールド板
(S)とがそれぞれ熱接触して直接に熱交換するように
取り付けられている。この実施形態でも、実施形態3と
同様の作用効果を奏することができる。
That is, in this embodiment, the shield plate heat exchanger (23) in the third embodiment is omitted. Then, the pre-cooling heat exchanger (50) and the heat shield plate (S) are attached to the heat station (43) of the shield refrigerator (40) so as to make heat contact with each other and directly exchange heat. Also in this embodiment, the same operational effects as those of the third embodiment can be obtained.

【0050】[0050]

【発明の効果】以上説明したように、請求項1の発明で
は、圧縮機からの高圧冷媒ガスを、複数段のJT熱交換
器で圧縮機側に戻る低温度の低圧冷媒ガスと熱交換した
後に、ジュールトムソン膨張させて極低温を発生させる
JT冷凍機と、圧縮機からの高圧冷媒ガスを膨張させて
極低温を発生させ、上記JT冷凍機でジュールトムソン
膨張する前の冷媒ガスを予冷するディスプレーサ型膨張
機からなる予冷冷凍機と、上記JT冷凍機による極低温
冷却部分を外部から熱シールドする熱シールド部と、圧
縮機からの高圧冷媒ガスを膨張させてヒートステーショ
ンに極低温を発生させ、このヒートステーションにより
熱シールド部を冷却するディスプレーサ型膨張機からな
るシールド冷凍機とを備えた極低温冷凍装置に対し、上
記複数のJT熱交換器のうちの最高温側のJT熱交換器
で冷却された後でかつ予冷冷凍機のヒートステーション
で冷却される前の高圧冷媒ガスをシールド冷凍機のヒー
トステーションにより冷却する予冷熱交換器を設けた。
請求項2の発明では、シールド冷媒タンク内の液体シー
ルド冷媒により熱シールド部を冷却するシールド熱交換
器を設け、シールド冷凍機のヒートステーションにより
シールド冷媒タンク内の蒸発シールド冷媒ガスを冷却し
て凝縮液化するようにし、予冷熱交換器は、高圧冷媒ガ
スをシールド冷媒タンク内の液体シールド冷媒との熱交
換により間接的に冷却するように構成した。また、請求
項3の発明では、シールド冷凍機のヒートステーション
によりシールド冷媒タンク内の蒸発シールド冷媒ガスを
冷却して凝縮液化するようにし、予冷熱交換器は、高圧
冷媒ガスをシールド冷媒タンク内の液体シールド冷媒と
の熱交換により間接的に冷却するように構成し、予冷熱
交換器に熱シールド部を冷却するシールド熱交換器を接
続して、JT冷凍機の高圧冷媒ガスが、シールド冷凍機
からシールド冷媒タンク内の液体シールド冷媒を介して
間接的に冷却された後にシールド熱交換器に流れて熱シ
ールド部を冷却するようにした。さらに、請求項4の発
明では、予冷熱交換器で、高圧冷媒ガスをシールド冷凍
機のヒートステーションと直接に熱交換するようにし、
予冷熱交換器に熱シールド部を冷却するシールド熱交換
器を接続して、JT冷凍機の冷媒ガスがシールド冷凍機
のヒートステーションにより直接的に冷却された後にシ
ールド熱交換器に流れて熱シールド部を冷却するように
した。また、請求項5の発明では、予冷熱交換器は、冷
媒ガスをシールド冷凍機のヒートステーションと直接に
熱交換するようにし、シールド冷凍機のヒートステーシ
ョンに熱シールド部を熱接触させ、このシールド冷凍機
のヒートステーションにより熱シールド部を直接的に冷
却するようにした。
As described above, in the invention of claim 1, the high-pressure refrigerant gas from the compressor is heat-exchanged with the low-temperature low-pressure refrigerant gas returned to the compressor side by the multiple-stage JT heat exchanger. After that, a JT refrigerator that expands the Joule-Thomson to generate a cryogenic temperature and a high-pressure refrigerant gas from the compressor are expanded to generate a cryogenic temperature, and the refrigerant gas before the Joule-Thomson expansion in the JT refrigerator is pre-cooled. A pre-cooling refrigerator consisting of a displacer type expander, a heat shield portion for thermally shielding the cryogenic cooling portion of the JT refrigerator from the outside, and high pressure refrigerant gas from the compressor are expanded to generate cryogenic temperature in the heat station. , A plurality of JT heat exchangers for a cryogenic refrigerating apparatus including a shield refrigerator having a displacer type expander that cools a heat shield portion by the heat station. A precooling heat exchanger for cooling the high pressure refrigerant gas by the heat station of the shield refrigerator after being cooled by the JT heat exchanger on the highest temperature side of the reactor and before being cooled by the heat station of the precooling refrigerator is provided. It was
In the invention of claim 2, a shield heat exchanger for cooling the heat shield part by the liquid shield refrigerant in the shield refrigerant tank is provided, and the evaporation shield refrigerant gas in the shield refrigerant tank is cooled and condensed by the heat station of the shield refrigerator. The precooling heat exchanger is configured to liquefy and indirectly cool the high-pressure refrigerant gas by heat exchange with the liquid shield refrigerant in the shield refrigerant tank. Further, in the invention of claim 3, the heat station of the shield refrigerator cools the evaporated shield refrigerant gas in the shield refrigerant tank to condense and liquefy, and the precooling heat exchanger transfers the high pressure refrigerant gas in the shield refrigerant tank. It is configured to indirectly cool by heat exchange with the liquid shield refrigerant, and a shield heat exchanger for cooling the heat shield part is connected to the pre-cooling heat exchanger so that the high pressure refrigerant gas of the JT refrigerator is shielded by the shield refrigerator. After being indirectly cooled via the liquid shield refrigerant in the shield refrigerant tank, it flows to the shield heat exchanger to cool the heat shield part. Further, in the invention of claim 4, in the pre-cooling heat exchanger, the high pressure refrigerant gas is directly heat-exchanged with the heat station of the shield refrigerator,
By connecting a shield heat exchanger that cools the heat shield part to the pre-cooling heat exchanger, the refrigerant gas of the JT refrigerator is directly cooled by the heat station of the shield refrigerator, and then flows into the shield heat exchanger to provide a heat shield. The parts were cooled. Further, in the invention of claim 5, the pre-cooling heat exchanger is designed to directly exchange heat with the refrigerant gas to the heat station of the shield refrigerator, and to bring the heat shield part into thermal contact with the heat station of the shield refrigerator, and this shield. The heat station of the refrigerator was used to directly cool the heat shield.

【0051】したがって、これらの請求項1〜5の発明
によると、JT冷凍機のJT弁で膨張する前の冷媒ガス
を熱シールド部と共にシールド冷凍機のヒートステーシ
ョンでの寒冷により予冷し、予冷冷凍機の冷凍能力を低
減してその冷凍能力によるJT冷凍機の冷凍能力の影響
の縮小化を図ることができるとともに、シールド冷凍機
による冷却によってJT冷凍機での冷媒ガスの予冷段数
を増やして、極低温冷凍装置の効率を高めることがで
き、冷媒タンク内の蒸発冷媒ガスを常温から凝縮温度ま
で冷却する際の冷却時間の短縮化を図ることができる。
Therefore, according to the inventions of claims 1 to 5, the refrigerant gas before being expanded by the JT valve of the JT refrigerator is precooled together with the heat shield portion by the cold in the heat station of the shield refrigerator, and is precooled and frozen. The refrigerating capacity of the JT refrigerator can be reduced by reducing the refrigerating capacity of the JT refrigerator, and the number of precooling stages of the refrigerant gas in the JT refrigerator can be increased by cooling with the shield refrigerator. The efficiency of the cryogenic refrigeration system can be improved, and the cooling time for cooling the evaporated refrigerant gas in the refrigerant tank from room temperature to the condensation temperature can be shortened.

【0052】特に、請求項2の発明によると、極低温冷
凍装置を定常運転にするクールダウン時に、シールド冷
媒タンク内に液体シールド冷媒を供給することで、直ち
にJT冷凍機の冷媒ガスを冷却でき、クールダウン時間
の短縮化を図ることができる。
In particular, according to the second aspect of the present invention, when the cryogenic refrigerating apparatus is cooled down to make it operate normally, the refrigerant gas of the JT refrigerator can be immediately cooled by supplying the liquid shield refrigerant into the shield refrigerant tank. , The cool down time can be shortened.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の実施形態1に係る極低温冷凍装置の全
体構成を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration of a cryogenic refrigerator according to a first embodiment of the present invention.

【図2】実施形態2を示す図1相当図である。FIG. 2 is a view corresponding to FIG. 1 showing a second embodiment.

【図3】実施形態3を示す図1相当図である。FIG. 3 is a view corresponding to FIG. 1 showing a third embodiment.

【図4】実施形態4を示す図1相当図である。FIG. 4 is a view corresponding to FIG. 1 showing a fourth embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

(R) 極低温冷凍装置 (1) 圧縮機ユニット (5),(8) 圧縮機 (21) 冷凍機ユニット (23) シールド板熱交換器(シールド熱交換器) (26) 予冷冷凍機 (37),(38) ヒートステーション (40) シールド冷凍機 (43) ヒートステーション (48) JT冷凍機 (50) 予冷熱交換器 (51)〜(54) JT熱交換器 (58) JT弁 (Th) 液体ヘリウムタンク(冷媒タンク) (D) 真空デュワー (Tn) 液体窒素タンク(液体シールド冷媒タンク) (S) 熱シールド板(熱シールド部) (M) 超電導磁石 (R) Cryogenic refrigerator (1) Compressor unit (5), (8) Compressor (21) Refrigerator unit (23) Shield plate heat exchanger (shield heat exchanger) (26) Pre-cooling refrigerator (37) ), (38) Heat Station (40) Shield Refrigerator (43) Heat Station (48) JT Refrigerator (50) Precooling Heat Exchanger (51) to (54) JT Heat Exchanger (58) JT Valve (Th) Liquid helium tank (refrigerant tank) (D) Vacuum dewar (Tn) Liquid nitrogen tank (liquid shield refrigerant tank) (S) Heat shield plate (heat shield part) (M) Superconducting magnet

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡本 昌和 大阪府堺市金岡町1304番地 ダイキン工業 株式会社堺製作所金岡工場内 (72)発明者 三浦 克哉 大阪府堺市金岡町1304番地 ダイキン工業 株式会社堺製作所金岡工場内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (72) Inventor Masakazu Okamoto 1304 Kanaoka-machi, Sakai City, Osaka Prefecture Daikin Industries, Ltd.Kanaoka Plant, Sakai Manufacturing Co., Ltd. (72) Katsumi Miura 1304, Kanaoka-machi, Sakai City, Osaka Prefecture Daikin Industries, Ltd. Sakai Plant Kanaoka Factory

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 冷媒ガスを圧縮する圧縮機(5),
(8)と、 上記圧縮機(5),(8)からの高圧冷媒ガスを圧縮機
(5),(8)側に戻る低温度の低圧冷媒ガスと熱交換
する複数段のJT熱交換器(51)〜(54)と、該J
T熱交換器(51)〜(54)で冷却された高圧冷媒ガ
スをジュールトムソン膨張させて極低温を発生させるJ
T弁(58)とを有するJT冷凍機(48)と、 上記圧縮機(5),(8)からの高圧冷媒ガスをディス
プレーサの往復動により膨張させてヒートステーション
(37),(38)に極低温を発生させ、上記JT冷凍
機(48)でジュールトムソン膨張する前の冷媒ガスを
上記ヒートステーション(37),(38)により予冷
する予冷冷凍機(26)と、 少なくとも上記JT冷凍機(48)による極低温冷却部
分を囲むように配設され、冷却された状態で極低温冷却
部分を外部から熱シールドする熱シールド部(S)と、 上記圧縮機(5),(8)からの高圧冷媒ガスをディス
プレーサの往復動により膨張させてヒートステーション
(43)に極低温を発生させ、該ヒートステーション
(43)により上記熱シールド部(S)を冷却するシー
ルド冷凍機(40)と、 上記複数段のJT熱交換器(51)〜(54)のうちの
最高温側のJT熱交換器(51)で冷却された後でかつ
予冷冷凍機(26)のヒートステーション(37),
(38)で冷却される前の高圧冷媒ガスを上記シールド
冷凍機(40)のヒートステーション(43)により冷
却する予冷熱交換器(50)とを備えたことを特徴とす
る極低温冷凍装置。
1. A compressor (5) for compressing a refrigerant gas,
(8) and a plurality of stages of JT heat exchangers for exchanging heat between the high pressure refrigerant gas from the compressors (5) and (8) and the low temperature low pressure refrigerant gas returning to the compressors (5) and (8) (51) to (54) and the J
The high pressure refrigerant gas cooled by the T heat exchangers (51) to (54) is subjected to Joule-Thomson expansion to generate cryogenic temperature J
A high temperature refrigerant gas from the JT refrigerator (48) having a T valve (58) and the compressors (5) and (8) is expanded by the reciprocating motion of the displacer to the heat stations (37) and (38). A pre-cooling refrigerator (26) for generating a cryogenic temperature and pre-cooling the refrigerant gas before Joule-Thomson expansion in the JT refrigerator (48) by the heat stations (37), (38); and at least the JT refrigerator ( 48) is provided so as to surround the cryogenic cooling portion, and a heat shield portion (S) for thermally shielding the cryogenic cooling portion from the outside in a cooled state, and the compressor (5), (8) The high-pressure refrigerant gas is expanded by the reciprocating movement of the displacer to generate a cryogenic temperature in the heat station (43), and the heat shield part (S) is cooled by the heat station (43). Of the cold refrigerator (40) and the JT heat exchanger (51) on the highest temperature side among the JT heat exchangers (51) to (54) of the plurality of stages and after being pre-cooled refrigerator (26). Heat station (37),
A cryogenic refrigerator comprising: a precooling heat exchanger (50) for cooling the high-pressure refrigerant gas before being cooled by (38) by the heat station (43) of the shield refrigerator (40).
【請求項2】 請求項1記載の極低温冷凍装置におい
て、 熱シールド部(S)を冷却する液体シールド冷媒を貯溜
するシールド冷媒タンク(Tn)と、 上記シールド冷媒タンク(Tn)内の液体シールド冷媒
により熱シールド部(S)を冷却するシールド熱交換器
(23)とが設けられ、 シールド冷凍機(40)は、そのヒートステーション
(43)により上記シールド冷媒タンク(Tn)内の蒸
発シールド冷媒ガスを冷却して凝縮液化するように構成
され、 予冷熱交換器(50)は、高圧冷媒ガスを上記シールド
冷媒タンク(Tn)内の液体シールド冷媒と熱交換する
ように構成されていることを特徴とする極低温冷凍装
置。
2. The cryogenic refrigeration system according to claim 1, wherein a shield refrigerant tank (Tn) for storing a liquid shield refrigerant for cooling the heat shield part (S), and a liquid shield in the shield refrigerant tank (Tn). A shield heat exchanger (23) for cooling the heat shield part (S) with a refrigerant is provided, and the shield refrigerator (40) uses the heat station (43) thereof to evaporate the shield refrigerant in the shield refrigerant tank (Tn). The precooling heat exchanger (50) is configured to cool the gas to be condensed and liquefied, and the precooling heat exchanger (50) is configured to exchange heat with the liquid shield refrigerant in the shield refrigerant tank (Tn). Characteristic cryogenic refrigerator.
【請求項3】 請求項1記載の極低温冷凍装置におい
て、 熱シールド部(S)を冷却する液体シールド冷媒を貯溜
するシールド冷媒タンク(Tn)が設けられ、 シールド冷凍機(40)は、そのヒートステーション
(43)により上記シールド冷媒タンク(Tn)内に蒸
発シールド冷媒ガスを冷却して凝縮液化するように構成
され、 予冷熱交換器(50)は、高圧冷媒ガスを上記シールド
冷媒タンク(Tn)内の液体シールド冷媒と熱交換する
ように構成され、 上記予冷熱交換器(50)に、該予冷熱交換器(50)
でシールド冷媒タンク(Tn)内の液体シールド冷媒に
より冷却された高圧冷媒ガスにより熱シールド部(S)
を冷却するシールド熱交換器(23)が接続されている
ことを特徴とする極低温冷凍装置。
3. The cryogenic refrigeration system according to claim 1, further comprising a shield refrigerant tank (Tn) for storing a liquid shield refrigerant for cooling the heat shield part (S), the shield refrigerator (40) including the shield refrigerant tank (Tn). A heat station (43) is configured to cool the evaporated shield refrigerant gas into the shield refrigerant tank (Tn) to condense and liquefy, and the precooling heat exchanger (50) transfers the high pressure refrigerant gas to the shield refrigerant tank (Tn). ) Is configured to exchange heat with the liquid shield refrigerant inside the precooling heat exchanger (50).
At the heat shield part (S) by the high pressure refrigerant gas cooled by the liquid shield refrigerant in the shield refrigerant tank (Tn)
A cryogenic refrigeration system, to which a shield heat exchanger (23) for cooling the is connected.
【請求項4】 請求項1記載の極低温冷凍装置におい
て、 予冷熱交換器(50)は、高圧冷媒ガスをシールド冷凍
機(40)のヒートステーション(43)と直接に熱交
換するように構成され、 上記予冷熱交換器(50)に、該予冷熱交換器(50)
でシールド冷凍機(40)のヒートステーション(4
3)により冷却された冷媒ガスにより熱シールド部
(S)を冷却するシールド熱交換器(23)が接続され
ていることを特徴とする極低温冷凍装置。
4. The cryogenic refrigeration system of claim 1, wherein the precooling heat exchanger (50) is configured to directly exchange high pressure refrigerant gas with the heat station (43) of the shield refrigerator (40). The pre-cooling heat exchanger (50) is connected to the pre-cooling heat exchanger (50).
At the heat station (4) of the shield refrigerator (40)
A cryogenic refrigeration system, to which a shield heat exchanger (23) for cooling the heat shield part (S) with the refrigerant gas cooled by 3) is connected.
【請求項5】 請求項1記載の極低温冷凍装置におい
て、 予冷熱交換器(50)は、冷媒ガスをシールド冷凍機
(40)のヒートステーション(43)と直接に熱交換
するように構成され、 シールド冷凍機(40)のヒートステーション(43)
に熱シールド部(S)が熱接触していることを特徴とす
る極低温冷凍装置。
5. The cryogenic refrigeration system of claim 1, wherein the precooling heat exchanger (50) is configured to directly exchange the refrigerant gas with the heat station (43) of the shield refrigerator (40). , Shield refrigerator (40) heat station (43)
The cryogenic refrigerating device, wherein the heat shield part (S) is in thermal contact with.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019078481A (en) * 2017-10-25 2019-05-23 住友重機械工業株式会社 Cryogenic system

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JP2019078481A (en) * 2017-10-25 2019-05-23 住友重機械工業株式会社 Cryogenic system

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