JPH10246524A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】極低温を発生させる冷凍装置の冷却時間を短縮
させる。 【解決手段】予冷用の寒冷発生機に膨張機１を使用し、
膨張機第一ステージ４の下流側と被冷却体２４を冷却す
る冷却配管１６ｃ直前との間に、バイパス弁３１を持っ
たバイパスライン３２を設置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は冷凍装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】超電導マグネットを使用した核磁気共鳴
診断装置，熱物性測定装置，ジョセフソン素子や各種セ
ンサー等の各種電子機器や、高真空，高排気速度のクラ
イオポンプ，超電導マグネットを使用した電子加速器や
放射光発生装置，超電導マグネットを利用した磁気分離
装置等の冷媒には、極低温の液体ヘリウムを使用する。

【０００３】一般にこれらの被冷却装置には、冷媒であ
る液体ヘリウムを溜めておく液体ヘリウムタンクを内装
し、さらに液体ヘリウムはわずかな熱で蒸発し、かつ、
高価であるため、蒸発したヘリウムガスを凝縮する冷凍
装置を装着する。

【０００４】この冷凍装置の構造が、例えば、特公平3
−49022号公報に記載されている。これは、三段の予冷
冷凍機と高圧及び低圧配管，複数の熱交換器から成るジ
ュールトムソン液化冷凍機であり、最終熱交換器の高圧
入口、すなわち、予冷膨張機の最低温ステージ下流部と
低圧入口との間にバイパス弁を介装することによって、
クールダウン時間の短縮を図っている。

【０００５】予冷用膨張機は内部に存在するディスプレ
ーサが、例えば、往復運動することにより、内部に供給
されたヘリウムガスが膨張されるため単独で寒冷を発生
させることができる。これに対して熱交換器は、寒冷発
生源あるいは低温冷媒と温度交換を行うことによりはじ
めて温度低下を行うことが可能となる。したがって、本
公知例の場合、運転し始めて定常運転となるまでに、す
なわち、クールダウン中は、予冷用膨張機は温度が低下
するが、熱交換器群を有する配管の方は予冷膨張機第三
ステージより下側で温度が低下しない。すなわち、最終
熱交換器の温度が下がらなくなる。実際にはこの熱交換
器の非効率分でしか温度低下がおこらないため熱交換器
の温度効率が良ければ良いほどクールダウンの時間はか
かる。そこで前述のバイパス弁を設置することによって
低温ガスを熱交換器低圧側に流し込むことによって熱交
換器のクールダウン時間を早めている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記に示した
従来例では、バイパス弁によるクールダウンは最終段の
膨張機ステージの冷凍能力を利用して最終熱交換器の温
度を下げるためのものであり、熱容量の小さな最終熱交
換器のみを冷却する場合は本構造でも十分であるが、例
えば冷却部が超電導磁石本体といったような熱容量が比
較的大きなものがくっついている場合には、装置全体の
クールダウン時間は長くなってしまう。

【０００７】

【課題を解決するための手段】一般に、冷凍機は熱力学
から考えても理論的に温度が高いほど冷凍能力は高くな
る。つまり、予冷用に装備した複数段膨張機（冷凍機）
は上側のステージほど温度が高く、冷凍能力も大きい。
例えば公知例に示した三段予冷膨張機の場合には、最も
上部にある第一ステージの温度が高く冷凍能力も大き
く、最も下部にある第三ステージの温度が低くて冷凍能
力は小さい。したがって、最も冷凍能力の大きな第一ス
テージの下流部と被冷却体直前配管との間にバイパスラ
インを設け、クールダウン時に、バイパスラインを通し
てヘリウムガスを流せば、予冷膨張機の冷凍能力の大き
な部分で冷凍機全体を予冷することができるため、クー
ルダウン時間が短くなる。さらに、膨張機の各ステージ
の下流部と冷却部との間にバイパスラインを設けておく
ことにより、各バイパス弁の開度を調整することによ
り、効率良くクールダウンを行うことが可能となる。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を図１に
より説明する。予冷用の寒冷発生回路に配置した寒冷発
生機１は、例えば、二段ギフォード・マクマホン膨張機
(ＧＭ膨張機)で構成される。ヘリウム圧縮機ユニット２
の高圧ガスは寒冷発生機１中に流入して内部で断熱膨張
し、第一ステージ３，第二ステージ５でそれぞれ温度約
４０Ｋ，１０Ｋの寒冷を発生する。膨張後のガスは、再
び、圧縮機ユニット２に戻る。

【０００９】一方、予冷用の寒冷発生回路と隔離したＪ
・Ｔ回路の圧縮機ユニット３で約１.６ＭＰａ に加圧さ
れた高圧のヘリウムガスは、高圧配管１４を通り第一熱
交換器６，第二熱交換器７，第三熱交換器８，第四熱交
換器９，第五熱交換器１０に入る。第五熱交換器１０出
口後の高圧流路内には第一ＪＴ弁１２が存在し、ここで
圧力約０.２５〜０.８ＭＰａまで膨張する。その後第六
熱交換器１１に入り、温度約５Ｋの超臨界ヘリウムとな
って冷却部配管１６に流れ込む。

【００１０】例えば超電導磁石で代表される被冷却体２
０は、冷凍機の冷却配管１６と磁石枠１９とが熱的に接
続され、冷却配管１６中に極低温のヘリウムが流れるこ
とによって冷却される。

【００１１】冷却部配管１６を流れて、外部からの熱侵
入による熱負荷を受けて若干温度上昇したヘリウムガス
は、そのまま低圧配管内に流入し、第二ＪＴ弁１３で圧
力約０.１２ＭＰａ まで膨張して一部が液化し、第六熱
交換器１１に入る。その後、第五熱交換器１０，第三熱
交換器８，第一熱交換器６を通り、ほぼ常温となって、
低圧配管１５より圧縮機ユニット３に戻る。

【００１２】クライオスッタト１８内は真空断熱され、
極低温部は液体窒素槽あるいは、寒冷発生回路の第一ス
テージ４によって冷却された熱シールド板１７によっ
て、外部からの輻射熱を遮蔽している。

【００１３】予冷用の寒冷発生回路の第一ステージ４の
下流側と被冷却体２０を冷却する冷却配管１６直前との
間に、バイパス弁２２を持ったバイパスライン２１が設
けてある。

【００１４】まず、第一ＪＴ弁１２をほぼ閉じてバイパ
ス弁２２を開けてクールダウンを開始する。予冷膨張機
１の第一ステージ４で冷却されたヘリウムガスは、バイ
パスライン２２を通って被冷却体冷却用配管１６に流れ
込む。冷却配管１６と超電導磁石２０とは、磁石枠１９
を介して熱的に接続されているため低温のヘリウムガス
の寒冷により超電導磁石２０は冷却される。低温のヘリ
ウムガスは前記冷却配管１６を出た後、第二ＪＴ弁１
３、および第六熱交換器１１という順に流れていき、通
過過程でこれらの冷却を行う。また、この過程において
若干第一ＪＴ弁１２を開けておけば第二ステージ５で冷
却されたヘリウムガスで第五熱交換器１０を冷却するこ
とが可能となる。被冷却体冷却用配管１６，第五熱交換
器１０及び第六熱交換器１１の全体の温度が約４０Ｋに
下がれば、バイパス弁２２を閉じて第一ＪＴ弁１２及び
第二ＪＴ弁１３を調整した後、４０Ｋ以下のクールダウ
ンを行う。一般に金属材料は４０Ｋ以下の温度で比熱が
極端に小さくなるため、これ以降はバイパス弁なしでも
ある程度早い冷却が可能である。冷凍機全体はこのまま
温度が低下し、極低温冷却配管１６温度４〜５Ｋ付近で
定常運転に入る。

【００１５】本実施例では、被冷却体２０として、超電
導磁石を取り上げ、超電導磁石を冷却配管を用いて伝導
冷却的に冷却する構造を示したが、本冷凍装置により製
造した液体ヘリウムに超電導磁石を浸漬して冷却する構
造でも、効果は同様である。

【００１６】また、本実施例では、第二ＪＴ弁１３を被
冷却体２０を冷却するための冷却配管１６の下流側に設
置したが、上流側に設置して第二ＪＴ弁１３で極低温の
液体ヘリウムを生成し、冷却配管１６内を生成させた液
体ヘリウムを流すことによって被冷却体２０を冷却する
構造にした場合でも効果は同様である。さらにＪＴ弁が
１つの場合、すなわち第二ＪＴ弁１３及び第六熱交換器
１１が存在しない場合でも、本発明による効果は同様で
ある。

【００１７】図２に、本発明の他の実施例を示す。図１
に示した実施例の構造に加え、膨張機の最終ステージ４
の下流側と被冷却体直前配管との間にさらにバイパス弁
２４を含むバイパスライン２３を追設している。

【００１８】第一ステージ以下が約５０Ｋ以下になった
ときにバイパス弁２２を閉じて、新たにバイパス弁２４
を開く。これにより、最終熱交換器及び被冷却体は約１
０Ｋまで冷却される。この後、バイパス弁２４を閉じて
定常運転に入る。

【００１９】以上の実施例では、二段の膨張機の例を示
したが、三段以上の膨張機を用いて、最高温ステージ及
び最終ステージにバイパスラインを設置した場合でも効
果は同様である。さらに、三段以上の膨張機においてす
べてのステージにバイパスラインを設け、高温段側から
順番にバイパス弁を操作すれば効果は一層高まる。

【００２０】また、以上の実施例では、バイパスライン
２１，２３の接続口を被冷却体２０の直前、すなわち上
流側に接続したが、下流側に接続した場合でも効果は同
等である。

【００２１】以上の実施例では、超電導マグネットを被
冷却体にした場合について説明したが、ジョセフソン素
子や各種センサー等の各種電子機器や、高真空，高排気
速度のクライオパネルを被冷却体にしても、効果は同様
である。

【００２２】また、実施例では、寒冷発生機に二段のＧ
Ｍサイクルの膨張機を適用した例で説明したが、三段の
ＧＭサイクル，ソルベイサイクル，スターリングサイク
ル，ビルマイヤサイクル，タービン式，クロード式膨張
機を適用した冷凍サイクルやブレイトンサイクルでも同
等な効果がある。

【００２３】

【発明の効果】本発明によれば、効率良く循環ヘリウム
ガスをクールダウンに使用することができるため、冷凍
機のクールダウン時間を短縮することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である冷凍装置の説明図。

【図２】本発明の第二実施例である冷凍装置の説明図。

【符号の説明】

１…膨張機、２，３…圧縮機ユニット、６，７，８，
９，１０，１１…熱交換器、１２，１３…Ｊ・Ｔ弁、１
６…冷却配管、１７…熱シールド板、１８…真空容器、
１９…磁石枠、２０…超電導コイル、２１…バイパスラ
イン、２２…バイパス弁。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森田 穣 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】予冷用の寒冷発生回路と、循環する冷媒の
   流路となる配管と、配管を内蔵した一連の熱交換器と、
   冷媒ガスを圧縮する圧縮手段と、前記冷媒ガスを膨張さ
   せるステージを複数段設けた膨張手段と、被冷却体を冷
   却する冷却部とからなる冷凍装置において、前記膨張手
   段の前記ステージの内の最も温度の高いステージと、前
   記冷却部との間を、バイパスするバイパス弁を設置した
   ことを特徴とする冷凍装置。