JPS63210573A - ヘリウム冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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、その作動停止時（常
温時）と定常運転時（いわゆるクールダウン運転の終了
による極低温の発生時）との温度変化に伴うＪ−Ｔ回路
内のヘリウムガス圧の変動を吸収する対策に関するもの
である。

（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
ガスを膨脹前で膨脹させてクライオスタット（低温漕）
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
ヘリウムガスをざらに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。

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、その作動開始からのクールダウン運転に
伴いＪ−７回路内のヘリウムガスの温度が常温（３００
Ｋ＞から極低温（約４Ｋ＞まで大きく低下するため、そ
の温度低下に伴ってガスの密度が増大してＪ−７回路内
のヘリウムガスの体積が減少し、そのガス圧力が定常運
転時の圧力よりも低下する。このことから、クールダウ
ン運転の進行に応じて回路内にヘリウムガスを補充して
ガス圧力の低下をなくす必要がある。一方、このヘリウ
ムガスを補充したままでは、冷凍機の運転停止時おるい
は運転中に何等かの原因により温度上昇が生じた場合、
ヘリウムガスの密度の低下による体積の増大によりＪ−
７回路内の圧力が異常上昇することになるので、上記補
充したヘリウムガスを回路内から回収することを要する
。

そして、通常、斯かるヘリウムガスの補充およびその回
収を行うために、Ｊ−Ｔ回路のＪ　−’Ｔ弁で膨脹した
後の低圧ヘリウムガスを圧縮間の吸込側に戻す低圧配管
と、圧縮機から吐出された高圧ヘリウムガスをＪ−Ｔ弁
に供給する高圧配管とを配管で接続し、その配管の途中
に、所定圧力のヘリウムガスを貯留するバラストタンク
と、該バラストタンクの上記高圧配管および低圧配管に
対する連通またはその遮断を自動的に制御する高圧およ
び低圧制御弁とを配設し、クールダウン運転の進行によ
りＪ−７回路内のガス圧力が定常圧力よりも低下したと
きには、その圧力低下を検出して低圧制御弁を自動的に
開き、バラストタンク内のヘリウムガスをＪ−７回路内
に供給してその圧力低下を補う一方、冷凍機の運転の停
止等による温度上昇により回路内のガス圧力が定常圧力
よりも上昇したときには、その圧力上昇を検出して高圧
制御弁を自動的に開き、回路内のヘリウムガスをバラス
トタンク内に回収して回路内の圧力上昇を抑えるように
することが行われている。

（発明が解決しようとする問題点） ところが、その場合、上記Ｊ−Ｔ回路内のガス圧ツノに
応じて自動的に開閉作動する低圧および高圧制御弁の価
格がいずれも高く、コストアップするのは免れ得ないと
ともに、その圧力制御弁の圧力調整に時間を要し、しか
もそれら制御弁の接続のために配管の接続系統が複雑に
なる等の問題があった。

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回路との２元回路を有するヘリウム冷凍機において、
バラストタンクと低圧配管とを弁手段を介して接続し、
該弁手段の開閉制御を適切に制御するようにすることに
より、配管の接続系統を簡素化し、かつ高価な圧力制御
弁を要することなく、クールダウン運転時に運転圧力が
異常上昇するのをなくし、定常運転時の適正な運転圧力
を維持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） この目的を達成するために、本発明の解決手段は、例え
ば第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
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Ｊ−Ｔ弁（２９）で膨
脹した後の低圧ヘリウムガスを圧縮機（１４）、（１６
）の吸込側に戻す低圧配管（３０）に接続され、所定圧
力のヘリウムガスを貯留するバラストタンク（３１）と
、該バラストタンク（３１）を上記低圧配管（３０）に
対して連通させまたは連通遮断する電磁開閉弁等の弁手
段（ＢＶ）とを設ける。

さらに、ヘリウム冷凍機の起動時、上記弁手段（ＢＶ）
を、上記圧縮機（１４）、（１６）の起動に先立って閉
じるとともに、圧縮機（１４）。

（１６）の起動後はその起動から一定時間が経過したと
きないし圧縮機（１４）、（１６）から吐出された高圧
ヘリウムガスをＪ−Ｔ弁（２９）に供給する高圧配管（
２２）内のガス圧力が所定圧力以下に低下したときに開
くように制御する制御手段（５１）を設ける。

（作用） 上記の構成により、本発明では、ヘリウム冷凍機の起動
時、制御手段（５１）の作動により、先ず、バラストタ
ンク（３１）と低圧配管（３０）とを接続する弁手段（
ＢＶ）が閉じられる。この弁手段（ＢＶ）の閉動作によ
りバラストタンク（３１）とＪ−７回路（１）の低圧配
管（３０）との連通が遮断され、該バラストタンク（３
１）内のヘリウムガスはＪ−７回路（１）内に供給され
ない。この後、圧縮機（１４）、（１６）が起動されて
クールダウン運転状態に移行するが、このクールダウン
運転の継続によりＪ−７回路（１）内のへり１クムガス
の体積がその温度低下に伴う密度の増大により減少して
、該Ｊ−Ｔ回路（１）内の圧力が低下する。そして、こ
うしたＪ−７回路（１）内のガス圧力の低下は、上記圧
縮８Ｎ（１４）、（１６）の起動から一定時間が経過し
たときないしは圧縮ＩＮ（１４）、（１６）から吐出さ
れたヘリウムガスをＪ−Ｔ弁（２９）に供給する高圧配
管（２２）内の圧力が所定圧力以下に低下したときをも
って間接的に検知され、その時点で上記制御手段（５１
）の作動によって上記弁手段（ＢＶ）が開かれ、バラス
トタンク（３１）内のヘリウムガスがＪ−７回路（１）
内に供給されて該Ｊ−丁回路（１）内の不足ガス量が補
充され、この補充によってＪ−７回路（１）内のガス圧
力が定常圧力に保持される。

また、上記クールダウン運転後の定常運転時にも上記弁
手段（ＢＶ）は開き状態に保持され、このため、温度上
昇によりＪ−７回路（１）内のヘリウム聞が増加してそ
のガス圧力が上昇しても、その増加したヘリウムガスは
上記弁手段（ＢＶ）を通してバラストタンク（３１）内
に回収されて平衡状態となり、このことによりＪ−７回
路（１）内のガス圧力の異常上昇が回避される。

さらに、ヘリウム冷凍機の運転停止時には上記弁手段（
ＢＶ）は開かれ、このことにより上記と同様に、Ｊ−７
回路（１）内のヘリウムガスは上記弁手段（ＢＶ）を通
してバラストタンク（３１）内に回収されて該Ｊ−Ｔ回
路（１）内のガス圧力の異常上昇が回避される。

したがって、この場合、従来の如く高価な圧力制御弁を
用いることなく、定常運転時の運転圧力を適正圧力に維
持しかつクールダウン運転時の異常高圧への移行を防止
でき、配管の簡素化、コストダウン化および圧力調整の
不要化を図り得ることとなる。

（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段圧縮ザイクルの
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−７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市
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）を内布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
た高圧の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ｖ、Ｈ
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ヒートステーシヨン（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、回転する毎に開弁じて上記高圧側
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
ブを駆動するバルブモータとが嵌装されている一方、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）内を往復動じ
、へりラ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
ヒートステーシヨン（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）にあける第１および第
２ヒートステーシヨン（１０）、（１１）にて保持する
とともに、第１ヒートステーシヨン（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）
は上記予冷用圧縮は（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の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）の温度を低下させて、
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（２４＞、（２６）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）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（Ｃ
２）内に配置されている。上記第１Ｊ−Ｔ熱交換器（１
９）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
）、（２０）の各１次側同士は吸着器（２３）と上記膨
脹機（７）の第１ヒートスチージョン（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＞、（２
１）の各１次側同士は同様に吸着器（２５）と膨脹機（
７）の第２ヒートステーシヨン（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。ざらに
、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。上
記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、その開度がクライオス
タット（Ｃ）の外部から操作レバー（２９ａ）を介して
ステッピングモータ等のモータ（Ｍ）によって調整され
る。そして、上記冷却器（２７）は上記第３および第２
Ｊ−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ヒートステーシヨン（
１０）、（１１）と熱交換させて冷却したのち、Ｊ−Ｔ
弁（２９）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４にのヘリウムとなし、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。

ざらに、本発明の特徴として、第２図にも示すように、
上記Ｊ−Ｔ回路（１）のＪ−Ｔ側圧縮はユニット（Ａ＞
において、Ｊ−Ｔ弁（２９）で膨脹した後の低圧ヘリウ
ムガスを低段圧縮機（１４）の吸込側に戻す低圧配管（
３０）には、所定圧力のヘリウムガスを貯留するバラス
トタンク（３１）が接続配管（３２）を介して接続され
ている。また、この接続配管（３２）には上記バラスト
タンク（３１）を低圧配管（３０）に対して連通させま
たは連通遮断する弁手段としての常時開の電磁弁（ＢＶ
）が配設されている。そして、上記電磁弁（ＢＶ）はそ
の開閉が制御手段としてのコントローラ（５０）のガス
圧力制御部（５１）によって制御されるように構成され
、該ガス圧力制御部（５１）には、上記Ｊ−Ｔ側圧縮機
ユニット（Ａ＞の高段圧縮機１（１６）から吐出された
高圧ヘリウムガスをクライオスタット（Ｃ）のＪ−Ｔ弁
（２９）に供給する高圧配管（２２）内のガス圧力に応
じてＯＮ・ＯＦＦ作動する圧力スイッチ（ＰＳ）の信号
と、冷凍機の起動信号と、上記側圧縮機（１４）、（１
６）の起動信号とが入力されており、このコントローラ
（５０）のガス圧力制御部（５１）により上記電磁弁（
ＢＶ）は、ヘリウム冷凍殿の起動時、上記低段および高
段圧縮機（１４）、（１６）の起動に先立って閉じると
ともに、該圧縮ｔａ（１４）、（１６）の起動後は上記
高圧配管（２２）内のガス圧力が所定圧力以下に低下し
たときに圧力スイッチ（ＰＳ）のＯＮ信号に基づいて開
くように制御される。

また、第１図に示すように、上記Ｊ−Ｔ回路（１）にお
いてクライオスタット（Ｃ）内の冷却器（２７〉と第３
Ｊ−Ｔ熱交換器（２１）の２次側とを接続する配管には
バイパス配管（３３）の上流端が分岐接続され、該バイ
パス配管（３３）の下流端は第１および第２の２つの分
岐管（３３ａ）、（３３ｂ）に分岐されて、それぞれ第
１Ｊ−Ｔ熱交換器（１９）と第２Ｊ−Ｔ熱交換器（２０
）との各２次側間の配管および該第２Ｊ−Ｔ熱交換器（
２０）と第３Ｊ−Ｔ熱交換器（２１）との各２次側間の
配管にそれぞれ接続されている。

また、上記バイパス配管（３３）の第１および第２の各
分岐管（３３ａ＞、（３３ｂ）にはそれぞれ該各分岐管
（３３ａ＞、（３３ｂ）を開閉する第１および第２の電
磁弁（ＢＶ＋　＞、（ＢＶ２　＞が配設されている。そ
して、これら電磁弁（ＢＶｌ）、（ＢＶ２　）は上記コ
ートローラ（５０）におＣプるバイパス電磁弁制御部（
５２）によって開閉制御されるように構成され、この制
御部（５２）には、上記冷却器（２７）と第３Ｊ−Ｔ熱
交換器（２１）の２次側との間の配管において上記バイ
パス配管（３３）の上流端分岐部よりも上流側の温度、
つまり４にレベルに達する冷却器（２７）からリターン
するヘリウムガスのリターン温度を検出する温度センサ
（３４）の出力信号が入力されており、上記バイパス電
磁弁制御部（５２）により、ヘリウム冷凍機のクールダ
ウン運転時の初期には、第１電磁弁（ＢＶ＋　）を聞き
かつ第２電磁弁（ＢＶ２　）を閉じることにより、冷却
器（２７）からのリターンガスを第２および第３Ｊ−Ｔ
熱交換器（２１）、（２０＞をバイパスさせ、クールダ
ウン運転の進行に伴い温度センサ（３４）により検出さ
れるヘリウムガスのリターン温度が第１の設定温度（例
えば５０Ｋ＞に低下したとぎには、上記とは逆に、第１
電磁弁（ＢＶ＋　）を閉じかつ第２電磁弁（ＢＶ２　＞
を開くことにより、冷却器（２７）からのリターンガス
を第３Ｊ−Ｔ熱交換器（２１）のみをバイパスさせ、ざ
らにリターン温度が上記第１の設定温度よりも低い第２
の設定温度（例えば２０Ｋ＞に低下したときには、上記
第１および第２電磁弁（ＢＶ＋　）、（ＢＶ２　）の双
方を閉じることにより、冷却器（２７）からのリターン
ヘリウムガスのＪ−Ｔ熱交換器（２０）、（２１＞に対
するバイパスを解除するように構成されている。

ざらに、上記Ｊ−Ｔ弁（２９）に駆動連結されていてそ
の開度を調整するモータ（Ｍ）は上記コントローラ（５
０）のＪ−Ｔ弁制御部（５３）により作動制御されるよ
うに構成され、このＪ−Ｔ弁制御部（５３）には上記Ｊ
−Ｔ回路（１）の低圧配管（３０）内のガス圧力、つま
りヘリウムガスのリターン圧力を検出する圧力センサ（
３５）の検出信号が入力されており、このＪ−Ｔ弁制御
部（５３〉により、上記バイパス電磁弁制御部（５２）
の作動に伴ってヘリウムガスのリターン経路が調整され
ている間、圧力センサ（３５）により検出されるヘリウ
ムガスのリターン圧力が略一定になるようＪ−Ｔ弁（２
９）の開度を可変調整するように構成されている。

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、（３６）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（３６）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おる。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（３７）が上
記吐出ガスコイル（３６）と略平行に巻き付けられてお
り、この冷却水コイル（３７）を流れる冷却水により、
圧縮機（３）。

（１４）、（１６）から吐出されて吐出ガスコイル（３
６）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、（３８）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（３
７）と略平行に巻き付けられてなる油コイルであって、
核油コイル（３８）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（３９）を介設したインジェクション管
（４０）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）、（１
４＞。

（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（３８）に送給して上記冷却水
コイル（３７）内の冷却水により冷却し、この冷却され
た潤滑油をインジェクション管（４０）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ＵＮ（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、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（１０）、（１１
）および第１ヒートステーシヨン（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（Ｃ］）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（３７）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■（１６）からの吐出ガスは
圧縮機（１６）周りの冷却水コイル（３７）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ヒートステーシヨン（１０）外周の第１予冷器（
２４〉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Ｊ：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
テーシヨン（１１）外周の第２予冷機（２６）に入って
低温度まで冷却される。ざらに、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（２つ）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
）の内の少なくとも第１Ｊ−Ｔ熱交換器（１９）の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。

このようなり−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、４．２に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
ヘリウムにあ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４．２に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時
、Ｊ−Ｔ回路（１）の２台の圧縮機（１４）、（１６）
が起動される前に、コントローラ（５０）におけるガス
圧力制御部（５１）の作動により、Ｊ−Ｔ回路（１）の
低圧配管（３０）に接続されている電磁弁（ＢＶ）がそ
れまでの開き状態から閉じられ、該低圧配管（３０）と
バラストタンク（３１）との連通が遮断される。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
ガス圧力が定常状態よりも低下すると、高圧配管（２２
）内の圧力低下により圧力スイッチ（ＰＳ）がＯＮ作動
し、この圧力スイッチ（ＰＳ）のＯＮ作動信号を受けた
コントローラ（５０）のガス圧力制御部（５１）により
上記電磁弁（ＢＶ）が開かれ、この電磁弁（ＢＶ）の開
き動作によりバラストタンク（３１）内のヘリウムガス
が上記低圧配管（３０）に流入して、不足分のヘリウム
ガスがＪ−Ｔ回路（１）内に補充され、この補充により
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も上記電磁弁（ＢＶ）は
開き状態に維持される。このため、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
しても、該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間いた電磁弁（ＢＶ）を通ってバラ
ストタンク（３１）内に流入することとなり、このバラ
ストタンク（３１）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、上記コン
トローラ（５０）のガス圧ｊノ制御部（５１）の作動停
止により上記電磁弁（ＢＶ）が通常の閉じ状態となり、
このことによりバラストタンク（３１）内に所定圧力の
ヘリウムガスが封じ込められる。

また、このような制御と並行して、上記冷凍機のクール
ダウン運転状態では、コントローラ（５０）におけるバ
イパス電磁弁制御部（５２）の作動によりＪ−Ｔ回路（
１）でのバイパス配管（３３）の２つの電磁弁（ＢＶ＋
　＞、　　（ＢＶ、！　＞が開閉制御され、クールダウ
ン運転の開始時には、先ず、第１電磁弁（ＢＶ＋　）が
開かれかつ第２電磁弁（ＢＶ２　）が閉じられ、冷却器
（２７）からリターンするヘリウムガスは第２および第
３のＪ−丁回路（２１＞、（２０＞をバイパスし、第１
Ｊ−Ｔ熱交換器（１９）のみを通って圧縮機ユニット（
Ａ＞に戻される。゛そして、上記冷却器（２７）からの
ヘリウムガスのリターン温度が温度センサ（３４）によ
り検出され、このリターン温度が第１設定温度（５０Ｋ
）まで低下したとき、上記第１電磁弁（ＢＶ＋　）は閉
じられ、第２電磁弁（ＢＶ２　）が開かれる。このため
、冷却器（２７）からのヘリウムガスは第３Ｊ−Ｔ回路
（２１）のみをバイパスして他の２つのＪ−Ｔ熱交換器
（２０）、（１９）を通り圧縮機ユニット（Ａ＞に戻さ
れる。さらに、上記リターン温度が第２設定温度（２０
Ｋ＞まで低下したときには、上記第１および第２電磁弁
（ＢＶ＋　）、（ＢＶ２　）が共に閉じられ、冷却器（
２７）からのヘリウムガスは第３〜第１Ｊ−Ｔ回路（２
１）〜（１９）を通って圧縮機ユニット（Ａ）に戻され
、このことにより定常運転状態となる。

このように、クールダウン運転中にリターンヘリウムガ
スが第３Ｊ−Ｔ熱交換器（２１）または第３および第２
Ｊ−Ｔ熱交換器（２’ｌ）、（２０）をバイパスして流
れることにより、リターンするヘリウムガスは該Ｊ−Ｔ
熱交換器（２１＞、（２０〉での１次側のヘリウムガス
によって高温度に昇温されないこととなり、その結果、
ヘリウム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。

また、冷凍機のクールダウン運転中は、上記コントロー
ラ（５０）のＪ−Ｔ弁制御部（５３）の作動によりモー
タ（Ｍ）が作動制御されて、上記低圧配管（３０）内の
ガス圧力が略一定になるように上記Ｊ−Ｔ弁（２９）の
開度が調整される。

このため、クールダン運転時のＪ−Ｔ弁（２９）の開度
調整操作が不要になり、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。

（他の実施例） 第３図は本発明の他の実施例を示しく尚、第１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）の低圧配管（３０）とバラス
トタンク（３１）とを接続する接続配管（３２）に減圧
機構としてのキャピラリチューブ（４１）を配設したも
のである。この場合、電磁弁（ＢＶ）の開き動作に伴っ
てバラストタンク（３１）内のヘリウムガスが徐々に低
圧配管（３０）に供給されるので、Ｊ−１回路（１）内
のガス圧力の急激な変動を抑えることができる利点があ
る。

尚、上記各実施例では、ヘリウム冷凍機の起動時、圧縮
機（１４）、（１６）の起動後は電磁弁（ＢＶ）を、高
圧配管（２２）内のガス圧力が所定圧力以下に低下した
ときに開くようにしたが、圧縮機（１４）、（１６）の
起動から一定時間が経過したときに、Ｊ−１回路（１）
内のガス圧力が低下したと概略的に見做して電磁弁（Ｂ
Ｖ）を″開くようにしてもよく、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−１回路の２元回路を有するヘリウム冷凍機に対
し、Ｊ−１回路の圧縮機の吸込側に至る低圧配管にヘリ
ウムガス貯留用のバラストタンクを接続し、該バラスト
タンクを上記低圧配管に対して連通させまたは連通遮断
する弁手段を設け、ヘリウム冷凍機の起動時、上記弁手
段を、上記圧縮機の起動に先立って閉じるとともに、圧
縮はの起動後はその起動から一定時間が経過したときな
いし圧縮機からの高圧配管内のガス圧力が所定圧力以下
に低下したときに開くように制御するようにしたことに
より、従来の如く高価な圧力制御弁を省略して、ヘリウ
ム冷凍機の定常運転時の運転圧力を適正圧力に維持でき
るとともに、クールダウン運転時の異常高圧への移行を
防止でき、よってヘリウム冷凍機の配管の簡素化、コス
トダウン化および圧力調整の不要化を図ることができる
ものである。

【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図は要部を示す配管系統図である。 第３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）・・・タライオスタット、
（１）・・・Ｊ−１回路、（２）・・・予冷冷凍回路、
（３）・・・予冷用圧縮機、（７）・・・膨脹機、（１
４）・・・低段圧縮機、（１６）・・・高段圧縮機、（
２２）・・・高圧配管、（１９）〜（２１）・・・Ｊ−
Ｔ熱交換器、（２９）・・・Ｊ−Ｔ弁、（３０）・・・
低圧配管、（３１）・・・バラストタンク、（ＢＶ）・
・・電磁弁、（ＰＳ）・・・圧力スイッチ、（３３）・
・・バイパス配管、（ＢＶ＋　＞、（ＢＶ２　）”・電
磁弁、（３４）・・・温度センサ、（３５）・・・圧力
センサ、（５０）・・・コントローラ、（５１）・・・
ガス圧力制御部、（５３）・・・Ｊ−Ｔ弁制御部。 特許出願人　　ダイキン工業株式会社　１”　’）ｌ　
””２　仁　。 代　理　人　　前　　１）　　弘　　　　ＪＩＪＪｉ−
’・第２図 第３［

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）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）
   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Ｊ−Ｔ弁（２９）で膨脹した後
   の低圧ヘリウムガスを圧縮機（１４）、（１６）の吸込
   側に戻す低圧配管（３０）に接続され、所定圧力のヘリ
   ウムガスを貯留するバラストタンク（３１）と、該バラ
   ストタンク（３１）を上記低圧配管（３０）に対して連
   通させまたは連通遮断する弁手段（ＢＶ）と、ヘリウム
   冷凍機の起動時、上記弁手段（ＢＶ）を、上記圧縮機（
   １４）、（１６）の起動に先立って閉じるとともに、圧
   縮機（１４）、（１６）の起動後はその起動から一定時
   間が経過したときないし圧縮機（１４）、（１６）から
   吐出された高圧ヘリウムガスをＪ−Ｔ弁（２９）に供給
   する高圧配管（２２）内のガス圧力が所定圧力以下に低
   下したときに開くように制御する制御手段（５１）とを
   設けたことを特徴とするヘリウム冷凍機。