JPH0349024B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔発明の利用分野〕 本発明は、極低温冷凍機に係り、特に多様な負
荷条件を要求せず長期連続運転が必要な極低温冷
凍機に関するものである。 〔発明の背景〕 ヘリウム冷凍機等の極低温冷凍機は、常温から
の予冷に長時間を要し、このために過渡的な運転
制御に特別な対策がなされている。また、定常運
転時には、被冷却体側の負荷に合わせた制御を行
うための機構が考えられている。以下、極低温冷
凍機としてヘリウム冷凍機を例として第１図によ
り従来の極低温冷凍機を説明する。 第１図で、ヘリウム冷凍機１０は、真空排気さ
れる保冷槽１１と熱交換器１２ａ〜１２ｅと膨張
機１３ａ，１３ｂとで主に構成されている。保冷
槽１１内には、熱交換器１２ａ〜１２ｅが第１図
では上側から下側へ順次配設され、高圧ライン１
４が熱交換器１２ａ〜１２ｅの各高圧流路を連通
して設けられ、低圧ライン１５が熱交換器１２ａ
〜１２ｅの各低圧流路を連通して設けられてい
る。熱交換器１２ａと熱交換器１２ｂとの間の高
圧ライン１４からは膨張機ライン１６が分岐さ
れ、熱交換機１２ｃの中圧流路を介してその分岐
端は熱交換器１２ｄ，１２ｅ間の低圧ライン１５
に連結されている。熱交換器１２ｄ，１２ｅ間の
高圧ライン１４からバイパスライン１７が分岐
し、バイパスライン１７の分岐端は熱交換器１２
ｅ前流側の低圧ライン１５に連結されている。膨
張機ライン１６の熱交換器１２ｃの前流側には膨
張機入口弁１８が設けられ膨張機入口弁１８と熱
交換器１２ｃとの間の膨張機ライン１６には膨張
機１３ａが設けられている。熱交換器１２ｃの後
流側の膨張機ライン１６には膨張機１３ｂが設け
られている。バイパスライン１７には、予冷弁１
９が設けられ、高圧ライン１４の冷媒出口端（第
１図では、下端）には、ジユール、トムソン膨張
弁（以下、JT弁と略）２０が設けられている。
圧縮機３０は、保冷槽１１外に配置され、その吐
出端には配管３１の一端が、その吸入端には配管
３２の一端が連結されている。配管３１の他端
は、高圧ライン１４の冷媒入口端（第１図では、
上端）に連結され、配管３２の他端は、低圧ライ
ン１５の冷媒出口端（第１図では、上端）に連結
されている。また、保冷槽１１外には、中圧タン
ク４０が配置され中圧タンク４０と配管３１，３
２とは、それぞれ配管４１，４２で連結され、配
管４１，４２には、圧力調整弁４３ａ，４３ｂが
それぞれ設けられている。保冷槽１１と真空連通
するクライオスタツト５０のクライオスタツト内
槽（以下、クライオ内槽と略）５１には被冷却体
５２が内蔵されている。JT弁２０の出口端には、
冷媒供給ライン２１の一端が連結され、その他端
はクライオ内槽５１に連通されている。低圧ライ
ン１５の冷媒入口端（第１図では、下端）はクラ
イオ内槽５１にガス層と連通して連結されてい
る。 第１図で、圧縮機３０で圧縮され昇圧された高
圧ベリウムガス（以下、高圧GHeと略）は、配
管３１を経て高圧ライン１４に導入され、熱交換
器１２ａの高圧流路に供給される。この高圧流路
を流通する間に高圧GHeは、熱交換器１２ａの
低圧流路を流通する低圧ヘリウムガス（以下、低
圧GHeと略）と熱交換して冷却された後に熱交
換器１２ａの高圧流路より排出される。この排出
された高圧GHeは膨張機ライン１６に一部分流
される。分流された高圧GHeは、膨張機入口弁
１８を通り膨張機１３ａで断熱膨張仕事を行い寒
冷を発生した後、熱交換器１２ｃでその低圧流路
を流通する低圧GHeと熱交換し、その後、膨張
機１３ｂで再び断熱膨張仕事を行い寒冷を発生し
熱交換器１２ｄ，１２ｅ間の低圧ライン１５を流
通する低圧GHeと合流される。一方、残りの高
圧GHeは、熱交換器１２ａ〜１２ｅで低圧GHe
と熱交換し順次冷却された後JT弁２０でジユー
ル・トムソン膨張し液化される。液化されたヘリ
ウムガス（以下、LHeと略）は冷媒供給ライン
２１を経てクライオ槽５１に供給され、この
LHeにより被冷却体５２は浸漬される。クライ
オ内槽５１のLHeはクライオスタツト５０の被
冷却体５２を含む冷凍負荷吸収により一部蒸発し
低圧GHeとなり、この低圧GHeは、熱交換器１
２ｅ〜１２ａで高圧GHeとそれぞれ熱交換する
ことによつて寒冷を回収された後に圧縮機３０に
戻される。 次に各弁の基本的機能について説明する。 (1) 膨張入口弁１８ 第１の機能は、膨張機１３ａ，１３ｂの負荷
制御機能である。膨張機１３ａ，１３ｂには、
ヘリウムガス（以下、GHeと略）の断熱膨張
仕事を吸収するための制御装置（図示省略）が
付属しているが、しかし、その制御範囲は広く
ない。これに対し、断熱膨張仕事による負荷
は、膨張比が同じであれば入口GHe温度に比
例して増大する。したがつて、ヘリウム冷凍機
１０の起動時には、制御装置で制御不可能な負
荷がかかることがあり得る。このため、ヘリウ
ム冷凍機１０の起動時には、膨張機入口弁１８
を絞り膨張機１３ａ，１３ｂでの膨張比を小さ
くして負荷を制御する必要がある。第２の機能
は、定常運転時にクライオスタツト５０の負荷
条件に合わせたヘリウム冷凍機１０の運転制御
である。即ち、クライオスタツト５０の負荷条
件が、冷凍負荷だけの場合と他の、例えば、液
化負荷の場合とでは、膨張機ライン１６に分流
すべき高圧GHeの流量割合いは大きく異なる。
膨張機入口弁１８は、このような負荷条件に対
応したヘリウム冷凍機１０の運転制御に使用さ
れる。 (2) JT弁２０ JT弁２０は、ヘリウム冷凍機１０の能力調
整用として基本的には使用される。 (3) 予冷弁１９ 予冷弁１９は、ヘリウム冷凍機１０の予冷運
転時のバイパス用に使用される。即ち、熱交換
器１２ｅが高性能で、また、JT弁２０は定常
運転時の使用条件に合わせて設計されているた
め、予冷運転時にはGHeを少量しか流せず予
冷に長時間を要することになる。そこで、この
予冷運転時間を短縮するために、予冷運転時に
は、予冷弁１９によつて熱交換器１２ｅをバイ
パスできるようにしている。 (4) 圧力調整弁４３ａ，４３ｂ 圧力調整弁４３ａ，４３ｂは中圧タンク４０
をバツフアーとして高圧GHeおよび低圧GHe
の圧力制御を行う。 このような極低温冷凍機では、膨張機入口弁、
JT弁、予冷弁といつた高価な極低温弁を使用し、
また、これにより保冷槽内の極低温配管が複雑に
なるため、その価格が増大するといつた欠点があ
つた。また、極低温弁は比較的その信頼性が低い
ため、これにより極低温冷凍機の信頼性が低下す
るといつた欠点もあつた。また、極低温弁の操作
部を保冷槽外に出しておく必要があるため、操作
部から保冷槽内への熱浸入が生じ、これにより極
低温冷凍機の性能が低下するといつた欠点もあつ
た。また、運転時の操作部が多いため、極低温冷
凍機の運転操作が難しくなるとつた欠点もあつ
た。 〔発明の目的〕 本発明の目的は、高価な極低温弁を不用にする
ことで、価格を低減できる極低温冷凍機を提供す
ることにある。 〔発明の概要〕 本発明は、真空排気される保冷槽内に複数個の
熱交換器を配設し、保冷槽内で熱交換器の高圧流
路と連通する高圧ラインより分岐し熱交換器の低
圧流路と連通する低圧ラインと合流した膨張機ラ
インに膨張機を設け、高圧ラインの冷媒出口端に
固定絞り手段を設け、高圧ラインの冷媒入口端側
で、かつ、保冷槽外に冷媒圧力調整手段を設けた
ことを特徴とするもので、高価な極低温弁を不用
にしたものである。 〔発明の実施例〕 従来の極低温冷凍機で使用されている極低温弁
の基本的機能は上記したとおりであり、液化運転
もあり冷凍運転もあり、また、起動、停止を頻繁
に行うような極低温冷凍機では、極低温弁はおの
おのそれなりの意味、効果を有する。しかしなが
ら、運転として、例えば、冷凍運転が主であり、
多様な負荷条件を要求せず、長期連続運転が必要
な極低温冷凍機では、基本的再検討が可能であ
る。 そこで、このような極低温冷凍機について鋭意
検討を行つた結果、極低温弁の内で膨張機入口弁
については、予冷時の膨張機の負荷制御は、高圧
ラインに導入する高圧冷媒ガスの圧力を変化させ
ることで行えば良く、また、定常時の運転モード
は主たる運転条件に合わせ膨張機を設計しておけ
ば良く、膨張機ラインに分流される冷媒ガスの流
量制御の必要は無くなるという知見を得、また、
JT弁は、固定の絞り手段であれば良く、冷凍能
力の調節は、高圧ラインに導入される高圧冷媒ガ
スの圧力調整によつて容易に行えるという知見を
得た。なお、予冷弁は、予冷時間の短縮にその使
用目的があり、このような極低温冷凍機では、予
冷時間は差程大きな問題ではなく不用にできる。 以下、本発明の一実施例を第２図〜第４図によ
り説明する。この場合、極低温冷凍機はヘリウム
冷凍機である。 第２図で、高圧ライン１４の冷媒出口端（第２
図では、下端）には、従来のJT弁に代り固定絞
り手段、例えば、第３図に示すようなオリフイス
式の固定絞り手段６０が設けられている。固定絞
り手段６０は、高圧ライン１４に設けたフランジ
６１と冷媒供給ライン２１に設けたフランジ６２
とでオリフイス６３を固定した構造のものであ
る。また、この場合、冷媒圧力調整手段は特別に
設けず、高圧ライン１４の冷媒入口端側で、か
つ、保冷槽１１外に設けられている圧力長成分４
３２を圧力調整手段として共用している。また、
第１図で示したバイパスライン、膨張機入口弁、
予冷弁通はそれぞれ除去されている。なお、第２
図で、その他第１図と同一装置、部品等は同一符
号で示し説明を省略する。 第２図で、ヘリウム冷凍機１０の定常運転時の
冷凍能力の制御は、高圧ライン１４に導入される
高圧GHeの圧力を調整することによつて行う。
即ち、圧力調整弁４３ａの設定値を冷凍負荷に合
わせて調整する。ヘリウム冷凍機１０が、多様な
負荷条件を要求せず長期連続運転が必要なヘリウ
ム冷凍機である場合、高圧ライン１４に導入され
る高圧GHeの圧力Ｐと冷凍能力Ｑとの間には、
第４図に示すようにほぼ直線関係が成り立つ。こ
れにより、ヘリウム冷凍機１０の定常運転時の冷
凍能力の制御は、高圧ライン１４に導入される高
圧GHeの圧力を圧力調整弁４３ａで調整するこ
とで容易に行うことができる。なお、第４図での
高圧ライン１４に導入される高圧GHeの圧力Ｐ
とは、式(1)で表わされるもので、冷凍能力Ｑと
は、式(2)で表わされるものである。 Ｐ＝高圧ライン入口圧力／圧縮機の吐出圧力×100（
％）……(1) Ｑ＝実働冷凍能力／設計冷凍能力×100（％）…
…(2) 次に、予冷運転時の膨張機１３ａ，１３ｂの制
動負荷の制御は、上記した定常運転時の冷凍能力
の制御と同様に、高圧ライン１４に導入される高
圧GHeの圧力を圧力調整弁４３ａで調整するこ
で行うことができる。 本実施例のような冷凍機では、次のような効果
を得ることができる。 (1) 高価な極低温弁が不用で、また、これにより
保冷槽内の極低温配管を簡略化できるため、ヘ
リウム冷凍機の価格を低減できる。 (2) 比較的信頼性が低い極低温弁が不用であるた
め、ヘリウム冷凍機の信頼性を向上できる。 (3) 極低温弁が不用で、これにより操作部も不用
となるため、保冷槽内への熱侵入を防止でき、
これによるヘリウム冷凍機の性能低下を防止で
きる。 (4) 運転時の操作部を大幅に減少できヘリウム冷
凍機の運転操作が極めて簡易になる。 なお、本実施例の他に、高圧ラインの冷媒入口
端側で、かつ、保冷槽外にあり、圧縮機の吐出端
と高圧ラインの入口端とを連結する配管に圧力調
整弁等の圧力手段を設け、該圧力調整手段で高圧
ラインに導入される高圧GHeの圧力を調整する
ようにしても良く、また、圧縮機自体に圧力調整
手段の機能を具備させて直接圧力調整するように
しても良い。また、直接的には高圧ラインに導入
される高圧GHeの流量調整により高圧ラインに
導入される高圧GHeの圧力を調整するようにし
ても良い。また、本実施例では、JT弁に代る固
定絞り手段を保冷槽内に設けているが、高圧ライ
ンの冷媒出口端であれば、この他にクライオスタ
ツタ内に設けても、また、ヘリウム冷凍機とクラ
イオスタツトとが極低温移送配管で連結されてい
る場合には、極低温移送配管の途中に設けても良
い。まだ、JT弁に代る固定絞り手段としては、
本実施例の他にベンチユリ式の固定絞り手段のよ
うに運転中に開度が変えられないものであれば問
題なく適用できる。 〔発明の効果〕 本発明は、真空排気される保冷槽内に複数個の
熱交換器を配設し、保冷槽内で熱交換器の高圧流
路と連通する高圧ラインより分岐し熱交換器の低
圧流路と連通する低圧ラインに合流した膨張機ラ
インに膨張機を設け、高圧ラインの冷媒出口端に
固定絞り手段を設け、高圧ラインの冷媒入口端側
で、かつ、保冷槽外に冷媒圧力調整手段を設けた
ことで、高価な極低温弁が不用で、また、これに
より保冷槽内の極低温配管を簡略化できるので、
極低温冷凍機の価格を低減できるという効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来のヘリウム冷凍機の構成を示す
ブロツク図、第２図は、本発明によるヘリルム冷
凍機の構成の一実施例を示すブロツク図、第３図
は、第２図の固定絞り手段の拡大縦断面図、第４
図は、高圧ラインに導入される高圧GHeの圧力
と冷凍能力との関係線図である。 １１……保冷槽、１２ａないし１２ｅ……熱交
換器、１３ａ，１３ｂ……膨張機、１４……高圧
ライン、１５……低圧ライン、４３ａ……圧力調
整弁、６０……固定絞り手段。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 真空排気される保冷槽内に複数個の熱交換器
   を配設し、前記保冷槽内で前記熱交換器の高圧流
   路と連通する高圧ラインより分岐し前記熱交換器
   の低圧流路と連通する低圧ラインに合流した膨張
   機ラインに膨張機を設け、前記高圧ラインの冷媒
   出口端に固定絞り手段を設け、前記高圧ラインの
   冷媒入口端側で、かつ、前記保冷槽外に冷媒圧力
   調整手段を設けたことを特徴とする極低温冷凍
   機。