JP3109932B2 - 極低温冷凍機のプラグイン部構造 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液体冷媒タンクに付設
され、該タンク内で蒸発した冷媒ガスを再凝縮する極低
温冷凍機のプラグイン部構造に係り、特に、プラグイン
部での伝熱ロスの低減に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、液体ヘリウムタンク内の蒸発した
ヘリウムガスを再凝縮するための極低温冷凍機は、該タ
ンクに固定、あるいは、極低温冷凍機を容易に交換可能
にするために、該タンクに形成した導入管に、該冷凍機
からの冷媒配管挿通部分を挿し込んだ、いわゆるプラグ
イン構造とすることが提案されている。本プラグイン構
造の構成を図３に示す。同図において、液体ヘリウムタ
ンク１は、真空層を形成する内壁１ａと外壁１ｂとで周
囲壁が構成され、このタンク１の壁には導入管２が形成
されている。極低温冷凍機本体３は、その冷媒配管４，
５が挿通したプラグイン部６を有し、このプラグイン部
６を導入管２に挿し込むことで、冷凍機本体３は該タン
ク１に付設されている。なお、該タンク１と冷凍機本体
３は各々のフランジ部１ｃ，３ｃでもって固定されてい
る。また、冷凍機本体３には、別置きの圧縮機ユニット
が連結されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
なプラグイン構造にあっては、液体ヘリウムタンク１の
導入管２と、冷凍機本体３のプラグイン部６とは、その
各両端が液体ヘリウムのある極低温部（例えば４Ｋ）と
常温部（例えば３００Ｋ）に接しているため、これらの
管壁部を通しての伝熱ロスが極めて大きい。この内、液
体ヘリウムタンク１の導入管２の方は、その中間部に液
体窒素等で冷却されたサーマルアンカーを配設し、極低
温部からの温度差を小さくすることで、、伝熱ロスをで
きる限り小さくすることができる。しかしながら、プラ
グイン部６は構造上、外部からの冷却源を取ることがで
きないため、極低温部からプラグイン部６を通しての伝
熱ロスを有効に低減することが困難であった。本発明
は、上述した問題点を解決するもので、極低温冷凍機が
液体冷媒タンクにプラグインにより付設される構成にあ
って、プラグイン部分を通しての伝熱ロスを低減するこ
とが可能な極低温冷凍機のプラグイン部構造を提供する
ことを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、液体冷媒タンクに付設され、該タンク内で
蒸発した冷媒ガスを再凝縮する極低温冷凍機において、
液体冷媒タンク側に該タンク壁を貫通した導入管を形成
すると共に、極低温冷凍機側に該冷凍機からの冷媒配管
が挿通するプラグイン部を形成し、前記導入管内に前記
プラグイン部を挿し込んで該冷凍機を該タンクに取付
け、さらに、前記プラグイン部内に前記冷凍機の予冷機
を冷却源とする輻射シールドを延設し、かつ、この輻射
シールドと前記プラグイン部の中間部分を熱伝導性スペ
ーサで熱的に接合した極低温冷凍機のプラグイン部構造
である。

【０００５】

【作用】上記の構成によれば、液体冷媒タンクの導入管
に挿し込まれたプラグイン部の中間部分は、熱伝導性ス
ペーサ及び輻射シールドを介して冷凍機の予冷機に熱的
に結合され、プラグイン部の熱伝導性スペーサを設けた
部分は予冷機により冷却されるので、極低温のプラグイ
ン部先端と、プラグイン部中間部との温度差が小さくな
り、極低温部からのプラグイン部を通した伝熱ロスが少
なくなる。

【０００６】

【実施例】本発明の一実施例による車載用極低温冷凍機
を図面を参照して説明する。図１は本冷凍機の全体構成
を示し、本冷凍機は、液体ヘリウムタンク１内で蒸発し
たヘリウムガスを再凝縮するためのもので、液体ヘリウ
ムタンク１にプラグインにより付設される冷凍機本体３
と、ジュールトムソン（ＪＴという）側の圧縮機ユニッ
ト８及び予冷側圧縮機ユニット９とで構成される。ＪＴ
側圧縮機ユニット８は、極低温を発生すべくヘリウムガ
スをジュールトムソン膨脹させるＪＴ回路１０により冷
凍機本体３と連結され、予冷側圧縮機ユニット９は、ヘ
リウムガスを予冷するための予冷冷凍回路１１により冷
凍機本体３と連結されている。また、ＪＴ側圧縮機ユニ
ット８は、２段圧縮サイクルのヘリウム冷凍機１２，１
３と、油分離器１４、吸着器１５、バイパス回路１６、
バッファタンク１７等を備え、予冷側圧縮機ユニット９
は、圧縮機１８、油分離器１９、吸着器２０、サージボ
トル２１等を備えている。

【０００７】冷凍機本体３は、ＪＴ回路１０を構成する
第１、第２、第３のＪＴ熱交換器３１，３２，３３と、
予冷冷凍回路１１側の予冷機３４と、その第１、第２の
予冷熱交換器３５，３６と、吸着器３７、ＪＴ弁３８等
を備えている。そして、ＪＴ回路１０は、その１次側
（往路）が第１ＪＴ熱交換器３１、第１予冷熱交換器３
５、第２ＪＴ熱交換器３２、第２予冷熱交換器３６、第
３ＪＴ熱交換器３３の直列回路を介し、さらに吸着器３
７、ＪＴ弁３８を経て冷媒配管４に至る。また、２次側
（復路）が冷媒配管５より第３ＪＴ熱交換器３３、第２
ＪＴ熱交換器３２、第１ＪＴ熱交換器３１の直列回路に
より構成されている。

【０００８】また、冷凍機本体３内の極低温となるＪＴ
管３８、第３ＪＴ熱交換器３３、第２予冷熱交換器３
６、第２ＪＴ熱交換器３２は、輻射シールド４０により
包囲され、かつ、輻射シールド４０は予冷機３４に熱的
に結合されている。また、冷凍機本体３には、冷媒配管
４，５が挿通するプラグイン部６が構成され、一方、液
体ヘリウムタンク１には、その壁を貫通して導入管２が
形成されている。この導入管２に上記プラグイン部６を
挿し込むことにより、冷凍機本体３はタンク１にプラグ
イン構造にて結合される。なお、ＪＴ回路１０と予冷冷
凍回路１１の構成及び動作は既に知られており、また、
本発明の要旨とするところでないので詳細説明は省略す
る。

【０００９】図２はプラグイン部６の詳細構成を示す。
プラグイン部６は、冷凍機本体３側のフランジ部３ｃよ
り筒状に突出させたステンレス等の壁部材からなり、内
部は真空とされている。その突出先端部は、第３（最
終）ＪＴ熱交換器３３からの冷媒配管４，５を支持した
状態で閉塞させている。そして、このプラグイン部６内
に、冷媒配管４，５を囲むように前記輻射シールド４０
を延設し、この輻射シールド４０は予冷機３４に熱的に
結合させて該予冷機３４を冷却源としている。さらに、
プラグイン部６内壁の中間部に、輻射シールド４０との
伝熱をはかる熱伝導性スペーサ４１を挿入し、両者を熱
的に接合している。この接合は、ロー付けもしくは溶接
により行えばよい。なお、輻射シールド４０の壁内にエ
ポキシ樹脂、ベークライト等でなる熱絶縁性支持板４３
を介在させ、冷媒配管４，５を支持している。

【００１０】上記構成でなるプラグイン部６が、図３に
示したのと同様の液体ヘリウムタンク１の導入管２にプ
ラグイン構造にて着脱自在に取り付けられる。この状態
で、プラグイン部６の基端部側つまり冷凍機本体３側は
常温（ほぼ３００Ｋ）であるのに対して、プラグイン部
６の略中間部は、熱伝導性スペーサ４１を介して、予冷
機３４に結合された輻射シールド４０に連結されるの
で、約４０Ｋないし５０Ｋに冷却されることになる。つ
まり、温度勾配のあるプラグイン部６の略中間部に配置
した熱伝導性スペーサ４１は、いわゆるサーマルアンカ
ーの機能を奏することになる。かくして、プラグイン部
６先端の極低温（例えば４Ｋ）と該中間部の温度（４０
Ｋないし５０Ｋ）との温度差が小さくなり、極低温から
の熱流速が大幅に抑えられ、伝熱ロスが低減される。言
い換えると、極低温の熱がプラグイン部６を通して熱伝
導により冷凍機本体３側へ侵入することが防止できるこ
とになる。

【００１１】なお、本発明は上記実施例構成に限られる
ことなく、種々の変形が可能である。例えば、熱伝導性
スペーサ４１は、プラグイン部６の中間部の適宜の位置
に配置すればよく、プラグイン部６の先端の極低温側と
すればするほど、極低温からの予冷機３４への伝熱が増
え、また、プラグイン部６のフランジ部３ｃ側にすれば
するほど、該部分は常温に近いので、予冷機３４の負荷
が増大することになる。従って、熱伝導性スペーサ４１
の配置位置は、予冷機３４の能力の余裕度を考慮して設
定すればよい。また、熱伝導性スペーサ４１は、適宜の
位置に複数個配設してもよい。

【００１２】

【発明の効果】以上のように、極低温冷凍機が液体冷媒
タンクにプラグイン構造にて設置する場合、プラグイン
部先端が極低温、その反対側すなわち冷凍機側が常温と
なり、このプラグイン部での伝熱ロスが大きくなるのに
対し、本発明によれば、プラグイン部内に予冷機に熱結
合させた輻射シールドを延設し、プラグイン部の略中間
部分に輻射シールドと熱接合させた熱伝導性スペーサを
配置して、該配置部分の温度を下げるようにしているの
で、プラグイン部を通しての伝熱ロスを低減することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例による極低温冷凍機の全体
構成図である。

【図２】 同冷凍機のプラグイン部の断面図である。

【図３】 従来のプラグイン取付構造の断面図である。

【符号の説明】

１ 液体ヘリウムタンク ２ 導入管 ３ 冷凍機本体 ４，５ 冷媒配管 ６ プラグイン部 ３４ 予冷機 ４０ 輻射シールド ４１ 熱伝導性スペーサ ４２ 熱絶縁性スペーサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三浦 秋彦 愛知県名古屋市中村区名駅一丁目１番４ 号 東海旅客鉄道株式会社内 (72)発明者 寺井 元昭 愛知県名古屋市中村区名駅一丁目１番４ 号 東海旅客鉄道株式会社内 (72)発明者 中本 泰利 東京都港区芝浦一丁目１番１号 株式会 社東芝 本社事務所内 (72)発明者 藤本 悟 大阪府堺市金岡町1304番地 ダイキン工 業株式会社 堺製作所内 (56)参考文献 特開 平１−306472（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−289274（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−267728（ＪＰ，Ａ) 実開 平１−73662（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F25B 9/00 395 F25B 9/00 F25B 9/02

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液体冷媒タンクに付設され、該タンク内
   で蒸発した冷媒ガスを再凝縮する極低温冷凍機におい
   て、液体冷媒タンク側に該タンク壁を貫通した導入管を
   形成すると共に、極低温冷凍機側に該冷凍機からの冷媒
   配管が挿通するプラグイン部を形成し、前記導入管内に
   前記プラグイン部を挿し込んで該冷凍機を該タンクに取
   付け、さらに、前記プラグイン部内に前記冷凍機の予冷
   機を冷却源とする輻射シールドを延設し、かつ、この輻
   射シールドと前記プラグイン部の中間部分を熱伝導性ス
   ペーサで熱的に接合したことを特徴とする極低温冷凍機
   のプラグイン部構造。