JP3638557B2 - 極低温冷却方法及び装置 - Google Patents
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【発明の属する技術分野】
本発明は、極低温冷却方法及び装置に係り、特に、冷凍機にジュール・トムソン(JT)回路を付加して、冷凍温度を低下させた冷凍機に用いるのに好適な、小型で安価な冷凍機を実現することが可能な、極低温冷却方法及び装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
通常使われる冷凍機、例えばギフォードマクマホン(GM)冷凍機、パルスチューブ冷凍機、スターリング冷凍機等は、2段で構成されており、GM冷凍機20について図示した図1に示す如く、運転すると1段目(1段ステージと称する)21の温度は、例えば77K(使用する機種や負荷の大きさにより決まり、45〜90Kとなるようにする)、2段目(2段ステージと称する)22の温度は、例えば10K以下まで冷却することができる。特に、2段ステージ22の温度は、用途に合わせ、GM冷凍機内部のディスプレーサに入れる蓄冷材を変えることにより、約2.5K程度まで冷却することができるようになっている。
【0003】
図において、10は、被冷却物、12は、断熱のための真空容器、18は、GM冷凍機の圧縮機である。
【0004】
しかしながら、GM冷凍機単体では、通常2.5K以下に冷却することはできない。又、この時の冷凍能力はゼロになる。通常、良く使用されるGM冷凍機20の場合は、1段ステージ21で3〜50W(温度が77Kの時)、2段ステージ22で0.1〜1.5W(温度が4.2Kの時)の冷凍能力があり、用途により、適当な容量の機種を選定する。
【0005】
しかしながら、4K以下、特に3Kより下では急激に冷凍能力が低下し、実用的に被冷却物を冷却することができない。このため、3Kより更に低い温度までの冷却が必要な場合は、GM冷凍機20だけでは対応できないため、図1に示した如く、GM冷凍機20を一次の冷却装置として用い、これに、いわゆるJT回路30を付加して冷凍機を構成している(特開平10−73333、特開平11−108476参照)。
【0006】
前記JT回路30は、3つの冷却器31、32、33と、3つの熱交換器34、35、36と、JTバルブ38で構成されており、これらは、断熱のため、真空容器12内に入れられている。ここで、JTという名前は、ヘリウムガスを断熱自由膨張させ、ジュール・トムソン効果による冷却を利用することから、そう呼ばれている。JT回路を付加したGM冷凍機で低圧圧力が0.01MPa、高圧圧力が1MPaの温度(T)−エントロピー(S)線図の例を図2に示す。
【0007】
このJT回路30を付加した冷却機の場合、圧縮機42から出た高圧(1〜2MP)のヘリウムガスは、第1熱交換器34に入り、戻って来る低温のヘリウムガスと熱交換して、90K程度まで冷却される。次に、GM冷凍機20の1段ステージ21に設けられた1段冷却器31で75K程度まで冷却される。この1段冷却器31は、主に第1熱交換器34(効率が高い程良いが、100%にすることはできない)で生ずる損失を補う。次に、第2熱交換器35に入り、戻って来る低温のヘリウムガスと熱交換して、15K程度まで冷却される。この、GM冷凍機20の2段ステージ22に設けられた2段冷却器32で10K程度まで冷却される。次に、第3熱交換器36に入り、戻って来る低温のヘリウムガスと熱交換して、約6Kまで冷却される。
【0008】
ヘリウムガスは、約30Kに逆転温度があり、この温度以下では膨張することにより、温度が低下する領域(温度と圧力で決まる)がある。従って、6K程度まで冷却されている高圧のヘリウムガスを、断熱自由膨張で大気圧(0.1MPa)以下まで膨張すると、一部液体になる。どの程度の量が液化するかは、膨張前の温度と圧力及び膨張後の圧力で決まる。
【0009】
膨張後にヘリウムが液化している場合は、その液体ヘリウムの蒸気圧(膨張後の圧力と同じ)で決まる温度(平衡温度と称する)になる。
【0010】
ヘリウムガスの膨張は、膨張弁であるJTバルブ38を通して行われる。この膨張は断熱自由膨張であるため、膨張弁は単なる絞り弁(通常は小さなニードルバルブを使用する)となっている。膨張後のヘリウムは、負荷冷却器33により被冷却物10を冷やし(熱を受け取り)、液が蒸発して、第3熱交換器36、第2熱交換器35、第1熱交換器34の順に戻って行き、室温に戻り、再び真空ポンプ40と圧縮機42で圧縮される。
【0011】
図において、44は、真空ポンプ40の過圧縮防止保護装置である。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
このように、4.2Kより低い温度を得る場合、JT回路30の低圧圧力を、絶対圧で約0.1MPa(1気圧)以下まで減圧する必要がある。通常の圧縮機は、あまり低い吸入圧力からの圧縮はできないため、JT回路30を循環するガスは、まず、真空ポンプ(又は低圧吸気が可能な圧縮機)40を使用して、大気圧まで圧縮(昇圧)し、次に、通常の圧縮機42で必要な圧力(1〜2MPa)まで圧縮している。ここで真空ポンプ40としては、一般に、油ロータリポンプと呼ばれる形式のものを使用するが、更に吸入圧力が低い時には、例えばルーツ式のスーパチャージャのようなメカニカルブースタを組み合わせる。
【0013】
減圧する圧力は、必要とする温度で決まり、3Kのとき24.4KPa、2Kのとき3.17KPa、1.8Kのとき1.67KPaとなり、温度が低下するに従って、急激に小さくなる。又、冷凍機には、既に説明したように、熱交換器34、35、36があり、戻りの低圧ガスは、これらを通らなければならないため、圧力損失を生じる。このため、真空ポンプ40の吸込み圧力は更に低くなり、冷却する温度を下げると、必要な真空ポンプの排気速度は急激に大きくなるため、寸法も大きくなる。
【0014】
このように、従来の方法では、JT回路30のガスの循環には、真空ポンプ40と圧縮機42の組合せが必要である。そして、真空ポンプ40の吐出圧力が上昇し過ぎないような保護装置44や、メカニカルブースタを用いた場合には、モータが焼けてしまわないよう、その保護装置も必要となり、ヘリウムガス循環圧縮機は、大型で、複雑、高価なものとなっていた。
【0015】
本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、従来のように、使用する冷凍機の能力を最大限利用して、低温での冷凍能力を最大に用いるのではなく、負荷に対して比較的大きな余裕があるときに、室温にある真空ポンプや圧縮機が大掛かりになることを防いで、小型で安価な冷凍機を実現することを課題とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】
冷却対象が各種センサや予冷回路であり、必要する冷凍能力が、例えば1W未満と小さく、4Kまで冷却できる冷凍機、例えばGM冷凍機を使用できるとき、即ち、使用する冷凍機が4Kまで冷却可能で、負荷に対して比較的大きな余裕がある時は、JT回路の高圧圧力を、約0.1MPa(大気圧)に下げることが可能となる。本発明は、この点に着目してなされたもので、JT回路内で冷媒を液化させることで、室温にある真空ポンプや圧縮機を簡素化して、小型で安価な冷凍機を実現したものである。
【0017】
即ち、本発明は、冷凍機で一次冷却された冷媒を断熱自由膨張させ、ジュール・トムソン効果により更に冷却して極低温を得る際に、冷媒を断熱自由膨張させるためのジュール・トムソン回路の高圧圧力を、大気圧より少し高い所定圧力とすると共に、前記冷凍機の2段ステージに配設された2段冷却器の温度が、前記ジュール・トムソン回路の高圧圧力で決まる冷媒の凝縮温度より低くなるようにし、該2段冷却器で冷媒が凝縮されるようにして、前記課題を解決したものである。
【0018】
又、本発明は、冷媒を一次冷却するための冷凍機と、該冷凍機で一次冷却された冷媒を断熱自由膨張させ、ジュール・トムソン効果により更に冷却して極低温を得るためのジュール・トムソン回路とを備えた極低温冷却装置において、前記ジュール・トムソン回路に配設された、大気圧より少し高い圧力まで吐出可能な真空ポンプと、前記冷凍機の2段ステージに配設された、冷媒を前記ジュール・トムソン回路の高圧圧力で決まる凝縮温度以下に冷却して凝縮させる2段冷却器とを備えることにより、同じく前記課題を解決したものである。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、各種センサの冷却や予冷回路に用いるのに好適な、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【0020】
本発明の第1実施形態は、従来と同様の冷凍機において、図3に示す如く、JT回路30の高圧圧力を、大気圧より少し高い所定圧力(例えば0.2MPa以下)として、圧縮機42を省略すると共に、2段ステージ22に配設された2段冷却器32により、ヘリウムを、JT回路30の高圧圧力で決まる凝縮温度以下に冷却して、凝縮させるようにして、第3熱交換器(図1の36)を省略したものである。他の点については、図1に示した従来例と同様であるので、説明は省略する。
【0021】
真空ポンプ40としては、例えば吐出圧力が大気圧より少し高い圧力(〜0.2MPa)まで許容されている油ロータリ真空ポンプを用いることができる。
【0022】
以下、本実施形態の作用を説明する。
【0023】
真空ポンプ40から出た高圧(大気圧0.1MPaより少し高い圧力)のヘリウムガスは、第1熱交換器34に入り、戻ってくる低温のヘリウムガスと熱交換して、60K程度まで冷却される。次に、GM冷凍機20の1段ステージ21に配設された1段冷却器31で40K程度まで冷却される。この1段冷却器31は、主に、第1熱交換器34で生ずる損失を補う。
【0024】
次に、第2熱交換器35に入り、戻ってくる低温のヘリウムガスと熱交換して、8K程度まで冷却される。この後、2段ステージ22に設けられた2段冷却器32で4Kまで冷やされる。このとき、高圧圧力が0.1MPa(1気圧)より高ければ、ここでヘリウムガスは凝縮して液体になる。なお、従来の冷凍機では、この部分の温度が10K程度と高いため、液化することはない。
【0025】
このようにして、本発明では、JTバルブ38の前で既に液体となっているので、従来のような第3熱交換器(図1の36)は必要ない。
【0026】
2段冷却器32で凝縮して液体となったヘリウムは、JTバルブ38を通って、低圧まで膨張する。このとき、液の一部は蒸発して、膨張後の圧力で決まる温度まで温度が低下する。
【0027】
膨張後のヘリウムは、負荷冷却器33を通って被冷却物10を冷却し(熱を受け取り)、液は蒸発して、第2熱交換器35、第1熱交換器34の順に戻っていき、室温の真空ポンプ40に戻る。
【0028】
ここで、GM冷凍機20の2段ステージ22の温度が約4Kとなるように運転し、JT回路30には、それに見合ったガスを流す。このとき、JT回路30の高圧圧力を、GM冷凍機20の2段ステージ22の温度で決まる平衡圧力より少し(0.01MPa程度)高くすると、2段ステージ22に設けられた2段冷却器32では、ヘリウムが凝縮して液体となる。このため、このような運転をしていると、JT回路30の高圧圧力は、0.1MPa(大気圧)より少し高い圧力に設定しておけば、それ以上に昇圧する必要がなくなる。従って、冷凍能力は若干小さくなるが、低圧ヘリウムガスを真空ポンプ40で吸引し、その吐出ガスを、更に図1に示したような圧縮機42で圧縮する必要はない。
【0029】
又、JTバルブ38の持つ膨張弁としての機能と流量調整弁としての機能のうち、低温部で必要なのは、膨張弁としての機能のみであるため、図4に示す第2実施形態のように、JTバルブ(図3の38)の位置には、図5に示す一次圧調整弁の機能を持った膨張弁(JTバルブとも称する)50を設け、常温部に、図6に示すような流量調整弁52又は固定オリフィスを設けて、流量を安定化し、冷凍機を非常に安定に運転できるようにしても良い。
【0030】
前記膨張弁50としては、例えば図5に示すような、入口側の圧力(一次圧と称する)を、ある設定した圧力に保つように働く一次圧調整弁を用いることができる。この一次圧調整弁50は、入口圧力が上昇すると、ばね50Cに抗してベローズ50Bが伸びてニードル50Nの先端を上げ、バルブを開いて、入口圧力を下げる。逆に、入口圧力が下がると、ばね50Cの作用でベローズ50bが縮んでニードル50Nの先端を下げ、バルブを絞って、入口圧力が低下するのを防ぐ。
【0031】
図において、50Aは、ばね50Cを介して圧力を調整するための圧力調整ねじ、50Sは、侵入熱を少なくするために長くされたステムである。
【0032】
このように、一次圧調整弁50は、流れる流量に関係なく、入口圧力を一定に保つ。入口圧力の検出とアクチュエータとしての機能は、上部に設けられたべローズ50B又はダイヤフラムで行う。調整圧力の設定は、ベローズ50B又はダイヤフラムを抑えるばね50Cの力を、圧力調整ねじ50Aで調整して行う。
【0033】
以下、一次圧調整弁50の動作を詳細に説明する。
【0034】
ガス入口は、バルブステム50Sにより、上部にあるベローズ50Bの内部と連通している。ベローズ50Bの上部蓋50Uには長いニードル50Nが取り付けられている。ベローズ50Bの上には、ばね50Cが設けられ、ベローズ50Bを押している。
【0035】
今、入口に、ある圧力のガスを供給した時、ベローズ50Bの内部は供給圧力となる。ベローズ50Bの有効面積をA、ベローズ50Bの内と外の差圧をPとすると、ベローズ50Bに発生する力Fは、
F=A×P
となる。供給圧力が高く、この力Fが、ベローズ50Bを押しているばね50Cの力より大きいときは、ベローズ50Bは伸びてニードル50Nが持ち上げられる。これにより、ニードルバルブが開いて、供給ガスを出口から逃す。逆に、供給圧力が低い時には、ニードルバルブは閉じている。このようにして、このバルブは、入口圧力を一定に保つ。
【0036】
前記のように、JTバルブ50はJT回路30の高圧側圧力を一定に保つ働きをするため、これより少し高い(0.05〜0.1MPa)圧力のガス源(真空ポンプ)40から冷凍機へガスを流してやると、JTバルブ50は高圧側の圧力を一定に保つように動作するため、流量調整弁が無いと、流量は、熱交換器や配管の圧力損失で制限されるまで、どんどん大きくなる。
【0037】
これでは冷凍機として正常に働かないので、ガス源と冷凍機入口の間に、流量を調整するバルブ52を入れ、これで冷凍機の運転に最適なガス流量を流してやれば、冷凍機を安定に運転することができる。
【0038】
前記流量調整弁52は、室温にあるので、流量を調整できれば、どのような形式でも構わず、普遍に市販されているバルブを用いることができる。
【0039】
前記流量調整弁52の例を図6に示す。図において、52Nはニードル、52Aは、該ニードル52Nを上下させて、流量を調整するためのねじ、520は0リングである。
【0040】
この流量調整弁52は、室温に置いているので、低温に置いたバルブに比べ、遥かに安定に決まった流量を流すことができる。又、より安定させたい時でも、低温の自動調整弁よりも安価に製作することができる。逆に、厳密に調整する必要がない場合には、オリフィスを用いて固定化することも可能である。
【0041】
このようにして、低温に置くJTバルブを、膨張弁の機能を持った一次圧調整弁50とすることによって、従来のJTバルブが必要とした微妙な調整が不要になる。又、流量調整は、室温に置いた流量調整弁52を調節すれば良く、低温での調整バルブに比べ、格段に良い安定性が得られる。又、バルブ以外にオリフィスを用いることも可能である。
【0042】
更に、冷凍機が冷えていてもいなくても、冷凍機を運転する時最初に流量調整をしておけば、後は安定に設定された流量で流れる。更に安定させるには、流量計で流量を測定して、一定の流量に調整するようフィードバック制御を行うことも、比較的簡単な回路で可能である。
【0043】
これにより、第2実施形態によれば、JT回路を負荷した冷凍機を非常に安定に運転することが可能になる。
【0044】
前記実施形態においては、いずれも、冷凍機としてGM冷凍機が用いられていたが、冷凍機の種類はこれに限定されず、パルスチューブ冷凍機やスターリング冷凍機であってもよい。又、冷媒もヘリウムに限定されず、適用対象も各種センサの冷却や予冷回路に限定されず、例えばヘリウム液化機や水素液化機にも適用することができる。
【0045】
【発明の効果】
本発明によれば、JT回路の高圧側の圧力は、大気圧より少し高ければよく、大気圧から更に高圧まで圧縮する圧縮機が不要となり、JT回路のガス循環(減圧と圧縮)を真空ポンプのみで行って、室温にあるガス(圧縮)循環装置を簡略化することができる。従って、例えば吐出圧力が大気圧より少し高い圧力(〜0.2MPa)まで許容されている油ロータリ真空ポンプを用いることによって、冷凍機を小型で安価に製作することが可能となる。
【0046】
更に、第3熱交換器が省略できるので、冷凍機本体の構成部品数が減り、更に冷凍機を安く製作することが可能となる。又、熱交換器が減った分、JT回路の低圧戻り流路の圧力損失が減るので、冷却温度を、その分低くできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】JT回路が付加された従来の冷凍機の構成を示すフロー図
【図2】同じく従来の冷凍機の作用を示すTS線図
【図3】本発明に係る冷凍機の第1実施形態の構成を示すフロー図
【図4】本発明に係る冷凍機の第2実施形態の構成を示すフロー図
【図5】第2実施形態で用いられる膨張弁(一次圧調整弁)の例を示す断面図
【図6】同じく流量調整弁の例を示す断面図
【符号の説明】
10…被冷却物
12…真空容器
18…GM冷凍機用圧縮機
20…GM冷凍機
21…1段ステージ
22…2段ステージ
30…JT回路
31…1段冷却器
32…2段冷却器
33…負荷冷却器
34、35、36…熱交換器
38…JTバルブ
40…真空ポンプ
42…JT回路用圧縮機
44…真空ポンプ過圧縮防止保護装置
50…一次圧調整弁(膨張弁、JTバルブ)
52…流量調整弁
Claims (2)
- 冷凍機で一次冷却された冷媒を断熱自由膨張させ、ジュール・トムソン効果により更に冷却して極低温を得る際に、
冷媒を断熱自由膨張させるためのジュール・トムソン回路の高圧圧力を、大気圧より少し高い所定圧力以下とすると共に、
前記冷凍機の2段ステージに配設された2段冷却器の温度が、前記ジュール・トムソン回路の高圧圧力で決まる冷媒の凝縮温度より低くなるようにして、該2段冷却器で冷媒が凝縮されるようにしたことを特徴とする極低温冷却方法。 - 冷媒を一次冷却するための冷凍機と、
該冷凍機で一次冷却された冷媒を断熱自由膨張させ、ジュール・トムソン効果により更に冷却して極低温を得るためのジュール・トムソン回路とを備えた極低温冷却装置において、
前記ジュール・トムソン回路に配設された、大気圧より少し高い圧力まで吐出可能な真空ポンプと、
前記冷凍機の2段ステージに配設された、冷媒を前記ジュール・トムソン回路の高圧圧力で決まる凝縮温度以下に冷却して凝縮させる2段冷却器と、
を備えたことを特徴とする極低温冷却装置。
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