JPH01137166A - Cryogenic helium refrigerator - Google Patents

Cryogenic helium refrigerator

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JPH01137166A
JPH01137166A JP62295720A JP29572087A JPH01137166A JP H01137166 A JPH01137166 A JP H01137166A JP 62295720 A JP62295720 A JP 62295720A JP 29572087 A JP29572087 A JP 29572087A JP H01137166 A JPH01137166 A JP H01137166A
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JP
Japan
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heat exchanger
helium
shield
heat
cryostat
Prior art date
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Application number
JP62295720A
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Japanese (ja)
Inventor
Shoichi Tanetani
種谷 昭一
Kazuo Miura
和夫 三浦
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Daikin Industries Ltd
Original Assignee
Daikin Industries Ltd
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Publication date
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  • Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)

Abstract

PURPOSE: To operate a refrigerating machine stably for a long time by providing a shield cooling circuit for the shield heat exchanger of shield plate surrounding the container of a cryostat and regulating the quantity of gas circulating through the shield cooling circuit through a pressure reducing mechanism thereby reducing evaporation of liquid helium in the container of cryostat. CONSTITUTION: A shield cooling circuit 30 feeds a part of helium gas cooled at the first (high temperature side) heat stage 5 of a precooler 4 independently to the first shield heat exchanger 22 of a cryostate C in order to cool a first shield plate 20 effectively. After discharging cold heat at the heat exchanger 22, cold heat is further recovered from the helium on the secondary 11b of a first heat exchanger 11 for recovering cold heat and normal temperature helium as returned to the suction side of a high temperature compressor 3 in a compressor unit A through a helium return circuit 32. Piping 27 from the heat exchanger 22 is provided with a reducing valve 31 in order to return helium gas back to the heat exchanger 11 after reducing the pressure.

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は極低温ヘリウム冷凍V1に関し、−特に液体ヘ
リウムを貯蔵する容器内への外部からの熱侵入を防ぐよ
うにしたものの改良に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Field of Industrial Application) The present invention relates to cryogenic helium refrigeration V1, and more particularly to an improvement in preventing heat from entering a container storing liquid helium from the outside.

(従来の技術) 従来、この種のスプリット型の極低温ヘリウム冷凍機と
して、例えば特公昭61−28907号公報に開示され
るものが知られている。このものは、第3図に示すよう
に、3台の圧縮機(at)。
(Prior Art) Conventionally, as this type of split-type cryogenic helium refrigerator, the one disclosed in Japanese Patent Publication No. 61-28907, for example, is known. This one has three compressors (at) as shown in Figure 3.

(a2)、(a3)を有する圧縮機ユニット(a )と
、極低温を発生する冷凍機ユニット(b)と、被冷却物
を冷却するクライオスタンド(C)とを有し、且つ冷凍
機ユニット(b)とクライオスタット(C)とを連絡管
(d )で連絡して構成したものである。而して、冷凍
機ユニット(b)には、上記圧縮機ユニット(a >の
1台の圧縮機(al)から供給される高圧ヘリウムガス
を膨張させて、この膨張作用によりその第1ヒートステ
ージ(el)を60に程度の温度に冷却すると共に、第
2ヒートステージ(C2)をより低温の15に程度の温
度に冷却する予冷機<e >を設けるとともに、上記圧
fi機ユニット(a )で直列に接続した2台の圧縮e
(a 2 >、  (a 3 )からの高圧ヘリウムガ
スを予冷機(e )の第2ヒートステージ(C2)で1
5に程度に予冷した後にジュールトムソン膨張させるJ
−T弁(「)とを設ける。さらに、該冷凍機ユニット(
b)には、フライオスタラi〜(C)から戻るヘリウム
ガスの冷熱を回収する3台の熱交換器((1+ >、(
g2 >、((13)を設りる。一方、クライオスタッ
ト(C)には、液化ヘリウム及び被冷却物を収容する容
器(h )と、上記J−T弁(f)で膨張した極低温の
気液混合状態のヘリウムにより容器(h)内の被冷却物
を冷却する凝縮熱交換器(i )とを設けるとともに、
該容器(h)の外方に該容器(h)を包囲する21Fの
シールド板(j>、(k)を設け、該各シールド板(j
)、<k)に各々シールド熱交換器(9,>、(m>を
配置する。そして、圧FJ機ユニット(a )の直列接
続した2台の圧縮1(a2)。
A compressor unit (a) having (a2) and (a3), a refrigerator unit (b) that generates extremely low temperature, and a cryostand (C) that cools an object to be cooled; (b) and a cryostat (C) are connected through a communication tube (d). The high-pressure helium gas supplied from one compressor (al) of the compressor unit (a) is expanded to the refrigerator unit (b), and this expansion action causes the first heat stage to be increased. (el) to a temperature of about 60°C, and a pre-cooler <e> that cools the second heat stage (C2) to a lower temperature of about 15°C. Two compressors e connected in series with
(a 2 >, high pressure helium gas from (a 3 ) is heated to 1 in the second heat stage (C2) of the precooler (e).
Joule-Thomson expansion after pre-cooling to a degree of 5 J
- A T valve (") is provided.Furthermore, the refrigerator unit (") is provided.
b) includes three heat exchangers ((1+ >, (
g2>, ((13)). On the other hand, the cryostat (C) includes a container (h) containing liquefied helium and the object to be cooled, and a cryostat expanded by the J-T valve (f). A condensing heat exchanger (i) is provided for cooling the object to be cooled in the container (h) with helium in a gas-liquid mixed state, and
A 21F shield plate (j>, (k) surrounding the container (h) is provided outside the container (h), and each shield plate (j
), <k) are respectively placed with shield heat exchangers (9,>, (m>). Then, two compressors 1 (a2) of the pressure FJ machine unit (a) are connected in series.

(a 3 >からのヘリウムガスでもって予冷n<e>
の第2ヒートステージ(C2)を15に程度に冷却する
までの過程で、上記圧縮機(a3)からの高圧ヘリウム
ガスを冷凍機ユニット(b)の冷熱回収用の第1熱交換
器(gl)においてクライオスタット(C)から戻る低
温ガスで冷却した後、フライオスタラ1〜(C)の第1
シールド熱交換器(9)に循環させて、第1シールド板
<j >を80に程度に冷却する。その後は、予冷機(
C)の第1ヒートステージ(el)で60Kに冷却した
後、冷熱回収用の第、2熱交換器(g2)で再びクライ
オスタット(C)から戻る低温ガスでより低温に冷却し
てクライオスタット(C)の第2シールド熱交換器(k
 >に循環させてシールド板(k)を20KPi!度に
冷却し、両シールド板(j)。
(Pre-cooling n<e> with helium gas from a 3>
In the process of cooling the second heat stage (C2) of ), after cooling with the low temperature gas returning from the cryostat (C), the first
The first shield plate <j> is cooled to approximately 80° C. by circulating through the shield heat exchanger (9). After that, use the precooler (
After cooling to 60K in the first heat stage (el) of C), the second heat exchanger (g2) for cold heat recovery cools the cryostat (C) to a lower temperature again with the low temperature gas returning from the cryostat (C). ) second shield heat exchanger (k
> Circulate the shield plate (k) to 20KPi! Cool to a degree and both shield plates (j).

(k >で外部からの侵入熱を防ぐようにしている。(K> is used to prevent heat from entering from the outside.

そして、その後は、通常通り、予冷機(e )の第2ヒ
ートステージ(C2)で15に程度に冷却した後、冷熱
回収用の第3熱交換器〈g3)で−層冷部して、J−T
弁(f)でジュールトムソン膨張させて極低温を発生さ
せるようにしている。
After that, as usual, after being cooled to about 15% in the second heat stage (C2) of the precooler (e), it is cooled in the layer cooling section in the third heat exchanger (g3) for cold heat recovery. J-T
The valve (f) causes Joule-Thomson expansion to generate extremely low temperatures.

(発明が解決しようとする問題点) しかしながら、上記従来のものでは、クライオスタット
(C)の2台のシールド熱交換器(9)。
(Problems to be Solved by the Invention) However, in the above conventional system, the cryostat (C) has two shield heat exchangers (9).

(m )とJ−T弁<f)とを直列に接続している関係
上、該シールド熱交換器(IQ>、(Ill)による2
重のシールド板(j)、(k>の冷却能力は、J−T弁
(f)を循環するヘリウムガス量(J−T循環ガス量)
に支配される。そのため、このJ−T循環ガス量が少な
い場合や、高温側のシールド板<j )でのシールド負
荷が大きい場合(例えばMRI−CT装置等)では、シ
ールド板(j >での冷却能力が要求冷却能力に対して
不足して、シールド板<j )を所定温度(80に程度
)に保持できず、その結果、外部−二りの熱侵入を有効
に防げずにクライオスタット(C)の容器(h)内の温
度が上昇しそれに伴い内部に貯溜された液体ヘリウムの
蒸発口が増大して冷凍装置の再凝縮能力を越え、冷凍装
置の長時間安定した運転が妨げられる欠点があった。
(m) and J-T valve <f) are connected in series, the shield heat exchanger (IQ>, (Ill)
The cooling capacity of the heavy shield plate (j), (k>) is the amount of helium gas circulating through the J-T valve (f) (J-T circulating gas amount)
ruled by. Therefore, when the amount of this J-T circulating gas is small or when the shielding load on the high-temperature side shield plate <j) is large (for example, in MRI-CT equipment), the cooling capacity of the shield plate (j>) is required. Due to insufficient cooling capacity, the shield plate <j) could not be maintained at a predetermined temperature (approximately 80℃), and as a result, the cryostat (C) vessel (C) could not effectively prevent heat intrusion from the outside. h) As the temperature inside the refrigerator increases, the number of evaporation ports for the liquid helium stored inside increases, which exceeds the recondensation capacity of the refrigeration system, thereby hindering the long-term stable operation of the refrigeration system.

そこで、例えばJ−T循環ガス量を増大させて、シール
ド熱交換器(9)の冷却能力を増大させることが考えら
れるが、この考えでは、予冷機の低温側のヒートステー
ジ(C2)の負荷が増え、その結果、冷熱回収用の熱交
換器((12)、(G3)での冷却効率が低下して、凝
縮熱交換器(+)での冷却能力も低下し、極低温の発生
が困難になる欠点が生じる。
Therefore, it is conceivable to increase the cooling capacity of the shield heat exchanger (9) by increasing the amount of J-T circulating gas, for example, but in this idea, the load on the heat stage (C2) on the low temperature side of the precooler is As a result, the cooling efficiency of the cold heat recovery heat exchangers ((12) and (G3) decreases, and the cooling capacity of the condensing heat exchanger (+) also decreases, causing the generation of extremely low temperatures. There are drawbacks that make it difficult.

本発明は斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目
的は、極低温ヘリウム冷凍機において、予冷機の第1(
高温側の)ヒートステージで冷却されたヘリウムガスの
一部をクライオスタットのシールド熱交換器に流すシー
ルド冷却回路を別途独立して設けることにより、該シー
ルド熱交換器へのガス循環量を増大させて、外部からク
ライオスタット内への熱侵入を防ぐシールド機能を増大
させ、よってクライオスタットの容器内の液体ヘリウム
の蒸発量を減少させて、ヘリウム冷凍機を長時間安定し
て運転させることにある。
The present invention has been made in view of the above, and its purpose is to provide a cryogenic helium refrigerator in which the first (
By providing a separate and independent shield cooling circuit that flows part of the helium gas cooled in the heat stage (on the high temperature side) to the shield heat exchanger of the cryostat, the amount of gas circulating to the shield heat exchanger can be increased. The objective is to increase the shielding function that prevents heat from entering the cryostat from the outside, thereby reducing the amount of evaporation of liquid helium in the cryostat container, and allowing the helium refrigerator to operate stably for a long time.

その場合、シールド熱交換器へのガス循環量が増大する
(つまり冷却能力が増大する)分、冷熱回収用の熱交換
器を容量の大きいものに選定する必要が生じる状況とな
るが、シールド熱交換器からのヘリウムガスを減圧した
後に冷熱回収用の熱交換器に流入させることにより、冷
熱回収用の熱交I94器の容量増大を沼かずに、冷凍機
の長時間安定した運転を可能にすることも本発明の目的
である。
In that case, as the amount of gas circulating to the shield heat exchanger increases (that is, the cooling capacity increases), it becomes necessary to select a heat exchanger with a large capacity for cold heat recovery. By reducing the pressure of the helium gas from the exchanger and then flowing it into the heat exchanger for cold heat recovery, it is possible to operate the refrigerator stably for a long time without having to increase the capacity of the heat exchanger I94 for cold heat recovery. It is also an object of the invention to.

(問題点を解決するための手段) 上記の目的を達成するため、本発明の解決手段は、例え
ば第1図に示すよう・に、圧縮機ユニット(△)で圧縮
された高圧ヘリウムガスを膨張させて複数のヒートステ
ージに(5)、(6)に低温を発生さぜる予冷機(4)
と、冷熱回収用の熱交換器(11)及び上記低温側のヒ
ートステージ(6)で冷却されたヘリウムガスをジュー
ルトムソン膨張させるJ−T弁(1o)を有する冷凍機
ユニット(B)と、液化へり・クム及び被冷却物を収容
する容器〈15)及び該容器(15)の外方に配置され
、シールド熱交換器(22)から冷熱を受けるシールド
板(20)を有するクライオスタット(C)とを備えた
(働低温ヘリウム冷凍磯を前提とする。そして、上記ク
ライオスタット(C)のシールド熱交換器(22)に対
して、上記冷熱回収用の熱交換器(11)で得られる冷
熱又は予冷機(4)の高温側のヒートステージ(5)で
151られる冷熱を与えるシールド冷却回路(30)を
設けるとともに、上記シールド熱交換器(22)を流通
した後のヘリウムガスを減圧機構〈31)を介して上記
冷凍機ユニット(B)の冷熱回収用の熱交換器(11)
の2次側に戻すヘリウム戻し回路(32)を設ける構成
としたものである。
(Means for solving the problem) In order to achieve the above object, the solving means of the present invention expands high-pressure helium gas compressed by a compressor unit (△), for example, as shown in FIG. A precooler (4) that generates low temperature in multiple heat stages (5) and (6)
and a refrigerator unit (B) having a heat exchanger (11) for cold heat recovery and a J-T valve (1o) for Joule-Thomson expansion of the helium gas cooled by the heat stage (6) on the low temperature side; A cryostat (C) having a container (15) that accommodates the liquefied hem/cum and the object to be cooled, and a shield plate (20) that is placed outside the container (15) and receives cold heat from a shield heat exchanger (22). (Assuming a working low-temperature helium freezing rock.Then, for the shield heat exchanger (22) of the cryostat (C), the cold heat obtained by the cold heat recovery heat exchanger (11) or A shield cooling circuit (30) is provided to provide cold heat generated by the heat stage (5) on the high temperature side of the precooler (4), and a decompression mechanism (31 ) to a heat exchanger (11) for recovering cold heat from the refrigerator unit (B).
A helium return circuit (32) is provided to return the helium to the secondary side of the helium.

(作用) 以上の構成により、本発明では、第1図に示すJ:うに
、極低温ヘリウム冷凍機の運転時、圧縮機ユニット(A
)の圧縮機(3)で高圧力に圧縮されたヘリウムガスは
、予冷機(4)の第1ヒートステージ(5)及び冷熱回
収用の熱交換器(11)で冷却された後、一部が予冷機
(4)の低温側のヒートステージ(6)に流れて、この
ヒートステージ(6)で更に冷却された後、J−T弁(
10)で絞られてジュールトムソン膨張してクライオス
タット(C)に流れ込み、被冷却物を冷却する。
(Function) With the above configuration, in the present invention, when operating the cryogenic helium refrigerator, the compressor unit (A) shown in FIG.
The helium gas compressed to high pressure by the compressor (3) of flows to the heat stage (6) on the low temperature side of the precooler (4), and is further cooled by this heat stage (6), after which the J-T valve (
10), Joule-Thomson expands, and flows into the cryostat (C) to cool the object to be cooled.

そして、その後は、冷凍機ユニット(B)の冷熱回収用
の熱交換器(11)で圧縮機ユニット(A)からのヘリ
ウムガスに冷熱を与えて、圧縮機ユニット(A>に戻る
ことを繰返す。
After that, the heat exchanger (11) for cold heat recovery of the refrigerator unit (B) gives cold heat to the helium gas from the compressor unit (A), and the process returns to the compressor unit (A>) and is repeated. .

また、同時に上記冷熱回収用の熱交換器(11)又は予
冷機(4)のPi高温側ヒートステージ(5)で冷却さ
れたヘリウムガスは、残りがシールド冷却回路(30)
からクライオスタット(C)のシールド熱交換器(22
)に流れ、該シールド熱交換器(22)で冷熱を放出し
てシールド板(20)を所定温度(80に程度)に冷却
した後、ヘリウム戻し通路(32)の減圧機構(31)
に流入して減圧された後、冷凍機ユニツ1−(B)の冷
熱回収用の熱交換器(11)に流入し、ここでJ−T循
環ガスと合流して圧縮機ユニット(A>からのヘリウム
ガスに冷熱を与え、その後に圧縮機ユニット(A>に戻
ることを繰返す。
At the same time, the helium gas cooled by the Pi high-temperature side heat stage (5) of the cold heat recovery heat exchanger (11) or the precooler (4) is transferred to the shield cooling circuit (30).
From the cryostat (C) shield heat exchanger (22
), and after cooling the shield plate (20) to a predetermined temperature (about 80℃) by releasing cold heat in the shield heat exchanger (22), the pressure reduction mechanism (31) of the helium return passageway (32)
After being depressurized, it flows into the heat exchanger (11) for cold recovery of the refrigerator unit 1-(B), where it joins with the J-T circulating gas and is transferred from the compressor unit (A> The process of applying cold heat to the helium gas and then returning to the compressor unit (A>) is repeated.

その場合、クライオスタット(C)のシールド熱交換器
(22)へのガス循環量は、独立に設けたシールド冷却
回路(30)を流れるガス量であって、J−T循環ガス
量とは無関係であり、しかもこのシールド冷却回路(3
0)のガス循環油は、減圧機@(31)で調整可能であ
るので、シールド板(20)の冷却能力を適切値に調整
でき、外部からクライオスタット(C)への熱浸入を有
効に防止できる。その結果、容器(15)内の液体ヘリ
ウムの蒸発量の増大が防止されて、極低温ヘリウム冷凍
機の長時間安定した運転が可能となる。
In that case, the amount of gas circulating to the shield heat exchanger (22) of the cryostat (C) is the amount of gas flowing through the independently provided shield cooling circuit (30), and is unrelated to the J-T circulating gas amount. Yes, and this shield cooling circuit (3
Since the gas circulation oil in 0) can be adjusted with the pressure reducer @ (31), the cooling capacity of the shield plate (20) can be adjusted to an appropriate value, effectively preventing heat from entering the cryostat (C) from the outside. can. As a result, an increase in the amount of evaporation of the liquid helium in the container (15) is prevented, and stable operation of the cryogenic helium refrigerator for a long period of time becomes possible.

しかも、クライオスタット(C)のシールド熱交換器(
22)で冷熱を与えたヘリウムは、ヘリラム戻し通路(
32)の減圧機構(31)で減圧された後に、冷凍機ユ
ニット(B)の冷熱回収用の熱交換器〈11)に流入す
るので、該冷熱回収用の熱交換器(11)の容はを増大
させる必要がない。
Moreover, the cryostat (C) shield heat exchanger (
The helium that has been given cold heat in step 22) is transferred to the helium return passage (
After being depressurized by the pressure reducing mechanism (31) of 32), it flows into the cold heat recovery heat exchanger (11) of the refrigerator unit (B), so the capacity of the cold heat recovery heat exchanger (11) is There is no need to increase.

(実施例) 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。(Example) Embodiments of the present invention will be described below based on the drawings.

第1図は本発明の実施例である極低温ヘリウム冷凍機の
概略回路構成を示し、(A>は圧縮機ユニットであり、
該圧縮機ユニット(A)には予冷機用の圧縮機(1)と
、直列に接続された低段圧縮n(2)及び高段圧縮機〈
3)が設けられ、予冷機用の圧縮機(1)は低圧ヘリウ
ムを所定圧力(例えば1気圧から10気圧)に圧縮する
ものである。また、低段圧縮機(2)は低圧ヘリウムガ
スを所定圧力(1気圧から10気圧)に圧縮し、高段圧
縮l!(3)は低段圧縮機(2)で圧縮したヘリウムガ
スを更に高圧(例えば24気圧)に圧縮する′ものであ
る。
FIG. 1 shows a schematic circuit configuration of a cryogenic helium refrigerator that is an embodiment of the present invention, where (A> is a compressor unit,
The compressor unit (A) includes a precooler compressor (1), a low stage compressor (2) and a high stage compressor (2) connected in series.
3) is provided, and the precooler compressor (1) compresses low-pressure helium to a predetermined pressure (for example, from 1 atmosphere to 10 atmospheres). Also, the low-stage compressor (2) compresses low-pressure helium gas to a predetermined pressure (1 atm to 10 atm), and high-stage compression l! (3) is for compressing the helium gas compressed by the low-stage compressor (2) to a higher pressure (for example, 24 atmospheres).

また、(B)は極低温を発生する冷凍機ユニットであっ
て、該冷凍機ユニット(B)内には、上記予冷機用圧縮
機(1)からのヘリウムガスを膨張させる予冷機(4)
を有し、該予冷機(4)は、ヘリウムガスの膨張作用に
より、その第1ヒートステージ(5)に60にの低温を
発生させ、その第2ヒートステージ(6)に15にの低
温を発生させる機能を有する。また、該冷凍機ユニット
(B)には、ヘリウムガスをジュールトムソン膨張させ
るJ−T弁(10)が備えられているとともに、冷熱回
収用の3台の向流型の熱交換器(11)、(12>、(
13)が備えられている。
Further, (B) is a refrigerator unit that generates extremely low temperature, and inside the refrigerator unit (B) is a precooler (4) that expands helium gas from the precooler compressor (1).
The precooler (4) generates a low temperature of 60°C in its first heat stage (5) and a low temperature of 15°C in its second heat stage (6) by the expansion action of helium gas. It has the function of generating The refrigerator unit (B) is also equipped with a J-T valve (10) for Joule-Thomson expansion of helium gas, and three countercurrent heat exchangers (11) for cold heat recovery. , (12>, (
13) is provided.

さらに、第1図において、(C)は被冷却物を冷却する
クライオスタットであって、該クライオスタット(C)
は、液化ヘリウム(L)及び被冷却物を収容する容器(
15)を有し、該容器(15)の内部には、上記J−T
弁(10)でジュールトムソン膨張した。ヘリウムを連
絡管(17)を介して受けて容器(15)内のヘリウム
蒸気を凝縮させる凝縮熱交換器(18)が配置されてい
る。
Furthermore, in FIG. 1, (C) is a cryostat that cools the object to be cooled, and the cryostat (C)
is a container containing liquefied helium (L) and objects to be cooled (
15), and inside the container (15), the above J-T
The Joule-Thomson expansion was carried out at the valve (10). A condensing heat exchanger (18) is arranged to receive helium through a connecting pipe (17) and condense helium vapor in the container (15).

また、容器(15)の外方には、該容器(15)を包囲
する第1シールド板(20)及びその外方を包囲する第
2シールド板〈21)が配置°され、該各シールド板(
20)、(21>には、各々該シールド板〈20>、(
21>を冷却するシールド熱交換器(22>、(23)
が熱接触して配置されている。
Further, a first shield plate (20) surrounding the container (15) and a second shield plate (21) surrounding the outside thereof are arranged outside the container (15), and each of the shield plates (
20) and (21> have the shield plates <20> and (21>), respectively.
Shield heat exchanger (22>, (23)) that cools 21>
are placed in thermal contact.

次に、冷凍機ユニット(B)の3台の冷熱回収用熱交換
器(11)〜(13)と、クライオスタット(C)の2
台のシールド熱交換器(22>。
Next, the three cold heat recovery heat exchangers (11) to (13) of the refrigerator unit (B) and the two cryostat (C)
shield heat exchanger (22>).

(23)との接続関係を説明する。すなわち、3台の冷
熱回収用の熱交換器(11)〜(13)は、その2次側
(11b)〜(13b)が直列に接続され、且つ図中下
側に位置する第3の熱交換器(13)には、クライオス
タット(C)の凝縮熱交換器(18)からの低温ヘリウ
ムガスが連絡管(17〉を介して流入すると共に、図中
上側に位置する第1の熱交換器(11)では、流入した
ヘリウムを圧縮機ユニット(A)の低段圧縮機(2)の
吸入側に戻すよう接続されていて、クライオスタット(
C)で被冷却物を冷FJI した後の低温のヘリウムか
ら冷熱を回収するようにしている。また、圧縮機ユニッ
ト(A)の高段圧縮機(3)からのヘリウムガスを第1
の冷熱回収用熱交換器(11)で受け、その1次側(1
1a)から予冷機(4)の第1ヒートステージ(5)を
介して60に程度に予冷した後、更に、図中真中に位置
する第2の熱交換器(12)の1次側(12a)で回収
された冷熱でより低温に冷却して、連絡管(17)を介
してクライオスタット(C)の第2シールド熱交換器(
23)に流して、第2シールド板(21)を所定温度(
20に程度)に冷却するように構成されている。
The connection relationship with (23) will be explained. That is, the three cold heat recovery heat exchangers (11) to (13) are connected in series on their secondary sides (11b) to (13b), and the third heat exchanger located at the bottom in the figure Low-temperature helium gas from the condensing heat exchanger (18) of the cryostat (C) flows into the exchanger (13) via the connecting pipe (17), and the first heat exchanger located at the upper side in the figure also flows into the exchanger (13). (11) is connected to return the inflowing helium to the suction side of the low stage compressor (2) of the compressor unit (A), and the cryostat (
Cold energy is recovered from the low-temperature helium after the object to be cooled is subjected to cold FJI in step C). In addition, the helium gas from the high stage compressor (3) of the compressor unit (A) is
It is received by the cold heat recovery heat exchanger (11), and the primary side (1
1a) through the first heat stage (5) of the precooler (4) to a temperature of 60°C, then the primary side (12a) of the second heat exchanger (12) located in the center of the figure ) is cooled down to a lower temperature using the cold heat recovered in the cryostat (C) through the connecting pipe (17) to the second shield heat exchanger (
23) to heat the second shield plate (21) to a predetermined temperature (
20°C).

さらに、上記第2シールド熱交換器(23)を流通した
ヘリウムを再び連絡管(17)を介して冷凍機ユニット
(B)に戻し、その予冷機(4)の第2ヒートステージ
(6)で低温(15に程度)に冷却した後、第3の冷熱
回収用の熱交換器(13)の1次側(13a)に流し、
その後、J−T弁(10)でジュールトムソン膨張させ
た後、りライオスタット(C)の凝縮熱交換器(18)
に流して容器(15)の被冷却物を冷却し、その後、冷
凍機ユニット(B)の3台の冷熱回収用の熱交換器(1
1)〜(13)で冷熱を回収させて、圧縮機ユニット(
△)の低段圧縮懺(2)の吸入側に戻すようにしたJ−
7回路(24)が構成されている。
Furthermore, the helium that has passed through the second shield heat exchanger (23) is returned to the refrigerator unit (B) via the connecting pipe (17), and is then transferred to the second heat stage (6) of the precooler (4). After cooling to a low temperature (about 15%), it is poured into the primary side (13a) of a third cold heat recovery heat exchanger (13),
Then, after Joule-Thomson expansion with the J-T valve (10), the condensing heat exchanger (18) of the Lyostat (C)
The object to be cooled in the container (15) is cooled by cooling the object in the container (15), and then the three cold heat recovery heat exchangers (1
The cold heat is recovered in steps 1) to (13), and the compressor unit (
J- which was returned to the suction side of the low stage compression column (2) of △)
Seven circuits (24) are configured.

而して、上記冷凍機ユニット<8)において、予冷機(
4)の第1ヒ〜トステージ(5)から冷熱回収用の熱交
換器(12)への配管(25)には、別途に配管(26
)の一端が接続され、その細端は、連絡@(17)を介
してクライオスタット(C)の第1シールド熱交換器(
22)の−側に接続されていて、予冷機(4)の第1(
高温側)のヒートステージ〈5)で60に程度に冷却さ
れたヘリウムガスの一部を独立してクライオスタット〈
C)の第1シールド熱交換器(22)に流して、第1シ
ールド板(20〉を有効に冷却するようにしたシールド
冷却回路(30)が構成されている。また、上記第1シ
ールド熱交換器(22)の他側は、再び連絡管(17)
及び他の配管(27)を介して冷熱回収用の第1熱交換
器(11)の2次側(11b)に接続され、更に該第1
熱交換器(11)から圧縮機ユニット(A)の高段圧縮
機(3)の吸入側に接続されていて、上記クライオスタ
ット(C)の第1シールド熱交換器(22)で冷熱を放
出したヘリウムをその後は冷熱回収用の第1熱交換器(
11)の2次側(Ilb)で更に冷熱を回収して常温に
昇温させて圧縮機ユニット(A)の高段圧縮機(3)の
吸入側に戻すようにしたヘリウム戻し回路(32)を構
成している。
Therefore, in the refrigerator unit <8), the precooler (
4), a separate pipe (26) is connected to the pipe (25) from the first heat stage (5) to the heat exchanger (12) for cold heat recovery.
) is connected to the first shield heat exchanger (C) of the cryostat (C), and its narrow end is connected to the first shield heat exchanger (
22), and is connected to the negative side of the precooler (4).
A part of the helium gas cooled to about 60℃ by the heat stage (5) on the high temperature side is independently transferred to a cryostat.
A shield cooling circuit (30) is configured in which the first shield heat exchanger (22) of C) is configured to effectively cool the first shield plate (20>. The other side of the exchanger (22) is connected to the connecting pipe (17) again.
and another pipe (27) to the secondary side (11b) of the first heat exchanger (11) for cold heat recovery;
The heat exchanger (11) is connected to the suction side of the high stage compressor (3) of the compressor unit (A), and releases cold heat in the first shield heat exchanger (22) of the cryostat (C). The helium is then transferred to the first heat exchanger (
Helium return circuit (32) which further recovers cold energy on the secondary side (Ilb) of 11), raises the temperature to room temperature, and returns it to the suction side of the high stage compressor (3) of the compressor unit (A). It consists of

而して、該ヘリウム戻し回路(32)の上記配管(27
)の途中、つまりクライオスタット(C)の第1シール
ド熱交換器(22)からの配管(27)には減圧機構と
しての減圧弁(31)が介設されていて、該減圧弁(3
1)でヘリウムガスを減圧した後に、このヘリウムガス
を冷熱回収用の第1熱交換器(11)に戻すようにして
いる。
Therefore, the above piping (27) of the helium return circuit (32)
), that is, in the pipe (27) from the first shield heat exchanger (22) of the cryostat (C), a pressure reducing valve (31) as a pressure reducing mechanism is installed.
After reducing the pressure of the helium gas in step 1), this helium gas is returned to the first heat exchanger (11) for cold heat recovery.

【ノたがって、上記実施例においては、冷凍機の運転時
、圧縮機ユニット(A)の2台の圧縮機(2>、(3)
により高圧に圧縮されたヘリウムガスは、冷凍機ユニッ
ト(B)の冷熱回収用の第1熱交換器(11)で冷却さ
れた後、ざらに予冷機(4)の第1ヒートステージ(5
)で60に程度に冷却される。
[Thus, in the above embodiment, when the refrigerator is operated, the two compressors (2>, (3) of the compressor unit (A)
The helium gas compressed to high pressure by
) to about 60°C.

その後、この60に程度に冷却されt、ヘリウムガスは
、その一部が冷熱回収用の第2熱交換器(12)で更に
冷却された後、連絡管(17)を介してクライオスタッ
ト(C)の第2シールド熱交換器(23)に循環して第
2シールド板(21)を20に程度に冷却し、その後、
再び連絡管(17)を介して予冷芸(4)の第2ヒート
ステージ(6)に到達して15に程度に冷却され、続い
て冷熱回収用の第3熱交換器(13)で冷却された後に
J−T弁(14)で絞られてジュールトムソン膨張し、
極低温(1気圧4.2K)の気液混合状態のヘリウムと
なる。その後は、連絡管(17)を介してクライオスタ
ット(C)の凝縮熱交換器(18)に流入して容器(1
5)内の被冷却物を冷19シ、その後、再び連絡管〈1
7)を介して冷凍機ユニット(B)の3台の冷熱回収用
の熱交換器(11)〜(13)に流入して、圧縮機ユニ
ッ1〜(△)からのヘリウムガスに冷熱を与えて昇温し
、常温低圧ヘリウムガスとなって圧縮機ユニット(A>
内の低段圧縮機(2)の吸入側に吸入されて、再び高段
圧縮機(3)で圧縮されることを繰り返す。
After that, the helium gas is cooled to about 60 t, and a part of it is further cooled in the second heat exchanger (12) for cold heat recovery, and then sent to the cryostat (C) via the connecting pipe (17). The second shield plate (21) is cooled to about 20 degrees by circulating to the second shield heat exchanger (23), and then,
It reaches the second heat stage (6) of the pre-cooling stage (4) again via the connecting pipe (17) and is cooled to about 15 degrees Celsius, and then is cooled in the third heat exchanger (13) for cold heat recovery. After that, it is throttled by the J-T valve (14) and expanded by Joule-Thomson.
Helium becomes a gas-liquid mixture at an extremely low temperature (1 atm, 4.2 K). Thereafter, it flows into the condensing heat exchanger (18) of the cryostat (C) via the communication pipe (17) and flows into the container (1
5) Cool the object inside the pipe for 19 hours, then turn it back on to the connecting pipe <1
7) into the three cold heat recovery heat exchangers (11) to (13) of the refrigerator unit (B), giving cold heat to the helium gas from the compressor units 1 to (△). The temperature rises and becomes room temperature, low pressure helium gas, which is then transferred to the compressor unit (A>
The air is sucked into the suction side of the low-stage compressor (2) in the interior, and is compressed again by the high-stage compressor (3), which is repeated.

一方、冷熱回収用の第1の熱交換器(11)で60KP
IJffに冷却された残りのヘリウムガスは、配管(2
6)及び連$8管(17)で構成するシールド冷却回路
(30)を介してクライオスタット(C)の第1シール
ド熱交換器(22)に循環して第1シールド板(20)
を80KN度に冷却する。その後は、連絡管(17)及
び配管(27)よりなるヘリウム戻し通路(32)を流
れ、その途中で減圧弁(31)で減圧された後に、冷熱
回収用の第1熱交換器(11)の2次側(11b>に流
通してJ−7回路(24)のヘリウムと合流し、ここで
圧縮機ユニット(A)からのヘリウムガスに冷熱を与え
て常温に昇温した後、圧縮機ユニット(A>の高段圧縮
n(3)の吸入側に吸入され再び循環する。
On the other hand, the first heat exchanger (11) for cold heat recovery has 60 KP.
The remaining helium gas cooled by IJff is transferred to the pipe (2
6) and the first shield plate (20) through a shield cooling circuit (30) consisting of a continuous $8 pipe (17) and the first shield heat exchanger (22) of the cryostat (C).
Cool to 80KN degrees. After that, it flows through the helium return passage (32) consisting of the communication pipe (17) and piping (27), and after being depressurized by the pressure reducing valve (31) on the way, it passes through the first heat exchanger (11) for cold heat recovery. It flows to the secondary side (11b> of It is sucked into the suction side of the high stage compression n(3) of the unit (A>) and circulated again.

ここに、クライオスタット(C)の第1シールド熱交換
器(22)に循環するガス量は、予冷機(4)の第1ヒ
ートステージ(5)及び冷熱回収用の熱交換器(11)
で冷却されたヘリウムガスの一部であって、J−7回路
(24)とは別途のシールド冷却回路(30)を流れる
ガス量であり、このガス量は、該シールド冷却回路(3
0)に続くヘリウム戻し回路(32)に介設した減圧弁
(31)で増減調整可能であるので、クライオスタット
(C)の第1シールド熱交換器(22)の冷却能力を増
大させて、第1シールド板(20)を所定温度(80に
程度)に確実に冷却できる。
Here, the amount of gas circulating to the first shield heat exchanger (22) of the cryostat (C) is the same as that of the first heat stage (5) of the precooler (4) and the heat exchanger for cold heat recovery (11).
This is part of the helium gas cooled by the shield cooling circuit (30), which is separate from the J-7 circuit (24).
Since the pressure reducing valve (31) installed in the helium return circuit (32) following the helium return circuit (32) can be adjusted to increase or decrease, the cooling capacity of the first shield heat exchanger (22) of the cryostat (C) can be increased and the cooling capacity of the first shield heat exchanger (22) can be increased. 1 shield plate (20) can be reliably cooled to a predetermined temperature (about 80℃).

その結果、クライオスタット(C)への外部からの熱侵
入を有効に抑制できてシールド機能が増大するとともに
、その熱侵入に起因する容器(15)でのヘリウムの蒸
発量の増大を抑制できて、ヘリウム冷凍機を長時間安定
して運転させることができる。この場合、J−7回路(
24)を流通するヘリウムガス循環潰と冷却能力との関
係は、予冷機(4)の能力と低段圧縮機(2)の能力に
依存するから、クライオスタット(C)での冷却能力は
シールド冷却回路(3o)を設けない通常のものと同程
度であり、冷却能力の低下を招くことはない。
As a result, it is possible to effectively suppress heat intrusion into the cryostat (C) from the outside, increasing the shielding function, and also suppressing an increase in the amount of evaporation of helium in the container (15) caused by the heat intrusion. A helium refrigerator can be operated stably for a long time. In this case, the J-7 circuit (
24) The relationship between helium gas circulation and cooling capacity depends on the capacity of the precooler (4) and the capacity of the low stage compressor (2), so the cooling capacity of the cryostat (C) is shield cooling. This is comparable to a normal one without the circuit (3o), and does not cause a decrease in cooling capacity.

しかも、減圧弁(31)で減圧した後にヘリウムを冷凍
機ユニット(B)の冷熱回収用の第1熱交換器(11)
の2次11111(11b>に流入さぼるので、該冷熱
回収用の第1熱交換器(11)を容量の大きいものに選
定する必要がない。
Moreover, after the pressure is reduced by the pressure reducing valve (31), the helium is transferred to the first heat exchanger (11) for cold heat recovery of the refrigerator unit (B).
11111 (11b>), there is no need to select a first heat exchanger (11) for cold heat recovery with a large capacity.

また、第2図は本発明の他の実施例を示し、上記例では
冷熱回収用の第1熱交換器(11)及び予冷機(4)の
第1ヒートステージ(5)で冷却された後のヘリウムガ
スを分岐させ、その一部をシールド冷却回路(30)に
独立に流してクライオスタット(C)の第1シールド熱
交換器(22)のヘリウム潰を増量させたのに代え、冷
熱回収用の第1熱交換器(11)で冷711されたヘリ
ウムガスの全量をクライオスタット(C)の第1シール
ド熱交換器(22)に流し、その後に予冷機(4)の第
1ヒートステージ(5)で再冷却して、その一部を冷熱
回収用の第2熱交換器(12)からJ−7回路(24)
へ流すと共に、残りのヘリウムガスを減圧弁(31’ 
 )を介設したヘリウム戻し回路(32’ )を経て冷
熱回収用の第1の熱交換器(11)の2次側(11b)
に流した後、圧縮機ユニット(A>の低段圧縮機(2)
の吸入側に戻すようにしたものである。したがって、上
記実施例と同様に、冷熱回収用の第1熱交換器(11)
の容量の増大を招かずにクライオスタット(C)の第1
シールド熱交換器(22)へのヘリウム吊を増大させて
、第1シールド板(20)による外部からの侵入熱のシ
ールド機能を高めることができ、冷凍機の長時間安定し
た運転を可能にできる。
In addition, FIG. 2 shows another embodiment of the present invention, and in the above example, after being cooled by the first heat exchanger (11) for cold heat recovery and the first heat stage (5) of the precooler (4), Instead of branching out the helium gas and flowing a part of it into the shield cooling circuit (30) independently to increase the amount of helium crushed in the first shield heat exchanger (22) of the cryostat (C), it is used for cooling heat recovery. The entire amount of helium gas cooled in the first heat exchanger (11) of the cryostat (C) is passed through the first shield heat exchanger (22) of the cryostat (C), and then the first heat stage (5) of the precooler (4) is cooled. ), and a part of it is transferred from the second heat exchanger (12) for cold recovery to the J-7 circuit (24).
At the same time, the remaining helium gas is removed from the pressure reducing valve (31'
) to the secondary side (11b) of the first heat exchanger (11) for cold heat recovery via a helium return circuit (32') with an intervening helium return circuit (32')
After the compressor unit (A> low stage compressor (2)
The air is returned to the suction side of the air. Therefore, similarly to the above embodiment, the first heat exchanger (11) for cold heat recovery
of the cryostat (C) without increasing the capacity of the cryostat (C).
By increasing the amount of helium suspended in the shield heat exchanger (22), it is possible to enhance the shielding function of the first shield plate (20) against heat intrusion from the outside, and to enable stable operation of the refrigerator for a long time. .

(発明の効果) 以上説明したように、本発明によれば、穫低温ヘリウム
冷凍機において、被冷却物を冷却するJ−7回路とは別
途独立して、クライオスタットの容器を包囲するシール
ド板のシールド熱交換器に対するシールド冷TA回路を
設けると共に、該シールド冷却回路のガス循環けを減圧
機構で調整可能としたので、該シールド熱交換器を循環
するヘリウムガス伍を増大さVて、外部からの侵入熱に
対してシールド板のシールド機能を高め、クライオスタ
ットの容器内の液体ヘリウムの蒸発Mを減少させて冷凍
機の運転を長時間安定して行うことができる。
(Effects of the Invention) As explained above, according to the present invention, in a cryogenic helium refrigerator, the shield plate surrounding the cryostat container is installed separately from the J-7 circuit that cools the object to be cooled. In addition to providing a shield cooling TA circuit for the shield heat exchanger, the gas circulation in the shield cooling circuit can be adjusted using a pressure reduction mechanism, so that the helium gas level circulating in the shield heat exchanger can be increased and removed from the outside. The shielding function of the shield plate is enhanced against the invading heat, and the evaporation M of liquid helium in the cryostat container is reduced, so that the refrigerator can be operated stably for a long time.

しかも、クライオスタットのシールド熱交換器を流通し
た後のヘリウムを減圧機構で減圧した後に、冷熱回収用
の熱交換器に流入させたので、この冷熱回収用の熱交換
器の容量の増大を招くことがない。
Moreover, since the helium that has passed through the shield heat exchanger of the cryostat is depressurized by the decompression mechanism and then flows into the heat exchanger for cold heat recovery, this leads to an increase in the capacity of the heat exchanger for cold heat recovery. There is no.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図及び第2図は本発明の実施例を示し、第1図は第
1実施例を示す全体概略構成図、第2図は他の実施例を
示す要部構成図である。また、第3図は従来例を示す全
体回路構成図である。 (A>・・・圧縮機ユニット、(B):・・冷凍機ユ二
ット、(C)・・・クライオスタット、(2)・・・低
段圧縮機、(3)・・・後段圧縮機、(4)・・・予冷
機、(5)・・・第1ヒートステージ、(6)・・・第
2ヒートステージ、(10)・・・J−T弁、〈11)
・・、冷熱回収用熱交換器、(15)・・・容器、(2
0)・・・第1シールド板、(22〉・・・第1シール
ド熱交換器、〈30)・・・シールド冷却回路、(31
)。 (31’ )・・・減圧弁、(32)、(32’ )・
・・ヘリウム戻し通路。 一□鴫 特 許 出 願 人 ダイキン工業株式会社代    
 理     人    前  1)   弘第3図 第2図     1 第1図
1 and 2 show embodiments of the present invention, FIG. 1 is an overall schematic diagram showing the first embodiment, and FIG. 2 is a main part diagram showing another embodiment. Further, FIG. 3 is an overall circuit configuration diagram showing a conventional example. (A>...Compressor unit, (B):...Refrigerating unit, (C)...Cryostat, (2)...Low stage compressor, (3)...Late stage compression machine, (4)... precooler, (5)... first heat stage, (6)... second heat stage, (10)... J-T valve, <11)
..., heat exchanger for cold heat recovery, (15) ... container, (2
0)...First shield plate, (22>...First shield heat exchanger, <30)...Shield cooling circuit, (31)
). (31')...Reducing valve, (32), (32')
...Helium return passage. Patent applicant: Daikin Industries, Ltd.
1) Hiro 3 Figure 2 1 Figure 1

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)圧縮機ユニット(A)で圧縮された高圧ヘリウム
ガスを膨張させて複数のヒートステージに(5)、(6
)に低温を発生させる予冷機(4)と、冷熱回収用の熱
交換器(11)及び上記低温側のヒートステージ(6)
で冷却されたヘリウムガスをジュールトムソン膨張させ
るJ−T弁(10)を有する冷凍機ユニット(B)と、
液化ヘリウム及び被冷却物を収容する容器(15)及び
該容器(15)の外方に配置され、シールド熱交換器(
22)から冷熱を受けるシールド板(20)を有するク
ライオスタット(C)とを備えた極低温ヘリウム冷凍機
であつて、上記クライオスタット(C)のシールド熱交
換器(22)に対して、上記冷熱回収用の熱交換器(1
1)で得られる冷熱又は予冷機(4)の高温側のヒート
ステージ(5)で得られる冷熱を与えるシールド冷却回
路(30)が備えられているとともに、上記シールド熱
交換器(22)を流通した後のヘリウムガスを減圧機構
(31)を介して上記冷凍機ユニット(B)の冷熱回収
用の熱交換器(11)の2次側に戻すヘリウム戻し回路
(32)を備えたことを特徴とする極低温ヘリウム冷凍
機。
(1) High-pressure helium gas compressed by the compressor unit (A) is expanded and sent to multiple heat stages (5) and (6).
), a precooler (4) that generates a low temperature, a heat exchanger (11) for recovering cold heat, and a heat stage (6) on the low temperature side.
a refrigerator unit (B) having a J-T valve (10) for Joule-Thomson expansion of helium gas cooled by the
A container (15) containing liquefied helium and objects to be cooled, and a shield heat exchanger (15) disposed outside the container (15).
22) A cryogenic helium refrigerator comprising a cryostat (C) having a shield plate (20) that receives cold heat from the cryostat (C), wherein the cold heat recovery heat exchanger (1
It is equipped with a shield cooling circuit (30) that provides the cold heat obtained in step 1) or the cold heat obtained in the high temperature side heat stage (5) of the precooler (4), and also distributes the cold heat through the shield heat exchanger (22). It is characterized by being equipped with a helium return circuit (32) that returns the helium gas after the decompression to the secondary side of the heat exchanger (11) for cold heat recovery of the refrigerator unit (B) via the pressure reduction mechanism (31). Cryogenic helium refrigerator.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002233286A (en) * 2001-02-07 2002-08-20 Osaka Seiyaku:Kk Insect trap having heat insulation function
JP2010508666A (en) * 2006-10-31 2010-03-18 リンデ アクチエンゲゼルシヤフト Cooling method of superconducting magnet

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