JPH03105161A - 極低温冷凍方法及び装置 - 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、極低温冷凍方法及び装置に係り，特にヘリウ
ム冷凍に好適な極低温冷凍方法及び装置に関するもので
ある。

〔従来の技術〕

極低温冷凍装置、特にヘリウム冷凍装置では、所定の冷
凍能力を得るために必要な動力が大きく高効率のシステ
ムを構成することが重要である。

浴 例えば、ヘリウム冷凍装置では、効率１００ｐでも冷凍
能力の約７０倍の動力を必要とし、実際的効率を考慮す
れば、約４００倍の動力が必要となる。

このような極低温冷凍装置においては、従来、ヰ 例えば、特開昭６２−１３４／６２号公報に記載のよう
に、圧縮機の吸入圧力，吐出圧力は、常に固定され、膨
５＆機瀧度が高い場合は、膨張機の過負荷がかからない
ように、膨張機入口圧力が膨張機人口弁の操作により低
下させられる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術では、膨彊機が高温状態で運転される予冷
運転時に圧縮機で圧縮された圧力エネルギが有効利用さ
れず、このため、効率が悪いシステムとなっている。

本発明の目的は、高効率な冷凍システムを構成できる極
低温冷凍方法及び装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、極低温冷凍方法を、膨張機を備えた極低温
冷凍機に導入される冷媒ガスを圧縮する圧縮機の圧縮比
を前記極低温冷凍機の運転条件に対応して変化させる方
法とし、極低温冷凍装置を、膨張機を備えた極低温冷凍
機と、該極低温冷凍機に導入される冷媒ガスを圧細する
圧縮機と、該圧縮機の圧細比を！ＩＩ記極低温冷凍機の
運転条件に対応して変化させる手段とを具備したものと
することにより、達成される。

〔作　　　用〕

圧細機で圧細された冷媒ガスは、極低温冷凍機に１人さ
れる。該極低温冷ｙＬ′ｊ！＆に辱入された冷媒ガスは
、ここで、寒冷を発生する膨張機ラインと液化冷媒を生
或する液化ラインとに分岐されて使用される。この内、
膨張機ラインに導入された冷媒ガスはｉｓ仕事を行い温
度降下して寒冷を発生する。この場合、同一膨張比の冷
媒ガスが有するエネルギは温度に比例するため、予冷時
で膨張機温度が高い時は定常時のような大きい膨張比負
荷をかけられない。一方、また、液化ラインを考えると
、冷媒ガスが、例えば、ヘリウムガスの場合、膨張弁（
ＪＴ弁）で温度降下するジュールトムソン効果が生じる
のは約２０Ｋ以下であり、液化ラインでも温度の高い予
冷運転時は高膨張比を必要としない。

一方、圧縮ａ＃ｂ力は、圧縮比が大きい程増大すること
になり、従って、極低温冷凍機の運転条件、例えば、上
記のような運転条件に対応して圧！ｋ機の圧輪比を変化
させることによって高効率な冷凍システムを構或するこ
とができる。

〔実　施　例〕

以下、本発明の一実施例をｆｉｌ図により説明する。

第１図は、ヘリウム冷凍！ｊｋ置の構或図である。

第１図で、圧縮機は、多段圧縮機１０である。多段圧縮
機１０は、各段圧細ｓ１１　１〜１１　ｎを有している
。極低温冷凍機加は、熱交換器２１＆−２１ｅ，膨張機
２２ａ，　Ｚｌ！ｂ，膨張機人口弁幻，ＪＴ弁滉等を備
えている。被冷却体刃は、極低温冷凍機加外に設置され
ている。

第１図で、多段圧縮機１０の前段の圧縮部の吐出口とそ
の後段の圧縮部の吸入口とは、ラインｎでそれぞれ順次
連結されている。多段圧縮機ＩＯの最終段圧縮部ｉＩ　
ｎの吐出口とＪＴ弁ツ入口とは、吐出ライン（高圧ライ
ン）４０で連結されている。ＪＴ弁例出口と被冷却体加
の冷媒入口とは、ライン４ｌで連結されている。被冷却
体刃の冷媒出口と多段圧Ｊ１１機１０　０）ｆｉ前段圧
縮部１１ａの吸入口とは、吸入ライン（低圧ライン〉社
で連結されている。吸入ライン４２の多段圧縮［１０側
では、ライン４３１１〜Ｏｍが分岐され、該ライン４３
ａ−４３ｍは、多段圧縮機ｌＯの各段圧縮部１１　ａ〜
１１　ｎの間のライン１２に連結されている。ライン０
３の分岐箇所以降の吸入ライン４２には、吸入ライン切
替弁５０ａが設けられている。また、ライン４３１〜４
３ｍには、吸入ライン切替弁５０　ｂ　４　５０　ｎが
それぞれ設けられている。

熱交換器２１ａ〜２１　ｅは、それぞれの流路を吐出ラ
インψ並びに吸入ライン４２にそれぞれ効応して連設さ
れている。熱交換器２１ａ〜２１　ｅは、ＪＴ弁為側に
向って熱交換器２１　ａから熱交換Ｂ２１ｅへ配設され
ている。熱交換器２１ａと熱交換器２ｌ　ｂとの間の吐
出ラインのから膨ｇｋ機ラインａが分岐され、該膨張機
ライン必は、熱交換器２１　ｄと熱交換器針Ｃとの間の
吸入ライン４２に合流連結されている。

熱交換器Ｚｌｃは、三流路タイプであり、熱交換器２１
　ｃは、残る流略を膨張機ライン材に対応．連結されて
いる。膨会機２２ｍは、熱交換器２１　ｃの前流側の膨
張機ライン偶に設けられている。膨張機ｎｂは、熱交換
器２１　ｃの後流側で膨＊＊ライン必に設けられている
。膨彊機人口弁幻は、膨俵機２２ｍの入口側で膨張機ラ
イン４に設けられている。

次に、上記のようにＭ或されたヘリウム冷凍装置の動作
について説明する。

第１図で、多段圧ｍ機１０で圧細された高圧ガスは、吐
出ライン切を虎通して極低温冷ｙＬｗｚに導入される。

該導入された高圧ガスは、第１の熱交換器２１　ａで冷
却される。該冷却された高圧ガスの一部は、膨張機ライ
ン４に分岐される。該分岐された高圧ガスは、膨張機人
口弁幻を通り、第１の膨張機２２ａで断熱Ｉｉ１張仕事
をして寒冷を発生し、第３の熱交換器２１ｃで更に冷却
された後、第２の膨張機２２ｂで低圧まで断熱膨張仕事
をして寒冷を発生する。一方、上記冷却された高圧ガス
の残りは、第２〜第５の熱交換器２ｌｂ〜２ＩＣで冷却
されれ後に．ＪＴ弁別で断熱膨張してライン４１を介し
被冷却体刀に供給される。被冷却体Ｉを冷却した低圧ガ
スは、極低温冷凍機１０に戻り，第２の膨張＠２２ｂの
出口ガスと合流して吸入ライン心を通り多段圧縮ｆｉｌ
Ｏに戻される。

第１図で、運転開始直後は、装置分体が常温レベルにあ
るため、極低温冷凍機加は、高膨張比を必要としない。

このため、当初は、多段圧縮機１０の、例えば、ｎ段圧
細ｆｉＩＬｎのみが作動状態にあり、吸入ライン切替弁
５０ｎのみが開となっている。

その後、極低温冷凍機加の予冷が進行して必要な圧縮比
が増大するのに対し、各段圧ＩＭ　ｍｓ　１１　ｍ−１
１麿が順次作動状態に入る。これに対応して、開となる
吸入ライン切替弁も順次５０　ｍ　％　５０　ｍと変え
られて行く。

本実施例によれば、極低温冷凍機で必要な膨張比に合せ
多段圧縮機の吸入ラインを切替えることによって圧縮比
を変えるようにしているので、高効率の冷凍システムを
構成できる。

第２図は、本発明の第２の実施例を示すもので、本発明
の一実施例を示す第１図と異なる点は、次のとおりであ
る。

第２図で、吐出ラインのから分岐された第１分岐吐出ラ
イン柘が、多段圧縮ａ１０の＠１段圧縮部１１　ｍと第
２段圧縮部１ｌ　ｂとの間のライン稔に合流連結されて
いる。ｆｆｉｌ分岐吐出ライン柘からは、第２分岐吐出
ライン４６　ａ−４ｆ＋Ｉ！がそれぞれ分岐され、第２
分岐吐出ライン４６　ａ−４８７：は、多段圧細ａｌＯ
の第２段圧縮部１ｌ　ｂ〜最終段圧縮部１１　ｎ間のラ
イン１０にそれぞれ合流連結されている。第２分岐吐出
ライン４６ａの分岐位置より前流側の第１分岐吐出ライ
ン藝には、吐出ライン切替弁５１　ｍが設けられている
。また、第２分岐吐出ライン４６ａ〜４６ｌには、吐出
ライン切替弁５ｌ　ｂ〜５１ｍがそれぞれ設けられてい
る。この場合、第１図におけるライン０暑〜ａｍおよび
吸入ライン切替弁５０ａ〜頻ｎは設けられていない。な
お、第２図で、その他！！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、運転開始当初は、多段圧縮機１ｏの第１段圧
縮部のが作動状態にあり、吐出ライン切替弁５１１のみ
が開となっている。その後、極低温冷凍機加の予冷が進
行して必要な圧縮比が増大するのに対し、各段圧縮部１
ｌ　ｂ〜ｌｌｎが順次作動状態に入る。これに対応して
、開となる吐出ライン切替弁５ｌ　ｂ〜５１ｍと変えら
れて行く。

本実施例によれば、極低温冷凍機で必要な膨張比に合せ
多段圧縮機の吐出ラインを切替えることによって圧縮比
を変えるようにしているので、この場合も高効率の冷凍
システムを構成できる。

なお、第１図，第２図に示す構或を組合せた構或を採用
し、儀低溢冷凍機で必要な膨張比に合せ多段圧Ｉｌｊｍ
の吸入ラインおよび吐出ラインをそれぞれ上記のように
切替えるようにしても、高効率の冷凍システムを構成で
きる。

第３図は、本発明の＠３の実施例を示すもので、本発明
の一実施例を示す第１図と異なる点は、次のとおりであ
る。

第３図で、多段圧縮機１０′が、多段圧縮′！＆ｉｏと
は別設置されている。多段圧縮′ｌｌ１０’は、各段圧
縮部１１’ａ〜１１’　ｎを有している。多段圧！Ｉｉ
ｌ機１０’の前段の圧縮部の吐出口とその後段の圧縮部
の吸入口とは，ライン坐′でそれだれ順次連結されてい
る。この場合、゛熱交換器２１３１’　，　２ｌｂ’　
，　２１ｄ’は三流路タイプである。熱交換器２１ｃ′
は、四流路タイプである。また、熱交換器２１　ａは、
第１図の場合と同様に二流路タイプである。膨張機ライ
ンＵの出口端と多段圧縮機ｌＯ′の最前段圧縮部１１′
ａ　の吸入口とは、ライン４７で連結されている。熱交
換器２１ａ′〜Ｚｌｄ’，２］ｅは，それぞれの一つの
流路を吐出ライン切に、他の流路を吸入ライン社にそれ
ぞれ対応して連設されている。熱交換器２１ａ′〜２１
ｄ′　　それぞれの更に他の流路は、ライン４７に対応
，連結されている。熱交換器２１Ｃ′の残る流路は、膨
張機ライン偶に対応，連結されている。ライン４７の多
段圧縮機１０’側では、ライン０１〜４３ｍ′が分岐さ
れ、該ライン４３ａ′〜４３ｍ／は、多段圧縮機１０′
の各段圧縮機１０′の各段圧縮部１１’　ａ　＝　１１
’　ｎ間のラインＵ′　に連結されている。ライン４３
ａ′の分岐箇所以降のライン４７には、吸入ライン切替
弁５０ｍ’が設けられている。また、ライン４３１′〜
４３ｍ’には、吸入ライン切替弁ｓｏｂ’〜ｓｏｎ’が
それぞれ設けられている。

多段圧縮ｇ　ｉｏ’の最後段圧縮部１１’　ｎの吐出口
には、吐出ラインω′が連結され、該吐出ラインω′は
、極低温冷凍機加の前流側で吐出ライン切に合流連結さ
れている。なお、第３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３図で、膨張機ライン４と、いわゆる、液化ラインの
圧細比は、この場合、独立に可変である。つまり、膨張
機ラインａでの装置運転開始から定常状態に至るまでの
必要圧縮比と液化ラインでのそれとは異なっている。即
ち、液化ラインでは、ジュール・トムソン効果（断熱膨
張で温度降下する）が生じる極低温（約５０Ｋ）になら
なければ、高圧縮比を必要とせず、圧力損失をカバーで
きれば良い。液化ラインでの圧縮比は、例えば、定常的
においては約１５，予冷初期においては約２程度である
。

本実施例によれば、上記一実施例に比較し、更に高効率
の冷凍システムを構或できる。

第４図は、本発明の第４の実施例を示すもので、本発明
の一実施例を示す第１図と異なる点は、次のとおりであ
る。

第４図で、多段圧縮機１０’が、多段圧縮機１０とは別
設置されている。多段圧縮機１０’は、各段圧縮部１１
’　ａ〜１１’　ｆｌを有している。多段圧縮機ｉｏ’
　の前段の圧縮部の吐出口とその後段の圧縮部の吸入口
とは、ラインじ′でそれぞれ順次連結されている。

この場合、熱交換器２１ｍ’　，　Ｚｌｃ’は、四流路
タイプである。熱交換器２ｌｂ’，Ｚｌｄ’は、三流路
タイプである。また、熱交換器２１ｅは、第１図の場合
と同様に二流路タイプである。膨張機ラインａの入口端
と多段圧縮ｆｉｌＯ’の最後段圧縮部Ｂ／　ｎの吐出口
とは、吐出ラインω′で連結されている。膨張機ライン
ａの出口端と多段圧縮ｔ１０′の最前段圧縮部１１′１
の吸入口とは、ライン４７′で連結されている。熱交換
器２１　ａ’　，　２ｌ　ｂ’〜２１ｄ’，２１ｅはそ
れぞれの一つの流路な吐出ラインωに、他の流略を吸入
ライン４２にそれぞれ対応して連設されている。

熱交換器２１ａ’，　２ｌｂ’〜２１ｄ′のそれぞれの
更に他の流略は、ライン４７′に対応，連結されている
。

熱交換器２１ａ′の残る流路は、吐出ラインω′に対応
，連結されている。熱交換器２１Ｃ′の残る流路は、膨
張機ライン偏に対応，連結されている。ライン４７′の
多段圧縮機１０′側では、ライン４３１〜４３　ｍ　’
が分岐され、該ライン４３ａ′〜４３ｍ′は、多段圧縮
ｆｉｌｏ’の各段圧縮部１１’　ａ〜１１’　ｎ間のラ
インｕ′に連結されている。ライン４３ａ’の分岐箇所
以降のライン４７′には、吸入ライン切替弁５０ａ’が
設けられている。

また、ライン４３ａ′〜４３ｍ′には、吸入ライン切替
弁５０ｂ′〜５０ｎ’　がそれぞれ設けられている。な
お、第４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。

本実施例では、上記第３の実施例での作用と略同様の作
用が生じ、従って、上記一実施例に比較し、更に高効率
の冷凍システムを構成できる。

なお、以上の各実施の他に、極低温冷凍機での膨張比を
検出する手段、例えば、温度検出器や制御装置を設け、
自動運転可能に構成しても良い。

この場合、温度検出器は、後段の膨張機に入るヘリウム
の温度を検出して温度信号を出力する機能を有している
。該温度検出器の出力端子は、制御装置の入力端子に接
続されている。制御装置の出力端子には、多段圧縮機の
各段圧縮部および吸入ライン切替弁がそれぞれ接続され
ている。このような場合、制御装置は、温度検出器での
検知温度に基づｈｗｉ低温冷凍機での膨張比を演算し、
該演算された膨張比に基づいて圧縮部の駆動，停止信号
を多段圧縮機の各段圧縮部に出力し、弁開閉信号を吸入
ライン切替弁に出力する機能を有している。また、例え
ば、上記一実施例を示す第１図で、多段圧縮機を複数セ
ット、並列運転可能に設置しても良い。一般的に、予冷
初期は、高圧縮比を必要としないが、それ１こ合せてヘ
リウム流量も少なくて良い。つまり、多段圧縮機を複数
セット設置し、運転状況に合せて運転セット数を変更し
た方が効果が大きい。ここで、温度（Ｔ）と流量（Ｑ）
との関係は、Ｑｃｘ；　ｔ　／　斤で概略、表わされ、
例えば、温度２０Ｋと３００Ｋとの比較では、流量は約
１／４と少なくて良い。また、例えば、吸入圧または吐
出圧の圧力制御機構で圧縮比を変えるように構或してｌ
！い。例えば、上記−５！施例を示す第１図で、極低温
冷凍機の前流側で吐出ラインから分岐し、例えば、中圧
タンクに連結されたラインに高圧圧力検出器と高圧圧力
制御弁とを設け、該高圧圧力検出器と高圧圧力制御弁の
高圧圧力制御器とを接続し、また、中圧タンクに連結さ
れたラインを極低温冷凍機の後流側で吸入ラインに合流
連結し、該ラインに低圧圧力検出器と低圧圧力制御弁と
を設け、該低圧圧力検出器と低圧圧力制御弁の低圧圧力
制御器とを接続する．例えば、圧縮機状態は変化せずに
、低圧圧力制御器または高圧圧力制御器の設定値を変え
ることで、コールドボックスにとっての圧縮比を変えら
れる。より実際的には、該構成と上記各実施例での構成
とが組合わされて実施される。

〔発明の効果〕

本発明によれば、極低温冷凍機の運転条件に対応して圧
縮機の圧縮比を変化させることによって、高効率な冷凍
システムを構成できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は，本発明の一実施例のヘリウム冷凍装置の構成
図、第２図ないし第４図は、本発明の第２ないし第４の
実施例のヘリウム冷凍ｇｔ置の構戒図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、膨張機を備えた極低温冷凍機に導入される冷媒ガス
   を圧縮する圧縮機の圧縮比を前記極低温冷凍機の運転条
   件に対応して変化させることを特徴とする極低温冷凍方
   法。 ２、前記圧縮機の圧縮比を、前記極低温冷凍機で必要な
   膨張比に対応して変化させる第１請求項に記載の極低温
   冷凍方法。 ３、膨張機を備えた極低温冷凍機と、該極低温冷凍機に
   導入される冷媒ガスを圧縮する圧縮機と、該圧縮機の圧
   縮比を前記極低温冷凍機の運転条件に対応して変化させ
   る手段とを具備したことを特徴とする極低温冷凍装置。