JPH11108476A - 極低温冷却装置 - Google Patents

極低温冷却装置

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JPH11108476A
JPH11108476A JP26959197A JP26959197A JPH11108476A JP H11108476 A JPH11108476 A JP H11108476A JP 26959197 A JP26959197 A JP 26959197A JP 26959197 A JP26959197 A JP 26959197A JP H11108476 A JPH11108476 A JP H11108476A
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JP
Japan
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stage
pressure
circuit
cooling
compressor
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JP26959197A
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English (en)
Inventor
Katsuhiro Narasaki
勝弘 楢崎
Kunihiro Kuroki
邦広 黒木
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Sumitomo Heavy Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Heavy Industries Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 装置構成が簡素で信頼性が高く、取扱いが容
易で、冷却温度が超流動ヘリウム温度(1.8K)域とな
る閉サイクル運転の極低温冷却装置を実現することを目
的とする。 【解決手段】 予冷機としてGM冷凍機21を用い、こ
れにJT回路と組合せた冷凍機ユニットAに、GM圧縮
機ユニットBとJT圧縮機ユニットCとを管路23,2
4及び管路25,26でそれぞれ接続し、JT回路の循
環ガスとして 3Heを、又予冷用のGM冷凍機21の循
環ガスとして 4Heを使用し、前記JT圧縮機ユニット
Cは直列に配置された1段の真空ポンプ9と1段の圧縮
機本体1及びJT回路とJT圧縮機ユニットCとを接続
する管路25と26間に配設された1次圧力調整器6と
2次圧力調整器8とにより、JT回路の低圧側を負圧保
持し、かつJT回路の高圧側を所定の吐出圧力に保持可
能とし、前記JT圧縮機ユニットCの真空ポンプ9と圧
縮機本体1に圧縮比の高いスクロ−ル式を使用した。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は極低温冷却装置に関
するものである。
【0002】
【従来の技術】従来の極低温冷却装置として、(1)多
段のGM冷凍機やスタ−リング冷凍機にJT回路を組合
せた4K冷却システム、(2)クロ−ドサイクルにJT
回路を組合せた冷却システム及び、(3)JT回路に 3
Heを利用し、圧縮機と減圧調整機構を組合せた冷却シ
ステム(特願平8−228436)が知られている。上
記(1)のシステムは一般には液体ヘリウム温度(4.2
K)での冷却能力を発生させる装置であり、負圧運転機
構を有しても3Kレベルが限界であった。これは、JT
回路を循環する 4He(ヘリウム4)の1.8Kでの飽和
蒸気圧が16.6mbarと非常に低いので、JT回路の低
圧側の圧力を、16.6mbarにする排気用ポンプ装置が
必要になること、JT低圧系の圧力損失の許容値が嚴し
くなるためである。このため、装置が複雑となり、コス
トアップとなるという問題がある。
【0003】次に、(2)のクロ−ドサイクルにJT回路
を組合せた冷却システムは、超流動ヘリウム温度を生成
させる冷却システムであるが、装置が複数段の排気用ポ
ンプ、複数段の圧縮機、複数個のJTバルブ及び5個以
上の熱交換器等で構成され、非常に複雑であるという欠
点がある。又装置構成の複雑さに伴ない信頼性が低下
し、取扱いが容易でなくなってくるという問題がある。
【0004】また、(3)の冷却システムは冷却能力を増
加させるためには圧縮機を並列に増加させる必要がある
ため、消費電力が大きくなるという問題がある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
(1) 装置構成が簡素で信頼性が高く、取扱いが容易
で、冷却温度が1.8K(超流動ヘリウム温度)域とな
る閉サイクル運転の極低温冷却装置を実現すること、
(2) 効率的なシステムを実現すること、を目的とす
る。
【0006】
【課題を解決するための手段】
(1) 予冷機としてGM冷凍機21を用い、これにJ
T回路と組合せた冷凍機ユニットAに、GM圧縮機ユニ
ットBとJT圧縮機ユニットCとを管路23,24及び
管路25,26でそれぞれ接続し、JT回路の循環ガス
として 3Heを、又予冷用のGM冷凍機21の循環ガス
として 4Heを使用し、前記JT圧縮機ユニットCは直
列に配置された1段の真空ポンプ9と1段の圧縮機本体
1及びJT回路とJT圧縮機ユニットCとを接続する管
路25と26間に配設された1次圧力調整器6と2次圧
力調整器8とにより、JT回路の低圧側を負圧保持し、
かつJT回路の高圧側を所定の吐出圧力に保持可能と
し、前記JT圧縮機ユニットCの真空ポンプ9と圧縮機
本体1に圧縮比の高いスクロ−ル式を使用した。 (2) 冷却能力を増加させるためにはJT流量を増や
す必要がある。この方法の1つとして圧縮機本体を並列
に台数を増やす方法もあるが、真空ポンプを圧縮機本体
と直列に配置して効率的(消費電力が少ない)とした。
【0007】
【発明の実施の形態】図1に基いて説明する。図1は本
発明の2Kレベルの冷凍装置のフロ−を示す。Aは冷凍
機ユニット、Bは管路23と24で冷凍機ユニットAを
構成する予冷用GM冷凍機21と接続したGM圧縮機ユ
ニット、そしてCは管路25と26で同じくJ−T回路
と接続したJT圧縮機ユニットである。
【0008】冷凍機ユニットAとGM圧縮機ユニットB
は従来型のものを使用する。冷凍機ユニットAにおい
て、21は予冷用GM(ギフォ−ド・マクマホン)冷凍
機である。GM圧縮機ユニットBは、GM冷凍機専用の
圧縮機である。11は1段熱負荷フランジ、12は2段
熱負荷フランジである。13は1段熱交換器、14は2
段熱交換器、15は3段熱交換器である。16はJ−T
弁、17は7〜15Kステ−ジ、18は2Kステ−ジ、
19は40〜60Kシ−ルド、20は7〜15Kシ−ル
ドである。これらは真空断熱容器22内に収められてい
る。
【0009】JT圧縮機ユニットCは圧縮機本体1と真
空ポンプ9に吸込弁及び吐出弁のないスクロ−ル式を用
いている。2は油分離器、3は吸着器である。逆止弁
5、一次圧力調整器6、バッファタンク7、2次圧力調
整器8は管路25と真空ポンプ9と圧縮機本体1間の管
路26との間に配設されている。
【0010】従来は循環ガスは全て 4He(ヘリウム
4)であったが、本発明では、予冷用のGM冷凍機21
とGM圧縮機ユニットBは 4He(ヘリウム4)が循環
ガスであり、JT回路とJT圧縮機ユニットCは 3He
(ヘリウム3)を循環ガスとして用いている。
【0011】以上の構成であって、作用は次の如くであ
る。運転前の 3Heガス系内は高圧側、低圧側共に 3He
を所定の同じ圧力で封入してある。制御回路(図示しな
い)の運転スイッチをONにすると、GM圧縮機ユニッ
トBとJT圧縮機ユニットCの圧縮機本体1及び予冷用
GM冷凍機21が起動する。
【0012】GM圧縮機ユニットBで約20kg/cm2
まで圧縮された 4He(ヘリウム4)ガスは、管路23
を経て冷凍機ユニットAの予冷用GM冷凍機21へ流入
する。予冷用GM冷凍機21へ流入した 4Heは低温を
発生させ、1段熱負荷フランジ11、2段熱負荷フラン
ジ12を冷却して管路24を経てGM圧縮機ユニットB
内へ吸入される。
【0013】JT圧縮機ユニットC内の圧縮機本体1で
圧縮された 3He(ヘリウム3)ガスは、約5kg/cm2
となり、油分離器2と吸着器3を通ってクリ−ンな 3
eとなり、管路25を経て冷凍機ユニットAのJT回路
へ流入する。
【0014】JT回路の 3Heは1段熱交換器13を通
って、1段熱負荷フランジ11で冷却され、2段熱交換
器14を通り、さらに2段熱負荷フランジ12で冷却さ
れ、3段熱交換器15、J−T弁16を出たのち、0kg
/cm2G以下に膨張して2Kステ−ジ18を冷却する。
2Kステ−ジ18を冷却した低圧 3Heは、3段熱交換
器15、2段熱交換器14、1段熱交換器13を通っ
て、高圧で流入する 3Heと熱交換して昇温し、JT圧
縮機ユニットCの圧縮機本体1に管路26を経て吸入さ
れる。
【0015】その後の運転で、予冷用GM冷凍機21の
1段,2段熱負荷フランジ11,12が冷却され、1
段,2段,3段熱交換器13,14,15とJ−T弁1
6のジュ−ルトムソン効果によって、2Kステ−ジ18
は定常温度に冷却される。この時の定常温度はJ−T弁
16後の圧力に対する飽和温度となり、J−T弁16後
の圧力を0kg/cm2G以下に減圧することによって、
3.2K以下の温度が得られる。たとえば、約−0.9k
g/cm2Gまで減圧すれば超流動ヘリウム温度(1.8
K)域の温度が得られる。
【0016】JT圧縮機ユニットCの圧力制御の作用
は、吸着器3の部分の 3Heが6kg/cm2G以上になる
と、1次圧力調整器6が作動し、吐出 3Heガスの一部
をバッファタンク7へ保持し、圧縮機本体1の吸入圧力
が低下すると、2次圧力調整器8が作動し、バッファタ
ンク7の 3Heが供給される。
【0017】この2次圧力調整器8を約1kg/cm2Gに
設定し、真空ポンプ9を所定の吸込圧力になるようJT
弁開度によるJT流量を調整すれば約3.2Kから約
1.5Kまでの任意の冷却温度を得ることができる。
【0018】また、別な吸込圧力設定方法として、JT
弁開度によるJT流量に対し、所定の吸込圧力になるよ
うに、JT圧縮機ユニットCの運転周波数をインバ−タ
で制御することもできる。
【0019】
【発明の効果】冷凍機ユニットA、GM圧縮機ユニット
B、JT圧縮機ユニットCの組合せという簡単な構成か
らなる極低温冷却装置で、JT回路の循環ガスとして 3
He(ヘリウム3)を使用し、JT圧縮機ユニットCに
真空ポンプと圧縮機本体をシリ−ズに設けて、超流動ヘ
リウム温度(1.8K)域まで冷却可能となった。特
に、JT圧縮機ユニットCの圧力制御において、吸着器
3の所の 3Heが6kg/cm2G以上になると、1次圧力調
整器6が作動し、吐出 3Heガスの一部をバッファタン
ク7へ保持し、圧縮機本体1の吸入圧力が低下すると、
2次圧力調整器8が作動し、バッファタンク7の 3He
が供給されるようにし、この2次圧力調整器8を約1kg
/cm2Gに設定し、真空ポンプ9を所定の吸込圧力にな
るよう、JT弁開度によるJT流量を調整することによ
り約3.2Kから約1.5Kまでの任意の冷却温度を容
易に、また、低消費電力にて得ることができるようにな
った。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の 3He・ST方式による2K冷却装置
のフロ−図を示す。
【符号の説明】
A 冷凍機ユニット B GM圧縮機ユニ
ット C JT圧縮機ユニット 1 圧縮機本体 2 油分離器 3 吸着器 4 圧力計 5 逆止弁 6 1次圧力調整器 7 バッファタンク 8 2次圧力調整器 9 真空ポンプ 10 圧力計 11 1段熱負荷フランジ 12 2段熱負荷フラ
ンジ 13 1段熱交換器 14 2段熱交換器 15 3段熱交換器 16 J−T弁 17 7〜15Kステ−ジ 18 2Kステ−ジ 19 40〜60Kシ−ルド 20 7〜15Kシ−
ルド 21 予冷用GM冷凍機 22 真空断熱容器 23,24,25,26 管路

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 予冷機としてGM冷凍機(21)を用い、こ
    れにJT回路と組合せた冷凍機ユニット(A)に、GM圧
    縮機ユニット(B)とJT圧縮機ユニット(C)とを管路(2
    3,24)及び管路(25,26)でそれぞれ接続し、 JT回路の循環ガスとして 3Heを、又予冷用のGM冷
    凍機(21)の循環ガスとして 4Heを使用し、 前記JT圧縮機ユニット(C)は直列に配置された1段の
    真空ポンプ(9)と1段の圧縮機本体(1)及びJT回路と
    JT圧縮機ユニット(C)とを接続する管路(25と26)間
    に配設された1次圧力調整器(6)と2次圧力調整器(8)
    とにより、JT回路の低圧側を負圧保持し、かつJT回
    路の高圧側を所定の吐出圧力に保持可能とし、 前記JT圧縮機ユニット(C)の真空ポンプ(9)と圧縮機
    本体(1)に圧縮比の高いスクロ−ル式を使用したことを
    特徴とする極低温冷却装置。
JP26959197A 1997-10-02 1997-10-02 極低温冷却装置 Pending JPH11108476A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007333273A (ja) * 2006-06-14 2007-12-27 Taiyo Nippon Sanso Corp 希釈冷凍機
JP2013024554A (ja) * 2011-07-21 2013-02-04 Coldedge Technologies Inc 電子常磁性共鳴スペクトロメータに対する寒剤を使用しない冷却システム
CN104236153A (zh) * 2013-06-09 2014-12-24 中国科学院理化技术研究所 一种液氦温区小型节流制冷***

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