JPS5880474A - 極低温冷却装置 - 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】 本発明は極低温冷却装置に係シ、特に寒冷発生部である
冷凍機と寒冷利用部であるクライオスタットが分離され
たスプリット形に好適な極低温冷却装置に関するもので
ある。

従来、動作ガスにヘリウムを用いた極低温冷却装置とし
ては椎々の形式があるが、大別すると冷凍機とクライオ
スタットが一体になった一体形および分離されて両者間
を動作ガス管を内設した連絡管で連結したスプリット形
に分けられる０そして一般的な傾向とし、ては小容量の
ものは一体形が多く採用され、大容量のものにはスプリ
ット形が多く採用されている。

ところが、小容量のものはそのほとんどが冷凍機部に往
復動式の膨張エンジンを採用しているため、振動や騒音
が大きいという欠点がある。

そこで、寒冷利用部であるクライオスタットにおいて振
動や騒音をきらう場合は小容量のものでもスプリット形
にするケースがある。

いま、そのようなケースにおけろ従来例を第１図にした
がって説明する。

ｌは１段目圧縮機、２は２段目圧縮機、３は冷凍機、１
４はクライオスタット、怒は冷凍機部とクライオスタッ
ト１４を結ぶ連絡管である。２段目圧縮機２から吐出さ
れた高圧のヘリウムガスの一部はバルブ機構４ｔ−通っ
て膨張手段である第１膨張エンジン５．第２膨張エンジ
ン６に供給され、ここで寒冷を発生させて中圧のヘリウ
ムガスとなって１段目圧縮機ｌと２段目圧縮機２の間に
もどる。

一方、２段目圧縮機２６ら吐出された高圧のヘリウムガ
スの残シ嬬保冷檜１３内の第１熱交換器９に入り、ここ
を通る間に冷却され、真空断熱され九連絡管々に内股さ
れたヘリウムガス管３７１を通９り２イオスタツト１４
内の第１シールドステージ冒ンコに入る。ここで＃１１
シールドステーシーン区につながる第１シールド板すを
冷却して、内部への熱侵入を低減させる。第１シールド
ステージ璽ンツを出た高圧のヘリウムガスは連絡管墓に
内股されたヘリウムガス管３７ｂを通シ第１膨張エンジ
ン５の先端にある第１コールドステージ璽ン７と熱交換
してさらに低温になシ、第２熱交換１ｒｉｌＯに入る。

ここを通る間にさらに冷却され、連絡管部に内設され比
へリクムガス管３７ｃを過多り２イオスタツト１４内の
第２シールドステージ四ン冴に入シ、第２シールド板１
６ｔ−冷却する。＃Ｉ２シールドステージ璽ン為を出た
高圧のヘリウムガスは連絡管瀝に内設されたヘリウムガ
ス管３７ｄｖｔｌｈｔ）第２膨張エンジン６の先端にあ
る第２コールドステージ冒ン８と熱交換してさらに低温
になシ、第３熱交換器１１に入る。第３熱交換ｇｉｌｌ
で十分に冷却された高圧のヘリウムガスは連絡管浸に内
設されたヘリウムガス管３７６を過りジュールトムソン
弁正に至り、ここで減圧されて等エンタルピ膨張し、一
部は液化して容器１７の中にたまる。容器１７に十分液
体ヘリウムがたまってくるとジュールトムソン弁１８で
減圧された低圧、低温のヘリウムガスは３方弁１９．凝
縮熱交換器加を経て連絡管謳に内設されたヘリウムガス
管３７ｆ１通シ保冷槽１３内の第３熱交換器１１の低圧
流路に入シ、それぞれｊｌＩ２熱交換器１０．尾１熱交
換！Ｉ９の低圧流路を経て、１段目圧縮機１の吸込側に
もどる。もちろん、各熱交換−の低圧流路な通る際には
高圧流路のヘリウムガスな冷却しながら自身は温度上昇
して最終的には＃１ぼ常温の低圧ヘリウムガスとなる。

また３は、いわゆるヒートパイプの一種で、例えば、極
低温冷却装置全体を冷却しはじめる際、いわゆる、クー
ルダウン時に容器１７の温度が第２シールド板１６の温
度よシも高いときには中に封入した流体の沸騰、凝縮に
よって容器１７と第２シールド板１６との間の熱の授受
な行なって容器１７の冷却を促進するが、容器１７の温
度が低下してきて第２シールド板１６の温度よシ低くな
ったときには熱の授受がなくなるようになっている。な
お、ヒートパイプの呼び方には、他にサーマルダイオー
ド。

サーマルカップリング等がある。

ヒのような極低温冷却装置では、次のような欠点があっ
た。すなわち連絡管篇に内設されるヘリウムガス管が６
本と多いため、連絡管部が大きなものになシ、それだけ
熱侵入が増大するという欠点があった０特に小容量の極
低温冷却装置の場合、冷凍能力または液化能力に余裕が
ないので連絡管々における熱侵入が大きくなると、所定
の性能が得られずそれだけ大きな容器の冷凍機を必要と
する。また、ヒートパイプ３は常時、第２シールド板「
と容器１７間を熱授受を行う流体が密封された筒状容器
で連結しているため、容器１７の温度が第２シールド板
１６よシも低温になって流体の循環による熱の授受がな
くなった時点以降でも、ヒートパイプ易の壁をつたわる
熱伝導による熱の移動はなくならず、この現象は、低温
部である容器１７への熱侵入と同じ現象であるため、容
器１７の温度が低下して定常温度になった後はむしろ容
ｉ！９１７への熱侵入を増大させる欠点があった。

本発明は、上記欠点の解消を目的としたもので、クライ
オスタットに少なくとも２段以上の熱交換器を内設させ
、かつ、該熱交換器の低温端部を対応する温度レベルの
シールド板並びに容器に熱的に接触させて設置した極低
温冷却装置を提供するものである。

以下、本発明の一実施例を第２図、第３図によって説明
する。なお、第２図、第３図で、第１図と同一部品は同
一符号で示している。まず、第２図で極低温冷却装置全
体について説明すると、２段目圧縮機２から吐出された
高圧の動作ガスであるヘリウムガスの一部はパルプ機構
４ｔ−通って冷凍機且の保冷槽１３に内股された膨張手
段である第１膨張エンジン５．第２膨張エンジン６に供
給され、ここで寒冷を発生させて中圧のヘリウムガスと
なって１段目圧縮機ｌと２段目圧縮機２の間にもどる。

一方、２段目圧縮機２から吐出された高圧ヘリウムガス
の残シはクライオスタット１４に内設された１段目の熱
交換器である第１熱交換器３１に入シ、ここを通る間に
対−向して流れる低圧ヘリウムガスで冷却され、真空断
熱された連絡管部に配設されたヘリウムガス管３８ａを
通って第１膨張エンジン５の先端にある第１コールドス
テーシヨン７と熱交換してさらに低温になる。

ここで第１熱交換器３１の低温端部は対応する温度レベ
ルの第１シールド板すと熱的に接触して設置されておシ
、第１シールド板すはｊｌ！１熱交換器狙の低温端部で
冷却され、内部への熱侵入を低減させる。

第１コールドステージ曹ン７で低温となった高圧ヘリウ
ムガスは連絡管Ｉに内股されたヘリウムガス管３８ｂを
通って２段目の熱交換器である第２熱交換器諺に入シ、
ここでも対向して流れる低圧ヘリウムガスで冷却され、
連絡管部に内設されたヘリウムガス管３８ｃを通って第
２膨張エンジン６の先端にある第２コールドステージ璽
ン８と熱交換してさらに低温になる。

ここで、第２熱交換器ａの低温端部は対応する温度レベ
ルの第２シールド板１６と熱的に接触して設置しておシ
、＃！２シールド板１板上６２熱交換器！の低温端部で
冷却され、内部への熱侵入を更に低減させる。

Ｍ２コールドステーション８で更に低温となった高圧ヘ
リウムガスは連絡管々に内設されたヘリウムガス管３８
ｄを通って３段目の熱交換器である第３熱交換器羽に入
る。第３熱交換器田で十分に冷却された高圧ヘリウムガ
スはジュールトムソン弁詔で等エンタルピ膨張し、低圧
、低温のヘリウムガスとなシ一部は液化して容器１７の
中にたまる。

未液化の低圧・低温のヘリウムガスは凝縮熱交換器部を
経て、第３熱交換器おの低圧流路に入シ、続いて第２熱
交換器！、第１熱交換器３１の低圧流路な経て１段目圧
縮機ｌの吸込側にもどる。

そして第３熱交換器蕊の低温端部は対応する温度レベル
の容器１７と熱的に接触して設置されておシ、容５ｓ１
７は、クールダウン時にも第３熱交換器東 羽の低温端部で従津用いられていたヒートパイプと同等
の冷却能力で冷却され、その上、容器１７の温度が定常
温度になった後は、ヒートパイプを用いた場合に生じた
ような容器１７への熱侵入が防止される。

次に第３図でクライオスタット内のシールド板や容器に
熱的に接触して設置された熱交換器の具体的な構造につ
いて説明する。

２重管式熱交換である第１熱交換器３１’（７）下端部
すなわち低温端部は対応する温度レベルの第１シールド
板巧と熱的に接触して設置されると共に、Ｍｌ熱交換器
ｍ′の上部すなわち高温部と第１シールド板七の間には
、第１熱交換器３１’の高温部と第１シールド板での熱
交換を防止するため熱絶縁材あが取付けられ、第１熱交
換器Ｊ′は第１シールド板すに巻装されている。このよ
うに第１熱交換器３１′の下端部のみ第１シールド板す
と熱的に接触させることによって第１シールド板すは第
１熱交換機３１′の低温端部とはぼ同じ温度まで冷却さ
れ、内部への熱侵入量が低減される。ｔた、２重管式熱
交換器でおる第２熱交換器！′および同じく第３熱交換
器お′についても同様にそれらの下端部すなわち低温端
部のみをそれぞれ対応する温度レベルの第２シールド板
１６および容器１７と熱的に接触して設置されると共に
、第２熱交換器冨′および第３熱交換器（′の上部すな
わち高温部と第２シールド板１６および容器１７の間に
は、第２熱交換器ｎ′および第３熱交換器羽′の高温部
と＃！２シールド板１６および容器１７での熱交換を防
止するため熱絶縁材蕊。

箕がそれぞれ取付けられ第２熱交換器ｎ′は第２シール
ド板１６に、第３熱交換器お′は容器１７に巻装され、
第２シールド板１６は第２熱交換器ｎ′の低温端部とほ
ぼ同じ温度まで冷却され、また容器１７は第３熱交換器
お′の低温端部とほぼ同じ温度まで冷却され、内部への
熱侵入量が更に低減される。

このように、第１熱交換器〜第３熱交換器を、それぞれ
の低温端部を対応する温度レベルの第１シールド板、第
２シールド板、容器に熱的に接触させ設置した状態でク
ライオスタットに内設させた場合は、連絡管に内談され
るヘリウムガス管の本数な従来の６本から４本に減らし
連絡管を小さくできるので、外部からの熱侵入をそれだ
け小さく抑制でき、特に、最も低温のヘリウムガスが通
る第３熱交換器とジュールトムソン弁を連結するヘリウ
ムガス管を連絡管に内設させずにすむので、外部からの
熱侵入を更に小さく抑制でき、かつ、クールダウン時に
も容器をヒートパイプによらず第３熱交換器で冷却する
ようにしたので、容器の温度が定常温度になった後の容
器への熱侵入を防止できると共に、シールドステージ茸
ンとヒートパイプの設置が不要となるので、極低温冷却
装置全体の構造を簡単にできる。

本発明は以上説明したように、極低温冷却装置において
、クライオスタットに少なくとも２段以上の熱交換器を
内設させ、かつ、該熱交換器の低温端部を対応するレベ
ルのシールド板並びに容器に熱的に接触させ設置し念と
いうことで、次の効果を得ることができる。

（１）連絡管を介する外部からの熱侵入を小さく抑制で
きるので、冷凍機の容量を小容量化できる。

（２）　　ヒートパイプによらず容器を冷却できるので
、クールダウン時に容器の温度が定常温度になった後の
容器への熱侵入を防止できる。

＋３１　　シールンステーシーンとヒートノくイブの設
置が不要となるので、極低温冷却システム全体の構造を
簡単化できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の極低温冷却装置を説明するもので、ス
プリット形の極低温冷却装置の系統図、第２図、第３図
は、本発明の一実施例を説明するもので、第２図は、本
発明によるスプリット形の極低温冷却装置の系統図、第
３図は、各段の熱交換器に２重管式熱交換器を用いたク
ライオスタットの断面図である。 １、　２・・・・・・圧縮機、且・・・・・・冷凍機、
５・・・・・・第１膨張エンジン、６・・・・・・第２
膨張エンジン、１３・・・・・・保冷槽、１４・・・・
・・クライオスタット、１５・・・・・・第１シールド
板、１６・・・・・・第２シールド板、１７・・・・・
・容器、Ｉ・・・・・・連絡管、３１から３３．３１’
から（′・・・・・・熱交換器、具から菖・・・・・・
熱絶縁板、３８ａから３８ｄ・・・・・・ヘリウムガス
管 代通人　弁理士　　薄　１）利　権］＼・１゛； 才１’（２１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、低圧・常温の動作ガスを圧縮し高圧拳常温の動作ガ
   スを供給する圧縮機と、高圧・常温の動作ガスを膨張さ
   せて寒冷を発生させる膨張手段な゛内設した保冷槽よシ
   なる冷凍機と、液化した動作ガスや被冷却体を収納する
   容器および該容器の囲シに各温度レベル毎に複数層設け
   られたシールド板を内設し冷凍機の膨張手段で発生した
   寒冷を利用するためのクライオスタットと、該クライオ
   スタットと冷凍機を連結し動作ガス管が内設され真空断
   熱された連絡管とで構成された極低温冷却装置において
   、前記クライオスタットに少なくとも２段以上の熱交換
   器を内設させ、かつ、該熱交換器の低温端部を対応する
   温度レベルの前記シールド板並びに前記容器に熱的に接
   触させ設置したことを特徴とする極低温冷却装置。 ２　前記熱交換器に２重管式熱交換器な用い、該２重管
   式熱交換器の低温端部を前記シールド板並びに前記容器
   に熱的に接触させ設置すると共に、２重管式熱、交換器
   の高温部とシールド板並びに容器との間に熱絶縁材を取
   付けて２重管式熱交換器をシールド板並びに容器にそれ
   ぞれ巻装させた特許請求の範囲第１項記載の極低温冷却
   装置。