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JP6529850B2 - Cryogenic refrigerator and operating method of cryogenic refrigerator - Google Patents

Cryogenic refrigerator and operating method of cryogenic refrigerator Download PDF

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JP6529850B2 JP2015146032A JP2015146032A JP6529850B2 JP 6529850 B2 JP6529850 B2 JP 6529850B2 JP 2015146032 A JP2015146032 A JP 2015146032A JP 2015146032 A JP2015146032 A JP 2015146032A JP 6529850 B2 JP6529850 B2 JP 6529850B2
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Description

本発明は、圧縮装置から供給される高圧のヘリウムを膨張することによって寒冷を発生させる極低温冷凍機、およびその極低温冷凍機の運転方法に関する。   The present invention relates to a cryogenic refrigerator that generates refrigeration by expanding high pressure helium supplied from a compression device, and a method of operating the cryogenic refrigerator.

極低温冷凍機として例えば特許文献1に記載のものがある。ディスプレーサ式の極低温冷凍機は、ディスプレーサをシリンダ内部に移動可能に収容して構成される膨張器を備える。ディスプレーサ式の極低温冷凍機は、シリンダ内部でディスプレーサを往復運動させながら、膨張器内でのヘリウムを膨張させることにより、寒冷を発生する。膨張器で発生したヘリウムの寒冷は、蓄冷器にて蓄積されながら冷却ステージに伝達されて所望の極低温に到達して、冷却ステージに接続された冷却対象を冷却する。   As a cryogenic refrigerator, for example, there is one described in Patent Document 1. The displacer-type cryogenic refrigerator includes an expander configured to movably accommodate the displacer inside the cylinder. The displacer type cryogenic refrigerator generates refrigeration by expanding helium in the expander while reciprocating the displacer inside the cylinder. The cold of the helium generated in the expander is transferred to the cooling stage while being accumulated in the regenerator to reach a desired cryogenic temperature to cool the object to be cooled connected to the cooling stage.

これらの極低温冷凍機は、例えば大気圧下における液体ヘリウムの生成に利用する場合には、通常4[K]程度の寒冷を発生させる。この寒冷の到達温度をさらに下げることができれば、例えばヘリウム超流動転移温度を提供することが可能となる。   These cryogenic refrigerators usually generate about 4 [K] of refrigeration when used for producing liquid helium under atmospheric pressure, for example. If the ultimate temperature of the cold can be further lowered, it is possible to provide, for example, a helium superfluid transition temperature.

特開2006−242484号公報JP, 2006-242484, A

本発明のある目的は、極低温冷凍機が発生する寒冷の到達温度を下げる技術を提供することである。   An object of the present invention is to provide a technique for reducing the ultimate temperature of the refrigeration generated by a cryogenic refrigerator.

上記課題を解決するために、本発明のある態様の極低温冷凍機は、ヘリウムを膨張させることによって4[K]以下の寒冷を発生させる極低温冷凍機であって、高圧のヘリウムを膨張させる膨張器と、膨張器から戻ってきた低圧のヘリウムを圧縮して高圧のヘリウムを生成し、膨張器に供給する圧縮機とを備える。膨張器内のヘリウムの温度が2.17[K]以下のとき、低圧のヘリウムの圧力は、横軸を温度、縦軸を圧力とするヘリウムの状態図において、ヘリウムの体積熱膨張率が0となる曲線の圧力以上である。   In order to solve the above problems, a cryogenic refrigerator according to an embodiment of the present invention is a cryogenic refrigerator which generates refrigeration of 4 [K] or less by expanding helium, and expands helium under high pressure. An expander, and a compressor that compresses low pressure helium returned from the expander to generate high pressure helium and supplies the helium to the expander. When the temperature of helium in the expander is 2.17 [K] or less, the pressure of low pressure helium is the temperature of the horizontal axis and the pressure of the vertical axis of helium, the volumetric thermal expansion coefficient of helium is 0 The pressure of the curve is

本発明の別の態様は、高圧のヘリウムを膨張させる膨張器と、膨張器から戻ってきた低圧のヘリウムを圧縮して高圧のヘリウムを生成して膨張器に供給する圧縮機とを備える極低温冷凍機においてヘリウムを膨張させることによって4[K]以下の寒冷を発生させるの運転方法である。この方法は、膨張器内のヘリウムの温度を検出するステップと、検出した温度が2.17[K]以下のとき、横軸を温度、縦軸を圧力とするヘリウムの状態図において、ヘリウムの体積熱膨張率が0となる曲線の圧力以上に低圧のヘリウムの圧力を設定するステップとを含む。   Another aspect of the present invention is a cryogenic temperature expander comprising: an expander for expanding high pressure helium; and a compressor for compressing low pressure helium returned from the expander to produce high pressure helium to supply the expander. It is an operation method of generating refrigeration of 4 [K] or less by expanding helium in a refrigerator. This method comprises the steps of detecting the temperature of helium in the expander and, when the detected temperature is 2.17 [K] or less, the temperature in the horizontal axis and the pressure in the helium with the vertical axis being the pressure of helium. Setting the pressure of the low pressure helium above the pressure of the curve where the volumetric thermal expansion coefficient is zero.

本発明によれば、極低温冷凍機が発生する寒冷の到達温度を下げる技術を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a technique for lowering the ultimate temperature of the cold generated by the cryogenic refrigerator.

本発明の実施の形態に係る極低温冷凍機を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the cryogenic refrigerator which concerns on embodiment of this invention. 極低温におけるヘリウム4の相を示す状態図である。It is a state diagram which shows the phase of helium 4 in cryogenic temperature. 本発明の実施の形態に係る極低温冷凍機を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the cryogenic refrigerator which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る極低温冷凍機を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the cryogenic refrigerator which concerns on embodiment of this invention.

本発明の実施の形態について図面と共に説明する。   Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明の実施の形態に係る極低温冷凍機1を示す模式図である。実施の形態に係る極低温冷凍機1は、冷媒ガスとしてヘリウム4(He)のヘリウムを用いるギフォードマクマホンタイプの冷凍機である。極低温冷凍機1は、ディスプレーサ2との間に、高圧のヘリウムを膨張させる膨張空間3を形成するシリンダ4と、膨張空間3に隣接するとともに外包するように位置する有底円筒状の冷却ステージ5を備える。冷却ステージ5は、冷却対象とヘリウムとの間の熱交換を行う熱交換器として機能する。以下本明細書において、シリンダ4にディスプレーサ2を収容してヘリウムを膨張させる構成全体を「膨張器50」と総称する。圧縮機12は、膨張器50から戻ってきた低圧のヘリウムを回収し、これを圧縮した後に高圧のヘリウムを膨張器50に供給する。 FIG. 1 is a schematic view showing a cryogenic refrigerator 1 according to an embodiment of the present invention. The cryogenic refrigerator 1 according to the embodiment is a Gifford McMahon type refrigerator using helium helium 4 ( 4 He) as a refrigerant gas. The cryogenic refrigerator 1 has a cylinder 4 which forms an expansion space 3 for expanding high pressure helium between the displacer 2 and a bottomed cylindrical cooling stage adjacent to the expansion space 3 and positioned so as to be enveloped. 5 is provided. The cooling stage 5 functions as a heat exchanger that performs heat exchange between the object to be cooled and helium. Hereinafter, in the present specification, the entire configuration in which the displacer 2 is accommodated in the cylinder 4 and the helium is expanded is generically referred to as “expansion device 50”. The compressor 12 recovers the low pressure helium returned from the expander 50, compresses it, and then supplies the expander 50 with high pressure helium.

ディスプレーサ2は、本体部2aと低温端に備えられた蓋部2bとを含む。蓋部2bは、本体部2aと同一の部材で構成されてもよい。また、蓋部2bは、本体部2aよりも熱伝導率が高い材質で構成されてもよい。そうすると、蓋部2bは、蓋部2b内を流れるヘリウムとの間で熱交換を行なう熱伝導部としても機能する。蓋部2bには、例えば、銅、アルミニウム、ステンレスなど、少なくとも本体部2aよりも熱伝導率の大きな材料が用いられる。冷却ステージ5は、例えば銅、アルミニウム、ステンレス等により構成される。   The displacer 2 includes a main body 2a and a lid 2b provided at the low temperature end. The lid 2 b may be configured of the same member as the main body 2 a. Moreover, the cover part 2b may be comprised with the material whose heat conductivity is higher than the main-body part 2a. Then, the lid 2 b also functions as a heat conducting portion that exchanges heat with the helium flowing in the lid 2 b. For the lid 2b, for example, a material such as copper, aluminum, stainless steel, or the like having a thermal conductivity larger than at least the main body 2a is used. The cooling stage 5 is made of, for example, copper, aluminum, stainless steel or the like.

シリンダ4は、ディスプレーサ2を長手方向に往復移動可能に収容する。シリンダ4には強度、熱伝導率、ヘリウム遮断能などの観点から、例えばステンレス鋼が用いられる。   The cylinder 4 accommodates the displacer 2 so as to be reciprocally movable in the longitudinal direction. For example, stainless steel is used for the cylinder 4 from the viewpoint of strength, thermal conductivity, helium blocking ability, and the like.

ディスプレーサ2の高温端には、ディスプレーサ2を往復駆動する図示しないスコッチヨーク機構が設けられており、ディスプレーサ2はシリンダ4の軸方向にそって往復移動する。   At a high temperature end of the displacer 2, a scotch yoke mechanism (not shown) for reciprocatingly driving the displacer 2 is provided, and the displacer 2 reciprocates along the axial direction of the cylinder 4.

ディスプレーサ2は円筒状の外周面を有しており、ディスプレーサ2の内部には、蓄冷材が充填されている。このディスプレーサ2の内部空間は蓄冷器7を構成する。蓄冷器7の上端側および下端側には、それぞれヘリウムの流れを整流する上端側整流器9および下端側整流器10が設けられている。   The displacer 2 has a cylindrical outer peripheral surface, and the inside of the displacer 2 is filled with a cold storage material. The internal space of the displacer 2 constitutes a regenerator 7. An upper end side rectifier 9 and a lower end side rectifier 10 are provided on the upper end side and the lower end side of the regenerator 7, respectively, for rectifying the flow of helium.

ディスプレーサ2の高温端には、室温室8からディスプレーサ2にヘリウムを流通する上部開口11が形成されている。室温室8は、シリンダ4とディスプレーサ2の高温端により形成される空間であり、ディスプレーサ2の往復移動に伴い容積が変化する。   At the high temperature end of the displacer 2 is formed an upper opening 11 through which helium flows from the room temperature chamber 8 to the displacer 2. The room temperature chamber 8 is a space formed by the cylinder 4 and the high temperature end of the displacer 2, and the volume changes as the displacer 2 reciprocates.

室温室8には、圧縮機12、サプライバルブ13、リターンバルブ14からなる給排気系統を相互に接続する配管のうち、給排共通配管が接続されている。また、ディスプレーサ2の高温端よりの部分とシリンダ4との間にはシール15が装着されている。   Of the pipes connecting the air supply and exhaust system including the compressor 12, the supply valve 13 and the return valve 14 to the room temperature chamber 8, a supply and discharge common pipe is connected. In addition, a seal 15 is mounted between a portion from the high temperature end of the displacer 2 and the cylinder 4.

ディスプレーサ2の低温端には、膨張空間3にヘリウムを導入するヘリウムの吹き出し口16が形成されている。また、ディスプレーサ2の外壁とシリンダ4の内壁との間には、ディスプレーサ2の内部空間と膨張空間3とを結ぶヘリウムの流路となるクリアランスCが設けられている。   At the low temperature end of the displacer 2, a helium outlet 16 for introducing helium into the expansion space 3 is formed. Further, between the outer wall of the displacer 2 and the inner wall of the cylinder 4, a clearance C which is a flow path of helium connecting the inner space of the displacer 2 and the expansion space 3 is provided.

膨張空間3は、シリンダ4とディスプレーサ2により形成される空間であり、ディスプレーサ2の往復移動に伴い容積が変化する。シリンダ4の外周および底部の膨張空間3に対応する位置には、冷却対象に熱的に接続された冷却ステージ5が配置されている。ヘリウムは、ヘリウムの吹き出し口16およびクリアランスCを通って膨張空間3に流入することにより、膨張空間3に供給される。   The expansion space 3 is a space formed by the cylinder 4 and the displacer 2, and the volume changes as the displacer 2 reciprocates. A cooling stage 5 thermally connected to the object to be cooled is disposed at a position corresponding to the expansion space 3 on the outer periphery and bottom of the cylinder 4. Helium is supplied to the expansion space 3 by flowing into the expansion space 3 through the helium outlet 16 and the clearance C.

次に、極低温冷凍機1の動作を説明する。   Next, the operation of the cryogenic refrigerator 1 will be described.

ヘリウム供給工程のある時点においては、ディスプレーサ2は、図1に示すようにシリンダ4の下死点LPに位置する。それと同時、またはわずかにずれたタイミングでサプライバルブ13を開くと、サプライバルブ13を介して高圧のヘリウムが給排共通配管からシリンダ4内に供給される。この結果、ディスプレーサ2の上部に位置する上部開口11から、高圧のヘリウムがディスプレーサ2の内部の蓄冷器7に流入する。蓄冷器7に流入した高圧のヘリウムは、蓄冷材により冷却されながらディスプレーサ2の下部に位置するヘリウムの吹き出し口16およびクリアランスCを介して、膨張空間3に供給される。   At a certain point in the helium supply process, the displacer 2 is located at the bottom dead center LP of the cylinder 4 as shown in FIG. At the same time or when the supply valve 13 is opened at a timing shifted slightly, high pressure helium is supplied from the supply / discharge common pipe into the cylinder 4 through the supply valve 13. As a result, high pressure helium flows into the regenerator 7 inside the displacer 2 from the upper opening 11 located at the top of the displacer 2. The high pressure helium flowing into the regenerator 7 is supplied to the expansion space 3 through the helium outlet 16 and the clearance C located at the lower part of the displacer 2 while being cooled by the regenerator material.

膨張空間3が高圧のヘリウムで満たされると、サプライバルブ13は閉じられる。この時、ディスプレーサ2は、シリンダ4内の上死点UPに位置する。ディスプレーサ2がシリンダ4内の上死点UPに位置すると同時、またはわずかにずれたタイミングでリターンバルブ14を開くと、膨張空間3のヘリウムは減圧され、膨張する。膨張により低温になった膨張空間3のヘリウムは、ヘリウムは冷却ステージ5の熱を吸収する。   When the expansion space 3 is filled with high pressure helium, the supply valve 13 is closed. At this time, the displacer 2 is located at the top dead center UP in the cylinder 4. The helium in the expansion space 3 is depressurized and expanded when the return valve 14 is opened at the same time or when the displacer 2 is located at the top dead center UP in the cylinder 4 or at a timing shifted slightly. The helium in the expansion space 3, which has become low temperature due to expansion, absorbs the heat of the cooling stage 5.

ディスプレーサ2は下死点LPに向けて移動し、膨張空間3の容積は減少する。膨張空間3内のヘリウムは、ヘリウムの吹き出し口16およびクリアランスCを通ってディスプレーサ2内に回収される。このときも、ヘリウムは冷却ステージ5の熱を吸収する。膨張空間3から蓄冷器7に戻ったヘリウムは、蓄冷器7内の蓄冷材も冷却する。ディスプレーサ2に回収されたヘリウムはさらに、蓄冷器7、上部開口11を介して圧縮機12の吸入側に戻される。以上の工程を1サイクルとし、極低温冷凍機1はこの冷却サイクルを繰り返すことで、冷却ステージ5を冷却する。   The displacer 2 moves toward the bottom dead center LP, and the volume of the expansion space 3 decreases. The helium in the expansion space 3 is collected in the displacer 2 through the helium outlet 16 and the clearance C. Also at this time, helium absorbs the heat of the cooling stage 5. The helium returned from the expansion space 3 to the regenerator 7 also cools the regenerator material in the regenerator 7. The helium recovered by the displacer 2 is further returned to the suction side of the compressor 12 through the regenerator 7 and the upper opening 11. The above steps are one cycle, and the cryogenic refrigerator 1 cools the cooling stage 5 by repeating this cooling cycle.

以上説明したように、実施の形態に係る極低温冷凍機1においては、膨張器50を構成するシリンダ4内でディスプレーサ2が往復移動することで膨張空間3内のヘリウムが膨張し、寒冷が発生する。   As described above, in the cryogenic refrigerator 1 according to the embodiment, the helium in the expansion space 3 expands due to the reciprocal movement of the displacer 2 in the cylinder 4 constituting the expander 50, and the cold is generated. Do.

ここで、大気圧下におけるヘリウムの沸点である約4.2[K]の寒冷を発生させるためには、圧縮機12の運転圧力の高圧側を25[bar]とし、低圧側を8[bar]とすると効率がよい。すなわち、膨張器50内で25[bar]のヘリウムを8[bar]となるまで膨張させる冷却サイクルを繰り返すことで、極低温冷凍機1は、大気圧下におけるヘリウムが液化する約4[K]の寒冷を効率よく発生することができる。   Here, in order to generate refrigeration of about 4.2 [K] which is the boiling point of helium under atmospheric pressure, the high pressure side of the operating pressure of the compressor 12 is 25 [bar] and the low pressure side is 8 [bar] ] And efficiency is good. That is, by repeating the cooling cycle of expanding the helium of 25 [bar] to 8 [bar] in the expander 50, the cryogenic refrigerator 1 converts the helium under atmospheric pressure to about 4 [K] Can be generated efficiently.

続いて、4[K]以下の極低温におけるヘリウム4の物性について説明する。ヘリウムは、同位体としてヘリウム4(He)とヘリウム3(He)とが存在するが、両者は極低温における物性が異なる。以下ではヘリウムがヘリウム4であることを前提として説明する。 Subsequently, physical properties of helium 4 at a cryogenic temperature of 4 [K] or less will be described. Helium contains helium 4 ( 4 He) and helium 3 ( 3 He) as isotopes, but the two differ in physical properties at extremely low temperatures. The following description is based on the premise that helium is helium 4.

図2は、極低温におけるヘリウム4の相を示す状態図である。図2は、米国Horizon Technologies社のHePak(version 3.40)を用いて生成した図である。   FIG. 2 is a phase diagram showing the phase of helium 4 at cryogenic temperatures. FIG. 2 is a diagram generated using HePak (version 3.40) of Horizon Technologies, Inc., USA.

図2には、横軸を温度T[K]、縦軸を圧力P[bar]とするヘリウムの状態図である。図2において、ヘリウムの温度の範囲は1.7[K]から2.4[K]であり、圧力の範囲は0[bar]から40[bar]である。図2においてmで示す破線は、ヘリウムの融解曲線である。またλで示す破線はλ線(lambda line)である。ヘリウムの温度および圧力がλ線よりも下側となると、ヘリウムは超流動状態(superfluidity)となる。   FIG. 2 is a phase diagram of helium in which the horizontal axis represents temperature T [K] and the vertical axis represents pressure P [bar]. In FIG. 2, the temperature range of helium is 1.7 [K] to 2.4 [K], and the pressure range is 0 [bar] to 40 [bar]. The broken line indicated by m in FIG. 2 is a melting curve of helium. The broken line indicated by λ is a λ line (lambda line). When the temperature and pressure of the helium are below the λ line, the helium becomes superfluidity.

図2において、αで示す破線は、ヘリウムの体積熱膨張率(volumetric thermal expansion coefficient)αが0となる曲線を示す。以下本明細書において、図2に示す状態図においてヘリウムの体積熱膨張率が0となる曲線を、便宜上「α曲線」と記載する。   In FIG. 2, the broken line indicated by α indicates a curve in which the volumetric thermal expansion coefficient α of helium is zero. In the following specification, in the phase diagram shown in FIG. 2, a curve in which the volumetric thermal expansion coefficient of helium is zero is referred to as “α curve” for convenience.

図2において、α曲線よりも上側の領域は、ヘリウムの体積熱膨張率αが正の値を取る領域である。また、α曲線よりも下の領域は、ヘリウムの体積熱膨張率αが負の値を取る領域である。ヘリウムの温度および圧力がα曲線よりも上側にあるとき、ヘリウムを断熱膨張させるとヘリウムの温度は低下する。これに対し、ヘリウムの温度および圧力がα曲線よりも下側にあるとき、ヘリウムを断熱膨張させるとヘリウムの温度は上昇する。   In FIG. 2, an area above the α curve is an area where the volumetric thermal expansion coefficient α of helium takes a positive value. Further, a region below the α curve is a region where the volumetric thermal expansion coefficient α of helium takes a negative value. Adiabatic expansion of helium lowers the temperature of helium when the temperature and pressure of helium are above the alpha curve. On the other hand, when the temperature and pressure of helium are below the α curve, the adiabatic expansion of helium raises the temperature of helium.

図2において、数字とともに示される実線は、ヘリウムの等エントロピー曲線を示す。各数字は、ヘリウムの単位質量あたりのエントロピーs[J/gK]を示す。例えば圧力が24[bar]で温度が2.09[K]となるヘリウムの単位質量あたりのエントロピーsは1.407[J/gK]となる。ヘリウムが断熱膨張するとき、ヘリウムの温度および圧力は、等エントロピー曲線に沿って変化する。   In FIG. 2, the solid lines shown with numbers indicate helium isentropic curves. Each number shows the entropy s [J / gK] per unit mass of helium. For example, the entropy s per unit mass of helium at a pressure of 24 [bar] and a temperature of 2.09 [K] is 1.407 [J / g K]. When helium adiabatically expands, the temperature and pressure of the helium change along the isentropic curve.

ヘリウムの沸点は、1気圧(およそ1[bar])において、およそ4.2[K]である。1[bar]のヘリウムは、4.2[K]以下となると液体ヘリウムとなる。1[bar]、4.2[K]のヘリウムを減圧し、蒸気圧をおよそ0.05[bar]まで下げると、ヘリウムの温度はおよそ2.17[K]となる。このとき、ヘリウムは超流動状態に転移する。すなわち、ヘリウムの超流動転移温度は飽和蒸気圧においておよそ2.17[K]である。   The boiling point of helium is approximately 4.2 [K] at 1 atm (approximately 1 [bar]). When 1 bar of helium becomes 4.2 [K] or less, it becomes liquid helium. When 1 [bar] and 4.2 [K] of helium are depressurized and the vapor pressure is reduced to about 0.05 [bar], the temperature of helium becomes about 2.17 [K]. At this time, helium transfers to a superfluid state. That is, the superfluid transition temperature of helium is approximately 2.17 [K] at saturated vapor pressure.

図2に示すように、ヘリウムのλ線は状態図において右肩下がりの負の傾きを持つ曲線である。これは、ヘリウムの圧力が高くなると、超流動転移温度が低下することを意味する。したがって、ヘリウムを超流動状態に転移するためには、最低でも2.17[K]の寒冷が必要である。以下、本明細書において特に区別する場合を除き、「超流動温度域」は、ヘリウムを超流動状態に転移させるために最低限必要な温度である2.17[K]以下の温度領域を意味することとする。   As shown in FIG. 2, the λ line of helium is a curve having a negative slope falling to the right in the state diagram. This means that as the pressure of helium increases, the superfluid transition temperature decreases. Therefore, in order to transfer helium to a superfluid state, a minimum of 2.17 [K] of refrigeration is required. Hereinafter, the “superfluid temperature range” means a temperature range of 2.17 [K] or less, which is the minimum temperature required to transfer helium to the superfluid state, unless otherwise specified in the present specification. I decided to.

図2から明らかなように、超流動温度域においてヘリウムを断熱膨張させる場合、ヘリウムの温度は、等エントロピー曲線とα曲線との交点における温度未満には下がらない。すなわち、図2に示すヘリウムの状態図において、等エントロピー曲線とα曲線との交点における温度は、ヘリウムが断熱膨張するときに到達する温度の下限値を示す。   As apparent from FIG. 2, when helium is adiabatically expanded in the superfluidization temperature range, the temperature of helium does not fall below the temperature at the intersection of the isentropic curve and the α curve. That is, in the phase diagram of helium shown in FIG. 2, the temperature at the intersection of the isentropic curve and the α curve indicates the lower limit value of the temperature reached when helium adiabatically expands.

図2から明らかなように、α曲線はλ曲線の上側にあり、λ曲線と交わることはない。このことは、超流動温度域においてヘリウムを減圧して断熱膨張させると、ヘリウムがλ転移して超流動状態となる前に、ヘリウムは最低温度に到達することを意味する。つまり、ヘリウムがλ転移する直前まで減圧すると、ヘリウムの温度は最低温度に到達した後に上昇することを意味する。したがって、超流動温度域においてヘリウムを断熱膨張させる場合には、膨張空間3におけるヘリウムの圧力が等エントロピー曲線とα曲線との交点の圧力未満とならないように、減圧を制御する。これにより、断熱膨張によるヘリウムの温度上昇が抑制でき、冷却効率を高めることができる。   As apparent from FIG. 2, the α curve is on the upper side of the λ curve and does not intersect with the λ curve. This means that when the helium is depressurized and adiabatically expanded in the superfluid temperature region, the helium reaches the minimum temperature before the λ transitions to the superfluid state. In other words, if the pressure is reduced to just before the λ transition of helium, it means that the temperature of the helium rises after reaching the minimum temperature. Therefore, in the case of adiabatically expanding helium in the superfluid temperature region, the pressure reduction is controlled so that the pressure of helium in the expansion space 3 is not less than the pressure at the intersection of the isentropic curve and the α curve. Thereby, the temperature rise of the helium by adiabatic expansion can be suppressed, and a cooling efficiency can be improved.

またα曲線は、λ曲線と同様に、図2に示すヘリウムの状態図において右肩下がりの負の傾きを持つ曲線となる。これは、ヘリウムのエントロピーが小さくなると、等エントロピー曲線とα曲線との交点における圧力が上昇することを意味する。膨張空間3内で断熱膨張すると、ヘリウムの温度が下がり、ヘリウムの単位質量あたりのエントロピーも小さくなる。したがって、超流動温度域でヘリウムが冷却サイクルを繰り返すにしたがってヘリウムのエントロピーが小さくなり、等エントロピー曲線とα曲線との交点における圧力が上昇する。   Also, the α curve, like the λ curve, is a curve having a negative slope falling to the right in the phase diagram of helium shown in FIG. This means that the pressure at the intersection of the isentropic curve and the α curve increases as the entropy of helium decreases. Adiabatic expansion in the expansion space 3 lowers the temperature of helium and reduces the entropy per unit mass of helium. Therefore, as the helium repeats the cooling cycle in the superfluid temperature region, the entropy of the helium decreases and the pressure at the intersection of the isentropic curve and the α curve increases.

したがって、極低温冷凍機1が目標とする最低到達温度をもとに、その温度におけるヘリウムのエントロピーを算出する。膨張空間3内のヘリウムの温度を検出し、少なくとも検出した温度が2.17[K]以下のときは、圧縮機12の運転圧力の低圧側の圧力を、算出したエントロピーにおける等エントロピー曲線とα曲線との交点における圧力以上に設定する。これにより、膨張空間3内の低圧のヘリウムの圧力は、図2に示す状態図において、ヘリウムのα曲線の上側を変動することになる。ヘリウムの圧力は等エントロピー曲線とα曲線との交点における圧以上となるので、ヘリウムの断熱膨張によってヘリウムの温度が上昇することが抑制できる。結果として、極低温冷凍機1の超流動温度域における冷却効率を高めることができる。なお、膨張空間3内のヘリウムの温度を直接検出することが困難な場合には、冷却ステージ5の温度を測定し、測定した温度を膨張空間3内のヘリウムの温度と見なしてもよい。   Therefore, the entropy of helium at the temperature is calculated based on the lowest temperature reached by the cryogenic refrigerator 1. The temperature of helium in the expansion space 3 is detected, and at least when the detected temperature is 2.17 [K] or less, the pressure on the low pressure side of the operating pressure of the compressor 12 is calculated by the isentropic curve and α in the calculated entropy The pressure is set equal to or higher than the pressure at the intersection with the curve. As a result, the pressure of low pressure helium in the expansion space 3 fluctuates on the upper side of the helium α curve in the state diagram shown in FIG. Since the pressure of helium is equal to or higher than the pressure at the intersection of the isentropic curve and the α curve, the adiabatic expansion of helium can suppress the temperature rise of helium. As a result, the cooling efficiency in the superfluid temperature range of the cryogenic refrigerator 1 can be enhanced. If it is difficult to directly detect the temperature of helium in the expansion space 3, the temperature of the cooling stage 5 may be measured, and the measured temperature may be regarded as the temperature of helium in the expansion space 3.

あるいは、膨張空間3内のヘリウムの温度が2.17[K]以下のときは、ヘリウムの温度に応じて圧縮機12の運転圧力の低圧側の圧力の設定値を適応的に変更してもよい。より具体的には、図2に示す状態図において、ヘリウムの温度に応じて定まるエントロピーに応じた等エントロピー曲線とα曲線との交点の圧力を、圧縮機12の運転圧力の低圧側の圧力の設定値とすればよい。これにより、膨張空間3内のヘリウムの温度が高いときは圧縮機12の運転圧力の低圧側の圧力の設定値が低くなり、膨張空間3内でより低い温度の寒冷を発生させることができる。   Alternatively, when the temperature of helium in the expansion space 3 is 2.17 [K] or less, the setting value of the pressure on the low pressure side of the operating pressure of the compressor 12 is adaptively changed according to the temperature of helium. Good. More specifically, in the state diagram shown in FIG. 2, the pressure at the intersection of the isentropic curve and the .alpha. Curve according to the entropy determined according to the temperature of helium is determined by the pressure on the low pressure side of the operating pressure of the compressor 12. It may be a set value. As a result, when the temperature of helium in the expansion space 3 is high, the set value of the pressure on the low pressure side of the operating pressure of the compressor 12 becomes low, and cold of lower temperature can be generated in the expansion space 3.

限定はしない例として、圧縮機12の低温側の圧力を15[bar]とする。この場合、膨張空間3内のヘリウムは、低くても15[bar]以上となる。図2に示すα曲線において、圧力が15[bar]の場合、温度はおよそ2.06[K]となる。すなわち、圧縮機12の低温側の圧力を15[bar]とすることで、極低温冷凍機1が発生する寒冷の最低到達温度が2.06[K]となる。この温度はヘリウムを超流動状態に転移するために必要な最低温度である2.17[K]よりも0.1[K]以上低い。このため、極低温冷凍機1を、ヘリウムを超流動状態に転移させるための冷凍機として安定的に利用することができる。   As a non-limiting example, the pressure on the low temperature side of the compressor 12 is 15 [bar]. In this case, helium in the expansion space 3 is at least 15 [bar] or more. In the α curve shown in FIG. 2, when the pressure is 15 [bar], the temperature is approximately 2.06 [K]. That is, by setting the pressure on the low temperature side of the compressor 12 to 15 [bar], the lowest achieved temperature of the cold generated by the cryogenic refrigerator 1 becomes 2.06 [K]. This temperature is 0.1 [K] or more lower than 2.17 [K] which is the minimum temperature required to transfer helium to the superfluid state. Therefore, the cryogenic refrigerator 1 can be stably used as a refrigerator for transferring helium to a superfluid state.

極低温冷凍機1はヘリウムを液化させる用途に用いられる場合も多い。上述したように、圧縮機12の運転圧力の高圧側を25[bar]とすると、大気圧下におけるヘリウムの沸点である約4.2[K]の寒冷を効率よく発生することができる。このため、既存の圧縮機の運転圧力の高圧側は25[bar]程度に設定されている場合が多く、極低温冷凍機1全体としても、25[bar]程度の耐圧設計がなされている場合が多い。   The cryogenic refrigerator 1 is often used for liquefying helium. As described above, when the high pressure side of the operating pressure of the compressor 12 is 25 [bar], refrigeration of about 4.2 [K] which is the boiling point of helium under atmospheric pressure can be efficiently generated. For this reason, in many cases the high pressure side of the operating pressure of the existing compressor is set to about 25 [bar], and even when the cryogenic refrigerator 1 as a whole is designed to withstand about 25 [bar] There are many.

一般に、極低温冷凍機1において圧縮機12の低圧側の圧力と高圧側の圧力との差圧が小さいと、極低温冷凍機1の運転効率が下がる。圧縮機12の運転圧力の高圧側が25[bar]程度に設定されている既存の極低温冷凍機1を用いる場合、圧縮機12の低圧側の圧力を15[bar]としても、その差圧は10[bar]ある。このため、極低温冷凍機1の運転効率も実用の範囲であると考えられる。したがって、圧縮機12の低圧側の圧力を15[bar]とすることにより、極低温冷凍機1の耐圧設計を変更しなくても、ヘリウムを超流動状態に転移させるために十分な寒冷を発生することができる。   In general, when the differential pressure between the pressure on the low pressure side of the compressor 12 and the pressure on the high pressure side of the cryogenic refrigerator 1 is small, the operating efficiency of the cryogenic refrigerator 1 is reduced. When using the existing cryogenic refrigerator 1 in which the high pressure side of the operating pressure of the compressor 12 is set to about 25 [bar], even if the pressure on the low pressure side of the compressor 12 is 15 [bar], the differential pressure is There are 10 [bar]. For this reason, the operating efficiency of the cryogenic refrigerator 1 is also considered to be in the practical range. Therefore, by setting the pressure on the low pressure side of the compressor 12 to 15 [bar], sufficient refrigeration is generated to transfer helium to the superfluid state without changing the pressure design of the cryogenic refrigerator 1 can do.

限定しない別の例として、圧縮機12の低圧側の圧力を25[bar]としてもよい。この場合、膨張空間3内のヘリウムは、低くても25[bar]以上となる。図2に示すα曲線において、圧力が25[bar]の場合、温度はおよそ1.93[K]となる。この場合、極低温冷凍機1は2[K]を下回る寒冷を発生させることができることになり、より安定してヘリウムの超流動転移温度を提供することができる。   As another non-limiting example, the pressure on the low pressure side of the compressor 12 may be 25 [bar]. In this case, helium in the expansion space 3 is at least 25 [bar] or more. In the α curve shown in FIG. 2, when the pressure is 25 [bar], the temperature is approximately 1.93 [K]. In this case, the cryogenic refrigerator 1 can generate refrigeration below 2 [K], and can more stably provide the superfluid transition temperature of helium.

圧縮機12の低圧側の圧力を25[bar]に設定する場合、高圧側の圧力は25[bar]以上に設定する。極低温冷凍機1の運転効率を高めるためには、圧縮機12の高圧側の圧力は低圧側の圧力よりも十分高い方が好ましい。しかしながら、圧縮機12の高圧側の圧力を高くしすぎると、ヘリウムの圧力も上昇し、温度にかかわらずヘリウムが固体となってしまう。   When the pressure on the low pressure side of the compressor 12 is set to 25 [bar], the pressure on the high pressure side is set to 25 [bar] or more. In order to enhance the operation efficiency of the cryogenic refrigerator 1, it is preferable that the pressure on the high pressure side of the compressor 12 be sufficiently higher than the pressure on the low pressure side. However, if the pressure on the high pressure side of the compressor 12 is too high, the pressure of the helium also increases, and the helium becomes solid regardless of the temperature.

上述したように、図2に示す状態図において、mで示す破線はヘリウムの融解曲線である。図2に示す状態図においてヘリウムの温度および圧力が融解曲線よりも上にある場合、ヘリウムは固体となる。したがって、極低温冷凍機1を動作させるために、ヘリウムの圧力が状態図におけるヘリウムの融解曲線以下となるように、圧縮機12の高圧側の圧力を設定する。   As described above, in the phase diagram shown in FIG. 2, the broken line indicated by m is the melting curve of helium. If the temperature and pressure of the helium are above the melting curve in the phase diagram shown in FIG. 2, then the helium becomes solid. Therefore, in order to operate the cryogenic refrigerator 1, the pressure on the high pressure side of the compressor 12 is set so that the pressure of helium is less than or equal to the melting curve of helium in the phase diagram.

限定しない例として、圧縮機12の高圧側の圧力は35[bar]とする。この場合、膨張空間3内のヘリウムは、高くても35[bar]以下となる。図2に示すヘリウムの融解曲線において、圧力が35[bar]の場合、温度はおよそ1.91[K]となる。圧力が35[bar]において温度が1.91[K]となるヘリウムの単位質量あたりのエントロピーsは、およそ1.25[J/gK]である。図2に示す状態図において、単位質量あたりのエントロピーsが1.25[J/gK]である等エントロピー曲線は、およそ1.82[K]、28[bar]の点でα曲線と交差する。したがって、圧縮機12の低圧側の圧力を28[bar]とすることにより、極低温冷凍機1は、1.9[K]以下の寒冷を発生させることができるようになる。また、ヘリウムが固体となることも抑制できる。   As a non-limiting example, the pressure on the high pressure side of the compressor 12 is 35 [bar]. In this case, helium in the expansion space 3 is at most 35 [bar] or less. In the melting curve of helium shown in FIG. 2, when the pressure is 35 [bar], the temperature is approximately 1.91 [K]. Entropy s per unit mass of helium at a pressure of 35 [bar] and a temperature of 1.91 [K] is about 1.25 [J / g K]. In the phase diagram shown in FIG. 2, the isentropic curve whose entropy s per unit mass is 1.25 [J / gK] intersects the α curve at a point of approximately 1.82 [K] and 28 [bar]. . Therefore, by setting the pressure on the low pressure side of the compressor 12 to 28 [bar], the cryogenic refrigerator 1 can generate refrigeration of 1.9 [K] or less. In addition, it can also be suppressed that helium becomes solid.

次に、図2に示すヘリウムの状態図における、α曲線を表す式について説明する。   Next, an equation representing an α curve in the phase diagram of helium shown in FIG. 2 will be described.

ヘリウムを断熱膨張させるとき、すなわちヘリウムのエントロピーを一定に保ちながら減圧させるとき、ヘリウムの温度は圧力に依存して変化する。図2に示すように、超流動温度域においては、ヘリウムの温度は圧力に対して極小値を持つ。これは、ヘリウムの温度をT[K]、圧力をP[bar]、単位質量あたりのエントロピーをs[J/gK]とするとき、超流動温度域においては∂T/∂P=0となる圧力Pが存在することを意味する。また、このときのヘリウムの温度をTとする。 When helium is adiabatically expanded, i.e., depressurized while keeping the entropy of helium constant, the temperature of helium changes depending on the pressure. As shown in FIG. 2, in the superfluidization temperature range, the temperature of helium has a local minimum value with respect to pressure. This is ∂T / ∂P = 0 in the superfluid temperature region, where T [K] is the temperature of helium, P [bar] is the pressure, and s [J / gK] is the entropy per unit mass. It means that the pressure P 0 is present. Also, let the temperature of helium at this time be T 0 .

超流動温度域において∂T/∂P=0となる圧力Pは、ヘリウムの単位質量あたりのエントロピーsに応じて変化する。したがって、圧力Pは、ヘリウムの単位質量あたりのエントロピーsの関数としてP(s)と表すことができる。同様に、∂T/∂P=0となるときのヘリウムの温度Tも、ヘリウムの単位質量あたりのエントロピーsの関数として、T(s)として表される。以上より、α曲線は、ヘリウムの単位質量あたりのエントロピーsを媒介変数として、図2に示すヘリウムの状態図において点(T(s),P(s))と表すことができる。すなわち、α曲線は、ヘリウムの単位質量あたりのエントロピーsを変化させたとき、点(T(s),P(s))が描く軌跡として表される。 The pressure P 0 at which ∂T / ∂P = 0 in the superfluidization temperature region changes in accordance with the entropy s per unit mass of helium. Thus, the pressure P 0 can be expressed as P 0 (s) as a function of the entropy s per unit mass of helium. Similarly, the temperature T 0 of helium when ∂T / ∂P = 0 is also expressed as T 0 (s) as a function of the entropy s per unit mass of helium. From the above, the α curve can be represented as a point (T 0 (s), P 0 (s)) in the helium phase diagram shown in FIG. 2 with the entropy s per unit mass of helium as a parameter. That is, the α curve is expressed as a locus drawn by points (T 0 (s), P 0 (s)) when the entropy s per unit mass of helium is changed.

α曲線は、偏微分を用いると以下の式のようになる。

Figure 0006529850
図2より、ヘリウムの単位質量あたりのエントロピーsは、およそ1.2[J/gK]<s<1.6[J/gK]の間を変化する。 The α curve is expressed by the following equation using partial differentiation.
Figure 0006529850
From FIG. 2, the entropy s per unit mass of helium changes between approximately 1.2 [J / gK] <s <1.6 [J / gK].

上記の式は、図2に示すヘリウムの状態図において、超流動温度域におけるヘリウムガスの圧力変化に対する温度勾配が0となる点を、ヘリウムガスの単位質量あたりのエントロピーsを変化させながら描画した軌跡を表す。α曲線は、超流動温度域においてヘリウムガスを断熱膨張させたときに、ヘリウムガスが到達可能な最低温度を与える曲線である。   In the above equation, in the phase diagram of helium shown in FIG. 2, the point at which the temperature gradient with respect to pressure change of helium gas in the superfluidization temperature region is 0 is drawn while changing the entropy s per unit mass of helium gas Represents a locus. The α curve is a curve that gives the lowest temperature that helium gas can reach when adiabatically expanding helium gas in the superfluidization temperature range.

以上説明したように、実施の形態に係る極低温冷凍機1は、ヘリウムの膨張で発生する寒冷の到達温度を下げることができる。   As explained above, the cryogenic refrigerator 1 according to the embodiment can lower the ultimate temperature of the cold generated by the expansion of helium.

特に、実施の形態に係る極低温冷凍機1によれば、ヘリウム4の超流動転移温度である2.17[K]以下の寒冷を安定して発生できる。このため、実施の形態に係る極低温冷凍機は、ヘリウム4を超流動転移させるための冷凍機としても利用しうる。ヘリウム3を用いてこの温度領域の寒冷を発生させる冷凍機が存在するが、ヘリウム4はヘリウム3と比較して非常にコストが低い。したがって、実施の形態に係る極低温冷凍機1は、ヘリウム4の超流動転移温度を低コストで提供することができる。   In particular, the cryogenic refrigerator 1 according to the embodiment can stably generate cold of 2.17 [K] or less, which is the superfluid transition temperature of helium 4. Therefore, the cryogenic refrigerator according to the embodiment can also be used as a refrigerator for performing superfluid transfer of helium 4. There are refrigerators that use helium 3 to generate refrigeration in this temperature range, but helium 4 is much less expensive than helium 3. Therefore, the cryogenic refrigerator 1 according to the embodiment can provide the superfluid transition temperature of helium 4 at low cost.

図3は、本発明の実施の形態に係る極低温冷凍機60を示す模式図である。極低温冷凍機60は、膨張器62、圧縮機64、ヘリウムガスライン66、ヘリウムタンク部68、及びヘリウムタンク制御部70を備える。極低温冷凍機60は二段式の冷凍機であり、従って膨張器62は、一段冷却部72及び二段冷却部74を有する。二段冷却部74は、二段ヘリウム膨張室76と、二段ヘリウム膨張室76を外包する二段熱交換器78または二段冷却ステージと、を備える。   FIG. 3 is a schematic view showing a cryogenic refrigerator 60 according to the embodiment of the present invention. The cryogenic refrigerator 60 includes an expander 62, a compressor 64, a helium gas line 66, a helium tank unit 68, and a helium tank control unit 70. The cryogenic refrigerator 60 is a two-stage refrigerator, so the expander 62 has a single-stage cooler 72 and a two-stage cooler 74. The two-stage cooling unit 74 includes a two-stage helium expansion chamber 76 and a two-stage heat exchanger 78 or a two-stage cooling stage that encloses the two-stage helium expansion chamber 76.

ヘリウムガスライン66は、膨張器62から圧縮機64へと低圧のヘリウムを回収し圧縮機64から膨張器62へと高圧のヘリウムを供給するよう膨張器62を圧縮機64に連結する。圧縮機64の低圧側圧力を以下では圧縮機64の運転低圧ともいう。ヘリウムガスライン66は、サプライバルブ80及びリターンバルブ82を含むバルブ部84を備える。また、ヘリウムガスライン66は、低圧配管86、高圧配管88、及び給排共通配管90を備える。低圧配管86は、リターンバルブ82を圧縮機64の低圧ポートに連結する。高圧配管88は、サプライバルブ80を圧縮機64の高圧ポートに連結する。給排共通配管90は、バルブ部84を一段冷却部72の室温室に連結する。   The helium gas line 66 couples the expander 62 to the compressor 64 so as to recover low pressure helium from the expander 62 to the compressor 64 and to supply high pressure helium from the compressor 64 to the expander 62. The low pressure side pressure of the compressor 64 is hereinafter also referred to as the operating low pressure of the compressor 64. The helium gas line 66 includes a valve unit 84 including a supply valve 80 and a return valve 82. The helium gas line 66 further includes a low pressure pipe 86, a high pressure pipe 88, and a common supply / discharge pipe 90. Low pressure piping 86 connects return valve 82 to the low pressure port of compressor 64. A high pressure line 88 connects the supply valve 80 to the high pressure port of the compressor 64. The common supply and discharge piping 90 connects the valve unit 84 to the room temperature chamber of the one-stage cooling unit 72.

ヘリウムタンク部68は、極低温冷凍機60にヘリウムを供給するよう極低温冷凍機60に連結されている。ヘリウムタンク部68は、ヘリウムタンク92と、ヘリウムタンク92を極低温冷凍機60のヘリウムガスライン66に連結する連結配管94と、連結配管94に設置されたバルブ96と、を備える。   The helium tank portion 68 is connected to the cryogenic refrigerator 60 so as to supply helium to the cryogenic refrigerator 60. The helium tank portion 68 includes a helium tank 92, a connecting pipe 94 connecting the helium tank 92 to the helium gas line 66 of the cryogenic refrigerator 60, and a valve 96 installed in the connecting pipe 94.

ヘリウムタンク92は、所定の圧力を有するヘリウムガスを蓄えるよう構成されている圧力容器である。ヘリウムタンク92の圧力及び容積は、ヘリウムタンク92からヘリウムガスライン66へのヘリウム供給によって圧縮機64の運転低圧が目標圧力に増加されるように設計されている。目標圧力は、上述の超流動温度域またはその近傍温度においてα曲線から定められる圧力値以上である。例えば、ヘリウムタンク92は、超流動温度域またはその近傍温度において圧縮機64の運転低圧を初期の運転低圧(例えば、8[bar])から15[bar]以上へと増加するように設計されている。   The helium tank 92 is a pressure vessel configured to store helium gas having a predetermined pressure. The pressure and volume of the helium tank 92 are designed such that the operating low pressure of the compressor 64 is increased to the target pressure by the helium supply from the helium tank 92 to the helium gas line 66. The target pressure is equal to or higher than the pressure value determined from the α curve at or near the above-mentioned superfluidization temperature range. For example, the helium tank 92 is designed to increase the operating low pressure of the compressor 64 from the initial operating low pressure (e.g., 8 [bar]) to 15 [bar] or higher at or near the superfluid temperature range There is.

バルブ96は、連結配管94のヘリウムガス流れを制御するよう構成されている。バルブ96は、ヘリウムタンク制御部70から入力されるバルブ制御信号Vに従って制御される。つまりバルブ96はバルブ制御信号Vに従って開閉され、または開度が調節される。バルブ96は、バルブ制御信号Vを受信するようヘリウムタンク制御部70と通信可能に接続されている。   The valve 96 is configured to control the flow of helium gas in the connection pipe 94. The valve 96 is controlled in accordance with a valve control signal V input from the helium tank control unit 70. That is, the valve 96 is opened and closed or the opening degree is adjusted in accordance with the valve control signal V. The valve 96 is communicably connected to the helium tank control unit 70 to receive a valve control signal V.

バルブ96が開放されるとヘリウムタンク92は連結配管94を通じてヘリウムガスライン66に連通され、ヘリウムタンク92とヘリウムガスライン66との間のヘリウムガス流れが許容される。バルブ96が閉鎖されるとヘリウムタンク92はヘリウムガスライン66から切断され、ヘリウムタンク92とヘリウムガスライン66との間のヘリウムガス流れが遮断される。   When the valve 96 is opened, the helium tank 92 is in communication with the helium gas line 66 through the connection pipe 94, and helium gas flow between the helium tank 92 and the helium gas line 66 is permitted. When the valve 96 is closed, the helium tank 92 is disconnected from the helium gas line 66 and the helium gas flow between the helium tank 92 and the helium gas line 66 is shut off.

ヘリウムタンク部68は、圧縮機64の低圧側に連結されている。連結配管94は、ヘリウムタンク92を低圧配管86に連結する。ヘリウムタンク圧が圧縮機64の運転低圧より高ければ、バルブ96が開かれているときヘリウムタンク92から極低温冷凍機60にヘリウムが供給される。ヘリウムタンク圧が圧縮機64の運転低圧より低ければ、バルブ96が開かれているとき極低温冷凍機60からヘリウムタンク92にヘリウムが回収される。したがって、ヘリウムタンク部68を圧縮機64の低圧側に連結することによって、ヘリウムタンク圧を比較的低くすることができる。これは、ヘリウムタンク92の構造の簡素化と重量低減に役立つ。   The helium tank portion 68 is connected to the low pressure side of the compressor 64. The connecting pipe 94 connects the helium tank 92 to the low pressure pipe 86. If the helium tank pressure is higher than the operating low pressure of the compressor 64, helium is supplied from the helium tank 92 to the cryogenic refrigerator 60 when the valve 96 is open. If the helium tank pressure is less than the operating low pressure of the compressor 64, helium is recovered from the cryogenic refrigerator 60 to the helium tank 92 when the valve 96 is open. Therefore, by connecting the helium tank portion 68 to the low pressure side of the compressor 64, the helium tank pressure can be made relatively low. This helps to simplify the structure of the helium tank 92 and reduce its weight.

なお、ヘリウムタンク部68は、圧縮機64の高圧側に連結されてもよい。この場合、ヘリウムタンク92から極低温冷凍機60にヘリウムを供給するためには、ヘリウムタンク圧は圧縮機64の高圧側圧力よりも高くなければならない。   The helium tank portion 68 may be connected to the high pressure side of the compressor 64. In this case, in order to supply helium from the helium tank 92 to the cryogenic refrigerator 60, the helium tank pressure must be higher than the high pressure side pressure of the compressor 64.

極低温冷凍機60は、二段ヘリウム膨張室76及び/または二段熱交換器78の温度を測定する二段温度センサ98を備える。二段温度センサ98は、膨張器62の二段熱交換器78に取り付けられている。二段温度センサ98は、測定温度T2をヘリウムタンク制御部70に出力するようヘリウムタンク制御部70と通信可能に接続されている。   The cryogenic refrigerator 60 includes a two-stage temperature sensor 98 that measures the temperature of the two-stage helium expansion chamber 76 and / or the two-stage heat exchanger 78. The two-stage temperature sensor 98 is attached to the two-stage heat exchanger 78 of the expander 62. The two-stage temperature sensor 98 is communicably connected to the helium tank control unit 70 so as to output the measured temperature T 2 to the helium tank control unit 70.

ヘリウムタンク制御部70は、二段ヘリウム膨張室76及び/または二段熱交換器78の温度に基づいてヘリウムタンク部68から極低温冷凍機60へのヘリウムの供給を開始するようヘリウムタンク部68を制御するよう構成されている。   The helium tank control unit 70 starts the supply of helium from the helium tank unit 68 to the cryogenic refrigerator 60 based on the temperature of the two-stage helium expansion chamber 76 and / or the two-stage heat exchanger 78. Are configured to control the

ヘリウムタンク制御部70は、温度比較部100と、バルブ制御部102と、を備える。温度比較部100は、測定温度T2を温度しきい値T0と比較するよう構成されている。温度比較部100は、温度比較の結果をバルブ制御部102に出力するよう構成されている。バルブ制御部102は、温度比較部100からの入力に従ってバルブ制御信号Vを生成するよう構成されている。バルブ制御部102は、測定温度T2が温度しきい値T0より高いときバルブ96を閉鎖し、測定温度T2が温度しきい値T0以下のときバルブ96を開放する。温度しきい値T0は、2.17[K]より高く5[K]以下の温度範囲から予め定められている。温度しきい値T0は例えば、4[K]であってもよい。ヘリウムタンク制御部70は、温度しきい値T0を記憶する記憶部104を備えてもよい。   The helium tank control unit 70 includes a temperature comparison unit 100 and a valve control unit 102. The temperature comparison unit 100 is configured to compare the measured temperature T2 with the temperature threshold T0. The temperature comparison unit 100 is configured to output the result of the temperature comparison to the valve control unit 102. The valve control unit 102 is configured to generate a valve control signal V in accordance with the input from the temperature comparison unit 100. The valve control unit 102 closes the valve 96 when the measured temperature T2 is higher than the temperature threshold T0, and opens the valve 96 when the measured temperature T2 is lower than the temperature threshold T0. The temperature threshold value T0 is predetermined from a temperature range higher than 2.17 [K] and 5 [K] or lower. The temperature threshold T0 may be, for example, 4 [K]. The helium tank control unit 70 may include a storage unit 104 that stores the temperature threshold value T0.

こうした構成により、室温から極低温への冷却過程において二段冷却部74の冷却温度が監視される。極低温冷凍機60の運転当初は測定温度T2が温度しきい値T0より高いので、バルブ96は閉じられヘリウムタンク92はヘリウムガスライン66にヘリウムを供給しない。このときヘリウムタンク92の圧力は設計上の初期圧力に保持されている。極低温冷凍機60は圧縮機64の初期運転圧力で運転されている。冷却過程が進行して測定温度T2が温度しきい値T0まで低下すると、バルブ96が開かれヘリウムタンク92からヘリウムガスライン66の低圧配管86へのヘリウムの供給が始まる。こうしてヘリウムタンク部68は極低温冷凍機60のヘリウムガス量を増加する。その結果、圧縮機64の運転低圧が、超流動温度域またはその近傍温度においてα曲線から定められる圧力値以上に増加される。   With such a configuration, the cooling temperature of the two-stage cooling unit 74 is monitored in the process of cooling from room temperature to cryogenic temperature. Since the measurement temperature T2 is higher than the temperature threshold T0 at the beginning of operation of the cryogenic refrigerator 60, the valve 96 is closed and the helium tank 92 does not supply helium to the helium gas line 66. At this time, the pressure of the helium tank 92 is maintained at the design initial pressure. The cryogenic refrigerator 60 is operated at the initial operating pressure of the compressor 64. When the cooling process proceeds and the measured temperature T2 drops to the temperature threshold T0, the valve 96 is opened to start supply of helium from the helium tank 92 to the low pressure pipe 86 of the helium gas line 66. Thus, the helium tank portion 68 increases the amount of helium gas of the cryogenic refrigerator 60. As a result, the operating low pressure of the compressor 64 is increased above the pressure value determined from the α curve at or near the superfluidization temperature range.

よって、極低温冷凍機60は、上述のように2.17[K]以下の寒冷を発生することができる。また、極低温冷凍機60は、4[K]より高い温度領域ではそれに適した低いヘリウム圧力で運転することができる。   Therefore, the cryogenic refrigerator 60 can generate refrigeration of 2.17 [K] or less as described above. In addition, the cryogenic refrigerator 60 can be operated at a low helium pressure suitable for temperature ranges higher than 4 [K].

バルブ96が開かれた直後に冷却温度がいくらか高まるかもしれない。これは、極低温冷凍機60のヘリウムガス量の増加に伴う過渡的な現象である。したがって、ヘリウムタンク制御部70は、バルブ96の開放直後に一時的に測定温度T2を無視するよう構成されていてもよい。例えば、バルブ制御部102は、バルブ96を一度開いたら、温度比較部100からの入力にかかわらず、バルブ96を所定時間開き続けるよう構成されていてもよい。このようにすれば、過渡的な昇温によるバルブ96の閉鎖及びヘリウムの供給停止を避けることができる。   The cooling temperature may increase somewhat soon after the valve 96 is opened. This is a transient phenomenon accompanying an increase in the amount of helium gas of the cryogenic refrigerator 60. Therefore, the helium tank control unit 70 may be configured to temporarily ignore the measurement temperature T2 immediately after the valve 96 is opened. For example, the valve control unit 102 may be configured to keep the valve 96 open for a predetermined time regardless of the input from the temperature comparison unit 100 once the valve 96 is opened. In this way, it is possible to avoid closing the valve 96 and stopping the supply of helium due to a transient temperature rise.

また、そうした過渡的な昇温を軽減または防止するために、ヘリウムタンク制御部70は、ヘリウムタンク部68から極低温冷凍機60にヘリウムを段階的に供給するようヘリウムタンク部68を制御するよう構成されていてもよい。そのために、バルブ制御部102は、バルブ96の開放と閉鎖を反復してもよい。こうしてヘリウムを徐々に供給することによって昇温を抑制することができる。   Also, in order to reduce or prevent such a transient temperature rise, the helium tank control unit 70 controls the helium tank unit 68 to supply helium from the helium tank unit 68 to the cryogenic refrigerator 60 stepwise. It may be configured. To that end, the valve control unit 102 may repeat the opening and closing of the valve 96. Thus, the temperature rise can be suppressed by gradually supplying helium.

ヘリウムタンク制御部70は、圧縮機64の運転低圧及び/またはヘリウムタンク92の圧力に基づいてヘリウムタンク部68から極低温冷凍機60へのヘリウムの供給を停止するようヘリウムタンク部68を制御するよう構成されていてもよい。圧縮機64の運転低圧は圧縮機64に内蔵された圧縮機圧力センサによって測定されてもよい。ヘリウムタンク92の圧力はヘリウムタンク92に取り付けられたタンク圧力センサによって測定されてもよい。圧力センサは、測定圧力をヘリウムタンク制御部70に出力するようヘリウムタンク制御部70と通信可能に接続されている。   The helium tank control unit 70 controls the helium tank unit 68 to stop the supply of helium from the helium tank unit 68 to the cryogenic refrigerator 60 based on the operating low pressure of the compressor 64 and / or the pressure of the helium tank 92. It may be configured as follows. The operating low pressure of the compressor 64 may be measured by a compressor pressure sensor built into the compressor 64. The pressure of the helium tank 92 may be measured by a tank pressure sensor attached to the helium tank 92. The pressure sensor is communicably connected to the helium tank control unit 70 so as to output the measured pressure to the helium tank control unit 70.

ヘリウムタンク制御部70は、予め定められた圧力しきい値と測定圧力を比較し、比較の結果をバルブ制御部102に出力するよう構成されている圧力比較部を備えてもよい。圧力しきい値は例えば上述の目標圧力である。バルブ制御部102は、圧力比較部からの入力に従ってバルブ制御信号Vを生成するよう構成されていてもよい。バルブ制御部102は、測定圧力が圧力しきい値以上のときバルブ96を閉鎖し、測定圧力が圧力しきい値未満のときバルブ96の開放を継続してもよい。圧力しきい値は記憶部104に記憶されていてもよい。   The helium tank control unit 70 may include a pressure comparison unit configured to compare the measurement pressure with a predetermined pressure threshold and output the result of the comparison to the valve control unit 102. The pressure threshold is, for example, the target pressure described above. The valve control unit 102 may be configured to generate the valve control signal V according to the input from the pressure comparison unit. The valve control unit 102 may close the valve 96 when the measured pressure is equal to or higher than the pressure threshold, and may continue opening the valve 96 when the measured pressure is lower than the pressure threshold. The pressure threshold may be stored in the storage unit 104.

ヘリウムタンク92の初期圧力は、圧縮機64の高圧と低圧の平均圧力であってもよい。このようにすれば、極低温冷凍機60の運転停止中にバルブ96を開放することによって、次回の運転のためにヘリウムタンク92を初期圧力に復元することができる。あるいは、ヘリウムタンク92は、初期圧力への復元のために圧縮機64の高圧側に連結されていてもよい。   The initial pressure of the helium tank 92 may be the average pressure of the high pressure and low pressure of the compressor 64. In this way, the helium tank 92 can be restored to the initial pressure for the next operation by opening the valve 96 while the cryogenic refrigerator 60 is shut down. Alternatively, the helium tank 92 may be connected to the high pressure side of the compressor 64 for restoration to the initial pressure.

図4は、本発明の実施の形態に係る極低温冷凍機110を示す模式図である。極低温冷凍機110は、予冷機能を提供する第1冷却部112と、超流動温度域への冷却機能を提供する第2冷却部114と、を備える。第2冷却部114は、第1冷却部112によって予冷される。このように、極低温冷凍機110は、高温段の予冷冷凍機と低温段冷凍機とを個別に有する。   FIG. 4 is a schematic view showing a cryogenic refrigerator 110 according to the embodiment of the present invention. The cryogenic refrigerator 110 includes a first cooling unit 112 providing a pre-cooling function, and a second cooling unit 114 providing a cooling function to a superfluid temperature region. The second cooling unit 114 is precooled by the first cooling unit 112. Thus, the cryogenic refrigerator 110 has the high-temperature stage precooling refrigerator and the low-temperature refrigerator separately.

第1冷却部112は、第1膨張器116、第1圧縮機118、及び第1ヘリウムガスライン120を備える。第1膨張器116は、その低温側にヘリウム膨張室122を有する。第1ヘリウムガスライン120は、第1膨張器116から第1低圧PL1のヘリウムを回収し第1圧縮機118から第1高圧PH1のヘリウムを供給するよう第1膨張器116を第1圧縮機118に連結する。図示される第1冷却部112は単段冷凍機であるが、第1冷却部112は二段式の冷凍機(例えば4K−GM冷凍機)であってもよい。   The first cooling unit 112 includes a first expander 116, a first compressor 118, and a first helium gas line 120. The first expander 116 has a helium expansion chamber 122 at its low temperature side. The first helium gas line 120 is configured to recover the first low pressure PL1 helium from the first expander 116 and to supply the first high pressure PH1 helium from the first compressor 118 to the first compressor 118. Connect to The illustrated first cooling unit 112 is a single-stage refrigerator, but the first cooling unit 112 may be a two-stage refrigerator (for example, a 4K-GM refrigerator).

第2冷却部114は、第2膨張器124、第2圧縮機126、及び第2ヘリウムガスライン128を備える。第2膨張器124は、その高温側にヘリウム受入室130を有する。ヘリウム受入室130は、伝熱部材132によって第1冷却部112のヘリウム膨張室122と熱的に接続されている。伝熱部材132は、その一部が第1冷却部112のヘリウム膨張室122に装着され、他の一部が第2冷却部114のヘリウム受入室130に装着されている。ヘリウム膨張室122からヘリウム受入室130への伝導冷却によって、第1冷却部112は第2冷却部114を予冷する。   The second cooling unit 114 includes a second expander 124, a second compressor 126, and a second helium gas line 128. The second expander 124 has a helium receiving chamber 130 on its high temperature side. The helium receiving chamber 130 is thermally connected to the helium expansion chamber 122 of the first cooling unit 112 by the heat transfer member 132. A portion of the heat transfer member 132 is attached to the helium expansion chamber 122 of the first cooling unit 112, and another portion is attached to the helium receiving chamber 130 of the second cooling unit 114. The first cooling unit 112 precools the second cooling unit 114 by conduction cooling from the helium expansion chamber 122 to the helium receiving chamber 130.

第2ヘリウムガスライン128は、第2膨張器124から第2低圧PL2のヘリウムを回収し第2圧縮機126から第2高圧PH2のヘリウムを供給するよう第2膨張器124を第1圧縮機118に連結する。第2ヘリウムガスライン128は、第1ヘリウムガスライン120から分離されている。よって、第2冷却部114のヘリウム循環回路は、第1冷却部112のヘリウム循環回路から隔離されている。   The second helium gas line 128 is configured to recover the second low pressure PL2 helium from the second expander 124 and to supply the second high pressure PH2 helium from the second compressor 126 to the first compressor 118. Connect to The second helium gas line 128 is separated from the first helium gas line 120. Thus, the helium circulation circuit of the second cooling unit 114 is isolated from the helium circulation circuit of the first cooling unit 112.

第2冷却部114は、第1冷却部112と異なるヘリウム圧力で運転される。第2低圧PL2は、第1低圧PL1より高い。第2低圧PL2は、15[bar]以上であってもよい。第1低圧PL1は、8[bar]以下であってもよい。また、第2高圧PH2は、第1高圧PH1より高くてもよい。   The second cooling unit 114 is operated at a helium pressure different from that of the first cooling unit 112. The second low pressure PL2 is higher than the first low pressure PL1. The second low pressure PL2 may be 15 [bar] or more. The first low pressure PL1 may be 8 [bar] or less. Also, the second high pressure PH2 may be higher than the first high pressure PH1.

したがって、極低温冷凍機110は、第1冷却部112及び第2冷却部114のそれぞれに適するヘリウム圧力で運転することができる。すなわち、第1冷却部112を予冷に適した低いヘリウム圧力で運転し、第2冷却部114を2.17[K]以下の冷却に適した高いヘリウム圧力で運転することができる。   Therefore, the cryogenic refrigerator 110 can be operated at a helium pressure suitable for each of the first cooling unit 112 and the second cooling unit 114. That is, the first cooling unit 112 can be operated at a low helium pressure suitable for precooling, and the second cooling unit 114 can be operated at a high helium pressure suitable for cooling of 2.17 [K] or less.

以上本発明の好ましい実施例について詳細に説明したが、本発明は上述した実施例に制限されることなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形および置換を加えることができる。   Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and substitutions may be added to the above-described embodiments without departing from the scope of the present invention. be able to.

上記では、極低温冷凍機1としてGM冷凍機を前提に説明した。極低温冷凍機1としては、この他にも、ヘリウム4を作動流体とするディスプレーサ式のスターリング冷凍機であってもよい。この場合においても、スターリング冷凍機の目標温度をもとに図2に示すα曲線を参照して、圧縮機の低圧側の圧力を設定すればよい。また、ヘリウムの圧力が融解曲線以上とならないように、圧縮機の高圧側の圧力を設定すればよい。これにより、スターリング冷凍機の最低到達温度を下げつつ、かつ、ヘリウムの断熱膨張によってヘリウムガスの温度が上昇することを抑制できる。   In the above, the cryogenic refrigerator 1 has been described on the premise of the GM refrigerator. The cryogenic refrigerator 1 may also be a displacer type Stirling refrigerator that uses helium 4 as a working fluid. Also in this case, the pressure on the low pressure side of the compressor may be set with reference to the α curve shown in FIG. 2 based on the target temperature of the Stirling refrigerator. Also, the pressure on the high pressure side of the compressor may be set so that the pressure of helium does not exceed the melting curve. Thereby, it is possible to suppress the rise of the temperature of the helium gas due to the adiabatic expansion of the helium while lowering the lowest reachable temperature of the Stirling refrigerator.

上記では、極低温冷凍機1として単段のGM冷凍機を前提に説明した。極低温冷凍機1としては、2段以上の多段型のGM冷凍機であってもよい。この場合においても、冷凍機の目標温度をもとに図2に示すα曲線を参照して、圧縮機の低圧側の圧力を設定すればよい。また、ヘリウムの圧力が融解曲線以上とならないように、圧縮機の高圧側の圧力を設定すればよい。   In the above, the cryogenic refrigerator 1 has been described on the premise of a single-stage GM refrigerator. The cryogenic refrigerator 1 may be a multistage GM refrigerator of two or more stages. Also in this case, the pressure on the low pressure side of the compressor may be set with reference to the α curve shown in FIG. 2 based on the target temperature of the refrigerator. Also, the pressure on the high pressure side of the compressor may be set so that the pressure of helium does not exceed the melting curve.

1 極低温冷凍機、 2 ディスプレーサ、 2a 本体部、 2b 蓋部、 3 膨張空間、 4 シリンダ、 5 冷却ステージ、 7 蓄冷器、 8 室温室、 9 上端側整流器、 10 下端側整流器、 11 上部開口、 12 圧縮機、 13 サプライバルブ、 14 リターンバルブ、 15 シール、 16 吹き出し口、 50 膨張器、 60 極低温冷凍機、 62 膨張器、 64 圧縮機、 68 ヘリウムタンク部、 70 ヘリウムタンク制御部、 76 二段ヘリウム膨張室、 78 二段熱交換器、 92 ヘリウムタンク、 94 連結配管、 96 バルブ、 98 二段温度センサ、 100 温度比較部、 102 バルブ制御部、 110 極低温冷凍機、 112 第1冷却部、 114 第2冷却部、 116 第1膨張器、 118 第1圧縮機、 120 第1ヘリウムガスライン、 122 ヘリウム膨張室、 124 第2膨張器、 126 第2圧縮機、 128 第2ヘリウムガスライン、 130 ヘリウム受入室。   1 cryogenic refrigerator, 2 displacer, 2a main body, 2b lid, 3 expansion space, 4 cylinders, 5 cooling stages, 7 regenerators, 8 room temperature room, 9 upper end side rectifier, 10 lower end side rectifier, 11 upper opening, 12 compressor, 13 supply valve, 14 return valve, 15 seal, 16 outlet, 50 expander, 60 cryogenic refrigerator, 62 expander, 64 compressor, 68 helium tank part, 70 helium tank control part, 76 two Stage helium expansion chamber, 78 two-stage heat exchanger, 92 helium tank, 94 connection piping, 96 valve, 98 two-stage temperature sensor, 100 temperature comparison unit, 102 valve control unit, 110 cryogenic refrigerator, 112 first cooling unit , 114 second cooling unit, 116 first expander, 118 First compressor, 120 first helium gas line, 122 helium expansion chamber, 124 second expander, 126 second compressor, 128 second helium gas line, 130 helium receiving chamber.

Claims (12)

ヘリウムを膨張させることによって4[K]以下の寒冷を発生させる極低温冷凍機であって、
高圧のヘリウムを膨張させる膨張器と、
前記膨張器から戻ってきた低圧のヘリウムを圧縮して高圧のヘリウムを生成し、前記膨張器に供給する圧縮機とを備え、
前記膨張器内のヘリウムの温度が2.17[K]以下のとき、前記低圧のヘリウムの圧力は、横軸を温度、縦軸を圧力とするヘリウムの状態図において、ヘリウムの体積熱膨張率が0となる曲線の圧力以上であることを特徴とする極低温冷凍機。
A cryogenic refrigerator that generates refrigeration of 4 [K] or less by expanding helium,
An expander for expanding high pressure helium;
A compressor for compressing low pressure helium returned from the expander to generate high pressure helium and supplying the helium to the expander;
When the temperature of helium in the expander is 2.17 [K] or less, the pressure of the low pressure helium is the temperature of the horizontal axis and the pressure of the vertical axis is the pressure in helium. The cryogenic refrigerator according to the present invention is characterized in that the pressure of the curve is equal to or more than 0.
前記低圧のヘリウムの圧力は15[bar]以上であることを特徴とする請求項1に記載の極低温冷凍機。   The cryogenic refrigerator according to claim 1, wherein the pressure of the low pressure helium is 15 bar or more. 前記低圧のヘリウムの圧力は25[bar]以上であることを特徴とする請求項1に記載の極低温冷凍機。   The cryogenic refrigerator according to claim 1, wherein the pressure of the low pressure helium is 25 bar or more. 前記高圧のヘリウムの圧力は、前記状態図におけるヘリウムの融解曲線以下であることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の極低温冷凍機。   The cryogenic refrigerator according to any one of claims 1 to 3, wherein a pressure of the high pressure helium is equal to or less than a melting curve of helium in the phase diagram. 前記高圧のヘリウムの圧力は、35[bar]以下であることを特徴とする請求項4に記載の極低温冷凍機。   The cryogenic refrigerator according to claim 4, wherein the pressure of the high pressure helium is 35 [bar] or less. 前記膨張器におけるヘリウムの温度をT[K]、圧力をP[bar]、単位質量あたりのエントロピーをs[J/gK]とするとき、前記体積熱膨張率が0となる曲線は、
Figure 0006529850
で表される曲線であることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の極低温冷凍機。
Assuming that the temperature of helium in the expander is T [K], the pressure is P [bar], and the entropy per unit mass is s [J / g K], the curve whose volumetric thermal expansion coefficient is 0 is
Figure 0006529850
The cryogenic refrigerator according to any one of claims 1 to 5, which is a curve represented by
前記ヘリウムは、ヘリウム4であることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の極低温冷凍機。   The cryogenic refrigerator according to any one of claims 1 to 6, wherein the helium is helium 4. 前記膨張器は、ヘリウム膨張室と、前記ヘリウム膨張室を外包する熱交換器と、を備え、
前記極低温冷凍機は、
前記極低温冷凍機にヘリウムを供給するよう前記極低温冷凍機に連結されているヘリウムタンク部と、
前記ヘリウム膨張室及び/または前記熱交換器の温度に基づいて前記ヘリウムタンク部から前記極低温冷凍機へのヘリウムの供給を開始するよう前記ヘリウムタンク部を制御するヘリウムタンク制御部と、をさらに備えることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の極低温冷凍機。
The expander includes a helium expansion chamber, and a heat exchanger enclosing the helium expansion chamber.
The cryogenic refrigerator is
A helium tank portion coupled to the cryogenic refrigerator to supply helium to the cryogenic refrigerator;
A helium tank control unit for controlling the helium tank unit to start supply of helium from the helium tank unit to the cryogenic refrigerator based on the temperature of the helium expansion chamber and / or the heat exchanger The cryogenic refrigerator according to any one of claims 1 to 7, characterized in that it comprises.
前記極低温冷凍機は、前記ヘリウム膨張室及び/または前記熱交換器の温度を測定するよう前記膨張器に取り付けられ、測定温度を前記ヘリウムタンク制御部に出力するよう前記ヘリウムタンク制御部と通信可能に接続されている温度センサをさらに備え、
前記ヘリウムタンク部は、ヘリウムタンクと、前記ヘリウムタンクを前記極低温冷凍機に連結する連結配管と、前記連結配管に設置されたバルブと、を備え、
前記ヘリウムタンク制御部は、前記測定温度を温度しきい値と比較するよう構成されている温度比較部と、前記測定温度が前記温度しきい値より高いとき前記バルブを閉鎖し前記測定温度が前記温度しきい値以下のとき前記バルブを開放するよう前記温度比較部からの入力に従って前記バルブを制御するよう構成されているバルブ制御部と、を備え、前記温度しきい値は、2.17[K]より高く5[K]以下の範囲から予め定められていることを特徴とする請求項8に記載の極低温冷凍機。
The cryogenic refrigerator is attached to the expander to measure the temperature of the helium expansion chamber and / or the heat exchanger, and communicates with the helium tank control unit to output the measured temperature to the helium tank control unit. Further comprising a temperature sensor, which is connected to the
The helium tank unit includes a helium tank, a connecting pipe that connects the helium tank to the cryogenic refrigerator, and a valve installed in the connecting pipe.
The helium tank control unit is a temperature comparison unit configured to compare the measured temperature with a temperature threshold, and the valve is closed when the measured temperature is higher than the temperature threshold, and the measured temperature is the temperature. A valve control unit configured to control the valve according to an input from the temperature comparison unit so as to open the valve when the temperature threshold is less than or equal to 2.17 [The temperature threshold is 2.17 [ The cryogenic refrigerator according to claim 8, characterized in that K] is higher than 5 [K] in advance.
前記ヘリウムタンク部は、前記圧縮機の低圧側に連結されていることを特徴とする請求項8または9に記載の極低温冷凍機。   The cryogenic refrigerator according to claim 8 or 9, wherein the helium tank unit is connected to the low pressure side of the compressor. ヘリウム膨張室を有する第1膨張器と、第1圧縮機と、前記第1膨張器から第1低圧のヘリウムを回収し前記第1圧縮機から第1高圧のヘリウムを供給するよう前記第1膨張器を前記第1圧縮機に連結する第1ヘリウムガスラインと、を備える第1冷却部と、
前記ヘリウム膨張室と熱的に接続されたヘリウム受入室を有する第2膨張器と、第2圧縮機と、前記第1ヘリウムガスラインから分離され、前記第2膨張器から第2低圧のヘリウムを回収し前記第2圧縮機から第2高圧のヘリウムを供給するよう前記第2膨張器を前記第2圧縮機に連結する第2ヘリウムガスラインと、を備える第2冷却部と、を備え、前記第2低圧は、前記第1低圧より高いことを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の極低温冷凍機。
A first expander having a helium expansion chamber, a first compressor, and a first expansion for recovering a first low pressure helium from the first expander and supplying a first high pressure helium from the first compressor. A first helium gas line connecting the first compressor to the first compressor;
A second expander having a helium receiving chamber thermally connected to the helium expansion chamber, a second compressor, and the first helium gas line, and a second low pressure helium from the second expander. A second cooling unit comprising: a second helium gas line connecting the second expander to the second compressor so as to recover and supply a second high pressure helium from the second compressor; The cryogenic refrigerator according to any one of claims 1 to 7, wherein the second low pressure is higher than the first low pressure.
高圧のヘリウムを膨張させる膨張器と、前記膨張器から戻ってきた低圧のヘリウムを圧縮して高圧のヘリウムを生成して前記膨張器に供給する圧縮機とを備える極低温冷凍機においてヘリウムを膨張させることによって4[K]以下の寒冷を発生させる運転方法であって、
前記膨張器内のヘリウムの温度を検出するステップと、
検出した温度が2.17[K]以下のとき、横軸を温度、縦軸を圧力とするヘリウムの状態図において、ヘリウムの体積熱膨張率が0となる曲線の圧力以上に前記低圧のヘリウムの圧力を設定するステップとを含むことを特徴とする極低温冷凍機の運転方法。
Helium is expanded in a cryogenic refrigerator comprising: an expander for expanding high pressure helium; and a compressor for compressing low pressure helium returned from the expander to generate high pressure helium and supplying the high pressure helium to the expander. Driving method to generate cold of 4 [K] or less by
Detecting the temperature of the helium in the expander;
When the detected temperature is 2.17 [K] or less, the low-pressure helium has a pressure lower than the pressure of a curve at which the volumetric thermal expansion coefficient of helium becomes 0 in the phase diagram of helium with the horizontal axis as temperature and the vertical axis as pressure And b. Setting the pressure of the cryogenic refrigeration system.
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