JPH07280368A - 極低温冷凍機の冷却油制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 各々ヘリウムガスを圧縮して冷却油と共に吐
出する圧縮機（４），（８）をそれぞれ直列に接続し、
油分離器（９）において高段用圧縮機（８）の吐出ガス
から冷却油を分離した後、そのヘリウムガスを膨張させ
て極低温を発生させ、分離された冷却油を圧縮機
（４），（８）に戻す極低温冷凍機（Ｒ）に対し、一方
の圧縮機（４），（８）に冷却油が偏って溜まるのを抑
制して圧縮機（４），（８）の焼付きを防止する。 【構成】 各圧縮機（４），（８）内の冷却油をポンプ
（４５），（５０）で吸引して圧縮機（４），（８）外
に吐出した後、同じ圧縮機（４），（８）内にインジェ
クションする。高段用圧縮機（８）内の冷却油を低段用
圧縮機（４）内に流す油戻し配管（５５）を設け、油戻
し配管（５５）での油流量を冷凍機（Ｒ）の運転状態の
変化による両圧縮機（４），（８）内の圧力差の変化に
拘らず一定に調整する流量調整装置（５８）を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧縮機で圧縮されたヘ
リウム等の冷媒ガスを膨張させて極低温レベルの寒冷を
発生させるようにした極低温冷凍機において、その圧縮
機で使用する冷却油の制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、ヘリウム等の冷媒ガスを圧縮
機で圧縮するとともに、この圧縮された高圧の冷媒ガス
を膨張機で膨張させ、極低温レベルの寒冷を発生させる
ようにした極低温冷凍機は知られている。

【０００３】この種の冷凍機では、膨張機で膨張する冷
媒ガスの圧力を高くするために、圧縮機を低段及び高段
の２段として両圧縮機を直列に接続し、冷媒ガスを低段
用圧縮機で圧縮した後、その圧縮機から吐出された冷媒
ガスをさらに高段用の圧縮機で圧縮することがある。

【０００４】このような２段式の圧縮機を使用する場
合、従来、例えば特開昭６２―２６８９６４号公報に示
すように、各段の圧縮機におけるドーム内底部に潤滑や
冷媒ガスの冷却のための冷却油を貯溜しておき、各圧縮
機から冷媒ガスを吐出させるときにドーム内圧力の利用
により冷媒ガスと一緒に冷却油を吐出させ、この圧縮機
から吐出された冷媒ガスを油分離器に供給して、そこで
吐出冷媒ガスから冷却油を分離除去し、この油を圧縮機
に戻すようになされている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、圧縮機のドー
ム内圧が低いときには、吐出された冷媒ガスから冷却油
が溢れて吐出冷媒ガス中に十分な量の冷却油が混入され
ず、冷却油の吐出量の低下により、その圧縮機内に冷却
油が多量に溜る。そして、上記のように２段の圧縮機が
使用されていると、一方の圧縮機内に冷却油が偏って貯
溜されるので、その分、他方の圧縮機での冷却油が不足
することとなり、遂にはその圧縮機の焼付きを招くとい
う問題がある。

【０００６】本発明は斯かる諸点に鑑みてなされたもの
であり、その主たる目的は、圧縮機から吐出される冷媒
ガスへの冷却油の混入条件を変えることにより、２段式
の圧縮機であっても、一方の圧縮機に冷却油が偏って溜
まるのを安定して防いで、圧縮機での油切れを防止する
ことにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的の達成のた
め、請求項１の発明では、低段用及び高段用の各圧縮機
内の冷却油をそれぞれポンプで吸引して圧送し、このポ
ンプからの冷却油を圧縮機の外部から内部にインジェク
ションして供給するとともに、両圧縮機内部間を油戻し
配管で連通させて高段用圧縮機内の冷却油を低段用圧縮
機に戻すようにした。

【０００８】具体的には、この発明では、図１及び図２
に示すように、冷媒ガスを圧縮して冷却油と共に吐出す
る低段用圧縮機（４）と、該低段用圧縮機（４）から吐
出された冷媒ガスを圧縮して冷却油と共に吐出する高段
用圧縮機（８）と、該高段用圧縮機（８）から吐出され
た冷媒ガスから冷却油を分離する油分離手段（９）と、
該油分離手段（９）で冷却油を分離された冷媒ガスを膨
張させて極低温を発生させる膨張手段（２２），（３
１）と、上記油分離手段（９）で分離された冷却油を高
段用圧縮機（８）に戻すリターン配管（４３），（４
４）とを備え、膨張手段（２２），（３１）での冷媒ガ
スの膨張により極低温レベルの寒冷を発生させるように
した極低温冷凍機が前提である。

【０００９】そして、上記低段用圧縮機（４）内の冷却
油をポンプ（４５）で吸引して該圧縮機（４）外に吐出
した後、低段用圧縮機（４）内にインジェクションする
第１インジェクション配管（４６）と、高段用圧縮機
（８）内の冷却油をポンプ（５０）で吸引して該圧縮機
（８）外に吐出した後、高段用圧縮機（８）内にインジ
ェクションする第２インジェクション配管（５１）と、
上記高段用圧縮機（８）内の冷却油を低段用圧縮機
（４）内に流す油戻し配管（５５）とを備えた構成とす
る。

【００１０】請求項２の発明では、上記油戻し配管（５
５）は、第１及び第２油戻し配管（５５ａ），（５５
ｂ）に分岐して高段用圧縮機（８）に接続する。そし
て、第２油戻し配管（５５ｂ）は、圧縮機（８）の内部
の油溜り底面よりも所定高さの位置に開口させる一方、
第１油戻し配管（５５ａ）は、上記第２油戻し配管（５
５ｂ）の開口位置よりも低くかつ油ポンプ（５０）の吸
込口と略同じ高さ位置に開口させる。

【００１１】請求項３の発明では、上記油分離手段
（９）の膨張手段（２２），（３１）側に、冷媒ガスを
冷却する冷却手段（１０）を配設する。

【００１２】請求項４の発明では、図１〜図１１に示す
如く、請求項１の発明と同様の前提の極低温冷凍機にお
いて、低段用圧縮機（４）内の冷却油をポンプ（４５）
で吸引して該圧縮機（４）外に吐出した後、低段用圧縮
機（４）内にインジェクションする第１インジェクショ
ン配管（４６）と、高段用圧縮機（８）内の冷却油をポ
ンプ（５０）で吸引して該圧縮機（８）外に吐出した
後、高段用圧縮機（８）内にインジェクションする第２
インジェクション配管（５１）と、高段用圧縮機（８）
内の冷却油を低段用圧縮機（４）内に流す油戻し配管
（５５）とを設ける。

【００１３】さらに、上記油戻し配管（５５）の通路断
面積を、低段用及び高段用圧縮機（４），（８）内の圧
力差が大きくなるほど小さくなるように調整する流量調
整手段（５８）を設ける。

【００１４】請求項５の発明では、図３及び図８に示す
ように、上記流量調整手段（５８）は、オリフィス孔
（６０）を有する固定オリフィス（５９）と、この固定
オリフィス（５９）よりも高段用圧縮機（８）側に配設
され、オリフィス孔（６０）の開口面積を可変とするニ
ードル弁（６１）と、このニードル弁（６１）をオリフ
ィス孔（６０）の開口面積が増大する方向に付勢する付
勢手段（６４）とを備えてなるものとする。

【００１５】請求項６の発明では、上記付勢手段（６
４）をコイルスプリングとする。

【００１６】請求項７の発明では、図３に示す如く、上
記コイルスプリングは、固定オリフィス（５９）とニー
ドル弁（６１）との間に配置された圧縮スプリングとす
る。

【００１７】請求項８の発明では、図７に示すように、
上記固定オリフィス（５９）よりも低段用圧縮機（４）
側に、冷却油が通過可能な孔部（６７），（６７），…
を有する支持部材（６６）を、油戻し配管（５５）を閉
鎖するように配設し、上記コイルスプリングは、上記支
持部材（６６）とニードル弁（６１）との間に配置され
た圧縮スプリングで構成する。

【００１８】請求項９の発明では、図８に示すように、
上記付勢手段（６４）は、内周端がニードル弁（６１）
の背面側に固定されている一方、外周端が油戻し配管
（５５）の管壁に固定された弾性膜とする。

【００１９】請求項１０の発明では、図９に示すよう
に、上記油戻し配管（５５）の少なくとも一部に鉛直方
向に延びる鉛直部（５５ａ）を形成する。そして、流量
調整手段（５８）は、上記鉛直部（５５ａ）に配置され
かつオリフィス孔（６０）を有する固定オリフィス（５
９）と、この固定オリフィス（５９）よりも低段用圧縮
機（４）側に配設され、オリフィス孔（６０）の開口面
積を可変とするニードル弁（６１）と、このニードル弁
（６１）を吊持する吊持手段（６９）とを備えてなるも
のとする。

【００２０】請求項１１の発明では、図１０に示す如
く、上記流量調整手段（５８）は、オリフィス孔（６
０）を有する固定オリフィス（５９）と、基端部が上記
オリフィス孔（６０）周縁の固定オリフィス（５９）に
固定される一方、先端部が高段用圧縮機（８）側に付勢
され、オリフィス孔（６０）の開口面積を可変とするリ
ード弁（７１）とを備えてなるものとする。

【００２１】請求項１２の発明では、図１１に示す如
く、流量調整手段（５８）は、低段用圧縮機（４）側に
向かって径が小さくなるテーパ状のオリフィス孔（６
０）を有する固定オリフィス（５９）と、この固定オリ
フィス（５９）よりも高段用圧縮機（８）側に移動可能
にかつ上記オリフィス孔（６０）を覆うように配設さ
れ、低段用圧縮機（４）側の面に低段用及び高段用圧縮
機（４），（８）内の圧力差が大きくなったときにオリ
フィス孔（６０）の壁面と密着可能な複数の突起（７
３），（７３），…が設けられた膜部材（７２）とを備
えてなるものとする。

【００２２】

【作用】上記の構成により、請求項１の発明では、低段
用圧縮機（４）により冷媒ガスが圧縮されて冷却油と共
に吐出され、この低段用圧縮機（４）から吐出された冷
媒ガスは高段用圧縮機（８）に吸引されてさらに圧縮さ
れ、その高段用圧縮機（８）から冷却油と共に吐出され
る。この高段用圧縮機（８）から吐出された冷媒ガスは
油分離手段（９）において冷却油を分離された後、膨張
手段（２２），（３１）に供給されて膨張し、この冷媒
ガスの膨張により極低温レベルの寒冷が発生する。

【００２３】また、上記油分離手段（９）で分離された
冷却油はリターン配管（４３），（４４）により高段用
圧縮機（８）に戻され、圧縮機（８）での冷媒ガスの冷
却や潤滑に供される。

【００２４】このとき、上記低段用圧縮機（４）内の冷
却油がポンプ（４５）で吸引されて該圧縮機（４）外に
吐出された後、同じ低段用圧縮機（４）内に第１インジ
ェクション配管（４６）を経てインジェクションされ
る。また、同様に、高段用圧縮機（８）内の冷却油はポ
ンプ（５０）で吸引されて該圧縮機（８）外に吐出され
た後、高段用圧縮機（８）内に第２インジェクション配
管（５１）を経てインジェクションされる。このように
各圧縮機（４），（８）内の冷却油はポンプ（４５），
（５０）で圧送された後、同じ圧縮機（４），（８）の
外から内部にインジェクションされるので、その吐出冷
媒ガスとのミキシングが良好に行われ、冷却油が圧縮機
（４），（８）から冷媒ガスと共にスムーズに吐出され
て、その内部に溜まるのが防止される。しかも、両圧縮
機（４），（８）の内部は油戻し配管（５５）で互いに
連通されているので、高段用圧縮機（８）内に溜まった
冷却油は油戻し配管（５５）を介して低段用圧縮機
（４）内に流れるようになる。これらの結果、低段用及
び高段用圧縮機（４），（８）の何れか一方に冷却油が
偏って溜まるのを良好に防止でき、冷却油不足により圧
縮機（４），（８）が焼き付くのを効果的に防止するこ
とができる。

【００２５】また、各インジェクション配管（４６），
（５１）により圧縮機（４），（８）外から内部に冷却
油がインジェクションされるので、例えば冷媒ガスとし
てのヘリウムの圧縮に伴う熱の発生量が大きくても、そ
れを冷却油のインジェクションにより効率よく冷却する
ことができる。

【００２６】請求項２の発明では、油戻し配管（５５）
は、圧縮機（８）の内部の油溜り底面よりも所定高さの
位置に開口する第２油戻し配管（５５ｂ）と、この第２
油戻し配管（５５ｂ）の開口位置よりも低くかつ油ポン
プ（５０）の吸込口と略同じ高さ位置に開口する第１油
戻し配管（５５ａ）とに分岐されているので、高段用圧
縮機（８）内の冷却油は、油ポンプ（５０）による冷却
油の吸込みと略関連付けられて、主として第１油戻し配
管（５５ａ）を経て低段用圧縮機（４）に流れる。

【００２７】そして、高段用圧縮機（８）内の冷却油の
油面が第２油戻し配管（５５ｂ）の開口の高さ位置より
も上昇したときには、冷却油は、この第２油戻し配管
（５５ｂ）を経由しても低段用圧縮機（４）に流れるよ
うになり、よって高段用圧縮機（８）での冷却油の油面
を略一定に保つことができる。

【００２８】請求項３の発明では、油分離手段（９）の
膨張手段（２２），（３１）側に、冷媒ガスを冷却する
冷却手段（１０）が配設されているので、油分離手段
（９）で油を分離された冷媒ガスのみを冷却手段（１
０）に供給でき、冷却手段（１０）での圧力損失を低減
することができる。

【００２９】請求項４の発明では、請求項１の発明と同
様の作用効果が得られる。また、油戻し配管（５５）の
通路断面積が流量調整手段（５８）により調整され、そ
の通路断面積は低段用及び高段用圧縮機（４），（８）
内の圧力差が大きくなるほど小さくなる。このため、冷
凍機の運転状態の変化により両圧縮機（４），（８）内
の圧力差が変化しても、それに拘らず冷却油の流量が略
一定に安定して確保され、一方の圧縮機（４），（８）
の油量不足を回避することができる。

【００３０】請求項５の発明では、ニードル弁（６１）
は付勢手段（６４）により固定オリフィス（５９）のオ
リフィス孔（６０）の開口面積が大きくなるように付勢
されているので、低段用及び高段用圧縮機（４），
（８）の圧力差が小さいときには、付勢手段（６４）の
付勢力によりニードル弁（６１）が開弁方向に移動して
オリフィス孔（６０）の開口面積が大に保たれ、冷却油
の流量が所定量に保たれる。これに対し、両段圧縮機
（４），（８）の圧力差が大きくなると、それに伴い、
ニードル弁（６１）が付勢手段（６４）の付勢力に抗し
てオリフィス孔（６０）の開口面積を小さくするように
閉弁方向に移動し、油戻し配管（５５）の通路断面積が
小さくなる。このため、油戻し配管（５５）の冷却油の
流量は圧縮機（４），（８）内の圧力差が大きくとも小
さい場合と同等の流量となり、よって圧縮機（４），
（８）の圧力差の変化に拘らず安定した流量が得られ
る。

【００３１】請求項６の発明では、付勢手段（６４）が
コイルスプリングであるので、その構成が簡易に得られ
る。

【００３２】請求項７の発明では、コイルスプリング
は、固定オリフィス（５９）とニードル弁（６１）との
間に配置された圧縮スプリングであるので、コイルスプ
リングを容易に装着することができる。

【００３３】請求項８の発明では、圧縮機（４），
（８）間の圧力差が小さいときには、固定オリフィス
（５９）と支持部材（６６）との間に配置されているコ
イルスプリングの付勢力によりオリフィス孔（６０）の
開口面積が大きくなるが、圧縮機（４），（８）間の圧
力差が大きくなると、スプリングの付勢力に抗してニー
ドル弁（６１）が閉弁方向に移動し、冷却油の流量の増
加が抑制される。

【００３４】請求項９の発明では、圧縮機（４），
（８）間の圧力差が小さいときには、付勢手段（６４）
としての弾性膜の付勢力によりニードル弁（６１）が開
弁側に付勢され、オリフィス孔（６０）の開口面積が大
きくなるが、圧縮機（４），（８）間の圧力差が大きく
なると、上記弾性膜の付勢力に抗してニードル弁（６
１）が閉弁方向に移動し、オリフィス孔（６０）の開口
面積が小さくなって冷却油の流量の増加が抑制される。

【００３５】請求項１０の発明では、圧縮機（４），
（８）間の圧力差が小さいときには、油戻し配管（５
５）の鉛直部（５５ａ）において吊持手段（６９）によ
り吊り下げられているニードル弁（６１）はその自重に
より下側たる開弁側に移動し、オリフィス孔（６０）の
開口面積が大きくなるが、圧縮機（４），（８）間の圧
力差が大きくなると、その高段用圧縮機（８）側の圧力
の作用によりニードル弁（６１）が押し上げられて閉弁
方向に移動し、オリフィス孔（６０）の開口面積が小さ
くなって冷却油の流量の増加が抑制される。

【００３６】請求項１１の発明では、圧縮機（４），
（８）間の圧力差が小さいときには、リード弁（７１）
が開弁側に付勢されていて、オリフィス孔（６０）の開
口面積が大きくなるが、圧縮機（４），（８）間の圧力
差が大きくなると、リード弁（７１）が上記付勢力に抗
して閉弁方向に移動し、オリフィス孔（６０）の開口面
積が小さくなって冷却油の流量の増加が抑制される。

【００３７】請求項１２の発明では、圧縮機（４），
（８）間の圧力差が小さいときには、膜部材（７２）が
固定オリフィス（５９）のオリフィス孔（６０）を開放
するように位置付けられ、オリフィス孔（６０）の開口
面積が大きくなる。これに対し、圧縮機（４），（８）
間の圧力差が大きくなると、膜部材（７２）がオリフィ
ス孔（６０）を塞ぐとともに、その複数の突起（７
３），（７３），…がオリフィス孔（６０）の壁面と密
着し、この突起（７３），（７３），…の分だけ膜部材
（７２）とオリフィス孔（６０）の壁面との間隙があけ
られた状態でオリフィス孔（６０）の開口面積が確保さ
れる。つまりオリフィス孔（６０）の開口面積が小さく
なって冷却油の流量の増加が抑制される。

【００３８】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１及び図２は本発明の実施例に係る冷凍機
（Ｒ）の全体構成を示す。この冷凍機（Ｒ）は、超電導
磁石（図示せず）の超電導コイルを液体ヘリウム（冷
媒）により冷却するためのもので、液体ヘリウムを貯溜
する液体ヘリウムタンク（Ｔｈ）に付設されており、こ
のヘリウムタンク（Ｔｈ）内に超電導磁石の超電導コイ
ルが液体ヘリウムにより浸漬されて収容され、この液体
ヘリウムにより超電導コイルが臨界温度以下に冷却保持
される。

【００３９】冷凍機（Ｒ）は、図１に示す圧縮機ユニッ
ト（１）と、図２に示す真空デュワー（Ｄ）内に配置さ
れた冷凍機ユニット（２１）とからなる。上記圧縮機ユ
ニット（１）には、低圧ガス吸入口（２）からの低圧ヘ
リウムガスを低圧配管（３）を介して吸い込んで圧縮
し、冷却油と共に吐出する運転周波数可変のインバータ
式低段用圧縮機（４）と、この低段用圧縮機（４）から
吐出されたヘリウムガスを冷却する熱交換器（５）と、
この熱交換器（５）から吐出されたヘリウムガスを、中
間圧ガス吸入口（６）から中間圧配管（７）を介して吸
入された中間圧のヘリウムガスと共にさらに高圧に圧縮
し、冷却油と共に吐出する運転周波数可変のインバータ
式高段用圧縮機（８）と、この高段用圧縮機（８）から
吐出された高圧ヘリウムガスから圧縮機潤滑用の油を分
離する油分離手段としての前段油分離器（９）と、この
前段油分離器（９）から吐出された高圧ヘリウムガスを
冷却する冷却手段としての空冷コイル（１０）と、この
空冷コイル（１０）から吐出されたヘリウムガスからさ
らに潤滑用の油を分離する後段油分離器（１１）と、こ
の後段油分離器（１１）から吐出されたヘリウムガスか
ら不純物を吸着除去する吸着器（１２）（アドソーバ）
とが配設され、該吸着器（１２）の吐出側は予冷用高圧
配管（１３）を介して予冷用高圧ガス吐出口（１４）
に、また予冷用高圧配管（１３）から分岐接続されたＪ
−Ｔ用高圧配管（１５）を介してＪ−Ｔ用高圧ガス吐出
口（１６）にそれぞれ接続されている。

【００４０】上記Ｊ−Ｔ用高圧配管（１５）は途中で２
つの分岐配管（１５ａ），（１５ｂ）に並列に分岐さ
れ、一方の分岐配管（１５ａ）には流量調整用の絞り固
定式の第１絞り弁（Ｖ１）と、この第１絞り弁（Ｖ１）
の高圧ガス吐出口（１６）側に空圧式の第１開閉弁（Ａ
Ｖ１）とが配設されている。一方、他方の分岐配管（１
５ｂ）には同様の第２絞り弁（Ｖ２）と第２開閉弁（Ａ
Ｖ２）とが配設され、上記第２絞り弁（Ｖ２）の開度は
第１絞り弁（Ｖ１）よりも小さく設定されている。

【００４１】さらに、上記低段用圧縮機（４）の吸込側
と低圧ガス吸入口（２）との間の低圧配管（３）にはヘ
リウムガス給排配管（１７）の一端が分岐接続され、こ
のヘリウムガス給排配管（１７）の他端は、ヘリウムガ
スを所定圧力で貯蔵するバッファタンク（図示せず）に
接続されている。ヘリウムガス給排配管（１７）は途中
で２つの分岐配管（１７ａ），（１７ｂ）に並列に分岐
され、一方の分岐配管（１７ａ）には流量調整用の絞り
固定式の第３絞り弁（Ｖ３）と、この第３絞り弁（Ｖ
３）の低圧配管（３）側に第１低圧制御弁（ＬＰＲ１）
とが配設されている一方、他方の分岐配管（１７ｂ）に
は同様の第４絞り弁（Ｖ４）と第２低圧制御弁（ＬＰＲ
２）とが配設されている。上記各低圧制御弁（ＬＰＲ
１），（ＬＰＲ２）は、低圧配管（３）（液体ヘリウム
タンクの内圧）でのヘリウムガスの圧力が設定圧以下に
低下したときにそれをパイロット圧として自動的に開く
もので、この低圧制御弁（ＬＰＲ１），（ＬＰＲ２）の
開弁に伴いバッファタンク内のヘリウムガスが低圧配管
（３）に供給される。

【００４２】尚、上記Ｊ−Ｔ用高圧配管（１５）におい
て第２絞り弁（Ｖ２）が配設されている分岐配管（１５
ｂ）と、ヘリウムガス給排配管（１７）の集合部とは高
圧制御弁（ＨＰＲ）を配置したヘリウムガス戻し配管
（１８）により接続されている。上記高圧制御弁（ＨＰ
Ｒ）は、Ｊ−Ｔ用高圧配管（１５）でのヘリウムガスの
圧力が設定圧以上に上昇したときにそれをパイロット圧
として自動的に開くもので、この高圧制御弁（ＨＰＲ）
の開弁によりＪ−Ｔ用高圧配管（１５）（冷媒回路）の
ヘリウムガスがバッファタンク内に戻される。

【００４３】また、上記第１及び第２開閉弁（ＡＶ
１），（ＡＶ２）は、圧縮機（４），（８）の運転周波
数を制御する制御ユニット（図示せず）からの制御信号
を受けて空気圧の作用又は作用停止を切り換えるマニホ
ールドユニット（ＭＨ）に接続されている。

【００４４】これに対し、上記冷凍機ユニット（２１）
には、圧縮機ユニット（１）の高段用圧縮機（８）に対
し閉回路に接続された予冷機（２２）と、低段用圧縮機
（４）及び高段用圧縮機（８）に対し直列に接続された
Ｊ−Ｔ回路（３１）とが設置されている。これら予冷機
（２２）及びＪ−Ｔ回路（３１）は何れも膨張手段を構
成するもので、図２に示すように、予冷機（２２）は、
Ｇ−Ｍ（ギフォード・マクマホン）サイクルの冷凍機で
構成されていて、Ｊ−Ｔ回路（３１）におけるヘリウム
ガス（冷媒ガス）を予冷するためにヘリウムガスを圧縮
及び膨張させる。この予冷機（２２）は上記真空デュワ
ー（Ｄ）の外部に配置される密閉円筒状のケース（２
３）と、該ケース（２３）に連設された大小２段構造の
シリンダ（２４）とを有する。上記ケース（２３）には
上記圧縮機ユニット（１）の予冷用高圧ガス吐出口（１
４）にフレキシブル配管（２５）を介して接続される高
圧ガス入口（２６）と、同中間圧ガス吸入口（６）にフ
レキシブル配管（２７）を介して接続される低圧ガス出
口（２８）とが開口されている。一方、シリンダ（２
４）は真空デュワー（Ｄ）の側壁を貫通してその内部に
延びており、その大径部の先端部は所定温度レベルに冷
却保持される第１ヒートステーション（２９）に、また
小径部の先端部は上記第１ヒートステーション（２９）
よりも低い温度レベルに冷却保持される第２ヒートステ
ーション（３０）にそれぞれ形成されている。

【００４５】すなわち、ここでは図示しないが、シリン
ダ（２４）内には、上記各ヒートステーション（２
９），（３０）に対応する位置にそれぞれ膨張空間を区
画形成するフリータイプのディスプレーサ（置換器）が
往復動可能に嵌挿されている。一方、上記ケース（２
３）内には、回転する毎に開閉するロータリバルブと、
該ロータリバルブを駆動するバルブモータとが収容され
ている。ロータリバルブは、上記高圧ガス入口（２６）
から流入したヘリウムガスをシリンダ（２４）内の各膨
張空間に供給し、又は各膨張空間内で膨張したヘリウム
ガスを低圧ガス出口（２８）から排出するように切り換
わる。そして、このロータリバルブの開閉により高圧ヘ
リウムガスをシリンダ（２４）内の各膨張空間でサイモ
ン膨張させて、その膨張に伴う温度降下により極低温レ
ベルの寒冷を発生させ、その寒冷をシリンダ（２４）に
おける第１及び第２ヒートステーション（２９），（３
０）にて保持する。つまり、予冷機（２２）では、高段
用圧縮機（８）から吐出された高圧のヘリウムガスを断
熱膨張させてヒートステーション（２９），（３０）の
温度を低下させ、Ｊ−Ｔ回路（３１）における後述の予
冷器（３６），（３７）を予冷するとともに、膨張した
低圧ヘリウムガスを圧縮機（８）に戻して再圧縮するよ
うになされている。

【００４６】一方、上記Ｊ−Ｔ回路（３１）は、約４Ｋ
レベルの寒冷を発生させるためにヘリウムガスをジュー
ル・トムソン膨張させるものであって、このＪ−Ｔ回路
（３１）は上記真空デュワー（Ｄ）内に配置された第１
〜第３のＪ−Ｔ熱交換器（３２）〜（３４）を備えてい
る。この各Ｊ−Ｔ熱交換器（３２）〜（３４）は１次側
及び２次側をそれぞれ通過するヘリウムガス間で互いに
熱交換させるもので、第１Ｊ−Ｔ熱交換器（３２）の１
次側は圧縮機ユニット（１）のＪ−Ｔ用高圧ガス吐出口
（１６）にフレキシブル配管（３５）を介して接続され
ている。また、第１及び第２のＪ−Ｔ熱交換器（３
２），（３３）の各１次側同士は、上記予冷機（２２）
におけるシリンダ（２４）の第１ヒートステーション
（２９）外周に配置した第１予冷器（３６）を介して接
続されている。同様に、第２及び第３Ｊ−Ｔ熱交換器
（３３），（３４）の各１次側同士は、第２ヒートステ
ーション（３０）外周に配置した第２予冷器（３７）を
介して接続されている。さらに、上記第３Ｊ−Ｔ熱交換
器（３４）の１次側は、高圧のヘリウムガスをジュール
・トムソン膨張させるＪ−Ｔ弁（３８）に吸着器（３
９）を介して接続されている。上記Ｊ−Ｔ弁（３８）は
真空デュワー（Ｄ）外側から操作ロッド（３８ａ）によ
って開度が調整される。上記Ｊ−Ｔ弁（３８）は、ステ
ンレス鋼製の管からなる液体ヘリウム戻し配管（４０）
を介してヘリウムタンク（Ｔｈ）内に連通されている。
また、このヘリウムタンク（Ｔｈ）内は、同様のステン
レス鋼管からなるヘリウムガス吸入配管（４１）を介し
て上記第３Ｊ−Ｔ熱交換器（３４）の２次側に接続され
ている。そして、この第３Ｊ−Ｔ熱交換器（３４）の２
次側は第２Ｊ−Ｔ熱交換器（３３）の２次側を経て第１
Ｊ−Ｔ熱交換器（３２）の２次側に接続され、この第１
Ｊ−Ｔ熱交換器（３２）の２次側はフレキシブル配管
（４２）を介して圧縮機ユニット（１）の低圧ガス吸入
口（２）に接続されている。

【００４７】すなわち、Ｊ−Ｔ回路（３１）はフレキシ
ブル配管（３５），（４２）、低圧配管（３）、両圧縮
機（４），（８）及びＪ−Ｔ用高圧配管（１５）に対し
直列に接続された冷媒回路をなし、その冷媒回路の一部
が液体ヘリウム戻し配管（４０）及びヘリウムガス吸入
配管（４１）を介してヘリウムタンク（Ｔｈ）内に開放
されており、タンク（Ｔｈ）内で蒸発したヘリウムガス
をガス吸入配管（４１）から冷媒回路に吸い込んで第３
〜第１Ｊ−Ｔ熱交換器（３４）〜（３２）の各２次側を
通して低段用及び高段用圧縮機（４），（８）に吸入圧
縮する。また、この高段用圧縮機（８）により圧縮され
た高圧ヘリウムガスを第１〜第３のＪ−Ｔ熱交換器（３
２）〜（３４）において、圧縮機（４）側に向かう低温
低圧のヘリウムガスと熱交換させるとともに、第１及び
第２予冷器（３６），（３７）でそれぞれシリンダ（２
４）の第１及び第２ヒートステーション（２９），（３
０）で冷却した後、Ｊ−Ｔ弁（３８）でジュール・トム
ソン膨張させて約４Ｋの液状態のヘリウムとなし、この
液体ヘリウムを液体ヘリウム戻し配管（４０）を経由し
てタンク（Ｔｈ）内に戻すようになされている。

【００４８】上記前段の油分離器（９）の底部は、オリ
フィス（４３ａ）及び空冷コイル（４３）を配設した第
１リターン配管（４３）を介して後述の第２インジェク
ション配管（５１）に接続されており、油分離器（９）
でヘリウムガスから分離された冷却油を第１リターン配
管（４３）及び第２インジェクション配管（５１）の一
部により高段用圧縮機（８）に戻すようにしている。

【００４９】また、前段及び後段の油分離器（９），
（１１）は、熱交換器（５）よりも低段用圧縮機（４）
側の配管に第２リターン配管（４４）を介して接続され
ている。この第２リターン配管（４４）は油分離器
（９），（１１）側で２つの分岐リターン配管（４４
ａ），（４４ｂ）に並列に分岐され、一方の分岐リター
ン配管（４４ａ）は前段油分離器（９）にその油溜り底
面よりも所定高さの位置に、また他方の分岐リターン配
管（４４ｂ）は後段油分離器（１１）の底部にそれぞれ
開口されており、油分離器（９），（１１）の冷却油を
第２リターン配管（４４）及び両圧縮機（４），（８）
間の配管を介して高段用圧縮機（８）に戻し、その途中
で熱交換器（５）により冷却するようにしている。

【００５０】また、上記低段用圧縮機（４）内の底部に
は、その内部の冷却油を吸引して吐出する第１油ポンプ
（４５）が配設され、この油ポンプ（４５）には第１イ
ンジェクション配管（４６）の一端が接続されている。
この第１インジェクション配管（４６）は一旦低段用圧
縮機（４）の外部に延び、その部分にはフィルタ（４
７）、オリフィス（４８）及び空冷コイル（４９）がそ
れぞれ直列に配設されている。その後、第１インジェク
ション配管（４６）は再び低段用圧縮機（４）を貫通し
てその内部に延び、その他端部は圧縮機（４）内におけ
るヘリウムガスの吐出口近傍で開口しており、低段用圧
縮機（４）内底部の冷却油を油ポンプ（４５）で吸引し
て低段用圧縮機（４）外に吐出した後、その圧縮機
（４）内にインジェクションするようにしている。

【００５１】また、同様に、高段用圧縮機（８）内の底
部には、その内部の冷却油を吸引して吐出する第２油ポ
ンプ（５０）が配設され、この油ポンプ（５０）には第
２インジェクション配管（５１）の一端が接続されてい
る。この第２インジェクション配管（５１）は高段用圧
縮機（８）の一旦外部に延び、その部分にはフィルタ
（５２）及びオリフィス（５３）が直列に配設されてい
る。その後、第２インジェクション配管（５１）は再び
該高段用圧縮機（８）を貫通してその内部に延び、他端
部は高段用圧縮機（８）内のヘリウムガスの吐出口近傍
で開口しており、高段用圧縮機（８）内底部の冷却油を
ポンプ（５０）で吸引して高段用圧縮機（８）外に吐出
した後に同じ圧縮機（８）内にインジェクションする。

【００５２】さらに、両圧縮機（４），（８）内部は油
戻し配管（５５）を介して接続されている。この油戻し
配管（５５）の一端側は、第１及び第２油戻し配管（５
５ａ），（５５ｂ）に分岐されてそれぞれ高段用圧縮機
（８）に接続され、第２油戻し配管（５５ｂ）は、高段
用圧縮機（８）に対しそのドーム内における油溜り底面
よりも所定高さの位置に開口されている。一方、第１油
戻し配管（５５ａ）は、上記第２油戻し配管（５５ｂ）
の開口位置よりも低くかつ上記油ポンプ（５０）の吸込
口と略同じ高さ位置に開口されている。

【００５３】そして、この油戻し配管（５５）は高段用
圧縮機（８）から低段用圧縮機（４）側に延び、その他
端部は低段用圧縮機（４）内に開口されており、両圧縮
機（４），（８）のドーム内部を油戻し配管（５５）で
連通させて、両圧縮機（４），（８）内の圧力差により
高段用圧縮機（８）内の冷却油を油戻し配管（５５）を
介して低段用圧縮機（４）内に流すようにしている。

【００５４】上記第１油戻し配管（５５ａ）の途中に
は、高段用圧縮機（８）側から順にフィルタ（５６）及
び油流量調整装置（５８）が直列に配設されている。ま
た、第２油戻し配管（５５ｂ）の途中にはフィルタ（５
４ａ）と、第２油戻し配管（５５ｂ）の冷却油流量を少
量に制限するオリフィス（５４ｂ）とが高段用圧縮機
（８）側から順に直列に配設されている。さらに、油戻
し配管（５５）において分岐部以外の部分には空冷コイ
ル（５７）が配設されている。

【００５５】上記油流量調整装置（５８）は高段用圧縮
機（８）から低段用圧縮機（４）に向かって油戻し配管
（５５）を流れる冷却油の流量を調整するもので、低段
用及び高段用圧縮機（４），（８）内の圧力差が大きく
なるほど油戻し配管（５５）の通路断面積を小さくして
冷却油の流量が圧力差の小さいときと同等になるように
調整する。

【００５６】具体的には、油流量調整装置（５８）は、
図３に拡大詳示するように、油戻し配管（５５）（具体
的には第１油戻し配管（５５ａ））を閉塞するように配
置された固定オリフィス（５９）を有し、この固定オリ
フィス（５９）の中心部には、油通路を形成する円形の
貫通孔からなるオリフィス孔（６０）が設けられてい
る。

【００５７】一方、上記固定オリフィス（５９）よりも
高段用圧縮機（８）側には、上記オリフィス孔（６０）
の開口面積を可変とするニードル弁（６１）が摺動可能
につまり固定オリフィス（５９）に対し接離可能に配設
されている。このニードル弁（６１）は、オリフィス孔
（６０）に進入してその開口面積を変化させる先細りテ
ーパ状とされ、このニードル弁（６１）の基端部には、
油戻し配管（５５）の内径と略同じ外径を有するばね受
けとしてのフランジ（６２）が一体に固定され、フラン
ジ（６２）には油通路を形成する多数の孔（６３），
（６３），…が形成されている。尚、この各孔（６３）
の形状は図４に示すように円形孔としてもよく、或いは
図５に示す如く矩形孔としてもよい。

【００５８】さらに、固定オリフィス（５９）とニード
ル弁（６１）との間には、ニードル弁（６１）をオリフ
ィス孔（６０）の開口面積が増大する方向に付勢する付
勢手段としてのコイルスプリング（６４）が縮装されて
いる。

【００５９】次に、上記実施例の作用について説明す
る。超電導磁石を作動させる定常状態では、その超電導
コイルがヘリウムタンク（Ｔｈ）内の液体ヘリウムによ
り臨界温度以下に冷却保持される。また、上記ヘリウム
タンク（Ｔｈ）内で蒸発したヘリウムガスは、タンク
（Ｔｈ）内に開口するヘリウムガス吸入配管（４１）か
ら吸い込まれて冷凍機（Ｒ）の冷媒回路に供給され、そ
こで圧縮及び膨張により冷却されて液化する。この液体
ヘリウムは液体ヘリウム戻し配管（４０）を経てタンク
（Ｔｈ）内に戻される。このことによって、タンク（Ｔ
ｈ）内に液体ヘリウムが所定量以上貯溜されて、超電導
コイルが臨界温度以下に安定して冷却される。

【００６０】上記冷凍機（Ｒ）の運転についてさらに詳
しく説明すると、その定常運転状態では、低段用圧縮機
（４）によりヘリウムガスが圧縮されて冷却油と共に吐
出され、この低段用圧縮機（４）から吐出されたヘリウ
ムガスは高段用圧縮機（８）に吸引されて圧縮され、そ
の高段用圧縮機（８）から冷却油と共に吐出される。こ
の高段用圧縮機（８）から吐出された高圧のヘリウムガ
スは前段油分離器（９）において殆どの冷却油を、また
後段油分離器（１１）において残りの少しの冷却油をそ
れぞれ分離された後、その一部が予冷機（２２）（膨張
機）に供給されて該予冷機（２２）におけるシリンダ
（２４）内の各膨張空間で膨張し、このガスの膨張に伴
う温度降下により第１ヒートステーション（２９）が所
定温度レベルに、また第２ヒートステーション（３０）
が第１ヒートステーション（２９）よりも低い温度レベ
ルにそれぞれ冷却される。膨張空間で膨張したヘリウム
ガスは圧縮機ユニット（１）に戻り、その中間圧配管
（７）を経由して高段用圧縮機（８）に吸い込まれて圧
縮される。

【００６１】一方、圧縮機ユニット（１）におけるＪ−
Ｔ用高圧配管（１５）の第１開閉弁（ＡＶ１）が開弁す
る一方、第２開閉弁（ＡＶ２）が閉弁し、上記高段用圧
縮機（８）から吐出された高圧のヘリウムガスの残部は
上記Ｊ−Ｔ用高圧配管（１５）の第１絞り弁（Ｖ１）を
経由してＪ−Ｔ回路（３１）の第１Ｊ−Ｔ熱交換器（３
２）の１次側に入り、そこで圧縮機（４）側へ向かう２
次側の低圧ヘリウムガスと熱交換されて常温３００Ｋか
ら約５０Ｋまで冷却され、その後、上記予冷機（２２）
の第１ヒートステーション（２９）外周の第１予冷器
（３６）に入ってさらに冷却される。この冷却されたガ
スは第２Ｊ−Ｔ熱交換器（３３）の１次側に入って、同
様に２次側の低圧ヘリウムガスとの熱交換により約１５
Ｋまで冷却された後、予冷機（２２）の第２ヒートステ
ーション（３０）外周の第２予冷器（３７）に入ってさ
らに冷却される。この後、ガスは第３Ｊ−Ｔ熱交換器
（３４）の１次側に入って２次側の低圧ヘリウムガスと
の熱交換によりさらに冷却され、しかる後にＪ−Ｔ弁
（３８）に至る。このＪ−Ｔ弁（３８）では高圧ヘリウ
ムガスは絞られてジュール・トムソン膨張し、約４Ｋの
液状態のヘリウムとなり、この液体ヘリウムは液体ヘリ
ウム戻し配管（４０）を経由してタンク（Ｔｈ）へ供給
される。また、タンク（Ｔｈ）内で蒸発したヘリウムガ
スは、ヘリウムガス吸入配管（４１）を介して第３Ｊ−
Ｔ熱交換器（３４）の２次側に吸入され、第２及び第１
Ｊ−Ｔ熱交換器（３３），（３２）の各２次側を経由し
て低段用圧縮機（４）に吸い込まれて圧縮される。

【００６２】そして、上記油分離器（９），（１１）で
分離された冷却油はリターン配管（４３），（４４）に
より高段用圧縮機（８）に戻され、圧縮機（８）でのヘ
リウムガスの冷却や潤滑に供される。また、低段用圧縮
機（４）においては、その内部の冷却油が油ポンプ（４
５）で吸引されて圧縮機（４）外に吐出された後、該圧
縮機（４）内に第１インジェクション配管（４６）を経
てインジェクションされる。一方、高段用圧縮機（８）
内の冷却油は同様に油ポンプ（５０）で吸引されて圧縮
機（８）外に吐出された後、圧縮機（８）内に第２イン
ジェクション配管（５１）を経てインジェクションされ
る。このように各圧縮機（４），（８）内の冷却油はポ
ンプ（４５），（５０）で圧送された後、同じ圧縮機
（４），（８）の内部にインジェクション配管（４
６），（５１）を介してインジェクションされるので、
その各圧縮機（４），（８）から吐出されるヘリウムガ
スとのミキシングが良好に行われ、冷却油が圧縮機
（４），（８）からヘリウムガスと共にスムーズに吐出
されて、その内部に溜まるのが防止される。

【００６３】しかも、両圧縮機（４），（８）の内部は
油戻し配管（５５）で互いに連通されているので、高段
用圧縮機（８）内に溜まった冷却油は油戻し配管（５
５）を介して低段用圧縮機（４）内に流れるようにな
る。このとき、油戻し配管（５５）においては、圧縮機
（８）の内部の油溜り底面よりも所定高さの位置に開口
する第２油戻し配管（５５ｂ）と、この第２油戻し配管
（５５ｂ）の開口位置よりも低くて油ポンプ（５０）の
吸込口と略同じ高さ位置に開口する第１油戻し配管（５
５ａ）とに分岐されているので、高段用圧縮機（８）内
の冷却油は、主として第１油戻し配管（５５ａ）を経て
低段用圧縮機（４）に流れる。そして、高段用圧縮機
（８）内の冷却油の油面が第２油戻し配管（５５ｂ）の
開口の高さ位置よりも上昇したときに、冷却油は、この
第２油戻し配管（５５ｂ）を経ても低段用圧縮機（４）
に流れるようになり、このことによって高段用圧縮機
（８）での冷却油の油面が略一定に保たれる。

【００６４】尚、図１に示す如く、定常状態では、上記
低段用圧縮機（４）の内部から油ポンプ（４５）で吸引
されて圧縮機（４）内に第１インジェクション配管（４
６）を経てインジェクションされる冷却油の流量（Ａ）
と、その後、圧縮機（４）からガスと共に吐出されて高
段用圧縮機（８）に供給される冷却油の流量（Ｂ）とは
同じで、高段用圧縮機（８）から第１油戻し配管（５５
ａ）を経て低段用圧縮機（４）に戻る冷却油の流量
（Ｈ）と、同様に第２油戻し配管（５５ｂ）を経て低段
用圧縮機（４）に戻る冷却油の流量（Ｉ）との合計値と
なる（Ａ＝Ｂ＝Ｈ＋Ｉ）。

【００６５】また、高段用圧縮機（８）と油分離器
（９），（１１）との間についても冷却油流量はバラン
スしており、高段用圧縮機（８）からガスと共に吐出さ
れて前段油分離器（９）に供給される冷却油の流量
（Ｄ）は、高段用圧縮機（８）内から油ポンプ（５０）
で吸引されて圧縮機（８）内に第２インジェクション配
管（５１）を経てインジェクションされる冷却油の流量
（Ｃ）と、前段油分離器（９）から第１リターン配管
（４３）及び第２インジェクション配管（５１）の一部
を経て圧縮機（８）に戻される油流量（Ｅ）との合計値
となり、かつ上記前段油分離器（９）から第１リターン
配管（４３）及び第２インジェクション配管（５１）の
一部を経て圧縮機（８）に戻される油流量（Ｅ）と、前
段油分離器（９）から第２リターン配管（４４）の一方
の分岐リターン配管（４３ａ）を経て圧縮機（８）に戻
される油流量（Ｆ）と、後段油分離器（１１）から第２
リターン配管（４４）の他方の分岐リターン配管（４３
ｂ）を経て圧縮機（８）に戻される油流量（Ｇ）との合
計値となる（Ｄ＝Ｃ＋Ｅ＝Ｅ＋Ｆ＋Ｇ）。

【００６６】これらの結果、低段用及び高段用圧縮機
（４），（８）の何れか一方に冷却油が偏って溜まるの
が防止され、冷却油不足により圧縮機（４），（８）が
焼き付くのを効果的に防止することができる。

【００６７】また、各インジェクション配管（４６），
（５１）により圧縮機（４），（８）外から内部に冷却
油がインジェクションされるので、冷媒ガスとしてのヘ
リウムガスの圧縮に伴う熱の発生量が大きくとも、それ
を冷却油のインジェクションにより効率よく冷却するこ
とができる。

【００６８】また、その場合、上記油戻し配管（５５）
を流れる冷却油の流量が油流量調整装置（５８）により
調整され、その流量は低段用及び高段用圧縮機（４），
（８）内の圧力差が大きくなるほど少なくなる。すなわ
ち、超電導磁石のクールダヴン時、或いは保守や点検等
で超電導磁石による磁場の発生を停止させる消磁や電流
を流して励磁を行う励消磁時の冷凍機（Ｒ）の運転状態
では、圧縮機（４），（８）の運転周波数が上昇され、
それに伴い両圧縮機（４），（８）内の圧力差が小さく
なる（例えば５〜７Ｋｇ／ｃｍ² ）。このときには、図
６（ａ）に示すように、圧力差よりもスプリング（６
４）の開弁付勢力が大きく、ニードル弁（６１）先端の
固定オリフィス（５９）のオリフィス孔（６０）への進
入が殆どなく、オリフィス孔（６０）の開口面積が大き
く保たれる。このため、高段用圧縮機（８）から低段用
圧縮機（４）に流れる潤滑油の流量が所定量に保たれ
る。

【００６９】そして、超電導磁石を定常状態で作動させ
る冷凍機（Ｒ）の定常運転時は圧縮機（４），（８）の
運転周波数が下がるので、両圧縮機（４），（８）内の
圧力差が大きくなる（例えば８Ｋｇ／ｃｍ² ）。このと
きには、図６（ｂ）に示す如く、それに応じてニードル
弁（６１）がスプリング（６４）の付勢力に抗して移動
してオリフィス孔（６０）内に進入し、その開口面積が
小さくなり、圧力差の増大に比例して冷却油流量は増加
しない。

【００７０】さらに、超電導磁石を待機状態とする冷凍
機（Ｒ）の低速運転時（抑制運転時）には、低段用及び
高段用圧縮機（４），（８）内の圧力差が最大付近にな
る（例えば１０Ｋｇ／ｃｍ² ）。このときには、図６
（ｃ）に示す如く、ニードル弁（６１）がオリフィス孔
（６０）を略閉鎖した状態となり、オリフィス孔（６
０）の開口面積が極小になる。このように、超電導磁石
の作動状態に伴う冷凍機（Ｒ）の運転状態の変化により
両圧縮機（４），（８）内の圧力差が高低に変化する
と、図１２に示す従来例の如く圧力差の増大に応じて冷
却油の流量が増加するのではなく、圧力差の変化に拘ら
ず冷却油の流量が略一定となるので、その流量を安定し
て確保することができ、高段用圧縮機（８）の油量不足
を回避することができる。

【００７１】しかも、こうした冷却油の流量調整を、ニ
ードル弁（６１）を用いた簡単でコンパクトな構造の油
流量調整装置（５８）により行うことができる。

【００７２】また、この実施例では、前段油分離器
（９）の冷凍機ユニット（２１）側に、ヘリウムガスを
冷却する空冷コイル（１０）が配設されているので、前
段油分離器（９）で多量の冷却油を分離されたヘリウム
ガスのみを空冷コイル（１０）に供給でき、この空冷コ
イル（１０）での圧力損失を低減することができる。

【００７３】尚、前段油分離器（９）内の冷却油を高段
用圧縮機（８）に戻す第１リターン配管（４３）に上記
の油流量調整装置（５８）を配設してもよく、同様の作
用効果が得られる。

【００７４】（油流量調整装置の変形例）油流量調整装
置（５８）は上記実施例のものに限定されない。図７〜
図１１はそれぞれ油流量調整装置（５８）の変形例を示
し（尚、図３と同じ部分については同じ符号を付してそ
の詳細な説明は省略する）、例えば図７に示す例では、
固定オリフィス（５９）よりも低段用圧縮機（４）側に
スプリング支持部材（６６）が油戻し配管（５５）を閉
塞するように配設され、このスプリング支持部材（６
６）には冷却油を通過可能な多数の孔部（６７），（６
７），…が形成されている。そして、ニードル弁（６
１）は先細りテーパ状の円板形状とされ、固定オリフィ
ス（５９）のオリフィス孔（６０）はニードル弁（６
１）の断面形状に対応して断面テーパ状とされている。
ニードル弁（６１）の先端面と上記スプリング支持部材
（６６）との間には、ニードル弁（６１）を開弁方向に
付勢するコイルスプリング（６４）が配置されている。
この場合でも上記実施例と同様の作用効果を奏すること
ができる。

【００７５】図８に示す例は付勢手段の構成を変えたも
のである。すなわち、この例では、ニードル弁（６１）
における基端部側のフランジ（６２）は弾性膜で構成さ
れ、その内周端はニードル弁（６１）の背面側に固定さ
れている一方、外周端は油戻し配管（５５）の内壁に固
定されており、このフランジ（６２）の弾性変形力によ
りニードル弁（６１）を開弁方向に付勢している。従っ
て、この実施例では、低段用及び高段用圧縮機（４），
（８）内の圧力差が小さいときには、弾性膜からなるフ
ランジ（６２）の開弁付勢力によりニードル弁（６１）
が開弁側に付勢され、オリフィス孔（６０）の開口面積
が大きくなるが、圧縮機（４），（８）間の圧力差が増
大すると、それに応じてフランジ（６２）が弾性変形し
て固定オリフィス（５９）のオリフィス孔（６０）に進
入し、その開口面積が小さくなって冷却油の流量の増加
が抑制される。よって、この例でも同様の効果が得られ
る。

【００７６】図９はニードル弁（６１）をその自重によ
り開弁付勢するようにした例である。この例では、油戻
し配管（５５）の一部が鉛直方向に延びる鉛直部（５５
ｃ）とされ、この鉛直部（５５ｃ）には、上方に向かっ
て内径が小さくなるオリフィス孔（６０）を有する固定
オリフィス（５９）が配設されている。また、この固定
オリフィス（５９）よりも低段用圧縮機（４）側にニー
ドル弁（６１）が先端を上方に向けて配設され、このニ
ードル弁（６１）の上端（先端）にはロッド（６８）の
下端が連結されている。このロッド（６８）はオリフィ
ス孔（６０）を遊嵌合状態で貫通して固定オリフィス
（５９）の上方に延び、その上端にはニードル弁（６
１）を固定オリフィス（５９）に対し吊持する吊持部材
（６９）が連結されている。尚、この吊持部材（６９）
には油通路としての多数の連通孔（７０），（７０），
…が形成されている。

【００７７】したがって、この場合、両圧縮機（４），
（８）間の圧力差が小さいときには、油戻し配管（５
５）の鉛直部（５５ｃ）においてニードル弁（６１）は
その自重により吊持部材（６９）により吊り下げられて
開弁側に下降移動し、オリフィス孔（６０）の開口面積
が大きく保たれる。これに対し、圧縮機（４），（８）
間の圧力差が大きくなると、この圧力差によりニードル
弁（６１）が押し上げられて閉弁方向に移動し、オリフ
ィス孔（６０）の開口面積が小さくなって冷却油の流量
の増加が抑制される。よって同様の作用効果が得られ
る。

【００７８】図１０に示す例はリード弁を使用したもの
である。この例では、オリフィス孔（６０）周縁の固定
オリフィス（５９）に、オリフィス孔（６０）の開口面
積を可変とする板ばねからなるリード弁（７１）が基端
部にて固定され、このリード弁（７１）は、その先端部
が高段用圧縮機（８）側に付勢されていて開弁付勢され
ている。

【００７９】この例では、圧縮機（４），（８）間の圧
力差が小さいときには、リード弁（７１）がその板ばね
のばね力により開弁側に付勢されて、オリフィス孔（６
０）の開口面積が大きくなるが、圧縮機（４），（８）
間の圧力差が大きくなると、リード弁（７１）が上記付
勢力に抗して閉弁方向に移動し、オリフィス孔（６０）
の開口面積が小さくなって冷却油の流量の増加が抑制さ
れる。

【００８０】図１１は膜部材を利用したものである。こ
の例では、固定オリフィス（５９）のオリフィス孔（６
０）は、低段用圧縮機（４）側に向かって径が小さくな
るテーパ状とされている。また、この固定オリフィス
（５９）よりも高段用圧縮機（８）側に膜部材（７２）
が移動可能にかつ上記オリフィス孔（６０）を覆うよう
に配設され、この膜部材（７２）の低段用圧縮機（４）
側の面には複数の突起（７３），（７３），…が設けら
れ、この各突起（７３）の先端は、低段用及び高段用圧
縮機（４），（８）内の圧力差が大きくなったときにオ
リフィス孔（６０）の壁面と密着可能とされている。

【００８１】したがって、この例の場合、圧縮機
（４），（８）間の圧力差が小さいときには、膜部材
（７２）が固定オリフィス（５９）のオリフィス孔（６
０）を開放するように位置付けられ、そのオリフィス孔
（６０）の開口面積が大きくなる。しかし、圧縮機
（４），（８）間の圧力差が大きくなると、膜部材（７
２）の複数の突起（７３），（７３），…の各先端がオ
リフィス孔（６０）の壁面と密着し、この突起（７３）
の分だけ膜部材（７２）とオリフィス孔（６０）の壁面
との間隙をあけた状態でオリフィス孔（６０）の開口面
積が小に確保され、この間隙を通って冷却油が流れる。
その結果、オリフィス孔（６０）の開口面積が小さくな
って冷却油の流量の増加が抑制される。

【００８２】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
よると、各々、冷媒ガスを圧縮して冷却油と共に吐出す
る低段用及び高段用圧縮機をそれぞれ直列に接続し、油
分離手段において高段用圧縮機の吐出冷媒ガスから冷却
油を分離した後、その冷媒ガスを膨張させて極低温レベ
ルの寒冷を発生させる一方、油分離手段で分離された冷
却油を高段用圧縮機に戻すようにした極低温冷凍機に対
し、各圧縮機内の冷却油を油ポンプで吸引して圧縮機外
に吐出した後、同じ圧縮機内にインジェクションするイ
ンジェクション配管と、高段用圧縮機内の冷却油を低段
用圧縮機内に流す油戻し配管とを設けたことにより、各
圧縮機での冷却油の吐出冷媒ガスとのミキシングを良好
にし、冷却油を圧縮機から冷媒ガスと共にスムーズに吐
出させて、その内部に溜まるのを防止できるとともに、
高段用圧縮機内に溜まった冷却油を油戻し配管を介して
低段用圧縮機内に流すことができ、一方の圧縮機に冷却
油が偏って溜まるのを良好に抑制して、冷却油不足によ
る圧縮機の焼付きを効果的に防止することができる。

【００８３】請求項２の発明によると、上記油戻し配管
を、第１及び第２油戻し配管に分岐して高段用圧縮機に
接続し、第２油戻し配管は、高段用圧縮機内の油溜り底
面よりも所定高さの位置に開口させる一方、第１油戻し
配管は、上記第２油戻し配管の開口位置よりも低くかつ
インジェクション配管の油ポンプ吸込口と略同じ高さ位
置に開口させたことにより、高段用圧縮機内の冷却油を
主として第１油戻し配管を経て低段用圧縮機に流し、高
段用圧縮機内の冷却油の油面が第２油戻し配管の開口の
高さ位置よりも上昇したときに、冷却油を第２油戻し配
管によっても低段用圧縮機に流して、高段用圧縮機での
冷却油の油面を略一定に確保することができる。

【００８４】請求項３の発明によると、油分離手段の膨
張手段側に、冷媒ガスを冷却する冷却手段を配設したこ
とにより、油分離手段で油を分離された冷媒ガスのみを
冷却手段に供給でき、冷却手段での圧力損失の低減を図
ることができる。

【００８５】請求項４の発明によると、上記請求項１の
発明と同様の構成において、高段用圧縮機内の冷却油を
低段用圧縮機内に流すための油戻し配管を流れる冷却油
の流量を、低段用及び高段用圧縮機内の圧力差の変化に
拘らず一定に調整する流量調整手段を設けたことによ
り、請求項１の発明と同様の作用効果に加え、冷凍機の
運転状態の変化により両圧縮機内の圧力差が変化しても
冷却油の流量を安定して確保でき、一方の圧縮機の油量
不足を有効に回避できるという効果が得られる。

【００８６】請求項５の発明では、流量調整手段は、オ
リフィス孔を有する固定オリフィスと、この固定オリフ
ィスよりも高段用圧縮機側に配設され、オリフィス孔の
開口面積を可変とするニードル弁と、このニードル弁を
オリフィス孔の開口面積が増大する方向に付勢する付勢
手段とを備えてなるものとした。請求項１０の発明で
は、油戻し配管の一部を鉛直部とし、この鉛直部に、オ
リフィス孔を有する固定オリフィスを配置し、この固定
オリフィスよりも低段用圧縮機側にオリフィス孔の開口
面積を可変とするニードル弁を配設し、このニードル弁
を吊持手段で吊持するようにした。また、請求項１１の
発明では、流量調整手段は、オリフィス孔を有する固定
オリフィスと、このオリフィス孔の周縁に固定されたリ
ード弁とを備えてなるものとした。さらに、請求項１２
の発明では、流量調整手段は、低段用圧縮機側に向かっ
て径が小さくなるテーパ状のオリフィス孔を有する固定
オリフィスと、この固定オリフィスよりも高段用圧縮機
側に移動可能に上記オリフィス孔を覆うように配設さ
れ、かつ低段用圧縮機側の面に低段用及び高段用圧縮機
内の圧力差が大きくなったときにオリフィス孔の壁面と
密着可能な複数の突起が設けられた膜部材とを備えてな
るものとした。従って、これら発明によれば、上記流量
調整手段が容易に得られる。

【００８７】請求項６の発明では、上記付勢手段はコイ
ルスプリングとした。また、請求項７の発明では、コイ
ルスプリングは固定オリフィスとニードル弁との間に縮
装されているものとした。また、請求項８の発明では、
上記固定オリフィスよりも低段用圧縮機側に、冷却油が
通過可能な孔部を有する支持部材を配置し、コイルスプ
リングは、上記支持部材とニードル弁との間に縮装され
ているものとした。さらに、請求項９の発明では、付勢
手段は、内周端がニードル弁の背面側に固定されている
一方、外周端が油戻し配管の管壁に固定された弾性膜と
した。これら発明によると、付勢手段が容易に得られ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る極低温冷凍機の圧縮機ユ
ニットを示す回路図である。

【図２】極低温冷凍機の冷凍機ユニットを示す回路図で
ある。

【図３】油流量調整装置の構造を示す拡大断面図であ
る。

【図４】ニードル弁の平面図である。

【図５】ニードル弁の変形例を示す図４相当図である。

【図６】油流量調整装置の動作を示す拡大断面図であ
る。

【図７】油流量調整装置の変形例１を示す図３相当図で
ある。

【図８】油流量調整装置の変形例２を示す図３相当図で
ある。

【図９】油流量調整装置の変形例３を示す図３相当図で
ある。

【図１０】油流量調整装置の変形例４を示す図３相当図
である。

【図１１】油流量調整装置の変形例５を示す図３相当図
である。

【図１２】オリフィス孔の開口面積が一定の場合の差圧
変化に対する油流量変化の特性を示す特性図である。

【符号の説明】

（Ｒ） 極低温冷凍機 （１） 圧縮機ユニット （４） 低段用圧縮機 （８） 高段用圧縮機 （９） 油分離器（油分離手段） （１０） 空冷コイル（冷却手段） （２１） 冷凍機ユニット （２２） 予冷機（膨張手段） （３１） Ｊ−Ｔ回路（膨張手段） （３８） Ｊ−Ｔ弁 （４３），（４４） リターン配管 （４５），（５０） 油ポンプ （４６），（５１） インジェクション配管 （５５） 油戻し配管 （５５ａ） 第１油戻し配管 （５５ｂ） 第２油戻し配管 （５５ｃ） 鉛直部 （５８） 油流量調整装置（油流量調整手段） （５９） 固定オリフィス （６０） オリフィス孔 （６１） ニードル弁 （６２） フランジ（付勢手段） （６４） コイルスプリング（付勢手段） （６６） スプリング支持部材 （６７） 孔部 （６９） 吊持部材（吊持手段） （７１） リード弁 （７２） 膜部材 （７３） 突起

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷媒ガスを圧縮して冷却油と共に吐出す
   る低段用圧縮機（４）と、該低段用圧縮機（４）から吐
   出された冷媒ガスを圧縮して冷却油と共に吐出する高段
   用圧縮機（８）と、該高段用圧縮機（８）から吐出され
   た冷媒ガスから冷却油を分離する油分離手段（９）と、
   該油分離手段（９）で冷却油を分離された冷媒ガスを膨
   張させて極低温を発生させる膨張手段（２２），（３
   １）と、上記油分離手段（９）で分離された冷却油を高
   段用圧縮機（８）に戻すリターン配管（４３），（４
   ４）とを備え、膨張手段（２２），（３１）での冷媒ガ
   スの膨張により極低温レベルの寒冷を発生させるように
   した極低温冷凍機において、 上記低段用圧縮機（４）内の冷却油をポンプ（４５）で
   吸引して該圧縮機（４）外に吐出した後、低段用圧縮機
   （４）内にインジェクションする第１インジェクション
   配管（４６）と、 高段用圧縮機（８）内の冷却油をポンプ（５０）で吸引
   して該圧縮機（８）外に吐出した後、高段用圧縮機
   （８）内にインジェクションする第２インジェクション
   配管（５１）と、 上記高段用圧縮機（８）内の冷却油を低段用圧縮機
   （４）内に流す油戻し配管（５５）とを備えたことを特
   徴とする極低温冷凍機の冷却油制御装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の極低温冷凍機の冷却油制
   御装置において、 油戻し配管（５５）は、第１及び第２油戻し配管（５５
   ａ），（５５ｂ）に分岐されて高段用圧縮機（８）に接
   続され、 上記第２油戻し配管（５５ｂ）は、圧縮機（８）の内部
   の油溜り底面よりも所定高さの位置に開口されている一
   方、 第１油戻し配管（５５ａ）は、上記第２油戻し配管（５
   ５ｂ）の開口位置よりも低くかつ油ポンプ（５０）の吸
   込口と略同じ高さ位置に開口されていることを特徴とす
   る極低温冷凍機の冷却油制御装置。
3. 【請求項３】 請求項１記載の極低温冷凍機の冷却油制
   御装置において、 油分離手段（９）の膨張手段（２２），（３１）側に、
   冷媒ガスを冷却する冷却手段（１０）が配設されている
   ことを特徴とする極低温冷凍機の冷却油制御装置。
4. 【請求項４】 冷媒ガスを圧縮して冷却油と共に吐出す
   る低段用圧縮機（４）と、該低段用圧縮機（４）から吐
   出された冷媒ガスを圧縮して冷却油と共に吐出する高段
   用圧縮機（８）と、該高段用圧縮機（８）から吐出され
   た冷媒ガスを膨張させて極低温を発生させる膨張手段
   （２２），（３１）と、上記高段用圧縮機（８）から吐
   出された冷媒ガスから冷却油を分離する油分離手段
   （９）と、該油分離手段（９）で分離された冷却油を高
   段用圧縮機（８）に戻すリターン配管（４３），（４
   ４）とを備え、膨張手段（２２），（３１）での冷媒ガ
   スの膨張により極低温レベルの寒冷を発生させるように
   した極低温冷凍機において、 上記高段用圧縮機（８）から吐出された冷媒ガスから冷
   却油を分離する油分離手段（９）と、 低段用圧縮機（４）内の冷却油をポンプ（４５）で吸引
   して該圧縮機（４）外に吐出した後、低段用圧縮機
   （４）内にインジェクションする第１インジェクション
   配管（４６）と、 高段用圧縮機（８）内の冷却油をポンプ（５０）で吸引
   して該圧縮機（８）外に吐出した後、高段用圧縮機
   （８）内にインジェクションする第２インジェクション
   配管（５１）と、 上記高段用圧縮機（８）内の冷却油を低段用圧縮機
   （４）内に流す油戻し配管（５５）と、 上記油戻し配管（５５）の通路断面積を、上記低段用及
   び高段用圧縮機（４），（８）内の圧力差が大きくなる
   ほど小さくなるように調整する流量調整手段（５８）と
   を備えたことを特徴とする極低温冷凍機の冷却油制御装
   置。
5. 【請求項５】 請求項４記載の極低温冷凍機の冷却油制
   御装置において、 流量調整手段（５８）は、オリフィス孔（６０）を有す
   る固定オリフィス（５９）と、 上記固定オリフィス（５９）よりも高段用圧縮機（８）
   側に配設され、オリフィス孔（６０）の開口面積を可変
   とするニードル弁（６１）と、 上記ニードル弁（６１）をオリフィス孔（６０）の開口
   面積が増大する方向に付勢する付勢手段（６４）とを備
   えてなるものであることを特徴とする極低温冷凍機の冷
   却油制御装置。
6. 【請求項６】 請求項５記載の極低温冷凍機の冷却油制
   御装置において、 付勢手段（６４）は、コイルスプリングであることを特
   徴とする極低温冷凍機の冷却油制御装置。
7. 【請求項７】 請求項６記載の極低温冷凍機の冷却油制
   御装置において、 コイルスプリングは、固定オリフィス（５９）とニード
   ル弁（６１）との間に配置された圧縮スプリングである
   ことを特徴とする極低温冷凍機の冷却油制御装置。
8. 【請求項８】 請求項６記載の極低温冷凍機の冷却油制
   御装置において、 固定オリフィス（５９）よりも低段用圧縮機（４）側
   に、冷却油が通過可能な孔部（６７），（６７），…を
   有する支持部材（６６）が油戻し配管（５５）を閉鎖す
   るように配設され、 コイルスプリングは、上記支持部材（６６）とニードル
   弁（６１）との間に配置された圧縮スプリングであるこ
   とを特徴とする極低温冷凍機の冷却油制御装置。
9. 【請求項９】 請求項５記載の極低温冷凍機の冷却油制
   御装置において、 付勢手段（６４）は、内周端がニードル弁（６１）の背
   面側に固定されている一方、外周端が油戻し配管（５
   ５）の管壁に固定された弾性膜であることを特徴とする
   極低温冷凍機の冷却油制御装置。
10. 【請求項１０】 請求項４記載の極低温冷凍機の冷却油
    制御装置において、 油戻し配管（５５）の少なくとも一部が鉛直方向に延び
    る鉛直部（５５ａ）とされており、 流量調整手段（５８）は、上記鉛直部（５５ａ）に配置
    されかつオリフィス孔（６０）を有する固定オリフィス
    （５９）と、 上記固定オリフィス（５９）よりも低段用圧縮機（４）
    側に配設され、オリフィス孔（６０）の開口面積を可変
    とするニードル弁（６１）と、 上記ニードル弁（６１）を吊持する吊持手段（６９）と
    を備えてなるものであることを特徴とする極低温冷凍機
    の冷却油制御装置。
11. 【請求項１１】 請求項４記載の極低温冷凍機の冷却油
    制御装置において、 流量調整手段（５８）は、オリフィス孔（６０）を有す
    る固定オリフィス（５９）と、 基端部が上記オリフィス孔（６０）周縁の固定オリフィ
    ス（５９）に固定される一方、先端部が高段用圧縮機
    （８）側に付勢され、オリフィス孔（６０）の開口面積
    を可変とするリード弁（７１）とを備えてなるものであ
    ることを特徴とする極低温冷凍機の冷却油制御装置。
12. 【請求項１２】 請求項４記載の極低温冷凍機の冷却油
    制御装置において、 流量調整手段（５８）は、低段用圧縮機（４）側に向か
    って径が小さくなるテーパ状のオリフィス孔（６０）を
    有する固定オリフィス（５９）と、 上記固定オリフィス（５９）よりも高段用圧縮機（８）
    側に移動可能にかつ上記オリフィス孔（６０）を覆うよ
    うに配設され、低段用圧縮機（４）側の面に低段用及び
    高段用圧縮機（４），（８）内の圧力差が大きくなった
    ときにオリフィス孔（６０）の壁面と密着可能な複数の
    突起（７３），（７３），…が設けられた膜部材（７
    ２）とを備えてなるものであることを特徴とする極低温
    冷凍機の冷却油制御装置。