(57)【要約】【課題】被冷却体を所定の極低温まで冷却できる冷却能力を有し、耐圧強度が所定の圧力を超える圧力容器を用いることなく、かつ作動ガスの放出・補充をすることなく、停止中の常温から作動中の極低温まで、高圧部分の圧力をほぼ一定に保持することができる極低温冷凍装置とその制御方法を提供する。【解決手段】閉ループ１１で作動ガスを圧縮し膨張させて極低温を発生させる極低温冷凍装置１０。高圧部と低圧部を連通するバイパスライン２２と、バイパスラインの中間に位置し高圧側と低圧側にそれぞれ圧力調整弁２３ａ，２３ｂを有する貯気タンク２４と、各圧力調整弁を制御する圧力制御装置２６とを備える。圧力制御装置２６は、貯気タンク２４の圧力が、常温かつ停止時に閉ループと同一となり、運転時に高圧部と低圧部の中間の低圧部に近い圧力となるように各圧力調整弁２３ａ，２３ｂを制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
閉ループで作動ガスを圧縮し膨張タービンにより膨張させて極低温を発生させる極低温冷凍装置であって、
前記閉ループの高圧部と低圧部を連通するバイパスラインと、
該バイパスラインの中間に位置し、高圧側と低圧側にそれぞれ圧力調整弁を有する貯気タンクと、
該各圧力調整弁を制御する圧力制御装置とを備え、
該圧力制御装置は、貯気タンクの圧力が、常温かつ停止時に閉ループと同一とするため弁開度が開放となり、極低温を発生する運転時に高圧部の圧力が所定の圧力となるように前記各圧力調整弁を制御する、ことを特徴とする極低温冷凍装置。
【請求項２】
前記貯気タンクは、常温かつ停止時に所定の基準圧力以下であり、極低温を発生する運転時に前記高圧部が所定の運転圧力に達するように十分な容量に設定されている、ことを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍装置。
【請求項３】
前記圧力制御装置は、
極低温冷凍装置の停止時に前記各圧力調整弁を全開に保持し、
起動中は、前記高圧部が所定の最大圧力を超える場合に高圧側に接続されている圧力調整弁を開き、前記高圧部が所定の最低圧力以下の場合に低圧側に接続されている圧力調整弁を開く、ことを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍装置。
【請求項４】
前記閉ループの常温部に設置され作動ガスを所定の低圧から高圧まで圧縮する常温圧縮機と、
前記極低温部と常温部の中間に位置し、作動ガス同士で熱交換する第１中間熱交換器と、
該第１中間熱交換器より極低温部側に設置され作動ガスを等エントロピー膨張させる膨張機とを備える、ことを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍装置。
【請求項５】
前記常温圧縮機は、前記所定の低圧から前記高圧まで多段で圧縮する複数のターボ圧縮機からなり、
前記膨張機は、前記高圧から前記低圧まで多段で膨張させる複数の膨張タービンとからなり、
前記複数の膨張タービンの中間に、作動ガス同士で熱交換する複数の中間熱交換器を備える、ことを特徴とする請求項４に記載の極低温冷凍装置。
【請求項６】
閉ループで作動ガスを圧縮し膨張タービンにより膨張させて極低温を発生させる極低温冷凍装置の制御方法であって、
前記閉ループの高圧部と低圧部を連通するバイパスラインと、
該バイパスラインの中間に位置し、高圧側と低圧側にそれぞれ圧力調整弁を有する貯気タンクとを備え、
貯気タンクの圧力が、常温かつ停止時に閉ループと同一とするため弁開度が開放となり、極低温を発生する運転時に高圧部の圧力が所定の圧力となるように前記各圧力調整弁を制御する、ことを特徴とする極低温冷凍装置の制御方法。
【請求項７】
前記貯気タンクを、常温かつ停止時に所定の基準圧力以下であり、極低温を発生する運転時に前記高圧部が所定の運転圧力に達するように十分な容量に設定する、ことを特徴とする請求項６に記載の極低温冷凍装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被冷却体を極低温まで冷却できる冷却能力を有する極低温冷凍装置とその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高温超電導（ＨＴＣ）機器（例えば超電導送電ケーブル、超電導トランス、超電導モーター、超電導電力貯蔵用超電導コイル、大型加速器、核融合試験設備、ＭＨＤ発電、超電導コイル等）を冷却するために、極低温冷凍装置（例えばブレイトンサイクル冷凍機やエリクソンサイクル冷凍機）が用いられる。
例えば、高温超電導機器冷却用の場合、超電導線材の種類と用途により異なるが、最低温度範囲は６５Ｋ、４０Ｋ、３０Ｋ、２０Ｋなどである。また冷凍出力は各温度において１〜１０ｋＷ程度、冷媒ガスはヘリウム（沸点約４Ｋ）、ネオン（沸点約２７Ｋ）、またはヘリウム・ネオンの混合ガスなどが用いられる。
かかる極低温冷凍装置は、例えば、特許文献１，２および非特許文献１に開示されている。
【０００３】
特許文献１のカスケードターボヘリウム冷凍液化装置は、図３に示すように、ターボ式圧縮機５１、熱交換器５２ａ〜５２ｅ、ターボ式膨張機５３を備えたネオン冷凍サイクルと、ターボ式圧縮機５４、熱交換器５５ａ〜５５ｃ、膨張タービン５６、ジュールトムソン弁５７を備えたヘリウム冷凍サイクルからなり、ネオン冷凍サイクルでヘリウムを予冷するよう関連構成したことを特徴とするものである。
【０００４】
特許文献２の冷凍機は、冷却媒体の固化を防止し、メンテナンスの周期を長くし、大きな出力を出すことができて、振動も生じないようにすることを目的とし、図４に示すように、遠心式のコンプレッサ６２とタービン６３を備え、コンプレッサ６２の翼６４を１段とした冷凍機６１であって、コンプレッサ６２で圧縮されてタービン６３へ導入されるガス６５を例えばヘリウムとアルゴン、ヘリウムと窒素等を混合したガスとするものである。
【０００５】
非特許文献１は、図５に示すように高温超電導ケーブルを冷却するために液体窒素（沸点約７７Ｋ）を６５Ｋまで冷却する極低温冷凍装置を開示している。
【０００６】
【特許文献１】特開昭５９−１２２８６８号、「ネオンガスを利用したカスケードターボヘリウム冷凍液化装置」
【特許文献２】特開平１１−１５９８９８号、「冷凍機」
【０００７】
【非特許文献１】Ｎ．Ｓａｊｉ，  ｅｔ．ａｌ，“ＤＥＳＩＧＮ  ＯＦ  ＯＩＬ−ＦＲＥＥ  ＳＩＭＰＬＥ  ＴＵＲＢＯ  ＴＹＰＥ  ６５Ｋ／６ＫＷ  ＨＥＬＩＵＭ  ＡＮＤ  ＮＥＯＮ  ＭＩＸＴＵＲＥ  ＧＡＳ  ＲＥＦＲＩＧＥＲＡＴＯＲ  ＦＯＲ  ＨＩＧＨ  ＴＥＭＰＥＲＡＴＵＲＥ  ＳＵＰＥＲＣＯＮＤＵＣＴＩＮＧ  ＰＯＷＥＲ  ＣＡＢＬＥ  ＣＯＯＬＩＮＧ”，ＣＰ６１３，Ａｄｖａｎｃｅｓ  ｉｎ  Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ：Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｖｏｌ．４７，２００２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した極低温冷凍装置で使用する作動ガス（ヘリウム、ネオン等）は、液化温度が非常に低いため、膨張機内部での液化を回避する上で優れているが、非常に高価である問題点がある。
このような高価な作動ガスを使用する極低温冷凍装置では、ガスの充填量を最小にし、かつ冷凍機の起動から定常運転に至るまで内部の圧力を一定に保つことが必要である。
【０００９】
しかし、運転中の極低温冷凍装置の低圧低温部分は、冷凍機内の温度が低下するに従い、例えば常温（例えば３００Ｋ）から極低温（例えば６０Ｋ）まで冷却されるとその部分のガス容積は１／５になるので、所定の圧力（例えば起動時の１／２）を保持するにはその部分で５／２倍となるように作動ガスを補充する必要がある。
【００１０】
また逆に、運転停止後は圧力が高くなるので作動ガスを外部に放出するか、別に設けた圧力容器に抽気する必要がある。この場合、外部に放出すると高価な作動ガスの損失が大きく、圧力容器に抽気すると、圧力容器の耐圧強度が過大となる。特に、我国では、耐圧強度が所定の圧力（例えば１ＭＰａ）を超えると高圧ガス保安法の適用を受け、圧力容器の形式認定、審査、試験が義務付けられるため、その製作、メンテナンスが困難となる問題点があった。
【００１１】
さらに、圧力容器を用いずに、冷凍機全体をそのまま停止する場合には、冷凍機全体の耐圧強度を増しておかなければならない。またこの場合、起動時には圧縮機に過大な負荷がかかる問題点があった。
また、冷凍機を緊急停止等で急に停止させると、高圧側の作動ガスが圧縮機を通って逆流し、圧縮機が逆回転して、駆動系等に悪影響を及ぼすことがあった。
【００１２】
本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明は、被冷却体を所定の極低温まで冷却できる冷却能力を有し、耐圧強度が所定の圧力（例えば１ＭＰａ）を超える圧力容器を用いることなく、かつ作動ガスの放出・補充をすることなく、停止中の常温から作動中の極低温まで、高圧部分の圧力をほぼ一定に保持することができ、かつ緊急停止させても圧縮機の逆回転を防止できる極低温冷凍装置とその制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明によれば、閉ループで作動ガスを圧縮し膨張タービンにより膨張させて極低温を発生させる極低温冷凍装置であって、
前記閉ループの高圧部と低圧部を連通するバイパスラインと、
該バイパスラインの中間に位置し、高圧側と低圧側にそれぞれ圧力調整弁を有する貯気タンクと、
該各圧力調整弁を制御する圧力制御装置とを備え、
該圧力制御装置は、貯気タンクの圧力が、常温かつ停止時に閉ループと同一とするため弁開度が開放となり、極低温を発生する運転時に高圧部の圧力が所定の圧力となるように前記各圧力調整弁を制御する、ことを特徴とする極低温冷凍装置が提供される。
【００１４】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記貯気タンクは、常温かつ停止時に所定の基準圧力以下であり、極低温を発生する運転時に前記高圧部が所定の運転圧力に達するように十分な容量に設定されている。
【００１５】
前記圧力制御装置は、
極低温冷凍装置の停止時に前記各圧力調整弁を全開に保持し、
起動中は、前記高圧部が所定の最大圧力を超える場合に高圧側に接続されている圧力調整弁を開き、前記高圧部が所定の最低圧力以下の場合に低圧側に接続されている圧力調整弁を開く、ことが好ましい。
【００１６】
また、本発明の好ましい実施形態によれば、前記閉ループの常温部に設置され作動ガスを所定の低圧から高圧まで圧縮する常温圧縮機と、
前記極低温部と常温部の中間に位置し、作動ガス同士で熱交換する第１中間熱交換器と、
該第１中間熱交換器より極低温部側に設置され作動ガスを等エントロピー膨張させる膨張機とを備える。
【００１７】
また、前記常温圧縮機は、前記所定の低圧から前記高圧まで多段で圧縮する複数のターボ圧縮機からなり、
前記膨張機は、前記高圧から前記低圧まで多段で膨張させる複数の膨張タービンとからなり、
前記複数の膨張タービンの中間に、作動ガス同士で熱交換する複数の中間熱交換器を備える、ことが好ましい。
【００１８】
また本発明によれば、閉ループで作動ガスを圧縮し膨張タービンにより膨張させて極低温を発生させる極低温冷凍装置の制御方法であって、
前記閉ループの高圧部と低圧部を連通するバイパスラインと、
該バイパスラインの中間に位置し、高圧側と低圧側にそれぞれ圧力調整弁を有する貯気タンクとを備え、
貯気タンクの圧力が、常温かつ停止時に閉ループと同一とするため弁開度が開放となり、極低温を発生する運転時に高圧部の圧力が所定の圧力となるように前記各圧力調整弁を制御する、ことを特徴とする極低温冷凍装置の制御方が提供される。
【００１９】
また、本発明の好ましい実施形態によれば、前記貯気タンクを、常温かつ停止時に所定の基準圧力以下であり、極低温を発生する運転時に前記高圧部が所定の運転圧力に達するように十分な容量に設定する。
【発明の効果】
【００２０】
上記本発明の装置および方法によれば、極低温冷凍装置を構成する閉ループの高圧部と低圧部を連通するバイパスラインと、該バイパスラインの中間に位置し高圧側と低圧側にそれぞれ圧力調整弁を有する貯気タンクを備えるので、
貯気タンクの圧力が常温かつ停止時に閉ループと同一となるように各圧力調整弁を制御する（例えば停止時に各圧力調整弁を全開に保持する）ことにより、閉ループ、バイパスラインおよび貯気タンクからなる全体の系を所定の基準圧力以下に設定することができる。
また、これにより、冷凍機の停止時に圧縮機の入口側と出口側の圧力を均圧化できるので、停止後の圧縮機の圧力による逆回転を防止することが出来る。
【００２１】
また、極低温を発生する運転時に高圧部の圧力が所定の圧力となるように前記各圧力調整弁を制御することにより、運転中の極低温冷凍装置の低圧低温部分が、温度低下と圧力低下により起動時の例えば５／２倍の作動ガスが必要になっても、その分の作動ガスを貯気タンクから補充することができる。
【００２２】
従って、前記貯気タンクを、常温かつ停止時に所定の基準圧力以下であり、極低温を発生する運転時に前記高圧部が所定の運転圧力に達するように十分な容量に設定することにより、被冷却体を所定の極低温まで冷却できる冷却能力を有し、耐圧強度が所定の圧力（例えば１ＭＰａ）を超える圧力容器を用いることなく、かつ作動ガスの放出・補充をすることなく、停止中の常温から作動中の極低温まで、高圧部分の圧力をほぼ一定に保持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。
【００２４】
図１は、本発明による極低温冷凍装置の第１実施形態を示す図である。
本発明の極低温冷凍装置１０は、閉ループ１１で作動ガスを圧縮し、膨張タービンにより膨張させて極低温を発生させる極低温冷凍装置である。膨張タービンによる膨張は、等エントロピー膨張であるのが好ましい。
【００２５】
この図において、本発明の極低温冷凍装置１０は、極低温熱交換器１２、常温圧縮機１４、第１中間熱交換器１６および膨張機１８を備え、閉ループ１１を構成する。閉ループ１１を循環する作動ガスは、ヘリウム（沸点約４Ｋ）、ネオン（沸点約２７Ｋ）、またはヘリウム・ネオンの混合ガスを用いる。
【００２６】
極低温熱交換器１２は、閉ループ１１の極低温部に設置され、被冷却体を作動ガスで間接冷却する。被冷却体は、高温超電導（ＨＴＣ）機器（例えば超電導送電ケーブル、超電導トランス、超電導モーター、超電導電力貯蔵用超電導コイル、大型加速器、核融合試験設備、ＭＨＤ発電、超電導コイル等）であり、極低温部の極低温熱交換器１２の出口温度は例えば６５Ｋである。
【００２７】
常温圧縮機１４は、例えばターボ圧縮機であり、閉ループ１１の常温部（例えば３００Ｋ前後の室内）に設置され、作動ガスを所定の低圧から高圧まで圧縮する。所定の低圧は例えば０．５〜０．６ＭＰａ、所定の高圧は例えば１．０〜１．２ＭＰａ、圧縮機の圧縮比は２前後であるのが好ましい。
常温圧縮機１４の下流側（高圧側）には、水冷のガス冷却器１５が設置され、外部の冷却水循環装置９から供給される冷却水により、圧縮により温度上昇した作動ガスを好ましくは３００Ｋ前後まで冷却するようになっている。
【００２８】
第１中間熱交換器１６は、極低温部と常温部の中間に位置し、高圧側と低圧側の作動ガス同士で熱交換する。この熱交換により、高圧側作動ガスを好ましくは６５〜７０Ｋまで冷却する。
膨張機１８は、例えば膨張タービンであり、第１中間熱交換器１６より極低温部側に設置され、第１中間熱交換器１６で冷却された作動ガスを等エントロピー膨張させる。この膨張タービンによる膨張により作動ガスは所定の極低温（例えば５６Ｋ）を発生する。膨張タービンはターボ圧縮機と同軸であり、同一の電動機で駆動されるのが好ましい。
この極低温の作動ガスは、極低温熱交換器１２に供給されて被冷却体を作動ガスで間接冷却し、第１中間熱交換器１６で高圧側の作動ガスを間接冷却し、次いで常温圧縮機１４に供給されて、再度圧縮される。
【００２９】
上述した構成により、閉ループ１１で作動ガスを圧縮し、膨張タービンにより膨張させて極低温を発生させる、被冷却体を所定の極低温まで冷却することができる。
【００３０】
図１において、本発明の極低温冷凍装置１０は、さらにバイパスライン２２、貯気タンク２４、および圧力制御装置２６を備える。
【００３１】
バイパスライン２２は、閉ループ１１の高圧部（この例ではガス冷却器１５の下流側）と低圧部（この例では常温圧縮機１４の上流側）を直接連通する。
貯気タンク２４は、バイパスライン２２の中間に位置し、高圧側と低圧側にそれぞれ圧力調整弁２３ａ，２３ｂを有する。
貯気タンク２４は、常温かつ停止時に所定の基準圧力以下（例えば１ＭＰａ）であり、極低温を発生する運転時に高圧部が所定の運転圧力（例えば１．０〜１．２ＭＰａ）に達するように十分な容量に設定されている。
この貯気タンク２４の容量は、運転時における温度と圧力から算出される閉ループ内の貯気タンクを除くガスの全質量と常温にて停止時の容積に運転時高圧側圧力（例えば１  ＭＰａ）に充填されたガスの質量の差が貯気タンク内を運転時高圧側圧力と低圧側圧力で満たした場合の質量差に等しくなるような貯気タンクの容積が必要になる。極低温かつ低圧となる低温低圧部分の容積の３倍以上、好ましくは４〜５倍に設定するのがよい。
【００３２】
また、閉ループ１１の高圧部に圧力検出器２５が設置されており、検出した圧力データは、圧力制御装置２６に入力される。
圧力制御装置２６は、検出した圧力データに基づき、貯気タンク２４の圧力が、常温かつ停止時に閉ループ１１と同一となり、極低温を発生する運転時に高圧部と低圧部の中間の低圧部に近い圧力となるように各圧力調整弁２３ａ，２３ｂを制御する。
【００３３】
上述した構成の極低温冷凍装置１０を用い、本発明の極低温冷凍装置の制御方法では、圧力制御装置２６により、以下の制御を行う。
（Ａ）極低温冷凍装置１０の停止時に、各圧力調整弁２３ａ，２３ｂを全開に保持する。この操作により、冷凍機の停止時に圧縮機１４の入口側と出口側の圧力を均圧化できるので、停止後の圧縮機の圧力による逆回転を防止することが出来る。
（Ｂ）極低温冷凍装置１０の起動前に各圧力調整弁２３ａ，２３ｂを全閉する。この操作により、起動直後の高圧側および低圧側の圧力変動から貯気タンク２４を切り離し、閉ループ１１のみでの起動ができる。
（Ｃ）極低温冷凍装置１０の起動中に、高圧部が所定の最大圧力（例えば１．１ＭＰａ）を超える場合に高圧側の圧力調整弁２３ａを開く。この操作により、高圧部が所定の最大圧力を超えるのを防止し、余分な作動ガスを貯気タンク２４に回収することができる。
（Ｄ）極低温冷凍装置１０の起動中に、高圧部が所定の最低圧力（例えば０．９ＭＰａ）以下の場合に低圧側の圧力調整弁２３ｂを開く。この操作により、閉ループ１１の低圧部に貯気タンク２４から作動ガスを補給し、高圧部の圧力低下を抑制することができる。
（Ｂ）〜（Ｄ）の操作により、極低温冷凍装置１０の起動を完了し、極低温を発生する定常運転を行うことができる。
【００３４】
また、極低温を発生する定常運転から停止させる場合の制御も、上記と同様である。すなわち、運転時に極低温かつ低圧となる低温低圧部分の温度および圧力が上昇するにつれて、低圧側の圧力が上昇するので、上述した（Ｃ）の操作により余分な作動ガスを貯気タンク２４に回収することができる。
また、極低温冷凍装置１０の停止時には、各圧力調整弁２３ａ，２３ｂを全開に保持する（Ａ）の操作により、冷凍機の停止時に圧縮機１４の入口側と出口側の圧力を均圧化できるので、停止後の圧縮機の圧力による逆回転を防止することが出来る。
【００３５】
上述した本発明の装置および方法によれば、極低温冷凍装置１０を構成する閉ループ１１の高圧部と低圧部を連通するバイパスライン２２の中間に位置し高圧側と低圧側にそれぞれ圧力調整弁２３ａ，２３ｂを有する貯気タンク２４を備えるので、貯気タンク２４の圧力が常温かつ停止時に閉ループ１１と同一となるように各圧力調整弁を制御する（例えば停止時に各圧力調整弁２３ａ，２３ｂを全開に保持する）ことにより、閉ループ１１、バイパスライン２２および貯気タンク２４からなる全体の系を所定の基準圧力（例えば１ＭＰａ）以下に設定することができる。
また、これにより、冷凍機の停止時に圧縮機１４の入口側と出口側の圧力を均圧化できるので、停止後の圧縮機の圧力による逆回転を防止することが出来る。
【００３６】
また、極低温を発生する運転時に高圧部と低圧部の中間の低圧部に近い圧力となるように各圧力調整弁２３ａ，２３ｂを制御することにより、運転開始後冷凍機内の低温部の温度が下がるに従い、閉ループ内の作動ガスの圧力が低下しても、その分の作動ガスを貯気タンクから補充することができる。
【００３７】
例えば、貯気タンク２４の容量を、運転時に極低温かつ低圧となる低温低圧部分の容積Ｖの３倍以上に設定した場合、低温低圧部分は、温度の低下（例えば３００Ｋから６０Ｋへ）と圧力の低下（例えば１／２に）により、低温低圧部分の圧力（例えば起動時の１／２）を保持するにはその部分で起動時の５／２（２．５）倍となるように作動ガスを補充する必要がある。
従って、貯気タンク２４から不足分の１．５Ｖを低温低圧部分に供給しても、貯気タンク２４の圧力を停止時の１／２以上に保持することができる。
【００３８】
すなわち、貯気タンク２４を、常温かつ停止時に所定の基準圧力（例えば１ＭＰａ）以下であり、極低温を発生する運転時に高圧部が所定の運転圧力に達するように十分な容量に設定することにより、被冷却体を所定の極低温まで冷却できる冷却能力を有し、耐圧強度が所定の圧力（例えば１ＭＰａ）を超える貯気タンクを用いることなく、かつ作動ガスの放出・補充をすることなく、停止中の常温から作動中の極低温まで、高圧部分の圧力をほぼ一定に保持することができる。
【実施例】
【００３９】
図２は、本発明による極低温冷凍装置の第２実施形態を示す図である。この例は、極低温部の出口温度が６５Ｋ、冷却能力が３ｋＷの実施例であり、図中のＰ，Ｔ，Ｈ，Ｇはそれぞれ圧力（ｂａｒ），温度（Ｋ），質量流量（ｇ／ｓ）を示している。
【００４０】
この例において、常温圧縮機１４は、所定の低圧（５．５７ｂａｒ）から低圧と高圧の間の第１中間圧力（８．０３ｂａｒ）まで圧縮する第１段圧縮機１４Ａと、第１中間圧力から高圧（１１．０ｂａｒ）まで圧縮する第２段圧縮機１４Ｂとからなる。第１段圧縮機１４Ａと第２段圧縮機１４Ｂの下流側（高圧側）には、それぞれ水冷のガス冷却器が設置される。
また、膨張機１８は、高圧（１１．０ｂａｒ）から低圧と高圧の間の第２中間圧力（１０．２９ｂａｒ）まで膨張させる第１膨張機１８Ａと、第２中間圧力から低圧（５．５７ｂａｒ）まで膨張させる第２膨張機１８Ｂとからなる。
【００４１】
さらに、第１膨張機１８Ａと第２膨張機１８Ｂの中間に、低圧と高圧の作動ガス同士で熱交換する第２中間熱交換器１７を備える。
第１段圧縮機１４Ａと第２段圧縮機１４Ｂはそれぞれ膨張タービンであり、第１膨張機１８Ａと第２膨張機１８Ｂはそれぞれターボ圧縮機であり、第１段圧縮機１４Ａと第２膨張機１８Ｂ、第２段圧縮機１４Ｂと第１膨張機１８Ａはそれぞれ同軸であり、それぞれ同一の電動機で駆動されるのが好ましい。
その他の構成は図１と同様である。
【００４２】
この構成により、閉ループ１１で作動ガスを圧縮し、膨張タービンにより膨張させて５６Ｋの極低温を発生させ、被冷却体から３ｋＷの熱量を吸熱することができることが確認されている。
【００４３】
上述したように、本発明では、常温部に貯気タンク２４を設けて冷凍機の高圧側（圧縮機出口側）と低圧側（戻り側）にそれぞれ圧力調整弁２３ａ，２３ｂを備えた配管（バイパスライン２２）で接続する。
圧力調整弁２３ａ，２３ｂの制御における参照圧力は共に高圧側圧力であるが、配管が高圧側に接続される圧力調整弁２３ａは規定圧を超えた時に弁を「開」とし、戻り側に接続される圧力調整弁２３ｂは高圧側が規定圧より低下したときに「開」となって系内の圧力を上昇させる。
また、貯気タンク２４の容積は運転時に戻り側圧力より少し高い圧力を保ち、停止時に系内が常温になっても設計圧力を超えない範囲で出来るだけ小さい容積に設定されている。
【００４４】
また、膨張タービンをターボ圧縮機と同軸に構成し、同一の電動機で駆動することにより、膨張タービンの動力を回収し電動機動力を削減できると共に、膨張タービンを電動機の回転速度に制限し、そのオーバースビードを本質的に防止できるので、膨張タービンのバイパス弁や入口の絞り弁が不要であり、圧縮機は起動時から定格回転数での運転をすることができる。
【００４５】
また、冷凍機の停止時に圧力調整弁２３ａ，２３ｂの両方を開放とし、圧縮機入口側と出口側の圧力を均圧化することにより、停止後の圧縮機の圧力による逆回転を防止することができる。
【００４６】
上述した構成により、作動ガスは常温圧縮機１４で昇圧され、上昇したガスの温度をガス冷却器１５で常温近くまで下げ、第１中間熱交換器１６、膨張機１８を通して温度を低下させ圧力も下がる。冷凍負荷である被冷却体から熱を奪った戻りガスは第１中間熱交換器１６で高圧側の作動ガスを冷却しながら常温近くまで温度上昇し、常温圧縮機１４に戻る。高圧側と低圧側の圧力比はおよそ２である。貯器タンク２４は冷凍機高圧側（圧縮機出口側）と戻り側（圧縮機入口側）にそれぞれ圧力調整弁２３ａ，２３ｂを備えた配管（バイパスライン２２）で接続する。
【００４７】
圧力調整弁２３ａ，２３ｂの制御における参照圧力は共に高圧側圧力であるが、配管が高圧側に接続される圧力調整弁２３ａは規定圧を超えた時に弁を「開」とし、戻り側に接続される圧力調整弁２３ｂは高圧側が規定圧より低下したときに「開」となって系内の圧力を上昇させる。この２つの圧力調整弁２３ａ，２３ｂの働きで高圧側の圧力は運転、起動、停止時に一定に保たれる。
【００４８】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明による極低温冷凍装置の第１実施形態を示す図である。
【図２】本発明による極低温冷凍装置の第２実施形態を示す図である。
【図３】特許文献１の装置の模式図である。
【図４】特許文献２の冷凍機の構成図である。
【図５】非特許文献１の装置の模式図である。
【符号の説明】
【００５０】
９  冷却水循環装置、１０  極低温冷凍装置、１１  閉ループ、
１２  極低温熱交換器、１４  常温圧縮機（ターボ圧縮機）、
１４Ａ  第１段圧縮機、１４Ｂ  第２段圧縮機、
１５  ガス冷却器、１６  第１中間熱交換器、１７  第２中間熱交換器、
１８  膨張機（膨張タービン）、第１膨張機１８Ａ、第２膨張機１８Ｂ、
２２  バイパスライン、２３ａ，２３ｂ  圧力調整弁、
２４  貯気タンク、２５  圧力検出器、２６  圧力制御装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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