JP2017514101A

JP2017514101A - 極低温冷凍システム

Info

Publication number: JP2017514101A
Application number: JP2017507662A
Authority: JP
Inventors: ウースクチャン
Original assignee: スナムカンパニーリミテッド
Priority date: 2014-04-25
Filing date: 2015-04-23
Publication date: 2017-06-01
Also published as: KR20150124390A; EP3136021A4; CN106461285A; US20170045273A1; EP3136021A1

Abstract

本発明は、極低温冷凍システムを開示する。そのシステムは、極低温冷凍機と、前記極低温冷凍機を冷却する冷媒を循環供給する放熱モジュールを含む。放熱モジュールは、冷媒を凝縮する凝縮器と、極低温冷凍機に配置され、冷媒を極低温冷凍機と凝縮器との間に循環させて極低温冷凍機を冷却する熱交換器を含む。

Description

本発明は極低温冷凍システムに関するものであり、より詳しくは、放熱効率を増加し得る極低温冷凍システムに関するものである。

一般に、極低温冷凍機は超伝導体または小型の電子部品などを冷却するために使用される。例えば、極低温冷凍機はスターリング冷凍機（Ｓｔｉｒｌｉｎｇｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ）、ＧＭ冷凍機（ＧＭｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ）、及びジュール・トムソン冷凍機（Ｊｏｕｌｅ−Ｔｈｏｍｓｏｎｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ）を含む。このような極低温冷凍機はヘリウム或いは水素などの作動流体の膨張過程を介して冷凍出力（ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎｏｕｔｐｕｔ）を発生する。膨張過程は圧縮過程の発熱を伴う。そのため、極低温冷凍機は放熱器によって冷却される。一般的な極低温冷凍機は二重放熱器によって冷却される。二重放熱器は水冷式放熱器と蒸気圧縮冷凍機を含む。水冷式放熱器は極低温冷凍機を冷却する。水冷式放熱器は蒸気圧縮冷凍機によって冷却される。しかし、水冷式放熱器は冷却効率が低い水を冷媒として使用するため、極低温冷凍機の放熱効率を落とす恐れがある。併せて、水冷式放熱器と蒸気圧縮冷凍機は極低温冷凍機の運転コストを増加させて生産性を落とす恐れがある。

本発明が成そうとする課題は、放熱効率を増加し得る極低温冷凍システムを提供することにある。

また、本発明の他の課題は、極低温冷凍機の運転コストを最小化し得る極低温冷凍システムを提供することにある。

本発明は、極低温冷凍システムを開示する。そのシステムは、極低温冷凍機と、前記極低温冷凍機を冷却する放熱モジュールと、を含む。ここで、前記放熱モジュールは、前記極低温冷凍機に離隔して配置され、前記極低温冷凍機を冷却する冷媒を凝縮する凝縮器と、前記極低温冷凍機に連結され、前記冷媒を前記極低温冷凍機と前記凝縮器との間に循環させて前記極低温冷凍機を冷却する熱交換器と、を含む。

本発明の他の実施例による極低温冷凍システムは、動力生成部、前記動力生成部で生成される動力を変換する動力変換部、及び前記動力変換部で変換された動力でガスを冷却するガス冷却部を含む極低温冷凍機と、前記極低温冷凍機を冷却する冷媒を前記動力生成部、前記動力変換部及び前記ガス冷却部に循環させる放熱モジュールと、を含む。

上述したように、本発明の実施例による極低温冷凍システムは、水より吸熱効率が高い冷媒を使用して極低温冷凍機の放熱効率を増加させる。極低温冷凍機は放熱モジュールに直接冷却されるため、運転コストが最小化される。

本発明の極低温冷凍システムの一例を示す図である。図１の極低温冷凍機を示す図である。図１の極低温冷凍システムの他の例を示す図である。図１の極低温冷凍システムのまた他の例を示す図である。

以下、添付した図面を参照して本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。本発明の利点及び特徴、そしてそれらを達成する方法は添付した図面と共に詳細に後述する実施例を参照すると明確になるはずである。しかし、本発明がここで説明する実施例に限ることではなく、互いに異なる形態に具体化されてもよい。むしろ、ここで紹介される実施例は開示された内容が徹底で完全になるように、そして当業者に本発明の思想が十分に伝達されるようにするために提供されるものであって、本発明は請求項の範疇によって定義されるのみである。明細書全文にわたって、同じ参照符号は同じ構成要素を指す。

本明細書で使用された用語は実施例を説明するためのものであって、本発明を制限しようとするものではない。本明細書において、単数形は文句で特に言及しない限り複数形も含む。明細書で使用される「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」及び／または「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は言及された構成要素、ステップ、動作及び／または素子は一つ以上の他の構成要素、ステップ、動作及び／または素子の存在または追加を排除しない。また、明細書においてチェンバー、ユニット、アーム、リンク、ブレード、モータ、プーリー、回転軸及びベルトに関する一般的な機械的用語として理解されるはずである。好ましい実施例によるものであるため、説明順に提示される参照符号はその順番に必ずしも限ることはない。

図１は、本発明の極低温冷凍システム１０の一例を示す図である。図２は、図１の極低温冷凍機１００を示す図である。

図１及び図２を参照すると、本発明の極低温冷凍システム１０は極低温冷凍機１００と放熱モジュール２００を含む。極低温冷凍機１００は極低温に冷却される。放熱モジュール２００は極低温冷凍機１００を放熱する。

極低温冷凍機１００はスターリング極低温冷凍機を含む。一例によると、極低温冷凍機１００は動力発生部１１０、動力変換部１２０及びガス冷却部１３０を含む。

動力発生部１１０は外部の電源（ｐｏｗｅｒ）によって回転動力を生成する。例えば、動力発生部１１０はモータを含む。動力発生部１１０は動力変換部１２０に連結される。動力発生部１１０は常温より高い温度に加熱される。動力発生部１１０は約３０℃以上に加熱される。

動力変換部１２０は回転動力を往復直線動力に変換する。動力変換部１２０はシャフト１２２、カム１２４、複数個のコネクティングロッド１２６及びハウジング１２８を含む。シャフト１２２は動力発生部１１０に連結される。カム１２４はシャフト１２２とコネクティングロッド１２６との間に連結される。コネクティングロッド１２６はガス冷却部１３０に延長される。ハウジング１２８はカム１２４を囲む。ハウジング１２８はガス冷却部１３０に連結される。

オイル１２１はハウジング１２８内に提供される。オイル１２１はシャフト１２２、カム１２４、コネクティングロッド１２６の動作によって加熱される。

ガス冷却部１３０は動力変換部１２０の上に配置される。ガス冷却部１３０はガス１３１を極低温に冷却する。ガス１３１はヘリウムガスを含む。一例によると、ガス冷却部１３０はシリンダ１３２、ディスプレーサ１４０及びピストン１５０を含む。シリンダ１３２は動力変換部１２０の上に連結される。ガス１３１はシリンダ１３２内に提供される。ディスプレーサ１４０及びピストン１５０はコネクティングロッド１２６に連結され、シリンダ１３２内で往復（ｕｐａｎｄｄｏｗｎ）して移動する。ディスプレーサ１４０はピストン１５０の上に配置される。コネクティングロッド１２６のうち一つはピストン１５０を貫通する。

シリンダ１３２はガス膨張領域１３４、ガス圧縮領域１３６及びピストン移動領域１３８を含む。ガス膨張領域１３４はガス圧縮領域１３６の上に配置される。ディスプレーサ１４０はコネクティングロッド１２６のうち一つに連結されてガス膨張領域１３４とガス圧縮領域１３６内で往復移動する。ディスプレーサ１４０はガス膨張領域１３４内のガス１３１を膨張して冷却する。よって、ガス膨張領域１３４は冷却領域である。ガス圧縮領域１３６はコネクティングロッド１２６の残りに連結されてガス膨張領域１３４とピストン移動領域１３８との間に配置される。ピストン１５０はピストン移動領域１３８内で往復して移動する。これとは異なって、ピストン移動領域１３８はコネクティングロッド１２６のうち一つの通過領域である。ディスプレーサ１４０とピストン１５０はガス圧縮領域１３６内のガス１３１を圧縮する。圧縮されたガス１３１はガス圧縮領域１３６のシリンダ１３２を加熱する。ガス圧縮領域１３６は加熱領域である。

放熱モジュール２００は動力発生部１１０、動力変換部１２０及びガス冷却部１３０に冷媒を循環供給して極低温冷凍機１００を直接冷却する。直接冷却方式は一般的な二重放熱器より小さい大きさを有するため維持コストを減らすことができる。よって、本発明の極低温冷凍システム１０は運転コストを減少させる。

一例によると、放熱モジュール２００は凝縮器２１０、圧縮機２２０、熱交換器２３０、冷媒膨張器２４０、冷媒供給ライン２５０及び冷媒回収ライン２６０を含む。凝縮器２１０は冷媒を凝縮する。圧縮機２２０は凝縮器２１０に連結される。圧縮機２２０は冷媒を圧縮する。一例によると、冷媒はＲ２２、Ｒ１２３，Ｒ１３４ａ、ＨＦＣ−４０７Ｃ、ＨＦＣ−４０７ＡまたはＲ−１２３ｙｆを含む。冷媒は水より低い凝固点と気化点を有する。例えば、６３Ｋの極低温冷凍機１００に対して約１５℃の水を３０℃に熱交換する場合、水は約０．２６２５の放熱効率（ＣＯＰ）を有する。一方、約−３０℃のＲ２２を−１５℃に熱交換する場合、Ｒ２２は約０．３２３のほう熱効率を有する。Ｒ２２の冷媒は水より放熱効率を増加させる。熱交換器ら２３０は動力発生部１１０、動力変換部１２０及びガス冷却部１３０に連結される。冷媒供給ライン２５０は凝縮器２１０と熱交換器ら２３０との間に連結される。冷媒膨張器２４０は冷媒供給ライン２５０に連結される。冷媒回収ライン２６０は圧縮機２２０と熱交換器ら２３０との間に連結される。

凝縮器２１０は冷媒を液化する。凝縮器２１０は水冷式凝縮器または空冷式凝縮器を含む。

冷媒膨張器２４０は凝縮器２１０と熱交換器２３０との間に配置される。冷媒膨張器２４０は冷媒を気化して冷却する。冷却された冷媒は冷媒供給ライン２５０を介して熱交換器２３０に提供される。冷媒は熱交換器２３０で加熱される。

圧縮機２２０は加熱された冷媒を一定圧力で凝縮器２１０に提供する。冷媒はガス状態で凝縮器２１０に提供される。冷媒は熱交換器ら２３０と凝縮器２１０との間を循環する。

熱交換器ら２３０は動力発生部１１０、動力変換部１２０及びガス冷却部１３０を冷却する。一例によると、熱交換器ら２３０はガス熱交換器２３２、オイル熱交換器２３４及びモータ熱交換器２３６を含む。

ガス熱交換器２３２は圧縮領域１３６に配置される。ガス熱交換器２３２は圧縮領域１３６のシリンダ１３２を冷却する。熱交換供給ライン２３２はガス熱交換器２３２とオイル熱交換器２３４を連結する。熱交換回収ライン２３５はガス熱交換器２３２とモータ熱交換器２３６を連結する。冷媒はオイル熱交換器２３４、ガス熱交換器２３２及びモータ熱交換器２３６に順次に提供される。ガス熱交換器２３２の周りに第１保護カバー３１２が配置される。第１保護カバー３１２はガス熱交換器２３２を保護する。これとは異なって、第１保護カバー３１２はガス熱交換器２３２の冷却による結露を防止する。

オイル熱交換器２３４は動力変換部１２０に配置される。オイル熱交換器２３４は動力変換部１２０内のオイルを冷却する。オイル熱交換器２３４は冷媒供給ライン２５０に連結される。熱交換器２３４の周りに第２保護カバー３１４が配置される。第２保護カバー３１４はオイル熱交換器２３４を保護する。

モータ熱交換器２３６は動力発生部１１０に配置される。モータ熱交換器２３６は動力発生部１１０を冷却する。モータ熱交換器２３６は冷媒回収ライン２６０に連結される。

図３は、図１の極低温冷凍システム１０の他の例を示す図である。

図３を参照すると、放熱モジュール２００は第１圧力トランスデューサ２７２、第１温度センサ２７４及び循環流量制御器２７６を含む。

第１圧力トランスデューサ２７２は熱交換器２３０と圧縮機２２０との間の冷媒回収ライン２６０に配置される。第１圧力トランスデューサ２７２は冷媒の圧力を検出する。

第１温度センサ２７４は第１圧力トランスデューサ２７２に隣接する冷媒回収ライン２６０に配置される。第１温度センサ２７４は冷媒の温度を検出する。

循環流量制御器２７６は第１圧力トランスデューサ２７２、第１温度センサ２７４及び冷媒膨張器２４０に連結される。また、循環流量制御器２７６は第１圧力トランスデューサ２７２及び第１温度センサ２７４の温度及び圧力の感知信号を受信する。冷媒の循環流量は温度及び圧力に基づいて制御される。冷媒膨張器２４０は循環流量制御器２７６の制御信号に応じて冷媒の循環流量を調節する。

極低温冷凍機１００、放熱モジュール２００の凝縮器２１０、圧縮機２２０、熱交換器２３０、冷媒膨張器２４０、冷媒供給ライン２５０及び冷媒回収ライン２６０は図１及び図２と同じである。

図４は、図１の極低温冷凍システム１０のまた他の例を示す図である。

図４を参照すると、放熱モジュール２００は第２温度センサ２８２、第２圧力トランスデューサ２８４、バイパスバルブ２８６、バイパス制御器２８８、バイパスライン２９０及び感温筒（ｓｅｎｓｉｔｉｖｅｈｅａｔｔｕｂｅ）２９２を含む。

第２温度センサ２８２は冷媒回収ライン２６０に配置される。第２温度センサ２８２は冷媒の温度を感知する。

第２圧力トランスデューサ２８４は冷媒回収ライン２６０に配置される。第２圧力トランスデューサ２８４は冷媒の圧力を感知する。

バイパスバルブ２８６は凝縮器２１０と圧縮機２２０との間の冷媒回収ライン２６０に配置される。バイパスバルブ２８６はバイパスライン２９０に連結される。バイパスバルブ２８６は３ウェイバルブを含む。

バイパス制御器２８８はバイパスバルブ２８６を制御する。バイパス制御器２８８は第２温度センサ２８２及び第２圧力トランスデューサ２８４の温度及び圧力信号を受信する。

バイパスライン２９０は凝縮器２１０を迂回して冷媒回収ライン２６０と冷媒供給ライン２５０を連結する。一例によると、バイパスライン２９０はバイパスライン２９０はバイパスバルブ２８６から分岐される。バイパスライン２９０は熱交換器２３０と冷媒膨張器２４０との間の冷媒供給ライン２５０に連結される。例えば、バイパス制御器２８８は冷媒回収ライン２６０の冷媒の温度が低ければ、冷媒をバイパスライン２９０を介して冷媒回収ライン２６０から冷媒供給ライン２５０に迂回する。これとは異なって、冷媒回収ライン２６０内の冷媒の圧力が高ければ、バイパス制御器２８８は冷媒を冷媒回収ライン２６０から冷媒供給ライン２５０に迂回する。

感温筒２９２は冷媒回収ライン２６０に配置される。感温筒２９２は冷媒膨張器２４０に連結される。感温筒２９２は冷媒回収ライン２６０内の冷媒の温度を検出する。感温筒２９２は冷媒の温度に応じて冷媒膨張器２４０を制御する。感温筒２９２は冷媒膨張器２４０のターンオン信号及びターンオフ信号を出力する。冷媒の温度が高ければ、感温筒２９２はターンオン信号を出力する。冷媒の温度が低ければ、感温筒２９２はターンオフ信号を出力する。

これまで、添付した図面を参照して本発明の実施例を説明したが、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者は、本発明がその技術的思想や必須的な特徴を変更せずに他の具体的な形態に実施し得るということを理解できるはずである。よって、これまで記述した実施例及び応用例は、全ての面において例示的なものであって限定的なものではないと理解すべきである。

本発明の実施例による極低温冷凍機は、放熱効率を増加させるため運転コストを最小化することができる。そして、極低温冷凍機は低温超伝導体または高温超電導体を効果的に冷却することができる。超伝導体は発電所、変電所、磁気共鳴装置、磁気浮上列車及び超伝導体研究所のソース材料として使用される。極低温冷凍機は超伝導体技術で広く使用される。なお、極低温冷凍機は金属極低温金属引張テスト装置に搭載されることもある。

Claims

極低温冷凍機と、
前記極低温冷凍機を冷却する放熱モジュールと、を含むが、
前記放熱モジュールは、
前記極低温冷凍機に離隔して配置され、前記極低温冷凍機を冷却する冷媒を凝縮する凝縮器と、
前記極低温冷凍機に連結され、前記冷媒を前記極低温冷凍機と前記凝縮器との間に循環させて前記極低温冷凍機を冷却する熱交換器と、を含む極低温冷凍システム。
前記極低温冷凍機は、ガスを膨張して前記ガスを冷却するガス冷却部を含むが、
前記熱交換器は、前記ガス冷却部を冷却する第１熱交換器を含む請求項１に記載の極低温冷凍システム。
前記ガス冷却部は、
前記ガスを膨張させる膨張領域と、前記膨張領域の下の圧縮領域を含むシリンダと、
前記シリンダ内に配置され、前記膨張領域と前記圧縮領域との間に移動されるディスプレーサと、
前記ディスプレーサの下に配置され、前記圧縮領域で移動されるピストンと、を含むが、
前記第１熱交換器は、前記圧縮領域に配置される請求項２に記載の極低温冷凍システム。
前記極低温冷凍機は、ディスプレーサ及び前記ピストンに提供される動力を生成する動力発生部を更に含むが、
前記熱交換器は、前記動力発生部を冷却する第２熱交換器を更に含む請求項３に記載の極低温冷凍システム。
前記極低温冷凍機は前記シリンダの下に配置され、前記動力発生部で発生した前記動力を変換する動力変換部を更に含むが、
前記熱交換器は、前記動力変換部を冷却する第３熱交換器を更に含む請求項４に記載の極低温冷凍システム。
前記放熱モジュールは、
前記第１熱交換器と前記第２熱交換器を連結する熱交換回収ラインと、
前記第１熱交換器と前記第３熱交換器を連結する熱交換供給ラインと、を更に含む請求項５に記載の極低温冷凍システム。
前記放熱モジュールは、
前記第２熱交換器と前記凝縮器との間に連結されて前記冷媒を回収する冷媒回収ラインと、
前記第３熱交換器と前記凝縮器との間に連結されて前記冷媒を供給する冷媒供給ラインと、を含む請求項５に記載の極低温冷凍システム。
前記冷媒回収ラインに配置されて前記冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記冷媒供給ラインに配置されて前記冷媒を膨張する膨張器と、を更に含む請求項７に記載の極低温冷凍システム。
前記放熱モジュールは、
前記圧縮機と前記第２熱交換器との間の冷媒回収ラインに配置されて前記冷媒の圧力を感知する第１圧力トランスデューサと、
前記第１圧力トランスデューサに隣接する前記冷媒回収ラインに配置されて前記冷媒の温度を感知する第１温度センサと、
前記第１圧力トランスデューサ及び前記第１温度センサの圧力感知信号及び温度感知信号を受信して前記膨張器を制御する循環流量制御器と、更に含む請求項８に記載の極低温冷凍システム。
前記放熱モジュールは、
前記圧縮機と前記凝縮器との間の前記冷媒回収ラインに配置されたバイパスバルブと、
前記バイパスバルブから分岐され、前記凝縮器を迂回して前記膨張器と前記第３熱交換器との間の冷媒供給ラインに連結されるバイパスラインと、を更に含む請求項８に記載の極低温冷凍システム。
前記放熱モジュールは、
前記圧縮機と前記第２熱交換器との間の冷媒回収ラインに配置されて前記冷媒の圧力を感知する第２圧力トランスデューサと、
前記第２圧力トランスデューサに隣接する前記冷媒回収ラインに配置されて前記冷媒の温度を感知する第２温度センサと、
前記第２圧力トランスデューサ及び前記第２温度センサの圧力感知信号と温度感知信号を受信して前記バイパスバルブを制御するバイパス制御器と、更に含む請求項１０に記載の極低温冷凍システム。
前記放熱モジュールは、
前記圧縮機と前記第２熱交換器との間の冷媒回収ラインに配置され、前記冷媒の温度を感知して前記膨張器のターンオン及びターンオフ信号を出力する感温筒を更に含む請求項１０に記載の極低温冷凍システム。
動力生成部、前記動力生成部で生成される動力を変換する動力変換部、及び前記動力変換部で変換された動力でガスを冷却するガス冷却部を含む極低温冷凍機と、
前記極低温冷凍機を冷却する冷媒を前記動力生成部、前記動力変換部及び前記ガス冷却部に循環させる放熱モジュールと、を含む極低温冷凍システム。
前記放熱モジュールは、
前記冷媒を凝縮する凝縮器と、
前記凝縮器から凝縮される冷媒を前記動力生成部、前記動力変換部及び前記ガス冷却部に提供する熱交換器と、を含む請求項１３に記載の極低温冷凍システム。
前記放熱モジュールは、
前記凝縮器と前記熱交換器との間で前記冷媒を回収する冷媒回収ラインと、
前記凝縮器と前記熱交換器との間で前記冷媒を供給する冷媒回収ラインと、を更に含む請求項１４に記載の極低温冷凍システム。
前記熱交換器は、
前記ガス冷却部を冷却する第１熱交換器と、
前記動力生成部を冷却する第２熱交換器と、
前記動力変換部を冷却する第３熱交換器と、を含む請求項１５に記載の極低温冷凍システム。
前記放熱モジュールは、
前記第１熱交換器と前記第２熱交換器との間で前記冷媒を回収する熱交換冷媒回収ラインと、
前記第１熱交換器と前記第３熱交換器との間で前記冷媒を供給する熱交換冷媒供給ラインと、を更に含む請求項１６に記載の極低温冷凍システム。
前記ガス冷却部は前記ガスを膨張させる膨張領域と前記ガスを圧縮する圧縮領域を有するシリンダを含むが、
前記第１熱交換器は、前記圧縮領域に配置される請求項１６に記載の極低温冷凍システム。
前記放熱モジュールは、
前記冷媒回収ラインに配置されて前記冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機と前記熱交換器との間に配置され、前記冷媒の圧力を感知する圧力トランスデューサと、
前記冷媒供給ラインに配置されて前記冷媒を膨張する膨張器と、
前記圧力トランスデューサの圧力感知信号を受信して前記膨張器を制御する循環流量制御器と、を更に含む請求項１５に記載の極低温冷凍システム。
前記放熱モジュールは、
前記冷媒回収ラインに配置されたバイパスバルブと、
前記バイパスバルブに連結され、前記凝縮器を迂回して前記冷媒供給ラインに連結されるバイパスラインと、を更に含む請求項１５に記載の極低温冷凍システム。