JP2018151149A - ガス冷却システム - Google Patents
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Abstract
Description
このシステムでは、コールドヘッドと熱的に連結されたステージ熱交換器で冷媒ガスを冷却して、冷却された冷媒ガスを、トランスファーチューブを通して被冷却体に輸送することにより、被冷却体の内部の被冷却物を極低温に冷却できるとしている。
しかし、コールドヘッドに巻き付けることができる伝熱管の長さには制限があるため伝熱面積を大きくすることができず、また金属とガスとの伝熱係数が小さいことから、熱交換量を大きくすることができないという問題がある。
コールドヘッドを有する小型冷凍機と、
前記コールドヘッドの冷熱によって液化した凝縮冷媒が流れる凝縮冷媒往路と、熱交換によって蒸発した凝縮冷媒が流れる凝縮冷媒復路とを有する凝縮冷媒循環ラインと、
前記冷媒ガスを前記被冷却体に供給する冷媒ガス往路と、前記被冷却体と熱交換した前記冷媒ガスが流れる冷媒ガス復路とを有する冷媒ガス循環ラインと、
該冷媒ガス循環ラインと前記凝縮冷媒循環ラインとの間に設けられて前記凝縮冷媒の蒸発潜熱によって前記冷媒ガスを冷却する熱交換器とを備えたことを特徴とするものである。
つまり、本願発明は、コールドヘッドを有する小型冷凍機で前記被冷却体を冷却するにあたり、その間に単に冷媒を用いるのみではなく、その冷媒の一つを気液平衡状態として運転することで、前記被冷却体の冷却温度の安定性を確保し、同時に、侵入熱等の外乱に対して影響を受け難いシステムを実現している。
以下、各構成を詳細に説明する。
小型冷凍機は、コールドヘッド3を有する例えばスターリング式冷凍機が適用できる。スターリング式冷凍機では、コールドヘッド3に冷媒が通流する配管が接続されており、配管内を通流する冷媒はコールドヘッド3の冷熱によって冷却される。
コールドヘッド3は、図示しない断熱容器で囲まれており、凝縮冷媒はコールドヘッド3の冷熱によって液化されて液体となる。
凝縮冷媒循環ライン5は、コールドヘッド3の冷熱によって液化した凝縮冷媒が流れる凝縮冷媒往路5fと、熱交換によって蒸発した凝縮冷媒が流れる凝縮冷媒復路5rとを有している。
凝縮冷媒としては、例えばフロンR−14、フロンR−12、窒素、酸素、メタンなどを適用できる。もっとも、凝縮冷媒はこれらに限定されるものではなく、凝縮冷媒は被冷却体7に要求される温度、換言すれば被冷却体7に供給する冷媒ガスの温度によって適宜選択すればよい。なお、被冷却体7に供給する冷媒ガスの温度を飽和温度とできる凝縮冷媒を選択する。
液溜め13においては、液化された凝縮冷媒と飽和蒸気となった凝縮冷媒とが気液混相状態で貯留されている。
また、液溜め13内では、気液混相状態となっており、飽和蒸気が凝縮冷媒復路5rを介してコールドヘッド3に供給される。
なお、コールドヘッド3から液溜め13までの経路に勾配を作り、液化した凝縮冷媒を流れやすい構造とすれば、凝縮冷媒循環ライン5には、流量調節弁やファンなどを設けることなく本願発明の実施が可能となる。
冷媒ガス循環ライン9は、冷媒ガスを被冷却体7に供給する冷媒ガス往路9fと、被冷却体7と熱交換した冷媒ガスが流れる冷媒ガス復路9rとを有している。
冷媒ガスとしては、例えばヘリウムガスを用いることができるが、これに限定されるものではなく、被冷却体7に要求され仕様を満たすものを選択することができる。
また、本実施の形態では、冷媒ガス復路9rを流れる冷媒ガスを必要に応じて加熱するための加熱手段としてヒータ17が設けられている。
ヒータ17は、制御装置19によって制御される。制御装置19は、凝縮冷媒復路5rに設けられて飽和蒸気の圧力を検知し、該圧力が所定値よりも下がったときにヒータ17の出力を増加させる。
なお、圧力の検知に代えて温度を検知してヒータ17を制御するようにしてもよい。尚、液溜め13内の凝縮冷媒の飽和蒸気の圧力、温度を測定し、ヒータ17を制御しても良い。
熱交換器11は、冷媒ガス循環ライン9と凝縮冷媒循環ライン5との間に設けられて凝縮冷媒の蒸発潜熱によって冷媒ガスを冷却するものである。
熱交換器11は、所望の冷却に応じた伝熱面積を有するプレート式の熱交換器11を適用できる。
コールドヘッド3の冷熱によって液化した凝縮冷媒は凝縮冷媒往路5fを流れて液溜め13に供給され、一時的に貯留される。液溜め13から凝縮冷媒往路5fを流れて熱交換器11に供給された凝縮冷媒は、冷媒ガスと熱交換して凝縮冷媒の一部は蒸発して凝縮冷媒復路5rを上昇して液溜め13に戻される。液溜め13内では気液混相状態で、気相では飽和蒸気となっており、飽和蒸気は凝縮冷媒復路5rを通じてコールドヘッド3に流れて熱交換によって液化する。
また、凝縮冷媒は蒸発潜熱によって冷媒ガスを冷却するものであり、圧力が一定であれば常に一定の飽和温度となるため、冷媒ガスを安定して所定の温度に冷却できる。仮に、熱交換器11で凝縮冷媒への入熱が大きくなっても、液溜め13内の液の蒸発量が多くなるだけで、温度変化はほとんど生じない。
このように、制御装置19によってヒータ17を制御することで、凝縮冷媒復路5rの飽和蒸気圧力を所定の範囲内に制御することができ、これによって熱交換器11に供給される凝縮冷媒の温度を所定の範囲に制御できる。
また、凝縮冷媒が飽和温度で常に一定温度であるため、冷媒ガス温度を所定の温度に容易に制御できる。
さらに、ヒータ17を用いたことで、被冷却体7からの入熱の変化があっても、冷媒ガスの温度を一定に保つことができる。
なお、上記の説明では、凝縮冷媒循環ラインの圧力を一定に制御する場合を説明したが、気液平衡状態にある凝縮冷媒の圧力と温度は一義的に対応するので、凝縮冷媒循環ラインの温度を一定に制御した場合でも上記の効果が期待できる。
小型ヘリウム冷凍機のコールドヘッドに巻きつけられた伝熱管に循環ファンで冷媒ガス(ヘリウムガス)を流し、この冷却された冷媒ガス(ヘリウムガス)を用いて被冷却体を冷却するガス冷却システム(特許文献1と同様の従来システム)において、被冷却体を80Kまで冷却する場合、得られた冷凍能力は200Wであった。
3 コールドヘッド
5 凝縮冷媒循環ライン
5f 凝縮冷媒往路
5r 凝縮冷媒復路
7 被冷却体
9 冷媒ガス循環ライン
9f 冷媒ガス往路
9r 冷媒ガス復路
11 熱交換器
13 液溜め
15 ファン
17 ヒータ
19 制御装置
Claims (3)
- 被冷却体を冷媒ガスで間接冷却するガス冷却システムであって、
コールドヘッドを有する小型冷凍機と、
前記コールドヘッドの冷熱によって液化した凝縮冷媒が流れる凝縮冷媒往路と、熱交換によって蒸発した凝縮冷媒が流れる凝縮冷媒復路とを有する凝縮冷媒循環ラインと、
前記冷媒ガスを前記被冷却体に供給する冷媒ガス往路と、前記被冷却体と熱交換した前記冷媒ガスが流れる冷媒ガス復路とを有する冷媒ガス循環ラインと、
該冷媒ガス循環ラインと前記凝縮冷媒循環ラインとの間に設けられて前記凝縮冷媒の蒸発潜熱によって前記冷媒ガスを冷却する熱交換器とを備えたことを特徴とするガス冷却システム。 - 前記凝縮冷媒循環ラインは、前記凝縮冷媒往路と前記凝縮冷媒復路の間に設けられ、液化した凝縮冷媒と飽和蒸気となった凝縮冷媒とが気液混相状態で貯留される液溜めを有し、該液溜めから前記熱交換器に至る凝縮冷媒往路と、前記熱交換器から前記液溜めに至る凝縮冷媒復路との間で前記凝縮冷媒が自然循環するように構成されていることを特徴とする請求項1記載のガス冷却システム。
- 前記冷媒ガス復路に設けられて冷媒ガスを加熱する加熱手段と、前記凝縮冷媒復路に設けられて前記凝縮冷媒の圧力又は温度を検知して該検知圧力又は温度に基づいて前記加熱手段を制御する制御装置とを備えたことを特徴とする請求項1又は2に記載のガス冷却システム。
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