JP2019056509A - Joule-thomson refrigerator - Google Patents

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浩平 中山
Kohei Nakayama
浩平 中山
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Abstract

To provide a Joule-Thomson refrigerator capable of practically changing a minimum attainable temperature without deteriorating refrigeration efficiency.SOLUTION: A Joule-Thomson refrigerator according to an embodiment includes: a compressor 2 for compressing refrigerant gas; a radiator 3 radiating heat of the compressed refrigerant gas; a Joule-Thomson refrigerator head 8 having a heat exchanger 4 heat-exchanging the radiated refrigerant gas to be cooled, and a Joule-Thomson expander 5 thermally brought into contact with a cooled object 7 located in a heat insulation vacuum tank 6 and expanding the heat-exchanged refrigerant gas to be cooled; a plurality of refrigerant pipes 9 for connecting the compressor 2, the radiator 3, the heat exchanger 4, and the Joule-Thomson expander 5; and a refrigerant mixing ratio adjusting mechanism 10 which is connected with the refrigerant pipe 9, which can absorb and discharge at least a part of a plurality of refrigerant gas components constituting the refrigerant gas, and which adjusts a mixing ratio of the refrigerant gas components by absorbing or discharging the refrigerant gas components.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明の実施形態は、ジュールトムソン冷凍機に関する。   Embodiments of the present invention relate to a Joule Thomson refrigerator.

ジュールトムソン冷凍機においては、一般的に窒素(N)ガスやアルゴン(Ar)ガスがベース(主冷媒ガス)となる冷媒ガスが用いられている。これは、NガスやArガスが常温でジュールトムソン膨張する際に、大きな温度低下量を示す性質を有するためである。ただし、NガスやArガスのみでは最低到達温度に限界があるため、ベースとなる主冷媒ガスに、それより液化温度が低い冷媒ガス(添加冷媒ガス)を添加した混合冷媒を用いることによって、最低到達温度を低温化することが行われている。 In Joule-Thomson refrigerators, generally, a refrigerant gas based on nitrogen (N 2 ) gas or argon (Ar) gas (main refrigerant gas) is used. This is because N 2 gas and Ar gas have a property of showing a large temperature drop when Joule-Thompson expansion is performed at room temperature. However, since only the N 2 gas or Ar gas has a minimum temperature limit, by using a mixed refrigerant obtained by adding a refrigerant gas (added refrigerant gas) having a lower liquefaction temperature to the main refrigerant gas as a base, Lowering the minimum temperature has been done.

混合冷媒の液化温度は、主冷媒ガスと添加冷媒ガスとの混合比率で決まる。従来の混合冷媒を用いたジュールトムソン冷凍機においては、一定の混合比率の混合冷媒を充填して使用する構成となっている。このため、従来のジュールトムソン冷凍機において、最低到達温度を変化させるためには、その都度混合比率を変えた混合冷媒を入れ替える必要がある。そのような構成のジュールトムソン冷凍機は実用的ではないことから、最低到達温度を容易に変化させることを可能にした装置構成が求められている。さらに、冷凍開始当初から主冷媒ガスに添加冷媒ガスを添加した混合冷媒を使用すると、常温から冷却を開始する当初の冷凍効率が低下する。このような点から、主冷媒ガスと添加冷媒ガスとの混合比率を容易に変化させることを可能にした装置構成が求められている。   The liquefaction temperature of the mixed refrigerant is determined by the mixing ratio of the main refrigerant gas and the added refrigerant gas. A conventional Joule-Thompson refrigerator using a mixed refrigerant has a configuration in which a mixed refrigerant having a certain mixing ratio is charged and used. For this reason, in the conventional Joule-Thompson refrigerator, in order to change the minimum temperature reached, it is necessary to replace the mixed refrigerant with the mixing ratio changed each time. Since the Joule Thomson refrigerator having such a configuration is not practical, an apparatus configuration that can easily change the minimum temperature is required. Furthermore, when a mixed refrigerant obtained by adding an additional refrigerant gas to the main refrigerant gas from the beginning of refrigeration is used, the initial refrigeration efficiency at which cooling starts from room temperature is reduced. From such a point, there is a demand for an apparatus configuration that can easily change the mixing ratio of the main refrigerant gas and the added refrigerant gas.

特許第5815682号公報Japanese Patent No. 5815682 特開2003−139427号公報JP 2003-139427 A

本発明が解決しようとする課題は、冷凍効率を低下させることなく、最低到達温度を実用的に変化させることを可能にしたジュールトムソン冷凍機を提供することにある。   The problem to be solved by the present invention is to provide a Joule-Thompson refrigerator capable of practically changing the minimum temperature without reducing the refrigeration efficiency.

実施形態のジュールトムソン冷凍機は、冷媒ガスを圧縮する圧縮機と、前記圧縮された冷媒ガスの熱を放熱する放熱器と、前記放熱された冷媒ガスを熱交換して冷却する熱交換器、及び断熱真空槽内に設置された被冷却物と熱的に接触し、前記熱交換された冷媒ガスを膨張させて冷却するジュールトムソン膨張器を有するジュールトムソン冷凍機ヘッドと、前記圧縮機と前記放熱器と前記熱交換器と前記ジュールトムソン膨張器とを接続する複数の冷媒配管と、前記冷媒配管に接続され、前記冷媒ガスを構成する複数の冷媒ガス成分の少なくとも一部を吸収及び放出することが可能であって、前記冷媒ガス成分の吸収又は放出により前記複数の冷媒ガス成分の混合比を調整する冷媒混合比調整機構とを具備している。   The Joule Thomson refrigerator of the embodiment includes a compressor that compresses refrigerant gas, a radiator that radiates heat of the compressed refrigerant gas, and a heat exchanger that exchanges heat to cool the radiated refrigerant gas, And a Joule-Thompson refrigerator head having a Joule-Thompson expander that is in thermal contact with an object to be cooled installed in the heat-insulated vacuum chamber and expands and cools the heat-exchanged refrigerant gas, the compressor, and the compressor A plurality of refrigerant pipes connecting the radiator, the heat exchanger, and the Joule-Thompson expander, and a refrigerant pipe connected to the refrigerant pipe and absorbing and releasing at least a part of a plurality of refrigerant gas components constituting the refrigerant gas. And a refrigerant mixture ratio adjusting mechanism that adjusts the mixture ratio of the plurality of refrigerant gas components by absorbing or releasing the refrigerant gas components.

第1の実施形態のジュールトムソン冷凍機を示す図である。It is a figure which shows the Joule Thompson refrigerator of 1st Embodiment. 図1に示すジュールトムソン冷凍機に用いられる冷媒混合比調整機構の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the refrigerant | coolant mixing ratio adjustment mechanism used for the Joule-Thompson refrigerator shown in FIG. 図1に示すジュールトムソン冷凍機に用いられる冷媒混合比調整機構の他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of the refrigerant | coolant mixing ratio adjustment mechanism used for the Joule-Thompson refrigerator shown in FIG. 第2の実施形態のジュールトムソン冷凍機を示す図である。It is a figure which shows the Joule Thomson refrigerator of 2nd Embodiment. 第3の実施形態のジュールトムソン冷凍機を示す図である。It is a figure which shows the Joule Thompson refrigerator of 3rd Embodiment. 実施例1における冷凍動作の経過時間とジュールトムソン膨張器の出口温度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the elapsed time of freezing operation | movement in Example 1, and the exit temperature of a Joule-Thompson expander. 実施例2における冷凍動作の経過時間とジュールトムソン膨張器の出口温度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the elapsed time of freezing operation in Example 2, and the exit temperature of a Joule-Thompson expander. 実施例3における冷凍動作の経過時間とジュールトムソン膨張器の出口温度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the elapsed time of freezing operation in Example 3, and the exit temperature of a Joule-Thompson expander. 実施例4における冷凍動作の経過時間とジュールトムソン膨張器の出口温度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the elapsed time of freezing operation in Example 4, and the exit temperature of a Joule-Thompson expander. 実施例5における冷凍動作の経過時間とジュールトムソン膨張器の出口温度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the elapsed time of freezing operation in Example 5, and the exit temperature of a Joule-Thompson expander.

以下、実施形態のジュールトムソン冷凍機について、図面を参照して説明する。なお、各実施形態において、実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、その説明を一部省略する場合がある。図面は模式的なものであり、厚さと平面寸法との関係、各部の厚さの比率等は現実のものとは異なる場合がある。   Hereinafter, the Jules-Thompson refrigerator of the embodiment will be described with reference to the drawings. In each embodiment, substantially the same constituent parts are denoted by the same reference numerals, and the description thereof may be partially omitted. The drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the planar dimensions, the ratio of the thickness of each part, and the like may differ from the actual ones.

(第1の実施形態)
図1は第1の実施形態のジュールトムソン冷凍機の構成を示している。図1に示すジュールトムソン冷凍機1は、冷媒ガスを圧縮する圧縮機2と、圧縮された冷媒ガスの熱を圧縮状態を維持しつつ放熱する放熱器3と、放熱された冷媒ガスを圧縮状態を維持しつつ熱交換して冷却する熱交換器4と、熱交換された冷媒ガスを膨張させて冷却するジュールトムソン膨張器5とを備えている。ジュールトムソン膨張器5は、断熱真空槽6内に設置された被冷却物7と熱的に接触している。熱交換器4及びジュールトムソン膨張器5は、断熱真空槽6内に配置されており、ジュールトムソン冷凍機ヘッド8を構成している。圧縮機2及び放熱器3は、断熱真空槽6外に配置されている。
(First embodiment)
FIG. 1 shows the configuration of a Joule-Thompson refrigerator according to the first embodiment. A Joule-Thomson refrigerator 1 shown in FIG. 1 includes a compressor 2 that compresses refrigerant gas, a radiator 3 that dissipates heat while maintaining the heat of the compressed refrigerant gas in a compressed state, and a state in which the radiated refrigerant gas is compressed. The heat exchanger 4 that performs heat exchange and cooling while maintaining the temperature, and the Joule Thomson expander 5 that expands and cools the heat exchanged refrigerant gas. The Joule-Thompson expander 5 is in thermal contact with an object to be cooled 7 installed in the adiabatic vacuum chamber 6. The heat exchanger 4 and the Joule-Thompson expander 5 are disposed in the heat insulating vacuum chamber 6 and constitute the Joule-Thomson refrigerator head 8. The compressor 2 and the radiator 3 are arranged outside the heat insulating vacuum chamber 6.

圧縮機2と放熱器3とは、冷媒配管9Aで接続されている。放熱器3と熱交換器4とは、冷媒配管9Bで接続されている。熱交換器4とジュールトムソン膨張器5とは、冷媒配管9Cで接続されている。ジュールトムソン膨張器5と被冷却物7とは、冷媒配管9Dで接続されており、これにより熱的に接触している。被冷却物7と熱交換器4とは、冷媒配管9Eで接続されている。熱交換器4と圧縮機2は、冷媒配管9Fで接続されている。これらの冷媒配管9A〜9Fによって、冷媒ガスがジュールトムソン冷凍機1内を循環するように構成されている。上記した冷媒配管9A〜9Fのうち、冷媒配管9A、9B、9Cは高圧冷媒配管であり、冷媒配管9D、9E、9Fは低圧冷媒配管である。   The compressor 2 and the radiator 3 are connected by a refrigerant pipe 9A. The radiator 3 and the heat exchanger 4 are connected by a refrigerant pipe 9B. The heat exchanger 4 and the Joule Thompson expander 5 are connected by a refrigerant pipe 9C. The Joule Thompson expander 5 and the object 7 to be cooled are connected by a refrigerant pipe 9D, and are in thermal contact therewith. The cooled object 7 and the heat exchanger 4 are connected by a refrigerant pipe 9E. The heat exchanger 4 and the compressor 2 are connected by a refrigerant pipe 9F. These refrigerant pipes 9 </ b> A to 9 </ b> F are configured so that the refrigerant gas circulates in the Joule-Thomson refrigerator 1. Among the refrigerant pipes 9A to 9F described above, the refrigerant pipes 9A, 9B, and 9C are high-pressure refrigerant pipes, and the refrigerant pipes 9D, 9E, and 9F are low-pressure refrigerant pipes.

第1の実施形態のジュールトムソン冷凍機1においては、低圧冷媒配管である冷媒配管9Fに冷媒混合比調整機構10が設けられている。冷媒混合比調整機構10は、冷媒ガスを構成する複数の冷媒ガス成分の少なくとも一部を吸収及び放出することが可能で、冷媒ガス成分の吸収又は放出により複数の冷媒ガス成分の混合比を調整するものである。冷媒混合比調整機構10の具体的な構成については、後述する。冷媒混合比調整機構10の接続位置は、圧縮機2の高圧側でも低圧側でもよいが、放熱器3に対しては冷媒ガスの流れの下流側に接続することが好ましい。このため、第1の実施形態のジュールトムソン冷凍機1においては、冷媒配管9Fの途中に冷媒混合比調整機構10を接続している。   In the Joule Thomson refrigerator 1 of the first embodiment, the refrigerant mixture ratio adjusting mechanism 10 is provided in the refrigerant pipe 9F which is a low-pressure refrigerant pipe. The refrigerant mixture ratio adjusting mechanism 10 can absorb and release at least a part of a plurality of refrigerant gas components constituting the refrigerant gas, and adjust the mixture ratio of the plurality of refrigerant gas components by absorbing or releasing the refrigerant gas components. To do. A specific configuration of the refrigerant mixture ratio adjusting mechanism 10 will be described later. The connection position of the refrigerant mixture ratio adjusting mechanism 10 may be on the high pressure side or the low pressure side of the compressor 2, but it is preferable to connect to the radiator 3 on the downstream side of the flow of the refrigerant gas. For this reason, in the Joule Thompson refrigerator 1 of 1st Embodiment, the refrigerant | coolant mixing ratio adjustment mechanism 10 is connected to the middle of the refrigerant | coolant piping 9F.

第1の実施形態のジュールトムソン冷凍機1では、以下に示す冷凍サイクルにより被冷却物7の冷却が実施される。まず、低圧常温状態で圧縮機2に入力された冷媒は、圧縮機2で圧縮されて昇圧される(工程1)。圧縮機2で昇圧された高圧冷媒は、放熱器3で放熱されて冷却される(工程2)。放熱器3で放熱された高圧冷媒は、断熱真空槽6内に設置された熱交換器4でさらに冷却される(工程3)。熱交換器4で冷却された高圧冷媒は、ジュールトムソン膨張器5で膨張(低圧化)し、さらに温度が低下する(工程4)。温度が低下した低圧冷媒は、被冷却物7を冷却した後(工程5)、熱交換器4の低温側に送られ、高圧冷媒を冷却する過程で熱を吸収して温度が上昇する(工程6)。常温近くまで温度が上昇した低圧冷媒は、断熱真空槽の真空側から大気側の配管9Fを通って圧縮機2の入力側に供給(工程1)され、冷凍サイクルを成立させる。   In the Joule Thomson refrigerator 1 of the first embodiment, the object to be cooled 7 is cooled by the following refrigeration cycle. First, the refrigerant input to the compressor 2 in a low-pressure and normal-temperature state is compressed by the compressor 2 and pressurized (step 1). The high-pressure refrigerant boosted by the compressor 2 is radiated by the radiator 3 and cooled (step 2). The high-pressure refrigerant radiated by the radiator 3 is further cooled by the heat exchanger 4 installed in the heat insulating vacuum chamber 6 (step 3). The high-pressure refrigerant cooled by the heat exchanger 4 is expanded (lower pressure) by the Joule-Thompson expander 5, and the temperature is further lowered (step 4). The low-pressure refrigerant whose temperature has been lowered cools the object 7 to be cooled (step 5), and is then sent to the low temperature side of the heat exchanger 4 to absorb the heat and increase the temperature in the process of cooling the high-pressure refrigerant (step). 6). The low-pressure refrigerant whose temperature has risen to near room temperature is supplied from the vacuum side of the adiabatic vacuum tank to the input side of the compressor 2 through the piping 9F on the atmosphere side (Step 1), and the refrigeration cycle is established.

常温から冷却を開始する際においては、冷媒ガスが液化して被冷却物7の温度が一定になるまで、工程(1)〜工程(6)を繰り返す。ここで、冷媒ガスは複数の冷媒ガス成分により構成される。主冷媒ガスとしては、窒素(N)及びアルゴン(Ar)から選ばれる少なくとも1つを含むガスが用いられる。NガスやArガスは、常温でジュールトムソン膨張する際に、大きな温度低下量を示す性質を有するため、常温から冷却を開始する際には、冷媒ガスは主として主冷媒ガス成分で構成されていることが好ましい。ただし、そのような主冷媒ガスのみで冷却を実施した場合、最低到達温度に限界がある。 When starting cooling from room temperature, steps (1) to (6) are repeated until the refrigerant gas is liquefied and the temperature of the object to be cooled 7 becomes constant. Here, the refrigerant gas is composed of a plurality of refrigerant gas components. As the main refrigerant gas, a gas containing at least one selected from nitrogen (N 2 ) and argon (Ar) is used. N 2 gas and Ar gas have a property of showing a large amount of temperature decrease when Joule-Thompson expansion is performed at room temperature. Therefore, when starting cooling from room temperature, the refrigerant gas is mainly composed of main refrigerant gas components. Preferably it is. However, when cooling is performed using only such a main refrigerant gas, there is a limit to the minimum temperature reached.

そこで、主冷媒ガスにそれより液化温度が低い冷媒ガス(添加冷媒ガス)を添加して混合冷媒とする。これによって、冷媒ガス(混合冷媒)の液化温度を低下させる。すなわち、冷媒混合比調整機構10を用いて、主冷媒ガスより液化温度が低い添加冷媒ガスを循環している冷媒ガス中に放出し、冷媒ガスの最低到達温度を低下させる。添加冷媒ガスとしては、水素(H)、ヘリウム(He)、及びネオン(Ne)から選ばれる少なくとも1つを含むガスが用いられる。添加冷媒ガスの添加は、冷媒ガスの温度、例えばジュールトムソン膨張器5の出口温度、又は被冷却物7の温度に応じて実施される。 Thus, a refrigerant gas (added refrigerant gas) having a lower liquefaction temperature is added to the main refrigerant gas to obtain a mixed refrigerant. This lowers the liquefaction temperature of the refrigerant gas (mixed refrigerant). That is, the refrigerant mixture ratio adjusting mechanism 10 is used to release the added refrigerant gas having a liquefaction temperature lower than that of the main refrigerant gas into the circulating refrigerant gas, thereby lowering the lowest temperature reached by the refrigerant gas. As the additive refrigerant gas, a gas containing at least one selected from hydrogen (H 2 ), helium (He), and neon (Ne) is used. The addition of the added refrigerant gas is performed according to the temperature of the refrigerant gas, for example, the outlet temperature of the Joule-Thompson expander 5 or the temperature of the object 7 to be cooled.

例えば、上述した工程(1)〜工程(6)を繰り返して所定の温度に到達した時点で、循環している冷媒ガス中に必要量の添加冷媒ガスを放出する。これによって、冷媒ガス(混合冷媒)の液化温度が低下するため、被冷却物7の温度をさらに低下させることができる。この状態で工程(1)〜工程(6)を繰り返し、さらに低温の所定の温度に到達した時点で、循環している冷媒ガス中に必要量の添加冷媒ガスを放出する。このような工程を被冷却物7の温度が設定温度になるまで繰り返す。また、被冷却物7の温度が設定温度より下がった場合には、循環している冷媒ガスから添加冷媒ガスを吸収する。このような工程によって、被冷却物7の温度を設定温度の近傍に維持することができる。   For example, when the above-described steps (1) to (6) are repeated to reach a predetermined temperature, a necessary amount of additional refrigerant gas is released into the circulating refrigerant gas. Thereby, since the liquefaction temperature of refrigerant gas (mixed refrigerant) falls, the temperature of the to-be-cooled object 7 can be further lowered. In this state, the steps (1) to (6) are repeated, and when a predetermined low temperature is reached, a necessary amount of the added refrigerant gas is released into the circulating refrigerant gas. Such a process is repeated until the temperature of the object 7 to be cooled reaches the set temperature. Further, when the temperature of the object to be cooled 7 falls below the set temperature, the added refrigerant gas is absorbed from the circulating refrigerant gas. By such a process, the temperature of the object to be cooled 7 can be maintained near the set temperature.

添加冷媒ガスの放出に関しては、主冷媒ガスが液化して被冷却物7の温度が一定になった後、被冷却物7の温度が設定温度になるまで、循環している冷媒ガス中への添加冷媒ガスの放出を継続的に実施してもよい。この場合、被冷却物7の温度が設定温度になった時点で、添加冷媒ガスの放出を停止する。また、被冷却物7の温度が設定温度より下がった場合には、循環している冷媒ガスから添加冷媒ガスを吸収する。このような工程を繰り返すことによっても、被冷却物7の温度を設定温度の近傍に維持することができる。   Regarding the release of the added refrigerant gas, after the main refrigerant gas is liquefied and the temperature of the object to be cooled 7 becomes constant, the refrigerant gas is circulated into the circulating refrigerant gas until the temperature of the object to be cooled 7 reaches the set temperature. The release of the added refrigerant gas may be continuously performed. In this case, the release of the added refrigerant gas is stopped when the temperature of the object 7 to be cooled reaches the set temperature. Further, when the temperature of the object to be cooled 7 falls below the set temperature, the added refrigerant gas is absorbed from the circulating refrigerant gas. By repeating such steps, the temperature of the object 7 to be cooled can be maintained in the vicinity of the set temperature.

添加冷媒ガスの放出量は、被冷却物7の設定温度に応じて適宜に設定される。冷媒ガスの液化温度は、主冷媒ガス及び添加冷媒ガスの成分とそれらの混合比に応じて決定されるため、被冷却物7の設定温度に応じて添加冷媒ガスの放出量及び吸収量を調整する。さらに、添加冷媒ガスの放出量及び吸収量の調整によって、冷媒ガスの最低到達温度を変化させることができる。従って、被冷却物7や冷媒ガスの冷却効率に応じて、主冷媒ガスと添加冷媒ガスとの混合比、及びそれに基づく冷媒ガスの最低到達温度を容易に変化させることが可能なジュールトムソン冷凍機1を提供することが可能になる。   The discharge amount of the added refrigerant gas is appropriately set according to the set temperature of the object to be cooled 7. Since the liquefaction temperature of the refrigerant gas is determined according to the components of the main refrigerant gas and the additional refrigerant gas and the mixing ratio thereof, the amount of release and absorption of the additional refrigerant gas is adjusted according to the set temperature of the object 7 to be cooled. To do. Furthermore, the minimum reachable temperature of the refrigerant gas can be changed by adjusting the discharge amount and absorption amount of the added refrigerant gas. Therefore, the Joule-Thompson refrigerator capable of easily changing the mixing ratio of the main refrigerant gas and the added refrigerant gas and the lowest temperature of the refrigerant gas based on the mixing ratio according to the cooling efficiency of the object 7 and the refrigerant gas. 1 can be provided.

次に、冷媒混合比調整機構10の構成及び動作について、図2及び図3を参照して説明する。図2は冷媒混合比調整機構10の第1の構成例を示している。図2に示す冷媒混合比調整機構10は、ガス選択フィルタ11と、真空ポンプ12と、ヒータ13を有するバッファタンク14と、これらの構成要素を接続する配管15(15A〜15C)とを備えている。ガス選択フィルタ11と真空ポンプ12とは、配管15Aにより接続されており、この配管15Aには第1の弁V1が設けられている。真空ポンプ12とバッファタンク14とは、配管15Bにより接続されており、この配管15Bには第2の弁V2が設けられている。バッファタンク14とガス選択フィルタ11より後段の冷媒配管9Fとは、配管15Cにより接続されており、この配管15Cには第3の弁V3が設けられている。   Next, the configuration and operation of the refrigerant mixture ratio adjusting mechanism 10 will be described with reference to FIGS. 2 and 3. FIG. 2 shows a first configuration example of the refrigerant mixture ratio adjusting mechanism 10. The refrigerant mixture ratio adjusting mechanism 10 shown in FIG. 2 includes a gas selection filter 11, a vacuum pump 12, a buffer tank 14 having a heater 13, and a pipe 15 (15A to 15C) connecting these components. Yes. The gas selection filter 11 and the vacuum pump 12 are connected by a pipe 15A, and a first valve V1 is provided in the pipe 15A. The vacuum pump 12 and the buffer tank 14 are connected by a pipe 15B, and a second valve V2 is provided in the pipe 15B. The buffer tank 14 and the refrigerant pipe 9F subsequent to the gas selection filter 11 are connected by a pipe 15C, and a third valve V3 is provided in the pipe 15C.

ガス選択フィルタ11には、H、He、Ne等の添加冷媒ガスを選択的に透過又は吸収することが可能な多孔質部材やガス透過高分子等が用いられる。表1に冷媒ガスの1気圧での液化温度を示す。ここで、液化温度が低い冷媒ガスは、液化温度が高い冷媒ガスに比べて、分子半径が小さい傾向がある。このような分子半径の違いを利用して、多孔質部材やガス透過高分子等で添加冷媒ガスを選択的に透過又は吸収する。 For the gas selection filter 11, a porous member, a gas permeable polymer, or the like that can selectively permeate or absorb the added refrigerant gas such as H 2 , He, or Ne is used. Table 1 shows the liquefaction temperature of the refrigerant gas at 1 atm. Here, the refrigerant gas having a low liquefaction temperature tends to have a smaller molecular radius than the refrigerant gas having a high liquefaction temperature. By utilizing such a difference in molecular radius, the additive refrigerant gas is selectively permeated or absorbed by a porous member, a gas permeable polymer, or the like.

Figure 2019056509
Figure 2019056509

添加冷媒ガスを冷媒ガスに放出するにあたっては、まずバッファタンク14内に予め添加冷媒ガスを収容しておく。次いで、第1及び第2の弁V1、V2を閉じると共に、第3の弁V3を空けた状態にして、添加冷媒ガスが収容されたバッファタンク14をヒータ13で加熱し、バッファタンク14内の添加冷媒ガスの圧力を上げることによって、添加冷媒ガスを放出する。バッファタンク14から放出された添加冷媒ガスは、冷媒配管9内を循環している冷媒ガス中に供給され、添加冷媒ガスの供給量に応じて冷媒ガス(混合冷媒)の液化温度が低下して、被冷却物7の温度を低下させる。   In releasing the added refrigerant gas into the refrigerant gas, first, the added refrigerant gas is stored in the buffer tank 14 in advance. Next, the first and second valves V1 and V2 are closed and the third valve V3 is opened, and the buffer tank 14 containing the added refrigerant gas is heated by the heater 13, and the inside of the buffer tank 14 is heated. By increasing the pressure of the added refrigerant gas, the added refrigerant gas is released. The added refrigerant gas released from the buffer tank 14 is supplied into the refrigerant gas circulating in the refrigerant pipe 9, and the liquefaction temperature of the refrigerant gas (mixed refrigerant) decreases according to the supply amount of the added refrigerant gas. The temperature of the object 7 to be cooled is lowered.

添加冷媒ガスを冷媒ガスから吸収するにあたっては、第1及び第2の弁V1、V2を開けると共に、第3の弁V3を閉じた状態にして、真空ポンプ12を起動して配管15A内を減圧する。真空ポンプ12は配管15Aを介してガス選択フィルタ11に接続されているため、配管15A内を減圧すると冷媒配管9内を循環している冷媒ガス中から添加冷媒ガスが選択的に吸収される。真空ポンプ12により吸収された添加冷媒ガスは、バッファタンク14に収容される。このように、ガス選択フィルタ11と真空ポンプ12とヒータ13を有するバッファタンク14とを利用して、添加冷媒ガスを放出又は吸収を適宜に実施することによって、被冷却物7の設定温度に応じて主冷媒ガスと添加冷媒ガスとの混合比及びそれに基づく冷媒ガス(混合冷媒)の液化温度を調整することができる。   In absorbing the added refrigerant gas from the refrigerant gas, the first and second valves V1 and V2 are opened, the third valve V3 is closed, the vacuum pump 12 is started, and the pressure inside the pipe 15A is reduced. To do. Since the vacuum pump 12 is connected to the gas selection filter 11 via the pipe 15A, when the pressure in the pipe 15A is reduced, the added refrigerant gas is selectively absorbed from the refrigerant gas circulating in the refrigerant pipe 9. The added refrigerant gas absorbed by the vacuum pump 12 is stored in the buffer tank 14. As described above, by using the gas selection filter 11, the vacuum pump 12, and the buffer tank 14 having the heater 13, the added refrigerant gas is appropriately discharged or absorbed, so that the temperature of the object to be cooled 7 can be increased. Thus, the mixing ratio of the main refrigerant gas and the added refrigerant gas and the liquefaction temperature of the refrigerant gas (mixed refrigerant) based on the mixing ratio can be adjusted.

次に、図3を参照して冷媒混合比調整機構10の第2の構成例について述べる。図3に示す冷媒混合比調整機構10は、吸着体21と、吸着体21を加熱及び冷却する温度制御装置22とを備えている。反応性が高い添加冷媒ガスを使用する場合、添加冷媒ガスを選択的に吸着及び脱離することが可能な吸着剤を用いて、冷媒混合比調整機構10を構成することができる。上記したような吸着剤を吸着体21として使用することによって、吸着体21に添加冷媒ガスを選択的に吸着させることができ、かつ吸着体21に吸着された添加冷媒ガスを脱離させることができる。吸着剤は、添加冷媒ガスの種類に応じて適宜に選択することができ、例えば樹脂吸着剤のような有機系吸着剤、カーボン吸着剤、ゼオライトのような無機系吸着剤、有機・無機複合吸着剤等が用いられる。また、添加冷媒ガスが水素(H)の場合には、吸着体21に水素吸蔵合金を使用することも可能である。 Next, a second configuration example of the refrigerant mixture ratio adjusting mechanism 10 will be described with reference to FIG. The refrigerant mixture ratio adjusting mechanism 10 shown in FIG. 3 includes an adsorbent body 21 and a temperature control device 22 that heats and cools the adsorbent body 21. When the additive refrigerant gas having high reactivity is used, the refrigerant mixture ratio adjusting mechanism 10 can be configured using an adsorbent capable of selectively adsorbing and desorbing the additive refrigerant gas. By using the adsorbent as described above as the adsorbent 21, the additional refrigerant gas can be selectively adsorbed on the adsorbent 21 and the added refrigerant gas adsorbed on the adsorbent 21 can be desorbed. it can. The adsorbent can be appropriately selected according to the type of the added refrigerant gas. For example, an organic adsorbent such as a resin adsorbent, a carbon adsorbent, an inorganic adsorbent such as zeolite, and an organic / inorganic composite adsorption. An agent or the like is used. Further, when the added refrigerant gas is hydrogen (H 2 ), a hydrogen storage alloy can be used for the adsorbent 21.

添加冷媒ガスを冷媒ガスに放出するにあたっては、まず吸着体21に予め添加冷媒ガスを吸着させておく。次いで、吸着体21を温度制御装置22により加熱し、配管9内を循環している冷媒ガス中に添加冷媒ガスを放出(脱離)して供給する。添加冷媒ガスを冷媒ガスから吸着するにあたっては、吸着体21を温度制御装置22により冷却し、配管9内を循環している冷媒ガス中から添加冷媒ガスを吸着する。温度制御装置22には吸着体21の加熱及び冷却する機能が求められるため、ペルチェ素子のような加熱及び冷却機能を有する装置が好適に用いられる。このような構成によっても、被冷却物7の設定温度に応じて主冷媒ガスと添加冷媒ガスとの混合比及びそれに基づく冷媒ガス(混合冷媒)の液化温度を調整することができる。また、図3に示す冷媒混合比調整機構10は、図2に示す冷媒混合比調整機構10に比べて構造が簡便であるために小型化等が可能となる。   In releasing the added refrigerant gas into the refrigerant gas, the adsorbent 21 is first adsorbed with the added refrigerant gas in advance. Next, the adsorbent 21 is heated by the temperature control device 22, and the added refrigerant gas is released (desorbed) into the refrigerant gas circulating in the pipe 9 and supplied. In adsorbing the added refrigerant gas from the refrigerant gas, the adsorbent 21 is cooled by the temperature control device 22, and the added refrigerant gas is adsorbed from the refrigerant gas circulating in the pipe 9. Since the temperature control device 22 is required to have a function of heating and cooling the adsorbent 21, an apparatus having a heating and cooling function such as a Peltier element is preferably used. Even with such a configuration, it is possible to adjust the mixing ratio between the main refrigerant gas and the added refrigerant gas and the liquefaction temperature of the refrigerant gas (mixed refrigerant) based on the set temperature of the object 7 to be cooled. Further, the refrigerant mixture ratio adjusting mechanism 10 shown in FIG. 3 is simpler in structure than the refrigerant mixture ratio adjusting mechanism 10 shown in FIG.

(第2の実施形態)
図4は第2の実施形態のジュールトムソン冷凍機の構成を示している。第2の実施形態のジュールトムソン冷凍機1においては、低圧冷媒配管である冷媒配管9Fに第1の冷媒混合比調整機構101と第2の冷媒混合比調整機構102とが設けられている。第1及び第2の冷媒混合比調整機構101、102は、それぞれ冷媒ガスを構成する複数の冷媒ガス成分の一部を吸収及び放出することが可能で、冷媒ガス成分の吸収又は放出により複数の冷媒ガス成分の混合比等を調整するものである。第1及び第2の冷媒混合比調整機構101、102は、それぞれ吸収又は放出する冷媒ガス成分に対応させた構成、例えば図2に示したガス選択フィルタ11や図3に示した吸着体21等を有している。
(Second Embodiment)
FIG. 4 shows the configuration of the Joule Thompson refrigerator of the second embodiment. In the Joule-Thompson refrigerator 1 of the second embodiment, a first refrigerant mixture ratio adjusting mechanism 101 and a second refrigerant mixture ratio adjusting mechanism 102 are provided in a refrigerant pipe 9F that is a low-pressure refrigerant pipe. Each of the first and second refrigerant mixture ratio adjusting mechanisms 101 and 102 can absorb and release a part of a plurality of refrigerant gas components constituting the refrigerant gas, and can absorb and release a plurality of refrigerant gas components. The mixing ratio of the refrigerant gas components is adjusted. The first and second refrigerant mixture ratio adjusting mechanisms 101 and 102 have configurations corresponding to refrigerant gas components to be absorbed or released, for example, the gas selection filter 11 shown in FIG. 2, the adsorbent 21 shown in FIG. have.

第1及び第2の冷媒混合比調整機構101、102の具体的な構成としては、例えば第1の冷媒混合比調整機構101で添加冷媒ガスの吸収及び放出を実施し、第2の冷媒混合比調整機構102で主冷媒ガスの吸収及び放出を実施する。この場合、第1の冷媒混合比調整機構101は被冷却物7の設定温度に応じて添加冷媒ガスの吸収及び放出を実施し、主冷媒ガスと添加冷媒ガスとの混合比、及びそれに基づく冷媒ガスの最低到達温度を変化させる。具体的な構成は、第1の実施形態に示した通りである。第2の冷媒混合比調整機構102には、例えば主冷媒ガスを放出することが可能な構成を適用する。これによって、冷媒ガスの液化による主冷媒ガスの減少分を補充することができ、冷媒ガスの圧力を安定させることが可能になる。さらに、複数の添加冷媒ガスを使用する場合に、複数の添加冷媒ガス成分の吸収及び放出を実施することも可能である。   As a specific configuration of the first and second refrigerant mixture ratio adjustment mechanisms 101 and 102, for example, the first refrigerant mixture ratio adjustment mechanism 101 absorbs and discharges the added refrigerant gas, and the second refrigerant mixture ratio adjustment mechanism 101 and 102 perform the second refrigerant mixture ratio. The adjustment mechanism 102 absorbs and discharges the main refrigerant gas. In this case, the first refrigerant mixture ratio adjusting mechanism 101 absorbs and discharges the added refrigerant gas according to the set temperature of the object 7 to be cooled, and mixes the main refrigerant gas and the added refrigerant gas, and the refrigerant based thereon. Change the minimum temperature of the gas. The specific configuration is as shown in the first embodiment. For the second refrigerant mixture ratio adjusting mechanism 102, for example, a configuration capable of releasing the main refrigerant gas is applied. As a result, a decrease in the main refrigerant gas due to the liquefaction of the refrigerant gas can be supplemented, and the pressure of the refrigerant gas can be stabilized. Further, when a plurality of additive refrigerant gases are used, it is possible to absorb and release a plurality of additive refrigerant gas components.

(第2の実施形態)
図5は第3の実施形態のジュールトムソン冷凍機の構成を示している。第3の実施形態のジュールトムソン冷凍機1において、圧縮機2はバルブ又は逆止弁CV(CV1〜CV4)で挟まれた複数の混合比調整機構10A、10Bで構成している。圧縮機2を構成する混合比調整機構10A及び混合比調整機構10Bは、それぞれバルブ又は逆止弁CVで挟まれた構成を有し、かつ冷媒ガスを循環させることが可能な配管9Gで接続されている。混合比調整機構10A及び混合比調整機構10Bは、それぞれ主冷媒ガスを吸収及び放出することが可能な構成を有している。冷媒ガスを吸収及び放出する具体的な構成に関しては、第1及び第2の実施形態の混合比調整機構10で説明した通りである。
(Second Embodiment)
FIG. 5 shows the configuration of a Joule Thomson refrigerator of the third embodiment. In the Joule-Thompson refrigerator 1 of the third embodiment, the compressor 2 includes a plurality of mixing ratio adjusting mechanisms 10A and 10B sandwiched between valves or check valves CV (CV1 to CV4). The mixing ratio adjusting mechanism 10A and the mixing ratio adjusting mechanism 10B constituting the compressor 2 have a configuration sandwiched between valves or check valves CV, and are connected by a pipe 9G capable of circulating the refrigerant gas. ing. Each of the mixing ratio adjusting mechanism 10A and the mixing ratio adjusting mechanism 10B has a configuration capable of absorbing and releasing the main refrigerant gas. The specific configuration for absorbing and releasing the refrigerant gas is as described in the mixing ratio adjusting mechanism 10 of the first and second embodiments.

第3の実施形態のジュールトムソン冷凍機1においては、まず冷媒混合比調整機構10Aで主冷媒ガスを高圧で放出しながら、冷媒混合比調整機構10Bで主冷媒ガスを吸収する(工程A)。一定時間経過した後に、冷媒混合比調整機構10Bで主冷媒ガスを高圧で放出しながら、冷媒混合比調整機構10Bで主冷媒ガスを吸収する(工程B)。これらの工程Aと工程Bを繰り返すことによって、冷媒混合比調整機構10A、10Bを圧縮機2として使用することができる。吸着剤等を使用した混合比調整機構10で圧縮機2を構成すると機械駆動部がバルブのみとなる冷凍サイクルを実現することが可能となる。   In the Joule-Thompson refrigerator 1 of the third embodiment, first, the main refrigerant gas is absorbed by the refrigerant mixture ratio adjusting mechanism 10B while the main refrigerant gas is released at a high pressure by the refrigerant mixture ratio adjusting mechanism 10A (step A). After a predetermined time has elapsed, the main refrigerant gas is absorbed by the refrigerant mixture ratio adjusting mechanism 10B while the main refrigerant gas is released at a high pressure by the refrigerant mixture ratio adjusting mechanism 10B (step B). By repeating these steps A and B, the refrigerant mixture ratio adjusting mechanisms 10A and 10B can be used as the compressor 2. When the compressor 2 is configured by the mixing ratio adjusting mechanism 10 using an adsorbent or the like, it is possible to realize a refrigeration cycle in which a mechanical drive unit is only a valve.

次に、実施例とその評価結果について述べる。   Next, examples and evaluation results thereof will be described.

(実施例1)
主冷媒ガスとして窒素(N)ガスを使用し、添加冷媒ガスとして水素(H)ガスを使用して、以下のようにして冷凍動作を実施した。冷媒混合比調整機構には、図2に示した構成を適用した。冷凍動作を表2及び図6を参照して説明する。まず、圧縮機で主冷媒ガスを0.2MPaから8.0MPaに昇圧して冷媒ガスを循環させた。このような循環を15分間継続することによって、ジュールトムソン(JT)膨張器の出口温度が84Kに到達した。この時点で、添加冷媒ガスを120秒間添加しながら冷媒ガスの循環を継続したところ、JT膨張器の出口温度が80Kに到達した。この状態を2分間継続した後(運転開始から21分後)に被冷却物7の温度が80Kに到達した。
Example 1
A refrigeration operation was performed as follows using nitrogen (N 2 ) gas as the main refrigerant gas and hydrogen (H 2 ) gas as the additional refrigerant gas. The configuration shown in FIG. 2 was applied to the refrigerant mixture ratio adjusting mechanism. The freezing operation will be described with reference to Table 2 and FIG. First, the main refrigerant gas was pressurized from 0.2 MPa to 8.0 MPa with a compressor, and the refrigerant gas was circulated. By continuing such circulation for 15 minutes, the Joule Thompson (JT) expander outlet temperature reached 84K. At this time, when the refrigerant gas was continuously circulated while adding the added refrigerant gas for 120 seconds, the outlet temperature of the JT expander reached 80K. After this state was continued for 2 minutes (21 minutes after the start of operation), the temperature of the cooled object 7 reached 80K.

さらに、運転開始から21分後に、添加冷媒ガスを40秒間添加しながら冷媒ガスの循環を継続したところ、運転開始から24分後にJT膨張器の出口温度が76Kに到達した。この状態を3分間継続した後(運転開始から27分後)に被冷却物7の温度が77Kに到達した。この後、被冷却物7の温度が77Kを超えた場合には、添加冷媒ガスを1秒間添加(工程(1))し、また被冷却物7の温度が77Kより下がった場合には、添加冷媒ガスを1秒間吸収(工程(2))した。工程(1)と工程(2)を繰り返すことによって、被冷却物7の温度を約77Kに維持することが可能であることが確認された。   Further, 21 minutes after the start of operation, the refrigerant gas was continuously circulated while adding the additional refrigerant gas for 40 seconds. As a result, the outlet temperature of the JT expander reached 76K 24 minutes after the start of operation. After this state was continued for 3 minutes (27 minutes after the start of operation), the temperature of the cooled object 7 reached 77K. Thereafter, when the temperature of the object 7 to be cooled exceeds 77K, the added refrigerant gas is added for 1 second (step (1)), and when the temperature of the object 7 to be cooled falls below 77K, it is added. The refrigerant gas was absorbed for 1 second (step (2)). It was confirmed that the temperature of the object to be cooled 7 can be maintained at about 77K by repeating the steps (1) and (2).

Figure 2019056509
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(実施例2)
主冷媒ガスとして窒素(N)ガスを使用し、添加冷媒ガスとしてヘリウム(He)ガスを使用して、以下のようにして冷凍動作を実施した。冷媒混合比調整機構には、図2に示した構成を適用した。冷凍動作を表3及び図7を参照して説明する。まず、圧縮機で主冷媒ガスを0.2MPaから8.0MPaに昇圧して冷媒ガスを循環させた。このような循環を15分間継続することによって、JT膨張器の出口温度が84Kに到達した。この時点で、添加冷媒ガスを200秒間添加しながら冷媒ガスの循環を継続したところ、JT膨張器の出口温度が80Kに到達した。この状態を2分間継続した後(運転開始から23分後)に被冷却物7の温度が80Kに到達した。
(Example 2)
The refrigeration operation was performed as follows using nitrogen (N 2 ) gas as the main refrigerant gas and helium (He) gas as the additional refrigerant gas. The configuration shown in FIG. 2 was applied to the refrigerant mixture ratio adjusting mechanism. The freezing operation will be described with reference to Table 3 and FIG. First, the main refrigerant gas was pressurized from 0.2 MPa to 8.0 MPa with a compressor, and the refrigerant gas was circulated. By continuing such circulation for 15 minutes, the outlet temperature of the JT expander reached 84K. At this point, when the refrigerant gas was continuously circulated while adding the additional refrigerant gas for 200 seconds, the outlet temperature of the JT expander reached 80K. After this state was continued for 2 minutes (23 minutes after the start of operation), the temperature of the cooled object 7 reached 80K.

さらに、運転開始から23分後に、添加冷媒ガスを120秒間添加しながら冷媒ガスの循環を継続したところ、運転開始から28分後にJT膨張器の出口温度が76Kに到達した。この状態を3分間継続した後(運転開始から31分後)に被冷却物7の温度が77Kに到達した。この後、被冷却物7の温度が77Kを超えた場合には、添加冷媒ガスを1秒間添加(工程(1))し、また被冷却物7の温度が77Kより下がった場合には、添加冷媒ガスを1秒間吸収(工程(2))した。工程(1)と工程(2)を繰り返すことによって、被冷却物7の温度を約77Kに維持することが可能であることが確認された。   Further, 23 minutes after the start of the operation, the refrigerant gas was continuously circulated while adding the additional refrigerant gas for 120 seconds. As a result, the outlet temperature of the JT expander reached 76 K after 28 minutes from the start of the operation. After this state was continued for 3 minutes (31 minutes after the start of operation), the temperature of the cooled object 7 reached 77K. Thereafter, when the temperature of the object 7 to be cooled exceeds 77K, the added refrigerant gas is added for 1 second (step (1)), and when the temperature of the object 7 to be cooled falls below 77K, it is added. The refrigerant gas was absorbed for 1 second (step (2)). It was confirmed that the temperature of the object to be cooled 7 can be maintained at about 77K by repeating the steps (1) and (2).

Figure 2019056509
Figure 2019056509

(実施例3)
主冷媒ガスとして窒素(N)ガスを使用し、添加冷媒ガスとして水素(H)ガスを使用して、以下のようにして冷凍動作を実施した。冷媒混合比調整機構には、図3に示した構成を適用した。冷凍動作を表4及び図8を参照して説明する。まず、圧縮機で主冷媒ガスを0.2MPaから8.0MPaに昇圧して冷媒ガスを循環させた。このような循環を15分間継続することによって、JT膨張器の出口温度が84Kに到達した。この時点で、添加冷媒ガスを120秒間添加しながら冷媒ガスの循環を継続したところ、JT膨張器の出口温度が80Kに到達した。この状態を2分間継続した後(運転開始から21分後)に被冷却物7の温度が80Kに到達した。
(Example 3)
A refrigeration operation was performed as follows using nitrogen (N 2 ) gas as the main refrigerant gas and hydrogen (H 2 ) gas as the additional refrigerant gas. The configuration shown in FIG. 3 was applied to the refrigerant mixture ratio adjusting mechanism. The freezing operation will be described with reference to Table 4 and FIG. First, the main refrigerant gas was pressurized from 0.2 MPa to 8.0 MPa with a compressor, and the refrigerant gas was circulated. By continuing such circulation for 15 minutes, the outlet temperature of the JT expander reached 84K. At this time, when the refrigerant gas was continuously circulated while adding the added refrigerant gas for 120 seconds, the outlet temperature of the JT expander reached 80K. After this state was continued for 2 minutes (21 minutes after the start of operation), the temperature of the cooled object 7 reached 80K.

さらに、運転開始から21分後に、添加冷媒ガスを40秒間添加しながら冷媒ガスの循環を継続したところ、運転開始から26分後にJT膨張器の出口温度が76Kに到達した。この状態を5分間継続した後(運転開始から31分後)に被冷却物7の温度が77Kに到達した。この後、被冷却物7の温度が77Kを超えた場合には、添加冷媒ガスを1秒間添加(工程(1))し、また被冷却物7の温度が77Kより下がった場合には、添加冷媒ガスを1秒間吸収(工程(2))した。工程(1)と工程(2)を繰り返すことによって、被冷却物7の温度を約77Kに維持することが可能であることが確認された。   Furthermore, 21 minutes after the start of the operation, the refrigerant gas was continuously circulated while adding the added refrigerant gas for 40 seconds. As a result, the outlet temperature of the JT expander reached 76K 26 minutes after the start of the operation. After this state was continued for 5 minutes (31 minutes after the start of operation), the temperature of the cooled object 7 reached 77K. Thereafter, when the temperature of the object 7 to be cooled exceeds 77K, the added refrigerant gas is added for 1 second (step (1)), and when the temperature of the object 7 to be cooled falls below 77K, it is added. The refrigerant gas was absorbed for 1 second (step (2)). It was confirmed that the temperature of the object to be cooled 7 can be maintained at about 77K by repeating the steps (1) and (2).

実施例3において、添加冷媒ガスの放出及び吸着は以下のようにして実施する。添加冷媒ガスの放出に関しては、吸着剤をペルチェ素子(ヒータとして使用)で2秒間加熱し、吸着剤を400℃まで昇温する。この状態を所定時間(120秒、40秒、又は1秒)維持することによって、添加冷媒ガスを放出する。放出後は、吸着剤をペルチェ素子(冷却器として使用)で冷却し、吸着剤の温度を200℃に維持する。添加冷媒ガスの吸着に関しては、吸着剤をペルチェ素子(冷却器として使用)で冷却し、吸着剤を150℃まで降温させる。この状態を所定時間(1秒)維持することによって、添加冷媒ガスを吸着する。吸着後は、ペルチェ素子で吸着剤の温度を200℃に維持する。   In Example 3, the release and adsorption of the added refrigerant gas are performed as follows. Regarding the release of the added refrigerant gas, the adsorbent is heated by a Peltier element (used as a heater) for 2 seconds, and the adsorbent is heated to 400 ° C. By maintaining this state for a predetermined time (120 seconds, 40 seconds, or 1 second), the added refrigerant gas is released. After the release, the adsorbent is cooled by a Peltier device (used as a cooler), and the temperature of the adsorbent is maintained at 200 ° C. For adsorption of the added refrigerant gas, the adsorbent is cooled by a Peltier element (used as a cooler), and the temperature of the adsorbent is lowered to 150 ° C. By maintaining this state for a predetermined time (1 second), the added refrigerant gas is adsorbed. After adsorption, the temperature of the adsorbent is maintained at 200 ° C. with a Peltier element.

Figure 2019056509
Figure 2019056509

(実施例4)
主冷媒ガスとして窒素(N)ガスを使用し、添加冷媒ガスとして水素(H)ガスを使用して、以下のようにして冷凍動作を実施した。ジュールトムソン冷凍機には、図4に示した構成を適用し、冷媒混合比調整機構には、図3に示した構成を適用した。冷凍動作を表5及び図9を参照して説明する。まず、圧縮機で主冷媒ガスを0.2MPaから8.0MPaに昇圧して冷媒ガスを循環させた。このような循環を15分間継続することによって、JT膨張器の出口温度が84Kに到達した。この時点で、主冷媒ガスの供給(5秒間)と添加冷媒ガスの添加(120秒間)を実施しながら冷媒ガスの循環を継続したところ、運転開始から18分後にJT膨張器の出口温度が80Kに到達した。この状態を2分間継続した後(運転開始から20分後)に被冷却物7の温度が80Kに到達した。
Example 4
A refrigeration operation was performed as follows using nitrogen (N 2 ) gas as the main refrigerant gas and hydrogen (H 2 ) gas as the additional refrigerant gas. The configuration shown in FIG. 4 was applied to the Joule-Thompson refrigerator, and the configuration shown in FIG. 3 was applied to the refrigerant mixture ratio adjusting mechanism. The freezing operation will be described with reference to Table 5 and FIG. First, the main refrigerant gas was pressurized from 0.2 MPa to 8.0 MPa with a compressor, and the refrigerant gas was circulated. By continuing such circulation for 15 minutes, the outlet temperature of the JT expander reached 84K. At this point, when the refrigerant gas was continuously circulated while supplying the main refrigerant gas (5 seconds) and adding the additional refrigerant gas (120 seconds), the outlet temperature of the JT expander was 80K 18 minutes after the start of operation. Reached. After this state was continued for 2 minutes (20 minutes after the start of operation), the temperature of the cooled object 7 reached 80K.

さらに、運転開始から20分後に、添加冷媒ガスを25秒間添加しながら冷媒ガスの循環を継続したところ、運転開始から24分後にJT膨張器の出口温度が76Kに到達した。この状態を3分間継続した後(運転開始から27分後)に被冷却物7の温度が77Kに到達した。この後、被冷却物7の温度が77Kを超えた場合には、添加冷媒ガスを1秒間添加(工程(1))し、また被冷却物7の温度が77Kより下がった場合には、添加冷媒ガスを1秒間吸収(工程(2))した。工程(1)と工程(2)を繰り返すことによって、被冷却物7の温度を約77Kに維持することが可能であることが確認された。   Furthermore, 20 minutes after the start of operation, the refrigerant gas was continuously circulated while adding the additional refrigerant gas for 25 seconds. As a result, the outlet temperature of the JT expander reached 76K 24 minutes after the start of operation. After this state was continued for 3 minutes (27 minutes after the start of operation), the temperature of the cooled object 7 reached 77K. Thereafter, when the temperature of the object 7 to be cooled exceeds 77K, the added refrigerant gas is added for 1 second (step (1)), and when the temperature of the object 7 to be cooled falls below 77K, it is added. The refrigerant gas was absorbed for 1 second (step (2)). It was confirmed that the temperature of the object to be cooled 7 can be maintained at about 77K by repeating the steps (1) and (2).

実施例4において、添加冷媒ガスの放出及び吸着は以下のようにして実施する。添加冷媒ガスの放出に関しては、吸着剤をペルチェ素子(ヒータとして使用)で2秒間加熱し、吸着剤を400℃まで昇温する。この状態を所定時間(120秒、40秒、又は1秒)維持することによって、添加冷媒ガスを放出する。放出後は、吸着剤をペルチェ素子(冷却器として使用)で冷却し、吸着剤の温度を200℃に維持する。添加冷媒ガスの吸着に関しては、吸着剤をペルチェ素子(冷却器として使用)で冷却し、吸着剤を150℃まで降温させる。この状態を所定時間(1秒)維持することによって、添加冷媒ガスを吸着する。吸着後は、ペルチェ素子で吸着剤の温度を200℃に維持する。   In Example 4, the release and adsorption of the added refrigerant gas are performed as follows. Regarding the release of the added refrigerant gas, the adsorbent is heated by a Peltier element (used as a heater) for 2 seconds, and the adsorbent is heated to 400 ° C. By maintaining this state for a predetermined time (120 seconds, 40 seconds, or 1 second), the added refrigerant gas is released. After the release, the adsorbent is cooled by a Peltier device (used as a cooler), and the temperature of the adsorbent is maintained at 200 ° C. For adsorption of the added refrigerant gas, the adsorbent is cooled by a Peltier element (used as a cooler), and the temperature of the adsorbent is lowered to 150 ° C. By maintaining this state for a predetermined time (1 second), the added refrigerant gas is adsorbed. After adsorption, the temperature of the adsorbent is maintained at 200 ° C. with a Peltier element.

主冷媒ガスの放出に関しては、吸着剤をペルチェ素子(ヒータとして使用)で2秒間加熱し、吸着剤を600℃まで昇温する。この状態を所定時間(5秒)維持することによって、主冷媒ガスを放出する。放出後は、吸着剤をペルチェ素子(冷却器として使用)で冷却し、吸着剤の温度を80℃に維持する。主冷媒ガスの吸着に関しては、吸着剤をペルチェ素子(冷却器として使用)で冷却し、吸着剤を20℃まで降温させる。この状態を所定時間(120秒)維持することによって、主冷媒ガスを吸着する。吸着後は、ペルチェ素子で吸着剤の温度を80℃に維持する。   Regarding the release of the main refrigerant gas, the adsorbent is heated with a Peltier element (used as a heater) for 2 seconds, and the adsorbent is heated to 600 ° C. By maintaining this state for a predetermined time (5 seconds), the main refrigerant gas is released. After the release, the adsorbent is cooled by a Peltier element (used as a cooler), and the temperature of the adsorbent is maintained at 80 ° C. For adsorption of the main refrigerant gas, the adsorbent is cooled by a Peltier element (used as a cooler), and the temperature of the adsorbent is lowered to 20 ° C. By maintaining this state for a predetermined time (120 seconds), the main refrigerant gas is adsorbed. After adsorption, the temperature of the adsorbent is maintained at 80 ° C. with a Peltier element.

Figure 2019056509
Figure 2019056509

(実施例5)
主冷媒ガスとして窒素(N)ガスを使用し、添加冷媒ガスとして水素(H)ガスを使用して、以下のようにして冷凍動作を実施した。ジュールトムソン冷凍機には、図5に示した構成を適用し、冷媒混合比調整機構には、図3に示した構成を適用した。冷凍動作を表6及び図10を参照して説明する。まず、圧縮機で主冷媒ガスを0.2MPaから8.0MPaに昇圧して冷媒ガスを循環させた。このような循環を20分間継続することによって、JT膨張器の出口温度が84Kに到達した。この時点で、添加冷媒ガスを120秒間添加しながら冷媒ガスの循環を継続したところ、JT膨張器の出口温度が80Kに到達した。この状態を3分間継続した後(運転開始から27分後)に被冷却物7の温度が80Kに到達した。
(Example 5)
A refrigeration operation was performed as follows using nitrogen (N 2 ) gas as the main refrigerant gas and hydrogen (H 2 ) gas as the additional refrigerant gas. The configuration shown in FIG. 5 was applied to the Joule-Thomson refrigerator, and the configuration shown in FIG. 3 was applied to the refrigerant mixture ratio adjusting mechanism. The freezing operation will be described with reference to Table 6 and FIG. First, the main refrigerant gas was pressurized from 0.2 MPa to 8.0 MPa with a compressor, and the refrigerant gas was circulated. By continuing such circulation for 20 minutes, the outlet temperature of the JT expander reached 84K. At this time, when the refrigerant gas was continuously circulated while adding the added refrigerant gas for 120 seconds, the outlet temperature of the JT expander reached 80K. After this state was continued for 3 minutes (27 minutes after the start of operation), the temperature of the cooled object 7 reached 80K.

さらに、運転開始から27分後に、添加冷媒ガスを25秒間添加しながら冷媒ガスの循環を継続したところ、運転開始から32分後にJT膨張器の出口温度が76Kに到達した。この状態を4分間継続した後(運転開始から36分後)に被冷却物7の温度が77Kに到達した。この後、被冷却物7の温度が77Kを超えた場合には、添加冷媒ガスを1秒間添加(工程(1))し、また被冷却物7の温度が77Kより下がった場合には、添加冷媒ガスを1秒間吸収(工程(2))した。工程(1)と工程(2)を繰り返すことによって、被冷却物7の温度を約77Kに維持することが可能であることが確認された。   Further, 27 minutes after the start of operation, the refrigerant gas was continuously circulated while adding the additional refrigerant gas for 25 seconds. As a result, the outlet temperature of the JT expander reached 76K 32 minutes after the start of operation. After this state was continued for 4 minutes (36 minutes after the start of operation), the temperature of the cooled object 7 reached 77K. Thereafter, when the temperature of the object 7 to be cooled exceeds 77K, the added refrigerant gas is added for 1 second (step (1)), and when the temperature of the object 7 to be cooled falls below 77K, it is added. The refrigerant gas was absorbed for 1 second (step (2)). It was confirmed that the temperature of the object to be cooled 7 can be maintained at about 77K by repeating the steps (1) and (2).

実施例5において、添加冷媒ガスの放出及び吸着は実施例4と同様にして実施する。窒素ガスの吸着及び放出が可能な2つの冷媒混合比調整機構(10A、10B)を用いた圧縮機の動作は、以下のようにして実施する。冷媒混合比調整機構10Aの吸着剤を加熱し、出口側の逆止弁から8.0MPaの窒素ガスを配管に供給する(動作(1))。冷媒混合比調整機構10Bの吸着剤を冷却し、入口側の逆止弁から0.2MPaの窒素ガスを配管に回収する(動作(2))。高圧側配管の圧力が8.0MPaを下回ったら、動作(1)と動作(2)を反転させる(動作(3))。動作(1)〜(3)を繰り返す。   In the fifth embodiment, the added refrigerant gas is released and adsorbed in the same manner as in the fourth embodiment. The operation of the compressor using the two refrigerant mixture ratio adjusting mechanisms (10A, 10B) capable of adsorbing and releasing nitrogen gas is performed as follows. The adsorbent of the refrigerant mixture ratio adjusting mechanism 10A is heated, and 8.0 MPa of nitrogen gas is supplied to the pipe from the check valve on the outlet side (operation (1)). The adsorbent of the refrigerant mixture ratio adjusting mechanism 10B is cooled, and 0.2 MPa of nitrogen gas is recovered from the check valve on the inlet side into the pipe (operation (2)). When the pressure of the high-pressure side pipe falls below 8.0 MPa, the operation (1) and the operation (2) are reversed (operation (3)). Operations (1) to (3) are repeated.

Figure 2019056509
Figure 2019056509

なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施し得るものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。   In addition, although several embodiment of this invention was described, these embodiment is shown as an example and is not intending limiting the range of invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

1…ジュールトムソン冷凍機、2…圧縮機、3…放熱器、4…熱交換器、5…ジュールトムソン膨張器、6…断熱真空槽、7…被冷却物、8…ジュールトムソン冷凍機ヘッド、9,9A〜9G…冷媒配管、10,10A,10B,101,102…冷媒混合比調整機構、11…ガス選択フィルタ、12…真空ポンプ、13…ヒータ、14…バッファタンク14、15,15A〜15C…配管、V1〜V3…弁、21…吸着体、22…温度制御装置、CV1〜CV4…逆止弁。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Joule-Thomson refrigerator, 2 ... Compressor, 3 ... Radiator, 4 ... Heat exchanger, 5 ... Joule-Thomson expander, 6 ... Insulated vacuum tank, 7 ... To-be-cooled object, 8 ... Joule-Thomson refrigerator head, 9, 9A to 9G: Refrigerant piping, 10, 10A, 10B, 101, 102 ... Refrigerant mixture ratio adjusting mechanism, 11 ... Gas selection filter, 12 ... Vacuum pump, 13 ... Heater, 14 ... Buffer tank 14, 15, 15A- 15C ... Piping, V1-V3 ... Valve, 21 ... Adsorbent, 22 ... Temperature control device, CV1-CV4 ... Check valve.

Claims (6)

冷媒ガスを圧縮する圧縮機と、
前記圧縮された冷媒ガスの熱を放熱する放熱器と、
前記放熱された冷媒ガスを熱交換して冷却する熱交換器、及び断熱真空槽内に設置された被冷却物と熱的に接触し、前記熱交換された冷媒ガスを膨張させて冷却するジュールトムソン膨張器を有するジュールトムソン冷凍機ヘッドと、
前記圧縮機と前記放熱器と前記熱交換器と前記ジュールトムソン膨張器とを接続する複数の冷媒配管と、
前記冷媒配管に接続され、前記冷媒ガスを構成する複数の冷媒ガス成分の少なくとも一部を吸収及び放出することが可能であって、前記冷媒ガス成分の吸収又は放出により前記複数の冷媒ガス成分の混合比を調整する冷媒混合比調整機構と
を具備するジュールトムソン冷凍機。
A compressor for compressing the refrigerant gas;
A radiator that dissipates heat of the compressed refrigerant gas;
A heat exchanger for exchanging heat and cooling the radiated refrigerant gas, and a joule that is in thermal contact with an object to be cooled installed in a heat insulating vacuum chamber and expands and cools the heat exchanged refrigerant gas A Jules Thompson refrigerator head having a Thomson expander;
A plurality of refrigerant pipes connecting the compressor, the radiator, the heat exchanger, and the Joule-Thompson expander;
It is connected to the refrigerant pipe and can absorb and release at least a part of a plurality of refrigerant gas components constituting the refrigerant gas, and the refrigerant gas components can be absorbed or released by absorbing or releasing the refrigerant gas components. A Joule-Thompson refrigerator comprising a refrigerant mixing ratio adjusting mechanism for adjusting a mixing ratio.
前記冷媒混合比調整機構は、前記冷媒ガスの設定液化温度に応じて前記複数の冷媒ガス成分の混合比を調整する、請求項1に記載のジュールトムソン冷凍機。   The Joule-Thompson refrigerator according to claim 1, wherein the refrigerant mixture ratio adjusting mechanism adjusts a mixture ratio of the plurality of refrigerant gas components according to a set liquefaction temperature of the refrigerant gas. 前項冷媒混合比調整機構は、前記複数の冷媒ガス成分の一部を選択的に透過又は吸収するガス選択フィルタと、真空ポンプと、ヒータを有するバッファタンクと、前記ガス選択フィルタと前記真空ポンプと前記バッファタンクとを繋ぐ複数の配管と、前記複数の配管を開閉するバルブとを備える、請求項1又は請求項2に記載のジュールトムソン冷凍機。   The refrigerant mixture ratio adjusting mechanism in the preceding paragraph includes a gas selection filter that selectively transmits or absorbs part of the plurality of refrigerant gas components, a vacuum pump, a buffer tank having a heater, the gas selection filter, and the vacuum pump. The Joule-Thompson refrigerator according to claim 1 or 2, comprising a plurality of pipes connecting the buffer tanks and valves for opening and closing the plurality of pipes. 前記冷媒混合比調整機構は、前記複数の冷媒ガス成分の一部を選択的に吸着及び脱離することが可能な吸着体と、前記吸着体の温度を制御する吸着体温度制御装置とを備える、請求項1又は請求項2に記載のジュールトムソン冷凍機。   The refrigerant mixture ratio adjusting mechanism includes an adsorbent that can selectively adsorb and desorb a part of the plurality of refrigerant gas components, and an adsorbent temperature control device that controls the temperature of the adsorbent. The Joule-Thompson refrigerator according to claim 1 or 2. 複数の前記冷媒混合比調整機構を備える、請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載のジュールトムソン冷凍機。   The Joule-Thompson refrigerator according to any one of claims 1 to 4, comprising a plurality of the refrigerant mixture ratio adjusting mechanisms. 前記圧縮機は、バルブ又は逆止弁で挟まれた前記冷媒混合比調整機構を複数組み合わせて構成される、請求項1に記載のジュールトムソン冷凍機。   The Joule-Thompson refrigerator according to claim 1, wherein the compressor is configured by combining a plurality of the refrigerant mixture ratio adjusting mechanisms sandwiched between a valve or a check valve.
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