JP2021533321A - 高温超電導体冷蔵システム - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、極低温冷蔵システム、及びシステムの冷却効率を高める対応する方法、好ましくは、熱的に結合された負荷の冷却に関する。【解決手段】 システム（１）は、極低温冷媒の供給流を提供する供給手段（２）と、供給手段（２）に流体結合され、供給された極低温冷媒を圧縮するように構成された圧縮機（３）と、圧縮機（３）に流体結合されたコールドボックス（１０）と、を備え、コールドボックス（１０）は、第１の膨張装置（４）及び第１の熱交換器（５）を備え、第１の膨張装置（４）は、圧縮機（３）から圧縮された極低温冷媒（２０）を受け取って膨張させ、膨張した冷媒を第１の熱交換器（５）に提供するように構成されており、第１の熱交換器（５）は、負荷（７）に熱的に結合されるように構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、極低温冷蔵のシステム及び方法に関する。具体的には、本発明は、例えば、高温超電導体用の冷凍回路などの、熱的に結合された負荷の冷凍効率を改善するために極低温冷媒を再循環する熱交換器構成に関する。

超電導ケーブルは、一般的に、熱的に結合された液体窒素回路を使用して冷却され、液体窒素は、通常動作中にケーブル内で生成された過剰な熱を吸収し、それに応じて気化される。気化した窒素は、再循環されることなくシステムを出ることが多く、したがって、例えば、開放構成では、失われる。そのような解決策は、一般に、低〜中程度の冷却能力要件でのみ経済的に実現可能である。例えば１０〜２０ｋＷを上回る、より高い冷却能力では、そのような開放システムにおいて運転コストが支配的になる。ここで、閉ループ冷蔵システムが、その高い資本経費にもかかわらず、有利になる。

更に、超電導ケーブル及び同様の負荷に十分な冷蔵を提供するために、超臨界圧での過冷却液体窒素の再循環によって冷却が提供されることが必要とされる。しかしながら、高温超電導体、例えばケーブルの能力が温度低下とともに低下し、同時に窒素の三重点が６３Ｋにあるため、温度範囲は、一般的に制限される。したがって、温度範囲は、一般的に使用される負荷の超電導特性に必要な温度、及び冷媒が固相に到達するのを回避するための使用される冷媒の下限温度限界によって予め規定される。

液体窒素回路を冷却するための既知のシステムは、多くの場合、冷凍剤としてネオンを含む。液体窒素の冷却効率を更に高めるために、結合された圧縮機エンジン及びターボ膨張機を実装する冷蔵システムが知られている。しかしながら、プロセス制御の観点から、これは、実装が困難であり、複雑な制御システムを必要とする。

窒素の三重点及び可能な最低冷却温度に対する高温超電導体の要件によって規定される制限された温度範囲のため、冷媒質量流量を増加させることによってのみ、より大きな冷却能力を達成することができる。しかしながら、膨張段階にわたる圧力比の増加は、窒素再循環によって提供される高温超電導体冷却と適合しない、大きすぎる温度差を発生させるであろう。その結果、そのような結合されたＴｕｒｂｏ−Ｂｒａｙｔｏｎシステムにおける４０パーセントの潜在的な等エントロピー効率は、そのような高温超電導体用途において約２８パーセント未満に制限されたままである。

冷却効率を更に高める他の試みとしては、ヘリウムベースの冷蔵ラインの実装が挙げられる。しかしながら、ヘリウムは、非常に軽いガスであり、すなわち、低分子量を有し、したがって、環境温度での圧縮は非常に困難である。したがって、ヘリウムは、典型的には、油注入スクリュー圧縮機で圧縮され、これにより、一般的に、２０％未満の総システム等エントロピー効率をもたらす。

したがって、そのようなシステムの複雑性及び／又は制御を大幅に増加させることなく、極低温冷蔵システムの等エントロピー効率を更に高める必要性が存在する。

本発明の目的は、上記の問題を軽減する、改善された極低温冷蔵システム及び極低温冷蔵を提供する対応する方法を提供することである。

この目的は、請求項１に記載の特徴を備える極低温冷蔵システム及び、請求項１２に記載の特徴を備える極低温冷蔵方法によって達成される。好ましい実施形態は、従属請求項に記載され、明細書及び図面によって提供される。

したがって、第１の態様では、極低温冷蔵システムが提案され、このシステムは、極低温冷媒の供給流を提供する供給手段と、供給手段に流体結合され、供給された極低温冷媒を圧縮するように構成された圧縮機と、圧縮機に流体結合されたコールドボックスと、を備える。コールドボックスは、第１の膨張装置及び第１の熱交換器を備え、第１の膨張装置は、圧縮機から圧縮された極低温冷媒を受け取って膨張させ、膨張した冷媒を第１の熱交換器に提供するように構成されており、第１の熱交換器は、負荷に熱的に結合されるように構成されている。本発明によれば、システムは、コールドボックス内に配置された、少なくとも第１及び第２の熱交換部を備える第２の熱交換器を備える。第１の熱交換部は、膨張装置から膨張した冷媒を受け取り、その後、受け取った膨張した冷媒を第１の熱交換器に提供するように構成されており、第２の熱交換部は、第１の熱交換器から膨張した冷媒を受け取り、その後、膨張した加熱された冷媒を第１の熱交換器に提供するように構成されており、第１及び第２の熱交換器部は、熱的に結合されている。第１の熱交換器は、受け取った膨張した冷媒を供給手段及び／又は圧縮機に提供するように構成されている。

そのような構成は、膨張段階の後に冷却媒体を第１の熱交換器に直接提供する代わりに、膨張した又は冷却された冷媒が、第１の熱交換器から受け取られた膨張した冷媒によって最初に温められる、すなわち、膨張した冷媒が、第１の熱交換器に提供された第１回の冷却の後に再循環されるという利点を有する。これにより、第１の熱交換器の必要かつ許容可能な極低温冷却能力にしたがって、極低温冷媒をはるかに、より低温に膨張させることが可能になる。同時に、第１の熱交換部からの、したがって温められた冷却された冷媒であり得る、受け取った膨張した冷媒と、第１の熱交換器への受け取った膨張した冷媒、すなわち、第２の熱交換部からの冷媒の両方を提供することによって、これにより、質量流量を増加させることなく、冷却能力を２倍に変化させることが可能になる。

更に、冷媒を再循環し、それによって冷却能力を倍増させることにより、結合された圧縮機及び膨張装置並びに対応する制御システムを必要とせずに、第１の熱交換器の等エントロピー効率が高められる。加えて、質量流量を増加させる必要がないため、一般的な圧縮機における冷媒の損失の悪影響は増大しない。

システムの様々な特徴部は、直接又は少なくとも１つの導管若しくは管部分によってのいずれかで、互いに接続されてもよい。コールドボックスは、更に、コールドボックスの外側又は接合部に配置された弁、例えば、逆止弁によって、圧縮機及び／又は供給手段と流体結合されてもよい。したがって、圧縮機及び／又は供給手段は、直接又は導管によってのいずれかで、弁を介してコールドボックスに接続されてもよく、圧縮機の出口は、コールドボックスの弁の入口に接続され、すなわち、コールドボックスに供給流を提供し、圧縮機及び／又は供給手段の入口は、コールドボックスの弁の出口に接続され、すなわち、第１の熱交換器からの戻り供給流を提供する。

同様に、第１及び第２の熱交換器は、互いの間に、適用可能な場合には、膨張装置、供給手段、及び／又は圧縮機との間に流体結合を提供するために、入口及び出口を備えてもよい。例えば、第１の膨張装置は、膨張したかつ／又は冷却された冷媒を第１の熱交換器に提供するために、膨張した冷媒を第１の熱交換器の第１の入口に提供するように構成されてもよく、第２の熱交換器の第１の熱交換部は、第２の熱交換器の第１の入口を介して第１の膨張装置と流体結合されて、膨張した冷媒を受け取り、第２の熱交換器の第１の出口を介して第１の熱交換器の第１の入口と流体結合されて、膨張した冷媒を第１の熱交換器に提供する。加えて、第２の熱交換部は、第２の熱交換器の第２の入口を介して第１の熱交換器の第１の出口に流体結合されて、膨張した冷媒を受け取ってもよく、第２の熱交換器の第２の出口及び第１の熱交換器の第２の入口を介して第１の熱交換器に受け取った膨張した冷媒を提供するように構成されている。次いで、第１の熱交換器は、第１の熱交換器の第２の出口を介して供給手段及び／又は圧縮機に、受け取った膨張した冷媒を提供するように構成されてもよい。

上記で概説したように、システムは、圧縮された極低温冷媒をコールドボックスに提供するための供給手段及び圧縮機を備える。供給手段は、例えば、大型の容器、又は、極低温冷媒の十分な供給流を提供する任意の他の手段、例えば、冷蔵プラント若しくは冷媒製造手段のプロセス媒体フローへの結合を備えてもよい。供給手段及び圧縮機は、流体結合され、互いに別個に配置されてもよいが、また、よりコンパクトな構成を提供するためにシステムの入口で組み合わされてもよい。

膨張装置は、追加の圧力調整器及び／若しくは圧力制御弁を有する若しくは有さない膨張弁、膨張容器、又は膨張タービンとして構成されてもよい。膨張装置は、膨張装置の上流の圧力よりも低い一定圧力を有する。したがって、膨張装置は、例えば、対応するサイズ決定及び寸法決定による、膨張装置内の急激な体積増加に起因して、圧縮された冷媒が弛緩して、好ましくは、気相が生成されるように、冷媒の急速な圧力低下をもたらすような程度に、圧縮された極低温冷媒の圧力を低減するように構成されている。弛緩した冷媒の温度は一定のままであってもよく、又は低減されてもよいが、冷媒の潜熱が低減され、それにより、熱量を吸収することができる。吸収することができる熱量を増加させるために、システムの全ての特徴部は、好ましくは、熱的に絶縁され、それにより、システムに出入りする熱量がゼロである又は無視できると考えられる。

システムの等エントロピー効率を更に高めるために、コールドボックスは、第２の膨張装置を更に備えてもよく、第２の熱交換器は、第３及び第４の熱交換部を更に備えてもよい。そのような構成では、第２の膨張装置は、第１の熱交換器及び第２の熱交換器に流体結合されてもよく、第２の熱交換部から第１の熱交換器によって受け取られた膨張した冷媒を受け取り、冷媒の膨張を提供し、その後、第３の熱交換部を介して第１の熱交換器に二次膨張した冷媒を提供するように構成されてもよい。したがって、第４の熱交換部は、第１の熱交換器から二次膨張した冷媒を受け取り、その後、受け取った二次膨張した冷媒を第１の熱交換器に提供するように構成されてもよい。更に、少なくとも第３及び第４の熱交換部は、熱的に結合されてもよい。

したがって、第１の熱交換器に提供される前に、第１の熱交換器から受け取った二次膨張した冷媒によって二次膨張した冷媒を温めることができるように、第３の熱交換器部と第４の熱交換器部との間で熱が交換されてもよい。加えて、第３及び／又は第４の熱交換部は、第１及び／又は第２の熱交換部に熱的に結合されてもよく、それにより、また更に改善された熱交換が提供されてもよく、更により冷たい膨張した冷媒が第１の膨張装置によって提供されてもよい。そのような構成によれば、したがって、第１の熱交換器を出る冷媒は、２回再循環されてもよく、それにより、質量流量を増加させることなく、４倍の冷却能力が提供される。換言すれば、第２の膨張機及び第２の熱交換器を通過することにより、同じ温度範囲で同じ質量流量で冷却能力を４倍にも変化させることができる。したがって、極低温冷媒のより低レベルの熱を、２度使用することができ、著しくより効率的な冷却プロセスをもたらす。

これは、圧縮機によって極低温冷媒がより高い比率に圧縮されることを必要とするが、圧縮力が圧力比の自然対数で増加するだけだが、質量流量により直線的に増加するため、これは、著しくは効率に悪影響を及ぼさない。したがって、そのような構成により、ネオンベースのＴｕｒｂｏ−Ｂｒａｙｔｏｎサイクルと比較して、約２８パーセントの同じ等エントロピー効率を達成することが可能になる。

更に、既知のＴｕｒｂｏ−Ｂｒａｙｔｏｎプロセスと比較して、そのような構成のエネルギ効率は、著しく高く、同時に、圧縮機の動作が膨張タービンの機構に結合されないため、すなわち、膨張装置が圧縮機による冷媒の圧縮を駆動するためにも使用されないため、プロセス制御がはるかに、より簡単である。

必要なシステムに応じて、膨張装置及び熱交換器による冷媒の再循環は、更なる膨張装置及び熱交換部を含むことによって、繰り返されてもよい。例えば、再循環は、３回以上繰り返されてもよい。

加えて、更なる熱交換器が提供されてもよい。例えば、第１及び／又は第２の熱交換器は、一連の熱交換器として構成されてもよい。更に、コールドボックス内かつ膨張装置の上流に配置された１つ以上の追加の熱交換器が提供されてもよい。したがって、そのような熱交換器は、圧縮された冷媒が膨張前に予熱され、供給手段及び／又は圧縮機に戻される膨張した冷媒が圧縮前に予冷却されるように、圧縮機からの圧縮された冷媒及び第１の熱交換器からの膨張した冷媒の両方を受け取ることができる。

好ましくは、極低温冷蔵システムの圧縮機は、スクリュー圧縮機又はターボ圧縮機である。ターボ圧縮機を実装する場合、圧縮機は、更に好ましくは、磁気結合を有し、かつ／又は直列圧縮機を含む、若しくは直列圧縮機として構成される。あるいは、又は加えて、圧縮機は、環境温度で冷媒を圧縮するように構成されてもよい。

スクリュー圧縮機の実装により、コスト効率の良い圧縮を提供し、同時に、これにより、約３１パーセントまで等エントロピー効率を増加させる。特に、スクリュー圧縮機の実装は、より高い密度を有する、それゆえ、より高い効率で圧縮することができる冷媒、例えば、ネオンに有利である。

あるいは、ターボ圧縮機の実装は、より低い密度を有する冷媒、例えば、ヘリウムに有利であり得、４２パーセントを上回るまで等エントロピー効率を更に改善する。これにより、最小量の冷媒しか失われないことを確実にする、磁気結合を有する圧縮機の構成を更に可能にすることができる。したがって、例えば、気候順応又は建築から既知なように、１つ以上の直列ターボ圧縮機を使用することができる。ターボ圧縮機の使用は、油潤滑のない密閉封止が提供される利点を更に有する。したがって、ヘリウムベースの極低温冷蔵システムにおいて必要とされることがある油除去システムを省略することができる。

更に、環境温度での圧縮は、任意の予冷却又は温度制御を必要とせず、したがって、コスト効率の良い圧縮を提供する。

上記で概説したように、圧縮機及び膨張装置は、別々に制御され、独立して動作する。例えば、膨張装置は、圧縮機を駆動せず、逆もまた同様である。したがって、圧縮機及び膨張装置の一定圧力を制御することによって、圧縮圧力を独立して調整する制御システムが提供されてもよい。更に、そのような制御システムは、システムが既定の又は設定された値及びパラメータにしたがって極低温冷蔵を提供することを確実にするために、フィードバック機構、例えば、１つ以上のセンサ、特に、冷媒と流体連通している圧力センサ及び／又は温度センサを設けることができる。

好ましくは、極低温冷蔵システムの第１の熱交換器は、負荷に熱的に結合される。具体的には、負荷は、高温超電導体、例えば、ケーブルシステム用の冷凍回路を備えてもよい。

例えば、負荷は、第１の熱交換器の温かい端部に入り、低温端部で第１の熱交換器を出る、冷凍回路又は回路であってもよい。用語「温かい端部」は、膨張した又は冷却された冷媒が、少なくとも第１のサイクルにわたって加熱され、膨張した又は加熱された冷媒として第１の熱交換器を出る、第１の熱交換器の端部として理解されるべきである。同様に、用語「低温端部」は、第２の熱交換器を介して提供される膨張した冷媒が第１の熱交換器に入る、第１の熱交換器の端部として理解されるべきである。熱的結合によって、熱交換が生じ、それにより、冷媒が冷凍回路から熱を吸収し、したがって、冷凍回路が既定の温度まで冷却される。

好ましくは、負荷は、第２の極低温冷媒を含み、第２の極低温冷媒は、好ましくは、液体窒素を含む。液体窒素の使用は、比較的高温で超電導特性を有する様々な負荷に対して有利であり得る。しかしながら、異なる温度の他の循環液体又は気体を、提案される構成で効率的に冷却することができる。同様に、代わりに又は加えて、他の冷却回路が提供されてもよい。例えば、第１の熱交換器を横断する代わりに、負荷は、隣接する配置によって熱的に結合されてもよい。また、第１の熱交換器、又は一連の第１の熱交換器は、複数の負荷又は冷凍回路のための極低温冷蔵を提供するように配置されてもよい。

第１の熱交換器における熱交換を更に高めるために、冷凍回路内の第２の冷媒は、第１の熱交換器に入る前に圧縮されてもよい。第２の冷媒の更なる又は代替的な圧縮は、第１の熱交換器の下流かつ冷却される負荷の上流に提供されてもよい。

システムの安定性及び予測可能性を高めるために、負荷は、好ましくは、一定の負荷として提供され、及び／又は極低温冷蔵は、好ましくは、極低温冷媒の一定の質量流量、温度、及び物理的状態で提供される。したがって、システムは、好ましくは、固定されたプロセス条件を有し、それゆえ、冷蔵プラント及び／又はプロセス媒体の供給流と適合することができる。

必要とされる冷却能力及び第２の熱交換器の寸法決定に応じて、少なくとも第１及び第２の熱交換部並びに／又は第３及び第４の熱交換部は、逆流、直交流、又は同一流の熱交換部を提供するように、互いに対して配置されてもよい。これはまた、第１の熱交換器にも適用され、それにより、第１の熱交換器の熱交換部は、互いに対して、かつ／又は冷凍回路などの熱的に結合された負荷に対して、同様に配置されてもよい。

第１の熱交換器による極低温冷蔵を促進するために、圧縮機及び／又は供給手段は、冷媒をガス冷媒として第１の膨張装置に提供するように構成されてもよい。好ましくは、この構成はまた、ガス冷媒が第２の膨張装置に提供されることを確実にする。

これは、少なくとも、第１の熱交換器が、例えば、冷媒の液相を収集するために、より低い温度範囲で容器又は相分離器を必要とせず、同時に、低い比エンタルピーを有する気化したガス流を提供することができるという利点を有する。加えて、システムの寸法を縮小できるように、コンプレッサ及び熱交換器などのより小さい装置が設けられてもよい。

第１の膨張装置はまた、二相又は気相冷媒を提供するように構成されてもよく、第１の熱交換器は、冷ガス熱交換器として、冷却された冷媒から気相を受け取るように構成される。そのような構成では、したがって、膨張装置はまた、液体及び気相を提供してもよく、好ましくは、第１の熱交換器は、液相を収集し、かつ極低温冷媒として気相を提供する、容器を備える。気化ガス交換器と比較して、冷ガス熱交換器の使用は、大気圧上でのフラッシュガス又は気化ヘリウムの再循環が起こらないという利点を有する。

好ましくは、極低温冷媒は、ヘリウム及び／又はネオンを含む。上記に概説したように、使用される極低温冷媒は、必要とされる冷却にしたがって選択されてもよい。例えば、冷却は、温度の低下とともに能力が低下することが知られている、熱的に結合された高温超電導体の必要な温度に依存してもよい。同時に、極低温冷媒は、維持され、圧力及び温度は、対応する三重点を上回る必要がある。例えば、窒素の三重点は、６３Ｋであり、それにより、より低い温度範囲に対して、窒素の使用は、適用可能でない場合があり、したがって、例えば、ヘリウム及び／又はネオンなどの、他の冷媒を使用することができる。更に、極低温冷媒の選択は、上記で概説したように、実装される圧縮機タイプに依存し得る。加えて、水素又は混合物又は組成物などの他の冷媒も使用することができる。

圧縮された極低温冷媒を予冷却するために、極低温冷蔵システムは、コールドボックスの外側かつ第１の膨張装置の上流に配置された、提供された圧縮された極低温冷媒供給流に熱的に結合された気化熱交換器を更に備えてもよい。したがって、膨張した冷媒又は冷却された冷媒は、より低い温度で第２の熱交換器に提供され、それによって第１の熱交換器の冷却効率を更に向上させることができる。気化熱交換器は、好ましくは、気化させる冷媒として、液体水又は水素回路を含む。しかしながら、代替として、ガス状水素も、冷ガス熱交換器として提供されてもよい。水又は水素の実装は、これがコスト効率の良い冷却を形成し、気化した冷媒は、気化熱交換器を出た後に、単に大気中に放出することができるという利点を有する。

同様に、システムは、コールドボックス内かつ第１の膨張装置の上流に配置された、提供された圧縮された極低温冷媒供給流に熱的に結合されて冷媒を予冷却する気化熱交換器を更に備えてもよい。好ましくは、気化熱交換器は、気化させる冷媒として液体窒素回路を含む。コールドボックス内の配置は、システムの寸法を同時に低減しながら、予冷却効率が向上するという利点を有する。更に、例えば、液体窒素などの冷凍回路内の負荷に使用される第２の冷媒の一部又は余剰は、膨張前に圧縮された極低温冷媒を予冷却するために提供されてもよい。

本発明の更なる態様によれば、極低温冷蔵を提供する方法が提案され、この方法は、供給手段によって極低温冷媒の供給流を提供する工程と、圧縮機によって供給された極低温冷媒を圧縮する工程と、コールドボックス内の第１の膨張装置によって圧縮された極低温冷媒を膨張させる工程と、膨張した冷媒をコールドボックス内の第１の熱交換器に提供する工程と、を含み、第１の熱交換器は、負荷に熱的に結合されるように構成されている。本発明によれば、膨張した冷媒は、膨張装置からコールドボックス内の第２の熱交換器の第１の熱交換部によって受け取られ、その後、第１の熱交換器に提供される。更に、第１の熱交換器からの膨張した冷媒は、第２の熱交換器の第２の熱交換部によって受け取られ、その後、第１の熱交換器に提供され、第１の熱交換器部と第２の熱交換器部との間で熱が交換される。第２の熱交換部から第１の熱交換器によって受け取られた膨張した冷媒は、供給手段及び／又は圧縮機に更に提供される。

上記で概説したように、第１の熱交換器からの膨張した冷媒を第２の熱交換器に提供すること、及び膨張装置から受け取られた膨張した冷媒との熱的結合を介した熱交換を可能にすることは、膨張した冷媒が極低温冷媒として使用される前に最初に温められ、それにより、第１の熱交換器の必要かつ許容可能な極低温冷却能力にしたがって、はるかにより低い温度まで極低温冷媒を膨張させることを可能にするという利点を有する。同時に、第１の熱交換部からの、したがって予め温められた冷却された又は膨張した冷媒であり得る、受け取った膨張した冷媒と、第１の熱交換器への受け取った膨張した冷媒、すなわち、第２の熱交換部からの冷媒の両方を提供することによって、これにより、質量流量を増加させることなく、冷却能力を２倍に変化させることが可能になる。ここでも、結合された圧縮機及び膨張装置を有するシステムとは対照的に、複雑な制御システムが必要とされない。

好ましくは、本方法はまた、第２の熱交換部から第１の熱交換器によって受け取られた膨張した冷媒が、第２の膨張装置によって受け取られて、膨張されることを含み、二次膨張した冷媒は、第２の熱交換器の第３の熱交換部を介して第１の熱交換器に提供される。第１の熱交換器からの二次膨張した冷媒は、第２の熱交換器の第４の熱交換部によって更に受け取られ、その後、第４の熱交換部を介して第１の熱交換器に提供され、少なくとも第３の熱交換器部と第４の熱交換器部との間で熱が交換される。

したがって、本方法は、第１の熱交換器を出る冷媒が、したがって、２回再循環されることを提供することができ、それにより、質量流量を増加させることなく、４倍の冷却能力が提供される。換言すれば、第２の膨張装置及び第２の熱交換器を通過することにより、同じ温度範囲で同じ質量流量で冷却能力を４倍にも変化させることができる。

供給される第１の極低温冷媒の圧縮は、更に、スクリュー圧縮機、ターボ圧縮機によって、かつ／又は環境温度で提供されてもよい。極低温冷媒は、好ましくは、ヘリウム及び／又はネオンを含む。

極低温冷蔵を適用するために、本方法は、第１の熱交換器が熱的に結合された負荷の極低温冷蔵を提供することを更に含んでもよく、負荷は、好ましくは、高温超電導体用の冷凍回路を含む。そのような負荷は、好ましくは、第２の極低温冷媒として液体窒素を含む。したがって、第１の熱交換器は、例えば、超臨界温度及び圧力で高温超電導体に冷蔵を提供する、液体窒素ベースの冷凍回路に極低温冷蔵を提供することができ、極低温冷媒の提供された再循環は、複雑な制御システムを必要とすることなく、又は質量流量を増加させることなく、既知のシステムと比較して、改善された冷却効率を提供する。

本開示は、添付図面との関連において考察されれば、以下の詳細な説明を参照することによって、より容易に理解されるであろう。
第１の極低温冷媒の単一の再循環を伴う極低温システムにおける第１及び第２の熱交換器の概略図である。 第１の極低温冷媒の二重再循環を伴う、図１による実施形態の概略図である。 第１の極低温冷媒の二重再循環を伴う極低温システムにおける第１及び第２の熱交換器並びに追加の気化熱交換器の概略図である。 第１の極低温冷媒の二重再循環を伴う更なる極低温システムにおける第１及び第２の熱交換器並びに追加の気化熱交換器の概略図である。

以下、添付図面を参照して本発明をより詳細に説明する。図において、同様の要素は同一の参照番号によって示され、冗長性を回避するために、繰り返しての説明は省略されることがある。

図１では、極低温冷蔵システム１は、極低温冷媒として液体ヘリウムを使用し、負荷７に熱的に結合された動作で概略的に示されている。したがって、液体ヘリウムの供給流は、圧縮機３に流体結合された供給手段２によって提供される。図１の実施形態による供給手段２は、液体ヘリウムの連続供給流を提供する冷蔵プラントへの結合部として構成されている。しかしながら、供給手段２はまた、例えば、システム１への液体ヘリウムの必要な量及び流れを提供する、より大きな容器を備えてもよい。

供給手段２は、その下流に配置され、かつスクリュー圧縮機として構成された、流体結合された圧縮機３への極低温冷媒としての液体ヘリウムの供給流を提供する。したがって、液体ヘリウムは、加圧され、圧縮された極低温冷媒２０として提供される。スクリュー圧縮機の使用により、使用される冷媒及び圧縮機の仕様に応じて、下流油除去システム（図示せず）の実装を必要とする場合がある。圧縮された極低温冷媒２０、すなわち加圧された液体ヘリウムは、次いで、コールドボックス１０の接合部における流体継手又は弁によってコールドボックス１０に提供される。この構成により、コールドボックス１０が本質的に熱的に絶縁され、流体継手を介してのみ外部構成要素に接続されることを確実にする。

コールドボックス１０内で、圧縮された極低温冷媒２０は、圧力調整器及び膨張弁として示される第１の膨張装置４によって受け取られる。しかしながら、膨張弁、膨張タービン、又は組み合わされた膨張弁及び圧力調整器のみを含む他の構成が提供されてもよい。極低温冷蔵システム１は、始動中又は初期運転段階中にはシステム１内の温度の正規化及び安定化を必要とするが、通常動作中には、システム１内の様々な点又は場所における極低温冷媒の温度及び圧力は、一定で、かつ予測可能であると考えられる。この点に関して、膨張装置４は、膨張装置４の上流の圧力よりも低い一定圧力を有し、圧縮された極低温冷媒２０から気相を提供するように構成されている。膨張装置４内の急激な圧力低下により、圧縮された極低温冷媒２０は、したがって膨張し、それにより、加圧された液体ヘリウムの弛緩が生じ、それによって第１の極低温冷媒の体積が増加する。したがって、圧縮された極低温冷媒２０の潜熱が低減され、それによって液体ヘリウムが熱を更に吸収することが可能となる。したがって、膨張装置４は、圧縮された極低温冷媒２０と比較してより低い温度を有することができ、かつ第２の熱交換器６の第１の熱交換部６Ａによって受け取られる、膨張した冷媒２２を提供する。

第１の熱交換器部６Ａを横断した後に、膨張した冷媒２２は、次いで対応する入口を介して第１の熱交換器５に移る。膨張装置４は、膨張した冷媒２２を液体又は二相冷媒として提供するように構成されてもよいが、図１による膨張装置４は、第１の熱交換器５が冷ガス熱交換器として構成されるように、ガス状態で膨張した冷媒２２を提供するように構成されている。第１の熱交換器５内では、冷却されたヘリウムは、熱的に結合された負荷７から熱を吸収し、それにより、冷却されたヘリウムは、膨張装置から出る膨張した冷媒２２と比較して加熱された冷媒であり得る膨張した冷媒２４として、対応する出口を介して第１の熱交換器５から出る。同時に、負荷７に、極低温冷蔵が提供され、それにより、例えば高温超電導体をそれに応じて冷却することができる。

第１の熱交換器５から膨張した冷媒２４を供給手段２に直接戻す代わりに、第１の熱交換器からの膨張した冷媒２４は、第１の熱交換部６Ａに熱的に結合された第２の熱交換器６の第２の熱交換器部６Ｂに提供される。したがって、受け取られた膨張した冷媒２４は、第２の熱交換部６Ｂを横断し、次いで、対応する入口を介して第１の熱交換器５に移る。再度、第２の熱交換部６Ｂから受け取られた膨張した冷媒２４は、第１の熱交換器５内で熱を吸収する。次いで、受け取られた膨張した冷媒２４は、対応する出口を介して第１の熱交換器５を出て、膨張した冷媒２４を供給手段２に戻し、それにより、システム１内で再使用することができる。

したがって、極低温冷媒は、圧縮機３に戻される前に１回再循環される。第１及び第２の熱交換部６Ａ、６Ｂは熱的に結合されているため、膨張した冷媒２２は、膨張装置４から出る膨張した冷媒２２と比較して相対的に温められた状態で第１の熱交換器５に提供され、同時に、第２の熱交換器６を出る第１の熱交換器５からの膨張した冷媒２４は、第１の熱交換器５に提供される。これにより、圧縮された第１の極低温冷媒２０の更なる膨張及び対応するより低い温度の提供が可能になるだけでなく、これはまた、質量流量を増加させることなく、第１の熱交換器５の冷却能力の倍増も提供する。したがって、この構成により、等エントロピー効率が向上する。更に、圧縮機３及び膨張装置４は、複雑な制御システム又は機械的結合を必要とせずに、すなわち、膨張装置に結合された圧縮機の出力を有することなく、及びその逆もまた同様に、別々にかつ独立して制御されてもよい。

図１による実施形態は、第１の熱交換器５が第１の熱交換部６Ａから受け取られた膨張した冷媒２４の全てを第２の熱交換部６Ｂに提供するように構成されていることを概略的に示すが、また、膨張した冷媒２４の分岐のみが第２の熱交換部６Ｂに提供され、膨張した冷媒２４の残りは供給手段２に戻されることも、提供することができる。

更に、図１による実施形態は、第１の極低温冷媒として液体ヘリウムに関して記載されているが、例えばネオンなどの他の冷媒が使用されてもよい。更に、図１は、同一流の熱交換器として第１及び第２の熱交換器５、６を概略的に示す。しかしながら、同一流の熱交換器の代わりに又はそれに加えて、逆流又は直交流熱交換器などの他の構成が提供されてもよい。

図２による実施形態は、概して、図１による実施形態に類似している。加えて、図２による実施形態は、第１の熱交換器５からの膨張した冷媒２４の追加の戻りループによって示されるように、極低温冷媒の二重再循環を備える。二重再循環を提供するために、極低温冷蔵システム１は、コールドボックス１０内に第２の膨張装置４０を備え、第２の熱交換器６は、追加の第３及び第４の熱交換部６Ｃ、６Ｄを備える。したがって、第２の膨張装置４０は、第１の熱交換器５の出口に流体結合されて、それに応じて第１の熱交換器５によって受け取られた膨張した冷媒２４を受け取り、第３の熱交換部６Ｃを介して第１の熱交換器５に二次膨張した冷媒２６を提供するために、冷媒２４を膨張させる。また、第４の熱交換部６Ｄは、第１の熱交換器５の対応する出口から二次膨張した冷媒２８を受け取り、受け取った二次膨張した冷媒２８を第１の熱交換器５に提供するように構成されている。

本実施形態によれば、第３及び第４の熱交換器部６Ｃ、６Ｄは、熱的に結合されており、それにより、これらの部間で熱が交換され、したがって、二次膨張した冷媒２６は、第１の熱交換器５に入る前に、二次膨張した冷媒２８によって温めることができる。したがって、膨張した冷媒２２は、更により低い温度で提供されてもよい。同様に、第１の熱交換器からの受け取られた二次膨張した冷媒２８は、第１の熱交換器５に入る前に予冷却されてもよく、それにより、全体的な冷却能力は、質量流量を増加させることなく四倍になる。

加えて、本実施形態による圧縮機３は、磁気結合を有するターボ圧縮機として提供される。したがって、油除去システムが必要とされず、エネルギ効率がまた更に向上する。しかしながら、代替的に、スクリュー圧縮機、及び任意選択的に油除去システムもまた使用してもよい。更に、第１及び第２の膨張装置４、４０は、第１及び第２の熱交換器５、６が冷ガス熱交換器として構成されるように、液体ヘリウムの気相を提供するように構成されている。しかしながら、熱交換器はまた、例えば、相分離器又は容器によって、例えば、二相膨張した冷媒２２及び／又は二次膨張した冷媒２６から、気相及び液相の両方を受け取るように構成されてもよい。

上記で図１について概説したように、第２の熱交換部６Ｂから受け取った膨張した冷媒２４及び／又は第３の熱交換部６Ｃから受け取った膨張した冷媒２８の全てを第２の膨張装置４０及び第４の熱交換部６Ｄそれぞれに提供する代わりに、膨張した冷媒２４、２８の残りの部分が供給手段２に戻されている間に、膨張した冷媒２４、２８の分岐のみが提供されることもまた提供することができる。

図３では、システム１の実施形態が概略的に示されており、これは概して図２による実施形態に対応する。第２の膨張装置４０並びに第３及び第４の熱交換部６Ｃ、６Ｄに加えて、熱的に結合された負荷７は、高温超電導体、例えばケーブル用の冷凍回路７０として構成されている。冷凍回路７０は、コールドボックス１０に入り、第１の熱交換器５に対して逆流配置で構成されている。したがって、冷凍回路７０は、温かい端部で第１の熱交換器５に入り、対応する低温端部で第１の熱交換器５を出るように構成されており、それにより、冷凍回路７０内の第２の極低温冷媒は、第１の熱交換器５によって効率的に冷却することができる。第２の極低温冷媒、例えば、液体窒素は、次いでコールドボックス１０を出て、必要な冷却を提供するために、例えばケーブルに提供される。

加えて、コールドボックス１０は、膨張装置４の上流に配置された、圧縮された極低温冷媒２０が膨張装置４によって膨張される前に冷却されることを確実にする、気化熱交換器８Ｂを備える。気化熱交換器８Ｂは、気化熱交換器８Ｂの温かい端部で気化熱交換器に入り、かつ提供された圧縮された極低温冷媒２０に熱的に結合された、液体窒素回路８２を備え、それにより、圧縮された極低温冷媒２０からの熱を液体窒素によって吸収することができる。液体窒素は、それによって気化熱交換器８Ｂを出る気相に気化し、大気中に放出される、又は例えば液化プラントによって受け取られる、のいずれかとすることができる。液体窒素回路８２は、例えば、冷凍回路７０の対応する分岐によって、コールドボックス１０内に提供されるように実施形態に示されているが、液体窒素回路８２はまた、対応する結合部を介してコールドボックス１０の外側に部分的に提供されてもよい。同様に、気化した液体窒素はまた、コールドボックス１０の外側、例えば大気中に放出される代わりに、コールドボックス１０内に保持されてもよい。

圧縮された極低温冷媒２０を更に予冷却するために、システム１は、コールドボックス１０の外側、気化熱交換器８Ｂの上流、かつ圧縮機３の下流に配置された、気化熱交換器８Ａを更に備える。気化熱交換器８Ａは、水回路８０を備え、供給された圧縮された極低温冷媒２０に熱的に結合され、それにより、圧縮された極低温冷媒２０と水回路８０の水との間で熱を交換することができる。したがって、水は、熱を吸収し、気化し、それにより、水は、気相で気化熱交換器８Ａを出る。気化した水は、大気中に放出されてもよく、又は、例えば、対応する凝縮後に再使用されてもよく、又はガスタービン若しくは蒸気タービンなどの他の目的に使用されてもよい。

冷凍回路７０、水回路８０、及び液体窒素回路８２は、逆流配置で概略的に示されているが、同一流又は直交流配置などの他の構成も提供することができる。

図４による実施形態は、概して図３による実施形態に対応し、それにより、同様の特徴は、同一の参照番号によって示され、冗長性を回避するために、繰り返しての説明は省略される。加えて、図４の実施形態によるコールドボックス１０は、膨張装置４の上流に配置された更なる冷ガス熱交換器８Ｃ、８Ｄを備える。冷ガス熱交換器８Ｃは、気化熱交換器８Ｂの上流に配置され、圧縮された極低温冷媒２０は、液体窒素回路８２と、第１の熱交換器５から供給手段２に戻される二次膨張した冷媒２８の両方に熱的に結合される。したがって、圧縮された極低温冷媒２０は、気化熱交換器８Ｂを出る液体窒素からの気化ガス及び二次膨張した冷媒２８内の戻りガスによって予冷却される。同様に、二次膨張した冷媒２８内の戻りガスは、システム条件に応じて、気化熱交換器８Ａによって予冷却されてもよい。

冷ガス熱交換器８Ｄは、第１の膨張装置４の上流かつ気化熱交換器８Ｂ及び冷ガス熱交換器８Ｃの両方の下流に配置されている。ここでも、圧縮された極低温冷媒２０は、第１の熱交換器５からの二次膨張した冷媒２８に熱的に結合され、それにより、圧縮された極低温冷媒２０は、二次膨張した冷媒２８内の戻りガスとの熱交換によって更に冷却される。したがって、更なる気化熱交換器８Ａ、８Ｂ及び冷ガス熱交換器８Ｃ、８Ｄの実装により、また更に改善されたエネルギ効率を有するシステムを提供する。

第１の熱交換器５の冷却能力を高めるために、冷凍回路７０は、第１の熱交換器５の上流に圧縮機７２を備えてもよい。圧縮機７２は、コールドボックス１０内に概略的に示されているが、圧縮機７２はまた、システム１の要件に応じて、コールドボックス１０の外側に配置されてもよい。いずれの場合も、第１の熱交換器５に戻される液体窒素は、第１の熱交換器５によって冷却される前、かつ例えばケーブルに戻される前に圧縮されてもよい。冷凍回路７０は、負荷７の極低温冷却能力を更に改善するために、第１の熱交換器５の下流に配置された膨張装置（図示せず）を更に備えることができる。

上記で概説したように、圧縮機３及び第１の膨張装置４は、別々にかつ独立して制御される。したがって、システム１は、圧縮機３及び第１の膨張装置４をそれぞれ制御する制御ユニット９Ａ、９Ｃ ２を備える。制御ユニット９Ａ、９Ｃは両方とも、メインコントローラ９に接続されており、メインコントローラ９は、一般に、それぞれの制御ユニット９Ａ、９Ｃを監視するように構成されている。フィードバック機構を提供するために、システム１は、それぞれの制御ユニットに測定信号を提供する、１つ以上のセンサ、例えば、温度センサ及び／又は圧力センサを更に備えてもよい。加えて、システム１は、第２の膨張装置４０及び冷凍回路７０の圧縮機７２をそれぞれ制御する更なる制御ユニット９Ｂ、９Ｄを備える。制御ユニット９Ｂ、９Ｄは、更に、メインコントローラ９と通信しており、それにより、これらはまた、コントローラ９によって監視されてもよい。独立した制御ユニット９Ａ、９Ｂ、９Ｃ、９Ｄ及びコントローラ９の提供により、一般に、システム１の制御性、予測可能性、及び安定性を改善する。しかしながら、システム１の構成に応じて、１つ以上の制御ユニット９Ａ、９Ｂ、９Ｃ、９Ｄはまた、単に任意選択であってもよい。例えば、第２の膨張装置４０及び／又は圧縮機７２は、例えば、動的範囲内で調整可能でなくてもよく、したがって、一定のシステム条件、例えば、極低温冷媒の一定の供給流及び一定の負荷７で問題とならない場合がある測定されたシステムパラメータとは独立して、一定圧力を提供するように構成されてもよい。

これらの実施形態及び項目が複数の可能性の例のみを示すことは、当業者にとって明らかとなる。したがって、本明細書に示される実施形態は、これらの特徴及び構成を制限するものであると理解されるべきではない。記載された特徴の任意の可能な組み合わせ及び構成は、本発明の範囲にしたがい選択することができる。

１ 極低温冷蔵システム
１０ コールドボックス
２ 供給手段
２０ 圧縮された極低温冷媒
２２ 膨張した冷媒
２４ 第１の熱交換器からの膨張した冷媒
２６ 二次膨張した冷媒
２８ 第１の熱交換器からの二次膨張した冷媒
３ 圧縮機
４ 第１の膨張装置
４０ 第２の膨張装置
５ 第１の熱交換器
６ 第２の熱交換器
６Ａ 第１の熱交換部
６Ｂ 第２の熱交換部
６Ｃ 第３の熱交換部
６Ｄ 第４の熱交換部
７ 負荷
７０ 冷凍回路
７２ 圧縮機
８Ａ〜８Ｂ 気化熱交換器
８Ｃ〜８Ｄ 冷ガス熱交換器
８０ 水回路
８２ 液体窒素回路
９ コントローラ
９Ａ〜９Ｄ 制御ユニット

Claims (15)

1. 極低温冷媒の供給流を提供する供給手段（２）と、
   前記供給手段（２）に流体結合され、前記供給された極低温冷媒を圧縮するように構成された圧縮機（３）と、
   前記圧縮機（３）に流体結合されたコールドボックス（１０）であって、第１の膨張装置（４）及び第１の熱交換器（５）を備える、コールドボックス（１０）と、
   を備え、
   前記第１の膨張装置（４）が、前記圧縮機（３）から前記圧縮された極低温冷媒（２０）を受け取って膨張させ、前記膨張した冷媒を前記第１の熱交換器（５）に提供するように構成されており、
   前記第１の熱交換器（５）が、負荷（７）に熱的に結合されるように構成されている、
   極低温冷蔵システム（１）であって、
   前記システム（１）が、前記コールドボックス（１０）内に配置された、少なくとも第１の熱交換部（６Ａ）と第２の熱交換部（６Ｂ）とを備える第２の熱交換器（６）を備え、
   前記第１の熱交換部（６Ａ）が、前記膨張装置（４）から前記膨張した冷媒（２２）を受け取り、その後、前記膨張した冷媒（２２）を前記第１の熱交換器（５）に提供するように構成されており、
   前記第２の熱交換部（６Ｂ）が、前記第１の熱交換器（５）から前記膨張した冷媒（２４）を受け取り、その後、前記受け取った膨張した冷媒（２４）を前記第１の熱交換器（５）に提供するように構成されており、
   前記第１及び第２の熱交換器部（６Ａ、６Ｂ）が、熱的に結合され、
   前記第１の熱交換器（５）が、前記受け取った膨張した冷媒（２４）を前記供給手段（２）及び／又は前記圧縮機（３）に提供するように構成されている、
   ことを特徴とする、
   極低温冷蔵システム（１）。
2. 前記コールドボックス（１０）が、第２の膨張装置（４０）を更に備え、前記第２の熱交換器（６）が、第３及び第４の熱交換部（６Ｃ、６Ｄ）を備え、
   前記第２の膨張装置（４０）が、前記第１の熱交換器（５）及び前記第２の熱交換器（６）に流体結合され、前記第２の熱交換部（６Ｂ）から前記第１の熱交換器（５）によって受け取られた前記膨張した冷媒（２４）を受け取り、前記冷媒（２４）の二次膨張を提供し、その後、前記第３の熱交換部（６Ｃ）を介して前記二次膨張した冷媒（２６）を前記第１の熱交換器（５）に提供するように構成されており、
   前記第４の熱交換部（６Ｄ）が、前記第１の熱交換器（５）から前記二次膨張した冷媒（２８）を受け取り、その後、前記受け取った二次膨張した冷媒（２８）を前記第１の熱交換器（５）に提供するように構成されており、
   少なくとも前記第３及び第４の熱交換器部（６Ｃ、６Ｄ）が、熱的に結合されている、
   請求項１に記載の極低温冷蔵システム（１）。
3. 前記圧縮機（３）が、スクリュー圧縮機又はターボ圧縮機であり、前記ターボ圧縮機が、好ましくは、磁気結合を有し、かつ／若しくは直列圧縮機を含み、及び／又は前記圧縮機が、環境温度で前記冷媒を圧縮するように構成されている、請求項１又は２に記載の極低温冷蔵システム（１）。
4. 前記第１の熱交換器（５）が、負荷（７）に熱的に結合され、前記負荷（７）が、好ましくは、高温超電導体用の冷凍回路（７０）を備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載の極低温冷蔵システム（１）。
5. 前記負荷（７）が、第２の極低温冷媒を含み、前記第２の極低温冷媒が、好ましくは、液体窒素を含む、請求項４に記載の極低温冷蔵システム（１）。
6. 少なくとも前記第１及び第２の熱交換部（６Ａ、６Ｂ）並びに／又は前記第３及び第４の熱交換部（６Ｃ、６Ｄ）が、逆流、直交流、又は同一流の熱交換部を提供するように、互いに対して配置されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の極低温冷蔵システム（１）。
7. 前記圧縮機（３）及び／又は前記供給手段（２）が、前記冷媒を液体冷媒として前記第１の膨張装置（４）に、好ましくは、また前記第２の膨張装置（４０）に、提供するように構成されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の極低温冷蔵システム（１）。
8. 前記第１の膨張装置（４）が、二相又は気相冷媒を提供するように構成されており、前記第１の熱交換器（５）が、冷ガス熱交換器として構成されており、前記第１の熱交換器（５）が、前記冷却された冷媒（２２）から気相を受け取るように構成されている、請求項１〜７のいずれか一項に記載の極低温冷蔵システム（１）。
9. 前記極低温冷媒が、ヘリウム及び／又はネオンを含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の極低温冷蔵システム（１）。
10. 前記システムが、前記コールドボックス（１０）の外側かつ前記第１の膨張装置（４）の上流に配置された、前記提供された圧縮された極低温冷媒供給流に熱的に結合されて前記冷媒を予冷却する、気化熱交換器（８Ａ）を更に備え、前記気化熱交換器（８Ａ）が、好ましくは、気化される冷媒として液体水回路（８０）を含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載の極低温冷蔵システム（１）。
11. 前記システムが、前記コールドボックス（１０）内かつ前記第１の膨張装置（４）の上流に配置された、前記提供された圧縮された極低温冷媒供給流に熱的に結合されて前記冷媒を予冷却する、気化熱交換器（８Ｂ）を更に備え、前記気化熱交換器（８Ｂ）が、好ましくは、気化される冷媒として液体窒素回路（８２）を含む、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の極低温冷蔵システム（１）。
12. 供給手段（２）に極低温冷媒の供給流を提供する工程と、
    前記供給された極低温冷媒を圧縮機（３）で圧縮する工程と、
    前記圧縮された極低温冷媒（２０）をコールドボックス（１０）内に設けられた第１の膨張装置（４）内で膨張させる工程であって、前記コールドボックスが、負荷（７）に熱的に結合されるように構成されている、膨張させる工程と、
    前記膨張した冷媒（２２）を前記コールドボックス（１０）内の第１の熱交換器（５）に提供する工程と、
    を含む、極低温冷蔵を提供する方法であって、
    前記膨張した冷媒（２２）が、前記膨張装置（４）から前記コールドボックス（１０）内の第２の熱交換器（６）の第１の熱交換部（６Ａ）によって受け取られ、その後、前記第１の熱交換器（５）に提供され、
    前記第１の熱交換器（５）からの前記膨張した冷媒（２４）が、前記第２の熱交換器（６）の第２の熱交換部（６Ｂ）によって受け取られ、その後、前記第１の熱交換器（５）に提供され、
    前記第１の熱交換器部（６Ａ）と前記第２の熱交換器部（６Ｂ）との間で熱が交換され、前記第２の熱交換部（６Ｂ）から前記第１の熱交換器（５）によって受け取られた前記膨張した冷媒（２４）が、前記供給手段（２）及び／又は前記圧縮機（３）に提供される、
    ことを特徴とする、
    方法。
13. 前記第２の熱交換部（６Ｂ）から前記第１の熱交換器（５）によって受け取られた前記膨張した冷媒（２４）が、第２の膨張装置（４０）によって受け取られて膨張され、前記二次膨張した冷媒（２６）が、前記第２の熱交換器（６）の第３の熱交換部（６Ｃ）を介して前記第１の熱交換器（５）に提供され、
    前記第１の熱交換器（５）からの前記二次膨張した冷媒（２８）が、前記第２の熱交換器（６）の第４の熱交換部（６Ｄ）によって受け取られ、その後、前記第４の熱交換部（６Ｄ）を介して前記第１の熱交換器（５）に提供され、
    少なくとも前記第３の熱交換器部（６Ｃ）と前記第４の熱交換器部（６Ｄ）との間で熱が交換される、
    請求項１２に記載の方法。
14. 前記供給された極低温冷媒が、スクリュー圧縮機、ターボ圧縮機によって、かつ／又は環境温度で圧縮され、前記極低温冷媒が、好ましくは、ヘリウム及び／又はネオンを含む、請求項１２又は１３に記載の方法。
15. 前記第１の熱交換器（５）が、熱的に結合された負荷（７）の極低温冷蔵を提供し、前記負荷（７）が、好ましくは、高温超電導体用の冷凍回路（７０）を備え、好ましくは、前記負荷（７）が、第２の極低温冷媒として液体窒素を含む、請求項１２〜１４のいずれか一項に記載の方法。

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