JP2600649B2 - Cold generator - Google Patents

Cold generator

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JP2600649B2 JP4974886A JP4974886A JP2600649B2 JP 2600649 B2 JP2600649 B2 JP 2600649B2 JP 4974886 A JP4974886 A JP 4974886A JP 4974886 A JP4974886 A JP 4974886A JP 2600649 B2 JP2600649 B2 JP 2600649B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、液体チッソ等を用いた冷却装置の代替装置
として種々の分野で利用可能な寒冷発生装置に関するも
のである。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a refrigeration generator that can be used in various fields as an alternative device to a cooling device using liquid nitrogen or the like.

[従来の技術] 近時の先端産業技術分野においては、液体チッソ等を
用いた冷却装置が多用されている。例えば、近年、GaAs
とGaAlAsとの層を数層ずつ重ねるような極限加工を可能
にしたいわゆるMOCVDが実用化されつつある。しかし
て、この装置においては、放出されたGaやAsの蒸気のう
ち基板に蒸着されなかったものを順次捕獲する必要があ
る。すなわち、かかる余剰の蒸気は周囲に配置したバッ
ファにより熱エネルギをすばやく取り去って再び蒸気と
して飛び出して行くのを防止しなければならない。その
ため、このような装置には、バッファのトラップに液体
チッソを充填した冷却部を設けるとともにその冷却部内
にボンベ等から導出させた液体チッソを順次補給し得る
ように構成した寒冷発生装置が付設されている。
[Related Art] In recent advanced industrial technology fields, cooling devices using liquid nitrogen or the like are frequently used. For example, in recent years, GaAs
So-called MOCVD is being put to practical use, which enables the ultimate processing of stacking several layers of GaAlAs and GaAlAs. Thus, in this apparatus, it is necessary to sequentially capture the released Ga and As vapors that have not been deposited on the substrate. That is, the surplus steam must be quickly removed from the heat energy by a buffer disposed around the steam and prevented from jumping out again as steam. Therefore, such a device is provided with a cooling unit in which a buffer of the liquid trap is filled with liquid nitrogen, and a cooling unit configured to be able to sequentially supply liquid nitrogen drawn out from a cylinder or the like into the cooling unit. ing.

[発明が解決しようとする問題点] しかしながら、量産が可能な実用的な装置において
は、その冷却面が大きくトラップすべき原子が多いた
め、液体チッソの消費量が非常に多くなる。そのため、
液体チッソを補給するための設備が大がかりなものにな
るとともに、ランニングコストが高くつくという問題が
ある。
[Problems to be Solved by the Invention] However, in a practical device that can be mass-produced, the cooling surface is large and the number of atoms to be trapped is large, so that the consumption of liquid nitrogen is extremely large. for that reason,
There is a problem that the equipment for replenishing the liquid nitrogen becomes large and the running cost is high.

このような液体チッソを用いた寒冷発生装置は、その
他にも、ヘリウム液化装置の真空断熱チャンバやヘリウ
ム送給管の外殻部分の冷却等、種々の分野で使用されて
おり、いずれも同様な問題が発生している。
In addition, such a cold generator using liquid nitrogen is used in various fields such as a vacuum insulation chamber of a helium liquefaction apparatus and cooling of an outer shell of a helium supply pipe. There is a problem.

本発明は、このような問題を簡単な構成により確実に
解消することを目的としている。
An object of the present invention is to surely solve such a problem with a simple configuration.

[問題点を解決するための手段] 本発明は、かかる目的を達成するために、液体チッソ
等のように順次消費される媒体を補給することなく、所
定のガスを循環させることのみによって所望の寒冷を得
ることができるように構成したものである。すなわち、
本発明の寒冷発生装置は、放熱させた高圧のアルゴンガ
スを送出するガス送出手段と、このガス送出手段からの
アルゴンガスを順次断熱膨張させて寒冷発生端に供給す
る複数の膨張タービンと、前記寒冷発生端を通過したア
ルゴンガスを順次圧縮して前記ガス送出手段に戻す複数
のコンプレッサと、前記膨張タービンの回転動力を利用
して前記コンプレッサを駆動する駆動手段とを具備して
なることを特徴とする。
[Means for Solving the Problems] In order to achieve the above object, the present invention provides a desired method only by circulating a predetermined gas without replenishing a medium which is sequentially consumed such as liquid nitrogen. It is configured so that cold can be obtained. That is,
The cold generation device of the present invention includes gas delivery means for delivering high-pressure argon gas radiated, a plurality of expansion turbines for sequentially adiabatically expanding the argon gas from the gas delivery means and supplying the argon gas to a cold generation end, A plurality of compressors for sequentially compressing the argon gas passing through the cold generation end and returning the compressed gas to the gas delivery unit; and a driving unit for driving the compressor by using the rotational power of the expansion turbine. And

[作用] このような構成のものであれば、ガス送出手段から送
り出される放熱後の高圧アルゴンガスは、各膨張タービ
ンを通過する際に断熱膨張してその温度が順次低下して
いく。そして、最も温度が低下した段階で寒冷発生端に
供給され寒冷を発生させる。そして、この寒冷発生端で
適宜な熱負荷から熱を受け取った低圧のアルゴンガス
は、前記膨張タービンの回転動力を利用して駆動される
各コンプレッサを順次に通過することによって昇圧さ
れ、ガス送給手段に戻される。そして、このガス送給手
段により必要に応じてさらに昇圧されるとともに冷却さ
れて再び膨張タービンへ送り出される。
[Operation] With such a configuration, the high-pressure argon gas after heat release sent out from the gas sending means adiabatically expands when passing through each expansion turbine, and its temperature is gradually reduced. Then, at the stage where the temperature has dropped the most, it is supplied to the cold generation end to generate cold. Then, the low-pressure argon gas, which has received heat from an appropriate heat load at the cold generation end, is pressurized by sequentially passing through each compressor driven by using the rotational power of the expansion turbine, and is supplied with gas. Returned to the means. Then, the pressure is further increased as required by this gas supply means, cooled, and sent again to the expansion turbine.

[実施例] 以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

この寒冷発生装置は、アルゴンガスAを送出するガス
送出手段1と、このガス送出手段1からのアルゴンガス
Aを順次断熱膨張させて寒冷発生端2に供給する複数の
膨張タービン31〜33と、前記寒冷発生端2を通過したア
ルゴンガスAを順次圧縮して前記ガス送出手段1に戻す
複数のコンプレッサ41〜43と、前記膨張タービン31〜33
の回転動力を利用して前記コンプレッサ41〜43を駆動す
る駆動手段5とを具備してなる。
The cold generating apparatus, argon gas and the gas delivery means 1 for sending A, argon gas A sequentially adiabatic-expanded plurality of inflatable supplied in cold generating end 2 turbine 3 1 to 3 3 from the gas delivery means 1 When a plurality of compressors 41 to 3 the argon gas a are sequentially compressed back into the gas delivery means 1 which has passed through the cold generating end 2, the expansion turbine 3 1 to 3 3
Formed by and a driving means 5 for driving the compressor 41 to 3 by utilizing the rotational power.

ガス送出手段1は、アルゴンガスAを圧縮するコンプ
レッサ6と、このコンプレッサ6から吐出される高温高
圧のアルゴンガスAを図示しないクーリングタワーや上
水道等から供給される水Wと熱交換させて冷却するアフ
タークーラ7とを具備してなるもので、前記コンプレッ
サ6はモータ8により駆動される。
The gas delivery means 1 includes a compressor 6 for compressing the argon gas A, and an after-cooler for exchanging heat between the high-temperature and high-pressure argon gas A discharged from the compressor 6 and water W supplied from a cooling tower (not shown) or a water supply system. The compressor 6 is driven by a motor 8.

各膨張タービン31〜33は、図示しないケーシング内に
羽根車91〜93を収容してなるラジアルタービン構造のも
ので、直列に接続配管されている。そして、低温端の膨
張タービン33から放出されるアルゴンガスAを前記寒冷
発生端2に供給するようになっている。
Each expansion turbine 3 1 to 3 3 is of a radial turbine structure formed by accommodating an impeller 91 to 93 3 in the not-shown casing, which is connected pipes in series. Then, so as to supply the argon gas A discharged from the expansion turbine 3 3 cold end to the cold generating end 2.

寒冷発生端2は、例えば、MOCVDのバッファのトラッ
プ内に設けたガス通路等により構成されており、そのガ
ス通路に導入した断熱膨張後のアルゴンガスAにより前
記トラップを冷却し得るようになっている。そして、こ
の寒冷発生端2を通過したアルゴンガスAを低温端のコ
ンプレッサ43に導入するようにしている。
The cold generating end 2 is constituted by, for example, a gas passage provided in a trap of a MOCVD buffer, and the trap can be cooled by the adiabatic expanded argon gas A introduced into the gas passage. I have. Then, and as to introduce the argon gas A that has passed through the cold generating end 2 to the compressor 4 3 cold end.

各コンプレッサ41〜43は、図示しないケーシング内に
羽根車111〜113を収容してなるラジアルコンプレッサ構
造のもので、直列に接続配管されており、前記駆動手段
5を介して伝達される前記膨張タービン31〜33からの動
力により高速で回転駆動される。そして、高温端のコン
プレッサ41から吐出されるアルゴンガスAを前記ガス送
出手段1のコンプレッサ6に戻すようにしている。
Each compressor 41 to 3 is of a radial compressor structure formed by accommodating an impeller 11 1 to 11 3 in the not-shown casing, which is connected pipes in series, is transmitted via the drive unit 5 wherein it is rotated at high speed by the power from the expansion turbine 3 1 to 3 3 that. Then, and to return the argon gas A discharged from the compressor 4 1 of hot end to the compressor 6 of said gas delivery means 1.

駆動手段5は、前記各膨張タービン31〜33の羽根車91
〜93と、対応する各コンプレッサ41〜43の羽根車111〜1
13とを駆動軸121〜123により直結したものである。
Driving means 5, the impeller 9 1 of the expansion turbine 3 1 to 3 3
To 9 3 and the corresponding impeller 11 1 to 1 for each compressor 41 to 3
And 1 3 is obtained by direct the drive shaft 12 1 to 12 3.

このような構成のものであれば、ガス送出手段1から
送り出される放熱後の高圧アルゴンガスAは、各膨張タ
ービン31〜33を通過する際に膨張する。この場合、アル
ゴンガスAの比熱比k(定圧比熱Cp/定積比熱Cv)は1.6
67である上、ガスA自身の持つ熱伝導率は3.88×10-5ca
l・cm-1s-1deg-1(0℃)であり、空気のそれよりも若
干低い値であることから、このアルゴンガスAは、前記
膨張タービン31〜33を通過することによりほぼ断熱膨張
することになり、その温度が順次低下していく。そし
て、そのアルゴンガスAが最も温度が低下した段階で寒
冷発生端2に供給され、MOCVDのトラップの冷却に使用
される。そして、トラップの冷却により熱を受け取った
アルゴンガスAは各コンプレッサ43〜41を順次に通過す
ることによって昇圧され、ガス送給手段1のコンプレッ
サ6に戻される。そして、このコンプレッサ6によりさ
らに昇圧された後、アフタークーラ7により冷却され、
再び膨張タービン31に向けて送給されて循環することに
なる。このようなサイクルにおいて、例えば、コンプレ
ッサ6の出口圧力が20ataであり膨張後の圧力が1ataで
ある場合、アフタークータ7の出口温度が300K(27℃)
とすると寒冷発生端2で理論的に90.5K(−182.7℃)の
寒冷を発生させることができる。第2図にこのサイクル
のT(温度)−S(エントロピ)線図を示しており、こ
の図面におけるa点〜i点は第1図におけるa点〜i点
にそれぞれ対応している。もちろん、前記の数値は完全
な断熱膨張が行なわれた場合を想定したものであるが、
断熱効率が多少低下して膨張時のポリトロープ指数n
(=k=1.667)が1.5程度となった場合でも、前述した
圧力比の下では、110.5K(−160.6℃)の寒冷を発生さ
せることができることになる。なお、前記各点の圧力
は、a点、b点で20ata(P3)、c点で7.4ata(P2)、
d点で2.7ata(P1)、e点、f点で1ata(P0)、g点で
2ata(P1′)、h点で4ata(P2′)、i点で8ata
(P3′)、程度となる。
As long as such a configuration, high-pressure argon gas A after the heat radiation delivered from the gas delivery means 1, expands when passing through the respective expansion turbine 3 1 to 3 3. In this case, the specific heat ratio k (constant pressure specific heat Cp / constant volume specific heat Cv) of the argon gas A is 1.6
Gas A itself has a thermal conductivity of 3.88 × 10 -5 ca
a l · cm -1 s -1 deg -1 (0 ℃), since it is slightly lower than that of air, the argon gas A by passing through the expansion turbine 3 1 to 3 3 The adiabatic expansion occurs substantially, and the temperature gradually decreases. Then, the argon gas A is supplied to the cold generation end 2 at the stage when the temperature is the lowest, and is used for cooling the MOCVD trap. Then, argon gas A that has received heat by cooling the trap is boosted by sequentially passes through each compressor 4 3-4 1, is returned to the compressor 6 of the gas delivery means 1. Then, after the pressure is further increased by the compressor 6, it is cooled by the after cooler 7,
Will be circulated is fed toward the expansion turbine 3 1 again. In such a cycle, for example, when the outlet pressure of the compressor 6 is 20 ata and the pressure after expansion is 1 ata, the outlet temperature of the after-cooler 7 is 300 K (27 ° C.).
Then, cold of 90.5 K (−182.7 ° C.) can be theoretically generated at the cold generation end 2. FIG. 2 shows a T (temperature) -S (entropy) diagram of this cycle, and points a to i in this drawing correspond to points a to i in FIG. 1, respectively. Of course, the above values assume a complete adiabatic expansion,
Polytropic exponent n when expanded due to a slight decrease in heat insulation efficiency
Even when (= k = 1.667) becomes about 1.5, it is possible to generate a cold of 110.5K (−160.6 ° C.) under the aforementioned pressure ratio. Incidentally, the pressure at each point, a point, of 20 ata (P 3) at point b, 7.4Ata at point c (P 2),
2.7ata (P 1 ) at point d, 1ata (P 0 ) at point e and f,
2ata (P 1 '), 4ata at point h (P 2'), 8ata at point i
(P 3 ').

以上のようにして、寒冷を発生させることができるわ
けであるが、この装置ではアルゴンガスAを複数の膨張
タービン31〜33を用いて順次断熱膨張させるようにして
いるので、その寒冷発生端において液体チッソにより冷
却を行う場合と略同等の温度を実現することが可能であ
る。つまり、アルゴンガスAは、単原子分子であり比熱
比が1.667と高く、また、その熱伝動率はヘリウム等に
比べて低い値を示すため、膨張タービン31〜33により断
熱膨張させて寒冷を発生させることが容易である。その
ため、熱交換器等を用いることなしに液体チッソ温度を
実現することができる。そして、この装置はアルゴンガ
スAを循環させることのみによって、その寒冷発生端2
を所望の温度にまで導くようにしているので、液体チッ
ソ等の冷却媒体を外部から補給する必要が全くない。ま
た、アルゴンガスAを断熱膨張させる際に取り出される
膨張仕事をコンプレッサ41〜43の駆動に利用するように
しているので、外部から供給する動力用エネルギも最小
限のものでよい。そのため、経済的な運転が可能であ
り、ランニングコストを大幅に低減させることができ
る。しかも、この装置は、膨張タービン31〜33とコンプ
レッサ41〜43とを主体に構成されており、他に大がかり
な設備を一切必要としないため、構造の簡略化ならびに
小形化を図ることが容易である。さらに、アルゴンガス
Aは入手が容易であるため、システムを経済的に構成し
運転することができる。
As described above, although not capable of generating cold, because this device is so as to sequentially adiabatic expansion by using a plurality of the expansion turbine 3 1 to 3 3 argon gas A, the cold generating It is possible to achieve substantially the same temperature as when cooling with liquid nitrogen at the end. In other words, the argon gas A is as high as the specific heat ratio is monatomic gas is 1.667, also the heat transmission rate to show a low value compared to helium, and adiabatically expanded by the expansion turbine 3 1 to 3 3 cold Is easy to generate. Therefore, the liquid nitrogen temperature can be realized without using a heat exchanger or the like. Then, this apparatus only circulates the argon gas A, so that its cold generation end 2
To a desired temperature, there is no need to externally supply a cooling medium such as liquid nitrogen. Moreover, since so as to use the expansion work to be taken when causing adiabatic expansion of the argon gas A to drive the compressor 41 to 3, also power for energy supply from the outside may be of minimal. Therefore, economical operation is possible, and running costs can be significantly reduced. Moreover, this device, since the expansion turbine 3 1 to 3 3 and the compressor 41 to 3 and is composed mainly of, not require any large-scale facility to another, simplification and miniaturization of the structure It is easy. Further, since the argon gas A is easily available, the system can be economically constructed and operated.

なお、膨張タービンおよびコンプレッサは、ラジアル
式のものに限らず、例えば、軸流タービンおよび軸流コ
ンプレッサを組合わせて使用してもよい。
The expansion turbine and the compressor are not limited to the radial type, and for example, an axial turbine and an axial compressor may be used in combination.

また、その用途は、MOCVDのトラップの冷却に限られ
ないのも勿論であり、寒冷が必要な種々の装置に適用が
可能である。更に、スペースチャンバ用の液体チッソ温
度パネルにも利用できる。
In addition, the application is not limited to cooling of the trap of MOCVD, and can be applied to various devices that require refrigeration. Further, it can be used for a liquid nitrogen temperature panel for a space chamber.

[発明の効果] 本発明は、以上のような構成であるから、構造が簡単
で小形化が容易であり、しかも、経済的な運転が可能で
ランニングコストを低く抑えることができる優れた寒冷
発生装置を提供できるものである。
[Effects of the Invention] The present invention has the above-described configuration, and therefore has excellent cold generation that has a simple structure, can be easily miniaturized, can operate economically, and can keep running costs low. An apparatus can be provided.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本発明の一実施例を示すシステム説明図、第2
図は同実施例の作用説明図である。 1……ガス送出手段 2……寒冷発生端 31〜33……膨張タービン 41〜43……コンプレッサ 5……駆動手段
FIG. 1 is a system explanatory view showing an embodiment of the present invention, and FIG.
The figure is an operation explanatory view of the embodiment. 1 ...... gas delivery means 2 ...... cold generating end 3 1 to 3 3 ...... expansion turbine 41 to 3 ...... compressor 5 ...... drive means

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】放熱させた高圧のアルゴンガスを送出する
ガス送出手段と、このガス送出手段からのアルゴンガス
を順次断熱膨張させて寒冷発生端に供給する複数の膨張
タービンと、前記寒冷発生端を通過したアルゴンガスを
順次圧縮して前記ガス送出手段に戻す複数のコンプレッ
サと、前記膨張タービンの回転動力を利用して前記コン
プレッサを駆動する駆動手段とを具備してなることを特
徴とする寒冷発生装置。
1. A gas delivery means for delivering high-pressure argon gas radiated, a plurality of expansion turbines for sequentially adiabatically expanding the argon gas from the gas delivery means and supplying it to a cold generation end, and the cold generation end. A plurality of compressors that sequentially compress the argon gas that has passed through the compressor and return the compressed gas to the gas delivery unit; and a driving unit that drives the compressor using the rotational power of the expansion turbine. Generator.
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