JP5829201B2

JP5829201B2 - refrigerator

Info

Publication number: JP5829201B2
Application number: JP2012252442A
Authority: JP
Inventors: 清見大塚; 勝弘楢崎
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2011-11-18
Filing date: 2012-11-16
Publication date: 2015-12-09
Anticipated expiration: 2032-11-16
Also published as: JP2013127353A

Description

本発明は、冷凍機に関する。 The present invention relates to a refrigerator.

このような分野の技術として、下記特許文献１に記載された冷凍機がある。この冷凍機は、ギフォード・マクマホン冷凍機またはスターリング冷凍機からなる予冷機を備え、圧縮機から送られて予冷機内で冷却された冷媒の一部を導管によって導出し、その導管を、熱交換器およびジュール・トムソン弁を介して極低温発生部の一端に接続している。さらに、極低温発生部の他端に接続された導管を、上記熱交換器および予冷機の熱交換部を介して、圧縮機の吸込み管に設けたエゼクタに接続している。 As a technology in such a field, there is a refrigerator described in Patent Document 1 below. This refrigerator includes a precooler composed of a Gifford McMahon refrigerator or a Stirling refrigerator, and a part of the refrigerant sent from the compressor and cooled in the precooler is led out by a conduit, and the conduit is connected to the heat exchanger. And, it is connected to one end of the cryogenic temperature generation part via a Joule-Thomson valve. Furthermore, the conduit connected to the other end of the cryogenic temperature generating part is connected to an ejector provided in the suction pipe of the compressor via the heat exchanger and the heat exchanging part of the precooler.

この冷凍機では、予冷機内で冷却された冷媒の一部を導出してジュール・トムソン弁により冷却することで、約４Ｋの極低温状態を生じさせている。このような構成により、予冷機用の循環系統とジュール・トムソン用の冷凍機用の循環系統との２系統を設ける必要性をなくし、これらを統合して１系統とし、冷凍機としての構成を簡易にしている。 In this refrigerator, a part of the refrigerant cooled in the precooler is led out and cooled by the Joule-Thomson valve, thereby generating an extremely low temperature state of about 4K. With such a configuration, it is not necessary to provide a circulation system for a precooler and a circulation system for a refrigerator for Joule-Thomson, and these are integrated into one system, so that a configuration as a refrigerator is obtained. It is simple.

特開昭６４−１４５６０号公報JP-A 64-14560

しかしながら、上記した従来の冷凍機では、圧縮機の吐出側の導管と吸込み管との間にエゼクタを設け、このエゼクタの吸引部に、上記極低温発生部の他端に接続された導管を接続している。ここで、圧縮機により送り出される冷媒の圧力や流量を調整することによって、冷凍機としての冷却能力が変更されるが、圧縮機の吐出側の導管にはエゼクタが接続されているため、冷却能力の変化と同時にエゼクタにおける吸引能力も変化する。エゼクタにおける吸引能力が変化すると、エゼクタの吸引部に接続された極低温発生部からの導管内の圧力が変化することとなり、その結果、極低温発生部における冷却温度にも影響を与えてしまう。 However, in the above-described conventional refrigerator, an ejector is provided between the discharge-side conduit and the suction pipe of the compressor, and a conduit connected to the other end of the cryogenic generation unit is connected to the suction portion of the ejector. doing. Here, by adjusting the pressure and flow rate of the refrigerant sent out by the compressor, the cooling capacity as the refrigerator is changed, but since the ejector is connected to the discharge side conduit of the compressor, the cooling capacity At the same time, the suction capacity in the ejector also changes. When the suction capacity of the ejector changes, the pressure in the conduit from the cryogenic generation unit connected to the ejector suction unit changes, and as a result, the cooling temperature in the cryogenic generation unit is also affected.

そのため、冷却温度を一定に保つために圧縮機を調整しようとしても、冷却能力と冷却温度とが同時に影響を受けてしまうこととなり、結局は冷却温度が不安定になってしまう。このように、従来の冷凍機では、冷却温度を一定に保つにあたり、冷媒の圧力や流量を好適に調整することは困難であった。 For this reason, even if an attempt is made to adjust the compressor in order to keep the cooling temperature constant, the cooling capacity and the cooling temperature are simultaneously affected, and eventually the cooling temperature becomes unstable. As described above, in the conventional refrigerator, it is difficult to suitably adjust the refrigerant pressure and flow rate in order to keep the cooling temperature constant.

本発明は、冷却温度を一定に保つにあたり、冷媒の圧力や流量を好適に調整することができる冷凍機を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a refrigerator capable of suitably adjusting the pressure and flow rate of a refrigerant in keeping the cooling temperature constant.

上記課題を解決した本発明の冷凍機は、循環ラインを流れる冷媒をジュール・トムソン圧縮機により圧送すると共に、ジュール・トムソン弁によって冷媒を冷却するジュール・トムソン冷却部と、ジュール・トムソン弁の前段で冷媒を予冷する予冷部と、を備えた冷凍機であって、循環ラインは、ジュール・トムソン圧縮機の吐出側に接続されて冷媒をジュール・トムソン弁に導く第１導管と、ジュール・トムソン弁の下流側に位置して極低温冷却部が設けられた第２導管と、第２導管の下流側に位置してジュール・トムソン圧縮機の吸込み側に接続された吸込み管と、を有し、ジュール・トムソン冷却部は、吸込み管から分岐して、その分岐部よりも上流側において吸込み管に接続された戻り管と、戻り管と吸込み管との間に設けられて、戻り管を吸込み管に接続するエゼクタと、を備え、エゼクタの吸引部には、第２導管が接続されると共に、戻り管には、戻り管内の冷媒をエゼクタおよび吸込み管内に送出するエゼクタ用圧縮機が設けられていることを特徴とする。 The refrigerator of the present invention that has solved the above problems is a Joule-Thomson cooling section that pumps the refrigerant flowing through the circulation line by a Joule-Thomson compressor and cools the refrigerant by the Joule-Thomson valve, and a pre-stage of the Joule-Thomson valve. And a pre-cooling section for pre-cooling the refrigerant, wherein the circulation line is connected to the discharge side of the Joule-Thompson compressor, the first conduit for guiding the refrigerant to the Joule-Thomson valve, and Joule-Thomson A second conduit provided with a cryogenic cooling section located downstream of the valve, and a suction pipe located downstream of the second conduit and connected to the suction side of the Joule-Thomson compressor The Joule-Thomson cooling section is provided between the return pipe and the return pipe branched from the suction pipe and connected to the suction pipe on the upstream side of the branch section. An ejector for connecting the return pipe to the suction pipe, and a second conduit is connected to the suction portion of the ejector, and the return pipe is connected to the ejector and the suction pipe for sending the refrigerant in the return pipe into the ejector A machine is provided.

この冷凍機によれば、ジュール・トムソン圧縮機によって第１導管内に送出された冷媒は、予冷部によって冷却され、さらにジュール・トムソン弁で断熱自由膨張して気液混合状態となり、例えば５Ｋ以下の極低温に冷却される。そして、冷媒は、極低温冷却部で冷却負荷を吸収して気化され、第２導管を通り、吸込み管を介してジュール・トムソン圧縮機へと戻る。ここで、ジュール・トムソン圧縮機の吸込み管から戻り管が分岐しており、この戻り管は、分岐部よりも上流側において、エゼクタを介して吸込み管に接続されている。さらに、エゼクタの吸引部には、極低温冷却部からの第２導管が接続されると共に、戻り管には、戻り管内の冷媒をエゼクタおよび吸込み管内に送出するエゼクタ用圧縮機が設けられている。よって、ジュール・トムソン弁を通る冷媒の圧力および流量をジュール・トムソン圧縮機によって調整する一方で、これとは独立して、エゼクタを通る戻り管内の冷媒の圧力および流量をエゼクタ用圧縮機によって調整することができる。これにより、冷却能力および冷却温度の双方を自在に調整可能となる。したがって、冷却温度を一定に保つにあたり、冷媒の圧力や流量を好適に調整することができ、冷凍機としての信頼性を向上させることができる。さらには、エゼクタ用圧縮機を適宜運転することにより、第２導管内の圧力を大気圧以下に低下させることができるため、４Ｋ未満の冷却温度を実現することもできる。 According to this refrigerator, the refrigerant sent into the first conduit by the Joule-Thompson compressor is cooled by the pre-cooling unit, and further adiabatic free expansion is performed by the Joule-Thomson valve to be in a gas-liquid mixed state, for example, 5K or less. Cooled to a very low temperature. Then, the refrigerant absorbs the cooling load in the cryogenic cooling section and is vaporized, passes through the second conduit, and returns to the Joule-Thomson compressor through the suction pipe. Here, a return pipe branches off from the suction pipe of the Joule-Thomson compressor, and this return pipe is connected to the suction pipe via an ejector on the upstream side of the branch portion. Further, the suction pipe of the ejector is connected to the second conduit from the cryogenic cooling section, and the return pipe is provided with an ejector compressor for sending the refrigerant in the return pipe into the ejector and the suction pipe. . Therefore, while adjusting the pressure and flow rate of the refrigerant passing through the Joule-Thomson valve by the Joule-Thomson compressor, the refrigerant pressure and flow rate in the return pipe passing through the ejector are adjusted independently by the compressor for the ejector. can do. As a result, both the cooling capacity and the cooling temperature can be freely adjusted. Therefore, in keeping the cooling temperature constant, the pressure and flow rate of the refrigerant can be suitably adjusted, and the reliability as a refrigerator can be improved. Furthermore, by appropriately operating the compressor for the ejector, the pressure in the second conduit can be reduced to the atmospheric pressure or lower, so that a cooling temperature of less than 4K can be realized.

また、上記冷凍機において、ジュール・トムソン冷却部は、第１導管および第２導管が通る熱交換器を有し、エゼクタの吸引部には、熱交換器よりも下流側の第２導管が接続されている。通常、ジュール・トムソン弁、極低温冷却部、および熱交換器は低温の真空容器内に収納されるが、この場合、エゼクタを真空容器の外、すなわち室温環境に設置することができる。よって、エゼクタ用圧縮機における圧力および流量の制御が一層容易になる。 In the refrigerator, the Joule-Thomson cooling section has a heat exchanger through which the first conduit and the second conduit pass, and a second conduit downstream of the heat exchanger is connected to the suction portion of the ejector. Has been. Usually, the Joule-Thomson valve, the cryogenic cooling section, and the heat exchanger are housed in a low-temperature vacuum vessel. In this case, the ejector can be installed outside the vacuum vessel, that is, in a room temperature environment. Therefore, control of the pressure and flow rate in the ejector compressor is further facilitated.

また、上記冷凍機において、ジュール・トムソン冷却部は、第１導管、戻り管、および吸込み管が通る熱交換器を有し、エゼクタは、熱交換器と極低温冷却部との間に設けられている。この場合、熱交換器はエゼクタの吐出側に位置することとなるため、エゼクタの吸引部に接続された第２導管における圧力損失を低減することができる。その結果として、極低温冷却部の温度をより一層低下させることができる。言い換えれば、極低温冷却部をある一定の温度に調整するにあたり、エゼクタ用圧縮機の出力を低減することができる。 In the refrigerator, the Joule-Thomson cooling section has a heat exchanger through which the first conduit, the return pipe, and the suction pipe pass, and the ejector is provided between the heat exchanger and the cryogenic cooling section. ing. In this case, since the heat exchanger is positioned on the discharge side of the ejector, the pressure loss in the second conduit connected to the suction portion of the ejector can be reduced. As a result, the temperature of the cryogenic cooling part can be further reduced. In other words, the output of the ejector compressor can be reduced when the cryogenic cooling section is adjusted to a certain temperature.

また、上記冷凍機において、ジュール・トムソン圧縮機は、低圧用圧縮機と高圧用圧縮機とを有し、エゼクタ用圧縮機は、低圧用圧縮機と同一である。通常、低圧用圧縮機としては汎用機が用いられる。上記構成によれば、エゼクタ用圧縮機として特殊な圧縮機を用意する必要がなく、汎用機で足りるため、コストの低減を図ることができる。 In the refrigerator, the Joule-Thomson compressor has a low-pressure compressor and a high-pressure compressor, and the ejector compressor is the same as the low-pressure compressor. Generally, a general-purpose machine is used as the low-pressure compressor. According to the above configuration, it is not necessary to prepare a special compressor as the compressor for the ejector, and a general-purpose machine is sufficient, so that the cost can be reduced.

本発明によれば、冷却温度を一定に保つにあたり、冷媒の圧力や流量を好適に調整することができる。 According to the present invention, the pressure and flow rate of the refrigerant can be suitably adjusted when keeping the cooling temperature constant.

冷凍機の一実施形態の概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of one Embodiment of a refrigerator. 冷凍機の他の実施形態の概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of other embodiment of a refrigerator.

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant descriptions are omitted.

図１に示されるように、本実施形態の冷凍機１は、５Ｋ以下の冷却温度を実現することのできる小型冷凍機である。冷凍機１は、例えば赤外線検出器などを冷却するものである。冷凍機１は、ギフォード・マクマホン冷凍機からなる予冷機（予冷部）２と、予冷機２によって予冷されるジュール・トムソン冷凍機（ジュール・トムソン冷却部）３と、を備えている。 As FIG. 1 shows, the refrigerator 1 of this embodiment is a small refrigerator which can implement | achieve the cooling temperature of 5K or less. The refrigerator 1 cools, for example, an infrared detector. The refrigerator 1 includes a precooler (precooling unit) 2 composed of a Gifford McMahon refrigerator and a Joule-Thomson refrigerator (Joule-Thomson cooling unit) 3 precooled by the precooler 2.

予冷機２は、ヘリウムを冷媒として用い、膨張器４内でサイモン膨張を行わせることにより低温を発生させるものである。予冷機２は、循環ラインＬ７内の冷媒を圧送する予冷機圧縮機６と、膨張器４と、ジュール・トムソン冷凍機３の第１予冷部Ｌ２ａとの熱交換を行う第１段冷却部９と、第２予冷部Ｌ２ｂとの熱交換を行う第２段冷却部１０と、を備えている。第１段冷却部９および第２段冷却部１０は、真空容器８内に収容されている。第２段冷却部１０は、第２予冷部Ｌ２ｂ内の冷媒を例えば１５Ｋ以下にまで冷却する機能を有する。 The precooler 2 uses helium as a refrigerant and generates a low temperature by causing Simon expansion in the expander 4. The precooler 2 is a first-stage cooling unit 9 that performs heat exchange with the precooler compressor 6 that pumps the refrigerant in the circulation line L7, the expander 4, and the first precooling unit L2a of the Joule-Thomson refrigerator 3. And a second-stage cooling unit 10 that performs heat exchange with the second pre-cooling unit L2b. The first stage cooling unit 9 and the second stage cooling unit 10 are accommodated in the vacuum vessel 8. The second stage cooling unit 10 has a function of cooling the refrigerant in the second precooling unit L2b to, for example, 15K or less.

ジュール・トムソン冷凍機３は、ヘリウムを冷媒として用い、上記予冷機２により予冷された後ジュール・トムソン弁１４におけるヘリウムの断熱自由膨張により、冷却ステージ（極低温冷却部）１６で５Ｋ以下の極低温を発生させるものである。本実施形態のジュール・トムソン冷凍機３では、５Ｋ以下の所望の冷却温度を安定して得ることができるようになっている。 The Joule-Thomson refrigerator 3 uses helium as a refrigerant, and after being pre-cooled by the pre-cooler 2, the adiabatic free expansion of helium in the Joule-Thomson valve 14 causes a pole of 5K or less in the cooling stage (cryogenic cooling section) 16. It generates low temperatures. In the Joule-Thomson refrigerator 3 of the present embodiment, a desired cooling temperature of 5K or less can be stably obtained.

ジュール・トムソン冷凍機３は、循環ラインＬ１を流れる冷媒を圧送するジュール・トムソン圧縮機１１と、ジュール・トムソン弁１４と、冷却ステージ１６と、ジュール・トムソン弁１４の上流側および下流側を流れる冷媒同士で熱交換を行うための熱交換器１７と、を備えている。ジュール・トムソン弁１４、冷却ステージ１６、および熱交換器１７は、真空容器８内に収容されている。 The Joule-Thomson refrigerator 3 flows through the upstream and downstream sides of the Joule-Thomson compressor 11, the Joule-Thomson valve 14, the cooling stage 16, and the Joule-Thomson valve 14 that pumps the refrigerant flowing through the circulation line L1. And a heat exchanger 17 for exchanging heat between the refrigerants. The Joule-Thomson valve 14, the cooling stage 16, and the heat exchanger 17 are accommodated in the vacuum vessel 8.

ここで、ジュール・トムソン冷凍機３の循環ラインＬ１は、ジュール・トムソン圧縮機１１の吐出側に接続されて冷媒をジュール・トムソン弁１４に導く第１導管Ｌ２と、第１導管Ｌ２の下流側に位置すると共に冷却ステージ１６が設けられた第２導管Ｌ３と、第２導管Ｌ３の下流側に位置すると共にジュール・トムソン圧縮機１１の吸込み側に接続された吸込み管Ｌ４と、を有して構成される。ジュール・トムソン圧縮機１１およびその周辺の配管（吸込み管Ｌ４等）は、真空容器８外で室温環境下に設置されている。 Here, the circulation line L1 of the Joule-Thompson refrigerator 3 is connected to the discharge side of the Joule-Thomson compressor 11 to guide the refrigerant to the Joule-Thomson valve 14, and the downstream side of the first conduit L2. And a second conduit L3 provided with a cooling stage 16, and a suction pipe L4 located downstream of the second conduit L3 and connected to the suction side of the Joule-Thomson compressor 11. Composed. The Joule-Thomson compressor 11 and the surrounding piping (suction pipe L4, etc.) are installed outside the vacuum vessel 8 in a room temperature environment.

ジュール・トムソン圧縮機１１は、２段構成とされており、ほぼ大気圧に等しい圧力を有する吸込み管Ｌ４内の冷媒を圧縮して昇圧させる低圧用圧縮機１２と、低圧用圧縮機１２により昇圧された冷媒をさらに圧縮して昇圧させ、第１導管Ｌ２内へと圧送する高圧用圧縮機１３と、を有している。冷媒は、低圧用圧縮機１２によって、例えば５気圧に昇圧され、高圧用圧縮機１３によって、例えば２０気圧に昇圧される。ジュール・トムソン圧縮機１１によって圧送される冷媒の圧力および流量は、冷凍機１において求められる冷却能力などによって適宜設定される。高圧用圧縮機１３の吐出側には、フィルタ１５が設けられている。 The Joule-Thomson compressor 11 has a two-stage configuration, and a low-pressure compressor 12 that compresses and pressurizes the refrigerant in the suction pipe L4 having a pressure substantially equal to the atmospheric pressure, and the pressure is increased by the low-pressure compressor 12. A high-pressure compressor 13 that further compresses and raises the pressure of the generated refrigerant and pumps the refrigerant into the first conduit L2. The refrigerant is boosted to, for example, 5 atm by the low-pressure compressor 12 and boosted to, for example, 20 atm by the high-pressure compressor 13. The pressure and flow rate of the refrigerant pumped by the Joule-Thomson compressor 11 are appropriately set depending on the cooling capacity required for the refrigerator 1. A filter 15 is provided on the discharge side of the high-pressure compressor 13.

熱交換器１７は、３段構成とされており、室温の冷媒を冷却するための第１熱交換器１７ａと、第１熱交換器１７ａおよび第１予冷部Ｌ２ａにおいて冷却された冷媒をさらに冷却する第２熱交換器１７ｂと、第２熱交換器１７ｂおよび第２予冷部Ｌ２ｂにおいて冷却された冷媒をさらに冷却する第３熱交換器１７ｃと、を有している。熱交換器１７ａ〜１７ｃには、第１導管Ｌ２および第２導管Ｌ３が通っている。 The heat exchanger 17 has a three-stage configuration, and further cools the refrigerant cooled in the first heat exchanger 17a for cooling the refrigerant at room temperature and in the first heat exchanger 17a and the first precooling portion L2a. And a third heat exchanger 17c for further cooling the refrigerant cooled in the second heat exchanger 17b and the second precooling section L2b. The first conduit L2 and the second conduit L3 pass through the heat exchangers 17a to 17c.

ジュール・トムソン弁１４は、第３熱交換器１７ｃの直後に設けられている。冷却ステージ１６は、ジュール・トムソン弁１４の直後に設けられている。冷媒は、ジュール・トムソン弁１４内で断熱自由膨張してミスト状の気液混合状態となり、さらに、冷却ステージ１６で冷却負荷を吸収して気化される。ジュール・トムソン弁１４で冷却される冷媒の温度は、ジュール・トムソン弁１４の出口における飽和蒸気圧によって決まる。すなわち、第２導管Ｌ３内の圧力は、冷凍機１における冷却ステージ１６の冷却温度に影響を及ぼす。 The Joule-Thomson valve 14 is provided immediately after the third heat exchanger 17c. The cooling stage 16 is provided immediately after the Joule-Thomson valve 14. The refrigerant is adiabatically expanded freely in the Joule-Thomson valve 14 to be in a mist-like gas-liquid mixed state, and is further vaporized by absorbing the cooling load in the cooling stage 16. The temperature of the refrigerant cooled by the Joule-Thomson valve 14 is determined by the saturated vapor pressure at the outlet of the Joule-Thomson valve 14. That is, the pressure in the second conduit L3 affects the cooling temperature of the cooling stage 16 in the refrigerator 1.

ここで、本実施形態の冷凍機１にあっては、ジュール・トムソン冷凍機３には、吸込み管Ｌ４から分岐部２０で分岐して、分岐部２０よりも上流側において吸込み管Ｌ４に接続された戻り管Ｌ５が設けられている。そして、戻り管Ｌ５と吸込み管Ｌ４との間には、エゼクタ１８が設けられ、このエゼクタ１８を介して、戻り管Ｌ５と吸込み管Ｌ４とが接続されている。より具体的には、戻り管Ｌ５の先端はエゼクタ１８のノズル入口部１８ａに接続されると共に、吸込み管Ｌ４の基端はディフューザ出口部１８ｂに接続されている。エゼクタ１８は、真空容器８外で室温環境下に設置されている。 Here, in the refrigerator 1 of the present embodiment, the Joule-Thomson refrigerator 3 branches from the suction pipe L4 at the branch portion 20 and is connected to the suction pipe L4 on the upstream side of the branch portion 20. A return pipe L5 is provided. An ejector 18 is provided between the return pipe L5 and the suction pipe L4, and the return pipe L5 and the suction pipe L4 are connected via the ejector 18. More specifically, the distal end of the return pipe L5 is connected to the nozzle inlet portion 18a of the ejector 18, and the proximal end of the suction pipe L4 is connected to the diffuser outlet portion 18b. The ejector 18 is installed outside the vacuum vessel 8 in a room temperature environment.

さらに、エゼクタ１８の吸引部１８ｃには、第１熱交換器１７ａの下流側の第２導管Ｌ３が接続されている。言い換えれば、エゼクタ１８は、駆動流体となる冷媒を戻り管Ｌ５から吸込み、吸込み管Ｌ４へ吐出すると共に、吸入流体となる冷媒を第２導管Ｌ３から吸引する。 Further, a second conduit L3 on the downstream side of the first heat exchanger 17a is connected to the suction portion 18c of the ejector 18. In other words, the ejector 18 sucks the refrigerant as the driving fluid from the return pipe L5 and discharges it to the suction pipe L4, and sucks the refrigerant as the suction fluid from the second conduit L3.

戻り管Ｌ５には、戻り管Ｌ５内の冷媒をエゼクタ１８および吸込み管Ｌ４内に圧送するエゼクタ用圧縮機１９が設けられている。このエゼクタ用圧縮機１９は、ジュール・トムソン圧縮機１１の低圧用圧縮機１２と同一のものである。圧縮機１９，１２は、吸込み側の圧力が大気圧（１気圧）程度で設計された汎用機である。 The return pipe L5 is provided with an ejector compressor 19 that pumps the refrigerant in the return pipe L5 into the ejector 18 and the suction pipe L4. The ejector compressor 19 is the same as the low-pressure compressor 12 of the Joule-Thomson compressor 11. The compressors 19 and 12 are general-purpose machines designed so that the pressure on the suction side is about atmospheric pressure (1 atm).

以上説明した冷凍機１では、ジュール・トムソン圧縮機１２，１３によって第１導管Ｌ２内に送出された冷媒は、予冷機２によって冷却されつつ熱交換器１７で冷却された後、ジュール・トムソン弁１４で断熱自由膨張して気液混合状態となり、例えば５Ｋ以下の極低温に冷却される。そして、冷媒は、冷却ステージ１６で冷却負荷を吸収して気化され、第２導管Ｌ３を通り、吸込み管Ｌ４を介して低圧用圧縮機１２へと戻る。ここで、戻り管Ｌ５、エゼクタ１８、およびエゼクタ用圧縮機１９が設けられているため、ジュール・トムソン弁１４を通る冷媒の圧力および流量がジュール・トムソン圧縮機１２，１３によって調整される一方で、これとは独立して、エゼクタ１８を通る戻り管Ｌ５内の冷媒の圧力および流量がエゼクタ用圧縮機１９によって調整される。これにより、冷却能力および冷却温度の双方が自在に調整可能になっている。したがって、冷却温度を一定に保つにあたり、冷媒の圧力や流量を好適に調整することができ、冷凍機としての信頼性が向上されている。さらには、エゼクタ用圧縮機１９を適宜運転することにより、第２導管Ｌ３内の圧力を大気圧以下に低下させることができるため、４Ｋ未満の冷却温度を実現することもできる。この場合であっても、吸込み管Ｌ４内の圧力は大気圧程度に保つことができるので、低圧用圧縮機１２として特殊な圧縮機を用いる必要がない。さらにまた、独立したエゼクタ用圧縮機１９の設置により、例えば環境温度が変動した場合であっても、冷却温度を一定に保つことができる。 In the refrigerator 1 described above, the refrigerant sent into the first conduit L2 by the Joule-Thompson compressors 12, 13 is cooled by the heat exchanger 17 while being cooled by the precooler 2, and then the Joule-Thomson valve. In 14 adiabatic free expansion is brought to a gas-liquid mixed state and cooled to a cryogenic temperature of, for example, 5K or less. The refrigerant absorbs the cooling load at the cooling stage 16 and is vaporized, passes through the second conduit L3, and returns to the low-pressure compressor 12 through the suction pipe L4. Here, since the return pipe L5, the ejector 18 and the ejector compressor 19 are provided, the pressure and flow rate of the refrigerant passing through the Joule-Thomson valve 14 are adjusted by the Joule-Thomson compressors 12, 13. Independently, the pressure and flow rate of the refrigerant in the return pipe L5 passing through the ejector 18 are adjusted by the ejector compressor 19. As a result, both the cooling capacity and the cooling temperature can be freely adjusted. Therefore, in keeping the cooling temperature constant, the pressure and flow rate of the refrigerant can be suitably adjusted, and the reliability as a refrigerator is improved. Furthermore, since the pressure in the second conduit L3 can be lowered to the atmospheric pressure or less by appropriately operating the compressor 19 for ejector, a cooling temperature of less than 4K can be realized. Even in this case, since the pressure in the suction pipe L4 can be maintained at about atmospheric pressure, it is not necessary to use a special compressor as the low-pressure compressor 12. Furthermore, by installing an independent ejector compressor 19, for example, the cooling temperature can be kept constant even when the environmental temperature fluctuates.

従来の技術では、このように圧縮機の吸込み圧力を下げようとすると、圧縮機のストロークを長くしなければならず、圧縮機内のピストンを限りなく壁部まで近づけてピストンを動かす必要があった。そして、仮にピストンが壁に衝突した場合、真空引きの精度が低下または破壊する虞があった。冷凍機１によれば、そのような虞がなく、汎用機を用いながらも信頼性の高い冷凍機を実現することができる。 In the prior art, if the suction pressure of the compressor is lowered in this way, the stroke of the compressor must be lengthened, and the piston in the compressor must be moved as close to the wall as possible to move the piston. . If the piston collides with the wall, the accuracy of evacuation may be reduced or destroyed. According to the refrigerator 1, there is no such concern, and a highly reliable refrigerator can be realized while using a general-purpose machine.

また、戻り管Ｌ５、エゼクタ１８、およびエゼクタ用圧縮機１９を設けずに、第１導管Ｌ２の途中を分岐してエゼクタ１８のノズル入口部１８ａに接続する構成も考えられるが、その場合には、圧縮機１２，１３で冷却およびエゼクタの２系統の制御を行うこととなり、やはり好適な制御は難しい。冷凍機１によれば、前述のとおり冷媒の圧力や流量を好適に調整することができる。 Further, a configuration is possible in which the return pipe L5, the ejector 18 and the ejector compressor 19 are not provided, and the middle of the first conduit L2 is branched and connected to the nozzle inlet portion 18a of the ejector 18. The compressors 12 and 13 control the two systems of cooling and ejector, and it is difficult to perform suitable control. According to the refrigerator 1, the pressure and flow rate of the refrigerant can be suitably adjusted as described above.

また、冷凍機１において、エゼクタ１８の吸引部１８ｃには、第１熱交換器１７ａよりも下流側の第２導管Ｌ３が接続されているため、エゼクタ１８を室温環境に設置することができ、エゼクタ用圧縮機１９における圧力および流量の制御が一層容易とされている。 Moreover, in the refrigerator 1, since the 2nd conduit | pipe L3 downstream from the 1st heat exchanger 17a is connected to the suction part 18c of the ejector 18, the ejector 18 can be installed in a room temperature environment, The control of the pressure and the flow rate in the ejector compressor 19 is further facilitated.

また、エゼクタ用圧縮機１９は、低圧用圧縮機１２と同一であるため、エゼクタ１８として特殊な圧縮機を用意する必要がなく、汎用機で足り、コストの低減が図られている。 Further, since the compressor 19 for the ejector is the same as the compressor 12 for the low pressure, it is not necessary to prepare a special compressor as the ejector 18, and a general-purpose machine is sufficient, and the cost is reduced.

図２は、冷凍機の他の実施形態の概略構成を示すブロック図である。図２に示す冷凍機１Ａが図１に示した冷凍機１と違う点は、エゼクタ１８Ａが真空容器８内であって冷却ステージ１６の直後に設けられると共に、吸込み管Ｌ４の一部および戻り管Ｌ５の一部が真空容器８内に設けられた点と、熱交換器１７ａ〜１７ｃに代えて、第１導管Ｌ２、戻り管Ｌ５、および吸込み管Ｌ４が通る熱交換器２１ａ〜２１ｃが設けられた点と、第１熱交換器２１ａを通過した直後の戻り管Ｌ５が第１段冷却部９と接して熱交換を行う点と、第２熱交換器２１ｂを通過した直後の戻り管Ｌ５が第２段冷却部１０と接して熱交換を行う点と、である。すなわち、エゼクタ１８は、第３熱交換器２１ｃと冷却ステージ１６との間に設けられ、戻り管Ｌ５内を流れる冷媒は熱交換器１７と第１段冷却部と第２段冷却部とで冷却された上でエゼクタ１８のノズル入口部１８ａへ送られる。 FIG. 2 is a block diagram showing a schematic configuration of another embodiment of the refrigerator. The refrigerator 1A shown in FIG. 2 is different from the refrigerator 1 shown in FIG. 1 in that the ejector 18A is provided in the vacuum vessel 8 immediately after the cooling stage 16, and a part of the suction pipe L4 and the return pipe A point in which a part of L5 is provided in the vacuum vessel 8 and heat exchangers 21a to 21c through which the first conduit L2, the return pipe L5, and the suction pipe L4 pass are provided instead of the heat exchangers 17a to 17c. The return pipe L5 immediately after passing through the first heat exchanger 21a contacts the first stage cooling unit 9 for heat exchange, and the return pipe L5 immediately after passing through the second heat exchanger 21b And heat exchange in contact with the second-stage cooling unit 10. That is, the ejector 18 is provided between the third heat exchanger 21c and the cooling stage 16, and the refrigerant flowing in the return pipe L5 is cooled by the heat exchanger 17, the first stage cooling unit, and the second stage cooling unit. Then, it is sent to the nozzle inlet 18a of the ejector 18.

このような冷凍機１Ａによれば、熱交換器２１はエゼクタ１８の吐出側に位置することとなるため、エゼクタ１８の吸引部１８ｃに接続された第２導管Ｌ３における圧力損失が低減される。その結果として、冷却ステージ１６の温度をより一層低下させることができる。言い換えれば、冷却ステージ１６をある一定の温度に調整するにあたり、エゼクタ用圧縮機１９の出力を低減することができる。また、エゼクタ１８の吸引部１８ｃに接続された第２導管Ｌ３における圧力損失が低減されるため、冷媒としてヘリウムを用いる場合に飽和蒸気圧が低い^４Ｈｅを用いることができ、コストを低減しつつ安定して冷却を行うことができる。冷媒としてヘリウムを用いる場合には、^３Ｈｅ又は^４Ｈｅを用いることが考えられる。^３Ｈｅはその飽和蒸気圧が^４Ｈｅに比べ高いため第２導管Ｌ３における圧力損失の影響が小さいが、^４Ｈｅに比べ高価であり入手が難しい。逆に、^４Ｈｅはその飽和蒸気圧が^３Ｈｅに比べ低いため第２導管Ｌ３における圧力損失の影響が大きいが、^３Ｈｅに比べ安価であり入手が容易である。本実施形態のように、エゼクタ１８を冷却ステージの直後に配置し、熱交換器２１をエゼクタ１８の吐出側に配置することで、第２導管Ｌ３における圧力損失が低減されるので、圧力損失の影響が大きい^４Ｈｅを用いてコストを低減しつつ、安定して冷却を行うことができる。 According to such a refrigerator 1A, since the heat exchanger 21 is positioned on the discharge side of the ejector 18, pressure loss in the second conduit L3 connected to the suction portion 18c of the ejector 18 is reduced. As a result, the temperature of the cooling stage 16 can be further reduced. In other words, when the cooling stage 16 is adjusted to a certain temperature, the output of the ejector compressor 19 can be reduced. Further, since the pressure loss in the second conduit L3 connected to the suction portion 18c of the ejector 18 is reduced, ⁴ He having a low saturated vapor pressure can be used when helium is used as the refrigerant, while reducing the cost. Cooling can be performed stably. When helium is used as the refrigerant, it is conceivable to use ³ He or ⁴ He. ^Since the saturation vapor pressure of ³ He is higher than that of ⁴ He, the influence of the pressure loss in the second conduit L3 is small, but it is more expensive and difficult to obtain than ⁴ He. On the other hand, ⁴ He has a lower saturated vapor pressure than ³ He, so the effect of pressure loss in the second conduit L3 is large, but it is cheaper and easier to obtain than ³ He. Since the ejector 18 is disposed immediately after the cooling stage and the heat exchanger 21 is disposed on the discharge side of the ejector 18 as in the present embodiment, the pressure loss in the second conduit L3 is reduced. Cooling can be stably performed while reducing the cost by using ⁴ He having a large influence.

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではない。例えば、上記実施形態では予冷機２およびジュール・トムソン冷凍機３の２系統からなる冷凍機１について説明したが、上記特許文献１に記載の１系統に統合された冷凍機に適用することも可能である。また、上記実施形態では予冷機２としてギフォード・マクマホン冷凍機を用いる場合について説明したが、これに限られず、予冷部には、例えばギフォード・マクマホン型パルス管冷凍機、スターリング冷凍機、スターリング型パルス管冷凍機、ジュール・トムソン回路部など各種の冷凍機を適用することができる。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment. For example, in the above-described embodiment, the refrigerator 1 including the two systems of the pre-cooler 2 and the Joule-Thomson refrigerator 3 has been described. However, the present invention can also be applied to a refrigerator integrated in one system described in Patent Document 1. It is. In the above embodiment, the case where a Gifford McMahon refrigerator is used as the precooler 2 has been described. However, the present invention is not limited to this, and the precooling section includes, for example, a Gifford McMahon type pulse tube refrigerator, a Stirling refrigerator, and a Stirling type pulse. Various refrigerators such as a tube refrigerator and a Joule-Thomson circuit can be applied.

ジュール・トムソン圧縮機は２段構成に限られない。熱交換器１７，２１は３段構成に限られない。 The Joule-Thomson compressor is not limited to a two-stage configuration. The heat exchangers 17 and 21 are not limited to a three-stage configuration.

１，１Ａ…冷凍機、２…予冷機（予冷部）、３…ジュール・トムソン冷凍機（ジュール・トムソン冷却部）、１１…ジュール・トムソン圧縮機、１２…低圧用圧縮機、１３…高圧用圧縮機、１４…ジュール・トムソン弁、１６…冷却ステージ（極低温冷却部）、１７，２１…熱交換器、１８，１８Ａ…エゼクタ、１８ｃ…吸引部、１９…エゼクタ用圧縮機、２０…分岐部。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,1A ... Refrigerator, 2 ... Precooler (precooling part), 3 ... Joule-Thomson refrigerator (Joule-Thomson cooling part), 11 ... Joule-Thomson compressor, 12 ... Low pressure compressor, 13 ... High pressure Compressor, 14 ... Joule-Thomson valve, 16 ... Cooling stage (cryogenic cooling section), 17, 21 ... Heat exchanger, 18, 18A ... Ejector, 18c ... Suction part, 19 ... Ejector compressor, 20 ... Branch Department.

Claims

A Joule-Thomson compressor that pumps the refrigerant flowing through the circulation line with a Joule-Thomson compressor, and cools the refrigerant by a Joule-Thomson valve; A refrigerator equipped with
The circulation line is connected to the discharge side of the Joule-Thompson compressor and has a first conduit for guiding the refrigerant to the Joule-Thomson valve, and a cryogenic cooling section located downstream of the Joule-Thomson valve. A second conduit provided; and a suction pipe located downstream of the second conduit and connected to the suction side of the Joule-Thompson compressor;
The Joule Thomson cooling section is
A return pipe branched from the suction pipe and connected to the suction pipe on the upstream side of the branch portion;
An ejector provided between the return pipe and the suction pipe and connecting the return pipe to the suction pipe;
The suction pipe of the ejector is connected to the second conduit, and the return pipe is provided with an ejector compressor for sending the refrigerant in the return pipe into the ejector and the suction pipe. Refrigerator characterized by.

The Joule Thomson cooling section is
A heat exchanger through which the first conduit and the second conduit pass;
The refrigerator according to claim 1, wherein the second conduit on the downstream side of the heat exchanger is connected to the suction portion of the ejector.

The Joule Thomson cooling section is
A heat exchanger through which the first conduit, the return pipe, and the suction pipe pass;
The refrigerator according to claim 1, wherein the ejector is provided between the heat exchanger and the cryogenic cooling section.

The Joule-Thompson compressor has a low-pressure compressor and a high-pressure compressor,
The refrigerator according to any one of claims 1 to 3, wherein the ejector compressor is the same as the low-pressure compressor.