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JP6038659B2 - Refrigeration equipment - Google Patents
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Description

本発明は、吸着式冷凍機を備える冷凍装置に関する。   The present invention relates to a refrigeration apparatus including an adsorption refrigerator.

吸着式冷凍機は、吸着材に冷媒が吸着して生じる減圧により冷媒の気化(蒸発)を促し、その気化熱によって冷却を行うものである。吸着式冷凍機では、上述した吸着工程の後、加熱によって吸着材から冷媒を放出(脱着)させる脱着工程を行う必要がある。このような吸着式冷凍機に関する文献としては下記の非特許文献1が知られている   The adsorption refrigeration device promotes vaporization (evaporation) of the refrigerant by depressurization caused by adsorption of the refrigerant to the adsorbent, and cools by the heat of vaporization. In the adsorption type refrigerator, it is necessary to perform a desorption step of releasing (desorbing) the refrigerant from the adsorbent by heating after the above-described adsorption step. The following non-patent document 1 is known as a document relating to such an adsorption refrigerator.

“Advances in Cryogenic Engineering vol.35”1990 New York US P1448“Advances in Cryogenic Engineering vol.35” 1990 New York US P1448

しかしながら、吸着式冷凍機では、加熱して吸着材から冷媒を脱着する脱着工程の間は冷却を行うことができないため、長時間にわたって連続した冷却を行うことができず、脱着工程の間に温度上昇が生じてしまうという問題があった。   However, in an adsorption refrigeration machine, cooling cannot be performed during the desorption process in which the refrigerant is desorbed from the adsorbent by heating, and therefore continuous cooling cannot be performed for a long time. There was a problem that the rise would occur.

そこで、本発明は、長時間連続して冷却状態を維持することができる冷凍装置を提供することを目的とする。   Then, an object of this invention is to provide the freezing apparatus which can maintain a cooling state continuously for a long time.

上記課題を解決するため、本発明は、第1の冷却ステージを冷却する前段冷凍機と、第1の冷却ステージと第2の冷却ステージとの間に並列に設けられ、第2の冷却ステージを冷却する少なくとも二台の吸着式冷凍機と、少なくとも二台の吸着式冷凍機を制御する制御手段と、を備え、吸着式冷凍機は、冷媒を吸着及び脱着することが可能な吸着材及び吸着材を加熱する加熱手段を有する吸着器と、チューブを通じて吸着器に接続され、冷媒の凝縮及び蒸発が行われる凝縮蒸発容器と、第1の冷却ステージ及び吸着器の間を熱伝導状態と熱絶縁状態とのどちらかに切り替える第1のヒートスイッチと、凝縮蒸発容器及び第2の冷却ステージの間を熱伝導状態と熱絶縁状態とのどちらかに切り替える第2のヒートスイッチと、を有し、制御手段は、一台の吸着式冷凍機において加熱手段の加熱により冷媒を吸着材から脱着する間、他の吸着式冷凍機において冷媒を吸着材に吸着させ、脱着させる側の吸着式冷凍機の第2のヒートスイッチを熱絶縁状態とし、吸着させる側の吸着式冷凍機の第2のヒートスイッチを熱伝導状態とすることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the present invention is provided in parallel between a first stage refrigerator that cools the first cooling stage, and the first cooling stage and the second cooling stage, and the second cooling stage is provided. And at least two adsorption refrigerators for cooling , and a control means for controlling at least two adsorption refrigerators, the adsorption refrigerator is capable of adsorbing and desorbing refrigerant and adsorbent An adsorber having a heating means for heating the material, a condensing evaporation container connected to the adsorber through a tube and performing condensation and evaporation of the refrigerant, a heat conduction state and thermal insulation between the first cooling stage and the adsorber It possesses a first heat switch switches to either state, and a second heat switch for switching to either of the heat conduction state and the heat insulation state between the condensate evaporating vessel and a second cooling stage, Control means While the refrigerant is desorbed from the adsorbent by heating of the heating means in one adsorption refrigerator, the second of the adsorption refrigerator on the side where the refrigerant is adsorbed on the adsorbent and desorbed in the other adsorption refrigerator The heat switch is in a heat insulation state, and the second heat switch of the adsorption refrigerator on the side to be adsorbed is in a heat conduction state .

本発明に係る冷凍装置によれば、第2の冷却ステージを冷却する少なくとも二台の吸着式冷凍機を備えることにより、一台の吸着式冷凍機が脱着工程に入っても、残りの吸着式冷凍機で吸着工程を行うことによって冷却することができるので、温度上昇を生じることなく長時間連続して冷却状態を維持することができる。   According to the refrigeration apparatus according to the present invention, by providing at least two adsorption chillers for cooling the second cooling stage, even if one adsorption chiller enters the desorption process, the remaining adsorption type Since it can cool by performing an adsorption | suction process with a refrigerator, it can maintain a cooling state continuously for a long time, without producing a temperature rise.

本発明の他の態様に係る冷凍装置は、第1の冷却ステージを冷却する前段冷凍機と、第1の冷却ステージと第2の冷却ステージとの間に並列に設けられ、第2の冷却ステージを冷却する少なくとも二台の吸着式冷凍機と、を備え、吸着式冷凍機は、冷媒を吸着及び脱着することが可能な吸着材及び吸着材を加熱する加熱手段を有する吸着器と、チューブを通じて吸着器に接続され、冷媒の凝縮及び蒸発が行われる凝縮蒸発容器と、第1の冷却ステージ及び吸着器の間を熱伝導状態と熱絶縁状態とのどちらかに切り替える第1のヒートスイッチと、凝縮蒸発容器及び第2の冷却ステージの間を熱伝導状態と熱絶縁状態とのどちらかに切り替える第2のヒートスイッチと、第1の冷却ステージ及び凝縮蒸発容器の間を熱伝導状態と熱絶縁状態とのどちらかに切り替える第3のヒートスイッチと、を有してもよい。 A refrigeration apparatus according to another aspect of the present invention is provided in parallel between a first-stage refrigerator that cools a first cooling stage, a first cooling stage, and a second cooling stage, and a second cooling stage. At least two adsorption refrigeration units for cooling the adsorption refrigeration unit, the adsorption refrigeration unit comprising an adsorbent having an adsorbent capable of adsorbing and desorbing a refrigerant and a heating means for heating the adsorbent, and a tube A condensing and evaporating vessel connected to the adsorber for condensing and evaporating the refrigerant, and a first heat switch for switching between the first cooling stage and the adsorber between a heat conduction state and a heat insulation state; A second heat switch for switching between a heat conduction state and a heat insulation state between the condensation evaporation container and the second cooling stage, and a heat conduction state and heat insulation between the first cooling stage and the condensation evaporation container. With state A third heat switch for switching the Chiraka may have.

本発明に係る冷凍装置において、吸着式冷凍機及び第2の冷却ステージを収容し、第1の冷却ステージと接続するシールドを更に備え、上記第3のヒートスイッチは、シールド及び凝縮蒸発容器の間を熱伝導状態と熱絶縁状態とのどちらかに切り替えてもよい。
この冷凍装置によれば、第3のヒートスイッチがシールドを介して第1の冷却ステージ及び凝縮蒸発容器の間を熱伝導状態と熱絶縁状態とのどちらかに切り替える構成とすることで、第3のヒートスイッチを含む熱接続部材の長さを短縮することができ、装置構成の簡素化及び低コスト化に有利である。
The refrigeration apparatus according to the present invention further includes a shield that houses the adsorption refrigerator and the second cooling stage, and is connected to the first cooling stage, wherein the third heat switch is between the shield and the condensation evaporation container. May be switched between a heat conduction state and a heat insulation state.
According to this refrigeration apparatus, the third heat switch is configured to switch between the first cooling stage and the condensing evaporation container between the heat conduction state and the heat insulation state via the shield. The length of the thermal connection member including the heat switch can be shortened, which is advantageous for simplification of the apparatus configuration and cost reduction.

本発明に係る冷凍装置において、第1のヒートスイッチ及び第2のヒートスイッチは、ガスギャップ式のヒートスイッチであってもよい。
この冷凍装置によれば、機械式のヒートスイッチを備える場合と比べて、装置を小型化することができる。
In the refrigeration apparatus according to the present invention, the first heat switch and the second heat switch may be gas gap heat switches.
According to this refrigeration apparatus, the apparatus can be reduced in size as compared with the case where a mechanical heat switch is provided.

本発明によれば、長時間連続して冷却状態を維持することができる冷凍装置を提供できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the freezing apparatus which can maintain a cooling state continuously for a long time can be provided.

本発明に係る冷凍装置の一実施形態を示す概略図である。It is the schematic which shows one Embodiment of the freezing apparatus which concerns on this invention. 制御部における制御の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of control in a control part.

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

[冷凍装置の構成]
図1に示す冷凍装置1は、複数の冷凍機を備え、段階的に極低温(例えば50mK[ミリケルビン])まで冷却する装置である。本実施形態に係る冷凍装置1は、前段冷凍機2と、第1の吸着式冷凍機3及び第2の吸着式冷凍機4と、断熱消磁冷凍機5を備えている。
[Configuration of refrigeration equipment]
The refrigeration apparatus 1 shown in FIG. 1 is a device that includes a plurality of refrigerators and cools to a cryogenic temperature (for example, 50 mK [millikelvin]) step by step. The refrigeration apparatus 1 according to the present embodiment includes a front-stage refrigerator 2, a first adsorption refrigerator 3, a second adsorption refrigerator 4, and an adiabatic demagnetization refrigerator 5.

前段冷凍機2としては、例えば2段スターリング冷凍機を予冷機としたJT冷凍機を採用することができ、公知の作用により冷却効果を発生させる。   As the front stage refrigerator 2, for example, a JT refrigerator having a two-stage Stirling refrigerator as a precooler can be adopted, and a cooling effect is generated by a known action.

前段冷凍機2は、冷却対象である第1の冷却ステージ7と接続されている。第1の冷却ステージ7は、例えば銅やアルミニウム等の熱伝導率が良い材料からなる板状の部材である。前段冷凍機2は、第1の冷却ステージ7を冷却端として1.8Kまで冷却する。なお、前段冷凍機2は、2段スターリング冷凍機を予冷機としたJT冷凍機に限られず、種々の冷却システムを採用することができる。   The pre-stage refrigerator 2 is connected to a first cooling stage 7 that is a cooling target. The first cooling stage 7 is a plate-like member made of a material having a good thermal conductivity such as copper or aluminum. The pre-stage refrigerator 2 cools to 1.8K using the first cooling stage 7 as a cooling end. The pre-stage refrigerator 2 is not limited to a JT refrigerator using a two-stage Stirling refrigerator as a precooler, and various cooling systems can be employed.

第1の吸着式冷凍機3及び第2の吸着式冷凍機4は、第1の冷却ステージ7と第2の冷却ステージ8との間に並列に設けられたタンデム型の冷凍機である。第1の吸着式冷凍機3及び第2の吸着式冷凍機4は、第2の冷却ステージ8を共通する冷却対象として冷却する。第1の吸着式冷凍機3及び第2の吸着式冷凍機4は、第2の冷却ステージ8も含めてシールド9に収容されている。シールド9は第1の冷却ステージ7に接続されており、シールド9と第1の冷却ステージ7とは同じ温度を有する。以下、第1の吸着式冷凍機3の構成について説明する。   The first adsorption type refrigerator 3 and the second adsorption type refrigerator 4 are tandem type refrigerators provided in parallel between the first cooling stage 7 and the second cooling stage 8. The first adsorption type refrigerator 3 and the second adsorption type refrigerator 4 cool the second cooling stage 8 as a common cooling target. The first adsorption type refrigerator 3 and the second adsorption type refrigerator 4 are accommodated in the shield 9 including the second cooling stage 8. The shield 9 is connected to the first cooling stage 7, and the shield 9 and the first cooling stage 7 have the same temperature. Hereinafter, the configuration of the first adsorption refrigeration machine 3 will be described.

第1の吸着式冷凍機3は、第1の吸着器10、第1の凝縮蒸発容器11、第1のチューブ12、第1の上部ヒートスイッチ13、第1の下部ヒートスイッチ14、及び第1の側部ヒートスイッチ15を備えている。   The first adsorption refrigerator 3 includes a first adsorber 10, a first condensing evaporation container 11, a first tube 12, a first upper heat switch 13, a first lower heat switch 14, and a first Side heat switch 15 is provided.

第1の吸着器10は、内部に吸着材16が充填された容器であり、吸着材16に対する冷媒の吸着及び脱着が行われる。冷媒としては、例えばヘリウム3を用いることができる。この場合には、吸着材16として例えば活性炭を採用することができる。   The first adsorber 10 is a container filled with an adsorbent 16 therein, and the refrigerant is adsorbed and desorbed from the adsorbent 16. For example, helium 3 can be used as the refrigerant. In this case, for example, activated carbon can be employed as the adsorbent 16.

第1の吸着器10の内部には、吸着材16を加熱することで冷媒を放出(脱着)させるためのヒーター(加熱手段)17が設けられている。ヒーター17は、例えば電熱式のものが用いられる。   Inside the first adsorber 10, a heater (heating means) 17 for releasing (desorbing) the refrigerant by heating the adsorbent 16 is provided. As the heater 17, for example, an electrothermal type is used.

第1の凝縮蒸発容器11は、第1のチューブ12を介して第1の吸着器10と連通する容器である。この第1の凝縮蒸発容器11には、第1の吸着器10の吸着材16から放出された冷媒が流れ込む、流れ込んだ冷媒は第1の冷却ステージ7の温度における飽和蒸気圧まで凝縮して液体となる。その後、ヒーター17がOFFとなることで吸着材16が冷却され、吸着材16が冷媒の吸着を始めると、第1の吸着器10内が減圧することにより、第1の凝縮蒸発容器11内の冷媒の蒸発(気化)が促進され、気化熱により第1の凝縮蒸発容器11内の液体の温度が下がる。   The first condensing and evaporating vessel 11 is a vessel that communicates with the first adsorber 10 via the first tube 12. The refrigerant discharged from the adsorbent 16 of the first adsorber 10 flows into the first condensing and evaporating vessel 11. The refrigerant that has flowed in is condensed to a saturated vapor pressure at the temperature of the first cooling stage 7 and is liquid. It becomes. Thereafter, when the heater 17 is turned off, the adsorbent 16 is cooled, and when the adsorbent 16 begins to adsorb the refrigerant, the inside of the first adsorber 10 is depressurized, so The evaporation (vaporization) of the refrigerant is promoted, and the temperature of the liquid in the first condensation evaporation container 11 is lowered by the heat of vaporization.

第1のチューブ12は、例えばステンレスからなる薄厚の管部材であり、第1の吸着器10と第1の凝縮蒸発容器11とが適切に離間するように配置されている。第1のチューブ12には、冷媒がスムーズに流れる十分な内径が求められるが断熱効果も要求され、使用目的に応じた適切な形状のものが採用される。   The first tube 12 is a thin tube member made of, for example, stainless steel, and is disposed so that the first adsorber 10 and the first condensing evaporation container 11 are appropriately separated from each other. The first tube 12 is required to have a sufficient inner diameter that allows the refrigerant to flow smoothly, but is also required to have a heat insulating effect, and has an appropriate shape according to the purpose of use.

第1の上部ヒートスイッチ13は、第1の冷却ステージ7と第1の吸着器10との間を熱伝導状態と熱絶縁状態とのどちらかに切り替えるものである。第1の上部ヒートスイッチ13としては、ガスギャップ式のヒートスイッチを採用することができる。   The first upper heat switch 13 switches between the first cooling stage 7 and the first adsorber 10 between a heat conduction state and a heat insulation state. As the first upper heat switch 13, a gas gap type heat switch can be employed.

ガスギャップ式のヒートスイッチは、例えば、内側シリンダーと外側シリンダーとがそれぞれ別の部材に接続された二重の銅シリンダー間の小さな隙間(100μm以下)にヘリウムガスの充填又は排気を行うことにより、部材間の熱伝導状態と熱絶縁状態とを切り替えるものである。なお、第1の下部ヒートスイッチ14及び第1の側部ヒートスイッチ15にもガスギャップ式のヒートスイッチを採用することができる。   The gas gap type heat switch, for example, by filling or exhausting helium gas in a small gap (100 μm or less) between double copper cylinders in which the inner cylinder and the outer cylinder are connected to different members, respectively, The heat conduction state and the heat insulation state between the members are switched. A gas gap type heat switch can also be adopted for the first lower heat switch 14 and the first side heat switch 15.

第1の上部ヒートスイッチ13は、第1の冷却ステージ7側に接続されており、第1の上部ヒートスイッチ13と第1の吸着器10との間にはフレキシブル熱パス18が配置されている。フレキシブル熱パス18は、例えば銅線や銅箔を重ねて構成された柔軟性のある部材であり、第1の上部ヒートスイッチ13と第1の吸着器10との間の熱伝導を行う。第1の上部ヒートスイッチ13とフレキシブル熱パス18の位置は逆であってもよい。第1の上部ヒートスイッチ13は、特許請求の範囲に記載の第1のヒートスイッチに相当する。   The first upper heat switch 13 is connected to the first cooling stage 7 side, and a flexible heat path 18 is disposed between the first upper heat switch 13 and the first adsorber 10. . The flexible heat path 18 is a flexible member configured by, for example, overlapping copper wires or copper foils, and conducts heat between the first upper heat switch 13 and the first adsorber 10. The positions of the first upper heat switch 13 and the flexible heat path 18 may be reversed. The first upper heat switch 13 corresponds to the first heat switch described in the claims.

第1の下部ヒートスイッチ14は、第1の凝縮蒸発容器11と第2の冷却ステージ8との間を熱伝導状態と熱絶縁状態とのどちらかに切り替えるものである。第1の下部ヒートスイッチ14は、第1の凝縮蒸発容器11に接続されており、フレキシブル熱パス19を介して第2の冷却ステージ8と接続されている。第1の下部ヒートスイッチ14は、特許請求の範囲に記載の第2のヒートスイッチに相当する。   The first lower heat switch 14 switches between the first condensation evaporation container 11 and the second cooling stage 8 between a heat conduction state and a heat insulation state. The first lower heat switch 14 is connected to the first condensing evaporation container 11, and is connected to the second cooling stage 8 via the flexible heat path 19. The first lower heat switch 14 corresponds to a second heat switch described in the claims.

また、第1の側部ヒートスイッチ15は、第1の凝縮蒸発容器11とシールド9との間を熱伝導状態と熱絶縁状態とのどちらかに切り替えるものである。第1の側部ヒートスイッチ15は、特許請求の範囲に記載の第3のヒートスイッチに相当する。   Moreover, the 1st side part heat switch 15 switches between the 1st condensation evaporation container 11 and the shield 9 in either a heat conduction state or a heat insulation state. The 1st side part heat switch 15 is corresponded to the 3rd heat switch as described in a claim.

第2の吸着式冷凍機4は、第1の吸着式冷凍機3と同様の構成要素からなる冷凍機であり、各構成要素の詳細な説明は省略する。具体的には、第2の吸着式冷凍機4は、第2の吸着器20、第2の凝縮蒸発容器21、第2のチューブ22、第2の上部ヒートスイッチ23、第2の下部ヒートスイッチ24、及び第2の側部ヒートスイッチ25を備えている。第2の吸着器20の内部には吸着材26及びヒーター(加熱手段)27が配置されている。また、第2の上部ヒートスイッチ23と第2の吸着器20との間にはフレキシブル熱パス28が配置されており、第2の下部ヒートスイッチ24と第2の凝縮蒸発容器21との間にはフレキシブル熱パス29が配置されている。   The second adsorption refrigeration machine 4 is a refrigeration machine composed of the same components as the first adsorption refrigeration machine 3, and detailed description of each component will be omitted. Specifically, the second adsorption refrigerator 4 includes a second adsorber 20, a second condensing evaporation vessel 21, a second tube 22, a second upper heat switch 23, and a second lower heat switch. 24 and a second side heat switch 25. An adsorbent 26 and a heater (heating means) 27 are arranged inside the second adsorber 20. Further, a flexible heat path 28 is disposed between the second upper heat switch 23 and the second adsorber 20, and between the second lower heat switch 24 and the second condensing evaporation container 21. The flexible heat path 29 is arranged.

第1の吸着式冷凍機3と第2の吸着式冷凍機4とは構成要素の大きさが異なっている。具体的には、メインの冷凍機である第1の吸着式冷凍機3と比べて、サブの冷凍機である第2の吸着式冷凍機4では、第2の吸着器20、第2の凝縮蒸発容器21、及び第2のチューブ22の容量が小さく、冷媒の量も少ない。なお、第1の吸着式冷凍機3及び第2の吸着式冷凍機4において同容量の吸着器や凝縮蒸発容器を備えていてもよい。第1の吸着式冷凍機3及び第2の吸着式冷凍機4は、冷媒を共有することなく、それぞれ独立した冷凍機として機能する。   The first adsorption refrigeration machine 3 and the second adsorption refrigeration machine 4 have different component sizes. Specifically, compared with the first adsorption refrigeration machine 3 that is the main refrigeration machine, the second adsorption chiller 4 that is the sub refrigeration machine has the second adsorber 20 and the second condensation. The capacity of the evaporation container 21 and the second tube 22 is small, and the amount of refrigerant is also small. Note that the first adsorption refrigeration machine 3 and the second adsorption refrigeration machine 4 may be provided with an adsorber of the same capacity and a condensation evaporation container. The first adsorption type refrigerator 3 and the second adsorption type refrigerator 4 function as independent refrigerators without sharing the refrigerant.

第2の冷却ステージ8は、第1の冷却ステージ7と同様に、例えば銅やアルミニウム等の熱伝導率が良い材料から構成されている。第1の吸着式冷凍機3及び第2の吸着式冷凍機4は、第2の冷却ステージ8を冷却端として0.3Kまで冷却する。   Similar to the first cooling stage 7, the second cooling stage 8 is made of a material having good thermal conductivity such as copper or aluminum. The first adsorption refrigeration machine 3 and the second adsorption refrigeration machine 4 cool down to 0.3 K using the second cooling stage 8 as a cooling end.

断熱消磁冷凍機[ADR:Adiabatic Demagnetization Refrigerator ]5は、極低温を作り出すための冷凍機である。断熱消磁冷凍機5は、シールド9内で第2の冷却ステージ8の下側に配置されている。断熱消磁冷凍機5は、磁場をかけたときのエントロピーとカルノーサイクルの原理を利用した断熱消磁によって冷却を行う。断熱消磁冷凍機5は、第2の冷却ステージ8と冷却対象である第3の冷却ステージ31と接続されており、第3の冷却ステージ31を50mKまで冷却する。50mKに維持された第3の冷却ステージ31には、冷却対象として例えば放射線検出器などが取付けられる。   The adiabatic demagnetizing refrigerator [ADR: Adiabatic Demagnetization Refrigerator] 5 is a refrigerator for creating a cryogenic temperature. The adiabatic demagnetizing refrigerator 5 is disposed below the second cooling stage 8 in the shield 9. The adiabatic demagnetization refrigerator 5 performs cooling by adiabatic demagnetization using the entropy and the Carnot cycle principle when a magnetic field is applied. The adiabatic demagnetization refrigerator 5 is connected to the second cooling stage 8 and the third cooling stage 31 to be cooled, and cools the third cooling stage 31 to 50 mK. For example, a radiation detector is attached to the third cooling stage 31 maintained at 50 mK as a cooling target.

なお、冷凍装置1は、断熱消磁冷凍機5を必ず備える必要はない。冷凍装置1は、例えば、断熱消磁冷凍機5を設けずに、第2の冷却ステージ8が赤外線検出器などに接触するようにしてもよい。   Note that the refrigeration apparatus 1 does not necessarily include the adiabatic demagnetization refrigerator 5. For example, the refrigeration apparatus 1 may be configured such that the second cooling stage 8 is in contact with an infrared detector or the like without providing the adiabatic demagnetization refrigerator 5.

また、冷凍装置1は、前段冷凍機2、第1の吸着式冷凍機3、第2の吸着式冷凍機4、及び断熱消磁冷凍機5を制御する制御部(制御手段)Tを備えている。制御部Tは、CPU[Central Processing Unit]、ROM[Read Only Memory]、RAM[Random Access Memory]などからなる電子制御ユニットである。   The refrigeration apparatus 1 also includes a control unit (control means) T that controls the pre-stage refrigerator 2, the first adsorption refrigerator 3, the second adsorption refrigerator 4, and the adiabatic demagnetization refrigerator 5. . The control unit T is an electronic control unit including a CPU [Central Processing Unit], a ROM [Read Only Memory], a RAM [Random Access Memory], and the like.

具体的には、制御部Tは、第1の吸着式冷凍機3について、第1の上部ヒートスイッチ13、第1の下部ヒートスイッチ14、第1の側部ヒートスイッチ15、及びヒーター17を制御する。同様に、制御部Tは、第2の吸着式冷凍機4について、第2の上部ヒートスイッチ23、第2の下部ヒートスイッチ24、第2の側部ヒートスイッチ25、及びヒーター27を制御する。   Specifically, the control unit T controls the first upper heat switch 13, the first lower heat switch 14, the first side heat switch 15, and the heater 17 for the first adsorption refrigerator 3. To do. Similarly, the control unit T controls the second upper heat switch 23, the second lower heat switch 24, the second side heat switch 25, and the heater 27 for the second adsorption refrigeration machine 4.

[冷凍装置の制御]
次に、本実施形態に係る冷凍装置1の制御のうち第1の吸着式冷凍機3及び第2の吸着式冷凍機4の制御について説明する。図2は、制御部Tにおける第1の吸着式冷凍機3及び第2の吸着式冷凍機4の制御の流れを示すフローチャートである。
[Control of refrigeration equipment]
Next, control of the first adsorption refrigeration machine 3 and the second adsorption refrigeration machine 4 in the control of the refrigeration apparatus 1 according to the present embodiment will be described. FIG. 2 is a flowchart showing a flow of control of the first adsorption refrigeration machine 3 and the second adsorption refrigeration machine 4 in the control unit T.

図2に示されるように、冷凍装置1の制御部Tでは、運転が開始されると、ステップS1として初期動作が行われる。初期動作においては、全てのヒートスイッチ13〜15、23〜25が熱伝導状態とされる。初期動作には、前段冷凍機2による予冷も含まれ、第1の冷却ステージ7が1.8Kまで冷却される。これにより、第1の吸着式冷凍機3及び第2の吸着式冷凍機4も1.8Kまで冷却され、冷媒は吸着材16,26に吸着された状態となる。   As shown in FIG. 2, in the control unit T of the refrigeration apparatus 1, when the operation is started, an initial operation is performed as step S1. In the initial operation, all the heat switches 13 to 15 and 23 to 25 are in a heat conduction state. The initial operation includes pre-cooling by the pre-stage refrigerator 2, and the first cooling stage 7 is cooled to 1.8K. As a result, the first adsorption refrigeration machine 3 and the second adsorption refrigeration machine 4 are also cooled to 1.8 K, and the refrigerant is adsorbed by the adsorbents 16 and 26.

次に、ステップS2において、制御部Tは、第1の吸着式冷凍機3のヒートスイッチ切替を行う。制御部Tは、第1の上部ヒートスイッチ13及び第1の下部ヒートスイッチ14を熱絶縁状態に切替える。第1の側部ヒートスイッチ15は熱伝導状態のまま維持する。   Next, in step S <b> 2, the control unit T performs heat switch switching of the first adsorption refrigeration machine 3. The control unit T switches the first upper heat switch 13 and the first lower heat switch 14 to a thermally insulated state. The first side heat switch 15 remains in a heat conducting state.

続いて、ステップS3では、制御部Tは、第1の吸着器10のヒーター17を通電によりON状態にして加熱を開始する。ヒーター17が吸着材16を十分に加熱すると、ステップS4の脱着工程に入る。   Subsequently, in step S3, the control unit T starts heating by turning on the heater 17 of the first adsorber 10 by energization. When the heater 17 sufficiently heats the adsorbent 16, the desorption process of step S4 is started.

脱着工程では、加熱により吸着材16から冷媒が放出(脱着)される。吸着材16から放出された冷媒は、第1のチュ−ブ12を通じて第1の凝縮蒸発容器11内に入り込む。第1の凝縮蒸発容器11には、第1の側部ヒートスイッチ15及びシールド9を通じて第1の冷却ステージ7の冷却温度が伝わっており、第1の凝縮蒸発容器11内の冷媒は第1の冷却ステージ7の温度における飽和蒸気圧まで凝縮され液体となる。その後、ステップS5において、制御部Tは、ヒーター17に対する電力供給を停止してOFF状態にする。   In the desorption process, the refrigerant is released (desorbed) from the adsorbent 16 by heating. The refrigerant released from the adsorbent 16 enters the first condensing evaporation container 11 through the first tube 12. The cooling temperature of the first cooling stage 7 is transmitted to the first condensing evaporation container 11 through the first side heat switch 15 and the shield 9, and the refrigerant in the first condensing evaporation container 11 is the first condensing evaporation container 11. The liquid is condensed to the saturated vapor pressure at the temperature of the cooling stage 7. Thereafter, in step S5, the control unit T stops the power supply to the heater 17 and turns it off.

ステップS6では、制御部Tは、第1の吸着式冷凍機3のヒートスイッチ13〜15及び第2の吸着式冷凍機4のヒートスイッチ23〜25の切替えを行う。具体的には、制御部Tは、第1の上部ヒートスイッチ13及び第1の下部ヒートスイッチ14を熱伝導状態に切替えると共に、第1の側部ヒートスイッチ15を熱絶縁状態に切替える。一方で、制御部Tは、第2の上部ヒートスイッチ23及び第2の下部ヒートスイッチ24を熱絶縁状態に切替え、第2の側部ヒートスイッチ25を熱伝導状態のまま維持する。   In step S <b> 6, the control unit T switches the heat switches 13 to 15 of the first adsorption refrigeration machine 3 and the heat switches 23 to 25 of the second adsorption refrigeration machine 4. Specifically, the control unit T switches the first upper heat switch 13 and the first lower heat switch 14 to the heat conduction state, and switches the first side heat switch 15 to the heat insulation state. On the other hand, the control unit T switches the second upper heat switch 23 and the second lower heat switch 24 to the heat insulation state, and maintains the second side heat switch 25 in the heat conduction state.

ステップS7では、第1の吸着式冷凍機3における吸着工程が行われる。一方、制御部Tは、第2の吸着式冷凍機4において第2の吸着器20のヒーター27を通電によりON状態にして加熱を開始する。   In step S7, an adsorption process in the first adsorption refrigerator 3 is performed. On the other hand, the control unit T starts heating by turning on the heater 27 of the second adsorber 20 by energization in the second adsorption refrigerator 4.

第1の吸着式冷凍機3では、第1の上部ヒートスイッチ13を通じて第1の冷却ステージ7の冷却温度が第1の吸着器10に伝わり、吸着材16の温度が低下する。吸着材16の温度が十分に低下すると、吸着材16の吸着能力が大きくなって冷媒が吸着され第1の吸着器10内に減圧が生じる。この減圧は、第1のチュ−ブ12を通じて第1の凝縮蒸発容器11内に伝播し、第1の凝縮蒸発容器11内の冷媒は蒸発して気体となる。第1の吸着器10内の減圧により第1の凝縮蒸発容器11内の気圧が下がり、その低下した気圧(飽和蒸気圧)に相当する温度まで第1の凝縮蒸発容器11内の液体の温度が下がる。第1の凝縮蒸発容器11内の液体の温度が下がることにより、第1の下部ヒートスイッチ14を通じて第2の冷却ステージ8が冷却され、0.3Kの冷却温度が維持される。なお、第2の冷却ステージ8から第1の凝縮蒸発容器11に伝わる熱により、第1の凝縮蒸発容器11内の液体は、徐々に気化するが、この気化した冷媒は第1の吸着器10内の減圧により、第1の凝縮蒸発容器11内から第1の吸着器10内へ送られる。   In the first adsorption refrigeration machine 3, the cooling temperature of the first cooling stage 7 is transmitted to the first adsorber 10 through the first upper heat switch 13, and the temperature of the adsorbent 16 decreases. When the temperature of the adsorbent 16 is sufficiently lowered, the adsorbing capacity of the adsorbent 16 is increased, the refrigerant is adsorbed, and decompression occurs in the first adsorber 10. This reduced pressure propagates through the first tube 12 into the first condensing evaporation container 11, and the refrigerant in the first condensing evaporation container 11 evaporates into a gas. Due to the reduced pressure in the first adsorber 10, the atmospheric pressure in the first condensing evaporation container 11 decreases, and the temperature of the liquid in the first condensing evaporation container 11 reaches a temperature corresponding to the reduced atmospheric pressure (saturated vapor pressure). Go down. When the temperature of the liquid in the first condensing and evaporating vessel 11 is lowered, the second cooling stage 8 is cooled through the first lower heat switch 14, and the cooling temperature of 0.3K is maintained. In addition, although the liquid in the 1st condensation evaporation container 11 vaporizes gradually by the heat | fever transmitted to the 1st condensation evaporation container 11 from the 2nd cooling stage 8, this vaporized refrigerant | coolant is the 1st adsorber 10. Due to the internal pressure reduction, the air is sent from the first condensing evaporation vessel 11 into the first adsorber 10.

一方、第2の吸着式冷凍機4では、ヒーター27の加熱により吸着材26が十分に加熱されると、ステップS8の脱着工程に入る。ステップS8の脱着工程では、加熱により吸着材26から冷媒が放出(脱着)され、第2の側部ヒートスイッチ25を通じて冷却された第2の凝縮蒸発容器21内で凝縮により冷媒は液体となる。その後、ステップS9において、制御部Tは、第2の吸着器20のヒーター27に対する電力供給を停止してOFF状態にする。   On the other hand, in the second adsorption refrigeration machine 4, when the adsorbent 26 is sufficiently heated by the heating of the heater 27, the desorption process of step S8 is started. In the desorption process of step S8, the refrigerant is released (desorbed) from the adsorbent 26 by heating, and the refrigerant becomes liquid by condensation in the second condensation evaporation container 21 cooled through the second side heat switch 25. Thereafter, in step S9, the control unit T stops the power supply to the heater 27 of the second adsorber 20 and turns it off.

ステップS10において、制御部Tは、第1の吸着式冷凍機3のヒートスイッチ13〜15及び第2の吸着式冷凍機4のヒートスイッチ23〜25の切替えを行う。具体的には、制御部Tは、第1の上部ヒートスイッチ13及び第1の下部ヒートスイッチ14を熱絶縁状態に切替えると共に、第1の側部ヒートスイッチ15を熱伝導状態に切替える。一方で、制御部Tは、第2の上部ヒートスイッチ23及び第2の下部ヒートスイッチ24を熱伝導状態に切替え、第2の側部ヒートスイッチ25を熱絶縁状態に切替える。   In step S <b> 10, the control unit T switches the heat switches 13 to 15 of the first adsorption refrigeration machine 3 and the heat switches 23 to 25 of the second adsorption refrigeration machine 4. Specifically, the control unit T switches the first upper heat switch 13 and the first lower heat switch 14 to the heat insulation state, and switches the first side heat switch 15 to the heat conduction state. On the other hand, the control unit T switches the second upper heat switch 23 and the second lower heat switch 24 to the heat conduction state, and switches the second side heat switch 25 to the heat insulation state.

その後、ステップS11において、制御部Tは、第1の吸着式冷凍機3において第2の吸着器20のヒーター27を通電によりON状態にして加熱を開始する。一方、第2の吸着式冷凍機4では吸着工程が行われる。   Thereafter, in step S11, the control unit T starts heating by turning on the heater 27 of the second adsorber 20 in the first adsorption refrigerator 3 by energization. On the other hand, an adsorption process is performed in the second adsorption refrigerator 4.

第2の吸着式冷凍機4では、第2の上部ヒートスイッチ23を通じて第1の冷却ステージ7の冷却温度により第2の吸着器20が冷却され、吸着材26に冷媒の吸着が始まることで減圧が生じる。第2の吸着器20内の減圧により第2の凝縮蒸発容器21内の気圧が下がり、その低下した気圧(飽和蒸気圧)に相当する温度まで第2の凝縮蒸発容器21内の液体の温度が下がる。第2の凝縮蒸発容器21内の液体の温度が下がることにより、第2の下部ヒートスイッチ24を通じて第2の冷却ステージ8が冷却され、0.3Kの冷却温度が維持される。なお、第2の冷却ステージ8から第2の凝縮蒸発容器21に伝わる熱により、第2の凝縮蒸発容器21内の液体は、徐々に気化するが、この気化した冷媒は第2の吸着器20内の減圧により、第2の凝縮蒸発容器21内から第2の吸着器20内へ送られる。   In the second adsorption refrigeration machine 4, the second adsorber 20 is cooled by the cooling temperature of the first cooling stage 7 through the second upper heat switch 23, and the adsorbent 26 begins to adsorb the refrigerant, thereby reducing the pressure. Occurs. Due to the reduced pressure in the second adsorber 20, the atmospheric pressure in the second condensing evaporation vessel 21 decreases, and the temperature of the liquid in the second condensing evaporation vessel 21 reaches a temperature corresponding to the reduced atmospheric pressure (saturated vapor pressure). Go down. When the temperature of the liquid in the second condensing evaporation container 21 is lowered, the second cooling stage 8 is cooled through the second lower heat switch 24, and the cooling temperature of 0.3K is maintained. The liquid in the second condensing evaporation vessel 21 is gradually vaporized by the heat transmitted from the second cooling stage 8 to the second condensing evaporation vessel 21, and the vaporized refrigerant is the second adsorber 20. It is sent from the second condensation evaporation container 21 to the second adsorber 20 by the reduced pressure inside.

一方で、第1の吸着式冷凍機3では、ヒーター27の加熱により吸着材26を十分に加熱されることで、ステップS4に戻り再び脱着工程に入る。以上の工程を繰り返すことにより、第2の冷却ステージ8について連続した冷却温度の維持が実現され、常時冷却状態が可能となる。   On the other hand, in the first adsorption refrigeration machine 3, the adsorbent 26 is sufficiently heated by the heating of the heater 27, so that the process returns to step S <b> 4 and enters the desorption process again. By repeating the above steps, it is possible to maintain a continuous cooling temperature for the second cooling stage 8 and to enable a constant cooling state.

以上説明した本実施形態に係る冷凍装置1によれば、第2の冷却ステージ8を冷却する二台の吸着式冷凍機3,4を並列して備えることにより、第1の吸着式冷凍機3が脱着工程に入っても、第2の吸着式冷凍機で吸着工程を行うことによって冷却することができるので、温度上昇を生じることなく長時間連続して第2の冷却ステージ8の冷却状態を維持することができる。また、この冷凍装置1では、二台の吸着式冷凍機3,4をそれぞれ独立させ、第2の冷却ステージ8においてのみ接続する構成とすることで、装置構成の簡素化を図ることができる。   According to the refrigeration apparatus 1 according to the present embodiment described above, the first adsorption refrigeration machine 3 is provided by providing two adsorption refrigeration machines 3 and 4 for cooling the second cooling stage 8 in parallel. Can be cooled by performing the adsorption step with the second adsorption refrigerator, so that the cooling state of the second cooling stage 8 can be continuously continued for a long time without causing a temperature rise. Can be maintained. In the refrigeration apparatus 1, the two adsorption refrigeration machines 3 and 4 can be made independent and connected only at the second cooling stage 8, whereby the apparatus configuration can be simplified.

また、この冷凍装置1によれば、機械式のヒートスイッチを備える場合と比べて、装置を小型化することができる。また、ガスギャップ式のヒートスイッチは、機械式のヒートスイッチと比べて熱収縮による熱伝達部の変形もなく、熱伝達の信頼性も高い。   Moreover, according to this refrigeration apparatus 1, compared with the case where a mechanical heat switch is provided, an apparatus can be reduced in size. In addition, the gas gap type heat switch has no deformation of the heat transfer part due to thermal contraction and high heat transfer reliability compared to the mechanical heat switch.

更に、この冷凍装置1によれば、第1の側部ヒートスイッチ15及び第2の側部ヒートスイッチ25を備えることで、脱着工程において第1の冷却ステージ7及び凝縮蒸発容器11,21の間を熱伝導状態に切り替えることにより、第1の冷却ステージ7の冷却温度を利用して冷媒を凝縮蒸発容器11,21内で効率的に凝縮することができるので、装置の冷却効率を向上させることができる。また、第1の側部ヒートスイッチ15及び第2の側部ヒートスイッチ25をシールド9と接続する構成とすることで、これらの側部ヒートスイッチ15,25を含む熱接続部材の長さを短縮することができ、装置構成の簡素化及び低コスト化に有利である。   Further, according to the refrigeration apparatus 1, the first side heat switch 15 and the second side heat switch 25 are provided, so that the first cooling stage 7 and the condensing evaporation containers 11 and 21 are separated in the desorption process. By switching to the heat conduction state, it is possible to efficiently condense the refrigerant in the condensing evaporation containers 11 and 21 using the cooling temperature of the first cooling stage 7, thereby improving the cooling efficiency of the apparatus. Can do. Moreover, the length of the heat connecting member including these side heat switches 15 and 25 is shortened by connecting the first side heat switch 15 and the second side heat switch 25 to the shield 9. This is advantageous for simplifying the device configuration and reducing the cost.

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、吸着式冷凍機の数は三台以上であってもよく、各構成要素の配置は上述したものに限られない。また、ヒートスイッチは必ずしもガスギャップ式である必要はなく、機械式や超伝導式を採用してもよい。ヒーターは電熱式に限られず、種々の加熱手段を採用可能である。また、上述した実施形態のヒートスイッチおける上部、下部、側部の区別は便宜的なものであり、実際の冷凍装置の上下と一致する必要はない。   The present invention is not limited to the embodiment described above. For example, the number of adsorption type refrigerators may be three or more, and the arrangement of each component is not limited to that described above. The heat switch is not necessarily a gas gap type, and may be a mechanical type or a superconducting type. The heater is not limited to the electric heating type, and various heating means can be employed. Further, the distinction between the upper part, the lower part, and the side part in the heat switch of the above-described embodiment is convenient, and does not need to coincide with the upper and lower sides of the actual refrigeration apparatus.

1…冷凍装置 2…前段冷凍機 3…第1の吸着式冷凍機 4…第2の吸着式冷凍機 5…断熱消磁冷凍機 7…第1の冷却ステージ 8…第2の冷却ステージ 9…シールド 10…第1の吸着器 11…第1の凝縮蒸発容器 12…第1のチューブ 13…第1の上部ヒートスイッチ(第1のヒートスイッチ) 14…第1の下部ヒートスイッチ(第2のヒートスイッチ) 15…第1の側部ヒートスイッチ(第3のヒートスイッチ) 16…吸着材 17…ヒーター(加熱手段) 18,19,28,29…フレキシブル熱パス 20…第2の吸着器 21…第2の凝縮蒸発容器 22…第2のチューブ 23…第2の上部ヒートスイッチ(第1のヒートスイッチ) 24…第2の下部ヒートスイッチ(第2のヒートスイッチ) 25…第2の側部ヒートスイッチ(第3のヒートスイッチ) 26…第2の吸着材 27…ヒーター(加熱手段) 31…第3の冷却ステージ T…制御部(制御手段)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Refrigeration apparatus 2 ... Previous stage refrigerator 3 ... 1st adsorption-type refrigerator 4 ... 2nd adsorption-type refrigerator 5 ... Adiabatic demagnetization refrigerator 7 ... 1st cooling stage 8 ... 2nd cooling stage 9 ... Shield DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... 1st adsorption device 11 ... 1st condensation evaporation container 12 ... 1st tube 13 ... 1st upper heat switch (1st heat switch) 14 ... 1st lower heat switch (2nd heat switch) 15 ... 1st side part heat switch (3rd heat switch) 16 ... Adsorbent 17 ... Heater (heating means) 18, 19, 28, 29 ... Flexible heat path 20 ... 2nd adsorber 21 ... 2nd 22 ... second tube 23 ... second upper heat switch (first heat switch) 24 ... second lower heat switch (second heat switch) 25 ... second side heat switch ( First 3 ... 26 ... 2nd adsorbent 27 ... Heater (heating means) 31 ... 3rd cooling stage T ... Control part (control means)

Claims (4)

第1の冷却ステージを冷却する前段冷凍機と、
前記第1の冷却ステージと第2の冷却ステージとの間に並列に設けられ、前記第2の冷却ステージを冷却する少なくとも二台の吸着式冷凍機と、
前記少なくとも二台の吸着式冷凍機を制御する制御手段と、
を備え、
前記吸着式冷凍機は、
冷媒を吸着及び脱着することが可能な吸着材及び前記吸着材を加熱する加熱手段を有する吸着器と、
チューブを通じて前記吸着器に接続され、前記冷媒の凝縮及び蒸発が行われる凝縮蒸発容器と、
前記第1の冷却ステージ及び前記吸着器の間を熱伝導状態と熱絶縁状態とのどちらかに切り替える第1のヒートスイッチと、
前記凝縮蒸発容器及び前記第2の冷却ステージの間を熱伝導状態と熱絶縁状態とのどちらかに切り替える第2のヒートスイッチと、
を有し、
前記制御手段は、一台の前記吸着式冷凍機において前記第2のヒートスイッチを熱絶縁状態として前記加熱手段の加熱により前記冷媒を前記吸着材から脱着する間、他の吸着式冷凍機において前記第2のヒートスイッチを熱伝導状態として前記冷媒を前記吸着材に吸着させる、冷凍装置。
A pre-stage refrigerator that cools the first cooling stage;
At least two adsorption refrigeration units provided in parallel between the first cooling stage and the second cooling stage and cooling the second cooling stage;
Control means for controlling the at least two adsorption refrigerators;
With
The adsorption refrigerator is
An adsorber having an adsorbent capable of adsorbing and desorbing refrigerant and a heating means for heating the adsorbent;
A condensing and evaporating vessel connected to the adsorber through a tube to condense and evaporate the refrigerant;
A first heat switch that switches between the first cooling stage and the adsorber between a heat conduction state and a heat insulation state;
A second heat switch for switching between a heat conduction state and a heat insulation state between the condensation evaporation container and the second cooling stage;
I have a,
The control means may be configured so that the second heat switch is in a thermally insulated state in one of the adsorption chillers while the refrigerant is desorbed from the adsorbent by heating the heating means in the other adsorption chillers. A refrigeration apparatus in which the refrigerant is adsorbed on the adsorbent with the second heat switch in a heat conducting state .
第1の冷却ステージを冷却する前段冷凍機と、
前記第1の冷却ステージと第2の冷却ステージとの間に並列に設けられ、前記第2の冷却ステージを冷却する少なくとも二台の吸着式冷凍機と、
を備え、
前記吸着式冷凍機は、
冷媒を吸着及び脱着することが可能な吸着材及び前記吸着材を加熱する加熱手段を有する吸着器と、
チューブを通じて前記吸着器に接続され、前記冷媒の凝縮及び蒸発が行われる凝縮蒸発容器と、
前記第1の冷却ステージ及び前記吸着器の間を熱伝導状態と熱絶縁状態とのどちらかに切り替える第1のヒートスイッチと、
前記凝縮蒸発容器及び前記第2の冷却ステージの間を熱伝導状態と熱絶縁状態とのどちらかに切り替える第2のヒートスイッチと、
前記第1の冷却ステージ及び前記凝縮蒸発容器の間を熱伝導状態と熱絶縁状態とのどちらかに切り替える第3のヒートスイッチと、を有する、冷凍装置。
A pre-stage refrigerator that cools the first cooling stage;
At least two adsorption refrigeration units provided in parallel between the first cooling stage and the second cooling stage and cooling the second cooling stage;
With
The adsorption refrigerator is
An adsorber having an adsorbent capable of adsorbing and desorbing refrigerant and a heating means for heating the adsorbent;
A condensing and evaporating vessel connected to the adsorber through a tube to condense and evaporate the refrigerant;
A first heat switch that switches between the first cooling stage and the adsorber between a heat conduction state and a heat insulation state;
A second heat switch for switching between a heat conduction state and a heat insulation state between the condensation evaporation container and the second cooling stage;
A refrigeration apparatus comprising: a third heat switch that switches between the first cooling stage and the condensation evaporation container between a heat conduction state and a heat insulation state.
前記吸着式冷凍機及び前記第2の冷却ステージを収容し、前記第1の冷却ステージと接続するシールドを更に備え、
前記第3のヒートスイッチは、前記シールド及び前記凝縮蒸発容器の間を熱伝導状態と熱絶縁状態とのどちらかに切り替える、請求項2に記載の冷凍装置。
Further comprising a shield for accommodating the adsorption refrigerator and the second cooling stage and connected to the first cooling stage;
The refrigeration apparatus according to claim 2, wherein the third heat switch switches between the shield and the condensing evaporation container between a heat conduction state and a heat insulation state.
前記第1のヒートスイッチ及び前記第2のヒートスイッチは、ガスギャップ式のヒートスイッチである、請求項1に記載の冷凍装置。 The refrigeration apparatus according to claim 1 , wherein the first heat switch and the second heat switch are gas gap heat switches.
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