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JP6975015B2 - Cryogenic system - Google Patents
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Description

本発明は、極低温システムに関する。 The present invention relates to cryogenic systems.

従来から、天文観測などに使用される高感度の電磁波検出素子またはその他の被冷却物を所望の極低温に冷却するために、ジュール・トムソン(Joule-Thomson;JT)冷凍機を備える極低温システムが利用されている。極低温システムは通例、JT冷凍機を予冷する予冷機を備える。予冷機としては典型的に、二段スターリング(Stirling)冷凍機や二段ギフォード・マクマホン(Gifford-McMahon;GM)冷凍機などの二段の機械式冷凍機が使用されうる。このような極低温システムは、被冷却物を例えば1K〜4Kの温度域に冷却することができる。 A very low temperature system equipped with a Joule-Thomson (JT) refrigerator to cool a highly sensitive electromagnetic wave detection element or other object to be cooled, which is conventionally used for astronomical observation, to a desired extremely low temperature. Is being used. Cryogenic systems are usually equipped with a precooler that precools the JT refrigerator. As the precooler, a two-stage mechanical refrigerator such as a two-stage Stirling refrigerator or a two-stage Gifford-McMahon (GM) refrigerator can be typically used. Such a cryogenic system can cool the object to be cooled to, for example, a temperature range of 1K to 4K.

特開平4−44202号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 4-444202

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、極低温システムの効率の改善を図ることにある。 One exemplary object of an aspect of the invention is to improve the efficiency of a cryogenic system.

本発明のある態様によると、極低温システムは、一段冷却ステージを備える単段予冷機と、一段冷却ステージと二段冷却ステージとを備える二段予冷機と、前記単段予冷機の一段冷却ステージによって冷却される一段予冷部と、前記二段冷却ステージによって冷却される二段予冷部と、を備えるJT冷凍機と、を備える。前記単段予冷機は、単段スターリング冷凍機または単段スターリング型パルス管冷凍機であり、第1運転周波数で運転される。前記二段予冷機は、二段スターリング冷凍機または二段スターリング型パルス管冷凍機であり、前記第1運転周波数より低い第2運転周波数で運転される。前記一段予冷部は、前記単段予冷機の一段冷却ステージに熱的に結合され、前記二段予冷機の一段冷却ステージから熱的に切り離されている。 According to an aspect of the present invention, the cryogenic system includes a single-stage precooler including a one-stage cooling stage, a two-stage precooler including a one-stage cooling stage and a two-stage cooling stage, and a one-stage cooling stage of the single-stage precooler. A JT refrigerator including a one-stage precooling unit cooled by the two-stage precooling unit and a two-stage precooling unit cooled by the two-stage cooling stage. The single-stage precooler is a single-stage Stirling refrigerator or a single-stage Stirling type pulse tube refrigerator, and is operated at the first operating frequency. The two-stage precooler is a two-stage Stirling refrigerator or a two-stage Stirling type pulse tube refrigerator, and is operated at a second operating frequency lower than the first operating frequency. The one-stage precooling unit is thermally coupled to the one-stage cooling stage of the single-stage precooler and thermally separated from the one-stage cooling stage of the two-stage precooler.

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。 It should be noted that any combination of the above components or components or expressions of the present invention that are mutually replaced between methods, devices, systems, etc. are also effective as aspects of the present invention.

本発明によれば、極低温システムの効率の改善を図ることができる。 According to the present invention, the efficiency of the cryogenic system can be improved.

実施の形態に係る極低温システムを概略的に示す図である。It is a figure which shows schematically the cryogenic system which concerns on embodiment.

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。説明および図面において同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施の形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description and drawings, the same or equivalent components, members, and processes are designated by the same reference numerals, and duplicate description will be omitted as appropriate. The scales and shapes of the illustrated parts are set for convenience of explanation and are not limitedly interpreted unless otherwise specified. The embodiments are exemplary and do not limit the scope of the invention in any way. Not all features and combinations thereof described in the embodiments are essential to the invention.

図1は、実施の形態に係る極低温システム10を概略的に示す図である。極低温システム10は、単段予冷機12、二段予冷機14、JT冷凍機16、真空容器18、一段輻射シールド20、二段輻射シールド22、および、被冷却物24を冷却する極低温冷却部26を備える。 FIG. 1 is a diagram schematically showing a cryogenic system 10 according to an embodiment. The cryogenic system 10 is a cryogenic cooling that cools the single-stage precooler 12, the two-stage precooler 14, the JT refrigerator 16, the vacuum vessel 18, the one-stage radiation shield 20, the two-stage radiation shield 22, and the object to be cooled 24. A unit 26 is provided.

単段予冷機12、二段予冷機14、およびJT冷凍機16それぞれの常温部が真空容器18の外に配置され、単段予冷機12、二段予冷機14、およびJT冷凍機16それぞれの低温部が真空容器18の中に配置されるようにして、単段予冷機12、二段予冷機14、およびJT冷凍機16は、真空容器18に設置されている。単段予冷機12、二段予冷機14、およびJT冷凍機16の例示的な構成は後述する。 The normal temperature part of each of the single-stage precooler 12, the two-stage precooler 14, and the JT refrigerator 16 is arranged outside the vacuum vessel 18, and the single-stage precooler 12, the two-stage precooler 14, and the JT refrigerator 16 are each arranged. The single-stage precooler 12, the two-stage precooler 14, and the JT refrigerator 16 are installed in the vacuum container 18 so that the low temperature portion is arranged in the vacuum container 18. An exemplary configuration of the single-stage precooler 12, the two-stage precooler 14, and the JT refrigerator 16 will be described later.

真空容器18は、クライオスタットなどの極低温真空容器であり、一段輻射シールド20および二段輻射シールド22を収容する。真空容器18と一段輻射シールド20の間には多層断熱材などの断熱材が配置されていてもよい。一段輻射シールド20は、二段輻射シールド22、被冷却物24、および極低温冷却部26を囲むように真空容器18内に配置され、二段輻射シールド22、被冷却物24、および極低温冷却部26への輻射熱の入射を抑制する。二段輻射シールド22は、被冷却物24および極低温冷却部26を囲むように真空容器18内(具体的には一段輻射シールド20内)に配置され、被冷却物24および極低温冷却部26への輻射熱の入射を抑制する。 The vacuum vessel 18 is an ultra-low temperature vacuum vessel such as a cryostat, and accommodates a one-stage radiation shield 20 and a two-stage radiation shield 22. A heat insulating material such as a multi-layer heat insulating material may be arranged between the vacuum container 18 and the one-stage radiation shield 20. The one-stage radiant shield 20 is arranged in the vacuum vessel 18 so as to surround the two-stage radiant shield 22, the object to be cooled 24, and the ultra-low temperature cooling unit 26, and the two-stage radiant shield 22, the object to be cooled 24, and the ultra-low temperature cooling are cooled. Suppresses the incident of radiant heat on the unit 26. The two-stage radiant shield 22 is arranged in the vacuum vessel 18 (specifically, in the one-stage radiant shield 20) so as to surround the object to be cooled 24 and the ultra-low temperature cooling unit 26, and the object to be cooled 24 and the ultra-low temperature cooling unit 26 are arranged. Suppresses the incident of radiant heat on.

一例として、被冷却物24は、赤外線、サブミリ波、X線、またはその他の電磁波を検出する検出素子であり、こうした検出素子は、天文観測に使用される観測装置の構成要素である。真空容器18、一段輻射シールド20、および二段輻射シールド22には、検出素子により検出されるべき電磁波が透過する観測窓28が設けられている。従って、極低温システム10の外から観測窓28を通じて電磁波が検出素子に入射することができる。 As an example, the object to be cooled 24 is a detection element that detects infrared rays, submillimeter waves, X-rays, or other electromagnetic waves, and such a detection element is a component of an observation device used for astronomical observation. The vacuum vessel 18, the one-stage radiation shield 20, and the two-stage radiation shield 22 are provided with an observation window 28 through which an electromagnetic wave to be detected by a detection element is transmitted. Therefore, electromagnetic waves can be incident on the detection element from outside the cryogenic system 10 through the observation window 28.

極低温冷却部26は、JT冷凍機16によって冷却される。極低温冷却部26は、JT冷凍機16の冷却ステージとも呼ばれる。被冷却物24は、極低温冷却部26と物理的に接触して熱的に結合し、または、伝熱部材を介して極低温冷却部26と熱的に結合している。極低温冷却部26は、例えば4K未満(例えば1K〜4K)の温度域に冷却可能であり、よって被冷却物24を当該温度域に冷却することができる。 The cryogenic cooling unit 26 is cooled by the JT refrigerator 16. The cryogenic cooling unit 26 is also called a cooling stage of the JT refrigerator 16. The object to be cooled 24 is physically in contact with the ultra-low temperature cooling unit 26 and thermally coupled, or is thermally coupled to the ultra-low temperature cooling unit 26 via a heat transfer member. The ultra-low temperature cooling unit 26 can be cooled in a temperature range of, for example, less than 4K (for example, 1K to 4K), and thus the object to be cooled 24 can be cooled in the temperature range.

極低温システム10は、上述の電磁波検出素子を有する観測装置とともに、例えば人工衛星などの宇宙機に搭載可能とされている。極低温システム10は、そうした観測装置を備える地上設備に搭載されてもよい。極低温システム10は、極低温環境が望まれる例えば超伝導装置またはその他の装置とともに宇宙機または地上設備に搭載されてもよい。 The cryogenic system 10 can be mounted on a spacecraft such as an artificial satellite together with an observation device having the above-mentioned electromagnetic wave detecting element. The cryogenic system 10 may be mounted on a ground facility equipped with such an observation device. The cryogenic system 10 may be mounted on a spacecraft or ground equipment together with, for example, a superconducting device or other device for which a cryogenic environment is desired.

単段予冷機12は、単段スターリング冷凍機である。単段予冷機12は、第1圧縮機30と、膨張機としての単段コールドヘッド32と、第1圧縮機30を単段コールドヘッド32と接続する第1接続管34と、を備える。第1接続管34は、第1圧縮機30と単段コールドヘッド32との間で冷媒ガス(例えばヘリウムガス)を流通させるガス流路を提供する。単段コールドヘッド32は、一段冷却ステージ32aを備える。単段予冷機12の常温部は、第1圧縮機30および第1接続管34を含み、単段予冷機12の低温部は、一段冷却ステージ32aを含む。 The single-stage precooler 12 is a single-stage Stirling refrigerator. The single-stage precooler 12 includes a first compressor 30, a single-stage cold head 32 as an expander, and a first connection pipe 34 for connecting the first compressor 30 to the single-stage cold head 32. The first connecting pipe 34 provides a gas flow path for passing a refrigerant gas (for example, helium gas) between the first compressor 30 and the single-stage cold head 32. The single-stage cold head 32 includes a single-stage cooling stage 32a. The room temperature portion of the single-stage precooler 12 includes the first compressor 30 and the first connecting pipe 34, and the low temperature portion of the single-stage precooler 12 includes the one-stage cooling stage 32a.

第1圧縮機30は、冷媒ガスの圧力振動を生成するよう構成されている。生成された圧力振動は第1接続管34を通じて単段コールドヘッド32に伝達される。単段コールドヘッド32は、第1圧縮機30から伝達された圧力振動が単段コールドヘッド32内に当該圧力振動と同一の周波数で位相差を有する圧力振動を誘起するよう構成されている。それにより、第1圧縮機30と単段コールドヘッド32との間に冷凍サイクル(具体的には、逆スターリングサイクル)が形成される。 The first compressor 30 is configured to generate pressure vibration of the refrigerant gas. The generated pressure vibration is transmitted to the single-stage cold head 32 through the first connecting pipe 34. The single-stage cold head 32 is configured such that the pressure vibration transmitted from the first compressor 30 induces a pressure vibration having a phase difference in the single-stage cold head 32 at the same frequency as the pressure vibration. As a result, a refrigeration cycle (specifically, a reverse Stirling cycle) is formed between the first compressor 30 and the single-stage cold head 32.

このようにして、単段予冷機12の一段冷却ステージ32aは、一段冷却温度に冷却される。単段予冷機12の一段冷却温度は、例えば、50K以上150K以下の温度範囲から選択される。一段冷却温度は、例えば80K以上120K以下の温度範囲にあってもよく、例えば100K程度であってもよい。 In this way, the one-stage cooling stage 32a of the single-stage precooler 12 is cooled to the one-stage cooling temperature. The one-stage cooling temperature of the single-stage precooler 12 is selected from, for example, a temperature range of 50K or more and 150K or less. The one-stage cooling temperature may be, for example, in the temperature range of 80K or more and 120K or less, and may be, for example, about 100K.

二段予冷機14は、二段スターリング冷凍機である。二段予冷機14は、第2圧縮機36と、膨張機としての二段コールドヘッド38と、第2圧縮機36を二段コールドヘッド38と接続する第2接続管40と、を備える。第2接続管40は、第2圧縮機36と二段コールドヘッド38との間で冷媒ガス(例えばヘリウムガス)を流通させるガス流路を提供する。二段コールドヘッド38は、一段冷却ステージ38aと二段冷却ステージ38bとを備える。二段予冷機14の常温部は、第2圧縮機36および第2接続管40を含み、二段予冷機14の低温部は、一段冷却ステージ38aおよび二段冷却ステージ38bを含む。二段冷却ステージ38bは一段輻射シールド20内に配置されている。 The two-stage precooler 14 is a two-stage Stirling refrigerator. The two-stage precooler 14 includes a second compressor 36, a two-stage cold head 38 as an expander, and a second connection pipe 40 for connecting the second compressor 36 to the two-stage cold head 38. The second connecting pipe 40 provides a gas flow path for passing a refrigerant gas (for example, helium gas) between the second compressor 36 and the two-stage cold head 38. The two-stage cold head 38 includes a one-stage cooling stage 38a and a two-stage cooling stage 38b. The room temperature portion of the two-stage precooler 14 includes the second compressor 36 and the second connecting pipe 40, and the low temperature portion of the two-stage precooler 14 includes the one-stage cooling stage 38a and the two-stage cooling stage 38b. The two-stage cooling stage 38b is arranged in the one-stage radiation shield 20.

第2圧縮機36は、冷媒ガスの圧力振動を生成するよう構成されている。生成された圧力振動は第2接続管40を通じて二段コールドヘッド38に伝達される。二段コールドヘッド38は、第2圧縮機36から伝達された圧力振動が二段コールドヘッド38内に当該圧力振動と同一の周波数で位相差を有する圧力振動を誘起するよう構成されている。それにより、第2圧縮機36と二段コールドヘッド38との間に冷凍サイクル(具体的には、逆スターリングサイクル)が形成される。 The second compressor 36 is configured to generate pressure vibration of the refrigerant gas. The generated pressure vibration is transmitted to the two-stage cold head 38 through the second connecting pipe 40. The two-stage cold head 38 is configured such that the pressure vibration transmitted from the second compressor 36 induces a pressure vibration having a phase difference in the two-stage cold head 38 at the same frequency as the pressure vibration. As a result, a refrigeration cycle (specifically, a reverse Stirling cycle) is formed between the second compressor 36 and the two-stage cold head 38.

このようにして、二段予冷機14の一段冷却ステージ38aは、一段冷却温度に冷却され、二段冷却ステージ38bは、二段冷却温度に冷却される。二段予冷機14の一段冷却温度は、例えば、50K以上150K以下の温度範囲から選択される。一段冷却温度は、例えば80K以上120K以下の温度範囲にあってもよく、例えば100K程度であってもよい。二段冷却温度は一段冷却温度より低い。二段冷却温度は、例えば、10K以上25K以下の温度範囲から選択される。二段冷却温度は、例えば15K以上20K以下の温度範囲にあってもよく、例えば15K程度であってもよい。 In this way, the one-stage cooling stage 38a of the two-stage precooler 14 is cooled to the one-stage cooling temperature, and the two-stage cooling stage 38b is cooled to the two-stage cooling temperature. The one-stage cooling temperature of the two-stage precooler 14 is selected from, for example, a temperature range of 50K or more and 150K or less. The one-stage cooling temperature may be, for example, in the temperature range of 80K or more and 120K or less, and may be, for example, about 100K. The two-stage cooling temperature is lower than the one-stage cooling temperature. The two-stage cooling temperature is selected from, for example, a temperature range of 10 K or more and 25 K or less. The two-stage cooling temperature may be, for example, in the temperature range of 15K or more and 20K or less, and may be, for example, about 15K.

二段予冷機14の一段冷却温度は、単段予冷機12の一段冷却温度と等しくてもよい。あるいは、二段予冷機14の一段冷却温度は、単段予冷機12の一段冷却温度と異なっていてもよい。例えば、二段予冷機14の一段冷却温度は、単段予冷機12の一段冷却温度より低くてもよい。この場合、二段予冷機14の一段冷却ステージ38aは、一段輻射シールド20内に配置されてもよい。 The one-stage cooling temperature of the two-stage precooler 14 may be equal to the one-stage cooling temperature of the single-stage precooler 12. Alternatively, the one-stage cooling temperature of the two-stage precooler 14 may be different from the one-stage cooling temperature of the single-stage precooler 12. For example, the one-stage cooling temperature of the two-stage precooler 14 may be lower than the one-stage cooling temperature of the single-stage precooler 12. In this case, the one-stage cooling stage 38a of the two-stage precooler 14 may be arranged in the one-stage radiation shield 20.

一段輻射シールド20は、単段予冷機12の一段冷却ステージ32aに熱的に結合され、二段予冷機14の一段冷却ステージ38aから熱的に切り離されている。一段輻射シールド20は、単段予冷機12の一段冷却ステージ32aと物理的に接触して熱的に結合し、または、伝熱部材を介して一段冷却ステージ32aと熱的に結合している。一段輻射シールド20は、二段予冷機14の一段冷却ステージ38aから離れて配置され、一段冷却ステージ38aと物理的に接触していない。一段輻射シールド20は、断熱部材を介して一段冷却ステージ38aに支持されてもよい。このようにして、一段輻射シールド20は、単段予冷機12の一段冷却ステージ32aによって単段予冷機12の一段冷却温度に冷却される。 The one-stage radiation shield 20 is thermally coupled to the one-stage cooling stage 32a of the single-stage precooler 12 and thermally separated from the one-stage cooling stage 38a of the two-stage precooler 14. The one-stage radiation shield 20 is physically in contact with the one-stage cooling stage 32a of the single-stage precooler 12 and thermally coupled, or is thermally coupled to the one-stage cooling stage 32a via a heat transfer member. The one-stage radiation shield 20 is arranged away from the one-stage cooling stage 38a of the two-stage precooler 14, and is not in physical contact with the one-stage cooling stage 38a. The one-stage radiation shield 20 may be supported by the one-stage cooling stage 38a via a heat insulating member. In this way, the one-stage radiation shield 20 is cooled to the one-stage cooling temperature of the single-stage precooler 12 by the one-stage cooling stage 32a of the single-stage precooler 12.

二段輻射シールド22は、二段予冷機14の二段冷却ステージ38bに熱的に結合されている。二段輻射シールド22は、二段冷却ステージ38bと物理的に接触して熱的に結合し、または、伝熱部材を介して二段冷却ステージ38bと熱的に結合している。このようにして、二段輻射シールド22は、二段冷却ステージ38bによって二段予冷機14の二段冷却温度に冷却される。 The two-stage radiation shield 22 is thermally coupled to the two-stage cooling stage 38b of the two-stage precooler 14. The two-stage radiation shield 22 is physically in contact with the two-stage cooling stage 38b and thermally coupled to the two-stage cooling stage 38b, or is thermally coupled to the two-stage cooling stage 38b via a heat transfer member. In this way, the two-stage radiation shield 22 is cooled to the two-stage cooling temperature of the two-stage precooler 14 by the two-stage cooling stage 38b.

JT冷凍機16は、JT圧縮システム46、熱交換器群48、一段予冷部50、二段予冷部52、JTバルブ54、およびこれら構成要素を接続する冷媒循環ライン56を備える。JT冷凍機16を循環する冷媒は、例えば、ヘリウム(ヘリウム3またはヘリウム4)である。熱交換器群48は、一連の対向流熱交換器(48a〜48c)からなる。冷媒循環ライン56は、JT圧縮システム46の吐出側を極低温冷却部26の供給側に接続する冷媒供給ライン56aと、極低温冷却部26の回収側をJT圧縮システム46の吸入側に接続する冷媒回収ライン56bと、を備える。冷媒循環ライン56は単段予冷機12および二段予冷機14のいずれからも流体的に隔離されている。 The JT refrigerator 16 includes a JT compression system 46, a heat exchanger group 48, a one-stage precooling unit 50, a two-stage precooling unit 52, a JT valve 54, and a refrigerant circulation line 56 connecting these components. The refrigerant circulating in the JT refrigerator 16 is, for example, helium (helium 3 or helium 4). The heat exchanger group 48 includes a series of countercurrent heat exchangers (48a to 48c). The refrigerant circulation line 56 connects the discharge side of the JT compression system 46 to the supply side of the ultra-low temperature cooling unit 26 and the recovery side of the ultra-low temperature cooling unit 26 to the suction side of the JT compression system 46. A refrigerant recovery line 56b is provided. The refrigerant circulation line 56 is fluidly isolated from both the single-stage precooler 12 and the two-stage precooler 14.

JT圧縮システム46は、冷媒回収ライン56bから回収される冷媒ガスを昇圧して冷媒供給ライン56aに送出するよう構成されている。JT圧縮システム46は、冷媒循環ライン56において冷媒を循環させる冷媒源として働く。JT圧縮システム46は、真空容器18の外に配置されている。 The JT compression system 46 is configured to increase the pressure of the refrigerant gas recovered from the refrigerant recovery line 56b and send it to the refrigerant supply line 56a. The JT compression system 46 acts as a refrigerant source for circulating the refrigerant in the refrigerant circulation line 56. The JT compression system 46 is located outside the vacuum vessel 18.

一例として、JT圧縮システム46は、直列に接続された一段JT圧縮機46aおよび二段JT圧縮機46bを有する二段の圧縮構成を備える。冷媒供給ライン56aからJT圧縮システム46には、例えば大気圧程度の低圧の冷媒ガスが回収される。一段JT圧縮機46aは、回収された冷媒ガスを例えば数気圧程度に昇圧することができる。二段JT圧縮機46bは、一段JT圧縮機46aにより昇圧された冷媒ガスを例えば数十気圧程度に昇圧することができる。こうして得られた高圧の冷媒ガスは、JT圧縮システム46から冷媒供給ライン56aに送出される。JT圧縮システム46は、その他の多段圧縮構成を有してもよいし、単段の圧縮構成を有してもよい。 As an example, the JT compression system 46 comprises a two-stage compression configuration having a one-stage JT compressor 46a and a two-stage JT compressor 46b connected in series. A low-pressure refrigerant gas of, for example, about atmospheric pressure is recovered from the refrigerant supply line 56a to the JT compression system 46. The one-stage JT compressor 46a can boost the recovered refrigerant gas to, for example, about several atmospheres. The two-stage JT compressor 46b can boost the refrigerant gas boosted by the one-stage JT compressor 46a to, for example, about several tens of atmospheres. The high-pressure refrigerant gas thus obtained is sent from the JT compression system 46 to the refrigerant supply line 56a. The JT compression system 46 may have other multi-stage compression configurations or may have a single-stage compression configuration.

冷媒循環ライン56において熱交換器群48は、JT圧縮システム46と極低温冷却部26の間に配置されている。熱交換器群48は、第1熱交換器48a、第2熱交換器48b、および第3熱交換器48cを有する三段構成を備える。第1熱交換器48aは、真空容器18の外から真空容器18内に流入する高温(例えば常温、例えば約300K)の冷媒ガスを冷却する。第2熱交換器48bは、第1熱交換器48aおよび一段予冷部50により冷却された冷媒をさらに冷却する。第3熱交換器48cは、第2熱交換器48bおよび二段予冷部52により冷却された冷媒をさらに冷却する。熱交換器群48は、その他の多段構成を有してもよい。 In the refrigerant circulation line 56, the heat exchanger group 48 is arranged between the JT compression system 46 and the ultra-low temperature cooling unit 26. The heat exchanger group 48 includes a three-stage configuration including a first heat exchanger 48a, a second heat exchanger 48b, and a third heat exchanger 48c. The first heat exchanger 48a cools the high-temperature (for example, normal temperature, for example, about 300 K) refrigerant gas flowing into the vacuum vessel 18 from the outside of the vacuum vessel 18. The second heat exchanger 48b further cools the refrigerant cooled by the first heat exchanger 48a and the one-stage precooling unit 50. The third heat exchanger 48c further cools the refrigerant cooled by the second heat exchanger 48b and the two-stage precooling unit 52. The heat exchanger group 48 may have other multi-stage configurations.

冷媒供給ライン56aが、第1熱交換器48a、第2熱交換器48b、および第3熱交換器48cそれぞれの高圧側流路を有し、冷媒回収ライン56bが、第1熱交換器48a、第2熱交換器48b、および第3熱交換器48cそれぞれの低圧側流路を有する。各熱交換器において高圧側流路と低圧側流路との熱交換により、高圧側流路を流れる冷媒を冷却することができる。高圧側流路、低圧側流路はそれぞれ、高温側流路、低温側流路と呼ぶこともできる。 The refrigerant supply line 56a has high-pressure side channels for each of the first heat exchanger 48a, the second heat exchanger 48b, and the third heat exchanger 48c, and the refrigerant recovery line 56b is the first heat exchanger 48a, Each of the second heat exchanger 48b and the third heat exchanger 48c has a low pressure side flow path. In each heat exchanger, the refrigerant flowing in the high pressure side flow path can be cooled by heat exchange between the high pressure side flow path and the low pressure side flow path. The high-pressure side flow path and the low-pressure side flow path can also be referred to as a high-temperature side flow path and a low-temperature side flow path, respectively.

第1熱交換器48aは、真空容器18と一段輻射シールド20の間、すなわち、真空容器18の内側で一段輻射シールド20の外側のスペースに配置されている。第2熱交換器48bは、一段輻射シールド20と二段輻射シールド22の間、すなわち、一段輻射シールド20の内側で二段輻射シールド22の外側のスペースに配置されている。第3熱交換器48cは、二段輻射シールド22の内側に配置されている。 The first heat exchanger 48a is arranged between the vacuum vessel 18 and the one-stage radiation shield 20, that is, in the space inside the vacuum vessel 18 and outside the one-stage radiation shield 20. The second heat exchanger 48b is arranged between the one-stage radiation shield 20 and the two-stage radiation shield 22, that is, in the space inside the one-stage radiation shield 20 and outside the two-stage radiation shield 22. The third heat exchanger 48c is arranged inside the two-stage radiation shield 22.

一段予冷部50は、単段予冷機12の一段冷却ステージ32aに熱的に結合され、二段予冷機14の一段冷却ステージ38aから熱的に切り離されている。一段予冷部50を流れる冷媒は、単段予冷機12の一段冷却ステージ32aとの熱交換により冷却される。冷媒供給ライン56aにおいて一段予冷部50は、第1熱交換器48aと第2熱交換器48bとの間に配置されている。 The one-stage precooling unit 50 is thermally coupled to the one-stage cooling stage 32a of the single-stage precooler 12, and is thermally separated from the one-stage cooling stage 38a of the two-stage precooler 14. The refrigerant flowing through the one-stage precooling unit 50 is cooled by heat exchange with the one-stage cooling stage 32a of the single-stage precooler 12. In the refrigerant supply line 56a, the one-stage precooling unit 50 is arranged between the first heat exchanger 48a and the second heat exchanger 48b.

二段予冷部52は、二段予冷機14の二段冷却ステージ38bに熱的に結合されている。二段予冷部52を流れる冷媒は、二段冷却ステージ38bにより冷却される。冷媒供給ライン56aにおいて二段予冷部52は、第2熱交換器48bと第3熱交換器48cとの間に配置されている。 The two-stage precooling unit 52 is thermally coupled to the two-stage cooling stage 38b of the two-stage precooler 14. The refrigerant flowing through the two-stage precooling unit 52 is cooled by the two-stage cooling stage 38b. In the refrigerant supply line 56a, the two-stage precooling unit 52 is arranged between the second heat exchanger 48b and the third heat exchanger 48c.

冷媒供給ライン56aにおいてJTバルブ54は、熱交換器群48の最終段の熱交換器(本例では第3熱交換器48c)と極低温冷却部26との間に配置されている。JTバルブ54は、例えば、固定オリフィスである。 In the refrigerant supply line 56a, the JT valve 54 is arranged between the heat exchanger (third heat exchanger 48c in this example) at the final stage of the heat exchanger group 48 and the ultra-low temperature cooling unit 26. The JT valve 54 is, for example, a fixed orifice.

また、JT冷凍機16は、JTバルブ54を迂回するバイパス路58を備え、バイパス路58は、バイパスバルブ60を備える。一例として、バイパス路58は、二段予冷部52と第3熱交換器48cとの間で冷媒供給ライン56aから分岐し、JTバルブ54と極低温冷却部26との間で冷媒供給ライン56aに再び合流する。バイパスバルブ60は、例えばガス圧駆動式の開閉バルブである。バイパスバルブ60は、電磁式、機械式、手動またはその他の駆動方式の開閉バルブであってもよい。 Further, the JT refrigerator 16 includes a bypass path 58 that bypasses the JT valve 54, and the bypass path 58 includes a bypass valve 60. As an example, the bypass path 58 branches from the refrigerant supply line 56a between the two-stage precooling unit 52 and the third heat exchanger 48c, and becomes the refrigerant supply line 56a between the JT valve 54 and the ultra-low temperature cooling unit 26. Meet again. The bypass valve 60 is, for example, a gas pressure driven open / close valve. The bypass valve 60 may be an electromagnetic, mechanical, manual or other drive open / close valve.

バイパスバルブ60が開いているとき冷媒はバイパス路58を流れ、バイパスバルブ60が閉じているとき冷媒はJTバルブ54を流れる。バイパスバルブ60は、JT冷凍機16の始動時にJT冷凍機16を単段予冷機12および二段予冷機14を使用して予冷するために開かれる。JT冷凍機16の定常運転時には、バイパスバルブ60は閉鎖される。 When the bypass valve 60 is open, the refrigerant flows through the bypass path 58, and when the bypass valve 60 is closed, the refrigerant flows through the JT valve 54. The bypass valve 60 is opened to precool the JT refrigerator 16 using the single-stage precooler 12 and the two-stage precooler 14 when the JT refrigerator 16 is started. During steady operation of the JT refrigerator 16, the bypass valve 60 is closed.

JT冷凍機16の定常運転では、以下のように冷媒循環ライン56を冷媒が流れる。JT圧縮システム46で圧縮された高圧冷媒は、最初に第1熱交換器48aの高圧側流路に供給される。第1熱交換器48aの高圧側流路を流れる高圧冷媒は、第1熱交換器48aの低圧側流路を流れる戻りの低圧冷媒と熱交換して冷却される。第1熱交換器48aで冷却された高圧冷媒は冷媒供給ライン56aを通じて一段予冷部50に流入する。 In the steady operation of the JT refrigerator 16, the refrigerant flows through the refrigerant circulation line 56 as follows. The high-pressure refrigerant compressed by the JT compression system 46 is first supplied to the high-pressure side flow path of the first heat exchanger 48a. The high-pressure refrigerant flowing through the high-pressure side flow path of the first heat exchanger 48a exchanges heat with the returning low-pressure refrigerant flowing through the low-pressure side flow path of the first heat exchanger 48a to be cooled. The high-pressure refrigerant cooled by the first heat exchanger 48a flows into the one-stage precooling unit 50 through the refrigerant supply line 56a.

高圧冷媒は一段予冷部50において単段予冷機12の一段冷却ステージ32aによって冷却され、第2熱交換器48bの高圧側流路へ送り込まれる。第2熱交換器48bの高圧側流路を流れる高圧冷媒は、第2熱交換器48bの低圧側流路を流れる戻りの低圧冷媒と熱交換して冷却される。第2熱交換器48bで冷却された高圧冷媒は冷媒供給ライン56aを通じて二段予冷部52に流入する。 The high-pressure refrigerant is cooled by the one-stage cooling stage 32a of the single-stage precooler 12 in the one-stage precooling unit 50, and is sent to the high-pressure side flow path of the second heat exchanger 48b. The high-pressure refrigerant flowing through the high-pressure side flow path of the second heat exchanger 48b exchanges heat with the returning low-pressure refrigerant flowing through the low-pressure side flow path of the second heat exchanger 48b to be cooled. The high-pressure refrigerant cooled by the second heat exchanger 48b flows into the two-stage precooling unit 52 through the refrigerant supply line 56a.

高圧冷媒は二段予冷部52において二段予冷機14の二段冷却ステージ38bによって冷却され、第3熱交換器48cの高圧側流路へ送り込まれる。第3熱交換器48cの高圧側流路を流れる高圧冷媒は、第3熱交換器48cの低圧側流路を流れる戻りの低圧冷媒と熱交換して冷却される。こうして、高圧冷媒は、ジュール・トムソン効果が期待される温度以下まで冷却され、JTバルブ54へと送られる。 The high-pressure refrigerant is cooled by the two-stage cooling stage 38b of the two-stage precooler 14 in the two-stage precooling unit 52, and is sent to the high-pressure side flow path of the third heat exchanger 48c. The high-pressure refrigerant flowing through the high-pressure side flow path of the third heat exchanger 48c exchanges heat with the returning low-pressure refrigerant flowing through the low-pressure side flow path of the third heat exchanger 48c to be cooled. In this way, the high-pressure refrigerant is cooled to a temperature below the temperature at which the Joule-Thomson effect is expected, and is sent to the JT valve 54.

この冷却された高圧冷媒は、JTバルブ54を通過するとき、ジュール・トムソン効果によりミスト状の気液混合状態の低圧冷媒となり、液化冷媒の温度域での冷却能力を発生させる。ミスト状低圧冷媒は極低温冷却部26に送られる。上述のように冷媒がヘリウムである場合、極低温冷却部26を液体ヘリウム温度域に冷却し、それにより被冷却物24を当該温度に冷却することができる。 When the cooled high-pressure refrigerant passes through the JT valve 54, it becomes a low-pressure refrigerant in a mist-like gas-liquid mixed state due to the Joule-Thomson effect, and generates a cooling capacity in the temperature range of the liquefied refrigerant. The mist-like low-pressure refrigerant is sent to the ultra-low temperature cooling unit 26. When the refrigerant is helium as described above, the cryogenic cooling unit 26 can be cooled to the liquid helium temperature range, whereby the object to be cooled 24 can be cooled to the temperature.

極低温冷却部26を冷却する際にミスト状低圧冷媒は蒸発し再び気化する。JTバルブ54において未液化の冷媒および蒸発により気化した冷媒は、第3熱交換器48cの低圧側流路に戻される。低圧冷媒は、冷媒回収ライン56bを、第2熱交換器48b、第1熱交換器48aの順に流れる。このとき低圧冷媒は上述のように、各熱交換器(48c,48b,48a)にて高圧冷媒を冷却しながら昇温される。こうして常温に戻った低圧冷媒は真空容器18を出てJT圧縮システム46に回収され、再び圧縮される。 When the ultra-low temperature cooling unit 26 is cooled, the mist-like low-pressure refrigerant evaporates and vaporizes again. The liquefied refrigerant and the refrigerant vaporized by evaporation in the JT valve 54 are returned to the low pressure side flow path of the third heat exchanger 48c. The low-pressure refrigerant flows through the refrigerant recovery line 56b in the order of the second heat exchanger 48b and the first heat exchanger 48a. At this time, as described above, the low-pressure refrigerant is heated while cooling the high-pressure refrigerant in each heat exchanger (48c, 48b, 48a). The low-pressure refrigerant that has returned to room temperature in this way exits the vacuum vessel 18, is recovered by the JT compression system 46, and is compressed again.

なお、JT冷凍機16は、上述の具体的構成には限られず、種々の典型的な構成を適宜採用することができる。 The JT refrigerator 16 is not limited to the above-mentioned specific configuration, and various typical configurations can be appropriately adopted.

このようにして、極低温システム10は、二段予冷機14の二段冷却温度よりも低い温度、例えば4K未満(例えば1K〜4K)の所望の温度に極低温冷却部26および被冷却物24を冷却することができる。 In this way, the cryogenic system 10 sets the cryogenic cooling unit 26 and the object to be cooled 24 to a temperature lower than the two-stage cooling temperature of the two-stage precooler 14, for example, a desired temperature of less than 4K (for example, 1K to 4K). Can be cooled.

単段予冷機12における冷凍サイクルの単位時間あたりの回数、すなわち、単段コールドヘッド32(または第1圧縮機30)における冷媒ガスの圧力振動の周波数を、本書では「第1運転周波数」と称する。第1運転周波数は、単段予冷機12の力学的特性に基づく。よって、単段予冷機12がある特定の設計を有するとき、第1運転周波数は当該設計に基づく固定値をとる。 The number of refrigeration cycles per unit time in the single-stage precooler 12, that is, the frequency of the pressure vibration of the refrigerant gas in the single-stage cold head 32 (or the first compressor 30) is referred to as the "first operating frequency" in this document. .. The first operating frequency is based on the mechanical characteristics of the single-stage precooler 12. Therefore, when the single-stage precooler 12 has a specific design, the first operating frequency takes a fixed value based on the design.

また、二段予冷機14における冷凍サイクルの単位時間あたりの回数、すなわち、二段コールドヘッド38(または第2圧縮機36)における冷媒ガスの圧力振動の周波数を、本書では「第2運転周波数」と称する。第2運転周波数は、二段予冷機14の力学的特性に基づく。よって、二段予冷機14がある特定の設計を有するとき、第2運転周波数は当該設計に基づく固定値をとる。 Further, the number of refrigeration cycles in the two-stage precooler 14 per unit time, that is, the frequency of the pressure vibration of the refrigerant gas in the two-stage cold head 38 (or the second compressor 36) is referred to as the “second operating frequency” in this document. It is called. The second operating frequency is based on the mechanical characteristics of the two-stage precooler 14. Therefore, when the two-stage precooler 14 has a specific design, the second operating frequency takes a fixed value based on the design.

ところで、二段予冷機14の二段コールドヘッド38などの二段蓄冷式冷凍機のコールドヘッドでは、一段目と二段目で異なる蓄冷材が充填される。一段冷却温度と二段冷却温度それぞれに最適な蓄冷材を用いることができる。一段目と二段目では、冷却温度と蓄冷材の相違に起因して、冷媒ガスとの熱交換効率や圧力損失が異なる。そのため、一段目と二段目では、冷凍効率(例えば、単位消費電力あたりの冷凍能力)を向上する最適な運転周波数が本来異なる。しかし、二段冷凍機は一段目と二段目を同期して駆動するよう構成されているから、一段目と二段目の運転周波数を異ならせることが構造上困難である。したがって、一つの二段冷凍機において一段目と二段目の運転周波数を個別に最適化し難い。例えば、一段目に最適な運転周波数を選択した場合には、その運転周波数は、二段目については最適な運転周波数ではない。 By the way, in the cold head of the two-stage cold storage type refrigerator such as the two-stage cold head 38 of the two-stage precooler 14, different cold storage materials are filled in the first stage and the second stage. Optimal cold storage materials can be used for each of the one-stage cooling temperature and the two-stage cooling temperature. The heat exchange efficiency and pressure loss with the refrigerant gas differ between the first stage and the second stage due to the difference in the cooling temperature and the cold storage material. Therefore, the optimum operating frequency for improving the refrigerating efficiency (for example, the refrigerating capacity per unit power consumption) is originally different between the first stage and the second stage. However, since the two-stage refrigerator is configured to drive the first stage and the second stage in synchronization, it is structurally difficult to make the operating frequencies of the first stage and the second stage different. Therefore, it is difficult to individually optimize the operating frequencies of the first stage and the second stage in one two-stage refrigerator. For example, when the optimum operating frequency is selected for the first stage, the operating frequency is not the optimum operating frequency for the second stage.

一段目の冷凍効率を向上するには高運転周波数が望ましく、二段目の冷凍効率を向上するには低運転周波数が望ましい。その主因は、蓄冷材の熱伝導の時定数、すなわち熱的な応答性が一段目の蓄冷材と二段目の蓄冷材で異なることにある。より低温に適する二段目蓄冷材は一般に、一段目蓄冷材に比べて、熱伝導の時定数がより大きく熱的な応答性が緩やかである。そのため、過剰に高い運転周波数で二段冷凍機を運転しても、二段目の冷却ステージは冷えにくい。 A high operating frequency is desirable to improve the refrigerating efficiency of the first stage, and a low operating frequency is desirable to improve the refrigerating efficiency of the second stage. The main reason for this is that the time constant of heat conduction of the cold storage material, that is, the thermal responsiveness, differs between the first-stage cold storage material and the second-stage cold storage material. The second-stage cold storage material suitable for lower temperature generally has a larger time constant of heat conduction and a slower thermal response than the first-stage cold storage material. Therefore, even if the two-stage refrigerator is operated at an excessively high operating frequency, the second-stage cooling stage is difficult to cool.

単段予冷機12と二段予冷機14は個別の極低温冷凍機として構成され、互いに独立に運転することができる。単段予冷機12と二段予冷機14それぞれの冷媒ガス回路は流体的に相互に隔離されており、単段予冷機12内の冷媒ガス圧力振動と二段予冷機14内の冷媒ガス圧力振動は相互に影響しない。よって、単段予冷機12の第1運転周波数と二段予冷機14の第2運転周波数とを相互に異なる値に設定することができる。 The single-stage precooler 12 and the two-stage precooler 14 are configured as separate cryogenic refrigerators and can be operated independently of each other. The refrigerant gas circuits of the single-stage precooler 12 and the two-stage precooler 14 are fluidly isolated from each other, and the refrigerant gas pressure vibration in the single-stage precooler 12 and the refrigerant gas pressure vibration in the two-stage precooler 14 Does not affect each other. Therefore, the first operating frequency of the single-stage precooler 12 and the second operating frequency of the two-stage precooler 14 can be set to different values from each other.

そこで、本実施の形態においては、二段予冷機14の第2運転周波数が、単段予冷機12の第1運転周波数より低い。このようにすれば、二段予冷機14の二段冷却ステージ38bでの冷凍効率を向上するとともに、単段予冷機12の一段冷却ステージ32aについても冷凍効率を向上することができる。単段予冷機12と二段予冷機14を併用することにより、第1運転周波数と第2運転周波数を個別に最適化することができる。 Therefore, in the present embodiment, the second operating frequency of the two-stage precooler 14 is lower than the first operating frequency of the single-stage precooler 12. By doing so, the refrigerating efficiency in the two-stage cooling stage 38b of the two-stage precooler 14 can be improved, and the refrigerating efficiency of the one-stage cooling stage 32a of the single-stage precooler 12 can also be improved. By using the single-stage precooler 12 and the two-stage precooler 14 in combination, the first operating frequency and the second operating frequency can be individually optimized.

単段予冷機12が単段スターリング冷凍機である場合、第1運転周波数は、例えば、35Hz以上100Hz以下の周波数範囲から選択される。第1運転周波数の下限値を35Hzとすることにより、単段予冷機12による所望の一段冷却温度での冷凍能力を確保しやすい。第1運転周波数が大きいほど冷凍能力の確保はより容易となるが、単段予冷機12の機械的な信頼性を保証しにくくなる。例えば、疲労による単段予冷機12内の可動部品およびその周辺構造の機械的強度低下が進みやすくなることが懸念される。そこで、第1運転周波数の上限値は100Hzとすることが望ましい。 When the single-stage precooler 12 is a single-stage Stirling refrigerator, the first operating frequency is selected from, for example, a frequency range of 35 Hz or more and 100 Hz or less. By setting the lower limit of the first operating frequency to 35 Hz, it is easy to secure the refrigerating capacity at the desired one-stage cooling temperature by the single-stage precooler 12. The larger the first operating frequency, the easier it is to secure the refrigerating capacity, but it becomes difficult to guarantee the mechanical reliability of the single-stage precooler 12. For example, there is a concern that the mechanical strength of the moving parts in the single-stage precooler 12 and its peripheral structures tends to decrease due to fatigue. Therefore, it is desirable that the upper limit of the first operating frequency is 100 Hz.

第1運転周波数は、例えば45Hz以上65Hz以下の周波数範囲、または例えば50Hz以上60Hz以下の周波数範囲にあってもよく、例えば50Hz程度であってもよい。このようにすれば、冷凍能力の確保と機械的信頼性を考慮した最適な運転周波数で単段予冷機12を運転することができる。 The first operating frequency may be, for example, in the frequency range of 45 Hz or more and 65 Hz or less, or in the frequency range of, for example, 50 Hz or more and 60 Hz or less, or may be, for example, about 50 Hz. In this way, the single-stage precooler 12 can be operated at an optimum operating frequency in consideration of ensuring refrigerating capacity and mechanical reliability.

二段予冷機14が二段スターリング冷凍機である場合、第2運転周波数は、例えば、1Hz以上30Hz以下の周波数範囲から選択される。第2運転周波数のとりうる範囲を1Hz以上30Hz以下とすることにより、二段予冷機14による所望の二段冷却温度での冷凍能力を確保しやすい。 When the two-stage precooler 14 is a two-stage Stirling refrigerator, the second operating frequency is selected from, for example, a frequency range of 1 Hz or more and 30 Hz or less. By setting the possible range of the second operating frequency to 1 Hz or more and 30 Hz or less, it is easy to secure the refrigerating capacity at a desired two-stage cooling temperature by the two-stage precooler 14.

第2運転周波数は、例えば10Hz以上20Hz以下の周波数範囲にあってもよく、例えば15Hz程度であってもよい。このようにすれば、二段予冷機14の二段冷却ステージ38bでの冷凍効率をより高くすることができる。 The second operating frequency may be, for example, in the frequency range of 10 Hz or more and 20 Hz or less, and may be, for example, about 15 Hz. By doing so, the refrigerating efficiency in the two-stage cooling stage 38b of the two-stage precooler 14 can be further increased.

第2運転周波数が比較的低いことにより、二段予冷機14の一段冷却ステージ38aでの冷凍能力が抑制されうる。しかし、一段冷却ステージ38aは、一段輻射シールド20および一段予冷部50から熱的に切り離されている。一段冷却ステージ38aは、二段冷却ステージ38bの冷却のみに使用されている。そのため、一段冷却ステージ38aの熱負荷は小さく、一段冷却ステージ38aの比較的小さい冷凍能力でも賄うことが可能である。 Since the second operating frequency is relatively low, the refrigerating capacity of the one-stage cooling stage 38a of the two-stage precooler 14 can be suppressed. However, the one-stage cooling stage 38a is thermally separated from the one-stage radiation shield 20 and the one-stage precooling unit 50. The one-stage cooling stage 38a is used only for cooling the two-stage cooling stage 38b. Therefore, the heat load of the one-stage cooling stage 38a is small, and it is possible to cover the relatively small refrigerating capacity of the one-stage cooling stage 38a.

二段予冷機14は単段予冷機12から独立して運転することができるから、仮に単段予冷機12の冷凍能力が経時的に劣化したとしても、そうした単段予冷機12の性能劣化が二段予冷機14の性能に与える影響は軽微である。また、第1運転周波数よりも第2運転周波数が低いので、二段予冷機14の一段冷凍能力は、単段予冷機12の冷凍能力に比べて経時的に劣化しにくいという利点もある。 Since the two-stage precooler 14 can be operated independently of the single-stage precooler 12, even if the refrigerating capacity of the single-stage precooler 12 deteriorates over time, the performance of the single-stage precooler 12 deteriorates. The effect on the performance of the two-stage precooler 14 is minor. Further, since the second operating frequency is lower than the first operating frequency, there is an advantage that the one-stage refrigerating capacity of the two-stage precooler 14 is less likely to deteriorate over time than the refrigerating capacity of the single-stage precooler 12.

最後に、本発明者による効率改善の試算を紹介する。まず比較例として、二段スターリング冷凍機のみをJT冷凍機の予冷機として用いる場合を考察する。ある典型的な二段スターリング冷凍機は、例えば、15Hzの運転周波数で80Wの消費電力の場合、一段冷凍能力が1W@100K、二段冷凍能力が0.2W@20Kである。常温部を300Kと仮定すると、一段部および二段部のカルノー効率η1,η2は、η1=100K/(300K−100K)=0.5、η2=20K/(300K−20K)=0.0714である。このときの理想仕事はそれぞれ、W1=1W/0.5=2W、W2=0.2W/0.0714=2.8Wとなる。したがって、単位消費電力あたりの冷凍能力の比は、(2W+2.8W)/80W=0.06となる。 Finally, the trial calculation of efficiency improvement by the present inventor is introduced. First, as a comparative example, consider the case where only the two-stage Stirling refrigerator is used as the precooler of the JT refrigerator. A typical two-stage Stirling refrigerator has a one-stage refrigerating capacity of 1W @ 100K and a two-stage refrigerating capacity of 0.2W @ 20K, for example, at a power consumption of 80W at an operating frequency of 15Hz. Assuming that the normal temperature part is 300K, the Carnot efficiency η1 and η2 of the first and second stages are η1 = 100K / (300K-100K) = 0.5 and η2 = 20K / (300K-20K) = 0.0714. be. The ideal work at this time is W1 = 1W / 0.5 = 2W and W2 = 0.2W / 0.0714 = 2.8W, respectively. Therefore, the ratio of refrigerating capacity per unit power consumption is (2W + 2.8W) / 80W = 0.06.

一方、実施例の場合、例えば以下の通りである。単段予冷機12としての単段スターリング冷凍機は、例えば、52Hzの運転周波数で30Wの消費電力の場合、一段冷凍能力が2W@100Kである。この場合、カルノー効率は上記と同様に、η1=100K/(300K−100K)=0.5であるから、理想仕事は、W1=2W/0.5=4Wである。二段予冷機14としての二段スターリング冷凍機の一段部をこの単段スターリング冷凍機で単純に置き換えたとすると、単位消費電力あたりの冷凍能力の比は、(4W+2.8W)/80=0.085となる。したがって、実施例における単位消費電力あたりの冷凍能力の比は、比較例における当該比に対して約41.7%向上している(0.085/0.06=1.417)。 On the other hand, in the case of the embodiment, for example, it is as follows. The single-stage Stirling refrigerator as the single-stage precooler 12 has a one-stage refrigerating capacity of 2W @ 100K, for example, when the operating frequency is 52 Hz and the power consumption is 30 W. In this case, since the Carnot efficiency is η1 = 100K / (300K-100K) = 0.5 as described above, the ideal work is W1 = 2W / 0.5 = 4W. Assuming that one stage of the two-stage Stirling refrigerator as the two-stage precooler 14 is simply replaced with this single-stage Stirling refrigerator, the ratio of the freezing capacity per unit power consumption is (4W + 2.8W) /80=0. It becomes 085. Therefore, the ratio of refrigerating capacity per unit power consumption in the examples is improved by about 41.7% compared to the ratio in the comparative example (0.085 / 0.06 = 1.417).

以上説明したように、本実施の形態に係る極低温システム10によれば、より効率的な冷却システムを構築することができる。ある所与の消費電力のもとで、例えば4K未満(例えば1K〜4K)の温度域での冷凍効率を改善することができる。 As described above, according to the cryogenic system 10 according to the present embodiment, a more efficient cooling system can be constructed. Under a given power consumption, refrigeration efficiency can be improved, for example, in a temperature range of less than 4K (eg 1K-4K).

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。 The present invention has been described above based on examples. It will be understood by those skilled in the art that the present invention is not limited to the above embodiment, various design changes are possible, various modifications are possible, and such modifications are also within the scope of the present invention. By the way.

単段予冷機12は、単段スターリング冷凍機には限られない。単段予冷機12は、単段スターリング型パルス管冷凍機であってもよい。二段予冷機14は、二段スターリング冷凍機には限られない。二段予冷機14は、二段スターリング型パルス管冷凍機であってもよい。この場合、第1運転周波数および第2運転周波数それぞれの最適値は、単段予冷機12および二段予冷機14が単段スターリング冷凍機および二段スターリング冷凍機である場合とは異なりうる。しかしながら、単段予冷機12および二段予冷機14が単段スターリング型パルス管冷凍機および二段スターリング型パルス管冷凍機である場合にも、第2運転周波数を第1運転周波数より低くすることによって、冷凍効率は改善されるものと期待される。 The single-stage precooler 12 is not limited to the single-stage Stirling refrigerator. The single-stage precooler 12 may be a single-stage sterling type pulse tube refrigerator. The two-stage precooler 14 is not limited to the two-stage Stirling refrigerator. The two-stage precooler 14 may be a two-stage sterling type pulse tube refrigerator. In this case, the optimum values of the first operating frequency and the second operating frequency may be different from the case where the single-stage precooler 12 and the two-stage precooler 14 are the single-stage sterling refrigerator and the two-stage sterling refrigerator. However, even when the single-stage precooler 12 and the two-stage precooler 14 are the single-stage sterling type pulse tube refrigerator and the two-stage sterling type pulse tube refrigerator, the second operating frequency should be lower than the first operating frequency. It is expected that the refrigeration efficiency will be improved.

単段予冷機12および二段予冷機14が単段スターリング型パルス管冷凍機および二段スターリング型パルス管冷凍機である場合にも、最適な運転周波数は、これら2つの予冷機がスターリング冷凍機である場合と同じでよい可能性もある。よって、単段予冷機12が単段スターリング型パルス管冷凍機である場合、第1運転周波数は、例えば、35Hz以上100Hz以下の周波数範囲から選択されてもよい。第1運転周波数は、例えば45Hz以上65Hz以下の周波数範囲、または例えば50Hz以上60Hz以下の周波数範囲にあってもよく、例えば50Hz程度であってもよい。二段予冷機14が二段スターリング型パルス管冷凍機である場合、第2運転周波数は、例えば、1Hz以上30Hz以下の周波数範囲から選択されてもよい。第2運転周波数は、例えば10Hz以上20Hz以下の周波数範囲にあってもよく、例えば15Hz程度であってもよい。 Even when the single-stage precooler 12 and the two-stage precooler 14 are the single-stage sterling type pulse tube refrigerator and the two-stage sterling type pulse tube refrigerator, the optimum operating frequency is that these two precoolers are the sterling refrigerators. There is a possibility that it may be the same as the case of. Therefore, when the single-stage precooler 12 is a single-stage sterling type pulse tube refrigerator, the first operating frequency may be selected from, for example, a frequency range of 35 Hz or more and 100 Hz or less. The first operating frequency may be, for example, in the frequency range of 45 Hz or more and 65 Hz or less, or in the frequency range of, for example, 50 Hz or more and 60 Hz or less, or may be, for example, about 50 Hz. When the two-stage precooler 14 is a two-stage sterling type pulse tube refrigerator, the second operating frequency may be selected from, for example, a frequency range of 1 Hz or more and 30 Hz or less. The second operating frequency may be, for example, in the frequency range of 10 Hz or more and 20 Hz or less, and may be, for example, about 15 Hz.

また、二段予冷機14の一段冷却ステージ38aの冷凍能力に余裕があれば、一段冷却ステージ38aが、一段予冷部50または一段輻射シールド20のいずれかの冷却に利用されてもよい。例えば、一段予冷部50が単段予冷機12の一段冷却ステージ32aに熱的に結合され二段予冷機14の一段冷却ステージ38aから熱的に切り離され、一段輻射シールド20が単段予冷機12の一段冷却ステージ32aから熱的に切り離され二段予冷機14の一段冷却ステージ38aに熱的に結合されてもよい。あるいは、一段輻射シールド20が単段予冷機12の一段冷却ステージ32aに熱的に結合され二段予冷機14の一段冷却ステージ38aから熱的に切り離され、一段予冷部50が単段予冷機12の一段冷却ステージ32aから熱的に切り離され二段予冷機14の一段冷却ステージ38aに熱的に結合されてもよい。このように、ある実施形態においては、一段予冷部50、または一段輻射シールド20、またはそれらの両方が、単段予冷機12の一段冷却ステージ32aに熱的に結合され、二段予冷機14の一段冷却ステージ38aから熱的に切り離されていてもよい。 Further, if the cooling capacity of the one-stage cooling stage 38a of the two-stage precooler 14 is sufficient, the one-stage cooling stage 38a may be used for cooling either the one-stage precooling unit 50 or the one-stage radiation shield 20. For example, the one-stage precooling unit 50 is thermally coupled to the one-stage cooling stage 32a of the single-stage precooler 12, and is thermally separated from the one-stage cooling stage 38a of the two-stage precooler 14, and the one-stage radiation shield 20 is the single-stage precooler 12. It may be thermally separated from the one-stage cooling stage 32a and thermally coupled to the one-stage cooling stage 38a of the two-stage precooler 14. Alternatively, the one-stage radiation shield 20 is thermally coupled to the one-stage cooling stage 32a of the single-stage precooler 12 and thermally separated from the one-stage cooling stage 38a of the two-stage precooler 14, and the one-stage precooling unit 50 is the single-stage precooler 12. It may be thermally separated from the one-stage cooling stage 32a and thermally coupled to the one-stage cooling stage 38a of the two-stage precooler 14. Thus, in one embodiment, the one-stage precooling unit 50, the one-stage radiation shield 20, or both are thermally coupled to the one-stage cooling stage 32a of the single-stage precooler 12, and the two-stage precooler 14 has. It may be thermally separated from the one-stage cooling stage 38a.

10 極低温システム、 12 単段予冷機、 14 二段予冷機、 16 JT冷凍機、 18 真空容器、 20 一段輻射シールド、 22 二段輻射シールド、 24 被冷却物、 26 極低温冷却部、 32a 一段冷却ステージ、 38a 一段冷却ステージ、 38b 二段冷却ステージ、 50 一段予冷部、 52 二段予冷部。 10 Cryogenic system, 12 Single-stage precooler, 14 Two-stage precooler, 16 JT refrigerator, 18 Vacuum container, 20 One-stage radiation shield, 22 Two-stage radiation shield, 24 To be cooled, 26 Extremely low temperature cooling unit, 32a One-stage Cooling stage, 38a one-stage cooling stage, 38b two-stage cooling stage, 50 one-stage precooling section, 52 two-stage precooling section.

Claims (5)

一段冷却ステージを備える単段予冷機と、
一段冷却ステージと二段冷却ステージとを備える二段予冷機と、
前記単段予冷機の一段冷却ステージによって冷却される一段予冷部と、前記二段冷却ステージによって冷却される二段予冷部と、を備えるJT冷凍機と、
前記二段冷却ステージおよび前記二段予冷部を囲み、前記単段予冷機の一段冷却ステージによって冷却される一段輻射シールドと、を備え、
前記単段予冷機は、単段スターリング冷凍機または単段スターリング型パルス管冷凍機であり、第1運転周波数で運転され、
前記二段予冷機は、二段スターリング冷凍機または二段スターリング型パルス管冷凍機であり、前記第1運転周波数より低い第2運転周波数で運転され、
前記一段予冷部および前記一段輻射シールドは、前記単段予冷機の一段冷却ステージに熱的に結合され、
前記二段予冷機の一段冷却ステージは、前記JT冷凍機および前記一段輻射シールドから熱的に切り離され、前記二段冷却ステージの冷却のみに使用されることを特徴とする極低温システム。
A single-stage precooler equipped with a one-stage cooling stage,
A two-stage precooler equipped with a one-stage cooling stage and a two-stage cooling stage,
A JT refrigerator provided with a one-stage precooling unit cooled by the one-stage cooling stage of the single-stage precooling machine and a two-stage precooling unit cooled by the two-stage cooling stage.
A one-stage radiation shield that surrounds the two-stage cooling stage and the two-stage precooling unit and is cooled by the one-stage cooling stage of the single-stage precooler .
The single-stage precooler is a single-stage Stirling refrigerator or a single-stage Stirling type pulse tube refrigerator, and is operated at the first operating frequency.
The two-stage precooler is a two-stage Stirling refrigerator or a two-stage Stirling type pulse tube refrigerator, and is operated at a second operating frequency lower than the first operating frequency.
The one-stage precooling unit and the one-stage radiation shield are thermally coupled to the one-stage cooling stage of the single-stage precooler.
Cryogenic system stage cooling stage of the two-stage pre-cooling machine, wherein is thermally decoupled from JT refrigerator and the single-stage radiation shield, characterized by Rukoto is used only for cooling of the two-stage cooling stage.
前記単段予冷機は、前記単段予冷機の前記一段冷却ステージを備える単段コールドヘッドと、前記単段コールドヘッド内に冷媒ガスの圧力振動を生じさせる第1圧縮機とを備え、
前記二段予冷機は、前記二段予冷機の前記一段冷却ステージおよび前記二段冷却ステージを備える二段コールドヘッドと、前記二段コールドヘッド内に冷媒ガスの圧力振動を生じさせる前記第1圧縮機とは別の第2圧縮機とを備え、
前記単段予冷機と前記二段予冷機は、互いに独立して運転可能であることを特徴とする請求項1に記載の極低温システム。
The single-stage precooler includes a single-stage cold head provided with the one-stage cooling stage of the single-stage precooler, and a first compressor that causes pressure vibration of a refrigerant gas in the single-stage cold head.
The two-stage precooler includes a two-stage cold head including the one-stage cooling stage and the two-stage cooling stage of the two-stage precooler, and the first compression that causes pressure vibration of a refrigerant gas in the two-stage cold head. Equipped with a second compressor separate from the machine,
The ultra-low temperature system according to claim 1, wherein the single-stage precooler and the two-stage precooler can be operated independently of each other.
前記第1運転周波数は、35Hz以上100Hz以下の範囲から選択され、前記第2運転周波数は、1Hz以上30Hz以下の範囲から選択されることを特徴とする請求項1または2に記載の極低温システム。 The ultra-low temperature system according to claim 1 or 2, wherein the first operating frequency is selected from a range of 35 Hz or more and 100 Hz or less, and the second operating frequency is selected from a range of 1 Hz or more and 30 Hz or less. .. 前記第1運転周波数は、50Hz以上60Hz以下の範囲から選択され、前記第2運転周波数は、10Hz以上20Hz以下の範囲から選択されることを特徴とする請求項3に記載の極低温システム。 The ultra-low temperature system according to claim 3, wherein the first operating frequency is selected from a range of 50 Hz or more and 60 Hz or less, and the second operating frequency is selected from a range of 10 Hz or more and 20 Hz or less. 前記一段輻射シールドに囲まれ、前記二段冷却ステージによって冷却される二段輻射シールドをさらに備えることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の極低温システム。The ultra-low temperature system according to any one of claims 1 to 4, further comprising a two-stage radiation shield surrounded by the one-stage radiation shield and cooled by the two-stage cooling stage.
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