JP2014044018A

JP2014044018A - Cryogenic refrigerator

Info

Publication number: JP2014044018A
Application number: JP2012187517A
Authority: JP
Inventors: Makoto Okada; 誠岡田
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2012-08-28
Filing date: 2012-08-28
Publication date: 2014-03-13
Anticipated expiration: 2032-08-28
Also published as: JP5886163B2

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a cryogenic refrigerator which achieves the downsizing and the weight reduction while improving the thermal efficiency of a refrigerant gas line and a stage.SOLUTION: A cryogenic refrigerator includes: a JT circuit 20 including a JT compressor 21 which compresses a refrigerant gas, a JT valve 24 which adiabatically expands the high pressure refrigerant gas supplied from the JT compressor 21 and generates cold, a stage 40A which is cooled by the refrigerant gas cooled by the generated cold, and a high pressure side refrigerant gas line 22 and a low pressure side refrigerant gas line 23 which connect the JT compressor 21, the JT valve 24, and the stage 40A; and a GM refrigerating machine 11 which pre-cools the refrigerant gas flowing in the high pressure side refrigerant gas line 22. A refrigerant gas passage 42A, in which the refrigerant gas flows, is provided in a stage body 41A of the stage 40A, and heat exchange is conducted between the refrigerant gas flowing in the refrigerant gas passage 42A and the stage body 41A.

Description

本発明は、冷媒ガスにより冷却されるステージを有する極低温冷凍機に関する。 The present invention relates to a cryogenic refrigerator having a stage cooled by a refrigerant gas.

従来から、ジュールトムソン（ＪＴ）回路とギフォード・マクマホン（ＧＭ）冷凍機とを組み合わせた極低温冷凍機が知られている。この極低温冷凍機は、ＧＭ冷凍機を予冷用の冷凍機として使用することにより、ヘリウムの液化温度を実現することができる。 Conventionally, a cryogenic refrigerator combining a Joule Thomson (JT) circuit and a Gifford McMahon (GM) refrigerator is known. This cryogenic refrigerator can achieve the liquefaction temperature of helium by using the GM refrigerator as a precooling refrigerator.

この極低温冷凍機は、ＪＴ弁で冷媒ガスが断熱膨張（ＪＴ膨張）させることにより寒冷が発生し、この寒冷により冷却された冷媒ガスにより被冷却体に接続されたステージを冷却し、これにより被冷却体を冷却する構成とされている（特許文献１）。 This cryogenic refrigerator generates cold by adiabatic expansion (JT expansion) of the refrigerant gas by the JT valve, and the refrigerant gas cooled by the cold cools the stage connected to the object to be cooled, thereby It is set as the structure which cools a to-be-cooled body (patent document 1).

特開２００４−２０５１５６号公報JP 2004-205156 A

冷媒ガスとステージとの間の熱交換は、例えば、ＪＴ弁の下流側の冷媒ガスラインをステージの一部に巻回し、この部分を流れる冷媒ガスとステージとの間で熱交換を行う構成とされていた。冷媒ガスによりステージを効率よく冷却するためには、冷媒ガスとステージとの間で熱交換効率を高める必要がある。 The heat exchange between the refrigerant gas and the stage includes, for example, a structure in which a refrigerant gas line on the downstream side of the JT valve is wound around a part of the stage, and heat exchange is performed between the refrigerant gas flowing through this part and the stage. It had been. In order to efficiently cool the stage with the refrigerant gas, it is necessary to increase the heat exchange efficiency between the refrigerant gas and the stage.

冷媒ガスとステージとの間における熱交換効率を高める方法としては、ステージに対する冷媒ガスラインの巻回数を多くすることが考えられる。また、ステージの冷媒ガスラインが巻回される部分（巻回軸）の軸径を大きくすることも考えられる。 As a method for improving the heat exchange efficiency between the refrigerant gas and the stage, it is conceivable to increase the number of turns of the refrigerant gas line around the stage. It is also conceivable to increase the shaft diameter of the portion (winding shaft) around which the refrigerant gas line of the stage is wound.

しかしながら、いずれの方法もステージが大型し、その重量も増大してしまう等の問題が発生する。 However, both methods have problems such as a large stage and an increased weight.

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、冷媒ガスラインとステージの熱効率の向上を図りつつ小型化及び軽量化を図りうる極低温冷凍機を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and an object thereof is to provide a cryogenic refrigerator that can be reduced in size and weight while improving the thermal efficiency of the refrigerant gas line and the stage.

上記の課題は、第１の観点からは、
冷媒ガスを圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から供給される高圧の冷媒ガスを断熱膨張させ寒冷を発生させる弁装置と、前記寒冷により冷却された冷媒ガスにより冷却されるステージと、前記圧縮機，前記弁装置，及び前記ステージを接続する冷媒ガスラインとを有する第１の冷凍装置と、
前記冷媒ガスラインを流れる前記冷媒ガスを予冷する第２の冷凍装置とを有し、
前記ステージの内部に前記冷媒ガスが流れる冷媒ガス流路を設け、該冷媒ガス流路を流れる冷媒ガスと前記ステージとの間で熱交換が行われる構成としたことを特徴とする極低温冷凍機により解決することができる。 From the first point of view, the above problem is
A compressor that compresses the refrigerant gas; a valve device that adiabatically expands the high-pressure refrigerant gas supplied from the compressor to generate cold; a stage that is cooled by the refrigerant gas cooled by the cold; and the compressor A first refrigeration apparatus having a refrigerant gas line connecting the valve device and the stage;
A second refrigeration apparatus for precooling the refrigerant gas flowing through the refrigerant gas line;
A cryogenic refrigerator having a configuration in which a refrigerant gas flow path through which the refrigerant gas flows is provided inside the stage, and heat exchange is performed between the refrigerant gas flowing through the refrigerant gas flow path and the stage. Can be solved.

開示の発明によれば、冷媒ガス流路を流れる冷媒ガスとステージとの間で直接熱交換が行われるため高効率の熱交換を行うことができ、また冷媒ガス流路はステージ内に設けられるため極低温冷凍機の小型化を図ることが可能となる。 According to the disclosed invention, heat exchange is performed directly between the refrigerant gas flowing in the refrigerant gas flow path and the stage, so that highly efficient heat exchange can be performed, and the refrigerant gas flow path is provided in the stage. Therefore, it is possible to reduce the size of the cryogenic refrigerator.

図１は、本発明の第１実施形態である極低温冷凍機の構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram of a cryogenic refrigerator that is a first embodiment of the present invention. 図２は、本発明の第１実施形態である極低温冷凍機に設けられるステージを拡大して示す断面図である。FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view showing a stage provided in the cryogenic refrigerator that is the first embodiment of the present invention. 図３は本発明の第１実施形態である極低温冷凍機に設けられるステージの変形例を説明するための図である。FIG. 3 is a view for explaining a modification of the stage provided in the cryogenic refrigerator which is the first embodiment of the present invention. 図４は、本発明の第２実施形態である極低温冷凍機に設けられるステージを拡大して示す断面図である。FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of a stage provided in a cryogenic refrigerator that is a second embodiment of the present invention. 図５は、図４におけるＡ−Ａ線に沿う断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG.

次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図１は、本発明の第１実施形態である極低温冷凍機１０を示している。本実施形態に係る極低温冷凍機１０は、ジュールトムソン回路２０（請求項に記載の第１の冷凍装置に相当する。以下、ＪＴ回路という）に、予冷用のとしてギフォード・マクマホン冷凍機（請求項に記載の第２の冷凍装置に相当する。以下、ＧＭ冷凍機１１という）を組み合わせた例について説明する。 FIG. 1 shows a cryogenic refrigerator 10 according to a first embodiment of the present invention. A cryogenic refrigerator 10 according to the present embodiment is provided with a Gifford McMahon refrigerator (for claims) as a precooling unit for the Joule-Thomson circuit 20 (corresponding to the first refrigeration apparatus described in the claims, hereinafter referred to as a JT circuit). This is equivalent to the second refrigeration apparatus described in the section 1. Hereinafter, an example in which the GM refrigerator 11) is combined will be described.

この極低温冷凍機１０は、ＧＭ冷凍機１１によってＪＴ回路２０を予冷すると共に、ＪＴ回路２０における断熱膨張を利用してステージ４０Ａを冷却するようにしたものである。 In this cryogenic refrigerator 10, the JT circuit 20 is pre-cooled by the GM refrigerator 11 and the stage 40 </ b> A is cooled using adiabatic expansion in the JT circuit 20.

ＧＭ冷凍機１１は、冷凍機用圧縮機１２、１段ステージ１３、２段ステージ１４、１段シリンダ１５、及び２段シリンダ１６等を有している。冷凍機用圧縮機１２は、図示しないバルブを切り替え制御することにより、圧縮して高圧化した冷媒ガス（例えば、ヘリウムガス）を各シリンダ１５，１６に供給すると共に、寒冷を発生した低圧となった冷媒ガスを回収する。 The GM refrigerator 11 includes a compressor 12 for a refrigerator, a first stage 13, a second stage 14, a first stage cylinder 15, a second stage cylinder 16, and the like. The compressor 12 for the refrigerator is controlled by switching a valve (not shown) to supply a compressed and high pressure refrigerant gas (for example, helium gas) to each of the cylinders 15 and 16 and at a low pressure that generates cold. Collect the refrigerant gas.

１段シリンダ１５は内部に１段ディスプレーサを設けており、また２段シリンダ１６は内部に２段ディスプレーサを設けている。この各ディスプレーサは、各シリンダ１５，１６内で往復移動する構成とされている。 The first-stage cylinder 15 has a one-stage displacer inside, and the two-stage cylinder 16 has a two-stage displacer inside. Each displacer is configured to reciprocate within each cylinder 15, 16.

また、１段シリンダ１５の低温側（図１における下側）には１段ステージ１３が設けられており、２段シリンダ１６の低温側には２段ステージ１４が設けられている。 A first stage 13 is provided on the low temperature side (lower side in FIG. 1) of the first stage cylinder 15, and a second stage 14 is provided on the low temperature side of the second stage cylinder 16.

各シリンダ１５，１６内における各ディスプレーサの移動とバルブの切換により、冷媒ガスの供給・回収の制御を適宜行うことにより、各シリンダ１５，１６の低温側には寒冷が発生する。この発生した寒冷により、１段シリンダ１５の低温側に配設された１段ステージ１３、及び２段シリンダ１６の低温側に配設された２段ステージ１４は冷却される。 Cold is generated on the low temperature side of the cylinders 15 and 16 by appropriately controlling the supply and recovery of the refrigerant gas by moving the displacers in the cylinders 15 and 16 and switching the valves. Due to the generated cold, the first stage 13 disposed on the low temperature side of the first cylinder 15 and the second stage 14 disposed on the low temperature side of the second cylinder 16 are cooled.

ＪＴ回路２０は、ＪＴ用圧縮機２１、冷媒ガスライン、ＪＴ弁２４、第１熱交換器２６、第２熱交換器２７、第１の熱的結合２８、及び第２の熱的結合２９、及び熱負荷となるステージ４０Ａ等を有している。 The JT circuit 20 includes a JT compressor 21, a refrigerant gas line, a JT valve 24, a first heat exchanger 26, a second heat exchanger 27, a first thermal coupling 28, and a second thermal coupling 29, And a stage 40A or the like which becomes a heat load.

ＪＴ用圧縮機２１は冷媒ガス（例えば、ヘリウムガス）を圧縮するものであり、冷媒ガスラインに接続されている。冷媒ガスラインは冷媒ガスが流れる流路であり、高圧側冷媒ガスライン２２と低圧側冷媒ガスライン２３とを有している。ＪＴ用圧縮機２１は、この低圧側冷媒ガスライン２３から流入する低圧の冷媒ガスを圧縮して高圧とし、高圧となった冷媒ガスを高圧側冷媒ガスライン２２に供給する。 The JT compressor 21 compresses refrigerant gas (for example, helium gas), and is connected to a refrigerant gas line. The refrigerant gas line is a flow path through which the refrigerant gas flows, and has a high-pressure side refrigerant gas line 22 and a low-pressure side refrigerant gas line 23. The JT compressor 21 compresses the low-pressure refrigerant gas flowing from the low-pressure side refrigerant gas line 23 to a high pressure, and supplies the high-pressure refrigerant gas to the high-pressure side refrigerant gas line 22.

高圧側冷媒ガスライン２２は、ＪＴ用圧縮機２１のガス供給側（図１にＰ_Ｏで示す）とＪＴ弁２４の上流側との間に設けられたライン（流路）である。この高圧側冷媒ガスライン２２には、ＪＴ用圧縮機２１で高圧化された冷媒ガスが流れる
低圧側冷媒ガスライン２３は、ＪＴ弁２４の下流側とＪＴ用圧縮機２１のガス還流側（図１にＰ_Ｉで示す）との間に設けられたラインである。この低圧側冷媒ガスライン２３には、断熱膨張（ＪＴ膨張）することにより低圧となった冷媒ガスが流れる。なお以下の説明において、低圧側冷媒ガスライン２３の内、ＪＴ弁２４の下流側とステージ４０Ａの流入ポート４５との間に配設された配管を、特に接続ライン２５として説明することもある。 The high-pressure side refrigerant gas line 22 is a line (flow path) provided between the gas supply side (indicated by _PO in FIG. 1) of the JT compressor 21 and the upstream side of the JT valve 24. The high-pressure side refrigerant gas line 22 flows the refrigerant gas increased in pressure by the JT compressor 21. The low-pressure side refrigerant gas line 23 is downstream of the JT valve 24 and the gas recirculation side of the JT compressor 21 (see FIG. 1 is a line provided between the illustrated) by P _I. Refrigerant gas that has become low pressure due to adiabatic expansion (JT expansion) flows through the low-pressure side refrigerant gas line 23. In the following description, the piping disposed between the downstream side of the JT valve 24 and the inflow port 45 of the stage 40A in the low-pressure side refrigerant gas line 23 may be described as the connection line 25 in particular.

ＪＴ弁２４は、高圧側冷媒ガスライン２２の第２の熱的結合２９よりも下流側に配設されている。このＪＴ弁２４を通過することにより高圧の冷媒ガスは断熱膨張（ＪＴ膨張）し寒冷が発生する。 The JT valve 24 is disposed downstream of the second thermal coupling 29 of the high pressure side refrigerant gas line 22. By passing through the JT valve 24, the high-pressure refrigerant gas is adiabatically expanded (JT expansion) and cold is generated.

第１熱交換器２６は、第１の熱的結合２８の上流側に配設されている。この第１熱交換器２６において、高圧側冷媒ガスライン２２と低圧側冷媒ガスライン２３との間で熱交換が行われる。また第２熱交換器２７は、第１の熱的結合２８と第２の熱的結合２９との間に配設されている。この第２熱交換器２７において、高圧側冷媒ガスライン２２と低圧側冷媒ガスライン２３との間で熱交換が行われる。 The first heat exchanger 26 is disposed upstream of the first thermal coupling 28. In the first heat exchanger 26, heat exchange is performed between the high-pressure side refrigerant gas line 22 and the low-pressure side refrigerant gas line 23. The second heat exchanger 27 is disposed between the first thermal coupling 28 and the second thermal coupling 29. In the second heat exchanger 27, heat exchange is performed between the high-pressure side refrigerant gas line 22 and the low-pressure side refrigerant gas line 23.

第１の熱的結合２８は、第１熱交換器２６と第２熱交換器２７との間に配設されている。また、第１の熱的結合２８は、ＧＭ冷凍機１１の１段ステージ１３と熱結合されている。前記のように、１段ステージ１３はＧＭ冷凍機１１が稼動することにより冷却される。よって、高圧側冷媒ガスライン２２を流れる冷媒ガスは、第１の熱的結合２８において１段ステージ１３により冷却される。 The first thermal coupling 28 is disposed between the first heat exchanger 26 and the second heat exchanger 27. Further, the first thermal coupling 28 is thermally coupled to the first stage 13 of the GM refrigerator 11. As described above, the first stage 13 is cooled by operating the GM refrigerator 11. Therefore, the refrigerant gas flowing through the high-pressure side refrigerant gas line 22 is cooled by the first stage 13 at the first thermal coupling 28.

第２の熱的結合２９は、第２熱交換器２７の下流側に配設されている。この第２の熱的結合２９は、ＧＭ冷凍機１１の２段ステージ１４と熱結合されている。２段ステージ１４もＧＭ冷凍機１１が稼動することにより冷却されるため、高圧側冷媒ガスライン２２を流れる冷媒ガスは第２の熱的結合２９において１段ステージ１３により冷却される。 The second thermal coupling 29 is disposed on the downstream side of the second heat exchanger 27. The second thermal coupling 29 is thermally coupled to the second stage 14 of the GM refrigerator 11. Since the second stage 14 is also cooled by the operation of the GM refrigerator 11, the refrigerant gas flowing through the high-pressure side refrigerant gas line 22 is cooled by the first stage 13 at the second thermal coupling 29.

ステージ４０Ａは、ＪＴ弁２４の下流側に配設されている。このステージ４０Ａは、支柱３０により支持プレート３１に支持されている。また支持プレート３１は、支持アーム３２により真空容器１に支持されている。なお、説明の便宜上、ステージ４０Ａの詳細については、後述するものとする。 The stage 40A is disposed on the downstream side of the JT valve 24. The stage 40 </ b> A is supported on the support plate 31 by the support column 30. The support plate 31 is supported on the vacuum container 1 by a support arm 32. For convenience of explanation, details of the stage 40A will be described later.

真空容器１は、各ステージ１３，１４及びステージ４０Ａ等を真空断熱するものである。この真空容器１内には、ステージ４０Ａの他にも、ＧＭ冷凍機１１のステージ１３，１４、ＪＴ回路２０の熱交換器２６,２７、熱的結合２８，２９等が収納されている。 The vacuum vessel 1 is for vacuum insulation of the stages 13, 14 and the stage 40A. In addition to the stage 40A, stages 13 and 14 of the GM refrigerator 11, heat exchangers 26 and 27 of the JT circuit 20, thermal couplings 28 and 29, and the like are housed in the vacuum container 1.

次に、上記構成とされた極低温冷凍機１０の動作について説明する。 Next, the operation of the cryogenic refrigerator 10 configured as described above will be described.

ＪＴ用圧縮機２１で高圧に圧縮された高圧の冷媒ガスは、高圧側冷媒ガスライン２２に供給される。この高圧の冷媒ガスは、先ず第１熱交換器２６に流入する。第１熱交換器２６において、高圧の冷媒ガスは低圧側冷媒ガスライン２３内の低圧の冷媒ガスとの間で熱交換が行われる。これにより高圧の冷媒ガスは、第１熱交換器２６において冷却される。 The high-pressure refrigerant gas compressed to a high pressure by the JT compressor 21 is supplied to the high-pressure side refrigerant gas line 22. The high-pressure refrigerant gas first flows into the first heat exchanger 26. In the first heat exchanger 26, the high-pressure refrigerant gas exchanges heat with the low-pressure refrigerant gas in the low-pressure side refrigerant gas line 23. As a result, the high-pressure refrigerant gas is cooled in the first heat exchanger 26.

第１熱交換器２６によって冷却された高圧の冷媒ガスは、次いで第１の熱的結合２８に至る。第１の熱的結合２８は、ＧＭ冷凍機１１の１段ステージ１３に熱的結合されているため冷却されている。よって高圧の冷媒ガスは、第１の熱的結合２８においてさらに冷却される。 The high-pressure refrigerant gas cooled by the first heat exchanger 26 then reaches the first thermal coupling 28. The first thermal coupling 28 is cooled because it is thermally coupled to the first stage 13 of the GM refrigerator 11. Thus, the high pressure refrigerant gas is further cooled at the first thermal coupling 28.

第１の熱的結合２８を経た後、高圧の冷媒ガスは第２熱交換器２７に流入する。この高圧の冷媒ガスは、第２熱交換器２７において低圧側冷媒ガスライン２３内を流れる低圧の冷媒ガスとの間で熱交換が行われる。これにより高圧の冷媒ガスは、第２熱交換器２７においても冷却される。 After passing through the first thermal coupling 28, the high-pressure refrigerant gas flows into the second heat exchanger 27. This high-pressure refrigerant gas exchanges heat with the low-pressure refrigerant gas flowing in the low-pressure side refrigerant gas line 23 in the second heat exchanger 27. As a result, the high-pressure refrigerant gas is also cooled in the second heat exchanger 27.

第２熱交換器２７によって冷却された高圧の冷媒ガスは、次いで第２の熱的結合２９に至る。第２の熱的結合２９は、ＧＭ冷凍機１１の２段ステージ１４に熱的結合されているため、１段ステージ１３に比べてより低い温度に冷却されている。高圧の冷媒ガスは、この第２の熱的結合２９においてさらに冷却される。 The high-pressure refrigerant gas cooled by the second heat exchanger 27 then reaches the second thermal coupling 29. Since the second thermal coupling 29 is thermally coupled to the second stage 14 of the GM refrigerator 11, the second thermal coupling 29 is cooled to a temperature lower than that of the first stage 13. The high pressure refrigerant gas is further cooled in this second thermal coupling 29.

このようにして、高圧側冷媒ガスライン２２を流れることにより各熱交換器２６，２７及び各熱的結合２８，２９により冷却された高圧の冷媒ガスは、ＪＴ弁２４に供給される。この冷却された高圧の冷媒ガスは、ＪＴ弁２４を通過することにより断熱膨張（ＪＴ膨張）し、寒冷を発生させる。また、冷媒ガスは断熱膨張することにより低圧化する。 In this way, the high-pressure refrigerant gas cooled by the heat exchangers 26 and 27 and the thermal couplings 28 and 29 by flowing through the high-pressure side refrigerant gas line 22 is supplied to the JT valve 24. The cooled high-pressure refrigerant gas undergoes adiabatic expansion (JT expansion) by passing through the JT valve 24 to generate cold. Further, the refrigerant gas is reduced in pressure by adiabatic expansion.

この寒冷が発生した冷媒ガスは、ステージ４０Ａに供給される。そして、ステージ４０Ａは冷媒ガスとの間で熱交換を行うことにより冷却される。ステージ４０Ａには、図示しない被冷却物が熱的結合されている。従って被冷却物は、ステージ４０Ａにより冷却処理される。 The refrigerant gas in which the cold has occurred is supplied to the stage 40A. The stage 40A is cooled by exchanging heat with the refrigerant gas. An object to be cooled (not shown) is thermally coupled to the stage 40A. Accordingly, the object to be cooled is cooled by the stage 40A.

ステージ４０Ａと熱交換を行った冷媒ガスは、低圧側冷媒ガスライン２３通って、第２熱交換器２７に流入し、高圧側冷媒ガスライン２２を流れる高圧の冷媒ガスを冷却する。その後、低圧の冷媒ガスは、第１熱交換器２６でも高圧の冷媒ガスと熱交換し、高圧の冷媒ガスを冷却すると共に徐々に昇温される。 The refrigerant gas that has exchanged heat with the stage 40 </ b> A flows into the second heat exchanger 27 through the low-pressure side refrigerant gas line 23, and cools the high-pressure refrigerant gas flowing through the high-pressure side refrigerant gas line 22. Thereafter, the low-pressure refrigerant gas exchanges heat with the high-pressure refrigerant gas also in the first heat exchanger 26, and the high-pressure refrigerant gas is cooled and gradually heated.

このようにして昇温された低圧の冷媒ガスは、ＪＴ用圧縮機２１に還流する。そして、ＪＴ用圧縮機２１によって圧縮されて高圧化し、再び高圧側冷媒ガスライン２２に供給される。以上の動作を繰り返すことにより、ステージ４０Ａは所定の冷却目標温度（例えばヘリウムの液化温度である４．２Ｋ）まで冷却される。 The low-pressure refrigerant gas whose temperature has been raised in this manner is returned to the JT compressor 21. Then, it is compressed by the JT compressor 21 to have a high pressure, and is supplied again to the high-pressure side refrigerant gas line 22. By repeating the above operation, the stage 40A is cooled to a predetermined cooling target temperature (for example, 4.2 K which is a liquefaction temperature of helium).

ここで、図１に加えて図２を用いてステージ４０Ａについて詳述する。 Here, the stage 40A will be described in detail with reference to FIG. 2 in addition to FIG.

図２は、ステージ４０Ａを拡大して示す断面図である。同図に示すように、ステージ４０Ａは、ステージ本体４１Ａと、このステージ本体４１Ａ内に形成された冷媒ガス流路４２Ａを有している。 FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of the stage 40A. As shown in the figure, the stage 40A has a stage main body 41A and a refrigerant gas flow path 42A formed in the stage main body 41A.

ステージ本体４１Ａは、その下面４９において被冷却物と熱的に結合がされるものである。このステージ本体４１Ａは、例えばステンレス、銅、或いは銅合金等の熱伝導率の高い材料により形成されている。 The stage main body 41A is thermally coupled to an object to be cooled on the lower surface 49 thereof. The stage main body 41A is formed of a material having high thermal conductivity such as stainless steel, copper, or copper alloy.

冷媒ガス流路４２Ａは、ステージ本体４１Ａの内部に形成されている。この冷媒ガス流路４２Ａは、例えばステージ本体４１Ａを上下２枚に分割したステージ本体半体により構成し、このステージ本体半体の内側に所定の凹部を形成し、その後に一対のステージ本体半体を接合（例えば、ロウ付け）することにより形成することができる。 The refrigerant gas passage 42A is formed inside the stage main body 41A. The refrigerant gas flow path 42A is constituted by, for example, a stage main body half obtained by dividing the stage main body 41A into two upper and lower parts, a predetermined recess is formed inside the stage main body half, and then a pair of stage main body halves. Can be formed by joining (for example, brazing).

また冷媒ガス流路４２Ａは、外部接続するための流入ポート４５及び流出ポート４６が形成されている。流入ポート４５には、ＪＴ弁２４に接続された接続ライン２５が接続される。また流出ポート４６には、ＪＴ用圧縮機２１のガス還流側Ｐ_Ｉと接続された低圧側冷媒ガスライン２３が接続される。 The refrigerant gas flow path 42A has an inflow port 45 and an outflow port 46 for external connection. A connection line 25 connected to the JT valve 24 is connected to the inflow port 45. The outflow port 46 is low-pressure refrigerant gas line 23 connected to the gas recirculation side P _I of JT compressor 21 is connected.

よって、ＪＴ弁２４を通過し寒冷が発生した冷媒ガスは接続ライン２５及び流入ポート４５を通り冷媒ガス流路４２Ａに流入する。冷媒ガス流路４２Ａは、ステージ４０Ａに一体的に形成された流路である。この冷媒ガス流路４２Ａ内を冷媒ガスが流れることにより、冷媒ガスとステージ４０Ａ（ステージ本体４１Ａ）との間で熱交換が行われる。 Therefore, the refrigerant gas that has passed through the JT valve 24 and has generated cold flows through the connection line 25 and the inflow port 45 into the refrigerant gas flow path 42A. The refrigerant gas channel 42A is a channel formed integrally with the stage 40A. As the refrigerant gas flows through the refrigerant gas flow path 42A, heat exchange is performed between the refrigerant gas and the stage 40A (stage body 41A).

この際、冷媒ガスは冷媒ガス流路４２Ａ内でステージ４０Ａ（ステージ本体４１Ａ）の内壁と直接触れた状態となる。よって、従来ように冷媒ガスラインをステージに巻回する構成に比べ、冷媒ガスとステージ４０Ａとの間における熱交換効率を高めることができる。よって、本実施形態に係る極低温冷凍機１０によれば、ステージ４０Ａを効率的に冷却することができる。 At this time, the refrigerant gas comes into direct contact with the inner wall of the stage 40A (stage body 41A) in the refrigerant gas flow path 42A. Therefore, the heat exchange efficiency between the refrigerant gas and the stage 40A can be increased as compared with the conventional configuration in which the refrigerant gas line is wound around the stage. Therefore, according to the cryogenic refrigerator 10 according to the present embodiment, the stage 40A can be efficiently cooled.

また、従来ように冷媒ガスラインをステージに巻回する構成では、長い冷媒ガスラインが必要であると共にステージに冷媒ガスラインを巻回するための巻回軸を設ける必要があるため、ステージが重くなるという問題点があった。しかしながら、本実施形態では長い冷媒ガスライン及び巻回軸は不要であり、よってステージ４０Ａの軽量化を図ることができる。 Further, in the conventional configuration in which the refrigerant gas line is wound around the stage, a long refrigerant gas line is required and a winding shaft for winding the refrigerant gas line on the stage needs to be provided, so that the stage is heavy. There was a problem of becoming. However, in this embodiment, a long refrigerant gas line and a winding shaft are unnecessary, and thus the weight of the stage 40A can be reduced.

また、ステージ４０Ａは支柱３０以外に配設されるものはないため、ステージ４０Ａ内に冷媒ガス流路４２Ａを高い自由度を持って形成することができる。即ち、図２に示すようなステージ４０Ａ内に冷媒ガス流路４２Ａを直線的に形成する構成以外にも、図３に示すようにステージ４０Ａ内に冷媒ガス流路４２Ａを非直線形状で形成することも可能である。 Further, since the stage 40A is not disposed other than the support column 30, the refrigerant gas passage 42A can be formed in the stage 40A with a high degree of freedom. That is, in addition to the configuration in which the refrigerant gas passage 42A is linearly formed in the stage 40A as shown in FIG. 2, the refrigerant gas passage 42A is formed in a non-linear shape in the stage 40A as shown in FIG. It is also possible.

図３（Ａ）に示す変形例では、ステージ４０Ａ内に冷媒ガス流路４２Ａをジグザグ状に配設したものである。また、図３（Ｂ）に示す変形例では、ステージ４０Ａ内に冷媒ガス流路４２Ａを螺旋状に配設したものである。 In the modification shown in FIG. 3A, the refrigerant gas passage 42A is arranged in a zigzag shape in the stage 40A. In the modification shown in FIG. 3B, the refrigerant gas passage 42A is spirally arranged in the stage 40A.

このように、ステージ４０Ａ内に冷媒ガス流路４２Ａを非直線形状で形成することにより、ステージ４０Ａの全体を均一に冷却することが可能になるため、被冷却物を斑なく均一に冷却することができる。また、冷媒ガス流路４２Ａを流れる冷媒ガスとステージ４０Ａとの接触面積は、直線状の冷媒ガス流路４２Ａに比べて広くなるため、冷媒ガスとステージ４０Ａとの間における熱交換効率をさらに高めることができる。 In this way, by forming the refrigerant gas flow path 42A in a non-linear shape in the stage 40A, the entire stage 40A can be uniformly cooled. Can do. Further, since the contact area between the refrigerant gas flowing through the refrigerant gas flow path 42A and the stage 40A is larger than that of the linear refrigerant gas flow path 42A, the heat exchange efficiency between the refrigerant gas and the stage 40A is further increased. be able to.

また、ステージ４０Ａ内に冷媒ガス流路４２Ａを非直線形状で形成することにより、ステージ４０Ａ内の空間部分が広くなる。このため、ステージ４０Ａの軽量化を図ることができる。 Further, by forming the refrigerant gas passage 42A in a non-linear shape in the stage 40A, the space portion in the stage 40A is widened. For this reason, the weight of the stage 40A can be reduced.

次に、図４及び図５を用いて、本発明の第２実施形態に係る極低温冷凍機について説明する。 Next, a cryogenic refrigerator according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 4 and 5.

なお、第２実施形態に係る極低温冷凍機は、ステージ４０Ｂの構造以外は第１実施形態に係る極低温冷凍機１０と同一構成である。このため、図４及び図５では第２実施形態に係る極低温冷凍機の構成の内、ステージ４０Ｂのみを図示し、他の構成の図示及び説明は省略するものとする。また、図４及び図５において、図１乃至図３に示した構成と対応する構成については同一符号を付し、その説明は省略する。 In addition, the cryogenic refrigerator which concerns on 2nd Embodiment is the same structure as the cryogenic refrigerator 10 which concerns on 1st Embodiment except the structure of the stage 40B. For this reason, in FIG.4 and FIG.5, only the stage 40B is illustrated among the structure of the cryogenic refrigerator which concerns on 2nd Embodiment, and illustration and description of another structure shall be abbreviate | omitted. 4 and 5, the same reference numerals are given to the components corresponding to those shown in FIGS. 1 to 3, and the description thereof is omitted.

本実施形態に係る極低温冷凍機に設けられるステージ４０Ｂは、ステージ本体４１Ｂ内に形成される冷媒ガス流路４２Ｂ内に複数のフィン４３を設けた構成とされている。本実施形態ではフィン４３は断面矩形状の柱形状としており、図５に示すように格子状に配置した構成としている。 The stage 40B provided in the cryogenic refrigerator according to the present embodiment has a configuration in which a plurality of fins 43 are provided in a refrigerant gas flow path 42B formed in the stage main body 41B. In the present embodiment, the fins 43 have a columnar shape with a rectangular cross section, and are arranged in a grid pattern as shown in FIG.

このように冷媒ガス流路４２Ｂ内に複数のフィン４３を設けることにより、冷媒ガス流路４２Ｂ内を流れる冷媒ガスとステージ４０Ｂ（ステージ本体４１Ｂ）との接触面積を増大させることができ、ステージ４０Ｂと冷媒ガスとの熱交換効率を高めることができる。よって、本実施形態に係る極低温冷凍機によれば、第１実施形態に係る極低温冷凍機１０に比べ、さらにステージ４０Ｂを効率的に冷却することができる。 By providing the plurality of fins 43 in the refrigerant gas flow path 42B in this manner, the contact area between the refrigerant gas flowing in the refrigerant gas flow path 42B and the stage 40B (stage body 41B) can be increased, and the stage 40B The heat exchange efficiency between the refrigerant gas and the refrigerant gas can be increased. Therefore, according to the cryogenic refrigerator which concerns on this embodiment, compared with the cryogenic refrigerator 10 which concerns on 1st Embodiment, the stage 40B can be cooled more efficiently.

また、フィン４３の先端部と冷媒ガス流路４２Ｂの上面４８との間には、図４に矢印ΔＨで示す間隙５０が形成されている。即ち、フィン４３の先端部と冷媒ガス流路４２Ｂは、離間した構成とされている。よって、被冷却物からの熱（以下、外部熱という）が被冷却物との接触面４９を介してフィン４３に熱伝導されても、この外部熱は間隙５０の存在により上面４８に熱伝導されることはない。 Further, a gap 50 indicated by an arrow ΔH in FIG. 4 is formed between the tip of the fin 43 and the upper surface 48 of the refrigerant gas flow path 42B. That is, the tip end portion of the fin 43 and the refrigerant gas flow path 42B are separated from each other. Therefore, even if heat from the object to be cooled (hereinafter referred to as external heat) is thermally conducted to the fins 43 through the contact surface 49 with the object to be cooled, the external heat is conducted to the upper surface 48 due to the presence of the gap 50. It will never be done.

よって、本実施形態に係るステージ４０Ｂによれば、支柱３０を介して真空容器１及び真空容器１に収納された熱交換器２６，２７に外部熱が伝わることを防止できる。よって、冷媒ガスが外部熱により昇温してしまうことを抑制でき、これによっても極低温冷凍機の冷却効率を高めることができる。 Therefore, according to the stage 40 </ b> B according to the present embodiment, external heat can be prevented from being transmitted to the vacuum vessel 1 and the heat exchangers 26 and 27 accommodated in the vacuum vessel 1 through the support column 30. Therefore, it can suppress that refrigerant gas heats up with external heat, and this can also raise the cooling efficiency of a cryogenic refrigerator.

なお、上記した実施形態ではＪＴ回路２０に予冷用の冷凍装置としてＧＭ冷凍機１１を組み合わせた極低温冷凍機について説明したが、予冷用の冷凍装置はこれに限定されるものではなく、スターリン冷凍機、パルス管冷凍機等の他の冷凍装置を用いることも可能である。さらに、冷却ステージの段数は限定されるものではなく、所望する冷却温度に応じて適宜選定することが可能である。 In the above-described embodiment, the cryogenic refrigerator in which the GM refrigerator 11 is combined with the JT circuit 20 as a precooling refrigerating apparatus has been described. However, the precooling refrigerating apparatus is not limited to this, and is a Stalin refrigerating machine. It is also possible to use other refrigeration apparatuses such as a machine and a pulse tube refrigerator. Furthermore, the number of cooling stages is not limited and can be appropriately selected according to a desired cooling temperature.

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は上記した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能なものである。 The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above. However, the present invention is not limited to the specific embodiments described above, and various modifications are possible within the scope of the gist of the present invention described in the claims. It can be modified and changed.

１真空容器
１０極低温冷凍機
１１ＧＭ冷凍機
１２冷凍機用圧縮機
１３１段ステージ
１４２段ステージ
１５１段シリンダ
１６２段シリンダ
２０ＪＴ回路
２１ＪＴ用圧縮機
２２高圧側冷媒ガスライン
２３低圧側冷媒ガスライン
２４ＪＴ弁
２６第１熱交換器
２７第２熱交換器
２８第１の熱的結合
２９第２の熱的結合
３０支柱
３１支持プレート
３２支持アーム
４０Ａ，４０Ｂステージ
４１Ａ，４１Ｂステージ本体
４２Ａ，４２Ｂ冷媒ガス流路
４３フィン
４５流入ポート
４６流出ポート
４８上面
４９接触面
５０間隙 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Vacuum vessel 10 Cryogenic refrigerator 11 GM refrigerator 12 Compressor for refrigerator 13 First stage 14 Second stage 15 First stage 16 Second stage cylinder 20 JT circuit 21 JT compressor 22 High pressure side refrigerant gas line 23 Low pressure Side refrigerant gas line 24 JT valve 26 First heat exchanger 27 Second heat exchanger 28 First thermal coupling 29 Second thermal coupling 30 Support column 31 Support plate 32 Support arm 40A, 40B Stage 41A, 41B Stage body 42A, 42B Refrigerant gas flow path 43 Fin 45 Inflow port 46 Outflow port 48 Upper surface 49 Contact surface 50 Gap

Claims

A compressor that compresses the refrigerant gas; a valve device that adiabatically expands the high-pressure refrigerant gas supplied from the compressor to generate cold; a stage that is cooled by the refrigerant gas cooled by the cold; and the compressor A first refrigeration apparatus having a refrigerant gas line connecting the valve device and the stage;
A second refrigeration apparatus for precooling the refrigerant gas flowing through the refrigerant gas line;
A cryogenic refrigerator having a configuration in which a refrigerant gas flow path through which the refrigerant gas flows is provided inside the stage, and heat exchange is performed between the refrigerant gas flowing through the refrigerant gas flow path and the stage. .

The cryogenic refrigerator according to claim 1, wherein fins are provided in the refrigerant gas flow path.

The cryogenic refrigerator according to claim 2, wherein the fins are arranged in a lattice pattern.

The cryogenic refrigerator according to claim 2 or 3, wherein a gap is formed between the fin and an inner wall of the refrigerant gas flow path.

The cryogenic refrigerator according to any one of claims 1 to 4, wherein the refrigerant gas passage has a non-linear shape.

The cryogenic refrigerator according to claim 5, wherein the refrigerant gas flow path has a spiral shape.