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JP2019086159A - Circulative cooling device - Google Patents

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JP2019086159A JP2017211623A JP2017211623A JP2019086159A JP 2019086159 A JP2019086159 A JP 2019086159A JP 2017211623 A JP2017211623 A JP 2017211623A JP 2017211623 A JP2017211623 A JP 2017211623A JP 2019086159 A JP2019086159 A JP 2019086159A
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潤一 藤平
秀幸 藤平
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秀幸 藤平
誠一 藤平
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誠一 藤平
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  • Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)

Abstract

【課題】優れた冷却能力を発揮しつつメンテナンス性が大幅に向上した新規な循環冷却装置の提供。【解決手段】寒剤を循環する回路70の往路ライン72の上流側を内容器20の頂面20aに連通すると共に、その下流側を内容器20の底面20bに連通する。これによって、寒剤が内容器20内に流れ、冷凍機30に直接接触するため、効率良く冷却することができる。また、寒剤を冷却するための熱交換器が不要となるため、メンテナンス時には、真空容器10を分解したり、熱交換器を取り外す作業が不要となってメンテナンス性が大幅に向上する。【選択図】図1PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a new circulation cooling device having significantly improved maintainability while exhibiting excellent cooling capacity. SOLUTION: An upstream side of an outward line 72 of a circuit 70 for circulating a cryogen is communicated with a top surface 20a of an inner container 20, and a downstream side thereof is communicated with a bottom surface 20b of the inner container 20. As a result, the cryogen flows into the inner container 20 and comes into direct contact with the refrigerator 30, so that it can be cooled efficiently. Further, since the heat exchanger for cooling the cryogen is not required, the work of disassembling the vacuum container 10 and removing the heat exchanger is not required at the time of maintenance, and the maintainability is greatly improved. [Selection diagram] Fig. 1

Description

本発明は、液体ヘリウム等の寒剤を循環させながら高感度磁気センサーなどの被冷却体を極低温に冷却するための循環冷却装置に関する。   The present invention relates to a circulation cooling device for cooling a body to be cooled such as a high sensitivity magnetic sensor to a cryogenic temperature while circulating a cryogen such as liquid helium.

超伝導量子干渉素子 (superconducting quantum interference device, SQUID)は、超伝導における磁束の量子化を利用した超高感度の磁気センサーの1つであり、低磁場核磁気共鳴画像法 (Low Field MRI) 用の磁気センサーをはじめ、各種分析、検査、環境・資源探査等の分野における先端計測システムに欠かせないデバイスとなっている。そして、この超伝導量子干渉素子は、極低温下で起こる超伝導現象を利用していることから、ヘリウムなどの寒剤を用いた冷却装置が不可欠となっている。   Superconducting quantum interference device (SQUID) is one of the ultrasensitive magnetic sensors that utilizes the quantization of magnetic flux in superconductivity, and is for low field nuclear magnetic resonance imaging (Low Field MRI) In addition to magnetic sensors, it is an indispensable device for advanced measurement systems in the fields of various analysis, inspection, environment and resource exploration. And since this superconducting quantum interference device utilizes the superconductivity phenomenon which occurs under cryogenic temperature, the cooling device which used cryogens, such as helium, is indispensable.

この種の冷却装置の1つとして、例えば以下の非特許文献1などに開示されているような循環式の冷却装置がある。図4はこの循環式の冷却装置の構造を示したものであり、小型冷凍機Kを備えた真空容器Yに、第1熱交換器N1と、第2熱交換器N2とを収容すると共に、その真空容器Yから延びる真空断熱管Hの先端に冷却部Rを備え、その冷却部Rに被冷却体S(超伝導量子干渉素子)を収容した構造となっている。   As one of the cooling devices of this type, there is, for example, a circulating cooling device as disclosed in Non-Patent Document 1 below. FIG. 4 shows the structure of this circulation type cooling device, in which a first heat exchanger N1 and a second heat exchanger N2 are accommodated in a vacuum vessel Y provided with a small refrigerator K. A cooling unit R is provided at the tip of a vacuum heat insulation pipe H extending from the vacuum vessel Y, and the cooling unit R is configured to accommodate a body to be cooled S (superconducting quantum interference device).

そして、寒剤となるヘリウムを循環ポンプPによって真空容器Y内の第1熱交換器N1と第2熱交換器N2に順に送り、ここでその寒剤を小型冷凍機Kとの熱交換によって、例えば4K程度まで冷却した後、真空断熱管Hを介して遠隔にある冷却部Rに送ることでその被冷却体S(超伝導量子干渉素子)を、その機能を発揮する極低温まで冷却する。その後、冷却によって温度が上昇した寒剤を再び真空断熱管Hを介して真空容器Y内の第2熱交換器N2と第1熱交換器N1とに順に送り、ここで順に送られてくるヘリウムを予冷してから再び循環ポンプPによって循環させる構造となっている。   Then, helium, which is a cryogen, is sequentially sent to the first heat exchanger N1 and the second heat exchanger N2 in the vacuum vessel Y by the circulation pump P, where the cryogen is exchanged by heat exchange with the small refrigerator K, for example, 4K. After cooling to a certain extent, the object to be cooled S (superconducting quantum interference device) is cooled to a cryogenic temperature that exhibits its function by sending it to a remote cooling unit R via a vacuum adiabatic pipe H. After that, the cryogen whose temperature has risen by cooling is again sent to the second heat exchanger N2 and the first heat exchanger N1 in the vacuum vessel Y in order via the vacuum adiabatic pipe H again, and helium sent in order here After precooling, the circulation pump P is again circulated.

A.P.Rijpma, 他6名、Construction and test of a cryocooled low-Tc SQUID gradiometer system, CRYOGENICS, Vol.48, 2008年, p.61-67(ELSEVIER)A. P. Rijpma, 6 others, Construction and test of a cryocooled low-Tc SQUID gradiometer system, CRYOGENICS, Vol. 48, 2008, p. 61-67 (ELSEVIER)

ところで、前述したような従来の冷却装置は、構造が複雑な熱交換器が必要となる上に、その熱交換器(の伝熱管)が小型冷凍機Kの冷却ステージと密接(ろう付け)するように設けられている。そのため、小型冷凍機Kなどをメンテナンスする際には、真空容器Yを一旦分解してこれらの熱交換器Nをいちいち取り外さなければならず、その作業は極めて面倒であるという欠点がある。   By the way, the conventional cooling device as described above requires a heat exchanger having a complicated structure, and (the heat transfer tube of) the heat exchanger is in close contact (brazing) with the cooling stage of the small refrigerator K It is provided as. Therefore, when maintaining the small refrigerator K or the like, the vacuum container Y has to be disassembled once and the heat exchangers N have to be removed one by one, and the operation is extremely troublesome.

そこで、本発明はこれらの課題を解決するために案出されたものであり、その目的は、優れた冷却能力を発揮しつつメンテナンス性が大幅に向上した新規な循環冷却装置を提供することにある。   Therefore, the present invention has been devised to solve these problems, and it is an object of the present invention to provide a novel circulating cooling device which exhibits excellent cooling capacity while greatly improving maintainability. is there.

前記課題を解決するために第1の発明は、真空容器と、当該真空容器内に収容された内容器と、当該内容器内に冷却ステージを収容した冷凍機と、被冷却体を冷却する冷却部と、当該冷却部と前記真空容器内を連通する真空断熱管と、前記真空断熱管内を通過して前記冷却部に寒剤を循環供給する循環回路とを備え、前記寒剤循環回路の往路ラインの上流側を前記内容器の頂面に連通すると共に、前記往路ラインの下流側を前記内容器の底面に連通し、前記寒剤循環回路の復路ラインを前記真空容器内を通過するように配置したことを特徴とする循環冷却装置である。   According to a first aspect of the present invention, there is provided a vacuum vessel, an inner vessel accommodated in the vacuum vessel, a refrigerator having a cooling stage accommodated in the inner vessel, and a cooling device for cooling a body to be cooled. A vacuum adiabatic pipe for communicating the inside of the vacuum vessel with the cooling part, and a circulation circuit passing the inside of the vacuum insulation pipe and circulating and supplying the cryogen to the cooling part; The upstream side is in communication with the top surface of the inner vessel, and the downstream side of the forward line is in communication with the bottom of the inner vessel, and the return line of the refrigerant circulation circuit is arranged to pass through the vacuum vessel. It is a circulating cooling device characterized by

このような構成によれば、寒剤循環回路の往路ラインを流れる寒剤が内容器内に流れ、その内部に設けられた冷凍機の冷却ステージに直接接触するため、この寒剤を効率良く冷却することができる。従って、従来のように往路ラインを流れる寒剤をこの冷却ステージで冷却するための熱交換器が不要となるため、冷凍機などをメンテナンスする際には、真空容器を分解したり、熱交換器を取り外す作業が不要となってメンテナンス性が大幅に向上する。また、寒剤循環回路の復路ラインを前記真空容器内を通過するように配置することで復路ラインを流れる寒剤への外部入熱を抑えることができると共に、その冷熱を真空容器内の予冷に活用できる。   According to such a configuration, since the cryogen flowing in the forward line of the cryogen circulation circuit flows into the inner container and directly contacts the cooling stage of the refrigerator provided therein, the cryogen can be efficiently cooled it can. Therefore, since it becomes unnecessary to use a heat exchanger for cooling the refrigerant flowing in the forward line at this cooling stage as in the prior art, when maintaining the refrigerator etc., the vacuum vessel is disassembled or the heat exchanger is Maintenance work is greatly improved because the removal work is unnecessary. In addition, by arranging the return line of the cryogen circulation circuit to pass through the inside of the vacuum vessel, it is possible to suppress external heat input to the cryogen flowing through the return line and to utilize the cold heat for precooling in the vacuum vessel. .

第2の発明は、第1の発明において、前記冷凍機の蓄冷器または冷却ステージのいずれかあるいは両方の表面に伝熱フィンを複数設けたことを特徴とする循環冷却装置である。このような構成によれば、冷凍機の冷却ステージと寒剤との接触面積が増えるため、より効率良く寒剤を冷却することができる。   A second aspect of the invention is the circulation cooling device according to the first aspect, wherein a plurality of heat transfer fins are provided on the surface of either or both of the regenerator and the cooling stage of the refrigerator. According to such a configuration, the contact area between the cooling stage of the refrigerator and the refrigerant increases, so that the refrigerant can be cooled more efficiently.

第3の発明は、第1または第2の発明において、前記内容器内に熱交換器を収容すると共に、前記循環回路の復路ラインを前記熱交換器に接続したことを特徴とする循環冷却装置である。このような構成によれば、冷却部で被冷却体を冷却して復路ラインを戻る寒剤と順次内容器内に新たに供給された寒剤とによって熱交換が可能となるため、復路ラインを戻る寒剤の冷熱によって新たに供給される寒剤を効率良く予冷することができる。   A third invention according to the first or second invention, wherein a heat exchanger is accommodated in the inner container, and a return line of the circulation circuit is connected to the heat exchanger. It is. According to such a configuration, heat exchange can be performed by the cryogen that cools the object to be cooled in the cooling unit and returns to the return line and the cryogen that is newly supplied into the inner container sequentially, so that the cryogen returns to the return line The cold heat of the can efficiently precool the newly supplied cryogen.

第4の発明は、第3の発明において、前記熱交換器が、前記冷凍機の蓄冷器または冷却ステージのいずれかあるいは両方をらせん状に囲繞する蛇管構造となっていることを特徴とする循環冷却装置である。このような構成によれば、内容器20内に専用の取り付けスペースを設ける必要がなくなる上に、寒剤との接触面積が大きくなって効率良く熱交換を行うことができる。また、冷凍機の冷却ステージなどが、熱交換器と接触したり、干渉しないため、この冷凍機を上方に引き抜くように移動させることでメンテナンスの際には簡単に脱着できる。   According to a fourth invention, in the circulation system according to the third invention, the heat exchanger has a serpentine structure in which either or both of a regenerator and a cooling stage of the refrigerator are spirally surrounded. It is a cooling device. According to such a configuration, it is not necessary to provide a dedicated mounting space in the inner container 20, and the contact area with the cryogen can be increased, and heat exchange can be performed efficiently. In addition, since the cooling stage of the refrigerator does not contact or interfere with the heat exchanger, the refrigerator can be easily detached at the time of maintenance by moving the refrigerator upward.

本発明によれば、真空容器内に内容器を設け、往路ラインを流れる寒剤をその内容器内へ流し、これをその内部に設けられた冷凍機の冷却ステージなどで直接接触させて冷却するようにしたため、寒剤を効率良く冷却することができる。従って、従来のように往路ラインを流れる寒剤をこの冷却ステージで冷却するための熱交換器が不要となるため、冷凍機などをメンテナンスする際には、真空容器を分解したり、熱交換器を取り外す作業が不要となってメンテナンス性が大幅に向上する。   According to the present invention, the inner container is provided in the vacuum container, and the cryogen flowing in the forward line is allowed to flow into the inner container and is brought into direct contact and cooled by the cooling stage of the refrigerator provided therein. Therefore, the cryogen can be cooled efficiently. Therefore, since it becomes unnecessary to use a heat exchanger for cooling the refrigerant flowing in the forward line at this cooling stage as in the prior art, when maintaining the refrigerator etc., the vacuum vessel is disassembled or the heat exchanger is Maintenance work is greatly improved because the removal work is unnecessary.

本発明に係る循環冷却装置100の実施の一形態を示す全体構成図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a whole block diagram which shows one Embodiment of the circulation cooling device 100 which concerns on this invention. 図1中A部を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the A section in FIG. 本発明に係る循環冷却装置100の他の実施形態を示す全体構成図である。It is a whole block diagram which shows other embodiment of the circulation cooling device 100 which concerns on this invention. 従来の循環冷却装置の構成を示す説明図である。It is an explanatory view showing the composition of the conventional circulation cooling device.

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら説明する。図1は、本発明に係る循環冷却装置100の実施の一形態を示したものである。図示するようにこの循環冷却装置100は、真空容器10と、この真空容器10内に収容された内容器20と、この内容器20内に取り付けられた冷凍機30と、被冷却体40を冷却する冷却部50と、この冷却部50と真空容器10内を連通する真空断熱管60と、寒剤を内容器20を通過して冷却部50に循環供給する寒剤循環回路70と、内容器20内に設けられた熱交換器80とから主に構成されている。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the attached drawings. FIG. 1 shows an embodiment of a circulation cooling device 100 according to the present invention. As shown, the circulation cooling device 100 cools the vacuum vessel 10, the inner vessel 20 accommodated in the vacuum vessel 10, the refrigerator 30 mounted in the inner vessel 20, and the object to be cooled 40. A cooling unit 50, a vacuum insulation pipe 60 communicating the cooling unit 50 with the inside of the vacuum vessel 10, a cryogen circulation circuit 70 for circulating the cryogen through the inner vessel 20 and circulating it to the cooling unit 50; And a heat exchanger 80 provided at the

真空容器10は、例えば高さが50〜100cm、径が20〜30cm程度の縦型円筒状の容器から構成されており、真空ポンプP1によって例えば0.1〜0.0001Pa程度の高真空状態に保たれている。なお、材質としては特に限定されないが、例えばステンレススチールの他に軽量なガラス繊維強化プラスチック(GFRP)などが用いられる。一方、内容器20は、この真空容器10よりも1サイズ小さい大きさの略円筒状となっており、その底面20bは、真空容器10の底面10bよりもやや高い位置に浮くように位置しているのに対し、その頂面20aは、真空容器10の頂面10aと一体または共通となっている。   The vacuum vessel 10 is, for example, a vertical cylindrical vessel having a height of 50 to 100 cm and a diameter of about 20 to 30 cm, and is put in a high vacuum state of, for example, about 0.1 to 0.0001 Pa by a vacuum pump P1. It is kept. The material is not particularly limited. For example, in addition to stainless steel, lightweight glass fiber reinforced plastic (GFRP) or the like is used. On the other hand, the inner container 20 has a substantially cylindrical shape having a size smaller by one size than the vacuum container 10, and the bottom surface 20b is positioned to float slightly higher than the bottom surface 10b of the vacuum container 10. In contrast, the top surface 20 a is integral with or common to the top surface 10 a of the vacuum vessel 10.

冷凍機30は、例えば2段式ギホードマクマホン(GM)サイクルを採用した小型冷凍機もしくはパルスチューブと呼ばれる低振動の小型冷凍機であり、真空容器10の頂面20aに取り付けられた冷凍機ヘッド31から鉛直下向き(内容器20内)に延びる筒状の第1の蓄冷器32aと、この第1蓄冷器32aの下端に位置する第1の冷却ステージ32bと、この第1冷却ステージ32bからさらに鉛直下向きに延びる筒状の第2の蓄冷器33aと、この第2蓄冷器33aの下端に位置する第2の冷却ステージ33bとから主に構成されている。   The refrigerator 30 is, for example, a small refrigerator called a small refrigerator or a pulse tube employing a two-stage Ghodo McMahon (GM) cycle or a low vibration small refrigerator called a pulse tube, and a refrigerator head attached to the top surface 20 a of the vacuum vessel 10 A cylindrical first regenerator 32a extending downward from 31 (inside the inner container 20), a first cooling stage 32b located at the lower end of the first regenerator 32a, and further from the first cooling stage 32b It is mainly comprised from the cylindrical 2nd regenerator 33a extended vertically downward, and the 2nd cooling stage 33b located in the lower end of this 2nd regenerator 33a.

そして、この冷凍機ヘッド31の下面には、取付用のフランジ36が設けられており、図示しないボルトなどによって真空容器10の頂面20aに形成された取付穴20cに対して、図示しないシールを介して密閉状態かつ挿脱自在に取り付けられている。この冷凍機ヘッド31には、複数のガス配管31aを介して圧縮機34が接続されており、この圧縮機34によって冷凍機用の冷媒を圧縮循環させて冷凍サイクルを構成している。なお、現在市販されている冷凍機はヘリウム温度で1W程度の冷凍能力を有している。   A mounting flange 36 is provided on the lower surface of the refrigerator head 31, and a seal (not shown) is formed on the mounting hole 20c formed in the top surface 20a of the vacuum vessel 10 with a bolt (not shown) or the like. It is attached in a sealed state and is insertable and removable. A compressor 34 is connected to the refrigerator head 31 via a plurality of gas pipes 31a, and the compressor 34 compresses and circulates a refrigerant for the refrigerator to form a refrigeration cycle. In addition, the refrigerator currently marketed has a freezing capacity of about 1 W at helium temperature.

また、図2に示すように、この内容器20内に位置する冷凍機30の第1蓄冷器32a、第1冷却ステージ32b、第2蓄冷器33a、第2冷却ステージ33bの全体またはその一部には、フランジ状の伝熱フィン35が複数、上下多段に設けられており、それらの表面積を増大させる機能を発揮している。さらに、同図に示すように、その伝熱フィン35の周囲には、これをらせん状に延びる蛇管構造のパイプ体80aからなる熱交換器80が、一定の間隔を隔ててそれらを囲繞するように設けられている。なお、この熱交換器80の内径は、少なくとも伝熱フィン35のうちのいずれかの最大径(外径)よりも広くなっている。また、この熱交換器80は、特に上段の第1の蓄冷器32aおよび第1冷却ステージ32b、さらに第2の蓄冷器33aの部分に位置している。   Further, as shown in FIG. 2, all or part of the first regenerator 32a, the first cooling stage 32b, the second regenerator 33a, and the second cooling stage 33b of the refrigerator 30 located in the inner container 20. In this case, a plurality of flange-shaped heat transfer fins 35 are provided in upper and lower stages, and the function of increasing the surface area of these is exhibited. Furthermore, as shown in the same figure, a heat exchanger 80 consisting of a pipe body 80a of a spiral tube structure extending in a spiral shape around the heat transfer fins 35 is arranged to surround them at a constant interval. Provided in The inside diameter of the heat exchanger 80 is wider than at least the maximum diameter (outside diameter) of any one of the heat transfer fins 35. In addition, the heat exchanger 80 is particularly located in the upper part of the first regenerator 32a and the first cooling stage 32b, and further in the second regenerator 33a.

図1に戻り、冷却部50は、寒剤循環回路70の一部を構成する伝熱管をらせん状または蛇管状に加工した熱交換器であり、被冷却体40の近傍またはこれを囲繞するように位置している。そして、この冷却部50に収容される被冷却体40は、例えば極低温状態で動作するSQUID(超伝導量子干渉素子)などの超伝導磁気センサーであり、生体などから発生する極めて微弱な地場を計測することができる。また、この被冷却体40の別の例としては、物性値の温度特性を生かすため測定対象物を必要な低温度に維持する試料ホルダーである。   Returning to FIG. 1, the cooling unit 50 is a heat exchanger in which a heat transfer tube forming a part of the cryogen circulation circuit 70 is processed into a spiral or serpentine shape, and is arranged in the vicinity of or around the object to be cooled 40 positioned. The object to be cooled 40 housed in the cooling unit 50 is, for example, a superconducting magnetic sensor such as a SQUID (superconducting quantum interference device) operating in a cryogenic temperature state, and it is possible to It can be measured. Moreover, as another example of this to-be-cooled body 40, in order to make use of the temperature characteristic of a physical-property value, it is a sample holder which maintains a measurement object at a required low temperature.

真空断熱管60は、この冷却部50と真空容器10内を連通する内部が真空状態の管体であり、その長さは、冷却部50を取り付ける位置と真空容器10の設置位置との距離などによって異なってくるが、例えば、50cm〜数m程度の長さとなる。なお、材質としては、真空容器10と同様にステンレススチールの他に軽量なガラス繊維強化プラスチック(GFRP)などが用いられる。   The inside of the vacuum heat insulation pipe 60 communicating with the cooling unit 50 and the inside of the vacuum vessel 10 is a vacuum tube, and the length is the distance between the position where the cooling unit 50 is attached and the installation position of the vacuum vessel 10 However, for example, the length is about 50 cm to several meters. In addition to stainless steel as well as the vacuum vessel 10, lightweight glass fiber reinforced plastic (GFRP) or the like is used as the material.

寒剤循環回路70は、この冷却部50に寒剤を循環供給するためのものであり、真空容器10の外部に取り付けられる循環ポンプ71と、この循環ポンプ71と冷却部50間を接続する一対の金属製パイプからなる往路ライン72および復路ライン73と、寒剤を供給する寒剤タンク74とから主に構成されている。さらにこの往路ライン72は、循環ポンプ71から延びる上流往路ライン72aと、冷却部50側に接続される下流往路ライン72bとから構成されている。そして、上流往路ライン72aの他端(下流端)が内容器20内に連通するようにその頂面20a側に接続されていると共に、下流往路ライン72bの他端(上流端)が内容器20内に連通するようにその底面20b側に接続されている。   The cryogen circulation circuit 70 is for circulating and supplying cryogen to the cooling unit 50, and a circulation pump 71 attached to the outside of the vacuum vessel 10, and a pair of metals connecting the circulation pump 71 and the cooling unit 50. It mainly comprises an outward line 72 and a return line 73 made of pipes and a cryogen tank 74 for supplying a cryogen. Further, the forward line 72 includes an upstream forward line 72 a extending from the circulation pump 71 and a downstream forward line 72 b connected to the cooling unit 50. The other end (downstream end) of the upstream forward pass line 72 a is connected to the top surface 20 a side so as to communicate with the inside of the inner vessel 20, and the other end (upstream end) of the downstream forward pass line 72 b is connected to the inner vessel 20. It is connected to the bottom surface 20b side so as to communicate with the inside.

一方、復路ライン73も冷却部50から延びる上流復路ライン73aと、循環ポンプ71側に接続される下流復路ライン73bとから構成されており、上流復路ライン73aの他端(下流端)が内容器20内に設けられた熱交換器80の入口(下端)側に接続されていると共に、下流復路ライン73bの他端(上流端)がその熱交換器80の出口(上端)側にそれぞれ接続された構造となっている。また、この復路ライン73には、寒剤となるヘリウムガスを供給する寒剤タンク74が設けられており、往路ライン72および復路ライン73内にそれを循環するヘリウムガスを供給するようになっている。   On the other hand, the return line 73 is also composed of an upstream return line 73a extending from the cooling unit 50 and a downstream return line 73b connected to the circulation pump 71 side, and the other end (downstream end) of the upstream return line 73a is an inner container 20 is connected to the inlet (lower end) side of the heat exchanger 80 provided inside, and the other end (upstream end) of the downstream return line 73b is connected to the outlet (upper end) side of the heat exchanger 80 respectively Structure. Further, the return line 73 is provided with a cryogen tank 74 for supplying helium gas as a cryogen, and helium gas circulating in the forward line 72 and the return line 73 is supplied.

次に、このような構成をした本発明に係る循環冷却装置100の作用を説明する。先ず、真空ポンプP1を作動させて真空容器10内を真空状態にすると共に、冷凍機30を駆動して内容器20内が十分に冷却されたならば、寒剤循環回路70の循環ポンプ71を作動させて常温の寒剤(ヘリウムガス)を往路ライン72の上流往路ライン72aから内容器20内へ、その頂面20a側から供給する。すると、内容器20内へ流れ込んだ寒剤は、冷凍機30の第1蓄冷器32a、第1冷却ステージ32b、第2蓄冷器33a、第2冷却ステージ33bの表面に順に直接接触することでその温度が急激に低下する。   Next, the operation of the circulation cooling device 100 according to the present invention having such a configuration will be described. First, the vacuum pump P1 is operated to evacuate the vacuum vessel 10, and when the refrigerator 30 is driven to sufficiently cool the inner vessel 20, the circulation pump 71 of the refrigerant circulation circuit 70 is operated. Then, a normal temperature cryogen (helium gas) is supplied from the upstream outward line 72a of the outward line 72 into the inner container 20 from the top surface 20a side. Then, the temperature of the cryogen flowing into the inner container 20 is in direct contact with the surfaces of the first regenerator 32a, the first cooling stage 32b, the second regenerator 33a, and the second cooling stage 33b of the refrigerator 30 in that order. Drops sharply.

例えば、常温(約20℃)で内容器20へ流れ込んだ寒剤は、内容器20内上層部では順に下方に流れる際に第1蓄冷器32aの周囲を通過し、100K程度に冷却された後、第1冷却ステージ32bに接触して約40〜80Kまで冷却され、さらに第2蓄冷器33a、第2冷却ステージ33bで約4〜10K程度まで冷却されて内容器20の底面20bに達する。   For example, the cryogen flowing into the inner container 20 at normal temperature (about 20 ° C.) passes around the first regenerator 32a when it flows downward sequentially in the inner upper layer portion of the inner container 20, and is cooled to about 100 K, It is cooled to about 40-80 K in contact with the first cooling stage 32 b, and further cooled to about 4-10 K by the second regenerator 33 a and the second cooling stage 33 b to reach the bottom surface 20 b of the inner container 20.

内容器20の底面20bに達した寒剤は、その頂面20a側から順次送り込まれてくる寒剤の圧力によって内容器20の底面20bに接続された下流往路ライン72bに流れ出て、真空断熱管60を通過して冷却部50に送られてその被冷却体40を5〜12K程度に冷却する。その後、この冷却部50の寒剤は、復路ライン73の上流復路ライン73aを通過して内容器20内に至ってその熱交換器80に流れ込む。   The cryogen reaching the bottom surface 20b of the inner container 20 flows out to the downstream outward line 72b connected to the bottom surface 20b of the inner container 20 by the pressure of the cryogen sequentially fed from the top surface 20a side, and the vacuum insulation pipe 60 It passes through and is sent to the cooling unit 50 to cool the object to be cooled 40 to about 5 to 12K. Thereafter, the refrigerant in the cooling unit 50 passes through the upstream return line 73a of the return line 73, reaches the inside of the inner container 20, and flows into the heat exchanger 80 thereof.

そして、熱交換器80に流れ込んだ寒剤(約20〜30K程度)は、図2に示すようにそのらせん状のパイプ体80aを上向きに流れる際に、順次内容器20内に流れ込んだ高温の寒剤と熱交換(予冷)して温度が室温まで上昇した後、下流復路ライン73bを通過して、再び循環ポンプ71によって往路ライン72と復路ライン73を循環することになる。   Then, when the refrigerant (about 20 to 30 K) flowing into the heat exchanger 80 flows upward through the spiral pipe body 80a as shown in FIG. 2, the high temperature refrigerant flowing into the inner container 20 sequentially After heat exchange (pre-cooling) and the temperature rises to room temperature, it passes through the downstream return line 73b and circulates the forward line 72 and the return line 73 again by the circulation pump 71.

このように本発明の循環冷却装置100は、真空容器10内に内容器20を設け、往路ライン72から寒剤をその内容器20内へ流し、これをその内部に設けられた冷凍機30の冷却ステージ32b、33b、蓄冷器32a、33aで直接冷却するようにしたため、効率良く寒剤を冷却することができる。また、復路ライン73に熱交換器80を設けたため、戻る寒剤の冷熱を無駄にすることなく、順次供給される高温の寒剤の予冷に有効利用することができる。   As described above, in the circulating cooling device 100 of the present invention, the inner container 20 is provided in the vacuum container 10, and the cryogen flows from the outgoing line 72 into the inner container 20 to cool the refrigerator 30 provided therein. Since direct cooling is performed by the stages 32b and 33b and the regenerators 32a and 33a, the refrigerant can be efficiently cooled. Further, since the heat exchanger 80 is provided in the return line 73, it is possible to effectively use for precooling of the high temperature cryogen sequentially supplied without wasting the cold energy of the returned cryogen.

しかも、この熱交換器80を、冷却ステージ32b、33b囲繞するようにらせん状の蛇管構造としたため、内容器20内に専用の取り付けスペースを設ける必要がなくなる上に、寒剤との接触面積が大きくなって効率良く熱交換を行うことができる。さらに、冷凍機30の表面すなわち、第1蓄冷器32a、第1冷却ステージ32b、第2蓄冷器33a、第2冷却ステージ33bなどの表面に伝熱フィン35を複数設けたため、内容器20内の寒剤との接触面積が増大するため、より効率良く寒剤を冷却することができる。   Moreover, since this heat exchanger 80 has a spiral flexible tube structure so as to surround the cooling stages 32b and 33b, there is no need to provide a dedicated mounting space in the inner container 20, and the contact area with the cryogen is large. Heat exchange can be performed efficiently. Furthermore, since a plurality of heat transfer fins 35 are provided on the surface of the refrigerator 30, ie, the surfaces of the first regenerator 32a, the first cooling stage 32b, the second regenerator 33a, the second cooling stage 33b, etc. Since the contact area with the cryogen is increased, the cryogen can be cooled more efficiently.

そして、このような構成をした本発明の循環冷却装置100は、従来のように往路ライン72を流れる寒剤を冷凍機30で冷却するための熱交換器が不要となるため、冷凍機30などをメンテナンスする際には、真空容器10を分解したり、熱交換器を取り外す作業が不要となってメンテナンス性が大幅に向上する。また、復路ライン73に設けられたらせん状の熱交換器80の内径は、少なくとも伝熱フィン35のうちのいずれかの最大径(外径)よりも広くなっているため、この冷凍機30の冷却ステージ32b、33bを上方に引き抜くように移動させることでメンテナンスの際には簡単に冷凍機30に脱着することができ、その作業の邪魔になることはない。   And since the circulating cooling device 100 of this invention which comprised in this way becomes that the heat exchanger for cooling the cryogen which flows the outbound line 72 with a refrigerator 30 like the prior art becomes unnecessary, When performing maintenance, the operation of disassembling the vacuum vessel 10 or removing the heat exchanger is unnecessary, and the maintainability is greatly improved. Further, since the inside diameter of the spiral heat exchanger 80 provided in the return line 73 is wider than at least the maximum diameter (outside diameter) of any one of the heat transfer fins 35, By moving the cooling stages 32b and 33b so as to be pulled upward, they can be easily desorbed to the refrigerator 30 at the time of maintenance, and they do not interfere with the work.

なお、図1に示すようにこの内容器20は、縦型円筒状となっていてその頂面20a付近とその底面20b付近とでは300℃近い大きな温度差がある。そのため、その底面20b付近にこれより5〜10cm程度高い位置に段部20dを設け、この段部20dから上流復路ライン73aを内容器20内へ導入してなるべく低温となった底面20b付近の寒剤と接触しないようにすれば、その底面20bから排出される極低温の寒剤に悪影響を及ぼすことなく、効果的にその復路ライン73を戻る寒剤の冷熱を新たに供給される比較的高温の寒剤の予冷熱として活用できる。   As shown in FIG. 1, the inner container 20 is in the shape of a vertical cylinder, and there is a large temperature difference near 300 ° C. between the vicinity of the top surface 20a and the vicinity of the bottom surface 20b. Therefore, a step 20d is provided in the vicinity of the bottom surface 20b at a position about 5 to 10 cm higher than this, and the upstream return line 73a is introduced into the inner container 20 from the step 20d. If it does not come into contact with it, it does not adversely affect the cryogenic coolant discharged from its bottom surface 20b, and it returns the return line 73 effectively, and the cold energy of the coolant which is newly supplied is returned relatively cold. It can be used as pre-cooling heat.

また、本実施の形態では、内容器20内にらせん状の熱交換器80を設けた構造としたが、図3に示すように真空容器10の外側(頂面20a上)に熱交換器90を設け、内容器20内を通過することなく、そのまま真空容器10を出た直後の寒剤の冷熱によって、新たに内容器20内へ供給される直前の寒剤を予冷するようにすれば、冷凍機30の冷却ステージ32b、33bまわりの構造をより簡略化してメンテナンス性をより向上させることができる。また、本実施の形態では、冷凍機30として冷却ステージが2段式のものを用いた例で示したが、被冷却体40に必要な温度が比較的高温、例えば20K以上でよい場合には、図1または図3に示す第1ステージ32bのない単段の小型冷凍機を用いることもできる。   Further, in the present embodiment, the spiral heat exchanger 80 is provided in the inner container 20, but as shown in FIG. 3, the heat exchanger 90 is provided outside the vacuum container 10 (on the top surface 20a). If the refrigerant just before being supplied into the inner container 20 is precooled by the cold heat of the refrigerant immediately after leaving the vacuum container 10 without passing through the inside of the inner container 20, the refrigerator The structure around the 30 cooling stages 32b and 33b can be simplified to further improve maintainability. Further, in the present embodiment, although an example in which the cooling stage is a two-stage type as the refrigerator 30 is shown, the temperature required for the object to be cooled 40 may be a relatively high temperature, for example, 20 K or more Alternatively, a single-stage compact refrigerator without the first stage 32b shown in FIG. 1 or 3 may be used.

100…循環冷却装置
10…真空容器
20…内容器
20a…頂面
20b…底面
30…冷凍機
32a…第1の蓄冷器
32b…第1の冷却ステージ
33a…第2の蓄冷器
33b…第2の冷却ステージ
35…伝熱フィン
40…被冷却体
50…冷却部
60…真空断熱管
70…寒剤循環回路
71…循環ポンプ
72…往路ライン
72a…上流往路ライン
72b…下流往路ライン
73…復路ライン
73a…上流復路ライン
73b…下流復路ライン
80、90…熱交換器
80a :パイプ体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Circulating cooling device 10 ... Vacuum container 20 ... Inner container 20a ... Top surface 20b ... Bottom surface 30 ... Refrigerator 32a ... 1st regenerator 32b ... 1st cooling stage 33a ... 2nd regenerator 33b ... 2nd Cooling stage 35: Heat transfer fin 40: Object to be cooled 50: Cooling part 60: Vacuum insulation pipe 70: Cryogen circulation circuit 71: Circulating pump 72: Outgoing line 72a: Upward outgoing line 72b: Downstream outgoing line 73: Returning line 73a ... Upstream return line 73b ... Downstream return line 80, 90 ... Heat exchanger 80a: Pipe body

Claims (4)

真空容器と、当該真空容器内に収容された内容器と、当該内容器内に冷却ステージを収容した冷凍機と、被冷却体を冷却する冷却部と、当該冷却部と前記真空容器内を連通する真空断熱管と、前記真空断熱管内を通過して前記冷却部に寒剤を循環供給する寒剤循環回路とを備え、
前記寒剤循環回路の往路ラインの上流側を前記内容器の頂面に連通すると共に、前記往路ラインの下流側を前記内容器の底面に連通し、
前記寒剤循環回路の復路ラインを前記真空容器内を通過するように配置したことを特徴とする循環冷却装置。
A vacuum vessel, an inner vessel accommodated in the vacuum vessel, a refrigerator having a cooling stage accommodated in the inner vessel, a cooling unit for cooling an object to be cooled, communication between the cooling unit and the vacuum vessel And a cryogen circulation circuit which circulates the cryogen through the vacuum insulation pipe to the cooling unit.
The upstream side of the forward line of the cryogen circulation circuit is in communication with the top surface of the inner vessel, and the downstream side of the forward line is in communication with the bottom of the inner vessel,
The circulation cooling device is characterized in that a return line of the cryogen circulation circuit is disposed to pass through the inside of the vacuum vessel.
請求項1に記載の循環冷却装置において、
前記冷凍機の蓄冷器または冷却ステージのいずれかあるいは両方の表面に伝熱フィンを複数設けたことを特徴とする循環冷却装置。
In the circulating cooling device according to claim 1,
A plurality of heat transfer fins are provided on the surface of either or both of a regenerator and a cooling stage of the refrigerator.
請求項1または2に記載の循環冷却装置において、
前記内容器内に熱交換器を収容すると共に、前記寒剤循環回路の復路ラインを前記熱交換器に接続したことを特徴とする循環冷却装置。
In the circulating cooling device according to claim 1 or 2,
A heat exchanger is accommodated in the inner container, and a return line of the refrigerant circulation circuit is connected to the heat exchanger.
請求項3に記載の循環冷却装置において、
前記熱交換器が、前記冷凍機の蓄冷器または冷却ステージのいずれかあるいは両方をらせん状に囲繞する蛇管構造になっていることを特徴とする循環冷却装置。
In the circulating cooling device according to claim 3,
The circulating cooling device, wherein the heat exchanger has a serpentine structure in which either or both of a regenerator and a cooling stage of the refrigerator are spirally surrounded.
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