JP6371881B1

JP6371881B1 - ガス冷却システム

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Publication number: JP6371881B1
Application number: JP2017049537A
Authority: JP
Inventors: 卓弥林; 尚男北山
Original assignee: Nippon Sanso Holdings Corp
Current assignee: Nippon Sanso Holdings Corp
Priority date: 2017-03-15
Filing date: 2017-03-15
Publication date: 2018-08-08
Anticipated expiration: 2037-03-15
Also published as: JP2018151149A

Abstract

【課題】コールドヘッドを有する小型冷凍機による冷却能力を大きくして、しかも冷媒ガスの温度を所定の範囲に制御することができるガス冷却システムを得る。【解決手段】本発明に係るガス冷却システム１は、被冷却体７を冷媒ガスで間接冷却するガス冷却システム１であって、コールドヘッド３を有する小型冷凍機と、コールドヘッド３の冷熱によって液化した凝縮冷媒が流れる凝縮冷媒往路５ｆと、熱交換によって蒸発した凝縮冷媒が流れる凝縮冷媒復路５ｒとを有する凝縮冷媒循環ライン５と、前記冷媒ガスを被冷却体７に供給する冷媒ガス往路９ｆと、被冷却体７と熱交換した前記冷媒ガスが流れる冷媒ガス復路９ｒとを有する冷媒ガス循環ライン９と、冷媒ガス循環ライン９と凝縮冷媒循環ライン５との間に設けられて前記凝縮冷媒の蒸発潜熱によって前記冷媒ガスを冷却する熱交換器１１とを備えてなる。【選択図】図１

Description

本発明は、小型冷凍機によって極低温に冷却した冷媒ガスを輸送して機器等の被冷却体を冷却するガス冷却システムに関する。

小型のヘリウム冷凍機を利用した冷却システムには、コールドヘッドと呼ばれる冷凍機の低温部を被冷却体に直接接触させる方法（直接冷却）や、コールドヘッドに巻きつけられた伝熱管に冷媒ガスを流して冷却し、この冷媒ガスで被冷却体を冷却する方法（間接冷却）がある。

間接冷却の例として、例えば特許文献１には、冷媒ガスであるヘリウムガスを、スターリング式冷凍機のコールドヘッドに供給して冷却し、そのガスを圧縮機で輸送して被冷却体を冷却する循環冷却システムが開示されている。
このシステムでは、コールドヘッドと熱的に連結されたステージ熱交換器で冷媒ガスを冷却して、冷却された冷媒ガスを、トランスファーチューブを通して被冷却体に輸送することにより、被冷却体の内部の被冷却物を極低温に冷却できるとしている。

特開２０１５−１１１０１０号公報

特許文献１においては、コールドヘッドに熱的に連結されたステージ熱交換器で冷媒ガスを冷却しているが、このステージ熱交換器による熱交換量は、コールドヘッドに巻きつけられた伝熱管の伝熱面積、コールドヘッドとガスとの伝熱係数及びコールドヘッドとガスの温度差で決定される。
しかし、コールドヘッドに巻き付けることができる伝熱管の長さには制限があるため伝熱面積を大きくすることができず、また金属とガスとの伝熱係数が小さいことから、熱交換量を大きくすることができないという問題がある。

また、冷媒ガスを直接コールドヘッドで冷却する場合、特に被冷却体からの入熱量が変化したときに冷媒ガスの温度変化が大きいため、冷媒ガスの温度を所定の温度範囲に制御するのが難しいという問題もある。

本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、コールドヘッドを有する小型冷凍機による冷却能力を大きくして、しかも冷媒ガスの温度を所定の範囲に制御することができるガス冷却システムを得ることを目的としている。

（１）本発明に係るガス冷却システムは、被冷却体を冷媒ガスで間接冷却するガス冷却システムであって、
コールドヘッドを有する小型冷凍機と、
前記コールドヘッドの冷熱によって液化した凝縮冷媒が流れる凝縮冷媒往路と、熱交換によって蒸発した凝縮冷媒が流れる凝縮冷媒復路とを有する凝縮冷媒循環ラインと、
前記冷媒ガスを前記被冷却体に供給する冷媒ガス往路と、前記被冷却体と熱交換した前記冷媒ガスが流れる冷媒ガス復路とを有する冷媒ガス循環ラインと、
該冷媒ガス循環ラインと前記凝縮冷媒循環ラインとの間に設けられて前記凝縮冷媒の蒸発潜熱によって前記冷媒ガスを冷却する熱交換器とを備えたことを特徴とするものである。

（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記凝縮冷媒循環ラインは、前記凝縮冷媒往路と前記凝縮冷媒復路の間に設けられ、液化した凝縮冷媒と飽和蒸気となった凝縮冷媒とが気液混相状態で貯留される液溜めを有し、該液溜めから前記熱交換器に至る凝縮冷媒往路と、前記熱交換器から前記液溜めに至る凝縮冷媒復路との間で前記凝縮冷媒が自然循環するように構成されていることを特徴とするものである。

（３）また、上記（１）又は（２）に記載のものにおいて、前記冷媒ガス復路に設けられて冷媒ガスを加熱する加熱手段と、前記凝縮冷媒復路に設けられて前記凝縮冷媒の圧力又は温度を検知して該検知圧力又は温度に基づいて前記加熱手段を制御する制御装置とを備えたことを特徴とするものである。

本発明においては、コールドヘッドを有する小型冷凍機と、前記コールドヘッドの冷熱によって液化した凝縮冷媒が流れる凝縮冷媒往路と、熱交換によって蒸発した凝縮冷媒が流れる凝縮冷媒復路とを有する凝縮冷媒循環ラインと、前記冷媒ガスを前記被冷却体に供給する冷媒ガス往路と、前記被冷却体と熱交換した前記冷媒ガスが流れる冷媒ガス復路とを有する冷媒ガス循環ラインと、該冷媒ガス循環ラインと前記凝縮冷媒循環ラインとの間に設けられて前記凝縮冷媒の蒸発潜熱によって前記冷媒ガスを冷却する熱交換器とを備えたことにより、凝縮冷媒を介して冷媒ガスを冷却でき、コールドヘッドの冷熱を効率よく冷媒ガスの冷却に利用することができる。

また、液溜め内の凝縮冷媒は気液平衡状態にあるので、凝縮冷媒循環ラインの圧力を一定に制御することによって凝縮冷媒温度を安定的に一定温度とすることが出来る。それによって、冷媒ガスを安定的にかつ一定の温度に冷却することが出来る。更に、本システムに侵入熱等の外乱があり、液溜め内の液状態の凝縮冷媒の一部が蒸発して場合であっても、気液平衡状態にある凝縮冷媒温度を安定的に一定温度と出来る。
つまり、本願発明は、コールドヘッドを有する小型冷凍機で前記被冷却体を冷却するにあたり、その間に単に冷媒を用いるのみではなく、その冷媒の一つを気液平衡状態として運転することで、前記被冷却体の冷却温度の安定性を確保し、同時に、侵入熱等の外乱に対して影響を受け難いシステムを実現している。

本発明の実施の形態に係るガス冷却システムの説明図である。

本実施の形態に係るガス冷却システム１は、図１に示すように、コールドヘッド３を有する小型冷凍機（図示なし）と、凝縮冷媒が循環する凝縮冷媒循環ライン５と、被冷却体７を冷却する冷媒ガスが循環する冷媒ガス循環ライン９と、冷媒ガス循環ライン９と凝縮冷媒循環ライン５との間に設けられた熱交換器１１とを備えている。
以下、各構成を詳細に説明する。

＜小型冷凍機＞
小型冷凍機は、コールドヘッド３を有する例えばスターリング式冷凍機が適用できる。スターリング式冷凍機では、コールドヘッド３に冷媒が通流する配管が接続されており、配管内を通流する冷媒はコールドヘッド３の冷熱によって冷却される。
コールドヘッド３は、図示しない断熱容器で囲まれており、凝縮冷媒はコールドヘッド３の冷熱によって液化されて液体となる。

＜凝縮冷媒循環ライン＞
凝縮冷媒循環ライン５は、コールドヘッド３の冷熱によって液化した凝縮冷媒が流れる凝縮冷媒往路５ｆと、熱交換によって蒸発した凝縮冷媒が流れる凝縮冷媒復路５ｒとを有している。
凝縮冷媒としては、例えばフロンＲ−１４、フロンＲ−１２、窒素、酸素、メタンなどを適用できる。もっとも、凝縮冷媒はこれらに限定されるものではなく、凝縮冷媒は被冷却体７に要求される温度、換言すれば被冷却体７に供給する冷媒ガスの温度によって適宜選択すればよい。なお、被冷却体７に供給する冷媒ガスの温度を飽和温度とできる凝縮冷媒を選択する。

なお、本実施の形態では、凝縮冷媒往路５ｆと凝縮冷媒復路５ｒとの間に液化された凝縮冷媒を貯留する液溜め１３を有し、液溜め１３から熱交換器１１に至る凝縮冷媒往路５ｆと、熱交換器１１から液溜め１３に至る凝縮冷媒復路５ｒとの間で凝縮冷媒が自然循環するように構成されている。
液溜め１３においては、液化された凝縮冷媒と飽和蒸気となった凝縮冷媒とが気液混相状態で貯留されている。

液溜め１３は凝縮冷媒往路５ｆにおける熱交換器１１よりも高い位置に配置されており、液溜め１３内の液状の凝縮冷媒は下方に流れて熱交換器１１に供給される。そして、熱交換器１１で凝縮冷媒の一部が蒸発することで凝縮冷媒復路５ｒでは気体が混じり、凝縮冷媒往路５ｆと凝縮冷媒復路５ｒでの内部流体の密度差が生じ、凝縮冷媒復路５ｒ内の液面が上昇して液溜め１３の気相に戻され、自然循環する。
また、液溜め１３内では、気液混相状態となっており、飽和蒸気が凝縮冷媒復路５ｒを介してコールドヘッド３に供給される。
なお、コールドヘッド３から液溜め１３までの経路に勾配を作り、液化した凝縮冷媒を流れやすい構造とすれば、凝縮冷媒循環ライン５には、流量調節弁やファンなどを設けることなく本願発明の実施が可能となる。

＜冷媒ガス循環ライン＞
冷媒ガス循環ライン９は、冷媒ガスを被冷却体７に供給する冷媒ガス往路９ｆと、被冷却体７と熱交換した冷媒ガスが流れる冷媒ガス復路９ｒとを有している。
冷媒ガスとしては、例えばヘリウムガスを用いることができるが、これに限定されるものではなく、被冷却体７に要求され仕様を満たすものを選択することができる。

冷媒ガス循環ライン９には冷媒ガスを循環させるためのファン１５が設けられている。
また、本実施の形態では、冷媒ガス復路９ｒを流れる冷媒ガスを必要に応じて加熱するための加熱手段としてヒータ１７が設けられている。

ヒータ１７は、被冷却体７からの入熱量が少なくなった場合に、冷媒ガス復路９ｒを流れる冷媒ガスの温度を所定の温度に保つためのものである。つまり、ヒータ１７は、被冷却体７の負荷変動を補償する機能を有している。
ヒータ１７は、制御装置１９によって制御される。制御装置１９は、凝縮冷媒復路５ｒに設けられて飽和蒸気の圧力を検知し、該圧力が所定値よりも下がったときにヒータ１７の出力を増加させる。
なお、圧力の検知に代えて温度を検知してヒータ１７を制御するようにしてもよい。尚、液溜め１３内の凝縮冷媒の飽和蒸気の圧力、温度を測定し、ヒータ１７を制御しても良い。

＜熱交換機＞
熱交換器１１は、冷媒ガス循環ライン９と凝縮冷媒循環ライン５との間に設けられて凝縮冷媒の蒸発潜熱によって冷媒ガスを冷却するものである。
熱交換器１１は、所望の冷却に応じた伝熱面積を有するプレート式の熱交換器１１を適用できる。

以上のように構成された本実施の形態の動作を説明する。
コールドヘッド３の冷熱によって液化した凝縮冷媒は凝縮冷媒往路５ｆを流れて液溜め１３に供給され、一時的に貯留される。液溜め１３から凝縮冷媒往路５ｆを流れて熱交換器１１に供給された凝縮冷媒は、冷媒ガスと熱交換して凝縮冷媒の一部は蒸発して凝縮冷媒復路５ｒを上昇して液溜め１３に戻される。液溜め１３内では気液混相状態で、気相では飽和蒸気となっており、飽和蒸気は凝縮冷媒復路５ｒを通じてコールドヘッド３に流れて熱交換によって液化する。

本実施の形態では、凝縮冷媒を用いていることで、コールドヘッド３と凝縮液との熱交換となり、従来例のようにガスとの熱交換に比べて伝熱係数が大きく、コールドヘッド３との温度差を小さくしても大きな交換熱量となり、大きな冷却能力を得ることができる。
また、凝縮冷媒は蒸発潜熱によって冷媒ガスを冷却するものであり、圧力が一定であれば常に一定の飽和温度となるため、冷媒ガスを安定して所定の温度に冷却できる。仮に、熱交換器１１で凝縮冷媒への入熱が大きくなっても、液溜め１３内の液の蒸発量が多くなるだけで、温度変化はほとんど生じない。

熱交換器１１で熱交換によって冷却された冷媒ガスは冷媒ガス往路９ｆを通じて被冷却体７に供給される。被冷却体７と熱交換した冷媒ガスは冷媒ガス復路９ｒを流れて熱交換器１１に供給される。

凝縮冷媒復路５ｒに設けた制御装置１９では凝縮冷媒復路５ｒ内の飽和蒸気圧力が検知され、圧力が所定の値よりも低くなった場合には、ヒータ１７を制御して冷媒ガス復路９ｒ内の冷媒ガスを加熱する。これによって、熱交換器１１を介して凝縮冷媒に付与される熱量が増えることで、凝縮冷媒復路５ｒ内のガス圧力が上昇する。飽和蒸気圧力が所定の値になったら、制御装置１９はヒータ１７の出力を抑制する。
このように、制御装置１９によってヒータ１７を制御することで、凝縮冷媒復路５ｒの飽和蒸気圧力を所定の範囲内に制御することができ、これによって熱交換器１１に供給される凝縮冷媒の温度を所定の範囲に制御できる。

以上のように、本実施の形態によれば、凝縮冷媒を介して冷媒ガスを冷却するようにしたことで、コールドヘッド３の冷熱を効率よく冷媒ガスの冷却に利用することができる。
また、凝縮冷媒が飽和温度で常に一定温度であるため、冷媒ガス温度を所定の温度に容易に制御できる。
さらに、ヒータ１７を用いたことで、被冷却体７からの入熱の変化があっても、冷媒ガスの温度を一定に保つことができる。
なお、上記の説明では、凝縮冷媒循環ラインの圧力を一定に制御する場合を説明したが、気液平衡状態にある凝縮冷媒の圧力と温度は一義的に対応するので、凝縮冷媒循環ラインの温度を一定に制御した場合でも上記の効果が期待できる。

本発明の効果を確認するため冷凍能力を計算によって求め、従来例との比較を行ったので、これについて説明する。
小型ヘリウム冷凍機のコールドヘッドに巻きつけられた伝熱管に循環ファンで冷媒ガス（ヘリウムガス）を流し、この冷却された冷媒ガス（ヘリウムガス）を用いて被冷却体を冷却するガス冷却システム（特許文献１と同様の従来システム）において、被冷却体を80Kまで冷却する場合、得られた冷凍能力は200Wであった。

これに対して、一般の小型冷凍機、凝縮を伴う凝縮冷媒として窒素を用いた凝縮冷媒循環ライン及び被冷却体を冷却する冷媒ガスにヘリウムガスを用いた冷媒ガス循環ラインを構成要素とする本願発明を採用すると、被冷却体を80Ｋまで冷却する場合、従来実施例に比較すると4倍(800W)の冷凍能力を得ることができた。

１ガス冷却システム
３コールドヘッド
５凝縮冷媒循環ライン
５f 凝縮冷媒往路
５r 凝縮冷媒復路
７被冷却体
９冷媒ガス循環ライン
９f 冷媒ガス往路
９r 冷媒ガス復路
１１熱交換器
１３液溜め
１５ファン
１７ヒータ
１９制御装置

Claims

被冷却体を冷媒ガスで間接冷却するガス冷却システムであって、
コールドヘッドを有する小型冷凍機と、
前記コールドヘッドの冷熱によって液化した凝縮冷媒が流れる凝縮冷媒往路と、熱交換によって蒸発した凝縮冷媒が流れる凝縮冷媒復路とを有する凝縮冷媒循環ラインと、
前記冷媒ガスを前記被冷却体に供給する冷媒ガス往路と、前記被冷却体と熱交換した前記冷媒ガスが流れる冷媒ガス復路とを有する冷媒ガス循環ラインと、
該冷媒ガス循環ラインと前記凝縮冷媒循環ラインとの間に設けられて前記凝縮冷媒の蒸発潜熱によって前記冷媒ガスを冷却する熱交換器とを備え、
前記凝縮冷媒循環ラインは、前記凝縮冷媒往路と前記凝縮冷媒復路の間に設けられ、液化した凝縮冷媒と飽和蒸気となった凝縮冷媒とが気液混相状態で貯留される液溜めを有し、該液溜めから前記熱交換器に至る凝縮冷媒往路と、前記熱交換器から前記液溜めに至る凝縮冷媒復路との間で前記凝縮冷媒が自然循環するように構成されていることを特徴とするガス冷却システム。
前記冷媒ガス復路に設けられて冷媒ガスを加熱する加熱手段と、前記凝縮冷媒復路に設けられて前記凝縮冷媒の圧力又は温度を検知して該検知圧力又は温度に基づいて前記加熱手段を制御する制御装置とを備えたことを特徴とする請求項１記載のガス冷却システム。