JP2018505373A - Closed cycle cryogen recirculation system and method - Google Patents
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Abstract
第１の部分（２７）と第２の部分（２５）とを備える熱負荷の遠隔冷却用冷凍システム（１）および遠隔冷却方法を提供する。このシステムは第１の冷却段（５）と第２の冷却段（６）とを有する冷熱源（４）を備え、第１の冷却段の温度は第２の冷却段の温度より高い。このシステムは、冷熱源と熱的に結合する閉サイクルにおいて冷凍剤流の循環用冷凍剤回路と、冷凍剤回路において冷凍剤流を圧縮して循環させる圧縮機（７）を備える。冷凍剤回路は、冷熱源の第１の冷却段を熱負荷の第１の部分と熱的に接続して第１の部分を第１の冷却段の温度に向けて冷却するための第１の導管と、冷熱源の第２の冷却段を熱負荷の第２の部分と熱的に接続して第２の部分を第２の冷却段の温度に向けて冷却するための第２の導管とを備える。このシステムの冷凍剤流は、サブクール液体流もしくは飽和液体流、２相流、飽和流もしくは過熱流、または超臨界ガスヘリウム流である。【選択図】図１A refrigeration system (1) for remotely cooling a thermal load comprising a first part (27) and a second part (25) and a remote cooling method are provided. The system comprises a cold source (4) having a first cooling stage (5) and a second cooling stage (6), the temperature of the first cooling stage being higher than the temperature of the second cooling stage. The system includes a cryogen circuit for circulating a cryogen stream in a closed cycle that is thermally coupled to a cold source, and a compressor (7) that compresses and circulates the cryogen stream in the cryogen circuit. The cryogen circuit is a first for thermally connecting the first cooling stage of the cold source with the first part of the heat load to cool the first part toward the temperature of the first cooling stage. A conduit and a second conduit for thermally connecting the second cooling stage of the cold source with the second part of the heat load to cool the second part towards the temperature of the second cooling stage; Is provided. The cryogen flow of this system is a subcooled or saturated liquid flow, a two-phase flow, a saturated or superheated flow, or a supercritical gas helium flow. [Selection] Figure 1
Description
本開示は、概して極低温冷却システムの分野に関し、特に、離れた場所にある、例えば、これに限らないが、超伝導マグネットのような物体を冷却するのに適した小規模で低冷却容量の極低温冷却システムに関する。 The present disclosure relates generally to the field of cryogenic cooling systems, and in particular, small scale, low cooling capacity suitable for cooling objects such as, but not limited to, superconducting magnets. The present invention relates to a cryogenic cooling system.
例えばヘリウム冷凍機や液化装置などの大規模で大容量の極低温冷却システムがこの技術において知られている。 Large-scale, large-capacity cryogenic cooling systems such as helium refrigerators and liquefaction devices are known in the art.
小規模で低容量の極低温冷却システムに対しては、５Ｋを下まわる温度におけるワット領域の冷却能力を有する極低温冷凍機（ｃｒｙｏｃｏｏｌｅｒ）がよく用いられている。従来、こうした極低温冷凍機は、圧縮機とコールドヘッドからなり、このコールドヘッドは、所定の温度領域付近の１段、２段または最大３段の冷却段を備えている。こうした設計により、従来、極低温冷凍機に基づくシステムは、熱負荷の冷却として低温表面のみを提供するため「冷凍剤フリー」と呼ばれる閉サイクルシステムである。 For small-scale, low-capacity cryogenic cooling systems, cryocoolers with watt range cooling capabilities at temperatures below 5K are often used. Conventionally, such a cryogenic refrigerator is composed of a compressor and a cold head, and the cold head includes one, two, or a maximum of three cooling stages near a predetermined temperature region. With such a design, systems based on cryogenic refrigerators are traditionally closed cycle systems called “freezer-free” because they only provide a cold surface for cooling the heat load.
通常、こうした極低温冷凍機は、サンプルや超伝導体など冷却が必要で所望の温度で保管される実験室サイズの物体を直接接触冷却するために使用される。その他の用途としては、４．５Ｋにおけるヘリウム、２０Ｋにおける水素、７０Ｋにおける窒素などの気化流体を再凝縮させることが挙げられる。 Typically, such cryogenic refrigerators are used for direct contact cooling of laboratory-sized objects such as samples and superconductors that require cooling and are stored at the desired temperature. Other applications include recondensing vaporized fluids such as helium at 4.5K, hydrogen at 20K, and nitrogen at 70K.
よって、冷却対象内において大幅な温度勾配が生じる。すなわち、極低温冷凍機は、所望の負荷温度よりもはるかに低い温度にする必要があり、システムが低効率となり低冷却能力となる。 Therefore, a large temperature gradient occurs in the cooling target. That is, the cryogenic refrigerator needs to be much lower than the desired load temperature, resulting in a low efficiency system and low cooling capacity.
冷却対象内における温度勾配を避けるために、浴式冷却（ｂａｔｈ ｃｏｏｌｉｎｇ）が知られた解決方法としてあり、大学や研究所での極低温実験室において、現在においても一般的に行われている。この解決方法は、第一世代のＭＲＩ磁石に対しても用いられている。こうしたシステムは開サイクルであるため、定期的に再充填や交換を要する保管用デュワー（ｓｔｏｒａｇｅ ｄｅｗａｒ）が必要となり、危険な極低温流体を取り扱うことが更に必要になる。極低温冷凍機の範囲内において必要な性能を実現する場合、極低温冷凍機は、気化流体を再凝縮できるように適切に変更しなければならない。 In order to avoid temperature gradients within the object to be cooled, bath cooling is a known solution and is still commonly used in cryogenic laboratories at universities and laboratories. This solution is also used for first generation MRI magnets. Because these systems are open cycles, they require a storage dewar that requires regular refilling and replacement, and the handling of hazardous cryogenic fluids is further required. In order to achieve the required performance within the cryogenic refrigerator, the cryogenic refrigerator must be modified appropriately so that the vaporized fluid can be recondensed.
しかし、浴式冷却が可能でない場合や、例えば何らかの理由により負荷に十分近接して極低温冷凍機を設置できないときなどで遠隔冷却が必要な場合、現状の極低温冷凍機はこうした冷却目的には適さない。 However, if remote cooling is necessary when bath-type cooling is not possible, for example when the cryogenic refrigerator cannot be installed sufficiently close to the load for some reason, the current cryogenic refrigerator is used for this purpose. Not suitable.
こうしたことから、負荷の遠隔冷却用の低容量冷凍を提供することができる小型冷凍システムが必要となる。本発明の発明者らは、以下に説明するように、従来の低容量の極低温冷凍機が有する上記短所に取り組んできた。 For this reason, there is a need for a small refrigeration system that can provide low-capacity refrigeration for remotely cooling loads. The inventors of the present invention have addressed the above disadvantages of the conventional low-capacity cryogenic refrigerator as described below.
発明の一態様において、第１の部分と第２の部分とを備える熱負荷を遠隔冷却する冷凍システムを提供する。このシステムは、第１の冷却段と第２の冷却段とを備える冷熱源であり第１の冷却段の温度が第２の冷却段の温度より高い冷熱源と、閉サイクルにおける冷凍剤流の循環用冷凍剤回路であって、上記閉サイクルは上記冷熱源と熱的に結合している冷凍剤回路と、上記冷凍剤回路において冷凍剤流を圧縮し循環するための圧縮機と、を備え、上記冷凍剤回路は、上記冷熱源の上記第１の冷却段を上記熱負荷の上記第１の部分と熱的に接続して上記第１の部分を上記第１の冷却段の温度に向けて冷却するための第１の導管と、上記冷熱源の上記第２の冷却段を上記熱負荷の上記第２の部分と熱的に接続して上記第２の部分を上記第２の冷却段の温度に向けて冷却するための第２の導管と、を備え、上記冷凍剤流は、サブクール液体流もしくは飽和液体流、２相流、飽和流もしくは過熱流、または超臨界ガスヘリウム流である。特に興味深いのは、流体の潜熱を用いて冷凍することは有利であるため、本発明のシステムを２相の冷凍剤流で動作させることである。これは、液体が蒸発する際に流体の温度が変動しないため、熱負荷において流体の均一な温度分布が可能になるためである。この均一な温度分布のため、背景技術において記載した問題点に対する従来の解決方法、すなわち負荷で必要な温度よりも低い温度において冷熱源を作動させることは、もはや必要なく、より高い冷熱源能力を達成することができる。２相流による冷凍の利点には、単相流の場合よりもマスフロー（質量流れ）が減少することがあげられ、また２相流体は同じ温度で熱負荷から戻ってくる（よってホットスポットが減る）場合もある。 In one aspect of the invention, a refrigeration system for remotely cooling a heat load comprising a first portion and a second portion is provided. The system is a cold source comprising a first cooling stage and a second cooling stage, the first cooling stage having a temperature higher than that of the second cooling stage, and the refrigerant flow in the closed cycle. A circulating cryogen circuit, the closed cycle comprising a cryogen circuit thermally coupled to the cold source, and a compressor for compressing and circulating the cryogen flow in the cryogen circuit. The cryogen circuit thermally connects the first cooling stage of the cold source with the first part of the thermal load and directs the first part to the temperature of the first cooling stage. A first conduit for cooling and the second cooling stage of the cold heat source is thermally connected to the second part of the thermal load to connect the second part to the second cooling stage. A second conduit for cooling toward a temperature of the subcooled liquid stream, wherein the cryogen stream is a subcooled liquid stream or saturated Body flow, two-phase flow, saturated stream or superheated steam, or supercritical gas helium flow. Of particular interest is the operation of the system of the present invention with a two-phase cryogen flow because it is advantageous to freeze using the latent heat of the fluid. This is because the temperature of the fluid does not fluctuate when the liquid evaporates, so that a uniform temperature distribution of the fluid is possible under a heat load. Because of this uniform temperature distribution, it is no longer necessary to operate the cold source at a lower temperature than that required by the load, i.e., the conventional solution to the problem described in the background art. Can be achieved. Advantages of refrigeration with two-phase flow include reduced mass flow than with single-phase flow, and two-phase fluids return from heat load at the same temperature (thus reducing hot spots). )In some cases.
その結果、そして流体の顕熱を利用した冷凍システムと比較して、潜熱を利用するには、任意の冷却容量でより低いマスフローが必要となる。 As a result, compared to refrigeration systems that utilize sensible heat of fluids, lower mass flow is required at any cooling capacity to utilize latent heat.
一方で、本発明のシステムは、冷凍剤の潜熱を利用した単相流の条件においても動作可能である。 On the other hand, the system of the present invention can be operated even in a single-phase flow condition using the latent heat of the freezing agent.
本発明のシステムは、冷熱源と冷凍剤の循環システムとの組み合わせであり、閉サイクルにおいて低温度の冷凍剤のマスフローを伴う低容量（例えば４．５Ｋにおいて１または２ワット）の冷凍システムを提供し、２相の流れに対しては０．１ｇ／秒未満のオーダーの質量流量、単相気体または超臨界ヘリウム流に対しては最大１ｇ／秒の質量流量である。冷凍剤サイクルが閉じているという性質により、ノンストップの冷凍が可能となる。すなわち、冷凍剤を交換または再補充するためのシステム停止が必要ない。また、有利な点として、システムは、負荷の中の温度勾配、一点冷却(punctual cooling)、複雑な熱固着(elaborated thermal anchoring)などの接触式冷却の欠点を持たない。 The system of the present invention is a combination of a cold source and a cryogen circulation system that provides a low capacity (eg 1 or 2 watts at 4.5K) refrigeration system with low temperature cryogen mass flow in a closed cycle. And a mass flow rate on the order of less than 0.1 g / sec for a two-phase flow and a maximum mass flow of 1 g / sec for a single-phase gas or supercritical helium flow. Non-stop refrigeration is possible due to the closed nature of the cryogen cycle. That is, it is not necessary to stop the system for replacing or replenishing the cryogen. Also, advantageously, the system does not suffer from contact cooling disadvantages such as temperature gradients in the load, punctual cooling, and elaborated thermal anchoring.
好適には、冷凍システムは、少なくとも１つの熱交換器を備えてもよく、この熱交換器は、冷凍剤を冷熱源の少なくとも１段と熱平衡化(thermalize)し、冷凍剤の往き／戻りの流れ中においてエンタルピーをそれぞれ交換するのに使用してもよい。 Suitably, the refrigeration system may comprise at least one heat exchanger, which thermalizes the cryogen with at least one stage of the cold source and allows for the reciprocating / returning of the cryogen. It may be used to exchange each enthalpy in the stream.
冷凍システムの圧縮機は、室温における循環ポンプであってもよい。他の解決方法に対してウォームポンプを使用する利点は、圧縮作業を空気式または水式の熱交換器などの任意の共通手段によって周囲環境へ直接取り出すことができることである。このことは、例えばジュール・トムソン膨張ステップにおいて高圧縮率が要求された場合に特に重要である。 The compressor of the refrigeration system may be a circulation pump at room temperature. The advantage of using a worm pump over other solutions is that the compression operation can be taken directly to the surrounding environment by any common means such as a pneumatic or water heat exchanger. This is particularly important when a high compression ratio is required, for example, in the Joule-Thomson expansion step.
また、本発明のシステムは、異なる温度における１つまたは２つ（場合によってはそれ以上）の冷凍剤流を同時に提供することができる。つまり、単一の回路において複数の冷凍剤流を、冷凍処理における２つの異なるステージ（場）に同時に移送することができる。よって、同一の冷凍剤を、２つの異なる温度レベルにおいて使用することができる。 Also, the system of the present invention can provide one or two (and possibly more) cryogen streams at different temperatures simultaneously. That is, a plurality of cryogen streams can be simultaneously transferred to two different stages in a refrigeration process in a single circuit. Thus, the same freezing agent can be used at two different temperature levels.
本発明のシステムについての用途としては、共通の冷熱源での接触冷却が適切でない場合、冷凍剤源の再補充が選択できない場合（例えばデュワー内）、使用済みの冷凍剤の再凝縮がシステムに統合されなければならない場合、浸漬式低温槽（クライオスタット）の使用が適切でない場合、および、熱負荷に隣接する利用可能なスペースについて何らかの制約がある場合（例えば、利用可能なスペースまたは放射性環境）などの低容量極低温冷凍が挙げられる。その他の用途としては、復熱サイクル、多段カスケード冷却、ヘリウム凝縮、ヘリウム液化、および遠隔冷却が挙げられる。 Applications for the system of the present invention include recondensing spent cryogen in the system when contact cooling with a common cold source is not appropriate, or when refilling of the cryogen source is not an option (eg, within a Dewar). Such as when it must be integrated, use of a submerged cryostat is not appropriate, and there is some restriction on the available space adjacent to the heat load (eg available space or radioactive environment) Low capacity cryogenic freezing. Other applications include recuperation cycles, multistage cascade cooling, helium condensation, helium liquefaction, and remote cooling.
好ましくは、熱負荷の第１の部分は熱遮蔽体としてもよく、この熱遮蔽体は能動的に冷却されてもよい。高温度（例えば６０Ｋ）の冷凍剤を使用して、例えば上記アクティブ熱遮蔽体を冷却することができる。好ましくは、熱負荷の第２の部分は超伝導マグネットとしてもよい。低温度（例えば４．２Ｋ）の冷凍剤を使用して、例えば上記超伝導マグネットを冷却することができる。本発明の冷凍システムは２相のヘリウムで動作させてもよく、この場合、本発明の冷凍システムの構成により、熱負荷の第２の部分において均一な温度特性が提供される。これは、熱負荷の第２の部分が超伝導マグネットコイルであり、コイル上において温度勾配が小さく均一な温度特性を実現する場合に、特に利点となる。 Preferably, the first part of the heat load may be a heat shield, which may be actively cooled. A high temperature (eg 60 K) freezing agent can be used to cool the active thermal shield, for example. Preferably, the second part of the heat load may be a superconducting magnet. For example, the superconducting magnet can be cooled by using a cryogenic refrigerant (for example, 4.2 K). The refrigeration system of the present invention may be operated with two-phase helium, in which case the configuration of the refrigeration system of the present invention provides uniform temperature characteristics in the second part of the heat load. This is particularly advantageous when the second part of the thermal load is a superconducting magnet coil and a uniform temperature characteristic is realized with a small temperature gradient on the coil.
好ましくは、第１の導管と第２の導管のそれぞれは、移送ライン内に配置されてもよく、好ましくは、この移送ラインは低熱損失である。上記システムにおける「アクティブな」部分（冷熱源と圧縮機）をシステムの「パッシブな」部分（例えば超伝導マグネットなどの熱負荷）から離れて遠隔に設置する利点は、熱負荷に伝わる有害な振動が無いことである。また、この「アクティブな」部分は、熱負荷から空間的に離れている。これは、負荷が特別な制約（例えば、放射能や利用可能なスペースが限られているなど）を有する環境にある場合に有利である。 Preferably, each of the first conduit and the second conduit may be disposed within a transfer line, preferably the transfer line has a low heat loss. The advantage of remotely placing the “active” part of the system (cold source and compressor) away from the “passive” part of the system (for example, a thermal load such as a superconducting magnet) is the harmful vibration transmitted to the thermal load. There is no. This “active” portion is also spatially separated from the heat load. This is advantageous when the load is in an environment with special constraints (eg, limited radioactivity and available space).
好ましくは、冷凍システムの第１と第２の冷却段と、閉サイクルの冷凍剤回路の第１と第２の導管は、全て直列に接続されてもよい。並列の冷凍剤回路による従来技術のシステムに対して、本発明のシステムの配置によれば、複雑で高価な冷凍剤制御システムと装置を必要としない。 Preferably, the first and second cooling stages of the refrigeration system and the first and second conduits of the closed cycle cryogen circuit may all be connected in series. Compared to prior art systems with parallel cryogen circuits, the system arrangement of the present invention eliminates the need for complex and expensive cryogen control systems and equipment.
好ましくは、冷凍システムの冷熱源は、これに限らないが、極低温冷凍機であってもよい。所望の温度において継続的な冷却能力を提供する任意の冷熱源が適している。しかし、極低温冷凍機は、本発明に特に適応する点で有利である。つまり、極低温冷凍機は、市販されていて、容易に使用でき、冷凍剤フリーであり、冷凍剤流の必要が無い。それゆえ、このことは、システムが複雑化するのを抑制し、また、制御や計装の必要性を抑制する。最も簡素な形態においては、システムは、制御無しに完全に実施することができる（図１および図２に示す通り）。こうしたシステムは、非常に堅牢であり、ユーザーに対してターンキーソリューション（すぐに使える：turn-key solution）をもたらすので、低温学についての特段の訓練を行うことを必要としない。より洗練された実施例（例えば図３）においては、限定的なセットの制御と計装を使用することができ、これにより、システムの多様性および柔軟性が増し、特により大きな冷物体を冷却するのに適している。 Preferably, the cold source of the refrigeration system is not limited to this, but may be a cryogenic refrigerator. Any cold source that provides continuous cooling capacity at the desired temperature is suitable. However, the cryogenic refrigerator is advantageous in that it is particularly adapted to the present invention. That is, cryogenic refrigerators are commercially available, can be used easily, are free of freezing agent, and do not require a freezing agent flow. This therefore reduces the complexity of the system and reduces the need for control and instrumentation. In its simplest form, the system can be fully implemented without control (as shown in FIGS. 1 and 2). Such a system is very robust and provides a turn-key solution for the user and does not require any special training in cryology. In more sophisticated embodiments (eg, FIG. 3), a limited set of controls and instrumentation can be used, which increases system versatility and flexibility, particularly for cooling larger cold objects. Suitable for doing.
好ましくは、この冷熱源は、断熱のため低温槽または真空容器内に入れてもよい。こうした低温槽や真空容器は、熱負荷の低温槽とは別に独立している。好ましくは、上記低温槽や真空容器は、積極的に冷却された熱遮蔽体からなり、より低温の要素に対する望ましくない熱放射を抑制してもよい。 Preferably, the cold heat source may be placed in a cryogenic bath or vacuum vessel for thermal insulation. These cryostats and vacuum vessels are independent from the thermal load cryostat. Preferably, the cryostat or vacuum vessel comprises a positively cooled thermal shield that may suppress undesirable thermal radiation to cooler elements.
好ましくは、このシステムは、ジュール・トムソン（ＪＴ）膨張ステップを更に備えてもよく、それはＪＴ配管であってもよい。ＪＴ膨張により、熱負荷における最終的な冷凍剤の温度は、冷熱源の第２の段における熱平衡後の温度よりも低くなる。よって、冷熱源は、最終的な冷凍剤の温度よりも高い温度において動作することができる。冷熱源は、より高い温度において動作する際にその能力が高くなるので、全体的な冷却容量は増加し、これにより、冷熱源の全体的な冷却容量は高くなる。 Preferably, the system may further comprise a Joule Thomson (JT) expansion step, which may be JT piping. Due to JT expansion, the final cryogen temperature in the heat load is lower than the temperature after thermal equilibrium in the second stage of the cold source. Therefore, the cold heat source can operate at a temperature higher than the temperature of the final freezing agent. Since the cold source is more capable when operating at higher temperatures, the overall cooling capacity is increased, thereby increasing the overall cooling capacity of the cold source.
好ましくは、このシステムの構造によっては、冷凍機として動作してもよく、液化装置として動作してもよい。例えば、ガスヘリウム（ＧＨｅ）は、液化して液体ヘリウム（ＬＨｅ）となってもよい。しかし、本発明の主な設計目的は、液化システムでは無く、冷凍システムを実現することである。 Preferably, depending on the structure of this system, it may operate as a refrigerator or as a liquefaction device. For example, gas helium (GHe) may be liquefied to form liquid helium (LHe). However, the main design objective of the present invention is to realize a refrigeration system rather than a liquefaction system.
本発明の別の態様において、冷凍システムを使用して熱負荷を遠隔冷却する方法を提供する。この方法は、システムの冷熱源における第１の冷却段の温度を冷熱源の第２の冷却段の温度より高くなるように選択し、上記冷熱源と熱的に結合する閉サイクル内にて上記冷凍システムの冷凍剤回路において冷凍剤流を循環させることを含む。上記冷凍剤回路は、上記冷熱源の上記第１の冷却段を上記熱負荷の第１の部分と熱的に接続して上記第１の部分を上記第１の冷却段の温度に向けて冷却するための第１の導管と、上記冷熱源の上記第２の冷却段を前記熱負荷の第２の部分と熱的に接続して上記第２の部分を上記第２の冷却段の温度に向けて冷却するための第２の導管と、を備える。この方法は、上記冷凍システムの圧縮機を使用して上記冷凍剤回路において上記冷凍剤流を圧縮することを含む。上記冷凍剤流は、サブクール液体流もしくは飽和液体流、２相流、飽和流もしくは過熱流、または超臨界ガスヘリウム流である。 In another aspect of the invention, a method for remotely cooling a heat load using a refrigeration system is provided. The method selects the temperature of the first cooling stage in the cold source of the system to be higher than the temperature of the second cooling stage of the cold source, and includes the above in a closed cycle that is thermally coupled to the cold source. Circulating a cryogen stream in the cryogen circuit of the refrigeration system. The cryogen circuit thermally couples the first cooling stage of the cold source with the first part of the thermal load and cools the first part toward the temperature of the first cooling stage. A first conduit for heating and the second cooling stage of the cold source to be thermally connected to the second part of the thermal load to bring the second part to the temperature of the second cooling stage. A second conduit for cooling towards. The method includes compressing the cryogen stream in the cryogen circuit using a compressor of the refrigeration system. The cryogen flow is a subcooled or saturated liquid flow, a two-phase flow, a saturated or superheated flow, or a supercritical gas helium flow.
本発明のいくつかの実施形態を、添付の図面を参照してあくまで一例として説明する。
本発明におけるシステムの説明図である図１を参照する。図１は、冷凍システム（１）と、２つの個別の低温槽（２）（クライオスタット）にそれぞれ別々に設置される冷却対象となる熱負荷（２５、２７）とを示している。本場合において極低温冷凍機であってもよい冷熱源（４）は、冷凍剤（ｃｒｙｏｇｅｎ）を所望の温度に冷却し、この冷凍剤は、配管システム（２６、２８）を介して熱遮蔽体（２５）と負荷（２７）に送られる。低損失な移送ライン（２４）もまた示されている。 Reference is made to FIG. 1, which is an illustration of a system in the present invention. FIG. 1 shows a refrigeration system (1) and thermal loads (25, 27) to be cooled, which are separately installed in two individual cryogenic baths (2) (cryostat). In this case, the cold source (4), which may be a cryogenic refrigerator, cools the cryogen to a desired temperature, and this cryogen is connected to the heat shield via the piping system (26, 28). (25) and load (27). A low loss transfer line (24) is also shown.
図２は、冷凍システム（１）をより詳細に示している。これは、多くの実行可能な構成の１つであり、冷却要件によって変化する可能性がある。この特定の構成は、より高い性能を備える可能性がある更に複雑な構成の土台と考えることができる。この複雑な構成の例を図３に示す。図２に示す冷凍システム（１）は、予備冷却冷凍機と冷凍剤回路とからなる。これら２つのシステムは、それぞれ熱的に結合している。多くの要素は、真空チャンバーまたは低温槽（２）の内側にあるが、必要に応じて、これらのうち一部は、積極的に冷却される熱遮蔽体によって不要な熱放射（３）から熱的に保護される。 FIG. 2 shows the refrigeration system (1) in more detail. This is one of many possible configurations and can vary depending on cooling requirements. This particular configuration can be considered as the basis for a more complex configuration that may provide higher performance. An example of this complicated configuration is shown in FIG. The refrigeration system (1) shown in FIG. 2 includes a precooling refrigerator and a refrigerant circuit. These two systems are each thermally coupled. Many elements are inside a vacuum chamber or cryostat (2), but if necessary, some of these are heated from unwanted thermal radiation (3) by actively cooled thermal shields. Protected.
この場合、予備冷却冷凍機は、商用の２段（５、６）の極低温冷凍機（４）（ＧＭ型、スターリング型、パルスチューブ型など）や、その他の好適な冷凍システムからなる。第１の冷却段（５）は、第２の冷却段（６）の温度よりも高い温度を有する。 In this case, the pre-cooling refrigerator is a commercial two-stage (5, 6) cryogenic refrigerator (4) (GM type, Stirling type, pulse tube type, etc.) or other suitable refrigeration system. The first cooling stage (5) has a temperature higher than the temperature of the second cooling stage (6).
図２に示すように、室温における圧縮機（７）（またはガスポンプ）、冷凍剤用配管システム（８、９）、各種熱交換器（１０、１１、１２、１３、１５、１６、１７）もまた備える。 As shown in FIG. 2, the compressor (7) (or gas pump) at room temperature, the piping system (8, 9) for freezing agents, and various heat exchangers (10, 11, 12, 13, 15, 16, 17) are also available. Also prepare.
冷凍剤回路は、冷凍剤を循環させるために使用される室温における圧縮機（７）によって始動する。冷凍剤は、供給管路（８）と戻り管路（９）からなる配管システムを循環する。供給管路（８）は、圧縮機（７）において流れ方向に始まり、異なる熱交換器（１０、１１、１２、１５、１６、１７）を経由し、熱負荷へのフィードスルー接続（貫通接続）（２３）で終了する。また、戻り管路（９）は、熱負荷からのフィードスルー接続（２３）において開始し、異なる熱交換器（１３、１２、１１）を経由し、圧縮機（７）で終了する。 The cryogen circuit is started by a compressor (7) at room temperature used to circulate the cryogen. The cryogen circulates in a piping system consisting of a supply line (8) and a return line (9). The feed line (8) starts in the direction of flow in the compressor (7), passes through different heat exchangers (10, 11, 12, 15, 16, 17), and feedthrough connection (through connection) to the heat load. ) The process ends at (23). Also, the return line (9) starts at the feedthrough connection (23) from the thermal load, passes through the different heat exchangers (13, 12, 11) and ends at the compressor (7).
圧縮機（７）は、パイプランを経由する冷凍剤ガスを圧縮、移動させる。第１の熱交換器（１０）は、冷凍剤ガスを室温から再び冷却する。続いて、熱交換器（１１〜１３）の一群が、供給管路（８）から戻り管路（９）へと冷凍剤の熱を搬送する。冷凍剤は、第１段（１５、１６）と第２段（１７）の熱交換器で極低温冷凍機（４）によって供給管路（８）内において更に冷却される。冷凍剤は、供給管路（８）内において予備冷却された後、熱負荷へのフィードスルー接続（２３）に向けて流れる。 The compressor (7) compresses and moves the refrigerant gas passing through the pipeline. The first heat exchanger (10) cools the refrigerant gas again from room temperature. Subsequently, a group of heat exchangers (11-13) carries the heat of the cryogen from the supply line (8) to the return line (9). The cryogen is further cooled in the supply line (8) by the cryogenic refrigerator (4) in the heat exchangers of the first stage (15, 16) and the second stage (17). The cryogen is precooled in the supply line (8) and then flows towards the feedthrough connection (23) to the heat load.
冷凍剤は、冷凍処理において２つの異なるステージ（場）に同時に移送することができ、これにより、少なくとも異なる２つの温度において使用することができるか、または、必要に応じて、周囲と第１段との間の温度レベルにおける中間温度、または第１段と第２段との間の温度とすることができる。この機能に対しては、更なる配管や接続が必要となる場合がある。以下の記載においては、２段構成について主に述べるが、２段を超える他の構成についてもまた想定できる。高温の冷凍剤は、配管システムを経て負荷の熱遮蔽体（２５）へ搬送され、低温の冷凍剤は、負荷（２７）に向かう。両方の場合において、閉サイクルシステムを提供するために、冷凍剤は、使用後に冷凍システム（１）に戻る。 The cryogen can be transferred simultaneously to two different stages in the refrigeration process, so that it can be used at at least two different temperatures or, if necessary, ambient and first stage. Between the first stage and the second stage. For this function, additional piping and connections may be required. In the following description, the two-stage configuration will be mainly described, but other configurations exceeding two stages can also be assumed. The high temperature freezing agent is conveyed to the load heat shield (25) via the piping system, and the low temperature freezing agent goes to the load (27). In both cases, the cryogen returns to the refrigeration system (1) after use to provide a closed cycle system.
冷凍システム（１）の構成および選択した冷凍剤によっては、システムは、サブクール液体流もしくは飽和液体流、２相流、飽和流もしくは過熱流、超臨界ガス、のいずれか１つのヘリウム流として冷凍剤のマスフロー（質量流れ）を提供するために組み立てられることができる。従って、冷凍剤の顕熱（冷凍剤は気体または超臨界にあり、冷却負荷によって温度が変化する）または潜熱（液体の冷凍剤が蒸発しそれにより温度が変化しない）を、冷凍に利用することができる。冷凍剤は、負荷を冷却した後、戻り管路（９）を経由して圧縮機（７）に戻り、これにより閉サイクルは通じて終了する。 Depending on the configuration of the refrigeration system (1) and the selected cryogen, the system may be a cryogen as either a subcooled liquid stream or a saturated liquid stream, a two-phase stream, a saturated or superheated stream, a supercritical gas, or a helium stream. Can be assembled to provide a mass flow. Therefore, the sensible heat of the freezing agent (the freezing agent is gas or supercritical, and the temperature changes depending on the cooling load) or the latent heat (the liquid freezing agent evaporates and the temperature does not change) is used for freezing. Can do. The cryogen cools the load and then returns to the compressor (7) via the return line (9), thereby completing the closed cycle.
図３は、より複雑な構成であり図２に示す構成よりも高い性能を備える可能性がある冷凍システム（１）を示す。上記したように、冷却の必要性に応じて、システムの多くの実行可能な構成は変化しうる。しかし、図２に提示する一部の基本原理は、図３に示すものにおいても同じである。この特定の場合において、冷凍システム（１）は、予備冷却冷凍機と、ジュール・トムソン（ＪＴ）膨張ステップを実行する冷凍剤回路と、移送ライン（２４）とを備える。多くの要素は、真空チャンバーまたは低温槽（２）の内側にあるが、これらのうち一部は、積極的に冷却される熱遮蔽体（３）によって不要な熱放射から熱的に保護される。 FIG. 3 shows a refrigeration system (1) that has a more complex configuration and may have higher performance than the configuration shown in FIG. As noted above, many viable configurations of the system can vary depending on the need for cooling. However, some basic principles presented in FIG. 2 are the same as those shown in FIG. In this particular case, the refrigeration system (1) comprises a pre-cooling refrigerator, a cryogen circuit that performs a Joule-Thomson (JT) expansion step, and a transfer line (24). Many elements are inside a vacuum chamber or cryostat (2), some of which are thermally protected from unwanted thermal radiation by a positively cooled thermal shield (3). .
この場合、予備冷却冷凍機は、商用の２段（５、６）の極低温冷凍機（４）や、その他の好適な冷凍システムからなる（上記参照）。ＪＴ冷凍機は、室温における圧縮機（７）、冷凍剤用配管システム（８、９）、各種熱交換器（１０〜１７）、ジュール・トムソン（ＪＴ）膨張器（１８）を備える。また、流れのインピーダンスを減らし、冷却を促進するために、いくつかのバイパス弁（１９〜２２）を必要に応じて設置することができる。 In this case, the precooling refrigerator is composed of a commercial two-stage (5, 6) cryogenic refrigerator (4) or other suitable refrigeration system (see above). The JT refrigerator includes a compressor (7) at room temperature, a piping system for refrigerants (8, 9), various heat exchangers (10-17), and a Joule Thomson (JT) expander (18). Also, some bypass valves (19-22) can be installed as needed to reduce flow impedance and promote cooling.
ＪＴ冷凍機は、冷凍剤を圧縮、循環させるために使用される室温における圧縮機（７）によって始動する。冷凍剤は、供給管路（８）と戻り管路（９）からなる配管システムを循環する。供給管路（８）は、圧縮機（７）において流れ方向に始まり、各種熱交換器と弁（１０〜１２、１５、２３、１６〜１８）を経由し、負荷へのフィードスルー接続（２３）において終了する。また、戻り管路（９）は、負荷からのフィードスルー接続（２４）において始まり、異なる熱交換器（１４〜１１）を経由し、圧縮機（７）において終了する。 The JT refrigerator is started by a compressor (7) at room temperature used to compress and circulate the cryogen. The cryogen circulates in a piping system consisting of a supply line (8) and a return line (9). The supply line (8) starts in the flow direction in the compressor (7), passes through various heat exchangers and valves (10-12, 15, 23, 16-18) and feedthrough connection (23 ). The return line (9) also begins at the feedthrough connection (24) from the load, passes through the different heat exchangers (14-11) and ends at the compressor (7).
遠隔冷却については、移送システムが必要である。これは、冷凍剤を熱負荷に送る最適化された移送ライン（２４）からなってもよい。最適化については、全てのライン、特に低温回路について損失を最小限にすることが含まれる。これにより、システム全体に対してより効率的な統合が可能となる。 For remote cooling, a transfer system is required. This may consist of an optimized transfer line (24) for delivering the cryogen to the heat load. Optimization includes minimizing losses for all lines, especially low temperature circuits. This allows more efficient integration for the entire system.
冷凍剤ガスの圧縮後、第１の熱交換器（１０）は、室温から冷凍剤を再び冷却する。続いて、熱交換器（１１〜１４）の一群が、供給管路（８）から戻り管路（９）へと冷凍剤の熱を搬送する。冷凍剤は、また第１段（１５、１６）と第２段（１７）の熱交換器において極低温冷凍機（４）によって供給管路（８）内において冷却される。冷凍剤は、供給管路（８）内において予備冷却された後、ＪＴ膨張装置（１８）を流れる。 After compression of the cryogen gas, the first heat exchanger (10) cools the cryogen again from room temperature. Subsequently, a group of heat exchangers (11-14) carry the heat of the cryogen from the supply line (8) to the return line (9). The cryogen is also cooled in the supply line (8) by the cryogenic refrigerator (4) in the first stage (15, 16) and second stage (17) heat exchangers. The cryogen is pre-cooled in the supply line (8) and then flows through the JT expansion device (18).
冷凍剤は、冷凍処理において２つの異なるステージ（場）に同時に移送することができ、これにより、異なる２つの温度において使用することができる。高温の冷凍剤は、配管システムを経て負荷の熱遮蔽体（２５）へ搬送され、低温の冷凍剤は、負荷（２７）に向かう。両方の場合において、冷凍剤は、使用後に冷凍システム（１）に戻り、閉サイクルシステムが提供されることになる。 The freezing agent can be transferred simultaneously to two different stages in the refrigeration process, so that it can be used at two different temperatures. The high temperature freezing agent is conveyed to the load heat shield (25) via the piping system, and the low temperature freezing agent goes to the load (27). In both cases, the cryogen will return to the refrigeration system (1) after use, providing a closed cycle system.
冷凍システム（１）の構成および選択した冷凍剤によっては、システムは、サブクール液体流もしくは飽和液体流、２相流、飽和流もしくは過熱流、または超臨界ガス流のいずれかのマスフロー（質量流れ）を提供するために組み立てられることができる。従って、冷凍剤の顕熱（冷凍剤は気体であり、温度が変化する）および／または潜熱（液体の冷凍剤が蒸発しそれにより温度が変化しない）を、冷凍に利用することができる。冷凍剤は、負荷を冷却した後、戻り管路（９）を経由して圧縮機（７）に戻り、閉サイクルは通じて終了する。 Depending on the configuration of the refrigeration system (1) and the selected refrigerant, the system can be a mass flow of either a subcooled or saturated liquid flow, a two-phase flow, a saturated or superheated flow, or a supercritical gas flow. Can be assembled to provide. Therefore, the sensible heat of the freezing agent (the freezing agent is a gas and the temperature changes) and / or the latent heat (the liquid freezing agent evaporates and thereby the temperature does not change) can be used for freezing. The cryogen cools the load and then returns to the compressor (7) via the return line (9), completing the closed cycle.
システム全体がオンに切り替わると、冷凍剤は循環し始め、極低温冷凍機（４）は室温から冷却し始める。この期間中、必要に応じて、バイパス弁を開くことができる（１９〜２２）。その結果、冷凍剤は、いくつかの要素（１３、１４、１８）を通らず、全体の圧力損失が減少する。冷却プロセスが終了すると、バイパス弁（１９〜２２）を再度閉じることができる。 When the entire system is switched on, the cryogen begins to circulate and the cryogenic refrigerator (4) begins to cool from room temperature. During this period, the bypass valve can be opened as needed (19-22). As a result, the cryogen does not pass through several elements (13, 14, 18) and the overall pressure loss is reduced. When the cooling process is over, the bypass valve (19-22) can be closed again.
１．冷凍システム
２．低温槽または真空チャンバー
３．冷凍剤再循環システムの熱遮蔽体
４．極低温冷凍機
５．極低温冷凍機の第１の段
６．極低温冷凍機の第２の段
７．圧縮機
８．供給管路
９．戻り管路
１０．熱交換器１（ＨＸ１）
１１．熱交換器２（ＨＸ２）
１２．熱交換器３（ＨＸ３）
１３．熱交換器４（ＨＸ４）
１４．熱交換器５（ＨＸ５）
１５．負荷の熱遮蔽体に行く前の第１の段の熱交換器（ＨＸ１ｓｔＡ）
１６．負荷の熱遮蔽体に行った後の第１の段の熱交換器（ＨＸ１ｓｔＢ）
１７．第２の段の熱交換器（ＨＸ２ｎｄ）
１８．ＪＴ膨張装置
１９．供給側の熱交換器４（ＨＸ４）に対するバイパス弁
２０．供給側の熱交換器５（ＨＸ５）に対するバイパス弁
２１．ＪＴ膨張装置に対するバイパス弁
２２．戻り側の熱交換器４および５（ＨＸ４およびＨＸ５）に対するバイパス弁
２３．移送ライン用フィードスルー接続
２４．移送ライン
２５．負荷の熱遮蔽体
２６．負荷の熱遮蔽体用配管システム
２７．負荷
２８．負荷配管システム
２９．移送ラインの熱遮蔽体
1. 1.
11. Heat exchanger 2 (HX2)
12 Heat exchanger 3 (HX3)
13. Heat exchanger 4 (HX4)
14 Heat exchanger 5 (HX5)
15. First stage heat exchanger (HX1stA) before going to the heat shield of the load
16. First stage heat exchanger (HX1stB) after going to load heat shield
17. Second stage heat exchanger (HX2nd)
18. JT expansion device 19. 21. Bypass valve for the heat exchanger 4 (HX4) on the supply side 21. Bypass valve for the heat exchanger 5 (HX5) on the supply side 21. Bypass valve for JT expansion
Claims (12)
前記システムは、
第１の冷却段（５）と第２の冷却段（６）とを備える冷熱源（４）であり、前記第１の冷却段の温度は、前記第２の冷却段の温度より高い冷熱源と、
閉サイクルにおける冷凍剤流の循環用冷凍剤回路であって、前記閉サイクルは、前記冷熱源と熱的に結合している冷凍剤回路と、
前記冷凍剤回路において前記冷凍剤流を圧縮し循環するための圧縮機（７）と、を備え、
前記冷凍剤回路は、前記冷熱源の前記第１の冷却段を前記熱負荷の前記第１の部分と熱的に接続して前記第１の部分を前記第１の冷却段の温度に向けて冷却するための第１の導管と、前記冷熱源の前記第２の冷却段を前記熱負荷の前記第２の部分と熱的に接続して前記第２の部分を前記第２の冷却段の温度に向けて冷却するための第２の導管と、を備え、
前記冷凍剤流は、サブクール液体流もしくは飽和液体流、２相流、飽和流もしくは過熱流、または超臨界ガスヘリウム流である。 A refrigeration system (1) for remotely cooling a heat load comprising a first part (27) and a second part (25),
The system
A cold heat source (4) comprising a first cooling stage (5) and a second cooling stage (6), wherein the temperature of the first cooling stage is higher than the temperature of the second cooling stage. When,
A cryogen circuit for circulating a cryogen flow in a closed cycle, wherein the closed cycle is thermally coupled to the cold source; and
A compressor (7) for compressing and circulating the cryogen stream in the cryogen circuit,
The cryogen circuit thermally connects the first cooling stage of the cold source with the first part of the thermal load and directs the first part to the temperature of the first cooling stage. A first conduit for cooling; and the second cooling stage of the cold source is thermally connected to the second part of the thermal load to connect the second part of the second cooling stage. A second conduit for cooling towards the temperature,
The cryogen flow is a subcooled or saturated liquid flow, a two-phase flow, a saturated or superheated flow, or a supercritical gas helium flow.
前記方法は、
前記システムの冷熱源（４）における第１の冷却段（５）の温度を第２の冷却段（６）の温度より高くなるように選択し、前記冷熱源と熱的に結合する閉サイクル内にて前記冷凍システムの冷凍剤回路において冷凍剤流を循環させることを含み、
前記冷凍剤回路は、前記冷熱源の前記第１の冷却段を前記熱負荷の第１の部分（２７）と熱的に接続して前記第１の部分を前記第１の冷却段の温度に向けて冷却するための第１の導管と、前記冷熱源の前記第２の冷却段を前記熱負荷の第２の部分（２５）と熱的に接続して前記第２の部分を前記第２の冷却段の温度に向けて冷却するための第２の導管と、を備え、
前記方法は、前記冷凍システムの圧縮機（７）を使用して前記冷凍剤回路において前記冷凍剤流を圧縮することを含み、
前記冷凍剤流は、サブクール液体流もしくは飽和液体流、２相流、飽和流もしくは過熱流、または超臨界ガスヘリウム流である、ことを特徴とする方法。 A method of remotely cooling a heat load using a refrigeration system (1),
The method
In a closed cycle where the temperature of the first cooling stage (5) in the cold source (4) of the system is selected to be higher than the temperature of the second cooling stage (6) and is thermally coupled to the cold source. Circulating a cryogen stream in the cryogen circuit of the refrigeration system at
The cryogen circuit thermally connects the first cooling stage of the cold source with the first part (27) of the thermal load to bring the first part to the temperature of the first cooling stage. A first conduit for cooling towards the second heat stage and the second cooling stage of the cold source are thermally connected to a second part (25) of the thermal load to connect the second part to the second A second conduit for cooling toward the temperature of the cooling stage of
The method includes compressing the cryogen stream in the cryogen circuit using a compressor (7) of the refrigeration system;
The method wherein the cryogen flow is a subcooled or saturated liquid flow, a two-phase flow, a saturated or superheated flow, or a supercritical gas helium flow.
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