特開 2024-125100 再凝縮装置及び冷却装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024125100

(43)【公開日】2024-09-13

(54)【発明の名称】再凝縮装置及び冷却装置

(51)【国際特許分類】

   F25B 9/00 20060101AFI20240906BHJP

   F25B 9/02 20060101ALI20240906BHJP

【ＦＩ】

F25B9/00 K

F25B9/00 311

F25B9/02 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023033212

(22)【出願日】2023-03-03

(71)【出願人】

【識別番号】320011650

【氏名又は名称】大陽日酸株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】230118913

【弁護士】

【氏名又は名称】杉村 光嗣

(74)【代理人】

【識別番号】100149249

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 達也

(72)【発明者】

【氏名】▲高▼橋 洋一郎

(72)【発明者】

【氏名】山中 良浩

(72)【発明者】

【氏名】檜垣 春弘

(57)【要約】

【課題】第２冷媒に関する保守運用の負担を抑制し易い再凝縮装置及び冷却装置を提供する。
【解決手段】第１冷媒２を収容する第１収容空間３ａと、第１収容空間３ａを囲繞する第２収容空間３ｂとを形成する収容部３と、第２収容空間３ｂを通して第２冷媒を循環させる循環経路５と、を有する冷却装置６を構成するための、再凝縮装置１であって、第１冷却ステージ７ａと第２冷却ステージ７ｂとを有する多段式冷凍機８と、第２冷却ステージ７ｂによって冷却されることで、蒸発した第１冷媒２を凝縮させる第１熱交換器９ａと、循環経路５における昇圧装置４よりも上流側且つ第２収容空間３ｂよりも下流側の部分と循環経路５における昇圧装置４よりも下流側且つ第２収容空間３ｂよりも上流側の部分との間で熱を交換させる第２熱交換器９ｂと、循環経路５における第２熱交換器９ｂよりも下流側且つ第２収容空間３ｂよりも上流側の部分と第１冷却ステージ７ａとの間で熱を交換させる第３熱交換器９ｃと、を有する再凝縮装置１。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

液体状態の第１冷媒を収容する第１収容空間と、前記第１収容空間から隔離され、前記第１収容空間を囲繞する第２収容空間とを形成する収容部と、昇圧装置を有し且つ前記第２収容空間を通して第２冷媒を循環させる循環経路と、を有する冷却装置を構成するための、再凝縮装置であって、
第１冷却ステージと前記第１冷却ステージよりも低温側の第２冷却ステージとを有する多段式冷凍機と、
前記第２冷却ステージによって冷却されることで、蒸発した前記第１冷媒を凝縮させる第１熱交換器と、
前記循環経路における前記昇圧装置よりも上流側且つ前記第２収容空間よりも下流側の部分と前記循環経路における前記昇圧装置よりも下流側且つ前記第２収容空間よりも上流側の部分との間で熱を交換させる第２熱交換器と、
前記循環経路における前記第２熱交換器よりも下流側且つ前記第２収容空間よりも上流側の部分と前記第１冷却ステージとの間で熱を交換させる第３熱交換器と、
を有する再凝縮装置。

【請求項2】

前記循環経路において前記第２冷媒が気体状態で循環する、請求項１に記載の再凝縮装置。

【請求項3】

前記第２冷媒がヘリウムである、請求項１に記載の再凝縮装置。

【請求項4】

前記第１冷媒がヘリウムである、請求項１に記載の再凝縮装置。

【請求項5】

多段式冷凍機がＧＭ式又はパルス管式である、請求項１に記載の再凝縮装置。

【請求項6】

前記循環経路と、
前記循環経路の所定部分の圧力を検出する圧力検出装置と、
前記圧力検出装置によって検出された圧力に応じて前記循環経路に前記第２冷媒を供給する第２冷媒供給装置と、を更に有する、請求項１に記載の再凝縮装置。

【請求項7】

第１冷媒を収容する第１収容空間と、前記第１収容空間から隔離され、前記第１収容空間を囲繞する第２収容空間とを形成する収容部と、昇圧装置を有し且つ前記第２収容空間を通して第２冷媒を循環させる循環経路と、を有する冷却装置であって、
請求項１～６の何れか１項に記載の再凝縮装置によって構成される冷却装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は再凝縮装置及び冷却装置に関する。

【背景技術】

【0002】

液体状態の第１冷媒を収容する第１容器と、第１容器及び第２冷媒を収容する第２容器と、を有する冷却装置を構成するための、再凝縮装置であって、第１冷却ステージと第１冷却ステージよりも低温側の第２冷却ステージとを有する多段式冷凍機と、第２冷却ステージによって冷却されることで、蒸発した第１冷媒を凝縮させる第１熱交換器と、を有する再凝縮装置が知られている（例えば特許文献１参照）。

【0003】

再凝縮装置によれば、蒸発した第１冷媒を第１熱交換器において凝縮させることができるので、第１冷媒が蒸発して失われるのに伴う第１冷媒の補充を行う負担を抑制できる。また、第２収容空間内の第２冷媒によって第１収容空間内の第１冷媒を冷却できるので、第１収容空間内の第１冷媒の蒸発量を抑制し、その結果、第２冷却ステージの負荷を抑制し、効率的な運用を実現できる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２１－７１２６５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上記のような再凝縮装置は、第２冷媒に関する保守運用の負担を抑制することが求められる。

【0006】

そこで本発明の目的は、第２冷媒に関する保守運用の負担を抑制し易い再凝縮装置及び冷却装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一態様は以下のとおりである。

【0008】

［１］
液体状態の第１冷媒を収容する第１収容空間と、前記第１収容空間から隔離され、前記第１収容空間を囲繞する第２収容空間とを形成する収容部と、昇圧装置を有し且つ前記第２収容空間を通して第２冷媒を循環させる循環経路と、を有する冷却装置を構成するための、再凝縮装置であって、
第１冷却ステージと前記第１冷却ステージよりも低温側の第２冷却ステージとを有する多段式冷凍機と、
前記第２冷却ステージによって冷却されることで、蒸発した前記第１冷媒を凝縮させる第１熱交換器と、
前記循環経路における前記昇圧装置よりも上流側且つ前記第２収容空間よりも下流側の部分と前記循環経路における前記昇圧装置よりも下流側且つ前記第２収容空間よりも上流側の部分との間で熱を交換させる第２熱交換器と、
前記循環経路における前記第２熱交換器よりも下流側且つ前記第２収容空間よりも上流側の部分と前記第１冷却ステージとの間で熱を交換させる第３熱交換器と、
を有する再凝縮装置。

【0009】

［２］
前記循環経路において前記第２冷媒が気体状態で循環する、［１］に記載の再凝縮装置。

【0010】

［３］
前記第２冷媒がヘリウムである、［１］又は［２］に記載の再凝縮装置。

【0011】

［４］
前記第１冷媒がヘリウムである、［１］～［３］の何れか１項に記載の再凝縮装置。

【0012】

［５］
多段式冷凍機がＧＭ式又はパルス管式である、［１］～［４］の何れか１項に記載の再凝縮装置。

【0013】

［６］
前記循環経路と、
前記循環経路の所定部分の圧力を検出する圧力検出装置と、
前記圧力検出装置によって検出された圧力に応じて前記循環経路に前記第２冷媒を供給する第２冷媒供給装置と、を更に有する、［１］～［５］の何れか１項に記載の再凝縮装置。

【0014】

［７］
第１冷媒を収容する第１収容空間と、前記第１収容空間から隔離され、前記第１収容空間を囲繞する第２収容空間とを形成する収容部と、昇圧装置を有し且つ前記第２収容空間を通して第２冷媒を循環させる循環経路と、を有する冷却装置であって、
［１］～［６］の何れか１項に記載の再凝縮装置によって構成される冷却装置。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、第２冷媒に関する保守運用の負担を抑制し易い再凝縮装置及び冷却装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の一実施形態の冷却装置を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を例示説明する。

【0018】

図１に示すように、本発明の一実施形態の再凝縮装置１は、液体状態の第１冷媒２を収容する密封された第１収容空間３ａと、第１収容空間３ａから隔離され、第１収容空間３ａを囲繞する密封された第２収容空間３ｂとを形成する収容部３（容器）と、昇圧装置４を有し且つ第２収容空間３ｂを通して第２冷媒を循環させる循環経路５と、を有する冷却装置６を構成するための、再凝縮装置１である。冷却装置６は、例えば、ＮＭＲ（Nuclear Magnetic Resonance）装置などの超伝導コイルなどの超伝導機器などを第１収容空間３ａ内に内蔵して冷却するクライオスタットとして構成される。

【0019】

再凝縮装置１は、第１冷却ステージ７ａと第１冷却ステージ７ａよりも低温側の第２冷却ステージ７ｂとを有する多段式冷凍機８と、第２冷却ステージ７ｂによって冷却されることで、蒸発した第１冷媒２を凝縮させる第１熱交換器９ａと、循環経路５における昇圧装置４よりも上流側且つ第２収容空間３ｂよりも下流側の部分と循環経路５における昇圧装置４（例えばコンプレッサ）よりも下流側且つ前記第２収容空間３ｂよりも上流側の部分との間で熱を交換させる第２熱交換器９ｂと、循環経路５における第２熱交換器９ｂよりも下流側且つ第２収容空間３ｂよりも上流側の部分と第１冷却ステージ７ａとの間で熱を交換させる第３熱交換器９ｃと、を有する。つまり、冷却装置６は、多段式冷凍機８、第１熱交換器９ａ、第２熱交換器９ｂ及び第３熱交換器９ｃを有する再凝縮装置１を有する。なお、多段とは２段以上であることを意味する。

【0020】

上記のような構成によれば、蒸発した第１冷媒２を第１熱交換器９ａによって凝縮させることができるので、第１冷媒２が蒸発して失われるのに伴う第１冷媒２の補充を行う負担を抑制し易くできる。また、第２収容空間３ｂ内の第２冷媒によって第１収容空間３ａ内の第１冷媒２を冷却できるので、第１収容空間３ａ内の第１冷媒２の蒸発量を抑制し、その結果、第２冷却ステージ７ｂの負荷を抑制し、効率的な運用を実現し易くできる。

【0021】

また、上記のような構成によれば、昇圧装置４から出た（そして例えば、大気との熱交換によって大気温度近くまで冷却された）第２冷媒を、まずは第２熱交換器９ｂにおいて、第２収容空間３ｂから出た第２冷媒によって冷却し、次に第３熱交換器９ｃにおいて第１冷却ステージ７ａによって冷却し、第２収容空間３ｂに送り、その結果、第２収容空間３ｂ内の第２冷媒によって第１収容空間３ａ内の第１冷媒２を冷却できる。

【0022】

このような熱サイクルで循環させる第２冷媒の運用によれば、第２冷媒の補充の必要性を抑制し易くできるので、第２冷媒に関する保守運用の負担を抑制し易くできる。また、上記のように第３熱交換器９ｃによって第１冷却ステージ７ａの負荷を高めることにより、第２冷却ステージ７ｂの優れた冷凍能力を実現し易くできる。

【0023】

収容部３は、第２収容空間３ｂの外側に、第１真空断熱空間３ｃを形成する。このような構成によれば、冷却装置６のより一層、効率的な運用を実現し易くできる。

【0024】

収容部３は、第２収容空間３ｂの内側且つ第１収容空間３ａの外側に、第２真空断熱空間３ｄを形成する。第２真空断熱空間３ｄは、第１真空断熱空間３ｃに連通する。第１収容空間３ａは内容器３ｅの内側に形成される。第２収容空間３ｂは、内容器３ｅを囲繞する中空壁容器３ｆにおける内壁３ｆ１と外壁３ｆ２との間の中空部として形成される。中空壁容器３ｆは外容器３ｇに囲繞される。第２真空断熱空間３ｄは、内容器３ｅと内壁３ｆ１との間に形成される。第１真空断熱空間３ｃは、外壁３ｆ２と外容器３ｇとの間に形成される。しかし、収容部３の構成はこれに限らない。

【0025】

再凝縮装置１は、蒸発した第１冷媒２を第１収容空間３ａ内から第１熱交換器９ａまで導き且つ第１熱交換器９ａによって凝縮させられた第１冷媒２を第１収容空間３ａ内まで導く移送管１４を有する。このような構成によれば、冷却装置６のより一層、効率的な運用を実現し易くできる。しかし、再凝縮装置１の構成はこれに限らない。

【0026】

第２熱交換器９ｂは、低温側流路の向きと高温側流路の向きが反対である対向流型である。このような構成によれば、第２熱交換器９ｂの効率的な運用を実現し易くできる。しかし、第２熱交換器９ｂの構成はこれに限らない。

【0027】

循環経路５における第２熱交換器９ｂよりも上流側の部分は、第２収容空間３ｂまで伸びる第１真空断熱配管１５ａによって構成される。このような構成によれば、冷却装置６のより一層、効率的な運用を実現し易くできる。しかし、循環経路５の構成はこれに限らない。

【0028】

循環経路５における第３熱交換器９ｃよりも下流側の部分は、第２収容空間３ｂまで伸びる第２真空断熱配管１５ｂによって構成される。このような構成によれば、冷却装置６のより一層、効率的な運用を実現し易くできる。しかし、循環経路５の構成はこれに限らない。

【0029】

第２熱交換器９ｂは、多段式冷凍機８と一体に設けられる。このような構成によれば、冷却装置６を簡便に構成し易くできる。しかし、第２熱交換器９ｂの構成はこれに限らない。

【0030】

再凝縮装置１は循環経路５を有さない。つまり、冷却装置６は、多段式冷凍機８、第１熱交換器９ａ、第２熱交換器９ｂ、第３熱交換器９ｃ及び移送管１４を有する再凝縮装置１と、収容部３と、循環経路５（第１真空断熱配管１５ａ及び第２真空断熱配管１５ｂを含む）と、を有する。

【0031】

しかし、再凝縮装置１は循環経路５を有してもよい。この場合、冷却装置６は、多段式冷凍機８、第１熱交換器９ａ、第２熱交換器９ｂ、第３熱交換器９ｃ、移送管１４及び循環経路５（第１真空断熱配管１５ａ及び第２真空断熱配管１５ｂを含む）を有する再凝縮装置１と、収容部３と、を有する。

【0032】

また再凝縮装置１は、循環経路５の所定部分の圧力を検出する圧力検出装置１０（例えば圧力センサ）と、圧力検出装置１０によって検出された圧力に応じて、例えば（コンピュータによって構成される）制御装置（不図示）によって、循環経路５に（例えば気体状態の）第２冷媒を供給する第２冷媒供給装置１１と、を更に有する。つまり、冷却装置６は、圧力検出装置１０と第２冷媒供給装置１１を更に有する。このような構成によれば、第２収容空間３ｂの内部の圧力を適切に調整し易くできるので、より一層、効率的な運用を実現できる。例えば、第２収容空間３ｂの内部の圧力を大気圧～数十ｋＰａＧとすることができる。また、第２冷媒の循環量は例えば、通常のクライオスタットにとって十分である５０ｓｌｍとすることができる。しかし、冷却装置６はこのような構成に限らない。

【0033】

第２冷媒供給装置１１は、第２冷媒を収容するバッファータンク１２と、圧力検出装置１０によって検出された圧力に応じて開度を調整される弁１３とを有する。このような構成によれば、第２冷媒供給装置１１を簡便に構成し易くできる。しかし、第２冷媒供給装置１１の構成はこれに限らない。

【0034】

第２冷媒は、循環経路５において気体状態で循環する。このような構成によれば、循環経路５において第２冷媒が凍結を生じないように温度制御する負担を抑制し易くできるので、第２冷媒に関する保守運用の負担をより一層、抑制し易くできる。またこの場合、第２収容空間３ｂ内の第２冷媒の温度が例えば７７Ｋ以下の低温になるように運用し易くできるので、第１収容空間３ａ内の第１冷媒２の蒸発量をより一層、抑制できる。また第２冷媒の液化は高圧ガスの法対応の負担を招く場合もある。しかし、冷却装置６は循環経路５において第２冷媒が気体状態で循環する構成に限らない。

【0035】

第１冷媒２はヘリウムである。このような構成によれば、第１冷媒２による優れた冷却能力を実現し易くできる。しかし、第１冷媒２はヘリウムに限らない。

【0036】

第２冷媒はヘリウムである。このような構成によれば、第２冷媒による優れた冷却能力を実現し易くできる。また、使用する冷媒の種類を抑制し、より一層、効率的な運用を実現できる。しかし、第２冷媒はヘリウムに限らない。

【0037】

多段式冷凍機８は、ＧＭ（Gifford-McMahon）式又はパルス管式である。このような構成によれば、第３熱交換器９ｃによって第１冷却ステージ７ａの負荷を高めることにより、第２冷却ステージ７ｂの（例えば４．２Ｋ以下の）優れた冷凍能力をより一層、実現し易くできる。しかし、多段式冷凍機８の構成はこれに限らない。

【0038】

多段式冷凍機８は、２段式である。このような構成によれば、第２冷却ステージ７ｂの優れた冷凍能力をより一層、実現し易くできる。しかし、多段式冷凍機８の構成はこれに限らない。

【0039】

ＧＭ式又はパルス管式の場合、例えば、市販の２段式冷凍機を用いて第１冷却ステージ７ａが５０～７０Ｋとなるように運用することによって第２冷却ステージ７ｂの温度が４．２Ｋであるときの冷却能力を最大化することが可能である。一方、第１冷却ステージ７ａに負荷がない場合、市販の２段式冷凍機では第１冷却ステージ７ａが４０Ｋ以下となる傾向がある。

【0040】

ＧＭ式の場合、市販の２段式冷凍機では横向き設置、逆向き設置でも能力の低下がほとんどなく、その結果、設置の自由度が高い傾向がある。特に横向き設置によれば、限られた天井高さでの設置を実現し易い。またＧＭ式は、市販の２段式冷凍機では、同じ温度で比較するとパルス管式よりも若干効率が良いなど、有利な傾向がある。

【0041】

本発明は前述した実施形態に限定されず、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

【0042】

したがって、前述した実施形態の再凝縮装置１は、液体状態の第１冷媒２を収容する第１収容空間３ａと、第１収容空間３ａから隔離され、第１収容空間３ａを囲繞する第２収容空間３ｂとを形成する収容部３と、昇圧装置４を有し且つ第２収容空間３ｂを通して第２冷媒を循環させる循環経路５と、を有する冷却装置６を構成するための、再凝縮装置１であって、第１冷却ステージ７ａと第１冷却ステージ７ａよりも低温側の第２冷却ステージ７ｂとを有する多段式冷凍機８と、第２冷却ステージ７ｂによって冷却されることで、蒸発した第１冷媒２を凝縮させる第１熱交換器９ａと、循環経路５における昇圧装置４よりも上流側且つ第２収容空間３ｂよりも下流側の部分と循環経路５における昇圧装置４よりも下流側且つ第２収容空間３ｂよりも上流側の部分との間で熱を交換させる第２熱交換器９ｂと、循環経路５における第２熱交換器９ｂよりも下流側且つ第２収容空間３ｂよりも上流側の部分と第１冷却ステージ７ａとの間で熱を交換させる第３熱交換器９ｃと、を有する再凝縮装置１である限り変更可能である。

【符号の説明】

【0043】

１ 再凝縮装置
２ 第１冷媒
３ 収容部
３ａ 第１収容空間
３ｂ 第２収容空間
３ｃ 第１真空断熱空間
３ｄ 第２真空断熱空間
３ｅ 内容器
３ｆ 中空壁容器
３ｆ１ 内壁
３ｆ２ 外壁
３ｇ 外容器
４ 昇圧装置
５ 循環経路
６ 冷却装置
７ａ 第１冷却ステージ
７ｂ 第２冷却ステージ
８ 多段式冷凍機
９ａ 第１熱交換器
９ｂ 第２熱交換器
９ｃ 第３熱交換器
１０ 圧力検出装置
１１ 第２冷媒供給装置
１２ バッファータンク
１３ 弁
１４ 移送管
１５ａ 第１真空断熱配管
１５ｂ 第２真空断熱配管

【図1】