| 【発明の名称】 |
冷凍装置及び冷凍装置を備えた低温容器 |
| 【発明者】 |
【氏名】伊藤 聡
【氏名】渋谷 和幸
【氏名】林 征治
【氏名】神門 剛
【氏名】斉藤 一功
|
| 【要約】 |
【課題】コンパクトな構造で、迅速な予冷ができ、かつ、予冷後の被冷却体への熱侵入を効果的に阻止する。
【解決手段】第１冷却端２２及びそれよりも冷凍能力及び冷却温度の低い第２冷却端２６をもつ冷凍機１６を用いた冷凍装置。冷媒が循環する冷媒配管５０を備え、その途中に、第１冷却端２２と冷媒とを熱交換させる第１熱交換部５３と、冷媒と第２冷却端２６とを熱交換させる第２熱交換部５４とを設ける。また、真空容器１０の内側に輻射熱シールド層１２が設けられた低温容器において、上記第１冷却端２２を輻射熱シールド層１２に熱的に接続し、第２冷却端２６を輻射熱シールド層１２内の超電導マグネット１４に熱的に接続することにより、上記冷凍装置を用いた冷却を行う。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 第１冷却端とこの第１冷却端よりも冷凍能力が低くかつ冷凍温度の低い第２冷却端とを有する冷凍機を用いた冷凍装置において、冷媒入口及び冷媒出口を有する冷媒配管を備え、この冷媒配管の途中に、当該配管内を流れる冷媒と上記第１冷却端との間で熱交換を行わせる第１熱交換部と、この第１熱交換部の下流側の位置で当該配管内を流れる冷媒と上記第２冷却端との間で熱交換を行わせる第２熱交換部とを設けたことを特徴とする冷凍装置。
【請求項２】 請求項１記載の冷凍装置において、上記冷媒入口及び冷媒出口に接続され、当該冷媒入口から第１熱交換部及び第２熱交換部を通って冷媒出口に至る方向に冷媒を循環させる冷媒循環手段を備えたことを特徴とする冷凍装置。
【請求項３】 請求項１または２記載の冷凍装置において、上記第１熱交換部は上記第１冷却端と冷媒配管とが接触する状態で当該第１冷却端の周囲に冷媒配管を巻回させたものであることを特徴とする冷凍装置。
【請求項４】 請求項１〜３のいずれかに記載の冷凍装置において、上記第２熱交換部は上記第２冷却端と冷媒配管とが接触する状態で当該第２冷却端の周囲に冷媒配管を巻回させたものであることを特徴とする冷凍装置。
【請求項５】 請求項１〜４のいずれかに記載の冷凍装置において、上記冷媒配管の途中に、上記第１熱交換部へ向かう冷媒と上記第２熱交換部を通過した冷媒との間で熱交換を行わせる向流熱交換部を設けたことを特徴とする冷凍装置。
【請求項６】 請求項５記載の冷凍装置において、上記向流熱交換部を、第１熱交換部へ向かう冷媒が流れる供給配管部と上記第２熱交換部を通過した冷媒が流れる排出配管部のいずれか一方を他方の内側に挿通した二重管で構成したことを特徴とする冷凍装置。
【請求項７】 請求項６記載の冷凍装置において、上記二重管部分を上記冷凍機の周囲に巻回したことを特徴とする冷凍装置。
【請求項８】 外側容器と、この外側容器の内側に設けられ、被冷却体を収納する内側容器とを備えた低温容器において、この内側容器に請求項１〜７のいずれかに記載の冷凍装置の第１冷却端を熱的に接続し、当該冷凍装置の第２冷却端を上記被冷却体に熱的に接続したことを特徴とする低温容器。
【請求項９】 請求項８記載の低温容器において、上記被冷却体が超電導マグネットであることを特徴とする低温容器。
【請求項１０】 請求項９記載の低温容器において、上記冷媒配管に、その第２熱交換部を通過した冷媒と上記超電導マグネットの内側に設けられるサンプルステージとの間で熱交換を行わせるサンプルステージ熱交換部を設けたことを特徴とする低温容器。
【請求項１１】 請求項１０記載の低温容器において、上記冷媒配管における第２熱交換部とサンプルステージ熱交換部との間の位置にジュール−トムソン弁を設けたことを特徴とする低温容器。
|
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、互いに冷凍能力及び冷却温度の異なる複数段の冷却端をもつ冷凍機を用いた冷凍装置、及び、当該冷凍装置を備えた低温容器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、超電導マグネット等の被冷却体を極低温状態に保持する手段として、当該被冷却体を低温容器内に収納するとともに、互いに冷凍能力及び冷却温度の異なる複数段の冷却端をもつ冷凍機によって積極的に冷却を行うようにしたものが開発されるに至っている。
【０００３】その一例を図６に示す。図示の低温容器は、外側容器である真空容器８０と、その内側に配された内側容器である輻射熱シールド層８２とを備え、この輻射熱シールド層８２の内側に超電導マグネット８４が収納されている。冷凍機８６は、その中間部に第１冷却端８７、下端部に第２冷却端８８を有し、その第１冷却端８７が上記輻射熱シールド層８２に連結されるとともに、第２冷却端８８が熱伝導ブロック８９を介して超電導マグネット８４に連結されている。
【０００４】ところで、上記第２冷却端８８は、第１冷却端８７よりも冷却温度が低い（第１冷却端８７は約８０Ｋ、第２冷却端８８は約２０Ｋ）反面、常温付近の高温域での冷凍能力が低い（第１冷却端８７は約１００Ｗ、第２冷却端８８は約２０Ｗ）という特性を有している。従って、第２冷却端８８のみを用いて超電導マグネット８４を冷却しようとすると、当該超電導マグネット８４が室温からその目標温度（約４Ｋ）にたどりつくまでに多大な時間を要することになる。
【０００５】そこで、図示の装置では、予冷時には被冷却体である超電導マグネット８４と第１冷却端８７とを熱的に短絡させて予冷速度を上げる一方、予冷が十分進行した時点から超電導マグネット８４と第１冷却端８７とを切り離して第２冷却端８８のみで超電導マグネット８４を超低温まで冷却するための熱スイッチ９０が設けられている。
【０００６】この熱スイッチ９０は、超電導マグネット８４の上面に固定される熱伝導体９１と、第１冷却端８７に伝熱ブスバー９３を介して熱的に接続される熱伝導体９２とを備え、この熱伝導体９２が上下動可能な軸９４の下端に固定されるとともに、スプリング９５によって下方に付勢されている。そして、予冷時には上記スプリング９５の弾発力によって熱伝導体９１，９２の接触状態が保持され、これら熱伝導体９１，９２及び伝熱ブスバー９３を介して超電導マグネット８４と第１冷却端８７とが短絡される一方、予冷がある程度進行した時点からは上記軸９４を強制的に引き上げて熱伝導体９２を熱伝導体９１から離間させることにより、超電導マグネット８４を第１冷却端８７から熱的に切り離すことが可能になっている。
【０００７】このような熱スイッチ９０としては、上記のような機械式のものの他、例えば特開平９−１６６３６５号公報に示されるような気体式熱スイッチが知られている。その構造を図７に示す。図示の熱スイッチ９０は、超電導マグネット８４の上面に固定された熱伝導体９１と、輻射熱シールド層８２側に固定された熱伝導体９６とが筒状の側壁９７で連結された容器状をなし、その中には極低温で液化するガス（窒素、アルゴン、ネオン等）が充填されている。容器内では、熱伝導体９１から上方に多数枚の伝熱フィン９８が延びる一方、熱伝導体９６から下方に同じく多数枚の伝熱フィン９９が延びており、両伝熱フィン９８，９９の間に微小すき間が確保されている。
【０００８】この熱スイッチ９０によれば、比較的温度の高い予冷初期には、熱スイッチ９０内に充満するガスが伝熱媒体となって両伝熱フィン９８，９９間の伝熱が行われ、超電導マグネット８４が熱スイッチ９０及び輻射熱シールド層８２を介して第１冷却端８７に熱的に接続される。その後、予冷が進んで熱スイッチ９０内温度が封入ガスの沸点まで降下した時点で、当該ガスが液化することにより、熱スイッチ９０内が略真空状態となって伝熱媒体が存在しなくなり、超電導マグネット８４と輻射熱シールド層８２及び第１冷却端８７とが熱的に切り離されることになる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】上述の従来装置には、次のような解決すべき課題がある。
【００１０】Ａ）機械式熱スイッチ（図６）について・熱伝動体９１，９２同士の機械的な面接触によって伝熱を行うので、その伝熱特性は熱伝導体９１，９２の接触面の状態や熱伝導体９１，９２の材質に大きく依存する。従って、安定した伝熱特性は得られにくい。
【００１１】・超電導マグネット８４を極低温まで予冷するのに必要な熱伝導能力（約９Ｗ；温度差にして１０Ｋ）を確保するには、例えば両熱伝導体９１，９２が銅で形成されている場合でも、４５ｃｍ2程度の接触表面積を確保しなければならない。しかも、使用環境が極低温かつ高真空下にあり、その上脱着操作が必要であるため、接触熱伝達を促進するための媒介物（インジウム、グリース、接着剤等）を使用することができず、この媒介物による接触熱伝達性能の向上は図れない。従って、十分な熱伝導能力をもった熱スイッチ９０を設置するには多大なスペースが必要になり、容器全体の小型化は困難である。
【００１２】Ｂ）気体式熱スイッチ（図７）についてスイッチオンの状態、すなわち、熱スイッチ９０内にガスが充満している状態でも、約１Ｗ／Ｋ程度の熱伝導能力しか得られない。従って、予冷時に例えば９０Ｗの負荷を見込んだとすると、熱スイッチ９０の両端には９０Ｋの温度差が発生することになり、十分な熱短絡は望み得ない。一方、スイッチオフの状態では、ガスによる熱伝導はほぼ０Ｗとなるものの、側壁９０を介した固体熱伝導が約０．１Ｗ残り、その分の熱侵入を許容してしまうことになる。すなわち、この気体式のものでは、オン時及びオフ時における熱伝導量の比であるオンオフ比が約１０と小さく、高いスイッチ性能が得られない不都合がある。
【００１３】本発明は、このような事情に鑑み、コンパクトな構造で、迅速な予冷ができ、かつ予冷後の被冷却体への熱侵入を効果的に阻止できる熱スイッチを備えた冷凍装置、さらには、その冷凍装置を備えた低温容器を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するための手段として、本発明は、第１冷却端とこの第１冷却端よりも冷凍能力が低くかつ冷凍温度の低い第２冷却端とを有する冷凍機を用いた冷凍装置において、冷媒入口及び冷媒出口を有する冷媒配管を備え、この冷媒配管の途中に、当該配管内を流れる冷媒と上記第１冷却端との間で熱交換を行わせる第１熱交換部と、この第１熱交換部の下流側の位置で当該配管内を流れる冷媒と上記第２冷却端との間で熱交換を行わせる第２熱交換部とを設けたものである。
【００１５】この装置において、まず予冷を開始する際には、上記冷媒配管内にその冷媒入口から冷媒出口に向けて冷媒を流すようにすればよい。これにより、第１冷却端で発生した寒冷が第１熱交換部を通じて冷媒に回収され、第２熱交換部を通じて第２冷却端に伝達される。従って、この第２冷却端に接触している被冷却体は、第１冷却端及び第２冷却端の双方を用いて迅速に予冷されることになる。しかも、第１熱交換部から第２熱交換部へ積極的に冷媒を流動させることにより、従来の気体式熱スイッチのように冷媒であるガスが容器内で静止しているものに比べ、効率のよい熱伝達ができる。予冷がある程度進行した時点からは、冷媒配管内を排気して冷媒を除去することにより、第１冷却端から第２冷却端への熱侵入を抑えることにより、第２冷却端のみを用いて被冷却体を十分低い温度まで冷却することができる。
【００１６】ここで、上記冷媒入口及び冷媒出口に接続され、当該冷媒入口から第１熱交換部及び第２熱交換部を通って冷媒出口に至る方向に冷媒を循環させる冷媒循環手段を備えれば、冷媒を消費することなく、効率のよい熱伝達ができる。
【００１７】上記冷媒配管は、その設置環境に応じて形状や構造を自由に設定することができる。例えば、上記第１熱交換部（第２熱交換部）を、上記第１冷却端（第２冷却端）と冷媒配管とが接触する状態で当該第１冷却端（第２冷却端）の周囲に冷媒配管を巻回させたものとすることにより、コンパクトな構造としながら効率のよい熱交換を実現できる。
【００１８】また、上記冷媒配管の途中に、上記第１熱交換部へ向かう冷媒と上記第２熱交換部を通過した冷媒との間で熱交換を行わせる向流熱交換部を設ければ、第２熱交換部で冷却に寄与しきれなかった冷媒の寒冷を第１熱交換部へ向かう冷媒に還元することができ、より効率の高い予冷ができる。
【００１９】この場合、上記向流熱交換部を、第１熱交換部へ向かう冷媒が流れる供給配管部と上記第２熱交換部を通過した冷媒が流れる排出配管部のいずれか一方を他方の内側に挿通した二重管で構成すれば、コンパクトな構造としながら効率のよい向流熱交換ができる。
【００２０】さらに、上記二重管部分を上記冷凍機の周囲に巻回することにより、装置全体はよりコンパクト化される。
【００２１】この冷凍装置は、クライオポンプにおける複数のバッフル板の冷却や、超電導マグネット等の被冷却体を収容するクライオスタット（低温容器）の冷却等に好適である。後者の場合には、外側容器と、この外側容器の内側に設けられ、被冷却体を収納する内側容器とを備えた低温容器において、上記冷凍装置における冷凍機の第１冷却端を熱的に接続し、当該冷凍装置の第２冷却端を上記被冷却体に熱的に接続するようにすればよい。
【００２２】ここで、上記被冷却体が超電導マグネットであり、その内側にサンプルステージが設けられる場合、上記冷媒配管に、その第２熱交換部を通過した冷媒と上記サンプルステージとの間で熱交換を行わせるサンプルステージ熱交換部を付加することにより、当該冷媒配管を利用してサンプルステージの冷却も行うことができる。
【００２３】さらに、上記冷媒配管における第２熱交換部とサンプルステージ熱交換部との間の位置にジュール−トムソン弁を設ければ、このジュール−トムソン弁で冷媒を断熱膨張させることにより、サンプルステージをより低い温度まで冷却することが可能になる。
【００２４】
【発明の実施の形態】本発明の第１の実施の形態を、図１〜図３に基づいて説明する。
【００２５】図１に示す低温容器は、外側容器である真空容器１０と、その内側に収容される内側容器である輻射熱シールド層１２とを備えている。輻射熱シールド層１２内には、被冷却体である超電導マグネット１４が収納され、これを冷却するための冷凍機１６が容器に組み込まれている。
【００２６】この実施の形態では、Ｇ−Ｍサイクル（Gifford-MacMahon cycle）を実行する冷凍機１６が使用されている。具体的に、この冷凍機１６は、図２に示すような本体ケーシング１８と、第１シリンダ２０及び第１冷却端２２と、これより小径の第２シリンダ２４及び第２冷却端２６とを備えている。
【００２７】第１シリンダ２０内には第１ディスプレーサ２８が上下動可能に装填され、第２シリンダ２４内には上記第１ディスプレーサ２８と一体に上下動する第２ディスプレーサ３０が装填されている。第１ディスプレーサ２８内及び第２ディスプレーサ３０内にはそれぞれ蓄冷材３２，３４が充填され、各ディスプレーサ２８，３０の上端にはその内外を連通する連通孔３６，３８がそれぞれ設けられるとともに、そのすぐ下方の位置にシリンダ２０，２４の内壁面と接触するシールリング４０，４２が固定されている。
【００２８】本体ケーシング１８内には、両ディスプレーサ２８，３０を昇降させるクランク４４と、第１シリンダ２０の上端部に連通するガス給排路４６とが設けられ、このガス給排路４６が、高圧弁４７を介して圧縮機４９の吐出口に接続されるとともに、低圧弁４８を介して圧縮機４９の吸込口に接続されている。
【００２９】この冷凍機１６の作動原理は次の通りである。
■ ディスプレーサ２８，３０が下死点にある時に高圧弁４７を開く。すると、冷媒であるヘリウムガスがシリンダ２０，２４内に流入し、系内に残留しているヘリウムを圧縮していく。これに伴う僅かな発熱は系外へ放出される。
【００３０】■ ディスプレーサ２８，３０を上死点へ向かって移動させる。このとき、膨張空間には高圧弁４７からの高圧ヘリウムガスが随時補給される。
【００３１】■ ディスプレーサ２８，３０が上死点に近づいた時点で高圧弁４７を閉じ、その後直ちに低圧弁４８を開く。すると、系内の高圧ヘリウムが断熱膨張して圧縮機４９内に流入し、系内ガスの内部エネルギー及び温度が低下する。
【００３２】■ ディスプレーサ２８，３０が下死点に向かう。その際、■で温度低下したヘリウムが蓄冷材３２，３４を通過しながらこれを冷却する。すなわち、ヘリウムガスの寒冷が蓄冷材３２，３４に蓄えられる。その後、■の行程に戻ると、ヘリウムガスが蓄冷材３２，３４により熱を奪われながら下部空間に流入し、第１冷却端２２及び第２冷却端２６を冷却する。
【００３３】以上のサイクルが繰り返されることにより、第１冷却端２２及び第２冷却端２６の温度は徐々に低下していき、第１冷却端２２の温度は約８０Ｋに到達する。この第１冷却端２２よりも熱容量の小さい第２冷却端２６はさらに温度が下がり、超電導マグネット１４の目標温度である約４Ｋまで到達する。
【００３４】なお、本発明において用いる冷凍機は、上記Ｇ−Ｍサイクルを行うものに限らず、その他のサイクル、例えばスターリングサイクルやソルベーサイクルを行う冷凍機であっても、第１冷却端及び第２冷却端を有するものであれば広く利用が可能である。
【００３５】図１に示すように、上記冷凍機１６は、その第１シリンダ２０が真空容器１０の天壁を上下に貫通する状態で本体ケーシング１８が真空容器１０の天壁に固定された状態にある。第１冷却端２２は、第２シリンダ２４が輻射熱シールド層１２の天壁を貫通した状態で輻射熱シールド層１２の上面に連結、固定されている（すなわち熱的に接続されている）。第２冷却端２６は、熱伝導ブロック２７を介して超電導マグネット１４に連結されている。この熱伝導ブロック２７は、例えば銅のように熱伝導率が十分高い材料で形成されており、従って第２冷却端２６は実質上超電導マグネット１４に熱的に接続された状態となっている。この熱伝導ブロック２７については、第２冷却端２６及び超電導マグネット１４の構造に応じて適宜省略が可能である。
【００３６】さらに、この冷凍装置では、熱スイッチ手段として、冷媒（例えばヘリウムガス）が流通可能な薄肉パイプからなる冷媒配管５０を備えている。この冷媒配管５０は、両端に冷媒入口５１及び冷媒出口５２を有し、これらが真空容器１０の上方に突出した状態で、中間部が真空容器１０内に収納されている。その途中には、管内を流れる冷媒と上記第１冷却端２２との熱交換を行わせる第１熱交換部５３、及び、管内を流れる冷媒と上記第２冷却端２６との熱交換を行わせる第２熱交換部５４が設けられるとともに、上記第１熱交換部５３へ向かう冷媒と上記第２熱交換部５４を通過した冷媒との間で熱交換を行わせる向流熱交換部５５が設けられている。
【００３７】上記各熱交換部５３〜５５はチューブ状であるため、その形状設定の自由度は非常に高い。従って、容器内の構造に応じて自由な形状設定ができるが、中でもコンパクトでかつ熱交換性能の高い構造例を図３に示す。
【００３８】図において、第１熱交換部５３は螺旋状をなし、第１冷却端２２と接触する状態で当該第１冷却端２２の周囲に巻回されている。同様に、第２熱交換部５４も螺旋状をなし、第２冷却端２６と接触する状態で当該第２冷却端２６の周囲に巻回されている。
【００３９】向流熱交換部５５は、所謂チューブインチューブ式の熱交換器とされている。すなわち、第１熱交換部５３へ向かう冷媒が流れる供給配管部５５ａが、第２熱交換部５４を通過した冷媒が流れる排出配管部５５ｂ内に挿通された二重管構造とされている。しかも、この二重管部分が第１シリンダ２０の周囲に巻回される螺旋状とすることにより、一層のコンパクト化が図られている。
【００４０】なお、この向流熱交換部５５を図示の二重管構造とする場合、その内外関係は逆でもよい。すなわち、供給配管部５５ａの内側に排出配管部５５ｂを挿通するようにしてもよい。
【００４１】また、冷媒配管５０の具体的な材質は問わず、例えばステンレス鋼も適用が可能であるが、少なくとも、熱交換を直接行う部分、すなわち、第１熱交換部５３や第２熱交換部５４、向流熱交換部５５を二重管とする場合の内側管部分は、銅等のように熱伝導率の高い材料で形成することが、より好ましい。
【００４２】上記冷媒入口５１及び冷媒出口５２には、循環ポンプ（冷媒循環手段）６０の吐出口及び吸込口がそれぞれ接続可能とされている。この実施の形態では、冷媒入口５１及び冷媒出口５２にそれぞれセルフシールカップリングが設けられている。従って、これら出入口５１，５２に対して循環ポンプ６０が着脱可能に接続されるとともに、非接続状態では自動的に出入口５１，５２が塞がれ、シールされるようになっている。このセルフシールカップリングについては、例えば下水道で用いられているボール式バルブを備えたものなど、種々のものが適用可能である。また、このようなセルフシールカップリングを用いず、別の手段でポンプ非接続時の出入口５１，５２のシールを行うようにしてもよい。
【００４３】次に、この装置の作用を説明する。
【００４４】まず、室温状態から予冷を開始するにあたっては、冷媒入口５１，５２に循環ポンプ６０の吐出口及び吸込口をそれぞれ接続し、循環ポンプ６０を作動させて、冷媒入口５１→向流熱交換部５５の供給配管部５５ａ→第１熱交換部５３→第２熱交換部５４→交流熱交換部５５の排出配管部５５ｂ→冷媒出口５２の順に冷媒を循環させる。この状態で冷凍機１６を作動させると、第１冷却端２２から出力される寒冷が第１熱交換部５３から第２熱交換部５４へ流れる冷媒によって第２出力端２６に伝えられることにより、双方の冷却端２２，２６の冷凍能力を使って超電導マグネット１４の予冷が迅速に進められる。さらに、第２熱交換部５４で第２出力端２６へ排出しきれなかった余剰寒冷は、向流熱交換部５５で排出配管部５５ｂから供給配管部５５ａに還元されるため、これにより冷凍効率が高められる。
【００４５】予冷が進み、超電導マグネット１４の温度が第１冷却端２２の到達温度以下の温度となった時点で、循環ポンプ６０の吐出口と冷媒入口５１との接続のみを切離し、冷媒入口５１をシールする。この時点から循環ポンプ６０は真空ポンプとなり、冷媒配管５０内の冷媒を排気して冷媒配管５０内を減圧する。これにより、第１熱交換部５３から第２熱交換部５４へ寒冷を伝える熱媒体が存在しなくなり、第１冷却端２２と第２冷却端２６とが熱的に切り離される。その後は、第２冷却端２６のみで超電導マグネット１４の冷却を行うことにより、この超電導マグネット１４の温度を目標温度まで降下させることができる。超電導マグネット１４が超電導状態となり、通電可能な状態となったら、循環ポンプ６０の吸込口と冷媒出口５２との接続も切離すようにすればよい。
【００４６】次の表１は、図１にかかる本発明装置、図６にかかる機械式熱スイッチを備えた従来装置、図７にかかる気体式熱スイッチを備えた従来装置の各装置について、スイッチオン時の熱伝導特性、スイッチオフ時の熱伝導特性、両特性の比であるオンオフ比、及び上から見た熱スイッチの占有面積（冷凍機投影面積を除く）を示したものである。
【００４７】
【表１】
【００４８】この表に示されるように、図１に示した本発明装置では、オン特性に優れており、第１冷却端２２で発生した寒冷を高い効率で超電導マグネット１４の冷却に寄与させることができる。これは、従前の気体式熱スイッチと異なり、冷媒配管５０内で冷媒を第１熱交換部５３から第２熱交換部５４へ流動させて積極的に熱移動させていることに大きな要因があると考えられる。一方、オフ特性についてみると、本発明装置では、冷媒配管５０内を排気した状態での第１冷却端２２から第２冷却端２６への熱侵入がほぼ０に近く、機械式スイッチと比べても遜色のないものとなっている。これは、気体式熱スイッチと比べて冷媒配管５０の断面積がはるかに小さく、しかも冷媒配管５０を通じての熱伝導がほとんどないためであると考えられる。このため、本発明装置のオンオフ比は非常に高いものとなっており、本発明にかかる冷媒配管５０が熱スイッチとして非常に優れたものであることが理解できる。
【００４９】一方、占有面積について着目すると、上記実施形態にかかる装置では、図３のように各熱交換部５３〜５５を冷凍機１６の周囲に巻回した螺旋状としているので、その占有面積はほとんど０に等しく、きわめてコンパクトな構造となっている。また、上記のような螺旋状でないとしても、冷媒配管５０の形状設定の自由度は高いため、容器内構造に応じて自由に冷媒配管５０を配索することが可能であり、容器全体のコンパクト化に寄与できることに疑いはない。
【００５０】本発明の第２の実施の形態を図４に示す。上記のように被冷却体が超電導マグネット１４である場合、その内側に図４に示すようなサンプル載置用のサンプルステージ６２を設け、低温下での各種サンプルの物理特性を測定する機能を付加することがある。そこで、この実施の形態では、冷媒配管５０の第２熱交換部５４の下流側にサンプルステージ熱交換部５６を設け、第２熱交換部５４から排出された冷媒とサンプルステージ６２との間で熱交換を行わせるようにしている。
【００５１】この構成によれば、冷媒配管５０を積極的に利用してサンプルステージ６２の冷却も行うことができる。また、サンプルステージ６２に例えば電熱ヒータを設け、この電熱ヒータの電熱量と循環する冷媒（ヘリウムガス）流量とのバランスを調節することにより、サンプルステージ６２を所望の温度（＞第２冷却端温度）にすることが可能であり、広範囲の温度域にわたる物性測定が可能になる。
【００５２】さらに、第３の実施の形態として図５に示すように、第２熱交換部５４とサンプルステージ熱交換部５６との間にジュール−トムソン弁５７を設け、このＪＴ弁５７でヘリウムガスを断熱膨張させてからサンプルステージ熱交換部５６に送りこむことにより、サンプルステージ６２をヘリウム沸点（約４．２Ｋ）よりも低い温度まで冷却することができ、測定温度域をさらに拡大することが可能となる。
【００５３】なお、本発明は、その他、例として次のような形態をとることも可能である。
【００５４】(1) 前記実施形態では、冷媒出入口５１，５２と循環ポンプ６０とを着脱可能に接続できるようにしているが、例えば第２及び第３の実施の形態のように予冷完了後も冷媒循環を行って冷却動作を行うような場合には、循環ポンプ６０を冷媒配管５０に一体につないでしまっても構わない。
【００５５】(2) 本発明において、各熱交換部の構造は適宜設定が可能である。例えば、第１冷却端２２や第２冷却端２６、サンプルステージ６２の表面に、冷媒配管５０の途中部分を蛇行させながら配索するようにしてもよい。また、向流熱交換部５５においては、例えば供給配管部５５ａと排出配管部５５ｂとを平行に並べて相互接触させるような構造としてもよい。
【００５６】(3) 本発明にかかる冷凍装置の冷却対象は、上記のような低温容器内の超電導マグネット１４に限らない。例えば、互いに目標温度の異なる複数のバッフル板を備えたクライオポンプにおいて、各バッフル板に多段冷凍機の第１冷却端及び第２冷却端をそれぞれ熱的に接触させるような場合にも、本発明装置の適用が可能である。
【００５７】
【発明の効果】以上のように本発明は、第１冷却端及び第２冷却端を有する冷凍機を用いた冷凍装置において、冷媒配管を流れる冷媒と第１冷却端との間で熱交換を行わせるとともに、その下流側の位置で上記冷媒配管内を流れる冷媒と上記第２冷却端との間で熱交換を行わせるようにしたものであるので、コンパクトな構造でありながら、予冷時には流動冷媒を用いて第１冷却端と第２冷却端との熱伝達を効率よく行わせて迅速な冷却を行い、予冷完了時には冷媒配管内の冷媒を除去することによって第１冷却端から第２冷却端への熱侵入を十分に抑制することができる効果がある。
|
| 【出願人】 |
【識別番号】０００００１１９９
【氏名又は名称】株式会社神戸製鋼所
|
| 【出願日】 |
平成１０年８月１１日（１９９８．８．１１） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００６７８２８
【弁理士】
【氏名又は名称】小谷 悦司 （外２名）
|
| 【公開番号】 |
特開２０００−５５４９２（Ｐ２０００−５５４９２Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年２月２５日（２０００．２．２５） |
| 【出願番号】 |
特願平１０−２２７３２４ |
|