(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒槽に収納された冷媒が気化した際に再凝縮処理を行う再凝縮装置に取り付けられ、気化した前記冷媒を冷却処理する冷却装置であって、
冷却処理を行う冷凍機と、
前記冷凍機の一部を収納すると共に、前記冷媒槽に熱交換可能な状態で挿入される挿入管を有する真空容器と、
少なくとも前記挿入管内の前記冷媒槽と熱交換可能な位置に、前記真空容器内の気体分子を吸着する真空吸着器を設けたことを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
前記真空吸着器を前記挿入管の先端部に配設したことを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
【請求項３】
前記冷凍機は、蓄冷式冷凍機であることを特徴とする請求項１又は２記載の冷却装置。
【請求項４】
前記冷凍機は、蓄冷式冷凍機とジュール・トムソン回路を付加した構成であることを特徴とする請求項１又は２記載の冷却装置。
【請求項５】
前記冷媒はヘリウムであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の冷却装置。
【請求項６】
前記真空吸着器は、前記挿入管の内壁に配設された活性炭により構成されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の冷却装置。
【請求項７】
冷媒が収納された冷媒槽と、
該冷媒槽に収納された冷媒が気化した際に、気化した冷媒ガスを冷却することにより再凝縮を行う冷却装置とを有する再凝縮装置であって、
前記冷却装置が、
冷却処理を行う冷凍機と、
前記冷凍機の一部を収納すると共に、前記冷媒槽に熱交換可能な状態で挿入される挿入管を有する真空容器と、
少なくとも前記挿入管内の前記冷媒槽と熱交換可能な位置に、前記真空容器内の気体分子を吸着する真空吸着器とを有することを特徴とする再凝縮装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は冷却装置及び再凝縮装置に係り、特に真空容器内に真空吸着器が設けられた冷却装置及び再凝縮装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ＳＱＵＩＤ装置（超電導量子干渉デバイス）やＳＣＭ装置（超電導磁石装置）等の液体ヘリウムの温度レベルの装置などには、装置の冷却用冷媒として例えば液体ヘリウムが用いられている。図３は、この種の装置１００を示している。
【０００３】
液体ヘリウムは、冷却処理中にその一部が蒸発するため、これを再凝縮する必要がある。このため同図に示すように、液体ヘリウム等の冷媒１０１が収納される冷媒槽１０２に冷却装置１０３を接続した構造の再凝縮装置１０４を用い、蒸発した冷媒を冷却装置１０３により冷却することにより再凝縮し冷媒槽１０２に戻すよう構成されている。
【０００４】
図４は、再凝縮装置に設けられる冷却装置１０３を拡大して示す図である。同図に示す冷却装置１０３は、ギフォード・マクマホンサイクル冷凍機１０５（以下、ＧＭ冷凍機という）にジュール・トムソン弁１０７を備えたジュール・トムソン回路１０６（以下、ＪＴ回路という）を付加した構成とされている。
【０００５】
このＧＭ冷凍機１０５及びＪＴ回路１０６は極低温を生成するものであるため、外部からの熱の侵入を遮断する必要がある。このため、ＧＭ冷凍機１０５及びＪＴ回路１０６の冷却部分を真空容器１０８内に挿入することが行われている。真空容器１０８内は真空ポンプにより吸引されて所定の真空度とされる。
【０００６】
ＧＭ冷凍機１０５及びＪＴ回路１０６に対する外部からの熱侵入を防止するためには、高い真空度が要求されるため、真空容器１０８内には真空吸着器１１０が配設される（特許文献１参照）。この真空吸着器１１０は、例えば活性炭パネルであり、ＧＭ冷凍機１０５の冷却ステージ１０５ａに装着される。
【０００７】
冷却ステージ１０５ａは、二段式のＧＭ冷凍機１０５の二段目の冷却ステージであり、８Ｋ〜１５Ｋ程度の極低温とされる部位である。このため、真空ポンプによる吸引処理後も真空容器１０８に残存する気体分子（水素分子，窒素分子等）は、極低温とされた真空吸着器１１０に吸着される。これにより、真空容器１０８の内部を高い真空状態とすることができ、外部からの熱の侵入を抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−２５７７７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来の冷却装置１０３及びこれを用いた再凝縮装置１０４では、真空吸着器１１０がＧＭ冷凍機１０５に設けられていたため、仮に停電等によりＧＭ冷凍機１０５が停止した場合を想定すると、これに伴い真空吸着器１１０の温度が上昇してしまう。これにより、真空容器１０８に吸着されていた気体分子は、再び真空吸着器１１０から真空容器１０８内に放出され、真空容器１０８内の真空度が低下してしまう。このため、ＧＭ冷凍機１０５が停止後再起動する際、改めて真空吸着器１１０を真空にする処理が必要となり、再凝縮装置１０４及びこれを用いて装置１００の効率が低下してしまうという問題点があった。
【００１０】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、冷凍機が停止しても真空容器内の真空度を高い状態に維持しうる冷却装置及び再凝縮装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題は、第１の観点からは、
冷媒槽に収納された冷媒が気化した際に再凝縮処理を行う再凝縮装置に取り付けられ、気化した前記冷媒を冷却処理する冷却装置であって、
冷却処理を行う冷凍機と、
前記冷凍機の一部を収納すると共に、前記冷媒槽に熱交換可能な状態で挿入される挿入管を有する真空容器と、
少なくとも前記挿入管内の前記冷媒槽と熱交換可能な位置に、前記真空容器内の気体分子を吸着する真空吸着器を設けたことを特徴とする冷却装置により解決することができる。
【００１２】
また上記の課題は、第２の観点からは、
冷媒が収納された冷媒槽と、
該冷媒槽に収納された冷媒が気化した際に、気化した冷媒ガスを冷却することにより再凝縮を行う冷却装置とを有する再凝縮装置であって、
前記冷却装置が、
冷却処理を行う冷凍機と、
前記冷凍機の一部を収納すると共に、前記冷媒槽に熱交換可能な状態で挿入される挿入管を有する真空容器と、
少なくとも前記挿入管内の前記冷媒槽と熱交換可能な位置に、前記真空容器内の気体分子を吸着する真空吸着器とを有することを特徴とする再凝縮装置により解決することができる。
【発明の効果】
【００１３】
開示の冷却装置及び再凝縮装置によれば、挿入管内の冷媒槽と熱交換可能な位置に真空容器内の気体分子を吸着する真空吸着器を設けたことにより、冷凍機が停止した場合であっても真空吸着器は冷媒槽内の冷媒ガスにより冷却されて気体分子の吸着を維持するため、真空容器内の真空度を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の一実施形態である冷却装置及び再凝縮装置を説明するための構成図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態である冷却装置及び再凝縮装置に設けられる真空吸着器の構成を説明するための図である。
【図３】図３は、従来の冷却装置及び再凝縮装置の一例を説明するための構成図である。
【図４】図４は、従来の冷却装置を説明するための構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。
【００１６】
図１は、本発明の一実施形態である再凝縮装置１及び冷却装置３を示す構成図である。この冷却装置３を設けた再凝縮装置１は、ＳＱＵＩＤ装置やＳＣＭ装置等の液体ヘリウムの温度レベルで処理が行われる装置に適用される。
【００１７】
再凝縮装置１は、大略すると冷媒槽２、冷却装置３、及び真空吸着器１０，１１等を有した構成されている。冷媒槽２は、被冷却物（ＳＱＵＩＤ装置やＳＣＭ装置内において冷却処理されるもの）を冷却する冷媒４が収納されている。本実施形態では、冷媒４として液体ヘリウムを用いた例を示している。しかしながら、冷媒４の種類は液体ヘリウムに限定されるものではなく、液体窒素等の他の冷媒を用いることも可能である。
【００１８】
また、冷媒槽２は内部に液化した冷媒４を収納する構成であるため、冷媒４の気化を防止する面から外部からの熱侵入を防止する必要がある。このため、冷媒槽２は内部を真空状態としうる冷媒用真空室６の内部に設けられている。
【００１９】
冷却装置３は、本実施形態ではギフォードマクマホン冷凍機２０（以下、ＧＭ冷凍機という）にＪＴ回路３０を付加した構成とされている。ＧＭ冷凍機２０及び３０は、いずれも冷媒ガスとしてヘリウムガスを用いている。尚、本実施形態では冷凍機としてＧＭ冷凍機２０を適用した例を示しているが、ＧＭ冷凍機２０に代えてパルスチューブ冷凍機、スターリング冷凍機等の他の蓄冷式の冷凍機を適用することも可能である。
【００２０】
本実施形態で適用したＧＭ冷凍機２０は、１段シリンダ２３の低温側（下部）に１段冷却ステージ２１を有し、また１段冷却ステージ２１の下部に配設された２段シリンダ２４の低温側（下部）に２段冷却ステージ２２を有した、いわゆる２段タイプのＧＭ冷凍機である。このＧＭ冷凍機２０は、起動すると各シリンダ２３，２４内で蓄冷材が装着されたディスプレーサが往復移動することにより冷媒ガスが断熱膨張し、１段及び２段冷却ステージ２１，２２で寒冷が発生する。これにより、１段冷却ステージ２１の温度は例えば４５〜９０Ｋとなり、２段冷却ステージ２２の温度は例えば４Ｋ以下まで冷却することができる。
【００２１】
しかしながら、ＧＭ冷凍機単体では大きな冷凍能力を発生させることは困難である。このため、４Ｋにおいて大きな冷凍能力が必要な場合は、ＧＭ冷凍機２０だけでは対応できないため、ＧＭ冷凍機２０にジュール・トムソン回路３０（以下、ＪＴ回路という）を付加して冷却装置３を構成している（特開平１０−７３３３３号公報、特開平１１−１０８４７６号公報参照）。
【００２２】
ＪＴ回路３０は、３つの冷却器３１，３２，３３と、３つの熱交換器３４，３５，３６と、ＪＴバルブ３８等により構成されている。また、上記のように冷却装置３は４Ｋ付近の極低温を生成するため、外部からの熱侵入を抑制する必要がある。このため、ＧＭ冷凍機２０を構成する各冷却ステージ２１，２２、各シリンダ２３，２４、及びＪＴ回路３０を構成する冷却器３１，３２，３３、熱交換器３４，３５，３６、ＪＴバルブ３８は、真空容器１２の内部に収納されている。
【００２３】
真空容器１２には真空排気装置に接続される接続バルブ（図示せず）が設けられており、この接続バルブを真空排気装置に接続して真空排気することにより所定の真空度として封じ切りされる。しかしながら、真空断熱効果を保持するためには、真空排気装置による排気のみでは十分であるとはいえない。また、ＧＭ冷凍機２０及びＪＴ回路３０を構成する各材料の表面から放出ガスが放出される可能性もあり、この場合更に真空度が低下してしまう。尚、上記のように吸引により除去されなかった気体及び各材料から発生したガス等を総称して残留気体というものとする。この残留気体の主成分は、窒素ガス、酸素ガス、炭酸ガス等である。
【００２４】
真空容器１２内に残留気体が存在すると、真空容器１２内の真空度が低下して真空断熱効果が低減し良好な冷却処理ができなくなるおそれがある。そこで、本実施形態では真空容器１２の内部に第１及び第２の真空吸着器１０，１１を設けることにより、真空容器１２内の真空度を高める構成としている。尚、第１及び第２の真空吸着器１０，１１の詳細については説明の便宜上、後述するものとする。
【００２５】
次に、再凝縮装置１及び冷却装置３の動作について説明する。
【００２６】
ＪＴ回路３０の圧縮機４０から出た高圧（１〜２ＭＰ）のヘリウムガスは、先ず第１熱交換器３４に入り、戻って来る低温のヘリウムガスと熱交換して９０Ｋ程度まで冷却される。次に、ヘリウムガスはＧＭ冷凍機２０の１段冷却ステージ２１に設けられた１段冷却器３１に流入し、ここで７５Ｋ程度まで冷却される。この１段冷却器３１は、主に第１熱交換器３４で生ずる損失を補う。
【００２７】
次に、ヘリウムガスは第２熱交換器３５に入り、戻って来る低温のヘリウムガスと熱交換して１５Ｋ程度まで冷却される。この、ＧＭ冷凍機２０の２段冷却ステージ２２に設けられた２段冷却器３２で１０Ｋ程度まで冷却される。次に、ヘリウムガスは第３熱交換器３６に入り、戻って来る低温のヘリウムガスと熱交換して約６Ｋまで冷却される。
【００２８】
ヘリウムガスは約３０Ｋに逆転温度があり、この温度以下では膨張することにより温度が低下する領域がある。従って、６Ｋ程度まで冷却されている高圧のヘリウムガスを、断熱自由膨張で大気圧（０．１ＭＰａ）以下まで膨張すると、一部液体になる。どの程度の量が液化するかは、膨張前の温度と圧力及び膨張後の圧力で決まる。
【００２９】
ヘリウムガスの膨張は、膨張弁であるＪＴバルブ３８を通して行われる。この膨張は断熱自由膨張であるため、膨張弁は単なる絞り弁となっている。膨張後のヘリウムは、負荷冷却器３３により凝縮器１４を冷やす。
【００３０】
真空容器１２の下部には、細長な筒形状とされた挿入管１３が一体的に形成されている。また、挿入管１３の先端部には、凝縮器１４が設けられている。この真空容器１２及び挿入管１３は、ステンレスにより形成されている。また、ＪＴ回路３０の負荷冷却部３３は凝縮器１４内に配設されており、よって凝縮器１４を流れるヘリウムにより凝縮器１４は冷却される。
【００３１】
また挿入管１３及びその先端に配設された凝縮器１４は、冷媒槽２の内部に挿入された構成とされている。よって、冷媒槽２内で冷媒４（液体ヘリウム）が蒸発して冷媒ガス５（ヘリウムガス、図中波線の矢印で示す）となった場合、この冷媒ガス５は極低温（例えば、４Ｋ）とされた凝縮器１４に触れることにより再凝縮して再び冷媒槽２の下部に向け落下する。これにより、冷媒ガス５の冷媒槽２からの漏洩を防止できると共に冷媒４の補給回数の低減を図ることができる。
【００３２】
一方、ＪＴバルブ３８から流入した液体ヘリウムは、凝縮器１４において吸熱することにより再びヘリウムガスとなる。このヘリウムガスは、負荷冷却部３３から第３熱交換器３６、第２熱交換器３５、及び第１熱交換器３４を順に流れることにより室温に戻り、そして再び圧縮機４０で圧縮される。
【００３３】
ここで、第１の真空吸着器１０及び第２の真空吸着器１１について説明する。第１及び第２の真空吸着器１０，１１は、本実施形態ではいずれも活性炭を用いている。具体的には、第１の真空吸着器１０は、図２に示すように筒形状とされた挿入管１３の内壁に活性炭を貼着した構成とされている。また、第２の真空吸着器１１は活性炭パネルよりなり、ＧＭ冷凍機２０の２段冷却部３２に配設されている。
【００３４】
第１の真空吸着器１０は、主に冷媒槽２内の冷媒４が蒸発することにより発生した冷媒ガス５により冷却が行われる。また、第２の真空吸着器１１は、主にＧＭ冷凍機２０の２段冷却ステージ２２により冷却が行われる。
【００３５】
このように、第１及び第２の真空吸着器１０，１１は極低温に冷却されることにより、真空容器１２内に存在する残留気体分子を吸着する。これにより、真空容器１２の内部の真空度を高めることができ、真空容器１２による真空断熱を確実に行うことができる。これにより、冷却装置３の外部から真空容器１２内に熱が侵入することを防止でき、冷却装置３の冷却効率は高まり、冷媒ガス５の再凝縮処理を良好に行うことができる。
【００３６】
ここで、本実施形態に係る再凝縮装置１及び冷却装置３において、例えば停電等によりＧＭ冷凍機２０が停止したことを想定する。
【００３７】
ＧＭ冷凍機２０が停止することにより、ＧＭ冷凍機２０及びＪＴ回路３０による冷却処理は停止する。このため、真空容器１２内の温度が上昇し、第２の真空吸着器１１に吸着されていた残留気体分子は再び真空容器１２内に放出されるため、真空容器１２内の真空度が低下することが懸念される。
【００３８】
しかしながら本実施形態では、第１の真空吸着器１０が挿入管１３に配設された構成とされている。更に、第１の真空吸着器１０は挿入管１３の先端部分に配設されており、またこの挿入管１３の先端部分は冷媒槽２内に挿入された構成とされている。即ち、第１の真空吸着器１０は、挿入管１３内の冷媒槽２（具体的には冷媒ガス５）と熱交換可能な位置に配設されている。
【００３９】
よって、第１の真空吸着器１０は、冷媒槽２内の冷媒４が蒸発した冷媒ガス５により冷却される。この冷媒ガス５による挿入管１３の冷却は、ＧＭ冷凍機２０及びＪＴ回路３０の停止に拘わらず行われる。このため、第２の真空吸着器１１に吸着された残留気体分子が第２の真空吸着器１１から放出されても、この残留気体分子は第１の真空吸着器１０で吸着されるため、真空容器１２内の真空度が大きく低下するようなことはない。
【００４０】
これにより、停電後再びＧＭ冷凍機２０及びＪＴ回路３０が起動した際、真空容器１２内は高い真空度を維持し、外部からの熱の侵入が抑制された状態を維持しているため、直ちに再凝縮処理を開始することができる。よって、再凝縮装置１が設けられるＳＱＵＩＤ装置やＳＣＭ装置等の装置に及ぼす影響を殆どなくすことができるため、再凝縮装置１の信頼性を高めることができる。
【００４１】
尚、本実施形態では真空吸着器を真空容器１２内に２つ設けた構成（第１の真空吸着器１０と第２の真空吸着器１１とを設けた構成）とした。しかしながら、第２の真空吸着器１１は必ずしも設ける必要はなく、第１の真空吸着器１０のみでも本願発明の効果を実現しうるものである。
【００４２】
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は上記した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能なものである。
【符号の説明】
【００４３】
１  再凝縮装置
２  冷媒槽
３  冷却装置
４  冷媒
５  冷媒ガス
６  冷媒用真空室
１０  第１の真空吸着器
１１  第２の真空吸着器
１２  真空容器
１３  挿入管
１４  凝縮器
１８  ＧＭ冷却機用圧縮機
２０  ＧＭ冷凍機
２１  １段冷却ステージ
２２  ２段冷却ステージ
２３  １段シリンダ
２４  ２段シリンダ
３０  ＪＴ回路
３１  １段冷却部
３２  ２段冷却部
３３  負荷冷却部
３４  第１熱交換器
３５  第２熱交換器
３６  第３熱交換器
３８  ＪＴバルブ
【図１】
0005442506.tif 000002
【図２】
0005442506.tif 000003
【図３】
0005442506.tif 000004
【図４】
0005442506.tif 000005