(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機ユニットと、この圧縮機ユニットと分離したコールドヘッドとを備え、前記圧縮機ユニットの圧縮機によって昇圧された冷媒を前記コールドヘッドへ供給し、前記コールドヘッド内で膨張させることによって寒冷を発生させるとともに、前記コールドヘッド内で膨張した後の冷媒を再び前記圧縮機ユニットの圧縮機に導入して昇圧させる極低温冷凍機において、
前記圧縮機によって昇圧された冷媒が供給される高圧側配管と前記圧縮機ユニットの外部から導入された冷媒を前記圧縮機へ供給する低圧側配管とを連結するバイパス配管と、
このバイパス配管に設けられ、前記高圧側配管および前記低圧側配管の少なくとも一方の管内圧力を調整する圧力調整弁と、
前記バイパス配管内の冷媒を前記圧縮機ユニットの外部へ取り出す取出口と、
前記圧縮機ユニットの外部から前記圧縮機ユニットへ冷媒を導入する導入口と、
を具備することを特徴とする極低温冷凍機。
【請求項２】
前記取出口と前記導入口とを接続し、前記取出口から前記バイパス配管内の冷媒を前記圧縮機ユニットの外部へ取り出すとともに取り出した冷媒を前記圧縮機ユニットの内部へ戻す循環経路を構成する配管が設置され、
この循環経路は、前記コールドヘッドの冷却ステージに設けられた冷却ステージ熱交換器と、この冷却ステージ熱交換器の下流側に被冷却体を冷却する少なくとも一以上の被冷却体熱交換器とが直列的に接続されて構成されることを特徴とする請求項１記載の極低温冷凍機。
【請求項３】
前記コールドヘッドは、冷却ステージを複数段有することを特徴とする請求項１又は２記載の極低温冷凍機。
【請求項４】
前記被冷却体を、前記コールドヘッドの最終段冷却ステージに熱的に接続させる一方、前記冷却ステージ熱交換器を、前記最終段冷却ステージよりも初段側の冷却ステージの何れかに設けることを特徴とする請求項３記載の極低温冷凍機。
【請求項５】
前記被冷却体は、超電導コイルであることを特徴とする請求項２乃至４の何れか１項に記載の極低温冷凍機。
【請求項６】
前記被冷却体は、超電導コイルであり、前記コールドヘッドの冷却ステージから直接冷却されている箇所とは別の少なくとも一箇所を前記被冷却体熱交換器と熱的に接触させて構成したことを特徴とする請求項２乃至５の何れか１項に記載の極低温冷凍機。
【請求項７】
前記被冷却体熱交換器は、少なくとも第１の被冷却体熱交換器と、第２の被冷却体熱交換器とを有し、前記第１の被冷却体熱交換器および第２の被冷却体熱交換器を被冷却体と熱的に接触させる一方、前記冷却ステージと被冷却体とは熱的な接触を遮断して構成されることを特徴とする請求項２に記載の極低温冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被冷却体を極低温に冷却する極低温冷凍機に係り、特に、冷凍機が１台でも予冷特性の向上を図った極低温冷凍機に関する。
【背景技術】
【０００２】
被冷却体を極低温に冷却する極低温冷凍機により、例えば、超電導コイルの冷却への応用が可能となり、液体ヘリウム、液体窒素等の冷媒を使うことなく、格段に取り扱いが簡便となった。使われている冷凍機は、冷媒を圧縮、循環させる圧縮機と、寒冷を発生させるコールドヘッドで構成され、被冷却体の冷却仕様にあった冷凍機がラインナップされつつある。
【０００３】
被冷却体の冷却仕様としては、必要とする冷却温度、およびその温度でどれだけの熱負荷、熱侵入量を冷却する必要があるかに応じた冷凍能力がある。さらに、その所定の温度まで室温から冷却する時間を短くする要求がある場合がある。その場合、室温から所定温度までの冷凍能力が大きい必要があるが、一般には極低温で必要な冷凍能力に対し、室温付近では被冷却体の熱容量は大きくなるため、長時間の予冷が必要となる。特に大型機器の冷却の場合は数週間〜数ヶ月かかることもあり、例えば、予冷時には別の手段の冷却、例えば液体窒素を引き回して冷却する方法が併用されることもある。
【０００４】
上述したような極低温冷凍機に関する技術は、例えば、以下の特許文献１，２，３に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１１６１７１号公報
【特許文献２】特開２００５−２０１６０４号公報
【特許文献３】特許第３６７３４１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したように、一般には極低温で必要な冷凍能力に対し、室温付近では被冷却体の熱容量は大きくなり、長時間の予冷が必要となることから、予冷手段と、定常の状態での極低温を維持する冷却仕様を同時に満たす設計をある１台の冷凍機に施すことは困難であった。そのため、予冷の時間が長期間になることを余儀なくされるか、あるいは予冷手段として他の手段を併用させることがなされているが、後者の場合、装置の高コスト化、取り扱いの不便さ等のデメリットがあった。
【０００７】
図７は従来の極低温冷凍機の一例である極低温冷凍機１００とともに、この極低温冷凍機１００を用いて超電導コイル１２４を冷却する様子を示した説明図である。上記の課題について、図７を引用してさらに説明する。
【０００８】
尚、図７において、符番１０１〜１１７が極低温冷凍機１００を構成する構成要素であり、具体的には、１０１がコールドヘッド、１０２が冷却ステージ、１０３が冷媒吐出継手、１０４が冷媒導入継手、１０５が冷媒低圧配管、１０６が冷媒高圧配管、１０７が圧縮機ユニット、１０８が圧縮機、１０９が圧縮機ユニット内低圧配管、１１０が圧縮機ユニット内高圧配管、１１１が冷媒導入継手、１１２が冷媒吐出継手、１１３がバッファタンク、１１４がオイルミストトラップ、１１５がアドソーバ、１１６が圧力調整弁、１１７がバイパス配管である。また、１２４が超電導コイル、１２５が伝熱板である。
【０００９】
図７に示される極低温冷凍機１００は、膨張器ユニット（コールドヘッド）１０１と、圧縮機ユニット１０７とが分離されているＧＭ（Gifford−McMahon）冷凍機であって、圧縮機ユニット１０７とコールドヘッド１０１とは、冷媒低圧配管１０５と冷媒高圧配管１０６によって接続され、冷媒が循環できるように構成される。
【００１０】
極低温冷凍機１００では、圧縮機ユニット１０７内の圧縮機１０８によって冷媒を昇圧し、昇圧した冷媒を圧縮機ユニット内高圧配管１１０へ送り、この圧縮機ユニット内高圧配管１１０の経路上に設けられたオイルミストトラップ１１４、アドソーバ１１５および冷媒吐出継手１１２を経由して圧縮機ユニット１０７の外部へ吐出する。
【００１１】
続いて、圧縮機ユニット１０７から吐出された冷媒は、冷媒高圧配管１０６とコールドヘッド１０１に設けられた冷媒導入継手１０４とを経由してコールドヘッド１０１へ導入され、コールドヘッド１０１の内部で膨張させる。コールドヘッド１０１の内部では、高圧冷媒が膨張することで寒冷が発生する。膨張後の低圧冷媒は、コールドヘッド１０１に設けられた冷媒吐出継手１０３からコールドヘッド１０１外部の冷媒低圧配管１０５へ吐出され、圧縮機ユニット１０７に設けられた冷媒導入継手１１１から再び圧縮機ユニット１０７へ導入される。
【００１２】
続いて、圧縮機ユニット１０７へ導入された冷媒は、冷媒導入継手１１１を介して冷媒低圧配管１０５と接続される圧縮機ユニット１０７内の圧縮機ユニット内低圧配管１０９に導入され、圧縮機ユニット内低圧配管１０９の経路上に設けられたバッファタンク１１３を経由して再び圧縮機１０８に導入される。
【００１３】
図７に示されるような冷凍機による冷却の場合、被冷却体（例えば図７に示される超電導コイル１２４）との冷却インターフェースは、冷却ステージ１０２を被冷却体に熱接触させることで熱伝導により冷却する仕組のため、被冷却体の冷却が局所的になり、被冷却体との温度差による非効率性、および被冷却体内での温度差による熱ひずみの発生と劣化が生じるという課題がある。
【００１４】
図７に示される従来の極低温冷凍機１００の冷却ステージ１０２は一箇所であるため、超電導コイル１２４の片側からの冷却しかできず、他端は冷却されにくいため、超電導コイル１２４の両端で、有効熱伝導率に応じた温度差が生じてしまう。この温度差による熱ひずみが超電導コイル１２４を劣化させるため、これを防止するために、意図的に予冷能力を抑えて、温度差がつかないように冷却する場合もある。
【００１５】
また、従来の極低温冷凍機１００において、圧縮機ユニット１０７内には圧力調整弁１１６とバイパス配管１１７が設置されている。この圧力調整弁１１６は、初期冷却時において、コールドヘッド１０１の温度が室温に近い温度での運転時に冷媒流量が少なく、低圧配管１０９と高圧配管１１０に大きな圧力差がかかるので、圧縮機１０８内の部品の劣化、破損が生じないように、低圧配管１０９と高圧配管１１０との圧力差が所定値以上になった場合、高圧配管１１０が所定の圧力以上になった場合、又は、低圧配管１０９が所定の圧力以下になった場合、圧力調整弁１１６を開き、差圧を低下させる機能を有する。
【００１６】
所定の温度に冷却されると、コールドヘッド１０１への流量が増加するため、この圧力調整弁１１６は閉じ、バイパス配管１１７に設けられるバイパス弁に流れる冷媒はなくなる。このように初期冷却時は圧縮機１０８には余剰の冷媒があり、入力電力が有効に使われていない状況となっている。
【００１７】
以上のように、冷凍機一台で冷却する構成を採用した場合、予冷特性まで要求を満たす（予冷時間短縮、取り扱いの簡便さ、熱ひずみによる劣化防止）ことが困難であった。
【００１８】
本発明は、上述した課題を考慮してなされたものであり、冷凍機一台で可能な限り、予冷時間の短縮、取り扱いの簡便さ、および、熱ひずみによる劣化防止等の予冷特性の向上を図った極低温冷凍機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】
【００１９】
本発明に係る極低温冷凍機は、上述した課題を解決するため、圧縮機ユニットと、この圧縮機ユニットと分離したコールドヘッドとを備え、前記圧縮機ユニットの圧縮機によって昇圧された冷媒を前記コールドヘッドへ供給し、前記コールドヘッド内で膨張させることによって寒冷を発生させるとともに、前記コールドヘッド内で膨張した後の冷媒を再び前記圧縮機ユニットの圧縮機に導入して昇圧させる極低温冷凍機において、前記圧縮機によって昇圧された冷媒が供給される高圧側配管と前記圧縮機ユニットの外部から導入された冷媒を前記圧縮機へ供給する低圧側配管とを連結するバイパス配管と、このバイパス配管に設けられ、前記高圧側配管および前記低圧側配管の少なくとも一方の管内圧力を調整する圧力調整弁と、前記バイパス配管内の冷媒を前記圧縮機ユニットの外部へ取り出す取出口と、前記圧縮機ユニットの外部から前記圧縮機ユニットへ冷媒を導入する導入口と、を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、冷凍機１台で冷却する構成を採用しつつ、予冷時間の短縮、取り扱いの簡便さ、および、熱ひずみによる劣化の防止といった予冷特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る極低温冷凍機の構成を概略的に示した構成図。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る極低温冷凍機の構成を概略的に示した構成図。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る極低温冷凍機の構成を概略的に示した構成図。
【図４】本発明の第４の実施形態に係る極低温冷凍機の構成を概略的に示した構成図。
【図５】本発明の第５の実施形態に係る極低温冷凍機の構成を概略的に示した構成図。
【図６】本発明の第６の実施形態に係る極低温冷凍機の構成を概略的に示した構成図。
【図７】従来の極低温冷凍機の構成図であり、この極低温冷凍機による被冷却体（超電導コイル）の冷却方法を概略的に説明する説明図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明に係る極低温冷凍機について添付の図面を参照して説明する。本発明に係る極低温冷凍機は、圧縮機ユニットと膨張器ユニット（コールドヘッド）が分離されているＧＭ（Gifford−McMahon）冷凍機を構成の一部として採用し、これに、他の構成を付加して構成されるものである。
【００２３】
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る極低温冷凍機の一例である第１の極低温冷凍機１０Ａの構成を概略的に示した構成図である。
【００２４】
第１の極低温冷凍機１０Ａは、コールドヘッド（膨張器ユニット）１１と、冷却ステージ１２と、冷媒吐出継手１３と、冷媒導入継手１４と、冷媒低圧配管１５と、冷媒高圧配管１６と、圧縮機ユニット１７と、圧縮機１８と、圧縮機ユニット内低圧配管１９と、圧縮機ユニット内高圧配管２０と、冷媒導入継手２１と、冷媒吐出継手２２と、バッファタンク２３と、オイルミストトラップ２４と、アドソーバ２５と、圧力調整弁２６と、バイパス配管２７と、を具備するＧＭ冷凍機（図７に示される極低温冷凍機１００に相当）に対して、さらに、圧力調整弁バイパス流導入継手３７および圧力調整弁バイパス流吐出継手３８を具備して構成される。
【００２５】
通常、ＧＭ冷凍機は、冷却ステージ１２が室温近くの、まだ冷却が完了していない初期の冷却段階では、冷媒の密度が小さいため、冷媒の質量流量は少ない。そのため、低圧側の圧力は低下し、高圧側の圧力は増加する。圧縮機１８内には高圧側から低圧側に冷媒がリークしないためのシール機構が必要だが、高圧側と低圧側の差圧が大きいと、シールが劣化、破損し、リーク量が増加する。そこで、これを防止するため、高圧側と低圧側とを結ぶバイパス配管２７が設けられ、さらに、バイパス配管２７に低圧側の圧力を一定値以下にしない、高圧側の圧力を一定値以上にしない、または、高圧側と低圧側の差圧を一定以上にしないように圧力調整弁２６が設けられる。
【００２６】
ここで、第１の極低温冷凍機１０Ａが具備するコールドヘッド１１、冷却ステージ１２、冷媒吐出継手１３、冷媒導入継手１４、冷媒低圧配管１５、冷媒高圧配管１６、圧縮機ユニット１７、圧縮機１８、圧縮機ユニット内低圧配管１９、圧縮機ユニット内高圧配管２０、冷媒導入継手２１、冷媒吐出継手２２、バッファタンク２３、オイルミストトラップ２４、アドソーバ２５、および、圧力調整弁２６については、例えば、図７で示したような従来の極低温冷凍機（ＧＭ冷凍機）が具備するものと実質的に同様である。
【００２７】
すなわち、第１の極低温冷凍機１０Ａでは、圧縮機ユニット１７とコールドヘッド１１とが、冷媒低圧配管１５と冷媒高圧配管１６によって接続され、冷媒が循環できるように構成されており、圧縮機ユニット１７内の圧縮機１８で昇圧された冷媒は、圧縮機ユニット内高圧配管２０、オイルミストトラップ２４、アドソーバ２５、冷媒吐出継手２２、冷媒高圧配管１６、冷媒導入継手１４、コールドヘッド１１、冷媒吐出継手１３、冷媒低圧配管１５、冷媒導入継手２１、圧縮機ユニット内低圧配管１９、および、バッファタンク２３を経由して再び圧縮機１８へ戻って循環することができる。
【００２８】
第１の極低温冷凍機１０Ａの圧力調整弁２６は、圧縮機１８が作る昇圧された高圧冷媒と減圧された低圧冷媒をバイパスさせるバイパス配管２７に設けられ、高圧圧力、あるいは低圧側圧力、あるいはその両方を調整する。
【００２９】
第１の極低温冷凍機１０Ａのバイパス配管２７は、圧縮機１８が作る昇圧された高圧冷媒と減圧された低圧冷媒をバイパスさせるために、圧縮機ユニット内低圧配管１９と、圧縮機ユニット内高圧配管２０と、をバイパスさせる管である。第１の極低温冷凍機１０Ａのバイパス配管２７は、その経路の途中に、バイパス配管２７に流れる冷媒を圧縮機ユニット１７の外へ吐出するための圧力調整弁バイパス流導入継手３７と、圧縮機ユニット１７の外から内へ導入する（戻す）ための圧力調整弁バイパス流吐出継手３８とを設けて構成される点で、従来のＧＭ冷凍機の基本構成と異なる。
【００３０】
圧力調整弁バイパス流導入継手３７は、バイパス配管２７の経路の途中に設けられ、バイパス配管２７に流れる冷媒を圧縮機ユニット１７の外へ取り出す際の取出口（吐出口）としての役割を担う。また、圧力調整弁バイパス流吐出継手３８は、バイパス配管２７に流れる冷媒を圧縮機ユニット１７の内へ戻す際の導入口としての役割を担う。
【００３１】
このように構成される第１の極低温冷凍機１０Ａでは、従来のＧＭ冷凍機と同様に、冷却ステージ１２が室温近い（冷却が完了していない）初期の冷却段階では、冷媒の密度が小さいため、冷媒の質量流量は少ないため、低圧側の圧力は低下し、高圧側の圧力は増加する。そのため、初期予冷時はバイパス配管２７に流れる冷媒量は多く、圧縮機ユニット１７側に冷媒が多く存在する。
【００３２】
その後、冷却が進行して冷却ステージ１２の冷却温度が低下するに従ってコールドヘッド１１側に流れる流量が増加していき、バイパス配管２７に流れる冷媒量は低下していく。そして、最終的に冷却ステージ１２が所定の温度に到達する（冷却が完了する）と圧力調整が不要となり、圧力調整弁２６が閉じてバイパス配管２７の流量は０となる。
【００３３】
そこで、第１の極低温冷凍機１０Ａは、初期の冷却段階（初期予冷時）に圧縮機ユニット１７側に多く存在する冷媒を有効活用する観点から、バイパス配管２７に流れる余剰な冷媒を圧縮機ユニット１７の内外へ自在に出し入れできるように、圧力調整弁バイパス流導入継手３７と、圧力調整弁バイパス流吐出継手３８とを設けたものである。このように第１の極低温冷凍機１０Ａを構成することによって、初期予冷時に圧縮機ユニット１７側で余剰になっている冷媒を簡便に利用できるように図っている。
【００３４】
上述したように、第１の極低温冷凍機１０Ａによれば、初期冷却（初期予冷）時にバイパス配管２７に流れる余剰な冷媒を圧縮機ユニット１７の外へ取り出すことができるように圧力調整弁バイパス流吐出継手３８を設けることで、圧力調整弁バイパス流吐出継手３８から余剰な冷媒を取り出して冷凍機以外の目的で簡便に利用することができる。また、バイパス配管２７に圧力調整弁バイパス流吐出継手３８と併せて圧力調整弁バイパス流導入継手３７を設けることで、取り出して冷凍機以外の目的で利用した冷媒を簡便に戻すことができる。
【００３５】
［第２の実施形態］
図２は、本発明の第２の実施形態に係る極低温冷凍機の一例である第２の極低温冷凍機１０Ｂの構成を概略的に示した構成図である。
【００３６】
図２に示される第２の極低温冷凍機１０Ｂは、図１に示される第１の極低温冷凍機１０Ａに対して、圧力調整弁バイパス流吐出継手３８から吐出され、圧縮機ユニット１７の外部に設けられた圧力調整弁バイパス流吐出配管３９および圧力調整弁バイパス流戻り配管４０を廻って圧力調整弁バイパス流導入継手３７へ戻る冷媒の経路と、この経路上に設けられた熱交換器４１，４２，４３とをさらに具備する点で相違するが、その他の点では実質的に相違しない。
【００３７】
そこで、本実施形態では、第２の極低温冷凍機１０Ｂが、第１の極低温冷凍機１０Ａに対して相違する圧力調整弁バイパス流吐出配管３９、圧力調整弁バイパス流戻り配管４０、対向流熱交換器４１、冷却ステージ熱交換器４２、およびコイル部冷却熱交換器４３を中心に説明し、その他の構成要素については同じ符号を付して説明を省略する。
【００３８】
図２に示されるように、第２の極低温冷凍機１０Ｂは、図１に示される第１の極低温冷凍機１０Ａに対して、圧力調整弁バイパス流吐出継手３８から吐出され、圧縮機ユニット１７の外部に設けられた圧力調整弁バイパス流吐出配管３９および圧力調整弁バイパス流戻り配管４０を廻って圧力調整弁バイパス流導入継手３７へ戻る冷媒の経路をさらに具備する。また、圧力調整弁バイパス流吐出継手３８、圧力調整弁バイパス流吐出配管３９、圧力調整弁バイパス流戻り配管４０、および、圧力調整弁バイパス流導入継手３７によって構成される経路上には、対向流熱交換器４１と、冷却ステージ１２に取り付けられた冷却ステージ熱交換器４２と、被冷却体４６を冷却する被冷却体冷却用熱交換器４３とが設けられる。
【００３９】
第２の極低温冷凍機１０Ｂでは、バイパス配管２７を流れる冷媒が、圧力機ユニット１７の圧力調整弁バイパス流吐出継手３８から吐出され、圧力調整弁バイパス流吐出配管３９を通って、第２の極低温冷凍機１０Ｂの冷却ステージ１２に取り付けられた冷却ステージ熱交換器４２によって冷却された後、被冷却体冷却用熱交換器４３へ導かれ、被冷却体冷却用熱交換器４３で被冷却体４６と熱交換された後、圧力調整弁バイパス流戻り配管４０を通って、圧力調整弁バイパス流導入継手３７へ導かれ、圧縮機ユニット１７へ戻る。
【００４０】
また、図２に示されるように、圧力調整弁バイパス流吐出配管３９および圧力調整弁バイパス流戻り配管４０の一部に、対向流熱交換器４１をさらに設けることで、圧力調整弁バイパス流吐出配管３９および圧力調整弁バイパス流戻り配管４０を循環する冷媒が低温に冷却された場合、さらに効率よく冷却することができる。
【００４１】
このように構成された第２の極低温冷凍機１０Ｂによれば、第１の極低温冷凍機１０Ａの余剰の冷媒の具体的な利用方法として、圧縮機ユニット１７の圧力調整弁バイパス流吐出継手３８から冷媒を吐出し圧力調整弁バイパス流導入継手３７へ戻る循環冷却配管、すなわち、圧力調整弁バイパス流吐出配管３９および圧力調整弁バイパス流戻り配管４０を設けることで、初期冷却時の余剰な冷媒を被冷却体４６の予冷用の冷却に利用することができる。
【００４２】
従って、初期冷却時の余剰な冷媒を簡便に利用することができ、この冷媒を使って、コールドヘッド１１の冷却部（冷却ステージ１２）による局所的な範囲のみならず、被冷却体冷却用熱交換器４３でも冷却することができ、従来よりも広範な範囲を冷却が可能な冷凍機を構成することができる。
【００４３】
尚、図２に示される第２の極低温冷凍機１０Ｂでは、被冷却体冷却用熱交換器４３は一つであるが、複数であっても良い。被冷却体冷却用熱交換器４３が複数である場合には、複数個所の冷却が可能となる。
【００４４】
また、図２に示される第２の極低温冷凍機１０Ｂでは、圧縮機ユニット１７の圧力調整弁バイパス流吐出継手３８から冷媒を吐出し圧力調整弁バイパス流導入継手３７へ戻る循環経路は一つであるが、この循環経路は、並列に複数構成することもできる。
【００４５】
［第３の実施形態］
図３は、本発明の第３の実施形態に係る極低温冷凍機の一例である第３の極低温冷凍機１０Ｃの構成を概略的に示した構成図である。
【００４６】
図３に示される第３の極低温冷凍機１０Ｃは、図２に示される第２の極低温冷凍機１０Ｂの被冷却体４６として超電導磁石（図３に示される超電導コイル４４および伝熱板４５）を想定した実施形態である。図３に示される超電導コイル４４および伝熱板４５は、第３の極低温冷凍機１０Ｃの冷却ステージ１２に熱的に接触させて冷却するのに加え、循環冷媒の冷却による被冷却体用熱交換器４３での熱交換によっても冷却されている。
【００４７】
第３の極低温冷凍機１０Ｃでは、予冷時のコールドヘッド１１への流量が少ない場合には、超電導コイル４４全体の温度勾配を少なくして冷却するために、被冷却体用熱交換器４３側へ冷媒を循環させることができ、冷却ステージ１２が所定の温度に冷却された後は、温度変化による熱ひずみ量が低温では減少し、Ｃｕ、Ａｌ等の熱伝導体は熱伝導率が増加する結果、コールドヘッド１１の局所的な冷却で十分伝熱特性が得られるため、循環冷媒による冷却は不要となる。そして、コールドヘッド１１への冷媒質量が増加するとともに、循環冷媒の流量は減少し自動的に０となる。
【００４８】
このように構成される第３の極低温冷凍機１０Ｃによれば、超電導コイル４４全体の温度勾配を少なくして室温から冷却することができ、超電導コイル４４の熱ひずみによる劣化を防ぎつつ、冷凍機の冷凍能力をフルに発揮した初期冷却特性を得ることが可能となり、初期予冷が完了した後は、バイパス配管２７への冷媒の流量が０となることから、切替操作なく圧力調整弁バイパス流吐出配管３９および圧力調整弁バイパス流戻り配管４０を廻る循環冷媒の流量を自動的に０とすることができる。従って、初期予冷から定常冷却への切替操作が不要、すなわち、操作が簡便な超電導磁石およびその冷却システムを構成することが可能となる。
【００４９】
尚、図３に示される第３の極低温冷凍機１０Ｃでは、被冷却体冷却用熱交換器４３が一つであるが複数であっても良い点は第２の極低温冷凍機１０Ｂと同様である。
【００５０】
［第４の実施形態］
図４は、本発明の第４の実施形態に係る極低温冷凍機の一例である第４の極低温冷凍機１０Ｄの構成を概略的に示した構成図である。
【００５１】
図４に示される第４の極低温冷凍機１０Ｄは、図３に示される第３の極低温冷凍機１０Ｃと構成要素としては実質的な相違はないが、コールドヘッド１１の冷却ステージ１２と被冷却体４６である超電導コイル４４が物理的に接触し、熱的な接触をしているか否かの点で相違する。
【００５２】
すなわち、第４の極低温冷凍機１０Ｄでは、コールドヘッド１１の冷却ステージ１２と、被冷却体４６である超電導コイル４４とを熱的に接触をさせない構成とし、循環冷却配管である圧力調整弁バイパス流吐出配管３９および圧力調整弁バイパス流戻り配管４０だけの取り回しにより超電導コイル４４の両面を冷却する構成とした。また、圧力調整弁２６を、冷却ステージ１２が所定の温度に冷却された後も、循環冷却の冷媒流量を０としないような設定を施した。
【００５３】
このように構成される第４の極低温冷凍機１０Ｄでは、図４に示されるように、コールドヘッド１１の冷却ステージ１２と被冷却体４６とを空間的に隔離することによって、コールドヘッド１１と被冷却体４６との熱的な接触を遮断して構成されているため、被冷却体４６はコールドヘッド１１と直接的に熱交換することはない。
【００５４】
この結果、第４の極低温冷凍機１０Ｄでは、第４の極低温冷凍機１０Ｄが止まった際にコールドヘッド１１側から直接被冷却体である超電導コイル４４への熱侵入を回避することができ、超電導コイル４４に侵入する熱量は断熱特性の良い冷却配管からの小さい熱侵入量に止めることができるので、超電導コイル４４の低温保持特性を向上させることができる。
【００５５】
また、圧力調整弁バイパス流吐出配管３９および圧力調整弁バイパス流戻り配管４０の素材にステンレス等の熱伝導率の低い材料を適用すれば、さらに上述の効果をより強めることができる。
【００５６】
上述したように、第４の極低温冷凍機１０Ｄによれば、例えば、停電時に第４の極低温冷凍機１０Ｄが停止した場合に、超電導コイル４４の温度上昇の速度が低減し、異常時の対処のための時間が大幅に増える。また、コールドヘッド１１を取り替える等のメンテナンス時には、超電導磁石の温度を室温付近まで上昇させる必要はなく、コールドヘッド１１のみをほぼ独立して室温に戻し、交換作業を行うことが可能となる。特に、熱容量が大きい超電導コイル４４においては、超電導コイル４４の室温までの温度上昇と再冷却が不要となるため、メンテナンス時間を大幅に短縮可能な超電導磁石およびその冷却システムを構成することができる。
【００５７】
［第５の実施形態］
図５は、本発明の第５の実施形態に係る極低温冷凍機の一例である第５の極低温冷凍機１０Ｅの構成を概略的に示した構成図である。
【００５８】
図５に示される第５の極低温冷凍機１０Ｅは、第２の極低温冷凍機１０Ｂに対して一段式の冷却ステージ１２を備えるコールドヘッド１１（一段式の冷凍機）の代わりに、第１段ステージ４７と第２段ステージ４８とを備えるコールドヘッド１１（二段式の冷凍機）を用いている点で相違するが、その他の点では実質的に相違しない。そこで、本実施形態では、相違する冷凍機を中心に説明し、実質的に相違しない構成要素については同じ符号を付してその説明を省略する。
【００５９】
図５に示されるように、第５の極低温冷凍機１０Ｅは、第２の極低温冷凍機１０Ｂの冷却ステージ１２の代わりに、高温側の第１段冷却ステージ４７と、低温側の第２段冷却ステージ４８とを備えて構成される。
【００６０】
第５の極低温冷凍機１０Ｅでは、圧縮機ユニット１７内のバイパス配管２７を通る冷媒が圧力調整弁バイパス流吐出継手３８から取り出され、冷媒が取り出された圧力調整弁バイパス流吐出配管３９が熱的に連結されて配管内の冷媒が第１段冷却ステージ４７で冷却され、被冷却体４６との熱交換器４３を介して圧縮機ユニット１７へ戻る圧力調整弁バイパス流戻り配管４０が設けられる。また、第１段ステージ４７よりも低い温度が得られる第２段冷却ステージ４８には、被冷却体４６が熱的に接続される。
【００６１】
このように構成される第５の極低温冷凍機１０Ｅでは、冷却初期時においてはバイパス配管２７に冷媒が流れるため、第１段冷却ステージ４７で冷却された冷媒と、第２段冷却ステージ４８の両方により、被冷却体４６が冷却される。また、被冷却体４６が十分低温に冷却された段階で、バイパス配管２７に流れる冷媒を少量、または、０とすることができるため、第２の冷却ステージ４８に対して高い温度となる第１段冷却ステージ４７による冷却は停止し、第１段冷却ステージ４７よりも低い温度に到達できる第２段冷却ステージ４８のみで冷却するようになる。
【００６２】
第５の極低温冷凍機１０Ｅによれば、熱容量が大きい被冷却体４６の冷却における初期予冷時には、第１段冷却ステージ４７と第２段冷却ステージ４８の両方の冷凍能力を使って冷却できるため、初期冷却の時間を大幅に短縮できる。また、所定の温度に冷却されれば、第２段冷却ステージ４８のみの冷却に切り替わるため、被冷却体４６を第１段冷却ステージ４７の到達温度よりも低い温度に冷却することができる。
【００６３】
尚、圧力調整弁バイパス流吐出配管３９および圧力調整弁バイパス流戻り配管４０に、例えばステンレスのような熱伝導率の低い金属を用い、所定の長さを保たせて室温と第１段冷却ステージ４７、第１段冷却ステージ４７と被冷却体４６との被冷却体用熱交換器４３等を接続する構成とすると、圧力調整弁バイパス流吐出配管３９および圧力調整弁バイパス流戻り配管４０からの熱侵入量を低減でき、冷媒が流れていない場合の到達温度を低下させることができる。
【００６４】
また、図５に示される第５の極低温冷凍機１０Ｅでは、冷却ステージ４７，４８を備える二段冷凍機の場合の例を示したが、二段以上の段数を持つ冷凍機においても同様に適用することができる。すなわち、最終段より上の高温側の冷却ステージを図５に示される第１段冷却ステージ４７と、最終段の冷却ステージを第２段冷却ステージ４８と、同様に構成することで、同じ作用、効果が得られる。
【００６５】
［第６の実施形態］
図６は、本発明の第６の実施形態に係る極低温冷凍機の一例である第６の極低温冷凍機１０Ｆの構成を概略的に示した構成図である。
【００６６】
図６に示される第６の極低温冷凍機１０Ｆは、図５に示される第５の極低温冷凍機１０Ｅの被冷却体４６を超電導コイル４４および伝熱板４５を冷却する構成としたものである。換言すれば、図３に示される第３の極低温冷凍機１０Ｃに対して、一段式の冷却ステージ１２を備えるコールドヘッド１１（一段式の冷凍機）の代わりに、第１段ステージ４７と第２段ステージ４８とを備えるコールドヘッド１１（二段式の冷凍機）を用いている点で相違するが、その他の点では実質的に相違しない。
【００６７】
このように構成される第６の極低温冷凍機１０Ｆでは、超電導コイル４４全体の温度勾配を少なくして室温から冷却することができ、超電導コイル４４の熱ひずみによる劣化を防ぎつつ、冷凍機の冷凍能力をフルに発揮した初期冷却特性を得ることができる。また、初期予冷から定常冷却への切替操作が不要（操作が簡便）である。
【００６８】
一方、初期予冷時においては、第１段冷却ステージ４７と第２段冷却ステージ４８の両方の冷凍能力を使って冷却できるため、初期冷却の時間を大幅に短縮でき、また、所定の温度に冷却されれば、第２段冷却ステージ４８のみの冷却に切り替わるため、被冷却体４６を第１段冷却ステージ４７の到達温度よりも低い温度に冷却することができる。
【００６９】
第６の極低温冷凍機１０Ｆによれば、超電導コイル４４全体の温度勾配を少なくして室温から冷却することができ、超電導コイル４４の熱ひずみによる劣化を防ぎつつ、冷凍機の冷凍能力をフルに発揮した初期冷却特性を得ることができる。特に、第１段冷却ステージ４７と第２段冷却ステージ４８とを備えるので、初期予冷時においては、第１段冷却ステージ４７と第２段冷却ステージ４８の両方の冷凍能力を使って冷却でき、初期冷却の時間を大幅に短縮できる。
【００７０】
また、所定の温度に冷却された後は、特段の切替操作を行うことなく、第２段冷却ステージ４８のみの冷却に切り替わるため、被冷却体４６を第１段冷却ステージ４７の到達温度よりも低い温度に冷却することができる。従って、初期予冷から定常冷却へ切り替える際も操作が極めて簡便である。さらに、このような第６の極低温冷凍機１０Ｆを適用することによって、初期予冷時間を短縮し、到達温度での性能は維持し、操作簡便な超電導磁石およびその冷却システムを構成することができる。
【００７１】
以上、極低温冷凍機１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆによれば、冷凍機１台で冷却する構成を採用しつつ、予冷時間の短縮、取り扱いの簡便さ、および、熱ひずみによる劣化の防止といった予冷特性を向上させることができる。
【００７２】
すなわち、極低温冷凍機１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆは、初期冷却（初期予冷）時にバイパス配管２７に流れる余剰な冷媒を圧縮機ユニット１７の外へ取り出すことができるように圧力調整弁バイパス流吐出継手３８を設けることで、圧力調整弁バイパス流吐出継手３８から余剰な冷媒を取り出して冷凍機以外の目的で簡便に利用することができる。また、バイパス配管２７に圧力調整弁バイパス流吐出継手３８と併せて圧力調整弁バイパス流導入継手３７を設けることで、取り出して冷凍機以外の目的で利用した冷媒を簡便に戻すことができる。
【００７３】
さらに、極低温冷凍機１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆは、初期冷却時の余剰な冷媒を簡便に利用することができ、この冷媒を使って、コールドヘッド１１の冷却部（冷却ステージ１２）による局所的な範囲のみならず、被冷却体冷却用熱交換器４３でも冷却することができ、従来よりも広範な範囲を冷却が可能な冷凍機を構成することができる。
【００７４】
さらにまた、超電導コイル４４を被冷却体４６とする極低温冷凍機１０Ｃ，１０Ｆでは、超電導コイル４４全体の温度勾配を少なくして室温から冷却することができ、超電導コイル４４の熱ひずみによる劣化を防ぎつつ、冷凍機の冷凍能力をフルに発揮した初期冷却特性を得ることが可能となり、初期予冷が完了した後は、バイパス配管２７への冷媒の流量が０となることから、切替操作なく圧力調整弁バイパス流吐出配管３９および圧力調整弁バイパス流戻り配管４０を廻る循環冷媒の流量を自動的に０とすることができる。従って、初期予冷から定常冷却への切替操作が不要、すなわち、操作が簡便な超電導磁石およびその冷却システムを構成することが可能となる。
【００７５】
また、第４の極低温冷凍機１０Ｄでは、被冷却体４６を、コールドヘッド１１からの直接的に冷却させないため、冷凍機の動作を止めた際に冷凍機からの熱侵入が直接被冷却体である超電導コイル４４に入らず、断熱特性の良い冷却配管からの小さい熱侵入量となり、超電導コイル４４の低温保持特性を向上させることができる。
【００７６】
さらに、極低温冷凍機１０Ｅ，１０Ｆは、多段式（図５および図６に示される例では二段式）の冷凍機を採用しているので、熱容量が大きい被冷却体４６（または超電導コイル４４）の冷却における初期予冷時には、第１段冷却ステージ４７と第２段冷却ステージ４８の両方の冷凍能力を使って冷却でき、初期冷却の時間を大幅に短縮できる。さらにまた、所定の温度に冷却されれば、第２段冷却ステージ４８のみの冷却に切り替わるため、被冷却体４６（超電導コイル４４）を第１段冷却ステージ４７の到達温度よりも低い温度に冷却することができる。
【００７７】
尚、本発明は上記の各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化しても良い。
【００７８】
また、上記の各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除しても良い。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合わせても良い。
【符号の説明】
【００７９】
１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆ  極低温冷凍機
１１  コールドヘッド（膨張器ユニット）
１２  冷却ステージ
１３  冷媒吐出継手
１４  冷媒導入継手
１５  冷媒低圧配管
１６  冷媒高圧配管
１７  圧縮機ユニット
１８  圧縮機
１９  圧縮機ユニット内低圧配管
２０  圧縮機ユニット内高圧配管
２１  冷媒導入継手
２２  冷媒吐出継手
２３  バッファタンク
２４  オイルミストトラップ
２５  アドソーバ
２６  圧力調整弁
２７  バイパス配管
３７  圧力調整弁バイパス流導入継手
３８  圧力調整弁バイパス流吐出継手
３９  圧力調整弁バイパス流吐出配管
４０  圧力調整弁バイパス流戻り配管
４１  対向流熱交換器
４２  冷却ステージ熱交換器
４３  被冷却体冷却用熱交換器
４４  超電導コイル
４５  伝熱板
４６  被冷却体
４７  第１段冷却ステージ
４８  第２段冷却ステージ
１００  従来の極低温冷凍機
１０１  コールドヘッド（膨張器ユニット）
１０２  冷却ステージ
１０３  冷媒吐出継手
１０４  冷媒導入継手
１０５  冷媒低圧配管
１０６  冷媒高圧配管
１０７  圧縮機ユニット
１０８  圧縮機
１０９  圧縮機ユニット内低圧配管
１１０  圧縮機ユニット内高圧配管
１１１  冷媒導入継手
１１２  冷媒吐出継手
１１３  バッファタンク
１１４  オイルミストトラップ
１１５  アドソーバ
１１６  圧力調整弁
１１７  バイパス配管
１２４  超電導コイル
１２５  伝熱板
【図１】
0005380310.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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