(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷凍機で一次冷却された冷媒を断熱自由膨張させ、ジュール・トムソン効果により更に冷却して極低温を得る際に、
冷媒を断熱自由膨張させるためのジュール・トムソン回路の高圧圧力を、大気圧より少し高い所定圧力以下とすると共に、
前記冷凍機の２段ステージに配設された２段冷却器の温度が、前記ジュール・トムソン回路の高圧圧力で決まる冷媒の凝縮温度より低くなるようにして、該２段冷却器で冷媒が凝縮されるようにしたことを特徴とする極低温冷却方法。
【請求項２】
冷媒を一次冷却するための冷凍機と、
該冷凍機で一次冷却された冷媒を断熱自由膨張させ、ジュール・トムソン効果により更に冷却して極低温を得るためのジュール・トムソン回路とを備えた極低温冷却装置において、
前記ジュール・トムソン回路に配設された、大気圧より少し高い圧力まで吐出可能な真空ポンプと、
前記冷凍機の２段ステージに配設された、冷媒を前記ジュール・トムソン回路の高圧圧力で決まる凝縮温度以下に冷却して凝縮させる２段冷却器と、
を備えたことを特徴とする極低温冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、極低温冷却方法及び装置に係り、特に、冷凍機にジュール・トムソン（ＪＴ）回路を付加して、冷凍温度を低下させた冷凍機に用いるのに好適な、小型で安価な冷凍機を実現することが可能な、極低温冷却方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常使われる冷凍機、例えばギフォードマクマホン（ＧＭ）冷凍機、パルスチューブ冷凍機、スターリング冷凍機等は、２段で構成されており、ＧＭ冷凍機２０について図示した図１に示す如く、運転すると１段目（１段ステージと称する）２１の温度は、例えば７７Ｋ（使用する機種や負荷の大きさにより決まり、４５〜９０Ｋとなるようにする）、２段目（２段ステージと称する）２２の温度は、例えば１０Ｋ以下まで冷却することができる。特に、２段ステージ２２の温度は、用途に合わせ、ＧＭ冷凍機内部のディスプレーサに入れる蓄冷材を変えることにより、約２．５Ｋ程度まで冷却することができるようになっている。
【０００３】
図において、１０は、被冷却物、１２は、断熱のための真空容器、１８は、ＧＭ冷凍機の圧縮機である。
【０００４】
しかしながら、ＧＭ冷凍機単体では、通常２．５Ｋ以下に冷却することはできない。又、この時の冷凍能力はゼロになる。通常、良く使用されるＧＭ冷凍機２０の場合は、１段ステージ２１で３〜５０Ｗ（温度が７７Ｋの時）、２段ステージ２２で０．１〜１．５Ｗ（温度が４．２Ｋの時）の冷凍能力があり、用途により、適当な容量の機種を選定する。
【０００５】
しかしながら、４Ｋ以下、特に３Ｋより下では急激に冷凍能力が低下し、実用的に被冷却物を冷却することができない。このため、３Ｋより更に低い温度までの冷却が必要な場合は、ＧＭ冷凍機２０だけでは対応できないため、図１に示した如く、ＧＭ冷凍機２０を一次の冷却装置として用い、これに、いわゆるＪＴ回路３０を付加して冷凍機を構成している（特開平１０−７３３３３、特開平１１−１０８４７６参照）。
【０００６】
前記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で構成されており、これらは、断熱のため、真空容器１２内に入れられている。ここで、ＪＴという名前は、ヘリウムガスを断熱自由膨張させ、ジュール・トムソン効果による冷却を利用することから、そう呼ばれている。ＪＴ回路を付加したＧＭ冷凍機で低圧圧力が０．０１ＭＰａ、高圧圧力が１ＭＰａの温度（Ｔ）−エントロピー（Ｓ）線図の例を図２に示す。
【０００７】
このＪＴ回路３０を付加した冷却機の場合、圧縮機４２から出た高圧（１〜２ＭＰ）のヘリウムガスは、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、ＧＭ冷凍機２０の１段ステージ２１に設けられた１段冷却器３１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（効率が高い程良いが、１００％にすることはできない）で生ずる損失を補う。次に、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、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。
【０００８】
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（温度と圧力で決まる）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。
【０００９】
膨張後にヘリウムが液化している場合は、その液体ヘリウムの蒸気圧（膨張後の圧力と同じ）で決まる温度（平衡温度と称する）になる。
【００１０】
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（通常は小さなニードルバルブを使用する）となっている。膨張後のヘリウムは、負荷冷却器３３により被冷却物１０を冷やし（熱を受け取り）、液が蒸発して、第３熱交換器３６、第２熱交換器３５、第１熱交換器３４の順に戻って行き、室温に戻り、再び真空ポンプ４０と圧縮機４２で圧縮される。
【００１１】
図において、４４は、真空ポンプ４０の過圧縮防止保護装置である。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
このように、４．２Ｋより低い温度を得る場合、ＪＴ回路３０の低圧圧力を、絶対圧で約０．１ＭＰａ（１気圧）以下まで減圧する必要がある。通常の圧縮機は、あまり低い吸入圧力からの圧縮はできないため、ＪＴ回路３０を循環するガスは、まず、真空ポンプ（又は低圧吸気が可能な圧縮機）４０を使用して、大気圧まで圧縮（昇圧）し、次に、通常の圧縮機４２で必要な圧力（１〜２ＭＰａ）まで圧縮している。ここで真空ポンプ４０としては、一般に、油ロータリポンプと呼ばれる形式のものを使用するが、更に吸入圧力が低い時には、例えばルーツ式のスーパチャージャのようなメカニカルブースタを組み合わせる。
【００１３】
減圧する圧力は、必要とする温度で決まり、３Ｋのとき２４．４ＫＰａ、２Ｋのとき３．１７ＫＰａ、１．８Ｋのとき１．６７ＫＰａとなり、温度が低下するに従って、急激に小さくなる。又、冷凍機には、既に説明したように、熱交換器３４、３５、３６があり、戻りの低圧ガスは、これらを通らなければならないため、圧力損失を生じる。このため、真空ポンプ４０の吸込み圧力は更に低くなり、冷却する温度を下げると、必要な真空ポンプの排気速度は急激に大きくなるため、寸法も大きくなる。
【００１４】
このように、従来の方法では、ＪＴ回路３０のガスの循環には、真空ポンプ４０と圧縮機４２の組合せが必要である。そして、真空ポンプ４０の吐出圧力が上昇し過ぎないような保護装置４４や、メカニカルブースタを用いた場合には、モータが焼けてしまわないよう、その保護装置も必要となり、ヘリウムガス循環圧縮機は、大型で、複雑、高価なものとなっていた。
【００１５】
本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、従来のように、使用する冷凍機の能力を最大限利用して、低温での冷凍能力を最大に用いるのではなく、負荷に対して比較的大きな余裕があるときに、室温にある真空ポンプや圧縮機が大掛かりになることを防いで、小型で安価な冷凍機を実現することを課題とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
冷却対象が各種センサや予冷回路であり、必要する冷凍能力が、例えば１Ｗ未満と小さく、４Ｋまで冷却できる冷凍機、例えばＧＭ冷凍機を使用できるとき、即ち、使用する冷凍機が４Ｋまで冷却可能で、負荷に対して比較的大きな余裕がある時は、ＪＴ回路の高圧圧力を、約０．１ＭＰａ（大気圧）に下げることが可能となる。本発明は、この点に着目してなされたもので、ＪＴ回路内で冷媒を液化させることで、室温にある真空ポンプや圧縮機を簡素化して、小型で安価な冷凍機を実現したものである。
【００１７】
即ち、本発明は、冷凍機で一次冷却された冷媒を断熱自由膨張させ、ジュール・トムソン効果により更に冷却して極低温を得る際に、冷媒を断熱自由膨張させるためのジュール・トムソン回路の高圧圧力を、大気圧より少し高い所定圧力とすると共に、前記冷凍機の２段ステージに配設された２段冷却器の温度が、前記ジュール・トムソン回路の高圧圧力で決まる冷媒の凝縮温度より低くなるようにし、該２段冷却器で冷媒が凝縮されるようにして、前記課題を解決したものである。
【００１８】
又、本発明は、冷媒を一次冷却するための冷凍機と、該冷凍機で一次冷却された冷媒を断熱自由膨張させ、ジュール・トムソン効果により更に冷却して極低温を得るためのジュール・トムソン回路とを備えた極低温冷却装置において、前記ジュール・トムソン回路に配設された、大気圧より少し高い圧力まで吐出可能な真空ポンプと、前記冷凍機の２段ステージに配設された、冷媒を前記ジュール・トムソン回路の高圧圧力で決まる凝縮温度以下に冷却して凝縮させる２段冷却器とを備えることにより、同じく前記課題を解決したものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、各種センサの冷却や予冷回路に用いるのに好適な、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２０】
本発明の第１実施形態は、従来と同様の冷凍機において、図３に示す如く、ＪＴ回路３０の高圧圧力を、大気圧より少し高い所定圧力（例えば０．２ＭＰａ以下）として、圧縮機４２を省略すると共に、２段ステージ２２に配設された２段冷却器３２により、ヘリウムを、ＪＴ回路３０の高圧圧力で決まる凝縮温度以下に冷却して、凝縮させるようにして、第３熱交換器（図１の３６）を省略したものである。他の点については、図１に示した従来例と同様であるので、説明は省略する。
【００２１】
真空ポンプ４０としては、例えば吐出圧力が大気圧より少し高い圧力（〜０．２ＭＰａ）まで許容されている油ロータリ真空ポンプを用いることができる。
【００２２】
以下、本実施形態の作用を説明する。
【００２３】
真空ポンプ４０から出た高圧（大気圧０．１ＭＰａより少し高い圧力）のヘリウムガスは、第１熱交換器３４に入り、戻ってくる低温のヘリウムガスと熱交換して、６０Ｋ程度まで冷却される。次に、ＧＭ冷凍機２０の１段ステージ２１に配設された１段冷却器３１で４０Ｋ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。
【００２４】
次に、第２熱交換器３５に入り、戻ってくる低温のヘリウムガスと熱交換して、８Ｋ程度まで冷却される。この後、２段ステージ２２に設けられた２段冷却器３２で４Ｋまで冷やされる。このとき、高圧圧力が０．１ＭＰａ（１気圧）より高ければ、ここでヘリウムガスは凝縮して液体になる。なお、従来の冷凍機では、この部分の温度が１０Ｋ程度と高いため、液化することはない。
【００２５】
このようにして、本発明では、ＪＴバルブ３８の前で既に液体となっているので、従来のような第３熱交換器（図１の３６）は必要ない。
【００２６】
２段冷却器３２で凝縮して液体となったヘリウムは、ＪＴバルブ３８を通って、低圧まで膨張する。このとき、液の一部は蒸発して、膨張後の圧力で決まる温度まで温度が低下する。
【００２７】
膨張後のヘリウムは、負荷冷却器３３を通って被冷却物１０を冷却し（熱を受け取り）、液は蒸発して、第２熱交換器３５、第１熱交換器３４の順に戻っていき、室温の真空ポンプ４０に戻る。
【００２８】
ここで、ＧＭ冷凍機２０の２段ステージ２２の温度が約４Ｋとなるように運転し、ＪＴ回路３０には、それに見合ったガスを流す。このとき、ＪＴ回路３０の高圧圧力を、ＧＭ冷凍機２０の２段ステージ２２の温度で決まる平衡圧力より少し（０．０１ＭＰａ程度）高くすると、２段ステージ２２に設けられた２段冷却器３２では、ヘリウムが凝縮して液体となる。このため、このような運転をしていると、ＪＴ回路３０の高圧圧力は、０．１ＭＰａ（大気圧）より少し高い圧力に設定しておけば、それ以上に昇圧する必要がなくなる。従って、冷凍能力は若干小さくなるが、低圧ヘリウムガスを真空ポンプ４０で吸引し、その吐出ガスを、更に図１に示したような圧縮機４２で圧縮する必要はない。
【００２９】
又、ＪＴバルブ３８の持つ膨張弁としての機能と流量調整弁としての機能のうち、低温部で必要なのは、膨張弁としての機能のみであるため、図４に示す第２実施形態のように、ＪＴバルブ（図３の３８）の位置には、図５に示す一次圧調整弁の機能を持った膨張弁（ＪＴバルブとも称する）５０を設け、常温部に、図６に示すような流量調整弁５２又は固定オリフィスを設けて、流量を安定化し、冷凍機を非常に安定に運転できるようにしても良い。
【００３０】
前記膨張弁５０としては、例えば図５に示すような、入口側の圧力（一次圧と称する）を、ある設定した圧力に保つように働く一次圧調整弁を用いることができる。この一次圧調整弁５０は、入口圧力が上昇すると、ばね５０Ｃに抗してベローズ５０Ｂが伸びてニードル５０Ｎの先端を上げ、バルブを開いて、入口圧力を下げる。逆に、入口圧力が下がると、ばね５０Ｃの作用でベローズ５０ｂが縮んでニードル５０Ｎの先端を下げ、バルブを絞って、入口圧力が低下するのを防ぐ。
【００３１】
図において、５０Ａは、ばね５０Ｃを介して圧力を調整するための圧力調整ねじ、５０Ｓは、侵入熱を少なくするために長くされたステムである。
【００３２】
このように、一次圧調整弁５０は、流れる流量に関係なく、入口圧力を一定に保つ。入口圧力の検出とアクチュエータとしての機能は、上部に設けられたべローズ５０Ｂ又はダイヤフラムで行う。調整圧力の設定は、ベローズ５０Ｂ又はダイヤフラムを抑えるばね５０Ｃの力を、圧力調整ねじ５０Ａで調整して行う。
【００３３】
以下、一次圧調整弁５０の動作を詳細に説明する。
【００３４】
ガス入口は、バルブステム５０Ｓにより、上部にあるベローズ５０Ｂの内部と連通している。ベローズ５０Ｂの上部蓋５０Ｕには長いニードル５０Ｎが取り付けられている。ベローズ５０Ｂの上には、ばね５０Ｃが設けられ、ベローズ５０Ｂを押している。
【００３５】
今、入口に、ある圧力のガスを供給した時、ベローズ５０Ｂの内部は供給圧力となる。ベローズ５０Ｂの有効面積をＡ、ベローズ５０Ｂの内と外の差圧をＰとすると、ベローズ５０Ｂに発生する力Ｆは、
Ｆ＝Ａ×Ｐ
となる。供給圧力が高く、この力Ｆが、ベローズ５０Ｂを押しているばね５０Ｃの力より大きいときは、ベローズ５０Ｂは伸びてニードル５０Ｎが持ち上げられる。これにより、ニードルバルブが開いて、供給ガスを出口から逃す。逆に、供給圧力が低い時には、ニードルバルブは閉じている。このようにして、このバルブは、入口圧力を一定に保つ。
【００３６】
前記のように、ＪＴバルブ５０はＪＴ回路３０の高圧側圧力を一定に保つ働きをするため、これより少し高い（０．０５〜０．１ＭＰａ）圧力のガス源（真空ポンプ）４０から冷凍機へガスを流してやると、ＪＴバルブ５０は高圧側の圧力を一定に保つように動作するため、流量調整弁が無いと、流量は、熱交換器や配管の圧力損失で制限されるまで、どんどん大きくなる。
【００３７】
これでは冷凍機として正常に働かないので、ガス源と冷凍機入口の間に、流量を調整するバルブ５２を入れ、これで冷凍機の運転に最適なガス流量を流してやれば、冷凍機を安定に運転することができる。
【００３８】
前記流量調整弁５２は、室温にあるので、流量を調整できれば、どのような形式でも構わず、普遍に市販されているバルブを用いることができる。
【００３９】
前記流量調整弁５２の例を図６に示す。図において、５２Ｎはニードル、５２Ａは、該ニードル５２Ｎを上下させて、流量を調整するためのねじ、５２０は０リングである。
【００４０】
この流量調整弁５２は、室温に置いているので、低温に置いたバルブに比べ、遥かに安定に決まった流量を流すことができる。又、より安定させたい時でも、低温の自動調整弁よりも安価に製作することができる。逆に、厳密に調整する必要がない場合には、オリフィスを用いて固定化することも可能である。
【００４１】
このようにして、低温に置くＪＴバルブを、膨張弁の機能を持った一次圧調整弁５０とすることによって、従来のＪＴバルブが必要とした微妙な調整が不要になる。又、流量調整は、室温に置いた流量調整弁５２を調節すれば良く、低温での調整バルブに比べ、格段に良い安定性が得られる。又、バルブ以外にオリフィスを用いることも可能である。
【００４２】
更に、冷凍機が冷えていてもいなくても、冷凍機を運転する時最初に流量調整をしておけば、後は安定に設定された流量で流れる。更に安定させるには、流量計で流量を測定して、一定の流量に調整するようフィードバック制御を行うことも、比較的簡単な回路で可能である。
【００４３】
これにより、第２実施形態によれば、ＪＴ回路を負荷した冷凍機を非常に安定に運転することが可能になる。
【００４４】
前記実施形態においては、いずれも、冷凍機としてＧＭ冷凍機が用いられていたが、冷凍機の種類はこれに限定されず、パルスチューブ冷凍機やスターリング冷凍機であってもよい。又、冷媒もヘリウムに限定されず、適用対象も各種センサの冷却や予冷回路に限定されず、例えばヘリウム液化機や水素液化機にも適用することができる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、ＪＴ回路の高圧側の圧力は、大気圧より少し高ければよく、大気圧から更に高圧まで圧縮する圧縮機が不要となり、ＪＴ回路のガス循環（減圧と圧縮）を真空ポンプのみで行って、室温にあるガス（圧縮）循環装置を簡略化することができる。従って、例えば吐出圧力が大気圧より少し高い圧力（〜０．２ＭＰａ）まで許容されている油ロータリ真空ポンプを用いることによって、冷凍機を小型で安価に製作することが可能となる。
【００４６】
更に、第３熱交換器が省略できるので、冷凍機本体の構成部品数が減り、更に冷凍機を安く製作することが可能となる。又、熱交換器が減った分、ＪＴ回路の低圧戻り流路の圧力損失が減るので、冷却温度を、その分低くできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＪＴ回路が付加された従来の冷凍機の構成を示すフロー図
【図２】同じく従来の冷凍機の作用を示すＴＳ線図
【図３】本発明に係る冷凍機の第１実施形態の構成を示すフロー図
【図４】本発明に係る冷凍機の第２実施形態の構成を示すフロー図
【図５】第２実施形態で用いられる膨張弁（一次圧調整弁）の例を示す断面図
【図６】同じく流量調整弁の例を示す断面図
【符号の説明】
１０…被冷却物
１２…真空容器
１８…ＧＭ冷凍機用圧縮機
２０…ＧＭ冷凍機
２１…１段ステージ
２２…２段ステージ
３０…ＪＴ回路
３１…１段冷却器
３２…２段冷却器
３３…負荷冷却器
３４、３５、３６…熱交換器
３８…ＪＴバルブ
４０…真空ポンプ
４２…ＪＴ回路用圧縮機
４４…真空ポンプ過圧縮防止保護装置
５０…一次圧調整弁（膨張弁、ＪＴバルブ）
５２…流量調整弁
【図１】
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【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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