(57)【要約】【課題】小規模なガス循環装置と最低到達温度が６Ｋ程度の小型機械式冷凍機を使用しても、４Ｈｅのジュール・トムソン膨張段と組み合わせて、１.３Ｋ以下まで冷却可能とする。【解決手段】機械式冷凍機２とジュール・トムソン効果により冷却を行うジュール・トムソン回路を組み合わせた冷却装置において、前記ジュール・トムソン回路中でジュール・トムソン膨張による液化ガスが溜る凝縮液溜１２から冷却対象物を冷却して発生する凝縮液蒸気を排気する排気管１５の内部に、前記蒸気が循環して機械式冷凍機の冷却段と熱交換した後の蒸気が対向して流れるジュール・トムソン対向流熱交換器１０を配置しても、凝縮液溜から室温部までの圧力損失が数Ｐａから数十Ｐａ以下に抑えることができる程度に排気管を充分太く形成し、前記熱交換器配置部分の後流において、凝縮液溜の周囲を囲む第２輻射シールドフランジ１５を貫通する排気管部分にベローズ１７を介在させる。【選択図】図１
2006343075.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械式冷凍機とジュール・トムソン効果により冷却を行うジュール・トムソン回路を組み合わせた冷凍装置において、
前記ジュール・トムソン回路中でジュール・トムソン膨張による液化ガスが溜る凝縮液溜から冷却対象物を冷却して発生する凝縮液蒸気を排気する排気管の内部に、該蒸気が循環して機械式冷凍機の冷却段と熱交換した後のガスが対向して流れるジュール・トムソン対向流熱交換器を配置し、
前記排気管における前記熱交換器配置部分の後流において、前記凝縮液溜の周囲を囲む輻射シールド部を貫通する排気管部分に、ベローズを介在して排気管を接続したことを特徴とする機械式冷凍機とジュール・トムソン膨張を用いた極低温冷凍機。
【請求項２】
前記機械式冷凍機は冷凍機第１段で冷却した後冷凍機第２段で再度冷却する２段式冷凍機であり、
前記ジュール・トムソン回路は、前記機械式冷凍機の冷凍機第１段と熱交換した後のガスを冷凍機第２段と熱交換し、その後前記ジュール・トムソン対向流熱交換器で熱交換した後、ジュール・トムソン弁で膨張させ液化して凝縮液溜に凝縮液を溜めて冷却対象物を冷却し、凝縮液溜からの凝縮液蒸気を、前記対向流熱交換器を内部に配置し前記ベローズを介在した排気管で排気してポンプにより循環させたことを特徴とする請求項１記載の機械式冷凍機とジュール・トムソン膨張を用いた極低温冷凍機。
【請求項３】
前記排気管には前記ベローズと、冷凍部分及び熱交換部分を収容する真空容器外に連通する排気管出口との間に、クランク状に曲折した配管クランク部を配置したことを特徴とする請求項１または請求項２記載の機械式冷凍機とジュール・トムソン膨張を用いた極低温冷凍機。
【請求項４】
前記配管クランク部に、前記ポンプから冷凍機第１段に至る凝縮液ガスと熱交換する熱交換器を配置したことを特徴とする請求項３記載の機械式冷凍機とジュール・トムソン膨張を用いた極低温冷凍機。
【請求項５】
前記配管クランク部に、前記冷凍機第１段と熱交換した後の凝縮液ガスと熱交換する熱交換器を配置したことを特徴とする請求項３記載の機械式冷凍機とジュール・トムソン膨張を用いた極低温冷凍機。
【請求項６】
前記凝縮液溜から発生する前記凝縮液蒸気は、蒸気圧が１５０Ｐａ前後の低圧力まで排気することで、凝縮液溜の温度を１．３Ｋ以下まで冷却することを特徴とする請求項１記載の機械式冷凍機とジュール・トムソン膨張を用いた極低温冷凍機。
【請求項７】
前記ジュール・トムソン対向流熱交換器における凝縮液ガス流路として長尺の細管を使用し、該細管内の流量抵抗がジュール・トムソン効果によるガスの冷却を起こす程に十分な大きさとなる長さに設定したことを特徴とする請求項１記載の機械式冷凍機とジュール・トムソン膨張を用いた極低温冷凍機。
【請求項８】
前記ジュール・トムソン対向流熱交換器は、該熱交換器が配置される前記排気管の半径より大きな直径の円を複数個等角度にずらして配置することにより中心部に凝縮液蒸気が円滑に流れる流路を形成したことを特徴とする請求項１記載の機械式冷凍機とジュール・トムソン膨張を用いた極低温冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度計比較校正装置や各種半導体ディテクターなど、比較的熱負荷の小さな対象物を極低温まで冷却するために、機械式冷凍機にジュール・トムソン回路（JT回路）を組み合わせて、極低温を生成する装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
機械式冷凍機（ＧＭ冷凍機、スターリング冷凍機、パルス管冷凍機等）とジュール・トムソン回路（ＪＴ回路）を組み合わせた冷却装置は、超伝導マグネットの冷却や各種半導体センサーなどの冷却、また液体ヘリウムの液化等で広く使われてきた。これら応用において機械式冷凍機とジュール・トムソン回路を組み合わせた冷凍機は、機械式冷凍機単体では冷却能力が不足する場合や、一般的な機械式冷凍機単体では到達できない２．５Ｋ以下の低温を生成する場合などに用いられる。
【０００３】
ＪＴ回路は、機械式冷凍機による寒冷で循環させる気体の性質で決まる逆転温度以下まで予冷した冷却用循環ガスを、JT弁や小さな穴、極めて細い細管などの流量抵抗を通過させることで等エントロピー膨張させ、ジュール・トムソン効果（ジュール・トムソン膨張）によってさらに循環ガスを低温まで冷却する。そして、その冷却により凝縮液溜に凝縮した液をさらに排気することで、液体の蒸発潜熱を利用し、より大きな冷却能力、更なる低温を生成させる。
【０００４】
しかし、従来の機械式冷凍機とジュール・トムソン回路を組み合わせた冷凍機は、４Ｋ近傍におけるまたは、超伝導マグネットや半導体ディテクターの冷却温度としてしばしば選択される１．８Ｋ近傍での、より大きな冷却能力を発揮できるような設計が行われていた。この種の冷凍機については下記特許文献１〜３が存在する。これらの装置は大きな冷却能力を確保するために、３台以上の対向流型熱交換器や大きなロータリーポンプやメカニカルブースターポンプ、コンプレッサー等を組み合わせた大規模な装置になっていた。また、比較的小規模な構造で１．８Ｋ程度の冷却を行うことのできる装置も提案されているが、極めて高価な稀少ガスである３Ｈｅを使用する必要がある。
【０００５】
または、小型で安価な冷凍機として提案されているものもあるが、その実現には、機械式冷凍機として４Ｋまで冷却でき、負荷に対して余裕ある冷却能力を有する冷凍機を必要とする（特許文献３）。
【０００６】
これらのこれまでに提案されてきた装置は、比較的大きな冷却能力を確保するために、数個の対向流熱交換器を装備し、凝縮液溜から排気される低圧で温度の低い凝縮液ガスと、温度の高い領域から冷却部へ再循環してくるジュール・トムソン膨張前の圧力が高く温度の高いガスをなるべく良く熱交換させて温度を下げられるよう努力されていた。このように、対向流熱交換器の熱交換効率を高く維持することを重視した結果、凝縮液溜の排気管としては圧力損失が大きくならざるを得ず、凝縮液溜の温度を例えば１．３Ｋ以下に下げることは難しかった。
【０００７】
そのため、温度計比較校正装置や熱負荷の小さなディテクターなど、必要とする冷却能力は小さくても、より低温まで冷却する事を必要とする要求に応える事のできる機械式冷凍機にＪＴ回路を組み合わせた冷却装置はなかった。
【特許文献１】特開平１０−７３３３３号公報
【特許文献２】実公平７−９０００号公報
【特許文献３】特開平２００３−２１４７１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
以上のように、機械式冷凍機単体では到達できないような低温に、機械式冷凍機とジュール・トムソン回路を組み合わせた冷凍機を使用してディテクターや試料等を冷やしたい時、小規模で安価な冷凍機がなかった。
【０００９】
また、従来の装置ではより低い温度領域に到達できることを目指すよりも、４．２Ｋや１．８Ｋといったやや高い温度領域での比較的大きな冷却能力を確保することを目標としていた。そのため、熱負荷の小さな物を簡便により低い温度領域まで冷やせる適当な装置がなかった。
【００１０】
本発明は上記のような課題に応えるべく、小規模なガス循環装置と最低到達温度が６Ｋ程度の小型機械式冷凍機を使用してもジュール・トムソン回路と組み合わせることで、１．３Ｋ以下まで冷やすことのできる冷凍機を実現することを主たる目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る機械式冷凍機とジュール・トムソン膨張を用いた極低温冷凍機は、上記課題を解決するため、機械式冷凍機とジュール・トムソン効果により冷却を行うジュール・トムソン回路を組み合わせた冷却装置において、前記ジュール・トムソン回路中でジュール・トムソン膨張による液化ガスが溜る凝縮液溜から冷却対象物を冷却して発生する凝縮液蒸気を排気する排気管の内部に、該蒸気が循環して機械式冷凍機の冷却段と熱交換した後の蒸気が対向して流れるジュール・トムソン対向流熱交換器を配置し、前記排気管における前記熱交換器配置部分の後流において、前記凝縮液溜の周囲を囲む輻射シールド部を貫通する排気管部分に、ベローズを介在して排気管を接続したことを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る他の機械式冷凍機とジュール・トムソン膨張を用いた極低温冷凍機は、前記機械式冷凍機とジュール・トムソン膨張を用いた極低温冷凍機において、前記機械式冷凍機は冷凍機第１段で冷却した後冷凍機第２段で再度冷却する２段式冷凍機であり、前記ジュール・トムソン回路は、前記機械式冷凍機の冷凍機第１段と熱交換した後のガスを冷凍機第２段と熱交換し、その後前記ジュール・トムソン対向流熱交換器で熱交換した後、ジュール・トムソン弁で膨張させ液化して凝縮液溜に凝縮液を溜めて冷却対象物を冷却し、凝縮液溜からの凝縮液蒸気を、前記対向流熱交換器を内部に配置し前記ベローズを介在した排気管で排気してポンプにより循環させたことを特徴とする
【００１３】
本発明に係る他の機械式冷凍機とジュール・トムソン膨張を用いた極低温冷凍機は、前記機械式冷凍機とジュール・トムソン膨張を用いた極低温冷凍機において、前記排気管には前記ベローズと、冷凍部分及び熱交換部分を収容する真空容器外に連通する排気管出口との間に、クランク状に曲折した配管クランク部を配置したことを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る他の機械式冷凍機とジュール・トムソン膨張を用いた極低温冷凍機は、前記機械式冷凍機とジュール・トムソン膨張を用いた極低温冷凍機において、前記配管クランク部に、前記ポンプから冷凍機第１段に至る凝縮液ガスと熱交換する熱交換器を配置したことを特徴とする請求項３記載の機械式冷凍機とジュール・トムソン膨張を用いた極低温冷凍機。
【００１５】
本発明に係る他の機械式冷凍機とジュール・トムソン膨張を用いた極低温冷凍機は、前記機械式冷凍機とジュール・トムソン膨張を用いた極低温冷凍機において、前記配管クランク部に、前記冷凍機第１段と熱交換した後の凝縮液ガスと熱交換する熱交換器を配置したことを特徴とする。
【００１６】
本発明に係る他の機械式冷凍機とジュール・トムソン膨張を用いた極低温冷凍機は、前記機械式冷凍機とジュール・トムソン膨張を用いた極低温冷凍機において、前記凝縮液溜から発生する前記凝縮液蒸気は、蒸気圧が１５０Ｐａ前後の低圧力まで排気することで、凝縮液溜の温度を１．３Ｋ以下まで冷却することを特徴とする。
【００１７】
本発明に係る他の機械式冷凍機とジュール・トムソン膨張を用いた極低温冷凍機は、前記機械式冷凍機とジュール・トムソン膨張を用いた極低温冷凍機において、前記ジュール・トムソン対向流熱交換器における凝縮液ガス流路として長尺の細管を使用し、該細管内の流量抵抗がジュール・トムソン効果によるガスの冷却を起こす程に十分な大きさとなる長さに設定したことを特徴とする。
【００１８】
本発明に係る他の機械式冷凍機とジュール・トムソン膨張を用いた極低温冷凍機は、前記機械式冷凍機とジュール・トムソン膨張を用いた極低温冷凍機において、前記ジュール・トムソン対向流熱交換器は、該熱交換器が配置される前記排気管の半径より大きな直径の円を複数個等角度にずらして配置することにより中心部に凝縮液蒸気が円滑に流れる流路を形成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によると、ジュール・トムソン回路中でジュール・トムソン膨張による液化ガスが溜る凝縮液溜から冷却対象物を冷却して発生する凝縮液蒸気を排気する排気管の内部にジュール・トムソン対向流熱交換器を配置しても、凝縮液溜から室温部までの圧力損失が、冷却に必要なガス循環量の下で、数Ｐａから数十Ｐａ以下になるほどの充分太い排気管を用いており、ジュール・トムソン膨張により液化したガスが溜る凝縮液溜を効率良く排気することができ、凝縮液の蒸気圧を１５０Ｐａ前後という極めて低い圧力まで排気することができるようになり、凝縮液溜の温度を１．３Ｋ以下の低温まで冷却できるようになる。
【００２０】
また、凝縮液溜を排気するための配管において、上記のように太い配管を使用したことにより増大した配管壁によって、外部から熱伝導で伝わる熱負荷を、ベローズを使用することにより、排気管としての排気効率を低下させることなく低減させることができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明は、小規模なガス循環装置と最低到達温度が６Ｋ程度の小型機械式冷凍機を使用してもジュール・トムソン膨張段と組み合わせることで、１．３Ｋ以下まで冷やすことのできる冷凍機を実現するため、機械式冷凍機とジュール・トムソン効果により冷却を行うジュール・トムソン回路を組み合わせた冷却装置において、前記ジュール・トムソン回路中でジュール・トムソン膨張による液化ガスが溜る凝縮液溜から冷却対象物を冷却して発生する凝縮液蒸気を排気する排気管の内部に、該蒸気が循環して機械式冷凍機の冷却段と熱交換した後のガスが対向して流れるジュール・トムソン対向流熱交換器を配置し、前記排気管における前記熱交換器配置部分の後流において、前記凝縮液溜の周囲を囲む輻射シールド部を貫通する排気管部分に、ベローズを介在して排気管を接続したものである。
【実施例１】
【００２２】
本発明の実施形態及び実施例について説明する。図１は本発明の実施例を示す。真空断熱容器１に機械式冷凍機２を取り付ける。機械式冷凍機２としては２段式ＧＭ冷凍機のほか１０Ｋ程度またはそれ以下まで冷える他の機械式冷凍機を用いることができる。
【００２３】
真空断熱容器１内には、冷凍機１段目３に熱的に繋がれ室温からの輻射熱を遮断するための第1輻射シールド４と、冷凍機２段目５に熱的に繋がれ、さらに輻射熱を遮断する第２輻射シールド６が設けられている。なお、第２輻射シールド６は同時に真空容器にもなっている。この第２輻射シールド６へは真空断熱容器１の外側から真空排気をするための細い真空排気パイプ７が繋がっており、真空断熱容器１の外に置いた真空ポンプ８で内部を真空にすることができる。また、必要に応じてこの真空排気パイプ７を用いて熱交換用のガスを、第２輻射シールド６内に導入し、第２輻射シールド６内の室温からの予冷を行い、また実験後の昇温時間の短縮をすることもできる。
【００２４】
第２輻射シールド６の内部にはＪＴ対向流熱交換器１０、ＪＴ弁１１、凝縮液溜１２、冷却対象物１３が設置されている。ＪＴ対向流熱交換器１０は、例えば図２に示すようにコイル状に巻いた長尺の細管１４を排気管１５として十分圧力損失が小さくなる程度に太い管に挿入した構造を持つ。なお、細管１４を巻いたコイルの直径と、排気管１５の内径との関係は、排気管１５の内径はコイルの直径よりも大きいが、排気管１５の半径（内径の半分の長さ）はコイルの直径よりも小さくなるように設定する。
【００２５】
さらに、コイル状に巻いた長尺の細管１４は、コイルの各段を例えば約３６度づつコイルの長手方向の軸に対して直角な面で同じ方向に回転するようにずらし、コイルの各段が上下の段となるべく重ならないように変形した上で排気管１５に挿入してある。この変形された細管コイルは、コイル１０段ごとに大きく３６０度、１回転ねじれる変形コイル状になる。
【００２６】
上記のようなコイル直径と排気管内径の関係を選択することで、変形後のコイルを排気管１５に挿入したＪＴ対向流熱交換器１０を長手軸方向から見ると、図２にコイル１０段分を長手方向から見たＪＴ対向流熱交換器を示すように、排気管１５の中心部付近に細管１４がほとんどない領域を作ることができる。一方で中心部付近以外の領域では細管１４が密に分布する断面構造となる。
【００２７】
このような構造により、排気管１５の中心部は細管１４に邪魔されることなく凝縮液蒸気が流れるが、細管１４の密度が高い中心部付近以外の領域では、排気管１５を流れる凝縮液蒸気と細管内を流れる凝縮液ガスが良く熱の交換をすることになる。よって、ＪＴ対向流熱交換器１０は、圧力損失の少ない高性能な排気管１５でありつつ、対向流熱交換器としての高い機能をも保った熱交換器となる。
【００２８】
ＪＴ対向流熱交換器１０に挿入した長尺の細管１４は流量抵抗としても機能し、ＪＴ弁１１を全開にした状態でも、ＪＴ回路にはある程度の流量抵抗を確保することができる。そのため、ガスの温度と圧力の条件が揃ってさえいれば、ＪＴ弁１１を全開した状態でもある程度のジュール・トムソン効果による冷却を保つことができる。また、万が一ＪＴ弁１１を不用意に開いてしまったとしても、急激にガス循環量が増大してしまうことを防止する効果もある。
【００２９】
ＪＴ弁１１は真空断熱容器１の外部まで操作用のハンドルが延びており（図では省略）、運転中でも流量抵抗を調節できるようになっている。そのため、ＪＴ弁を操作することで凝縮液溜１２の予冷時間の短縮、冷却能力、温度の調節をすることができる。
【００３０】
ＪＴ対向流熱交換器１０の上部は第２輻射シールドフランジ１６に溶接または金属シール等、低温においても第２輻射シールド６内部に対し気密が保てる方法で接続されている。第２輻射シールドフランジ１６を挟んでＪＴ対向流熱交換器１０の上部の排気管１５には、ベローズ１７が溶接または金属シールフランジ等により接続されており、凝縮液溜１２を排気できるようになっている。
【００３１】
このベローズ１７は配管と支持棒など建造材との冷却に伴う熱収縮差を吸収することができるだけでなく、配管壁の長手方向の実効的長さを長くかつ、管壁厚を薄くする効果がある。その結果、より高温である配管上部より、配管壁の熱伝導で第２輻射シールドフランジ１６へ伝わる熱負荷を大幅に軽減することができ、さらには冷凍機２段目５への熱負荷を大幅に軽減することができる。
【００３２】
なお、ベローズ１７の排気配管としての実効的な長さは、通常の直管を使用した場合と同等と見なせるので、直管と比べベローズ１７を使用したことによる追加的な圧力損失など排気性能の低下は無視できる。
【００３３】
ベローズ１７の上部には配管をクランク状にした配管クランク部１８を備えており、排気管上部の室温部からの輻射熱が第２輻射シールド６内部へ直接届かないようになっている。排気管１５の配管クランク部１８の上方は、第1輻射シールドフランジ２０と、真空断熱容器上部フランジ２１を貫通している。排気管１５が第1輻射シールドフランジ２０を抜ける箇所はきり穴２３であり、気密を保つ構造にはなっていない。一方、排気管１５と真空断熱容器上部フランジ２１の裏側は、溶接または金属シールフランジにより接続され、配管内部とクライオスタット内部との気密が保てるようになっている。
【００３４】
第２輻射シールドフランジ１６内の凝縮液溜１２から真空断熱容器上部フランジ２１を繋ぐ排気管は、ＪＴ対向流熱交換器１０や溶接ベローズ１７を含めて、圧力損失を極力抑え凝縮液溜１２を排気する排気管としての性能を十分発揮できるよう、十分な太さの配管を使用している。そのため、凝縮液溜１２に凝縮した液体の蒸気圧を極めて低くなるまで排気することができる。その結果、従来から用いられている機械式冷凍機とＪＴ回路冷却装置とを組み合わせた冷凍機に比べ、より低い温度領域まで小規模なガス循環装置を用いて到達することができる。冷却ガス循環系２４は排気速度調節弁２５、真空ポンプ２６、小型圧縮機２７、圧縮機バイパス弁２８、吐出圧調節弁２９等から構成される。
【００３５】
本実施例の冷凍機の運転は、真空断熱容器１の内部を真空にし、第２輻射シールド６内に熱交換用のガスを導入した状態で、２段機械式冷凍機２を起動することから始まる。この時、ＪＴ回路のガス循環は停止させたままであり、真空断熱容器１内の凝縮液溜１２、排気管１５等、ＪＴ回路は真空に保たれている。真空断熱容器１内の温度は、機械式冷凍機２の発生する寒冷により徐々に低下していく。
【００３６】
真空断熱容器内１の各部の温度低下がほぼ安定したところで予冷完了とする。実施例での典型的な各部の温度は、それぞれ冷凍機１段目３が４３Ｋ、冷凍機２段目５が７．５Ｋ、凝縮液溜１２は８．４Ｋ程度になる。予冷完了後、第２輻射シールド６内の熱交換用のガスを排気して第２輻射シールド６内も真空断熱容器とする。
【００３７】
ＪＴ弁１１を全開にした状態で４Ｈｅガスの循環を開始する。冷却ガス循環系から出る４Ｈｅガスの圧力は、室温部から真空断熱容器１に入る直前に設置した圧力計３１で測定する。本実施例では初期圧力を絶対圧９８０ｋＰａに設定した。
【００３８】
冷却ガス循環系から出た４Ｈｅガスは再凝縮ガス流路３０を通って真空断熱容器１に入り、冷凍機１段目３と冷凍機２段目５で熱交換をして冷却されていく。ＪＴ対向流熱交換器１０では、凝縮液溜１２から排気される低温のガスにより冷却される。なお、ＪＴ対向流熱交換器１０の内部の長尺の細管１４は実質的に流量抵抗としても機能する。そのため、ＪＴ弁１１でのジュール・トムソン膨張に先駆け、ＪＴ対向流熱交換器１０を出た時点でジュール・トムソン効果によりガスが冷却される。さらにＪＴ弁１１を通り、ＪＴ弁１１の閉め込み具合に応じたジュール・トムソン効果が起き、凝縮液溜１２へと流れ込む。なお、再凝縮ガス流路を流れる４Ｈｅガスは、その時の圧力で決まる凝縮温度以下に冷却された時点で液化する。
【００３９】
凝縮液溜に溜った液体４Ｈｅは、排気性能を重視した太い配管で形成された排気管１５を通して室温部に置かれたポンプにより排気される。この時、凝縮液溜１２の温度は液体４Ｈｅの蒸気圧に対応した温度になるので、凝縮液溜１２をより低い圧力まで減圧できればできるほど、凝縮液溜１２の温度を下げることができる。
【００４０】
４Ｈｅガスの循環を開始して暫くすると真空断熱容器１内の各部の温度が下がり始め、同時に再凝縮ガス流路３０の圧力も低下してくる。上記初期圧力で運転を開始した場合の４Ｈｅガスの各部での最終温度は、冷凍機１段目３との熱交換後に４５Ｋ、冷凍機２段目５との熱交換後に８．０Ｋ、ＪＴ対向流熱交換器１出口で５．８Ｋ、凝縮液溜１２は６．１Ｋ程度になる。圧力計３１で見た再凝縮ガス流路の圧力は絶対圧５５ｋＰａと大気圧の半分程度まで低くなる。
【００４１】
ここで、循環ガス冷却系の循環量を上げ、圧力計３１での圧力を再び大気圧程度、例えば１００ｋＰａまで戻した上で、ＪＴ弁１１を締め込み、流量インピーダンスを上げるとさらに冷却が進む。本運転条件では、凝縮液溜の温度は１．２Ｋ台まで冷却することができる。この時、圧力計３１における圧力は８７ｋＰａであった。
【００４２】
このように大気圧前後の圧力で４Ｈｅガスを循環させる場合は、冷却ガス循環系の圧縮機バイパス弁２８を開き、小型圧縮機２７の運転を停止して、真空ポンプ２６のみでＪＴ回路を運転することも可能である。
【実施例２】
【００４３】
図３には本発明の第２実施例を示す。図３に示す実施例２が前記実施例１と異なる点は、冷却ガス循環系２４における真空ポンプ２６及び小型圧縮機２７から送られてきた凝縮液ガスを、配管クランク部１８に配置したクランク部熱交換器３２で冷却した後、機械式冷凍機の第１段と熱交換するようにした点である。このように構成すると、室温部から真空断熱容器１に戻ってきた凝縮液ガスは、クランク部熱交換器３２、冷凍機１段目３、冷凍機２段目５、細管１４からなるＪＴ対向流熱交換器１０と順に熱交換を行った後で、ＪＴ弁１１を通って凝縮液溜１２に至るようにしている。
【００４４】
この実施例においては、例えば機械式冷凍機２の冷凍機１段目３が４３Ｋ、冷凍機２段目５が７．４Ｋに冷却し、配管クランク部１８の入口の凝縮液蒸気温度が６６．３Ｋであるとき、前記冷却ガス循環系からの凝縮液ガスの温度が配管クランク部１８の入口の凝縮液蒸気温度である６６．３Ｋよりも高いときに、本実施例の冷凍回路が有効に利用できる。このような冷却システムとすることにより、ガスの循環量を多くした状態でも効率的に冷却できるようになる。
【実施例３】
【００４５】
図４には本発明の第３実施例を示す。図３に示す実施例３が前記実施例１と異なる点は、２段式の機械式冷凍機の冷凍機１段目３で冷却した再凝縮循環ガスを、配管クランク部１８に配置したクランク部熱交換器３２で冷却した後、機械式冷凍機の冷凍機２段目５に導いた点である。このように構成すると、室温部から真空断熱容器１に戻ってきた凝縮液ガスは、冷凍機１段目３、クランク部熱交換器３２、冷凍機２段目５、ＪＴ対向流熱交換器１０と順に熱交換を行った後で、ＪＴ弁を通って凝縮液溜１２に至るようになっている。
【００４６】
この実施例においては、例えば凝縮液ガスが４３Ｋの冷凍機１段目３と熱交換して４８．６Ｋに冷却したとき、配管クランク部１８内の温度が少なくともこの温度よりも低く、凝縮液ガスが更に冷却され、その冷却された凝縮液ガスが冷凍機２段目５で更に冷却される温度設定がなされるときに有効であって、そのためには特に配管クランク部１８を通過する凝縮液ガスの温度と、太い排気管１５を伝達する室温からの熱等を考慮して、上記のような温度設定にして使用する。このような冷却システムとすることにより、再循環ガスの循環量を多くした状態でも効率的に冷却できるようになる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明においては、機械式冷凍機と４Ｈｅガスを循環させるＪＴ回路を組み合わせた小規模な装置を使用して、１．２Ｋ代までの低温環境を生成することが可能となる。そのため、従来の装置では対応しにくかった大きな冷却能力を必要としないがより低温まで冷却することが必要となる温度計比較校正装置や発熱量の比較的小さな半導体センサーの冷却、小さな試料を極低温まで冷やすことが必要な分析機器への使用など幅広い応用が期待される。また、本発明は最低到達温度が６Ｋ以下の機械式冷凍機を使用したものにおいても、前記本発明の作用により、従来のシステムより更に効果的な冷却を行うことができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の第１実施例の冷却システムを示す図である。
【図２】同実施例のＪＴ対向流熱交換器の例を示す図である。
【図３】本発明の第２実施例の冷却システムを示す図である。
【図４】本発明の第３実施例の冷却システムを示す図である。
【符号の説明】
【００４９】
１  真空断熱容器
２  機械式冷凍機
３  冷凍機１段目
４  第1輻射シールド
５  冷凍機２段目
６  第２輻射シールド
７  真空排気パイプ
８  真空ポンプ
１０  ＪＴ対向流熱交換器
１１  ＪＴ弁
１２  凝縮液溜
１３  冷却対象物
１４  細管
１５  排気管
１６  第２輻射シールドフランジ
１７  ベローズ
１８  配管クランク部
２０  第1輻射シールドフランジ
２１  真空断熱容器上部フランジ
２３  きり穴
２４  冷却ガス循環系
２５  排気速度調節弁
２６  真空ポンプ
２７  小型圧縮機
２８  圧縮機バイパス弁
２９  吐出圧調節弁  
３０  再凝縮ガス流路
３１  圧力計
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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