(57)【要約】【課題】極低温システムの効率の改善を図る。【解決手段】極低温システム１０は、一段冷却ステージ３２ａを備える単段予冷機１２と、一段冷却ステージと二段冷却ステージとを備える二段予冷機と、単段予冷機１２の一段冷却ステージ３２ａによって冷却される一段予冷部５０と、二段冷却ステージ３８ｂによって冷却される二段予冷部５２と、を備えるＪＴ冷凍機１６と、を備える。単段予冷機１２は、単段スターリング冷凍機または単段スターリング型パルス管冷凍機であり、第１運転周波数で運転される。二段予冷機１４は、二段スターリング冷凍機または二段スターリング型パルス管冷凍機であり、第１運転周波数より低い第２運転周波数で運転される。一段予冷部５０は、単段予冷機１２の一段冷却ステージ３２ａに熱的に結合され、二段予冷機１４の一段冷却ステージ３８ａから熱的に切り離されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一段冷却ステージを備える単段予冷機と、
一段冷却ステージと二段冷却ステージとを備える二段予冷機と、
前記単段予冷機の一段冷却ステージによって冷却される一段予冷部と、前記二段冷却ステージによって冷却される二段予冷部と、を備えるＪＴ冷凍機と、を備え、
前記単段予冷機は、単段スターリング冷凍機または単段スターリング型パルス管冷凍機であり、第１運転周波数で運転され、
前記二段予冷機は、二段スターリング冷凍機または二段スターリング型パルス管冷凍機であり、前記第１運転周波数より低い第２運転周波数で運転され、
前記一段予冷部は、前記単段予冷機の一段冷却ステージに熱的に結合され、前記二段予冷機の一段冷却ステージから熱的に切り離されていることを特徴とする極低温システム。
【請求項２】
前記二段冷却ステージおよび前記二段予冷部を囲み、前記単段予冷機の一段冷却ステージによって冷却される一段輻射シールドをさらに備え、
前記一段輻射シールドは、前記単段予冷機の一段冷却ステージに熱的に結合され、前記二段予冷機の一段冷却ステージから熱的に切り離されていることを特徴とする請求項１に記載の極低温システム。
【請求項３】
前記第１運転周波数は、３５Ｈｚ以上１００Ｈｚ以下の範囲から選択され、前記第２運転周波数は、１Ｈｚ以上３０Ｈｚ以下の範囲から選択されることを特徴とする請求項１または２に記載の極低温システム。
【請求項４】
前記第１運転周波数は、５０Ｈｚ以上６０Ｈｚ以下の範囲から選択され、前記第２運転周波数は、１０Ｈｚ以上２０Ｈｚ以下の範囲から選択されることを特徴とする請求項３に記載の極低温システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、極低温システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、天文観測などに使用される高感度の電磁波検出素子またはその他の被冷却物を所望の極低温に冷却するために、ジュール・トムソン（Joule-Thomson；ＪＴ）冷凍機を備える極低温システムが利用されている。極低温システムは通例、ＪＴ冷凍機を予冷する予冷機を備える。予冷機としては典型的に、二段スターリング（Stirling）冷凍機や二段ギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機などの二段の機械式冷凍機が使用されうる。このような極低温システムは、被冷却物を例えば１Ｋ〜４Ｋの温度域に冷却することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平４−４４２０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、極低温システムの効率の改善を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のある態様によると、極低温システムは、一段冷却ステージを備える単段予冷機と、一段冷却ステージと二段冷却ステージとを備える二段予冷機と、前記単段予冷機の一段冷却ステージによって冷却される一段予冷部と、前記二段冷却ステージによって冷却される二段予冷部と、を備えるＪＴ冷凍機と、を備える。前記単段予冷機は、単段スターリング冷凍機または単段スターリング型パルス管冷凍機であり、第１運転周波数で運転される。前記二段予冷機は、二段スターリング冷凍機または二段スターリング型パルス管冷凍機であり、前記第１運転周波数より低い第２運転周波数で運転される。前記一段予冷部は、前記単段予冷機の一段冷却ステージに熱的に結合され、前記二段予冷機の一段冷却ステージから熱的に切り離されている。
【０００６】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、極低温システムの効率の改善を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施の形態に係る極低温システムを概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。説明および図面において同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施の形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
【００１０】
図１は、実施の形態に係る極低温システム１０を概略的に示す図である。極低温システム１０は、単段予冷機１２、二段予冷機１４、ＪＴ冷凍機１６、真空容器１８、一段輻射シールド２０、二段輻射シールド２２、および、被冷却物２４を冷却する極低温冷却部２６を備える。
【００１１】
単段予冷機１２、二段予冷機１４、およびＪＴ冷凍機１６それぞれの常温部が真空容器１８の外に配置され、単段予冷機１２、二段予冷機１４、およびＪＴ冷凍機１６それぞれの低温部が真空容器１８の中に配置されるようにして、単段予冷機１２、二段予冷機１４、およびＪＴ冷凍機１６は、真空容器１８に設置されている。単段予冷機１２、二段予冷機１４、およびＪＴ冷凍機１６の例示的な構成は後述する。
【００１２】
真空容器１８は、クライオスタットなどの極低温真空容器であり、一段輻射シールド２０および二段輻射シールド２２を収容する。真空容器１８と一段輻射シールド２０の間には多層断熱材などの断熱材が配置されていてもよい。一段輻射シールド２０は、二段輻射シールド２２、被冷却物２４、および極低温冷却部２６を囲むように真空容器１８内に配置され、二段輻射シールド２２、被冷却物２４、および極低温冷却部２６への輻射熱の入射を抑制する。二段輻射シールド２２は、被冷却物２４および極低温冷却部２６を囲むように真空容器１８内（具体的には一段輻射シールド２０内）に配置され、被冷却物２４および極低温冷却部２６への輻射熱の入射を抑制する。
【００１３】
一例として、被冷却物２４は、赤外線、サブミリ波、Ｘ線、またはその他の電磁波を検出する検出素子であり、こうした検出素子は、天文観測に使用される観測装置の構成要素である。真空容器１８、一段輻射シールド２０、および二段輻射シールド２２には、検出素子により検出されるべき電磁波が透過する観測窓２８が設けられている。従って、極低温システム１０の外から観測窓２８を通じて電磁波が検出素子に入射することができる。
【００１４】
極低温冷却部２６は、ＪＴ冷凍機１６によって冷却される。極低温冷却部２６は、ＪＴ冷凍機１６の冷却ステージとも呼ばれる。被冷却物２４は、極低温冷却部２６と物理的に接触して熱的に結合し、または、伝熱部材を介して極低温冷却部２６と熱的に結合している。極低温冷却部２６は、例えば４Ｋ未満（例えば１Ｋ〜４Ｋ）の温度域に冷却可能であり、よって被冷却物２４を当該温度域に冷却することができる。
【００１５】
極低温システム１０は、上述の電磁波検出素子を有する観測装置とともに、例えば人工衛星などの宇宙機に搭載可能とされている。極低温システム１０は、そうした観測装置を備える地上設備に搭載されてもよい。極低温システム１０は、極低温環境が望まれる例えば超伝導装置またはその他の装置とともに宇宙機または地上設備に搭載されてもよい。
【００１６】
単段予冷機１２は、単段スターリング冷凍機である。単段予冷機１２は、第１圧縮機３０と、膨張機としての単段コールドヘッド３２と、第１圧縮機３０を単段コールドヘッド３２と接続する第１接続管３４と、を備える。第１接続管３４は、第１圧縮機３０と単段コールドヘッド３２との間で冷媒ガス（例えばヘリウムガス）を流通させるガス流路を提供する。単段コールドヘッド３２は、一段冷却ステージ３２ａを備える。単段予冷機１２の常温部は、第１圧縮機３０および第１接続管３４を含み、単段予冷機１２の低温部は、一段冷却ステージ３２ａを含む。
【００１７】
第１圧縮機３０は、冷媒ガスの圧力振動を生成するよう構成されている。生成された圧力振動は第１接続管３４を通じて単段コールドヘッド３２に伝達される。単段コールドヘッド３２は、第１圧縮機３０から伝達された圧力振動が単段コールドヘッド３２内に当該圧力振動と同一の周波数で位相差を有する圧力振動を誘起するよう構成されている。それにより、第１圧縮機３０と単段コールドヘッド３２との間に冷凍サイクル（具体的には、逆スターリングサイクル）が形成される。
【００１８】
このようにして、単段予冷機１２の一段冷却ステージ３２ａは、一段冷却温度に冷却される。単段予冷機１２の一段冷却温度は、例えば、５０Ｋ以上１５０Ｋ以下の温度範囲から選択される。一段冷却温度は、例えば８０Ｋ以上１２０Ｋ以下の温度範囲にあってもよく、例えば１００Ｋ程度であってもよい。
【００１９】
二段予冷機１４は、二段スターリング冷凍機である。二段予冷機１４は、第２圧縮機３６と、膨張機としての二段コールドヘッド３８と、第２圧縮機３６を二段コールドヘッド３８と接続する第２接続管４０と、を備える。第２接続管４０は、第２圧縮機３６と二段コールドヘッド３８との間で冷媒ガス（例えばヘリウムガス）を流通させるガス流路を提供する。二段コールドヘッド３８は、一段冷却ステージ３８ａと二段冷却ステージ３８ｂとを備える。二段予冷機１４の常温部は、第２圧縮機３６および第２接続管４０を含み、二段予冷機１４の低温部は、一段冷却ステージ３８ａおよび二段冷却ステージ３８ｂを含む。二段冷却ステージ３８ｂは一段輻射シールド２０内に配置されている。
【００２０】
第２圧縮機３６は、冷媒ガスの圧力振動を生成するよう構成されている。生成された圧力振動は第２接続管４０を通じて二段コールドヘッド３８に伝達される。二段コールドヘッド３８は、第２圧縮機３６から伝達された圧力振動が二段コールドヘッド３８内に当該圧力振動と同一の周波数で位相差を有する圧力振動を誘起するよう構成されている。それにより、第２圧縮機３６と二段コールドヘッド３８との間に冷凍サイクル（具体的には、逆スターリングサイクル）が形成される。
【００２１】
このようにして、二段予冷機１４の一段冷却ステージ３８ａは、一段冷却温度に冷却され、二段冷却ステージ３８ｂは、二段冷却温度に冷却される。二段予冷機１４の一段冷却温度は、例えば、５０Ｋ以上１５０Ｋ以下の温度範囲から選択される。一段冷却温度は、例えば８０Ｋ以上１２０Ｋ以下の温度範囲にあってもよく、例えば１００Ｋ程度であってもよい。二段冷却温度は一段冷却温度より低い。二段冷却温度は、例えば、１０Ｋ以上２５Ｋ以下の温度範囲から選択される。二段冷却温度は、例えば１５Ｋ以上２０Ｋ以下の温度範囲にあってもよく、例えば１５Ｋ程度であってもよい。
【００２２】
二段予冷機１４の一段冷却温度は、単段予冷機１２の一段冷却温度と等しくてもよい。あるいは、二段予冷機１４の一段冷却温度は、単段予冷機１２の一段冷却温度と異なっていてもよい。例えば、二段予冷機１４の一段冷却温度は、単段予冷機１２の一段冷却温度より低くてもよい。この場合、二段予冷機１４の一段冷却ステージ３８ａは、一段輻射シールド２０内に配置されてもよい。
【００２３】
一段輻射シールド２０は、単段予冷機１２の一段冷却ステージ３２ａに熱的に結合され、二段予冷機１４の一段冷却ステージ３８ａから熱的に切り離されている。一段輻射シールド２０は、単段予冷機１２の一段冷却ステージ３２ａと物理的に接触して熱的に結合し、または、伝熱部材を介して一段冷却ステージ３２ａと熱的に結合している。一段輻射シールド２０は、二段予冷機１４の一段冷却ステージ３８ａから離れて配置され、一段冷却ステージ３８ａと物理的に接触していない。一段輻射シールド２０は、断熱部材を介して一段冷却ステージ３８ａに支持されてもよい。このようにして、一段輻射シールド２０は、単段予冷機１２の一段冷却ステージ３２ａによって単段予冷機１２の一段冷却温度に冷却される。
【００２４】
二段輻射シールド２２は、二段予冷機１４の二段冷却ステージ３８ｂに熱的に結合されている。二段輻射シールド２２は、二段冷却ステージ３８ｂと物理的に接触して熱的に結合し、または、伝熱部材を介して二段冷却ステージ３８ｂと熱的に結合している。このようにして、二段輻射シールド２２は、二段冷却ステージ３８ｂによって二段予冷機１４の二段冷却温度に冷却される。
【００２５】
ＪＴ冷凍機１６は、ＪＴ圧縮システム４６、熱交換器群４８、一段予冷部５０、二段予冷部５２、ＪＴバルブ５４、およびこれら構成要素を接続する冷媒循環ライン５６を備える。ＪＴ冷凍機１６を循環する冷媒は、例えば、ヘリウム（ヘリウム３またはヘリウム４）である。熱交換器群４８は、一連の対向流熱交換器（４８ａ〜４８ｃ）からなる。冷媒循環ライン５６は、ＪＴ圧縮システム４６の吐出側を極低温冷却部２６の供給側に接続する冷媒供給ライン５６ａと、極低温冷却部２６の回収側をＪＴ圧縮システム４６の吸入側に接続する冷媒回収ライン５６ｂと、を備える。冷媒循環ライン５６は単段予冷機１２および二段予冷機１４のいずれからも流体的に隔離されている。
【００２６】
ＪＴ圧縮システム４６は、冷媒回収ライン５６ｂから回収される冷媒ガスを昇圧して冷媒供給ライン５６ａに送出するよう構成されている。ＪＴ圧縮システム４６は、冷媒循環ライン５６において冷媒を循環させる冷媒源として働く。ＪＴ圧縮システム４６は、真空容器１８の外に配置されている。
【００２７】
一例として、ＪＴ圧縮システム４６は、直列に接続された一段ＪＴ圧縮機４６ａおよび二段ＪＴ圧縮機４６ｂを有する二段の圧縮構成を備える。冷媒供給ライン５６ａからＪＴ圧縮システム４６には、例えば大気圧程度の低圧の冷媒ガスが回収される。一段ＪＴ圧縮機４６ａは、回収された冷媒ガスを例えば数気圧程度に昇圧することができる。二段ＪＴ圧縮機４６ｂは、一段ＪＴ圧縮機４６ａにより昇圧された冷媒ガスを例えば数十気圧程度に昇圧することができる。こうして得られた高圧の冷媒ガスは、ＪＴ圧縮システム４６から冷媒供給ライン５６ａに送出される。ＪＴ圧縮システム４６は、その他の多段圧縮構成を有してもよいし、単段の圧縮構成を有してもよい。
【００２８】
冷媒循環ライン５６において熱交換器群４８は、ＪＴ圧縮システム４６と極低温冷却部２６の間に配置されている。熱交換器群４８は、第１熱交換器４８ａ、第２熱交換器４８ｂ、および第３熱交換器４８ｃを有する三段構成を備える。第１熱交換器４８ａは、真空容器１８の外から真空容器１８内に流入する高温（例えば常温、例えば約３００Ｋ）の冷媒ガスを冷却する。第２熱交換器４８ｂは、第１熱交換器４８ａおよび一段予冷部５０により冷却された冷媒をさらに冷却する。第３熱交換器４８ｃは、第２熱交換器４８ｂおよび二段予冷部５２により冷却された冷媒をさらに冷却する。熱交換器群４８は、その他の多段構成を有してもよい。
【００２９】
冷媒供給ライン５６ａが、第１熱交換器４８ａ、第２熱交換器４８ｂ、および第３熱交換器４８ｃそれぞれの高圧側流路を有し、冷媒回収ライン５６ｂが、第１熱交換器４８ａ、第２熱交換器４８ｂ、および第３熱交換器４８ｃそれぞれの低圧側流路を有する。各熱交換器において高圧側流路と低圧側流路との熱交換により、高圧側流路を流れる冷媒を冷却することができる。高圧側流路、低圧側流路はそれぞれ、高温側流路、低温側流路と呼ぶこともできる。
【００３０】
第１熱交換器４８ａは、真空容器１８と一段輻射シールド２０の間、すなわち、真空容器１８の内側で一段輻射シールド２０の外側のスペースに配置されている。第２熱交換器４８ｂは、一段輻射シールド２０と二段輻射シールド２２の間、すなわち、一段輻射シールド２０の内側で二段輻射シールド２２の外側のスペースに配置されている。第３熱交換器４８ｃは、二段輻射シールド２２の内側に配置されている。
【００３１】
一段予冷部５０は、単段予冷機１２の一段冷却ステージ３２ａに熱的に結合され、二段予冷機１４の一段冷却ステージ３８ａから熱的に切り離されている。一段予冷部５０を流れる冷媒は、単段予冷機１２の一段冷却ステージ３２ａとの熱交換により冷却される。冷媒供給ライン５６ａにおいて一段予冷部５０は、第１熱交換器４８ａと第２熱交換器４８ｂとの間に配置されている。
【００３２】
二段予冷部５２は、二段予冷機１４の二段冷却ステージ３８ｂに熱的に結合されている。二段予冷部５２を流れる冷媒は、二段冷却ステージ３８ｂにより冷却される。冷媒供給ライン５６ａにおいて二段予冷部５２は、第２熱交換器４８ｂと第３熱交換器４８ｃとの間に配置されている。
【００３３】
冷媒供給ライン５６ａにおいてＪＴバルブ５４は、熱交換器群４８の最終段の熱交換器（本例では第３熱交換器４８ｃ）と極低温冷却部２６との間に配置されている。ＪＴバルブ５４は、例えば、固定オリフィスである。
【００３４】
また、ＪＴ冷凍機１６は、ＪＴバルブ５４を迂回するバイパス路５８を備え、バイパス路５８は、バイパスバルブ６０を備える。一例として、バイパス路５８は、二段予冷部５２と第３熱交換器４８ｃとの間で冷媒供給ライン５６ａから分岐し、ＪＴバルブ５４と極低温冷却部２６との間で冷媒供給ライン５６ａに再び合流する。バイパスバルブ６０は、例えばガス圧駆動式の開閉バルブである。バイパスバルブ６０は、電磁式、機械式、手動またはその他の駆動方式の開閉バルブであってもよい。
【００３５】
バイパスバルブ６０が開いているとき冷媒はバイパス路５８を流れ、バイパスバルブ６０が閉じているとき冷媒はＪＴバルブ５４を流れる。バイパスバルブ６０は、ＪＴ冷凍機１６の始動時にＪＴ冷凍機１６を単段予冷機１２および二段予冷機１４を使用して予冷するために開かれる。ＪＴ冷凍機１６の定常運転時には、バイパスバルブ６０は閉鎖される。
【００３６】
ＪＴ冷凍機１６の定常運転では、以下のように冷媒循環ライン５６を冷媒が流れる。ＪＴ圧縮システム４６で圧縮された高圧冷媒は、最初に第１熱交換器４８ａの高圧側流路に供給される。第１熱交換器４８ａの高圧側流路を流れる高圧冷媒は、第１熱交換器４８ａの低圧側流路を流れる戻りの低圧冷媒と熱交換して冷却される。第１熱交換器４８ａで冷却された高圧冷媒は冷媒供給ライン５６ａを通じて一段予冷部５０に流入する。
【００３７】
高圧冷媒は一段予冷部５０において単段予冷機１２の一段冷却ステージ３２ａによって冷却され、第２熱交換器４８ｂの高圧側流路へ送り込まれる。第２熱交換器４８ｂの高圧側流路を流れる高圧冷媒は、第２熱交換器４８ｂの低圧側流路を流れる戻りの低圧冷媒と熱交換して冷却される。第２熱交換器４８ｂで冷却された高圧冷媒は冷媒供給ライン５６ａを通じて二段予冷部５２に流入する。
【００３８】
高圧冷媒は二段予冷部５２において二段予冷機１４の二段冷却ステージ３８ｂによって冷却され、第３熱交換器４８ｃの高圧側流路へ送り込まれる。第３熱交換器４８ｃの高圧側流路を流れる高圧冷媒は、第３熱交換器４８ｃの低圧側流路を流れる戻りの低圧冷媒と熱交換して冷却される。こうして、高圧冷媒は、ジュール・トムソン効果が期待される温度以下まで冷却され、ＪＴバルブ５４へと送られる。
【００３９】
この冷却された高圧冷媒は、ＪＴバルブ５４を通過するとき、ジュール・トムソン効果によりミスト状の気液混合状態の低圧冷媒となり、液化冷媒の温度域での冷却能力を発生させる。ミスト状低圧冷媒は極低温冷却部２６に送られる。上述のように冷媒がヘリウムである場合、極低温冷却部２６を液体ヘリウム温度域に冷却し、それにより被冷却物２４を当該温度に冷却することができる。
【００４０】
極低温冷却部２６を冷却する際にミスト状低圧冷媒は蒸発し再び気化する。ＪＴバルブ５４において未液化の冷媒および蒸発により気化した冷媒は、第３熱交換器４８ｃの低圧側流路に戻される。低圧冷媒は、冷媒回収ライン５６ｂを、第２熱交換器４８ｂ、第１熱交換器４８ａの順に流れる。このとき低圧冷媒は上述のように、各熱交換器（４８ｃ，４８ｂ，４８ａ）にて高圧冷媒を冷却しながら昇温される。こうして常温に戻った低圧冷媒は真空容器１８を出てＪＴ圧縮システム４６に回収され、再び圧縮される。
【００４１】
なお、ＪＴ冷凍機１６は、上述の具体的構成には限られず、種々の典型的な構成を適宜採用することができる。
【００４２】
このようにして、極低温システム１０は、二段予冷機１４の二段冷却温度よりも低い温度、例えば４Ｋ未満（例えば１Ｋ〜４Ｋ）の所望の温度に極低温冷却部２６および被冷却物２４を冷却することができる。
【００４３】
単段予冷機１２における冷凍サイクルの単位時間あたりの回数、すなわち、単段コールドヘッド３２（または第１圧縮機３０）における冷媒ガスの圧力振動の周波数を、本書では「第１運転周波数」と称する。第１運転周波数は、単段予冷機１２の力学的特性に基づく。よって、単段予冷機１２がある特定の設計を有するとき、第１運転周波数は当該設計に基づく固定値をとる。
【００４４】
また、二段予冷機１４における冷凍サイクルの単位時間あたりの回数、すなわち、二段コールドヘッド３８（または第２圧縮機３６）における冷媒ガスの圧力振動の周波数を、本書では「第２運転周波数」と称する。第２運転周波数は、二段予冷機１４の力学的特性に基づく。よって、二段予冷機１４がある特定の設計を有するとき、第２運転周波数は当該設計に基づく固定値をとる。
【００４５】
ところで、二段予冷機１４の二段コールドヘッド３８などの二段蓄冷式冷凍機のコールドヘッドでは、一段目と二段目で異なる蓄冷材が充填される。一段冷却温度と二段冷却温度それぞれに最適な蓄冷材を用いることができる。一段目と二段目では、冷却温度と蓄冷材の相違に起因して、冷媒ガスとの熱交換効率や圧力損失が異なる。そのため、一段目と二段目では、冷凍効率（例えば、単位消費電力あたりの冷凍能力）を向上する最適な運転周波数が本来異なる。しかし、二段冷凍機は一段目と二段目を同期して駆動するよう構成されているから、一段目と二段目の運転周波数を異ならせることが構造上困難である。したがって、一つの二段冷凍機において一段目と二段目の運転周波数を個別に最適化し難い。例えば、一段目に最適な運転周波数を選択した場合には、その運転周波数は、二段目については最適な運転周波数ではない。
【００４６】
一段目の冷凍効率を向上するには高運転周波数が望ましく、二段目の冷凍効率を向上するには低運転周波数が望ましい。その主因は、蓄冷材の熱伝導の時定数、すなわち熱的な応答性が一段目の蓄冷材と二段目の蓄冷材で異なることにある。より低温に適する二段目蓄冷材は一般に、一段目蓄冷材に比べて、熱伝導の時定数がより大きく熱的な応答性が緩やかである。そのため、過剰に高い運転周波数で二段冷凍機を運転しても、二段目の冷却ステージは冷えにくい。
【００４７】
単段予冷機１２と二段予冷機１４は個別の極低温冷凍機として構成され、互いに独立に運転することができる。単段予冷機１２と二段予冷機１４それぞれの冷媒ガス回路は流体的に相互に隔離されており、単段予冷機１２内の冷媒ガス圧力振動と二段予冷機１４内の冷媒ガス圧力振動は相互に影響しない。よって、単段予冷機１２の第１運転周波数と二段予冷機１４の第２運転周波数とを相互に異なる値に設定することができる。
【００４８】
そこで、本実施の形態においては、二段予冷機１４の第２運転周波数が、単段予冷機１２の第１運転周波数より低い。このようにすれば、二段予冷機１４の二段冷却ステージ３８ｂでの冷凍効率を向上するとともに、単段予冷機１２の一段冷却ステージ３２ａについても冷凍効率を向上することができる。単段予冷機１２と二段予冷機１４を併用することにより、第１運転周波数と第２運転周波数を個別に最適化することができる。
【００４９】
単段予冷機１２が単段スターリング冷凍機である場合、第１運転周波数は、例えば、３５Ｈｚ以上１００Ｈｚ以下の周波数範囲から選択される。第１運転周波数の下限値を３５Ｈｚとすることにより、単段予冷機１２による所望の一段冷却温度での冷凍能力を確保しやすい。第１運転周波数が大きいほど冷凍能力の確保はより容易となるが、単段予冷機１２の機械的な信頼性を保証しにくくなる。例えば、疲労による単段予冷機１２内の可動部品およびその周辺構造の機械的強度低下が進みやすくなることが懸念される。そこで、第１運転周波数の上限値は１００Ｈｚとすることが望ましい。
【００５０】
第１運転周波数は、例えば４５Ｈｚ以上６５Ｈｚ以下の周波数範囲、または例えば５０Ｈｚ以上６０Ｈｚ以下の周波数範囲にあってもよく、例えば５０Ｈｚ程度であってもよい。このようにすれば、冷凍能力の確保と機械的信頼性を考慮した最適な運転周波数で単段予冷機１２を運転することができる。
【００５１】
二段予冷機１４が二段スターリング冷凍機である場合、第２運転周波数は、例えば、１Ｈｚ以上３０Ｈｚ以下の周波数範囲から選択される。第２運転周波数のとりうる範囲を１Ｈｚ以上３０Ｈｚ以下とすることにより、二段予冷機１４による所望の二段冷却温度での冷凍能力を確保しやすい。
【００５２】
第２運転周波数は、例えば１０Ｈｚ以上２０Ｈｚ以下の周波数範囲にあってもよく、例えば１５Ｈｚ程度であってもよい。このようにすれば、二段予冷機１４の二段冷却ステージ３８ｂでの冷凍効率をより高くすることができる。
【００５３】
第２運転周波数が比較的低いことにより、二段予冷機１４の一段冷却ステージ３８ａでの冷凍能力が抑制されうる。しかし、一段冷却ステージ３８ａは、一段輻射シールド２０および一段予冷部５０から熱的に切り離されている。一段冷却ステージ３８ａは、二段冷却ステージ３８ｂの冷却のみに使用されている。そのため、一段冷却ステージ３８ａの熱負荷は小さく、一段冷却ステージ３８ａの比較的小さい冷凍能力でも賄うことが可能である。
【００５４】
二段予冷機１４は単段予冷機１２から独立して運転することができるから、仮に単段予冷機１２の冷凍能力が経時的に劣化したとしても、そうした単段予冷機１２の性能劣化が二段予冷機１４の性能に与える影響は軽微である。また、第１運転周波数よりも第２運転周波数が低いので、二段予冷機１４の一段冷凍能力は、単段予冷機１２の冷凍能力に比べて経時的に劣化しにくいという利点もある。
【００５５】
最後に、本発明者による効率改善の試算を紹介する。まず比較例として、二段スターリング冷凍機のみをＪＴ冷凍機の予冷機として用いる場合を考察する。ある典型的な二段スターリング冷凍機は、例えば、１５Ｈｚの運転周波数で８０Ｗの消費電力の場合、一段冷凍能力が１Ｗ＠１００Ｋ、二段冷凍能力が０．２Ｗ＠２０Ｋである。常温部を３００Ｋと仮定すると、一段部および二段部のカルノー効率η１，η２は、η１＝１００Ｋ／（３００Ｋ−１００Ｋ）＝０．５、η２＝２０Ｋ／（３００Ｋ−２０Ｋ）＝０．０７１４である。このときの理想仕事はそれぞれ、Ｗ１＝１Ｗ／０．５＝２Ｗ、Ｗ２＝０．２Ｗ／０．０７１４＝２．８Ｗとなる。したがって、単位消費電力あたりの冷凍能力の比は、（２Ｗ＋２．８Ｗ）／８０Ｗ＝０．０６となる。
【００５６】
一方、実施例の場合、例えば以下の通りである。単段予冷機１２としての単段スターリング冷凍機は、例えば、５２Ｈｚの運転周波数で３０Ｗの消費電力の場合、一段冷凍能力が２Ｗ＠１００Ｋである。この場合、カルノー効率は上記と同様に、η１＝１００Ｋ／（３００Ｋ−１００Ｋ）＝０．５であるから、理想仕事は、Ｗ１＝２Ｗ／０．５＝４Ｗである。二段予冷機１４としての二段スターリング冷凍機の一段部をこの単段スターリング冷凍機で単純に置き換えたとすると、単位消費電力あたりの冷凍能力の比は、（４Ｗ＋２．８Ｗ）／８０＝０．０８５となる。したがって、実施例における単位消費電力あたりの冷凍能力の比は、比較例における当該比に対して約４１．７％向上している（０．０８５／０．０６＝１．４１７）。
【００５７】
以上説明したように、本実施の形態に係る極低温システム１０によれば、より効率的な冷却システムを構築することができる。ある所与の消費電力のもとで、例えば４Ｋ未満（例えば１Ｋ〜４Ｋ）の温度域での冷凍効率を改善することができる。
【００５８】
以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。
【００５９】
単段予冷機１２は、単段スターリング冷凍機には限られない。単段予冷機１２は、単段スターリング型パルス管冷凍機であってもよい。二段予冷機１４は、二段スターリング冷凍機には限られない。二段予冷機１４は、二段スターリング型パルス管冷凍機であってもよい。この場合、第１運転周波数および第２運転周波数それぞれの最適値は、単段予冷機１２および二段予冷機１４が単段スターリング冷凍機および二段スターリング冷凍機である場合とは異なりうる。しかしながら、単段予冷機１２および二段予冷機１４が単段スターリング型パルス管冷凍機および二段スターリング型パルス管冷凍機である場合にも、第２運転周波数を第１運転周波数より低くすることによって、冷凍効率は改善されるものと期待される。
【００６０】
単段予冷機１２および二段予冷機１４が単段スターリング型パルス管冷凍機および二段スターリング型パルス管冷凍機である場合にも、最適な運転周波数は、これら２つの予冷機がスターリング冷凍機である場合と同じでよい可能性もある。よって、単段予冷機１２が単段スターリング型パルス管冷凍機である場合、第１運転周波数は、例えば、３５Ｈｚ以上１００Ｈｚ以下の周波数範囲から選択されてもよい。第１運転周波数は、例えば４５Ｈｚ以上６５Ｈｚ以下の周波数範囲、または例えば５０Ｈｚ以上６０Ｈｚ以下の周波数範囲にあってもよく、例えば５０Ｈｚ程度であってもよい。二段予冷機１４が二段スターリング型パルス管冷凍機である場合、第２運転周波数は、例えば、１Ｈｚ以上３０Ｈｚ以下の周波数範囲から選択されてもよい。第２運転周波数は、例えば１０Ｈｚ以上２０Ｈｚ以下の周波数範囲にあってもよく、例えば１５Ｈｚ程度であってもよい。
【００６１】
また、二段予冷機１４の一段冷却ステージ３８ａの冷凍能力に余裕があれば、一段冷却ステージ３８ａが、一段予冷部５０または一段輻射シールド２０のいずれかの冷却に利用されてもよい。例えば、一段予冷部５０が単段予冷機１２の一段冷却ステージ３２ａに熱的に結合され二段予冷機１４の一段冷却ステージ３８ａから熱的に切り離され、一段輻射シールド２０が単段予冷機１２の一段冷却ステージ３２ａから熱的に切り離され二段予冷機１４の一段冷却ステージ３８ａに熱的に結合されてもよい。あるいは、一段輻射シールド２０が単段予冷機１２の一段冷却ステージ３２ａに熱的に結合され二段予冷機１４の一段冷却ステージ３８ａから熱的に切り離され、一段予冷部５０が単段予冷機１２の一段冷却ステージ３２ａから熱的に切り離され二段予冷機１４の一段冷却ステージ３８ａに熱的に結合されてもよい。このように、ある実施形態においては、一段予冷部５０、または一段輻射シールド２０、またはそれらの両方が、単段予冷機１２の一段冷却ステージ３２ａに熱的に結合され、二段予冷機１４の一段冷却ステージ３８ａから熱的に切り離されていてもよい。
【符号の説明】
【００６２】
１０  極低温システム、  １２  単段予冷機、  １４  二段予冷機、  １６  ＪＴ冷凍機、  １８  真空容器、  ２０  一段輻射シールド、  ２２  二段輻射シールド、  ２４  被冷却物、  ２６  極低温冷却部、  ３２ａ  一段冷却ステージ、  ３８ａ  一段冷却ステージ、  ３８ｂ  二段冷却ステージ、  ５０  一段予冷部、  ５２  二段予冷部。
【図１】
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