(57)【要約】【課題】冷凍効率を低下させることなく、最低到達温度を実用的に変化させることを可能にしたジュールトムソン冷凍機を提供する。【解決の手段】実施形態のジュールトムソン冷凍機は、冷媒ガスを圧縮する圧縮機２と、圧縮された冷媒ガスの熱を放熱する放熱器３と、放熱された冷媒ガスを熱交換して冷却する熱交換器４、及び断熱真空槽６内に設置された被冷却物７と熱的に接触し、熱交換された冷媒ガスを膨張させて冷却するジュールトムソン膨張器５を有するジュールトムソン冷凍機ヘッド８と、圧縮機２と放熱器３と熱交換器４とジュールトムソン膨張器５とを接続する複数の冷媒配管９と、冷媒配管９に接続され、冷媒ガスを構成する複数の冷媒ガス成分の少なくとも一部を吸収及び放出することが可能で、冷媒ガス成分の吸収又は放出により複数の冷媒ガス成分の混合比を調整する冷媒混合比調整機構１０とを具備する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒ガスを圧縮する圧縮機と、
前記圧縮された冷媒ガスの熱を放熱する放熱器と、
前記放熱された冷媒ガスを熱交換して冷却する熱交換器、及び断熱真空槽内に設置された被冷却物と熱的に接触し、前記熱交換された冷媒ガスを膨張させて冷却するジュールトムソン膨張器を有するジュールトムソン冷凍機ヘッドと、
前記圧縮機と前記放熱器と前記熱交換器と前記ジュールトムソン膨張器とを接続する複数の冷媒配管と、
前記冷媒配管に接続され、前記冷媒ガスを構成する複数の冷媒ガス成分の少なくとも一部を吸収及び放出することが可能であって、前記冷媒ガス成分の吸収又は放出により前記複数の冷媒ガス成分の混合比を調整する冷媒混合比調整機構と
を具備するジュールトムソン冷凍機。
【請求項２】
前記冷媒混合比調整機構は、前記冷媒ガスの設定液化温度に応じて前記複数の冷媒ガス成分の混合比を調整する、請求項１に記載のジュールトムソン冷凍機。
【請求項３】
前項冷媒混合比調整機構は、前記複数の冷媒ガス成分の一部を選択的に透過又は吸収するガス選択フィルタと、真空ポンプと、ヒータを有するバッファタンクと、前記ガス選択フィルタと前記真空ポンプと前記バッファタンクとを繋ぐ複数の配管と、前記複数の配管を開閉するバルブとを備える、請求項１又は請求項２に記載のジュールトムソン冷凍機。
【請求項４】
前記冷媒混合比調整機構は、前記複数の冷媒ガス成分の一部を選択的に吸着及び脱離することが可能な吸着体と、前記吸着体の温度を制御する吸着体温度制御装置とを備える、請求項１又は請求項２に記載のジュールトムソン冷凍機。
【請求項５】
複数の前記冷媒混合比調整機構を備える、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のジュールトムソン冷凍機。
【請求項６】
前記圧縮機は、バルブ又は逆止弁で挟まれた前記冷媒混合比調整機構を複数組み合わせて構成される、請求項１に記載のジュールトムソン冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、ジュールトムソン冷凍機に関する。
【背景技術】
【０００２】
ジュールトムソン冷凍機においては、一般的に窒素（Ｎ２）ガスやアルゴン（Ａｒ）ガスがベース（主冷媒ガス）となる冷媒ガスが用いられている。これは、Ｎ２ガスやＡｒガスが常温でジュールトムソン膨張する際に、大きな温度低下量を示す性質を有するためである。ただし、Ｎ２ガスやＡｒガスのみでは最低到達温度に限界があるため、ベースとなる主冷媒ガスに、それより液化温度が低い冷媒ガス（添加冷媒ガス）を添加した混合冷媒を用いることによって、最低到達温度を低温化することが行われている。
【０００３】
混合冷媒の液化温度は、主冷媒ガスと添加冷媒ガスとの混合比率で決まる。従来の混合冷媒を用いたジュールトムソン冷凍機においては、一定の混合比率の混合冷媒を充填して使用する構成となっている。このため、従来のジュールトムソン冷凍機において、最低到達温度を変化させるためには、その都度混合比率を変えた混合冷媒を入れ替える必要がある。そのような構成のジュールトムソン冷凍機は実用的ではないことから、最低到達温度を容易に変化させることを可能にした装置構成が求められている。さらに、冷凍開始当初から主冷媒ガスに添加冷媒ガスを添加した混合冷媒を使用すると、常温から冷却を開始する当初の冷凍効率が低下する。このような点から、主冷媒ガスと添加冷媒ガスとの混合比率を容易に変化させることを可能にした装置構成が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５８１５６８２号公報
【特許文献２】特開２００３−１３９４２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、冷凍効率を低下させることなく、最低到達温度を実用的に変化させることを可能にしたジュールトムソン冷凍機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態のジュールトムソン冷凍機は、冷媒ガスを圧縮する圧縮機と、前記圧縮された冷媒ガスの熱を放熱する放熱器と、前記放熱された冷媒ガスを熱交換して冷却する熱交換器、及び断熱真空槽内に設置された被冷却物と熱的に接触し、前記熱交換された冷媒ガスを膨張させて冷却するジュールトムソン膨張器を有するジュールトムソン冷凍機ヘッドと、前記圧縮機と前記放熱器と前記熱交換器と前記ジュールトムソン膨張器とを接続する複数の冷媒配管と、前記冷媒配管に接続され、前記冷媒ガスを構成する複数の冷媒ガス成分の少なくとも一部を吸収及び放出することが可能であって、前記冷媒ガス成分の吸収又は放出により前記複数の冷媒ガス成分の混合比を調整する冷媒混合比調整機構とを具備している。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施形態のジュールトムソン冷凍機を示す図である。
【図２】図１に示すジュールトムソン冷凍機に用いられる冷媒混合比調整機構の一例を示す図である。
【図３】図１に示すジュールトムソン冷凍機に用いられる冷媒混合比調整機構の他の例を示す図である。
【図４】第２の実施形態のジュールトムソン冷凍機を示す図である。
【図５】第３の実施形態のジュールトムソン冷凍機を示す図である。
【図６】実施例１における冷凍動作の経過時間とジュールトムソン膨張器の出口温度との関係を示す図である。
【図７】実施例２における冷凍動作の経過時間とジュールトムソン膨張器の出口温度との関係を示す図である。
【図８】実施例３における冷凍動作の経過時間とジュールトムソン膨張器の出口温度との関係を示す図である。
【図９】実施例４における冷凍動作の経過時間とジュールトムソン膨張器の出口温度との関係を示す図である。
【図１０】実施例５における冷凍動作の経過時間とジュールトムソン膨張器の出口温度との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、実施形態のジュールトムソン冷凍機について、図面を参照して説明する。なお、各実施形態において、実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、その説明を一部省略する場合がある。図面は模式的なものであり、厚さと平面寸法との関係、各部の厚さの比率等は現実のものとは異なる場合がある。
【０００９】
（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態のジュールトムソン冷凍機の構成を示している。図１に示すジュールトムソン冷凍機１は、冷媒ガスを圧縮する圧縮機２と、圧縮された冷媒ガスの熱を圧縮状態を維持しつつ放熱する放熱器３と、放熱された冷媒ガスを圧縮状態を維持しつつ熱交換して冷却する熱交換器４と、熱交換された冷媒ガスを膨張させて冷却するジュールトムソン膨張器５とを備えている。ジュールトムソン膨張器５は、断熱真空槽６内に設置された被冷却物７と熱的に接触している。熱交換器４及びジュールトムソン膨張器５は、断熱真空槽６内に配置されており、ジュールトムソン冷凍機ヘッド８を構成している。圧縮機２及び放熱器３は、断熱真空槽６外に配置されている。
【００１０】
圧縮機２と放熱器３とは、冷媒配管９Ａで接続されている。放熱器３と熱交換器４とは、冷媒配管９Ｂで接続されている。熱交換器４とジュールトムソン膨張器５とは、冷媒配管９Ｃで接続されている。ジュールトムソン膨張器５と被冷却物７とは、冷媒配管９Ｄで接続されており、これにより熱的に接触している。被冷却物７と熱交換器４とは、冷媒配管９Ｅで接続されている。熱交換器４と圧縮機２は、冷媒配管９Ｆで接続されている。これらの冷媒配管９Ａ〜９Ｆによって、冷媒ガスがジュールトムソン冷凍機１内を循環するように構成されている。上記した冷媒配管９Ａ〜９Ｆのうち、冷媒配管９Ａ、９Ｂ、９Ｃは高圧冷媒配管であり、冷媒配管９Ｄ、９Ｅ、９Ｆは低圧冷媒配管である。
【００１１】
第１の実施形態のジュールトムソン冷凍機１においては、低圧冷媒配管である冷媒配管９Ｆに冷媒混合比調整機構１０が設けられている。冷媒混合比調整機構１０は、冷媒ガスを構成する複数の冷媒ガス成分の少なくとも一部を吸収及び放出することが可能で、冷媒ガス成分の吸収又は放出により複数の冷媒ガス成分の混合比を調整するものである。冷媒混合比調整機構１０の具体的な構成については、後述する。冷媒混合比調整機構１０の接続位置は、圧縮機２の高圧側でも低圧側でもよいが、放熱器３に対しては冷媒ガスの流れの下流側に接続することが好ましい。このため、第１の実施形態のジュールトムソン冷凍機１においては、冷媒配管９Ｆの途中に冷媒混合比調整機構１０を接続している。
【００１２】
第１の実施形態のジュールトムソン冷凍機１では、以下に示す冷凍サイクルにより被冷却物７の冷却が実施される。まず、低圧常温状態で圧縮機２に入力された冷媒は、圧縮機２で圧縮されて昇圧される（工程１）。圧縮機２で昇圧された高圧冷媒は、放熱器３で放熱されて冷却される（工程２）。放熱器３で放熱された高圧冷媒は、断熱真空槽６内に設置された熱交換器４でさらに冷却される（工程３）。熱交換器４で冷却された高圧冷媒は、ジュールトムソン膨張器５で膨張（低圧化）し、さらに温度が低下する（工程４）。温度が低下した低圧冷媒は、被冷却物７を冷却した後（工程５）、熱交換器４の低温側に送られ、高圧冷媒を冷却する過程で熱を吸収して温度が上昇する（工程６）。常温近くまで温度が上昇した低圧冷媒は、断熱真空槽の真空側から大気側の配管９Ｆを通って圧縮機２の入力側に供給（工程１）され、冷凍サイクルを成立させる。
【００１３】
常温から冷却を開始する際においては、冷媒ガスが液化して被冷却物７の温度が一定になるまで、工程（１）〜工程（６）を繰り返す。ここで、冷媒ガスは複数の冷媒ガス成分により構成される。主冷媒ガスとしては、窒素（Ｎ２）及びアルゴン（Ａｒ）から選ばれる少なくとも１つを含むガスが用いられる。Ｎ２ガスやＡｒガスは、常温でジュールトムソン膨張する際に、大きな温度低下量を示す性質を有するため、常温から冷却を開始する際には、冷媒ガスは主として主冷媒ガス成分で構成されていることが好ましい。ただし、そのような主冷媒ガスのみで冷却を実施した場合、最低到達温度に限界がある。
【００１４】
そこで、主冷媒ガスにそれより液化温度が低い冷媒ガス（添加冷媒ガス）を添加して混合冷媒とする。これによって、冷媒ガス（混合冷媒）の液化温度を低下させる。すなわち、冷媒混合比調整機構１０を用いて、主冷媒ガスより液化温度が低い添加冷媒ガスを循環している冷媒ガス中に放出し、冷媒ガスの最低到達温度を低下させる。添加冷媒ガスとしては、水素（Ｈ２）、ヘリウム（Ｈｅ）、及びネオン（Ｎｅ）から選ばれる少なくとも１つを含むガスが用いられる。添加冷媒ガスの添加は、冷媒ガスの温度、例えばジュールトムソン膨張器５の出口温度、又は被冷却物７の温度に応じて実施される。
【００１５】
例えば、上述した工程（１）〜工程（６）を繰り返して所定の温度に到達した時点で、循環している冷媒ガス中に必要量の添加冷媒ガスを放出する。これによって、冷媒ガス（混合冷媒）の液化温度が低下するため、被冷却物７の温度をさらに低下させることができる。この状態で工程（１）〜工程（６）を繰り返し、さらに低温の所定の温度に到達した時点で、循環している冷媒ガス中に必要量の添加冷媒ガスを放出する。このような工程を被冷却物７の温度が設定温度になるまで繰り返す。また、被冷却物７の温度が設定温度より下がった場合には、循環している冷媒ガスから添加冷媒ガスを吸収する。このような工程によって、被冷却物７の温度を設定温度の近傍に維持することができる。
【００１６】
添加冷媒ガスの放出に関しては、主冷媒ガスが液化して被冷却物７の温度が一定になった後、被冷却物７の温度が設定温度になるまで、循環している冷媒ガス中への添加冷媒ガスの放出を継続的に実施してもよい。この場合、被冷却物７の温度が設定温度になった時点で、添加冷媒ガスの放出を停止する。また、被冷却物７の温度が設定温度より下がった場合には、循環している冷媒ガスから添加冷媒ガスを吸収する。このような工程を繰り返すことによっても、被冷却物７の温度を設定温度の近傍に維持することができる。
【００１７】
添加冷媒ガスの放出量は、被冷却物７の設定温度に応じて適宜に設定される。冷媒ガスの液化温度は、主冷媒ガス及び添加冷媒ガスの成分とそれらの混合比に応じて決定されるため、被冷却物７の設定温度に応じて添加冷媒ガスの放出量及び吸収量を調整する。さらに、添加冷媒ガスの放出量及び吸収量の調整によって、冷媒ガスの最低到達温度を変化させることができる。従って、被冷却物７や冷媒ガスの冷却効率に応じて、主冷媒ガスと添加冷媒ガスとの混合比、及びそれに基づく冷媒ガスの最低到達温度を容易に変化させることが可能なジュールトムソン冷凍機１を提供することが可能になる。
【００１８】
次に、冷媒混合比調整機構１０の構成及び動作について、図２及び図３を参照して説明する。図２は冷媒混合比調整機構１０の第１の構成例を示している。図２に示す冷媒混合比調整機構１０は、ガス選択フィルタ１１と、真空ポンプ１２と、ヒータ１３を有するバッファタンク１４と、これらの構成要素を接続する配管１５（１５Ａ〜１５Ｃ）とを備えている。ガス選択フィルタ１１と真空ポンプ１２とは、配管１５Ａにより接続されており、この配管１５Ａには第１の弁Ｖ１が設けられている。真空ポンプ１２とバッファタンク１４とは、配管１５Ｂにより接続されており、この配管１５Ｂには第２の弁Ｖ２が設けられている。バッファタンク１４とガス選択フィルタ１１より後段の冷媒配管９Ｆとは、配管１５Ｃにより接続されており、この配管１５Ｃには第３の弁Ｖ３が設けられている。
【００１９】
ガス選択フィルタ１１には、Ｈ２、Ｈｅ、Ｎｅ等の添加冷媒ガスを選択的に透過又は吸収することが可能な多孔質部材やガス透過高分子等が用いられる。表１に冷媒ガスの１気圧での液化温度を示す。ここで、液化温度が低い冷媒ガスは、液化温度が高い冷媒ガスに比べて、分子半径が小さい傾向がある。このような分子半径の違いを利用して、多孔質部材やガス透過高分子等で添加冷媒ガスを選択的に透過又は吸収する。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
添加冷媒ガスを冷媒ガスに放出するにあたっては、まずバッファタンク１４内に予め添加冷媒ガスを収容しておく。次いで、第１及び第２の弁Ｖ１、Ｖ２を閉じると共に、第３の弁Ｖ３を空けた状態にして、添加冷媒ガスが収容されたバッファタンク１４をヒータ１３で加熱し、バッファタンク１４内の添加冷媒ガスの圧力を上げることによって、添加冷媒ガスを放出する。バッファタンク１４から放出された添加冷媒ガスは、冷媒配管９内を循環している冷媒ガス中に供給され、添加冷媒ガスの供給量に応じて冷媒ガス（混合冷媒）の液化温度が低下して、被冷却物７の温度を低下させる。
【００２２】
添加冷媒ガスを冷媒ガスから吸収するにあたっては、第１及び第２の弁Ｖ１、Ｖ２を開けると共に、第３の弁Ｖ３を閉じた状態にして、真空ポンプ１２を起動して配管１５Ａ内を減圧する。真空ポンプ１２は配管１５Ａを介してガス選択フィルタ１１に接続されているため、配管１５Ａ内を減圧すると冷媒配管９内を循環している冷媒ガス中から添加冷媒ガスが選択的に吸収される。真空ポンプ１２により吸収された添加冷媒ガスは、バッファタンク１４に収容される。このように、ガス選択フィルタ１１と真空ポンプ１２とヒータ１３を有するバッファタンク１４とを利用して、添加冷媒ガスを放出又は吸収を適宜に実施することによって、被冷却物７の設定温度に応じて主冷媒ガスと添加冷媒ガスとの混合比及びそれに基づく冷媒ガス（混合冷媒）の液化温度を調整することができる。
【００２３】
次に、図３を参照して冷媒混合比調整機構１０の第２の構成例について述べる。図３に示す冷媒混合比調整機構１０は、吸着体２１と、吸着体２１を加熱及び冷却する温度制御装置２２とを備えている。反応性が高い添加冷媒ガスを使用する場合、添加冷媒ガスを選択的に吸着及び脱離することが可能な吸着剤を用いて、冷媒混合比調整機構１０を構成することができる。上記したような吸着剤を吸着体２１として使用することによって、吸着体２１に添加冷媒ガスを選択的に吸着させることができ、かつ吸着体２１に吸着された添加冷媒ガスを脱離させることができる。吸着剤は、添加冷媒ガスの種類に応じて適宜に選択することができ、例えば樹脂吸着剤のような有機系吸着剤、カーボン吸着剤、ゼオライトのような無機系吸着剤、有機・無機複合吸着剤等が用いられる。また、添加冷媒ガスが水素（Ｈ２）の場合には、吸着体２１に水素吸蔵合金を使用することも可能である。
【００２４】
添加冷媒ガスを冷媒ガスに放出するにあたっては、まず吸着体２１に予め添加冷媒ガスを吸着させておく。次いで、吸着体２１を温度制御装置２２により加熱し、配管９内を循環している冷媒ガス中に添加冷媒ガスを放出（脱離）して供給する。添加冷媒ガスを冷媒ガスから吸着するにあたっては、吸着体２１を温度制御装置２２により冷却し、配管９内を循環している冷媒ガス中から添加冷媒ガスを吸着する。温度制御装置２２には吸着体２１の加熱及び冷却する機能が求められるため、ペルチェ素子のような加熱及び冷却機能を有する装置が好適に用いられる。このような構成によっても、被冷却物７の設定温度に応じて主冷媒ガスと添加冷媒ガスとの混合比及びそれに基づく冷媒ガス（混合冷媒）の液化温度を調整することができる。また、図３に示す冷媒混合比調整機構１０は、図２に示す冷媒混合比調整機構１０に比べて構造が簡便であるために小型化等が可能となる。
【００２５】
（第２の実施形態）
図４は第２の実施形態のジュールトムソン冷凍機の構成を示している。第２の実施形態のジュールトムソン冷凍機１においては、低圧冷媒配管である冷媒配管９Ｆに第１の冷媒混合比調整機構１０１と第２の冷媒混合比調整機構１０２とが設けられている。第１及び第２の冷媒混合比調整機構１０１、１０２は、それぞれ冷媒ガスを構成する複数の冷媒ガス成分の一部を吸収及び放出することが可能で、冷媒ガス成分の吸収又は放出により複数の冷媒ガス成分の混合比等を調整するものである。第１及び第２の冷媒混合比調整機構１０１、１０２は、それぞれ吸収又は放出する冷媒ガス成分に対応させた構成、例えば図２に示したガス選択フィルタ１１や図３に示した吸着体２１等を有している。
【００２６】
第１及び第２の冷媒混合比調整機構１０１、１０２の具体的な構成としては、例えば第１の冷媒混合比調整機構１０１で添加冷媒ガスの吸収及び放出を実施し、第２の冷媒混合比調整機構１０２で主冷媒ガスの吸収及び放出を実施する。この場合、第１の冷媒混合比調整機構１０１は被冷却物７の設定温度に応じて添加冷媒ガスの吸収及び放出を実施し、主冷媒ガスと添加冷媒ガスとの混合比、及びそれに基づく冷媒ガスの最低到達温度を変化させる。具体的な構成は、第１の実施形態に示した通りである。第２の冷媒混合比調整機構１０２には、例えば主冷媒ガスを放出することが可能な構成を適用する。これによって、冷媒ガスの液化による主冷媒ガスの減少分を補充することができ、冷媒ガスの圧力を安定させることが可能になる。さらに、複数の添加冷媒ガスを使用する場合に、複数の添加冷媒ガス成分の吸収及び放出を実施することも可能である。
【００２７】
（第２の実施形態）
図５は第３の実施形態のジュールトムソン冷凍機の構成を示している。第３の実施形態のジュールトムソン冷凍機１において、圧縮機２はバルブ又は逆止弁ＣＶ（ＣＶ１〜ＣＶ４）で挟まれた複数の混合比調整機構１０Ａ、１０Ｂで構成している。圧縮機２を構成する混合比調整機構１０Ａ及び混合比調整機構１０Ｂは、それぞれバルブ又は逆止弁ＣＶで挟まれた構成を有し、かつ冷媒ガスを循環させることが可能な配管９Ｇで接続されている。混合比調整機構１０Ａ及び混合比調整機構１０Ｂは、それぞれ主冷媒ガスを吸収及び放出することが可能な構成を有している。冷媒ガスを吸収及び放出する具体的な構成に関しては、第１及び第２の実施形態の混合比調整機構１０で説明した通りである。
【００２８】
第３の実施形態のジュールトムソン冷凍機１においては、まず冷媒混合比調整機構１０Ａで主冷媒ガスを高圧で放出しながら、冷媒混合比調整機構１０Ｂで主冷媒ガスを吸収する（工程Ａ）。一定時間経過した後に、冷媒混合比調整機構１０Ｂで主冷媒ガスを高圧で放出しながら、冷媒混合比調整機構１０Ｂで主冷媒ガスを吸収する（工程Ｂ）。これらの工程Ａと工程Ｂを繰り返すことによって、冷媒混合比調整機構１０Ａ、１０Ｂを圧縮機２として使用することができる。吸着剤等を使用した混合比調整機構１０で圧縮機２を構成すると機械駆動部がバルブのみとなる冷凍サイクルを実現することが可能となる。
【実施例】
【００２９】
次に、実施例とその評価結果について述べる。
【００３０】
（実施例１）
主冷媒ガスとして窒素（Ｎ２）ガスを使用し、添加冷媒ガスとして水素（Ｈ２）ガスを使用して、以下のようにして冷凍動作を実施した。冷媒混合比調整機構には、図２に示した構成を適用した。冷凍動作を表２及び図６を参照して説明する。まず、圧縮機で主冷媒ガスを０．２ＭＰａから８．０ＭＰａに昇圧して冷媒ガスを循環させた。このような循環を１５分間継続することによって、ジュールトムソン（ＪＴ）膨張器の出口温度が８４Ｋに到達した。この時点で、添加冷媒ガスを１２０秒間添加しながら冷媒ガスの循環を継続したところ、ＪＴ膨張器の出口温度が８０Ｋに到達した。この状態を２分間継続した後（運転開始から２１分後）に被冷却物７の温度が８０Ｋに到達した。
【００３１】
さらに、運転開始から２１分後に、添加冷媒ガスを４０秒間添加しながら冷媒ガスの循環を継続したところ、運転開始から２４分後にＪＴ膨張器の出口温度が７６Ｋに到達した。この状態を３分間継続した後（運転開始から２７分後）に被冷却物７の温度が７７Ｋに到達した。この後、被冷却物７の温度が７７Ｋを超えた場合には、添加冷媒ガスを１秒間添加（工程（１））し、また被冷却物７の温度が７７Ｋより下がった場合には、添加冷媒ガスを１秒間吸収（工程（２））した。工程（１）と工程（２）を繰り返すことによって、被冷却物７の温度を約７７Ｋに維持することが可能であることが確認された。
【００３２】
【表２】
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【００３３】
（実施例２）
主冷媒ガスとして窒素（Ｎ２）ガスを使用し、添加冷媒ガスとしてヘリウム（Ｈｅ）ガスを使用して、以下のようにして冷凍動作を実施した。冷媒混合比調整機構には、図２に示した構成を適用した。冷凍動作を表３及び図７を参照して説明する。まず、圧縮機で主冷媒ガスを０．２ＭＰａから８．０ＭＰａに昇圧して冷媒ガスを循環させた。このような循環を１５分間継続することによって、ＪＴ膨張器の出口温度が８４Ｋに到達した。この時点で、添加冷媒ガスを２００秒間添加しながら冷媒ガスの循環を継続したところ、ＪＴ膨張器の出口温度が８０Ｋに到達した。この状態を２分間継続した後（運転開始から２３分後）に被冷却物７の温度が８０Ｋに到達した。
【００３４】
さらに、運転開始から２３分後に、添加冷媒ガスを１２０秒間添加しながら冷媒ガスの循環を継続したところ、運転開始から２８分後にＪＴ膨張器の出口温度が７６Ｋに到達した。この状態を３分間継続した後（運転開始から３１分後）に被冷却物７の温度が７７Ｋに到達した。この後、被冷却物７の温度が７７Ｋを超えた場合には、添加冷媒ガスを１秒間添加（工程（１））し、また被冷却物７の温度が７７Ｋより下がった場合には、添加冷媒ガスを１秒間吸収（工程（２））した。工程（１）と工程（２）を繰り返すことによって、被冷却物７の温度を約７７Ｋに維持することが可能であることが確認された。
【００３５】
【表３】
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【００３６】
（実施例３）
主冷媒ガスとして窒素（Ｎ２）ガスを使用し、添加冷媒ガスとして水素（Ｈ２）ガスを使用して、以下のようにして冷凍動作を実施した。冷媒混合比調整機構には、図３に示した構成を適用した。冷凍動作を表４及び図８を参照して説明する。まず、圧縮機で主冷媒ガスを０．２ＭＰａから８．０ＭＰａに昇圧して冷媒ガスを循環させた。このような循環を１５分間継続することによって、ＪＴ膨張器の出口温度が８４Ｋに到達した。この時点で、添加冷媒ガスを１２０秒間添加しながら冷媒ガスの循環を継続したところ、ＪＴ膨張器の出口温度が８０Ｋに到達した。この状態を２分間継続した後（運転開始から２１分後）に被冷却物７の温度が８０Ｋに到達した。
【００３７】
さらに、運転開始から２１分後に、添加冷媒ガスを４０秒間添加しながら冷媒ガスの循環を継続したところ、運転開始から２６分後にＪＴ膨張器の出口温度が７６Ｋに到達した。この状態を５分間継続した後（運転開始から３１分後）に被冷却物７の温度が７７Ｋに到達した。この後、被冷却物７の温度が７７Ｋを超えた場合には、添加冷媒ガスを１秒間添加（工程（１））し、また被冷却物７の温度が７７Ｋより下がった場合には、添加冷媒ガスを１秒間吸収（工程（２））した。工程（１）と工程（２）を繰り返すことによって、被冷却物７の温度を約７７Ｋに維持することが可能であることが確認された。
【００３８】
実施例３において、添加冷媒ガスの放出及び吸着は以下のようにして実施する。添加冷媒ガスの放出に関しては、吸着剤をペルチェ素子（ヒータとして使用）で２秒間加熱し、吸着剤を４００℃まで昇温する。この状態を所定時間（１２０秒、４０秒、又は１秒）維持することによって、添加冷媒ガスを放出する。放出後は、吸着剤をペルチェ素子（冷却器として使用）で冷却し、吸着剤の温度を２００℃に維持する。添加冷媒ガスの吸着に関しては、吸着剤をペルチェ素子（冷却器として使用）で冷却し、吸着剤を１５０℃まで降温させる。この状態を所定時間（１秒）維持することによって、添加冷媒ガスを吸着する。吸着後は、ペルチェ素子で吸着剤の温度を２００℃に維持する。
【００３９】
【表４】
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【００４０】
（実施例４）
主冷媒ガスとして窒素（Ｎ２）ガスを使用し、添加冷媒ガスとして水素（Ｈ２）ガスを使用して、以下のようにして冷凍動作を実施した。ジュールトムソン冷凍機には、図４に示した構成を適用し、冷媒混合比調整機構には、図３に示した構成を適用した。冷凍動作を表５及び図９を参照して説明する。まず、圧縮機で主冷媒ガスを０．２ＭＰａから８．０ＭＰａに昇圧して冷媒ガスを循環させた。このような循環を１５分間継続することによって、ＪＴ膨張器の出口温度が８４Ｋに到達した。この時点で、主冷媒ガスの供給（５秒間）と添加冷媒ガスの添加（１２０秒間）を実施しながら冷媒ガスの循環を継続したところ、運転開始から１８分後にＪＴ膨張器の出口温度が８０Ｋに到達した。この状態を２分間継続した後（運転開始から２０分後）に被冷却物７の温度が８０Ｋに到達した。
【００４１】
さらに、運転開始から２０分後に、添加冷媒ガスを２５秒間添加しながら冷媒ガスの循環を継続したところ、運転開始から２４分後にＪＴ膨張器の出口温度が７６Ｋに到達した。この状態を３分間継続した後（運転開始から２７分後）に被冷却物７の温度が７７Ｋに到達した。この後、被冷却物７の温度が７７Ｋを超えた場合には、添加冷媒ガスを１秒間添加（工程（１））し、また被冷却物７の温度が７７Ｋより下がった場合には、添加冷媒ガスを１秒間吸収（工程（２））した。工程（１）と工程（２）を繰り返すことによって、被冷却物７の温度を約７７Ｋに維持することが可能であることが確認された。
【００４２】
実施例４において、添加冷媒ガスの放出及び吸着は以下のようにして実施する。添加冷媒ガスの放出に関しては、吸着剤をペルチェ素子（ヒータとして使用）で２秒間加熱し、吸着剤を４００℃まで昇温する。この状態を所定時間（１２０秒、４０秒、又は１秒）維持することによって、添加冷媒ガスを放出する。放出後は、吸着剤をペルチェ素子（冷却器として使用）で冷却し、吸着剤の温度を２００℃に維持する。添加冷媒ガスの吸着に関しては、吸着剤をペルチェ素子（冷却器として使用）で冷却し、吸着剤を１５０℃まで降温させる。この状態を所定時間（１秒）維持することによって、添加冷媒ガスを吸着する。吸着後は、ペルチェ素子で吸着剤の温度を２００℃に維持する。
【００４３】
主冷媒ガスの放出に関しては、吸着剤をペルチェ素子（ヒータとして使用）で２秒間加熱し、吸着剤を６００℃まで昇温する。この状態を所定時間（５秒）維持することによって、主冷媒ガスを放出する。放出後は、吸着剤をペルチェ素子（冷却器として使用）で冷却し、吸着剤の温度を８０℃に維持する。主冷媒ガスの吸着に関しては、吸着剤をペルチェ素子（冷却器として使用）で冷却し、吸着剤を２０℃まで降温させる。この状態を所定時間（１２０秒）維持することによって、主冷媒ガスを吸着する。吸着後は、ペルチェ素子で吸着剤の温度を８０℃に維持する。
【００４４】
【表５】
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【００４５】
（実施例５）
主冷媒ガスとして窒素（Ｎ２）ガスを使用し、添加冷媒ガスとして水素（Ｈ２）ガスを使用して、以下のようにして冷凍動作を実施した。ジュールトムソン冷凍機には、図５に示した構成を適用し、冷媒混合比調整機構には、図３に示した構成を適用した。冷凍動作を表６及び図１０を参照して説明する。まず、圧縮機で主冷媒ガスを０．２ＭＰａから８．０ＭＰａに昇圧して冷媒ガスを循環させた。このような循環を２０分間継続することによって、ＪＴ膨張器の出口温度が８４Ｋに到達した。この時点で、添加冷媒ガスを１２０秒間添加しながら冷媒ガスの循環を継続したところ、ＪＴ膨張器の出口温度が８０Ｋに到達した。この状態を３分間継続した後（運転開始から２７分後）に被冷却物７の温度が８０Ｋに到達した。
【００４６】
さらに、運転開始から２７分後に、添加冷媒ガスを２５秒間添加しながら冷媒ガスの循環を継続したところ、運転開始から３２分後にＪＴ膨張器の出口温度が７６Ｋに到達した。この状態を４分間継続した後（運転開始から３６分後）に被冷却物７の温度が７７Ｋに到達した。この後、被冷却物７の温度が７７Ｋを超えた場合には、添加冷媒ガスを１秒間添加（工程（１））し、また被冷却物７の温度が７７Ｋより下がった場合には、添加冷媒ガスを１秒間吸収（工程（２））した。工程（１）と工程（２）を繰り返すことによって、被冷却物７の温度を約７７Ｋに維持することが可能であることが確認された。
【００４７】
実施例５において、添加冷媒ガスの放出及び吸着は実施例４と同様にして実施する。窒素ガスの吸着及び放出が可能な２つの冷媒混合比調整機構（１０Ａ、１０Ｂ）を用いた圧縮機の動作は、以下のようにして実施する。冷媒混合比調整機構１０Ａの吸着剤を加熱し、出口側の逆止弁から８．０ＭＰａの窒素ガスを配管に供給する（動作（１））。冷媒混合比調整機構１０Ｂの吸着剤を冷却し、入口側の逆止弁から０．２ＭＰａの窒素ガスを配管に回収する（動作（２））。高圧側配管の圧力が８．０ＭＰａを下回ったら、動作（１）と動作（２）を反転させる（動作（３））。動作（１）〜（３）を繰り返す。
【００４８】
【表６】
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【００４９】
なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施し得るものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５０】
１…ジュールトムソン冷凍機、２…圧縮機、３…放熱器、４…熱交換器、５…ジュールトムソン膨張器、６…断熱真空槽、７…被冷却物、８…ジュールトムソン冷凍機ヘッド、９，９Ａ〜９Ｇ…冷媒配管、１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０１，１０２…冷媒混合比調整機構、１１…ガス選択フィルタ、１２…真空ポンプ、１３…ヒータ、１４…バッファタンク１４、１５，１５Ａ〜１５Ｃ…配管、Ｖ１〜Ｖ３…弁、２１…吸着体、２２…温度制御装置、ＣＶ１〜ＣＶ４…逆止弁。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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