(57)【要約】【課題】冷凍機の温度がヒートパイプ内の封入気体の凝固温度以下になるような大きい冷凍能力で冷凍機を駆動しても、被冷却物が十分冷却される前にヒートパイプの中の封入気体が凝固することを防止して、被冷却物を冷却目標温度までに冷却する時間を短縮する。【解決手段】冷凍機１１によって予冷されるＪＴ回路２０を備えた被冷却物２の冷却装置において、上端が前記冷凍機１１の2段ステージ１４に接合されるとともに下端が被冷却物２に接合された被冷却物２の予冷を行うヒートパイプ３０を設けるとともに、被冷却物2をヒートパイプ３０内の封入気体の液化温度まで確実に予冷できるように、ヒートパイプ凝縮部３０ｃの温度を制御する温度制御手段を設けた。温度制御手段は、第1の温度センサー３２及び第2の温度センサー３３を監視し、ヒートパイプ３０による予冷過程中は、封入気体の温度が液化温度の範囲内にあるように、冷凍機１１のオン・オフあるいはヒーターへの通電制御を行う。【選択図】  図１
2004205156.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷凍機と、気体を封入したヒートパイプを用いて被冷却物を冷却するシステムにおいて、ヒートパイプの凝縮部温度を制御することにより被冷却物の冷却にかかる時間を短縮することを特徴とするヒートパイプを用いた被冷却物の冷却方法。
【請求項２】
冷凍機と、気体を封入したヒートパイプを用いて被冷却物を冷却する装置において、ヒートパイプの凝縮部温度を制御する手段を設けたことを特徴とするヒートパイプを用いた被冷却物の冷却装置。
【請求項３】
前記ヒートパイプの凝縮部温度を制御する手段が、前記冷凍機のオン・オフ制御、または、ヒーターへの通電制御であることを特徴とする請求項２に記載のヒートパイプを用いた被冷却物の冷却装置。
【請求項４】
冷凍機によって予冷され冷凍機の温度より低い温度まで被冷却物を冷却する手段を備えた被冷却物の冷却装置において、上端が前記冷凍機に接合されるとともに下端が被冷却物に接合された被冷却物の予冷を行うヒートパイプを設けたことを特徴とする被冷却物の冷却装置。
【請求項５】
前記ヒートパイプには、ヒートパイプの凝縮部温度を制御する手段が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の被冷却物の冷却装置。
【請求項６】
前記ヒートパイプの凝縮部温度を制御する手段が、前記冷凍機のオン・オフ制御、または、ヒーターへの通電制御であることを特徴とする請求項５に記載の被冷却物の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヒートパイプを用いて被冷却物を冷却する冷却方法及びその冷却装置、特に、半導体やセンサー等の冷却を行うジュールトムソン回路を備えた冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、低温装置の冷却過程において、被冷却物から冷却源に熱を取り去る手段として、ヒートパイプを用いた冷却装置があった。
ヒートパイプ３０は、図３に示すように、熱伝導の悪いステンレス等で形成された両端が開口されたパイプ３０ａと、パイプ３０ａの両端の開口を閉蓋する熱伝導性のよい銅等で形成された蓋３０ｂとから形成されている（なお、図３中の矢印は蓋３０ｂの閉蓋方向を示す。）。このヒートパイプ３０の中には、窒素、水素、アルゴン等の気体から条件にあった気体が封入されている。前記条件とは、被冷却物２の必要とする所定の冷却目標温度、該冷却目標温度に達したときの封入気体の状態などである。
【０００３】
前記ヒートパイプを用いた冷却装置は、ヒートパイプ３０の上端を冷却源３１に接合するとともに、その下端を被冷却物２に接合することによって構成されている。冷却源３１は、ＧＭ冷凍機、スターリング冷凍機、パルス管冷凍機等の寒冷発生部である。
【０００４】
前記ヒートパイプを用いた冷却装置は、図４に示すように、冷却源３１を駆動し、冷却源３１の温度がヒートパイプ３０内の封入気体の液化温度になると、冷却源３１に接合されたヒートパイプ凝縮部３０ｃで封入気体が凝縮し、凝縮によってできた液体は重力でヒートパイプ３０下部のヒートパイプ蒸発部３０ｄに滴下する。ヒートパイプ蒸発部３０ｄに接合された被冷却物２の温度が高いため、液体が蒸発し、被冷却物２が冷却される。蒸発した気体はヒートパイプ３０内部を上昇し、ヒートパイプ凝縮部３０ｃで再凝縮される。この凝縮と蒸発のサイクルを繰り返すことにより被冷却物２はヒートパイプ３０内の封入気体の液化温度近傍まで冷却される。
図５に示すように、冷却源３１の温度がヒートパイプ３０内の封入気体の凝固温度以下になる冷凍能力を有する冷却源を駆動すると、ヒートパイプ凝縮部３０ｃも該封入気体の凝固温度以下となり、該封入気体は凝固を始め、全ての封入気体が凝固すると、ヒートパイプ３０内には前記蒸発と凝縮を行うガスが存在しなくなるため、前記凝縮と蒸発のサイクルが行われなくなり、ヒートパイプ３０の熱の伝わりはパイプ３０ａの熱伝導のみとなる。パイプ３０ａの材質は熱伝導の悪いステンレスなどが使われているため、このように封入気体が凝固することで冷却源３１と被冷却物２間の熱の伝わりが切れて、冷却源３１と被冷却物２間の熱交換は行われなくなる。被冷却物は、ヒートパイプ３０内の封入気体の凝固温度近傍まで冷却される。図５中の符号３０ｅは凝固した封入気体であり、模式的に示されている。
このような被冷却物から冷却源に熱を取り去る手段としてヒートパイプを用いた冷却装置に関連する先行技術文献としては、後述する特許文献１がある。
【０００５】
また、半導体やセンサー等を冷却する冷却システムとして、極低温冷凍機で予冷を行うジュールトムソン回路（以下、「ＪＴ回路」という。）を備えたものがある。その一例を図２に示す。図2に示す冷却装置は、ギフォードマクマホンサイクルを利用した冷凍機（ＧＭ冷凍機）１１によってＪＴ回路２０を予冷するとともに、ＪＴ回路２０における断熱自由膨張を利用して冷却負荷２５を冷却するようにしたものである。冷却却負荷２５は、被冷却物２と熱的に結合した熱交換器として示されている。
【０００６】
符号１０は、冷凍機ユニットであり、冷凍機１１と冷凍機用圧縮機１２を備えている。冷凍機１１は、寒冷発生部として、1段寒冷発生部（以下、「1段ステージ」という。）１３と２段寒冷発生部（以下、「２段ステージ」という。）１４とを備えている。
前記ＪＴ回路２０は、ＪＴ用圧縮機２１、第1熱交換器２６、冷凍機１１の１段ステージ１３と熱的に結合する第１の熱的結合２８、第2熱交換器２７、冷凍機１１の２段ステージ１４と熱的に結合する第２の熱的結合２９、膨張弁等からなるＪＴ弁２４、冷却負荷２５としての熱交換器を備え、高圧側流路２２及び低圧側流路２３によって閉回路を構成する。ＪＴ回路２０には、作動媒体としてヘリウムガスが充填されている。
冷凍機１１の寒冷発生部、ＪＴ回路の第熱交換器２６、第2熱交換器２７、ＪＴ弁２４、冷却負荷２５等は、真空容器１内に納められる。
【０００７】
このように構成された冷却システムは次のように動作する。
ＪＴ用圧縮機２１で高圧に圧縮されたの高圧のヘリウムガスは、高圧側流路２２に供給された後、第1熱交換器２６において低圧側流路２３内の低圧のヘリウムガスによって冷却される。第1熱交換器２６によって冷却された高圧のヘリウムガスは、次いで、冷凍機１１の1段ステージ１３との第1の熱的結合２８でさらに冷却される。第1の熱結合２８を経た後、第2熱交換器２７に入り、低圧側流路２３内の低圧のヘリウムガスと熱交換を行って冷却される。第2熱交換器２７を出た後、高圧のヘリウムガスは冷凍機１１の2段ステージ１４と第2の熱的結合２９を行い、さらに冷却される。このようにして、高圧側流路２２はＪＴ弁２４に十分冷却された高圧のヘリウムガスを供給する。ＪＴ弁２４を通ったヘリウムガスは、断熱自由膨張することによって急激に冷却される。
【０００８】
冷却負荷２５を冷却した後のヘリウムガスは、低圧側流路２３通って、第2熱交換器２７に入り、高圧のヘリウムガスを冷却する。その後、低圧のヘリウムガスは、第1熱交換器２６で高圧のヘリウムガスと熱交換し、高圧のヘリウムガスを冷却するとともに、徐々に昇温される。昇温されたヘリウムガスは、ＪＴ用圧縮機２１に吸入された後、ＪＴ用圧縮機２１によって圧縮され、高圧側流路２２に供給される。このような動作を繰り返すことによって、被冷却物２は所定の冷却目標温度、例えば４．２Ｋ以下まで冷却されるようになっている。
このような冷却装置に関連する先行技術文献としては、後述する特許文献２がある。
【０００９】
【特許文献１】
特開平２００１−３１１５７６号公報（第３頁４欄４８行〜第４頁５欄８行、第５頁７欄４１〜４４行、図２）
【特許文献２】
特開平４−３８５６号公報（第１頁左下欄下から２行〜第３頁右上欄１７行、第３頁左上欄８行〜同頁左下欄２行、第１図、第３図）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
被冷却物から冷却源に熱を取り去る手段としてヒートパイプを用いた従来のシステムは、冷却源３１の温度がヒートパイプ３０内の封入気体の凝固温度以下になるような大きい冷凍能力で冷却源３１を駆動する場合、被冷却物が十分冷却される前にヒートパイプの中の封入気体が凝固し、冷却源と被冷却物間の熱の伝わりが切れるため、ヒートパイプの作動時間が終了してしまい、運転開始から必要とされる所定の冷却目標温度まで冷却するためには、長時間を要するという問題があった。
また、従来の極低温冷凍機で予冷を行うＪＴ回路を備えた冷却システムは、被冷却物を極低温、例えば４．２Ｋ以下に冷却することが可能であるが、前記冷却システムの運転開始から必要とされる所定の冷却目標温度まで冷却するためには、長時間を要するという問題があった。実機試験よれば、運転開始から１２０Ｋまで冷却するのに約１５時間を要した。この１２０Ｋから冷却目標温度、例えば４．２Ｋ以下までに冷却するためにはさらに長時間を要する。
【００１１】
本発明の第１の目的は、冷凍機と、気体を封入したヒートパイプを用いて被冷却物を冷却するシステムにおいて、冷凍機の冷凍能力が大きい場合であっても、被冷却物が十分冷却する前にヒートパイプに封入した気体が凝固し、冷却源と被冷却物間の熱の伝わりが切れてヒートパイプの作動時間が終了してしまうことを防止し、被冷却物の冷却にかかる時間をより短縮することにある。
また、本発明の第２の目的は、冷凍機によって予冷され冷凍機の温度より低い温度まで被冷却物を冷却する手段を備えた被冷却物の冷却装置において、被冷却物を予冷するヒートパイプを設け、前記冷却装置の運転開始から所定の冷却目標温度までに到達する時間を短縮することのできる冷却装置を提供することにある。
さらに、本発明の第３の目的は、冷凍機によって予冷され冷凍機の温度より低い温度まで被冷却物を冷却する手段を備えた被冷却物の冷却装置において、被冷却物を予冷するヒートパイプの作動を十分かつ確実に確保して、予冷時間を短縮し、前記冷却装置の運転開始から必要とされる所定の冷却目標温度までに到達する時間を大幅に短縮することのできる冷却装置を提供することにある。
【０００１２】
【課題を解決するための手段】
前記本発明の第１の目的を達成するために、請求項１、２の発明は、冷凍機と、気体を封入したヒートパイプを用いて被冷却物を冷却するシステムにおいて、ヒートパイプの凝縮部温度を制御することにより被冷却物の冷却時間を短縮するようにしたものであり、請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記ヒートパイプの凝縮部温度を制御する手段として、冷凍機のオン・オフ（起動、停止）制御、または、ヒーターへの通電制御を採用したものである。
【００１３】
前記本発明の第２の目的を達成するために、請求項４の発明は、冷凍機によって予冷され冷凍機の温度より低い温度まで被冷却物を冷却する手段を備えた被冷却物の冷却装置において、上端が前記冷凍機に接合されるとともに下端が被冷却物に接合されたヒートパイプを設け、該ヒートパイプにより被冷却物の予冷を行うようにしたものである。
【００１４】
前記本発明の第３の目的を達成するために、請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記被冷却物の予冷を行うヒートパイプの凝縮部温度を制御する手段を設けたものであり、請求項６の発明は、請求項５の発明において、前記ヒートパイプの凝縮部温度を制御する手段として、冷凍機のオン・オフ（起動、停止）制御、または、ヒーターへの通電制御を採用したものである。
【００１５】
【作用】
請求項１、２の発明では、冷凍機によって冷却されるヒートパイプの作用により、ヒートパイプに封入された気体が凝縮と蒸発を繰り返し、被冷却物の温度を下げていく。この冷却過程において、ヒートパイプの凝縮部の温度をヒートパイプ内の封入気体の液化温度になるように制御することによって、冷凍機の冷凍能力が大きい場合であっても、ヒートパイプに封入した気体は凝固することがなく、ヒートパイプによる被冷却物の冷却が継続する。そして、冷却が進み、被冷却物がヒートパイプ内の封入気体の液化温度近傍まで冷却されたら、冷凍機の温度を下げ、ヒートパイプ内の封入気体を凝固させる。ヒートパイプ内の封入気体がすべて凝固すると、熱の移動はパイプの熱伝導のみとなるから、冷凍機と被冷却物間の熱の伝わりが実質的に切れて、ヒートパイプの作動が終了する。被冷却物はヒートパイプ内の封入気体の凝固温度近傍まで冷却される。
さらに、請求項３の発明では、請求項２の発明において、冷凍機をオン・オフ制御すること、あるいは、ヒーターへの通電を制御することによって、ヒートパイプの凝縮部の温度がヒートパイプ内の封入気体の液化温度になるように制御される。
【００１６】
請求項４の発明では、冷凍機によって予冷され冷凍機の温度より低い温度まで被冷却物を冷却する手段と、前記冷凍機の寒冷発生部と被冷却物との間に被冷却物の予冷を行うヒートパイプによって被冷却物の冷却が行われる。冷凍機の温度がヒートパイプに封入された気体の液化温度に達すると、冷凍機に接合されたヒートパイプ凝縮部で封入気体が液化し、液化した液体は重力でヒートパイプ下部の蒸発部に滴下する。滴下した液体はヒートパイプの蒸発部に接合された被冷却物の温度が高いため蒸発し、被冷却物の冷却が起こる。蒸発した気体はヒートパイプ内部を上昇し、凝縮部で再液化される。このヒートパイプの熱移送作用によって、被冷却物は冷凍機の温度近傍まで予冷される。この被冷却物の予冷過程が完了したら、冷凍機の温度を下げ、ヒートパイプに封入された気体を凝固させる。この後、冷凍機によって予冷され冷凍機の温度より低い温度まで被冷却物を冷却する手段によって、被冷却物は所定の冷却目標温度まで冷却される。
【００１７】
請求項５の発明では、請求項４の作用に加え、前記予冷過程において、ヒートパイプの凝縮部の温度がヒートパイプ内の封入気体の液化温度になるように制御するようにしたため、冷凍機の温度がヒートパイプ内の封入気体の凝固温度以下の大きな冷凍能力を有する冷凍機を用いても、被冷却物の温度がヒートパイプ内の封入気体の凝固温度付近まで予冷される間は、ヒートパイプ内の気体が凝固することがないため、ヒートパイプによる被冷却物の予冷が中断することはない。また、請求項６の発明では、請求項５の発明において、冷凍機の運転をオン・オフ制御すること、あるいは、ヒーターへの通電を制御することによって、ヒートパイプの凝縮部の温度がヒートパイプに封入した気体の液化温度になるように制御される。
【００１８】
【発明の効果】
請求項１、２の発明は、ヒートパイプ凝縮部の温度を制御する温度制御手段を設けているため、冷凍機の温度がヒートパイプ内の封入気体の凝固温度あるいは凝固温度以下になるような大きな能力を有する冷凍機を運転しても、被冷却物が十分冷却する前にヒートパイプに封入した気体が凝固し、冷却源と被冷却物間の熱の伝わりが切れてヒートパイプの作動時間が終了してしまうことを防止できるため、ヒートパイプの作動を十分かつ確実に確保でき、被冷却物２を冷却目標温度、すなわちヒートパイプ３０内の封入気体の凝固温度近傍まで冷却する時間を短縮することができる。
請求項３の発明は、請求項２の発明において、ヒートパイプ凝縮部の温度を制御する温度制御手段を冷凍機の運転をオン・オフ制御、あるいは、ヒーターへの通電制御によって構成したので、簡単な構成でヒートパイプ凝縮部の温度制御を確実に行うことができる。
【００１９】
請求項４の発明は、冷凍機によって予冷され冷凍機の温度より低い温度まで被冷却物を冷却する手段を備えた被冷却物の冷却装置において、ヒートパイプを設けたことによって、被冷却物のある温度、すなわちヒートパイプ内の封入気体の凝固温度近傍までの予冷は冷凍機の冷凍能力を直接利用できるため、前記ある温度までの被冷却物の冷却時間を大幅に短縮することができる。また、被冷却物は、冷凍機によって予冷され冷凍機の温度より低い温度まで被冷却物を冷却する手段によって、さらに冷凍機の温度より低い冷却目標温度まで冷却されるが、この場合、ヒートパイプ内の封入気体は全て凝固しており、ヒートパイプ介しての冷凍機と被冷却物間の熱の伝わりは実質的に切れているため、冷凍機１１から冷凍機によって予冷され冷凍機の温度より低い温度まで被冷却物を冷却する手段によって冷凍機の温度より低い温度まで冷却された被冷却物２への熱の流入を抑えることができ、冷凍機によって予冷され冷凍機の温度より低い温度まで被冷却物を冷却する手段による被冷却物の冷却を効率的に行うことができる。
このように、被冷却物の冷却は、冷凍機の冷凍能力と冷凍機によって予冷され冷凍機の温度より低い温度まで被冷却物を冷却する手段を利用した冷却系によって冷却されるため、冷却目標温度へ到達するまでの時間を大幅に短縮することができる。
【００２０】
請求項５の発明は、ヒートパイプ凝縮部の温度を制御する温度制御手段を設けたことによって、冷凍機の温度がヒートパイプ内の封入気体の凝固温度以下の大きな冷凍能力を有する冷凍機を使用することができる。また、このような大きな冷凍能力を有する冷凍機を用いても、温度制御手段によってヒートパイプ凝縮部の温度を制御することによって、被冷却物の温度がヒートパイプ内の封入気体の凝固温度付近まで十分に予冷される前に、ヒートパイプ内の封入気体が凝固し、冷却源と被冷却物間の熱の伝わりが切れてヒートパイプの作動時間が終了してしまうことを防止できるため、ヒートパイプの作動を十分かつ確実に確保でき、被冷却物の予冷時間を短縮することができる。
また、被冷却物は、冷凍機によって予冷され冷凍機の温度より低い温度まで被冷却物を冷却する手段によって、さらに冷凍機の温度より低い冷却目標温度まで冷却されるが、この場合、ヒートパイプ内の全ての封入気体は凝固しており、ヒートパイプ介しての冷凍機と被冷却物間の熱の伝わりは実質的に切れているため、冷凍機１１から冷凍機によって予冷され冷凍機の温度より低い温度まで被冷却物を冷却する手段によって冷凍機の温度より低い温度まで冷却された被冷却物２への熱の流入を抑えることができ、冷凍機によって予冷され冷凍機の温度より低い温度まで被冷却物を冷却する手段による被冷却物の冷却を効率的に行うことができる。
したがって、請求項５の発明は、冷凍機の冷凍能力と冷凍機によって予冷され冷凍機の温度より低い温度まで被冷却物を冷却する手段を利用した冷却系によって被冷却物を冷却する上で、大きな冷凍能力を有する冷凍機を使用できること、ヒートパイプの作動を十分かつ確実に確保でき、被冷却物の予冷時間を短縮することができること、冷凍機１１から冷凍機の寒冷発生部の温度より低い温度まで冷却された被冷却物２への熱の流入を抑えることができること等によって、請求項４の発明以上に、冷却目標温度へ到達するまでの時間を大幅に短縮することができる。
【００２１】
請求項６の発明は、請求項５の発明において、ヒートパイプ凝縮部の温度を制御する温度制御手段を冷凍機の運転をオン・オフ制御、あるいは、ヒーターへの通電制御によって行うように構成したので、簡単な構成でヒートパイプ凝縮部の温度制御を確実に行うことができる。
【００２２】
【実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１に基づいて具体的に説明する。図1は本発明の一実施の形態に係る半導体やセンサー等の被冷却物を冷却する冷却装置の概略全体図である。
冷却装置は、冷凍機１１を備えた冷凍機ユニット１０と、冷凍機１１と熱結合を行って予冷されるとともに、断熱自由膨張を利用して冷却負荷２５を冷却するＪＴ回路２０と、冷凍機１１と被冷却物２との間に設けられ、ある温度まで冷凍機１１の冷凍能力を利用して被冷却物を予冷するヒートパイプ３０を備えている。冷却却負荷２５は、被冷却物２と熱的に結合した熱交換器として示されている。
【００２３】
冷凍機ユニット１０は、冷凍機１１と冷凍機用圧縮機１２とを備えている。冷凍機１１は、寒冷発生部として1段寒冷発生部（以下、「1段ステージ」という。）１３と２段寒冷発生部（以下、「２段ステージ」という。）１４を有する。
1段ステージ１３と2段ステージ１４は、後述するＪＴ回路２０と熱的に結合し、ＪＴ回路２０を循環するヘリウムガスを冷却する。また、2段ステージ１４は、後述するヒートパイプ３０を介して被冷却物２との間で熱移送を行い被冷却物２の予冷を行う。
冷凍機１１としては、GM冷凍機、スターリングサイクル冷凍機、パルス管冷凍機、あるいはそれらと同等の冷凍機が採用される。
【００２４】
ＪＴ回路２０は、ＪＴ用圧縮機２１と、ＪＴ用圧縮機２１の吐出側に接続された高圧側流路２２と、ＪＴ用圧縮機２１の吸引側に接続された低圧側流路２３を有する。ＪＴ用圧縮機２１の吐出側に接続する高圧側流路２２は、第1熱交換器２６、冷凍機１１の1段ステージ１３との第1の熱的結合２８、第2熱交換器２７、冷凍機１１の2段ステージとの第2の熱的結合２９を経て、ＪＴ弁２４に接続する。低圧側流路２３は、ＪＴ弁を介して高圧側流路２２に接続するとともに、冷却負荷２５、第2熱交換器２７、第1熱交換器１６を経て、ＪＴ用圧縮機２１の吸引側に接続する。
【００２５】
第１熱交換器２６及び第２熱交換器２７は、それぞれ、高圧側流路２２と低圧側流路２３間で熱交換できるものであればどのような構造であってもよいが、高圧側流路２２と低圧側流路２３の二重管構造にすることが構造上及び熱交換効率の点から好ましい。
また、第1の熱的結合２８及び第2の熱的結合２９は、高圧側流路２２の配管が1段ステージ１３及び2段ステージ１４との間でそれぞれ熱交換できるものであればどのような構造であってもよいが、高圧側流路２２の配管を１段ステージ１３及び２段ステージ１４にそれぞれ巻回することが構造の簡素化及び熱交換効率の点から好ましい。さらに、高圧側流路２２の配管と低圧側流路２３の配管を二重管構造として、該二重管を１段ステージ１３及び２段ステージ１４にそれぞれ巻回するようにすれば構造の簡素化からみてさらに好ましい。
【００２６】
ヒートパイプ３０は、図３に示すように、熱伝導性の悪いステンレス等で形成された両端が開口したパイプ３０ａと、パイプ３０ａの両端の開口を閉蓋する熱伝導性のよい銅等で形成された蓋３０ｂとから形成される。パイプ３０ａの肉厚を耐圧に支障がない程度まで薄くすることで、熱伝導は減らすことができる。このヒートパイプ３０の中に、封入気体として窒素（１気圧で沸点７７．３K、凝固点６３．１K）が封入されている。
ヒートパイプ３０の上端は、冷凍機１１の2段ステージ１４に接合され、その下端は、被冷却物２に接合されている。そして、2段ステージ１４に接合さるヒートパイプ３０の上部は、ヒートパイプ凝縮部３０ｃとして機能し、被冷却物２に接合されるヒートパイプ３０の下部は、ヒートパイプ蒸発部３０ｄとして機能する。
封入気体は、被冷却物の必要とする所定の冷却目標温度、該冷却目標温度に達したときの封入気体の状態などを考慮して選択される。封入気体としては、窒素以外に水素、アルゴン等が採用される。
【００２７】
冷凍機１１の寒冷発生部、第1熱交換器２６、第2熱交換器２７、ＪＴ弁２４、冷却負荷２５、ヒートパイプ３０等は真空容器１内に収納される。
【００２８】
このように構成された冷却装置におけるＪＴ回路２０及びヒートパイプ３０の作動及び冷却方法について説明する。
冷凍機ユニット１０とＪＴ用圧縮機２１を駆動すると、ＪＴ回路２０においては、ＪＴ用圧縮機２１で高圧に圧縮されたの高圧のヘリウムガスは、高圧側流路２２に供給された後、第1熱交換器２６において低圧側流路２３内の低圧のヘリウムガスによって冷却される。第1熱交換器２６によって冷却された高圧のヘリウムガスは、次いで、冷凍機１１の1段ステージ１３との第1の熱的結合２８でさらに冷却される。第1の熱結合２８を経た後、第2熱交換器２７に入り、低圧側流路２３内の低圧のヘリウムガスと熱交換を行って冷却される。第2熱交換器２７を出た後、高圧のヘリウムガスは冷凍機１１の2段ステージ１４と第2の熱的結合を行い、さらに冷却される。このようにして、高圧側流路２２はＪＴ弁２４に十分冷却された高圧のヘリウムガスを供給する。ＪＴ弁２４を通ったヘリウムガスは、断熱自由膨張することによって急激に冷却される。
【００２９】
冷却負荷２５を冷却した後のヘリウムガスは、低圧側流路２３通って、第2熱交換器２７に入り、高圧のヘリウムガスを冷却する。その後、低圧のヘリウムガスは、第1熱交換器２６で高圧のヘリウムガスと熱交換し、高圧のヘリウムガスを冷却するとともに、徐々に昇温される。昇温されたヘリウムガスは、ＪＴ用圧縮機２１に吸入された後、ＪＴ用圧縮機２１によって圧縮され、高圧側流路２２に供給される。このような動作を繰り返すことによって、被冷却物２を2段ステージ１４の温度より低い所定の冷却目標温度まで冷却することができる。
【００３０】
一方、ヒートパイプ３０においては、冷凍機１１を2段ステージ１４の温度がヒートパイプ３０に封入された封入気体の液化温度の範囲（封入気体の凝縮点≧2段ステージ１４の温度＞封入気体の凝固点）になるような能力で運転すると、ヒートパイプ３０の蓋３０ｂは熱伝導性のよい材料で形成されているため、2段ステージ１４に接合されたヒートパイプ凝縮部３０ｃの温度は２段ステージの温度とほぼ等しくなり、ヒートパイプ凝縮部３０ｃで封入気体が液化し、重力でヒートパイプ下部のヒートパイプ蒸発部３０ｄに滴下する。ヒートパイプ蒸発部３０ｄに接合された被冷却物２の温度が高いため、液体の蒸発、被冷却物２の冷却が起こる。蒸発した気体はヒートパイプ３０内部を上昇し、ヒートパイプ凝縮部３０ｃで再液化される。この凝縮と蒸発のサイクルを繰り返すヒートパイプの熱移送作用によって被冷却物２を2段ステージ１４の温度近傍まで予冷する。
【００３１】
そして、本実施の形態の冷却装置では、2段ステージ１４の温度近傍まで予冷された被冷却物２は、ＪＴ回路２０によって、さらに2段ステージ１４の温度より低い冷却目標温度まで冷却される。
このように、被冷却物２を、冷凍機１１の冷凍能力とジュールトムソン効果を利用した冷却系によって冷却することによって、冷却目標温度までの冷却時間を短縮することができる。
【００３２】
しかしながら、２段ステージ１４と被冷却物２間にヒートパイプ３０を単に設けたものでは、次のような問題が生じる場合があることがわかった。
ヒートパイプ３０によって予冷された被冷却物２を、ＪＴ回路２０によって、さらに2段ステージ１４の温度より低い温度まで冷却する場合、2段ステージ１４の温度をヒートパイプ３０が作動する温度に固定するように冷凍機１１を運転すると、ＪＴ回路によって、冷却物２を2段ステージ１４の温度より低い温度まで冷却する際、ヒートパイプ３０は作動状態のままであるため、2段ステージ１４の温度より低い温度まで冷却された被冷却物２より温度の高い2段ステージ１４がヒートパイプ３０を介して熱の流入源となり、被冷却物２を冷却目標温度まで冷却するのに要する時間の短縮を十分に行えない場合があった。
また、2段ステージ１４の温度をヒートパイプ３０の封入気体の凝固温度以下になるように冷凍機１１を運転すると、被冷却物２がヒートパイプ３０によって十分冷却される前に、ヒートパイプ３０内の封入気体が凝固して、2段ステージ１４と被冷却物２間の熱の伝わりが切れてヒートパイプ３０の作動時間が終了してしまい、ヒートパイプ３０の作動時間が短くなり、被冷却物２の予冷効果が少なくなり、その結果、被冷却物２を冷却目標温度まで冷却するのに要する時間の短縮を十分に行えない場合があった。
【００３３】
そこで、本発明の一実施の形態では、さらに、前記ヒートパイプ凝縮部３０ｃの温度を制御する温度制御手段が設けられている。温度制御手段は、２段ステージ１４の温度を検出する第１の温度センサー３２及び被冷却物２の温度を検出する第２の温度センサー３３からの信号に基づいて、第２の温度センサー３３で検出された被冷却物２の温度がヒートパイプ３０内の封入気体の液化温度近傍より高い間、すなわち、被冷却物２の予冷が十分行われていない間は、第１の温度センサー３２の検出温度に基づいて、2段ステージ１４の温度をヒートパイプ３０内の封入気体の液化温度になるように調節して、被冷却物２の予冷を行い、第２の温度センサー３３で検出された被冷却物２の温度がヒートパイプ３０内の封入気体の液化温度近傍にまで達したとき、すなわち被冷却物２の予冷が十分行われたとき、2段ステージ１４の温度をヒートパイプ３０内の封入気体の凝固温度以下に下げ、ヒートパイプ３０内の封入気体を凝固させる。
【００３４】
温度制御手段によるヒートパイプ凝縮部３０ｃの温度調節は、２段ステージ１４あるいはヒートパイプ凝縮部３０ｃに設けたヒーター（図示せず）を用いたものでもよいし、あるいは、冷凍機１１の起動、停止（オン・オフ）であってもよい。いずれの場合も、2段ステージ１４の温度がヒートパイプ３０の封入気体の凝固温度以下になるような大きな冷凍能力を有する冷凍機１１を運転することができる。
また、冷凍機１１の運転中、2段ステージ１４に接合されたヒートパイプ凝縮部３０ｃの温度は２段ステージ１４の温度とほぼ等しいから、２段ステージ１４の温度を検出する第１の温度センサー３２に換えて、ヒートパイプ凝縮部３０ｃの温度を検出する温度センサーを採用してもよい。
【００３５】
次に、ヒートパイプ凝縮部３０ｃの温度を制御する温度制御手段が設けたヒートパイプ３０による被冷却物２の予冷について説明する。
2段ステージ１４の温度がヒートパイプ３０の封入気体の凝固温度以下になるような冷凍能力を有する冷凍機１１を運転する。2段ステージ１４の温度がヒートパイプ３０内の封入気体の液化温度になると、ヒートパイプ３０内の封入気体が凝縮と蒸発を繰り返し被冷却物２を冷却するようになる。温度制御手段は、第１の温度センサー３２及び第２の温度センサー３３の検出値を監視し、第２の温度センサー３３によって検出される被冷却物２の温度がヒートパイプ３０内の封入気体の液化温度近傍より高い間は、第１の温度センサー３２によって検出される２段ステージ１４の温度あるいはヒートパイプ凝縮部３０ｃの温度がヒートパイプ３０内の封入気体の凝固温度近傍になると、ヒーターに通電するかあるいは冷凍機１１の運転を停止し、ヒートパイプ３０内の封入気体の温度が凝固温度以下にならないようにする。このヒーターへの通電あるいは冷凍機１１の運転停止によって、第１の温度センサー３２によって検出される２段ステージ１４の温度あるいはヒートパイプ凝縮部３０ｃの温度がヒートパイプ３０内の封入気体の凝縮温度近傍になると、ヒーターへの通電を停止するかあるいは冷凍機１１の運転を再開し、ヒートパイプ３０内の封入気体の温度が凝縮温度以上にならないようにする。このような運転を、第２の温度センサー３３によって検出される被冷却物２の温度がヒートパイプ３０内の封入気体の液化温度近傍より高い間は、繰り返し行い、被冷却物２の予冷を行う。
【００３６】
第２の温度センサー３３によって検出される被冷却物２の温度がヒートパイプ３０内の封入気体の液化温度近傍に達したときは、被冷却物２の予冷が十分行われており、以後、ヒーターへの通電あるいは冷凍機１１の運転停止の制御は行わないで冷凍機１１を連続運転し、２段ステージ１４の温度を下げる。２段ステージ１４の温度、すなわち、ヒートパイプ凝縮部３０ｃの温度がヒートパイプ３０内の封入気体の凝固温度以下になると、ヒートパイプ３０内の封入気体は凝固する。ヒートパイプ３０内に封入された気体がすべて凝固すると、ヒートパイプ３０内には前記蒸発と凝縮を行うガスが存在しなくなるため、熱の移動はパイプ３０ａの熱伝導のみとなるから、２段ステージ１４と被冷却物２間の熱の伝わりが実質的に切れ、ヒートパイプ３０の作動が行われないようになる。ヒートパイプ３０内の封入気体の凝固温度近傍まで予冷された被冷却物２は、ＪＴ回路２０によって、さらに2段ステージ１４の温度より低い冷却目標温度まで冷却する。この場合、ヒートパイプ３０を介しての冷凍機１１と被冷却物２間の熱の伝わりは実質的に切れているため、冷凍機１１からＪＴ回路２０によって2段ステージ１４の温度より低い温度まで冷却された被冷却物２への熱の流入を抑えることができる。
【００３７】
このように、被冷却物２を冷凍機１１とジュールトムソン効果を利用した冷却系によって冷却する本実施の形態の冷却装置は、ヒートパイプ凝縮部３０ｃの温度を制御する温度制御手段を設けたことによって、ヒートパイプ３０による被冷却物２の予冷を短時間のうちにヒートパイプ３０内の封入気体の凝固温度近傍まで行うことができること、2段ステージ１４の温度がヒートパイプ３０の封入気体の凝固温度以下になるような冷凍能力を有する冷凍機１１を運転することができること、冷凍機１１から2段ステージ１４の温度より低い温度まで冷却された被冷却物２への熱の流入を抑えることができること等により、被冷却物２の冷却目標温度、例えば、４．２Ｋ以下の温度、に到達する時間を大幅に短縮することができた。実機試験によれば、ヒートパイプを備えていない従来の冷却装置は、冷却目標温度である例えば４Ｋの途中の温度である１２０Ｋに冷却するまでに約１５時間を要したのに対し、温度制御手段によって制御されるヒートパイプを備えた本実施の形態の冷却装置では、約１６時間で冷却目標温度である例えば４Ｋに到達することができた。
【００３８】
本発明の他の実施の形態を説明する。
この他の実施の形態の冷却装置は、図３及び図４に示す装置において、冷却源３１またはヒートパイプ凝縮部３０ｃに冷却源３１またはヒートパイプ凝縮部３０ｃの温度を検出する第１の温度センサー及び被冷却物２に被冷却物２の温度を検出する第２の温度センサー（いずれも図示せず）を設けるとともに、ヒートパイプ凝縮部３０ｃの温度を制御する温度制御手段（図示せず）を設けたものである。冷却源３１は、ＧＭ冷凍機、スターリングサイクル冷凍機、パルス管式冷凍機等の寒冷発生部である。また、ヒートパイプ３０及びヒートパイプ凝縮部３０ｃの温度を制御する温度制御手段は、前記本発明の一実施の形態と同様の構造のものを採用する。また、ヒートパイプ３０内に封入する気体としては、窒素、水素、アルゴン等が適宜選択される。
【００３９】
この冷却装置の作動及び冷却方法を説明する。
冷却源３１の温度がヒートパイプ３０の封入気体の凝固温度あるいは凝固温度以下になるような能力を有する冷凍機１１を運転する。冷却源３１の温度がヒートパイプ３０内の封入気体の液化温度になると、ヒートパイプ３０内の封入気体が凝縮と蒸発を繰り返し被冷却物２を冷却するようになる。温度制御手段は、第１の温度センサー及び第２の温度センサーを監視し、第２の温度センサーによって検出される被冷却物２の温度がヒートパイプ３０内の封入気体の液化温度近傍より高い間は、第１の温度センサーによって検出されるヒートパイプ凝縮部３０ｃの温度がヒートパイプ３０内の封入気体の凝固温度近傍になると、冷却源３１あるいはヒートパイプ凝縮部３０ｃに設けたヒーター（図示せず）に通電するかあるいは冷凍機１１の運転を停止し、ヒートパイプ３０内の封入気体の温度が凝固温度以下にならないようにする。このヒーターへの通電あるいは冷凍機１１の運転停止によって、第１の温度センサーが検出するヒートパイプ凝縮部３０ｃの温度がヒートパイプ３０内の封入気体の凝縮温度近傍になったら、ヒーターへの通電を停止するかあるいは冷凍機１１の運転を再開し、ヒートパイプ３０内の封入気体の温度が凝縮温度以上にならないようにする。このような運転を、第２の温度センサーによって検出される被冷却物２の温度がヒートパイプ３０内の封入気体の液化温度近傍より高い間は、繰り返し行い、被冷却物２の冷却を行う。
【００４０】
第２の温度センサーによって検出される被冷却物２の温度がヒートパイプ３０内の封入気体の液化温度近傍に達したときは、被冷却物２の冷却が十分行われており、以後、ヒーターへの通電あるいは冷凍機１１の運転停止の制御は行わないで冷凍機１１を連続運転し、冷却源３１の温度を下げる。冷却源３１の温度あるいはヒートパイプ凝縮部３０ｃの温度がヒートパイプ３０内の封入気体の凝固温度以下になると、ヒートパイプ３０内の封入気体は凝固する。ヒートパイプ３０内に封入された気体がすべて凝固すると、熱の移動はパイプ３０ａの熱伝導のみとなるから、冷却源３１と被冷却物２間の熱の伝わりが実質的に切れ、ヒートパイプ３０の作動が行われないようになる。ヒートパイプ３０内の封入気体の液化温度近傍まで予冷された被冷却物２は、ヒートパイプ３０内に封入された気体がすべて凝固するまでさらに冷却されるため、被冷却物２はヒートパイプ３０内の封入気体の凝固温度近傍まで冷却される。
【００４１】
この他の実施の形態の冷却装置は、ヒートパイプ凝縮部３０ｃの温度を制御する温度制御手段を設けているため、冷却源３１の温度がヒートパイプ３０の封入気体の凝固温度あるいは凝固温度以下になるような大きな冷凍能力で冷凍機を運転しても、冷却物２がヒートパイプ３０内の封入気体の液化温度近傍に冷却されまで、ヒートパイプ３０内の封入気体が凝固することがないため、被冷却物２を冷却目標温度、すなわちヒートパイプ３０内の封入気体の凝固温度近傍まで冷却する時間を短縮することができる。
【００４２】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されず種々の設計変更が可能であり、それらはいずれも本発明に含まれる。前記一実施の形態では、冷凍機で予冷されるＪＴ回路を示したが、予冷により冷凍機の寒冷発生部の温度より低い温度まで被冷却物を冷却できるものであれば、どのような手段を採用したものであっても本発明を適用できる。
前記一実施の形態では、ＪＴ回路の作動媒体としてヘリウムガスを採用したものを示したが、被冷却物の冷却目標温度に応じて、他の適宜のガスを採用することができる。
【００４３】
前記一実施の形態では、冷凍機の寒冷発生部の段数が２段のものを採用したが、単段であってもよいし、３段以上の複数段としてもよい。冷凍機の寒冷発生部との熱結合部は、冷凍機の寒冷発生部の段数に応じた適宜の数とすることができる。また、熱交換器も２台に限らず必要に応じた適宜の台数とすることができる。
【００４４】
前記一実施の形態及び他の実施の形態では、温度制御手段によって、第１の温度センサー及び第２の温度センサーを監視し、ヒーターの通電制御あるいは冷凍機のオン・オフ制御を自動的に行うものを示したが、第１の温度センサー及び第２の温度センサーの監視をオペレータが行い、それに基づいて、オペレータがヒーターのオン・オフあるいは冷凍機のオン・オフを行うようにしてもよい。
また、ヒートパイプ凝縮部の温度を制御する温度制御手段は、ヒートパイプ凝縮部の温度がヒートパイプ内の封入気体の凝縮温度と凝固温度との間の特定の液化温度になるように冷凍機のオン・オフ制御あるいはヒーターへの通電制御を行うものであってもよい。この場合、封入気体の凝縮は、被冷却物側となり、これを図6に示す。
【００４５】
本発明が適用可能な半導体やセンサーを含む検出装置としては、例えば、通信ノイズ低減用半導体、赤外線センサー、Ｘ線検出器、ＳＱＵＩＤがある。また、本発明は、超伝導マグネット装置、例えば、伝導冷却型のヘリウムフリーマグネット、単結晶引き上げ装置用超伝導マグネット、磁気分離装置用超伝導マグネット、ＭＲＩ用超伝導マグネット、ＮＭＲ用超伝導マグネット、ＳＱＵＩＤ用超伝導マグネット等に適用できる。また、本発明は、ＭＲＩ等の再凝縮装置にも適用できる。さらに、本発明は、超伝導コイル、超伝導電流リード、超伝導モーター、超伝導発電機、ＳＭＥＳ、単結晶引き上げ装置、高磁場下測定装置等の超伝導体冷却や、極低温試験装置にも適用できる。また、本発明は、前記超伝導マグネット装置、精密検出器、クライオポンプ、水トラップ装置以外の低温冷凍機にも適用できる。
【００４６】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る冷却装置の概略全体図である。
【図２】ＪＴ回路を備えた従来の冷却装置の概略全体図である。
【図３】ヒートパイプの概略全体図。
【図４】ヒートパイプを設けた冷却装置のヒートパイプ作動時の概略全体図
【図５】ヒートパイプを設けた冷却装置のヒートパイプ内の封入気体の凝縮状態を示す図
【図６】ヒートパイプを設けた冷却装置のヒートパイプ内の封入気体の別の凝縮状態を示す図
【符号の説明】
１・・・真空容器    ２・・・被冷却物    １０・・・冷凍機ユニット    １１・・・冷凍機本体    １２・・・冷凍機用圧縮機    １３・・・1段寒冷発生部（１段ステージ）    １４・・・２段寒冷発生部（２段ステージ）    ２０・・・ＪＴ回路    ２１・・・ＪＴ用圧縮機    ２２・・・高圧側流路    ２３・・・低圧側流路    ２４・・・ＪＴ弁    ２５・・・冷却負荷    ２６・・・第１熱交換器    ２７・・・第２熱交換器    ２８・・・第１の熱結合  ２９・・・第２の熱結合３０・・・ヒートパイプ    ３０ａ・・・パイプ    ３０ｂ・・・蓋    ３０ｃ・・・ヒートパイプ凝縮部  ３０ｄ・・・ヒートパイプ蒸発部
３０ｅ・・・凝固した封入気体    ３１・・・冷却源    ３２・・・第１の温度センサー    ３３・・・第2の温度センサー
【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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