(57)【要約】【課題】極低温を得るのに有利であり、ヘリウム等の冷媒の液化に有利な極低温発生装置を提供する。【解決手段】圧送手段１１と、被冷却体２９を冷却する冷却手段２５と、圧送手段１１の吐出ポートと冷却手段２５とを連通する高圧通路１ａと、圧送手段１１の吸込ポートと冷却手段２５とを連通する低圧通路１ｂと、高圧通路１ａに直列に並設された１又は２以上の熱交換器とをもつ。熱交換器は、冷却手段２５に流入する前の高圧通路１ａの冷媒の圧力を低下させる圧損促進型の熱交換器２３を含む。熱交換器２３に流入する前の冷媒の圧力をＰｈとし、冷却手段２５に流入する前の冷媒の圧力をＰｃとし、ＰｈとＰｃとの圧力の差を１００％としたとき、熱交換器２３は、１００％のうちの５％以上の比率で冷媒の圧力を低下させつつ冷媒を冷却させる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を圧送する吐出ポート及び冷媒を吸い込む吸込ポートを有する圧送手段と、被冷却体を冷却する冷却手段と、前記圧送手段の吐出ポートと前記冷却手段とを連通すると共に相対的に高圧の冷媒が流れる高圧通路と、前記圧送手段の吸込ポートと前記冷却手段とを連通すると共に相対的に低圧の冷媒が流れる低圧通路と、前記高圧通路に直列に並設され前記高圧通路を流れる冷媒を熱交換で冷却する１又は２以上の熱交換器とを具備する極低温発生装置において、
前記熱交換器は、前記冷却手段に流入する前の高圧通路の冷媒の圧力を低下させる圧損促進型の熱交換器を含み、
前記圧損促進型の熱交換器に流入する前の冷媒の圧力をＰｈとし、前記冷却手段に流入する前の冷媒の圧力をＰｃとし、ＰｈとＰｃとの圧力の差を１００％としたとき、前記圧損促進型の熱交換器は、
１００％のうちの５％以上の比率で冷媒の圧力を低下させつつ、冷媒を冷却させることを特徴とする極低温発生装置。
【請求項２】
請求項１において、前記熱交換器は複数具備されており、前記圧損促進型の熱交換器は、複数個の熱交換器のうち、冷媒の流れにおいて前記冷却手段に最も近い側の熱交換器であることを特徴とする極低温発生装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、冷媒の圧力Ｐｈは０．１〜１０００ＭＰａであり、前記高圧通路において前記圧損促進型の熱交換器に流入する前の冷媒の温度をＴｈとし、前記冷却手段に流入する前の冷媒の温度をＴｃとし、ＴｈとＴｃとの温度の差を１００％としたとき、前記圧損促進型の熱交換器は、１００％のうちの５％以上の比率で冷媒の温度を低下させることを特徴とする極低温発生装置。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のうちのいずれか一項において、前記圧損促進型の熱交換器は、前記低圧通路の冷媒により熱交換で前記高圧通路の冷媒を冷却する向流型の熱交換器であることを特徴とする極低温発生装置。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のうちのいずれか一項において、予冷冷凍機が設けられており、前記高圧通路は、前記高圧通路の冷媒を前記予冷冷凍機で予冷する予冷部を有することを特徴とする極低温発生装置。
【請求項６】
請求項５において、前記予冷冷凍機はパルス管冷凍機、ギフォード・マクマホン冷凍機、ソルベイ冷凍機、ヴィルミエ冷凍機、またはスターリング冷凍機のいずれかであることを特徴とする極低温発生装置。
【請求項７】
請求項５または請求項６において、前記圧送手段は、圧縮して高圧にした冷媒を前記高圧通路に冷媒を送給すると共に、前記予冷冷凍機の高圧通路に送給することを特徴とする極低温発生装置。
【請求項８】
請求項１〜請求項７のうちのいずれか一項において、前記圧損促進型の熱交換器は、前記高圧通路に連通すると共に熱交換媒体と熱交換可能な圧損通路を有しており、前記圧損通路の流路径は０．１〜１５ミリメートルに設定されていると共に、前記圧損通路の長さは０．１〜２００メートルに設定されていることを特徴とする極低温発生装置。
【請求項９】
請求項１〜請求項８のうちのいずれか一項において、ＰｈとＰｃとの圧力の差を１００％としたとき、前記圧損促進型の熱交換器は１００％のうちの５０％以上の比率で冷媒の圧力を低下させることを特徴とする極低温発生装置。
【請求項１０】
請求項１〜請求項９のうちのいずれか一項において、前記圧損促進型の熱交換器は、前記高圧通路に連通すると共にスパイラル状に形成され且つ熱交換媒体と熱交換可能な圧損通路を有することを特徴とする極低温発生装置。
【請求項１１】
請求項１〜請求項９のうちのいずれか一項において、前記圧損促進型の熱交換器は、前記高圧通路に連通すると共に熱交換媒体と熱交換可能な圧損通路を有しており、前記圧損通路は、冷媒の流れに対して抵抗となる抵抗体を通路内に配置することにより形成されていることを特徴とする極低温発生装置。
【請求項１２】
請求項１〜請求項９のうちのいずれか一項において、前記圧損促進型の熱交換器は、高圧通路に連通すると共に熱交換媒体と熱交換可能な圧損通路を形成する通路形成部材を有しており、前記通路形成部材間にはスペーサ部材が設けられており、前記スペーサ部材により熱交換媒体が流れる流路を前記通路形成部材間に形成していることを特徴とする極低温発生装置。
【請求項１３】
請求項１〜請求項９のうちのいずれか一項において、前記圧損促進型の熱交換器は、前記高圧通路に連通すると共に熱交換媒体と熱交換可能な圧損通路を細孔で形成する多孔質体を有していることを特徴とする極低温発生装置。
【請求項１４】
請求項１〜請求項９のうちのいずれか一項において、前記圧損促進型の熱交換器は、前記高圧通路に連通すると共に熱交換媒体と熱交換可能な圧損通路を有しており、前記圧損通路は、貫通孔を有する複数個の板状部材を並設することにより形成されていることを特徴とする極低温発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は極低温発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ジュールトムソン冷凍機を例にとって従来技術について説明する。ジュールトムソン冷凍機は、特許文献１、特許文献２等に開示されており、冷凍能力を得るためにジュールトムソン効果を用いる冷凍機である。ジュールトムソン効果は、高圧ガスの圧力が低下すると、その温度が低下するものである。単純なジュールトムソン冷凍機は、高圧ガス源、熱交換器、ジュールトムソン弁を含む。高圧ガス源の高圧のガスは熱交換器に流入し、低圧ガスのリターンにより熱交換器において冷却され、ジュールトムソン弁を通って等エンタルピー膨張を生じて低圧となり、冷媒の温度が低下する。このとき冷凍能力を得ることができる。
【０００３】
一般的には、４Ｋ程度の冷凍を得る４Ｋ冷凍機は、ジュールトムソン回路と呼ばれる単純なジュールトムソン冷凍機と、予冷用の２段パルス管冷凍機と、高圧ガスを供給するコンプレッサーユニットとを有する。これは、ヘリウムガスにより４Ｋ温度を実現するための最も効果的な方法である。４Ｋ冷凍機の主な用途は、ＭＲＩ、ＳＱＵＩＤ、その他の超伝導装置の冷却用である。
【０００４】
ジュールトムソン回路と予冷用２段パルス管冷凍機とを有する冷凍機においては、主に三つの部分に分けられる。それは、コンプレッサー部、ジュールトムソン回路、２段パルス管冷凍機である。
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−２６４２８号公報
【特許文献２】米国特許ＵＳＰ  ４７６６７４１
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
産業界では、極低温を得るのに有利な極低温発生装置の開発が更に進められている。
【０００７】
本発明は上記した実情に鑑みなされたものであり、極低温を得るのに有利であり、ヘリウム等の冷媒の液化に有利な極低温発生装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は極低温発生装置について鋭意開発を進めている。そして、冷媒を圧送する吐出ポート及び吸込ポートを有する圧送手段と、被冷却体を冷却する冷却手段と、圧送手段の吐出ポートと冷却手段とを連通すると共に相対的に高圧の冷媒が流れる高圧通路と、圧送手段の吸込ポートと冷却手段とを連通すると共に相対的に低圧の冷媒が流れる低圧通路と、高圧通路に直列に並設され高圧通路を流れる冷媒を熱交換で冷却する１又は２以上の熱交換器とを具備する極低温発生装置において、熱交換器は、冷却手段に流入する前の高圧通路の冷媒の圧力を低下させる圧損促進型の熱交換器を含む構成とし、
圧損促進型の熱交換器に流入する前の冷媒の圧力をＰｈとし、冷却手段に流入する前の冷媒の圧力をＰｃとし、ＰｈとＰｃとの圧力の差を１００％としたとき、圧損促進型の熱交換器は、１００％のうちの５％以上の比率で冷媒の圧力を低下させつつ、冷媒を冷却させることにすれば、冷却手段において極低温を得るのに有利であることを知見した。本発明は上記した知見に基づいて開発されたものである。
【０００９】
従来の極低温発生装置において使用されている熱交換器は、冷媒が流れる際の圧損をできるだけ少なくするように設計されていた。これに対して本発明によれば、冷却手段に近い側の熱交換器として、冷却手段に流入する前の高圧通路の冷媒の圧力を積極的に低下させる機能を有する圧損促進型の熱交換器としており、従来技術とは設計思想を異にするものである。
【００１０】
すなわち、本発明に係る極低温発生装置は、冷媒を圧送する吐出ポート及び冷媒を吸い込む吸込ポートを有する圧送手段と、被冷却体を冷却する冷却手段と、圧送手段の吐出ポートと冷却手段とを連通すると共に相対的に高圧の冷媒が流れる高圧通路と、圧送手段の吸込ポートと冷却手段とを連通すると共に相対的に低圧の冷媒が流れる低圧通路と、高圧通路に直列に並設され高圧通路を流れる冷媒を熱交換で冷却する１又は２以上の熱交換器とを具備する極低温発生装置において、
熱交換器は、冷却手段に流入する前の高圧通路の冷媒の圧力を低下させる圧損促進型の熱交換器を含み、
圧損促進型の熱交換器に流入する前の冷媒の圧力をＰｈとし、冷却手段に流入する前の冷媒の圧力をＰｃとし、ＰｈとＰｃとの圧力の差を１００％としたとき、前記圧損促進型の熱交換器は、１００％のうちの５％以上の比率で冷媒の圧力を低下させつつ、冷媒を冷却させることを特徴とするものである。
【００１１】
本発明に係る極低温発生装置によれば、圧損促進型の熱交換器に流入する前の冷媒の圧力をＰｈとし、冷却手段に流入する前の冷媒の圧力をＰｃとし、ＰｈとＰｃとの圧力の差を１００％としたとき、圧損促進型の熱交換器は、１００％のうちの５％以上の比率で冷媒の圧力を低下させつつ、冷媒を冷却させる。これにより冷却手段において極低温を得るのに有利となり、ヘリウム等の冷媒の液化率を高めることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明に係る極低温発生装置によれば、圧損促進型の熱交換器は、冷媒のガスを熱交換で冷却しつつ、そのガス圧力を低下させるものを意味する。前述したように、ＰｈとＰｃとの圧力の差を１００％としたとき、圧損促進型の熱交換器は、１００％のうちの５％以上の比率で冷媒の圧力を低下させつつ、冷媒を冷却させる。なお、冷媒の圧力を低下させ得る程度は、熱交換器の構造、冷媒の種類（ヘリウム、窒素、ネオン、アルゴン、二酸化炭素、メタン、エタン、プロパン、ブタン、各種フルオロカーボン、水素、酸素等、及びこれらの混合物）、要請される極低温の温度等によっても相違する。
【００１３】
この場合、圧損促進型の熱交換器は、上記１００％のうちの１０％以上の比率、または２０％以上の比率、３０％以上の比率、または４０％以上の比率、または５０％以上の比率で冷媒の圧力を低下させることができる。更に、圧損促進型の熱交換器は、上記１００％のうちの６０％以上の比率、または７０％以上の比率、８０％以上の比率、または９０％以上の比率で冷媒の圧力を低下させることができる。あるいは、圧損促進型の熱交換器は、１００％のうちの９３％以上または９５％以上の比率、更には１００％の比率で冷媒の圧力を低下させることにしても良い。なお、１００％の比率で冷媒の圧力を低下させるときには、一般的には、圧損促進型の熱交換器の出口で冷媒の液化が生じる。
【００１４】
また本発明に係る極低温発生装置によれば、高圧通路において圧損促進型の熱交換器に流入する前の冷媒の温度をＴｈとし、冷却手段に流入する前の冷媒の温度をＴｃとし、ＴｈとＴｃとの温度の差を１００％としたとき、圧損促進型の熱交換器は、冷媒の圧力を低下させつつ、上記１００％のうちの５％以上の比率で冷媒の温度を低下させる形態を例示できる。冷媒の温度を低下させ得る程度は、熱交換器の構造、冷媒の種類（ヘリウム、窒素、ネオン、アルゴン、二酸化炭素、メタン、エタン、プロパン、ブタン、各種フルオロカーボン、水素、酸素等、及びこれらの混合物）、要請される極低温の温度等によっても相違する。
【００１５】
上記したように圧損促進型の熱交換器において、冷媒の圧力を低下させつつその冷媒を冷却させることにすれば、極低温を得るのに有利となり、ヘリウム等の冷媒の液化率を高めることができる。この場合、圧損促進型の熱交換器は、ＴｈとＴｃとの温度の差を１００％としたとき、１００％のうちの１０％以上の比率、または２０％以上の比率、３０％以上の比率、または４０％以上の比率、または５０％以上の比率で冷媒の温度を低下させることができる。更に、圧損促進型の熱交換器は、１００％のうちの６０％以上の比率、または７０％以上の比率、８０％以上の比率、または９０％以上の比率で冷媒の温度を低下させることができる。あるいは、圧損促進型の熱交換器は、１００％のうちの９５％以上の比率、１００％の比率で冷媒の温度を低下させることにしても良い。
【００１６】
本発明に係る極低温発生装置によれば、熱交換器は複数具備されており、圧損促進型の熱交換器は、複数個の熱交換器のうち、冷媒の流れにおいて冷却手段に最も近い側の熱交換器である形態を例示できる。この場合、極低温を得るのに有利となり、ヘリウム等の冷媒の液化率を高めることができる。しかも冷媒を高圧の状態で冷却手段に近い側まで供給できるため、冷媒の流量の確保に有利であり、冷凍能力の発揮に有利となる。
【００１７】
また、圧損促進型の熱交換器は、低圧通路の冷媒により熱交換で高圧通路の冷媒を冷却する形態を例示できる。この場合には、冷凍効率の向上に有利である。
【００１８】
本発明に係る極低温発生装置によれば、予冷冷凍機が設けられており、高圧通路は、高圧通路の冷媒を予冷冷凍機で予冷する予冷部を有する形態を例示できる。これにより冷媒の冷却に有利である。予冷冷凍機としては、パルス管冷凍機、ギフォード・マクマホン冷凍機、ソルベイ冷凍機、ヴィルミエ冷凍機、スターリング冷凍機等を例示できる。
【００１９】
本発明に係る極低温発生装置によれば、圧送手段は、高圧通路に冷媒を送給すると共に予冷冷凍機に冷媒を送給する形態を例示できる。この場合、圧送手段が予冷冷凍機にも共用化されている。
【００２０】
本発明に係る極低温発生装置によれば、圧損促進型の熱交換器は、高圧通路に連通すると共に熱交換媒体と熱交換可能な圧損通路を有しており、圧損通路の平均流路径は冷凍機の種類によっても相違するが、一般的には０．１〜１５ミリメートルに設定されている形態を例示できる。この場合、冷媒を冷却しつつ冷媒の圧力を低下させるのに有利である。ここで圧損通路の平均流路径としては０．５〜１０ミリメートル、１〜５ミリメートルを例示できる。一般的には圧損通路の流路径が小さいと、圧損促進型の熱交換器における冷媒の圧損を大きくできるため、圧損通路の長さを短縮できる。圧損通路の流路径の上限としては０．５ミリメートル、０．７ミリメートル、１ミリメートル、２ミリメートル、３ミリメートル、５ミリメートル等を例示できる。
【００２１】
本発明に係る極低温発生装置によれば、圧損促進型の熱交換器は、高圧通路に連通すると共に熱交換媒体と熱交換可能な圧損通路を有しており、圧損通路の流路径によっても異なるが、一般的には、圧損通路の長さは０．１〜２００メートルに設定されている形態を例示できる。この場合、冷媒を冷却しつつ冷媒の圧力を低下させるのに有利である。一般的には圧損通路の流路径が小さいと、圧損を大きくできるため、圧損通路の長さを短縮できる。圧損通路の長さの上限としては１０メートル、２０メートル、５０メートル、７０メートル、１００メートル、１５０メートルを例示できる。
【００２２】
本発明に係る極低温発生装置によれば、圧損促進型の熱交換器は、高圧通路に連通すると共にスパイラル状に形成され且つ熱交換媒体と熱交換可能な圧損通路を有する形態を例示できる。この場合、冷媒を冷却しつつ冷媒の圧力を低下させるのに有利である。圧損通路がスパイラル状に形成されているため、圧損促進型の熱交換器の長さの短縮化に有利である。
【００２３】
本発明に係る極低温発生装置によれば、圧損促進型の熱交換器は、高圧通路に連通すると共に熱交換媒体と熱交換可能な圧損通路を有しており、圧損通路は、冷媒の流れに対して抵抗となる抵抗体を通路内に配置することにより形成されている形態を例示できる。この場合、冷媒を冷却しつつ冷媒の圧力を低下させるのに有利である。
【００２４】
本発明に係る極低温発生装置によれば、圧損促進型の熱交換器は、高圧通路に連通すると共に熱交換媒体と熱交換可能な圧損通路を形成する通路形成部材を有しており、通路形成部材間にはスペーサ部材が設けられている形態を例示できる。この場合、スペーサ部材により熱交換媒体が流れる流路を通路形成部材間に形成しているスペーサ部材により熱交換媒体が流れる流路が形成されるため、圧損促進型の熱交換器は冷媒を熱交換により冷却させるのに有利となる。
【００２５】
本発明に係る極低温発生装置によれば、圧損促進型の熱交換器は、高圧通路に連通すると共に熱交換媒体と熱交換可能な圧損通路を細孔で形成する多孔質体を有している形態を例示できる。多孔質体の細孔は、細孔径が小さく、圧損通路を形成するのに有利である。この場合、冷媒を冷却しつつ冷媒の圧力を低下させるのに有利である。
【００２６】
本発明に係る極低温発生装置によれば、圧損促進型の熱交換器は、高圧通路に連通すると共に熱交換媒体と熱交換可能な圧損通路を有しており、圧損通路は、貫通孔を有する複数個の板状部材を並設することにより形成されている形態を例示できる。貫通孔の径は、圧損通路における冷媒のガスの圧力低下に影響を与える。この場合、冷媒を冷却しつつ冷媒の圧力を低下させるのに有利である。上記した熱交換媒体としては、低圧通路を流れる冷媒を例示できるが、他の媒体でも良い。
【００２７】
本発明に係る極低温発生装置によれば、冷媒としてはヘリウム、窒素、ネオン、アルゴン、二酸化炭素、メタン、エタン、プロパン、ブタン、各種フルオロカーボン、水素、酸素等、及びこれらの混合物を例示することができる。冷媒がヘリウムの場合には、圧損促進型の熱交換器に流入する前の冷媒の圧力をＰｈとし、圧損促進型の熱交換器に流入する前の冷媒の温度をＴｈとしたときには、圧力Ｐｈは０．１〜１０ＭＰａにすることができ、殊に０．４〜５ＭＰａ、１〜３ＭＰａにすることができる。また温度Ｔｈは２〜３０Ｋにすることができ、殊に４〜２０Ｋ、８〜１５Ｋにすることができる。本発明に係る極低温発生装置によれば、冷媒がヘリウムである場合には、圧送手段の吐出ポートから吐出されるガス状の冷媒の圧力としては、１．８ＭＰａ以上、２．０ＭＰａ以上、または２．２ＭＰａ以上とすることができ、上限としては１０ＭＰａ以下とすることができる。
【００２８】
上記したように予冷冷凍機を用いると共に、圧送手段を本発明に係る極低温冷凍機と予冷冷凍機とで共用し、圧送手段の吐出ポートから吐出された冷媒を、本発明に係る極低温冷凍機の高圧通路及び予冷冷凍機の高圧通路の双方に送給する方式を採用することができる。即ち、圧送手段を本発明に係る極低温発生冷凍機と予冷冷凍機とで共用することができる。このような方式が採用されている場合には、圧送手段の吐出ポートから吐出される冷媒の圧力を、予冷冷凍機における高圧通路の適切な冷媒圧に適合させることが好ましい。従って冷媒がヘリウムであるときには、圧送手段の吐出ポートから吐出される冷媒の高圧ガスの圧力としては１．０〜５．０ＭＰａ、殊に１．５〜３．０ＭＰａとすることができる。なお、圧送手段の吐出ポートから吐出される冷媒の圧力をＰｈとみなすことができる。
【００２９】
予冷冷凍機がパルス管冷凍機である場合には、圧送手段の吐出ポートから吐出された冷媒を、本発明に係る極低温冷凍機の高圧通路及びパルス管冷凍機の高圧通路の双方に送給する方式を採用することができる。即ち、本発明に係る極低温発生冷凍機の高圧通路とパルス管冷凍機の高圧通路とで圧送手段を共用することができる。このような共用方式が採用されている場合には、圧送手段の吐出ポートから吐出される冷媒の圧力を、パルス管冷凍機における高圧通路の適切な冷媒圧に適合させることが好ましい。従って圧送手段の吐出ポートから吐出されるガス状の冷媒の圧力としては、１．０〜６．０ＭＰａ、殊に１．５〜３．５ＭＰａとすることができる。また、冷媒によっては、Ｐｈは０．１ＭＰａ〜１０００ＭＰａの範囲の値を取り得る場合もある。
【００３０】
【実施例】
図１は、極低温発生冷凍機の概念図を示す。本実施例に係る極低温発生冷凍機は、ジュールトムソン回路で形成され冷却対象物である被冷却体２９を冷却する主冷凍回路１と、主冷凍回路１に対して予冷機能を有する予冷冷凍機として機能するパルス管冷凍機３とを組み合わせたものである。
【００３１】
図１に示すように、主冷凍回路１は、冷媒を圧送する圧送手段として機能するコンプレッサー部１１と、被冷却体２９を冷却させる冷却手段２５と、コンプレッサー部１１の高圧側の吐出ポートとして機能する高圧ガスポート１３と冷却手段２５とを連通すると共に相対的に高圧の冷媒のガスが流れる高圧通路１ａと、コンプレッサー部１１の低圧側の吸込ポートとして機能する低圧ガスポート１２と冷却手段２５とを連通すると共に相対的に低圧の冷媒のガスが流れる低圧通路１ｂと、高圧通路１ａに直列に並設され高圧通路１ａを流れる冷媒のガスを熱交換で冷却する複数個の熱交換器２１、２２、２３とを有する。
【００３２】
冷却手段２５は、被冷却体２９を熱交換により冷却させるものである。冷媒はヘリウムとされている。なお本実施例によれば、冷媒の自然対流による冷凍能力の低下を防止するため、主冷凍回路１において冷却手段２５はコンプレッサー部１１に対して鉛直下方になるように配置されている。
【００３３】
図１に示すように、熱交換器２１は、高圧通路１ａに連通する高圧ガス通路２１１と、低圧通路１ｂに連通するリターン側の低圧ガス通路２１２とを有する。この熱交換器２１は、高圧ガスと低圧ガスとが逆方向に流れる向流型の熱交換器であり、高圧ガス通路２１１を流れる冷媒と低圧ガス通路２１２を流れる冷媒とは互いに熱交換される。この熱交換器２１によれば、高圧ガス通路２１１を流れる冷媒のガス、低圧ガス通路２１２を流れる冷媒のガスの圧力を積極的に低下させるものではない。
【００３４】
また熱交換器２２は、高圧通路１ａに連通する高圧ガス通路２２１と、低圧通路１ｂに連通するリターン側の低圧ガス通路２２２とを有する。この熱交換器２２は、高圧ガスと低圧ガスとが逆方向に流れる向流型の熱交換器であり、高圧ガス通路２２１を流れる冷媒と低圧ガス通路２２２を流れる冷媒とは互いに熱交換される。この熱交換器２２によれば、高圧ガス通路２２１を流れる冷媒のガス、低圧ガス通路２２２を流れる冷媒のガスの圧力を積極的に低下させるものではない。
【００３５】
本実施例を特徴づける熱交換器２３は、高圧通路１ａに連通する高圧ガス通路２３１と、低圧通路１ｂに連通するリターン側の低圧ガス通路２３２とを有する。この熱交換器２３は、高圧ガス通路２３１を流れる冷媒のガスの圧力を積極的に低下させる圧損促進型である。この熱交換器２３は、高圧ガスと低圧ガスとが逆方向に流れる向流型の熱交換器であり、高圧ガス通路２３１を流れる冷媒と低圧ガス通路２３２を流れる冷媒とは互いに熱交換される。この熱交換器２３によれば、高圧ガス通路２３１を流れる冷媒のガスの圧力を積極的に低下させるものの、低圧ガス通路２３２を流れる冷媒のガスの圧力を積極的に低下させるものではない。
【００３６】
図１に示すように、高圧通路１ａにおいて、熱交換器２１〜２３のうち最も上流側の熱交換器２１の上流には、冷媒抵抗器として機能できるニードル弁構造の弁１５が設けられている。また、高圧通路１ａにおいて、熱交換器２１〜２３のうち最も下流側の熱交換器２３の下流と冷却手段２５の間には、冷媒抵抗器として機能できるジュールトムソン弁２４が設けられている。
【００３７】
このように圧損促進型の熱交換器２３は、高圧通路１ａ側の最後の熱交換器であり、冷却体冷却手段２５及びジュールトムソン弁２４に最も近いものである。なお、弁１５、ジュールトムソン弁２４は、流路径を小さくした絞り孔を有するものの、流路長は短いものである。
【００３８】
図１に示すように、コンプレッサー部１１は冷媒のガスを圧縮する機能をもつものであり、２．４ＭＰａの冷媒の高圧ガスを吐出する高圧ガスポート１３と、１ＭＰａの冷媒の中圧ガスを吸い込む吸込ポートとしての中圧ガスポート１４と、０．１ＭＰａの冷媒の低圧ガスを吸い込む低圧ガスポート１２とを有する。
【００３９】
冷媒のガスは、コンプレッサー部１１の駆動により、高圧ガスポート１３から主冷凍回路１に向けて流出し、分岐点１ｓを経て、弁１５、高圧通路１ａの熱交換器２１の高圧ガス通路２１１、熱交換器２２の高圧ガス通路２２１、熱交換器２３の高圧ガス通路２３１を順に流れ、更に、ジュールトムソン弁２４を経て、冷却手段２５に至り、被冷却体２９を冷却させる。なお、冷却手段２５では４．２Ｋ程度の冷却能力を実現できる。冷却手段２５は長い配管をもち、被冷却体２９を冷却する。被冷却体２９を冷却した冷媒は、リターンし、低圧通路１ｂの熱交換器２３の低圧ガス通路２３２、熱交換器２２の低圧ガス通路２２２、熱交換器２１の低圧ガス通路２１２を順に流れ、コンプレッサー部１１の低圧ガスポート１２に帰還する。
【００４０】
パルス管冷凍機３は主冷凍回路１に対して予冷冷凍機として機能するものであり、温度が８０Ｋとなる相対的に高温側の第１コールドヘッド３１と、温度が１２Ｋとなる相対的に低温側の第２コールドヘッド３２とを有する。パルス管冷凍機３は、吐出通路である高圧通路３ａ及び分岐点１ｓを経てコンプレッサー部１１の高圧ガスポート１３に接続されていると共に、吸込通路である中圧通路３ｅを経て中圧ガスポート４に接続されている。
【００４１】
図１に示すように、パルス管冷凍機３は、第１蓄冷器３３、第１パルス管３４、第２蓄冷器３５、第２パルス管３６、弁やバッファやその他を含む室温領域のユニット３７とをもつ。コンプレッサー部１１の駆動により、ガス状の冷媒は、コンプレッサー部１１の高圧ガスポート１３から分岐点１ｓを経てパルス管冷凍機３に向けて送給され、中圧ガスポート１４に帰還する。この結果、パルス管冷凍機３は、第１コールドヘッド３１および第２コールドヘッド３２において冷却能力を生じる。第１ステージである第１コールドヘッド３１は、ジュールトムソン回路である主冷凍回路１の第１予冷部１ｅを予冷するためのものである。第２ステージである第２コールドヘッド３２の冷却能力は、ジュールトムソン回路である主冷凍回路１の第２予冷部１ｆを予冷する。なお、冷媒の自然対流による冷凍能力の低下を防止するために、パルス管冷凍機３において第２コールドヘッド３２及び第１コールドヘッド３１はユニット３７に対して鉛直下方になるように配置されている。
【００４２】
更に説明を加えると、図１において、コンプレッサー部１１の高圧ガスポート１３から吐出された高圧通路１ａを流れる冷媒の高圧ガスは、熱交換器２１の高圧ガス通路２１１を通過し、第１コールドヘッド部３１で予冷されている第１予冷部１ｅを通過し、８０Ｋ程度の温度まで冷却される。更に、高圧通路１ａを流れる高圧ガスは、熱交換器２２の高圧ガス通路２２１を通過し、第２コールドヘッド３２で予冷されている第２予冷部１ｆを通過し、１２Ｋ以上の温度まで冷却される。このようにして高圧通路１ａを流れる冷媒のガスは、第２予冷部１ｆにより１２Ｋの温度近くまで冷却された状態で、冷却手段２５に最も近い側の最後の熱交換器２３の高圧ガス通路２３１に流入し、更に、熱交換器２３のリターン側である低圧ガス通路２３２を流れる冷媒のガスにより５Ｋ付近に冷却される。
【００４３】
更に、熱交換器２３の高圧ガス通路２３１を吐出した冷媒のガスは、ジュールトムソン弁２４を通過し、ジュールトムソン弁２４により、ヘリウムを液化する圧力（０．１ＭＰａ）まで減圧される。この結果、冷媒の液化が進行し、液体ヘリウムが生成される。
【００４４】
本実施例によれば、複数個の熱交換器２１、２２、２３のうち、冷却手段である冷却手段２５に最も近い側の熱交換器２３を、圧損促進型の熱交換器としている。以下に、圧損促進型の熱交換器２３の代表的な作動形態を示す。熱交換器２３は冷媒の流量が１ｇ／ｓの条件付近において良好に機能するように設定されている。前記したように最後の熱交換器２３は、高圧ガス通路２３１とリターン側の低圧ガス通路２３２をもつ。熱交換器２３の高圧ガス通路２３１に流入する前の冷媒のガスの圧力は約２．４ＭＰａである。冷媒のガスが熱交換器２３の高圧ガス通路２３１に流入する前に、パルス管冷凍機３の第２コールドヘッド３２、第２予冷部１ｆによって約１２Ｋまで冷却される。本実施例によれば、冷媒の液化は約０．１ＭＰａ（ゲージ圧で０気圧）で行われる。なお、０．１ＭＰａとした理由は、配管における外気進入の防止を考慮して、大気圧と相応させるためである。このため本実施例によれば、低圧ガス通路２３２に流入する前の冷媒の圧力は約０．１ＭＰａである。０．１ＭＰａにおけるヘリウムの沸点は、４．２１Ｋである。
【００４５】
熱交換器２３のうち低温端側をコールドエンドという。熱交換器２３のうち高温端側をホットエンドという。本実施例によれば、熱交換器２３において低圧ガスの寒冷が高圧ガスの冷却に有効に利用されるため、熱交換器２３のうちホットエンドにおける高圧ガス通路２３１と低圧ガス通路２３２との温度差を、約０．２Ｋにでき、大変優れた熱交換器２３を使用することができる。
【００４６】
ジュールトムソン弁２４は流路径は非常に小さく、冷凍物等の固体不純物によって塞がれ易い性質をもつ。本実施例によれば、ジュールトムソン弁２４は単なる最後の調整のために用いられている。すなわち、ジュールトムソン弁２４は冷媒のガスの圧力降下の最後の調整のために有用である。もし、圧損促進型の熱交換器２３によって冷媒のガスの圧力の大きな低下が得られる場合には、後述する他の実施例のように、ジュールトムソン弁２４を廃止することもできる。故に、圧損促進型の熱交換器２３の高圧ガス通路２３１における圧力降下をできるだけ大きくすることがより望ましい。熱交換器２３の高圧ガス通路２３１が冷媒の圧力を充分に低下させることができるときには、ジュールトムソン弁２４の流路径を増加させることにより、ジュールトムソン弁２４における圧力降下の役割を大幅に減少させることができ、ジュールトムソン弁２４の流路が固体不純物によって塞がれる不具合を抑制できる。
【００４７】
前記したようにジュールトムソン弁２４の流路径は、固体不純物によって流路が塞がれるように、非常に小さいものである。本実施例に係る熱交換器２３は圧損促進型であるといえども、高圧ガス通路２３１の流路径は、ジュールトムソン弁２４の流路径よりもかなり大きい。このため熱交換器２３の高圧ガス通路２３１の流路が固体不純物により塞がれる可能性は、大幅に減少する。
【００４８】
本実施例によれば、熱交換器２３においては、高圧ガス通路２３１のうちジュールトムソン弁２４に近い下流部分（圧損通路）は、高い圧力降下を発生できるように小さい流路径をもつ長細い管で形成することができる。従って、熱交換器２３の高圧ガス通路２３１のうち下流部分は、非常に小さい圧力降下を実現できるように、小さい流路径を有する。なお本実施例によれば、高圧ガス通路２３１のうち上流部分の内径は３ミリメートルであり、高圧ガス通路２３１のうち下流部分の内径は上流部分の内径よりも小さく設定されており、１ミリメートルである。
【００４９】
流量が１ｇ／ｓの条件で作動する熱交換器２３の例について説明を更に加える。本実施例によれば、熱交換器２３の高圧ガス通路２３１に流入する前の冷媒のガスの圧力は、約２．４ＭＰａである。熱交換器２３の高圧ガス通路２３１に流入する前に、冷媒は、パルス管冷凍機３の第２コールドヘッド３２によって約１２Ｋに冷却されている。熱交換器２３の低圧ガス通路２３２の冷媒は低圧であり、約０．１ＭＰａである。０．１ＭＰａにおけるヘリウムガスの沸点（液化温度）は４．２１Ｋである。
【００５０】
図２は代表例を示す。図２の特性線Ｗは、本実施例に係る圧損促進型の熱交換器２３の高圧ガス通路２３１における冷媒のガスの圧力変化を示す。図２の横軸は、熱交換器２３の高圧ガス通路２３１における相対位置を示す。図２の縦軸は、熱交換器２３の高圧ガス通路２３１における冷媒の圧力を示す。
【００５１】
また図３の特性線Ｘ１は、圧損促進型の熱交換器２３の高圧ガス通路２３１における冷媒の高圧ガスの温度変化を示す。図３の特性線Ｘ２は、圧損促進型の熱交換器２３の低圧ガス通路２３２における冷媒の低圧ガスの温度変化を示す。図３の横軸は、圧損促進型の熱交換器２３の高圧ガス通路２３１、低圧ガス通路２３２における相対位置を示す。図３の縦軸は、圧損促進型の熱交換器２３の高圧ガス通路２３１及び低圧ガス通路２３２における冷媒の温度を示す。
【００５２】
本実施例によれば、図２の矢印Ｗ１に示すように、熱交換器２３の高圧ガス通路２３１のうちの相対的に高温側の上流部分では、冷媒のガスの圧力はほとんど低下しない。しかし図２の途中部位Ｗ３以降の領域Ｗ２に示すように、熱交換器２３の高圧ガス通路２３１の領域Ｗ２において、熱交換器２３の高圧ガス通路２３１のうちの下流に進行するにつれて、冷媒の圧力を連続的に次第に低下させている。この結果、熱交換器２３の高圧ガス通路２３１を吐出した冷媒の圧力は、図２の特性線Ｗの右端Ｗ４に示すように、約０．２７ＭＰａとなる。
【００５３】
すなわち、熱交換器２３の高圧ガス通路２３１において冷媒のガスの圧力は、約２．４ＭＰａから約０．２７ＭＰａに低下しており、熱交換器２３の高圧ガス通路２３１において冷媒のガスの圧力は、約２．４ＭＰａから約０．２７ＭＰａに低下している。つまり圧損促進型の熱交換器２３における圧力低下は２．１３ＭＰａである（２．１３ＭＰａ＝２．４ＭＰａ−０．２７ＭＰａ）。
【００５４】
ここで、圧損促進型の熱交換器２４に流入する前の冷媒の圧力をＰｈ（Ｐｈ＝約２．４ＭＰａ）とし、冷却手段２５に流入する前の冷媒の圧力をＰｃ（Ｐｃ＝約０．１ＭＰａ）とすると、ＰｈとＰｃとの圧力の差ΔＰは２．３ＭＰａ（２．３ＭＰａ＝２．４ＭＰａ−０．１ＭＰａ）である。そしてΔＰを１００％としたときには、圧損促進型の熱交換器２３は、１００％のうちの約９３％の比率で冷媒の圧力を低下させている（２．１３ＭＰａ／２．３ＭＰａ×１００％≒９３％）。
【００５５】
更に説明を加える。図２は、上記したように熱交換器２３の高圧ガス通路２３１においては、冷媒のガスの圧力は２ＭＰａ〜２．３ＭＰａ程度低下することを示している。図２に示すように、途中部位Ｗ３からの圧力降下はほとんど線形とすることができる。
【００５６】
図３は、前述したように、熱交換器２３の高圧ガス通路２３１を流れる高圧ガスと、熱交換器２３の低圧ガス通路２３２を流れる低圧ガスとの温度分布を示す。図３に示すように、高圧ガス通路２３１を流れる高圧ガスについては、圧力が減少するために、温度７Ｋあたりにおいて、冷媒の温度が増加していることがわかる。これは熱移動のためには非常によいと考えられる。
【００５７】
図３の特性線Ｘ１、Ｘ２に示すように、熱交換器２３の高圧ガス通路２３１において冷媒のガスの温度は、約１２Ｋから５Ｋに低下している。つまり熱交換器２３における温度低下は約７Ｋである。
【００５８】
ここで、圧損促進型の熱交換器２４に流入する前の冷媒の温度をＴｈ（Ｔｈ＝約１２Ｋ）とし、冷却手段に流入する前の冷媒の温度をＴｃ（Ｔｃ＝４．２Ｋ）とすると、ＴｈとＴｃとの温度の差ΔＴは７．８Ｋ（７．８Ｋ＝１２Ｋ−４．２Ｋ）である。そしてΔＴを１００％としたときには、圧損促進型の熱交換器２３は、１００％のうちの９０％の比率で冷媒の温度を低下させている（７Ｋ／７．８Ｋ×１００％≒９０％）。
【００５９】
更に図４を参照して説明を加える。図４は、冷媒（ヘリウム）に関する温度−エントロピー相図を示す。図４に示す山形形状をなす特性線ａ１０−ｃ．ｐ．−ａ１１は、冷媒（ヘリウム）の液相及び気相が共存する共存領域の相境界線を示す。図４に示す特性線ａ９−ａ８−ａ５は、０．１ＭＰａの圧力における２相線を示す。２相線においては、Ｌは冷媒の液相の割合を示し、Ｇは冷媒の気相の割合を示す。特性線ａ１−ａ２−ａ７は等圧線を意味する。特性線ａ５−ａ５’−ａ６は等圧線を意味する。
【００６０】
本実施例によれば、冷媒の高圧ガスは、熱交換器２３の高圧ガス通路２３１において、ほとんど一定の圧力２．４ＭＰａのまま、ａ１点からａ２点まで等圧状態で冷却される。従って、ａ２点は、熱交換器２３の高圧ガス通路２３１における圧力低下開始点を意味する。ａ２点以降においては、熱交換器２３の高圧ガス通路２３１の冷媒の圧力は連続的に０．２７ＭＰａまで低下する（図２参照）。このためａ２点（冷媒の圧力：２．４ＭＰａ）からａ３点（冷媒の圧力：０．２７ＭＰａ）に至る。ａ３点は、熱交換器２３の高圧ガス通路２３１の出口に相当する。
【００６１】
更に図４において、冷媒のガスは、ａ３点からａ４点に至る。ａ４点における圧力が０．１ＭＰａとなるように、冷媒のガスは圧力を減少させながらジュールトムソン弁２４を通過する。ａ４点では、冷媒は液化され、冷媒は液体ヘリウムとヘリウムガスとの共存領域となる。この場合、ａ４点〜ａ９点が冷媒の気相の割合に相当し、ａ４点〜ａ５点が冷媒の液相の割合に相当するため、重量比でヘリウムガスの割合は約２０％、液体ヘリウムの割合は約８０％と考えられる。このように本実施例によれば、冷媒である液体ヘリウムの割合が多くなるため、冷却手段２５の冷却能力を向上させることができる。本実施例の場合の冷凍能力は１７．６Ｗである。
【００６２】
そして、冷却手段２５における液体ヘリウムは、被冷却体の熱を吸収しつつ、ａ４点からａ５点に至る。ａ５点では、冷媒であるヘリウムはすべてガスとなる。最終的に０．１ＭＰａのまま、ａ５−ａ６線を通り、１２Ｋ近くまで温度が上昇する。
【００６３】
比較例として、熱交換器２３の高圧ガス通路２３１においては圧力降下がない場合（図２において特性線ＷＡ相当）を示す。この比較例では、図４において冷媒の高圧ガスはほとんど圧力降下のないまま、ａ１点からａ２点を経て、温度約４．４Ｋのａ７点まで冷却される。ジュールトムソン弁２４によりａ７ーａ８線に沿って圧力が減少される。ａ８点において、冷媒は、０．１ＭＰａのヘリウムガスと液体ヘリウムとの共存領域となる。この場合、ａ８点〜ａ９点が冷媒の気相の割合に相当し、ａ８点〜ａ５点が冷媒の液相の割合に相当するため、重量比で、ヘリウムガスの割合は６０％、液体ヘリウムの割合は４０％と考えられる。このように比較例では液体ヘリウムの割合は少ない。比較例においても実施例と同様に、被冷却体２９から液体ヘリウムは熱を吸収し、冷却手段２５において、ａ５ーａ６線に沿って、１０Ｋ以上まで冷媒の温度が上昇する。
【００６４】
上記した記載は、本実施例の作動メカニズムの説明の一例である。
【００６５】
また上記した実施例によれば、熱交換器２３の高圧ガス通路２３１に流入する前のヘリウムガスの圧力（熱交換器２３の高圧ガス通路２３１のホットエンドの冷媒の圧力）は２．４ＭＰａとされているが、これに限定されるものではなく、例えば、１．６ＭＰａ、３．０ＭＰａとすることができる。また、熱交換器２３の高圧ガス通路２３１から吐出した冷媒の圧力（熱交換器２３の高圧ガス通路２３１のコールドエンドの冷媒の圧力）は０．２７ＭＰａにされているが、これに限定されるものではなく、例えば、０．１ＭＰａ、０．８ＭＰａとすることができる。なお本実施例によれば、熱交換器２３の高圧ガス通路２３１のコールドエンド（図２の矢印Ｗ４で示す部位）において、冷媒の高圧ガスの圧力は０．８５ＭＰａ以下とするのがよい。熱交換器２３において、低圧ガスの寒冷を高圧ガスの冷却に有効に利用するためである。
【００６６】
熱交換器２３の高圧ガス通路２３１における圧力降下は、２ＭＰａ以上に限定されるものではない。もし、熱交換器２３の高圧ガス通路２３１における圧力降下が小さければ、ジュールトムソン弁２５での圧力降下を大きくする必要があり、ジュールトムソン弁２５の流路径を小さくする必要がある。
【００６７】
また上記した実施例によれば、熱交換器２３の高圧ガス通路２３１に流入する前のヘリウムガスの温度（熱交換器２３の高圧ガス通路２３１のホットエンドの冷媒の温度）は１２Ｋとされているが、これに限定されるものではなく、例えば、８Ｋ、１６Ｋとすることができる。熱交換器２３の高圧ガス通路２３１から吐出した冷媒の温度（熱交換器２３の高圧ガス通路２３１のコールドエンドの圧力）は４．２１Ｋとされているが、これに限定されるものではなく、例えば、２．５Ｋ、４．５Ｋとすることができる。なお熱交換器２３のホットエンドにおいて、高圧ガス通路２３１と低圧ガス通路２３２と温度差が０．２Ｋよりも高くなると、冷却能力は減少してしまうおそれがある。
【００６８】
なお本実施例によれば、ＰｈとＰｃとの圧力の差ΔＰは２．３ＭＰａであり、そしてΔＰを１００％としたときには、圧損促進型の熱交換器２３は、１００％のうちの約９３％の比率で冷媒の圧力を低下させているが、これに限らず、８０％以上の比率、６０％以上の比率、４０％以上の比率で冷媒の圧力を低下させることにしても良い。
【００６９】
本実施例に係る圧損促進型の熱交換器２３の高圧ガス通路２３１における冷媒のガスの圧力変化は、前述したように、図２の特性線Ｗに示す形態であるが、これに限らず、図２の特性線Ｗ６に示す形態のように、熱交換器２３の高圧ガス通路２３１のホットエンドからコールドエンドにかけて冷媒の圧力を連続的に低下させることにして良い。
【００７０】
ところで、ジュールトムソン弁２４を有するジュールトムソン回路で形成された主冷凍回路１では、冷媒の高圧側のガスの圧力は１．２〜１．７ＭＰａ程度が好ましい。これに対してパルス管冷凍機３における冷媒の高圧側のガスの圧力は、主冷凍回路１における冷媒の高圧側のガスの圧力よりも高く、２．０〜３．０ＭＰａ程度が好ましい。更に本実施例によれば、図１に示すように、コンプレッサー部１１を主冷凍回路１及び予冷冷凍機であるパルス管冷凍機３とで共用し、コンプレッサー部１１の高圧ガスポート１３から吐出された冷媒を、主冷凍回路１機の高圧通路１ａ及びパルス管冷凍機３の高圧通路３ａの双方に送給する方式を採用している。
【００７１】
このような共用方式が採用されている場合には、コンプレッサー部１１の高圧ガスポート１３から吐出される冷媒の圧力を、パルス管冷凍機３における高圧通路３ａの適切な冷媒圧に適合させることが好ましい。このため、コンプレッサー部１１の高圧ガスポート１３から吐出されるガス状の冷媒の圧力を２ＭＰａ以上（２．４ＭＰａ）に設定している。しかしパルス管冷凍機３に適合する冷媒のガスの高圧側の圧力は、ジュールトムソン回路で形成された主冷凍回路１としては高過ぎる。このようにコンプレッサー部１１の高圧ガスポート１３から吐出されるガス状の冷媒の圧力を２ＭＰａ以上と高めに設定しているため、圧損促進型の熱交換器２３で冷媒のガスの圧力を大きく低下させるのに都合が良い。
【００７２】
（圧損促進型の熱交換器２３の形態例）
以下、上記した圧損促進型の熱交換器２３の形態例について、図５〜図１５を参照して説明を加える。図５〜図１５に示す熱交換器は、図２において冷媒のガスの圧力を低下させる領域Ｗ２の熱交換器部分を示すものである。
【００７３】
（形態例１）
図５に示す圧損促進型の熱交換器２３Ｃは、高圧通路１ａに連通する圧損通路１００Ｃを有する相対的に小径の金属製の第１パイプ２０１を、相対的に大径の金属製の第２パイプ２０２に内挿し、そして、第２パイプ２０２を第１パイプ２０１と共にスパイラル状に巻回することにより形成されている。圧損通路１００Ｃは、前記した高圧ガス通路２３１に相当する。
【００７４】
第１パイプ２０１の内径である圧損通路１００Ｃの流路径は、例えば０．１〜１５ミリメートルにでき、殊に０．１〜５ミリメートル、０．２〜２ミリメートルに設定することができる。第１パイプ２０１の内径にもよるが、圧損通路１００の長さは０．１〜２００メートル、殊に０．２〜２０メートル、０．２〜２メートルに設定することができる。
【００７５】
第１パイプ２０１と第２パイプ２０２との隙間は、低圧通路１ｂに連通する低圧ガス通路２３２とされている。圧損通路１００Ｃは高圧ガス入口１０３及び高圧ガス出口１０４をもつ。低圧ガス通路２３２は低圧ガス入口２３３及び低圧ガス出口２３４をもつ。圧損通路１００を流れる高圧ガスは、冷却手段２５から帰還すると共に低温の低圧ガス通路２３２を流れる冷媒の低圧ガス（熱交換媒体）と熱交換して冷却される。この熱交換器２３Ｃによれば、圧損通路１００Ｃを流れる冷媒の圧力をかなり低下させつつ、圧損通路１００Ｃを流れる冷媒を冷却することができ、本発明で使用できる圧損促進型の熱交換器を提供することができる。しかも熱交換器２３Ｃはスパイラル構造であるため、熱交換器２３Ｃの軸長の短縮化に貢献できる。
【００７６】
（形態例２）
図６、図７に示す圧損促進型の熱交換器２３Ｄは、高圧通路１ａに連通する圧損通路１００Ｄを有するパイプをスパイラル状に多重に巻回して形成されたスパイラル管２０４Ｄと、スパイラル管２０４Ｄを収容する低圧ガス通路２３２Ｄをもつ基体２３６Ｄとで形成されている。圧損通路１００Ｄは高圧ガス入口１０３及び高圧ガス出口１０４をもつ。基体２３６Ｄは、冷却手段２５から帰還した低温の低圧ガスが流入する低圧ガス入口２３３及び低圧ガス出口２３４をもつ。
【００７７】
図７（Ａ）に示すように、スパイラル管２０４Ｄの内側の高圧ガス入口１０３から圧損通路１００Ｄに流入したガスは、スパイラル管２０４Ｄの中心側から外周側に向けて矢印Ｒ１方向に流れる。
【００７８】
更に、図７（Ｂ）に示すように、冷媒は、スパイラル管２０４Ｄの外側の高圧ガス入口１０３から圧損通路１００Ｄに流入し、スパイラル管２０４Ｄの外周側から中心側に向けて矢印Ｒ２方向に流れる。更に図７（Ｃ）に示すように、冷媒は、スパイラル管２０４Ｄの内側の高圧ガス入口１０３から圧損通路１００Ｄに流入し、スパイラル管２０４Ｄの中心側から外周側に向けて矢印Ｒ３方向に流れる。
【００７９】
このように各スパイラル管２０４Ｄを中心から外周側に流れるスパイラル流路と、各スパイラル管２０４Ｄを外周側から中心側に流れるスパイラル流路とを交互に繰り返すことにより、基体２３６Ｄの長さＬを抑制しつつ圧損通路１００Ｄの流路長さを増加させることができる。圧損通路１００Ｄの流路径は０．１〜５ミリメートル、長さは１〜２００メートルに設定することができる。
【００８０】
圧損通路１００Ｄを流れる高圧ガスは、冷却手段２５から帰還した低温の低圧ガス通路２３２Ｄを流れる低圧ガス（熱交換媒体）と熱交換して冷却される。
【００８１】
図６に示すように、積層方向に隣設するスパイラル管２０４Ｄ間には、低圧ガスが流れる流路２０５が形成されており、熱交換性を高めている。
【００８２】
この熱交換器２３Ｄによれば、圧損通路１００Ｄを流れる冷媒の圧力をかなり低下させつつ、圧損通路１００Ｄを流れる冷媒を冷却することができ、本発明で使用できる圧損促進型の熱交換器を提供することができる。
【００８３】
更に図８に示すように、スパイラル管２０４Ｄを形成するパイプの外周面に、細径のワイヤー状のスペーサ部材２０６を巻回しておくこともできる。この場合、スペーサ部材２０６が設けられているため、積層方向に隣設するスパイラル管２０４間には、低圧ガスが流れる流路２０５が形成され易くなり、熱交換性を更に高めることができる。スペーサ部材２０６としては熱伝導性が良好な銅等の金属で形成することが好ましい。なお、スペーサ部材２０６として、スパイラル管２０４の外周面に突起を形成しても良い。
【００８４】
（形態例３）
図９に示す熱交換器２３Ｅは、高圧通路１ａに連通する圧損通路１００Ｅを有するパイプをスパイラル状に多重に連続的に巻回して形成されたスパイラル管２０４Ｅと、スパイラル管２０４Ｅ間に介在する熱伝導性が良好な銅等の金属で形成された網状部材２１１と、スパイラル管２０４Ｅ及び網状部材２１１Ｅとを収容する低圧ガス通路２３２Ｅをもつ基体２３６Ｅとで形成されている。低圧ガス通路２３２Ｅは、冷却手段２５から帰還した低温の低圧ガスが流れる。圧損通路１００Ｅの流路径は例えば０．１〜５ミリメートル、長さは１〜２００メートル、殊に５〜１００メートル、５〜５０メートルに設定することができる。
【００８５】
圧損通路１００Ｅは高圧ガス入口１０３及び高圧ガス出口１０４をもつ。基体２３６Ｅは、冷却手段２５から帰還した低温の低圧ガスが流入する低圧ガス入口２３３及び低圧ガス出口２３４をもつ。
【００８６】
スパイラル管２０４Ｅの高圧ガス入口１０３から圧損通路１００Ｅに流入したガスは、高圧ガス出口１０４から吐出される。このとき、圧損通路１００Ｅに流入した高圧ガスは、低圧ガス通路２３２Ｅを流れる低温の低圧ガスにより熱交換されて冷却される。積層方向に隣設するスパイラル管２０４間には、網状部材２１１Ｅにより低圧ガスが流れる流路２０７が形成されており、しかも網状部材２１１Ｅは銅等の熱伝導性が良好な金属で形成されていると共に、網目にガスが通るため、熱交換性を高めている。
【００８７】
この熱交換器２３Ｅによれば、圧損通路１００Ｅを流れる冷媒の圧力をかなり低下させつつ、圧損通路１００Ｅを流れる冷媒を冷却することができ、本発明で使用できる圧損促進型の熱交換器を提供することができる。
【００８８】
（形態例４）
図１０に示す熱交換器２３Ｆは、高圧通路１ａに連通する圧損通路１００Ｆを有するパイプをスパイラル状に多重に連続的に巻回して形成されたスパイラル管２０４Ｆと、スパイラル管２０４Ｆを収容する低圧ガス通路２３２Ｆをもつ基体２３６Ｆとで形成されている。スパイラル管２０４Ｆを形成するパイプの外周面には熱交換促進用のフィン２０８が設けられている。フィン２０８は熱伝導性が良好な銅等の金属で形成されている。抵抗体２０９を上記パイプ内に多数詰めることにより、圧損通路１００Ｆは多孔質状に形成されている。抵抗体２０９は、冷媒のガスの流れに対して抵抗性を有すると共に熱伝導性が良好な銅等の金属で形成されている。抵抗体２０９としては球状物等を例示できる。抵抗体２０９のサイズを変更すれば、圧損通路１００Ｆの圧損程度を調整できる。圧損通路１００Ｆの流路径は０．０１〜３ミリメートル、その長さは０．１〜２００メートルに設定することができる。
【００８９】
冷却手段２５から帰還した低温の低圧ガスが基体２３６Ｆの低圧ガス通路２３２Ｆを流れる。このとき圧損通路１００Ｆを流れる高圧のガスは、低圧ガス通路２３２Ｆの低温の低圧ガスにより熱交換されて冷却される。
【００９０】
更に図１０に示すように、パイプに形成された熱交換促進用のフィン２０８により熱交換性が一層促進されている。抵抗体２０９としては球状物等が熱伝導性の良好な銅等の金属で形成されていれば、圧損通路１００Ｆの圧損を大きくすると共に熱交換性を高めることができる。
【００９１】
この熱交換器２３Ｆによれば、圧損通路１００Ｆを流れる冷媒の圧力をかなり低下させつつ、圧損通路１００Ｆを流れる冷媒を冷却することができ、本発明で使用できる圧損促進型の熱交換器を提供することができる。
【００９２】
（形態例５）
図１１に示す圧損促進型の熱交換器２３Ｇは、外筒状の基体２３６Ｇと、基体２３６Ｇ内に配設された内側部材としての内筒２３７Ｇと、内筒２３７Ｇ内に配置された円柱形状の通路形成部材２３５Ｇと、基体２３６Ｇと内筒２３７Ｇとの間に配設された低圧ガス通路２３２Ｇ内に配設された熱伝導促進部材２３８Ｇとで形成されている。熱伝導促進部材２３８Ｇは、熱伝導性が良好な銅等の金属で形成されており、流路を形成するように網状とされている。内筒２３７Ｇの内周面と通路形成部材２３５Ｇの外周面とで、リング形状の圧損通路１００Ｇが形成されている。圧損通路１００Ｇは、通路形成部材２３５Ｇに形成された高圧ガス入口１０３及び高圧ガス出口１０４をもつ。基体２３６Ｇは低圧ガス入口２３３及び低圧ガス出口２３４をもつ。
【００９３】
圧損通路１００Ｇの高圧ガス入口１０３から圧損通路１００Ｇに流入した高圧ガスは、高圧ガス出口１０４から吐出される。冷却手段２５から帰還した低温の低圧ガスは、低圧ガス入口２３３から低圧ガス通路２３２Ｇに流れ、低圧ガス出口２３４から吐出される。このとき、圧損通路１００Ｇに流入した高圧ガスは、低圧ガス通路２３２Ｇを流れる低温の低圧ガスにより熱交換されて冷却される。熱伝導促進部材２３８Ｇにより熱交換性が更に促進されている。この熱交換器２３Ｇによれば、圧損通路１００Ｇを流れる冷媒の圧力をかなり低下させつつ、圧損通路１００Ｇを流れる冷媒を冷却することができ、本発明で使用できる圧損促進型の熱交換器を提供することができる。
【００９４】
（形態例６）
図１２に示す圧損促進型の熱交換器２３Ｈは、外筒状の基体２３６Ｈと、基体２３６Ｈ内に配設された内筒２３７Ｈと、内筒２３７Ｈ内に配置された円柱形状の通路形成部材２３５Ｈと、基体２３６Ｈと内筒２３７Ｈとの間に配設された低圧ガス通路２３２Ｈ内に配設された熱伝導促進部材２３８Ｈとで形成されている。熱伝導促進部材２３８Ｈは、熱伝導性が良好な銅等の金属で形成され、且つ、流路を形成するように網状とされている。
【００９５】
通路形成部材２３５Ｈの外周面には、スパイラル溝状の圧損通路１００Ｈが連続的に形成されている。圧損通路１００Ｈは、通路形成部材２３５Ｈに形成された高圧ガス入口１０３及び高圧ガス出口１０４をもつ。基体２３６Ｈは低圧ガス通路２３２Ｈに連通する低圧ガス入口２３３及び低圧ガス出口２３４をもつ。
【００９６】
圧損通路１００Ｈの高圧ガス入口１０３から圧損通路１００Ｈに流入した高圧ガスは、高圧ガス出口１０４から吐出される。冷却手段２５から帰還した低温の低圧ガスは、低圧ガス入口２３３から低圧ガス通路２３２Ｈに流れ、低圧ガス出口２３４から吐出される。このとき、圧損通路１００Ｈに流入した高圧ガスは、低圧ガス通路２３２Ｈを流れる低温の低圧ガスにより熱交換されて冷却される。熱伝導促進部材２３８Ｈにより熱交換性が一層促進されている。この熱交換器２３Ｈによれば、圧損通路１００Ｈを流れる冷媒の圧力をかなり低下させつつ、圧損通路１００Ｈを流れる冷媒を冷却することができ、本発明で使用できる圧損促進型の熱交換器を提供することができる。
【００９７】
（形態例７）
図１３に示す圧損促進型の熱交換器２３Ｋは、外筒状の基体２３６Ｋと、基体２３６Ｋ内に配設された内側部材としての内筒２３７Ｋと、内筒２３７Ｋ内に配置され圧損通路１００Ｋを細孔で形成する多孔質体２３９Ｋと、基体２３６Ｋと内筒２３７Ｋとの間に配設された低圧ガス通路２３２Ｋ内に配設された熱伝導促進部材２３８Ｋとで形成されている。熱伝導促進部材２３８Ｋは、熱伝導性が良好な銅等の金属で形成されており、且つ、流路を形成するように網状とされている。ここで図１３に示すＫは符号を意味する。
【００９８】
多孔質体２３９Ｋは、間隔を隔てて積層された状態で複数個直列に配置されている。積層方向において隣設する多孔質体２３９Ｋ間には、熱伝導促進部材２３８Ｋが配置されている。この熱伝導促進部材２３８Ｋは、熱伝導性が良好な銅等の金属で形成され、且つ、流路を形成するように網状とされている。
【００９９】
高圧ガス入口１０３から圧損通路１００Ｋに流入した高圧ガスは、高圧ガス出口１０４から吐出される。冷却手段２５から帰還した低温の低圧ガスは、低圧ガス入口２３３から低圧ガス通路２３２Ｋに流れ、低圧ガス出口２３４から吐出される。このとき、圧損通路１００Ｋに流入した高圧ガスは、低圧ガス通路２３２Ｋを流れる低温の低圧ガスにより熱交換されて冷却される。熱伝導促進部材２３８により熱交換性が一層促進されている。この熱交換器２３Ｋによれば、圧損通路１００Ｋを流れる冷媒の圧力をかなり低下させつつ、圧損通路１００Ｋを流れる冷媒を冷却することができ、本発明で使用できる圧損促進型の熱交換器を提供することができる。
【０１００】
（形態例８）
図１４に示す圧損促進型の熱交換器２３Ｍは、外筒状の基体２３６Ｍと、基体２３６Ｍ内に配設された内筒２３７Ｍと、圧損通路１００Ｍを形成する径小の貫通孔を有する複数個の板状部材２４０Ｍと、基体２３６Ｍと内筒２３７Ｍとの間に配設された低圧ガス通路２３２Ｍ内に配設された熱伝導促進部材２３８Ｍとで形成されている。熱伝導促進部材２３８Ｍは、熱伝導性が良好な銅等の金属で形成され、且つ、流路を形成するように網状とされている。
【０１０１】
板状部材２４０Ｍは、間隔を隔てて並設された状態で内筒２３７Ｍ内に複数個直列に配置されている。並設方向において隣設する板状部材２４０Ｍ間には、熱伝導促進部材２３８Ｍが配置されている。この熱伝導促進部材２３８Ｍは熱伝導性が良好な銅等の金属で形成されており、且つ、流路を形成するように網状とされている。
【０１０２】
高圧ガス入口１０３から圧損通路１００Ｍに流入した高圧ガスは、高圧ガス出口１０４から吐出される。冷却手段２５から帰還した低温の低圧ガスは、低圧ガス入口２３３から低圧ガス通路２３２Ｍに流れ、低圧ガス出口２３４から吐出される。このとき、圧損通路１００Ｍに流入した高圧ガスは、低圧ガス通路２３２Ｍを流れる低圧ガスにより熱交換されて冷却される。熱伝導促進部材２３８Ｍにより熱交換性が促進されている。この熱交換器２３Ｍによれば、圧損通路１００Ｍを流れる冷媒の圧力をかなり低下させつつ、圧損通路１００Ｍを流れる冷媒を冷却することができ、本発明で使用できる圧損促進型の熱交換器を提供することができる。
【０１０３】
（形態例９）
図１５に示す圧損促進型の熱交換器２３Ｎは、外筒状の基体２３６Ｎと、基体２３６Ｎ内に配設された内筒２３７Ｎと、内筒２３７Ｎ内に複数枚積層されて配置され圧損通路１００Ｎを形成する径小の貫通孔を有する複数個の板状部材２４０Ｎと、基体２３６Ｎと内筒２３７Ｎとの間に配設された低圧ガス通路２３２Ｎ内に配設された熱伝導促進部材２３８Ｎとで形成されている。熱伝導促進部材２３８Ｎは熱伝導性が良好な銅等の金属で形成された網状とされている。板状部材２４０Ｎは、間隔を隔てて積層された状態で内筒２３７Ｎ内に複数個直列に配置されている。積層方向において隣設する板状部材２４０Ｎ間には、スペーサ部材２０６Ｎが配置されている。このスペーサ２０６Ｎは熱伝導性が良好な銅等の金属で形成することができる。
【０１０４】
高圧ガス入口１０３から圧損通路１００Ｎに流入した高圧ガスは、高圧ガス出口１０４から吐出される。このとき、圧損通路１００Ｎに流入した高圧ガスは、低圧ガス通路２３２Ｎを流れる低圧ガスにより熱交換されて冷却される。熱伝導促進部材２３８Ｎにより熱交換性が促進されている。この熱交換器２３Ｎによれば、圧損通路１００Ｎを流れる冷媒の圧力をかなり低下させつつ、圧損通路１００Ｎを流れる冷媒を冷却することができ、本発明で使用できる圧損促進型の熱交換器を提供することができる。
【０１０５】
なお、図１１〜図１５の熱交換器の形態例において、外筒状の基体の内径は２０〜２００ミリメートルにでき、内管の内径は１０〜１００ミリメートルとすることができる。
【０１０６】
（他の実施例）
第２実施例〜第４実施例を図１６〜図１８を参照して示す。第２実施例〜第４実施例は第１実施例と同様の構成であり、第１実施例と同様の作用効果を奏する。第２実施例〜第４実施例においても、圧損促進型の熱交換器２３に流入する前の冷媒の圧力をＰｈとし、冷却手段に流入する前の冷媒の圧力をＰｃとし、ＰｈとＰｃとの圧力の差を１００％としたとき、圧損促進型の熱交換器２３は、１００％のうちの５％以上の比率で冷媒の圧力を低下させつつ、冷媒を冷却させる。
【０１０７】
図１６は第２実施例を示す。第２実施例によれば、第１実施例で用いられていた低温側のジュールトムソン弁２４が廃止されているものの、常温領域に配置されている弁１５が設けられている。高温側の弁１５は、第１実施例における低温側のジュールトムソン弁２４による圧力低減機能を兼ねるように設定することができる。高温側の弁１５は、常温領域に配置されているため、操作性が良好であり、万一、詰まり等の不具合が生じてもメンテナンスは容易である。低温側のジュールトムソン弁２４が廃止されているため、低温側のジュールトムソン弁２４における詰まりの不具合を解消することができる。
【０１０８】
図１７は第３実施例を示す。第３実施例によれば、低温側のジュールトムソン弁２４及び高温側の弁１５の双方が廃止されている。低温側のジュールトムソン弁２４が廃止されているため、低温側のジュールトムソン弁２４における詰まりの不具合を解消することができる。このように低温側のジュールトムソン弁２４を廃止するにあたり、最後の熱交換器２３における冷媒の圧力低下を確保する必要がある。
【０１０９】
図１８は第４実施例を示す。第４実施例によれば、低温側のジュールトムソン弁２４が設けられているものの、高温側の弁１５は廃止されている。
【０１１０】
（その他）
上記した実施例によれば、圧送手段としてのコンプレッサー部１１を主冷凍回路１及び予冷冷凍機であるパルス管冷凍機３とで共用しているが、これに限らず、主冷凍回路１専用のコンプレッサー部、予冷冷凍機専用のコンプレッサー部を設けることにしても良い。パルス管冷凍機３は１ステージタイプでも、３ステージタイプでも良い。上記した第１実施例によれば、予冷冷凍機としてパルス管冷凍機３を用いているが、これに限らず、ギフォード・マクマホン冷凍機、ソルベイ冷凍機、ヴィルミエ冷凍機またはスターリング冷凍機としても良い。
【０１１１】
上記した実施例によれば、高圧通路１ａには熱交換器２１、２２、２３が並設されているが、極低温発生装置の用途によっては、熱交換器２２、２３としても良く、熱交換器２３のみでも良い。その他、本発明は上記した実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できるものである。発明の実施の形態、実施例に記載の語句は一部であっても、請求項に記載できるものである。
【０１１２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係るによれば、極低温を得るのに有利であり、ヘリウム等の冷媒の液化に有利な極低温発生装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例に係り、極低温発生装置の概念を示す構成図である。
【図２】圧損促進型の熱交換器の高圧ガス通路における冷媒の圧力低下の状況を示すグラフである。
【図３】圧損促進型の熱交換器の高圧ガス通路における冷媒の高圧ガス、低圧ガス通路における冷媒の低圧ガスの温度変化の状況を示すグラフである。
【図４】冷媒のエントロピーと温度との関係を示すグラフである。
【図５】形態例１に係り、圧損促進型の熱交換器の要部を示す斜視図である。
【図６】形態例２に係り、圧損促進型の熱交換器を示す断面図である。
【図７】形態例２に係り、圧損促進型の熱交換器を構成するスパイラル管を示す構成図である。
【図８】スペーサ部材をスパイラル管に取り付けた状態を示す構成図である。
【図９】形態例３に係り、圧損促進型の熱交換器を示す構成図である。
【図１０】形態例４に係り、圧損促進型の熱交換器を示す構成図である。
【図１１】形態例５に係り、圧損促進型の熱交換器を示す構成図である。
【図１２】形態例６に係り、圧損促進型の熱交換器を示す構成図である。
【図１３】形態例７に係り、圧損促進型の熱交換器を示す構成図である。
【図１４】形態例８に係り、圧損促進型の熱交換器を示す構成図である。
【図１５】形態例９に係り、圧損促進型の熱交換器を示す構成図である。
【図１６】第２実施例に係り、極低温発生装置の概念を示す構成図である。
【図１７】第３実施例に係り、極低温発生装置の概念を示す構成図である。
【図１８】第４実施例に係り、極低温発生装置の概念を示す構成図である。
【符号の説明】
図中、１は主冷凍回路、１１はコンプレッサー部（圧送手段）、１２は低圧ガスポート（吸込ポート）、１３は高圧ガスポート（吐出ポート）、１４は中圧ガスポート、２５は冷却手段、２１、２２は熱交換器、２３は圧損促進型の熱交換器、２３１は高圧ガス通路、２３２は低圧ガス通路、２４はジュールトムソン弁、３はパルス管冷凍機（予冷冷凍機）、１００は圧損通路を示す。
【図１】
2004301367.tif 000003
【図２】
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【図３】
2004301367.tif 000005
【図４】
2004301367.tif 000006
【図５】
2004301367.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
2004301367.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2004301367.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2004301367.tif 000016
【図１５】
2004301367.tif 000017
【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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