(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
装置（１）に低温冷却流体を供給する冷却システム（４０）において、
再循環装置（２）と、
低温冷却流体が通過する間に低温冷却流体と直接に接触する多孔質材料マトリクスを有する第１の受動冷蔵装置（１０１）と、
前記再循環装置（２）を前記第１の受動冷蔵装置（１０１）に流体接続する流体連通供給ラインの第１の部分（２０ａ）と、
前記第１の受動冷蔵装置（１０１）を前記装置（１）に流体接続し、前記装置（１）に対して低温冷却流体を連通させる流体連通供給ラインの第２の部分（２０ｂ）と、
前記装置（１）を前記再循環装置（２）に流体接続する流体連通戻りライン（２０ｃ）と、
前記第１及び第２の部分（２０ａ、２０ｂ）間において、前記第１の受動冷蔵装置（１０１）の下流側に直列に接続された、第２の受動冷蔵装置（１０２）と、
前記第１及び第２の受動冷蔵装置（１０１、１０２）のそれぞれを包含し且つ該第１及び第２の受動冷蔵装置（１０１、１０２）をそれぞれ第１及び第２の冷凍機（６１、６２）に熱接続する第１及び第２の熱接続装置（１１１、１１２）と
を具備する冷却システム（４０）。
【請求項２】
前記第１の受動冷蔵装置（１０１）は再生型熱交換器から構成されている請求項１記載の冷却システム（４０）。
【請求項３】
前記第１の受動冷蔵装置（１０１）の多孔質材料マトリクスは金属ワイヤメッシュの多孔質マトリクス（２１）から構成されている請求項１記載の冷却システム（４０）。
【請求項４】
前記第１の受動冷蔵装置（１０１）の多孔質材料マトリクスは金属球の多孔質マトリクス（２２）から構成されている請求項１記載の冷却システム（４０）。
【請求項５】
前記流体連通供給ラインの第１の部分（２０ａ）は、流体が第１の冷凍能力で動作している前記低温冷凍機（６１又は６２）により第１の温度まで冷却されているときは、前記受動冷蔵装置（１０１）へ連通された流体が前記受動冷蔵装置（１０１）を冷却し、前記受動冷蔵装置（１０１）に供給された流体が第２の冷凍能力で動作している前記低温冷凍機（６１又は６２）により第２の温度まで冷却されているときには、前記受動冷蔵装置（１０１）が流体を冷却するように、前記低温冷凍機（６１又は６２）により冷却された流体を前記受動冷蔵装置（１０１）へ連通させ、
前記流体連通供給ラインの第２の部分（２０ｂ）は、前記受動冷蔵装置（１０１）を前記装置（１）に流体接続し、前記装置（１）へ流体を連通させる
ことを特徴とする請求項１に記載の冷却システム（４０）。
【請求項６】
装置（１）に冷却流体を供給する方法において、
第１及び第２の低温冷凍機（６１又は６２）を利用して、前記第１及び第２の低温冷凍機（６１又は６２）が第１の冷凍能力で動作しているときは流体を第１の温度まで冷却し、前記第１及び第２の低温冷凍機（６１又は６２）が第１の冷凍能力より低い第２の冷凍能力で動作しているときには、流体を第１の温度より高い第２の温度まで冷却することと、
流体回路（２０）の一部として、前記第１及び第２の低温冷凍機（６１又は６２）により冷却された流体を、流体が通過する間に流体と直接に接触する多孔質材料マトリクスを有する第１の受動冷蔵装置（１０１）と前記第１の受動冷蔵装置（１０１）の下流側に直列に接続された、第２の受動冷蔵装置（１０２）とへ連通させ、第１の冷凍能力で動作している前記第１及び第２の低温冷凍機（６１又は６２）により流体が第１の温度まで冷却されているときは、流体が前記第１及び第２の受動冷蔵装置を冷却し、第２の冷凍能力で動作している前記第１及び第２の低温冷凍機（６１又は６２）により流体が第２の温度まで冷却されているときには、前記第１及び第２の受動冷蔵装置（１０１）が流体を冷却するようにすることと、
前記流体回路の一部として、前記第１及び第２の受動冷蔵装置から前記装置（１）へ流体を連通させることと
を含み、
前記第１及び第２の受動冷蔵装置（１０１、１０２）のそれぞれを包含し且つ該第１及び第２の受動冷蔵装置（１０１、１０２）をそれぞれ第１及び第２の冷凍機（６１、６２）に熱接続する第１及び第２の熱接続装置（１１１、１１２）によって、前記第１及び第２の受動冷蔵装置（１０１、１０２）を前記第１及び第２の冷凍機（６１、６２）でそれぞれ冷却する
ことを特徴とする方法。
【請求項７】
前記受動冷蔵装置（１１）は再生型熱交換器から構成されている請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記第２の冷蔵装置（１０２）は、低温冷却流体が通過する間に低温冷却流体と直接に接触する多孔質材料マトリクスを具備する請求項１乃至５のいずれか１項に記載の冷却システム（７０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温超伝導部品を伴う回転子を有する同期機械などの装置を冷却するための低温冷凍システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
低温冷凍機は熱負荷を冷却するために頻繁に使用されている。残念なことに、低温冷凍機（圧縮機を含む）は故障を起こしやすく、従って、定期的な修理又は交換が必要である。そのように冷凍能力が低下している期間中、冷凍システムに加わる総熱負荷を残っている冷凍能力より低くなるまで低下させない限り、冷凍機により循環される低温流体（例えば、ガス）の温度は上昇してしまう。熱負荷を縮小せずに冷却し続けなければならず、残っている冷凍能力が熱負荷より劣っている場合には、全冷凍能力が回復されるまで、追加の冷却源が必要とされる。
【０００３】
低温冷凍機により冷却できる熱負荷の一例は、同期発電機における回転子の超伝導界磁巻線である。界磁巻線は、一般に、低温のヘリウムガスを回転子中の回路を介して循環させる低温冷凍機によって極低温に保持されている。図５は、この種のシステムを概略的に示す。冷凍機が故障すると、ガスの温度は上昇し、界磁巻線はクエンチングを起こし、超伝導状態ではなくなるほど高い温度に達する可能性がある。システムがバックアップ冷凍機を含んでいたとしても、バックアップ冷凍機がかなりの冷却を行うために始動されるまでには何分もかかる。その時間中、界磁巻線は依然としてクエンチ温度に到達するおそれがある。
【０００４】
この冷凍障害の問題は、これまで、３つの方法により対処されてきた。第１の方法は熱負荷を急速に縮小する。この方法には２つの欠点がある。第１に、熱負荷の縮小は熱負荷と関連するシステムの信頼性を低下させる。例えば、熱負荷が発電機の超伝導界磁巻線である場合、発電機の出力を急速に低下させなければならず、その結果、電力供給の信頼性が失われる。また、冷却すべき物体への損傷を阻止できるほど速く熱負荷を縮小できない危険性もある。例えば、クエンチに続いて、超伝導界磁巻線の永久的な劣化が起こる危険がある。
【０００５】
冷凍障害の問題を解決する第２の方法は、冗長冷凍機を含む冷凍システムを提供するという方法である。しかし、冷凍障害に先立って冗長冷凍機が始動されない場合には、そのバックアップ冗長冷凍機がかなりの冷却を行うために始動された後、何分もの時間が経過してしまうであろう。その時間中に、界磁巻線は依然としてクエンチ温度に到達する可能性がある。あるいは、バックアップ冗長冷凍機を継続的に動作させることも可能である。この第２の方法の欠点は、余分な冷凍機を購入し、動作させるために、相当のコストアップが見込まれることである。
【０００６】
冷凍障害の問題を解決する第３の方法は、冷凍動作停止中の冷却源として液体状態の第２の冷凍剤を入れた貯蔵タンクを使用する。この方法は、液体冷凍剤を入れた貯蔵タンク９を有する冷凍システムを示す図６に概略的に示されている。液体冷凍剤は、全ての液体がガスに変化し終わるまで飽和温度より高い温度に上昇しない。このシステムは次のような欠点を有する。
【０００７】
第１に、液体貯蔵タンク及び液体冷凍剤のための追加費用が必要である。ネオンなど、液体冷凍剤によっては、非常に高価である。
【０００８】
第２に、加熱中に液体の一部は蒸気に変化する。その蒸気を液体と交換するか、又はそれを再度凝縮させるための費用が更に必要であり、複雑さも増す。
【０００９】
第３に、低いガス温度は利用可能な液体冷凍剤の飽和温度に拘束される。例えば、液体窒素の正規の飽和温度は７７．４Ｋ、液体ネオンは２７．１Ｋ、液体水素は２０．３Ｋである。従って、それらの液体を大気圧で使用する場合、低温ガスはそれらの温度の１つに限定される。液体圧力によって飽和温度を調整できるとしても、熱負荷の特性（すなわち、超伝導ワイヤ材料の特性）に対してガス温度を最適化する能力は依然として制限される。
【００１０】
第４に、条件によって余剰の冷凍能力があり、液体がその凝固点以下の温度に冷却される場合、液体の圧力は低下する。液体タンクの圧力が周囲温度より低くなると、汚染物質（空気、油、塵芥など）を吸い込む危険がある。温度を制御する方法の１つは液体用の加熱装置を追加するというものである。しかし、加熱装置を追加するには電力消費を大きくすることが必要であり、制御は更に複雑になり、機器類の費用は増し、信頼性低下の危険もある。
【特許文献１】米国特許第６６０９３８３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従って、低温冷凍機又はそれに付随する機器の修理中又は交換中に熱負荷の温度が容認できないほど上昇するのを阻止するための、非常に信頼性が高い受動的な方法／システムを提供する低温冷凍システムは依然として必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の１つの面においては、冷却システムは装置に低温冷却流体を供給する。システムは、再循環装置と、低温冷却流体が通過する間に低温冷却流体と直接に接触する多孔質材料マトリクスを有する受動冷蔵装置と、再循環装置を受動冷蔵装置に流体接続する流体連通供給ラインの第１の部分と、受動冷蔵装置を装置に流体接続し、装置に対して低温冷却流体を連通させる流体連通供給ラインの第２の部分と、装置を再循環装置に流体接続する流体連通戻りラインとを具備する。受動冷蔵装置は再生型熱交換器から構成されていても良い。多孔質材料マトリクスは金属ワイヤメッシュ、金属球又は固体鉛部材と相互に結合された固体銅部材から構成されていても良い。流体連通供給ラインの第１の部分は少なくとも１つの熱交換器を含んでいても良い。
【００１３】
本発明の別の面においては、装置に冷却流体を供給する冷却システムは、第１の冷凍能力で動作しているときは、流体を第１の温度まで冷却し、第１の冷凍能力より低い第２の冷凍能力で動作しているときには、流体を第１の温度より高い第２の温度まで冷却する低温冷凍機と、低温冷却流体が通過する間に低温冷却流体と直接に接触する多孔質材料マトリクスを有する受動冷蔵装置と、流体が第１の冷凍能力で動作している低温冷凍機により第１の温度まで冷却されているときは、受動冷蔵装置へ連通された流体が受動冷蔵装置を冷却し、流体が第２の冷凍能力で動作している低温冷凍機により第２の温度まで冷却されているときには、受動冷蔵装置が流体を冷却するように、低温冷凍機により冷却された流体を受動冷蔵装置へ連通させる流体連通供給ラインの第１の部分と、受動冷蔵装置を装置に流体接続し、装置へ流体を連通させる流体連通供給ラインの第２の部分とを具備する。受動冷蔵装置は再生型熱交換器から構成されていても良い。多孔質材料マトリクスは金属ワイヤメッシュ、金属球、又は固体鉛部材と相互に結合された固体銅部材から構成されていても良い。受動冷蔵装置は、流体が第２の温度まで冷却されているとき、低温冷凍機の冷凍能力が第１の冷凍能力に切り替えられている間に流体を冷却しても良い。
【００１４】
本発明の別の面においては、装置に冷却流体を供給する方法は、低温冷凍機を利用して、低温冷凍機が第１の冷凍能力で動作しているときは、流体を第１の温度まで冷却し、低温冷凍機が第１の冷凍能力より低い第２の冷凍能力で動作しているときには、流体を第１の温度より高い第２の温度まで冷却することと、流体回路の一部として、低温冷凍機により冷却された流体を、低温冷却流体が通過している間に低温冷却流体と直接に接触する多孔質材料マトリクスを有する受動冷蔵装置へ連通させ、第１の冷凍能力で動作している低温冷凍機により流体が第１の温度まで冷却されているときは、流体が受動冷蔵装置を冷却し、第２の冷凍能力で動作している低温冷凍機により流体が第２の温度まで冷却されているときには、受動冷蔵装置が流体を冷却するようにさせることと、流体回路の一部として、受動冷蔵装置から装置へ流体を連通させることとから成る。受動冷蔵装置は、流体が第２の温度まで冷却されているとき、低温冷凍機の冷凍能力が第１の冷凍能力に切り替えられている間に流体を冷却しても良い。
【００１５】
本発明の別の面においては、冷却システム及び方法は装置に低温冷却流体を供給する。システムは（ｉ）再循環装置と、（ｉｉ）再循環装置を装置に接続し、装置へ流体を連通させる流体連通供給ラインであって、第１の受動冷蔵装置と、第１の受動冷蔵装置の下流側に直列に接続された第２の受動冷蔵装置とを含む流体連通供給ラインと、（ｉｉｉ）装置を再循環装置に接続し、装置から再循環装置へ流体を連通させる流体連通戻りラインとを具備する。第１及び第２の受動冷蔵装置のうちの少なくとも一方は、低温冷却流体が通過している間に低温冷却流体と直接に接触する多孔質材料マトリクスを具備していても良い。多孔質材料マトリクスは金属ワイヤメッシュから成る多孔質マトリクス、金属球から成る多孔質マトリクス、又は固体鉛部材と相互に結合された固体銅部材から構成されていても良い。第１の低温冷凍機は第１の受動冷蔵装置を第１の温度まで冷却し、第２の低温冷凍機は第２の受動冷蔵装置を第１の温度とは異なる第２の温度まで冷却しても良い。第１の温度は第２の温度より高くても良い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は、熱負荷１を冷却する低温冷凍システム４０の概略図である。熱負荷１は、例えば、同期発電機の回転子の超伝導界磁巻線コイルであっても良い。以下に示す実施例は冷却流体として圧縮自在のガスを使用する低温冷凍システムを説明するが、液体などの別の冷却流体をその代わりに使用しても差し支えない。
【００１７】
冷凍システム４０は熱交換器３と、再循環圧縮機（低温冷却流体がガスである場合）、ファン又はポンプなどの再循環装置２とを含む。図１には示されていないが、信頼性を向上させるために、冗長（すなわち、バックアップ）再循環装置を再循環装置２と並列に接続することが可能である。再循環装置２は温暖のガス（例えば、３００°Ｋ）を圧縮し、それを熱交換器３に供給する。再循環装置２は冷却流体の貯蔵容器を含んでいても良い。熱交換器３は再循環装置２から受け取ったガスを、圧縮ガスから熱負荷１から戻って来るガスへ熱を伝達することにより極低温まで冷却する。
【００１８】
ガスは再循環装置２によりガス回路２０を通して再循環される。ガス回路２０は部分２０ａ及び２０ｂを含む流体供給ラインと、流体戻りライン２０ｃとを含む。ガス回路２０の供給ラインの部分２０ａは再循環装置２から熱交換器３へ圧縮ガスを連通させる。供給ラインの部分２０ａは、更に、熱交換器３から熱交換器８の冷却コイルへ低温圧縮ガスを搬送する。従って、熱交換器３及び８の冷却コイルは、本質的に、この実施例におけるガス回路２０の供給ラインの一部を形成している。
【００１９】
熱交換器３からの低温圧縮ガスは、熱交換器８の冷却コイルにガスを通すことにより更に冷却される。特に、ガスが熱交換器８の冷却コイルを通過している間に、低温冷凍機６１、６２及び再循環装置５１、５２により行われる冷却により、ガスから熱が伝達される。特に、再循環装置５１は低温冷凍機６１との間で冷却流体を循環させ、再循環装置５２は低温冷凍機６２との間で冷却流体を循環させる。低温冷凍機６１、６２は熱交換器３及び８と共に断熱低温ボックス７の内部に配置されている。低温冷凍機６１、６２は図１にはGifford Mc-Mahon型冷凍機として示されている。しかし、低温冷凍機６１及び／又は６２はその代わりにSterling冷却器又はパルスチューブにより形成されていても良い。
【００２０】
熱交換器８で冷却されたガスは、その後、冷蔵装置１１へ連通される。冷蔵装置１１は再生型熱交換器の一形態である。再生型熱交換器は一般に２つの動作モードを有する。第１の動作モードでは、低温の流体は温暖の再生型熱交換器に入って、それを冷却し、流入した時点より多くの熱エネルギーを持って熱交換器から出る。第２の動作モードにおいては、暖かな流体が低温の再生型熱交換器に入って、それを暖め、流入した時点より少ない熱エネルギーを持って熱交換器から出る。再生型熱交換器は、通常、（ｉ）金属ワイヤメッシュ、（ｉｉ）金属球又はセラミック球、（ｉｉｉ）金属リボン又はセラミックリボン、あるいは（ｉｖ）高い熱伝達係数を有する固体部材（例えば、銅）と高い体積比熱を有する別の固体部材（例えば、鉛）との相互結合構造などの２つの異なる物質の相互結合構造のような、熱スポンジとして作用する多孔質マトリックスで充填されている。供給ラインの部分２０ａから受け取られたガスは供給ラインの一部である冷蔵装置１１により直接に受け取られ、冷蔵装置１１から供給ラインの部分２０ｂにより熱負荷１へ搬送される。冷却流体が流体供給ラインの一部である受動冷蔵装置１１を通して連通されている間に、受動冷蔵装置１１の多孔質マトリクスは冷却流体と直接に接触する。
【００２１】
図２から図４は、冷蔵装置１１の一部を形成する材料を示す。特に、図２Ａ及び図２Ｂは、再生型熱交換器の多孔質金属ワイヤメッシュ２１を示す。多孔質金属ワイヤメッシュ２１は熱スポンジとして有効に作用する。図３Ａ及び図３Ｂは、再生型熱交換器の一部を形成する金属球又はセラミック球の多孔質マトリクス２２を示す。金属球又はセラミック球から成るこの多孔質マトリクス２２も熱スポンジとして作用する。図４は、高い熱伝達係数を有する固体の銅及び高い体積比熱を有する固体の鉛などの、再生型熱交換器の２種類の材料の相互結合構造を示す。熱は、高い体積比熱と高い熱伝達に関して最適化された固体材料及び形状の組み合わせに蓄積される。図３から図４に示す再生型熱交換器の材料は、共通して、冷却流体から発する熱を蓄積し、流体への熱を拒絶することが可能であるという性質を有する。
【００２２】
冷蔵装置１１は、供給ライン部分２０ｂを介して熱負荷１に供給されるガスが容認できないほどの温度まで上昇するのを確実に、受動的に阻止することができる。特に、冷蔵装置１１は、熱負荷１に供給されるガスの温度が低温冷凍機６１又は６２、あるいはその付属機器類の修理中又は交換中であっても容認できないほど高い温度まで上昇するのを確実に、受動的に阻止する。
【００２３】
低温冷凍機６１及び６２が全冷凍能力によって動作しているとき、ガス回路２０の供給ラインを流れるガスは極低温まで冷却される。この極低温まで冷却されたガスはガス回路２０を流れて、冷蔵装置１１を冷却する。従って、ガス回路２０の供給ラインを流れる極低温のガスは、低温冷凍機６１及び６２が全冷凍能力で適正に動作しているときに冷蔵装置１１を冷却する。
【００２４】
しかし、冷凍能力が低下すると（例えば、低温冷凍機６１及び/又は６２又はその付属機器類が適正に動作できなくなった場合）、供給ラインを流れるガスは冷凍機６１及び６２が全冷凍能力で適正に動作している場合と同じ温度まで冷却されなくなると思われる。すなわち、流体供給ラインの部分２０ａを流れるガスは、全冷凍能力の期間中にガスが冷却される温度より高い温度までしか冷却されない。冷凍能力が低下すると、ガスは完全には冷却されなくなるため、ガスを熱負荷１に供給する前にガスの追加冷却が必要になる。この追加冷却は冷蔵装置１１により実行される。すなわち、低温冷凍機６１及び／又は６２の冷凍能力が低下したとき、熱負荷１に供給されるガスが容認できないほどの温度まで上昇しないように、冷蔵装置１１がガスを冷却する（すなわち、熱負荷は超伝導状態にとどまるように冷却される）。冷蔵装置１１は、低温冷凍機６１及び／又は６２の全冷凍能力が回復されている期間中、ガスを冷却する。
【００２５】
熱負荷１に入ったガスは対流熱伝達により熱負荷（例えば、発電機回転子の超伝導コイル）を極低温に維持し、熱負荷が超伝導状態で動作できるように保証する。
【００２６】
熱負荷１を通って流れ、熱負荷１を冷却した後、循環されたガスはガス回路２０の流体戻りライン２０ｃを流れる。戻りライン２０は熱負荷１から熱交換器３のコイルを介して再循環装置２へガスを連通させて戻す。再循環装置２に戻されるガスは温暖である。そこで、再循環装置２は熱交換器３の冷却コイルにガスを供給することにより、ガスを再循環させても良い。
【００２７】
再循環装置２及び熱交換器３を通してガスを供給ライン部分２０ａに供給する代わりに、ガスは低温ガスサーキュレータ／ファン４（代替構造であることを表すために破線で示されている）から供給ライン部分２０ａに供給されても良い。従って、サーキュレータ／ファン４から供給される低温ガスは供給ライン部分２０ａを介して熱交換器８に供給される。サーキュレータ／ファン４は低温ボックス７の内部に配置されているため、冷却流体はサーキュレータ／ファン４を通って循環している間はかなりの低温に維持される。従って、サーキュレータ／ファン４の下流側に熱交換器を接続する必要はない。冷却の信頼性を向上させるために、サーキュレータ／ファン４と並列に冗長サーキュレータ／ファン（図１には図示せず）を接続することができる。
【００２８】
熱交換器８の冷却コイルからのガスは冷蔵装置１１を通過し、次に、先に説明したように流体供給ラインの部分２０ｂを介して熱負荷１に供給される。熱負荷１から流れる暖かなガスは流体戻りライン部分２０ｃを介してガスサーキュレータ／ファン４に戻される。冷蔵装置１１は、ガスが低温冷凍機６１及び６２の適正な動作（例えば、冷凍機６１及び６２の全冷凍能力による動作）によって熱交換器８で完全に冷却されている場合には、（ｉ）低温ガスサーキュレータ／ファン４又は（ｉｉ）再循環装置２及び熱交換器３から出て、冷蔵装置１１を流れるガスにより冷却される。しかし、ガスが完全には冷却されていない（例えば、低温冷凍機６１及び６２の１つ以上が低下した冷凍能力で動作している）場合には、冷蔵装置１１は先に説明したように通過しているガスを受動的に冷却する。従って、熱負荷１に供給されるガスの温度は、低温冷凍機６１及び／又は６２、あるいはその付属機器類５１及び／又は５２が修理又は交換されているときであっても、容認できる極低温に確実に、受動的に保持される。
【００２９】
低温ボックス７は流体供給ライン部分２０ａ、２０ｂのそれぞれ一部分、少なくとも流体戻りライン２０ｃの一部、熱交換器３及び８、低温冷凍機６１及び６２の少なくとも一部、並びにガスサーキュレータ／ファン４を封入している。低温ボックス７は、極低温に維持される冷凍システムの断熱部分である。低温ボックス７は低温ボックス内部の構成要素の周囲に真空状態を発生させても良い。
【００３０】
図４は、本発明の第２の実施例に従った低温冷凍システム７０の概略図である。図１に示す低温冷凍システム４０と共通する低温冷凍システム７０の構成要素は同じ図中符号で指示されている。２つの低温冷凍システム７０及び４０の相違点のみを詳細に説明する。
【００３１】
低温冷凍システム７０は、流体回路２０の流体連通供給ラインの一部として直列に接続された複数の受動冷蔵装置１０１及び１０２を含む。受動冷蔵装置１０１及び１０２を包囲しているヒートパイプ、固体伝導材料又はヒートパイプ型装置などの熱接続装置１１１及び１１２は、受動冷蔵装置１０１及び１０２を冷凍機６１及び６２にそれぞれ熱接続している。従って、冷凍機６１及び６２は、正常動作の場合、受動冷蔵装置１０１及び１０２をそれぞれ冷却する。あるいは、複数の冷凍機は受動冷蔵装置１０１及び１０２をそれぞれ冷却しても良い。各々の受動冷蔵装置１０１及び１０２は、図２から図３に示すような多孔質材料マトリクスを含んでいても良い。また、図４に示す実施例は２つの受動冷蔵装置１０１及び１０２を示しているが、更に多くの受動冷蔵装置が直列に接続されていても良く、その場合、各冷蔵装置に１つ以上の冷凍機が熱接続される。冷却ボックス６は少なくとも冷凍機６１及び６２の一部、熱接続装置１１１及び１１２、並びに受動冷蔵装置１０１及び１０２を封入している。
【００３２】
低温冷凍システム７０はモジューラ設計であるため、効率及び信頼性が向上することを含めていくつかの利点が得られる。効率の向上は、個々の冷凍機６１及び６２を異なる極低温で動作させる結果として得られる利点である。従って、冷凍機６１及び６２は冷蔵装置１０１及び１０２をそれぞれ異なる極低温に冷却する。最も上流側の冷蔵装置１０１は最も高温な低温液体温度であり、それに続く各々の冷蔵装置（例えば、装置１０２）は冷凍機により徐々に低い温度まで冷却される。一般に、冷凍機の効率はその冷却温度に伴って低下するため、最も上流側の冷蔵装置１０１に対応する冷凍機６１はそれぞれ後続する段の冷凍機より高い効率を示す。更に、最も下流側の冷蔵装置のみが出口（最低）温度まで冷却されれば良いので、システムのクールダウン及びウォームアップに要する時間は短縮される。信頼性の向上は２つの理由によってもたらされる。第１は、１つの冷蔵装置、熱接続及び対応する冷凍機から１つ以上の冗長モジュールを形成する能力である。第２は、１つのモジュールが適正に動作していないとき、総冷凍能力の一部のみが失われるにすぎないことである。
【００３３】
動作中、冷凍機６１は冷蔵装置１０１を熱接続装置１１１を介して第１の極低温まで冷却する。そこで、冷蔵装置１０１は供給ライン部分２０ａを通って冷蔵装置１０１に流入する流体を冷却する。これにより冷却された流体は冷蔵装置１０１から出て、直列に接続されている（下流側の）冷蔵装置１０２に入る。冷凍機６２は冷蔵装置１０２を熱接続装置１１２を介して、冷凍機６１が冷蔵装置１０１を冷却する第１の極低温より低い第２の極低温まで冷却する。そこで、冷蔵装置１０２は受け入れた流体を冷却する。冷蔵装置１０２の下流側に冷蔵装置がそれ以上直列に接続されていない場合、冷蔵装置１０２を出た冷却流体は供給ライン部分２０ｂを介して熱負荷１に入る。次に、流体は熱負荷１から出て、流体連通戻りライン２０ｃを介して熱交換器３及び再循環装置２（あるいはサーキュレータ／ファン４）に戻る。冷蔵装置１０２の下流側に追加の受動冷蔵装置（例えば、図４に破線で示す再循環装置５３を有する低温冷凍機６３により熱接続装置１１３を介して冷却される受動冷蔵装置１０３）が直列に接続されている場合には、冷蔵装置１０２を出た冷却流体は供給ライン部分２０ｂを介して熱負荷１に入る前に追加の受動冷蔵装置１０３に入る。冷凍機６３は冷蔵装置１０３を熱接続装置１１３を介して、冷凍機６２が冷蔵装置１０２を冷却する第２の極低温より低い極低温まで冷却する。そこで、冷蔵装置１０３は受け取った冷却流体を冷却し、流体を供給ライン部分２０ｂを介して熱負荷１に直接供給するか、又は別の下流側の（例えば、第４、第５、第６の）受動冷蔵装置を介して供給する（図４には図示せず）。
【００３４】
先に述べた通り、冷蔵装置１０１、熱接続装置１１１及び／又は冷凍機６１が適切に動作できず、冷蔵装置１０１が低下した冷凍能力でしか動作しない、又は冷凍能力を全く持たなくなった場合でも、流体供給ラインを通って流れる流体は冷蔵装置１０２により冷却される（冷蔵装置１０２、熱接続装置１１２及び冷凍機６２が適正に動作していると仮定した場合）。これに対し、冷蔵装置１０２、熱接続装置１１２及び／又は冷凍機６２が適正に動作できず、冷蔵装置１０２が低下した冷凍能力でしか動作しない、又は冷凍能力を全く持たなくなった場合には、流体供給ラインを通って流れる流体は冷蔵装置１０１により冷却されることになる（冷蔵装置１０１、熱接続装置１１１及び冷凍機６１が適正に動作していると仮定した場合）。従って、１つの特定の冷蔵装置が熱負荷１へ連通されるべき流体を適正に冷却できなくなったときでも、冷凍能力の一部が失われるだけであるため、熱負荷１は確実に冷却されることが可能であろう。
【００３５】
先に述べた通り、図５及び図６は、熱負荷を冷却するための周知の低温冷凍システムを示す。図５及び図６に示される、先に説明した構成要素と共通する構成要素は同じ図中符号で指示されている。
【００３６】
本発明を現時点で最も実用的で好ましい実施例であると考えられるものと関連させて説明したが、本発明は開示された実施例に限定されるべきではなく、また、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施例に従って冷却流体を熱負荷に供給する低温冷凍システムの概略図。
【図２Ａ】本発明の一実施例に従った受動冷蔵装置の材料の図。
【図２Ｂ】図２Ａに示される材料のインプレッションを示す図。
【図３Ａ】本発明の別の実施例に従った受動冷蔵装置の別の材料の図。
【図３Ｂ】図３Ａに示される材料の詳細な図。
【図４】本発明の別の実施例に従って冷却流体を熱負荷に供給する低温冷凍システムの概略図。
【図５】冷却流体を熱負荷に供給する周知の低温冷凍システムの概略図。
【図６】冷却流体を熱負荷に供給する別の周知の低温冷凍システムの概略図。
【符号の説明】
【００３８】
１…熱負荷、２…再循環装置、３…熱交換器、４…サーキュレータ／ファン、８…熱交換器、１１…受動冷蔵装置、２０…ガス回路、２０ａ、２０ｂ…流体供給ライン部分、２０ｃ…流体戻りライン、２１…多孔質金属ワイヤメッシュ、２２…金属球又はセラミック球の多孔質マトリクス、４０…低温冷凍システム、６１、６２…低温冷凍機、７０…低温冷凍システム、１０１、１０２…受動冷蔵装置、１１１、１１２…熱接続装置
【図１】
0004667778.tif 000002
【図２Ａ】
0004667778.tif 000003
【図３Ａ】
0004667778.tif 000004
【図３Ｂ】
0004667778.tif 000005
【図４】
0004667778.tif 000006
【図５】
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【図６】
0004667778.tif 000008
【図２Ｂ】
0004667778.tif 000009