(57)【要約】【課題】外部からの熱侵入を高効率で抑制する。【解決手段】内槽（１１）で気化した冷媒ガスを、内槽（１１）の上部と外槽（１３）の上部を連結するネック（１４）の内壁との間に掲載されるネック空隙（１５）を通して冷凍機（３０）に戻すと共にトランスファーチューブ（２０）のガス流路（２２）を通して冷凍機（３０）に戻し、ネック（１４）からの熱侵入量Ｑ１とトランスファーチューブ（２０）からの熱侵入量Ｑ２の合計Ｑ＝Ｑ１＋Ｑ２が最小となるようにガス流量ｍ１，ｍ２を制御する。【効果】ネック（１４）からの熱侵入が冷媒ガスＧ１の流れによって抑制され、トランスファーチューブ（２０）からの熱侵入が冷媒ガスＧ２の流れによって抑制され、ガス流量ｍ１，ｍ２を制御することにより、外部からの熱侵入を高効率で抑制することが出来る。【選択図】図１
2005345022.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超伝導装置（１）および冷媒液体（Ｌ）を収容する内槽（１１），前記内槽（１１）との間に真空空間（１２）を形成する外槽（１３），前記内槽（１１）の上部と前記外槽（１３）の上部を連結するネック（１４）および前記ネック（１４）の内壁との間にネック空隙（１５）を形成するネックインサート（１６）を有するクライオスタット（１０）と、冷媒ガス（Ｇ）を冷媒液体（Ｌ）に変換する冷凍機（３０）と、前記冷凍機（３０）から前記クライオスタット（１０）のネックインサート（１６）を経て前記内槽（１１）へ前記冷媒液体（Ｌ）を供給する液体流路（２１）を中心に有し且つ前記内槽（１１）から冷媒ガス（Ｇ）を抜き出すガス流路（２２）を前記液体流路（２１）の周囲に有するトランスファーチューブ（２０）と、前記クライオスタット（１０）のネック（１４）のネック空隙（１５）を介し前記内槽（１１）から冷媒ガス（Ｇ１）を抜き出す第１ガス流路（１）と、前記冷凍機（３０）の近傍で前記トランスファーチューブ（２０）のガス流路（２２）から冷媒ガス（Ｇ２）を抜き出す第２ガス流路（２）と、前記第１ガス流路（１）および前記第２ガス流路（２）を経た冷媒ガス（Ｇ）を前記冷凍機（３０）に戻す第３ガス流路（３）と、前記クライオスタット（１０）のネック（１４）からの熱侵入量Ｑ１と前記トランスファーチューブ（２０）からの熱侵入量Ｑ２の合計Ｑ＝Ｑ１＋Ｑ２が最小となるように前記第１ガス流路（１）の冷媒ガス（Ｇ１）のガス流量ｍ１と前記第２ガス流路（２）の冷媒ガス（Ｇ２）のガス流量ｍ２を制御するための流量制御手段（１ａ，２ａ）とを具備したことを特徴とする極低温冷却装置（１００）。
【請求項２】
請求項１に記載の極低温冷却装置（１００）において、前記流量制御手段（１ａ，２ａ）が、前記第１ガス流路（１）と前記第２ガス流路（２）の一方に介設された弁（１ａ）および他方に介設された流量コントローラ（２ａ）からなることを特徴とする極低温冷却装置（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、極低温冷却装置に関し、さらに詳しくは、外部からの熱侵入を好適に抑制できる極低温冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、冷凍機からクライオスタットの液体ヘリウム槽へ液体ヘリウムを供給する液体流路を中心に有し且つ液体ヘリウム槽で気化したヘリウムガスを抜き出し冷凍機へ戻すガス流路を液体流路の周囲に有するトランスファーチューブを具備した冷却装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−１２４４１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来の冷却装置では、トランスファーチューブが二重管になっており、液体ヘリウム槽で気化したヘリウムガスをトランスファーチューブのガス流路を通して冷凍機に戻している。このため、トランスファーチューブからの熱侵入がヘリウムガスの流れによって抑制されている。
しかし、液体ヘリウム槽の上部と真空断熱容器外槽の上部とを連結するネックにはヘリウムガスの流れがないため、このネックからの熱侵入を抑制できない問題点がある。なお、液体ヘリウム槽内のガス圧力が高まったときにヘリウムガスを大気中へ放出するガス放出管が設けられているが、通常はヘリウムガスの流れがないため、熱侵入を抑制できない。
そこで、本発明の目的は、外部からの熱侵入を好適に抑制できる極低温冷却装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
第１の観点では、本発明は、超伝導装置（１）および冷媒液体（Ｌ）を収容する内槽（１１），前記内槽（１１）との間に真空空間（１２）を形成する外槽（１３），前記内槽（１１）の上部と前記外槽（１３）の上部を連結するネック（１４）および前記ネック（１４）の内壁との間にネック空隙（１５）を形成するネックインサート（１６）を有するクライオスタット（１０）と、冷媒ガス（Ｇ）を冷媒液体（Ｌ）に変換する冷凍機（３０）と、前記冷凍機（３０）から前記クライオスタット（１０）のネックインサート（１６）を経て前記内槽（１１）へ前記冷媒液体（Ｌ）を供給する液体流路（２１）を中心に有し且つ前記内槽（１１）から冷媒ガス（Ｇ）を抜き出すガス流路（２２）を前記液体流路（２１）の周囲に有するトランスファーチューブ（２０）と、前記クライオスタット（１０）のネック（１４）のネック空隙（１５）を介し前記内槽（１１）から冷媒ガス（Ｇ１）を抜き出す第１ガス流路（１）と、前記冷凍機（３０）の近傍で前記トランスファーチューブ（２０）のガス流路（２２）から冷媒ガス（Ｇ２）を抜き出す第２ガス流路（２）と、前記第１ガス流路（１）および前記第２ガス流路（２）を経た冷媒ガス（Ｇ）を前記冷凍機（３０）に戻す第３ガス流路（３）と、前記クライオスタット（１０）のネック（１４）からの熱侵入量Ｑ１と前記トランスファーチューブ（２０）からの熱侵入量Ｑ２の合計Ｑ＝Ｑ１＋Ｑ２が最小となるように前記第１ガス流路（１）の冷媒ガス（Ｇ１）のガス流量ｍ１と前記第２ガス流路（２）の冷媒ガス（Ｇ２）のガス流量ｍ２を制御するための流量制御手段（１ａ，２ａ）とを具備したことを特徴とする極低温冷却装置（１００）を提供する。
上記構成において、冷媒液体は例えば液体ヘリウムや液体窒素であり、冷媒ガスは例えばヘリウムガスや窒素ガスである。
【０００６】
上記第１の観点による極低温冷却装置（１００）では、内槽（１１）で気化した冷媒ガスを、内槽（１１）の上部と外槽（１３）の上部を連結するネック（１４）の内壁との間に掲載されるネック空隙（１５）を通して冷凍機（３０）に戻している。このため、ネック（１４）からの熱侵入が冷媒ガスの流れによって抑制される。また、トランスファーチューブ（２０）が二重構造になっており、内槽（１１）で気化した冷媒ガスをトランスファーチューブ（２０）のガス流路（２２）を通して冷凍機（３０）に戻している。このため、トランスファーチューブ（２０）からの熱侵入が冷媒ガスの流れによって抑制される。さらに、ネック（１４）からの熱侵入量Ｑ１とトランスファーチューブ（２０）からの熱侵入量Ｑ２の合計Ｑ＝Ｑ１＋Ｑ２が最小となるようにガス流量ｍ１，ｍ２を制御するため、外部からの熱侵入を高効率で抑制することが出来る。
【０００７】
第２の観点では、本発明は、上記構成の極低温冷却装置（１００）において、前記流量制御手段（１ａ，２ａ）が、前記第１ガス流路（１）と前記第２ガス流路（２）の一方に介設された弁（１ａ）および他方に介設された流量コントローラ（２ａ）からなることを特徴とする極低温冷却装置（１００）を提供する。
上記第２の観点による極低温冷却装置（１００）では、ガス流量ｍ１，ｍ２の一方を流量コントローラ（２ａ）により直接的に制御することが出来る。また、ガス流量ｍ１＋ｍ２は、熱侵入量Ｑ２の合計Ｑ＝Ｑ１＋Ｑ２により決まるため、ガス流量ｍ１，ｍ２の他方も流量コントローラ（２ａ）により間接的に制御することが出来る。なお、熱侵入量Ｑ２の合計Ｑ＝Ｑ１＋Ｑ２を最小にしたとき、ガス流量ｍ１＋ｍ２も最小になる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の極低温冷却装置によれば、ネック（１４）からの熱侵入が冷媒ガスの流れによって抑制される。また、トランスファーチューブ（２０）からの熱侵入が冷媒ガスの流れによって抑制される。さらに、ネック（１４）からの熱侵入量Ｑ１とトランスファーチューブ（２０）からの熱侵入量Ｑ２の合計Ｑ＝Ｑ１＋Ｑ２が最小となるようにガス流量を制御するため、外部からの熱侵入を高効率で抑制することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図に示す実施の形態により本発明をさらに詳細に説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。
【実施例１】
【００１０】
図１は、実施例１に係る極低温冷却装置１００を示す説明図である。
この極低温冷却装置１００は、ＳＱＵＩＤ等を含む超伝導装置１を液体ヘリウムＬで極低温に冷却するクライオスタット１０と、へリムガスＧを液体ヘリウムＬに変換する冷凍機３０と、液体ヘリウムＬを冷凍機３０からクライオスタット１０へ供給するトランスファーチューブ２０と、クライオスタット１０で気化したヘリウムガスＧを冷凍機３０に戻すための第１ガス流路１，第２ガス流路２および第３ガス流路３と、第１ガス流路１のヘリウムガスＧ１のガス流量ｍ１および第２ガス流路２のヘリウムガスＧ２のガス流量ｍ２を制御するための弁１ａおよび流量コントローラ２ａとを具備している。
【００１１】
クライオスタット１０は、超伝導装置１および液体ヘリウムＬを収容する内槽１１と、内槽１１との間に真空空間１２を形成する外槽１３と、内槽１１の上部と外槽１３の上部を連結するネック１４と、ネック１４の内壁との間にネック空隙１５を形成するネックインサート１６とを有している。
【００１２】
冷凍機３０は、戻ってきたヘリウムガスＧの温度を下げるための予冷冷凍機３１と、ヘリウムガスＧの不純物を除去する精製機３２と、ヘリウムガスＧの温度を下げる熱交換器３３と、精製機３２を再生する時に閉じる弁３４と、ヘリウムガスＧを凝縮液化するための凝縮冷凍機３５と、ヘリウムガスＧを液化する凝縮器３６とを、真空容器３７に収容したものである。
【００１３】
トランスファーチューブ２０は、冷凍機３０からクライオスタット１０のネックインサート１６を経て内槽１１へ液体ヘリウムＬを供給する液体流路２１を中心に有し、且つ、内槽１１からヘリウムガスＧを抜き出すガス流路２２を液体流路２１の周囲に有する二重構造である。液体流路２１とガス流路２２の間の隔壁およびガス流路２２の外周の外壁は、断熱材もしくは真空層からなっている。
【００１４】
第１ガス流路１は、ネック空隙１５を介して、内槽１１からヘリウムガスＧ１を抜き出すガス流路であり、弁１ａが介設されている。第１ガス流路１におけるヘリウムガスＧ１のガス流量をｍ１とする。
【００１５】
第２ガス流路２は、冷凍機３０の近傍（真空容器３７内でもよい）で、トランスファーチューブ２０のガス流路２２からヘリウムガスＧ２を抜き出すガス流路であり、流量コントローラ２ａが介設されている。第２ガス流路２におけるヘリウムガスＧ２のガス流量をｍ２とする。
【００１６】
第３ガス流路３は、冷媒ガスＧ１および冷媒ガスＧ２をまとめたヘリウムガスＧを冷凍機３０に戻すガス流路であり、ポンプ３ａ，乾燥機３ｂ，弁３ｃが介設されている。また、安全弁３ｄ，３ｅが設置されている。第３ガス流路３におけるヘリウムガスＧのガス流量はｍ１＋ｍ２になる。このガス流量ｍ１＋ｍ２は、クライオスタット１０の内槽１１へのネック１４からの熱侵入量Ｑ１とトランスファーチューブ２０からの熱侵入量Ｑ２の合計Ｑ＝Ｑ１＋Ｑ２によって決まる。
【００１７】
図２は、弁１ａを示す断面図である。
弁１ａは、ヘリウムガスＧ１のガス流により重力に抗して浮上しうる重力球４１と、ガス流量ｍ１に対応した流路面積の流路を重力球４１との間に形成する下部ケース４２と、下部ケース４２の上部に螺合された上部ケース４３と、上部ケース４３の内部に設置された安全管４４とを有している。下部ケース４２の下部には、クライオスタット１０のネック空隙１５に連通する下部接続管１ｂが連結されている。また、上部ケース４３の上部には、第３流路３に連通する上部接続管１ｃが連結されている。重力球４１の重さや直径および下部ケース４２の内部形状を変えることにより、下部接続管１ｂ側のガス圧力を加減することが出来る。
【００１８】
図３は、ガス流量ｍ１，ｍ２と熱侵入量Ｑ１，Ｑ２，Ｑの関係を示す特性図である。
クライオスタット１０の内槽１１へのネック１４からの熱侵入量Ｑ１は、ガス流量ｍ１が増えれば小さくなり、減れば大きくなる。
クライオスタット１０の内槽１１へのトランスファーチューブ２０からの熱侵入量Ｑ２は、ガス流量ｍ２が増えれば小さくなり、減れば大きくなる。
ガス流量ｍ１＋ｍ２は、クライオスタット１０の内槽１１へのネック１４からの熱侵入量Ｑ１とトランスファーチューブ２０からの熱侵入量Ｑ２の合計Ｑ＝Ｑ１＋Ｑ２によって決まる。
【００１９】
流量コントローラ２ａによってガス流量ｍ２を極端に小さくすると、ガス流量ｍ１が増加してクライオスタット１０の内槽１１へのネック１４からの熱侵入量Ｑ１は減るが、それ以上にトランスファーチューブ２０からの熱侵入量Ｑ２が増え、合計Ｑ＝Ｑ１＋Ｑ２が増える。この結果、ｍ１＋ｍ２も増える。
逆に、流量コントローラ２ａによってガス流量ｍ２を極端に大きくすると、クライオスタット１０の内槽１１へのトランスファーチューブ２０からの熱侵入量Ｑ２は減るが、ガス流量ｍ１が減少してネック１４からの熱侵入量Ｑ１がそれ以上に増え、合計Ｑ＝Ｑ１＋Ｑ２が増えてしまう。この結果、ｍ１＋ｍ２も増える。
そして、流量コントローラ２ａによってガス流量ｍ２を適正値ｍ２optiにすると、ガス流量ｍ１も適正値ｍ１optiになり、クライオスタット１０の内槽１１へのネック１４からの熱侵入量Ｑ１とトランスファーチューブ２０からの熱侵入量Ｑ２の合計Ｑ＝Ｑ１＋Ｑ２が最小になる。この結果、ｍ１＋ｍ２も最小になる。
よって、流量コントローラ２ａにより、ガス流量ｍ１＋ｍ２が最小になるようにガス流量ｍ２を制御すれば、熱侵入量合計Ｑ＝Ｑ１＋Ｑ２を最小にすることが出来る。
【００２０】
実施例１に係る極低温冷却装置１００によれば、ネック１４からの熱侵入がヘリウムガスＧ１の流れによって抑制される。また、トランスファーチューブ２０からの熱侵入がヘリウムガスＧ２の流れによって抑制される。さらに、ネック１４からの熱侵入量Ｑ１とトランスファーチューブ２０からの熱侵入量Ｑ２の合計Ｑ＝Ｑ１＋Ｑ２が最小となるようにガス流量ｍ１，ｍ２を制御するため、外部からの熱侵入を高効率で抑制することが出来る。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
本発明の極低温冷却装置は、例えば液体ヘリウムを冷媒とする生体磁気測定装置のような超伝導電子装置に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】実施例１に係る極低温冷却装置の構成説明図である。
【図２】第１ガス流路の弁を示す断面図である。
【図３】ガス流量ｍ１，ｍ２と熱侵入量Ｑ１，Ｑ２，Ｑの関係を示す特性図である。
【符号の説明】
【００２３】
１                  第１ガス流路
１ａ                弁
２                  第２ガス流路
２ａ                流量コントローラ
３                  第３ガス流路
１０                クライオスタット
１１                内槽
１２                真空空間
１３                外槽
１４                ネック
１５                ネック空隙
１６                ネックインサート
２０                トランスファーチューブ
２１                液体流路
２２                ガス流路
３０                冷凍機
１００              極低温冷却装置
Ｌ                  液体ヘリウム
Ｇ１，Ｇ２，Ｇ      ヘリウムガス
【図１】
2005345022.tif 000003
【図２】
2005345022.tif 000004
【図３】
2005345022.tif 000005