(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄冷器、凝縮器、パルス管を有するパルス管冷凍機と断熱支持材を介し真空槽に固定された液溜を有する低温容器において、
前記凝縮器が、前記蓄冷器の低温端に固着されて前記液溜の気相部に配設され、
前記パルス管の低温端が下方になるように配置されるとともに、前記液溜の液相部に相当する部位に配設されている
ことを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記パルス管冷凍機が、圧力源、放熱器、位相調整器を有するとともに、
前記パルス管の高温側が前記真空槽に固着され、
前記パルス管の低温側が、前記液溜の外部の前記真空槽内に設置され、
前記パルス管の前記低温端と前記凝縮器が配管で連通されている
ことを特徴とする冷却装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記パルス管の低温端が、前記液溜の液相部に配設されている
ことを特徴とする冷却装置。
【請求項４】
請求項２において、
前記パルス管の低温端が、前記液溜の外部の前記真空槽内に配設されている
ことを特徴とする冷却装置。
【請求項５】
請求項３または請求項４において、
前記蓄冷器が、上下方向に配設され前記真空槽および容器を貫通して配設されている
ことを特徴とする冷却装置。
【請求項６】
請求項３または請求項４において、
前記蓄冷器が、横方向に配設され前記真空槽および容器を貫通して配設されている
ことを特徴とする冷却装置。
【請求項７】
請求項４において、
前記パルス管の低温端が、前記液溜を構成する容器の内部における前記真空槽内に配設されている
ことを特徴とする冷却装置。
【請求項８】
請求項４において、
前記パルス管の低温端が、前記液溜を構成する容器の外部における前記真空槽内に配設されている
ことを特徴とする冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蓄冷器、凝縮器、パルス管を有するパルス管冷凍機と断熱支持材を介し真空槽に固定された液溜を有する低温容器によって、被冷却体を低温で冷却する冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の冷却装置（特開２０００−１６１８０３）は、図９に示されるように液体ヘリウム等の第１冷媒１０３ａで冷却された超電導磁石１０１が、容器１０２に収納されており、容器１０２は、多数個の断熱支持材１０４、シールド板１０５、多数個の断熱支持材１０６を介して真空槽１０７に固定されており、液体ヘリウム等の第１冷媒１０３ａは、第１冷却装置１１０によって、第１冷媒１０３ａの蒸気が液に凝縮される。
【０００３】
第２冷却装置２５０は、冷媒循環回路２５０Ａと、パルス管冷凍機２５０Ｂとから構成される。冷媒循環回路２５０Ａは、多数個の断熱支持材２５４を介して、真空槽１０７に固定されており、液体窒素等の第２冷媒液２５３ａｌが入っている液溜２５１と、液溜２５１内の第２冷媒液２５３ａｌを連通してシールド板１０５に熱接触しており、液溜２５１の第２冷媒ガス相２５３ｂに戻る導管２５２とから構成される。
【０００４】
パルス管冷凍機２５０Ｂは、圧縮機２５０Ｂ１と第２低温発生部２５０Ｂ２から構成される。第２低温発生部２５０Ｂ２の高圧配管２６４は、駆動部２７４に接続されたロータリ切換弁２５３ａ、２５３ｂの高圧口に連通しており、第２低温発生部２５０Ｂ２の低圧配管２６３は、ロータリ切換弁２５３ａ、２５３ｂの低圧口に連通している。
【０００５】
ロータリ切換弁２５３ａ、２５３ｂの連通口は、それぞれ蓄冷器２５５および常温側絞り２６０に連通している。蓄冷器２５５の低温側には、凝縮器２５６ａが設けてあり、凝縮器２５６ａは導管２５７を介してパルス管２５８の低温側に設けた凝縮器２５６ｂに連通している。パルス管２５８の常温側は、放熱器２５９を介して絞り２６０に連通している。第２低温発生部２５０Ｂの高圧配管２６４と低圧配管２６３は、それぞれ高圧配管２６２と低圧配管２６１を介して圧縮機２５０Ｂ１に接続されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の冷却装置は、パルス管と蓄冷器の長さはほぼ同じになっているが、生成する低温の温度が約１００Ｋ以下では、パルス管の長さは、蓄冷器の長さが約３倍以上でないと効率が悪くなる。効率を良好にするため、パルス管の長さを蓄冷器の長さの約３倍以上にするとパルス管の低温端から中央付近まで第２冷凍液に浸かってしまう。その結果、パルス管から冷媒液に熱が入り、冷媒蒸気を凝縮する量が低下する不具合が発生するという問題があった。
【０００７】
またパルス管の低温端を第２冷媒ガス相に設けると、蓄冷器の場合に比較してパルス管が真空槽から飛び出る量が大きくなり、冷却装置の占有空間が増大する不具合が発生するという問題があった。
【０００８】
そこで本発明者は、蓄冷器、凝縮器、パルス管を有するパルス管冷凍機と断熱支持材を介し真空槽に固定された液溜を有する低温容器において、前記凝縮器を前記蓄冷器の低温端に固着して前記液溜の気相部に配設し、前記パルス管の低温端を下方になるように配置するとともに、前記液溜の液相部に相当する部位に配設することにより、前記パルス管の高温端の前記真空槽の上面からの突出量を減らすという本発明の技術的思想に着眼し、更に研究開発を重ねた結果、冷却装置の占有空間を抑制することを可能にするとともに、冷却装置の効率を良好に保つという目的を達成する本発明に到達した。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明（請求項１に記載の第１発明）の冷却装置は、
蓄冷器、凝縮器、パルス管を有するパルス管冷凍機と断熱支持材を介し真空槽に固定された液溜を有する低温容器において、
前記凝縮器が、前記蓄冷器の低温端に固着されて前記液溜の気相部に配設され、
前記パルス管の低温端が下方になるように配置されるとともに、前記液溜の液相部に相当する部位に配設されている
ものである。
【００１０】
本発明（請求項２に記載の第２発明）の冷却装置は、
前記第１発明において、
前記パルス管冷凍機が、圧力源、放熱器、位相調整器を有するとともに、
前記パルス管の高温側が前記真空槽に固着され、
前記パルス管の低温側が、前記液溜の外部の前記真空槽内に設置され、
前記パルス管の前記低温端と前記凝縮器が配管で連通されている
ものである。
【００１１】
本発明（請求項３に記載の第３発明）の冷却装置は、
前記第２発明において、
前記パルス管の低温端が、前記液溜の液相部に配設されている
ものである。
【００１２】
本発明（請求項４に記載の第４発明）の冷却装置は、
前記第２発明において、
前記パルス管の低温端が、前記液溜の外部の前記真空槽内に配設されている
ものである。
【００１３】
本発明（請求項５に記載の第５発明）の冷却装置は、
前記第３発明または第４発明において、
前記蓄冷器が、上下方向に配設され前記真空槽および容器を貫通して配設されている
ものである。
【００１４】
本発明（請求項６に記載の第６発明）の冷却装置は、
前記第３発明または第４発明において、
前記蓄冷器が、横方向に配設され前記真空槽および容器を貫通して配設されている
ものである。
【００１５】
本発明（請求項７に記載の第７発明）の冷却装置は、
前記第４発明において、
前記パルス管の低温端が、前記液溜を構成する容器の内部における前記真空槽内に配設されている
ものである。
【００１６】
本発明（請求項８に記載の第８発明）の冷却装置は、
前記第４発明において、
前記パルス管の低温端が、前記液溜を構成する容器の外部における前記真空槽内に配設されている
ものである。
【００１７】
【発明の作用および効果】
上記構成より成る第１発明の冷却装置は、蓄冷器、凝縮器、パルス管を有するパルス管冷凍機と断熱支持材を介し真空槽に固定された液溜を有する低温容器において、前記凝縮器が、前記蓄冷器の低温端に固着されて前記液溜の気相部に配設され、前記パルス管の低温端が下方になるように配置されるとともに、前記液溜の液相部に相当する部位に配設されているので、前記パルス管の高温端の前記真空槽の上面からの突出量を減らすため、冷却装置の占有空間を抑制することを可能にするという効果を奏する。
【００１８】
上記構成より成る第２発明の冷却装置は、前記第１発明において、前記パルス管冷凍機が、圧力源、放熱器、位相調整器を有するとともに、前記パルス管の高温側が前記真空槽に固着され、前記パルス管の低温側が、前記液溜の外部の前記真空槽内に設置され、前記パルス管の前記低温端と前記凝縮器が配管で連通されているので、前記パルス管の高温端の前記真空槽の上面からの突出量を減らすため、冷却装置の占有空間を抑制するという効果を奏する。
【００１９】
上記構成より成る第３発明の冷却装置は、前記第２発明において、前記パルス管の低温端が、前記液溜の液相部に配設されているので、冷却装置の効率を良好に保つという効果を奏する。
【００２０】
上記構成より成る第４発明の冷却装置は、前記第２発明において、前記パルス管の低温端が、前記液溜の外部の前記真空槽内に配設されているので、冷却装置の効率を良好に保つという効果を奏する。
【００２１】
上記構成より成る第５発明の冷却装置は、前記第３発明または第４発明において、上下方向に配設され前記真空槽および容器を貫通して配設された前記蓄冷器の低温端に固着された前記凝縮器によって、前記液溜の冷媒液の温度より低い温度の冷凍を発生するという効果を奏する。
【００２２】
上記構成より成る第６発明の冷却装置は、前記第３発明または第４発明において、横方向に配設され前記真空槽および容器を貫通して配設された前記蓄冷器の低温端に固着された前記凝縮器によって、前記液溜の冷媒液の温度より低い温度の冷凍を発生するという効果を奏する。
【００２３】
上記構成より成る第７発明の冷却装置は、前記第４発明において、前記パルス管の低温端が、前記液溜を構成する容器の内部における前記真空槽内に配設されているので、冷却装置の横方向における占有空間を抑制するという効果を奏する。
【００２４】
上記構成より成る第８発明の冷却装置は、前記第４発明において、前記パルス管の低温端が、前記液溜を構成する容器の外部における前記真空槽内に配設されているので、前記真空槽内の有効スペースを大きくすることが出来るという効果を奏する。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態につき、図面を用いて説明する。
【００２６】
（第１実施形態）
本第１実施形態の冷却装置は、図１に示されるように圧力源１、蓄冷器６、凝縮器７、パルス管９、放熱器１０、位相調整器１２を有するパルス管冷凍機Ａと断熱支持材３６、３７を介し真空槽３１に固定された液溜２１を有する低温容器において、前記凝縮器７が、前記蓄冷器６の低温端６ｂに固着されて前記液溜２１の気相部２１ａに配設され、前記パルス管９の高温側が前記真空槽３１に固着され、前記パルス管９の低温端９ｂが下方になるように配置されるとともに、前記液溜２１の液相部２１ｂに配設され、前記パルス管９の低温側９ｂが、前記液溜２１の外部の前記真空槽３１内に設置され、前記パルス管９の前記低温端９ｂと前記凝縮器７が配管８で連通されているものである。
【００２７】
本第１実施形態の冷却装置は、前記第３発明に属するもので、例えば液体ヘリウムで冷却される超電導磁石等の被冷却体を冷却する冷却装置に係るものである。
【００２８】
前記  圧力源１の吐出口１ａは、順次、流路２を介して切換弁３の高圧入口３ａに連通している。圧力源１の吸入口１ｂは、流路４を介して切換弁３の低圧出口３ｂに連通している。
【００２９】
切換弁３のポート３ｃは、前記圧力源１から前記蓄冷器６に冷媒が流れる時は、高圧入口３ａに連通し、前記蓄冷器６から前記圧力源１に冷媒が流れる時には、低圧出口３ｂに連通するようにしてある。蓄冷器６には金網等の蓄冷材６ｃが充填されている。
【００３０】
ポート３ｃは、流路５を介して蓄冷器６の高温端６ａに連通し、前記蓄冷器９の低温端６ｂは、順次、凝縮器７、流路８を介して前記パルス管９の低温端９ｂに連通している。該パルス管９の高温端９ａは前記放熱器１０、流路１１を介して位相調整器１２に連通している。圧力源１で圧縮された冷媒は圧縮機用冷却器Ｏで冷却されている。このようにしてパルス管冷凍機Ａが構成されている。
【００３１】
前記凝縮器７は、液溜２１の気相部２１ａに設けられ、前記パルス管９の低温端は、液溜２１の液相部２１ｂに設けてある。液溜２１は、多数個の断熱支持材２３を介して真空槽３１に固定され、液体窒素等の冷媒が充填されている。
【００３２】
前記液溜２１の液相部２１ｂの下部から真空槽３１の真空空間３２に導管の一端側２２ｂが出ており、導管の他端側２２ａは液溜２１の気相部２１ａに戻っている。導管の一端側２２ｂと他端側２２ａの間の導管２２は、真空空間３２内に設けられたシールド板３３に熱接触している。シールド板３３は、超電導磁石３５を収納している容器３４を覆っている。
【００３３】
前記容器３４は、順次断熱支持材３６、シールド板３３、断熱支持材３７を介して真空槽３１に固定されている。容器３４内には、液体ヘリウム等の冷媒が充填されている。このようにして低温容器Ｂが構成されている。前記パルス管冷凍機Ａと前記低温容器Ｂから冷却装置が構成されている。
【００３４】
上記構成より成る本第１実施形態の冷却装置は、前記液溜２１の冷媒液が、重力差で導管２２に流れると前記シールド板３３を冷却し、蒸気となって前記液溜２１の気相部２１ａに流入する。
【００３５】
前記気相部２１ａに流入した冷媒蒸気は、そこで前記パルス管冷凍機Ａの液溜２１の冷媒液の温度より低い温度の冷凍を発生している前記凝縮器７によって冷却され、液化する。
【００３６】
前記パルス管９の低温端９ｂが前記液溜２１の液相部２１ｂに設けてあるので、パルス管冷凍機Ａの効率を良好に維持し、パルス管９の高温端９ａを真空槽３１から著しく飛び出ることなく、パルス管の長さを確保することが出来る。
【００３７】
この結果、前記パルス管９から前記液溜２１に熱が侵入することはなく、前記パルス管９の高温端９ａも真空槽３１から著しく飛び出ることはないので冷却装置の占有空間を抑制するものである。
【００３８】
（第２実施形態）
本第２実施形態の冷却装置は、前記第３発明に属するもので、図２に示されるように例えば液体窒素で冷却される高温超電導磁石等の被冷却体を冷却する冷却装置に本発明を適用したものである。
【００３９】
本第２実施形態におけるパルス管冷凍機Ａは、図１に示される前記第１実施形態と同一である。前記第１実施形態と異なるところは、液体窒素等で冷却される高温超電導磁石等の被冷却体４２が液溜２１の液相部２１ｂに設けられ、液溜２１の液相部２１ｂの液体窒素等の冷媒液で冷却されていることである。
【００４０】
即ち冷却系Ｃは、多数個の断熱支持材２３を介し真空槽４１に固定されている液溜２１の液相部２１ｂに高温超電導磁石等の被冷却体４２が設けてあり、液溜２１の液相部２１ｂには液体窒素等の冷媒液が充填されている。
前記パルス管冷凍機Ａと前記低温容器Ｃから冷却装置が構成されている。
【００４１】
上記構成より成る本第２実施形態の冷却装置は、前記液溜２１の液相部２１ｂには、断熱支持資材２３と被冷却体４２からの熱が侵入し、この侵入熱によって液相部２１ｂの冷媒液が発生し、液溜２１の液相部２１ａに移動し、そこで前記パルス管冷凍機Ａの前記凝縮器７によって、冷却され液体となって液相部２１ｂに戻るもので、その他の作用、効果は、前記第１実施形態と同様であるので、説明を省略する。
【００４２】
（第３実施形態）
本第３実施形態の冷却装置は、前記第４発明に属するもので、図３に示されるように例えば液体ヘリウムで冷却される超電導磁石等の被冷却体を冷却する冷却装置に本発明を適用したものである。
【００４３】
本第３実施形態におけるパルス管冷凍機Ａは、図１に示される前記第１実施形態と同一である。前記第１実施形態と異なるところは、パルス管９の低温端９ｂが液溜２１の液相部２１ｂには設けておらず、液溜２１の外部の真空空間３２に設けられていることである。
【００４４】
前記パルス管９の低温端９ｂから流路８を介し凝縮器７に連通している。流路８は真空空間から液溜２１の容器を貫通して、順次、液相部２１ｂ、気相部２１ａを通って凝縮器７に連通している。
【００４５】
上記構成より成る本第３実施形態の冷却装置は、前記液溜２１の冷媒蒸気が液になり液相部２１ｂに戻る作用は、前記第１実施形態と同様である。前記パルス管９の低温端９ｂが、前記液溜２１の液相部２１ｂには設けておらず、液溜２１の外部の真空空間３２に設けられてあるので、パルス管冷凍機Ａの効率を良好に維持し、パルス管９の高温端９ａを真空槽３１から著しく飛び出ることなく、パルス管の長さを確保することが出来る。
【００４６】
この結果、パルス管９から液溜２１に熱が侵入することはなく、パルス管９の高温端９ａも真空槽３１から著しく飛び出ることはないので冷却装置の占有空間を抑制することが出来る。
【００４７】
（第４実施形態）
本第４実施形態の冷却装置は、前記第３発明に属するもので、図４に示されるように例えば液体窒素で冷却される高温超電導磁石等の被冷却体を冷却する冷却装置に本発明を適用したものである。
【００４８】
本第４実施形態におけるパルス管冷凍機Ａは、図１に示される前記第１実施形態と同一である。前記第１実施形態と異なるところは、パルス管９の低温端９ｂが液溜２５の液相部２５ｂには設けておらず、液溜２５の外部の真空空間２６に設けられている。
【００４９】
前記パルス管９の低温端９ｂから流路８を介し凝縮器７に連通し、流路８は真空空間から液溜２５の容器を貫通して凝縮器７に連通している。また、凝縮器７は、液溜２５の左端上部の飛び出た部分２５ａ内に設けてあり、パルス管９は、液溜２５の左端上部の飛び出た部分２５ａの左側の真空空間２６に設けられている。
【００５０】
上記構成より成る本第４実施形態の冷却装置は、前記液溜２５の冷媒蒸気が液になり液相部２５ｂに戻る作用は、図２に示される前記第２実施形態と同一である。パルス管９の低温端９ｂが、前記液溜２５の液相部２５ｂには設けておらず、液溜２５の外部の真空空間２６に設けられてあるので、パルス管冷凍機Ａの効率を良好に維持し、パルス管９の高温端９ａを真空槽３１から著しく飛び出ることなく、パルス管の長さを確保することが出来る。
【００５１】
この結果、パルス管９から液溜２５に熱が侵入することはなく、パルス管９の高温端９ａも真空槽２７から著しく飛び出ることはないので冷却装置の占有空間を抑制することが出来る。
【００５２】
（第５実施形態）
本第５実施形態の冷却装置は、前記第３発明および第５発明に属するもので、図５に示されるように例えば液体窒素で冷却される高温超電導磁石等の被冷却体を冷却する冷却装置に本発明を適用したものである。
【００５３】
本第５実施形態は、図２に示される第２実施形態を変形したもので、即ち、第２実施形態における縦置きの蓄冷器を横置きの蓄冷器５１にしたものである。
【００５４】
上記構成より成る本第５実施形態の冷却装置は、横方向に配設され前記真空槽および容器を貫通して配設された前記蓄冷器５１の低温端に固着された前記凝縮器７によって、前記液溜２１の冷媒液の温度より低い温度の冷凍を発生するという効果を奏する。
【００５５】
また本第５実施形態の冷却装置は、その他の構成、作用、効果については図２に示される第２実施形態と同様であり、説明を省略する。
【００５６】
（第６実施形態）
本第６実施形態の冷却装置は、前記第４発明および第５発明に属するもので、図６および図７（図６の断面ＸＸを示した）に示されるように例えば液体窒素で冷却される高温超電導磁石等の被冷却体を冷却する冷却装置に本発明を適用したものである。
【００５７】
本第６実施形態は、図４に示される第４実施形態を変形したもので、即ち、第４実施形態における縦置きの蓄冷器を横置きの蓄冷器６１にしたものである。
【００５８】
上記構成より成る本第６実施形態の冷却装置は、横方向に配設され前記真空槽および容器を貫通して配設された前記蓄冷器６１の低温端に固着された前記凝縮器７によって、前記液溜２１の冷媒液の温度より低い温度の冷凍を発生するという効果を奏する。
【００５９】
また本第６実施形態の冷却装置は、その他の構成、作用、効果については図２に示される第２実施形態と同様であり、説明を省略する。
【００６０】
上述の実施形態は、説明のために例示したもので、本発明としてはそれらに限定されるものでは無く、特許請求の範囲、発明の詳細な説明および図面の記載から当業者が認識することができる本発明の技術的思想に反しない限り、変更および付加が可能である。
【００６１】
上述の実施形態における位相調整器１２としては、図８（Ａ）に示されるオリフィス型、図８（Ｂ）に示されるアクティブバッファ型、図８（Ｃ）に示されるダブインレット型、図８（Ｄ）に示される４バルブ等いずれの方式でも採用することが出来る。
【００６２】
上述の実施形態においては、一例として１段のパルス連冷凍機について説明したが、本発明としてはそれらに限定されるものでは無く、必要に応じて２段以上のパルス管冷凍機にも適用出来るものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の冷却装置を示す回路図である。
【図２】本発明の第２実施形態の冷却装置を示す回路図である。
【図３】本発明の第３実施形態の冷却装置を示す回路図である。
【図４】本発明の第４実施形態の冷却装置を示す回路図である。
【図５】本発明の第５実施形態の冷却装置を示す回路図である。
【図６】本発明の第６実施形態の冷却装置を示す回路図である。
【図７】本第６実施形態の冷却装置を示す図６中Ｘ−Ｘ線に沿う断面図である。
【図８】本発明の実施形態において位相調整器として採用することが出来る４タイプの具体例を示す回路図である。
【図９】従来の冷却装置を示す回路図である。
【符号の説明】
１  圧力源
６  蓄冷器
７  凝縮器
８  配管
９  パルス管
１０  放熱器
１２  位相調整器
Ａ  パルス管冷凍機
３６、３７  断熱支持材
３１  真空槽
２１  液溜
６ｂ  蓄冷器の低温端
９ｂ  パルス管の低温端
２１ａ液溜の気相部
２１ｂ  液溜の液相部
【図１】
0004520676.tif 000002
【図２】
0004520676.tif 000003
【図３】
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【図４】
0004520676.tif 000005
【図５】
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【図６】
0004520676.tif 000007
【図７】
0004520676.tif 000008
【図８】
0004520676.tif 000009
【図９】
0004520676.tif 000010