CN105716312A - 超低温制冷机及超低温制冷机的运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种降低超低温制冷机所产生的寒冷的到达温度的技术。在通过使氦膨胀来产生4[K]以下的寒冷的超低温制冷机(1)中，膨胀器(50)使高压氦膨胀。压缩机(12)将从膨胀器(50)返回的低压氦压缩以生成高压氦，并将该高压氦供给到膨胀器(50)。当膨胀器(50)内的氦的温度为2.17[K]以下时，低压氦的压力设为横轴表示温度且纵轴表示压力的氦的状态图中的氦的体积膨胀系数为0的曲线的压力以上。

Description

超低温制冷机及超低温制冷机的运行方法

本申请主张基于2014年12月22日申请的日本专利第2014-259040号及2015年7月23日申请的日本专利申请第2015-146032号的优先权。这些日本申请的全部内容通过参考援用于本说明书中。

技术领域

本发明涉及一种通过使从压缩装置供给的高压氦膨胀来产生寒冷的超低温制冷机及该超低温制冷机的运行方法。

背景技术

作为超低温制冷机，例如有专利文献1中记载的制冷机。置换器式超低温制冷机具备膨胀器，该膨胀器以能够使置换器移动的方式将置换器容纳在缸体内部。在置换器式超低温制冷机中，通过使置换器在缸体内部往复运动的同时使氦在膨胀器内膨胀，从而产生寒冷。在膨胀器内产生的氦的寒冷积蓄在蓄冷器的同时传递到冷却台而达到所希望的超低温，从而冷却连接于冷却台的冷却对象。

例如，如果这些超低温制冷机利用在大气压下的液体氦的生成时，通常产生4[K]左右的寒冷。若能够进一步降低该寒冷的到达温度，则能够提供例如氦超流动转变温度。

专利文献1：日本特开2006-242484号公报

发明内容

本发明的目的在于提供一种降低超低温制冷机所产生的寒冷的到达温度的技术。

为了解决上述课题，本发明的一种实施方式的超低温制冷机通过使氦膨胀来产生4[K]以下的寒冷，该超低温制冷机具备：膨胀器，使高压氦膨胀；及压缩机，对从膨胀器返回的低压氦进行压缩以生成高压氦，并将该高压氦供给到膨胀器。当膨胀器内的氦的温度为2.17[K]以下时，低压氦的压力设为横轴表示温度且纵轴表示压力的氦的状态图中的氦的体积膨胀系数为0的曲线的压力以上。

本发明的另一种实施方式为超低温制冷机的运行方法，该方法为在超低温制冷机中通过使氦膨胀来产生4[K]以下的寒冷的运行方法，其中，所述超低温制冷机具备：膨胀器，使高压氦膨胀；及压缩机，对从膨胀器返回的低压氦进行压缩以生成高压氦，并将该高压氦供给到膨胀器。该超低温制冷机的运行方法包括如下步骤：检测膨胀器内的氦的温度；及当检测出的温度为2.17[K]以下时，将所述低压氦的压力设为横轴表示温度且纵轴表示压力的氦的状态图中的氦的体积膨胀系数为0的曲线的压力以上。

根据本发明，能够提供一种降低超低温制冷机所产生的寒冷的到达温度的技术。

附图说明

图1为表示本发明的实施方式所涉及的超低温制冷机的示意图。

图2为表示超低温下的氦4的相的状态图。

图3为表示本发明的实施方式所涉及的超低温制冷机的示意图。

图4为表示本发明的实施方式所涉及的超低温制冷机的示意图。

图中：1-超低温制冷机，2-置换器，2a-主体部，2b-盖部，3-膨胀空间，4-缸体，5-冷却台，7-蓄冷器，8-室温室，9-上端侧整流器，10-下端侧整流器，11-上部开口，12-压缩机，13-供给阀，14-回流阀，15-密封件，16-排气口，50-膨胀器，60-超低温制冷机，62-膨胀器，64-压缩机，68-氦罐部，70-氦罐控制部，76-二级氦膨胀室，78-二级换热器，92-氦罐，94-连结配管，96-阀，98-二级温度传感器，100-温度比较部，102-阀控制部，110-超低温制冷机，112-第1冷却部，114-第2冷却部，116-第1膨胀器，118-第1压缩机，120-第1氦气管路，122-氦膨胀室，124-第2膨胀器，126-第2压缩机，128-第2氦气管路，130-氦接收室。

具体实施方式

下面，根据附图对本发明的实施方式进行说明。

图1为表示本发明的实施方式所涉及的超低温制冷机1的示意图。实施方式所涉及的超低温制冷机1为将氦4(⁴He)的氦用作制冷剂气体的吉福德-麦克马洪式制冷机。超低温制冷机1具备：缸体4，与置换器2之间形成使高压氦膨胀的膨胀空间3；及有底圆筒状的冷却台5，与膨胀空间3相邻，并且以从外侧包围该膨胀空间的方式存在。冷却台5作为在冷却对象与氦之间进行换热的换热器发挥作用。以下，在本说明书中，将在缸体4内容纳置换器2并使氦膨胀的整个结构统称为“膨胀器50”。压缩机12回收从膨胀器50返回的低压氦，并对其进行压缩之后，将高压氦供给到膨胀器50。

置换器2包括主体部2a及设置于低温端的盖部2b。盖部2b可以由与主体部2a相同的部件构成。并且，盖部2b也可以由导热率高于主体部2a的材质构成。如此一来，盖部2b还作为与在盖部2b内部流动的氦之间进行换热的导热部发挥作用。作为盖部2b例如使用铜、铝、不锈钢等导热率至少大于主体部2a的材料。冷却台5例如由铜、铝、不锈钢等构成。

缸体4以使置换器2能够在长度方向上往复移动的方式容纳置换器2。从强度、导热率及氦阻断能力等观点出发，缸体4例如使用不锈钢。

在置换器2的高温端设置有往复驱动置换器2的未图示的止转棒轭机构，置换器2沿着缸体4的轴向进行往复移动。

置换器2具有圆筒状的外周面，且在置换器2的内部填充有蓄冷材料。该置换器2的内部空间构成蓄冷器7。在蓄冷器7的上端侧及下端侧分别设置有对氦的流动进行整流的上端侧整流器9及下端侧整流器10。

在置换器2的高温端形成有使氦从室温室8流向置换器2的上部开口11。室温室8为由缸体4与置换器2的高温端形成的空间，且其容积随着置换器2的往复移动而发生变化。

在室温室8上连接有将由压缩机12、供给阀13及回流阀14构成的供排气系统相互连接的配管中的供排气共用配管。并且，在置换器2的偏靠高温端部分与缸体4之间安装有密封件15。

在置换器2的低温端形成有将氦导入到膨胀空间3的氦的排气口16。并且，在置换器2的外壁与缸体4的内壁之间设置有间隙C，该间隙C成为连结置换器2的内部空间与膨胀空间3的氦的流路。

膨胀空间3为由缸体4与置换器2形成的空间，其容积随着置换器2的往复移动发生变化。在缸体4的外周且与底部的膨胀空间3相对应的位置配置有与冷却对象热连接的冷却台5。氦通过氦的排气口16及间隙C而流入到膨胀空间3，从而供给到膨胀空间3。

接着，对超低温制冷机1的动作进行说明。

在氦供给工序的某一时刻，置换器2如图1所示位于缸体4的下止点LP。若与此同时或者在稍微错开的时刻打开供给阀13，则高压氦经由供给阀13从供排气共用配管供给到缸体4内。其结果，高压氦从位于置换器2的上部的上部开口11流入到置换器2内部的蓄冷器7中。流入到蓄冷器7的高压氦在被蓄冷材料冷却的同时经由位于置换器2的下部的氦的排气口16及间隙C而供给到膨胀空间3。

若膨胀空间3被高压氦充满，则供给阀13被关闭。此时，置换器2位于缸体4内的上止点UP。若在置换器2位于缸体4内的上止点UP时或者在稍微错开时刻打开回流阀14，则膨胀空间3内的氦被减压并膨胀。通过膨胀而变成低温的膨胀空间3内的氦吸收冷却台5的热量。

置换器2朝向下止点LP移动，从而膨胀空间3的容积减少。膨胀空间3内的氦通过氦的排气口16及间隙C被回收到置换器2内。此时，氦也同样吸收冷却台5的热量。从膨胀空间3返回到蓄冷器7的氦对蓄冷器7内的蓄冷材料也进行冷却。回收到置换器2的氦进一步经由蓄冷器7及上部开口11返回到压缩机12的吸入侧。将以上工序作为1个循环，超低温制冷机1重复进行该制冷循环，由此对冷却台5进行冷却。

如以上说明，在实施方式所涉及的超低温制冷机1中，通过使置换器2在构成膨胀器50的缸体4内进行往复移动，从而使得膨胀空间3内的氦膨胀并产生寒冷。

在此，要想产生大气压下的氦的沸点(即，大约4.2[K])的寒冷，将压缩机12的运行压力的高压侧设为25[bar]且将低压侧设为8[bar]的话，其效率较佳。即，通过重复进行在膨胀器50内使25[bar]的氦膨胀为8[bar]的制冷循环，超低温制冷机1能够有效地产生在大气压下氦能够液化的约4[K]的寒冷。

接着，对4[K]以下的超低温下的氦4的物理性质进行说明。作为氦的同位素存在氦4(⁴He)和氦3(³He)，但两者在超低温下的物理性质不同。以下，在氦为氦4的前提下进行说明。

图2为表示超低温下的氦4的相的状态图。图2为使用美国HorizonTechnologies公司的HePak(version3.40)生成的图。

图2为横轴表示温度T[K]且纵轴表示压力P[bar]的氦的状态图。在图2中，氦的温度范围为1.7[K]至2.4[K]，压力范围为0[bar]至40[bar]。在图2中，用m表示的虚线为氦的熔化曲线。并且，用λ表示的虚线为λ线(lambdaline)。若氦的温度及压力位于λ线的下侧，则氦成为超流动状态(superfluidity)。

在图2中，用α表示的虚线为氦的体积膨胀系数(volumetricthermalexpansioncoefficient)α为0的曲线。以下，在本说明书中，为方便起见，将图2所示的状态图中的氦的体积膨胀系数为0的曲线记为“α曲线”。

在图2中，α曲线上侧的区域为氦的体积膨胀系数α取正值的区域。并且，α曲线下方的区域为氦的体积膨胀系数α取负值的区域。在氦的温度及压力位于α曲线的上侧的情况下，若使氦绝热膨胀，则氦的温度会下降。而在氦的温度及压力位于α曲线的下侧的情况下，若使氦绝热膨胀，则氦的温度会上升。

在图2中，与数字一起表示的实线表示氦的等熵曲线。各数字表示氦的每单位质量的熵s[J/gK]。例如，压力为24[bar]且温度达到2.09[K]的氦的每单位质量的熵s为1.407[J/gK]。氦绝热膨胀时，氦的温度及压力沿等熵曲线发生变化。

氦的沸点在1气压(约1[bar])下约为4.2[K]。1[bar]的氦若成为4.2[K]以下，则成为液体氦。若对1[bar]且4.2[K]的氦进行减压而使蒸汽压下降至约0.05[bar]，则氦的温度成为约2.17[K]。此时，氦会转变成超流动状态。即，氦的超流动转变温度在饱和蒸汽压下约为2.17[K]。

如图2所示，氦的λ线在状态图中为具有向右下滑的负斜率的曲线。这表示，若氦的压力变高，则超流动转变温度会下降。因此，要想使氦转变成超流动状态，至少需要2.17[K]的寒冷。以下，在本说明书中，除了特意进行区分的情况之外，“超流动温度区域”是指将氦转变为超流动状态所需的温度(即2.17[K])以下的温度区域。

从图2中可知，若在超流动温度区域中使氦绝热膨胀，则氦的温度不会下降至小于等熵曲线与α曲线的交点温度的温度。即，在图2所示的氦的状态图中，等熵曲线与α曲线的交点上的温度表示氦进行绝热膨胀时所达到的温度的下限值。

从图2中可知，α曲线位于λ曲线的上侧，且不与λ曲线相交。这表示，若在超流动温度区域中对氦进行减压而使其绝热膨胀，则在氦经过λ转变而成为超流动状态之前，氦就已经达到最低温度。即，这意味着若氦减压至刚要λ转变之前，则氦的温度在达到最低温度之后上升。因此，在超流动温度区域中使氦绝热膨胀时，控制减压，以免膨胀空间3内的氦的压力小于等熵曲线与α曲线的交点压力。由此，能够抑制因绝热膨胀而引起的氦的温度上升，从而能够提高制冷效率。

并且，与λ曲线相同，α曲线在图2所示的氦的状态图中也为具有向右下滑的负斜率的曲线。这表示，若氦的熵变小，则等熵曲线与α曲线的交点的压力会上升。若在膨胀空间3内进行绝热膨胀，则氦的温度会下降，且氦的每单位质量的熵也会变小。因此，随着氦在超流动温度区域中重复进行制冷循环，氦的熵会变小，等熵曲线与α曲线的交点的压力会上升。

因此，根据超低温制冷机1所目标的最低到达温度，计算出该温度下的氦的熵。检测膨胀空间3内的氦的温度，并在所检测的温度至少为2.17[K]以下时，将压缩机12的运行压力的低压侧的压力设定为计算出的熵的等熵曲线与α曲线的交点的压力以上。由此，在图2所示的状态图中，膨胀空间3内的低压氦的压力在氦的α曲线的上侧进行变动。由于氦的压力为等熵曲线与α曲线的交点的压力以上，因此能够抑制因氦的绝热膨胀而使氦的温度上升。其结果，能够提高超低温制冷机1在超流动温度区域中的制冷效率。另外，在难以直接检测膨胀空间3内的氦的温度的情况下，可以测定冷却台5的温度，并将所测定的温度视为膨胀空间3内的氦的温度。

或者，当膨胀空间3内的氦的温度为2.17[K]以下时，可以根据氦的温度适当地改变压缩机12的运行压力的低压侧的压力的设定值。更具体而言，在图2所示的状态图中，可以将与根据氦的温度而确定的熵相对应的等熵曲线与α曲线的交点的压力作为压缩机12的运行压力的低压侧的压力的设定值。由此，当膨胀空间3内的氦的温度较高时，使压缩机12的运行压力的低压侧的压力的设定值变低，能够在膨胀空间3内产生温度更低的寒冷。

作为例子(并不限定本发明)，将压缩机12的低温侧的压力设为15[bar]。此时，膨胀空间3内的氦的压力最低也会成为15[bar]以上。在图2所示的α曲线中，压力为15[bar]时，温度约为2.06[K]。即，通过将压缩机12的低温侧的压力设为15[bar]，超低温制冷机1能够产生的寒冷的最低到达温度成为2.06[K]。该温度比使氦转变为超流动状态所需的最高温度即2.17[K]低0.1[K]以上。因此，能够稳定地将超低温制冷机1用作使氦转变为超流动状态的制冷机。

超低温制冷机1大多还使用于使氦液化的用途。如上所述，若将压缩机12的运行压力的高压侧设为25[bar]，则能够有效地产生大气压下的氦的沸点(即约4.2[K])的寒冷。因此，现有的压缩机的运行压力的高压侧大多被设定为25[bar]左右，并且大多将整个超低温制冷机1的耐压也设为25[bar]左右。

通常，在超低温制冷机1中，若压缩机12的低压侧的压力与高压侧的压力之间的差压较小，则超低温制冷机1的运行效率会下降。在使用压缩机12的运行压力的高压侧的压力设为25[bar]左右的现有的超低温制冷机1的情况下，即便将压缩机12的低压侧的压力设为15[bar]，其差压也为10[bar]。因此，认为超低温制冷机1的运行效率也在实用范围内。因此，通过将压缩机12的低压侧的压力设为15[bar]，在不改变超低温制冷机1的耐压设计的情况下，也能够产生足以使氦转变为超流动状态的寒冷。

作为另一例子(并不限定本发明)，可以将压缩机12的低压侧的压力设为25[bar]。此时，膨胀空间3内的氦的压力最低也会成为25[bar]以上。在图2所示的α曲线中，压力为25[bar]时，温度约为1.93[K]。此时，超低温制冷机1能够产生低于2[K]的寒冷，能够更加稳定地提供氦的超流动转变温度。

在将压缩机12的低压侧的压力设定为25[bar]的情况下，将高压侧的压力设定为25[bar]以上。为了提高超低温制冷机1的运行效率，优选压缩机12的高压侧的压力足够高于低压侧的压力。然而，若将压缩机12的高压侧的压力设定得过高，则氦的压力会上升，导致无论温度如何氦会变成固体。

如上所述，在图2所示的状态图中，用m表示的虚线为氦的熔化曲线。在图2所示的状态图中，当氦的温度及压力位于熔化曲线的上方时，氦成为固体。因此，为了使超低温制冷机1运转，以使氦的压力成为状态图中的氦的熔化曲线以下的方式设定压缩机12的高压侧的压力。

作为例子(并不限定本发明)，将压缩机12的高压侧的压力设为35[bar]。此时，膨胀空间3内的氦的压力最高也会成为35[bar]以下。在图2所示的氦的熔化曲线中，压力为35[bar]时，温度约为1.91[K]。压力为35[bar]时温度成为1.91[K]的氦的每单位质量的熵s约为1.25[J/gK]。在图2所示的状态图中，每单位质量的熵s为1.25[J/gK]的等熵曲线大体在1.82[K]且28[bar]的点与α曲线交叉。因此，通过将压缩机12的低压侧的压力设为28[bar]，超低温制冷机1能够产生1.9[K]以下的寒冷。并且，也能够抑制氦变成固体。

接着，对图2所示的氦的状态图中的表示α曲线的式进行说明。

在使氦绝热膨胀时，即，在将氦的熵保持恒定的同时对其进行减压时，氦的温度根据压力而进行变化。如图2所示，在超流动温度区域中，氦的温度相对于压力具有极小值。这表示，将氦的温度设为T[K]、将压力设为P[bar]、将每单位质量的熵设为s[J/gK]时，在超流动温度区域中存在的压力P₀。并且，将此时的氦的温度设为T₀。

在超流动温度区域中，的压力P₀根据氦的每单位质量的熵s而发生变化。因此，压力P₀可以表示为作为氦的每单位质量的熵s的函数的P₀(s)。同样，时的氦的温度T₀也可以表示为作为氦的每单位质量的熵s的函数的T₀(s)。据以上内容，α曲线可以表示为，将氦的每单位质量的熵s作为参数的在图2所示的氦的状态图中的点(T₀(s)，P₀(s))。即，α曲线表示为，使氦的每单位质量的熵s变化时点(T₀(s)，P₀(s))所描绘出的轨迹。

若利用偏微分，则α曲线如下式：

[式1]

${\left(\frac{\∂T}{\∂P}\right)}_s=0$

根据图2可知，氦的每单位质量的熵s大体在1.2[J/gK]＜s＜1.6[J/gK]之间变化。

上述式1表示如下轨迹，即，在图2所示的氦的状态图中，在改变氦气的每单位质量的熵s的同时描绘出的相对于超流动温度区域中的氦气压力变化的温度梯度成为0的点的轨迹。α曲线为表示在超流动温度区域中使氦气绝热膨胀时氦气能够达到的最低温度的曲线。

如以上说明，实施方式所涉及的超低温制冷机1能够降低因氦的膨胀而产生的寒冷的到达温度。

尤其，根据实施方式所涉及的超低温制冷机1，能够稳定地产生氦4的超流动转变温度(即2.17[K])以下的寒冷。因此，实施方式所涉及的超低温制冷机能够用作使氦4超流动转变的制冷机。虽然也有利用氦3来产生该温度区域的寒冷的制冷机，但是与氦3相比，氦4的成本非常低。因此，实施方式所涉及的超低温制冷机1能够以低成本提供氦4的超流动转变温度。

图3为表示本发明的实施方式所涉及的超低温制冷机60的示意图。超低温制冷机60具备膨胀器62、压缩机64、氦气管路66、氦罐部68及氦罐控制部70。超低温制冷机60为二级式制冷机，因此膨胀器62具有一级冷却部72及二级冷却部74。二级冷却部74具备二级氦膨胀室76及从外侧包围二级氦膨胀室76的二级换热器78或二级冷却台。

氦气管路66将膨胀器62连结于压缩机64，以便从膨胀器62将低压氦回收到压缩机64并从压缩机64将高压氦供给到膨胀器62。以下，将压缩机64的低压侧压力还称为压缩机64的运行低压。氦气管路66具备阀部84，该阀部84包括供给阀80及回流阀82。并且，氦气管路66具备低压配管86、高压配管88及供排气共用配管90。低压配管86将回流阀82连结于压缩机64的低压端口。高压配管88将供给阀80连结于压缩机64的高压端口。供排气共用配管90将阀部84连结于一级冷却部72的室温室。

氦罐部68连结于超低温制冷机60，以便向超低温制冷机60供给氦。氦罐部68具备氦罐92、将氦罐92连结于超低温制冷机60的氦气管路66的连结配管94及设置于连结配管94的阀96。

氦罐92为能够储存具有规定压力的氦气的压力容器。氦罐92的压力及容积被设计成，通过从氦罐92向氦气管路66供给氦来使压缩机64的运行低压增加为目标压力。目标压力为在上述超流动温度区域或其附近温度下根据α曲线确定的压力值以上。例如，氦罐92被设计成，在超流动温度区域或其附近温度下使压缩机64的运行低压从初始运行低压(例如8[bar])增加至15[bar]以上。

阀96构成为控制连结配管94的氦气流动。阀96受从氦罐控制部70输入的阀控制信号V的控制。即，根据阀控制信号V打开或关闭阀96，或者调节阀96的开度。阀96以能够与氦罐控制部70进行通信的方式连接，以便接收阀控制信号V。

若打开阀96，则氦罐92通过连结配管94与氦气管路66连通，允许氦气在氦罐92与氦气管路66之间流动。若关闭阀96，则氦罐92与氦气管路66之间被切断，从而阻断氦气在氦罐92与氦气管路66之间流动

氦罐部68连结于压缩机64的低压侧。连结配管94将氦罐92连结在低压配管86。若氦罐压高于压缩机64的运行低压，则在阀96被打开的状态下，氦从氦罐92供给到超低温制冷机60。若氦罐压低于压缩机64的运行低压，则在阀96被打开的状态下，氦从超低温制冷机60回收到氦罐92中。因此，通过将氦罐部68连结在压缩机64的低压侧，能够将氦罐压设为较低。这有利于氦罐92的结构的简化和减重。

另外，氦罐部68也可以连结在压缩机64的高压侧。此时，为了从氦罐92向超低温制冷机60供给氦，氦罐压必须高于压缩机64的高压侧压力。

超低温制冷机60具备测定二级氦膨胀室76和/或二级换热器78的温度的二级温度传感器98。二级温度传感器98安装于膨胀器62的二级换热器78。二级温度传感器98以能够与氦罐控制部70进行通信的方式连接，以便将测定温度T2输出到氦罐控制部70。

氦罐控制部70构成为控制氦罐部68，以便根据二级氦膨胀室76和/或二级换热器78的温度开始从氦罐部68向超低温制冷机60的氦供给。

氦罐控制部70具备温度比较部100及阀控制部102。温度比较部100构成为将测定温度T2与温度阈值T0进行比较。温度比较部100构成为将温度比较的结果输出给阀控制部102。阀控制部102构成为根据来自温度比较部100的输入生成阀控制信号V。当测定温度T2高于温度阈值T0时，阀控制部102使阀96关闭，而当测定温度T2为温度阈值T0以下时，使阀96打开。关于温度阈值T0，预先从高于2.17[K]且5[K]以下的温度范围中设定。温度阈值T0例如可以是4[K]。氦罐控制部70可以具备存储温度阈值T0的存储部104。

通过这种结构，监视从室温冷却至超低温的冷却过程中的二级冷却部74的冷却温度。超低温制冷机60在开始运行时，由于测定温度T2高于温度阈值T0，因此阀96被关闭，氦罐92不向氦气管路66供给氦。此时，氦罐92的压力保持在设计上的初始压力。超低温制冷机60在压缩机64的初始运行压力下运行。若进行冷却而测定温度T2降低到温度阈值T0，则阀96被开启，开始从氦罐92向氦气管路66的低压配管86供给氦。如此，氦罐部68使超低温制冷机60的氦气量增加。其结果，压缩机64的运行低压增加至在超流动温度区域或其附近温度下根据α曲线确定的压力值以上。

因此，如上所述，超低温制冷机60能够产生2.17[K]以下的寒冷。并且，超低温制冷机60在高于4[K]的温度区域下能够以与其相适应的较低的氦压力运行。

在阀96刚被打开之后，冷却温度多少可能会变高。这是随着超低温制冷机60的氦气量的增加而产生的过渡现象。因此，氦罐控制部70可以构成为在刚打开阀96之后暂时忽略测定温度T2。例如，阀控制部102可以构成为，在打开阀96之后，与来自温度比较部100的输入无关地使阀96继续打开规定时间。如此一来，能够防止因过渡性的温度升高而引起的阀96的关闭及氦供给的停止。

并且，为了减轻或防止这种过渡性的升温，氦罐控制部70可通过控制氦罐部68，使从氦罐部68阶段性地向超低温制冷机60供给氦。为此，阀控制部102可以反复进行阀96的打开和关闭。由此，缓缓地供给氦，能够抑制升温。

氦罐控制部70可构成为控制氦罐部68，以便根据压缩机64的运行低压和/或氦罐92的压力停止从氦罐部68向超低温制冷机60的氦供给。压缩机64的运行低压可以通过内置于压缩机64的压缩机压力传感器来测定。氦罐92的压力可以通过安装于氦罐92的罐压力传感器来测定。压力传感器以能够与氦罐控制部70进行通信的方式连接，以便将测定压力输出给氦罐控制部70。

氦罐控制部70可以具备压力比较部，该压力比较部将预先设定的压力阈值与测定压力进行比较，并将比较结果输出给阀控制部102。压力阈值例如为上述目标压力。阀控制部102可构成为根据来自压力比较部的输入来生成阀控制信号V。阀控制部102可以在测定压力为压力阈值以上时，使阀96关闭，在测定压力小于压力阈值时，使阀96保持打开状态。压力阈值可以存储于存储部104。

氦罐92的初始压力可以是压缩机64的高压与低压的平均压力。如此一来，通过在超低温制冷机60的停止运行期间打开阀96，从而能够为下一次运行而使氦罐92恢复到初始压力。或者，为了恢复到初始压力，氦罐92也可以连结于压缩机64的高压侧。

图4为表示本发明的实施方式所涉及的超低温制冷机110的示意图。超低温制冷机110具备提供预冷功能的第1冷却部112及提供向超流动温度区域冷却的冷却功能的第2冷却部114。第2冷却部114被第1冷却部112预冷。如此，超低温制冷机110独立具有高温级预冷制冷机和低温级制冷机。

第1冷却部112具备第1膨胀器116、第1压缩机118及第1氦气管路120。第1膨胀器116在其低温侧具有氦膨胀室122。第1氦气管路120将第1膨胀器116连结在第1压缩机118，以便从第1膨胀器116回收第1低压PL1的氦并从第1压缩机118供给第1高压PH1的氦。图4所示的第1冷却部112为单级制冷机，但第1冷却部112也可以是二级式制冷机(例如，4K-GM制冷机)。

第2冷却部114具备第2膨胀器124、第2压缩机126及第2氦气管路128。第2膨胀器124在其高温侧具有氦接收室130。氦接收室130通过导热部件132与第1冷却部112的氦膨胀室122热连接。导热部件132的一部分安装于第1冷却部112的氦膨胀室122，另一部分安装于第2冷却部114的氦接收室130。通过自氦膨胀室122向氦接收室130传导冷却，第1冷却部112对第2冷却部114进行预冷。

第2氦气管路128将第2膨胀器124连结在第2压缩机126，以便从第2膨胀器124回收第2低压PL2的氦并从第2压缩机126供给第2高压PH2的氦。第2氦气管路128与第1氦气管路120彼此独立。因此，第2冷却部114的氦循环线路与第1冷却部112的氦循环线路彼此隔离。

第2冷却部114以与第1冷却部112不同的氦压力运行。第2低压PL2高于第1低压PL1。第2低压PL2可以是15[bar]以上。第1低压PL1可以是8[bar]以下。并且，第2高压PH2可以高于第1高压PH1。

因此，超低温制冷机110能够以分别适于第1冷却部112及第2冷却部114的氦压力运行。即，能够使第1冷却部112以适于预冷的较低的氦压力运行，且能够使第2冷却部114以适于冷却至2.17[K]以下的较高的氦压力运行。

以上，对本发明的优选实施例进行了详细说明，但本发明并不限定于上述实施例，在不脱离本发明的范围的前体下，能够对上述实施例加以各种变形及置换。

以上，在超低温制冷机1为GM制冷机的前提下进行了说明。作为超低温制冷机1除此之外还可以是将氦4作为工作流体的置换器式的斯特林制冷机。此时也同样可以根据斯特林制冷机的目标温度并参考图2所示的α曲线来设定压缩机的低压侧的压力。并且，可以将压缩机的高压侧的压力设定为氦的压力不会成为熔化曲线以上的压力。由此，能够降低斯特林制冷机的最低到达温度，并且还能够抑制因氦的绝热膨胀而引起的氦气的温度上升。

以上，在超低温制冷机1为单级GM制冷机前提下进行了说明。作为超低温制冷机1也可以是2级以上的多级式GM制冷机。此时也同样可以根据制冷机的目标温度并参考图2所示α曲线来设定压缩机的低压侧的压力。并且，可以将压缩机的高压侧的压力设定为氦的压力不会成为熔化曲线以上的压力。

Claims (12)

1.一种超低温制冷机，其通过使氦膨胀而产生4[K]以下的寒冷，该超低温制冷机的特征在于，具备：

膨胀器，使高压氦膨胀；及

压缩机，对从所述膨胀器返回的低压氦进行压缩以生成高压氦，并将该高压氦供给到所述膨胀器，

当所述膨胀器内的氦的温度为2.17[K]以下时，所述低压氦的压力设为横轴表示温度且纵轴表示压力的氦的状态图中的氦的体积膨胀系数为0的曲线的压力以上。

2.根据权利要求1所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述低压氦的压力为15[bar]以上。

3.根据权利要求1所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述低压氦的压力为25[bar]以上。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述高压氦的压力为所述状态图中的氦的熔化曲线以下。

5.根据权利要求4所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述高压氦的压力为35[bar]以下。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的超低温制冷机，其特征在于，

将所述膨胀器内的氦的温度设为T[K]、压力设为P[bar]、每单位质量的熵设为s[J/gK]时，所述体积膨胀系数为0的曲线为以下式表示的曲线。

[式1]

${\left(\frac{\∂T}{\∂P}\right)}_s=0$

7.根据权利要求1至6中任一项所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述氦为氦4。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述膨胀器具备氦膨胀室及从外侧包围所述氦膨胀室的换热器，

所述超低温制冷机还具备：

氦罐部，连结于所述超低温制冷机以向所述超低温制冷机供给氦；及

氦罐控制部，所述氦罐控制部控制所述氦罐部以根据所述氦膨胀室和/或所述换热器的温度开始从所述氦罐部向所述超低温制冷机的氦供给。

9.根据权利要求8所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述超低温制冷机还具备温度传感器，所述温度传感器安装于所述膨胀器以测定所述氦膨胀室和/或所述换热器的温度，且以能够与所述氦罐控制部进行通信的方式连接以将测定温度输出给所述氦罐控制部，

所述氦罐部具备：氦罐；连结配管，将所述氦罐连结到所述超低温制冷机；及阀，设置于所述连结配管，

所述氦罐控制部具备：温度比较部，将所述测定温度与温度阈值进行比较；及阀控制部，根据来自所述温度比较部的输入控制所述阀，以便在所述测定温度高于所述温度阈值时使阀关闭，在所述测定温度为所述温度阈值以下时使阀打开，其中，所述温度阈值为从高于2.17[K]且5[K]以下的范围中预先设定的值。

10.根据权利要求8或9所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述氦罐部连结于所述压缩机的低压侧。

11.根据权利要求1至7中任一项所述的超低温制冷机，其特征在于，

具备第1冷却部及第2冷却部，

所述第1冷却部具备：第1膨胀器，具有氦膨胀室；第1压缩机；及第1氦气管路，将所述第1膨胀器连接于所述第1压缩机，以便从所述第1膨胀器回收第1低压氦并从所述第1压缩机供给第1高压氦，

所述第2冷却部具备：第2膨胀器，具有与所述氦膨胀室热连接的氦接收室；第2压缩机；及第2氦气管路，与所述第1氦气管路分离且将所述第2膨胀器连结于所述第2压缩机，以便从所述第2膨胀器回收第2低压氦并从所述第2压缩机供给第2高压氦，

并且，所述第2低压高于所述第1低压。

12.一种超低温制冷机的运行方法，其为在超低温制冷机中通过使氦膨胀来产生4[K]以下的寒冷的运行方法，所述超低温制冷机具备：膨胀器，使高压氦膨胀；及压缩机，对从所述膨胀器返回的低压氦进行压缩以生成高压氦，并将该高压氦供给到所述膨胀器，该超低温制冷机的运行方法的特征在于，包括如下步骤：

检测所述膨胀器内的氦的温度；及

当检测出的温度为2.17[K]以下时，将所述低压氦的压力设为横轴表示温度且纵轴表示压力的氦的状态图中的氦的体积膨胀系数为0的曲线的压力以上。