JP2001004236A - 極低温冷却装置および極低温冷却方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被冷却物が大形であっても、あるいは離れた
位置に配置されても、冷凍機の冷却ステージと小さな温
度差で冷却できるようにする。 【解決手段】 凝縮した冷媒の液体ヘリウムが溜まる凝
縮器１５と、ヘリウムの蒸発により被冷却物である超電
導コイル６を冷却する蒸発器１８との間は、冷媒液配管
１６と冷媒ガス配管１７で接続されている。冷媒液配管
１６の途中には２個の逆止弁２１、２２と液溜め容器２
３が設けられ、系内の圧力変動により冷媒が一方向に流
れるようになっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＧＭ（ギフォード
マクマフォン）冷凍機等の極低温冷凍機を用いて超電導
マグネット等を冷却する極低温冷却装置で、例えばＭＲ
Ｉ（磁気共鳴診断装置）、単結晶引き上げ装置、磁気浮
上列車、ＳＱＵＩＤ或いは加速器に使用する超電導マグ
ネットや低温機器の冷却に使用される極低温冷却装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の極低温冷却装置を図３の超電導マ
グネットを例に説明する。図３において、１は超電導マ
グネット、２は超電導マグネット１を冷却する膨張機、
３は膨張機２に高圧ガスを供給する圧縮機、４は圧縮機
３から膨張機２に高圧ガスを供給および回収する高圧ガ
ス配管、５は膨張機２に駆動電力を供給する電源ケーブ
ルである。超電導マグネット１において、６は被冷却物
である超電導コイル、７は巻枠、８は超電導コイル６を
真空断熱する真空容器、９は真空容器８と超電導コイル
６の間に設けられ輻射熱を遮蔽する熱シールド、１０は
７０Ｋの低温を発生する膨張機の１段冷却ステージであ
る。１１は４Ｋの極低温を発生する膨張機の２段冷却ス
テージ、１２は膨張機の２段冷却ステージ１１の極低温
を超電導コイル６に伝える熱伝導素子である。

【０００３】従来の極低温冷却装置の作用について説明
する。従来の極低温冷却装置は圧縮機３から供給される
高圧のガスを膨張機２で断熱膨張させることにより膨張
機の１段冷却ステージ１０で約７０Ｋ、２段冷却ステー
ジ１１で４Ｋの低温を発生する。膨張機の１段冷却ステ
ージ１０で発生した７０Ｋの低温は熱伝導により熱シー
ルド９を冷却する。膨張機の２段冷却ステージ１１で発
生した４Ｋの低温は熱伝導素子１２および巻枠７を経由
して熱伝導により超電導コイル６を冷却する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の極低温冷却装置
は以上のように熱シールドおよび被冷却物を熱伝導によ
り冷却している。そのため、被冷却物が大形化したり、
或いは膨張機と被冷却物が離れた位置にあると被冷却物
内の温度差が大きくなったり、膨張機の２段冷却ステー
ジから被冷却物までの温度差が大きくなり、被冷却物を
十分低い温度に冷却できない問題があったり、製作でき
る被冷却物の大きさ、冷凍機取り付け位置に制約があっ
た。

【０００５】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、被冷却物が大形化したり、離れ
た位置に配置されても膨張機の冷却ステージと小さな温
度差で有効に冷却できる極低温冷却装置および極低温冷
却方法を得ることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る極低温冷
却装置は、冷媒ガスを凝縮させる凝縮器、冷媒液を蒸発
させて被冷却物を冷却する蒸発器、凝縮器の底部と蒸発
器とを接続する冷媒液配管、凝縮器の冷媒液配管の取り
付け位置よりも上部の位置と蒸発器とを接続する冷媒ガ
ス配管、冷媒液配管の途中に取り付けられた２個の逆止
弁、およびこれら２個の逆止弁の間に設けられた液溜め
容器からなる冷却ユニットを備え、さらに極低温に冷却
することができ冷却熱を凝縮器に伝える冷凍機、および
被冷却物と冷却ユニットと冷凍機の低温部とを収納し真
空断熱する真空容器を備えたものである。

【０００７】請求項２に係る極低温冷却装置は、請求項
１記載のものにおいて、冷凍機が圧縮機と膨張機からな
り、この膨張機が挿入されるとともに底部に凝縮器が取
り付けられて内部に冷媒ガスが充填された膨張機取り付
けジャケットを備えたものである。請求項３に係る極低
温冷却装置は、請求項１または請求項２記載のものにお
いて、冷媒としてヘリウムを用いた１組の冷却ユニット
と、冷媒として窒素を用いた別の１組の冷却ユニットと
を備え、冷凍機が１段冷却ステージと２段冷却ステージ
とを備えて、２段冷却ステージで１組の冷却ユニットを
冷却するとともに１段冷却ステージで別の１組の冷却ユ
ニットを冷却するようにしたものである。

【０００８】請求項４に係る極低温冷却装置は、請求項
１から請求項３のいずれかに記載のものにおいて、真空
容器を、冷凍機を取り付け冷却ユニットを収納する冷凍
機取付部と被冷却物を収納する被冷却物収納部とに分
け、冷凍機取付部と被冷却物収納部との間をフレキシブ
ル構造にしたものである。請求項５に係る極低温冷却装
置は、請求項１から請求項４のいずれかに記載のものに
おいて、蒸発器に、被冷却物と接して熱を集める熱伝導
板を備えたものである。請求項６に係る極低温冷却装置
は、請求項１から請求項４のいずれかに記載のものにお
いて、蒸発器に、冷媒を溜めることができる容器を備
え、この容器の外部または内部に被冷却物を取り付けた
ものである。請求項７に係る極低温冷却装置は、請求項
１から請求項５のいずれかに記載のものにおいて、冷凍
機の運転開始後に、冷媒液を一時加熱することにより系
内の圧力変動を発生させ、冷媒液と冷媒ガスの輸送を開
始させるヒータを備えたものである。

【０００９】請求項８に係る極低温冷却方法は、請求項
１から請求項６のいずれかに記載の極低温冷却装置を使
用した極低温冷却方法において、冷凍機の運転開始後
に、冷凍機の運転を一時停止することにより系内の圧力
変動を発生させ、冷媒液と冷媒ガスの輸送を開始させる
ものである。請求項９に係る極低温冷却方法は、請求項
１から請求項７のいずれかに記載の極低温冷却装置を使
用した極低温冷却方法において、冷凍機の運転開始前
に、液体窒素を冷却ユニットに流し込むことにより被冷
却物を初期冷却するものである。

【００１０】

【発明の実施の形態】実施の形態１．以下、この発明の
一実施の形態について図１により説明する。図１はこの
発明の実施の形態１における極低温冷却装置を示す断面
図であり、１は超電導マグネット、２は超電導マグネッ
ト１を冷却する膨張機、３は膨張機２に高圧ガスを供給
する圧縮機、４は圧縮機３と膨張機２とを接続する高圧
ガス配管、５は膨張機２に駆動電力を供給する電源ケー
ブルであり、上記２〜５で極低温に冷却することができ
る冷凍機を構成している。６は超電導マグネット１の超
電導コイルで被冷却物である。７は超電導コイル６の巻
枠である。

【００１１】１０は７０Ｋの低温を発生する、冷凍機の
１段冷却ステージとしての膨張機の１段冷却ステージ、
１１は４Ｋの低温を発生する、冷凍機の２段冷却ステー
ジとしての膨張機の２段冷却ステージ、１２は膨張機の
２段冷却ステージ１１の極低温を超電導コイル６に伝え
る熱伝導素子、１３は膨張機２を挿入し取り付ける膨張
機取り付けジャケット、１４は膨張機取り付けジャケッ
トの１段冷却ステージ、１５は膨張機取り付けジャケッ
トの底部に取り付けられてその２段冷却ステージとして
動作し、冷媒ガスであるヘリウムガスを凝縮させる凝縮
器であり、また凝縮した冷媒液である液体ヘリウムとヘ
リウムガスとを分離する気液分離器をも兼ねている。膨
張機の１段冷却ステージ１０が膨張機取り付けジャケッ
トの１段冷却ステージ１４と後述の熱シールド９とに熱
接続されるとともに、膨張機の２段冷却ステージ１１が
凝縮器１５に熱接続されている。

【００１２】膨張機取り付けジャケット１３は凝縮器１
５とともに容器を形成しており、凝縮器１５には冷媒液
配管１６の一端と冷媒ガス配管１７の一端が取り付けら
れている。冷媒液配管１６が凝縮器１５の底部で開口
し、冷媒ガス配管１７は凝縮器１５の、冷媒液配管１６
取り付け位置よりも上部の位置に開口して取り付けられ
ている。１８は液体ヘリウムを蒸発させて超電導コイル
６を冷却する蒸発器、１８ａは熱伝導性の良い材料、例
えば銅板、アルミニウム板などを使用して蒸発器１８に
設けられた熱伝導板であり、超電導コイル６に接触して
取り付けられている。冷媒液配管１６のもう一方の端と
冷媒ガス配管１７のもう一方の端とが蒸発器１８に取り
付けられ、両配管１６、１７がここで互いに接続され
る。

【００１３】２１、２２は冷媒液配管の途中に直列に取
り付けられた第１、第２の逆止弁で、両者とも図におい
て下方へのみ冷媒液を通すようになっている。２３は凝
縮された液体ヘリウムが系内の圧力変動により流入し排
出される液溜め容器、２４は液溜め容器２３に流入した
液体ヘリウム、２５はヘリウムガス、２６は膨張機取り
付けジャケット１３に取り付けられたヒータ、２８は熱
伝導性の良い材料を用いたたわみ導体であり、膨張機取
り付けジャケットの１段冷却ステージ１４と後述の熱シ
ールド９との間を接続して熱を伝えると同時に膨張機２
の振動を吸収して遮蔽するようになっている。

【００１４】凝縮器１５と、冷媒液配管１６と、冷媒ガ
ス配管１７と、蒸発器１８と、熱伝導板１８ａと、第１
および第２の逆止弁２１、２２と、液溜め容器２３と、
ヒータ２６とで１組の冷却ユニット３０を構成してい
る。８は超電導コイル６および冷却ユニット３０を収納
し、外部から真空断熱する真空容器、９は超電導コイル
６および冷却ユニット３０と、真空容器８との間に設け
られて、輻射熱を遮蔽する熱シールド、２７は膨張機取
り付けジャケット１３と真空容器８との間に設けられ
て、膨張機２の振動を吸収するベローズである。１９は
膨張機取り付けジャケット１３にヘリウムガスを供給す
るヘリウムボンベ、２０は膨張機取り付けジャケット１
３とヘリウムボンベ１９とを接続するヘリウムガス配管
である。

【００１５】次に動作について説明する。膨張機２では
圧縮機３より供給される電力によりモータ（図示せず）
を回転させ、吸気バルブおよび排気バルブ（ともに図示
せず）を交互に開閉すると同時に膨張機２のシリンダ内
のディスプレーサ（ともに図示せず）を往復運動させ
る。また同時に、圧縮機３で高温に圧縮されたヘリウム
ガスを高圧ガス配管４から膨張機２へ供給し、膨張し低
圧となったガスを圧縮機３に返す。この結果、膨張機の
１段冷却ステージ１０では５０Ｋ、２段冷却ステージ１
１では４Ｋ程度の低温が発生する。

【００１６】膨張機取り付けジャケット１３にはヘリウ
ムボンベ１９がヘリウムガス配管２０により接続されて
おり、ヘリウムガスが充填されている。膨張機２が冷却
され、冷凍機取付けジャケット１３内の冷媒ガスのヘリ
ウム圧力が低下するとヘリウムボンベ１９からヘリウム
ガスが供給される。逆に膨張機２の温度が高くなりガス
圧が上昇するとヘリウムボンベ１９に回収される。更に
膨張機の２段冷却ステージ１１がヘリウムの液化温度ま
で冷却されると膨張機の２段冷却ステージ１１ではヘリ
ウムガスの液化が始まり、膨張機取付けジャケット１３
底部に取り付けられた凝縮器１５の底部に滴下する。凝
縮器１５では内部の空間が十分な断面積を持っているの
で、ヘリウムの液とガスとは分離され、液体ヘリウムは
凝縮器１５の底部に溜まる。凝縮器１５の底部に溜まっ
た液体ヘリウムは底部に開いた冷媒液配管１６内を流
れ、超電導コイル６に取り付けられた蒸発器１８に流れ
る。

【００１７】超電導コイル６から熱伝導により熱伝導板
１８ａに伝えられた熱は、蒸発器１８の内部を流れる液
体ヘリウムに伝えられ、熱を受けた液体ヘリウムは蒸発
してヘリウムガスとなる。ヘリウムガスは冷媒ガス配管
１７を流れ、再び凝縮器１５に戻る。冷媒ガス配管１７
は凝縮器１５の、冷媒液配管１６取り付け位置より上部
の位置に取り付けられ、開口しているので液体ヘリウム
が逆流することなくスムーズに循環し、冷却することが
できる。ここで、冷媒液配管１６には第１、第２の逆止
弁２１、２２の間に液溜め容器２３が取り付けられてい
るので、凝縮器１５と蒸発器１８から構成される部分と
液溜め容器２３との間で次の３つのステップからなる作
用により、気液分離器としての役割を持つ凝縮器１５よ
りも蒸発器１８が上の位置にあった場合にも、液体ヘリ
ウムが蒸発器１８に循環し冷却を行うことができる。

【００１８】ステップ１：冷凍機を運転し膨張機の２段
冷却ステージ１１が冷却されると膨張機取付けジャケッ
ト１３底部の凝縮器１５のヘリウムガスは液化され底部
に溜まる。冷凍機の運転を一時停止し、凝縮器１５内の
液体ヘリウムの蒸発により圧力を上昇させるか、あるい
はまた、膨張機取付けジャケット１３に取り付けたヒー
タ２６を一時的に加熱し膨張機取付けジャケット１３内
の圧力を上昇させると、凝縮器１５の底に溜まった液体
ヘリウムは第１の逆止弁２１を開き、液溜め容器２３内
に流入する。ステップ２：冷凍機を継続して運転すると
凝縮器１５内で引き続きヘリウムの液化が進み凝縮器１
５と蒸発器１８内の圧力が低下する。その結果、液溜め
容器２３の圧力が相対的に上昇し、液溜め容器２３に溜
まった液体ヘリウム２５は第２の逆止弁２２を開き蒸発
器１８に流入する。ステップ３：蒸発器１８に流入した
液体ヘリウムは超電導コイル６からの熱により蒸発し、
冷媒ガスは凝縮器１５内に流入すると同時に凝縮器１５
と蒸発器１８内の圧力は上昇する。その結果、凝縮器１
５内で凝縮されていた液体ヘリウムは再び第１の逆止弁
２１を開き液溜め容器２３に流入する。

【００１９】以上のように最初ステップ１から３を通る
と以降はステップ２、３を繰り返すことにより間欠的に
液体ヘリウムが、液溜め容器２３，蒸発器１８を循環
し、超電導コイル６に流入した熱は膨張機２に熱輸送さ
れる。一方膨張機の１段冷却ステージ１０は膨張機取付
けジャケットの１段冷却ステージ１４と熱シールド９に
熱接続されているので、輻射や熱伝導により熱シールド
９に入った熱は膨張機取付けジャケットの１段冷却ステ
ージ１４を経由して膨張機の１段冷却ステージ１０に伝
えられ冷却される。

【００２０】以上のようにこの実施の形態では４Ｋレベ
ルの冷却ステージにヘリウムの相変化を利用した熱輸送
システムを適用することにより、大形の超電導コイルの
場合にも、超電導コイル全体を膨張機の２段冷却ステー
ジ温度と１Ｋ程度以下の小さな温度差で冷却することが
可能になり、超電導コイルを低い温度に冷却するために
太い超電導線を用いる必要がなくなり、細い超電導線を
用いることができるので超電導コイルを軽量化すること
ができる。また、この実施の形態では膨張機取り付けジ
ャケット１３に膨張機２を挿入し取り付ける構造とした
ことにより保守時の膨張機２の取付け取り外しが容易に
なる。

【００２１】また、膨張機取り付けジャケット１３と真
空容器８との間にベローズ２７を取り付け、膨張機取り
付けジャケットの１段冷却ステージ１４と熱シールド９
との間をたわみ導体２８により接続したので、熱シール
ド９を冷却することが可能になると共に膨張機２の振動
を吸収することができ、超電導マグネットの振動を小さ
くすることができる。なお、蒸発器１８に液体ヘリウム
を溜めることができる容器を付加し、容器の外部または
内部に超電導コイルなどの被冷却物を取り付けた構造と
することにより、冷凍機の一時停止状態などが発生して
凝縮器１５から液体ヘリウムの送り出しが止まった場合
でも、容器に蓄えられた液体ヘリウムにより継続的に冷
却作用が維持され、このため冷却システムの信頼性が向
上する。また、初期冷却時には、超電導コイル６を室温
から極低温まで冷却しなければならないので長期間を要
する。その場合は膨張機取り付けジャケット１３内に液
体窒素を流し込むようにすれば、大量の液体窒素を蒸発
器１８に流すことが可能となり、短期間で初期冷却を実
施することができる。

【００２２】実施の形態２．別の実施の形態として、こ
こでは膨張機２と超電導コイル６を真空容器８の互いに
別の部分に収納し、かつ１段冷却ステージ、２段冷却ス
テージ共に冷媒の相変化による熱輸送システムを適用し
た例を示す。図２は、実施の形態２における極低温冷却
装置を示す断面図である。実施の形態１の場合と同様の
部分については、図１と同一符号を付し、その説明を省
略する。

【００２３】図２において、３０ｂは冷却ユニット３０
とは別に追加して設けられた第２冷却ユニットであり、
冷却ユニット３０が直接超電導コイル６を冷却するのに
対して、第２冷却ユニット３０ｂは間接的に冷却、すな
わち熱シールド９を冷却するようになっている。１５ｂ
は冷媒である窒素ガスを凝縮させる第２凝縮器であり、
凝縮した液体窒素と窒素ガスとを分離する気液分離器を
も兼ねており、膨張機２の１段冷却ステージ１０に熱接
続されている。

【００２４】１６ｂは第２冷媒液配管、１７ｂは第２冷
媒ガス配管であり、ともに一端が第２凝縮器１５ｂに取
り付けられている。第２冷媒液配管１６ｂが第２凝縮器
１５ｂの底部で開口し、第２冷媒ガス配管１７ｂは第２
凝縮器１５ｂの第２冷媒液配管１６ｂ取り付け位置より
も上部に開口して取り付けられている。１８ｂは液体窒
素を蒸発させて熱シールド９を冷却する第２蒸発器、１
８ｃは熱伝導性の良い材料を使用して第２蒸発器１８ｂ
に設けられた熱伝導板である。第２冷媒液配管１６ｂの
もう一方の端と第２冷媒ガス配管１７ｂのもう一方の端
とが第２蒸発器１８ｂに取り付けられ、両配管１６ｂ、
１７ｂがここで互いに接続される。

【００２５】２１ｂ、２２ｂは第２冷媒液配管の途中に
直列に取り付けられた第３、第４の逆止弁、２３ｂは凝
縮された液体窒素が系内の圧力変動により流入し排出さ
れる第２液溜め容器、２６ｂは第２凝縮器１５ｂに取り
付けられた第２ヒータである。第２凝縮器１５ｂと、第
２冷媒液配管１６ｂと、第２冷媒ガス配管１７ｂと、第
２蒸発器１８ｂと、第２熱伝導板１８ｃと、第３および
第４の逆止弁２１ｂ、２２ｂと、第２液溜め容器２３ｂ
と、第２ヒータ２６ｂとで１組の第２冷却ユニット３０
ｂを構成している。

【００２６】真空容器８は、超電導コイル６を収納する
被冷却物収納部としてのコイル収納部８ａ、膨張機２が
取り付けられ、両冷却ユニット３０、３０ｂを収納する
冷凍機取付部としての冷却ユニット収納部８ｂ、および
内部に両冷媒液配管１６、１６ｂ、両冷媒ガス配管１
７、１７ｂを通し、両収納部８ａ、８ｂ間をベローズ等
のフレキシブル構造で接続する真空配管８ｃからなって
いる。

【００２７】また、熱シールド９は、超電導コイル６と
コイル収納部８ａとの間に設けられたコイルシールド部
９ａ、両冷却ユニット３０、３０ｂと冷却ユニット収納
部８ｂとの間に設けられた冷却ユニットシールド部９
ｂ、および両冷媒液配管１６，１６ｂ、両冷媒ガス配管
１７、１７ｂと真空配管８ｃとの間に設けられて両シー
ルド９ａ、９ｂ間をベローズ等のフレキシブル構造で接
続する接続シールド部９ｃからなっていて、第２熱導電
板１８ｃがコイルシールド部９ａに接触して取り付けら
れている。１９ｂは第２凝縮器１５ｂに窒素ガスを供給
する窒素ボンベ、２０ｂは第２凝縮器１５ｂと窒素ボン
ベ１９ｂとを接続する窒素ガス配管である。

【００２８】なお、この実施の形態では、実施の形態１
で使用した膨張機取り付けジャケット１３、熱伝導素子
１２、たわみ導体２８およびベローズ２７は設けられて
おらず、ヘリウムボンベ１９からは、ヘリウムガス配管
２０を経て凝縮器１５にヘリウムガスが供給されるよう
になっており、ヒータ２６は凝縮器１５に取り付けら
れ、また、冷却ユニットシールド部９ｂが膨張機の１段
冷却ステージ１０に取り付けられている。

【００２９】次に動作について説明する。実施の形態１
の場合と同様に、膨張機２は圧縮機３から電源ケーブル
５によって供給される電力で運転され、また、圧縮機３
で高圧に圧縮されたヘリウムガスを高圧ガス配管４から
供給され、膨張し低圧となったガスを圧縮機３に戻す。
この結果、膨張機の１段冷却ステージ１０では５０Ｋ、
２段冷却ステージ１１では４Ｋ程度の低温が発生する。
凝縮器１５にはヘリウムボンベ１９がヘリウムガス配管
２０により接続されており、ヘリウムガスが充填されて
いる。膨張機２が冷却され、冷媒ガスのヘリウム圧力が
低下するとヘリウムボンベ１９からヘリウムガス供給さ
れる。逆に膨張機２の温度が高くなりガス圧が高くなる
とヘリウムボンベ１９に回収される。冷却ユニット３０
では、以下、実施の形態１で説明したのと同様にして、
冷媒が循環して流れ、超伝導コイル６を冷却する。

【００３０】一方、第２の冷却ユニット３０ｂでは、以
下のように動作する。第２凝縮器１５ｂには窒素ボンベ
１９ｂが窒素ガス配管２０ｂにより接続されており、窒
素ガスが充填されている。膨張機の１段冷却ステージ１
０が冷却され、冷媒ガスの窒素圧力が低下すると窒素ボ
ンベ１９ｂから窒素ガスが供給される。膨張機の１段冷
却ステージ１０の温度が高くなったときには窒素ガス圧
力が上昇し、窒素ボンベ１９ｂに回収される。さらに膨
張機の１段冷却ステージ１０が窒素の液化温度まで冷却
すると膨張機の１段冷却ステージ１０に取り付けられた
第２凝縮器１５ｂでは窒素ガスの凝縮液化が始まり第２
凝縮器１５ｂの底部に滴下する。第２凝縮器１５ｂ内部
の空間は十分な断面積を持っているので、液とガスとは
分離され、液体窒素は第２凝縮器１５ｂ底部に溜まる。

【００３１】第２凝縮器１５ｂの底部に溜まった液体窒
素は更に底部に開いた第２冷媒液配管１６ｂを流れ熱シ
ールド９のコイルシールド部９ａに取り付けられた第２
蒸発器１８ｂに流れる。コイルシールド部９ａから熱伝
導により伝えられた熱は、第２蒸発器１８ｂ内部を流れ
る液体窒素に伝わる。熱を受けた液体窒素は蒸発し窒素
ガスとなる。窒素ガスは第２冷媒ガス配管１７ｂを流
れ、再び第２凝縮器１５ｂに戻る。第２冷媒ガス配管１
７ｂは第２凝縮器１５ｂの、第２冷媒液配管１６ｂの取
り付け位置より上部の位置に取り付けられ、開口してい
るので液体窒素が逆流することなくスムーズに循環し、
冷却することができる。ここで、第２冷媒液配管１６ｂ
に取り付けた第３、第４の逆止弁２１ｂ、２２ｂおよび
第２液溜め容器２３ｂが取り付けられているので第２蒸
発器１８ｂが気液分離器としての役割を持つ第２凝縮器
１５ｂよりも上の位置にあった場合にも、次のステップ
からなる作用により液体窒素が正常に循環し冷却するこ
とができる。

【００３２】ステップ１：冷凍機を運転し膨張機の１段
冷却ステージ１０が冷却されると第２凝縮器１５ｂ内の
窒素ガスは液化され底部に溜まる。冷凍機の運転を一時
停止し、第２凝縮器１５ｂ内の液体窒素の蒸発により圧
力を上昇させるか、あるいはまた、第２凝縮器１５ｂに
取り付けた第２ヒータ２６ｂを一時的に加熱し第２凝縮
器１５ｂ内の圧力を上昇させると第２凝縮器１５ｂの底
に溜まった液体窒素が第３の逆止弁２１ｂを開き第２液
溜め容器２３ｂ内に流入する。 ステップ２：冷凍機を継続して運転すると第２凝縮器１
５ｂ内で引き続き窒素の液化が進み第２凝縮器１５ｂと
第２蒸発器１８ｂ内の圧力が低下する。その結果、第２
液溜め容器２３ｂの圧力が相対的に上昇し、第２液溜め
容器２３ｂに溜まった液体窒素が第４の逆止弁２２ｂを
開き第２蒸発器１８ｂに流入する。 ステップ３：第２蒸発器１８ｂに流入した液体窒素は熱
シールド９のコイルシールド部９ａからの熱により蒸発
し、その窒素ガスが第２凝縮器１５ｂ内に流入すると、
第２凝縮器１５ｂと第２蒸発器１８ｂ内の圧力が上昇す
る。その結果、第２凝縮器１５ｂ内で凝縮されていた液
体窒素は再び第３の逆止弁２１ｂを開き、第２液溜め容
器２３ｂに流入する。

【００３３】以上のように最初ステップ１から３を通る
と以降はステップ２、３を繰り返すことにより間欠的に
液体窒素は第２凝縮器１５ｂ、第２液溜め容器２３ｂ、
第２蒸発器１８ｂを循環し、熱シールド９のコイルシー
ルド部９ａに流入した熱は膨張機２に熱輸送される。な
お、以上の装置で第２ヒータ２６ｂを温度制御して窒素
の凝固温度以上に制御することにより、窒素が凝固し熱
輸送できなくなるようなことを防止できる。また、真空
容器８のコイル収納部８ａと冷却ユニット収納部８ｂと
の間を接続する真空配管８ｃは振動を吸収するフレキシ
ブル構造としたので膨張機２で発生する振動を有効に吸
収し、超電動マグネット１への振動の伝達を防止するこ
とができる。

【００３４】以上のようにこの実施の形態では４Ｋレベ
ルの冷却ステージにヘリウムによる熱輸送システムを、
また、７７Ｋレベルの冷却ステージに窒素による熱輸送
システムを適用することにより単結晶引き上げ装置用な
どの大型の超電動マグネットの場合にも被冷却物全体を
膨張機の２段冷却ステージ温度と１Ｋ程度の小さな温度
差で冷却することが可能になり、超電導コイルを低い温
度に冷却するために太い超電導線を用いる必要がなくな
り、また、超電導マグネットと離れた位置に冷凍機を設
置することができ、振動を嫌う極低温装置への適用、あ
るいは複数の極低温装置を１台のこの極低温冷却装置で
冷却することも容易になる。

【００３５】また、以上の極低温冷却装置とは別に液体
窒素容器を準備し、運転前に膨張機２をはずし、凝縮器
１５から冷媒液配管１６に液体窒素を直接流し込むこと
により被冷却物が大形装置の場合にも短期間で初期冷却
が可能となる。なお、実施の形態１で示した膨張機取り
付けジャケット１３の採否、実施の形態２で示した第２
冷却ユニット３０ｂの採否、および真空容器８の両収納
部８ａ、８ｂの分離の採否の組み合わせは自由であり、
実施の形態１、２と異なる組み合わせにしてもよい。

【００３６】

【発明の効果】請求項１に係る極低温冷却装置によれ
ば、凝縮器と蒸発器の間で冷媒を循環させるのための冷
媒液配管に２個の逆止弁と液溜め容器を設けて、冷媒の
蒸発・凝縮による熱輸送システムを構成しているので、
冷媒を輸送する新たな動力を必要とせずに、大形の被冷
却物や離れた位置にある被冷却物でも、小さな温度差で
冷却することができる。

【００３７】請求項２に係る極低温冷却装置によれば、
膨張機取り付けジャケットを設けたので、保守時の膨張
機の取り付け取り外しが容易になる。請求項３に係る極
低温冷却装置によれば、冷媒としてヘリウム、窒素を用
い、それぞれ冷凍機の２段冷却ステージ、１段冷却ステ
ージで冷却する２組の冷却ユニットを設けたので、冷却
能力が向上する。

【００３８】請求項４に係る極低温冷却装置によれば、
真空容器を冷凍機取付部と被冷却物収納部に分け、これ
らの間をフレキシブル構造にしたので、冷凍機から被冷
却物収納部への振動の伝達が低減する。請求項５に係る
極低温冷却装置によれば、蒸発器に熱伝導板を備えたの
で、被冷却物から能率よく熱を集めることができる。請
求項６に係る極低温冷却装置によれば、蒸発器に容器を
備えたので、冷凍機の一時停止などの場合でも、液体ヘ
リウムが蒸発してしまい液枯れ状態で冷却機能停止に陥
ることを防止して、連続して運転することが可能にな
る。請求項７に係る極低温冷却装置によれば、冷媒液を
一時加熱するヒータを設けたので、加熱により系内の圧
力変動を発生させて、冷媒の輸送を開始させることがで
きる。

【００３９】請求項８に係る極低温冷却方法によれば、
冷凍機の運転を一時停止して系内の圧力変動を発生させ
るので、これにより冷媒の輸送を開始させ、冷却を開始
することができる。請求項９に係る極低温冷却方法によ
れば、運転開始前に冷却ユニットへ液体窒素を流し込む
ので、被冷却物の初期冷却を短期間で行うことができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１における極低温冷却
装置を示す断面図である。

【図２】 この発明の実施の形態２における極低温冷却
装置を示す断面図である。

【図３】 従来の極低温冷却装置を示す断面図である。

【符号の説明】

２ 膨張機、３ 圧縮機、６ 超電導コイル、８ 真空
容器、８ａ コイル収納部、８ｂ 冷却ユニット収納
部、８ｃ 真空配管、１０ 膨張機の１段冷却ステー
ジ、１１ 膨張機の２段冷却ステージ、１３ 膨張機取
り付けジャケット、１５ 凝縮器、１６ 冷媒液配管、
１７ 冷媒ガス配管、１８ 蒸発器、１８ａ 熱電導
板、１９ ヘリウムボンベ、１９ｂ 窒素ボンベ、２１
第１の逆止弁、２２ 第２の逆止弁、２３ 液溜め容
器、２６ ヒータ、３０ 冷却ユニット、３０ｂ 第２
冷却ユニット。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷媒ガスを凝縮させる凝縮器、上記冷媒
   液を蒸発させて被冷却物を冷却する蒸発器、上記凝縮器
   の底部と上記蒸発器とを接続する冷媒液配管、上記凝縮
   器の上記冷媒液配管の取り付け位置よりも上部の位置と
   上記蒸発器とを接続する冷媒ガス配管、上記冷媒液配管
   の途中に取り付けられた２個の逆止弁、およびこれら２
   個の逆止弁の間に設けられた液溜め容器からなる冷却ユ
   ニットを備え、さらに極低温に冷却することができ冷却
   熱を上記凝縮器に伝える冷凍機、および上記被冷却物と
   冷却ユニットと冷凍機の低温部とを収納し真空断熱する
   真空容器を備えたことを特徴とする極低温冷却装置。
2. 【請求項２】 冷凍機は圧縮機と膨張機からなり、この
   膨張機が挿入されるとともに底部に凝縮器が取り付けら
   れて内部に冷媒ガスが充填された膨張機取り付けジャケ
   ットを備えたことを特徴とする請求項１記載の極低温冷
   却装置。
3. 【請求項３】 冷媒としてヘリウムを用いた１組の冷却
   ユニットと、冷媒として窒素を用いた別の１組の冷却ユ
   ニットとを備え、冷凍機が１段冷却ステージと２段冷却
   ステージとを備えて、上記２段冷却ステージで上記１組
   の冷却ユニットを冷却するとともに上記１段冷却ステー
   ジで上記別の１組の冷却ユニットを冷却するようにした
   ことを特徴とする請求項１または請求項２記載の極低温
   冷却装置。
4. 【請求項４】 真空容器を、冷凍機を取り付け冷却ユニ
   ットを収納する冷凍機取付部と被冷却物を収納する被冷
   却物収納部とに分け、これら冷凍機取付部と被冷却物収
   納部との間をフレキシブル構造にしたことを特徴とする
   請求項１から請求項３のいずれかに記載の極低温冷却装
   置。
5. 【請求項５】 蒸発器に、被冷却物と接して熱を集める
   熱伝導板を備えたことを特徴とする請求項１から請求項
   ４のいずれかに記載の極低温冷却装置。
6. 【請求項６】 蒸発器に、冷媒を溜めることができる容
   器を備え、この容器の外部または内部に被冷却物を取り
   付けたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれ
   かに記載の極低温冷却装置。
7. 【請求項７】 冷凍機の運転開始後に、冷媒液を一時加
   熱することにより系内の圧力変動を発生させ、冷媒液と
   冷媒ガスの輸送を開始させるヒータを備えたことを特徴
   とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の極低温
   冷却装置。
8. 【請求項８】 請求項１から請求項６のいずれかに記載
   の極低温冷却装置を使用した極低温冷却方法において、
   冷凍機の運転開始後に、上記冷凍機の運転を一時停止す
   ることにより系内の圧力変動を発生させ、冷媒液と冷媒
   ガスの輸送を開始させることを特徴とする極低温冷却方
   法。
9. 【請求項９】 請求項１から請求項７のいずれかに記載
   の極低温冷却装置を使用した極低温冷却方法において、
   冷凍機の運転開始前に、液体窒素を冷却ユニットに流し
   込むことにより被冷却物を初期冷却することを特徴とす
   る極低温冷却方法。