JP2002162125A - ジュールトムソン冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 適切な作動ガスの組合せを設定することによ
り、窒素の沸点温度７７Ｋ以下に高速に冷却可能なジュ
ールトムソン冷却装置を提供すること。 【解決手段】 第１段冷却用フィン付きチューブに供給
する第１作動ガスをアルゴンガスとし、第２段冷却用フ
ィン付きチューブに供給する第２作動ガスをネオンガス
とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ジュールトムソン
冷却装置に関し、特に、ジュールトムソン冷却装置に内
蔵されるクライオスタットの構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のクライオスタットを内蔵したジュ
ールトムソン冷却装置としては、例えば特開平１１−２
９５１４３号公報およびＵＳＰ５３８２７９７号公報に
記載されたものが知られている。これを図８に示し、以
下説明する。

【０００３】このジュールトムソン冷却装置は、赤外線
放射を感知して応答電気信号を発生する赤外線検知器１
４０を、クライオスタット１００で冷却する赤外線検知
装置として具体化したものである。

【０００４】クライオスタット１００は、内側クライオ
スタット１１０と外側クライオスタット１２０とからな
る二重クライオスタットであり、コールドフィンガーチ
ューブ１３０内に収容されている。より具体的には、内
側クライオスタット１１０が外側クライオスタット１２
０の内部に同軸に配置され、外側クライオスタット１２
０がコールドフィンガーチューブ１３０の内部に同軸に
配置されている。そして、コールドフィンガーチューブ
１３０は、前端に鍔部１０１ａを有する筒状の検知器組
立体１０１内に配設されている。なお、検知器組立体１
０１の前端鍔部１０１ａは、デュアハウジング１０２に
より密閉されている。

【０００５】上記内側クライオスタット１１０は、比較
的低い熱伝導性材料で作られた延伸筒状のマンドレル１
１１を具備し、その外周表面にフィン付きチューブ１１
２が卷回されている。そして、マンドレル１１１の低温
端はエンドキャップ１１３で密閉されている。

【０００６】また、外側クライオスタット１２０は、比
較的低い熱伝導性材料で作られた延伸筒状のマンドレル
１２１を具備し、その外周表面にフィン付きチューブ１
２２が卷回されている。そして、マンドレル１２１の低
温端はエンドキャップ１２３で密閉されている。なお、
コールドフィンガーチューブ１３０とフィン付きチュー
ブ１２２とを熱的に隔離するために、フィン付きチュー
ブ１２２の周りに絶縁性の糸等が緻密に巻かれている。
また、この外側クライオスタット１２０のエンドキャッ
プ１２３はその中央に隆起部分１２３ａを有し、その前
面がコールドフィンガーチューブ１３０のエンドキャッ
プ１３１の後面に接着接合されている。

【０００７】内側クライオスタット１１０のフィン付き
チューブ１１２の低温端には外側クライオスタット１２
０のエンドキャップ１２３に向けられたジュールトムソ
ン弁（以下ＪＴ弁という）１１５と、外側クライオスタ
ット１２０の低温端に近接して半径方向に向けられたＪ
Ｔ弁１１６とが設けられている。

【０００８】内側クライオスタット１１０のフィン付き
チューブ１１２内を流れてきた作動流体は、環状空隙１
１７内において、ＪＴ弁１１５から外側クライオスタッ
ト１２０のエンドキャップ１２３に向けて放出膨張さ
れ、エンドキャップ１３１を介して台座１４２を冷却す
る。また、この放出と併行して、内側クライオスタット
１１０内を流れてきた作動流体は、マンドレル１１１と
マンドレル１２１との間の円筒状空隙内において、外側
クライオスタット１２０の低温端を冷却するようにＪＴ
弁１１６から放出膨張され、マンドレル１２１の筒状壁
を介しフィン付きチューブ１２２を予冷しながら外部に
放出される。

【０００９】外側クライオスタット１２０のフィン付き
チューブ１１２の低温端には、外側クライオスタット１
２０のエンドキャップ１２３の隆起部分１２３ａを取り
囲む複数の縦方向に向けられたＪＴ弁１２５が取り付け
られている。

【００１０】外側クライオスタット１２０のフィン付き
チューブ１２２内を流れてきた作動流体は、ＪＴ弁１２
５から環状空隙１２７内に放出膨張され、エンドキャッ
プ１３１を介して台座１４２を冷却する。そして、フィ
ン付きチューブ１２２を予冷しながら外部に放出され
る。

【００１１】一方、赤外線検知器１４０は、その視野角
を制限するためのコールドシールド１４１内に配置さ
れ、前述のようにして冷却された台座１４２に取り付け
られている。コールドシールド１４１は、デュアハウジ
ング１０２内に同軸に配置されており、円錐支持部材１
４３によりコールドフィンガーチューブ１３０から熱伝
達を受けて冷却されるように、コールドフィンガーチュ
ーブ１３０に対し固定されている。また、デュアハウジ
ング１０２の前端には赤外線を透過させるための開口１
０２ａが設けられ、この開口１０２ａに窓材１０３が取
り付けられている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のジュールトムソン冷却装置においては、第１段冷却
用作動ガスおよび第２段冷却用作動ガスとしてどのよう
な作動ガスを使用すればよいかについては、アルゴン
（Ａｒ）、窒素（Ｎ₂）、ヘリウム（Ｈｅ）またはそれ
らの組合せが用途に適していると記載されているのみ
で、具体的組合せについては何ら開示されていない。

【００１３】因みに、ジュールトムソン膨張により作動
ガスを高圧から大気圧近傍まで膨張させたときの到達温
度は、その作動ガスの大気圧近傍の圧力における沸点に
なる。また、一般に沸点が低くなるほど、ジュールトム
ソン膨張による冷却効果が低下する。そこで、各種ガス
の大気圧における沸点を調べ、これを表１に示してい
る。この表１によると、ヘリウムの沸点は４．２Ｋと極
端に低い。また、アルゴンの沸点は８７．３Ｋであり、
窒素の沸点は７７．３Ｋである。したがって、７７Ｋ以
下、すなわち液体窒素の沸点温度以下であって、４．２
Ｋ温度（ヘリウムの沸点温度）以上の中間温度領域に冷
却する作動ガスとしては、非効率的にならざるを得な
い。

【００１４】

【表１】

【００１５】本発明は、このような従来技術に存在する
問題点に鑑み成されたもので、適切な作動ガスの組合せ
を設定することにより、液体窒素の沸点温度７７Ｋ以下
に高速に冷却可能なジュールトムソン冷却装置を提供す
ることにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明のジュールトムソ
ン冷却装置は、冷却装置の本体容器内に同軸に配置され
たコールドフィンガーチューブ内に収容され、第１段冷
却用フィン付きチューブ、第１段冷却用フィン付きチュ
ーブの低温端に設けられた第１段ジュールトムソン弁、
第２段冷却用フィン付きチューブ、および第２段冷却用
フィン付きチューブの低温端に設けられた第２段ジュー
ルトムソン弁を具備したクライオスタットと、第１段冷
却用フィン付きチューブに第１作動ガスを供給する第１
高圧ガスタンクと、第２段冷却用フィン付きチューブに
第２作動ガスを供給する第２高圧ガスタンクとを備え、
前記第１作動ガスはアルゴンガスであり、前記第２作動
ガスはネオンガスであることを特徴とする。

【００１７】上記のように構成すると、液体窒素の沸点
温度７７Ｋ以下の温度に冷却する装置における作動ガス
として、沸点温度および冷却効果から見て最適なネオン
（Ｎｅ）が使用されており、また、このネオンガスを予
冷するガスとして最適なアルゴンガスが使用されている
で、冷却効率が良く、初期冷却速度の速い高速冷却のジ
ュールトムソン冷却装置を得ることができる。

【００１８】また、前記クライオスタットは、第２段冷
却用フィン付きチューブに、第１段冷却用ジュールトム
ソン弁通過後の第１作動ガスおよび第２段冷却用ジュー
ルトムソン弁通過後の第２作動ガスを直接接触させる構
造としてもよい。

【００１９】このように構成すれば、ジュールトムソン
弁通過後の第１作動ガスが従来のように筒状の壁体を介
することなく直接接触で効率よく第２段冷却用フィン付
きチューブを流通する第２作動ガスを予冷することがで
き、より一層初期冷却時間を短縮することができる。な
お、熱理論的に、第２作動ガスの流量に比し第１作動ガ
スの流量が大幅に多くなるので、第１段冷却用ジュール
トムソン弁通過後の第１作動ガスと第２段ジュールトム
ソン弁通過後の第２作動ガスが混合されても、これによ
る弊害はほとんど生じない。

【００２０】また、本発明のジュールトムソン冷却装置
は、冷却装置の本体容器内に収容され、軸方向の一端が
作動ガスの出入り口端をなし、軸方向の他端に設けられ
たエンドキャップが前記冷却装置の本体容器内に収容さ
れた被冷却物を冷却する低温端を成すコールドフィンガ
ーチューブと、このコールドフィンガーチューブ内に同
心的に配置され、前記作動ガス出入り口端側が小径とさ
れ、前記エンドキャップ側が大径とされた段付き円筒状
のマンドレル、このマンドレルの小径部外周面に接触し
て卷回された第１段冷却用フィン付きチューブ、第１段
冷却用フィン付きチューブの低温端に設けられ、この第
１段冷却用フィン付きチューブ内を流れてきた第１作動
ガスをコールドフィンガーチューブ内中央部の環状空間
に放出する第１段冷却用ジュールトムソン弁、第１段冷
却用フィン付きチューブの外周および前記マンドレルの
大径部外周面に接触するように卷回された第２段冷却用
フィン付きチューブ、および第２段冷却用フィン付きチ
ューブの低温端に設けられ、この第２段冷却用フィン付
きチューブ内を流れてきた第２作動ガスを前記エンドキ
ャップ近傍のコールドフィンガーチューブ内環状空間に
放出する第２段冷却用ジュールトムソン弁を有するクラ
イオスタットと、第１段冷却用フィン付きチューブに第
１作動ガスを供給する第１高圧ガスタンクと、第２段冷
却用フィン付きチューブに第２作動ガスを供給する第２
高圧ガスタンクとを備え、前記第１作動ガスはアルゴン
ガスであり、前記第２作動ガスはネオンガスであること
を特徴とするものとしてもよい。

【００２１】このように構成すると、前記構成のジュー
ルトムソン冷却装置と比較して、クライオスタット部の
構成が簡略化および小型化され、冷却装置の総重量を低
減することができ、この種の極低温装置において最も重
要な初期冷却時間をより一層短縮することができる。

【００２２】また、前記コールドフィンガーチューブの
エンドキャップの冷却面を被冷却物の被冷却面より小さ
くすることが好ましい。このように構成すれば、冷却装
置の総重量を低減することができ、初期冷却時間を短縮
することができる。

【００２３】また、前記マンドレル内空間を真空にする
ことが好ましい。このように構成すれば、外部からマン
ドレル内の空気等ガスの熱伝導により熱が侵入すること
を低減することができ、初期冷却時間をより短縮するこ
とができる。

【００２４】また、前記第１高圧ガスタンクおよび第２
高圧ガスタンクの外周面に断熱材を設けることが好まし
い。このように構成すると、高圧ガスタンクから作動ガ
スが流出して、高圧ガスタンク内の作動ガスの膨張によ
り高圧ガスタンクの温度が下がるが、高圧ガスタンクの
外周面に設けられた断熱材により周囲からの熱侵入が防
止され、より低い温度を維持した状態で第１段冷却用フ
ィン付きチューブおよび第２段冷却用フィン付きチュー
ブに作動ガスをそれぞれ導入することができ、初期冷却
時間をより短縮することができる。

【００２５】また、前記各高圧ガスタンクと第１段およ
び第２段冷却用フィン付きチューブとを連絡する連絡配
管に断熱材を設けることが好ましい。この場合も連絡配
管を通して進入する熱を防止することができ、より低い
温度を維持した状態で第１段冷却用フィン付きチューブ
および第２段冷却用フィン付きチューブにそれぞれ作動
ガスを導入することができ、初期冷却時間をより短縮す
ることができる。

【００２６】また、前記第２高圧ガスタンクを前記第１
高圧ガスタンクの中に設置してもよい。このように構成
すれば、作動ガスの流出によりより低くなる第２高圧ガ
スタンクの周囲が大気より大幅に温度の低い第１作動ガ
スにより包まれることになり、外部からの熱侵入をより
一層低減することができ、より低い温度を維持した状態
で第２段冷却用フィン付きチューブに作動ガスを導入す
ることができ、初期冷却時間をより一層短縮することが
できる。また、第２高圧ガスタンクの内外圧力差が小さ
くなるので、タンク構成材料の肉厚を薄くすることがで
きる。また、高圧ガスタンクが２重構造となり、コンパ
クトに纏められるので、冷却装置の設置スペースを低減
することができる。

【００２７】

【発明の実施の形態】実施の形態１．以下、この発明の
実施の形態１を図１〜図４に基づき説明する。なお、図
１は実施の形態１に係るジュールトムソン冷却装置の全
体説明図である。図２は図１における冷却装置本体部分
の拡大図である。図３はネオンの逆転温度曲線図であ
る。図４はアルゴンの逆転温度曲線図である。

【００２８】実施の形態１に係るジュールトムソン冷却
装置は、赤外線検知装置として具体化されたものであ
る。この赤外線検知装置は、前記従来のものと同様の機
能を有する。図１において、１は円筒状の冷却装置本体
容器で、本体容器１内の後端側（図面上は上方側）には
クライオスタット１０を収容するコールドフィンガーチ
ューブ８が配置され、その前端側（図面上は下方側）に
は赤外線検知器２を収納したコールドシールド３が配置
されている。このコールドシールド３は、コールドフィ
ンガーチューブ８の低温端を成すエンドキャップ８ａに
接触して取り付けられて冷却されている。なお、エンド
キャップ８ａの直径および面積は、コールドシールド３
の冷却面の直径および面積より小さく構成されており、
冷却装置の低重量化、小型化が行われている。

【００２９】本体容器１の後端（図面上は上端）には厚
手の蓋板５が設けられている。蓋板５の中央部にはコー
ルドフィンガーチューブ８の内径と略同一の孔が設けら
れ、この孔には蓋板５より薄手の密栓８ｂが取り付けら
れている。また、密栓８ｂには、第１作動ガスを導入す
るための連絡配管１３および第２作動ガスを導入するた
めの連絡配管２３が貫通して配置されている。また、密
栓８ｂの下方位置において、蓋板５の外部とコールドフ
ィンガーチューブ８内とを連通する複数のガス逃し孔５
ａが設けられている。また、本体容器１の前端（図面上
は下端）には、エンドプレート６が設けられ、このエン
ドプレート６には赤外線を透過させるための開口６ａが
設けられ、この開口６ａに窓材７が取り付けられてい
る。

【００３０】次に、クライオスタット１０の構成を説明
する。コールドフィンガーチューブ８内には、有底筒状
のマンドレル９が同軸に配置されている。前記マンドレ
ル９は、後端側、つまり作動ガス導入側部（高温部）９
ａを小径とし、前端側、つまり低温部９ｂを大径とした
段付き円筒状として構成されている。そして、マンドレ
ル９の高温部９ａの外周面には第１段冷却用フィン付き
チューブ１１が卷回されている。また、第１段冷却用フ
ィン付きチューブ１１の外周およびマンドレル９の低温
部９ｂの外周面には、第２段冷却用フィン付きチューブ
２１が卷回されている。なお、第２段冷却用フィン付き
チューブ２１とコールドフィンガーチューブ８とは熱的
に隔離するために、第２段冷却用フィン付きチューブ２
１の周りに絶縁性の糸等が緻密に巻かれている。また、
マンドレル９内空間は、後端側の開放部が密栓８ｂによ
り密封されるとともに真空に保持されている。

【００３１】また、コールドフィンガーチューブ８内の
マンドレル９との間に形成される環状空間部８ｃにおい
て、第１段冷却用フィン付きチューブ１１の低温端には
第１ジュールトムソン弁（ＪＴ弁）１２が設けられてお
り、この第１ＪＴ弁１２はマンドレル９の段部の上部に
配置されている。また、コールドフィンガーチューブ８
内のマンドレル９との間に形成される環状空間部８ｃに
おいて、第２段冷却用フィン付きチューブ２１の低温端
には第２ＪＴ弁２２が設けられており、この第２ＪＴ弁
２２はエンドキャップ８ａの近傍においてエンドキャッ
プ８ａに向けて配置されている。本実施の形態１におい
ては、クライオスタット１０は以上のように構成されて
いる。

【００３２】また、図１において、１４は第１高圧ガス
タンクである。この第１高圧ガスタンク１４は、内部に
第１作動ガスが充填されており、開閉弁１５を介し連絡
配管１３により第１段冷却用フィン付きチューブ１１に
接続されている。また、２４は第２高圧ガスタンクであ
る。この第２高圧ガスタンク２４は、内部に第２作動ガ
スが充填されていおり、開閉弁２５を介し連絡配管２３
により第２段冷却用フィン付きチューブ２１に接続され
ている。

【００３３】上記のように構成された赤外線検知装置
は、次のように作動する。第１高圧ガスタンク１４から
供給される第１作動ガスは、第１段冷却用フィン付きチ
ューブ１１を介して第１ＪＴ弁１２からコールドフィン
ガーチューブ８内の環状空間部８ｃ内に放出され膨張
し、低温ガスと成って第１段冷却用フィン付きチューブ
１１および第２段冷却用フィン付きチューブ２１に直接
接触して冷却しながら、ガス逃し孔５ａを介して外部に
放出される。一方、第２高圧ガスタンク２４から供給さ
れる第２作動ガスは、第２段冷却用フィン付きチューブ
２１を介して第２ＪＴ弁２２からエンドキャップ８ａに
向けてコールドフィンガーチューブ８内の環状空間部８
ｃ内に放出され膨張し、これにより被冷却物である赤外
線検知器２を収納したコールドシールド３を冷却する。
また、第１ＪＴ弁１２から放出された第１作動ガスと混
合しながら前記第１段冷却用フィン付きチューブ１１お
よび第２段冷却用フィン付きチューブ２１を冷却し、つ
まり第２作動ガスを予冷しながら、ガス逃し孔５ａを介
して外部に放出される。

【００３４】上記構成において、作動ガスの選定は次ぎ
のように行った。表１の沸点温度から、７７ Ｋ（窒素
の沸点温度）以下の温度に冷却するには、ネオンを第２
作動ガスに使用するのが適当であることが分る。次にネ
オンを予冷するための第１作動ガスを次のように選定し
た。

【００３５】図３はネオンの逆転温度曲線を示したもの
である。図中、（?Ｔ／?Ｐ）_Hはジュールトムソン係数
で、これが正の値の場合、ジュールトムソン膨張時温度
が下がり、逆に負の場合、温度が上昇する。ネオンの場
合、３００ Ｋにおいてはいかなる圧力においてもジュ
ールトムソン係数は負であるため、予冷が必要になる。
例えば２０ ＭＰａから膨張させる場合、１６０ Ｋまで
予冷しておく必要がある。ここで、Ｔ：温度、Ｐ：圧
力、Ｈ：エンタルピーである。

【００３６】次に、アルゴン(Ａｒ)の大気圧下の沸点
は、表１に示すように８７．３ Ｋであり、この沸点温
度を有することから、ネオン（Ｎｅ）ガスを予冷するの
に適当と考えられる。図４はアルゴンの逆転温度曲線を
示したもので、例えば、４０ＭＰａから膨張させる場
合、５５０ Ｋ以下ならジュールトムソン係数は正であ
るため、空力加熱による温度上昇を考慮してもアルゴン
自体の予冷は不要である。以上から作動ガスとしては、
第２作動ガスをネオンガスとし、第２作動ガス（ネオン
ガス）を予冷するための第１作動ガスをアルゴンガスと
するのが適切であると考えられる。

【００３７】本実施の形態１は、以上のように構成され
ているので次のような効果が発揮される。 （１） 第１作動ガスをアルゴンガスとし第２作動ガス
をネオンガスとしたことにより、窒素の大気圧における
略沸点温度である７７ Ｋ以下に冷却する冷却装置とし
ては、作動ガスの組合せが最適となり高速冷却が可能と
なる。

【００３８】(２)第１ＪＴ弁１２通過後の第１作動ガス
および第２ＪＴ弁２２通過後の第２作動ガスを、第２段
冷却用フィン付きチューブ２１に直接接触させる構造と
したので、第１ＪＴ弁１２通過後の第１作動ガスが従来
のように筒状の壁体を介することなく、効率よく第２段
冷却用フィン付きチューブ２１を流通する第２作動ガス
を予冷することができる。なお、一般に、第２作動ガス
の流量に比し第１作動ガスの流量が大幅に多いので第１
ＪＴ弁１２通過後の第１作動ガスと第２ＪＴ弁２２通過
後の第２作動ガスが混合されても、これによる弊害はほ
とんど生じない。

【００３９】(３)第１段冷却用フィン付きチューブ１１
および第２段冷却用フィン付きチューブ２１を共に巻い
ている部分の外形を小さくするために、マンドレル９を
段付き構造としたので、クライオスタット１０の構成が
簡略化および小型化され、冷却装置の総重量を低減する
ことができ、この種の極低温装置において最も重要な初
期冷却時間を短縮することができる。

【００４０】(４) コールドフィンガーチューブ８のエ
ンドキャップ８ａの冷却面を被冷却物であるコールドシ
ールド３の被冷却面より小さくしているので、質量低減
により、この冷却装置の初期冷却時間を短縮することが
できる。

【００４１】(５)マンドレル９内空間が真空となってい
るので、外部からマンドレル９内の空気等ガスの熱伝導
により熱が侵入することを低減することができ、初期冷
却時間をより短縮することができる。

【００４２】実施の形態２．次に実施の形態２を図５に
基づき説明する。図５は、実施の形態２に係るジュール
トムソン冷却装置の全体説明図である。なお、図５にお
いて実施の形態１と同一または相当する要素には同一の
符号を付し、その説明を省略する。この実施の形態２
は、図５から分るように第１および第２の高圧ガスタン
ク１４，２４の外周面に断熱材１６，２６を貼付して、
外部から高圧ガスタンク１４，２４への熱侵入を防いだ
ものであり、その他の構成は実施の形態１と同一であ
る。

【００４３】第１高圧ガスタンク１４および第２高圧ガ
スタンク２４からクライオスタット１０へ第１作動ガス
および第２作動ガスを供給すると、高圧ガスタンク１
４，２４内の圧力および温度が低下し外部から熱が進入
しやすくなる。特に、第２作動ガスであるネオンガス
は、第２ＪＴ弁２２から放出して膨張させる前に、予冷
していないとジュールトムソン冷却効果が生じない。し
たがって、第２作動ガスであるネオンガスは、あらかじ
めできるだけ温度が低い状態で、クライオスタット１０
へ流入するほうが好ましい。このため、高圧ガスタンク
１４，２４に断熱材１６，２６を設置し、これにより作
動ガスの初期冷却時間を短時間化することが可能にな
り、また予冷で使用するアルゴンガスの流量も低減する
ことが可能になる。

【００４４】実施の形態３．次に実施の形態３を図６に
基づき説明する。図６は、実施の形態３に係るジュール
トムソン冷却装置の全体説明図である。なお、図６にお
いて実施の形態１と同一または相当する要素には同一の
符号を付し、その説明を省略する。この実施の形態３
は、図６から分るように、第１高圧ガスタンク１４と第
１段冷却用フィン付きチューブ１１とを連絡する連絡配
管１３、その連絡配管中に介装された開閉弁１５、第２
高圧ガスタンク２４と第２段冷却用フィン付きチューブ
２１とを連絡する連絡配管２３、その連絡配管中に介装
された開閉弁１５の外周面に断熱材を貼付して、外部か
ら作動ガスへの熱侵入を防止しものであり、その他の構
成は実施の形態１と同一である。

【００４５】したがって、この実施の形態３の場合も、
先の実施の形態２の場合と同様に、作動ガスへの外部か
らの熱侵入が防止されることにより、より低い温度を維
持した状態で第１段冷却用フィン付きチューブおよび第
２段冷却用フィン付きチューブにそれぞれ作動ガスを導
入することができ、初期冷却時間をより短縮することが
できる。また、予冷で使用するアルゴンガスの流量も低
減することが可能になる。

【００４６】実施の形態４．次に実施の形態４を図７に
基づき説明する。図７は、実施の形態４に係るジュール
トムソン冷却装置の全体説明図である。なお、図７にお
いて実施の形態１と同一または相当する要素には同一の
符号を付し、その説明を省略する。この実施の形態４
は、図７から分るように、第２高圧ガスタンク２４を第
１高圧ガスタンク１４内に設置したものであり、その他
の構成は実施の形態１と同一である。

【００４７】これにより、作動ガスの流出によりより低
くなる第２高圧ガスタンク２４の周囲が大気より大幅に
温度の低い第１作動ガスにより包まれることになり、外
部からの熱侵入をより一層低減することができ、より低
い温度を維持した状態で第２段冷却用フィン付きチュー
ブ２１に作動ガスを導入することができ、初期冷却時間
をより一層短縮することができ、予冷で使用するアルゴ
ンガスの流量を低減することも可能となる。また、第２
高圧ガスタンク２４の内外圧力差が小さくなるので、タ
ンク構成材料の肉厚を薄くすることができる。また、高
圧ガスタンク１４，２４が２重構造となり、コンパクト
に纏められるので、冷却装置の設置スペースを低減する
ことができる。

【００４８】

【発明の効果】第１の発明にかかるジュールトムソン冷
却装置よれば、冷却装置の本体容器内に同軸に配置され
たコールドフィンガーチューブ内に収容され、第１段冷
却用フィン付きチューブ、第１段冷却用フィン付きチュ
ーブの低温端に設けられた第１段ジュールトムソン弁、
第２段冷却用フィン付きチューブ、および第２段冷却用
フィン付きチューブの低温端に設けられた第２段ジュー
ルトムソン弁を具備したクライオスタットと、第１段冷
却用フィン付きチューブに第１作動ガスを供給する第１
高圧ガスタンクと、第２段冷却用フィン付きチューブに
第２作動ガスを供給する第２高圧ガスタンクとを備え、
前記第１作動ガスはアルゴンガスであり、前記第２作動
ガスはネオンガスであるので、冷却効率が良く、初期冷
却速度の速い高速冷却のジュールトムソン冷却装置、特
に、液体窒素の沸点温度７７Ｋ以下の温度に冷却するジ
ュールトムソン冷却装置を得ることができる。

【００４９】また、第２の発明に係るジュールトムソン
冷却装置によれば、前記クライオスタットは、第２段冷
却用フィン付きチューブに、第１段冷却用ジュールトム
ソン弁通過後の第１作動ガスおよび第２段冷却用ジュー
ルトムソン弁通過後の第２作動ガスを直接接触させる構
造とされているので、第１作動ガスにより効率よく第２
段冷却用フィン付きチューブを流通する第２作動ガスを
予冷することができ、より一層初期冷却時間を短縮する
ことができる。

【００５０】また、第３の発明に係るジュールトムソン
冷却装置によれば、冷却装置の本体容器内に収容され、
軸方向の一端が作動ガスの出入り口端をなし、軸方向の
他端に設けられたエンドキャップが前記冷却装置の本体
容器内に収容された被冷却物を冷却する低温端を成すコ
ールドフィンガーチューブと、このコールドフィンガー
チューブ内に同心的に配置され、前記作動ガス出入り口
端側が小径とされ、前記エンドキャップ側が大径とされ
た段付き円筒状のマンドレル、このマンドレルの小径部
外周面に接触して卷回された第１段冷却用フィン付きチ
ューブ、第１段冷却用フィン付きチューブの低温端に設
けられ、この第１段冷却用フィン付きチューブ内を流れ
てきた第１作動ガスをコールドフィンガーチューブ内中
央部の環状空間に放出する第１段冷却用ジュールトムソ
ン弁、第１段冷却用フィン付きチューブの外周および前
記マンドレルの大径部外周面に接触するように卷回され
た第２段冷却用フィン付きチューブ、および第２段冷却
用フィン付きチューブの低温端に設けられ、この第２段
冷却用フィン付きチューブ内を流れてきた第２作動ガス
を前記エンドキャップ近傍のコールドフィンガーチュー
ブ内環状空間に放出する第２段冷却用ジュールトムソン
弁を有するクライオスタットと、第１段冷却用フィン付
きチューブに第１作動ガスを供給する第１高圧ガスタン
クと、第２段冷却用フィン付きチューブに第２作動ガス
を供給する第２高圧ガスタンクとを備え、前記第１作動
ガスはアルゴンガスであり、前記第２作動ガスはネオン
ガスであるので、クライオスタット部の構成が簡略化お
よび小型化され、冷却装置の総重量を低減することがで
き、初期冷却時間を短縮することができる。

【００５１】また、第４の発明に係るジュールトムソン
冷却装置によれば、前記コールドフィンガーチューブの
エンドキャップの冷却面を被冷却物の被冷却面より小さ
くしたので、総重量が低減でき、初期冷却時間を短縮す
ることができる。

【００５２】また、第５の発明に係るジュールトムソン
冷却装置によれば、前記マンドレル内空間を真空にした
ので、熱伝導による熱侵入が低減され、初期冷却時間を
より短縮することができる。

【００５３】また、第６の発明に係るジュールトムソン
冷却装置によれば、前記第１高圧ガスタンクおよび第２
高圧ガスタンクの外周面に断熱材を設けたので、高圧ガ
スタンク外周面からの作動流体への熱侵入が低減され、
初期冷却時間をより短縮することができる。

【００５４】また、第７の発明に係るジュールトムソン
冷却装置によれば、前記各高圧ガスタンクと第１段およ
び第２段冷却用フィン付きチューブとを連絡する連絡配
管に断熱材を設けたので、連絡配管の外周面から作動流
体への熱侵入が低減され、初期冷却時間をより短縮する
ことができる。

【００５５】また、第８の発明に係るジュールトムソン
冷却装置によれば、前記第２高圧ガスタンクを前記第１
高圧ガスタンクの中に設置したので、第２作動ガスへの
熱侵入が防止され、初期冷却時間をより一層短縮するこ
とができる。また、第２高圧ガスタンクの肉厚を薄くし
てコストダウンを図ることができる。また、高圧ガスタ
ンクが２重構造となり、コンパクトに纏められるので、
冷却装置の設置スペースを低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施の形態１に係るジュールトムソン冷却装
置の全体説明図である。

【図２】 図１における冷却装置本体部分の拡大図であ
る。

【図３】 ネオンの逆転温度曲線図である。

【図４】 アルゴンの逆転温度曲線図である。

【図５】 実施の形態２に係るジュールトムソン冷却装
置の全体説明図である。

【図６】 実施の形態３に係るジュールトムソン冷却装
置の全体説明図である。

【図７】 実施の形態４に係るジュールトムソン冷却装
置の全体説明図である。

【図８】 図８は、従来のジュールトムソン冷却装置の
全体説明図である。

【符号の説明】 １ 本体容器、２ 赤外線検知器、３ コールドシール
ド、８ コールドフィンガーチューブ、８ａ エンドキ
ャップ、８ｃ 環状空間部、９ マンドレル、９ａ マ
ンドレルの小径部（高温部）、９ｂ マンドレルの大径
部（低温部）、１０ クライオスタット、１１ 第１段
冷却用フィン付きチューブ、１２ 第１ジュールトムソ
ン弁（第１ＪＴ弁）、１３ 連絡配管、１４ 第１高圧
ガスタンク、１６，１７ 断熱材、２１ 第２段冷却用
フィン付きチューブ、２２ 第２ジュールトムソン弁
（第２ＪＴ弁）、２３ 連絡配管、２４ 第２高圧ガス
タンク、２６，２７ 断熱材。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷却装置の本体容器内に同軸に配置され
   たコールドフィンガーチューブ内に収容され、第１段冷
   却用フィン付きチューブ、第１段冷却用フィン付きチュ
   ーブの低温端に設けられた第１段ジュールトムソン弁、
   第２段冷却用フィン付きチューブ、および第２段冷却用
   フィン付きチューブの低温端に設けられた第２段ジュー
   ルトムソン弁を具備したクライオスタットと、 第１段冷却用フィン付きチューブに第１作動ガスを供給
   する第１高圧ガスタンクと、 第２段冷却用フィン付きチューブに第２作動ガスを供給
   する第２高圧ガスタンクとを備え、 前記第１作動ガスはアルゴンガスであり、前記第２作動
   ガスはネオンガスであることを特徴とするジュールトム
   ソン冷却装置。
2. 【請求項２】 前記クライオスタットは、第２段冷却用
   フィン付きチューブに、第１段冷却用ジュールトムソン
   弁通過後の第１作動ガスおよび第２段冷却用ジュールト
   ムソン弁通過後の第２作動ガスを直接接触させる構造で
   あることを特徴とする請求項１記載のジュールトムソン
   冷却装置。
3. 【請求項３】 冷却装置の本体容器内に収容され、軸方
   向の一端が作動ガスの出入り口端をなし、軸方向の他端
   に設けられたエンドキャップが前記冷却装置の本体容器
   内に収容された被冷却物を冷却する低温端を成すコール
   ドフィンガーチューブと、このコールドフィンガーチュ
   ーブ内に同心的に配置され、前記作動ガス出入り口端側
   が小径とされ、前記エンドキャップ側が大径とされた段
   付き円筒状のマンドレル、このマンドレルの小径部外周
   面に接触して卷回された第１段冷却用フィン付きチュー
   ブ、第１段冷却用フィン付きチューブの低温端に設けら
   れ、この第１段冷却用フィン付きチューブ内を流れてき
   た第１作動ガスをコールドフィンガーチューブ内中央部
   の環状空間に放出する第１段冷却用ジュールトムソン
   弁、第１段冷却用フィン付きチューブの外周および前記
   マンドレルの大径部外周面に接触するように卷回された
   第２段冷却用フィン付きチューブ、および第２段冷却用
   フィン付きチューブの低温端に設けられ、この第２段冷
   却用フィン付きチューブ内を流れてきた第２作動ガスを
   前記エンドキャップ近傍のコールドフィンガーチューブ
   内環状空間に放出する第２段冷却用ジュールトムソン弁
   を有するクライオスタットと、 第１段冷却用フィン付きチューブに第１作動ガスを供給
   する第１高圧ガスタンクと、 第２段冷却用フィン付きチューブに第２作動ガスを供給
   する第２高圧ガスタンクとを備え、 前記第１作動ガスはアルゴンガスであり、前記第２作動
   ガスはネオンガスであることを特徴とするジュールトム
   ソン冷却装置。
4. 【請求項４】 前記コールドフィンガーチューブのエン
   ドキャップの冷却面を被冷却物の被冷却面より小さくし
   たことを特徴とする請求項１または３記載のジュールト
   ムソン冷却装置。
5. 【請求項５】 前記マンドレル内空間を真空にしたこと
   を特徴とする請求項３記載のジュールトムソン冷却装
   置。
6. 【請求項６】 前記第１高圧ガスタンクおよび第２高圧
   ガスタンクの外周面に断熱材を設けたことを特徴とする
   請求項１または３記載のジュールトムソン冷却装置。
7. 【請求項７】 前記第１高圧ガスタンクと前記第１段冷
   却用フィン付きチューブとを接続する連絡配管および前
   記第２高圧ガスタンクと前記第２段冷却用フィン付きチ
   ューブとを接続する連絡配管それぞれに断熱材を配設し
   たことを特徴とする請求項１または３記載のジュールト
   ムソン冷却装置。
8. 【請求項８】 前記第２高圧ガスタンクを前記第１高圧
   ガスタンクの中に設置したことを特徴とする請求項１ま
   たは３記載のジュールトムソン冷却装置。