JP2004163089A - 冷凍方法及びシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 冷凍システムの振動を無くすと共に作動ホールド時間を向上させる冷凍システムの作動方法を提供する。
【解決手段】 冷凍システム（１）は、吸着式ポンプ（２）を有し、吸着式ポンプは、使用中、液体冷却剤及び気体冷却剤の入っているチャンバ（４）と連通状態に配置される。冷凍システムの作動方法は、気体冷却剤を膨張させ、これを補助容積部材（７）中に導入して気体冷却剤の一部をチャンバから取り出すようにする段階を有する。これにより、チャンバ内の気体冷却剤の温度及び圧力が減少する。次に、吸着式ポンプを作動させ、チャンバ内の液体冷却剤を蒸発させることによりチャンバを一段と冷却する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、吸着式（adsorption）冷凍システムの作動方法に関する。

吸着式冷凍システムは、領域、例えばチャンバ内に非常に低い温度をもたらす冷凍分野や、特に極低温物理学分野では周知である。吸着式冷凍システムは、或る量の液体冷却剤が冷却されるべきチャンバ内に入っていることにより動作する。これは、或る量の吸着「収着」物質、例えばチャコールと気体連通状態に配置され、システム全体は、システム内の冷却剤の量が一定の量であるままであるように閉鎖される。
典型的には、液体の形態をした冷却剤は、外部源によってあらかじめ冷却された部材の低温の壁と接触した気体冷却剤の凝縮により得られる。これは、「１Ｋポット」を用いることにより従来型吸着式冷凍システムで行なわれている。

液体冷却剤を得る第２の別法は、膨張プロセスを用いることであり、この膨張プロセスでは、気体冷却剤は断熱条件下において高圧状態から減圧される。この減圧により、ガスの液化が生じ、それにより液体冷却剤が生じる。この方法により液体冷却剤を得ることは、実験的吸着式冷凍システムで用いられている。しかしながら、１Ｋポットを備える商用システムと比べてこの場合に達成されるホールド時間は短い。

システムの吸着物質は、液体のそれ以上の膨張が対応した圧力の減少に起因して生じるようにガスを液体冷却剤の上のガスを吸着するよう配置されている。蒸発は潜熱により、システムの温度の減少が生じる。
しかしながら、かかる吸着システムに関する１つの問題は、収着物質それ自体が所与の圧力で限られた量のガスしか吸着できないということにある。したがって、かかる装置はシングルショットタイプの場合に効果的であり、典型的な商用システムは、多くの時間にわたって動作できる。ただし、これは、収着物質の収着能力に依存している。

吸着式システムは、収着物質を単に加熱して気体冷却剤の脱着（脱離）を生じさせてこれを気相に戻すことにより再充填できる比較的簡単な装置であるという点において有利である。次に行なわれる十分な冷却時に、吸着物質を再使用することができる。システムは密閉されているので、冷却剤の損失が無くなると共に可動部分が無い。これは、低温実験を何時間にもわたって低い振動レベルで行なうことができるという点において有利である。

従来型吸着式冷凍システムに関する主要な問題は、これらの作動が性質上シングルショットであり、したがって、長い作動期間を必要とする実験に関し、従来型吸着式ポンプは非実用的であるということにある。
１Ｋポットを備えた従来型システムは、１Ｋポット及びその支持システムが設けられていることに起因して高価になりがちである。加うるに、１Ｋポットを用いることによっても、幾分かの振動が生じ、これを無くすのが望ましい。

上述の別の実験システムでは、気体冷却剤の膨張は、１Ｋポットを用いるのではなく、気相冷却剤を生じさせるために用いられた。かくして１Ｋポットに代えて膨張効果を用いたが、残念ながら、動作温度でのホールド時間は著しく減少した。
したがって、冷凍システムの振動を無くすと共に作動ホールド時間を向上させることが市場において強く要望されている。

本発明によれば、吸着式冷凍システムを作動させる方法であって、システムは、使用中、液体冷却剤及び気体冷却剤を収容したチャンバと連通状態に配置された吸着式ポンプを有し、この方法は、ｉ）気体冷却剤を膨張させてこれを補助容積部材中に入れてチャンバから気体冷却剤の一部を取り出し、それによりチャンバ内の気体冷却剤の温度及び圧力を減少させる段階と、ｉｉ）吸着式ポンプを作動させ、チャンバ内の冷却剤液を蒸発させることによりチャンバを一段と冷却する段階とを有することを特徴とする。

したがって、本発明者は、気体冷却剤を補助容積部材中に膨張流入させる膨張プロセスを用いることによりシングルショット型吸着装置の性能を向上させる新方式を採用した。ガスが或る特定の条件（例えば、断熱条件）下においてその容積を増加する場合、生じた圧力の減少により、これに対応してガスの温度が減少する。本発明者の知見によれば、このように、膨張効果を公知の吸着システムの蒸発による冷却と関連して非常に効果的に用いることができる。

これにより、チャンバを動作温度に維持できる時間が著しく増加し、かかる動作温度は、例えば実験のような活動に適している。公知の実験的膨張プロセスでは、動作温度において２、３時間のほんの短いホールド時間を得たに過ぎないが、本発明では、１Ｋポットを装備した従来型システムと関連のある費用のコスト高及び振動の問題を生じることなく５０時間以上のホールド時間を実現できる。これは、大きな向上した膨張効果を許容する補助容積部材を用いることに起因している。したがって、増加した液体冷却剤の量を生じさせることができ、低い始動温度も又、従来の膨張による冷却工程が開始する前に達成できる。

この方法の膨張段階は、段階ｉｉ）の実施に先立ってチャンバ内の温度を一段と減少させるため、一段階で一回又は例えば連続圧力減少方式の多段プロセスにおいて多数の別々のサブステップで実施できる。代表的には、この場合、膨張段階ｉ）は、気体冷却剤を膨張させてこれを別々に多数の追加の補助容積部材中に入れる段階を更に含む。膨張段階ｉ）の前に先立って、或る量の気体冷却剤を吸着式冷凍システムに供給される気体冷却剤の量は、好ましくは通常の動作条件下で動作している吸着式ポンプ内の吸着材料の飽和限度を越える。
段階ｉ）に先立って、冷却剤は、任意適当な源からのガス又は液体として準備される。しかしながら、好ましくは、冷却剤は、段階ｉ）で用いられる補助容積部材からのガスとして準備される。

補助容積は好ましくは、貯蔵リザーバ又は第２の吸着式ポンプによって得られる静的容積である。補助容積部材は、一定の幾何学的容積又は可変容積を有するよう構成させたものであってよい。可変容積部材を用いることにより、チャンバ内の圧力を制御することができ、したがって、冷却の度合いをそれに応じて制御することができる。

いずれの場合においても、気体冷却剤の膨張は、ガスが膨張して補助容積部材内へ流入することにより実施できる。これは一般に、制御可能な弁を用いて行なわれる。
代表的には、補助容積部材の容量は、吸着式ポンプの吸着容量よりも大きく、これにより、シングルショット作動時間が最大になる。

吸着式ポンプを適当な弁を用いてチャンバから隔離し、本発明の段階ｉ）及び段階ｉｉ）が分離できるようにするのがよいが、典型的には、吸着式ポンプは、冷却ガスを準備すると共に（或いは）これを膨張させてそれぞれチャンバに出し入れする段階の実施中、チャンバと連通したままの状態である。したがって、この方法の作動上の単純性が向上する。

かかる場合、段階ｉ）の実施に先立って、吸着式ポンプを第１の温度まで冷却させて、この中に入っている吸着物質が気体冷却剤を吸着し、最も低い温度で得られる到達圧力よりも高い圧力で実質的に飽和状態になるようにするのがよい。好ましくは、次に、吸着式ポンプを貯蔵容器から切り離して加熱し、それにより気体冷却剤を脱着させ、それによりチャンバ内のガス圧力を増大させる。この圧力の増大は、気体冷却剤は段階ｉ）の実施に先立って最初にチャンバに供給されるときに特に得られるガスの正圧に加わるものであるのがよい。

典型的には、吸着式ポンプも又、段階ｉ）の実施中に加熱されて補助容積部材に対する第１段階の膨張の効果を最大にする。
膨張段階ｉ）に続き、吸着システムは代表的には、次に行なわれる段階ｉｉ）の実施中、補助容積部材から隔離されてシングルショット作動時間を最大にする。

有利には、或る場合には、膨張効果も又、吸着式ポンプシステムが最早補助容積部材と連通状態にない場合であっても使用できる。これは、吸着式ポンプを段階ｉｉ）の実施に先立って冷却し、それによりチャンバ内の気体冷却剤の圧力を一段を減少させることによって達成できる。これは、気体冷却剤を一段と膨張させ、第２の膨張段階において一段と冷却を生じさせる。液体冷却剤の全てを生じさせる公知の実験的膨張冷却法（上述した）において用いられたものは、吸着式ポンプシステムの内容積のみを用いるこの種の類似の段階であった。
これとは対照的に、本発明は好ましくは、この追加の膨張プロセス及び（又は）段階ｉ）の膨張を用いて気体冷却剤の部分液化を生じさせる。

本発明を多くの公知の冷却剤、例えば、ヘリウム−４、窒素、ネオン又は水素で用いることができる。ただし、この方法は、ヘリウム−３と併用するのが特に適している。というのは、これにより、実験目的で最も低い温度を達成する能力が得られるからである。
次に、本発明の冷凍方法の幾つかの実施形態を添付の図面を参照して説明する。

本発明において用いられる冷凍システムの一例が図１において全体を符号１で示されている。圧送ライン３によりポット４に連結されたチャンバの形態をした吸着式ポンプ２が設けられている。吸着式ポンプ２内には、符号５で示された吸着物質が入っており、この吸着物質は、この場合チャコールである。吸着式ポンプ２、圧送ライン３及びポット４は、シングルショット吸着式冷凍システムの従来構成部品である。この例では、ヘリウム−３が液体／気体冷却剤である。

従来システムでは、これら構成部品は、圧送ライン及びポットの容積部内の気体冷却剤１０がチャコール５によって吸着されてポット４の底部内の液体冷却剤９が次第に蒸発し、それによりポット４を放冷するようになった密閉システムを形成する。
しかしながら、この場合、吸着式ポンプ２、圧送ライン３及びポット４の内容積部は、パイプ６を介して、リザーバ、例えば、ガス貯蔵容器の形態をした補助容積部材７に連結されている。パイプ内に設けられた弁８は、リザーバ７とシステムの残部との間での気体冷却剤１０（ヘリウム−３）の流通を可能にし、又は阻止するようユーザによって選択的に作動可能である。
この実施形態の目的に照らして、チャコール５は、約４リットルの気体冷却剤を吸着でき、リザーバ７は、約１０リットルの容積を有している。

図２は、図１の装置を作動させる方法の流れ図（フローチャート）である。段階２００では、貯蔵リザーバ７ではなく、符号１で示された冷凍システムを、従来手段、例えば、ヘリウム−４低温槽により約４Ｋに冷却する。この作動に先立って、或る量のヘリウム−３をガスとして吸着式ポンプ２、圧送ライン３及びポット４に与える。この段階では、ポット４内には液体冷却剤は存在せず、弁８は閉じられている。

段階２０１では、システムを４Ｋの極低温まで冷却すると、弁８を開き、するとヘリウム−３冷却剤ガスは、その高い圧力に起因してリザーバ７から吸着式ポンプ２、圧送ライン３及びポット４内へ流れる。この段階の実施中、チャコール５は、ヘリウム−３で飽和状態になり、加圧は、例えば約０．５バール（絶対圧力）の正圧が達成されると共に吸着式ポンプシステムとリザーバとの間の相対圧力が減少するまで続くことは注目されるべきである。大気圧よりも低い絶対圧力を利用することにより、周囲環境への漏れによる比較的高価なヘリウム−３の損失が防止される。弁８を、必要ならば吸着式ポンプシステムとリザーバを相互に均圧化するのに十分な時間、作動させるのがよい。

段階２０２の加圧に続き、段階２０３で弁８を閉じ、次に、段階２０４において、吸着式ポンプ内のチャコール５を約１００Ｋの温度まで加熱する。この加熱により、チャコール５からのヘリウム−３冷却剤１０の脱着が生じ、したがって、システム内のガス圧力が代表的には１０バールまで更に高くなる。この段階の実施中、ポットは、低温、例えば、４Ｋに維持される。
脱離がいったん完了すると、吸着式ポンプシステム及びポット４内の圧力は、チャコール５からのヘリウム−３の脱離により加熱前よりも高い。

段階２０５では、弁８を開く。これにより、ガスが流れているときに、段階２０６でガスの膨張が生じ、２つのシステム相互間で圧力が等しくなる。したがって、吸着式ポンプシステム内のガスは、膨張して、リザーバ７によって提供される追加の容積部内へ流れる。膨張の大きさは、弁８を開く前のリザーバ７の容積及びリザーバ内におけるガスの圧力で決まる。この膨張により、冷却剤ガスの部分液化が生じ、「１Ｋポット」が液体ヘリウム−３を提供するために用いられる従来型吸着式冷凍システムの場合とは異なり、この場合、ヘリウム−３が膨張プロセスそれ自体によって得られるので有利である。

気体冷却剤の当初の送り出しのために同一のリザーバ７を用い、補助容積部材として可動させることが十分でない場合、２以上の別個のリザーバを直列に用いて吸着式ポンプの高い飽和圧力を得てもよい。

チャコール５はこの段階の実施中、高い温度（例えば、１００Ｋ）に維持されるが、ヘリウム−３冷却剤ガスの膨張により、ポット４内の温度が著しく低下する。（この実施形態では、約２．８Ｋ減少する）。これは、ヘリウム−３が液相で存在するのに十分低い温度である。したがって、システム内の冷却剤ガスのうち何割かの部分液化は、かかる膨張に起因して生じ、この液体ヘリウム−３は、ポット４内に集まる。

理想的には、圧力の減少は、できるだけ大きく、この場合、膨張の完了時には、ガス圧力は、段階２０２においてシステムの冷却を完了して達成される最も低い圧力と同程度である。上述したように、リザーバ７を用いる場合、この圧力は、容積式及び吸着式冷凍機にとって最終の均圧状態のガス圧力である（一般に、漏れを最小に抑えるために１気圧よりも低い）。

図２を参照すると、吸着システムとリザーバ７との間で圧力がいったん等しくなると、段階２０７において弁８を閉じて吸着式ポンプ２、圧送ライン３及びポット４を隔離する。次に、段階２０８において吸着式ポンプを冷却する。

段階２０８の実施中、吸着式ポンプが１００Ｋから約２０Ｋに冷えているとき、第２の膨張効果が、ポンプの付近のガスの減圧に起因して生じる。思い出さられるべきこととして、この段階でのポット４は、先の膨張プロセスにより得られた低温状態にある。したがって、ポット４内の冷却剤ガスは、減圧により効果的に膨張し、これにより、ポット４内の冷却が一段と進み、ヘリウム−３の液化が一段と進む。

段階２０９では、吸着式ポンプは、約２０Ｋ以下に冷却されているとき、従来の仕方で作動し始める。気体冷却剤を吸着すると、ポット４内の液化ヘリウム−３の膨張が生じ、このプロセスは、約０．３Ｋの温度が何時間にもわたって達成されるように続く。

したがって、冷却剤ガスが膨張して貯蔵リザーバ７に流入することにより生じる予備冷却は、吸着システムの従来どおりの作動のための低い始動温度をもたらす。これにより、シングルショット運転時間が著しく長くなり、特に、ヘリウム−３の場合、通常のシングルショット時間が５〜６時間から２０〜５０時間に増加する。
単一の補助容積部材を用いなくても、ガスを膨張させてこれを多数の別々の補助容積部材中へ別々に導入することによっても初期膨張効果による冷却を達成できることは理解されよう。これは、ガス膨張効果を最大にするよう多数の段階で実施するのがよい。

図３は、本発明の方法を実施する装置の第２の実施形態を示す図である。この場合、図１の装置と同一の装置には、同一の番号にプライム記号（′）を付けて示されている。この場合、段階２０２において、冷却剤を圧力下で吸着システムに追加するのに貯蔵リザーバ７′が用いられるに過ぎない。３つの冷却ループ１５′も又、図３に示されている。

第２の吸着式ポンプ１１′が、第２の弁１２′の制御下で段階２０５の実施中に気体冷却剤１０が膨張して流れ込む容積部として働くために設けられている。この変形例としてのシステムでは、図２の方法は僅かに設計変更される。段階２０４において、吸着式ポンプの加熱に続き、弁８′は、閉じられたままであり、第２の弁１２′を開き、それによりこの場合も又、吸着システム内の冷却剤ガス圧力を減少させる。

主吸着式ポンプ２′とは異なり、この段階の実施中、吸着式ポンプ１１′を冷却して、気体冷却剤１０の吸着を最大にし、それにより、その圧力を減少させ、これに対応して、温度を低下させる。十分な冷却がいったん達成され、或いは吸着式ポンプの飽和が達成されると、段階２０７において、弁１２′を閉じ、再び主吸着システムを隔離し、これが段階２０９において従来どおり作動させることができるようにする。

本明細書において説明する装置及び方法の別の設計変更例として、追加の容積部、例えば、図１の貯蔵リザーバ７の温度を本発明の方法の実施中、可変的に制御して冷却機能を促進することができる。
次に、本発明の方法を実施する装置の別の幾つかの例について説明する。これらの装置の例では各々、サーマルダイオードとして働き、冷凍システムの動作性能を向上させる「ヒートパイプ」が用いられる。

第３の例としての冷凍装置は、冷却剤を収容しており、互いに連通状態に配置された上方領域と下方領域を備える密閉チャンバと、先の例のうち任意のものと関連して上述したような吸着式冷凍システムとを有している。吸着式冷凍システムはこの場合、密閉チャンバの上方領域をその下方領域に対して冷却するよう構成されている。
運転条件下においては、チャンバは、少なくとも部分的に冷却剤ガスで満たされ、したがって、上方領域を下方領域に対し冷却すると、冷却剤ガスは、上方領域内で凝縮して液体冷却剤になり、液体冷却剤は次に、重力の作用で下方領域に流入し、下方領域が冷却されるようになる。

冷却されるべき標的装置が冷凍システムの温度の最も低い領域の直ぐ隣りに配置されている公知の方法とは対照的に、本発明者は、冷却剤を収容した密閉チャンバを設けることによっても、冷凍システムから空間的にずれたところに位置する領域内に所望の低い温度を維持することが可能であることを発見した。
これは、所望の低温状態にある低温液体冷却剤を上方領域から下方領域へ迅速に移すことによって達成される。冷却されるべき装置を上方領域ではなく、下方領域と接触して配置することにより、温度安定性の向上が達成される。

これは、中間冷却プロセス（凝縮中の冷却剤によって得られる）は、冷凍システム内の温度の不安定性を抑えるという理由による。上記の熱伝導率の低さは、上方領域と下方領域との間のリンクを壊すのに役立つ。公知の装置構成は、冷凍システムと良好な熱接触状態をなすような試みとなっており、したがって、これら装置内の不安定性にさらされる。
シングルショット吸着式冷凍機では、上述の装置はヒートダイオードとして効果的に働くので特定の利点が得られる。しかしながら、本明細書において説明する「ヒートパイプ」は、他の形態の冷凍システムに利用できる。

運転条件下において、冷却剤ガスを吸着式冷凍システムで凝縮する場合、この冷却作用は、液体冷却剤が上方領域から下方領域に迅速に物理的に流れることにより下方領域に非常に迅速且つ効果的に加えられる。
しかしながら、逆方向において、もし上方領域が下方領域に対し温度が増大すると、熱がこれら２つの領域相互間で伝わる主要なメカニズムは、チャンバの壁を介する熱伝導又は蒸気を介する熱伝導である。この逆方向の熱伝達を減少させるには、チャンバの壁の熱伝導率を極力小さくし、それにより、下方領域の断熱度を高めるのがよい。

これは、サーマルバリヤ又は断熱層が冷却されるべき装置と冷凍システムとの間に得られるので、シングルショット吸着式冷凍システムでは特に有利である。したがって、下方領域が上方領域よりも非常にゆっくりと温度が上昇するので、下方領域を所望の極低温に戻すことができる速度が著しく増大する。
したがって、好ましくは、上方領域と下方領域は、細長い中間領域で空間的に分離されるよう配置される。というのは、これにより、これら２つの相互間のサーマルバリヤが逆方向に増大するからである。上方領域又は下方領域のいずれも中間領域とほぼ同じ形態及び断面のものであってよいが、好ましくは、上方領域と下方領域のうち少なくとも一方は、中間領域の直径よりも大きな直径を持つサブチャンバとして配置される。

用いられる冷却剤は、用途、特に、達成されるべき所望の使用温度で決まり、代表的には、吸着式冷凍システムで用いられる冷却剤とほぼ同じ冷却剤であろう。代表的には、これら冷却剤は、適当な使用圧力及び使用温度で蒸発及び凝縮が可能である。上述したように、適当な冷却剤としては、窒素、ヘリウム−４、ネオン、水素が挙げられ、極低温については、ヘリウム−３が挙げられる。これら冷却剤のうち２又は３以上の混合物も利用できる。
冷却されるのが望ましい装置は好ましくは、下方領域と熱接触状態に配置されていて、別の器具又は冷却されるべき別の装置、例えば、実験装置又は稀釈冷凍機の蒸留器の取付けの際に用いられる低温プラットフォームを更に有する。

この第３の例の装置の別の利点として、「準連続」冷却システムを製造する際に温度安定性及びサーマルバリヤ効果を利用できる。第３の例による少なくとも２組の極低温冷却装置が、かかる装置の密閉チャンバの各下方領域と熱接触状態に配置された共通の低温プラットフォームを備えるのがよい。この一例は、第４の例において上述しており、かかる例では、各シングルショット冷凍システムは、共通低温プラットフォームが組をなす冷凍システムのうち少なくとも一方によって連続的に冷却されるよう構成されている。
冷凍システムの各組は、低温プラットフォームと接触状態にあるそれ自体の個々の下方領域を備えるのがよい。ただし、好ましくは、これら冷凍システムは、これらチャンバの共通下方領域を共有して、冷却剤が組をなすチャンバ相互間で流通できるようにする。

種々の実験装置を低温プラットフォームに取り付けることができる。ただし、システムの１つの別の使い方は、第６の例において以下に説明するように連続稀釈冷凍をもたらすよう稀釈冷凍装置の一部を冷却することにある。
代表的には、この場合、システムは、冷凍装置の密閉チャンバの各下方領域と熱接触状態にある蒸留器を備えた稀釈冷凍装置を更に有する。この場合、蒸留器の上方部分は好ましくは、蒸留物としての上記が凝縮して蒸留物としての液体になり、稀釈冷凍機の混合チャンバに流れるように冷却される。
この装置は好ましくは、蒸留器の上方部分を約０．４ケルビンまで冷却する際に使用され、かくして、稀釈冷凍機の連続作動を可能にする。かかるシステム内における最も低い温度は、他の稀釈冷凍機の場合と同様、混合チャンバ内で達成される。

次に、これら「ヒートパイプ」システムの特定の例を参照すると、図４は、本発明の第３の実施形態の略図である。ヒートパイプ１０１が、適当な極低温用合金例えば、ステンレス鋼で作られた細長い中空筒体で設けられている。ヒートパイプ１０１は、垂直方向に差し向けられており、このヒートパイプは、図４に示すように上方領域１０２及び下方領域１０３を有している。中間領域１０４が、上方領域１０２と下方領域１０３を分離している。ヒートパイプ１０１は、断面が円形であり、上方領域１０２及び下方領域１０３の端部のところが端板１０５によって封止されている。これらは、例えば、断面が筒体とほぼ同じステンレス鋼ディスクから作られている。したがって、ヒートパイプ１０１は、密閉チャンバ１０６を形成するよう端板１０５によって包囲されている。

封止に先立って、或る量の冷却剤、例えば、ヘリウムがチャンバに追加され、この冷却剤は、運転条件下における用途に適した沸点をもっている。一般に、ヒートパイプが作動温度よりも高い温度状態にあるときに冷却剤を追加すると、冷却剤は通常、ガスとしてチャンバ１０６に追加され、その後にチャンバを封止する。下方領域１０３は、全体を符号１０８で示した装置を例えば下方領域１０３の端板１０５に取り付けることによりかかる装置と熱接触状態に配置される。装置１０８は一般に、冷却されるのが望ましい機器又は装置を表しており、これらの例としては、以下に説明するように実験装置や他の冷凍システム中の或る特定の構成部品が挙げられる。

ヒートパイプ１０１の上方領域１０２は、冷凍される構成部品１０９と熱接触状態に配置され、この構成部品は、吸着式冷凍システム１１０によって冷凍され、この吸着式冷凍システムの例は、図１及び図３を参照して上述した。

従来型システムでは、装置１０８は、冷凍構成部品１０９と良好な熱接触状態をなして設けられる。しかしながら、この例では、ヒートパイプ１０１は、これら構成部品相互間に配置され、これは、装置１０８を所望の低温に維持できる期間を長くするのに役立つ。 通常の作動条件下においては、冷却剤１０７の量及び種類は、冷凍システム１１０を作動させて構成部品１０９の冷凍を開始するとき、或る量の冷却剤蒸気１１２がヒートパイプ内に存在するように選択される。冷却剤１０７のうち何割かは、この作動の開始時に下方領域１０３内に位置する液体冷却剤１１３として液相としても存在するのがよい。これは、密閉チャンバ１０６内の圧力及び温度で決まることになろう。

冷凍機の構成部品１０９の冷凍が始まると、上方領域１０２内の端板１０５の温度は、チャンバ１０６内の蒸気１１２に対して低下する。これにより、蒸気が凝縮してチャンバ１０６内の上方端板１０５の表面に付着する。凝縮が続くと、多数の液滴１１４が上方領域内の端板１０５の内面上に生じ始める。これら液滴の核形成及び成長が続くと、これら液滴は最終的に端板１０５から離れて重力の作用で下方領域１０３内へ落下する。
液滴の温度は、冷凍構成部品１０９の温度と実質的に同一であり、下方領域１０３内への冷却剤１０７の液滴の漸次堆積により、その下方領域１０３は、冷凍構成部品１０９の温度に近い温度、例えば、０．３０プラスマイナス０２Ｋに達する。すると、装置１０８は、下方端板１０５を介してこの領域１０３と熱接触することにより冷却される。

上記の凝縮は、その圧力を減少させるのに役立ち、これにより、下方領域１０３内に集められた液体冷却剤１１３の表面からの蒸発が一段と促進される。上方領域１０２から下方領域１０３への液滴１１４の迅速な運動により、装置１０８が冷凍機構成部品１０９の温度とほぼ同じ温度まで冷却されるようになる。
例えば符号１１０で示すシングルショット吸着式冷凍システムは、連続作動を行なうことができない。したがって、シングルショット冷却方式は制限された期間の間得られ、もしこの期間が装置１０８を用いる目的上、不十分であれば、このプロセスは、冷凍システム１１０を再生させる期間の経過後、再始動されなければならない。かかる再生期間は、長い場合が多く、これにより、装置１０８は温度が上昇する。

本発明の例では、ヒートパイプ１０１は、ヒートダイオードとして効果的に作動し、かかるヒートダイオードでは、冷凍機構成部品１０９が装置１０８に対して低温状態にあるとき、装置１０８の冷却は、落下する液滴１１４の作用で迅速である。
しかしながら、冷凍機構成部品１０９がもはや冷却剤蒸気１１２に対し低温ではない場合、ヒートパイプ１０１の細長い形状及び蒸気１１２が存在していることにより、ヒートパイプ１０１の上方領域１０２と下方領域１０３との間、したがって、冷凍機構成部品１０９と装置１０８との間にもサーマルバリヤが生じる。

したがって、装置１０８の温度の上昇は、冷凍構成部品１０９の温度上昇よりも著しく遅く、これにより、実験は、冷凍システム１１０が機能停止した後も場合によっては続行可能である。加うるに、これは、装置１０８を冷凍システム１１０の再生に続く後の時間で再び冷却しようとする場合、装置１０８は、装置１０８の作動に適した所望の低い温度に非常に近い温度状態に既にあることを意味している。

第４の例が図５に示されている。この場合、同一の構成部品には、図４で用いたのと同様の符号が付けられている。
ヒートパイプ１０１の上方領域１０２は、２つの互いに連結されたサブチャンバ１１６，１１７として設けられており、上方サブチャンバ１１６は、蒸発チャンバ１０９と直接的な熱接触状態にあって、これとほぼ同じ直径のものであり、これに対し、第２のサブチャンバ１１７は、上方サブチャンバ１１６の下に位置していて、これよりも小さな直径のものである。この下に位置するヒートパイプ１０１の中間領域１０４はこれまた、下方サブチャンバ１１７の直径よりも小さな直径のものであり、これは、この場合も直径の大きな下方領域１０３を形成するサブチャンバに連結されている。

ヒートパイプ１０１の中間領域１０４の直径は例えば３ｍｍであり、長さは１００ｍｍである。この場合も又、ヒートパイプ１０１は、適当なステンレス鋼で作られ、組合せ状態にあるサブチャンバ１１６，１１７では、その最上部容積は、ほぼ同じ容積が下方領域１０３のチャンバを形成している場合、約０．５ｃｍ³である。
冷却剤１０７はこの例では、ヘリウム−３であり、この場合に使用されるヘリウム−３の代表的な容積は、標準の温度及び圧力では２００ｃｍ³である。これは、運転条件下では、約０．３ｃｍ³の液体に相当している。
この第４の例では、ヒートパイプ１０１は、装置１０８（図５には示さず）を冷却するためにヘリウム−３を用いる第３の例において説明したのと同様な仕方で動作する。

図５に概略的に示された装置を用いて、約２０分を要する初期冷却段階に続き、約０．３６ケルビンの温度が、約１ミリケルビンの温度安定性で最高１０時間維持された。これは、ヒートパイプ１０１が装置１０８を所望の低温に効果的に冷却し、この状態を何時間にもわたる大きな度合いの温度安定性で維持できることを意味している。約２０分かかる脱着手順の間、ヒートパイプのサーマルバリヤ効果により、下方領域の温度が約０．５ケルビンだけ上がるに過ぎないようになる。

この第４の例のヒートパイプに関する幾つかの実験データが、縦軸に温度（単位：ケルビン）をとり、横軸に時間（秒×１０００）をとったグラフの形態で図６に与えられている。温度データは、図６では２つの描き線Ａ，Ｂとしてプロットされている。描き線Ａは、図５内の蒸発チャンバ１０９のところで測定された温度を表し、描き線Ｂは、下方領域１０３と熱接触状態にある装置１０８内で測定された温度を表している。描き線Ａ，Ｂは、互いに対し温度（縦座標）がシフトされており、したがって、これら温度は、互いに対し又は温度メモリに対し絶対値を表してはいないことは注目されるべきである。しかしながら、各描き線Ａ，Ｂは、測定温度の相対的な変化を表している。システムの温度応答に関する関心のある領域は、広く符号１１８で示されている。この領域の外に位置する描き線のＡ，Ｂの部分は単に種々の試験応答を示すに過ぎない。

図６の領域１１８内では、約６０ミリケルビンの上昇は、蒸発チャンバ１０９の付近で故意に引き起こされる。描き線９では、温度の測定された上昇は、非常に迅速であって、ほんの数秒のことであることが理解できる。しかしながら、描き線Ｂにおける温度上昇に対する応答は、非常に遅く、ヒートパイプ１０１が蒸発チャンバ１０９の加熱の際にもたらすサーマルバリヤを表していることが示されている。この描き線Ｂにおける初期の迅速な上昇は、露点での蒸発により引き起こされる。
また、ヒートパイプの下方領域は約１０分間の期間にわたりこの約６０ミリケルビンの温度上昇を達成するに過ぎないことが理解できる。

本発明の第５の例が、図７に示されており、かかる例では、２つの互いに同一の組をなす冷凍装置（図５と関連して説明している）が共通な組をなす装置１０８を冷却するよう並列状態で用いられている。これら冷凍装置は各々、ヒートパイプ１０１の下方領域１０３の側方変位において図５に記載したシステムと異なっているに過ぎない。第２の組をなす冷凍装置の対応関係にある符号は、同じ符号にプライム記号（′）を付けて示されている。

２つのシングルショット吸着式冷凍システム１１０，１１０′及び２つの対応関係にあるヒートパイプ１０１，１０１′を用いることにより、準連続冷却相殺効果を装置１０８で達成できる。吸着式冷凍システム１１０，１１０′のいずれか一方を脱着するのに必要な時間はシングルショット作動期間の期間よりも著しく短いので、一方のシステムが装置１０８を冷却している間、他方脱着することができる。脱着中の吸着式冷凍システム１１０，１１０′に取り付けられた対応関係をなすヒートパイプは、これが装置１０８を著しく加熱するのを阻止する。
シングルショット作動期間の時間の僅かな減少が結果として生じる場合がある。ただし、装置１０８内の所望の低い温度は、冷凍装置１１０，１１０′の各々を繰返し吸着モードと脱着モードに切り替えることにより永続的に維持される。

図７において、ヒートパイプ１０１，１０１′はそれぞれ、別々の下方領域１０３，１０３′を有する。ただし、これらを結合して共通の下方領域を形成し、したがって、単一の密閉チャンバを形成してもよい。これは、広い表面積にわたって大々的な冷却作用をもたらすことができる。

図８は、２つのヒートパイプ１０１，１０１′の下方領域１０３が連結されたこの一例を示している。この場合も又、図７の場合と同様、２つのシングルショット吸着式冷凍システム１１０，１１０′が、対応関係をなす蒸発チャンバ１０９，１０９′及びヒートパイプ１０１，１０１′と共に用いられている。しかしながら、実験装置を直接冷却するのに下方領域１０３を用いるのではなく、この場合、組み合わせ状態の下方領域１０３が、稀釈冷凍機の蒸留器チャンバの上面と熱接触状態に配置される。

稀釈冷凍機の蒸留器１１９及び混合チャンバ１２０が、図８に示されている。このシステムでは、低温プラットフォームが、約０．４ケルビンに維持され、この温度は、蒸留器１１９の上面１２１上に凝縮を生じさせるのに十分であり、したがって、蒸留器内に液体として存在する蒸留物としてのヘリウム−３とヘリウム−４の混合物１２２を蒸留してヘリウム−３にすることができるようになっている。ヘリウム−３の蒸留物は、導管１２３を介して混合チャンバに再導入される。単一の漏斗状器具１２４が、蒸留器の上面１２１から滴下しているヘリウム−３を集めるために設けられている。漏斗１２４は、導管１２３の上端部に連結され、液体としてのヘリウム−３蒸留物は、混合チャンバ１２０に戻される。

図９は、この例のプロトタイプの装置を示している。吸着式ポンプが、装置の一端部のところに位置した状態で、符号１３０で示されている。４Ｋと熱交換器１３１及びＩＶＣフランジ１３２も又示されている。さらに、装置に沿って、圧送ライン１３３及びヘリウム−３ポット１３４が設けられており、ヒートパイプは、吸着式ポンプ１３０に対し装置の反対側の端部のところに位置決めされている。ヒートパイプの上方領域１３５及び下方領域１３６は、図６に示されている。
この装置は、０．３５ケルビンの温度を達成でき、冷却電力は、蒸留器内にヘリウム−３蒸留を行なうのに適した温度である０．４ケルビンで、約１００マイクロワットである。

第１の実施形態としての冷凍システムの略図である。 図１の実施形態の方法の流れ図である。 図２の実施形態の冷凍システムを示す図である。 ヒートパイプを有する第３の実施形態の冷凍システムの略図である。 第４の実施形態の略図である。 第３の実施形態に従って測定して得られた実験データのグラフ図である。 第５の実施形態の準連続冷凍システムの一例を示す図である。 稀釈冷凍装置の冷却方法を示す第６の実施形態を示す図である。 第４の実施形態の実用装置の一部の略図である。

符号の説明

１ 吸着式冷凍システム
２ 吸着式ポンプ
３ 圧送ライン
４ ポット
５ 吸着物質（チャコール）
７ 補助容積部材
８ 弁
９ 冷却剤
１０ 気体冷却剤

Claims (21)

1. 吸着式冷凍システムを作動させる方法であって、前記システムは、使用中、液体冷却剤及び気体冷却剤を収容したチャンバと連通状態に配置された吸着式ポンプを有し、前記方法は、
   ｉ）気体冷却剤を膨張させてこれを補助容積部材中に入れてチャンバから気体冷却剤の一部を取り出し、それによりチャンバ内の気体冷却剤の温度及び圧力を減少させ、
   ｉｉ）吸着式ポンプを作動させ、チャンバ内の冷却剤液を蒸発させることによりチャンバを一段と冷却すること
   を含む方法。
2. 膨張段階ｉ）は、気体冷却剤を膨張させてこれを別々に多数の追加の補助容積部材中に入れることを更に含む、請求項１記載の方法。
3. 膨張段階ｉ）の前に先立って、通常の動作条件下で動作している吸着式ポンプ内の吸着材料の飽和限度を越えて、或る量の気体冷却剤を吸着式冷凍システムに供給する段階を更に有していることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. 膨張段階ｉ）に先立って、気体冷却剤を補助容積部材から供給することを特徴とする請求項３記載の方法。
5. 膨張段階ｉ）に先立つチャンバ内の気体冷却剤の温度及び圧力は、それぞれ約４ケルビン及び０．５バールであることを特徴とする請求項３又は４記載の方法。
6. 気体冷却剤の最初の供給中、吸着式ポンプを冷却させてこの中に入っている吸着材料が冷却剤ガスを吸着して実質的に飽和状態になるようにすることを特徴とする請求項３〜５のうちいずれか一に記載の方法。
7. 膨張段階ｉ）の実施中、気体冷却剤の膨張により、冷却剤の部分液化を生じさせることを特徴とする請求項１〜６のうちいずれか一に記載の方法。
8. 気体冷却剤の最初の供給に続き、吸着式ポンプを加熱して冷却剤を脱着させ、それによりチャンバ内の気体冷却剤の圧力を増大させることを特徴とする請求項３〜７のうちいずれか一に記載の方法。
9. 膨張段階ｉ）の実施中、吸着式ポンプを加熱することを特徴とする請求項８記載の方法。
10. チャンバが約４Ｋの温度に維持された状態で、吸着式ポンプを約１００Ｋまで加熱することを特徴とする請求項８又は９記載の方法。
11. 段階ｉｉ）に先立って、吸着式ポンプを冷却し、それによりチャンバ内の気体冷却剤の圧力を一段と減少させることを特徴とする請求項７〜１０のうちいずれか一に記載の方法。
12. 吸着式ポンプの冷却に起因する気体冷却剤圧力の減少により、冷却剤の部分液化が生じることを特徴とする請求項１１記載の方法。
13. 膨張段階ｉ）の実施中、気体冷却剤を膨張させてこれを貯蔵リザーバ内へ入れることを特徴とする請求項１〜１２のうちいずれか一に記載の方法。
14. 気体冷却剤を第２の吸着式ポンプ内へ膨張流入させることを特徴とする請求項１〜１２のうちいずれか一に記載の方法。
15. 膨張段階ｉ）の実施中、補助容積部材の容積及び（又は）温度を変化させることを特徴とする請求項１〜１４のうちいずれか一に記載の方法。
16. 補助容積部材の容量は、吸着式ポンプのガス吸着容量よりも大きいことを特徴とする請求項１〜１５のうちいずれか一に記載の方法。
17. 補助容積部材内への冷却剤ガスの膨張は、弁を用いて制御されることを特徴とする請求項１〜１６のうちいずれか一に記載の方法。
18. 吸着式ポンプとチャンバの連通は、弁を用いて制御されることを特徴とする請求項１〜１７のうちいずれか一に記載の方法。
19. 段階ｉｉ）の実施中、吸着式ポンプ及びチャンバを補助容積部材から隔離することを特徴とする請求項１〜１８のうちいずれか一に記載の方法。
20. 冷却剤は、ヘリウム−３、ヘリウム−４、窒素、水素又はネオンのうちいずれかであることを特徴とする請求項１〜１９のうちいずれか一に記載の方法。
21. 膨張段階ｉ）の実施中における気体冷却剤の膨張は、実質的に断熱プロセスであることを特徴とする請求項１〜２０のうちいずれか一に記載の方法。

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