JP2008215799A - 吸着冷凍システムの作動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】吸着冷凍システムの作動方法、並びに当該方法を実施するのに好適なシステムに関する。
【解決手段】吸着冷凍システムを作動させる方法が提供される。本システムは、冷却剤を収容する１次チャンバと連通して構成された１次吸着ポンプと、２次吸着ポンプと、２次吸着ポンプと１次チャンバとを連通状態に配置する高流体インピーダンス導管とを備える。本方法は、各ポンプがそれぞれの作動温度にある間に１次及び２次吸着ポンプを冷却剤で飽和させる段階を含む。次いで、ポンプは、これらの作動温度を超えて加熱されて冷却剤が脱着し、これによって、１次チャンバが冷却される間は１次チャンバ及び２次吸着ポンプ内の冷却剤圧力が導管を介して実質的に均一であるようになる。次に、２次吸着ポンプが冷却されて冷却剤ガスを吸着し、従って、１次チャンバ内の冷却剤の温度及び圧力の低下がもたらされる。
【選択図】図１

Description

本発明は、吸着冷凍システムの作動方法、並びに当該方法を実施するのに好適なシステムに関する。

吸着冷凍システムは、チャンバなどの領域内に非常に低い温度をもたらす冷凍分野、特に極低温物理学の分野では良く知られている。吸着冷凍システムは、冷却されることになるチャンバ内にある量の液体冷却剤を提供することによって動作する。これは、チャコールのようなある量の吸着材料と気体連通状態で配置され、システム全体は、システム内の冷却剤の量が一定のままであるように閉鎖されている。通常、液体状態の冷却剤は、外部源によって予冷された部材の冷却壁と接触して気体冷却剤が凝縮することによって得られる。これは、「１Ｋポット」を用いることにより多くの従来の吸着冷凍システムにおいて行われる。

液体冷却剤を得る第２の代替の方法は膨張プロセスを使用し、この場合、冷却剤は、断熱条件下で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、これによって液体冷却剤が生成される。システムの吸着材料は、対応する圧力低下に起因して液体が更に蒸発するように、液体冷却剤の上方のガスを吸着するよう配置される。蒸発の潜熱によりシステムの温度低下が生じる。

このようなシステムの使用に伴う１つの問題は、該システムが事実上「シングルショット」であることであり、これは、市販のシステムでは数時間の場合もある、所定の時間期間にわたってのみ動作することができることを意味する。

吸着システムは、吸着材料を単に加熱して冷却剤ガスの脱着を引き起こすようにすることで該冷却剤ガスを気相状態に戻すことによって再装填することができる比較的簡単なデバイスである点で有利である。次いで十分に冷却されると、吸着材料はもう一度再使用することができる。システムは「閉鎖」されているので、冷却剤の損失が無く、可動部分が存在しない。これは、低温実験を何時間にもわたって低振動レベルで行うことができる点で有利である。

このようなシステムの比較的短い時間期間の「シングルショット」特性に対処するために、発明者らは、先願の欧州特許出願ＥＰ１３８７１３３Ａによる吸着冷凍システムの作動方法を既に考案している。このシステムは、チャンバ内の冷却剤を補助容積部材（別の吸着ポンプとすることができる）中に膨張させて、メイン吸着ポンプの使用前に冷却剤を効果的に予冷することを含む。これはより低い開始温度を効果的にもたらし、これによってシステムの作動期間を向上させた。

ＥＰ１３８７１３３Ａで開示された上述のシステムは、従来技術よりも著しく有利であるが、極めて安定した条件が要求される場合などの状況によっては、バルブ（当該出願の図１のバルブ８など）の作動により、不都合な機械的振動を引き起こす。この問題を克服することに加えて、装置の製造コストを削減すること、作動を単純化すること、及び作動上の信頼性を向上させることなどの追加の要望がある。本発明によって対処されることは、とりわけこれらの問題である。

欧州特許出願ＥＰ１３８７１３３Ａ公報 欧州特許出願番号０６２５４２３６．０公報

本発明の第１の態様によれば、発明者らは、吸着冷凍システムの作動方法を提供し、当該システムは、冷却剤を収容する１次チャンバと使用時に連通状態で構成された１次吸着ポンプと、２次吸着ポンプと、２次吸着ポンプと１次チャンバとを連通状態で配置するように構成された高流体インピーダンス導管とを備え、本方法は、
ｉ）１次及び２次吸着ポンプがそれぞれの作動温度にある間に１次及び２次吸着ポンプに冷却剤を装填する段階と、
ｉｉ）１次及び２次吸着ポンプの各々をこれらの作動温度を上回って加熱して冷却剤を脱着させ、少なくとも１次チャンバを冷却する間に１次チャンバ及び２次吸着ポンプの冷却剤圧力が導管を通って実質的に均一化されるようにする段階と、
ｉｉｉ）１次チャンバ内の脱着冷却剤を冷却する段階と、
ｉｖ）２次吸着ポンプをその作動温度にまで冷却して、この温度で２次吸着ポンプが冷却剤ガスを吸着し、これにより１次チャンバ内の冷却剤の温度及び圧力を低下させる段階と、
ｖ）１次吸着ポンプを作動温度まで冷却してこの温度で１次吸着ポンプが冷却剤を吸着し、これにより１次チャンバ内の冷却剤の温度及び圧力を更に低下させる段階と、
を含む。

発明者らは、システム並びに対応する作動圧力及び使用される冷却剤の種類を含む他の要因を注意深く設計することで、１次及び２次吸着ポンプを高流体インピーダンス導管と併せて使用して、バルブの必要性を排除することが可能であることに気付いた。

本発明は、導管の両端間に高い圧力差が存在する場合には高流体インピーダンスを通過して冷却剤の高流量が得られ、一方、圧力差が低いと低流量となることの認識に基づいている。本発明は更に、吸着ポンプの吸着材料は、冷却剤が高圧であるときには冷却剤が低圧であるときと比較してより高い冷却剤吸着能力を有する現象に基づいている。

本方法は、１次及び２次吸着ポンプの各々がこれらの吸着材料を冷却剤で飽和させるステップ（ｉ）から始まる。この時点で、吸着ポンプは各々、これらのそれぞれの作動温度に保持される。これらは、勿論、異なる温度とすることができるが、通常はこれらの温度は各ポンプについて同じである。各々の場合における作動温度は、これ未満の温度で実質的な吸着作用が吸着ポンプ内の吸着材料によってもたらされる温度として定義することができる。このような温度は極低温である。

第２のステップは、１次及び２次吸着ポンプの各々をこれらの作動温度を上回って加熱する段階を含み、これにより冷却剤を脱着させ、これは、システムが閉じていることに起因して冷却剤の圧力を実質的に上昇させる。導管の流体インピーダンスは、この高い圧力並びにステップ（ｉｉ）が行われる時間を考慮して、冷却剤の圧力を変えて第２のポンプと１次チャンバとの間で均一化するように構成される。

好ましくは、ステップ（ｉｉｉ）の間、冷却剤ガスは、適切に冷却された熱交換器と接触させることによって、通常４．２ケルビン未満の極低温にまで冷却される。

それぞれの圧力が実質的に均一化され、作業ガスがステップ（ｉｉｉ）で冷却されると、２次吸着ポンプはその作動温度にまで冷却され、これにより２次吸着ポンプによって冷却剤ガスを局所的が吸着されるようになる。これは、導管を介して１次チャンバ内の冷却剤の温度及び圧力の低下をもたらす。２次吸着ポンプと１次チャンバとの間に約１気圧の圧力差が生じるので、冷却剤が導管を通って流れることができる。

この冷却作用が達成されると、１次吸着ポンプがその作動温度にまで冷却され、その結果、冷却剤が１次吸着ポンプによって吸着されることで、１次チャンバ内の冷却剤の温度及び圧力の低下が生じる。最初は１次及び２次吸着ポンプの両方が作動可能である。２次吸着ポンプは、最終的には飽和状態になると圧送を停止することになる。１次ポンプは、１次チャンバからの冷却剤を引き続き圧送することになる。１次ポンプはまた、２次吸着ポンプからの冷却剤の一部を圧送することになる（吸着材料の圧力依存性に起因する）。しかしながら、高流体インピーダンス導管の両端の圧力差が小さくなるので、１次チャンバ内に戻る冷却剤流量もまた極めて小さくなる。ステップ（ｖ）の後のステージでは、要求された冷却の極低温を長期間（数時間或いは数日）にわたって達成することができる。

理解されるように、冷却剤は、最初は気体状であるが、少なくとも冷却ステップ（ｉｖ）の間は、冷却剤の圧力及び温度の低下に起因して液体として凝結する。同様の凝結は、ステップ（ｖ）の間、１次吸着ポンプが作動温度より高い温度から作動温度自体まで冷却されるときにも生じることができる。

従って、ステップ（ｖ）は、２つのサブステップを含むと考えることができ、第１のサブステップは、作動温度より高い温度から作動温度までの吸着ポンプの冷却であり、第２のステージでは、吸着作用によって１次チャンバ内の冷却剤を冷却するように従来の方式でポンプが作動する。

上述のシステム構成要素に加えて、本システム自体は更に、１次チャンバ内部と選択的に流体連通して構成された補助リザーバを備えることができ、この場合、ステップ（ｉ）において冷却剤は最初に補助リザーバから供給することができる。補助リザーバ（これはステップ（ｉ）で使用されたものと同じであっても異なっていてもよい）は同様に、１次チャンバ内部と選択的に流体連通して構成することができ、１次チャンバ内の冷却剤がステップ（ｉｉｉ）の後又はその間に補助リザーバ内に膨張されて１次チャンバ内の冷却剤を更に冷却するように本方法で使用することができる。これにより冷却作用が向上し、最終的には１次吸着ポンプのより長い「シングルショット」性能が提供される。冷却剤の圧力、及び実際には補助リザーバの容積は、こうしたリザーバを使用する有利な効果を最大にするように注意深く選択する必要がある。本方法は通常、補助リザーバの温度を制御して補助リザーバ内の所定の冷却剤圧力を与えるようにする段階を含む。これは、適切な加熱及び／又は冷却装置を用いて達成することができる。補助リザーバとシステムの残りの部分との間の選択的な連通は、好ましくは適切なバルブによって可能にされる。

本発明の方法及びシステムにおいて、幾つかの異なる冷却剤を利用することができ、これらには、ヘリウム４、窒素、ネオン又は水素が含まれるが、ヘリウム３が実験目的で極低温を達成する能力を与えるので、ヘリウム３を使用することが特に好ましい。ヘリウム３を用いると、ステップ（ｉｖ）の終わりでの冷却剤の温度は約２ケルビンであり、作動温度での１次吸着ポンプの作動の後、冷却剤は通常、約３００ミリケルビン以下に冷却される。

本発明の第２の態様によれば、発明者らは、吸着冷凍システムを提供し、本システムは、
１次吸着ポンプ、及び使用時に冷却剤を収容するように適合され且つ１次吸着ポンプと連通した１次チャンバと、
２次吸着ポンプと；
２次吸着ポンプ及び１次チャンバを流体連通して配置するように構成された高流体インピーダンス導管と、
を備える。

理解されるように、第２の態様による１次及び２次吸着ポンプと、１次チャンバと、高流体インピーダンス導管との構成を用いて、本発明の第１の態様による一般的な方法を実施することができる。

従って、本システムは、補助リザーバを更に備えることができ、このような任意的な補助リザーバは、上述のように本方法のステップ（ｉ）でのシステムの初期装填のため、或いはステップ（ｉｉ）の後の膨張ステップにおいて使用されることになる。

補助リザーバの機能はまた、複数のリザーバによって実施することができる。従って、異なるリザーバを用いて、上述の初期装填及び後での膨張を実施することができ、或いは実際には、これらのステージのうちの１つ又は各々において複数のリザーバを使用することができる。複数のリザーバを用いると、ステップ（ｉｉ）に続く任意的な膨張プロセスを幾つかのサブステップで実施し、例えば連続的な圧力低下を伴うマルチステージ膨張プロセスを提供するようにすることができる。従って、本方法は、気体状冷却剤を幾つかのリザーバ内に別々に膨張させる段階を含むことができる。

補助リザーバは、一定の幾何学的容積の形態をとることができるが、可変の容積を備えていてもよく、これによりチャンバ内部の圧力を制御し、従って、冷却の程度をこれに応じて制御することが可能となる。従って、補助リザーバ又は各補助リザーバは、別の吸着ポンプの形態をとることができる。必要に応じて、リザーバとシステムの残りの部分との間の選択的な連通を確保するためにバルブを設けることができる。

１次チャンバは通常、使用時に液体冷却剤を収容するための１次ポットを備える。システム内で最も低い温度に達するのがこの１次ポットである。従って、高流体インピーダンス導管は、ポットと第２の吸着ポンプとの間の流体の流れが、ポットと１次吸着ポンプとの間の流体の流れよりも少なく、好ましくは１／５未満であり、更に好ましくは１／１０未満であるように構成されるのが好ましい。１次ポットから１次吸着ポンプへの流量は、主として、１次吸着ポンプの圧送速度によって影響される点に留意されたい。

１次チャンバの構成は通常、当該チャンバが、１次ポットと１次吸着ポンプとを接続する１次圧送ラインを備えるようなものであり、その結果、１次ポットとそれぞれの吸着ポンプとの間の流体インピーダンスがそれぞれ導管及び１次圧送ラインの流体インピーダンスとなる。最も実用的な状況において、このことは通常、１次圧送ラインが高流体インピーダンス導管の直径を有意に超える直径を有することを意味するが、勿論、これらのそれぞれの構成要素の長さもまたインピーダンスの大きさに影響する。

貯蔵リザーバと類似の方式で、２次吸着ポンプ自体が、複数のこうした吸着ポンプの形態をとることができる。これらの各々は、それぞれの高流体インピーダンス導管を用いて１次チャンバ内部と流体連通して構成することができる。従って、２次ポンプ及び高流体インピーダンス導管の複数の具体例を提供することができる。２次吸着ポンプはまた、高流体インピーダンス導管によって分離されて直列に設けることもできる。これらは、１つのこうしたポンプがその作動温度まで冷却されて、その吸着を実質的に他のどれよりも先に実施するように順次作動することができる。

理解されるように、同様の複数の吸着ポンプ構成がまた、１次吸着ポンプに設けることができ、これは直列構成を含む。

高流体インピーダンス導管に関しては、通常不変又は静的なインピーダンスを提供する点に留意されたい。こうした一定の流体インピーダンス導管の実施例は、極細管のようなものである。従って、これには、特にバルブのような可動部分が存在しない。

本システムは更に、１次チャンバがヒートパイプに熱的に結合することができるようにするヒートパイプの使用を含むことができ、該ヒートパイプは、冷却剤を収容し且つ互いに流体連通する上方領域及び下方領域を有するシールヒートパイプチャンバを備え、その結果、システムの使用時には１次チャンバはヒートパイプの下方領域に対してヒートパイプの上方領域を冷却することで、冷却剤が凝縮されて液体冷却剤となり、重力により下方領域に移動するようになる。ヒートパイプに関しては、用語「上方」及び「下方」は、下向きの重力方向に対してのヒートパイプの作動位置に関連付けられる。複数のこうしたヒートパイプを設けてもよい。ヒートパイプは、これらがヒートパイプの遠位端部（下方領域）で得られる温度安定性を向上させる点で有利である。これは、システム内のどのような温度の不安定性を軽減する中間冷却プロセス（凝縮冷却剤によって提供される）により達成される。更に、冷却剤ガスの不十分な熱伝導性が、上方領域と下方領域との間のつながりを熱的に遮断するのに役立つ。従って事実上、ヒートパイプは熱ダイオードとして有効に機能する。

実験装置を含む、冷却されることになる幾つかの様々なタイプのターゲット装置は、ヒートパイプの下方領域と良好に熱的接触して設置することができる。実験装置に加えて、下方領域の冷却作用を用いて、希釈冷凍機の凝縮ポンプなどの装置を更に冷却することもできる。

本発明の第３の態様によれば、発明者らは、
本発明の第２の態様による第１の吸着冷凍システムと、
本発明の第２の態様による第２の吸着冷凍システムと、
第１及び第２の吸着冷凍システムの各々によって冷却されるように適合されたコールドプラットフォームと、
を備えた冷凍システムを提供する。

共通のコールドプラットフォームを冷却する第１及び第２の吸着冷凍システムを使用すると、それぞれの第１及び第２のシステムは、一方が冷却モードで作動している間は、他方が再生モードで動作しているように、交互に作動することができる。これは、システムの擬似連続作動を可能にし、これによってシングルショット使用の限界を克服する。コールドプラットフォームは、幾つかの異なる形態をとることができ、通常は、上述の様々なタイプのターゲット装置と熱的に連通して設置される。こうしたターゲット装置の１つの実施例は、希釈冷凍機のスチルである。

ある実施形態において、１次チャンバの各々はそれぞれの凝縮表面を有し、これらは、冷却剤ガスを収容しているエンクロージャ内部に備えられ、当該表面は、使用時に１次吸着ポンプによって選択的に冷却されて、これにより冷却剤ガスが表面上に液体冷却剤として凝縮するようになる。コールドプラットフォームは、凝縮表面からの液体を受け取るように位置付けられる。エンクロージャは、１次チャンバのそれぞれの凝縮表面間の気体状冷却剤の経路を提供するように適合され、当該経路は、当該表面の各々とコールドプラットフォームとの間よりも低い流体インピーダンスを有する。凝縮表面間の流体インピーダンスは、凝縮表面とコールドプラットフォームとの間よりも好ましくは少なくとも１／２小さく、より好ましくは少なくとも１／５小さく、最も好ましくは少なくとも１／１０小さい。エンクロージャは、凝縮表面の各々とコールドプラットフォームとの間のそれぞれの管体と、それぞれの凝縮表面の間に位置付けられて流体インピーダンスのより低い経路を提供するバイパス管体とを備えることができる。それぞれの管体は、ヒートパイプを含むことができる。或いは、凝縮表面は、共通のチャンバ容積内に備えることができる。コールドプラットフォームは、共通チャンバに隣接して設けることができる。この場合、凝縮表面間の間隔は通常、凝縮表面の各々とコールドプラットフォーム自体との間の間隔よりも小さい。

ここで、本発明による方法及びシステムの幾つかの実施例を添付図面を参照しながら説明する。
図１は、全体が１で示される第１の例示的なシステムの概略図である。１次吸着ポンプ２は、１次チャンバ３に接続され、該１次チャンバは、１次圧送ライン４と１次ポット５を備える。図で分かるように、１次圧送ラインは、実質的に大径の管体（典型的には、直径約８ミリメートル及び長さ約２００ミリメートル以下の寸法）である。１次圧送ライン４の上端には１次吸着ポンプ２が位置付けられ、下端には１次ポット５が配置される。このことは、ポット５内のあらゆるガスが１次吸着ポンプ２の内部と流体連通していることを意味する。２次吸着ポンプ６が設けられ、これは、極細ステンレス鋼管の形態の高流体インピーダンス導管７によって、圧送ライン４の内部と流体連通して配置される。この極細ステンレス鋼管は、直径約１ミリメートル及び長さ約２００ミリメートル以下を有する。図１に示されるように、この高流体インピーダンス導管は、２次吸着ポンプ６が導管７の一方の端部に位置付けられ、１次圧送ライン４が他端部に位置付けられるように配列される。

１次吸着ポンプ２及び２次吸着ポンプ６の各々は、大きな表面積を有し且つある作動温度（４．２ケルビン）で大きなガス吸着作用を提供する材料特性を有する、チャコール８のような吸着材料を含む。

管体９は、１次吸着ポンプ２を貯蔵容器１０の形態の補助リザーバに接続するために提供される。従って、管体９は、１次吸着ポンプ２と貯蔵容器１０との間の流体連通を可能にする。この連通は、管体９内に配置された手動又は自動バルブ１１を使用することによって「選択的」になされる。

熱スイッチ及び熱交換器組立体１２は、１次吸着ポンプの温度を制御するために設けられる。同様に、熱スイッチ及び熱交換器組立体１３は、第２の吸着ポンプ６に対して同様の作用を実現するために設けられる。追加の熱交換器１４は、１次吸着ポンプ２の温度に対して、１次圧送ライン４の下方部分及びポット５の温度の独立した制御を可能にする目的で１次圧送ライン４を冷却するために設けられる。熱スイッチ及び熱交換器組立体の各々は、熱スイッチを介してヒートシンクに接続された高い熱伝導性構成要素の形態である。何れの場合においても、熱スイッチは、それぞれの熱交換器をクリオスタット冷却剤バス又は機械式冷凍機の冷却ステージの形態のヒートシンクに選択的な方法で熱結合することを可能にする。

１次吸着ポンプ２はまたヒーター１７を備え、同様に２次吸着ポンプ６はヒーター１８を備える。チャコール８に熱的に接触する電気抵抗素子として通常提供されるヒーターを制御し、それぞれの熱交換器１２、１３と組み合わせてそれぞれの吸着ポンプの温度を制御するようにすることができる。これを実現するために制御システム（図示せず）が設けられる。

この実施例においては、互いに流体連通するシステムの部分は、冷却剤としての気体ヘリウム３で装填される。ヘリウム３は、最初は気体状態にあるが、作動中に一部の冷却剤が液体として凝縮し、１次ポット５内に集められる。

この実施例の目的では、チャコール８は、約４リットルの冷却剤ガスを吸着することができ、一方、貯蔵容器１０は、約１０リットルの容量を有する。図１の点線１６は、約４ケルビンで作動するヘリウム４クリオスタットの存在を示している。貯蔵容器１０及びバルブ１１以外の構成要素は、クリオスタット１６内に収容される。

ここで図２を参照し、図１のシステムを作動させる方法を説明する。

本方法は、図２のステップ１０１で始まり、ここで１次吸着ポンプ２、１次チャンバ３及び２次吸着ポンプ６の内部がヘリウム３で初期装填される。ステップ１０２で、これらのシステムの構成要素は、クリオスタット内で約４ケルビンまで冷却される。この温度で、吸着ポンプ２及び６内のチャコール８は作動温度となり、従って、冷却剤ガスを十分に吸着する。このステージの間、バルブ１１は開放される。クリオスタット内の全ての構成要素が、実質的に熱平衡（約４ケルビンで）に達すると、バルブ１１が閉じられる。本システムは、ステップ１０２の終わりでチャコール８が装荷状態にあるときに、システム内の圧力が絶対圧の約０．５気圧であるように構成される。このことは、システム内の何れかの漏出による比較的高価なヘリウム３の損失を低減するのに役立つ。

ステップ１０３で、スイッチ１２及び１３が開かれてヒーター１７及び１８が各々制御システムによって作動され、チャコール８をそれぞれの吸着ポンプ２、６内で比較的高温（約１００ケルビン）まで加熱するようにする。この加熱は、チャコール８からのヘリウム３冷却剤の脱着を生じさせ、これにより、閉鎖システム内の圧力が有意に高くなる。通常、１０気圧（絶対圧）の圧力が得られる。脱着したガスを冷却して１次吸着ポンプ２からの熱を阻止し、特に１次ポット５に到達するのを阻止するためにこのステージで熱交換器が作動可能である点に留意することが重要である。従って、１次圧送ライン４の下方部分及びポット５内の冷却剤ガスは、おおよそ４ケルビンのままである。システム内が高圧であることにより、導管７の流体インピーダンスが高いにもかかわらず、１次圧送ライン４と２次吸着ポンプ６との間の十分な冷却剤流が確保される。脱着ステップ１０３の間、１次吸着ポンプ２及び２次吸着ポンプ６の各々の中の冷却剤ガス内の圧力が実質的に均一化している。

任意のステップ１０４（図２を参照）において、バルブ１１を開き、高圧冷却剤をもう一度貯蔵容器１０内に流入させるようにすることができる。これは、管体９の流体インピーダンスが低いことに起因して比較的急速である。これにより１次吸着ポンプ２及び１次チャンバ３の内部の冷却剤の温度及び圧力の低下が生じる。同様に、２次吸着ポンプ６と貯蔵容器１０との間の圧力差が大きいことにより、２次吸着ポンプ６において圧力低下が生じる。次いで、バルブ１１が閉鎖されることにより、システムが再シールされる。任意のステップ１０４が実施されるかどうかに関係なく、比較的高い圧力が１次吸着ポンプ２及びチャンバ３内部に残存している。ステップ１０４を実施することで、その後圧力はほぼ１気圧程度となる。

ステップ１０５で、熱交換器１３の作動及びそれぞれの熱スイッチの閉鎖（ヒーター１８はスイッチオフにされている）によって２次吸着ポンプ６が冷却される。これは、２次吸着ポンプ内の圧力の実質的な低下を生じさせ、その結果、２次吸着ポンプ６と１次吸着ポンプ２並びに１次チャンバ３との間の有意な圧力差を生じさせる。この理由から、冷却剤ガスは、高流体インピーダンス導管７を通って流れ、従って、２次吸着ポンプ６が１次チャンバ３内の圧力を低下させ、これにより１次ポット５内のヘリウム３冷却剤の冷却及び液化を生じさせ、この冷却剤の温度がおよそ２ケルビンとなる。１次チャンバ３及び１次吸着ポンプ２内の圧力は依然として約０．２気圧であり、よって、有意な量の気ガスが２次吸着ポンプ６により１次ポット５から導管７を通って回収することができる点に留意されたい。２次吸着ポンプが冷却剤ガスの大部分を吸着することは理解されるであろう。

ステップ１０６で、２次吸着ポンプが飽和し始めると、１次吸着ポンプ２は、熱スイッチ及び交換器組立体１２によって冷却される（この時点でヒーター１７はオフである）。これは、１次吸着ポンプ２の領域の温度が約１００ケルビンから約４ケルビンに低下することに起因して、初期圧力低下を生じさせる。これにより更に１次ポット５が冷却される。

ステップ１０７で、１次吸着ポンプ２内のチャコール８がほぼ４ケルビンの作動温度に達すると、１次吸着ポンプは１次チャンバ３内のガスを吸着することにより従来の様態で作動し、これにより１次ポット５内の液体の圧力並びに従って温度の更なる低下が引き起こされる。圧力が１０^-6気圧未満まで低下するにもかかわらず、１次吸着ポンプは飽和しない。

特に、導管７のインピーダンスは、２次吸着ポンプ６から１次圧送ライン４内へのガスの流れが、１次吸着ポンプ２の圧送速度よりも遙かに小さく、本実施例では１／１０に小さくなるので、１次吸着ポンプ２は、ポット５からのガスを優先的に圧送し、２次吸着ポンプ６から圧送されるガスの比較的少ない「漏出」だけが存在することになる。圧送速度は、要求通りに１次ポット５内の液体の温度を低下させるのに十分過ぎる程である。更にまた、この少ない「漏出」も時間の経過と共に減少することになり、これは２次吸着ポンプ６が、そのチャコール８の飽和限界に達するまで残りのガスを吸着し続けるためである。

従って、ステップ１０７の間、冷却された１次ポット５は、ポット５に熱的に結合された何れかの実験装置（センサなど）又は更なる冷却デバイス（希釈冷凍器など）のための冷却を提供する。このような追加の装置は、図１におけるターゲット装置２０によって全体的に表される。装置２０によって１次ポット５に加えられる熱負荷に応じて、本システムは、長時間にわたって安定した基準温度で装置を冷却することができる。

第２の例示的なシステムが図３に示されている。これは、追加の２次吸着ポンプ２１及び対応する追加の高流体インピーダンス導管２２、並びにそれぞれの追加の熱スイッチ、熱交換器組立体２３及びヒーター２４を含むことを除いては、図１の基本システムと同様である。追加の２次吸着ポンプ２１は、導管７に類似する高流体インピーダンス導管２２を用いて１次チャンバ３に結合される。

図３と図１のシステム間の別の相違点は、この実施例において、容器１０が大容量の追加の吸着ポンプ２５に置き換えられていることである。これは、図２のステップ１０１でのシステムの初期装填、或いは図３の任意選択のステップ１０４、又は実際にはこれらの各々の何れかに対して使用することができる。追加の２次吸着ポンプ２１並びに高流体インピーダンス導管２２は、ステップ１０５の間に並列に（同時に）使用することができる。しかしながら、吸着ポンプ２、２１は、２次吸着ポンプ６が最初に飽和限界に達するまで作動し、次いで第２のポンプ２１が作動する（ヒーター２４をオフにし、熱交換器２３を用いて冷却することによって）ように順次的に作動されるのが好ましい。

ここで図４を参照すると、更なる例示的なシステムが提供され、ここで、図３と同様に、追加の２次吸着ポンプ２１並びに熱交換器２３及びヒーター２１が各々提供される。しかしながらこの場合、追加の吸着ポンプ２１は、追加の高流体インピーダンス導管２６を介して２次吸着ポンプ６と直列に設けられる。動作中、図２のステップ１０５において、この実施例におけるポンプ２１が最初に冷却されると共に、ポンプ６はより高温に維持される（ステップ１０３から）。ポンプ２１が冷却剤で実質的に飽和されると、ポンプ６は、熱交換器１３（及び関連の熱スイッチ）を使用してこれを冷却することによって吸着動作状態になる。

システムの別の修正形態において、図４の実施例は、貯蔵容器１０に加えて大容量の吸着ポンプ２５（並びに熱スイッチ及び熱交換器組立体２７）を含むことに留意されたい。この場合、修正バルブ１１’が設けられ、これは、３つの作動位置、すなわち、容器１０を１次チャンバ３と連通させた位置と、ポンプ２５を１次チャンバ３と連通させた第２の位置と、管体９をシールする第３の位置とを有するように適合されている。この場合、例えば容器１０は、図２でステップ１０１の間にシステムを装填するのに使用されることができ、吸着ポンプは、ステップ１０４を形成するのに使用することができる。逆の状況も企図される。

図４の実施例は、チャンバ５との熱的に連通したヒートパイプが設けられている点で前述の実施例と更に異なる。

ヒートパイプは図４では３０で示されている。ヒートパイプは、ステンレス鋼などの適切な低熱伝導性極低温合金で作製された細長い中空円筒体を備える。通常これは垂直方向に向けられ、管体３３の形態の中間領域によって分離された上方領域３１と下方領域３２とを有する。この管体は、使用時には実質的に垂直方向に向けられる。ヒートパイプは、ヘリウム３のような冷却剤（冷却剤は用途に応じて選ばれる）を収容するシール容器である。下方領域３２は、冷却されることになるターゲット装置と接触して設けられる。この特定の実施例においては、当該装置は極めて高感度の粒子又は放射線検出器と考えることができる。

上方領域３１は、１次ポット５と良好な熱的接触状態に置かれる。通常の作動条件化では、ヒートパイプ内部の冷却剤の量及び種類は、吸着冷凍システムが作動中であるときに冷却剤ガスがヒートパイプ内に存在するように選択される。冷却剤の一部はまた、液相で存在することもできる。図２の後半のステップの間にポット５の温度が低下すると、ヒートパイプ３０の上方領域の温度が低下し、これによりヒートパイプ内の冷却剤ガスの上方領域３１の表面上への凝縮が生じる。次いで、液滴が形成され、これらは最終的には上方領域から離れ、重力により管体３３を通って下方領域３２に落ちる。液滴の温度は、ポット５の温度と実質的に同じであり、従って、下方領域３２内の冷却剤液滴が漸次的に蓄積することにより、下方領域が１次ポット５の温度と実質的に同じ温度に達する。このような温度は通常、２００〜３００ミリケルビンである。次いで、ターゲット装置２０が下方領域３２と良好に熱的に連通することによって冷却される。

従って、ヒートパイプは、事実上熱ダイオードとして作動し、強い冷却作用を提供すると共に、１次ポット５に発生するあらゆる温度変動からターゲット装置２０を分離する。管体３０内の蒸気はまた、上述の装置からの何れかの熱発生源に対する良好な熱障壁として機能する。従って、１次吸着ポンプ２のシングルショットサイクルの終わりに、ヒートパイプは、ターゲット装置２０を作動温度で使用することができる実験時間の延長を可能にする熱障壁として機能する。このことはまた、再装填の後に追加のシングルショットサイクルにおいて装置を使用するときに、ターゲット装置２０が既に低温であることができ、従って、必要な冷却が他の場合に必要とされるはずの冷却よりも少ないことを意味する。

図５では、吸着冷凍システムの２つの具体例がそれぞれ５０及び６０で示される。これらの各々は、前述の第１、第２、又は第３の実施例（又は混合）による冷却システムを概略的に示している。この実施例において、システム５０、６０の１次ポットの各々は、２つのヒートパイプ３０、３０’の上方領域に熱的に結合され、これらのヒートパイプは各々、各々上方領域３１、３１’、管体３３、３３’並びに下方領域３２を有する。下方領域３２は、７０で概略的に示された希釈ユニットの冷却を提供する点に留意されたい。

使用時には、システム５０及び６０は、希釈冷凍機の擬似連続作動が可能となるように交互に作動される。具体的には、常にシステム５０、６０の一方が動作冷却モード状態であり、他方が再装填モード状態である。

図６には、図５と類似の方式で吸着冷凍システムの２つの具体例が組み合わせて使用された別の実施例が示されている。それぞれのシステムは、５００及び５００’でそれぞれ示される。これらのシステムは、前述の実施例の何れかの一般的な例証である点に留意されたい。上記の実施例において参照数字１０、１１、２１、２５などで示されたような追加の装置は、実際には存在しているが明確にするために図６には図示されていない。図６は、１次圧送ライン５０１、５０１’の２つの具体例が存在することを示しており、これらは前述の実施例に関して検討した１次圧送ライン４と同等の機能を有する。同様に、１次圧送ライン５０１、５０１’に結合された１次ポット５０２、５０２’（１次ポット５に類似する）もまた提供される。次に、１次ポット５０２、５０２’の各々は、上記の３０、３０’で検討されたものと同様の方式でそれぞれのヒートパイプ５０３、５０３’に結合される。ヒートパイプ５０３、５０３’の各々の上方領域は、低流体インピーダンスを有する大きな管体５０４を用いて共に結合される。ヒートパイプ５０３、５０３’の各々は、下方の共通コールドプラットフォーム５０５に向けて開いている。図６に示されるように、この共通プラットフォームは、希釈冷凍機のスチルと熱的に連通しており、希釈冷凍機は全体的に５１０で示される。記載の装置は、発明者らの同時係属の欧州特許出願番号０６２５４２３６．０で論じられた装置と直接に類似している。具体的には、当該装置は、０６２５４２３６．０の図３に示されたものと同等であり、同様に、ヒートパイプ５０３、５０３’は、図６に点線で示された共通エンクロージャ５１１と置き換え得ることが期待される。

理解されるように、図６に示された装置もまた、図５のものと同様の方式で疑似連続作動の状態で使用されるのが好ましい。具体的には、システム５００、５００’のうちの１つが作動している間に他のシステムが再生され、以後の作動状態に向けて準備される。これにより、希釈冷凍機５１０の連続作動が可能になる。理解されるように、希釈冷凍機５１０は、本システムを用いて冷却することができる幾つかの様々なタイプのターゲット装置のうちの１つである。

上述の実施例の各々は、１次チャンバ３の予冷を提供する目的で、１つ又はそれ以上のそれぞれの高流体インピーダンス導管と共に２次吸着ポンプを利用する方法（これらの１つ又はそれ以上が存在するかどうか）に関しての例証であり、これにより装置の良好なシングルショット時間を与え、且つ機械的振動を回避する。記載された実施例の装置構成間の個々の差異の各々は、他の実施例のものと互換的に使用できる点は理解されるであろう。本発明の実施例は、ヘリウム３冷却剤に関して検討してきたが、他の冷却剤を用いたより高度な極低温（＜１００ケルビン）の変形形態も企図される。

本発明による吸着冷凍システムの第１の実施例を示す図である。 例示的なシステムの作動の一般的なフロー図である。 複数の２次吸着ポンプを有する第２の例示的なシステムを示す図である。 ヒートパイプを用いる第３の例示的なシステムを示す図である。 第１、第２又は第３の実施例のシステムの複数の具体例を用いた第４の実施例を示す図である。 第１、第２又は第３の実施例のシステムの複数の具体例を用いた第５の実施例を示す図である。

符号の説明

２ １次吸着ポンプ
３ １次チャンバ
４ １次圧送ライン
５ １次ポット
６ ２次吸着ポンプ
７ 高流体インピーダンス導管
８ チャコール
９ 管体
１０ 貯蔵容器
１１ バルブ
１２ 熱スイッチ及び熱交換器組立体
１３ 熱スイッチ及び熱交換器組立体
１４ 熱交換器
１６ クリオスタット
１７ ヒーター
１８ ヒーター
２０ ターゲット装置

Claims (28)

1. 吸着冷凍システムの作動方法であって、
   前記システムが、
   使用時に冷却剤を収容する１次チャンバと連通状態で構成された１次吸着ポンプと、
   ２次吸着ポンプと、
   前記２次吸着ポンプと前記１次チャンバとを連通状態で配置するように構成された高流体インピーダンス導管と、
   を備え、前記方法が、
   ｉ）前記１次及び２次吸着ポンプがそれぞれの作動温度にある間に前記１次及び２次吸着ポンプに冷却剤を装填する段階と、
   ｉｉ）前記１次及び２次吸着ポンプの各々をこれらの作動温度を上回って加熱して前記冷却剤を脱着させ、少なくとも前記１次チャンバを冷却する間に前記１次チャンバ及び前記２次吸着ポンプの冷却剤圧力が前記導管を通って実質的に均一化されるようにする段階と、
   ｉｉｉ）前記１次チャンバ内の脱着冷却剤を冷却する段階と、
   ｉｖ）前記２次吸着ポンプをその作動温度にまで冷却してこの温度で前記２次吸着ポンプが冷却剤ガスを吸着し、これにより前記１次チャンバ内の冷却剤の温度及び圧力を低下させる段階と、
   ｖ）前記１次吸着ポンプを作動温度まで冷却してこの温度で前記１次吸着ポンプが冷却剤を吸着し、これにより前記１次チャンバ内の冷却剤の温度及び圧力を更に低下させる段階と、
   を含む方法。
2. 前記１次及び２次吸着ポンプのそれぞれの作動温度は、気体状冷却剤が実質的に吸着される温度である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記段階（ｉｖ）の間に前記冷却剤が液体冷却剤として凝結する、
   ことを特徴とする請求項１及び請求項２に記載の方法。
4. 前記システムが、前記１次チャンバ内部と選択的に連通して構成された補助リザーバを更に備え、前記段階（ｉ）で冷却剤が前記補助リザーバから供給される、
   ことを特徴とする前記請求項のうちの何れかに記載の方法。
5. 前記システムが、前記１次チャンバ内部と選択的に連通して構成された補助リザーバを更に備え、前記１次チャンバ内の冷却剤が前記段階（ｉｉｉ）の後又はその間に前記リザーバ内に膨張されて前記１次チャンバ内の冷却剤を更に冷却するようにする、
   ことを特徴とする前記請求項のうちの何れかに記載の方法。
6. 前記補助リザーバの温度を制御して前記補助リザーバ内の所定の冷却剤圧力を与えるようにする段階を更に含む、
   ことを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の方法。
7. 前記補助リザーバと前記１次チャンバとの間の選択的な連通が、バルブ作動によって得られる、
   ことを特徴とする請求項４から請求項６のうちの何れかに記載の方法。
8. 前記冷却剤がヘリウム３である、
   ことを特徴とする前記請求項のうちの何れかに記載の方法。
9. 前記段階（ｉｖ）の終わりでの前記冷却剤の温度が約２ケルビンである、
   ことを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記段階（ｖ）の間で前記冷却剤が３００ミリケルビン以下まで冷却される、
    ことを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記段階（ｖ）が、前記１次吸着ポンプを前記作動温度を超える温度から前記作動温度まで冷却する段階と、冷却剤の実質的な吸着が起こる前記作動温度以下まで冷却する次の段階とを含む、
    ことを特徴とする前記請求項のうちの何れかに記載の方法。
12. 吸着冷凍システムであって、
    １次吸着ポンプ、及び使用時に冷却剤を収容するように適合され且つ前記１次吸着ポンプと連通した１次チャンバと、
    ２次吸着ポンプと、
    前記２次吸着ポンプ及び前記１次チャンバを流体連通して配置するように構成された高流体インピーダンス導管と、
    を備えるシステム。
13. 前記１次チャンバと選択的に流体連通した補助リザーバを更に備える、
    ことを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
14. 前記補助リザーバが、複数の前記リザーバを備える、
    ことを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
15. 前記選択的な連通を与える１つ又はそれ以上のバルブを更に備える、
    ことを特徴とする請求項１３又は請求項１４に記載のシステム。
16. 前記又は各補助リザーバが追加の吸着ポンプである、
    ことを特徴とする請求項１４又は請求項１５に記載のシステム。
17. 前記１次チャンバが、使用時に液体冷却剤を収容するための１次ポットを備える、
    ことを特徴とする請求項１２から請求項１６のうちの何れかに記載のシステム。
18. 前記高流体インピーダンス導管は、前記ポットと前記２次吸着ポンプとの間の流体の流れが前記ポットと前記１次吸着ポンプとの間の流体の流れよりも好ましくは１／５未満であるように構成される、
    ことを特徴とする請求項１７に記載のシステム。
19. 前記高流体インピーダンス導管は、前記ポットと前記２次吸着ポンプとの間の流体の流れが前記ポットと前記１次吸着ポンプとの間の流体の流れよりも好ましくは１／１０未満であるように構成される、
    ことを特徴とする請求項１７に記載のシステム。
20. 前記２次吸着ポンプが、複数の吸着ポンプを備える、
    ことを特徴とする請求項１２から請求項１９の何れかに記載のシステム。
21. 前記各２次吸着ポンプが、それぞれの高流体インピーダンス導管を用いて前記１次チャンバと流体連通して構成される、
    ことを特徴とする請求項１２から請求項２０のうちの何れかに記載のシステム。
22. 前記吸着ポンプが、高流体インピーダンス導管によって分離されて直列に設けられる、
    ことを特徴とする請求項２１に記載のシステム。
23. 前記又は各高流体インピーダンス導管が、一定の流体インピーダンスを有する、
    ことを特徴とする請求項１２から請求項２２のうちの何れかに記載のシステム。
24. 前記１次チャンバがヒートパイプに熱的に結合され、前記ヒートパイプが、冷却剤を収容し且つ互いに流体連通した上方領域と下方領域とを有する密封ヒートパイプチャンバを備え、その結果、前記システムの使用時には、前記１次チャンバが前記ヒートパイプの前記上方領域を前記下方領域に対して冷却することで、前記冷却剤が凝縮されて冷却剤液体となり、重力により前記下方領域に移動するようになる、
    ことを特徴とする請求項１２から請求項２３のうちの何れかに記載のシステム。
25. 前記下方領域が、冷却されることになるターゲット装置に熱的に結合される、
    ことを特徴とする請求項２４に記載のシステム。
26. 請求項１２から請求項２５のうちの何れかによる第１の吸着冷凍システムと、
    請求項１２から請求項２５のうちの何れかによる第２の吸着冷凍システムと、
    前記第１及び第２の吸着冷凍システムの各々によって冷却されるように適合されたコールドプラットフォームと、
    を備える、
    ことを特徴とする冷凍システム。
27. 冷却剤ガスを収容するためのエンクロージャを更に備え、前記第１及び第２の吸着冷凍システムの１次チャンバがそれぞれの凝縮表面を有し、前記凝縮表面が前記エンクロージャ内に備えられ、前記表面が使用時に前記それぞれの１次吸着ポンプによって選択的に冷却されて、冷却剤ガスが前記凝縮表面上に液体冷却剤として凝縮するようにされ、前記コールドプラットフォームが、使用時に前記凝縮表面から前記液体冷却剤を受け取り、前記エンクロージャが、前記凝縮表面間の気体状冷却剤用の経路を提供するように適合され、前記経路が、前記凝縮表面の各々と前記コールドプラットフォームとの間の流体インピーダンスよりも低い流体インピーダンスを有する、
    ことを特徴とする請求項２６に記載の冷凍システム。
28. スチルを有する希釈冷凍機を更に備え、前記スチルが前記コールドプラットフォームと熱的に連通される、
    ことを特徴とする請求項２６又は請求項２７に記載の冷凍システム。

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