JP2014500470A - 冷却装置及び方法 - Google Patents

Abstract

機械式冷凍機とヒートパイプとを備える冷却装置が提供される。機械式冷凍機は、第１の冷却段と、冷却すべき対象装置と熱結合されるように構成される第２の冷却段とを有する。ヒートパイプは、機械式冷凍機の第１段に熱結合する第１の部分と、冷却部材に熱結合する第２の部分とを有する。ヒートパイプは、使用時に凝縮可能な気体冷却剤を収容するようになっている。例示的な冷却剤はクリプトンである。装置は、冷却部材の温度が、ヒートパイプの第２の部分の冷却剤を気体にさせ、第１段の温度が、第１の部分内の冷却剤を凝縮させ、それによって冷却部材が、ヒートパイプの第１の部分から第２の部分への凝縮液の移動によって冷却される第１の冷却モードで動作されるようになっている。冷却部材が機械式冷凍機の第２段である場合、ヒートパイプは、冷却中に高温の冷却段と低温の冷却段との間で熱を供給する。また、本装置を作動する関連の方法が説明される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、冷却装置、特に低温対象物の急速な冷却のための冷却装置に関する。

低温、特に１００ケルビン以下と考えることができる極低温まで冷却することを必要とする幾つかの技術用途が存在する。液体ヘリウム４は、大気圧で約４ケルビンの沸点であるとの理由から、極低温冷却剤として用いられる場合が多い。従来、超伝導磁石及び他の実験装置は、窒素及びヘリウムを含む液体寒剤を用いて４ケルビン前後まで冷却されている。液体形態又は気体形態のどちらか一方であるこれらの寒剤の比較的大きいエンタルピー含量は、室温から当該寒剤の温度までの急速な冷却を保証にする。液体寒剤の普及及び成功にも関わらず、このような低温液体を扱うのに必要な装置は、多くの場合、嵩高、複雑で、高価である。更にヘリウムの相対的希少性は、この寒剤の使用を益々好ましくないものにしている。

従って、一般的には、使用される液体寒剤の容量の削減に向かう傾向があり、液体寒剤の冷却力は、パルスチューブ冷却器、Ｇｉｆｆｏｒｄ ＭｃＭａｈｏｎ ａｎｄ Ｓｔｉｒｌｉｎｇ冷却器を含む機械式極低温冷却器（本明細書では「機械式冷凍機」）によって代用されている。最近の２段機械式冷凍機の開発は、よりコスト効果がある好都合な冷却手法を可能にしている。しかしながら、この機械式冷凍機の１つの特有の欠点は、第２段（２つの段のうちの温度の低い方）の比較的小さい冷却力が、液体寒剤と比較すると、機械式冷凍機を用いて装置を冷却するのに著しく長い時間を必要とするという結果をもたらすことである。低温における機械式冷凍機の低い冷却力に起因して、冷却される対象物の熱質量が大きい程、機械式冷凍機を用いる不都合が顕著になる。

機械式冷凍機冷却力を改善するという強い要望があり、これにより現在では利用可能とは考えられない用途でこの装置を実用的に使用することができる。幾つかの用途、特に高磁場超伝導磁石では、より高い磁場の絶え間ない追求が、当該磁石の熱質量を増大させることにつながることが予測され、従って、機械式冷凍機が超伝導磁石を室温からその動作温度まで冷却するのに有用であり続けることが必要な場合は、冷却性能を改善する必要がある。

本発明の第１の態様によると、第１の冷却段と、冷却すべき対象装置と熱結合されるように構成される第２の冷却段とを有する機械式冷凍機と、機械式冷凍機の第１段に熱結合する第１の部分と、冷却部材に熱結合する第２の部分とを有し、使用時に凝縮可能な気体冷却剤を収容するように構成されるヒートパイプとを備え、使用時に、冷却部材の温度が、ヒートパイプの第２の部分の冷却剤を気体にさせ、第１段の温度が、第１の部分内の冷却剤を凝縮させ、それによって冷却部材が、ヒートパイプの第１の部分から第２の部分への凝縮液の移動によって冷却される第１の冷却モードで動作されるようになっている冷却装置が提供される。

本発明者らは、機械式冷凍機の高温の段の冷却力を冷却部材に伝達するためのヒートパイプの新規な使用によって前記の問題に対処できることに気付いた。冷却部材は、同じ機械式冷凍機の第２段とすることができる。冷却部材は、冷却装置の別の部分等の他の装置の形態をとることもできる。従って、冷却部材は、対象装置自体又はその一部を含むことができ、その各々は機械式冷凍機の段によって直接冷却することもできる。この場合、冷却部材は、一般的に低い最終温度の対象物である。

第１段と冷却部材との間の熱的な意味におけるこの「短絡」は直感に反するが、本発明者らは、この短絡が著しい実用的な利点につながることに気付いた。機械式冷凍機の冷却力は、通常は、その定常状態において許容範囲内にある、すなわち、最も低い温度の段が公称基準温度にあり、冷却される対象装置もほぼその温度にある。この場合、機械式冷凍機の冷却力は、対象装置の動作又は外部環境のどちらかによって引き起こされる熱負荷に対処するだけでよい。

従って、機械式冷凍機の制約は一時的なものであり、対象装置がまだその公称基準温度になく、機械式冷凍機がまだ定常状態で動作していない場合の冷却期間中に最も明確に出現する。本発明では、この冷却期間に最大の利点及び用途を見出した。特に、本発明者らは、結合することや連結すること等の何らかの物理的な動きを必要とすることなく、冷却力を第１段（第２段のものよりもかなり高い）から第２段に、従って対象装置に供給するために、及び／又は冷却部材として機能を果たす同じ装置又は他の装置に直接供給するためにヒートパイプを使用できることに気付いた。これにより、装置は、冷却部材を効率的かつ効果的に冷却し、一方で振動を最小限に抑え、更なる可動部及び望ましくない追加的な熱負荷を確実に避けることができる。

一般的に１００ケルビン以上の高温では、機械式冷凍機の第１段は、冷却力に関して第２段よりも著しく強力である。しかしながら、実験ペイロードのほとんどは、第２段にしか熱結合されないことから、公知のシステムでは第１段の冷却力は大部分が浪費され、第２段（及び対象装置）が、第１段よりも非常にゆっくりと冷却されることにつながる。

従って、本発明は、第１段の冷却力が第２段（又は他の冷却部材）の冷却を助けることを可能にする。一般的にヒートパイプは、本明細書に解説するように重力駆動式、又は任意の他の形式である。従って、ヒートパイプは、使用時に装置内で冷却剤液へと凝縮させることができる気体冷却剤を収容する。液体凝縮物の生成は、第１段の冷却力を機械式冷凍機の第２段へ伝達するための手段をもたらす。これは、ほとんどの場合重力駆動プロセスとすること、又は流体流を駆動する蒸発冷却剤の膨張等の別のプロセスを用いることができる。

装置は、本発明が特別の利点を見出す第１の冷却モードで動作するようになっているが、好ましくは更に装置は、使用時に、機械式冷凍機内の第１段の温度が冷却剤の凝結を引き起こし、第２段の温度を第１段の温度よりも低くする第２の冷却モードで動作するようになっている。従って、例えば大気温度からの冷却時に、装置は第１の冷却モードに入り、その後、第２の冷却モードに入ることになる。従って、機械式冷凍機のそれぞれの段によって取得可能な温度において気体状態、液体状態、及び固体状態をとることができる冷却剤を用いるのが好ましい。

冷却剤の種類、及び冷却剤がヒートパイプに供給される圧力の選択は、用途に特有のものであることを理解されたい。機械式冷凍機を使用することで遭遇する１つの難題は、定常状態にない場合に機械式冷凍機の様々な段が到達する実際の温度を制御するのが困難であることである。ヒートパイプは、第１の部分が気体冷却剤の凝縮を引き起こす温度まで冷却することができるが第２の部分の温度が蒸発を引き起こす場合にのみ有効に機能することになるので、前記の制御困難性は問題を引き起こす。機械式冷凍機を動作させる際に、第１段の温度は、冷却剤が液体に留まることができる温度以下に短時間に降下する場合があるので、冷却剤は凝固する可能性があり、それによってその後ヒートパイプの動作が阻止される。この期間を延長して、装置を必要なだけ長く第１の冷却モードの範囲内に維持するために、装置は、第１の冷却モードにある時に、気体冷却剤が凝縮することができるが、凝結することができないことを確実にするように、ヒートパイプの第１の部分内の環境を制御するようになっている制御システムを更に備える。

従って、ヒートパイプ内の環境を、ガスの圧力及び／又は温度に関して制御することができる。温度は容易に制御できる変数であり、一般的に制御システムは、ヒートパイプの第１の部分と熱伝達状態にあるヒータを備える。このヒータの作動は、ヒートパイプの第１の部分の局所温度が、冷却剤ガスの凝縮を可能にする範囲内に維持されることを確実にする。制御システムは、第１のモードにおけるシステムの動作を確実にするために、熱電対等の適切なセンサを含み得ることを理解されたい。

例示的な冷却剤はクリプトンであり、クリプトンは、液体クリプトンが存在することができる比較的狭い温度範囲を有する（このことは、大気圧において約１２０ケルビンの沸点及び１１６ケルビンの融点に起因する）。制御システム（ヒータを含む）の使用の別形態として、又はそれに加えて、液相が存在することができる、相互にオーバーラップする温度範囲を有する冷却剤の混合物をヒートパイプ内に含むことができる。ヒートパイプ内に１つ又はそれ以上の冷却剤種類を含む代わりに、別の形態として、各々が、異なる動作温度範囲を有する異なる冷却剤種類を収容する複数のヒートパイプを用いることができる。

更に装置は、ヒートパイプの内部と流体連通する外部容積部を備えることもできる。この容積部は、リザーバ又は貯溜タンクの形態とすることができ、最初に冷却剤をヒートパイプに供給するだけでなく、装置の動作の様々な段階の間にヒートパイプ内の冷却剤の圧力を制御するために使用することができる。従って、この外部容積部は、制御システムが、圧力制御機能の一部として利用することができる。

一般的にヒートパイプの内部は、冷却剤を収容するための内部容積部を備え、ヒートパイプは、相互に流体連通する第１の部分と第２の部分とを含むことを理解されたい。この場合、容積部の幾何形状は非常に単純なものとすることができ、実際に単純な円筒形容積部の形態をとることができる。一般的に第１及び第２の部分は、特に略円筒形の容積部の場合に、対応する第１及び第２のヒートパイプ端部領域である。厳密な幾何形状に関わらず、第１の部分と第２の部分とは、一般的に互いから熱的に分離される。

前記では、第１段及び第２段を有する機械式冷凍機の例を説明した。しかしながら、幾つかの機械式冷凍機は３段及びそれ以上の段数を含むことも可能であることは公知である。本発明は、３つ又はそれ以上の段を有する機械式冷凍機を使用することができ、原理的に、本発明は、この各段の任意の選択されたペア段の間で冷却をもたらすために使用できることを理解されたい。実際には、本発明の２つの例は、第１段と中間段との間を冷却するために用いることができ（第１の例を用いて）、中間段と第２段との間を冷却するために用いることができる（第２の例を用いて）。これらの例は、例えば、他の装置（放射線シールド等の）を冷却するために中間段が用いられる場合である。第１段と第３段との間に冷却力を与えるために第１のヒートパイプを用い、第２段と第３段との間で第２のヒートパイプを用いることが想定される。

本発明は、何らかの特定の形式の対象装置の使用に限定されないが、対象装置の熱質量が高い場合に大きい利点がもたらされる。対象装置は、実験装置を含むこと、又は、例えば、非常に低い温度の実験のための希釈冷凍機の分留器又は混合チャンバとすることができる。ヒートパイプと対象装置との間の熱結合は、物理的クランプ等による堅固なもの、又は振動防止結合等の可撓性結合とすることができる。この振動防止結合の例は、高熱伝導性の銅の編組とすることができ、これらの編組は、冷却作用を最大にすると同時に対象装置と最も低い温度の段との間の振動の伝達を最小に保つために使用される（特に冷却部材が機械式冷凍機の第２段の場合）。

機械式冷凍機を用いて冷却される装置では振動が特別な問題であることが知られていつので、ヒートパイプは、振動減衰作用を有するベローズが内部に配置される壁を備える場合に更なる利点がもたらされる。

本発明の利点は、装置の冷却中に得られることを思い出されたい。特に影響を受けやすい対象装置の場合には、ヒートパイプを設けることによって、機械式冷凍機の定常状態動作中に、対象装置の動作の有効性が潜在的に低減する可能性がある。この低減は、ヒートパイプが、機械式冷凍機の各段の間で熱が移動するための経路を与えることに起因して発生する可能性がある。従って、ヒートパイプが、ヒートパイプの第１の部分と第２の部分との間の電磁放射線の通過を低減するように動作可能な放射線防止部材を備えることができることが好ましい。放射線防止部材は、やはりヒートパイプが動作することを可能にし、従って部材の一方側から反対側への液体の通過を可能にするように配置される。従って、冷却剤は、部材の縁部の周り、又は部材内の１つ又はそれ以上の小さな開口を通過することができる。

本発明の第２の態様によれば、第１の冷却段と、冷却すべき対象装置と熱結合されるように構成される第２の冷却段とを有する機械式冷凍機と、機械式冷凍機の第１段に熱結合する第１の部分と、冷却部材に熱結合する第２の部分とを有し、使用時に凝縮可能な気体冷却剤を収容するように構成されるヒートパイプとを備える、冷却装置を作動させる方法であって、
ｉ）所定量の冷却剤をヒートパイプの内部に供給する段階と、
ii）冷却部材を、ヒートパイプの第２の部分内の冷却剤が確実に気相になるのに十分な温度とする段階と、
iii）機械式冷凍機を作動させて、機械式冷凍機の第１段が、ヒートパイプの第１の部分の冷却剤を凝縮させる温度となるようにする段階と、
iv）ヒートパイプの第１の部分から第２の部分への凝縮冷却剤の移動を引き起こすことによって、冷却部材を冷却する段階と、
を含む方法が提供される。

第２の態様による方法は、好ましくは、本発明の第１の態様による装置に関連して用いられることを理解されたい。同様に、冷却部材は、機械式冷凍機の第２段を備えることが想定される。従って、本方法は、主に、第１のモードで動作する装置と考えることができる装置の冷却期間に関する。その後、第２の態様による本方法は、段階（iv）の後に、機械式冷凍機を作動させて、機械式冷凍機の第１段が、ヒートパイプの第１の部分内の冷却剤を凝結させる温度となるようにする段階と、第２段が、対象装置を冷却するために用いる第１段の動作温度よりも低い動作温度まで冷却されるように、機械式冷凍機を更に作動させる段階とを更に含むことができる。従って、これにより第２の動作モードを与えることができる。更に、第１段及び第２段が実験的に安定した温度に到達してこの温度を維持し、対象装置が目標温度に到達してこの温度を維持している状態を意味する、装置の定常状態動作は、その後、段階（iv）の動作に続き、第３段であると考えることができる。

従って、本発明は、機械式冷凍機の或る高温の段（又は上記の高温の段）の冷却力を或る低温の段（又は上記の低温の段）に供給し（又は、さもなければ他の形態で冷却部材を冷却することによって）、それによって冷却時間を短縮し、これまで機械式冷凍機の使用が望ましくなかった用途及び対象装置に機械式冷凍機の使用を可能にすることで、装置の性能を著しく改善するための装置及び方法を提供する。

以下に、本発明による装置及び方法の幾つかの実施例を、添付図面を参照して説明する。

ヒートパイプの概略図である。 本発明の第１の実施例による、このヒートパイプの機械式冷凍機に対する位置決めの概略図である。 第１の実施例の装置を使用するフロー線図である。 本発明の実施例の動作期間を示す温度−時間グラフである。 温度の関数としての銅の熱容量変化を示す。 振動防止機能を有する第２の実施例を示す。 第３の実施例として、ヒートパイプ内の放射線防止部材の付設を示す。 他の装置を直接冷却するためにヒートパイプの第２の部分を用いる第４の実施例を示す。 第４の実施例による、クリプトンを収容するヒートパイプに関する実験データを示す。 本発明による実施例の冷却性能を公知のシステムのものと比較したグラフである。

本発明の理解を助けるために、以下の説明では、最初に１つの例として重力駆動熱管の動作を説明し、次に、本発明を実施してそこから生じる効果を提供するために、この重力駆動熱管を使用する方法を示す。

図１は、側面から部分的に断面で見たヒートパイプ５００の概略図を示す。ヒートパイプは、円筒軸に沿って延びる壁５０１を有する中空円筒と考えることができる。ヒートパイプの各端部は、それぞれの端部部品によって封止される。ヒートパイプ５００は、通常ほぼ垂直な向きを採用するので、端部部品は、上端部部品５０２と下端部部品５０３とによって定義される。図１では、上端部部品５０２は、円筒内でほぼ中心に（実質的にその軸に沿って）位置決めされたポイント５０４を与えるために、円錐台状に（又は双曲錐として）形成された内面を有することに注意されたい。一般的にヒートパイプの壁５０１は、薄肉のステンレス鋼から形成される。更に、端部部品５０２、５０３は、一般的に高純度銅等の高伝導性材料から形成される。図１に示すようなヒートパイプは、低温学の分野では公知であり、ヘリウム４等の作動流体で満たすことができる。

ヒートパイプの動作原理は以下のとおりである。ヒートパイプの内部には、一定量の寒剤が封入される。寒剤の使用量は、ヒートパイプが動作するように設計される動作温度及び動作圧力に基づいて計算される。

ヒートパイプの有効温度範囲は、寒剤の沸点と融点とによって定義される。ヒートパイプの上端部の温度が、その中の気体寒剤が表面上で凝縮することができる温度である場合、上端部部品５０２と下端部部品５０３との間で強い熱結合が得られる。従って、重力は、液体凝縮物を上端部部品５０２の最も低いポイント５０４へ引き下ろし、次に、この凝縮物は、下端部部品５０３へ直接滴下する。このことは矢印５０５で示される。ヒートパイプの下端部に到着する液体は、下端部から熱を吸収し、十分な場合には寒剤が蒸発し、その後、ヒートパイプの長さに沿って上端部部品５０２まで上向きに移動する。ガスの上向きの流れは矢印５０６で示される。上端部部品５０２に接触すると、寒剤ガスは再度凝縮し、ポイント５０４まで移動し、次に、下端部まで液体として再度落下する。こうして重力駆動のサイクルが提供される。

上側表面上での凝縮及び下側表面上での蒸発の継続的なプロセスは、ヒートパイプの２つのそれぞれの端部の間に強い熱結合を生じる。この結合は、ヒートパイプ内の所定の動作圧力において、ヒートパイプの上端部が凝縮には過度に高い温度に達した場合に実質的に弱められる。従って、気体対流は発生するかもしれないが、気体と液体との間の状態変化に伴うエンタルピーはもはや利用できないことから、熱結合は著しく弱くなる。対照的に、ヒートパイプの上端部の温度が（又は下端部の温度であっても）、寒剤の凝固を引き起こす程十分に低い場合には、熱サイクル作用は停止し、それぞれの端部は、互いから熱的に分離されることになる。

また、図１は、リザーバ５０７の形態の室温膨張容積部を示している。このリザーバ５０７は、実際には装置の外部の大気環境内に設置されたタンクによって実装される。管５０８は、リザーバ５０７の内部をヒートパイプ５００の内部と結合する。一般的に管には、弁が取り付けられる（図示せず）。リザーバ５０７は、ヒートパイプ内の圧力を低下させるために用いることができ、リザーバを使用するか否かは、ヒートパイプの正確な寸法及びその構成要素の圧力定格にある程度依存する。

図２は、本発明の実施例による装置の概略的な構成を示す。ここでは、パルス管冷凍機の形態である機械式冷凍機は全体的に１００で示される。パルス管冷凍機は、任意の公知の形態をとることができる。本例では、パルス管冷凍機（ＰＴＲ１００）は、１０１で示す第１段と、１０２で示す第２段とを有する２段ＰＴＲである。公知のように、定常状態での動作時に、ＰＴＲ１００の第２段１０２は低温（数ケルビン程度の）になる。これは、磁石システムの部品、実験センサ、又は実験用の他の装置を含む様々な種類の対象装置を冷却するために、或いは希釈冷凍機の分留器を予備冷却するために使用することができる。この対象装置１０３は、ＰＴＲの第２段１０２に直接取り付くように示されており、これにより良好な熱結合が保証されるので、ＰＴＲの第２段１０２の冷却力が最大化される。

また、図２は、ＰＴＲ１００の第１段１０１と第２段１０２との間に配置されるヒートパイプ２００を示す。本実施例では機械式冷凍機の第２段は冷却部材を具体化する。ヒートパイプ２００は、上端部２０１と下端部２０２とを有し、上端部２０１は、高熱伝導性結合部を介して第１段１０１に結合される。同様に下端部２０２も、高伝導性結合部を介してＰＴＲ１００の第２段１０２に結合される。この結合部は、いずれの場合も中間部材を介して設けること、又はそれぞれの端部と段との間の接触部を横切る熱の伝導性を最大化するために、直接的な大きい表面積の結合部とすることができる。本実施例では、リザーバ５０７の形態である外部容積部は示されていないが、特定の用途では存在する可能性が十分にある。上端部２０１は、内部円錐台表面２０４を含む。ヒートパイプ２００内の内側容積部は、冷却剤２０５としてのクリプトンガスで満たされる。

ヒートパイプ２００は、ＰＴＲのそれぞれの段１０１、１０２の片側に結合されるように示されるが、本図は概略図であることを理解されたい。実際には、既存のＰＴＲの性能を高めるために既存の機器へ装置を組み込むことが可能になるので、ＰＴＲ１００の幾何学的包絡線である「実装区域（ｆｏｏｔｐｒｉｎｔ）」内にヒートパイプ２００を設けるのが好都合である。

図２においてＰＴＲ１００が示されているが、他の機械式冷凍機を使用して本発明の同様の利点を取得できることを理解されたい。ＰＴＲは、低温領域内に可動部を含まず低温での動作で振動が比較的少ないので特に有用であることから、特に好都合である。

ヒートパイプ２００の動作原理は、ＰＴＲ１００の第１段と第２段とが、装置の冷却中に熱結合されることである。大気温度では、ＰＴＲの第１段は、例えば３００ワットの冷却力を有し、それに対して第２の冷却段は１００ワット前後である。段の温度が低下するにつれて各々の冷却力は低下するが、第２段の冷却力は、第１段のものよりも著しく低下し、結果的に温度が低下するにつれて、これらの段の冷却力の差が拡大する。対象装置１０３は、図２のＰＴＲの第２段１０２に直接結合されるので、パイプ２００が存在しない場合（詳細には、それぞれの端部はさもなければ本質的に相互に熱的に分離されるので、ヒートパイプ２００が作動しない場合）、対象装置１０３は、第２段１０２の冷却力のみを受けることを理解されたい。ヒートパイプ２００は、第１段の冷却力が、対象装置１０３の冷却を助けることを可能にする。重要なことに、このことは、装置の冷却中、従ってこれらの段の公称基準動作温度（定常状態）に到達する前にしか発生しない。更に、ヒートパイプによる第１段から第２段への冷却力の好都合な伝達は、装置の冷却中にのみ発生し、装置が、定常状態動作に関する基準温度に到達する前にこの作用が終了することは重要である。従って第１段は、第２段がこの温度に達し、第１段の冷却力がもはや必要とされなくなるまで第２段の冷却を助ける。第１段の冷却力が第２段に供給されている場合、このことはヒートパイプ２００内の重力サイクルの確立によって引き起こされる。このサイクルは、図１に関して説明したものと同じサイクルであり、ヒートパイプの上端部２０１におけるクリプトンの気相からの凝縮、この液体の下端部２０２への滴下、及びこの液体を加熱して下端部２０２における蒸発を引き起こすサイクルである。蒸発したクリプトンガスは、続いてヒートパイプ２００を上方に移動し、上端部２０１の表面上で再度凝縮する。

この設計に基づくと、第２段１０２を第１段１０１から分離するために、ヒートパイプ内の凝縮は、所定の温度で終了することになる。従って、熱的分離により、第２段１０２は、定常状態動作に関する公称基準温度に到達するまで更に冷却することが可能になる。

次に図２に示す装置を動作させる方法のフロー線図である図３を参照されたい。更に、第１段１０１の温度（「ＰＴ１」として示す）及び第２段１０２の温度（「ＰＴ２」として示す）を温度−時間グラフ上にプロットした図４を参照されたい。上述したように、本実施例における寒剤はクリプトンガスであるが、他のガス又はガス混合物が可能であり、本発明を実際に実施しようと望む当業者であれば、これらのガスを検討することができるはずである。図３で説明する方法は、大気温度から、定常状態動作が生じる動作公称基準温度までの装置の冷却に関する。

最初にステップ３００において、ヒートパイプ２００にクリプトンガスが充填される。本例では、およそ３つの大気圧が用いられる。クリプトンガスは、１２０ケルビンの大気（１気圧）沸点及び１１６ケルビンの融点を有することに注意されたい。図４を参照すると、ステップ３００は、温度−時間グラフ上の点Ａで表している。ＰＴＲの冷却はステップ３０１で始まる。当業者であれば理解できるように、低温槽内に配置されたＰＴＲ１００等のＰＴＲを動作させる際に、特に大きな熱質量が第２段にのみに取り付けられた場合には、第１段１０１は第２段１０２よりも著しく急速に冷却される。図４では、このことは、第１段の温度を示す曲線と第２段の温度を示す曲線との相対的な負の勾配で示される。例えば、５時間前後の時間間隔の後に、第２段は、大気温に対して１０度ケルビンから２０度ケルビンだけ冷却される。対照的に、第１段は、１２０ケルビンの温度まで冷却されており、この温度は、クリプトンガスの沸点であることを思い出されたい。ＰＴＲ１００の第１段１０１は、ヒートパイプ２００の上端部２０１と強い熱伝達状態にあることを思い出されたい。従って、基本的に、上端部は第１段と同じ温度にある。この温度では、ヒートパイプ２００内のクリプトンガスは、表面２０４上で凝縮し始める。図４では、このことを点Ｂに示している。こうして凝縮プロセスが始まり、このプロセスは、低温の液体がヒートパイプ２００の上端部２０１から下端部２０２へと滴下することによって、第２段に著しく高い冷却力を供給する。

図４から分かるように、この時点で、第２段の温度は１２０ケルビンを超えているので、ヒートパイプの下端部に到着する液体は加熱されて蒸発し、更なる凝縮に向けて上端部に戻る。このプロセスはステップ３０３で続行する。従って、図４に示すように、第２段は急速に冷却され（温度−時間曲線の更に強い負の勾配）、それに対して第１段の温度は一定に留まる。第２段が点Ｃで更に冷却されると、第１段に対する熱負荷は低下することになる。このことは、第１段がクリプトンを融点よりも低い温度まで冷却し始める可能性があるので不都合であろう。これを防止するために、ヒートパイプの上端部２０１にヒータが装着される。これは図２の２０６で示されている。ヒータは必須ではないので、特定の実際の用途では存在しなくてもよいが、本例では、第２段の冷却を強化するために有用である。このことは幾分直感に反しているように見えるかもしれないが、図を参照することによって理解することができる。特に、クリプトンの凝結が発生する前に、第２段の温度が点Ｄに到達するように設計される。このプロセスに対する正確な制御を行うために、図２に示すようなコントローラ２０７が設けられ、コントローラ２０７は、ＰＴＲ１００及びヒータ２０６に接続される。更に、上端部２０１に隣接するヒートパイプのチャンバの上側部分でのクリプトンの温度を測定するために、熱電対２０８等の温度センサが設けられる。これは図２の２０８で示されている。

ここで図３及び４、並びに方法の説明に戻ると、ヒータの動作は図３の３０４に示されている。ヒータは、第２段が１２０ケルビン前後（点Ｄ）に冷却されるまで、第１段に適切な熱量を供給するために用いられる。点Ｄでヒータはオフになり、次に、第１段は、更に冷却することができる。第１段が点Ｅにおいて１１６ケルビンに到達すると、液体クリプトンはヒートパイプの上端部において凝固することになる。従って、ステップ３０５において、ヒートパイプ内の熱輸送は終了する。その後、第１段及び第２段の各々は、ステップ３０６において更に冷却される。第１段は、ステップ３０７において動作公称基準温度に到達するが、第２段よりも先に基準温度に到達することに留意されたい。公称基準温度の例は、第１段では５０ケルビンである。図４に示すように、第２段は、最終的に４．２ケルビン又はそれ以下の点Ｆで公称基準温度に到達する。最後に、第２段が基準温度まで冷却されると、対象装置は動作温度に到達し、次に、装置はステップ３０９に示すように定常状態動作の状態になる。

理解できるように、ヒートパイプは、図４に示すグラフの点Ｂと点Ｄとの間でのみ冷却を加速することになる。特に、ヒートパイプは、これらの点よりも上又は下のどちらの温度においてもこの機能を提供しないことになる（高い温度におけるパイプ内のガスの自然対流を除き）。この理由から、異なる融点及び沸点を有するガス混合物をヒートパイプ２００（又は各々が独自の冷却剤を有する等価な複数のヒートパイプ）内で用いることは好都合であり、これは、より高い温度及び／又はより低い温度での冷却を助けて、結果的により広い動作温度範囲をもたらすことになる。

理想的には、点Ｂにおける第１段の全ての冷却力が第２段の冷却力に付加されることになる。一般的なフィルタ管冷凍機においてクリプトン等の冷却剤を用いる場合、このことは１５０ワットの冷却力に等しくなる。これに比べて、ヒートパイプがない場合の点Ｂと点Ｄとの間の平均冷却力は、７５ワットよりも低くなる。従って、本発明は、実際の用途においてヒートパイプの動作範囲内の冷却力を２倍よりも高める能力を与える。

ヒートパイプの利点は、図５を参照することによって更に理解できるはずである。図５は、銅の熱容量を温度の関数として示している。銅の室温熱容量は３９０Ｊ／ｋｇ／Ｋ前後であるのに対して、この熱容量は、ＰＴＲの第１段の基準温度において１００以下に降下することが分かる。第２段の基準温度では、熱容量は、１０Ｊ／ｋｇ／Ｋ以下になる可能性がある。熱容量は、１００ケルビンよりも低い温度では急速に降下し、全体的な冷却時間を大きく左右するのは高い温度における冷却力である。従って、ヒートパイプは、最も必要とされる温度においてのみ冷却力を付加する。従って、本発明は、最も大きい利益を与える動作温度領域で冷却を著しく促進する能力をもたらす。

図６は、第２の実施例の構成を示しており、図２に示した構成要素と類似するものにはプライム記号付き参照番号が付与される。第２の実施例では、ＰＴＲ１０１'の第１段は、ヒートパイプ２００’の上端部２０１’が直接結合される下面を有する。更に、対象装置１０３’は、適切な取り付け手段でヒートパイプ２００’の下端部２０２’に直接結合される。本実施例は、振動防止特徴部を含む。この特徴部の第１のものは400で示され、振動防止結合が対象装置１０３（この場合、実験ペイロード）を第２段１０２’から分離する。この結合部４００は、銅編組の形態をとることができる。この機構は、対象装置１０３’の実験ペイロードが超伝導磁石等の敏感な装置である場合に有用である。一般的に銅で形成される高伝導性編組は、実験ペイロードへの振動の伝達を阻止する。この振動防止の例の更なる態様は、ヒートパイプ２００’の壁の中のエッジ溶接部ベローズ401を設けることである。ベローズは、対象装置１０３’が許容範囲外の振動に曝されることなく、ヒートパイプをＰＴＲの第１段に直接結合することを可能にする。理解されるように、エッジ溶接ベローズ４０１が存在しない場合、振動は、ヒートパイプに沿って比較的容易に伝播することができるので、第２段と対象装置１０３’の実験ペイロードとの間の振動防止結合部４０0をバイパスする。一般的に振動防止結合部は、使用時に結合部を横切って形成される温度勾配に起因して、第２段の利用可能な冷却力を２倍程度低下させることから、冷却中にヒートパイプを用いる熱的な利点はこの第２の実施例では一層大きい。従って、第１段からの追加の１５０ワットの供給（ＰＴＲの場合）は、より一層顕著になる。

図７は、第３の実施例の装置を示している。この場合、図２に示した構成要素と類似するものには二重プライム記号付き参照番号が付与される。同様にヒートパイプ２００''は上端部２０１''と下端部２０２''とを有する。しかしながら、更に上端部と下端部との間の中間には放射線防止部材６００が配置される。放射線防止部材６００は、真円円筒ヒートパイプ２００''の場合には形状が円形でありほぼ同様の半径のほぼ円盤の形態である。円盤には小さな中心オリフィスが設けられ、円盤の厚さは、その中心オリフィスの位置に向かってほぼ線形に低減する。放射線防止部材６００は、ヒートパイプの軸が孔を通過し、円盤を規定する平面に対してほぼ平行であるようにヒートパイプ２００''内に設けられる。厚さの漸減は、上方の上端部２０１''からの液体凝縮物を受容する放射線防止部材６０の上面が、液体をオリフィスに向かって流して通過させることを確実にする。このオリフィスは図７において６０１で示される。

放射線防止部材６００の少なくとも一部は（周縁部）、６０２に示す点でＰＴＲの第２段への熱結合を可能にするようにヒートパイプ２００''の壁を貫通するように構成される。関連の小さなオリフィスを有する放射線防止部材の目的は、ヒートパイプの上端部からの熱放射を低減することである。このことは、対象装置の実験ペイロードが、熱放射に対して非常に影響を受け易い希釈冷凍機又はヘリウム３冷凍機等の２次冷凍機システムからなる用途において特に有用である。一般的にオリフィスは、直径が、各端部の間を通過する放射エベルギのほとんどを阻止するように十分に小さいが、液体又は気体の流れを制限する程には小さくない数ミリメートルである。放射線防止部材への第２段の熱結合により、対象装置は、第２段の温度よりも低い温度になることができる。これによって、冷却サイクル中に第２段の冷却及び同様に対象装置１０３''の冷却が引き起こされることになる。

図８は、第４の実施例を示しており、３重プライム記号付き参照番号は、前述の実施例に示した構成要素と類似のものを表している。この場合、ＰＴＲ１００'''の第１段１０１'''に関連する構成は他の実施例と同じである。しかしながら、ＰＴＲ１００'''の第２段１０２'''は、ヒートパイプの第２の部分２０２'''と熱接触状態にない。図８には示されていないが、ヒートパイプの下側部分は、様々な装置と熱接触状態に置くことができる。一般的に、このことは、装置の最終動作温度が機械式冷凍機の第２段（又は最も低い温度の段）の定常状態動作温度よりも低い用途において好都合である。図示のように、ヒートパイプ２０１'''の上端部には、ヒータ及び温度センサが設けられ、ＰＴＲの第１段と熱接触状態にある。ヒートパイプの下端部２０２'''には、１つ又はそれ以上の追加のヒータ及び温度センサが配置される。ＰＴＲの第１及び第２段、並びにヒートパイプは、低温槽の「真空缶」７００内に収容され、ＰＴＲの第１段は、第２段、ヒートパイプ、及び冷却すべき装置（冷却部材）を取り囲む放射線シールド７０１を冷却するように構成される。

図９は、この装置の冷却についての実験結果を示している。図９に示すグラフでは、上側の曲線Ａは、システムの冷却中のヒートパイプ２０２'''の下側部分の温度を時間の関数として示している。下側の曲線Ｂは、ＰＴＲ２００'''の第１段２０１'''の温度を示している。

約２００００秒の前の時間では、ＰＴＲの第１段の温度は、ヒートパイプの下側部分の温度よりも低いことが分かる。これは、この期間中にＰＴＲの第１段が急速に冷却されるのに対して、ヒートパイプの下側部分が、自然対流及び残存熱伝導に起因して比較的緩慢にしか冷却されないからである。ヒートパイプの下側部分の冷却速度がこの時間間隔のほぼ全てを通じて徐々に増大しているのが特徴的である。この増大は、ヒートパイプが効果的に動作し始めるに従って、著しい冷却力がＰＴＲからヒートパイプの底部に伝達されることを示している。従って、第１段２０１'''の冷却速度は、冷却力がヒートパイプに伝達されるに従って低速になる。２００００秒の直前でヒートパイプが最大速度で冷却される場合、第１段の温度は一定に近づき、このことは、過剰な冷却力の実質的に全てがヒートパイプに伝達されることを示している。

約２００００秒の時間間隔の後に、ヒートパイプの下側部分の温度は、その内部にあるクリプトンが凝結するので突然安定化し、装置は第２の冷却段階に入る。その後、第１段は冷却し続けることができ、下側の曲線（ＰＴＲの第１段）の勾配は、冷却力がヒートパイプから第１段に伝達されることから急勾配になる。その後、第１段の温度は、ヒートパイプの下側部分に対して更に降下する。この実験的構成では、ヒートパイプへの熱伝達の効率がシステムを自己調整的なものにするので、冷却プロセスは、能動的な温度制御を必要としない点で完全に「受動的」であることに留意されたい。

前述の実施例の各々において、クリプトンに加えてネオン等の第２のガスを同じヒートパイプ内（又は、第２の単一又は複数のパイプ内）で用いることができる。ネオンは、２５ケルビン前後の温度においてヒートパイプ作用を与えるのに有効である。従って、この場合、低温時に、放射線防止部材が事実上ネオンヒートパイプの上端部になり、対象装置がこのヒートパイプの下端部になるような、第２の作用が同じヒートパイプ内で事実上確立される。従って、対象装置は、ネオンがＰＴＲの第２段によって凝結されるような時点まで、加速された冷却を受ける。第１段に関しては、このプロセスを助けるヒータを設けることができる。

図１０は、従来のシステムと比較した場合の本発明のシステムによる冷却性能との差を示す。この場合、本発明に記載のヒートパイプを取り付けた機械式冷凍機システムによって、１５テスラの寒剤なしの磁石システムを冷却した。磁石の質量は約５０ｋｇであった。図１０は、ＰＴＲの第２段と熱伝達状態にある対象装置の温度（単位：ケルビン）対時間（単位：時間）のグラフである。「公称」又は従来のシステム（ヒートパイプが取り付けられていない）は、室温からの４６時間を超える冷却時間を有する。このことは２つの曲線のうちの上側のものによって示している。対照的に、窒素（Ｎ₂）を含むヒートパイプを用いた等価システムを表す下側の曲線は、同じ定常状態基準温度（４ケルビンよりも低い）に２８時間で到達する。従って、図１０は、本明細書に説明する本発明を用いて実現できる実質的な性能向上を示している。

１００ 機械式冷凍機
１０１ 第１段
１０２ 第２段
１０３ 対象装置
２００ ヒートパイプ
２０１ 上端部
２０２ 下端部
２０４ 内部円錐台表面
２０５ 冷却剤
２０６ ヒータ
２０７ コントローラ
２０８ 温度センサ

Claims (15)

1. 第１の冷却段と、冷却すべき対象装置と熱結合されるように構成される第２の冷却段とを有する機械式冷凍機と、
   前記機械式冷凍機の前記第１段に熱結合する第１の部分と、冷却部材に熱結合する第２の部分とを有し、使用時に凝縮可能な気体冷却剤を収容するように構成されるヒートパイプと、
   を備える冷却装置であって、
   前記装置は、使用時に、前記冷却部材の温度が、前記ヒートパイプの前記第２の部分の前記冷却剤を気体にさせ、前記第１段の温度が、前記第１の部分の前記冷却剤を凝縮させ、それによって、前記冷却部材が、前記ヒートパイプの前記第１の部分から前記第２の部分への前記凝縮液の移動によって冷却される第１の冷却モードで動作されるようになっている、冷却装置。
2. 前記装置は、使用時に、前記機械式冷凍機の前記第１段の温度が前記冷却剤の凝結を引き起こし、前記第２段の温度を前記第１段の温度よりも低くする、第２の冷却モードで動作されるように構成される、請求項１に記載の装置。
3. 前記装置は、前記第１の冷却モードにある場合、前記気体冷却剤が確実に凝縮するように前記ヒートパイプの前記第１段の環境を制御するように構成される制御システムを更に備える、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記制御システムは、前記ヒートパイプの前記第１の部分と熱伝達状態にあるヒータを備える、請求項３に記載の装置。
5. 前記ヒートパイプ内に封入される冷却剤ガス又はガス混合物を更に備える、請求項１から４のいずれかに記載の装置。
6. 前記冷却剤は、クリプトンを含む、請求項５に記載の装置。
7. 前記ヒートパイプの内部と流体連通する外部容積部を更に備える、請求項１から６のいずれかに記載の装置。
8. 前記ヒートパイプは、前記冷却剤を収容するための内部容積部を備え、相互に流体連通する前記第１の部分と前記第２の部分とを含む、請求項１から７のいずれかに記載の装置。
9. 前記機械式冷凍機は、前記第１段と前記第２段との間の中間段又は第３段のどちらか一方である追加の冷却段を備える、請求項１から８のいずれかに記載の装置。
10. 前記冷凍機の最も低い動作温度に到達することができる段に熱結合される対象装置を更に備え、前記熱結合は、高熱伝導性部材を介して行われる、請求項１から９のいずれかに記載の装置。
11. 前記ヒートパイプは、振動減衰機構として機能するベローズが内部に配置された壁を備える、請求項１から１０のいずれかに装置。
12. 前記ヒートパイプは、前記第１の部分と前記第２の部分との間の電磁放射線の通過を低減するように作動可能な放射線防止部材を更に備え、該放射線防止部材は、該部材の一方側から反対側への液体の通過を可能にするように構成される、請求項１から１１のいずれかに記載の装置。
13. 前記冷却部材は、前記機械式冷凍機の前記第２段である、請求項１から１２のいずれかの記載の装置。
14. 第１の冷却段と、冷却すべき対象装置と熱結合されるように構成される第２の冷却段とを有する機械式冷凍機と、前記機械式冷凍機の前記第１段に熱結合する第１の部分と、冷却部材に熱結合する第２の部分とを有し、使用時に凝縮可能な気体冷却剤を収容するように構成されるヒートパイプとを備える、冷却装置を作動させる方法であって、
    ｉ）所定量の冷却剤を前記ヒートパイプの内部に供給する段階と、
    ii）前記冷却部材を、前記ヒートパイプの前記第２の部分内の前記冷却剤が確実に気相になるのに十分な温度とする段階と、
    iii）前記機械式冷凍機を作動させて、前記機械式冷凍機の前記第１段が、前記ヒートパイプの前記第１の部分の前記冷却剤を凝縮させる温度となるようにする段階と、
    iv）前記ヒートパイプの前記第１の部分から前記第２の部分への前記凝縮冷却剤の移動を引き起こすことによって、前記冷却部材を冷却する段階と、
    を含む方法。
15. ｖ）段階（iv）の後に、前記機械式冷凍機を作動させて、前記機械式冷凍機の前記第１段が、前記ヒートパイプの前記第１の部分内の前記冷却剤を凝結させる温度となるようにする段階と、
    vi）前記第２段が、前記対象装置を冷却するために用いる前記第１段の動作温度よりも低い動作温度まで冷却されるように、前記機械式冷凍機を更に作動させる段階と、
    を更に含む、請求項１４に記載の方法。

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