JP2014513267A - 極低温冷却装置及び方法 - Google Patents

Abstract

真空下に選択的に配置される第１チャンバー（１６）内に配置される低温ヘッドを有する主極低温冷却器（１８）と、選択的に真空下に配置される第２チャンバー（１０）に配置される作動流体のリザーバー（９）と、リザーバー（９）内に配置され、作動流体との熱交換で冷却される部材（８）と、を備え、主極低温冷却器（１８）の低温ヘッド（１９）は、作動流体の第１循環ループを形成する配管（３０，３１）を介してリザーバー（９）に流体的にそれ自身が接続される熱交換器（１７）と熱的に接続され、配管（３０，３１）は第１チャンバー（１６）から第２チャンバー（１０）へ通過する極低温冷却方法及び装置であって、第１チャンバー（１６）及び第２チャンバー（１０）の選択的な真空下のボリュームは、独立し、そして、装置は、真空下に選択的に配置される第３チャンバー（４）に配置される低温ヘッド（７）を有する副極低温冷却器（１）を具備し、副極低温冷却器（１）の低温ヘッド（７）は、作動流体の第２循環ループを形成する配管（１３０，１３１）を介してリザーバー（９）にそれ自身が流体的に接続される熱交換器（２）に熱的に接続され、そして、第３チャンバー（４）の選択的な真空下のボリュームは、第１チャンバー（１６）及び第２チャンバー（１０）の選択的な真空下のボリュームに独立であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、極低温冷却装置及び方法に関する。

許可Ｎｏ．２４１２８５の下、欧州連合第７次フレームワークプログラムＦＰ／２００７−２０１３（the European Union 7th framework program FP/2007-2013）から資金提供を受けた本発明へ通じるワークが示されている。

本発明は、より詳しくは、選択的に真空下に配置される第１チャンバーに配置される低温ヘッドを有する主極低温冷却器、選択的に真空下に配置される第２チャンバーに配置される作動流体のリザーバー、作動流体と熱交換関係のリザーバーに配置されることで冷却される部材を備え、主極低温冷却器の低温ヘッドが、熱交換器と熱的に接続され、それ自身が、作動流体の第１循環ループを形成する配管を介してリザーバーに流体的に接続され、配管が、第１チャンバーから第２チャンバーへ通過する、極低温冷却装置に関する。

文献ＵＳ２００９００４９８６２Ａ１には、窒素等の作動流体を液化するための極低温冷却器を用いた冷却装置が開示されている。液化作動流体は、従来の冷却方法において、典型的には、超伝導体ケーブルをとても低い温度で利用することに用いられる。

敏感な電気的適用（sensitive electrical applications）において、このタイプの冷却器は、連続した作動ができなければならない。しかしながら、既知の解決法では、オペレータのために単純且つ簡単であって、且つ、低温の提供における影響を最小限とする点で、冷却装置がメンテナンス又は修理を受けることを可能としない。

本発明の目的は、上述の従来技術の不利益の全て又はいくつかを軽減することである。

これを達成するために、他の事項が上述の前置きで与えられたその包括的な定義に従う、本発明に係る装置は、本質的に、第１チャンバー及び第２チャンバーの選択的な真空下におけるボリュームが独立し、そして、装置が、選択的に真空下に配置される第２チャンバーに配置される低温ヘッドを具備する副極低温冷却器を備え、副極低温冷却器の低温ヘッドは、熱交換器に熱的に接続され、それ自身が作動流体の第２循環ループを形成する配管を介してリザーバーに流体的に接続され、そして、第３チャンバーの選択的な真空下のボリュームが、第１チャンバー及び第２チャンバーの選択的な真空下のボリュームに独立することを特徴とする。

さらに、本発明のいくつかの実施形態は、一以上の下述の特徴を備える。

第１チャンバー及び第３チャンバーの中から少なくとも一は、少なくとも一の選択的に取り外し可能なキャップによって密封される。

選択的に取り外し可能なキャップの少なくとも一は、低温ヘッドに近接するようにチャンバーの下部に配置される。

キャップの少なくとも一は、固定ネジを介してチャンバーの本体に、密封型で据え付けられる。

装置は、第１チャンバーから第２チャンバーへ通過する配管の周りに、第１チャンバー及び第２チャンバーの選択的な真空下のボリュームを分割する真空遮蔽物を備え、真空遮蔽物は、第１チャンバー及び第２チャンバーを接続する少なくとも一つの管状部材に配置される。

装置は、第３チャンバーから第２チャンバーへ通過する配管の周りに、第３チャンバー及び第２チャンバーの選択的な真空下のボリュームを分割する真空遮蔽物を備え、真空遮蔽物は、第３チャンバー及び第２チャンバーを接続する少なくとも一つの管状部材に配置される。

極低温冷却器の低温ヘッドは、作動流体の液化装置のように働く熱交換器と結合される。

主極低温冷却器の低温ヘッドは、上流端が主極低温冷却器の低温ヘッドの下に配置される密封ボリュームに接続される二つの配管を介してリザーバーに接続され、配管の下流端は、垂直又は実質的に垂直な部位を介してリザーバーの上端に接続される。

副極低温冷却器の低温ヘッドは、上流端が副極低温冷却器の低温ヘッドの下に配置される密封ボリュームに接続され、且つ、下流端が垂直又は実質的に垂直な部位を介してリザーバーの上端に接続される二つの配管を介してリザーバーに接続される。

作動形態において、主極低温冷却器及び副極低温冷却器の中から、少なくとも一つは、垂直形態で配置される。

真空遮蔽物は、例えば、「シングルコーン」のように分類されるシステム及び「ダブルコーン」のように分類されるシステムの少なくとも一つを備える。

電気ヒータ等のヒータは、極低温冷却器の低温ヘッドの少なくとも一つの熱交換器に搭載される。

チャンバー又は複数のチャンバーは、１０^−３及び１０^−６ｍｂａｒの間の圧力の雰囲気に関して真空下に配置される。

冷却される部材は、超伝導体であるコイル又は電気ケーブルを備える。

装置は、幾つかの副極低温冷却器を備える。

副極低温冷却器又は複数の副極低温冷却器の一は、主極低温冷却器と同時に、作動中であり、且つ、部材の冷却に寄与する。

作動流体は、ヘリウム、水素、ネオン、窒素、アルゴン、酸素、メタン、クリプトン、キセノン、ＣｎＨｍ、アンモニウム、ＣＦＣ、ＨＣＦＣ、ＨＦＣ又は他の流体冷媒の中から少なくとも一を備えるか、又は、少なくとも一で構成される。

システムが周囲温度であるときに、流体ループは、ループの圧力の増加を制限する緩衝ボリュームを使用する。

本発明は、同様に、上述又は下述の特徴のいずれかを有する極低温冷却装置を用いて部材を低温に冷却する方法に関し、主極低温冷却器は部材を冷却するために用いられ、第１チャンバー及び第２チャンバーは真空下に配置され、副極低温冷却器は、主極低温冷却器が作動している間、選択的にスイッチが切られるか又は入れられる。

さらに、本発明の幾つかの実施形態は、一以上の下記特徴を備える。

主極低温冷却器は、スイッチが切られ、そして、同時に又はこれを見越して、副極低温冷却器が部材を冷却するように始動され、第３チャンバーは、真空下に配置されるか又は真空下に維持される。

極低温冷却器のスイッチが切られるとき、スイッチが切られる極低温冷却器の低温ヘッドが、自発的な自然加熱による、指令された能動的な加熱による、極低温冷却器のチャンバーの中で又はコイル状の管若しくは他の装置を介して熱交換器の周りで周囲温度のガスの強制的な循環による、極低温冷却器チャンバーのボリュームを大気圧力に至らせることによる、少なくとも一つのステップを用いて周囲温度に加熱される。

方法は、二つの極低温冷却器の一つを、他の極低温冷却器が作動中であり、且つ、部材が冷却される間、修理するか又は維持するステップを備え、方法は、
修理又はメンテナンス又はスイッチが切られる状態でその維持を受ける予定である極低温冷却器を運転停止し、
修理又はメンテナンスを受ける予定である極低温冷却器を周囲温度に保つか、又は、それを周囲温度に至らせ、
修理又はメンテナンスを受ける予定である極低温冷却器を含むチャンバーを開き、
密閉されたボリュームを大気に接続することなく交換又は修理されるように、修理又はメンテナンスを受ける予定である極低温冷却器を取り外し、
作動中であり、且つ、第２チャンバー内の他の極低温冷却器のチャンバーの内部を真空に維持することを備える。

本発明は、同様に、上述又は下述の特徴のあらゆる組み合わせを備えるいずれかの代替装置又は方法に関する。

他の特徴及び利点は、図１に関して得られる下記の記述から読み取れる点で明らかとなる。

図１は、本発明の一実施形態に係る冷却装置の構成及び作動を断面で示す部分概略図である。

図面に関して、極低温冷却装置（the cryogenic cooling device）は、従来の方法において、低温ヘッド（a cold head）１９を具備する主極低温冷却器（a main cryocooler）１８を備えている。主極低温冷却器１８（そして特に低温ヘッド１９）は、真空下に選択的に配置される第１チャンバー１６に配置される。低温ヘッド１９は、例えば作動流体を液化する熱交換器１７が装着される。交換器１７は、例えば、ネジ２０を用いる低温ヘッド１９の基部に螺合される。

低温ヘッド１９及び交換器１７のすぐ下に、主極低温冷却器１８は、液化作動流体のためのボリューム（a volume）２１の範囲を定め、このボリュームは、それぞれ上部配管３１及び下部配管３０の二つの配管を介して、液化作動流体のストレージリザーバ９に接続される。

この液化作動流体ストレージリザーバ９は、液化作動流体と熱を（直接又は間接に）交換することにより冷却される部材８を含む。

ストレージリザ−バ９は、第１チャンバー１６とは独立して選択的に真空下に配置される第２チャンバー１０に収容される。それは、配管３０，３１が、第１チャンバー１６及び第２チャンバー１０を接続する管状部材２３の中を第１チャンバー１６から第２チャンバー１０へ通過することを意味する。

第２チャンバー１０は、例えば、基部を介して地面に置かれ、そして、例えば、リムーバブルカバー１１（例えばネジ１４を使用することで取り外せる）によって頂部が密封される。

第１チャンバー１６及び第２チャンバー１０のボリューム内の真空は、例えば、管状接続部材２３内で配管３０，３１の周りに選択的に配置される一以上の真空遮蔽物４０によって独立が維持される。

真空遮蔽物４０は、ダブルコーンのようないずれかの既知のシステムを備えることができる。

一の有利な特徴によれば、装置は、例えば主極低温冷却器１８と同様の同タイプの副極低温冷却器１を備える。副極低温冷却気１は、上述の構成と同等の構成を備える。それは、副極低温冷却器１の低温ヘッド７が、真空下に選択的に配置される第３チャンバー４に配置される、と言うことを意味する。前述と同様に、低温ヘッド７は、作動流体を液化するための熱交換器２が装着される。交換器２は、ネジ５を用いる低温ヘッド７の基部に螺合される。

低温ヘッド７及び交換器のすぐ下に、副極低温冷却器１は、液化使用流体のボリューム１２１の範囲を定め、このボリューム１２１は、それぞれ上部配管１３１及び下部配管１３０の二つの配管によって同じ液化作動流体貯蔵リザーバー９に接続される。

前述と同様に、第２チャンバー１０は、選択的に、第３チャンバー４の独立した真空下に配置される。配管１３０，１３１は、第３チャンバー４及び第２チャンバー１０を接続する管状部材２３の中を第３チャンバー４から第２チャンバー１０へ通過する。

第３チャンバー４及び第２チャンバー１０のボリューム内の真空は、管状接続部材２３内で配管１３０，１３１の周りに選択的に配置される一以上の真空遮蔽物４０によって独立が維持される。

このように、チャンバー１６，１０，４は、それぞれのチャンバーが、互いに独立した真空下に配置されるように、真空遮蔽物４０によってお互いから分離される。

作動流体が窒素であるなら、装置は、極低温温度（例えば、１００Ｋ）で部材８が維持されるために用いられる。

極低温温度で維持される部材８は、例えば、超伝導コイル、他の熱伝達流体と熱交換関係の熱交換器、又は、他の適した部材である。

一の可能な作用において、冷却されるための部材８は、例えば１００Ｋの温度で、液体窒素の溶液（a bath）に浸される。

部材８によって生じる熱は、溶液９からいくらかの液体窒素を蒸発させる。このガス状の窒素は、主極低温冷却器１８の上部配管３１を介して上方に移動する。主極低温冷却器１８の交換器１７へ到着することで、ガス状の窒素は、再び液化する。

これをすることで、交換器１７は、作動中である極低温冷却器１８によってわずかに１００Ｋを下回る温度に維持される。主極低温冷却器１８の低温ヘッド１９は、隣接する交換器１７から熱を取り出す。液体窒素は、交換器１７の下に位置が定められるボリューム２１の中で、重力のもとに滴下し、そして、そのあと、下方配管３０を介してリザーバー９の溶液まで下方に移動する。この工程は、作動流体（この実施例においては窒素）による作動ループにおいて連続的に行われる。

電気ヒータ等のヒータ（不図示）は、その温度を調整する主極低温冷却器１８の低温ヘッド１９の熱交換器１７に据え付けられる。

副極低温冷却器１は、好ましくは、主極低温冷却器１８のそれらと同一の構成及び作用を有する。

副極低温冷却器１は、好ましくは、予備のように用いられる。主極低温冷却器１８が作用中であるとき、副極低温冷却器１はスイッチが切られ、そして、その低温ヘッド７の温度が周囲温度に近づく。交換器２、配管１３０，１３１に含まれる作動流体は、ガス化状態である。

温度成層化の結果として、配管１３０，１３１のガスは、スイッチが切られる副極低温冷却器１及びリザーバー９の間の熱の移動を制限するガス状サーマルプラグを形成する。

主極低温冷却器１８が作動しなくなるか又はスイッチが切られると（例えば、主極低温冷却器１８にメンテナンスが行われる目的で）、副極低温冷却器１は、例えば、自動的に、スイッチが入れられる。

主極低温冷却器１８の運転停止後、その低温ヘッド１９及びその交換器１７は、周囲の温度に暖められる。この加温は、自然に加温するためにそれらを待機させることによって、又は、電気ヒータの使用によって若しくは周囲温度でガスの循環によって、又は、第１チャンバー１６内の圧力を大気圧へ上昇させることによって、のいずれかによって行われる。

第１チャンバー１６内の圧力は、例えば、チャンバー１６の内部ボリューム及び外部雰囲気の間を選択的に連絡可能なバルブ（不図示）を用いることによって、真空から大気圧へ上昇される。

第１チャンバー１６及び第２チャンバー４は、極低温冷却器の特にその低温ヘッドに直接接近可能な、遮断及び選択的に取り外し可能なキャップ１５の少なくとも一により密封される。

例えば、第１チャンバー１６及び第３チャンバー４は、第２チャンバー１０へ機械的に接続され、そして、地面上に立設される。

移動可能なキャップ１５は、低温ヘッド１９，７に隣接するように、例えば、第１チャンバー１６及び第３チャンバー４のそれぞれの底部に配置される。

各キャップ１５は、例えば、固定ネジ２２又は他の適切なシステムを介して、そのチャンバー１６，４の本体に据え付けられる。

このように、主極低温冷却器１８への接近を得るために、キャップ１５は、取り外される。オペレータは、その後、例えば低温ヘッド１９の固定ネジ２０を取り外すことにより、交換器１７を取り外すことができる。極低温冷却器１８のフランジ１２は、その後、チャンバー１６から分離される（例えば、固定ネジ１３を取り外すことによって）。極低温冷却器は、その後、その交換又はメンテナンスのために取り出される。

新たな極低温冷却器又は修理された極低温冷却器は、その後、再装着される。フランジ１２は、チャンバー１６へ再び固定される。低温ヘッド１９へ交換器１７を取り付ける固定ネジ２０は、再び固定される。キャップ１５も、部材に戻される。

真空は、例えば、真空ポンプによって、そして、バルブを介して（それらは描かれない）、第１チャンバー１６内に再度作られる。

低温の提供を引き継いでいる副極低温冷却器１が機能不全であるか又はメンテナンスが要求されるなら、交換された主極低温冷却器１８は、その後、スイッチが入れられる。

他の極低温冷却器の交換又はメンテナンスの実行の手続きは、上述の手順と同一である。

極低温冷却器は、例えば、ギフォード・マクマオンサイクル（a Gifford MacMahon cycle）で作動される。極低温冷却器１，１８は、多層又は単層タイプの張断熱材の使用により断熱される。

Claims (13)

1. 選択的に真空下に配置される第１チャンバー（１６）に配置される低温ヘッド（１９）を有する主極低温冷却器（１８）と、
   選択的に真空下に配置される第２チャンバー（１０）に配置される作動流体のリザーバー（９）と、
   前記作動流体と熱交換関係で前記リザーバー（９）に配置される、冷却されるための部材（８）と、を備え、
   前記主極低温冷却器（１８）の前記低温ヘッド（１９）は熱交換器（１７）に熱的に接続され、それ自身は流体的に前記作動流体の第１循環ループを形成する配管（３０，３１）を介して前記リザーバー（９）に接続され、前記配管（３０，３１）は、前記第１チャンバー（１６）から前記第２チャンバー（１０）へ通過する、極低温冷却装置であって、
   前記第１チャンバー及び前記第２チャンバーの真空が独立すると言う意味で、前記第１チャンバー（１６）及び前記第２チャンバー（１０）の選択的な真空下のボリュームは独立し、
   前記装置は、選択的に真空下に配置される第３チャンバー（４）に配置される低温ヘッド（７）を具備する副極低温冷却器（１）を備え、前記副極低温冷却器（１）の前記低温ヘッド（７）は熱交換器に熱的に接続され、それ自身が前記作動流体の第２循環ループを形成する配管（１３０，１３１）を介して前記リザーバー（９）に流体的に接続され、そして、
   前記第３チャンバー（４）の選択的な真空下のボリュームは、前記第１チャンバー、前記第２チャンバー及び前記第３チャンバーが独立であると言う意味で、前記第１チャンバー（１６）及び前記第２チャンバー（１０）の選択的な真空下の前記ボリュームに独立である、ことを特徴とする極低温冷却装置。
2. 前記第１チャンバー（１６）及び前記第３チャンバー（４）の中から少なくとも一は、少なくとも一の選択的に取り外し可能なキャップ（１５）により密封されることを特徴とする請求項１で請求される装置。
3. 選択的に取り外し可能な前記キャップ（１５）の少なくとも一は、前記低温ヘッド（１９，７）に近接するように、前記チャンバー（１６，４）の下部に配置されることを特徴とする請求項２で請求される装置。
4. 前記キャップ（１５）の少なくとも一は、固定ネジ（２２）を介して前記チャンバー（１６，４）の本体に密封型で据え付けられることを特徴とする請求項２又は請求項３で請求される装置。
5. 前記第１チャンバー（１６）から前記第２チャンバー（１０）へ通過する前記配管（３０，３１）の周囲に設けられ、前記第１チャンバー（１６）及び前記第２チャンバー（１０）の選択的な真空下の前記ボリュームを隔てる真空遮蔽物（４０）を備え、前記真空遮蔽物（４０）は、前記第１チャンバー（１６）及び前記第２チャンバー（１０）を接続する少なくとも一の管状部材（２３）に配置されることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一で請求される装置。
6. 前記第３チャンバー（４）から前記第２チャンバー（１０）へ通過する前記配管（１３０，１３１）の周囲に設けられ、前記第３チャンバー（４）及び前記第２チャンバー（１０）の選択的な真空下の前記ボリュームを隔てる真空遮蔽物（４０）を備え、前記真空遮蔽物（４０）は、前記第３チャンバー（４）及び前記第２チャンバー（１０）を接続する少なくとも一の管状部材（２３）に配置されることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一で請求される装置。
7. 前記極低温冷却器（１，１８）の前記低温ヘッド（１９，７）は、前記作動流体の液化装置のように働く熱交換器（１７）と結合されることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一で請求される装置。
8. 前記主極低温冷却器（１８）の前記低温ヘッド（１９）は、上流端が前記主極低温冷却器（１８）の前記低温ヘッドの下に配置される密封ボリューム（２１）と接続される二つの前記配管（３０，３１）を介して前記リザーバー（９）に接続され、前記配管（３０，３１）の下流端が垂直又は実質的な垂直部を介して前記リザーバー（９）の上端に接続されることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一で請求される装置。
9. 前記副極低温冷却器（１）の前記低温ヘッド（７）は、上流端が前記副極低温冷却器（１）の前記低温ヘッド（７）の下に配置される密閉ボリューム（１２１）に接続され、そして、下流端が垂直又は実質的に垂直な部位を介して前記リザーバー（９）の上端に接続される二つの前記配管（１３０，１３１）を介して前記リザーバー（９）に接続されることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか位置で請求項される装置。
10. 前記主極低温冷却器（１８）は、前記部材（８）を冷却するために用いられ、前記第１チャンバー（１６）及び前記第２チャンバー（１０）は、真空下に配置され、そして、前記副極低温冷却器（１）は、前記主極低温冷却器（１８）が作動中である間、選択的にスイッチが切られる又は入れられることを特徴とする、請求項１乃至請求項９のいずれか一で請求される極低温冷却装置を用いて部材（８）を低温に冷却する方法。
11. 前記主極低温冷却器（１８）は、スイッチが切られ、同時に、又は、これを予測して、前記副極低温冷却器（１）が、前記部材（８）を冷却するように始動され、前記第３チャンバー（４）は、真空下に配置されるか、又は、真空下を維持されることを特徴とする請求項１０で請求される方法。
12. 前記極低温冷却器（１８，１）のスイッチが切られたとき、スイッチが切られた前記極低温冷却器（１８，１）の前記低温ヘッド（１９，７）が、
    自発的な自然加熱によって、
    指令された能動的加熱によって、
    前記極低温冷却器（１８，１）の前記チャンバーの中で又はコイルチューブ又は他の装置を介した前記交換器（１７）の周りで、周囲温度でガスの強制循環によって、
    大気圧へ前記極低温冷却器チャンバー（１８，１）のボリュームを至らせることによって、
    のいずれか一の工程を用いて周囲温度に加熱されることを特徴とする請求項１０又は請求項１１で請求される方法。
13. 二つの前記極低温冷却器（１８，１）の一方を、他方の前記極低温冷却器（１，１８）が作動され、且つ、前記部材（８）を冷却する間に、修理又はメンテナンスする工程を備え、
    前記方法は、
    修理又はメンテナンス又はスイッチが切られた状態でその維持を受ける予定である前記極低温冷却器（１８，１）を運転停止し、
    周囲温度で、又は、周囲温度にそれを至らせることで、修理又はメンテナンスを受ける予定の前記極低温冷却器（１８，１）を維持し、
    修理又はメンテナンスを受ける予定の前記極低温冷却器（１８，１）を含む前記チャンバー（１６，４）を開き、
    大気に前記密閉ボリューム（２１，１２１）が接続されることなく、それを交換又は修理できるように、修理又はメンテナンスを受ける予定の前記極低温冷却器（１８，１）を取り外し、
    作動中である前記他方の極低温冷却器（１，１８）の前記チャンバーの内部、及び、前記第２チャンバー（１０）内で、真空に維持することを具備することを特徴とする請求項１０乃至請求項１２のいずれか一で請求される方法。

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