JP2016118372A - 極低温冷凍機および極低温冷凍機の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】極低温冷凍機が発生する寒冷の到達温度を下げる技術を提供する。【解決手段】ヘリウムを膨張させることによって４［Ｋ］以下の寒冷を発生させる極低温冷凍機１において、膨張器５０は、高圧のヘリウムを膨張させる。圧縮機１２は、膨張器５０から戻ってきた低圧のヘリウムを圧縮して高圧のヘリウムを生成し、膨張器５０に供給する。膨張器５０内のヘリウムの温度が２．１７［Ｋ］以下のとき、低圧のヘリウムの圧力は、横軸を温度、縦軸を圧力とするヘリウムの状態図において、ヘリウムの体積熱膨張率が０となる曲線の圧力以上である。【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮装置から供給される高圧のヘリウムを膨張することによって寒冷を発生させる極低温冷凍機、およびその極低温冷凍機の運転方法に関する。

極低温冷凍機として例えば特許文献１に記載のものがある。ディスプレーサ式の極低温冷凍機は、ディスプレーサをシリンダ内部に移動可能に収容して構成される膨張器を備える。ディスプレーサ式の極低温冷凍機は、シリンダ内部でディスプレーサを往復運動させながら、膨張器内でのヘリウムを膨張させることにより、寒冷を発生する。膨張器で発生したヘリウムの寒冷は、蓄冷器にて蓄積されながら冷却ステージに伝達されて所望の極低温に到達して、冷却ステージに接続された冷却対象を冷却する。

これらの極低温冷凍機は、例えば大気圧下における液体ヘリウムの生成に利用する場合には、通常４［Ｋ］程度の寒冷を発生させる。この寒冷の到達温度をさらに下げることができれば、例えばヘリウム超流動転移温度を提供することが可能となる。

特開２００６−２４２４８４号公報

本発明のある目的は、極低温冷凍機が発生する寒冷の到達温度を下げる技術を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の極低温冷凍機は、ヘリウムを膨張させることによって４［Ｋ］以下の寒冷を発生させる極低温冷凍機であって、高圧のヘリウムを膨張させる膨張器と、膨張器から戻ってきた低圧のヘリウムを圧縮して高圧のヘリウムを生成し、膨張器に供給する圧縮機とを備える。膨張器内のヘリウムの温度が２．１７［Ｋ］以下のとき、低圧のヘリウムの圧力は、横軸を温度、縦軸を圧力とするヘリウムの状態図において、ヘリウムの体積熱膨張率が０となる曲線の圧力以上である。

本発明の別の態様は、高圧のヘリウムを膨張させる膨張器と、膨張器から戻ってきた低圧のヘリウムを圧縮して高圧のヘリウムを生成して膨張器に供給する圧縮機とを備える極低温冷凍機においてヘリウムを膨張させることによって４［Ｋ］以下の寒冷を発生させるの運転方法である。この方法は、膨張器内のヘリウムの温度を検出するステップと、検出した温度が２．１７［Ｋ］以下のとき、横軸を温度、縦軸を圧力とするヘリウムの状態図において、ヘリウムの体積熱膨張率が０となる曲線の圧力以上に低圧のヘリウムの圧力を設定するステップとを含む。

本発明によれば、極低温冷凍機が発生する寒冷の到達温度を下げる技術を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る極低温冷凍機を示す模式図である。 極低温におけるヘリウム４の相を示す状態図である。 本発明の実施の形態に係る極低温冷凍機を示す模式図である。 本発明の実施の形態に係る極低温冷凍機を示す模式図である。

本発明の実施の形態について図面と共に説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る極低温冷凍機１を示す模式図である。実施の形態に係る極低温冷凍機１は、冷媒ガスとしてヘリウム４（^４Ｈｅ）のヘリウムを用いるギフォードマクマホンタイプの冷凍機である。極低温冷凍機１は、ディスプレーサ２との間に、高圧のヘリウムを膨張させる膨張空間３を形成するシリンダ４と、膨張空間３に隣接するとともに外包するように位置する有底円筒状の冷却ステージ５を備える。冷却ステージ５は、冷却対象とヘリウムとの間の熱交換を行う熱交換器として機能する。以下本明細書において、シリンダ４にディスプレーサ２を収容してヘリウムを膨張させる構成全体を「膨張器５０」と総称する。圧縮機１２は、膨張器５０から戻ってきた低圧のヘリウムを回収し、これを圧縮した後に高圧のヘリウムを膨張器５０に供給する。

ディスプレーサ２は、本体部２ａと低温端に備えられた蓋部２ｂとを含む。蓋部２ｂは、本体部２ａと同一の部材で構成されてもよい。また、蓋部２ｂは、本体部２ａよりも熱伝導率が高い材質で構成されてもよい。そうすると、蓋部２ｂは、蓋部２ｂ内を流れるヘリウムとの間で熱交換を行なう熱伝導部としても機能する。蓋部２ｂには、例えば、銅、アルミニウム、ステンレスなど、少なくとも本体部２ａよりも熱伝導率の大きな材料が用いられる。冷却ステージ５は、例えば銅、アルミニウム、ステンレス等により構成される。

シリンダ４は、ディスプレーサ２を長手方向に往復移動可能に収容する。シリンダ４には強度、熱伝導率、ヘリウム遮断能などの観点から、例えばステンレス鋼が用いられる。

ディスプレーサ２の高温端には、ディスプレーサ２を往復駆動する図示しないスコッチヨーク機構が設けられており、ディスプレーサ２はシリンダ４の軸方向にそって往復移動する。

ディスプレーサ２は円筒状の外周面を有しており、ディスプレーサ２の内部には、蓄冷材が充填されている。このディスプレーサ２の内部空間は蓄冷器７を構成する。蓄冷器７の上端側および下端側には、それぞれヘリウムの流れを整流する上端側整流器９および下端側整流器１０が設けられている。

ディスプレーサ２の高温端には、室温室８からディスプレーサ２にヘリウムを流通する上部開口１１が形成されている。室温室８は、シリンダ４とディスプレーサ２の高温端により形成される空間であり、ディスプレーサ２の往復移動に伴い容積が変化する。

室温室８には、圧縮機１２、サプライバルブ１３、リターンバルブ１４からなる給排気系統を相互に接続する配管のうち、給排共通配管が接続されている。また、ディスプレーサ２の高温端よりの部分とシリンダ４との間にはシール１５が装着されている。

ディスプレーサ２の低温端には、膨張空間３にヘリウムを導入するヘリウムの吹き出し口１６が形成されている。また、ディスプレーサ２の外壁とシリンダ４の内壁との間には、ディスプレーサ２の内部空間と膨張空間３とを結ぶヘリウムの流路となるクリアランスＣが設けられている。

膨張空間３は、シリンダ４とディスプレーサ２により形成される空間であり、ディスプレーサ２の往復移動に伴い容積が変化する。シリンダ４の外周および底部の膨張空間３に対応する位置には、冷却対象に熱的に接続された冷却ステージ５が配置されている。ヘリウムは、ヘリウムの吹き出し口１６およびクリアランスＣを通って膨張空間３に流入することにより、膨張空間３に供給される。

次に、極低温冷凍機１の動作を説明する。

ヘリウム供給工程のある時点においては、ディスプレーサ２は、図１に示すようにシリンダ４の下死点ＬＰに位置する。それと同時、またはわずかにずれたタイミングでサプライバルブ１３を開くと、サプライバルブ１３を介して高圧のヘリウムが給排共通配管からシリンダ４内に供給される。この結果、ディスプレーサ２の上部に位置する上部開口１１から、高圧のヘリウムがディスプレーサ２の内部の蓄冷器７に流入する。蓄冷器７に流入した高圧のヘリウムは、蓄冷材により冷却されながらディスプレーサ２の下部に位置するヘリウムの吹き出し口１６およびクリアランスＣを介して、膨張空間３に供給される。

膨張空間３が高圧のヘリウムで満たされると、サプライバルブ１３は閉じられる。この時、ディスプレーサ２は、シリンダ４内の上死点ＵＰに位置する。ディスプレーサ２がシリンダ４内の上死点ＵＰに位置すると同時、またはわずかにずれたタイミングでリターンバルブ１４を開くと、膨張空間３のヘリウムは減圧され、膨張する。膨張により低温になった膨張空間３のヘリウムは、ヘリウムは冷却ステージ５の熱を吸収する。

ディスプレーサ２は下死点ＬＰに向けて移動し、膨張空間３の容積は減少する。膨張空間３内のヘリウムは、ヘリウムの吹き出し口１６およびクリアランスＣを通ってディスプレーサ２内に回収される。このときも、ヘリウムは冷却ステージ５の熱を吸収する。膨張空間３から蓄冷器７に戻ったヘリウムは、蓄冷器７内の蓄冷材も冷却する。ディスプレーサ２に回収されたヘリウムはさらに、蓄冷器７、上部開口１１を介して圧縮機１２の吸入側に戻される。以上の工程を１サイクルとし、極低温冷凍機１はこの冷却サイクルを繰り返すことで、冷却ステージ５を冷却する。

以上説明したように、実施の形態に係る極低温冷凍機１においては、膨張器５０を構成するシリンダ４内でディスプレーサ２が往復移動することで膨張空間３内のヘリウムが膨張し、寒冷が発生する。

ここで、大気圧下におけるヘリウムの沸点である約４．２［Ｋ］の寒冷を発生させるためには、圧縮機１２の運転圧力の高圧側を２５［ｂａｒ］とし、低圧側を８［ｂａｒ］とすると効率がよい。すなわち、膨張器５０内で２５［ｂａｒ］のヘリウムを８［ｂａｒ］となるまで膨張させる冷却サイクルを繰り返すことで、極低温冷凍機１は、大気圧下におけるヘリウムが液化する約４［Ｋ］の寒冷を効率よく発生することができる。

続いて、４［Ｋ］以下の極低温におけるヘリウム４の物性について説明する。ヘリウムは、同位体としてヘリウム４（^４Ｈｅ）とヘリウム３（^３Ｈｅ）とが存在するが、両者は極低温における物性が異なる。以下ではヘリウムがヘリウム４であることを前提として説明する。

図２は、極低温におけるヘリウム４の相を示す状態図である。図２は、米国Ｈｏｒｉｚｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社のＨｅＰａｋ（ｖｅｒｓｉｏｎ ３．４０）を用いて生成した図である。

図２には、横軸を温度Ｔ［Ｋ］、縦軸を圧力Ｐ［ｂａｒ］とするヘリウムの状態図である。図２において、ヘリウムの温度の範囲は１．７［Ｋ］から２．４［Ｋ］であり、圧力の範囲は０［ｂａｒ］から４０［ｂａｒ］である。図２においてｍで示す破線は、ヘリウムの融解曲線である。またλで示す破線はλ線（lambda line）である。ヘリウムの温度および圧力がλ線よりも下側となると、ヘリウムは超流動状態（superfluidity）となる。

図２において、αで示す破線は、ヘリウムの体積熱膨張率（volumetric thermal expansion coefficient）αが０となる曲線を示す。以下本明細書において、図２に示す状態図においてヘリウムの体積熱膨張率が０となる曲線を、便宜上「α曲線」と記載する。

図２において、α曲線よりも上側の領域は、ヘリウムの体積熱膨張率αが正の値を取る領域である。また、α曲線よりも下の領域は、ヘリウムの体積熱膨張率αが負の値を取る領域である。ヘリウムの温度および圧力がα曲線よりも上側にあるとき、ヘリウムを断熱膨張させるとヘリウムの温度は低下する。これに対し、ヘリウムの温度および圧力がα曲線よりも下側にあるとき、ヘリウムを断熱膨張させるとヘリウムの温度は上昇する。

図２において、数字とともに示される実線は、ヘリウムの等エントロピー曲線を示す。各数字は、ヘリウムの単位質量あたりのエントロピーｓ［Ｊ／ｇＫ］を示す。例えば圧力が２４［ｂａｒ］で温度が２．０９［Ｋ］となるヘリウムの単位質量あたりのエントロピーｓは１．４０７［Ｊ／ｇＫ］となる。ヘリウムが断熱膨張するとき、ヘリウムの温度および圧力は、等エントロピー曲線に沿って変化する。

ヘリウムの沸点は、１気圧（およそ１［ｂａｒ］）において、およそ４．２［Ｋ］である。１［ｂａｒ］のヘリウムは、４．２［Ｋ］以下となると液体ヘリウムとなる。１［ｂａｒ］、４．２［Ｋ］のヘリウムを減圧し、蒸気圧をおよそ０．０５［ｂａｒ］まで下げると、ヘリウムの温度はおよそ２．１７［Ｋ］となる。このとき、ヘリウムは超流動状態に転移する。すなわち、ヘリウムの超流動転移温度は飽和蒸気圧においておよそ２．１７［Ｋ］である。

図２に示すように、ヘリウムのλ線は状態図において右肩下がりの負の傾きを持つ曲線である。これは、ヘリウムの圧力が高くなると、超流動転移温度が低下することを意味する。したがって、ヘリウムを超流動状態に転移するためには、最低でも２．１７［Ｋ］の寒冷が必要である。以下、本明細書において特に区別する場合を除き、「超流動温度域」は、ヘリウムを超流動状態に転移させるために最低限必要な温度である２．１７［Ｋ］以下の温度領域を意味することとする。

図２から明らかなように、超流動温度域においてヘリウムを断熱膨張させる場合、ヘリウムの温度は、等エントロピー曲線とα曲線との交点における温度未満には下がらない。すなわち、図２に示すヘリウムの状態図において、等エントロピー曲線とα曲線との交点における温度は、ヘリウムが断熱膨張するときに到達する温度の下限値を示す。

図２から明らかなように、α曲線はλ曲線の上側にあり、λ曲線と交わることはない。このことは、超流動温度域においてヘリウムを減圧して断熱膨張させると、ヘリウムがλ転移して超流動状態となる前に、ヘリウムは最低温度に到達することを意味する。つまり、ヘリウムがλ転移する直前まで減圧すると、ヘリウムの温度は最低温度に到達した後に上昇することを意味する。したがって、超流動温度域においてヘリウムを断熱膨張させる場合には、膨張空間３におけるヘリウムの圧力が等エントロピー曲線とα曲線との交点の圧力未満とならないように、減圧を制御する。これにより、断熱膨張によるヘリウムの温度上昇が抑制でき、冷却効率を高めることができる。

またα曲線は、λ曲線と同様に、図２に示すヘリウムの状態図において右肩下がりの負の傾きを持つ曲線となる。これは、ヘリウムのエントロピーが小さくなると、等エントロピー曲線とα曲線との交点における圧力が上昇することを意味する。膨張空間３内で断熱膨張すると、ヘリウムの温度が下がり、ヘリウムの単位質量あたりのエントロピーも小さくなる。したがって、超流動温度域でヘリウムが冷却サイクルを繰り返すにしたがってヘリウムのエントロピーが小さくなり、等エントロピー曲線とα曲線との交点における圧力が上昇する。

したがって、極低温冷凍機１が目標とする最低到達温度をもとに、その温度におけるヘリウムのエントロピーを算出する。膨張空間３内のヘリウムの温度を検出し、少なくとも検出した温度が２．１７［Ｋ］以下のときは、圧縮機１２の運転圧力の低圧側の圧力を、算出したエントロピーにおける等エントロピー曲線とα曲線との交点における圧力以上に設定する。これにより、膨張空間３内の低圧のヘリウムの圧力は、図２に示す状態図において、ヘリウムのα曲線の上側を変動することになる。ヘリウムの圧力は等エントロピー曲線とα曲線との交点における圧以上となるので、ヘリウムの断熱膨張によってヘリウムの温度が上昇することが抑制できる。結果として、極低温冷凍機１の超流動温度域における冷却効率を高めることができる。なお、膨張空間３内のヘリウムの温度を直接検出することが困難な場合には、冷却ステージ５の温度を測定し、測定した温度を膨張空間３内のヘリウムの温度と見なしてもよい。

あるいは、膨張空間３内のヘリウムの温度が２．１７［Ｋ］以下のときは、ヘリウムの温度に応じて圧縮機１２の運転圧力の低圧側の圧力の設定値を適応的に変更してもよい。より具体的には、図２に示す状態図において、ヘリウムの温度に応じて定まるエントロピーに応じた等エントロピー曲線とα曲線との交点の圧力を、圧縮機１２の運転圧力の低圧側の圧力の設定値とすればよい。これにより、膨張空間３内のヘリウムの温度が高いときは圧縮機１２の運転圧力の低圧側の圧力の設定値が低くなり、膨張空間３内でより低い温度の寒冷を発生させることができる。

限定はしない例として、圧縮機１２の低温側の圧力を１５［ｂａｒ］とする。この場合、膨張空間３内のヘリウムは、低くても１５［ｂａｒ］以上となる。図２に示すα曲線において、圧力が１５［ｂａｒ］の場合、温度はおよそ２．０６［Ｋ］となる。すなわち、圧縮機１２の低温側の圧力を１５［ｂａｒ］とすることで、極低温冷凍機１が発生する寒冷の最低到達温度が２．０６［Ｋ］となる。この温度はヘリウムを超流動状態に転移するために必要な最低温度である２．１７［Ｋ］よりも０．１［Ｋ］以上低い。このため、極低温冷凍機１を、ヘリウムを超流動状態に転移させるための冷凍機として安定的に利用することができる。

極低温冷凍機１はヘリウムを液化させる用途に用いられる場合も多い。上述したように、圧縮機１２の運転圧力の高圧側を２５［ｂａｒ］とすると、大気圧下におけるヘリウムの沸点である約４．２［Ｋ］の寒冷を効率よく発生することができる。このため、既存の圧縮機の運転圧力の高圧側は２５［ｂａｒ］程度に設定されている場合が多く、極低温冷凍機１全体としても、２５［ｂａｒ］程度の耐圧設計がなされている場合が多い。

一般に、極低温冷凍機１において圧縮機１２の低圧側の圧力と高圧側の圧力との差圧が小さいと、極低温冷凍機１の運転効率が下がる。圧縮機１２の運転圧力の高圧側が２５［ｂａｒ］程度に設定されている既存の極低温冷凍機１を用いる場合、圧縮機１２の低圧側の圧力を１５［ｂａｒ］としても、その差圧は１０［ｂａｒ］ある。このため、極低温冷凍機１の運転効率も実用の範囲であると考えられる。したがって、圧縮機１２の低圧側の圧力を１５［ｂａｒ］とすることにより、極低温冷凍機１の耐圧設計を変更しなくても、ヘリウムを超流動状態に転移させるために十分な寒冷を発生することができる。

限定しない別の例として、圧縮機１２の低圧側の圧力を２５［ｂａｒ］としてもよい。この場合、膨張空間３内のヘリウムは、低くても２５［ｂａｒ］以上となる。図２に示すα曲線において、圧力が２５［ｂａｒ］の場合、温度はおよそ１．９３［Ｋ］となる。この場合、極低温冷凍機１は２［Ｋ］を下回る寒冷を発生させることができることになり、より安定してヘリウムの超流動転移温度を提供することができる。

圧縮機１２の低圧側の圧力を２５［ｂａｒ］に設定する場合、高圧側の圧力は２５［ｂａｒ］以上に設定する。極低温冷凍機１の運転効率を高めるためには、圧縮機１２の高圧側の圧力は低圧側の圧力よりも十分高い方が好ましい。しかしながら、圧縮機１２の高圧側の圧力を高くしすぎると、ヘリウムの圧力も上昇し、温度にかかわらずヘリウムが固体となってしまう。

上述したように、図２に示す状態図において、ｍで示す破線はヘリウムの融解曲線である。図２に示す状態図においてヘリウムの温度および圧力が融解曲線よりも上にある場合、ヘリウムは固体となる。したがって、極低温冷凍機１を動作させるために、ヘリウムの圧力が状態図におけるヘリウムの融解曲線以下となるように、圧縮機１２の高圧側の圧力を設定する。

限定しない例として、圧縮機１２の高圧側の圧力は３５［ｂａｒ］とする。この場合、膨張空間３内のヘリウムは、高くても３５［ｂａｒ］以下となる。図２に示すヘリウムの融解曲線において、圧力が３５［ｂａｒ］の場合、温度はおよそ１．９１［Ｋ］となる。圧力が３５［ｂａｒ］において温度が１．９１［Ｋ］となるヘリウムの単位質量あたりのエントロピーｓは、およそ１．２５［Ｊ／ｇＫ］である。図２に示す状態図において、単位質量あたりのエントロピーｓが１．２５［Ｊ／ｇＫ］である等エントロピー曲線は、およそ１．８２［Ｋ］、２８［ｂａｒ］の点でα曲線と交差する。したがって、圧縮機１２の低圧側の圧力を２８［ｂａｒ］とすることにより、極低温冷凍機１は、１．９［Ｋ］以下の寒冷を発生させることができるようになる。また、ヘリウムが固体となることも抑制できる。

次に、図２に示すヘリウムの状態図における、α曲線を表す式について説明する。

ヘリウムを断熱膨張させるとき、すなわちヘリウムのエントロピーを一定に保ちながら減圧させるとき、ヘリウムの温度は圧力に依存して変化する。図２に示すように、超流動温度域においては、ヘリウムの温度は圧力に対して極小値を持つ。これは、ヘリウムの温度をＴ［Ｋ］、圧力をＰ［ｂａｒ］、単位質量あたりのエントロピーをｓ［Ｊ／ｇＫ］とするとき、超流動温度域においては∂Ｔ／∂Ｐ＝０となる圧力Ｐ_０が存在することを意味する。また、このときのヘリウムの温度をＴ_０とする。

超流動温度域において∂Ｔ／∂Ｐ＝０となる圧力Ｐ_０は、ヘリウムの単位質量あたりのエントロピーｓに応じて変化する。したがって、圧力Ｐ_０は、ヘリウムの単位質量あたりのエントロピーｓの関数としてＰ_０（ｓ）と表すことができる。同様に、∂Ｔ／∂Ｐ＝０となるときのヘリウムの温度Ｔ_０も、ヘリウムの単位質量あたりのエントロピーｓの関数として、Ｔ_０（ｓ）として表される。以上より、α曲線は、ヘリウムの単位質量あたりのエントロピーｓを媒介変数として、図２に示すヘリウムの状態図において点（Ｔ_０（ｓ），Ｐ_０（ｓ））と表すことができる。すなわち、α曲線は、ヘリウムの単位質量あたりのエントロピーｓを変化させたとき、点（Ｔ_０（ｓ），Ｐ_０（ｓ））が描く軌跡として表される。

α曲線は、偏微分を用いると以下の式のようになる。

図２より、ヘリウムの単位質量あたりのエントロピーｓは、およそ１．２［Ｊ／ｇＫ］＜ｓ＜１．６［Ｊ／ｇＫ］の間を変化する。

上記の式は、図２に示すヘリウムの状態図において、超流動温度域におけるヘリウムガスの圧力変化に対する温度勾配が０となる点を、ヘリウムガスの単位質量あたりのエントロピーｓを変化させながら描画した軌跡を表す。α曲線は、超流動温度域においてヘリウムガスを断熱膨張させたときに、ヘリウムガスが到達可能な最低温度を与える曲線である。

以上説明したように、実施の形態に係る極低温冷凍機１は、ヘリウムの膨張で発生する寒冷の到達温度を下げることができる。

特に、実施の形態に係る極低温冷凍機１によれば、ヘリウム４の超流動転移温度である２．１７［Ｋ］以下の寒冷を安定して発生できる。このため、実施の形態に係る極低温冷凍機は、ヘリウム４を超流動転移させるための冷凍機としても利用しうる。ヘリウム３を用いてこの温度領域の寒冷を発生させる冷凍機が存在するが、ヘリウム４はヘリウム３と比較して非常にコストが低い。したがって、実施の形態に係る極低温冷凍機１は、ヘリウム４の超流動転移温度を低コストで提供することができる。

図３は、本発明の実施の形態に係る極低温冷凍機６０を示す模式図である。極低温冷凍機６０は、膨張器６２、圧縮機６４、ヘリウムガスライン６６、ヘリウムタンク部６８、及びヘリウムタンク制御部７０を備える。極低温冷凍機６０は二段式の冷凍機であり、従って膨張器６２は、一段冷却部７２及び二段冷却部７４を有する。二段冷却部７４は、二段ヘリウム膨張室７６と、二段ヘリウム膨張室７６を外包する二段熱交換器７８または二段冷却ステージと、を備える。

ヘリウムガスライン６６は、膨張器６２から圧縮機６４へと低圧のヘリウムを回収し圧縮機６４から膨張器６２へと高圧のヘリウムを供給するよう膨張器６２を圧縮機６４に連結する。圧縮機６４の低圧側圧力を以下では圧縮機６４の運転低圧ともいう。ヘリウムガスライン６６は、サプライバルブ８０及びリターンバルブ８２を含むバルブ部８４を備える。また、ヘリウムガスライン６６は、低圧配管８６、高圧配管８８、及び給排共通配管９０を備える。低圧配管８６は、リターンバルブ８２を圧縮機６４の低圧ポートに連結する。高圧配管８８は、サプライバルブ８０を圧縮機６４の高圧ポートに連結する。給排共通配管９０は、バルブ部８４を一段冷却部７２の室温室に連結する。

ヘリウムタンク部６８は、極低温冷凍機６０にヘリウムを供給するよう極低温冷凍機６０に連結されている。ヘリウムタンク部６８は、ヘリウムタンク９２と、ヘリウムタンク９２を極低温冷凍機６０のヘリウムガスライン６６に連結する連結配管９４と、連結配管９４に設置されたバルブ９６と、を備える。

ヘリウムタンク９２は、所定の圧力を有するヘリウムガスを蓄えるよう構成されている圧力容器である。ヘリウムタンク９２の圧力及び容積は、ヘリウムタンク９２からヘリウムガスライン６６へのヘリウム供給によって圧縮機６４の運転低圧が目標圧力に増加されるように設計されている。目標圧力は、上述の超流動温度域またはその近傍温度においてα曲線から定められる圧力値以上である。例えば、ヘリウムタンク９２は、超流動温度域またはその近傍温度において圧縮機６４の運転低圧を初期の運転低圧（例えば、８［ｂａｒ］）から１５［ｂａｒ］以上へと増加するように設計されている。

バルブ９６は、連結配管９４のヘリウムガス流れを制御するよう構成されている。バルブ９６は、ヘリウムタンク制御部７０から入力されるバルブ制御信号Ｖに従って制御される。つまりバルブ９６はバルブ制御信号Ｖに従って開閉され、または開度が調節される。バルブ９６は、バルブ制御信号Ｖを受信するようヘリウムタンク制御部７０と通信可能に接続されている。

バルブ９６が開放されるとヘリウムタンク９２は連結配管９４を通じてヘリウムガスライン６６に連通され、ヘリウムタンク９２とヘリウムガスライン６６との間のヘリウムガス流れが許容される。バルブ９６が閉鎖されるとヘリウムタンク９２はヘリウムガスライン６６から切断され、ヘリウムタンク９２とヘリウムガスライン６６との間のヘリウムガス流れが遮断される。

ヘリウムタンク部６８は、圧縮機６４の低圧側に連結されている。連結配管９４は、ヘリウムタンク９２を低圧配管８６に連結する。ヘリウムタンク圧が圧縮機６４の運転低圧より高ければ、バルブ９６が開かれているときヘリウムタンク９２から極低温冷凍機６０にヘリウムが供給される。ヘリウムタンク圧が圧縮機６４の運転低圧より低ければ、バルブ９６が開かれているとき極低温冷凍機６０からヘリウムタンク９２にヘリウムが回収される。したがって、ヘリウムタンク部６８を圧縮機６４の低圧側に連結することによって、ヘリウムタンク圧を比較的低くすることができる。これは、ヘリウムタンク９２の構造の簡素化と重量低減に役立つ。

なお、ヘリウムタンク部６８は、圧縮機６４の高圧側に連結されてもよい。この場合、ヘリウムタンク９２から極低温冷凍機６０にヘリウムを供給するためには、ヘリウムタンク圧は圧縮機６４の高圧側圧力よりも高くなければならない。

極低温冷凍機６０は、二段ヘリウム膨張室７６及び／または二段熱交換器７８の温度を測定する二段温度センサ９８を備える。二段温度センサ９８は、膨張器６２の二段熱交換器７８に取り付けられている。二段温度センサ９８は、測定温度Ｔ２をヘリウムタンク制御部７０に出力するようヘリウムタンク制御部７０と通信可能に接続されている。

ヘリウムタンク制御部７０は、二段ヘリウム膨張室７６及び／または二段熱交換器７８の温度に基づいてヘリウムタンク部６８から極低温冷凍機６０へのヘリウムの供給を開始するようヘリウムタンク部６８を制御するよう構成されている。

ヘリウムタンク制御部７０は、温度比較部１００と、バルブ制御部１０２と、を備える。温度比較部１００は、測定温度Ｔ２を温度しきい値Ｔ０と比較するよう構成されている。温度比較部１００は、温度比較の結果をバルブ制御部１０２に出力するよう構成されている。バルブ制御部１０２は、温度比較部１００からの入力に従ってバルブ制御信号Ｖを生成するよう構成されている。バルブ制御部１０２は、測定温度Ｔ２が温度しきい値Ｔ０より高いときバルブ９６を閉鎖し、測定温度Ｔ２が温度しきい値Ｔ０以下のときバルブ９６を開放する。温度しきい値Ｔ０は、２．１７［Ｋ］より高く５［Ｋ］以下の温度範囲から予め定められている。温度しきい値Ｔ０は例えば、４［Ｋ］であってもよい。ヘリウムタンク制御部７０は、温度しきい値Ｔ０を記憶する記憶部１０４を備えてもよい。

こうした構成により、室温から極低温への冷却過程において二段冷却部７４の冷却温度が監視される。極低温冷凍機６０の運転当初は測定温度Ｔ２が温度しきい値Ｔ０より高いので、バルブ９６は閉じられヘリウムタンク９２はヘリウムガスライン６６にヘリウムを供給しない。このときヘリウムタンク９２の圧力は設計上の初期圧力に保持されている。極低温冷凍機６０は圧縮機６４の初期運転圧力で運転されている。冷却過程が進行して測定温度Ｔ２が温度しきい値Ｔ０まで低下すると、バルブ９６が開かれヘリウムタンク９２からヘリウムガスライン６６の低圧配管８６へのヘリウムの供給が始まる。こうしてヘリウムタンク部６８は極低温冷凍機６０のヘリウムガス量を増加する。その結果、圧縮機６４の運転低圧が、超流動温度域またはその近傍温度においてα曲線から定められる圧力値以上に増加される。

よって、極低温冷凍機６０は、上述のように２．１７［Ｋ］以下の寒冷を発生することができる。また、極低温冷凍機６０は、４［Ｋ］より高い温度領域ではそれに適した低いヘリウム圧力で運転することができる。

バルブ９６が開かれた直後に冷却温度がいくらか高まるかもしれない。これは、極低温冷凍機６０のヘリウムガス量の増加に伴う過渡的な現象である。したがって、ヘリウムタンク制御部７０は、バルブ９６の開放直後に一時的に測定温度Ｔ２を無視するよう構成されていてもよい。例えば、バルブ制御部１０２は、バルブ９６を一度開いたら、温度比較部１００からの入力にかかわらず、バルブ９６を所定時間開き続けるよう構成されていてもよい。このようにすれば、過渡的な昇温によるバルブ９６の閉鎖及びヘリウムの供給停止を避けることができる。

また、そうした過渡的な昇温を軽減または防止するために、ヘリウムタンク制御部７０は、ヘリウムタンク部６８から極低温冷凍機６０にヘリウムを段階的に供給するようヘリウムタンク部６８を制御するよう構成されていてもよい。そのために、バルブ制御部１０２は、バルブ９６の開放と閉鎖を反復してもよい。こうしてヘリウムを徐々に供給することによって昇温を抑制することができる。

ヘリウムタンク制御部７０は、圧縮機６４の運転低圧及び／またはヘリウムタンク９２の圧力に基づいてヘリウムタンク部６８から極低温冷凍機６０へのヘリウムの供給を停止するようヘリウムタンク部６８を制御するよう構成されていてもよい。圧縮機６４の運転低圧は圧縮機６４に内蔵された圧縮機圧力センサによって測定されてもよい。ヘリウムタンク９２の圧力はヘリウムタンク９２に取り付けられたタンク圧力センサによって測定されてもよい。圧力センサは、測定圧力をヘリウムタンク制御部７０に出力するようヘリウムタンク制御部７０と通信可能に接続されている。

ヘリウムタンク制御部７０は、予め定められた圧力しきい値と測定圧力を比較し、比較の結果をバルブ制御部１０２に出力するよう構成されている圧力比較部を備えてもよい。圧力しきい値は例えば上述の目標圧力である。バルブ制御部１０２は、圧力比較部からの入力に従ってバルブ制御信号Ｖを生成するよう構成されていてもよい。バルブ制御部１０２は、測定圧力が圧力しきい値以上のときバルブ９６を閉鎖し、測定圧力が圧力しきい値未満のときバルブ９６の開放を継続してもよい。圧力しきい値は記憶部１０４に記憶されていてもよい。

ヘリウムタンク９２の初期圧力は、圧縮機６４の高圧と低圧の平均圧力であってもよい。このようにすれば、極低温冷凍機６０の運転停止中にバルブ９６を開放することによって、次回の運転のためにヘリウムタンク９２を初期圧力に復元することができる。あるいは、ヘリウムタンク９２は、初期圧力への復元のために圧縮機６４の高圧側に連結されていてもよい。

図４は、本発明の実施の形態に係る極低温冷凍機１１０を示す模式図である。極低温冷凍機１１０は、予冷機能を提供する第１冷却部１１２と、超流動温度域への冷却機能を提供する第２冷却部１１４と、を備える。第２冷却部１１４は、第１冷却部１１２によって予冷される。このように、極低温冷凍機１１０は、高温段の予冷冷凍機と低温段冷凍機とを個別に有する。

第１冷却部１１２は、第１膨張器１１６、第１圧縮機１１８、及び第１ヘリウムガスライン１２０を備える。第１膨張器１１６は、その低温側にヘリウム膨張室１２２を有する。第１ヘリウムガスライン１２０は、第１膨張器１１６から第１低圧ＰＬ１のヘリウムを回収し第１圧縮機１１８から第１高圧ＰＨ１のヘリウムを供給するよう第１膨張器１１６を第１圧縮機１１８に連結する。図示される第１冷却部１１２は単段冷凍機であるが、第１冷却部１１２は二段式の冷凍機（例えば４Ｋ−ＧＭ冷凍機）であってもよい。

第２冷却部１１４は、第２膨張器１２４、第２圧縮機１２６、及び第２ヘリウムガスライン１２８を備える。第２膨張器１２４は、その高温側にヘリウム受入室１３０を有する。ヘリウム受入室１３０は、伝熱部材１３２によって第１冷却部１１２のヘリウム膨張室１２２と熱的に接続されている。伝熱部材１３２は、その一部が第１冷却部１１２のヘリウム膨張室１２２に装着され、他の一部が第２冷却部１１４のヘリウム受入室１３０に装着されている。ヘリウム膨張室１２２からヘリウム受入室１３０への伝導冷却によって、第１冷却部１１２は第２冷却部１１４を予冷する。

第２ヘリウムガスライン１２８は、第２膨張器１２４から第２低圧ＰＬ２のヘリウムを回収し第２圧縮機１２６から第２高圧ＰＨ２のヘリウムを供給するよう第２膨張器１２４を第１圧縮機１１８に連結する。第２ヘリウムガスライン１２８は、第１ヘリウムガスライン１２０から分離されている。よって、第２冷却部１１４のヘリウム循環回路は、第１冷却部１１２のヘリウム循環回路から隔離されている。

第２冷却部１１４は、第１冷却部１１２と異なるヘリウム圧力で運転される。第２低圧ＰＬ２は、第１低圧ＰＬ１より高い。第２低圧ＰＬ２は、１５［ｂａｒ］以上であってもよい。第１低圧ＰＬ１は、８［ｂａｒ］以下であってもよい。また、第２高圧ＰＨ２は、第１高圧ＰＨ１より高くてもよい。

したがって、極低温冷凍機１１０は、第１冷却部１１２及び第２冷却部１１４のそれぞれに適するヘリウム圧力で運転することができる。すなわち、第１冷却部１１２を予冷に適した低いヘリウム圧力で運転し、第２冷却部１１４を２．１７［Ｋ］以下の冷却に適した高いヘリウム圧力で運転することができる。

以上本発明の好ましい実施例について詳細に説明したが、本発明は上述した実施例に制限されることなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形および置換を加えることができる。

上記では、極低温冷凍機１としてＧＭ冷凍機を前提に説明した。極低温冷凍機１としては、この他にも、ヘリウム４を作動流体とするディスプレーサ式のスターリング冷凍機であってもよい。この場合においても、スターリング冷凍機の目標温度をもとに図２に示すα曲線を参照して、圧縮機の低圧側の圧力を設定すればよい。また、ヘリウムの圧力が融解曲線以上とならないように、圧縮機の高圧側の圧力を設定すればよい。これにより、スターリング冷凍機の最低到達温度を下げつつ、かつ、ヘリウムの断熱膨張によってヘリウムガスの温度が上昇することを抑制できる。

上記では、極低温冷凍機１として単段のＧＭ冷凍機を前提に説明した。極低温冷凍機１としては、２段以上の多段型のＧＭ冷凍機であってもよい。この場合においても、冷凍機の目標温度をもとに図２に示すα曲線を参照して、圧縮機の低圧側の圧力を設定すればよい。また、ヘリウムの圧力が融解曲線以上とならないように、圧縮機の高圧側の圧力を設定すればよい。

１ 極低温冷凍機、 ２ ディスプレーサ、 ２ａ 本体部、 ２ｂ 蓋部、 ３ 膨張空間、 ４ シリンダ、 ５ 冷却ステージ、 ７ 蓄冷器、 ８ 室温室、 ９ 上端側整流器、 １０ 下端側整流器、 １１ 上部開口、 １２ 圧縮機、 １３ サプライバルブ、 １４ リターンバルブ、 １５ シール、 １６ 吹き出し口、 ５０ 膨張器、 ６０ 極低温冷凍機、 ６２ 膨張器、 ６４ 圧縮機、 ６８ ヘリウムタンク部、 ７０ ヘリウムタンク制御部、 ７６ 二段ヘリウム膨張室、 ７８ 二段熱交換器、 ９２ ヘリウムタンク、 ９４ 連結配管、 ９６ バルブ、 ９８ 二段温度センサ、 １００ 温度比較部、 １０２ バルブ制御部、 １１０ 極低温冷凍機、 １１２ 第１冷却部、 １１４ 第２冷却部、 １１６ 第１膨張器、 １１８ 第１圧縮機、 １２０ 第１ヘリウムガスライン、 １２２ ヘリウム膨張室、 １２４ 第２膨張器、 １２６ 第２圧縮機、 １２８ 第２ヘリウムガスライン、 １３０ ヘリウム受入室。

Claims (12)

1. ヘリウムを膨張させることによって４［Ｋ］以下の寒冷を発生させる極低温冷凍機であって、
   高圧のヘリウムを膨張させる膨張器と、
   前記膨張器から戻ってきた低圧のヘリウムを圧縮して高圧のヘリウムを生成し、前記膨張器に供給する圧縮機とを備え、
   前記膨張器内のヘリウムの温度が２．１７［Ｋ］以下のとき、前記低圧のヘリウムの圧力は、横軸を温度、縦軸を圧力とするヘリウムの状態図において、ヘリウムの体積熱膨張率が０となる曲線の圧力以上であることを特徴とする極低温冷凍機。
2. 前記低圧のヘリウムの圧力は１５［ｂａｒ］以上であることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機。
3. 前記低圧のヘリウムの圧力は２５［ｂａｒ］以上であることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機。
4. 前記高圧のヘリウムの圧力は、前記状態図におけるヘリウムの融解曲線以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の極低温冷凍機。
5. 前記高圧のヘリウムの圧力は、３５［ｂａｒ］以下であることを特徴とする請求項４に記載の極低温冷凍機。
6. 前記膨張器におけるヘリウムの温度をＴ［Ｋ］、圧力をＰ［ｂａｒ］、単位質量あたりのエントロピーをｓ［Ｊ／ｇＫ］とするとき、前記体積熱膨張率が０となる曲線は、
   

   

   で表される曲線であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の極低温冷凍機。
7. 前記ヘリウムは、ヘリウム４であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の極低温冷凍機。
8. 前記膨張器は、ヘリウム膨張室と、前記ヘリウム膨張室を外包する熱交換器と、を備え、
   前記極低温冷凍機は、
   前記極低温冷凍機にヘリウムを供給するよう前記極低温冷凍機に連結されているヘリウムタンク部と、
   前記ヘリウム膨張室及び／または前記熱交換器の温度に基づいて前記ヘリウムタンク部から前記極低温冷凍機へのヘリウムの供給を開始するよう前記ヘリウムタンク部を制御するヘリウムタンク制御部と、をさらに備えることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の極低温冷凍機。
9. 前記極低温冷凍機は、前記ヘリウム膨張室及び／または前記熱交換器の温度を測定するよう前記膨張器に取り付けられ、測定温度を前記ヘリウムタンク制御部に出力するよう前記ヘリウムタンク制御部と通信可能に接続されている温度センサをさらに備え、
   前記ヘリウムタンク部は、ヘリウムタンクと、前記ヘリウムタンクを前記極低温冷凍機に連結する連結配管と、前記連結配管に設置されたバルブと、を備え、
   前記ヘリウムタンク制御部は、前記測定温度を温度しきい値と比較するよう構成されている温度比較部と、前記測定温度が前記温度しきい値より高いとき前記バルブを閉鎖し前記測定温度が前記温度しきい値以下のとき前記バルブを開放するよう前記温度比較部からの入力に従って前記バルブを制御するよう構成されているバルブ制御部と、を備え、前記温度しきい値は、２．１７［Ｋ］より高く５［Ｋ］以下の範囲から予め定められていることを特徴とする請求項８に記載の極低温冷凍機。
10. 前記ヘリウムタンク部は、前記圧縮機の低圧側に連結されていることを特徴とする請求項８または９に記載の極低温冷凍機。
11. ヘリウム膨張室を有する第１膨張器と、第１圧縮機と、前記第１膨張器から第１低圧のヘリウムを回収し前記第１圧縮機から第１高圧のヘリウムを供給するよう前記第１膨張器を前記第１圧縮機に連結する第１ヘリウムガスラインと、を備える第１冷却部と、
    前記ヘリウム膨張室と熱的に接続されたヘリウム受入室を有する第２膨張器と、第２圧縮機と、前記第１ヘリウムガスラインから分離され、前記第２膨張器から第２低圧のヘリウムを回収し前記第２圧縮機から第２高圧のヘリウムを供給するよう前記第２膨張器を前記第２圧縮機に連結する第２ヘリウムガスラインと、を備える第２冷却部と、を備え、前記第２低圧は、前記第１低圧より高いことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の極低温冷凍機。
12. 高圧のヘリウムを膨張させる膨張器と、前記膨張器から戻ってきた低圧のヘリウムを圧縮して高圧のヘリウムを生成して前記膨張器に供給する圧縮機とを備える極低温冷凍機においてヘリウムを膨張させることによって４［Ｋ］以下の寒冷を発生させる運転方法であって、
    前記膨張器内のヘリウムの温度を検出するステップと、
    検出した温度が２．１７［Ｋ］以下のとき、横軸を温度、縦軸を圧力とするヘリウムの状態図において、ヘリウムの体積熱膨張率が０となる曲線の圧力以上に前記低圧のヘリウムの圧力を設定するステップとを含むことを特徴とする極低温冷凍機の運転方法。

Images