JP2016211795A - 極低温冷却装置および極低温冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の冷却系で冷却される被冷却物における熱応力の発生を抑制するとともに効率よく予冷することが可能な極低温冷却装置および極低温冷却方法を提供する。
【解決手段】極低温冷却装置１０は、真空容器１３の内部に配置された被冷却物１１に供給される冷媒の循環経路を形成して冷却系とする冷却配管１９と、冷媒を冷却する冷熱源を有して冷却配管１９が環状に接続される冷凍機１５と、複数の冷却系のうち少なくとも１つの冷却配管１９の一部を構成するとともに冷却配管１９を環状に分岐して特定の冷熱源を迂回する予冷配管２２ａ，２２ｂと、予冷配管２２ａ，２２ｂに設けられて被冷却物１１に供給される冷媒の冷熱源を切り換えるバイパス弁２９と、冷却配管１９のうち予冷配管２２ａ，２２ｂによる分岐点から被冷却物１１までの区間に設けられて冷却配管１９とは冷却系の異なる冷却配管１９に接続される供給熱交換器３３と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、超電導転移温度程度の極低温へ物体を冷却する冷却技術に関する。

超電導コイルを用いた超電導磁石は、その電気抵抗の顕著な低さから容易に高磁場を発生させることができるので、ＭＲＩや単結晶引き上げ装置などに使用されている。
この超電導磁石を超電導状態に維持するには、極低温冷凍機（以下、単に「冷凍機」という）などを用いて液体窒素温度以下の極低温まで冷却する必要がある。

超電導コイルを複数用いて特に強力な磁場を発生させる高磁場超電導磁石は、冷却時の熱負荷が大きくなるので、複数の冷凍機が設けられる。
この複数の冷凍機を有する複数の冷却系で１つの冷却ステージを冷却することで、この超電導コイルが最適な温度に冷却される。

ところで、超電導コイルには、４Ｋ程度の低温で超電導状態になる低温超電導コイル（以下、「ＬＴＳコイル」という）と、２０Ｋ程度の比較的高い温度で超電導状態となる高温超電導コイル（以下、「ＨＴＳコイル」という）と、がある。

ＨＴＳコイルは、２０Ｋ程度の温度帯における使用が可能であることに加えて、磁場への耐性が高いという特徴がある。
一方、作成費用または扱い易さなどの観点では、ＬＴＳコイルがより優位である。
よって、物性研究等で使用される高磁場超電導磁石は、ＨＴＳコイルにＬＴＳコイルが組み合わせられていることが多い。
ＨＴＳコイルおよびＬＴＳコイルが組み合わせられる場合にも、定常運転温度の異なる其々の超電導コイルを最適な温度にするため、複数の冷却系が設けられる。

高磁場超電導磁石の冷却過程は、超電導コイルを超電転移温度付近まで冷却する予冷の段階と、超電導状態になった超電導コイルの温度を維持する定常運転の段階と、に大別することができる。
超電導転移温度が低いＬＴＳコイルを冷却する場合には、冷却限界温度の低いＧＭ／ＪＴ冷凍機が用いられる。
しかし、ＧＭ／ＪＴ冷凍機は冷却限界温度が低い一方で冷凍能力が低いので、予冷時には、効率的に冷却するため、冷却限界温度の異なる他の冷凍機の冷凍能力を利用する。
つまり、予冷配管を用いて冷媒の循環経路を変更して、冷熱源を切り換えながら冷却する。
一方、定常運転時には、特定の冷熱源で冷媒の冷却を継続することで、超電導コイルの超電導状態を維持する。

特開２０１５−０１２１９３号公報 特開２００９−２４３８３７号公報

しかしながら、上述した従来の技術では、超電導コイルが不均一に冷却されて発生する熱応力によって、超電導コイルが劣化する可能性があるという課題があった。
特に、高磁場超電導磁石は、冷却特性の異なる複数の冷凍機で超電導コイルを冷却するため、超電導コイルの温度が不均一になることがある。
例えば、１つの冷却ステージを冷却している２台の冷凍機の冷却能力が異なる場合には、冷却ステージは不均一な温度分布になる。
また、同一の冷凍能力を有する２台のＧＭ／ＪＴ冷凍機であっても、１台のみが他の冷却源で助勢されていると、冷却ステージに不均一な温度分布を発生させる。

また、ＨＴＳコイルは、ＬＴＳコイルと比較して熱容量が小さい。
よって、ＨＴＳコイルが先に降温し、ＬＴＳコイルとの間に大きな温度差を発生させることで、互いに熱応力を発生させることもある。
このように予冷時に発生する複数の冷却系の間の温度差によって超電導コイルが劣化する恐れがあるという課題は、冷却系の構成が同種か異種によらず、共通する課題である。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、複数の冷却系で冷却される被冷却物における熱応力の発生を抑制するとともに効率よく予冷することが可能な極低温冷却装置および極低温冷却方法を提供することを目的とする。

本実施形態にかかる極低温冷却装置は、真空容器中に配置された被冷却物に供給される冷媒の循環経路を形成して冷却系とする冷却配管と、冷媒を冷却する冷熱源を有して冷却配管が環状に接続される冷凍機と、複数の冷却系のうち少なくとも１つの冷却配管の一部を構成するとともに冷却配管を環状に分岐して特定の冷熱源を迂回する予冷配管と、予冷配管に設けられて被冷却物に供給される冷媒の冷熱源を切り換えるバイパス弁と、冷却配管のうち予冷配管による分岐点から被冷却物までの区間に設けられて冷却配管とは冷却系の異なる冷却配管に接続される熱交換器と、を備えるものである。

本実施形態にかかる極低温冷却方法は、真空容器中に配置された被冷却物に２以上の冷却系の冷却配管で冷媒を供給するステップと、冷却配管に沿って循環する冷媒を冷却するステップと、被冷却物に供給される冷媒の循環経路を切り換えて冷熱源を切り換えるステップと、被冷却物に供給される２以上の冷却系の冷媒の温度を熱交換によって均一にするステップと、を含むものである。

本発明により、複数の冷却系で冷却される被冷却物における熱応力の発生を抑制するとともに効率よく予冷することが可能な極低温冷却装置および極低温冷却方法が提供される。

第１実施形態にかかる極低温極低温冷却装置の概略構成図。 単段ＧＭ冷凍機、２段ＧＭ冷凍機およびＪＴ冷却部の温度と冷凍能力との関係を示す概略図。 第１実施形態にかかる極低温冷却装置の供給熱交換器の断面図。 供給熱交換器の構成材料の３００Ｋおよび４Ｋにおける熱伝導率を示す図。 第１実施形態にかかる極低温冷却装置の供給熱交換器の変形例の断面図。 極低温に置かれて変形したときの供給熱交換器を示す断面図。 第２実施形態にかかる極低温冷却装置の概略構成図。 第３実施形態にかかる極低温冷却装置の概略構成図。 第２実施形態にかかる極低温冷却装置の変形例を示す概略構成図。 第３実施形態にかかる極低温冷却装置の他の変形例を示す図。 第１実施形態にかかる冷却方法のフローチャート。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態にかかる極低温冷却装置１０（以下、単に「冷却装置１０」という）の概略構成図である。

第１実施形態にかかる冷却装置１０は、図１に示されるように、被冷却物（超電導コイル）１１が内部に配置された真空容器１３に複数の冷凍機１６が備えられている。
第１実施形態では、被冷却物１１は、４Ｋ程度に冷却されて内部空間２４に高強度の磁場を発生させるＬＴＳコイル１１ａ（１１）の１種類であるとして説明する。

ＬＴＳコイル１１ａを支持する冷却ステージ１８とこれら複数の冷凍機１６（１６ａ，１６ｂ）とは、冷却配管１９（１９Ａ，１９Ｂ）で環状に接続される。
冷却配管１９で環状に接続された冷凍機１６およびこの冷却配管１９は、１つの冷却系を形成する。
つまり、１つの冷却系は、系内に１つ以上の冷凍機１６に備え、冷却配管１９で冷凍機１６および冷却ステージ１８に冷媒を循環させる。
このように構成される複数の冷却系は、それぞれ独立して制御することができる。

冷凍機１６は、冷却系を循環する気体ヘリウムなどの冷媒の冷却をする。
冷凍機１６は、例えば図１に示されるように、１台の単段ＧＭ冷凍機１２（単段Gifford-McMahon冷凍機：以下、単に「単段冷凍機１２」という）および２台のＧＭ／ＪＴ冷凍機１５（１５ａ，１５ｂ）である。
ＧＭ冷凍機とは、スターリング冷凍機の構造に、さらにディスプレーサに連動したロータリーバルブが設けられた冷凍機である。

単段冷凍機１２は、外部からの熱輻射を遮蔽するシールド板２１を６０Ｋ程度にまで冷却する。
８０Ｋ程度以上の温度帯において、単段冷凍機１２は、他の冷凍機と比較して５倍以上の高い冷凍能力を発揮する。
そこで、予冷時において単段冷凍機１２の冷却限界付近の８０Ｋ程度までは、この単段冷凍機１２を主要な冷熱源として用いる。

また、ＧＭ／ＪＴ冷凍機１５とは、２段ＧＭ冷凍機１６（以下、単に「ＧＭ冷凍機１６」という）にＪＴ（Joule-Thomson）冷却部１７（１７ａ，１７ｂ）が組み合わされた冷凍機である。
ＪＴ冷却部１７は、ＪＴ弁３１（３１ａ，３１ｂ）を調整して、冷媒であるヘリウムを断熱膨張させて液化させる。
ＧＭ／ＪＴ冷凍機１５は、この液化したヘリウムの潜熱を利用することで、４Ｋ程度まで冷却することができる。

一般にＪＴ冷凍機は、４Ｋ程度の温度帯における冷凍効率はＧＭ冷凍機より優れるが、この温度帯よりも高い温度帯の冷凍効率はＧＭ冷凍機よりも劣る。
そこで、予冷時には、組み合わされているＧＭ冷凍機１６の冷凍能力が低下する２０Ｋ程度以下において切り換えられて主要な冷熱源となる。
すなわち、ＧＭ／ＪＴ冷凍機１５は、内部にＧＭ冷凍機１６およびＪＴ冷却部１７の２つの冷熱源を有する。
冷媒は、ＪＴ冷却部１７に設けられた循環用圧縮機３５（３５ａ，３５ｂ）によって、冷却系を循環する。
なお、ＧＭ／ＪＴ冷凍機１５に代えて、スターリング／ＪＴ冷凍機（図示せず）を用いてもよい。

冷却配管１９は、冷凍機１６がその内部に備えるＪＴ冷却部１７などの冷熱源で冷却された冷媒を冷却ステージ１８に供給する供給管２２（２２ａ，２２Ａ，２２ｂ，２２Ｂ）と、冷却ステージ１８を冷却した冷媒を冷熱源に返還する返還管２３（２３Ａ，２３Ｂ）と、で構成される。

ＧＭ／ＪＴ冷凍機１５の内部の供給管２２₁（２２Ａ₁，２２Ｂ₁）は、冷凍機１６の外部の供給管２２に接続されて一体となる。
冷媒は、ＧＭ冷凍機１６の各ステージに熱的に接続されたＪＴ供給管２２₁の管内を高温側ステージ２６ａ、低温側ステージ２６ｂの順番で流れて段階的に極低温まで冷却される。
このＪＴ供給管２２₁は、冷凍機１６の内部の返還管２３（２３Ａ，２３Ｂ）に各ステージ２６（２６ａ，２６ｂ）の前後において、ＪＴ熱交換器２８によって熱的に接続される。

ところで、２つのＧＭ／ＪＴ冷凍機１５（１５ａ，１５ｂ）には、それぞれＪＴ供給管２２₁（２２Ａ₁，２２Ｂ₁）から分岐する予冷配管２２（２２ａ，２２ｂ）が設けられる。
これらの予冷配管２２（２２ａ，２２ｂ）には、それぞれ冷媒の流れのＯＮ／ＯＦＦを制御するバイパス弁２９（２９ａ，２９ｂ）が設けられる。
第１ＧＭ／ＪＴ冷凍機１５ａの高温側ステージ２６ａに接続された第１予冷配管２２ａは、単段冷凍機１２を経由して第１供給管２２Ａに接続される。
第１予冷配管２２ａによって、低温側ステージ２６ｂの下流に接続されたＪＴ弁３１ａが迂回される。

予冷時の初期には、この第１予冷配管２２ａによってＪＴ冷却部１７ａを迂回して冷凍能力の高い単段冷凍機１２で冷却された冷媒が、冷却ステージ１８を冷却する。
すなわち、第１ＧＭ／ＪＴ冷凍機１５ａを備える第１冷却系は、予冷時の初期には、系外の単段冷凍機１２で強力に助勢されて冷却ステージ１８を冷却する。

ここで、図２は、単段冷凍機１２、ＧＭ冷凍機１６およびＪＴ冷却部１７の温度と冷凍能力との関係を示す概略図である。
図２からわかるように、単段冷凍機１２は８０Ｋ程度以上ではＧＭ／ＪＴ冷凍機１５と比較して高い冷凍能力がある。
つまり、予冷時には、単段冷凍機１２の冷凍能力を利用してＬＴＳコイル１１ａを効率よく冷却して予冷時間を大幅に短縮することができる。

しかし、５０Ｋ程度以下では、シールド板２１への熱侵入も考慮した単段冷凍機１２の冷凍余力は、急激に小さくなる。
そこで、冷却ステージ１８が５０Ｋ程度以下となった場合、バイパス弁２９ａを閉止、ＪＴ弁３１ａを開放して、冷熱源をＪＴ冷却部１７ａに切り換える。

一方、第２ＪＴ供給管２２Ｂ₁から分岐する第２予冷配管２２ｂは、他の冷熱源を経由せずＪＴ弁３１ｂを迂回して直接第２供給管２２Ｂに接続される。
第２予冷配管２２ｂによって、ＧＭ冷凍機１６の低温側ステージ２６ｂで冷却された冷媒が、ＪＴ冷却部１７を迂回して直接冷却ステージ１８に供給される。
ＧＭ冷凍機１６の冷凍能力は、２０Ｋ程度以上の高温ではＪＴ冷却部１７の冷凍能力よりも大きい。
よって、第２ＧＭ／ＪＴ冷凍機１５ｂを備える第２冷却系は、ＧＭ冷凍機１６の冷凍能力を利用して効率よく冷却ステージ１８を冷却することができる。

ただし、図２に示されるように、１０Ｋ〜２０Ｋ程度になるとこれらの冷凍能力は逆転する。
そこで、冷凍能力が逆転する温度まで冷却したらバイパス弁２９ｂを閉止、ＪＴ弁３１ｂを開放して冷熱源をＪＴ冷却部１７ｂに切り換える。
このようにして、ＬＴＳコイル１１ａは、予冷配管２２（２２ａ，２２ｂ）によって、予冷時には単段冷凍機１２およびＧＭ冷凍機１６の冷凍能力を適宜利用して効率よく極低温まで冷却される。

ところで、上述したような構成でＬＴＳコイル１１ａを冷却すると、５０Ｋ程度以上の温度帯では、第１予冷配管２２ａは第２予冷配管２２ｂと比較して数十Ｋも低温な冷媒が流れる。
また、５０Ｋ〜２０Ｋ程度の温度帯では、反対に第２予冷配管２２ｂに第１予冷配管２２ａよりも低温な冷媒が流れる。
温度差のあるこれらの冷媒を冷却ステージ１８に供給すると、ＧＭ／ＪＴ冷凍機１５ａで冷却される部分とＧＭ／ＪＴ冷凍機１５ｂで冷却される部分とで温度差ができる。
この温度差によって、ＬＴＳコイル１１ａの内部にも温度差ができて熱応力によりＬＴＳコイル１１ａの特性が劣化する可能性がある。

そこで、供給熱交換器３３を用いて、予冷配管２２（２２ａ，２２ｂ）をそれぞれ流れた冷媒が流れる供給管２２（２２Ａ，２２Ｂ）どうしを冷却ステージ１８の前段で熱交換させる。
供給熱交換器３３で熱交換させることで、供給管２２での冷媒の温度差を数Ｋ以下にして、この熱応力をＬＴＳコイル１１ａが劣化しないレベルにまで低減させることができる。

ここで、供給熱交換器３３の構成材料および構成について説明する。
ＧＭ／ＪＴ冷凍機１５の内部ではＪＴ冷却部１７におけるヘリウム（冷媒）の断熱膨張によって、ヘリウム・ミストが作られる。
ＧＭ／ＪＴ冷凍機１５の冷凍能力は、このヘリウム・ミストの発生量で定まる。

一方、ＧＭ／ＪＴ冷凍機１５の冷却限界温度は、この発生量と無関係に飽和蒸気圧温度で定まる。
このため、熱負荷が冷凍能力以下であるときは、冷凍機内のヘリウム・ミストの温度は一定となる。
一方、熱負荷が冷凍能力を超えると、ヘリウム・ミストの温度は一気に蒸発して、冷凍機内の温度が上昇する。

ここで、図３は、第１実施形態にかかる冷却装置１０の供給熱交換器３３の断面図である。
供給熱交換器３３は、例えば図３に示されるように、平行に配置された２本の管体３４と、この２本の管体３４に密着して固定されることで、これらの管体３４を熱的に接続する金属ブロック３７と、で構成される。

いま、２台のＧＭ／ＪＴ冷凍機１５で飽和蒸気圧がずれて冷凍機内の温度が異なる場合を考える。
この状態で金属ブロック３７および管体３４の伝熱が良好であると、低温側の供給管２２を流れるヘリウム・ミストに高温側から熱が移動する。
移動してくるこの熱によって、上述のように低温側のヘリウム・ミストが全て蒸発すると、ＧＭ／ＪＴ冷凍機１５の冷凍機能が機能不全になる。
この場合、２つの冷却系のうち片方のみで冷却された冷却ステージ１８は、ＬＴＳコイル１１ａに熱応力を発生させる。

このようなＧＭ／ＪＴ冷凍機１５の冷却原理を考慮すると、金属ブロック３７は、低温で熱伝導率が低下する材料で構成されることが望ましい。
より具体的には、０．１Ｋの温度差における熱移動を０．５Ｗ以下にするとともに、３００Ｋ程度の高温では、１０Ｋの温度差で５００Ｗ程度の熱移動にすることが望ましい。
すなわち、４Ｋ程度の極低温帯での熱伝導率が、３００Ｋ程度の室温帯での熱伝導率の１／１０以下となることが望ましい。

このような条件を満たし金属ブロック３７の構成材料として好適なものとして、ＪＩＳ規格ＳＵＳ３１６またはＳＵＳ３０４ステンレス、銅合金、ＪＩＳ規格Ａ５０８３またはＡ２０２４などのアルミ合金および炭素強化プラスティック（ＣＦＲＰ）などが挙げられる。
これらの材料を用いることで、２本の管体３４の間では、高温では良好に伝熱する一方で、低温ではほとんど伝熱しない。

ここで、図４は、上述した材料の３００Ｋおよび４Ｋにおける熱伝導率を示す図である。
図４に示されるように、ステンレスをはじめ表１に示した材料の熱伝導率は３００Ｋと４Ｋで１０倍以上異なるため、上記の要求を満足する。
なお、２本の管体３４は、供給熱交換器３３として特別に用意するものでなく供給管２２であってもよい。

また、図５は、第１実施形態にかかる冷却装置１０の供給熱交換器３３の変形例の断面図である。
そして、図６は、極低温に置かれて変形したときの図５の供給熱交換器３３を示す断面図である。
供給熱交換器３３は、図５に示されるように、２本の管体３４は、筐体３８に並列に配置されて構成される。
これら２本の管体３４には、それぞれ同一の位置に良伝導のステンレス・ブロックが設けられる。

それぞれのステンレス・ブロックは、筐体３８の内壁面に熱収縮材料３９で接着されている。
この熱収縮材料３９は、８０Ｋ以下で室温時より２％以上熱収縮するエポキシ樹脂などの樹脂系接着剤などである。
ステンレス・ブロックどうしは、この熱収縮材料３９によって、室温で密着するように固定される。
予冷が進行して、８０Ｋ以下にまで冷却された熱収縮材料３９は、図６に示されるように熱収縮して２本の管体３４を引き離す。

これらの管体３４は、真空中で引き離されて断熱されて熱交換が停止する。
この供給熱交換器３３によって、冷却装置１０は、異なる冷却系から１つの冷却ステージ１８に供給される冷媒を均一の温度にして供給することができる。
なお、供給熱交換器３３を上述のような構造にするのは、ヘリウム・ミストの潜熱を利用するＪＴ冷却部１７の特性に起因する。
よって、ＪＴ冷却部１７を組み合わせないで構成される冷凍機には、極低温で熱交換を停止させる工夫のない通常の熱交換器を用いてもよい。

次に、第１実施形態にかかる冷却方法を図１１のフローチャートを用いて説明する（適宜図１を参照）。

室温の真空容器１３に対して、設置された冷凍機１６を起動して予冷を開始する（Ｓ１１）。
まず、第１冷却系および第２冷却系のいずれのバイパス弁２９も開放して予冷配管２２に冷媒を流す。このとき、いずれのＪＴ弁３１も閉止されている。
ＬＴＳコイル１１ａは、単段冷凍機１２およびＧＭ冷凍機１６で冷却される（Ｓ１２）。

室温程度においては、供給熱交換器３３によって、２つの供給管２２（２２Ａ，２２Ｂ）が良好に熱交換するので、ＬＴＳコイル１１ａに供給される冷媒の温度が均一化する（Ｓ１３）。
このように均一化された冷媒で冷却ステージ１８を冷却することで、ＬＴＳコイル１１ａにおける熱応力の発生が抑制される。
真空容器１３の内部の温度が５０Ｋ程度以下になるまで、この状態で冷却を継続する（Ｓ１４：ＮＯ：Ｓ１２へ）。

温度が５０Ｋ程度以下となったら、冷却を継続したままバイパス弁２９を閉止して、予冷配管２２を流れる冷媒をＪＴ供給管２２₁へ誘導する（Ｓ１４：ＹＥＳ：Ｓ１５，Ｓ１６）。
この切り換えによって、冷熱源が単段冷凍機１２からＪＴ冷却部１７に切り換わる。
そして、ＧＭ冷凍機１６および切り換えられたＪＴ冷却部１７を冷熱源にして、２０Ｋ程度以下になるまで冷却を継続する（Ｓ１７：ＮＯ：Ｓ１５へ）。
このとき、供給熱交換器３３による冷媒の均一化も継続してなされる。

真空容器１３の温度が２０Ｋ程度以下になると、バイパス弁２９を閉止して、予冷配管２２を流れる冷媒をＪＴ供給管２２₁へ誘導する（Ｓ１７：ＹＥＳ：Ｓ１８）。
この切り換えによって、冷熱源がＧＭ冷凍機１６からＪＴ冷却部１７に切り換わって予冷を終了する（Ｓ１８）。
このとき、供給熱交換器３３の温度は２０Ｋ程度であるので、供給熱交換器３３の熱伝導率はほとんどゼロとなり、ほとんど熱交換をしない（Ｓ１９）。

２つの供給管２２（２２Ａ，２２Ｂ）の間で熱交換がされないので、２つのＪＴ冷却部１７（１７ａ，１７ｂ）の冷却温度にずれがあっても、熱移動による冷媒の蒸発で冷凍機能が機能不全になることはない。
この状態で、さらに冷却を継続して、ＬＴＳコイル１１ａの温度をＬＴＳコイル１１ａの超電導状態を維持することができる４Ｋにする（Ｓ２０）。
そして、２つのＪＴ冷却部１７で、ＬＴＳコイル１１ａの定常運転温度である４Ｋを維持する（Ｓ２１）。

以上のように、第１実施形態にかかる冷却装置１０によれば、複数の冷却系で被冷却物１１を冷却する場合にも、ＬＴＳコイル１１ａにおける熱応力の発生を抑制するとともに予冷することができる。

（第２実施形態）
図７は、第２実施形態にかかる冷却装置１０の概略構成図である。

第２実施形態にかかる冷却装置１０の供給熱交換器３３は、図７に示されるように、第１実施形態で示した２つの予冷配管２２（２２ａ，２２ｂ）に設けられる。
予冷配管２２も供給管２２の一部を構成しているので、このように配置された供給熱交換器３３は、第１実施形態と同様の原理で超電導コイル１１の熱応力の発生を抑制する。
しかし、供給熱交換器３３は、予冷配管２２に設けられているので、バイパス弁２９ａが閉止した場合には、同時に熱交換も停止する。

バイパス弁２９ａが閉止されて単段冷凍機１２による冷却が終了した後は、２つの冷却系（１４ａ，１４ｂ）の冷媒の温度に極端な差異はないので、大きな熱応力が発生する可能性は低い。
つまり、バイパス弁２９ａの閉止の後は、閉止前の段階と比較して熱交換の必要性が低下する。

そこで、熱交換のＯＮ／ＯＦＦをバイパス弁２９ａのＯＮ／ＯＦＦに連動させて、バイパス弁２９ａを閉止した時点で冷媒のための均一化の熱交換を終了する。
このように、供給熱交換器３３を予冷配管２２に設けることで、バイパス弁２９ａを閉止した時点で、２つの供給管２２（２２Ａ，２２Ｂ）どうしの熱交換を確実に遮断することができる。

なお、供給熱交換器３３の設置位置を予冷配管２２にすること以外は、第２実施形態は第１実施形態と同じ構造および動作手順となるので、重複する説明を省略する。
図面においても、共通の構成または機能を有する部分は同一符号で示し、重複する説明を省略する。

このように、第２実施形態にかかる冷却装置１０によれば、第１実施形態の効果に加え、バイパス弁２９ａの切り換えに連動させて熱交換を停止することができるので、熱交換のタイミングを熱交換が必要な予冷時に確実に限定することができる。

（第３実施形態）
図８は、第３実施形態にかかる冷却装置１０の概略構成図である。
第３実施形態にかかる冷却装置１０の供給熱交換器３３は、図８に示されるように、被冷却物１１が、ＬＴＳコイル１１ａとは異なる温度帯に冷却されるＨＴＳコイル１１ｂ（１１）を含む。
ＬＴＳコイル１１ａは、第１実施形態と同様に、２台のＧＭ／ＪＴ冷凍機１５（１５ａ，１５ｂ）を含む２つの冷却系で構成されるＬＴＳ系で冷却される。

一方、ＨＴＳコイル１１ｂは、ＬＴＳ系とは異なりＨＴＳコイル１１ｂの転移温度以下の２０Ｋ程度を定常運転温度とする冷却系であるＨＴＳ系で冷却される。
ＨＴＳ系は、例えば図８に示されるように、２段ＧＭ冷凍機３２に熱交換器４１および循環用圧縮機４２を備えた第３の冷却配管１９Ｃ（１９）が環状に接続されて構成される。

第３実施形態では、この定常運転温度の異なる冷却系（ＬＴＳ系，ＨＴＳ系）の供給管２２（２２ａ，２２ｂ，２２Ｃ）の間に供給熱交換器３３が設けられる。
特に、ＬＴＳ系においては、供給熱交換器３３は供給管２２のうち予冷配管２２ａ，２２ｂに設けられて、熱交換のタイミングをバイパス弁２９（３１ａ，３１ｂ）の切り換えに連動させるのが望ましい。
供給熱交換器３３によって、ＬＴＳコイル１１ａに供給される冷媒およびＨＴＳコイル１１ｂに供給される冷媒の温度が均一化される。

ＨＴＳコイル１１ｂは、ＬＴＳコイル１１ａと比較して低い熱容量を有する。
よって、ＨＴＳコイル１１ｂは、ＬＴＳコイル１１ａよりも早く冷却されてＬＴＳコイル１１ａとの間に大きな温度差を発生させる。
この温度差は、熱輻射となって互いの超電導コイル１１（１１ａ，１１ｂ）に熱応力を発生させる原因となる。

そこで、ＬＴＳ系の供給管２２（２２ａ，２２ｂ）と、ＨＴＳ系の供給管２２Ｃとを供給熱交換器３３で接続する。
ＨＴＳ系の供給管２２ＣとＬＴＳ系の供給管２２ａ，２２ｂとで熱交換することによって、ＨＴＳ系の予冷時間は長くなり、ＨＴＳコイル１１ｂとＬＴＳコイル１１ａの温度差は緩和されて熱応力の発生が抑制される。

また、単段冷凍機１２は、上述したように８０Ｋ程度以上の温度帯では、高い冷凍能力を有する。
そして、単段冷凍機１２の冷凍能力が低下する５０Ｋ程度の温度帯では、上記のようにＨＴＳコイル１１ｂの熱容量から２段ＧＭ冷凍機３２の冷凍能力に余剰が発生する。
このようなＨＴＳ系およびＬＴＳ系の冷凍能力の余剰分で相互に助勢することによって、予冷時間も短縮することができる。
そこで、第３実施形態の供給熱交換器３３は、予冷配管２２（２２ａ，２２ｂ）を流れる冷媒の温度を均一にするとともに、単段冷凍機１２の冷凍能力を他の冷却系で利用する。

ＨＴＳコイル１１ｂの超電導転移温度付近の１０Ｋ〜２０Ｋ程度では、予冷配管２２（２２ａ，２２ｂ）による予冷は終了するので、ＨＴＳ系は独立して定常運転温度を維持する。
ＬＴＳコイル１１ａは、第１実施形態で示したように、予冷配管２２による予冷の終了後も、さらにＪＴ冷却部１７を冷熱源として４Ｋ程度まで冷却される。

このような予冷時間の短縮は、クエンチが発生した場合にも好的な効果がある。
クエンチして６０Ｋ程度まで上昇したＬＴＳコイル１１ａを再冷却する場合、できるだけ短時間で再冷却する必要がある。
再冷却の際、冷凍能力の低いＪＴ冷却部１７を供給熱交換器３３で２段ＧＭ冷凍機３２の冷却能力で助勢することで、超電導コイル１１を短時間で超電導状態にすることができる。

また、図９は、第２実施形態にかかる冷却装置１０の変形例を示す概略構成図である。
ＬＴＳコイル１１ａの冷却が１つの冷却系で賄われるあることもある。
例えば、図９に示されるように、ＬＴＳコイル１１ａを冷却する１つのＧＭ冷凍機１６の高温側ステージ２６ａおよび低温側ステージ２６ｂのそれぞれに予冷配管２２（２２ａ，２２ｂ）が設けられる。

高温側ステージ２６ａに接続された第１予冷配管２２ａは、第１実施形態と同様に単段冷凍機１２を経由するとともにＪＴ冷却部１７を迂回して供給管２２に接続される。
一方、低温側ステージ２６ｂに接続された第２予冷配管２２ｂは、ＪＴ冷却部１７を迂回して直接第１予冷配管２２ａが接続される供給管２２に接続される。
そして、この第１予冷配管２２ａ、第２予冷配管２２ｂおよび供給管２２Ｃが供給熱交換器３３で熱的に接続される。
このような構造であっても、供給熱交換器３３によってＨＴＳコイル１１ｂの冷却を単段冷凍機１２で助勢することができる。

また、図１０は、図８の第３実施形態にかかる冷却装置１０の他の変形例を示す図である。
図１０に示されるように、第１予冷配管２２ａに第２予冷配管２２ｂを合流させて、供給熱交換器３３を第２予冷配管２２ｂの合流点より下流側に設ける。
このように合流した予冷配管２２に供給熱交換器３３を接続した場合も、上述した冷却装置１０と同様に、熱応力の発生の抑制および予冷時間の短縮が可能である。
また、予冷配管２２の合流点より下流側に供給熱交換器３３を設けることで、供給熱交換器３３の構成を簡素にすることができ、故障などの頻度を抑制することができる。

なお、異なる冷却系の間で熱交換することで、異なる被冷却物１１（１１ａ，１１ｂ）に供給される冷媒の温度を均一にすること以外は、第３実施形態は第１実施形態と同じ構造および動作手順となるので、重複する説明を省略する。
図面においても、共通の構成または機能を有する部分は同一符号で示し、重複する説明を省略する。

このように、第３実施形態にかかる冷却装置１０によれば、熱容量および冷却温度などの異なる超電導コイル１１がある場合にも、一方の超電導コイル１１における熱応力の発生を抑制するとともに冷却することができる。
また、冷凍能力に余力のある冷却系の冷凍能力で他の冷却系を助勢することで、予冷時間も短縮することができる。
また、第１実施形態で示した構成の供給熱交換器３３を用いることで、定常運転温度が異なるＨＴＳ系およびＬＴＳ系の定常運転温度における熱交換を遮断することができる。

なお、図８および図９では、すべての予冷配管２２と熱交換するようにしたが、ＬＴＳ系の複数の第１予冷配管２２ａの一部のみとＨＴＳ系の供給管２２Ｃとを熱交換した場合でも、効果は期待できる。

以上述べた少なくとも一つの実施形態の冷却装置１０によれば、複数の冷却系で被冷却物１１を冷却する場合にも、被冷却物１１における熱応力の発生を抑制するとともに予冷することが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。
これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。
これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…極低温冷却装置（冷却装置）、１１…被冷却物（超電導コイル）、１１ａ（１１）…低温超電導コイル（ＬＴＳコイル）、１１ｂ（１１）…高温超電導コイル（ＨＴＳコイル）、１２…単段ＧＭ冷凍機（単段冷凍機）、１３…真空容器、１５（１５ａ，１５ｂ）…ＧＭ／ＪＴ冷凍機、１６…２段ＧＭ冷凍機（ＧＭ冷凍機）、１７（１７ａ，１７ｂ）…ＪＴ冷却部、１８…冷却ステージ、１９（１９Ｃ）…冷却配管、２１…シールド板、２２（（２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ），（２２ａ，２２ｂ），２２₁（２２ａ₁，２２ｂ₁））…供給管，予冷配管，ＪＴ供給管、２３…返還管、２４…内部空間、２６（２６ａ，２６ｂ）…ステージ（高温側ステージ，低温側ステージ）、２８…ＪＴ熱交換器、２９（２９ａ，２９ｂ）…バイパス弁、３１（３１ａ，３１ｂ）…ＪＴ弁、３３…供給熱交換器、３４…管体、３５，４２…循環用圧縮機、３７…金属ブロック、３８…筐体、３９…熱収縮材料、４１…熱交換器。

Claims (13)

1. 真空容器中に配置された被冷却物に供給される冷媒の循環経路を形成して冷却系とする冷却配管と、
   前記冷媒を冷却する冷熱源を有して前記冷却配管が環状に接続される冷凍機と、
   複数の冷却系のうち少なくとも１つの前記冷却配管の一部を構成するとともに前記冷却配管を環状に分岐して特定の冷熱源を迂回する予冷配管と、
   前記予冷配管に設けられて前記被冷却物に供給される前記冷媒の冷熱源を切り換えるバイパス弁と、
   前記冷却配管のうち前記予冷配管による分岐点から前記被冷却物までの区間に設けられて前記冷却配管とは冷却系の異なる冷却配管に接続される熱交換器と、を備えることを特徴とする極低温冷却装置。
2. 前記熱交換器は、前記予冷配管に設けられる請求項１に記載の極低温冷却装置。
3. 前記予冷配管には、他の予冷配管が合流し、
   前記熱交換器は、前記予冷配管のうち前記他の予冷配管が合流した合流点より下流に設けられる請求項２に記載の極低温冷却装置。
4. 前記予冷配管の少なくとも１つは、迂回した冷熱源以外の冷熱源を経由する請求項１または請求項２に記載の極低温冷却装置。
5. 前記被冷却物は、超電導コイルである請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の極低温冷却装置。
6. 前記被冷却物は、高温超電導コイルおよび低温超電導コイルが組み合わされる請求項５に記載の極低温冷却装置。
7. 前記冷却系は、
   第１の被冷却物を冷却する第１の冷却系と、
   第２の被冷却物を冷却する第２の冷却系と、を備え、
   前記熱交換器は、前記第１の冷却系の冷却配管および前記第２の冷却系の冷却配管を接続する請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の極低温冷却装置。
8. 前記熱交換器は、定常運転温度での熱伝導率が３００Ｋでの熱伝導率の１／１０以下になる材料で構成される請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の極低温冷却装置。
9. 前記熱交換器の構成材料は、ステンレス、銅合金、アルミ合金およびＣＦＲＰのいずれかである請求項８に記載の極低温冷却装置。
10. 前記熱交換器は、
    筐体に並列に配置されて室温では互いに密着する２つ以上の管体と、
    前記２つ以上の管体のそれぞれを前記筐体の内壁面に接着するとともに２０Ｋ以下で室温時より１％以上熱収縮して前記２つの管体を引き離す熱収縮材料と、を備える請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の極低温冷却装置。
11. 前記複数の冷凍機の少なくとも１つは、ＧＭ／ＪＴ冷凍機およびスターリングＪＴ冷凍機のいずれかである請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の極低温冷却装置。
12. 前記複数の冷凍機の少なくとも１つは、ＧＭ冷凍機に冷媒循環経路が組み合わされたものである請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の極低温冷却装置。
13. 真空容器中に配置された被冷却物に２以上の冷却系の冷却配管で冷媒を供給するステップと、
    前記冷却配管に沿って循環する前記冷媒を冷却するステップと、
    前記被冷却物に供給される前記冷媒の循環経路を切り換えて冷熱源を切り換えるステップと、
    前記被冷却物に供給される前記２以上の冷却系の冷媒の温度を熱交換によって均一にするステップと、を含むことを特徴とする極低温冷却方法。

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