JP2021127885A - 極低温システム - Google Patents

Abstract

【課題】極低温システムにおける冷却運転の継続性向上を図る。【解決手段】極低温システム１００は、ＪＴ回路１０と、ＪＴ回路１０を予冷する冷媒循環式の予冷回路１２と、予冷回路１２を冷却することによってＪＴ回路１０を間接的に冷却する複数の機械式冷凍機１４と、を備える。極低温システム１００は、第１ＪＴ回路１０ａおよび第２ＪＴ回路１０ｂを備えてもよい。予冷回路１２は、第１ＪＴ回路１０ａを予冷する第１予冷ループ１２ａと、第２ＪＴ回路１０ｂを予冷する第２予冷ループ１２ｂと、第１予冷ループ１２ａと第２予冷ループ１２ｂを切り離し可能に相互接続する連結ライン１３と、を備えてもよい。【選択図】図１

Description

本発明は、極低温システムに関する。

従来、天文観測などに使用される高感度の電磁波検出素子またはその他の被冷却物を所望の極低温に冷却するために、ジュール・トムソン（Joule-Thomson；ＪＴ）冷凍機を備える極低温システムが利用されている。極低温システムは通例、ＪＴ冷凍機を予冷する予冷機を備える。予冷機としては典型的に、二段スターリング（Stirling）冷凍機や二段ギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機、二段パルス管冷凍機などの二段の機械式冷凍機が使用されうる。このような極低温システムは、被冷却物を例えば１Ｋ〜４Ｋの温度域に冷却することができる。

特開２０１９−０７８４８１号公報

本発明者らは、上記の極低温システムについて検討したところ、以下の課題を認識するに至った。長期にわたる使用のなかでシステムが提供できる冷却能力が低下したり失われたりする可能性が設計上考慮される。システムに複数台の機械式冷凍機が搭載されていれば、いずれかの冷凍機が故障により冷却運転を停止したとしても、それにより不足する冷却能力を残りの冷凍機で補いうる。

故障した冷凍機は、高温部（例えば室温部）と低温部（例えば被冷却物）を接続する構造物となるにすぎず、高温部から低温部への熱侵入をもたらしうる伝熱経路を形成することになる。極低温システムは、冷却を継続している残りの冷凍機によって、故障による冷却能力の低下分だけでなく、この熱侵入にも対処しなければならない。個々の冷凍機がもつ余剰の冷却能力が少なければ、極低温システムは、所望の極低温冷却を継続することが不能または困難となるリスクが高まる。とくに、たとえば極低温システムが宇宙機に搭載される場合のように、運用中に修理や交換を行い難い状況下においては、致命的な結果を招きうる。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、極低温システムにおける冷却運転の継続性向上を図ることにある。

本発明のある態様によると、極低温システムは、ＪＴ回路と、ＪＴ回路を予冷する冷媒循環式の予冷回路と、予冷回路を冷却することによってＪＴ回路を間接的に冷却する複数の機械式冷凍機と、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、極低温システムにおける冷却運転の継続性向上を図ることができる。

第１実施形態に係る極低温システムを概略的に示す図である。 第１実施形態に係る極低温システムの例示的な故障モードと流路切替状態との関係を説明する表である。 第１実施形態に係る極低温システムを概略的に示す図である。 第１実施形態に係る極低温システムの変形例を概略的に示す図である。 第２実施形態に係る極低温システムを概略的に示す図である。 第２実施形態に係る極低温システムの例示的な故障モードと流路切替状態との関係を説明する表である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。説明および図面において同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施の形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、第１実施形態に係る極低温システム１００を概略的に示す図である。極低温システム１００は、ＪＴ回路１０と、ＪＴ回路１０を予冷する冷媒循環式の予冷回路１２と、予冷回路１２を冷却することによってＪＴ回路１０を間接的に冷却する複数の機械式冷凍機１４と、を備える。予冷回路１２と機械式冷凍機１４によってＪＴ回路１０の予冷システムが構成される。また、極低温システム１００は、真空容器１６と、被冷却物１８を冷却する極低温冷却部２０と、を備える。なお、真空容器１６内には、被冷却物１８および極低温冷却部２０への輻射熱の入射を抑制するための輻射シールドが通例設置されるが、簡明化のために図示を省略している。

極低温システム１００には、第１ＪＴ冷凍機を構成する第１ＪＴ回路１０ａと、第２ＪＴ冷凍機を構成する第２ＪＴ回路１０ｂが設けられている。このように、極低温システム１００は、互いに分離されている複数のＪＴ回路１０を備え、それぞれがＪＴ冷凍機として独立に動作可能である。各ＪＴ回路１０は、極低温冷却部２０と冷媒との熱交換により極低温冷却部２０を冷却するよう構成されている。ＪＴ回路１０を循環する冷媒は、例えば、ヘリウム（ヘリウム３またはヘリウム４）である。

予冷回路１２は、第１ＪＴ回路１０ａを予冷する第１予冷ループ１２ａと、第２ＪＴ回路１０ｂを予冷する第２予冷ループ１２ｂと、第１予冷ループ１２ａと第２予冷ループ１２ｂを切り離し可能に相互接続する連結ライン１３と、を備える。すなわち、予冷回路１２は、複数の予冷ループを備え、複数のＪＴ回路１０はそれぞれが対応する予冷ループによって冷却される。予冷回路１２は、冷媒を循環させる循環ポンプ２６を予冷ループごとに備える。予冷回路１２を循環する冷媒は、例えば冷媒ガス（例えばヘリウム）である。なお、予冷回路１２とＪＴ回路１０は、互いに分離されており、予冷回路１２とＪＴ回路１０との間で冷媒が流れることはない。

複数の機械式冷凍機１４は、それぞれが対応する予冷ループを冷却する。この実施形態では、２台の機械式冷凍機１４が設けられ、一方が第１予冷ループ１２ａを循環する冷媒を冷却し、他方が第２予冷ループ１２ｂを循環する冷媒を冷却する。

ＪＴ回路１０、予冷回路１２、機械式冷凍機１４の例示的な構成は後述する。なお、複数のＪＴ回路１０は同様の構成を有するので、以下では第１ＪＴ回路１０ａの構成を主として説明し、第２ＪＴ回路１０ｂについては説明を適宜省略する。予冷回路１２についても、第１予冷ループ１２ａと第２予冷ループ１２ｂは同様の構成を有するので、以下では第１予冷ループ１２ａの構成を主として説明し、第２予冷ループ１２ｂについては説明を適宜省略する。複数の機械式冷凍機１４も、それぞれ同様の構成を有する。

真空容器１６は、クライオスタットなどの極低温真空容器であり、極低温システム１００を常温部２２と低温部２４に区分けする。すなわち、極低温システム１００の常温部２２は真空容器１６の外に配置され、極低温システム１００の低温部２４は真空容器１６の中に配置される。常温部２２は、例えば室温または約３００Ｋ程度の温度をとりうる。

一例として、被冷却物１８は、赤外線、サブミリ波、Ｘ線、またはその他の電磁波を検出する検出素子であり、こうした検出素子は、天文観測に使用される観測装置の構成要素である。被冷却物１８は、極低温冷却部２０と物理的に接触して熱的に結合し、または、伝熱部材を介して極低温冷却部２０と熱的に結合している。

極低温冷却部２０は、冷却ステージとも呼ばれる。図示されるように、極低温システム１００は、極低温冷却部２０として、ひとつの共通の冷却ステージを有してもよい。あるいは、極低温冷却部２０は、複数の冷却ステージを有してもよい。その場合、各ＪＴ回路１０についてそれぞれ冷却ステージが設けられてもよい。

極低温システム１００は、被冷却物１８とともに、例えば人工衛星などの宇宙機に搭載可能とされている。極低温システム１００は、被冷却物１８を備える地上設備に搭載されてもよい。極低温システム１００は、極低温環境が望まれる例えばセンサ、超伝導装置またはその他の被冷却物１８とともに宇宙機または地上設備に搭載されてもよい。

機械式冷凍機１４は、一例として、二段スターリング冷凍機である。機械式冷凍機１４は、圧縮機３０と、膨張機としての二段コールドヘッド３２と、圧縮機３０を二段コールドヘッド３２と接続する接続管３４と、を備える。接続管３４は、圧縮機３０と二段コールドヘッド３２との間で冷媒ガス（例えばヘリウムガス）を流通させるガス流路を提供する。二段コールドヘッド３２は、一段冷凍機ステージ３６と二段冷凍機ステージ３８とを備える。極低温システム１００の常温部２２は、圧縮機３０、二段コールドヘッド３２の室温部、および接続管３４を含み、極低温システム１００の低温部２４は、一段冷凍機ステージ３６および二段冷凍機ステージ３８を含む。

圧縮機３０は、冷媒ガスの圧力振動を生成するよう構成されている。生成された圧力振動は接続管３４を通じて二段コールドヘッド３２に伝達される。二段コールドヘッド３２は、圧縮機３０から伝達された圧力振動が二段コールドヘッド３２内に当該圧力振動と同一の周波数で位相差を有する圧力振動を誘起するよう構成されている。それにより、圧縮機３０と二段コールドヘッド３２との間に冷凍サイクル（具体的には、逆スターリングサイクル）が形成される。

このようにして、機械式冷凍機１４の一段冷凍機ステージ３６は、一段冷却温度に冷却され、二段冷凍機ステージ３８は、二段冷却温度に冷却される。機械式冷凍機１４の一段冷却温度は、例えば、５０Ｋ以上１５０Ｋ以下の温度範囲から選択される。一段冷却温度は、例えば８０Ｋ以上１２０Ｋ以下の温度範囲にあってもよい。二段冷却温度は一段冷却温度より低い。二段冷却温度は、例えば、４Ｋ以上２５Ｋ以下の温度範囲から選択される。二段冷却温度は、例えば１０Ｋ以上２０Ｋ以下の温度範囲にあってもよい。

なお、予冷回路１２と機械式冷凍機１４の冷媒循環とは互いに分離されており、機械式冷凍機１４から予冷回路１２へと冷媒ガスが流れることはない。同様に、ＪＴ回路１０と機械式冷凍機１４の冷媒循環とは互いに分離されており、機械式冷凍機１４からＪＴ回路１０へと冷媒ガスが流れることはない。

予冷回路１２に設けられる循環ポンプ２６は例えば、低温部２４から回収された冷媒ガスを例えば大気圧程度または数気圧程度に昇圧するように構成されている。循環ポンプ２６は、予冷回路１２において冷媒に生じる圧力損失を回復することができる。循環ポンプ２６は、前述の圧縮機３０に比べて低出力（例えば数Ｗ程度）のポンプであってもよい。循環ポンプ２６は、極低温システム１００の常温部２２に配置されている。

第１予冷ループ１２ａには、第１予冷熱交換器４０、一段予冷部４１、第２予冷熱交換器４２、二段予冷部４３、一段熱交換器４４、二段熱交換器４６が設けられている。これらは、真空容器１６の中に、すなわち極低温システム１００の低温部２４に配置されている。第１予冷ループ１２ａは、予冷供給ライン５０および予冷回収ライン５２をさらに備える。予冷供給ライン５０は、循環ポンプ２６の吐出側を二段熱交換器４６の供給側に接続し、予冷回収ライン５２は、二段熱交換器４６の回収側を循環ポンプ２６の吸入側に接続する。よって、予冷供給ライン５０および予冷回収ライン５２それぞれの一部は常温部２２に配置され、残りの部分は低温部２４に配置されている。

第１予冷熱交換器４０は、循環ポンプ２６から真空容器１６内に流入する高温（例えば常温、例えば約３００Ｋ）の冷媒ガスを冷却する。第２予冷熱交換器４２は、第１予冷熱交換器４０および一段予冷部４１により冷却され、一段熱交換器４４を経由した冷媒をさらに冷却する。

第１予冷熱交換器４０および第２予冷熱交換器４２は、一例として、対向流熱交換器である。予冷供給ライン５０が、第１予冷熱交換器４０および第２予冷熱交換器４２それぞれの供給側流路を有し、予冷回収ライン５２が、第１予冷熱交換器４０および第２予冷熱交換器４２それぞれの回収側流路を有する。各熱交換器において供給側流路と回収側流路との熱交換により、供給側流路を流れる冷媒を冷却することができる。

一段予冷部４１は、一段冷凍機ステージ３６に熱的に結合されている。一段予冷部４１を流れる冷媒は、一段冷凍機ステージ３６との熱交換により冷却される。予冷供給ライン５０において一段予冷部４１は、第１予冷熱交換器４０と一段熱交換器４４との間に配置されている。第１予冷ループ１２ａの一段熱交換器４４は、第１ＪＴ回路１０ａに熱的に結合されている。

二段予冷部４３は、二段冷凍機ステージ３８に熱的に結合されている。二段予冷部４３を流れる冷媒は、二段冷凍機ステージ３８により冷却される。予冷供給ライン５０において二段予冷部４３は、第２予冷熱交換器４２と二段熱交換器４６との間に配置されている。第１予冷ループ１２ａの二段熱交換器４６は、第１ＪＴ回路１０ａに熱的に結合されている。

同様に、第２予冷ループ１２ｂは、循環ポンプ２６および機械式冷凍機１４を備える。機械式冷凍機１４は、圧縮機３０、二段コールドヘッド３２、接続管３４を備える。二段コールドヘッド３２は、一段冷凍機ステージ３６および二段冷凍機ステージ３８を備える。また、第２予冷ループ１２ｂは、第１予冷熱交換器４０、一段予冷部４１、第２予冷熱交換器４２、二段予冷部４３、一段熱交換器４４、二段熱交換器４６、予冷供給ライン５０、および予冷回収ライン５２を備える。第２予冷ループ１２ｂの一段熱交換器４４および二段熱交換器４６は、第２ＪＴ回路１０ｂに熱的に結合されている。

ＪＴ回路１０および予冷回路１２の配管は、たとえば、機械式冷凍機１４の冷凍機ステージの材料の熱伝導率より低い熱伝導率を有する材料で形成される。冷凍機ステージは通例、銅で形成されるので、こうした配管は、例えばステンレス製であってもよい。ＪＴ回路１０（さらには極低温冷却部２０）への配管を通じた熱伝導による熱侵入を低減することができる。

また、予冷回路１２は、少なくとも極低温システム１００の低温部２４において、フレキシブル管で形成されてもよい。たとえば、第１予冷熱交換器４０（または一段予冷部４１）から一段熱交換器４４への配管、一段熱交換器４４から第２予冷熱交換器４２への配管、第２予冷熱交換器４２（または二段予冷部４３）から二段熱交換器４６への配管、二段熱交換器４６から第２予冷熱交換器４２への戻り配管のうち少なくとも１つがフレキシブル管であってもよい。

このようにすれば、機械式冷凍機１４の冷凍機ステージからＪＴ回路１０（さらには極低温冷却部２０）への予冷回路１２を通じた熱伝導による熱侵入を低減することができる。それとともに、機械式冷凍機１４からＪＴ回路１０（さらには極低温冷却部２０）への振動伝達も抑制することができる。

また、極低温システム１００の様々な構成要素を配管で接続することは、構成要素の配置場所の自由度を高めることにつながる。これは、常温部２２から極低温冷却部２０までの距離が大きくなる大型の極低温システムにおいて、有利である。

なお、一段熱交換器４４および二段熱交換器４６をはじめとして、ＪＴ回路１０および予冷回路１２に設置される熱交換器は、高温側流路と低温側流路との間の熱交換を促進するために、冷凍機ステージと同様にたとえば銅などの熱伝導に優れる材料で形成されてもよい。

予冷回路１２には、一群のバルブ（Ｖ１〜Ｖ６）からなる流路切替装置が設けられている。この流路切替装置は、予冷回路１２における複数の予冷ループどうしの連結、非連結を切り替えるように構成されている。

第１予冷ループ１２ａは、一組の循環ポンプ遮断弁（Ｖ１、Ｖ２）を備える。第１バルブＶ１が予冷回収ライン５２に設けられ、第２バルブＶ２が予冷供給ライン５０に設けられている。図示される例では、２つの循環ポンプ遮断弁（Ｖ１、Ｖ２）が循環ポンプ２６の上流側と下流側にそれぞれ設けられている。これは、２つの弁のうち一方が故障により閉鎖されない場合に、他方の弁を閉じることによって、循環ポンプ２６を遮断することができ、冗長性の観点から有利である。しかし、循環ポンプ遮断弁は１つだけであってもよく、その場合、循環ポンプ遮断弁（Ｖ１、Ｖ２）のいずれか一方のみが設けられてもよい。同様に、第２予冷ループ１２ｂも、一組の循環ポンプ遮断弁（Ｖ５、Ｖ６）を備える。

循環ポンプ遮断弁（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ５、Ｖ６）は、連結ライン１３の非連結状態では開放される。循環ポンプ遮断弁（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ５、Ｖ６）は、連結ライン１３の連結状態では閉鎖されうる。連結ライン１３の非連結状態および連結状態の詳細は後述する。

連結ライン１３は、非連結状態から連結状態に切替可能に構成されている。連結ライン１３は、非連結状態では各予冷ループの循環ポンプ２６が当該予冷ループについて冷媒を循環させるように複数の予冷ループを相互に切り離す。一方、連結ライン１３は、連結状態では少なくとも１つの予冷ループの循環ポンプ２６が他の少なくとも１つの予冷ループについても冷媒を循環させるように複数の予冷ループを連結する。連結ライン１３は、連結状態から非連結状態に戻すこともできる。

連結ライン１３は、２つの予冷ループをつなぐ連結流路と、連結流路に設けられ、非連結状態では閉鎖され連結状態では開放される連結用開閉弁（Ｖ３、Ｖ４）を備える。連結用開閉弁（Ｖ３、Ｖ４）の開閉という比較的簡単な構成によって、連結ライン１３の連結状態と非連結状態を切り替えることができる。

より具体的には、連結ライン１３は、２つの予冷ループの予冷供給ライン５０どうしをつなぐ供給側連結流路１３ａと、２つの予冷ループの予冷回収ライン５２どうしをつなぐ回収側連結流路１３ｂと、を備える。供給側連結流路１３ａは、第２バルブＶ２（第６バルブＶ６）と第１予冷熱交換器４０の供給側流路との間で予冷供給ライン５０に合流する。回収側連結流路１３ｂは、第１バルブＶ１（第５バルブＶ５）と第１予冷熱交換器４０の回収側流路との間で予冷回収ライン５２に合流する。

供給側連結流路１３ａには第３バルブＶ３が設けられ、回収側連結流路１３ｂには第４バルブＶ４が設けられている。第３バルブＶ３および第４バルブＶ４はともに、非連結状態では閉鎖され連結状態では開放される。

流路切替装置（Ｖ１〜Ｖ６）は、極低温システム１００の常温部２２に配置されている。そのため、流路切替装置には、常温下で動作信頼性が保証された汎用の部品を採用することができる。そうした汎用部品は極低温環境での信頼性が保証された部品に比べて安価に入手することができる。なお、可能とされる場合には、流路切替装置（Ｖ１〜Ｖ６）の少なくとも一部が極低温システム１００の低温部２４に配置されてもよい。

予冷回路１２および連結ライン１３に設けられた各開閉弁（Ｖ１〜Ｖ６）は、開放されているとき当該開閉弁を冷媒が流れることができるが、閉鎖されているときは当該開閉弁を冷媒が流れることができない。各開閉弁（Ｖ１〜Ｖ６）は、電磁式、機械式、手動またはその他の駆動方式の開閉弁であってもよい。

第１ＪＴ回路１０ａは、上述の一段熱交換器４４および二段熱交換器４６に加えて、ＪＴ圧縮システム５６、ＪＴ熱交換器群５８、ＪＴバルブ６０、冷却ステージ熱交換器６１、およびこれら構成要素を接続するＪＴ循環ライン６２を備える。一段熱交換器４４および二段熱交換器４６は、一例として、対向流熱交換器である。ＪＴ熱交換器群５８は、一連の対向流熱交換器（５８ａ〜５８ｃ）からなる。ＪＴ循環ライン６２は、ＪＴ圧縮システム５６の吐出側を冷却ステージ熱交換器６１の供給側に接続するＪＴ供給ライン６２ａと、冷却ステージ熱交換器６１の回収側をＪＴ圧縮システム５６の吸入側に接続するＪＴ回収ライン６２ｂと、を備える。

ＪＴ圧縮システム５６は、ＪＴ回収ライン６２ｂから回収される冷媒ガスを昇圧してＪＴ供給ライン６２ａに送出するよう構成されている。ＪＴ圧縮システム５６は、ＪＴ循環ライン６２において冷媒を循環させる冷媒源として働く。ＪＴ圧縮システム５６は、真空容器１６の外、すなわち極低温システム１００の常温部２２に配置されている。一例として、ＪＴ圧縮システム５６は、直列に接続された低圧段の圧縮機および高圧段の圧縮機を有する二段の圧縮構成を備える。ＪＴ供給ライン６２ａからＪＴ圧縮システム５６には、例えば大気圧程度の低圧の冷媒ガスが回収される。ＪＴ圧縮システム５６は、回収された冷媒ガスを例えば数十気圧程度に昇圧し、ＪＴ供給ライン６２ａに送出する。

ＪＴ循環ライン６２においてＪＴ熱交換器群５８は、ＪＴ圧縮システム５６と冷却ステージ熱交換器６１の間に配置されている。ＪＴ熱交換器群５８は、第１ＪＴ熱交換器５８ａ、第２ＪＴ熱交換器５８ｂ、および第３ＪＴ熱交換器５８ｃを有する三段構成を備える。第１ＪＴ熱交換器５８ａは、真空容器１６の外から真空容器１６内に流入する高温（例えば常温、例えば約３００Ｋ）の冷媒ガスを冷却する。第２ＪＴ熱交換器５８ｂは、第１ＪＴ熱交換器５８ａおよび一段熱交換器４４により冷却された冷媒をさらに冷却する。第３ＪＴ熱交換器５８ｃは、第２ＪＴ熱交換器５８ｂおよび二段熱交換器４６により冷却された冷媒をさらに冷却する。ＪＴ熱交換器群５８は、その他の多段構成を有してもよい。

ＪＴ供給ライン６２ａが、第１ＪＴ熱交換器５８ａ、第２ＪＴ熱交換器５８ｂ、および第３ＪＴ熱交換器５８ｃそれぞれの高圧側流路を有し、ＪＴ回収ライン６２ｂが、第１ＪＴ熱交換器５８ａ、第２ＪＴ熱交換器５８ｂ、および第３ＪＴ熱交換器５８ｃそれぞれの低圧側流路を有する。各熱交換器において高圧側流路と低圧側流路との熱交換により、高圧側流路を流れる冷媒を冷却することができる。高圧側流路、低圧側流路はそれぞれ、高温側流路、低温側流路と呼ぶこともできる。

一段熱交換器４４は、ＪＴ供給ライン６２ａにおいて第１ＪＴ熱交換器５８ａと第２ＪＴ熱交換器５８ｂとの間に配置されている。一段熱交換器４４は、一段予冷部４１によって冷却された冷媒とＪＴ供給ライン６２ａとの熱交換により、ＪＴ供給ライン６２ａを冷却することができる。

二段熱交換器４６は、ＪＴ供給ライン６２ａにおいて第２ＪＴ熱交換器５８ｂと第３ＪＴ熱交換器５８ｃとの間に配置されている。二段熱交換器４６は、二段予冷部４３によって冷却された冷媒とＪＴ供給ライン６２ａとの熱交換により、ＪＴ供給ライン６２ａをさらに冷却することができる。

ＪＴ供給ライン６２ａにおいてＪＴバルブ６０は、ＪＴ熱交換器群５８の最終段の熱交換器（本例では第３ＪＴ熱交換器５８ｃ）と冷却ステージ熱交換器６１との間に配置されている。ＪＴバルブ６０は、例えば、固定オリフィスである。冷却ステージ熱交換器６１は、極低温冷却部２０に熱的に結合されている。冷却ステージ熱交換器６１を流れる冷媒は、極低温冷却部２０を冷却する。

同様に、第２ＪＴ回路１０ｂは、一段熱交換器４４および二段熱交換器４６に加えて、ＪＴ圧縮システム５６、ＪＴ熱交換器群５８（５８ａ〜５８ｃ）、ＪＴバルブ６０、冷却ステージ熱交換器６１、およびこれら構成要素を接続するＪＴ循環ライン６２（６２ａ、６２ｂ）を備える。

なお、ＪＴ回路１０は、上述の具体的構成には限られず、種々の典型的な構成を適宜採用することができる。

図２は、第１実施形態に係る極低温システム１００の例示的な故障モードと流路切替状態との関係を説明する表である。各開閉弁（Ｖ１〜Ｖ６）の開閉状態が、いくつかの故障モードそれぞれに対応して示されている。表において「ｏｐｅｎ」は開閉弁が開いていることを表し、「ｃｌｏｓｅ」は開閉弁が閉じていることを表す。

図２には、極低温システム１００の正常運転と、４つの故障モードが例示されている。「正常運転」は、極低温システム１００に設けられたどの循環ポンプ２６および機械式冷凍機１４にも故障がなく正常に運転していることを表す。「ＳＴ１故障」は、第１予冷ループ１２ａの機械式冷凍機１４が故障していることを表し、「ＳＴ２故障」は、第２予冷ループ１２ｂの機械式冷凍機１４が故障していることを表す。「Ｐ１故障」は、第１予冷ループ１２ａの循環ポンプ２６が故障していることを表し、「Ｐ２故障」は、第２予冷ループ１２ｂの循環ポンプ２６が故障していることを表す。

一段冷凍機ステージ３６と二段冷凍機ステージ３８の少なくとも一方には通例、冷凍機ステージの温度を測定する温度センサ６４が設置されているので、温度センサ６４の測定結果から機械式冷凍機１４が故障しているか否かを判別することができる。予冷回路１２には冷媒の圧力を測定する圧力センサ（及び／または冷媒の流量を測定する流量センサ）などの冷媒センサ６６が通例設置されているので、冷媒センサ６６の測定結果から循環ポンプ２６が故障しているか否かを判別することができる。

図２において「正常運転」の欄に示されるように、故障や異常なく極低温システム１００が正常に運転している場合には、循環ポンプ遮断弁（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ５、Ｖ６）はすべて開放され、連結用開閉弁（Ｖ３、Ｖ４）はともに閉鎖されている。これが、連結ライン１３の非連結状態である。この開閉状態を各開閉弁（Ｖ１〜Ｖ６）のノミナルとしてもよい。すなわち、循環ポンプ遮断弁（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ５、Ｖ６）は、ノーマルオープンの弁であり、連結用開閉弁（Ｖ３、Ｖ４）は、ノーマルクローズの弁であってもよい。このようにすれば、各開閉弁（Ｖ１〜Ｖ６）が初期状態として正常運転の開閉状態をとることが保証される。

したがって、連結ライン１３の非連結状態においては、図１に矢印で示されるように、第１予冷ループ１２ａの循環ポンプ２６が第１予冷ループ１２ａにおいて冷媒を循環させ、第２予冷ループ１２ｂの循環ポンプ２６が第２予冷ループ１２ｂにおいて冷媒を循環させる。連結ライン１３には冷媒が流れず、第１予冷ループ１２ａと第２予冷ループ１２ｂとの間で冷媒は相互に流通しない。このようにして、複数の予冷ループは相互に独立して運転される。

極低温システム１００の正常運転においては、各予冷ループにおいて循環ポンプ２６から予冷供給ライン５０に送出された冷媒は、真空容器１６内へと流入し、最初に第１予冷熱交換器４０の供給側流路に供給される。第１予冷熱交換器４０の供給側流路を流れる冷媒は、第１予冷熱交換器４０の回収側流路を流れる戻りの冷媒と熱交換して冷却される。第１予冷熱交換器４０で冷却された冷媒は予冷供給ライン５０を通じて一段予冷部４１に流入する。

冷媒は一段予冷部４１において一段冷凍機ステージ３６によって冷却され、一段熱交換器４４に供給される。冷媒は一段熱交換器４４から第２予冷熱交換器４２の供給側流路へ送り込まれる。第２予冷熱交換器４２の供給側流路を流れる冷媒は、第２予冷熱交換器４２の回収側流路を流れる戻りの冷媒と熱交換して冷却される。第２予冷熱交換器４２で冷却された冷媒は予冷供給ライン５０を通じて二段予冷部４３に流入する。

冷媒は二段予冷部４３において二段冷凍機ステージ３８によって冷却され、二段熱交換器４６に供給される。冷媒は二段熱交換器４６から予冷回収ライン５２に流れる。冷媒は、予冷回収ライン５２を、第２予冷熱交換器４２、第１予冷熱交換器４０の順に流れる。戻りの冷媒は上述のように、各熱交換器（４２、４０）にて、予冷供給ライン５０を流れる冷媒を冷却しながら昇温される。こうして常温に戻った冷媒は真空容器１６を出て循環ポンプ２６に回収され、再び送出される。このようにして、正常運転時には各予冷ループが個別に動作する。

一方、第１ＪＴ回路１０ａおよび第２ＪＴ回路１０ｂにおいては、以下のようにＪＴ循環ライン６２を冷媒が流れる。ＪＴ圧縮システム５６で圧縮された高圧冷媒は、最初に第１ＪＴ熱交換器５８ａの高圧側流路に供給される。第１ＪＴ熱交換器５８ａの高圧側流路を流れる高圧冷媒は、第１ＪＴ熱交換器５８ａの低圧側流路を流れる戻りの低圧冷媒と熱交換して冷却される。第１ＪＴ熱交換器５８ａで冷却された高圧冷媒はＪＴ供給ライン６２ａを通じて一段熱交換器４４に流入する。

一段熱交換器４４において、ＪＴ供給ライン６２ａの高圧冷媒は、一段予冷部４１で冷却された予冷回路１２の冷媒との熱交換により冷却され、第２ＪＴ熱交換器５８ｂの高圧側流路へ送り込まれる。第２ＪＴ熱交換器５８ｂの高圧側流路を流れる高圧冷媒は、第２ＪＴ熱交換器５８ｂの低圧側流路を流れる戻りの低圧冷媒と熱交換して冷却される。第２ＪＴ熱交換器５８ｂで冷却された高圧冷媒はＪＴ供給ライン６２ａを通じて二段熱交換器４６に流入する。

二段熱交換器４６において、ＪＴ供給ライン６２ａの高圧冷媒は、二段予冷部４３で冷却された予冷回路１２の冷媒との熱交換により冷却され、第３ＪＴ熱交換器５８ｃの高圧側流路へ送り込まれる。第３ＪＴ熱交換器５８ｃの高圧側流路を流れる高圧冷媒は、第３ＪＴ熱交換器５８ｃの低圧側流路を流れる戻りの低圧冷媒と熱交換して冷却される。こうして、高圧冷媒は、ジュール・トムソン効果が期待される温度以下まで冷却され、ＪＴバルブ６０へと送られる。

この冷却された高圧冷媒は、ＪＴバルブ６０を通過するとき、ジュール・トムソン効果によりミスト状の気液混合状態の低圧冷媒となり、液化冷媒の温度域での冷却能力を発生させる。ミスト状低圧冷媒は冷却ステージ熱交換器６１に送られる。上述のように冷媒がヘリウムである場合、冷却ステージ熱交換器６１を液体ヘリウム温度域に冷却し、それにより極低温冷却部２０を当該温度に冷却することができる。

冷却ステージ熱交換器６１を冷却する際にミスト状低圧冷媒は蒸発し再び気化する。ＪＴバルブ６０において未液化の冷媒および蒸発により気化した冷媒は、第３ＪＴ熱交換器５８ｃの低圧側流路に戻される。低圧冷媒は、ＪＴ回収ライン６２ｂを、第２ＪＴ熱交換器５８ｂ、第１ＪＴ熱交換器５８ａの順に流れる。このとき低圧冷媒は上述のように、各熱交換器（５８ｃ、５８ｂ、５８ａ）にて高圧冷媒を冷却しながら昇温される。こうして常温に戻った低圧冷媒は真空容器１６を出てＪＴ圧縮システム５６に回収され、再び圧縮される。

このようにして、極低温システム１００は、機械式冷凍機１４の二段冷却温度よりも低い温度、例えば４Ｋ未満（例えば１Ｋ〜４Ｋ）の所望の温度に極低温冷却部２０および被冷却物１８を冷却することができる。

図２に示されるように、ＳＴ１故障、ＳＴ２故障の場合にも連結ライン１３は非連結状態をとる。ただし、これらの場合には、正常運転とは異なり、故障した機械式冷凍機１４が属する予冷ループでは冷媒を循環させる必要が無い。よって、ＳＴ１故障の場合には、第１予冷ループ１２ａの循環ポンプ２６が運転停止され、ＳＴ２故障の場合には、第２予冷ループ１２ｂの循環ポンプ２６が運転停止される。このように、故障した機械式冷凍機１４が属する予冷ループの循環ポンプ２６が停止され、他の予冷ループについては循環ポンプ２６が運転継続される。

なお、ＳＴ１故障の場合、第１予冷ループ１２ａの循環ポンプ２６の運転停止とともに、第１予冷ループ１２ａの循環ポンプ遮断弁（Ｖ１、Ｖ２）が閉鎖されてもよい。同様に、ＳＴ２故障の場合、第２予冷ループ１２ｂの循環ポンプ２６の運転停止とともに、第２予冷ループ１２ｂの循環ポンプ遮断弁（Ｖ５、Ｖ６）が閉鎖されてもよい。このようにすれば、故障した循環ポンプ２６を通過して流れうる冷媒ガスを確実に遮断することができる。

ＳＴ１故障、ＳＴ２故障の場合、機械式冷凍機１４はもはや冷却をすることができない。機械式冷凍機１４は、常温部２２から冷凍機ステージへの伝熱経路となる。故障した機械式冷凍機１４は、熱侵入源であるとも言える。常温部２２から機械式冷凍機１４の構造部材（例えばシリンダ、ディスプレーサなど）を通じて一段冷凍機ステージ３６および二段冷凍機ステージ３８へと熱伝導により熱が侵入する。その結果、一段冷凍機ステージ３６および二段冷凍機ステージ３８の温度は常温へと徐々に高まっていく。仮に、極低温冷却部２０が冷凍機ステージに直接取り付けられていたとすると、機械式冷凍機１４の故障に起因して、冷凍機ステージとともに極低温冷却部２０も昇温してしまう。極低温システム１００の冷却能力が低下し、最終的には被冷却物１８の冷却維持も困難となりうる。

ところが、本実施形態においては、機械式冷凍機１４の冷凍機ステージは、ＪＴ回路１０および極低温冷却部２０から物理的に離れている。機械式冷凍機１４は、予冷回路１２を介して間接的にＪＴ回路１０に熱的に結合されるにすぎない。ＳＴ１故障、ＳＴ２故障の場合、一段冷凍機ステージ３６および二段冷凍機ステージ３８から一段熱交換器４４および二段熱交換器４６へと熱伝導により伝わる熱量は限定的である。そのうえ、一段熱交換器４４および二段熱交換器４６もまた、熱伝導の経路としてはＪＴ回路１０（ＪＴ循環ライン６２）を介して極低温冷却部２０に接続されているにすぎない。そのため、複数の機械式冷凍機１４のうちいずれかの機械式冷凍機１４が故障したとしても、その故障した機械式冷凍機１４から極低温冷却部２０への熱侵入は顕著に抑制される。事実上、極低温システム１００は、故障した機械式冷凍機１４を極低温システム１００から熱的に切り離すことができる。正常な他の機械式冷凍機１４、予冷回路１２、およびＪＴ回路１０を利用して、極低温冷却部２０および被冷却物１８の極低温冷却を継続することができる。

また、一般に、既存のＪＴ冷凍機は、予冷手段として機械式冷凍機のみを有する。ＪＴ冷凍機が機械式冷凍機の冷凍機ステージと直接的に熱的に結合されるので、機械式冷凍機の故障時のＪＴ冷凍機への熱侵入が大きくなりがちである。こうした既存方式では、本発明者の試算によると、図１のような２系統のＪＴ冷凍機について冗長性を確保するためには、少なくとも３台の機械式冷凍機が必要とされうる。いいかえれば、１台の機械式冷凍機が故障したとき、故障した冷凍機の冷凍能力がシステム全体から失われるだけでなく、故障した冷凍機を伝熱経路とする熱伝導による熱侵入にも対処しなければならず、そのためには、少なくとも２台の正常な冷凍機が必要とされうる。

これに対して、本実施形態においては、上述のように、故障した機械式冷凍機１４から極低温冷却部２０への熱侵入は顕著に抑制される。本発明者の試算によると、図１のような２系統のＪＴ冷凍機をもつＪＴ回路１０について２台の機械式冷凍機１４によって冗長性を確保することができる。すなわち、１台の機械式冷凍機１４が故障したとき、正常な残りの１台の機械式冷凍機１４を用いて、極低温システム１００の冷却運転を継続することができる。

さらに、図２に示されるように、Ｐ１故障の場合には、故障している循環ポンプ２６が属する第１予冷ループ１２ａの循環ポンプ遮断弁（Ｖ１、Ｖ２）が閉鎖され、連結用開閉弁（Ｖ３、Ｖ４）がともに開放される。正常な循環ポンプ２６が属する第２予冷ループ１２ｂの循環ポンプ遮断弁（Ｖ５、Ｖ６）は開放されている。また、Ｐ２故障の場合には、故障している循環ポンプ２６が属する第２予冷ループ１２ｂの循環ポンプ遮断弁（Ｖ５、Ｖ６）が閉鎖され、連結用開閉弁（Ｖ３、Ｖ４）はともに開放されている。正常な循環ポンプ２６が属する第１予冷ループ１２ａの循環ポンプ遮断弁（Ｖ１、Ｖ２）は開放されている。これらが連結ライン１３の連結状態にあたる。

図３には、連結ライン１３の連結状態における冷媒の流れを矢印で示す。一例として、Ｐ２故障、すなわち第２予冷ループ１２ｂの循環ポンプ２６が故障している場合が示される。よって、第１予冷ループ１２ａの循環ポンプ２６は正常に運転しているが、第２予冷ループ１２ｂの循環ポンプ２６は運転していない。図示されるように、第１予冷ループ１２ａの循環ポンプ２６が、第１予冷ループ１２ａと第２予冷ループ１２ｂの両方において冷媒を循環させる。第１予冷ループ１２ａについては正常時と同様に冷媒が循環する。

第２予冷ループ１２ｂについては、第１予冷ループ１２ａの予冷供給ライン５０から第２予冷ループ１２ｂの予冷供給ライン５０へと供給側連結流路１３ａを通じて冷媒が供給される。第２予冷ループ１２ｂについても正常時と同様に、一段熱交換器４４および二段熱交換器４６に冷媒が供給される。第２予冷ループ１２ｂの予冷回収ライン５２から第１予冷ループ１２ａの予冷回収ライン５２へと回収側連結流路１３ｂを通じて冷媒は戻り、第１予冷ループ１２ａの循環ポンプ２６に回収される。第２予冷ループ１２ｂの循環ポンプ遮断弁（Ｖ５、Ｖ６）が閉鎖されているので、第２予冷ループ１２ｂでの逆流は防止される。

Ｐ１故障の場合には、第２予冷ループ１２ｂの循環ポンプ２６が、第１予冷ループ１２ａと第２予冷ループ１２ｂの両方において冷媒を循環させることができる。

予冷回路１２にはＪＴ回路１０のＪＴバルブ６０のような流路抵抗の大きい要素がない。そのため、予冷回路１２は全体として圧力損失が小さく、循環ポンプ２６のように消費電力が比較的小さい小型のポンプで冷媒ガスを循環させることができる。

このようにして、ある予冷ループの循環ポンプ２６の故障時に、別の予冷ループの正常な循環ポンプ２６を使ってそれら複数の予冷ループを動作させることができる。それにより、極低温システム１００は、ＪＴ回路１０を予冷することができる。いずれかの循環ポンプ２６が故障しても、極低温システム１００の冷却運転を継続することができる。

以上説明したように、第１実施形態に係る極低温システム１００によれば、複数の故障モードそれぞれに応じた形で、極低温システム１００の冷却運転を継続することができる。

極低温システム１００は、種々の拡張が可能である。たとえば、極低温システム１００は、２つより多数のＪＴ回路（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、・・・）を備えてもよい。予冷回路１２は、これら多数のＪＴ回路を予冷するように構成されてもよい。予冷回路１２は、２つより多数の予冷ループ（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、・・・）を備え、２つより多数のＪＴ回路はそれぞれが対応する予冷ループによって冷却されてもよい。極低温システム１００は、予冷回路１２を冷却するために、２つより多数の機械式冷凍機１４を備えてもよい。複数の機械式冷凍機１４は、それぞれが対応する予冷ループ（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、・・・）を冷却してもよい。

図４は、第１実施形態に係る極低温システム１００の変形例を概略的に示す図である。冗長性を高める観点から、供給側連結流路１３ａに配置される第３バルブＶ３は、複数（たとえば２つ）の並列配置の弁でもよい。同様に、回収側連結流路１３ｂに配置される第４バルブＶ４は、複数（たとえば２つ）の並列配置の弁でもよい。このようにすれば、２つの並列な弁のうち一方が開けば、他方の弁が故障により閉じたままであっても、連結ライン１３を非連結状態から連結状態に切り替えることができる。

図５は、第２実施形態に係る極低温システム２００を概略的に示す図である。図６は、第２実施形態に係る極低温システムの例示的な故障モードと流路切替状態との関係を説明する表である。第２実施形態に係る極低温システム２００は、ＪＴ回路と予冷回路の接続に関して、第１実施形態に係る極低温システム１００と相違し、その余については概ね共通する。以下では、相違する構成を中心に説明し、共通する構成については簡単に説明するか、あるいは説明を省略する。

極低温システム２００は、ＪＴ回路１０と、ＪＴ回路１０を予冷する冷媒循環式の予冷回路１２と、予冷回路１２を冷却することによってＪＴ回路１０を間接的に冷却する複数の機械式冷凍機１４と、を備える。また、極低温システム２００は、真空容器１６と、被冷却物１８を冷却する極低温冷却部２０と、を備える。

ＪＴ回路１０は、極低温システム２００の低温部２４に設置される構成要素として、ＪＴ熱交換器群５８（５８ａ、５８ｂ、５８ｃ）、ＪＴバルブ６０、冷却ステージ熱交換器６１、およびこれら構成要素を接続するＪＴ循環ライン６２（６２ａ、６２ｂ）を備える。また、ＪＴ回路１０は、予冷回路１２によってＪＴ回路１０を予冷するために一段熱交換器４４および二段熱交換器４６を備える。第１実施形態では、互いに分離された複数のＪＴ回路（１０ａ、１０ｂ）が並列に設けられているが、第２実施形態では、１つのＪＴ回路が設けられている。なお、必要とされる場合には、第２実施形態においても、複数のＪＴ回路が設けられてもよい。

この実施形態においては、ＪＴ回路１０は、極低温システム２００の常温部２２に、複数のＪＴ圧縮機システム、たとえば、第１ＪＴ圧縮機５６ａおよび第２ＪＴ圧縮機５６ｂを備える。第１ＪＴ圧縮機５６ａと第２ＪＴ圧縮機５６ｂは、並列に設けられている。ＪＴ供給ライン６２ａは、第１接続点７２で分岐して第１ＪＴ圧縮機５６ａおよび第２ＪＴ圧縮機５６ｂそれぞれの吐出側へと接続されている。ＪＴ回収ライン６２ｂは、第２接続点７３で分岐して第１ＪＴ圧縮機５６ａおよび第２ＪＴ圧縮機５６ｂそれぞれの回収側へと接続されている。

第１ＪＴ圧縮機５６ａは、一例として、前段圧縮機７０および後段圧縮機７１を有し、これらは直列に接続されている。前段圧縮機７０には、ＪＴ回収ライン６２ｂから、例えば大気圧程度の低圧の冷媒ガスが回収される。前段圧縮機７０は、回収された冷媒ガスを例えば数気圧程度に昇圧することができる。後段圧縮機７１は、前段圧縮機７０により昇圧された冷媒ガスを例えば数十気圧程度に昇圧することができる。こうして得られた高圧の冷媒ガスは、後段圧縮機７１から、ＪＴ供給ライン６２ａに送出される。同様に、第２ＪＴ圧縮機５６ｂも二段の圧縮構成を有し、直列に接続された前段圧縮機７０および後段圧縮機７１を備える。第１ＪＴ圧縮機５６ａおよび第２ＪＴ圧縮機５６ｂは、その他の多段圧縮構成を有してもよいし、単段の圧縮構成を有してもよい。

第１実施形態に係る極低温システム１００では、ＪＴ回路１０と予冷回路１２が完全に分離されているのに対し、第２実施形態に係る極低温システム２００は、ＪＴ回路１０を予冷回路１２に接続する流路切替装置（Ｖ１〜Ｖ１２）を備える。詳細は後述するが、流路切替装置は、第１ＪＴ圧縮機５６ａでＪＴ回路１０を動作させ第２ＪＴ圧縮機５６ｂで予冷回路１２を動作させる第１状態と、第２ＪＴ圧縮機５６ｂでＪＴ回路１０を動作させ第１ＪＴ圧縮機５６ａで予冷回路１２を動作させる第２状態とを切り替えるように構成されている。

予冷回路１２は、ＪＴ回路１０を予冷する第１予冷ループ１２ａおよび第２予冷ループ１２ｂと、第１予冷ループ１２ａと第２予冷ループ１２ｂを相互接続する連結ライン１３（１３ａ、１３ｂ）を備える。第２実施形態では、第１実施形態と異なり、予冷回路１２において冷媒を循環させるための専用の循環ポンプは設けられていない。予冷回路１２の冷媒循環には、第１ＪＴ圧縮機５６ａまたは第２ＪＴ圧縮機５６ｂのいずれかが用いられる。

第１予冷ループ１２ａは、上述の一段熱交換器４４および二段熱交換器４６に加えて、第１予冷熱交換器４０、一段予冷部４１、第２予冷熱交換器４２、二段予冷部４３を備え、これらは極低温システム２００の低温部２４に配置されている。第１予冷ループ１２ａは、予冷供給ライン５０および予冷回収ライン５２をさらに備える。第１予冷ループ１２ａの予冷供給ライン５０は、第１ＪＴ圧縮機５６ａの吐出側を第１予冷ループ１２ａの二段熱交換器４６の供給側に接続する。第１予冷ループ１２ａの予冷回収ライン５２は、第１予冷ループ１２ａの二段熱交換器４６の回収側を第１ＪＴ圧縮機５６ａの吸入側に接続する。第１ＪＴ圧縮機５６ａの吐出側で予冷供給ライン５０から、ＪＴ供給ライン６２ａが分岐している（第３接続点７４）。第３接続点７４は、第１接続点７２よりも上流側にある（すなわち第１ＪＴ圧縮機５６ａの吐出側に近い）。また、ＪＴ回収ライン６２ｂが、第１ＪＴ圧縮機５６ａの回収側で予冷回収ライン５２に合流している（第４接続点７５）。第４接続点７５は、第２接続点７３よりも下流側にある（すなわち第１ＪＴ圧縮機５６ａの回収側に近い）。

第２予冷ループ１２ｂも同様の構成要素を有する。ただし、第２予冷ループ１２ｂの予冷供給ライン５０は、第２ＪＴ圧縮機５６ｂの吐出側を第２予冷ループ１２ｂの二段熱交換器４６の供給側に接続する。第２予冷ループ１２ｂの予冷回収ライン５２は、第２予冷ループ１２ｂの二段熱交換器４６の回収側を第２ＪＴ圧縮機５６ｂの吸入側に接続する。第２ＪＴ圧縮機５６ｂの吐出側で予冷供給ライン５０から、ＪＴ供給ライン６２ａが分岐している（第５接続点７６）。第５接続点７６は、第１接続点７２よりも上流側にある（すなわち第２ＪＴ圧縮機５６ｂの吐出側に近い）。また、ＪＴ回収ライン６２ｂが、第２ＪＴ圧縮機５６ｂの回収側で予冷回収ライン５２に合流している（第６接続点７７）。第６接続点７７は、第２接続点７３よりも下流側にある（すなわち第２ＪＴ圧縮機５６ｂの回収側に近い）。

供給側連結流路１３ａは、第２予冷ループ１２ｂの予冷供給ライン５０から分岐し（第７接続点７８）、第１予冷ループ１２ａの予冷供給ライン５０に合流する（第８接続点７９）。第７接続点７８は、第２予冷ループ１２ｂの予冷供給ライン５０上で第５接続点７６よりも下流側にある。第８接続点７９は、第１予冷ループ１２ａの予冷供給ライン５０上で第３接続点７４よりも下流側にある。また、回収側連結流路１３ｂは、第１予冷ループ１２ａの予冷回収ライン５２から分岐し（第９接続点８０）、第２予冷ループ１２ｂの予冷回収ライン５２に合流する（第１０接続点８１）。第９接続点８０は、第１予冷ループ１２ａの予冷回収ライン５２上で第４接続点７５よりも上流側にある。第１０接続点８１は、第２予冷ループ１２ｂの予冷回収ライン５２上で第６接続点７７よりも上流側にある。

複数の機械式冷凍機１４は、それぞれが対応する予冷ループを冷却する。この実施形態では、２台の機械式冷凍機１４が設けられ、一方が第１予冷ループ１２ａを循環する冷媒を冷却し、他方が第２予冷ループ１２ｂを循環する冷媒を冷却する。機械式冷凍機１４は、一例として、二段スターリング冷凍機である。機械式冷凍機１４は、圧縮機３０と、膨張機としての二段コールドヘッド３２と、圧縮機３０を二段コールドヘッド３２と接続する接続管３４と、を備える。二段コールドヘッド３２は、一段冷凍機ステージ３６と二段冷凍機ステージ３８とを備える。なお、機械式冷凍機１４の内部の冷媒循環は、ＪＴ回路１０および予冷回路１２から分離されており、機械式冷凍機１４からＪＴ回路１０（または予冷回路１２）へと冷媒ガスが流れることはない。

一段冷凍機ステージ３６と二段冷凍機ステージ３８の少なくとも一方には通例、冷凍機ステージの温度を測定する温度センサ６４が設置される。予冷回路１２には冷媒の圧力を測定する圧力センサ（及び／または冷媒の流量を測定する流量センサ）などの冷媒センサ６６が通例設置される。たとえば、第１ＪＴ圧縮機５６ａの動作確認のために、第１ＪＴ圧縮機５６ａの吐出側に第１圧力センサが設けられ、第２ＪＴ圧縮機５６ｂの回収側に第２圧力センサが設けられてもよい。前段圧縮機７０と後段圧縮機７１の間に第３圧力センサが設けられてもよい。

一段熱交換器４４は、第１予冷ループ１２ａおよび第２予冷ループ１２ｂの両方と熱交換するように構成されている。一段熱交換器４４は、ＪＴ回路１０においては、ＪＴ供給ライン６２ａ上で第１ＪＴ熱交換器５８ａと第２ＪＴ熱交換器５８ｂとの間に設けられている。一段熱交換器４４は、第１予冷ループ１２ａにおいては、予冷供給ライン５０上で一段予冷部４１と第２予冷熱交換器４２の間に設けられ、第２予冷ループ１２ｂにおいても、予冷供給ライン５０上で一段予冷部４１と第２予冷熱交換器４２の間に設けられている。したがって、一段熱交換器４４は、第１ＪＴ熱交換器５８ａで冷却されたＪＴ供給ライン６２ａの冷媒を、第１予冷ループ１２ａおよび第２予冷ループ１２ｂの両方によってさらに冷却することができる。一段熱交換器４４によって冷却された冷媒は、第２ＪＴ熱交換器５８ｂへと流れる。

二段熱交換器４６も、第１予冷ループ１２ａおよび第２予冷ループ１２ｂの両方と熱交換するように構成されている。二段熱交換器４６は、ＪＴ回路１０においては、ＪＴ供給ライン６２ａ上で第２ＪＴ熱交換器５８ｂと第３ＪＴ熱交換器５８ｃとの間に設けられている。二段熱交換器４６は、第１予冷ループ１２ａおよび第２予冷ループ１２ｂそれぞれにおいて、二段予冷部４３によって冷却された冷媒が供給される。したがって、二段熱交換器４６は、第２ＪＴ熱交換器５８ｂで冷却されたＪＴ供給ライン６２ａの冷媒を、第１予冷ループ１２ａおよび第２予冷ループ１２ｂの両方によってさらに冷却することができる。二段熱交換器４６によって冷却された冷媒は、第３ＪＴ熱交換器５８ｃへと流れる。

一段熱交換器４４および二段熱交換器４６は、ＪＴ回路１０の冷媒流路の一部となる伝熱部材８２を備えてもよい。ＪＴ供給ライン６２ａは、一段熱交換器４４において伝熱部材８２の内部を通過するように構成される。同様に、ＪＴ供給ライン６２ａは、二段熱交換器４６において伝熱部材８２の内部を通過するように構成される。一段熱交換器４４および二段熱交換器４６において、第１予冷ループ１２ａおよび第２予冷ループ１２ｂは、ＪＴ供給ライン６２ａの外側に設けられ、伝熱部材８２を介してＪＴ供給ライン６２ａと熱交換する。伝熱部材８２は、冷凍機ステージと同様にたとえば銅などの熱伝導に優れる材料で形成される。このようにすれば、第１予冷ループ１２ａおよび第２予冷ループ１２ｂは、均等にＪＴ回路１０を予冷することができる。

このように、一段熱交換器４４、二段熱交換器４６は、第１予冷ループ１２ａおよび第２予冷ループ１２ｂの両方によってＪＴ回路１０を予冷することができる。そのため、予冷回路１２は、仮に２つの予冷ループのいずれかが動作しない場合であっても、正常に動作する他方の予冷ループを用いてＪＴ回路１０を予冷することができる。

流路切替装置を構成する一群のバルブ（Ｖ１〜Ｖ１２）の役割と配置を述べる。これらのバルブは、第１ＪＴ圧縮機５６ａおよび第２ＪＴ圧縮機５６ｂと同様に、極低温システム２００の常温部２２に配置される。

第１ＪＴ圧縮機５６ａをＪＴ回路１０と予冷回路１２のどちらに接続するかを選択するために、第１バルブＶ１、第２バルブＶ２、第３バルブＶ３、および第５バルブＶ５の４つの開閉弁が設けられている。第２バルブＶ２はＪＴ供給ライン６２ａに設けられ、第３バルブＶ３は第１予冷ループ１２ａの予冷供給ライン５０に設けられ、これらは第１ＪＴ圧縮機５６ａの吐出側に並列に接続されている。第２バルブＶ２は、第３接続点７４と第１接続点７２の間に配置され、第３バルブＶ３は、第３接続点７４と第８接続点７９の間に配置されている。第１バルブＶ１は第１予冷ループ１２ａの予冷回収ライン５２に設けられ、第５バルブＶ５はＪＴ回収ライン６２ｂに設けられ、これらは第１ＪＴ圧縮機５６ａの回収側に並列に接続されている。第１バルブＶ１は、第４接続点７５と第９接続点８０の間に配置され、第５バルブＶ５は、第４接続点７５と第２接続点７３の間に配置されている。

したがって、第２バルブＶ２を開くとともに第３バルブＶ３を閉じるとき、第１ＪＴ圧縮機５６ａの吐出側がＪＴ回路１０のＪＴ供給ライン６２ａに接続される。第５バルブＶ５を開くとともに第１バルブＶ１を閉じるとき、第１ＪＴ圧縮機５６ａの回収側がＪＴ回路１０のＪＴ回収ライン６２ｂに接続される。こうして、極低温システム２００は、第１ＪＴ圧縮機５６ａでＪＴ回路１０を動作させることができる。

逆に、第２バルブＶ２を閉じるとともに第３バルブＶ３を開くとき、第１ＪＴ圧縮機５６ａの吐出側が第１予冷ループ１２ａの予冷供給ライン５０に接続される。第５バルブＶ５を閉じるとともに第１バルブＶ１を開くとき、第１ＪＴ圧縮機５６ａの回収側が第１予冷ループ１２ａの予冷回収ライン５２に接続される。こうして、極低温システム２００は、第１ＪＴ圧縮機５６ａで予冷回路１２を動作させることができる。

第２ＪＴ圧縮機５６ｂをＪＴ回路１０と予冷回路１２のどちらに接続するかを選択するために、第６バルブＶ６、第７バルブＶ７、第８バルブＶ８、第９バルブＶ９の４つのバルブが設けられている。第８バルブＶ８はＪＴ供給ライン６２ａに設けられ、第９バルブＶ９は第２予冷ループ１２ｂの予冷供給ライン５０に設けられ、これらは第２ＪＴ圧縮機５６ｂの吐出側に並列に接続されている。第８バルブＶ８は、第５接続点７６と第１接続点７２の間に配置され、第９バルブＶ９は、第５接続点７６と第７接続点７８の間に配置されている。第６バルブＶ６はＪＴ回収ライン６２ｂに設けられ、第７バルブＶ７は第２予冷ループ１２ｂの予冷回収ライン５２に設けられ、これらは第２ＪＴ圧縮機５６ｂの回収側に並列に接続されている。第６バルブＶ６は、第６接続点７７と第２接続点７３の間に配置され、第７バルブＶ７は、第６接続点７７と第１０接続点８１の間に配置されている。

したがって、第８バルブＶ８を開くとともに第９バルブＶ９を閉じるとき、第２ＪＴ圧縮機５６ｂの吐出側がＪＴ回路１０のＪＴ供給ライン６２ａに接続される。第６バルブＶ６を開くとともに第７バルブＶ７を閉じるとき、第２ＪＴ圧縮機５６ｂの回収側がＪＴ回路１０のＪＴ回収ライン６２ｂに接続される。こうして、極低温システム２００は、第２ＪＴ圧縮機５６ｂでＪＴ回路１０を動作させることができる。

逆に、第８バルブＶ８を閉じるとともに第９バルブＶ９を開くとき、第２ＪＴ圧縮機５６ｂの吐出側が第２予冷ループ１２ｂの予冷供給ライン５０に接続される。第６バルブＶ６を閉じるとともに第７バルブＶ７を開くとき、第２ＪＴ圧縮機５６ｂの回収側が第２予冷ループ１２ｂの予冷回収ライン５２に接続される。こうして、極低温システム２００は、第２ＪＴ圧縮機５６ｂで予冷回路１２を動作させることができる。

さらに、第１予冷ループ１２ａと第２予冷ループ１２ｂを互いに接続するか、または切り離すかを選択するために、第４バルブＶ４、第１０バルブＶ１０、第１１バルブＶ１１、第１２バルブＶ１２の４つのバルブが設けられている。第４バルブＶ４は、第１予冷ループ１２ａの予冷供給ライン５０上で第８接続点７９よりも下流側に設けられ、第１０バルブＶ１０は、第２予冷ループ１２ｂの予冷供給ライン５０上で第７接続点７８よりも下流側に設けられる。第１１バルブＶ１１は、第２予冷ループ１２ｂの予冷回収ライン５２上で第１０接続点８１よりも上流側に設けられ、第１２バルブＶ１２は、第１予冷ループ１２ａの予冷回収ライン５２上で第９接続点８０よりも上流側に設けられる。

したがって、第４バルブＶ４、第１０バルブＶ１０、第１１バルブＶ１１、第１２バルブＶ１２をすべて開くとき、第１予冷ループ１２ａと第２予冷ループ１２ｂが連結ライン１３を通じて互いに接続される。また、第４バルブＶ４と第１０バルブＶ１０のうち少なくとも一方を閉じるとともに、第１１バルブＶ１１と第１２バルブＶ１２のうち少なくとも一方を閉じるとき、第１予冷ループ１２ａと第２予冷ループ１２ｂが互いに切り離される。

図６には、極低温システム２００の正常運転と、５つの故障モードが例示されている。「正常運転（１）」、「正常運転（２）」は、極低温システム２００に設けられたどの循環ポンプ２６および機械式冷凍機１４にも故障がなく正常に運転していることを表す。「ＳＴ１故障（１）」、「ＳＴ１故障（２）」はそれぞれ、「正常運転（１）」、「正常運転（２）」において、第１予冷ループ１２ａの機械式冷凍機１４が故障していることを表す。「ＳＴ２故障（１）」、「ＳＴ２故障（２）」はそれぞれ、「正常運転（１）」、「正常運転（２）」において、第２予冷ループ１２ｂの機械式冷凍機１４が故障していることを表す。

「正常運転（１）」の欄に示されるように、故障や異常なく極低温システム２００が正常に運転している場合には、第１バルブＶ１、第３バルブＶ３、第６バルブＶ６、第８バルブＶ８が閉鎖され、そのほかの開閉弁（Ｖ２、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ７、Ｖ９〜Ｖ１２）は開放される。したがって、極低温システム２００は、第１ＪＴ圧縮機５６ａでＪＴ回路１０を動作させつつ、第２ＪＴ圧縮機５６ｂで予冷回路１２を動作させることができる（第１状態）。この開閉状態を各開閉弁（Ｖ１〜Ｖ１２）のノミナルとしてもよい。すなわち、第１バルブＶ１、第３バルブＶ３、第６バルブＶ６、第８バルブＶ８は、ノーマルクローズの弁であり、そのほかの開閉弁は、ノーマルオープンの弁であってもよい。このようにすれば、各開閉弁（Ｖ１〜Ｖ１２）が初期状態として正常運転（１）の開閉状態をとることが保証される。

この第１状態においては、ＪＴ回路１０を動作させるために、第１ＪＴ圧縮機５６ａの前段圧縮機７０と後段圧縮機７１の両方が運転される。これに対して、第２ＪＴ圧縮機５６ｂは、第１状態において第１ＪＴ圧縮機５６ａに比べて低出力で動作する。たとえば、前段圧縮機７０は、回収された冷媒ガスを例えば大気圧程度または数気圧程度に昇圧することができ、これは、予冷回路１２において冷媒に生じる圧力損失を回復するのに十分である。よって、第２ＪＴ圧縮機５６ｂにおいては、後段圧縮機７１を停止させ、前段圧縮機７０のみを運転することによって、予冷回路１２を動作させることができる。あるいは、第２ＪＴ圧縮機５６ｂは、前段圧縮機７０を停止させ、後段圧縮機７１のみを低出力で運転させてもよい。前段圧縮機７０と後段圧縮機７１のうちいずれかが故障または劣化した場合、正常な他方によって予冷回路１２を動作させることができる。

「正常運転（２）」においては、第２バルブＶ２、第５バルブＶ５、第７バルブＶ７、第９バルブＶ９が閉鎖され、そのほかの開閉弁は開放される。したがって、極低温システム２００は、第２ＪＴ圧縮機５６ｂでＪＴ回路１０を動作させつつ、第１ＪＴ圧縮機５６ａで予冷回路１２を動作させることができる（第２状態）。第２状態は、第１状態と同様に、故障や異常なく極低温システム２００が正常に運転している場合に用いることができる。

あるいは、第１状態を長期にわたり継続することによって、第１ＪＴ圧縮機５６ａに性能の低下または劣化が見られるとき、第１状態から第２状態に切り替えることも可能である。このようにすれば、第２ＪＴ圧縮機５６ｂを利用して、ＪＴ回路１０の冷却動作を継続することができる。第１ＪＴ圧縮機５６ａは、第２状態において第２ＪＴ圧縮機５６ｂに比べて低出力で動作する。上述のように、予冷回路１２はＪＴ回路１０ほど高圧を必要としないので、第１ＪＴ圧縮機５６ａで予冷回路１２も動作を継続することができる。なお、同様にして、第２状態を長期にわたり継続することによって、第２ＪＴ圧縮機５６ｂに性能の低下または劣化が見られるとき、第２状態から第１状態に切り替えることも可能である。

また、流路切替装置（Ｖ１〜Ｖ１２）は、第１ＪＴ圧縮機５６ａまたは第２ＪＴ圧縮機５６ｂで第１予冷ループ１２ａおよび第２予冷ループ１２ｂのうち一方を動作させながら、第１予冷ループ１２ａおよび第２予冷ループ１２ｂのうち他方を予冷回路１２から切り離し可能に構成されている。

第１状態（すなわち「正常運転（１）」）において第１予冷ループ１２ａを冷却する機械式冷凍機１４が故障した場合、図６において「ＳＴ１故障（１）」の欄に示されるように、第４バルブＶ４と第１２バルブＶ１２が閉鎖される。そのほかの開閉弁は、第１状態におけるバルブ開閉状態が維持される。このようにして、第２ＪＴ圧縮機５６ｂで第２予冷ループ１２ｂを動作させながら、第１予冷ループ１２ａが予冷回路１２からが切り離される。

第１状態において第２予冷ループ１２ｂを冷却する機械式冷凍機１４が故障した場合、「ＳＴ２故障（１）」の欄に示されるように、第１０バルブＶ１０と第１１バルブＶ１１が閉鎖される。そのほかの開閉弁は、第１状態におけるバルブ開閉状態が維持される。このようにして、第２ＪＴ圧縮機５６ｂで第１予冷ループ１２ａを動作させながら、第２予冷ループ１２ｂが予冷回路１２からが切り離される。

また、第２状態（すなわち「正常運転（２）」）において第１予冷ループ１２ａを冷却する機械式冷凍機１４が故障した場合、「ＳＴ１故障（２）」の欄に示されるように、第４バルブＶ４と第１２バルブＶ１２が閉鎖される。そのほかの開閉弁は、第２状態におけるバルブ開閉状態が維持される。このようにして、第１ＪＴ圧縮機５６ａで第２予冷ループ１２ｂを動作させながら、第１予冷ループ１２ａが予冷回路１２からが切り離される。

第２状態において第２予冷ループ１２ｂを冷却する機械式冷凍機１４が故障した場合、「ＳＴ２故障（２）」の欄に示されるように、第１０バルブＶ１０と第１１バルブＶ１１が閉鎖される。そのほかの開閉弁は、第２状態におけるバルブ開閉状態が維持される。このようにして、第１ＪＴ圧縮機５６ａで第１予冷ループ１２ａを動作させながら、第２予冷ループ１２ｂが予冷回路１２からが切り離される。

以上説明したように、第２実施形態に係る極低温システム２００は、ＪＴ回路１０と、これを予冷するために予冷回路１２および機械式冷凍機１４を備える。よって、極低温システム２００は、例えば４Ｋ未満（例えば１Ｋ〜４Ｋ）の所望の温度に極低温冷却部２０および被冷却物１８を冷却することができる。

第２実施形態においても、機械式冷凍機１４の冷凍機ステージは、ＪＴ回路１０および極低温冷却部２０から物理的に離れている。機械式冷凍機１４は、予冷回路１２を介して間接的にＪＴ回路１０に熱的に結合されるにすぎない。そのため、複数の機械式冷凍機１４のうちいずれかの機械式冷凍機１４が故障したとしても、その故障した機械式冷凍機１４から極低温冷却部２０への熱侵入は顕著に抑制される。事実上、極低温システム１００は、故障した機械式冷凍機１４を極低温システム１００から熱的に切り離すことができる。よって、第２実施形態に係る極低温システム２００においても、２台の機械式冷凍機１４によって冗長性を確保することができる。すなわち、１台の機械式冷凍機１４が故障したとき、正常な残りの１台の機械式冷凍機１４を用いて、極低温システム２００の冷却運転を継続することができる。

第２実施形態に係る極低温システム２００においても、複数の故障モードそれぞれに応じた形で、極低温システム２００の冷却運転を継続することができる。たとえば、上述のように、ＪＴ回路１０を動作させるＪＴ圧縮機に性能劣化が見られる場合には、第１状態と第２状態の切り替えによって対処することができる。第１実施形態とは異なり、予冷回路１２に専用の循環ポンプが不要となる。極低温システム２００に含まれるポンプおよび圧縮機の合計台数を減らしつつ、冗長性を確保することができる。また、複数の機械式冷凍機１４のうちいずれかの機械式冷凍機１４が故障した場合には、対応する予冷ループを切り離すことによって対処することができる。

なお、第１実施形態に関連して説明した様々な構成、特徴は、適用可能である場合、第２実施形態にも同様に適用されうる。たとえば、ＪＴ回路１０および予冷回路１２の配管は、たとえば、機械式冷凍機１４の冷凍機ステージの材料の熱伝導率より低い熱伝導率を有する材料で形成されてもよく、たとえばステンレス製であってもよい。また、予冷回路１２は、少なくとも極低温システム１００の低温部２４において、フレキシブル管で形成されてもよい。

第２実施形態に係る極低温システム２００は、種々の拡張が可能である。たとえば、極低温システム２００は、第１実施形態と同様に、互いに分離されている複数のＪＴ回路１０を備え、それぞれがＪＴ冷凍機として独立に動作可能であってもよい。この場合、複数のＪＴ回路１０の各々が、複数のＪＴ圧縮機システム（たとえば、第１ＪＴ圧縮機５６ａおよび第２ＪＴ圧縮機５６ｂ）を備えてもよい。あるいは、２またはそれより多数のＪＴ回路１０が、複数のＪＴ圧縮機システム（たとえば、第１ＪＴ圧縮機５６ａおよび第２ＪＴ圧縮機５６ｂ）に並列接続されてもよい。この場合、ＪＴ圧縮機システムが２以上のＪＴ回路１０に共用される。２以上のＪＴ回路１０は、ＪＴ圧縮機システムから選択的に切り離し可能にＪＴ圧縮機システムに接続されていてもよい。

極低温システム２００は、複数の予冷回路１２を備えてもよい。複数の予冷回路１２の各々が、対応するＪＴ回路１０を予冷する複数の予冷ループ（たとえば第１予冷ループ１２ａおよび第２予冷ループ１２ｂ）と、複数の予冷ループを相互接続する連結ラインと、を備えてもよい。極低温システム２００は、複数の流路切替装置（Ｖ１〜Ｖ１２）を備えてもよく、複数の流路切替装置の各々が、対応するＪＴ回路１０と予冷回路１２の組を接続してもよく、この組について第１状態と第２状態を切り替えるように構成されてもよい。極低温システム２００は、複数の予冷回路１２を冷却するために、２つより多数の機械式冷凍機１４を備えてもよい。複数の機械式冷凍機１４は、それぞれが対応する予冷ループを冷却してもよい。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。ある実施の形態に関連して説明した種々の特徴は、他の実施の形態にも適用可能である。組合せによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態それぞれの効果をあわせもつ。

上述の実施の形態では、機械式冷凍機１４が二段スターリング冷凍機である場合を例として説明したが、これに限られない。機械式冷凍機１４は、二段ＧＭ冷凍機、二段パルス管冷凍機などその他の二段の機械式冷凍機であってもよい。また、機械式冷凍機１４は、目的とする冷却温度によっては、二段より多い多段構成の機械式冷凍機、または単段の機械式冷凍機であってもよい。

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１０ ＪＴ回路、 １０ａ 第１ＪＴ回路、 １０ｂ 第２ＪＴ回路、 １２ 予冷回路、 １２ａ 第１予冷ループ、 １２ｂ 第２予冷ループ、 １３ 連結ライン、 １４ 機械式冷凍機、 ３０ 圧縮機、 ５６ａ 第１ＪＴ圧縮機、 ５６ｂ 第２ＪＴ圧縮機、 １００，２００ 極低温システム。

Claims (7)

1. ＪＴ回路と、
   前記ＪＴ回路を予冷する冷媒循環式の予冷回路と、
   前記予冷回路を冷却することによって前記ＪＴ回路を間接的に冷却する複数の機械式冷凍機と、を備えることを特徴とする極低温システム。
2. 前記極低温システムは、第１ＪＴ回路および第２ＪＴ回路を備え、
   前記予冷回路は、前記第１ＪＴ回路を予冷する第１予冷ループと、前記第２ＪＴ回路を予冷する第２予冷ループと、前記第１予冷ループと前記第２予冷ループを切り離し可能に相互接続する連結ラインと、を備えることを特徴とする請求項１に記載の極低温システム。
3. 前記ＪＴ回路は、並列に設けられた第１ＪＴ圧縮機および第２ＪＴ圧縮機を備え、
   前記極低温システムは、前記ＪＴ回路を前記予冷回路に接続する流路切替装置であって、前記第１ＪＴ圧縮機で前記ＪＴ回路を動作させ前記第２ＪＴ圧縮機で前記予冷回路を動作させる第１状態と、前記第２ＪＴ圧縮機で前記ＪＴ回路を動作させ前記第１ＪＴ圧縮機で前記予冷回路を動作させる第２状態とを切り替えるように構成されている流路切替装置をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の極低温システム。
4. 前記第１ＪＴ圧縮機は、前記第２状態において前記第２ＪＴ圧縮機に比べて低出力で動作し、前記第２ＪＴ圧縮機は、前記第１状態において前記第１ＪＴ圧縮機に比べて低出力で動作することを特徴とする請求項３に記載の極低温システム。
5. 前記予冷回路は、それぞれが前記ＪＴ回路を予冷する第１予冷ループおよび第２予冷ループを備え、
   前記流路切替装置は、前記第１ＪＴ圧縮機または前記第２ＪＴ圧縮機で前記第１予冷ループおよび前記第２予冷ループのうち一方を動作させながら、前記第１予冷ループおよび前記第２予冷ループのうち他方を前記予冷回路から切り離し可能に構成されていることを特徴とする請求項３または４に記載の極低温システム。
6. 前記ＪＴ回路は、前記第１予冷ループおよび前記第２予冷ループの両方と熱交換するように構成されている熱交換器を備えることを特徴とする請求項５に記載の極低温システム。
7. 前記複数の機械式冷凍機は、２台の機械式冷凍機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システム。

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