JP3367141B2 - 物体冷却装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、物体冷却装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の物体冷却装置としては、
特公昭５１−１３９０４号公報に示されるものが知られ
ている。図４は、この従来技術に係る物体冷却装置の全
体構成図であり、物体冷却装置８０は、スターリング冷
凍機８１で発生する略２０Ｋの冷凍により冷却すべき物
体９１を冷却するものである。

【０００３】スターリング冷凍機８１は、ピストン８２
により形成される圧縮空間８３と、ディスプレーサピス
トン８４により形成される膨張空間８５とを備えてい
る。ピストン８２は、ロッド８６を介して駆動手段（図
示せず）に連結され、図示上下方向に移動可能になって
いる。又、ディスプレーサピストン８４は、ロッド８７
を介して駆動手段（図示せず）に連結され、図示上下方
向に移動可能になっている。尚、両ピストン８２，８４
は、所定の位相差を維持するように駆動される。

【０００４】圧縮空間８３は、圧縮空間８３側から順に
冷却器８８，蓄冷器８９，冷凍器９０を介して膨張空間
８５に連通している。尚、圧縮空間８３から膨張空間８
５に至る作動空間には、ヘリウム等の作動流体が封入さ
れている。

【０００５】冷凍器９０と冷却すべき物体９１の間に
は、移送通路９３，９４が配設され、移送通路９３，９
４内には、ヘリウムガスが充填されている。移送通路９
３，９４の図示左端部は、冷却器９０内に配設された熱
交換部９０ａと常時連通し、移送通路９３，９４の図示
右端部は、熱交換器９２に常時連通している。従って、
熱交換部９０ａ内のヘリウムガスが冷凍器９０内の作動
流体即ち冷凍機８０にて発生する冷凍と熱交換し、熱交
換器９２内のヘリウムガスが物体９１と熱交換するよう
になっている。尚、ヘリウムガスは、冷凍機８０内の作
動流体と接触することはない。

【０００６】移送通路９３の途中には、ポンプ装置９５
が配設され、ヘリウムガスを移送通路９３から熱交換器
９２，移送通路９４，熱交換部９０ａを介して再び移送
通路９３に循環させるものである。ポンプ装置９５内に
は、隔壁９６により第１空間９７及び第２空間９８が形
成され、第１空間９７内には、ファン９９が回転可能に
配設されている。このファン９９は、ロッド１１０を介
して第２空間９８内に配設されたモータ１１１に連結さ
れている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記した物
体冷却装置８０においては、モータ１１１の回転数を制
御する手段が存在しないので、モータ１１１の回転数は
一定である。そこで、モータ１１１を高回転に維持した
場合、ヘリウムガスの循環流量が多くなるので、冷却す
べき物体９１の冷却速度は速くなるが、ヘリウムガスの
低温時にはファン９９がその仕事により発熱して移送通
路９３，９４を流れるヘリウムガスの温度を上昇させ
る。その結果、物体９１を所定温度（例えば、冷凍機８
０で発生する冷凍温度）まで冷却することが困難にな
る。一方、モータ１１１を低回転に維持した場合、ヘリ
ウムガスの循環流量が少なくなるので、冷却すべき物体
９１の冷却速度が遅くなり、物体９１の冷却時間が非常
にかかる。

【０００８】故に、本発明は、冷却すべき物体の冷却時
間を短縮すると共にヘリウムガスの低温時にファンの発
熱を抑制してヘリウムガスが温度上昇しないようにする
ことを、その技術的課題とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記技術的課題を解決す
るために請求項１の発明において講じた技術的手段（第
１の技術的手段）は、冷凍機と、一部分で冷凍機と熱接
触し且つ他部分で冷却すべき物体と熱接触するように冷
凍機と冷却すべき物体とを繋ぎ、内部にガス状媒体が封
入される循環通路と、循環通路の途中に配設された回転
部材と回転部材を駆動するモータとを有し、ガス状媒体
を循環通路内に循環させるポンプ手段とを備えた物体冷
却装置において、ガス状媒体の温度又は冷却すべき物体
の温度を常時測定し、その測定結果に基づいてモータの
回転数を制御するモータ回転数制御手段とを備え、モー
タ回転数制御手段を、ガス状媒体の温度又は冷却すべき
物体の温度が所定値以上の場合には、モータを高速一定
回転で回転させ、所定値より低くなるに伴いモータの回
転数を徐々に下げるようにしたことである。

【００１０】上記技術的課題を解決するために請求項２
の発明において講じた技術的手段（第２の技術的手段）
は、所定温度の冷凍を発生する第１コールドヘッドを有
する第１冷凍部と、第１コールドヘッドの冷凍温度より
も低い冷凍を発生する第２コールドヘッドを有する第２
冷凍部とから成る２段冷凍機と、第１コールドヘッドと
熱接触する第１熱交換器と、第２コールドヘッドと熱接
触する第２熱交換器と、２段冷凍機にて発生する冷凍を
冷却すべき物体に搬送する冷凍搬送通路と、冷凍搬送通
路に常時連通し冷却すべき物体が放出する熱を２段冷凍
機に搬送する熱搬送通路とを有し、内部にガス状媒体が
封入された循環通路と、循環通路の途中に配設されたイ
ンペラと、インペラを駆動するモータとを有し、ガス状
媒体を循環通路内に循環させるポンプ手段と、熱搬送通
路の途中に配設された電磁弁と、循環通路内のガス状媒
体の温度又は前記冷却すべき物体の温度を常時測定し、
その測定結果に基づいてガス状媒体の温度又は冷却すべ
き物体の温度が第１コールドヘッドの冷凍温度以上の場
合には、熱搬送通路の電磁弁上流側に位置する通路を第
１熱交換器に連通させるように電磁弁を駆動し、第１コ
ールドヘッドの冷凍温度より低い場合に熱搬送通路の電
磁弁上流側に位置する通路を第２熱交換器に連通させる
ように電磁弁を駆動する制御手段とを備えたことであ
る。

【００１１】

【作用】上記第１の技術的手段によれば、ガス状媒体の
温度又は冷却すべき物体の温度を常時測定し、その測定
結果に基づいてモータの回転数を制御する回転数制御手
段を設けたので、以下の如く作用する。

【００１２】ガス状媒体の温度又は冷却すべき物体の温
度が所定値以上の場合には、回転数制御手段によりモー
タつまり回転部材が高速一定回転してガス状媒体の循環
流量が多くなり、冷却すべき物体が所定値まで急速に冷
却される。ガス状媒体の温度又は冷却すべき物体の温度
が所定値より低くなるに伴い、回転数制御手段によりモ
ータつまり回転部材の回転数が徐々に低下してガス状媒
体の循環流量が徐々に少なくなり、最終的には冷却すべ
き物体が目標温度まで冷却される。その結果、冷却すべ
き物体の低温時には、ガス状媒体の循環流量が少なくな
るので、回転部材の仕事による発熱が抑制されて発熱の
影響でガス状媒体の温度が上昇することはなくなる。以
上より、冷却すべき物体は、短時間で且つ確実に目標温
度まで冷却される。

【００１３】上記第２の技術的手段によれば、ガス状媒
体の温度又は冷却すべき物体の温度が第１コールドヘッ
ドで発生する冷凍温度以上の場合には、制御手段により
電磁弁が熱搬送通路の電磁弁上流側に位置する通路を第
１熱交換器に連通させると共に第２熱交換器との連通を
遮断する。その結果、熱搬送通路内のガス状媒体は第１
熱交換器に導入され、第１コールドヘッドの冷凍と熱交
換して冷却する。従って、冷却すべき物体は、第１コー
ルドヘッドの冷凍温度まで急速に冷却される。

【００１４】一方、ガス状媒体の温度又は冷却すべき物
体の温度が第１コールドヘッドの冷凍温度より低くなる
と、制御手段により電磁弁が熱搬送通路の電磁弁上流側
に位置する通路を第２熱交換器に連通させると共に第１
熱交換器との連通を遮断する。

【００１５】その結果、熱搬送通路内のガス状媒体が第
２熱交換器に導入され、第２コールドヘッドの冷凍と熱
交換して冷却する。この時、熱搬送通路内のガス状媒体
は、第１熱交換器に導入されないので、ガス状媒体が温
度上昇することなく、冷却すべき物体の冷却能力が向上
する。以上より、冷却すべき物体１５を短時間で且つ効
率良く冷却することが可能になる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の一実施例を添付図面に基づい
て説明する。

【００１７】図１は、本発明の第１実施例に係る物体冷
却装置の全体構成図である。

【００１８】図１に示す物体冷却装置１０は、ギフォー
ドマクマホン冷凍機１１（以下、ＧＭ冷凍機と称す
る。）で発生する冷凍により冷却すべき物体１５を冷却
するものである。物体冷却装置１０は、ＧＭ冷凍機１１
と、冷凍搬送通路１２及び熱搬送通路１３からなる循環
通路１０６と、ポンプ手段１４とを備えている。

【００１９】ＧＭ冷凍機１１は、コンプレッサ１６を備
えており、その上流側は冷却器１７及び吐出弁１８を介
してシリンダ２０内に形成された空間２１に連通可能に
なっており、下流側は、吸入弁１９を介して空間２１に
連通可能になっている。シリンダ２０内には、内部に蓄
冷器２３を有するピストン２２が上下方向に摺動可能に
配設され、上方にて膨張空間２４を形成している。ピス
トン２２は、可動部材２６に固着され、ロッド２６を介
して駆動手段（図示せず）に連結されるようになってい
る。尚、ピストン２２の外周とシリンダ２０との間に
は、ピストンリング２７が配設されている。

【００２０】前述の空間２１は、可動部材２５内に形成
された連通路２８を介して常時蓄冷器２３に連通してお
り、蓄冷器２３は、ピストン２２に形成された通路２９
を介して膨張空間２４に常時連通している。尚、ＧＭ冷
凍機１１内には、ヘリウム等の作動流体（以下、ヘリウ
ムと称する。）が封入されている。

【００２１】コンプレッサ１６により圧縮された高温高
圧ヘリウムガスが冷却器１７にて外部（例えば水）と熱
交換して冷却し、吐出弁１８を開放すると、空間２１に
供給される。このヘリウムガスは、連通路２８を介して
蓄冷器２３に導入され、蓄冷器２３内で熱交換して更に
冷却し、通路２９を介して膨張空間２４に供給され、略
２０Ｋの冷凍を発生する。

【００２２】前述の循環通路１０６の途中には、冷凍機
１１の膨張空間２４の周囲に位置するように熱交換器３
０が配設され、この熱交換器３０には、冷凍搬送通路１
２及び熱搬送通路１３が連通している。又、冷凍搬送通
路１２及び熱搬送通路１３は、冷却すべき物体１５に熱
接触させた熱交換部３１に連通している。尚、循環通路
１０６内には、ガス状ヘリウム等のガス状媒体（以下、
ガス状ヘリウムと称する。）が封入されている。ここ
で、冷凍機１１で発生する冷凍が熱交換器３０内を経由
するガス状ヘリウムに伝達され、冷凍搬送通路１２によ
って熱交換部３１まで搬送される。又、熱交換部３１に
て冷却されたガス状ヘリウムが冷却すべき物体１５から
熱を奪い、その熱が熱搬送通路１３によって熱交換器３
０に搬送される。尚、ガス状ヘリウムは、冷凍機１１内
のヘリウムガスと混合することはない。

【００２３】前述のポンプ手段１４は、冷凍搬送通路１
２の途中に配設され、ガス状ヘリウムを冷凍搬送通路１
２から熱交換部３１，熱搬送通路１３及び熱交換器３０
を介して再び冷凍搬送通路１２（循環通路１０６）に循
環させるものである。

【００２４】ポンプ手段１４は、インペラ３２を備えて
おり、インペラ３２は、膨張空間２４に対向するように
冷凍搬送通路１２の途中に露呈している。ポンプ手段１
４のハウジング３３内には、高周波モータ（モータ）３
４が配設され、シャフト３５を介してファン３２に連結
されている。

【００２５】高周波モータ３４の上下両端には、所定の
間隔をおいて２つの第１磁気軸受３６，３６’が配設さ
れ、高周波モータ３４のラジアル方向の位置を規制して
いる。第１磁気軸受３６は、磁性体の環状部材３７とコ
イル部材３８とから構成されている。環状部材３７はシ
ャフト３５の周りに固定され、コイル部材３８は、所定
の間隔をおいて環状部材３７の周りに配設され、環状部
材３７を吸引可能になっている。尚、第１磁気軸受３
６’も同様に磁性体の環状部材３７’とコイル部材３
８’とから構成されている。

【００２６】又、第１磁気軸受３６の上方，第１磁気軸
受３６’の下方には、所定の間隔をおいて夫々第２磁気
軸受３９，３９’が配設され、高周波モータ３４の上下
方向の位置を規制している。第２磁気軸受３９は、磁性
体の円盤４０と２つのコイル部材４１ａ，４１ｂとから
構成されている。円盤４０はシャフト３５の周りに固定
され、コイル部材４１ａ，４１ｂは、所定の間隔をおい
て円盤４０の上下両端に配設され、円盤４０を吸引可能
になっている。尚、第２磁気軸受３９’も同様に磁性体
の環状部材４０’とコイル部材４１ａ’，４１ｂ’とか
ら構成されている。

【００２７】本発明の特徴部分であるモータ回転数制御
手段４２は、温度調整器４３ａとインバータ４２ａとを
備えている。温度調整器４３ａは、冷凍搬送通路１２内
を流れるガス状ヘリウムの温度Ｔ１，熱搬送通路１３内
を流れるガス状ヘリウムの温度Ｔ２又は冷却すべき物体
１５の温度Ｔ３を常時測定し、その測定結果をインバー
タ４２ａに伝達するものである。尚、詳しくは、温度Ｔ
１，Ｔ２，Ｔ３は、対応すべき箇所に取りつけられた測
定子（図示せず）により測定されている。

【００２８】インバータ４２ａ内には、例えば図３に示
すように、温度とモータ３４の回転数の最適値との関係
がメモリされている。ここで、図３は、ガス状ヘリウム
の質量１ｇ〜５ｇ，搬送距離１０ｍ，冷凍搬送通路１２
の内径１２ｍｍ及び熱搬送通路１３の内径１２ｍｍの時
の冷凍搬送通路１２内を流れるガス状ヘリウムの温度Ｔ
１とモータ３４の回転数の最適値との関係を示してい
る。

【００２９】インバータ４２ａは、温度調整器４３ａに
より測定された測定温度Ｔ１に基づいて高周波モータ３
４の回転数を制御し、冷凍搬送通路１２内を流れるガス
状ヘリウムの温度Ｔ１が所定値（１３０Ｋ）以上の場合
には、モータ３４を高速一定回転（４８０００ｒｐｍ）
で回転させ、所定値より低くなるに伴いモータ３４の回
転数を徐々に下げるようになっている。尚、インバータ
４２ａは、測定温度Ｔ２，Ｔ３に基づいて高周波モータ
３４の回転数を制御するものでもよい。

【００３０】熱交換器３０の周りにはヒータ４４が配設
され、温度調整器４３ａにより駆動される。通常冷却す
べき物体１５は、冷凍機１１で発生する冷凍温度まで冷
却する場合が多いが、冷却すべき物体１５を冷凍温度よ
りも少し高い温度に冷却したい場合には、温度調整器４
３ａによりヒータ４４が駆動されるようになっている。
尚、ヒータ４４は、例えば、冷凍搬送通路１２，熱搬送
通路１３等の周りに配設されてもよく、循環通路１０６
の周りならばどこに配設してもよい。

【００３１】上記の如く構成された物体冷却装置１０の
作動について説明する。尚、冷却すべき物体１５を冷凍
機１１で発生する冷凍温度まで冷却する場合について考
える。

【００３２】まず冷却すべき物体１５を冷却するために
高周波モータ３４によりインペラ３２が回転してガス状
ヘリウムが冷凍搬送通路１２〜熱交換部３１〜熱搬送通
路１３〜熱交換器３０〜冷凍搬送通路１２の循環回路１
０６を循環する。ここで、熱交換器３０にてガス状ヘリ
ウムが冷凍機１１の膨張空間２４内のヘリウムと熱交換
して冷却され、熱交換部３１にてガス状ヘリウムが冷却
すべき物体１５と熱交換して加熱される。従って、冷凍
が冷凍搬送通路１２を介して冷却すべき物体１５に搬送
されるので、冷却すべき物体１５は冷却され始める。

【００３３】次に、温度調整器４３ａにより測定された
冷凍搬送通路１２内を流れるガス状ヘリウムの温度Ｔ１
又は熱搬送通路１３内を流れるガス状ヘリウムの温度Ｔ
２又は冷却すべき物体１５の温度Ｔ３に基づいてインバ
ータ４２ａが温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３が所定温度になるま
で高周波モータ３４を高速で一定回転させ、その結果、
インペラ３２が高速で一定回転する。これにより、循環
回路１０６内でのガス状ヘリウムの循環流量が多くな
り、冷却すべき物体１５が所定値まで急速に冷却され
る。

【００３４】冷凍搬送通路１２内を流れるガス状ヘリウ
ムの温度Ｔ１又は熱搬送通路１３内を流れるガス状ヘリ
ウムの温度Ｔ２又は冷却すべき物体Ｔ３の温度が所定値
より低くなるに伴い、インバータ４２ａにより高周波モ
ータ３４の回転数を徐々に低下させ、その結果、インペ
ラ３２の回転数も徐々に減少する。これにより、温度Ｔ
１，Ｔ２，Ｔ３が低下するに伴いガス状ヘリウムの循環
流量が徐々に少なくなり、最終的には冷却すべき物体１
５が目標温度まで冷却される。このように、冷却すべき
物体１５が目標温度に近づくに連れてガス状ヘリウムの
循環流量が少なくなるので、インペラ３２の仕事による
発熱が抑制されて発熱の影響でガス状ヘリウムの温度が
上昇することはなくなる。

【００３５】このように、第１実施例においては、ガス
状媒体の温度Ｔ１，Ｔ２又は冷却すべき物体の温度Ｔ３
を常時測定する温度調整器４３ａと、その測定結果に基
づいてモータ３４の回転数を制御するインバータ４２ａ
とを設けたので、冷却すべき物体１５を短時間で且つ確
実に目標温度まで冷却できる。

【００３６】又、高周波モータ３４を採用し且つ磁気軸
受３９，３９’を設けたので、モータ３４が高速回転可
能になり、循環流量が増大する。その結果、ガス状ヘリ
ウムの低圧化（９ａｔｍ以下）を図ることができる。

【００３７】又、熱交換器３０の周りにヒータ４４を設
け、ヒータ４４を温度調整器４３ａにより制御したの
で、冷凍搬送通路１２内のガス状ヘリウムの温度Ｔ１，
熱搬送通路１３内のガス状ヘリウムの温度Ｔ２及び冷却
すべき物体１５の温度Ｔ３が制御可能になる。

【００３８】更に、ＧＭ冷凍機１１を採用したので、装
置全体の低振動化及び長寿命化を図ることができる。

【００３９】次に、図２を参照して第２実施例について
説明する。

【００４０】図２は、本発明の第２実施例に係る物体冷
却装置の全体構成図である。尚、図１と同一な部分に
は、同一符号を付与した。

【００４１】図２に示す物体冷却装置５０は、２段のギ
フォードマクマホン冷凍機５１（以下、ＧＭ冷凍機と称
する。）で発生する冷凍により冷却すべき物体１５を冷
却するものである。物体冷却装置５０は、ＧＭ冷凍機５
１と、循環通路１０７と、ポンプ手段１４とを備えてい
る。

【００４２】２段のＧＭ冷凍機５１は、所定温度（例え
ば略４０Ｋ）の冷凍を発生する第１コールドヘッド１０
８を有する第１冷凍部５１ａと、第１コールドヘッド１
０８にて発生する冷凍温度よりも低い冷凍（例えば１０
Ｋ）を発生する第２コールドヘッド１０９を有する第２
冷凍部５１ｂとから構成されている。第１冷凍部５１ａ
は、コンプレッサ５４を備えており、その上流側は冷却
器５５及び吐出弁５６を介して大径シリンダ５８内に形
成された空間５９に連通可能になっており、下流側は、
吸入弁５７を介して空間５９に連通可能になっている。
大径シリンダ５８内には、内部に第１蓄冷器６１を有す
る段付状の大径ピストン６０が上下方向に摺動可能に配
設され、上方にて第１膨張空間６２を形成している。大
径ピストン６０は、可動部材６３に固着され、ロッド６
４を介して駆動手段（図示せず）に連結されるようにな
っている。尚、大径ピストン６０の外周と大径シリンダ
５８との間には、ピストンリング６５が配設されてい
る。

【００４３】前述の空間５９は、可動部材６３内に形成
された連通路６６を介して常時第１蓄冷器６１に連通し
ており、第１蓄冷器６１は、大径ピストン６０に形成さ
れた通路６７を介して第１膨張空間６２に常時連通して
いる。ここで、大径ピストン６０の上部に溝６８が形成
され、常時第１膨張空間６２に連通している。尚、ＧＭ
冷凍機５１内には、ヘリウム等の作動流体（以下、ヘリ
ウムと称する。）が封入されている。

【００４４】コンプレッサ５４により圧縮された高温高
圧ヘリウムガスが冷却器５５にて外部（例えば水）と熱
交換して冷却し、吐出弁５６を開放すると、空間５９に
供給される。このヘリウムガスは、連通路６６を介して
第１蓄冷器６１に導入され、第１蓄冷器６１内で熱が奪
われて冷却され、通路６７を介して第１膨張空間６２に
供給される。その結果、第１膨張空間６２で例えば略４
０Ｋの冷凍が発生する。

【００４５】第２冷凍部５１ｂは、第１冷凍部５１ａの
大径シリンダ５８よりも小径のシリンダ６９を備えてお
り、小径シリンダ６９内には、大径ピストン６０よりも
小径のピストン７０が図示上下方向に摺動自在に配設さ
れ、上方にて第２膨張空間７２を形成している。小径ピ
ストン７０の下端には、可動部材７３が固定され、可動
部材７３内には、常時溝６８に連通する連通路７５が形
成されている。尚、小径ピストン７０と小径シリンダ６
９との間には、ピストンリング７４が配設されている。
小径ピストン７０内には、第２蓄冷器７１が配設され、
第２蓄冷器７１は、連通路７５及び溝６８を介して第１
膨張空間６２に常時連通すると共にピストン７０の上方
に形成された通路７６を介して第２膨張空間７２に常時
連通している。

【００４６】第１膨張空間６２内のヘリウムは、溝６８
及び連通路７５を介して第２蓄冷器７１に導入され、第
２蓄冷器７１内で熱が奪われて更に冷却されて通路７６
を介して第２膨張空間７２に供給される。その結果、第
２膨張空間７２で例えば略１０Ｋの冷凍が発生する。

【００４７】前述の循環通路１０７は、冷凍搬送通路５
２，熱交換部３１，熱搬送通路５３，第１熱交換器７
７，通路７９及び第２熱交換器７８から構成されてい
る。第１熱交換器７７は第１コールドヘッド１０８に熱
接触し、第２熱交換器７８は第２コールドヘッド１０９
に熱接触している。第１熱交換器７７は、通路７９を介
して第２熱交換器７８に連通しており、第２熱交換器７
８は、冷凍搬送通路５２を介して冷却すべき物体１５に
熱接触させた熱交換部３１に連通しており、熱交換部３
１は、熱搬送通路５３に連通している。尚、冷凍搬送通
路５２の途中には、第１実施例と同一のポンプ手段１４
が配設されている。熱搬送通路５３は、第１通路（電磁
弁上流側に位置する通路）５３ａ，第２通路５３ｂ及び
第３通路５３ｃから構成されている。第１通路５３ａ
は、分岐部１００を介して第２通路５３ｂと第３通路５
３ｃとに分岐している。第２通路５３ｂは、第１熱交換
器７７と連通しており、第３通路５３ｃは、第２熱交換
器７８と連通している。尚、循環通路１０７内には、ガ
ス状ヘリウム等のガス状媒体（以下、ガス状ヘリウムと
称する。）が封入されている。

【００４８】分岐部１００には、通路切換弁（電磁弁）
１０１が配設され、この切換弁１０１は制御手段１０５
ａにより制御される。切換弁１０１は、図示上下方向に
移動可能な弁体１０２を備えており、弁体１０２が第１
弁座１０３に着座している時には、第１通路５３ａが第
２通路５３ｂと連通し、弁体１０２が第２弁座１０４に
着座している時には、第１通路５３ａが第３通路５３ｃ
と連通するようになっている。尚、第２通路５３ｂ，第
３通路５３ｃの内何れかの一方の通路が第１通路５３ａ
と連通している時は、他方の通路と第１通路５３ａとの
連通が遮断されている。

【００４９】第２実施例におけるモータ回転数制御手段
１０５は、前述の制御手段１０５ａと、インバータ４２
ａとから構成されている。制御手段１０５ａは、冷凍搬
送通路５２内を流れるガス状ヘリウムの温度Ｔ１’又は
熱搬送通路５３内を流れるガス状ヘリウムの温度Ｔ２’
又は冷却すべき物体１５の温度Ｔ３’を常時測定し、そ
の情報をインバータ４２ａに伝達するものである。又、
制御手段１０５ａは、冷凍搬送通路５２内を流れるガス
状ヘリウムの温度Ｔ１’又は熱搬送通路５３内を流れる
ガス状ヘリウムの温度Ｔ２’又は冷却すべき物体１５の
温度Ｔ３’の測定結果に基づいて前述の切換弁１０１を
開閉制御するようになっている。つまり、ガス状ヘリウ
ムの温度Ｔ１’（又はＴ２’）又は冷却すべき物体１５
の温度Ｔ３’が第１コールドヘッド１０８の冷凍温度以
上の場合には、切換弁１０１の弁体１０２を第１弁座１
０３に着座せしめ、第１コールドヘッド１０８の冷凍温
度より低くなると、弁体１０２を第２弁座１０４に着座
せしめる。ここで、制御手段１０５ａは、必ずしもモー
タ回転数制御手段１０５内に設ける必要はなく、外部に
設けてもよい。尚、インバータ４２ａは、第１実施例の
ものと同一構成及び機能であるので、その説明は省略す
る。

【００５０】尚、循環通路１０７の周りに第１実施例と
同様なヒータを配設してもよい。

【００５１】上記の如く構成された物体冷却装置５０の
作動について説明する。尚、冷却すべき物体１５を第２
冷凍機５１ｂで発生する冷凍温度まで冷却する場合につ
いて考える。

【００５２】まず冷却すべき物体１５を冷却するために
高周波モータ３４によりインペラ３２が回転する。この
時、制御手段１０５ａにより切換弁１０１の弁体１０２
が第１弁座１０３に着座しているので、ガス状ヘリウム
が冷凍搬送通路５２〜熱交換部３１〜熱搬送通路５３の
第１通路５３ａ〜熱搬送通路５３の第２通路５３ｂ〜第
１熱交換器７７〜通路７９〜第２熱交換器７８〜冷凍搬
送通路５２と循環する。ここで、第１熱交換器７７にて
ガス状ヘリウムが第１冷凍機５１ａの膨張空間６２内の
ヘリウムと熱交換して冷却され、熱交換部３１にてガス
状ヘリウムが冷却すべき物体１５と熱交換して加熱され
る。従って、冷凍が冷凍搬送通路５２を介して冷却すべ
き物体１５に搬送されるので、冷却すべき物体１５は冷
却され始める。

【００５３】次に、制御手段１０５ａが冷凍搬送通路５
２内を流れるガス状ヘリウムの温度Ｔ１’又は熱搬送通
路５３内を流れるガス状ヘリウムの温度Ｔ２’又は冷却
すべき物体の温度Ｔ３’の測定結果に基づいて温度Ｔ
１’，Ｔ２’，Ｔ３’が所定温度になるまで高周波モー
タ３４を高速で一定回転させ、その結果、インペラ３２
が高速で一定回転する。これにより、循環回路１０７内
でのガス状ヘリウムの循環流量が多くなり、冷却すべき
物体１５が所定値まで急速に冷却される。

【００５４】温度Ｔ１’，Ｔ２’，Ｔ３’が所定値より
低くなるに伴い、インバータ４２ａにより高周波モータ
３４の回転数が徐々に減少し、インペラ３２の回転数も
徐々に減少する。これにより、温度Ｔ１’，Ｔ２’，Ｔ
３’が低下するに伴いガス状ヘリウムの循環流量が徐々
に少なくなり、最終的には冷却すべき物体１５が目標温
度まで冷却される。このように、冷却すべき物体１５が
目標温度に近づくに連れてガス状ヘリウムの循環流量が
少なくなるので、インペラ３２の仕事による発熱が抑制
されて発熱の影響でガス状ヘリウムの温度が上昇するこ
とはなくなる。

【００５５】このように、ガス状ヘリウムの温度に応じ
てモータ３４の回転数を制御する制御手段１０５を設け
たので、冷却すべき物体１５を短時間で且つ確実に目標
温度まで冷却できる。

【００５６】ここで、ガス状ヘリウムの温度Ｔ１’，Ｔ
２’又は冷却すべき物体１５の温度が第１コールドヘッ
ド１０８の冷凍温度以上の場合には、制御手段１０５ａ
により切換弁１０１の弁体１０２が第１弁座１０３に着
座するので、熱搬送通路５３の第１通路５３ａ内のガス
状ヘリウムは、第２通路５３ｂを介して第１熱交換器７
７に導入され、第１コールドヘッド１０８の冷凍と熱交
換して冷却する。従って、冷却すべき物体１５は、第１
コールドヘッド１０８の冷凍温度まで急速に冷却され
る。

【００５７】一方、ガス状ヘリウムの温度Ｔ１’，Ｔ
２’又は冷却すべき物体１５の温度が第１コールドヘッ
ド１０８の冷凍温度より低くなると、制御手段１０５ａ
により切換弁１０１の弁体１０２が第２弁座１０４に着
座するので、熱搬送通路５３の第１通路５３ａ内のガス
状ヘリウムは、第２通路５３ｃを介して第２熱交換器７
７に導入され、第２コールドヘッド１０９の冷凍（略１
０Ｋ）と熱交換して冷却する。この時、熱搬送通路５３
の第１通路５３ａ内のガス状ヘリウムは、第１熱交換器
７７に導入されないので、ガス状ヘリウムが温度上昇す
ることなく冷却すべき物体１５の冷却能力が向上する。

【００５８】このように、第２実施例においては、２段
の冷凍機を用い、ガス状ヘリウムを第１冷凍部５１ａの
第１コールドヘッド１０８又は第２冷凍部５１ｂの第２
コールドヘッド１０９の少なくとも一方で発生する冷凍
と選択的に熱交換させたので、冷却すべき物体１５を短
時間で且つ効率良く冷却することが可能になる。

【００５９】尚、第１及び第２実施例においては、ＧＭ
冷凍機を採用しているが、本発明においてはこれに限定
される必要は全くなく、冷凍を発生する冷凍機（例え
ば、スターリング冷凍機，パルス管冷凍機等）であれば
何でもよい。

【００６０】

【発明の効果】請求項１の発明は、以下の如く効果を有
する。

【００６１】冷却すべき物体を短時間で且つ確実に目標
温度まで冷却できる。

【００６２】請求項２の発明は、以下の如く効果を有す
る。

【００６３】冷却すべき物体を更に短時間で且つ効率良
く冷却することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例に係る物体冷却装置の全体構成図で
ある。

【図２】第２実施例に係る物体冷却装置の全体構成図で
ある。

【図３】第１実施例に係る冷凍搬送通路内のガス状ヘリ
ウムの温度とモータ回転数の最適値との関係を示すグラ
フである。

【図４】従来技術に係る物体冷却装置の全体構成図であ
る。

【符号の説明】

１０．５０ 物体冷却装置 １１，５１ ギフォードマクマホン冷凍機（冷凍機） １４ ポンプ手段 １５ 冷却すべき物体 ３２ インペラ ３４ 高周波モータ（モータ） ４２ａ インバータ ４３ａ 温度調整器 ４２，１０５ モータ回転数制御手段 ５１ 冷凍機 ５１ａ 第１冷凍部 ５１ｂ 第２冷凍部 ５２ 冷凍搬送通路 ５３ 熱搬送通路 ７７ 第１熱交換器 ７８ 第２熱交換器 １０２ 通路切換弁（電磁弁） １０５ａ 制御手段 １０６，１０７ 循環通路 １０８ 第１コールドヘッド １０９ 第２コールドヘッド

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F25B 9/14 530 F25B 9/14 510

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷凍機と、 一部分で前記冷凍機と熱接触し且つ他部分で冷却すべき
   物体と熱接触するように前記冷凍機と前記冷却すべき物
   体とを繋ぎ、内部にガス状媒体が封入される循環通路
   と、 前記循環通路の途中に配設されたインペラと、前記イン
   ペラを駆動するモータとを有し、前記ガス状媒体を前記
   循環通路内に循環させるポンプ手段とを備えた物体冷却
   装置において、 前記ガス状媒体の温度又は前記冷却すべき物体の温度を
   常時測定し、その測定結果に基づいて前記モータの回転
   数を制御するモータ回転数制御手段とを備え、 前記モータ回転数制御手段は、前記ガス状媒体の温度又
   は前記冷却すべき物体の温度が所定値以上の場合には、
   前記モータを高速一定回転で回転させ、所定値より低く
   なるに伴い前記モータの回転数を徐々に下げることを特
   徴とする物体冷却装置。
2. 【請求項２】 所定温度の冷凍を発生する第１コールド
   ヘッドを有する第１冷凍部と、前記第１コールドヘッド
   にて発生する冷凍温度よりも低い冷凍を発生する第２コ
   ールドヘッドを有する第２冷凍部とから成る２段冷凍機
   と、 前記第１コールドヘッドと熱接触する第１熱交換器と、
   前記第２コールドヘッドと熱接触する第２熱交換器と、
   前記２段冷凍機にて発生する冷凍を冷却すべき物体に搬
   送する冷凍搬送通路と、前記冷凍搬送通路に常時連通し
   前記冷却すべき物体が放出する熱を前記２段冷凍機に搬
   送する熱搬送通路とを有し、内部にガス状媒体が封入さ
   れた循環通路と、 前記循環通路の途中に配設されたインペラと、前記イン
   ペラを駆動するモータとを有し、前記ガス状媒体を前記
   循環通路内に循環させるポンプ手段と、 前記熱搬送通路の途中に配設された電磁弁と、 前記循環通路内のガス状媒体の温度又は前記冷却すべき
   物体の温度を常時測定し、その測定結果に基づいて前記
   ガス状媒体の温度又は前記冷却すべき物体の温度が前記
   第１コールドヘッドの冷凍温度以上の場合には、前記熱
   搬送通路の前記電磁弁上流側に位置する通路を前記第１
   熱交換器に連通させるように前記電磁弁を駆動し、前記
   第１コールドヘッドの冷凍温度より低い場合に前記熱搬
   送通路の前記電磁弁上流側に位置する通路を前記第２熱
   交換器に連通させるように前記電磁弁を駆動する制御手
   段とを備えたことを特徴とする物体冷却装置。