JP6495284B2 - 冷凍方法ならびにそれに対応するコールドボックスおよび極低温機器 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍機および／または液化機ならびにそれに対応する方法に関する。

本発明はより詳しくは、純粋なヘリウムまたはヘリウムを含む気体混合物等の作動気体を使った冷凍方法に関する。

産業設備内の使用部に作動気体を使用してフリゴリー（ｆｒｉｇｏｒｉｅ）を供給する方式が知られており、この作動気体は閉回路内、またはさらには開回路内を循環し、一般に圧縮とそれに続く膨張および／または熱熱交換器の通過を含むサイクルに依存する冷却プロセスが実行される。

この点において、作動気体に、圧縮後、とりわけ膨張タービンおよび／または複数の熱交換器を含んでいてもよいコールドボックスの中を循環させる方式が知られている。

しかしながら、このような極低温設備の設計と動作に伴う問題の１つは、冷凍方法が過渡的な冷却状態であるか、または極低温を保持する安定状態（すなわち「正常動作」）であるかによって異なる、相反する要求事項を満たさなければならないことから生じる。

具体的には、安定状態において、すなわち極低温設備が、使用部に対して専ら前記使用部を所定の低い動作温度（例えば、８０Ｋ程度）に保持し、安定させることを目的としてフリゴリーの供給を維持するために使用されているときには、圧力低下を制限して熱効率を最適化する、非常に高性能の熱交換器、一般にアルミニウム製ブレージング（波形）プレートフィン式熱交換器（「アルミニウム製ブレージング熱交換器」）を使用する必要がある。

しかしながら、このようなアルミニウム製熱交換器には特定の限界があり、これはとりわけ、それらが、その中を通過する流体間の、特に前記流体が向流式に循環するときの急峻な温度勾配から生じる応力に機械的に耐えられないという事実に起因する。

ここで、大きな温度勾配は、正確に過渡状態で、とりわけ冷却中、すなわち使用部を比較的高い開始温度（典型的には１５０Ｋ超、一般には３００Ｋより高いか、これと等しい）から比較的低い動作温度（例えば、８０Ｋ程度）に下げる必要があるときに発生する。

もちろん、アルミニウム製ブレージング熱交換器をこの過渡状態で保護する必要があり、この状態は時として長期間、例えば超電導磁石を冷却するために使用される極低温設備の場合は数十日間も続くことがある。

既知の極低温設備では、したがって、上記の要求事項と折り合いを付けるために、機器内の要素を増やすこと、とりわけ、ある量の液体窒素（槽）を使った１つまたは複数の補助的冷却システムをコールドボックスの入口に追加すること、および稼働計画に従ってケースバイケースで極低温設備の構成を調整するために、選択的に作動気体の流れを、前記補助システムを通るように誘導することができる複雑な切り替え回路を設けることが想定されている。

このような予防策に関わらず、既知の極低温設備は、過渡状態と安定状態との間でばらつきのある性能を見せる可能性があり、ある稼働計画には他の計画ほど適さなくなる。

さらに、前記極低温設備は非常に嵩張り、構造が複雑で、設置と保守のコストがかさむ。

本発明に課された目的は、したがって、上記の欠点を克服し、稼働計画に関係なく、かつ単純でコンパクトな極低温設備により、前記極低温設備の高い性能と要求を満たすことのできる冷却を実現できるような新規で有効かつ多目的の冷凍方法を提供することを目指している。

本発明に課された目的は、「使用部温度」と呼ばれる温度の使用部に対して、フリゴリーが、冷凍回路内で冷却されるヘリウム等の作動気体によって供給される冷凍方法によって達成され、冷却回路は、前記作動気体が圧縮される少なくとも１つの圧縮ステーションと、次に作動気体が、複数の熱交換器を通過させることによって冷却される少なくとも１つのコールドボックスとを含み、前記方法は、その間の冷却第一段階（ａ１）中、冷却された作動気体により供給される冷水・冷気が、前記使用部温度が１５０Ｋより高いときに使用部温度を下げるために使用される冷却ステップ（ａ）および／または、その間に、冷却された作動気体により供給されるフリゴリーが、使用部温度が低温設定点より低く、９５Ｋより低いときに使用部温度を前記低温設定点より低く保持するために使用される低温保持ステップ（ｂ）を含み、前記方法は、冷却ステップ（ａ）の第一段階（ａ１）中、および／またはそれぞれ、低温保持ステップ（ｂ）中、作動気体が、前記作動気体を、少なくとも第一のアルミニウム製ブレージングプレートフィン式熱交換器と、第二の溶接プレート式熱交換器と、第三のアルミニウム製ブレージングプレートフィン式熱交換器とを連続的に含むコールドボックス内で循環させることによって冷却され、圧縮ステーションから出てコールドボックスに入る前記作動気体の流れのうち少なくとも１％、好ましくは少なくとも４％が第二の熱交換器を通過するようにされ、次に、前記作動気体の流れの少なくとも１％、好ましくは少なくとも４％が第三の熱交換器を通過するようにされてから、前記作動気体の流れが使用部に誘導されて、使用部にフリゴリーが供給されることを特徴とする。

有利な点として、アルミニウム製の第一の熱交換器の下流と同様にアルミニウム製の第三の熱交換器の上流との間に、好ましくはそこを通って熱交換する流体間の急峻な温度勾配に耐えられるステンレススチール（または、好ましくはアルミニウム以外の他の何れかの適当な合金）で製作された溶接プレート式の中間の第二の熱交換器を介在させることによって、および、作動気体の流れの少なくとも一部、適切であればほとんど、またはさらには全部に強制的にこの第二の熱交換器を通過させることによって、コールドボックス、およびとりわけアルミニウム製の熱交換器は、あらゆる状況下で、熱機械的応力に耐えられる。

具体的には、第二の熱交換器は損傷を受けずに急峻な温度勾配に耐えられるため、それ自体が作動気体の大幅な冷却（冷却幅は典型的には１００Ｋ、１５０Ｋ、またはさらには２００Ｋより大きいか、これと同等）を実行でき、これは、作動気体の温度を所望の程度まで低下させる作業の多くの部分、またはさらには（ほとんど）大部分を担当することを表している。

作動気体を適切に冷却するために対処するべき温度差のほとんどをそれ自体で「吸収する」ことによって、第二の熱交換器はそれゆえ、わずかな量の冷却しか残さず（典型的に５０Ｋ、またはさらには３０Ｋより小さいか、これと等しい）、これは、より高性能であるが、より脆弱なその他の熱交換器（第一の熱交換器および、特に第三の熱交換器）が実行するものとして、前記第二の熱交換器が担当するものより顕著に小さい。

第一および第三の熱交換器の各々に割り当てられる残りの冷却量はそれゆえ、関係する熱交換器が耐えられる温度勾配を超えることがない。

第二の熱交換器はそれゆえ、第一および第三の熱交換器を温度の「過負荷」から有効に保護するため、これらの熱交換器の寿命と性能がそれによって改善される。

以上の理由から、この方法は、その初期温度が、本発明による冷却工程が実施されるときに１５０Ｋを超えるような比較的「高温」の使用部を冷却するのに特によく適している。

さらに、アルミニウム製のプレートフィン式熱交換器の存在は、とりわけ、（第二の熱交換器により実現される急峻な温度低下の後に）第三の熱交換器内で作動気体を低温まで下げるという問題であるときに、この方法の熱的性能を保持するのに役立つ。

この性能は、安定状態において、低温保持ステップ（ｂ）中、前記方法が「低温」の使用部（その使用部温度が典型的に９５Ｋ未満、例えば８０Ｋ程度）の状態を維持するために使用されるときに特に有利であることがわかる。

さらに、安定した低温保持状態で、（アルミニウム製ブレージング式の）第三の熱交換器を通る最終的な循環に加えて、（溶接プレート式の）第二の熱交換器を通る作動気体の流れの少なくとも部分的、またはさらには全体的循環を維持するという事実は、第二の熱交換器が第三の熱交換器の上流で冷却の一部を担当できることを意味し、これは、以前ほど嵩張らない第三の熱交換器を使用することが可能であることを意味する。

もちろん、このような第二の熱交換器の使用を通じて可能となる第三の熱交換器の小型化は、コールドボックスのコンパクトさの改善に貢献する。

最後に、熱交換器の慎重な選択と順序を利用することにより、および、そのすべてを作動気体が順番に通過する前記熱交換器を通る作動気体の流れの簡易化された管理を提案することによって、本発明による方法は特に多目的であることがわかり、それは、これによって、特に単純でコンパクトなコールドボックスの構造を使い、使用部の冷却から前記使用部の低温保持（および、適当であれば、冷却サイクルの終了時に使用部を周囲温度に戻すための加熱）まで、極低温施設の寿命中に遭遇するあらゆる状況を有効に管理できるからである。

したがって、実際には、本発明による方法は、有利な点として、とりわけ極低温での熱的性能の点におけるアルミニウム製熱交換器の利点と、中間の溶接プレート式熱交換器の熱機械的堅牢性とを組み合わせることができる。

本発明のその他の目的、特徴、および利点は、以下の説明を読むことにより、および純粋に非限定的な例として提供される添付の図１をよく見ることにより、より詳しく明らかとなるであろう。

本発明による冷凍方法の実施例の概略図である。

本発明は、「使用部温度」Ｔ１と呼ばれる温度の使用部１に、冷凍回路２の中で冷却されたヘリウム等の作動気体によってフリゴリーが供給される冷凍方法に関する。

使用部１は、フリゴリーの供給を必要とする何れの種類の産業設備であってもよい。

好ましい代替的な実施形態によれば、この方法は、例えばプラズマを閉じ込めるための電磁石の中の超伝導ケーブルに低温を供給するように意図される。

この方法は、適切であれば、気体を液化する方法および、特に、窒素または他のあらゆる気体、例えばヘリウムを液化する方法に関すると言ってもよい。

作動気体はとりわけ、純粋なヘリウムまたはヘリウムを含む気体混合物であってもよい。

好ましくは、前記作動気体は閉鎖冷凍回路２の中でループ状に循環し、これによって前記作動気体を再使用でき、それゆえ、圧縮／冷却およびおそらく膨張の繰返しサイクルが連続的に実行される。

本発明はもちろん、冷凍回路２にも関し、より一般的に、このような方法の実行を可能にする極低温設備にも関する。

本発明によれば、図１に示されるように、冷凍回路２は、前記作動気体が圧縮される少なくとも１つの圧縮ステーション３と、次に、作動気体が、複数の熱交換器５、１５、２５、この例では第一の熱交換器５、第二の熱交換器１５、および第三の熱交換器２５を通過させることによって冷却される少なくとも１つのコールドボックス４とを含む。

１つの考えうる代替的な実施形態によれば、前記コールドボックスはまた、作動気体を、それに対して断熱または準断熱膨張を実行することによって冷却するための少なくとも１つの膨張タービン（図示せず）も含んでいてよい。

図１に示されるように、冷凍回路２は、第三の熱交換器２５の下流に接続された適当な熱交換システム６を通じて使用部１にフリゴリーを供給する。

使用部にフリゴリーを付与した後に熱交換システム６から出た作動気体は次に、戻り管７をたどって圧縮ステーション３に戻る。

代替的な実施形態によれば、コールドボックス４は、並列に動作する２つの同じ冷凍回路２を含んでいてもよく、すなわち、各々が圧縮ステーション３からの作動気体の流れの一部を受け取り、各々がそれに割り当てられた作動気体の担当分を冷却してから、コールドボックスの出口で前記作動気体を使用部１に向かって誘導する。

本発明によれば、この方法は、その間の、冷却第一段階（ａ１）中、冷却された作動気体により供給されるフリゴリーが、前記使用部温度Ｔ１が１５０Ｋより高いときに使用部温度Ｔ１を下げるために使用される冷却（「冷却」）ステップ（ａ）および／または、前記冷却ステップ（ａ）の代わりに、またはそれに加えて、その間に、冷却された作動気体により供給されるフリゴリーが、使用部温度Ｔ１が低温設定点より低い、９５Ｋより低いときに使用部温度Ｔ１を前記低温設定点未満に保持するために使用される低温保持（「通常動作」）ステップ（ｂ）を含む。

本発明によれば、冷却ステップ（ａ）の第一段階（ａ１）中、および／またはそれぞれ、低温保持ステップ（ｂ）中、作動気体は、前記作動気体を、少なくともアルミニウム製のブレージングプレートフィン式の第一の熱交換器５と、溶接プレート式の第二の熱交換器１５と、アルミニウム製のブレージングプレートフィン式の第三の熱交換器２５を連続して含むコールドボックス４の中で循環させることによって冷却されて、圧縮ステーション３から出てコールドボックス（４）に入る前記作動気体の流れのうちの少なくとも１％、および好ましくは少なくとも４％が、第二の熱交換器１５を通過させられ、次に、前記作動気体の流れのうちの少なくとも１％、および好ましくは少なくとも４％が第三の熱交換器２５を通過させられてから、前記作動気体の流れ、およびより詳しくは、コールドボックス４を通過した気体の流れの全部が使用部１に向かって誘導されて、使用部１にフリゴリーが供給される。

実際には、第二の熱交換器１５およびまたは第三の熱交換器２５を通過する作動気体の最低量は、とりわけ４％〜５％の間、例えば４．８％程度であってもよい。

説明の便宜上、作動気体の流れと、パーセンテージで表される前記気体の流れの割合は、作動気体（冷媒）の質量流量と、それぞれ前記質量流量のパーセンテージに対応すると考えられる。

各作動サイクルについて、確実に作動気体の少なくとも（ゼロでない）一部、またはさらには大部分に体系的に、一方で、特に急峻な温度勾配に抵抗する溶接プレート式の第二の熱交換器１５を通過させ、他方で、低温で特に良好な熱滴性能を示すアルミニウム製のプレートフィン式の第三の熱交換器２５を通過させることによって、過渡状態、とりわけ「中温」または「高温」の使用部（その温度Ｔ１が当初１５０Ｋを超える）を冷却する、第二の熱交換器１５が熱衝撃を負担する第一段階（ａ１）と、その後、第三の熱交換器２５が支配的役割を果たす、安定した低温保持状態の両方において、冷凍を有効に管理することが可能となる。

さらに、作動気体の循環図は好ましくは、冷却ステップ（ａ）中、より詳しくはその第一の段階（ａ１）中、または低温保持ステップ（ｂ）中、および好ましくはこれらのステップ全部を通じて、コールドボックス４に入る作動気体および、適切であれば、より一般的に圧縮ステーション３から「高圧」で（実際には、約１８バール）出る作動気体のほとんど、すなわち５０％超、好ましくは７５％超、８０％超、またはさらには９０％超、またはさらには、好ましくは全部、すなわち１００％が第一の熱交換器５に向かって誘導され、このコールドボックス４に入る前記作動気体の流れの大部分、またはさらには全部が、有効に前記第一の熱交換器５を通過し、そこで冷却される、というものである。

それゆえ、それ自体が別の発明を構成しうるものによれば、とりわけ低温保持ステップ（ｂ）中、コールドボックス４に入る作動気体の流れの大部分、および好ましくは全部が、好ましくは、まず、第一の熱交換器５を通過させられてから、前記作動気体の流れの全部または一部が第二の熱交換器１５を通過させられ、その後、前記作動気体の流れの全部または一部が第三の熱交換器２５を通過させられる。

有利な点として、コールドボックスの中にある３つの熱交換器５、１５、２５を、少なくともその処理能力の一部において同時に使用し、また冷却状況であるか低温保持状況であるかを問わずにそうするという事実は、コールドボックス４の全体的効率を改善でき、それと同時に、各熱交換器５、１５、２５の個々の大きさと、したがって前記コールドボックス４の全体的な大きさを制限できることを意味する。

この点において、とりわけ、（少なくとも）低温保持ステップ（ｂ）中に第二の熱交換器１５および第三の熱交換器２５を連続的に組み合わせることにより、有利な点として、前記冷却を前記第二および第三の熱交換器１５、２５間で連続的に分割して、極低温までの冷却を最適化することが可能となり、これは、前記熱交換器１５、２５を過剰に大型にする必要をなくすことができるようにするものである。

冷却ステップ（ａ）（および、とりわけその第一段階（ａ１））と低温保持ステップ（ｂ）の両方に関係しうる好ましい代替的な実施形態によれば、作動気体の流れの全部が第二の熱交換器１５を通過し、次に第三の熱交換器２５も通過する。

それゆえ、第二および第三の熱交換器１５、２５は、有利な点として、カスケード式に組み合わせることができ、それによってコールドボックスの性能が改善し、そのコンパクトさを損なわずに済み、それは、この目的のために、前記熱交換器１５、２５を直接接続する単純な管を使用して行われ、その結果、コールドボックス４のコストが削減され、圧力低下が制限される。

好ましくは、冷却ステップ（ａ）、およびより詳しくは、冷却第一段階（ａ１）は、当初の使用部温度Ｔ１が２００Ｋ、２５０Ｋ、３００Ｋ、またはさらには３５０Ｋより高いか、それと等しいときに実行される。

好ましくは、この方法と、より詳しくは冷却ステップ（ａ）の第一段階（ａ１）は、その温度Ｔ１が４５０Ｋ、および好ましくは４００Ｋを超えない１つの（または複数の）使用部に供給するために実行される。

より一般的に、冷却ステップ（ａ）の第一段階（ａ１）は、使用部温度Ｔ１が（厳密に）１５０Ｋ〜４００Ｋの間、より詳しくは（厳密に）１５０Ｋ〜３５０Ｋの間、例えば２５０Ｋ〜３５０Ｋの間、またはさらには２５０Ｋ〜３００Ｋの間にある間に、またはさらにはそうであるかぎり実行されてもよい。

有利な点として、第二の熱交換器１５を通過する作動気体の永久的循環は実際に、常に、コールドボックス４を大きな温度差の影響から確実に保護し、それによってこの方法は極めて多目的なものとなり、それは、「低温」使用部（その温度Ｔ１が９５Ｋ未満、とりわけ７０Ｋ〜（厳密に）９５Ｋの間）に直接、「高温」使用部（典型的に、（厳密に）１５０Ｋを超える温度Ｔ１、とりわけ約３００Ｋの周辺温度Ｔ１にある）、またはさらには「極高温」の使用部（その温度Ｔ１は例えば３５０Ｋまたは、さらには４００Ｋに届いてもよい）に対する場合と同様に容易に対処できるからである。

この方法の代替的な実施形態によれば、特に低温保持ステップ（ｂ）中、コールドボックス４に入り、好ましくは第一の熱交換器５を通過する作動気体の流れの大部分、またはさらには全部が次に、第一の熱交換器５の下流にある第二の熱交換器１５を通過し、そこで（２回目の）放熱を行い、それゆえその冷却を継続する。

同様に、この代替的な実施形態によれば、作動気体の流れの、全部ではないとしてもほとんどが次に、第二の熱交換器１５の下流にある第三の熱交換器２５を通過し、したがって、そこで（３回目の）放熱を行い、それゆえ冷却を続ける。

絶対的な意味において、１つまたは複数のタッピングバルブをコールドボックス４の中に設置して、作動気体の一部が冷却回路２の外へと個別に誘導されるようにするか、さらには１つまたは複数の「迂回」区間を設置して、第一、第二、または第三の熱交換器５、１５、２５のうちの１つまたはその他を迂回し（近道をとり）、作動気体の流れの一部、好ましくは少数部分（すなわち、好ましくは厳密に５０％未満、２５％未満、２０％未満、またはさらには１０％未満）を分岐させて、この部分が関係する熱交換器を通過しない（ただし、閉回路内に留まる）ようにすることも排除されない。

しかしながら、好ましくは、低温保持ステップ（ｂ）中に、第一の熱交換器５を通過する作動気体の流れは次に、それが前記第一の熱交換器５から出るときにすべて回収されて、すべて第二の熱交換器１５を通って運ばれる。

同様に、好ましくは第一および第二の熱交換器間の上述のつながりと組み合わせて、この同じ低温保持ステップ（ｂ）中に、第二の熱交換器１５からの作動気体の流れは好ましくは、それが前記第二の熱交換器１５から出たときにすべて回収され、第三の熱交換器２５を通じてすべて運ばれる。

特に好ましくは、コールドボックス４の特に単純化されたレイアウトにより、および好ましくは安定した低温保持状態中、圧縮ステーション３からの作動気体の流れのすべてが第一の熱交換器５へ、次に第二の熱交換器１５へ、次に第三の熱交換器２５へと送られてもよく、それによって作動気体の流れのすべてが、１つの同じ作動サイクル中（すなわち、冷凍回路２の１つの同じ「回路」中で）第一の熱交換器５、次に第二の熱交換器１５、次に第三の熱交換器２５の中を連続的に通過してから、使用部１に供給し、その後、圧縮ステーション３に戻る。

好ましくは、冷却ステップ（ａ）は、冷却第一段階（ａ１）の後に冷却第二段階（ａ２）へと続き、その間、冷却第一段階（ａ１）で開始された冷却が、使用部温度（Ｔ１）が低温設定点に到達するまで続く。

低温設定点に到達したら、好ましくは低温保持ステップ（ｂ）が実行され、それと同時に作動気体は第二の熱交換器１５の中で循環し続ける。

前述のように、第二の熱交換器１５の少なくとも部分的な使用は、熱交換器５、１５および、とりわけ第三の熱交換器２５の熱的な安全性を確保するために、冷却中と、ある大きさについての、コールドボックス４の性能を最適化するために、低温保持中と、の両方において維持される。

１つの代替的な実施形態によれば、冷却ステップ（ａ）から低温保持ステップ（ｂ）へと移行するときに、第一、第二、および第三の熱交換器５、１５、２５を通過する作動気体の流れの分配構成を、冷却ステップ（ａ）中に使用された分配構成と実質的に同じに保つことが想定される。

換言すると、それ自体が発明を構成しうる好ましい特徴によれば、第一、第二、および第三の熱交換器の同じ直列接続構成、したがって、過渡的冷却状態中と安定した低温保持状態中の両方、すなわち「高温時」と「低温時」の両方において作動気体が前記第一、第二、および第三の熱交換器５、１５、２５を連続的に通過する、同じ構成を維持することが可能でありうる。

より詳しくは、この代替的な形態によれば、稼働計画に関係なく、各種の連続する熱交換器５、１５、２５を通る作動気体の分配を実質的に同じに保つことができる。

有利な点として、コールドボックス４の中の第一、第二、および第三の熱交換器５、１５、２５間のハードウェアの接続、およびしたがって、作動気体がたどる冷凍回路２の経路はすると、前記コールドボックス４の稼働計画に関係なく、あらゆる状況下で変化しないままであってもよい。

特に、この代替的な形態によれば、コールドボックス４の稼働計画に応じて、熱交換器５、１５、２５の中の１つまたはその他に選択的に接続するため、またはそれと反対にこれを迂回するために冷凍回路２の複数の分枝路間での切り換えを行う必要性をなくすことができる。

この不変性により、前記コールドボックス４の構成と管理を単純化し、それゆえ、その大きさだけでなく、そのコストと運転コストも縮減しながら、同時にその信頼性と寿命を改善することが可能となる。

しかしながら、この方法の他の代替的な実施形態によれば、冷却ステップ（ａ）中、およびより詳しくは第一冷却段階（ａ１）中に、作動気体の流れは第二の熱交換器１５の上流で、図１において実線で示され、第二の熱交換器１５および第三の熱交換器２５を連続して通過する、「冷却分岐路」と呼ばれる第一の分岐路８と、図１において破線で示され、第二の熱交換器１５および第三の熱交換器２５を迂回して、その後、前記第三の熱交換器２５からの作動気体の流れと合流する、「迂回分岐路」と呼ばれる第二の分岐路９との間で分配される。

有利な点として、迂回分岐路９は、分流器１０が設けられ、第一の熱交換器５の下流で第二の熱交換器１５の上流にある抽出点から第三の熱交換器２５の下流で、使用部１の上流にある分岐点１１まで作動気体の一部を直接運ぶことにより（とりわけ、第二および第三の熱交換器１５、２５間の冷却分岐路８に進入しない）、冷却分岐路８の全体を迂回することが可能となる。

有利な点として、第一の熱交換器５からの作動気体の流れを第一および第二の分岐路８、９間で分割することにより、冷却ステップ（ａ）中に第二の熱交換器１５および特に第三の熱交換器２５に対する要求が小さくなり、それゆえ、とりわけ、熱応力と圧力低下を制限することが可能となる。

好ましくは、冷却ステップ（ａ）から低温保持ステップ（ｂ）への移行中、それ自体が別の発明を構成しうる特徴によれば、「迂回」分岐路と呼ばれる第二の分岐路９を通る作動気体の循環を低減し、好ましくはブロックして、コールドボックス４に入る作動気体の流れの大部分、好ましくは全部を強制的に、「冷却」分岐路と呼ばれる第一の分岐路８をたどって、低温保持ステップ（ｂ）中に第二の熱交換器１５、次に第三の熱交換器２５を連続的に通過させる。

それゆえ、非常に単純な回路を使用して、３つの熱交換器５、１５、２５のすべてを同時に動作させることから、したがって性能の改善から利益を得ることができる。

想定される代替案の残り（不変の構成または、反対に、迂回分岐路９の選択的切り換え）の何れかにかかわらず、コールドボックス４の単純化によって、圧力低下と故障または漏出の考えうる原因を縮小・削減することが可能となり、その一方で、第二の熱交換器１５を冷却回路２に永久的に接続すること（および、適切であれば主に接続すること）によって、「高温」の使用部と（故意に、またはさらには偶然）接続された場合の影響から保護できる。

適切であれば、ある時点で考えられる稼働計画に合わせた冷凍回路２の調整は、単に第一、第二、および第三の熱交換器５、１５、２５を通る作動気体の流量および／または補助的な低温の流体の流量を調節するだけで実行できる。

第一の熱交換器５および第三の熱交換器２５は、有利な態様としては、アルミニウム製ブレージングプレートフィン式熱交換器（「アルミニウム製プレートフィン式熱交換器」）タイプであり、その点において、ＡＬＰＥＭＡ「（Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ Ｐｌａｔｅ−Ｆｉｎ Ｈｅａｔ Ｅｘｃｈａｎｇｅｒ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｒ’ｓ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ（アルミニウム製プレートフィン式熱交換器製造業者協会）」の推奨に適合しうる。

このようなアルミニウム製熱交換器は実際に、特にコンパクトであり、熱的な見地から高性能である。

好ましくは、第二の熱交換器１５によって、ステンレススチールまたは、適切であれば、アルミニウム（これは脆弱すぎる）以外の適当なステンレス金属合金製の溶接プレート式熱交換器が利用される。

このような熱交換器、その技術はまた「プレート＆シェル熱交換器」とも呼ばれ、もちろん、複数のプレート（典型的には４枚以上）と、用途に適した熱交換表面積を有し、実際に、極めて堅牢であり、とりわけ、急峻な温度勾配に対して優れた機械的抵抗を示す。

特に好ましくは、第二の熱交換器１５として、プリント回路型熱交換器（ＰＣＨＥ）が利用される。

このような熱交換器は、流路を形成する溝が予め化学的（エッチング）方式を通じて掘られている複数の積み重ねられたプレートを（例えば炉内ろう付けによって）組み立てることによって形成され、実際には、有利な点として、特にコンパクトである。

好ましい代替的な実施形態によれば、第二の熱交換器１５は、図１に描かれているような向流型熱交換器を形成してもよく、その中では、作動気体、この場合はヘリウム（Ｈｅ）が低温流体に関して向流方向に流れて、それに放熱し、これが適切な装置によって取り除かれる。

第二の熱交換器１５は急峻な温度勾配に十分に耐えられるため、実際、第二の熱交換器１５内で、比較的高温の（例えば、熱交換器１５の入口において２７０Ｋ、またはさらには３００Ｋに到達しうる）作動気体を、前記作動気体に関して向流方向に循環する特に低温の補助的流体（例えば、入口温度が８０．８Ｋ程度の液体窒素）を有効に冷却できる。

何れの場合も、第二の熱交換器１５中で、好ましくは向流方向に循環する低温の補助流体、例えば液体窒素（ＬＩＮ）を使用して、作動気体を冷却することが好ましい。

この特定の例において、図１に示されているように、第二の熱交換器１５はそれゆえ、ヘリウム−液体窒素のプリント回路型熱交換器（ＨＥ−ＬＩＮ ＰＣＨＥ）タイプを形成してもよく、その中では、作動気体（Ｈｅ）に関して向流方向に循環し、典型的には入口温度が８０．８Ｋ程度の液体窒素（ＬＩＮ）が気体窒素（Ｎ２）に気化して、熱エネルギーを前記作動気体（Ｈｅ）から除去する。

さらに、好ましい代替的な実施形態によれば、第一の熱交換器５として、気体／気体熱交換器、好ましくは向流型熱交換器が利用され、その中では使用部１から戻る作動気体が、圧縮ステーション３への入口に到達する前に、前記圧縮ステーション３からの圧縮された作動気体により放出された熱を受け取る。

特に、図１に示されているように、戻り管７はそれゆえ、アルミニウム製ブレージング式ヘリウム−ヘリウム熱交換型（ＢＡＨＸ Ｈｅ−Ｈｅ（Ｂｒａｚｅｄ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｈｅａｔ ｅＸｃｈａｎｇｅｒ Ｈｅ−Ｈｅの略））熱交換器である第一の熱交換器５を通過してもよく、それによって圧縮ステーション３に向かって戻り、「低」圧（典型的に、１６バール）の「低温」ヘリウム（典型的に、約１００Ｋ）は、圧縮ステーション３を出て使用部１に向かう圧縮された（典型的に、約１８バール）「高温」（典型的に、約３００Ｋ〜３１０Ｋ）ヘリウムに関して、向流方向に循環することによって温まることができる（典型的に、周辺温度、すなわち２９０Ｋ〜約３０７Ｋまで温まる）。

好ましくは、第三の熱交換器２５により、液体窒素の熱サイフォン、好ましくは並流式熱サイフォンが利用される。

特に、図１に示されているように、それゆえ、液体窒素（ＬＩＮ）が構成する補助流体を使用部１に向かって流れるヘリウム（作動気体）の流れに関して並流方向に循環させることが可能となりうる。

前記第三の熱交換器２５の中で典型的に７９．８Ｋ〜８０．８Ｋとなり、液体状態（ＬＩＮ）から気体状態（ＧＡＮ（気体窒素の略））に移行する窒素は、ヘリウムの流れから熱を引き抜き、それゆえ、その温度を約８０Ｋまで下げる。

参考として、冷却第一段階（ａ１）の開始時に、過渡状態で、使用部温度Ｔ１は３００Ｋ（周辺温度）程度であってもよい。

圧縮ステーション３へと戻り、第一の熱交換器に低温流体として入る作動気体の温度はしたがって、３００Ｋ程度である。

戻る気体は、それが第一の熱交換器１を通過する際に熱を引き抜き、それゆえ、圧縮ステーション３に入るときにはそれ自体約３０７Ｋで、１６バール程度の低圧であってもよい。

圧縮後、約１８バールの高圧気体の温度は、それが第一の熱交換器５に到達するときに３１０Ｋである。

前記第一の熱交換器５から出るとき、その温度は約３０２Ｋまで下がっている。

３０２Ｋのこの気体の流れのうち、冷却分岐路８をたどる部分は第二の熱交換器１５の中で大幅に冷却され、第二の熱交換器１５はその温度を約９５Ｋまで低下させ、したがって、前記冷却分岐路８の冷却のほとんどを担当する。

冷却のほとんどを担当する第二の熱交換器１５は、一方で３０２Ｋから９５Ｋに移行するヘリウム（作動気体）と、他方で８０Ｋ程度の極低温で、液体状態から気体または液体／気体の２相状態に移行する液体窒素（補助流体）の向流循環に完全に耐えられることがわかるであろう。

第三の熱交換器２５を通過するとき、この作動気体の同じ流れの温度は約８０Ｋまで下がっている。

すると、第三の熱交換器２５から出た８０Ｋのこの流れは、図１において１１の番号が付された分岐点で、迂回分岐路９からの３０２Ｋの流れと混ざり合い、その後、作動気体の全部が使用部１の熱交換システム６へと供給される。

安定状態、すなわち、低温保持ステップ（ｂ）中および、より好ましくは、作動気体が専ら冷却分岐路８を通って循環しているとき、作動気体の温度は典型的に、第二の熱交換器１５に入るときに１０３Ｋ程度で、それが前記第二の熱交換器１５を出るときは約９５Ｋであり、したがって、それが受ける要求は過渡状態のときよりはるかに小さい。

第三の熱交換器２５を出るとき、使用部に到達する作動気体は、有利な点として、８０．４Ｋ程度の極低温であり得る。

さらに、上述の例において、一般にすでに想定されているように、第一の（ＢＡＨＸ Ｈｅ−Ｈｅ）熱交換器５には、コールドボックス４に入る作動気体（この場合はヘリウム）の流れのすべてが通過し、これはさらに、過渡的な冷却状態のときと安定した低温保持状態のときの両方であることがわかるであろう。

この例において、作動気体の流れの全部が前記第一の熱交換器５を、１回目は、そこで冷却されるためにコールドボックス４に入る、冷却が必要な高温の流体として通過し、その後、２回目は、使用部１から戻る低温の流体として、前記コールドボックス４から再び出る前に通過する。

もちろん、本発明はまた、上述の特徴の１つまたはその他による冷凍方法を実行するための冷凍装置にも関する。

本発明は、より詳しくは、前記方法の実行を可能にし、より詳しくは、本発明により作動気体を確実に循環させるように設計されたコールドボックス４に関する。

本発明はそれゆえ、より詳しくは、作動気体を冷却するためのコールドボックス４にも関し、前記コールドボックスは、同じ絶縁筐体内に、少なくともアルミニウム製のブレージングプレートフィン式の第一の熱交換器５と、ステンレススチール製の溶接プレート式の第二の熱交換器１５と、アルミニウム製のブレージングプレートフィン式の第三の熱交換器２５とを連続的に含む。

好ましい代替的な実施形態によれば、前記コールドボックスは、第二の熱交換器１５および第三の熱交換器２５を連続して通過する、「冷却分岐路」８と呼ばれる、作動気体の循環のための少なくとも第一の分岐路８と、第二の熱交換器１５および第三の熱交換器２５を迂回して、第三の熱交換器の出口と好ましくは直接接合する、「迂回分岐路」９と呼ばれる、作動気体の循環のための第二の分岐路９と、第一の熱交換器５からの作動気体の流れを、「冷却」分岐路と呼ばれる第一の分岐路８だけに選択的に誘導するか、あるいは前記作動気体の流れの一部を「冷却」分岐路と呼ばれる第一の分岐路８に、また一部を「迂回」分岐路と呼ばれる第二の分岐路９に分配するように設計された分流器１０とを含む。

分流器１０は例えば、第一の熱交換器５の出口に接続された入口と、一方が第一の分岐路８に、他方が第二の分岐路９に接続された少なくとも２つの出口と、が設けられたマルチウェイバルブ、あるいはマニホルドの形態をとってもよく、前記出口の少なくとも１つ、好ましくは前記出口の各々は、少なくとも１つのバルブが設けられ、これは適切であれば、対応する分岐路８、９の中の作動気体の流量を調整できる。

有利な点として、迂回分岐路９は、第二の熱交換器１５の出口を第三の熱交換器２５の入口に接続する管と連通せず、それによって前記迂回分岐路９によって第二の熱交換器１５の上流に放流された作動気体の全部が、それによって、第三の熱交換器２５の下流で使用部１の上流にある分岐点１１へと直接運ばれ、この分岐点１１では、前記気体が前記第三の熱交換器２５からの気体の流れと混ざり合う。

このようなコールドボックス４の代替的形態により、有利な点として、迂回分岐路９が有効で、コールドボックス４を通過し、第一の熱交換器５からの気体の流れが一方で冷却分岐路８に（少なくとも１％、好ましくは少なくとも４％まで）、および他方で迂回分岐路９に分配されるような、好ましい遷移状態（とりわけ冷却状態）の構成と、分流器１０が、迂回分岐路９への到達を減少させ、またはさらには閉鎖して、作動気体の流れのうちの、過渡状態中の部分より大きな部分、好ましくは前記作動気体の流れのうち、全部でなくてもほとんどが、第二の熱交換器１５と、次に第三の熱交換器２５とを通過するような、好ましい安定状態（低温保持）の構成との間で、簡単かつ迅速に切り換えることが可能となる。

特に単純化されたコンパクトなコールドボックス４の他の考えうる代替的な実施形態によれば、前記熱交換器５、１５、２５は、その順序で相互に連続的に接続されて、作動気体が通過することが意図される線形冷却回路（その経路は典型的に、上述の冷却分岐路８に対応する）を形成してもよく、前記回路には実質的に、作動気体が前記熱交換器５、１５、２５のうちの１つまたはその他を迂回できるようにする接続または迂回分岐路がなく、それによって、第一の熱交換器５を通過する作動気体の流れの全部が次に、第二の熱交換器１５を、その後、第三の熱交換器２５を通過して前記冷却回路をたどらざるを得ない。

それゆえ、圧縮ステーション３からの作動気体の流れの全部を、稼働計画に関わらず、順番に第一の熱交換器を通り、次に第二の熱交換器を通り、最後に第三の熱交換器を通るように、好ましくは永久的に循環させることができ、これには上述の利益のすべてが伴う。

さらに、熱交換器５、１５の出口をそれぞれ、すぐ下流にある熱交換器１５、２５の入口にそれぞれ、接続部または過度な屈曲部を持たない管によって直接接続する線形冷却回路を使用することにより、コンパクトで、単純で、安価で、とりわけ圧力低下を最小限にするコールドボックス４を作ることが可能である。

好ましくは、因みに、その内部構成の代替的形態に関係なく、コールドボックス４は、パーライトを使用してその環境から断熱される。

続いて、これはフリゴリーの損失を有効に回避する。

本発明はさらに、それゆえ、本発明による冷凍方法を実行できる極低温設備に関する。

前記設備は、このために、コールドボックス４を調整し、構成するモジュールを含み、前記モジュールは、前記コールドボックスの熱交換器５、１５、２５の回路を制御して、第二の熱交換器１５への、および第三の熱交換器２５への到達を常に可能なまま残し、コールドボックス４に入る作動気体の流れの少なくとも１％、好ましくは少なくとも４％が常に第二の熱交換器１５を通り、および第三の熱交換器２５を通るようにする。

本発明は特に、作動気体のためのループ状の冷凍回路２を含む極低温設備に関し、前記冷凍回路２は、前記作動気体を圧縮するための少なくとも１つの圧縮ステーション３と、次に上述の代替的形態の１つまたはその他による少なくとも１つのコールドボックス４であって、作動気体を、複数の熱交換器５、１５、２５を通過させることによって冷却するためのコールドボックス４と、次に、コールドボックス４からの冷却された作動気体がフリゴリーを使用部１に放出できるように設計された熱交換システムとを連続的に含む。

もちろん、本発明は、開示された代替的な実施形態のみには如何様にも限定されず、当業者であればとりわけ、上述の特徴の１つまたはその他を自由に相互に分離し、または組み合わせ、あるいはその均等物と置換することができる。

特に、過渡的冷却状態（およびそれに対応する温度勾配の取扱いを含む）に関連する検討事項は、使用部の加熱、すなわち冷却サイクル終了時に使用部を低温状態から高温状態に徐々に戻すときにも、適切な変更を加えたうえで、当てはめることができる。
以下に、出願当初の特許請求の範囲に記載の事項を、そのまま、付記しておく。
［１］ 「使用部温度」と呼ばれる温度（Ｔ１）にある使用部（１）に対して、フリゴリーが、前記作動気体が圧縮される少なくとも１つの圧縮ステーション（３）と、次に前記作動気体が、複数の熱交換器（５、１５、２５）を通過させることによって冷却される少なくとも１つのコールドボックス（４）とを含む冷凍回路（２）内で冷却されるヘリウム等の作動気体によって供給される冷凍方法であって、
冷却第一段階（ａ１）中、冷却された前記作動気体により供給される前記冷水・冷気が、前記使用部温度（Ｔ１）が１５０Ｋより高いときに前記使用部温度（Ｔ１）を下げるために使用される冷却ステップ（ａ）、および／または冷却された前記作動気体により供給される前記フリゴリーが、前記使用部温度（Ｔ１）が低温設定点より低く、９５Ｋより低いときに前記使用部温度（Ｔ１）を前記低温設定点より低く保持するために使用される低温保持ステップ（ｂ）を含む方法において、
前記冷却ステップ（ａ）の前記第一段階（ａ１）中、および／またはそれぞれ、前記低温保持ステップ（ｂ）中、前記作動気体が、前記作動気体を、少なくとも第一のアルミニウム製ブレージングプレートフィン式熱交換器（５）と、第二の溶接プレート式熱交換器（１５）と、第三のアルミニウム製ブレージングプレートフィン式熱交換器（２５）とを連続的に含むコールドボックス（４）内で循環させることによって冷却され、前記コールドボックス（４）に入る前記作動気体の流れのうち大部分、好ましくは全部が前記第一の熱交換器（５）をすべて通過させられてから、前記作動気体の流れの全部または一部が前記第二の熱交換器（１５）を、次に前記第三の熱交換器（２５）を通過させられ、次に、前記圧縮ステーション（３）から前記コールドボックス（４）に入る前記作動気体の前記流れの少なくとも１％、好ましくは少なくとも４％が前記第二の熱交換器（１５）を通過させられ、次に、前記作動気体の流れの少なくとも１％、好ましくは少なくとも４％が前記第三の熱交換器（２５）を通過させられてから、前記作動気体の流れが前記使用部（１）に向かって誘導されて、前記使用部（１）にフリゴリーが供給されることと、
前記冷却ステップ（ａ）中に、およびより詳しくは、前記冷却第一段階（ａ１）中に、前記第二の熱交換器（１５）の上流の前記作動気体の流れが、前記第二の熱交換器（１５）および前記第三の熱交換器（２５）を連続的に通る、「冷却分岐路」と呼ばれる第一の分岐路（８）と、前記第二の熱交換器（１５）および前記第三の熱交換器（２５）を迂回して、次に前記第三の熱交換器（２５）からの前記作動気体の流れと合流する、「迂回分岐路」と呼ばれる第二の分岐路（９）との間で分配されることと
を特徴とする方法。
［２］ 前記作動気体の流れの全部が、前記第二の熱交換器（１５）を通過し、次に前記第三の熱交換器（２５）も通過することを特徴とする、［１］に記載の方法。
［３］ 冷却ステップ（ａ）は、初期の前記使用部温度（Ｔ１）が２００Ｋ、２５０Ｋ、３００Ｋ、またはさらには３５０Ｋより高いか、これと等しいときに実行されることを特徴とする、［１］または［２］の何れか１項に記載の方法。
［４］ 冷却ステップ（ａ）は、前記冷却第一段階（ａ１）で開始された前記冷却が、前記使用部温度（Ｔ１）が前記低温設定点に到達するまで継続される冷却第二段階（ａ２）によって継続されることと、その後、前記低温保持ステップ（ｂ）が、前記作動気体が前記第二の熱交換器（１５）内を循環しているまま、実行されることとを特徴とする、［１］〜［３］の何れか１項に記載の方法。
［５］ 冷却ステップ（ａ）から低温保持ステップ（ｂ）への移行時に、前記「迂回」分岐路と呼ばれる前記第二の分岐路（９）を通る作動気体の前記循環が低減され、好ましくはブロックされて、前記コールドボックス（４）に入る前記作動気体の流れの大部分、好ましくは全部が強制的に、前記「冷却」分岐路と呼ばれる前記第一の分岐路（８）をたどることによって、前記第二の熱交換器（１５）と、次に前記第二の熱交換器（２５）とを連続して通過させられることを特徴とする、［１］〜［４］の何れか１項に記載の方法。
［６］ 第二の熱交換器（１５）としてステンレススチール製の溶接プレート式熱交換器が使用されることを特徴とする、［１］〜［５］の何れか１項に記載の方法。
［７］ 第二の熱交換器（１５）としてプリント回路型熱交換器（ＰＣＨＥ）が使用されることを特徴とする、［１］〜［６］の何れか１項に記載の方法。
［８］ 前記使用部（１）から戻る前記作動気体が、前記圧縮ステーション（３）の入口に到達する前に、前記圧縮ステーション（３）からの圧縮された前記作動気体により放出される熱を受け取る気体／気体熱交換器、好ましくは向流型熱交換器が第一の熱交換器（５）として使用されることを特徴とする、［１］〜［７］の何れか１項に記載の方法。
［９］ 液体窒素（ＬＩＮ）サーモサイフォン、好ましくは並流型サーモサイフォンが第三の熱交換器（２５）として使用されることを特徴とする、［１］〜［８］の何れか１項に記載の方法。
［１０］ 好ましくは向流方向に循環する補助的低温流体、例えば液体窒素（ＬＩＮ）が前記第二の熱交換器（１５）内で前記作動気体を冷却するために使用されることを特徴とする、［１］〜［９］の何れか１項に記載の方法。
［１１］ 作動気体を冷却するためのコールドボックス（４）であって、同じ絶縁筐体内に、少なくともアルミニウム製のブレージングプレートフィン式の第一の熱交換器（５）と、ステンレススチール製の溶接プレート式の第二の熱交換器（１５）と、アルミニウム製のブレージングプレートフィン式の第三の熱交換器（２５）とを連続的に含むコールドボックス（４）において、
作動気体の循環のための、前記第二の熱交換器（１５）および前記第三の熱交換器（２５）を連続して通過する、「冷却分岐路」と呼ばれる少なくとも第一の分岐路（８）と、作動気体の循環のための、前記第二の熱交換器（１５）および前記第三の熱交換器（２５）を迂回して、前記第三の熱交換器の出口と接合する、「迂回分岐路」と呼ばれる第二の分岐路（９）と、前記第一の熱交換器（５）からの前記作動気体の流れを、前記「冷却」分岐路と呼ばれる前記第一の分岐路だけに選択的に誘導するか、あるいは前記作動気体の流れの一部を前記「冷却」分岐路と呼ばれる前記第一の分岐路（８）に、また一部を前記「迂回」分岐路と呼ばれる前記第二の分岐路（９）に分配するように設計された分流器１０とを含むことを特徴とするコールドボックス（４）。
［１２］ パーライトを使用してその環境から断熱されることを特徴とする、［１１］に記載のコールドボックス。
［１３］ 作動気体のためのループ式冷凍回路（２）を含む極低温設備であって、
前記冷凍回路（２）は、前記作動気体を圧縮するための少なくとも１つの圧縮ステーション（３）と、次に前記作動気体を、複数の熱交換器（５、１５、２５）を通過させることによって冷却するための、［１３］および［１４］の何れか１項に記載の少なくとも１つのコールドボックス（４）と、次に前記コールドボックス（４）からの冷却された前記作動気体がフリゴリーを使用部（１）に放出できるように設計された熱交換システム（６）とを連続的に含む極低温設備。

Claims (13)

1. 「使用部温度」と呼ばれる温度（Ｔ１）にある使用部（１）に対して、作動気体が圧縮される少なくとも１つの圧縮ステーション（３）と、次に前記作動気体が、複数の熱交換器（５、１５、２５）を通過させることによって冷却される少なくとも１つのコールドボックス（４）とを含む冷凍回路（２）内で冷却される前記作動気体によって、フリゴリーが供給される冷凍方法であって、
   冷却第一段階（ａ１）中、冷却された前記作動気体により供給される前記冷水・冷気が、前記使用部温度（Ｔ１）が１５０Ｋより高いときに前記使用部温度（Ｔ１）を下げるために使用される冷却ステップ（ａ）、および／または冷却された前記作動気体により供給される前記フリゴリーが、前記使用部温度（Ｔ１）が低温設定点より低く、９５Ｋより低いときに前記使用部温度（Ｔ１）を前記低温設定点より低く保持するために使用される低温保持ステップ（ｂ）を含む方法において、
   前記冷却ステップ（ａ）の前記冷却第一段階（ａ１）中、および／または前記低温保持ステップ（ｂ）中のそれぞれにおいて、前記作動気体を、少なくとも第一の熱交換器（５）と、第二の熱交換器（１５）と、第三の熱交換器（２５）とを直列に含むコールドボックス（４）内で循環させることによって、前記作動気体が冷却され、前記コールドボックス（４）に入る前記作動気体の流れのうち大部分が前記第一の熱交換器（５）をすべて通過させられてから、前記作動気体の流れの全部または一部が前記第二の熱交換器（１５）を、次に前記第三の熱交換器（２５）を通過させられ、前記圧縮ステーション（３）から前記コールドボックス（４）に入る前記作動気体の前記流れの少なくとも１％が前記第二の熱交換器（１５）を通過させられ、次に、前記作動気体の流れの少なくとも１％が前記第三の熱交換器（２５）を通過させられてから、前記作動気体の流れが前記使用部（１）に向かって誘導されて、前記使用部（１）にフリゴリーが供給されることと、
   前記冷却ステップ（ａ）および／または前記低温保持ステップ（ｂ）中のそれぞれにおいて、前記第二の熱交換器（１５）の上流の前記作動気体の流れが、前記第二の熱交換器（１５）および前記第三の熱交換器（２５）を連続的に通る、「冷却分岐路」と呼ばれる第一の分岐路（８）と、前記第二の熱交換器（１５）および前記第三の熱交換器（２５）を迂回して、次に前記第三の熱交換器（２５）からの前記作動気体の流れと合流する、「迂回分岐路」と呼ばれる第二の分岐路（９）との間で分配されることと、
   を特徴とする方法。
2. 前記作動気体の流れの全部が、前記第二の熱交換器（１５）を通過し、次に前記第三の熱交換器（２５）も通過することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 冷却ステップ（ａ）は、初期の前記使用部温度（Ｔ１）が２００Ｋより高いか、これと等しいときに実行されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 冷却ステップ（ａ）は、前記冷却第一段階（ａ１）で開始された前記冷却が、前記使用部温度（Ｔ１）が前記低温設定点に到達するまで継続される冷却第二段階（ａ２）によって継続されることと、その後、前記低温保持ステップ（ｂ）が、前記作動気体が前記第二の熱交換器（１５）内を循環しているまま、実行されることとを特徴とする、請求項１〜３の何れか１項に記載の方法。
5. 冷却ステップ（ａ）から低温保持ステップ（ｂ）への移行時に、前記「迂回分岐路」と呼ばれる前記第二の分岐路（９）を通る作動気体の前記循環が低減され、前記コールドボックス（４）に入る前記作動気体の流れの大部分が強制的に、前記「冷却分岐路」と呼ばれる前記第一の分岐路（８）をたどることによって、前記第二の熱交換器（１５）と、次に前記第三の熱交換器（２５）とを連続して通過させられることを特徴とする、請求項１〜４の何れか１項に記載の方法。
6. 第二の熱交換器（１５）としてステンレススチール製の溶接プレート式熱交換器が使用されることを特徴とする、請求項１〜５の何れか１項に記載の方法。
7. 第二の熱交換器（１５）としてプリント回路型熱交換器（ＰＣＨＥ）が使用されることを特徴とする、請求項１〜６の何れか１項に記載の方法。
8. 前記使用部（１）から戻る前記作動気体が、前記圧縮ステーション（３）の入口に到達する前に、前記圧縮ステーション（３）からの圧縮された前記作動気体により放出される熱を受け取る気体／気体熱交換器が前記第一の熱交換器（５）として使用されることを特徴とする、請求項１〜７の何れか１項に記載の方法。
9. 液体窒素（ＬＩＮ）サーモサイフォンが第三の熱交換器（２５）のために使用されることを特徴とする、請求項１〜８の何れか１項に記載の方法。
10. 向流方向に循環する補助的低温流体が前記第二の熱交換器（１５）内で前記作動気体を冷却するために使用されることを特徴とする、請求項１〜９の何れか１項に記載の方法。
11. 作動気体を冷却するためのコールドボックス（４）であって、同じ絶縁筐体内に、少なくとも第一の熱交換器（５）と、第二の熱交換器（１５）と、第三の熱交換器（２５）とを直列に含むコールドボックス（４）において、
    作動気体の循環のための、前記第二の熱交換器（１５）および前記第三の熱交換器（２５）を連続して通過する、「冷却分岐路」と呼ばれる少なくとも第一の分岐路（８）と、作動気体の循環のための、前記第二の熱交換器（１５）および前記第三の熱交換器（２５）を迂回して、前記第三の熱交換器の出口と接合する、「迂回分岐路」と呼ばれる第二の分岐路（９）と、前記第一の熱交換器（５）からの前記作動気体の流れを、前記「冷却分岐路」と呼ばれる前記第一の分岐路だけに選択的に誘導するか、あるいは前記作動気体の流れの一部を前記「冷却分岐路」と呼ばれる前記第一の分岐路（８）に、また一部を前記「迂回分岐路」と呼ばれる前記第二の分岐路（９）に分配するように設計された分流器（１０）とを含むことを特徴とするコールドボックス（４）。
12. パーライトを使用してその環境から断熱されることを特徴とする、請求項１１に記載のコールドボックス（４）。
13. 作動気体のためのループ式冷凍回路（２）を含む極低温設備であって、
    前記冷凍回路（２）は、前記作動気体を圧縮するための少なくとも１つの圧縮ステーション（３）と、次に前記作動気体を、複数の熱交換器（５、１５、２５）を通過させることによって冷却するための、請求項１１又は１２に記載の少なくとも１つのコールドボックス（４）と、次に前記コールドボックス（４）からの冷却された前記作動気体がフリゴリーを使用部（１）に放出できるように設計された熱交換システム（６）とを連続的に含む極低温設備。

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