JP6944387B2 - 極低温冷却システム - Google Patents

Description

本発明は、極低温冷却システムに関する。

従来から、極低温に冷却されたガスで例えば超伝導電磁石などの被冷却物を冷却する循環冷却システムが知られている。冷却ガスの冷却にはＧＭ（Gifford-McMahon）冷凍機などの極低温冷凍機がよく用いられる。

特開平１−１４５５９号公報

極低温冷却システムは、被冷却物を所望の冷却目標温度に維持すべきである。ところが、被冷却物の動作状態そのほかの要因によりシステムの熱負荷は変動し、それに伴い被冷却物の温度も変動しうる。そこで、被冷却物の温度監視または温度制御のために被冷却物の温度を測定することが望まれ、温度センサが被冷却物に設置される。その場合、温度センサは過酷な環境で使用されうる。

温度センサは被冷却物が冷却される極低温下に配置される。当然、温度センサはその極低温で使用できるものでなければならない。そのうえ、被冷却物はしばしば強磁場環境に配置される。被冷却物が超伝導電磁石である場合にはそれ自体が強磁場発生源となる。被冷却物とともに温度センサも強磁場にさらされる。温度センサは、動作不安定や故障など強磁場による悪影響を受けるおそれがある。よって、強磁場環境は、被冷却物の温度測定ひいては温度制御の精度低下をもたらしうる。

極低温冷却システムは、粒子加速器に付設される場合もある。被冷却物は、粒子に作用する加速力を生み出す加速器の主要構成要素（例えば超伝導電磁石）でありうるし、加速粒子のビームラインまたはその近傍に配置されうる。被冷却物表面への加速粒子の入射、衝突は、被冷却物を放射化しうる。したがって、被冷却物に設置される温度センサには耐放射性も必要とされうる。

温度センサに動作不良や故障が生じた場合には温度センサの修理や交換などメンテナンスが行われる。メンテナンス作業の間、極低温冷却システムの冷却運転は停止されるから、このような作業は極低温冷却システムだけでなく被冷却物にとってもダウンタイムとなる。よって、メンテナンスの頻度を下げるべく、上記に例示したような過酷な環境に耐性をもち正常に動作する温度センサが望まれる。しかし、耐久性に優れる温度センサは一般に高価である。

場合によっては、ガス冷却用の極低温冷凍機は被冷却物からかなり離れて配置される。温度センサが被冷却物に設置されていたとすると、極低温冷凍機と温度センサは物理的に離れた場所にあるので、それぞれのメンテナンス作業を一緒に行い難い。作業性が低下する。

また、被冷却物の周りには、必要な電源、配線、そのほか補器なども配置されうる。そのため、温度センサおよびその配線を設置することができる場所は限られる。設置場所の自由度が低い。

このように、極低温冷却システムに使用される温度センサを被冷却物に設置することに起因して、種々の不利益が生じうる。また、極低温冷却システムには、被冷却物を効率的に冷却することも要請される。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、上記の少なくとも１つの課題に対処した実用に適する極低温冷却システムを提供することにある。

本発明のある態様によると、極低温冷却システムは、冷却ガスを循環させるガス循環源と、前記冷却ガスを冷却する冷凍機ステージを備える極低温冷凍機と、前記冷却ガスを流すために被冷却物の周囲または内部に設けられた被冷却物ガス流路と、前記ガス循環源から前記冷凍機ステージを経由して前記被冷却物ガス流路に前記冷却ガスを供給するように前記ガス循環源を前記被冷却物ガス流路の入口に接続するガス供給ラインと、前記被冷却物ガス流路から前記ガス循環源に前記冷却ガスを回収するように前記被冷却物ガス流路の出口を前記ガス循環源に接続するガス回収ラインと、前記ガス供給ラインに沿って前記被冷却物ガス流路の入口から離れた測定場所及び／または前記ガス回収ラインに沿って前記被冷却物ガス流路の出口から離れた測定場所に設置された少なくとも１つの温度センサと、前記被冷却物ガス流路に流れる冷却ガス流量を前記温度センサによる少なくとも１つの測定場所での測定温度に応じて調整するように前記ガス循環源を制御するガス流量制御部と、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、実用に適する極低温冷却システムを提供することができる。

実施の形態に係る極低温冷却システムを概略的に示す図である。 実施の形態に係るガス流量テーブルを例示する図である。 実施の形態に係る極低温冷却システムの制御方法を例示するフローチャートである。 実施の形態に係る極低温冷却システムにおける温度センサの配置を例示する概略図である。 図５（ａ）および図５（ｂ）は、実施の形態に係る極低温冷却システムにおける温度センサの配置の他の例を示す概略図である。 実施の形態に係る極低温冷却システムの他の一例を概略的に示す図である。 実施の形態に係る極低温冷却システムの他の一例を概略的に示す図である。

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、実施の形態に係る極低温冷却システム１０を概略的に示す図である。極低温冷却システム１０は、冷却ガスを循環させることによって被冷却物１１を目的の温度に冷却するように構成された循環冷却システムである。冷却ガスは、例えばヘリウムガスがよく用いられるが、冷却温度に応じた適切なそのほかのガスが利用されることもありうる。

被冷却物１１は、一例として、超伝導電磁石である。超伝導電磁石は、例えば、粒子線治療装置またはそのほかの装置に用いられる粒子加速器、またはそのほかの超伝導装置に搭載される。なお、言うまでもないが、被冷却物１１は、超伝導電磁石には限られない。被冷却物１１は、極低温冷却が望まれるそのほかの機器または流体であってもよい。

目的の冷却温度は、所定の下限温度から所定の上限温度までの温度域から選択される所望の極低温である。下限温度は例えば、極低温冷却システム１０によって冷却可能な最低の温度であり、例えば４Ｋであってもよい。上限温度は例えば、超伝導臨界温度以下の温度域から選択される所望の極低温である。超伝導臨界温度は、使用される超伝導材料に応じて定まるが、例えば、液体窒素温度以下、または３０Ｋ以下、または２０Ｋ以下、または１０Ｋ以下の極低温である。したがって、目的の冷却温度は、例えば、４Ｋから３０Ｋの温度域、または例えば１０Ｋから２０Ｋの温度域から選択される。

極低温冷却システム１０は、冷却ガスを循環させるガス循環源１２と、被冷却物１１を冷却するために冷却ガスが流れる冷却ガス流路１４とを備える。ガス循環源１２は、供給する冷却ガス流量をガス循環源制御信号Ｓ１に従って制御するように構成されている。ガス循環源１２は、一例として、回収した冷却ガスを昇圧して送出する圧縮機を備える。冷却ガス流路１４は、ガス供給ライン１６と、被冷却物ガス流路１８と、ガス回収ライン２０とを備える。ガス循環源１２と冷却ガス流路１４により、冷却ガスの循環回路が構成されている。図１において冷却ガス流路１４に沿って描かれているいくつかの矢印は、冷却ガスの流れ方向を示している。

ガス循環源１２は、ガス回収ライン２０から冷却ガスを回収するようガス回収ライン２０に接続されるとともに、昇圧した冷却ガスをガス供給ライン１６に供給するようガス供給ライン１６に接続されている。また、ガス供給ライン１６は、冷却ガスを被冷却物ガス流路１８に供給するよう被冷却物ガス流路１８に接続され、ガス回収ライン２０は、冷却ガスを被冷却物ガス流路１８から回収するよう被冷却物ガス流路１８に接続されている。

ガス供給ライン１６、被冷却物ガス流路１８、及び／またはガス回収ライン２０は、フレキシブル管であってもよいし、または、剛性管であってもよい。

極低温冷却システム１０は、極低温冷却システム１０の冷却ガスを冷却する極低温冷凍機２２を備える。極低温冷凍機２２は、圧縮機２４と、冷凍機ステージ２８を備えるコールドヘッド２６とを備える。

極低温冷凍機２２の圧縮機２４は、極低温冷凍機２２の作動ガスをコールドヘッド２６から回収し、回収した作動ガスを昇圧して、再び作動ガスをコールドヘッド２６に供給するよう構成されている。圧縮機２４とコールドヘッド２６により作動ガスの循環回路すなわち極低温冷凍機２２の冷凍サイクルが構成され、それにより冷凍機ステージ２８が冷却される。作動ガスは通例、ヘリウムガスであるが、適切な他のガスが用いられてもよい。極低温冷凍機２２は、一例として、ギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機であるが、パルス管冷凍機、スターリング冷凍機、またはそのほかの極低温冷凍機であってもよい。

極低温冷凍機２２の圧縮機２４は、ガス循環源１２とは別個に設けられている。極低温冷凍機２２の作動ガス循環回路は、極低温冷却システム１０の冷却ガス循環回路から流体的に隔離されている。

被冷却物ガス流路１８は、冷却ガスを流すために被冷却物１１の周囲または内部に設けられている。被冷却物ガス流路１８は、入口１８ａと、出口１８ｂと、入口１８ａから出口１８ｂへと延びるガス管１８ｃとを備える。ガス供給ライン１６が被冷却物ガス流路１８の入口１８ａに接続し、ガス回収ライン２０が被冷却物ガス流路１８の出口１８ｂに接続している。よって、冷却ガスは、ガス供給ライン１６から入口１８ａを通じてガス管１８ｃに流入し、さらに、ガス管１８ｃから出口１８ｂを通じてガス回収ライン２０へと流出する。

ガス管１８ｃは、ガス管１８ｃ内を流れる冷却ガスと被冷却物１１との熱交換により被冷却物１１が冷却されるように、被冷却物１１に物理的に接触するとともに被冷却物１１に熱的に結合されている。一例として、ガス管１８ｃは、被冷却物１１の周囲を取り巻くように被冷却物１１の外表面に接触配置されたコイル状の冷却ガス配管である。

被冷却物ガス流路１８がガス供給ライン１６とは別の配管部材として構成される場合には、入口１８ａは、ガス供給ライン１６を被冷却物ガス流路１８に接続するためにガス管１８ｃの一端に設けられた管継手であってもよい。被冷却物ガス流路１８がガス供給ライン１６から連続する一体の配管部材として構成される場合には、入口１８ａは、ガス管１８ｃが被冷却物１１との物理的接触を開始する場所を指してもよく、この接触開始点が被冷却物ガス流路１８の入口１８ａとみなされてもよい。また、被冷却物ガス流路１８が被冷却物１１の内部を通る場合には、入口１８ａは文字通り、被冷却物ガス流路１８が被冷却物１１に入る部位を指してもよい。

同様に、被冷却物ガス流路１８がガス回収ライン２０とは別の配管部材として構成される場合には、出口１８ｂは、ガス回収ライン２０を被冷却物ガス流路１８に接続するためにガス管１８ｃの他端に設けられた管継手であってもよい。被冷却物ガス流路１８がガス回収ライン２０から連続する一体の配管部材として構成される場合には、出口１８ｂは、ガス管１８ｃが被冷却物１１との物理的接触を終了する場所を指してもよく、この接触終了点が被冷却物ガス流路１８の出口１８ｂとみなされてもよい。また、被冷却物ガス流路１８が被冷却物１１の内部を通る場合には、出口１８ｂは文字通り、被冷却物ガス流路１８が被冷却物１１から出る部位を指してもよい。

言い換えれば、ガス供給ライン１６とガス回収ライン２０はともに、被冷却物１１と物理的に接触していない。ガス供給ライン１６は、被冷却物ガス流路１８の入口１８ａから、被冷却物１１から離れる方向に延び、ガス回収ライン２０は、被冷却物ガス流路１８の出口１８ｂから、被冷却物１１から離れる方向に延びている。極低温冷凍機２２とその冷凍機ステージ２８も、被冷却物１１から離れて配置されている。

ガス供給ライン１６は、ガス循環源１２から冷凍機ステージ２８を経由して被冷却物ガス流路１８に冷却ガスを供給するようにガス循環源１２を被冷却物ガス流路１８の入口１８ａに接続する。ガス供給ライン１６は、ガス供給ライン１６を流れる冷却ガスと冷凍機ステージ２８との熱交換により冷却ガスが冷却されるように、冷凍機ステージ２８に物理的に接触するとともに冷凍機ステージ２８に熱的に結合されている。したがって、冷却ガスは、ガス循環源１２からガス供給ライン１６に流入し、冷凍機ステージ２８によって冷却され、ガス供給ライン１６から被冷却物ガス流路１８へと流出する。

以下では説明の便宜上、ガス供給ライン１６のうちガス循環源１２から冷凍機ステージ２８までの部分をガス供給ライン１６の上流部１６ａと称し、ガス供給ライン１６のうち冷凍機ステージ２８から被冷却物ガス流路１８の入口１８ａまでの部分をガス供給ライン１６の下流部１６ｂと称することがある。すなわち、ガス供給ライン１６は、上流部１６ａと下流部１６ｂとを備える。

また、ガス供給ライン１６のうち冷凍機ステージ２８に配置される部分をガス供給ライン１６の中間部１６ｃと称することができる。一例として、ガス供給ライン１６の中間部１６ｃは、冷凍機ステージ２８の周囲を取り巻くように冷凍機ステージ２８の外表面に接触配置されたコイル状の冷却ガス配管である。

したがって、冷却ガスは、ガス供給ライン１６の中間部１６ｃの出口（すなわち下流部１６ｂの入口）１６ｄで冷却ガス流路１４における最低到達温度をとる。

ガス回収ライン２０は、被冷却物ガス流路１８からガス循環源１２に冷却ガスを回収するように被冷却物ガス流路１８の出口１８ｂをガス循環源１２に接続する。したがって、冷却ガスは、被冷却物ガス流路１８からガス回収ライン２０に流入し、ガス回収ライン２０からガス循環源１２へと流出する。

また、極低温冷却システム１０は、熱交換器３０を備える。熱交換器３０は、ガス供給ライン１６とガス回収ライン２０との間で、それぞれを流れる冷却ガスが互いに熱交換をするように構成されている。熱交換器３０は、極低温冷却システム１０の冷却効率を向上するのに役立つ。

熱交換器３０は、ガス供給ライン１６（より具体的には上流部１６ａ）上に高温入口３０ａと低温出口３０ｂを備え、ガス回収ライン２０上に低温入口３０ｃと高温出口３０ｄを備える。供給側の冷却ガス、つまりガス循環源１２から高温入口３０ａを通じて熱交換器３０に流入する高温の冷却ガスは、熱交換器３０にてガス回収ライン２０によって冷却され、低温出口３０ｂを通じて冷凍機ステージ２８に向かう。これに伴い、回収側の冷却ガス、つまり被冷却物ガス流路１８から低温入口３０ｃを通じて熱交換器３０に流入する低温の冷却ガスは、熱交換器３０にてガス供給ライン１６によって加熱され、高温出口３０ｄを通じてガス循環源１２に向かう。

極低温冷却システム１０は、真空環境３４を画定する真空容器３２を備える。真空容器３２は、周囲環境３６から真空環境３４を隔離するよう構成されている。真空容器３２は、例えばクライオスタットなどの極低温真空容器である。真空環境３４は例えば極低温真空環境であり、周囲環境３６は例えば室温大気圧環境である。

被冷却物１１は、真空容器３２の中、すなわち真空環境３４に配置されている。極低温冷却システム１０の主要な構成要素のうち被冷却物ガス流路１８、極低温冷凍機２２の冷凍機ステージ２８、および熱交換器３０は、真空環境３４に配置されている。一方、ガス循環源１２と極低温冷凍機２２の圧縮機２４は、真空容器３２の外、すなわち周囲環境３６に配置されている。よって、ガス供給ライン１６とガス回収ライン２０は、ガス循環源１２に接続される一端部が周囲環境３６に配置され、残りの部分が真空環境３４に配置されている。

極低温冷却システム１０は、少なくとも１つの温度センサ３８と、極低温冷却システム１０を制御する制御装置４０とを備える。制御装置４０は、ガス流量制御部４２を備える。ガス流量制御部４２は、ガス流量テーブル４４を備える。制御装置４０は、周囲環境３６に配置されている。

極低温冷却システム１０の制御装置４０は、ハードウェア構成としてはコンピュータのＣＰＵやメモリをはじめとする素子や回路で実現され、ソフトウェア構成としてはコンピュータプログラム等によって実現されるが、図１では適宜、それらの連携によって実現される機能ブロックとして描いている。これらの機能ブロックはハードウェア、ソフトウェアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、当業者には理解されるところである。

温度センサ３８は、冷凍機ステージ２８に設置されている。このように、温度センサ３８は、極低温冷却システム１０の冷却ガス流路１４、具体的にはガス供給ライン１６において１つだけ設けられている。よって、温度センサ３８は、被冷却物ガス流路１８にも被冷却物１１にも設けられていない。温度センサ３８は、ガス回収ライン２０にも設けられていない。

なお、温度センサ３８の設置場所は冷凍機ステージ２８には限られない。いくつかの例を後述するが、温度センサ３８は原理的には、被冷却物ガス流路１８を含む冷却ガス流路１４の任意の場所に設置されてもよい。また、複数の温度センサ３８が冷却ガス流路１４において互いに異なる場所に設置されてもよい。

温度センサ３８は、測定場所での測定温度を表す測定温度信号Ｔａを生成し、測定温度信号Ｔａを制御装置４０に出力するよう構成されている。温度センサ３８は冷凍機ステージ２８に設置されているから、測定温度信号Ｔａは、冷凍機ステージ２８の冷却温度を表す。測定温度信号Ｔａは、極低温冷却システム１０により冷却可能な冷却ガスの最低到達温度、例えばガス供給ライン１６の中間部１６ｃの出口１６ｄでの冷却ガス温度を表すとみなすこともできる。

ガス流量制御部４２は、被冷却物ガス流路１８に流れる冷却ガス流量を、温度センサ３８による少なくとも１つの測定場所での測定温度に応じて調整するように、ガス循環源１２を制御するように構成されている。ガス流量制御部４２は、ある特定の測定場所での測定温度に応じてガス流量テーブル４４に従って目標冷却ガス流量を決定し、目標冷却ガス流量を被冷却物ガス流路１８に流すようにガス循環源１２を制御する。

ガス流量テーブル４４は、ある特定の測定場所での複数の異なる冷却温度それぞれについて、目標冷却ガス流量を関連付けるように構成されている。すなわち、ガス流量テーブル４４は、複数の異なる冷却温度それぞれについて対応する目標冷却ガス流量を定める。ガス流量テーブル４４は、冷却温度と冷却ガス流量との対応関係を表す関数、ルックアップテーブル、マップ、またはそのほかの形式を有してもよい。ガス流量テーブル４４は、（例えば極低温冷却システム１０の製造業者によって）予め作成され、制御装置４０に、またはこれに付随する記憶装置に保存されている。

目標冷却ガス流量は例えば、極低温冷却システム１０が被冷却物１１を目的の温度に冷却するのに十分な冷却能力を提供するように設定されている。目標冷却ガス流量は、冷却温度ごとに、設計者の経験的知見または設計者による実験やシミュレーション等に基づき適宜設定することが可能である。

好ましくは、ガス流量テーブル４４は、特定の測定場所での複数の異なる冷却温度それぞれについて、極低温冷却システム１０の冷却能力を最大化する最適な冷却ガス流量を関連付けるように構成されている。ガス流量テーブル４４には、冷却温度ごとに目標冷却ガス流量として、極低温冷却システム１０の冷却能力を最大化する最適冷却ガス流量が設定されている。

図２は、実施の形態に係るガス流量テーブル４４を例示する図である。図２の右側に示されるように、ガス流量テーブル４４には、複数の冷却温度（例えば、Ｔ１からＴ６）それぞれについて、冷却ガスの目標冷却ガス流量、例えば最適な質量流量（例えば、ｍ１からｍ６）が関連付けられている。ガス流量テーブル４４は、複数の冷却温度値と、各冷却温度値に対応する目標冷却ガス流量の値とを有する。ガス流量テーブル４４は、ある１つの冷却温度値と別の冷却温度値との間の冷却温度値に対応する目標冷却ガス流量の値を導出するための補間関数を有してもよい。

ガス流量テーブル４４に設定されている複数の冷却温度は、冷却ガス流路１４における特定の場所での温度、例えば温度センサ３８の設置場所での温度を表す。よって、複数の冷却温度は、図１に示される実施の形態では冷凍機ステージ２８の温度にあたる。複数の冷却温度は、被冷却物１１を冷却する所望の温度域において適当な間隔（例えば等間隔）に定められる。例えば、複数の冷却温度は、１０Ｋから２０Ｋの温度域に１Ｋ刻みに設定されてもよい。

ガス流量テーブル４４に設定されている複数の冷却温度は、温度センサ３８の設置場所とは異なる場所の温度を表してもよい。その場合、ガス流量テーブル４４は、温度センサ３８の設置場所での温度から当該異なる場所の温度を算出する温度変換関数または熱力学モデルを有してもよい。

冷却ガスの最適質量流量は、被冷却物ガス流路１８に流れる冷却ガスの質量流量を表す。なお、知られているように、質量流量は冷却ガス流路１４の各場所で一定であるから、冷却ガスの最適質量流量は、ガス循環源１２から供給される質量流量とも言える。

最適質量流量は、冷却温度ごとの質量流量と極低温冷却システム１０の冷却能力との関係から定められる。図２の左側に示されるように、質量流量に対する冷却能力曲線を冷却温度ごとに予め求めることができる。図から理解されるように、冷却能力曲線は、ある特定の質量流量で極大となる。よって、最大の冷却能力を与える質量流量を、最適質量流量として用いることができる。冷却能力を最大化する質量流量は冷却温度によって異なり、具体的には、冷却温度が低いほど最適質量流量も小さくなっている。

なお、ある１つの冷却温度についての冷却能力曲線において、最適質量流量よりも小さい質量流量で冷却能力が低下するのは、そうした小流量では冷却ガスと被冷却物１１との熱交換により冷却ガスが被冷却物１１から運び去ることのできる熱量が小さくなるためである。また、最適質量流量よりも大きい質量流量で冷却能力が低下するのは、極低温冷凍機２２の冷凍能力による制約のためである。冷却ガス流量が増すほど冷却ガスと冷凍機ステージ２８との熱交換が不十分となり、被冷却物１１へと流れる冷却ガスの温度が高くなりうる。

図３は、実施の形態に係る極低温冷却システム１０の制御方法を例示するフローチャートである。図３に示される制御ルーチンは、制御装置４０によって、極低温冷却システム１０の動作中に周期的に繰り返し実行される。

まず、温度センサ３８を使用して、その設置場所での温度が測定される（Ｓ１０）。温度センサ３８は、測定場所での測定温度を表す測定温度信号Ｔａを生成し、測定温度信号Ｔａを制御装置４０に出力する。例えば、温度センサ３８は、冷凍機ステージ２８の温度を測定する。温度センサ３８は、冷凍機ステージ２８の測定温度を表す測定温度信号Ｔａをガス流量制御部４２に出力する。

次に、ガス流量テーブル４４を使用して、測定温度から目標冷却ガス流量が決定される（Ｓ１２）。ガス流量制御部４２は、温度センサ３８から測定温度信号Ｔａが入力されると、ガス流量テーブル４４に従って、測定温度信号Ｔａに対応する目標冷却ガス流量を決定する。例えば、ガス流量制御部４２は、ガス流量テーブル４４に従って、測定温度信号Ｔａに対応する冷却ガスの最適質量流量を決定する。

ガス流量制御部４２は、決定された目標冷却ガス流量を被冷却物ガス流路１８に流すようにガス循環源１２を制御する（Ｓ１４）。ガス流量制御部４２は、決定された目標冷却ガス流量から、この目標流量を実現するガス循環源制御信号Ｓ１を生成する。ガス循環源制御信号Ｓ１は、ガス循環源１２が冷却ガス流路１４に供給する冷却ガスの流量を決定するガス循環源１２の動作パラメータを表す。ガス循環源制御信号Ｓ１は例えば、ガス循環源１２を駆動するモータの回転数を表してもよい。あるいは、ガス循環源制御信号Ｓ１は、決定された目標冷却ガス流量を表すガス流量指示信号であってもよい。この場合、ガス循環源１２は、供給する冷却ガス流量をガス流量指示信号に従って制御するように構成されていてもよい。

このようにして、ガス流量制御部４２は、測定温度信号Ｔａに応じてガス循環源制御信号Ｓ１を生成し、ガス循環源制御信号Ｓ１をガス循環源１２に出力する。ガス循環源１２は、ガス循環源制御信号Ｓ１に従って動作し、それにより被冷却物ガス流路１８に目標冷却ガス流量を流すことができる。制御装置４０は、このような冷却ガス流量制御処理を定期的に実行することができる。

実施の形態に係る極低温冷却システム１０によれば、被冷却物ガス流路１８に流れる冷却ガス流量を温度センサ３８による測定温度に応じて調整することができる。冷却温度に応じて適切な冷却ガス流量をガス循環源１２から被冷却物ガス流路１８に供給することができるので、被冷却物１１を効率的に冷却することができる。とくに、冷却ガス流量を最適質量流量に調整することにより、冷却温度に応じた最大の冷却能力で被冷却物１１を冷却することができる。

温度センサ３８は冷凍機ステージ２８に設置されるので、被冷却物１１から離れて配置することができる。そのため、たとえ被冷却物１１の近傍に強磁場が生成されていたとしても、温度センサ３８の設置場所では磁場が弱まる。よって、強磁場による温度センサ３８への影響を抑制することができる。例えば、温度センサ３８の故障リスクを下げることができる。温度センサ３８として比較的安価なセンサを採用することも可能となる。また、温度センサ３８と極低温冷凍機２２のメンテナンスを一緒に行うこともでき、作業性が向上する。

また、冷凍機ステージ２８は被冷却物１１のための冷却源であるから、冷凍機ステージ２８の温度変化は被冷却物１１の発熱量との相関が強いと考えられる。よって、冷凍機ステージ２８で温度測定をすることは、被冷却物１１の発熱量に関する情報をより精確に取得しうる点で有利である。

温度センサ３８は、極低温冷却システム１０に１つだけ設ければよいので、構成および制御処理が簡単である。

温度センサ３８は冷凍機ステージ２８に設置されているので、測定温度信号Ｔａを極低温冷凍機２２のモニタリングに利用可能である点でも温度センサ３８は有用である。なお、代案として、冷凍機ステージ２８に対し上流と下流それぞれ（例えば、ガス供給ライン１６の上流部１６ａと下流部１６ｂそれぞれ）に温度センサを設置することによっても、極低温冷凍機２２のモニタリングは可能である。

図１に示される実施の形態では、温度センサ３８は、ガス供給ライン１６に沿って被冷却物ガス流路１８の入口１８ａから離れた測定場所、具体的には、冷凍機ステージ２８に設置されている。温度センサ３８は、極低温冷却システム１０の冷却ガス流路１４において１つだけ設けられている。しかし、温度センサ３８の配置はこれには限られない。温度センサ３８は種々の場所に設置することができる。いくつかの例を図４を参照して説明する。

図４は、実施の形態に係る極低温冷却システム１０における温度センサ３８の配置を例示する概略図である。図４には、図１に示されるものと同じ冷却ガス流路構成を有する極低温冷却システム１０が示されている。図４においては温度センサ３８を設置するのに好適な領域を破線で示し、その領域内で代表的な場所に温度センサ３８を設置した例を示す。図４には複数の温度センサ３８が示されている。図示されるすべての温度センサ３８が極低温冷却システム１０に設置されてもよいし、図示される温度センサ３８のうちいくつかの温度センサ３８が設置されてもよいし、いずれか１つの温度センサ３８だけが設置されてもよい。

温度センサ３８は、ガス供給ライン１６に沿って被冷却物ガス流路１８の入口１８ａから離れた測定場所に設置される。このようにすれば、温度センサ３８は、被冷却物１１から離れて配置される。よって、被冷却物１１の近傍に生成されうる強磁場による温度センサ３８への影響を抑制することができる。温度センサ３８が被冷却物ガス流路１８に設置される場合に比べて、温度センサ３８への磁場の影響が抑制される。

被冷却物１１の周囲には、被冷却物ガス流路１８だけでなく、被冷却物１１に必要な電源、配線、そのほか補器などが配置され、余剰のスペースが少ない。そのため、温度センサ３８および制御装置４０への接続のためのセンサ配線を設置することができる場所は限られる。ところが、実施の形態によれば、スペースに余裕のある被冷却物１１とは別の場所に温度センサ３８を設置することができる。設置場所の自由度が高い。

温度センサ３８は、ガス供給ライン１６の上流部１６ａに設置されてもよい。温度センサ３８は、ガス供給ライン１６の上流部１６ａにおいて熱交換器３０の低温出口３０ｂより下流に設置されてもよい。上流部１６ａは冷凍機ステージ２８に対して上流側にあるから、上流部１６ａを流れる冷却ガスの温度は冷凍機ステージ２８の温度よりも高い。温度センサ３８は比較的高い温度域を測定可能なものを選択すればよいから、比較的安価なセンサを採用しうる。こうした利点とともに、被冷却物１１の近傍に生成されうる強磁場による温度センサ３８への影響を抑制することもできる。

また、温度センサ３８は、ガス供給ライン１６の下流部１６ｂに沿って被冷却物ガス流路１８の入口１８ａから離れた測定場所に設置されてもよい。例えば、ガス供給ライン１６の中間部１６ｃの出口１６ｄから温度センサ３８への距離が、被冷却物ガス流路１８の入口１８ａから温度センサ３８への距離より小さくなるように、温度センサ３８の設置場所が定められてもよい。温度センサ３８は、ガス供給ライン１６の中間部１６ｃに設置されてもよい。

温度センサ３８は、ガス回収ライン２０に沿って被冷却物ガス流路１８の出口１８ｂから離れた測定場所に設置されてもよい。ガス回収ライン２０を流れる冷却ガスは被冷却物１１によって加熱されている。よって、ガス回収ライン２０で温度測定をすることにより
、被冷却物１１の発熱量に関する情報をより精確に取得しうる点で有利である。

温度センサ３８は、被冷却物ガス流路１８の出口１８ｂと熱交換器３０の低温入口３０ｃとの間に設置されてもよい。例えば、低温入口３０ｃから温度センサ３８への距離が、被冷却物ガス流路１８の出口１８ｂから温度センサ３８への距離より小さくなるように、温度センサ３８の設置場所が定められてもよい。

可能とされる場合には、温度センサ３８は、熱交換器３０の内部に設置されてもよい。

温度センサ３８は、真空容器３２の中に通例配置されるが、真空容器３２の外にも設置されうる。例えば、温度センサ３８は、ガス循環源１２と高温入口３０ａとの間に設置されうる。あるいは、温度センサ３８は、ガス循環源１２と高温出口３０ｄとの間に設置されうる。この場合、温度センサ３８は、極低温測定用の温度センサではなく、安価な汎用の温度センサを採用しうる点で有利である。

温度センサ３８は、冷却ガスと接触するように流路内に配置されてもよいし、冷却ガスとは物理的に接触せずに配管の外面に配置されてもよい。

図５（ａ）および図５（ｂ）は、実施の形態に係る極低温冷却システム１０における温度センサ３８の配置の他の例を示す概略図である。図５（ａ）および図５（ｂ）を参照して、温度センサ３８の配置の更なる例を説明する。図示される極低温冷却システム１０は、真空容器の構成に関して図１に示される極低温冷却システム１０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。

極低温冷却システム１０は、ガス循環源１２と、冷却ガス流路１４とを備える。冷却ガス流路１４は、ガス供給ライン１６、被冷却物ガス流路１８、およびガス回収ライン２０を備える。極低温冷却システム１０は、冷凍機ステージ２８を有する極低温冷凍機２２と、熱交換器３０とを備える。

図５（ａ）および図５（ｂ）に示される実施の形態においても、温度センサ３８は、ガス供給ライン１６に沿って被冷却物ガス流路１８の入口１８ａから離れた測定場所、及び／または、ガス回収ライン２０に沿って被冷却物ガス流路１８の出口１８ｂから離れた測定場所に設置される。

図５（ａ）に示されるように、極低温冷却システム１０は、真空容器３２を備え、真空容器３２は、内部を二室に分割する区画壁４６を備える。真空容器３２は、区画壁４６によって、第１真空環境３４ａと第２真空環境３４ｂに区画されている。冷凍機ステージ２８は、第１真空環境３４ａに配置されている。熱交換器３０も第１真空環境３４ａに配置されている。一方、被冷却物１１とともに被冷却物ガス流路１８は、第２真空環境３４ｂに配置されている。被冷却物ガス流路１８の入口１８ａ、出口１８ｂ、およびガス管１８ｃは第２真空環境３４ｂに配置されている。

温度センサ３８は、第１真空環境３４ａに配置されている。温度センサ３８は、例えば、ガス供給ライン１６の上流部１６ａ、中間部１６ｃ、下流部１６ｂ、冷凍機ステージ２８、及び／または、ガス回収ライン２０に設置される。温度センサ３８は、これらの設置場所のいずれかに１つだけ設けられてもよい。あるいは、複数の温度センサ３８が設けられてもよい。

ただし、温度センサ３８は、第２真空環境３４ｂには配置されていない。

図５（ｂ）に示されるように、極低温冷却システム１０は、第１真空環境３４ａを画定する第１真空容器３２ａと、第２真空環境３４ｂを画定する第２真空容器３２ｂとを備えてもよい。極低温冷凍機２２は第１真空容器３２ａに設置され、冷凍機ステージ２８は、第１真空容器３２ａの中、すなわち第１真空環境３４ａに配置されている。熱交換器３０も第１真空環境３４ａに配置されている。一方、被冷却物１１とともに被冷却物ガス流路１８は、第２真空容器３２ｂの中、すなわち第２真空環境３４ｂに配置されている。被冷却物ガス流路１８の入口１８ａ、出口１８ｂ、およびガス管１８ｃは第２真空環境３４ｂに配置されている。

ガス供給ライン１６は、第１真空容器３２ａと第２真空容器３２ｂとの間でガス供給ライン１６を被冷却物ガス流路１８の入口１８ａに接続する供給側連結管４８ａを備える。ガス回収ライン２０は、第１真空容器３２ａと第２真空容器３２ｂとの間でガス回収ライン２０を被冷却物ガス流路１８の出口１８ｂに接続する回収側連結管４８ｂを備える。

温度センサ３８は、第１真空環境３４ａに配置されている。温度センサ３８は、例えば、ガス供給ライン１６の上流部１６ａ、中間部１６ｃ、下流部１６ｂ、冷凍機ステージ２８、及び／または、ガス回収ライン２０に設置される。温度センサ３８は、これらの設置場所のいずれかに１つだけ設けられてもよい。あるいは、複数の温度センサ３８が設けられてもよい。

温度センサ３８は、供給側連結管４８ａ及び／または回収側連結管４８ｂに設置されてもよい。この場合、温度センサ３８は、第１真空容器３２ａおよび第２真空容器３２ｂの外に配置される。

ただし、温度センサ３８は、第２真空環境３４ｂには配置されていない。

このようにすれば、温度センサ３８を被冷却物１１とは別の区画に配置することができる。そのため、たとえ被冷却物１１の近傍に強磁場が生成されていたとしても、温度センサ３８の設置場所では磁場が弱まる。よって、強磁場による温度センサ３８への影響を抑制することができる。

図６は、実施の形態に係る極低温冷却システム１０の他の一例を概略的に示す図である。図示される極低温冷却システム１０は、冷却ガスの流路構成に関して図１に示される極低温冷却システム１０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。

極低温冷却システム１０は、ガス循環源１２と、冷却ガス流路１４とを備える。冷却ガス流路１４は、ガス供給ライン１６、被冷却物ガス流路１８、およびガス回収ライン２０を備える。極低温冷却システム１０は、冷凍機ステージ２８を有する極低温冷凍機２２と、真空環境３４を画定する真空容器３２とを備える。

ガス循環源１２は、供給する冷却ガス流量をガス循環源制御信号Ｓ１に従って制御するように構成されている。ガス循環源１２は、圧縮機には限られず、ファンなどの送風機、またはそのほかのガス流れ生成装置であってもよい。ガス循環源１２は、極低温（例えば液体窒素温度以下）のガスに流れを生成するように構成されている。ガス循環源１２は、真空環境３４に配置されている。よって、極低温冷却システム１０の冷却ガス循環回路の全体が真空環境３４に配置されている。なお、ガス循環源１２の一部、例えばモータなどの駆動源が周囲環境３６に配置されてもよく、ガス循環源１２の他の一部、例えば回転翼が真空環境３４に配置され、駆動源から回転翼に動力伝達可能に接続されてもよい。

図１に示される極低温冷却システム１０とは異なり、熱交換器は必須ではない。図６に示される極低温冷却システム１０には、ガス供給ライン１６とガス回収ライン２０との間で熱交換する熱交換器は設けられていない。なお、そうした熱交換器が設けられてもよい。

温度センサ３８は、測定場所での測定温度を表す測定温度信号Ｔａを生成し、測定温度信号Ｔａを制御装置４０に出力するよう構成されている。温度センサ３８は、一例として、冷凍機ステージ２８に設置される。ただし、上述のように、温度センサ３８は、冷却ガス流路１４の任意の場所に設置されてもよい。温度センサ３８は、ガス供給ライン１６に沿って被冷却物ガス流路１８の入口１８ａから離れた測定場所、及び／または、ガス回収ライン２０に沿って被冷却物ガス流路１８の出口１８ｂから離れた測定場所に設置されてもよい。温度センサ３８は１つだけであってもよいし、複数でもよい。

また、極低温冷却システム１０は、ガス流量制御部４２およびガス流量テーブル４４を備える制御装置４０を備える。ガス流量制御部４２は、測定温度信号Ｔａに応じてガス流量テーブル４４に従ってガス循環源制御信号Ｓ１を生成し、ガス循環源制御信号Ｓ１をガス循環源１２に出力する。

図６に示される極低温冷却システム１０によっても、被冷却物ガス流路１８に流れる冷却ガス流量を温度センサ３８による測定温度に応じて調整し、被冷却物１１を効率的に冷却することができる。また、温度センサ３８を被冷却物１１から離れた場所に配置することができ、被冷却物１１の近傍に生成されうる強磁場による温度センサ３８への影響を抑制することができる。

図７は、実施の形態に係る極低温冷却システム１０の他の一例を概略的に示す図である。図示される極低温冷却システム１０は、冷却ガスの流路構成に関して図１に示される極低温冷却システム１０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。

極低温冷却システム１０は、ガス循環源１２と、冷却ガス流路１４とを備える。冷却ガス流路１４は、ガス供給ライン１６、被冷却物ガス流路１８、およびガス回収ライン２０を備える。極低温冷却システム１０は、極低温冷凍機２２と、熱交換器３０と、真空環境３４を画定する真空容器３２とを備える。極低温冷凍機２２は、冷凍機ステージ２８を有するコールドヘッド２６を備える。ガス循環源１２は、周囲環境３６に配置されている。

上述のように、冷却ガスと極低温冷凍機２２の作動ガスはともにヘリウムガスであってもよい。このように冷却ガスと作動ガスが同じガスである場合には、極低温冷却システム１０には１つの共通の圧縮機が設けられてもよい。すなわち、ガス循環源１２は、冷却ガス流路１４に冷却ガスを流すだけでなく、極低温冷凍機２２に作動ガスを循環させる圧縮機としても機能する。

この場合、冷却ガスの流量制御のために、ガス循環源１２は、被冷却物ガス流路１８に流れる冷却ガス流量を制御するように構成された流量制御バルブ５０を備えてもよい。流量制御バルブ５０は、供給する冷却ガス流量をガス循環源制御信号Ｓ１に従って制御するように構成されている。

ガス循環源１２から極低温冷凍機２２に作動ガスを供給するために冷凍機供給ライン５２が設けられ、極低温冷凍機２２からガス循環源１２に作動ガスを回収するために冷凍機回収ライン５４が設けられている。冷凍機供給ライン５２は、周囲環境３６においてガス供給ライン１６から分岐してコールドヘッド２６に接続し、冷凍機回収ライン５４は、周囲環境３６においてガス回収ライン２０から分岐してコールドヘッド２６に接続している。

流量制御バルブ５０は、周囲環境３６においてガス供給ライン１６に設置されている。あるいは、流量制御バルブ５０は、周囲環境３６においてガス回収ライン２０に設置されてもよい。このようにすれば、汎用の流量制御弁を流量制御バルブ５０として採用することができ、流量制御バルブ５０を真空環境３４に設置する場合に比べて製造コストの点で有利である。ただし、流量制御バルブ５０は真空環境３４に設置されてもよい。

温度センサ３８は、測定場所での測定温度を表す測定温度信号Ｔａを生成し、測定温度信号Ｔａを制御装置４０に出力するよう構成されている。温度センサ３８は、一例として、冷凍機ステージ２８に設置される。ただし、上述のように、温度センサ３８は、冷却ガス流路１４の任意の場所に設置されてもよい。温度センサ３８は、ガス供給ライン１６に沿って被冷却物ガス流路１８の入口１８ａから離れた測定場所、及び／または、ガス回収ライン２０に沿って被冷却物ガス流路１８の出口１８ｂから離れた測定場所に設置されてもよい。温度センサ３８は１つだけであってもよいし、複数でもよい。

また、極低温冷却システム１０は、ガス流量制御部４２およびガス流量テーブル４４を備える制御装置４０を備える。ガス流量制御部４２は、測定温度信号Ｔａに応じてガス流量テーブル４４に従ってガス循環源制御信号Ｓ１を生成し、ガス循環源制御信号Ｓ１をガス循環源１２、すなわち流量制御バルブ５０に出力する。

図７に示される極低温冷却システム１０によっても、被冷却物ガス流路１８に流れる冷却ガス流量を温度センサ３８による測定温度に応じて調整し、被冷却物１１を効率的に冷却することができる。また、温度センサ３８を被冷却物１１から離れた場所に配置することができ、被冷却物１１の近傍に生成されうる強磁場による温度センサ３８への影響を抑制することができる。

なお、図６および図７に示される実施の形態においても、図５（ａ）に示されるように、真空容器３２に区画壁４６が設けられ、第１真空環境３４ａと第２真空環境３４ｂに区画されてもよい。また、図５（ｂ）に示されるように、極低温冷却システム１０は、第１真空環境３４ａを画定する第１真空容器３２ａと、第２真空環境３４ｂを画定する第２真空容器３２ｂとを備えてもよい。温度センサ３８は、第１真空環境３４ａに配置されてもよい。

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。

１０ 極低温冷却システム、 １１ 被冷却物、 １２ ガス循環源、 １６ ガス供給ライン、 １６ａ 上流部、 １６ｂ 下流部、 １６ｄ 出口、 １８ 被冷却物ガス流路、 １８ａ 入口、 １８ｂ 出口、 ２０ ガス回収ライン、 ２２ 極低温冷凍機、 ２８ 冷凍機ステージ、 ３４ 真空環境、 ３４ａ 第１真空環境、 ３４ｂ 第２真空環境、 ３８ 温度センサ、 ４２ ガス流量制御部、 ４４ ガス流量テーブル。

Claims (8)

1. 冷却ガスを循環させるガス循環源と、
   前記冷却ガスを冷却する冷凍機ステージを備える極低温冷凍機と、
   前記冷却ガスを流すために被冷却物の周囲または内部に設けられた被冷却物ガス流路と、
   前記ガス循環源から前記冷凍機ステージを経由して前記被冷却物ガス流路に前記冷却ガスを供給するように前記ガス循環源を前記被冷却物ガス流路の入口に接続するガス供給ラインと、
   前記被冷却物ガス流路から前記ガス循環源に前記冷却ガスを回収するように前記被冷却物ガス流路の出口を前記ガス循環源に接続するガス回収ラインと、
   前記ガス供給ラインに沿って前記被冷却物ガス流路の入口から離れた測定場所及び／または前記ガス回収ラインに沿って前記被冷却物ガス流路の出口から離れた測定場所に設置された少なくとも１つの温度センサと、
   前記被冷却物ガス流路に流れる冷却ガス流量を前記温度センサによる少なくとも１つの測定場所での測定温度に応じて調整するように前記ガス循環源を制御するガス流量制御部と、を備え、
   前記ガス流量制御部は、ある特定の測定場所での複数の異なる冷却温度それぞれについて、目標冷却ガス流量を関連付けるように構成されたガス流量テーブルを備え、
   前記ガス流量制御部は、前記ガス流量テーブルに従って前記特定の測定場所での測定温度に応じて前記目標冷却ガス流量を決定し、前記目標冷却ガス流量を前記被冷却物ガス流路に流すように前記ガス循環源を制御することを特徴とする極低温冷却システム。
2. 前記ガス供給ラインは、前記ガス循環源から前記冷凍機ステージまでの上流部と、前記冷凍機ステージから前記被冷却物ガス流路の入口までの下流部と、を備え、
   前記温度センサは、前記ガス供給ラインの上流部または前記冷凍機ステージに設置されていることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷却システム。
3. 冷却ガスを循環させるガス循環源と、
   前記冷却ガスを冷却する冷凍機ステージを備える極低温冷凍機と、
   前記冷却ガスを流すために被冷却物の周囲または内部に設けられた被冷却物ガス流路と、
   前記ガス循環源から前記冷凍機ステージを経由して前記被冷却物ガス流路に前記冷却ガスを供給するように前記ガス循環源を前記被冷却物ガス流路の入口に接続するガス供給ラインと、
   前記被冷却物ガス流路から前記ガス循環源に前記冷却ガスを回収するように前記被冷却物ガス流路の出口を前記ガス循環源に接続するガス回収ラインと、
   前記ガス供給ラインに沿って前記被冷却物ガス流路の入口から離れた測定場所に設置された少なくとも１つの温度センサと、
   前記被冷却物ガス流路に流れる冷却ガス流量を前記温度センサによる少なくとも１つの測定場所での測定温度に応じて調整するように前記ガス循環源を制御するガス流量制御部と、を備え、
   前記ガス供給ラインは、前記ガス循環源から前記冷凍機ステージまでの上流部と、前記冷凍機ステージから前記被冷却物ガス流路の入口までの下流部と、を備え、
   前記温度センサは、前記ガス供給ラインの上流部または前記冷凍機ステージに設置されていることを特徴とする極低温冷却システム。
4. 前記ガス流量制御部は、ある特定の測定場所での複数の異なる冷却温度それぞれについて、目標冷却ガス流量を関連付けるように構成されたガス流量テーブルを備え、
   前記ガス流量制御部は、前記ガス流量テーブルに従って前記特定の測定場所での測定温度に応じて前記目標冷却ガス流量を決定し、前記目標冷却ガス流量を前記被冷却物ガス流路に流すように前記ガス循環源を制御することを特徴とする請求項３に記載の極低温冷却システム。
5. 前記ガス流量テーブルは、前記特定の測定場所での複数の異なる冷却温度それぞれについて、前記極低温冷却システムの冷却能力を最大化する最適な冷却ガス流量を関連付けるように構成されていることを特徴とする請求項１、２または４に記載の極低温冷却システム。
6. 前記冷凍機ステージは、第１真空環境に配置され、
   前記被冷却物ガス流路は、前記第１真空環境から区画された第２真空環境に配置され、
   前記温度センサは、前記第１真空環境に配置されてい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却システム。
7. 前記温度センサは、１つだけ設けられてい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却システム。
8. 前記被冷却物は、超伝導電磁石であ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却システム。

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