JP6975019B2 - 極低温システム - Google Patents

Description

本発明は、極低温システムに関する。

従来から、種々の被冷却物を所望の極低温に冷却するために極低温冷却装置が利用されている。極低温冷却装置には、ＧＭ冷凍機、スターリング冷凍機、パルス管冷凍機等の機械式冷凍機で被冷却物を直接冷却する方式や、こうした機械式冷凍機で冷媒を冷却し、冷媒で被冷却物を冷却する方式などがある。

特開２０１６−２１１７９５号公報

冷媒冷却方式のある極低温冷却装置においては、相互間の冷媒流通を不能とする個別的な複数の冷媒循環経路が形成されている。極低温冷却装置は複数の機械式冷凍機を有し、個々の冷媒循環経路を循環する冷媒を冷却するために、冷媒循環経路ごとに冷凍機が設置される。いずれかの冷凍機の故障、またはその他の事由により、ある冷媒循環経路の冷却機能が失われたとすると、その冷媒循環経路が担当すべき冷却能力は喪失される。加えて、冷凍機は高温部（例えば室温部）と低温部（例えば被冷却物）を接続する構造物であるので、故障等により停止した冷凍機は、高温部から低温部への伝熱経路を形成し、そのため被冷却物への熱侵入が増加する原因になる。その場合、極低温冷却装置は、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りうる。

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、極低温冷却部と、前記極低温冷却部と冷媒との熱交換により前記極低温冷却部を冷却するよう構成された複数の冷媒循環ループであって、各冷媒循環ループが、前記冷媒を循環させる循環ポンプと、前記冷媒を冷却する機械式冷凍機と、を備える複数の冷媒循環ループと、前記冷媒を流通可能に前記複数の冷媒循環ループを相互連結する連結ラインと、を備える。前記連結ラインは、非連結状態から連結状態に切替可能に構成され、前記非連結状態では各冷媒循環ループの循環ポンプが当該冷媒循環ループについて前記冷媒を循環させるように前記複数の冷媒循環ループを相互に切り離し、前記連結状態では少なくとも１つの冷媒循環ループの循環ポンプが他の少なくとも１つの冷媒循環ループについても前記冷媒を循環させるように前記複数の冷媒循環ループを連結する。

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。

実施の形態に係る極低温システムを概略的に示す図である。 実施の形態に係る極低温システムの故障モードと連結ラインの状態との関係を説明する表である。 実施の形態に係る極低温システムを概略的に示す図である。 実施の形態に係る極低温システムの他の例を概略的に示す図である。 図４に示される極低温システムの故障モードと連結ラインの状態との関係を説明する表である。 実施の形態に係る極低温システムの他の例を概略的に示す図である。 図６に示される極低温システムの故障モードと連結ラインの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、実施の形態に係る極低温システム１０を概略的に示す図である。極低温システム１０は、複数の冷媒循環ループ１２、連結ライン１４、真空容器１６、および、被冷却物１８を冷却する極低温冷却部２０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。

冷媒循環ループ１２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。冷媒は、例えば冷媒ガス（例えばヘリウム）である。複数の冷媒循環ループ１２の各々が冷媒を循環させる。連結ライン１４は、冷媒を流通可能に複数の冷媒循環ループ１２を相互連結する。冷媒循環ループ１２と連結ライン１４の例示的な構成は後述する。

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１０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１０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１０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１０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、冷媒循環ループ１２ごとに冷却ステージが設けられてもよい（例えば、図４参照）。

極低温システム１０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１０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１０は、極低温環境が望まれる例えば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。

冷媒循環ループ１２は、第１冷媒循環ループ１２ａおよび第２冷媒循環ループ１２ｂを含む。これらの冷媒循環ループ１２は同様の構成を有するので、以下では第１冷媒循環ループ１２ａの構成を主として説明し、第２冷媒循環ループ１２ｂについては説明を適宜省略する。

第１冷媒循環ループ１２ａは、冷媒を循環させる循環ポンプ２６と、冷媒を冷却する機械式冷凍機（以下では、単に冷凍機ともいう）２８と、を備える。

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、冷媒循環ループ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、後述の圧縮機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１０の常温部２２に配置されている。

一例として、冷凍機２８は、二段スターリング冷凍機である。冷凍機２８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１０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１０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、冷凍機２８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。冷凍機２８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。二段冷却温度は、４Ｋ未満（例えば１Ｋ〜４Ｋ）であってもよい。

第１冷媒循環ループ１２ａは、第１熱交換器４０、一段冷却部４２、第２熱交換器４４、二段冷却部４６、および冷却ステージ熱交換器４８をさらに備える。第１熱交換器４０、一段冷却部４２、第２熱交換器４４、二段冷却部４６、および冷却ステージ熱交換器４８は、真空容器１６の中に、すなわち極低温システム１０の低温部２４に配置されている。

また、これら構成要素を接続するために、第１冷媒循環ループ１２ａは、冷媒供給ライン５０および冷媒回収ライン５２をさらに備える。冷媒供給ライン５０は、循環ポンプ２６の吐出側を冷却ステージ熱交換器４８の供給側に接続し、冷媒回収ライン５２は、冷却ステージ熱交換器４８の回収側を循環ポンプ２６の吸入側に接続する。よって、冷媒供給ライン５０および冷媒回収ライン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。

冷媒供給ライン５０は供給側冷媒管５１を低温部２４に有し、冷媒回収ライン５２は回収側冷媒管５３を低温部２４に有する（例えば、図１において破線で囲まれる配管）。供給側冷媒管５１は、二段冷却部４６を冷却ステージ熱交換器４８に接続し、回収側冷媒管５３は、冷却ステージ熱交換器４８を第２熱交換器４４の回収側流路に接続する。供給側冷媒管５１を通じて二段冷却部４６から冷却ステージ熱交換器４８に冷媒が供給され、回収側冷媒管５３を通じて冷却ステージ熱交換器４８から第２熱交換器４４に冷媒が回収される。

第１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熱交換器４４は、第１熱交換器４０および一段冷却部４２により冷却された冷媒をさらに冷却する。

第１熱交換器４０および第２熱交換器４４は、対向流熱交換器である。冷媒供給ライン５０が、第１熱交換器４０および第２熱交換器４４それぞれの供給側流路を有し、冷媒回収ライン５２が、第１熱交換器４０および第２熱交換器４４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。

一段冷却部４２は、一段冷凍機ステージ３６に熱的に結合されている。一段冷却部４２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。冷媒供給ライン５０において一段冷却部４２は、第１熱交換器４０と第２熱交換器４４との間に配置されている。

二段冷却部４６は、二段冷凍機ステージ３８に熱的に結合されている。二段冷却部４６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。冷媒供給ライン５０において二段冷却部４６は、第２熱交換器４４と冷却ステージ熱交換器４８との間に配置されている。

冷却ステージ熱交換器４８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４８を流れる冷媒は、極低温冷却部２０を冷却する。

同様に、第２冷媒循環ループ１２ｂは、循環ポンプ２６および冷凍機２８を備える。冷凍機２８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冷媒循環ループ１２ｂは、第１熱交換器４０、一段冷却部４２、第２熱交換器４４、二段冷却部４６、冷却ステージ熱交換器４８、冷媒供給ライン５０、および冷媒回収ライン５２を備える。

第１冷媒循環ループ１２ａは、逆流防止部５４を備える。逆流防止部５４は、一組の逆流防止用開閉弁（Ｖ１，Ｖ２）を備える。一方の逆流防止用開閉弁Ｖ１が冷媒回収ライン５２に設けられ、他方の逆流防止用開閉弁Ｖ２が冷媒供給ライン５０に設けられている。逆流防止用開閉弁（Ｖ１，Ｖ２）は、連結ライン１４の非連結状態では開放される。逆流防止用開閉弁（Ｖ１，Ｖ２）は、連結ライン１４の連結状態では閉鎖されうる。連結ライン１４の非連結状態および連結状態の詳細は後述する。

図示される例では、２つの逆流防止用開閉弁（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が、逆流防止用開閉弁は１つだけであってもよく、その場合、逆流防止用開閉弁（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冷媒循環ループ１２ｂも、逆流防止部５４を備える。第２冷媒循環ループ１２ｂの逆流防止用開閉弁は、第１冷媒循環ループ１２ａの逆流防止用開閉弁（Ｖ１，Ｖ２）との区別のために便宜上、Ｖ５，Ｖ６と表記する。第２冷媒循環ループ１２ｂにおいても、逆流防止用開閉弁は１つだけであってもよく、その場合、逆流防止用開閉弁（Ｖ５，Ｖ６）のいずれか一方のみが設けられてもよい。

逆流防止用開閉弁（Ｖ１，Ｖ２，Ｖ５，Ｖ６）の閉鎖という比較的簡単な構成によって各冷媒循環ループ１２における冷媒の逆流循環を防止することができる。

逆流防止部５４は、極低温システム１０の常温部２２に配置されている。そのため、逆流防止部５４として、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、逆流防止部５４は、極低温システム１０の低温部２４に配置されてもよい。

連結ライン１４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１４は、非連結状態では各冷媒循環ループ１２の循環ポンプ２６が当該冷媒循環ループ１２について冷媒を循環させるように複数の冷媒循環ループ１２を相互に切り離す。一方、連結ライン１４は、連結状態では少なくとも１つの冷媒循環ループ１２の循環ポンプ２６が他の少なくとも１つの冷媒循環ループ１２についても冷媒を循環させるように複数の冷媒循環ループ１２を連結する。連結ライン１４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１４は、２つの冷媒循環ループ１２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１４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１４は、２つの冷媒循環ループ１２の冷媒供給ライン５０どうしをつなぐ供給側連結流路５６と、供給側連結流路５６に設けられた供給側連結用開閉弁Ｖ３と、を備える。また、連結ライン１４は、２つの冷媒循環ループ１２の冷媒回収ライン５２どうしをつなぐ回収側連結流路５８と、回収側連結流路５８に設けられた回収側連結用開閉弁Ｖ４と、を備える。供給側連結用開閉弁Ｖ３および回収側連結用開閉弁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。

冷媒供給ライン５０と供給側連結流路５６の供給側合流点６０は、逆流防止用開閉弁Ｖ２と第１熱交換器４０の供給側流路との間に配置されている。よって、逆流防止用開閉弁Ｖ２は循環ポンプ２６の吐出側と供給側合流点６０との間に配置されている。また、冷媒回収ライン５２と回収側連結流路５８の回収側合流点６２は、逆流防止用開閉弁Ｖ１と第１熱交換器４０の回収側流路との間に配置されている。よって、逆流防止用開閉弁Ｖ１は循環ポンプ２６の吸入側と回収側合流点６２との間に配置されている。

連結ライン１４は、極低温システム１０の常温部２２に配置されている。よって、連結用開閉弁（Ｖ３，Ｖ４）またはその他の連結ライン１４の構成要素として、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、連結ライン１４は、極低温システム１０の低温部２４に配置されてもよい。

冷媒循環ループ１２および連結ライン１４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。

図２は、実施の形態に係る極低温システム１０の故障モードと連結ライン１４の状態との関係を説明する表である。連結ライン１４の各開閉弁（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１０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１０に設けられたどの循環ポンプ２６および冷凍機２８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冷媒循環ループ１２ａの冷凍機２８が故障していることを表し、「ＳＴ２故障」は、第２冷媒循環ループ１２ｂの冷凍機２８が故障していることを表す。「Ｐ１故障」は、第１冷媒循環ループ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冷媒循環ループ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の測定結果から冷凍機２８が故障しているか否かを判別することができる。冷媒循環ループ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１０が正常に運転している場合には、逆流防止用開閉弁（Ｖ１，Ｖ２，Ｖ５，Ｖ６）はすべて開放され、供給側連結用開閉弁Ｖ３および回収側連結用開閉弁Ｖ４はともに閉鎖されている。これが、連結ライン１４の非連結状態である。非連結状態においては、供給側連結用開閉弁Ｖ３および回収側連結用開閉弁Ｖ４が閉鎖される。

したがって、連結ライン１４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冷媒循環ループ１２ａの循環ポンプ２６が第１冷媒循環ループ１２ａにおいて冷媒を循環させ、第２冷媒循環ループ１２ｂの循環ポンプ２６が第２冷媒循環ループ１２ｂにおいて冷媒を循環させる。連結ライン１４には冷媒が流れず、第１冷媒循環ループ１２ａと第２冷媒循環ループ１２ｂとの間で冷媒は相互に流通しない。このようにして、複数の冷媒循環ループ１２は相互に独立して運転される。

極低温システム１０の正常運転においては、各冷媒循環ループ１２の循環ポンプ２６から冷媒供給ライン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熱交換器４０の供給側流路に供給される。第１熱交換器４０の供給側流路を流れる冷媒は、第１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熱交換器４０で冷却された冷媒は冷媒供給ライン５０を通じて一段冷却部４２に流入する。

冷媒は一段冷却部４２において一段冷凍機ステージ３６によって冷却され、第２熱交換器４４の供給側流路へ送り込まれる。第２熱交換器４４の供給側流路を流れる冷媒は、第２熱交換器４４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熱交換器４４で冷却された冷媒は冷媒供給ライン５０を通じて二段冷却部４６に流入する。

冷媒は二段冷却部４６において二段冷凍機ステージ３８によって冷却され、冷却ステージ熱交換器４８に供給される。冷却ステージ熱交換器４８を流れる冷媒と極低温冷却部２０との熱交換により極低温冷却部２０が冷却される。極低温冷却部２０は、例えば冷凍機２８の二段冷却温度に冷却され、よって被冷却物１８を当該温度域に冷却することができる。

冷媒は冷却ステージ熱交換器４８から冷媒回収ライン５２に流れる。冷媒は、冷媒回収ライン５２を、第２熱交換器４４、第１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（４４，４０）にて、冷媒供給ライン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、正常運転時には各冷媒循環ループ１２が個別に動作し、極低温システム１０は極低温冷却部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１４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、故障した冷凍機２８が属する冷媒循環ループ１２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冷媒循環ループ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冷媒循環ループ１２ｂの循環ポンプ２６が運転停止される。このように、故障した冷凍機２８が属する冷媒循環ループ１２の循環ポンプ２６が停止され、他の冷媒循環ループ１２については循環ポンプ２６が運転継続される。

ＳＴ１故障、ＳＴ２故障の場合、冷凍機２８はもはや冷却をすることができない。冷凍機２８は、常温部２２から冷凍機ステージへの伝熱経路となる。故障した冷凍機２８は、熱侵入源であるとも言える。常温部２２から冷凍機２８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、冷凍機２８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１０の冷却能力が低下し、被冷却物１８の冷却維持も困難となりうる。

ところが、本実施の形態においては、ＳＴ１故障およびＳＴ２故障の場合における冷凍機ステージから極低温冷却部２０への伝熱経路が供給側冷媒管５１および回収側冷媒管５３に限定されている。供給側冷媒管５１および回収側冷媒管５３は比較的長く、薄肉の細い管である。一段冷凍機ステージ３６および二段冷凍機ステージ３８から極低温冷却部２０へと供給側冷媒管５１および回収側冷媒管５３を熱伝導により伝わる熱量は限定的である。そのため、たとえ冷凍機２８が故障しても、極低温冷却部２０の昇温を遅らせ、被冷却物１８の冷却をある程度続けることができる。

好ましくは、供給側冷媒管５１および回収側冷媒管５３は、冷凍機２８の故障に起因する冷凍機ステージ（例えば二段冷凍機ステージ３８）から極低温冷却部２０への熱伝導による侵入熱を限定し、または実質的に無視できるように設計されている。このような低温部冷媒管の設計と循環ポンプ２６の運転停止の組み合わせによって、冷凍機２８と極低温冷却部２０との熱接続が制限される。また、冷凍機２８の正常時には、冷凍機２８が冷却する冷媒が循環ポンプ２６の運転により極低温冷却部２０に供給され、冷凍機２８と極低温冷却部２０との熱接続が維持される。このようにして、低温部冷媒管と循環ポンプ２６は、いわば熱スイッチとして働く。

一般に知られる機械式の熱スイッチを極低温システム１０に適用するには様々な課題がある。機械式熱スイッチを極低温環境に配置する場合には極低温での動作信頼性や駆動部の発熱が問題となりうる。機械式熱スイッチの駆動部を常温下に配置する場合には、駆動部から伝達部材を介してスイッチ駆動を伝えることになるが、この伝達部材が伝熱経路となってしまう。よって、本実施の形態では機械式の熱スイッチは使用されない。また、極低温環境に適するガスギャップ式の熱スイッチも既知であるが、この熱スイッチは４Ｋ以下の極低温領域でのみ動作可能であり、４Ｋより高い極低温領域では使用できない。

これに対して、上述の低温部冷媒管と循環ポンプ２６の組み合わせは、既存の熱スイッチに付随する不利益がまったくないか、ほとんどない。この組み合わせを利用することにより、故障した冷凍機２８を極低温システム１０から容易に熱的に切り離すことができる。

少なくとも１つの冷媒循環ループ１２は、極低温システム１０の低温部２４に配置された低温部冷媒管（供給側冷媒管５１及び／または回収側冷媒管５３）を備える。冷凍機２８が機能しない場合に想定される極低温システム１０の常温部２２から冷凍機２８の冷凍機ステージへの熱伝導による単位時間あたり熱量が、冷凍機ステージから低温部冷媒管を通じた極低温冷却部２０への熱伝導による単位時間あたり熱量の１／１００〜１／１０００（例えば、１／４００〜１／５００）であってもよい。ここで、冷凍機２８が機能しない場合とは、故障等により冷凍機２８が運転停止し、冷凍機２８が冷却仕事を発生しない状態をいう。このようにすれば、冷凍機２８の故障に起因する冷凍機ステージから極低温冷却部２０への熱伝導による侵入熱を実質的に無視できる。

低温部冷媒管の設計の一例として、低温部冷媒管の材料、長さ、および断面積は、冷凍機が機能しない場合に想定される常温部２２から冷凍機２８の冷凍機ステージへの熱伝導による単位時間あたり熱量が、冷凍機ステージから低温部冷媒管を通じた極低温冷却部２０への熱伝導による単位時間あたり熱量の１／１００〜１／１０００（例えば、１／４００〜１／５００）となるように、設計されてもよい。このようにすれば、冷凍機２８の故障に起因する冷凍機ステージから極低温冷却部２０への熱伝導による侵入熱を実質的に無視できる。

供給側冷媒管５１および回収側冷媒管５３は、例えば、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、供給側冷媒管５１および回収側冷媒管５３は、例えばステンレス製の配管であってもよい。供給側冷媒管５１および回収側冷媒管５３は、フレキシブル管であってもよく、その場合、冷凍機２８から極低温冷却部２０への振動伝達を抑制することができる。

供給側冷媒管５１および回収側冷媒管５３は、それぞれ比較的長く、例えば、冷凍機２８の軸方向長さより長い。供給側冷媒管５１および回収側冷媒管５３の長さは、冷凍機２８の軸方向長さの２倍以上、５倍以上、または１０倍以上であってもよい。ここで、冷凍機２８の軸方向長さは、冷凍機２８が取り付けられた真空容器１６の壁面から冷凍機ステージ（例えば二段冷凍機ステージ３８）までの距離（言い換えれば、常温部２２から冷凍機ステージまでの距離）としてもよい。冷凍機２８の軸方向は、コールドヘッド（例えば二段コールドヘッド３２）がディスプレーサなどの往復動部材を有する場合には、往復動部材の往復動方向にあたる。供給側冷媒管５１および回収側冷媒管５３の長さは、冷凍機２８の軸方向長さの１００倍以下であってもよい。

また、供給側冷媒管５１および回収側冷媒管５３の断面積は、それぞれ比較的小さく、例えば、冷凍機２８の断面積より小さい。供給側冷媒管５１および回収側冷媒管５３の断面積は、冷凍機２８の断面積の１／２以下、１／５以下、または１／１０以下であってもよい。ここで、冷媒管の断面積は、管軸方向に垂直な断面積をいい、冷媒管の内径および外径から求められる。冷凍機２８の断面積は、冷凍機２８の軸方向に垂直な断面積をいう。冷凍機２８の断面積は、例えば、コールドヘッド（例えば二段コールドヘッド３２）のシリンダ部材の断面積としてもよい。シリンダ部材の断面積は、シリンダ部材の内径および外径から求められる。供給側冷媒管５１および回収側冷媒管５３は、シリンダ部材に比べて薄肉の管であってもよい。供給側冷媒管５１および回収側冷媒管５３の断面積は、冷凍機２８の断面積の１／１００以上であってもよい。

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冷媒循環ループ１２ａの逆流防止用開閉弁（Ｖ１，Ｖ２）が閉鎖され、供給側連結用開閉弁Ｖ３および回収側連結用開閉弁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２冷媒循環ループ１２ｂの逆流防止用開閉弁（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冷媒循環ループ１２ｂの逆流防止用開閉弁（Ｖ５，Ｖ６）が閉鎖され、供給側連結用開閉弁Ｖ３および回収側連結用開閉弁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冷媒循環ループ１２ａの逆流防止用開閉弁（Ｖ１，Ｖ２）は開放されている。これらが連結ライン１４の連結状態にあたる。連結状態においては、供給側連結用開閉弁Ｖ３および回収側連結用開閉弁Ｖ４が開放される。

図３には、連結ライン１４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冷媒循環ループ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冷媒循環ループ１２ａの循環ポンプ２６は正常に運転しているが、第２冷媒循環ループ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冷媒循環ループ１２ａの循環ポンプ２６が、第１冷媒循環ループ１２ａと第２冷媒循環ループ１２ｂの両方において冷媒を循環させる。第１冷媒循環ループ１２ａについては正常時と同様に冷媒が循環する。

第２冷媒循環ループ１２ｂについては、第１冷媒循環ループ１２ａの冷媒供給ライン５０から第２冷媒循環ループ１２ｂの冷媒供給ライン５０へと供給側連結流路５６を通じて冷媒が供給される。冷媒は熱交換器（４０，４４）および冷凍機ステージ（３６，３８）により冷却され冷却ステージ熱交換器４８に供給され、冷媒回収ライン５２へと流出する。第２冷媒循環ループ１２ｂの冷媒回収ライン５２から第１冷媒循環ループ１２ａの冷媒回収ライン５２へと回収側連結流路５８を通じて冷媒は戻り、第１冷媒循環ループ１２ａの循環ポンプ２６に回収される。第２冷媒循環ループ１２ｂの逆流防止用開閉弁（Ｖ５，Ｖ６）が閉鎖されているので、連結ライン１４の連結状態における第２冷媒循環ループ１２ｂでの逆流循環が防止される。

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

このようにして、ある冷媒循環ループ１２の循環ポンプ２６の故障時に、別の冷媒循環ループ１２の正常な循環ポンプ２６を使ってそれら複数の冷媒循環ループ１２を動作させ、極低温システム１０は、極低温冷却部２０を冷却することができる。いずれかの循環ポンプ２６が故障しても、極低温システム１０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、本実施の形態に係る極低温システム１０は、第１冷媒循環ループ１２ａおよび第２冷媒循環ループ１２ｂと、これら２つの冷媒循環ループ１２を相互連結する連結ライン１４と、を備える。連結ライン１４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。

非連結状態では、第１冷媒循環ループ１２ａと第２冷媒循環ループ１２ｂが相互に切り離され、第１冷媒循環ループ１２ａの循環ポンプ２６が第１冷媒循環ループ１２ａについて冷媒を循環させ、第２冷媒循環ループ１２ｂの循環ポンプ２６が第２冷媒循環ループ１２ｂについて冷媒を循環させる。連結状態では、第１冷媒循環ループ１２ａと第２冷媒循環ループ１２ｂが連結ライン１４を通じて連結され、第１冷媒循環ループ１２ａから第２冷媒循環ループ１２ｂへと、または、第１冷媒循環ループ１２ａから第２冷媒循環ループ１２ｂへと冷媒を相互に供給することができる。

いずれかの循環ポンプ２６の故障時には連結ライン１４の連結状態が選択され、正常な他の循環ポンプ２６により極低温システム１０の冷却を継続することができる。こうして、より長時間の安定した冷却性能を有する複数台の冷凍機２８を使用した極低温システム１０を実現することができる。

なお、冷凍機２８は二段スターリング冷凍機には限らず、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、冷凍機２８は、単段スターリング冷凍機、単段ＧＭ冷凍機、単段パルス管冷凍機など単段の機械式冷凍機であってもよい。

極低温システム１０は、種々の拡張が可能である。上述の実施の形態では極低温システム１０は２台の冷凍機２８を備えるが、極低温システム１０は、３台以上の冷凍機２８を備えてもよい。

また、上述の実施の形態では、各冷媒循環ループ１２に循環ポンプ２６と冷凍機２８が１つずつ設けられているが、これに限られない。少なくとも１つの冷媒循環ループは、各々が機械式冷凍機を備える複数の冷媒循環サブループを備えてもよい。当該冷媒循環ループには、複数の冷媒循環サブループに共有される少なくとも１つの循環ポンプが設けられている。複数の冷媒循環サブループは、個別に循環ポンプから切り離し可能であってもよい。

図４は、実施の形態に係る極低温システム１０の他の例を概略的に示す図である。図５は、図４に示される極低温システム１０の故障モードと連結ライン１４の状態との関係を説明する表である。

図４および図５に例示される実施の形態に係る極低温システム１０は、各冷媒循環ループ１２が複数の冷媒循環サブループ７０を備えることを除いて、図１から図３に例示される極低温システム１０と共通する。以下、それら実施の形態に係る極低温システム１０について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１０は、第１冷媒循環ループ１２ａと第２冷媒循環ループ１２ｂを備える。連結ライン１４は、第１冷媒循環ループ１２ａと第２冷媒循環ループ１２ｂを相互連結する。各冷媒循環ループ１２は、複数の冷媒循環サブループ７０、すなわち第１冷媒循環サブループ７０ａと第２冷媒循環サブループ７０ｂを備える。各冷媒循環ループ１２の循環ポンプ２６は、複数の冷媒循環サブループ７０に共有され、この共通の循環ポンプ２６から第１冷媒循環サブループ７０ａと第２冷媒循環サブループ７０ｂの両方に冷媒が供給される。また、共通の循環ポンプ２６は、第１冷媒循環サブループ７０ａと第２冷媒循環サブループ７０ｂの両方から冷媒を回収する。

極低温システム１０は、合計４台の冷凍機２８を備える。冷凍機２８は、単段スターリング冷凍機である。極低温冷却部２０は複数の冷却ステージからなり、各冷却ステージが対応する冷媒循環サブループ７０によって冷却される。冷凍機２８は、一段冷凍機ステージ３６を備える。各冷媒循環サブループ７０は、第１熱交換器４０、一段冷却部４２、冷却ステージ熱交換器４８、冷媒供給ライン５０、および冷媒回収ライン５２を備える。

極低温システム１０は、８個の開閉弁（Ｖ１１〜Ｖ１８）を備える。各故障モードにおける開閉弁（Ｖ１１〜Ｖ１８）の開閉状態は図５に記載されるとおりである。開閉弁（Ｖ１４，Ｖ１５）が連結用開閉弁であり、開閉弁（Ｖ１１，Ｖ１６）が逆流防止用開閉弁である。

残りの開閉弁（Ｖ１２，Ｖ１３，Ｖ１７，Ｖ１８）は、冷媒循環ループ１２から冷媒循環サブループ７０を個別に切り離すために設けられている。開閉弁（Ｖ１２，Ｖ１３，Ｖ１７，Ｖ１８）は、循環ポンプ２６と第１熱交換器４０の供給側流路との間に配置されている。

開閉弁Ｖ１２は第１冷媒循環ループ１２ａの第１冷媒循環サブループ７０ａに設けられ、第１冷媒循環サブループ７０ａの冷凍機２８の故障時に閉鎖される（図５の「ＳＴ１故障」）。この場合、第１冷媒循環ループ１２ａにおける他の開閉弁（Ｖ１１，Ｖ１３）は開放されているので、第１冷媒循環ループ１２ａの循環ポンプ２６は、第１冷媒循環ループ１２ａの第２冷媒循環サブループ７０ｂに冷媒を循環させることができる。

同様に、開閉弁Ｖ１３は第１冷媒循環ループ１２ａの第２冷媒循環サブループ７０ｂに設けられ、第２冷媒循環サブループ７０ｂの冷凍機２８の故障時に閉鎖される（図５の「ＳＴ２故障」）。開閉弁Ｖ１７は第２冷媒循環ループ１２ｂの第１冷媒循環サブループ７０ａに設けられ、第１冷媒循環サブループ７０ａの冷凍機２８の故障時に閉鎖される（図５の「ＳＴ３故障」）。開閉弁Ｖ１８は第２冷媒循環ループ１２ｂの第２冷媒循環サブループ７０ｂに設けられ、第２冷媒循環サブループ７０ｂの冷凍機２８の故障時に閉鎖される（図５の「ＳＴ４故障」）。

図４および図５に示される極低温システム１０によっても、いずれかの循環ポンプ２６の故障時には連結ライン１４の連結状態が選択され、正常な他の循環ポンプ２６により極低温システム１０の冷却を継続することができる。

また、いずれかの冷凍機２８の故障時には対応する開閉弁（Ｖ１２，Ｖ１３，Ｖ１７，Ｖ１８）を閉じることにより、当該冷凍機２８が属する冷媒循環サブループ７０を極低温システム１０から切り離すことができる。

供給側冷媒管５１および回収側冷媒管５３は、冷凍機２８の故障に起因する冷凍機ステージ（例えば一段冷凍機ステージ３６）から極低温冷却部２０への熱伝導による侵入熱を実質的に無視できるように設計されている。このような低温部冷媒管の設計と開閉弁（Ｖ１２，Ｖ１３，Ｖ１７，Ｖ１８）の組み合わせによって、故障している冷凍機２８と極低温冷却部２０との熱接続が制限される。故障している冷凍機２８から極低温冷却部２０への熱侵入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システム１０の他の例を概略的に示す図である。図７は、図６に示される極低温システム１０の故障モードと連結ライン１４の状態との関係を説明する表である。図７には、各冷媒循環ループ１２の循環ポンプ２６（Ｐ１〜Ｐ４）の状態も示されている。

図６および図７に例示される実施の形態に係る極低温システム１０は、４つの冷媒循環ループ１２を備えることを除いて、図１から図３に例示される極低温システム１０と共通する。以下、それら実施の形態に係る極低温システム１０について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１０は、第１冷媒循環ループ１２ａ、第２冷媒循環ループ１２ｂ、第３冷媒循環ループ１２ｃ、および第４冷媒循環ループ１２ｄを備える。各冷媒循環ループ１２には循環ポンプ２６と冷凍機２８が１つずつ設けられている。冷凍機２８は単段スターリング冷凍機である。極低温システム１０は、第１冷媒循環ループ１２ａと第２冷媒循環ループ１２ｂを相互連結する第１連結ライン１４ａと、第２冷媒循環ループ１２ｂと第３冷媒循環ループ１２ｃを相互連結する第２連結ライン１４ｂと、第３冷媒循環ループ１２ｃと第４冷媒循環ループ１２ｄを相互連結する第３連結ライン１４ｃと、を備える。

極低温システム１０は、１０個の開閉弁（Ｖ２１〜Ｖ３０）を備える。第１連結ライン１４ａには連結用開閉弁（Ｖ２２，Ｖ２３）が設けられ、第２連結ライン１４ｂには連結用開閉弁（Ｖ２５，Ｖ２６）が設けられ、第３連結ライン１４ｃには連結用開閉弁（Ｖ２８，Ｖ２９）が設けられている。残りの４個の開閉弁（Ｖ２１，Ｖ２４，Ｖ２７，Ｖ３０）はそれぞれ、第１冷媒循環ループ１２ａ、第２冷媒循環ループ１２ｂ、第３冷媒循環ループ１２ｃ、および第４冷媒循環ループ１２ｄの逆流防止用開閉弁である。各故障モードにおける開閉弁（Ｖ２１〜Ｖ３０）の開閉状態は図７に記載されるとおりである。

図６および図７に示される極低温システム１０によっても、いずれかの循環ポンプ２６の故障時には連結ライン１４の連結状態が選択され、正常な他の循環ポンプ２６により極低温システム１０の冷却を継続することができる。例えば、Ｐ１故障時には、第１連結ライン１４ａが連結状態とされ（すなわち連結用開閉弁（Ｖ２２，Ｖ２３）が開放され）、第２冷媒循環ループ１２ｂから第１冷媒循環ループ１２ａに冷媒を循環させることができる。Ｐ２故障時には、第１連結ライン１４ａが連結状態とされ（すなわち連結用開閉弁（Ｖ２２，Ｖ２３）が開放され）、第１冷媒循環ループ１２ａから第２冷媒循環ループ１２ｂに冷媒を循環させることができる。あるいは、Ｐ２故障時には、第２連結ライン１４ｂが連結状態とされ（すなわち連結用開閉弁（Ｖ２５，Ｖ２６）が開放され）、第３冷媒循環ループ１２ｃから第２冷媒循環ループ１２ｂに冷媒を循環させることもできる。

図６および図７に示される極低温システム１０によっても、いずれかの循環ポンプ２６の故障時には連結ライン１４の連結状態が選択され、正常な他の循環ポンプ２６により極低温システム１０の冷却を継続することができる。また、低温部冷媒管と循環ポンプ２６の組み合わせにより、故障した冷凍機２８を極低温システム１０から熱的に切り離し、故障した冷凍機２８から極低温冷却部２０への熱侵入を抑制することができる。

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。

１０ 極低温システム、 １２ 冷媒循環ループ、 １２ａ 第１冷媒循環ループ、 １２ｂ 第２冷媒循環ループ、 １４ 連結ライン、 ２０ 極低温冷却部、 ２２ 常温部、 ２４ 低温部、 ２６ 循環ポンプ、 ２８ 冷凍機、 ５４ 逆流防止部、 ５６ 供給側連結流路、 ５８ 回収側連結流路、 ７０ 冷媒循環サブループ、 ７０ａ 第１冷媒循環サブループ、 ７０ｂ 第２冷媒循環サブループ。

Claims (6)

1. 極低温冷却部と、
   前記極低温冷却部と冷媒との熱交換により前記極低温冷却部を冷却するよう構成された複数の冷媒循環ループであって、各冷媒循環ループが、前記冷媒を循環させる循環ポンプと、前記冷媒を冷却する機械式冷凍機と、を備える複数の冷媒循環ループと、
   前記冷媒を流通可能に前記複数の冷媒循環ループを相互連結する連結ラインと、を備え、
   前記連結ラインは、非連結状態から連結状態に切替可能に構成され、前記非連結状態では各冷媒循環ループの循環ポンプが当該冷媒循環ループについて前記冷媒を循環させるように前記複数の冷媒循環ループを相互に切り離し、前記連結状態では少なくとも１つの冷媒循環ループの循環ポンプが他の少なくとも１つの冷媒循環ループについても前記冷媒を循環させるように前記複数の冷媒循環ループを連結し、
   前記複数の冷媒循環ループの各々は、一方が前記循環ポンプの上流側に設けられ、他方が前記循環ポンプの下流側に設けられ、前記非連結状態では開放され前記連結状態では閉鎖される一組の逆流防止用開閉弁を備えることを特徴とする極低温システム。
2. 前記連結ラインは、２つの冷媒循環ループをつなぐ連結流路と、前記連結流路に設けられ、前記非連結状態では閉鎖され前記連結状態では開放される連結用開閉弁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. 前記連結ラインは、前記極低温システムの常温部に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の極低温システム。
4. 前記一組の逆流防止用開閉弁は、前記極低温システムの常温部に配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の極低温システム。
5. 少なくとも１つの冷媒循環ループは、各々が前記機械式冷凍機を備え、前記循環ポンプが前記冷媒を循環させる複数の冷媒循環サブループを備え、
   前記複数の冷媒循環サブループは、個別に前記循環ポンプから切り離し可能であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の極低温システム。
6. 少なくとも１つの冷媒循環ループは、前記極低温システムの低温部に配置された低温部冷媒管を備え、
   前記機械式冷凍機が機能しない場合に想定される前記極低温システムの常温部から前記機械式冷凍機の冷凍機ステージへの熱伝導による単位時間あたり熱量が、前記冷凍機ステージから前記低温部冷媒管を通じた前記極低温冷却部への熱伝導による単位時間あたり熱量の１／１００〜１／１０００であ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システム。

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