JPH05157397A - 極低温冷凍装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】装置を大型化することなく、温度制御を精度良
く行うことができ、しかも高効率で運転することができ
るようにする。 【構成】吸着物質に第１の冷媒を交互に吸着及び放出さ
せて作動する第１冷凍サイクル１１と、吸着物質に第２
の冷媒を交互に吸着及び放出させて作動する第２冷凍サ
イクル１２とを有していて、第１冷凍サイクル１１のヒ
ータ１５を間歇的に作動させるとともに、第２冷凍サイ
クル１２のペルチェ素子３５を交互に間歇的に作動させ
る。液化された第２の冷媒を利用し、上記第１冷凍サイ
クル１１の冷却器１６で上記吸着物質を冷却する。第３
熱交換器４７は、液化ガス供給手段に接続され、液化ガ
スの蒸発潜熱を利用して第２の冷媒を冷却する。第３熱
交換器４７において、第２の冷媒の冷却が促進され、ジ
ュール・トムソン効果を十分に機能させることが可能と
なる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、極低温冷凍装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、超電導装置においては、超電導マ
グネット部分を極低温に冷却する必要があり、超電導マ
グネット部分を、例えば密封された液体ヘリウム槽内に
設け、該液体ヘリウム槽内に収容された液体ヘリウムに
よって約４．２°Ｋに冷却している。そして、更に上記
液体ヘリウム槽を断熱ケースによって包囲し、該断熱ケ
ース内を真空に維持して断熱ケースの外側の大気中の熱
が進入しないようにしている。

【０００３】この場合、上記超電導マグネットには、断
熱ケースを介して大気中の熱が輻射熱となって進入する
ため、その分上記液体ヘリウムが気化してしまう。その
ため、ヘリウムガスを回収して再び液体ヘリウムにする
ために極低温冷凍装置が使用される。上記極低温冷凍装
置は、吸着剤、向流型熱交換器及びＪ−Ｔ膨張弁から成
る同一の冷凍サイクルを複数段直列に接続して極低温状
態を形成するようにしている。

【０００４】この場合、冷凍サイクルにおいては、吸着
剤の冷却と加熱を交互に行い、吸着剤から放出された冷
媒をＪ−Ｔ膨張弁に送って膨張させ、この時のジュール
・トムソン効果を利用して冷媒の温度を降下させるよう
になっている。そして、前段の冷凍サイクルの冷媒を利
用して、次段の冷凍サイクルの吸着剤を冷却することに
よって極低温状態が形成されるようになっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の極低温冷凍装置においては、複数段の同一の冷凍サ
イクルにおいて吸着剤をすべて同じように使用している
ため、装置が大型化してしまう。すなわち、吸着剤とし
て例えば活性炭を使用した場合、温度が低くなるほど吸
着量が多くなり、その分冷却能力が高くなるが、逆に温
度が高くなると吸着量が少なくなり、冷却能力が低下す
る。

【０００６】複数段の冷凍サイクルのうち、最終段に近
くなればなるほど使用する吸着剤を小さくすることがで
きるが、初段に近くなればなるほど使用する吸着剤が大
きくなる。したがって、特に初段側の冷凍サイクルが相
当大型化、重量化してしまう。このため、上記極低温冷
凍装置を車両に搭載することは全く不可能となる。本発
明は、上記従来の極低温冷凍装置の問題点を解決して、
装置を大型化、重量化することなく、温度制御を精度良
く行うことができ、しかも高効率で運転することができ
る極低温冷凍装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】そのために、本発明の極
低温冷凍装置においては、吸着物質に第１の冷媒を交互
に吸着及び放出させることによって作動する第１冷凍サ
イクルと、吸着物質に第２の冷媒を交互に吸着及び放出
させることによって作動する第２冷凍サイクルと、上記
第１冷凍サイクル及び第２冷凍サイクルを制御するため
の制御装置を有していて、第１冷凍サイクル及び第２冷
凍サイクルによって２段の冷凍サイクルが構成される。

【０００８】上記第１冷凍サイクルは、上記吸着物質
と、該吸着物質を加熱する第１の加熱手段と、上記吸着
物質を冷却する第２の冷却手段と、第１の冷媒を送るた
めの冷媒配管と、該冷媒配管に配設されるジュール・ト
ムソン膨張弁と、該ジュール・トムソン膨張弁の下流側
に配設されて被冷却物を冷却する負荷冷却器と、上記ジ
ュール・トムソン膨張弁の上流側の第１の冷媒と上記負
荷冷却器の下流側の第１の冷媒間で熱交換を行うための
少なくとも一つの熱交換器とを備えている。

【０００９】また、上記第２冷凍サイクルは、上記吸着
物質と、該吸着物質を加熱する第２の加熱手段と、上記
吸着物質を冷却する第２の冷却手段と、第２の冷媒を送
るための冷媒配管と、該冷媒配管に配設されるジュール
・トムソン膨張弁と、該ジュール・トムソン膨張弁の下
流側に配設されて上記第１の冷却手段を構成する冷却器
と、上記ジュール・トムソン膨張弁の上流側に配設され
第２の冷媒を冷却する液化ガス式冷却器と、上記ジュー
ル・トムソン膨張弁の上流側の第２の冷媒と上記冷却器
の下流側の第２の冷媒間で熱交換を行うための少なくと
も一つの熱交換器とを備えている。

【００１０】そして、上記制御装置は、上記第１の加熱
手段を間歇的に作動させる手段と、上記第２の加熱手段
及び第２の冷却手段を交互に間歇的に作動させる手段を
有する。上記液化ガス式冷却器は、液化ガス供給手段に
接続され、液化ガスの蒸発潜熱を利用して上記第２の冷
媒を冷却する。

【００１１】上記第２冷凍サイクルのうち、吸着物質、
第２の加熱手段及び第２の冷却手段から成る吸着装置を
除く他の構成要素と、上記第１冷凍サイクルの各構成要
素と、上記液化ガス供給手段は断熱ケースに収容され、
上記吸着装置は断熱ケース内より温度の高い雰囲気内に
配設される。

【００１２】

【作用及び発明の効果】本発明によれば、上記のように
吸着物質に第１の冷媒を交互に吸着及び放出させること
によって作動する第１冷凍サイクルと、吸着物質に第２
の冷媒を交互に吸着及び放出させることによって作動す
る第２冷凍サイクルと、上記第１冷凍サイクル及び第２
冷凍サイクルを制御するための制御装置を有していて、
第１冷凍サイクル及び第２冷凍サイクルによって２段の
冷凍サイクルが構成される。

【００１３】上記第１冷凍サイクルは、吸着物質と、該
吸着物質を加熱する第１の加熱手段と、上記吸着物質を
冷却する第１の冷却手段と、第１の冷媒を送るための冷
媒配管と、該冷媒配管に配設されるジュール・トムソン
膨張弁と、該ジュール・トムソン膨張弁の下流側に配設
されて被冷却物を冷却する負荷冷却器と、上記ジュール
・トムソン膨張弁の上流側の第１の冷媒と上記負荷冷却
器の下流側の第１の冷媒間で熱交換を行うための少なく
とも一つの熱交換器とを備えている。そして、上記制御
装置は、上記第１の加熱手段を間歇的に作動させる。

【００１４】したがって、該第１の加熱手段を作動させ
て吸着物質を加熱すると、第１の冷媒が吸着物質から放
出され、上記熱交換器で冷却された後、高圧状態でジュ
ール・トムソン膨張弁に送られ、該ジュール・トムソン
膨張弁から吐出される。この時、第１の冷媒の一部が液
化されるので、液化された第１の冷媒の蒸発潜熱を利用
し、上記負荷冷却器において被冷却物を極低温状態に冷
却することができる。該被冷却物を冷却した後の第１の
冷媒は、上記第１の加熱手段を停止させて吸着物質を冷
却した時に吸着される。

【００１５】また、上記第２冷凍サイクルは、吸着物質
と、該吸着物質を加熱する第２の加熱手段と、吸着物質
を冷却する第２の冷却手段と、第２の冷媒を送るための
冷媒配管と、該冷媒配管に配設されるジュール・トムソ
ン膨張弁と、該ジュール・トムソン膨張弁の下流側に配
設されて上記吸着物質の冷却手段を構成する冷却器と、
上記ジュール・トムソン膨張弁の上流側に配設され第２
の冷媒を冷却する液化ガス式冷却器と、上記ジュール・
トムソン膨張弁の上流側の第２の冷媒と上記冷却器の下
流側の第２の冷媒間で熱交換を行うための少なくとも一
つの熱交換器とを備えている。そして、上記制御装置
は、上記第２の加熱手段及び第２の冷却手段を交互に間
歇的に作動させる。

【００１６】したがって、上記第２の加熱手段を作動さ
せて吸着物質を加熱すると、第２の冷媒が吸着物質から
放出され、上記液化ガス式冷却器及び熱交換器で冷却さ
れた後、高圧状態でジュール・トムソン膨張弁に送ら
れ、該ジュール・トムソン膨張弁から吐出される。この
時、第２の冷媒の一部が液化されるので、液化された第
２の冷媒を利用し、上記第１の冷却手段である冷却器で
上記吸着物質を冷却することができる。該吸着物質を冷
却した後の第２の冷媒は、第２の冷却手段を作動させる
ことによって吸着物質に吸着される。

【００１７】上記液化ガス式冷却器は、液化ガス供給手
段に接続され、液化ガスの蒸発潜熱を利用して上記第２
の冷媒を冷却する。液化ガス式冷却器において、第２の
冷媒の冷却が促進され、ジュール・トムソン効果を十分
に機能させることが可能となる。したがって、第２冷凍
サイクルで吸着装置を使用してもジュール・トムソン膨
張弁から吐出された後の第２の冷媒における液化部分を
多くすることができ、装置を小型化することができる。

【００１８】上記第２冷凍サイクルのうち、吸着物質、
第２の加熱手段及び第２の冷却手段から成る吸着装置を
除く他の構成要素と、上記第１冷凍サイクルの各構成要
素と、上記液化ガス供給手段は断熱ケースに収容され、
上記吸着装置は断熱ケース内より温度の高い雰囲気内に
配設される。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
ながら詳細に説明する。図１は本発明の第１の実施例を
示す極低温冷凍装置の概略図である。図において、１１
は熱負荷を冷却するための第１冷凍サイクル、１２は該
第１冷凍サイクル１１の低温源を構成する第２冷凍サイ
クルである。上記第１冷凍サイクル１１及び第２冷凍サ
イクル１２を２段連結することによって、約４．２°Ｋ
の極低温状態が形成される。上記第１冷凍サイクル１１
は冷媒としてヘリウム（Ｈｅ）を使用し、吸着物質とし
て吸着剤を使用する吸着式冷凍サイクルで構成され、一
方、第２冷凍サイクル１２は冷媒として水素（Ｈ₂ ）を
使用し、吸着物質として水素吸蔵合金を使用する化学式
冷凍サイクルで構成されるが、第１冷凍サイクル１１と
同様に吸着剤を使用することもできる。

【００２０】１３はヘリウムガスを吸着するとともに放
出するための吸着装置である。該吸着装置１３は、活性
炭やゼオライトなどの吸着剤１４、該吸着剤１４を加熱
するためのヒータ１５、及び冷却器１６から成る。上記
吸着剤１４の温度をヒータ１５によって強制的に上昇さ
せると、吸着されていたヘリウムが吸着剤１４から放出
される。また、上記吸着剤１４の温度を冷却器１６によ
って強制的に低下させると、ヘリウムが吸着剤１４に吸
着される。

【００２１】上記吸着剤１４を備えた吸着装置１３は、
接続管１７を介してループ状の冷媒管路１８に接続され
ていて、吸着剤１４を加熱することによって発生したヘ
リウムガスは上記冷媒管路１８に供給され、該冷媒管路
１８に配設されるＪ−Ｔ膨張弁１９で膨張させられ、ジ
ュール・トムソン効果によって少なくとも一部が液化さ
せられ、ミスト状の冷媒となる。そして、ミスト状の冷
媒は熱負荷となる負荷冷却器２０に送られ、該負荷冷却
器２０において本実施例では被冷却物をほぼ４．２°Ｋ
に冷却するとともに気化し、ヘリウムガスとなる。

【００２２】続いて、上記吸着剤１４を冷却することに
よって、上記冷媒管路１８内のヘリウムガスを上記吸着
剤１４に吸着させることができる。上記Ｊ−Ｔ膨張弁１
９においてジュール・トムソン効果によって冷媒を液化
させるためには、高圧で所定温度以下の冷媒をＪ−Ｔ膨
張弁１９に供給して、該Ｊ−Ｔ膨張弁１９から低圧側に
吐出する必要がある。

【００２３】そこで、上記冷媒管路１８におけるＪ−Ｔ
膨張弁１９の上流側の高圧側冷媒管路１８ａに一方向弁
２２を、Ｊ−Ｔ膨張弁１９の下流側の低圧側冷媒管路１
８ｂに一方向弁２３を配設し、冷媒を一方向に流すとと
もに高圧側冷媒管路１８ａにおいて高圧を形成してい
る。この場合、上記一方向弁２２はヘリウムガスの圧力
が例えば１４ａｔｍ．の設定圧力になるまでは開放され
ない構造になっていて、上記高圧側冷媒管路１８ａ内に
おいてヘリウムガスは１４〜１８ａｔｍ．の圧力に維持
される。なお、上記一方向弁２２によって圧力を維持さ
せなくても、活性炭量、発熱サイクルを制御することに
よって圧力を維持させることもできる。

【００２４】このようにして、吸着剤１４を加熱するこ
とによって発生したヘリウムガスは一方向弁２２を介し
て高圧側冷媒管路１８ａに送られ、上記Ｊ−Ｔ膨張弁１
９から低圧側冷媒管路１８ｂに吐出される。上述したよ
うに、ヘリウムガスはＪ−Ｔ膨張弁１９から吐出されて
少なくとも一部が液化させられるが、該Ｊ−Ｔ膨張弁１
９の上流側のヘリウムガスの温度が低温であればあるほ
ど吐出後の温度は低下し、液化する量が増加する。そこ
で、上記Ｊ−Ｔ膨張弁１９の上流側の高圧側冷媒管路１
８ａに、ヘリウムガスを冷却するための第１、第２熱交
換器２５，２６と該第１、第２熱交換器２５，２６間に
第３熱交換器２７が配設される。

【００２５】上記第１熱交換器２５及び第２熱交換器２
６は、向流型熱交換器が採用され、上記負荷冷却器２０
において被冷却物を冷却した後の低圧側冷媒管路１８ｂ
内のヘリウムガスの冷熱を利用して高圧側冷媒管路１８
ａ内のヘリウムガスを冷却するようにしている。また、
第３熱交換器２７は、第２冷凍サイクル１２において冷
却器１６で吸着剤１４を冷却した後の水素ガスの冷熱を
利用している。

【００２６】このようにして、少なくとも一部が液化さ
せられてヘリウムガスと液体ヘリウムの混合物になった
冷媒は負荷冷却器２０に送られ、該負荷冷却器２０で被
冷却物を冷却する。上記液体ヘリウムの沸点は約４．２
°Ｋであり、負荷冷却器２０は約４．２°Ｋで被冷却物
を冷却することができる。したがって、上記負荷冷却器
２０を超電導モータの液体ヘリウム槽に配設すれば、超
電導マグネットを冷却して気化したヘリウムガスを再び
液化することができる。

【００２７】なお、この場合、超電導マグネットを冷却
して気化したヘリウムガスを負荷冷却器２０の被冷却物
としているが、例えば負荷冷却器２０を液体ヘリウム槽
で構成し、被冷却物としての超電導マグネットを直接冷
却するようにしてもよい。上述したように、吸着装置１
３には、吸着剤１４を加熱するためにヒータ１５が設け
られている。該ヒータ１５は電源回路３１に接続され、
図示しない制御装置によって制御され、間歇的に上記吸
着剤１４を加熱する。また、上記吸着剤１４には冷却器
１６が配設されていて、該冷却器１６内を流れる水素ガ
スと液化水素の混合物から成る冷媒によって上記吸着剤
１４は常時２２°Ｋに冷却されている。

【００２８】次に、第２冷凍サイクル１２について説明
する。３３は冷却することによって水素ガスを吸蔵し、
加熱することによって水素ガスを放出するための吸蔵装
置である。該吸蔵装置３３は、ＬａＮｉ₅ などの水素吸
蔵合金から成る吸蔵物質３４、該吸蔵物質３４を選択的
に加熱・冷却するためのペルチェ素子３５から成る。該
ペルチェ素子３５は上記電源回路３１に接続されるとと
もに、図示しない制御装置によって制御され、接続され
る極性を切り替えることによって雰囲気温度に対して±
６０°Ｃの加熱・冷却を行う。すなわち、雰囲気温度を
例えば０°Ｃに維持した場合、加熱時には６０°Ｃの加
熱を、冷却時には−６０°Ｃの冷却を行うことができ
る。

【００２９】したがって、例えば上記吸蔵物質３４とし
て−６０°Ｃ程度の低温下で吸蔵を行うことができるも
のを使用すると、上記吸蔵装置３３をほぼ０°Ｃの雰囲
気下に置くことができ、吸蔵装置３３を極低温状態から
分離して独立した断熱構造内に収容すると、装置の熱効
率を向上させることができる。上記構成の吸蔵装置３３
において、吸蔵物質３４の温度をペルチェ素子３５によ
って強制的に上昇させると、吸蔵されていた水素が気化
し水素ガスとなって吸蔵物質３４から放出される。ま
た、上記ペルチェ素子３５を切り替え、上記吸蔵物質３
４の温度をペルチェ素子３５によって強制的に低下させ
ると、水素ガスが吸蔵物質３４に吸蔵される。

【００３０】上記吸蔵物質３４を備えた吸蔵装置３３は
接続管３７を介してループ状の冷媒管路３８に接続され
ていて、吸蔵物質３４を加熱することによって発生した
水素ガスは上記冷媒管路３８に供給され、該冷媒管路３
８に配設されるＪ−Ｔ膨張弁３９で膨張させられ、ジュ
ール・トムソン効果によって少なくとも一部が液化させ
られ、ミスト状の冷媒となる。そして、ミスト状の冷媒
は上記冷却器１６に送られ、該冷却器１６において上記
吸着剤１４を約２２°Ｋに冷却するとともに一部が気化
し、水素ガスとなる。上記冷却器１６の下流側には第３
熱交換器２７が配設されていて、吸着剤１４を冷却した
後の冷媒は更に第３熱交換器２７に送られ、該第３熱交
換器２７においてヘリウムガスを冷却し、気化して水素
ガスとなる。

【００３１】続いて、上記ペルチェ素子３５を切り替
え、吸蔵物質３４を冷却することによって、上記冷媒管
路３８内の水素ガスを上記吸蔵物質３４に吸蔵させるこ
とができる。上記Ｊ−Ｔ膨張弁３９においてジュール・
トムソン効果によって冷媒を液化させるためには、高圧
で所定温度以下の冷媒をＪ−Ｔ膨張弁３９に供給して、
該Ｊ−Ｔ膨張弁３９から低圧側に吐出する必要がある。

【００３２】そこで、上記冷媒管路３８におけるＪ−Ｔ
膨張弁３９の上流側の高圧側冷媒管路３８ａに一方向弁
４２を、Ｊ−Ｔ膨張弁３９の下流側の低圧側冷媒管路３
８ｂに一方向弁４３を配設し、冷媒を一方向に流すとと
もに高圧側冷媒管路３８ａにおいて高圧を形成してい
る。このようにして、吸蔵物質３４を加熱することによ
って発生した水素ガスは一方向弁４２を介して高圧側冷
媒管路３８ａに送られ、上記Ｊ−Ｔ膨張弁３９から低圧
側冷媒管路３８ｂに吐出される。上述したように、水素
ガスはＪ−Ｔ膨張弁３９から吐出されて少なくとも一部
が液化させられるが、該Ｊ−Ｔ膨張弁３９の上流側の水
素ガスの温度が低温であればあるほど吐出後の温度は低
下し、液化する量が増加する。そこで、上記Ｊ−Ｔ膨張
弁３９の上流側の高圧側冷媒管路３８ａに、水素ガスを
冷却するための第１、第２熱交換器４５，４６と該第
１、第２熱交換器４５，４６間に第３熱交換器４７が配
設される。

【００３３】上記第１熱交換器４５及び第２熱交換器４
６は、向流型熱交換器が採用され、第１冷凍サイクル１
１の第３熱交換器２７においてヘリウムガスを冷却した
後の低圧側冷媒管路３８ｂ内の水素ガスの冷熱を利用し
て高圧側冷媒管路３８ａ内の水素ガスを約７７°Ｋに冷
却するようにしている。また、第３熱交換器４７は、液
化ガス、例えば液体窒素（Ｎ₂ ）を冷熱源とする液化ガ
ス式冷却器で構成される。そのため、液化ガス供給手段
が設けられ、上記第３熱交換器４７は液体窒素管路５１
を介して液体窒素槽５２に接続されている。

【００３４】液体窒素は沸点が７７°Ｋであり、単位重
量当たりの蒸発潜熱が比較的高く、冷却効果が大きい。
したがって、わずかな量の液体窒素を上記第３熱交換器
４７に供給するだけで、高圧側冷媒管路３８ａ内の水素
ガスを十分に冷却することができる。なお、図示されて
いないが、上記液体窒素管路５１には、供給される液体
窒素の量を調節するための調節弁が設けられる。上記第
３熱交換器４７において水素ガスを冷却し、気化した窒
素ガスは回収されることなく放出され、その後断熱ケー
ス５５内を冷却する。

【００３５】上記第３熱交換器４７は、液体窒素の蒸発
潜熱を利用して水素ガスを冷却するため、水素ガスの冷
却が促進され、ジュール・トムソン効果を十分に機能さ
せることが可能となる。したがって、第２冷凍サイクル
１２で吸蔵装置３３による冷凍サイクルを使用してもＪ
−Ｔ膨張弁３９から吐出された後の冷媒中の液体水素の
量が多くなり、第２冷凍サイクル１２が小型化する分だ
け装置を小型化することができる。

【００３６】このようにして、かなりの部分が液化させ
られ水素ガスと液体水素の混合物になった冷媒は、冷却
器１６に送られるが、冷媒内の液体水素の量が多いの
で、上記冷却器１６において吸着剤１４を十分に冷却す
ることができる。したがって、吸着剤１４の加熱時に冷
却器１６への冷媒の供給を停止することなく、同時にヒ
ータ１５をオンにしても、冷却器１６の冷却能力を損な
うことがなく、吸着剤１４の冷却を安定させることがで
きる。

【００３７】さらに、上記冷却器１６への冷媒の供給を
停止する必要がないので、サーマルスイッチ、電磁弁等
の制御弁が不要となる。したがって、極低温状態におい
て温度を検出する必要がなくなり制御性が向上するだけ
でなく、制御弁の一部を常温下に置く必要がないため装
置を小型化することができる。上記冷媒は冷却器１６を
出た後、第１冷凍サイクル１１の第３熱交換器２７に送
られ、該第３熱交換器２７においてヘリウムガスを冷却
する。液体水素の沸点は約２２°Ｋであり、冷却器１６
は約２２°Ｋで吸着剤１４を冷却することができ、ま
た、第３熱交換器２７は約２２°Ｋでヘリウムガスを冷
却することができる。

【００３８】ところで、上記第１冷凍サイクル１１にお
いては、約２２°Ｋの冷媒を使用して負荷冷却器２０に
おいて約４．２°Ｋの極低温状態を形成する。したがっ
て、上記第１冷凍サイクル１１の各構成要素、すなわち
吸着装置１３、冷媒管路１８、Ｊ−Ｔ膨張弁１９、負荷
冷却器２０、一方向弁２２，２３、第１熱交換器２５、
第２熱交換器２６及び第３熱交換器２７が常温から隔離
される。また、第２冷凍サイクル１２においては、約０
°Ｃの雰囲気を使用して冷却器１６において約２２°Ｋ
の低温状態を形成する。したがって、第２冷凍サイクル
１２の吸蔵装置３３以外の構成要素、すなわち冷媒管路
３８、Ｊ−Ｔ膨張弁３９、一方向弁４２，４３、第１熱
交換器４５、第２熱交換器４６及び第３熱交換器４７が
常温から隔離される。さらに、液体窒素によって上記第
３熱交換器４７を冷却するための液体窒素槽５２及び液
体窒素管路５１も常温から隔離される。

【００３９】そのため、図１の破線で示すように断熱ケ
ース５５が設けられていて、常温から上記各構成要素を
隔離するようになっている。そして、上記第３熱交換器
４７において水素ガスを冷却することによって気化した
後の窒素ガスを、上記断熱ケース５５内に放出して上記
窒素ガスの冷熱を利用している。この場合、上記吸蔵装
置３３はペルチェ素子３５を動作させるために、断熱ケ
ース５５の外側に配設される。

【００４０】上述したように、上記ペルチェ素子３５を
動作させる場合の雰囲気温度を、この場合０°Ｃに維持
する必要があるため、上記吸蔵装置３３を一点鎖線で示
すように副断熱ケース５６で包囲し、常温から隔離して
いる。したがって、大気中には電源回路３１のみが配設
されることになる。このように構成することによって、
断熱ケース５５内と大気間はａ点において電気配線５８
を介してのみ接続され、断熱ケース５５内と副断熱ケー
ス５６内の間はｂ点において吸蔵物質３４と一方向弁４
２，４３を連結する接続管３７を介してのみ接続され、
副断熱ケース５６内と大気間はｃ点において電気配線６
１を介してのみ接続されることになり、断熱性が高くな
る。

【００４１】上記吸蔵物質３４は極低温状態で動作させ
ることができないのに対し、吸着剤１４は極低温状態で
動作させることができる。したがって、第１冷凍サイク
ル１１を極低温状態で動作させ、第２冷凍サイクル１２
を第１冷凍サイクル１１より高い温度領域で動作させ、
２段の冷凍サイクルで被冷却物を極低温状態に冷却する
ことができる。この場合、高い温度領域においては吸蔵
物質３４が使用されるため、吸着剤１４を低い温度領域
でのみ動作させることができる。吸着剤１４は温度領域
が低いほど冷媒の吸着量が多いため、その分装置を小型
化することができる。

【００４２】次に、本発明の極低温冷凍装置の第２の実
施例について説明する。図２は本発明の第２の実施例を
示す極低温冷凍装置の概略図である。図において、１１
は第１冷凍サイクル、１２は第２冷凍サイクル、１３は
吸着装置、１４は吸着剤、１５はヒータ、１６は冷却器
である。また、１８は冷媒管路、１９は該冷媒管路１８
に配設されるＪ−Ｔ膨張弁、２０は負荷冷却器である。
２５，２６はヘリウムガスを冷却するための第１、第２
熱交換器、２７は第３熱交換器、３１は上記ヒータ１５
に電流を送る電源回路である。

【００４３】次に、第２冷凍サイクル１２において、３
３は吸蔵装置、３４は吸蔵物質、３５は該吸蔵物質３４
を選択的に加熱・冷却するためのペルチェ素子である。
該ペルチェ素子３５は、上記電源回路３１に接続され
る。また、３８は高圧側冷媒管路３８ａ及び低圧側冷媒
管路３８ｂから成る冷媒配管、３９はＪ−Ｔ膨張弁、４
２は該Ｊ−Ｔ膨張弁３９の上流側の高圧側冷媒管路３８
ａに設けられる一方向弁、４３は上記Ｊ−Ｔ膨張弁３９
の下流側の低圧側冷媒管路３８ｂに設けられる一方向弁
である。４５，４６は第１、第２熱交換器、４７は該第
１、第２熱交換器４５，４６間に配設される第３熱交換
器である。該第３熱交換器４７は、液体窒素（Ｎ₂ ）の
冷熱を利用しており、液体窒素管路５１を介して液体窒
素槽５２に接続されている。

【００４４】第２の実施例においては、上記第１冷凍サ
イクル１１の各構成要素、すなわち吸着装置１３、冷媒
管路１８、Ｊ−Ｔ膨張弁１９、負荷冷却器２０、一方向
弁２２，２３、第１熱交換器２５、第２熱交換器２６及
び第３熱交換器２７と、第２冷凍サイクル１２の構成要
素、すなわち冷媒管路３８、Ｊ−Ｔ膨張弁３９、第２熱
交換器４６及び第３熱交換器４７と、液体窒素槽５２及
び液体窒素管路５１が断熱ケース６３に収容されてい
て、常温から隔離される。

【００４５】そして、上記吸蔵装置３３はペルチェ素子
３５を動作させるために、断熱ケース６３の外側に配設
される。また、第１熱交換器４５及び一方向弁４２，４
３も断熱ケース６３の外側に配設される。この場合、動
作する温度領域が比較的高い第１熱交換器４５を断熱ケ
ース６３の外側に配設するため、該断熱ケース６３内を
一層低温に保つことができる。

【００４６】そして、上記ペルチェ素子３５を動作させ
る場合の雰囲気温度を０°Ｃに維持する必要があるた
め、上記吸蔵装置３３、第１熱交換器４５及び一方向弁
４２，４３を一点鎖線で示すように副断熱ケース６４で
包囲し、常温から隔離している。したがって、大気中に
は電源回路３１のみが配設されることになる。このよう
に構成することによって、断熱ケース６３内と大気間は
ａ点において電気配線５８を介してのみ接続され、断熱
ケース６３内と副断熱ケース６４内の間はｄ点において
第１熱交換器４５及び第３熱交換器４７を連結する高圧
側冷媒管路３８ａ及び第１熱交換器４５及び第２熱交換
器４６を連結する低圧側冷媒管路３８ｂを介してのみ接
続され、副断熱ケース６４内と大気間はｃ点において電
気配線６１を介してのみ接続されることになり、断熱性
が高くなる。

【００４７】次に、吸着装置１３について説明する。図
３は本発明の実施例における吸着装置の概念図、図４は
本発明の実施例における吸着装置の動作を示すタイムチ
ャートである。図４の（ａ）は外槽温度の変化を、
（ｂ）はヒータ電流の変化を、（ｃ）は内槽温度の変化
を、（ｄ）はヘリウムガスの吸着量の変化を示してい
る。

【００４８】図３において、１３は吸着装置、１４は吸
着剤、１５は該吸着剤１４を加熱するためのヒータであ
る。上記吸着剤１４及びヒータ１５は内槽７１に包囲さ
れ、該内槽７１はさらに外槽７２に包囲されていて、内
槽７１によって吸着剤１４にヘリウムガスを吸着させた
り、吸着剤１４からヘリウムガスを放出させたりするた
めのヘリウム冷媒室７１ａが形成され、上記内槽７１と
外槽７２間に水素ガスと液体水素の混合物を送る水素冷
媒室７２ａが形成される。上記ヘリウム冷媒室７１ａ、
水素冷媒室７２ａ及び内槽７１によって冷却器１６が構
成される。したがって、上記内槽７１は熱伝導性の高い
材料によって形成される。

【００４９】上記水素冷媒室７２ａ内の水素ガスと液体
水素の混合物は、内槽７１を介してヘリウム冷媒室７１
ａ内のヘリウムガス及び吸着剤１４を冷却し、その時液
体水素は気化する。上記水素冷媒室７２ａ内に熱が進入
しないように外槽７２は断熱性の高い材料で形成され
る。上記水素冷媒室７２ａに水素ガスと液体水素の混合
物を供給し、吸着剤１４を冷却して気化した後の水素ガ
スを吸蔵装置３３（図１）に戻すため、上記外槽７２に
低圧側冷媒管路３８ｂが接続される。そして、外槽７２
の上流側の低圧側冷媒管路３８ｂにはＪ−Ｔ膨張弁３９
が配設され、下流側の低圧側冷媒管路３８ｂには一方向
弁７４が配設される。

【００５０】また、上記ヘリウム冷媒室７１ａにおいて
発生したヘリウムガスをＪ−Ｔ膨張弁１９に供給するた
めに接続管１７ａが、負荷冷却器２０で被冷却物を冷却
した後のヘリウムガスをヘリウム冷媒室７１ａに戻すた
めに接続管１７ｂが設けられる。そして、接続管１７ａ
に一方向弁７６が、接続管１７ｂに一方向弁７７が配設
されている。

【００５１】なお、図１及び図２においては、説明の便
宜上、吸着剤１４と一方向弁２２，２３は１本の接続管
１７によって接続されているが、実際の装置においては
図３に示すように各一方向弁７６，７７ごと配設した接
続管１７ａ，１７ｂによって接続するとよい。また、上
記吸着剤１４は隣接して配設されたヒータ１５によって
加熱される。そして、該ヒータ１５はコネクタ７８を介
して電源回路３１に接続され、図示しない制御装置によ
って制御されるようになっている。

【００５２】次に、図４に基づいて上記吸着装置１３の
動作について説明する。なお、図４は模式的に各値を示
しており、実際の推移と異なる。第２冷凍サイクル１２
（図１）のＪ−Ｔ膨張弁３９で形成された水素ガスと液
体水素の混合物は、定常的に低圧側冷媒管路３８ｂを介
して上記水素冷媒室７２ａ（図３）に供給される。そし
て、混合物のうち液体水素が吸着剤１４を冷却するた
め、水素冷媒室７２ａの温度すなわち外槽温度Ｔ１は図
の（ａ）に示すように一定である。

【００５３】そして、上記ヒータ１５は図示しない制御
装置によって制御され、間歇的にオン・オフを繰り返
す。したがって、ヒータ電流は図の（ｂ）に示すように
推移する。上記ヒータ１５によって間歇的に加熱が行わ
れると、ヘリウム冷媒室７１ａの温度はヒータ１５がオ
ンになっている間だけ上昇してＴ２になる。そして、ヒ
ータ１５がオフになると、上記水素冷媒室７２ａの温度
すなわち外槽温度Ｔ１に下降する。したがって、ヘリウ
ム冷媒室７１ａの温度すなわち内槽温度は図の（ｃ）に
示すように推移する。

【００５４】そして、上記ヘリウム冷媒室７１ａの温度
が上昇と下降を繰り返すと、その温度に対応して吸着剤
１４に対するヘリウムガスの吸着量が変化し、ヘリウム
冷媒室７１ａの温度が上昇するのに伴いヘリウムガスを
放出して吸着量を減少させ、ヘリウム冷媒室７１ａの温
度が下降するのに伴いヘリウムガスを吸着して吸着量を
増加させる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す極低温冷凍装置の
概略図である。

【図２】本発明の第２の実施例を示す極低温冷凍装置の
概略図である。

【図３】本発明の実施例における吸着装置の概念図であ
る。

【図４】本発明の実施例における吸着装置の動作を示す
タイムチャートである。

【符号の説明】

１１ 第１冷凍サイクル １２ 第２冷凍サイクル １４ 吸着剤 １５ ヒータ（第１の加熱手段） １６ 冷却器（第１の冷却手段） １８，３８ 冷媒管路 １９，３９ Ｊ−Ｔ膨張弁 ２０ 負荷冷却器 ２５，４５ 第１熱交換器 ２６，４６ 第２熱交換器 ２７ 第３熱交換器 ３３ 吸蔵装置 ３４ 吸蔵物質 ３５ ペルチェ素子（第２の加熱手段，第２の冷却手
段） ４７ 第３熱交換器（液化ガス式冷却器） ５５，６３ 断熱ケース

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 椎窓 利博 東京都千代田区外神田２丁目19番12号 株 式会社エクォス・リサーチ内 (72)発明者 伊藤 義久 東京都千代田区外神田２丁目19番12号 株 式会社エクォス・リサーチ内 (72)発明者 堀 孝二 東京都千代田区外神田２丁目19番12号 株 式会社エクォス・リサーチ内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 （ａ）吸着物質に第１の冷媒を交互に吸
   着及び放出させることによって作動する第１冷凍サイク
   ルと、（ｂ）吸着物質に第２の冷媒を交互に吸着及び放
   出させることによって作動する第２冷凍サイクルと、
   （ｃ）上記第１冷凍サイクル及び第２冷凍サイクルを制
   御するための制御装置を有し、（ｄ）上記第１冷凍サイ
   クルは、上記吸着物質と、該吸着物質を加熱する第１の
   加熱手段と、上記吸着物質を冷却する第１の冷却手段
   と、第１の冷媒を送るための冷媒配管と、該冷媒配管に
   配設されるジュール・トムソン膨張弁と、該ジュール・
   トムソン膨張弁の下流側に配設されて被冷却物を冷却す
   る負荷冷却器と、上記ジュール・トムソン膨張弁の上流
   側の第１の冷媒と上記負荷冷却器の下流側の第１の冷媒
   間で熱交換を行うための少なくとも一つの熱交換器とを
   備え、（ｅ）上記第２冷凍サイクルは、上記吸着物質
   と、該吸着物質を加熱する第２の加熱手段と、上記吸着
   物質を冷却する第２の冷却手段と、第２の冷媒を送るた
   めの冷媒配管と、該冷媒配管に配設されるジュール・ト
   ムソン膨張弁と、該ジュール・トムソン膨張弁の下流側
   に配設されて上記第１の冷却手段を構成する冷却器と、
   上記ジュール・トムソン膨張弁の上流側に配設され第２
   の冷媒を冷却する液化ガス式冷却器と、上記ジュール・
   トムソン膨張弁の上流側の第２の冷媒と上記冷却器の下
   流側の第２の冷媒間で熱交換を行うための少なくとも一
   つの熱交換器とを備え、（ｆ）上記制御装置は、上記第
   １の加熱手段を間歇的に作動させる手段と、上記第２の
   加熱手段及び第２の冷却手段を交互に間歇的に作動させ
   る手段を有するとともに、（ｇ）上記液化ガス式冷却器
   は、液化ガス供給手段に接続され、液化ガスの蒸発潜熱
   を利用して上記第２の冷媒を冷却するものであることを
   特徴とする極低温冷凍装置。
2. 【請求項２】 上記第２冷凍サイクルのうち、吸着物
   質、第２の加熱手段及び第２の冷却手段から成る吸着装
   置を除く他の構成要素と、上記第１冷凍サイクルの各構
   成要素と、上記液化ガス供給手段を断熱ケースに収容す
   るとともに、上記吸着装置を断熱ケース内より温度の高
   い雰囲気内に配設した請求項１記載の極低温冷凍装置。