JPH11337203A - 極低温冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 クールダウン時間を余り長くすることなく、
予冷冷凍機の運転を停止した状態で第１の極低温を維持
できる時間を長くする。 【解決手段】 圧縮機により圧縮された高圧冷媒ガスを
３個のＪＴ熱交換器１、２、３に順次供給することによ
り、圧縮機側に戻る低温度の低圧冷媒ガスと熱交換して
高圧冷媒ガスを冷却するとともに、ＪＴ熱交換器１、
２、３の間において、ＧＭ冷凍機Ｂのヒートステーショ
ン７、８に供給して予冷し、最終的にＪＴ弁４に導いて
ジュールトムソン膨脹させることにより、最終冷却ステ
ージ５において第１の極低温を得、ヒートステーション
７、８にそれぞれ高圧冷媒ガスタンク１１、１２を設け
て、ＧＭ冷凍機Ｂの運転を停止した場合にも、最終冷却
ステージ５における第１の極低温を長時間にわたって維
持する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は極低温冷凍機に関
し、さらに詳細にいえば、ＪＴ冷凍機と予冷冷凍機とを
備える極低温冷凍機に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、ＪＴ冷凍機と、予冷冷凍機と
してのギフォードマクマホン冷凍機（ＧＭ冷凍機）とを
備える極低温冷凍機が提案されている。図６は従来の極
低温冷凍機の構成を示す概略図である。この極低温冷凍
機は、圧縮機（図示せず）により圧縮された高圧冷媒ガ
スを圧縮機側に戻る低温度の低圧冷媒ガスと熱交換する
３個のＪＴ熱交換器９１、９２、９３に順次供給し、こ
れらのＪＴ熱交換器９１、９２、９３で冷却された高圧
冷媒ガスをＪＴ弁９４に導いてジュールトムソン膨脹さ
せることにより、最終冷却ステージ９５において第１の
極低温（例えば、４Ｋ）を得るようにしたＪＴ冷凍機９
０を有しているとともに、上記圧縮機からの高圧冷媒ガ
スを図示しないディスプレーサの往復動により膨脹させ
てヒートステーション９７、９８に、第１の極低温より
も高い第２の極低温（ヒートステーション９７の第２の
極低温が、ヒートステーション９８の第２の極低温より
も高い）を発生させ、上記ＪＴ冷凍機９０でジュールト
ムソン膨脹する前の冷媒ガスを上記ヒートステーション
９７、９８により予冷するＧＭ冷凍機９６を有してい
る。そして、最終冷却ステージ９５に対してセンサ部１
００を熱的に接触させているとともに、最終冷却ステー
ジ９５の温度変動を抑制するための熱容量部９９を設け
ている。なお、１０１は冷媒ガス用のフィルタである。
ここで、センサ部１００としては、例えば、生体磁気の
測定を行うためのセンサが例示できる。

【０００３】上記の構成の極低温冷凍機を採用すれば、
圧縮機（図示せず）により圧縮された高圧冷媒ガスを３
個のＪＴ熱交換器９１、９２、９３に供給することによ
り、圧縮機側に戻る低温度の低圧冷媒ガスと熱交換して
温度を低下させるとともに、３個のＪＴ熱交換器９１、
９２、９３の間において、ＧＭ冷凍機９６のヒートステ
ーション９７、９８に供給することにより温度を低下さ
せ、このようにして温度が低下させられた高圧冷媒ガス
をＪＴ弁９４に導いてジュールトムソン膨脹させること
により、最終冷却ステージ９５において第１の極低温
（例えば、４Ｋ）を得ることができる。また、この最終
冷却ステージ９５には熱容量部９９が設けられているの
で、最終冷却ステージ９５の温度変動、ひいてはセンサ
部１００の温度変動を抑制することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の構成の
極低温冷凍機を採用した場合には、最終冷却ステージ９
５の温度変動、ひいてはセンサ部１００の温度変動を十
分には抑制することができないという不都合がある。こ
の点についてさらに詳細に説明する。

【０００５】例えば、センサ部１００として生体磁気の
測定を行なうためのセンサを採用した場合には、センサ
部１００に与える磁気ノイズを低減するために、往復動
部分を含むＧＭ冷凍機９６を停止させてＪＴ冷凍機９０
のみを動作させる方法をとる場合がある。そして、ＧＭ
冷凍機９６を停止させた状態で行う生体磁気測定動作の
遂行時間は通常数分間である。

【０００６】このような状況下においては、ＧＭ冷凍機
９６の熱容量、センサ部１００の熱容量、熱容量部９９
の熱容量によりＪＴ冷却を持続して第１の極低温を維持
しようとすることになる。しかし、このような温度域に
おいては、殆どの物質の比熱が極端に小さくなるので、
第１の極低温を維持できる時間が短くなり、計測時間が
制限されてしまうという不都合がある。

【０００７】また、第１の極低温を維持できる時間を長
くするために、センサ部１００の熱容量を大きくするこ
とが考えられるが、この場合には、センサ部１００を常
温から第１の極低温にまで冷却するための所要時間（ク
ールダウン時間）が長くなってしまうという不都合があ
る。また、センサ部１００の熱容量を大きくするために
は、前述のように第１の極低温領域における比熱が極端
に小さくなることに起因して、極端な大型化が必要にな
り、上述の不都合が顕著になってしまう。

【０００８】なお、上記の不都合は、予冷冷凍機として
ＧＭ冷凍機以外の冷凍機を採用する場合にも同様に発生
し、センサ部１００として生体磁気の測定を行なうため
のセンサ以外のものを採用する場合にも同様に発生す
る。

【０００９】

【発明の目的】この発明は上記の問題点に鑑みてなされ
たものであり、クールダウン時間を余り長くすることな
く、予冷冷凍機の運転を停止した状態で第１の極低温を
維持できる時間を長くすることができる極低温冷凍機を
提供することを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１の極低温冷凍機
は、予冷冷凍機の少なくとも１つのヒートステーション
に、該当するヒートステーションの温度域において大き
な蓄熱効果を持つ物質を熱的に接触させて設けたもので
ある。

【００１１】

【作用】請求項１の極低温冷凍機であれば、圧縮機によ
り圧縮された高圧冷媒ガスを複数個のＪＴ熱交換器に順
次供給して圧縮機側に戻る低温度の低圧冷媒ガスと熱交
換して冷却するとともに、ＪＴ熱交換器どうしの間にお
いて、予冷冷凍機の第２の極低温を発生するヒートステ
ーションに供給して冷却し、これらの冷却の後に、高圧
冷媒ガスをＪＴ弁に供給してジュールトムソン膨脹させ
て第１の極低温を得るに当って、予冷冷凍機の少なくと
も１つのヒートステーションに、該当するヒートステー
ションの温度域において大きな蓄熱効果を持つ物質を熱
的に接触させて設けているので、第１の極低温が得られ
る部分の熱容量を大きくする場合と比較して、クールダ
ウン時間の増加を抑制することができるとともに、予冷
冷凍機の運転を停止した状態において上記ヒートステー
ションを十分に長い時間だけ第２の極低温に維持し続
け、ひいては十分に長い時間にわたって第１の極低温を
維持し続けることができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して、この
発明の極低温冷凍機の実施の態様を詳細に説明する。図
１はこの発明の極低温冷凍機の一実施態様を示す概略図
である。この極低温冷凍機は、圧縮機（図示せず）によ
り圧縮された高圧冷媒ガスを圧縮機側に戻る低温度の低
圧冷媒ガスと熱交換する３個のＪＴ熱交換器１、２、３
に順次供給し、これらのＪＴ熱交換器１、２、３で冷却
された高圧冷媒ガスをＪＴ弁４に導いてジュールトムソ
ン膨脹させることにより、最終冷却ステージ５において
第１の極低温（例えば、４Ｋ）を得るようにしたＪＴ冷
凍機Ａを有しているとともに、上記圧縮機からの高圧冷
媒ガスを図示しないディスプレーサの往復動により膨脹
させてヒートステーション７、８に、第１の極低温より
も高い第２の極低温（ヒートステーション７の第２の極
低温が、ヒートステーション８の第２の極低温よりも高
い）を発生させ、上記ＪＴ冷凍機Ａでジュールトムソン
膨脹する前の冷媒ガスを上記ヒートステーション７、８
により予冷するＧＭ冷凍機Ｂを有している。そして、最
終冷却ステージ５に対してセンサ部６を熱的に接触させ
ている。また、上記ヒートステーション７、８により予
冷された高圧冷媒ガスを、それぞれ高圧冷媒ガスタンク
１１、１２に供給し、高圧冷媒ガスタンク１１、１２か
らの高圧冷媒ガスを、それぞれＪＴ熱交換器２、３に供
給している。したがって、高圧冷媒ガスタンク１１、１
２に一時的に収容されている高圧冷媒ガスが、該当する
ヒートステーションの温度変動を抑制する熱容量部材と
して機能する。なお、１０は冷媒ガス用のフィルタであ
る。ここで、センサ部６としては、例えば、生体磁気の
測定を行うためのセンサが例示できる。

【００１３】上記の構成を採用した場合には、圧縮機
（図示せず）により圧縮された高圧冷媒ガスを３個のＪ
Ｔ熱交換器１、２、３に順次供給することにより、圧縮
機側に戻る低温度の低圧冷媒ガスと熱交換して高圧冷媒
ガスを冷却するとともに、ＪＴ熱交換器１、２、３の間
において、ＧＭ冷凍機Ｂのヒートステーション７、８に
供給して予冷し、最終的にＪＴ弁４に導いてジュールト
ムソン膨脹させることにより、最終冷却ステージ５にお
いて第１の極低温（例えば、４Ｋ）を得ることができ
る。

【００１４】そして、センサ部６を動作させて生体磁気
の測定などを行うに当って、ディスプレーサの往復動が
磁気ノイズの原因になるＧＭ冷凍機Ｂの運転を停止すれ
ば、ディスプレーサの往復動に起因する磁気ノイズを皆
無にしてセンサ部６による測定精度を高めることができ
る。また、ＧＭ冷凍機Ｂの運転を停止すれば、ヒートス
テーション７、８における予冷を行うことができなくな
ってしまうが、高圧冷媒ガスタンク１１、１２内の高圧
冷媒ガスが熱容量部材として機能し、ヒートステーショ
ン７、８を通過する高圧冷媒ガスの昇温を抑制すること
ができ、ひいては、最終冷却ステージ５において第１の
極低温（例えば、４Ｋ）を前記測定に十分な時間だけ維
持し続けることができる。

【００１５】さらに、クールダウン運転に伴って高圧冷
媒ガスタンク１１、１２内の高圧冷媒ガスの温度が第２
の極低温にまで冷却され、しかも、各高圧冷媒ガスタン
クの容量は、最終冷却ステージ５に熱容量部材を設ける
場合と比較して小さい熱容量でよいから、クールダウン
時間の長時間化を抑制することができる。なお、上記高
圧冷媒ガスタンク１１、１２として、高圧冷媒ガスの流
動を許容するものを採用する代わりに、高圧冷媒ガスが
充填され、高圧冷媒ガスの流動を許容しないものを採用
することが可能である。

【００１６】図２はこの発明の極低温冷凍機の他の実施
態様を示す概略図である。この極低温冷凍機が図１の極
低温冷凍機と異なる点は、高圧冷媒ガスタンク１１、１
２を設ける代わりに、ヒートステーション７、８のそれ
ぞれに対して、支持板１３、１４を介して蓄冷部材１
５、１６を設けた点のみである。具体的には、ヒートス
テーション７、８に対して、無酸素銅からなる円環状あ
るいは円板状の支持板１３、１４をそれぞれ取付け、支
持板１３、１４に対して、円環状あるいは円板状の蓄冷
部材１５、１６をそれぞれ取付けている。そして、ヒー
トステーション７、８と支持板１３、１４との接触面の
表面粗さを小さくし、インジウムからなるシート、グリ
ースなどを挟み込んで十分な押し付け強度でヒートステ
ーション７、８と支持板１３、１４とを固定するととも
に、支持板１３、１４と蓄冷部材１５、１６との接触面
の表面粗さを小さくし、インジウムからなるシート、グ
リースなどを挟み込んで十分な押し付け強度で支持板１
３、１４と蓄冷部材１５、１６とを固定することによ
り、これらの間における良好な接触熱伝達を達成する。

【００１７】ここで、蓄冷部材１５、１６としては、ヒ
ートステーション７、８における第２の極低温で単位容
積当たりの比熱が大きな物質を採用すればよい。具体的
には、ヒートステーション７における第２の極低温が６
０〜８０Ｋであれば、蓄冷部材１５として銅、銅合金、
ステンレスなどが例示できる。また、ヒートステーショ
ン８における第２の極低温が１５〜２０Ｋであれば、蓄
冷部材１６として鉛、磁性蓄冷材（磁気転移に伴う比熱
を有するもの）などが例示できる。

【００１８】この実施態様を採用した場合にも、図１の
実施態様と同様に、最終冷却ステージ５において第１の
極低温（例えば、４Ｋ）を測定に十分な時間だけ維持し
続けることができるとともに、クールダウン時間の長時
間化を抑制することができる。また、図１の実施態様に
おいて、ヒートステーション７用の高圧冷媒ガスタンク
１１を省略し、図２の実施態様において、ヒートステー
ション７用の蓄冷部材１５を省略することが可能であ
る。

【００１９】次いで、図３から図５を参照して、この発
明の実施態様による効果を説明する。図３（Ａ）は、ヒ
ートステーション８のみに鉛からなる体積１００ｃｃの
蓄冷部材１６を設けた場合におけるヒートステーション
７、８、最終冷却ステージ５の温度変化を示し、図３
（Ｂ）は、この時の最終冷却ステージ５に設けた液体ヘ
リウムタンク内における液体ヘリウムの量の変化を示
し、図４（Ａ）は、ヒートステーション７に銅からなる
体積１００ｃｃの蓄冷部材１５を設けるとともに、ヒー
トステーション８に鉛からなる体積１００ｃｃの蓄冷部
材１６を設けた場合におけるヒートステーション７、
８、最終冷却ステージ５の温度変化を示し、図４（Ｂ）
は、この時の最終冷却ステージ５に設けた液体ヘリウム
タンク内における液体ヘリウムの量の変化を示し、図５
（Ａ）は、ヒートステーション７、８の何れにも蓄冷部
材１５、１６を設けていない場合におけるヒートステー
ション７、８、最終冷却ステージ５の温度変化を示し、
図５（Ｂ）は、この時の最終冷却ステージ５に設けた液
体ヘリウムタンク内における液体ヘリウムの量の変化を
示している。

【００２０】なお、図３から図５は、ＧＭ冷凍機Ｂの運
転を３分間停止した後、ＧＭ冷凍機Ｂを３分間運転する
処理を反復した場合に対応するデータである。そして、
図３（Ａ）、図４（Ａ）、図５（Ａ）において、ａはヒ
ートステーション７の温度を、ｂはヒートステーション
８の温度を、ｃは最終冷却ステージ５の温度を、それぞ
れ示している。

【００２１】ヒートステーション７、８の何れにも蓄冷
部材１５、１６を設けていない場合には、図５（Ａ）か
ら明らかなように、ＧＭ冷凍機Ｂの運転停止を１回行
い、次いでＧＭ冷凍機Ｂの運転を行うことにより、最終
冷却ステージ５の温度を第１の極低温にまで低下させる
ことができているが、その後は、最終冷却ステージ５の
温度が徐々に上昇している。また、図５（Ｂ）から明ら
かなように、ＧＭ冷凍機Ｂの運転停止を１回行い、次い
でＧＭ冷凍機Ｂの運転を行うことにより、液体ヘリウム
タンク内における液体ヘリウムの量がある程度回復して
いるが、その後は、液体ヘリウムの量が０のままであ
る。

【００２２】したがって、１回目、および２回目にＧＭ
冷凍機Ｂの運転を３分間停止してセンサ部６による精度
のよい計測を行うことができるが、その後は、計測を行
うことができない。これに対して、ヒートステーション
８のみに蓄冷部材１６を設けた場合には、図３（Ａ）か
ら明らかなように、ＧＭ冷凍機Ｂの運転停止、およびＧ
Ｍ冷凍機Ｂの運転を３回反復し、その後に再びＧＭ冷凍
機Ｂの運転停止を行うまでの間、最終冷却ステージ５の
温度を第１の極低温にまで低下させることができている
が、その後は、最終冷却ステージ５の温度が徐々に上昇
している。また、図３（Ｂ）から明らかなように、ＧＭ
冷凍機Ｂの運転停止、およびＧＭ冷凍機Ｂの運転を３回
反復し、その後に再びＧＭ冷凍機Ｂの運転停止を行うま
での間は、液体ヘリウムタンク内に液体ヘリウムが存在
しているが、その後は、液体ヘリウムの量が０のままで
ある。

【００２３】したがって、１回目、２回目、および３回
目にＧＭ冷凍機Ｂの運転を３分間停止してセンサ部６に
よる精度のよい計測を行うことができる。また、ヒート
ステーション７、８に蓄冷部材１５、１６をそれぞれ設
けた場合には、図４（Ａ）から明らかなように、ＧＭ冷
凍機Ｂの運転停止、およびＧＭ冷凍機Ｂの運転を４回反
復し、その後に再びＧＭ冷凍機Ｂの運転停止を行うまで
の間、最終冷却ステージ５の温度を第１の極低温にまで
低下させることができているが、その後は、最終冷却ス
テージ５の温度が徐々に上昇している。また、図４
（Ｂ）から明らかなように、ＧＭ冷凍機Ｂの運転停止、
およびＧＭ冷凍機Ｂの運転を４回反復し、その後に再び
ＧＭ冷凍機Ｂの運転停止を行うまでの間は、液体ヘリウ
ムタンク内に液体ヘリウムが存在しているが、その後
は、液体ヘリウムの量が０のままである。

【００２４】したがって、１回目、２回目、３回目、お
よび４回目にＧＭ冷凍機Ｂの運転を３分間停止してセン
サ部６による精度のよい計測を行うことができる。

【００２５】

【発明の効果】請求項１の発明は、第１の極低温が得ら
れる部分の熱容量を大きくする場合と比較して、クール
ダウン時間の増加を抑制することができるとともに、予
冷冷凍機の運転を停止した状態において上記ヒートステ
ーションを十分に長い時間だけ第２の極低温に維持し続
け、ひいては十分に長い時間にわたって第１の極低温を
維持し続けることができるという特有の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の極低温冷凍機の一実施態様を示す概
略図である。

【図２】この発明の極低温冷凍機の他の実施態様を示す
概略図である。

【図３】ヒートステーション８のみに鉛からなる蓄冷部
材１６を設けた場合におけるヒートステーション７、
８、最終冷却ステージ５の温度変化、および最終冷却ス
テージ５に設けた液体ヘリウムタンク内における液体ヘ
リウムの量の変化を示す図である。

【図４】ヒートステーション７に銅からなる蓄冷部材１
５を設けるとともに、ヒートステーション８に鉛からな
る蓄冷部材１６を設けた場合におけるヒートステーショ
ン７、８、最終冷却ステージ５の温度変化、および最終
冷却ステージ５に設けた液体ヘリウムタンク内における
液体ヘリウムの量の変化を示す図である。

【図５】ヒートステーション７、８の何れにも蓄冷部材
１５、１６を設けていない場合におけるヒートステーシ
ョン７、８、最終冷却ステージ５の温度変化、および最
終冷却ステージ５に設けた液体ヘリウムタンク内におけ
る液体ヘリウムの量の変化を示す図である。

【図６】従来の極低温冷凍機の構成を示す概略図であ
る。

【符号の説明】

１、２、３ ＪＴ熱交換器 ４ ＪＴ弁 ７、８ ヒートステーション １１、１２ 高圧冷媒
ガスタンク １５、１６ 蓄冷部材 Ａ ＪＴ冷凍機 Ｂ ＧＭ冷凍機

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷媒ガスを圧縮する圧縮機と、この圧縮
   機からの高圧冷媒ガスを圧縮機側に戻る低温度の低圧冷
   媒ガスと熱交換する複数個のＪＴ熱交換器（１）（２）
   （３）と、これらのＪＴ熱交換器（１）（２）（３）で
   冷却された高圧冷媒ガスをジュールトムソン膨脹させて
   第１の極低温を得るＪＴ弁（４）とを有するＪＴ冷凍機
   （Ａ）と、上記圧縮機からの高圧冷媒ガスをディスプレ
   ーサの往復動により膨脹させてヒートステーション
   （７）（８）に、第１の極低温よりも高い第２の極低温
   を発生させ、上記ＪＴ冷凍機（Ａ）でジュールトムソン
   膨脹する前の冷媒ガスを上記ヒートステーション（７）
   （８）により予冷する予冷冷凍機（Ｂ）とを備えた極低
   温冷凍機において、 予冷冷凍機（Ｂ）の少なくとも１つのヒートステーショ
   ン（７）（８）に、該当するヒートステーション（７）
   （８）の温度域において大きな蓄熱効果を持つ物質（１
   １）（１２）（１５）（１６）を熱的に接触させて設け
   たことを特徴とする極低温冷凍機。