WO2020149160A1

WO2020149160A1 - 極低温冷凍機、冷凍能力抑制器、および冷凍能力抑制器の使用方法

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Publication number: WO2020149160A1
Application number: PCT/JP2020/000023
Authority: WO
Inventors: 渡邊　真
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2019-01-17
Filing date: 2020-01-06
Publication date: 2020-07-23
Anticipated expiration: 2021-07-17
Also published as: JP2020115052A

Abstract

極低温冷凍機（１０）は、圧縮機（１２）と、コールドヘッド（１４）と、圧縮機（１２）をコールドヘッド（１４）に接続する高圧ライン（２４）と、冷凍能力抑制器（１８）とを備える。冷凍能力抑制器（１８）は、高圧ライン（２４）から冷媒ガスを受け入れるガス入口（２８）と、高圧ライン（２４）に冷媒ガスを送り出すガス出口（３０）と、ガス入口（２８）をガス出口（３０）に並列に接続する複数の内部配管と、複数の内部配管を切り替える切替バルブとを備える。複数の内部配管は、ガス入口（２８）からガス出口（３０）への冷媒ガス流れに、互いに異なる圧力損失をもたらす。

Description

極低温冷凍機、冷凍能力抑制器、および冷凍能力抑制器の使用方法

　本発明は、極低温冷凍機、冷凍能力抑制器、および冷凍能力抑制器の使用方法に関する。

　従来から、ヘリウム圧縮機から吐出されたヘリウムガスを冷凍機に供給するヘリウム圧縮機ユニットにおいて、冷凍機の負荷に応じて圧縮機の能力を可変するコントローラを備えることが知られている。

特開２００２－８１７７３号公報

　本発明者らは、極低温冷凍機の用途のひとつである液体冷媒の再凝縮について検討したところ、以下の課題を認識するに至った。極低温冷凍機は、液体冷媒のなかでもとくに液体ヘリウムの再凝縮によく利用される。液体ヘリウムはヘリウム液槽に貯留され、液槽内に収容された機器、たとえば超電導コイルなどを含む超電導機器の冷却に利用される。液槽から気化したヘリウムは、極低温冷凍機によって凝縮され、再び液体ヘリウムとして液槽に戻される。こうしたヘリウムの循環は、ゼロボイルオフ技術とも呼ばれ、それにより、液体ヘリウムの蒸発による損失を最小限に抑えることができる。

　ゼロボイルオフ技術では、ヘリウム循環を維持するためにヘリウム液槽を常時陽圧に維持することが望まれる。そのため、電気ヒータまたはその他の加熱器具がヘリウム液槽に設置されうる。超電導機器の稼動中、そこからの発熱および必要に応じて行われる加熱器具によるヘリウムの気化と、極低温冷凍機によるヘリウム再凝縮がバランスし、ヘリウム液槽は所望の陽圧に継続的に保たれる。

　ところが、状況によってはこのバランスが失われうる。たとえば、超電導機器の不使用時など超電導機器からの発熱量が低下すると、極低温冷凍機によるヘリウム再凝縮が過剰となり、ヘリウム液槽の圧力は低下し、さらには負圧となりうる。とりわけ、極低温冷凍機が新品である場合には冷凍能力が最大化されているので、こうした過冷却がおこりやすくなる。

　加熱器具の発熱量を増加させれば、気化される液体ヘリウムの量が増え、ヘリウム液槽の圧力は回復される。しかし、これには消費電力の増加という不利益がある。

　たとえば磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）システムなどのゼロボイルオフ技術を適用したシステムには安全装置が装備されうる。仮に、電気ヒータによる加熱が長時間（たとえば半日以上）にわたって継続されたとすると、安全装置が作動し、その結果、ヒータへの通電が停止されうる。安全装置は、ヒータだけでなく、システム全体を停止させうる。その場合、人手により安全な状況にあることを確認したうえでシステムを再起動しなければならず、煩雑である。加えて、予定どおりにシステムを稼動することができなくなるかもしれず、問題である。

　ヘリウム液槽の圧力を回復するための他の方法として、液槽の圧力を測定し、測定圧力に基づいて極低温冷凍機の冷凍能力を制御することが考えられる。しかし、低コスト指向など、市場の実情として、冷凍能力を制御する構成が極低温冷凍機に組み込まれていないこともしばしばある。そのような極低温冷凍機であっても、ヘリウム循環のアンバランスを生じさせうる過冷却を防ぐために、冷凍能力を一時的に変更することができれば便利である。

　他の用途における極低温冷凍機についても、冷凍能力の変更は望まれうる。

　なお、本発明者らによって認識されたこうした課題は、本発明者らの独自の考察にもとづくものであり、当業者に一般的な認識であると理解されるべきではない。

　本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、冷凍能力の調整を可能とする極低温冷凍機、冷凍能力抑制器を提供することにある。

　本発明のある態様によると、極低温冷凍機は、圧縮機と、コールドヘッドと、圧縮機をコールドヘッドに接続する高圧ラインと、高圧ラインから冷媒ガスを受け入れるガス入口と、高圧ラインに冷媒ガスを送り出すガス出口と、ガス入口をガス出口に並列に接続する複数の内部配管と、複数の内部配管を切り替える切替バルブとを備える冷凍能力抑制器と、を備える。複数の内部配管は、ガス入口からガス出口への冷媒ガス流れに、互いに異なる圧力損失をもたらす。

　本発明のある態様によると、極低温冷凍機の冷凍能力抑制器は、圧縮機、または圧縮機に接続された冷媒ガス配管に接続可能なガス入口と、コールドヘッド、またはコールドヘッドに接続された冷媒ガス配管に接続可能なガス出口と、ガス入口をガス出口に並列に接続する複数の内部配管と、複数の内部配管を切り替える切替バルブと、を備える。複数の内部配管は、ガス入口からガス出口への冷媒ガス流れに、互いに異なる圧力損失をもたらす。

　本発明の別の態様は、冷凍能力抑制器の使用方法である。冷凍能力抑制器の複数の内部配管は、主配管と、主配管に比べて冷媒ガス流れに大きい圧力損失をもたらす圧損配管とを含む。この方法は、極低温冷凍機が使用される現場への極低温冷凍機の新規据え付けの際に、または既設の極低温冷凍機のメンテナンスの際に、圧損配管に切替バルブを切り替えることと、以降に行われる極低温冷凍機のメンテナンスの際に、主配管、または複数の内部配管のうち圧損配管より小さい圧力損失をもたらす他の圧損配管に切替バルブを切り替えることと、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、冷凍能力の調整を可能とする極低温冷凍機、冷凍能力抑制器を提供することができる。

実施の形態に係る極低温冷凍機を概略的に示す図である。実施の形態に係る冷凍能力抑制器を概略的に示す図である。図３（ａ）から図３（ｅ）は、実施の形態に係る冷凍能力抑制器の内部配管の例を概略的に示す斜視図である。図４（ａ）から図４（ｃ）は、実施の形態に係る冷凍能力抑制器の動作および使用方法を説明するための模式図である。

　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凍機１０を概略的に示す図である。極低温冷凍機１０は、圧縮機１２、コールドヘッド１４、配管システム１６、冷凍能力抑制器１８を備える。

　極低温冷凍機１０は、超電導電磁石など超電導機器を有する超電導システム（たとえば磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）システム）に備えられた液体冷媒の再凝縮器として使用される。超電導機器は、液体ヘリウムまたはその他の適切な液体冷媒に浸漬され、または液体冷媒と熱接触することにより、臨界温度以下に冷却される。こうしたシステムは通例、外部への高磁場の漏洩を防ぐために磁気シールド２０を有する。コールドヘッド１４は超電導機器とともに磁気シールド２０の中に配置される一方、圧縮機１２は通例、磁気シールド２０の外に配置される。

　圧縮機１２は、冷媒ガスをコールドヘッド１４から回収し、回収した冷媒ガスを昇圧して、再び冷媒ガスをコールドヘッド１４に供給するよう構成されている。コールドヘッド１４は、膨張機とも称され、室温部２１と、少なくとも１つの低温部２２とを有する。図示されるように、コールドヘッド１４が二段式の場合には、コールドヘッド１４は第１段と第２段にそれぞれ低温部２２を有する。コールドヘッド１４は単段式であってもよい。低温部２２は、冷却ステージとも称される。

　圧縮機１２とコールドヘッド１４との間の冷媒ガスの循環がコールドヘッド１４内での冷媒ガスの適切な圧力変動と容積変動の組み合わせをもって行われることにより、極低温冷凍機１０の冷凍サイクルが構成され、低温部２２が所望の極低温に冷却される。低温部２２は、図示しない凝縮器を冷却する。それにより、低温部２２は、気化した液体冷媒を再び液化する。あるいは、低温部２２は、熱的に結合された被冷却物を目標冷却温度に冷却することができる。極低温冷凍機１０の冷媒ガスは、通例は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。理解のために、冷媒ガスの流れる方向を図１に矢印で示す。

　極低温冷凍機１０は、一例として、二段式のギフォード・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、またはそのほかのタイプの極低温冷凍機であってもよい。コールドヘッド１４は、極低温冷凍機のタイプに応じて異なる構成を有する。圧縮機１２は、極低温冷凍機のタイプによらず、同じ構成を用いることができる。

　なお、一般に、圧縮機１２からコールドヘッド１４に供給される冷媒ガスの圧力と、コールドヘッド１４から圧縮機１２に回収される冷媒ガスの圧力は、ともに大気圧よりかなり高く、それぞれ第１高圧及び第２高圧と呼ぶことができる。説明の便宜上、第１高圧及び第２高圧はそれぞれ単に高圧及び低圧とも呼ばれる。典型的には、高圧は例えば約２～３ＭＰａの範囲にあり、低圧は例えば約０．５～１．５ＭＰａの範囲にある。これに対して、コールドヘッド１４によって再凝縮される液体冷媒の圧力は、大気圧程度である。

　圧縮機１２は、吐出ポート１２ａと吸入ポート１２ｂとを有する。吐出ポート１２ａは、圧縮機１２により高圧に昇圧された冷媒ガスを圧縮機１２から送出するために圧縮機１２に設けられた冷媒ガスの出口であり、吸入ポート１２ｂは、低圧の冷媒ガスを圧縮機１２に受け入れるために圧縮機１２に設けられた冷媒ガスの入口である。

　コールドヘッド１４は、高圧ポート１４ａと低圧ポート１４ｂとを有する。高圧ポート１４ａは、コールドヘッド１４の低温部２２の内部に高圧の作動ガスを受け入れるためにコールドヘッド１４の室温部２１に設けられた冷媒ガスの入口である。低圧ポート１４ｂは、コールドヘッド１４の低温部２２の内部での冷媒ガスの膨張により減圧された低圧の冷媒ガスをコールドヘッド１４から排出するためにコールドヘッド１４の室温部２１に設けられた冷媒ガスの出口である。

　配管システム１６は、圧縮機１２とコールドヘッド１４との間で冷媒ガスを循環させるべくこれらを接続する。配管システム１６は、液体ヘリウムなど超電導機器を冷却する冷媒流体の循環回路とは別個に設けられている。したがって、配管システム１６を流れるヘリウムガスなどの冷媒ガスが冷媒流体と混ざり合うことはない。また、上述のように圧縮機１２が磁気シールド２０の外にあり、コールドヘッド１４が磁気シールド２０の中にあるので、配管システム１６は磁気シールド２０を貫通している。

　配管システム１６は、圧縮機１２の吐出ポート１２ａをコールドヘッド１４の高圧ポート１４ａに接続する高圧ライン２４と、圧縮機１２の吸入ポート１２ｂをコールドヘッド１４の低圧ポート１４ｂに接続する低圧ライン２６とを備える。よって、高圧の冷媒ガスは、圧縮機１２から高圧ライン２４を通じてコールドヘッド１４に供給され、低圧の冷媒ガスは、コールドヘッド１４から低圧ライン２６を通じて圧縮機１２に回収される。

　高圧ライン２４は、吐出ポート１２ａに接続された高圧上流管２４ａと、高圧ポート１４ａに接続された高圧下流管２４ｂとを有する。高圧上流管２４ａ、高圧下流管２４ｂは、一例として、フレキシブル管またはフレキシブルホースであり、あるいはリジッド管であってもよい。同様に、低圧ライン２６は、フレキシブル管またはリジッド管で形成されてもよい。

　冷凍能力抑制器１８は、圧縮機１２とは別体であり、配管システム１６に設けられている。冷凍能力抑制器１８は、高圧ライン２４の途中に接続されている。冷凍能力抑制器１８は、一例として、磁気シールド２０に対してコールドヘッド１４側に配置されている。

　冷凍能力抑制器１８は、高圧ライン２４から冷媒ガスを受け入れるひとつのガス入口２８と、高圧ライン２４に冷媒ガスを送り出すひとつのガス出口３０と、を備える。ガス入口２８およびガス出口３０はそれぞれ、高圧上流管２４ａおよび高圧下流管２４ｂに取り外し可能に接続されている。冷凍能力抑制器１８の例示的な内部構成については、詳しく後述する。

　一例として、ガス入口２８とガス出口３０は、セルフシーリング・カップリングのような脱着可能な継手であり、高圧上流管２４ａと高圧下流管２４ｂはそれぞれガス入口２８とガス出口３０に容易に取り付け、または取り外すことができる。

　なお、ガス出口３０は、高圧下流管２４ｂを介してコールドヘッド１４に取り外し可能に接続されるのではなく、コールドヘッド１４の高圧ポート１４ａに直接接続可能であってもよい。ガス入口２８は、高圧上流管２４ａを介して圧縮機１２に取り外し可能に接続されるのではなく、圧縮機１２の吐出ポート１２ａに直接接続可能であってもよい。

　また、冷凍能力抑制器１８は、ガス放出口３２と、リリーフライン３４とを備える。リリーフライン３４は、ガス放出口３２を低圧ライン２６に接続する。リリーフライン３４は、低圧ライン２６に取り外し可能に接続されている。リリーフライン３４は、ガス放出口３２に取り外し可能に接続されていてもよい。

　冷凍能力抑制器１８は、圧縮機１２およびコールドヘッド１４に取り外し可能に接続され、持ち運び可能なユニットとして構成されている。冷凍能力抑制器１８が取り外された場合には、冷凍能力抑制器１８、高圧上流管２４ａ、高圧下流管２４ｂに代えて、高圧ライン２４は、低圧ライン２６と同様に１本の配管で構成されうる。高圧上流管２４ａと高圧下流管２４ｂが直接接続されてもよい。

　冷凍能力抑制器１８は、例えば、極低温冷凍機１０の製造業者によって製造され、極低温冷凍機１０の付属品として利用者に提供される。

　極低温冷凍機１０の各構成要素は、主電源１９から給電される。主電源１９は、例えば商用電源、または、商用電源に接続された電源装置であってもよい。圧縮機１２、コールドヘッド１４、および冷凍能力抑制器１８はそれぞれ、給電配線により主電源１９に接続されている。よって、冷凍能力抑制器１８には専用の電源を別に用意する必要はない。なお、極低温冷凍機１０の給電系統は、種々の既知の構成を採用可能である。例えば、圧縮機１２が主電源１９に接続されており、コールドヘッド１４および冷凍能力抑制器１８は、圧縮機１２から給電されてもよい。

　図２は、実施の形態に係る冷凍能力抑制器１８を概略的に示す図である。冷凍能力抑制器１８は、ガス入口２８をガス出口３０に並列に接続する複数の内部配管３６と、複数の内部配管３６を切り替える切替バルブ３８とを備える。複数の内部配管３６および切替バルブ３８は、筐体４０に収容されている。ガス入口２８、ガス出口３０、およびガス放出口３２は、筐体４０の表面に設けられている。

　複数の内部配管３６は、ガス入口２８からガス出口３０への冷媒ガス流れに、互いに異なる圧力損失をもたらす。複数の内部配管３６は、１本の主配管３６ａと、少なくとも１本の圧損配管とを含む。主配管３６ａは、複数の内部配管３６のうち冷媒ガス流れに最小の圧力損失をもたらす配管を指す。圧損配管は、当該配管を流れる冷媒ガス流れに、主配管３６ａに比べて大きい圧力損失をもたらす。複数の圧損配管が設けられている場合、それらは、ガス入口２８からガス出口３０への冷媒ガス流れに、互いに異なる圧力損失をもたらす。圧損配管の数はとくに限定されず、１本のみであってもよいし、３本またはそれより多くてもよい。冷凍能力抑制器１８の持ち運びなど取り扱いのしやすさを考慮すると、圧損配管はたとえば２～４本であってもよい。主配管３６ａを含めると、内部配管３６はたとえば３～５本であってもよい。

　この実施の形態では、冷凍能力抑制器１８には２本の圧損配管が組み込まれ、以下ではこれらを、第１圧損配管３６ｂ、第２圧損配管３６ｃと称する。第２圧損配管３６ｃは、主配管３６ａに比べて冷媒ガス流れに大きい圧力損失をもたらす。よって、冷媒ガス流れに与えられる圧力損失は、主配管３６ａ、第１圧損配管３６ｂ、第２圧損配管３６ｃの順に大きくなっている。

　内部配管３６は、非磁性材料、たとえば銅などの非磁性金属で形成されている。あるいは、内部配管３６は、合成樹脂材料で形成されてもよい。同様に、冷凍能力抑制器１８の各構成要素、たとえば筐体４０も、非磁性材料で形成されてもよい。こうして、冷凍能力抑制器１８の全体または大部分が非磁性材料で製作されることは、磁気シールド２０内のような強磁場環境での使用にあたって有利である。冷凍能力抑制器１８が放射線管理区域など他の環境で使用される場合には、内部配管３６、筐体４０など冷凍能力抑制器１８の構成要素は耐放射線材料またはその環境に適合する材料で形成されてもよい。

　複数の内部配管３６は、ガス入口２８から分岐し、ガス出口３０へと合流している。複数の内部配管３６は、互いに並列に配置されている。各内部配管３６は、直線状に延びている。各内部配管３６は、同じ長さを有し、同じ幅（たとえば直径）を有する。こうした内部配管３６の配置、形状、寸法は例示にすぎず、とくに限定されない。内部配管３６は、円筒の管であってもよいし、角形の管であってもよい。内部配管３６は、直管には限られず、湾曲していてもよい。内部配管３６ごとに異なる寸法を有してもよい。

　切替バルブ３８は、ガス入口２８とガス出口３０がいずれか１本の内部配管３６で接続されるように動作可能である。選択された１本の内部配管３６を通じてガス入口２８からガス出口３０へと冷媒ガスが流れることができる。選択されていない他の内部配管３６には冷媒ガスは流れない。なお、たとえば冷媒ガス流量を増やすため等、必要とされる場合には、切替バルブ３８は、２本またはそれより多数の内部配管３６で同時にガス入口２８とガス出口３０を接続するように動作してもよい。

　例示的な構成として、切替バルブ３８は、ガス入口２８から内部配管３６への分岐部と、内部配管３６からガス出口３０への合流部の両方に設けられている。分岐部には、内部配管３６の数と同数の開閉バルブが設けられ、各開閉バルブは対応する内部配管３６の上流端を開閉する。同様に、合流部には、内部配管３６の数と同数の開閉バルブが設けられ、各開閉バルブは対応する内部配管３６の下流端を開閉する。開閉バルブは、たとえば電磁弁、電動弁などの電気的に駆動される弁であってもよい。あるいは、開閉バルブは、手動の弁であってもよい。いずれか１本の内部配管３６の上下流端両方の開閉バルブが開かれるとともに、他の内部配管３６の上下流端両方の開閉バルブが閉鎖される。上下流の開閉バルブが開いている内部配管３６を通じてガス入口２８からガス出口３０へと冷媒ガスが流れる。こうして、高圧上流管２４ａから高圧下流管２４ｂへと冷凍能力抑制器１８を通じて冷媒ガスが流れる。

　なお、切替バルブ３８が複数の開閉バルブからなることは必須ではない。切替バルブ３８の具体的構成はとくに限定されず、三方弁、四方弁、五方弁、またはその他の切替バルブであってもよい。また、切替バルブ３８は、分岐部と合流部の両方ではなく、片側（たとえば分岐部）のみに設置されてもよい。

　冷凍能力抑制器１８は、切替バルブ３８の操作部４２を備えてもよい。操作部４２は、筐体４０に設置された例えば操作スイッチまたは操作ボタンのような人手により操作可能な操作具を備えてもよい。操作部４２が操作されたとき切替バルブ３８によって内部配管３６が切り替わる。

　また、リリーフライン３４は、ガス入口２８と切替バルブ３８との間で分岐している。リリーフライン３４は、リリーフバルブ４４を有する。リリーフバルブ４４は、ガス入口２８の冷媒ガス圧力（または高圧ライン２４と低圧ライン２６の差圧）が規定の圧力値を下回っているとき閉じており、規定の圧力値を上回ると開く。万が一、内部配管３６の詰まりや切替バルブ３８の動作不良などによりガス入口２８の圧力が過剰に高まったときには、その圧力の作用によりリリーフバルブ４４が開き、圧力は低圧ライン２６に解放される。

　図３（ａ）から図３（ｅ）は、実施の形態に係る冷凍能力抑制器１８の内部配管３６の例を概略的に示す斜視図である。図３（ａ）には、主配管３６ａを示し、図３（ｂ）から図３（ｅ）には第１圧損配管３６ｂを示す。図３（ｂ）から図３（ｅ）に示される例は、第２圧損配管３６ｃとして使用されてもよい。

　図３（ａ）に示されるように、主配管３６ａは、一重管である。主配管３６ａは、たとえば円筒の直管である。主配管３６ａの内部は単一の空洞であり、冷媒ガス流れを妨げる突起その他の構造物は設けられていない。そのため、主配管３６ａは、冷媒ガスの圧力、流量にほとんど損失をもたらさない。

　図３（ｂ）に示されるように、第１圧損配管３６ｂは、円筒の二重管であってもよい。内管４６ｂが外管４６ａの中心に配置されている。冷媒ガスは、外管４６ａと内管４６ｂの間の領域、および内管４６ｂの内部を流れることができる。一重管に比べて冷媒ガスと配管の接触面積が増えるので、第１圧損配管３６ｂは、主配管３６ａに比べてわずかに多くの圧力損失を冷媒ガス流れにもたらす。第１圧損配管３６ｂは、三重管またはその他の多重管であってもよい。

　図３（ｃ）に示されるように、第１圧損配管３６ｂは、二重管であってもよい。図３（ｂ）に示される例とは異なり、内管４６ｂは、星形の断面を有し、頂点が外管４６ａに接触している。そのため、外管４６ａと内管４６ｂの間の領域が複数の区画に分割されている。内管４６ｂの表面積が増えているので、冷媒ガスと配管の接触面積が増え、図３（ｃ）の第１圧損配管３６ｂは、図３（ｂ）の第１圧損配管３６ｂに比べて、より大きな圧力損失を冷媒ガス流れにもたらす。

　図３（ｄ）に示されるように、第１圧損配管３６ｂは、内部に仕切板４８を有してもよい。仕切板４８によって、管内の空間が複数の区画に分割されている。一重管に比べて冷媒ガスと配管の接触面積が増えるので、第１圧損配管３６ｂは、主配管３６ａに比べてわずかに大きい圧力損失を冷媒ガス流れにもたらす。

　図３（ｅ）に示されるように、第１圧損配管３６ｂは、内部に充填材５０を有してもよい。充填材５０は、たとえば、スポンジ状の金属または他の材料であってもよい。充填材５０は、砂状または粒状の充填材であってもよい。充填材５０は、金網の積層物であってもよい。管内に充填材５０が充填されているので、空隙容積が小さくなり、第１圧損配管３６ｂは、比較的大きな圧力損失を冷媒ガス流れにもたらす。

　圧損配管の構成はほかにも種々ありうる。たとえば、管の内面にらせん状またはその他の形状の突起物が形成されていてもよい。あるいは、管の端部または中間部にバッフルまたはオリフィスが設けられてもよい。

　図４（ａ）から図４（ｃ）は、実施の形態に係る冷凍能力抑制器１８の動作および使用方法を説明するための模式図である。一般に、新品の極低温冷凍機１０は冷凍能力が最も高く、長期の使用とともに経年劣化など通常想定される損耗により少しずつ冷凍能力は低下していく傾向にある。

　そこで、図４（ａ）に示されるように、極低温冷凍機１０が使用される現場への極低温冷凍機１０の新規据え付けの際に、第２圧損配管３６ｃに切替バルブ３８を切り替える。この工程は、作業者が操作部４２を操作することによって行われる。そうすると、圧縮機１２から高圧ライン２４を通じてコールドヘッド１４に供給される冷媒ガスは、冷凍能力抑制器１８において第２圧損配管３６ｃを流れることになる。

　第２圧損配管３６ｃは、複数の内部配管３６のなかで最も大きい圧力損失を冷媒ガス流れにもたらす。コールドヘッド１４に供給される冷媒ガス圧力は、圧縮機１２の吐出圧力に比べて低下する。冷凍能力はコールドヘッド１４に作用する高圧と低圧の差圧に比例するので、冷凍能力抑制器１８は、極低温冷凍機１０の冷凍能力を抑制することができる。

　たとえば数週間または数ヶ月後に、次回のメンテナンスタイミングがくる。そのとき、図４（ｂ）に示されるように、第２圧損配管３６ｃから第１圧損配管３６ｂに切替バルブ３８が切り替えられる。コールドヘッド１４に供給される冷媒ガスは、冷凍能力抑制器１８において第１圧損配管３６ｂを流れることになる。第１圧損配管３６ｂは第２圧損配管３６ｃに比べて圧力損失が小さいので、冷凍能力抑制器１８による極低温冷凍機１０の冷凍能力の抑制は緩和される。これにより、それまでの使用に伴って冷凍能力がいくらか低下したとしても、回復させることができる。

　同様に、極低温冷凍機１０を継続して使用していくと、たとえば数週間または数ヶ月後に、さらに次回のメンテナンスタイミングがくる。今度は、図４（ｃ）に示されるように、第１圧損配管３６ｂから主配管３６ａに切替バルブ３８が切り替えられる。コールドヘッド１４に供給される冷媒ガスは、冷凍能力抑制器１８において主配管３６ａを流れることになる。主配管３６ａは最も圧力損失が小さく、冷凍能力抑制器１８は極低温冷凍機１０の冷凍能力を実質的に抑制しない。これにより、極低温冷凍機１０の使用に伴って冷凍能力がいくらか低下したとしても、回復させることができる。

　極低温冷凍機の新規据え付けの際だけではなく、既設の極低温冷凍機のメンテナンスの際に、切替バルブ３８が第２圧損配管３６ｃに、または圧力損失の大きい他の圧損配管に切り替えられてもよい。メンテナンスの際にはコールドヘッド１４の新品への交換や修理が行われ、メンテナンス前に比べて冷凍能力が向上されることがある。こうして、冷凍能力抑制器１８を利用して極低温冷凍機１０の冷凍能力が抑制されてもよい。以降は上述のように、切替バルブ３８は、たとえばメンテナンスのたびに、圧力損失の小さい内部配管３６に徐々に切り替えられ、最終的には主配管３６ａに切り替えられてもよい。

　なお、毎回のメンテナンスで必ず切替バルブ３８を切り替える必要はない。メンテナンス以外のタイミングで切替バルブ３８を操作することも許される。

　実施の形態に係る冷凍能力抑制器１８は、切替バルブ３８を切り替えるという簡単な操作によって極低温冷凍機１０の冷凍能力を調整することができる。より圧力損失の大きい内部配管３６に切り替えることによって冷凍能力を抑制することができる。また、より圧力損失の小さい内部配管３６に切り替えることによって冷凍能力を増加することができる。

　冷凍能力抑制器１８は、極低温冷凍機１０が磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）システムなどのゼロボイルオフ技術を適用したシステムにおいて液体ヘリウム再凝縮器として使用される場面において、とくに有利でありうる。極低温冷凍機１０が新品であるときなど、極低温冷凍機１０の冷凍能力が高いためにヘリウム再凝縮が過剰となる状況では、冷凍能力抑制器１８を利用して極低温冷凍機１０の冷凍能力を抑制することができる。それにより、ヘリウム液槽に設置された電気ヒータなど加熱器具の連続通電は抑制され、ヘリウム循環のバランスが適正に保たれる。冷凍能力抑制器１８は、システム側の安全装置の作動によるシステムの突然の停止といった望まれない事態を防ぐことに役立つ。

　冷凍能力抑制器１８は、圧縮機１２とコールドヘッド１４に取り外し可能に接続され、持ち運び可能なユニットとして構成されている。このようにすれば、冷凍能力抑制器１８を極低温冷凍機に後から追加して設置することができるので、都合がよい。冷凍能力抑制器１８は極低温冷凍機１０の付属品またはアクセサリとして、既設の極低温冷凍機１０に持ち運んで取り付けることができる。冷凍能力を制御する構成が極低温冷凍機１０に組み込まれていない場合であっても、冷凍能力抑制器１８を付加することによって、冷凍能力を調整することができる。逆に、冷凍能力抑制器１８を設ける必要がなくなったときには取り外すことができる。

　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。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。

　実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

　本発明は、極低温冷凍機、冷凍能力抑制器、および冷凍能力抑制器の使用方法の分野における利用が可能である。

　１０　極低温冷凍機、　１２　圧縮機、　１４　コールドヘッド、　１８　冷凍能力抑制器、　２４　高圧ライン、　２６　低圧ライン、　２８　ガス入口、　３０　ガス出口、　３４　リリーフライン、　３６　内部配管、　３６ａ　主配管、　３６ｂ　第１圧損配管、　３６ｃ　第２圧損配管、　３８　切替バルブ、　４４　リリーフバルブ、　４８　仕切板、　５０　充填材。

Claims

　圧縮機と、
　コールドヘッドと、
　前記圧縮機を前記コールドヘッドに接続する高圧ラインと、
　前記高圧ラインから冷媒ガスを受け入れるガス入口と、前記高圧ラインに冷媒ガスを送り出すガス出口と、前記ガス入口を前記ガス出口に並列に接続する複数の内部配管と、前記複数の内部配管を切り替える切替バルブとを備える冷凍能力抑制器と、を備え、
　前記複数の内部配管は、前記ガス入口から前記ガス出口への冷媒ガス流れに、互いに異なる圧力損失をもたらすことを特徴とする極低温冷凍機。
　前記冷凍能力抑制器は、前記圧縮機および前記コールドヘッドに取り外し可能に接続され、持ち運び可能なユニットとして構成されていることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機。
　前記複数の内部配管は、主配管と、前記主配管に比べて前記冷媒ガス流れに大きい圧力損失をもたらす圧損配管とを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の極低温冷凍機。
　前記主配管は、一重管であることを特徴とする請求項３に記載の極低温冷凍機。
　前記圧損配管は、多重管であり、または、内部に仕切板または充填材を有することを特徴とする請求項３または４に記載の極低温冷凍機。
　前記複数の内部配管は、非磁性材料で形成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凍機。
　前記コールドヘッドを前記圧縮機に接続する低圧ラインをさらに備え、
　前記冷凍能力抑制器は、前記ガス入口と前記複数の内部配管との間で分岐し、リリーフバルブを有するリリーフラインを備え、前記リリーフラインは、前記ガス入口を前記低圧ラインに接続す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凍機。
　前記冷凍能力抑制器は、前記冷凍能力抑制器の筐体に設置され、前記複数の内部配管を切り替えるように前記切替バルブを操作するための操作部を備え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凍機。
　前記コールドヘッドおよび前記冷凍能力抑制器は、磁気シールドの中に配置され、前記圧縮機は、前記磁気シールドの外に配置されることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の極低温冷凍機。
　圧縮機、または圧縮機に接続された冷媒ガス配管に接続可能なガス入口と、
　コールドヘッド、またはコールドヘッドに接続された冷媒ガス配管に接続可能なガス出口と、
　前記ガス入口を前記ガス出口に並列に接続する複数の内部配管と、
　前記複数の内部配管を切り替える切替バルブと、を備え、
　前記複数の内部配管は、前記ガス入口から前記ガス出口への冷媒ガス流れに、互いに異なる圧力損失をもたらすことを特徴とする極低温冷凍機の冷凍能力抑制器。
　請求項１０に記載の冷凍能力抑制器の使用方法であって、
　前記複数の内部配管は、主配管と、前記主配管に比べて前記冷媒ガス流れに大きい圧力損失をもたらす圧損配管とを含み、
　極低温冷凍機が使用される現場への極低温冷凍機の新規据え付けの際に、または既設の極低温冷凍機のメンテナンスの際に、前記圧損配管に前記切替バルブを切り替えることと、
　以降に行われる極低温冷凍機のメンテナンスの際に、前記主配管、または前記複数の内部配管のうち前記圧損配管より小さい圧力損失をもたらす他の圧損配管に前記切替バルブを切り替えることと、を備えることを特徴とする冷凍能力抑制器の使用方法。