WO2022153713A1 - パルス管冷凍機および超伝導磁石装置 - Google Patents

パルス管冷凍機および超伝導磁石装置 Download PDF

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WO2022153713A1
WO2022153713A1 PCT/JP2021/044504 JP2021044504W WO2022153713A1 WO 2022153713 A1 WO2022153713 A1 WO 2022153713A1 JP 2021044504 W JP2021044504 W JP 2021044504W WO 2022153713 A1 WO2022153713 A1 WO 2022153713A1
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WO
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pulse tube
stage
temperature
heat
gas
Prior art date
Application number
PCT/JP2021/044504
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English (en)
French (fr)
Inventor
貴士 平山
健太 出村
Original Assignee
住友重機械工業株式会社
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point

Definitions

  • the present invention relates to a pulse tube refrigerator and a superconducting magnet device.
  • the pulse tube refrigerator is often placed in a vacuum environment, but it may also be placed in a gas atmosphere depending on the application, such as recondensation of helium gas.
  • the pulse tube can be heated by the compression of the working gas in the pulse tube during the refrigeration cycle, while the cooler is cooled to a very low temperature.
  • Pulse tube refrigerators often have a structure in which a pulse tube and a refrigerator are arranged in parallel. The temperature difference between the pulse tube and the chiller induces natural convection of atmospheric gas between them, and the heat input to the chiller can cause a loss in the refrigerating capacity of the pulse tube chiller.
  • the refrigerator and the pulse tube are connected by a thermal bridge, and the pulse tube is cooled from the refrigerator through the thermal bridge to match the axial temperature distribution of the pulse tube with that of the refrigerator.
  • the heat input from the pulse tube to the refrigerator through the natural convection of the atmospheric gas can be suppressed, and the loss of the refrigerating capacity of the pulse tube refrigerator can be reduced.
  • the above technique can achieve the intended purpose when the pulse tube refrigerator is already cooled to a very low temperature and is in a steady operating state.
  • the initial cooling (also called cooldown) scene where the pulse tube refrigerator is cooled from the ambient temperature (for example, room temperature) to an extremely low temperature when it is started, the heat transferred from the pulse tube to the refrigerator through the heat bridge causes the refrigerator to cool down.
  • the time required increases and the cooldown time increases. Since the cooldown is a preparation for starting the cooling operation of the pulse tube refrigerator, it is desired that the cooldown can be completed in as short a time as possible.
  • One of the exemplary objects of an aspect of the present invention is to improve the refrigerating capacity of a pulse tube refrigerator while suppressing an increase in cool-down time.
  • the pulse tube refrigerator has a pulse tube, a cold storage device arranged in parallel with the pulse tube, and a heat switch, and a thermal bridge connecting the pulse tube and the cold storage device via the heat switch.
  • the heat switch acts as a heat insulating element when it is in the first temperature zone on the cold storage side of the thermal bridge, and acts as a heat transfer element when it is in the second temperature zone lower than the first temperature zone on the cold storage side of the thermal bridge.
  • the superconducting magnet device is a cryostat having a superconducting coil, a liquid refrigerant tank for accommodating the superconducting coil together with the liquid refrigerant, and a pulse tube refrigerator of the above aspect, which are installed in the cryostat. It is equipped with a pulse tube refrigerator that recondenses the liquid refrigerant.
  • the refrigerating capacity of the pulse tube refrigerator can be improved while suppressing an increase in the cool-down time.
  • FIG. 3A is a schematic view showing an example of a thermal bridge with a thermal switch according to the embodiment
  • FIG. 3B is a schematic diagram of a thermal switch incorporated in the thermal bridge according to the embodiment. It is a graph which shows the exemplary characteristic. It is a schematic diagram which shows another example of the thermal bridge with a thermal switch which concerns on embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing the pulse tube refrigerator 10 according to the embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing a refrigerant gas recondensing device 100 and a superconducting magnet device 200 according to the embodiment.
  • the pulse tube refrigerator 10 is used as a cooling source for the refrigerant gas recondensing device 100, and can be installed in the liquid refrigerant tank 102 that stores the liquefied refrigerant gas.
  • the liquid refrigerant 104 cools, for example, superconducting equipment, sensors, or other objects to extreme temperatures and thereby vaporizes them.
  • the vaporized refrigerant is condensed again by the pulse tube refrigerator 10.
  • the refrigerant gas for example, helium is often used. Therefore, the helium gas is recondensed into liquid helium by the pulse tube refrigerator 10.
  • other suitable refrigerants such as nitrogen may be used.
  • the superconducting magnet device 200 shown in FIG. 2 can be used, for example, as a magnetic field source for an NMR (Nuclear Magnetic Resonance) system.
  • the superconducting magnet device 200 includes a superconducting coil 202 and a cryostat 204 having a liquid refrigerant tank 102.
  • the superconducting coil 202 is housed in the liquid refrigerant tank 102 together with the liquid refrigerant 104.
  • the pulse tube refrigerator 10 is installed in the cryostat 204 and recondenses the liquid refrigerant 104.
  • the superconducting magnet device 200 includes, for example, a single crystal pulling device, an MRI (Magnetic Resonance Imaging) system, an accelerator such as a cyclotron, a high energy physical system such as a nuclear fusion system, or other high magnetic field utilization device (not shown). It may be mounted on a device using a high magnetic field as a magnetic field source of the above, or may generate a high magnetic field required for the device.
  • MRI Magnetic Resonance Imaging
  • an accelerator such as a cyclotron
  • a high energy physical system such as a nuclear fusion system
  • other high magnetic field utilization device not shown. It may be mounted on a device using a high magnetic field as a magnetic field source of the above, or may generate a high magnetic field required for the device.
  • the pulse tube refrigerator 10 is, for example, a GM (Gifford-McMahon) type 4-valve type two-stage pulse tube refrigerator.
  • the pulse tube refrigerator 10 includes a cold head 11 and a compressor 12.
  • the cold head 11 has a main pressure switching valve 14, a first stage regenerator 16, a first stage pulse tube 18, a first sub pressure switching valve 20, and optionally a first stage flow rate adjusting element 27a. It includes a phase control mechanism.
  • the compressor 12 and the main pressure switching valve 14 form a vibration flow source for the pulse tube refrigerator 10.
  • the cold head 11 further includes a second-stage regenerator 22, a second-stage pulse tube 24, a second-stage phase control mechanism optionally having a second sub-pressure switching valve 21 and a second flow rate adjusting element 27b. Be prepared.
  • the compressor 12 is shared by the vibration flow generation source, the first-stage phase control mechanism, and the second-stage phase control mechanism.
  • the terms vertical direction A and horizontal direction B are used for convenience in order to explain the positional relationship between the components of the pulse tube refrigerator 10.
  • the vertical direction A and the horizontal direction B correspond to the axial direction and the radial direction of the pulse tube (18, 24) and the regenerator (16, 22), respectively.
  • the vertical direction A and the horizontal direction B need not be strictly orthogonal to each other as long as they are approximately orthogonal to each other.
  • the notation of the vertical direction A and the horizontal direction B does not limit the posture in which the pulse tube refrigerator 10 is installed at the place of use.
  • the pulse tube refrigerating machine 10 can be installed in a desired posture.
  • the pulse tube refrigerating machine 10 may be installed so that the vertical direction A and the horizontal direction B face the vertical direction and the horizontal direction, respectively, and vice versa.
  • the lateral direction B may be installed so as to face the horizontal direction and the vertical direction, respectively.
  • it can be installed so that the vertical direction A and the horizontal direction B are oriented in different oblique directions.
  • the cooler (16, 22) and the pulse tube (18, 24) are arranged in parallel.
  • the two regenerators (16, 22) are connected in series and extend in the vertical direction A.
  • the two pulse tubes (18, 24) extend in the longitudinal direction A, respectively.
  • the first-stage regenerator 16 is arranged in parallel with the first-stage pulse tube 18 in the lateral direction B
  • the second-stage regenerator 22 is arranged in parallel with the second-stage pulse tube 24 in the lateral direction B.
  • the first-stage pulse tube 18 has substantially the same length as the first-stage cold storage device 16 in the vertical direction A
  • the second-stage pulse tube 24 has the first-stage cold storage device 16 and the second-stage cold storage device in the vertical direction A. It has approximately the same length as the total length of 22.
  • the regenerators (16, 22) and the pulse tubes (18, 24) are arranged substantially parallel to each other.
  • the first-stage pulse tube 18 and the second-stage pulse tube 24 are arranged on both sides of the regenerators (16, 22), but this is merely for ease of illustration. do not have.
  • the regenerators (16, 22), the first stage pulse tube 18, and the second stage pulse tube 24 can be arranged so as to form a triangle when viewed in the vertical direction A.
  • the compressor 12 has a compressor discharge port 12a and a compressor suction port 12b, and is configured to compress the recovered low-pressure PL working gas to generate a high-pressure PH working gas.
  • Working gas is supplied from the compressor discharge port 12a to the first stage pulse pipe 18 through the first stage cold storage device 16, and the working gas is supplied from the first stage pulse tube 18 to the compressor suction port 12b through the first stage cold storage device 16. Will be recovered. Further, working gas is supplied from the compressor discharge port 12a to the second-stage pulse pipe 24 through the first-stage regenerator 16 and the second-stage regenerator 22, and the second-stage pulse pipe 24 to the second-stage regenerator 22 and the second stage regenerator 22. The working gas is recovered to the compressor suction port 12b through the one-stage cold storage device 16.
  • the compressor discharge port 12a and the compressor suction port 12b function as a high-pressure source and a low-pressure source of the pulse tube refrigerator 10, respectively.
  • the working gas is also called a refrigerant gas, for example, helium gas.
  • both high-pressure PH and low-pressure PL are significantly higher than atmospheric pressure.
  • the main pressure switching valve 14 has a main intake on-off valve V1 and a main exhaust on-off valve V2.
  • the first sub-pressure switching valve 20 has a first sub-intake on-off valve V3 and a first sub-exhaust on-off valve V4.
  • the second sub-pressure switching valve 21 has a second sub-intake on-off valve V5 and a second sub-exhaust on-off valve V6.
  • the pulse tube refrigerator 10 is provided with a high pressure line 13a and a low pressure line 13b.
  • the working gas of the high pressure PH flows from the compressor 12 to the cold head 11 through the high pressure line 13a.
  • the working gas of the low pressure PL flows from the cold head 11 to the compressor 12 through the low pressure line 13b.
  • the high-pressure line 13a connects the compressor discharge port 12a to the intake on-off valves (V1, V3, V5).
  • the low-pressure line 13b connects the compressor suction port 12b to the exhaust on-off valve (V2, V4, V6).
  • the first-stage cold storage device 16 has a first-stage cold storage device high-temperature end 16a and a first-stage cold storage device low-temperature end 16b, and from the first-stage cold storage device high-temperature end 16a to the first-stage cold storage device low-temperature end 16b. It extends in the vertical direction A.
  • the high-temperature end 16a of the first-stage cold storage device and the low-temperature end 16b of the first-stage cold storage device can also be referred to as the first end and the second end of the first-stage cold storage device 16, respectively.
  • the second-stage cold storage device 22 has a second-stage cold storage device high-temperature end 22a and a second-stage cold storage device low-temperature end 22b, and the second-stage cold storage device high-temperature end 22a to the second-stage cold storage device low-temperature end 22a. It extends in the vertical direction A to 22b.
  • the second-stage cold storage high-temperature end 22a and the second-stage cold storage low-temperature end 22b can also be referred to as the first end and the second end of the second-stage cold storage 22, respectively.
  • the low temperature end 16b of the first stage cold storage device communicates with the high temperature end 22a of the second stage cold storage device.
  • the first-stage pulse tube 18 has a first-stage pulse tube high-temperature end 18a and a first-stage pulse tube low-temperature end 18b, and from the first-stage pulse tube high-temperature end 18a to the first-stage pulse tube low-temperature end 18b. It extends in the vertical direction A.
  • the first-stage pulse tube high-temperature end 18a and the first-stage pulse tube low-temperature end 18b can also be referred to as the first end and the second end of the first-stage pulse tube 18, respectively.
  • the second-stage pulse tube 24 has a second-stage pulse tube high-temperature end 24a and a second-stage pulse tube low-temperature end 24b, and the second-stage pulse tube high-temperature end 24a to the second-stage pulse tube low-temperature end 24a. It extends in the vertical direction A to 24b.
  • the second-stage pulse tube high-temperature end 24a and the second-stage pulse tube low-temperature end 24b can also be referred to as the first end and the second end of the second-stage pulse tube 24, respectively.
  • the cold storage device (16, 22) is a cylindrical tube filled with a cold storage material inside
  • the pulse tube (18, 24) is a cylindrical tube having a hollow inside.
  • Rectifiers may be provided at both ends of the pulse tube (18, 24) to make the working gas flow velocity distribution in the plane perpendicular to the axial direction of the pulse tube uniform or to adjust it to a desired distribution. .. This rectifier also functions as a heat exchanger. Further, a buffer volume may be connected to the high temperature end of the pulse tube (18, 24) for phase control.
  • the cold head 11 includes a first cooling stage 28 and a second cooling stage 30.
  • a neck tube 206 is provided above the cryostat 204 and the liquid refrigerant tank 102, and the cold head 11 of the pulse tube refrigerator 10 is inserted into the neck tube 206 to form a first cooling stage.
  • the 28 and the second cooling stage 30 are arranged in the neck tube 206.
  • the internal volume of the neck tube 206 forms a part of the liquid refrigerant tank 102, and the refrigerant vaporized in the liquid refrigerant tank 102 comes into contact with the second cooling stage 30 and is recondensed.
  • the first-stage regenerator 16 and the first-stage pulse tube 18 extend in the same direction from the first cooling stage 28, and the first-stage regenerator high-temperature end 16a and the first-stage pulse tube high-temperature end 18a are the first cooling stage. It is arranged on the same side with respect to 28. In this way, the first stage regenerator 16, the first stage pulse tube 18, and the first cooling stage 28 are arranged in a U shape.
  • the second-stage regenerator 22 and the second-stage pulse tube 24 extend in the same direction from the second cooling stage 30, and the second-stage regenerator high-temperature end 22a and the second-stage pulse tube high-temperature end 24a are second. 2 It is arranged on the same side with respect to the cooling stage 30. In this way, the second-stage cold storage device 22, the second-stage pulse tube 24, and the second cooling stage 30 are arranged in a U shape.
  • the low temperature end 18b of the first stage pulse tube and the low temperature end 16b of the first stage cold storage are structurally connected and thermally coupled by the first cooling stage 28.
  • the first cooling stage 28 has a first-stage communication passage 29 that communicates the working gas between the first-stage cold storage low-temperature end 16b and the first-stage pulse tube low-temperature end 18b. It is formed.
  • the low temperature end 24b of the second stage pulse tube and the low temperature end 22b of the second stage regenerator are structurally connected and thermally coupled by the second cooling stage 30.
  • the second cooling stage 30 has a second-stage communication passage 31 that communicates the working gas between the second-stage cold storage low-temperature end 22b and the second-stage pulse tube low-temperature end 24b. It is formed.
  • the cooling stages (28, 30) are made of a metal material having high thermal conductivity such as copper.
  • the cylinder portion of the refrigerator (16, 22) and the pulse tube (18, 24) are made of a material having a lower thermal conductivity than that of the cooling stage (28, 30), for example, a metal material such as stainless steel.
  • the flow rate adjusting elements (27a, 27b) include, for example, flow path resistance such as an orifice or a throttle valve.
  • the flow path resistance may be fixed or adjustable.
  • first-stage cold storage high-temperature end 16a, the first-stage pulse tube high-temperature end 18a, and the second-stage pulse tube high-temperature end 24a are connected by a flange portion 36.
  • the flange portion 36 is attached to a support portion 38 such as a support base or a support wall on which the pulse tube refrigerator 10 is installed.
  • the support 38 may be the wall material or other part of the cooling stage (28, 30) and the heat insulating container or vacuum container accommodating the object to be cooled.
  • a pulse tube (18, 24) and a regenerator (16, 22) extend from one main surface of the flange 36 to the cooling stage (28, 30), and a valve 40 is on the other main surface of the flange 36. It is provided.
  • the valve section 40 houses a main pressure switching valve 14, a first sub-pressure switching valve 20, and a second sub-pressure switching valve 21. Therefore, when the support 38 forms part of a heat insulating container or vacuum vessel, when the flange 36 is attached to the support 38, the pulse tube (18, 24), cooler (16, 22), and The cooling stages (28, 30) are housed in the container, and the valve portion 40 is arranged outside the container.
  • the valve portion 40 does not need to be directly attached to the flange portion 36.
  • the valve portion 40 may be arranged separately from the cold head 11 of the pulse tube refrigerator 10 and may be connected to the cold head 11 by a rigid or flexible pipe. In this way, the phase control mechanism of the pulse tube refrigerator 10 may be arranged separately from the cold head 11.
  • the main pressure switching valve 14 is configured to alternately connect the first stage regenerator high temperature end 16a to the compressor discharge port 12a and the compressor suction port 12b in order to generate pressure vibration in the pulse pipes (18, 24). Has been done.
  • the main pressure switching valve 14 is configured such that when one of the main intake on-off valve V1 and the main exhaust on-off valve V2 is open, the other is closed.
  • the main pressure switching valve 14 is connected to the high temperature end 16a of the first stage regenerator via the regenerator communication passage 32.
  • the main intake on-off valve V1 connects the compressor discharge port 12a to the high-temperature end 16a of the first-stage cold storage
  • the main exhaust on-off valve V2 connects the compressor suction port 12b to the high-temperature end 16a of the first-stage cold storage.
  • the first sub-pressure switching valve 20 alternately connects the high temperature end 18a of the first stage pulse pipe to the compressor discharge port 12a and the compressor suction port 12b via the first pulse pipe communication passage 34.
  • the first sub-pressure switching valve 20 is configured such that when one of the first sub-intake on-off valve V3 and the first sub-exhaust on-off valve V4 is open, the other is closed.
  • the first sub-intake on-off valve V3 connects the compressor discharge port 12a to the high temperature end 18a of the first-stage pulse tube
  • the first sub-exhaust on-off valve V4 connects the compressor suction port 12b to the high-temperature end 18a of the first-stage pulse tube. do.
  • the first sub-intake on-off valve V3 When the first sub-intake on-off valve V3 is open, the first sub-intake on-off valve V3 is passed through the high-pressure line 13a, the first sub-intake on-off valve V3, the first pulse pipe connecting passage 34, and the first-stage pulse pipe high-temperature end 18a from the compressor discharge port 12a. The working gas is supplied to the one-stage pulse tube 18.
  • the first sub-exhaust on-off valve V4 when the first sub-exhaust on-off valve V4 is open, the first-stage pulse pipe 18 is connected to the compressor suction port 12b through the first-stage pulse pipe high-temperature end 18a, the first sub-exhaust on-off valve V4, and the low-pressure line 13b. The working gas is recovered.
  • the second auxiliary pressure switching valve 21 alternately connects the second stage pulse pipe high temperature end 24a to the compressor discharge port 12a and the compressor suction port 12b via the second pulse pipe communication passage 35.
  • the second sub-pressure switching valve 21 is configured such that when one of the second sub-intake on-off valve V5 and the second sub-exhaust on-off valve V6 is open, the other is closed.
  • the second auxiliary intake on-off valve V5 connects the compressor discharge port 12a to the second-stage pulse tube high-temperature end 24a
  • the second sub-exhaust on-off valve V6 connects the compressor suction port 12b to the second-stage pulse tube high-temperature end 24a. do.
  • the pulse tube refrigerator 10 With such a configuration, the pulse tube refrigerator 10 generates working gas pressure vibrations of high pressure PH and low pressure PL in the pulse tube. Displacement vibration of the working gas, that is, reciprocating movement of the gas piston occurs in the pulse tube with an appropriate phase delay in synchronization with the pressure vibration.
  • the movement of the working gas that periodically reciprocates up and down in the pulse tube while holding a certain pressure is often referred to as a "gas piston" and is often used to describe the operation of the pulse tube refrigerator 10.
  • the gas piston When the gas piston is at or near the high temperature end of the pulse tube, the working gas expands at the low temperature end of the pulse tube, causing cold.
  • the pulse tube refrigerator 10 can cool the cooling stage.
  • the first cooling stage 28 is cooled to a first cooling temperature, for example, 30K to 80K
  • the second cooling stage 30 is cooled to a second cooling temperature, for example, 3K to 20K, which is lower than the first cooling temperature.
  • the pulse tube refrigerator 10 can cool the gas or liquid in contact with the second cooling stage 30.
  • the working gas of the pulse tube refrigerator 10 and the refrigerant gas recondensed by the pulse tube refrigerator 10 may be the same type of gas (for example, helium gas), but they are separated from each other.
  • the cold head 11 is an airtight container, and the working gas inside does not leak to the outside of the cold head 11 and does not mix with the recondensed refrigerant gas.
  • an object (not shown) to be cooled is thermally coupled to the second cooling stage 30.
  • the object may be placed directly on the second cooling stage 30 or thermally coupled to the second cooling stage 30 via a rigid or flexible heat transfer member.
  • the pulse tube refrigerator 10 can cool an object by conduction cooling from the second cooling stage 30.
  • the object cooled by the pulse tube refrigerator 10 may be, for example, not limited to a superconducting electromagnet or other superconducting device, or an infrared imaging element or other sensor.
  • an object different from the object cooled by the second cooling stage 30 may be cooled by the first cooling stage 28.
  • the first cooling stage 28 may be thermally coupled with a radiation shield for reducing or preventing heat intrusion into the second cooling stage 30.
  • the pulse tube refrigerator 10 includes at least one thermal bridge 50.
  • the thermal bridge 50 has a heat switch 52, and connects the pulse tube and the regenerator via the heat switch 52.
  • the thermal bridge 50 further includes a regenerator connection portion 54 for connecting the heat switch 52 to the regenerator, and a pulse tube connection portion 56 for connecting the heat switch 52 to the pulse tube.
  • the cooler connection portion 54 and the pulse tube connection portion 56 are made of a metal material having a high thermal conductivity such as copper.
  • One end of the heat switch 52 may be directly connected to the pulse tube, and the other end of the heat switch 52 may be directly connected to the regenerator.
  • a thermal bridge 50 connecting the second-stage pulse tube 24 and the second-stage regenerator 22 may be provided.
  • another thermal bridge 50 may be provided to connect the first stage pulse tube 18 and the first stage regenerator 16.
  • another thermal bridge 50 may be provided to connect the second stage pulse tube 24 and the first stage regenerator 16.
  • the thermal bridge 50 may be provided at another location, for example, the second stage pulse tube 24 and the first cooling stage 28 may be connected to each other.
  • the intermediate portion (for example, 1/4 to 3/4 or 1/3 to the axial length of the pulse tube) is compared with the end of the pulse tube. 2/3) can be heated more strongly. Therefore, the thermal bridge 50 may be connected to the intermediate portion of the first-stage pulse tube 18 or to the intermediate portion of the second-stage pulse tube 24.
  • the thermal bridge 50 may connect the pulse tube and the regenerator at the same position in the axial direction (vertical direction A in FIG. 1).
  • the temperature at the axial position connected through the thermal bridge 50 can be brought close to (or equal to) the pulse tube and the regenerator, which is convenient for matching the axial temperature distribution of the pulse tube and the regenerator.
  • the thermal bridge 50 may connect the pulse tube and the regenerator at different positions in the axial direction. Thereby, for example, the axial temperature distribution of the pulse tube and the regenerator can be adjusted. Alternatively, in order to select a place where the thermal bridge 50 can be easily attached, the attachment position of the thermal bridge 50 may be different between the pulse tube and the cooler.
  • the heat switch 52 is configured to act as a heat insulating element when it is in the first temperature zone T1 on the cold storage side, and as a heat transfer element when it is in the second temperature zone T2 lower than the first temperature zone T1 on the cold storage side. Will be done.
  • the heat switch 52 operates so as to be switched on and off according to a temperature change, and in the second temperature zone T2, which is relatively low temperature, the regenerator and the pulse tube are thermally connected (that is, turned on), and the temperature is relatively high. The thermal connection between the regenerator and the pulse tube is disconnected (that is, turned off) in one temperature zone T1.
  • the pulse tube refrigerator 10 can perform steady operation and cool-down operation prior to steady operation.
  • the cool-down operation can also be called initial cooling as described above.
  • the cool-down operation is an operation mode in which the pulse tube refrigerator 10 is rapidly cooled from the initial temperature to an extremely low temperature when the pulse tube refrigerator 10 is started, and the steady operation is a pulse tube refrigeration that maintains a state of being cooled to an extremely low temperature by the cool-down operation.
  • the initial temperature may be ambient temperature (eg room temperature).
  • the pulse tube refrigerator 10 is cooled to a standard cooling temperature by a cooldown operation, and is maintained within an allowable temperature range of an extremely low temperature including this standard cooling temperature in a steady operation.
  • the standard cooling temperature varies depending on the application and setting of the pulse tube refrigerator 10, but is typically about 4.2 K or less in, for example, a cooling application of a superconducting device. In some other cooling applications, the standard cooling temperature may be, for example, about 10K to 20K, or 10K or less.
  • the switching from the cool-down operation to the steady operation may be performed by controlling the valve unit 40 so as to change the number of refrigeration cycles (frequency of refrigeration cycles) per unit time.
  • the pulse tube refrigerator 10 may be operated in a high frequency refrigeration cycle in a cool-down operation and in a lower frequency refrigeration cycle in a steady operation.
  • the first temperature zone T1 is a temperature range higher than the set temperature Tc
  • the second temperature zone T2 is a temperature range lower than the set temperature Tc
  • the set temperature Tc is, for example, 4K to 100K. Selected from the temperature range of.
  • the set temperature Tc may be determined based on the above-mentioned first cooling temperature (target cooling temperature of the first cooling stage 28), and is, for example, a predetermined temperature (for example, within 5K or within 10K) than the first cooling temperature. ) It may be set to a high temperature.
  • the heat switch 52 is turned off at the start of the cool-down operation of the pulse tube refrigerator 10, and heat is generated during the cool-down operation (for example, in the final stage) or when shifting from the cool-down operation to the steady operation.
  • the switch 52 can be switched from off to on. In steady operation, the thermal switch 52 can be turned on.
  • FIG. 3A is a schematic view showing an example of a thermal bridge 50 with a thermal switch 52 according to the embodiment
  • FIG. 3B is incorporated in the thermal bridge 50 according to the embodiment. It is a graph which shows the exemplary property of a thermal switch 52.
  • the thermal bridge 50 uses a heat pipe as a heat switch 52 in which a working gas 60 vaporized in the first temperature zone T1 and liquefied in the second temperature zone T2 is sealed therein.
  • a working gas 60 vaporized in the first temperature zone T1 and liquefied in the second temperature zone T2 is sealed therein.
  • One end of the heat pipe is connected to the regenerator connection portion 54, and is thermally coupled to the regenerator (for example, the second stage regenerator 22) via the regenerator connection portion 54.
  • the other end of the heat pipe is connected to the pulse tube connecting portion 56, and is thermally coupled to the pulse tube (for example, the second stage pulse tube 24) via the pulse tube connecting portion 56.
  • the thermal switch 52 has a first thermal conductivity ⁇ 1 in the first temperature zone T1 and a first thermal conductivity in the second temperature zone T2 lower than the first temperature zone T1. It has a second thermal conductivity ⁇ 2 that is greater than ⁇ 1.
  • the set temperature Tc which is the boundary between the first temperature zone T1 and the second temperature zone T2, corresponds to the boiling point of the enclosed working gas 60.
  • the change in thermal conductivity is small and stable as compared with the transition temperature zone (including the set temperature Tc) in between.
  • the transition temperature zone there is a large change from the first thermal conductivity ⁇ 1 to the second thermal conductivity ⁇ 2.
  • the first thermal conductivity ⁇ 1 in the first temperature zone T1 and the second thermal conductivity ⁇ 2 in the second temperature zone T2 are shown as constant values, respectively. These values of thermal conductivity may change slightly depending on the temperature.
  • the first thermal conductivity ⁇ 1 is ideally zero, but in reality, it takes a small value corresponding to the thermal conductivity of the working gas 60 in the gaseous state. Further, the thermal conductivity of the wall portion of the heat switch 52 in which the working gas 60 is sealed also contributes to the first thermal conductivity ⁇ 1. However, since the first thermal conductivity ⁇ 1 is sufficiently smaller than the second thermal conductivity ⁇ 2, the heat switch 52 in the first temperature zone T1 should be regarded as a heat insulating element that blocks heat input from the pulse tube to the regenerator. Can be done.
  • the working gas 60 is liquefied in the second temperature zone T2.
  • the working gas 60 in contact with the inner wall surface thereof gives heat to the wall surface to be cooled and becomes a liquid.
  • the droplet 62 of the working gas 60 is transported to the other end (on the pulse tube connection portion 56 side) in the heat switch 52 by, for example, the action of gravity or the capillary phenomenon.
  • the transported droplet 62 absorbs heat and is vaporized again.
  • the heat switch 52 functions as a heat transfer element that transfers heat from the pulse tube connecting portion 56 side to the cold storage device connecting portion 54 side, and functions as a thermal bridge 50.
  • the other end of the heat switch 52 (on the side of the pulse tube connecting portion 56) can be cooled to the set temperature Tc.
  • the set temperature Tc is selected by selecting the gas type of the working gas 60 to be sealed in the heat switch 52.
  • the working gas 60 includes, for example, helium (about 4.2K), hydrogen (about 20.4K), neon (about 27.1K), nitrogen (about 77.4K), oxygen (about 90.2K), and argon (about 90.2K). It may contain at least one of about 87.3K).
  • what is added in parentheses to the gas types is the boiling point of each gas type at atmospheric pressure. Therefore, for example, when neon is sealed in the heat switch 52 as the working gas 60 at atmospheric pressure, the set temperature Tc can be set to about 27.1K.
  • the working gas 60 may be sealed in the heat switch 52 at a pressure higher than the atmospheric pressure (for example, within 5 atm or within 10 atm).
  • the set temperature Tc may be adjusted by adjusting the filling pressure of the working gas 60.
  • the working gas 60 may be, for example, air (about 78.8K), another mixed gas containing nitrogen, a mixed gas containing helium, or another mixed gas.
  • the set temperature Tc can be adjusted by adjusting the composition of the mixed gas.
  • the cooler and pulse tube are connected by a heat bridge 50, and the pulse tube is cooled from the cooler through the heat bridge 50 to match the axial temperature distribution of the pulse tube with that of the cooler. (That is, the temperature difference between the pulse tube and the cooler at the same axial position can be reduced), and the loss of the refrigerating capacity of the pulse tube refrigerator 10 due to the natural convection of the atmospheric gas can be reduced.
  • Such an action of the thermal bridge 50 works effectively when the thermal switch 52 is turned on in the steady operation of the pulse tube refrigerator 10.
  • the heat switch 52 is turned off at the beginning, the thermal bridge 50 becomes a heat insulating element, and the heat input from the pulse tube to the regenerator through the thermal bridge 50 is blocked.
  • the pulse tube refrigerator 10 can cool the refrigerator and the cooling stage faster, and cools down. The required time can be shortened.
  • the heat switch 52 switches from off to on, the thermal bridge 50 switches from the heat insulating element to the heat transfer element, and the pulse tube refrigerator 10 changes. , Can shift to steady operation.
  • FIG. 4 is a schematic view showing another example of the thermal bridge 50 with the thermal switch 52 according to the embodiment.
  • the thermal bridge 50 has a heat switch 52, and connects a pulse tube (for example, a second-stage pulse tube 24) and a cold storage device (for example, a second-stage cold storage device 22) via the heat switch 52.
  • the thermal bridge 50 further includes a regenerator connection portion 54 for connecting the heat switch 52 to the regenerator, and a pulse tube connection portion 56 for connecting the heat switch 52 to the pulse tube.
  • the heat switch 52 has an airtight container 64, a gas supply unit 66 that supplies gas to the airtight container 64, and a gas discharge unit 68 that discharges gas from the airtight container 64.
  • the gas supplied to and discharged from the airtight container 64 may be, for example, the same gas as the working gas sealed in the heat pipe described above, or any other suitable gas may be used.
  • the airtight container 64 is a cylindrical pressure vessel, one end of which is connected to the regenerator connection portion 54 and the other end of which is connected to the pulse pipe connection portion 56.
  • the gas supply unit 66 includes a gas supply source 66a, a supply valve 66b, and a supply pipe 66c.
  • the gas supply source 66a is connected to the airtight container 64 by the supply pipe 66c.
  • the supply valve 66b is provided on the supply pipe 66c, and when the supply valve 66b is opened, gas is supplied from the gas supply source 66a to the airtight container 64.
  • the gas discharge unit 68 includes a discharge pump 68a, a discharge valve 68b, and a discharge pipe 68c.
  • the discharge pump 68a is connected to the airtight container 64 by the discharge pipe 68c.
  • the discharge valve 68b is provided on the discharge pipe 68c, and when the discharge pump 68a is operated to open the discharge valve 68b, gas is discharged from the airtight container 64 to the discharge pump 68a, and the airtight container 64 can be evacuated.
  • the gas supply source 66a, the supply valve 66b, the discharge pump 68a, and the discharge valve 68b may be arranged outside the vacuum container in which the pulse tube refrigerator 10 is installed.
  • the heat switch 52 can be switched on and off by supplying and discharging gas to and from the airtight container 64.
  • gas is supplied to the airtight container 64, the heat switch 52 is turned on by heat transfer by this gas.
  • the heat switch 52 is turned off by the vacuum insulation.
  • the heat switch 52 acts as a heat insulating element when it is in the first temperature zone T1 on the cold storage side, and acts as a heat transfer element when it is in the second temperature zone T2 lower than the first temperature zone T1 on the cold storage side. Can be operated.
  • the heat switch 52 may have, for example, a cooler connection 54, a temperature sensor 70 that measures the temperature of the cooler or the cooling stage, and may be switched on and off manually or by automatic control according to the measured temperature. good.
  • the above-mentioned heat pipe type heat switch 52 is more advantageous, but the gas supply / exhaust type heat switch 52 is on / off. It is advantageous in that the operating temperature (set temperature Tc) of the heat switch 52 for switching between the two can be arbitrarily determined.
  • the GM type 4-valve type two-stage pulse tube refrigerator is described as an example, but in the thermal bridge with a heat switch according to the present invention, the pulse tube and the refrigerator are arranged in parallel. It can be applied to various pulse tube refrigerators.
  • the thermal bridge with a heat switch may be applied to a multi-stage pulse tube refrigerator such as a single stage or a three stage.
  • the thermal bridge with a heat switch may be applied to a GM type pulse tube refrigerator having a phase control mechanism different from that of the 4-valve type, such as a double inlet type and an active buffer type.
  • the thermal bridge with a heat switch may be applied to a pulse tube refrigerator having a vibration flow source having a form different from that of the GM method, such as the Sterling method.
  • the present invention can be used in the fields of pulse tube refrigerators and superconducting magnet devices.

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Abstract

パルス管冷凍機（１０）は、パルス管（１８、２４）と、パルス管と並列配置された蓄冷器（１６、２２）と、熱スイッチ（５２）を有し、熱スイッチ（５２）を介してパルス管と蓄冷器を接続する熱橋（５０）と、を備える。熱スイッチ（５２）は、熱橋（５０）の蓄冷器側で第１温度帯にあるとき断熱要素として働き、熱橋（５０）の蓄冷器側で第１温度帯よりも低い第２温度帯にあるとき伝熱要素として働く。

Description

パルス管冷凍機および超伝導磁石装置
　本発明は、パルス管冷凍機および超伝導磁石装置に関する。
　パルス管冷凍機は多くの場合真空環境に配置されるが、例えばヘリウムガスの再凝縮など用途によっては、ガス雰囲気に配置されることもある。冷凍サイクルにおけるパルス管内での作動ガスの圧縮によりパルス管は加熱されうる一方、蓄冷器は極低温に冷却される。パルス管冷凍機はしばしば、パルス管と蓄冷器が並列配置された構造をとる。パルス管と蓄冷器の温度差によりこれらの間で雰囲気ガスの自然対流が誘起され、それによる蓄冷器への入熱は、パルス管冷凍機の冷凍能力に損失をもたらしうる。そこで、このようなパルス管冷凍機において、蓄冷器とパルス管を熱橋で接続し、蓄冷器から熱橋を通じてパルス管を冷却することによってパルス管の軸方向温度分布を蓄冷器のそれと整合させることが提案されている。これにより、雰囲気ガスの自然対流を通じたパルス管から蓄冷器への入熱を抑制し、パルス管冷凍機の冷凍能力の損失を低減することができる。
特開２００６－２１４７１７号公報
　本発明者らは、上記のパルス管冷凍機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。上記技術は、パルス管冷凍機が既に極低温に冷却され定常的な運転状態にあるときには所期の目的を達することができる。しかし、パルス管冷凍機の起動時に周囲温度（例えば室温）から極低温に冷却する初期冷却（クールダウンとも呼ばれる）の場面では、パルス管から熱橋を通じて蓄冷器に伝わる熱によって蓄冷器の降温に要する時間が増え、クールダウン時間が延びてしまう。クールダウンは、パルス管冷凍機の冷却運転を開始するための準備であるから、なるべく短時間で完了できることが望まれる。
　本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、クールダウン時間の増加を抑えつつ、パルス管冷凍機の冷凍能力を向上することにある。
　本発明のある態様によると、パルス管冷凍機は、パルス管と、パルス管と並列配置された蓄冷器と、熱スイッチを有し、熱スイッチを介してパルス管と蓄冷器を接続する熱橋と、を備える。熱スイッチは、熱橋の蓄冷器側で第１温度帯にあるとき断熱要素として働き、熱橋の蓄冷器側で第１温度帯よりも低い第２温度帯にあるとき伝熱要素として働く。
　本発明のある態様によると、超伝導磁石装置は、超伝導コイルと、超伝導コイルを液体冷媒とともに収容する液体冷媒槽を有するクライオスタットと、上記態様のパルス管冷凍機であって、クライオスタットに設置され、液体冷媒を再凝縮するパルス管冷凍機と、を備える。
　本発明によれば、クールダウン時間の増加を抑えつつ、パルス管冷凍機の冷凍能力を向上することができる。
実施の形態に係るパルス管冷凍機を概略的に示す図である。 実施の形態に係る冷媒ガス再凝縮装置および超伝導磁石装置を概略的に示す図である。 図３（ａ）は、実施の形態に係り、熱スイッチ付きの熱橋の一例を示す模式図であり、図３（ｂ）は、実施の形態に係る熱橋に組み込まれている熱スイッチの例示的な特性を示すグラフである。 実施の形態に係り、熱スイッチ付きの熱橋の他の一例を示す模式図である。
　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。なお、説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。また、以下の説明において参照する図面において、各構成部材の大きさや厚みは説明の便宜上のものであり、必ずしも実際の寸法や比率を示すものではない。
　図１は、実施の形態に係るパルス管冷凍機１０を概略的に示す図である。図２は、実施の形態に係る冷媒ガス再凝縮装置１００および超伝導磁石装置２００を概略的に示す図である。
　パルス管冷凍機１０は、冷媒ガス再凝縮装置１００の冷却源として利用され、液化された冷媒ガスを貯留する液体冷媒槽１０２に設置されることができる。液体冷媒１０４は、たとえば超伝導機器、センサ、またはその他の物体を極低温に冷却し、それにより気化する。気化した冷媒は、パルス管冷凍機１０によって再び凝縮される。冷媒ガスとして、例えば、ヘリウムがよく用いられる。よって、ヘリウムガスがパルス管冷凍機１０によって液体ヘリウムへと再凝縮される。ただし、例えば窒素などその他の適当な冷媒が使用されてもよい。
　図２に示される超伝導磁石装置２００は、例えば、ＮＭＲ（Nuclear Magnetic Resonance）システムの磁場源として利用されうる。超伝導磁石装置２００は、超伝導コイル２０２と、液体冷媒槽１０２を有するクライオスタット２０４とを備える。超伝導コイル２０２は、液体冷媒１０４とともに液体冷媒槽１０２に収容される。パルス管冷凍機１０は、クライオスタット２０４に設置され、液体冷媒１０４を再凝縮する。
　なお、超伝導磁石装置２００は、例えば単結晶引き上げ装置、ＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）システム、サイクロトロンなどの加速器、核融合システムなどの高エネルギー物理システム、またはその他の高磁場利用機器（図示せず）の磁場源として高磁場利用機器に搭載されてもよく、その機器に必要とされる高磁場を発生させてもよい。
　図１に示されるように、パルス管冷凍機１０は、一例として、ＧＭ（Gifford-McMahon）方式の４バルブ型の二段パルス管冷凍機である。
　パルス管冷凍機１０は、コールドヘッド１１と、圧縮機１２とを備える。コールドヘッド１１は、主圧力切換弁１４と、第１段蓄冷器１６と、第１段パルス管１８と、第１副圧力切換弁２０および任意的に第１流量調整要素２７ａを有する第１段位相制御機構と、を備える。圧縮機１２と主圧力切換弁１４によりパルス管冷凍機１０の振動流発生源が構成される。コールドヘッド１１は、第２段蓄冷器２２と、第２段パルス管２４と、第２副圧力切換弁２１および第２流量調整要素２７ｂを任意的に有する第２段位相制御機構と、をさらに備える。圧縮機１２は、振動流発生源と第１段位相制御機構と第２段位相制御機構とで共有されている。
　本書では、パルス管冷凍機１０の構成要素どうしの位置関係を説明するために、便宜上、縦方向Ａおよび横方向Ｂとの用語を用いる。通例、縦方向Ａと横方向Ｂはそれぞれ、パルス管（１８、２４）および蓄冷器（１６、２２）の軸方向と径方向にあたる。ただし、縦方向Ａと横方向Ｂは互いにおおよそ直交する方向であればよく、厳密な直交は要しない。また、縦方向Ａおよび横方向Ｂとの表記は、パルス管冷凍機１０がその使用場所に設置される姿勢を限定するものではない。パルス管冷凍機１０は所望される姿勢で設置可能であり、例えば、縦方向Ａおよび横方向Ｂをそれぞれ鉛直方向および水平方向に向けるようにして設置されてもよいし、反対に、縦方向Ａおよび横方向Ｂをそれぞれ水平方向および鉛直方向に向けるようにして設置されてもよい。あるいは、縦方向Ａおよび横方向Ｂをそれぞれ互いに異なる斜め方向に向けるようにして設置することも可能である。
　蓄冷器（１６、２２）とパルス管（１８、２４）は、並列配置されている。２つの蓄冷器（１６、２２）は直列に接続され、縦方向Ａに延在する。２つのパルス管（１８、２４）はそれぞれ、縦方向Ａに延在する。第１段蓄冷器１６は、横方向Ｂに第１段パルス管１８と並列に配置され、第２段蓄冷器２２は、横方向Ｂに第２段パルス管２４と並列に配置されている。第１段パルス管１８は縦方向Ａに第１段蓄冷器１６とほぼ同じ長さを有し、第２段パルス管２４は、縦方向Ａに第１段蓄冷器１６と第２段蓄冷器２２の合計長さとほぼ同じ長さを有する。蓄冷器（１６、２２）とパルス管（１８、２４）は互いに概ね平行に配置されている。
　なお、図１においては、蓄冷器（１６、２２）に対して第１段パルス管１８と第２段パルス管２４が両側に配置されているが、これは単に図示を容易にするためにすぎない。通例、蓄冷器（１６、２２）、第１段パルス管１８、第２段パルス管２４は、縦方向Ａに見たとき三角形をなすように配置されうる。
　圧縮機１２は、圧縮機吐出口１２ａと圧縮機吸入口１２ｂとを有し、回収した低圧ＰＬの作動ガスを圧縮して高圧ＰＨの作動ガスを生成するよう構成されている。圧縮機吐出口１２ａから第１段蓄冷器１６を通じて第１段パルス管１８に作動ガスが供給され、第１段パルス管１８から第１段蓄冷器１６を通じて圧縮機吸入口１２ｂへと作動ガスが回収される。また、圧縮機吐出口１２ａから第１段蓄冷器１６、第２段蓄冷器２２を通じて第２段パルス管２４に作動ガスが供給され、第２段パルス管２４から第２段蓄冷器２２、第１段蓄冷器１６を通じて圧縮機吸入口１２ｂへと作動ガスが回収される。
　圧縮機吐出口１２ａおよび圧縮機吸入口１２ｂはそれぞれ、パルス管冷凍機１０の高圧源および低圧源として機能する。作動ガスは、冷媒ガスとも称され、例えばヘリウムガスである。なお一般に高圧ＰＨ及び低圧ＰＬはともに大気圧より顕著に高い。
　主圧力切換弁１４は、主吸気開閉弁Ｖ１と主排気開閉弁Ｖ２とを有する。第１副圧力切換弁２０は、第１副吸気開閉弁Ｖ３と第１副排気開閉弁Ｖ４とを有する。第２副圧力切換弁２１は、第２副吸気開閉弁Ｖ５と第２副排気開閉弁Ｖ６とを有する。
　パルス管冷凍機１０には、高圧ライン１３ａおよび低圧ライン１３ｂが設けられている。高圧ライン１３ａを通じて、高圧ＰＨの作動ガスが圧縮機１２からコールドヘッド１１に流れる。低圧ライン１３ｂを通じて、低圧ＰＬの作動ガスがコールドヘッド１１から圧縮機１２に流れる。高圧ライン１３ａは、圧縮機吐出口１２ａを吸気開閉弁（Ｖ１、Ｖ３、Ｖ５）に接続する。低圧ライン１３ｂは、圧縮機吸入口１２ｂを排気開閉弁（Ｖ２、Ｖ４、Ｖ６）に接続する。
　第１段蓄冷器１６は、第１段蓄冷器高温端１６ａと、第１段蓄冷器低温端１６ｂとを有し、第１段蓄冷器高温端１６ａから第１段蓄冷器低温端１６ｂへと縦方向Ａに延在する。第１段蓄冷器高温端１６ａおよび第１段蓄冷器低温端１６ｂはそれぞれ、第１段蓄冷器１６の第１端および第２端とも称しうる。同様に、第２段蓄冷器２２は、第２段蓄冷器高温端２２ａと、第２段蓄冷器低温端２２ｂとを有し、第２段蓄冷器高温端２２ａから第２段蓄冷器低温端２２ｂへと縦方向Ａに延在する。第２段蓄冷器高温端２２ａおよび第２段蓄冷器低温端２２ｂはそれぞれ、第２段蓄冷器２２の第１端および第２端とも称しうる。第１段蓄冷器低温端１６ｂが、第２段蓄冷器高温端２２ａに連通している。
　第１段パルス管１８は、第１段パルス管高温端１８ａと、第１段パルス管低温端１８ｂとを有し、第１段パルス管高温端１８ａから第１段パルス管低温端１８ｂへと縦方向Ａに延在する。第１段パルス管高温端１８ａおよび第１段パルス管低温端１８ｂはそれぞれ、第１段パルス管１８の第１端および第２端とも称しうる。
　同様に、第２段パルス管２４は、第２段パルス管高温端２４ａと、第２段パルス管低温端２４ｂとを有し、第２段パルス管高温端２４ａから第２段パルス管低温端２４ｂへと縦方向Ａに延在する。第２段パルス管高温端２４ａおよび第２段パルス管低温端２４ｂはそれぞれ、第２段パルス管２４の第１端および第２端とも称しうる。
　例示的な構成においては、蓄冷器（１６、２２）は内部に蓄冷材を充填した円筒状の管であり、パルス管（１８、２４）は内部を空洞とする円筒状の管である。
　パルス管（１８、２４）の両端それぞれには、パルス管の軸方向に垂直な面内での作動ガス流速分布を均一化し、または所望の分布に調整するための整流器が設けられていてもよい。この整流器は、熱交換器としても機能する。また、パルス管（１８、２４）の高温端には、位相制御のためにバッファ容積が接続されていてもよい。
　コールドヘッド１１は、第１冷却ステージ２８と第２冷却ステージ３０とを備える。図２に示されるように、ネックチューブ２０６がクライオスタット２０４および液体冷媒槽１０２の上部に設けられており、パルス管冷凍機１０のコールドヘッド１１は、ネックチューブ２０６に挿し込まれ、第１冷却ステージ２８と第２冷却ステージ３０がネックチューブ２０６内に配置される。ネックチューブ２０６の内部容積は液体冷媒槽１０２の一部をなし、液体冷媒槽１０２で気化した冷媒は、第２冷却ステージ３０と接触して再凝縮される。
　図１を再び参照する。第１段蓄冷器１６および第１段パルス管１８は第１冷却ステージ２８から同方向に延びており、第１段蓄冷器高温端１６ａおよび第１段パルス管高温端１８ａは、第１冷却ステージ２８に対して同じ側に配置されている。このようにして、第１段蓄冷器１６、第１段パルス管１８、および第１冷却ステージ２８は、Ｕ字状に配置されている。同様に、第２段蓄冷器２２および第２段パルス管２４は第２冷却ステージ３０から同方向に延びており、第２段蓄冷器高温端２２ａおよび第２段パルス管高温端２４ａは、第２冷却ステージ３０に対して同じ側に配置されている。このようにして、第２段蓄冷器２２、第２段パルス管２４、および第２冷却ステージ３０は、Ｕ字状に配置されている。
　第１段パルス管低温端１８ｂと第１段蓄冷器低温端１６ｂは、第１冷却ステージ２８によって、構造的に接続され熱的に結合されている。第１冷却ステージ２８には、第１段蓄冷器低温端１６ｂと第１段パルス管低温端１８ｂとの間で作動ガスが流れることができるように、両者を連通する第１段連通路２９が形成されている。
　同様に、第２段パルス管低温端２４ｂと第２段蓄冷器低温端２２ｂは、第２冷却ステージ３０によって、構造的に接続され熱的に結合されている。第２冷却ステージ３０には、第２段蓄冷器低温端２２ｂと第２段パルス管低温端２４ｂとの間で作動ガスが流れることができるように、両者を連通する第２段連通路３１が形成されている。
　冷却ステージ（２８、３０）は、例えば銅などの高熱伝導率の金属材料で形成されている。蓄冷器（１６、２２）の筒部およびパルス管（１８、２４）は、冷却ステージ（２８、３０）に比べて熱伝導率の低い材料、例えばステンレス鋼などの金属材料で形成されている。
　流量調整要素（２７ａ、２７ｂ）は、例えば、オリフィス、または絞り弁などの流路抵抗を含む。流路抵抗は、固定されていてもよいし、調整可能であってもよい。
　一方、第１段蓄冷器高温端１６ａ、第１段パルス管高温端１８ａ、および第２段パルス管高温端２４ａは、フランジ部３６によって接続されている。フランジ部３６は、パルス管冷凍機１０が設置される支持台または支持壁などの支持部３８に取り付けられる。支持部３８は、冷却ステージ（２８、３０）および被冷却物を収容する断熱容器または真空容器の壁材またはその他の部位であってもよい。
　フランジ部３６の一方の主表面からパルス管（１８、２４）および蓄冷器（１６、２２）が冷却ステージ（２８、３０）へと延び、フランジ部３６の他方の主表面にはバルブ部４０が設けられている。バルブ部４０には、主圧力切換弁１４、第１副圧力切換弁２０および第２副圧力切換弁２１が収容されている。したがって、支持部３８が断熱容器または真空容器の一部を構成する場合には、フランジ部３６が支持部３８に取り付けられるとき、パルス管（１８、２４）、蓄冷器（１６、２２）、および冷却ステージ（２８、３０）は、当該容器内に収容され、バルブ部４０は、容器外に配置される。
　なお、バルブ部４０は、フランジ部３６に直接取り付けられている必要はない。バルブ部４０は、パルス管冷凍機１０のコールドヘッド１１から分離して配置され、剛性または可撓性の配管によりコールドヘッド１１に接続されてもよい。こうして、パルス管冷凍機１０の位相制御機構がコールドヘッド１１から分離して配置されてもよい。
　主圧力切換弁１４は、パルス管（１８、２４）内に圧力振動を生成すべく第１段蓄冷器高温端１６ａを圧縮機吐出口１２ａおよび圧縮機吸入口１２ｂに交互に接続するように構成されている。主圧力切換弁１４は、主吸気開閉弁Ｖ１と主排気開閉弁Ｖ２のうち一方が開いているとき他方は閉じているように構成されている。主圧力切換弁１４は、蓄冷器連通路３２を介して第１段蓄冷器高温端１６ａに接続されている。主吸気開閉弁Ｖ１が圧縮機吐出口１２ａを第１段蓄冷器高温端１６ａに接続し、主排気開閉弁Ｖ２が圧縮機吸入口１２ｂを第１段蓄冷器高温端１６ａに接続する。
　主吸気開閉弁Ｖ１が開いているとき、圧縮機吐出口１２ａから高圧ライン１３ａ、主吸気開閉弁Ｖ１、および蓄冷器連通路３２を通じて蓄冷器（１６、２２）に作動ガスが供給される。作動ガスはさらに、第１段蓄冷器１６から第１段連通路２９を通じて第１段パルス管１８に供給されるとともに、第２段蓄冷器２２から第２段連通路３１を通じて第２段パルス管２４に供給される。一方、主排気開閉弁Ｖ２が開いているとき、パルス管（１８、２４）から蓄冷器（１６、２２）、主排気開閉弁Ｖ２、および低圧ライン１３ｂを通じて圧縮機吸入口１２ｂに作動ガスが回収される。
　第１副圧力切換弁２０は、第１パルス管連通路３４を介して第１段パルス管高温端１８ａを圧縮機吐出口１２ａおよび圧縮機吸入口１２ｂに交互に接続する。第１副圧力切換弁２０は、第１副吸気開閉弁Ｖ３と第１副排気開閉弁Ｖ４のうち一方が開いているとき他方は閉じているように構成されている。第１副吸気開閉弁Ｖ３が圧縮機吐出口１２ａを第１段パルス管高温端１８ａに接続し、第１副排気開閉弁Ｖ４が圧縮機吸入口１２ｂを第１段パルス管高温端１８ａに接続する。
　第１副吸気開閉弁Ｖ３が開いているとき、圧縮機吐出口１２ａから高圧ライン１３ａ、第１副吸気開閉弁Ｖ３、第１パルス管連通路３４、および第１段パルス管高温端１８ａを通じて第１段パルス管１８に作動ガスが供給される。一方、第１副排気開閉弁Ｖ４が開いているとき、第１段パルス管１８から第１段パルス管高温端１８ａ、第１副排気開閉弁Ｖ４、および低圧ライン１３ｂを通じて圧縮機吸入口１２ｂに作動ガスが回収される。
　同様に、第２副圧力切換弁２１は、第２パルス管連通路３５を介して第２段パルス管高温端２４ａを圧縮機吐出口１２ａおよび圧縮機吸入口１２ｂに交互に接続する。第２副圧力切換弁２１は、第２副吸気開閉弁Ｖ５と第２副排気開閉弁Ｖ６のうち一方が開いているとき他方は閉じているように構成されている。第２副吸気開閉弁Ｖ５が圧縮機吐出口１２ａを第２段パルス管高温端２４ａに接続し、第２副排気開閉弁Ｖ６が圧縮機吸入口１２ｂを第２段パルス管高温端２４ａに接続する。第２副吸気開閉弁Ｖ５が開いているとき、圧縮機吐出口１２ａから第２段パルス管２４に作動ガスが供給される。第２副排気開閉弁Ｖ６が開いているとき、第２段パルス管２４から圧縮機吸入口１２ｂに作動ガスが回収される。
　このような構成により、パルス管冷凍機１０は、パルス管内に高圧ＰＨと低圧ＰＬの作動ガス圧力振動を生成する。圧力振動と同期して適切な位相遅れをもって、パルス管内で作動ガスの変位振動すなわちガスピストンの往復動が生じる。ある圧力を保持しながらパルス管内を上下に周期的に往復する作動ガスの動きは、しばしば「ガスピストン」と称され、パルス管冷凍機１０の動作を説明するためによく用いられる。ガスピストンがパルス管高温端またはその近傍にあるときパルス管低温端で作動ガスが膨張し、寒冷が発生する。このような冷凍サイクルを繰り返すことにより、パルス管冷凍機１０は、冷却ステージを冷却することができる。第１冷却ステージ２８は、第１冷却温度、例えば３０Ｋ～８０Ｋに冷却され、第２冷却ステージ３０は、第１冷却温度よりも低い第２冷却温度、例えば３Ｋ～２０Ｋに冷却される。
　パルス管冷凍機１０が上述のように、冷媒ガスの再凝縮に使用される場合、パルス管冷凍機１０は第２冷却ステージ３０に接触する気体または液体を冷却することができる。なお、パルス管冷凍機１０の作動ガスと、パルス管冷凍機１０によって再凝縮される冷媒ガスは、同種のガス（例えばヘリウムガス）でありうるが、これらは互いに隔離されている。コールドヘッド１１は気密容器であり、内部の作動ガスがコールドヘッド１１の外に漏れ出ることはなく、再凝縮される冷媒ガスと混ざることはない。
　パルス管冷凍機１０が他の用途に使用される場合、第２冷却ステージ３０には、冷却されるべき物体（図示せず）が熱的に結合される。物体は、第２冷却ステージ３０上に直接設置され、または第２冷却ステージ３０に剛性または可撓性の伝熱部材を介して熱的に結合されてもよい。パルス管冷凍機１０は、第２冷却ステージ３０からの伝導冷却によって物体を冷却することができる。なおパルス管冷凍機１０によって冷却される物体は、限定しない例として、超伝導電磁石またはその他の超伝導装置、あるいは赤外線撮像素子またはその他のセンサであってもよい。
　また、言うまでもなく、第２冷却ステージ３０によって冷却される物体とは異なる物体が、第１冷却ステージ２８によって冷却されてもよい。たとえば、第１冷却ステージ２８には、第２冷却ステージ３０への熱侵入を低減または防止するための輻射シールドが熱的に結合されていてもよい。
　この実施の形態では、パルス管冷凍機１０は、少なくとも１つの熱橋５０を備える。熱橋５０は、熱スイッチ５２を有し、熱スイッチ５２を介してパルス管と蓄冷器を接続する。熱橋５０は、熱スイッチ５２を蓄冷器に接続する蓄冷器接続部５４と、熱スイッチ５２をパルス管に接続するパルス管接続部５６とをさらに備える。蓄冷器接続部５４とパルス管接続部５６は、例えば銅などの高熱伝導率の金属材料で形成されている。なお、熱スイッチ５２の一端がパルス管に直に接続され、熱スイッチ５２の他端が蓄冷器に直に接続されてもよい。
　一例として、第２段パルス管２４と第２段蓄冷器２２を接続する熱橋５０が設けられてもよい。これに加えて、またはこれに代えて、第１段パルス管１８と第１段蓄冷器１６を接続する別の熱橋５０が設けられてもよい。これに加えて、またはこれに代えて、第２段パルス管２４と第１段蓄冷器１６を接続する別の熱橋５０が設けられてもよい。熱橋５０は、他の場所に設けられてもよく、例えば、第２段パルス管２４と第１冷却ステージ２８を接続してもよい。
　パルス管冷凍機１０の冷凍サイクルにおけるパルス管内でのガスの圧縮によりパルス管の端部に比べて中間部（例えば、パルス管の軸方向長さの１／４～３／４または１／３～２／３）がより強く加熱されうる。そこで、熱橋５０は、第１段パルス管１８の中間部に、または第２段パルス管２４の中間部に接続されてもよい。
　図１に示されるように、熱橋５０は、軸方向（図１における縦方向Ａ）に同じ位置でパルス管と蓄冷器を接続してもよい。熱橋５０を通じて接続された軸方向位置での温度をパルス管と蓄冷器で近づける（または等しくする）ことができ、パルス管と蓄冷器の軸方向温度分布を整合させるために都合がよい。
　あるいは、熱橋５０は、軸方向に異なる位置でパルス管と蓄冷器を接続してもよい。これにより、例えば、パルス管と蓄冷器の軸方向温度分布を調整することができる。あるいは、熱橋５０を取り付けやすい場所を選択するために、熱橋５０の取付位置がパルス管と蓄冷器で異なっていてもよい。
　熱スイッチ５２は、蓄冷器側で第１温度帯Ｔ１にあるとき断熱要素として働き、蓄冷器側で第１温度帯Ｔ１よりも低い第２温度帯Ｔ２にあるとき伝熱要素として働くように構成される。熱スイッチ５２は、温度変化によってオンオフが切り替わるように動作し、相対的に低温である第２温度帯Ｔ２で蓄冷器とパルス管を熱接続し（つまりオンとなり）、相対的に高温である第１温度帯Ｔ１で蓄冷器とパルス管の熱接続を切り離す（つまりオフとなる）。
　ところで、パルス管冷凍機１０は、定常運転と、定常運転に先行してクールダウン運転とを実行可能である。クールダウン運転は、上述のように、初期冷却と呼ぶこともできる。クールダウン運転は、パルス管冷凍機１０の起動時に、初期温度から極低温に急速に冷却する運転モードであり、定常運転は、クールダウン運転によって極低温に冷却された状態を維持するパルス管冷凍機１０の運転モードである。初期温度は、周囲温度（例えば室温）であってもよい。パルス管冷凍機１０は、クールダウン運転によって標準冷却温度に冷却され、定常運転ではこの標準冷却温度を含む極低温の許容温度範囲内に維持される。標準冷却温度は、パルス管冷凍機１０の用途と設定に応じて異なるが、例えば超伝導装置の冷却用途では典型的に、約４．２Ｋ以下である。ある他の冷却用途では、標準冷却温度は、例えば約１０Ｋ～２０Ｋ、または１０Ｋ以下であってもよい。クールダウン運転から定常運転への切替は、単位時間あたりの冷凍サイクルの回数（冷凍サイクルの周波数）を変更するようにバルブ部４０を制御することによって行われてもよい。例えば、パルス管冷凍機１０は、クールダウン運転で高周波数の冷凍サイクルで運転され、定常運転でそれよりも低周波数の冷凍サイクルで運転されてもよい。
　この実施の形態では、第１温度帯Ｔ１は、設定温度Ｔｃより高い温度範囲であり、第２温度帯Ｔ２は、設定温度Ｔｃより低い温度範囲であり、設定温度Ｔｃは、例えば、４Ｋから１００Ｋの温度範囲から選択される。設定温度Ｔｃは、上述の第１冷却温度（第１冷却ステージ２８の目標冷却温度）に基づいて定められてもよく、例えば、第１冷却温度よりも所定温度（例えば、５Ｋ以内、または１０Ｋ以内）高い温度に定められてもよい。
　このようにすれば、パルス管冷凍機１０のクールダウン運転の開始時には熱スイッチ５２をオフとし、クールダウン運転の途中（例えば終盤）で、またはクールダウン運転から定常運転に移行するときに、熱スイッチ５２をオフからオンに切り替えることができる。定常運転では、熱スイッチ５２をオンとすることができる。
　図３（ａ）は、実施の形態に係り、熱スイッチ５２付きの熱橋５０の一例を示す模式図であり、図３（ｂ）は、実施の形態に係る熱橋５０に組み込まれている熱スイッチ５２の例示的な特性を示すグラフである。
　図３（ａ）に示されるように、熱橋５０は、熱スイッチ５２として、第１温度帯Ｔ１で気化され第２温度帯Ｔ２で液化される作動ガス６０が内部に封入されたヒートパイプを有する。ヒートパイプの一端が蓄冷器接続部５４に接続され、蓄冷器接続部５４を介して蓄冷器（例えば第２段蓄冷器２２）と熱的に結合される。また、ヒートパイプの他端がパルス管接続部５６に接続され、パルス管接続部５６を介してパルス管（例えば第２段パルス管２４）と熱的に結合される。
　図３（ｂ）に示されるように、熱スイッチ５２は、第１温度帯Ｔ１で第１熱伝導率α１を有し、第１温度帯Ｔ１より低い第２温度帯Ｔ２で第１熱伝導率α１より大きい第２熱伝導率α２を有する。第１温度帯Ｔ１と第２温度帯Ｔ２の境界となる設定温度Ｔｃは、封入された作動ガス６０の沸点にあたる。第１温度帯Ｔ１と第２温度帯Ｔ２では、その中間の遷移温度帯（設定温度Ｔｃを含む）に比べて、熱伝導率の変化が小さく、安定している。遷移温度帯で第１熱伝導率α１から第２熱伝導率α２へと大きく変化する。なお、図３（ｂ）では簡単のため、第１温度帯Ｔ１での第１熱伝導率α１と第２温度帯Ｔ２での第２熱伝導率α２はそれぞれ一定値として図示しているが、これら熱伝導率の値は、温度に応じて多少変化するものであってもよい。
　熱スイッチ５２すなわちヒートパイプの両端が第１温度帯Ｔ１にあるときには、封入された作動ガス６０がすべて気体となるため、熱スイッチ５２は実質的に熱を伝えない。第１熱伝導率α１は理想的にはゼロであるが、現実には、気体状態の作動ガス６０の熱伝導率に応じたある小さい値をとる。また、作動ガス６０を封入した熱スイッチ５２の壁部の熱伝導率も第１熱伝導率α１に寄与する。しかし、第２熱伝導率α２に比べると第１熱伝導率α１は十分に小さいので、第１温度帯Ｔ１で熱スイッチ５２はパルス管から蓄冷器への入熱を遮断する断熱要素とみなすことができる。
　これに対して、第２温度帯Ｔ２では作動ガス６０が液化される。熱スイッチ５２の一端（蓄冷器接続部５４側）が第２温度帯Ｔ２にあるとき、その内壁面に接触した作動ガス６０は熱を壁面に与えて冷却され液体となる。作動ガス６０の液滴６２は、例えば重力の作用により、あるいは毛細管現象を利用して、熱スイッチ５２内を他端（パルス管接続部５６側）へと輸送される。輸送された液滴６２は熱を吸収して再び気化される。このようにして、熱スイッチ５２は、パルス管接続部５６側から蓄冷器接続部５４側へと熱を伝える伝熱要素として働き、熱橋５０として機能する。これにより、熱スイッチ５２の他端（パルス管接続部５６側）を設定温度Ｔｃへと冷却することができる。
　設定温度Ｔｃは、熱スイッチ５２に封入する作動ガス６０のガス種を選ぶことによって選択される。作動ガス６０は、例えば、ヘリウム（約４．２Ｋ）、水素（約２０．４Ｋ）、ネオン（約２７．１Ｋ）、窒素（約７７．４Ｋ）、酸素（約９０．２Ｋ）、およびアルゴン（約８７．３Ｋ）のうち少なくとも１つを含んでもよい。ここで、ガス種に括弧書きで付記したのは各ガス種の大気圧での沸点である。よって、例えば、熱スイッチ５２に作動ガス６０としてネオンを大気圧で封入した場合には、設定温度Ｔｃを約２７．１Ｋとすることができる。作動ガス６０は、大気圧よりも高い圧力（例えば５気圧以内、または１０気圧以内）で熱スイッチ５２に封入されてもよい。作動ガス６０の封入圧を調整することにより、設定温度Ｔｃが調整されてもよい。
　作動ガス６０は、例えば、空気（約７８．８Ｋ）、窒素を含む他の混合ガス、ヘリウムを含む混合ガス、またはその他の混合ガスであってもよい。混合ガスの組成を調整することにより、設定温度Ｔｃを調整することができる。
　本書の冒頭で述べたように、蓄冷器とパルス管を熱橋５０で接続し、蓄冷器から熱橋５０を通じてパルス管を冷却することによってパルス管の軸方向温度分布を蓄冷器のそれと整合させ（すなわち同じ軸方向位置でのパルス管と蓄冷器の温度差を低減させ）、雰囲気ガスの自然対流によるパルス管冷凍機１０の冷凍能力の損失を低減することができる。このような熱橋５０の作用は、パルス管冷凍機１０の定常運転では、熱スイッチ５２がオンとなることにより、有効に働く。
　パルス管冷凍機１０のクールダウン運転ではその当初、熱スイッチ５２がオフとなり、熱橋５０は断熱要素となり、パルス管から蓄冷器への熱橋５０を通じた入熱は遮断される。熱橋５０がオフとされずに熱橋５０を通じてパルス管から蓄冷器に熱が入る場合に比べて、パルス管冷凍機１０は、蓄冷器および冷却ステージを早く冷却することができ、クールダウンの所要時間を短くすることができる。クールダウンが進み蓄冷器の温度が低下することにより、上述のように、熱スイッチ５２がオフからオンに切り替わり、熱橋５０が断熱要素から伝熱要素へと切り替わって、パルス管冷凍機１０は、定常運転に移行することができる。
　したがって、実施の形態によると、クールダウン時間の増加を抑えつつ、パルス管冷凍機１０の冷凍能力を向上することができる。
　図４は、実施の形態に係り、熱スイッチ５２付きの熱橋５０の他の一例を示す模式図である。熱橋５０は、熱スイッチ５２を有し、熱スイッチ５２を介してパルス管（例えば第２段パルス管２４）と蓄冷器（例えば第２段蓄冷器２２）を接続する。熱橋５０は、熱スイッチ５２を蓄冷器に接続する蓄冷器接続部５４と、熱スイッチ５２をパルス管に接続するパルス管接続部５６とをさらに備える。
　熱スイッチ５２は、気密容器６４と、気密容器６４にガスを供給するガス供給部６６と、気密容器６４からガスを排出するガス排出部６８とを有する。気密容器６４に給排されるガスは、例えば、上述のヒートパイプに封入される作動ガスと同じガスであってもよく、またはそのほか任意の適するガスを用いることができる。
　気密容器６４は、筒状の圧力容器であり、その一端が蓄冷器接続部５４に接続され、他端がパルス管接続部５６に接続される。ガス供給部６６は、ガス供給源６６ａ、供給バルブ６６ｂ、および供給配管６６ｃを備える。ガス供給源６６ａは、供給配管６６ｃにより気密容器６４に接続される。供給バルブ６６ｂは供給配管６６ｃ上に設けられ、供給バルブ６６ｂを開くときガス供給源６６ａから気密容器６４にガスが供給される。ガス排出部６８は、排出ポンプ６８ａ、排出バルブ６８ｂ、排出配管６８ｃを備える。排出ポンプ６８ａは、排出配管６８ｃにより気密容器６４に接続される。排出バルブ６８ｂは排出配管６８ｃ上に設けられ、排出ポンプ６８ａを作動させ排出バルブ６８ｂを開くとき気密容器６４から排出ポンプ６８ａへとガスが排出され、気密容器６４を真空とすることができる。ガス供給源６６ａ、供給バルブ６６ｂ、排出ポンプ６８ａ、排出バルブ６８ｂは、パルス管冷凍機１０が設置される真空容器の外に配置されてもよい。
　熱スイッチ５２は、気密容器６４へのガスの給排によりオンオフを切り替えることができる。気密容器６４にガスが供給されるときこのガスによる熱伝達により、熱スイッチ５２はオンとなる。気密容器６４からガスが排出され真空とされるとき真空断熱により、熱スイッチ５２はオフとなる。
　したがって、熱スイッチ５２は、蓄冷器側で第１温度帯Ｔ１にあるとき断熱要素として働き、蓄冷器側で第１温度帯Ｔ１よりも低い第２温度帯Ｔ２にあるとき伝熱要素として働くように動作させることができる。熱スイッチ５２は、例えば蓄冷器接続部５４、蓄冷器または冷却ステージの温度を測定する温度センサ７０を有してもよく、その測定温度に応じて手動によりまたは自動制御によりオンオフが切り替えられてもよい。
　熱スイッチ５２のオンオフによる熱伝導率の差を大きくすることが望まれる場合には、上述のヒートパイプ式の熱スイッチ５２のほうが有利であるが、この気体給排式の熱スイッチ５２は、オンオフを切り替える熱スイッチ５２の作動温度（設定温度Ｔｃ）を随意に定めることができる点で有利である。
　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。
　上述の実施の形態では、ＧＭ方式の４バルブ型の二段パルス管冷凍機を例として説明しているが、本発明に係る熱スイッチ付き熱橋は、パルス管と蓄冷器が並列配置されるさまざまなパルス管冷凍機に適用可能である。熱スイッチ付き熱橋は、単段または三段など多段のパルス管冷凍機に適用されてもよい。熱スイッチ付き熱橋は、例えば、ダブルインレット型、アクティブバッファ型など、４バルブ型とは異なる形態の位相制御機構を有するＧＭ方式のパルス管冷凍機に適用されてもよい。熱スイッチ付き熱橋は、例えば、スターリング方式など、ＧＭ方式とは異なる形態の振動流発生源を有するパルス管冷凍機に適用されてもよい。
　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、パルス管冷凍機および超伝導磁石装置の分野における利用が可能である。
　１０　パルス管冷凍機、　１６　第１段蓄冷器、　１８　第１段パルス管、　２２　第２段蓄冷器、　２４　第２段パルス管、　５０　熱橋、　５２　熱スイッチ、　６０　作動ガス、　６４　気密容器、　６６　ガス供給部、　６８　ガス排出部、　２００　超伝導磁石装置、　２０２　超伝導コイル、　２０４　クライオスタット。

Claims (7)

  1. 　パルス管と、
    　前記パルス管と並列配置された蓄冷器と、
    　熱スイッチを有し、前記熱スイッチを介して前記パルス管と前記蓄冷器を接続する熱橋と、を備え、
    　前記熱スイッチは、前記熱橋の蓄冷器側で第１温度帯にあるとき断熱要素として働き、前記熱橋の蓄冷器側で前記第１温度帯よりも低い第２温度帯にあるとき伝熱要素として働くことを特徴とするパルス管冷凍機。
  2. 　前記熱橋は、前記熱スイッチとして、前記第１温度帯で気化され前記第２温度帯で液化される作動ガスが内部に封入されたヒートパイプを有することを特徴とする請求項１に記載のパルス管冷凍機。
  3. 　前記作動ガスは、ヘリウム、水素、ネオン、窒素、酸素、およびアルゴンのうち少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項２に記載のパルス管冷凍機。
  4. 　前記作動ガスは、混合ガスであることを特徴とする請求項２または３に記載のパルス管冷凍機。
  5. 　前記熱スイッチは、前記熱橋に設けられ前記パルス管と前記蓄冷器を接続する気密容器と、前記熱橋の蓄冷器側で前記第２温度帯にあるとき前記気密容器にガスを供給するように動作するガス供給部と、前記熱橋の蓄冷器側で前記第１温度帯にあるとき前記気密容器から前記ガスを排出するように動作するガス排出部と、を備えることを特徴とする請求項１に記載のパルス管冷凍機。
  6. 　前記第１温度帯は、設定温度より高い温度範囲であり、前記第２温度帯は、前記設定温度より低い温度範囲であり、前記設定温度は、４Ｋから１００Ｋの温度範囲から選択され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パルス管冷凍機。
  7. 　超伝導コイルと、
    　前記超伝導コイルを液体冷媒とともに収容する液体冷媒槽を有するクライオスタットと、
    　請求項１から６のいずれかに記載のパルス管冷凍機であって、前記クライオスタットに設置され、前記液体冷媒を再凝縮するパルス管冷凍機と、を備えることを特徴とする超伝導磁石装置。
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