JPH0569563U - 極低温冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 超電導磁石装置のように絶対温度数Ｋから数
十Ｋといった温度が必要な装置をそのような極低温まで
冷却できる冷却装置の新規な構造に関し、冷却負荷の負
荷変動にもかかわらず、簡便な構成で冷却温度の変動を
最小限に抑制し安定した冷却が行える信頼性の高い極低
温冷却装置を提供することを目的とする。 【構成】 極低温冷凍機により冷却される冷却媒体によ
り冷却負荷を冷却する極低温冷却装置であって、前記冷
却媒体を循環させる冷却回路を有し、前記冷却回路は、
前記極低温冷凍器によって前記冷却媒体を冷却する第１
の熱交換器と、前記第１の熱交換器により冷却された前
記冷却媒体が通過して前記冷却負荷を冷却する第２の熱
交換器と、前記第２の熱交換器の後に設けた蓄冷器とを
有する。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、極低温冷却装置に関し、特に超電導磁石装置のように絶対温度数Ｋ から数十Ｋといった極めて低い温度が必要な装置をそのような極低温まで冷却で きる冷却装置の新規な構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】

図３に従来の技術による極低温冷却装置の概念図を示す。この極低温冷却装置 は、極低温冷凍機１０により冷却媒体のヘリウム（Ｈｅ）ガスを冷却し、その冷 却されたＨｅガスにより熱交換器を介して冷却負荷、例えば超電導磁石装置等を 冷却するものである。図３の極低温冷却装置は冷凍機１０で直接冷却負荷を冷却 するのではなく、冷却回路２０を介して間接的に冷却負荷を冷却する構造である 。これは、冷却を受ける負荷が冷凍機１０による振動をきらう場合に、冷凍機１ ０と冷却負荷との距離を離すため等に有効な構成である。

【０００３】 図３の極低温冷凍機１０としては、ギフォード・マクマホン（ＧＭ）サイクル 冷凍機や、ソルベー冷凍機あるいはスターリング冷凍機などがあり、その冷凍サ イクルは、冷媒ガス圧縮機１１から送出された高圧の冷媒ガスを断熱膨張させて コールドヘッド１２の先端部で吸熱作用を行い、先端部が冷却され極低温にいた る。コールドヘッド１２と冷却回路２０は真空容器１３の内部に格納されている 。

【０００４】 次に、冷却回路２０の動作と構造についてさらに説明する。冷媒循環ポンプ２ １が冷却媒体であるＨｅガスを冷却回路内に送出する。Ｈｅガスは再生熱交換器 ２２で冷却された後（ｂ点）、予冷熱交換器２３に入る。

【０００５】 予冷熱交換器２３は極低温冷凍機１０のコールドヘッド１２と接しており、予 冷熱交換器２３を通過した冷却媒体のＨｅガスは極低温に冷却される（ｃ点）。 冷却されたＨｅガスは負荷熱交換器２４を通過して冷却負荷である被冷却体２４ を冷却する（ａ点）。

【０００６】 負荷熱交換器２４を通過したＨｅガスは再生熱交換器２２に入って熱を受けて 常温に到り、さらに循環ポンプ２１の入り口に戻る。以上のサイクルを繰り返し て冷却負荷２５を冷却しつづける。

【０００７】 図４に超電導磁石装置を冷却する場合の負荷熱交換器２４と冷却負荷２５の詳 細な構造を図示する。

【０００８】

【考案が解決しようとする課題】

冷却負荷２５、たとえば超電導磁石の発熱量が一定の場合には、負荷熱交換器 ２４での冷却による吸熱量が一定でも一定の冷却温度を保つことができる。

【０００９】 ところが、冷却負荷２５の負荷すなわち吸熱されるべき発熱量が例えば図５に 示すように周期的に変動したり、図６に示すようにパルス的に変動する場合があ る。たとえば、超電導磁石に流れる電流を変化させた場合や測定対象に電流を流 して発熱が生じた場合などがある。

【００１０】 発熱により超電導磁石の温度が上昇すると、ａ点での冷却媒体のＨｅガス温度 が上昇し、その上昇した温度が再生熱交換器２２を介して伝達されてｂ点の温度 が上昇し、引続きｃ点でのＨｅガスの温度も上昇する。従って、冷却負荷２５の 温度がさらに上昇することになる。

【００１１】 しかし、冷却回路２０内の冷却サイクルを繰り返す内に、冷却負荷２５の増加 熱量は冷凍機１０により吸熱されて平衡状態に到り、ある遅れ時間の後に所定の 基準冷却温度に落ち着くことになる。発熱量が減少する場合は温度が下降するが 、同様の現象が生じる。

【００１２】 このように、冷却サイクルの応答時間が遅いために、冷却負荷２５の発熱量が 増加したり、あるいは減少したりした際に、その後に冷却回路２０の冷却温度が 平衡状態にもどるのに時間がかかり、冷却負荷２５の負荷変動に引きずられて冷 却温度もまた変動することになる。

【００１３】 従って、従来の極低温冷却装置では、冷却負荷２５の負荷変動に応じて冷却温 度も大きく変動した。超電導磁石の冷却等の場合、温度上昇は極力防止する必要 がある。この変動幅を抑制するためには、冷凍機１０の冷凍能力を増加するしか なかった。そのようなことは冷却装置の大型化につながり、コスト増加の原因と なっていた。

【００１４】 本考案の目的は、冷却負荷の負荷変動にもかかわらず、簡便な構成で冷却温度 の変動を最小限に抑制し安定した冷却が行える信頼性の高い極低温冷却装置を提 供することである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】

本考案の極低温冷却装置は、極低温冷凍機により冷却される冷却媒体により冷 却負荷を冷却する構成であって、冷却媒体を循環させる冷却回路中に極低温冷凍 機によって冷却媒体を冷却する第１の熱交換器と、第１の熱交換器により冷却さ れた冷却媒体が通過して冷却負荷を冷却する第２の熱交換器と、第２の熱交換器 の後に設けた蓄冷器とを配置する。

【００１６】 またさらに、別の本考案の極低温冷却装置は、極低温冷凍機により冷却負荷を 直接冷却する極低温冷却装置であって、前記冷凍機の前記冷却負荷と接する部分 の周囲に蓄冷器を配置した。

【００１７】

【作用】

冷却サイクル中に蓄冷器を設けて、蓄冷器が冷却媒体の熱量増加を吸収して冷 却温度の変動を吸収する。

【００１８】 また、冷凍機の冷却負荷と接する部分の周囲に蓄冷器を設けて、冷却負荷の熱 量増加を吸収して冷却温度の変動を吸収する。

【００１９】

【実施例】

図１に本考案による極低温冷却装置の第１の実施例の概念図を示す。なお、図 １において図３と同じ参照番号のものは同一ないし類似の部材を示す。

【００２０】 以下、図１の冷却回路２０の動作と構造についてさらに説明する。 冷媒循環ポンプ２１が冷却媒体であるＨｅガスを冷却回路内に送出する。Ｈｅ ガスは再生熱交換器２２で冷却された後（ｂ点）、予冷熱交換器２３に入る。予 冷熱交換器２３は極低温冷凍機１０のコールドヘッド１２と接しており、予冷熱 交換器２３を通過した冷却媒体のＨｅガスは極低温に冷却される（ｃ点）。

【００２１】 冷却されたＨｅガスは負荷熱交換器２４を通過して冷却負荷２５を冷却する（ ａ点）。負荷熱交換器２４を通過したＨｅガスは蓄冷器２６を通過する。蓄冷器 ２６は円筒状容器の内部に比熱の大きな材料たとえば銅でできた金網を何枚も積 層したものを充填した構造を有し、金網のすきまをＨｅガスが通過可能なように 構成されている。

【００２２】 蓄冷器２６を通過したＨｅガスは再生熱交換器２２に入って熱を受けて常温に 到り、さらに循環ポンプ２１の入り口に戻る。以上のサイクルを繰り返して冷却 負荷２５を冷却しつづける。

【００２３】 冷却負荷２５の熱量増加によって負荷熱交換器２４の直後のａ点での温度は上 昇するが、熱容量の大きな蓄冷器２６がその熱量を吸収して再生熱交換器２２の 入り口ａ’点でのＨｅガスの温度増加を抑制する。

【００２４】 従って、再生熱交換器２２を通過したＨｅガスのｂ点あるいはｃ点での温度上 昇が抑制されるので、冷却装置の基準冷却温度は変動しにくくなる。このような 構造により、図５あるいは図６に示したような負荷変動（発熱量の変動）に対し ても冷却サイクルは安定しており、冷却温度は負荷変動にかかわらずほぼ一定に できる。

【００２５】 図２に、本考案の別の実施例による極低温冷却装置を示す。蓄冷器を用いる考 えかたは図１の実施例と同様であるが、図２の実施例では、冷却負荷を冷却回路 を介さずに、直接冷凍機のコールドヘッドで冷却するものである。

【００２６】 図２の極低温冷凍機１０は図１あるいは図３のものと基本的に同一である。異 なる構造は、コールドヘッド１２の先端部の冷却負荷２５が接する部分の周囲に 蓄冷器２７が熱的に結合して固着されている点である。

【００２７】 蓄冷器２７は図１の実施例のように冷却媒体であるＨｅガスを通過する必要が ないので、ガス通路を形成する必要がなく、熱容量のより大きな材料たとえば銅 のブロックが用いられる。

【００２８】 蓄冷器２７を取り付けることにより、冷凍機１０のコールドヘッド１３の熱容 量が増加して図５あるいは図６に示したような負荷変動（発熱量の変動）によっ て負荷温度が上昇してもすぐに冷却温度は元に戻り、冷却温度は負荷変動にかか わらずほぼ一定にできる。

【００２９】 以上１段構成の冷凍機を用いた場合を説明したが、冷凍機の構成は１段に限ら ない。 図７は、２段冷凍機を用いた極低温冷却装置の構成例を示す。

【００３０】 図７（Ａ）において、コールドヘッド３１、３２は２段ギフォード・マクマホ ン冷凍機を構成する。冷却回路２０は予冷熱交換器２３ａ、２３ｂでそれぞれコ ールドヘッド３１、３２と熱交換し、冷却される。２段目の予冷熱交換器２３ｂ で極低温に冷却された冷却媒体は負荷熱交換器２４で冷却負荷２５を冷却し、蓄 冷器２６を通過する。冷却能力に余裕がある間、蓄冷器２６は寒冷を蓄積する。 冷却媒体は、その後再生熱交換器２２ｂ、２２ａで比較的高温の冷却媒体と熱交 換し、冷却媒体循環ポンプ（図示せず）に送られる。

【００３１】 図７（Ｂ）は、他の２段ギフォード・マクマホン冷凍機の構成を示す。この構 成においては、さらに３つ目の再生熱交換器２２ｃが予冷熱交換器２３ｂと負荷 熱交換器２４との間に配置されている。

【００３２】 このように、複数段の冷凍機を用いる場合は、最終段冷凍機の能力を補助する ため、負荷熱交換器の後、または最終段冷凍機自体に蓄冷器を備えることが好ま しい。

【００３３】 以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるもので はない。たとえば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自 明であろう。

【００３４】 以上述べた実施例において記載した冷却回路の構成の材料や形状あるいは冷凍 機の型式は本実用新案登録請求の範囲の記載の範囲で、考案の効果が得られるよ うに様々な改良や変更を行うことができ、それらの改良や変更はすべて本考案の 範囲に含まれるものである。

【００３５】

【考案の効果】

冷凍機により冷却回路を介して冷却負荷を冷却する極低温冷却装置において、 冷却サイクル中に蓄冷器を設けて、蓄冷器が冷却媒体の熱量増加を吸収すること により冷却温度の変動を抑制し、安定で信頼性の高い冷却装置が提供される。

【００３６】 また、冷凍機で直接冷凍負荷を冷却する極低温冷却装置において、冷凍機の冷 却負荷と接する部分の周囲に蓄冷器を設けて、冷却負荷の熱量増加を吸収して冷 却温度の変動を吸収することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本考案の第１の実施例による極低温冷却装置
の概念図である。

【図２】 本考案の第２の実施例による極低温冷却装置
の概念図である。

【図３】 従来の技術による極低温冷却装置の概念図で
ある。

【図４】 冷却負荷の具体例の構造を示す図である。

【図５】 冷却負荷の負荷量の周期的な時間変動を示す
図である。

【図６】 冷却負荷の負荷量のパルス的な時間変動を示
す図である。

【図７】 ２段構成の冷凍機を用いた極低温冷却装置の
概念図である。

【符号の説明】

１０・・・・・・冷凍機 １１・・・・・・圧縮機 １２・・・・・・コールドヘッド １３・・・・・・真空容器 ２０・・・・・・冷却回路 ２１・・・・・・冷却媒体循環ポンプ ２２・・・・・・再生熱交換器 ２３・・・・・・予冷熱交換器 ２４・・・・・・負荷熱交換器 ２５・・・・・・冷却負荷 ２６，２７・・・蓄冷器 ３０・・・・・・ジュール・トムソン弁 ３１、３２・・・コールドヘッド

Claims (5)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 極低温冷凍機により冷却される冷却媒体
   により冷却負荷を冷却する極低温冷却装置であって、 前記冷却媒体を循環させる冷却回路を有し、前記冷却回
   路は、前記極低温冷凍機によって前記冷却媒体を冷却す
   る第１の熱交換器と、前記第１の熱交換器により冷却さ
   れた前記冷却媒体が通過して前記冷却負荷を冷却する第
   ２の熱交換器と、前記第２の熱交換器の後に設けた蓄冷
   器とを有する極低温冷却装置。
2. 【請求項２】 前記蓄冷器は、容器と、該容器内部に充
   填された高比熱材を含む請求項１記載の極低温冷却装
   置。
3. 【請求項３】 極低温冷凍機により冷却負荷を直接冷却
   する極低温冷却装置であって、前記冷凍機の前記冷却負
   荷と接する部分の周囲に蓄冷器を配置した極低温冷却装
   置。
4. 【請求項４】 前記蓄冷却器は高比熱材のブロックから
   なる請求項３記載の極低温冷却装置。
5. 【請求項５】 前記極低温冷凍機は複数段構成の極低温
   冷凍装置の最終段の冷凍機である請求項１〜４のいずれ
   かに記載の極低温冷却装置。