JPH09236344A - 極低温冷凍装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ディスプレーサ型膨張機からなる予冷及びシ
ールド冷凍機２６，４０と、ＪＴ冷凍機４８とに対し、
ＪＴ冷凍機４８の冷凍能力への予冷冷凍機２６の冷凍能
力の影響を小さくし、液体ヘリウムタンクＴｈ内の蒸発
ヘリウムガスを冷却して凝縮液化する場合にタンクＴｈ
内のヘリウムガスを常温から凝縮温度まで短時間で冷却
する。 【解決手段】 ＪＴ冷凍機４８において圧縮機５，８か
らの高圧ヘリウムガスを、圧縮機５，８側に戻る低温度
の低圧ヘリウムガスと熱交換する４段のＪＴ熱交換器５
１〜５４のうち、その最高温側の第１ＪＴ熱交換器５１
で冷却された後のヘリウムガスを予冷熱交換器５０でシ
ールド冷凍機４０のヒートステーション４３により予冷
した後に、予冷冷凍機２６のヒートステーション３７，
３８で予冷するようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧縮機に対しディ
スプレーサ駆動型膨張機からなる予冷及びシールド冷凍
機とＪＴ冷凍機とが接続された極低温冷凍装置の技術分
野に属する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、この種の極低温冷凍装置とし
て、例えば特開平７―１２７９３６号、特開平７―１２
７９３７号、特開平７―１２７９３８号の各公報に示さ
れるように、高圧ヘリウムガスをＪＴ弁でジュールトム
ソン膨張させるＪＴ冷凍機と、高圧ヘリウムガスをディ
スプレーサの往復動により膨張させて極低温を発生さ
せ、上記ＪＴ冷凍機でジュールトムソン膨張する前のヘ
リウムガスを予冷するディスプレーサ駆動型膨張機から
なる予冷冷凍機と、高圧ヘリウムガスをディスプレーサ
の往復動により膨張させて極低温を発生させるディスプ
レーサ駆動型膨張機からなるシールド冷凍機とを備え、
ＪＴ冷凍機のＪＴ弁でのヘリウムガスの膨張によって約
４Ｋの極低温レベルの寒冷を発生させるとともに、この
ＪＴ冷凍機により極低温レベルに冷却される極低温冷却
部分を、シールド冷凍機で得られた極低温の寒冷により
外部の常温レベルから熱シールドするようにした４Ｋ冷
凍装置は知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記従来の
ものでは、ＪＴ冷凍機の高圧ヘリウムガスは予冷冷凍機
により予冷された後にＪＴ弁でジュールトムソン膨張す
るようになっているので、そのＪＴ冷凍機の冷凍能力は
予冷冷凍機の冷凍能力に大きく依存し、長期間が経過し
て予冷冷凍機の劣化等によりその冷凍能力が低下する
と、それに連れてＪＴ冷凍機の冷凍能力も低下するとい
う問題がある。

【０００４】また、例えばＪＴ冷凍機で得られた寒冷に
より、液体ヘリウムタンク内の蒸発ヘリウムガスを冷却
して凝縮液化するようにしている場合において、ヘリウ
ムタンク内でヘリウムガスを常温から凝縮温度まで冷却
して液化する際、ＪＴ冷凍機の冷凍能力として予冷冷凍
機の冷凍能力のみしか利用できず、ヘリウムタンク内に
十分な量の液体ヘリウムを貯溜するのに長時間がかか
る。

【０００５】本発明は斯かる点に鑑みてなされたもの
で、その目的は、予冷冷凍機、ＪＴ冷凍機及びシールド
冷凍機からなる３種類の冷凍機の構成を旨く利用するこ
とにより、ＪＴ冷凍機の冷凍能力に対する予冷冷凍機の
冷凍能力の影響を小さくするとともに、ＪＴ冷凍機によ
り冷媒タンク内の蒸発冷媒ガスを冷却して凝縮液化する
場合に、冷媒タンク内での冷媒ガスを常温から凝縮温度
まで短時間で冷却できるようにすることにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、この発明では、ＪＴ冷凍機での高圧冷媒ガスを予
冷冷凍機で予冷するばかりでなく、その所定の段階でシ
ールド冷凍機によっても予冷するようにした。

【０００７】具体的には、請求項１の発明では、図１〜
図４に示すように、冷媒ガスを圧縮する圧縮機（５），
（８）と、この圧縮機（５），（８）からの高圧冷媒ガ
スを圧縮機（５），（８）側に戻る低温度の低圧冷媒ガ
スと熱交換する複数段のＪＴ熱交換器（５１）〜（５
４）、及び該ＪＴ熱交換器（５１）〜（５４）で冷却さ
れた高圧冷媒ガスをジュールトムソン膨張させて極低温
を発生させるＪＴ弁（５８）を有するＪＴ冷凍機（４
８）と、上記圧縮機（５），（８）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張させてヒートステ
ーション（３７），（３８）に極低温を発生させ、上記
ＪＴ冷凍機（４８）でジュールトムソン膨張する前の冷
媒ガスを上記ヒートステーション（３７），（３８）に
より予冷する予冷冷凍機（２６）と、少なくとも上記Ｊ
Ｔ冷凍機（４８）による極低温冷却部分を囲むように配
設され、冷却された状態で極低温冷却部分を外部から熱
シールドする熱シールド部（Ｓ）と、上記圧縮機
（５），（８）からの高圧冷媒ガスをディスプレーサの
往復動により膨張させてヒートステーション（４３）に
極低温を発生させ、該ヒートステーション（４３）によ
り上記熱シールド部（Ｓ）を冷却するシールド冷凍機
（４０）と、上記複数段のＪＴ熱交換器（５１）〜（５
４）のうちの最高温側のＪＴ熱交換器（５１）で冷却さ
れた後でかつ予冷冷凍機（２６）のヒートステーション
（３７），（３８）で冷却される前の高圧冷媒ガスを上
記シールド冷凍機（４０）のヒートステーション（４
３）により冷却する予冷熱交換器（５０）とを備えたこ
とを特徴とするものである。

【０００８】この構成により、圧縮機（５），（８）か
ら吐出された高圧冷媒ガスがそれぞれ予冷冷凍機（２
６）、シールド冷凍機（４０）及びＪＴ冷凍機（４８）
に供給される。そして、予冷冷凍機（２６）のヒートス
テーション（３７），（３８）及びシールド冷凍機（４
０）のヒートステーション（４３）で各々のディスプレ
ーサの往復動により極低温レベルの寒冷がそれぞれ発生
し、予冷冷凍機（２６）のヒートステーション（３
７），（３８）での寒冷により、ＪＴ冷凍機（４８）で
ジュールトムソン膨張する前の高圧冷媒ガスが予冷され
る。また、ＪＴ冷凍機（４８）では、圧縮機（５），
（８）からの高圧冷媒ガスが複数段のＪＴ熱交換器（５
１）〜（５４）において、圧縮機（５），（８）側に戻
る低温度の低圧冷媒ガスと熱交換されて冷却（予冷）さ
れる。こうして予冷された冷媒ガスがＪＴ弁（５８）で
ジュールトムソン膨張して、４Ｋレベルの寒冷が発生す
る。また、シールド冷凍機（４０）のヒートステーショ
ン（４３）での寒冷により熱シールド部（Ｓ）が冷却さ
れ、この熱シールド部（Ｓ）によりＪＴ冷凍機（４８）
による極低温冷却部分が外部から熱シールドされる。

【０００９】そして、予冷熱交換器（５０）では、上記
複数段のＪＴ熱交換器（５１）〜（５４）のうちの最高
温側のＪＴ熱交換器（５１）で冷却された後でかつ予冷
冷凍機（２６）のヒートステーション（３７），（３
８）で冷却される前の高圧冷媒ガスが上記熱シールド部
（Ｓ）と共にシールド冷凍機（４０）のヒートステーシ
ョン（４３）により冷却される。従って、このようにＪ
Ｔ冷凍機（４８）のＪＴ弁（５８）で膨張する前の高圧
冷媒ガスがシールド冷凍機（４０）からの寒冷をも受け
て予冷されるので、その分、予冷冷凍機（２６）の冷凍
能力が低減されて、その予冷冷凍機（２６）の冷凍能力
の影響をＪＴ冷凍機（４８）が受け難くなる。しかも、
シールド冷凍機（４０）による冷却によりＪＴ冷凍機
（４８）での高圧冷媒ガスの予冷段数が増えるので、極
低温冷凍装置の効率を高めることができ、圧縮膨張用の
冷媒タンク（Ｔｈ）内の蒸発冷媒ガスを冷却して凝縮液
化する場合に、その冷媒タンク（Ｔｈ）内で冷媒ガスを
常温から凝縮温度まで冷却する時間を短くすることがで
きる。

【００１０】請求項２の発明では、図１に示すように、
請求項１の発明の極低温冷凍装置において、熱シールド
部（Ｓ）を冷却する液体シールド冷媒を貯溜するシール
ド冷媒タンク（Ｔｎ）と、このシールド冷媒タンク（Ｔ
ｎ）内の液体シールド冷媒により熱シールド部（Ｓ）を
冷却するシールド熱交換器（２３）とを設ける。そし
て、シールド冷凍機（４０）は、そのヒートステーショ
ン（４３）により上記シールド冷媒タンク（Ｔｎ）内の
蒸発シールド冷媒ガスを冷却して凝縮液化するように構
成する。また、予冷熱交換器（５０）は、高圧冷媒ガス
を上記シールド冷媒タンク（Ｔｎ）内の液体シールド冷
媒と熱交換するように構成する。

【００１１】このことで、シールド冷媒タンク（Ｔｎ）
内に貯溜されている液体シールド冷媒がシールド熱交換
器（２３）に供給されて、熱シールド部（Ｓ）が冷却さ
れる。また、シールド冷凍機（４０）のヒートステーシ
ョン（４３）によりシールド冷媒タンク（Ｔｎ）内に蒸
発シールド冷媒ガスが冷却されて液化する。そして、予
冷熱交換器（５０）では、ＪＴ冷凍機（４８）の高圧冷
媒ガスが上記シールド冷媒タンク（Ｔｎ）内の液体シー
ルド冷媒と熱交換されて冷却される。つまり、このＪＴ
冷凍機（４８）の冷媒ガスは、シールド冷凍機（４０）
のヒートステーション（４３）によりシールド冷媒タン
ク（Ｔｎ）内の液体シールド冷媒を介して間接的に冷却
される。よって、請求項１の発明と同様の作用効果が得
られる。

【００１２】特に、この発明では、ＪＴ冷凍機（４８）
の高圧冷媒ガスを予冷熱交換器（５０）でシールド冷媒
タンク（Ｔｎ）内の液体シールド冷媒により冷却するの
で、極低温冷凍装置を定常運転にするクールダウン時
に、シールド冷媒タンク（Ｔｎ）内に液体シールド冷媒
を供給すれば、その時点で直ちにＪＴ冷凍機（４８）の
高圧冷媒ガスを冷却（予冷）でき、クールダウン時間を
短縮することができる。

【００１３】請求項３の発明では、図２に示すように、
請求項１の発明の極低温冷凍装置において、熱シールド
部（Ｓ）を冷却する液体シールド冷媒を貯溜するシール
ド冷媒タンク（Ｔｎ）を設ける。そして、シールド冷凍
機（４０）は、そのヒートステーション（４３）により
上記シールド冷媒タンク（Ｔｎ）内に蒸発シールド冷媒
ガスを冷却して凝縮液化するように構成する。また、予
冷熱交換器（５０）は、高圧冷媒ガスを上記シールド冷
媒タンク（Ｔｎ）内の液体シールド冷媒と熱交換するよ
うに構成する。上記予冷熱交換器（５０）に、該予冷熱
交換器（５０）でシールド冷媒タンク（Ｔｎ）内の液体
シールド冷媒により冷却された冷媒ガスにより熱シール
ド部（Ｓ）を冷却するシールド熱交換器（２３）を接続
する。

【００１４】この構成により、シールド冷凍機（４０）
のヒートステーション（４３）によりシールド冷媒タン
ク（Ｔｎ）内に蒸発シールド冷媒ガスが冷却されて液化
する。また、予冷熱交換器（５０）では、ＪＴ冷凍機
（４８）の高圧冷媒ガスが上記シールド冷媒タンク（Ｔ
ｎ）内の液体シールド冷媒と熱交換されて冷却され、こ
の予冷熱交換器（５０）で液体シールド冷媒により冷却
された高圧冷媒ガスがシールド熱交換器（２３）に供給
され、この冷却された冷媒ガスにより熱シールド部
（Ｓ）が冷却される。つまり、この発明では、このＪＴ
冷凍機（４８）の高圧冷媒ガスが、シールド冷凍機（４
０）によりシールド冷媒タンク（Ｔｎ）内の液体シール
ド冷媒を介して間接的に冷却された後にシールド熱交換
器（２３）に流れて熱シールド部（Ｓ）を冷却する。よ
って、請求項１の発明と同様の作用効果が得られる。

【００１５】請求項４の発明では、図３に示すように、
請求項１の発明の極低温冷凍装置において、予冷熱交換
器（５０）は、高圧冷媒ガスをシールド冷凍機（４０）
のヒートステーション（４３）と直接に熱交換するよう
に構成する。そして、予冷熱交換器（５０）に、該予冷
熱交換器（５０）でシールド冷凍機（４０）のヒートス
テーション（４３）により冷却された冷媒ガスにより熱
シールド部（Ｓ）を冷却するシールド熱交換器（２３）
を接続する。

【００１６】こうすれば、予冷熱交換器（５０）におい
て、ＪＴ冷凍機（４８）の高圧冷媒ガスがシールド冷凍
機（４０）のヒートステーション（４３）と熱交換され
て冷却された後、シールド熱交換器（２３）に供給さ
れ、この冷却された高圧冷媒ガスにより熱シールド部
（Ｓ）が冷却される。つまり、この発明では、ＪＴ冷凍
機（４８）の高圧冷媒ガスがシールド冷凍機（４０）の
ヒートステーション（４３）から直接的に冷却された後
にシールド熱交換器（２３）で熱シールド部（Ｓ）を冷
却することとなり、この場合にも、請求項１の発明と同
様の作用効果が得られる。

【００１７】請求項５の発明では、図４に示す如く、請
求項１の発明の極低温冷凍装置において、予冷熱交換器
（５０）は、高圧冷媒ガスをシールド冷凍機（４０）の
ヒートステーション（４３）と直接に熱交換するように
構成する。そして、シールド冷凍機（４０）のヒートス
テーション（４３）に熱シールド部（Ｓ）を熱接触させ
る。

【００１８】このことで、請求項４の発明と同様に、Ｊ
Ｔ冷凍機（４８）の高圧冷媒ガスがシールド冷凍機（４
０）のヒートステーション（４３）と熱交換されて冷却
される。また、シールド冷凍機（４０）のヒートステー
ション（４３）に熱シールド部（Ｓ）が熱接触している
ので、このシールド冷凍機（４０）のヒートステーショ
ン（４３）により熱シールド部（Ｓ）が直接的に冷却さ
れる。よって、請求項１の発明と同様の作用効果が得ら
れる。

【００１９】

【発明の実施の形態】

（実施形態１）図１は本発明の実施形態１に係る極低温
冷凍装置（Ｒ）の全体構成を示し、この冷凍装置（Ｒ）
は超電導磁石（Ｍ）をその超電導コイルが極低温レベル
になるように冷却するためのもので、液体ヘリウム（冷
媒）を貯溜する液体ヘリウムタンク（Ｔｈ）に付設され
ている。そして、このヘリウムタンク（Ｔｈ）内に超電
導磁石（Ｍ）が液体ヘリウムにより浸漬されて収容さ
れ、この液体ヘリウムにより磁石（Ｍ）の超電導コイル
が臨界温度以下に冷却保持される。

【００２０】冷凍装置（Ｒ）は圧縮機ユニット（１）と
冷凍機ユニット（２１）とからなる。上記圧縮機ユニッ
ト（１）には、低圧ガス吸入口（２）からの低圧ヘリウ
ムガスを、逆止弁（３）を有する低圧配管（４）を介し
て吸い込んで圧縮する低段圧縮機（５）と、この低段圧
縮機（５）から吐出されたヘリウムガスを、中間圧ガス
吸入口（６）から中間圧配管（７）を介して吸入された
中間圧のヘリウムガスと共に吸い込んでさらに高圧に圧
縮する高段圧縮機（８）とが配設され、この高段圧縮機
（８）の吐出側は冷凍機用高圧配管（９）を介して冷凍
機用高圧ガス吐出口（１０）に、また上記冷凍機用高圧
配管（９）から分岐したＪＴ用高圧配管（１１）を介し
てＪＴ用高圧ガス吐出口（１２）にそれぞれ接続されて
いる。上記高段圧縮機（８）の吐出側からＪＴ冷凍機
（４８）に至る上記ＪＴ用高圧配管（１１）には流量調
整用の絞り固定式のＪＴ流量調整弁（Ｖ）が配設されて
いる。

【００２１】（Ｔｂ）はヘリウムガスを貯蔵するバッフ
ァタンクで、このバッファタンク（Ｔｂ）にはヘリウム
ガス給排配管（１５）の一端部が接続されている。この
ヘリウムガス給排配管（１５）の他端側は圧縮機ユニッ
ト（１）内でヘリウムガス供給配管（１６）とヘリウム
ガス戻し配管（１７）とに分岐され、ヘリウムガス供給
配管（１６）の端部は、上記低段圧縮機（５）の吸込側
と逆止弁（４）との間の低圧配管（４）に接続され、こ
のヘリウムガス供給配管（１６）には低圧制御弁（ＬＰ
Ｒ）が配設されている。この低圧制御弁（ＬＰＲ）は、
低圧配管（４）でのヘリウムガス圧が設定圧以下に低下
したときにそれをパイロット圧として自動的に開くもの
で、この低圧制御弁（ＬＰＲ）の開弁に伴い、バッファ
タンク（Ｔｂ）内のヘリウムガスが低圧配管（４）（冷
媒回路）に供給される。

【００２２】一方、ヘリウムガス戻し配管（１７）の端
部は上記冷凍機用高圧配管（９）（ＪＴ用高圧配管（１
１））に接続され、このヘリウムガス戻し配管（１７）
の途中には高圧制御弁（ＨＰＲ）が配置されている。こ
の高圧制御弁（ＨＰＲ）は、冷凍機用高圧配管（９）で
のヘリウムガス圧が設定圧以上に上昇したときにそれを
パイロット圧として自動的に開くもので、この高圧制御
弁（ＨＰＲ）の開弁により冷凍機用高圧配管（９）及び
ＪＴ用高圧配管（１１）（冷媒回路）のヘリウムガスが
バッファタンク（Ｔｂ）内に戻される。

【００２３】これに対し、上記冷凍機ユニット（２１）
は真空デュワー（Ｄ）を有し、この真空デュワー（Ｄ）
内部に上記液体ヘリウムタンク（Ｔｈ）が熱シールド部
としての熱シールド板（Ｓ）により外部から熱シールド
された状態で収容されており、この熱シールド板（Ｓ）
の内部が、後述のＪＴ冷凍機（４８）により極低温レベ
ルに冷却される極低温冷却部分とされている。

【００２４】また、真空デュワー（Ｄ）の内部にはシー
ルド冷媒としての液体窒素を貯溜する液体窒素タンク
（Ｔｎ）が配設されている。この液体窒素タンク（Ｔ
ｎ）の底部には窒素配管（２２）の一端部が接続され、
この窒素配管（２２）の他端部は同じ液体窒素タンク
（Ｔｎ）内の上部に開口されていて、窒素配管（２２）
及び液体窒素タンク（Ｔｎ）により閉回路の窒素回路が
構成されている。

【００２５】そして、上記窒素配管（２２）の途中には
上記熱シールド板（Ｓ）に伝熱可能に接触したシールド
熱交換器としてのシールド板熱交換器（２３）が配設さ
れており、液体窒素タンク（Ｔｎ）内の液体窒素を窒素
配管（２２）を介してシールド板熱交換器（２３）に供
給し、そのシールド板熱交換器（２３）で液体窒素タン
ク（Ｔｎ）内からの液体窒素との熱交換により熱シール
ド板（Ｓ）を液体窒素の温度（約８０Ｋ）に冷却して、
熱シールド板（Ｓ）内の液体ヘリウムタンク（Ｔｈ）等
を外部から熱シールドするとともに、シールド板熱交換
器（２３）での熱交換によって蒸発した窒素ガスを窒素
タンク（Ｔｎ）内に戻すようにしている。尚、（２４）
は液体窒素タンク（Ｔｎ）内に連通するように接続され
た大気放出弁で、液体窒素タンク（Ｔｎ）内の余剰の窒
素を真空デュワー（Ｄ）外部に放出するためのものであ
る。

【００２６】上記冷凍機ユニット（２１）は、圧縮機ユ
ニット（１）の高段圧縮機（８）に対し互いに並列に閉
回路に接続された予冷冷凍機（２６）、シールド冷凍機
（４０）及びＪＴ冷凍機（４８）からなる。上記予冷冷
凍機（２６）は、ＪＴ冷凍機（４８）におけるヘリウム
ガス（冷媒）を予冷するためにヘリウムガスを圧縮及び
膨張させるもので、ディスプレーサ（図示せず）に対す
るヘリウムガス圧により該ディスプレーサを往復動させ
るガス圧駆動型のＧ−Ｍ（ギフォード・マクマホン）サ
イクルの膨張機で構成されている。

【００２７】この予冷冷凍機（２６）は上記真空デュワ
ー（Ｄ）の外部に配置される密閉状のモータヘッド（２
７）と、該モータヘッド（２７）に連設された大小２段
構造のシリンダ（２８）とを有する。上記モータヘッド
（２７）には高圧ガス入口（２９）及び低圧ガス出口
（３０）が開口され、高圧ガス入口（２９）は予冷側分
岐高圧配管（３１）及び集合高圧配管（３３）を介して
上記圧縮機ユニット（１）の冷凍機用高圧ガス吐出口
（１０）つまり高段圧縮機（８）の吐出側に、また低圧
ガス出口（３０）は予冷側分岐中間圧配管（３４）及び
集合中間圧配管（３６）を介して圧縮機ユニット（１）
の中間圧ガス吸入口（６）つまり高段圧縮機（８）の吸
入側にそれぞれ接続されている。

【００２８】一方、シリンダ（２８）の先端部は真空デ
ュワー（Ｄ）の側壁を貫通してその内部の熱シールド板
（Ｓ）内に延びており、その大径部の先端部は所定温度
レベルに冷却保持される第１ヒートステーション（３
７）に、また小径部の先端部は上記第１ヒートステーシ
ョン（３７）よりも低い温度レベルに冷却保持される第
２ヒートステーション（３８）にそれぞれ形成されてい
る。

【００２９】すなわち、ここでは図示しないが、シリン
ダ（２８）内には、上記各ヒートステーション（３
７），（３８）に対応する位置にそれぞれ膨張空間を区
画形成するフリータイプのディスプレーサ（置換器）が
往復動可能に嵌挿されている。一方、モータヘッド（２
７）内には、回転する毎に開閉するロータリバルブと、
該ロータリバルブを駆動するバルブモータとが収容され
ている。ロータリバルブは、上記高圧ガス入口（２９）
から流入したヘリウムガスをシリンダ（２８）内の各膨
張空間に供給し、又は各膨張空間内で膨張したヘリウム
ガスを低圧ガス出口（３０）から排出するように切り換
わる。また、モータヘッド（２７）には、シリンダ（２
８）内の膨張空間に対しオリフィスを介して連通する中
間圧室が設けられており、ロータリバルブの切換えによ
り膨張空間と中間圧室との間に圧力差を生じさせ、この
圧力差によりディスプレーサを往復駆動するようにして
いる。そして、ロータリバルブの開閉により圧縮機ユニ
ット（１）の高段圧縮機（８）からの高圧ヘリウムガス
をシリンダ（２８）内の各膨張空間でサイモン膨張させ
て、その膨張に伴う温度降下により極低温レベルの寒冷
を発生させ、その寒冷をシリンダ（２８）における第１
及び第２ヒートステーション（３７），（３８）にて保
持する。つまり、予冷冷凍機（２６）では、高段圧縮機
（８）から吐出された高圧のヘリウムガスを断熱膨張さ
せてヒートステーション（３７），（３８）の温度を低
下させ、ＪＴ冷凍機（４８）における後述の予冷器（５
６），（５７）を予冷するとともに、膨張した中間圧の
ヘリウムガスを高段圧縮機（８）の吸入側に戻して再圧
縮するようになされている。

【００３０】一方、シールド冷凍機（４０）は上記予冷
冷凍機（２６）と同じ構造のガス圧駆動型のもので、真
空デュワー（Ｄ）の外部に配置されるモータヘッド（４
１）と、該モータヘッド（４１）に連設され、真空デュ
ワー（Ｄ）の側壁を貫通してその内部に延びるシリンダ
（４２）とを有する。上記モータヘッド（４１）には高
圧ガス入口（４４）及び低圧ガス出口（４５）が開口さ
れ、高圧ガス入口（４４）はシールド側分岐高圧配管
（３２）を介して上記集合高圧配管（３３）、つまり圧
縮機ユニット（１）の冷凍機用高圧ガス吐出口（１０）
（高段圧縮機（８）の吐出側）に、また低圧ガス出口
（４５）はシールド側分岐中間圧配管（３５）を介して
上記集合中間圧配管（３６）、つまり圧縮機ユニット
（１）の中間圧ガス吸入口（６）（高段圧縮機（８）の
吸入側）にそれぞれ接続されている。一方、シリンダ
（４２）の先端部は所定温度レベルに冷却保持されるヒ
ートステーション（４３）に形成されていて、このヒー
トステーション（４３）は上記液体窒素タンク（Ｔｎ）
内部に臨んでいる。そして、シールド冷凍機（４０）に
より、高段圧縮機（８）から吐出された高圧のヘリウム
ガスを断熱膨張させてヒートステーション（４３）の温
度を低下させ、そのヒートステーション（４３）で液体
窒素タンク（Ｔｎ）内の蒸発窒素ガスを冷却して凝縮液
化するとともに、膨張した中間圧ヘリウムガスを高段圧
縮機（８）の吸入側に戻して再圧縮するようになされて
いる。

【００３１】上記ＪＴ冷凍機（４８）は、約４Ｋレベル
の寒冷を発生させるためにヘリウムガスをジュールトム
ソン膨張させる冷凍機であって、このＪＴ冷凍機（４
８）は、上記真空デュワー（Ｄ）内で熱シールド板
（Ｓ）の外側に配置された第１ＪＴ熱交換器（５１）
と、熱シールド板（Ｓ）の内側に配置された第２〜第４
ＪＴ熱交換器（５２）〜（５４）とを備えている。この
４段のＪＴ熱交換器（５１）〜（５４）の各々は１次側
及び２次側をそれぞれ通過するヘリウムガス間で互いに
熱交換させるもので、第１ＪＴ熱交換器（５１）の１次
側は圧縮機ユニット（１）のＪＴ用高圧ガス吐出口（１
２）つまり高段圧縮機（８）の吐出側にＪＴ側高圧配管
（５５）を介して接続されている。また、第２及び第３
ＪＴ熱交換器（５２），（５３）の各１次側同士は、上
記予冷冷凍機（２６）におけるシリンダ（２８）の第１
ヒートステーション（３７）外周に配置した第１予冷器
（５６）を介して接続されている。同様に、第３及び第
４ＪＴ熱交換器（５３），（５４）の各１次側同士は、
第２ヒートステーション（３８）外周に配置した第２予
冷器（５７）を介して接続されている。さらに、上記第
４ＪＴ熱交換器（５４）の１次側は、高圧のヘリウムガ
スをジュールトムソン膨張させるＪＴ弁（５８）に吸着
器（５９）を介して接続されている。上記ＪＴ弁（５
８）は真空デュワー（Ｄ）外側から操作ロッド（５８
ａ）によって開度が調整される。このＪＴ弁（５８）
は、液体ヘリウム戻し配管（６０）を介して上記液体ヘ
リウムタンク（Ｔｈ）内に連通されている。また、この
ヘリウムタンク（Ｔｈ）内は、ヘリウムガス吸入配管
（６１）を介して上記第４ＪＴ熱交換器（５４）の２次
側に接続されている。そして、この第４ＪＴ熱交換器
（５４）の２次側は第３及び第２ＪＴ熱交換器（５
３），（５２）の各２次側を経て第１ＪＴ熱交換器（５
１）の２次側に接続され、この第１ＪＴ熱交換器（５
１）の２次側は低圧配管（６２）を介して圧縮機ユニッ
ト（１）の低圧ガス吸入口（２）つまり低段圧縮機
（５）の吸入側に接続されている。

【００３２】本発明の特徴として、上記第１及び第２Ｊ
Ｔ熱交換器（５１），（５２）の各１次側同士は、上記
液体窒素タンク（Ｔｎ）内に配置した予冷熱交換器（５
０）を介して接続されている。この予冷熱交換器（５
０）は液体窒素タンク（Ｔｎ）内の液体窒素に浸漬され
ていて、予冷熱交換器（５０）内部を通る高圧ヘリウム
ガスを液体窒素タンク（Ｔｎ）内の液体窒素と熱交換す
るようになっており、第１〜第４の４段のＪＴ熱交換器
（５１）〜（５４）のうちの最高温側の第１ＪＴ熱交換
器（５１）で冷却された後でかつ予冷冷凍機（２６）の
ヒートステーション（３７），（３８）で冷却される前
のヘリウムガスを、予冷熱交換器（５０）においてシー
ルド冷凍機（４０）のヒートステーション（４３）によ
り液体窒素を介して間接的に冷却するようにしている。

【００３３】そして、ＪＴ冷凍機（４８）は圧縮機ユニ
ット（１）の両圧縮機（５），（８）に対し高低圧配管
（５５），（６２）を介して直列に接続された冷媒回路
をなし、その冷媒回路の一部が液体ヘリウム戻し配管
（６０）及びヘリウムガス吸入配管（６１）を介してヘ
リウムタンク（Ｔｈ）内に開放されており、このヘリウ
ムタンク（Ｔｈ）内で蒸発したヘリウムガスをガス吸入
配管（６１）から冷媒回路に吸い込み、さらに第４〜第
１ＪＴ熱交換器（５４）〜（５１）の各２次側を通して
圧縮機ユニット（１）の低段圧縮機（５）、次いで高段
圧縮機（８）にそれぞれ吸入して圧縮する。また、この
高段圧縮機（８）により圧縮された高圧ヘリウムガスを
第１〜第４ＪＴ熱交換器（５１）〜（５４）において、
圧縮機ユニット（１）側に向かう低温低圧のヘリウムガ
スと熱交換させて冷却するとともに、予冷熱交換器（５
０）でシールド冷凍機（４０）のヒートステーション
（４３）で、また第１及び第２予冷器（５６），（５
７）で予冷冷凍機（２６）の第１及び第２ヒートステー
ション（３７），（３８）でそれぞれ冷却（予冷）した
後、ＪＴ弁（５８）でジュールトムソン膨張させて約４
Ｋの液状態のヘリウムとなし、この液体ヘリウムを液体
ヘリウム戻し配管（６０）を経由してタンク（Ｔｈ）内
に戻すようになされている。

【００３４】次に、上記実施形態の作用について説明す
る。基本的に、超電導磁石（Ｍ）が作動する定常状態で
は、その超電導コイルがヘリウムタンク（Ｔｈ）内の液
体ヘリウムにより臨界温度以下に冷却保持される。ま
た、上記ヘリウムタンク（Ｔｈ）内で蒸発したヘリウム
ガスは、タンク（Ｔｈ）内に開口するヘリウムガス吸入
配管（６１）から吸い込まれて極低温冷凍装置（Ｒ）に
おけるＪＴ冷凍機（４８）の冷媒回路に供給され、そこ
で圧縮及び膨張により冷却されて液化する。この液体ヘ
リウムは液体ヘリウム戻し配管（６０）を経てタンク
（Ｔｈ）内に戻される。このことによって、タンク（Ｔ
ｈ）内に液体ヘリウムが所定量以上貯溜されて、超電導
コイルが臨界温度以下に安定して冷却される。

【００３５】一方、液体窒素タンク（Ｔｎ）内の液体窒
素が窒素配管（２２）を介してシールド板熱交換器（２
３）に供給されて、該シールド板熱交換器（２３）によ
り熱シールド板（Ｓ）が約８０Ｋに冷却保持され、この
冷却によって熱シールド板（Ｓ）内の液体ヘリウムタン
ク（Ｔｈ）やその内部の超電導磁石（Ｍ）、予冷冷凍機
（２６）の各ヒートステーション（３７），（３８）等
が外部から熱シールドされる。また、上記シールド板熱
交換器（２３）で熱シールド板（Ｓ）との熱交換により
液体窒素が蒸発して窒素ガスとなり、この窒素ガスは窒
素配管（２２）を経て液体窒素タンク（Ｔｎ）内の上部
に戻る。

【００３６】上記冷凍装置（Ｒ）の運転についてさらに
詳しく説明すると、ＪＴ冷凍機（４８）を運転状態とす
るときには、圧縮機ユニット（１）の高段圧縮機（８）
から供給された高圧のヘリウムガスの一部が予冷冷凍機
（２６）におけるシリンダ（２８）内の各膨張空間で膨
張し、このガスの膨張に伴う温度降下により第１ヒート
ステーション（３７）が所定温度レベルに、また第２ヒ
ートステーション（３８）が第１ヒートステーション
（３７）よりも低い温度レベルにそれぞれ冷却される。
膨張空間で膨張したヘリウムガスは圧縮機ユニット
（１）に戻り、その中間圧配管（７）を経由して上記高
段圧縮機（８）に吸い込まれて圧縮される。

【００３７】また、上記圧縮機ユニット（１）の高段圧
縮機（８）から供給された高圧のヘリウムガスの残りの
一部がシールド冷凍機（４０）におけるシリンダ（４
２）内の膨張空間で膨張し、このガスの膨張に伴う温度
降下により上記液体窒素タンク（Ｔｎ）内のヒートステ
ーション（４３）が所定温度レベルに冷却される。この
ことで、液体窒素タンク（Ｔｎ）内上部の窒素ガスが冷
却されて液化し、液体窒素に戻る。尚、このシールド冷
凍機（４０）のシリンダ（４２）内の膨張空間で膨張し
たヘリウムガスも、上記予冷冷凍機（２６）のガスと同
様に圧縮機ユニット（１）に戻り、その中間圧配管
（７）を経由して高段圧縮機（８）に吸い込まれて圧縮
される。

【００３８】一方、圧縮機ユニット（１）における高段
圧縮機（８）から吐出された高圧のヘリウムガスの残部
は、ＪＴ用高圧配管（１１）を経由してＪＴ冷凍機（４
８）の第１ＪＴ熱交換器（５１）の１次側に入り、そこ
で圧縮機ユニット（１）側へ向かう２次側の低圧ヘリウ
ムガスと熱交換されて常温３００Ｋから所定温度まで冷
却された後、上記液体窒素タンク（Ｔｎ）内で液体窒素
に浸漬されている予冷熱交換器（５０）に入って液体窒
素の温度（約８０Ｋ）まで冷却される。次いで、この高
圧ヘリウムガスは、第２ＪＴ熱交換器（５２）の１次側
に入り、そこで圧縮機ユニット（１）側へ向かう２次側
の低圧ヘリウムガスと熱交換されてさらに冷却された
後、上記予冷冷凍機（２６）の第１ヒートステーション
（３７）外周の第１予冷器（５６）に入って冷却され、
この冷却されたガスは第３ＪＴ熱交換器（５３）の１次
側に入って、同様に２次側の低圧ヘリウムガスとの熱交
換により例えば約１５Ｋまで冷却された後、予冷冷凍機
（２６）の第２ヒートステーション（３８）外周の第２
予冷器（５７）に入ってさらに冷却される。この後、ガ
スは第４ＪＴ熱交換器（５４）の１次側に入って２次側
の低圧ヘリウムガスとの熱交換によりさらに冷却され、
しかる後にＪＴ弁（５８）に至る。このＪＴ弁（５８）
では高圧ヘリウムガスは絞られてジュールトムソン膨張
し、約４Ｋの液状態のヘリウムとなり、この液体ヘリウ
ムは液体ヘリウム戻し配管（６０）を経由して液体ヘリ
ウムタンク（Ｔｈ）へ供給される。また、この液体ヘリ
ウムタンク（Ｔｈ）内で蒸発したヘリウムガスは、ヘリ
ウムガス吸入配管（６１）を介して第４ＪＴ熱交換器
（５４）の２次側に吸入され、第３〜第１ＪＴ熱交換器
（５３）〜（５１）の各２次側を経由して低段圧縮機
（５）に吸い込まれて圧縮される。

【００３９】したがって、この実施形態では、ＪＴ冷凍
機（４８）における第１及び第２ＪＴ熱交換器（５
１），（５２）の各々の１次側同士の間に予冷熱交換器
（５０）が直列に接続され、この予冷熱交換器（５０）
は液体窒素タンク（Ｔｎ）内の液体窒素に浸漬されてい
るので、予冷熱交換器（５０）において、４段のＪＴ熱
交換器（５１）〜（５４）のうちの最高温側の第１ＪＴ
熱交換器（５１）で冷却された後のヘリウムガスが上記
シールド冷凍機（４０）のヒートステーション（４３）
により液体窒素タンク（Ｔｎ）内の液体窒素を介して間
接的に冷却され、その後に、予冷冷凍機（２６）のヒー
トステーション（３７），（３８）で冷却される。この
ようにＪＴ冷凍機（４８）のＪＴ弁（５８）で膨張する
前の高圧ヘリウムガスがシールド冷凍機（４０）のヒー
トステーション（４３）からの寒冷を受けて予冷される
ので、その分、予冷冷凍機（２６）の冷凍能力が低減さ
れて、ＪＴ冷凍機（４８）の冷凍能力の予冷冷凍機（２
６）の冷凍能力による影響が小さくなり、ＪＴ冷凍機
（４８）に対する予冷冷凍機（２６）の影響を受け難く
することができる。

【００４０】しかも、シールド冷凍機（４０）による冷
却によってＪＴ冷凍機（４８）での高圧ヘリウムガスの
予冷段数が１段増えるので、全体として極低温冷凍装置
（Ｒ）の効率を高めることができ、ＪＴ冷凍機（４８）
により液体ヘリウムタンク（Ｔｈ）内の蒸発ヘリウムガ
スを冷却して凝縮液化する場合に、その液体ヘリウムタ
ンク（Ｔｈ）内のヘリウムガスを常温から凝縮温度まで
冷却する冷却時間を短縮することができる。

【００４１】また、ＪＴ冷凍機（４８）のヘリウムガス
を、液体窒素タンク（Ｔｎ）内の液体窒素に浸漬された
予冷熱交換器（５０）に通してその液体窒素により冷却
するので、極低温冷凍装置（Ｒ）を運転開始から定常運
転にするクールダウン状態で、液体窒素タンク（Ｔｎ）
内に液体窒素を供給しておけば、その時点で直ちにＪＴ
冷凍機（４８）のヘリウムガスを液体窒素により予冷で
き、クールダウン時間を短縮できる。

【００４２】（実施形態２）図２は本発明の実施形態２
を示し（尚、以下の各実施形態では、図１と同じ部分に
ついては同じ符号を付してその詳細な説明は省略す
る）、上記実施形態１では、シールド板熱交換器（２
３）を液体窒素タンク（Ｔｎ）内外をループ状に接続す
る窒素配管（２２）に接続しているのに対し、窒素配管
（２２）を略し、ＪＴ冷凍機（４８）の回路の一部にシ
ールド板熱交換器（２３）を直列に接続したものであ
る。

【００４３】すなわち、この実施形態では、上記実施形
態１における窒素配管（２２）がなく、シールド板熱交
換器（２３）は、液体窒素タンク（Ｔｎ）内の予冷熱交
換器（５０）と第２ＪＴ熱交換器（５２）の１次側との
間に直列に接続されていて、液体窒素タンク（Ｔｎ）内
の液体窒素により冷却された高圧ヘリウムガスにより熱
シールド板（Ｓ）を冷却するようになっている。その他
の構成は実施形態１と同様である。

【００４４】したがって、この実施形態では、ＪＴ冷凍
機（４８）の高圧ヘリウムガスが第１ＪＴ熱交換器（５
１）で冷却された後に予冷熱交換器（５０）に流れ、こ
の予冷熱交換器（５０）において液体窒素タンク（Ｔ
ｎ）内の液体窒素と熱交換されて冷却される。次いで、
この液体窒素により冷却された高圧ヘリウムガスはシー
ルド板熱交換器（２３）に供給され、この冷却された高
圧ヘリウムガスにより熱シールド板（Ｓ）が冷却され
る。そして、このシールド板熱交換器（２３）でシール
ド板を冷却した後の高圧ヘリウムが第２ＪＴ熱交換器
（５２）の１次側に流れる。つまり、この場合、ＪＴ冷
凍機（４８）の高圧ヘリウムガスが、シールド冷凍機
（４０）のヒートステーション（４３）から液体窒素タ
ンク（Ｔｎ）内の液体窒素を介して間接的に冷却された
後にシールド板熱交換器（２３）に流れて熱シールド板
（Ｓ）を冷却することとなる。よって、上記実施形態１
と同様の作用効果が得られる。

【００４５】（実施形態３）図３は本発明の実施形態３
を示し、上記実施形態２では、シールド冷凍機（４０）
のヒートステーション（４３）により液体窒素タンク
（Ｔｎ）内の液体窒素を介して間接的に予冷熱交換器
（５０）を冷却するようにしているのに対し、液体窒素
タンク（Ｔｎ）を略し、シールド冷凍機（４０）のヒー
トステーション（４３）により予冷熱交換器（５０）を
直接に冷却するようにしたものである。

【００４６】すなわち、この実施形態では、液体窒素タ
ンク（Ｔｎ）は略されている。そして、シールド冷凍機
（４０）のヒートステーション（４３）に予冷熱交換器
（５０）が直接に熱交換するように取り付けられてい
る。また、実施形態２と同様に、予冷熱交換器（５０）
に、該予冷熱交換器（５０）にてシールド冷凍機（４
０）のヒートステーション（４３）により冷却された高
圧ヘリウムガスにより熱シールド板（Ｓ）を冷却するシ
ールド板熱交換器（２３）が接続されている。

【００４７】この実施形態の場合、予冷熱交換器（５
０）において、ＪＴ冷凍機（４８）の高圧ヘリウムガス
はシールド冷凍機（４０）のヒートステーション（４
３）と直接の熱交換により冷却された後にシールド板熱
交換器（２３）に供給され、この冷却された高圧ヘリウ
ムガスにより熱シールド板（Ｓ）が冷却される。この場
合にも、上記実施形態２と同様の作用効果が得られる。

【００４８】（実施形態４）図４は本発明の実施形態４
を示し、上記実施形態３では、予冷熱交換器（５０）で
シールド冷凍機（４０）のヒートステーション（４３）
により冷却されたヘリウムガスをシールド板熱交換器
（２３）に供給して熱シールド板（Ｓ）を冷却するよう
にしているのに対し、シールド板熱交換器（２３）を略
し、シールド冷凍機（４０）のヒートステーション（４
３）により熱シールド板（Ｓ）を予冷熱交換器（５０）
と共に直接に冷却するようにしたものである。

【００４９】すなわち、この実施形態では、上記実施形
態３におけるシールド板熱交換器（２３）は略されてい
る。そして、シールド冷凍機（４０）のヒートステーシ
ョン（４３）に予冷熱交換器（５０）と熱シールド板
（Ｓ）とがそれぞれ熱接触して直接に熱交換するように
取り付けられている。この実施形態でも、実施形態３と
同様の作用効果を奏することができる。

【００５０】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明で
は、圧縮機からの高圧冷媒ガスを、複数段のＪＴ熱交換
器で圧縮機側に戻る低温度の低圧冷媒ガスと熱交換した
後に、ジュールトムソン膨張させて極低温を発生させる
ＪＴ冷凍機と、圧縮機からの高圧冷媒ガスを膨張させて
極低温を発生させ、上記ＪＴ冷凍機でジュールトムソン
膨張する前の冷媒ガスを予冷するディスプレーサ型膨張
機からなる予冷冷凍機と、上記ＪＴ冷凍機による極低温
冷却部分を外部から熱シールドする熱シールド部と、圧
縮機からの高圧冷媒ガスを膨張させてヒートステーショ
ンに極低温を発生させ、このヒートステーションにより
熱シールド部を冷却するディスプレーサ型膨張機からな
るシールド冷凍機とを備えた極低温冷凍装置に対し、上
記複数のＪＴ熱交換器のうちの最高温側のＪＴ熱交換器
で冷却された後でかつ予冷冷凍機のヒートステーション
で冷却される前の高圧冷媒ガスをシールド冷凍機のヒー
トステーションにより冷却する予冷熱交換器を設けた。
請求項２の発明では、シールド冷媒タンク内の液体シー
ルド冷媒により熱シールド部を冷却するシールド熱交換
器を設け、シールド冷凍機のヒートステーションにより
シールド冷媒タンク内の蒸発シールド冷媒ガスを冷却し
て凝縮液化するようにし、予冷熱交換器は、高圧冷媒ガ
スをシールド冷媒タンク内の液体シールド冷媒との熱交
換により間接的に冷却するように構成した。また、請求
項３の発明では、シールド冷凍機のヒートステーション
によりシールド冷媒タンク内の蒸発シールド冷媒ガスを
冷却して凝縮液化するようにし、予冷熱交換器は、高圧
冷媒ガスをシールド冷媒タンク内の液体シールド冷媒と
の熱交換により間接的に冷却するように構成し、予冷熱
交換器に熱シールド部を冷却するシールド熱交換器を接
続して、ＪＴ冷凍機の高圧冷媒ガスが、シールド冷凍機
からシールド冷媒タンク内の液体シールド冷媒を介して
間接的に冷却された後にシールド熱交換器に流れて熱シ
ールド部を冷却するようにした。さらに、請求項４の発
明では、予冷熱交換器で、高圧冷媒ガスをシールド冷凍
機のヒートステーションと直接に熱交換するようにし、
予冷熱交換器に熱シールド部を冷却するシールド熱交換
器を接続して、ＪＴ冷凍機の冷媒ガスがシールド冷凍機
のヒートステーションにより直接的に冷却された後にシ
ールド熱交換器に流れて熱シールド部を冷却するように
した。また、請求項５の発明では、予冷熱交換器は、冷
媒ガスをシールド冷凍機のヒートステーションと直接に
熱交換するようにし、シールド冷凍機のヒートステーシ
ョンに熱シールド部を熱接触させ、このシールド冷凍機
のヒートステーションにより熱シールド部を直接的に冷
却するようにした。

【００５１】したがって、これらの請求項１〜５の発明
によると、ＪＴ冷凍機のＪＴ弁で膨張する前の冷媒ガス
を熱シールド部と共にシールド冷凍機のヒートステーシ
ョンでの寒冷により予冷し、予冷冷凍機の冷凍能力を低
減してその冷凍能力によるＪＴ冷凍機の冷凍能力の影響
の縮小化を図ることができるとともに、シールド冷凍機
による冷却によってＪＴ冷凍機での冷媒ガスの予冷段数
を増やして、極低温冷凍装置の効率を高めることがで
き、冷媒タンク内の蒸発冷媒ガスを常温から凝縮温度ま
で冷却する際の冷却時間の短縮化を図ることができる。

【００５２】特に、請求項２の発明によると、極低温冷
凍装置を定常運転にするクールダウン時に、シールド冷
媒タンク内に液体シールド冷媒を供給することで、直ち
にＪＴ冷凍機の冷媒ガスを冷却でき、クールダウン時間
の短縮化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１に係る極低温冷凍装置の全
体構成を示す図である。

【図２】実施形態２を示す図１相当図である。

【図３】実施形態３を示す図１相当図である。

【図４】実施形態４を示す図１相当図である。

【符号の説明】

（Ｒ） 極低温冷凍装置 （１） 圧縮機ユニット （５），（８） 圧縮機 （２１） 冷凍機ユニット （２３） シールド板熱交換器（シールド熱交換器） （２６） 予冷冷凍機 （３７），（３８） ヒートステーション （４０） シールド冷凍機 （４３） ヒートステーション （４８） ＪＴ冷凍機 （５０） 予冷熱交換器 （５１）〜（５４） ＪＴ熱交換器 （５８） ＪＴ弁 （Ｔｈ） 液体ヘリウムタンク（冷媒タンク） （Ｄ） 真空デュワー （Ｔｎ） 液体窒素タンク（液体シールド冷媒タンク） （Ｓ） 熱シールド板（熱シールド部） （Ｍ） 超電導磁石

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡本 昌和 大阪府堺市金岡町1304番地 ダイキン工業 株式会社堺製作所金岡工場内 (72)発明者 三浦 克哉 大阪府堺市金岡町1304番地 ダイキン工業 株式会社堺製作所金岡工場内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷媒ガスを圧縮する圧縮機（５），
   （８）と、 上記圧縮機（５），（８）からの高圧冷媒ガスを圧縮機
   （５），（８）側に戻る低温度の低圧冷媒ガスと熱交換
   する複数段のＪＴ熱交換器（５１）〜（５４）と、該Ｊ
   Ｔ熱交換器（５１）〜（５４）で冷却された高圧冷媒ガ
   スをジュールトムソン膨張させて極低温を発生させるＪ
   Ｔ弁（５８）とを有するＪＴ冷凍機（４８）と、 上記圧縮機（５），（８）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張させてヒートステーション
   （３７），（３８）に極低温を発生させ、上記ＪＴ冷凍
   機（４８）でジュールトムソン膨張する前の冷媒ガスを
   上記ヒートステーション（３７），（３８）により予冷
   する予冷冷凍機（２６）と、 少なくとも上記ＪＴ冷凍機（４８）による極低温冷却部
   分を囲むように配設され、冷却された状態で極低温冷却
   部分を外部から熱シールドする熱シールド部（Ｓ）と、 上記圧縮機（５），（８）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張させてヒートステーション
   （４３）に極低温を発生させ、該ヒートステーション
   （４３）により上記熱シールド部（Ｓ）を冷却するシー
   ルド冷凍機（４０）と、 上記複数段のＪＴ熱交換器（５１）〜（５４）のうちの
   最高温側のＪＴ熱交換器（５１）で冷却された後でかつ
   予冷冷凍機（２６）のヒートステーション（３７），
   （３８）で冷却される前の高圧冷媒ガスを上記シールド
   冷凍機（４０）のヒートステーション（４３）により冷
   却する予冷熱交換器（５０）とを備えたことを特徴とす
   る極低温冷凍装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の極低温冷凍装置におい
   て、 熱シールド部（Ｓ）を冷却する液体シールド冷媒を貯溜
   するシールド冷媒タンク（Ｔｎ）と、 上記シールド冷媒タンク（Ｔｎ）内の液体シールド冷媒
   により熱シールド部（Ｓ）を冷却するシールド熱交換器
   （２３）とが設けられ、 シールド冷凍機（４０）は、そのヒートステーション
   （４３）により上記シールド冷媒タンク（Ｔｎ）内の蒸
   発シールド冷媒ガスを冷却して凝縮液化するように構成
   され、 予冷熱交換器（５０）は、高圧冷媒ガスを上記シールド
   冷媒タンク（Ｔｎ）内の液体シールド冷媒と熱交換する
   ように構成されていることを特徴とする極低温冷凍装
   置。
3. 【請求項３】 請求項１記載の極低温冷凍装置におい
   て、 熱シールド部（Ｓ）を冷却する液体シールド冷媒を貯溜
   するシールド冷媒タンク（Ｔｎ）が設けられ、 シールド冷凍機（４０）は、そのヒートステーション
   （４３）により上記シールド冷媒タンク（Ｔｎ）内に蒸
   発シールド冷媒ガスを冷却して凝縮液化するように構成
   され、 予冷熱交換器（５０）は、高圧冷媒ガスを上記シールド
   冷媒タンク（Ｔｎ）内の液体シールド冷媒と熱交換する
   ように構成され、 上記予冷熱交換器（５０）に、該予冷熱交換器（５０）
   でシールド冷媒タンク（Ｔｎ）内の液体シールド冷媒に
   より冷却された高圧冷媒ガスにより熱シールド部（Ｓ）
   を冷却するシールド熱交換器（２３）が接続されている
   ことを特徴とする極低温冷凍装置。
4. 【請求項４】 請求項１記載の極低温冷凍装置におい
   て、 予冷熱交換器（５０）は、高圧冷媒ガスをシールド冷凍
   機（４０）のヒートステーション（４３）と直接に熱交
   換するように構成され、 上記予冷熱交換器（５０）に、該予冷熱交換器（５０）
   でシールド冷凍機（４０）のヒートステーション（４
   ３）により冷却された冷媒ガスにより熱シールド部
   （Ｓ）を冷却するシールド熱交換器（２３）が接続され
   ていることを特徴とする極低温冷凍装置。
5. 【請求項５】 請求項１記載の極低温冷凍装置におい
   て、 予冷熱交換器（５０）は、冷媒ガスをシールド冷凍機
   （４０）のヒートステーション（４３）と直接に熱交換
   するように構成され、 シールド冷凍機（４０）のヒートステーション（４３）
   に熱シールド部（Ｓ）が熱接触していることを特徴とす
   る極低温冷凍装置。