WO2024111338A1 - ジュール・トムソン冷凍機 - Google Patents

Abstract

ＪＴ冷凍機（１８）は、第２予冷ステージ（２７）を備える予冷冷凍機（２０）と、第２熱交換器（４２ｂ）と、第２熱交換器（４２ｂ）から延び、第２予冷ステージ（２７）によって冷却される第２冷媒配管（４４ｂ）と、を備える冷媒回路（４０）と、第２冷媒配管（４４ｂ）とは別個に設けられ、第２予冷ステージ（２７）による第２熱交換器（４２ｂ）の伝導冷却を可能にするように第２予冷ステージ（２７）を第２熱交換器（４２ｂ）に接続する第１熱伝導経路（４８ａ）と、を備える。

Description

ジュール・トムソン冷凍機

　本発明は、ジュール・トムソン（Joule-Thomson；ＪＴ）冷凍機に関する。

　従来、ＪＴ膨張を利用した冷媒ガスの冷却を可能にするＪＴ弁と、ＪＴ弁に供給される冷媒ガスを予冷する例えばギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機などの予冷冷凍機とを備えるＪＴ冷凍機が知られている。ＪＴ弁でのＪＴ膨張による冷媒ガスの冷却には、ＪＴ係数がゼロとなる逆転温度以下の温度に冷媒ガスがあらかじめ冷却されている必要がある。

特開２００３－２１４７１９号公報

　ＪＴ冷凍機の始動に際して、環境温度（例えば３００Ｋ程度の常温）から目的の極低温までＪＴ冷凍機を冷却する、いわゆるクールダウンが行われる。ＪＴ弁に供給される冷媒ガスは、クールダウンによって環境温度から逆転温度以下の温度に冷却される。クールダウンは、ＪＴ冷凍機によって所望の被冷却物を極低温冷却するための準備にすぎないから、その所要時間はなるべく短いことが望まれる。

　本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、ＪＴ冷凍機のクールダウン時間を短くすることにある。

　本発明のある態様によると、ＪＴ冷凍機は、予冷ステージを備える予冷冷凍機と、熱交換器と、熱交換器から延び、予冷ステージによって冷却される冷媒配管と、を備える冷媒回路と、冷媒配管とは別個に設けられ、予冷ステージによる熱交換器の伝導冷却を可能にするように予冷ステージを熱交換器に接続する熱伝導経路と、を備える。

　本発明によれば、ＪＴ冷凍機のクールダウン時間を短くすることができる。

実施の形態に係る極低温冷却装置を概略的に示す図である。 実施の形態に係る熱伝導経路の例示的な構成を概略的に示す図である。 実施の形態に係る熱伝導経路の変形例を概略的に示す図である。

　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却装置１０を概略的に示す図である。極低温冷却装置１０は、真空容器１２と、輻射シールド１４と、被冷却物１６を冷却するためのＪＴ冷凍機１８とを備える。

　真空容器１２は、例えばクライオスタットであってもよく、内部に極低温真空環境を提供するように構成される。真空容器１２は、周囲圧力（たとえば大気圧）に耐えるように、例えばステンレス鋼などの金属材料またはその他の適する高強度材料で形成される。真空容器１２内には、輻射シールド１４、ＪＴ冷凍機１８の低温部、および被冷却物１６が配置される。

　輻射シールド１４は、真空容器１２内でＪＴ冷凍機１８の低温部および被冷却物１６を囲むように配置されており、真空容器１２からＪＴ冷凍機１８および被冷却物１６への輻射熱の侵入を抑制する。輻射シールド１４は、銅（例えば純銅）などの高熱伝導金属材料で形成される。真空容器１２と輻射シールド１４の間には多層断熱材などの断熱材が配置されていてもよい。

　被冷却物１６は、例えば、超伝導コイルなどの超伝導機器、または極低温下でより良好に動作する測定機器、またはその他の極低温下で使用される機器であってもよい。あるいは、被冷却物１６は、例えば液体ヘリウムなどの極低温流体であってもよく、ＪＴ冷凍機１８は、気化した極低温流体の再凝縮に使用されてもよい。

　ＪＴ冷凍機１８は、予冷冷凍機２０と、ＪＴ弁３０および最終熱交換器３２を含む冷媒回路４０とを備える。冷媒回路４０を流れる冷媒は、予冷冷凍機２０によって予冷され、ＪＴ弁３０でのＪＴ膨張によりさらに冷却され、最終熱交換器３２に供給される。被冷却物１６は、最終熱交換器３２との熱交換により冷却される。冷却後の冷媒は最終熱交換器３２から回収され後述の圧縮機により昇圧され、再び予冷冷凍機２０によって予冷されＪＴ弁３０に供給される。このようにして、冷媒は冷媒回路４０を循環する。ＪＴ冷凍機１８は、最終熱交換器３２を例えば４Ｋ程度またはそれ未満（例えば１Ｋ～４Ｋ）の温度域に冷却可能であり、よって被冷却物１６を当該温度域に冷却することができる。

　予冷冷凍機２０は、一例として、二段式のＧＭ冷凍機である。予冷冷凍機２０は、第１圧縮機２１と、コールドヘッドとも呼ばれる膨張機２２とを備える。膨張機２２は、駆動部２３、第１シリンダ２４、第１予冷ステージ２５、第２シリンダ２６、および第２予冷ステージ２７を備える。第１圧縮機２１は、周囲環境（例えば室温大気圧環境）に、すなわち真空容器１２の外に配置される。膨張機２２は、駆動部２３が真空容器１２の外に配置され、シリンダおよび予冷ステージが真空容器１２の中に配置されるようにして真空容器１２に設置されている。

　第１シリンダ２４は第１予冷ステージ２５を駆動部２３に接続し、それにより第１予冷ステージ２５は駆動部２３に構造的に支持される。第２シリンダ２６は第２予冷ステージ２７を第１予冷ステージ２５に接続し、それにより第２予冷ステージ２７は第１予冷ステージ２５に構造的に支持される。第１シリンダ２４と第２シリンダ２６は同軸に延在しており、駆動部２３、第１シリンダ２４、第１予冷ステージ２５、第２シリンダ２６、及び第２予冷ステージ２７は、この順に直線状に一列に並ぶ。典型的に、第１予冷ステージ２５と第２予冷ステージ２７は銅（例えば純銅）などの高熱伝導金属材料で形成され、第１シリンダ２４と第２シリンダ２６は例えばステンレス鋼など他の金属材料で形成される。

　第１シリンダ２４及び第２シリンダ２６それぞれの内部には第１ディスプレーサ及び第２ディスプレーサ（図示せず）が往復動可能に配設されている。第１ディスプレーサ及び第２ディスプレーサにはそれぞれ第１蓄冷器及び第２蓄冷器（図示せず）が組み込まれている。また、駆動部２３は、第１ディスプレーサ及び第２ディスプレーサを往復動させるためのモータなど駆動機構（図示せず）を有する。駆動機構は、膨張機２２の内部への冷媒ガスの供給と排出を周期的に繰り返すよう冷媒ガスの流路を切り替える流路切替機構を含む。予冷冷凍機２０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。

　第１圧縮機２１は、冷媒ガスを膨張機２２から回収し、回収した冷媒ガスを昇圧して、再び冷媒ガスを膨張機２２に供給するよう構成されている。第１圧縮機２１と膨張機２２との間の冷媒ガスの循環が膨張機２２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、寒冷を発生する熱力学的サイクル（例えばＧＭサイクル）が構成され、膨張機２２は極低温冷却を提供することができる。

　第１予冷ステージ２５は第１冷却温度に冷却され、第２予冷ステージ２７は第１冷却温度よりも低温の第２冷却温度に冷却される。第１冷却温度は、例えば、５０Ｋ以上１５０Ｋ以下の温度範囲から選択されてもよい。第２冷却温度は、例えば、１０Ｋ以上２５Ｋ以下の温度範囲から選択されてもよい。

　輻射シールド１４は、第１予冷ステージ２５と物理的に接触して熱的に結合し、または伝熱部材を介して第１予冷ステージ２５と熱的に結合している。したがって、輻射シールド１４は、第１予冷ステージ２５によって第１冷却温度に冷却される。

　冷媒回路４０は、ＪＴ弁３０と最終熱交換器３２に加えて、第２圧縮機４１と、熱交換器群４２と、これら構成要素を接続する冷媒供給ライン４４および冷媒回収ライン４６とを備える。冷媒回路４０を循環する冷媒ガスは、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。なお、冷媒回路４０は、ここで述べる具体的構成には限られず、種々の典型的な構成を適宜採用することができる。

　第２圧縮機４１は、冷媒回収ライン４６から回収される冷媒ガスを昇圧して冷媒供給ライン４４に送出するよう構成されている。理解のために、冷媒の流れる方向を図１に矢印で示す。第２圧縮機４１は、冷媒回路４０において冷媒を循環させる冷媒源として働く。第２圧縮機４１は、真空容器１２の外に配置されている。

　冷媒回路４０において熱交換器群４２は、第２圧縮機４１と最終熱交換器３２の間に配置されている。熱交換器群４２は、一連の対向流熱交換器（４２ａ～４２ｃ）からなり、この実施の形態では、第１熱交換器４２ａ、第２熱交換器４２ｂ、および第３熱交換器４２ｃの三段構成を有する。第１熱交換器４２ａは、真空容器１２と輻射シールド１４の間、すなわち、真空容器１２の内側で輻射シールド１４の外側のスペースに配置されている。第２熱交換器４２ｂ、第３熱交換器４２ｃ、最終熱交換器３２は、輻射シールド１４の内側に配置されている。

　第１熱交換器４２ａは、真空容器１２の外から真空容器１２内に流入する高温（例えば常温、例えば約３００Ｋ）の冷媒ガスを冷却する。第２熱交換器４２ｂは、第１熱交換器４２ａおよび第１予冷ステージ２５により冷却された冷媒をさらに冷却する。第３熱交換器４２ｃは、第２熱交換器４２ｂおよび第２予冷ステージ２７により冷却された冷媒をさらに冷却する。

　冷媒供給ライン４４は、第２圧縮機４１の吐出側を最終熱交換器３２の冷媒入口に接続し、冷媒回収ライン４６は、最終熱交換器３２の冷媒出口を第２圧縮機４１の吸入側に接続する。冷媒供給ライン４４が、第１熱交換器４２ａ、第２熱交換器４２ｂ、および第３熱交換器４２ｃそれぞれの高圧側流路を有し、冷媒回収ライン４６が、第１熱交換器４２ａ、第２熱交換器４２ｂ、および第３熱交換器４２ｃそれぞれの低圧側流路を有する。各熱交換器において高圧側流路と低圧側流路との熱交換により、高圧側流路を流れる冷媒を冷却することができる。高圧側流路、低圧側流路はそれぞれ、高温側流路、低温側流路と呼ぶこともできる。

　また、冷媒供給ライン４４は、第１冷媒配管４４ａと第２冷媒配管４４ｂを含む。これら冷媒配管は、例えば、銅（例えば純銅）などの高熱伝導金属材料で形成される。

　第１冷媒配管４４ａは、第１熱交換器４２ａから第１予冷ステージ２５を経由して第２熱交換器４２ｂへと延びる。第１冷媒配管４４ａは、第１熱交換器４２ａの高圧側流路を第２熱交換器４２ｂの高圧側流路に接続する。第１冷媒配管４４ａは、第１予冷ステージ２５に熱的に結合されており、第１冷媒配管４４ａを流れる冷媒は、第１予冷ステージ２５により冷却される。第１冷媒配管４４ａは、第１予冷ステージ２５の外周面に巻き付けられた状態で第１予冷ステージ２５に固着されていてもよい。

　第２冷媒配管４４ｂは、第２熱交換器４２ｂから第２予冷ステージ２７を経由して第３熱交換器４２ｃへと延びる。第２冷媒配管４４ｂは、第２熱交換器４２ｂの高圧側流路を第３熱交換器４２ｃの高圧側流路に接続する。第２冷媒配管４４ｂは、第２予冷ステージ２７に熱的に結合されており、第２冷媒配管４４ｂを流れる冷媒は、第２予冷ステージ２７により冷却される。第２冷媒配管４４ｂは、第２予冷ステージ２７の外周面に巻き付けられた状態で第２予冷ステージ２７に固着されていてもよい。

　ＪＴ弁３０は、冷媒供給ライン４４において熱交換器群４２の最後の熱交換器（本例では第３熱交換器４２ｃ）と最終熱交換器３２との間に配置されている。第３熱交換器４２ｃの高圧側流路がＪＴ弁３０を介して最終熱交換器３２の冷媒入口に接続される。ＪＴ弁３０は、この実施の形態では、固定オリフィスである。しかしながら、ＪＴ弁３０は、開度を調整可能な可変オリフィスであってもよい。

　ＪＴ冷凍機１８の定常運転では、以下のように冷媒回路４０を冷媒が流れる。第２圧縮機４１で圧縮された高圧冷媒は、最初に第１熱交換器４２ａの高圧側流路に供給される。第１熱交換器４２ａの高圧側流路を流れる高圧冷媒は、第１熱交換器４２ａの低圧側流路を流れる戻りの低圧冷媒と熱交換して冷却される。第１熱交換器４２ａで冷却された高圧冷媒は第１冷媒配管４４ａに流入する。

　第１冷媒配管４４ａを流れる高圧冷媒は予冷冷凍機２０の第１予冷ステージ２５によって冷却され、第２熱交換器４２ｂの高圧側流路へ送り込まれる。第２熱交換器４２ｂの高圧側流路を流れる高圧冷媒は、第２熱交換器４２ｂの低圧側流路を流れる戻りの低圧冷媒と熱交換して冷却される。第２熱交換器４２ｂで冷却された高圧冷媒は第２冷媒配管４４ｂに流入する。

　第２冷媒配管４４ｂを流れる高圧冷媒は予冷冷凍機２０の第２予冷ステージ２７によって冷却され、第３熱交換器４２ｃの高圧側流路へ送り込まれる。第３熱交換器４２ｃの高圧側流路を流れる高圧冷媒は、第３熱交換器４２ｃの低圧側流路を流れる戻りの低圧冷媒と熱交換して冷却される。こうして、高圧冷媒は、ＪＴ効果が期待される温度（すなわち逆転温度以下の温度）まで冷却され、ＪＴ弁３０へと送られる。

　この冷却された高圧冷媒は、ＪＴ弁３０を通過するとき、ジュール・トムソン効果によりミスト状の気液混合状態の低圧冷媒となり、液化冷媒の温度域での冷却能力を発生させる。ミスト状低圧冷媒は最終熱交換器３２に送られる。上述のように冷媒がヘリウムである場合、最終熱交換器３２を液体ヘリウム温度域に冷却することができる。最終熱交換器３２は、被冷却物１６との熱交換により被冷却物１６を当該温度に冷却できる。

　最終熱交換器３２を冷却する際にミスト状低圧冷媒は蒸発し再び気化する。ＪＴ弁３０において未液化の冷媒および蒸発により気化した冷媒は、第３熱交換器４２ｃの低圧側流路に戻される。低圧冷媒は、冷媒回収ライン４６を、第３熱交換器４２ｃ、第２熱交換器４２ｂ、第１熱交換器４２ａの順に流れる。このとき低圧冷媒は上述のように、各熱交換器（４２ｃ，４２ｂ，４２ａ）にて高圧冷媒を冷却しながら昇温される。こうして常温に戻った低圧冷媒は真空容器１２を出て第２圧縮機４１に回収され、再び圧縮される。

　このようにして、極低温冷却装置１０は、予冷冷凍機２０の第２冷却温度よりも低い温度、例えば４Ｋ程度またはそれ未満（例えば１Ｋ～４Ｋ）の所望の温度に被冷却物１６を冷却することができる。

　ところで、ＪＴ冷凍機１８を始動する際、ＪＴ冷凍機１８は、環境温度（例えば３００Ｋ程度の常温）から目的の極低温（例えば４Ｋ未満の最低到達温度）まで冷却される。この初期冷却は、クールダウンとも呼ばれる。ＪＴ弁３０に供給される冷媒ガスは、クールダウンによって環境温度から逆転温度以下の温度に冷却される。クールダウンは、ＪＴ冷凍機１８によって被冷却物１６を極低温冷却するための準備にすぎないから、その所要時間はなるべく短いことが望まれる。

　ＪＴ弁３０は極低温下で最適なＪＴ流量を実現するように設計されている。そのため、冷媒ガス温度が高いクールダウン初期にＪＴ弁３０を通過できる冷媒ガス流量は、相当に小さくなりうる。これはクールダウンにかかる時間を顕著に増加させうる。

　ＪＴ弁３０が可変オリフィスである場合には、クールダウン開始時にＪＴ弁３０を極低温下での最適開度に比べて大きく開放して大流量を確保し、その後冷却が進むにつれてＪＴ弁３０の開度を小さくすることによって、クールダウン時間を短縮しうる。しかし、この対策には手間がかかる。例えば、サービスマンによるＪＴ弁３０の適切な開度調整作業が必要となり得る。また、ＪＴ弁３０が固定オリフィスである場合には、この対策は採用し得ない（その結果、可変オリフィスの場合に比べて、ＪＴ冷凍機１８を最低到達温度（例えば約４Ｋ）まで冷却するのに二倍以上の時間が必要となりうる）。

　既存設計のＪＴ冷凍機では一般に、通常運転中に予冷冷凍機からＪＴ冷媒回路への侵入熱を避けるために、予冷冷凍機とＪＴ冷媒回路の熱交換器とが互いに熱接続しないように配置されている。予冷冷凍機の予冷ステージは例えば繊維強化プラスチックなどの断熱材料で周囲構造に支持されており、予冷ステージから熱交換器への熱伝導経路は実質的に存在しない。

　この実施の形態は、予冷冷凍機２０を利用してクールダウンの所要時間を短縮することを志向する。ＪＴ冷凍機１８は、予冷冷凍機２０による熱交換器群４２のうち少なくとも１つの熱交換器の伝導冷却を可能にするように、予冷冷凍機２０のうち少なくとも１つの予冷ステージと少なくとも１つの熱交換器に接続する熱伝導経路４８を備える。熱伝導経路４８は、第２予冷ステージ２７による第２熱交換器４２ｂと第３熱交換器４２ｃの少なくとも一方の伝導冷却を可能にするように、第２予冷ステージ２７を第２熱交換器４２ｂと第３熱交換器４２ｃの少なくとも一方に接続してもよい。

　例えば、ＪＴ冷凍機１８は、第２予冷ステージ２７による第２熱交換器４２ｂの伝導冷却を可能にするように、第２予冷ステージ２７を第２熱交換器４２ｂに接続する第１熱伝導経路４８ａを備えてもよい。これとともに、またはこれに代えて、ＪＴ冷凍機１８は、第２予冷ステージ２７による第３熱交換器４２ｃの伝導冷却を可能にするように、第２予冷ステージ２７を第３熱交換器４２ｃに接続する第２熱伝導経路４８ｂとを備えてもよい。

　クールダウンが完了してＪＴ冷凍機１８の通常運転が行われている状態において熱負荷がＪＴ冷凍機１８の高温部から低温部にもたらされるのを避けるために、熱伝導経路４８は、その両端の温度差がＪＴ冷凍機１８の通常運転中においてなるべく小さくなるように設置される。熱伝導経路４８は、ＪＴ冷凍機１８の通常運転中に熱伝導経路４８の両端の温度差が例えば、５Ｋ未満、または３Ｋ未満となるように、設置されてもよい。

　一例として、図１に示されるように、第１熱伝導経路４８ａは、第２熱交換器４２ｂの低温側に接続されてもよい。例示的なＪＴ冷凍機１８では、第２熱交換器４２ｂの低温側と予冷冷凍機２０の第２予冷ステージ２７は、ＪＴ冷凍機１８の通常運転中に同程度の温度（例えば１２Ｋ程度）となるものと期待される。

　一方、第２熱交換器４２ｂの高温側は、予冷冷凍機２０の第１予冷ステージ２５と同程度の温度と想定される。仮に、第１熱伝導経路４８ａが第２熱交換器４２ｂの高温側と予冷冷凍機２０の第２予冷ステージ２７を接続したとすると、ＪＴ冷凍機１８の通常運転中、第１予冷ステージ２５と第２予冷ステージ２７の温度差に相当する温度差が第１熱伝導経路４８ａの両端に発生し、第２予冷ステージ２７への熱負荷が大きくなり、ＪＴ冷凍機１８の冷凍性能に望ましくない影響を与えうる。

　同様の理由から、図１に示されるように、第２熱伝導経路４８ｂは、第３熱交換器４２ｃの低温側に接続されてもよい。それに代えて、またはそれとともに、第２熱伝導経路４８ｂは、第３熱交換器４２ｃの高温側に接続されてもよい。

　冷媒回路４０を構成する冷媒配管（例えば、第１冷媒配管４４ａ、または第２冷媒配管４４ｂ）は、予冷ステージと熱交換器を構造上接続するが、管軸方向に垂直な断面積がかなり小さいため、クールダウンの時間短縮を可能にするほど十分な熱伝導を実現することはできない。

　そこで、熱伝導経路４８は、冷媒回路４０を構成する冷媒配管とは別個に設けられる。すなわち、第１熱伝導経路４８ａは、第２冷媒配管４４ｂとは別個に設けられ、第２予冷ステージ２７と第２熱交換器４２ｂを互いに熱的に結合する。第２熱伝導経路４８ｂは、第２冷媒配管４４ｂとは別個に設けられ、第２予冷ステージ２７と第３熱交換器４２ｃを互いに熱的に結合する。

　熱伝導経路４８は、１つ又は複数の熱伝導部材で形成される。こうした熱伝導部材は、例えば、銅（例えば、純銅または銅合金）またはアルミニウム（例えば、純アルミニウム、またはアルミニウム合金）など熱伝導率の高い金属材料、またはその他の高熱伝導材料で形成される。熱伝導部材は、例えば、ステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０４）よりも高い熱伝導率を有する材料で形成されてもよい。

　図２は、実施の形態に係る熱伝導経路の例示的な構成を概略的に示す図である。図示されるように、第１熱伝導経路４８ａは、熱伝導部材の一例としてのステージ延長部品５０および熱伝導プレート５２を有する。

　ステージ延長部品５０は、高熱伝導材料（例えば純銅）で形成された筒状（例えば円筒状）の熱伝導部材であり、その一端で第２予冷ステージ２７に熱的に結合され、他端で熱伝導プレート５２に熱的に結合される。例えば、ステージ延長部品５０の一端に形成されたフランジがボルトなどの締結部材により第２予冷ステージ２７に固定され、ステージ延長部品５０の他端に形成されたフランジが熱伝導プレート５２に固定されてもよい。

　熱伝導プレート５２は、高熱伝導材料（例えばアルミニウム合金）で形成された平板状の熱伝導部材であり、ステージ延長部品５０と第２熱交換器４２ｂの低温端とが熱伝導プレート５２により熱的に結合される。ステージ延長部品５０と第２熱交換器４２ｂは、熱伝導プレート５２に対して同じ側に配置され、熱伝導プレート５２の同じ面に固定されてもよい。

　第２熱交換器４２ｂは、筒状の筐体をもつ典型的な構成を有してもよい。第２熱交換器４２ｂは、この筐体の内部に同軸配置されたマンドレルと、マンドレル外周面に巻き回されマンドレルと筐体間の筒状空洞に配置された配管とを備えてもよい。この配管が第２熱交換器４２ｂの高圧側流路として用いられ、筒状空洞が第２熱交換器４２ｂの低圧側流路として用いられてもよい。

　第２熱交換器４２ｂの筐体の低温側の端板には、図示されるように、第２冷媒配管４４ｂと、冷媒回収ライン４６とが貫通している。図１を参照して説明したように、第２冷媒配管４４ｂは、第２熱交換器４２ｂの高圧側流路に接続され、冷媒回収ライン４６は、第２熱交換器４２ｂの低圧側流路に接続される。また、第２冷媒配管４４ｂは、第２予冷ステージ２７との熱交換を可能とするように、第２予冷ステージ２７に巻き回されて取り付けられている。

　図２には示されていないが、同様にして第３熱交換器４２ｃも熱伝導プレート５２およびステージ延長部品５０を介して第２予冷ステージ２７に熱的に結合されてもよい。第３熱交換器４２ｃも第２熱交換器４２ｂと同様に筒状の外形を有し、その低温端が熱伝導プレート５２に固定されてもよい。例示的な配置として、第３熱交換器４２ｃは、第２熱交換器４２ｂと平行に並んで、図２の紙面に対して第２熱交換器４２ｂの手前側または奥側に配置されてもよい。

　説明したように、実施の形態によると、第２熱交換器４２ｂと第３熱交換器４２ｃが熱伝導経路４８によって予冷冷凍機２０の第２予冷ステージ２７に接続される。クールダウン中、冷媒回路４０を循環する冷媒ガスに加えて、熱伝導経路４８を介した伝導冷却を使用して、ＪＴ冷凍機１８の熱交換器群４２の冷却を促進できる。よって、ＪＴ冷凍機１８のクールダウン時間を短縮することができる。

　本発明者の検証によると、熱伝導経路４８が設けられていない既存設計ではクールダウンに約２４時間を要するのに対して、熱伝導経路４８が設けられた実施の形態では約１２時間でクールダウンを完了することが可能になる。

　図３は、実施の形態に係る熱伝導経路の変形例を概略的に示す図である。図示されるように、第３熱交換器４２ｃは、第２熱伝導経路４８ｂにより第２予冷ステージ２７に熱的に結合されてもよい。ただし、第２熱伝導経路４８ｂは、熱伝導部材（例えばステージ延長部品５０および熱伝導プレート５２）に加えて、熱抵抗要素６０を含んでもよい。第２熱伝導経路４８ｂは、熱抵抗要素６０を介して第２予冷ステージ２７を第３熱交換器４２ｃに接続してもよい。

　熱抵抗要素６０は、熱伝導部材よりも熱伝導率の小さい金属材料またはその他の材料で形成されたスペーサーであってもよく、第３熱交換器４２ｃは、その低温端と熱伝導プレート５２との間に熱抵抗要素６０を挟み込むようにして熱伝導プレート５２に固定されてもよい。例えば熱伝導部材が上述のように銅またはアルミニウムで形成される場合、熱抵抗要素６０は、ステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０４）で形成されてもよい。

　第３熱交換器４２ｃの筐体の低温側の端板には、図示されるように、冷媒供給ライン４４と冷媒回収ライン４６が接続されている。図１を参照して説明したように、冷媒供給ライン４４は、第３熱交換器４２ｃの高圧側流路に接続され、冷媒回収ライン４６は、第３熱交換器４２ｃの低圧側流路に接続される。また、冷媒供給ライン４４は、ＪＴ弁３０に接続されている。

　このようにしても、クールダウン中には第２予冷ステージ２７から第２熱伝導経路４８ｂを介した伝導冷却によって第３熱交換器４２ｃの冷却を促進し、ＪＴ冷凍機１８のクールダウン時間を短縮することができる。

　一方、ＪＴ冷凍機１８の通常運転中には、第３熱交換器４２ｃの低温端と第２予冷ステージ２７との間にある程度の温度差が生じうる。例えば、第３熱交換器４２ｃの低温端が約５Ｋに冷却される一方で、第２予冷ステージ２７は上述のように約１２Ｋに冷却されうる。このとき、第２予冷ステージ２７は、第３熱交換器４２ｃに対して熱源となり、第２予冷ステージ２７から第２熱伝導経路４８ｂを介して第３熱交換器４２ｃに入る熱は、ＪＴ冷凍機１８の冷凍性能を低下させうる。

　しかしながら、この実施の形態では第２熱伝導経路４８ｂには熱抵抗要素６０が設けられているので、ＪＴ冷凍機１８の通常運転中に生じうる第２熱伝導経路４８ｂを介した第３熱交換器４２ｃへの入熱を制限することができる。したがって、上述の問題を軽減または防止することができる。

　なお、必要とされる場合には、第１熱伝導経路４８ａに熱抵抗要素６０が設けられてもよい。第１熱伝導経路４８ａは、熱抵抗要素６０を介して第２予冷ステージ２７を第２熱交換器４２ｂに接続してもよい。

　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。

　予冷冷凍機２０は、ＧＭ冷凍機には限られない。予冷冷凍機２０は、パルス管冷凍機、スターリング冷凍機など、他の形式の極低温冷凍機であってもよい。

　上述の実施の形態では、熱交換器群４２が第１から第３の熱交換器を有する場合を例として説明しているが、熱交換器群４２は、その他の多段構成を有してもよい。例えば、ＪＴ冷凍機１８は、例えば第３熱交換器４２ｃと最終熱交換器３２との間に追加の熱交換器（つまり第４熱交換器）を有してもよい。

　上述のＪＴ弁３０は、冷媒供給ライン４４において熱交換器群４２の最後の熱交換器（すなわち第４熱交換器）と最終熱交換器３２との間に配置されてもよい。あるいは、ＪＴ冷凍機１８は、二段階のＪＴ膨張方式を採用してもよく、第１のＪＴ弁が冷媒供給ライン４４において第３熱交換器４２ｃと第４熱交換器との間に配置され、第２のＪＴ弁が冷媒供給ライン４４において第４熱交換器と最終熱交換器３２との間に配置されてもよい。

　ＪＴ冷凍機１８は、第２予冷ステージ２７による第４熱交換器の伝導冷却を可能にするように、第２予冷ステージ２７を第４熱交換器に接続する第３熱伝導経路を備えてもよい。第３熱伝導経路もまた、第１熱伝導経路４８ａおよび第２熱伝導経路４８ｂと同様に、ステージ延長部品５０および熱伝導プレート５２であってもよい。つまり、第４熱交換器は、熱伝導プレート５２およびステージ延長部品５０を介して第２予冷ステージ２７に熱的に結合されてもよい。

　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、ジュール・トムソン冷凍機の分野における利用が可能である。

　１０　極低温冷却装置、　１８　ＪＴ冷凍機、　２０　予冷冷凍機、　２５　第１予冷ステージ、　２７　第２予冷ステージ、　３０　ＪＴ弁、　３２　最終熱交換器、　４０　冷媒回路、　４２　熱交換器群、　４２ａ　第１熱交換器、　４２ｂ　第２熱交換器、　４２ｃ　第３熱交換器、　４４ａ　第１冷媒配管、　４４ｂ　第２冷媒配管、　４８　熱伝導経路、　４８ａ　第１熱伝導経路、　４８ｂ　第２熱伝導経路、　５０　ステージ延長部品、　５２　熱伝導プレート、　６０　熱抵抗要素。

Claims (10)

1. 　予冷ステージを備える予冷冷凍機と、
   　熱交換器と、前記熱交換器から延び、前記予冷ステージによって冷却される冷媒配管と、を備える冷媒回路と、
   　前記冷媒配管とは別個に設けられ、前記予冷ステージによる前記熱交換器の伝導冷却を可能にするように前記予冷ステージを前記熱交換器に接続する熱伝導経路と、を備えることを特徴とするジュール・トムソン冷凍機。
2. 　前記予冷冷凍機は、前記予冷ステージから延在するシリンダを備え、
   　前記熱伝導経路は、
   　　前記予冷ステージに熱的に結合され、前記予冷ステージから前記シリンダとは反対側に延在する第１熱伝導部材と、
   　　前記熱交換器に前記第１熱伝導部材を熱的に結合する第２熱伝導部材と、を備えることを特徴とする請求項１に記載のジュール・トムソン冷凍機。
3. 　前記予冷冷凍機は、第１予冷ステージと、前記第１予冷ステージよりも低温に冷却される第２予冷ステージと、を備え、
   　前記冷媒回路は、第１熱交換器と、前記第１熱交換器によって冷却された冷媒をさらに冷却する第２熱交換器と、前記第２熱交換器によって冷却された冷媒をさらに冷却する第３熱交換器と、を備え、前記冷媒配管は、前記第２熱交換器から前記第２予冷ステージを経由して前記第３熱交換器へと延び、
   　前記熱伝導経路は、前記第２予冷ステージによる前記第２熱交換器と前記第３熱交換器の少なくとも一方の伝導冷却を可能にするように、前記第２予冷ステージを前記第２熱交換器と前記第３熱交換器の前記少なくとも一方に接続することを特徴とする請求項１に記載のジュール・トムソン冷凍機。
4. 　前記熱伝導経路は、前記第２予冷ステージによる前記第２熱交換器の伝導冷却を可能にするように、前記第２予冷ステージを前記第２熱交換器に接続することを特徴とする請求項３に記載のジュール・トムソン冷凍機。
5. 　前記予冷冷凍機は、前記第２予冷ステージを前記第１予冷ステージに接続するシリンダを備え、
   　前記熱伝導経路は、
   　　前記予冷ステージに熱的に結合され、前記予冷ステージから前記シリンダとは反対側に延在するステージ延長部品と、
   　　前記第２熱交換器と前記第３熱交換器の前記少なくとも一方に前記ステージ延長部品を熱的に結合する熱伝導プレートと、を備えることを特徴とする請求項３に記載のジュール・トムソン冷凍機。
6. 　前記第２熱交換器と前記第３熱交換器の前記少なくとも一方と前記ステージ延長部品は、前記熱伝導プレートに対して同じ側に配置されていることを特徴とする請求項５に記載のジュール・トムソン冷凍機。
7. 　前記熱伝導経路は、熱抵抗要素を含むことを特徴とする請求項１に記載のジュール・トムソン冷凍機。
8. 　前記熱伝導経路は、前記熱交換器と第２熱伝導部材との間に熱抵抗要素を備え、
   　前記熱抵抗要素の熱伝導率は、前記第２熱伝導部材の熱伝導率よりも小さいことを特徴とする請求項２に記載のジュール・トムソン冷凍機。
9. 　前記熱伝導経路は、熱抵抗要素を介して前記第２予冷ステージを前記第３熱交換器に接続することを特徴とする請求項３または４に記載のジュール・トムソン冷凍機。
10. 　前記熱伝導経路は、前記第３熱交換器と前記熱伝導プレートとの間に熱抵抗要素を備え、
    　前記熱抵抗要素の熱伝導率は、前記熱伝導プレートの熱伝導率よりも小さいことを特徴とする請求項５または６に記載のジュール・トムソン冷凍機。

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