JP5212981B2

JP5212981B2 - 極低温冷却装置

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Publication number: JP5212981B2
Application number: JP2008212305A
Authority: JP
Inventors: 久直尾形
Original assignee: Kanazawa Institute of Technology (KIT)
Current assignee: Kanazawa Institute of Technology (KIT)
Priority date: 2008-08-21
Filing date: 2008-08-21
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2028-08-21
Also published as: JP2010048452A

Description

本発明は、極低温冷却装置に関し、さらに詳しくは、冷凍機のノイズの悪影響がなく且つ冷媒ガス循環系の汚染を防止できる極低温冷却装置に関する。

従来、ＳＱＵＩＤを格納するクライオスタットに冷凍機を内設し、クライオスタット内で発生したヘリウムガスをクライオスタット内部で冷却し液化するＳＱＵＩＤ格納用極低温容器が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
他方、クライオスタットから離れた場所に冷凍機を設置し、両者をヘリウム循環回路で接続し、クライオスタット内で発生したヘリウムガスを冷凍機に戻して冷却し液化し、液体ヘリウムをクライオスタットへ供給する液体ヘリウム再凝縮装置が知られている（例えば、特許文献２参照。）。

特開平１１−９７７５４号公報（［００６６］，図４）特開２０００−１９３３６４号公報

上記従来のＳＱＵＩＤ格納用極低温容器では、ノイズ源となる冷凍機がクライオスタットに内設されているため、ＳＱＵＩＤで測定する時は冷凍機を止めざるを得ない問題点がある。
他方、上記従来の液体ヘリウム再凝縮装置では、ノイズ源となる冷凍機がクライオスタットから離れているため、ＳＱＵＩＤで測定する時に冷凍機を止めなくても済む。しかし、クライオスタット内でヘリウムガスが汚染される（不純物が混入する）ため、ヘリウムガスの乾燥・精製を行うための乾燥機や精製器が必要になる。そして、乾燥機や精製器に不純物が蓄積すると、運転を止めて乾燥機や精製器を再生しなければならない問題点がある。
そこで、本発明の目的は、冷凍機のノイズの悪影響がなく且つ冷媒ガス循環系の汚染を防止できる極低温冷却装置を提供することにある。

第１の観点では、本発明は、クライオスタット（１０）のネックインサート（１６）にネック凝縮器（１７）を設け、前記クライオスタット（１０）から離れた場所に冷凍機（３１）を設置し、前記冷凍機（３１）の凝縮器（３５）と前記ネック凝縮器（１７）とを冷媒給排管（１ａ，１ｂ）で接続し、前記クライオスタット（１０）の内槽（１１）内の冷媒ガス（Ｇ１）を前記冷凍機（３１）に戻さず前記内槽（１１）内で前記ネック凝縮器（１７）により冷却することを特徴とする極低温冷却装置（１００）を提供する。
上記構成において、冷媒ガスは例えばヘリウムガスや窒素ガスである。
上記第１の観点による極低温冷却装置（１００）では、ノイズ源となる冷凍機（３１）をクライオスタット（１０）から離れた場所に設置するため、クライオスタット（１０）内のＳＱＵＩＤ等のセンサで測定を行う時に冷凍機（３１）を止めなくても、冷凍機（３１）のノイズの悪影響を受けない。また、冷凍機（３１）の冷媒ガス循環系と内槽（１１）内の空間とを、ネック凝縮器（１７）により熱的には結合するが、冷媒ガス的には分離しているため、冷媒ガス循環系の汚染を防止できる。

第２の観点では、本発明は、前記第１の観点による極低温冷却装置（１００）において、前記ネックインサート（１６）にネック熱交換器（１８）を設け、前記クライオスタット（１０）から離れた場所に循環ポンプ（２）を設置し、前記ネック熱交換器（１８）と前記循環ポンプ（２）とを冷媒ガス戻り流路（３ａ）で接続し、前記循環ポンプ（１）と前記冷凍機（３１）の第１ステージ熱交換器（３３）とを冷媒ガス戻り流路（３ｂ）で接続し、前記冷凍機（３１）の第１ステージ熱交換器（３３）と前記ネック熱交換器（１８）とをネック空隙冷却管（３ｃ）で接続し、前記ネック熱交換器（１８）により前記クライオスタット（１０）のネック空隙（１５ａ）を冷却することを特徴とする極低温冷却装置（１００）を提供する。
上記第２の観点による極低温冷却装置（１００）では、冷凍機（３１）の冷媒ガス循環系とネック空隙（１６）とを、ネック熱交換器（１８）により熱的には結合するが、冷媒ガス的には分離しているため、冷媒ガス循環系の汚染を防止し且つネック空隙（１５ａ）を冷却できる。

本発明の極低温冷却装置によれば、冷凍機のノイズの悪影響を受けない。また、冷媒ガス循環系の汚染を防止することが出来る。

以下、図に示す実施の形態により本発明をさらに詳細に説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。

図１は、実施例１に係る極低温冷却装置１００を示す説明図である。
この極低温冷却装置１００は、クライオスタット１０と、クライオスタット１０から離れた場所に設置された冷凍装置３０とを具備している。

クライオスタット１０は、ＳＱＵＩＤ等の超伝導センサを含む超伝導装置Ｓおよび液体ヘリウムＬ１を収容する内槽１１と、内槽１１との間に真空空間１２を形成する外槽１３と、内槽１１と外槽１３の間に設置された熱シールド１４と、内槽１１の上部と外槽１３の上部とを連結し、かつ熱シールド14と熱的に接続するネック１５と、ネック１５の内壁との間にネック空隙１５ａを形成するネックインサート１６と、ネックインサート１６の底部に設置されたネック凝縮器１７と、ネックインサート１６の側部に設置されたネック熱交換器１８と、ネック蓋４と、逆止弁付きの排ガス路５とを有している。
ネック凝縮器１７は、内槽１１で気化したヘリウムガスＧ１を冷却して液体ヘリウムＬ１に戻す。
ネック熱交換器１８は、ネック空隙１５ａを冷却して、その結果としてネック１５および熱シールド１４を間接的に冷却して外部からの熱の侵入を抑制する。

冷凍装置３０は、小型の凝縮冷凍機３１を備えている。

凝縮冷凍機３１の第２ステージ凝縮器３３は、ネック凝縮器１７からヘリウムガス戻り管１ａを通って戻ってきたヘリウムガスＧ２を冷却して液化ヘリウムＬ２とし、液体ヘリウムＬ２を液体ヘリウム供給管１ｂを通してネック凝縮器１７へ供給する。
ネック凝縮器１７の外壁では、ネック凝縮器１７内の温度よりわずかに高い内槽１１内のヘリウムガスＧ１を再凝縮することができる。その結果、液化ヘリウムＬ２は気化してヘリウムガス戻り管１ａに戻るヘリウムガスＧ２となる。
循環は液体と気体の密度差および重力を利用した自然循環によるので、第２ステージ凝縮器３３はネック凝縮器１７より高い位置に配置しなければならない。

凝縮冷凍機３１の第１ステージ熱交換器３５は、ネック熱交換器１８からヘリウムガス戻り流路３ａ，循環ポンプ２およびヘリウムガス戻り流路３ｂを通って戻ってきたヘリウムガスＧ３を冷却し、ヘリウムガスをネック空隙冷却管３ｃを通してネック熱交換器１８へ供給する。

図２は、ネックインサート１６の近傍部分の拡大断面図である。
ネックインサート１６の断熱材は、仕切板１６ａで仕切られている。仕切板１６ａは、ネック熱交換器１８で冷却されている。

図３は、図２のＡ−Ａ’端面図である。
ヘリウムガス戻り管１ａと液体ヘリウム供給管１ｂの周りを断熱材７ａで取り巻き、断熱材７ａの周りを取り巻くように二重管を設けて該二重管をネック空隙冷却管３ｃとし、ネック空隙冷却管３ｃの周りを断熱材７ｂで取り巻き、断熱材７ｂの周りを外管６で覆っている。なお、断熱材７ａ及び７ｂは、真空層を含む。

実施例１に係る極低温冷却装置１００によれば、次の効果が得られる。
（１）ノイズ源となる凝縮冷凍機３１をクライオスタット１０から離れた場所に設置するため、クライオスタット１０内の超伝導装置Ｓで測定を行う時に凝縮冷凍機３１を止めなくても、凝縮冷凍機３１のノイズの悪影響を受けない。
（２）ヘリウムガスＧ２の循環系は、不純物で汚染されるヘリウムガスＧ１と分離されている。従って、ヘリウムガスＧ２の循環系の汚染を防止できる。
（３）ヘリウムガスＧ３の循環系も、ヘリウムガスＧ１と分離されている。従って、ヘリウムガスＧ３の循環系の汚染も防止できる。
（４）ヘリウムガス戻り管１ａと液体ヘリウム供給管１ｂへの熱の侵入を、ネック空隙冷却管３ｃにより抑制することが出来る。

図４は、実施例２に係る極低温冷却装置２００を示す説明図である。
この極低温冷却装置２００は、クライオスタット１０と、クライオスタット１０から離れた場所に設置された冷凍装置３０’とを具備している。

クライオスタット１０は、実施例１と同じ構成である。

冷凍装置３０’は、小型の凝縮冷凍機３１と、低温側熱交換器３２と、高温側熱交換器３４と、流量調整弁３６とを備えている。

低温側熱交換器３２は、第１ステージ熱交換器３５を出てから分岐したヘリウムガスＧ２を、ネック凝縮器１７からヘリウムガス戻り管１ａを通って戻ってきたヘリウムガスＧ２’で冷却する。
低温側熱交換器３２を出たヘリウムガスＧ２は、第２ステージ凝縮器３３で冷却されて液化ヘリウムＬ２となる。液体ヘリウムＬ２は、液体ヘリウム供給管１ｂを通してネック凝縮器１７へ供給される。
ネック凝縮器１７の外壁では、ネック凝縮器１７内の温度よりわずかに高い内槽１１内のヘリウムガスＧ１を再凝縮することができる。その結果、液化ヘリウムＬ２は気化してヘリウムガス戻り管１ａに戻るヘリウムガスＧ２’となる。

高温側熱交換器３４は、循環ポンプ２およびヘリウムガス戻り流路３ｂを通って戻ってきたヘリウムガスＧ３を、低温側熱交換器３２を出たヘリウムガスＧ２’で冷却する。冷却されたヘリウムガスＧ３は、第１ステージ熱交換器３５で冷却される。

第１ステージ熱交換器３５を出たヘリウムガスは、ヘリウムガスＧ２とＧ３’とに分岐する。ヘリウムガスＧ３’は、流量調整弁３６を通り、ネック空隙冷却管３ｃに入る。
流量調整弁３６により、ヘリウムガスＧ２とＧ３’の割合を調整できる。

高温側熱交換器３４を出たヘリウムガスＧ２’は、循環路３ｄを通ってヘリウムガス戻り路３ａに入り、ヘリウムガスＧ３’に混合される。

実施例２に係る極低温冷却装置２００によれば、実施例１に係る極低温冷却装置１００の効果に加えて、ネック凝縮器１７への循環も循環ポンプ２を使用するため、冷凍装置３０’の配置の自由度が増し、設置位置の制限がなくなる。

図５は、実施例３に係る極低温冷却装置３００を示す説明図である。
この極低温冷却装置３００は、クライオスタット１０’と、クライオスタット１０’から離れた場所に設置された冷凍装置３０’とを具備している。

クライオスタット１０’では、実施例１または実施例２のネック熱交換器１８を下方に延長すると共にネック凝縮器１７からヘリウムガスＧ２’を混合するようにしたネック熱交換器１８’を備えている。混合量は、弁１９によって調整できる。
上記以外の構成は、実施例２と同様である。

図６は、ネックインサート１６の近傍部分の拡大断面図である。
操作部１９ａにより弁１９での流量を調整できる。

実施例３に係る極低温冷却装置３００によれば、実施例２に係る極低温冷却装置２００の効果に加えて、さらに冷却効率を向上できる。

本発明の極低温冷却装置は、例えば液体ヘリウムを冷媒とする生体磁気測定装置のような超伝導電子装置に利用できる。

実施例１に係る極低温冷却装置の構成説明図である。実施例１に係る極低温冷却装置のネックインサートの近傍部分を示す拡大断面図である。図２のＡ−Ａ’断面図である。実施例２に係る極低温冷却装置の構成説明図である。実施例３に係る極低温冷却装置の構成説明図である。実施例３に係る極低温冷却装置のネックインサートの近傍部分を示す拡大断面図である。

符号の説明

１ａヘリウムガス戻り管
１ｂ液体ヘリウム供給管
２循環ポンプ
３ａ，３ｂヘリウムガス戻り流路
３ｃネック空隙冷却管
１０クライオスタット
１１内槽
１２真空空間
１３外槽
１４熱シールド
１５ネック
１５ａネック空隙
１６ネックインサート
１７ネック凝縮器
１８ネック熱交換器
１９弁
１９ａ操作部
３０冷凍装置
３１凝縮冷凍機
３２低温側熱交換器
３３第２ステージ凝縮器
３４高温側熱交換器
３５第１ステージ熱交換器
３６流量調整弁
１００極低温冷却装置
Ｌ液体ヘリウム
Ｇ１，Ｇ２，Ｇヘリウムガス

Claims

クライオスタット（１０）のネックインサート（１６）にネック凝縮器（１７）を設け、前記クライオスタット（１０）から離れた場所に冷凍機（３１）を設置し、前記冷凍機（３１）の凝縮器（３５）と前記ネック凝縮器（１７）とを冷媒給排管（１ａ，１ｂ）で接続し、前記クライオスタット（１０）の内槽（１１）内の冷媒ガス（Ｇ１）を前記冷凍機（３１）に戻さず前記内槽（１１）内で前記ネック凝縮器（１７）により冷却する極低温冷却装置であって、前記ネックインサート（１６）にネック熱交換器（１８）を設け、前記クライオスタット（１０）から離れた場所に循環ポンプ（２）を設置し、前記ネック熱交換器（１８）と前記循環ポンプ（２）とを冷媒ガス戻り流路（３ａ）で接続し、前記循環ポンプ（１）と前記冷凍機（３１）の第１ステージ熱交換器（３３）とを冷媒ガス戻り流路（３ｂ）で接続し、前記冷凍機（３１）の第１ステージ熱交換器（３３）と前記ネック熱交換器（１８）とをネック空隙冷却管（３ｃ）で接続し、前記ネック熱交換器（１８）により前記クライオスタット（１０）のネック空隙（１５ａ）を冷却することを特徴とする極低温冷却装置。