JP6987608B2 - 循環冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体ヘリウム等の寒剤を循環させながら高感度磁気センサーなどの被冷却体を極低温に冷却するための循環冷却装置に関する。

超伝導量子干渉素子 (superconducting quantum interference device, SQUID)は、超伝導における磁束の量子化を利用した超高感度の磁気センサーの１つであり、低磁場核磁気共鳴画像法 (Low Field MRI) 用の磁気センサーをはじめ、各種分析、検査、環境・資源探査等の分野における先端計測システムに欠かせないデバイスとなっている。そして、この超伝導量子干渉素子は、極低温下で起こる超伝導現象を利用していることから、ヘリウムなどの寒剤を用いた冷却装置が不可欠となっている。

この種の冷却装置の１つとして、例えば以下の非特許文献１などに開示されているような循環式の冷却装置がある。図４はこの循環式の冷却装置の構造を示したものであり、小型冷凍機Ｋを備えた真空容器Ｙに、第１熱交換器Ｎ１と、第２熱交換器Ｎ２とを収容すると共に、その真空容器Ｙから延びる真空断熱管Ｈの先端に冷却部Ｒを備え、その冷却部Ｒに被冷却体Ｓ（超伝導量子干渉素子）を収容した構造となっている。

そして、寒剤となるヘリウムを循環ポンプＰによって真空容器Ｙ内の第１熱交換器Ｎ１と第２熱交換器Ｎ２に順に送り、ここでその寒剤を小型冷凍機Ｋとの熱交換によって、例えば４Ｋ程度まで冷却した後、真空断熱管Ｈを介して遠隔にある冷却部Ｒに送ることでその被冷却体Ｓ（超伝導量子干渉素子）を、その機能を発揮する極低温まで冷却する。その後、冷却によって温度が上昇した寒剤を再び真空断熱管Ｈを介して真空容器Ｙ内の第２熱交換器Ｎ２と第１熱交換器Ｎ１とに順に送り、ここで順に送られてくるヘリウムを予冷してから再び循環ポンプＰによって循環させる構造となっている。

A.P.Rijpma, 他６名、Construction and test of a cryocooled low-Tc SQUID gradiometer system, CRYOGENICS, Vol.48, 2008年, p.61-67(ELSEVIER)

ところで、前述したような従来の冷却装置は、構造が複雑な熱交換器が必要となる上に、その熱交換器（の伝熱管）が小型冷凍機Ｋの冷却ステージと密接（ろう付け）するように設けられている。そのため、小型冷凍機Ｋなどをメンテナンスする際には、真空容器Ｙを一旦分解してこれらの熱交換器Ｎをいちいち取り外さなければならず、その作業は極めて面倒であるという欠点がある。

そこで、本発明はこれらの課題を解決するために案出されたものであり、その目的は、優れた冷却能力を発揮しつつメンテナンス性が大幅に向上した新規な循環冷却装置を提供することにある。

前記課題を解決するために第１の発明は、真空容器と、当該真空容器内に収容された内容器と、当該内容器内に冷却ステージを収容した冷凍機と、被冷却体を冷却する冷却部と、当該冷却部と前記真空容器内を連通する真空断熱管と、前記真空断熱管内を通過して前記冷却部に寒剤を循環供給する循環回路とを備え、前記寒剤循環回路の往路ラインの上流側を前記内容器の頂面に連通すると共に、前記往路ラインの下流側を前記内容器の底面に連通し、前記寒剤循環回路の復路ラインを前記真空容器内を通過するように配置したことを特徴とする循環冷却装置である。

このような構成によれば、寒剤循環回路の往路ラインを流れる寒剤が内容器内に流れ、その内部に設けられた冷凍機の冷却ステージに直接接触するため、この寒剤を効率良く冷却することができる。従って、従来のように往路ラインを流れる寒剤をこの冷却ステージで冷却するための熱交換器が不要となるため、冷凍機などをメンテナンスする際には、真空容器を分解したり、熱交換器を取り外す作業が不要となってメンテナンス性が大幅に向上する。また、寒剤循環回路の復路ラインを前記真空容器内を通過するように配置することで復路ラインを流れる寒剤への外部入熱を抑えることができると共に、その冷熱を真空容器内の予冷に活用できる。

第２の発明は、第１の発明において、前記冷凍機の蓄冷器または冷却ステージのいずれかあるいは両方の表面に伝熱フィンを複数設けたことを特徴とする循環冷却装置である。このような構成によれば、冷凍機の冷却ステージと寒剤との接触面積が増えるため、より効率良く寒剤を冷却することができる。

第３の発明は、第１または第２の発明において、前記内容器内に熱交換器を収容すると共に、前記循環回路の復路ラインを前記熱交換器に接続したことを特徴とする循環冷却装置である。このような構成によれば、冷却部で被冷却体を冷却して復路ラインを戻る寒剤と順次内容器内に新たに供給された寒剤とによって熱交換が可能となるため、復路ラインを戻る寒剤の冷熱によって新たに供給される寒剤を効率良く予冷することができる。

第４の発明は、第３の発明において、前記熱交換器が、前記冷凍機の蓄冷器または冷却ステージのいずれかあるいは両方をらせん状に囲繞する蛇管構造となっていることを特徴とする循環冷却装置である。このような構成によれば、内容器２０内に専用の取り付けスペースを設ける必要がなくなる上に、寒剤との接触面積が大きくなって効率良く熱交換を行うことができる。また、冷凍機の冷却ステージなどが、熱交換器と接触したり、干渉しないため、この冷凍機を上方に引き抜くように移動させることでメンテナンスの際には簡単に脱着できる。

本発明によれば、真空容器内に内容器を設け、往路ラインを流れる寒剤をその内容器内へ流し、これをその内部に設けられた冷凍機の冷却ステージなどで直接接触させて冷却するようにしたため、寒剤を効率良く冷却することができる。従って、従来のように往路ラインを流れる寒剤をこの冷却ステージで冷却するための熱交換器が不要となるため、冷凍機などをメンテナンスする際には、真空容器を分解したり、熱交換器を取り外す作業が不要となってメンテナンス性が大幅に向上する。

本発明に係る循環冷却装置１００の実施の一形態を示す全体構成図である。 図１中Ａ部を示す斜視図である。 本発明に係る循環冷却装置１００の他の実施形態を示す全体構成図である。 従来の循環冷却装置の構成を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る循環冷却装置１００の実施の一形態を示したものである。図示するようにこの循環冷却装置１００は、真空容器１０と、この真空容器１０内に収容された内容器２０と、この内容器２０内に取り付けられた冷凍機３０と、被冷却体４０を冷却する冷却部５０と、この冷却部５０と真空容器１０内を連通する真空断熱管６０と、寒剤を内容器２０を通過して冷却部５０に循環供給する寒剤循環回路７０と、内容器２０内に設けられた熱交換器８０とから主に構成されている。

真空容器１０は、例えば高さが５０〜１００ｃｍ、径が２０〜３０ｃｍ程度の縦型円筒状の容器から構成されており、真空ポンプＰ１によって例えば０．１〜０．０００１Ｐａ程度の高真空状態に保たれている。なお、材質としては特に限定されないが、例えばステンレススチールの他に軽量なガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）などが用いられる。一方、内容器２０は、この真空容器１０よりも１サイズ小さい大きさの略円筒状となっており、その底面２０ｂは、真空容器１０の底面１０ｂよりもやや高い位置に浮くように位置しているのに対し、その頂面２０ａは、真空容器１０の頂面１０ａと一体または共通となっている。

冷凍機３０は、例えば２段式ギホードマクマホン（GM）サイクルを採用した小型冷凍機もしくはパルスチューブと呼ばれる低振動の小型冷凍機であり、真空容器１０の頂面２０ａに取り付けられた冷凍機ヘッド３１から鉛直下向き（内容器２０内）に延びる筒状の第１の蓄冷器３２ａと、この第１蓄冷器３２ａの下端に位置する第１の冷却ステージ３２ｂと、この第１冷却ステージ３２ｂからさらに鉛直下向きに延びる筒状の第２の蓄冷器３３ａと、この第２蓄冷器３３ａの下端に位置する第２の冷却ステージ３３ｂとから主に構成されている。

そして、この冷凍機ヘッド３１の下面には、取付用のフランジ３６が設けられており、図示しないボルトなどによって真空容器１０の頂面２０ａに形成された取付穴２０ｃに対して、図示しないシールを介して密閉状態かつ挿脱自在に取り付けられている。この冷凍機ヘッド３１には、複数のガス配管３１ａを介して圧縮機３４が接続されており、この圧縮機３４によって冷凍機用の冷媒を圧縮循環させて冷凍サイクルを構成している。なお、現在市販されている冷凍機はヘリウム温度で１Ｗ程度の冷凍能力を有している。

また、図２に示すように、この内容器２０内に位置する冷凍機３０の第１蓄冷器３２ａ、第１冷却ステージ３２ｂ、第２蓄冷器３３ａ、第２冷却ステージ３３ｂの全体またはその一部には、フランジ状の伝熱フィン３５が複数、上下多段に設けられており、それらの表面積を増大させる機能を発揮している。さらに、同図に示すように、その伝熱フィン３５の周囲には、これをらせん状に延びる蛇管構造のパイプ体８０ａからなる熱交換器８０が、一定の間隔を隔ててそれらを囲繞するように設けられている。なお、この熱交換器８０の内径は、少なくとも伝熱フィン３５のうちのいずれかの最大径（外径）よりも広くなっている。また、この熱交換器８０は、特に上段の第１の蓄冷器３２ａおよび第１冷却ステージ３２ｂ、さらに第２の蓄冷器３３ａの部分に位置している。

図１に戻り、冷却部５０は、寒剤循環回路７０の一部を構成する伝熱管をらせん状または蛇管状に加工した熱交換器であり、被冷却体４０の近傍またはこれを囲繞するように位置している。そして、この冷却部５０に収容される被冷却体４０は、例えば極低温状態で動作するＳＱＵＩＤ（超伝導量子干渉素子）などの超伝導磁気センサーであり、生体などから発生する極めて微弱な地場を計測することができる。また、この被冷却体４０の別の例としては、物性値の温度特性を生かすため測定対象物を必要な低温度に維持する試料ホルダーである。

真空断熱管６０は、この冷却部５０と真空容器１０内を連通する内部が真空状態の管体であり、その長さは、冷却部５０を取り付ける位置と真空容器１０の設置位置との距離などによって異なってくるが、例えば、５０ｃｍ〜数ｍ程度の長さとなる。なお、材質としては、真空容器１０と同様にステンレススチールの他に軽量なガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）などが用いられる。

寒剤循環回路７０は、この冷却部５０に寒剤を循環供給するためのものであり、真空容器１０の外部に取り付けられる循環ポンプ７１と、この循環ポンプ７１と冷却部５０間を接続する一対の金属製パイプからなる往路ライン７２および復路ライン７３と、寒剤を供給する寒剤タンク７４とから主に構成されている。さらにこの往路ライン７２は、循環ポンプ７１から延びる上流往路ライン７２ａと、冷却部５０側に接続される下流往路ライン７２ｂとから構成されている。そして、上流往路ライン７２ａの他端（下流端）が内容器２０内に連通するようにその頂面２０ａ側に接続されていると共に、下流往路ライン７２ｂの他端（上流端）が内容器２０内に連通するようにその底面２０ｂ側に接続されている。

一方、復路ライン７３も冷却部５０から延びる上流復路ライン７３ａと、循環ポンプ７１側に接続される下流復路ライン７３ｂとから構成されており、上流復路ライン７３ａの他端（下流端）が内容器２０内に設けられた熱交換器８０の入口（下端）側に接続されていると共に、下流復路ライン７３ｂの他端（上流端）がその熱交換器８０の出口（上端）側にそれぞれ接続された構造となっている。また、この復路ライン７３には、寒剤となるヘリウムガスを供給する寒剤タンク７４が設けられており、往路ライン７２および復路ライン７３内にそれを循環するヘリウムガスを供給するようになっている。

次に、このような構成をした本発明に係る循環冷却装置１００の作用を説明する。先ず、真空ポンプＰ１を作動させて真空容器１０内を真空状態にすると共に、冷凍機３０を駆動して内容器２０内が十分に冷却されたならば、寒剤循環回路７０の循環ポンプ７１を作動させて常温の寒剤（ヘリウムガス）を往路ライン７２の上流往路ライン７２ａから内容器２０内へ、その頂面２０ａ側から供給する。すると、内容器２０内へ流れ込んだ寒剤は、冷凍機３０の第１蓄冷器３２ａ、第１冷却ステージ３２ｂ、第２蓄冷器３３ａ、第２冷却ステージ３３ｂの表面に順に直接接触することでその温度が急激に低下する。

例えば、常温（約２０℃）で内容器２０へ流れ込んだ寒剤は、内容器２０内上層部では順に下方に流れる際に第１蓄冷器３２ａの周囲を通過し、１００Ｋ程度に冷却された後、第１冷却ステージ３２ｂに接触して約４０〜８０Ｋまで冷却され、さらに第２蓄冷器３３ａ、第２冷却ステージ３３ｂで約４〜１０Ｋ程度まで冷却されて内容器２０の底面２０ｂに達する。

内容器２０の底面２０ｂに達した寒剤は、その頂面２０ａ側から順次送り込まれてくる寒剤の圧力によって内容器２０の底面２０ｂに接続された下流往路ライン７２ｂに流れ出て、真空断熱管６０を通過して冷却部５０に送られてその被冷却体４０を５〜１２Ｋ程度に冷却する。その後、この冷却部５０の寒剤は、復路ライン７３の上流復路ライン７３ａを通過して内容器２０内に至ってその熱交換器８０に流れ込む。

そして、熱交換器８０に流れ込んだ寒剤（約２０〜３０Ｋ程度）は、図２に示すようにそのらせん状のパイプ体８０ａを上向きに流れる際に、順次内容器２０内に流れ込んだ高温の寒剤と熱交換（予冷）して温度が室温まで上昇した後、下流復路ライン７３ｂを通過して、再び循環ポンプ７１によって往路ライン７２と復路ライン７３を循環することになる。

このように本発明の循環冷却装置１００は、真空容器１０内に内容器２０を設け、往路ライン７２から寒剤をその内容器２０内へ流し、これをその内部に設けられた冷凍機３０の冷却ステージ３２ｂ、３３ｂ、蓄冷器３２ａ、３３ａで直接冷却するようにしたため、効率良く寒剤を冷却することができる。また、復路ライン７３に熱交換器８０を設けたため、戻る寒剤の冷熱を無駄にすることなく、順次供給される高温の寒剤の予冷に有効利用することができる。

しかも、この熱交換器８０を、冷却ステージ３２ｂ、３３ｂ囲繞するようにらせん状の蛇管構造としたため、内容器２０内に専用の取り付けスペースを設ける必要がなくなる上に、寒剤との接触面積が大きくなって効率良く熱交換を行うことができる。さらに、冷凍機３０の表面すなわち、第１蓄冷器３２ａ、第１冷却ステージ３２ｂ、第２蓄冷器３３ａ、第２冷却ステージ３３ｂなどの表面に伝熱フィン３５を複数設けたため、内容器２０内の寒剤との接触面積が増大するため、より効率良く寒剤を冷却することができる。

そして、このような構成をした本発明の循環冷却装置１００は、従来のように往路ライン７２を流れる寒剤を冷凍機３０で冷却するための熱交換器が不要となるため、冷凍機３０などをメンテナンスする際には、真空容器１０を分解したり、熱交換器を取り外す作業が不要となってメンテナンス性が大幅に向上する。また、復路ライン７３に設けられたらせん状の熱交換器８０の内径は、少なくとも伝熱フィン３５のうちのいずれかの最大径（外径）よりも広くなっているため、この冷凍機３０の冷却ステージ３２ｂ、３３ｂを上方に引き抜くように移動させることでメンテナンスの際には簡単に冷凍機３０に脱着することができ、その作業の邪魔になることはない。

なお、図１に示すようにこの内容器２０は、縦型円筒状となっていてその頂面２０ａ付近とその底面２０ｂ付近とでは３００℃近い大きな温度差がある。そのため、その底面２０ｂ付近にこれより５〜１０ｃｍ程度高い位置に段部２０ｄを設け、この段部２０ｄから上流復路ライン７３ａを内容器２０内へ導入してなるべく低温となった底面２０ｂ付近の寒剤と接触しないようにすれば、その底面２０ｂから排出される極低温の寒剤に悪影響を及ぼすことなく、効果的にその復路ライン７３を戻る寒剤の冷熱を新たに供給される比較的高温の寒剤の予冷熱として活用できる。

また、本実施の形態では、内容器２０内にらせん状の熱交換器８０を設けた構造としたが、図３に示すように真空容器１０の外側（頂面２０ａ上）に熱交換器９０を設け、内容器２０内を通過することなく、そのまま真空容器１０を出た直後の寒剤の冷熱によって、新たに内容器２０内へ供給される直前の寒剤を予冷するようにすれば、冷凍機３０の冷却ステージ３２ｂ、３３ｂまわりの構造をより簡略化してメンテナンス性をより向上させることができる。また、本実施の形態では、冷凍機３０として冷却ステージが２段式のものを用いた例で示したが、被冷却体４０に必要な温度が比較的高温、例えば２０Ｋ以上でよい場合には、図１または図３に示す第１ステージ３２ｂのない単段の小型冷凍機を用いることもできる。

１００…循環冷却装置
１０…真空容器
２０…内容器
２０ａ…頂面
２０ｂ…底面
３０…冷凍機
３２ａ…第１の蓄冷器
３２ｂ…第１の冷却ステージ
３３ａ…第２の蓄冷器
３３ｂ…第２の冷却ステージ
３５…伝熱フィン
４０…被冷却体
５０…冷却部
６０…真空断熱管
７０…寒剤循環回路
７１…循環ポンプ
７２…往路ライン
７２ａ…上流往路ライン
７２ｂ…下流往路ライン
７３…復路ライン
７３ａ…上流復路ライン
７３ｂ…下流復路ライン
８０、９０…熱交換器
８０ａ ：パイプ体

Claims (2)

1. 真空容器と、当該真空容器内に収容された内容器と、当該内容器内に冷却ステージを収容した冷凍機と、被冷却体を冷却する冷却部と、当該冷却部と前記真空容器内を連通する真空断熱管と、前記真空断熱管内を通過して前記冷却部に寒剤を循環供給する寒剤循環回路とを備え、
   前記寒剤循環回路の往路ラインの上流側を前記内容器の頂面に連通すると共に、前記往路ラインの下流側を前記内容器の底面に連通し、
   前記内容器内に熱交換器を収容すると共に、前記熱交換器に前記寒剤循環回路の復路ラインを接続し、
   前記熱交換器が、前記冷凍機の蓄冷器または冷却ステージのいずれかあるいは両方をらせん状に囲繞する蛇管構造になっていることを特徴とする循環冷却装置。
2. 請求項１に記載の循環冷却装置において、
   前記冷凍機の蓄冷器または冷却ステージのいずれかあるいは両方の表面に伝熱フィンを複数設けたことを特徴とする循環冷却装置。

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