JPH05506919A - 極低温冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 榛爪墨冷却装達 本発明は、極低温冷却装置に関する。

極低温冷却を必要とする状況は、科学、技術及び産業の面で多々ある。例えば、 非常に小さな付随的信号を検出または測定するのに使用される多くの検出装置の 性能は、ＳＮ比が改良されるように検出装置の温度を低減することで高められる 。かかる冷却は、過去においては貯蔵した固体または液体冷却剤を使用して達成 されて来たが、かかる装置の寿命は限られており、また１、例えば、宇宙探測機 や地球衛星に搭載する測定機器の検出装置を冷却するのに使用するには装置のサ イズが大きすぎる。全体のサイズを過度に大きくしないで実質的な寿命を延ばす のは、極低温作動物質を「一度完全に」使用して、排出する代わりに、不定期間 循環使用するようにした閉サイクル冷却装置を使用することで達成される。実際 、極低温作動液としてヘリウムを使用する太陽を動力源とする電気駆動スターリ ングサイクル冷却機は、かかる目的のために開発された。一段スターリングサイ クル冷却機は、約８０°Ｋまでの温度降下を達成できるが、多（の用途で、より 低い温度が所望され且つ必要とされている。作動周波数的３５Ｈｚ、電気駆動力 入力約９０ワツトで２０′に以下の温度を達成し且つ３０°にで２００ｍＷの冷 却を生み出すことのできる二段スターリングサイクル冷却機が本発明の発明者ら により近年開示された（（Ｔ、Ｗ、　ブラッドシａ−（Ｔ、Ｗ、Ｂｒａｄｓｈａ Ｗ）及びＡ、　Ｈ，オーロース力（Ａ、Ｈ，Ｏｒ　Ｉ　ｏｗｓｋａ）による太陽 熱制御及び生命支援装置に関する第３回欧州シンポジウムの議事録であるＥＳＡ 　５Ｐ−２８８（１９８８年）〕が、スターリングサイクル機及び、実際いずれ の冷却サイクル機も、生に再生サイクル機の効果の低減により非常に低い温度で の効率が一段と悪くなっているに違いない。

極低温度（約４’　Ｋ）に到達するためには、実際に非再生冷却段階を導入する 必要があり、これに関しては、ジュール−トムソン（Ｊｏｕｌｅ−Ｔｈｏｍｓ。

ｎ）（Ｊ−Ｔ）膨張効果を利用すること、即ち、高圧で加圧され且つその逆転温 度以下のガスが、流れ絞り装置を介してより低圧力に膨張するのが可能とされる 時に冷却されると言うことは公知のことである。しかしながら、ヘリウムを含む 多くのガスの逆転温度は、通常の室温よりかなり低く、従って、Ｊ−Ｔ効果を利 用して冷却する前に、ガスを先ず予備冷却する必要がある。必要とされる予備冷 却は、例えば上記に述べた内の一つと同様なスターリングサイクル冷却機等の任 意の適当な冷却装置により実行できる。

従って、本発明は、その−態様において、閉ループＪ−Ｔ膨張段階及び少なくと も一つの予備冷却器を有し、該１−ＴＲ階がガスコンプレッサーと、該コンプレ ッサーから高圧力ラインを介して高圧ガスを受け入れるように配置され且つ自身 の流れ制限膨張バルブとして構成された入り口及び低圧力戻りラインを介してコ ンプレッサーに接続された出口を有するＪ−Ｔ膨張ブロックと、高圧力ラインと 低圧力戻りラインが熱交換関係にあるＪ−Ｔ段階熱交換器とを備え、且つ、前記 予備冷却器段階が高圧力ライン中のガスを、該ガスがＪ−ＴＲ階熱交換器へ進入 する前に予備冷却するように配置されていることを特徴とする多段極低温冷却装 置に関する。かかる極低温冷却装置を、以後、限定種類の装置と言う。

かかる限定種類の装置においては、コンプレッサーからの高圧ガスは、Ｊ−Ｔ段 階熱交換器を介して、該ガスが通過して膨張ブロック内へ膨張して自身と該膨張 ブロックの双方を冷却する流れ制限膨張バルブへ到達するまえに予備冷却器段階 により予備冷却される。装置全体中で最低温度になっているそうして生じた低圧 ガスは、低圧力戻りラインを介して膨張ブロックからコンプレッサーへ戻り、そ の工程において、該ガスは、Ｊ−Ｔ段階熱交換器を通過するが、該Ｊ−Ｔ段階熱 交換器において高圧ガスと熱交換関係になり、該高圧ガスが膨張バルブに到達す る前に、予備冷却器段階により達成された温度以下の温度まで冷却される。

高圧ガスを予備冷却器段階により予備冷却された温度以下に更に冷却する上記の 装置では、膨張ブロック（及び該ブロックがその温度に追随する膨張低圧ガス） が最終的に膨張バルブの低圧力側の圧力で該ガスの沸点または該沸点をわずかに 超えるまで漸進的に冷却されるが、この漸進的冷却が起きる速度は、予備冷却器 段階を通過するガスの質量流量に関係する（これによりＪ−Ｔ膨張段階からの熱 の除去速度が決定されるからである）。温度が上昇するにつれ所定圧力でのガス の濃度が低下し且つその粘度が増大し、膨張ブロックが非常に低い設計動作動温 度にある時に所定の質量流量を提供するように設計された絞り膨張バルブが高温 度で流量を設計質量流量のわずかな部分にのみ制限し、従って、Ｊ−Ｔ段階にお ける冷却効果及び冷却速度を大きく制限するという結果に至ることがら、問題が 生じる。膨張バルブとして可変オリフィスを設け、温度が低下するにつれて、膨 張ブロックが低設計作動温度にある時に設計質量流量が最終的に可能となるまで その径を縮小することでこの問題を解決することが提案されて来たが、これには 、非常に低い温度で正確に制御可能となる可動部品が必要となり、この要求は、 特に、例えば設計作動温度４ａＫで毎秒たった数ミリグラムの設計流量を有する 小型ヘリウム冷却機において信頼をおいて実施するのは非常に困難なことである 。別の提案例では、作動低温度に適した寸法にされた固定オリフィス膨張バルブ と、該バルブと平行し且つ膨張ブロック内に、開放されるとかなり大きなオリフ ィスを有し、高圧力ラインから膨張ブロック内へ、次いで低圧力ライン内へのガ スの流れをそれ相応に増大するバイパスバルブとが設けられる。この場合、バイ パスバルブが開放されている間にＪ−Ｔ段階熱交換器（双方の方向に）及び膨張 ブロックを介する前記の結果として増大したガス流量は、双方の構成要素をより 早く冷却し、その後、流れが絞り膨張バルブのみを通過するようにバイパスバル ブが閉鎖されるが、この変形例では、バイパスバルブが低温度状況において閉鎖 可能であることが必要であると言う不利益な点が問題となる。

本発明の目的は、限定種類の装置において、低温度状況下での作動が必要とされ る可動部品を有する構成要素を使用せずにＪ−Ｔ膨張段階の冷却速度を増大する ことのできる手段を提供することである。

この目的のために、本発明によれば、限定種類の装置のＪ−Ｔ段階の高圧力ライ ンには、予備冷却器段階との相互作用位置の上流にバイパスバルブ（開放される と）を介して膨張ブロック内へ開放し且つ流れ制限膨張バルブより絞りの少ない ガスルートを提供するバイパスラインに至る枝管が設けられ、該予備冷却器段階 は、該バイパスレインを流れるガスが膨張ブロックに到達する前に、該ガスを冷 却するようにバイパスバルブの下流に配置され、バイパスラインは、Ｊ−Ｔ段階 熱交換器を通過することなく予備冷却器段階から直接膨張ブロックへ至る。

より一般的には、本発明の目的は、極低温冷却源とそれにより冷却される物品と の間に制御接続まはた熱スィッチを設けることであり、関係する極低温度の影響 を受けない制御バルブ手段を用いて該スイッチの設置を可能することである。

本発明のこのより一般的な態様によれば、本発明は、液体流源と、該源から第１ の熱交換器へ液体を供給する供給ラインであって、該熱交換器において前記液体 が極低温冷却源により冷却され、次いで第２の極低温冷却源により冷却される物 品と熱交換関係になる第２の熱交換器に該液体を供給する供給ラインと、該第２ の熱交換器から前記液体流源に液体流を戻す戻りラインとを備え、該戻りライン と液体流源と第１の熱交換器との間の供給ラインが第３の熱交換器内で互いに熱 交換関係にある冷却手段において、供給ラインまたは戻りライン内で液体流源と 第３の熱交換器との間に制御バルブが含まれて、供給ラインを介した且つ第１の 熱交換器から第２の熱交換器への液体流が制御されることを特徴とする冷却手段 を提供する。

本発明のこのより一般的な態様の点から考えると、上記に概略説明した上記の供 給ライン中に含まれる」１記制御バルブを有する本発明の冷却手段は、第３の熱 交換器（戻りラインと熱交換関係にある）と第１の熱交換器（極低温冷却源によ り冷却される）とを通して前記供給ラインと平行に液体源から第２の熱交換器へ 液体を供給するように接続された別の供給ラインを有することも可能であり、該 第２の熱交換器は、ジュール−トムソン膨張ブロックを形成し、該別の供給ライ ンは、該ジュール−トムソン膨張ブロックの流れ制限膨張バルブとして構成され た入り口を介して前記ジュール−トムソン膨張ブロック内へ開口している。その 場合、戻りラインは、ジュール−トムソン膨張ブロックからの液体出口を形成し 、自身の中で接続された制御バルブを有する液体供給ラインは、別の供給ライン 用に設けられた入り口より制限が緩和された入り口を介して膨張ブロック内へ開 口して、膨張ブコック内への液体流は、制御バルブが開放されているか閉鎖され ているかによって、それぞれ、自身の中で接続されたｔｒｓｉｉａバルブを有す る供給ライン、または、別の供給ラインを介して選択的に流れる。

本発明の上記及びその他の態様、効果、及び好適な特徴は、添付図面を参照しつ つ下記の説明において明らかとなる。

図１は、本発明を組み込んだ限定種類の装置の略図であり、図２は、図１に示し た装置の同図中の右側手分に示された部分の好適な実施例の部分立面及び部分長 手方向断面図であり、及び図３は、本発明により極低温冷却源と該冷却源により 冷却される物品との間に熱スィッチが設けられる装置の略図である。

図１に示す極低温冷却装置は、作動液体としてヘリウムを使用する閉ループＪ− Ｔ膨張段階と、該Ｊ−Ｔ段階のヘリウム用に二つの連続する予備冷却器段階を画 定する二段スターリングサイクル冷却機を備える。本発明の発明者らによる上記 に引用した文書中に記載される公知の種類のスターリングサイクル冷却機は、互 いに間して堅牢に、整合させて、しかし、一方における循環運動量の変化が他方 における同１かつ反対方向の変化により相殺され取り消されるように機械的に反 対に取り付けられ、且つ、ディスプレーサユニット１４上で共通の出力ライン１ ３を介して互いに同期して作動１．て、適当には約３５Ｈｚのサイクル周波数で 、ヘリウムであるのが好都合であるスターリングサイクル作動液を交互に圧縮減 圧する一対の電気駆動コンプレッサー１１と１２を備える。ディスプレーサユニ ット１４は、それぞれにおいて段付きディスプレーサピストン（図示なし）が電 気駆動手段（図示しないが、ハウジング１７内に収容される）によりコンプレッ サー１１と１２の周波数と同一の周波数で、但し、該コンプレッサーに対して約 ４分の１のサイクル変位して往復動される大径部及び小径部分１５と１６を有す る段付きシリンダーを備える。ディスプレーサユニット駆動手段は、公知の方法 で、段付きディスプレーサピストン上に取り付けられて該ピストンと一緒に軸方 向に移動し、且つ、交流電源（図示なし）から交流電流が供給されると、励起し て軸方向に振動するように永久磁石装置の同心環状間隙に配置されるコイルを備 える移動コイルモーターであるのが好適であり、同様に、コンプレッサー１１と １２がディスプレーサユニットに対して所望の位相変位しながら同一の電流源か ら駆動電流を供給される移動コイルモーターであるのが好適である。

ディスプレーサユニット１４の段付きピストンの大径及び小径部は、双方とも中 空で、段付きシリンダー１５．１６と該シリンダー内の段付きピストンとの間に 画定されたそれぞれの作動室とその端部で連通ずるそれぞれ軸方向に伸長する再 生装置ユニットを収容するようにされており、該作動室の二つは、段付きシリン ダー内でそれぞれ当該部１５．１６の上方端に配置され、スターリングサイクル 冷却器が作動すると、シリンダー壁の隣接部、及び該シリンダー壁土に註シリン ダー壁に十分に熱接触して取り付けられるそれぞれの熱伝導カラー１８と１９が それぞれ約１００°にと２０°にの低温度まで冷却される。カラー１８は、該カ ラー１８と良好に熱接触している二つの予備冷却器ユニット２０と２１が取り付 けられる二つの開り部を有し、カラー１９には、同様に、二つの別のガス予備冷 却器ユニット２２と２３が設けられる。

予備冷却器ユニット２０と２１、及び２２と２３は、装置のジュール−トムソン 部分の予備冷却器段階を画定する。これは、その間に緩衝体積または収容器２７ を挟んで直列に配置された二つのコンプレッサー２５と２６から成るコンプレッ サーユニットを備える。コンプレッサー２５．２６は、コンプレッサー１１．１ ２と同様であり、後者同様、振動運動力が互いに相殺されるように整合されるが 機械的に反対に取り付けられるのが好ましいが、コンプレッサー１１と１２と異 なり、コンプレッサー２５に引かれる低圧力ヘリウムが加圧されて収容器２７へ 供給され且つコンプレッサー２６によりさらに圧縮されて、好適には液体窒素ト ラップ２９とヘリウム中のその他の不純物ようのゲッター３０とが取り付けられ る高圧力ライン２８に供給されるように一方向入り口及び出口バルブが取り付け られる。（・ラップ２９とゲッター３０は、関係バルブを適当に操作してライン ２８に自由に導入及び該ラインから取り外しできるものとして図１に示すが、装 置のジュール−トムソン部分を作動液で満たす手段として使用されるトラップ２ ９は、実際は、その目的で使用された後は、通常永久に取り外されるが、ゲッタ ー３０は、通常永久にサーキット内に残される。

高圧力ライン２８は、開放されるとヘリウムがバイパスライン３１内へ流入する のを可能とする通常は閉鎖されているバルブ３０に至る枝管２９を有し、高圧力 ライン２８とバイパスライン３１は、一体となってマニホールド３２を介して、 同要素がジュール−トムソン膨張を経て、コンプレッサー２５の入り口側に供給 する低圧力ヘリウム収容器３５と戻りライン３４を介して接続するマニホールド ３２から出現する低圧力ヘリウムと熱交換関係になる第１の向流熱交換器３３内 へ入る。熱交換器３３は、マニホールド３２から遠隔の端において、高圧力ライ ン２８とバイパスイラン３１が出現してそれぞれ予備冷却器ユニット２０と２１ に開口するマニホールド３６を有する。ライン２８と３１の延長部２８ａと３１ ａは、次いでそれぞれ予備冷却器ユニット２０と２１からそれぞれマニホールド ３７を介して第２の向流熱交換器３８内へ入り、マニホールド３９を介して該熱 交換器から出現してそれぞれ予備冷却器ユニット２２と２３内へ開口する。高圧 力ライン２８の別の延長部２８ｂは、予備冷却器ユニット２２からマニホールド ４０を介して第３の向流熱交換器４１内へ入り、マニホールド４２を介して該熱 交換器から出現して最後にフィルター４３ａと入りロライン４３ｂとを介して該 入りロライン４３ｂが制限オリフィス膨張バルブ４４で終端するジュール−トム ソン膨張ブロック４３の膨張室内へ開口する４、一方、予備冷却器ユニット２３ は、第３の熱交換器４１をバイパスするバイパスラインの別の延長部３１ｂによ り直接に膨張ブロック４３の膨張室内へ接続されて、膨張バルブ４４に匹敵する ようないかなる絞りもな（該膨張室へ開口する。

低圧力戻りライン３４は、マニホールド３２を介して熱交換器３３の外部管内の 高圧力ライン２８とバイパスライン３１とを囲繞する空間に開口し、該空間は、 マニホールド３６とダクト３４ａを介してマニホールド３７と連通し、また、該 マニホールドを介して熱交換器３８の外部管内の同様な空間と連通ずる。同様に 、該空間は、マニホールド３９とダクト３４ｂとを介してマニホールド４０と連 通し、該マニホールドを介して熱交換器４１の外部管内の高圧力ライン部分２８ ｂを囲繞する空間に連通ずる。熱交換器４１内の該空間は、マニホールド４２を 介して、上記の装置の目的がその極低温冷却を提供することである負荷４５を含 む低圧力出口部３４Ｃにより膨張ブロック４３の膨張室に連通する。このように 、出口部３４ｃを介して膨張ブロック４４を出た低圧力ヘリウムは、次に、極低 温冷却される負荷を、次いで熱交換器４１．３８及び３３通過してライン３４を 介して収容器３５内へ戻る。

バルブ３０を開放すると、バイパスライン３１を流れる圧縮ヘリウムは、熱交換 器３３と３８内で収容器３５に戻る膨張されたヘリウムと向流熱交換すること、 及びそれぞれ約１００°にと２０°Ｋに冷却された予備冷却器ユニット２１と２ ３を通過することで冷却される。バルブ３０を介したこのルートを通した比較的 大流量のヘリウムにより膨張ブロック４３の温度が比紋的早く、Ｊ−Ｔ効果が効 率良く、且つバルブ４４を介した流量が設計値に近づくレヘルまで降下される。

バルブ３０を閉鎖すると、バイパスルートを介しての流れが阻止されて、ライン ２８からの高圧力ヘリウムのその後の流は、三つの熱交換器３３．３８及び４１ のすべてと、二つの予備冷却器ユニット２０と２２を通してなされ、その後の膨 張バルブまたはノズル４４を介したヘリウムの膨張により約４°Ｋまでの最終冷 却がなされる。装置のこの最終動作状態において、その時点において非作動バイ パスラインの最終部分３１ｂがその間に伸長する膨張ブロック４３と予備冷却器 ２３との間の温度差は相当なものとなるが、該部分３１ｂは、通常断面の小さな 細管であり且つ十分な長さにされていることから該部分３１ｂに沿った望ましく ない熱漏れは、満足する程度のわずかなものにすることができる点に留意された い。

図１の右側の主要部分を構成する組立体の実施例を図２に示す。同図においては 、図１に示す要素に相当するものには同一の符号を付す。図２に示す如く、スタ ーリングサイクル冷却機のディスプレーサユニット１４の段付きシリンダーの大 径部及び小径部１５と１６は、組立体がその周りに組み立てられる中央を柱を構 成する。大径部及び小径部１５と１６間の肩部に取り付けられたカラー１８は、 予備冷却器ユニット２０と２１がそれぞれ締まり嵌めにより収容配置される二つ の開口部を有し、予備冷却器ユニット２２と２３も同様に小径部１６の自由上方 端に固着されるカラー１９内の開口部内に締まり嵌めにより配置される。良好な 断熱材料からなる二つの柱４６が小径部１６の前記上方端に取り付けられ、両柱 の上方端には、フィルター４３８とジュール−トムソン膨張ブロック４３が熱接 触状態に固着され、従って、該二つの要素が互いに熱接触状態となる熱伝導支持 体４７が取り付けられる。

本実施例においては、三つの熱交換器３３．３８及び４１は、図２に示す如く、 コイル状のチューブ−イン−チューブ形式のものである。

環状マンドレル４８は、ディスプレーサユニットのシリンダ一部１５の回りの所 定位ｌに同心状に固着され、熱交換器３３は、該アンドレルの回りに螺旋状に巻 かれ、マンドレルの螺旋状溝４９内に据え付けられる。熱交換器３３の外部管は 、上端でマニホールド３６の横方向開口部内にろう付けされて、該マニホールド の軸方向孔内に開［１する。熱交換器外部管から出現する高圧力ライン２８とバ イパスライン３１は、マニホールド３６の軸方向孔を横断し、熱交換器３３の外 部管の端部がろう付けされ（それにより密封され）る大径孔に対向するその内部 で当該ラインがろう付により密閉されている二つの小径孔を介して該マニホール ドの外部へ伸長する。出現する高圧力ライン２８とバイパスライン３１は、それ ぞれ予備冷却器ユニット２０と２１の上部端の開口部へ導かれ、その内部にて、 当該ユニットの内部と連通しつつ該開口部を密封するようにろう付けされる。

熱交換器３８のマニホールド３７は、マニホールド３６の所定位置にろう付けさ れ、マニホールド３６の軸方向の内部孔と連通し、該内部孔と共に図１にて固定 されるダクト３４ａを構成する軸方向の内部孔を有する。マニホールド３７は、 熱交換器３８の外部管の下部端がその内部にてろう付けされて密封されるダクト ３４ａに連通する横方向の開口部を有する。熱交換器３８の外部管の下部端から 出現する該熱交換器の内部管２８ａと３１８は、ダクト３４ａを横断して伸長し て、（該内部管がろう付けにより密封される）二つの横方向開口部を通ってマニ ホールド３７から出現して、予備冷却器ユニット２０と２１を介してそれぞれ高 圧力ライン２８とバイパスライン３１とに連通ずるようにろう付けにより密封さ れる予備冷却器ユニッｌ−２０と２１の下部端の開口部に導かれる。

マニホールド３９と４０は、マニホールド３６と３７と同様な方法で形成されか つ接続され、熱交換器３８と４１の外部管が互いに連通ずる内部ダクト３４ｂを 画定する。熱交換器３８の内部管２８ａと３１８の上部端は、マニホールド３９ から出現し、予備冷却器ユニット２２と２３の下部端内に密封され、熱交換器４ １の内部管２８ｂは、その下部端でマニホールド４０から出現し、予備冷却器ユ ニット２２の上部端内に密封される。管２８ｂの上部端は、マニホールド４２か ら出現し、フィルター４３ａの下部端内に密封され、該フィルターの上部端は、 ジュール−トムソン膨張ブロック４３内でジュール−トムソン膨張が発生する制 限オリフィスまたはバルブ４４に終端する入りロライン４３ｂによりジュール− トムサン膨張ブロック４３に接続される。熱交換器４１をバイパスするバイパス ライン延長部３１ｂは、予備冷却器ユニット２３の上部端から伸長して、フィル ター４３ａ（該延長部を冷却するように該延長部と良好な熱接触状態にある）を 通されて、バルブ４４近傍のジュール−トムソンブロック４３の上端内に開口す るが、自身は、比較できる程の絞りは一切有しない。

ブロック４３の底部からの出口ダクト３４ｅは、極低温冷却される負荷（図１の ４５、但し、図２には図示しない）に至り、該負荷からの戻りダクト３４０゜は 、マニホールド４２を介して熱交換器４１の外部管の内部と連通ずる。ダクト３ ４ｃ及び３４ｃ′は、直接に熱接触しないのが好適であるが、熱交換器４１の重 量を支持するスペーサ一部材５０により互いに対して機械的に配置される。

熱交換器３３．３８及び４１とマニホールド３６．３７．３９．４０及び４２と の組立体は、上部端をスペーサー５０により、下部端をマンドレル４８により支 持されるが、それ以外では熱交換器内部管が予備冷却器ユニット２０．２１２２ 及び２３に接続する部位から隔離した装置の残余部分と物理的かつ熱接触しない 一体構造体を形成する。この構成は、熱交換器と装厘のその他の部分との間の不 要な熱漏れを最小限にするのに効果的である。予備冷却器ユニット内の望ましい 熱伝達は、該冷却器ユニットにユニット２０の図示した充填剤２０ａ等の高熱伝 導率を有し且つ予備冷却器ユニット壁及び該ユニット壁を介して低温カラー１８ または１９それぞれに良好に熱接触するガス透過性を有する充填剤を供給するこ とで最大にされる。充填剤２０ａは、例えば一枚の金属ガーゼから切断した円形 ディスクを積み重ねた形状にしても、または、ロール状に巻かれたかかるカーゼ のストリップであっても良い。フィルター４３８に、フィルター要素として作用 する同様の充填剤を設けても良く、また、同様の充填剤を膨張ブロック４３内に 入れて、膨張ノズル４４から流れ出る低温膨張ガスとの熱接触を最大にするよう にしても良い。

前に提案した如く、極低温状態の部位から遠隔の所にバルブ３０を設けて予嬬冷 却ユニット２１と２２を介し、膨張ブロックに至るヘリウムの流れを調整して図 １及び図２に図示する装置内で極低温冷却を行うことは、本発明の一態様または 一例と見なすことができる。上記に述べた本発明の最も広範な態様である別の実 施例を図３に示し、同図を参照しつつ該実施例を説明する。

図３に示す如く、極低温冷却源５５は、スターリングサイクル冷却器により表さ れ、物品５６は、それ自体は、極低温冷却をされないバルブを調整して前記冷却 源により冷却される。従って、液体流を供給ライン５８を介して極低温冷却源５ ５により冷却される第１の熱交換器５９に、その後冷却される物品と熱交換関係 になる第２の熱交換器６０に供給する一方向入り口及び出口バルブを有する循環 ポンプ５７が設けられる。熱交換器６０からポンプ５７に戻る液体流の戻りライ ン６１も設けられ、同様に、該戻りライン６１がポンプ５７と第１の熱交換器５ ９との間の供給ライン５８と熱交換関係になる第３の熱交換器６２が設けられる 。ポンプ５７と第３の熱交換器６２との間には（戻りライン６１内にも同じよう にあっても良いだろうが、図示の如く供給ライン５８内に）供給ラインを通って 熱交換器５９に至り、該熱交換器から熱交換器６０に至る液体流を制御できるバ ルブ６３が設けられる。この循環路は、ポンプ５７により供給される複数のかか る循環路全ての内の一つであり、従って、バルブ６３′により制御され且っ熱交 換器６２゛　を含む第２のかかる循環路を第２の極低温冷却源５５゛　により冷 却される熱交換器５９°からの冷却液体を受け入れる熱交換器６０’　により物 品５６を冷却するために設けることが可能である。

ポンプ５７が作動して、バルブ６３が開放されると、液体が熱交換器５９を通し て流れて、冷却源５５により冷却され、その後熱交換器６０を介して物品５６を 冷却する。チューブ−イン−チューブ形式であっても良い熱交換器６２が作動し て冷却源５５上の不要な熱負荷が最小にされる。万が−にも冷却源５５が故障し た場合には、バルブ６３を閉じると、物品５６から該冷却源が隔離され、バルブ ６３′等の別のバルブを開放すると、別の代替循環路の一つにおいて冷却源５５ ゛等の代替冷却源により物品５６の継続冷却が可能となる。または、通常の動作 においては、バルブ６３等の複数のバルブが通常に開放される一方で、冷却源５ ５等の複数の冷却源により物品５６を同時に冷却することも可能である。この場 合には、冷却源の一つが故障したとすると、対応するバルブを閉じることにより 、跋故障した冷却源を物品５６から隔離しても良く、その結果、故障した冷却源 は、物品５６に最小の熱負荷を加えることとなる。

ＦＩＧ、Ｊ ！股寅 本発明は、極低温冷却源と冷却される物品との間にそれ自身は関係する極低温冷 却されない制御バルブを使用して制御接続または熱スィッチを提供する。−態様 においては、本発明は、液体流源と、該源から第１の熱交換器へ液体を供給する 供給ラインであって、該熱交換器において前記液体が極低温冷却源により冷却さ れ、次いで第２の極低温冷却源により冷却される物品と熱交換関係になる第２の 熱交換器に該液体を供給する供給ラインと、該第２の熱交換器から前記液体流源 に液体流を戻す戻りラインとを備え、該戻りラインと液体流源と第１の熱交換器 との間の供給ラインが第３の熱交換器内で互いに熱交換関係にある冷却手段にお いて、供給ラインまたは戻りライン内で液体流源と第３の熱交換器との間に制御 バルブが含まれて、供給ラインを介した且つ第１の熱交換器から第２の熱交換器 への液体流が制御されることを特徴とする冷却手段を提供する。

一実施例は、閉ループＪ−Ｔ膨張段階及び少なくとも一つの予備冷却器を有する 多段極低温冷却装置であって、該Ｊ−Ｔ段階がガスコンプレッサーと、Ｊ−Ｔ膨 張ブロック（該コンプレッサーから高圧力ラインを介して高圧ガスを受け入れる ように配置され且つ自身の流れ制限膨張バルブとして構成された入り口及び低圧 力戻りラインを介して前記コンプレッサーに接続された出口を有する）と、前記 高圧力ラインと前記低圧力戻りラインが熱交換関係にあるＪ−Ｔ段階熱交換器と を備え、且つ、前記予備冷却器段階が高圧力ライン中のガスを、該ガスがＪ−Ｔ 段階熱交換器へ進入する前に予備冷却するように配置されている多段極低温冷却 装置において、前記ジュール−トムソン段階に、前記予備冷却器段階との相互作 用部位の上流で、バイパスバルブ（開放されると）を介して前記膨張ブロック内 に開口するバイパスラインに至り且つ前記流れ制限膨張バルブより絞りの緩和さ れたガスルートを提供する枝管が設けられ、前記予備冷却器段階が前記バイパス バルブの下流で、前記バイパスラインを流れるガスが前記膨張ブロックに到達す る前に該ガスを冷却するように配置され、且つ、前記バイパスラインがジュール −トムソン段階熱交換器を通過することなく、前記予備冷却器段階から直接前ｌ 張ブロックに至ることを特徴とする多段極低温冷却装置により構成される。

補正書の翻訳文提出書 平成　４年　８月２８日

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. １．液体流源と、該液体流源から第１の熱交換器へ液体を供給する供給ラインで あって、該熱交換器において前記液体が極低温冷却源により冷却され、次いで第 ２の極低温冷却源により冷却される物品と熱交換関係になる第２の熱交換器に該 液体を供給する供給ラインと、該第２の熱交換器から前記液体流涙に液体流を戻 す戻りラインとを備え、該戻りラインと前記液体流源と前記第１の熱交換器との 間の前記供給ラインが第３の熱交換器内で互いに熱交換関係にある冷却手段にお いて、前記供給ラインまたは前記戻りライン内の前記液体流源と第３の熱交換器 との間に制御バルブが含まれて、前記供給ラインを介した且つ前記第１の熱交換 器から前記第２の熱交換器への液体流が制御されることを特徴とする冷却手段。
2. ２．前記制御バルブは、閉鎖されて前記供給ラインを介した前記第１の熱交換機 から前記第２の熱交換機への液体流を阻止することができることを特徴とする請 求項１に記載の冷却手段。
3. ３．前記制御バルブが前記供給ライン内に含まれ、且つ、前記第３の熱交換器（ 戻りラインと熱交換関係にある）と前記第１の熱交換器（前記極低温冷却源によ り冷却される）とを介した前記供給ラインに平行な前記液体源から前記第２の熱 交換器へ液体を供給するように接続された別の供給ラインを含み、前記第２の熱 交換器がジユールートムソン膨張ブロックを構成し、該別の供給ラインが該ジュ ールートムソン膨張ブロックの流れ制限膨張バルブとして構成された入り口を介 して該ジュールートムソン膨張ブロック内に開口していることを特徴とする請求 項１に記載の冷却手段。
4. ４．前記戻りラインが前記ジュールートムソン膨張ブロックからの液体出口を構 成し、自身に接続された前記制御バルブを有する前記供給ラインが前記別の供給 ラインに設けられた入り口より制暇が緩和された入り口を介して前記膨張ブロッ ク内に開口して、前記膨張ブロック内への液体流が、前記制御バルブが開放され ているか、または、閉鎖されているかによって、それぞれ自身に接続された前記 制御バルブを有する前記供給ラインか、前記別の供給ラインを介して選択的に流 れることを特徴とする請求項３に記載の冷却手段。
5. ５．閉ループＪ−Ｔ膨張段階及び少なくとも一つの予備冷却器を有する多段極低 温冷却装置であって、該Ｊ−Ｔ段階がガスコンプレッサーと、Ｊ−Ｔ膨張ブロッ ク（該コンプレッサーから高圧力ラインを介して高圧ガスを受け入れるように配 置され且つ自身の流れ制限膨張バルブとして構成された入り口及び低圧力戻りラ インを介して前記コンプレッサーに接続された出口を有する）と、前記高圧力ラ インと前記低圧力戻りラインが熱交換関係にあるＪ−Ｔ段階熱交換器とを備え、 且つ、前記予備冷却器段階が高圧力ライン中のガスを、該ガスがＪ−Ｔ段階熱交 換器へ進入する前に予備冷却するように配置されている多段極低温冷却装置にお いて、前記ジュールートムソン段階の高圧力ガスラインに、前記予備冷却器段階 との相互作用部位の上流で、バイパスバルブ（開放されると）を介して前記膨張 ブロック内に開口するバイパスラインに至り且つ前記流れ制限膨張バルブより絞 りの緩和されたガスルートを提供する枝管が設けられ、前記予備冷却器段階が前 記バイパスバルブの下流で、前記バイパスラインを流れるガスが前記膨張ブロッ クに到達する前に該ガスを冷却するように配置され、且つ、前記バイパスライン がジュールートムソン段階熱交換器を通過することなく、前記予備冷却器段階か ら直接前記膨張ブロックに至ることを特徴とする多段極低温冷却装置。
6. ６．前記予備冷却器段階が前記高圧力ラインと前記バイパスライン内のがスがス ターリングサイクル冷却機により冷却されるそれぞれの熱交換器を備えることを 特徴とする請求項５に記載の極低温冷却装置。
7. ７．添付図面の図１及び図２、または、図３を参照して本書にて略説明された如 き冷却手段。
8. ８．添付図面の図１及び図２を参照して本書にて略説明された如き極低温冷却装 置。