JP2559933B2 - 極低温冷凍装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、極低温冷凍装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、超電導装置においては、超電導マ
グネット部分を極低温に冷却する必要があり、超電導マ
グネット部分を、例えば密封された液体ヘリウム槽内に
設け、該液体ヘリウム槽内に収容された液体ヘリウムに
よって約４．２°Ｋに冷却している。そして、更に上記
液体ヘリウム槽を断熱ケースによって包囲し、該断熱ケ
ース内を真空に維持して断熱ケースの外側の大気中の熱
が進入しないようにしている。

【０００３】この場合、上記超電導マグネットには断熱
ケースを介して大気中の熱が輻射熱となって進入するた
め、その分上記液体ヘリウムが気化してしまう。そのた
め、ヘリウムガスを回収して再び液体ヘリウムにするた
めに極低温冷凍装置が使用される。上記極低温冷凍装置
は、吸着剤、向流型熱交換器及びＪ−Ｔ膨張弁から成る
同一の冷凍サイクルを複数段直列に接続して極低温状態
を形成するようにしている。

【０００４】この場合、冷凍サイクルにおいては、吸着
剤の冷却と加熱を交互に行い、吸着剤から放出された冷
媒をＪ−Ｔ膨張弁に送って膨張させ、この時のジュール
・トムソン効果を利用して冷媒の温度を降下させるよう
になっている。そして、前段の冷凍サイクルの冷媒を利
用して、次段の冷凍サイクルの吸着剤を冷却することに
よって極低温状態が形成されるようになっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の極低温冷凍装置においては、複数段の同一の冷凍サ
イクルにおいて吸着剤をすべて同じように使用している
ため、装置が大型化してしまう。また、冷媒を吸着剤に
吸着させる場合には前段の冷媒を使用して吸着剤が冷却
され、冷媒を吸着剤から放出する場合には適宜加熱流体
を使用して吸着剤が加熱される。したがって、前段の冷
媒及び加熱流体を間歇的に吸着剤に供給する必要があ
り、冷媒や加熱流体が流れる流路に電磁弁などの制御弁
を用いたサーマルスイッチを配設しなければならない。

【０００６】上記サーマルスイッチを使用する場合は、
極低温状態において精度良く電磁的制御を行うためにソ
レノイド部分を常温下に置く必要がある。その場合、常
温下のソレノイド部分と極低温下のアクチュエータ部分
が離れた場所に置かれ、制御性が低下するだけでなく、
電磁弁の寸法が大きくなってしまう。また、常温下のソ
レノイド部分と極低温下のアクチュエータ部分を連結す
る部材を介して外部熱が進入して効率が低下してしま
う。

【０００７】本発明は、上記従来の極低温冷凍装置の問
題点を解決して、装置を大型化することなく、温度制御
を精度良く行うことができ、しかも高効率で運転するこ
とができる極低温冷凍装置を提供することを目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】そのために、本発明の極
低温冷凍装置においては、吸着剤と、該吸着剤を加熱す
る加熱手段と、熱伝導性の高い材料によって形成される
とともに、上記吸着剤及び加熱手段を収容し、内部に第
１の冷媒室を形成する内槽と、該内槽を収容し、内槽と
の間に第２の冷媒室を形成する外槽と、上記第１の冷媒
室から第１の冷媒を排出するための第１の一方向弁と、
該第１の一方向弁を介して上記第１の冷媒室に接続さ
れ、第１の冷媒を膨張させる膨張弁と、該膨張弁に接続
され、被冷却物を冷却する負荷冷却器と、該負荷冷却器
と上記第１の冷媒室との間に接続され、第１の冷媒室に
第１の冷媒を帰還させるための第２の一方向弁と、上記
第２の冷媒室に第２の冷媒を常時供給する手段と、上記
加熱手段を間歇的に作動させ、加熱手段を作動させるこ
とによって上記第１の冷媒室から第１の冷媒を排出し、
加熱手段を停止させることによって上記第１の冷媒室に
第１の冷媒を帰還させる手段とを有する。

【０００９】本発明の他の極低温冷凍装置においては、
複数の吸着剤と、該各吸着剤にそれぞれ配設され、各吸
着剤を独立して加熱する複数の加熱手段と、熱伝導性の
高い材料によって形成されるとともに、上記各吸着剤及
び各加熱手段を独立して収容し、内部に第１の冷媒室を
形成する複数の内槽と、該複数の内槽を収容し、内槽と
の間に共通の第２の冷媒室を形成する一つの外槽と、上
記各第１の冷媒室から第１の冷媒を独立して排出するた
めの複数の第１の一方向弁と、該各第１の一方向弁を介
して上記各第１の冷媒室に接続され、第１の冷媒を膨張
させる膨張弁と、該膨張弁に接続され、被冷却物を冷却
する負荷冷却器と、該負荷冷却器と上記各第１の冷媒室
との間に接続され、各第１の冷媒室に第１の冷媒を独立
して帰還させるための複数の第２の一方向弁と、上記第
２の冷媒室に第２の冷媒を常時供給する手段と、上記複
数の加熱手段を交互に間歇的に作動させ、加熱手段を作
動させることによって上記各第１の冷媒室から第１の冷
媒を排出し、加熱手段を停止させることによって上記各
第１の冷媒室に第１の冷媒を帰還させる手段とを有す
る。

【００１０】本発明の更に他の極低温冷凍装置において
は、さらに、上記加熱手段は、吸着剤に隣接して配設さ
れたヒータと、該ヒータに電流を流す電源回路から成
る。

【００１１】本発明の更に他の極低温冷凍装置において
は、さらに、上記加熱手段は、吸着剤に取り付けられた
一対の電極と、該電極に接続され、吸着剤に電流を流す
電源回路から成る。

【００１２】

【作用及び発明の効果】本発明によれば、上記のように
極低温冷凍装置においては、吸着剤と、該吸着剤を加熱
する加熱手段と、熱伝導性の高い材料によって形成され
るとともに、上記吸着剤及び加熱手段を収容し、内部に
第１の冷媒室を形成する内槽と、該内槽を収容し、内槽
との間に第２の冷媒室を形成する外槽と、上記第１の冷
媒室から第１の冷媒を排出するための第１の一方向弁
と、該第１の一方向弁を介して上記第１の冷媒室に接続
され、第１の冷媒を膨張させる膨張弁と、該膨張弁に接
続され、被冷却物を冷却する負荷冷却器と、該負荷冷却
器と上記第１の冷媒室との間に接続され、第１の冷媒室
に第１の冷媒を帰還させるための第２の一方向弁と、上
記第２の冷媒室に第２の冷媒を常時供給する手段と、上
記加熱手段を間歇的に作動させ、加熱手段を作動させる
ことによって上記第１の冷媒室から第１の冷媒を排出
し、加熱手段を停止させることによって上記第１の冷媒
室に第１の冷媒を帰還させる手段とを有する。

【００１３】この場合、上記加熱手段を作動させると、
上記第１の冷媒室から第１の冷媒が排出され、膨張弁に
よって膨張させられる。その後、上記第１の冷媒は、負
荷冷却器によって被冷却物が冷却され、上記加熱手段が
停止するのに伴って上記第１の冷媒室に帰還させられ
る。

【００１４】また、上記第２の冷媒室には第２の冷媒が
常時供給されるので、吸着剤を冷却するために電磁弁等
の制御弁を用いたサーマルスイッチを使用して、第２の
冷媒を供給したり停止したりする必要がなくなる。した
がって、電磁弁を介して外部熱が進入することがなくな
り、熱効率を向上させることができる。また、電磁弁を
用いる場合、電磁弁の可動部分を常温に近い位置に配置
し、作動の確実性を図る必要があるが、上記第２の冷媒
室に常温近傍部から制御弁の一部を延長させる必要がな
いので、極低温冷凍装置を小型化することができる。

【００１５】本発明の他の極低温冷凍装置においては、
複数の吸着剤と、該各吸着剤にそれぞれ配設され、各吸
着剤を独立して加熱する複数の加熱手段と、熱伝導性の
高い材料によって形成されるとともに、上記各吸着剤及
び各加熱手段を独立して収容し、内部に第１の冷媒室を
形成する複数の内槽と、該複数の内槽を収容し、内槽と
の間に共通の第２の冷媒室を形成する一つの外槽と、上
記各第１の冷媒室から第１の冷媒を独立して排出するた
めの複数の第１の一方向弁と、該各第１の一方向弁を介
して上記各第１の冷媒室に接続され、第１の冷媒を膨張
させる膨張弁と、該膨張弁に接続され、被冷却物を冷却
する負荷冷却器と、該負荷冷却器と上記各第１の冷媒室
との間に接続され、各第１の冷媒室に第１の冷媒を独立
して帰還させるための複数の第２の一方向弁と、上記第
２の冷媒室に第２の冷媒を常時供給する手段と、上記複
数の加熱手段を交互に間歇的に作動させ、加熱手段を作
動させることによって上記各第１の冷媒室から第１の冷
媒を排出し、加熱手段を停止させることによって上記各
第１の冷媒室に第１の冷媒を帰還させる手段とを有す
る。この場合、内槽が複数個配設され、該各内槽に上記
吸着剤及び加熱手段が独立して収容されるので、加熱さ
れた吸着剤からだけ第１の冷媒が放出される。また、上
記複数の内槽は一つの外槽に収容され、各内槽と外槽と
の間に共通の第２の冷媒室が形成される。したがって、
上記各内槽は第２の冷媒によって常時冷却されるので、
加熱手段が作動していない吸着剤には、第１の冷媒が吸
着される。

【００１６】また、上記各第１の冷媒室から第１の冷媒
を独立して排出するための複数の一方向弁と、上記各第
１の冷媒室に第１の冷媒を独立して帰還させるための複
数の一方向弁が設けられるので、各一方向弁を介して第
１の冷媒が選択的に内槽から排出され、内槽に帰還す
る。そして、上記第２の冷媒室に第２の冷媒が常時供給
され、上記複数の加熱手段は交互に間歇的に作動させら
れる。

【００１７】本発明の更に他の極低温冷凍装置において
は、さらに、上記加熱手段は、吸着剤に隣接して配設さ
れたヒータと、該ヒータに電流を流す電源回路から成
る。この場合、電源回路からヒータに電流を流すことに
よって、上記第１の冷媒室から第１の冷媒が排出され、
電源回路からヒータに電流を流すのを停止すると、上記
第１の冷媒室に第１の冷媒が帰還させられる。本発明の
更に他の極低温冷凍装置においては、さらに、上記加熱
手段は、吸着剤に取り付けられた一対の電極と、該電極
に接続され、吸着剤に電流を流す電源回路から成る。こ
の場合、ヒータを内槽の中に配設する必要がないので、
極低温冷凍装置を小型化することができるとともに、吸
着剤以外の部材を加熱することがないので、熱効率を更
に向上させることができる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
ながら詳細に説明する。図１は本発明の第１の実施例を
示す極低温冷凍装置の概略図である。図において、１１
は熱負荷を冷却するための第１冷凍サイクル、１２は該
第１冷凍サイクル１１の低温源を構成し、第１冷凍サイ
クル１１の吸着剤を冷却する第２冷凍サイクルである。
上記第１冷凍サイクル１１及び第２冷凍サイクル１２を
２段連結することによって、約４．２°Ｋの極低温状態
が形成される。本実施例においては、上記第１冷凍サイ
クル１１は冷媒としてヘリウム（Ｈｅ）を使用し、吸着
物質として吸着剤を使用する冷凍サイクルで構成され、
第２冷凍サイクル１２は冷媒として水素（Ｈ₂ ）を使用
し、吸着物質として水素吸蔵合金を使用する冷凍サイク
ルで構成される。

【００１９】１３はヘリウムガスを吸着するとともに放
出するための吸着装置である。該吸着装置１３は、吸着
物質として活性炭やゼオライトなどの吸着剤１４、該吸
着剤１４を加熱するためのヒータ１５、及び冷却器１６
から成る。上記吸着剤１４の温度をヒータ１５によって
強制的に上昇させると、吸着されていたヘリウムが吸着
剤１４から放出される。また、上記吸着剤１４の温度を
冷却器１６によって強制的に低下させると、ヘリウムが
吸着剤１４に吸着される。

【００２０】上記吸着剤１４を備えた吸着装置１３は、
接続管１７を介してループ状の冷媒管路１８に接続され
ていて、吸着剤１４を加熱することによって発生したヘ
リウムガスは上記冷媒管路１８に供給され、該冷媒管路
１８に配設されるＪ−Ｔ膨張弁１９で膨張させられ、ジ
ュール・トムソン効果によって少なくとも一部が液化さ
せられ、ミスト状の冷媒となる。そして、ミスト状の冷
媒は熱負荷となる負荷冷却器２０に送られ、該負荷冷却
器２０において本実施例では被冷却物をほぼ４．２°Ｋ
に冷却するとともに気化し、ヘリウムガスとなる。

【００２１】続いて、上記吸着剤１４を冷却することに
よって、上記冷媒管路１８内のヘリウムガスを上記吸着
剤１４に吸着させることができる。上記Ｊ−Ｔ膨張弁１
９においてジュール・トムソン効果によって冷媒を液化
させるためには、高圧で所定温度以下の冷媒をＪ−Ｔ膨
張弁１９に供給して、該Ｊ−Ｔ膨張弁１９から低圧側に
吐出する必要がある。

【００２２】そこで、上記冷媒管路１８におけるＪ−Ｔ
膨張弁１９の上流側の高圧側冷媒管路１８ａに一方向弁
２２を、Ｊ−Ｔ膨張弁１９の下流側の低圧側冷媒管路１
８ｂに一方向弁２３を配設し、冷媒を一方向に流すとと
もに高圧側冷媒管路１８ａにおいて高圧を形成してい
る。この場合、上記一方向弁２２はヘリウムガスの圧力
が例えば１４ａｔｍ．の設定圧力になるまでは開放され
ない構造になっていて、上記高圧側冷媒管路１８ａ内に
おいてヘリウムガスは例えば１４〜１８ａｔｍ．の圧力
に維持される。

【００２３】このようにして、吸着剤１４を加熱するこ
とによって発生したヘリウムガスは一方向弁２２を介し
て高圧側冷媒管路１８ａに送られ、上記Ｊ−Ｔ膨張弁１
９から低圧側冷媒管路１８ｂに吐出される。上述したよ
うに、ヘリウムガスはＪ−Ｔ膨張弁１９から吐出されて
少なくとも一部が液化させられるが、該Ｊ−Ｔ膨張弁１
９の上流側のヘリウムガスの温度が低温であればあるほ
ど吐出後の温度は低下し、液化する量が増加する。そこ
で、上記Ｊ−Ｔ膨張弁１９の上流側の高圧側冷媒管路１
８ａに、ヘリウムガスを冷却するための第１、第２熱交
換器２５，２６と該第１、第２熱交換器２５，２６間に
第３熱交換器２７が配設される。

【００２４】上記第１熱交換器２５及び第２熱交換器２
６は、向流型熱交換器が採用され、上記負荷冷却器２０
において被冷却物を冷却した後の低圧側冷媒管路１８ｂ
内のヘリウムガスの冷熱を利用して高圧側冷媒管路１８
ａ内のヘリウムガスを冷却するようにしている。また、
第３熱交換器２７は、第２冷凍サイクル１２において冷
却器１６で吸着剤１４を冷却した後の水素ガスの冷熱を
利用している。

【００２５】このようにして、少なくとも一部が液化さ
せられてヘリウムガスと液体ヘリウムの混合物になった
冷媒は負荷冷却器２０に送られ、該負荷冷却器２０で被
冷却物を冷却する。上記液体ヘリウムの沸点は約４．２
°Ｋであり、負荷冷却器２０は約４．２°Ｋで被冷却物
を冷却することができる。したがって、上記負荷冷却器
２０を超電導モータの液体ヘリウム槽に配設すれば、超
電導マグネットを冷却して気化したヘリウムガスを再び
液化することができる。

【００２６】なお、この場合、超電導マグネットを冷却
して気化したヘリウムガスを負荷冷却器２０の被冷却物
としているが、例えば負荷冷却器２０を液体ヘリウム槽
で構成し、被冷却物としての超電導マグネットを直接冷
却するようにしてもよい。上述したように、吸着装置１
３には、吸着剤１４を加熱するためにヒータ１５が設け
られている。該ヒータ１５は電源回路３１に接続され、
図示しない制御装置によって制御され、間歇的に上記吸
着剤１４を加熱する。また、上記吸着剤１４には冷却器
１６が配設されていて、該冷却器１６内を流れる水素ガ
スと液化水素の混合物から成る冷媒によって上記吸着剤
１４は常時２２°Ｋに冷却されている。

【００２７】次に、第２冷凍サイクル１２について説明
する。３３は冷却することによって水素ガスを吸蔵し、
加熱することによって水素ガスを放出するための吸蔵装
置である。該吸蔵装置３３は、ＬａＮｉ₅ などの水素吸
蔵合金から成る吸蔵物質３４、該吸蔵物質３４を選択的
に加熱・冷却するためのペルチェ素子３５から成る。該
ペルチェ素子３５は上記電源回路３１に接続されるとと
もに、図示しない制御装置によって制御され、接続され
る極性を切り替えることによって雰囲気温度に対して±
６０°Ｃの加熱・冷却を行う。すなわち、雰囲気温度を
例えば０°Ｃに維持した場合、加熱時には６０°Ｃの加
熱を、冷却時には−６０°Ｃの冷却を行うことができ
る。

【００２８】したがって、例えば上記吸蔵物質３４とし
て−６０°Ｃ程度の低温下で吸蔵を行うことができるも
のを使用すると、上記吸蔵装置３３をほぼ０°Ｃの雰囲
気下に置くことができ、吸蔵装置３３を極低温状態から
分離して断熱構造内に収容すると、装置の熱効率を向上
させることができる。上記構成の吸蔵装置３３におい
て、吸蔵物質３４の温度をペルチェ素子３５によって強
制的に上昇させると、吸蔵されていた水素が気化し水素
ガスとなって吸蔵物質３４から放出される。また、上記
ペルチェ素子３５を切り替え、上記吸蔵物質３４の温度
をペルチェ素子３５によって強制的に低下させると、水
素ガスが吸蔵物質３４に吸蔵される。

【００２９】上記吸蔵物質３４を備えた吸蔵装置３３は
接続管３７を介してループ状の冷媒管路３８に接続され
ていて、吸蔵物質３４を加熱することによって発生した
水素ガスは上記冷媒管路３８に供給され、該冷媒管路３
８に配設されるＪ−Ｔ膨張弁３９で膨張させられ、ジュ
ール・トムソン効果によって少なくとも一部が液化させ
られ、ミスト状の冷媒となる。そして、ミスト状の冷媒
は上記冷却器１６に送られ、該冷却器１６において上記
吸着剤１４を約２２°Ｋに冷却するとともに一部が気化
し、水素ガスとなる。上記冷却器１６の下流側には第３
熱交換器２７が配設されていて、吸着剤１４を冷却した
後の冷媒は更に第３熱交換器２７に送られ、該第３熱交
換器２７においてヘリウムガスを冷却する。

【００３０】続いて、上記ペルチェ素子３５を切り替
え、吸蔵物質３４を冷却することによって、上記冷媒管
路３８内の水素ガスを上記吸蔵物質３４に吸蔵させるこ
とができる。上記Ｊ−Ｔ膨張弁３９においてジュール・
トムソン効果によって冷媒を液化させるためには、高圧
で所定温度以下の冷媒をＪ−Ｔ膨張弁３９に供給して、
該Ｊ−Ｔ膨張弁３９から低圧側に吐出する必要がある。

【００３１】そこで、上記冷媒管路３８におけるＪ−Ｔ
膨張弁３９の上流側の高圧側冷媒管路３８ａに一方向弁
４２を、Ｊ−Ｔ膨張弁３９の下流側の低圧側冷媒管路３
８ｂに一方向弁４３を配設し、冷媒を一方向に流すとと
もに高圧側冷媒管路３８ａにおいて高圧を形成してい
る。このようにして、吸蔵物質３４を加熱することによ
って発生した水素ガスは一方向弁４２を介して高圧側冷
媒管路３８ａに送られ、上記Ｊ−Ｔ膨張弁３９から低圧
側冷媒管路３８ｂに吐出される。上述したように、水素
ガスはＪ−Ｔ膨張弁３９から吐出されて少なくとも一部
が液化させられるが、該Ｊ−Ｔ膨張弁３９の上流側の水
素ガスの温度が低温であればあるほど吐出後の温度は低
下し、液化する量が増加する。そこで、上記Ｊ−Ｔ膨張
弁３９の上流側の高圧側冷媒管路３８ａに、水素ガスを
冷却するための第１、第２熱交換器４５，４６と該第
１、第２熱交換器４５，４６間に第３熱交換器４７が配
設される。

【００３２】上記第１熱交換器４５及び第２熱交換器４
６は、向流型熱交換器が採用され、第１冷凍サイクル１
１の第３熱交換器２７においてヘリウムガスを冷却した
後の低圧側冷媒管路３８ｂ内の水素ガスの冷熱を利用し
て高圧側冷媒管路３８ａ内の水素ガスを冷却するように
している。また、第３熱交換器４７は、液化ガス、例え
ば液体窒素（Ｎ₂ ）を冷熱源とする液化ガス式冷却器で
構成される。そのため、液化ガス供給手段が設けられ、
上記第３熱交換器４７は液体窒素管路５１を介して液体
窒素槽５２に接続されている。

【００３３】液体窒素は沸点が７７°Ｋであり、単位重
量当たりの蒸発潜熱が比較的高く、冷却効果が大きい。
したがって、わずかな量の液体窒素を上記第３熱交換器
４７に供給するだけで、高圧側冷媒管路３８ａ内の水素
ガスを十分に冷却することができる。なお、図示されて
いないが、上記液体窒素管路５１には、供給される液体
窒素の量を調節するための調節弁が設けられる。上記第
３熱交換器４７において水素ガスを冷却し、気化した窒
素ガスは回収されることなく放出され、その後断熱ケー
ス５５内を冷却する。

【００３４】上記第３熱交換器４７は、液体窒素を利用
して水素ガスを冷却するため、水素ガスの冷却が促進さ
れ、ジュール・トムソン効果を十分に機能させることが
可能となる。したがって、第２冷凍サイクル１２で吸蔵
装置３３による冷凍サイクルを使用してもＪ−Ｔ膨張弁
３９から吐出された後の冷媒中の液体水素の量が多くな
り、第２冷凍サイクル１２が小型化する分だけ装置を小
型化することができる。

【００３５】このようにして、水素ガスと液体水素の混
合物になった冷媒は、冷却器１６に送られ、該冷却器１
６で吸着剤１４を冷却するが、冷媒内の液体水素の量が
多いので、上記冷却器１６において吸着剤１４を十分に
冷却することができる。したがって、吸着剤１４の加熱
時に冷却器１６への冷媒の供給を停止する必要がない。

【００３６】さらに、上記冷却器１６への冷媒の供給を
停止する必要がないので、電磁弁などの制御弁を用いた
サーマルスイッチが不要となる。したがって、極低温状
態において温度を検出する必要がなくなり制御性が向上
するだけでなく、制御弁の電磁石などを介した熱侵入が
ないため装置の熱効率の向上を図ることができる。ま
た、電磁弁を用いる場合、電磁弁の可動部分を常温に近
い位置に配置し、作動の確実性を図る必要があるが、上
記水素冷媒室７２ａに常温近傍部から制御弁の一部を延
長させる必要がないため装置を小型化することができ
る。

【００３７】上記冷媒は冷却器１６を出た後、第１冷凍
サイクル１１の第３熱交換器２７に送られ、該第３熱交
換器２７においてヘリウムガスを冷却する。液体水素の
沸点は約２２°Ｋであり、冷却器１６は約２２°Ｋで吸
着剤１４を冷却することができ、また、第３熱交換器２
７は約２２°Ｋでヘリウムガスを冷却することができ
る。

【００３８】ところで、上記第１冷凍サイクル１１にお
いては、約２２°Ｋの冷媒を使用して負荷冷却器２０に
おいて約４．２°Ｋの極低温状態を形成する。したがっ
て、上記第１冷凍サイクル１１の各構成要素、すなわち
吸着装置１３、冷媒管路１８、Ｊ−Ｔ膨張弁１９、負荷
冷却器２０、一方向弁２２，２３、第１熱交換器２５、
第２熱交換器２６及び第３熱交換器２７が常温から隔離
される。また、第２冷凍サイクル１２においては、約０
°Ｃの雰囲気を使用して冷却器１６において約２２°Ｋ
の低温状態を形成する。したがって、第２冷凍サイクル
１２の吸蔵装置３３以外の構成要素、すなわち冷媒管路
３８、Ｊ−Ｔ膨張弁３９、一方向弁４２，４３、第１熱
交換器４５、第２熱交換器４６及び第３熱交換器４７が
常温から隔離される。さらに、液体窒素によって上記第
３熱交換器４７を冷却するための液体窒素槽５２及び液
体窒素管路５１も常温から隔離される。

【００３９】そのため、図１の破線で示すように断熱ケ
ース５５が設けられていて、常温から上記各構成要素を
隔離するようになっている。そして、上記第３熱交換器
４７において水素ガスを冷却することによって気化した
後の窒素ガスを、上記断熱ケース５５内に放出して上記
窒素ガスの冷熱を利用している。この場合、上記吸蔵装
置３３はペルチェ素子３５を動作させるために、断熱ケ
ース５５の外側に配設される。

【００４０】上述したように、上記ペルチェ素子３５を
動作させる場合の雰囲気温度を、この場合０°Ｃに維持
する必要があるため、上記吸蔵装置３３を一点鎖線で示
すように副断熱ケース５６で包囲し、常温から隔離して
いる。したがって、大気中には電源回路３１のみが配設
されることになる。このように構成することによって、
断熱ケース５５内と大気間はａ点において電気配線５８
を介してのみ接続され、断熱ケース５５内と副断熱ケー
ス５６内の間はｂ点において吸蔵物質３４と一方向弁４
２，４３を連結する接続管３７を介してのみ接続され、
副断熱ケース５６内と大気間はｃ点において電気配線６
１を介してのみ接続されることになり、断熱性が高くな
る。

【００４１】次に、吸着装置１３について説明する。図
２は本発明の実施例における吸着装置の概念図、図３は
本発明の実施例における吸着装置の動作を示すタイムチ
ャートである。図３の（ａ）は外槽温度の変化を、
（ｂ）はヒータ電流の変化を、（ｃ）は内槽温度の変化
を、（ｄ）はヘリウムガスの吸着量の変化を示してい
る。

【００４２】図２において、１３は吸着装置、１４は吸
着剤、１５は該吸着剤１４を加熱するためのヒータであ
る。上記吸着剤１４及びヒータ１５は内槽７１に包囲さ
れ、該内槽７１はさらに外槽７２に包囲されていて、内
槽７１によって吸着剤１４にヘリウムガスを吸着させた
り、吸着剤１４からヘリウムガスを放出させたりするた
めのヘリウム冷媒室７１ａが形成され、上記内槽７１と
外槽７２間に水素ガスと液体水素の混合物を送る水素冷
媒室７２ａが形成される。上記ヘリウム冷媒室７１ａ、
水素冷媒室７２ａ及び内槽７１によって冷却器１６が構
成される。したがって、上記内槽７１は熱伝導性の高い
材料によって形成される。

【００４３】上記水素冷媒室７２ａ内の水素ガスと液体
水素の混合物は、内槽７１を介してヘリウム冷媒室７１
ａ内のヘリウムガス及び吸着剤１４を冷却する。上記水
素冷媒室７２ａ内に熱が進入しないように外槽７２は断
熱性の高い材料で形成される。上記水素冷媒室７２ａに
水素ガスと液体水素の混合物を供給し、吸着剤１４を冷
却して気化した後の水素ガスを吸蔵装置３３（図１）に
戻すため、上記外槽７２に低圧側冷媒管路３８ｂが接続
される。そして、外槽７２の上流側の低圧側冷媒管路３
８ｂにはＪ−Ｔ膨張弁３９が配設され、下流側の低圧側
冷媒管路３８ｂには一方向弁７４が配設される。

【００４４】また、上記ヘリウム冷媒室７１ａにおいて
発生したヘリウムガスをＪ−Ｔ膨張弁１９に供給するた
めに接続管１７ａが、負荷冷却器２０で被冷却物を冷却
した後のヘリウムガスをヘリウム冷媒室７１ａに戻すた
めに接続管１７ｂが設けられる。そして、接続管１７ａ
に第１の一方向弁７６が、接続管１７ｂに第２の一方向
弁７７が配設されている。

【００４５】なお、図１においては、説明の便宜上、吸
着剤１４と一方向弁２２，２３は１本の接続管１７によ
って接続されているが、図２に示すように各一方向弁７
６，７７ごと配設した接続管１７ａ，１７ｂによって接
続するとよい。また、上記吸着剤１４は隣接して配設さ
れたヒータ１５によって加熱される。そして、該ヒータ
１５はコネクタ７８を介して電源回路３１に接続され、
図示しない制御装置によって制御されるようになってい
る。

【００４６】次に、図３に基づいて上記吸着装置１３の
動作について説明する。なお、図３は模式的に各値を示
しており、実際の推移と異なる。第２冷凍サイクル１２
（図１）のＪ−Ｔ膨張弁３９で形成された水素ガスと液
体水素の混合物は、定常的に低圧側冷媒管路３８ｂを介
して上記水素冷媒室７２ａ（図２）に供給される。そし
て、混合物のうち液体水素が吸着剤１４を冷却するた
め、水素冷媒室７２ａの温度すなわち外槽温度Ｔ１は図
の（ａ）に示すように一定である。

【００４７】そして、上記ヒータ１５は図示しない制御
装置によって制御され、間歇的にオン・オフを繰り返
す。したがって、ヒータ電流は図の（ｂ）に示すように
推移する。上記ヒータ１５によって間歇的に加熱が行わ
れると、ヘリウム冷媒室７１ａの温度はヒータ１５がオ
ンになっている間だけ上昇してＴ２になる。そして、ヒ
ータ１５がオフになると、上記水素冷媒室７２ａの温度
すなわち外槽温度Ｔ１に下降する。したがって、ヘリウ
ム冷媒室７１ａの温度すなわち内槽温度は図の（ｃ）に
示すように推移する。

【００４８】そして、上記ヘリウム冷媒室７１ａの温度
が上昇と下降を繰り返すと、その温度に対応して吸着剤
１４に対するヘリウムガスの吸着量が変化し、ヘリウム
冷媒室７１ａの温度が上昇するのに伴いヘリウムガスを
放出して吸着量を減少させ、ヘリウム冷媒室７１ａの温
度が下降するのに伴いヘリウムガスを吸着して吸着量を
増加させる。

【００４９】図４は本発明の実施例における吸着装置の
断面図である。図において、１３は吸着装置、８１は該
吸着装置１３を収容する吸着装置ケースである。該吸着
装置ケース８１は断熱材で形成されていて、外槽７２と
の間に断熱室８１ａを形成し、該断熱室８１ａに一方向
弁７６，７７を収容している。上記外槽７２の内側には
熱伝導性の高い材料で形成された内槽７１が配設され、
両者間に水素冷媒室７２ａが形成される。上記内槽７１
は、円筒形状を有しており、水素冷媒室７２ａ側に径方
向に突出する環状のフィン８２が複数形成されていて、
水素ガスと液体水素の混合物との熱伝達を良好にしてい
る。

【００５０】上記内槽７１の内部にはヘリウム冷媒室７
１ａが形成され、該ヘリウム冷媒室７１ａに円筒形の吸
着剤１４が配設されている。該吸着剤１４は内槽７１に
沿ってほぼ全域に延び、内側にヒータ１５が配設され
る。該ヒータ１５は一面に多孔を形成した筒状の支持体
１５ａの周囲に配設される。上記吸着剤１４は円筒形状
を有している。また、ヒータ１５は吸着剤１４の内周面
に沿って配設されるため、加熱効率が良好になる。

【００５１】上記内槽７１及び外槽７２の左端（図にお
いて左端）には接続管１７ａが貫通して配設され、上記
ヒータ１５の支持体１５ａ内に開口している。また、上
記内槽７１及び外槽７２の右端（図において右端）には
接続管１７ｂが貫通して配設され、同様に上記ヘリウム
冷媒室７１ａ内に開口している。したがって、吸着剤１
４を加熱することによって発生したヘリウムガスは左端
から排出され、吸着剤１４を冷却することによって吸着
されるヘリウムガスは右端から進入させられ、上記支持
体１５ａの多孔を介して吸着剤１４の内側に噴射され
る。

【００５２】上記接続管１７ａ，１７ｂの他端側には、
それぞれ一方向弁７６，７７が接続され、該一方向弁７
６，７７の更に他端側には第１冷凍サイクル１１（図
１）の高圧側冷媒配管１８ａ及び低圧側冷媒配管１８ｂ
が接続される。該高圧側冷媒配管１８ａ及び低圧側冷媒
配管１８ｂは、上記吸着装置ケース８１を貫通して延
び、第１熱交換器２５に接続される。なお、上記低圧側
冷媒配管１８ｂは、図に示すように左端から右端に延び
て一方向弁７７に接続されるため、一部が水素冷媒室７
２ａ内を通るようになっている。したがって、配管用ス
ペースを少なくして吸着装置１３を小型化することがで
きるだけでなく、吸着剤１４に吸着される前のヘリウム
ガスを冷却することができ、吸着を促進させることがで
きる。

【００５３】また、上記外槽７２の左端には、第２冷凍
サイクル１２（図１）の低圧側冷媒配管３８ｂが接続さ
れ、水素冷媒室７２ａに開口するとともに、上記吸着装
置ケース８１を貫通して延びて第３熱交換器２７に接続
される。上記吸着剤１４を冷却した後の水素冷媒室７２
ａ内の水素ガスは、上記該低圧側冷媒配管３８ｂを介し
て上記第３熱交換器２７に送られる。そして、上記外槽
７２の右端には高圧側冷媒配管３８ａが接続され、該高
圧側冷媒配管３８ａは水素冷媒室７２ａにＪ−Ｔ膨張弁
３９を介して開口するとともに、上記吸着装置ケース８
１を貫通して延び、第２熱交換器４６に接続される。Ｊ
−Ｔ膨張弁３９から吐出された水素ガスと液体水素の混
合物は、上記水素冷媒室７２ａに直接供給されるように
なっている。

【００５４】上記吸着剤１４の内周側に配設されたヒー
タ１５は、電源回路３１に接続され、制御装置によって
間歇的にオンにされ吸着剤１４を加熱する。そのため、
上記ヒータ１５は上記内槽７１、外槽７２及び吸着装置
ケース８１を貫通して電源回路３１と電気的に接続され
る。７８ａ，７８ｂ，７８ｃはそれぞれ内槽７１、外槽
７２、吸着装置ケース８１に埋設されたコネクタであ
る。

【００５５】次に、吸着装置１３の冷却器１６にヒート
パイプを使用した例について説明する。図５は本発明の
他の実施例における吸着装置の概念図である。図におい
て、７２は外槽であり、該外槽７２の中に内槽７１が配
設され、両者間に水素冷媒室７２ａが形成される。そし
て、該水素冷媒室７２ａに液体水素８４が収容され、該
液体水素８４は内槽７１全体を浸漬している。

【００５６】８５は液体水素槽であり、内部に液体水素
８４が溜められる。該液体水素槽８５はＪ−Ｔ膨張弁３
９を介して高圧側冷媒配管３８ａに接続され、上記Ｊ−
Ｔ膨張弁３９から水素ガスと液体水素の混合物が吐出さ
れる。そして、上記外槽７２と液体水素槽８５間にはヒ
ートパイプ１６ａが接続され、該ヒートパイプ１６ａ、
水素冷媒室７２ａ内の液体水素８４及び内槽７１によっ
て冷却器１６を構成している。なお、上記Ｊ−Ｔ膨張弁
３９からは、温度及び圧力の条件によって水素ガスのみ
又は液体水素のみが吐出されることもある。

【００５７】内槽７１は表面の全体が２２°Ｋの液体水
素８４によって覆われるため、水素冷媒室７２ａに水素
ガスと液体水素の混合物を供給する場合に比べて温度む
らがなくなり、内槽７１全体が均一に冷却される。ま
た、内槽７１の表面の全体において液体水素８４を気化
させることができるため、冷却能力が向上し、ヒータ１
５をオフにした時に吸着剤１４を速く冷却することがで
きる。

【００５８】なお、上記Ｊ−Ｔ膨張弁３９は液体水素槽
８５内に開口して設けられているが、低圧側冷媒配管３
８ｂに接続させ、液体水素槽８５内に収容された液体水
素８４と間接的に熱交換するようにしてもよい。次に、
吸着剤１４を複数個設け、それぞれを交互に加熱し、冷
却することによってヘリウムガスの発生量及び吸着量を
平滑化することができる実施例について説明する。な
お、本実施例においては、吸着剤１４を３個設けた例に
ついて説明しているが、平滑化の程度に合わせ２個以上
の適宜個数が選択される。

【００５９】図６は本発明の実施例における複式吸着装
置の概念図、図７は本発明の実施例における複式吸着装
置の断面図である。図６に示すように、複式吸着装置８
６は、３個の吸着装置１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃから成
り、一つの外槽７２の中に３個の内槽７１Ａ，７１Ｂ，
７１Ｃを並列に収容して構成される。各内槽７１Ａ，７
１Ｂ，７１Ｃ内には、吸着剤１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ及
びヒータ１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃが配設され、該ヒータ
１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃは電源回路３１に接続され、制
御回路８７によって制御され交互にオンにされるように
なっている。

【００６０】また、上記内槽７１Ａ，７１Ｂ，７１Ｃ
は、それぞれ第１の一方向弁７６Ａ，７６Ｂ，７６Ｃが
接続されていて、該一方向弁７６Ａ，７６Ｂ，７６Ｃを
介して共通の高圧側冷媒配管１８ａに接続される。同様
に、内槽７１Ａ，７１Ｂ，７１Ｃは、第２の一方向弁７
７Ａ，７７Ｂ，７７Ｃを介して共通の低圧側冷媒配管１
８ｂに接続される。

【００６１】そして、上記外槽７２の水素冷媒室７２ａ
には、Ｊ−Ｔ膨張弁３９から吐出された水素ガスと液体
水素の混合物が供給され、上記内槽７１Ａ，７１Ｂ，７
１Ｃを常時冷却する。したがって、上記ヒータ１５Ａ，
１５Ｂ，１５Ｃを交互にオンにして吸着剤１４Ａ，１４
Ｂ，１４Ｃを交互に加熱すると、加熱された吸着剤１４
Ａ，１４Ｂ，１４Ｃがヘリウムガスを発生し、高圧側冷
媒配管１８ａに供給する。加熱されていない吸着剤１４
Ａ，１４Ｂ，１４Ｃは、上記水素冷媒室７２ａ内の水素
ガスと液体水素の混合物によって冷却され、低圧側冷媒
配管１８ｂから供給されたヘリウムガスを吸着する。

【００６２】上記一方向弁７６Ａ，７６Ｂ，７６Ｃは、
ヘリウムガスの圧力が例えば１４ａｔｍ．の設定圧力に
なるまでは開放されない構造になっている。したがっ
て、設定圧力に達した内槽７１Ａ，７１Ｂ，７１Ｃから
は自動的にヘリウムガスが排出される。次に、図７に基
づいて複式吸着装置８６の構造について説明する。図に
おいては、３個の吸着装置１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃのう
ち吸着装置１３Ａ，１３Ｂのみが示されているが、実際
は各吸着装置１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃが正三角形状に配
列されている。

【００６３】複式吸着装置８６を構成する３個の吸着装
置１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃは吸着装置ケース８１に収容
される。該吸着装置ケース８１は断熱材で形成されてい
て、外槽７２との間に断熱室８１ａを形成し、該断熱室
８１ａに一方向弁７６Ａ，７６Ｂ，７６Ｃ，７７Ａ，７
７Ｂ，７７Ｃを収容している。上記外槽７２の内側には
熱伝導性の高い材料で形成された内槽７１Ａ，７１Ｂ，
７１Ｃが配設され、両者間に水素冷媒室７２ａが形成さ
れる。上記内槽７１Ａ，７１Ｂ，７１Ｃは、それぞれ円
筒形状を有しており、三角形状に配列され、水素冷媒室
７２ａ側に径方向に突出する環状のフィン８２が複数形
成されていて、水素ガスと液体水素の混合物との熱伝達
を良好にしている。該フィン８２は、図の左側に位置す
るものほど三角形の中心側に迫り出す量が多くなってい
る。

【００６４】上記内槽７１Ａ，７１Ｂ，７１Ｃの内部に
は円筒形の吸着剤１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃが配設され、
該吸着剤１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃの内側にヒータ１５
Ａ，１５Ｂ，１５Ｃが配設される。上記一方向弁７６
Ａ，７６Ｂ，７６Ｃには共通の高圧側冷媒配管１８ａが
接続され、上記一方向弁７７Ａ，７７Ｂ，７７Ｃには共
通の低圧側冷媒配管１８ｂが接続される。一方向弁７６
Ａ，７６Ｂ，７６Ｃを高圧側冷媒配管１８ａに接続する
ための合流部８８ａ及び一方向弁７７Ａ，７７Ｂ，７７
Ｃを低圧側冷媒配管１８ｂに接続するための合流部８８
ｂは上記断熱室８１ａ内に配設される。

【００６５】上記外槽７２の左端には、第２冷凍サイク
ル１２（図１）の低圧側冷媒配管３８ｂが接続され、水
素冷媒室７２ａに開口する。上記外槽７２の右端には、
高圧側冷媒配管３８ａが接続され、水素冷媒室７２ａに
Ｊ−Ｔ膨張弁３９を介して開口する。該Ｊ−Ｔ膨張弁３
９は上記外槽７２の右端の壁のほぼ中央に配設され、該
Ｊ−Ｔ膨張弁３９から吐出された水素ガスと液体水素の
混合物は、上記水素冷媒室７２ａに直接供給され、各内
槽７１Ａ，７１Ｂ，７１Ｃのフィン８２に当たる。この
時、フィン８２は図の左側に位置するものほど三角形の
中心側に迫り出す量が多くなっているので、各内槽７１
Ａ，７１Ｂ，７１Ｃを長手方向において均一に冷却する
ことができる。

【００６６】上記吸着剤１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃの内側
に配設されたヒータ１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃは、電源回
路３１（図６）に接続され、制御装置８７によって間歇
的にオンにされ吸着剤１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃを加熱す
る。そのため、上記ヒータ１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃは上
記内槽７１Ａ，７１Ｂ，７１Ｃ、外槽７２及び吸着装置
ケース８１を貫通して電源回路３１と電気的に接続され
る。コネクタ７８ａは各内槽７１Ａ，７１Ｂ，７１Ｃご
とに必要とされるが、コネクタ７８ｂ，７８ｃは各吸着
装置１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃに共通のものを使用してい
る。したがって、シール部分を少なくすることができ
る。

【００６７】次に、吸着剤１４にヒータ１５を使用する
ことなく加熱することができるようにした実施例につい
て説明する。図８は本発明の他の実施例における吸着装
置の吸着剤の概念図である。図において、９０は吸着
剤、９１，９２は該吸着剤９０の両端に取り付けられる
電極である。上記吸着剤９０は例えば活性炭で形成され
るため導体であり、電流を流すと発熱する。そこで、本
実施例においては、吸着剤９０自体を電極９１，９２を
介して電源装置３１に接続し、電流を流すことによって
吸着剤９０を発熱させ、ヘリウムガスを発生させるよう
にしている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す極低温冷凍装置の
概略図である。

【図２】本発明の実施例における吸着装置の概念図であ
る。

【図３】本発明の実施例における吸着装置の動作を示す
タイムチャートである。

【図４】本発明の実施例における吸着装置の断面図であ
る。

【図５】本発明の他の実施例における吸着装置の概念図
である。

【図６】本発明の実施例における複式吸着装置の概念図
である。

【図７】本発明の実施例における複式吸着装置の断面図
である。

【図８】本発明の他の実施例における吸着装置の吸着剤
の概念図である。

【符号の説明】

１４，１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ，９０ 吸着剤 １５，１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ ヒータ（加熱手段） ３１ 電源回路 ７１ 内槽 ７１ａ ヘリウム冷媒室（第１の冷媒室） ７２ 外槽 ７２ａ 水素冷媒室（第２の冷媒室） ７６，７６Ａ，７６Ｂ，７６Ｃ，７７，７７Ａ，７７
Ｂ，７７Ｃ 一方向弁 ８７ 制御回路 ９１，９２ 電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 椎窓 利博 東京都千代田区外神田２丁目19番12号 株式会社エクォス・リサーチ内 (72)発明者 伊藤 義久 東京都千代田区外神田２丁目19番12号 株式会社エクォス・リサーチ内 (72)発明者 堀 孝二 東京都千代田区外神田２丁目19番12号 株式会社エクォス・リサーチ内 (56)参考文献 実開 平１−125974（ＪＰ，Ｕ)

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 （ａ）吸着剤と、 （ｂ）該吸着剤を加熱する加熱手段と、 （ｃ）熱伝導性の高い材料によって形成されるととも
   に、上記吸着剤及び加熱手段を収容し、内部に第１の冷
   媒室を形成する内槽と、 （ｄ）該内槽を収容し、内槽との間に第２の冷媒室を形
   成する外槽と、 （ｅ）上記第１の冷媒室から第１の冷媒を排出するため
   の第１の一方向弁と、 （ｆ）該第１の一方向弁を介して上記第１の冷媒室に接
   続され、第１の冷媒を膨張させる膨張弁と、 （ｇ）該膨張弁に接続され、被冷却物を冷却する負荷冷
   却器と、 （ｈ）該負荷冷却器と上記第１の冷媒室との間に接続さ
   れ、第１の冷媒室に第１の冷媒を帰還させるための第２
   の一方向弁と、（ｉ） 上記第２の冷媒室に第２の冷媒を常時供給する手
   段と、（ｊ） 上記加熱手段を間歇的に作動させ、加熱手段を作
   動させることによって上記第１の冷媒室から第１の冷媒
   を排出し、加熱手段を停止させることによって上記第１
   の冷媒室に第１の冷媒を帰還させる手段とを有すること
   を特徴とする極低温冷凍装置。
2. 【請求項２】 （ａ）複数の吸着剤と、 （ｂ）該各吸着剤にそれぞれ配設され、各吸着剤を独立
   して加熱する複数の加熱手段と、 （ｃ）熱伝導性の高い材料によって形成されるととも
   に、上記各吸着剤及び各加熱手段を独立して収容し、内
   部に第１の冷媒室を形成する複数の内槽と、 （ｄ）該複数の内槽を収容し、内槽との間に共通の第２
   の冷媒室を形成する一つの外槽と、 （ｅ）上記各第１の冷媒室から第１の冷媒を独立して排
   出するための複数の第１の一方向弁と、 （ｆ）該各第１の一方向弁を介して上記各第１の冷媒室
   に接続され、第１の冷媒を膨張させる膨張弁と、 （ｇ）該膨張弁に接続され、被冷却物を冷却する負荷冷
   却器と、 （ｈ）該負荷冷却器と上記各第１の冷媒室との間に接続
   され、各第１の冷媒室に第１の冷媒を独立して帰還させ
   るための複数の第２の一方向弁と、（ｉ） 上記第２の冷媒室に第２の冷媒を常時供給する手
   段と、（ｊ） 上記複数の加熱手段を交互に間歇的に作動させ、
   加熱手段を作動させることによって上記各第１の冷媒室
   から第１の冷媒を排出し、加熱手段を停止させることに
   よって上記各第１の冷媒室に第１の冷媒を帰還させる手
   段とを有することを特徴とする極低温冷凍装置。
3. 【請求項３】 上記加熱手段は、吸着剤に隣接して配設
   されたヒータと、該ヒータに電流を流す電源回路から成
   る請求項１又は２に記載の極低温冷凍装置。
4. 【請求項４】 上記加熱手段は、吸着剤に取り付けられ
   た一対の電極と、該電極に接続され、吸着剤に電流を流
   す電源回路から成る請求項１又は２に記載の極低温冷凍
   装置。