JP7265363B2 - 極低温冷凍機および極低温システム - Google Patents

Description

本発明は、極低温冷凍機および極低温システムに関する。

パルス管冷凍機、ＧＭ（Gifford-McMahon）冷凍機などの極低温冷凍機は、冷媒ガス再凝縮装置の冷却源として利用されている。凝縮された液体冷媒は、たとえば超電導機器、センサ、またはその他の物体を極低温に冷却し、それにより気化する。気化した冷媒は、極低温冷凍機によって再び凝縮される。

特開２００５－２４２３９号公報

本発明者らは、極低温冷凍機を用いて冷媒を再凝縮する極低温システムについて検討したところ、以下の課題を認識するに至った。そうしたシステムのなかには、気化した冷媒を低温環境から室温環境に一旦戻し、その後再凝縮室で室温から液化温度まで冷却して液化し、再び液体冷媒を低温環境で物体の冷却に使用するという循環方式をとるものがある。極低温冷凍機は典型的に、その中心軸を鉛直方向に一致させるようにして再凝縮室の天板または上部に設置され、低温部が再凝縮室のなかに配置される。室温に加熱された冷媒ガスの再凝縮室への入口も極低温冷凍機の近くに形成され、室温のガスはそこから鉛直方向に再凝縮室の底部に向かって吹き出すようになっている。したがって、室温ガスは、低温部に直接吹き付けるか、またはその近くに容易に到達する。室温ガスと低温部の温度差はかなり大きく、たとえば１００Ｋ～２００Ｋにもなるので、室温ガスから低温部への入熱は極低温冷凍機にとって大きな熱負荷となりうる。これは、極低温冷凍機の冷凍能力、ひいては冷媒再凝縮の凝縮効率の低下をもたらしうる。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、冷媒再凝縮の凝縮効率を向上する極低温冷凍機、極低温システムを提供することにある。

本発明のある態様によると、極低温冷凍機は、室温環境から再凝縮室への冷媒ガス導入口を有し、再凝縮室に取付可能な取付フランジと、取付フランジが再凝縮室に取り付けられたとき再凝縮室内に配置される冷却ステージと、を備える。冷媒ガス導入口は、冷媒ガス導入口を出る冷媒ガス流が冷却ステージから逸れるように、極低温冷凍機の軸方向に垂直または斜めに方向付けられている。

本発明のある態様によると、極低温冷凍機は、室温環境から再凝縮室への冷媒ガス導入口を有し、再凝縮室に取付可能な取付フランジと、取付フランジが再凝縮室に取り付けられたとき再凝縮室内に配置され、冷媒ガスを凝縮可能な極低温に冷却される冷却ステージと、取付フランジを冷却ステージに接続する蓄冷管と、を備える。冷媒ガス導入口は、取付フランジ上で蓄冷管の周囲に形成された複数の穴を有する。

本発明のある態様によると、極低温システムは、極低温冷凍機の冷却ステージを収容する再凝縮室と、再凝縮室に設置され、室温環境から再凝縮室に冷媒ガスを導く冷媒ガス導入口と、を備える。冷媒ガス導入口は、冷媒ガス導入口を出る冷媒ガス流が冷却ステージから逸れるように、極低温冷凍機の軸方向に垂直または斜めに方向付けられている。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、冷媒再凝縮の凝縮効率を向上する極低温冷凍機、極低温システムを提供することができる。

第１実施形態に係る極低温システムを示す概略図である。 第１実施形態に係る極低温冷凍機を示す概略図である。 図２に示される極低温冷凍機のＡ－Ａ線による概略断面図である。 図３に示される極低温冷凍機の一点鎖線Ｂに沿う概略部分断面図である。 比較例に係る極低温冷凍機を示す概略図である。 第１実施形態に係る極低温冷凍機の他の例を示す概略図である。 第１実施形態に係る極低温冷凍機の他の例を示す概略図である。 第１実施形態に係る極低温冷凍機の他の例を示す概略図である。 第２実施形態に係る極低温システムを示す概略図である。

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、第１実施形態に係る極低温システム１００を示す概略図である。図２は、第１実施形態に係る極低温冷凍機１０を示す概略図である。図３は、図２に示される極低温冷凍機１０のＡ－Ａ線による概略断面図である。図３には、軸方向Ｃに垂直な平面における極低温冷凍機１０の構成要素の位置関係が示されている。図４は、図３に示される極低温冷凍機１０の一点鎖線Ｂに沿う概略部分断面図である。

極低温システム１００は、冷媒再凝縮器を含む循環システムとして構成され、極低温冷凍機１０を冷却源として備える。この実施形態では、冷媒は、ヘリウムである。よって、ヘリウムガスが極低温冷凍機１０によって液体ヘリウムへと再凝縮される。ただし、極低温システム１００は、たとえば窒素などその他の適当な冷媒を使用することも可能である。

極低温システム１００は、再凝縮室１０２、液体冷媒槽１０４、液体輸送管１０６、気体戻り管１０８を備える。再凝縮室１０２の底部と液体冷媒槽１０４は、液体輸送管１０６で接続され、再凝縮室１０２の上部と液体冷媒槽１０４は、気体戻り管１０８で接続されている。再凝縮室１０２、液体冷媒槽１０４、液体輸送管１０６は、真空断熱容器を構成し、その内部は冷媒雰囲気の低温環境となる。気体戻り管１０８は、室温環境１１０に配置されている。気体戻り管１０８には、冷媒を循環させるためのポンプが設けられてもよい。

極低温冷凍機１０は、一例として、ＧＭ（Gifford-McMahon）方式の二段パルス管冷凍機である。よって、極低温冷凍機１０は、第１段パルス管１２ａ、第２段パルス管１２ｂ、第１段蓄冷管１４ａ、第２段蓄冷管１４ｂ、第１段冷却ステージ１６ａ、第２段冷却ステージ１６ｂを備える。説明の便宜上、以下では、第１段パルス管１２ａ、第２段パルス管１２ｂをパルス管１２と総称することがある。同様に、第１段蓄冷管１４ａ、第２段蓄冷管１４ｂを蓄冷管１４と総称し、第１段冷却ステージ１６ａ、第２段冷却ステージ１６ｂを冷却ステージ１６と総称しうる。

また、極低温冷凍機１０は、再凝縮室１０２またはその他の真空容器に取付可能な取付フランジ１８を備える。第１段パルス管１２ａは、取付フランジ１８を第１段冷却ステージ１６ａに接続し、第２段パルス管１２ｂは、取付フランジ１８を第２段冷却ステージ１６ｂに接続する。第１段蓄冷管１４ａは、取付フランジ１８を第１段冷却ステージ１６ａに接続する。第２段蓄冷管１４ｂは、第１段冷却ステージ１６ａを第２段冷却ステージ１６ｂに接続する。取付フランジ１８は、トップフランジと称されてもよい。

極低温冷凍機１０は、その中心軸を鉛直方向に一致させるようにして再凝縮室１０２の天板または上部に取り外し可能に設置され、冷却ステージ１６が再凝縮室１０２のなかに配置される。したがって、この実施形態では、極低温冷凍機１０の軸方向Ｃは鉛直方向となる。しかし、極低温冷凍機１０の取付姿勢はこれに限られない。極低温冷凍機１０は、所望される姿勢で設置可能であり、軸方向Ｃが斜め方向または水平方向に一致するようにして再凝縮室１０２に設置されてもよい。

極低温システム１００において冷媒すなわちヘリウムは次のように循環する。まず、ヘリウムガスは室温環境１１０から冷媒ガス導入口２０を通じて再凝縮室１０２に導入される。ヘリウムガスは、第１段冷却ステージ１６ａおよび第２段冷却ステージ１６ｂによって冷却され、第２段冷却ステージ１６ｂで液化される。液化したヘリウムは第２段冷却ステージ１６ｂから再凝縮室１０２の底部に滴下し、液体輸送管１０６を通じて液体冷媒槽１０４に流入する。こうして、液体冷媒槽１０４に液体ヘリウムが貯留される。液体ヘリウムは、物体の冷却に使用される。その結果気化したヘリウムは液体冷媒槽１０４の上部から気体戻り管１０８を通じて室温環境１１０へと出る。ヘリウムガスは周囲からの熱流入によって室温程度に加熱される。ヘリウムガスは、気体戻り管１０８から冷媒ガス導入口２０へと流入し、再び再凝縮室１０２に導入される。

詳細は後述するが、取付フランジ１８は、室温環境１１０から再凝縮室１０２への冷媒ガス導入口２０を有する。冷媒ガス導入口２０は、冷媒ガス導入口２０を出る冷媒ガス流２２が極低温冷凍機１０の軸方向Ｃに垂直となるように方向付けられている。よって、冷媒ガス流２２は、第１段冷却ステージ１６ａ、第２段冷却ステージ１６ｂのいずれからも逸れている。冷媒ガス流２２は、第１段冷却ステージ１６ａ、第２段冷却ステージ１６ｂのいずれにも直接あたらない。言い換えれば、冷媒ガス導入口２０の中心を通り冷媒ガス導入口２０に沿って延びる仮想的な直線２１は、軸方向Ｃに垂直であり、冷却ステージ１６とは交差しない。

なお、冷媒ガス導入口２０は、冷媒ガス導入口２０を出る冷媒ガス流２２が冷却ステージ１６から逸れるように、極低温冷凍機１０の軸方向Ｃに対して斜めの角度に方向付けられていてもよい。直線２１は、冷却ステージ１６と交差しないように傾斜して延びていてもよい。斜めの角度は、軸方向Ｃに垂直な方向（たとえば水平方向）に対して、たとえば４５度以内であってもよい。

図２および図３を参照して、極低温冷凍機１０の構成要素を述べる。

第１段パルス管１２ａ、第２段パルス管１２ｂはそれぞれ、軸方向Ｃに延在する。第１段蓄冷管１４ａ、第２段蓄冷管１４ｂは直列に接続され、軸方向Ｃに延在する。第１段蓄冷管１４ａは、第１段パルス管１２ａと並列に配置され、第２段蓄冷管１４ｂは、第２段パルス管１２ｂと並列に配置されている。第１段パルス管１２ａは軸方向Ｃに第１段蓄冷管１４ａとほぼ同じ長さを有し、第２段パルス管１２ｂは、軸方向Ｃに第１段蓄冷管１４ａと第２段蓄冷管１４ｂの合計長さとほぼ同じ長さを有する。

例示的な構成においては、パルス管１２は内部を空洞とする円筒状の管であり、蓄冷管１４は内部に蓄冷材１５を充填した円筒状の管であり、両者は互いに隣り合って各々の中心軸を平行として配置されている。

第１段パルス管１２ａの低温端と第１段蓄冷管１４ａの低温端は、第１段冷却ステージ１６ａによって、構造的に接続され熱的に結合されている。同様に、第２段パルス管１２ｂの低温端と第２段蓄冷管１４ｂの低温端は、第２段冷却ステージ１６ｂによって、構造的に接続され熱的に結合されている。一方、第１段パルス管１２ａ、第２段パルス管１２ｂ、および第１段蓄冷管１４ａそれぞれの高温端は、取付フランジ１８によって接続されている。

冷却ステージ１６は、例えば銅などの高熱伝導率の金属材料で形成される。一方、パルス管１２および蓄冷管１４は、例えばステンレス鋼など、冷却ステージ１６に比べて熱伝導率の低い金属材料で形成される。

取付フランジ１８の一方の主表面からパルス管１２および蓄冷管１４が延び、取付フランジ１８の他方の主表面にはヘッド部２４が設けられている。取付フランジ１８は、たとえば真空フランジであり、再凝縮室１０２の気密性を保つように再凝縮室１０２に取り付けられる。取付フランジ１８が再凝縮室１０２に取り付けられるとき、パルス管１２、蓄冷管１４、および冷却ステージ１６は、再凝縮室１０２に収容され、ヘッド部２４は、室温環境１１０に配置される。

図２および図３から理解されるように、冷媒ガス導入口２０は、冷媒ガス流２２が、冷却ステージ１６だけでなくパルス管１２からも逸れるように、軸方向Ｃに垂直に方向付けられている。冷媒ガス流２２は、第１段パルス管１２ａ、第２段パルス管１２ｂのいずれにも直接あたらない。直線２１は、冷却ステージ１６だけでなくパルス管１２とも交差しない。

冷媒ガス導入口２０は、冷媒ガス流２２が冷却ステージ１６およびパルス管１２から逸れるように、軸方向Ｃに対して斜めの角度に方向付けられていてもよい。直線２１は、冷却ステージ１６およびパルス管１２と交差しないように傾斜して延びていてもよい。

冷媒ガス導入口２０は、冷媒ガス流２２が第１段蓄冷管１４ａと熱交換をするように方向付けられている。たとえば、冷媒ガス導入口２０は、冷媒ガス流２２が第１段蓄冷管１４ａのそばを通り過ぎ、それにより冷媒ガス流２２が第１段蓄冷管１４ａと熱交換をするように方向付けられている。冷媒ガス流２２は、第１段蓄冷管１４ａの表面に隣接して、または第１段蓄冷管１４ａの表面に沿って流れる。冷媒ガス導入口２０は、冷媒ガス流２２が第１段蓄冷管１４ａにあたるように方向付けられていてもよい。

冷媒ガス導入口２０は、第１段蓄冷管１４ａの近傍に配置されている。たとえば、冷媒ガス導入口２０は、取付フランジ１８上において、第１段パルス管１２ａよりも第１段蓄冷管１４ａの近くに配置されている。冷媒ガス導入口２０は、取付フランジ１８上において、第２段パルス管１２ｂよりも第１段蓄冷管１４ａの近くに配置されている。

冷媒ガス導入口２０は、取付フランジ１８の外周部に配置されている。第１段蓄冷管１４ａ、第１段パルス管１２ａ、第２段パルス管１２ｂは、冷媒ガス導入口２０に比べて取付フランジ１８の中心部に配置されている。

また、取付フランジ１８は、気体戻り管１０８が接続される冷媒ガス受入口２６を有する。冷媒ガス受入口２６は、取付フランジ１８の側面に設置されている。冷媒ガス受入口２６は、たとえばセルフシーリング・カップリングのような脱着可能な継手であり、気体戻り管１０８は冷媒ガス受入口２６に容易に取り付け、または取り外すことができる。

図４に示されるように、取付フランジ１８は、冷媒ガス導入口２０を冷媒ガス受入口２６に接続するフランジ内部流路２８を有する。冷媒ガス導入口２０、冷媒ガス受入口２６、およびフランジ内部流路２８により室温冷媒ガス導入ラインが構成される。冷媒ガスは、気体戻り管１０８から冷媒ガス受入口２６、フランジ内部流路２８を通じて冷媒ガス導入口２０へと流れる。冷媒ガス導入口２０は、たとえば、取付フランジ１８に取り付けられたエルボ状の配管である。よって、冷媒ガス導入口２０は、フランジ内部流路２８から冷媒ガスを受け入れる縦管２０ａと、冷媒ガスを再凝縮室１０２に導入する横管２０ｂとを有する。直線２１は、横管２０ｂの中心を通り横管２０ｂに沿って延びている。

図２に示されるように、ヘッド部２４には、極低温冷凍機１０の振動流発生源３０および位相制御機構３２が設けられている。よく知られているように、極低温冷凍機１０がＧＭ方式のパルス管冷凍機である場合には、振動流発生源３０として、作動ガスの定常流を生み出す圧縮機と、圧縮機の高圧側と低圧側とを周期的に切り替えてパルス管１２および蓄冷管１４に接続する流路切替弁との組み合わせが用いられる。この流路切替弁は、必要に応じて設けられたバッファタンクとともに、位相制御機構３２としても働く。また、極低温冷凍機１０がスターリング方式のパルス管冷凍機である場合には、振動流発生源３０として、調和振動するピストンによって振動流を発生する圧縮機が用いられ、位相制御機構３２として、バッファタンクとこれをパルス管１２の高温端につなぐ連通路が用いられる。

なお、振動流発生源３０は、ヘッド部２４に内蔵されている必要はない（つまり、取付フランジ１８に直接取り付けられていなくてもよい）。振動流発生源３０は、ヘッド部２４から分離して配置され、剛性または可撓性の配管によりヘッド部２４に接続されてもよい。同様に、位相制御機構３２についても、取付フランジ１８に直接取り付けられることは必須ではなく、ヘッド部２４から分離して配置され、剛性または可撓性の配管によりヘッド部２４に接続されてもよい。

このような構成により、極低温冷凍機１０は、作動ガスの圧力振動に対しパルス管１２内のガス要素（ガスピストンとも呼ばれる）の変位振動の位相を適切に遅らせることによって、極低温冷凍機１０は、パルス管１２の低温端にＰＶ仕事を発生し、冷却ステージ１６を冷却することができる。このようにして、極低温冷凍機１０は、冷却ステージ１６に接触する気体、液体、または、冷却ステージ１６に熱的に結合された物体を冷却することができる。

極低温冷凍機１０がヘリウム再凝縮に使用される場合、第１段冷却ステージ１６ａは例えば１００Ｋ未満（たとえば３０Ｋ～６０Ｋ程度）に冷却され、第２段冷却ステージ１６ｂはヘリウム液化温度である約４Ｋ程度またはそれ以下に冷却される。極低温冷凍機１０が他の冷媒の再凝縮に使用される場合には、その冷媒の液化温度以下に少なくとも第２段冷却ステージ１６ｂが冷却される。

図５は、比較例に係る極低温冷凍機５１０を示す概略図である。極低温冷凍機５１０はその中心軸を鉛直方向に一致させるようにして再凝縮室５０２の天板または上部に設置され、低温部５１６が再凝縮室５０２内に配置される。再凝縮室５０２への室温冷媒ガスの入口５２０も極低温冷凍機５１０の近くに設けられ、そこから室温ガス５２２は鉛直方向に再凝縮室５０２の底部に向かって吹き出すようになっている。

したがって、室温ガス５２２は、低温部５１６に直接吹き付けるか、またはその近くに容易に到達する。室温ガス５２２と低温部５１６の温度差はかなり大きく、たとえば１００Ｋ～２００Ｋ以上にもなるので、室温ガス５２２から低温部５１６への入熱は極低温冷凍機５１０にとって大きな熱負荷となる。

また、パルス管５１２は内部を空洞とする管であり、熱容量が比較的小さいので、入熱を受けると温度が上がりやすい。室温ガス５２２は、パルス管５１２の表面に沿って流れるため、パルス管５１２が容易に加熱される。

そのため、極低温冷凍機５１０の冷凍能力、ひいては冷媒再凝縮の凝縮効率は低下し、最悪の場合、極低温冷凍機５１０は冷媒を凝縮できない。

ところが、第１実施形態に係る極低温システム１００および極低温冷凍機１０によると、冷媒ガス導入口２０は、冷媒ガス導入口２０を出る冷媒ガス流２２が冷却ステージ１６から逸れるように、極低温冷凍機１０の軸方向Ｃに垂直または斜めに方向付けられている。図５に示されるような比較例と比べて、冷媒ガス流２２は、軸方向Ｃの速度成分が小さいので、軸方向Ｃには流れにくい。冷媒ガスは、再凝縮室１０２内での冷媒の対流によって徐々に第１段冷却ステージ１６ａへと下降し、さらには第２段冷却ステージ１６ｂへと下降していく。冷媒ガスは下降しながら徐々に冷やされる。したがって、冷媒ガスから冷却ステージ１６への入熱が低減される。冷媒ガス流２２が極低温冷凍機１０の冷凍能力に与える影響は抑制され、冷媒の凝縮効率は向上される。

加えて、冷媒ガス導入口２０は、冷媒ガス流２２がパルス管１２から逸れるように、極低温冷凍機１０の軸方向Ｃに垂直または斜めに方向付けられている。冷媒ガスからパルス管１２への入熱が低減される。極低温冷凍機１０の冷凍能力への影響は抑制され、冷媒の凝縮効率は向上される。

さらに、冷媒ガス導入口２０は、冷媒ガス流２２が第１段蓄冷管１４ａと熱交換をするように方向付けられている。蓄冷管１４には蓄冷材１５が充填されているので、パルス管１２に比べて熱容量が顕著に大きい。したがって、冷媒ガス流２２が蓄冷管１４に当たったとしても、パルス管１２のように容易に温度が高まることはない。蓄冷管１４は、むしろ冷媒ガス流２２を冷却することができる。

図６は、第１実施形態に係る極低温冷凍機１０の他の例を示す概略図である。冷媒ガス導入口２０は、取付フランジ１８から第１段蓄冷管１４ａの近傍へと延びる冷媒ガス導管３４を有する。冷媒ガス導管３４は、冷媒ガスを第１段蓄冷管１４ａに向ける複数の穴３６を有する。複数の穴３６は、冷媒ガス流２２が第１段蓄冷管１４ａにあたるように方向付けられている。

冷媒ガス導管３４は、第１段蓄冷管１４ａの表面から隙間をあけて第１段蓄冷管１４ａの表面に沿って湾曲して延びている。複数の穴３６は、第１段蓄冷管１４ａの表面に向かい合うようにして、冷媒ガス導管３４の長手方向に沿って配置されている。

このようにすれば、冷媒ガス流２２を第１段蓄冷管１４ａに直接あてることができ、第１段蓄冷管１４ａによって冷媒ガス流２２を効率的に冷却することができる。また、冷媒ガス導管３４は複数の穴３６を有するので、冷媒ガスが分散される。冷媒ガス流２２によって生じうる第１段蓄冷管１４ａの局所的な温度変動を抑制できる。冷媒ガス流２２が極低温冷凍機１０の冷凍能力に与える影響は抑制され、冷媒の凝縮効率は向上される。

図７は、第１実施形態に係る極低温冷凍機１０の他の例を示す概略図である。冷媒ガス導入口２０がエルボ状の配管を有することは必須ではない。冷媒ガス導入口２０は、取付フランジ１８内に形成された斜め流路２０ｃと、取付フランジ１８上に形成された穴２０ｄとを有してもよい。冷媒ガスは、気体戻り管１０８から冷媒ガス受入口２６を通じて冷媒ガス導入口２０へと流れる。冷媒ガスは、冷媒ガス導入口２０から再凝縮室１０２に導入される。冷媒ガス導入口２０は、冷媒ガス導入口２０を出る冷媒ガス流２２が冷却ステージ１６から逸れるように、極低温冷凍機１０の軸方向Ｃに対して斜めの角度に方向付けられていてもよい。直線２１は、冷却ステージ１６と交差しないように傾斜して延びていてもよい。このようにしても、極低温冷凍機１０の冷凍能力への影響は抑制され、冷媒の凝縮効率は向上される。

図８は、第１実施形態に係る極低温冷凍機１０の他の例を示す概略図である。冷媒ガス導入口２０は、取付フランジ１８上で第１段蓄冷管１４ａの周囲に形成された複数の穴３８を有する。穴３８は、取付フランジ１８内の流路を通じて冷媒ガス受入口２６に接続されている。穴３８は、冷媒ガスを軸方向に向けるように方向付けられている。穴３８を出る冷媒ガスは、第１段蓄冷管１４ａの表面に沿って軸方向に流れるので、第１段蓄冷管１４ａによって冷却される。また、冷媒ガス導入口２０は複数の穴３８を有するので、冷媒ガスは分散される。このようにしても、極低温冷凍機１０の冷凍能力への影響は抑制され、冷媒の凝縮効率は向上される。なお、穴３８は、軸方向に対して斜めの角度に方向付けられていてもよい。

ここまでは極低温冷凍機１０の取付フランジ１８が冷媒ガス導入口２０を有する構成を説明したが本発明はこの構成には限られない。取付フランジ１８ではなく、再凝縮室１０２が冷媒ガス導入口２０を有してもよい。そのような実施例を次に述べる。

図９は、第２実施形態に係る極低温システム１００を示す概略図である。第２実施形態に係る極低温システム１００は、冷媒ガス導入口２０の配置に関して第１実施形態に係る極低温システム１００と相違し、その余については概ね共通する。以下では、相違する構成を中心に説明し、共通する構成については簡単に説明するか、あるいは説明を省略する。

極低温システム１００は、極低温冷凍機１０の冷却ステージ１６を収容する再凝縮室１０２と、再凝縮室１０２に設置され、室温環境１１０から再凝縮室１０２に冷媒ガスを導く冷媒ガス導入口２０と、を備える。冷媒ガス導入口２０は、冷媒ガス導入口２０を出る冷媒ガス流２２が冷却ステージ１６から逸れるように、極低温冷凍機１０の軸方向Ｃに垂直（または斜め）に方向付けられている。第２実施形態においても、第１実施形態と同様に、冷媒ガス流２２が極低温冷凍機１０の冷凍能力に与える影響は抑制され、冷媒の凝縮効率は向上される。

冷媒ガス導入口２０および冷媒ガス受入口２６が再凝縮室１０２に設けられているから、これら室温冷媒ガス導入ラインを極低温冷凍機１０の取付フランジ１８に形成する必要がない。よって、取付フランジ１８として汎用の真空フランジを有する既存の極低温冷凍機１０を使用することができる。

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。

たとえば、第１実施形態に関連して説明した特徴は、第２実施形態にも等しく適用可能である。

極低温冷凍機１０は、パルス管冷凍機に限られず、ＧＭ冷凍機またはその他の極低温冷凍機であってもよい。たとえば、ＧＭ冷凍機の場合、上述の実施形態における「蓄冷管」は、蓄冷器を内蔵したディスプレーサを収容するシリンダとすればよい。ＧＭ冷凍機は、パルス管を有しない。

極低温システム１００がヘリウム以外の冷媒を使用する場合には、極低温冷凍機１０はその冷媒の液化温度を提供できればよく、単段の冷凍機であってもよい。

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。

１０ 極低温冷凍機、 １２ パルス管、 １４ 蓄冷管、 １６ 冷却ステージ、 １８ 取付フランジ、 ２０ 冷媒ガス導入口、 ２２ 冷媒ガス流、 １００ 極低温システム、 １０２ 再凝縮室、 １１０ 室温環境。

Claims (5)

1. 室温環境から再凝縮室への冷媒ガス導入口を有し、前記再凝縮室に取付可能な取付フランジと、
   前記取付フランジが前記再凝縮室に取り付けられたとき前記再凝縮室内に配置される冷却ステージと、
   前記取付フランジを前記冷却ステージに接続するパルス管と、を備え、
   前記冷媒ガス導入口は、前記冷媒ガス導入口を出る冷媒ガス流が前記冷却ステージおよび前記パルス管から逸れるように、極低温冷凍機の軸方向に垂直または斜めに方向付けられていることを特徴とする極低温冷凍機。
2. 室温環境から再凝縮室への冷媒ガス導入口を有し、前記再凝縮室に取付可能な取付フランジと、
   前記取付フランジが前記再凝縮室に取り付けられたとき前記再凝縮室内に配置される冷却ステージと、
   前記取付フランジを前記冷却ステージに接続する蓄冷管と、を備え、
   前記冷媒ガス導入口は、前記冷媒ガス導入口を出る冷媒ガス流が前記冷却ステージから逸れるように、極低温冷凍機の軸方向に垂直または斜めに方向付けられ、
   前記冷媒ガス導入口は、前記冷媒ガス導入口を出る冷媒ガス流が前記蓄冷管と熱交換をするように方向付けられていることを特徴とする極低温冷凍機。
3. 前記冷媒ガス導入口は、前記取付フランジから前記蓄冷管の近傍へと延びる冷媒ガス導管を有し、前記冷媒ガス導管は、冷媒ガスを前記蓄冷管に向ける複数の穴を有することを特徴とする請求項２に記載の極低温冷凍機。
4. 室温環境から再凝縮室への冷媒ガス導入口を有し、前記再凝縮室に取付可能な取付フランジと、
   前記取付フランジが前記再凝縮室に取り付けられたとき前記再凝縮室内に配置され、冷媒ガスを凝縮可能な極低温に冷却される冷却ステージと、
   前記取付フランジを前記冷却ステージに接続する蓄冷管と、を備え、
   前記冷媒ガス導入口は、前記取付フランジ上で前記蓄冷管の周囲に形成された複数の穴を有することを特徴とする極低温冷凍機。
5. 極低温冷凍機の冷却ステージを収容する再凝縮室と、
   前記再凝縮室に設置され、室温環境から前記再凝縮室に冷媒ガスを導く冷媒ガス導入口と、を備え、
   前記冷媒ガス導入口は、前記冷媒ガス導入口を出る冷媒ガス流が前記冷却ステージおよび前記極低温冷凍機のパルス管から逸れるように、前記極低温冷凍機の軸方向に垂直または斜めに方向付けられていることを特徴とする極低温システム。

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