特許 6740188 極低温冷凍装置およびパルス管冷凍機の昇温方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6740188

(24)【登録日】2020年7月28日

(45)【発行日】2020年8月12日

(54)【発明の名称】極低温冷凍装置およびパルス管冷凍機の昇温方法

(51)【国際特許分類】

   F25B 9/00 20060101AFI20200730BHJP

【ＦＩ】

   F25B9/00 311

   F25B9/00 Z

【請求項の数】5

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2017-149330(P2017-149330)

(22)【出願日】2017年8月1日

(65)【公開番号】特開2019-27717(P2019-27717A)

(43)【公開日】2019年2月21日

【審査請求日】2020年3月13日

(73)【特許権者】

【識別番号】000002107

【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105924

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 賢樹

(74)【代理人】

【識別番号】100116274

【弁理士】

【氏名又は名称】富所 輝観夫

(72)【発明者】

【氏名】平山 貴士

【審査官】 庭月野 恭

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０７−２９４０３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１４８８２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−３１０４５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−３３７２０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−２７１０７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−０２４１８４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２５Ｂ ９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

パルス管を備えるパルス管冷凍機と、
冷却姿勢から昇温姿勢へと変更するよう前記パルス管冷凍機を回転可能に支持するパルス管冷凍機回転機構と、を備え、
前記パルス管冷凍機が前記冷却姿勢にあるとき、鉛直線と前記パルス管の中心軸とがなす傾斜角度が第１角度をとり、前記パルス管冷凍機が前記昇温姿勢にあるとき、前記傾斜角度が第２角度をとり、
前記パルス管の低温端を鉛直下方に向けたときの前記傾斜角度を０度、前記パルス管の低温端を鉛直上方に向けたときの前記傾斜角度を１８０度とするとき、前記第２角度が、前記第１角度より大きいことを特徴とする極低温冷凍装置。

【請求項2】

前記第２角度は、７０度から１８０度の範囲から選択されることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍装置。

【請求項3】

前記第２角度は、９０度から１５０度の範囲から選択されることを特徴とする請求項１または２に記載の極低温冷凍装置。

【請求項4】

極低温である初期温度から、前記初期温度より高い昇温目標温度へと前記パルス管冷凍機を昇温するよう構成された昇温制御部をさらに備え、
前記昇温制御部は、前記パルス管冷凍機が前記初期温度と前記昇温目標温度との間に予め設定された中間目標温度に昇温するまで、前記昇温姿勢で前記パルス管冷凍機を運転することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の極低温冷凍装置。

【請求項5】

冷却姿勢から昇温姿勢へと変更するようパルス管冷凍機を回転させることと、
前記昇温姿勢で前記パルス管冷凍機を昇温することと、を備え、
前記パルス管冷凍機が前記冷却姿勢にあるとき、鉛直線とパルス管の中心軸とがなす傾斜角度は第１角度をとり、前記パルス管冷凍機が前記昇温姿勢にあるとき、前記傾斜角度は第２角度をとり、
前記パルス管の低温端を鉛直下方に向けたときの前記傾斜角度を０度、前記パルス管の低温端を鉛直上方に向けたときの前記傾斜角度を１８０度とするとき、前記第２角度が、前記第１角度より大きいことを特徴とするパルス管冷凍機の昇温方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、パルス管冷凍機を備える極低温冷凍装置、およびパルス管冷凍機の昇温方法に関する。

【背景技術】

【0002】

パルス管冷凍機は一般に、主たる構成要素として、振動流発生源、蓄冷器、パルス管、および位相制御機構を備える。振動流の発生にはいくつかの方式がある。例えば、圧縮機と周期的な流路切替弁の組み合わせを用いるいわゆるＧＭ（ギフォード・マクマホン；Gifford-McMahon）方式と、調和振動するピストンによって振動流を発生するスターリング方式が知られている。

【0003】

蓄冷器とパルス管それぞれの低温端どうしの接続部には冷却ステージとも呼ばれる熱交換器が設置される。パルス管冷凍機を運転することにより、冷却ステージが極低温に冷却される。被冷却物は、冷却ステージの外表面に直接取り付けられることによって、または伝熱部材を介して、冷却ステージに熱的に結合され、冷却される。冷却ステージは、蓄冷器およびパルス管とともに、コールドヘッドとも呼ばれる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１３−１９４９９７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

パルス管冷凍機のコールドヘッドは、たいてい、被冷却物を極低温に保つことを容易にするために、被冷却物とともに断熱容器に収められて使用される。パルス管冷凍機はしばしば、メンテナンスその他の理由により極低温から室温またはその他の適切な温度に昇温される。自然昇温では昇温の完了までにかなり時間がかかる。

【0006】

そこで、能動的な加熱手段が典型的に使用される。例えば、冷却ステージまたは被冷却物には電気ヒータなどの加熱装置が装着される。あるいは、断熱容器の外から加熱媒体を冷却ステージまたは被冷却物に供給し回収する加熱媒体循環装置が設置される場合もある。

【0007】

しかし、これら加熱手段は加熱を実現するために冷却ステージに熱的に結合されることが必須である。加熱手段は、パルス管冷凍機の運転中に冷却されるべき質量を増やすとともに、冷却運転中に外部からの熱侵入の経路ともなりうる。よって、加熱手段の設置はパルス管冷凍機の熱負荷を増大させるという望まれない結果をもたらす。

【0008】

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、パルス管冷凍機を短時間で昇温する技術を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明のある態様によると、極低温冷凍装置は、パルス管を備えるパルス管冷凍機と、冷却姿勢から昇温姿勢へと変更するよう前記パルス管冷凍機を回転可能に支持するパルス管冷凍機回転機構と、を備える。前記パルス管冷凍機が前記冷却姿勢にあるとき、鉛直線と前記パルス管の中心軸とのなす傾斜角度が第１角度をとり、前記パルス管冷凍機が前記昇温姿勢にあるとき、前記傾斜角度が第２角度をとる。前記パルス管の低温端を鉛直下方に向けたときの前記傾斜角度を０度、前記パルス管の低温端を鉛直上方に向けたときの前記傾斜角度を１８０度とするとき、前記第２角度が、前記第１角度より大きい。

【0010】

本発明のある態様によると、パルス管冷凍機の昇温方法は、冷却姿勢から昇温姿勢へと変更するようパルス管冷凍機を回転させることと、前記昇温姿勢で前記パルス管冷凍機を昇温することと、を備える。前記パルス管冷凍機が前記冷却姿勢にあるとき、鉛直線とパルス管の中心軸とのなす傾斜角度は第１角度をとり、前記パルス管冷凍機が前記昇温姿勢にあるとき、前記傾斜角度は第２角度をとる。前記パルス管の低温端を鉛直下方に向けたときの前記傾斜角度を０度、前記パルス管の低温端を鉛直上方に向けたときの前記傾斜角度を１８０度とするとき、前記第２角度が、前記第１角度より大きい。

【0011】

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。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、パルス管冷凍機を短時間で昇温することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】ある実施形態に係る極低温冷凍装置の全体構成を概略的に示す図である。

【図2】ある実施形態に係る極低温冷凍装置の全体構成を概略的に示す図である。

【図3】ある実施形態に係る昇温制御部の機能および構成を示すブロック図である。

【図4】ある実施形態に係る極低温冷凍装置の昇温処理を示すフローチャートである。

【図5】他の実施形態に係る極低温冷凍装置の昇温処理を示すフローチャートである。

【図6】ある実施形態に係るパルス管冷凍機の運転中における到達冷却温度の方向依存性を例示するグラフである。

【図7】ある実施形態に係るパルス管冷凍機の昇温時間を例示するグラフである。

【図8】他の実施形態に係る極低温冷凍装置の全体構成を概略的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

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。なお、説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。また、以下の説明において参照する図面において、各構成部材の大きさや厚みは説明の便宜上のものであり、必ずしも実際の寸法や比率を示すものではない。

【0015】

図１および図２は、ある実施形態に係る極低温冷凍装置１０の全体構成を概略的に示す図である。極低温冷凍装置１０は、パルス管冷凍機１２とパルス管冷凍機回転機構１４とを備える。図１には、パルス管冷凍機１２の冷却姿勢を示し、図２には、パルス管冷凍機１２の昇温姿勢を示す。パルス管冷凍機１２は、冷却時には図１に示される冷却姿勢にパルス管冷凍機回転機構１４によって保持される一方、昇温時には図２に示される昇温姿勢にパルス管冷凍機回転機構１４によって保持される。

【0016】

パルス管冷凍機１２は、パルス管１６、蓄冷器１８、冷却ステージ２０、フランジ部２２、および室温部２４を備える。パルス管冷凍機１２は、単段式であってもよいし、あるいは多段式（例えば二段式）であってもよい。

【0017】

例示的な構成においては、パルス管１６は内部を空洞とする円筒状の管であり、蓄冷器１８は内部に蓄冷材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。パルス管１６の低温端と蓄冷器１８の低温端とは冷却ステージ２０によって構造的に接続され熱的に結合されている。また、冷却ステージ２０は、パルス管１６の低温端と蓄冷器１８の低温端とを流体的に接続するよう構成されている。すなわち、パルス管１６の低温端と蓄冷器１８の低温端との間で冷却ステージ２０を通じて、パルス管冷凍機１２の作動ガス（例えばヘリウムガス）が流れることができる。

【0018】

固形物である被冷却物２６が、伝熱ロッドなどの剛性または可撓性の伝熱部材２８によって冷却ステージ２０に構造的に接続され熱的に結合されている。パルス管冷凍機１２は、伝導冷却によって被冷却物２６を冷却するよう構成されている。被冷却物２６は、例えば、超伝導電磁石またはその他の超伝導装置であってもよい。被冷却物２６は、例えば赤外線撮像素子やセンサなど小型の物品である場合には、伝熱部材２８を用いることなく、冷却ステージ２０の外表面に直接取り付けられてもよい。

【0019】

一方、パルス管１６の高温端と蓄冷器１８の高温端とはフランジ部２２によって接続されている。フランジ部２２は、パルス管冷凍機１２が設置される支持台または支持壁などの支持部３０に取り付けられる。支持部３０は、冷却ステージ２０および被冷却物２６を（パルス管１６および蓄冷器１８とともに）収容する断熱容器または真空容器の壁材またはその他の部位であってもよい。

【0020】

フランジ部２２の一方の主表面からパルス管１６および蓄冷器１８が延び、フランジ部２２の他方の主表面には室温部２４が設けられている。したがって、支持部３０が断熱容器または真空容器の一部を構成する場合には、フランジ部２２が支持部３０に取り付けられるとき、パルス管１６、蓄冷器１８、および冷却ステージ２０は、当該容器内に収容され、室温部２４は、容器外に配置される。

【0021】

室温部２４には、パルス管冷凍機１２の振動流発生源３２および位相制御機構３４が設けられている。よく知られているように、パルス管冷凍機１２がＧＭ方式である場合には、振動流発生源３２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１６および蓄冷器１８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３４としても働く。また、パルス管冷凍機１２がスターリング方式である場合には、振動流発生源３２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３４として、バッファタンクとこれをパルス管１６の高温端につなぐ連通路が用いられる。

【0022】

なお、振動流発生源３２は、フランジ部２２に直接取り付けられている必要はない。振動流発生源３２は、パルス管冷凍機１２のコールドヘッドから分離して配置され、剛性または可撓性の配管によりコールドヘッドに接続されてもよい。同様に、位相制御機構３４についても、フランジ部２２に直接取り付けられることは必須ではなく、パルス管冷凍機１２のコールドヘッドから分離して配置され、剛性または可撓性の配管によりコールドヘッドに接続されてもよい。

【0023】

このような構成により、パルス管冷凍機１２は、作動ガスの圧力振動に対しパルス管１６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、パルス管１６の低温端にＰＶ仕事を発生し、冷却ステージ２０を冷却することができる。このようにして、パルス管冷凍機１２が運転されることにより、極低温冷凍装置１０は、被冷却物２６を冷却することができる。

【0024】

ここで、鉛直線３６とパルス管１６の中心軸３８とがなす傾斜角度４０を考える（図２参照）。鉛直線３６は重力の方向を表し、鉛直線３６に沿って下向きに重力が作用する。パルス管１６の低温端を鉛直下方に向けたときの傾斜角度４０を０度とし、パルス管１６の低温端を鉛直上方に向けたときの傾斜角度４０を１８０度と定義する。

【0025】

説明の便宜上、パルス管冷凍機１２が冷却姿勢にあるときの傾斜角度４０を第１角度と呼び、パルス管冷凍機１２が昇温姿勢にあるときの傾斜角度４０を第２角度と呼ぶことがある。本実施形態では、第２角度が第１角度より大きい。例えば、図１に示されるパルス管冷凍機１２の冷却姿勢では、傾斜角度４０すなわち第１角度は０度である。図２に示されるパルス管冷凍機１２の昇温姿勢では、傾斜角度４０すなわち第２角度は１３５度である。

【0026】

パルス管冷凍機回転機構１４は、パルス管１６の傾斜角度４０を調整可能とするように設けられている。パルス管冷凍機回転機構１４は、傾斜角度４０を調整することによって、パルス管冷凍機１２を冷却姿勢から昇温姿勢へと変更し、あるいは、パルス管冷凍機１２を昇温姿勢から冷却姿勢へと変更することができる。

【0027】

パルス管冷凍機回転機構１４は、パルス管１６の中心軸３８に垂直な回転軸４２まわりに回転可能にパルス管冷凍機１２を支持する。パルス管冷凍機回転機構１４は、静止部４４に設置され、静止部４４に対してパルス管冷凍機１２を回転させることができる。なお、支持部３０は、静止部４４に取り付けられ、または静止部４４の一部を構成してもよい。

【0028】

一例として、パルス管冷凍機回転機構１４は、パルス管冷凍機１２のフランジ部２２を回転させることによって傾斜角度４０を調整するようパルス管冷凍機１２に連結されている。ただし、パルス管冷凍機回転機構１４は、パルス管冷凍機１２の室温部２４など他の部位を回転させるようパルス管冷凍機１２に連結されていてもよい。パルス管冷凍機回転機構１４は、手動により回転可能であってもよいし、モータなどの回転駆動源を備えてもよい。

【0029】

パルス管冷凍機回転機構１４は、パルス管１６の中心軸３８と異なる方向を向く少なくとも１つの回転軸まわりにパルス管冷凍機１２を回転させることができればよく、よって回転軸４２はパルス管１６の中心軸３８に非垂直であってもよい。また、パルス管冷凍機回転機構１４は、パルス管１６の中心軸３８と異なる２つの回転軸それぞれのまわりにパルス管冷凍機１２を回転させるよう構成されていてもよい。２つの回転軸は、回転軸４２と、パルス管１６の中心軸３８および回転軸４２に垂直なもう一つの回転軸であってもよい。必要に応じて、パルス管冷凍機回転機構１４は、パルス管冷凍機１２の平行移動を可能とするよう構成されていてもよい。

【0030】

また、極低温冷凍装置１０は、昇温制御部４６と温度センサ４８とを備える。昇温制御部４６は、本実施形態に係るパルス管冷凍機１２の昇温方法を自動制御により実行するよう構成されている。昇温制御部４６は、温度センサ４８から出力される測定温度信号に基づいて、パルス管冷凍機１２およびパルス管冷凍機回転機構１４を制御するよう構成されている。

【0031】

温度センサ４８は、冷却ステージ２０に取り付けられている。温度センサ４８は、被冷却物２６または伝熱部材２８に取り付けられていてもよい。温度センサ４８は、冷却ステージ２０の温度を測定して測定温度信号を生成するよう構成されている。温度センサ４８は、測定温度信号を昇温制御部４６に出力するよう昇温制御部４６と接続されている。

【0032】

図３は、ある実施形態に係る昇温制御部４６の機能および構成を示すブロック図である。ここに示す各ブロックは、ハードウエア的には、コンピュータのＣＰＵをはじめとする素子や機械装置で実現でき、ソフトウエア的にはコンピュータプログラム等によって実現されるが、ここでは、それらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックはハードウエア、ソフトウエアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、本明細書に触れた当業者には理解されるところである。

【0033】

昇温制御部４６は、温度判定部５０と、冷凍機制御部５２と、目標温度設定部５４と、通知部５６とを備える。昇温制御部４６は、例えば、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）のような制御回路であってもよい。

【0034】

温度判定部５０は、温度センサ４８から出力された測定温度信号を受信して、測定温度を目標温度（例えば、昇温目標温度または中間目標温度）と比較するよう構成されている。温度判定部５０は、測定温度が目標温度以上であるか否かを判定する。

【0035】

冷凍機制御部５２は、極低温冷凍装置１０を制御するよう構成されている。冷凍機制御部５２は、例えばユーザからの入力に応じて生成された昇温開始指令を受信して、パルス管冷凍機１２の運転を停止するよう構成されている。また、冷凍機制御部５２は、パルス管１６の傾斜角度４０を調整するようパルス管冷凍機回転機構１４を制御するよう構成されている。

【0036】

目標温度設定部５４は、昇温目標温度および中間目標温度を、例えばユーザからの入力に応じて設定するよう構成されている。昇温目標温度および中間目標温度は、予め本冷凍装置の仕様として設定されてもよい。

【0037】

本実施形態では、電気ヒータなどの能動的加熱装置を用いずにパルス管冷凍機１２を昇温するので、昇温目標温度は、周囲温度（例えば室温）以下に設定される。昇温目標温度は、極低温である初期温度より高い。中間目標温度は、初期温度と昇温目標温度との間に設定される。中間目標温度は、後述のように、パルス管冷凍機１２を昇温姿勢で運転するときに得られる冷却ステージ２０の到達冷却温度以下に設定される。初期温度は、パルス管冷凍機１２の運転を停止したとき（すなわち昇温を開始するとき）の冷却ステージ２０の温度であり、パルス管冷凍機１２を冷却姿勢で運転するときに得られる冷却ステージ２０の到達冷却温度に相当する。

【0038】

通知部５６は、パルス管冷凍機１２の昇温完了を、例えば画像表示または音声出力により、ユーザに通知するよう構成されている。通知部５６は、温度センサ４８の測定温度が昇温目標温度に達していると温度判定部５０により判定される場合に、パルス管冷凍機１２の昇温完了を通知する。また、通知部５６は、温度センサ４８の測定温度が中間目標温度に達していると温度判定部５０により判定される場合に、その事実を通知してもよい。

【0039】

図４は、ある実施形態に係る極低温冷凍装置１０の昇温処理を示すフローチャートである。本昇温処理の開始前、パルス管冷凍機１２は、パルス管冷凍機回転機構１４によって冷却姿勢に保持された状態で運転されている。よって、冷却ステージ２０および被冷却物２６は所望の極低温に冷却されている。

【0040】

冷凍機制御部５２は、昇温開始指令を受信して、パルス管冷凍機１２の運転を停止する（Ｓ１０）。冷凍機制御部５２は、パルス管冷凍機回転機構１４を駆動して、パルス管冷凍機１２を冷却姿勢から昇温姿勢へと変更するようパルス管冷凍機１２を回転させる（Ｓ１２）。この時点で、冷却ステージ２０は初期温度にある。以降、昇温姿勢でパルス管冷凍機１２は昇温される（Ｓ１３）。パルス管冷凍機１２の昇温完了まで、パルス管冷凍機１２は、運転を停止した状態で昇温姿勢に保持される。

【0041】

パルス管冷凍機１２の昇温工程（Ｓ１３）においては、温度判定部５０は、温度センサ４８の測定温度が昇温目標温度に達しているか否かを判定する（Ｓ１４）。温度センサ４８の測定温度が昇温目標温度に達していない場合、すなわち測定温度が昇温目標温度より低い場合には（Ｓ１４のＮｏ）、温度判定部５０は、暫時待機し、再び温度センサ４８の測定温度が昇温目標温度に達しているか否かを判定する（Ｓ１４）。

【0042】

温度センサ４８の測定温度が昇温目標温度に達している場合、すなわち測定温度が昇温目標温度以上である場合には（Ｓ１４のＹｅｓ）、通知部５６は、パルス管冷凍機１２の昇温完了を通知する（Ｓ１６）。こうして、本昇温処理は終了する。

【0043】

図５は、他の実施形態に係る極低温冷凍装置１０の昇温処理を示すフローチャートである。本昇温処理の開始前、パルス管冷凍機１２は、パルス管冷凍機回転機構１４によって冷却姿勢に保持された状態で運転されている。よって、冷却ステージ２０および被冷却物２６は所望の極低温に冷却されている。

【0044】

図５に示される昇温処理は、第１昇温工程（Ｓ２０）と第２昇温工程（Ｓ３０）とを備える。昇温制御部４６は、最初に第１昇温工程を実行し、次に第２昇温工程を実行する。

【0045】

第１昇温工程（Ｓ２０）においては、昇温制御部４６は、パルス管冷凍機１２が初期温度と昇温目標温度との間に予め設定された中間目標温度に昇温するまで、昇温姿勢でパルス管冷凍機１２を運転する。

【0046】

冷凍機制御部５２は、昇温開始指令を受信すると、パルス管冷凍機回転機構１４を駆動して、パルス管冷凍機１２を冷却姿勢から昇温姿勢へと変更するようパルス管冷凍機１２を回転させる（Ｓ２２）。このとき、パルス管冷凍機１２の運転は継続されている。以降、昇温姿勢でパルス管冷凍機１２は昇温される。

【0047】

温度判定部５０は、温度センサ４８の測定温度が中間目標温度に達しているか否かを判定する（Ｓ２４）。温度センサ４８の測定温度が中間目標温度に達していない場合、すなわち測定温度が中間目標温度より低い場合には（Ｓ２４のＮｏ）、温度判定部５０は、暫時待機し、再び温度センサ４８の測定温度が中間目標温度に達しているか否かを判定する（Ｓ２４）。

【0048】

温度センサ４８の測定温度が中間目標温度に達している場合、すなわち測定温度が中間目標温度以上である場合には（Ｓ２４のＹｅｓ）、冷凍機制御部５２は、パルス管冷凍機１２の運転を停止し（Ｓ２６）、第２昇温工程（Ｓ３０）に移行する。

【0049】

第２昇温工程（Ｓ３０）においては、温度判定部５０は、温度センサ４８の測定温度が昇温目標温度に達しているか否かを判定する（Ｓ３２）。温度センサ４８の測定温度が昇温目標温度に達していない場合、すなわち測定温度が昇温目標温度より低い場合には（Ｓ３２のＮｏ）、温度判定部５０は、暫時待機し、再び温度センサ４８の測定温度が昇温目標温度に達しているか否かを判定する（Ｓ３２）。

【0050】

温度センサ４８の測定温度が昇温目標温度に達している場合、すなわち測定温度が昇温目標温度以上である場合には（Ｓ３２のＹｅｓ）、通知部５６は、パルス管冷凍機１２の昇温完了を通知する（Ｓ３４）。こうして、本昇温処理は終了する。

【0051】

なお、ある実施形態においては、極低温冷凍装置１０の昇温方法は手動で行われてもよい。昇温方法が自動制御により実行されることは必須ではない。この場合、極低温冷凍装置１０は、昇温制御部４６を備えなくてもよい。

【0052】

昇温処理の終了後に、パルス管冷凍機１２には、構成要素の動作点検や消耗部品の交換などメンテナンスが施されてもよい。メンテナンスが終了すると、パルス管冷凍機回転機構１４は、パルス管冷凍機１２を冷却姿勢に戻す。パルス管冷凍機１２の運転が再開され、パルス管冷凍機１２は再び冷却される。

【0053】

図６は、ある実施形態に係るパルス管冷凍機１２の運転中における到達冷却温度の方向依存性を例示するグラフである。図６の縦軸は冷却ステージ２０（一段冷却ステージの温度）の温度を表し、横軸は傾斜角度４０を表す。なお、図示されるグラフは、二段式の冷凍機についての一段冷却ステージの温度測定結果である。

【0054】

パルス管冷凍機１２の到達冷却温度は、パルス管１６の傾斜角度４０に依存する。傾斜角度４０が小さいほど到達温度が低く、傾斜角度４０が大きいほど到達温度が高くなる傾向がある。

【0055】

こうした傾向の主たる要因は、パルス管１６の内部で生じる作動ガスの自然対流の影響である。傾斜角度４０が小さい場合、例えば傾斜角度４０が０度である場合には、パルス管１６の低温端が鉛直下方に向けられ、パルス管１６の高温端が鉛直上方に向けられている。この姿勢は、図１に示される冷却姿勢にあたる。パルス管１６の低温端で冷却された低温の作動ガスは、重力の作用により下方（つまり低温端）に比較的安定的に滞留する。パルス管１６の内部で自然対流が生じにくい。そのため、冷却ステージ２０の温度を低く維持することができる。図６に示されるように、傾斜角度４０が５０度以内である場合には、冷却ステージ２０の温度を最も低く維持することができる。

【0056】

一方、傾斜角度４０が大きい場合には、パルス管１６が水平に、または水平に近い向きに配置され、傾斜角度４０がさらに大きい場合には、パルス管１６の低温端が高温端より上方に位置することになる。この姿勢は、図２に示される昇温姿勢にあたる。この場合、重力の作用によりパルス管１６の内部で自然対流が生じやすい。パルス管１６の低温端で冷却された低温の作動ガスがパルス管１６の高温端に存在する高温の作動ガスと混ざり合う。その結果、冷却ステージ２０の温度低下が抑制され、到達温度が高くなる。このことは、パルス管１６の傾斜角度４０が大きい状態でパルス管冷凍機１２を運転すると冷却ステージ２０を比較的高温に維持できるということを意味する。

【0057】

図６に例示される到達冷却温度は、パルス管冷凍機１２の姿勢に依存してパルス管１６の内部に誘起される自然対流の程度を表すと推察できる。到達温度が低ければパルス管１６内の自然対流は無視しうるか、または小規模であると考えられる。一方、到達温度が高ければ、それはパルス管１６内に自然対流が顕著に誘起された結果であると考えられる。

【0058】

したがって、パルス管冷凍機１２を冷却する場合には、傾斜角度４０が小さいことが有利である一方、パルス管冷凍機１２を昇温する場合には、傾斜角度４０が大きいことが有利である。

【0059】

パルス管冷凍機１２の冷却姿勢を定める第１角度は、パルス管１６の内部に作動ガスの自然対流を起こさないように、または、パルス管１６の内部での自然対流が十分に抑制されるように、定められる。第１角度は、例えば、０度から５０度の範囲から選択され、好ましくは、０度から３０度の範囲から選択される。さらに好ましくは、第１角度は、０度である。このようにすれば、パルス管冷凍機１２の運転中における到達冷却温度を十分に低く維持することができる。

【0060】

パルス管冷凍機１２の昇温姿勢を定める第２角度は、パルス管１６の内部に作動ガスの自然対流を誘起するように、定められる。第２角度は、例えば、７０度から１８０度の範囲から選択され、好ましくは、９０度から１５０度の範囲から選択される。さらに好ましくは、第２角度は、１００度から１３５度の範囲から選択される。このようにすれば、自然対流を利用して、パルス管冷凍機１２を速やかに昇温することができる。例えば、パルス管冷凍機１２にメンテナンスをするためにパルス管冷凍機１２の運転を停止したときに、パルス管冷凍機１２を速やかに昇温することができる。

【0061】

図７は、ある実施形態に係るパルス管冷凍機１２の昇温時間を例示するグラフである。図７の縦軸は冷却ステージ２０の温度（１段冷却ステージの温度）を表し、横軸は昇温開始からの経過時間を表す。図示されるグラフには、実施例１、実施例２、および比較例の温度測定結果が示されている。いずれもパルス管冷凍機１２を無負荷状態として（すなわち冷却ステージ２０に被冷却物２６を取り付けていない状態で）温度推移が測定されている。

【0062】

比較例は、パルス管冷凍機１２を冷却姿勢に保持して自然昇温をした場合である。比較例では、パルス管冷凍機１２の運転を停止し、その状態でパルス管冷凍機１２を放置している。冷却姿勢の傾斜角度４０は０度である。極低温である初期温度（図７では約２０Ｋ）から昇温目標温度（図７では約２７０Ｋ）まで昇温する所要時間は、約１８．５時間であった。

【0063】

実施例１は、パルス管冷凍機１２を昇温姿勢に保持した状態で、パルス管冷凍機１２内で発生する対流を利用してパルス管冷凍機１２を昇温した場合である。実施例１では、パルス管冷凍機１２の運転を停止し、パルス管冷凍機１２を冷却姿勢から昇温姿勢へとパルス管冷凍機回転機構１４によって変更し、その状態でパルス管冷凍機１２を放置している。昇温姿勢の傾斜角度４０は１２０度である。初期温度から昇温目標温度まで昇温する所要時間は、約４．９時間であった。

【0064】

実施例１によれば、パルス管冷凍機１２の運転を停止してパルス管冷凍機１２を傾けた状態に保持することにより、比較例と比べて顕著に短い時間でパルス管冷凍機１２が昇温された。これは、上述のように、パルス管１６の内部に誘起された自然対流の効果によるものと理解される。

【0065】

実施例１は、手動により昇温方法を実行した結果であるが、図４に示される昇温処理が実行された場合にも実施例１と同様の結果を得られるであろう。

【0066】

実施例２は、パルス管冷凍機１２を昇温姿勢に保持した状態で、パルス管冷凍機１２内で発生する対流を利用してパルス管冷凍機１２を昇温した場合である。ただし、昇温の当初はパルス管冷凍機１２を運転し、昇温の途中でパルス管冷凍機１２の運転を停止している点で、実施例２は実施例１と異なる。

【0067】

実施例２では、パルス管冷凍機１２を運転しながらパルス管冷凍機１２を冷却姿勢から昇温姿勢へとパルス管冷凍機回転機構１４によって変更している。パルス管冷凍機１２が中間目標温度（図７では約２００Ｋ）に昇温するまで、昇温姿勢でパルス管冷凍機１２を運転している。中間目標温度でパルス管冷凍機１２の運転を停止し、以後はパルス管冷凍機１２を昇温姿勢に保持したままパルス管冷凍機１２を放置している。昇温姿勢の傾斜角度４０は１２０度である。初期温度から昇温目標温度まで昇温する所要時間は、約３．８５時間であった。

【0068】

実施例２によれば、パルス管冷凍機１２を傾けた状態で一定期間運転してから停止し、パルス管冷凍機１２をその傾斜状態に保持することにより、実施例１に比べてさらに短い時間でパルス管冷凍機１２が昇温された。これは、自然対流に加えて、パルス管冷凍機１２の運転によりパルス管１６内に強制対流も誘起されるためであると考えられる。

【0069】

実施例２は、手動により昇温方法を実行した結果であるが、図５に示される昇温処理が実行された場合にも実施例２と同様の結果を得られるであろう。

【0070】

このようにして、本実施形態に係る極低温冷凍装置１０は、パルス管冷凍機１２を短時間で昇温することができる。パルス管冷凍機１２の姿勢を変えるという簡易な手法により、パルス管冷凍機１２内で発生する作動ガスの対流（例えば、自然対流、または強制対流）を利用して、パルス管冷凍機１２の昇温時間を顕著に短縮することができる。

【0071】

また、本実施形態に係る極低温冷凍装置１０は、パルス管冷凍機１２を昇温するための能動的な加熱装置（例えば、冷却ステージ２０を加熱する電気ヒータ、または、被冷却物２６を加熱する加熱媒体循環装置）を用いることなく、パルス管冷凍機１２を速やかに昇温することができる。よって、極低温冷凍装置１０は、こうした加熱装置を備える必要がない。極低温冷凍装置１０の構成をより簡素にできる利点がある。また、加熱装置が無いことで、パルス管冷凍機１２の熱負荷が低減されるので、極低温冷凍装置１０は、より小型のパルス管冷凍機１２を採用することができる。加熱装置を用いる場合に起こりうる過剰な温度上昇のリスクをなくすこともできる。

【0072】

図８は、他の実施形態に係る極低温冷凍装置１０の全体構成を概略的に示す図である。図８に示される極低温冷凍装置１０は、昇温のための加熱手段を除いて、図１および図２に示される極低温冷凍装置１０と共通する。以下では、両者の異な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。

【0073】

極低温冷凍装置１０は、能動的加熱装置５８を備えてもよい。能動的加熱装置５８は、電気ヒータ６０および加熱媒体循環装置６２の少なくとも一方を備えてもよい。昇温制御部４６は、パルス管冷凍機１２を昇温するために能動的加熱装置５８を制御するよう構成されていてもよい。

【0074】

電気ヒータ６０は、被冷却物２６に取り付けられ、被冷却物２６を加熱する。電気ヒータ６０は、ヒータ電源６１から給電される。電気ヒータ６０は、冷却ステージ２０または伝熱部材２８に取り付けられてもよい。

【0075】

加熱媒体循環装置６２は、加熱媒体を冷却ステージ２０または被冷却物２６に供給し回収するよう構成されている。加熱媒体循環装置６２は、回収した媒体を送出するポンプ６４と、冷却ステージ２０または被冷却物２６と熱的に結合された熱交換部６６を含む配管部を備える。加熱媒体は、ポンプ６４から配管部に流入し、熱交換部６６を経由して、ポンプ６４に回収される。熱交換部６６を流れる加熱媒体が冷却ステージ２０または被冷却物２６と熱交換をすることで、冷却ステージ２０または被冷却物２６を昇温することができる。熱交換部６６は、冷却ステージ２０または被冷却物２６に巻き回されたコイル状配管を備えてもよい。

【0076】

このようにすれば、能動的加熱装置５８によるパルス管冷凍機１２の加熱と、パルス管冷凍機１２内で発生する作動ガスの対流とを併用して、さらに高速にパルス管冷凍機１２を昇温することができる。

【0077】

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。

【0078】

上述の実施形態においては、パルス管冷凍機１２の昇温姿勢は、一定の傾斜角度に固定されているが、必ずしもこれは必須ではない。昇温姿勢は、昇温方法の実行中に適宜変更されてもよい。すなわち、パルス管冷凍機回転機構１４は、パルス管１６の傾斜角度を昇温中に変更してもよい。このようにしても、上述の実施形態と同様に、作動ガスの対流を利用してパルス管冷凍機１２を短時間で昇温することができる。

【符号の説明】

【0079】

１０ 極低温冷凍装置、 １２ パルス管冷凍機、 １４ パルス管冷凍機回転機構、 １６ パルス管、 ２６ 被冷却物、 ３６ 鉛直線、 ４０ 傾斜角度、 ４６ 昇温制御部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】