特許 6886412 極低温冷却システム

(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】6886412

(24)【登録日】2021年5月18日

(45)【発行日】2021年6月16日

(54)【発明の名称】極低温冷却システム

(51)【国際特許分類】

   F25B 9/00 20060101AFI20210603BHJP

【ＦＩ】

   F25B9/00 Z

【請求項の数】6

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2018-12577(P2018-12577)

(22)【出願日】2018年1月29日

(65)【公開番号】特開2019-132452(P2019-132452A)

(43)【公開日】2019年8月8日

【審査請求日】2020年8月17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】江原 悠太

(72)【発明者】

【氏名】森江 孝明

(72)【発明者】

【氏名】吉田 潤

【審査官】 笹木 俊男

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−１４１０７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−１２１１９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００６／００９７１４６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開昭６４−１４５５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第６６７９０６６（ＵＳ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２５Ｂ ９／００ 〜 ９／１４

Ｈ０１Ｆ ６／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

冷却ガスを循環させるガス循環源と、
前記冷却ガスを冷却する冷凍機ステージを備える極低温冷凍機と、
前記ガス循環源から前記冷凍機ステージと被冷却物を経由して前記ガス循環源へと前記冷却ガスを流す冷却ガス流路と、
前記被冷却物の室温から目標冷却温度への初期冷却を規定の流量パターンに従って実行するように、前記ガス循環源を制御する制御装置と、を備え、
前記規定の流量パターンは、前記初期冷却の開始から移行タイミングまで第１平均流量で前記冷却ガスが前記冷却ガス流路に流れ、前記移行タイミングから前記初期冷却の完了まで第２平均流量で前記冷却ガスが前記冷却ガス流路に流れるように予め定められ、
前記第２平均流量は、前記移行タイミングから前記初期冷却の完了まで前記第１平均流量が維持された場合に比べて極低温冷却システムの冷却能力が増加するように前記第１平均流量より小さくなっていることを特徴とする極低温冷却システム。

【請求項2】

前記制御装置は、前記ガス循環源の起動、または前記ガス循環源および前記極低温冷凍機の起動と同期して前記初期冷却を開始することを特徴とする請求項１に記載の極低温冷却システム。

【請求項3】

前記規定の流量パターンは、前記初期冷却の開始から前記移行タイミングまでの間少なくとも一時的に、前記極低温冷却システムにおける上限の冷却ガス流量で前記冷却ガスが前記冷却ガス流路に流れるように予め定められていることを特徴とする請求項１または２に記載の極低温冷却システム。

【請求項4】

前記規定の流量パターンは、前記移行タイミングから前記初期冷却の完了までの間少なくとも一時的に、前記極低温冷却システムの冷却能力を前記目標冷却温度で最大化する冷却ガス流量で前記冷却ガスが前記冷却ガス流路に流れるように予め定められてい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却システム。

【請求項5】

前記移行タイミングは、第１基準時刻以降かつ第２基準時刻以前に予め定められ、
前記第１基準時刻は、前記被冷却物から前記初期冷却により取り除かれるべき熱量の、第１代表温度での前記極低温冷却システムの冷却能力に対する比として表され、前記第２基準時刻は、前記被冷却物から前記初期冷却により取り除かれるべき熱量の、第２代表温度での前記極低温冷却システムの冷却能力に対する比として表され、
前記第１代表温度と前記第２代表温度は、前記室温から前記目標冷却温度までの温度域から選択され、前記第２代表温度は、前記第１代表温度より低いことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の極低温冷却システム。

【請求項6】

前記制御装置は、
前記規定の流量パターンに従って前記初期冷却の開始から完了まで各時刻の目標冷却ガス流量を予め定める初期冷却設定と、
前記初期冷却設定と前記初期冷却の開始からの経過時間とに応じて前記目標冷却ガス流量を決定し、前記目標冷却ガス流量で前記冷却ガスが前記冷却ガス流路に流れるように前記ガス循環源を制御するガス流量制御部と、を備えることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の極低温冷却システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、極低温冷却システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、極低温に冷却されたガスで例えば超伝導電磁石などの被冷却物を冷却する循環冷却システムが知られている。冷却ガスの冷却にはＧＭ（Gifford-McMahon）冷凍機などの極低温冷凍機がよく用いられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平１−１４５５９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

極低温冷却システムにおいては、システムの起動に際して室温から目標冷却温度に被冷却物を冷却する初期冷却が行われる。被冷却物の利用は初期冷却の完了後に可能となる。したがって、初期冷却の所要時間はなるべく短いことが望まれる。

【0005】

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、極低温冷却システムの初期冷却時間を短縮することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明のある態様によると、極低温冷却システムは、冷却ガスを循環させるガス循環源と、前記冷却ガスを冷却する冷凍機ステージを備える極低温冷凍機と、前記ガス循環源から前記冷凍機ステージと被冷却物を経由して前記ガス循環源へと前記冷却ガスを流す冷却ガス流路と、前記被冷却物の室温から目標冷却温度への初期冷却を規定の流量パターンに従って実行するように、前記ガス循環源を制御する制御装置と、を備える。前記規定の流量パターンは、前記初期冷却の開始から移行タイミングまで第１平均流量で前記冷却ガスが前記冷却ガス流路に流れ、前記移行タイミングから前記初期冷却の完了まで第２平均流量で前記冷却ガスが前記冷却ガス流路に流れるように予め定められている。前記第２平均流量は、前記移行タイミングから前記初期冷却の完了まで前記第１平均流量が維持された場合に比べて極低温冷却システムの冷却能力が増加するように前記第１平均流量より小さくなっている。

【0007】

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】

【0008】

本発明によれば、実用に適する極低温冷却システムを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施の形態に係る極低温冷却システムを概略的に示す図である。

【図2】図２（ａ）および図２（ｂ）は、比較例に係る初期冷却に使用されうる冷却ガスの流量パターンを例示する図である。

【図3】図３（ａ）から図３（ｄ）は、実施の形態に係る初期冷却に使用されうる冷却ガスの流量パターンを例示する図である。

【図4】図４（ａ）および図４（ｂ）は、極低温冷却システム１０の冷却能力曲線を複数の冷却温度について示すグラフである。

【図5】実施の形態に係る極低温冷却システムの初期冷却の制御方法を例示するフローチャートである。

【図6】図６（ａ）は、極低温冷却システムの初期冷却での温度変化を示し、図６（ｂ）は、初期冷却に使用される流量パターンを示す。

【図7】実施の形態に係る極低温冷却システムの他の一例を概略的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

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。

【0011】

図１は、実施の形態に係る極低温冷却システム１０を概略的に示す図である。極低温冷却システム１０は、冷却ガスを循環させることによって被冷却物１１を目標温度に冷却するように構成された循環冷却システムである。冷却ガスは、例えばヘリウムガスがよく用いられるが、冷却温度に応じた適切なそのほかのガスが利用されることもありうる。

【0012】

被冷却物１１は、一例として、超伝導電磁石である。超伝導電磁石は、例えば、粒子線治療装置またはそのほかの装置に用いられる粒子加速器、またはそのほかの超伝導装置に搭載される。なお、言うまでもないが、被冷却物１１は、超伝導電磁石には限られない。被冷却物１１は、極低温冷却が望まれるそのほかの機器または流体であってもよい。

【0013】

目標冷却温度は、所定の下限温度から所定の上限温度までの温度域から選択される所望の極低温である。下限温度は例えば、極低温冷却システム１０によって冷却可能な最低の温度であり、例えば４Ｋであってもよい。上限温度は例えば、超伝導臨界温度以下の温度域から選択される所望の極低温である。超伝導臨界温度は、使用される超伝導材料に応じて定まるが、例えば、液体窒素温度以下、または３０Ｋ以下、または２０Ｋ以下、または１０Ｋ以下の極低温である。したがって、目標冷却温度は、例えば、４Ｋから３０Ｋの温度域、または例えば１０Ｋから２０Ｋの温度域から選択される。

【0014】

極低温冷却システム１０は、冷却ガスを循環させるガス循環源１２と、被冷却物１１を冷却するために冷却ガスが流れる冷却ガス流路１４とを備える。ガス循環源１２は、供給する冷却ガス流量をガス循環源制御信号Ｓ１に従って制御するように構成されている。ガス循環源１２は、一例として、回収した冷却ガスを昇圧して送出する圧縮機を備える。冷却ガス流路１４は、ガス供給ライン１６と、被冷却物ガス流路１８と、ガス回収ライン２０とを備える。ガス循環源１２と冷却ガス流路１４により、冷却ガスの循環回路が構成されている。図１において冷却ガス流路１４に沿って描かれているいくつかの矢印は、冷却ガスの流れ方向を示している。

【0015】

ガス循環源１２は、ガス回収ライン２０から冷却ガスを回収するようガス回収ライン２０に接続されるとともに、昇圧した冷却ガスをガス供給ライン１６に供給するようガス供給ライン１６に接続されている。また、ガス供給ライン１６は、冷却ガスを被冷却物ガス流路１８に供給するよう被冷却物ガス流路１８に接続され、ガス回収ライン２０は、冷却ガスを被冷却物ガス流路１８から回収するよう被冷却物ガス流路１８に接続されている。

【0016】

ガス供給ライン１６、被冷却物ガス流路１８、及び／またはガス回収ライン２０は、フレキシブル管であってもよいし、または、剛性管であってもよい。

【0017】

極低温冷却システム１０は、極低温冷却システム１０の冷却ガスを冷却する極低温冷凍機２２を備える。極低温冷凍機２２は、圧縮機２４と、冷凍機ステージ２８を備えるコールドヘッド２６とを備える。

【0018】

極低温冷凍機２２の圧縮機２４は、極低温冷凍機２２の作動ガスをコールドヘッド２６から回収し、回収した作動ガスを昇圧して、再び作動ガスをコールドヘッド２６に供給するよう構成されている。圧縮機２４とコールドヘッド２６により作動ガスの循環回路すなわち極低温冷凍機２２の冷凍サイクルが構成され、それにより冷凍機ステージ２８が冷却される。作動ガスは通例、ヘリウムガスであるが、適切な他のガスが用いられてもよい。極低温冷凍機２２は、一例として、ギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機であるが、パルス管冷凍機、スターリング冷凍機、またはそのほかの極低温冷凍機であってもよい。

【0019】

極低温冷凍機２２の圧縮機２４は、ガス循環源１２とは別個に設けられている。極低温冷凍機２２の作動ガス循環回路は、極低温冷却システム１０の冷却ガス循環回路から流体的に隔離されている。

【0020】

被冷却物ガス流路１８は、冷却ガスを流すために被冷却物１１の周囲または内部に設けられている。被冷却物ガス流路１８は、入口１８ａと、出口１８ｂと、入口１８ａから出口１８ｂへと延びるガス管１８ｃとを備える。ガス供給ライン１６が被冷却物ガス流路１８の入口１８ａに接続し、ガス回収ライン２０が被冷却物ガス流路１８の出口１８ｂに接続している。よって、冷却ガスは、ガス供給ライン１６から入口１８ａを通じてガス管１８ｃに流入し、さらに、ガス管１８ｃから出口１８ｂを通じてガス回収ライン２０へと流出する。

【0021】

ガス管１８ｃは、ガス管１８ｃ内を流れる冷却ガスと被冷却物１１との熱交換により被冷却物１１が冷却されるように、被冷却物１１に物理的に接触するとともに被冷却物１１に熱的に結合されている。一例として、ガス管１８ｃは、被冷却物１１の周囲を取り巻くように被冷却物１１の外表面に接触配置されたコイル状の冷却ガス配管である。

【0022】

被冷却物ガス流路１８がガス供給ライン１６とは別の配管部材として構成される場合には、入口１８ａは、ガス供給ライン１６を被冷却物ガス流路１８に接続するためにガス管１８ｃの一端に設けられた管継手であってもよい。被冷却物ガス流路１８がガス供給ライン１６から連続する一体の配管部材として構成される場合には、入口１８ａは、ガス管１８ｃが被冷却物１１との物理的接触を開始する場所を指してもよく、この接触開始点が被冷却物ガス流路１８の入口１８ａとみなされてもよい。また、被冷却物ガス流路１８が被冷却物１１の内部を通る場合には、入口１８ａは文字通り、被冷却物ガス流路１８が被冷却物１１に入る部位を指してもよい。

【0023】

同様に、被冷却物ガス流路１８がガス回収ライン２０とは別の配管部材として構成される場合には、出口１８ｂは、ガス回収ライン２０を被冷却物ガス流路１８に接続するためにガス管１８ｃの他端に設けられた管継手であってもよい。被冷却物ガス流路１８がガス回収ライン２０から連続する一体の配管部材として構成される場合には、出口１８ｂは、ガス管１８ｃが被冷却物１１との物理的接触を終了する場所を指してもよく、この接触終了点が被冷却物ガス流路１８の出口１８ｂとみなされてもよい。また、被冷却物ガス流路１８が被冷却物１１の内部を通る場合には、出口１８ｂは文字通り、被冷却物ガス流路１８が被冷却物１１から出る部位を指してもよい。

【0024】

言い換えれば、ガス供給ライン１６とガス回収ライン２０はともに、被冷却物１１と物理的に接触していない。ガス供給ライン１６は、被冷却物ガス流路１８の入口１８ａから、被冷却物１１から離れる方向に延び、ガス回収ライン２０は、被冷却物ガス流路１８の出口１８ｂから、被冷却物１１から離れる方向に延びている。極低温冷凍機２２とその冷凍機ステージ２８も、被冷却物１１から離れて配置されている。

【0025】

ガス供給ライン１６は、ガス循環源１２から冷凍機ステージ２８を経由して被冷却物ガス流路１８に冷却ガスを供給するようにガス循環源１２を被冷却物ガス流路１８の入口１８ａに接続する。ガス供給ライン１６は、ガス供給ライン１６を流れる冷却ガスと冷凍機ステージ２８との熱交換により冷却ガスが冷却されるように、冷凍機ステージ２８に物理的に接触するとともに冷凍機ステージ２８に熱的に結合されている。したがって、冷却ガスは、ガス循環源１２からガス供給ライン１６に流入し、冷凍機ステージ２８によって冷却され、ガス供給ライン１６から被冷却物ガス流路１８へと流出する。

【0026】

以下では説明の便宜上、ガス供給ライン１６のうちガス循環源１２から冷凍機ステージ２８までの部分をガス供給ライン１６の上流部１６ａと称し、ガス供給ライン１６のうち冷凍機ステージ２８から被冷却物ガス流路１８の入口１８ａまでの部分をガス供給ライン１６の下流部１６ｂと称することがある。すなわち、ガス供給ライン１６は、上流部１６ａと下流部１６ｂとを備える。

【0027】

また、ガス供給ライン１６のうち冷凍機ステージ２８に配置される部分をガス供給ライン１６の中間部１６ｃと称することができる。一例として、ガス供給ライン１６の中間部１６ｃは、冷凍機ステージ２８の周囲を取り巻くように冷凍機ステージ２８の外表面に接触配置されたコイル状の冷却ガス配管である。

【0028】

したがって、冷却ガスは、ガス供給ライン１６の中間部１６ｃの出口（すなわち下流部１６ｂの入口）１６ｄで冷却ガス流路１４における最低到達温度をとる。

【0029】

ガス回収ライン２０は、被冷却物ガス流路１８からガス循環源１２に冷却ガスを回収するように被冷却物ガス流路１８の出口１８ｂをガス循環源１２に接続する。したがって、冷却ガスは、被冷却物ガス流路１８からガス回収ライン２０に流入し、ガス回収ライン２０からガス循環源１２へと流出する。

【0030】

また、極低温冷却システム１０は、熱交換器３０を備える。熱交換器３０は、ガス供給ライン１６とガス回収ライン２０との間で、それぞれを流れる冷却ガスが互いに熱交換をするように構成されている。熱交換器３０は、極低温冷却システム１０の冷却効率を向上するのに役立つ。

【0031】

熱交換器３０は、ガス供給ライン１６（より具体的には上流部１６ａ）上に高温入口３０ａと低温出口３０ｂを備え、ガス回収ライン２０上に低温入口３０ｃと高温出口３０ｄを備える。供給側の冷却ガス、つまりガス循環源１２から高温入口３０ａを通じて熱交換器３０に流入する高温の冷却ガスは、熱交換器３０にてガス回収ライン２０によって冷却され、低温出口３０ｂを通じて冷凍機ステージ２８に向かう。これに伴い、回収側の冷却ガス、つまり被冷却物ガス流路１８から低温入口３０ｃを通じて熱交換器３０に流入する低温の冷却ガスは、熱交換器３０にてガス供給ライン１６によって加熱され、高温出口３０ｄを通じてガス循環源１２に向かう。

【0032】

極低温冷却システム１０は、真空環境３４を画定する真空容器３２を備える。真空容器３２は、周囲環境３６から真空環境３４を隔離するよう構成されている。真空容器３２は、例えばクライオスタットなどの極低温真空容器である。真空環境３４は例えば極低温真空環境であり、周囲環境３６は例えば室温大気圧環境である。

【0033】

被冷却物１１は、真空容器３２の中、すなわち真空環境３４に配置されている。極低温冷却システム１０の主要な構成要素のうち被冷却物ガス流路１８、極低温冷凍機２２の冷凍機ステージ２８、および熱交換器３０は、真空環境３４に配置されている。一方、ガス循環源１２と極低温冷凍機２２の圧縮機２４は、真空容器３２の外、すなわち周囲環境３６に配置されている。よって、ガス供給ライン１６とガス回収ライン２０は、ガス循環源１２に接続される一端部が周囲環境３６に配置され、残りの部分が真空環境３４に配置されている。

【0034】

極低温冷却システム１０は、冷凍機ステージ２８に設置された温度センサ３８を備える。温度センサ３８は、極低温冷却システム１０の冷却ガス流路１４、具体的にはガス供給ライン１６において１つだけ設けられている。よって、温度センサ３８は、被冷却物ガス流路１８にも被冷却物１１にも設けられていない。温度センサ３８は、ガス回収ライン２０にも設けられていない。

【0035】

なお、温度センサ３８の設置場所は冷凍機ステージ２８には限られない。温度センサ３８は、被冷却物ガス流路１８を含む冷却ガス流路１４の任意の場所に設置されてもよい。また、複数の温度センサ３８が冷却ガス流路１４において互いに異なる場所に設置されてもよい。

【0036】

極低温冷却システム１０は、極低温冷却システム１０を制御する制御装置４０を備える。制御装置４０は、ガス流量制御部４２を備える。ガス流量制御部４２は、タイマー４４と、初期冷却設定４６とを備える。制御装置４０は、周囲環境３６に配置されている。制御装置４０は、ガス循環源１２、例えば圧縮機に設置されていてもよい。

【0037】

極低温冷却システム１０の制御装置４０は、ハードウェア構成としてはコンピュータのＣＰＵやメモリをはじめとする素子や回路で実現され、ソフトウェア構成としてはコンピュータプログラム等によって実現されるが、図１では適宜、それらの連携によって実現される機能ブロックとして描いている。これらの機能ブロックはハードウェア、ソフトウェ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、当業者には理解されるところである。

【0038】

ところで、極低温冷却システム１０の初期冷却は、被冷却物１１を室温から目標冷却温度に急速に冷却する極低温冷却システム１０の制御処理であり、極低温冷却システム１０の起動に際して行われる。初期冷却により、被冷却物１１が室温から目標冷却温度に冷却される。初期冷却の完了後に、極低温冷却システム１０は、被冷却物１１を目標冷却温度に維持する定常冷却に移行する。初期冷却での降温速度（例えば、初期冷却における被冷却物１１の平均の降温速度）は、定常冷却での降温速度より大きい。

【0039】

制御装置４０は、極低温冷却システム１０の起動と同期して被冷却物１１の初期冷却を開始するように構成されている。例えば、制御装置４０は、極低温冷却システム１０の起動と同時に、または極低温冷却システム１０の起動時点から予め定められた遅延時間が経過したときに、被冷却物１１の初期冷却を開始する。

【0040】

典型的には、極低温冷却システム１０の起動とは、ガス循環源１２の起動、または、ガス循環源１２および極低温冷凍機２２の起動を意味する。よって、制御装置４０は、ガス循環源１２の起動と同期して被冷却物１１の初期冷却を開始するように構成されていてもよい。あるいは、制御装置４０は、ガス循環源１２および極低温冷凍機２２の起動と同期して初期冷却を開始するように構成されていてもよい。

【0041】

極低温冷却システム１０は、メインスイッチ４８を備える。メインスイッチ４８は、例えば操作ボタンまたはスイッチのような人手により操作可能な操作具を備え、操作されたとき制御装置４０にシステム起動指令信号Ｓ２を出力するように構成されている。操作者がメインスイッチ４８を操作することにより、極低温冷却システム１０が起動され、その運転が開始される。メインスイッチ４８は、極低温冷却システム１０の起動スイッチとして機能するだけでなく、極低温冷却システム１０の停止スイッチを兼ねていてもよい。

【0042】

メインスイッチ４８は、周囲環境３６に配置されている。メインスイッチ４８は、制御装置４０またはその筐体に設置されていてもよい。あるいは、メインスイッチ４８は、ガス循環源１２に備えられた圧縮機の起動スイッチとして、当該圧縮機に設置されていてもよい。メインスイッチ４８は、極低温冷凍機２２の起動スイッチとして、極低温冷凍機２２に、例えば圧縮機２４に設置されていてもよい。

【0043】

あるいは、上位の制御装置が制御装置４０とは別に設けられている場合には、その上位の制御装置がシステム起動指令信号Ｓ２を制御装置４０に出力するように構成されていてもよい。たいてい、被冷却物１１は粒子加速器そのほか上位の装置またはシステムの一部であり、そうした上位のシステムには上位の制御装置が備えられている。

【0044】

制御装置４０は、受信したシステム起動指令信号Ｓ２に応じて初期冷却を開始するように構成されている。制御装置４０は、被冷却物１１の初期冷却を実行するようにガス循環源１２を制御するように構成されている。初期冷却の間、制御装置４０は、規定の流量パターンに従って冷却ガス流路１４に冷却ガスが流れるようにガス循環源１２を制御する。制御装置４０は、初期冷却に後続して、またはそのほか適切なタイミングで、被冷却物１１の定常冷却を実行するようにガス循環源１２を制御してもよい。

【0045】

ガス流量制御部４２は、初期冷却設定４６と初期冷却の開始からの経過時間とに基づいて目標冷却ガス流量を決定するように構成されている。ガス流量制御部４２は、決定された目標冷却ガス流量で冷却ガスが冷却ガス流路１４に流れるようにガス循環源１２を制御するように構成されている。ガス流量制御部４２は、ガス循環源１２によって目標冷却ガス流量が冷却ガス流路１４に送出されるようにガス循環源制御信号Ｓ１を生成し、ガス循環源制御信号Ｓ１をガス循環源１２に出力するように構成されている。

【0046】

タイマー４４は、任意の時刻から経過時間を計ることができるように構成されている。タイマー４４は、システム起動指令信号Ｓ２に応じて経過時間を計るように構成されている。タイマー４４は、初期冷却の開始からの経過時間を算出することができる。

【0047】

初期冷却設定４６は、規定の流量パターンに従って初期冷却の開始から完了まで各時刻の目標冷却ガス流量を予め定めている。初期冷却設定４６は、経過時間と目標冷却ガス流量の対応関係を表す関数、ルックアップテーブル、マップ、またはそのほかの形式を有してもよい。初期冷却設定４６は、（例えば極低温冷却システム１０の製造業者によって）予め作成され、制御装置４０に、またはこれに付随する記憶装置に保存されている。

【0048】

目標冷却ガス流量は例えば、極低温冷却システム１０が被冷却物１１を目標温度に冷却するのに十分な冷却能力を提供するように設定されている。目標冷却ガス流量は、設計者の経験的知見または設計者による実験やシミュレーション等に基づき適宜設定することが可能である。

【0049】

冷却ガス流量は質量流量で表すのが便利である。知られているように、質量流量は冷却ガス流路１４の各場所で一定であるから、ガス循環源１２から送出される冷却ガス流量は、被冷却物ガス流路１８を流れる冷却ガス流量に等しい。ただし、適用可能である場合には、流量パターンは、体積流量そのほかの流量と時間との関係として記述されてもよい。

【0050】

図２（ａ）および図２（ｂ）は、比較例に係る初期冷却に使用されうる冷却ガスの流量パターンを例示する図である。図３（ａ）から図３（ｄ）は、実施の形態に係る初期冷却に使用されうる冷却ガスの流量パターンを例示する図である。これらの流量パターンは、冷却ガスの目標の質量流量と初期冷却の開始からの経過時間との関係を表している。各図において初期冷却の開始時点と完了時点をそれぞれＴ０、Ｔｃと表記している。

【0051】

図２（ａ）に示される流量パターンは、極低温冷却システム１０における上限の冷却ガス流量に固定されている。ここで、上限の冷却ガス流量は例えば、極低温冷却システム１０の最大定格流量ｍ＿ｍａｘであってもよい。

【0052】

図２（ｂ）に示される流量パターンは、極低温冷却システム１０の定常冷却に用いられる冷却ガス流量に固定されている。この固定された流量は、極低温冷却システム１０の冷却能力を定常冷却での目標冷却温度（以下、定常運転冷却温度Ｔｆともいう）で最大化する冷却ガス流量であってもよく、最適流量ｍ＿ｏｐｔと呼ぶことができる。定常運転冷却温度Ｔｆは通例、初期冷却での目標冷却温度に一致する。最適流量ｍ＿ｏｐｔは、最大定格流量ｍ＿ｍａｘより小さい。

【0053】

後述するように、最適流量ｍ＿ｏｐｔは冷却温度に依存して異なる値となる。よって、冷却温度がＴａ（Ｋ）であるときの最適流量は温度Ｔａの関数としてｍ＿ｏｐｔ（Ｔａ）と表記しうる。定常運転冷却温度Ｔｆでの最適流量はｍ＿ｏｐｔ（Ｔｆ）と表される。

【0054】

比較例に係る流量パターンでは、冷却ガス流路１４に流れる冷却ガスの質量流量が時間とともに変化しない。これに対して、実施の形態に係る初期冷却においては、冷却ガス流路１４に流れる冷却ガスの質量流量が規定の流量パターンに従って時間とともに変化する。規定の流量パターンは、冷却ガスの質量流量が時間とともに減少するように設定されている。

【0055】

規定の流量パターンは、初期冷却の開始Ｔ０から移行タイミングＴまで第１平均流量ｍ１で冷却ガスが冷却ガス流路１４に流れ、移行タイミングＴから初期冷却の完了Ｔｃまで第２平均流量ｍ２で冷却ガスが冷却ガス流路１４に流れるように予め定められている。第２平均流量ｍ２は、移行タイミングＴから初期冷却の完了Ｔｃまで第１平均流量ｍ１が維持された場合に比べて極低温冷却システム１０の冷却能力が増加するように、第１平均流量ｍ１より小さくなっている。

【0056】

規定の流量パターンは、初期冷却の開始Ｔ０から移行タイミングＴまでの間少なくとも一時的に、極低温冷却システム１０における上限の冷却ガス流量で冷却ガスが冷却ガス流路１４に流れるように予め定められている。ここで、上限の冷却ガス流量は例えば、極低温冷却システム１０の最大定格流量ｍ＿ｍａｘにあたるが、これに限られない。

【0057】

規定の流量パターンは、移行タイミングＴから初期冷却の完了Ｔｃまでの間少なくとも一時的に、極低温冷却システム１０の冷却能力を目標冷却温度で最大化する冷却ガス流量（すなわち、最適流量ｍ＿ｏｐｔ（Ｔｆ））で冷却ガスが冷却ガス流路１４に流れるように予め定められている。

【0058】

説明の便宜上、以下では、初期冷却の開始Ｔ０から移行タイミングＴまでの期間を初期冷却の前半と称し、移行タイミングＴから初期冷却の完了Ｔｃまでの期間を初期冷却の後半と称することがある。

【0059】

移行タイミングＴは、第１基準時刻Ｔ１以降かつ第２基準時刻Ｔ２以前に予め定められている。移行タイミングＴは、第１基準時刻Ｔ１から第２基準時刻Ｔ２までの期間から選択される。第１基準時刻Ｔ１と第２基準時刻Ｔ２によって、初期冷却の前半から後半への移行期間が定められているとも言える。後述するが、第１基準時刻Ｔ１と第２基準時刻Ｔ２は移行タイミングＴの設定の目安を与えている。

【0060】

図３（ａ）に示される規定の流量パターンは、冷却ガスの質量流量が初期冷却の開始Ｔ０から完了Ｔｃまで一定の勾配で減少するように定められている。すなわち、規定の流量パターンは、初期冷却の開始Ｔ０から完了Ｔｃまで一定の質量流量減少速度を有する。規定の流量パターンは、初期冷却の開始Ｔ０では最大定格流量ｍ＿ｍａｘを有し、初期冷却の完了Ｔｃでは最適流量ｍ＿ｏｐｔを有する。ただし、流量パターンの流量初期値と終了値はこれらに限られない。例えば流量初期値は最大定格流量ｍ＿ｍａｘより小さくてもよい。

【0061】

よって、図３（ａ）に示される流量パターンは、初期冷却の前半では第１平均流量ｍ１を有し、初期冷却の後半では第２平均流量ｍ２を有する。第２平均流量ｍ２は第１平均流量ｍ１より小さい。第１平均流量ｍ１は最大定格流量ｍ＿ｍａｘより小さい。第２平均流量ｍ２は、初期冷却の目標冷却温度での最適流量ｍ＿ｏｐｔより大きい。

【0062】

図３（ｂ）に示される規定の流量パターンは、冷却ガスの質量流量が初期冷却の間少なくとも一時的に非一定の勾配で減少するように定められている。規定の流量パターンは、初期冷却の前半では一定値に固定され、初期冷却の後半では時間とともに減少する勾配で冷却ガスの質量流量が減少するように定められている。規定の流量パターンは、初期冷却の前半では最大定格流量ｍ＿ｍａｘを有し、初期冷却の完了Ｔｃでは初期冷却の目標冷却温度での最適流量ｍ＿ｏｐｔを有する。

【0063】

規定の流量パターンは、初期冷却の間少なくとも一時的に、各時刻での予想冷却温度で極低温冷却システム１０の冷却能力を最大化する冷却ガス流量で冷却ガスが冷却ガス流路１４に流れるように予め定められていてもよい。図３（ｂ）に示される規定の流量パターンは、初期冷却の後半で、各時刻での予想冷却温度に最適な冷却ガス流量となるように定められている。

【0064】

よって、図３（ｂ）に示される流量パターンも、初期冷却の前半では第１平均流量ｍ１を有し、初期冷却の後半では第２平均流量ｍ２を有し、第２平均流量ｍ２は第１平均流量ｍ１より小さい。第１平均流量ｍ１は最大定格流量ｍ＿ｍａｘに等しい。第２平均流量ｍ２は、目標冷却温度での最適流量ｍ＿ｏｐｔより大きい。

【0065】

図３（ｃ）に示される規定の流量パターンも、上述の流量パターンと同様に、冷却ガスの質量流量が時間とともに減少するように定められている。規定の流量パターンは、初期冷却の前半で一時的に第１の一定値に固定され、初期冷却の後半で一時的に第２の一定値に固定されている。第２の一定値は第１の一定値より小さい。より具体的には、規定の流量パターンは、初期冷却の開始Ｔ０から第１基準時刻Ｔ１まで第１の一定値としての最大定格流量ｍ＿ｍａｘをとり、第２基準時刻Ｔ２から初期冷却の完了Ｔｃまで第２の一定値としての最適流量ｍ＿ｏｐｔをとることができる。規定の流量パターンは、冷却ガスの質量流量が第１基準時刻Ｔ１から第２基準時刻Ｔ２まで一定（非一定でもよい）の勾配で減少するように定められている。

【0066】

よって、図３（ｃ）に示される流量パターンも、初期冷却の前半では第１平均流量ｍ１を有し、初期冷却の後半では第２平均流量ｍ２を有し、第２平均流量ｍ２は第１平均流量ｍ１より小さい。

【0067】

図３（ｄ）に示されるように、規定の流量パターンは、冷却ガスの質量流量が第１基準時刻Ｔ１から第２基準時刻Ｔ２まで中間の一定値に固定されていてもよい。中間の一定値ｍ３は、第１の一定値（例えば最大定格流量ｍ＿ｍａｘ）より小さく、第２の一定値（例えば最適流量ｍ＿ｏｐｔ）より大きい。同様に、図３（ｄ）に示される流量パターンも、初期冷却の前半では第１平均流量ｍ１を有し、初期冷却の後半では第２平均流量ｍ２を有し、第２平均流量ｍ２は第１平均流量ｍ１より小さい。

【0068】

例示した規定の流量パターンは、冷却ガス流量が時間とともに単調に減少しているが、これは必須ではない。規定の流量パターンは、一時的に冷却ガス流量が増加する局面を有してもよい。

【0069】

図４（ａ）および図４（ｂ）は、極低温冷却システム１０の冷却能力曲線を複数の冷却温度について示すグラフである。冷却ガス流路１４に流れる冷却ガスの質量流量に対する極低温冷却システム１０の冷却能力の変化が示されている。これらの冷却能力曲線は本発明者らによる計算結果である。図４（ａ）には、室温から初期冷却の目標冷却温度までの温度範囲全体から選択されたいくつかの代表温度について極低温冷却システム１０の冷却能力がプロットされている。図４（ｂ）は、１００Ｋ以下の温度範囲についての図４（ａ）の拡大図であり、いくつかの代表温度について極低温冷却システム１０の冷却能力がプロットされている。

【0070】

図から理解されるように、冷却能力曲線は、ある特定の質量流量で極大となる。冷却能力を最大化する最適な質量流量は冷却温度によって異なり、具体的には、冷却温度が低いほど最適質量流量も小さくなっている。なお、ある１つの冷却温度についての冷却能力曲線において、最適質量流量よりも小さい質量流量で冷却能力が低下するのは、そうした小流量では冷却ガスと被冷却物１１との熱交換により冷却ガスが被冷却物１１から運び去ることのできる熱量が小さくなるためである。また、最適質量流量よりも大きい質量流量で冷却能力が低下するのは、極低温冷凍機２２の冷凍能力による制約のためである。冷却ガス流量が増すほど冷却ガスと冷凍機ステージ２８との熱交換が不十分となり、被冷却物１１へと流れる冷却ガスの温度が高くなりうる。

【0071】

図４（ａ）には、極低温冷却システム１０における上限の冷却ガス流量（例えば、最大定格流量ｍ＿ｍａｘ）が例示されている。室温または比較的高い温度域（図４（ａ）では、２９０Ｋから１１０Ｋの範囲）では、冷却能力の極大値を与える質量流量よりも冷却システムの上限流量が小さくなっている。よって、この高温域では、上限の冷却ガス流量を冷却ガス流路１４に流すことによって、極低温冷却システム１０は最大の冷却能力を達成することができる。

【0072】

一方、初期冷却の目標冷却温度を含む比較的低い温度域（図４（ｂ）では、およそ１００Ｋ以下）では、冷却能力の極大値を与える最適な質量流量が極低温冷却システム１０の上限流量よりも小さくなっている。例えば、冷却温度が７０Ｋ、５０Ｋ、３０Ｋ、２０Ｋであるときの最適な質量流量（ｍ＿ｏｐｔ（７０Ｋ）、ｍ＿ｏｐｔ（５０Ｋ）、ｍ＿ｏｐｔ（３０Ｋ）、ｍ＿ｏｐｔ（２０Ｋ））は、最大定格流量ｍ＿ｍａｘよりも小さくなっている。

【0073】

よって、この低温域では、上限の冷却ガス流量から最適流量へと冷却ガス流量を低減することによって、極低温冷却システム１０は最大の冷却能力を達成することができる。図４（ｂ）には、複数の冷却能力曲線の極大値を結ぶ線を破線で示す。冷却による温度低下とともにこの破線に従って冷却ガスの質量流量を低減することによって、極低温冷却システム１０は冷却温度ごとに最大の冷却能力を達成することができる。

【0074】

極低温冷却システム１０においてある流量パターンに従って初期冷却を実行する場合の温度変化は予測可能である。例えば、適切な熱力学モデルを用いてシミュレーションをすることによって、初期冷却中の各時刻における被冷却物１１の温度を算出することができる。とくに、初期冷却の間は被冷却物１１が不使用状態またはアイドリング状態にあるので、被冷却物１１の発熱量は一定とみなすことができ、計算が比較的簡単に行える。このような熱力学的演算には種々の公知の手法を利用することができるので、ここでは詳述しない。

【0075】

計算結果として、予想冷却温度の時間変化を得ることができる。上述の冷却能力曲線を参照することにより、予想冷却温度から冷却ガスの最適流量を求めることができる。したがって、各時刻での予想冷却温度から、極低温冷却システム１０の冷却能力を各時刻で最大化する冷却ガス流量を与える流量パターンを決定することができる。このようにして、図３（ｂ）に例示される流量パターンを予め定めることができる。

【0076】

図４（ａ）から理解されるもう１つの大切なことは、初期冷却の目標冷却温度の近傍の極低温域（図４（ａ）および図４（ｂ）では、およそ４０Ｋ以下）では、極低温冷却システム１０の上限流量で冷却ガスを流しても冷却能力が生じない（すなわち加熱が生じる）ということである。したがって、図２（ａ）に示される比較例に係る流量パターンのように上限流量で冷却ガスを流し続けたとしても、目標冷却温度（上述のように、例えば３０Ｋ以下）に被冷却物１１を冷却することができない。そうすると、極低温冷却システム１０の初期冷却を完了することができないことになる。

【0077】

図５は、実施の形態に係る極低温冷却システム１０の初期冷却の制御方法を例示するフローチャートである。図５に示される制御ルーチンは、制御装置４０によって、極低温冷却システム１０の起動に際して実行される。

【0078】

まず、メインスイッチ４８が操作されたか否かが判定される（Ｓ１０）。制御装置４０のガス流量制御部４２は、システム起動指令信号Ｓ２がメインスイッチ４８からガス流量制御部４２に入力されたか否かを判定する。システム起動指令信号Ｓ２の入力が無い場合には（Ｓ１０のＮ）、初期冷却を行う必要がないので、処理は終了される。

【0079】

システム起動指令信号Ｓ２が入力された場合には（Ｓ１０のＹ）、極低温冷却システム１０の初期冷却が開始される。この場合、タイマー４４を使用して、初期冷却の開始からの経過時間が測定される（Ｓ１２）。次に、初期冷却設定４６に規定された流量パターンを使用して、経過時間から目標冷却ガス流量が決定される（Ｓ１４）。ガス流量制御部４２は、初期冷却設定４６の流量パターンに従って、経過時間に対応する目標冷却ガス流量を決定する。

【0080】

ガス流量制御部４２は、決定された目標冷却ガス流量を被冷却物ガス流路１８に流すようにガス循環源１２を制御する（Ｓ１６）。ガス流量制御部４２は、決定された目標冷却ガス流量から、この目標流量を実現するガス循環源制御信号Ｓ１を生成する。ガス循環源制御信号Ｓ１は、ガス循環源１２が冷却ガス流路１４に供給する冷却ガスの流量を決定するガス循環源１２の動作パラメータを表す。ガス循環源制御信号Ｓ１は例えば、ガス循環源１２を駆動するモータの回転数を表してもよい。あるいは、ガス循環源制御信号Ｓ１は、決定された目標冷却ガス流量を表すガス流量指示信号であってもよい。この場合、ガス循環源１２は、供給する冷却ガス流量をガス流量指示信号に従って制御するように構成されていてもよい。

【0081】

ガス流量制御部４２は、初期冷却の開始からの経過時間が初期冷却完了時間（Ｔｃ）に達したか否かを判定する（Ｓ１８）。初期冷却完了時間に達していない場合には（Ｓ１８のＮ）、ガス流量制御部４２は、初期冷却を継続する。すなわち、ガス流量制御部４２は、上述のＳ１２からＳ１８を再び実行する。初期冷却完了時間に達した場合には（Ｓ１８のＹ）、ガス流量制御部４２は、初期冷却を終了する。

【0082】

このようにして、極低温冷却システム１０の起動に際して初期冷却を自動的に実行することができる。ガス流量制御部４２は、システム起動指令信号Ｓ２に応じて極低温冷却システム１０の初期冷却を開始し、規定の流量パターンに従ってガス循環源制御信号Ｓ１を生成し、ガス循環源制御信号Ｓ１をガス循環源１２に出力する。ガス循環源１２は、ガス循環源制御信号Ｓ１に従って動作し、それにより被冷却物ガス流路１８に目標冷却ガス流量を流すことができる。初期冷却が完了すれば、被冷却物１１の定常冷却を開始することができる。

【0083】

なお、初期冷却設定４６は、使用可能な複数の目標冷却温度それぞれに対応する複数の流量パターンを備えてもよい。初期冷却の目標冷却温度は、例えば極低温冷却システム１０の使用者によって設定される。ガス流量制御部４２は、設定された目標冷却温度に対応する流量パターンを選択してもよい。ガス流量制御部４２は、選択された流量パターンに従って目標冷却ガス流量を決定してもよい。

【0084】

また、上述の制御処理では、メインスイッチ４８の操作とともに極低温冷却システム１０の初期冷却が自動的に開始されるが、これは必須ではない。メインスイッチ４８の操作から独立して、例えば極低温冷却システム１０の使用者による手動の設定により、初期冷却が開始されてもよい。あるいは、上位の制御装置による制御のもとで、初期冷却が自動的に開始されてもよい。

【0085】

図６（ａ）は、極低温冷却システム１０の初期冷却での温度変化を示し、図６（ｂ）は、初期冷却に使用される流量パターンを示す。図６（ａ）および図６（ｂ）には、実施例に係る初期冷却の温度変化を２つの比較例に係る温度変化とともに示す。これらの温度変化グラフは本発明者らによる計算結果である。なお、この結果は、演算負荷を低減しつつ現実に生じる温度変化を良好に模擬すべく、例えば被冷却物１１の材料の熱容量を温度によらず一定とするなどいくつかの仮定のもとで得たものである。

【0086】

実施例に使用される流量パターンは、図３（ｂ）に示されるものと同様に、初期冷却の前半では冷却ガス流量が最大定格流量ｍ＿ｍａｘに固定され、初期冷却の後半では予想冷却温度に基づく最適流量ｍ＿ｏｐｔに予め設定されている。比較例１に使用される流量パターンは、図２（ａ）に示されるものと同様に、冷却ガス流量が最大定格流量ｍ＿ｍａｘに常時固定されている。比較例２に使用される流量パターンは、図２（ｂ）に示されるものと同様に、冷却ガス流量が定常運転冷却温度Ｔｆでの最適流量ｍ＿ｏｐｔ（Ｔｆ）に常時固定されている。

【0087】

比較例１では、冷却ガスが大きな流量で流れるので、高温域での降温速度が比較的大きくなる。しかしながら、大流量の冷却ガスは、低温域では上述のように冷却能力を発生することができないので、比較例１では、定常運転冷却温度Ｔｆまで温度を下げることができない。初期冷却は完了しない。

【0088】

比較例２では、冷却ガスが小さな流量で流れるので、高温域での降温速度も小さくなる。比較例１とは異なり、定常運転冷却温度Ｔｆまで温度を下げることは可能であり、初期冷却を完了できる。しかし、高温域での降温速度が小さいので、初期冷却の完了までに比較的長い時間がかかってしまう。

【0089】

実施例によれば、初期冷却の前半では冷却ガスを大流量で流すので、高温域での降温速度を大きくすることができる。とくに、最大定格流量ｍ＿ｍａｘで冷却ガスを流すことにより、極低温冷却システム１０に利用可能な最大の冷却能力を発揮することができる。初期冷却の後半では冷却ガス流量は時間とともに最適流量で変化する。よって、初期冷却の後半でも大きな冷却能力を利用することができる。したがって、初期冷却の所要時間を短くすることができる。図示されるように、初期冷却の所要時間が、実施例では比較例２に対してΔＴだけ短縮されている。

【0090】

以上説明したように、実施の形態に係る極低温冷却システム１０によれば、初期冷却が規定の流量パターンに従って実行される。規定の流量パターンは、初期冷却の開始Ｔ０から移行タイミングＴまで第１平均流量ｍ１で冷却ガスが冷却ガス流路１４に流れ、移行タイミングＴから初期冷却の完了Ｔｃまで第２平均流量ｍ２で冷却ガスが冷却ガス流路１４に流れるように予め定められている。第２平均流量ｍ２は、移行タイミングＴから初期冷却の完了Ｔｃまで第１平均流量ｍ１が維持された場合に比べて極低温冷却システム１０の冷却能力が増加するように、第１平均流量ｍ１より小さくなっている。

【0091】

このようにすれば、初期冷却の前半と後半の両方で極低温冷却システム１０の冷凍能力を増加させ、被冷却物１１を効率的に冷却することができるので、初期冷却の所要時間を短くすることができる。

【0092】

また、例えば、測定温度を用いる冷却ガス流量のフィードバック制御のような他の手法では、温度測定センサとフィードバック制御系を要するので、構成がより複雑となる。これに対し、実施の形態によれば、フィードバックを用いずにオープンループで冷却ガス流量が制御されるので、比較的簡単な制御系を採用することができ、故障リスクの低減や低コスト化といった利点も得られる。

【0093】

また、制御装置４０は、ガス循環源１２の起動、またはガス循環源１２および極低温冷凍機２２の起動と同期して初期冷却を開始する。このようにすれば、ガス循環源１２など極低温冷却システム１０の構成要素の起動と初期冷却が自動的にまとめて行われるので、それらを個別に行う場合に比べて、作業者にとって極低温冷却システム１０の操作性がよくなる。

【0094】

規定の流量パターンは、初期冷却の前半において少なくとも一時的に、極低温冷却システム１０における上限の冷却ガス流量で冷却ガスが冷却ガス流路１４に流れるように予め定められている。上述のように、初期冷却の前半、すなわち極低温冷却システム１０の温度が比較的高い状態での冷却能力を高め、被冷却物１１を効率的に冷却することができる。

【0095】

規定の流量パターンは、初期冷却の後半において少なくとも一時的に、極低温冷却システム１０の冷却能力を目標冷却温度で最大化する冷却ガス流量で冷却ガスが冷却ガス流路１４に流れるように予め定められている。このようにすれば、上述のように、初期冷却の後半での冷却能力を高め、被冷却物１１を効率的に冷却することができる。

【0096】

仮に、移行タイミングＴが遅すぎる場合には、比較例１のように極低温域での冷却が妨げられ、初期冷却に長時間を要しうる。また、移行タイミングＴが早すぎる場合には、比較例２のように高温域での降温速度が大きくなり、初期冷却の所要時間が延長されうる。そのため、移行タイミングＴは適切に設定されることが望まれる。移行タイミングＴは、設計者の経験的知見または設計者による実験やシミュレーション等に基づき適宜設定することが可能である。移行タイミングＴの目安は、以下に述べるようにして与えることもできる。

【0097】

移行タイミングＴは、第１基準時刻以降Ｔ１かつ第２基準時刻Ｔ２以前に予め定められている。第１基準時刻Ｔ１は、被冷却物１１から初期冷却により取り除かれるべき熱量の、第１代表温度Ｔｒ１での極低温冷却システム１０の冷却能力に対する比として表されてもよい。第２基準時刻Ｔ２は、被冷却物１１から初期冷却により取り除かれるべき熱量の、第２代表温度Ｔｒ２での極低温冷却システム１０の冷却能力に対する比として表されてもよい。第１代表温度Ｔｒ１と第２代表温度Ｔｒ２は、室温から目標冷却温度までの温度域から選択され、第２代表温度Ｔｒ２は、第１代表温度Ｔｒ１より低くてもよい。

【0098】

すなわち、移行タイミングＴは、「第１基準時刻Ｔ１≦移行タイミングＴ≦第２基準時刻Ｔ２」となるように設定され、この不等式は、次のように記述することができる。

【数1】

ここで、Ｔ_ＲＴは室温、Ｔ_Ｌは目標温度、Ｍｉは冷却対象構成部品（例えば被冷却物１１）の質量、ｃ_ｐｉは冷却対象構成部品の（定圧）比熱である。ｉは構成部品の種類を表している。Ｑ_{ｃｒｙｏｃｏｏｌｅｒ}（Ｔｒ１）は第１代表温度Ｔｒ１での極低温冷凍機２２の冷凍能力、Ｑ_{ｃｒｙｏｃｏｏｌｅｒ}（Ｔｒ２）は第２代表温度Ｔｒ２での極低温冷凍機２２の冷凍能力を示している。第２代表温度Ｔｒ２が第１代表温度Ｔｒ１より低い場合は一般に、Ｑ_{ｃｒｙｏｃｏｏｌｅｒ}（Ｔｒ１）＞Ｑ_{ｃｒｙｏｃｏｏｌｅｒ}（Ｔｒ２）である。

【0099】

要するに、第１基準時刻Ｔ１は、被冷却物１１が第１代表温度Ｔｒ１に冷却されるまでの時間の目安を与えている。第２基準時刻Ｔ２は、被冷却物１１が第２代表温度Ｔｒ２に冷却されるまでの時間の目安を与えている。例えば、第１代表温度Ｔｒ１は、液体窒素温度またはその近傍の温度であってもよい。第２代表温度Ｔｒ２は、定常冷却において被冷却物１１を維持すべき温度範囲の上限温度またはその近傍の温度であってもよい。このようにすれば、移行タイミングＴを適切に設定することが容易となる。なお上記の不等式における極低温冷凍機２２の冷凍能力は、ある１つの代表温度での値である必要はなく、ある温度範囲での冷凍能力の平均値であってもよい。

【0100】

図７は、実施の形態に係る極低温冷却システム１０の他の一例を概略的に示す図である。図示される極低温冷却システム１０は、冷却ガスの流路構成に関して図１に示される極低温冷却システム１０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。

【0101】

極低温冷却システム１０は、ガス循環源１２と、冷却ガス流路１４とを備える。冷却ガス流路１４は、ガス供給ライン１６、被冷却物ガス流路１８、およびガス回収ライン２０を備える。極低温冷却システム１０は、極低温冷凍機２２と、熱交換器３０と、真空環境３４を画定する真空容器３２とを備える。極低温冷凍機２２は、冷凍機ステージ２８を有するコールドヘッド２６を備える。ガス循環源１２は、周囲環境３６に配置されている。

【0102】

上述のように、冷却ガスと極低温冷凍機２２の作動ガスはともにヘリウムガスであってもよい。このように冷却ガスと作動ガスが同じガスである場合には、極低温冷却システム１０には１つの共通の圧縮機が設けられてもよい。すなわち、ガス循環源１２は、冷却ガス流路１４に冷却ガスを流すだけでなく、極低温冷凍機２２に作動ガスを循環させる圧縮機としても機能する。

【0103】

この場合、冷却ガスの流量制御のために、ガス循環源１２は、被冷却物ガス流路１８に流れる冷却ガス流量を制御するように構成された流量制御バルブ５０を備えてもよい。流量制御バルブ５０は、供給する冷却ガス流量をガス循環源制御信号Ｓ１に従って制御するように構成されている。

【0104】

ガス循環源１２から極低温冷凍機２２に作動ガスを供給するために冷凍機供給ライン５２が設けられ、極低温冷凍機２２からガス循環源１２に作動ガスを回収するために冷凍機回収ライン５４が設けられている。冷凍機供給ライン５２は、周囲環境３６においてガス供給ライン１６から分岐してコールドヘッド２６に接続し、冷凍機回収ライン５４は、周囲環境３６においてガス回収ライン２０から分岐してコールドヘッド２６に接続している。

【0105】

流量制御バルブ５０は、周囲環境３６においてガス供給ライン１６に設置されている。あるいは、流量制御バルブ５０は、周囲環境３６においてガス回収ライン２０に設置されてもよい。このようにすれば、汎用の流量制御弁を流量制御バルブ５０として採用することができ、流量制御バルブ５０を真空環境３４に設置する場合に比べて製造コストの点で有利である。ただし、流量制御バルブ５０は真空環境３４に設置されてもよい。

【0106】

また、極低温冷却システム１０は、ガス流量制御部４２、タイマー４４および初期冷却設定４６を備える制御装置４０と、メインスイッチ４８とを備える。

【0107】

このようにしても、既述の実施の形態と同様に、極低温冷却システム１０の冷凍能力を増加させ、被冷却物１１を効率的に冷却することができるので、初期冷却の所要時間を短くすることができる。フィードバックを用いずにオープンループで冷却ガス流量が制御されるので、比較的簡単な制御系を採用することができ、故障リスクの低減や低コスト化といった利点も得られる。

【0108】

図１に示される極低温冷却システム１０のように、ガス循環源１２と極低温冷凍機２２の圧縮機２４が別々に設けられている場合にも、極低温冷却システム１０は、冷却ガス流路１４に流量制御バルブ５０を備えてもよい。流量制御バルブ５０は例えば、周囲環境３６においてガス供給ライン１６に配置されてもよい。

【0109】

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。

【0110】

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。

【符号の説明】

【0111】

１０ 極低温冷却システム、 １１ 被冷却物、 １２ ガス循環源、 １４ 冷却ガス流路、 ２２ 極低温冷凍機、 ２８ 冷凍機ステージ、 ４０ 制御装置、 ４２ ガス流量制御部、 ４６ 初期冷却設定、 ｍ１ 第１平均流量、 ｍ２ 第２平均流量、 Ｔ 移行タイミング、 Ｔ１ 第１基準時刻、 Ｔ２ 第２基準時刻。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】