特開 2023-160183 極低温冷却装置及び超電導装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023160183

(43)【公開日】2023-11-02

(54)【発明の名称】極低温冷却装置及び超電導装置

(51)【国際特許分類】

   F25B 9/08 20060101AFI20231026BHJP

   F25B 9/00 20060101ALI20231026BHJP

   H10N 60/81 20230101ALI20231026BHJP

【ＦＩ】

F25B9/08

F25B9/00 J

H01L39/04

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022070343

(22)【出願日】2022-04-21

(71)【出願人】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(71)【出願人】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001380

【氏名又は名称】弁理士法人東京国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】高木 紀和

(72)【発明者】

【氏名】栗山 透

(72)【発明者】

【氏名】高橋 政彦

(72)【発明者】

【氏名】上野 航生

【テーマコード（参考）】

4M114

【Ｆターム（参考）】

4M114AA40

4M114CC03

4M114DA34

(57)【要約】

【課題】冷却ガスの温度を低下させる膨張機構を、可動部が無く構造が簡単で、メンテナンスを不要にできること。
【解決手段】被冷却物１との間のガス配管１２により冷却ガスＸを循環させる圧縮機１１と、圧縮機に戻る低圧側の冷却ガスにより圧縮機からの高圧側の冷却ガスを冷却する熱交換器１３と、熱交換器からの高圧側の冷却ガスを膨張させて温度低下させる膨張機構とを有し、膨張機構からの冷却ガスにより被冷却物を冷却する極低温冷却装置１０であって、圧縮機に戻る低圧側の冷却ガスの圧力は冷却ガスの臨界圧力以上に設定され、膨張機構は、ノズル１７、ディフューザ１８、注入口、吸込口及び吐出口を備えたエジェクタ１４であり、注入口が熱交換器からの高圧側の冷却ガスを導くガス配管に接続され、吐出口が、被冷却物側へ吐出ガスとしての冷却ガスを導くガス配管に接続され、吸込口が、吐出口からの吐出ガスＣの一部を抽出する循環配管２２に接続される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

被冷却物との間に設けられたループ状のガス配管により冷却ガスを循環させるために圧縮する圧縮機と、
前記ガス配管に配設され、前記圧縮機に戻る低圧側の冷却ガスにより前記圧縮機から吐出した高圧側の冷却ガスを熱交換して冷却する熱交換器と、
前記ガス配管に接続され、前記熱交換器から流出した高圧側の冷却ガスを膨張させて温度低下させる膨張機構とを有し、
前記膨張機構からの温度低下した冷却ガスにより前記被冷却物を冷却する極低温冷却装置であって、
前記圧縮機に戻る低圧側の冷却ガスの圧力は冷却ガスの臨界圧力以上に設定され、
前記膨張機構は、高圧側の冷却ガスを駆動ガスとして注入口から注入し噴射させるノズルと、冷却ガスを吸い込む吸込口と、これらの吸い込まれた吸込ガスと駆動ガスとを混合し昇圧して吐出口から吐出させるディフューザと、を備えたエジェクタであり、
前記注入口が、前記熱交換器からの高圧側の冷却ガスを導く前記ガス配管に接続され、前記吐出口が、被冷却物側へ吐出ガスとしての冷却ガスを導く前記ガス配管に接続され、前記吸込口が、前記吐出口からの吐出ガスの一部を抽出する循環配管に接続されて構成されたことを特徴とする極低温冷却装置。

【請求項2】

前記熱交換器からの高圧側の冷却ガスをエジェクタに導くガス配管に配設されて、前記エジェクタに導入される前の冷却ガスを冷却する冷却源を、更に有することを特徴とする請求項１に記載の極低温冷却装置。

【請求項3】

前記冷却源は、冷却ガスと熱交換可能な液冷媒が貯溜された液冷媒タンクであることを特徴とする請求項２に記載の極低温冷却装置。

【請求項4】

前記冷却源は、別系統の冷却装置により冷却された冷媒を断熱配管により導き、この冷媒と冷却ガスとを熱交換可能な冷却源熱交換器であることを特徴とする請求項２に記載の極低温冷却装置。

【請求項5】

前記冷却源は、単段冷凍機の冷却ステージと冷却ガスとを熱交換可能な冷却源熱交換器、または多段冷凍機の複数の冷却ステージのそれぞれと冷却ガスとを熱交換可能な直列接続された複数の冷却源熱交換器であることを特徴とする請求項２に記載の極低温冷却装置。

【請求項6】

前記冷却源は、直列接続された複数の冷却源熱交換器間を流れる冷却ガスを、被冷却物を冷却した後の戻り冷却ガスにより熱交換する追加熱交換器を、更に有することを特徴とする請求項５に記載の極低温冷却装置。

【請求項7】

前記被冷却物が超電導コイルである請求項１または２に記載の極低温冷却装置を有して構成されたことを特徴とする超電導装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、冷却ガスを用いて被冷却物を冷却するガス循環冷却方式の極低温冷却装置、及びこの極低温冷却装置を備えた超電導装置に関する。

【背景技術】

【0002】

超電導コイルを極低温に冷却する極低温冷却装置として、極低温冷凍機を用いた伝導冷却方式がある。この伝導冷却方式は、液体ヘリウムで冷却する方式に比べて、専門知識が必要な液体ヘリウムを取扱う必要が無いことや、近年のヘリウム資源の枯渇問題での液体ヘリウムの入手困難性等の影響を受けないメリットがある。しかし、極低温冷凍機が磁場中では使用できず超電導コイルから距離を離す必要がある場合や、一つの極低温冷凍機で複数の被冷却物を冷却する場合には、極低温冷凍機と超電導コイルとの伝熱距離が長くなる。このため、伝導冷却方式では、極低温冷凍機と超電導コイルとの間の温度差が大きくなってしまう問題がある。

【0003】

そこで、極低温冷凍機で冷却した冷却ガスを循環させて冷却するガス循環冷却方式の極低温冷却装置が有利となる。このガス循環冷却方式では、極低温冷凍機と超電導コイルとの距離を離しても両者の温度差が大きくならない利点がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平８－７５２８４号公報

【特許文献2】特開平１０－３１１６１８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ガス循環冷却方式の極低温冷却装置において冷却ガスの温度を下げる手段（膨張機構）としては、膨張タービンにより冷却ガスから仕事を取り出して、理想的には等エントロピ膨張させる方法がある。図７に示す従来の極低温冷却装置１００では、冷却ガスＭを圧縮機１０１により圧縮して高圧側の冷却ガスＭとし、この高圧側の冷却ガスＭを熱交換器１０２により熱交換して冷却した後、膨張タービン１０３により膨張させて温度低下させ、この温度低下した冷却ガスＭにより被冷却物１０４を冷却させる冷凍サイクルを形成している。なお、図７中の符号１０５は真空容器を示す。しかしながら、膨張タービン１０３には可動部があるため高価でメンテナンスが必要になる。

【0006】

一方、構造が簡単な膨張弁を用いて冷却ガスを絞り膨張させる極低温冷却装置があるが、この場合には等エンタルピ膨張であるため、温度低下に利用できる温度域が冷媒（冷却ガス）の逆転温度以下に制約される。このような背景から、冷却ガスの温度を低下させると共に、可動部が無く安価で信頼性の高い膨張機構が求められている。

【0007】

ところで、特許文献１には、エジェクタがガス循環冷却方式に使用されている例が開示されている。このエジェクタは、被冷却体からの戻りガスを、冷却段階からの高圧の噴射ガスにより吸入して昇圧するポンプとして機能するものである。このエジェクタからの吐出ガスは気液二相流となり、エジェクタの出口に気液分離器が設けられている。

【0008】

別の先行例として特許文献２では、エジェクタは真空容器内の低温領域のガスを循環させるポンプとして機能し、真空容器外の室温領域から流入するガス流量を減らすことで、低温領域への熱侵入量を減少するために用いられている。

【0009】

本発明の実施形態は、上述の事情を考慮してなされたものであり、冷却ガスの温度を低下させる膨張機構を、可動部が無く構造が簡単で、且つメンテナンスを不要にできる極低温冷却装置及び超電導装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明の実施形態における極低温冷却装置は、被冷却物との間に設けられたループ状のガス配管により冷却ガスを循環させるために圧縮する圧縮機と、前記ガス配管に配設され、前記圧縮機に戻る低圧側の冷却ガスにより前記圧縮機から吐出した高圧側の冷却ガスを熱交換して冷却する熱交換器と、前記ガス配管に接続され、前記熱交換器から流出した高圧側の冷却ガスを膨張させて温度低下させる膨張機構とを有し、前記膨張機構からの温度低下した冷却ガスにより前記被冷却物を冷却する極低温冷却装置であって、前記圧縮機に戻る低圧側の冷却ガスの圧力は冷却ガスの臨界圧力以上に設定され、前記膨張機構は、高圧側の冷却ガスを駆動ガスとして注入口から注入し噴射させるノズルと、冷却ガスを吸い込む吸込口と、これらの吸い込まれた吸込ガスと駆動ガスとを混合し昇圧して吐出口から吐出させるディフューザと、を備えたエジェクタであり、前記注入口が、前記熱交換器からの高圧側の冷却ガスを導く前記ガス配管に接続され、前記吐出口が、被冷却物側へ吐出ガスとしての冷却ガスを導く前記ガス配管に接続され、前記吸込口が、前記吐出口からの吐出ガスの一部を抽出する循環配管に接続されて構成されたことを特徴とするものである。

【0011】

本発明の実施形態における超電導装置は、前記被冷却物が超電導コイルである前記実施形態に記載の極低温冷却装置を有して構成されたことを特徴とするものである。

【発明の効果】

【0012】

本発明の実施形態によれば、冷却ガスの温度を低下させる膨張機構を、可動部が無く構造が簡単で、且つメンテナンスを不要にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】第１実施形態に係る極低温冷却装置の構成を示す管路図。

【図2】図１のエジェクタを示す構成図。

【図3】第２実施形態に係る極低温冷却装置の構成を示す管路図。

【図4】第３実施形態に係る極低温冷却装置の構成を示す管路図。

【図5】第４実施形態に係る極低温冷却装置の構成を示す管路図。

【図6】第５実施形態に係る極低温冷却装置の構成を示す管路図。

【図7】従来の極低温冷却装置を示す管路図。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明を実施するための形態を、図面に基づき説明する。
［Ａ］第１実施形態（図１、図２）
図１は、第１実施形態に係る極低温冷却装置の構成を示す管路図である。この図１に示す極低温冷却装置１０は、超電導装置を構成する超電導コイルを被冷却物１とし、この被冷却物１をガス循環冷却方式により極低温（例えば４Ｋ～３０Ｋ程度）に冷却するものであり、圧縮機１１、ガス配管１２、熱交換器１３、膨張機構としてのエジェクタ１４、伝熱部１５及び真空容器１６を有して構成される。

【0015】

ガス配管１２はループ形状に形成され、このガス配管１２に圧縮機１１、熱交換器１３、エジェクタ１４、伝熱部１５及び熱交換器１３が順次配設される。このうちの圧縮機１１が断熱容器である真空容器１６外に配置され、熱交換器１３、エジェクタ１４及び伝熱部１５が、被冷却物１と共に真空容器１６内に配置される。

【0016】

圧縮機１１は、ヘリウムガス等の冷却ガスＸを圧縮して吐出し、この冷却ガスＸをガス配管１２により被冷却物１側の伝熱部１５との間で循環させるものである。圧縮機１１から吐出された冷却ガスＸは、熱交換器１３により冷却され、エジェクタ１４により更に冷却（温度低下）された後に伝熱部１５に導かれ、この伝熱部１５で被冷却物１を極低温に冷却した後、熱交換器１３を経て圧縮機１１に戻されて循環する。上述の伝熱部１５による被冷却物１の冷却は、例えば伝熱部１５が被冷却物１に接触して、熱伝導により被冷却物１を冷却ガスＸにより冷却する。

【0017】

熱交換器１３は、被冷却物１を冷却した後に圧縮機１１に戻る低圧側の冷却ガスＸにより、圧縮機１１から吐出された高圧側の冷却ガスＸを熱交換して冷却する。つまり、この熱交換器１３は、圧縮機１１に戻る低圧側の冷却ガスＸにより、真空容器１６の外側の室温領域から真空容器１６の内側の低温領域に配置されたガス配管１２内を流れる高圧側の冷却ガスＸを、上記低温領域でエジェクタ１４に流入する前に熱交換して冷却する。

【0018】

ここで、圧縮機１１に戻る低圧側の冷却ガスＸの圧力、及びエジェクタ１４からの吐出ガスＣ（後述）の圧力は、冷却ガスＸの臨界圧力以上に設定されている。これにより、極低温冷却装置１０の圧縮機１１、ガス配管１２、熱交換器１３、エジェクタ１４及び伝熱部１５内をそれぞれ流れる冷却ガスＸは、気体の単相流になっている。

【0019】

エジェクタ１４は、膨張機構の一例であり、熱交換器１３から流出した高圧側の冷却ガスＸを膨張させて温度低下させ、この冷却ガスＸにより、伝熱部１５を介して被冷却物１を冷却する。このエジェクタ１４は、具体的には、図２に示すように、熱交換器１３からの高圧側の冷却ガスＸを駆動ガスＡとして注入口１９から注入し減圧して加速させ噴射させるノズル１７と、この駆動ガスＡの運動エネルギを利用して冷却ガスＸを内部に吸込ガスＢとして吸い込む吸込口２０と、この吸込ガスＢと駆動ガスＡとを混合し昇圧して減速させ吐出ガスＣとして吐出口２１から吐出するディフューザ１８と、を有して構成される。

【0020】

上述のエジェクタ１４は、吸込口２０から吸込ガスＢを吸い込んで駆動ガスＡと混合し、この混合ガスをディフューザ１８で昇圧し吐出ガスＣとして吐出させることから、ポンプ機能を有する。更にエジェクタ１４は、駆動ガスＡがノズル１７で減圧され加速される際の運動エネルギが、吸込口２０から吸込ガスＢを吸い込む仕事に使われるので、ディフューザ１８から吐出される吐出ガスＣのエンタルピ及びエントロピ（温度）が、駆動ガスＡを吸引ガスＢの圧力まで絞り膨張させた場合と比べて低下する。

【0021】

本第１実施形態のエジェクタ１４では、上述の吐出ガスＣのエンタルピ及びエントロピ（温度）の低下を累積的且つ効率的に実現するために、注入口１９は、熱交換器１３からの高圧側の冷却ガスＸを導くガス配管１２に接続され、また吐出口２１は、被冷却物１側の伝熱部１５へ吐出ガスＣとしての冷却ガスＸを導くガス配管１２に接続され、更に吸込口２０は、吐出口２１からの吐出ガスＣの一部を抽出する循環配管２２に接続される。

【0022】

従って、図１に示す極低温冷却装置１０では、圧縮機１１で圧縮された高圧側の冷却ガスＸは熱交換器１３にて、被冷却物１を冷却した後の低圧側の冷却ガスＸと熱交換して冷却され、エジェクタ１４の注入口１９に流入する。エジェクタ１４の注入口１９に流入（注入）された冷却ガスＸは、駆動ガスＡとなってノズル１７にて加速され、このときの運動エネルギにより、吐出ガスＣの一部が循環配管２２を経て吸込口２０から吸い込まれ、この吸込みが連続して成されることで、エジェクタ１４の吐出口２１から吐出される吐出ガスＣの温度が低下する。このエジェクタ１４からの吐出ガスＣ（冷却ガスＸ）は伝熱部１５に導かれて被冷却物１を冷却し、この冷却後の冷却ガスＸが熱交換器１３を経て圧縮機１１に、低圧側の冷却ガスＸとして戻される。

【0023】

以上のように構成されたことから、本第１実施形態によれば、次の効果（１）～（３）を奏する。
（１）図２に示すように、エジェクタ１４では、冷却ガスＸが駆動ガスＡとしてノズル１７により減圧され加速されて得られる運動エネルギが、吸込口２０から冷却ガスＸ（吐出ガスＣ）を吸い込む仕事に使われるので、ディフューザ１８で昇圧され減速される吐出ガスＣは、エンタルピ及びエントロピ（温度）が駆動ガスＡよりも低下する。この吐出ガスＣの一部を抽出し循環配管２２を経て吸込口２０からエジェクタ１４内部に吸い込ませることで、吐出ガスＣ（冷却ガスＸ）の温度を累積的且つ効率的に低下させることができ、この冷却ガスＸにより被冷却物１を好適に冷却することができる。

【0024】

（２）図１及び図２に示すように、圧縮機１１に戻る低圧側の冷却ガスＸの圧力が冷却ガスＸの臨界圧力以上に設定されているので、この冷却ガスＸは気体の単相流である。従って、エジェクタ１４内の冷却ガスＸ（駆動ガスＡ、吸込ガスＢ、吐出ガスＣ）も当然に気体の単相流であるため、冷却ガスＸが気液二相流である場合に比べて、冷却ガスＸとしての駆動ガスＡがノズル１７で加速されるときの損失が小さく、更に、冷却ガスＸとしての吸込ガスＢと駆動ガスＡとの混合時の損失も小さい。この結果、吐出口２１からの吐出ガスＣの温度を効果的に低下させることができる。

【0025】

（３）膨張機構としてのエジェクタ１４は、高圧の冷却ガスＸをノズル１７により加速したときの運動エネルギを利用して冷却ガスＸを吸込ガスＢとして吸い込み、ディフューザ１８により昇圧して吐出するので、可動部が無く構造が簡単である。このため、エジェクタ１４のメンテナンスを不要にすることができる。

【0026】

［Ｂ］第２実施形態（図３）
図３は、第２実施形態に係る極低温冷却装置の構成を示す管路図である。この第２実施形態において第１実施形態と同様な部分については、第１実施形態と同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

【0027】

本第２実施形態の極低温冷却装置２５が第１実施形態と異なる点は、熱交換器１３からの高圧側の冷却ガスＸをエジェクタ１４に導くガス配管１２に、冷却源としての液冷媒タンク２６が配設され、この液冷媒タンク２６には、エジェクタ１４に導入される前の冷却ガスＸを熱交換器２７により熱交換可能な液冷媒２８が貯溜され、このエジェクタ１４に導入される前の冷却ガスＸが液冷媒２８の潜熱を利用して冷却される点である。

【0028】

液冷媒タンク２６は真空容器１６内に配置される。この液冷媒タンク２６に貯溜される液冷媒２８は、例えば液体水素や液体メタンなどである。従って、この液冷媒２８は、極低温冷却装置２５とは別の設備である動力発生装置における動力源として利用することが可能になる。

【0029】

以上のように構成されたことから、本第２実施形態においても、第１実施形態の効果（１）～（３）と同様な効果を奏するほか、次の効果（４）及び（５）を奏する。

【0030】

（４）エジェクタ１４に導入される前の冷却ガスＸが、液冷媒タンク２６内の液冷媒２８により熱交換器２７を用いて冷却されることから、エジェクタ１４から吐出される吐出ガスＣ（冷却ガスＸ）を、液冷媒タンク２６内の液冷媒２８の温度以下に低下させることができる。このため、エジェクタ１４及び液冷媒タンク２６を有する極低温冷却装置２５の被冷却物１に対する冷却能力を、第１実施形態の極低温冷却装置１０よりも向上させることができる。

【0031】

（５）極低温冷却装置２５における液冷媒２８が、極低温冷却装置２５とは別の設備の動力発生装置の動力源として利用される場合には、上述の極低温冷却装置２５と動力発生装置とを組み合わせたシステム全体の重量を、液冷媒タンク２６が兼用されることで減少させることができる。

【0032】

［Ｃ］第３実施形態（図４）
図４は、第３実施形態に係る極低温冷却装置の構成を示す管路図である。この第３実施形態において第１実施形態と同様な部分については、第１実施形態と同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

【0033】

本第３実施形態の極低温冷却装置３０が第１実施形態と異なる点は、熱交換器１３からの高圧側の冷却ガスＸをエジェクタ１４に導くガス配管１２に、冷却源としての冷却源熱交換器３１が配設され、この冷却源熱交換器３１は、別系統の冷却装置３２の冷却手段３３にて冷却された冷媒Ｙを断熱配管３４により導き、この冷媒Ｙにより、エジェクタ１４に導入される前の冷却ガスＸを熱交換して冷却するよう構成された点である。

【0034】

つまり、冷却装置３２は、極低温冷却装置３０とは別系統であり、真空容器３５外に圧縮機３６が配置され、真空容器３５内に熱交換器３７及び冷却手段３３が配置される。冷却源熱交換器３１は、極低温冷却装置３０の真空容器１６内に配置される。これらの圧縮機３６、熱交換器３７、冷却手段３３及び冷却源熱交換器３１が、ループ形状の冷媒配管３８に順次配設される。

【0035】

ここで、冷媒配管３８のうち、冷却装置３２の真空容器３５外と極低温冷却装置３０の真空容器１６外に延びる配管部分が、断熱施工されて断熱配管３４として構成される。また、上記冷却手段３３は冷凍機、または液体水素もしくは液体メタン等の液冷媒である。

【0036】

冷却装置３２では、圧縮機３６にて圧縮された気体の冷媒Ｙは、冷却ガスＸを後述の如く冷却源熱交換器３１にて冷却した後の冷媒Ｙにより、熱交換器３７を用いて冷却されて冷却手段３３に導かれ、この冷却手段３３により更に冷却される。冷却手段３３にて冷却された冷媒Ｙは、冷却源熱交換器３１に導入され、この冷却源熱交換器３１にて、極低温冷却装置３０におけるエジェクタ１４に導入される前の冷却ガスＸを冷却した後、熱交換器３７を経て圧縮機３６に戻される。

【0037】

以上のように構成されたことから、本第３実施形態によれば、第１実施形態の効果（１）～（３）と同様な効果を奏するほか、次の効果（６）及び（７）を奏する。

【0038】

（６）エジェクタ１４にて冷却される前の冷却ガスＸが、別系統の冷却装置３２の冷却手段３３にて冷却された冷媒Ｙにより、冷却源熱交換器３１を用いて冷却されることから、エジェクタ１４から吐出される吐出ガスＣ（冷却ガスＸ）を、第１実施形態の場合よりも冷却することができる。このため、エジェクタ１４及び冷却源熱交換器３１を有する極低温冷却装置３０の被冷却物１に対する冷却能力を、第１実施形態の極低温冷却装置１０よりも向上させることができる。

【0039】

（７）冷却装置３２の冷媒配管３８のうち、真空容器３５外と極低温冷却装置３０の真空容器１６外に延びる配管部分が、断熱施工されて断熱配管３４として構成されたので、極低温冷却装置３０の被冷却物１と冷却装置３２の冷却手段３３とを離反して設置することができる。この結果、真空容器１６内に被冷却物１及び冷却源熱交換器３１を有する極低温冷却装置３０を小型に構成することができる。

【0040】

［Ｄ］第４実施形態（図５）
図５は、第４実施形態に係る極低温冷却装置の構成を示す管路図である。この第４実施形態において第１実施形態と同様な部分については、第１実施形態と同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

【0041】

本第４実施形態の極低温冷却装置４０が第１実施形態と異なる点は、熱交換器１３からの高圧側の冷却ガスＸをエジェクタ１４に導くガス配管１２に、冷却源としての冷却源熱交換器４１が配設され、この冷却源熱交換器４１が、単段の極低温冷凍機４２の冷却ステージ４３により、エジェクタ１４に導入される前の冷却ガスＸを熱交換して冷却するよう構成された点である。ここで、極低温冷凍機４２は、真空容器１６に設置されて、冷却ステージ４３が真空容器１６内に配置される。

【0042】

以上のように構成されたことから、本第４実施形態の極低温冷却装置４０においても、第１実施形態の効果（１）～（３）と同様な効果を奏するほか、次の効果（８）を奏する。

【0043】

（８）エジェクタ１４にて冷却される前の冷却ガスＸが、極低温冷凍機４２の冷却ステージ４３により冷却源熱交換器４１を用いて熱交換されて冷却されることから、エジェクタ１４から吐出された吐出ガスＣ（冷却ガスＸ）を、第１実施形態の場合よりも冷却することができる。このため、エジェクタ１４及び冷却源熱交換器４１を有する極低温冷却装置４０の被冷却物１に対する冷却能力を、第１実施形態の極低温冷却装置１０よりも向上させることができる。

【0044】

［Ｅ］第５実施形態（図６）
図６は、第５実施形態に係る極低温冷却装置の構成を示す管路図である。この第５実施形態において第１実施形態と同様な部分については、第１実施形態と同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

【0045】

本第５実施形態の極低温冷却装置５０が第１実施形態と異なる点は、熱交換器１３からの高圧側の冷却ガスＸをエジェクタ１４に導くガス配管１２に、冷却源としての冷却源第１熱交換器５１、冷却源第３熱交換器５３及び冷却源第２熱交換器５２が直列接続されて配設され、これらの冷却源第１熱交換器５１、冷却源第３熱交換器５３及び冷却源第２熱交換器５２が、エジェクタ１４に導入される前の冷却ガスＸを熱交換して冷却するよう構成された点である。

【0046】

つまり、多段、例えば２段の極低温冷凍機５４の１段冷却ステージ５５により冷却源第１熱交換器５１が、２段冷却ステージ５６により冷却源第２熱交換器５２が、それぞれエジェクタ１４に導入される前の冷却ガスＸを熱交換して冷却する。また、冷却源第３熱交換器５３は、冷却源第１熱交換器５１から流出して冷却源第２熱交換器５２に流入する前の冷却ガスＸを、伝熱部１５により被冷却物１を冷却した後の戻りの冷却ガスＸにより熱交換して冷却する。

【0047】

ここで、極低温冷凍機５４は真空容器１６に設置されて、１段冷却ステージ５５及び２段冷却ステージ５６が真空容器１６内に配置される。１段冷却ステージ５５と熱交換する冷却源第１熱交換器５１、及び２段冷却ステージ５６と熱交換する冷却源第２熱交換器５２も真空容器１６内に配置される。更に、冷却源第３熱交換器５３も真空容器１６内に配置されている。

【0048】

以上のように構成されことから、本第５実施形態においても、第１実施形態の効果（１）～（３）と同様な効果を奏するほか、次の効果（９）を奏する。

【0049】

（９）エジェクタ１４にて冷却される前の冷却ガスＸが、極低温冷凍機５４の１段冷却ステージ５５により冷却源第１熱交換器５１を用いて、２段冷却ステージ５６により冷却源第２熱交換器５２を用いてそれぞれ熱交換されて冷却され、更に、冷却源第１熱交換器５１と冷却源第２熱交換器５２間を流れる冷却ガスＸが、被冷却物１を冷却した後の戻りの冷却ガスＸにより冷却源第３熱交換器５３を用いて熱交換されて冷却される。これにより、エジェクタ１４から吐出される吐出ガスＣ（冷却ガスＸ）を、第１及び第４実施形態の場合よりも冷却することができ、この結果、極低温冷却装置５０の被冷却物１に対する冷却能力を、第１及び第４実施形態の極低温冷却装置１０及び４０よりも向上させることができる。

【0050】

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができ、また、それらの置き換えや変更、組み合わせは、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0051】

１…被冷却物、１０…極低温冷却装置、１１…圧縮機、１２…ガス配管、１３…熱交換器、１４…エジェクタ（膨張機構）、１６…真空容器、１７…ノズル、１８…ディフューザ、１９…注入口、２０…吸込口、２１…吐出口、２２…循環配管、２５…極低温冷却装置、２６…液冷媒タンク（冷却源）、２７…熱交換器、２８…液冷媒、３０…極低温冷却装置、３１…冷却源熱交換器（冷却源）、３２…冷却装置、３３…冷却手段、３４…断熱配管、４０…極低温冷却装置、４１…冷却源熱交換器（冷却源）、４２…極低温冷凍機、４３…冷却ステージ、５０…極低温冷却装置、５１…冷却源第１熱交換器（冷却源）、５２…冷却源第２熱交換器（冷却源）、５３…冷却源第３熱交換器（冷却源）、５４…極低温冷凍機、５５…１段冷却ステージ、５６…２段冷却ステージ、Ａ…駆動ガス、Ｂ…吸込ガス、Ｃ…吐出ガス、Ｘ…冷却ガス、Ｙ…冷媒

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】