特開 2024-10936 極低温システムおよび極低温システムの制御方法

(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】P2024010936

(43)【公開日】2024-01-25

(54)【発明の名称】極低温システムおよび極低温システムの制御方法

(51)【国際特許分類】

   F25B 9/14 20060101AFI20240118BHJP

【ＦＩ】

F25B9/14 530Z

F25B9/14 510B

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022112546

(22)【出願日】2022-07-13

(71)【出願人】

【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

(57)【要約】

【課題】極低温システムを効率的に冷却する。
【解決手段】極低温システム１００は、極低温冷凍機１０およびコントローラ６０を備える。極低温冷凍機１０は、第１シリンダ１６ａと、軸方向中間部に熱源と熱的に接続される吸熱部４６を備える第２シリンダ１６ｂと、第２シリンダ１６ｂの一方の軸方向端部で温度を測定する第１温度センサ５１と、第２シリンダ１６ｂの他方の軸方向端部で温度を測定する第２温度センサ５２と、吸熱部４６で温度を測定する第３温度センサ５３とを備える。コントローラ６０は、第１温度センサ５１から第１測定温度を、第２温度センサ５２から第２測定温度を、および第３温度センサ５３から第３測定温度を取得し、第１測定温度、第２測定温度、および吸熱部４６の軸方向位置に基づいて、吸熱部４６の上限温度を設定し、第３測定温度が吸熱部４６の上限温度以下となるように熱源を制御するように構成される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１シリンダと、
軸方向に前記第１シリンダと直列に設けられる第２シリンダであって、その軸方向中間部に熱源と熱的に接続される吸熱部を備える第２シリンダと、
前記第１シリンダに近い前記第２シリンダの一方の軸方向端部で第１測定温度を測定する第１温度センサと、
前記第１シリンダから遠い前記第２シリンダの他方の軸方向端部で第２測定温度を測定する第２温度センサと、
前記吸熱部で第３測定温度を測定する第３温度センサと、を備える極低温冷凍機と、
前記第１温度センサから前記第１測定温度を、前記第２温度センサから前記第２測定温度を、および前記第３温度センサから前記第３測定温度を取得し、
前記第１測定温度、前記第２測定温度、および前記吸熱部の軸方向位置に基づいて、前記吸熱部の上限温度を設定し、
前記第３測定温度が前記吸熱部の上限温度以下となるように前記熱源を制御するように構成されるコントローラと、を備えることを特徴とする極低温システム。

【請求項2】

前記コントローラは、
前記第２シリンダの前記一方の軸方向端部で前記第１測定温度を有しかつ前記第２シリンダの前記他方の軸方向端部で前記第２測定温度を有するとともに、前記第２シリンダにおける軸方向位置に依存して直線的に変化する前記第２シリンダの基準温度分布を決定し、
前記基準温度分布および前記吸熱部の軸方向位置に基づいて、前記吸熱部の上限温度を設定するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の極低温システム。

【請求項3】

前記第２シリンダの前記一方の軸方向端部は、前記熱源の第１部分と熱的に接続され、
前記第２シリンダの前記他方の軸方向端部は、前記熱源の第２部分と熱的に接続され、
前記吸熱部は、前記第１部分と前記第２部分を接続する前記熱源の第３部分と熱的に接続されることを特徴とする請求項１または２に記載の極低温システム。

【請求項4】

前記熱源は、前記第１部分、前記第３部分、および前記第２部分をこの記載の順に経由する冷媒ガスラインを備え、
前記コントローラは、前記第３測定温度が前記上限温度以下となるように前記冷媒ガスラインの冷媒ガス流量を制御するように構成されることを特徴とする請求項３に記載の極低温システム。

【請求項5】

前記熱源は、前記第１部分、前記第３部分、および前記第２部分をこの記載の順に経由する電流リードを備え、
前記コントローラは、前記第３測定温度が前記上限温度以下となるように前記電流リードの電流を制御するように構成されることを特徴とする請求項３に記載の極低温システム。

【請求項6】

極低温システムの制御方法であって、前記極低温システムは、軸方向に直列に設けられた第１シリンダおよび第２シリンダを備える極低温冷凍機を備え、前記第２シリンダは、その軸方向中間部に熱源と熱的に接続される吸熱部を備えており、前記方法は、
前記第１シリンダに近い前記第２シリンダの一方の軸方向端部で第１測定温度を測定することと、
前記第１シリンダから遠い前記第２シリンダの他方の軸方向端部で第２測定温度を測定することと、
前記吸熱部で第３測定温度を測定することと、
前記第１測定温度、前記第２測定温度、および前記吸熱部の軸方向位置に基づいて、前記吸熱部の上限温度を設定することと、
前記第３測定温度が前記吸熱部の上限温度以下となるように前記熱源を制御することと、を備えることを特徴とする方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、極低温システムおよび極低温システムの制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、ギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機に代表される極低温冷凍機が知られている。極低温冷凍機は、さまざまな極低温システムの冷却に利用されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００１－１１６３７９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、極低温システムを効率的に冷却することにある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明のある態様によると、極低温システムは、極低温冷凍機およびコントローラを備える。極低温冷凍機は、第１シリンダと、軸方向に第１シリンダと直列に設けられる第２シリンダであって、その軸方向中間部に熱源と熱的に接続される吸熱部を備える第２シリンダと、第１シリンダに近い第２シリンダの一方の軸方向端部で第１測定温度を測定する第１温度センサと、第１シリンダから遠い第２シリンダの他方の軸方向端部で第２測定温度を測定する第２温度センサと、吸熱部で第３測定温度を測定する第３温度センサと、を備える。コントローラは、第１温度センサから第１測定温度を、第２温度センサから第２測定温度を、および第３温度センサから第３測定温度を取得し、第１測定温度、第２測定温度、および吸熱部の軸方向位置に基づいて、吸熱部の上限温度を設定し、第３測定温度が吸熱部の上限温度以下となるように熱源を制御するように構成される。

【0006】

本発明のある態様によると、極低温システムの制御方法が提供される。極低温システムは、軸方向に直列に設けられた第１シリンダおよび第２シリンダを備える極低温冷凍機を備え、第２シリンダは、その軸方向中間部に熱源と熱的に接続される吸熱部を備える。方法は、第１シリンダに近い第２シリンダの一方の軸方向端部で第１測定温度を測定することと、第１シリンダから遠い第２シリンダの他方の軸方向端部で第２測定温度を測定することと、吸熱部で第３測定温度を測定することと、第１測定温度、第２測定温度、および吸熱部の軸方向位置に基づいて、吸熱部の上限温度を設定することと、第３測定温度が吸熱部の上限温度以下となるように熱源を制御することと、を備える。

【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、極低温システムを効率的に冷却することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施の形態に係る極低温システムを概略的に示す図である。

【図2】図１に示される極低温システムに適用しうる極低温冷凍機を概略的に示す図である。

【図3】図３（ａ）および図３（ｂ）は、実施の形態に係り、本発明者による実験結果を示すグラフである。

【図4】図４（ａ）および図４（ｂ）は、実施の形態に係り、本発明者による実験結果を示すグラフである。

【図5】実施の形態に係る極低温システムの制御方法を示すフローチャートである。

【図6】図５に示される冷媒ガスラインの制御処理（Ｓ３０）の一例を示すフローチャートである。

【図7】他の実施の形態に係る極低温システム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システム１００を概略的に示す図である。図２は、図１に示される極低温システム１００に適用しうる極低温冷凍機１０を概略的に示す図である。極低温冷凍機１０の外観が図１に示され、極低温冷凍機１０の内部構造が図２に示されている。極低温冷凍機１０は、一例として、二段式のギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機である。

【0012】

この実施の形態では、極低温システム１００は、極低温液体貯蔵装置として利用されうる。そこで、極低温冷凍機１０に加えて、極低温システム１００は、例えば液体ヘリウムまたはそのほかの極低温液体１０２を貯蔵するための真空容器１１０を備える。極低温冷凍機１０によって、貯蔵される極低温液体１０２がその液化温度（液体ヘリウムの場合、約４Ｋ）以下の極低温に冷却される。

【0013】

真空容器１１０は、外槽１１２および内槽１１４を備える。外槽１１２と内槽１１４との間には真空断熱層１１６が形成され、外槽１１２は、極低温システム１００の周囲環境（例えば、室温大気圧環境）から真空断熱層１１６を隔てるように構成される。真空断熱層１１６には、例えば多層断熱材(multilayer insulation(MLI))などの断熱構造が設けられてもよい。また、内槽１１４は、その内部に極低温液体１０２を収容するとともに、極低温液体１０２を真空断熱層１１６から隔てるように構成される。外槽１１２および内槽１１４は、内外の圧力差に耐えるように、例えばステンレス鋼などの金属材料またはその他の適する高強度材料で形成される。

【0014】

極低温冷凍機１０は、圧縮機１２と、膨張機１４とを備える。圧縮機１２は、極低温冷凍機１０の作動ガスを膨張機１４から回収し、回収した作動ガスを昇圧して、再び作動ガスを膨張機１４に供給するよう構成されている。作動ガスは、冷媒ガスとも称され、通例は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。

【0015】

膨張機１４は、冷凍機シリンダ１６と、ディスプレーサ組立体１８と、冷凍機ハウジング２０とを備える。冷凍機ハウジング２０は、冷凍機シリンダ１６と結合され、それにより、ディスプレーサ組立体１８を収容する気密容器が構成される。冷凍機シリンダ１６および冷凍機ハウジング２０は、例えばステンレス鋼などの金属材料またはその他の適する高強度材料で形成される。

【0016】

膨張機１４は、冷凍機シリンダ１６が真空容器１１０の内槽１１４に挿入され冷凍機ハウジング２０が真空容器１１０の外側に取り付けられた状態で真空容器１１０に設置されている。一例として、膨張機１４は、その中心軸を鉛直方向に一致させるようにして真空容器１１０の上部に設置される。しかし、膨張機１４の取付場所および取付姿勢はこれに限られない。例えば、膨張機１４は、真空容器１１０の下部に設置されてもよい。また、膨張機１４は、所望される姿勢で設置可能であり、中心軸を斜め方向または水平方向に一致させるようにして真空容器１１０に設置されてもよい。

【0017】

冷凍機シリンダ１６は、軸方向（図１および図２においては上下方向）に延在する第１シリンダ１６ａおよび第２シリンダ１６ｂを有する。第２シリンダ１６ｂは、軸方向に第１シリンダ１６ａと直列に設けられている。第１シリンダ１６ａと第２シリンダ１６ｂは、一例として、円筒形状を有する部材であり、第２シリンダ１６ｂが第１シリンダ１６ａよりも小径である。第１シリンダ１６ａと第２シリンダ１６ｂは同軸に配置され、第１シリンダ１６ａの下端が第２シリンダ１６ｂの上端に剛に連結されている。

【0018】

ディスプレーサ組立体１８は、第１ディスプレーサ１８ａと第２ディスプレーサ１８ｂとを有する。第１ディスプレーサ１８ａと第２ディスプレーサ１８ｂは、一例として、円筒形状を有する部材であり、第２ディスプレーサ１８ｂが第１ディスプレーサ１８ａよりも小径である。第１ディスプレーサ１８ａと第２ディスプレーサ１８ｂは同軸に配置されている。

【0019】

第１ディスプレーサ１８ａは、第１シリンダ１６ａに収容され、第２ディスプレーサ１８ｂは、第２シリンダ１６ｂに収容されている。第１ディスプレーサ１８ａは、第１シリンダ１６ａに沿って軸方向に往復移動可能であり、第２ディスプレーサ１８ｂは、第２シリンダ１６ｂに沿って軸方向に往復移動可能である。第１ディスプレーサ１８ａと第２ディスプレーサ１８ｂは互いに連結され、一体に移動する。

【0020】

本書では、極低温冷凍機１０の構成要素間の位置関係を説明するために、便宜上、ディスプレーサの軸方向往復動の上死点に近い側を「上」、下死点に近い側を「下」と表記することとする。上死点は膨張空間の容積が最大となるディスプレーサの位置であり、下死点は膨張空間の容積が最小となるディスプレーサの位置である。極低温冷凍機１０の運転時には軸方向上方から下方へと温度が下がる温度勾配が生じるので、上側を高温側、下側を低温側と呼ぶこともできる。

【0021】

第１ディスプレーサ１８ａは、第１蓄冷器２６を収容する。第１蓄冷器２６は、第１ディスプレーサ１８ａの筒状の本体部の中に、例えば銅などの金網またはその他適宜の第１蓄冷材を充填することによって形成されている。第１ディスプレーサ１８ａの上蓋部および下蓋部は第１ディスプレーサ１８ａの本体部とは別の部材として提供されてもよく、第１ディスプレーサ１８ａの上蓋部および下蓋部は、締結、溶接など適宜の手段で本体に固定され、それにより第１蓄冷材が第１ディスプレーサ１８ａに収容されてもよい。

【0022】

同様に、第２ディスプレーサ１８ｂは、第２蓄冷器２８を収容する。第２蓄冷器２８は、第２ディスプレーサ１８ｂの筒状の本体部の中に、例えばビスマスなどの非磁性蓄冷材、ＨｏＣｕ_２などの磁性蓄冷材、またはその他適宜の第２蓄冷材を充填することによって形成されている。第２蓄冷材は粒状に成形されていてもよい。第２ディスプレーサ１８ｂの上蓋部および下蓋部は第２ディスプレーサ１８ｂの本体部とは別の部材として提供されてもよく、第２ディスプレーサ１８ｂの上蓋部の下蓋部は、締結、溶接など適宜の手段で本体に固定され、それにより第２蓄冷材が第２ディスプレーサ１８ｂに収容されてもよい。

【0023】

ディスプレーサ組立体１８は、上部室３０、第１膨張室３２、第２膨張室３４を冷凍機シリンダ１６の内部に形成する。極低温冷凍機１０によって冷却すべき所望の物体または媒体との熱交換のために、膨張機１４は、第１冷却ステージ３３と第２冷却ステージ３５を備える。上部室３０は、第１ディスプレーサ１８ａの上蓋部と第１シリンダ１６ａの上部との間に形成される。第１膨張室３２は、第１ディスプレーサ１８ａの下蓋部と第１冷却ステージ３３との間に形成される。第２膨張室３４は、第２ディスプレーサ１８ｂの下蓋部と第２冷却ステージ３５との間に形成される。第１冷却ステージ３３は、第１膨張室３２を取り囲むように第１シリンダ１６ａの下部に固着され、第２冷却ステージ３５は、第２膨張室３４を取り囲むように第２シリンダ１６ｂの下部に固着されている。第１冷却ステージ３３および第２冷却ステージ３５は、例えば純銅（例えば、無酸素銅、タフピッチ銅など）、または他の高熱伝導金属で形成される。

【0024】

第１蓄冷器２６は、第１ディスプレーサ１８ａの上蓋部に形成された作動ガス流路３６ａを通じて上部室３０に接続され、第１ディスプレーサ１８ａの下蓋部に形成された作動ガス流路３６ｂを通じて第１膨張室３２に接続されている。第２蓄冷器２８は、第１ディスプレーサ１８ａの下蓋部から第２ディスプレーサ１８ｂの上蓋部へと形成された作動ガス流路３６ｃを通じて第１蓄冷器２６に接続されている。また、第２蓄冷器２８は、第２ディスプレーサ１８ｂの下蓋部に形成された作動ガス流路３６ｄを通じて第２膨張室３４に接続されている。

【0025】

第１膨張室３２、第２膨張室３４と上部室３０との間の作動ガス流れが、冷凍機シリンダ１６とディスプレーサ組立体１８との間のクリアランスではなく、第１蓄冷器２６、第２蓄冷器２８に導かれるようにするために、第１シール３８ａ、第２シール３８ｂが設けられていてもよい。第１シール３８ａは、第１ディスプレーサ１８ａと第１シリンダ１６ａとの間に配置されるように第１ディスプレーサ１８ａの上蓋部に装着されてもよい。第２シール３８ｂは、第２ディスプレーサ１８ｂと第２シリンダ１６ｂとの間に配置されるように第２ディスプレーサ１８ｂの上蓋部に装着されてもよい。

【0026】

また、膨張機１４は、圧力切替バルブ４０と、駆動モータ４２とを備える。圧力切替バルブ４０は、冷凍機ハウジング２０に収容され、駆動モータ４２は、冷凍機ハウジング２０に取り付けられている。

【0027】

図２に示されるように、圧力切替バルブ４０は、高圧バルブ４０ａと低圧バルブ４０ｂを備え、冷凍機シリンダ１６内に周期的圧力変動を発生させるように構成されている。圧縮機１２の作動ガス吐出口が高圧バルブ４０ａを介して上部室３０に接続され、圧縮機１２の作動ガス吸入口が低圧バルブ４０ｂを介して上部室３０に接続されている。高圧バルブ４０ａと低圧バルブ４０ｂは、選択的かつ交互に開閉するように（すなわち、一方が開いているとき他方が閉じるように）構成されている。高圧（例えば２～３ＭＰａ）の作動ガスが圧縮機１２から高圧バルブ４０ａを通じて膨張機１４に供給され、低圧（例えば０．５～１．５ＭＰａ）の作動ガスが膨張機１４から低圧バルブ４０ｂを通じて圧縮機１２に回収される。理解のために、作動ガスの流れる方向を図２に矢印で示す。

【0028】

駆動モータ４２は、ディスプレーサ組立体１８の往復動を駆動するために設けられている。駆動モータ４２は、たとえばスコッチヨーク機構などの運動変換機構４３を介してディスプレーサ駆動軸４４に連結されている。運動変換機構４３は、圧力切替バルブ４０と同様に、冷凍機ハウジング２０に収容されている。ディスプレーサ駆動軸４４は、運動変換機構４３から冷凍機ハウジング２０を貫通して上部室３０の中へと延び、第１ディスプレーサ１８ａの上蓋部に固定されている。上部室３０から冷凍機ハウジング２０（上述のように低圧に維持されている場合がある）への作動ガスのリークを防ぐために、第３シール３８ｃが設けられている。第３シール３８ｃは、冷凍機ハウジング２０とディスプレーサ駆動軸４４との間に配置されるように冷凍機ハウジング２０に装着されてもよい。

【0029】

駆動モータ４２が駆動されるとき、駆動モータ４２の回転出力は運動変換機構４３によってディスプレーサ駆動軸４４の軸方向往復動に変換され、ディスプレーサ組立体１８は冷凍機シリンダ１６内を軸方向に往復する。また、駆動モータ４２は、高圧バルブ４０ａと低圧バルブ４０ｂを選択的かつ交互に開閉するようにこれらバルブに連結されている。

【0030】

極低温冷凍機１０は、圧縮機１２および駆動モータ４２が運転されるとき、第１膨張室３２および第２膨張室３４において周期的な容積変動とこれに同期した作動ガスの圧力変動を発生させ、それにより冷凍サイクルが構成され、第１冷却ステージ３３および第２冷却ステージ３５が所望の極低温に冷却される。第１冷却ステージ３３は、例えば約２０Ｋ～約４０Ｋの範囲にある第１冷却温度に冷却されることができる。第２冷却ステージ３５は、第１冷却温度より低い第２冷却温度（例えば、約１Ｋ～約４Ｋ）に冷却されることができる。

【0031】

ところで、第１冷却ステージ３３および第２冷却ステージ３５に加えて、膨張機１４は、冷凍機シリンダ１６上、例えば第２シリンダ１６ｂの軸方向中間部でも吸熱できることが知られている。このような吸熱部４６は、冷凍機シリンダ１６、例えば第２シリンダ１６ｂ上の軸方向温度分布および吸熱部４６の軸方向位置に基づく冷却温度に冷却され、この冷却温度でいくらかの冷凍能力を提供することができる。吸熱部４６の冷却温度は、第１冷却ステージ３３の第１冷却温度と第２冷却ステージ３５の第２冷却温度の間の温度となる。吸熱部４６は、第２シリンダ１６ｂ上の規格化軸方向位置（つまり、第１冷却ステージ３３および第２冷却ステージ３５それぞれの位置を０、１とする無次元の軸方向位置）で、例えば１／４から３／４の範囲にあってもよい。

【0032】

極低温冷凍機１０の一般的な利用シーンでは、被冷却物は望まれる冷却温度に応じて第１冷却ステージ３３または第２冷却ステージ３５のいずれかに熱的に接続されて冷却される。第２シリンダ１６ｂ上の吸熱部４６には何も接続されず、吸熱部４６の冷凍能力は利用されていない。

【0033】

もし、２つの冷却ステージに加えて吸熱部４６の冷凍能力も利用することができれば、これは極低温システム１００のより効率的な冷却につながりうる。しかし、吸熱部４６への入熱は、冷却ステージ、例えば第２冷却ステージ３５の冷却温度に影響を与えうる（吸熱部４６への大きな入熱は、第２冷却ステージ３５の昇温をもたらしうる。）。通例、極低温システム１００では、被冷却物を所望冷却温度に維持するうえで、冷却ステージ温度が予め定めた限界の温度を超えないように極低温冷凍機１０を動作させることが要請される。吸熱部４６を利用した冷却がこれまで利用されていないのは、吸熱部４６への入熱に伴う冷却ステージの昇温のリスクが懸念されるためである。

【0034】

本発明者は、詳しくは以下に述べるように、吸熱部４６の温度をある上限温度以下に保つことによって、第２冷却ステージ３５の昇温を防止し又は最小限にとどめることができることを見出した。このような観点から、この実施の形態では、極低温システム１００は、熱源（つまり被冷却物）から吸熱部４６への入熱を最適化するように熱源を制御するように構成される。入熱の最適化は、吸熱部４６の温度を上限温度以下に保つことによって実現される。

【0035】

図３（ａ）および図３（ｂ）は、実施の形態に係り、本発明者による実験結果を示すグラフである。この実験では、吸熱部４６への入熱を模擬するためのヒーターが吸熱部４６に設置される。ヒーターの位置、言い換えれば吸熱部４６の位置は、軸方向中央よりもわずかに低温側、具体的には第２シリンダ１６ｂ上の規格化軸方向位置（上述のように第１冷却ステージ３３を０、第２冷却ステージ３５を１とする）で約０．５４にある。また、第２冷却ステージ３５にも熱負荷（例えば１．５Ｗの定格熱負荷）を与えるためにヒーターが設置される。極低温冷凍機１０は、第２冷却ステージ３５に定格熱負荷を与えながら第１冷却ステージ３３を一定の温度（例えば４３Ｋ）に維持するように運転される。

【0036】

図３（ａ）には、吸熱部４６への入熱を表す規格化ヒーター出力と第２冷却ステージ３５の温度上昇との関係が示される。第２冷却ステージ３５の温度上昇は、第２冷却ステージ３５の目標冷却温度（例えば４Ｋ）に対する温度上昇を表す。図３（ｂ）には、第２シリンダ１６ｂ上の規格化軸方向位置と温度の関係、すなわち第２シリンダ１６ｂ上の軸方向温度分布が規格化ヒーター出力に応じてどのように変化するかが示される。図３（ａ）および図３（ｂ）では、規格化ヒーター出力がゼロ（つまり、吸熱部４６への入熱が無い）場合の温度測定結果が丸記号で示され、さらに、規格化ヒーター出力が０．０８５、０．３１、０．４５の場合の温度測定結果がそれぞれ、四角、三角、菱形の記号で示されている。

【0037】

図３（ａ）を参照すると、規格化ヒーター出力がゼロのとき第２冷却ステージ３５の温度上昇は０Ｋであり（丸記号）、規格化ヒーター出力が０．０８５、０．３１、０．４５と増えるにつれて第２冷却ステージ３５の温度上昇も大きくなることがわかる（四角、三角、菱形の記号）。具体的には、規格化ヒーター出力が０．０８５で温度上昇は約０．０４Ｋ（四角記号）、規格化ヒーター出力が０．３１で温度上昇は約０．０９Ｋ（三角記号）、規格化ヒーター出力が０．４５で温度上昇は約０．１７Ｋ（菱形記号）である。

【0038】

本発明者の知識および経験に基づけば、第２冷却ステージ３５の目標冷却温度が約４Ｋとされる例えば液体ヘリウム冷却など極低温冷凍機１０のいくつかの用途では、多くの場合、第２冷却ステージ３５の温度上昇の許容値は、約０．１Ｋまでとすることが望ましく、最大でも約０．２Ｋまでとすることが求められる。

【0039】

図３（ａ）において破線で示される規格化ヒーター出力しきい値Ｔｈ１がひとつの重要な境界を表していることが、図３（ａ）から理解される。吸熱部４６への入熱がこのしきい値Ｔｈ１を下回れば、第２冷却ステージ３５の温度上昇は、約０．１Ｋ以内の比較的小さな値に抑えられる。一方、吸熱部４６への入熱がこのしきい値Ｔｈ１を超えると、第２冷却ステージ３５の温度上昇は、様相が変わり、規格化ヒーター出力の増加に連動して比例的に大きくなり、容易に０．２Ｋを超えてしまう。

【0040】

図３（ｂ）を参照すると、規格化ヒーター出力と吸熱部４６の温度（約０．５４の規格化軸方向位置での温度）との関係を把握することができる。規格化ヒーター出力がゼロのとき吸熱部４６の温度は約８Ｋであり（丸記号）、規格化ヒーター出力が０．０８５、０．３１、０．４５と増えるにつれて吸熱部４６の温度も高まることがわかる（四角、三角、菱形の記号）。より具体的には、規格化ヒーター出力が０．０８５で吸熱部４６の温度は約１３Ｋ（四角記号）、規格化ヒーター出力が０．３１で吸熱部４６の温度は約２０Ｋ（三角記号）、規格化ヒーター出力が０．４５で吸熱部４６の温度は約２４Ｋ（菱形記号）である。

【0041】

図３（ｂ）に示される破線Ｌ１は、第１冷却ステージ３３の測定温度と第２冷却ステージ３５の測定温度を結ぶ直線を表す。図３（ａ）および図３（ｂ）から、重要なことに、規格化ヒーター出力しきい値Ｔｈ１での吸熱部４６の温度は、この直線Ｌ１上またはその近傍（図３（ｂ）で四角記号と三角記号の間）に位置することがわかる。

【0042】

このことから、吸熱部４６への入熱が大きく（つまりしきい値Ｔｈ１を超え）、その結果吸熱部４６の温度がこの直線Ｌ１またはその近傍の上限温度を超える場合には、吸熱部４６への入熱に起因して第２冷却ステージ３５に顕著な温度上昇が起こりうることになる。また、吸熱部４６への入熱が、吸熱部４６の温度がこの上限温度を超えないような大きさである場合には、吸熱部４６への入熱に起因する第２冷却ステージ３５の温度上昇は、実質的に起こらないか、許容範囲内（例えば、０．２Ｋ以内、または好ましくは０．１Ｋ以内）に収まりうる。

【0043】

図４（ａ）および図４（ｂ）は、実施の形態に係り、本発明者による実験結果を示すグラフである。図４（ａ）および図４（ｂ）に示される実験結果は、図３（ａ）および図３（ｂ）の実験結果とは吸熱部４６の軸方向位置を変えて取得したものであり、そのほかの実験条件は共通である。図４（ａ）および図４（ｂ）では、吸熱部４６の位置は、図３（ａ）および図３（ｂ）に比べて高温側、具体的には第２シリンダ１６ｂ上の規格化軸方向位置で約０．３５にある。

【0044】

図４（ａ）には、図３（ａ）と同様に、吸熱部４６への入熱を表す規格化ヒーター出力と第２冷却ステージ３５の温度上昇との関係が示される。図４（ｂ）には、図３（ｂ）と同様に、第２シリンダ１６ｂ上の規格化軸方向位置と温度の関係が示される。図４（ａ）および図４（ｂ）では、規格化ヒーター出力がゼロ（つまり、吸熱部４６への入熱が無い）場合の温度測定結果が丸記号で示され、さらに、規格化ヒーター出力が０．３１、０．５５、０．７２の場合の温度測定結果がそれぞれ、四角、三角、菱形の記号で示されている。

【0045】

図４（ａ）を参照すると、規格化ヒーター出力がゼロのとき第２冷却ステージ３５の温度上昇は無く（丸記号）、規格化ヒーター出力が増えるにつれて第２冷却ステージ３５の温度上昇も大きくなることがわかる。具体的には、規格化ヒーター出力が０．３１で温度上昇は約０．０２Ｋ（四角記号）、規格化ヒーター出力が０．５５で温度上昇は約０．０７Ｋ（三角記号）、規格化ヒーター出力が０．７２で温度上昇は約０．０９Ｋ（菱形記号）である。図４（ａ）では、図３（ａ）に比べて吸熱部４６が高温側にあるため、吸熱部４６への入熱増加による第２冷却ステージ３５の温度上昇は弱まる。

【0046】

図４（ａ）においても、破線で示される規格化ヒーター出力しきい値Ｔｈ２が重要な境界となっている。吸熱部４６への入熱がこのしきい値Ｔｈ２を下回れば、第２冷却ステージ３５の温度上昇は、約０．０２Ｋ以内のごく小さな値に抑えられる。一方、吸熱部４６への入熱がこのしきい値Ｔｈ２を超えると、第２冷却ステージ３５の温度上昇は、様相が変わり、規格化ヒーター出力に応じて比例的に大きくなる。

【0047】

図４（ｂ）を参照すると、規格化ヒーター出力と吸熱部４６の温度（約０．３５の規格化軸方向位置での温度）との関係を把握できる。規格化ヒーター出力がゼロのとき吸熱部４６の温度は約１６Ｋであり（丸記号）、規格化ヒーター出力が増えるにつれて吸熱部４６の温度も高まる。具体的には、規格化ヒーター出力が０．３１で吸熱部４６の温度は約２７Ｋ（四角記号）、規格化ヒーター出力が０．５５で吸熱部４６の温度は約３３Ｋ（三角記号）、規格化ヒーター出力が０．７２で吸熱部４６の温度は約３８Ｋ（菱形記号）である。

【0048】

図４（ｂ）に示される破線Ｌ２は、第１冷却ステージ３３の測定温度と第２冷却ステージ３５の測定温度を結ぶ直線を表す。図４（ａ）および図４（ｂ）から、規格化ヒーター出力しきい値Ｔｈ２での吸熱部４６の温度は、この直線Ｌ２上またはその近傍（図４（ｂ）で四角記号と三角記号の間）に位置すると考えられる。

【0049】

よって、吸熱部４６への入熱が大きく（つまりしきい値Ｔｈ２を超え）、その結果吸熱部４６の温度がこの直線Ｌ２またはその近傍の上限温度を超える場合には、吸熱部４６への入熱に起因して第２冷却ステージ３５に顕著な温度上昇が起こりうる。また、吸熱部４６への入熱が、吸熱部４６の温度がこの上限温度を超えないような大きさである場合には、吸熱部４６への入熱に起因する第２冷却ステージ３５の温度上昇は、実質的に起こらないか、許容範囲内に収まりうると考えられる。

【0050】

図３（ａ）から図４（ｂ）に示される実験結果に加えて、本発明者は、同じ実験を、吸熱部４６の軸方向位置および第１冷却ステージ３３の温度をさまざまに変更して行っている。その結果、本発明者は、吸熱部４６への入熱と第２冷却ステージ３５の温度上昇との関係、および第２シリンダ１６ｂ上の規格化軸方向位置と温度の関係の両方について、上述の結果と同様の振る舞いが観察されることを確認している。

【0051】

したがって、吸熱部４６への入熱に起因する第２冷却ステージ３５の昇温を防止し又は最小限にとどめるための吸熱部４６の上限温度は、第２シリンダ１６ｂの両端での測定温度、および吸熱部４６の軸方向位置に基づいて設定することができる。

【0052】

ひとつの例示的な方法では、吸熱部４６の上限温度は、第２シリンダ１６ｂの基準温度分布および吸熱部４６の軸方向位置に基づいて設定されてもよい。ここで、第２シリンダ１６ｂの基準温度分布は、第２シリンダ１６ｂの一方の軸方向端部（例えば第１冷却ステージ３３）で第１測定温度を有しかつ第２シリンダ１６ｂの他方の軸方向端部（例えば第２冷却ステージ３５）で第２測定温度を有するとともに、第２シリンダ１６ｂにおける軸方向位置に依存して直線的に変化する温度分布であってもよい。

【0053】

このような吸熱部４６への入熱の最適化のための例示的な構成を以下に説明する。図１を再び参照すると、極低温冷凍機１０は、第１温度センサ５１、第２温度センサ５２、第３温度センサ５３、およびコントローラ６０を備える。

【0054】

第１温度センサ５１は、第１シリンダ１６ａに近い第２シリンダ１６ｂの一方の軸方向端部で第１測定温度Ｔ１を測定する。第１温度センサ５１は、第１冷却ステージ３３に設けられてもよく、第１冷却ステージ３３で第１測定温度Ｔ１を測定してもよい。第２温度センサ５２は、第１シリンダ１６ａから遠い第２シリンダ１６ｂの他方の軸方向端部で第２測定温度Ｔ２を測定する。第２温度センサ５２は、第２冷却ステージ３５に設けられてもよく、第２冷却ステージ３５で第２測定温度Ｔ２を測定してもよい。第３温度センサ５３は、吸熱部４６に設けられ、吸熱部４６で第３測定温度Ｔ３を測定する。

【0055】

コントローラ６０は、第１温度センサ５１、第２温度センサ５２、第３温度センサ５３からそれぞれ、第１測定温度Ｔ１、第２測定温度Ｔ２、第３測定温度Ｔ３を受信するように、これら温度センサと通信可能に接続される。

【0056】

コントローラ６０の内部構成は、ハードウェア構成としてはコンピュータのＣＰＵ（Central Processing Unit）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。

【0057】

極低温システム１００は、極低温冷凍機１０によって冷却される冷媒ガスライン１１８を備える。冷媒ガスライン１１８の冷媒ガスが冷却により凝縮され、極低温液体１０２が生成される。冷媒ガスライン１１８は、真空容器１１０の内槽１１４に極低温液体１０２を供給する供給ライン１２０と、内槽１１４において気化した極低温液体１０２（つまり冷媒ガス）の戻りライン１２２とを備える。供給ライン１２０および戻りライン１２２はそれぞれ、冷媒ガスが流れるリジッドまたはフレキシブルな配管であってもよい。

【0058】

供給ライン１２０は、第１熱交換器１２４、第２熱交換器１２６、および再凝縮部１２８を備え、供給ライン１２０において冷媒ガスは、第１熱交換器１２４、第２熱交換器１２６、および再凝縮部１２８をこの記載の順に流れる。

【0059】

第１熱交換器１２４は、内槽１１４内で第１冷却ステージ３３の外側に設けられ、第１冷却ステージ３３と冷媒ガスとの熱交換により冷媒ガスを第１冷却温度に予冷するように構成される。第２熱交換器１２６は、内槽１１４内で第２シリンダ１６ｂの外側に設けられ、第２シリンダ１６ｂの吸熱部４６と冷媒ガスとの熱交換により冷媒ガスを吸熱部４６の冷却温度へとさらに予冷するように構成される。

【0060】

再凝縮部１２８は、内槽１１４への供給ライン１２０の出口となる。再凝縮部１２８は、内槽１１４内で第２冷却ステージ３５の外側に設けられ、第２冷却ステージ３５と冷媒ガスとの熱交換により冷媒ガスを第２冷却温度に冷却し、冷媒ガスを極低温液体１０２へと再凝縮するように構成される。再凝縮された極低温液体１０２は、上述のように内槽１１４に貯蔵される。再凝縮部１２８は、図示されるように、第２冷却ステージ３５と一体であってもよく、冷媒ガス又は極低温液体１０２と接触する表面積を増やすためにフィン状の突起または凹凸を有してもよい。再凝縮部１２８は、第２冷却ステージ３５と同様に、例えば純銅（例えば、無酸素銅、タフピッチ銅など）、または他の高熱伝導金属で形成される。

【0061】

また、冷媒ガスライン１１８は、冷媒ガスライン１１８の冷媒ガス流量を調節するように構成される流量レギュレータ１３０を備える。図示される例では、流量レギュレータ１３０は、戻りライン１２２を供給ライン１２０に接続するように冷媒ガスライン１１８上に設けられる。流量レギュレータ１３０は、戻りライン１２２から冷媒ガスを受け、冷媒ガス流量を調整し、調整された流量で供給ライン１２０に冷媒ガスを送出する。流量レギュレータ１３０は、例えばポンプ、圧縮機などの循環流れ生成器、または例えば流量調整バルブ、可変オリフィスなどガス流量を調節する機構であってもよい。

【0062】

流量レギュレータ１３０は、図示されるように、真空容器１１０の外に配置されてもよいし、あるいは、真空容器１１０内に配置されてもよい。また、流量レギュレータ１３０は、冷媒ガスライン１１８上の任意の場所に設けられてもよく、供給ライン１２０上に設けられてもよく、または、戻りライン１２２上に設けられてもよい。

【0063】

後述のように、コントローラ６０による制御のもとで、流量レギュレータ１３０は、冷媒ガスライン１１８を循環する冷媒ガスの流量を調節することができる。この流量調節によって、冷媒ガスライン１１８から吸熱部４６への入熱が制御される。

【0064】

冷媒ガスライン１１８は、極低温冷凍機１０に対する熱源として働く。この熱源は、第１部分（例えば第１熱交換器１２４）、第２部分（例えば再凝縮部１２８）、および、第１部分と第２部分を接続する熱源の第３部分（例えば第２熱交換器１２６）を備える。第２シリンダ１６ｂの一方の軸方向端部（例えば第１冷却ステージ３３）は、熱源の第１部分と熱的に接続され、第２シリンダ１６ｂの他方の軸方向端部（例えば第２冷却ステージ３５）は、熱源の第２部分と熱的に接続される。吸熱部４６は、熱源の第３部分と熱的に接続される。冷媒ガスライン１１８は、熱源の第１部分、第３部分、および第２部分をこの記載の順に経由する。

【0065】

図５は、実施の形態に係る極低温システム１００の制御方法を示すフローチャートである。本方法は、第１温度センサ５１から第１測定温度Ｔ１を、第２温度センサ５２から第２測定温度Ｔ２を、および第３温度センサ５３から第３測定温度Ｔ３を取得することと（Ｓ１０）、第１測定温度Ｔ１、第２測定温度Ｔ２、および吸熱部４６の軸方向位置に基づいて、吸熱部４６の上限温度を設定することと（Ｓ２０）、第３測定温度Ｔ３が吸熱部４６の上限温度以下となるように熱源すなわち冷媒ガスライン１１８を制御することと（Ｓ３０）、を備える。

【0066】

Ｓ１０では、第１測定温度Ｔ１が第１シリンダ１６ａに近い第２シリンダ１６ｂの一方の軸方向端部（例えば第１冷却ステージ３３）で第１温度センサ５１によって測定される。第１測定温度Ｔ１を示す信号が第１温度センサ５１からコントローラ６０に入力される。また、第２測定温度Ｔ２が第１シリンダ１６ａから遠い第２シリンダ１６ｂの他方の軸方向端部で第２温度センサ５２によって測定される。第２測定温度Ｔ２を示す信号が第２温度センサ５２からコントローラ６０に入力される。第３測定温度Ｔ３が吸熱部４６で第３温度センサ５３によって測定される。第３測定温度Ｔ３を示す信号が第３温度センサ５３からコントローラ６０に入力される。

【0067】

Ｓ２０では、コントローラ６０は、まず、第１測定温度Ｔ１および第２測定温度Ｔ２に基づいて、第２シリンダ１６ｂの基準温度分布を決定する。この基準温度分布は、第２シリンダ１６ｂの一方の軸方向端部で第１測定温度Ｔ１を有しかつ第２シリンダ１６ｂの他方の軸方向端部で第２測定温度Ｔ２を有するとともに、第２シリンダ１６ｂにおける軸方向位置に依存して直線的に変化する温度分布である。基準温度分布は、第２シリンダ１６ｂ上の規格化軸方向位置をＸ軸、温度をＹ軸とするＸＹ平面上で、点（０，Ｔ１）と点（１，Ｔ２）の二点を通る直線（Ｙ＝（Ｔ２－Ｔ１）Ｘ＋Ｔ１）となる。

【0068】

コントローラ６０は、基準温度分布および吸熱部４６の軸方向位置に基づいて、吸熱部４６の上限温度を設定する。基準温度分布を表す上式に吸熱部４６の軸方向規格化位置を代入することによって、吸熱部４６の上限温度の候補値が求まる。コントローラ６０は、この候補値を上限温度として採用してもよい。

【0069】

あるいは、吸熱部４６への入熱に起因する第２冷却ステージ３５の昇温を確実に防ぐことを重視する場合には、コントローラ６０は、この候補値よりもいくらか小さい値（例えば、候補値の７０～１００％、または８０～１００％、または９０～１００％の範囲から選択される値）を吸熱部４６の上限温度として採用してもよい。

【0070】

あるいは、吸熱部４６への入熱に起因する第２冷却ステージ３５の昇温が多少は許される場合であれば、コントローラ６０は、この候補値よりもいくらか大きい値（例えば、候補値の１００～１３０％、または１００～１２０％、または１００～１１０％の範囲から選択される値）を吸熱部４６の上限温度として採用してもよい。

【0071】

Ｓ３０では、コントローラ６０は、第３測定温度Ｔ３が吸熱部４６の上限温度以下となるように冷媒ガスライン１１８の冷媒ガス流量を制御する。この制御の一例は、図６を参照して後述する。

【0072】

コントローラ６０は、図５に示される処理を定期的に繰り返すことによって、第１測定温度Ｔ１および第２測定温度Ｔ２に応じて吸熱部４６の上限温度を更新してもよい。また、第１冷却ステージ３３（及び／または第２冷却ステージ３５）の冷却温度をある目標温度に維持するように極低温冷凍機１０が運転される場合には、目標温度が変更されない限り、基準温度分布も概ね不変となる。この場合、一度設定された吸熱部４６の上限温度は、その後継続して使用されてもよい。

【0073】

図６は、図５に示される冷媒ガスライン１１８の制御処理（Ｓ３０）の一例を示すフローチャートである。本処理においては、コントローラ６０は、第３測定温度Ｔ３と吸熱部４６の上限温度との比較に基づいて冷媒ガスライン１１８の流量レギュレータ１３０を制御し、それにより冷媒ガスライン１１８の冷媒ガス流量を制御する。本処理は、極低温冷凍機１０の運転中にコントローラ６０によって所定の周期で繰り返し実行される。

【0074】

そこで、図６に示されるように、コントローラ６０はまず、第３測定温度Ｔ３を吸熱部４６の上限温度Ｔ_ｌｉｍと比較する（Ｓ３１）。第３測定温度Ｔ３は、上述のように第３温度センサ５３によって測定される（図５のＳ１０）。吸熱部４６の上限温度は、第２シリンダ１６ｂの両端での測定温度および吸熱部４６の軸方向位置に基づいて設定される（図５のＳ２０）。

【0075】

コントローラ６０は、第３測定温度Ｔ３を吸熱部４６の上限温度Ｔ_ｌｉｍと比較し、比較結果として両者の大小関係を出力する。すなわち、コントローラ６０による比較結果は、次の３つの状態、（ｉ）第３測定温度Ｔ３が上限温度Ｔ_ｌｉｍより高い、（ｉｉ）第３測定温度Ｔ３が上限温度Ｔ_ｌｉｍより低い、（ｉｉｉ）第３測定温度Ｔ３が上限温度Ｔ_ｌｉｍと等しい、のうちいずれかを表す。

【0076】

コントローラ６０は、比較結果に基づいて流量レギュレータ１３０を制御する。具体的には、（ｉ）第３測定温度Ｔ３が上限温度Ｔ_ｌｉｍより高い場合には、コントローラ６０は、冷媒ガス流量を低下させるように流量レギュレータ１３０を制御する（Ｓ３２）。これにより、第２熱交換器１２６から吸熱部４６への入熱を少なくすることができ、第３測定温度Ｔ３を下げることができる。（ｉｉ）第３測定温度Ｔ３が上限温度Ｔ_ｌｉｍより低い場合には、コントローラ６０は、冷媒ガス流量を増加させるように流量レギュレータ１３０を制御する（Ｓ３３）。これにより、第２熱交換器１２６から吸熱部４６への入熱を増加させ、冷媒ガスライン１１８をより効率的に冷却することができる。（ｉｉｉ）第３測定温度Ｔ３が上限温度Ｔ_ｌｉｍと等しい場合には、冷媒ガス流量を増減させる必要が無いので、コントローラ６０は、現在の冷媒ガス流量を維持するように流量レギュレータ１３０を制御する。なお、（ｉｉｉ）の場合を（ｉ）または（ｉｉ）のいずれかに含めてもよい。

【0077】

以上説明したように、実施の形態によれば、第１冷却ステージ３３および第２冷却ステージ３５に加えて、第２シリンダ１６ｂ上の吸熱部４６が持つ冷凍能力も利用して、冷媒ガスライン１１８を冷却することができる。吸熱部４６を利用しない典型的な冷却構成に比べて、極低温システム１００をより効率的に冷却することができる。

【0078】

また、実施の形態では、第１測定温度Ｔ１、第２測定温度Ｔ２、および吸熱部４６の軸方向位置に基づいて吸熱部４６の上限温度Ｔ_ｌｉｍが設定され、第３測定温度Ｔ３がこの上限温度Ｔ_ｌｉｍ以下となるように極低温システム１００における極低温冷凍機１０に対する熱源（例えば冷媒ガスライン１１８）が制御される。このように、吸熱部４６の温度を上限温度Ｔ_ｌｉｍ以下に保つことによって、第２冷却ステージ３５の昇温を防止し又は最小限にとどめることができる。

【0079】

さらに、実施の形態では、上限温度Ｔ_ｌｉｍは、上述の直線的な基準温度分布および吸熱部４６の軸方向位置に基づく。このようにすれば、極低温冷凍機１０のさまざまな運転状態に応じて第１冷却ステージ３３および第２冷却ステージ３５の温度が変化したとしても、また吸熱部４６がさまざまな軸方向位置に設けられたとしても、上限温度Ｔ_ｌｉｍを明確かつ容易に定めることができる。

【0080】

図７は、他の実施の形態に係る極低温システム１００を概略的に示す図である。図７に示される極低温システム１００は、被冷却物に関して図１に示される極低温システム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。

【0081】

上述の実施の形態は、極低温システム１００が極低温液体１０２の貯蔵装置である場合を例として説明しているが、他の構成も可能である。例えば、極低温システム１００は、超伝導機器に適用されてもよく、極低温冷凍機１０は、真空容器１１０内に配置された超伝導コイル１５０および超伝導コイル１５０への電源供給のための電流リード１５２を冷却するために用いられてもよい。超伝導コイル１５０は第２冷却ステージ３５により冷却され、電流リード１５２は、第１冷却ステージ３３、吸熱部４６、および第２冷却ステージ３５により冷却される。

【0082】

電流リード１５２は、真空容器１１０の外に配置される電源１５４を超伝導コイル１５０に電気的に接続し、電源１５４から超伝導コイル１５０への電流経路となる。したがって、電流リード１５２は、通電時に発熱しうるから、極低温冷凍機１０に対する熱源として働く。電流リード１５２は、第１部分１５２ａ、第２部分１５２ｂ、第１部分１５２ａと第２部分１５２ｂを接続する第３部分１５２ｃを有する。

【0083】

第２シリンダ１６ｂの一方の軸方向端部（例えば第１冷却ステージ３３）は、電流リード１５２の第１部分１５２ａと熱的に接続され、第２シリンダ１６ｂの他方の軸方向端部（例えば第２冷却ステージ３５）は、電流リード１５２の第２部分１５２ｂと熱的に接続される。吸熱部４６は、電流リード１５２の第３部分１５２ｃと熱的に接続される。

【0084】

熱接続の一例として、第１冷却ステージ３３は、第１伝熱部材１５６により電流リード１５２の第１部分１５２ａと接続され、第２冷却ステージ３５は、第２伝熱部材１５８により電流リード１５２の第２部分１５２ｂと接続されてもよい。また、第２冷却ステージ３５は、第２伝熱部材１５８により超伝導コイル１５０と接続されてもよい。第２シリンダ１６ｂの吸熱部４６は、ヒートブリッジ１６０により電流リード１５２の第３部分１５２ｃと接続されてもよい。

【0085】

コントローラ６０は、第３測定温度Ｔ３が上限温度以下となるように電流リード１５２の電流を制御するように構成される。コントローラ６０は、第３測定温度Ｔ３と吸熱部４６の上限温度との比較に基づいて電源１５４を制御し、それにより電流リード１５２の電流を制御してもよい。

【0086】

一例として、（ｉ）第３測定温度Ｔ３が上限温度Ｔ_ｌｉｍより高い場合には、コントローラ６０は、電流リード１５２の電流を低下させるように電源１５４を制御する。これにより、第２熱交換器１２６から吸熱部４６への入熱を少なくすることができ、第３測定温度Ｔ３を下げることができる。（ｉｉ）第３測定温度Ｔ３が上限温度Ｔ_ｌｉｍより低い場合には、コントローラ６０は、電流リード１５２の電流を増加させるように電源１５４を制御する。これにより、第２熱交換器１２６から吸熱部４６への入熱を増加させ、電流リード１５２をより効率的に冷却することができる。（ｉｉｉ）第３測定温度Ｔ３が上限温度Ｔ_ｌｉｍと等しい場合には、電流リード１５２の電流を増減させる必要が無いので、コントローラ６０は、現在の電流を維持するように電源１５４を制御する。

【0087】

このようにすれば、第１冷却ステージ３３および第２冷却ステージ３５に加えて、第２シリンダ１６ｂ上の吸熱部４６が持つ冷凍能力も利用して、電流リード１５２を冷却することができる。吸熱部４６を利用しない典型的な冷却構成に比べて、極低温システム１００をより効率的に冷却することができる。吸熱部４６の温度を上限温度Ｔ_ｌｉｍ以下に保つことによって、第２冷却ステージ３５の昇温を防止し又は最小限にとどめることができる。

【0088】

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。

【0089】

上述の実施の形態では、吸熱部４６の温度を測定するために、一つの温度センサ（第３温度センサ５３）が設けられているが、他の構成も可能である。ある実施の形態では、吸熱部４６の温度は、複数の温度測定位置で測定されてもよい。そこで、複数の温度センサ（例えば、２つの第３温度センサ５３）が吸熱部４６に設けられてもよい。これら温度センサは、第２シリンダ１６ｂ上で軸方向に異なる位置に設けられる。例として、一方の第３温度センサ５３が他方の第３温度センサ５３に対して高温側に配置される。

【0090】

この場合、コントローラ６０は、温度測定位置（温度センサ）ごとに、第２シリンダ１６ｂの両端での測定温度、および当該温度測定位置に基づいて、上限温度を設定してもよい。コントローラ６０は、複数の測定温度のうちどの測定温度も対応する上限温度以下となるように、熱源を制御してもよい。

【0091】

上述の実施の形態では、極低温冷凍機１０が二段式のＧＭ冷凍機を例として説明しているが、他の構成も可能である。例えば、極低温冷凍機１０は、単段式のＧＭ冷凍機であってもよい。あるいは、極低温冷凍機１０は、例えば、ソルベイ冷凍機、スターリング冷凍機、パルス管冷凍機など、他の形式の極低温冷凍機であってもよい。

【0092】

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。

【符号の説明】

【0093】

１０ 極低温冷凍機、 １６ａ 第１シリンダ、 １６ｂ 第２シリンダ、 ４６ 吸熱部、 ５１ 第１温度センサ、 ５２ 第２温度センサ、 ５３ 第３温度センサ、 ６０ コントローラ、 １００ 極低温システム、 １１８ 冷媒ガスライン、 １５２ 電流リード。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】