特開 2024-82515 パルス管冷凍機、およびパルス管冷凍機のクールダウン方法

(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】P2024082515

(43)【公開日】2024-06-20

(54)【発明の名称】パルス管冷凍機、およびパルス管冷凍機のクールダウン方法

(51)【国際特許分類】

   F25B 9/00 20060101AFI20240613BHJP

【ＦＩ】

F25B9/00 H

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022196414

(22)【出願日】2022-12-08

(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】中野 恭介

(72)【発明者】

【氏名】松村 陽介

(57)【要約】

【課題】パルス管冷凍機のコールドヘッドからの放熱を促進する。
【解決手段】パルス管冷凍機１００は、第１段パルス管１１０ａと、第１段パルス管１１０ａの高温端に熱的に結合された放熱体１５０とを備えるコールドヘッド１０２と、周囲温度から極低温へのパルス管冷凍機１００のクールダウン中に放熱体１５０を強制冷却する強制冷却装置２００と、を備える。強制冷却装置２００は、クールダウン後に放熱体１５０の強制冷却を停止してもよい。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

パルス管と、前記パルス管の高温端に熱的に結合された放熱体とを備えるコールドヘッドと、
周囲温度から極低温へのパルス管冷凍機のクールダウン中に前記放熱体を強制冷却する強制冷却装置と、を備えることを特徴とするパルス管冷凍機。

【請求項2】

前記強制冷却装置は、前記クールダウン後に前記放熱体の強制冷却を停止することを特徴とする請求項１に記載のパルス管冷凍機。

【請求項3】

前記強制冷却装置は、
前記パルス管冷凍機の状態を検出するセンサと、
前記放熱体を冷却する空冷式または液冷式の冷却器と、
前記センサの出力に基づいて前記パルス管冷凍機が前記クールダウン中であるか否かを決定し、前記クールダウン中に前記冷却器を作動させるように構成されたコントローラと、を備えることを特徴とする請求項１に記載のパルス管冷凍機。

【請求項4】

前記センサは、前記コールドヘッドに設けられた温度センサを備え、
前記コントローラは、前記温度センサによって測定された前記コールドヘッドの測定温度を温度しきい値と比較し、前記コールドヘッドの測定温度が前記温度しきい値を超えるとき前記冷却器を作動させるように構成されていることを特徴とする請求項３に記載のパルス管冷凍機。

【請求項5】

前記強制冷却装置は、前記コールドヘッドから分離配置された冷却ファンを備えることを特徴とする請求項１に記載のパルス管冷凍機。

【請求項6】

前記パルス管の軸方向全長の多くとも１／４が前記放熱体の内部に延在していることを特徴とする請求項１に記載のパルス管冷凍機。

【請求項7】

前記放熱体は、前記パルス管の軸方向に延在する放熱フィンを備え、
前記強制冷却装置は、前記放熱フィンの上方または斜め上方に配置された冷却ファンを備えることを特徴とする請求項１に記載のパルス管冷凍機。

【請求項8】

前記コールドヘッドから分離配置され、前記パルス管の高温端に配管接続されたバルブユニットをさらに備えることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のパルス管冷凍機。

【請求項9】

パルス管冷凍機のクールダウン方法であって、前記パルス管冷凍機は、パルス管と、前記パルス管の高温端に熱的に結合された放熱体とを備えるコールドヘッドを備えており、前記方法は、
周囲温度から極低温へと前記パルス管冷凍機のクールダウンを行うことと、
前記パルス管冷凍機の前記クールダウン中に前記放熱体を強制冷却することと、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、パルス管冷凍機、およびパルス管冷凍機のクールダウン方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、希釈冷凍機と呼ばれる、液体のヘリウム３（３Ｈｅ）が液体のヘリウム４（４Ｈｅ）に溶解し希釈されるとき熱が吸収される現象を利用した極低温冷凍機が知られている。希釈冷凍機は、０．１Ｋ以下の極低温冷却を提供することができる。希釈冷凍機には、予冷のために、ギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機などの小型の機械式冷凍機を搭載するタイプのものがある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００５－９０９２８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

例えば量子コンピュータの超伝導素子の冷却といった先進的な用途では、ｍＫ（ミリケルビン）オーダーの極低温冷却を実現する希釈冷凍機が使用されることがある。このような超極低温の冷却では、ＧＭ冷凍機の運転に起因する振動加速度でさえも発熱源となりうる。そこで、ＧＭ冷凍機に代えて、低振動で動作可能なパルス管冷凍機を希釈冷凍機の予冷冷凍機として採用することが提案されている。

【0005】

一般に、希釈冷凍機の始動に際して、予冷冷凍機は、周囲温度（例えば３００Ｋ程度の常温）から目的の極低温（例えば４Ｋ程度の液体ヘリウム温度）まで冷却される。こうした初期冷却はクールダウンとも呼ばれる。希釈冷凍機は比較的大型の装置であるため、予冷冷凍機で冷却される低温部の熱容量が大きくなりがちであり、望ましくは、比較的大きな冷凍能力（例えば、４．２Ｋで１Ｗを超える冷凍能力）をもつ予冷冷凍機が採用される。そのため、クールダウン中には、予冷冷凍機の冷凍能力に相応する比較的大きな熱量が、予冷冷凍機の冷凍サイクルにおける断熱圧縮過程から発生する。この熱は、予冷冷凍機のコールドヘッド高温端から外部に放熱されることになる。既存設計の希釈冷凍機では、ＧＭ冷凍機のコールドヘッド高温端が外気にさらされ、必要な放熱が自然対流冷却によって得られている。

【0006】

しかしながら、本発明者は、パルス管冷凍機を予冷冷凍機として希釈冷凍機に搭載する場合、クールダウン中の放熱が不足しうることを認識した。放熱不足によりパルス管冷凍機のコールドヘッド高温端がかなり高温（例えば環境温度を数十℃上回る）に加熱され、それに起因して予冷冷凍機のクールダウンに要する時間が長くなることが懸念される。予冷冷凍機のクールダウンは、希釈冷凍機によって所望の被冷却物を極低温冷却するための準備作業の一部にすぎないから、その所要時間はなるべく短いことが望まれる。

【0007】

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、パルス管冷凍機のコールドヘッドからの放熱を促進することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明のある態様によると、パルス管冷凍機は、パルス管と、パルス管の高温端に熱的に結合された放熱体とを備えるコールドヘッドと、周囲温度から極低温へのパルス管冷凍機のクールダウン中に放熱体を強制冷却する強制冷却装置と、を備える。

【0009】

本発明のある態様によると、パルス管冷凍機のクールダウン方法が提供される。パルス管冷凍機は、パルス管と、パルス管の高温端に熱的に結合された放熱体とを備えるコールドヘッドを備える。方法は、周囲温度から極低温へとパルス管冷凍機のクールダウンを行うことと、パルス管冷凍機のクールダウン中に放熱体を強制冷却することと、を備える。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、パルス管冷凍機のコールドヘッドからの放熱を促進することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】実施の形態に係る極低温装置を概略的に示す図である。

【図2】実施の形態に係るパルス管冷凍機を概略的に示す図である。

【図3】実施の形態に係るパルス管冷凍機のコールドヘッドの高温端の他の一例を概略的に示す図である。

【図4】実施の形態に係るパルス管冷凍機の強制冷却装置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】

【0012】

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。

【0013】

図１は、実施の形態に係る極低温装置１０を概略的に示す図である。極低温装置１０は、希釈冷凍機として構成され、その予冷のためにパルス管冷凍機１００を備える。詳細は後述するが、パルス管冷凍機１００は、コールドヘッド１０２と強制冷却装置２００を備える。コールドヘッド１０２の高温端には放熱体１５０が設けられており、強制冷却装置２００は、周囲温度から極低温へのパルス管冷凍機１００のクールダウン中に放熱体１５０を強制冷却するように構成される。

【0014】

極低温装置１０は、図１に示されるように、真空容器１２と、第１熱シールド１４および第２熱シールド１６と、希釈冷凍機として動作するヘリウム循環回路２０とを備える。

【0015】

真空容器１２は、希釈冷凍機に適する極低温真空環境を提供する断熱真空容器であり、クライオスタットとも呼ばれる。真空容器１２は、希釈冷凍機の筐体となる。通例、真空容器１２は、円筒状の形状を有しており、概ね平坦な円形状の天板および底板と、これらを接続する円筒状の側壁とを備える。パルス管冷凍機１００は、真空容器１２の例えば天板に設置される。真空容器１２は、周囲圧力（たとえば大気圧）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。

【0016】

第１熱シールド１４および第２熱シールド１６は、外部環境および真空容器１２からの輻射熱からヘリウム循環回路２０の低温部を熱的に保護するために、真空容器１２内でヘリウム循環回路２０の低温部を囲むように配置される。熱シールドは、例えば銅などの金属材料またはその他の高い熱伝導率をもつ材料で形成される。第１熱シールド１４は、例えば１００Ｋ未満（例えば３０Ｋ～６０Ｋ程度）の第１冷却温度に冷却され、第２熱シールド１６は、第１熱シールド１４の内側に配置され、第１冷却温度よりも低い第２冷却温度、例えば３Ｋ～１０Ｋ程度に冷却される。冷却のために、第１熱シールド１４は、パルス管冷凍機１００の第１冷却ステージ１１４ａに熱的に結合され、第２熱シールド１６は、パルス管冷凍機１００の第２冷却ステージ１１４ｂに熱的に結合されてもよい。

【0017】

ヘリウム循環回路２０は、３Ｈｅガスを循環させるポンプ２１を備える。ポンプ２１は、例えば真空ポンプであり、真空容器１２の外、つまり周囲環境に配置される。ポンプ２１によって送り出された周囲温度（例えば室温）の３Ｈｅガスは、トラップ２２を通ってヘリウム循環回路２０の往路側流路２０ａに送り込まれる。

【0018】

往路側流路２０ａには、予冷熱交換器２３、３Ｈｅコンデンサー２４、主インピーダンス２５が設けられている。予冷熱交換器２３は、パルス管冷凍機１００の第２冷却ステージ１１４ｂに熱的に結合されており、３Ｈｅガスを上述の第２冷却温度に冷却する。往路側流路２０ａは、分留室２７からポンプ２１に向かって延び復路側流路２０ｂの一部となる戻り配管２６内に予冷熱交換器２３の下流で進入しており、３Ｈｅコンデンサー２４および主インピーダンス２５はこの戻り配管２６内に配置されている。予冷熱交換器２３で冷却された３Ｈｅガスは、３Ｈｅコンデンサー２４および主インピーダンス２５で凝縮、液化される。

【0019】

往路側流路２０ａにはさらに、第１熱交換器２８、副インピーダンス２９、第２熱交換器３０が設けられ、その先で往路側流路２０ａは混合室３１に接続されている。第１熱交換器２８は、分留室２７内に設けられ、副インピーダンス２９および第２熱交換器３０は、分留室２７の外に設けられている。第２熱交換器３０は、分留室２７と混合室３１との間に設けられ、混合室３１に入る流路と混合室３１から出る流路との間で熱交換するように構成されている。

【0020】

３Ｈｅコンデンサー２４および主インピーダンス２５で液化された液体３Ｈｅは、第１熱交換器２８に送られる。分留室２７は、３Ｈｅと４Ｈｅの飽和蒸気圧の差を利用して３Ｈｅ－４Ｈｅの混合溶液中から３Ｈｅを選択的に取り出すものであり、例えば０．５～０．７Ｋ程度の温度に保持されている。第１熱交換器７に送られた液体３Ｈｅは、分溜室６内の液体との熱交換により、分留室２７の冷却温度へと冷却される。液体３Ｈｅは、副インピーダンス２９を経て第２熱交換器３０でさらに冷却され（例えば１００ｍＫ程度）、混合室３１に送られる。

【0021】

混合室３１の液体ヘリウムは、１００％３Ｈｅの濃厚相と、３Ｈｅが４Ｈｅに溶け込んだ４Ｈｅ－６．４％３Ｈｅの稀薄相とに二相分離しており、密度の差により上相が濃厚相（３Ｈｅ液）、下相が稀薄相（４Ｈｅ－６．４％３Ｈｅ液）となっている。濃厚相に入った３Ｈｅが稀薄相に溶け込む際に熱吸収がおこり、数十ｍＫまたはそれ以下の低温が発生する。所望の被冷却物は、この混合室３１に配置される。このようにして、希釈冷凍機は、ｍＫ（ミリケルビン）オーダーの極低温冷却を提供することができる。

【0022】

図２は、実施の形態に係るパルス管冷凍機１００を概略的に示す図である。図１および図２を参照すると、この実施の形態では、パルス管冷凍機１００は、ＧＭ方式の４バルブ型の二段パルス管冷凍機であり、二段式のコールドヘッド１０２と、バルブユニット１０４と、圧縮機１０６とを備える。また、パルス管冷凍機１００は、バルブユニット１０４がコールドヘッド１０２から分離して配置されたバルブユニット分離型として構成されている。

【0023】

コールドヘッド１０２は、第１段パルス管１１０ａ、第１段蓄冷器１１２ａ、第１冷却ステージ１１４ａ、第２段パルス管１１０ｂ、第２段蓄冷器１１２ｂ、第２冷却ステージ１１４ｂ、トップフランジ１１６、放熱体１５０を備える。

【0024】

図１に示されるように、コールドヘッド１０２は、トップフランジ１１６が真空容器１２に取り付けられることによって、真空容器１２に設置されている。多くの場合、コールドヘッド１０２は、パルス管（１１０ａ、１１０ｂ）の管軸方向を鉛直方向に一致させるようにして真空容器１２の天板または上部に取り外し可能に設置され、パルス管、蓄冷器（１１２ａ、１１２ｂ）、および冷却ステージ（１１４ａ、１１４ｂ）が真空容器１２のなかに配置される。なお、コールドヘッド１０２は、他の姿勢、配置で真空容器１２に設置されてもよい。

【0025】

第１段パルス管１１０ａおよび第１段蓄冷器１１２ａは、トップフランジ１１６を第１冷却ステージ１１４ａに接続し、第２段パルス管１１０ｂおよび第２段蓄冷器１１２ｂは、トップフランジ１１６を第２冷却ステージ１１４ｂに接続する。第２段蓄冷器１１２ｂは、第１段蓄冷器１１２ａに直列に接続されている。２つの蓄冷器、第１段パルス管１１０ａ、第２段パルス管１１０ｂは、互いに平行に配置されている。

【0026】

図２に示されるように、第１段蓄冷器１１２ａの低温端は第１段パルス管１１０ａの低温端と連通し、第２段蓄冷器１１２ｂの低温端は第２段パルス管１１０ｂの低温端と連通している。第１冷却ステージ１１４ａは第１段パルス管１１０ａおよび第１段蓄冷器１１２ａの低温端に設けられ、第２冷却ステージ１１４ｂは、第２段パルス管１１０ｂおよび第２段蓄冷器１１２ｂの低温端に設けられている。第１冷却ステージ１１４ａおよび第２冷却ステージ１１４ｂは、例えば銅などの金属材料またはその他の高い熱伝導率をもつ材料で形成されている。

【0027】

放熱体１５０は、第１段パルス管１１０ａおよび第２段パルス管１１０ｂの高温端に熱的に結合されている。放熱体１５０は、冷却ステージとは反対側でトップフランジ１１６に固定されている。放熱体１５０は、例えばアルミニウムまたはアルミニウム合金で形成されている。あるいは、放熱体１５０は、例えば銅などの金属材料またはその他の高い熱伝導率をもつ材料で形成されてもよい。

【0028】

図示される例では、第１段パルス管１１０ａおよび第２段パルス管１１０ｂの高温端の端面が放熱体１５０の底面に接触するか、または、これらパルス管の高温端のみが放熱体１５０にわずかに入り込んでいる。しかしながら、パルス管のより大きな部分が放熱体１５０内に配置されてもよい。

【0029】

例えば、第１段パルス管１１０ａの軸方向全長の多くとも１／４が放熱体１５０の内部に延在していてもよい。これにより、第１段パルス管１１０ａの軸方向長さのうち高温側の１／４またはそれ未満の部分が放熱体１５０内に配置され、残りの３／４またはそれを超える部分が真空容器１２内に配置される。放熱体１５０内に配置された第１段パルス管１１０ａの高温部は、放熱体１５０を通じて外気と積極的に熱交換することが可能となり、これはコールドヘッド高温端の冷却に有利に働きうる。

【0030】

必要とされる場合には、第１段パルス管１１０ａとともに、または第１段パルス管１１０ａに代えて、第２段パルス管１１０ｂの軸方向全長の多くとも１／４が放熱体１５０の内部に延在していてもよい。

【0031】

放熱体１５０は、真空容器１２の外に配置され、周囲環境に露出されており、外気に触れることができる。よって、放熱体１５０は、自然対流によって冷却されることができる。また、放熱体１５０は、後述の強制冷却装置２００によっても冷却されることができる。放熱体１５０には、後述のように、表面積（熱交換面積）を増すために、放熱フィンが形成されていてもよい。

【0032】

バルブユニット１０４は、主圧力切替弁（Ｖ１，Ｖ２）、第１段副圧力切替弁（Ｖ３，Ｖ４）、および第２段副圧力切替弁（Ｖ５，Ｖ６）を備える。典型的には、バルブユニット１０４は、主圧力切替弁、第１段副圧力切替弁、および第２段副圧力切替弁を組み込んだロータリーバルブの形式で構成される。よって、バルブユニット１０４は、このロータリーバルブとロータリーバルブを回転させるバルブモータとを備える。

【0033】

主圧力切替弁（Ｖ１，Ｖ２）は、蓄冷器連通路１１８により第１段蓄冷器１１２ａの高温端に接続され、第１段副圧力切替弁（Ｖ３，Ｖ４）は、第１段パルス管連通路１２０ａにより第１段パルス管１１０ａの高温端に接続され、第２段副圧力切替弁（Ｖ５，Ｖ６）は、第２段パルス管連通路１２０ｂにより第２段パルス管１１０ｂの高温端に接続される。主圧力切替弁（Ｖ１，Ｖ２）は、第１段蓄冷器１１２ａおよび第２段蓄冷器１１２ｂを圧縮機１０６の吐出口と吸入口に交互に接続するように動作し、第１段副圧力切替弁（Ｖ３，Ｖ４）は、第１段パルス管１１０ａを圧縮機１０６の吐出口と吸入口に交互に接続するように動作し、第２段副圧力切替弁（Ｖ５，Ｖ６）は、第２段パルス管１１０ｂを圧縮機１０６の吐出口と吸入口に交互に接続するように動作する。

【0034】

第１段パルス管連通路１２０ａには例えばオリフィスなどの第１段流量調整要素１２２ａが設けられ、第２段パルス管連通路１２０ｂには第２段流量調整要素１２２ｂが設けられていてもよい。

【0035】

また、パルス管冷凍機１００には、第１段バッファオリフィス１２８ａを介して第１段バッファ容積１２６ａを第１段パルス管１１０ａの高温端に接続する第１段バッファライン１２４ａと、第２段バッファオリフィス１２８ｂを介して第２段バッファ容積１２６ｂを第２段パルス管１１０ｂの高温端に接続する第２段バッファライン１２４ｂが設けられていてもよい。第１段バッファライン１２４ａは、第１段パルス管１１０ａと第１段流量調整要素１２２ａとの間で第１段パルス管連通路１２０ａに接続され、第２段バッファライン１２４ｂは、第２段パルス管１１０ｂと第２段流量調整要素１２２ｂとの間で第２段パルス管連通路１２０ｂに接続されていてもよい。なお図１では便宜上、バッファラインの図示は省略されている。

【0036】

バルブユニット１０４は、コールドヘッド１０２から分離して配置されているため、第１段蓄冷器１１２ａ、第１段パルス管１１０ａ、および第２段パルス管１１０ｂの高温端に配管接続されている。配管は、例えばフレキシブルホースなどの可撓性をもつ配管であってもよいし、剛性の配管であってもよい。

【0037】

放熱体１５０には、これらの配管、すなわち、蓄冷器連通路１１８、第１段パルス管連通路１２０ａ、および第２段パルス管連通路１２０ｂが接続される例えばセルフシーリング・カップリングなどの着脱自在な流体継手１３０が設けられている。こうした流体継手１３０は、図１および図３に示されるように、放熱体１５０の例えば上面に設けられていてもよい。なお、放熱体１５０の温度上昇による流体継手１３０への影響を防止または軽減するために、流体継手１３０と放熱体１５０との間に断熱材が挟み込まれていてもよい。断熱材は、例えばエンジニアプラスチック製のプレートであってもよい。

【0038】

ＧＭ方式の４バルブ型のパルス管冷凍機それ自体はよく知られているから、パルス管冷凍機１００の各構成要素の更なる詳細な説明は省略する。

【0039】

このような構成により、パルス管冷凍機１００は、作動ガスの圧力振動に対しパルス管内のガス要素（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、パルス管の低温端にＰＶ仕事を発生し、冷却ステージを目標の冷却温度に冷却することができる。第１冷却ステージ１１４ａは、例えば１００Ｋ未満（たとえば３０Ｋ～６０Ｋ程度）の第１冷却温度に冷却され、第２冷却ステージ１１４ｂは、第１冷却温度よりも低い第２冷却温度、例えば３Ｋ～１０Ｋ程度に冷却されうる。

【0040】

ところで、希釈冷凍機の始動に際して、パルス管冷凍機１００は、周囲温度（例えば３００Ｋ程度の常温）から目的の極低温（すなわち、上述の第１および第２冷却温度）まで急速に冷却される。このようなクールダウンの完了後に、パルス管冷凍機１００は、到達した冷却温度を維持する通常の冷却運転に移行する。

【0041】

クールダウン中には、パルス管冷凍機１００の冷凍能力に相応する比較的大きな熱量が、パルス管冷凍機１００の冷凍サイクルにおける断熱圧縮過程から発生する。とくに、希釈冷凍機は比較的大型の装置であるため、第１熱シールド１４、第２熱シールド１６、およびヘリウム循環回路２０など、低温部の熱容量が大きくなりがちであり、これらの冷却のためにクールダウン中に発生する熱量も大きくなる。この熱は、パルス管冷凍機１００のコールドヘッド高温端、つまり放熱体１５０から外部に放熱されることになる。

【0042】

本書の冒頭で述べたように、本発明者は、パルス管冷凍機１００を予冷冷凍機として希釈冷凍機に搭載する場合、クールダウン中におけるコールドヘッド１０２からの放熱が不足し、放熱体１５０がかなり高温（例えば６０℃～９０℃を超える）に加熱されうることを認識した。

【0043】

既存設計の希釈冷凍機では、ＧＭ冷凍機が予冷冷凍機として用いられている。ＧＭ冷凍機では通例、コールドヘッドの高温端にロータリーバルブなどの圧力切替機構が組み込まれている。コールドヘッドの圧力切替機構は作動ガスの供給専用の配管と回収専用の配管とで圧縮機に接続されている。そのためコールドヘッド高温端で加熱された作動ガスが回収配管を通じてコールドヘッドから圧縮機へと一方向に流れる。この作動ガス流れとともに比較的多くの熱をコールドヘッドから圧縮機へと運び去ることができる。コールドヘッド高温端の自然対流冷却に加えて、ＧＭ冷凍機では、こうした作動ガス回収流れが放熱に有効に働いている。

【0044】

ところが、パルス管冷凍機１００では、バルブユニット１０４がコールドヘッド１０２から分離されている。分離されたバルブユニット１０４は上述のようにコールドヘッド１０２と配管で接続される。両者を接続する蓄冷器連通路１１８、第１段パルス管連通路１２０ａ、および第２段パルス管連通路１２０ｂはいずれも、作動ガスの双方向流路となっている。すなわち、これらの流路では、圧縮機１０６からコールドヘッド１０２への作動ガス流入と、逆にコールドヘッド１０２から圧縮機１０６への作動ガス流出とが交互に生じ、作動ガスが往復して流れる。作動ガス流れが一方向ではないために、流出する作動ガスによって放熱体１５０から運び去られる熱量は比較的小さくなりうる。

【0045】

その結果、クールダウン中に発生する熱量が自然対流冷却による放熱量を凌駕する場合には、パルス管冷凍機１００のコールドヘッド高温端に大きな温度上昇が生じうる。これに起因してパルス管冷凍機１００のクールダウン時間が長くなることが懸念される。パルス管冷凍機１００のクールダウンは、希釈冷凍機によって所望の被冷却物を極低温冷却するための準備作業の一部にすぎないから、その所要時間はなるべく短いことが望まれる。

【0046】

そこで、この実施の形態では、パルス管冷凍機１００は、強制冷却装置２００を備える。強制冷却装置２００は、周囲温度から極低温へのパルス管冷凍機１００のクールダウン中に放熱体１５０を強制冷却するように構成される。

【0047】

一例として、強制冷却装置２００は、冷却のための空気流れ１５１を放熱体１５０に提供するように構成される空冷式の冷却器、例えば冷却ファン２０２を備える。冷却ファン２０２は、放熱体１５０に風を吹き付けるように（または放熱体１５０の周りの空気を吸い込むように）放熱体１５０に近接または隣接して配置される。

【0048】

したがって、実施の形態によると、冷却ファン２０２を利用した放熱体１５０の強制冷却によって、パルス管冷凍機１００のコールドヘッド１０２の高温端からの放熱を促進できる。これにより、コールドヘッド１０２の高温端の過剰な温度上昇およびそれによるクールダウン時間の増加を抑制することができる。

【0049】

冷却ファン２０２は、コールドヘッド１０２から分離配置されていてもよい。つまり、冷却ファン２０２は、コールドヘッド１０２上に搭載されるのではなく、コールドヘッド１０２から離れて配置されてもよい。このようにすれば、冷却ファン２０２の動作中に冷却ファン２０２が発生させうる振動がコールドヘッド１０２を通じて希釈冷凍機の低温部に伝達するのを避けられる。この場合、冷却ファン２０２は、希釈冷凍機を床面に支持する支持フレームなどの支持構造に支持されてもよい。あるいは、冷却ファン２０２は、希釈冷凍機の支持構造とは別に設けられた、冷却ファン２０２を放熱体１５０の近くに配置するための専用の支持構造に支持されてもよい。

【0050】

図３は、実施の形態に係るパルス管冷凍機１００のコールドヘッド１０２の高温端の他の一例を概略的に示す図である。図３に示されるように、冷却ファン２０２は、コールドヘッド１０２に搭載されてもよい。冷却ファン２０２は、コールドヘッド１０２のトップフランジ１１６上に設置されたブラケット１６０に取り付けられ、放熱体１５０に隣接して配置されている。冷却ファン２０２の作動により、冷却のための空気流れを放熱体１５０に提供することができる。

【0051】

放熱体１５０は、空気流れとの熱交換面積を増加するために、放熱フィン１５２を備える。放熱フィン１５２は、パルス管の軸方向に延在する。よって、図示されるように、放熱フィン１５２は、トップフランジ１１６に接触している放熱体１５０の底板から上方に向けて突出している。冷却ファン２０２は、放熱フィン１５２の斜め上方に配置されている。従って、冷却ファン２０２は、放熱フィン１５２間のスリットに向けて空気流を吹き込む（またはスリットから空気流を吸い出す）ことができ、これにより、放熱フィン１５２と空気流の熱交換を促進し、放熱体１５０を効果的に冷却することができる。同様の観点から、冷却ファン２０２は、放熱フィン１５２の上方に配置されてもよい。

【0052】

図示される例では、一つの冷却ファン２０２が、放熱体１５０の片側に設置されている。これに代えて、放熱体１５０の周りに複数の冷却ファン２０２が設置されてもよい。例えば、一組の冷却ファン２０２が放熱体１５０の両側に配置されてもよい。あるいは、４つの冷却ファン２０２が放熱体１５０の周りに９０度間隔で配置されてもよい。

【0053】

また、強制冷却装置２００は、クールダウン後に放熱体１５０の強制冷却を停止するように構成されてもよい。このようにすれば、パルス管冷凍機１００のクールダウンを完了した後の通常冷却運転（つまり、希釈冷凍機による所望の対象物の冷却中）において、強制冷却装置２００は作動せず、強制冷却装置２００から希釈冷凍機の低温部への振動伝達も発生し得ない。したがって、振動による希釈冷凍機の冷凍性能への悪影響を抑止できる。

【0054】

再び図１を参照すると、強制冷却装置２００は、パルス管冷凍機１００の状態を検出するセンサ、例えば温度センサ２０４と、センサの出力に基づいてパルス管冷凍機１００がクールダウン中であるか否かを決定し、クールダウン中に冷却器（例えば冷却ファン２０２）を作動させるように構成されるコントローラ２０６とを備えてもよい。

【0055】

コントローラ２０６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。

【0056】

温度センサ２０４は、コールドヘッド１０２に、具体的には例えば放熱体１５０に設けられている。コントローラ２０６は、温度センサ２０４によって測定されたコールドヘッド１０２の測定温度（この場合、放熱体１５０の測定温度）を温度しきい値と比較し、コールドヘッド１０２の測定温度が温度しきい値を超えるとき冷却器を作動させるように構成されていてもよい。温度しきい値は、パルス管冷凍機１００のクールダウン中に想定される放熱体１５０の温度に基づいて設定されてもよく、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。

【0057】

この場合、温度センサ２０４は、測定温度を示す測定温度データをコントローラ２０６に送信するように、コントローラ２０６に通信可能に接続されている。コントローラ２０６は、温度センサ２０４から測定温度データを受信し、測定温度を温度しきい値と比較する。コントローラ２０６は、測定温度が温度しきい値を超える場合に冷却ファン２０２を作動させる。すなわち、コントローラ２０６は、冷却ファン２０２をオフからオンに切り替えることにより、冷却ファン２０２を起動する。一方、コントローラ２０６は、測定温度が温度しきい値を超えない場合には、冷却ファン２０２を起動しない（冷却ファン２０２をオフのままとする）。

【0058】

このように、コントローラ２０６は、放熱体１５０が周囲温度に比べて加熱されている状態（具体的には、放熱体１５０の測定温度が温度しきい値よりも高いとき）をパルス管冷凍機１００のクールダウン中とみなし、強制冷却装置２００を作動させ放熱体１５０を強制冷却する。一方、コントローラ２０６は、放熱体１５０が周囲温度程度に冷却されている状態（具体的には、放熱体１５０の測定温度が温度しきい値よりも低いとき）をパルス管冷凍機１００のクールダウンの終了とみなし、強制冷却装置２００の動作を停止する。クールダウンの終了後は、上述のように、パルス管冷凍機１００は、通常冷却運転に移行する。このようにして、パルス管冷凍機１００の通常冷却運転では、強制冷却装置２００は停止され、その動作による振動発生を避けられる。

【0059】

なお、温度センサ２０４は、放熱体１５０に設置することに代えて、第１冷却ステージ１１４ａまたは第２冷却ステージ１１４ｂに設置されてもよい。また、温度センサ２０４は、第１熱シールド１４または第２熱シールド１６に設置されてもよい。このようにしても、コントローラ２０６は、温度センサ２０４の出力に基づいてパルス管冷凍機１００がクールダウン中であるか否かを決定することが可能である。また、温度センサ２０４は、極低温装置１０（希釈冷凍機）の図示しない冷却ステージまたは被冷却物に設置されてもよい。

【0060】

また、温度センサ２０４に代えて、パルス管冷凍機１００の状態を検出するセンサは、コールドヘッド１０２の作動ガス圧力を測定する圧力センサ、または圧縮機１０６の消費電力を測定するセンサであってもよい。作動ガス圧力または消費電力も、クールダウン中に通常冷却運転に比べて増加するものと想定される。したがって、コントローラ２０６は、これらセンサの出力に基づいてパルス管冷凍機１００がクールダウン中であるか否かを決定することが可能である。

【0061】

図４は、実施の形態に係るパルス管冷凍機１００の強制冷却装置２００の他の一例を概略的に示す図である。強制冷却装置２００は、液冷式の冷却器を備えてもよく、冷却液（例えば冷却水）を流すための内部流路１５４が放熱体１５０に形成されていてもよい。このようにしても、冷却ファン２０２の場合と同様に、放熱体１５０を強制冷却することができる。

【0062】

例えば、図示されない冷却液源から放熱体１５０の内部流路１５４に冷却液１５６が供給される。内部流路１５４において冷却液１５６は放熱体１５０との熱交換により放熱体１５０を冷却する。内部流路１５４から排出される冷却液（矢印１５８で模式的に表す）は、冷却液源に戻され再び冷却されて放熱体１５０に供給されてもよい。

【0063】

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。

【0064】

上述の実施の形態では、パルス管冷凍機１００が４バルブ型である場合を例に挙げて説明したが、パルス管冷凍機１００は、例えばダブルインレット型など他の形式を有してもよい。また、パルス管冷凍機１００は、ＧＭ方式には限られず、スターリング型のパルス管冷凍機であってもよい。パルス管冷凍機１００は、二段式には限られず、単段式、または三段そのほかの多段式のパルス管冷凍機であってもよい。

【0065】

また、上述の実施の形態では、パルス管冷凍機１００が希釈冷凍機に適用される場合を例として説明しているが、パルス管冷凍機１００は、他の形式の極低温冷凍機に予冷冷凍機として搭載されるなど、他の用途に適用されてもよい。

【0066】

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】

【0067】

１００ パルス管冷凍機、 １０２ コールドヘッド、 １０４ バルブユニット、 １１０ａ 第１段パルス管、 １１０ｂ 第２段パルス管、 １５０ 放熱体、 １５２ 放熱フィン、 ２００ 強制冷却装置、 ２０２ 冷却ファン、 ２０４ 温度センサ、 ２０６ コントローラ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】