特開 2024-88218 冷媒再凝縮装置および冷媒補給方法

(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】P2024088218

(43)【公開日】2024-07-02

(54)【発明の名称】冷媒再凝縮装置および冷媒補給方法

(51)【国際特許分類】

   F25B 9/00 20060101AFI20240625BHJP

   F25B 9/14 20060101ALI20240625BHJP

【ＦＩ】

F25B9/00 K

F25B9/14 530Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022203281

(22)【出願日】2022-12-20

(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】出村 健太

(57)【要約】

【課題】冷媒再凝縮装置における効率的な冷媒の補給に役立つ技術を提供する。
【解決手段】冷媒ガスを冷媒再凝縮室１１２で再凝縮する冷媒再凝縮装置１０が提供される。冷媒再凝縮装置１０は、再凝縮される冷媒ガスと同種の冷媒ガスを内部に有し、冷媒再凝縮室１１２を冷却する極低温冷凍機１１と、極低温冷凍機１１から分岐し、極低温冷凍機１１から冷媒再凝縮室１１２への冷媒ガスの不可逆的な供給を可能とするように冷媒再凝縮室１１２に接続される非循環式のトランスファーライン７０と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

冷媒ガスを冷媒再凝縮室で再凝縮する冷媒再凝縮装置であって、
再凝縮される前記冷媒ガスと同種の冷媒ガスを内部に有し、前記冷媒再凝縮室を冷却する極低温冷凍機と、
前記極低温冷凍機から分岐し、前記極低温冷凍機から前記冷媒再凝縮室への前記冷媒ガスの不可逆的な供給を可能とするように前記冷媒再凝縮室に接続される非循環式のトランスファーラインと、を備えることを特徴とする冷媒再凝縮装置。

【請求項2】

前記極低温冷凍機は、前記冷媒ガスの断熱膨張を内部で周期的に繰り返すように構成された膨張機と、前記膨張機に前記冷媒ガスを供給するように前記膨張機に接続された高圧ラインと、前記膨張機から前記冷媒ガスを回収するように前記膨張機に接続された低圧ラインと、を備え、
前記非循環式のトランスファーラインは、前記高圧ラインまたは前記低圧ラインのいずれかから分岐していることを特徴とする請求項１に記載の冷媒再凝縮装置。

【請求項3】

前記非循環式のトランスファーラインは、前記高圧ラインから分岐しており、前記低圧ラインには合流しないことを特徴とする請求項２に記載の冷媒再凝縮装置。

【請求項4】

前記非循環式のトランスファーラインは、前記極低温冷凍機に熱的に結合され、前記極低温冷凍機と前記トランスファーラインとの熱交換により前記トランスファーラインを冷却する熱交換器を備えることを特徴とする請求項１に記載の冷媒再凝縮装置。

【請求項5】

前記非循環式のトランスファーラインは、前記トランスファーラインを前記極低温冷凍機に接続しまたは切り離すバルブを備えることを特徴とする請求項１に記載の冷媒再凝縮装置。

【請求項6】

前記極低温冷凍機は、シリンダと、前記シリンダのまわりに配置される物体接触面を有し、前記シリンダよりも熱伝導率の高い材料で形成された冷却ステージと、を備え、
前記非循環式のトランスファーラインは、前記冷却ステージの前記物体接触面を迂回するように前記シリンダまたは前記冷却ステージに形成された冷媒ガス流路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冷媒再凝縮装置。

【請求項7】

冷媒ガスを冷媒再凝縮室で再凝縮する冷媒再凝縮装置における冷媒補給方法であって、前記冷媒再凝縮装置は、再凝縮される前記冷媒ガスと同種の冷媒ガスを内部に有する極低温冷凍機を備えており、前記方法は、
前記冷媒再凝縮室を冷却するように前記極低温冷凍機を運転することと、
前記極低温冷凍機の運転中に、前記極低温冷凍機から前記冷媒再凝縮室へと冷媒ガスを不可逆的に供給することと、を備えることを特徴とする冷媒補給方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、冷媒再凝縮装置および冷媒補給方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機などの極低温冷凍機は、冷媒再凝縮装置の冷却源として利用されている。例えば液体ヘリウムなどの液体冷媒は、たとえば超伝導機器、センサ、またはその他の物体を極低温に冷却し、その結果気化しうる。気化した冷媒は、極低温冷凍機によって再び凝縮され冷却に利用される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０００－７９１０６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

冷媒再凝縮装置のメンテナンスの際、極低温冷凍機が取り外され、液体冷媒の循環ラインが外部に開放され、内部の冷媒が気化して放出または漏洩されることがある。その場合、メンテナンス後に装置を再稼働するために、必要量の液体冷媒が補給されることになる。典型的な補給方法では、極低温に冷却され液化された冷媒が用意され装置内に流し込まれる。しかしながら、流入中に周囲からの熱で冷媒の一部が気化し霧散しうるなど、この方法では冷媒のロスが大きくなりがちである。また、離島など遠隔地には、極低温に保ちながら液体冷媒を運び込むこと自体が困難でありうる。使用される冷媒がヘリウムである場合には、このような問題がより顕在化しやすい。

【0005】

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、冷媒再凝縮装置における効率的な冷媒の補給に役立つ技術を提供することにある。

【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、冷媒ガスを冷媒再凝縮室で再凝縮する冷媒再凝縮装置が提供される。冷媒再凝縮装置は、再凝縮される冷媒ガスと同種の冷媒ガスを内部に有し、冷媒再凝縮室を冷却する極低温冷凍機と、極低温冷凍機から分岐し、極低温冷凍機から冷媒再凝縮室への冷媒ガスの不可逆的な供給を可能とするように冷媒再凝縮室に接続される非循環式のトランスファーラインと、を備える。

【0007】

本発明のある態様によると、冷媒ガスを冷媒再凝縮室で再凝縮する冷媒再凝縮装置における冷媒補給方法が提供される。冷媒再凝縮装置は、再凝縮される冷媒ガスと同種の冷媒ガスを内部に有する極低温冷凍機を備える。冷媒補給方法は、冷媒再凝縮室を冷却するように極低温冷凍機を運転することと、極低温冷凍機の運転中に、極低温冷凍機から冷媒再凝縮室へと冷媒ガスを不可逆的に供給することと、を備える。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、冷媒再凝縮装置における効率的な冷媒の補給に役立つ技術を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施の形態に係る冷媒再凝縮装置を概略的に示す図である。

【図2】実施の形態に係る冷媒再凝縮装置を概略的に示す図である。

【図3】実施の形態に係る冷媒補給方法の一例を示すフローチャートである。

【図4】実施の形態に係る冷媒再凝縮装置の他の一例の一部を概略的に示す図である。

【図5】実施の形態に係る極低温装置の他の一例の一部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および図２は、実施の形態に係る冷媒再凝縮装置１０を概略的に示す図である。冷媒再凝縮装置１０は、極低温冷凍機１１と非循環式のトランスファーライン７０を備え、極低温装置１００に搭載される。トランスファーライン７０の詳細は後述する。図１には、冷媒再凝縮装置１０の使用例として極低温装置１００に搭載された状態が示され、図２には、極低温冷凍機１１の内部構造が示される。

【0012】

極低温装置１００は、冷媒再凝縮装置１０とともに、超伝導コイル１０２と、真空容器１０４と、輻射シールド１０６と、極低温冷媒回路１１０とを備える。極低温装置１００は、超伝導コイル１０２を室温から極低温に冷却するとともに、超伝導コイル１０２の使用中、超伝導コイル１０２を極低温に維持するように構成される。極低温冷媒回路１１０は、冷媒再凝縮装置１０とともに、超伝導コイル１０２の冷却システムを構成する。

【0013】

極低温装置１００は、超伝導磁石装置として構成される。超伝導コイル１０２は、公知の超伝導コイル（たとえば、いわゆる低温超伝導コイル）であってもよく、超伝導転移温度以下の極低温に冷却された状態で通電されることにより強力な磁場を発生するように構成される。超伝導コイル１０２は、例えば単結晶引き上げ装置、ＮＭＲ(Nuclear Magnetic Resonance)システム、ＭＲＩ(Magnetic Resonance Imaging)システム、サイクロトロンなどの加速器、核融合システムなどの高エネルギー物理システム、またはその他の高磁場利用機器（図示せず）の磁場源として高磁場利用機器に搭載され、その機器に必要とされる高磁場を発生させることができる。よって、極低温装置１００は、このような高磁場利用機器の一部を構成してもよい。

【0014】

真空容器１０４は、超伝導コイル１０２を超伝導状態とするの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１０４は、例えば、円柱状の形状、または中心部に中空部を有する円筒状の形状を有してもよい。真空容器１０４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。

【0015】

極低温冷凍機１１は、冷媒再凝縮装置１０によって再凝縮される冷媒ガスと同種の冷媒ガスを内部に有する。極低温冷凍機１１は後述のように、冷媒再凝縮装置１０の冷媒再凝縮室１１２を冷却する。

【0016】

極低温冷凍機１１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１１の冷媒ガスを膨張機１４から回収し、回収した冷媒ガスを昇圧して、再び冷媒ガスを膨張機１４に供給するよう構成されている。膨張機１４は、コールドヘッドとも呼ばれる。冷媒ガスは、作動ガスとも称され、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。理解のために、冷媒ガスの流れる方向を図１および図２に矢印で示す。

【0017】

なお、一般に、圧縮機１２から膨張機１４に供給される冷媒ガスの圧力と、膨張機１４から圧縮機１２に回収される冷媒ガスの圧力は、ともに大気圧よりかなり高く、それぞれ第１高圧及び第２高圧と呼ぶことができる。説明の便宜上、第１高圧及び第２高圧はそれぞれ単に高圧及び低圧とも呼ばれる。典型的には、高圧は例えば２～３ＭＰａである。低圧は例えば０．５～１．５ＭＰａであり、例えば約０．８ＭＰａである。

【0018】

圧縮機１２は、圧縮機本体１２ａ、高圧ガス出口１２ｂ、低圧ガス入口１２ｃ、および圧縮機本体１２ａを収容する圧縮機筐体１２ｄを備える。圧縮機本体１２ａは、その吸入口から吸入される冷媒ガスを内部で圧縮して吐出口から吐出するよう構成されている。圧縮機本体１２ａは、例えば、スクロール方式、ロータリ式、または冷媒ガスを昇圧するそのほかのポンプであってもよい。高圧ガス出口１２ｂは、圧縮機１２の冷媒ガス吐出ポートとして圧縮機筐体１２ｄに設置されており、圧縮機本体１２ａの吐出口に接続されている。低圧ガス入口１２ｃは、圧縮機１２の冷媒ガス吸入ポートとして圧縮機筐体１２ｄに設置されており、圧縮機本体１２ａの吸入口に接続されている。

【0019】

圧縮機本体１２ａは、潤滑と冷却のためにオイルが使用されるオイル潤滑式であり、吸入された冷媒ガスは圧縮機本体１２ａ内でこのオイルに直接さらされる。よって、冷媒ガスは、オイルが若干混入した状態で吐出口から送出される。そこで、冷媒ガスからオイルを除去するために、圧縮機本体１２ａの吐出口を高圧ガス出口１２ｂに接続する高圧側の流路には、ガス清浄化装置１２ｅが設置されている。ガス清浄化装置１２ｅは、冷媒ガスからオイルを分離するオイルセパレータと、オイルセパレータでオイル分離された冷媒ガス中のガス状オイル成分（例えば、気化したオイルやミスト状のオイルなど）や水分を吸着することにより冷媒ガスを浄化するアドゾーバと、を備えてもよい。このようにして清浄化された冷媒ガスが圧縮機１２から膨張機１４に供給されることになる。

【0020】

圧縮機筐体１２ｄには、極低温冷凍機１１に冷媒ガスを充填するためのチャージポート１２ｆが設けられている。チャージポート１２ｆは、低圧ガス入口１２ｃを圧縮機本体１２ａの吸入口に接続する低圧側の流路に接続されている。この低圧側の流路にストレージタンクが設けられている場合には、チャージポート１２ｆはストレージタンクに接続されてもよい。冷媒ガスを充填するとき、チャージポート１２ｆに冷媒ガスタンクが接続され、そこから冷媒ガスがチャージポート１２ｆを通じて圧縮機１２内に供給される。

【0021】

また、極低温冷凍機１１は、圧縮機１２と膨張機１４の間で冷媒ガスを循環させるガスラインを備える。このガスラインは、圧縮機１２から膨張機１４に冷媒ガスを供給するように圧縮機１２を膨張機１４に接続する高圧ライン１３ａと、膨張機１４から圧縮機１２に冷媒ガスを回収するように圧縮機１２を膨張機１４に接続する低圧ライン１３ｂとを備える。膨張機１４には、高圧ガス入口１４ａと低圧ガス出口１４ｂが設けられている。高圧ガス入口１４ａは、高圧配管１５ａによって圧縮機１２の高圧ガス出口１２ｂに接続され、低圧ガス出口１４ｂは、低圧配管１５ｂによって低圧ガス入口１２ｃに接続されている。高圧ライン１３ａは、高圧ガス入口１４ａと高圧配管１５ａを含み、低圧ライン１３ｂは、低圧ガス出口１４ｂと低圧配管１５ｂを含む。

【0022】

極低温冷凍機１１は、一例として、二段式のＧＭ冷凍機である。よって、極低温冷凍機１１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、低温部として第１冷却ステージ３３と第２冷却ステージ３５を備える。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、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。

【0023】

膨張機１４は、第１シリンダ１６ａと第２シリンダ１６ｂを有する膨張機シリンダ１６を備える。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。膨張機シリンダ１６は通例、例えばステンレス鋼など、第１冷却ステージ３３および第２冷却ステージ３５に比べて熱伝導率の低い金属材料で形成される。

【0024】

また、膨張機シリンダ１６は、膨張機１４を真空容器１０４に設置するための装着フランジ２２を備える。第１シリンダ１６ａは、装着フランジ２２を第１冷却ステージ３３に接続し、第２シリンダ１６ｂは、第１冷却ステージ３３を第２冷却ステージ３５に接続する。膨張機ハウジング２０は、第１シリンダ１６ａとは反対側で装着フランジ２２に取り付けられている。

【0025】

膨張機シリンダ１６内に、膨張機１４は、第１ディスプレーサ１８ａと第２ディスプレーサ１８ｂとを有するディスプレーサ組立体を備える。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。

【0026】

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。

【0027】

本書では、極低温冷凍機１１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１１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。

【0028】

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。

【0029】

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。

【0030】

第１ディスプレーサ１８ａおよび第２ディスプレーサ１８ｂを備えるディスプレーサ組立体は、上部室３０、第１膨張室３２、第２膨張室３４を膨張機シリンダ１６の内部に形成する。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。

【0031】

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冷媒ガス流路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冷媒ガス流路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冷媒ガス流路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冷媒ガス流路３６ｄを通じて第２膨張室３４に接続されている。

【0032】

第１膨張室３２、第２膨張室３４と上部室３０との間の冷媒ガス流れが、膨張機シリンダ１６とディスプレーサ組立体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。

【0033】

図１に示されるように、膨張機１４は、圧力切替バルブ４０を収容する膨張機ハウジング２０を備える。膨張機ハウジング２０は、装着フランジ２２で膨張機シリンダ１６と結合され、それにより、圧力切替バルブ４０およびディスプレーサ組立体を収容する気密容器が構成される。

【0034】

膨張機１４から圧縮機１２に回収される冷媒ガスは、膨張機１４の低圧ガス出口１４ｂから低圧配管１５ｂを通じて圧縮機１２の低圧ガス入口１２ｃに入り、圧縮機本体５７によって圧縮され昇圧される。圧縮機１２から膨張機１４に供給される冷媒ガスは、圧縮機１２の高圧ガス出口１２ｂから出て、高圧配管１５ａを通じて高圧ガス入口１４ａから膨張機１４に供給される。

【0035】

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、膨張機シリンダ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の冷媒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の冷媒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）の冷媒ガスが圧縮機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）の冷媒ガスが膨張機１４から低圧バルブ４０ｂを通じて圧縮機１２に回収される。

【0036】

また、膨張機１４は、第１ディスプレーサ１８ａおよび第２ディスプレーサ１８ｂの往復動を駆動する駆動モータ４２を備える。駆動モータ４２は、膨張機ハウジング２０に取り付けられている。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、膨張機ハウジング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。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、第１ディスプレーサ１８ａおよび第２ディスプレーサ１８ｂは膨張機シリンダ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。

【0037】

膨張機１４は、この例では、真空容器１０４の天板に設置されている。真空容器１０４の天板には開口部が設けられ、そこから膨張機１４が真空容器１０４内に挿し込まれている。この開口部で装着フランジ２２が真空容器１０４に取り付けられ、膨張機１４は真空容器１０４に固定される。膨張機１４は、膨張機ハウジング２０を上方に向け、第１冷却ステージ３３および第２冷却ステージ３５を下方に向けるようにして、縦向きに真空容器１０４に設置される。膨張機ハウジング２０は、真空容器１０４の周囲環境（例えば室温大気圧環境）に露出されている。

【0038】

図１に示されるように、真空容器１０４内には、極低温冷凍機１１の低温部および超伝導コイル１０２とともに、輻射シールド１０６が配置される。輻射シールド１０６は、第１冷却ステージ３３と熱的に結合され第１冷却温度に冷却される。輻射シールド１０６は、第１冷却ステージ３３に直接取り付けられ、第１冷却ステージ３３と熱的に結合される。あるいは、輻射シールド１０６は、可撓性または剛性をもつ伝熱部材を介して第１冷却ステージ３３に取り付けられてもよい。輻射シールド１０６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。輻射シールド１０６は、第２冷却温度に冷却される超伝導コイル１０２、極低温冷凍機１１の第２冷却ステージ３５、およびその他の低温部を囲むように配置され、外部からの輻射熱からこれら低温部を熱的に保護することができる。

【0039】

極低温冷凍機１１の膨張機１４は、冷媒ガスの断熱膨張を内部で周期的に繰り返すように構成されている。極低温冷凍機１１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冷媒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、第１冷却温度、例えば３０Ｋ～８０Ｋに冷却される。輻射シールド１０６は、第１冷却ステージ３３によって第１冷却温度に冷却される。第２冷却ステージ３５は、第１冷却温度よりも低い第２冷却温度、例えば約４Ｋ以下の液体ヘリウム温度に冷却される。

【0040】

極低温冷媒回路１１０は、超伝導コイル１０２の表面及び／または内部に配置された極低温冷媒配管１１１を有し、極低温冷媒配管１１１を流れる極低温冷媒と超伝導コイル１０２との熱交換により超伝導コイル１０２を冷却する。極低温冷媒回路１１０を循環する冷媒ガスは、極低温冷凍機１１内の冷媒ガスと同種の冷媒ガスである。よって、極低温冷媒は例えば、液体ヘリウムである。

【0041】

極低温冷媒回路１１０における冷媒ガスの圧力は、極低温冷凍機１１の冷媒ガスの圧力（例えば、高圧ライン１３ａの圧力、または低圧ライン１３ｂの圧力）よりも低い圧力であってもよい。例えば、極低温冷媒回路１１０の冷媒ガスの圧力は、大気圧程度であってもよい。

【0042】

また、極低温冷媒回路１１０は、冷媒再凝縮室１１２を有する。冷媒再凝縮室１１２は、極低温冷凍機１１によって例えば３～４Ｋ程度に冷却される。冷媒再凝縮室１１２は、ヘリウムポットとも呼ばれる。冷媒再凝縮室１１２は、内部に液体冷媒を貯留するよう構成され、冷媒再凝縮室１１２の壁には極低温冷凍機１１の第２冷却ステージ３５に熱的に結合された再凝縮部が設けられる。この再凝縮部は液体冷媒と接触する表面積を増やすためにフィン状または凹凸を冷媒再凝縮室１１２の内部に有してもよい。

【0043】

冷媒再凝縮室１１２は、供給配管１１３により極低温冷媒配管１１１の入口１１１ａに接続される。冷媒再凝縮室１１２で再凝縮された極低温冷媒は、供給配管１１３を通じて極低温冷媒配管１１１に供給される。また、極低温冷媒配管１１１の出口１１１ｂは、戻り配管１１４により冷媒再凝縮室１１２に接続される。超伝導コイル１０２を冷却することにより気化した極低温冷媒は、戻り配管１１４を通じて極低温冷媒配管１１１から冷媒再凝縮室１１２に戻り、再凝縮される。戻り配管１１４には、気化した極低温冷媒を収容するバッファ容積１１５（例えば、ヘリウムガスタンク）が接続されていてもよい。

【0044】

このようにして、極低温冷凍機１１は、極低温冷媒回路１１０を冷却し、それにより超伝導コイル１０２を冷却する。超伝導コイル１０２は、超伝導転移温度以下の極低温に冷却された状態で外部電源（図示せず）から通電されることにより強力な磁場を発生することができる。

【0045】

この実施の形態によると、極低温装置１００には、省ヘリウムの超伝導コイル冷却システムが実現される。超伝導コイルの全体を液体ヘリウムに浸して冷却する従来型のいわゆる浸漬冷却では、たとえば１０００リットル以上の液体ヘリウムが使用される。これに対して、この省ヘリウム冷却方式では、極低温冷媒回路１１０を循環する液体ヘリウムはたとえば５０リットル未満で十分である。

【0046】

ところで、極低温装置１００には、長期的な運用のなかで定期的に、または何らかのアクシデントに対処するために、メンテナンスが行われることがある。極低温装置１００のメンテナンスの際、極低温冷凍機１１にもメンテナンスを施すために、極低温装置１００から極低温冷凍機１１が取り外されてもよい。このとき、極低温冷凍機１１が冷媒再凝縮室１１２から取り外され、冷媒再凝縮室１１２が開放され、内部のヘリウムが外部に放出または漏洩されうる。したがって、メンテナンス後に極低温装置１００を再稼働するために、必要量のヘリウムが極低温冷媒回路１１０に補給されることになる。

【0047】

上述のように、典型的な冷媒補給方法では、液体ヘリウムが用意され装置内に流し込まれる。しかしながら、多くの既存設計では、この流入経路は、極低温装置１００において極低温冷凍機１１から離れた場所に設置されており、冷却の熱交換効率がよくない。そのため、流入中に周囲からの熱で冷媒の一部が気化し霧散しうるなど、この方法では液体ヘリウムのロスが大きくなりがちである。また、極低温装置１００が離島など遠隔地に設置されている場合には、その設置場所まで液体ヘリウムを極低温に保ちながら運び込むこと自体が困難でありうる。

【0048】

そこで、この実施の形態では、冷媒再凝縮装置１０は、極低温冷凍機１１に付設された冷媒ガスのトランスファーライン７０を備える。トランスファーライン７０は、極低温冷凍機１１から分岐し、極低温冷凍機１１から冷媒再凝縮室１１２への冷媒ガスの不可逆的な供給を可能とするように冷媒再凝縮室１１２に接続される。極低温冷凍機１１が内部に有する冷媒ガスと冷媒再凝縮室１１２で再凝縮される冷媒ガスは同種（本例ではヘリウムガス）であるため、トランスファーライン７０を通じて極低温冷凍機１１から冷媒再凝縮室１１２へと冷媒ガスを補給することができる。

【0049】

トランスファーライン７０は、非循環式であり、すなわち、極低温冷凍機１１に再び合流しない。よって、冷媒ガスは、極低温冷凍機１１からトランスファーライン７０を通じて冷媒再凝縮室１１２へと不可逆的に供給される。すなわち、極低温冷凍機１１から冷媒再凝縮室１１２に一度供給された冷媒ガスは、極低温冷凍機１１に再び回収されることはない。

【0050】

この実施の形態では、トランスファーライン７０は、高圧ライン１３ａから分岐しており、冷媒再凝縮室１１２に接続される。一例として、トランスファーライン７０は、膨張機１４の高圧ガス入口１４ａから分岐してもよい。高圧ガス入口１４ａは、膨張機ハウジング２０に取り付けられた剛性管（例えばステンレス鋼の管）であってもよく、この剛性管がトランスファーライン７０への分岐部を有してもよい。あるいは、トランスファーライン７０は、高圧配管１５ａなど高圧ライン１３ａの他の部位から分岐してもよい。高圧配管１５ａは、フレキシブルホースなどの可撓性を持つ配管であってもよい。

【0051】

上述のように、圧縮機本体１２ａから高圧ライン１３ａに送出される冷媒ガスは、ガス清浄化装置１２ｅによって清浄化されている。トランスファーライン７０が高圧ライン１３ａから分岐しているので、このように清浄化されたガスを高圧ライン１３ａからトランスファーライン７０を通じて冷媒再凝縮室１１２に供給することができ、有利である。

【0052】

トランスファーライン７０は、上述のように非循環式であるため、冷媒再凝縮室１１２（または極低温冷媒回路１１０）から極低温冷凍機１１へと冷媒ガスを回収する経路は存在しない。よって、トランスファーライン７０は、冷媒再凝縮室１１２を終端としており、低圧ライン１３ｂには合流しない。

【0053】

なお、代案として、トランスファーライン７０は、低圧ライン１３ｂから分岐して、冷媒再凝縮室１１２に接続されてもよい。トランスファーライン７０は、膨張機１４の低圧ガス出口１４ｂから分岐してもよい。低圧ガス出口１４ｂは、膨張機ハウジング２０に取り付けられた剛性管であってもよく、この剛性管がトランスファーライン７０への分岐部を有してもよい。あるいは、トランスファーライン７０は、低圧配管１５ｂなど低圧ライン１３ｂの他の部位から分岐してもよい。低圧配管１５ｂは、フレキシブルホースなどの可撓性を持つ配管であってもよい。この場合においても、トランスファーライン７０は非循環式であるため、冷媒再凝縮室１１２を終端とし、冷媒再凝縮室１１２から極低温冷凍機１１へと冷媒ガスを回収する経路は存在しない。

【0054】

トランスファーライン７０は、バルブ７２、フィードスルー７４、熱交換器（例えば第１熱交換器７６および第２熱交換器７８）、および冷媒出口８０を備える。

【0055】

バルブ７２は、トランスファーライン７０を極低温冷凍機１１に接続しまたは切り離すように構成されている。バルブ７２は、例えばオンオフ弁であってもよく、バルブ７２が開いているとき極低温冷凍機１１から冷媒再凝縮室１１２へと冷媒ガスが供給され、バルブ７２が閉じているとき冷媒ガスは遮断される。

【0056】

あるいは、バルブ７２は、例えば定流量弁であってもよい。この場合、バルブ７２が開いているとき冷媒ガスがバルブ７２を一定の流量で流れることになるため、バルブ７２を開いている時間をカウントすることにより極低温冷凍機１１から冷媒再凝縮室１１２への冷媒ガスの供給量を把握することができ便利である。

【0057】

バルブ７２は、極低温冷凍機１１からの分岐部（この例では高圧ガス入口１４ａ）とフィードスルー７４との間でトランスファーライン７０上に設けられている。よって、冷媒再凝縮装置１０が極低温装置１００に設置されたとき、バルブ７２は、真空容器１０４の外に配置される。

【0058】

極低温冷凍機１１を制御するコントローラ５０が設けられていてもよく、バルブ７２の開閉は、このコントローラ５０によって制御されてもよい。コントローラ５０は、図示の例では、圧縮機１２に搭載されているが、膨張機１４に搭載されてもよい。あるいは、バルブ７２は、手動で開閉されてもよい。

【0059】

コントローラ５０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。

【0060】

トランスファーライン７０には、冷媒ガスの清浄化のために、フィルター７３が設けられていてもよい。この例では、フィルター７３は、バルブ７２の下流、例えばバルブ７２とフィードスルー７４の間に設けられている。あるいは、フィルター７３は、バルブ７２の上流、例えば極低温冷凍機１１からの分岐部とバルブ７２との間に設けられてもよく、またはトランスファーライン７０上のその他の部位に設けられてもよい。あるいは、フィルター７３は、極低温冷凍機１１の高圧ライン１３ａまたは低圧ライン１３ｂに設けられてもよい。

【0061】

フィードスルー７４は、真空容器１０４の気密性を保ちながら真空容器１０４の外から中へと冷媒ガスを流すことができるように構成された、いわゆる真空フィードスルーである。フィードスルー７４は、例えば、膨張機１４の装着フランジ２２に設置されている。したがって、バルブ７２が開かれると、冷媒ガスは、バルブ７２からフィードスルー７４を通じて真空容器１０４内に流入する。

【0062】

トランスファーライン７０に設けられた熱交換器は、極低温冷凍機１１に熱的に結合され、極低温冷凍機１１とトランスファーライン７０との熱交換によりトランスファーライン７０を冷却するように構成される。熱交換器は、フィードスルー７４と冷媒出口８０との間でトランスファーライン７０上に設けられている。よって、冷媒再凝縮装置１０が極低温装置１００に設置されたとき、熱交換器は、真空容器１０４の中に配置される。

【0063】

一例として、第１熱交換器７６と第２熱交換器７８が設けられている。第１熱交換器７６は、膨張機１４の第１シリンダ１６ａに熱的に結合され、第２熱交換器７８は、第２シリンダ１６ｂに熱的に結合されている。第１熱交換器７６は、流入する冷媒ガスを周囲温度から第１冷却ステージ３３の第１冷却温度に向けて冷却し、第２熱交換器７８は、流入する冷媒ガスを第１冷却温度から第２冷却ステージ３５の第２冷却温度に向けて冷却することができる。

【0064】

これら熱交換器は、例えば、トランスファーライン７０を形成する冷媒ガス配管を対応するシリンダの外周にらせん状に巻き付けることで構成されてもよく、または、シリンダとトランスファーライン７０との熱交換を可能にするそのほか適宜の構成を有してもよい。シリンダは冷却ステージに比べて小径であるため、シリンダに配管を巻き付けることで、冷却ステージに配管を巻き付ける場合に比べて熱交換器をコンパクトに収めることができる。

【0065】

なお、第１熱交換器７６は、第１冷却ステージ３３に設けられてもよく、第２熱交換器７８は、第２冷却ステージ３５に設けられてもよい。この場合、トランスファーライン７０を冷却ステージの周囲に巻き付けることによって熱交換器が構成されてもよいし、または、トランスファーライン７０の一部となる冷媒ガスの内部流路を冷却ステージ内に形成することによって熱交換器が構成されてもよい。また、第１熱交換器７６は、第１シリンダ１６ａと第１冷却ステージ３３の両方に設けられてもよく、第２熱交換器７８は、第２シリンダ１６ｂと第２冷却ステージ３５の両方に設けられてもよい。

【0066】

トランスファーライン７０には、第１冷却ステージ３３を貫通する貫通流路７７が設けられてもよい。よって、第１熱交換器７６は、貫通流路７７を通じて第２熱交換器７８に接続される。貫通流路７７は、第１熱交換器７６の少なくとも一部を形成してもよい。

【0067】

トランスファーライン７０の末端には、冷媒再凝縮室１１２に接続される冷媒出口８０が設けられている。冷媒出口８０は、冷媒再凝縮室１１２に取り外し可能に接続されてもよい。例えば、冷媒出口８０は、冷媒再凝縮室１１２の冷媒入口に取り外し可能に装着される継手を有してもよい。

【0068】

第１熱交換器７６および第２熱交換器７８で冷却されながらトランスファーライン７０を流れる冷媒ガスは、気体の状態のまま、冷媒出口８０から冷媒再凝縮室１１２に供給されてもよい。あるいは、第１熱交換器７６および第２熱交換器７８で十分に冷却されることによって、冷媒ガスは液化されてもよく、液体状態で冷媒出口８０から冷媒再凝縮室１１２に供給されてもよい。

【0069】

冷媒出口８０は、図示のように冷媒再凝縮室１１２に直接取り付けられることに代えて、極低温冷媒回路１１０の任意の部位に取り付けられ、それによりトランスファーライン７０が冷媒再凝縮室１１２に接続されてもよい。例えば、冷媒出口８０は、極低温冷媒回路１１０のバッファ容積１１５に取り付けられ、トランスファーライン７０は、バッファ容積１１５を介して冷媒再凝縮室１１２に接続されてもよい。

【0070】

図３は、実施の形態に係る冷媒補給方法の一例を示すフローチャートである。図３に示される方法は、極低温装置１００のメンテナンスに際して行われる。まず、図３に示されるように、冷媒再凝縮装置１０が極低温装置１００から取り外される（Ｓ１０）。つまり、極低温冷凍機１１とトランスファーライン７０が極低温装置１００から取り外される。極低温冷凍機１１の装着フランジ２２の真空容器１０４への固定が解除され、第１冷却ステージ３３と第２冷却ステージ３５がそれぞれ輻射シールド１０６と冷媒再凝縮室１１２から切り離される。また、トランスファーライン７０の冷媒出口８０が冷媒再凝縮室１１２から取り外される。こうして冷媒再凝縮装置１０が真空容器１０４から取り出される。このとき、冷媒再凝縮室１１２が開放され、内部のヘリウムが外部に放出または漏洩されうる。取り出された冷媒再凝縮装置１０、とくに極低温冷凍機１１には、必要なメンテナンスが施される。

【0071】

メンテナンスが完了すると、冷媒再凝縮装置１０は、極低温装置１００に再び取り付けられる（Ｓ１２）。装着フランジ２２が真空容器１０４に再び固定され、第１冷却ステージ３３と第２冷却ステージ３５がそれぞれ輻射シールド１０６と冷媒再凝縮室１１２に十分な押し付け力をもって接触し、熱的に結合される。また、トランスファーライン７０の冷媒出口８０が冷媒再凝縮室１１２に再び取り付けられる。このとき、冷媒再凝縮室１１２内のヘリウムは必要量よりも不足している。

【0072】

極低温冷凍機１１が運転される（Ｓ１４）。極低温冷凍機１１が起動され冷却運転を開始する。第１冷却ステージ３３により輻射シールド１０６は第１冷却温度に冷却され、第２冷却ステージ３５により冷媒再凝縮室１１２は第２冷却温度に冷却される。また、第１シリンダ１６ａおよび第２シリンダ１６ｂもそれぞれの冷却温度に冷却され、それによりトランスファーライン７０の第１熱交換器７６および第２熱交換器７８も冷媒ガスを冷却可能となる。

【0073】

極低温冷凍機１１の運転中に、極低温冷凍機１１から冷媒再凝縮室１１２へと冷媒ガスが不可逆的に供給される（Ｓ１６）。トランスファーライン７０のバルブ７２が開かれ、極低温冷凍機１１（上述の例では高圧ライン１３ａ）からトランスファーライン７０を通じて冷媒再凝縮室１１２に冷媒ガスが補充される。トランスファーライン７０を流れる冷媒ガスは、第１熱交換器７６と第２熱交換器７８によって冷却されながら冷媒再凝縮室１１２に流入する。冷媒ガスは、気体の状態のまま冷媒再凝縮室１１２に流入してもよいし、冷却により液化されて冷媒再凝縮室１１２に流入してもよい。こうして冷媒再凝縮室１１２に供給された冷媒ガスは、極低温冷媒回路１１０を循環することとなり、極低温冷凍機１１に再び回収されることはない。必要量の冷媒ガスが冷媒再凝縮室１１２に供給されれば、バルブ７２は閉じられ、トランスファーライン７０は遮断される。

【0074】

なお、トランスファーライン７０を通じた冷媒ガスの供給の間、冷媒ガスの冷却を促進するために、極低温冷凍機１１は、いわゆる加速冷却を実行してもよい。加速冷却とは、膨張機１４の駆動モータ４２の運転周波数（すなわち回転数）を高めることによって膨張機１４での冷凍サイクルの単位時間あたりの回数を増加させることを指す。膨張機１４の駆動モータ４２は、運転周波数を可変とする電気モータであってもよく、その運転周波数は、コントローラ５０によって制御されてもよく、加速冷却の開始および終了は、コントローラ５０によって決定されてもよい。

【0075】

極低温冷凍機１１から冷媒再凝縮室１１２へと冷媒ガスが不可逆的に供給された結果、極低温冷凍機１１を循環する冷媒ガスの量が減ることになる。これを補うために、極低温冷凍機１１に冷媒ガスが補充される（Ｓ１８）。極低温冷凍機１１に冷媒ガスを補充するために、冷媒ガスのタンク（例えばヘリウムガスのボンベ）が圧縮機１２のチャージポート１２ｆに装着される。このタンクからチャージポート１２ｆを通じて極低温冷凍機１１（例えば低圧ライン１３ｂ）に冷媒ガスが補充される。

【0076】

極低温冷凍機１１への冷媒ガス補充は、極低温冷凍機１１から冷媒再凝縮室１１２への冷媒ガス供給後に行われてもよい。あるいは、極低温冷凍機１１への冷媒ガス補充は、極低温冷凍機１１から冷媒再凝縮室１１２への冷媒ガス供給と同時に行われてもよい。同時に行えば、メンテナンス時間の短縮につながり、都合がよい。

【0077】

冷媒再凝縮室１１２に必要量の冷媒ガスを供給するために、極低温冷凍機１１から冷媒再凝縮室１１２への冷媒ガスの供給（Ｓ１６）と極低温冷凍機１１への冷媒ガスの補充（Ｓ１８）とが複数回繰り返されてもよい。

【0078】

なお、極低温冷凍機１１に補充すべき冷媒ガス量、すなわち極低温冷凍機１１から冷媒再凝縮室１１２に流出した冷媒ガス量を把握するために、トランスファーライン７０に流量センサが設けられてもよい。コントローラ５０は、流量センサの出力に基づいて、極低温冷凍機１１に補充すべき冷媒ガス量を決定してもよい。しかしながら、流量センサの設置はトランスファーライン７０にコスト増を招きうるため、望まれないかもしれない。

【0079】

トランスファーライン７０は、比較的高いインピーダンスをもつ流路であるため、バルブ７２が開いているときの流量は制限され、比較的一定となりうる。そのため、極低温冷凍機１１から冷媒再凝縮室１１２に供給された冷媒ガス量は、バルブ７２が開いている時間からおおよそ把握することができる。こうして把握された冷媒ガス量が極低温冷凍機１１に補充されてもよい。

【0080】

あるいは、極低温冷凍機１１の運転圧力（例えば、高圧ライン１３ａまたは低圧ライン１３ｂの圧力）が所望の大きさまで回復されるように、冷媒ガスが極低温冷凍機１１に補充されてもよい。

【0081】

チャージポート１２ｆを開閉するバルブが設けられてもよく、このバルブとバルブ７２がコントローラ５０によって制御され、それにより、極低温冷凍機１１から冷媒再凝縮室１１２に供給された冷媒ガス量の分だけ冷媒ガスがチャージポート１２ｆから極低温冷凍機１１に補充されてもよい。

【0082】

このようにして、図３に示される冷媒補給方法は終了し、その後、極低温装置１００を再び稼働させることができる。極低温装置１００の通常の動作中は、トランスファーライン７０は使用されない。バルブ７２は閉鎖され、極低温冷凍機１１の冷媒ガス循環ライン（すなわち、圧縮機１２、高圧ライン１３ａ、低圧ライン１３ｂ、および膨張機１４）と極低温冷媒回路１１０とは互いに遮断される。

【0083】

以上説明したように、実施の形態によれば、冷媒再凝縮装置１０における効率的な冷媒の補給に役立つ技術を提供することができる。例えば、冷媒ガスを極低温冷凍機１１によって冷却しながら冷媒再凝縮室１１２に補給することができる。上述の既存技術のように補給経路が極低温冷凍機１１から離れている場合に比べて、良好な熱交換効率を実現できる。また、そうした既存の補給経路は不要となり、極低温装置１００の構成を簡素化できる。

【0084】

補給のためにトランスファーライン７０により極低温冷凍機１１と冷媒再凝縮室１１２が接続される。よって、補給中に冷媒ガスが外部に漏れることがない。上述のように、液化した冷媒ガスを装置に流し込む既存の方法では、流入中に周囲からの熱で冷媒の一部が気化し霧散しうるため、冷媒のロスが大きくなりがちである。実施の形態によれば、こうしたロスを抑えられ、有利である。また、補給される冷媒ガスは、極低温に維持しながら運搬する必要がない。例えばガスボンベなど気体状態のものを用意すればよく、作業が容易になる。

【0085】

また、極低温冷媒回路１１０への冷媒ガスの補給作業を極低温冷凍機１１のメンテナンス作業に組み込むことができる。専門性を有するメンテナンス作業員が極低温冷凍機１１のメンテナンスとともにこの冷媒ガス補給作業を行うことで、トータルのメンテナンス時間の短縮につながりうる。極低温装置１００のダウンタイムの短縮をもたらしうるので、有利である。

【0086】

図４は、実施の形態に係る冷媒再凝縮装置１０の他の一例の一部を概略的に示す図である。図１に示される上述の実施の形態では、トランスファーライン７０が第１冷却ステージ３３に貫通流路７７を有するが、図４の実施の形態では、トランスファーライン７０は、第１冷却ステージ３３の物体接触面３３ａを迂回するように第１シリンダ１６ａまたは第１冷却ステージ３３に形成された冷媒ガス流路８２を備える。上述の実施の形態と同様に、冷媒ガス流路８２は、第１熱交換器７６を第２熱交換器７８に接続する。

【0087】

第１冷却ステージ３３の物体接触面３３ａは、第１シリンダ１６ａ（または第２シリンダ１６ｂ）のまわりに配置されている。物体接触面３３ａはシリンダまわりに環状に設けられている。図示の例では物体接触面３３ａは円錐状の面であるが、これに限られず、物体接触面３３ａは、円環状の平坦面であってもよい。極低温冷凍機１１が極低温装置１００に取り付けられるとき、第１冷却ステージ３３によって冷却されるべき極低温装置１００の対応する部位（例えば輻射シールド１０６）に物体接触面３３ａが接触し、押し付けられ、それにより、第１冷却ステージ３３が極低温装置１００に熱的に結合される。

【0088】

冷媒ガス流路８２は、物体接触面３３ａを迂回するように第１シリンダ１６ａおよび第１冷却ステージ３３を貫通している。図示されるように、冷媒ガス流路８２は、第１シリンダ１６ａ内でＬ字状の流路であってもよい。

【0089】

冷媒ガス流路８２の入口は、物体接触面３３ａの径方向外側にあり、冷媒ガス流路８２の出口は、物体接触面３３ａの径方向内側にある。冷媒ガス流路８２のこれら出入口には、剛性管または継手が取り付けられていてもよい。

【0090】

このようにして、物体接触面３３ａを迂回する冷媒ガス流路８２を設けることにより、トランスファーライン７０は、物体接触面３３ａでの第１冷却ステージ３３と物体（例えば輻射シールド１０６）との接触部との干渉を避けることができる。

【0091】

図５は、実施の形態に係る極低温装置１００の他の一例の一部を概略的に示す図である。図５に示されるように、極低温冷媒回路１１０は、超伝導コイル１０２の表面及び／または内部に配置された極低温冷媒配管１１１と、極低温冷媒配管１１１から分離された液体循環回路１１６とを備えてもよい。

【0092】

極低温冷媒配管１１１は、極低温冷媒配管１１１を流れる極低温冷媒と超伝導コイル１０２との熱交換により超伝導コイル１０２を冷却する。この極低温冷媒は、高圧のヘリウムガスであってもよい。

【0093】

極低温冷媒回路１１０は、極低温冷媒配管１１１と液体循環回路１１６との間に熱交換器１１７を備えてもよい。液体循環回路１１６は、冷媒再凝縮室１１２、供給配管１１３、戻り配管１１４、バッファ容積１１５を備える。液体循環回路１１６には、上述の実施の形態と同様に、例えば液体ヘリウムが循環する。供給配管１１３は冷媒再凝縮室１１２から熱交換器１１７に液体ヘリウムを供給する。熱交換器１１７で極低温冷媒配管１１１を冷却した気体または液体のヘリウムは、熱交換器１１７から戻り配管１１４を通じて冷媒再凝縮室１１２に回収される。冷媒再凝縮室１１２でヘリウムガスは第２冷却ステージ３５によって再凝縮される。このようにして、省ヘリウムの超伝導コイル冷却システムが構築されてもよい。

【0094】

この場合にも、上述の実施の形態と同様に、トランスファーライン７０を通じて極低温冷凍機１１から冷媒再凝縮室１１２に冷媒ガスを補給することができる。

【0095】

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。

【0096】

上述の実施の形態では、極低温装置１００が超伝導コイル１０２に少量の液体ヘリウムを循環させることによって冷却する省ヘリウムタイプの装置である場合を例として説明している。しかしながら、ある実施の形態においては、極低温装置１００は、超伝導コイル１０２を液体ヘリウムなどの極低温液体冷媒に浸して冷却する浸漬冷却式として構成されてもよい。このような浸漬冷却式の装置にも、実施の形態に係る冷媒再凝縮装置１０は、冷媒ガスの補給のために適用されうる。

【0097】

上述の実施の形態では、極低温冷凍機１１が多段式のギフォード・マクマホン冷凍機である場合を例として説明しているが、本発明はこれに限られない。極低温冷凍機１１は、単段式のギフォード・マクマホン冷凍機であってもよい。あるいは、極低温冷凍機１１は、パルス管冷凍機、スターリング冷凍機、またはそのほかのタイプの単段式または多段式の極低温冷凍機であってもよい。

【0098】

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】

【0099】

１０ 冷媒再凝縮装置、 １１ 極低温冷凍機、 １３ａ 高圧ライン、 １３ｂ 低圧ライン、 １４ 膨張機、 １６ａ 第１シリンダ、 １６ｂ 第２シリンダ、 ３３ 第１冷却ステージ、 ３３ａ 物体接触面、 ３５ 第２冷却ステージ、 ７０ トランスファーライン、 ７２ バルブ、 ７６ 第１熱交換器、 ７８ 第２熱交換器、 ８２ 冷媒ガス流路、 １１２ 冷媒再凝縮室。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】