特許 7410363 冷却装置、及び冷却装置を用いたセンサ装置

(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】

(24)【登録日】2023-12-26

(45)【発行日】2024-01-10

(54)【発明の名称】冷却装置、及び冷却装置を用いたセンサ装置

(51)【国際特許分類】

   F25D 3/10 20060101AFI20231227BHJP

   F25D 15/00 20060101ALI20231227BHJP

   F25B 9/00 20060101ALI20231227BHJP

   F16L 59/065 20060101ALI20231227BHJP

   F16L 59/153 20060101ALI20231227BHJP

   G01R 33/035 20060101ALI20231227BHJP

【ＦＩ】

F25D3/10 A

F25D15/00

F25B9/00 Z

F16L59/065

F16L59/153

G01R33/035

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2019236420

(22)【出願日】2019-12-26

(65)【公開番号】P2021105476

(43)【公開日】2021-07-26

【審査請求日】2022-07-01

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和元年度、防衛装備庁、安全保障技術研究推進制度、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】520258389

【氏名又は名称】超電導センサテクノロジー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】波頭 経裕

(72)【発明者】

【氏名】田辺 圭一

【審査官】森山 拓哉

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－０３１９８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－３４５２０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－１０９８２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－０７９６００（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－１８８４６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－２０７１９１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２５Ｄ ３／１０

Ｆ２５Ｄ １５／００

Ｆ２５Ｂ ９／００

Ｆ１６Ｌ ５９／０６５

Ｆ１６Ｌ ５９／１５３

Ｇ０１Ｒ ３３／０３５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

超電導センサ素子と、
液体の冷媒と、
前記超電導センサ素子と前記冷媒とを収容する第１容器と、
前記第１容器で蒸発した前記冷媒を再液化する冷凍機を有し、再液化した前記冷媒を収容し、前記第１容器と接しない第２容器と、
前記第１容器と前記第２容器とを接続するチューブと、
を備え、
前記第１容器は、第１冷凍機を更に有し、
前記第２容器は、第２の超電導センサ素子を更に有し、
前記第１冷凍機と前記冷凍機とを交互に駆動するよう制御する制御部を更に備える
ことを特徴とする冷却装置。

【請求項2】

前記第２容器は、前記冷凍機のノイズの前記超電導センサ素子への影響を低減できる距離を離して配置されていることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。

【請求項3】

前記第１容器は、第１の液面検出器を更に有し、
前記第１の液面検出器が前記冷媒の液面の低下を検出したとき、前記制御部は、前記冷凍機の駆動を停止し、前記第１冷凍機を駆動することを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。

【請求項4】

前記第１容器は、前記冷媒を吸収する吸収材を有することを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の冷却装置。

【請求項5】

前記第１容器は、前記冷媒を収容する第１耐熱容器を内部に有し、
前記第２容器は、再液化された前記冷媒を収容する第２耐熱容器を内部に有する、
ことを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の冷却装置。

【請求項6】

前記チューブの一端は前記第１耐熱容器と連通し、前記チューブの他端は前記第２耐熱容器と連通していることを特徴とする請求項５に記載の冷却装置。

【請求項7】

前記チューブは真空断熱構造を有することを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載の冷却装置。

【請求項8】

超電導センサ素子と、
液体の冷媒と、
前記超電導センサ素子と前記冷媒とを収容する第１容器と、
前記第１容器で蒸発した前記冷媒を再液化する冷凍機を有し、再液化した前記冷媒を収容し、前記第１容器と接しない第２容器と、
前記第１容器と前記第２容器を接続するチューブと、
前記第１容器と前記第２容器とを固定する台座と、
制御回路を有する第３容器と
を備え、
前記第１容器は、第１冷凍機を更に有し、
前記第２容器は、第２の超電導センサ素子を更に有し、
前記制御回路は、前記第１冷凍機と前記冷凍機とを交互に駆動することを特徴とするセンサ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、冷却装置、及び冷却装置を用いたセンサ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

海底での資源探査、生産モニタリング、地磁気観測などに、比較的高温で動作するＳＱＵＩＤ（Superconducting Quantum Interference Device：超電導量子干渉素子）の使用が検討されている。ＳＱＵＩＤを適切な動作温度に保つために、極低温の冷媒中にＳＱＵＩＤを浸漬して冷却する。高温超電導ＳＱＵＩＤの場合は、沸点が７７Ｋの液体窒素が冷媒として用いられる。ニオブ系等の金属超電導体を用いたＳＱＵＩＤの冷却には、液体ヘリウムや液体水素が用いられる。低温環境を維持するために、冷媒とＳＱＵＩＤを収容する断熱容器に冷凍機が接続されている。ＳＱＵＩＤを用いた磁気センシングでは、低ノイズかつ高感度の計測が求められ、冷凍機で直接ＳＱＵＩＤを冷却することは、振動ノイズ、磁気的ノイズ等の観点から望ましくないからである。

【0003】

断熱容器内でＳＱＵＩＤを冷却する場合、内圧が高くなると温度が上昇し、液体の冷媒が気化する。液体窒素の場合、気化すると体積は７００倍にもなり危険である。冷却型の磁気センサを水中に投入するシステムでは、断熱容器内で蒸発した冷媒ガスを、リリースチューブを用いて地上に排出している。

【0004】

液化天然ガスタンクで発生したボイルオフガスを再液化して回収するシステム（たとえば、特許文献１参照）や、低温液化ガスの蒸発ガス再液化装置（たとえば、特許文献２参照）が知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２００３－１０６４９８号公報

【文献】特開２０１５－１２４９１９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ＳＱＵＩＤを海底磁力計（ＯＢＭ：Ocean Bottom Magnetometer）に用いることが検討されている。水深が数十メートル程度の場所で、水上からケーブル接続により磁気センシングを行う場合は、蒸発した冷媒ガスをリリースチューブで地上に排出する方法が考えられる。しかし、水深１００メートル以上の海底で計測とデータ取得を行い、測定終了後に自動浮上するシステムでは、潮流の影響によりノイズが増大するため、リリースチューブによる冷媒ガスの排出は困難である。

【0007】

本発明は、ノイズの影響を抑制しながら、断熱容器内で超電導センサ素子を一定期間、一定温度に冷却する構成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】

【0008】

一つの態様では、冷却装置は、超電導センサ素子と、液体の冷媒と、超電導センサ素子と冷媒とを収容する第１容器と、第１容器で蒸発した冷媒を再液化する冷凍機を有し、再液化した冷媒を収容し、第1容器と接しない第２容器と、前記第１容器と第２容器とを接続するチューブと、を備える。

【発明の効果】

【0009】

ノイズの影響を抑制しながら、断熱容器内で超電導センサ素子を一定期間、一定温度に冷却することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】第１実施形態の冷却装置の原理説明図である。

【図2】第１実施形態の冷却装置を用いたセンサ装置の模式図である。

【図3】センサ装置の制御ユニットの模式図である。

【図4】第１実施形態の冷却装置の変形例である。

【図5】第２実施形態の冷却装置の原理説明図である。

【図6】第２実施形態の冷却装置を用いたセンサ装置の模式図である。

【図7】第２実施形態の冷却装置の変形例である。

【図8】図７の冷却装置の冷凍機切り換えユニットの動作のフローチャートである。

【図9】その他の変形例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

実施形態では、１００メートル以上の深さの海底で、磁気センシングによる海底探査を行う場合を想定するが、実施形態の冷却装置は、水深１００メートル未満の水中や、地上での地磁気観測、フィールド探査、生体磁気観測などにも適用可能である。

【0012】

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態の冷却装置１００の原理説明図である。冷却装置１００は、冷却ユニット１０、減圧ユニット２０、及び、冷却ユニット１０と減圧ユニット２０をつなぐチューブ１８を有する。

【0013】

冷却ユニット１０は、超電導磁気センサであるセンサ素子１５の冷却に用いられる。センサ素子１５は、ＳＱＵＩＤに、検出コイル、入力コイル、帰還コイル等を組み合わせた微小なデバイスである。冷却ユニット１０の断熱容器１２に液体冷媒１３が満たされて、センサ素子１５を低温環境に維持する。ＳＱＵＩＤが液体窒素の沸点（７７Ｋ）よりも高い温度で動作する場合、液体冷媒１３は液体窒素である。ＳＱＵＩＤが、液体窒素の沸点よりも低い低温で動作する場合は、液体冷媒は液体ヘリウム、液体水素等である。

【0014】

センサ素子１５は、断熱容器１２の内部で、サファイア、ガラスエポキシ等のロッドの下端部あるいは断熱容器１２の底部に固定されて液体冷媒１３に浸漬されている。図１では、図面の簡単化のため、断熱容器１２の底部にセンサ素子１５が設置された場合を記述している。

【0015】

断熱容器１２は、外部からの熱の流入をできるだけ遮断できることが望ましく、たとえば、断熱真空ガラスの容器である。断熱容器１２を含む冷却ユニット１０の全体が、耐圧容器１１の中に収容され、密閉されている。外側の耐圧容器１１と、内側の断熱容器１２の間は真空となっている。

【0016】

断熱容器１２の上端の開口部は、図示を省略するが、断熱材で封止されている。断熱容器１２内で液体冷媒１３に浸漬されているセンサ素子１５は、配線１６によって、冷却ユニット１０の外部の制御ユニット４０に接続されている。センサ素子１５の動作は、制御ユニット４０によって制御される。

【0017】

液体冷媒１３は、使用開始時には断熱容器１２の上端まで充填されるが、時間の経過とともに、内圧上昇による温度の上昇、外部から漏れ入る熱などによって蒸発する。気化した冷媒は、チューブ１８を通って、減圧ユニット２０に排気される。チューブ１８は、たとえば、海底での使用に耐え得る耐圧チューブである。

【0018】

上述のように、冷媒が液体窒素の場合、気化した窒素の体積は、液体窒素の体積の７００倍になる。減圧ユニット２０は、窒素ガスを液相に戻して、冷却ユニット１０の内圧の上昇を抑制する。減圧ユニット２０の動作は、冷媒ガスの冷却と圧縮であるが、冷却ユニット１０内の圧力の上昇を抑えるという意味で、「減圧ユニット」と呼ぶ。

【0019】

減圧ユニット２０は、全体が耐圧容器２１に収容され、密閉されている。減圧ユニット２０は、耐圧容器２１の内側に配置される断熱容器２２と、冷凍機２５を有する。冷凍機２５から断熱容器２２の内部に、冷却ヘッド２７が伸びている。チューブ１８で送られてくる冷媒ガスは、減圧ユニット２０で冷却及び圧縮されることで、再液化して液体冷媒２３となる。

【0020】

冷却ユニット１０と減圧ユニット２０をセットで用いることで、冷却ユニット１０の断熱容器１２内の圧力上昇を防ぐことができる。冷却ユニット１０で計測が行われている間中、減圧ユニット２０の冷凍機２５は運転されている。冷却ユニット１０と、冷凍機２５を備える減圧ユニット２０が空間的に分離されているので、冷却ユニット１０による計測は、冷凍機２５の振動や磁気ノイズにはほとんど影響されない。

【0021】

冷却ユニット１０の内部の液体冷媒１３が、センサ素子１５を冷却できないレベルまで減少すると、減圧ユニット２０で再液化された液体冷媒を、冷却ユニット１０に充填してもよい。

【0022】

図２は、図１の冷却装置１００を用いたセンサ装置１の模式図である。図２のセンサ装置１は、１００メートル以上の深さでのＯＢＭに適した構成を有する。センサ装置１は、計測完了後に自動浮上できるように、ブイ４３を有する。

【0023】

冷却装置１００の冷却ユニット１０と減圧ユニット２０は、台座４１と台座４２によって、互いに離れた位置に固定されている。冷却ユニット１０と減圧ユニット２０を海底で安定して支持できるように、台座４１、及び４２は、十分な剛性と強度を有する材料で形成されている。台座４１、及び４２は、例えば、繊維強化プラスチックで形成されているグレーチングである。チューブ１８は、互いに離れて位置する冷却ユニット１０と減圧ユニット２０を、安定して接続する。

【0024】

台座４１と台座４２の間に、制御ユニット４０、制御ユニット４０のためのバッテリー３１、及び、減圧ユニット２０のためのバッテリー３２が配置されている。制御ユニット４０、バッテリー３１、及び３２は、それぞれ耐圧容器内に収容されている。

【0025】

冷却ユニット１０は、ケーブル３５で制御ユニット４０に接続されている。ケーブル３５の内部には、センサ素子１５を駆動する電気信号が供給される駆動線と、センサ素子１５から計測データを受信するデータ受信線が配置されている。減圧ユニット２０は、バッテリー３２から供給される電力で、冷凍機２５を駆動する。

【0026】

容器内に液体の冷媒を保持する冷却ユニット１０と減圧ユニット２０は、台座４１、４２に対して縦置きで配置される。バッテリー３１、３２、及び制御ユニット４０は、台座４１と台座４２の間に水平に配置される。台座４１、及び４２の一辺の長さは８０ｃｍ～１００ｃｍ、センサ装置１の高さは、ブイ４３を入れた全体でも１００ｃｍ以下である。ブイ４３のない状態では、センサ装置１の高さは、４０ｃｍ～５０ｃｍである。海底での磁気計測のために、センサ装置１の全体がコンパクトかつ重心が下方にある安定した構成になっている。

【0027】

センサ装置１の海中への投入時と海底での計測中は、台座４１の底面側に、数十キロの錘がつけられている。計測が完了すると、錘は切り離され、センサ装置１はブイ４３によって自動的に浮上する。海上に浮上したセンサ装置１は、アンテナ４４から無線ビーコン信号を送信して、センサ装置１の位置を知らせる。

【0028】

錘の切り離しは、海上からの音響信号に基づいて行われてもよいし、バッテリー３１または３２の残量が一定レベル未満になったときに、制御ユニット４０が切り離し信号を出力してもよい。前者の場合は、台座４１と台座４２の間に音響機構が配置されていてもよい。

【0029】

センサ装置１では、コンパクトな構成の中で、冷却ユニット１０と減圧ユニット２０を最大限に離れた位置に配置することで、冷却ユニット１０の内圧上昇を防ぎ、かつ、振動及びノイズの影響を低減する。内圧上昇にともなう温度の上昇で、冷媒の蒸発が進むが、減圧ユニット２０での再液化も促進される。相変化に伴う潜熱を考慮して冷凍機２５の出力を設定することで、過冷却を防ぐことができ、特別な冷凍機制御なしに冷却温度をほぼ一定に保つことができる。

【0030】

図３は、センサ装置１の制御ユニット４０の模式図である。制御ユニット４０は、信号受信回路４０１と、ＳＱＵＩＤ制御回路４０２と、データロガー４０５を有する。信号受信回路４０１とＳＱＵＩＤ制御回路４０２は、ＦＬＬ（Flux-Locked Loop）回路で実現されてもよい。ＳＱＵＩＤ制御回路４０２は、センサ素子１５のＳＱＵＩＤに微弱なバイアス電流を印加する。信号受信回路４０１は、センサ素子１５で検出された磁場変化に対応する電気信号を受信する。磁束変化とＳＱＵＩＤの出力電圧の関係は線形でないため、ＦＬＬはセンサ素子１５に負帰還を行って、センサ素子１５で検知された磁場変化に比例した電流信号を取得する。

【0031】

信号受信回路４０１とＳＱＵＩＤ制御回路４０２は、データロガー４０５に接続されている。データロガー４０５は、プロセッサ４０３とメモリ４０４を有する。信号受信回路４０１からデータロガー４０５に入力された信号は、プロセッサ４０３によって所定のレートでサンプリングされて、メモリ４０４に記録される。

【0032】

図４は、第１実施形態の変形例として、冷却装置１００Ａを示す。冷却装置１００Ａでは、減圧ユニット２０Ａの耐圧容器２１として、内壁にパーマロイなどの磁気シールド２８が設けられたチタン製またはステンレス製の容器を使用する。

【0033】

人工的に発生させた磁場による応答を計測するＴＥＭ（Transient Electro-Magnetic：時間領域電磁探査）法では、１００Ｈｚ以上の周波数の計測も行われるので、センサを内包する冷却ユニットに金属製の耐圧容器を用いることは難しい。しかし、ＴＥＭ法による計測に影響を与えない誘導電流の範囲であれば、チタン、ステンレス等の金属容器を減圧ユニット２０Ａとして使用することも可能である。また、地磁気測定のように１００Ｈｚ以下の低周波の計測を行う場合は、チタン、ステンレス等の金属容器を冷却ユニット１０Ａとして使用することも可能である。

【0034】

耐圧容器２１の内側に配置される断熱容器２２は、たとえば、パイレックスガラスデュワである。パイレックスガラスに替えて、ガラスエポキシ、ファイバ強化プラスチック（ＦＲＰ）などを用いてもよい。冷凍機２５は、スターリング冷凍機、パルスチューブ冷凍機等である。

【0035】

冷却ユニット１０の耐圧容器１１は、炭素繊維強化ブラスチック（ＣＦＲＰ；Carbon Fiber Reinforced plastic）製である。耐圧容器１１の内側で液体冷媒を保持する断熱容器１２は、パイレックスガラスデュワである。パイレックスガラスに替えて、ガラスエポキシ、ＦＲＰ等の容器を用いてもよい。

【0036】

減圧ユニット２０Ａに磁気シールド付きの金属容器を用いることで、振動ノイズ、磁気ノイズ等の影響を低減することができる。

【0037】

第１実施形態の冷却装置１００または１００Ａは、冷却ユニット１０内の液体冷媒が蒸発により所定レベル未満に減少しても、減圧ユニット２０内で再液化された液体冷媒を、冷却ユニット１０に補充することで、繰り返し、何度でも使用することができる。

【0038】

＜第２実施形態＞
図５は、第２実施形態の冷却装置２００の原理説明図である。第２実施形態では、冷却機能と減圧機能を備える一対の冷却及び減圧ユニット（以下、「冷却／減圧ユニット」とする）を用い、計測と冷却を交互に行う。

【0039】

冷却装置２００は、第１の冷却／減圧ユニット５０－１と、第２の冷却／減圧ユニット５０－２と、これらの間をつなぐチューブ５８を有する。第１の冷却／減圧ユニット５０－１と、第２の冷却／減圧ユニット５０－２は、それぞれ、制御ユニット６０に接続されている。

【0040】

第１の冷却／減圧ユニット５０－１は、耐圧容器５１１に収容されている。耐圧容器５１１の内側に、液体冷媒５３を密閉する断熱容器５２１が配置され、液体冷媒５３にセンサ素子１５－１が浸漬されている。断熱容器５２１は、たとえば、パイレックス（登録商標）断熱容器である。

【0041】

耐圧容器５１１の内部で、断熱容器５２１の上方に、冷凍機５５２－１が配置されている。冷凍機５５２－１から断熱容器５２１の中に冷却ヘッド５７１が伸びている。チューブ５８は、冷却ヘッド５７１の内部を通って、断熱容器５２１に連通している。冷凍機５５２－１は、パーマロイ等の磁気シールド５８１でシールドされていてもよい。

【0042】

第２の冷却／減圧ユニット５０－２は、第１の冷却／減圧ユニット５０－１と同じ構成である。第２の冷却／減圧ユニット５０－２は、耐圧容器５１２に収容されている。耐圧容器５１２の内側に、液体冷媒５３を密閉する断熱容器５２２が配置され、液体冷媒５３にセンサ素子１５－２が浸漬されている。断熱容器５２２は、たとえば、パイレックス断熱容器である。

【0043】

耐圧容器５１２の内部で、断熱容器５２２の上方に、冷凍機５５２－２が配置されている。冷凍機５５２－２から断熱容器５２２の中に冷却ヘッド５７２が伸びている。チューブ５８は、冷却ヘッド５７２の内部を通って、断熱容器５２２に連通している。冷凍機５５２－２は、パーマロイ等の磁気シールド５８２でシールドされていてもよい。

【0044】

第１の冷却／減圧ユニット５０－１が、冷却器（計測器）として機能するとき、第２の冷却／減圧ユニット５０－２は、減圧器（再液化器）として機能する。第１の冷却／減圧ユニット５０－１が、減圧器（再液化器）として機能するとき、第２の冷却／減圧ユニット５０－２は、冷却器（計測器）として機能する。

【0045】

第１の冷却／減圧ユニット５０－１でセンサ素子１５－１がセンシングを行うとき、制御ユニット６０からセンサ素子１５－１にバイアス電流が印加される。このとき、冷凍機５５２－１はオフになっているので、冷凍機５５２－１からの振動の影響はない。また、冷凍機５５２－２は隔離設置されており、さらに磁気シールド５８２でシールドされているので、センサ素子１５－１に対する磁気ノイズの影響を低減できる。冷凍機５５２－２とセンサ素子１５－１との距離は、例えば、５０ｃｍである。

【0046】

第２の冷却／減圧ユニット５０－２で、冷凍機５５２－２はＯＮになっており、第１の冷却／減圧ユニット５０－１から、チューブ５８によって導入された気体の冷媒は、再液化される。冷凍機５５２－２が動作していても、冷凍機５５２－１とセンサ素子１５－１は隔離設置されているため、冷凍機５５２－２の振動の影響は無視できる。センサ素子１５－２は、動作していてもよいし、動作していなくてもよい。センサ素子１５－２を動作させないときは、制御ユニット６０はセンサ素子１５－２にバイアス電流を供給しない。

【0047】

第１の冷却／減圧ユニット５０－１と、第２の冷却／減圧ユニット５０－２のいずれか一方が、液体冷媒で満たされているときは、他方は、ほぼ空となる。冷却ユニットの役割と減圧ユニットの役割を交互に実施させることで、連続的な計測が可能である。

【0048】

冷凍機５５２－１と５５２－１が交互に切り替えられるならば、センサ素子１５－１とセンサ素子１５－２は、必ずしも交互駆動されなくてもよい。センサ素子１５－１からの信号と、センサ素子１５－２から信号の両方が制御ユニット６０で収集されるが、冷凍機５５２の切り替えのタイミングで、一方のセンサ素子１５からのデータだけを用いればよい。冷凍機５５２が動作している側のセンサ素子１５のデータは、ノイズの混入が多いことが予想されるので、破棄されてもよい。

【0049】

図５の冷却装置２００は、潜水艦の内部など、長時間運用が可能であり、電源を外部供給できる環境で有用となる。この場合、冷凍機５５２－１及び５５２－２のノイズを遮断する磁気シールド５８１、５８２は、冷凍機５５２－１及び５５２－２の周囲にだけ配置される。

【0050】

図６は、図５の冷却装置２００を用いたセンサ装置２の模式図である。センサ装置２はたとえば、１００メートル未満の深さでのＯＢＭなど、バッテリー充電用のケーブルで海上と接続され得る場合には、半永久的に動作を継続することができる。バッテリー充電用のケーブルで接続される場合は、ブイ４３は省略されてもよい。

【0051】

バッテリーの寿命（７２時間程度）の範囲で計測が完了する場合は、１００メートル以上の深さでのＯＢＭにも適している。計測完了後は、ブイ４３により自動浮上する。

【0052】

第１の冷却／減圧ユニット５０－１と、第２の冷却／減圧ユニット５０－２は、台座４１、及び、台座４２によって、互いに離れた位置で縦置きに固定されている。制御ユニット６０と、第１の冷却／減圧ユニット５０－１のためのバッテリー３１と、第２の冷却／減圧ユニット５０－２のためのバッテリー３２は、台座４１と台座４２間に水平に配置される。

【0053】

制御ユニット６０は、ケーブル３３－１でバッテリー３１に接続され、ケーブル５９－１で第１の冷却／減圧ユニット５０－１に接続されている。また、制御ユニット６０は、ケーブル３３－２でバッテリー３２に接続され、ケーブル５９－２で第２の冷却／減圧ユニット５０－２に接続されている。

【0054】

制御ユニット６０は、ケーブル５９－１及び５９－２を介して、冷凍機の切り替え信号を、第１の冷却／減圧ユニット５０－１と、第２の冷却／減圧ユニット５０－２に供給する。センサ素子１５－１と１５－２を駆動する駆動信号またはバイアス電流は、交互に供給されてもよいし、双方に継続的に供給されてもよい。

【0055】

センサ装置２も、全体がコンパクト、かつ下方に重心のある安定した構成である。第１の冷却／減圧ユニット５０－１と、第２の冷却／減圧ユニット５０－２を最大限に離れた位置に配置して交互駆動することで、冷却側での容器内の内圧上昇を防ぎ、かつ振動及び磁気ノイズの影響を低減することができる。

【0056】

図７は、第２実施形態の変形例として、冷却装置２００Ａを示す。第１の冷却／減圧ユニット５０－１の断熱容器５２１に、液面センサ２０１を配置し、第２の冷却／減圧ユニット５０－２の断熱容器５２２に、液面センサ２０２を配置する。

【0057】

液面センサ２０１、及び２０２は、制御ユニット６０Ａの冷凍機切り換えユニット６２０に接続されている。液面センサ２０１が液体冷媒５３の液面の低下を検出すると、冷凍機切り換えユニット６２０は、第１の冷却／減圧ユニット５０－１の役割を、冷却側から減圧側に切り替えて、冷凍機５５２－１をオンにする。第２の冷却／減圧ユニット５０－２の冷凍機５５２－２をオフにして、センサ素子１５－２からの計測データを取得する。

【0058】

液面センサ２０１、２０２は、たとえば、Ｐｔ－Ｃｏ温度センサである。液面センサ２０１、２０２が液体冷媒５３の中にあるときは、検知される温度は低い。液面センサ２０１、２０２が液体冷媒５３の外に出ると、検知される温度が上昇する。この温度変化により、第１の冷却／減圧ユニット５０－１と、第２の冷却／減圧ユニット５０－２を自動的に切り替えることができる。

【0059】

図８は、冷凍機切り換えユニット６２０の動作のフローチャートである。第１の冷却／減圧ユニット５０－１と、第２の冷却／減圧ユニット５０－２のいずれかを冷却側、すなわち計測側とする。この例では、第１の冷却／減圧ユニット５０－１のＳＱＵＩＤ１のセンシングデータを取得する（Ｓ１１）。冷凍機１はオフにされ、第２の冷却／減圧ユニット５０－２の冷凍機２がオンになっている。

【0060】

センシング中のユニット１で液面低下が検出されたか否かが判断される（Ｓ１２）。液面の低下が検出されると（Ｓ１２でＹｅｓ）、冷凍機２をオフ、冷凍機１をオンにして、役割を切り替える（Ｓ１３）。第２の冷却／減圧ユニット５０－２のＳＱＵＩＤ２のセンシングデータを取得する（Ｓ１４）。

【0061】

センシング中のユニット２で液面低下が検出されたか否かが判断される（Ｓ１５）。液面の低下が検出されると（Ｓ１５でＹｅｓ）、冷凍機１をオフ、冷凍機２をオンにして、役割を切り替える（Ｓ１６）。その後、Ｓ１１に戻って、第１の冷却／減圧ユニット５０－１のＳＱＵＩＤ１のセンシングデータを取得する。

【0062】

図８のフローは、冷却装置２００Ａが動作する間、ループで行われる。計測が終了して冷却装置２００Ａの動作が終了すると、図８のフローは終了する。

【0063】

＜その他の変形例＞
図９は、その他の変形例を示す。冷却装置３００は、冷却ユニット１０Ａ、減圧ユニット２０Ａ、及び、冷却ユニット１０Ａと減圧ユニット２０Ａをつなぐチューブ１８Ｃを有する。

【0064】

冷却ユニット１０Ａは、センサ素子１５の冷却に用いられる。耐圧容器１１の内側に配置される断熱容器１２の内部に、液体冷媒１３の動きを抑制する吸収材３０２が配置されている。

【0065】

吸収材３０２は、連続気泡の多孔質の材料である。冷却装置３００をＯＢＭに適用することを考えると、システムを海中に沈めるときに、潮流等によって、かなり揺れることが考えられる。断熱容器１２内の吸収材３０２に液体冷媒１３をしみこませておくことで、システムが大きく揺れても、液体冷媒が断熱容器１２の外に漏洩することを防止できる。

【0066】

冷媒として液体窒素を用いる場合、吸収材３０２は、メラミンフォーム、ポリ塩化ビニル、特殊スポンジなどである。これらの材料は、液体窒素を吸収保持できるだけでなく、液体窒素によって硬化しない。

【0067】

海底に設置されたあとは、液体窒素は徐々に蒸発する。連続気泡なので、気化した窒素をチューブ１８Ｃに逃がすことができる。

【0068】

減圧ユニット２０Ａは、ノイズ低減のためパーマロイ等の磁気シールド２８が施された金属性の耐圧容器２１に収容されている。

【0069】

上述したすべての実施例で、気化した冷媒を配送するチューブ１８または５８に、「トランスファーチューブ」として知られる真空断熱チューブを用いてもよい。一例として、内径が４ｍｍ、外径が８ｍｍのステンレス製のトランスファーチューブを用いることができる。気化しているとはいえ、冷媒ガスも極めて低温である。トランスファーチューブを用いて、低温の冷媒ガスの流路への熱流入を極力抑えることで、減圧ユニットでの再液化がより効率化される。冷凍機の小型化、省電力化が実現する。

【0070】

実施形態の冷却装置とセンサ装置は、密閉空間でのＳＱＵＩＤの冷却が必要な磁気計測に適用される。ノイズの影響を抑制しながら、断熱容器内でＳＱＵＩＤを一定時間、一定温度に冷却して、高感度の磁気計測が可能になる。

【0071】

海底、潜水艦の内部、宇宙線の内部などでの磁気計測の他、地上での資源探査、地磁気観測、生産モニタリング等にも適用可能であり、磁気計測分野の発展に貢献することができる。

【符号の説明】

【0072】

１、２ センサ装置
１０、１０Ａ 冷却ユニット（第１容器）
１１、２１、５１１、５１２ 耐圧容器
１２，２２、５２１、５２２ 断熱容器
１３、２３、５３ 冷媒
１５、１５－１、１５－２ センサ素子
１６ 配線
１８、５８ チューブ
２０ 減圧ユニット（第２容器）
２５，５５２－１、５５２－２ 冷凍機
２７，５７１、５７２ 冷却ヘッド
２８ 磁気シールド
３１、３２ バッテリー
４０、６０，６０Ａ 制御ユニット（第３容器）
６２０ 冷凍機切り換えユニット
４１、４２ 台座
５０－１ 第１の冷却／減圧ユニット（第１容器）
５０－２ 第２の冷却／減圧ユニット（第２容器）
１００、１００Ａ、２００、２００Ａ 冷却装置
２０１、２０２ 液面センサ
３０２ 吸収材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】