特表 2024-527097 直列配置された循環極低温冷却器システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-07-19

(54)【発明の名称】直列配置された循環極低温冷却器システム

(51)【国際特許分類】

   F25B 9/00 20060101AFI20240711BHJP

   F25B 9/14 20060101ALI20240711BHJP

【ＦＩ】

F25B9/00 H

F25B9/00 311

F25B9/14 530Z

F25B9/00 J

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024505309

(86)(22)【出願日】2022-07-27

(85)【翻訳文提出日】2024-02-20

(86)【国際出願番号】 US2022038473

(87)【国際公開番号】W WO2023009595

(87)【国際公開日】2023-02-02

(31)【優先権主張番号】63/226,851

(32)【優先日】2021-07-29

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】501356112

【氏名又は名称】スミトモ （エスエイチアイ） クライオジェニックス オブ アメリカ インコーポレイテッド

【氏名又は名称原語表記】Ｓｕｍｉｔｏｍｏ（ＳＨＩ）Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃｓ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ，Ｉｎｃ．

(74)【代理人】

【識別番号】100067736

【弁理士】

【氏名又は名称】小池 晃

(74)【代理人】

【識別番号】100192212

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 貴明

(74)【代理人】

【識別番号】100200001

【弁理士】

【氏名又は名称】北原 明彦

(72)【発明者】

【氏名】ダン，スティーブン，ビー．

(72)【発明者】

【氏名】ガンドラ，サントッシュ，ケイ．

(57)【要約】

遠隔位置に冷凍を移送する循環ループが、ギフォード－マクマホン（ＧＭ）又はＧＭ型パルス菅コールドヘッド及び圧縮機の間に直列に接続されている。圧縮機からの高圧ガスは、コールドヘッドに戻る前に遠隔ヒートステーションを通って流れることができ、又は、低圧ガスは、圧縮機に戻る前にコールドヘッドから遠隔ヒートステーションに流れることができる。周囲温度のガスの全てを含むことができるガスの第１部分は、向流熱交換器に入り、コールドヘッドにより冷却され、遠隔負荷に流れ、その後、向流熱交換器を通って流れるにつれて、周囲温度に戻る。高圧又は低圧のラインは、コールドヘッド及び圧縮機間を直接流れるようにガスの第２部分を方向転換する循環制御弁を有することができる。制御装置は、遠隔負荷の冷却を最適化する為に循環制御弁を調整する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

遠隔負荷にガスを循環する極低温冷凍システムであって、前記極低温冷凍システムが、
低圧から高圧にガスを圧縮する圧縮機と、
高圧のライン内の前記圧縮機から周囲温度でガスを受領して低圧のライン内に前記ガスを戻してＧＭ又はＧＭ型パルス菅の１以上の低温表面に冷凍を生成する少なくとも１つのギフォード－マクマホン（ＧＭ）又はＧＭ型パルス菅コールドヘッドと、
高圧及び低圧の前記ラインの１つ内の前記ガスの全て又は一部が通って流れる循環ループと、
を含み、
前記循環ループは、前記１以上の低温表面から前記遠隔負荷に冷凍を移送することを特徴とする極低温冷凍システム。

【請求項2】

高圧及び低圧の前記ラインの１つが、センサに接続された制御装置により制御された循環制御弁を有することを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍システム。

【請求項3】

さらに、周囲温度及び前記１以上の低温表面の温度の間に位置する前記循環ループ内に伝熱式熱交換器を含むことを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍システム。

【請求項4】

さらに、前記遠隔負荷に接続されたラインを前記システムの他の部分から隔離する隔離弁を含むことを特徴とする請求項３に記載の極低温冷凍システム。

【請求項5】

さらに、前記遠隔負荷に接続された前記ライン内のガスを追加又は除去するように構成された１以上のポートを含むことを特徴とする請求項４に記載の極低温冷凍システム。

【請求項6】

前記循環ループがさらに、前記遠隔負荷から前記１以上の低温表面に循環ガスを戻し、その後、また前記遠隔負荷に戻す第２パスを含むことを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍システム。

【請求項7】

前記コールドヘッドが、異なる温度の２つの低温表面を有することを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍システム。

【請求項8】

前記ガスが、ヘリウム、ネオン、窒素、及びアルゴンから成る群から選択される１以上のガスであることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍システム。

【請求項9】

さらに、ガス流脈動を平滑化する為に前記コールドヘッドと連通する１以上のバッファボリュームを含むことを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍システム。

【請求項10】

さらに、前記遠隔負荷及び前記１以上の低温表面の間にバヨネット接続を含むことを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍システム。

【請求項11】

さらに、前記遠隔負荷及び前記１以上の低温表面の間に真空ジャケット移送ラインを含むことを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍システム。

【請求項12】

ガスを遠隔負荷に循環する極低温冷凍システムを使用することにより前記遠隔負荷を冷却する方法であって、前記極低温冷凍システムが、
低圧から高圧にガスを圧縮する圧縮機と、
高圧のライン内の前記圧縮機からガスを受領して低圧のライン内に前記ガスを戻してＧＭ又はＧＭ型パルス菅の少なくとも１つの低温表面に冷凍を生成する少なくとも１つのＧＭ又はＧＭ型パルス菅コールドヘッドと、
を含み、
高圧及び低圧の前記ラインの１つが循環制御弁を有し、前記循環制御弁が、前記ガスの第１部分を方向転換して循環ループを通って流れるようにし、前記低温表面から前記遠隔負荷に冷凍を移送し、
前記方法が、前記遠隔負荷の冷却を制御する為に前記循環制御弁を調整することを含むことを特徴とする方法。

【請求項13】

前記ガスの前記第１部分の量が、高圧及び低圧の前記ライン内の測定された圧力、温度、又は、流量の少なくとも１つに基づいて決定されることを特徴とする請求項１２に記載の方法。

【請求項14】

前記ガスの前記第１部分の量が、前記遠隔負荷の温度を最小化する為に決定されることを特徴とする請求項１２に記載の方法。

【請求項15】

前記ガスの前記第１部分の量が、前記遠隔負荷を冷却する冷却率を最大化する為に決定されることを特徴とする請求項１２に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願への相互参照
本出願は、２０２１年７月２９日に出願された米国仮特許出願番号６３／２２６，８５１の優先権を主張し、その全体は、参照により本明細書に組み込まれる。

【0002】

本発明はギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon：ＧＭ）又はＧＭ型パルス菅コールドヘッド(pulse tube cold head)（エキスパンダ）から遠隔の負荷(load)の冷却に関する。

【背景技術】

【0003】

ギフォード・マクマホン（ＧＭ）又はパルス菅極低温冷却器等の弁付再生サイクル極低温冷凍機（極低温冷却器）は、その相対効率、小型の寸法、及び相対的低費用により、１ｋＷより小さい冷凍負荷で極低温冷凍を提供することで有名である。これらの極低温冷却器は、コールドヘッドに高圧ガスを提供してコールドヘッドから低圧ガスを受け取る圧縮機と、再生器を通して温間及び冷間変位容積(warm and cold displaced volumes)でガスを移送する往復移動するディスプレーサにガスを循環する弁を含むコールドヘッドと、を有することにより定義される。この型の極低温冷却器の欠点は、提供される冷凍が、コールドヘッドに位置する低温表面(cold surface)でのみ利用可能であることである。低圧で低温ガスを排出して遠隔負荷(remote load)に循環することができるブレイトン(Brayton)サイクルエキスパンダとは異なり、これらの再生型エキスパンダは、室温で低圧ガスを戻す。この欠点を解消する為に、再生サイクル極低温冷却器と、コールドヘッドの低温表面からの冷却流体をコールドヘッドから遠隔の位置に循環させることにより冷凍を移送する流体含有ループと、を組み合わせたシステムが開発された。幅広い温度範囲にわたる冷却が必要である場合、又は、冷却対象物の性質が液体による冷却又は液体から気体への位相変化による冷却を妨げる場合、そのようなループ内の流体としてガスが使用される。この場合、ループの一部で温度が低下して（冷却されて）ループの他の部分で温度が上昇する（温まる）ガスの顕熱により、冷凍が移送される。

【0004】

循環流体としてガスを使用している循環ループの２つの型が記載されている。低温サーキュレータを有する１つの型は、全て低温の循環ループを有し、ループを通して冷却流体を移動させるメカニズムを含む。温かいサーキュレータを有する他の型は、低温のコールドヘッド及び遠隔負荷を含むループの部分と、（例えば、室温以上の）温かい温度の流体を移動するメカニズムを含む部分と、を有する。ループ内及び２つの部分間に、ループの冷却部分がサーキュレータの温度よりかなり低い温度で動作することを可能にする伝熱式熱交換器が配置される。伝熱式熱交換器が、サーキュレータから来る流体を冷却し、サーキュレータに戻る流体を温める。

【0005】

低温サーキュレータを有するシステムの例は、米国特許第６３４７５２２号、英国特許２４３３５８１号、及び極低温冷却器１８、キム(Kim)他、「Cryogenic Thermal Studies on Cryocooler-Based Helium Circulation Systems for Gas Cooled Superconducting Power Devices」等の多数の技術論文に記載されている。米国特許第１０７０４８０９号には、低温サーキュレータ及び遠隔負荷を冷却する又は温める為に低温サーキュレータを使用する手段を有するＧＭエキスパンダを含むシステムが記載されている。これらのシステムにおいて、循環ループは極低温冷却器から分離しており、それにより、循環ループ及び極低温冷却器は、流体を共有又は交換しない。極低温冷却器と流体を共有又は交換する冷却循環メカニズムを含むシステムの変形は、極低温冷却器１６、マドックス(Maddocks)他、「Performance Test of Pulse Tube Cooler with Integrated Circulator」に記載されている。この変形において、循環流体は、極低温冷却器の低温表面の内部を起源とし、低温表面の内部に排出され、逆止弁により直流に整流された極低温冷却器内の圧力スイングにより流体は移動される。

【0006】

温かいサーキュレータを有するシステムの例は、米国特許第５８８９４５６号、米国特許第９６１２０６２号、及び極低温冷却器１７、トローリア(Trollier)他、「Remote Helium Cooling Loops for Laboratory Applications」の技術論文に記載されている。米国特許第７００３９７７号には、温かい又は低温サーキュレータのいずれかを有することができる冷蔵コンポーネントを有する循環システムが記載されている。これらの例において、極低温冷却器及び循環ループは、上述のように分離している。循環ループ及び極低温冷却器が流体を共有及び交換する温かいサーキュレータを有するシステムの例は、米国特許第７４７４０９９号及び極低温冷却器１５、マイケリアン(Michaelian)他、「Remote Cooling with the HEC COOLER」の技術論文に記載されている。米国特許出願公開第２０２１／００２５６２４号には、排出器を使用して圧縮機流量の一部を循環させて遠隔負荷の低温流量を増加させることが記載されている。これらの例において、１つの圧縮機は、コールドヘッド及びコールドヘッドと並列に配置された循環ループの両方に使用される。極低温冷却器が消耗用極低温流体により冷却された熱交換器と交換されている温かいサーキュレータを有するシステムの例は、米国特許第６９２３００９号に記載されている。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

これらの先行開示には教示されておらず、本発明には開示されているものは、循環ループ及び極低温冷却器が流体を共有及び交換するシステムであり、循環ループは、極低温冷却器のコールドヘッドの温かい吸気又は排気と直列のフローに配置される。

【課題を解決するための手段】

【0008】

冷凍を遠隔位置に移送する循環ループは、ＧＭ又はＧＭ型パルス菅コールドヘッド及び圧縮機間に直列に接続されている。圧縮機及びコールドヘッド間に流れるガスの一部又は全ては、コールドヘッドにより冷却される為に方向転換され、その後、コールドヘッドへ又はから直接流れるガスの部分に再合流する前に遠隔負荷を冷却する。圧縮機からの高圧ガスは、コールドヘッド（エキスパンダ）に戻る前に、遠隔ヒートステーションを通って流れることができ、又は、低圧ガスは、圧縮機に戻る前に、コールドヘッドから遠隔ヒートステーションに流れることができる。循環ガスは、コールドヘッド及び圧縮機に接続された周囲温度のライン間に配置された向流熱交換器、並びに、コールドヘッドの低温表面又は複数の低温表面及び遠隔負荷を通って流れる。圧縮機へ又はから直接流れるガスが通るラインは、循環ループに向かってフローを方向転換して循環ループを通るフローを駆動する圧力低下を制御する循環制御弁を有する。様々なセンサからの入力を有する制御装置は、循環制御弁を調整して負荷の冷却を最適化する。負荷に循環するガスは、第１部分と呼ばれ、圧縮機及びコールドヘッド間を直接流れるガスの残部は、第２部分と呼ばれる。

【0009】

循環ループは、遠隔負荷を極低温に冷却して又室温まで温める機能をサポートする為の隔離弁、吸着剤、投入及び排出口、バヨネット(bayonets)及び真空ジャケット移送ライン、及びヒータ等の要素を含むことができる。

【0010】

これらの利点及び他の利点は、例えば、遠隔負荷にガスを循環する極低温冷凍システムにより達成される。極低温冷凍システムは、低圧から高圧にガスを圧縮する圧縮機と、高圧のライン内の前記圧縮機から周囲温度でガスを受領して低圧のライン内にガスを戻してＧＭ又はＧＭ型パルス菅の１以上の低温表面に冷凍を生成する少なくとも１つのギフォード－マクマホン（ＧＭ）又はＧＭ型パルス菅コールドヘッドと、高圧及び低圧の前記ラインの１つ内の前記ガスの全て又は一部が通って流れる循環ループと、を含む。循環ループは、前記１以上の低温表面から遠隔負荷に冷凍を移送する。これらの利点及び他の利点は、例えば、遠隔負荷の冷却を制御する為に循環制御弁を調整する方法により達成される。

【0011】

図面は、限定の意図はなく、例示のみを目的として、本発明に基づく１つ以上の実施態様を描いている。図において、同様の参照符号は、同一又は類似の要素を指す。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】コールドヘッドから出た後で圧縮機に戻る前に遠隔負荷を冷却する為に低圧でガスの一部又は全てを循環する実施形態である極低温冷凍システムの概略図である。

【図2】圧縮機から出た後でコールドヘッドに戻る前に遠隔負荷を冷却する為に高圧でガスの全てを循環する実施形態である極低温冷凍システムの概略図である。

【図3】１パスループの為の熱交換器効率及び循環流量の関数として遠隔負荷で利用可能な冷却の例のグラフを示す図である。

【図4】圧縮機から出た後でコールドヘッドに戻る前に遠隔負荷を冷却する為に高圧でガスの一部又は全てを循環する実施形態である極低温冷凍システムの概略図である。循環ガスは、熱交換器に戻る前に、コールドヘッド及び負荷間を２回流れる。

【図5】２パスループの為の熱交換器効率及び循環流量の関数として遠隔負荷で利用可能な冷却の例のグラフを示す図である。

【図6】遠隔負荷を冷却する及び温める為に適応することができる任意の実施形態のいくつかの異なる方法を示す極低温冷凍システムの概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

本節では、本発明の好ましい実施形態を示す添付図面を参照しながら、本発明の幾つかの実施形態についてより詳細に説明する。但し、本発明は、多くの異なる形態で具現化でき、本明細書に開示する実施形態に限定されると解釈されるべきではない。すなわち、これらの実施形態は、本開示が十分かつ完全なものとなるように、当業者に本発明の範囲を伝えることを目的として提供する。図面において同一又は類似する部品には、同じ符号を付し、説明は通常繰り返さない。

【0014】

実施形態は、ヘリウムを循環させることにより、ギフォード－マクマホン（ＧＭ）又はＧＭ型パルス菅コールドヘッド（エキスパンダ）から遠隔に配置されて極低温で動作する負荷を冷却するシステムを提供する。図１を参照すると、コールドヘッド４０と直列に循環ループを配置することにより、遠隔負荷８０に冷凍を提供する極低温冷凍システム１００が図示されている。特に、圧縮機２０は、周囲温度（室温）で高圧のヘリウム流を提供し、ヘリウム流は直接ライン１０を通ってコールドヘッド（エキスパンダ）４０のウォームエンド内に流れる。コールドヘッド４０は、高圧のヘリウムガスを受け入れるように動作し、ガスを膨張させて低温表面４２に冷凍を提供し、第１の低圧Ｐ１’及び周囲温度（室温）に近い温度でガスをライン１３内に排気する。コールドヘッド４０から排気されるヘリウム流の一部又は全ては、ライン１４を通して循環ループ内に流れ、残りのヘリウム流は、循環制御弁９０及び戻り圧力Ｐ１のライン１２を通って圧縮機２０に戻る。コールドヘッドと直列に配置された循環ループは、ライン１４に入りライン１６から出るフローを含むシステムの一部である。

【0015】

ライン１４を通って循環ループに入るヘリウムは、伝熱式熱交換器６０の供給側を通って流れ、対向ヘリウム流により循環ループの低温動作温度に近い温度に冷却される。ヘリウムは、伝熱式熱交換器６０の供給側から熱交換器４４へ流れ、コールドヘッド４０の低温表面４２で提供される冷凍によりさらに冷却される。その後、循環ヘリウムは、ライン１５を通って熱交換器７２に流れ、遠隔負荷８０を冷却する。ヘリウムは、そこから熱交換器６０を通って戻り、供給側ヘリウムを冷却し、その後、ライン１６を通ってライン１２に合流し、圧力Ｐ１で圧縮機２０に戻る。ライン１４及び１６は温かいフランジ２１を通過し、温かいフランジ２１は、室温で動作するコンポーネントと、真空２２により遮断された低温コンポーネントを分離する。ほとんどのＧＭ及びＧＭ型パルス菅極低温冷凍機は、１０℃から４０℃間の周囲温度で動作するように設計されるが、一部は上記範囲外で動作するように設計されることができる。

【0016】

圧縮機におけるライン１０及び１２内のヘリウムの圧力は通常、それぞれ２～３ＭＰａ及び０．５～１ＭＰａの範囲内である。システムが動作温度である場合、循環制御弁９０にわたる圧力差は通常、約０．１ＭＰａであるが、冷却時又は加熱時にはより高くなる。循環制御弁９０は、圧縮機２０におけるライン１２内の圧力Ｐ１及びコールドヘッドの出口におけるライン１３内の圧力Ｐ１’（Ｐ１+ｄＰ）間の圧力低下ｄＰを調整する。圧力低下が増加すると、循環ループを通る流量が多くなり、コールドヘッド４０の冷却率が減少する。能動制御の利点は、遠隔負荷を室温から冷却する為に極低温冷凍システムを使用する時に分かる。遠隔負荷８０が温かい（室温に近い）場合、循環ループ内の圧力損失は比較的高くなる。なぜなら、ガスは低温時よりも低い密度及び高い粘性を有するからである。冷凍効率も比較的高くなる。なぜなら、コールドヘッド４０内の熱損失が低いからである。循環制御弁９０を通る流量を減少することにより、循環ループを通る流量が増加し、温度Ｔ１の低温表面４２及び温度Ｔ１＋ｄＴの遠隔負荷８０間の温度差ｄＴが最小化される。循環ガスの第１部分が低温表面４２で冷却され、遠隔負荷８０に冷凍を移送して温かくなる。温度センサ４２ａ及び８０ａはそれぞれ、これらの２つの位置で温度を測る。

【0017】

循環制御弁９０を使用して能動的に循環を制御することにより、循環ループを通る流量及びコールドヘッド４０を通る流量が、定められた１組の動作条件に最適化される。流量、温度、圧力、差圧、又はこれらの組み合わせの測定値は、循環制御弁９０の流量制御決定を知らせる為に使用される。

【0018】

好ましい方法は、センサ４２ａ及び８０ａ間の温度差を最小化するように循環制御弁９０を調整する（不図示の）制御装置を使用することである。センサの位置及び型は、図１に図示されている温度センサ４２ａ及び８０ａには限定されず、循環ループ内のガスの圧力、温度、及び／又は、流量を効果的に検出する任意の位置及び型のセンサであることができる。循環ループを通って流れる一部のガスの量は、遠隔負荷８０の温度を最小化する、又は、遠隔負荷８０が冷却される冷却率を最大化するように決定される。

【0019】

図２には、コールドヘッド４０に入る前に高圧のガスを圧縮機２０から遠隔負荷８０に循環する点で極低温冷凍システム１００とは異なる極低温冷凍システム２００が図示されている。低圧のガスがライン１２を通ってコールドヘッド４０から圧縮機２０に直接戻る。極低温冷凍システム２００は図１に図示されている循環制御弁９０を有することもできるが、図２には、圧縮機２０からの流量の全てを循環することが図示されている。高圧又は低圧のどちらでガスを循環しても、極低温冷凍システムは、極低温冷凍システム１００に示されているように循環制御弁９０を有することができ（図４も参照）、又は、極低温冷凍システム２００に示されているように循環制御弁９０を含まないことができる。ガスは圧力Ｐｈで圧縮機２０からライン１０を通って出て、圧力Ｐｈ’でライン１１を通ってコールドヘッド４０に戻り、圧力差ｄＰが循環ループ内の圧力低下である。循環ループは通常、Ｐｈ－Ｐ１の約１０％よりも少ない圧力低下ｄＰを有するように設計される。

【0020】

８０Ｋで６００Ｗの冷却を生成するＧＭ冷凍機を使用して８０Ｋで負荷を冷却する例が挙げられているが、低温表面４２で２．０／０．８ＭＰａの圧力と１０ｇ／ｓの流量を有する８０Ｋ以下では約１０Ｗ／Ｋ少なく生成される。循環ループは、例えば、０．１ＭＰａより低い圧力低下及び高い熱交換器効率を有するように設計されることが好ましい。

【0021】

図３には、９８．５％及び９９％の熱交換器効率における循環率の関数として、遠隔負荷８０において８０Ｋで利用可能な冷却のグラフが図示されている。８０Ｋで遠隔負荷８０を冷却する為にガスを循環することは、ガスが８０Ｋ以下に冷却されることを必要とする。図３には、ガスがその温度まで冷却されたと仮定して、低温表面４２の温度も図示されている。６ｇ／ｓの循環流量及び９８．５％の熱交換器６０効率において、熱交換器６０以外で損失が無いと仮定して、遠隔負荷８０で最大３７５Ｗの冷却が利用可能である。損失の２つの主要な原因は、熱交換器における１０５Ｗ、及び冷却能力の１２０Ｗ減少である。なぜなら、エキスパンダ４０は６８Ｋで動作しているからである。９９％の熱交換器効率において、最適循環流量は約８ｇ／ｓである。熱交換器損失は９４Ｗであり、エキスパンダ４０は７０．２Ｋで動作し、冷却能力の９８Ｗ減少により、遠隔負荷８０の冷却に利用可能な４０８Ｗが残る。循環制御弁９０が閉じており、流量の全てが循環ループを通る場合、遠隔負荷８０で利用可能な冷却は４０４Ｗである。設計者は、循環制御弁９０を無くして流量の全てを循環させることを選択することもできる。

【0022】

前述の例における低温表面４２及び遠隔負荷８０間の温度差を最小化する流量は、循環制御弁９０を使用して循環する流量を調整する（不図示の）制御装置を使用して得ることができる。

【0023】

図４には、循環制御弁９０並びに低温表面４２及び遠隔負荷８０間に２パス循環ループを有する極低温冷凍システム２５０が図示されており、極低温冷凍システム２５０は、ライン１５ａにより接続された第１パス熱交換器４４ａ及び７２ａと、ライン１５ｂ及び戻りライン１７により接続された第２パス熱交換器４４ｂ及び７２ｂと、を有する。図５には、図３と同じ仮定で９９％の効率を有する熱交換機６０の為のシステム２５０から利用可能な冷却のグラフが図示されている。最適循環流量は６ｇ／ｓ近くであり、熱交換機損失は７１Ｗであり、エキスパンダが７２．７Ｋであるから冷却能力の減少は７３Ｗであり、残りの４５７Ｗが遠隔負荷８０の冷却に利用可能である。

【0024】

図６には、基本的な循環システムがどのように異なる応用に適応できるかを示している極低温冷凍システム３００の概略図が図示されている。循環ループは、システム２００のように、高圧として図示されているが、同様に、上記適応は低圧でガスを循環するシステム１００に適用することもできる。

【0025】

多くの応用は、メンテナンス又はプロセスの一部として負荷を温める必要がある。いくつかのＧＭ及びＧＭ型パルス菅は、「逆走」することができ、冷却ではなくむしろ加熱を生成することができる。これらにおいては、システム１００及び２００に変更は必要ない。逆走できないコールドヘッドにおいて、ライン１５内のガス、そして、その後遠隔負荷８０を加熱するヒータ５４は、ガスが循環されてコールドヘッドを迂回することを必要とする。バイパス弁９４は、コールドヘッド４０が遮断されている間も、ガスを循環することを可能にする。

【0026】

極低温冷凍機の低温コンポーネントが独自の真空ハウジング６２内に収容され、そして、真空遮断（又はジャケット）移送ライン７４ａ及び７４ｂを通して遠隔負荷８０にガスを循環させることが一般的である。移送ラインは、バヨネット７０ａ及び７０ｂを使用して取り外し可能に接続されることができ、又は、冷凍機と共通の真空２２を共有することができる。遠隔負荷８０は、遠隔負荷を通るガスを流すことにより、又は、熱交換器７２により冷却することができる。遠隔負荷を通って流れるガスを循環させることにより遠隔負荷８０を冷却することの１つの懸念は、ガスを清潔に保持することである。隔離弁６８ａ及び６８ｂは、閉じている時、遠隔負荷８０に接続しながら冷凍機内のガスを清潔に保持することを可能にする。遠隔負荷に接続された後、回路を洗浄する必要がある。このことは通常、弁６４ａ及び６４ｂを通してラインを充填及び排気することにより達成される。ガスを清潔に保つことを補助する為に吸着器５２をライン１５に追加することができる。システムが冷却されると、ガスが弁６４ａ又は６４ｂを通して追加される。

【0027】

システム３００は、循環制御弁９０及びコールドヘッド４０間にバッファボリューム(buffer volume)９６を含む。バッファボリューム９６は、コールドヘッドに入るフローを平滑化する機能を果たす。システム２００の場合、ライン１１に追加される。前述されていない、又は、図示されていないオプションは、１以上のコールドヘッドを使用し、並列に配置された１以上の圧縮機を動作させ、２以上の低温表面を有する多段コールドヘッドを使用して異なる温度でガスを遠隔負荷に循環させ、コールドヘッドを異なる速度で動作させ、システムにガスを追加するかシステムからガスを除去することを可能にするガス貯蔵システムを追加し、又は、ネオン、アルゴン、又は窒素等の他のガスを使用することを含む。

【0028】

本明細書で使用する用語及び説明は、例示のみを目的とし、発明を限定する意図はない。本発明及び本明細書に記載された実施形態の思想及び範囲内で、多くの変形が可能であることは当業者にとって明らかである。

【符号の説明】

【0029】

１０ ライン
１１ ライン
１２ ライン
１３ ライン
１４ ライン
１５ ライン
１５ａ ライン
１５ｂ ライン
１６ ライン
１７ 戻りライン
２０ 圧縮機
２１ フランジ
２２ 真空
４０ コールドヘッド、エキスパンダ
４２ 低温表面
４４ 熱交換器
４４ａ 熱交換器
４４ｂ 熱交換器
５２ 吸着器
５４ ヒータ
６０ 熱交換器
６２ 真空ハウジング
６４ａ 弁
６４ｂ 弁
６８ａ 隔離弁
６８ｂ 隔離弁
７０ａ バヨネット
７０ｂ バヨネット
７２ 熱交換器
７２ａ 熱交換器
７２ｂ 熱交換器
７４ａ 移送ライン
７４ｂ 移送ライン
８０ 遠隔負荷
９０ 循環制御弁
９４ バイパス弁
９６ バッファボリューム
１００ 極低温冷凍システム
２００ 極低温冷凍システム
２５０ 極低温冷凍システム
３００ 極低温冷凍システム

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【手続補正書】

【提出日】2024-02-21

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

遠隔負荷にガスを循環する極低温冷凍システムであって、前記極低温冷凍システムが、
低圧から高圧にガスを圧縮する圧縮機と、
高圧の第１のライン内の前記圧縮機から周囲温度でガスの全てを受領して低圧の第２のライン内に周囲温度に近い温度で前記ガスの全てを戻してＧＭ又はＧＭ型パルス菅の１以上の低温表面に冷凍を生成する少なくとも１つのギフォード－マクマホン（ＧＭ）又はＧＭ型パルス菅コールドヘッドと、
前記第１及び第２のラインの１つから流れて又戻る前記ガスの全て又は一部が通る循環ループと、
を含み、
前記循環ループ内の前記ガスは、前記１以上の低温表面から前記遠隔負荷に冷凍を移送することを特徴とする極低温冷凍システム。

【請求項2】

前記第１及び第２のラインの１つが、センサに接続された制御装置により制御された循環制御弁を有することを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍システム。

【請求項3】

さらに、周囲温度及び前記１以上の低温表面の温度の間に位置する前記循環ループ内に伝熱式熱交換器を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の極低温冷凍システム。

【請求項4】

さらに、前記遠隔負荷に接続されたラインを前記システムの他の部分から隔離する隔離弁を含むことを特徴とする請求項３に記載の極低温冷凍システム。

【請求項5】

さらに、前記遠隔負荷に接続された前記ライン内のガスを追加又は除去するように構成された１以上のポートを含むことを特徴とする請求項４に記載の極低温冷凍システム。

【請求項6】

前記循環ループがさらに、前記遠隔負荷から前記１以上の低温表面に循環ガスを戻し、その後、また前記遠隔負荷に戻す第２パスを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の極低温冷凍システム。

【請求項7】

前記コールドヘッドが、異なる温度の２つの低温表面を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の極低温冷凍システム。

【請求項8】

前記ガスが、ヘリウム、ネオン、窒素、及びアルゴンから成る群から選択される１以上のガスであることを特徴とする請求項１又は２に記載の極低温冷凍システム。

【請求項9】

さらに、ガス流脈動を平滑化する為に前記コールドヘッドと連通する１以上のバッファボリュームを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の極低温冷凍システム。

【請求項10】

さらに、前記遠隔負荷及び前記１以上の低温表面の間にバヨネット接続を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の極低温冷凍システム。

【請求項11】

さらに、前記遠隔負荷及び前記１以上の低温表面の間に真空ジャケット移送ラインを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の極低温冷凍システム。

【請求項12】

ガスを遠隔負荷に循環する極低温冷凍システムを使用することにより前記遠隔負荷を冷却する方法であって、前記極低温冷凍システムが、
低圧から高圧にガスを圧縮する圧縮機と、
高圧の第１のライン内の前記圧縮機から周囲温度でガスの全てを受領して低圧の第２のライン内に周囲温度に近い温度で前記ガスの全てを戻してＧＭ又はＧＭ型パルス菅の１以上の低温表面に冷凍を生成する少なくとも１つのＧＭ又はＧＭ型パルス菅コールドヘッドと、
前記第１及び第２のラインの１つから流れて又戻る前記ガスの全て又は一部が通る循環ループと、
を含み、
前記第１及び第２のラインの１つが循環制御弁を有し、前記循環制御弁が、前記ガスの第１部分を方向転換して前記循環ループを通って流れるようにし、前記１以上の低温表面から前記遠隔負荷に冷凍を移送し、
前記方法が、前記遠隔負荷の冷却を制御する為に前記循環制御弁を調整することを含むことを特徴とする方法。

【請求項13】

前記ガスの前記第１部分の量が、高圧及び低圧の前記ライン内の測定された圧力、温度、又は、流量の少なくとも１つに基づいて決定されることを特徴とする請求項１２に記載の方法。

【請求項14】

前記ガスの前記第１部分の量が、前記遠隔負荷の温度を最小化する為に決定されることを特徴とする請求項１２又は１３に記載の方法。

【請求項15】

前記ガスの前記第１部分の量が、前記遠隔負荷を冷却する冷却率を最大化する為に決定されることを特徴とする請求項１２又は１３に記載の方法。

【国際調査報告】