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特表2024-542965１．５Ｋを下回るサブケルビン低温のための低温圧送システム及び革新的な統合
(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】2024-11-19
(54)【発明の名称】１．５Ｋを下回るサブケルビン低温のための低温圧送システム及び革新的な統合
(51)【国際特許分類】
F25B 9/12 20060101AFI20241112BHJP
F25B 9/02 20060101ALI20241112BHJP
F25B 41/39 20210101ALI20241112BHJP
【ＦＩ】
F25B9/12
F25B9/02 Z
F25B41/39
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024524362
(86)(22)【出願日】2022-10-07
(85)【翻訳文提出日】2024-04-23
(86)【国際出願番号】 EP2022077908
(87)【国際公開番号】W WO2023088607
(87)【国際公開日】2023-05-25
(31)【優先権主張番号】2112093
(32)【優先日】2021-11-16
(33)【優先権主張国・地域又は機関】FR
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】591036572
【氏名又は名称】レール・リキード－ソシエテ・アノニム・プール・レテュード・エ・レクスプロワタシオン・デ・プロセデ・ジョルジュ・クロード
(74)【代理人】
【識別番号】110003708
【氏名又は名称】弁理士法人鈴榮特許綜合事務所
(72)【発明者】
【氏名】クリスペル，サイモン
(72)【発明者】
【氏名】レイヴェックス，アライン
(57)【要約】
【解決手段】 本発明は、第１の作動流体（１１）の循環のための第１の作動回路（１０）を含む冷凍装置（１）であって、第１の作動回路（１０）は、パイプの第１のネットワーク（７０）によって直列に接続された以下の要素：－ 第１の圧縮機（２０）、－ 冷却ユニット（３００）、－ 第３の熱交換器（３０）、－ ジュールトムソン型の第１の膨張装置（４０）、－ 冷却される対象物と熱を交換するように構成された第１のリザーバ（５０）を含み、装置（１）は、断熱チャンバ（５）も含み、及び第１の作動回路（１０）は、パイプの第１のネットワーク（７０）に接続された第１の圧送部材（８０）を含む、冷凍装置（１）に関する。
【選択図】図１
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１の作動流体（１１）を循環させるための第１の作動回路（１０）を含む冷凍装置（１）であって、前記第１の作動回路（１０）は、ラインの第１のネットワーク（７０）によって直列に接続された以下の要素：－ 前記作動流体（１１）のための第１の移送部材（２０）、
－ 前記第１の作動回路（１０）に接続される第１の高温チャネル（３１１）及び第１の低温チャネル（３１２）を含む第１の熱交換器（３１０）を含む冷却ユニット（３００）であって、前記第１の作動回路（１０）に接続された第２の高温チャネル（３２１）と、第１の冷熱源（３３０）に接続された第２の低温チャネル（３２２）とを含む第２の熱交換器（３２０）も含む冷却ユニット（３００）、
－ 第３の高温チャネル（３１）及び第３の低温チャネル（３２）を含む第３の熱交換器（３０）、
－ 第１のジュールトムソン膨張装置（４０）、
－ 冷却される対象物と熱交換するように構成された第１のタンク（５０）
を含む、冷凍装置（１）において、前記要素の少なくともいくつかが内側に配置される断熱エンクロージャ（５）も含み、前記第１の移送部材（２０）は、前記エンクロージャ（５）の外側に位置することと、前記第１の作動回路（１０）は、前記エンクロージャ（５）の内側に位置し、且つ前記ラインの第１のネットワーク（７０）に接続された第１の圧送部材（８０）を含むこととを特徴とする冷凍装置（１）。
【請求項2】
前記ラインの第１のネットワーク（７０）は、－ 前記第１の作動流体（１１）が送出される前記移送部材（２０）の第１の出口（２１）を前記第１の高温チャネル（３１１）の第１の入口（３１３）に接続すること、
－ 前記第１の高温チャネル（３１１）の第２の出口（３１４）を前記第２の高温チャネル（３２１）の第２の入口（３２３）に接続すること、
－ 前記高温チャネル（３２１）の第３の出口（３２４）を前記第３の高温チャネル（３１）の第３の入口（３３）に接続すること、
－ 前記第３の高温チャネル（３１）の第４の出口（３４）を前記第１の膨張装置（４０）の第４の入口（４１）に接続すること、
－ 前記第１の膨張装置（４０）の第５の出口（４２）を前記第１のタンク（５０）の第５の入口（５１）に接続すること、
－ 前記第１のタンク（５０）の第６の出口（５２）を前記第３の低温チャネル（３２）の第６の入口（３５）に接続すること、
－ 前記第３の低温チャネル（３２）の第７の出口（３６）を、前記第１の作動流体（１１）が引き込まれる前記第１の移送部材（２０）の第８の入口（２２）に接続すること
を行うように配置され、前記第１の圧送部材（８０）は、前記第６の出口（５２）と前記第８の入口（２２）との間に位置する、請求項１に記載の装置。
【請求項3】
前記第１の圧送部材（８０）は、前記第８の入口（２２）に直接接続される、請求項２に記載の冷凍装置（１）。
【請求項4】
前記第１の圧送部材（８０）は、前記第７の出口（３６）の下流に位置する、請求項２又は３に記載の冷凍装置（１）。
【請求項5】
第２のジュールトムソン膨張装置（９０）と第２のタンク（１００）とを含み、前記第２の膨張装置（９０）は、前記第３の出口（３２４）の下流で前記第１の回路（１０）と流体連通する第１０の入口（９１）と、前記第２のタンク（１００）の第１１の入口（１０１）と流体連通する第１０の出口（９２）とを含み、前記第２のタンク（１００）は、前記第８の入口（２２）と流体連通する第１１の出口（１０２）を含み、前記第２のタンク（１００）は、前記第３の入口（３３）の上流で前記第１の回路（１０）と流体連通する、液相の作動流体（１１）のための第１の排出口（１０３）も含む、請求項２～４のいずれか一項に記載の冷凍装置（１）。
【請求項6】
第３のジュールトムソン膨張装置（１１０）と、第３のタンク（１２０）と、第５の高温チャネル（１３１）及び第５の低温チャネル（１３２）を含む第５の熱交換器（１３０）とを含み、前記第３の膨張装置（１１０）は、前記第３の出口（３２４）の下流で前記第１の回路（１０）と流体連通する第１２の入口（１１１）と、前記第３のタンク（１２０）の第１３の入口（１２１）と流体連通する第１２の出口（１１２）とを含み、前記第３のタンク（１２０）は、前記第８の入口（２２）と流体連通する第１３の出口（１２２）を含み、前記第３のタンク（１２０）は、前記第５の高温チャネル（１３１）の第１４の入口（１３３）と流体連通する、液相の作動流体（１１）のための第２の排出口（１２３）も含み、前記第５の高温チャネル（１３１）の第１４の出口（１３４）は、前記第３の入口（３３）の上流で前記第１の回路（１０）と流体連通し、前記第５の低温チャネル（１３２）の第１５の入口（１３５）及び第１５の出口（１３６）は、前記第７の出口（３６）の下流で前記第１の回路（１０）と流体連通する、請求項２～５のいずれか一項に記載の冷凍装置。
【請求項7】
第６の高温チャネル（１５１）及び第６の低温チャネル（１５２）を含む第６の熱交換器（１５０）と、第４のジュールトムソン膨張装置（１６０）と、第４のタンク（１７０）とを含み、前記第６の高温チャネル（１５１）は、前記第１の出口（２１）と前記第３の入口（３３）との間で前記第１の作動回路（１０）と流体連通する第１６の入口（１５３）を含み、及び前記第６の低温チャネル（１５２）は、前記第５の出口（４２）の下流で前記第１の作動回路（１０）と流体連通する第１６の出口（１５６）を含む、請求項２～６のいずれか一項に記載の冷凍装置（１）。
【請求項8】
前記第１の作動流体（１１）は、９９．９％以上の体積比率のヘリウム４を含む、請求項１～７のいずれか一項に記載の冷凍装置（１）。
【請求項9】
第２の移送部材（１９０）及び第２の低温ポンプ（２２０）によって第２の作動流体（１８１）を循環させるための第２の作動回路（１８０）を含み、前記第２の作動回路（１８０）は、前記第１のタンク（５０）と熱交換する少なくとも１つの第１のライン部分（２６１）を含む、請求項１～８のいずれか一項に記載の冷凍装置（１）。
【請求項10】
前記第２の移送部材（１９０）は、前記エンクロージャ（５）の外側に位置する、請求項９に記載の冷凍装置（１）。
【請求項11】
前記第２の作動回路（１８０）は、前記第２のタンク（１００）と熱交換する少なくとも１つの第２のライン部分（２６２）を含む、請求項９又は５に記載の冷凍装置（１）。
【請求項12】
前記第２の作動回路（１８０）は、第５のジュールトムソン膨張装置（２００）も含む、請求項９～１１のいずれか一項に記載の冷凍装置（１）。
【請求項13】
前記第２の作動流体（１８１）は、９９．９％以上の体積比率のヘリウム３を含む、請求項９～１２のいずれか一項に記載の冷凍装置（１）。
【請求項14】
請求項１～１３のいずれか一項に記載の装置を使用する冷凍の方法であって、－ 前記第１の作動流体を圧縮するステップ、
－ 前記第１の作動流体を冷却するステップ、
－ 前記第１の作動流体を等エンタルピー膨張させるステップ、
－ 前記第１の作動流体を第１の液相及び第２の気相に分離するステップ、
－ 前記第１の流体を加熱するステップ、
－ 前記第１の流体を圧送するステップ
を含む方法。
【請求項15】
前記第１の作動流体を等エンタルピー膨張させる前記ステップは、前記分離ステップ前に前記第１の作動流体を５００ミリケルビン～４．５ケルビンの温度にするように実行される、請求項１４に記載の方法。
【請求項16】
請求項９～１３のいずれか一項に記載の装置を使用する冷凍の方法であって、－ 前記第２の作動流体を圧縮するステップ、
－ 前記第２の作動流体を冷却するステップ、
－ 前記第２の作動流体を等エンタルピー膨張させるステップ、
－ 前記第２の作動流体を第１の液相及び第２の気相に分離するステップ、
－ 前記第２の流体を加熱するステップ、
－ 前記第２の流体を圧送するステップ
を含む方法。
【請求項17】
前記第２の作動流体を等エンタルピー膨張させる前記ステップは、前記分離ステップ前に前記第２の作動流体を３００～７００ミリケルビンの温度にするように実行される、請求項１６に記載の方法。【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、極低温での冷凍の分野に関し、より詳細には、ケルビンに近い温度での冷凍のための装置の分野に関する。
【背景技術】
【0002】
知られているものは、作動流体のための圧縮機と、冷却される作動流体の第１の流れが循環する第１の高温チャネル及び第１の流れを冷却するための作動流体の第２の流れが循環する第１の低温チャネルを含む第１の熱交換器と、第１のジュールトムソン膨張装置と、第１の分離タンクとを含む、作動流体を循環させるための回路を含む冷凍装置である。冷凍装置は、第１の高温チャネルの第１の入口と流体連通する、第１の作動流体が送出される圧縮機の第１の出口と、第１の膨張装置の第２の入口と流体連通する第１の高温チャネルの第２の出口と、第１のタンクの第３の入口と流体連通する第１の膨張装置の第３の出口と、第１の低温チャネルの第４の入口と流体連通する第１のタンクの第４の出口と、第１の作動流体が引き込まれる第１の圧縮機の第５の入口と流体連通する第１の低温チャネルの第５の出口とを配置するように要素を接続するラインの第１のネットワークも含む。冷凍装置は、第１のタンクと熱交換する第２の高温チャネルを含む第２の熱交換器も含む。そのような回路は、第２の交換器の第２の低温チャネルに冷熱エネルギを提供する。しかしながら、作動流体が（ケルビンより低い）極低温まで冷却された後、作動流体の圧力は、低く、約０．１ミリバールである。したがって、かなりの冷却力を有することを可能とするために、かなりの流体流速を第１の回路に導入することが必要であり、これは、低い圧力においてかなりの大きさの圧送能力及びそれに対応するように寸法決めされたラインを必要とする。これは、非常にエネルギを必要とする圧縮装置を設けることになり、利用が難しく費用のかかる大きい冷凍装置になる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
本発明の目的は、特に、ジュールトムソン膨張装置を組み込む冷凍装置の冷却力を増加させることである。
【課題を解決するための手段】
【0004】
このために、第１の作動流体を循環させるための第１の作動回路を含む冷凍装置が提供され、第１の作動回路は、ラインの第１のネットワークによって直列に接続された以下の要素：
－ 作動流体のための第１の移送部材、
－ 第１の作動回路に接続される第１の高温チャネル及び第１の低温チャネルを含む第１の熱交換器を含む冷却ユニットであって、第１の作動回路に接続された第２の高温チャネルと、第１の冷熱源に接続された第２の低温チャネルとを含む第２の熱交換器も含む冷却ユニット、
－ 第３の高温チャネル及び第３の低温チャネルを含む第３の熱交換器、
－ 第１のジュールトムソン膨張装置、
－ 冷却される対象物と熱交換するように構成された第１のタンク
を含む。
－ 作動流体のための第１の移送部材、
－ 第１の作動回路に接続される第１の高温チャネル及び第１の低温チャネルを含む第１の熱交換器を含む冷却ユニットであって、第１の作動回路に接続された第２の高温チャネルと、第１の冷熱源に接続された第２の低温チャネルとを含む第２の熱交換器も含む冷却ユニット、
－ 第３の高温チャネル及び第３の低温チャネルを含む第３の熱交換器、
－ 第１のジュールトムソン膨張装置、
－ 冷却される対象物と熱交換するように構成された第１のタンク
を含む。
【0005】
本発明によると、装置は、要素の少なくともいくつかが内側に配置される断熱エンクロージャも含み、第１の移送部材は、エンクロージャの外側に位置する。第１の作動回路は、エンクロージャの内側に位置し、且つラインの第１のネットワークに接続された第１の圧送部材も含む。
【0006】
したがって、得られるものは、第１の移送部材を変更することなく、第２の熱交換器でより多くの作動流体を循環させることができる装置であり、そのため、所定の装置容積に対する性能の改善及び／又は冷凍装置の小形化が可能になる。
【0007】
特定の実施形態によると、ラインの第１のネットワークは、
－ 第１の作動流体が送出される移送部材の第１の出口を第１の高温チャネルの第１の入口に接続すること、
－ 第１の高温チャネルの第２の出口を第２の高温チャネルの第２の入口に接続すること、
－ 高温チャネルの第３の出口を第３の高温チャネルの第３の入口に接続すること、
－ 第３の高温チャネル（３１）の第４の出口を第１の膨張装置の第４の入口に接続すること、
－ 第１の膨張装置の第５の出口を第１のタンクの第５の入口に接続すること、
－ 第１のタンクの第６の出口を第３の低温チャネルの第６の入口に接続すること、
－ 第３の低温チャネルの第７の出口を、第１の作動流体が引き込まれる第１の移送部材の第８の入口に接続すること
を行うように配置され、第１の圧送部材は、第６の出口と第８の入口との間に位置する。
－ 第１の作動流体が送出される移送部材の第１の出口を第１の高温チャネルの第１の入口に接続すること、
－ 第１の高温チャネルの第２の出口を第２の高温チャネルの第２の入口に接続すること、
－ 高温チャネルの第３の出口を第３の高温チャネルの第３の入口に接続すること、
－ 第３の高温チャネル（３１）の第４の出口を第１の膨張装置の第４の入口に接続すること、
－ 第１の膨張装置の第５の出口を第１のタンクの第５の入口に接続すること、
－ 第１のタンクの第６の出口を第３の低温チャネルの第６の入口に接続すること、
－ 第３の低温チャネルの第７の出口を、第１の作動流体が引き込まれる第１の移送部材の第８の入口に接続すること
を行うように配置され、第１の圧送部材は、第６の出口と第８の入口との間に位置する。
【0008】
有利には、第１の圧送部材は、第８の入口に直接接続される。
【0009】
同様に有利には、第１の圧送部材は、第７の出口の下流に位置する。
【0010】
装置が第２のジュールトムソン膨張装置と第２のタンクとを含む場合、装置によって発生する最低温度が改善され、第２の膨張装置は、第３の出口の下流で第１の回路と流体連通する第１０の入口と、第２のタンクの第１１の入口と流体連通する第１０の出口とを含み、第２のタンクは、第８の入口と流体連通する第１１の出口を含み、第２のタンクは、第３の入口の上流で第１の回路と流体連通する、液相の作動流体のための第１の排出口も含む。
【0011】
装置が、第３のジュールトムソン膨張装置と、第３のタンクと、第５の高温チャネル及び第５の低温チャネルを含む第５の熱交換器とを含む場合にも、装置によって発生する最低温度が改善され、第３の膨張装置は、第３の出口の下流で第１の回路と流体連通する第１２の入口と、第３のタンクの第１３の入口と流体連通する第１２の出口とを含み、第３のタンクは、第８の入口と流体連通する第１３の出口を含み、第３の分離タンクは、第５の高温チャネルの第１４の入口と流体連通する、液相の作動流体のための第２の排出口も含み、第５の高温チャネルの第１４の出口は、第３の入口の上流で第１の回路と流体連通し、第３の低温チャネルの第１５の入口及び第１５の出口は、第７の出口の下流で第１の回路と流体連通する。
【0012】
好ましくは、冷凍装置は、第６の高温チャネル及び第６の低温チャネルを含む第６の熱交換器と、第４のジュールトムソン膨張装置と、第４のタンクとを含み、第６の高温チャネルは、第１の出口と第３の入口との間で第１の作動回路と流体連通する第１６の入口を含み、及び第６の低温チャネルは、第５の出口の下流で第１の作動回路と流体連通する第１６の出口を含む。
【0013】
有利には、第１の作動流体は、９９．９％より大きい体積比率のヘリウム４を含む。
【0014】
同様に有利には、装置は、第２の移送部材及び第２の低温ポンプによって第２の作動流体を循環させるための第２の作動回路を含み、第２の作動回路は、第１のタンクと熱交換する少なくとも１つの第１のライン部分を含む。
【0015】
好ましくは、第２の移送部材は、エンクロージャの外側に位置する。第２の回路が、第２のタンクと熱交換する少なくとも１つの第２のライン部分を含む場合及び／又は第２の作動回路が第５のジュールトムソン膨張装置も含む場合、大きい改善が得られる。第２の作動流体は、９９．９％より大きい体積比率のヘリウム３を含み得る。
【0016】
本発明は、上記の装置を使用する冷凍の方法にも関し、この方法は、
－ 第１の作動流体を圧縮するステップ、
－ 第１の作動流体を冷却するステップ、
－ 第１の作動流体を等エンタルピー膨張させるステップ、
－ 第１の作動流体を第１の液相及び第２の気相に分離するステップ、
－ 第１の流体を加熱するステップ、
－ 第１の流体を圧送するステップ
を含む。
－ 第１の作動流体を圧縮するステップ、
－ 第１の作動流体を冷却するステップ、
－ 第１の作動流体を等エンタルピー膨張させるステップ、
－ 第１の作動流体を第１の液相及び第２の気相に分離するステップ、
－ 第１の流体を加熱するステップ、
－ 第１の流体を圧送するステップ
を含む。
【0017】
さらに、第１の作動流体を等エンタルピー膨張させるステップは、分離ステップ前に第１の作動流体を５００ミリケルビン～４．５ケルビンの温度にするように実行される。
【0018】
有利には、方法は、
－ 第２の作動流体を圧縮するステップ、
－ 第２の作動流体を冷却するステップ、
－ 第２の作動流体を等エンタルピー膨張させるステップ、
－ 第２の作動流体を第１の液相及び第２の気相に分離するステップ、
－ 第２の流体を加熱するステップ、
－ 第２の流体を圧送するステップ
を含む。
－ 第２の作動流体を圧縮するステップ、
－ 第２の作動流体を冷却するステップ、
－ 第２の作動流体を等エンタルピー膨張させるステップ、
－ 第２の作動流体を第１の液相及び第２の気相に分離するステップ、
－ 第２の流体を加熱するステップ、
－ 第２の流体を圧送するステップ
を含む。
【0019】
同様に有利には、第２の作動流体を等エンタルピー膨張させるステップは、分離ステップ前に第２の作動流体を３００～７００ミリケルビンの温度にするように実行される。
【0020】
本発明のさらなる特徴及び利点は、本発明の特定の非限定的な実施形態の以下の説明を読むことで明らかになるであろう。
【0021】
添付図面が参照される。
【図面の簡単な説明】
【0022】
【発明を実施するための形態】
【0023】
図１を参照すると、本発明による、概して１で示される冷凍装置は、第１の作動流体１１、この場合、９９．９％に等しい体積比率のヘリウム４を含む流体を循環させるための第１の作動回路１０を含む。回路１０はまた、熱力学的エフェクタである、流体１１のための第１の圧縮機２０と、第１の熱交換器３１０、この場合、第１の高温チャネル３１１及び第１の低温チャネル３１２を含む対向流交換器を含む第１の冷却ユニット３００とを含む。冷却ユニット３００は、第２の高温チャネル３２１及び第２の低温チャネル３２２を含む第２の熱交換器３２０も含む。回路１０はまた、第３の熱交換器３０、この場合、第３の高温チャネル３１及び第３の低温チャネル３２を含む対向流交換器と、第１のジュールトムソン膨張装置４０と、第１の相分離タンク５０とを含む。装置１は、第１のタンク５０と熱交換する第４の高温チャネル６１を含む第４の熱交換器６０も含む。
【0024】
図１から分かるように、低温チャネル３２２は、知られている方法に従って外部冷熱源３３０に接続される。例えば、外部冷熱源は、作動流体を所望の温度まで冷却し、次いで、この冷却された流体は、チャネル３２２内を循環する。
【0025】
装置１は、
－ 高温チャネル３１１の第１の入口３１３と流体連通する、流体１１が送出される圧縮機２０の第１の出口２１、
－ 高温チャネル３２１の第２の入口３２３と流体連通する高温チャネル３１１の第２の出口３１４、
－ 高温チャネル３１の第３の入口３３と流体連通する高温チャネル３２１の第３の出口３２４、
－ 膨張装置４０の第４の入口４１と流体連通する高温チャネル３１の第４の出口３４、
－ タンク５０の第５の入口５１と流体連通する膨張装置４０の第５の出口４２、
－ 低温チャネル３２の第６の入口３５と流体連通するタンク５０の第６の出口５２、
－ 低温チャネル３１２の第７の入口３１５と流体連通する低温チャネル３２の第７の出口３６、
－ 圧縮機２０の第８の入口２２と流体連通する低温チャネル３１２の第８の出口３１６
を配置するように、熱力学的エフェクタを作動回路１０に接続するラインの第１のネットワーク７０も含む。
－ 高温チャネル３１１の第１の入口３１３と流体連通する、流体１１が送出される圧縮機２０の第１の出口２１、
－ 高温チャネル３２１の第２の入口３２３と流体連通する高温チャネル３１１の第２の出口３１４、
－ 高温チャネル３１の第３の入口３３と流体連通する高温チャネル３２１の第３の出口３２４、
－ 膨張装置４０の第４の入口４１と流体連通する高温チャネル３１の第４の出口３４、
－ タンク５０の第５の入口５１と流体連通する膨張装置４０の第５の出口４２、
－ 低温チャネル３２の第６の入口３５と流体連通するタンク５０の第６の出口５２、
－ 低温チャネル３１２の第７の入口３１５と流体連通する低温チャネル３２の第７の出口３６、
－ 圧縮機２０の第８の入口２２と流体連通する低温チャネル３１２の第８の出口３１６
を配置するように、熱力学的エフェクタを作動回路１０に接続するラインの第１のネットワーク７０も含む。
【0026】
装置１は、第６の出口５２と第８の入口２２との間で回路１０に位置する第１の低温ポンプ８０も含む。より正確には、ポンプ８０の第９の入口８１は、出口３６に接続され、ポンプ８０の第９の出口８２は、第７の入口３１５に接続される。その場合、ポンプ８０は、出口３６の下流且つ入口２２の上流にある。
【0027】
最後に、装置１は、回路１０及び上に列記された装置１のすべてのエフェクタが、圧縮機２０を除いて、その内側に配置される断熱エンクロージャ５を含む。
【0028】
作動中、圧縮機２０は、第８の入口２２を通して流体１１を引き込み、流体１１が好ましくは等温圧縮された後（圧縮された流体１１は、圧縮前の流体１１と同じ温度である）、第１の出口２１を通して流体１１を送出する。例示のために、例証的な値が使用される。したがって、流体１１は、周囲温度に近い温度（すなわち約３００ケルビン）及び大気圧に近い圧力（すなわち約１バール）で第８の入口２２から入る。流体１１は、１０～２５バール、好ましくは１５～２０バールの圧力及び周囲温度に近い温度（すなわち約３００ケルビン）で圧縮機２０を出る。次いで、圧縮された流体１１は、冷却ユニット３００に入り、約１５ケルビンの温度で冷却ユニット３００を出る。
【0029】
次いで、流体１１は、低温チャネル３２内を循環する流れとの熱交換によって冷却される高温チャネル３１に入る。次いで、流体１１は、タンク５０に入る前に膨張装置４０で等エンタルピー膨張される。次いで、タンク５０は、極低温における流体１１の２つの相である、第１の液相１２及び第２の気相１３を含む。タンク５０に存在する流体１１の温度は、それぞれ１５ミリバール～１バールのポンプ８０の吸入圧力に対して、１．８～４．５ケルビンである。タンク５０は、例えば、量子コンピュータ又は超電導電子部品の直接又は間接的な冷却のために使用することができる、第４の交換器６０の第４の低温チャネルを構成する。
【0030】
交換器６０の高温チャネル６１に冷熱エネルギを放出した後、流体１１は、低温チャネル３２に入るように、タンク５０を出る。低温チャネル３２の出口では、流体１１は、圧縮機２０によって引き込まれる前に低温ポンプ８０によって圧送される。次いで、低温ポンプ８０は、流体１１が（作動温度及び圧力に対応する）ヘリウム４の高い体積密度を有する場合、流体１１に作用し、それにより回路１０におけるヘリウム４の合計流量を大幅に増加させ、高温チャネル６１を冷却するための大きい冷却力を提供することを可能にする。ポンプ８０は、５０ケルビンより低い温度で作動するため、「低温」と呼ばれる。
【0031】
このために、断熱エンクロージャ５は、装置が作動中であるとき、周囲温度より低い温度で装置のすべての要素を含むように構成される。
【0032】
上述のものと同様の又は類似の要素は、本発明の第２、第３、第４、第５及び第６の実施形態の以下の説明におけるものと同一の参照番号を有する。
【0033】
図２に示される第２の実施形態によると、装置１は、第１の実施形態に関する上述の要素に加えて、ネットワーク７０によっていずれも回路１０に接続された、第２のジュールトムソン膨張装置９０及び第２の相分離タンク１００を含む。示されるように、２つのタンク１００、５０は、回路において直列に配設される。同様に、２つの膨張装置９０、４０は、回路において直列に配設される。膨張装置９０は、第１の出口２１の下流の回路１０と流体連通する第１０の入口９１と、第２のタンク１００の第１１の入口１０１と流体連通する第１０の出口９２とを含む。第２のタンク１００の第１１の出口１０２は、第８の入口２２と流体連通する。第２のタンク１００は、この場合、交換器３０の入口３３の上流で第１の回路１０と流体連通する液相の流体１１のための第１の排出口１０３を含む。膨張装置９０及び第２のタンク１００は、いずれもエンクロージャ５の内側に位置する。
【0034】
第２の膨張装置９０及び第２のタンク１００によって構成されるアセンブリは、装置１が流体１１の第１の温度降下を実行することを可能にし、流体１１は、その後、膨張装置４０の通過後、第１のタンク５０において約１．８ケルビンの温度である。これは、上記の実施形態に関して、図２の例が２つの分離タンク１００、５０を直列に提供し、低温ポンプ８０が、第２のタンク１００の温度より低い第１のタンク５０の液相の温度を得るために、第１のタンク５０の気相における１０ミリバール～２０ミリバール、通常、１５ミリバールの圧力を維持するように構成され、通常、第１のタンク５０の液相のこの温度が１．６Ｋ～３Ｋ、通常、１．８Ｋであることを意味する。
【0035】
図３に示される第３の実施形態によると、装置１は、ネットワーク７０によって両方とも回路１０に接続される、第３のジュールトムソン膨張装置１１０と、第３のタンク１２０と、（第５の高温チャネル１３１及び第５の低温チャネル１３２を含む）第５の熱交換器１３０とを含む。第３の膨張装置１１０は、第１の出口２１の下流の回路１０と流体連通する第１２の入口１１１と、第３のタンク１２０の第１３の入口１２１と流体連通する第１２の出口１１２とを含む。第３のタンク１２０は、第８の入口２２と流体連通する第１３の出口１２２を含む。第３のタンク１２０は、高温チャネル１３１の第１４の入口１３３と流体連通する、液相の流体１１のための第２の排出口１２３も含む。高温チャネル１３１の第１４の出口１３４は、第３の入口３３の上流で第１の回路１０と流体連通する。より正確には、直列に３つの膨張装置を含み、且つ直列に３つのタンクを含むこの特定の実施形態では、高温チャネル１３１の出口１３４は、第２の膨張装置９０の入口９１に接続される。
【0036】
低温チャネル１３２の第１５の入口１３５及び第１５の出口１３６は、出口３６の下流の回路１０と流体連通する。
【0037】
より正確には、この特定の実施形態では、低温チャネル１３２の入口１３５は、ポンプ８０の出口８２に接続される。第３の膨張装置１１０、第３のタンク１２０及び第５の交換器１３０は、エンクロージャ５の内側に位置する。
【0038】
第３の膨張装置１１０及び第３のタンク１２０によって構成されるアセンブリは、装置１１０が流体１１のさらなる温度降下を実行することを可能にし、流体１１は、その後、膨張装置９０、次いで第２のタンク１００、次いで膨張装置４０の通過後、タンク５０において約０．８～１ケルビンの温度である。
【0039】
図３に破線で示される第４の実施形態によると、第２の任意選択の低温ポンプ１４０は、（第１のポンプ８０と直列に）出口８２と入口２２との間で回路１０に接続される。より正確には、ポンプ１４０は、交換器１３０の出口１３６に接続される。これは、上記の実施形態に関して、図３の例が３つの分離タンクを直列に提供し、低温ポンプ８０が、他のタンク１２０及び１００の温度より低い液相の温度を得るために、第１のタンク５０の気相における０．０１５ミリバール～０．１５ミリバールの圧力を維持するように構成され、第１のタンク５０のこの温度が例えば０．８ケルビン～１ケルビンであることを意味する。
【0040】
図４に示される第５の実施形態によると、装置１は、第６の高温チャネル１５１及び第６の低温チャネル１５２を含む第６の熱交換器１５０と、第４のジュールトムソン膨張装置１６０と、第４のタンク１７０とを含む。
【0041】
高温チャネル１５１は、出口２１と入口３３との間で第１の回路１０と流体連通する第１６の入口１５３を含む。図４に示される特定の実施形態では、入口１５３は、排出口１０３と入口３３との間に作られたタッピングにより、回路１０に接続される。低温チャネル１５２は、出口３６の下流の回路１０と流体連通する第１６の出口１５６を含む。高温チャネル１５１の出口１５４は、膨張装置１６０の第１７の入口１６１に接続される。膨張装置１６０の第１７の出口１６２は、第４のタンク１７０の第１８の入口１７１に接続され、第４のタンク１７０の第１９の出口１７２は、低温チャネル１５２の第１９の入口１５５に接続される。第４のタンク１７０は、追加の第４の交換器６０．１の高温チャネル６１．１を冷却するための冷熱源として働く。他の追加の交換器、膨張装置及びタンクも、図４の破線で示されるように、交換器１５０、膨張装置１６０、タンク１７０及び追加の交換器６０．１と並列に設置され得る。
【0042】
したがって、いくつかの異なる点に装置１の冷却力を分散する複数の熱交換器を有することが可能である。
【0043】
これは、上記の実施形態に関して、図４の例が、熱交換器６０、６０．１、相分離タンク５０、１７０、膨張装置４０、１６０及び熱交換器３０、１５０をそれぞれ含むいくつかのアセンブリを提供することを意味する。これらのアセンブリは、タンク１００の単一の出口１０３によって作動流体が並列に供給され、単一の低温ポンプ８０に並列に接続される。
【0044】
図５に示される第６の実施形態によると、装置１は、第２の作動流体１８１、この場合、９９．９％以上の体積比率のヘリウム３を含む流体を循環させるための第２の作動回路１８０を含む。回路１８０はまた、第２の実施形態のエフェクタに加えて、熱力学的エフェクタである、流体１８１のための第２の圧縮機１９０と、第５のジュールトムソン膨張装置２００と、第５の相分離タンク２１０と、第３の低温ポンプ２２０と、第７の熱交換器２３０と、第８の熱交換器２４０とを含む。第２の圧縮機１９０は、第２の冷却ユニット２５０に接続され、第２の冷却ユニット２５０は、冷却ユニット３００と同一であり、冷熱源３３０に接続される。
【0045】
装置１は、
－ 冷却ユニット２５０の第２０の入口２５１と流体連通する、流体１８１が送出される第２の圧縮機１９０の第２０の出口１９１、
－ 交換器２３０の高温チャネル２３２の第２１の入口２３１と流体連通する冷却ユニット２５０の第２１の出口２５２、
－ 交換器２４０の高温チャネル２４２の第２２の入口２４１と流体連通する高温チャネル２３２の第２２の出口２３３、
－ 第５の膨張装置２００の第２３の入口２０１と流体連通する高温チャネル２４２の第２３の出口２４３、
－ 第５のタンク２１０の第２４の入口２１１と流体連通する第５の膨張装置２００の第２４の出口２０２、
－ 交換器２４０の低温チャネル２４５の第２５の入口２４４と流体連通する第５のタンク２１０の第２５の出口２１２、
－ 第３のポンプ２２０の第２７の入口２２１と流体連通する低温チャネル２４５の第２６の出口２４６、
－ 交換器２３０の低温チャネル２３５の第２８の入口２３４と流体連通する第３のポンプ２２０の第２７の出口２２２、
－ 冷却ユニット２５０の第２８の入口２５３と流体連通する低温チャネル２３５の第２８の出口２３６、
－ 第２の圧縮機１９０の第２９の入口１９２と流体連通する冷却ユニット２５０の第２９の出口２５４
を配置するように、熱力学的エフェクタを接続するラインの第２のネットワーク２６０も含む。
－ 冷却ユニット２５０の第２０の入口２５１と流体連通する、流体１８１が送出される第２の圧縮機１９０の第２０の出口１９１、
－ 交換器２３０の高温チャネル２３２の第２１の入口２３１と流体連通する冷却ユニット２５０の第２１の出口２５２、
－ 交換器２４０の高温チャネル２４２の第２２の入口２４１と流体連通する高温チャネル２３２の第２２の出口２３３、
－ 第５の膨張装置２００の第２３の入口２０１と流体連通する高温チャネル２４２の第２３の出口２４３、
－ 第５のタンク２１０の第２４の入口２１１と流体連通する第５の膨張装置２００の第２４の出口２０２、
－ 交換器２４０の低温チャネル２４５の第２５の入口２４４と流体連通する第５のタンク２１０の第２５の出口２１２、
－ 第３のポンプ２２０の第２７の入口２２１と流体連通する低温チャネル２４５の第２６の出口２４６、
－ 交換器２３０の低温チャネル２３５の第２８の入口２３４と流体連通する第３のポンプ２２０の第２７の出口２２２、
－ 冷却ユニット２５０の第２８の入口２５３と流体連通する低温チャネル２３５の第２８の出口２３６、
－ 第２の圧縮機１９０の第２９の入口１９２と流体連通する冷却ユニット２５０の第２９の出口２５４
を配置するように、熱力学的エフェクタを接続するラインの第２のネットワーク２６０も含む。
【0046】
回路１８０のすべてのエフェクタは、第２の圧縮機１９０を除いて、エンクロージャ５の内側に位置する。
【0047】
図５から分かるように、ネットワーク２６０は、第１のタンク５０内で延在する第１のライン部分２６１と、第２のタンク１００内で延在する第２のライン部分２６２と、第３のタンク１２０内で延在する第３のライン部分２６３とを含む。部分２６１、２６２及び２６３には、第１のタンク５０、第２のタンク１００及び第３のタンク１２０内に含まれる流体との熱交換を改善するためにそれぞれ放射状フィンが設けられ得る。
【0048】
部分２６１、２６２及び２６３は、第２の圧縮機１９０の出口１９１と第５の膨張装置２００の入口２０１との間に位置し、第５の膨張装置２００内での膨張前に流体１８１を冷却することに寄与する。
【0049】
回路１８０内に存在し、第５の膨張装置２００でそれ自体が等エンタルピー膨張を受ける流体１８１の、回路１０を使用する冷却は、高温チャネル６１に対して低温チャネルの温度をさらに下げることを可能にする。第５の膨張装置２００及び第５のタンク２１０で構成されるアセンブリは、流体１８１のさらなる温度降下を発生させ、流体１８１は、第５の膨張装置２００の通過後、第５のタンク２１０において約０．３ケルビン又はそれ未満の温度である。
【0050】
当然のことながら、本発明は、記述された実施形態に限定されるものではないが、特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲内のあらゆる変形形態を対象とする。
【0051】
特に、
－ この場合、第１の流体は、９９．９％より大きいヘリウム４の比率を含むが、本発明は、９９．９％より大きいヘリウム３の比率を含み、源３３０による予冷から適合された温度を有する第１の流体などの他のタイプの第１の流体にも適用される。
－ この場合、交換器、対向管交換器であるが、本発明は、プレート又は管交換器、高温の流れ及び低温の流れを対向流であるか又は対向流ではないようにすることができるものなどの他のタイプの熱交換器にも適用される。
－ 低温ポンプは、ターボ分子型、「Ｈｏｌｗｅｃｋ」型若しくは遠心ホイール型のポンプ又はこれらの技術の任意の組合せであり得る。
－ この場合、第３のポンプは、２つの分離タンク間に示されているが、本発明は、第２０の出口の下流の第２のポンプの他の配置にも適用される。
－ この場合、第３の膨張装置、第３のタンク及び第３の熱交換器は、第２の膨張装置及び第２のタンクを含む第３の実施形態に関連して説明されたが、本発明は、第２の膨張装置及び第２のタンクを有しない回路に連結された第３の膨張装置、第３のタンク及び第３の熱交換器にも適用される。
－ 第２の熱交換器は、流体又は伝導交換器型、例えば冷却対象要素が取り付けられるか又は熱伝導性編組が固定される少なくとも１つの熱伝導壁を含むタンクであり得る。
－ この場合、装置は、第２の熱交換器を含むが、本発明は、伝導によって第１のタンクと直接的に熱交換するか、又は熱伝達流体若しくは金属であり得る固体熱伝達媒体を使用して第１のタンクと間接的に熱交換する電子チップなど、他のタイプの冷却される対象物にも適用される。
－ この場合、冷却ユニットは、第１の高温チャネルから作動回路に接続される第１の低温チャネルに熱エネルギを伝達するための単一の第１の交換器と、第１の作動回路に接続された第２の高温チャネル及び外部冷熱源に接続された第２の低温チャネルを含む単一の第２の熱交換器とを含むが、本発明は、第１の回路の２つの部分間で熱エネルギを交換するための２つ以上の第１の交換器及び／又は１つ以上の外部冷熱源に接続された２つ以上の第２の交換器とを含む冷却ユニットにも適用される。
－ 冷熱源３３０は、エンクロージャ５内に完全に又は部分的に含まれ得る。
－ 冷熱源３３０は、サイクルガス冷凍機、パルス管又は任意の他の好適な冷熱源であり得る。
－ 低温チャネル３２２は、所望の蒸発温度において、高温チャネル３２１が浸された低温液槽によって交換され得る。
－ 低温チャネル３２２は、冷熱源を高温チャネル３２１に機械的に接続し、伝導によって高温チャネル３２１を冷却するための適合可能な熱リンク（銅又は別の熱伝導性金属）によって交換され得る。
－ 圧縮機２０及び１９０は、ライン、ポンプ、熱交換器又は別の好適な機械などの任意の移送部材であり得る。
－ この場合、圧縮機は、回路における作動流体の循環を保証するが、本発明は、単純なパイプ又は熱交換器などの他のタイプの移送部材にも適用される。特に、低温ポンプ８０は、回路のすべてのラインを通して流体を圧送するのに十分であることがある。この構成は、圧縮機などの高温移送部材を含む装置の開始後に得ることができる。すなわち、装置は、圧縮機２０（又は１９０）によって開始され、次いで、圧縮機は、スイッチがオフにされるか、又は予冷のための冷熱源との熱交換のために構成することができる冷交換器によって迂回される。
－ この場合、第１及び第２の冷却ユニットは、単一の冷熱源を使用するが、本発明は、専用冷熱源を使用する冷却ユニットにも適用される。
－ この場合、流体１１は、約１５Ｋの温度で冷却ユニット３００を出るが、本発明は、１０Ｋ又は５Ｋ～１０Ｋ、特に６Ｋ～７Ｋの流体１１の出口温度にも適用される。
－ この場合、第１の流体は、９９．９％より大きいヘリウム４の比率を含むが、本発明は、９９．９％より大きいヘリウム３の比率を含み、源３３０による予冷から適合された温度を有する第１の流体などの他のタイプの第１の流体にも適用される。
－ この場合、交換器、対向管交換器であるが、本発明は、プレート又は管交換器、高温の流れ及び低温の流れを対向流であるか又は対向流ではないようにすることができるものなどの他のタイプの熱交換器にも適用される。
－ 低温ポンプは、ターボ分子型、「Ｈｏｌｗｅｃｋ」型若しくは遠心ホイール型のポンプ又はこれらの技術の任意の組合せであり得る。
－ この場合、第３のポンプは、２つの分離タンク間に示されているが、本発明は、第２０の出口の下流の第２のポンプの他の配置にも適用される。
－ この場合、第３の膨張装置、第３のタンク及び第３の熱交換器は、第２の膨張装置及び第２のタンクを含む第３の実施形態に関連して説明されたが、本発明は、第２の膨張装置及び第２のタンクを有しない回路に連結された第３の膨張装置、第３のタンク及び第３の熱交換器にも適用される。
－ 第２の熱交換器は、流体又は伝導交換器型、例えば冷却対象要素が取り付けられるか又は熱伝導性編組が固定される少なくとも１つの熱伝導壁を含むタンクであり得る。
－ この場合、装置は、第２の熱交換器を含むが、本発明は、伝導によって第１のタンクと直接的に熱交換するか、又は熱伝達流体若しくは金属であり得る固体熱伝達媒体を使用して第１のタンクと間接的に熱交換する電子チップなど、他のタイプの冷却される対象物にも適用される。
－ この場合、冷却ユニットは、第１の高温チャネルから作動回路に接続される第１の低温チャネルに熱エネルギを伝達するための単一の第１の交換器と、第１の作動回路に接続された第２の高温チャネル及び外部冷熱源に接続された第２の低温チャネルを含む単一の第２の熱交換器とを含むが、本発明は、第１の回路の２つの部分間で熱エネルギを交換するための２つ以上の第１の交換器及び／又は１つ以上の外部冷熱源に接続された２つ以上の第２の交換器とを含む冷却ユニットにも適用される。
－ 冷熱源３３０は、エンクロージャ５内に完全に又は部分的に含まれ得る。
－ 冷熱源３３０は、サイクルガス冷凍機、パルス管又は任意の他の好適な冷熱源であり得る。
－ 低温チャネル３２２は、所望の蒸発温度において、高温チャネル３２１が浸された低温液槽によって交換され得る。
－ 低温チャネル３２２は、冷熱源を高温チャネル３２１に機械的に接続し、伝導によって高温チャネル３２１を冷却するための適合可能な熱リンク（銅又は別の熱伝導性金属）によって交換され得る。
－ 圧縮機２０及び１９０は、ライン、ポンプ、熱交換器又は別の好適な機械などの任意の移送部材であり得る。
－ この場合、圧縮機は、回路における作動流体の循環を保証するが、本発明は、単純なパイプ又は熱交換器などの他のタイプの移送部材にも適用される。特に、低温ポンプ８０は、回路のすべてのラインを通して流体を圧送するのに十分であることがある。この構成は、圧縮機などの高温移送部材を含む装置の開始後に得ることができる。すなわち、装置は、圧縮機２０（又は１９０）によって開始され、次いで、圧縮機は、スイッチがオフにされるか、又は予冷のための冷熱源との熱交換のために構成することができる冷交換器によって迂回される。
－ この場合、第１及び第２の冷却ユニットは、単一の冷熱源を使用するが、本発明は、専用冷熱源を使用する冷却ユニットにも適用される。
－ この場合、流体１１は、約１５Ｋの温度で冷却ユニット３００を出るが、本発明は、１０Ｋ又は５Ｋ～１０Ｋ、特に６Ｋ～７Ｋの流体１１の出口温度にも適用される。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【手続補正書】
【提出日】2024-05-21
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、極低温での冷凍の分野に関し、より詳細には、ケルビンに近い温度での冷凍のための装置の分野に関する。
【背景技術】
【0002】
知られているものは、作動流体のための圧縮機と、冷却される作動流体の第１の流れが循環する第１の高温チャネル及び第１の流れを冷却するための作動流体の第２の流れが循環する第１の低温チャネルを含む第１の熱交換器と、第１のジュールトムソン膨張装置と、第１の分離タンクとを含む、作動流体を循環させるための回路を含む冷凍装置である。冷凍装置は、第１の高温チャネルの第１の入口と流体連通する、第１の作動流体が送出される圧縮機の第１の出口と、第１の膨張装置の第２の入口と流体連通する第１の高温チャネルの第２の出口と、第１のタンクの第３の入口と流体連通する第１の膨張装置の第３の出口と、第１の低温チャネルの第４の入口と流体連通する第１のタンクの第４の出口と、第１の作動流体が引き込まれる第１の圧縮機の第５の入口と流体連通する第１の低温チャネルの第５の出口とを配置するように要素を接続するラインの第１のネットワークも含む。冷凍装置は、第１のタンクと熱交換する第２の高温チャネルを含む第２の熱交換器も含む。そのような回路は、第２の交換器の第２の低温チャネルに冷熱エネルギを提供する。しかしながら、作動流体が（ケルビンより低い）極低温まで冷却された後、作動流体の圧力は、低く、約０．１ミリバールである。したがって、かなりの冷却力を有することを可能とするために、かなりの流体流速を第１の回路に導入することが必要であり、これは、低い圧力においてかなりの大きさの圧送能力及びそれに対応するように寸法決めされたラインを必要とする。これは、非常にエネルギを必要とする圧縮装置を設けることになり、利用が難しく費用のかかる大きい冷凍装置になる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
本発明の目的は、特に、ジュールトムソン膨張装置を組み込む冷凍装置の冷却力を増加させることである。
【課題を解決するための手段】
【0004】
このために、第１の作動流体を循環させるための第１の作動回路を含む冷凍装置が提供され、第１の作動回路は、ラインの第１のネットワークによって直列に接続された以下の要素：
－ 作動流体のための第１の移送部材、
－ 第１の作動回路に接続される第１の高温チャネル及び第１の低温チャネルを含む第１の熱交換器を含む冷却ユニットであって、第１の作動回路に接続された第２の高温チャネルと、第１の冷熱源に接続された第２の低温チャネルとを含む第２の熱交換器も含む冷却ユニット、
－ 第３の高温チャネル及び第３の低温チャネルを含む第３の熱交換器、
－ 第１のジュールトムソン膨張装置、
－ 冷却される対象物と熱交換するように構成された第１のタンク
を含む。
－ 作動流体のための第１の移送部材、
－ 第１の作動回路に接続される第１の高温チャネル及び第１の低温チャネルを含む第１の熱交換器を含む冷却ユニットであって、第１の作動回路に接続された第２の高温チャネルと、第１の冷熱源に接続された第２の低温チャネルとを含む第２の熱交換器も含む冷却ユニット、
－ 第３の高温チャネル及び第３の低温チャネルを含む第３の熱交換器、
－ 第１のジュールトムソン膨張装置、
－ 冷却される対象物と熱交換するように構成された第１のタンク
を含む。
【0005】
本発明によると、装置は、要素の少なくともいくつかが内側に配置される断熱エンクロージャも含み、第１の移送部材は、エンクロージャの外側に位置する。第１の作動回路は、エンクロージャの内側に位置し、且つラインの第１のネットワークに接続された第１の圧送部材も含む。
【0006】
したがって、得られるものは、第１の移送部材を変更することなく、第２の熱交換器でより多くの作動流体を循環させることができる装置であり、そのため、所定の装置容積に対する性能の改善及び／又は冷凍装置の小形化が可能になる。
【0007】
特定の実施形態によると、ラインの第１のネットワークは、
－ 第１の作動流体が送出される移送部材の第１の出口を第１の高温チャネルの第１の入口に接続すること、
－ 第１の高温チャネルの第２の出口を第２の高温チャネルの第２の入口に接続すること、
－ 高温チャネルの第３の出口を第３の高温チャネルの第３の入口に接続すること、
－ 第３の高温チャネル（３１）の第４の出口を第１の膨張装置の第４の入口に接続すること、
－ 第１の膨張装置の第５の出口を第１のタンクの第５の入口に接続すること、
－ 第１のタンクの第６の出口を第３の低温チャネルの第６の入口に接続すること、
－ 第３の低温チャネルの第７の出口を、第１の作動流体が引き込まれる第１の移送部材の第８の入口に接続すること
を行うように配置され、第１の圧送部材は、第６の出口と第８の入口との間に位置する。
－ 第１の作動流体が送出される移送部材の第１の出口を第１の高温チャネルの第１の入口に接続すること、
－ 第１の高温チャネルの第２の出口を第２の高温チャネルの第２の入口に接続すること、
－ 高温チャネルの第３の出口を第３の高温チャネルの第３の入口に接続すること、
－ 第３の高温チャネル（３１）の第４の出口を第１の膨張装置の第４の入口に接続すること、
－ 第１の膨張装置の第５の出口を第１のタンクの第５の入口に接続すること、
－ 第１のタンクの第６の出口を第３の低温チャネルの第６の入口に接続すること、
－ 第３の低温チャネルの第７の出口を、第１の作動流体が引き込まれる第１の移送部材の第８の入口に接続すること
を行うように配置され、第１の圧送部材は、第６の出口と第８の入口との間に位置する。
【0008】
有利には、第１の圧送部材は、第８の入口に直接接続される。
【0009】
同様に有利には、第１の圧送部材は、第７の出口の下流に位置する。
【0010】
装置が第２のジュールトムソン膨張装置と第２のタンクとを含む場合、装置によって発生する最低温度が改善され、第２の膨張装置は、第３の出口の下流で第１の回路と流体連通する第１０の入口と、第２のタンクの第１１の入口と流体連通する第１０の出口とを含み、第２のタンクは、第８の入口と流体連通する第１１の出口を含み、第２のタンクは、第３の入口の上流で第１の回路と流体連通する、液相の作動流体のための第１の排出口も含む。
【0011】
装置が、第３のジュールトムソン膨張装置と、第３のタンクと、第５の高温チャネル及び第５の低温チャネルを含む第５の熱交換器とを含む場合にも、装置によって発生する最低温度が改善され、第３の膨張装置は、第３の出口の下流で第１の回路と流体連通する第１２の入口と、第３のタンクの第１３の入口と流体連通する第１２の出口とを含み、第３のタンクは、第８の入口と流体連通する第１３の出口を含み、第３の分離タンクは、第５の高温チャネルの第１４の入口と流体連通する、液相の作動流体のための第２の排出口も含み、第５の高温チャネルの第１４の出口は、第３の入口の上流で第１の回路と流体連通し、第３の低温チャネルの第１５の入口及び第１５の出口は、第７の出口の下流で第１の回路と流体連通する。
【0012】
好ましくは、冷凍装置は、第６の高温チャネル及び第６の低温チャネルを含む第６の熱交換器と、第４のジュールトムソン膨張装置と、第４のタンクとを含み、第６の高温チャネルは、第１の出口と第３の入口との間で第１の作動回路と流体連通する第１６の入口を含み、及び第６の低温チャネルは、第５の出口の下流で第１の作動回路と流体連通する第１６の出口を含む。
【0013】
有利には、第１の作動流体は、９９．９％より大きい体積比率のヘリウム４を含む。
【0014】
同様に有利には、装置は、第２の移送部材及び第２の低温ポンプによって第２の作動流体を循環させるための第２の作動回路を含み、第２の作動回路は、第１のタンクと熱交換する少なくとも１つの第１のライン部分を含む。
【0015】
好ましくは、第２の移送部材は、エンクロージャの外側に位置する。第２の回路が、第２のタンクと熱交換する少なくとも１つの第２のライン部分を含む場合及び／又は第２の作動回路が第５のジュールトムソン膨張装置も含む場合、大きい改善が得られる。第２の作動流体は、９９．９％より大きい体積比率のヘリウム３を含み得る。
【0016】
本発明は、上記の装置を使用する冷凍の方法にも関し、この方法は、
－ 第１の作動流体を圧縮するステップ、
－ 第１の作動流体を冷却するステップ、
－ 第１の作動流体を等エンタルピー膨張させるステップ、
－ 第１の作動流体を第１の液相及び第２の気相に分離するステップ、
－ 第１の流体を加熱するステップ、
－ 第１の流体を圧送するステップ
を含む。
－ 第１の作動流体を圧縮するステップ、
－ 第１の作動流体を冷却するステップ、
－ 第１の作動流体を等エンタルピー膨張させるステップ、
－ 第１の作動流体を第１の液相及び第２の気相に分離するステップ、
－ 第１の流体を加熱するステップ、
－ 第１の流体を圧送するステップ
を含む。
【0017】
さらに、第１の作動流体を等エンタルピー膨張させるステップは、分離ステップ前に第１の作動流体を５００ミリケルビン～４．５ケルビンの温度にするように実行される。
【0018】
有利には、方法は、
－ 第２の作動流体を圧縮するステップ、
－ 第２の作動流体を冷却するステップ、
－ 第２の作動流体を等エンタルピー膨張させるステップ、
－ 第２の作動流体を第１の液相及び第２の気相に分離するステップ、
－ 第２の流体を加熱するステップ、
－ 第２の流体を圧送するステップ
を含む。
－ 第２の作動流体を圧縮するステップ、
－ 第２の作動流体を冷却するステップ、
－ 第２の作動流体を等エンタルピー膨張させるステップ、
－ 第２の作動流体を第１の液相及び第２の気相に分離するステップ、
－ 第２の流体を加熱するステップ、
－ 第２の流体を圧送するステップ
を含む。
【0019】
同様に有利には、第２の作動流体を等エンタルピー膨張させるステップは、分離ステップ前に第２の作動流体を３００～７００ミリケルビンの温度にするように実行される。
【0020】
本発明のさらなる特徴及び利点は、本発明の特定の非限定的な実施形態の以下の説明を読むことで明らかになるであろう。
【0021】
添付図面が参照される。
【図面の簡単な説明】
【0022】
【発明を実施するための形態】
【0023】
図１を参照すると、本発明による、概して１で示される冷凍装置は、第１の作動流体１１、この場合、９９．９％に等しい体積比率のヘリウム４を含む流体を循環させるための第１の作動回路１０を含む。回路１０はまた、熱力学的エフェクタである、流体１１のための第１の圧縮機２０と、第１の熱交換器３１０、この場合、第１の高温チャネル３１１及び第１の低温チャネル３１２を含む対向流交換器を含む第１の冷却ユニット３００とを含む。冷却ユニット３００は、第２の高温チャネル３２１及び第２の低温チャネル３２２を含む第２の熱交換器３２０も含む。回路１０はまた、第３の熱交換器３０、この場合、第３の高温チャネル３１及び第３の低温チャネル３２を含む対向流交換器と、第１のジュールトムソン膨張装置４０と、第１の相分離タンク５０とを含む。装置１は、第１のタンク５０と熱交換する第４の高温チャネル６１を含む第４の熱交換器６０も含む。
【0024】
図１から分かるように、低温チャネル３２２は、知られている方法に従って外部冷熱源３３０に接続される。例えば、外部冷熱源は、作動流体を所望の温度まで冷却し、次いで、この冷却された流体は、チャネル３２２内を循環する。
【0025】
装置１は、
－ 高温チャネル３１１の第１の入口３１３と流体連通する、流体１１が送出される圧縮機２０の第１の出口２１、
－ 高温チャネル３２１の第２の入口３２３と流体連通する高温チャネル３１１の第２の出口３１４、
－ 高温チャネル３１の第３の入口３３と流体連通する高温チャネル３２１の第３の出口３２４、
－ 膨張装置４０の第４の入口４１と流体連通する高温チャネル３１の第４の出口３４、
－ タンク５０の第５の入口５１と流体連通する膨張装置４０の第５の出口４２、
－ 低温チャネル３２の第６の入口３５と流体連通するタンク５０の第６の出口５２、
－ 低温チャネル３１２の第７の入口３１５と流体連通する低温チャネル３２の第７の出口３６、
－ 圧縮機２０の第８の入口２２と流体連通する低温チャネル３１２の第８の出口３１６
を配置するように、熱力学的エフェクタを作動回路１０に接続するラインの第１のネットワーク７０も含む。
－ 高温チャネル３１１の第１の入口３１３と流体連通する、流体１１が送出される圧縮機２０の第１の出口２１、
－ 高温チャネル３２１の第２の入口３２３と流体連通する高温チャネル３１１の第２の出口３１４、
－ 高温チャネル３１の第３の入口３３と流体連通する高温チャネル３２１の第３の出口３２４、
－ 膨張装置４０の第４の入口４１と流体連通する高温チャネル３１の第４の出口３４、
－ タンク５０の第５の入口５１と流体連通する膨張装置４０の第５の出口４２、
－ 低温チャネル３２の第６の入口３５と流体連通するタンク５０の第６の出口５２、
－ 低温チャネル３１２の第７の入口３１５と流体連通する低温チャネル３２の第７の出口３６、
－ 圧縮機２０の第８の入口２２と流体連通する低温チャネル３１２の第８の出口３１６
を配置するように、熱力学的エフェクタを作動回路１０に接続するラインの第１のネットワーク７０も含む。
【0026】
装置１は、第６の出口５２と第８の入口２２との間で回路１０に位置する第１の低温ポンプ８０も含む。より正確には、ポンプ８０の第９の入口８１は、出口３６に接続され、ポンプ８０の第９の出口８２は、第７の入口３１５に接続される。その場合、ポンプ８０は、出口３６の下流且つ入口２２の上流にある。
【0027】
最後に、装置１は、回路１０及び上に列記された装置１のすべてのエフェクタが、圧縮機２０を除いて、その内側に配置される断熱エンクロージャ５を含む。
【0028】
作動中、圧縮機２０は、第８の入口２２を通して流体１１を引き込み、流体１１が好ましくは等温圧縮された後（圧縮された流体１１は、圧縮前の流体１１と同じ温度である）、第１の出口２１を通して流体１１を送出する。例示のために、例証的な値が使用される。したがって、流体１１は、周囲温度に近い温度（すなわち約３００ケルビン）及び大気圧に近い圧力（すなわち約１バール）で第８の入口２２から入る。流体１１は、１０～２５バール、好ましくは１５～２０バールの圧力及び周囲温度に近い温度（すなわち約３００ケルビン）で圧縮機２０を出る。次いで、圧縮された流体１１は、冷却ユニット３００に入り、約１５ケルビンの温度で冷却ユニット３００を出る。
【0029】
次いで、流体１１は、低温チャネル３２内を循環する流れとの熱交換によって冷却される高温チャネル３１に入る。次いで、流体１１は、タンク５０に入る前に膨張装置４０で等エンタルピー膨張される。次いで、タンク５０は、極低温における流体１１の２つの相である、第１の液相１２及び第２の気相１３を含む。タンク５０に存在する流体１１の温度は、それぞれ１５ミリバール～１バールのポンプ８０の吸入圧力に対して、１．８～４．５ケルビンである。タンク５０は、例えば、量子コンピュータ又は超電導電子部品の直接又は間接的な冷却のために使用することができる、第４の交換器６０の第４の低温チャネルを構成する。
【0030】
交換器６０の高温チャネル６１に冷熱エネルギを放出した後、流体１１は、低温チャネル３２に入るように、タンク５０を出る。低温チャネル３２の出口では、流体１１は、圧縮機２０によって引き込まれる前に低温ポンプ８０によって圧送される。次いで、低温ポンプ８０は、流体１１が（作動温度及び圧力に対応する）ヘリウム４の高い体積密度を有する場合、流体１１に作用し、それにより回路１０におけるヘリウム４の合計流量を大幅に増加させ、高温チャネル６１を冷却するための大きい冷却力を提供することを可能にする。ポンプ８０は、５０ケルビンより低い温度で作動するため、「低温」と呼ばれる。
【0031】
このために、断熱エンクロージャ５は、装置が作動中であるとき、周囲温度より低い温度で装置のすべての要素を含むように構成される。
【0032】
上述のものと同様の又は類似の要素は、本発明の第２、第３、第４、第５及び第６の実施形態の以下の説明におけるものと同一の参照番号を有する。
【0033】
図２に示される第２の実施形態によると、装置１は、第１の実施形態に関する上述の要素に加えて、ネットワーク７０によっていずれも回路１０に接続された、第２のジュールトムソン膨張装置９０及び第２の相分離タンク１００を含む。示されるように、２つのタンク１００、５０は、回路において直列に配設される。同様に、２つの膨張装置９０、４０は、回路において直列に配設される。膨張装置９０は、第１の出口２１の下流の回路１０と流体連通する第１０の入口９１と、第２のタンク１００の第１１の入口１０１と流体連通する第１０の出口９２とを含む。第２のタンク１００の第１１の出口１０２は、第８の入口２２と流体連通する。第２のタンク１００は、この場合、交換器３０の入口３３の上流で第１の回路１０と流体連通する液相の流体１１のための第１の排出口１０３を含む。膨張装置９０及び第２のタンク１００は、いずれもエンクロージャ５の内側に位置する。
【0034】
第２の膨張装置９０及び第２のタンク１００によって構成されるアセンブリは、装置１が流体１１の第１の温度降下を実行することを可能にし、流体１１は、その後、膨張装置４０の通過後、第１のタンク５０において約１．８ケルビンの温度である。これは、上記の実施形態に関して、図２の例が２つの分離タンク１００、５０を直列に提供し、低温ポンプ８０が、第２のタンク１００の温度より低い第１のタンク５０の液相の温度を得るために、第１のタンク５０の気相における１０ミリバール～２０ミリバール、通常、１５ミリバールの圧力を維持するように構成され、通常、第１のタンク５０の液相のこの温度が１．６Ｋ～３Ｋ、通常、１．８Ｋであることを意味する。
【0035】
図３に示される第３の実施形態によると、装置１は、ネットワーク７０によって両方とも回路１０に接続される、第３のジュールトムソン膨張装置１１０と、第３のタンク１２０と、（第５の高温チャネル１３１及び第５の低温チャネル１３２を含む）第５の熱交換器１３０とを含む。第３の膨張装置１１０は、第１の出口２１の下流の回路１０と流体連通する第１２の入口１１１と、第３のタンク１２０の第１３の入口１２１と流体連通する第１２の出口１１２とを含む。第３のタンク１２０は、第８の入口２２と流体連通する第１３の出口１２２を含む。第３のタンク１２０は、高温チャネル１３１の第１４の入口１３３と流体連通する、液相の流体１１のための第２の排出口１２３も含む。高温チャネル１３１の第１４の出口１３４は、第３の入口３３の上流で第１の回路１０と流体連通する。より正確には、直列に３つの膨張装置を含み、且つ直列に３つのタンクを含むこの特定の実施形態では、高温チャネル１３１の出口１３４は、第２の膨張装置９０の入口９１に接続される。
【0036】
低温チャネル１３２の第１５の入口１３５及び第１５の出口１３６は、出口３６の下流の回路１０と流体連通する。
【0037】
より正確には、この特定の実施形態では、低温チャネル１３２の入口１３５は、ポンプ８０の出口８２に接続される。第３の膨張装置１１０、第３のタンク１２０及び第５の交換器１３０は、エンクロージャ５の内側に位置する。
【0038】
第３の膨張装置１１０及び第３のタンク１２０によって構成されるアセンブリは、装置１１０が流体１１のさらなる温度降下を実行することを可能にし、流体１１は、その後、膨張装置９０、次いで第２のタンク１００、次いで膨張装置４０の通過後、タンク５０において約０．８～１ケルビンの温度である。
【0039】
図３に破線で示される第４の実施形態によると、第２の任意選択の低温ポンプ１４０は、（第１のポンプ８０と直列に）出口８２と入口２２との間で回路１０に接続される。より正確には、ポンプ１４０は、交換器１３０の出口１３６に接続される。これは、上記の実施形態に関して、図３の例が３つの分離タンクを直列に提供し、低温ポンプ８０が、他のタンク１２０及び１００の温度より低い液相の温度を得るために、第１のタンク５０の気相における０．０１５ミリバール～０．１５ミリバールの圧力を維持するように構成され、第１のタンク５０のこの温度が例えば０．８ケルビン～１ケルビンであることを意味する。
【0040】
図４に示される第５の実施形態によると、装置１は、第６の高温チャネル１５１及び第６の低温チャネル１５２を含む第６の熱交換器１５０と、第４のジュールトムソン膨張装置１６０と、第４のタンク１７０とを含む。
【0041】
高温チャネル１５１は、出口２１と入口３３との間で第１の回路１０と流体連通する第１６の入口１５３を含む。図４に示される特定の実施形態では、入口１５３は、排出口１０３と入口３３との間に作られたタッピングにより、回路１０に接続される。低温チャネル１５２は、出口３６の下流の回路１０と流体連通する第１６の出口１５６を含む。高温チャネル１５１の出口１５４は、膨張装置１６０の第１７の入口１６１に接続される。膨張装置１６０の第１７の出口１６２は、第４のタンク１７０の第１８の入口１７１に接続され、第４のタンク１７０の第１９の出口１７２は、低温チャネル１５２の第１９の入口１５５に接続される。第４のタンク１７０は、追加の第４の交換器６０．１の高温チャネル６１．１を冷却するための冷熱源として働く。他の追加の交換器、膨張装置及びタンクも、図４の破線で示されるように、交換器１５０、膨張装置１６０、タンク１７０及び追加の交換器６０．１と並列に設置され得る。
【0042】
したがって、いくつかの異なる点に装置１の冷却力を分散する複数の熱交換器を有することが可能である。
【0043】
これは、上記の実施形態に関して、図４の例が、熱交換器６０、６０．１、相分離タンク５０、１７０、膨張装置４０、１６０及び熱交換器３０、１５０をそれぞれ含むいくつかのアセンブリを提供することを意味する。これらのアセンブリは、タンク１００の単一の出口１０３によって作動流体が並列に供給され、単一の低温ポンプ８０に並列に接続される。
【0044】
図５に示される第６の実施形態によると、装置１は、第２の作動流体１８１、この場合、９９．９％以上の体積比率のヘリウム３を含む流体を循環させるための第２の作動回路１８０を含む。回路１８０はまた、第２の実施形態のエフェクタに加えて、熱力学的エフェクタである、流体１８１のための第２の圧縮機１９０と、第５のジュールトムソン膨張装置２００と、第５の相分離タンク２１０と、第３の低温ポンプ２２０と、第７の熱交換器２３０と、第８の熱交換器２４０とを含む。第２の圧縮機１９０は、第２の冷却ユニット２５０に接続され、第２の冷却ユニット２５０は、冷却ユニット３００と同一であり、冷熱源３３０に接続される。
【0045】
装置１は、
－ 冷却ユニット２５０の第２０の入口２５１と流体連通する、流体１８１が送出される第２の圧縮機１９０の第２０の出口１９１、
－ 交換器２３０の高温チャネル２３２の第２１の入口２３１と流体連通する冷却ユニット２５０の第２１の出口２５２、
－ 交換器２４０の高温チャネル２４２の第２２の入口２４１と流体連通する高温チャネル２３２の第２２の出口２３３、
－ 第５の膨張装置２００の第２３の入口２０１と流体連通する高温チャネル２４２の第２３の出口２４３、
－ 第５のタンク２１０の第２４の入口２１１と流体連通する第５の膨張装置２００の第２４の出口２０２、
－ 交換器２４０の低温チャネル２４５の第２５の入口２４４と流体連通する第５のタンク２１０の第２５の出口２１２、
－ 第３のポンプ２２０の第２７の入口２２１と流体連通する低温チャネル２４５の第２６の出口２４６、
－ 交換器２３０の低温チャネル２３５の第２７の入口２３４と流体連通する第３のポンプ２２０の第２７の出口２２２、
－ 冷却ユニット２５０の第２８の入口２５３と流体連通する低温チャネル２３５の第２８の出口２３６、
－ 第２の圧縮機１９０の第２９の入口１９２と流体連通する冷却ユニット２５０の第２９の出口２５４
を配置するように、熱力学的エフェクタを接続するラインの第２のネットワーク２６０も含む。
－ 冷却ユニット２５０の第２０の入口２５１と流体連通する、流体１８１が送出される第２の圧縮機１９０の第２０の出口１９１、
－ 交換器２３０の高温チャネル２３２の第２１の入口２３１と流体連通する冷却ユニット２５０の第２１の出口２５２、
－ 交換器２４０の高温チャネル２４２の第２２の入口２４１と流体連通する高温チャネル２３２の第２２の出口２３３、
－ 第５の膨張装置２００の第２３の入口２０１と流体連通する高温チャネル２４２の第２３の出口２４３、
－ 第５のタンク２１０の第２４の入口２１１と流体連通する第５の膨張装置２００の第２４の出口２０２、
－ 交換器２４０の低温チャネル２４５の第２５の入口２４４と流体連通する第５のタンク２１０の第２５の出口２１２、
－ 第３のポンプ２２０の第２７の入口２２１と流体連通する低温チャネル２４５の第２６の出口２４６、
－ 交換器２３０の低温チャネル２３５の第２７の入口２３４と流体連通する第３のポンプ２２０の第２７の出口２２２、
－ 冷却ユニット２５０の第２８の入口２５３と流体連通する低温チャネル２３５の第２８の出口２３６、
－ 第２の圧縮機１９０の第２９の入口１９２と流体連通する冷却ユニット２５０の第２９の出口２５４
を配置するように、熱力学的エフェクタを接続するラインの第２のネットワーク２６０も含む。
【0046】
回路１８０のすべてのエフェクタは、第２の圧縮機１９０を除いて、エンクロージャ５の内側に位置する。
【0047】
図５から分かるように、ネットワーク２６０は、第１のタンク５０内で延在する第１のライン部分２６１と、第２のタンク１００内で延在する第２のライン部分２６２と、第３のタンク１２０内で延在する第３のライン部分２６３とを含む。部分２６１、２６２及び２６３には、第１のタンク５０、第２のタンク１００及び第３のタンク１２０内に含まれる流体との熱交換を改善するためにそれぞれ放射状フィンが設けられ得る。
【0048】
部分２６１、２６２及び２６３は、第２の圧縮機１９０の出口１９１と第５の膨張装置２００の入口２０１との間に位置し、第５の膨張装置２００内での膨張前に流体１８１を冷却することに寄与する。
【0049】
回路１８０内に存在し、第５の膨張装置２００でそれ自体が等エンタルピー膨張を受ける流体１８１の、回路１０を使用する冷却は、高温チャネル６１に対して低温チャネルの温度をさらに下げることを可能にする。第５の膨張装置２００及び第５のタンク２１０で構成されるアセンブリは、流体１８１のさらなる温度降下を発生させ、流体１８１は、第５の膨張装置２００の通過後、第５のタンク２１０において約０．３ケルビン又はそれ未満の温度である。
【0050】
当然のことながら、本発明は、記述された実施形態に限定されるものではないが、特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲内のあらゆる変形形態を対象とする。
【0051】
特に、
－ この場合、第１の流体は、９９．９％より大きいヘリウム４の比率を含むが、本発明は、９９．９％より大きいヘリウム３の比率を含み、源３３０による予冷から適合された温度を有する第１の流体などの他のタイプの第１の流体にも適用される。
－ この場合、交換器、対向管交換器であるが、本発明は、プレート又は管交換器、高温の流れ及び低温の流れを対向流であるか又は対向流ではないようにすることができるものなどの他のタイプの熱交換器にも適用される。
－ 低温ポンプは、ターボ分子型、「Ｈｏｌｗｅｃｋ」型若しくは遠心ホイール型のポンプ又はこれらの技術の任意の組合せであり得る。
－ この場合、第３のポンプは、２つの分離タンク間に示されているが、本発明は、第２０の出口の下流の第２のポンプの他の配置にも適用される。
－ この場合、第３の膨張装置、第３のタンク及び第３の熱交換器は、第２の膨張装置及び第２のタンクを含む第３の実施形態に関連して説明されたが、本発明は、第２の膨張装置及び第２のタンクを有しない回路に連結された第３の膨張装置、第３のタンク及び第３の熱交換器にも適用される。
－ 第２の熱交換器は、流体又は伝導交換器型、例えば冷却対象要素が取り付けられるか又は熱伝導性編組が固定される少なくとも１つの熱伝導壁を含むタンクであり得る。
－ この場合、装置は、第２の熱交換器を含むが、本発明は、伝導によって第１のタンクと直接的に熱交換するか、又は熱伝達流体若しくは金属であり得る固体熱伝達媒体を使用して第１のタンクと間接的に熱交換する電子チップなど、他のタイプの冷却される対象物にも適用される。
－ この場合、冷却ユニットは、第１の高温チャネルから作動回路に接続される第１の低温チャネルに熱エネルギを伝達するための単一の第１の交換器と、第１の作動回路に接続された第２の高温チャネル及び外部冷熱源に接続された第２の低温チャネルを含む単一の第２の熱交換器とを含むが、本発明は、第１の回路の２つの部分間で熱エネルギを交換するための２つ以上の第１の交換器及び／又は１つ以上の外部冷熱源に接続された２つ以上の第２の交換器とを含む冷却ユニットにも適用される。
－ 冷熱源３３０は、エンクロージャ５内に完全に又は部分的に含まれ得る。
－ 冷熱源３３０は、サイクルガス冷凍機、パルス管又は任意の他の好適な冷熱源であり得る。
－ 低温チャネル３２２は、所望の蒸発温度において、高温チャネル３２１が浸された低温液槽によって交換され得る。
－ 低温チャネル３２２は、冷熱源を高温チャネル３２１に機械的に接続し、伝導によって高温チャネル３２１を冷却するための適合可能な熱リンク（銅又は別の熱伝導性金属）によって交換され得る。
－ 圧縮機２０及び１９０は、ライン、ポンプ、熱交換器又は別の好適な機械などの任意の移送部材であり得る。
－ この場合、圧縮機は、回路における作動流体の循環を保証するが、本発明は、単純なパイプ又は熱交換器などの他のタイプの移送部材にも適用される。特に、低温ポンプ８０は、回路のすべてのラインを通して流体を圧送するのに十分であることがある。この構成は、圧縮機などの高温移送部材を含む装置の開始後に得ることができる。すなわち、装置は、圧縮機２０（又は１９０）によって開始され、次いで、圧縮機は、スイッチがオフにされるか、又は予冷のための冷熱源との熱交換のために構成することができる冷交換器によって迂回される。
－ この場合、第１及び第２の冷却ユニットは、単一の冷熱源を使用するが、本発明は、専用冷熱源を使用する冷却ユニットにも適用される。
－ この場合、流体１１は、約１５Ｋの温度で冷却ユニット３００を出るが、本発明は、１０Ｋ又は５Ｋ～１０Ｋ、特に６Ｋ～７Ｋの流体１１の出口温度にも適用される。
－ この場合、第１の流体は、９９．９％より大きいヘリウム４の比率を含むが、本発明は、９９．９％より大きいヘリウム３の比率を含み、源３３０による予冷から適合された温度を有する第１の流体などの他のタイプの第１の流体にも適用される。
－ この場合、交換器、対向管交換器であるが、本発明は、プレート又は管交換器、高温の流れ及び低温の流れを対向流であるか又は対向流ではないようにすることができるものなどの他のタイプの熱交換器にも適用される。
－ 低温ポンプは、ターボ分子型、「Ｈｏｌｗｅｃｋ」型若しくは遠心ホイール型のポンプ又はこれらの技術の任意の組合せであり得る。
－ この場合、第３のポンプは、２つの分離タンク間に示されているが、本発明は、第２０の出口の下流の第２のポンプの他の配置にも適用される。
－ この場合、第３の膨張装置、第３のタンク及び第３の熱交換器は、第２の膨張装置及び第２のタンクを含む第３の実施形態に関連して説明されたが、本発明は、第２の膨張装置及び第２のタンクを有しない回路に連結された第３の膨張装置、第３のタンク及び第３の熱交換器にも適用される。
－ 第２の熱交換器は、流体又は伝導交換器型、例えば冷却対象要素が取り付けられるか又は熱伝導性編組が固定される少なくとも１つの熱伝導壁を含むタンクであり得る。
－ この場合、装置は、第２の熱交換器を含むが、本発明は、伝導によって第１のタンクと直接的に熱交換するか、又は熱伝達流体若しくは金属であり得る固体熱伝達媒体を使用して第１のタンクと間接的に熱交換する電子チップなど、他のタイプの冷却される対象物にも適用される。
－ この場合、冷却ユニットは、第１の高温チャネルから作動回路に接続される第１の低温チャネルに熱エネルギを伝達するための単一の第１の交換器と、第１の作動回路に接続された第２の高温チャネル及び外部冷熱源に接続された第２の低温チャネルを含む単一の第２の熱交換器とを含むが、本発明は、第１の回路の２つの部分間で熱エネルギを交換するための２つ以上の第１の交換器及び／又は１つ以上の外部冷熱源に接続された２つ以上の第２の交換器とを含む冷却ユニットにも適用される。
－ 冷熱源３３０は、エンクロージャ５内に完全に又は部分的に含まれ得る。
－ 冷熱源３３０は、サイクルガス冷凍機、パルス管又は任意の他の好適な冷熱源であり得る。
－ 低温チャネル３２２は、所望の蒸発温度において、高温チャネル３２１が浸された低温液槽によって交換され得る。
－ 低温チャネル３２２は、冷熱源を高温チャネル３２１に機械的に接続し、伝導によって高温チャネル３２１を冷却するための適合可能な熱リンク（銅又は別の熱伝導性金属）によって交換され得る。
－ 圧縮機２０及び１９０は、ライン、ポンプ、熱交換器又は別の好適な機械などの任意の移送部材であり得る。
－ この場合、圧縮機は、回路における作動流体の循環を保証するが、本発明は、単純なパイプ又は熱交換器などの他のタイプの移送部材にも適用される。特に、低温ポンプ８０は、回路のすべてのラインを通して流体を圧送するのに十分であることがある。この構成は、圧縮機などの高温移送部材を含む装置の開始後に得ることができる。すなわち、装置は、圧縮機２０（又は１９０）によって開始され、次いで、圧縮機は、スイッチがオフにされるか、又は予冷のための冷熱源との熱交換のために構成することができる冷交換器によって迂回される。
－ この場合、第１及び第２の冷却ユニットは、単一の冷熱源を使用するが、本発明は、専用冷熱源を使用する冷却ユニットにも適用される。
－ この場合、流体１１は、約１５Ｋの温度で冷却ユニット３００を出るが、本発明は、１０Ｋ又は５Ｋ～１０Ｋ、特に６Ｋ～７Ｋの流体１１の出口温度にも適用される。
【手続補正2】
【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】
第１の作動流体（１１）を循環させるための第１の作動回路（１０）を含む冷凍装置（１）であって、前記第１の作動回路（１０）は、ラインの第１のネットワーク（７０）によって直列に接続された以下の要素：－ 前記作動流体（１１）のための第１の移送部材（２０）、
－ 前記第１の作動回路（１０）に接続される第１の高温チャネル（３１１）及び第１の低温チャネル（３１２）を含む第１の熱交換器（３１０）を含む冷却ユニット（３００）であって、前記第１の作動回路（１０）に接続された第２の高温チャネル（３２１）と、第１の冷熱源（３３０）に接続された第２の低温チャネル（３２２）とを含む第２の熱交換器（３２０）も含む冷却ユニット（３００）、
－ 第３の高温チャネル（３１）及び第３の低温チャネル（３２）を含む第３の熱交換器（３０）、
－ 第１のジュールトムソン膨張装置（４０）、
－ 冷却される対象物と熱交換するように構成された第１のタンク（５０）
を含む、冷凍装置（１）において、前記要素の少なくともいくつかが内側に配置される断熱エンクロージャ（５）も含み、前記第１の移送部材（２０）は、前記エンクロージャ（５）の外側に位置することと、前記第１の作動回路（１０）は、前記エンクロージャ（５）の内側に位置し、且つ前記ラインの第１のネットワーク（７０）に接続された第１の圧送部材（８０）を含むこととを特徴とする冷凍装置（１）。
【請求項2】
前記ラインの第１のネットワーク（７０）は、－ 前記第１の作動流体（１１）が送出される前記移送部材（２０）の第１の出口（２１）を前記第１の高温チャネル（３１１）の第１の入口（３１３）に接続すること、
－ 前記第１の高温チャネル（３１１）の第２の出口（３１４）を前記第２の高温チャネル（３２１）の第２の入口（３２３）に接続すること、
－ 前記高温チャネル（３２１）の第３の出口（３２４）を前記第３の高温チャネル（３１）の第３の入口（３３）に接続すること、
－ 前記第３の高温チャネル（３１）の第４の出口（３４）を前記第１の膨張装置（４０）の第４の入口（４１）に接続すること、
－ 前記第１の膨張装置（４０）の第５の出口（４２）を前記第１のタンク（５０）の第５の入口（５１）に接続すること、
－ 前記第１のタンク（５０）の第６の出口（５２）を前記第３の低温チャネル（３２）の第６の入口（３５）に接続すること、
－ 前記第３の低温チャネル（３２）の第７の出口（３６）を、前記第１の作動流体（１１）が引き込まれる前記第１の移送部材（２０）の第８の入口（２２）に接続すること
を行うように配置され、前記第１の圧送部材（８０）は、前記第６の出口（５２）と前記第８の入口（２２）との間に位置する、請求項１に記載の装置。
【請求項3】
前記第１の圧送部材（８０）は、前記第８の入口（２２）に直接接続される、請求項２に記載の冷凍装置（１）。
【請求項4】
前記第１の圧送部材（８０）は、前記第７の出口（３６）の下流に位置する、請求項２又は３に記載の冷凍装置（１）。
【請求項5】
第２のジュールトムソン膨張装置（９０）と第２のタンク（１００）とを含み、前記第２の膨張装置（９０）は、前記第３の出口（３２４）の下流で前記第１の回路（１０）と流体連通する第１０の入口（９１）と、前記第２のタンク（１００）の第１１の入口（１０１）と流体連通する第１０の出口（９２）とを含み、前記第２のタンク（１００）は、前記第８の入口（２２）と流体連通する第１１の出口（１０２）を含み、前記第２のタンク（１００）は、前記第３の入口（３３）の上流で前記第１の回路（１０）と流体連通する、液相の作動流体（１１）のための第１の排出口（１０３）も含む、請求項２～４のいずれか一項に記載の冷凍装置（１）。
【請求項6】
第３のジュールトムソン膨張装置（１１０）と、第３のタンク（１２０）と、第５の高温チャネル（１３１）及び第５の低温チャネル（１３２）を含む第５の熱交換器（１３０）とを含み、前記第３の膨張装置（１１０）は、前記第３の出口（３２４）の下流で前記第１の回路（１０）と流体連通する第１２の入口（１１１）と、前記第３のタンク（１２０）の第１３の入口（１２１）と流体連通する第１２の出口（１１２）とを含み、前記第３のタンク（１２０）は、前記第８の入口（２２）と流体連通する第１３の出口（１２２）を含み、前記第３のタンク（１２０）は、前記第５の高温チャネル（１３１）の第１４の入口（１３３）と流体連通する、液相の作動流体（１１）のための第２の排出口（１２３）も含み、前記第５の高温チャネル（１３１）の第１４の出口（１３４）は、前記第３の入口（３３）の上流で前記第１の回路（１０）と流体連通し、前記第５の低温チャネル（１３２）の第１５の入口（１３５）及び第１５の出口（１３６）は、前記第７の出口（３６）の下流で前記第１の回路（１０）と流体連通する、請求項２～５のいずれか一項に記載の冷凍装置。
【請求項7】
第６の高温チャネル（１５１）及び第６の低温チャネル（１５２）を含む第６の熱交換器（１５０）と、第４のジュールトムソン膨張装置（１６０）と、第４のタンク（１７０）とを含み、前記第６の高温チャネル（１５１）は、前記第１の出口（２１）と前記第３の入口（３３）との間で前記第１の作動回路（１０）と流体連通する第１６の入口（１５３）を含み、及び前記第６の低温チャネル（１５２）は、前記第５の出口（４２）の下流で前記第１の作動回路（１０）と流体連通する第１６の出口（１５６）を含む、請求項２～６のいずれか一項に記載の冷凍装置（１）。
【請求項8】
前記第１の作動流体（１１）は、９９．９％以上の体積比率のヘリウム４を含む、請求項１～７のいずれか一項に記載の冷凍装置（１）。
【請求項9】
第２の移送部材（１９０）及び第２の低温ポンプ（２２０）によって第２の作動流体（１８１）を循環させるための第２の作動回路（１８０）を含み、前記第２の作動回路（１８０）は、前記第１のタンク（５０）と熱交換する少なくとも１つの第１のライン部分（２６１）を含む、請求項１～８のいずれか一項に記載の冷凍装置（１）。
【請求項10】
前記第２の移送部材（１９０）は、前記エンクロージャ（５）の外側に位置する、請求項９に記載の冷凍装置（１）。
【請求項11】
前記第２の作動回路（１８０）は、前記第２のタンク（１００）と熱交換する少なくとも１つの第２のライン部分（２６２）を含む、請求項９及び５に記載の冷凍装置（１）。
【請求項12】
前記第２の作動回路（１８０）は、第５のジュールトムソン膨張装置（２００）も含む、請求項９～１１のいずれか一項に記載の冷凍装置（１）。
【請求項13】
前記第２の作動流体（１８１）は、９９．９％以上の体積比率のヘリウム３を含む、請求項９～１２のいずれか一項に記載の冷凍装置（１）。
【請求項14】
請求項１～１３のいずれか一項に記載の装置を使用する冷凍の方法であって、－ 前記第１の作動流体を圧縮するステップ、
－ 前記第１の作動流体を冷却するステップ、
－ 前記第１の作動流体を等エンタルピー膨張させるステップ、
－ 前記第１の作動流体を第１の液相及び第２の気相に分離するステップ、
－ 前記第１の流体を加熱するステップ、
－ 前記第１の流体を圧送するステップ
を含む方法。
【請求項15】
前記第１の作動流体を等エンタルピー膨張させる前記ステップは、前記分離ステップ前に前記第１の作動流体を５００ミリケルビン～４．５ケルビンの温度にするように実行される、請求項１４に記載の方法。
【請求項16】
請求項９～１３のいずれか一項に記載の装置を使用する冷凍の方法であって、－ 前記第２の作動流体を圧縮するステップ、
－ 前記第２の作動流体を冷却するステップ、
－ 前記第２の作動流体を等エンタルピー膨張させるステップ、
－ 前記第２の作動流体を第１の液相及び第２の気相に分離するステップ、
－ 前記第２の流体を加熱するステップ、
－ 前記第２の流体を圧送するステップ
を含む方法。
【請求項17】
前記第２の作動流体を等エンタルピー膨張させる前記ステップは、前記分離ステップ前に前記第２の作動流体を３００～７００ミリケルビンの温度にするように実行される、請求項１６に記載の方法。【手続補正書】
【提出日】2024-06-03
【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】
第１の作動流体（１１）を循環させるための第１の作動回路（１０）を含む冷凍装置（１）であって、前記第１の作動回路（１０）は、ラインの第１のネットワーク（７０）によって直列に接続された以下の要素：－ 前記作動流体（１１）のための第１の移送部材（２０）、
－ 前記第１の作動回路（１０）に接続される第１の高温チャネル（３１１）及び第１の低温チャネル（３１２）を含む第１の熱交換器（３１０）を含む冷却ユニット（３００）であって、前記第１の作動回路（１０）に接続された第２の高温チャネル（３２１）と、第１の冷熱源（３３０）に接続された第２の低温チャネル（３２２）とを含む第２の熱交換器（３２０）も含む冷却ユニット（３００）、
－ 第３の高温チャネル（３１）及び第３の低温チャネル（３２）を含む第３の熱交換器（３０）、
－ 第１のジュールトムソン膨張装置（４０）、
－ 冷却される対象物と熱交換するように構成された第１のタンク（５０）
を含む、冷凍装置（１）において、前記要素の少なくともいくつかが内側に配置される断熱エンクロージャ（５）も含み、前記第１の移送部材（２０）は、前記エンクロージャ（５）の外側に位置することと、前記第１の作動回路（１０）は、前記エンクロージャ（５）の内側に位置し、且つ前記ラインの第１のネットワーク（７０）に接続された第１の圧送部材（８０）を含むこととを特徴とする冷凍装置（１）。
【請求項2】
前記ラインの第１のネットワーク（７０）は、－ 前記第１の作動流体（１１）が送出される前記移送部材（２０）の第１の出口（２１）を前記第１の高温チャネル（３１１）の第１の入口（３１３）に接続すること、
－ 前記第１の高温チャネル（３１１）の第２の出口（３１４）を前記第２の高温チャネル（３２１）の第２の入口（３２３）に接続すること、
－ 前記高温チャネル（３２１）の第３の出口（３２４）を前記第３の高温チャネル（３１）の第３の入口（３３）に接続すること、
－ 前記第３の高温チャネル（３１）の第４の出口（３４）を前記第１の膨張装置（４０）の第４の入口（４１）に接続すること、
－ 前記第１の膨張装置（４０）の第５の出口（４２）を前記第１のタンク（５０）の第５の入口（５１）に接続すること、
－ 前記第１のタンク（５０）の第６の出口（５２）を前記第３の低温チャネル（３２）の第６の入口（３５）に接続すること、
－ 前記第３の低温チャネル（３２）の第７の出口（３６）を、前記第１の作動流体（１１）が引き込まれる前記第１の移送部材（２０）の第８の入口（２２）に接続すること
を行うように配置され、前記第１の圧送部材（８０）は、前記第６の出口（５２）と前記第８の入口（２２）との間に位置する、請求項１に記載の装置。
【請求項3】
前記第１の圧送部材（８０）は、前記第８の入口（２２）に直接接続される、請求項２に記載の冷凍装置（１）。
【請求項4】
前記第１の圧送部材（８０）は、前記第７の出口（３６）の下流に位置する、請求項２又は３に記載の冷凍装置（１）。
【請求項5】
第２のジュールトムソン膨張装置（９０）と第２のタンク（１００）とを含み、前記第２の膨張装置（９０）は、前記第３の出口（３２４）の下流で前記第１の回路（１０）と流体連通する第１０の入口（９１）と、前記第２のタンク（１００）の第１１の入口（１０１）と流体連通する第１０の出口（９２）とを含み、前記第２のタンク（１００）は、前記第８の入口（２２）と流体連通する第１１の出口（１０２）を含み、前記第２のタンク（１００）は、前記第３の入口（３３）の上流で前記第１の回路（１０）と流体連通する、液相の作動流体（１１）のための第１の排出口（１０３）も含む、請求項２又は３に記載の冷凍装置（１）。
【請求項6】
第３のジュールトムソン膨張装置（１１０）と、第３のタンク（１２０）と、第５の高温チャネル（１３１）及び第５の低温チャネル（１３２）を含む第５の熱交換器（１３０）とを含み、前記第３の膨張装置（１１０）は、前記第３の出口（３２４）の下流で前記第１の回路（１０）と流体連通する第１２の入口（１１１）と、前記第３のタンク（１２０）の第１３の入口（１２１）と流体連通する第１２の出口（１１２）とを含み、前記第３のタンク（１２０）は、前記第８の入口（２２）と流体連通する第１３の出口（１２２）を含み、前記第３のタンク（１２０）は、前記第５の高温チャネル（１３１）の第１４の入口（１３３）と流体連通する、液相の作動流体（１１）のための第２の排出口（１２３）も含み、前記第５の高温チャネル（１３１）の第１４の出口（１３４）は、前記第３の入口（３３）の上流で前記第１の回路（１０）と流体連通し、前記第５の低温チャネル（１３２）の第１５の入口（１３５）及び第１５の出口（１３６）は、前記第７の出口（３６）の下流で前記第１の回路（１０）と流体連通する、請求項２又は３に記載の冷凍装置。
【請求項7】
第６の高温チャネル（１５１）及び第６の低温チャネル（１５２）を含む第６の熱交換器（１５０）と、第４のジュールトムソン膨張装置（１６０）と、第４のタンク（１７０）とを含み、前記第６の高温チャネル（１５１）は、前記第１の出口（２１）と前記第３の入口（３３）との間で前記第１の作動回路（１０）と流体連通する第１６の入口（１５３）を含み、及び前記第６の低温チャネル（１５２）は、前記第５の出口（４２）の下流で前記第１の作動回路（１０）と流体連通する第１６の出口（１５６）を含む、請求項２又は３に記載の冷凍装置（１）。
【請求項8】
前記第１の作動流体（１１）は、９９．９％以上の体積比率のヘリウム４を含む、請求項１～３のいずれか一項に記載の冷凍装置（１）。
【請求項9】
第２の移送部材（１９０）及び第２の低温ポンプ（２２０）によって第２の作動流体（１８１）を循環させるための第２の作動回路（１８０）を含み、前記第２の作動回路（１８０）は、前記第１のタンク（５０）と熱交換する少なくとも１つの第１のライン部分（２６１）を含む、請求項１～３のいずれか一項に記載の冷凍装置（１）。
【請求項10】
前記第２の移送部材（１９０）は、前記エンクロージャ（５）の外側に位置する、請求項９に記載の冷凍装置（１）。
【請求項11】
前記第２の作動回路（１８０）は、前記第２のタンク（１００）と熱交換する少なくとも１つの第２のライン部分（２６２）を含む、請求項５に従属する請求項９に記載の冷凍装置（１）。
【請求項12】
前記第２の作動回路（１８０）は、第５のジュールトムソン膨張装置（２００）も含む、請求項９に記載の冷凍装置（１）。
【請求項13】
前記第２の作動流体（１８１）は、９９．９％以上の体積比率のヘリウム３を含む、請求項９に記載の冷凍装置（１）。
【請求項14】
請求項１～３のいずれか一項に記載の装置を使用する冷凍の方法であって、－ 前記第１の作動流体を圧縮するステップ、
－ 前記第１の作動流体を冷却するステップ、
－ 前記第１の作動流体を等エンタルピー膨張させるステップ、
－ 前記第１の作動流体を第１の液相及び第２の気相に分離するステップ、
－ 前記第１の流体を加熱するステップ、
－ 前記第１の流体を圧送するステップ
を含む方法。
【請求項15】
前記第１の作動流体を等エンタルピー膨張させる前記ステップは、前記分離ステップ前に前記第１の作動流体を５００ミリケルビン～４．５ケルビンの温度にするように実行される、請求項１４に記載の方法。
【請求項16】
請求項９に記載の装置を使用する冷凍の方法であって、－ 前記第２の作動流体を圧縮するステップ、
－ 前記第２の作動流体を冷却するステップ、
－ 前記第２の作動流体を等エンタルピー膨張させるステップ、
－ 前記第２の作動流体を第１の液相及び第２の気相に分離するステップ、
－ 前記第２の流体を加熱するステップ、
－ 前記第２の流体を圧送するステップ
を含む方法。
【請求項17】
前記第２の作動流体を等エンタルピー膨張させる前記ステップは、前記分離ステップ前に前記第２の作動流体を３００～７００ミリケルビンの温度にするように実行される、請求項１６に記載の方法。
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0051】
特に、
－ この場合、第１の流体は、９９．９％より大きいヘリウム４の比率を含むが、本発明は、９９．９％より大きいヘリウム３の比率を含み、源３３０による予冷から適合された温度を有する第１の流体などの他のタイプの第１の流体にも適用される。
－ この場合、交換器、対向管交換器であるが、本発明は、プレート又は管交換器、高温の流れ及び低温の流れを対向流であるか又は対向流ではないようにすることができるものなどの他のタイプの熱交換器にも適用される。
－ 低温ポンプは、ターボ分子型、「Ｈｏｌｗｅｃｋ」型若しくは遠心ホイール型のポンプ又はこれらの技術の任意の組合せであり得る。
－ この場合、第３のポンプは、２つの分離タンク間に示されているが、本発明は、第２０の出口の下流の第２のポンプの他の配置にも適用される。
－ この場合、第３の膨張装置、第３のタンク及び第３の熱交換器は、第２の膨張装置及び第２のタンクを含む第３の実施形態に関連して説明されたが、本発明は、第２の膨張装置及び第２のタンクを有しない回路に連結された第３の膨張装置、第３のタンク及び第３の熱交換器にも適用される。
－ 第２の熱交換器は、流体又は伝導交換器型、例えば冷却対象要素が取り付けられるか又は熱伝導性編組が固定される少なくとも１つの熱伝導壁を含むタンクであり得る。
－ この場合、装置は、第２の熱交換器を含むが、本発明は、伝導によって第１のタンクと直接的に熱交換するか、又は熱伝達流体若しくは金属であり得る固体熱伝達媒体を使用して第１のタンクと間接的に熱交換する電子チップなど、他のタイプの冷却される対象物にも適用される。
－ この場合、冷却ユニットは、第１の高温チャネルから作動回路に接続される第１の低温チャネルに熱エネルギを伝達するための単一の第１の交換器と、第１の作動回路に接続された第２の高温チャネル及び外部冷熱源に接続された第２の低温チャネルを含む単一の第２の熱交換器とを含むが、本発明は、第１の回路の２つの部分間で熱エネルギを交換するための２つ以上の第１の交換器及び／又は１つ以上の外部冷熱源に接続された２つ以上の第２の交換器とを含む冷却ユニットにも適用される。
－ 冷熱源３３０は、エンクロージャ５内に完全に又は部分的に含まれ得る。
－ 冷熱源３３０は、サイクルガス冷凍機、パルス管又は任意の他の好適な冷熱源であり得る。
－ 低温チャネル３２２は、所望の蒸発温度において、高温チャネル３２１が浸された低温液槽によって交換され得る。
－ 低温チャネル３２２は、冷熱源を高温チャネル３２１に機械的に接続し、伝導によって高温チャネル３２１を冷却するための適合可能な熱リンク（銅又は別の熱伝導性金属）によって交換され得る。
－ 圧縮機２０及び１９０は、ライン、ポンプ、熱交換器又は別の好適な機械などの任意の移送部材であり得る。
－ この場合、圧縮機は、回路における作動流体の循環を保証するが、本発明は、単純なパイプ又は熱交換器などの他のタイプの移送部材にも適用される。特に、低温ポンプ８０は、回路のすべてのラインを通して流体を圧送するのに十分であることがある。この構成は、圧縮機などの高温移送部材を含む装置の開始後に得ることができる。すなわち、装置は、圧縮機２０（又は１９０）によって開始され、次いで、圧縮機は、スイッチがオフにされるか、又は予冷のための冷熱源との熱交換のために構成することができる冷交換器によって迂回される。
－ この場合、第１及び第２の冷却ユニットは、単一の冷熱源を使用するが、本発明は、専用冷熱源を使用する冷却ユニットにも適用される。
－ この場合、流体１１は、約１５Ｋの温度で冷却ユニット３００を出るが、本発明は、１０Ｋ又は５Ｋ～１０Ｋ、特に６Ｋ～７Ｋの流体１１の出口温度にも適用される。
以下に、出願当初の特許請求の範囲に記載の事項を、そのまま、付記しておく。
［１］ 第１の作動流体（１１）を循環させるための第１の作動回路（１０）を含む冷凍装置（１）であって、前記第１の作動回路（１０）は、ラインの第１のネットワーク（７０）によって直列に接続された以下の要素：
－ 前記作動流体（１１）のための第１の移送部材（２０）、
－ 前記第１の作動回路（１０）に接続される第１の高温チャネル（３１１）及び第１の低温チャネル（３１２）を含む第１の熱交換器（３１０）を含む冷却ユニット（３００）であって、前記第１の作動回路（１０）に接続された第２の高温チャネル（３２１）と、第１の冷熱源（３３０）に接続された第２の低温チャネル（３２２）とを含む第２の熱交換器（３２０）も含む冷却ユニット（３００）、
－ 第３の高温チャネル（３１）及び第３の低温チャネル（３２）を含む第３の熱交換器（３０）、
－ 第１のジュールトムソン膨張装置（４０）、
－ 冷却される対象物と熱交換するように構成された第１のタンク（５０）
を含む、冷凍装置（１）において、前記要素の少なくともいくつかが内側に配置される断熱エンクロージャ（５）も含み、前記第１の移送部材（２０）は、前記エンクロージャ（５）の外側に位置することと、前記第１の作動回路（１０）は、前記エンクロージャ（５）の内側に位置し、且つ前記ラインの第１のネットワーク（７０）に接続された第１の圧送部材（８０）を含むこととを特徴とする冷凍装置（１）。
［２］ 前記ラインの第１のネットワーク（７０）は、
－ 前記第１の作動流体（１１）が送出される前記移送部材（２０）の第１の出口（２１）を前記第１の高温チャネル（３１１）の第１の入口（３１３）に接続すること、
－ 前記第１の高温チャネル（３１１）の第２の出口（３１４）を前記第２の高温チャネル（３２１）の第２の入口（３２３）に接続すること、
－ 前記高温チャネル（３２１）の第３の出口（３２４）を前記第３の高温チャネル（３１）の第３の入口（３３）に接続すること、
－ 前記第３の高温チャネル（３１）の第４の出口（３４）を前記第１の膨張装置（４０）の第４の入口（４１）に接続すること、
－ 前記第１の膨張装置（４０）の第５の出口（４２）を前記第１のタンク（５０）の第５の入口（５１）に接続すること、
－ 前記第１のタンク（５０）の第６の出口（５２）を前記第３の低温チャネル（３２）の第６の入口（３５）に接続すること、
－ 前記第３の低温チャネル（３２）の第７の出口（３６）を、前記第１の作動流体（１１）が引き込まれる前記第１の移送部材（２０）の第８の入口（２２）に接続すること
を行うように配置され、前記第１の圧送部材（８０）は、前記第６の出口（５２）と前記第８の入口（２２）との間に位置する、［１］に記載の装置。
［３］ 前記第１の圧送部材（８０）は、前記第８の入口（２２）に直接接続される、［２］に記載の冷凍装置（１）。
［４］ 前記第１の圧送部材（８０）は、前記第７の出口（３６）の下流に位置する、［２］又は［３］に記載の冷凍装置（１）。
［５］ 第２のジュールトムソン膨張装置（９０）と第２のタンク（１００）とを含み、前記第２の膨張装置（９０）は、前記第３の出口（３２４）の下流で前記第１の回路（１０）と流体連通する第１０の入口（９１）と、前記第２のタンク（１００）の第１１の入口（１０１）と流体連通する第１０の出口（９２）とを含み、前記第２のタンク（１００）は、前記第８の入口（２２）と流体連通する第１１の出口（１０２）を含み、前記第２のタンク（１００）は、前記第３の入口（３３）の上流で前記第１の回路（１０）と流体連通する、液相の作動流体（１１）のための第１の排出口（１０３）も含む、［２］～［４］のいずれか一項に記載の冷凍装置（１）。
［６］ 第３のジュールトムソン膨張装置（１１０）と、第３のタンク（１２０）と、第５の高温チャネル（１３１）及び第５の低温チャネル（１３２）を含む第５の熱交換器（１３０）とを含み、前記第３の膨張装置（１１０）は、前記第３の出口（３２４）の下流で前記第１の回路（１０）と流体連通する第１２の入口（１１１）と、前記第３のタンク（１２０）の第１３の入口（１２１）と流体連通する第１２の出口（１１２）とを含み、前記第３のタンク（１２０）は、前記第８の入口（２２）と流体連通する第１３の出口（１２２）を含み、前記第３のタンク（１２０）は、前記第５の高温チャネル（１３１）の第１４の入口（１３３）と流体連通する、液相の作動流体（１１）のための第２の排出口（１２３）も含み、前記第５の高温チャネル（１３１）の第１４の出口（１３４）は、前記第３の入口（３３）の上流で前記第１の回路（１０）と流体連通し、前記第５の低温チャネル（１３２）の第１５の入口（１３５）及び第１５の出口（１３６）は、前記第７の出口（３６）の下流で前記第１の回路（１０）と流体連通する、［２］～［５］のいずれか一項に記載の冷凍装置。
［７］ 第６の高温チャネル（１５１）及び第６の低温チャネル（１５２）を含む第６の熱交換器（１５０）と、第４のジュールトムソン膨張装置（１６０）と、第４のタンク（１７０）とを含み、前記第６の高温チャネル（１５１）は、前記第１の出口（２１）と前記第３の入口（３３）との間で前記第１の作動回路（１０）と流体連通する第１６の入口（１５３）を含み、及び前記第６の低温チャネル（１５２）は、前記第５の出口（４２）の下流で前記第１の作動回路（１０）と流体連通する第１６の出口（１５６）を含む、［２］～［６］のいずれか一項に記載の冷凍装置（１）。
［８］ 前記第１の作動流体（１１）は、９９．９％以上の体積比率のヘリウム４を含む、［１］～［７］のいずれか一項に記載の冷凍装置（１）。
［９］ 第２の移送部材（１９０）及び第２の低温ポンプ（２２０）によって第２の作動流体（１８１）を循環させるための第２の作動回路（１８０）を含み、前記第２の作動回路（１８０）は、前記第１のタンク（５０）と熱交換する少なくとも１つの第１のライン部分（２６１）を含む、［１］～［８］のいずれか一項に記載の冷凍装置（１）。
［１０］ 前記第２の移送部材（１９０）は、前記エンクロージャ（５）の外側に位置する、［９］に記載の冷凍装置（１）。
［１１］ 前記第２の作動回路（１８０）は、前記第２のタンク（１００）と熱交換する少なくとも１つの第２のライン部分（２６２）を含む、［９］及び［５］に記載の冷凍装置（１）。
［１２］ 前記第２の作動回路（１８０）は、第５のジュールトムソン膨張装置（２００）も含む、［９］～［１１］のいずれか一項に記載の冷凍装置（１）。
［１３］ 前記第２の作動流体（１８１）は、９９．９％以上の体積比率のヘリウム３を含む、［９］～［１２］のいずれか一項に記載の冷凍装置（１）。
［１４］ ［１］～［１３］のいずれか一項に記載の装置を使用する冷凍の方法であって、
－ 前記第１の作動流体を圧縮するステップ、
－ 前記第１の作動流体を冷却するステップ、
－ 前記第１の作動流体を等エンタルピー膨張させるステップ、
－ 前記第１の作動流体を第１の液相及び第２の気相に分離するステップ、
－ 前記第１の流体を加熱するステップ、
－ 前記第１の流体を圧送するステップ
を含む方法。
［１５］ 前記第１の作動流体を等エンタルピー膨張させる前記ステップは、前記分離ステップ前に前記第１の作動流体を５００ミリケルビン～４．５ケルビンの温度にするように実行される、［１４］に記載の方法。
［１６］ ［９］～［１３］のいずれか一項に記載の装置を使用する冷凍の方法であって、
－ 前記第２の作動流体を圧縮するステップ、
－ 前記第２の作動流体を冷却するステップ、
－ 前記第２の作動流体を等エンタルピー膨張させるステップ、
－ 前記第２の作動流体を第１の液相及び第２の気相に分離するステップ、
－ 前記第２の流体を加熱するステップ、
－ 前記第２の流体を圧送するステップ
を含む方法。
［１７］ 前記第２の作動流体を等エンタルピー膨張させる前記ステップは、前記分離ステップ前に前記第２の作動流体を３００～７００ミリケルビンの温度にするように実行される、［１６］に記載の方法。
－ この場合、第１の流体は、９９．９％より大きいヘリウム４の比率を含むが、本発明は、９９．９％より大きいヘリウム３の比率を含み、源３３０による予冷から適合された温度を有する第１の流体などの他のタイプの第１の流体にも適用される。
－ この場合、交換器、対向管交換器であるが、本発明は、プレート又は管交換器、高温の流れ及び低温の流れを対向流であるか又は対向流ではないようにすることができるものなどの他のタイプの熱交換器にも適用される。
－ 低温ポンプは、ターボ分子型、「Ｈｏｌｗｅｃｋ」型若しくは遠心ホイール型のポンプ又はこれらの技術の任意の組合せであり得る。
－ この場合、第３のポンプは、２つの分離タンク間に示されているが、本発明は、第２０の出口の下流の第２のポンプの他の配置にも適用される。
－ この場合、第３の膨張装置、第３のタンク及び第３の熱交換器は、第２の膨張装置及び第２のタンクを含む第３の実施形態に関連して説明されたが、本発明は、第２の膨張装置及び第２のタンクを有しない回路に連結された第３の膨張装置、第３のタンク及び第３の熱交換器にも適用される。
－ 第２の熱交換器は、流体又は伝導交換器型、例えば冷却対象要素が取り付けられるか又は熱伝導性編組が固定される少なくとも１つの熱伝導壁を含むタンクであり得る。
－ この場合、装置は、第２の熱交換器を含むが、本発明は、伝導によって第１のタンクと直接的に熱交換するか、又は熱伝達流体若しくは金属であり得る固体熱伝達媒体を使用して第１のタンクと間接的に熱交換する電子チップなど、他のタイプの冷却される対象物にも適用される。
－ この場合、冷却ユニットは、第１の高温チャネルから作動回路に接続される第１の低温チャネルに熱エネルギを伝達するための単一の第１の交換器と、第１の作動回路に接続された第２の高温チャネル及び外部冷熱源に接続された第２の低温チャネルを含む単一の第２の熱交換器とを含むが、本発明は、第１の回路の２つの部分間で熱エネルギを交換するための２つ以上の第１の交換器及び／又は１つ以上の外部冷熱源に接続された２つ以上の第２の交換器とを含む冷却ユニットにも適用される。
－ 冷熱源３３０は、エンクロージャ５内に完全に又は部分的に含まれ得る。
－ 冷熱源３３０は、サイクルガス冷凍機、パルス管又は任意の他の好適な冷熱源であり得る。
－ 低温チャネル３２２は、所望の蒸発温度において、高温チャネル３２１が浸された低温液槽によって交換され得る。
－ 低温チャネル３２２は、冷熱源を高温チャネル３２１に機械的に接続し、伝導によって高温チャネル３２１を冷却するための適合可能な熱リンク（銅又は別の熱伝導性金属）によって交換され得る。
－ 圧縮機２０及び１９０は、ライン、ポンプ、熱交換器又は別の好適な機械などの任意の移送部材であり得る。
－ この場合、圧縮機は、回路における作動流体の循環を保証するが、本発明は、単純なパイプ又は熱交換器などの他のタイプの移送部材にも適用される。特に、低温ポンプ８０は、回路のすべてのラインを通して流体を圧送するのに十分であることがある。この構成は、圧縮機などの高温移送部材を含む装置の開始後に得ることができる。すなわち、装置は、圧縮機２０（又は１９０）によって開始され、次いで、圧縮機は、スイッチがオフにされるか、又は予冷のための冷熱源との熱交換のために構成することができる冷交換器によって迂回される。
－ この場合、第１及び第２の冷却ユニットは、単一の冷熱源を使用するが、本発明は、専用冷熱源を使用する冷却ユニットにも適用される。
－ この場合、流体１１は、約１５Ｋの温度で冷却ユニット３００を出るが、本発明は、１０Ｋ又は５Ｋ～１０Ｋ、特に６Ｋ～７Ｋの流体１１の出口温度にも適用される。
以下に、出願当初の特許請求の範囲に記載の事項を、そのまま、付記しておく。
［１］ 第１の作動流体（１１）を循環させるための第１の作動回路（１０）を含む冷凍装置（１）であって、前記第１の作動回路（１０）は、ラインの第１のネットワーク（７０）によって直列に接続された以下の要素：
－ 前記作動流体（１１）のための第１の移送部材（２０）、
－ 前記第１の作動回路（１０）に接続される第１の高温チャネル（３１１）及び第１の低温チャネル（３１２）を含む第１の熱交換器（３１０）を含む冷却ユニット（３００）であって、前記第１の作動回路（１０）に接続された第２の高温チャネル（３２１）と、第１の冷熱源（３３０）に接続された第２の低温チャネル（３２２）とを含む第２の熱交換器（３２０）も含む冷却ユニット（３００）、
－ 第３の高温チャネル（３１）及び第３の低温チャネル（３２）を含む第３の熱交換器（３０）、
－ 第１のジュールトムソン膨張装置（４０）、
－ 冷却される対象物と熱交換するように構成された第１のタンク（５０）
を含む、冷凍装置（１）において、前記要素の少なくともいくつかが内側に配置される断熱エンクロージャ（５）も含み、前記第１の移送部材（２０）は、前記エンクロージャ（５）の外側に位置することと、前記第１の作動回路（１０）は、前記エンクロージャ（５）の内側に位置し、且つ前記ラインの第１のネットワーク（７０）に接続された第１の圧送部材（８０）を含むこととを特徴とする冷凍装置（１）。
［２］ 前記ラインの第１のネットワーク（７０）は、
－ 前記第１の作動流体（１１）が送出される前記移送部材（２０）の第１の出口（２１）を前記第１の高温チャネル（３１１）の第１の入口（３１３）に接続すること、
－ 前記第１の高温チャネル（３１１）の第２の出口（３１４）を前記第２の高温チャネル（３２１）の第２の入口（３２３）に接続すること、
－ 前記高温チャネル（３２１）の第３の出口（３２４）を前記第３の高温チャネル（３１）の第３の入口（３３）に接続すること、
－ 前記第３の高温チャネル（３１）の第４の出口（３４）を前記第１の膨張装置（４０）の第４の入口（４１）に接続すること、
－ 前記第１の膨張装置（４０）の第５の出口（４２）を前記第１のタンク（５０）の第５の入口（５１）に接続すること、
－ 前記第１のタンク（５０）の第６の出口（５２）を前記第３の低温チャネル（３２）の第６の入口（３５）に接続すること、
－ 前記第３の低温チャネル（３２）の第７の出口（３６）を、前記第１の作動流体（１１）が引き込まれる前記第１の移送部材（２０）の第８の入口（２２）に接続すること
を行うように配置され、前記第１の圧送部材（８０）は、前記第６の出口（５２）と前記第８の入口（２２）との間に位置する、［１］に記載の装置。
［３］ 前記第１の圧送部材（８０）は、前記第８の入口（２２）に直接接続される、［２］に記載の冷凍装置（１）。
［４］ 前記第１の圧送部材（８０）は、前記第７の出口（３６）の下流に位置する、［２］又は［３］に記載の冷凍装置（１）。
［５］ 第２のジュールトムソン膨張装置（９０）と第２のタンク（１００）とを含み、前記第２の膨張装置（９０）は、前記第３の出口（３２４）の下流で前記第１の回路（１０）と流体連通する第１０の入口（９１）と、前記第２のタンク（１００）の第１１の入口（１０１）と流体連通する第１０の出口（９２）とを含み、前記第２のタンク（１００）は、前記第８の入口（２２）と流体連通する第１１の出口（１０２）を含み、前記第２のタンク（１００）は、前記第３の入口（３３）の上流で前記第１の回路（１０）と流体連通する、液相の作動流体（１１）のための第１の排出口（１０３）も含む、［２］～［４］のいずれか一項に記載の冷凍装置（１）。
［６］ 第３のジュールトムソン膨張装置（１１０）と、第３のタンク（１２０）と、第５の高温チャネル（１３１）及び第５の低温チャネル（１３２）を含む第５の熱交換器（１３０）とを含み、前記第３の膨張装置（１１０）は、前記第３の出口（３２４）の下流で前記第１の回路（１０）と流体連通する第１２の入口（１１１）と、前記第３のタンク（１２０）の第１３の入口（１２１）と流体連通する第１２の出口（１１２）とを含み、前記第３のタンク（１２０）は、前記第８の入口（２２）と流体連通する第１３の出口（１２２）を含み、前記第３のタンク（１２０）は、前記第５の高温チャネル（１３１）の第１４の入口（１３３）と流体連通する、液相の作動流体（１１）のための第２の排出口（１２３）も含み、前記第５の高温チャネル（１３１）の第１４の出口（１３４）は、前記第３の入口（３３）の上流で前記第１の回路（１０）と流体連通し、前記第５の低温チャネル（１３２）の第１５の入口（１３５）及び第１５の出口（１３６）は、前記第７の出口（３６）の下流で前記第１の回路（１０）と流体連通する、［２］～［５］のいずれか一項に記載の冷凍装置。
［７］ 第６の高温チャネル（１５１）及び第６の低温チャネル（１５２）を含む第６の熱交換器（１５０）と、第４のジュールトムソン膨張装置（１６０）と、第４のタンク（１７０）とを含み、前記第６の高温チャネル（１５１）は、前記第１の出口（２１）と前記第３の入口（３３）との間で前記第１の作動回路（１０）と流体連通する第１６の入口（１５３）を含み、及び前記第６の低温チャネル（１５２）は、前記第５の出口（４２）の下流で前記第１の作動回路（１０）と流体連通する第１６の出口（１５６）を含む、［２］～［６］のいずれか一項に記載の冷凍装置（１）。
［８］ 前記第１の作動流体（１１）は、９９．９％以上の体積比率のヘリウム４を含む、［１］～［７］のいずれか一項に記載の冷凍装置（１）。
［９］ 第２の移送部材（１９０）及び第２の低温ポンプ（２２０）によって第２の作動流体（１８１）を循環させるための第２の作動回路（１８０）を含み、前記第２の作動回路（１８０）は、前記第１のタンク（５０）と熱交換する少なくとも１つの第１のライン部分（２６１）を含む、［１］～［８］のいずれか一項に記載の冷凍装置（１）。
［１０］ 前記第２の移送部材（１９０）は、前記エンクロージャ（５）の外側に位置する、［９］に記載の冷凍装置（１）。
［１１］ 前記第２の作動回路（１８０）は、前記第２のタンク（１００）と熱交換する少なくとも１つの第２のライン部分（２６２）を含む、［９］及び［５］に記載の冷凍装置（１）。
［１２］ 前記第２の作動回路（１８０）は、第５のジュールトムソン膨張装置（２００）も含む、［９］～［１１］のいずれか一項に記載の冷凍装置（１）。
［１３］ 前記第２の作動流体（１８１）は、９９．９％以上の体積比率のヘリウム３を含む、［９］～［１２］のいずれか一項に記載の冷凍装置（１）。
［１４］ ［１］～［１３］のいずれか一項に記載の装置を使用する冷凍の方法であって、
－ 前記第１の作動流体を圧縮するステップ、
－ 前記第１の作動流体を冷却するステップ、
－ 前記第１の作動流体を等エンタルピー膨張させるステップ、
－ 前記第１の作動流体を第１の液相及び第２の気相に分離するステップ、
－ 前記第１の流体を加熱するステップ、
－ 前記第１の流体を圧送するステップ
を含む方法。
［１５］ 前記第１の作動流体を等エンタルピー膨張させる前記ステップは、前記分離ステップ前に前記第１の作動流体を５００ミリケルビン～４．５ケルビンの温度にするように実行される、［１４］に記載の方法。
［１６］ ［９］～［１３］のいずれか一項に記載の装置を使用する冷凍の方法であって、
－ 前記第２の作動流体を圧縮するステップ、
－ 前記第２の作動流体を冷却するステップ、
－ 前記第２の作動流体を等エンタルピー膨張させるステップ、
－ 前記第２の作動流体を第１の液相及び第２の気相に分離するステップ、
－ 前記第２の流体を加熱するステップ、
－ 前記第２の流体を圧送するステップ
を含む方法。
［１７］ 前記第２の作動流体を等エンタルピー膨張させる前記ステップは、前記分離ステップ前に前記第２の作動流体を３００～７００ミリケルビンの温度にするように実行される、［１６］に記載の方法。
【国際調査報告】