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WO2019146214A1 - 極低温冷却システム - Google Patents

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WO2019146214A1
WO2019146214A1 PCT/JP2018/041615 JP2018041615W WO2019146214A1 WO 2019146214 A1 WO2019146214 A1 WO 2019146214A1 JP 2018041615 W JP2018041615 W JP 2018041615W WO 2019146214 A1 WO2019146214 A1 WO 2019146214A1
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WO
WIPO (PCT)
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gas
cooling
gas flow
cooled
flow rate
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP2018/041615
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English (en)
French (fr)
Inventor
悠太 江原
孝明 森江
吉田　潤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Heavy Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sumitomo Heavy Industries Ltd filed Critical Sumitomo Heavy Industries Ltd
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Priority to CN201880086651.3A priority patent/CN111615609B/zh
Publication of WO2019146214A1 publication Critical patent/WO2019146214A1/ja
Priority to US16/937,245 priority patent/US12031682B2/en
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Ceased legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/28—Details of apparatus provided for in groups G01R33/44 - G01R33/64
    • G01R33/38—Systems for generation, homogenisation or stabilisation of the main or gradient magnetic field
    • G01R33/3804—Additional hardware for cooling or heating of the magnet assembly, for housing a cooled or heated part of the magnet assembly or for temperature control of the magnet assembly

Definitions

  • the present invention relates to cryogenic cooling systems.
  • a circulating cooling system which cools an object to be cooled, such as a superconducting electromagnet, with a gas cooled to a very low temperature.
  • a cryogenic refrigerator such as a GM (Gifford-McMahon) refrigerator is often used to cool the cooling gas.
  • the cryogenic cooling system should maintain the object at the desired cooling target temperature.
  • the thermal load of the system fluctuates due to the operating state of the object to be cooled and other factors, and the temperature of the object to be cooled may also fluctuate accordingly. Therefore, it is desirable to measure the temperature of the object to be cooled for temperature monitoring or temperature control of the object to be cooled, and a temperature sensor is installed on the object to be cooled. In that case, the temperature sensor can be used in a harsh environment.
  • the temperature sensor is disposed at a cryogenic temperature at which the object to be cooled is cooled.
  • the temperature sensor must be able to be used at its cryogenic temperature.
  • the object is often placed in a high magnetic field environment.
  • the object to be cooled is a superconducting electromagnet, it itself becomes a strong magnetic field source.
  • the temperature sensor as well as the object to be cooled is exposed to a strong magnetic field.
  • the temperature sensor may be adversely affected by a strong magnetic field such as operation instability or failure.
  • the high magnetic field environment can lead to a reduction in the temperature measurement of the object to be cooled and hence the temperature control.
  • Cryogenic refrigeration systems may be attached to particle accelerators.
  • the object to be cooled can be a main component of the accelerator (eg, a superconducting electromagnet) that produces an accelerating force acting on the particles, and can be placed at or near the beam line of the accelerating particles. Incident or collision of accelerated particles on the surface of the object to be cooled can activate the object to be cooled. Therefore, radiation resistance may also be required for the temperature sensor installed on the object to be cooled.
  • cryogenic refrigerators for gas cooling are placed at a considerable distance from the object to be cooled. Assuming that the temperature sensor is installed on the object to be cooled, the cryogenic refrigerator and the temperature sensor are physically separated, so it is difficult to perform the maintenance work together. Workability is reduced.
  • necessary power sources, wiring, and other accessories may be arranged around the object to be cooled. Therefore, the place which can install a temperature sensor and its wiring is limited. The degree of freedom of installation location is low.
  • cryogenic cooling system is also required to efficiently cool the object to be cooled.
  • One of the exemplary objects of certain aspects of the present invention is to provide a practical cryogenic cooling system that addresses at least one of the problems described above.
  • a cryogenic cooling system comprises: a cryogenic gas circulation source for circulating a cooling gas; a cryogenic refrigerator comprising a refrigerator stage for cooling the cooling gas; And a gas circulation source for supplying the cooling gas to the object gas flow path from the gas circulation source via the refrigerator stage from the gas circulation source provided in the periphery or inside of the object
  • a gas supply line connected to the inlet of the to-be-cooled gas channel, and an outlet of the to-be-cooled gas channel to recover the cooling gas from the to-be-cooled gas channel to the gas circulation source
  • a gas recovery line connected to a gas circulation source; a measurement location remote from the inlet of the object gas flow path along the gas supply line; and / or an object gas flow path along the gas recovery line From the exit
  • the gas so as to adjust the flow rate of the cooling gas flowing through the object gas flow path according to the temperature measured by the temperature sensor at at least one of the measurement locations
  • a gas flow rate control unit that controls the circulation source.
  • a cryogenic cooling system suitable for practical use can be provided.
  • FIG.5 (a) and FIG.5 (b) are schematic which shows the other example of arrangement
  • FIG. 1 is a view schematically showing a cryogenic cooling system 10 according to an embodiment.
  • the cryogenic cooling system 10 is a circulating cooling system configured to cool the object 11 to a target temperature by circulating a cooling gas.
  • a cooling gas For example, helium gas is often used as the cooling gas, but other suitable gases depending on the cooling temperature may be used.
  • the object to be cooled 11 is, for example, a superconducting electromagnet.
  • Superconducting electromagnets are mounted, for example, on particle accelerators or other superconducting devices used in particle beam therapy devices or other devices. Needless to say, the object to be cooled 11 is not limited to the superconducting electromagnet.
  • the object 11 may be any other device or fluid for which cryogenic cooling is desired.
  • the target cooling temperature is a desired cryogenic temperature selected from a temperature range from a predetermined lower limit temperature to a predetermined upper limit temperature.
  • the lower limit temperature is, for example, the lowest temperature that can be cooled by the cryogenic cooling system 10, and may be 4 K, for example.
  • the upper limit temperature is, for example, a desired cryogenic temperature selected from a temperature range below the superconducting critical temperature.
  • the superconducting critical temperature is determined depending on the superconducting material to be used, and is, for example, a cryogenic temperature below liquid nitrogen temperature, or below 30K, or below 20K, or below 10K.
  • the desired cooling temperature is selected, for example, from a temperature range of 4K to 30K, or a temperature range of, for example, 10K to 20K.
  • the cryogenic cooling system 10 includes a gas circulation source 12 for circulating a cooling gas, and a cooling gas flow path 14 through which the cooling gas flows to cool the object 11.
  • the gas circulation source 12 is configured to control the supplied cooling gas flow rate in accordance with the gas circulation source control signal S1.
  • the gas circulation source 12 includes, for example, a compressor that boosts the pressure of the recovered cooling gas and delivers it.
  • the cooling gas flow path 14 includes a gas supply line 16, a to-be-cooled gas flow path 18, and a gas recovery line 20.
  • the gas circulation source 12 and the cooling gas flow path 14 constitute a circulation circuit of the cooling gas.
  • Several arrows drawn along the cooling gas flow path 14 in FIG. 1 indicate the flow direction of the cooling gas.
  • the gas circulation source 12 is connected to the gas recovery line 20 so as to recover the cooling gas from the gas recovery line 20, and is connected to the gas supply line 16 so as to supply the pressurized cooling gas to the gas supply line 16. Further, the gas supply line 16 is connected to the object gas flow path 18 to supply the cooling gas to the object gas flow path 18, and the gas recovery line 20 receives the cooling gas from the object gas flow path 18.
  • the object gas flow path 18 is connected so as to be recovered.
  • the gas supply line 16, the to-be-cooled gas passage 18, and / or the gas recovery line 20 may be a flexible pipe or a rigid pipe.
  • the cryogenic cooling system 10 comprises a cryogenic refrigerator 22 for cooling the cooling gas of the cryogenic cooling system 10.
  • the cryogenic refrigerator 22 comprises a compressor 24 and a cold head 26 comprising a refrigerator stage 28.
  • the compressor 24 of the cryogenic refrigerator 22 is configured to recover the working gas of the cryogenic refrigerator 22 from the cold head 26, pressurize the recovered working gas, and supply the working gas to the cold head 26 again. There is.
  • the compressor 24 and the cold head 26 constitute a working gas circulation circuit, that is, a refrigeration cycle of the cryogenic refrigerator 22, whereby the refrigerator stage 28 is cooled.
  • the working gas is typically helium gas, but any other suitable gas may be used.
  • the cryogenic refrigerator 22 is, for example, a Gifford-McMahon (GM) refrigerator, but may be a pulse tube refrigerator, a Stirling refrigerator, or any other cryogenic refrigerator.
  • GM Gifford-McMahon
  • the compressor 24 of the cryogenic refrigerator 22 is provided separately from the gas circulation source 12.
  • the working gas circulation circuit of the cryogenic refrigerator 22 is fluidly isolated from the cooling gas circulation circuit of the cryogenic refrigeration system 10.
  • the object gas flow path 18 is provided around or inside the object 11 to flow the cooling gas.
  • the cooled object gas flow path 18 includes an inlet 18a, an outlet 18b, and a gas pipe 18c extending from the inlet 18a to the outlet 18b.
  • the gas supply line 16 is connected to the inlet 18 a of the object gas flow channel 18, and the gas recovery line 20 is connected to the outlet 18 b of the object gas flow channel 18.
  • the cooling gas flows from the gas supply line 16 into the gas pipe 18c through the inlet 18a and further flows out from the gas pipe 18c into the gas recovery line 20 through the outlet 18b.
  • the gas pipe 18 c physically contacts the object to be cooled 11 and cools the object to be cooled 11 so that the object to be cooled 11 is cooled by heat exchange between the cooling gas flowing in the gas pipe 18 c and the object to be cooled 11. Thermally coupled.
  • the gas pipe 18 c is a coil-shaped cooling gas pipe disposed in contact with the outer surface of the object to be cooled 11 so as to surround the object to be cooled 11.
  • the inlet 18 a is a gas pipe 18 c for connecting the gas supply line 16 to the to-be-cooled gas flow path 18. It may be a pipe joint provided at one end of.
  • the inlet 18 a points to a place where the gas pipe 18 c initiates physical contact with the to-be-cooled object 11.
  • the contact start point may be regarded as the inlet 18 a of the cooled gas passage 18.
  • the inlet 18 a may literally indicate a portion where the to-be-cooled gas channel 18 enters the to-be-cooled object 11.
  • the outlet 18 b is for connecting the gas recovery line 20 to the to-be-cooled gas flow path 18. It may be a pipe joint provided at the other end of the gas pipe 18c.
  • the outlet 18b points to a place where the gas pipe 18c ends physical contact with the to-be-cooled object 11. This contact end point may be regarded as the outlet 18 b of the cooled gas flow passage 18.
  • both the gas supply line 16 and the gas recovery line 20 are not in physical contact with the object to be cooled 11.
  • the gas supply line 16 extends from the inlet 18 a of the to-be-cooled gas channel 18 in a direction away from the to-be-cooled object 11, and the gas recovery line 20 extends from the outlet 18 b of the to-be-cooled gas channel 18. It extends away from the
  • the cryogenic refrigerator 22 and its refrigerator stage 28 are also arranged apart from the object 11 to be cooled.
  • the gas supply line 16 supplies the gas circulation source 12 to the inlet 18 a of the object gas flow passage 18 so as to supply the cooling gas from the gas circulation source 12 to the object gas flow passage 18 via the refrigerator stage 28. Connecting.
  • the gas supply line 16 physically contacts the refrigerator stage 28 and heats the refrigerator stage 28 so that the cooling gas is cooled by heat exchange between the cooling gas flowing through the gas supply line 16 and the refrigerator stage 28.
  • the cooling gas flows from the gas circulation source 12 into the gas supply line 16, is cooled by the refrigerator stage 28, and flows out from the gas supply line 16 into the to-be-cooled gas channel 18.
  • the portion from the gas circulation source 12 to the refrigerator stage 28 in the gas supply line 16 is referred to as the upstream portion 16 a of the gas supply line 16, and the object to be cooled from the refrigerator stage 28 in the gas supply line 16
  • the portion of the gas flow passage 18 up to the inlet 18 a may be referred to as the downstream portion 16 b of the gas supply line 16. That is, the gas supply line 16 includes the upstream portion 16a and the downstream portion 16b.
  • middle portion 16 c of gas supply line 16 is a coil-shaped cooling gas pipe disposed in contact with the outer surface of refrigerator stage 28 so as to surround the periphery of refrigerator stage 28.
  • the cooling gas takes the lowest temperature reached in the cooling gas flow path 14 at the outlet 16 d of the middle portion 16 c of the gas supply line 16 (ie, the inlet of the downstream portion 16 b).
  • the gas recovery line 20 connects the outlet 18 b of the object gas flow path 18 to the gas circulation source 12 so as to recover the cooling gas from the object gas flow path 18 to the gas circulation source 12. Therefore, the cooling gas flows into the gas recovery line 20 from the to-be-cooled gas channel 18 and flows out from the gas recovery line 20 to the gas circulation source 12.
  • the cryogenic cooling system 10 also includes a heat exchanger 30.
  • the heat exchangers 30 are configured such that the cooling gases flowing therethrough exchange heat with each other between the gas supply line 16 and the gas recovery line 20.
  • the heat exchanger 30 helps to improve the cooling efficiency of the cryogenic cooling system 10.
  • the heat exchanger 30 has a high temperature inlet 30a and a low temperature outlet 30b on the gas supply line 16 (more specifically, the upstream portion 16a), and a low temperature inlet 30c and a high temperature outlet 30d on the gas recovery line 20.
  • the cooling gas on the supply side that is, the high temperature cooling gas flowing from the gas circulation source 12 into the heat exchanger 30 through the high temperature inlet 30a, is cooled by the gas recovery line 20 in the heat exchanger 30, and the refrigerator stage through the low temperature outlet 30b. Head for 28.
  • the cooling gas on the recovery side that is, the low temperature cooling gas flowing from the to-be-cooled gas channel 18 to the heat exchanger 30 through the low temperature inlet 30 c is heated by the heat exchanger 30 by the gas supply line 16 It goes to the gas circulation source 12 through the high temperature outlet 30d.
  • the cryogenic cooling system 10 comprises a vacuum vessel 32 that defines a vacuum environment 34.
  • Vacuum vessel 32 is configured to isolate vacuum environment 34 from ambient environment 36.
  • the vacuum vessel 32 is, for example, a cryogenic vacuum vessel such as a cryostat.
  • the vacuum environment 34 is, for example, a cryogenic vacuum environment
  • the ambient environment 36 is, for example, a room temperature atmospheric pressure environment.
  • the object to be cooled 11 is disposed in the vacuum vessel 32, ie, in the vacuum environment 34.
  • the object gas flow path 18, the refrigerator stage 28 of the cryogenic refrigerator 22, and the heat exchanger 30 are disposed in a vacuum environment 34.
  • the gas circulation source 12 and the compressor 24 of the cryogenic refrigerator 22 are disposed outside the vacuum vessel 32, that is, in the ambient environment 36.
  • one end of the gas supply line 16 and the gas recovery line 20 connected to the gas circulation source 12 is disposed in the surrounding environment 36, and the remaining part is disposed in the vacuum environment 34.
  • the cryogenic cooling system 10 comprises at least one temperature sensor 38 and a controller 40 for controlling the cryogenic cooling system 10.
  • the control device 40 includes a gas flow rate control unit 42.
  • the gas flow rate control unit 42 includes a gas flow rate table 44.
  • Controller 40 is located in ambient environment 36.
  • the control device 40 of the cryogenic cooling system 10 is realized by elements and circuits such as a CPU of a computer and a memory as a hardware configuration, and is realized by a computer program and the like as a software configuration. It is drawn as a functional block realized by their cooperation. It is understood by those skilled in the art that these functional blocks can be realized in various forms by a combination of hardware and software.
  • the temperature sensor 38 is installed on the refrigerator stage 28. Thus, only one temperature sensor 38 is provided in the cooling gas flow path 14 of the cryogenic cooling system 10, specifically, the gas supply line 16. Therefore, the temperature sensor 38 is not provided in the object gas flow path 18 or the object 11 to be cooled. The temperature sensor 38 is also not provided in the gas recovery line 20.
  • the installation place of the temperature sensor 38 is not limited to the refrigerator stage 28. Although some examples will be described later, the temperature sensor 38 may in principle be installed anywhere in the cooling gas flow path 14 including the object gas flow path 18. Also, a plurality of temperature sensors 38 may be installed at different locations in the cooling gas flow channel 14.
  • the temperature sensor 38 is configured to generate a measured temperature signal Ta representative of the measured temperature at the measurement location and to output the measured temperature signal Ta to the controller 40. Since the temperature sensor 38 is installed on the refrigerator stage 28, the measurement temperature signal Ta represents the cooling temperature of the refrigerator stage 28.
  • the measured temperature signal Ta can also be regarded as representing the lowest achievable temperature of the cooling gas which can be cooled by the cryogenic cooling system 10, for example the temperature of the cooling gas at the outlet 16d of the middle 16c of the gas supply line 16.
  • the gas flow rate control unit 42 controls the gas circulation source 12 so as to adjust the flow rate of the cooling gas flowing through the object gas flow path 18 according to the temperature measured at at least one measurement location by the temperature sensor 38. Is configured.
  • the gas flow rate control unit 42 determines the target cooling gas flow rate according to the gas flow rate table 44 according to the measured temperature at a specific measurement location, and the gas circulation is performed so that the target cooling gas flow rate flows to the cooled gas flow path 18 Control the source 12
  • the gas flow rate table 44 is configured to associate target cooling gas flow rates for each of a plurality of different cooling temperatures at a particular measurement location. That is, the gas flow rate table 44 defines the target cooling gas flow rate corresponding to each of a plurality of different cooling temperatures.
  • the gas flow rate table 44 may have a function, a look-up table, a map, or any other form that represents the correspondence between the cooling temperature and the cooling gas flow rate.
  • the gas flow rate table 44 is pre-created (e.g. by the manufacturer of the cryogenic cooling system 10) and stored in the controller 40 or a storage device associated therewith.
  • the target cooling gas flow rate is set, for example, such that the cryogenic cooling system 10 provides sufficient cooling capacity to cool the object 11 to a target temperature.
  • the target cooling gas flow rate can be appropriately set for each cooling temperature based on the empirical knowledge of the designer or the experiment or simulation by the designer.
  • the gas flow rate table 44 is configured to associate optimal cooling gas flow rates that maximize the cooling capacity of the cryogenic cooling system 10 for each of a plurality of different cooling temperatures at a particular measurement location.
  • an optimal cooling gas flow rate that maximizes the cooling capacity of the cryogenic cooling system 10 is set as a target cooling gas flow rate for each cooling temperature.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating the gas flow rate table 44 according to the embodiment.
  • the gas flow rate table 44 includes target cooling gas flow rates of the cooling gas, eg, optimum mass flow rates (eg, m1 to m6) for each of a plurality of cooling temperatures (eg, T1 to T6). ) Is associated.
  • the gas flow rate table 44 has a plurality of cooling temperature values and values of target cooling gas flow rates corresponding to the respective cooling temperature values.
  • the gas flow rate table 44 may have an interpolation function for deriving a target cooling gas flow value corresponding to a cooling temperature value between one cooling temperature value and another cooling temperature value.
  • the plurality of cooling temperatures set in the gas flow rate table 44 represent the temperature at a specific place in the cooling gas flow path 14, for example, the temperature at the installation place of the temperature sensor 38.
  • the plurality of cooling temperatures correspond to the temperature of the refrigerator stage 28 in the embodiment shown in FIG.
  • the plurality of cooling temperatures are set at appropriate intervals (for example, equally spaced) in a desired temperature range for cooling the object to be cooled 11.
  • the plurality of cooling temperatures may be set in 1K steps in a temperature range of 10K to 20K.
  • the plurality of cooling temperatures set in the gas flow rate table 44 may represent the temperature of a place different from the installation place of the temperature sensor 38.
  • the gas flow rate table 44 may have a temperature conversion function or a thermodynamic model that calculates the temperature of the different place from the temperature at the installation place of the temperature sensor 38.
  • the optimum mass flow rate of the cooling gas represents the mass flow rate of the cooling gas flowing to the cooled gas flow path 18. As is known, since the mass flow rate is constant at each location of the cooling gas flow channel 14, the optimal mass flow rate of the cooling gas can also be said to be the mass flow rate supplied from the gas circulation source 12.
  • the optimal mass flow rate is determined from the relationship between the mass flow rate for each cooling temperature and the cooling capacity of the cryogenic cooling system 10. As shown on the left side of FIG. 2, a cooling capacity curve against mass flow can be determined in advance for each cooling temperature. As can be understood from the figure, the cooling capacity curve is maximal at a certain mass flow rate. Thus, the mass flow providing the maximum cooling capacity can be used as the optimum mass flow. The mass flow which maximizes the cooling capacity depends on the cooling temperature, in particular the lower the cooling temperature the smaller the optimum mass flow.
  • the cooling capacity decreases at a mass flow rate smaller than the optimum mass flow rate because the cooling gas is exchanged by heat exchange between the cooling gas and the object 11 at such a small flow rate. This is because the amount of heat that can be carried away from the object to be cooled 11 is reduced.
  • the cooling capacity decreases at a mass flow rate higher than the optimum mass flow rate because of the restriction by the refrigeration capacity of the cryogenic refrigerator 22. As the flow rate of the cooling gas increases, the heat exchange between the cooling gas and the refrigerator stage 28 becomes insufficient, and the temperature of the cooling gas flowing to the object to be cooled 11 may increase.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating a control method of the cryogenic cooling system 10 according to the embodiment.
  • the control routine shown in FIG. 3 is periodically and repeatedly performed by the controller 40 during operation of the cryogenic cooling system 10.
  • the temperature at the installation site is measured using the temperature sensor 38 (S10).
  • the temperature sensor 38 generates a measurement temperature signal Ta representing the measurement temperature at the measurement location, and outputs the measurement temperature signal Ta to the controller 40.
  • the temperature sensor 38 measures the temperature of the refrigerator stage 28.
  • the temperature sensor 38 outputs a measured temperature signal Ta representing the measured temperature of the refrigerator stage 28 to the gas flow rate control unit 42.
  • the target cooling gas flow rate is determined from the measured temperature (S12).
  • the gas flow control unit 42 determines a target cooling gas flow corresponding to the measurement temperature signal Ta according to the gas flow table 44.
  • the gas flow rate control unit 42 determines the optimal mass flow rate of the cooling gas corresponding to the measurement temperature signal Ta according to the gas flow rate table 44.
  • the gas flow rate control unit 42 controls the gas circulation source 12 to flow the determined target cooling gas flow rate to the cooling target gas flow path 18 (S14).
  • the gas flow rate control unit 42 generates a gas circulation source control signal S1 for realizing the target flow rate from the determined target cooling gas flow rate.
  • the gas circulation source control signal S1 represents an operating parameter of the gas circulation source 12 that determines the flow rate of the cooling gas supplied to the cooling gas flow channel 14 by the gas circulation source 12.
  • the gas circulation source control signal S1 may represent, for example, the number of revolutions of a motor that drives the gas circulation source 12.
  • the gas circulation source control signal S1 may be a gas flow rate indication signal representing the determined target cooling gas flow rate.
  • the gas circulation source 12 may be configured to control the supplied cooling gas flow rate according to the gas flow rate indication signal.
  • the gas flow rate control unit 42 generates the gas circulation source control signal S1 in accordance with the measurement temperature signal Ta, and outputs the gas circulation source control signal S1 to the gas circulation source 12.
  • the gas circulation source 12 operates in accordance with the gas circulation source control signal S1, whereby the target cooling gas flow rate can be flowed to the cooled gas flow path 18.
  • the controller 40 can periodically execute such a cooling gas flow rate control process.
  • the flow rate of the cooling gas flowing through the to-be-cooled gas channel 18 can be adjusted according to the temperature measured by the temperature sensor 38. Since the appropriate cooling gas flow rate can be supplied from the gas circulation source 12 to the to-be-cooled gas channel 18 according to the cooling temperature, the to-be-cooled object 11 can be efficiently cooled. In particular, by adjusting the flow rate of the cooling gas to the optimum mass flow rate, the object to be cooled 11 can be cooled with the maximum cooling capacity according to the cooling temperature.
  • the temperature sensor 38 Since the temperature sensor 38 is installed on the refrigerator stage 28, it can be arranged away from the object to be cooled 11. Therefore, even if a strong magnetic field is generated near the object 11 to be cooled, the magnetic field weakens at the installation location of the temperature sensor 38. Therefore, the influence of the strong magnetic field on the temperature sensor 38 can be suppressed. For example, the risk of failure of the temperature sensor 38 can be reduced. It is also possible to adopt a relatively inexpensive sensor as the temperature sensor 38. Further, maintenance of the temperature sensor 38 and the cryogenic refrigerator 22 can be performed together, and the workability is improved.
  • the refrigerator stage 28 is a cooling source for the object to be cooled 11, it is considered that the temperature change of the refrigerator stage 28 has a strong correlation with the calorific value of the object to be cooled 11. Therefore, performing temperature measurement in the refrigerator stage 28 is advantageous in that information regarding the calorific value of the object to be cooled 11 can be obtained more accurately.
  • the temperature sensor 38 is also useful in that the measured temperature signal Ta can be used for monitoring the cryogenic refrigerator 22.
  • monitoring of the cryogenic refrigerator 22 can be performed by installing temperature sensors upstream and downstream of the refrigerator stage 28 (for example, upstream and downstream portions 16 a and 16 b of the gas supply line 16, respectively). It is possible.
  • the temperature sensor 38 is installed at a measurement location away from the inlet 18 a of the object gas flow path 18 along the gas supply line 16, specifically, at the refrigerator stage 28. ing. Only one temperature sensor 38 is provided in the cooling gas flow path 14 of the cryogenic cooling system 10. However, the arrangement of the temperature sensor 38 is not limited to this. The temperature sensor 38 can be installed at various locations. Some examples are described with reference to FIG.
  • FIG. 4 is a schematic view illustrating the arrangement of the temperature sensor 38 in the cryogenic cooling system 10 according to the embodiment.
  • a cryogenic cooling system 10 is shown having the same cooling gas flow path configuration as that shown in FIG.
  • a region suitable for installing the temperature sensor 38 is indicated by a broken line, and an example in which the temperature sensor 38 is installed at a representative location in the region is shown.
  • a plurality of temperature sensors 38 are shown in FIG. All illustrated temperature sensors 38 may be installed in the cryogenic cooling system 10, some of the illustrated temperature sensors 38 may be installed, or any one temperature sensor Only 38 may be installed.
  • the temperature sensor 38 is installed along the gas supply line 16 at a measurement location remote from the inlet 18 a of the object gas flow path 18. In this way, the temperature sensor 38 is disposed away from the object to be cooled 11. Therefore, the influence on the temperature sensor 38 by the strong magnetic field which may be generated in the vicinity of the object to be cooled 11 can be suppressed. Compared to the case where the temperature sensor 38 is installed in the object gas flow path 18, the influence of the magnetic field on the temperature sensor 38 is suppressed.
  • the place where the sensor wiring for connection to the temperature sensor 38 and the control device 40 can be installed is limited.
  • the temperature sensor 38 can be installed at a place different from the object to be cooled 11 having a space. There is a high degree of freedom in installation location
  • the temperature sensor 38 may be installed on the upstream portion 16 a of the gas supply line 16.
  • the temperature sensor 38 may be installed downstream of the low temperature outlet 30 b of the heat exchanger 30 at the upstream portion 16 a of the gas supply line 16. Since the upstream portion 16 a is on the upstream side with respect to the refrigerator stage 28, the temperature of the cooling gas flowing through the upstream portion 16 a is higher than the temperature of the refrigerator stage 28. Since the temperature sensor 38 may be selected to be able to measure a relatively high temperature range, a relatively inexpensive sensor can be employed. Along with these advantages, it is also possible to suppress the influence on the temperature sensor 38 due to the strong magnetic field that may be generated near the object 11 to be cooled.
  • the temperature sensor 38 may be installed at a measurement location apart from the inlet 18 a of the object gas flow path 18 along the downstream portion 16 b of the gas supply line 16.
  • the temperature sensor 38 is installed such that the distance from the outlet 16 d of the middle portion 16 c of the gas supply line 16 to the temperature sensor 38 is smaller than the distance from the inlet 18 a of the object gas passage 18 to the temperature sensor 38.
  • a place may be defined.
  • the temperature sensor 38 may be installed at the middle portion 16 c of the gas supply line 16.
  • the temperature sensor 38 may be installed along the gas recovery line 20 at a measurement location remote from the outlet 18 b of the object gas flow path 18.
  • the cooling gas flowing through the gas recovery line 20 is heated by the object to be cooled 11. Therefore, measuring the temperature in the gas recovery line 20 is advantageous in that information on the calorific value of the object to be cooled 11 can be obtained more accurately.
  • the temperature sensor 38 may be installed between the outlet 18 b of the object gas flow passage 18 and the low temperature inlet 30 c of the heat exchanger 30.
  • the installation location of the temperature sensor 38 may be determined such that the distance from the low temperature inlet 30 c to the temperature sensor 38 is smaller than the distance from the outlet 18 b of the object gas flow passage 18 to the temperature sensor 38.
  • the temperature sensor 38 may be installed inside the heat exchanger 30.
  • the temperature sensor 38 is typically disposed in the vacuum vessel 32, but may also be located outside the vacuum vessel 32.
  • the temperature sensor 38 may be installed between the gas circulation source 12 and the high temperature inlet 30a.
  • the temperature sensor 38 may be installed between the gas circulation source 12 and the high temperature outlet 30 d.
  • the temperature sensor 38 is advantageous in that an inexpensive general-purpose temperature sensor can be adopted instead of a temperature sensor for cryogenic temperature measurement.
  • the temperature sensor 38 may be disposed in the flow path to be in contact with the cooling gas, or may be disposed on the outer surface of the pipe without being in physical contact with the cooling gas.
  • FIG. 5A and FIG. 5B are schematic views showing another example of the arrangement of the temperature sensor 38 in the cryogenic cooling system 10 according to the embodiment.
  • a further example of the arrangement of the temperature sensor 38 will be described with reference to FIGS. 5 (a) and 5 (b).
  • the illustrated cryogenic cooling system 10 differs from the cryogenic cooling system 10 shown in FIG. 1 with respect to the configuration of the vacuum vessel, and the remainder is generally common. In the following, different configurations will be mainly described, and a common configuration will be briefly described or omitted.
  • the cryogenic cooling system 10 comprises a gas circulation source 12 and a cooling gas channel 14.
  • the cooling gas flow path 14 includes a gas supply line 16, a to-be-cooled gas flow path 18, and a gas recovery line 20.
  • the cryogenic refrigeration system 10 comprises a cryogenic refrigerator 22 having a refrigerator stage 28 and a heat exchanger 30.
  • the temperature sensor 38 is a measurement location away from the inlet 18a of the object gas flow path 18 along the gas supply line 16, and / Alternatively, it is installed along the gas recovery line 20 at a measurement location remote from the outlet 18 b of the object gas flow path 18.
  • the cryogenic cooling system 10 comprises a vacuum vessel 32 which comprises a dividing wall 46 which divides the interior into two chambers.
  • the vacuum vessel 32 is divided by a dividing wall 46 into a first vacuum environment 34 a and a second vacuum environment 34 b.
  • the refrigerator stage 28 is disposed in the first vacuum environment 34a.
  • the heat exchanger 30 is also disposed in the first vacuum environment 34a.
  • the object gas passage 18 together with the object to be cooled 11 is disposed in the second vacuum environment 34 b.
  • the inlet 18a, the outlet 18b, and the gas pipe 18c of the object gas flow path 18 are disposed in the second vacuum environment 34b.
  • the temperature sensor 38 is disposed in the first vacuum environment 34a.
  • the temperature sensor 38 is installed, for example, in the upstream portion 16 a, the intermediate portion 16 c, the downstream portion 16 b, the refrigerator stage 28, and / or the gas recovery line 20 of the gas supply line 16. Only one temperature sensor 38 may be provided at any of these installation locations. Alternatively, a plurality of temperature sensors 38 may be provided.
  • the temperature sensor 38 is not disposed in the second vacuum environment 34 b.
  • the cryogenic cooling system 10 comprises a first vacuum vessel 32a defining a first vacuum environment 34a and a second vacuum vessel 32b defining a second vacuum environment 34b. It is also good.
  • the cryogenic refrigerator 22 is disposed in the first vacuum vessel 32a, and the refrigerator stage 28 is disposed in the first vacuum vessel 32a, that is, in the first vacuum environment 34a.
  • the heat exchanger 30 is also disposed in the first vacuum environment 34a.
  • the to-be-cooled gas channel 18 together with the to-be-cooled object 11 is disposed in the second vacuum chamber 32b, that is, in the second vacuum environment 34b.
  • the inlet 18a, the outlet 18b, and the gas pipe 18c of the object gas flow path 18 are disposed in the second vacuum environment 34b.
  • the gas supply line 16 includes a supply side connecting pipe 48 a connecting the gas supply line 16 to the inlet 18 a of the object gas flow path 18 between the first vacuum container 32 a and the second vacuum container 32 b.
  • the gas recovery line 20 includes a recovery side connecting pipe 48 b connecting the gas recovery line 20 to the outlet 18 b of the object gas flow path 18 between the first vacuum container 32 a and the second vacuum container 32 b.
  • the temperature sensor 38 is disposed in the first vacuum environment 34a.
  • the temperature sensor 38 is installed, for example, in the upstream portion 16 a, the intermediate portion 16 c, the downstream portion 16 b, the refrigerator stage 28, and / or the gas recovery line 20 of the gas supply line 16. Only one temperature sensor 38 may be provided at any of these installation locations. Alternatively, a plurality of temperature sensors 38 may be provided.
  • the temperature sensor 38 may be installed on the supply side connecting pipe 48a and / or the recovery side connecting pipe 48b. In this case, the temperature sensor 38 is disposed outside the first vacuum vessel 32a and the second vacuum vessel 32b.
  • the temperature sensor 38 is not disposed in the second vacuum environment 34 b.
  • the temperature sensor 38 can be disposed in a section other than the object 11 to be cooled. Therefore, even if a strong magnetic field is generated near the object 11 to be cooled, the magnetic field weakens at the installation location of the temperature sensor 38. Therefore, the influence of the strong magnetic field on the temperature sensor 38 can be suppressed.
  • FIG. 6 is a view schematically showing another example of the cryogenic cooling system 10 according to the embodiment.
  • the illustrated cryogenic cooling system 10 differs from the cryogenic cooling system 10 shown in FIG. 1 with respect to the flow configuration of the cooling gas, and the remainder is generally common.
  • different configurations will be mainly described, and a common configuration will be briefly described or omitted.
  • the cryogenic cooling system 10 comprises a gas circulation source 12 and a cooling gas channel 14.
  • the cooling gas flow path 14 includes a gas supply line 16, a to-be-cooled gas flow path 18, and a gas recovery line 20.
  • the cryogenic refrigeration system 10 comprises a cryogenic refrigerator 22 having a refrigerator stage 28 and a vacuum vessel 32 defining a vacuum environment 34.
  • the gas circulation source 12 is configured to control the supplied cooling gas flow rate in accordance with the gas circulation source control signal S1.
  • the gas circulation source 12 is not limited to a compressor, and may be a fan such as a fan or other gas flow generating device.
  • the gas circulation source 12 is configured to generate a stream of cryogenic temperature (e.g., below liquid nitrogen temperature) gas.
  • Gas circulation source 12 is disposed in vacuum environment 34.
  • the entire cooling gas circulation circuit of the cryogenic cooling system 10 is disposed in the vacuum environment 34.
  • a part of the gas circulation source 12 for example, a drive source such as a motor may be disposed in the surrounding environment 36, and another part of the gas circulation source 12, for example, a rotary wing is disposed in the vacuum environment 34, Power transmission to the rotor.
  • cryogenic cooling system 10 shown in FIG. 6 is not provided with a heat exchanger that exchanges heat between the gas supply line 16 and the gas recovery line 20.
  • a heat exchanger may be provided.
  • the temperature sensor 38 is configured to generate a measured temperature signal Ta representative of the measured temperature at the measurement location and to output the measured temperature signal Ta to the controller 40.
  • the temperature sensor 38 is installed on the refrigerator stage 28 as an example. However, as described above, the temperature sensor 38 may be installed anywhere in the cooling gas channel 14.
  • the temperature sensor 38 is provided along the gas supply line 16 at a measurement point away from the inlet 18 a of the object gas flow channel 18 and / or along the gas recovery line 20 from the outlet 18 b of the object gas flow channel 18. It may be installed at a remote measurement site.
  • the temperature sensor 38 may be only one or plural.
  • the cryogenic cooling system 10 further includes a control device 40 including a gas flow rate control unit 42 and a gas flow rate table 44.
  • the gas flow rate control unit 42 generates a gas circulation source control signal S1 according to the gas flow rate table 44 according to the measurement temperature signal Ta, and outputs the gas circulation source control signal S1 to the gas circulation source 12.
  • the cryogenic gas cooling system 10 shown in FIG. 6 also adjusts the flow rate of the cooling gas flowing through the object gas flow path 18 in accordance with the temperature measured by the temperature sensor 38 to efficiently cool the object 11 to be cooled. it can. Further, the temperature sensor 38 can be disposed at a place away from the object to be cooled 11, and the influence of the strong magnetic field that can be generated in the vicinity of the object to be cooled 11 on the temperature sensor 38 can be suppressed.
  • FIG. 7 is a view schematically showing another example of the cryogenic cooling system 10 according to the embodiment.
  • the illustrated cryogenic cooling system 10 differs from the cryogenic cooling system 10 shown in FIG. 1 with respect to the flow configuration of the cooling gas, and the remainder is generally common.
  • different configurations will be mainly described, and a common configuration will be briefly described or omitted.
  • the cryogenic cooling system 10 comprises a gas circulation source 12 and a cooling gas channel 14.
  • the cooling gas flow path 14 includes a gas supply line 16, a to-be-cooled gas flow path 18, and a gas recovery line 20.
  • Cryogenic refrigeration system 10 comprises a cryogenic refrigerator 22, a heat exchanger 30, and a vacuum vessel 32 that defines a vacuum environment 34.
  • the cryogenic refrigerator 22 comprises a cold head 26 having a refrigerator stage 28.
  • Gas circulation source 12 is disposed in ambient environment 36.
  • both the cooling gas and the working gas of the cryogenic refrigerator 22 may be helium gas.
  • the cryogenic cooling system 10 may be provided with one common compressor. That is, the gas circulation source 12 not only causes the cooling gas to flow through the cooling gas passage 14 but also functions as a compressor that causes the cryogenic refrigerator 22 to circulate the working gas.
  • the gas circulation source 12 may include a flow control valve 50 configured to control the flow rate of the cooling gas flowing to the cooled gas flow path 18.
  • the flow control valve 50 is configured to control the supplied cooling gas flow rate in accordance with the gas circulation source control signal S1.
  • a refrigerator supply line 52 is provided to supply working gas from the gas circulation source 12 to the cryogenic refrigerator 22, and a refrigerator recovery line 54 for collecting working gas from the cryogenic refrigerator 22 to the gas circulation source 12. Is provided.
  • the refrigerator supply line 52 branches from the gas supply line 16 in the surrounding environment 36 and connects to the cold head 26, and the refrigerator recovery line 54 branches from the gas recovery line 20 in the surrounding environment 36 and connects to the cold head 26 doing.
  • a flow control valve 50 is installed in the gas supply line 16 in the ambient environment 36.
  • flow control valve 50 may be installed in gas recovery line 20 at ambient environment 36.
  • a general-purpose flow control valve can be employed as the flow control valve 50, which is advantageous in terms of manufacturing cost as compared to the case where the flow control valve 50 is installed in the vacuum environment 34.
  • the flow control valve 50 may be installed in the vacuum environment 34.
  • the temperature sensor 38 is configured to generate a measured temperature signal Ta representative of the measured temperature at the measurement location and to output the measured temperature signal Ta to the controller 40.
  • the temperature sensor 38 is installed on the refrigerator stage 28 as an example. However, as described above, the temperature sensor 38 may be installed anywhere in the cooling gas channel 14.
  • the temperature sensor 38 is provided along the gas supply line 16 at a measurement point away from the inlet 18 a of the object gas flow channel 18 and / or along the gas recovery line 20 from the outlet 18 b of the object gas flow channel 18. It may be installed at a remote measurement site.
  • the temperature sensor 38 may be only one or plural.
  • the cryogenic cooling system 10 further includes a control device 40 including a gas flow rate control unit 42 and a gas flow rate table 44.
  • the gas flow rate control unit 42 generates a gas circulation source control signal S1 according to the gas flow rate table 44 according to the measurement temperature signal Ta, and outputs the gas circulation source control signal S1 to the gas circulation source 12, ie, the flow rate control valve 50.
  • the flow rate of the cooling gas flowing through the object gas flow path 18 may be adjusted according to the temperature measured by the temperature sensor 38 to efficiently cool the object 11. it can. Further, the temperature sensor 38 can be disposed at a place away from the object to be cooled 11, and the influence of the strong magnetic field that can be generated in the vicinity of the object to be cooled 11 on the temperature sensor 38 can be suppressed.
  • the dividing wall 46 is provided in the vacuum vessel 32, and the first vacuum environment 34a and the second vacuum environment 34b are provided. It may be divided.
  • the cryogenic cooling system 10 includes a first vacuum vessel 32a that defines a first vacuum environment 34a and a second vacuum vessel 32b that defines a second vacuum environment 34b. You may have. Temperature sensor 38 may be disposed in first vacuum environment 34a.
  • the invention can be used in the field of cryogenic cooling systems.

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Abstract

極低温冷却システム１０は、ガス循環源１２と、冷却ガスを冷却する冷凍機ステージ２８を備える極低温冷凍機２２と、被冷却物ガス流路１８と、ガス循環源１２から冷凍機ステージ２８を経由して被冷却物ガス流路１８に冷却ガスを供給するガス供給ライン１６と、被冷却物ガス流路１８からガス循環源１２に冷却ガスを回収するガス回収ライン２０と、ガス供給ライン１６に沿って被冷却物ガス流路１８から離れた測定場所及び／またはガス回収ライン２０に沿って被冷却物ガス流路１８から離れた測定場所に設置された少なくとも１つの温度センサ３８と、被冷却物ガス流路１８に流れる冷却ガス流量を温度センサ３８による少なくとも１つの測定場所での測定温度に応じて調整するようにガス循環源１２を制御するガス流量制御部４２と、を備える。

Description

極低温冷却システム
　本発明は、極低温冷却システムに関する。
　従来から、極低温に冷却されたガスで例えば超伝導電磁石などの被冷却物を冷却する循環冷却システムが知られている。冷却ガスの冷却にはＧＭ（Gifford-McMahon）冷凍機などの極低温冷凍機がよく用いられる。
特開平１－１４５５９号公報
　極低温冷却システムは、被冷却物を所望の冷却目標温度に維持すべきである。ところが、被冷却物の動作状態そのほかの要因によりシステムの熱負荷は変動し、それに伴い被冷却物の温度も変動しうる。そこで、被冷却物の温度監視または温度制御のために被冷却物の温度を測定することが望まれ、温度センサが被冷却物に設置される。その場合、温度センサは過酷な環境で使用されうる。
　温度センサは被冷却物が冷却される極低温下に配置される。当然、温度センサはその極低温で使用できるものでなければならない。そのうえ、被冷却物はしばしば強磁場環境に配置される。被冷却物が超伝導電磁石である場合にはそれ自体が強磁場発生源となる。被冷却物とともに温度センサも強磁場にさらされる。温度センサは、動作不安定や故障など強磁場による悪影響を受けるおそれがある。よって、強磁場環境は、被冷却物の温度測定ひいては温度制御の精度低下をもたらしうる。
　極低温冷却システムは、粒子加速器に付設される場合もある。被冷却物は、粒子に作用する加速力を生み出す加速器の主要構成要素（例えば超伝導電磁石）でありうるし、加速粒子のビームラインまたはその近傍に配置されうる。被冷却物表面への加速粒子の入射、衝突は、被冷却物を放射化しうる。したがって、被冷却物に設置される温度センサには耐放射性も必要とされうる。
　温度センサに動作不良や故障が生じた場合には温度センサの修理や交換などメンテナンスが行われる。メンテナンス作業の間、極低温冷却システムの冷却運転は停止されるから、このような作業は極低温冷却システムだけでなく被冷却物にとってもダウンタイムとなる。よって、メンテナンスの頻度を下げるべく、上記に例示したような過酷な環境に耐性をもち正常に動作する温度センサが望まれる。しかし、耐久性に優れる温度センサは一般に高価である。
　場合によっては、ガス冷却用の極低温冷凍機は被冷却物からかなり離れて配置される。温度センサが被冷却物に設置されていたとすると、極低温冷凍機と温度センサは物理的に離れた場所にあるので、それぞれのメンテナンス作業を一緒に行い難い。作業性が低下する。
　また、被冷却物の周りには、必要な電源、配線、そのほか補器なども配置されうる。そのため、温度センサおよびその配線を設置することができる場所は限られる。設置場所の自由度が低い。
　このように、極低温冷却システムに使用される温度センサを被冷却物に設置することに起因して、種々の不利益が生じうる。また、極低温冷却システムには、被冷却物を効率的に冷却することも要請される。
　本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、上記の少なくとも１つの課題に対処した実用に適する極低温冷却システムを提供することにある。
　本発明のある態様によると、極低温冷却システムは、冷却ガスを循環させるガス循環源と、前記冷却ガスを冷却する冷凍機ステージを備える極低温冷凍機と、前記冷却ガスを流すために被冷却物の周囲または内部に設けられた被冷却物ガス流路と、前記ガス循環源から前記冷凍機ステージを経由して前記被冷却物ガス流路に前記冷却ガスを供給するように前記ガス循環源を前記被冷却物ガス流路の入口に接続するガス供給ラインと、前記被冷却物ガス流路から前記ガス循環源に前記冷却ガスを回収するように前記被冷却物ガス流路の出口を前記ガス循環源に接続するガス回収ラインと、前記ガス供給ラインに沿って前記被冷却物ガス流路の入口から離れた測定場所及び／または前記ガス回収ラインに沿って前記被冷却物ガス流路の出口から離れた測定場所に設置された少なくとも１つの温度センサと、前記被冷却物ガス流路に流れる冷却ガス流量を前記温度センサによる少なくとも１つの測定場所での測定温度に応じて調整するように前記ガス循環源を制御するガス流量制御部と、を備える。
　なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
　本発明によれば、実用に適する極低温冷却システムを提供することができる。
実施の形態に係る極低温冷却システムを概略的に示す図である。 実施の形態に係るガス流量テーブルを例示する図である。 実施の形態に係る極低温冷却システムの制御方法を例示するフローチャートである。 実施の形態に係る極低温冷却システムにおける温度センサの配置を例示する概略図である。 図５（ａ）および図５（ｂ）は、実施の形態に係る極低温冷却システムにおける温度センサの配置の他の例を示す概略図である。 実施の形態に係る極低温冷却システムの他の一例を概略的に示す図である。 実施の形態に係る極低温冷却システムの他の一例を概略的に示す図である。
　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。
　図１は、実施の形態に係る極低温冷却システム１０を概略的に示す図である。極低温冷却システム１０は、冷却ガスを循環させることによって被冷却物１１を目的の温度に冷却するように構成された循環冷却システムである。冷却ガスは、例えばヘリウムガスがよく用いられるが、冷却温度に応じた適切なそのほかのガスが利用されることもありうる。
　被冷却物１１は、一例として、超伝導電磁石である。超伝導電磁石は、例えば、粒子線治療装置またはそのほかの装置に用いられる粒子加速器、またはそのほかの超伝導装置に搭載される。なお、言うまでもないが、被冷却物１１は、超伝導電磁石には限られない。被冷却物１１は、極低温冷却が望まれるそのほかの機器または流体であってもよい。
　目的の冷却温度は、所定の下限温度から所定の上限温度までの温度域から選択される所望の極低温である。下限温度は例えば、極低温冷却システム１０によって冷却可能な最低の温度であり、例えば４Ｋであってもよい。上限温度は例えば、超伝導臨界温度以下の温度域から選択される所望の極低温である。超伝導臨界温度は、使用される超伝導材料に応じて定まるが、例えば、液体窒素温度以下、または３０Ｋ以下、または２０Ｋ以下、または１０Ｋ以下の極低温である。したがって、目的の冷却温度は、例えば、４Ｋから３０Ｋの温度域、または例えば１０Ｋから２０Ｋの温度域から選択される。
　極低温冷却システム１０は、冷却ガスを循環させるガス循環源１２と、被冷却物１１を冷却するために冷却ガスが流れる冷却ガス流路１４とを備える。ガス循環源１２は、供給する冷却ガス流量をガス循環源制御信号Ｓ１に従って制御するように構成されている。ガス循環源１２は、一例として、回収した冷却ガスを昇圧して送出する圧縮機を備える。冷却ガス流路１４は、ガス供給ライン１６と、被冷却物ガス流路１８と、ガス回収ライン２０とを備える。ガス循環源１２と冷却ガス流路１４により、冷却ガスの循環回路が構成されている。図１において冷却ガス流路１４に沿って描かれているいくつかの矢印は、冷却ガスの流れ方向を示している。
　ガス循環源１２は、ガス回収ライン２０から冷却ガスを回収するようガス回収ライン２０に接続されるとともに、昇圧した冷却ガスをガス供給ライン１６に供給するようガス供給ライン１６に接続されている。また、ガス供給ライン１６は、冷却ガスを被冷却物ガス流路１８に供給するよう被冷却物ガス流路１８に接続され、ガス回収ライン２０は、冷却ガスを被冷却物ガス流路１８から回収するよう被冷却物ガス流路１８に接続されている。
　ガス供給ライン１６、被冷却物ガス流路１８、及び／またはガス回収ライン２０は、フレキシブル管であってもよいし、または、剛性管であってもよい。
　極低温冷却システム１０は、極低温冷却システム１０の冷却ガスを冷却する極低温冷凍機２２を備える。極低温冷凍機２２は、圧縮機２４と、冷凍機ステージ２８を備えるコールドヘッド２６とを備える。
　極低温冷凍機２２の圧縮機２４は、極低温冷凍機２２の作動ガスをコールドヘッド２６から回収し、回収した作動ガスを昇圧して、再び作動ガスをコールドヘッド２６に供給するよう構成されている。圧縮機２４とコールドヘッド２６により作動ガスの循環回路すなわち極低温冷凍機２２の冷凍サイクルが構成され、それにより冷凍機ステージ２８が冷却される。作動ガスは通例、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。極低温冷凍機２２は、一例として、ギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機であるが、パルス管冷凍機、スターリング冷凍機、またはそのほかの極低温冷凍機であってもよい。
　極低温冷凍機２２の圧縮機２４は、ガス循環源１２とは別個に設けられている。極低温冷凍機２２の作動ガス循環回路は、極低温冷却システム１０の冷却ガス循環回路から流体的に隔離されている。
　被冷却物ガス流路１８は、冷却ガスを流すために被冷却物１１の周囲または内部に設けられている。被冷却物ガス流路１８は、入口１８ａと、出口１８ｂと、入口１８ａから出口１８ｂへと延びるガス管１８ｃとを備える。ガス供給ライン１６が被冷却物ガス流路１８の入口１８ａに接続し、ガス回収ライン２０が被冷却物ガス流路１８の出口１８ｂに接続している。よって、冷却ガスは、ガス供給ライン１６から入口１８ａを通じてガス管１８ｃに流入し、さらに、ガス管１８ｃから出口１８ｂを通じてガス回収ライン２０へと流出する。
　ガス管１８ｃは、ガス管１８ｃ内を流れる冷却ガスと被冷却物１１との熱交換により被冷却物１１が冷却されるように、被冷却物１１に物理的に接触するとともに被冷却物１１に熱的に結合されている。一例として、ガス管１８ｃは、被冷却物１１の周囲を取り巻くように被冷却物１１の外表面に接触配置されたコイル状の冷却ガス配管である。
　被冷却物ガス流路１８がガス供給ライン１６とは別の配管部材として構成される場合には、入口１８ａは、ガス供給ライン１６を被冷却物ガス流路１８に接続するためにガス管１８ｃの一端に設けられた管継手であってもよい。被冷却物ガス流路１８がガス供給ライン１６から連続する一体の配管部材として構成される場合には、入口１８ａは、ガス管１８ｃが被冷却物１１との物理的接触を開始する場所を指してもよく、この接触開始点が被冷却物ガス流路１８の入口１８ａとみなされてもよい。また、被冷却物ガス流路１８が被冷却物１１の内部を通る場合には、入口１８ａは文字通り、被冷却物ガス流路１８が被冷却物１１に入る部位を指してもよい。
　同様に、被冷却物ガス流路１８がガス回収ライン２０とは別の配管部材として構成される場合には、出口１８ｂは、ガス回収ライン２０を被冷却物ガス流路１８に接続するためにガス管１８ｃの他端に設けられた管継手であってもよい。被冷却物ガス流路１８がガス回収ライン２０から連続する一体の配管部材として構成される場合には、出口１８ｂは、ガス管１８ｃが被冷却物１１との物理的接触を終了する場所を指してもよく、この接触終了点が被冷却物ガス流路１８の出口１８ｂとみなされてもよい。また、被冷却物ガス流路１８が被冷却物１１の内部を通る場合には、出口１８ｂは文字通り、被冷却物ガス流路１８が被冷却物１１から出る部位を指してもよい。
　言い換えれば、ガス供給ライン１６とガス回収ライン２０はともに、被冷却物１１と物理的に接触していない。ガス供給ライン１６は、被冷却物ガス流路１８の入口１８ａから、被冷却物１１から離れる方向に延び、ガス回収ライン２０は、被冷却物ガス流路１８の出口１８ｂから、被冷却物１１から離れる方向に延びている。極低温冷凍機２２とその冷凍機ステージ２８も、被冷却物１１から離れて配置されている。
　ガス供給ライン１６は、ガス循環源１２から冷凍機ステージ２８を経由して被冷却物ガス流路１８に冷却ガスを供給するようにガス循環源１２を被冷却物ガス流路１８の入口１８ａに接続する。ガス供給ライン１６は、ガス供給ライン１６を流れる冷却ガスと冷凍機ステージ２８との熱交換により冷却ガスが冷却されるように、冷凍機ステージ２８に物理的に接触するとともに冷凍機ステージ２８に熱的に結合されている。したがって、冷却ガスは、ガス循環源１２からガス供給ライン１６に流入し、冷凍機ステージ２８によって冷却され、ガス供給ライン１６から被冷却物ガス流路１８へと流出する。
　以下では説明の便宜上、ガス供給ライン１６のうちガス循環源１２から冷凍機ステージ２８までの部分をガス供給ライン１６の上流部１６ａと称し、ガス供給ライン１６のうち冷凍機ステージ２８から被冷却物ガス流路１８の入口１８ａまでの部分をガス供給ライン１６の下流部１６ｂと称することがある。すなわち、ガス供給ライン１６は、上流部１６ａと下流部１６ｂとを備える。
　また、ガス供給ライン１６のうち冷凍機ステージ２８に配置される部分をガス供給ライン１６の中間部１６ｃと称することができる。一例として、ガス供給ライン１６の中間部１６ｃは、冷凍機ステージ２８の周囲を取り巻くように冷凍機ステージ２８の外表面に接触配置されたコイル状の冷却ガス配管である。
　したがって、冷却ガスは、ガス供給ライン１６の中間部１６ｃの出口（すなわち下流部１６ｂの入口）１６ｄで冷却ガス流路１４における最低到達温度をとる。
　ガス回収ライン２０は、被冷却物ガス流路１８からガス循環源１２に冷却ガスを回収するように被冷却物ガス流路１８の出口１８ｂをガス循環源１２に接続する。したがって、冷却ガスは、被冷却物ガス流路１８からガス回収ライン２０に流入し、ガス回収ライン２０からガス循環源１２へと流出する。
　また、極低温冷却システム１０は、熱交換器３０を備える。熱交換器３０は、ガス供給ライン１６とガス回収ライン２０との間で、それぞれを流れる冷却ガスが互いに熱交換をするように構成されている。熱交換器３０は、極低温冷却システム１０の冷却効率を向上するのに役立つ。
　熱交換器３０は、ガス供給ライン１６（より具体的には上流部１６ａ）上に高温入口３０ａと低温出口３０ｂを備え、ガス回収ライン２０上に低温入口３０ｃと高温出口３０ｄを備える。供給側の冷却ガス、つまりガス循環源１２から高温入口３０ａを通じて熱交換器３０に流入する高温の冷却ガスは、熱交換器３０にてガス回収ライン２０によって冷却され、低温出口３０ｂを通じて冷凍機ステージ２８に向かう。これに伴い、回収側の冷却ガス、つまり被冷却物ガス流路１８から低温入口３０ｃを通じて熱交換器３０に流入する低温の冷却ガスは、熱交換器３０にてガス供給ライン１６によって加熱され、高温出口３０ｄを通じてガス循環源１２に向かう。
　極低温冷却システム１０は、真空環境３４を画定する真空容器３２を備える。真空容器３２は、周囲環境３６から真空環境３４を隔離するよう構成されている。真空容器３２は、例えばクライオスタットなどの極低温真空容器である。真空環境３４は例えば極低温真空環境であり、周囲環境３６は例えば室温大気圧環境である。
　被冷却物１１は、真空容器３２の中、すなわち真空環境３４に配置されている。極低温冷却システム１０の主要な構成要素のうち被冷却物ガス流路１８、極低温冷凍機２２の冷凍機ステージ２８、および熱交換器３０は、真空環境３４に配置されている。一方、ガス循環源１２と極低温冷凍機２２の圧縮機２４は、真空容器３２の外、すなわち周囲環境３６に配置されている。よって、ガス供給ライン１６とガス回収ライン２０は、ガス循環源１２に接続される一端部が周囲環境３６に配置され、残りの部分が真空環境３４に配置されている。
　極低温冷却システム１０は、少なくとも１つの温度センサ３８と、極低温冷却システム１０を制御する制御装置４０とを備える。制御装置４０は、ガス流量制御部４２を備える。ガス流量制御部４２は、ガス流量テーブル４４を備える。制御装置４０は、周囲環境３６に配置されている。
　極低温冷却システム１０の制御装置４０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１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。
　温度センサ３８は、冷凍機ステージ２８に設置されている。このように、温度センサ３８は、極低温冷却システム１０の冷却ガス流路１４、具体的にはガス供給ライン１６において１つだけ設けられている。よって、温度センサ３８は、被冷却物ガス流路１８にも被冷却物１１にも設けられていない。温度センサ３８は、ガス回収ライン２０にも設けられていない。
　なお、温度センサ３８の設置場所は冷凍機ステージ２８には限られない。いくつかの例を後述するが、温度センサ３８は原理的には、被冷却物ガス流路１８を含む冷却ガス流路１４の任意の場所に設置されてもよい。また、複数の温度センサ３８が冷却ガス流路１４において互いに異なる場所に設置されてもよい。
　温度センサ３８は、測定場所での測定温度を表す測定温度信号Ｔａを生成し、測定温度信号Ｔａを制御装置４０に出力するよう構成されている。温度センサ３８は冷凍機ステージ２８に設置されているから、測定温度信号Ｔａは、冷凍機ステージ２８の冷却温度を表す。測定温度信号Ｔａは、極低温冷却システム１０により冷却可能な冷却ガスの最低到達温度、例えばガス供給ライン１６の中間部１６ｃの出口１６ｄでの冷却ガス温度を表すとみなすこともできる。
　ガス流量制御部４２は、被冷却物ガス流路１８に流れる冷却ガス流量を、温度センサ３８による少なくとも１つの測定場所での測定温度に応じて調整するように、ガス循環源１２を制御するように構成されている。ガス流量制御部４２は、ある特定の測定場所での測定温度に応じてガス流量テーブル４４に従って目標冷却ガス流量を決定し、目標冷却ガス流量を被冷却物ガス流路１８に流すようにガス循環源１２を制御する。
　ガス流量テーブル４４は、ある特定の測定場所での複数の異なる冷却温度それぞれについて、目標冷却ガス流量を関連付けるように構成されている。すなわち、ガス流量テーブル４４は、複数の異なる冷却温度それぞれについて対応する目標冷却ガス流量を定める。ガス流量テーブル４４は、冷却温度と冷却ガス流量との対応関係を表す関数、ルックアップテーブル、マップ、またはそのほかの形式を有してもよい。ガス流量テーブル４４は、（例えば極低温冷却システム１０の製造業者によって）予め作成され、制御装置４０に、またはこれに付随する記憶装置に保存されている。
　目標冷却ガス流量は例えば、極低温冷却システム１０が被冷却物１１を目的の温度に冷却するのに十分な冷却能力を提供するように設定されている。目標冷却ガス流量は、冷却温度ごとに、設計者の経験的知見または設計者による実験やシミュレーション等に基づき適宜設定することが可能である。
　好ましくは、ガス流量テーブル４４は、特定の測定場所での複数の異なる冷却温度それぞれについて、極低温冷却システム１０の冷却能力を最大化する最適な冷却ガス流量を関連付けるように構成されている。ガス流量テーブル４４には、冷却温度ごとに目標冷却ガス流量として、極低温冷却システム１０の冷却能力を最大化する最適冷却ガス流量が設定されている。
　図２は、実施の形態に係るガス流量テーブル４４を例示する図である。図２の右側に示されるように、ガス流量テーブル４４には、複数の冷却温度（例えば、Ｔ１からＴ６）それぞれについて、冷却ガスの目標冷却ガス流量、例えば最適な質量流量（例えば、ｍ１からｍ６）が関連付けられている。ガス流量テーブル４４は、複数の冷却温度値と、各冷却温度値に対応する目標冷却ガス流量の値とを有する。ガス流量テーブル４４は、ある１つの冷却温度値と別の冷却温度値との間の冷却温度値に対応する目標冷却ガス流量の値を導出するための補間関数を有してもよい。
　ガス流量テーブル４４に設定されている複数の冷却温度は、冷却ガス流路１４における特定の場所での温度、例えば温度センサ３８の設置場所での温度を表す。よって、複数の冷却温度は、図１に示される実施の形態では冷凍機ステージ２８の温度にあたる。複数の冷却温度は、被冷却物１１を冷却する所望の温度域において適当な間隔（例えば等間隔）に定められる。例えば、複数の冷却温度は、１０Ｋから２０Ｋの温度域に１Ｋ刻みに設定されてもよい。
　ガス流量テーブル４４に設定されている複数の冷却温度は、温度センサ３８の設置場所とは異なる場所の温度を表してもよい。その場合、ガス流量テーブル４４は、温度センサ３８の設置場所での温度から当該異なる場所の温度を算出する温度変換関数または熱力学モデルを有してもよい。
　冷却ガスの最適質量流量は、被冷却物ガス流路１８に流れる冷却ガスの質量流量を表す。なお、知られているように、質量流量は冷却ガス流路１４の各場所で一定であるから、冷却ガスの最適質量流量は、ガス循環源１２から供給される質量流量とも言える。
　最適質量流量は、冷却温度ごとの質量流量と極低温冷却システム１０の冷却能力との関係から定められる。図２の左側に示されるように、質量流量に対する冷却能力曲線を冷却温度ごとに予め求めることができる。図から理解されるように、冷却能力曲線は、ある特定の質量流量で極大となる。よって、最大の冷却能力を与える質量流量を、最適質量流量として用いることができる。冷却能力を最大化する質量流量は冷却温度によって異なり、具体的には、冷却温度が低いほど最適質量流量も小さくなっている。
　なお、ある１つの冷却温度についての冷却能力曲線において、最適質量流量よりも小さい質量流量で冷却能力が低下するのは、そうした小流量では冷却ガスと被冷却物１１との熱交換により冷却ガスが被冷却物１１から運び去ることのできる熱量が小さくなるためである。また、最適質量流量よりも大きい質量流量で冷却能力が低下するのは、極低温冷凍機２２の冷凍能力による制約のためである。冷却ガス流量が増すほど冷却ガスと冷凍機ステージ２８との熱交換が不十分となり、被冷却物１１へと流れる冷却ガスの温度が高くなりうる。
　図３は、実施の形態に係る極低温冷却システム１０の制御方法を例示するフローチャートである。図３に示される制御ルーチンは、制御装置４０によって、極低温冷却システム１０の動作中に周期的に繰り返し実行される。
　まず、温度センサ３８を使用して、その設置場所での温度が測定される（Ｓ１０）。温度センサ３８は、測定場所での測定温度を表す測定温度信号Ｔａを生成し、測定温度信号Ｔａを制御装置４０に出力する。例えば、温度センサ３８は、冷凍機ステージ２８の温度を測定する。温度センサ３８は、冷凍機ステージ２８の測定温度を表す測定温度信号Ｔａをガス流量制御部４２に出力する。
　次に、ガス流量テーブル４４を使用して、測定温度から目標冷却ガス流量が決定される（Ｓ１２）。ガス流量制御部４２は、温度センサ３８から測定温度信号Ｔａが入力されると、ガス流量テーブル４４に従って、測定温度信号Ｔａに対応する目標冷却ガス流量を決定する。例えば、ガス流量制御部４２は、ガス流量テーブル４４に従って、測定温度信号Ｔａに対応する冷却ガスの最適質量流量を決定する。
　ガス流量制御部４２は、決定された目標冷却ガス流量を被冷却物ガス流路１８に流すようにガス循環源１２を制御する（Ｓ１４）。ガス流量制御部４２は、決定された目標冷却ガス流量から、この目標流量を実現するガス循環源制御信号Ｓ１を生成する。ガス循環源制御信号Ｓ１は、ガス循環源１２が冷却ガス流路１４に供給する冷却ガスの流量を決定するガス循環源１２の動作パラメータを表す。ガス循環源制御信号Ｓ１は例えば、ガス循環源１２を駆動するモータの回転数を表してもよい。あるいは、ガス循環源制御信号Ｓ１は、決定された目標冷却ガス流量を表すガス流量指示信号であってもよい。この場合、ガス循環源１２は、供給する冷却ガス流量をガス流量指示信号に従って制御するように構成されていてもよい。
　このようにして、ガス流量制御部４２は、測定温度信号Ｔａに応じてガス循環源制御信号Ｓ１を生成し、ガス循環源制御信号Ｓ１をガス循環源１２に出力する。ガス循環源１２は、ガス循環源制御信号Ｓ１に従って動作し、それにより被冷却物ガス流路１８に目標冷却ガス流量を流すことができる。制御装置４０は、このような冷却ガス流量制御処理を定期的に実行することができる。
　実施の形態に係る極低温冷却システム１０によれば、被冷却物ガス流路１８に流れる冷却ガス流量を温度センサ３８による測定温度に応じて調整することができる。冷却温度に応じて適切な冷却ガス流量をガス循環源１２から被冷却物ガス流路１８に供給することができるので、被冷却物１１を効率的に冷却することができる。とくに、冷却ガス流量を最適質量流量に調整することにより、冷却温度に応じた最大の冷却能力で被冷却物１１を冷却することができる。
　温度センサ３８は冷凍機ステージ２８に設置されるので、被冷却物１１から離れて配置することができる。そのため、たとえ被冷却物１１の近傍に強磁場が生成されていたとしても、温度センサ３８の設置場所では磁場が弱まる。よって、強磁場による温度センサ３８への影響を抑制することができる。例えば、温度センサ３８の故障リスクを下げることができる。温度センサ３８として比較的安価なセンサを採用することも可能となる。また、温度センサ３８と極低温冷凍機２２のメンテナンスを一緒に行うこともでき、作業性が向上する。
　また、冷凍機ステージ２８は被冷却物１１のための冷却源であるから、冷凍機ステージ２８の温度変化は被冷却物１１の発熱量との相関が強いと考えられる。よって、冷凍機ステージ２８で温度測定をすることは、被冷却物１１の発熱量に関する情報をより精確に取得しうる点で有利である。
　温度センサ３８は、極低温冷却システム１０に１つだけ設ければよいので、構成および制御処理が簡単である。
　温度センサ３８は冷凍機ステージ２８に設置されているので、測定温度信号Ｔａを極低温冷凍機２２のモニタリングに利用可能である点でも温度センサ３８は有用である。なお、代案として、冷凍機ステージ２８に対し上流と下流それぞれ（例えば、ガス供給ライン１６の上流部１６ａと下流部１６ｂそれぞれ）に温度センサを設置することによっても、極低温冷凍機２２のモニタリングは可能である。
　図１に示される実施の形態では、温度センサ３８は、ガス供給ライン１６に沿って被冷却物ガス流路１８の入口１８ａから離れた測定場所、具体的には、冷凍機ステージ２８に設置されている。温度センサ３８は、極低温冷却システム１０の冷却ガス流路１４において１つだけ設けられている。しかし、温度センサ３８の配置はこれには限られない。温度センサ３８は種々の場所に設置することができる。いくつかの例を図４を参照して説明する。
　図４は、実施の形態に係る極低温冷却システム１０における温度センサ３８の配置を例示する概略図である。図４には、図１に示されるものと同じ冷却ガス流路構成を有する極低温冷却システム１０が示されている。図４においては温度センサ３８を設置するのに好適な領域を破線で示し、その領域内で代表的な場所に温度センサ３８を設置した例を示す。図４には複数の温度センサ３８が示されている。図示されるすべての温度センサ３８が極低温冷却システム１０に設置されてもよいし、図示される温度センサ３８のうちいくつかの温度センサ３８が設置されてもよいし、いずれか１つの温度センサ３８だけが設置されてもよい。
　温度センサ３８は、ガス供給ライン１６に沿って被冷却物ガス流路１８の入口１８ａから離れた測定場所に設置される。このようにすれば、温度センサ３８は、被冷却物１１から離れて配置される。よって、被冷却物１１の近傍に生成されうる強磁場による温度センサ３８への影響を抑制することができる。温度センサ３８が被冷却物ガス流路１８に設置される場合に比べて、温度センサ３８への磁場の影響が抑制される。
　被冷却物１１の周囲には、被冷却物ガス流路１８だけでなく、被冷却物１１に必要な電源、配線、そのほか補器などが配置され、余剰のスペースが少ない。そのため、温度センサ３８および制御装置４０への接続のためのセンサ配線を設置することができる場所は限られる。ところが、実施の形態によれば、スペースに余裕のある被冷却物１１とは別の場所に温度センサ３８を設置することができる。設置場所の自由度が高い。
　温度センサ３８は、ガス供給ライン１６の上流部１６ａに設置されてもよい。温度センサ３８は、ガス供給ライン１６の上流部１６ａにおいて熱交換器３０の低温出口３０ｂより下流に設置されてもよい。上流部１６ａは冷凍機ステージ２８に対して上流側にあるから、上流部１６ａを流れる冷却ガスの温度は冷凍機ステージ２８の温度よりも高い。温度センサ３８は比較的高い温度域を測定可能なものを選択すればよいから、比較的安価なセンサを採用しうる。こうした利点とともに、被冷却物１１の近傍に生成されうる強磁場による温度センサ３８への影響を抑制することもできる。
　また、温度センサ３８は、ガス供給ライン１６の下流部１６ｂに沿って被冷却物ガス流路１８の入口１８ａから離れた測定場所に設置されてもよい。例えば、ガス供給ライン１６の中間部１６ｃの出口１６ｄから温度センサ３８への距離が、被冷却物ガス流路１８の入口１８ａから温度センサ３８への距離より小さくなるように、温度センサ３８の設置場所が定められてもよい。温度センサ３８は、ガス供給ライン１６の中間部１６ｃに設置されてもよい。
　温度センサ３８は、ガス回収ライン２０に沿って被冷却物ガス流路１８の出口１８ｂから離れた測定場所に設置されてもよい。ガス回収ライン２０を流れる冷却ガスは被冷却物１１によって加熱されている。よって、ガス回収ライン２０で温度測定をすることにより
、被冷却物１１の発熱量に関する情報をより精確に取得しうる点で有利である。
　温度センサ３８は、被冷却物ガス流路１８の出口１８ｂと熱交換器３０の低温入口３０ｃとの間に設置されてもよい。例えば、低温入口３０ｃから温度センサ３８への距離が、被冷却物ガス流路１８の出口１８ｂから温度センサ３８への距離より小さくなるように、温度センサ３８の設置場所が定められてもよい。
　可能とされる場合には、温度センサ３８は、熱交換器３０の内部に設置されてもよい。
　温度センサ３８は、真空容器３２の中に通例配置されるが、真空容器３２の外にも設置されうる。例えば、温度センサ３８は、ガス循環源１２と高温入口３０ａとの間に設置されうる。あるいは、温度センサ３８は、ガス循環源１２と高温出口３０ｄとの間に設置されうる。この場合、温度センサ３８は、極低温測定用の温度センサではなく、安価な汎用の温度センサを採用しうる点で有利である。
　温度センサ３８は、冷却ガスと接触するように流路内に配置されてもよいし、冷却ガスとは物理的に接触せずに配管の外面に配置されてもよい。
　図５（ａ）および図５（ｂ）は、実施の形態に係る極低温冷却システム１０における温度センサ３８の配置の他の例を示す概略図である。図５（ａ）および図５（ｂ）を参照して、温度センサ３８の配置の更なる例を説明する。図示される極低温冷却システム１０は、真空容器の構成に関して図１に示される極低温冷却システム１０と相違し、その余については概ね共通する。以下では、相違する構成を中心に説明し、共通する構成については簡単に説明するか、あるいは説明を省略する。
　極低温冷却システム１０は、ガス循環源１２と、冷却ガス流路１４とを備える。冷却ガス流路１４は、ガス供給ライン１６、被冷却物ガス流路１８、およびガス回収ライン２０を備える。極低温冷却システム１０は、冷凍機ステージ２８を有する極低温冷凍機２２と、熱交換器３０とを備える。
　図５（ａ）および図５（ｂ）に示される実施の形態においても、温度センサ３８は、ガス供給ライン１６に沿って被冷却物ガス流路１８の入口１８ａから離れた測定場所、及び／または、ガス回収ライン２０に沿って被冷却物ガス流路１８の出口１８ｂから離れた測定場所に設置される。
　図５（ａ）に示されるように、極低温冷却システム１０は、真空容器３２を備え、真空容器３２は、内部を二室に分割する区画壁４６を備える。真空容器３２は、区画壁４６によって、第１真空環境３４ａと第２真空環境３４ｂに区画されている。冷凍機ステージ２８は、第１真空環境３４ａに配置されている。熱交換器３０も第１真空環境３４ａに配置されている。一方、被冷却物１１とともに被冷却物ガス流路１８は、第２真空環境３４ｂに配置されている。被冷却物ガス流路１８の入口１８ａ、出口１８ｂ、およびガス管１８ｃは第２真空環境３４ｂに配置されている。
　温度センサ３８は、第１真空環境３４ａに配置されている。温度センサ３８は、例えば、ガス供給ライン１６の上流部１６ａ、中間部１６ｃ、下流部１６ｂ、冷凍機ステージ２８、及び／または、ガス回収ライン２０に設置される。温度センサ３８は、これらの設置場所のいずれかに１つだけ設けられてもよい。あるいは、複数の温度センサ３８が設けられてもよい。
　ただし、温度センサ３８は、第２真空環境３４ｂには配置されていない。
　図５（ｂ）に示されるように、極低温冷却システム１０は、第１真空環境３４ａを画定する第１真空容器３２ａと、第２真空環境３４ｂを画定する第２真空容器３２ｂとを備えてもよい。極低温冷凍機２２は第１真空容器３２ａに設置され、冷凍機ステージ２８は、第１真空容器３２ａの中、すなわち第１真空環境３４ａに配置されている。熱交換器３０も第１真空環境３４ａに配置されている。一方、被冷却物１１とともに被冷却物ガス流路１８は、第２真空容器３２ｂの中、すなわち第２真空環境３４ｂに配置されている。被冷却物ガス流路１８の入口１８ａ、出口１８ｂ、およびガス管１８ｃは第２真空環境３４ｂに配置されている。
　ガス供給ライン１６は、第１真空容器３２ａと第２真空容器３２ｂとの間でガス供給ライン１６を被冷却物ガス流路１８の入口１８ａに接続する供給側連結管４８ａを備える。ガス回収ライン２０は、第１真空容器３２ａと第２真空容器３２ｂとの間でガス回収ライン２０を被冷却物ガス流路１８の出口１８ｂに接続する回収側連結管４８ｂを備える。
　温度センサ３８は、第１真空環境３４ａに配置されている。温度センサ３８は、例えば、ガス供給ライン１６の上流部１６ａ、中間部１６ｃ、下流部１６ｂ、冷凍機ステージ２８、及び／または、ガス回収ライン２０に設置される。温度センサ３８は、これらの設置場所のいずれかに１つだけ設けられてもよい。あるいは、複数の温度センサ３８が設けられてもよい。
　温度センサ３８は、供給側連結管４８ａ及び／または回収側連結管４８ｂに設置されてもよい。この場合、温度センサ３８は、第１真空容器３２ａおよび第２真空容器３２ｂの外に配置される。
　ただし、温度センサ３８は、第２真空環境３４ｂには配置されていない。
　このようにすれば、温度センサ３８を被冷却物１１とは別の区画に配置することができる。そのため、たとえ被冷却物１１の近傍に強磁場が生成されていたとしても、温度センサ３８の設置場所では磁場が弱まる。よって、強磁場による温度センサ３８への影響を抑制することができる。
　図６は、実施の形態に係る極低温冷却システム１０の他の一例を概略的に示す図である。図示される極低温冷却システム１０は、冷却ガスの流路構成に関して図１に示される極低温冷却システム１０と相違し、その余については概ね共通する。以下では、相違する構成を中心に説明し、共通する構成については簡単に説明するか、あるいは説明を省略する。
　極低温冷却システム１０は、ガス循環源１２と、冷却ガス流路１４とを備える。冷却ガス流路１４は、ガス供給ライン１６、被冷却物ガス流路１８、およびガス回収ライン２０を備える。極低温冷却システム１０は、冷凍機ステージ２８を有する極低温冷凍機２２と、真空環境３４を画定する真空容器３２とを備える。
　ガス循環源１２は、供給する冷却ガス流量をガス循環源制御信号Ｓ１に従って制御するように構成されている。ガス循環源１２は、圧縮機には限られず、ファンなどの送風機、またはそのほかのガス流れ生成装置であってもよい。ガス循環源１２は、極低温（例えば液体窒素温度以下）のガスに流れを生成するように構成されている。ガス循環源１２は、真空環境３４に配置されている。よって、極低温冷却システム１０の冷却ガス循環回路の全体が真空環境３４に配置されている。なお、ガス循環源１２の一部、例えばモータなどの駆動源が周囲環境３６に配置されてもよく、ガス循環源１２の他の一部、例えば回転翼が真空環境３４に配置され、駆動源から回転翼に動力伝達可能に接続されてもよい。
　図１に示される極低温冷却システム１０とは異なり、熱交換器は必須ではない。図６に示される極低温冷却システム１０には、ガス供給ライン１６とガス回収ライン２０との間で熱交換する熱交換器は設けられていない。なお、そうした熱交換器が設けられてもよい。
　温度センサ３８は、測定場所での測定温度を表す測定温度信号Ｔａを生成し、測定温度信号Ｔａを制御装置４０に出力するよう構成されている。温度センサ３８は、一例として、冷凍機ステージ２８に設置される。ただし、上述のように、温度センサ３８は、冷却ガス流路１４の任意の場所に設置されてもよい。温度センサ３８は、ガス供給ライン１６に沿って被冷却物ガス流路１８の入口１８ａから離れた測定場所、及び／または、ガス回収ライン２０に沿って被冷却物ガス流路１８の出口１８ｂから離れた測定場所に設置されてもよい。温度センサ３８は１つだけであってもよいし、複数でもよい。
　また、極低温冷却システム１０は、ガス流量制御部４２およびガス流量テーブル４４を備える制御装置４０を備える。ガス流量制御部４２は、測定温度信号Ｔａに応じてガス流量テーブル４４に従ってガス循環源制御信号Ｓ１を生成し、ガス循環源制御信号Ｓ１をガス循環源１２に出力する。
　図６に示される極低温冷却システム１０によっても、被冷却物ガス流路１８に流れる冷却ガス流量を温度センサ３８による測定温度に応じて調整し、被冷却物１１を効率的に冷却することができる。また、温度センサ３８を被冷却物１１から離れた場所に配置することができ、被冷却物１１の近傍に生成されうる強磁場による温度センサ３８への影響を抑制することができる。
　図７は、実施の形態に係る極低温冷却システム１０の他の一例を概略的に示す図である。図示される極低温冷却システム１０は、冷却ガスの流路構成に関して図１に示される極低温冷却システム１０と相違し、その余については概ね共通する。以下では、相違する構成を中心に説明し、共通する構成については簡単に説明するか、あるいは説明を省略する。
　極低温冷却システム１０は、ガス循環源１２と、冷却ガス流路１４とを備える。冷却ガス流路１４は、ガス供給ライン１６、被冷却物ガス流路１８、およびガス回収ライン２０を備える。極低温冷却システム１０は、極低温冷凍機２２と、熱交換器３０と、真空環境３４を画定する真空容器３２とを備える。極低温冷凍機２２は、冷凍機ステージ２８を有するコールドヘッド２６を備える。ガス循環源１２は、周囲環境３６に配置されている。
　上述のように、冷却ガスと極低温冷凍機２２の作動ガスはともにヘリウムガスであってもよい。このように冷却ガスと作動ガスが同じガスである場合には、極低温冷却システム１０には１つの共通の圧縮機が設けられてもよい。すなわち、ガス循環源１２は、冷却ガス流路１４に冷却ガスを流すだけでなく、極低温冷凍機２２に作動ガスを循環させる圧縮機としても機能する。
　この場合、冷却ガスの流量制御のために、ガス循環源１２は、被冷却物ガス流路１８に流れる冷却ガス流量を制御するように構成された流量制御バルブ５０を備えてもよい。流量制御バルブ５０は、供給する冷却ガス流量をガス循環源制御信号Ｓ１に従って制御するように構成されている。
　ガス循環源１２から極低温冷凍機２２に作動ガスを供給するために冷凍機供給ライン５２が設けられ、極低温冷凍機２２からガス循環源１２に作動ガスを回収するために冷凍機回収ライン５４が設けられている。冷凍機供給ライン５２は、周囲環境３６においてガス供給ライン１６から分岐してコールドヘッド２６に接続し、冷凍機回収ライン５４は、周囲環境３６においてガス回収ライン２０から分岐してコールドヘッド２６に接続している。
　流量制御バルブ５０は、周囲環境３６においてガス供給ライン１６に設置されている。あるいは、流量制御バルブ５０は、周囲環境３６においてガス回収ライン２０に設置されてもよい。このようにすれば、汎用の流量制御弁を流量制御バルブ５０として採用することができ、流量制御バルブ５０を真空環境３４に設置する場合に比べて製造コストの点で有利である。ただし、流量制御バルブ５０は真空環境３４に設置されてもよい。
　温度センサ３８は、測定場所での測定温度を表す測定温度信号Ｔａを生成し、測定温度信号Ｔａを制御装置４０に出力するよう構成されている。温度センサ３８は、一例として、冷凍機ステージ２８に設置される。ただし、上述のように、温度センサ３８は、冷却ガス流路１４の任意の場所に設置されてもよい。温度センサ３８は、ガス供給ライン１６に沿って被冷却物ガス流路１８の入口１８ａから離れた測定場所、及び／または、ガス回収ライン２０に沿って被冷却物ガス流路１８の出口１８ｂから離れた測定場所に設置されてもよい。温度センサ３８は１つだけであってもよいし、複数でもよい。
　また、極低温冷却システム１０は、ガス流量制御部４２およびガス流量テーブル４４を備える制御装置４０を備える。ガス流量制御部４２は、測定温度信号Ｔａに応じてガス流量テーブル４４に従ってガス循環源制御信号Ｓ１を生成し、ガス循環源制御信号Ｓ１をガス循環源１２、すなわち流量制御バルブ５０に出力する。
　図７に示される極低温冷却システム１０によっても、被冷却物ガス流路１８に流れる冷却ガス流量を温度センサ３８による測定温度に応じて調整し、被冷却物１１を効率的に冷却することができる。また、温度センサ３８を被冷却物１１から離れた場所に配置することができ、被冷却物１１の近傍に生成されうる強磁場による温度センサ３８への影響を抑制することができる。
　なお、図６および図７に示される実施の形態においても、図５（ａ）に示されるように、真空容器３２に区画壁４６が設けられ、第１真空環境３４ａと第２真空環境３４ｂに区画されてもよい。また、図５（ｂ）に示されるように、極低温冷却システム１０は、第１真空環境３４ａを画定する第１真空容器３２ａと、第２真空環境３４ｂを画定する第２真空容器３２ｂとを備えてもよい。温度センサ３８は、第１真空環境３４ａに配置されてもよい。
　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。
　１０　極低温冷却システム、　１１　被冷却物、　１２　ガス循環源、　１６　ガス供給ライン、　１６ａ　上流部、　１６ｂ　下流部、　１６ｄ　出口、　１８　被冷却物ガス流路、　１８ａ　入口、　１８ｂ　出口、　２０　ガス回収ライン、　２２　極低温冷凍機、　２８　冷凍機ステージ、　３４　真空環境、　３４ａ　第１真空環境、　３４ｂ　第２真空環境、　３８　温度センサ、　４２　ガス流量制御部、　４４　ガス流量テーブル。
　本発明は、極低温冷却システムの分野における利用が可能である。

Claims (7)

  1. 　冷却ガスを循環させるガス循環源と、
    　前記冷却ガスを冷却する冷凍機ステージを備える極低温冷凍機と、
    　前記冷却ガスを流すために被冷却物の周囲または内部に設けられた被冷却物ガス流路と、
    　前記ガス循環源から前記冷凍機ステージを経由して前記被冷却物ガス流路に前記冷却ガスを供給するように前記ガス循環源を前記被冷却物ガス流路の入口に接続するガス供給ラインと、
    　前記被冷却物ガス流路から前記ガス循環源に前記冷却ガスを回収するように前記被冷却物ガス流路の出口を前記ガス循環源に接続するガス回収ラインと、
    　前記ガス供給ラインに沿って前記被冷却物ガス流路の入口から離れた測定場所及び／または前記ガス回収ラインに沿って前記被冷却物ガス流路の出口から離れた測定場所に設置された少なくとも１つの温度センサと、
    　前記被冷却物ガス流路に流れる冷却ガス流量を前記温度センサによる少なくとも１つの測定場所での測定温度に応じて調整するように前記ガス循環源を制御するガス流量制御部と、を備えることを特徴とする極低温冷却システム。
  2. 　前記ガス供給ラインは、前記ガス循環源から前記冷凍機ステージまでの上流部と、前記冷凍機ステージから前記被冷却物ガス流路の入口までの下流部と、を備え、
    　前記温度センサは、前記ガス供給ラインの上流部または前記冷凍機ステージに設置されていることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷却システム。
  3. 　前記冷凍機ステージは、第１真空環境に配置され、
    　前記被冷却物ガス流路は、前記第１真空環境から区画された第２真空環境に配置され、
    　前記温度センサは、前記第１真空環境に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の極低温冷却システム。
  4. 　前記温度センサは、１つだけ設けられ、前記ガス供給ラインに沿って前記被冷却物ガス流路の入口から離れた測定場所または前記ガス回収ラインに沿って前記被冷却物ガス流路の出口から離れた測定場所のいずれかに設置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の極低温冷却システム。
  5. 　前記ガス流量制御部は、ある特定の測定場所での複数の異なる冷却温度それぞれについて、目標冷却ガス流量を関連付けるように構成されたガス流量テーブルを備え、
    　前記ガス流量制御部は、前記ガス流量テーブルに従って前記特定の測定場所での測定温度に応じて前記目標冷却ガス流量を決定し、前記目標冷却ガス流量を前記被冷却物ガス流路に流すように前記ガス循環源を制御することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の極低温冷却システム。
  6. 　前記ガス流量テーブルは、前記特定の測定場所での複数の異なる冷却温度それぞれについて、前記極低温冷却システムの冷却能力を最大化する最適な冷却ガス流量を関連付けるように構成されていることを特徴とする請求項５に記載の極低温冷却システム。
  7. 　前記被冷却物は、超伝導電磁石であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の極低温冷却システム。
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