冷凍器、および非常に低い温度の冷熱を作り出す方法
本発明は希釈サイクルによって非常に低い温度の冷熱を作り出す方法であって、2種類の同位体3Heおよび4Heの二相混合物が別々に添加される液体3Heおよび4Heから混合室（2）内に生じ、いわゆる濃厚相からの3Heの前記混合物がこの3Heをいわゆる希薄相へと流すように抽出され、およびそれにより3Heが希薄相へと流すことによって生じる冷熱が回収され；二相混合物の相分離は、混合室（2）へと別々に添加される純粋な3Heおよび4Heの流れをモニタすることによって、および重力とは無関係の毛細力によって行われ、希釈サイクルは閉ループにおいて機能し、前記方法が、２種類の同位体3Heおよび4Heを放出管（8）を通して抽出される混合物の一部から回収および分離する第1の工程と第1の工程中に分離された2種類の同位体3Heおよび4Heを添加して混合室（2）に戻す第2の工程とを含む方法に関する。本発明は冷凍器にも関する。
【発明の詳細な説明】
【発明の概要】
【０００１】
本発明は希釈冷凍器と非常に低い温度の冷熱を作り出す方法とに関する。
【０００２】
本発明はより詳細には非常に低い温度を得るための希釈冷凍器であって、混合室と、ヘリウム同位体３（3Ｈｅ）のソースに接続された上流端および混合室に接続された下流端を有する第１の供給パイプと、ヘリウム同位体４（4Ｈｅ）のソースに接続された上流端および混合室に接続された下流端を有する第２の供給パイプと、第１のおよび第２のパイプによってそれぞれ供給される3Ｈｅおよび4Ｈｅから混合室内に作り出される3Ｈｅ−4Ｈｅの混合物を放出する放出パイプとを有し、放出パイプは混合室に接続された上流端および放出される混合物の一部を回収する収集ボリュームに接続された下流端を有し、第１のおよび第２のパイプの下流端と放出パイプの上流端とは混合室を形成するように共通接続部において流体連絡しており、ヘリウム3Ｈｅ−4Ｈｅの混合物間の相分離がパイプ内の3Ｈｅおよび4Ｈｅの流れとパイプ内の毛管力とによって重力とは無関係に制御される冷凍器に関する。
【０００３】
非常に低い温度を得るのに利用可能な方法の中で、最も有利なものの１つは通常の4Ｈｅを同位体3Ｈｅで希釈することを含む。
【０００４】
約０．８８Ｋ未満では、3Ｈｅ−4Ｈｅ混合物は２つの相、濃厚相として知られている3Ｈｅリッチ相および希薄相として知られている4Ｈｅリッチ相を示すであろう。温度が０．８８Ｋから０Ｋまで低下するとき、濃厚相中の3Ｈｅ濃度は６７％から約１００％まで上昇し、一方で希薄相中の3Ｈｅ濃度は６７％から約６．６％まで減少する。
【０００５】
従来の希釈冷却器は上述の熱力学的条件下で２つの相の液体ヘリウム：希薄相である相および濃厚相である相により満たされる混合ボックスまたは混合室を慣習的に有する。冷熱を作り出す原理は本質的には以下の通りである：4Ｈｅ−3Ｈｅ混合物を熱力学的に断熱された混合ボックスにおいて上述した２つの相（希薄相および濃厚相）がそこに存在するような割合で生じさせる。3Ｈｅを希薄相から抽出することによって、濃厚相からの3Ｈｅが平衡濃度を維持するために希薄相中に溶解するであろう。この希釈プロセスは冷熱の産出をもたらす。
【０００６】
このようなデバイス、すなわちクライオスタットが連続的に動作するのに必要なのは、液体3Ｈｅが、場合により少量の4Ｈｅと混合されて、取り出しを埋め合わせるために混合ボックスに導入されることだけである。
【０００７】
これらシステムを動作させるには；
−濃厚相（主に3Ｈｅを含有する液体）、
−希薄相（主に4Ｈｅを含有する液体）、およびさらには
−濃厚な気相（主に3Ｈｅ）
を局在化させることが必要である。
【０００８】
様々な相のこの局在化は重力の作用下で従来達成される（それらの異なる密度による相分離）。しかし、システムが無重力条件下で、またはある向きで使用される場合、この形態の局在化は可能でない。
【０００９】
ＦＲ ２６２６６５８は重力とも向きとも無関係な希釈冷却システムを記載している。
【００１０】
このシステムでは、キャピラリとしても知られている３つのパイプが使用される。３つのキャピラリは一方の端部において互いに接続されて接続部（混合室）を形成する。２つのキャピラリは飽和3Ｈｅ−4Ｈｅ混合物（濃厚相および希薄相の混合物）を作り出すために純粋な3Ｈｅおよび4Ｈｅを注入するのにそれぞれ使用される。ヘリウム混合物は第３のキャピラリを使用して抽出され、「フリー」ポンプのように働く空間へと回収されるかまたは放出される。液体ヘリウム混合物間の相分離は3Ｈｅおよび4Ｈｅの流れおよび毛管力によってのみ制御され、重力によってはもはや制御されない。
【００１１】
重力に関連した制約を回避するため、前記冷凍器は蒸留器を有していない。補助的な蒸留ユニットが、（たとえば貯蔵タンクによって）回収されている場合がある3Ｈｅ−4Ｈｅ混合物の２種類の構成成分を専用稼働の間に分離するのに提供されうる。
【００１２】
しかし、このシステムの寿命は混合ボックスに供給するのに準備されたヘリウム同位体の量によって制限される。加えて、それが宇宙船内で使用される場合、抽出されたヘリウム混合物は消失する。
【００１３】
本発明の目的は従来技術の上述した欠点の全てまたはいくつかを緩和することにある。
【００１４】
この目的のために、本発明による冷凍器は、上述の序文に挙げた包括的定義に従う他の点において、それが混合物が回収されるところの収集ボリュームを構成する分溜器を有し、この分溜器が3Ｈｅおよび4Ｈｅの混合物を気液平衡に保ち、この分溜器が3Ｈｅのソースと4Ｈｅのソースとの両方を形成し、第１の供給パイプが混合室に3Ｈｅを連続的におよび第１の閉ループにおいて供給するように3Ｈｅを分溜器内へと選択的にポンピングするポンピング部材を有し、第２の供給パイプが混合室に4Ｈｅを連続的におよび別の第２の閉ループにおいて供給するように4Ｈｅを分溜器内へと選択的にポンピングするポンピング部材を有することを本質的に特徴とする。
【００１５】
さらに、本発明のいくつかの実施形態は以下の特徴のうち１つ以上を有してもよい：
−分溜器は気相に対しての液相の封じ込めのための部材を有する；
−4Ｈｅを選択的にポンピングするポンピング部材は封じ込め部材によって封じ込められた液相と流体連絡しているスーパーリークと、取入れ口がスーパーリークを介して前記液相に接続されているポンピング部材とを有する；
−第１のおよび第２のパイプならびに放出パイプは分溜器と混合室との間で熱交換を行うように集合させられている；
−第１の供給パイプのポンピング部材は気体3Ｈｅをポンピングするポンプ、たとえばメカニカルポンプおよび／または吸収ポンプとして知られている１つ以上のポンプである；
−第１の供給パイプの上流端および／または第１の供給パイプのポンピング部材は分溜器のうち気液平衡にある3Ｈｅ−4Ｈｅ混合物から主に3Ｈｅを集める領域に通じている；
−第２の供給パイプのポンピング部材は液体4Ｈｅをポンピングするポンプ、たとえばメカニカルポンプおよび／または4Ｈｅ用のソースポンプ（サーモメカニカルポンプ）もしくはメカニカルポンプとして知られているポンプである；
−第２の供給パイプの上流端および／または第２の供給パイプのポンピング部材は分溜器のうち気液平衡にある3Ｈｅ−4Ｈｅ混合物から主に4Ｈｅを集める領域に通じている；
−第２の供給パイプのポンピング部材または第２の供給パイプの上流端は4Ｈｅの選択濾過のための部材を介して分溜器のうちのある領域に通じている。
【００１６】
本発明は非常に低い温度、特には２Ｋ未満およびより好ましくは１Ｋ未満にある冷熱を、２種類の同位体3Ｈｅおよび4Ｈｅの二相混合物がそれぞれの供給パイプを介して別々に導入される液体3Ｈｅおよび液体4Ｈｅから混合室内に生じるところの希釈サイクルを使用して作り出す方法であって、濃厚相として知られる相からの3Ｈｅが、3Ｈｅを希薄相として知られる相に入れるために、前記混合物から放出パイプを介して抽出され、およびそれにより、3Ｈｅが希薄相に入ることによって生じる冷熱エネルギーが回収され、二相混合物の相が混合室へと別々に導入される純粋な3Ｈｅおよび4Ｈｅの流れとパイプ内の毛管力とを制御することによって重力とは無関係に分離される方法にも関する。
【００１７】
１つの有利な特徴によると、希釈サイクルは閉ループにおいて機能し、前記方法は：
−２種類の同位体3Ｈｅおよび4Ｈｅを混合物のうち放出パイプによって抽出される部分から回収しおよび分離する第１の工程と；
−第１の工程中に分離された２種類の同位体3Ｈｅおよび4Ｈｅを混合室へと再導入する第２の工程と；
を有する。
【００１８】
他の考えられる特徴によると：
−２種類の同位体を回収および分離する第１の工程は3Ｈｅ−4Ｈｅ混合物を気液平衡に保つように構成された分溜器において行われる；
−２種類の3Ｈｅおよび4Ｈｅ同位体を混合室へと再導入する第２の工程はそれぞれのポンピング部材を使用して行われる；
−２種類の同位体3Ｈｅおよび4Ｈｅの混合物は混合室内で１０ｍＫないし３００ｍＫの間に含まれるおよびたとえば５０ｍＫないし３００ｍＫの間にある温度に保たれる；
−第１のパイプのポンピング部材のポンプ圧は０．１ないし５０ｍｂの間に含まれ、および好ましくは約５ｍＢａｒに等しい；
−前記方法は、第１の回収および分離の工程と第２の再導入の工程との間に、分離された同位体の一方または各々を１ないし２Ｋの間および好ましくは１．４ないし１．５Ｋの間にそれぞれ冷却する工程を有する；
−分溜器内の温度および分溜器内の3Ｈｅ濃度は3Ｈｅの蒸気圧が4Ｈｅのものより遥かに高くなるように保たれる；
−第１のパイプのポンプの吐き出し圧力は3Ｈｅを１．４−１．５Ｋの温度で液化させる（ポンプの出口での冷却）ために５０ないし１５００ｍｂａｒの間に含まれおよび好ましくは約２００ｍｂである；
−前記方法は希釈冷凍器であって、混合室と、ヘリウム同位体３（3Ｈｅ）のソースに接続された上流端および混合室に接続された下流端を有する第１の供給パイプと、ヘリウム同位体４（4Ｈｅ）のソースに接続された上流端および混合室に接続された下流端を有する第２の供給パイプと、第１のおよび第２のパイプによってそれぞれ供給される3Ｈｅおよび4Ｈｅから混合室内に作り出される3Ｈｅ−4Ｈｅの混合物の一部を放出する放出パイプとを有し、放出パイプは混合室に接続された上流端および放出された混合物の一部を回収する収集ボリュームに接続された下流端を有し、第１のおよび第２のパイプの下流端と放出パイプの上流端とは混合室を形成するように共通接続部において流体連絡しており、ヘリウムの混合物間の相分離が重力ではなくパイプ内の3Ｈｅおよび4Ｈｅの流れと毛管力とによって制御され、前記冷凍器が混合物が回収されるところの収集ボリュームを構成する分溜器をさらに有し、この分溜器が3Ｈｅおよび4Ｈｅの混合物を気液平衡に保ち、この分溜器が3Ｈｅのソースと4Ｈｅのソースとの両方を形成し、第１の供給パイプが3Ｈｅを分溜器内へと選択的にポンピングして混合室に3Ｈｅを連続的におよび第１の閉ループにおいて供給するポンピング部材を有し、第２の供給パイプが4Ｈｅを分溜器内へと選択的にポンピングして混合室に4Ｈｅを連続的におよび第２の閉ループにおいて供給するポンピング部材を有する冷凍器を使用する：
−第２のパイプのポンプ（ソース圧力ポンプ）内の圧力は単相性キャピラリにおいておよび前記ソース圧力ポンプと分溜器との間のキャピラリにおいて乱流を得るように、数百ｍｂａｒでありうる；
−第２のパイプ４のポンプ７がメカニカルポンプである場合、ポンプ圧は負でありうる。
【００１９】
本発明は以上または以下に挙げる特徴の任意の組み合わせを有する任意の代わりのデバイスまたは方法にも関するであろう。
【００２０】
他の詳細および利点は、図面を参照して示した以下の説明を読むことによって明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の１つの考えられる実施形態による冷凍器の構造および動作を模式的におよび部分的に示した図。
【００２２】
希釈冷却器１は第１の3Ｈｅ供給パイプ３の、第２の4Ｈｅ供給パイプ４の、および3Ｈｅ−4Ｈｅ混合物を放出する放出パイプ８の開口端（共通の接続部）において形成された混合室２を有している。
【００２３】
放出パイプ８は、上流から下流にかけて、２つの部分：２つの相（濃厚および希薄）が通る第１の部分（参照番号１３を付した領域）といったん濃厚相が希薄相中で完全に希釈されたあとの単相性3Ｈｅ−4Ｈｅ混合物が通る第２の部分（参照番号１２を付した領域）とを有している。この放出パイプ８はそれゆえに第１の３および第２の４のパイプによってそれぞれ供給される3Ｈｅおよび4Ｈｅから混合室２内で作り出される二相性3Ｈｅ−4Ｈｅ混合物を放出するのに役立つ。
【００２４】
ヘリウム3Ｈｅ−4Ｈｅの混合物間の相分離は3Ｈｅおよび4Ｈｅのパイプ３、４、８を通る流れとパイプ３、４、８内の毛管力とによって制御される。つまり前記相分離は重力にも向きにも依存しない（文献ＦＲ ２６２６６５８で用いられたものと同様の一般的原理に従う）ということである。
【００２５】
冷凍器１は3Ｈｅリッチの蒸気相と平衡状態にある希薄液体3Ｈｅ−4Ｈｅ混合物を収容する分溜気化器５を有している。
【００２６】
分溜器５は、たとえば、銅製および／またはステンレス鋼製のサブアセンブリであり、必要とされる流体入口および出口を有しおよびたとえば数立方センチメートルの気密ボリュームを構成している。分溜器５のボリュームは液体−気体の界面が前記ボリュームの内側に確立されるような大きさであり、系を通るＨｅの量に依存する。
【００２７】
第１のパイプ３の上流端はポンプ６を介して分溜器５に接続されておりおよび第１のパイプ３の下流端は混合室２に接続されている。
【００２８】
第２の供給パイプ４はポンプ７を介して分溜器５に接続された上流端および混合室２に接続された下流端を有している。
【００２９】
放出パイプ８はそれの上流端によって混合室２に接続されておりおよびそれの下流端によって分溜器５に接続されている。
【００３０】
装置１はそれゆえに分溜器５と混合室２との間に２つの閉ループを形成している。装置１は、蒸気−液体界面が分溜器５内に存在しおよび濃厚−希薄界面が混合室２内に存在するように、飽和3Ｈｅおよび4Ｈｅ混合物によって満たされている。
【００３１】
第１の供給パイプ３は混合室２に3Ｈｅを分溜器５からポンピング部材６たとえばポンプを介して供給する。
【００３２】
第２の供給パイプ４は混合室２に4Ｈｅを分溜器５からポンピング部材７たとえばポンプを介して供給する。
【００３３】
分溜器５内の温度および分溜器５内の3Ｈｅ濃度は3Ｈｅの蒸気圧が4Ｈｅのものよりも遥かに高くなるように保たれるので、第１のパイプ３のポンプ６は主に3Ｈｅ（気体）をポンピングする。
【００３４】
このポンプ６はメカニカルポンプでもよいしまたは周囲温度もしくは極低温の状態で設置された任意の他の好適で等価なポンピングシステム（たとえば吸着ポンプ）でもよい。分溜器５からポンピングされたあと、3Ｈｅはそれが混合室２に導入される前に冷却される。たとえば、冷却器１０は気体の形態で分溜器５からポンピングされた3Ｈｅを液化させる。この冷却器１０は、たとえば、Ｈｅ（3Ｈｅまたは4Ｈｅ）に対して機能するジュール−トムソン膨張システムから構成されていてもよいしまたは理想的には約１．４ないし１．５Ｋの温度を供給することができる任意のクーラーでもよい。この第１の冷却１０のあと、3Ｈｅは分溜器５（第１のパイプ３との熱交換）によって冷却される。次に、3Ｈｅは第１のパイプ３と放出パイプ８（この放出パイプ８も潜在的に第２のパイプ４との熱交換関係にある）との間の熱交換によって冷却されてもよい。したがって、注入された液体3Ｈｅが単相性3Ｈｅ−4Ｈｅ混合物と熱交換するところの領域１２および注入された液体3Ｈｅと二相性3Ｈｅ−4Ｈｅ混合物との間の熱交換のための領域１３が存在する。
【００３５】
液体の形態で混合ボックス２へと注入されるヘリウム同位体３（3Ｈｅ）は１０ｍＫないし３００ｍＫの間に含まれる温度を典型的に有する。
【００３６】
第２のパイプ４のポンプ７はもっぱら液体4Ｈｅをポンピングする。液体4Ｈｅポンプ７はスーパーリークとして知られており超流動体4Ｈｅのみをポンピングさせる半透膜のように働くシステム９をたとえば用いて分溜器５に接続されていてもよい。このスーパーリーク９は分溜器５の液相中に浸漬した一端１９と、浸漬されておらずおよび好ましくは分溜器５から断熱されている一端２９とを有している。さらに、境界デバイス１４が液体3Ｈｅ−4Ｈｅ混合物のスーパーリークの浸漬した端部１９と接触した状態での封じ込めを可能にするのに使用される場合がある。この境界デバイス１４はキャピラリを使用して機能してもよく、たとえばそれは意図された用途に適した孔径分布を有する多孔質媒体からなっていてもよい。他のシステム、たとえば電場を用いるものが液相と気相との間でのこの封じ込めを達成するために考えられるであろう。
【００３７】
ポンプ７はソースポンプ（サーモメカニカルポンプ）でもよいしまたはメカニカル4Ｈｅポンプでもよいしスーパーリーク９の下流に必要に応じて位置決めされた周囲もしくは極低温にある他の任意の適切で等価な部材（たとえば吸着ポンプまたはコールドタービン）でもよい。
【００３８】
分溜器５からポンピングされた超流動体4Ｈｅは第１のパイプ３の冷却器１０と同様の機能を果たす外部の冷熱ソース１１によって冷却されてもよい（理想的には約１．４ないし１．５Ｋの温度までの冷却）。２つの冷却器１０および１１は付随的にただ１つの同じ冷却部材を形成する場合がある。第２のパイプ４のポンプ７による熱の逸散が十分に低い場合には特に、冷熱ソース（何れかまたは両方が任意であろう冷却器１０および／または冷却器１１）なしで済ますことが熱力学的に考えられることに気付かれるであろう。
【００３９】
この第１の冷却１１に続いて、4Ｈｅは分溜器５によって冷却される場合がある（第２のパイプ４との熱交換）。次に、4Ｈｅはこの第２のパイプ４と放出パイプ８との間の熱交換によって冷却される（この放出パイプ８は場合により第１のパイプ３とも熱交換関係にある）。したがって、注入された液体3Ｈｅと単相性3Ｈｅ−4Ｈｅ混合物との間で熱交換が行われるところの領域１２および注入された液体3Ｈｅと二相性3Ｈｅ−4Ｈｅ混合物との間で熱交換が行われるところの領域１３が存在する。
【００４０】
液体の形態で混合室２へと注入されるヘリウム同位体４（4Ｈｅ）は１０ｍＫないし３００ｍＫの間に含まれる温度を典型的に有する。
【００４１】
混合室２内の動作温度は１０ｍＫからないし３００ｍＫの範囲内に一般に含まれる。
【００４２】
第２のパイプ４のソース圧力ポンプ７が効率的に動作できるには、分溜器５の液相中の3Ｈｅ濃度は好ましくは約１０％であり、分溜器５内の温度は好ましくは約１．０５Ｋである。結果として、分溜器５内の蒸気圧は約５ｍｂでありおよび蒸気中の3Ｈｅ濃度は９５％に近い。
【００４３】
第１のパイプ３のポンプ６のポンプ圧はそれゆえに典型的には約５ｍｂでありおよび吐き出し圧は、たとえば、約２００ｍｂ以上であり、およびこれは3Ｈｅが１．４−１．５Ｋの温度で液化することを可能にする。
【００４４】
ポンピングおよび第１の冷却１０、１１のあとの流体の温度は、たとえば、１ないし２Ｋの間に含まれる。
【００４５】
本発明による希釈冷凍器１はそれゆえに分溜器５内の液相および蒸気相を局在化させることを可能にする封じ込めシステム１４を使用する。
【００４６】
したがって本発明による冷凍器１はヘリウム同位体（4Ｈｅおよび3Ｈｅ）の２つの別個な流れを２つの閉ループ内において、ヘリウムを外部から追加する必要なしに維持することを連続的に可能にする。
【００４７】
得られる冷凍器１またはクライオスタットはたとえば約０．０５Ｋの安定な温度を作り出すことおよびこれを混合室２内で制限されない自律性で維持することを可能にする。
【００４８】
上で説明したシステムは全ての方向に向き付けることができる支持体上にとりわけ無重力環境における用途または重力場を受ける用途を目的として搭載できる。
【発明の概要】
【０００１】
本発明は希釈冷凍器と非常に低い温度の冷熱を作り出す方法とに関する。
【０００２】
本発明はより詳細には非常に低い温度を得るための希釈冷凍器であって、混合室と、ヘリウム同位体３（3Ｈｅ）のソースに接続された上流端および混合室に接続された下流端を有する第１の供給パイプと、ヘリウム同位体４（4Ｈｅ）のソースに接続された上流端および混合室に接続された下流端を有する第２の供給パイプと、第１のおよび第２のパイプによってそれぞれ供給される3Ｈｅおよび4Ｈｅから混合室内に作り出される3Ｈｅ−4Ｈｅの混合物を放出する放出パイプとを有し、放出パイプは混合室に接続された上流端および放出される混合物の一部を回収する収集ボリュームに接続された下流端を有し、第１のおよび第２のパイプの下流端と放出パイプの上流端とは混合室を形成するように共通接続部において流体連絡しており、ヘリウム3Ｈｅ−4Ｈｅの混合物間の相分離がパイプ内の3Ｈｅおよび4Ｈｅの流れとパイプ内の毛管力とによって重力とは無関係に制御される冷凍器に関する。
【０００３】
非常に低い温度を得るのに利用可能な方法の中で、最も有利なものの１つは通常の4Ｈｅを同位体3Ｈｅで希釈することを含む。
【０００４】
約０．８８Ｋ未満では、3Ｈｅ−4Ｈｅ混合物は２つの相、濃厚相として知られている3Ｈｅリッチ相および希薄相として知られている4Ｈｅリッチ相を示すであろう。温度が０．８８Ｋから０Ｋまで低下するとき、濃厚相中の3Ｈｅ濃度は６７％から約１００％まで上昇し、一方で希薄相中の3Ｈｅ濃度は６７％から約６．６％まで減少する。
【０００５】
従来の希釈冷却器は上述の熱力学的条件下で２つの相の液体ヘリウム：希薄相である相および濃厚相である相により満たされる混合ボックスまたは混合室を慣習的に有する。冷熱を作り出す原理は本質的には以下の通りである：4Ｈｅ−3Ｈｅ混合物を熱力学的に断熱された混合ボックスにおいて上述した２つの相（希薄相および濃厚相）がそこに存在するような割合で生じさせる。3Ｈｅを希薄相から抽出することによって、濃厚相からの3Ｈｅが平衡濃度を維持するために希薄相中に溶解するであろう。この希釈プロセスは冷熱の産出をもたらす。
【０００６】
このようなデバイス、すなわちクライオスタットが連続的に動作するのに必要なのは、液体3Ｈｅが、場合により少量の4Ｈｅと混合されて、取り出しを埋め合わせるために混合ボックスに導入されることだけである。
【０００７】
これらシステムを動作させるには；
−濃厚相（主に3Ｈｅを含有する液体）、
−希薄相（主に4Ｈｅを含有する液体）、およびさらには
−濃厚な気相（主に3Ｈｅ）
を局在化させることが必要である。
【０００８】
様々な相のこの局在化は重力の作用下で従来達成される（それらの異なる密度による相分離）。しかし、システムが無重力条件下で、またはある向きで使用される場合、この形態の局在化は可能でない。
【０００９】
ＦＲ ２６２６６５８は重力とも向きとも無関係な希釈冷却システムを記載している。
【００１０】
このシステムでは、キャピラリとしても知られている３つのパイプが使用される。３つのキャピラリは一方の端部において互いに接続されて接続部（混合室）を形成する。２つのキャピラリは飽和3Ｈｅ−4Ｈｅ混合物（濃厚相および希薄相の混合物）を作り出すために純粋な3Ｈｅおよび4Ｈｅを注入するのにそれぞれ使用される。ヘリウム混合物は第３のキャピラリを使用して抽出され、「フリー」ポンプのように働く空間へと回収されるかまたは放出される。液体ヘリウム混合物間の相分離は3Ｈｅおよび4Ｈｅの流れおよび毛管力によってのみ制御され、重力によってはもはや制御されない。
【００１１】
重力に関連した制約を回避するため、前記冷凍器は蒸留器を有していない。補助的な蒸留ユニットが、（たとえば貯蔵タンクによって）回収されている場合がある3Ｈｅ−4Ｈｅ混合物の２種類の構成成分を専用稼働の間に分離するのに提供されうる。
【００１２】
しかし、このシステムの寿命は混合ボックスに供給するのに準備されたヘリウム同位体の量によって制限される。加えて、それが宇宙船内で使用される場合、抽出されたヘリウム混合物は消失する。
【００１３】
本発明の目的は従来技術の上述した欠点の全てまたはいくつかを緩和することにある。
【００１４】
この目的のために、本発明による冷凍器は、上述の序文に挙げた包括的定義に従う他の点において、それが混合物が回収されるところの収集ボリュームを構成する分溜器を有し、この分溜器が3Ｈｅおよび4Ｈｅの混合物を気液平衡に保ち、この分溜器が3Ｈｅのソースと4Ｈｅのソースとの両方を形成し、第１の供給パイプが混合室に3Ｈｅを連続的におよび第１の閉ループにおいて供給するように3Ｈｅを分溜器内へと選択的にポンピングするポンピング部材を有し、第２の供給パイプが混合室に4Ｈｅを連続的におよび別の第２の閉ループにおいて供給するように4Ｈｅを分溜器内へと選択的にポンピングするポンピング部材を有することを本質的に特徴とする。
【００１５】
さらに、本発明のいくつかの実施形態は以下の特徴のうち１つ以上を有してもよい：
−分溜器は気相に対しての液相の封じ込めのための部材を有する；
−4Ｈｅを選択的にポンピングするポンピング部材は封じ込め部材によって封じ込められた液相と流体連絡しているスーパーリークと、取入れ口がスーパーリークを介して前記液相に接続されているポンピング部材とを有する；
−第１のおよび第２のパイプならびに放出パイプは分溜器と混合室との間で熱交換を行うように集合させられている；
−第１の供給パイプのポンピング部材は気体3Ｈｅをポンピングするポンプ、たとえばメカニカルポンプおよび／または吸収ポンプとして知られている１つ以上のポンプである；
−第１の供給パイプの上流端および／または第１の供給パイプのポンピング部材は分溜器のうち気液平衡にある3Ｈｅ−4Ｈｅ混合物から主に3Ｈｅを集める領域に通じている；
−第２の供給パイプのポンピング部材は液体4Ｈｅをポンピングするポンプ、たとえばメカニカルポンプおよび／または4Ｈｅ用のソースポンプ（サーモメカニカルポンプ）もしくはメカニカルポンプとして知られているポンプである；
−第２の供給パイプの上流端および／または第２の供給パイプのポンピング部材は分溜器のうち気液平衡にある3Ｈｅ−4Ｈｅ混合物から主に4Ｈｅを集める領域に通じている；
−第２の供給パイプのポンピング部材または第２の供給パイプの上流端は4Ｈｅの選択濾過のための部材を介して分溜器のうちのある領域に通じている。
【００１６】
本発明は非常に低い温度、特には２Ｋ未満およびより好ましくは１Ｋ未満にある冷熱を、２種類の同位体3Ｈｅおよび4Ｈｅの二相混合物がそれぞれの供給パイプを介して別々に導入される液体3Ｈｅおよび液体4Ｈｅから混合室内に生じるところの希釈サイクルを使用して作り出す方法であって、濃厚相として知られる相からの3Ｈｅが、3Ｈｅを希薄相として知られる相に入れるために、前記混合物から放出パイプを介して抽出され、およびそれにより、3Ｈｅが希薄相に入ることによって生じる冷熱エネルギーが回収され、二相混合物の相が混合室へと別々に導入される純粋な3Ｈｅおよび4Ｈｅの流れとパイプ内の毛管力とを制御することによって重力とは無関係に分離される方法にも関する。
【００１７】
１つの有利な特徴によると、希釈サイクルは閉ループにおいて機能し、前記方法は：
−２種類の同位体3Ｈｅおよび4Ｈｅを混合物のうち放出パイプによって抽出される部分から回収しおよび分離する第１の工程と；
−第１の工程中に分離された２種類の同位体3Ｈｅおよび4Ｈｅを混合室へと再導入する第２の工程と；
を有する。
【００１８】
他の考えられる特徴によると：
−２種類の同位体を回収および分離する第１の工程は3Ｈｅ−4Ｈｅ混合物を気液平衡に保つように構成された分溜器において行われる；
−２種類の3Ｈｅおよび4Ｈｅ同位体を混合室へと再導入する第２の工程はそれぞれのポンピング部材を使用して行われる；
−２種類の同位体3Ｈｅおよび4Ｈｅの混合物は混合室内で１０ｍＫないし３００ｍＫの間に含まれるおよびたとえば５０ｍＫないし３００ｍＫの間にある温度に保たれる；
−第１のパイプのポンピング部材のポンプ圧は０．１ないし５０ｍｂの間に含まれ、および好ましくは約５ｍＢａｒに等しい；
−前記方法は、第１の回収および分離の工程と第２の再導入の工程との間に、分離された同位体の一方または各々を１ないし２Ｋの間および好ましくは１．４ないし１．５Ｋの間にそれぞれ冷却する工程を有する；
−分溜器内の温度および分溜器内の3Ｈｅ濃度は3Ｈｅの蒸気圧が4Ｈｅのものより遥かに高くなるように保たれる；
−第１のパイプのポンプの吐き出し圧力は3Ｈｅを１．４−１．５Ｋの温度で液化させる（ポンプの出口での冷却）ために５０ないし１５００ｍｂａｒの間に含まれおよび好ましくは約２００ｍｂである；
−前記方法は希釈冷凍器であって、混合室と、ヘリウム同位体３（3Ｈｅ）のソースに接続された上流端および混合室に接続された下流端を有する第１の供給パイプと、ヘリウム同位体４（4Ｈｅ）のソースに接続された上流端および混合室に接続された下流端を有する第２の供給パイプと、第１のおよび第２のパイプによってそれぞれ供給される3Ｈｅおよび4Ｈｅから混合室内に作り出される3Ｈｅ−4Ｈｅの混合物の一部を放出する放出パイプとを有し、放出パイプは混合室に接続された上流端および放出された混合物の一部を回収する収集ボリュームに接続された下流端を有し、第１のおよび第２のパイプの下流端と放出パイプの上流端とは混合室を形成するように共通接続部において流体連絡しており、ヘリウムの混合物間の相分離が重力ではなくパイプ内の3Ｈｅおよび4Ｈｅの流れと毛管力とによって制御され、前記冷凍器が混合物が回収されるところの収集ボリュームを構成する分溜器をさらに有し、この分溜器が3Ｈｅおよび4Ｈｅの混合物を気液平衡に保ち、この分溜器が3Ｈｅのソースと4Ｈｅのソースとの両方を形成し、第１の供給パイプが3Ｈｅを分溜器内へと選択的にポンピングして混合室に3Ｈｅを連続的におよび第１の閉ループにおいて供給するポンピング部材を有し、第２の供給パイプが4Ｈｅを分溜器内へと選択的にポンピングして混合室に4Ｈｅを連続的におよび第２の閉ループにおいて供給するポンピング部材を有する冷凍器を使用する：
−第２のパイプのポンプ（ソース圧力ポンプ）内の圧力は単相性キャピラリにおいておよび前記ソース圧力ポンプと分溜器との間のキャピラリにおいて乱流を得るように、数百ｍｂａｒでありうる；
−第２のパイプ４のポンプ７がメカニカルポンプである場合、ポンプ圧は負でありうる。
【００１９】
本発明は以上または以下に挙げる特徴の任意の組み合わせを有する任意の代わりのデバイスまたは方法にも関するであろう。
【００２０】
他の詳細および利点は、図面を参照して示した以下の説明を読むことによって明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の１つの考えられる実施形態による冷凍器の構造および動作を模式的におよび部分的に示した図。
【００２２】
希釈冷却器１は第１の3Ｈｅ供給パイプ３の、第２の4Ｈｅ供給パイプ４の、および3Ｈｅ−4Ｈｅ混合物を放出する放出パイプ８の開口端（共通の接続部）において形成された混合室２を有している。
【００２３】
放出パイプ８は、上流から下流にかけて、２つの部分：２つの相（濃厚および希薄）が通る第１の部分（参照番号１３を付した領域）といったん濃厚相が希薄相中で完全に希釈されたあとの単相性3Ｈｅ−4Ｈｅ混合物が通る第２の部分（参照番号１２を付した領域）とを有している。この放出パイプ８はそれゆえに第１の３および第２の４のパイプによってそれぞれ供給される3Ｈｅおよび4Ｈｅから混合室２内で作り出される二相性3Ｈｅ−4Ｈｅ混合物を放出するのに役立つ。
【００２４】
ヘリウム3Ｈｅ−4Ｈｅの混合物間の相分離は3Ｈｅおよび4Ｈｅのパイプ３、４、８を通る流れとパイプ３、４、８内の毛管力とによって制御される。つまり前記相分離は重力にも向きにも依存しない（文献ＦＲ ２６２６６５８で用いられたものと同様の一般的原理に従う）ということである。
【００２５】
冷凍器１は3Ｈｅリッチの蒸気相と平衡状態にある希薄液体3Ｈｅ−4Ｈｅ混合物を収容する分溜気化器５を有している。
【００２６】
分溜器５は、たとえば、銅製および／またはステンレス鋼製のサブアセンブリであり、必要とされる流体入口および出口を有しおよびたとえば数立方センチメートルの気密ボリュームを構成している。分溜器５のボリュームは液体−気体の界面が前記ボリュームの内側に確立されるような大きさであり、系を通るＨｅの量に依存する。
【００２７】
第１のパイプ３の上流端はポンプ６を介して分溜器５に接続されておりおよび第１のパイプ３の下流端は混合室２に接続されている。
【００２８】
第２の供給パイプ４はポンプ７を介して分溜器５に接続された上流端および混合室２に接続された下流端を有している。
【００２９】
放出パイプ８はそれの上流端によって混合室２に接続されておりおよびそれの下流端によって分溜器５に接続されている。
【００３０】
装置１はそれゆえに分溜器５と混合室２との間に２つの閉ループを形成している。装置１は、蒸気−液体界面が分溜器５内に存在しおよび濃厚−希薄界面が混合室２内に存在するように、飽和3Ｈｅおよび4Ｈｅ混合物によって満たされている。
【００３１】
第１の供給パイプ３は混合室２に3Ｈｅを分溜器５からポンピング部材６たとえばポンプを介して供給する。
【００３２】
第２の供給パイプ４は混合室２に4Ｈｅを分溜器５からポンピング部材７たとえばポンプを介して供給する。
【００３３】
分溜器５内の温度および分溜器５内の3Ｈｅ濃度は3Ｈｅの蒸気圧が4Ｈｅのものよりも遥かに高くなるように保たれるので、第１のパイプ３のポンプ６は主に3Ｈｅ（気体）をポンピングする。
【００３４】
このポンプ６はメカニカルポンプでもよいしまたは周囲温度もしくは極低温の状態で設置された任意の他の好適で等価なポンピングシステム（たとえば吸着ポンプ）でもよい。分溜器５からポンピングされたあと、3Ｈｅはそれが混合室２に導入される前に冷却される。たとえば、冷却器１０は気体の形態で分溜器５からポンピングされた3Ｈｅを液化させる。この冷却器１０は、たとえば、Ｈｅ（3Ｈｅまたは4Ｈｅ）に対して機能するジュール−トムソン膨張システムから構成されていてもよいしまたは理想的には約１．４ないし１．５Ｋの温度を供給することができる任意のクーラーでもよい。この第１の冷却１０のあと、3Ｈｅは分溜器５（第１のパイプ３との熱交換）によって冷却される。次に、3Ｈｅは第１のパイプ３と放出パイプ８（この放出パイプ８も潜在的に第２のパイプ４との熱交換関係にある）との間の熱交換によって冷却されてもよい。したがって、注入された液体3Ｈｅが単相性3Ｈｅ−4Ｈｅ混合物と熱交換するところの領域１２および注入された液体3Ｈｅと二相性3Ｈｅ−4Ｈｅ混合物との間の熱交換のための領域１３が存在する。
【００３５】
液体の形態で混合ボックス２へと注入されるヘリウム同位体３（3Ｈｅ）は１０ｍＫないし３００ｍＫの間に含まれる温度を典型的に有する。
【００３６】
第２のパイプ４のポンプ７はもっぱら液体4Ｈｅをポンピングする。液体4Ｈｅポンプ７はスーパーリークとして知られており超流動体4Ｈｅのみをポンピングさせる半透膜のように働くシステム９をたとえば用いて分溜器５に接続されていてもよい。このスーパーリーク９は分溜器５の液相中に浸漬した一端１９と、浸漬されておらずおよび好ましくは分溜器５から断熱されている一端２９とを有している。さらに、境界デバイス１４が液体3Ｈｅ−4Ｈｅ混合物のスーパーリークの浸漬した端部１９と接触した状態での封じ込めを可能にするのに使用される場合がある。この境界デバイス１４はキャピラリを使用して機能してもよく、たとえばそれは意図された用途に適した孔径分布を有する多孔質媒体からなっていてもよい。他のシステム、たとえば電場を用いるものが液相と気相との間でのこの封じ込めを達成するために考えられるであろう。
【００３７】
ポンプ７はソースポンプ（サーモメカニカルポンプ）でもよいしまたはメカニカル4Ｈｅポンプでもよいしスーパーリーク９の下流に必要に応じて位置決めされた周囲もしくは極低温にある他の任意の適切で等価な部材（たとえば吸着ポンプまたはコールドタービン）でもよい。
【００３８】
分溜器５からポンピングされた超流動体4Ｈｅは第１のパイプ３の冷却器１０と同様の機能を果たす外部の冷熱ソース１１によって冷却されてもよい（理想的には約１．４ないし１．５Ｋの温度までの冷却）。２つの冷却器１０および１１は付随的にただ１つの同じ冷却部材を形成する場合がある。第２のパイプ４のポンプ７による熱の逸散が十分に低い場合には特に、冷熱ソース（何れかまたは両方が任意であろう冷却器１０および／または冷却器１１）なしで済ますことが熱力学的に考えられることに気付かれるであろう。
【００３９】
この第１の冷却１１に続いて、4Ｈｅは分溜器５によって冷却される場合がある（第２のパイプ４との熱交換）。次に、4Ｈｅはこの第２のパイプ４と放出パイプ８との間の熱交換によって冷却される（この放出パイプ８は場合により第１のパイプ３とも熱交換関係にある）。したがって、注入された液体3Ｈｅと単相性3Ｈｅ−4Ｈｅ混合物との間で熱交換が行われるところの領域１２および注入された液体3Ｈｅと二相性3Ｈｅ−4Ｈｅ混合物との間で熱交換が行われるところの領域１３が存在する。
【００４０】
液体の形態で混合室２へと注入されるヘリウム同位体４（4Ｈｅ）は１０ｍＫないし３００ｍＫの間に含まれる温度を典型的に有する。
【００４１】
混合室２内の動作温度は１０ｍＫからないし３００ｍＫの範囲内に一般に含まれる。
【００４２】
第２のパイプ４のソース圧力ポンプ７が効率的に動作できるには、分溜器５の液相中の3Ｈｅ濃度は好ましくは約１０％であり、分溜器５内の温度は好ましくは約１．０５Ｋである。結果として、分溜器５内の蒸気圧は約５ｍｂでありおよび蒸気中の3Ｈｅ濃度は９５％に近い。
【００４３】
第１のパイプ３のポンプ６のポンプ圧はそれゆえに典型的には約５ｍｂでありおよび吐き出し圧は、たとえば、約２００ｍｂ以上であり、およびこれは3Ｈｅが１．４−１．５Ｋの温度で液化することを可能にする。
【００４４】
ポンピングおよび第１の冷却１０、１１のあとの流体の温度は、たとえば、１ないし２Ｋの間に含まれる。
【００４５】
本発明による希釈冷凍器１はそれゆえに分溜器５内の液相および蒸気相を局在化させることを可能にする封じ込めシステム１４を使用する。
【００４６】
したがって本発明による冷凍器１はヘリウム同位体（4Ｈｅおよび3Ｈｅ）の２つの別個な流れを２つの閉ループ内において、ヘリウムを外部から追加する必要なしに維持することを連続的に可能にする。
【００４７】
得られる冷凍器１またはクライオスタットはたとえば約０．０５Ｋの安定な温度を作り出すことおよびこれを混合室２内で制限されない自律性で維持することを可能にする。
【００４８】
上で説明したシステムは全ての方向に向き付けることができる支持体上にとりわけ無重力環境における用途または重力場を受ける用途を目的として搭載できる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非常に低い温度を得るための希釈冷凍器であって、混合室（２）と、ヘリウム同位体３（3Ｈｅ）のソースに接続された上流端および前記混合室（２）に接続された下流端を有する第１の供給パイプ（３）と、ヘリウム同位体４（4Ｈｅ）のソースに接続された上流端および前記混合室（２）に接続された下流端を有する第２の供給パイプ（４）と、前記第１（３）のおよび第２（４）のパイプによってそれぞれ供給される3Ｈｅおよび4Ｈｅから前記混合室（２）内に作り出される3Ｈｅ−4Ｈｅの混合物を放出する放出パイプ（８）とを有し、前記放出パイプ（４）が前記混合室（２）に接続された上流端および前記放出される混合物の一部を回収する収集ボリューム（５）に接続された下流端を有し、前記第１（３）のおよび第２（４）のパイプの前記下流端と前記放出パイプ（８）の前記上流端とが前記混合室（２）を形成するように共通接続部において流体連絡しており、ヘリウム3Ｈｅ−4Ｈｅの前記混合物間の相分離が前記パイプ（３、４、８）内の3Ｈｅおよび4Ｈｅの流れと前記パイプ内の毛管力とによって重力とは無関係に制御され、それが前記混合物が回収されるところの前記収集ボリュームを構成する分溜器（５）を有し、前記分溜器（５）が前記3Ｈｅおよび4Ｈｅの混合物（２）を気液平衡に保ち、前記分溜器（５）が前記3Ｈｅのソースと前記4Ｈｅのソースとの両方を形成し、前記第１の供給パイプ（３）が前記混合室（２）に3Ｈｅを連続的におよび第１の閉ループにおいて供給するように3Ｈｅを前記分溜器（５）内へと選択的にポンピングするポンピング部材（６）を有し、前記第２の供給パイプ（４）が前記混合室（２）に4Ｈｅを連続的におよび別の第２の閉ループにおいて供給するように4Ｈｅを前記分溜器（５）内へと選択的にポンピングするポンピング部材（７、９）を有することを特徴とする冷凍器。
【請求項２】
前記分溜器（５）が気相に対しての液相の封じ込めのための部材（１４）を有することを特徴とする請求項１に記載の冷凍器。
【請求項３】
前記4Ｈｅを選択的にポンピングする前記ポンピング部材（７、９）が前記封じ込め部材（１４）によって封じ込められた液相と流体連絡（１９）しているスーパーリーク（９）と、取入れ口が前記スーパーリーク（９）を介して（２９）前記液相に接続されているポンピング部材（７）とを有することを特徴とする請求項２に記載の冷凍器。
【請求項４】
前記第１（３）のおよび第２（４）のパイプならびに前記放出パイプ（８）が前記分溜器（５）と前記混合ボックス（２）との間で熱交換を行うように集合させられていることを特徴とする請求項１ないし３の何れか１項に記載の冷凍器。
【請求項５】
前記第１の供給パイプ（３）の前記ポンピング部材（６）が気体3Ｈｅをポンピングするポンプ、たとえばメカニカルポンプおよび／または吸収ポンプとして知られている１つ以上のポンプであることを特徴とする請求項１ないし４の何れか１項に記載の冷凍器。
【請求項６】
前記第１の供給パイプ（３）の前記上流端および／または前記第１の供給パイプ（３）の前記ポンピング部材（６）は前記分溜器（５）のうち気液平衡にある前記3Ｈｅ−4Ｈｅ混合物から主に3Ｈｅを集める領域に通じていることを特徴とする請求項１ないし５の何れか１項に記載の冷凍器。
【請求項７】
前記第２の供給パイプ（４）の前記ポンピング部材（７）は液体4Ｈｅをポンピングするポンプ（Ｐ）、たとえばメカニカルポンプおよび／または超流動体ヘリウム用のソースポンプ（サーモメカニカルポンプ）もしくはメカニカルポンプとして知られているポンプであることを特徴とする請求項１ないし６の何れか１項に記載の冷凍器。
【請求項８】
前記第２の供給パイプ（４）の前記上流端および／または前記第２の供給パイプ（４）の前記ポンピング部材（７）は前記分溜器（５）のうち気液平衡にある前記3Ｈｅ−4Ｈｅ混合物から主に4Ｈｅを集める領域に通じていることを特徴とする請求項１ないし７の何れか１項に記載の冷凍器。
【請求項９】
前記第２の供給パイプ（４）の前記ポンピング部材（７）または前記第２の供給パイプ（４）の前記上流端は4Ｈｅの選択濾過のための部材（９）を介して前記分溜器（５）のうちのある領域に通じていることを特徴とする請求項７または８に記載の冷凍器。
【請求項１０】
非常に低い温度、特には２Ｋ未満およびより好ましくは１Ｋ未満にある冷熱を、２種類の同位体3Ｈｅおよび4Ｈｅの二相混合物がそれぞれの供給パイプ（３、４）を介して別々に導入される液体3Ｈｅおよび液体4Ｈｅから混合室（２）内に生じるところの希釈サイクルを使用して作り出す方法であって、濃厚相として知られる相からの3Ｈｅが、前記3Ｈｅを希薄相として知られる相に入れるために、前記混合物から放出パイプ（８）を介して抽出され、およびそれにより、前記3Ｈｅが前記希薄相に入ることによって生じる冷熱エネルギーが回収され；前記二相混合物の相が前記混合室（２）へと別々に導入される純粋な3Ｈｅおよび4Ｈｅの流れと前記パイプ（３、４）内の毛管力とを制御することによって重力とは無関係に分離され、前記希釈サイクルが閉ループにおいて機能し、前記方法が：
−前記２種類の同位体3Ｈｅおよび4Ｈｅを混合物のうち放出パイプ（８）によって抽出される部分から回収しおよび分離する第１の工程と；
−前記第１の工程中に分離された前記２種類の同位体3Ｈｅおよび4Ｈｅを前記混合室（２）へと再導入する第２の工程と
を有することを特徴とする方法。
【請求項１１】
前記２種類の同位体を回収および分離する前記第１の工程が前記3Ｈｅ−4Ｈｅ混合物（２）を気液平衡に保つように構成された分溜器（５）において行われることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記２種類の3Ｈｅおよび4Ｈｅ同位体を前記混合室（２）へと再導入する前記第２の工程はそれぞれのポンピング部材（６、７）を使用して行われることを特徴とする請求項１０または１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記２種類の同位体3Ｈｅおよび4Ｈｅの前記混合物は前記混合室（２）内で１０ｍＫないし３００ｍＫの間に含まれる温度に保たれることを特徴とする請求項１０ないし１２の何れか１項に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１のパイプ（３）の前記ポンピング部材（６）のポンプ圧は０．１ないし５０ｍｂの間に含まれ、および好ましくは約５ｍＢａｒに等しいことを特徴とする請求項１０ないし１３の何れか１項に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１の回収および分離の工程と前記第２の再導入の工程との間に、分離された同位体の一方または各々を１ないし２Ｋの間および好ましくは１．４ないし１．５Ｋの間にそれぞれ冷却する工程（１０、１１）を有することを特徴とする請求項１０ないし１４の何れか１項に記載の方法。
【請求項１６】
希釈冷凍器であって、混合室（２）と、ヘリウム同位体３（3Ｈｅ）のソースに接続された上流端および前記混合室（２）に接続された下流端を有する第１の供給パイプ（３）と、ヘリウム同位体４（4Ｈｅ）のソースに接続された上流端および前記混合室（２）に接続された下流端を有する第２の供給パイプ（４）と、前記第１（３）のおよび第２（４）のパイプによってそれぞれ供給される前記3Ｈｅおよび前記4Ｈｅから混合室（２）内に作り出される前記3Ｈｅ−4Ｈｅの混合物の一部を放出する放出パイプ（８）とを有し、前記放出パイプ（４）は前記混合室（２）に接続された上流端および前記放出される混合物の一部を回収する収集ボリューム（５）に接続された下流端を有し、前記第１（３）のおよび第２（４）のパイプの前記下流端と前記放出パイプ（８）の前記上流端とは前記混合室（２）を形成するように共通接続部において流体連絡しており、前記ヘリウムの混合物間の相分離が重力ではなく前記パイプ内の3Ｈｅおよび4Ｈｅの流れと毛管力とによって制御され、前記冷凍器（１）が前記混合物が回収されるところの前記収集ボリュームを構成する分溜器（５）をさらに有し、前記分溜器（５）が前記3Ｈｅおよび4Ｈｅの前記混合物（２）を気液平衡に保ち、前記分溜器（５）が前記3Ｈｅのソースと前記4Ｈｅのソースとの両方を形成し、前記第１の供給パイプ（３）が3Ｈｅを前記分溜器（５）内へと選択的にポンピングして前記混合室（２）に3Ｈｅを連続的におよび第１の閉ループにおいて供給するポンピング部材（６）を有し、第２の供給パイプ（４）が4Ｈｅを分溜器（５）内へと選択的にポンピングして前記混合室（２）に4Ｈｅを連続的におよび第２の閉ループにおいて供給するポンピング部材（７）を有する冷凍器を使用することを特徴とする請求項１０ないし１５の何れか１項に記載の方法。
【請求項１】
非常に低い温度を得るための希釈冷凍器であって、混合室（２）と、ヘリウム同位体３（3Ｈｅ）のソースに接続された上流端および前記混合室（２）に接続された下流端を有する第１の供給パイプ（３）と、ヘリウム同位体４（4Ｈｅ）のソースに接続された上流端および前記混合室（２）に接続された下流端を有する第２の供給パイプ（４）と、前記第１（３）のおよび第２（４）のパイプによってそれぞれ供給される3Ｈｅおよび4Ｈｅから前記混合室（２）内に作り出される3Ｈｅ−4Ｈｅの混合物を放出する放出パイプ（８）とを有し、前記放出パイプ（４）が前記混合室（２）に接続された上流端および前記放出される混合物の一部を回収する収集ボリューム（５）に接続された下流端を有し、前記第１（３）のおよび第２（４）のパイプの前記下流端と前記放出パイプ（８）の前記上流端とが前記混合室（２）を形成するように共通接続部において流体連絡しており、ヘリウム3Ｈｅ−4Ｈｅの前記混合物間の相分離が前記パイプ（３、４、８）内の3Ｈｅおよび4Ｈｅの流れと前記パイプ内の毛管力とによって重力とは無関係に制御され、それが前記混合物が回収されるところの前記収集ボリュームを構成する分溜器（５）を有し、前記分溜器（５）が前記3Ｈｅおよび4Ｈｅの混合物（２）を気液平衡に保ち、前記分溜器（５）が前記3Ｈｅのソースと前記4Ｈｅのソースとの両方を形成し、前記第１の供給パイプ（３）が前記混合室（２）に3Ｈｅを連続的におよび第１の閉ループにおいて供給するように3Ｈｅを前記分溜器（５）内へと選択的にポンピングするポンピング部材（６）を有し、前記第２の供給パイプ（４）が前記混合室（２）に4Ｈｅを連続的におよび別の第２の閉ループにおいて供給するように4Ｈｅを前記分溜器（５）内へと選択的にポンピングするポンピング部材（７、９）を有することを特徴とする冷凍器。
【請求項２】
前記分溜器（５）が気相に対しての液相の封じ込めのための部材（１４）を有することを特徴とする請求項１に記載の冷凍器。
【請求項３】
前記4Ｈｅを選択的にポンピングする前記ポンピング部材（７、９）が前記封じ込め部材（１４）によって封じ込められた液相と流体連絡（１９）しているスーパーリーク（９）と、取入れ口が前記スーパーリーク（９）を介して（２９）前記液相に接続されているポンピング部材（７）とを有することを特徴とする請求項２に記載の冷凍器。
【請求項４】
前記第１（３）のおよび第２（４）のパイプならびに前記放出パイプ（８）が前記分溜器（５）と前記混合ボックス（２）との間で熱交換を行うように集合させられていることを特徴とする請求項１ないし３の何れか１項に記載の冷凍器。
【請求項５】
前記第１の供給パイプ（３）の前記ポンピング部材（６）が気体3Ｈｅをポンピングするポンプ、たとえばメカニカルポンプおよび／または吸収ポンプとして知られている１つ以上のポンプであることを特徴とする請求項１ないし４の何れか１項に記載の冷凍器。
【請求項６】
前記第１の供給パイプ（３）の前記上流端および／または前記第１の供給パイプ（３）の前記ポンピング部材（６）は前記分溜器（５）のうち気液平衡にある前記3Ｈｅ−4Ｈｅ混合物から主に3Ｈｅを集める領域に通じていることを特徴とする請求項１ないし５の何れか１項に記載の冷凍器。
【請求項７】
前記第２の供給パイプ（４）の前記ポンピング部材（７）は液体4Ｈｅをポンピングするポンプ（Ｐ）、たとえばメカニカルポンプおよび／または超流動体ヘリウム用のソースポンプ（サーモメカニカルポンプ）もしくはメカニカルポンプとして知られているポンプであることを特徴とする請求項１ないし６の何れか１項に記載の冷凍器。
【請求項８】
前記第２の供給パイプ（４）の前記上流端および／または前記第２の供給パイプ（４）の前記ポンピング部材（７）は前記分溜器（５）のうち気液平衡にある前記3Ｈｅ−4Ｈｅ混合物から主に4Ｈｅを集める領域に通じていることを特徴とする請求項１ないし７の何れか１項に記載の冷凍器。
【請求項９】
前記第２の供給パイプ（４）の前記ポンピング部材（７）または前記第２の供給パイプ（４）の前記上流端は4Ｈｅの選択濾過のための部材（９）を介して前記分溜器（５）のうちのある領域に通じていることを特徴とする請求項７または８に記載の冷凍器。
【請求項１０】
非常に低い温度、特には２Ｋ未満およびより好ましくは１Ｋ未満にある冷熱を、２種類の同位体3Ｈｅおよび4Ｈｅの二相混合物がそれぞれの供給パイプ（３、４）を介して別々に導入される液体3Ｈｅおよび液体4Ｈｅから混合室（２）内に生じるところの希釈サイクルを使用して作り出す方法であって、濃厚相として知られる相からの3Ｈｅが、前記3Ｈｅを希薄相として知られる相に入れるために、前記混合物から放出パイプ（８）を介して抽出され、およびそれにより、前記3Ｈｅが前記希薄相に入ることによって生じる冷熱エネルギーが回収され；前記二相混合物の相が前記混合室（２）へと別々に導入される純粋な3Ｈｅおよび4Ｈｅの流れと前記パイプ（３、４）内の毛管力とを制御することによって重力とは無関係に分離され、前記希釈サイクルが閉ループにおいて機能し、前記方法が：
−前記２種類の同位体3Ｈｅおよび4Ｈｅを混合物のうち放出パイプ（８）によって抽出される部分から回収しおよび分離する第１の工程と；
−前記第１の工程中に分離された前記２種類の同位体3Ｈｅおよび4Ｈｅを前記混合室（２）へと再導入する第２の工程と
を有することを特徴とする方法。
【請求項１１】
前記２種類の同位体を回収および分離する前記第１の工程が前記3Ｈｅ−4Ｈｅ混合物（２）を気液平衡に保つように構成された分溜器（５）において行われることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記２種類の3Ｈｅおよび4Ｈｅ同位体を前記混合室（２）へと再導入する前記第２の工程はそれぞれのポンピング部材（６、７）を使用して行われることを特徴とする請求項１０または１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記２種類の同位体3Ｈｅおよび4Ｈｅの前記混合物は前記混合室（２）内で１０ｍＫないし３００ｍＫの間に含まれる温度に保たれることを特徴とする請求項１０ないし１２の何れか１項に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１のパイプ（３）の前記ポンピング部材（６）のポンプ圧は０．１ないし５０ｍｂの間に含まれ、および好ましくは約５ｍＢａｒに等しいことを特徴とする請求項１０ないし１３の何れか１項に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１の回収および分離の工程と前記第２の再導入の工程との間に、分離された同位体の一方または各々を１ないし２Ｋの間および好ましくは１．４ないし１．５Ｋの間にそれぞれ冷却する工程（１０、１１）を有することを特徴とする請求項１０ないし１４の何れか１項に記載の方法。
【請求項１６】
希釈冷凍器であって、混合室（２）と、ヘリウム同位体３（3Ｈｅ）のソースに接続された上流端および前記混合室（２）に接続された下流端を有する第１の供給パイプ（３）と、ヘリウム同位体４（4Ｈｅ）のソースに接続された上流端および前記混合室（２）に接続された下流端を有する第２の供給パイプ（４）と、前記第１（３）のおよび第２（４）のパイプによってそれぞれ供給される前記3Ｈｅおよび前記4Ｈｅから混合室（２）内に作り出される前記3Ｈｅ−4Ｈｅの混合物の一部を放出する放出パイプ（８）とを有し、前記放出パイプ（４）は前記混合室（２）に接続された上流端および前記放出される混合物の一部を回収する収集ボリューム（５）に接続された下流端を有し、前記第１（３）のおよび第２（４）のパイプの前記下流端と前記放出パイプ（８）の前記上流端とは前記混合室（２）を形成するように共通接続部において流体連絡しており、前記ヘリウムの混合物間の相分離が重力ではなく前記パイプ内の3Ｈｅおよび4Ｈｅの流れと毛管力とによって制御され、前記冷凍器（１）が前記混合物が回収されるところの前記収集ボリュームを構成する分溜器（５）をさらに有し、前記分溜器（５）が前記3Ｈｅおよび4Ｈｅの前記混合物（２）を気液平衡に保ち、前記分溜器（５）が前記3Ｈｅのソースと前記4Ｈｅのソースとの両方を形成し、前記第１の供給パイプ（３）が3Ｈｅを前記分溜器（５）内へと選択的にポンピングして前記混合室（２）に3Ｈｅを連続的におよび第１の閉ループにおいて供給するポンピング部材（６）を有し、第２の供給パイプ（４）が4Ｈｅを分溜器（５）内へと選択的にポンピングして前記混合室（２）に4Ｈｅを連続的におよび第２の閉ループにおいて供給するポンピング部材（７）を有する冷凍器を使用することを特徴とする請求項１０ないし１５の何れか１項に記載の方法。
【図１】
【公表番号】特表２０１１−５２９５６１（Ｐ２０１１−５２９５６１Ａ）
【公表日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５２０５６３（Ｐ２０１１−５２０５６３）
【出願日】平成２１年７月２２日（２００９．７．２２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＦＲ２００９／０５１４６８
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０１２９３９
【国際公開日】平成２２年２月４日（２０１０．２．４）
【出願人】（５９１０３６５７２）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 (438)
【出願人】（５００１７４６６１）サントル・ナショナル・ドゥ・ラ・レシェルシュ・サイエンティフィーク−セ・エン・エール・エス− (54)
【出願人】（５０９１２０４４７）サントル・ナショナル・デテュッド・スパティアレ (2)
【氏名又は名称原語表記】ＣＥＮＴＲＥ ＮＡＴＩＯＮＡＬ Ｄ’ＥＴＵＤＥＳ ＳＰＡＴＩＡＬＥＳ
【住所又は居所原語表記】２ ｐｌａｃｅ Ｍａｕｒｉｃｅ Ｑｕｅｎｔｉｎ − ７５００１ ＰＡＲＩＳ， Ｆｒａｎｃｅ
【公表日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月２２日（２００９．７．２２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＦＲ２００９／０５１４６８
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０１２９３９
【国際公開日】平成２２年２月４日（２０１０．２．４）
【出願人】（５９１０３６５７２）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 (438)
【出願人】（５００１７４６６１）サントル・ナショナル・ドゥ・ラ・レシェルシュ・サイエンティフィーク−セ・エン・エール・エス− (54)
【出願人】（５０９１２０４４７）サントル・ナショナル・デテュッド・スパティアレ (2)
【氏名又は名称原語表記】ＣＥＮＴＲＥ ＮＡＴＩＯＮＡＬ Ｄ’ＥＴＵＤＥＳ ＳＰＡＴＩＡＬＥＳ
【住所又は居所原語表記】２ ｐｌａｃｅ Ｍａｕｒｉｃｅ Ｑｕｅｎｔｉｎ − ７５００１ ＰＡＲＩＳ， Ｆｒａｎｃｅ
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