JP2005090928A - 希釈冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】 機械式冷凍機が発生する寒冷によって３Ｈｅを予冷する希釈冷凍機において、機械式冷凍機が発生する振動の伝播を抑制しつつ３Ｈｅを予冷する、低振動かつ信頼性の高い希釈冷凍機を提供する。
【解決手段】 前記機械式冷凍機４２を第２の真空容器４７に収納するとともに、３Ｈｅ予冷用熱交換器４４を第２の真空容器４７とは個別に独立した第１の真空容器４６内に収納し、前記機械式冷凍機４２と３Ｈｅ予冷用熱交換器４４とを、ヒートパイプのパイプ状容器４８がヒートパイプの凝縮ステージＥを構成する端板４９及び蒸発ステージＦを構成する端板５０とは熱的には結合するが、機械的には分離したフレキシブルヒートパイプＣで接続した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、機械式冷凍機が発生する寒冷によって被冷却体を冷却する冷凍機に関し、特に、３Ｈｅの初期冷却用として前記機械式冷凍機を用いる、連続運転可能な３Ｈｅ―４Ｈｅ希釈冷凍機に関する。

液体３Ｈｅと液体４Ｈｅの混合液は、０．８７Ｋ以下の温度で2相に分離し、０．１Ｋ程度の温度では、３Ｈｅが１００％の濃厚相と３Ｈｅを６．４％含む稀薄相とが共存する。この濃厚相の３Ｈｅを稀薄相へ溶け込ませる（希釈させる）と、外部から熱を吸収し０．１Ｋ以下の超低温が発生する。この現象を利用した冷凍機が希釈冷凍機と称され、実用に供されている。
希釈冷凍機の原理はよく知られており、例えば、ＣＲＹＯＧＥＮＩＣＳ Ｖｏ１．１７（１９９７ Ｐ１７３）や、東京大学出版会発行物理工学実験７=低温技術＝１９８７年などに記載されている。その原理的な構成を図５に示す。

図５において、第１の真空ポンプ１は３Ｈｅガスを循環させるものであり、符号２は３Ｈｅガスの往路側流路、符号３は３Ｈｅガスの復路側流路である。この第１の真空ポンプ１から送り出された３００Ｋ程産の温度の３Ｈｅガスは、１Ｋポット１２内部に設置された３Ｈｅコンデンサー４に入る。１Ｋポット１２には、第２の真空ポンプ１１で減圧状態にされた１．３Ｋ程度の超流動液体４Ｈｅが満たされており、３Ｈｅコンデンサー４に入った３Ｈｅは凝縮／液化される。さらに、この液体３Ｈｅは主インピーダンス５を介して分溜室６内の第１の熱交換器７に送られる。この分溜室６は、後述するように３Ｈｅと４Ｈｅの飽和蒸気圧の差を利用して３Ｈｅ―４Ｈｅの混合溶液中から３Ｈｅを選択的に取り出すものであり、０．５〜０．７Ｋ程度の温度に保持されている。その結果、第1の熱交換器７に送られた３Ｈｅはこの分溜室６内の液体と熱交換され、０．５〜０．７Ｋ程度にまで冷却される。

さらにこの液体３Ｈｅは副インピーダンス８を経て第2の熱交換器９において１００ｍＫ程度にまで冷却され、混合室１０に送られる。混合室１０では、前述のような１００％３Ｈｅの濃厚相と、３Ｈｅが４Ｈｅに溶け込んだ４Ｈｅ―６．４％３Ｈｅの稀薄相とに2相分離しており、密度の差により上相が濃厚相（３Ｈｅ液）、下相が稀薄相（４Ｈｅ―６．４％３Ｈｅ液）となっている。濃厚相に入った３Ｈｅが稀薄相に溶け込む際に、既に述べた如く熱吸収がおこり、数十ｍＫの超低温が発生する。
従って、この混合室１０に冷却対象物を保持する様にしておけば数十ｍＫの温度領域の冷凍機となる。

前記分溜室６は、第１の真空ポンプ１で排気されるが、４Ｈｅと３Ｈｅの蒸気圧の差により３Ｈｅが選択的にガス化して排出され、分溜室６内の稀薄相中の３Ｈｅ濃度が低下することになる（同時に蒸発熱により温度が下がる）。排気されている分溜室６内の稀薄相中の３Ｈｅ濃度は温度の関数となっており（１／Ｔで比例する）、分溜室６を０．５〜０．７Ｋに保持すると、稀薄相中の３Ｈｅ濃度は熱力学的平衡条件から約１％程度となる、従って、分溜室６のガス相を排気し、同時に何らかの加熱手段で分溜室６を０．７Ｋ程度に保持すると、分溜室６内の稀薄相中の３Ｈｅ濃度を保持するための３Ｈｅの移動が生じ、混合室１０内の稀薄相中から３Ｈｅが分溜室６へ移動・引き込まれる。それに伴って混合室１０で100％３Ｈｅの濃厚相から稀薄相への３Ｈｅの溶け込みが連続的に生じることになる。混合室１０から分溜室６へ引き込まれる復路流路３側の３Ｈｅは第2の熱交換器９を通過する間に、前述の往路側流路２側の３Ｈｅを冷却することになる。
第１の真空ポンプ１により排気・吸引された３Ｈｅは、再び３Ｈｅコンデンサー４に送られ同様な過程を繰り返す。
以上の様にして、希釈冷凍機では数〜数十ｍＫのオーダーの超低温を得ることができる。

しかしながら、図５に示す希釈冷凍機では、超流動液体４Ｈｅを貯蔵する１Ｋポット１２が必要となるうえに、１Ｋポット１２内の液体ヘリウムを真空ポンプ１１により排気減圧する必要があるため、１Ｋポット１２内の液体ヘリウムは徐々に消費されてその量が減ることになる。そのため、超流動液体４Ｈｅの供給、真空ポンプ１１の設置など運転操作が煩雑になるなどの欠点があった。

そこで、１Ｋポット１２を廃止し、通常の４Ｈｅ液体や、機械的な冷凍機に置き換える簡易型の希釈冷凍機が提案されている。機械式冷凍機を用いた簡易型の希釈冷凍機に関連する先行技術文献として、後掲する特許文献１がある。

図４はＧＭ冷凍機を用いた従来の簡易型希釈冷凍機のブロック図である。なお、図４中、図５と同一部品には同一符号を付し説明の重複を省略する。図４において、符号１はＨｅガスを循環させる真空ポンプであり、この真空ポンプ１によって送り出された３Ｈｅガス（通常は室温）は、トラップ２１を介して、真空容器２５から筺体が構成される希釈冷凍機本体Ａ’の往路側流路２に送り込まれる。希釈冷凍機本体Ａ’は、ＧＭ冷凍機等の小型機械式冷凍機２２（以下、特に説明がない限り「ＧＭ冷凍機２２」という）を備えており、ＧＭ冷凍機２２で４Ｋ程度の低温を発生させ、この寒冷をＧＭ冷凍機２２の冷却ヘッド２２ａに直結させた銅等の熱伝導の良好な伝熱板２３により往路側流路２側に設けた３Ｈｅ予冷用熱交換器２４に伝え、この寒冷で往路側流路２側の３Ｈｅガスを予冷する構造となっている。なお、符号２４ａは、３Ｈｅ予冷用熱交換器２４の伝熱部であり、伝熱板２３に直結している。また、冷却ヘッド２２ａを含むＧＭ冷凍機２２の低温部２２ｂと伝熱板２３は、希釈冷凍機本体Ａ’を構成する真空容器２５内に収納されている。

前記３Ｈｅ予冷用熱交換器２４で予冷された３Ｈｅガスは、希釈冷凍機本体Ａ’の復路側流路３内を通る往路側流路２に配設された３Ｈｅコンデンサー４及び主インピーダンス５に導かれ、凝縮／液化される。この凝縮／液化された液体３Ｈｅは、さらに、分留室６に設けられた第１熱交換器７、副インピーダンス８、第2熱交換器９を経て混合室１０に送られ、図５の希釈冷凍機と同じ原理により、混合室１０で数十ｍＫの超低温を発生する。

このように、図４の簡易型希釈冷凍機は、図５の超流動液体４Ｈｅが入っている１Ｋポット１２及び第2の真空ポンプ１１の代わりに、ＧＭ冷凍機２２と伝熱板２３と３Ｈｅ予冷用熱交換器２４を用いており、機械式冷凍機で希釈冷凍機を予冷する工夫がなされているといえる。なお、図４には、図５で省略したトラップ２１、真空容器２５等が記載されているが基本構造は図５と同じである。

図４に示すGM冷凍機を用いた簡易型希釈冷凍機は、超流動液体４Ｈｅを貯蔵する１Ｋポットや第２の真空ポンプを必要としないため、連続使用が可能であり、かつ、運転操作性が向上し、図５の希釈冷凍機の前述した問題を解消することができる。しかしながら、図４の希釈冷凍機は、GM冷凍機の低温部と希釈冷凍機本体の３Ｈｅ予冷用熱交換器が銅等の固体の良熱伝導体で直結される構造となっているため、ＧＭ冷凍機の機械振動が、そのまま希釈冷凍機本体に伝わり、低振動を要求する用途には使用できないという問題があった。

このため、振動面での改善を目的として、後掲する特許文献２に記載されているように、ＧＭ冷凍機の代わりに、低振動の機械式冷凍機のパルス管冷凍機を用いる提案もなされている。

特開２００１―３０４７０９号公報（段落００３４乃至００４３並びに図１等参照） 特開２０００―２０５９６０号公報（段落００３３並びに図２等参照）

図４に示すGM冷凍機を用いた簡易型希釈冷凍機は、前述したようにGM冷凍機の低温部と希釈冷凍機本体の３Ｈｅ予冷用熱交換器が銅等の固体の良熱伝導体で直結される構造となっているため、ＧＭ冷凍機の機械振動が、そのまま希釈冷凍機本体に伝わり、低振動を要求する用途には使用できないという問題があった。

また、機械式の極低温冷凍機は、不純物に弱いなどの弱点を持つため、産業用に多用されている冷凍機はＧＭ冷凍機が主となっており、現状では、パルス管冷凍機は、まだ信頼性に乏しいといえる。また、パルス管冷凍機といえども、振動の発生は零ではなく、場合によっては、振動対策が必要となる可能性がある。

さらに、機械式の極低温冷凍機で発生した寒冷を通常のヒートパイプを介して希釈冷凍機本体に伝えるようにすることも考えられるが、通常のヒートパイプは、剛性のあるパイプの中に高圧の作動流体を封入して使用するため、機械式の極低温冷凍機で発生した振動が希釈冷凍機本体に直接伝わってしまい、やはり、低振動を要求する用途には使用できない。

本発明の目的は、機械式冷凍機が発生する寒冷によって被冷却体を冷却する冷凍機において、機械式冷凍機が発生する振動が被冷却体に伝わるのを抑制しつつ被冷却体を冷却して、低振動かつ信頼性の高い冷凍機を提供することにある。

請求項１の発明は、機械式冷凍機が発生する寒冷によって３Ｈｅを予冷する希釈冷凍機において、前記機械式冷凍機を第２の真空容器に収納するとともに、前記希釈冷凍機の本体部分を前記第２の真空容器とは個別に独立した第１の真空容器内に収納し、前記機械式冷凍機と前記希釈冷凍機の本体部分とを、前記第２の真空容器に設けた凝縮ステージ及び前記第１の真空容器に設けた蒸発ステージに熱的には結合するが、機械的には分離したフレキシブルヒートパイプで接続したものである。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記凝縮ステージ及び蒸発ステージを、それぞれ、筒体と筒体の端部を気密に閉塞する端板とからなる形状とし、前記フレキシブルヒートパイプが、熱的には結合するが、機械的には分離するような間隙を有して前記凝縮ステージ及び蒸発ステージに挿入されるとともに、該挿入部分が位置する側の前記第１の真空容器及び第２真空容器との間に柔軟な材料から形成されたシール部材を介在させてなるものである。

請求項３の発明は、請求項１乃至２のいずれかの発明において、前記フレキシブルヒートパイプの長手方向の一部に柔軟なベローズを採用したものである。

請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれかの発明において、前記フレキシブルヒートパイプ内と連通するＨｅガス容器を設けたことにある。

請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれかの発明の希釈冷凍機を、Ｘ線検出用センサーの冷却装置、物性測定装置、半導体分析装置等の０．１Ｋ以下の温度領域を必要とする装置に適用したものである。

請求項１乃至５の発明によれば、機械式冷凍機と希釈冷凍機本体をそれぞれ個別の独立した真空容器内に収納するとともに、機械式冷凍機と希釈冷凍機本体は、フレキシブルヒートパイプによって、熱的には結合するが、機械的には分離して結合されるため、機械式冷凍機の振動が希釈冷凍機本体に伝わるのを抑制しつつ３Ｈｅを予冷できるので、希釈冷凍機の予冷器に信頼性の高いＧＭ冷凍機を用いて、低振動かつ信頼性の高い希釈冷凍機を得ることができる。さらに、超流動４Ｈｅを貯蔵する１Ｋポットや１Ｋポット内の液体Ｈｅを排気減圧する真空ポンプを用いる必要がなくなるため従来の希釈冷凍機に比べ運転操作を容易に行うことができる。

さらに、請求項２の発明は、凝縮ステージ及び蒸発ステージと熱的に結合するが、機械的には分離したフレキシブルヒートパイプが、柔軟な材料からなるシール手段によって真空容器に支持されており、該フレキシブルヒートパイプの中の作動流体が漏れ出すのを防ぐとともに、ベローズ等では抑制することが困難な機械式冷凍機で発生した捩じり振動が、希釈冷凍機本体に伝わるのを効果的に抑制することができる。

また、請求項３の発明は、フレキシブルヒートパイプの一部にベローズを用いたので、請求項１あるいは請求項２の発明に加え、より一層、機械式冷凍機から被冷却体への振動の伝播を抑制するとともに、希釈冷凍機を設置する際、希釈冷凍機本体と予冷用冷却器の設置位置の調整を容易に行うことができる。

また、請求項４の発明は、フレキシブルヒートパイプＣと連結したＨｅガス容器Ｄを設けて、フレキシブルヒートパイプ内の作動ガス量を確保しているので、フレキシブルヒートパイプＣの作動流体として高圧の作動流体が封入できない場合でも、作動流体のＨｅガスが不足し、熱の移動ができなくなるというおそれを回避することができる。

請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれかの発明の希釈冷凍機を、Ｘ線検出用センサーの冷却装置、物性測定装置、半導体分析装置等の０．１Ｋ以下の温度領域を必要とする装置に用いたものであり、これら装置を複雑な運転操作を行わずに容易に冷却することができるとともに、機械式冷凍機の振動がこれら装置に伝わるのを抑制できるため、安定した運転ができる。

図１乃至３を参照して本発明の冷凍機を適用した希釈冷凍機の実施の形態について説明する。図１は本発明の実施の形態のブロック図である。

この実施の形態の希釈冷凍機は、希釈冷凍機本体Ａと、４Ｋ程度以下の温度を作り出せるＧＭ（ギフォード・マクマホン）冷凍機等の機械式の極低温冷凍機４２（以下、特に説明のない限り「ＧＭ冷凍機４２」という）を用いた予冷用冷却器Ｂと、作動流体として低圧（５気圧以下）のＨｅガスを用い、ＧＭ冷凍機４２で発生した寒冷を希釈冷凍機本体Ａ側に伝えるフレキシブルヒートパイプＣと、フレキシブルヒートパイプＣに連通してバッファタンクとして機能するＨｅガス容器Ｄとを備えている。

第１の真空容器４６から筺体が構成される希釈冷凍機本体Ａには、３Ｈｅガスを循環させる真空ポンプ３１が配管接続されており、真空ポンプ３１によって送り出された３Ｈｅガスは、３Ｈｅガス中から油分等を除去するトラップ４１及び真空ポンプ３１の送り側配管を介して、希釈冷凍機本体Ａに送られるようになっている。希釈冷凍機本体Ａ内には、希釈冷凍機本体Ａに送られた３Ｈｅガスを後述する混合室４０まで導く往路側流路３２と、混合室４０から希釈冷凍機本体Ａの出口まで３Ｈｅガスを導く復路側流路３３とが配設されている。復路側流路３３は、真空ポンプ３１の戻り配管に接続される。混合室４０には、希釈冷凍機によって冷却される被冷却対象物が保持されるようになっている。

希釈冷凍機本体Ａの往路側流路３２には、フレキシブルヒートパイプＣを介してＧＭ冷凍機４２で発生した寒冷が伝えられる３Ｈｅ予冷用熱交換器４４と、復路側流路３３の中に置かれる３Ｈｅコンデンサー３４と、主インピーダンス３５と、分留室３６に配設された第１の熱交換器３７と、副インピーダンス３８と、混合室４０に接続する第２の熱交換器３９の往路側流路３９ａとが３Ｈｅの流れの方向に順次配設されている。また、希釈冷凍機本体Ａの復路側流路３３には、混合室側４０に接続する第２の熱交換器３９の復路側流路３９ｂと、分留室３６とが３Ｈｅの流れの方向に順次配設されている。なお、主インピーダンス３５は、図４に示す従来例のように、復路側流路３３の中に置くようにしてもよい。

予冷用冷却器Ｂとして用いられるＧＭ冷凍機４２の冷却ヘッド４２ａには、銅等の熱伝導が良好な材料からなる伝熱板４３が水平に延出して取り付けられており、この伝熱板４３の先端側は、凝縮ステージＥを構成する凝縮側端板４９（以下、「端板４９」という）に直結して取り付けられる。冷却ヘッド４２ａを含むＧＭ冷凍機の冷却部４２ｂ及び伝熱板４３は、予冷用冷却器Ｂの筺体を構成する第２の真空容器４７内に収納される。第２の真空容器４７は、前述した第１の真空容器４６とは独立した別個の真空容器として構成されている。

図２に示すように、ＧＭ冷凍機４２で発生した寒冷を希釈冷凍機本体Ａ側に伝えるフレキシブルヒートパイプＣは、作動流体であるＨｅガスを収納するフレキシブルヒートパイプのパイプ状容器４８（以下、「パイプ状容器４８」という）を、パイプ状容器４８の上端側においてパイプ状容器４８と熱的に連結するが、機械的には分離して形成された凝縮ステージＥと、パイプ状容器４８の下端側においてパイプ状容器４８の下端側と熱的に連結するが、機械的には分離して形成された蒸発ステージＦに挿入する形式となっている。なお、図２の第１の真空容器４６及び第２の真空容器４７は模式的に示したもので、図１における各真空容器と相違はない。

フレキシブルヒートパイプＣのパイプ状容器４８は、内側パイプ４８ａと、内側パイプ４８ａと適宜の間隔をおいて同心に配置される中間パイプ４８ｂと、中間パイプ４８ｂと適宜の間隔をおいて同心に配置される外側パイプ４８ｃとからなる同心状の多重管構造とされている。内側パイプ４８ａは、図示しない例えば３本の放射状ステーからなる支持部材によって、長手方向の１乃至複数箇所で、中間パイプ４８ｂに支持されている。中間パイプ４８ｂと外側パイプ４８ｃは、後述する真空断熱層４８ｆを形成する際に、図示しない上・下端板によって一体化される。なお、各パイプ４８ａ、４８ｂ、４８ｃの断面形状は、円形、楕円、矩形等適宜の形状のものを採用することができる。

内側パイプ４８ａ内の空間は、凝縮ステージＥで凝縮した凝縮Ｈｅが滴下する凝縮Ｈｅ通路４８ｄを形成し、内側パイプ４８ａと中間パイプ４８ｂとの間の空間は、蒸発ステージＦで蒸発した蒸発Ｈｅが上昇する蒸発Ｈｅ通路４８ｅを形成し、中間パイプ４８ｂと外側パイプ４８ｃとの間の空間は、寒冷保持のための真空断熱層４８ｆを形成している。

内側パイプ４８ａの上端は、図２乃至３に示すように、凝縮ステージＥで凝縮／液化した凝縮Ｈｅのフラッシング（蒸発）を防止するとともに、凝縮Ｈｅを効率よく凝縮Ｈｅ通路４８ｄに滴下させるために、蒸発Ｈｅ通路４８ｅに向けて外側に拡開する拡開部４８ａ1として形成するのが好ましい。なお、拡開部４８ａ1は、蒸発Ｈｅ通路４８ｅを通って蒸発ステージに戻る蒸発Ｈｅの流れを妨げない形状、大きさとされる。図２乃至３には、拡開部４８ａ1として漏斗状のものが示されているが、これに限らず、凝縮Ｈｅのフラッシングを防止するものであればどのような形状であってもよい。

このように構成されたパイプ状容器４８は、その中間部が下向きの傾斜部とされ、その上部側は上方に向かって伸び、第２の真空容器４７内の凝縮ステージＥに挿入される。また、その下部側は下方に向かって伸び、第１の真空容器４６内の蒸発ステージＦに挿入される。パイプ状容器４８の中間部において、内側パイプ４８ａ，中間パイプ４８ｂ、外側パイプ４８ｃの一部にはそれぞれベローズ４８ｇが用いられており、パイプ状容器４８に柔軟性を持たせている。このベローズ４８ｇによって、ＧＭ冷凍機４２で発生する振動を抑制している。なお、パイプ状容器４８の長手方向の形状は、前述した形状に限らず、希釈冷凍機の設置形態に応じて、適宜の形状とすることができる。

パイプ状容器４８の上部側を凝縮ステージＥに挿入するため、第２の真空容器４７の底壁を形成する第２の真空容器壁４７ａには、パイプ状容器４８の挿入口を形成する開孔４７ｂが穿設されるとともに、第２の真空容器壁４７ｂの容器内面側には、この開孔４７ｂの径とほぼ同一の内径を有し、開孔４７ｂに接続する凝縮側筒体５１（以下、「筒体５１」という）が、その長手方向が開孔４７ｂから上方に向かうように気密に固着されている。パイプ状容器４８の上部側は、開孔４７ｂからこの筒体５１の中に挿入される。図２乃至３には、筒体５１が第２の真空容器４７に対して垂直に固着したものが示されているが、必ずしも垂直である必要はない。開孔４７ｂの径及び筒体５１の内径は、パイプ状容器４８と開孔４７ｂ及び筒体５１との間に間隙ｇ２を形成するように、挿入されるパイプ状容器４８の外径より大きな径とされている。なお、筒体５１の長さは、第２の真空容器壁４７ａの容器内面側からの長さＬが少なくとも２００ｍｍ以上となるような長さとすることが望ましい。

また、筒体５１には、筒体５１の上端を気密に閉蓋する銅等の熱伝導性が良好な材料から形成された端板４９が、パイプ状容器４８の上端との間に間隙ｇ１をおいて取り付けられている。間隙ｇ１は、端板４９とパイプ状容器４８が熱的に結合する適宜の間隔とされている。この端板４９には、冷却ヘッド４２ａから水平に延出する伝熱板４３の先端側が直結して取り付けられ、パイプ状容器４８とは熱的には結合するが、機械的には分離した凝縮ステージＥを構成する。

図３には、端板４９の一例として、端板４９の下面に、内側パイプ４８ａに形成した拡開部４８ａ1に向けて複数の凸部４９ａを形成したものを示す。この凸部を形成することによって、端板４９の凝縮表面積を拡大するとともに、凝縮／液化したＨｅの拡開部４８ａ1への滴下を容易にする。なお、図２に示した端板４９にも、先端に向けて尖った前記複数の凸部を形成してもよいことはもちろんである。

さらに、第２の真空容器壁４７ａに穿設した開孔４７ｂの内周面には、適宜の幅のシール用環状凹溝４７ｃがその全周にわたって形成され、このシール用環状凹溝４７ｃ内には、その全周にわたって、パイプ状容器４８の外壁と接触する柔軟な材料から形成されたシール部材５３、例えば、Ｏリング等が挿入される。この柔軟なシール部材５３は、パイプ状容器４８の上部側を第２の真空容器４７に対してフレキシブルに支持して、ＧＭ冷凍機４２からパイプ状容器４８への振動の伝搬を抑制するとともに、パイプ状容器４８と端板４９との間の間隙ｇ１と、パイプ状容器４８と開孔４７ｂ及び筒体５１との間の間隙ｇ２とによって形成される空間Ｓ１の気密を保持し、フレキシブルヒートパイプＣの中のＨｅガスが前記空間Ｓ１から第２の真空容器４７の外に漏れ出すのを防止している。

同様に、パイプ状容器４８の下部側を蒸発ステージＦに挿入するため、第１の真空容器４６の上壁を形成する第１の真空容器壁４６ａには、パイプ状容器４８の挿入口を形成する開孔４６ｂが穿設されるとともに、第１の真空容器壁４６ａの容器内面側には、この開孔４６ｂの径とほぼ同じ内径を有し、この開孔４６ｂに接続する蒸発側筒体５２（以下、「筒体５２」という）が、その長手方向が開孔４６ｂから下方に向うように気密に固着されている。パイプ状容器４８の下部側は、開孔４６ｂからこの筒体５２の中に挿入される。図２には、筒体５２が第１の真空容器４６に対して垂直に固着したものが示されているが、必ずしも垂直である必要はない。開孔４６ｂの径及び筒体５２の内径は、パイプ状容器４８と開孔４６ｂ及び筒体５２との間に間隙ｇ４を形成するように、挿入されるパイプ状容器４８の外径より大きな径とされている。なお、筒体５２の長さは、第１の真空容器壁４６ａの容器内面側からの長さＬが少なくとも２００ｍｍ以上となるような長さとすることが望ましい。

また、筒体５２には、筒体５２の下端部を気密に閉蓋する銅等の熱伝導性が良好な材料から形成された蒸発側端板５０（以下、「端板５０」という）が、パイプ状容器４８の下端との間に間隙ｇ３をおいて取り付けられている。間隙ｇ３は、端板５０とパイプ状容器４８が熱的に結合する適宜の大きさとされている。この端板５０には、３Ｈｅ予冷用熱交換器４４に熱的に結合する伝熱板４５の一端側が直結して取り付けられ、パイプ状容器４８とは熱的には結合するが、機械的には分離した蒸発ステージＦを構成する。

なお、端板５０の上面に、図３に示すような複数の凸部を形成してもよい。図示しないが、端板５０と伝熱板４５を一体に形成して筒体５２の下端を気密に閉蓋するようにしてもよい。

さらに、第１の真空容器壁４６ａに穿設した開孔４６ｂの内周面には、適宜の幅のシール用環状凹溝４６ｃがその全周にわたって形成され、このシール用環状凹溝４６ｃ内には、その全周にわたって、パイプ状容器４８の外壁と接触する柔軟な材料から形成されたシール部材５４、例えば、Ｏリング等が挿入される。この柔軟なシール部材５４は、パイプ状容器４８の下部側を第１の真空容器４６にフレキシブルに支持して、ＧＭ冷凍機４２の振動がパイプ状容器４８を介して希釈冷凍機本体へ伝搬するのを抑制するとともに、第１の真空容器４６の外部に対して、パイプ状容器４８と端板５０との間の間隙ｇ３と、パイプ状容器４８と開孔４６ｂおよび筒体５２との間の間隙ｇ４とによって形成される空間Ｓ２の気密を保持し、フレキシブルヒートパイプＣ内のＨｅガスが前記空間Ｓ２から第１の真空容器４６の外に漏れ出すのを防止している。

ところで、通常のヒートパイプは、剛性のあるパイプの中に高圧の作動流体を封入して使用されるが、本発明の実施の形態では、フレキシブルヒートパイプＣのパイプ状容器４８を柔軟な材料から形成したシール部材５３及び５４によって支持するとともに、パイプ状容器４８の一部を柔軟なベローズ４８ｇから構成しているため、高圧の作動流体を封入することができず（本実施の形態では、５気圧以下の低圧Ｈｅガスが封入される）、作動流体のＨｅガスが不足し、熱の移動ができなくなるおそれが生じる場合がある。この現象を回避するため、本発明の実施の形態では、図２に示すように、フレキシブルヒートパイプＣと連結したバッファタンクとして機能するＨｅガス容器Ｄを希釈冷凍機の外部に設け、フレキシブルヒートパイプＣ内の作動ガス量を確保している。

つぎに、このように構成された希釈冷凍機の動作を説明する。
運転を開始すると、予冷用冷却器Ｂにおいて、GM冷凍機４２の冷却部４２ｂで発生した４Ｋ程度以下の寒冷は、冷却ヘッド４２ａから伝熱板４３を介して、凝縮ステージＥを構成する端板４９に伝えられ、この端板４９を冷却する。フレキシブルヒートパイプＣの中の作動流体であるＨｅガスは、凝縮ステージＥで凝縮／液化する。凝縮／液化したＨｅガスは、凝縮Ｈｅ通路４８ｄの上端に形成した拡開部４８ａ1に滴下し、さらに、凝縮Ｈｅ通路４８ｄを通って、希釈冷凍機Ａ内部に設けられた蒸発ステージＦを構成する端板５０に上に滴下する。

端板５０は伝熱板４５を介して３Ｈｅ予冷用熱交換器４４と熱的に連結しているので、ＧＭ冷凍機４２で発生した寒冷が、３Ｈｅ熱交換器４４を介して３Ｈｅ熱交換器４４を通る３Ｈｅに伝えられる。この３Ｈｅ熱交換器４４において、寒冷と３Ｈｅとの熱交換が行われることによって、蒸発ステージＦに滴下したＨｅガスは蒸発する。蒸発ステージＦで蒸発したＨｅガスは、蒸発Ｈｅ通路４８ｅを通って凝縮ステージＥに戻る。凝縮ステージＥに戻ったＨｅガスは、凝縮ステージＥで再度凝縮／液化され、同様な循環を繰り返す。

一方、真空ポンプ３１から送り出された３００Ｋ程産の温度の３Ｈｅガスは、トラップ４１によって油分等を除去された後、往路側流路３２に配設された３Ｈｅ予冷用熱交換器４４に入り、該熱交換器４４において、ＧＭ冷凍機４２から伝えられる寒冷と熱交換して４Ｋ程度まで初期冷却される。

３Ｈｅ予冷用熱交換器４４で予冷された３Ｈｅガスは、３Ｈｅコンデンサー３４に入り、復路側流路３３を流れる３Ｈｅと熱交換して凝縮／液化される。この凝縮／液化された液体３Ｈｅは、さらに、主インピーダンス３５を介して分留室３６に配設された第１の熱交換器３７に送られる。この分溜室３６は、後述するように分留室３６の中の３Ｈｅと４Ｈｅの飽和蒸気圧の差を利用して３Ｈｅ―４Ｈｅの混合溶液中から３Ｈｅを選択的に取り出すものであり、０．５〜０．７Ｋ程度の温度に保持されており、第1の熱交換器３７に送られた液体３Ｈｅはこの分溜室６の中の液体と熱交換され、０．５〜０．７Ｋ程度にまで冷却される。

さらに、この液体３Ｈｅは副インピーダンス３８を経て第2の熱交換器３９の往路側流路３９ａに送られ、第２熱交換器３９の復路側流路３９ｂを流れる３Ｈｅと熱交換して１００ｍＫ程度にまで冷却される。第２熱交換器３９で冷却された往路側流路３２の液体３Ｈｅは、次いで、混合室４０に送られる。

混合室４０内は、１００％３Ｈｅの濃厚相と、３Ｈｅが４Ｈｅに溶け込んだ４Ｈｅ―６．４％３Ｈｅの稀薄相とに2相分離しており、密度の差により上相が濃厚相（３Ｈｅ液）、下相が稀薄相（４Ｈｅ―６．４％３Ｈｅ液）となっている。濃厚相に入った３Ｈｅが稀薄相に溶け込む際に、前述のように熱吸収がおこり、０．１Ｋ以下の超低温が発生し、混合室４０に保持した冷却対象物を０．１Ｋ以下、例えば数十ｍＫの温度領域まで冷却する。

前記分溜室３６は、真空ポンプ３１で排気されており、分留室３６内の４Ｈｅと３Ｈｅの蒸気圧の差により３Ｈｅが選択的にガス化して排出され、分溜室３６内の稀薄相中の３Ｈｅ濃度が低下する（同時に蒸発熱により温度が下がる）。排気されている分溜室６内の稀薄相中の３Ｈｅ濃度は温度の関数となっており（１／Ｔで比例する）、分溜室３６を０．５〜０．７Ｋに保持すると、稀薄相中の３Ｈｅ濃度は熱力学的平衡条件から約１％程度となる。従って、分溜室３６のガス相を排気し、同時に何らかの加熱手段、例えば、小さな容量の電熱ヒータ等で分溜室３６を０．７Ｋ程度に保持すると、分溜室３６内の稀薄相中の３Ｈｅ濃度を保持するための３Ｈｅの移動が生じ、混合室４０内の稀薄相中から３Ｈｅが分溜室３６へ移動・引き込まれる。それに伴って混合室４０で100％３Ｈｅの濃厚相から稀薄相への３Ｈｅの溶け込みが連続的に生じる。

混合室４０から分溜室３６へ引き込まれる復路流路３３側の３Ｈｅは第2の熱交換器３９の復路側通路３９ｂを通過する間に、第２の熱交換器３９の往路側流路３９ａに送られた３Ｈｅを冷却する。真空ポンプ３１により排気・吸引された３Ｈｅは、再び３Ｈｅ予冷用熱交換器４４に送られ同様な過程を繰り返す。

このように構成された希釈冷凍機によれば、ＧＭ冷凍機を用いた予冷用冷却器Ｂと希釈冷凍機本体Ａに熱的に結合するフレキシブルヒートパイプＣのパイプ状容器４８の上部側を、柔軟な材料から形成されたシール部材５３を介して予冷用冷却器Ｂの第2の真空容器４７に支持するとともに、その下部側を、柔軟な材料から形成されたシール部材５４を介して希釈冷凍機Ａの筺体を構成する第１の真空容器４６に支持しており、パイプ状容器４８は、凝縮ステージＥを構成する端板４９、蒸発ステージＦを構成する端板５０、パイプ状容器４８を挿入する筒体５１及び５２、パイプ状容器４８の挿入口を形成する開孔４６ｂ及び４７ｂ等とは、接触しない構成とされているので、シール部材５３及び５４によって、予冷用冷却器Ｂを構成するＧＭ冷凍機４２の振動がパイプ状容器４８へ伝わるのを抑制することができるとともに、パイプ状容器４８から希釈冷凍機本体Ａへ振動が伝わるのを抑制することができる。特に、このような支持構造を採用することによって、ベローズ４８ｇでは抑制することが困難な捩じり振動の伝播を確実に抑制することができる。

さらに、フレキシブルヒートパイプＣの一部には、ベローズ４８ｇを用いたので、より一層、振動の伝播を抑制するとともに、希釈冷凍機を設置する際、希釈冷凍機本体Ａと予冷用冷却器Ｂの設置位置の調整を容易に行うことができる。

また、フレキシブルヒートパイプＣの作動流体であるＨｅガスが循環を繰り返す際、パイプ状容器４８と端板４９との間の間隙ｇ１と、パイプ状容器４８と開孔４７ｂ及び筒体５１との間の間隙ｇ２とによって形成される凝縮ステージＥの空間Ｓ１、並びに、パイプ状容器４８と端板５０との間の間隙ｇ３と、パイプ状容器４８と開孔４６ｂ及び筒体５２との間の間隙ｇ４とによって形成される蒸発ステージＦの空間Ｓ２の中は、循環するＨｅガスが満たされるが、該空間Ｓ１及びＳ２は、それぞれシール部材５３及び５４によって気密にシールされているので、空間Ｓ１及びＳ２の中のＨｅガスが外部に漏れることはない。

また、凝縮Ｈｅ通路４８ｄを形成する内側パイプ４８ａの上端には、拡開部４８ａ1が形成されているので、凝縮ステージＥで凝縮／液化された凝縮３Ｈｅが、凝縮Ｈｅ通路４８ｄに滴下する際、フラッシングが起きることがない。また、凝縮ステージＥから滴下する凝縮３Ｈｅを確実かつ効率よく凝縮Ｈｅ通路４８ｄに滴下させることができる。

さらに、本発明の実施の形態では、フレキシブルヒートパイプＣと連結したＨｅガス容器Ｄを設けて、フレキシブルヒートパイプＣ内の作動ガス量を確保しているので、フレキシブルヒートパイプＣの作動流体として高圧の作動流体が封入できない場合でも、作動流体のＨｅガスが不足し、熱の移動が出来なくなるというおそれを回避することができる。

このように、この実施の形態の希釈冷凍機は、希釈冷凍機の３Ｈｅの初期冷却としてＧＭ冷凍機４２を使用したので、従来の希釈冷凍機で使用していた、３Ｈｅの初期冷却用としての超流動液体４Ｈｅを貯蔵する１Ｋポット１２や１Ｋポット１２内の液体ヘリウムを排気減圧する真空ポンプ１１が不要となり、従来の希釈冷凍機に比べ運転操作を容易に行うことができる。さらに、ＧＭ冷凍機４２の寒冷を、フレキシブルヒートパイプＣを介して希釈冷凍機本体Ａに伝えるようにしたので、ＧＭ冷凍機４２の振動が希釈冷凍機本体Ａに伝わることを抑制することができる。

したがって、希釈冷凍機の予冷用冷却器にＧＭ冷凍機４２を用いても、低振動かつ信頼性の高い希釈冷凍機とすることができ、低振動用途向けの簡易型希釈冷凍機が提供できる。
この実施の形態の希釈冷凍機は、Ｘ線検出用センサーの冷却装置、物性測定装置、半導体分析装置等、０．１Ｋ以下の温度領域を必要とする装置に広く応用することが可能である。

また、前述した実施の形態では、予冷用冷却器とフレキシブルヒートパイプを用いた希釈冷凍機となっているが、希釈冷凍機に限らず、振動を抑制する必要のある冷却システム全般に適用できる。
さらに、予冷用冷却器に用いられる冷凍機は、ＧＭ冷凍機に限らず、例えば、パルス管冷凍機等、すべての機械式冷凍機が使用できる。

本発明の実施の形態の希釈冷凍機のブロック図。 本発明の実施の形態の希釈冷凍機に用いられるフレキシブルヒートパイプの拡大図。 本発明の実施の形態のフレキシブルヒートパイプの凝縮ステージの他の例を示す図。 従来の簡易型希釈冷凍機のブロック図。 従来の希釈冷凍機のブロック図。

符号の説明

Ａ 希釈冷凍機本体
Ｂ 予冷用冷却器
Ｃ フレキシブルヒートパイプ
Ｄ Ｈｅガス容器
Ｅ 凝縮ステージ
Ｆ 蒸発ステージ
３１ 真空ポンプ
３２ 往路側流路
３３ 復路側流路
３４ ３Ｈｅコンデンサー
３５ 主インピーダンス
３６ 分溜室
３７ 第1の熱交換器
３８ 副インピーダンス
３９ 第2の熱交換器
４０ 混合室
４２ ＧＭ冷凍機
４３ 伝熱板
４４ ３Ｈｅ予冷用熱交換器
４５ 伝熱板
４６ 第１の真空容器
４７ 第２の真空容器
４８ パイプ状容器
４８ｄ 凝縮Ｈｅ通路
４８ｅ 蒸発Ｈｅ通路
４８ｆ 真空断熱層
４８ｇ ベローズ
４９ 凝縮側端板
５０ 蒸発側端板
５１ 凝縮側筒体
５２ 蒸発側筒体
５３ シール部材
５４ シール部材

Claims (5)

1. 機械式冷凍機が発生する寒冷によって３Ｈｅを予冷する希釈冷凍機において、前記機械式冷凍機を第２の真空容器に収納するとともに、前記希釈冷凍機の本体部分を前記第２の真空容器とは個別に独立した第１の真空容器内に収納し、前記機械式冷凍機と前記希釈冷凍機の本体部分とを、前記第２の真空容器に設けた凝縮ステージ及び前記第１の真空容器に設けた蒸発ステージに熱的には結合するが、機械的には分離したフレキシブルヒートパイプで接続したことを特徴とする希釈冷凍機。
2. 前記凝縮ステージ及び蒸発ステージが、それぞれ、筒体と筒体の端部を気密に閉塞する端板とからなり、前記フレキシブルヒートパイプが、熱的には結合するような間隙を有して前記凝縮ステージ及び蒸発ステージに挿入されるとともに、該挿入部分が位置する側の前記第１の真空容器及び第２真空容器との間に柔軟な材料から形成されたシール部材を介在させてなる請求項１に記載の希釈冷凍機。
3. 前記フレキシブルヒートパイプ長手方向の一部に柔軟なベローズを用いた請求項１乃至２のいずれかに記載の冷凍機。
4. 前記フレキシブルヒートパイプ内と連通するＨｅガス容器を設けた請求項１〜３のいずれかに記載の冷凍機。
5. Ｘ線検出用センサーの冷却装置、物性測定装置、半導体分析装置等の０．１Ｋ以下の温度領域を必要とする装置に使用した請求項１〜４のいずれかに記載の希釈冷凍機。

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