JP2009074774A - Refrigerant-free refrigerating machine and functional thermal binding body - Google Patents

Refrigerant-free refrigerating machine and functional thermal binding body Download PDF

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英樹 矢山
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a refrigerant-free refrigerating machine and a functional thermal binding body capable of reaching a very low temperature in a short time by a simple operation, having high operation efficiency and cooling efficiency at low costs, having a simple structure, and being easily maintained. <P>SOLUTION: In the refrigerant-free refrigerating machine and the functional thermal binding body, a columnar first graphite bar 41 made of graphite having heat conductivity rapidly reduced in proportion to power of a temperature toward absolute zero, is disposed between a 40K plate 13 and a 4K plate 14, heat is conducted between the 40K plate 13 and the 4K plate 14 until the first graphite bar 41 reaches a first temperature equilibrium point when a temperature is lowered to 4K, and the 40K plate 13 and the 4K plate 14 are kept in a state of almost thermally separated from each other at the first temperature equilibrium point or less. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、数十mK(milli Kelvin)クラスの極低温に短時間で到達することができ、安価で、簡単な構造を有し、メンテナンスの容易な無冷媒冷凍機と、そこで使用するのに適した受動的熱スイッチ機能を有する機能性熱結合体に関する。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can reach a cryogenic temperature of several tens of mK (milli Kelvin) class in a short time, is inexpensive, has a simple structure, and is easy to maintain. It relates to a functional thermal coupling body having a suitable passive thermal switching function.

物性物理学や物質科学、材料工学や電気,電子工学などの分野で、物質を極低温に冷却し物理的性質を調べるために、古くから寒剤として液体ヘリウム(He)が用いられてきた。液体ヘリウムの1気圧での沸点は4.2Kであるが、真空ポンプを用いて蒸気圧を下げるだけで温度が下がり、最低到達温度1K程度が実現される。 In fields such as physical physics, material science, material engineering, electricity, and electronics, liquid helium ( 4 He) has been used as a cryogen for a long time to cool materials to cryogenic temperatures and investigate their physical properties. Although the boiling point of liquid helium at 1 atm is 4.2K, the temperature can be lowered just by lowering the vapor pressure using a vacuum pump, and the lowest reached temperature of about 1K is realized.

しかし、このような液体ヘリウムを用いたクライオスタットで物理的性質を調べる実験を行う場合、1K(Kelvin)に到達するまで寒剤の準備も含めて1週間程度の長い時間を要していた。1回の実験ごとにこうした長い時間をかけて大量の液体ヘリウムを1Kにしなければならない煩わしさがあった。この液体ヘリウムを使ったクライオスタットの問題点の1つはランニングコストが高価であることと、2つ目は取り扱いが難しいため、専門的教育を受けた者でなければ扱えないことである。そして、この液体ヘリウムは空気中に放散されると、回収不能になってしまう貴重な資源でもある。   However, when conducting an experiment to examine physical properties with such a cryostat using liquid helium, it took a long time of about one week including preparation of a cryogen until reaching 1 K (Kelvin). There was an annoyance that a large amount of liquid helium had to be made 1K over such a long time for each experiment. One of the problems with this cryostat using liquid helium is that the running cost is expensive, and the second is that it is difficult to handle unless it is a person who has received specialized education because it is difficult to handle. And when this liquid helium is dissipated in the air, it is also a valuable resource that cannot be recovered.

このため最近では、初期的な導入コストは高いがランニングコストが安く、総合的にみて低コストのギフォード・マクマホン(Gifford-McMahon)冷凍機(以下、GM冷凍機)や、パルスチューブ冷凍機、スターリング冷凍機など、のいわゆるクライオクーラーを用いて極低温を実現する無冷媒(Cryogen
Free)型クライオスタットが開発されている。ここで、無冷媒とは液体ヘリウムや液体窒素などの寒剤を使用しないという意味である。このGM冷凍機の構造については本発明の詳細な説明において説明する。
Therefore, recently, the initial installation cost is high, but the running cost is low, and the overall cost is low. The Gifford-McMahon refrigerator (hereinafter referred to as GM refrigerator), pulse tube refrigerator, Stirling Refrigerant-free (Cryogen) that uses cryocoolers such as refrigerators to achieve extremely low temperatures
Free) cryostat has been developed. Here, the refrigerant-free means that no cryogen such as liquid helium or liquid nitrogen is used. The structure of this GM refrigerator will be described in the detailed description of the present invention.

なお、このうち、パルスチューブ冷凍機は、コンプレッサー、放熱器、蓄冷器、熱交換器、パルスチュ−ブの部品で構成されており、パルスチューブとコンプレッサーとの間で冷媒を往復移動させて冷却を行う冷凍機である。また、スターリング冷凍機はディスプレーサとピストン、蓄冷器、これらを囲むシリンダ、及び高温部と低温部の熱交換器から構成され、冷媒をピストンで圧縮し、その後ディスプレーサとピストンが移動することで冷媒を膨張させて冷却し、ディスプレーサが元の位置に戻ってこのサイクルを繰返す冷凍機である。   Of these, the pulse tube refrigerator is composed of a compressor, a radiator, a regenerator, a heat exchanger, and a pulse tube, and the refrigerant is reciprocated between the pulse tube and the compressor for cooling. Refrigerator to perform. A Stirling refrigerator is composed of a displacer and piston, a regenerator, a cylinder surrounding them, and a heat exchanger for high and low temperatures. The refrigerant is compressed by the piston, and then the displacer and piston move to move the refrigerant. The refrigerator is expanded and cooled, and the displacer returns to its original position and repeats this cycle.

さて、無冷媒型クライオスタットで最低温度をもっと低下させようと思えば、クライオクーラーを熱的に直列に接続して多段にすればよい(特許文献1参照)。特許文献1のGM冷凍機は40Kの第1ステージと4Kの第2ステージを備え、2段で4K程度とし、さらにヘリウムガスを使って極低温を実現する。第1ステージの冷凍機は、単位時間当たり多量の熱を移動可能で冷却能力は高い(比較的短時間で最低温度に到達する)が、到達温度はそれほど低くなく(40K)、第2ステージの冷凍機は、冷却能力は小さい(単位時間当たりに移動できる熱量は少なく長時間かけて最低温度に到達する)が、最低温度自体はより低温(4K)にできる特性を備えている。しかし、最低温度は2.7Kが限界であり、また、この温度に到達するまでに長時間を要するものであった。   Now, in order to further lower the minimum temperature with a refrigerant-free cryostat, a cryocooler may be thermally connected in series to be multistage (see Patent Document 1). The GM refrigerator disclosed in Patent Document 1 includes a 40K first stage and a 4K second stage. The GM refrigerator is set to about 4K in two stages, and further uses helium gas to achieve a cryogenic temperature. The first stage refrigerator can move a large amount of heat per unit time and has a high cooling capacity (reach the minimum temperature in a relatively short time), but the reached temperature is not so low (40K). The refrigerator has a small cooling capacity (the amount of heat that can be transferred per unit time is small and reaches the minimum temperature over a long period of time), but the minimum temperature itself has a characteristic that the temperature can be lowered (4K). However, the minimum temperature is limited to 2.7 K, and it takes a long time to reach this temperature.

そこで、この多段式のGM冷凍機と希釈冷凍機を組み合わせた無冷媒冷凍機が提案されている(例えば、本発明者による特願2006−188676号参照)。なお、従来通常の希釈冷凍機は、外部真空容器の中にHeが循環する希釈冷凍ユニットを収納した別の内部真空容器をもっており、この中に寒剤としての希薄なHeガスを入れ、この内部真空容器を約4Kに冷却し、この希薄なHeガスを介して希釈冷凍ユニットを冷却する。しかし、本発明者の無冷媒冷凍機はHeガスの内部容器を使わないで予冷を利用する無冷媒方式のものである。 Thus, a refrigerant-free refrigerator that combines this multistage GM refrigerator and a dilution refrigerator has been proposed (see, for example, Japanese Patent Application No. 2006-188676 by the present inventor). In addition, the conventional normal dilution refrigerator has another internal vacuum container that stores a dilution refrigeration unit in which 3 He circulates in an external vacuum container, in which a diluted 4 He gas as a cryogen is put, and this The internal vacuum vessel is cooled to about 4K, and the dilution refrigeration unit is cooled through this diluted 4 He gas. However, the inventor's refrigerant-free refrigerator is of a refrigerant-free type that utilizes pre-cooling without using an inner container of 4 He gas.

この希釈冷凍機(以下、希釈冷凍ユニット)の原理を説明すると、HeガスがまずGM冷凍機の第1ステージで40Kに冷却され、次に第2ステージによって4Kに冷却される。その後、更にジュールトムソン(Joule-Thomson)弁によって0.7K前後に冷却され液化される。 The principle of this dilution refrigerator (hereinafter referred to as a dilution refrigerator unit) will be described. First, 3 He gas is cooled to 40K by the first stage of the GM refrigerator, and then cooled to 4K by the second stage. Thereafter, it is further cooled to about 0.7 K and liquefied by a Joule-Thomson valve.

このジュールトムソン弁によって液化されたHeは、チューブインチューブ型熱交換器、続いて更にステップ熱交換器で温度を低下させられ、混合器に送られる。ここで液体Heは混合器の上部に位置するHe濃厚相液となり、下部に位置するHe希薄相液にHeが拡散して溶け込むときにエントロピーが増大するため熱を吸収し、更に極低温の20mKを実現することが可能になる。 The 3 He liquefied by this Joule-Thomson valve is lowered in temperature by a tube-in-tube heat exchanger and then further by a step heat exchanger, and sent to a mixer. Here, the liquid 3 He becomes a 3 He concentrated phase liquid located in the upper part of the mixer, absorbs heat because entropy increases when 3 He diffuses and dissolves in the 3 He dilute phase liquid located in the lower part, A cryogenic temperature of 20 mK can be realized.

ところで、本発明者はこの希釈冷凍ユニットを組み合わせた無冷媒冷凍機、あるいはこれを利用したクライオスタットの研究の過程で、(1)多段式の冷凍機は最低温度に到達するのに時間がかかるという問題、また、(2)希釈冷凍ユニットではHe中に混入した不純物ガスを取り除かないと固化した不純物ガスがジュールトムソン弁などで詰まりを生じるという不都合が発生する難題の上に、その不純物ガスを排出するためには運転を停止して室温まで昇温し、その後運転再開しなければならず、20mKの温度に再度低下させるのに5日程度かかるという、手間の問題に直面した。また、(3)希釈冷凍ユニットではステップ熱交換器で熱交換させるが、その熱交換効率の改善がなかなか難しい、という問題にも直面した。 By the way, in the course of research of a refrigerant-free refrigerator combined with this dilution refrigeration unit or a cryostat using the same, the present inventor said that (1) a multistage refrigerator takes time to reach the minimum temperature. (2) In the dilution refrigeration unit, in addition to the difficult problem that the solidified impurity gas clogs with the Joule-Thompson valve unless the impurity gas mixed in 3 He is removed, the impurity gas is In order to discharge, it was necessary to stop the operation, raise the temperature to room temperature, and then restart the operation, and faced the trouble that it took about 5 days to lower the temperature to 20 mK again. In addition, (3) even though the dilution refrigeration unit uses a step heat exchanger to exchange heat, it also faces the problem that it is difficult to improve its heat exchange efficiency.

上記(1)の問題を解決するには予冷を行えばよいが、これを行う技術として、従来ガスギャップ熱スイッチが提案されている(例えば、特許文献1参照)。ガスギャップ熱スイッチは、複数の金属片を狭い間隙を隔てて配置し、間隙にガスを導入してガスによる熱交換でオン状態とし、ガスを凝縮、固化させてオフ状態とするものである。使用するガスは、窒素ガスやネオンガスで、ガスの固化温度以上であればガスが熱を運ぶため熱伝導がオン状態となり、固化温度以下であればガスの凝縮で真空状態となるためオフ状態となる性質を利用するものである。   In order to solve the problem (1), pre-cooling may be performed. As a technique for performing this, a conventional gas gap thermal switch has been proposed (for example, see Patent Document 1). The gas gap heat switch is configured such that a plurality of metal pieces are arranged with a narrow gap therebetween, a gas is introduced into the gap and turned on by heat exchange with the gas, and the gas is condensed and solidified to be turned off. The gas to be used is nitrogen gas or neon gas, and if it is higher than the solidification temperature of the gas, the gas carries heat, so that heat conduction is turned on, and if it is lower than the solidification temperature, it is in a vacuum state due to gas condensation. The property which becomes.

このガスギャップ熱スイッチにより、被冷却体の温度がガスの固化温度以上の時は冷却パワーの大きい第1ステージを被冷却体に熱接触させて急速に温度を降下させ、固化温度以下になったときに第1ステージを切り離し、冷却パワーは小さい半面到達温度の低い第2ステージだけで独立して被冷却体を更に低温にするものである。   With this gas gap heat switch, when the temperature of the object to be cooled is equal to or higher than the solidification temperature of the gas, the first stage having a large cooling power is brought into thermal contact with the object to be cooled, and the temperature is rapidly lowered to be below the solidification temperature. Sometimes, the first stage is cut off, and the cooling power is lowered by the second stage having a small half-surface temperature and independently lowering the temperature of the object to be cooled.

しかし、ガスギャップ熱スイッチのガスが凝縮する際、固化したガス成分が複数の金属片の間隙を埋めるように残留し、この固化したガス成分を介して熱伝導が発生し、熱スイッチ内での熱的接続を断つことができない。この問題を避けるために、特許文献2は、熱スイッチ内部と連通するガス固化室を別個に設け、ヒータでガスの固化・気化をコントロールすることでガスギャップ熱スイッチ内での熱的接続を確実に断つようにしている。   However, when the gas of the gas gap heat switch condenses, the solidified gas component remains so as to fill the gaps between the plurality of metal pieces, and heat conduction occurs through the solidified gas component, The thermal connection cannot be broken. In order to avoid this problem, Patent Document 2 provides a separate gas solidification chamber that communicates with the inside of the thermal switch, and controls the solidification and vaporization of the gas with a heater to ensure the thermal connection in the gas gap thermal switch. I try to sever.

ただ、このガスギャップ熱スイッチをつくるには、金属片間の間隙を数十μmに保つような高精度の精密な工作が要求され、非常に高価な部材になっていた。また、熱スイッチをオン、オフするための制御が必要であるのに加え、コントロールのタイミングを間違えると熱スイッチ内でガスの固化が起こり金属片間をブリッジすることが起こり得る。更に、ガスの滞留があるため、取付け方向が制限されるものであった。   However, in order to produce this gas gap thermal switch, a highly precise and precise work that keeps the gap between the metal pieces to several tens of μm is required, which has become a very expensive member. Further, in addition to the necessity of control for turning on and off the thermal switch, if the control timing is wrong, solidification of gas may occur in the thermal switch, and the metal pieces may be bridged. Furthermore, since there is a stagnation of gas, the mounting direction is limited.

そして、ワンショット冷却型の断熱消磁冷凍機の超伝導鉛熱スイッチと並列にグラファイトを設けたものも提案されている(非特許文献1)。グラファイトは、試料の温度が振動によって上昇するのを避けるための支持材であると同時に、断熱消磁塩と試料を室温から予冷する際、およそ液体窒素温度(77K)以上で鉛の熱伝導率よりグラファイトの熱伝導率のほうが大きいことを利用して、室温から数十Kまでを熱交換ガスを用いることなく、より速く予冷するための超伝導鉛熱スイッチのシャントとして用いられている。この断熱消磁冷凍機は、1K以下の温度域で動作しかつワンショット冷却であるため、10μWオーダーの僅かな熱流入でも試料の温度が上昇し低温を保持できなくなる。しかし、グラファイトは1Kで熱伝導率が超伝導鉛の1万分の1、すなわちほとんどゼロの完全な断熱材であるため、それを通しての熱流入はゼロとなる。すなわち、室温〜数十Kの温度域でのオン状態と、約1K以下の完全にオフ状態とが、受動的熱スイッチとして用いられている。その間の、数十K〜約1Kの温度域でオンからオフへ連続的に変化する中間状態は、積極的に利用されていない。   And the thing which provided the graphite in parallel with the superconducting lead heat switch of the one shot cooling type adiabatic demagnetization refrigerator is also proposed (nonpatent literature 1). Graphite is a support material for preventing the temperature of the sample from rising due to vibration. At the same time, when the adiabatic demagnetization salt and the sample are pre-cooled from room temperature, the thermal conductivity of lead is approximately higher than the liquid nitrogen temperature (77 K). Utilizing the fact that the thermal conductivity of graphite is larger, it is used as a shunt of a superconducting lead thermal switch for precooling faster from room temperature to several tens of K without using a heat exchange gas. Since this adiabatic demagnetization refrigerator operates in a temperature range of 1K or less and is one-shot cooling, the temperature of the sample rises even when a slight heat inflow of the order of 10 μW is made, and the low temperature cannot be maintained. However, since graphite is a perfect thermal insulator with 1K and a thermal conductivity of 1 / 10,000 that of superconducting lead, that is, almost zero, heat flow through it is zero. That is, an on state in a temperature range from room temperature to several tens of K and a completely off state of about 1 K or less are used as passive thermal switches. In the meantime, an intermediate state that continuously changes from on to off in a temperature range of several tens of K to about 1 K is not actively used.

次に、上記(2)について言えば、異物をフィルタで取り除くというのは周知の技術である。希釈冷凍ユニットにおいても、混入する不純物ガス、例えば空気(窒素、酸素)、水分が問題となる。これらは極低温になると液化、固化して不純物となる。従来は、Heを液体窒素(77K)で冷やした液体窒素トラップを通すことにより、活性炭に吸着させていた。しかし、このような液体窒素を別に用意し、これをメンテナンスすることは面倒な作業を増やすことになる。無冷媒冷凍機は液体ヘリウムや液体窒素を用いないという点が大きなメリットであるのに、冷媒の一種である液体窒素をトラップに用いることはこのメリットを大きく損ねることになる。 Next, regarding (2) above, it is a well-known technique to remove foreign matter with a filter. Also in the dilution refrigeration unit, mixed impurity gases such as air (nitrogen, oxygen) and moisture are problematic. These become liquefied and solidified as impurities at extremely low temperatures. In the past, 3 He was adsorbed on activated carbon by passing it through a liquid nitrogen trap cooled with liquid nitrogen (77 K). However, preparing such liquid nitrogen separately and maintaining it increases troublesome work. Although the refrigerant-free refrigerator has a great merit that it does not use liquid helium or liquid nitrogen, the use of liquid nitrogen, which is a kind of refrigerant, in the trap greatly impairs this merit.

また、(3)の問題は、希釈冷凍ユニットの能力向上の面できわめて重要な問題である。隔壁として熱伝導率の小さなキュプロニッケル(Cu−Ni)を利用するしかない現状では、これには限界があった。なお、従来のステップ熱交換器については非特許文献2などに説明がある。   The problem (3) is a very important problem in terms of improving the capacity of the dilution refrigeration unit. At present, there is a limit in using only cupronickel (Cu—Ni) having a small thermal conductivity as a partition wall. The conventional step heat exchanger is described in Non-Patent Document 2 and the like.

特許第2835305号公報Japanese Patent No. 2835305 特許第3881675号公報Japanese Patent No. 3881675 F.J. Shore, et al.,「Use ofGraphite as Low Temperature Support and Shunt for Heat Switch」,THE REVIEW OFSCIENTIFIC INSTRUMENT,31巻,9号,1960年11月,p.970F.J. Shore, et al., “Use of Graphite as Low Temperature Support and Shunt for Heat Switch”, THE REVIEW OFSCIENTIFIC INSTRUMENT, Vol. 31, No. 9, November 1960, p. 970 ウクライナ科学アカデミー低温物理工学研究所編,矢山英樹,I.B.ベルクトフ共訳,「超低温の実験技術」,九州大学出版会,2000年10月1日,p.50−p.53Ukrainian Academy of Sciences, Institute of Low Temperature Physics Engineering, Hideki Yayama, co-translated by I.B. Berktokh, "Ultra Low Temperature Experimental Technology", Kyushu University Press, October 1, 2000, p. 50-p. 53

以上説明したように、従来、予冷を短時間で行うため熱スイッチを用いることが提案されている。しかし、特許文献2の熱スイッチでは、数十μmという高精度の工作を必要とし、高価な装置となっていた。また、固化したガスが金属片間をブリッジすることも避けられなかった。加えて、熱スイッチをオン、オフするための制御が必要で、熱スイッチ内部でのガスの対流があるため、取付け方向が制限されるものであった。   As described above, it has been conventionally proposed to use a thermal switch in order to perform precooling in a short time. However, the thermal switch of Patent Document 2 requires a highly accurate work of several tens of μm, and is an expensive device. Moreover, it was inevitable that the solidified gas bridged between the metal pieces. In addition, control for turning on and off the thermal switch is necessary, and there is gas convection inside the thermal switch, so that the mounting direction is limited.

また、非特許文献1に記載された超伝導鉛熱スイッチと並列に設けられたグラファイトは、断熱消磁塩と試料を室温から予冷する際、およそ液体窒素温度(77K)以上で鉛の熱伝導率よりグラファイトの熱伝導率のほうが大きいことを利用して、室温から数十Kまでを熱交換ガスを用いることなく、より速く予冷を行うためのものである。一方、断熱消磁冷凍機が動作する約1K以下の温度域では、ワンショット冷却であり、かつ物質の熱容量が極めて小さいため、10μWオーダーの僅かな熱流入でも試料の温度が上昇しつづけ低温を保持できない。このため、グラファイトが、1K以下で熱伝導率がほとんどゼロ(1Kで超伝導鉛の1万分の1)の完全な断熱材となる性質を有していることから、超伝導鉛熱スイッチを補助する部材として、約1K以下では完全にオフ(数十K〜室温ではオン)の熱スイッチとして用いられている。つまりオフとオンの間の温度域(約1K〜数十K)では、温度の上昇と共に低熱伝導状態から高熱伝導状態に連続的に変化し、オフからオンに転移する明瞭な温度が存在しないので積極的に利用されていない。すなわち、オンでもオフでもない中途半端に熱伝導する約1K〜数十Kの中間領域が存在するため、一般的に冷凍機に使用できるものではなかった。   In addition, the graphite provided in parallel with the superconducting lead thermal switch described in Non-Patent Document 1 has a thermal conductivity of lead at about the liquid nitrogen temperature (77 K) or higher when the adiabatic demagnetizing salt and the sample are precooled from room temperature. By utilizing the fact that the thermal conductivity of graphite is higher, it is for precooling faster from room temperature to several tens of K without using heat exchange gas. On the other hand, in a temperature range of about 1K or less where the adiabatic demagnetizer operates, one-shot cooling is performed and the heat capacity of the substance is extremely small, so the temperature of the sample continues to rise even with a slight heat inflow of the order of 10 μW and keeps the low temperature. Can not. For this reason, graphite has the property of being a perfect thermal insulator with a thermal conductivity of 1K or less and almost zero thermal conductivity (1K is 1 / 10,000 of superconducting lead). As a member to be used, it is used as a thermal switch that is completely off (on from several tens of K to room temperature) below about 1K. In other words, in the temperature range between about OFF and ON (about 1 K to several tens of K), there is no clear temperature that changes continuously from the low heat conduction state to the high heat conduction state as the temperature rises and transitions from off to on. Not actively used. In other words, since there is an intermediate region of about 1K to several tens of K that conducts heat at halfway that is neither on nor off, it cannot be generally used for a refrigerator.

また、希釈冷凍ユニットにおいて、循環するHe中に混入した不純物を除去することはきわめて重要である。不純物を排出しないと高いインピーダンスを示す狭い流路に詰まってしまう。これを除去するために一旦運転を停止すると、その後運転を再開し、再び20mKの温度に低下させるのに5日程度かかってしまう。そして、こうした不純物が冷却速度および冷却能力をさらに低下させるのは避けられない。 In the dilution refrigeration unit, it is very important to remove impurities mixed in the circulating 3 He. If the impurities are not discharged, they will be clogged in a narrow flow path showing high impedance. Once the operation is stopped in order to remove this, it will take about 5 days to resume the operation and lower the temperature to 20 mK again. Such impurities inevitably lower the cooling rate and cooling capacity.

また、希釈冷凍ユニットでは、多段のうちの下段(低温側)に位置するステップ熱交換器の熱交換効率を向上させないと、全体の熱効率が悪化し、最低温度が上昇してしまう。   Moreover, in a dilution refrigeration unit, unless the heat exchange efficiency of the step heat exchanger located in the lower stage (low temperature side) of the multiple stages is improved, the overall thermal efficiency is deteriorated and the minimum temperature is increased.

そこで本発明は、極低温に短時間で簡単な操作で到達することができ、運転の能率が高く、安価で冷却効率が高く、簡単な構造で、メンテナンスの容易な無冷媒冷凍機と機能性熱結合体を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention can reach extremely low temperatures with a simple operation in a short time, has a high efficiency of operation, is inexpensive, has a high cooling efficiency, has a simple structure, and is easy to maintain. An object is to provide a thermal bond.

本発明の無冷媒冷凍機は、第1の最低温度まで温度降下させることができる第1の冷却段と、第1の最低温度より低い第2の最低温度まで温度降下させることができる第2の冷却段とを備え、真空容器内で第1及び/又は第2の冷却段を使って被冷却物を冷却するための無冷媒冷凍機であって、第1の冷却段と第2の冷却段との間には、所定の温度以下で絶対零度に向けて温度の冪に比例して急激に減少する熱伝導率を有する固体物質で作った無冷媒冷凍機段間用の受動的熱スイッチ機能を有する機能性熱結合体が配設され、被冷却物を第1の最低温度以下に温度降下させるとき、第1の冷却段と第2の冷却段との間を熱伝導し、被冷却物の温度が高いときには熱結合度を高く、該第1の温度平衡点に近づくにつれて第1の冷却段と第2の冷却段との間の熱結合度を急激に低い状態にすることを主要な特徴とする。   The refrigerant-free refrigerator of the present invention includes a first cooling stage that can lower the temperature to the first minimum temperature, and a second temperature that can lower the temperature to a second lowest temperature that is lower than the first lowest temperature. And a cooling stage for cooling an object to be cooled in the vacuum vessel using the first and / or second cooling stage, the first cooling stage and the second cooling stage. Passive thermal switch function between refrigerant-free refrigerator stages made of solid material with thermal conductivity that decreases rapidly in proportion to the temperature drop toward absolute zero below a predetermined temperature When the object to be cooled is lowered to a temperature lower than or equal to the first minimum temperature, heat conduction is performed between the first cooling stage and the second cooling stage, and the object to be cooled is disposed. When the temperature of the first cooling stage is high, the thermal coupling degree is high, and as the first temperature equilibrium point is approached, the first cooling stage and the second cooling degree are increased. To mainly characterized in that to abruptly lower state thermal coupling degree between the stages.

また、本発明の機能性熱結合体は、真空容器中の無冷媒冷凍機と被冷却物との間に配設され、無冷媒冷凍機と被冷却物間で熱伝導を行う連続運転冷凍機用の機能性熱結合体であって、所定の温度以下で絶対零度に向けて温度の冪に比例して急激に減少する熱伝導率を有し、温度が高いときは熱結合度が高く温度が低くなると急激に熱結合度が低下する無冷媒冷凍機用の受動的熱スイッチ機能を有する固体物質からなることを特徴とする。   Moreover, the functional thermal coupling body of this invention is arrange | positioned between the non-refrigeration refrigerator in a vacuum vessel, and a to-be-cooled object, and is a continuous operation refrigerator which conducts heat between a non-refrigeration refrigerator and a to-be-cooled object. Functional thermal coupling body for use, having a thermal conductivity that decreases rapidly in proportion to the temperature drop toward absolute zero below a predetermined temperature, and when the temperature is high, the thermal coupling degree is high. It is characterized by comprising a solid material having a passive heat switch function for a refrigerant-free refrigerator whose thermal coupling degree is drastically lowered when the temperature becomes low.

本発明の無冷媒冷凍機と機能性熱結合体によれば、極低温に短時間で簡単な操作で到達することができ、運転の能率が高く、安価で冷却効率が高く、簡単な構造で、メンテナンスを容易に行える。   According to the refrigerant-free refrigerator of the present invention and the functional thermal coupling body, it is possible to reach an extremely low temperature with a simple operation in a short time, high operation efficiency, low cost, high cooling efficiency, and a simple structure. Easy maintenance.

本発明の第1の形態は、第1の最低温度まで温度降下させることができる第1の冷却段と、第1の最低温度より低い第2の最低温度まで温度降下させることができる第2の冷却段とを備え、真空容器内で第1及び/又は第2の冷却段を使って被冷却物を冷却するための無冷媒冷凍機であって、第1の冷却段と第2の冷却段との間には、所定の温度以下で絶対零度に向けて温度の冪に比例して急激に減少する熱伝導率を有する固体物質で作った無冷媒冷凍機段間用の受動的熱スイッチ機能を有する機能性熱結合体が配設され、被冷却物を第1の最低温度以下に温度降下させるとき、第1の冷却段と第2の冷却段との間を熱伝導し、被冷却物の温度が高いときには熱結合度を高く、該第1の温度平衡点に近づくにつれて第1の冷却段と第2の冷却段との間の熱結合度を急激に低い状態にすることを特徴とする無冷媒冷凍機である。この構成によって、極低温に短時間で簡単な操作で到達することができ、運転の能率が高く、安価で冷却効率が高く、簡単な構造で、メンテナンスを容易に行える。   The first aspect of the present invention includes a first cooling stage capable of lowering the temperature to the first minimum temperature, and a second temperature lowering to a second minimum temperature lower than the first minimum temperature. And a cooling stage for cooling an object to be cooled in the vacuum vessel using the first and / or second cooling stage, the first cooling stage and the second cooling stage. Passive thermal switch function between refrigerant-free refrigerator stages made of solid material with thermal conductivity that decreases rapidly in proportion to the temperature drop toward absolute zero below a predetermined temperature When the object to be cooled is lowered to a temperature lower than or equal to the first minimum temperature, heat conduction is performed between the first cooling stage and the second cooling stage, and the object to be cooled is disposed. When the temperature is high, the thermal coupling degree is high, and as the first temperature equilibrium point is approached, the first cooling stage and the second cooling are performed. A cryogen free cryocooler, characterized by the rapid low state thermal coupling degree between. With this configuration, the cryogenic temperature can be reached in a short time with a simple operation, and the operation efficiency is high, the cost is low, the cooling efficiency is high, and the maintenance is easy with a simple structure.

本発明の第2の形態は、第1の形態に従属する形態であって、第2の最低温度より低い第3の最低温度まで温度降下させることができる第3の冷却段を備え、第2の冷却段と第3の冷却段との間には第2の機能性熱結合体が配設され、第2の機能性熱結合体が第2の温度平衡点まで第2の冷却段と第3の冷却段との間を熱結合し、第3冷却段の温度が高いときは熱結合度を高く、第3冷却段の温度が該第2の温度平衡点に近づくにつれて第2の冷却段と第3の冷却段との間の結合度を急激に低い状態にすることを特徴とする無冷媒冷凍機である。この構成によって、第3の冷却段によって更に極低温に到達することができる。   The second aspect of the present invention is a form subordinate to the first aspect, and includes a third cooling stage that can lower the temperature to a third minimum temperature lower than the second minimum temperature, A second functional thermal coupling body is disposed between the cooling stage and the third cooling stage, and the second functional thermal coupling body reaches the second temperature equilibrium point with the second cooling thermal stage and the third cooling stage. The third cooling stage is thermally coupled, the degree of thermal coupling is high when the temperature of the third cooling stage is high, and the second cooling stage as the temperature of the third cooling stage approaches the second temperature equilibrium point And a third cooling stage, the degree of coupling is rapidly lowered. With this configuration, the cryogenic temperature can be further reached by the third cooling stage.

本発明の第3の形態は、第1又は2の形態に従属する形態であって、被冷却物を低温状態に維持するため、各冷却段の間に順次温度平衡点が低下する1段又は2段以上の中間段が設けられ、中間段間及び中間段と冷却段との間にも機能性熱結合体が設けられたことを特徴とする無冷媒冷凍機である。この構成によって、温度降下に伴って順次中間段が高温側と熱的に切り離され、極低温を独立して維持することができる。   The third aspect of the present invention is a form subordinate to the first or second form, and in order to maintain the object to be cooled in a low temperature state, the first stage or the first stage in which the temperature equilibrium point decreases sequentially between the respective cooling stages. Two or more intermediate stages are provided, and a functional thermal coupling body is provided between the intermediate stages and between the intermediate stage and the cooling stage. With this configuration, the intermediate stage is sequentially thermally separated from the high temperature side as the temperature drops, and the cryogenic temperature can be maintained independently.

本発明の第4の形態は、第2又は第3の形態に従属する形態であって、第3の冷却段が、He濃厚相とHe希薄相の相界面を形成しHe原子がHe希薄相液に拡散するときのエントロピー変化によって被冷却物を冷却する希釈冷凍ユニットの混合器であって、第1の冷却段、第2の冷却段、ジュールトムソン熱交換器によって冷却されたHeガスをジュールトムソン弁で液化し、スティルと熱交換した後、混合器に熱交換器を通して導入され、エントロピー変化によって冷却を行い、さらにHe原子を混合器から熱交換器を通してスティルに移動し選択的に蒸発させることを特徴とする無冷媒冷凍機である。この構成によって、20mKクラスの極低温にすることができる。 A fourth form of the present invention is a form subordinate to the second or third form, wherein the third cooling stage forms a phase interface between a 3 He rich phase and a 3 He dilute phase, and 3 He atoms are A mixer of a dilution refrigeration unit that cools an object to be cooled by a change in entropy when diffusing into a 3 He dilute phase liquid, which is cooled by a first cooling stage, a second cooling stage, and a Joule Thomson heat exchanger 3 He gas is liquefied with a Joule-Thomson valve and heat-exchanged with the still, then introduced into the mixer through a heat exchanger, cooled by entropy change, and 3 He atoms are transferred from the mixer to the still through the heat exchanger The refrigerant-free refrigerator is characterized by being selectively evaporated. With this configuration, an extremely low temperature of 20 mK class can be achieved.

本発明の第5の形態は、第4の形態に従属する形態であって、混合器に導入されるHe液と混合器からスティルへ移動するHe液との間で熱交換するステップ熱交換器を備え、ステップ交換器が、隔壁となる銀板と、該銀板を挟んだ一対の焼結銀と、該焼結銀をそれぞれ覆う一対の蓋とを具備し、銀板と蓋とを締結部材によって締結したことを特徴とする無冷媒冷凍機である。この構成によって、隔壁にも高熱伝導率の銀板を使用することができるため、ステップ熱交換器の熱交換率を格段に向上させることができ、超流動するHeが漏れたときでも、締結体を締め直すことで修理することが可能になる。 Fifth aspect of the present invention is in a form dependent on the fourth aspect, the step heat exchanging heat between 3 He solution and the mixer to be introduced into the mixer with 3 He liquid moving to still The step exchanger includes a silver plate serving as a partition, a pair of sintered silver sandwiching the silver plate, and a pair of lids covering the sintered silver, and a silver plate and a lid. Is a refrigerant-free refrigerator characterized by being fastened by a fastening member. With this configuration, a silver plate with high thermal conductivity can be used for the partition wall, so that the heat exchange rate of the step heat exchanger can be greatly improved, and even when superfluid 3 He leaks, it can be fastened. It becomes possible to repair by retightening the body.

本発明の第6の形態は、第1乃至第5の何れかの形態に従属する形態であって、気化したHeを循環する流路にトラップが設けられ、該トラップが第1の冷却段に設けられていることを特徴とする無冷媒冷凍機である。この構成によって、従来のようにトラップを別に冷却する必要がなくなり、構成を簡単に、且つ使い易い無冷媒冷凍機となる。 A sixth aspect of the present invention is a form dependent on any one of the first to fifth aspects, wherein a trap is provided in a flow path for circulating vaporized 3 He, and the trap is provided in the first cooling stage. It is a refrigerant freezer characterized by being provided in. With this configuration, there is no need to separately cool the trap as in the prior art, and the refrigerant freezer is simple and easy to use.

本発明の第7の形態は、第6の形態に従属する形態であって、トラップには不純物を気化するためのヒータが設けられていることを特徴とする無冷媒冷凍機である。この構成によって、局部的に加熱して不純物をガス化し、流路の一部を使って放出するので、不純物排出時に無冷媒冷凍機の運転を停止する必要がない。   A seventh aspect of the present invention is a refrigerant-free refrigerator, which is a form subordinate to the sixth aspect, wherein the trap is provided with a heater for vaporizing impurities. With this configuration, the impurities are gasified by locally heating and released using a part of the flow path, so that it is not necessary to stop the operation of the refrigerant-free refrigerator when discharging the impurities.

本発明の第8の形態は、第1乃至第7の何れかの形態に従属する形態であって、気化したHeを循環する流路が第1の流路と、該第1の流路よりインピーダンスの低い予冷のための第2の流路とに分岐され、予冷時にのみ第2の流路を通して、第1及び第2の冷却段で冷やされたヘリウムガスが希釈冷凍ユニットに流れることにより希釈冷凍ユニットを予冷することを特徴とする無冷媒冷凍機である。この構成によって、常時インピーダンスの高い第1の流路で温度降下するのではなく、第2の流路を使って多量のヘリウムガスにより急速に冷却することができる。 An eighth aspect of the present invention is a form dependent on any one of the first to seventh aspects, wherein the flow path for circulating the vaporized 3 He is the first flow path, and the first flow path. The helium gas branched into the second flow path for pre-cooling with lower impedance flows through the second flow path only at the time of pre-cooling, and flows into the dilution refrigeration unit through the helium gas cooled in the first and second cooling stages. A refrigerant-free refrigerator that precools a dilution refrigeration unit. With this configuration, it is possible to rapidly cool with a large amount of helium gas using the second flow path, instead of the temperature drop always in the first flow path with high impedance.

本発明の第9の形態は、真空容器中の無冷媒冷凍機と被冷却物との間に配設され、無冷媒冷凍機と被冷却物間で熱伝導を行う連続運転冷凍機用の機能性熱結合体であって、所定の温度以下で絶対零度に向けて温度の冪に比例して急激に減少する熱伝導率を有し、温度が高いときは熱結合度が高く温度が低くなると急激に熱結合度が低下する無冷媒冷凍機用の受動的熱スイッチ機能を有する固体物質からなることを特徴とする機能性熱結合体である。この構成によって、極低温に短時間かつ簡単な操作で到達することができ、運転の能率が高く、安価で冷却効率が高く、簡単な構造で、メンテナンスを容易に行える。   The ninth aspect of the present invention is a function for a continuous operation refrigerator that is disposed between a refrigerant-free refrigerator and a cooled object in a vacuum vessel and conducts heat between the refrigerant-free refrigerator and the cooled object. A thermal conductivity that has a thermal conductivity that decreases rapidly in proportion to the temperature drop toward absolute zero below a predetermined temperature, and when the temperature is high, the degree of thermal coupling is high and the temperature is low. A functional thermal coupling body comprising a solid material having a passive thermal switching function for a refrigerant-free refrigerator in which the thermal coupling degree rapidly decreases. With this configuration, the cryogenic temperature can be reached in a short time with a simple operation, the operation efficiency is high, the cost is low, the cooling efficiency is high, and the maintenance is easy with a simple structure.

本発明の第10の形態は、真空容器中の無冷媒冷凍機の高温側の冷却段及び/又は中間段と低温側の冷却段及び/又は中間段との間に配設され、高温側の冷却段及び/又は中間段と低温側の冷却段及び/又は中間段で熱伝導を行う連続運転冷凍機用の機能性熱結合体であって、所定の温度以下で絶対零度に向けて温度の冪に比例して急激に減少する熱伝導率を有し、温度が高いときは熱結合度が高く温度が低くなると急激に熱結合度が低下する無冷媒冷凍機段間用の受動的熱スイッチ機能を有する固体物質からなることを特徴とする機能性熱結合体である。この構成によって、極低温に短時間かつ簡単な操作で到達することができ、運転の能率が高く、安価で冷却効率が高く、簡単な構造で、メンテナンスを容易に行える。なお、「冷却段及び/又は中間段」は、「冷却段及び中間段」あるいは「冷却段または中間段」を意味する。   The tenth aspect of the present invention is arranged between the high-temperature side cooling stage and / or intermediate stage and the low-temperature side cooling stage and / or intermediate stage of the refrigerant-free refrigerator in the vacuum vessel, A functional thermal coupling body for a continuous operation refrigerator that conducts heat in a cooling stage and / or an intermediate stage and a low-temperature side cooling stage and / or an intermediate stage, the temperature of the temperature lower than a predetermined temperature toward absolute zero Passive thermal switch for refrigerant-free refrigerator stages that has a thermal conductivity that decreases rapidly in proportion to drought, and that has a high degree of thermal coupling when the temperature is high and suddenly decreases when the temperature is low It is a functional thermal coupling body characterized by comprising a solid substance having a function. With this configuration, the cryogenic temperature can be reached in a short time with a simple operation, the operation efficiency is high, the cost is low, the cooling efficiency is high, and the maintenance is easy with a simple structure. “Cooling stage and / or intermediate stage” means “cooling stage and intermediate stage” or “cooling stage or intermediate stage”.

本発明の第11の形態は、第9又は10の形態に従属する形態であって、固体物質がグラファイト,アルミナ,ベリリアの中の何れか1種の物質であることを特徴とする機能性熱結合体である。この構成によって、確実に極低温に短時間で簡単な操作で到達することができ、運転の能率が高く、安価で冷却効率が高く、簡単な構造で、メンテナンスを容易に行える。   An eleventh aspect of the present invention is a form subordinate to the ninth or tenth aspect, wherein the solid material is any one of graphite, alumina, and beryllia. It is a conjugate. With this configuration, it is possible to reliably reach an extremely low temperature in a short time with a simple operation, and the operation efficiency is high, the cost is low, the cooling efficiency is high, and the maintenance is easy with a simple structure.

(実施の形態1)
以下、本発明の実施の形態1における無冷媒冷凍機と熱スイッチ、それを備えたクライオスタットについて説明をする。実施の形態1の無冷媒冷凍機は、希釈冷凍ユニットを備えた無冷媒冷凍機であって、多段式のGM冷凍機と熱的に直列に接続した希釈冷凍ユニットを設けて極低温を実現する。なお、希釈冷凍ユニットはHeなどの希釈冷凍(dilution)作用を使って極低温を実現するものである。そして、以下GM冷凍機について説明するが、これに限らず、寒剤を用いないパルスチューブ冷凍機、スターリング冷凍機などでも他段式であれば同様である。
(Embodiment 1)
Hereinafter, the refrigerant-free refrigerator and the thermal switch according to Embodiment 1 of the present invention will be described. The refrigerant-free refrigerator of the first embodiment is a refrigerant-free refrigerator including a dilution refrigerator unit, and realizes cryogenic temperature by providing a dilution refrigerator unit thermally connected in series with a multistage GM refrigerator. . The dilution refrigeration unit realizes extremely low temperature by using a dilution refrigeration action such as 3 He. And although GM refrigerator is demonstrated below, it will be the same if not only this but the pulse tube refrigerator which does not use a cryogen, a Stirling refrigerator, etc. if it is another stage type.

図1は本発明の実施の形態1における無冷媒冷凍機の構成図、図2は本発明の実施の形態1における無冷媒冷凍機のステップ熱交換器の構成図、図3はグラファイトとアルミナの低温度域での熱伝導率を示すグラフ、図4はグラファイトの熱結合体の特性を示すグラフ、図5はグラファイト熱結合体の有無と数で冷却時間を比較したグラフである。   1 is a configuration diagram of a refrigerant-free refrigerator in Embodiment 1 of the present invention, FIG. 2 is a configuration diagram of a step heat exchanger of the refrigerant-free refrigerator in Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 3 is a graph of graphite and alumina. 4 is a graph showing the thermal conductivity in the low temperature range, FIG. 4 is a graph showing the characteristics of the graphite thermal bond, and FIG. 5 is a graph comparing the cooling time with and without the presence of the graphite thermal bond.

図1において、1は無冷媒超電導マグネットを備えたクライオスタットの真空容器である。真空容器1は内部でガスを介しての外部との熱伝達をなくすため真空ポンプによって減圧される。2は熱輻射シールドであり、外部からの熱輻射を断って熱輻射シールド2内を熱絶縁する。また、実施の形態1では高度の断熱の必要性があり、二重の熱輻射シールドが設けられている。2aは熱輻射シールド2の内側に配置され、二重に外部の熱を断熱する第2の熱輻射シールドである。3はGM冷凍機であって、多段式無冷媒冷凍機であり、実施の形態1の場合は40Kのステージと4Kのステージからなる2つのステージを有する。更にステージ数を増すこともできる。   In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a cryostat vacuum vessel provided with a refrigerant-free superconducting magnet. The vacuum vessel 1 is depressurized by a vacuum pump to eliminate heat transfer with the outside through gas. Reference numeral 2 denotes a heat radiation shield, which cuts off heat radiation from the outside and thermally insulates the heat radiation shield 2. In the first embodiment, there is a need for a high degree of heat insulation, and a double heat radiation shield is provided. Reference numeral 2a denotes a second heat radiation shield which is disposed inside the heat radiation shield 2 and doubles heat from outside. Reference numeral 3 denotes a GM refrigerator, which is a multistage refrigerant-free refrigerator, and in the case of the first embodiment, has two stages including a 40K stage and a 4K stage. Furthermore, the number of stages can be increased.

ここで、このGM冷凍機の基本構成を説明すると、詳細な構成は図示しないが、ガスを充満できるシリンダと、このシリンダ内を上部空間と下部空間の2つに区画するディスプレーサを備え、ディスプレーサが駆動機構によって往復動される。多段式GM冷凍機3はこのような基本構成が直列2段に設けられ、第1のステージで40Kまで冷却を行い、第2のステージで4Kにまで冷却する。各ステージの周囲は熱交換部となっており、接触した部材をそれぞれ恒常的に40K、4Kに冷却することが可能である。   Here, the basic configuration of the GM refrigerator will be described. Although a detailed configuration is not shown, the cylinder includes a cylinder that can be filled with gas, and a displacer that divides the inside of the cylinder into an upper space and a lower space. It is reciprocated by the drive mechanism. The multi-stage GM refrigerator 3 is provided with such a basic configuration in two stages in series. The first stage cools to 40K, and the second stage cools to 4K. The periphery of each stage is a heat exchanging part, and it is possible to constantly cool the contacted members to 40K and 4K, respectively.

続いて、図1に示す無冷媒冷凍機の説明を行う。4は冷媒Heガスが充填されたHeタンク、5は実施の形態1における試料を装着する試料装着装置、5は実施例1における試料を装着する試料装着装置、5aは試料装着装置5を支える上側支持筒部、5bは試料装着装置5を支える下側支持筒部である。この試料装着装置5については後述する。 Subsequently, the refrigerant-free refrigerator shown in FIG. 1 will be described. 4 is a 3 He tank filled with refrigerant 3 He gas, 5 is a sample mounting device for mounting a sample in the first embodiment, 5 is a sample mounting device for mounting a sample in Example 1, and 5a is a sample mounting device 5. The supporting upper support cylinder 5b is a lower support cylinder supporting the sample mounting device 5. The sample mounting device 5 will be described later.

6は超電導コイルからなり磁場中での試料の物性測定を行うための無冷媒超電導マグネット、7aは液体のHeを減圧して気化させる真空ポンプ、7bは真空ポンプ7aによって気化したHeガスを加圧するコンプレッサー、7cは活性炭トラップ20で分離した不純物ガス(窒素、酸素、水分等が気化したガス)を排出するための真空ポンプ、8は不純物が混入したHeガスを、詳細な内容は後述するが符号で言えば4→17g→7b→16→17d→20a→20→17e→8→7a→17g→4の順に循環させて純化する際、循環速度を極めて小さくするための流れのインピーダンスである。なお、バルブ17eの開度を微妙に調整できればインピーダンス8は必ずしも設ける必要はない。9は後述する混合器51を載置して試料装着装置5の先端と熱的、物理的に接触して熱交換をするための低温プレートである。 6 No refrigerant superconducting magnet for performing measuring physical properties of a sample in a magnetic field consist of superconducting coils, the vacuum pump 7a is to vaporize under reduced pressure the 3 He in liquid, the 3 He gas 7b is vaporized by the vacuum pump 7a pressurizing compressor, 7c impurity gas separated by the activated carbon trap 20 vacuum pump for discharging (nitrogen, oxygen, moisture or the like gas vaporized), 8 a 3 He gas impurities are mixed, details will be described later However, in terms of code, when purifying by circulation in the order of 4 → 17g → 7b → 16 → 17d → 20a → 20 → 17e → 8 → 7a → 17g → 4, the impedance of the flow is used to extremely reduce the circulation speed. is there. Note that the impedance 8 is not necessarily provided if the opening of the valve 17e can be finely adjusted. Reference numeral 9 denotes a low-temperature plate on which a mixer 51 (to be described later) is placed and heat exchange is performed by thermally and physically contacting the tip of the sample mounting device 5.

なお、実施の形態1の無冷媒超電導マグネット6は物性測定のためのものであるが、カスケード配列するための磁気冷凍機の無冷媒超電導マグネットにすることもできる。   Although the refrigerant-free superconducting magnet 6 of the first embodiment is for measuring physical properties, it can be a refrigerant-free superconducting magnet of a magnetic refrigerator for cascade arrangement.

さて、以下、さらに無冷媒冷凍機の詳細な構造について説明する。10はフランジで真空容器1の上部を塞ぐフランジであって、GM冷凍機3と試料装着装置5を支持する。11はGM冷凍機3の40K(本発明の第1の最低温度)となる第1ステージ(本発明の第1の冷却段)、12はGM冷凍機の4K(本発明の第2の最低温度)の温度になる第2ステージ(本発明の第2の冷却段)である。13は熱輻射シールド2の上部を塞ぎGM冷凍機3の第1ステージと熱交換して40K近辺の温度になる銅製の40Kプレートであり、14はGM冷凍機3の第2ステージと熱交換して4Kに近い温度になる銅製の4Kプレート、14aはGM冷凍機3の振動を吸収すると共に40Kプレート14の熱を第2ステージに伝えるフレキシブル熱伝導体である。   Now, the detailed structure of the refrigerant-free refrigerator will be described below. Reference numeral 10 denotes a flange that covers the upper portion of the vacuum vessel 1 with a flange, and supports the GM refrigerator 3 and the sample mounting device 5. 11 is a first stage (first cooling stage of the present invention) that is 40K (first minimum temperature of the present invention) of the GM refrigerator 3, and 12 is 4K of the GM refrigerator (second minimum temperature of the present invention). ) Is a second stage (second cooling stage of the present invention). Reference numeral 13 denotes a copper 40K plate which closes the upper part of the heat radiation shield 2 and exchanges heat with the first stage of the GM refrigerator 3 to reach a temperature around 40K, and 14 exchanges heat with the second stage of the GM refrigerator 3. The copper 4K plate 14a having a temperature close to 4K is a flexible heat conductor that absorbs the vibration of the GM refrigerator 3 and transfers the heat of the 40K plate 14 to the second stage.

次に、15は後述する希釈冷凍ユニットを構成するスティル52から気化したHeガスを導く排気パイプであり、真空ポンプ7aに連通されている。16,16a,16bは真空ポンプ7aを通ってコンプレッサー7bで加圧されたHeガスを希釈冷凍機の混合器51(後述する)に導くための流路であって、流路16が二分された一方の流路16aは予冷運転時にだけヘリウムガスを流すインピーダンスが小さい流路で、二分されたもう一方の流路16bは通常運転時にHeを流すための流路である。 Next, 15 is an exhaust pipe that guides 3 He gas vaporized from a still 52 constituting a dilution refrigeration unit, which will be described later, and is connected to a vacuum pump 7a. Reference numerals 16, 16a and 16b are flow paths for guiding the 3 He gas pressurized by the compressor 7b through the vacuum pump 7a to the mixer 51 (described later) of the dilution refrigerator, and the flow path 16 is divided into two. The other channel 16a is a channel having a small impedance for flowing helium gas only during the pre-cooling operation, and the other channel 16b divided into two is a channel for flowing 3 He during the normal operation.

従来技術による予冷の方法は、寒剤である液体ヘリウムに浸された真空容器内に微量のヘリウムガスを導入して、希釈冷凍ユニット外壁と4Kの真空容器内壁の間をヘリウムガスにより熱交換することで希釈冷凍ユニットを4Kまで冷却している。これに対し、実施の形態1の無冷媒冷凍機は熱交換器18b、19bで冷やされた冷たいヘリウムガスを、循環ラインの高インピーダンスの部分をバイパスさせて希釈冷凍ユニット内に流すことで予冷する。   In the conventional precooling method, a small amount of helium gas is introduced into a vacuum vessel immersed in a cryogenic liquid helium, and heat exchange is performed between the outer wall of the dilution refrigeration unit and the inner wall of the 4K vacuum vessel using helium gas. The dilution refrigeration unit is cooled to 4K. In contrast, the refrigerant-free refrigerator of Embodiment 1 precools the cold helium gas cooled by the heat exchangers 18b and 19b by flowing it through the dilution refrigeration unit, bypassing the high impedance portion of the circulation line. .

このようにインピーダンスの小さな流路を使って流れをバイパスさせるのは次の理由による。実施の形態1の希釈冷凍機はジュールトムソン(Joule-Thomson)効果を利用してHeを液化する。このとき流量を絞らなければならない。すなわち本来の流路16bはHeを液化できる程度のきわめて高いインピーダンスの流路となる。このため流路16bだけで冷却する場合には流量がごく微量であるため、低温に到達するまで長時間を要することになる。流路16bだけでは数日かけてもほとんど冷えず、実用に耐えない。 The reason why the flow is bypassed using the flow path having such a small impedance is as follows. The dilution refrigerator of the first embodiment liquefies 3 He using the Joule-Thomson effect. At this time, the flow rate must be reduced. That original flow path 16b becomes very high impedance of the flow path enough to liquefy the 3 the He. For this reason, when cooling only by the flow path 16b, since the flow rate is very small, it takes a long time to reach a low temperature. The flow path 16b alone is hardly cooled even over several days, and cannot be practically used.

そこで、実施の形態1では、低インピーダンスの流路16aを使って短時間で希釈冷凍ユニット、低温プレート9、試料ホルダ30、試料31、ヒータ32、温度センサ33の温度を4Kにし、その後はこの流路を閉止し、流路16bによって極低温を実現する。これにより熱交換ガスを使わない循環式の予冷が可能となる。そして、このとき、流路16aは追加的な予冷路、流路16bは希釈冷凍ユニットの本来の流路となる。この装置は、予冷のための簡単なバイパス路を構成するだけで、熱交換ガスを収容する大掛かりな内部真空容器が不要になる上、使い易さ、運転の能率、メンテナンス、コスト等の面で従来技術を凌ぐ。   Therefore, in the first embodiment, the temperature of the dilution refrigeration unit, the low temperature plate 9, the sample holder 30, the sample 31, the heater 32, and the temperature sensor 33 is set to 4K in a short time using the low impedance channel 16a. The flow path is closed and the cryogenic temperature is realized by the flow path 16b. Thereby, circulation type pre-cooling without using heat exchange gas becomes possible. At this time, the flow path 16a is an additional precooling path, and the flow path 16b is an original flow path of the dilution refrigeration unit. This device only constitutes a simple bypass path for pre-cooling, eliminates the need for a large internal vacuum vessel that accommodates heat exchange gas, and is easy to use, efficient in operation, maintenance, and cost. It surpasses conventional technology.

17a,17b,17c,17d,17e,17f,17gはバルブである。バルブ17a,17bは流路16a,16bの切り換えを行うためのバルブであり、また、バルブ17fは活性炭トラップ20で分離した不純物(窒素、酸素、水分)を排出するための流路を形成するのに使用するバルブであり、さらに、バルブ17dもHeガスの循環量を設定するためのバルブである。そして、バルブ17eは不純物排出回路を形成するとき以外閉止するバルブ、バルブ17gはHe、Heガスを補充するためのバルブである。 Reference numerals 17a, 17b, 17c, 17d, 17e, 17f, and 17g denote valves. The valves 17a and 17b are valves for switching between the flow paths 16a and 16b, and the valve 17f forms a flow path for discharging impurities (nitrogen, oxygen, moisture) separated by the activated carbon trap 20. The valve 17d is also a valve for setting the circulation amount of 3 He gas. The valve 17e is a valve that is closed except when an impurity discharge circuit is formed, and the valve 17g is a valve for replenishing 3 He and 4 He gases.

また、18a,18bは40Kプレート13に熱的に接触させて設けられ、コンプレッサー7bによって加圧されたHeガスを40Kプレート13とほぼ同温にする熱交換器である。そして、19a,19bは4Kプレート14に熱的に接触されて設けられ、それぞれ熱交換器18a、熱交換器18b及び活性炭トラップ20を通って送られてきたHeガスを4Kプレート14とほぼ同一温度にする熱交換器である。 Reference numerals 18a and 18b denote heat exchangers that are provided in thermal contact with the 40K plate 13 and make 3 He gas pressurized by the compressor 7b substantially the same temperature as the 40K plate 13. 19a and 19b are provided in thermal contact with the 4K plate 14, and 3 He gas sent through the heat exchanger 18a, the heat exchanger 18b, and the activated carbon trap 20, respectively, is almost the same as the 4K plate 14. It is a heat exchanger that makes temperature.

この活性炭トラップ20は(図1の拡大図も参照)、内部に活性炭を入れた金属容器からなり、He中の空気中の窒素ガスや酸素、水蒸気などが固化した不純物を除去するために用いられる。20aは活性炭トラップ20が40Kプレート13に接している側と反対側に設けられた予冷用の熱交換器、20bは黄銅やステンレスなどの合金でできており、熱伝導率の温度変化が比較的小さい特性を有している熱結合体である。熱結合体20bは、活性炭トラップ20と熱交換器20aの熱を40Kプレート13に伝える。20cは活性炭に吸着した窒素、酸素、水分等を脱着して放散させるとき使用するヒータ(本発明のヒータ)である。加熱することで吸着ガスが気化して、真空ポンプを用いて排出することができる。なお、活性炭の代わりに有効表面積の大きいシリカゲルやモレキュラーシーブ、ゼオライトなども用いることができる。 This activated carbon trap 20 (see also the enlarged view of FIG. 1) is a metal container with activated carbon inside, and is used to remove impurities solidified by nitrogen gas, oxygen, water vapor, etc. in the air in 3 He. It is done. 20a is a heat exchanger for pre-cooling provided on the side opposite to the side where the activated carbon trap 20 is in contact with the 40K plate 13, and 20b is made of an alloy such as brass or stainless steel. It is a thermal coupling body having small characteristics. The thermal coupling body 20 b transmits the heat of the activated carbon trap 20 and the heat exchanger 20 a to the 40K plate 13. 20c is a heater (heater of the present invention) used when nitrogen, oxygen, moisture, etc. adsorbed on activated carbon are desorbed and diffused. By heating, the adsorbed gas is vaporized and can be discharged using a vacuum pump. In addition, silica gel, a molecular sieve, zeolite, etc. with a large effective surface area can be used instead of activated carbon.

ここで、この活性炭トラップ20の詳細について説明する。希釈冷凍ユニットはHeを循環して凝縮、気化させ、この間に希釈冷凍作用によって熱を奪って冷凍サイクルを実現している。従って、運転している最中に、配管の内側に吸着している窒素、酸素、水分などの不純物がHeガスに混入すると、希釈冷凍機の低温側で冷却されて固化し、JT弁22等のインピーダンス部分に詰まってしまう。このため従来は温度77Kの液体窒素で冷却した活性炭に吸着させる方法を講じてきた。しかし、別に液体窒素を用意しなければならないため、余計なコストが発生するのと、液体窒素が蒸発して少なくなると補充する手間が必要であるという不都合があった。 Here, the details of the activated carbon trap 20 will be described. The dilution refrigeration unit circulates 3 He to condense and vaporize it, and during this time heat is taken away by the dilution refrigeration action to realize a refrigeration cycle. Accordingly, when impurities such as nitrogen, oxygen, and moisture adsorbed on the inside of the pipe are mixed into the 3 He gas during operation, it is cooled and solidified on the low temperature side of the dilution refrigerator, and the JT valve 22 It becomes clogged with the impedance part. For this reason, conventionally, a method of adsorbing on activated carbon cooled with liquid nitrogen at a temperature of 77 K has been taken. However, since liquid nitrogen has to be prepared separately, there is an inconvenience that extra costs are generated and that it is necessary to replenish when liquid nitrogen evaporates and decreases.

そこで、実施の形態1においてはGM冷凍機の第1ステージ11が40Kとなっていることを利用し、40Kプレート13を低熱源として活性炭トラップ20を冷却する。活性炭トラップ20は黄銅等の熱結合体20bを介して約40Kに冷却される。さらに循環するHeガスは活性炭トラップ20の上部に設けられた熱交換器20aを使って予め温度降下させられ、活性炭トラップ20内に導かれる。これによりHeガスから確実に不純物を取り除くことができる。 Therefore, in the first embodiment, the activated carbon trap 20 is cooled using the 40K plate 13 as a low heat source utilizing the fact that the first stage 11 of the GM refrigerator is 40K. The activated carbon trap 20 is cooled to about 40K through a thermal coupling body 20b such as brass. Further, the circulating 3 He gas is preliminarily lowered in temperature using a heat exchanger 20 a provided on the upper part of the activated carbon trap 20, and is introduced into the activated carbon trap 20. Thereby, impurities can be reliably removed from the 3 He gas.

なお、不純物の排出時には、バルブ17a,17b,17c,17d,17e,17gを閉止して、Heガスの循環を停止すると共にバルブ17fを開ける。このままでは吸着トラップ20の温度が低いため、不純物ガスは吸着されたままである。排出に当たっては、まずヒータ20cを通電し、活性炭トラップ20の温度を局部的に室温まで上昇させる。これにより、吸着あるいは固化していた不純物は気化し、一時的に形成される排出のための流路を伝わって真空ポンプ7cによって外部に放出される。なお、ヒータに加える電力は少なく、熱結合体20bの熱伝導率はあまり大きくないため40Kプレート13の温度上昇はほとんどない。 When the impurities are discharged, the valves 17a, 17b, 17c, 17d, 17e, and 17g are closed to stop the circulation of 3 He gas and the valve 17f is opened. In this state, since the temperature of the adsorption trap 20 is low, the impurity gas remains adsorbed. In discharging, the heater 20c is first energized to raise the temperature of the activated carbon trap 20 locally to room temperature. As a result, the adsorbed or solidified impurities are vaporized, and are discharged to the outside by the vacuum pump 7c through the temporarily formed discharge passage. In addition, since the electric power applied to the heater is small and the thermal conductivity of the thermal coupling body 20b is not so large, the temperature of the 40K plate 13 hardly increases.

このように実施の形態1の無冷媒冷凍機においては、不純物を排出する際に循環路とは別にローカルな排出流路を形成し、局部的に活性炭トラップ20の温度を上げて不純物を放出するため、この間GM冷凍機3の運転を停止する必要がなく、不純物排出後には直ちにHeガスの循環を開始でき、短時間で希釈冷凍動作を再開させることができる。従来のように活性炭トラップにヒータが具備されていない場合には、排出処理を行うためGM冷凍機を停止し再開に長時間を要していたが、GM冷凍機を停止する必要がなくなる。 Thus, in the refrigerant-free refrigerator of the first embodiment, when discharging impurities, a local discharge channel is formed separately from the circulation channel, and the impurities are released by locally raising the temperature of the activated carbon trap 20. Therefore, it is not necessary to stop the operation of the GM refrigerator 3 during this period, and the circulation of 3 He gas can be started immediately after the impurities are discharged, and the dilution refrigeration operation can be resumed in a short time. When the activated carbon trap is not equipped with a heater as in the prior art, it took a long time to stop and restart the GM refrigerator to perform the discharge process, but it is not necessary to stop the GM refrigerator.

次に、21は排気パイプ15内でコイル状に巻かれ、熱交換器19bで冷却されたHeと排気パイプ15を上昇する冷たいHeガスとで熱交換するJT(Joule-Thomson)熱交換器、22はJT(Joule-Thomson)弁である。 Then, 21 are coiled in the exhaust pipe 15 within, JT (Joule-Thomson) heat exchanger for exchanging heat between 3 He which is cooled by the heat exchanger 19b and the cold 3 He gas increases the exhaust pipe 15 The vessel 22 is a JT (Joule-Thomson) valve.

このJT弁22は、冷媒の流量を絞った後膨張させ、このときの圧力降下により温度降下させ冷却液化させる。従って、コンプレッサー7bで高圧にされたHeガスは、予冷運転時以外、冷却路16bの熱交換器18b,19bで冷却され、その後JT熱交換器21によって冷却された後、JT弁22によって膨張冷却液化される。 The JT valve 22 is expanded after the flow rate of the refrigerant is reduced, and the temperature is lowered by the pressure drop at this time so as to be cooled and liquefied. Accordingly, the 3 He gas that has been pressurized by the compressor 7b is cooled by the heat exchangers 18b and 19b in the cooling passage 16b, and then cooled by the JT heat exchanger 21 and then expanded by the JT valve 22 except during the pre-cooling operation. Cooled and liquefied.

ここで、希釈冷凍ユニットの予冷路と冷凍サイクルの循環路についてさらに説明する。上述したとおり、流路16は流路16aと流路16bとに二分され、一方の流路16aは予冷運転時にだけHeを流す予冷路として、もう一方の流路16bは通常運転時にHeを流すための流路として使われる。 Here, the precooling path of the dilution refrigeration unit and the circulation path of the refrigeration cycle will be further described. As described above, the flow path 16 is divided into the flow path 16a and the flow path 16b. One of the flow paths 16a is a precooling path that allows 3 He to flow only during the precooling operation, and the other flow path 16b is 3 He during normal operation. It is used as a flow path for flowing water.

寒剤を使用するタイプのものも、寒剤を用いない無冷媒タイプのものも、何れも一旦4Kまで内部の希釈冷凍ユニットを予冷してから希釈冷凍機の運転に入る。寒剤タイプのものは、希釈冷凍ユニットを収納した真空容器が寒剤(液体He)中に浸っており、まずこの真空容器の中に熱交換ガスとして微量のHeガスを入れた状態で真空容器を4Kに冷却する。すると真空容器内面と希釈冷凍ユニットの外壁面間で熱のやり取りが行われ、希釈冷凍ユニットが4Kに冷却される。その後希釈冷凍ユニットを断熱状態とするため、真空ポンプで約半日から1日かけて熱交換ガスを排気し、内部真空容器内を真空の環境にする。このため寒剤タイプの予冷には余分な時間がかかる。 Both the type using the cryogen and the non-refrigerant type using no cryogen once precool the internal dilution refrigeration unit to 4K and then start the dilution refrigerator. For the cryogen type, the vacuum container containing the dilution refrigeration unit is immersed in the cryogen (liquid 4 He). First, the vacuum container is filled with a very small amount of 4 He gas as a heat exchange gas. Is cooled to 4K. Then, heat is exchanged between the inner surface of the vacuum vessel and the outer wall surface of the dilution refrigeration unit, and the dilution refrigeration unit is cooled to 4K. Thereafter, in order to bring the diluted refrigeration unit into an adiabatic state, the heat exchange gas is exhausted by a vacuum pump over about half a day to one day, and the inside of the internal vacuum vessel is made a vacuum environment. For this reason, it takes extra time to precool the cryogen type.

しかし、実施の形態1の希釈冷凍ユニットは多段式のGM冷凍機を用いており、無冷媒タイプであり、GM冷凍機の第2ステージ(4K)でHeを約4Kに冷却する。無冷媒のGM冷凍機を使っているため、寒剤を使用する場合より格段に取り扱いが容易で、構造が機能的に簡単である。また、ヘリウムガス循環式の予冷法であるため、熱交換用のHeガスを排気する時間が不要になる分だけ、予冷時間が短縮されるものである。 However, the dilution refrigeration unit of the first embodiment uses a multistage GM refrigerator, is a refrigerant-free type, and cools 3 He to about 4K in the second stage (4K) of the GM refrigerator. Since a refrigerant-free GM refrigerator is used, handling is much easier than when a cryogen is used, and the structure is functionally simple. Further, since the pre-cooling method is a helium gas circulation type, the pre-cooling time is shortened by the amount that the time for exhausting the 4 He gas for heat exchange becomes unnecessary.

なお、希釈冷凍ユニットでは、JT弁22は数分かけて1ccのガスが流れる程度に高インピーダンスをもつ流体要素である。従って、このJT弁22が配設された流路16bを使って冷却するのは、最低温度に到達するまで膨大な時間(数日かけてもほとんど冷えない)を要することになる。   In the dilution refrigeration unit, the JT valve 22 is a fluid element having such a high impedance that 1 cc of gas flows over several minutes. Therefore, cooling using the flow path 16b in which the JT valve 22 is disposed requires an enormous amount of time (almost no cooling over several days) until the minimum temperature is reached.

そこで、実施の形態1の希釈冷凍ユニットにおいて、流路16aが並列に設けられるのはJT弁22が配設される部分であり、バルブ17a,17bと熱交換器53の間となる。予冷運転時にはバルブ17bに加えてバルブ17aも開いて、インピーダンスの低い流路16aを予冷路としてヘリウムガスを流し、短時間で4Kプレートより下に配設された部分の温度を約4Kにする。その後はバルブ17aを閉止すると、バルブ17bだけが開いた状態となり、高インピーダンスの流路16bによって温度降下させて極低温を実現する。   Therefore, in the dilution refrigeration unit of the first embodiment, the flow path 16 a is provided in parallel to the portion where the JT valve 22 is disposed, and is between the valves 17 a and 17 b and the heat exchanger 53. During the pre-cooling operation, the valve 17a is opened in addition to the valve 17b, and helium gas is allowed to flow using the low-impedance flow path 16a as the pre-cooling path, and the temperature of the portion disposed below the 4K plate is brought to about 4K in a short time. Thereafter, when the valve 17a is closed, only the valve 17b is opened, and the temperature is lowered by the high-impedance channel 16b to realize a cryogenic temperature.

ところで、実施の形態1の希釈冷凍ユニットでは、混合器51でHeとHeが混合されて温度降下する。すなわち、混合液の温度が0.6K以下になったとき、混合液は2相に分離し、下にはHeの濃度が低く比重の大きなHe希薄相液、上にはHeの濃度が高く比重の小さなHe濃厚相液が形成されることを利用する。希釈冷凍機は、軽いHe濃厚相液から重いHe希薄相液内にHeが溶解(拡散)し、2つの相間のエントロピー差に基づく熱吸収(希釈冷凍作用)が生じて極低温(本発明の第3の最低温度)を実現する。これにより20mK前後にまで温度降下する。 By the way, in the dilution refrigeration unit of Embodiment 1, 3 He and 4 He are mixed by the mixer 51, and temperature falls. That is, when the temperature of the mixed solution becomes 0.6K or lower, the mixed solution is separated into two phases, below the 3 He dilute phase solution having a low 3 He concentration and high specific gravity, and above the 3 He concentration. The formation of a 3 He concentrated phase liquid having a high specific gravity and a low specific gravity is utilized. In a dilution refrigerator, 3 He is dissolved (diffused) from a light 3 He concentrated phase liquid into a heavy 3 He dilute phase liquid, and heat absorption (dilution refrigeration action) based on the entropy difference between the two phases occurs, resulting in extremely low temperature ( The third minimum temperature of the present invention is realized. As a result, the temperature drops to around 20 mK.

図1において、51は、HeガスがJT弁22で凝縮され、Heの高濃度凝縮液として戻ってきたとき、内部のHeと混合させる混合器(本発明の第3の冷却段)である。また、52はスティルであり、スティル52は後述するチューブインチューブ型熱交換器55とステップ熱交換器56を介して混合器51につながっている。スティル52には排気パイプ15が接続されており、気化したHeガスが排気パイプ15内を導かれて真空ポンプ7aに導かれる。スティル52は、Heと比較して飽和蒸気圧が高く気化が速いHeを0.7Kで気化させることにより、混合器51中の希薄相液中のHeを抽出し、連続的な冷凍サイクルを実現する。 In FIG. 1, 51 is a mixer (the third cooling stage of the present invention) in which 3 He gas is condensed by the JT valve 22 and mixed with 4 He inside when returning as a high concentration condensate of 3 He. It is. Reference numeral 52 denotes a still, and the still 52 is connected to the mixer 51 via a tube-in-tube heat exchanger 55 and a step heat exchanger 56 described later. The exhaust pipe 15 is connected to the still 52, and the vaporized 3 He gas is guided through the exhaust pipe 15 and then to the vacuum pump 7a. Still 52, by vaporizing at 0.7K of 3 He is faster high vaporization saturated vapor pressure compared to 4 the He, extracts the 3 He in the dilute phase fluid in the mixer 51, a continuous refrigeration Realize the cycle.

53はJT熱交換器21、JT弁22によって1K程度に冷却されたHeガスから凝縮熱を吸収しHeを0.7K前後程度に冷却する熱交換器、54は熱交換器53で熱交換した凝縮熱をスティル52内のHe希薄相液に伝えるHe気化ステージのプレートである。55はチューブインチューブ型熱交換器、56はステップ熱交換器、57はチューブインチューブ型熱交換器55を支持する50mK程度のプレートである。プレート54、プレート57が、本発明における実施の形態1の中間段であり、被冷却物を低温状態に維持するため4Kプレート14と低温プレート9の間に2段設けられているものである。 53 is a heat exchanger that absorbs heat of condensation from the 3 He gas cooled to about 1K by the JT heat exchanger 21 and the JT valve 22, and cools 3 He to about 0.7K. It is a plate of a 3 He vaporization stage that transmits the exchanged heat of condensation to the 3 He diluted phase liquid in the still 52. 55 is a tube-in-tube heat exchanger, 56 is a step heat exchanger, and 57 is a plate of about 50 mK that supports the tube-in-tube heat exchanger 55. The plate 54 and the plate 57 are intermediate stages of the first embodiment of the present invention, and two stages are provided between the 4K plate 14 and the low temperature plate 9 in order to maintain the object to be cooled in a low temperature state.

ここで、実施の形態1の上記したチューブインチューブ型熱交換器55とステップ熱交換器56について説明する。   Here, the above-described tube-in-tube heat exchanger 55 and step heat exchanger 56 of Embodiment 1 will be described.

まず、チューブインチューブ型熱交換器55は薄肉で大径のパイプ中にコイル状にした小径のパイプを挿入して更に大径パイプ全体をコイル状にしたもので、混合器51に戻っていくHe濃厚相液とスティル52に移動するHe希薄相液中のHe原子とを対向して流し、両者の間で熱交換する。また、ステップ熱交換器56は希釈冷凍機の最低温度を更に低下させるためのもので、銀粉が焼結された金属隔壁を挟んで2室が接触し、その2室を濃厚相液と希薄相液が対向して流れる。その際、焼結体が多孔質であるために非常に大きな熱交換面積(数m〜数十m)を確保できるものである。 First, the tube-in-tube heat exchanger 55 is obtained by inserting a coiled small-diameter pipe into a thin-walled large-diameter pipe and further coiling the entire large-diameter pipe, and returns to the mixer 51. 3 He flowed to face the 3 He atoms dense phase fluid and 3 He dilute phase fluid moving in still 52, performs heat exchange between them. Further, the step heat exchanger 56 is for further lowering the minimum temperature of the dilution refrigerator, and the two chambers are in contact with each other with a metal partition sintered with silver powder, and the two chambers are mixed with a concentrated phase liquid and a diluted phase. Liquid flows oppositely. At that time, since the sintered body is porous, a very large heat exchange area (several m 2 to several tens m 2 ) can be secured.

ところで、従来のステップ熱交換器は隔壁を挟んでこの両側に銀の焼結体(以下、焼結銀)を配設し、この焼結銀をそれぞれ蓋で覆って、JT弁22で凝縮されたHe濃厚相液とスティル52に向かうHe希薄相液中のHe原子とを向流方向に流して熱交換していた。そして、隔壁の材料としては、強度が要求される2つの蓋と同じキュプロニッケル(Cu−Ni合金)板が用いられていた。もちろん、隔壁としては熱伝導率の高い銀板を使うのが望ましいが、銀(Ag)とキュプロニッケル(Cu−Ni合金)とでは溶接が困難なため、同一金属を使い周囲のフランジ部分でアルゴン溶接を行っていた。また、隔壁に銀粉の付着を容易にするために銀メッキを施すことも必要であった。 By the way, in the conventional step heat exchanger, silver sintered bodies (hereinafter, sintered silver) are arranged on both sides of the partition wall, and each sintered silver is covered with a lid and condensed by the JT valve 22. was 3 and the He 3 He atoms dense phase fluid and 3 He dilute phase fluid towards the still 52 to flow in the countercurrent direction was heat exchange. And as a material of a partition, the same cupronickel (Cu-Ni alloy) plate as the two lid | covers with which intensity | strength is requested | required was used. Of course, it is desirable to use a silver plate with high thermal conductivity as the partition wall, but since it is difficult to weld with silver (Ag) and cupronickel (Cu-Ni alloy), argon is used in the surrounding flange portion using the same metal. We were welding. In addition, silver plating was necessary to facilitate the adhesion of silver powder to the partition walls.

この従来の方法では、溶接するとき熱が影響し内部の焼結銀が酸化によるダメージを受けることが多く、焼結体の多孔質の空隙、空孔が潰れ、熱交換面積が減少し、ステップ熱交換器の熱交換率を低下させていた。また溶接の代わりにハンダを用いた場合でも、温度が低い分ダメージが少ないものの熱による同様な影響は避けられず、加えてフラックスが焼結体の空孔に入って有効面積が減少する等の別の問題も存在した。 In this conventional method, heat is affected when welding, and the sintered silver inside is often damaged by oxidation, the porous voids and voids in the sintered body are crushed, the heat exchange area is reduced, and the step The heat exchange rate of the heat exchanger was lowered. Even when solder is used instead of welding, the same effect due to heat is unavoidable although the damage is low due to the low temperature. In addition, the effective area decreases because the flux enters the pores of the sintered body. There was another problem.

そこで、実施の形態1のステップ熱交換器56においては、その熱交換率を向上させるために、次の構成を採用している。図2において、61a,61bは円板等の形状を有する焼結銀、62は高熱伝導率を有する銀板の隔壁であり、63a,63bは焼結銀61a,61bをそれぞれ上下から覆うステンレス製の蓋である。蓋63a,63bの直径は約40mmであり、ステップ熱交換器56には3g程度の焼結銀61a,61bを使用する。これで約6mの熱交換面積を形成することができる。 Therefore, the step heat exchanger 56 of the first embodiment employs the following configuration in order to improve the heat exchange rate. In FIG. 2, 61a and 61b are sintered silver having a shape such as a disk, 62 is a partition of a silver plate having high thermal conductivity, and 63a and 63b are made of stainless steel that covers the sintered silver 61a and 61b from above and below, respectively. It is a lid. The diameter of the lids 63a and 63b is about 40 mm, and about 3 g of sintered silver 61a and 61b is used for the step heat exchanger 56. Thus, a heat exchange area of about 6 m 2 can be formed.

このように蓋63a,63bをステンレスとすることで、高い強度を得ることができ、しかもキュプロニッケルを使った場合より安価なステップ熱交換器にすることができる。また、銀板を使うので本来的に焼結銀61a,61bと隔壁62との親和性がよく、銀メッキを施す必要もない。そして、蓋63a,63bの材料は自由度が高く、それがステンレス製である必要もないし、蓋63a,63bとが互いに材料が異なっていてもよい。それは、実施の形態1のステップ熱交換器56が、蓋63a,63bと隔壁62の接合をアルゴン溶接でなく、物理的締付とシールの組み合わせで行う、という特徴ある構成を有しているからである。   Thus, by using the lids 63a and 63b as stainless steel, high strength can be obtained, and a cheaper step heat exchanger can be obtained than when cupronickel is used. Further, since a silver plate is used, the affinity between the sintered silver 61a and 61b and the partition wall 62 is essentially good, and there is no need to apply silver plating. The material of the lids 63a and 63b has a high degree of freedom and does not need to be made of stainless steel, and the materials of the lids 63a and 63b may be different from each other. This is because the step heat exchanger 56 of the first embodiment has a characteristic configuration in which the lids 63a and 63b and the partition wall 62 are joined not by argon welding but by a combination of physical tightening and sealing. It is.

図2に示すように、64はボルト等の雄ネジであり、隔壁62を挟んで焼結銀61a,61bを蓋63a,63bで覆い、フランジ部分に形成された雌ネジと雄ネジ64がしっかりと螺合される。雄ネジ64とこの雌ネジが本発明の締結部材に相当する。65は蓋63a,63bに取り付けられた流路形成用ブロックであり、66はHe濃厚相液を流すため流路形成用ブロック65に穿孔して形成された濃厚液流路である。同様に、67はHe希薄相液を流すため流路形成用ブロック65に穿孔して形成された希薄液流路である。また、68は蓋63a,63bと隔壁62の水密性を確保するためのイリジウムシールである。他のシール、例えば鉛、ハンダ、カプトン(登録商標)などでもかまわない。 As shown in FIG. 2, 64 is a male screw such as a bolt, and the sintered silver 61a and 61b are covered with lids 63a and 63b across the partition wall 62, and the female screw and the male screw 64 formed on the flange portion are firmly attached. And screwed together. The male screw 64 and the female screw correspond to the fastening member of the present invention. Reference numeral 65 denotes a flow path forming block attached to the lids 63a and 63b. Reference numeral 66 denotes a concentrated liquid flow path formed by perforating the flow path forming block 65 to flow a 3 He concentrated phase liquid. Similarly, 67 is a dilute liquid flow path formed by perforating the flow path forming block 65 in order to flow a 3 He dilute phase liquid. Reference numeral 68 denotes an iridium seal for ensuring the water tightness of the lids 63a and 63b and the partition wall 62. Other seals such as lead, solder, and Kapton (registered trademark) may be used.

以上の構成により、ステップ熱交換器56の焼結銀61a,61bは、アルゴン溶接の影響を受けて、隔壁62も最も高熱伝導率の銀板を使用することができ、ステップ熱交換器56の熱交換率を格段に向上させることができる。そして、仮に、Heがステップ熱交換器56から漏れたときでも、実施の形態1の場合、雌ネジと雄ネジ64を締め直すか、両者を分解して修理することが可能にある。これに対し、従来のようなアルゴン溶接をしたステップ熱交換器では修理は不可能である。 With the above configuration, the sintered silver 61a and 61b of the step heat exchanger 56 is affected by argon welding, and the partition wall 62 can also use the silver plate having the highest thermal conductivity. The heat exchange rate can be significantly improved. Even if 3 He leaks from the step heat exchanger 56, in the case of the first embodiment, it is possible to retighten the female screw and the male screw 64 or to disassemble and repair them. On the other hand, a conventional step heat exchanger with argon welding cannot be repaired.

さて、実施の形態1の希釈冷凍ユニットは、GM冷凍機3の第1ステージ11で40Kプレート13を40Kに冷却され、第2ステージ12で4Kプレート14を4Kに冷却される。これによって、Heガスは熱交換器18bで40K程度に冷却され、熱交換器19bで4K程度に冷却され、JT熱交換器21でさらに冷却され、JT弁22によって液化される。 In the dilution refrigeration unit of the first embodiment, the 40K plate 13 is cooled to 40K by the first stage 11 of the GM refrigerator 3, and the 4K plate 14 is cooled to 4K by the second stage 12. Thus, the 3 He gas is cooled to about 40K by the heat exchanger 18b, cooled to about 4K by the heat exchanger 19b, further cooled by the JT heat exchanger 21, and liquefied by the JT valve 22.

その後、熱交換器53で0.7K前後に冷却されたHeは、チューブインチューブ型熱交換器55においてスティル52に移動するHe希薄相液中のHe原子と対向して流れることで再び熱交換し、ステップ熱交換器56で温度を更に低下させられる。混合器51に入った液体Heは混合器51の上部に位置するHe濃厚相液となり、下部に位置するHe希薄相液にHeが溶け込むときの溶解熱吸収によって、20mK(0.02K)の温度を実現することができる。 Then, 3 He which is cooled back and forth 0.7K in the heat exchanger 53, by the tube-in-tube heat exchanger 55 flows to face the 3 He atoms 3 He dilute phase fluid moving in still 52 The heat is exchanged again, and the temperature is further lowered by the step heat exchanger 56. The liquid 3 He entering the mixer 51 becomes a 3 He concentrated phase liquid located in the upper part of the mixer 51, and is absorbed by the heat of dissolution when 3 He dissolves in the 3 He dilute phase liquid located in the lower part. 02K) can be realized.

このときスティル52においては、図示されていないヒータからの熱で0.7K程度に加熱され、真空ポンプ7aによる負圧でHeより飽和蒸気圧が大きいHeが気化する。これによりスティル52内のHeと混合器51内のHe希薄相液のHeとの間に濃度勾配が生じ、スティル52内のHeの不足分を補うために混合器51内のHe希薄相液のHe原子が移動する。更にこのHe希薄相液のHeの濃度を補充するため、He濃厚相液からHe原子が拡散する。スティル52から気化したHeガスは、排気パイプ15を通って温度上昇すると共に真空ポンプ7aで吸引され、更にコンプレッサー7bで加圧される。その後、Heガスは第1ステージの熱交換器18bに送られ、以上説明した冷凍サイクルを繰返すことになる。 At this time, the still 52 is heated to about 0.7K by heat from a heater (not shown), and 3 He having a saturated vapor pressure higher than 4 He is vaporized by the negative pressure by the vacuum pump 7a. Thus the concentration gradient is generated between the 3 He in 3 He dilute phase fluid in the 3 He and the mixer 51 in the Still 52, 3 in the mixer 51 to compensate for the shortage of the 3 He in Still 52 3 He atoms of He dilute phase liquid move. To further supplement the concentration of 3 He in this 3 He dilute phase liquid, 3 He atoms diffuse from the 3 He dense phase fluid. The 3 He gas evaporated from the still 52 rises in temperature through the exhaust pipe 15 and is sucked by the vacuum pump 7a and further pressurized by the compressor 7b. Thereafter, the 3 He gas is sent to the first stage heat exchanger 18b, and the refrigeration cycle described above is repeated.

続いて、ここで簡単に試料装着装置5について説明する。図1において、30は銅製の試料ホルダ、31は試料ホルダ30に係止される物性測定用の試料(本発明の被冷却物)である。32は試料31の温度を上昇させるマンガニン線を巻回したヒータ、33は試料31の温度を検出する熱電対、サーミスタ等の温度センサである。この温度センサ33は試料ホルダ30に形成された窪みに埋め込まれる。試料ホルダ30には図示はしないがDカット状の窪みと小径部が近接して形成されている。このDカット状の平坦部上に試料31が真空雰囲気(真空空間)に露出された状態で取り付けられ、小径部にヒータ32が巻回される。ヒータ32は試料ホルダ30を通して温度センサ32と試料31を局部的に熱伝導により加熱するためのものである。このとき、試料ホルダ30、温度センサ32、試料31は小さいため、他の部品に与える熱輻射の影響はきわめて小さい。   Next, the sample mounting device 5 will be briefly described here. In FIG. 1, reference numeral 30 denotes a copper sample holder, and 31 denotes a sample for measuring physical properties (an object to be cooled of the present invention) locked to the sample holder 30. 32 is a heater wound with a manganin wire that raises the temperature of the sample 31, and 33 is a temperature sensor such as a thermocouple or thermistor for detecting the temperature of the sample 31. This temperature sensor 33 is embedded in a recess formed in the sample holder 30. Although not shown, the sample holder 30 is formed with a D-cut recess and a small-diameter portion adjacent to each other. A sample 31 is mounted on the D-cut flat portion while being exposed to a vacuum atmosphere (vacuum space), and a heater 32 is wound around the small-diameter portion. The heater 32 is for locally heating the temperature sensor 32 and the sample 31 through the sample holder 30 by heat conduction. At this time, since the sample holder 30, the temperature sensor 32, and the sample 31 are small, the influence of heat radiation on other components is extremely small.

試料ホルダ30を低温プレート9へ装着するときは、先ず、試料31を試料ホルダ30に装着し、試料装着装置5を下側支持筒部5bのゲートバルブより高い位置から差し込み、ゲートバルブを締め切った状態で上側支持筒部5a,下側支持筒部5bを連結し、密閉空間を形成する。この状態で真空ポンプ(図示しない)を運転し、上側支持筒部5a等内の空気を排出し、真空容器1内と同一の真空度にまで減圧する。この状態でゲートバルブを開くと、上側支持筒部5a,下側支持筒部5b,真空容器1内はすべて真空で、この中に試料ホルダ30が差し込まれた状態となる。そこで、試料装着装置5を更に挿入して行くと、試料装着装置5の先端の試料ホルダ30が試料装着ガイド23に挿入され、そのまま案内されて図1に示す状態となる。外部へ取り出しを行う手順は挿入のときと逆に行えばよい。   When the sample holder 30 is mounted on the low temperature plate 9, the sample 31 is first mounted on the sample holder 30, the sample mounting device 5 is inserted from a position higher than the gate valve of the lower support cylinder 5b, and the gate valve is closed. In this state, the upper support cylinder part 5a and the lower support cylinder part 5b are connected to form a sealed space. In this state, a vacuum pump (not shown) is operated, the air in the upper support cylinder 5a and the like is discharged, and the pressure is reduced to the same degree of vacuum as in the vacuum container 1. When the gate valve is opened in this state, the upper support cylinder 5a, the lower support cylinder 5b, and the vacuum vessel 1 are all in a vacuum state, and the sample holder 30 is inserted therein. Therefore, when the sample mounting device 5 is further inserted, the sample holder 30 at the tip of the sample mounting device 5 is inserted into the sample mounting guide 23 and is guided as it is to the state shown in FIG. The procedure for taking out to the outside may be performed in the reverse order of insertion.

さて、本発明の実施の形態1においては、予冷を短時間で行うため特徴ある機能性熱結合体、すなわち受動的熱スイッチ機能を有する機能性熱結合体を用いている。ここで受動的熱スイッチ機能とは、温度が高いときは熱結合度が高く、温度が低くなると急激に熱結合度が低下する熱結合機能のことで、熱接続された対象物(冷凍機)に支配される熱結合機能を意味し、熱スイッチに類似はするが、消極的な作用だけを有する機能である。連続運転する多段式冷凍機の段間をつなぐ新しい熱伝導と熱遮断の機能である。そして、機能性熱結合体は、グラファイトなどの、絶対零度に向けて所定の温度以下で温度の冪に比例して急激に減少する熱伝導率を有する固体物質で、柱状につくられた形状をもつ物性に依存する受動的熱スイッチ機能を有する熱結合体である。この単純さゆえに、機能性熱結合体はガスギャップ熱スイッチの問題点をなくすことができる。なお、「所定の温度」というのは、温度の変化とともに熱伝導メカニズムが変わるため、温度の上昇と共に熱伝導度が温度の冪からずれて飽和あるいはピークを示し始める温度である。実際の物質においてはこのような温度が存在するのが一般的であり、例えばグラファイトの場合には110K、アルミナの場合、70Kである。   Now, in the first embodiment of the present invention, a characteristic functional thermal coupling body, that is, a functional thermal coupling body having a passive thermal switching function is used in order to perform precooling in a short time. Here, the passive thermal switch function is a thermal coupling function in which the degree of thermal coupling is high when the temperature is high, and the degree of thermal coupling rapidly decreases when the temperature is low. This is a function that is similar to a thermal switch but has only a negative effect. This is a new heat conduction and heat insulation function that connects the stages of multistage refrigerators that operate continuously. The functional thermal coupling body is a solid substance having a thermal conductivity that decreases rapidly in proportion to the temperature drop below a predetermined temperature toward absolute zero, such as graphite, and has a columnar shape. It is a thermal coupling body that has a passive thermal switching function depending on the physical properties of the thermal coupling body. Because of this simplicity, the functional thermal combination can eliminate the problems of gas gap thermal switches. The “predetermined temperature” is a temperature at which the thermal conductivity starts to show saturation or a peak as the temperature rises because the thermal conductivity mechanism changes as the temperature changes, and the thermal conductivity deviates from the temperature drop. Such a temperature is generally present in an actual material, for example, 110K for graphite and 70K for alumina.

まず、実施の形態1におけるグラファイト熱結合体(本発明の機能性熱結合体)の構成について説明する。図1において、41はGM冷凍機3の第1ステージの40Kプレート13と第2ステージの4Kプレート14とを接続する第1グラファイト棒(本発明の機能性熱結合体)であり、42は4Kプレート14と0.7K程度のプレート54とを接続する第2グラファイト棒である。43は0.7K程度のプレート54と50mK程度のプレート57とを接続する第3グラファイト棒、44はプレート57と20mK程度の低温プレート9とを接続する第4グラファイト棒である。ここで、4Kプレート14と低温プレート9との間にプレート54、57を設けない場合は、第2乃至第4グラファイト棒42,43,44に代えて、4Kプレート14と低温プレート9を熱的に接続する1本のグラファイト棒(本発明の第2の機能性熱結合体)を設ければよい。   First, the structure of the graphite thermal coupling body in Embodiment 1 (functional thermal coupling body of the present invention) will be described. In FIG. 1, 41 is a first graphite rod (functional thermal coupling body of the present invention) that connects the 40K plate 13 of the first stage and the 4K plate 14 of the second stage of the GM refrigerator 3, and 42 is 4K. This is a second graphite rod that connects the plate 14 and a plate 54 of about 0.7K. 43 is a third graphite rod for connecting a plate 54 of about 0.7K and a plate 57 of about 50 mK, and 44 is a fourth graphite rod for connecting the plate 57 and a low temperature plate 9 of about 20 mK. Here, when the plates 54 and 57 are not provided between the 4K plate 14 and the low temperature plate 9, the 4K plate 14 and the low temperature plate 9 are thermally replaced with the second to fourth graphite rods 42, 43, and 44. It is only necessary to provide one graphite rod (second functional thermal coupling body of the present invention) connected to the.

実施の形態1のグラファイト熱結合体は、ピッチボンデッドグラファイトなどが好適で、絶対温度をTとして熱伝導率がT(ここでN=2.6〜3)に比例した変化を示すものが望ましい。低温では、熱伝導はグラファイトの構造に由来するフォノンと粒子間の接触状態にのみ依存する。 Pitch-bonded graphite or the like is preferable as the graphite heat-bonded body of the first embodiment, and the thermal conductivity is proportional to T N (where N = 2.6 to 3), where T is the absolute temperature. desirable. At low temperatures, heat conduction depends only on the contact state between the phonons and the particles derived from the graphite structure.

さて、この第1乃至第4グラファイト棒41,42,43,44から構成される機能性熱結合体は、各プレート間を熱的にいわばオン、オフ(接続、切り離し)すると共に、物理的には各プレートの支持体になっている。第1乃至第4グラファイト棒41,42,43,44は、組成がグラファイトで、強度さえあれば、いかなる形態の支持体でもよい。ここでは棒と呼ぶが、柱状であれば円柱でも角柱でもよいし、均一な太さでなく断面積が部位によって変化していてもよい。また、形状を変えることで見掛けのオン、オフする温度も変化する。   The functional thermal coupling body composed of the first to fourth graphite rods 41, 42, 43, and 44 is turned on and off (connected and disconnected) between the plates, and physically Is the support for each plate. The first to fourth graphite rods 41, 42, 43, and 44 may be any form of support as long as the composition is graphite and the strength is sufficient. Here, it is referred to as a rod, but it may be a cylinder or a prism as long as it is columnar, and the cross-sectional area may vary depending on the part, not a uniform thickness. Moreover, the apparent on / off temperature changes by changing the shape.

本発明における温度平衡点は、機能性熱結合体が取り付けられた下部冷却段が吸収する熱と、機能性熱結合体を介して上部冷却段から浸入する熱がバランスした温度である。従って、第1乃至第4グラファイト棒41,42,43,44は各冷却段、中間段の温度が低くなるごとに温度平衡点が順次低下する。 The temperature equilibrium point in the present invention is a temperature in which the heat absorbed by the lower cooling stage to which the functional thermal coupling body is attached and the heat entering from the upper cooling stage through the functional thermal coupling body are balanced. Therefore, the temperature equilibrium point of the first to fourth graphite rods 41, 42, 43, and 44 decreases sequentially as the temperature of each cooling stage and intermediate stage decreases.

以下、組成がグラファイトのグラファイト熱結合体の特性について説明する。多段式冷凍機は、最低温度は低いが冷却能力の大きい相対的にみて高温の冷却段と、より低温に近づくことはできるが冷却能力の小さな低温の冷却段とを直列に複数接続し、一番下の冷却段に接続された被冷却物を低温にするものである。一般的に物質は高温ほど熱容量が大きいため、直列に接続した状態のまま冷却した場合は、被冷却物が冷却能力の小さな冷却段で高温の状態から徐々に冷却されることになり、被冷却物が最低温度に到達するのに長時間を要するものである。   Hereinafter, characteristics of the graphite heat-bonded body having a composition of graphite will be described. A multi-stage refrigerator has a relatively low temperature, but a relatively high-temperature cooling stage with a large cooling capacity, and a plurality of low-temperature cooling stages that can approach a lower temperature but have a low cooling capacity are connected in series. The object to be cooled connected to the lowermost cooling stage is cooled. In general, since the heat capacity of a substance increases as the temperature rises, when it is cooled in a state where it is connected in series, the object to be cooled is gradually cooled from the high temperature state in a cooling stage with a small cooling capacity. It takes a long time for objects to reach the minimum temperature.

従って、被冷却物を急速に最低温度にまで冷却するためには、温度が高いうちは冷却能力の大きい上段の冷却段を下段の冷却段に熱接触させ、下段の冷却段の温度を上段の冷却段の温度にまで急速に冷却し、その後上段の冷却段を熱的に切り離し、下段の冷却段だけで最低温度にまで被冷却物を冷却すればよい。このとき切り離しに利用されるガスギャップ熱スイッチは、4K以下では動作温度設定のためのガス(ヘリウム)の圧力調整が極めて難しくなり、構造上サポート材が必要でその材料を通しての熱伝導が低温では無視できなくなる。ガスの凝縮・気化の際に発熱・吸熱があるなどの理由で、4K以下で用いるのは難しい。   Therefore, in order to rapidly cool the object to be cooled to the minimum temperature, the upper cooling stage having a large cooling capacity is brought into thermal contact with the lower cooling stage while the temperature is high, and the temperature of the lower cooling stage is set to the upper stage. What is necessary is just to cool rapidly to the temperature of a cooling stage, and thermally isolate | separate an upper cooling stage after that, and to cool a to-be-cooled object to the minimum temperature only by a lower cooling stage. At this time, the gas gap heat switch used for separation is extremely difficult to adjust the pressure of gas (helium) for setting the operating temperature below 4K, and a support material is necessary for the structure, and heat conduction through the material is low. It cannot be ignored. It is difficult to use at 4K or less because, for example, heat is generated or absorbed when gas is condensed or vaporized.

これに対し、実施の形態1の機能性熱結合体はガスギャップ熱スイッチのようにガスの凝縮と気化の性質を利用しない。グラファイトなど所定の固体物質の物性を利用する。これらの物質では熱伝導率が温度の冪に比例して急激な変化を示すため、低温プレートが絶対零度に近づくにつれて熱スイッチ的なオフ機能の能力は上がっていく。すなわち、温度が低くなると共に熱伝導量がより無視できる程度になっていく。従って、従来のガスギャップ熱スイッチは30Kを境に1回だけ熱的にオン、オフできるだけであったが、本発明の機能性熱結合体は絶対零度に近づく複数の冷却段間において、熱的に接続したり、切り離したりすることが可能になる。   On the other hand, the functional thermal coupling body of Embodiment 1 does not use the properties of gas condensation and vaporization unlike the gas gap thermal switch. Utilize the physical properties of certain solid materials such as graphite. Since these materials exhibit a rapid change in thermal conductivity in proportion to the temperature drop, the ability of the thermal switch-off function increases as the low temperature plate approaches absolute zero. That is, as the temperature decreases, the amount of heat conduction becomes more negligible. Therefore, the conventional gas gap thermal switch can only be thermally turned on and off only once at 30K. However, the functional thermal assembly of the present invention is thermally activated between a plurality of cooling stages approaching absolute zero. It is possible to connect to and disconnect from.

実施の形態1の機能性熱結合体の動作機構は、上述した非特許文献1のワンショット断熱消磁冷凍機の予冷に用いられているグラファイト熱スイッチとは、本質的に異なっている。ワンショット断熱消磁冷凍機は一度温度を下げると外部からの浸入熱によってだんだん温度が上昇してくるという宿命的欠点がある。温度の上昇を防ぐには浸入熱を遮断しなければならないため、グラファイト熱スイッチが完全にオフ状態となる温度域(約1K以下)で冷凍作用を行っている。また、このグラファイト熱スイッチは鉛より速く予冷するための作用をも併せ持っている。すなわち、全体的にみたときは、約1K以下でオフとなる領域と、数十K〜室温でオンとなる領域の間に、温度の上昇と共に低熱伝導状態から高熱伝導状態へと連続的に変化する中間領域が存在する。つまりオフからオンに転移する明瞭な温度が存在せず、オフ動作する温度域とオン動作する温度域が離れているため、一般性を有する熱スイッチと言うことはできない。   The operation mechanism of the functional thermal coupling body of the first embodiment is essentially different from the graphite thermal switch used for pre-cooling the one-shot adiabatic demagnetization refrigerator of Non-Patent Document 1 described above. One-shot adiabatic demagnetization refrigerators have a fatal defect that once the temperature is lowered, the temperature gradually rises due to the intrusion heat from the outside. In order to prevent the temperature from rising, the intrusion heat must be cut off, so the refrigeration action is performed in the temperature range (about 1 K or less) where the graphite heat switch is completely turned off. The graphite thermal switch also has the effect of precooling faster than lead. That is, when viewed as a whole, it continuously changes from a low heat conduction state to a high heat conduction state as the temperature rises between a region that turns off at about 1 K or less and a region that turns on at several tens of K to room temperature. An intermediate area exists. In other words, there is no clear temperature transition from off to on, and the temperature range in which the off operation is performed is separated from the temperature range in which the on operation is performed.

これに対し、本発明の機能性熱結合体は、高温では見掛け上オンの熱伝導を示すが、定常運転状態で完全なオフ状態ではなく、これを通して僅かな熱侵入がある。しかし、連続運転型の冷凍機に用いるため、機能性熱結合体を通して侵入する上段からの熱を下段の冷却段が常に吸収して温度がバランスし、低温では見掛け上オフとなる。これはワンショット断熱消磁冷凍機のグラファイト熱スイッチのオフ作用に類似した作用ではあるが、物理的に全く違う状態を利用したものであることに注意する必要がある。この機能性熱結合体はワンショットを前提にせず、無冷媒で連続運転する冷凍機と共に用いて初めて有効に機能する熱結合部材である。   On the other hand, the functional thermal coupling body of the present invention apparently shows heat conduction at high temperatures, but is not completely turned off in a steady operation state, and there is slight heat intrusion through it. However, since it is used for a continuous operation type refrigerator, the lower cooling stage always absorbs heat from the upper stage entering through the functional thermal coupling body, and the temperature is balanced, and apparently off at low temperatures. It should be noted that this is an action similar to the off action of the graphite heat switch of the one-shot adiabatic demagnetization refrigerator, but uses a physically different state. This functional thermal coupling body is a thermal coupling member that functions effectively only when used together with a refrigerator that is continuously operated without a refrigerant, without assuming one-shot.

本発明の機能性熱結合体は、浸入熱により最低温度が僅かに高くなるという側面がある反面、最低温度になるまでの時間が大きく短縮でき、制御が不要で、何段でも見掛け上オン、オフでき、ガスギャップ熱スイッチのような欠点がなく、支柱としての機能も併せもち、真空容器中の残留ガスを吸着する、という前記側面を補って有り余るきわめて優れた作用効果を奏するものである。この機能性熱結合体はワンショットではなく、連続運転する冷凍機と共に用いて有効に機能する。   The functional thermal coupling body of the present invention has a side that the minimum temperature becomes slightly higher due to intrusion heat, but the time to the minimum temperature can be greatly shortened, control is unnecessary, and it is apparently turned on any number of stages. It can be turned off, has no drawbacks such as a gas gap heat switch, has a function as a support, and has an extremely excellent operational effect that compensates for the side face of adsorbing residual gas in the vacuum vessel. This functional thermal combination is not one-shot, but functions effectively when used with a refrigerator that operates continuously.

この特性をもつグラファイトは、図3に示すような熱伝導率の減少特性を示す。高温で熱伝導率が大きく、低温で急激に熱伝導率がきわめて小さくなる。従って、上段の冷却段と下段の冷却段をグラファイト棒で接続して冷却をすると、高温時は大きな熱伝導率をもつため、下段の冷却段につながれた被冷却物がグラファイト棒を介して冷却能力の大きな上段の冷却段と熱接触され、急速に冷却される。しかし、徐々に温度低下し、被冷却物が低温になると、グラファイトの熱伝導率は下がり、熱伝導は無視できる程度になる。このため、実質的に上段の冷却段と下段の冷却段が熱的に切り離され、ほとんど下段の冷却段で冷却されるようになる。すなわち見掛けの熱スイッチとしてオフ状態となる。   Graphite having this characteristic exhibits a reduction characteristic of thermal conductivity as shown in FIG. The thermal conductivity is large at high temperatures, and the thermal conductivity is extremely small at low temperatures. Therefore, if cooling is performed by connecting the upper cooling stage and the lower cooling stage with a graphite rod, the material to be cooled connected to the lower cooling stage is cooled via the graphite rod because of high thermal conductivity at high temperatures. It is brought into thermal contact with the upper cooling stage having a large capacity and cooled rapidly. However, when the temperature gradually decreases and the temperature of the object to be cooled becomes low, the thermal conductivity of graphite decreases and the thermal conductivity becomes negligible. For this reason, the upper cooling stage and the lower cooling stage are substantially thermally separated from each other, so that the cooling stage is almost cooled by the lower cooling stage. That is, the apparent heat switch is turned off.

図3によれば、両対数グラフにおいて100K以下でほぼ一定の勾配をもつ直線の熱伝導率を示す。これは熱伝導率が絶対温度に関して0Kに向けて温度の冪的な減少特性をもっていることを意味する。なお、グラファイトだけでなく、他の物質としてアルミナもあり、両対数グラフにおいて2K以下でほぼ一定の勾配をもつ直線の熱伝導率を示す。なお、アルミナの場合、2K以上70Kまで若干緩やかな勾配の直線となる。しかし、全体としてほぼ直線的な熱伝導率となる。同様に、図示はしないがベリリアも同様の性質を有し、機能性熱結合体として利用可能な物質である。   According to FIG. 3, the thermal conductivity of a straight line having a substantially constant gradient below 100K in the log-log graph is shown. This means that the thermal conductivity has a characteristic of decreasing temperature toward 0K with respect to absolute temperature. In addition to graphite, there is alumina as another substance, and it shows a linear thermal conductivity having a substantially constant gradient below 2K in the log-log graph. In the case of alumina, the straight line has a slightly gentle gradient from 2K to 70K. However, the overall thermal conductivity is almost linear. Similarly, although not shown, beryllia has similar properties and can be used as a functional thermal bond.

グラファイト、アルミナ、ベリリア等から構成された機能性熱結合体は、構造が簡単で安価であり、熱スイッチとしてだけでなく各プレート間の支持体としても機能する。ガスギャップ熱スイッチのような精度の高い精密な工作は必要でなく、固体であるためガスによるブリッジが形成されない。さらに、温度変化による自己制御によって自動的にオン、オフされ、とくに外部から制御する必要もない。ガスギャップ熱スイッチの場合はガスの対流があるため取付け方向を注意する必要があったが、機能性熱結合体は取付け方向を選ばない。しかも、グラファイトのように吸着性を有する物質の場合、低温になると、機能性熱結合体が真空容器内の残留ガスを吸着するため、容器内の断熱性が向上するという利点もある。   A functional thermal coupling body made of graphite, alumina, beryllia or the like has a simple structure and is inexpensive, and functions not only as a thermal switch but also as a support between the plates. A highly precise and precise work such as a gas gap thermal switch is not required, and since it is solid, a bridge made of gas is not formed. Furthermore, it is automatically turned on and off by self-control by temperature change, and it is not necessary to control from the outside. In the case of a gas gap thermal switch, it is necessary to pay attention to the mounting direction because of gas convection, but the functional thermal coupling body does not select the mounting direction. In addition, in the case of a substance having an adsorptive property such as graphite, there is an advantage that the heat insulating property in the container is improved because the functional thermal conjugate adsorbs the residual gas in the vacuum container at a low temperature.

図4は、(1)約10kgの超電導マグネットを装着したGM冷凍機第2ステージに直径D=20mm、長さL=100mmの1本のグラファイト棒の一端を固定し、このグラファイト棒の他端に約200グラムの銅ブロックを取付け、その銅ブロックの温度を測定した冷却曲線と、(2)第2ステージの温度を測定した冷却曲線である。第2ステージの温度が室温から下がって行くにつれて、(1)(2)はほぼ並行して下がって行き、(1)は約40Kの輻射シールドからのわずかな熱輻射(約0.01W)とバランスし約18Kで飽和している。すなわち、18K以上の高温域では見掛け上オンの状態(熱結合度が高くよく熱伝導する状態)となるが、約18Kで見掛け上オフ(熱結合度が低く僅かに熱伝導する状態)となっている。しかし完全なオフではなく、僅かな熱結合がある。   4 shows (1) one end of one graphite rod having a diameter D = 20 mm and a length L = 100 mm fixed to the second stage of a GM refrigerator equipped with a superconducting magnet of about 10 kg, and the other end of the graphite rod. 2 is a cooling curve in which a copper block of about 200 grams is attached and the temperature of the copper block is measured, and (2) a cooling curve in which the temperature of the second stage is measured. As the temperature of the second stage decreases from room temperature, (1) and (2) decrease almost in parallel, and (1) is a slight heat radiation (about 0.01 W) from the radiation shield of about 40K. Balanced and saturated at about 18K. That is, it is apparently turned on (a state of high thermal coupling and heat conduction) at a high temperature range of 18K or higher, but apparently turned off (a state of low thermal coupling and slightly heat conduction) at about 18K. ing. But not completely off, there is a slight thermal coupling.

図5は4Kで1.5Wの冷却能力を有するGM冷凍機の第1ステージ(40K)と、約10kgの超電導マグネットを装着した第2ステージ(4K)との間に、(a)グラファイト棒を挿入しないとき、(b)直径D=20mm、長さL=100mmの1本のグラファイト棒を挿入して熱接触したとき、(c)直径D=20mm、長さL=50mmの2本のグラファイト棒を挿入して熱接触したとき、の各場合における第2ステージの冷却曲線を示している。(b)(c)の場合の冷却は(a)の場合より最低温度に到達する時間445分を60分〜75分短縮していることが分かる。そして、グラファイト棒は1本の場合(b)より2本(c)にした方が効果的に冷却されている。理論的には、グラファイトの断面積が2倍になり長さが半分であるため熱伝導は4倍になるはずであるが、グラファイトと第1及び第2ステージとの界面での熱接触の問題や熱短絡された第2ステージの冷却効果など複数の要素が複雑に影響するため、冷却時間の短縮は単純に(b)の4倍にはなっていない。   Fig. 5 shows (a) a graphite rod between a first stage (40K) of a GM refrigerator having a cooling capacity of 4W at 4K and a second stage (4K) equipped with a superconducting magnet of about 10kg. When not inserted, (b) When one graphite rod having a diameter D = 20 mm and a length L = 100 mm is inserted and brought into thermal contact, (c) Two graphites having a diameter D = 20 mm and a length L = 50 mm The cooling curve of the 2nd stage in each case when a stick | rod is inserted and it contacts with heat is shown. It can be seen that the cooling in the case of (b) and (c) shortens the time 445 minutes to reach the minimum temperature by 60 to 75 minutes compared to the case of (a). And in the case of one graphite rod, it is cooled more effectively by using two (c) than by (b). Theoretically, the heat transfer should be quadrupled because the graphite cross-sectional area is doubled and halved, but there is a problem of thermal contact at the interface between the graphite and the first and second stages. Since a plurality of factors such as the cooling effect of the second stage that is short-circuited with heat and the like are complicatedly affected, the reduction of the cooling time is not simply four times that of (b).

図6は図5のグラフにおける温度3K付近を拡大したもので、到達温度の違いを示したグラフである。グラファイトを用いない(a)の到達温度(約2.8K)は、本発明における第2の最低温度に相当する。また、グラファイトを用いた(b)及び(c)の到達温度(それぞれ約3.0Kと3.2K)は、本発明における温度平衡点に相当する。最低到達温度の上昇はほとんどないというものの、微視的にみたときは、微小ながら(b)の場合の温度平衡点の方が僅かに(a)の最低温度より高く、また(c)の温度平衡点の方がやや(b)の温度平衡点より高い。しかし、図5に示すように実用的には無視できる程度の温度差にすぎない。 FIG. 6 is an enlarged graph in the vicinity of the temperature 3K in the graph of FIG. 5 and shows a difference in the reached temperature. The reached temperature (about 2.8 K) of (a) without using graphite corresponds to the second lowest temperature in the present invention. In addition, the reached temperatures (b) and (c) (about 3.0 K and 3.2 K, respectively) using graphite correspond to the temperature equilibrium point in the present invention. Although there is almost no increase in the minimum temperature reached, when viewed microscopically, the temperature equilibrium point in the case of (b) is slightly higher than the minimum temperature of (a), but is slightly higher than the temperature of (c). The equilibrium point is slightly higher than the temperature equilibrium point of (b). However, as shown in FIG. 5, the temperature difference is practically negligible.

また、グラファイトを入れたことによる最低到達温度の上昇は、図6のように拡大しないと判らないほど小さいため、冷凍機としての性能損失はほとんどない。すなわち、グラファイトを用いた受動的熱スイッチは完全にオフになっていないが、それを通しての熱流入は連続運転しているGM冷凍機の冷凍能力により常に十分吸収されており、最低温度付近では無視できるくらいであることが判る。このような僅かな到達最低温度の上昇という小さなデメリットは、冷却速度の向上という大きなメリットにより凌駕されている。 Moreover, since the rise in the minimum temperature achieved by adding graphite is so small that it cannot be understood that it does not expand as shown in FIG. 6, there is almost no performance loss as a refrigerator. That is, the passive heat switch using graphite is not completely turned off, but the heat inflow through it is always sufficiently absorbed by the refrigeration capacity of the continuously operating GM refrigerator and ignored near the minimum temperature. It turns out that it is possible. Such a small demerit of a slight increase in the minimum temperature reached is surpassed by a large merit of an improvement in cooling rate.

このような特性を利用し、希釈冷凍ユニットのスティルや混合器、熱交換器を支持する各プレート間にも機能性熱結合体を設けることで、温度平衡点を次々と低温にして行くことができ、短時間で最低温度に到達することができ、低温プレートに熱接触される被冷却物を安定して低温に維持できる。また、無冷媒冷凍機の構造を簡単にすることができ、安価にもなり、構造も強固になる。 Utilizing these characteristics, by providing a functional thermal coupling between the plates that support the still, mixer, and heat exchanger of the dilution refrigeration unit, the temperature equilibrium point can be lowered one after another. It is possible to reach the minimum temperature in a short time, and the object to be cooled in thermal contact with the low temperature plate can be stably maintained at a low temperature. Further, the structure of the refrigerant-free refrigerator can be simplified, the cost is reduced, and the structure is strengthened.

このように実施の形態1においては、機能性熱結合体としてこの第1乃至第4グラファイト棒41,42,43,44を各プレート間に介在させて、受動的熱スイッチ機能と、支持体としての機能を同時に担わせている。同時に、上述した流路16を流路16aと流路16bに分けて、バルブ17a,17bを切り換えることにより、一方の流路16aを予冷路とし、もう一方の流路16bを通常運転時の流路としている。このバルブ17a,17bを切り換える温度と、機能性熱結合体の温度平衡点とが近ければ、より効果的、円滑に予冷運転の状態から希釈冷凍ユニットの運転に移行する(切り離す)ことができる。   As described above, in the first embodiment, the first to fourth graphite rods 41, 42, 43, and 44 are interposed between the plates as the functional thermal coupling body, and the passive thermal switching function and the support are used. The functions of At the same time, the flow path 16 described above is divided into a flow path 16a and a flow path 16b, and the valves 17a and 17b are switched to make one flow path 16a a precooling path and the other flow path 16b flow during normal operation. The road. If the temperature at which the valves 17a and 17b are switched is close to the temperature equilibrium point of the functional thermal coupling body, it is possible to shift (separate) from the precooling operation to the operation of the dilution refrigeration unit more effectively and smoothly.

なお、このような機能性熱結合体を設けることと、流路切り換えによる予冷を行うことは両立するもので、実施の形態1のように機能性熱結合体と並行して流路切り換えを行うのでも、機能性熱結合体だけを設けるのでもよい。場合によっては、流路切換だけで予冷路を形成することもある。重要なことは、機能性熱結合体はガスギャップ熱スイッチが使えない温度、環境でも熱スイッチとして機能する。   It is to be noted that providing such a functional thermal coupling body and precooling by switching the flow path are compatible, and the flow path switching is performed in parallel with the functional thermal coupling body as in the first embodiment. However, it is also possible to provide only a functional thermal coupling body. In some cases, a precooling path may be formed only by switching the flow path. Importantly, functional thermal assemblies function as thermal switches even in temperatures and environments where gas gap thermal switches cannot be used.

このように実施の形態1によれば、数十mKクラスの極低温に短時間で到達することができ、構造が簡単、軽量で安価であり、強固な構造の無冷媒冷凍機を提供できる。ランニングコストも格段に安価になる。   As described above, according to the first embodiment, it is possible to reach a cryogenic temperature of several tens of mK class in a short time, and it is possible to provide a refrigerant-free refrigerator having a simple structure, light weight, and low cost and a strong structure. Running costs are also significantly lower.

また、実施の形態1のステップ熱交換器によれば、内部に配設された焼結銀は、隔壁に使用されている銀板となじみが良いのに加え、銀板が高熱伝導率のため、ステップ熱交換器の熱交換効率を格段に向上させることができる。そして、超流動するHeがステップ熱交換器から漏れたときでも、締結体を締め直すか、両者を分解して修理することが可能になる。 Moreover, according to the step heat exchanger of Embodiment 1, since the sintered silver arrange | positioned inside is familiar with the silver plate currently used for the partition, a silver plate is because of high thermal conductivity. The heat exchange efficiency of the step heat exchanger can be greatly improved. Even when the superfluid 3 He leaks from the step heat exchanger, it is possible to retighten the fastening body or to disassemble and repair both.

さらに、実施の形態1では、GM冷凍機の第1ステージを利用して活性炭トラップを冷却するため、特別な構成を設けることなく、活性炭トラップを十分冷却することができ、ヒータを加熱し局部的に温度を上げて不純物を放出することもできる。この間GM冷凍機3の運転を停止する必要がなく、不純物排出後Heガスの循環を開始すると、直ちに希釈冷凍動作を再開させることができる。 Furthermore, in Embodiment 1, since the activated carbon trap is cooled using the first stage of the GM refrigerator, the activated carbon trap can be sufficiently cooled without providing a special configuration, and the heater is heated to locally It is also possible to release impurities by raising the temperature. During this time, it is not necessary to stop the operation of the GM refrigerator 3, and when the circulation of 3 He gas is started after the impurities are discharged, the dilution refrigeration operation can be resumed immediately.

また、実施の形態1においては、機能性熱結合体として複数のグラファイト棒を各プレート間に介在させて、受動的熱スイッチ機能と、支持体としての機能を同時に担わせることができる。ガスギャップ熱スイッチのような精度の高い精密工作を行う必要はなく、ガスによるブリッジが形成されない。さらに、温度変化による自己制御によって切り換り、外部から制御する必要もない。そして、低温になると残留ガスを吸着し、断熱性を向上させることができる。   Further, in the first embodiment, a plurality of graphite rods can be interposed between the plates as a functional thermal coupling body so that a passive thermal switching function and a function as a support can be performed simultaneously. It is not necessary to carry out highly precise precision work such as a gas gap thermal switch, and a gas bridge is not formed. Furthermore, it is not necessary to switch from the outside by self-control by temperature change. And when it becomes low temperature, a residual gas can be adsorb | sucked and heat insulation can be improved.

また、希釈冷凍ユニットを循環するHeの流路を分けて、バルブを切り換えることにより、一方の流路は予冷路とし、もう一方の流路は通常運転時にHeを流すための流路とすることができる。予冷が簡単に行え、短時間で最低温度に到達することができる。 Also, by dividing the 3 He flow path circulating through the dilution refrigeration unit and switching the valves, one flow path is a precooling path, and the other flow path is a flow path for flowing 3 He during normal operation. can do. Precooling can be performed easily and the minimum temperature can be reached in a short time.

本発明は、数十mKクラスの極低温に短時間で到達することができ、安価で、簡単な構造を有し、メンテナンスの容易な無冷媒冷凍機と、熱スイッチに適用できる。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be applied to a refrigerant-free refrigerator that can reach an extremely low temperature of several tens of mK class in a short time, is inexpensive, has a simple structure, and is easy to maintain, and a thermal switch.

本発明の実施の形態1における無冷媒冷凍機の構成図Configuration diagram of a refrigerant-free refrigerator in Embodiment 1 of the present invention 本発明の実施の形態1における無冷媒冷凍機のステップ熱交換器の構成図Configuration diagram of step heat exchanger of refrigerant-free refrigerator in embodiment 1 of the present invention グラファイトとアルミナの低温度域での熱伝導率を示すグラフGraph showing thermal conductivity of graphite and alumina in low temperature range グラファイト熱結合体の特性を示すグラフGraph showing characteristics of graphite thermal bond グラファイト熱結合体の有無と数で冷却時間を比較したグラフGraph comparing the cooling time with and without graphite thermal bond 図5の一部を拡大表示したグラフA graph showing a part of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 真空容器
2 熱輻射シールド
2a 第2の熱輻射シールド
3 GM冷凍機
Heタンク
5 試料装着装置
5a 上側支持筒部
5b 下側支持筒部
6 無冷媒超電導マグネット
7a 真空ポンプ
7b コンプレッサー
8 インピーダンス
9 低温プレート
10 フランジ
11 第1ステージ
12 第2ステージ
13 40Kプレート
14 4Kプレート
14a フレキシブル熱伝導体
15 排気パイプ
16,16a,16b 流路
17a,17b,17c,17d,17e,17f,17g バルブ
18a,18b,19a,19b,20a,53 熱交換器
20 トラップ
20b 熱結合体
20c ヒータ
21 JT熱交換器
22 JT弁
23 試料装着ガイド
30 試料ホルダ
31 試料
32 ヒータ
33 温度センサ
41 第1グラファイト棒
42 第2グラファイト棒
43 第3グラファイト棒
44 第4グラファイト棒
51 混合器
52 スティル
54,57 プレート
55 チューブインチューブ型熱交換器
56 ステップ熱交換器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Vacuum container 2 Thermal radiation shield 2a 2nd thermal radiation shield 3 GM refrigerator 4 3 He tank 5 Sample mounting apparatus 5a Upper support cylinder part 5b Lower support cylinder part 6 Refrigerant superconducting magnet 7a Vacuum pump 7b Compressor 8 Impedance 9 Low temperature plate 10 Flange 11 First stage 12 Second stage 13 40K plate 14 4K plate 14a Flexible heat conductor 15 Exhaust pipe 16, 16a, 16b Flow path 17a, 17b, 17c, 17d, 17e, 17f, 17g Valve 18a, 18b , 19a, 19b, 20a, 53 Heat exchanger 20 Trap 20b Thermal coupling body 20c Heater 21 JT heat exchanger 22 JT valve 23 Sample mounting guide 30 Sample holder 31 Sample 32 Heater 33 Temperature sensor 41 First graphite rod 42 Second Graphite rod 43 Third graphite rod 44 Fourth graphite rod 51 Mixer 52 Still 54,57 Plate 55 Tube-in-tube heat exchanger 56 Step heat exchanger

Claims (11)

第1の最低温度まで温度降下させることができる第1の冷却段と、前記第1の最低温度より低い第2の最低温度まで温度降下させることができる第2の冷却段とを備え、真空容器内で前記第1及び/又は第2の冷却段を使って被冷却物を冷却するための無冷媒冷凍機であって、
前記第1の冷却段と第2の冷却段との間には、所定の温度以下で絶対零度に向けて温度の冪に比例して急激に減少する熱伝導率を有する固体物質で作った無冷媒冷凍機段間用の受動的熱スイッチ機能を有する機能性熱結合体が配設され、
前記被冷却物を前記第1の最低温度以下に温度降下させるとき、前記機能性熱結合体が前記第1の冷却段と前記第2の冷却段との間を熱結合し、前記被冷却物の温度が高いときは熱結合度を高く、前記被冷却物の温度が該第1の温度平衡点に近づくにつれて前記第1の冷却段と第2の冷却段との間の熱結合度を急激に低い状態にすることを特徴とする無冷媒冷凍機。
A first cooling stage capable of lowering the temperature to a first minimum temperature and a second cooling stage capable of lowering the temperature to a second minimum temperature lower than the first minimum temperature, and a vacuum vessel A refrigerant-free refrigerator for cooling an object to be cooled using the first and / or second cooling stages in
Between the first cooling stage and the second cooling stage, there is no solid material made of a solid material having a thermal conductivity that rapidly decreases in proportion to a temperature drop toward absolute zero below a predetermined temperature. A functional thermal coupling body having a passive thermal switch function for the refrigerant refrigerator stage is disposed,
When the temperature of the object to be cooled is lowered to the first minimum temperature or less, the functional thermal coupling body thermally couples between the first cooling stage and the second cooling stage, and the object to be cooled When the temperature of the first cooling stage is high, the thermal coupling degree is increased, and the thermal coupling degree between the first cooling stage and the second cooling stage is rapidly increased as the temperature of the object to be cooled approaches the first temperature equilibrium point. A refrigerant-free refrigerator characterized by having a low state.
前記第2の最低温度より低い第3の最低温度まで温度降下させることができる第3の冷却段を備え、前記第2の冷却段と第3の冷却段との間には第2の機能性熱結合体が配設され、
前記第2の機能性熱結合体が第2の温度平衡点まで前記第2の冷却段と前記第3の冷却段との間を熱結合し、前記第3冷却段の温度が高いときは熱結合度を高く、前記第3冷却段の温度が該第2の温度平衡点に近づくにつれて前記第2の冷却段と第3の冷却段との間の熱結合度を急激に低い状態にすることを特徴とする請求項1記載の無冷媒冷凍機。
A third cooling stage capable of lowering the temperature to a third minimum temperature lower than the second minimum temperature, wherein a second functionality is provided between the second cooling stage and the third cooling stage; A thermal coupling body is provided,
The second functional thermal coupling body thermally couples between the second cooling stage and the third cooling stage to a second temperature equilibrium point, and heat is generated when the temperature of the third cooling stage is high. The degree of thermal coupling between the second cooling stage and the third cooling stage is rapidly lowered as the degree of coupling is increased and the temperature of the third cooling stage approaches the second temperature equilibrium point. The refrigerant-free refrigerator according to claim 1.
前記被冷却物を低温状態に維持するため、各冷却段の間に順次温度平衡点が低下する1段又は2段以上の中間段が設けられ、
前記中間段間及び前記中間段と前記冷却段との間にも機能性熱結合体が設けられたことを特徴とする請求項1又は2記載の無冷媒冷凍機。
In order to maintain the object to be cooled in a low temperature state, one or two or more intermediate stages in which the temperature equilibrium point sequentially decreases are provided between the cooling stages,
The refrigerant-free refrigerator according to claim 1, wherein a functional thermal coupling body is provided between the intermediate stages and between the intermediate stage and the cooling stage.
前記第3の冷却段が、He濃厚相とHe希薄相の相界面を形成しHe原子がHe希薄相液に拡散するときのエントロピー変化によって前記被冷却物を冷却する希釈冷凍ユニットの混合器であって、前記第1の冷却段、前記第2の冷却段、ジュールトムソン熱交換器によって冷却されたHeガスをジュールトムソン弁で液化し、スティルと熱交換した後、前記混合器に熱交換器を通して導入し、前記エントロピー変化によって冷却を行い、さらにHe原子を前記混合器から熱交換器を通してスティルに移動し選択的に蒸発させることを特徴とする請求項2又は3記載の無冷媒冷凍機。 A dilution refrigeration unit for cooling the object to be cooled by an entropy change when the third cooling stage forms a phase interface between a 3 He concentrated phase and a 3 He diluted phase and 3 He atoms diffuse into the 3 He diluted phase liquid The 3 He gas cooled by the first cooling stage, the second cooling stage, and the Joule-Thompson heat exchanger is liquefied by a Joule-Thomson valve and heat-exchanged with a still, and then the mixing is performed. 4. A heat exchanger is introduced into a heat exchanger, cooling is performed by the entropy change, and further, 3 He atoms are transferred from the mixer through the heat exchanger to a still and selectively evaporated. No refrigerant freezer. 前記混合器に導入されるHe液と前記混合器から循環を開始するHe液との間で熱交換するステップ熱交換器を備え、
前記ステップ交換器が、隔壁となる銀板と、該銀板を挟んだ一対の焼結銀と、該焼結銀をそれぞれ覆う一対の蓋とを具備し、前記銀板と前記蓋とを締結部材によって締結したことを特徴とする請求項4記載の無冷媒冷凍機。
Comprising the step heat exchanger for heat exchange between the 3 He liquid starts circulating from 3 He solution to the mixer to be introduced into the mixer,
The step exchanger includes a silver plate serving as a partition wall, a pair of sintered silver sandwiching the silver plate, and a pair of lids covering the sintered silver, and fastening the silver plate and the lid The refrigerant-free refrigerator according to claim 4, wherein the refrigerant-free refrigerator is fastened by a member.
気化したHeを循環する流路にトラップが設けられ、該トラップが前記第1の冷却段に設けられていることを特徴とする請求項1乃至5記載の何れかの無冷媒冷凍機。 Trap is provided in a flow path for circulating the vaporized 3 the He, either no refrigerant refrigerator according to claim 1 to 5, wherein said trap, characterized in that provided in the first cooling stage. 前記トラップには不純物を気化するためのヒータが設けられていることを特徴とする請求項6記載の無冷媒冷凍機。 The refrigerant-free refrigerator according to claim 6, wherein the trap is provided with a heater for vaporizing impurities. 気化したHeを循環する流路が第1の流路と、該第1の流路よりインピーダンスの低い予冷のための第2の流路とに分岐され、予冷時にのみ前記第2の流路を通して、前記第1及び第2の冷却段で冷やされたヘリウムガスが前記希釈冷凍ユニットに流れることにより前記希釈冷凍ユニットを予冷することを特徴とする請求項1乃至7の何れかに記載の無冷媒冷凍機。 A flow path for circulating the vaporized 3 He is branched into a first flow path and a second flow path for precooling having a lower impedance than the first flow path, and the second flow path is only in precooling. The helium gas cooled in the first and second cooling stages is passed through the dilution refrigeration unit to precool the dilution refrigeration unit. Refrigerant refrigerator. 真空容器中の無冷媒冷凍機と被冷却物との間に配設され、前記無冷媒冷凍機と前記被冷却物間で熱伝導を行う連続運転冷凍機用の機能性熱結合体であって、所定の温度以下で絶対零度に向けて温度の冪に比例して急激に減少する熱伝導率を有し、温度が高いときは熱結合度が高く温度が低くなると急激に熱結合度が低下する無冷媒冷凍機用の受動的熱スイッチ機能を有する固体物質からなることを特徴とする機能性熱結合体。 A functional thermal coupling body for a continuous operation refrigerator that is disposed between a refrigerant-free refrigerator and a cooled object in a vacuum vessel and conducts heat between the refrigerant-free refrigerator and the cooled object. It has a thermal conductivity that decreases rapidly in proportion to the temperature drop toward absolute zero below a predetermined temperature. When the temperature is high, the thermal coupling degree is high, and when the temperature is low, the thermal coupling degree decreases rapidly. A functional thermal coupling body comprising a solid material having a passive thermal switching function for a refrigerant-free refrigerator. 真空容器中の無冷媒冷凍機の高温側の冷却段及び/又は中間段と低温側の冷却段及び/又は中間段との間に配設され、前記高温側の冷却段及び/又は中間段と前記低温側の冷却段及び/又は中間段で熱伝導を行う連続運転冷凍機用の機能性熱結合体であって、所定の温度以下で絶対零度に向けて温度の冪に比例して急激に減少する熱伝導率を有し、温度が高いときは熱結合度が高く温度が低くなると急激に熱結合度が低下する無冷媒冷凍機段間用の受動的熱スイッチ機能を有する固体物質からなることを特徴とする機能性熱結合体。 A high temperature side cooling stage and / or intermediate stage and a low temperature side cooling stage and / or intermediate stage of the refrigerant-free refrigerator in the vacuum vessel; A functional thermal coupling body for a continuous operation refrigerator that conducts heat in the cooling stage and / or the intermediate stage on the low temperature side, and rapidly increases in proportion to the temperature drop toward absolute zero below a predetermined temperature. It consists of a solid material with a passive thermal switching function for refrigerant-free refrigerator stages that has a decreasing thermal conductivity, and when the temperature is high, the thermal coupling degree is high and the thermal coupling degree rapidly decreases when the temperature is low A functional thermal bonding body characterized by that. 前記固体物質がグラファイト,アルミナ,ベリリアの中の何れか1種の物質であることを特徴とする請求項9又は10記載の機能性熱結合体。 The functional thermal coupling body according to claim 9 or 10, wherein the solid substance is any one of graphite, alumina, and beryllia.
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