JP2016050714A - 冷凍機用真空断熱モジュールケースと冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】冷凍モジュールの交換時に真空引きが不要で、冷凍モジュールを交換する際の冷凍モジュールの位置精度に優れ、冷凍モジュール接続に於ける熱抵抗の少ない冷凍機用真空断熱モジュールケースと冷凍機を提供する。【解決手段】外側ケースユニット２と分離可能な内側ケースユニット３とを有する。外側ケースユニット２は、冷凍モジュール４を保持する冷凍モジュールベース５を有し、二重筒の外筒部６と内筒部７との間に第１の真空断熱層８を有する。内側ケースユニット３の挿入部１３は、冷凍機１４のコールドフィンガ１５の先端部１５ａと連結される冷凍機連結部１６と、コールドフィンガ１５の周囲を囲む筒壁部１７と、筒壁部１７とコールドフィンガ１５との間の第２の真空断熱層１８とを有する。外側ケースユニット２と内側ケースユニット３との連結時にコールドフィンガ１５の先端部１５ａと冷凍モジュールベース５とが係脱可能な係合凹部５ｂを有する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、冷凍機用真空断熱モジュールケースと冷凍機に関する。

一般に、冷凍モジュール（冷凍対象）としては、たとえば、赤外線の検知器、ＦＰＡ、また超伝導回路など、極低温を必要とするものへの適用がある。冷凍モジュールは、断熱のための真空冷凍槽の内部に配置され、例えば冷凍機のコールドフィンガ（極低温部）と接続されている。

特開平１１−３７５８２号公報 特開平９−１４５１８０号公報

冷凍モジュールを交換する際には、真空冷凍槽を開放した状態で交換する。そして、交換後に真空冷凍槽を密閉した状態で、真空冷凍槽内の真空引きが必要となり、容易な交換ができない。また、ひとつの冷凍機で複数のモジュールを冷凍する場合には、ひとつのモジュールが故障して交換する場合にも、真空冷凍槽全体を開放する必要がある。そのため、全てのモジュールが大気中に開放となり、故障したモジュールの交換後に大規模な真空引きが必要となる。

実施形態は、冷凍モジュールを交換する際に真空引きが不要で、モジュール毎に個別に交換可能で、かつ冷凍モジュールの位置精度に優れ、冷凍モジュール接続に於ける熱抵抗の少ない冷凍機用真空断熱モジュールケースと冷凍機を提供することが課題である。

実施形態の真空断熱モジュールケースによれば、筒状の外側ケースユニットと、前記外側ケースユニットとは分離可能な内側ケースユニットとを有する。外側ケースユニットは、冷凍モジュールを保持する冷凍モジュールベースを有し、筒壁が外筒部と内筒部との二重筒によって形成され、外筒部と内筒部との間に第１の真空断熱層を有する。内側ケースユニットは、外側ケースユニット内に挿入される挿入部を有する。挿入部は、冷凍機のコールドフィンガの先端と連結される冷凍機連結部と、コールドフィンガの周囲を囲む筒壁部と、筒壁部と前記コールドフィンガとの間に形成される第２の真空断熱層とを有する。外側ケースユニットと内側ケースユニットとの連結時にコールドフィンガの先端と冷凍モジュールベースとが係脱可能に係合される係合部を有する。

第１の実施の形態の真空断熱モジュールケースの全体の概略構成を示す縦断面図。 第１の実施の形態のモジュールケースの外部ユニットを示す縦断面図。 第１の実施の形態のモジュールケースの内部ユニットを示す縦断面図。 第１の実施の形態のモジュールケースの変形例を示す要部の縦断面図。 第２の実施の形態の真空断熱モジュールケースの全体の概略構成を示す縦断面図。 第２の実施の形態のモジュールケースの外部ユニットを示す縦断面図。 第２の実施の形態の装置のモジュールケースの内部ユニットを示す縦断面図。 第３の実施の形態の真空断熱モジュールケースを示す要部の縦断面図。 第１の実施の形態のコールドフィンガの先端部の第１の変形例を示す要部の斜視図。 図９のＸ−Ｘ線断面図。 第１の実施の形態のコールドフィンガの先端部の第２の変形例を示す要部の斜視図。

［第１の実施の形態］
（構成）
図１乃至図３は、第１の実施の形態を示す。図１は、冷凍機用真空断熱モジュールケース１の全体の概略構成を示す縦断面図である。本実施の形態の真空断熱モジュールケース１は、図２に示す筒状の外側ケースユニット２と、図３に示す内側ケースユニット３とを有する。外側ケースユニット２と、内側ケースユニット３とは、各々が真空断熱構造を持ち、分離ができる。

外側ケースユニット２は、冷凍対象である冷凍モジュール４を保持する円板状の冷凍モジュールベース５を有する。冷凍モジュールベース５は、上面に冷凍モジュール４が載置される平面である冷凍モジュール載置面５ａが形成されている。冷凍モジュールベース５の下面には、後述する冷凍機１４のコールドフィンガ１５の先端部１５ａと連結される係合凹部（係合部）５ｂが形成されている。さらに、外側ケースユニット２は、筒壁が外筒部６と内筒部７との二重筒によって形成されている。外筒部６と内筒部７との間には、第１の真空断熱層８を有する。

外側ケースユニット２には、リング状のベース部材９が設けられている。このベース部材９の上に外筒部６と内筒部７の各下端部が固定されている。また、外筒部６は、例えば薄肉のステンレスなどの熱伝導率の小さく剛性の高い金属材料で円筒状に形成されている。この外筒部６の上端部は、例えば光や電波などを透過するウインドウ１０が密閉された状態で固定されている。内筒部７は、伸縮変形可能な蛇腹状の薄肉金属筒である第１のベローズ構造体１１によって形成されている。内筒部７の上端部は、冷凍モジュールベース５に固定されている。そして、冷凍モジュールベース５はこの内筒部７の第１のベローズ構造体１１によって支持されている。なお、ベース部材９には、冷凍モジュール４に接続される入出力ポート１２が固定されている。

内側ケースユニット３は、外側ケースユニット２内に挿入される挿入部１３を有する。挿入部１３は、冷凍機１４のコールドフィンガ１５の先端部１５ａと連結される冷凍機連結部１６と、コールドフィンガ１５の周囲を囲む筒壁部１７と、筒壁部１７とコールドフィンガ１５との間に形成される第２の真空断熱層１８とを有する。筒壁部１７は、伸縮変形可能な蛇腹状の薄肉金属筒である第２のベローズ構造体１９によって形成されている。

第２のベローズ構造体１９の下端部は、冷凍機１４のベース部材１４ａに接続封止し、上端部はコールドフィンガ１５の先端部１５ａと接続封止する。これにより、コールドフィンガ１５は、内側ケースユニット３の筒壁部１７の第２のベローズ構造体１９内の第２の真空断熱層１８中に保持されている。

第２のベローズ構造体１９の凹凸部の形状は、第１のベローズ構造体１１の凹凸部と対応する形状に形成されている。そして、外側ケースユニット２と内側ケースユニット３との連結時には、図１に示すように第１のベローズ構造体１１の内周部の各内側凸部１１ａと、第２のベローズ構造体１９の外周部の各外側凸部１９ａとがそれぞれ当接する状態で、保持されている。これにより、第１のベローズ構造体１１の内周部と第２のベローズ構造体１９の外周部との間の空間部でコールドフィンガ１５の軸方向に沿って熱対流が発生することを防止する内部空間の熱対流防止手段２０が形成されている。

冷凍機１４は、例えばスターリング型冷凍機によって形成されている。また、外側ケースユニット２の内筒部７の第１のベローズ構造体１１は、自然長が、外側ケースユニット２と内側ケースユニット３との連結時のコールドフィンガ１５の長さよりも小さい長さに設定されている。そして、外側ケースユニット２と内側ケースユニット３との連結時に外側ケースユニット２内に内側ケースユニット３が挿入されることで、第１のベローズ構造体１１が引き伸ばされる状態で、保持されるようになっている。

また、コールドフィンガ１５の先端部１５ａには、外周面に先細のテーパー面１５ａ１、中央部に嵌合凹部１５ｂが形成されている。この嵌合凹部１５ｂは内周面にテーパー面１５ｂ１が形成されている。このテーパー面１５ｂ１は、嵌合凹部１５ｂの底部から開口部側に向かうにしたがって開口面積が大きくなる傾斜面によって形成されている。このコールドフィンガ１５の先端部１５ａのテーパー面１５ａ１と、嵌合凹部１５ｂのテーパー面１５ｂ１は、冷凍モジュールベース５の下面の係合凹部５ｂと対応する形状に形成されている。そして、外側ケースユニット２と内側ケースユニット３との連結時には、冷凍モジュールベース５の下面の係合凹部５ｂとコールドフィンガ１５の先端部１５ａとが係脱可能に係合されるようになっている。このとき、コールドフィンガ１５の先端部１５ａのテーパー面１５ａ１と、嵌合凹部１５ｂのテーパー面１５ｂ１とが、冷凍モジュールベース５の係合凹部５ｂと係合されることで、冷凍モジュールベース５の係合凹部５ｂとコールドフィンガ１５の先端部１５ａとの間に隙間無く接するくさび形状の凹凸嵌合部２１が形成されている。

（作用）
次に、上記構成の作用について説明する。本実施の形態の真空断熱モジュールケース１の使用時には、分離されている外側ケースユニット２内に内側ケースユニット３の挿入部１３が挿入されて図１に示す状態に組み付けられる。この組み付け状態では、冷凍モジュールベース５の係合凹部５ｂとコールドフィンガ１５の先端部１５ａとの間がくさび形状の凹凸嵌合部２１によって隙間無く接する状態で保持される。そのため、冷凍モジュール４は、冷凍モジュールベース５を介して、冷凍機のコールドフィンガ１５により熱伝導により冷凍される。さらに、くさび形状の凹凸嵌合部２１によって冷凍モジュールベース５の係合凹部５ｂとコールドフィンガ１５の先端部１５ａとの間の接触表面積を増やすことができるので、接触熱抵抗を低減することができる。

また、冷凍モジュールベース５は、外側ケースユニット２内に保持され、外側ケースユニット２の外筒部６と内筒部７との間の第１の真空断熱層８によって真空断熱状態が維持される。さらに、コールドフィンガ１５の先端部１５ａは、内側ケースユニット３の筒壁部１７とコールドフィンガ１５との間の第２の真空断熱層１８によって真空断熱状態が維持される。

また、外側ケースユニット２の内筒部７の第１のベローズ構造体１１は、自然長が、外側ケースユニット２と内側ケースユニット３との連結時のコールドフィンガ１５の長さよりも小さい長さに設定されている。そして、外側ケースユニット２と内側ケースユニット３との連結時に外側ケースユニット２内に内側ケースユニット３が挿入されることで、第１のベローズ構造体１１が引き伸ばされる状態で、保持される。これにより、外側ケースユニット２と内側ケースユニット３との連結時に外側ケースユニット２と内側ケースユニット３との間の線膨張係数による熱変形を第１のベローズ構造体１１のばね力によって吸収することができる。

さらに、外側ケースユニット２内に内側ケースユニット３が挿入される時に、位置精度の確保されたコールドフィンガ１５にあわせて、位置精度の確保されていない冷凍モジュールベース５を、くさび形状の凹凸嵌合部２１をガイドとして、挿入時にあわせて、冷凍モジュールベース５の位置精度を確保することができる。

また、外側ケースユニット２の第１のベローズ構造体１１と内側ケースユニット３の第２のベローズ構造体１９の伸縮変形可能な蛇腹状の薄肉金属筒により、熱伝導距離を長くして熱抵抗を高くすることができる。伝導距離をとり、熱抵抗を上げて、断熱性能を高めている。

さらに、本実施の形態では、内部空間の熱対流防止手段２０により、外側ケースユニット２と内側ケースユニット３との連結時には、図１に示すように第１のベローズ構造体１１の内周部の各内側凸部１１ａと、第２のベローズ構造体１９の外周部の各外側凸部１９ａとがそれぞれ当接する状態で、保持される。これにより、第１のベローズ構造体１１の内周部と第２のベローズ構造体１９の外周部との間の空間部でコールドフィンガ１５の軸方向に沿って内部空気の対流を低減させ、熱対流が発生することを防止することができる。

また、冷凍モジュール４を交換する際には、外側ケースユニット２から内側ケースユニット３の挿入部１３を引き抜くことで、外側ケースユニット２と、内側ケースユニット３とを分離することができる。この状態で、例えば外側ケースユニット２全体を交換することで、冷凍モジュール４を交換する際に真空引きが不要で、モジュール４毎に個別に交換可能となる。

（効果）
本実施の形態の真空断熱モジュールケース１では、外側ケースユニット２の第１のベローズ構造体１１は、板厚の薄く、熱伝導率の小さな金属で蛇腹状に形成することにより、高温（室温）であるベース部材９から熱伝導距離をとり、熱抵抗を上げて、断熱性能を高めることができる。

また、コールドフィンガ１５は、内側ケースユニット３の筒壁部１７の第２のベローズ構造体１９内の第２の真空断熱層１８中に保持されている。第２のベローズ構造体１９も第１のベローズ構造体１１と同様に、板厚の薄く、熱伝導率の小さな金属で蛇腹状に形成することにより、高温（室温）であるベース部材９から熱伝導距離をとり、熱抵抗を上げて、断熱性能を高めることができる。

コールドフィンガ１５の先端部１５ａには、外周面に先細のテーパー面１５ａ１、中央部に嵌合凹部１５ｂが形成されている。この嵌合凹部１５ｂは内周面にテーパー面１５ｂ１が形成されている。外側ケースユニット２と内側ケースユニット３との連結時には、コールドフィンガ１５の先端部１５ａのテーパー面１５ａ１と、嵌合凹部１５ｂのテーパー面１５ｂ１とが、冷凍モジュールベース５の係合凹部５ｂと係合されることで、冷凍モジュールベース５の係合凹部５ｂとコールドフィンガ１５の先端部１５ａとの間に隙間無く接するくさび形状の凹凸嵌合部２１が形成されている。これにより、コールドフィンガ１５とモジュールベース５との接触面積を増やすことができる。さらに、くさび形状の凹凸嵌合部２１のくさび効果により、コールドフィンガ１５の先端部１５ａのテーパー面１５ａ１と、嵌合凹部１５ｂのテーパー面１５ｂ１と、冷凍モジュールベース５の係合凹部５ｂとの係合面の接触圧力を高めて、接触熱抵抗を低減させることができる。

また、真空断熱モジュールケース１の外側ケースユニット２の内筒部７の第１のベローズ構造体１１は、柔軟性（バネ性）を持っている。組立前には第１のベローズ構造体１１の自然長が、外側ケースユニット２と内側ケースユニット３との連結時のコールドフィンガ１５の長さよりも小さい長さに設定されている。これにより、冷凍モジュールベース５の高さは、あらかじめ低めに設定されている。そして、冷凍機１４と組み立てられることにより、冷凍モジュールベース５は、コールドフィンガ１５に持ち上げられる。このとき、コールドフィンガ１５とモジュールベース５との接触部には、第１のベローズ構造体１１の蛇腹部のバネ性により予圧がかかり、接触熱抵抗を下げることができる。さらに、コールドフィンガ１５は、冷凍すると線膨張係数により長さが短くなる。このとき、第１のベローズ構造体１１の柔軟性により、真空断熱は保たれる。

また、冷凍モジュール４は、例えば外側ケースユニット２の外筒部６のウインドウ１０を介して外部との光学的な入出力のため、位置精度を必要とする。真空断熱モジュールケース１の単体では、外側ケースユニット２の第１のベローズ構造体１１の蛇腹形状の柔軟性により冷凍モジュールベース５は、位置精度を持っていないが、冷凍機１４と接続されると、冷凍時に所望の位置精度となるように形状を設計されたコールドフィンガ１５のくさび形状の凹凸嵌合部２１をガイドとして、位置決めされることにより、位置精度を確保することができる。

また、本実施の形態では、第１のベローズ構造体１１の内周部の各内側凸部１１ａと、第２のベローズ構造体１９の外周部の各外側凸部１９ａとがそれぞれ当接する密着状態で、保持される。これにより、内側ケースユニット３の筒壁部１７の第２のベローズ構造体１９と外側ケースユニット２の第１のベローズ構造体１１との間に挟み込まれた内部空気を第１のベローズ構造体１１の内周部の各内側凸部１１ａと、第２のベローズ構造体１９の外周部の各外側凸部１９ａとの間で隔絶させることができる。そのため、高温（室温）であるベース部材９側から、冷凍モジュール４の低温側へと直接に対流を発生させないようにすることができる。これにより、ベローズ構造体同志に隙間がある場合のように、対流によって高温部から低温部へ熱流入が発生して冷凍モジュール４の温度が上がってしまうことを防止できる。

したがって、本実施の形態では、冷凍モジュールの交換時に真空引きが不要で、モジュール毎に個別に交換可能な冷凍モジュールの位置精度に優れ、かつ冷凍モジュールの接続に於ける熱抵抗の少ない冷凍機用真空断熱モジュールケースと冷凍機を提供することができる。

［変形例］
図４は、第１の実施の形態の真空断熱モジュールケース１の熱対流防止手段２０の変形例を示す要部の縦断面図である。本変形例は、第１のベローズ構造体１１の各内側凸部１１ａの内周部に摩擦抵抗の少ない材質（例えばテフロン（登録商標））の第１の接触リング３１、第２のベローズ構造体１９の各外側凸部１９ａの外周部に摩擦抵抗の少ない材質（例えばテフロン（登録商標））の第２の接触リング３２をそれぞれはめ込む状態で設けている。さらに、第１の接触リング３１と第２の接触リング３２のいずれか一方、本変形例では第１の接触リング３１に接触面積が小さいリップ状の接触部３３を設けている。第１の接触リング３１の接触部３３を第２の接触リング３２に当接させることで、第１のベローズ構造体１１の各内側凸部１１ａと第２のベローズ構造体１９の各外側凸部１９ａとの間を密着させている。これにより、内側ケースユニット３の筒壁部１７の第２のベローズ構造体１９と外側ケースユニット２の第１のベローズ構造体１１との間に挟み込まれた内部空気がコールドフィンガ１５の軸方向に沿って対流することを低減させ、熱対流が発生することを防止することができる。

本変形例では、第１のベローズ構造体１１の各内側凸部１１ａと第２のベローズ構造体１９の各外側凸部１９ａとの密着と、外側ケースユニット２と内側ケースユニット３との挿抜のスムーズさの両立を図ることができる。

［第２の実施の形態］
（構成）
図５乃至図７は、第２の実施の形態を示す。本実施の形態は、第１の実施の形態（図１乃至図３参照）の真空断熱モジュールケース１の構成を次の通り変更した変形例である。なお、図５乃至図７中で、図１乃至図３と同一部分には同一の符号を付してその説明を省略する。

図５は、本実施の形態の冷凍機用真空断熱モジュールケース１の全体の概略構成を示す縦断面図、図６は、外側ケースユニット２を示す縦断面図、図７は、内側ケースユニット３を示す縦断面図である。本実施の形態の真空断熱モジュールケース１では、外側ケースユニット２の内筒部７が直管状の剛性の高い内筒本体４１と、伸縮変形可能な蛇腹状の薄肉金属筒である第１のベローズ構造体４２とが直列に連結された状態で形成されている。内筒本体４１は、金属よりも熱伝導の悪い材質（たとえば、セラミクス）を用いる。第１のベローズ構造体４２は、内筒本体４１と冷凍モジュールベース５との間に介設されている。そして、外筒部６と、内筒本体４１および第１のベローズ構造体４２との間には、第１の真空断熱層８が形成されている。また、冷凍モジュールベース５の下面には、複数の係合凸部（係合部）４３が形成されている。各係合凸部４３の外周面には、先細のテーパー面４３ａが形成されている。

図７に示す内側ケースユニット３は、外側ケースユニット２内に挿入される挿入部１３の筒壁部１７が直管状の剛性の高い筒壁部本体４４と、伸縮変形可能な蛇腹状の薄肉金属筒である第２のベローズ構造体４５とが直列に連結された状態で形成されている。筒壁部本体４４は、金属よりも熱伝導の悪い材質（たとえば、セラミクス）を用いる。第２のベローズ構造体４５は、筒壁部本体４４とコールドフィンガ１５の先端部１５ａとの間に介設されている。そして、コールドフィンガ１５と、筒壁部本体４４および第２のベローズ構造体４５との間には、第２の真空断熱層１８が形成されている。

また、コールドフィンガ１５の先端部１５ａの上面には、冷凍モジュールベース５の複数の係合凸部４３と対応する形状の複数の係合凹部４６が形成されている。そして、外側ケースユニット２と内側ケースユニット３との連結時には、冷凍モジュールベース５の下面の係合凸部４３とコールドフィンガ１５の先端部１５ａの係合凹部４６とが係脱可能に係合されるようになっている。このとき、コールドフィンガ１５の先端部１５ａの係合凹部４６のテーパー面４６ａと、冷凍モジュールベース５の下面の係合凸部４３のテーパー面４３ａとが係合されることで、冷凍モジュールベース５の係合凸部４３とコールドフィンガ１５の先端部１５ａの係合凹部４６との間に隙間無く接するくさび形状の凹凸嵌合部４７が形成されている。

また、本実施の形態では、直管状の筒壁部本体４４の外周面にリング状の複数のＯリング嵌合溝４８が形成されている。これらのＯリング嵌合溝４８は内側ケースユニット３の軸方向に沿って並設されている。各Ｏリング嵌合溝４８には、Ｏリング４９が嵌着されている。そして、外側ケースユニット２と内側ケースユニット３との連結時には、直管状の筒壁部本体４４の外周面と、外側ケースユニット２の内筒部７の内周面との間の隙間が、これらのＯリング４９によって密閉される。これにより、筒壁部本体４４の外周面と、外側ケースユニット２の内筒部７の内周面との間の空間部でコールドフィンガ１５の軸方向に沿って熱対流が発生することを防止する内部空間の熱対流防止手段５０が形成されている。

（作用・効果）
本実施の形態の冷凍機用真空断熱モジュールケース１の使用時には、分離されている外側ケースユニット２内に内側ケースユニット３の挿入部１３が挿入されて図５に示す状態に組み付けられる。この組み付け状態では、冷凍モジュールベース５の係合凸部４３とコールドフィンガ１５の先端部１５ａの係合凹部４６との間がくさび形状の凹凸嵌合部４７によって隙間無く接する状態で保持される。そのため、冷凍モジュール４は、冷凍モジュールベース５を介して、冷凍機のコールドフィンガ１５により熱伝導により冷凍される。さらに、くさび形状の凹凸嵌合部４７によって冷凍モジュールベース５の係合凸部４３とコールドフィンガ１５の先端部１５ａの係合凹部４６との間の接触表面積を増やすことができるので、接触熱抵抗を低減することができる。

また、冷凍モジュールベース５は、外側ケースユニット２内に保持され、外側ケースユニット２の外筒部６と内筒部７との間の第１の真空断熱層８によって真空断熱状態が維持される。さらに、コールドフィンガ１５の先端部１５ａは、内側ケースユニット３の筒壁部１７とコールドフィンガ１５との間の第２の真空断熱層１８によって真空断熱状態が維持される。

また、本実施の形態では、外側ケースユニット２と内側ケースユニット３との連結時には、直管状の筒壁部本体４４の外周面と、外側ケースユニット２の内筒部７の内周面との間の隙間が、複数のＯリング４９によって密閉される。この熱対流防止手段５０により、筒壁部本体４４の外周面と、外側ケースユニット２の内筒部７の内周面との間の空間部でコールドフィンガ１５の軸方向に沿って熱対流が発生することを防止することができる。

また、冷凍モジュール４を交換する際には、外側ケースユニット２から内側ケースユニット３の挿入部１３を引き抜くことで、外側ケースユニット２と、内側ケースユニット３とを分離することができる。この状態で、例えば外側ケースユニット２全体を交換することで、冷凍モジュール４を交換する際に真空引きが不要で、モジュール４毎に個別に交換可能となる。

［第３の実施の形態］
（構成）
図８は、第３の実施の形態を示す。第１の実施の形態（図１乃至図３参照）の真空断熱モジュールケース１ではスターリング型冷凍機１４と組み合わされる例を示したが、本実施の形態では液体窒素を流通させるパイプ６１を有する構造体の冷凍機６２と組み合わされる真空断熱モジュールケース６３を設けたものである。本実施の形態の冷凍機６２は、直管状のパイプ本体６１ａの途中にコールドフィンガ６４が突設されている。

また、真空断熱モジュールケース６３は、筒状の外側ケースユニット６５と、内側ケースユニット６６とを有する。外側ケースユニット６５と、内側ケースユニット６６とは、各々が真空断熱構造を持ち、分離ができる。

外側ケースユニット６５は、冷凍対象である冷凍モジュール６７を保持する円板状の冷凍モジュールベース６８を有する。冷凍モジュールベース６８は、上面に冷凍モジュール６７が載置される平面である冷凍モジュール載置面６８ａが形成されている。冷凍モジュールベース６８の下面には、冷凍機６２のコールドフィンガ６４の先端部６４ａと連結される係合凸部（係合部）６８ｂが形成されている。この係合凸部６８ｂの外周面には、先細状のテーパー面６８ｂ１が形成されている。さらに、外側ケースユニット６５は、筒壁が外筒部６９と内筒部７０との二重筒によって形成されている。外筒部６９と内筒部７０との間には、第１の真空断熱層７１を有する。

外側ケースユニット６５には、リング状のベース部材７２が設けられている。このベース部材７２の上に外筒部６９と内筒部７０の各下端部が固定されている。また、外筒部６９は、例えば薄肉のステンレスなどの熱伝導率の小さな金属材料で円筒状に形成されている。この外筒部６９の上端部は、例えば光や電波などを透過するウインドウ７３が密閉された状態で固定されている。なお、ベース部材７２には、冷凍モジュール６７に接続される入出力ポート１２（図１参照）が固定されている。

内筒部７０は、直管状の内筒本体７４と、伸縮変形可能な蛇腹状の薄肉金属筒であるベローズ構造体７５とが直列に連結された状態で形成されている。内筒本体７４は、金属よりも熱伝導の悪い材質（たとえば、セラミクス）を用いる。ベローズ構造体７５は、内筒本体７４と冷凍モジュールベース６８との間に介設されている。そして、冷凍モジュールベース６８はこの内筒部７０の内筒本体７４とベローズ構造体７５によって支持されている。

内側ケースユニット６６は、外側ケースユニット６５内に挿入される挿入部７６を有する。挿入部７６は、冷凍機６２のコールドフィンガ６４の先端部６４ａと連結される冷凍機連結部７７と、コールドフィンガ６４の周囲を囲む筒壁部７８と、筒壁部７８とコールドフィンガ６４との間に形成される第２の真空断熱層７９とを有する。筒壁部７８は、金属よりも熱伝導の悪い材質（たとえば、セラミクス）によって形成されている。

また、コールドフィンガ６４の先端部６４ａには、中央部に係合凹部６４ｂが形成されている。この係合凹部６４ｂは内周面にテーパー面６４ｂ１が形成されている。このテーパー面６４ｂ１は、係合凹部６４ｂの底部から開口部側に向かうにしたがって開口面積が大きくなる傾斜面によって形成されている。この係合凹部６４ｂのテーパー面６４ｂ１は、冷凍モジュールベース６８の下面の係合凸部６８ｂのテーパー面６８ｂ１と対応する形状に形成されている。そして、外側ケースユニット６５と内側ケースユニット６６との連結時には、冷凍モジュールベース６８の下面の係合凸部６８ｂとコールドフィンガ６４の先端部６４ａとが係脱可能に係合されるようになっている。このとき、コールドフィンガ６４の係合凹部６４ｂのテーパー面６４ｂ１が、冷凍モジュールベース６８の係合凸部６８ｂのテーパー面６８ｂ１と係合されることで、冷凍モジュールベース６８の係合凸部６８ｂとコールドフィンガ６４の先端部６４ａとの間に隙間無く接するくさび形状の凹凸嵌合部８０が形成されている。

筒壁部７８の下端部外周面にはベース部材７２との接合部にＯリング８１が嵌着されている。このＯリング８１によって内側ケースユニット６６と外側ケースユニット６５との間がシールされている。

なお、図８は、コールドフィンガ６４の軸方向と直交する方向に複数の真空断熱モジュールケース６３を並設させた構成例が示されている。ここでは、隣接する真空断熱モジュールケース６３に組み付けられる冷凍機６２のパイプ６１間は伸縮変形可能な蛇腹状の薄肉金属筒であるベローズ構造体８２を介して連結されている。

（作用・効果）
本実施の形態の冷凍機用真空断熱モジュールケース６３の使用時には、分離されている外側ケースユニット６５内に内側ケースユニット６６の挿入部７６が挿入されて図８に示す状態に組み付けられる。この組み付け状態では、冷凍モジュールベース６８の係合凸部６８ｂとコールドフィンガ６４の先端部６４ａの係合凹部６４ｂとの間がくさび形状の凹凸嵌合部８０によって隙間無く接する状態で保持される。そのため、冷凍モジュール６７は、冷凍モジュールベース６８を介して、冷凍機６２のコールドフィンガ６４により熱伝導により冷凍される。さらに、くさび形状の凹凸嵌合部８０によって冷凍モジュールベース６８の係合凸部６８ｂとコールドフィンガ６４の先端部６４ａの係合凹部６４ｂとの間の接触表面積を増やすことができるので、接触熱抵抗を低減することができる。

また、冷凍モジュールベース６８は、外側ケースユニット６５内に保持され、外側ケースユニット６５の外筒部６９と内筒部７０との間の第１の真空断熱層７１によって真空断熱状態が維持される。さらに、コールドフィンガ６４の先端部６４ａは、内側ケースユニット６６の筒壁部７８とコールドフィンガ６４との間の第２の真空断熱層７９によって真空断熱状態が維持される。

また、本実施の形態では、外側ケースユニット６５と内側ケースユニット６６との連結時には、Ｏリング８１によって内側ケースユニット６６と外側ケースユニット６５との間がシールされる。このＯリング８１により、内側ケースユニット６６と外側ケースユニット６５との間の空間部でコールドフィンガ１５の軸方向に沿って熱対流が発生することを防止することができる。

また、冷凍モジュール６７を交換する際には、外側ケースユニット６５から内側ケースユニット６６の挿入部７６を引き抜くことで、外側ケースユニット６５と、内側ケースユニット６６とを分離することができる。この状態で、例えば外側ケースユニット６５全体を交換することで、冷凍モジュール６７を交換する際に真空引きが不要で、モジュール６７毎に個別に交換可能となる。

［変形例］
図９および図１０は、第１の実施の形態（図１乃至図３参照）の真空断熱モジュールケース１の変形例である。図９は、コールドフィンガ１５の先端部１５ａの要部の斜視図である。本変形例はコールドフィンガ１５の先端部１５ａに複数の嵌合凹部９１が形成されている。図１０に示すように各嵌合凹部９１は、内周面にテーパー面９１ａが形成されている。このテーパー面９１ａは、嵌合凹部９１の底部から開口部側に向かうにしたがって開口面積が大きくなる傾斜面によって形成されている。さらに、冷凍モジュールベース５の下面には、コールドフィンガ１５の嵌合凹部９１と対応する位置に、各嵌合凹部９１と対応する形状の嵌合凸部が形成されている。

そして、分離されている外側ケースユニット２内に内側ケースユニット３の挿入部１３が挿入されて組み付けられる組み付け状態では、冷凍モジュールベース５の嵌合凸部とコールドフィンガ１５の先端部１５ａの各嵌合凹部９１との間がくさび形状の凹凸嵌合部によって隙間無く接する状態で保持される。そのため、冷凍モジュール４は、冷凍モジュールベース５を介して、冷凍機１４のコールドフィンガ１５により熱伝導により冷凍される。さらに、本変形例では、コールドフィンガ１５の先端部１５ａに複数の嵌合凹部９１が形成されているので、冷凍モジュールベース５の各嵌合凸部とコールドフィンガ１５の先端部１５ａの各嵌合凹部９１との間の接触表面積をさらに増やすことができ、接触熱抵抗を低減することができる。

図１１は、第１の実施の形態のコールドフィンガ１５の先端部１５ａの変形例を示す要部の斜視図である。本変形例では、コールドフィンガ１５の先端部１５ａにＶ字状の溝９２を直交する方向に抗させる状態で形成したものである。さらに、冷凍モジュールベース５の下面には、コールドフィンガ１５のＶ字状の溝９２と対応する位置に、各Ｖ字状の溝９２と対応する形状の嵌合凸部が形成されている。

本変形例では、コールドフィンガ１５の先端部１５ａに複数のＶ字状の溝９２が形成されているので、冷凍モジュールベース５の各嵌合凸部とコールドフィンガ１５の先端部１５ａのＶ字状の溝９２との間の接触表面積をさらに増やすことができ、接触熱抵抗を低減することができる。

また、Ｖ字状の溝９２は縦横にそれぞれ複数設けてもよく、この場合は冷凍モジュールベース５の各嵌合凸部とコールドフィンガ１５の先端部１５ａの各嵌合凹部９１との間の接触表面積をさらに増やすことができ、接触熱抵抗を低減することができる。

これらの実施形態によれば、冷凍モジュールを交換する際に真空引きが不要で、モジュール毎に個別に交換可能で、かつ冷凍モジュールの位置精度に優れ、冷凍モジュール接続に於ける熱抵抗の少ない冷凍機用真空断熱モジュールケースと冷凍機を提供することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…真空断熱モジュールケース、２…外側ケースユニット、３…内側ケースユニット、４…冷凍モジュール、５…冷凍モジュールベース、５ａ…冷凍モジュール載置面、５ｂ…係合凹部、６…外筒部、７…内筒部、８…真空断熱層、９…ベース部材、１０…ウインドウ、１１…ベローズ構造体、１１ａ…内側凸部、１２…入出力ポート、１３…挿入部、１４…スターリング型冷凍機、１４ａ…ベース部材、１５…コールドフィンガ、１５ａ…先端部、１５ａ１…テーパー面、１５ｂ…嵌合凹部、１５ｂ１…テーパー面、１６…冷凍機連結部、１７…筒壁部、１８…真空断熱層、１９…ベローズ構造体、１９ａ…外側凸部、２０…熱対流防止手段、２１…凹凸嵌合部、３１…接触リング、３２…接触リング、３３…接触部、４１…内筒本体、４２…ベローズ構造体、４３…係合凸部、４３ａ…テーパー面、４４…筒壁部本体、４５…ベローズ構造体、４６…係合凹部、４６ａ…テーパー面、４７…凹凸嵌合部、４８…Ｏリング嵌合溝、４９…Ｏリング、５０…熱対流防止手段、６１…パイプ、６２…冷凍機、６３…冷凍機用真空断熱モジュールケース、６４…コールドフィンガ、６４ａ…先端部、６４ｂ…係合凹部、６４ｂ１…テーパー面、６５…外側ケースユニット、６６…内側ケースユニット、６７…冷凍モジュール、６８…冷凍モジュールベース、６８ａ…冷凍モジュール載置面、６８ｂ…係合凸部、６８ｂ１…テーパー面、６９…外筒部、７０…内筒部、７１…真空断熱層、７２…ベース部材、７３…ウインドウ、７４…内筒本体、７５…ベローズ構造体、７６…挿入部、７７…冷凍機連結部、７８…筒壁部、７９…真空断熱層、８０…凹凸嵌合部、８１…Ｏリング、８２…ベローズ構造体、９１…嵌合凹部、９１ａ…テーパー面、９２…溝。

Claims (10)

1. 冷凍モジュールを保持する冷凍モジュールベースを有し、筒壁が外筒部と内筒部との二重筒によって形成され、前記外筒部と内筒部との間に第１の真空断熱層を有する筒状の外側ケースユニットと、
   前記外側ケースユニット内に挿入される挿入部を有し、前記外側ケースユニットとは分離可能な内側ケースユニットとを有し、
   前記挿入部は、冷凍機のコールドフィンガの先端と連結される冷凍機連結部と、前記コールドフィンガの周囲を囲む筒壁部と、前記筒壁部と前記コールドフィンガとの間に形成される第２の真空断熱層とを有し、
   前記外側ケースユニットと前記内側ケースユニットとの連結時に前記コールドフィンガの先端と前記冷凍モジュールベースとが係脱可能に係合される係合部を有することを特徴とする冷凍機用真空断熱モジュールケース。
2. 少なくとも前記内側ケースユニットの前記外筒部の一部は、伸縮変形可能なベローズ構造体によって形成され、
   前記係合部は、少なくとも一部にくさび形状の凹凸嵌合部を有することを特徴とする請求項１に記載の冷凍機用真空断熱モジュールケース。
3. 前記外側ケースユニットの前記内筒部は、伸縮変形可能な第１のベローズ構造体によって形成され、
   前記内側ケースユニットの前記筒壁部は、伸縮変形可能な第２のベローズ構造体によって形成され、
   前記係合部は、少なくとも一部にくさび形状の凹凸嵌合部を有することを特徴とする請求項１に記載の冷凍機用真空断熱モジュールケース。
4. 前記第１のベローズ構造体の内周部と前記第２のベローズ構造体の外周部との間は、接触状態で保持され、
   前記第１のベローズ構造体の内周部と前記第２のベローズ構造体の外周部との間の空間部で前記コールドフィンガの軸方向に沿って熱対流が発生することを防止する内部空間の熱対流防止手段を有することを特徴とする請求項３に記載の冷凍機用真空断熱モジュールケース。
5. 前記熱対流防止手段は、前記第１のベローズ構造体の内周部に摩擦抵抗の少ない材質の第１の接触リング、前記第２のベローズ構造体の外周部に摩擦抵抗の少ない材質の第２の接触リングをそれぞれ設け、
   前記第１の接触リングと前記第２の接触リングのいずれか一方に接触面積が小さいリップ状の接触部を設けたことを特徴とする請求項４に記載の冷凍機用真空断熱モジュールケース。
6. 前記内筒部は、自然長が、前記コールドフィンガの長さよりも小さい長さに設定され、
   前記外側ケースユニットと前記内側ケースユニットとの連結時に前記外側ケースユニット内に前記内側ケースユニットが挿入されることで、前記内筒部が引き伸ばされることを特徴とする請求項１に記載の冷凍機用真空断熱モジュールケース。
7. 前記外側ケースユニットの前記内筒部は、低熱伝導材料によって形成された剛性の高い第１の筒体と、この第１の筒体と前記冷凍モジュールベースとの間に伸縮変形可能な前記第１のベローズ構造体が配設され、
   前記内側ケースユニットの前記筒壁部は、低熱伝導材料によって形成された剛性の高い第２の筒体と、この第２の筒体と前記冷凍機連結部との間に伸縮変形可能な前記第２のベローズ構造体が配設され、
   前記第１の筒体と、前記第２の筒体との間の空間部で前記コールドフィンガの軸方向に沿って熱対流が発生することを防止する内部空間の熱対流防止手段を有することを特徴とする請求項１に記載の冷凍機用真空断熱モジュールケース。
8. 前記熱対流防止手段は、前記外筒部の外周面に前記コールドフィンガの軸方向に沿って複数のＯリングを並設させたものであることを特徴とする請求項７に記載の冷凍機用真空断熱モジュールケース。
9. 前記冷凍機は、スターリング型冷凍機、または液体窒素を流通させるパイプを有する構造体のいずれかによって形成されることを特徴とする請求項１に記載の冷凍機用真空断熱モジュールケース。
10. 請求項１〜８のいずれかに記載の冷凍機用真空断熱モジュールケースと組み付けられる冷凍機。

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