JP2016142468A - 希釈冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、希釈冷凍装置の大型化を抑制した上で、希釈冷凍装置と接続され、間接的に被冷却物を冷却する冷却板の自由度を向上させることの可能な希釈冷凍装置を提供することを課題とする。
【解決手段】被冷却物１１と対向するように配置された冷却板１２と、被冷却物１１と対向する第１の面１２ａとは反対側に位置する冷却板１２の第２の面１２ｂに接続され、冷却板１２を冷却することで、間接的に被冷却物１１を冷却する複数の希釈冷凍機ユニット１３−１〜１３−３と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷却板を介して、被冷却物を冷却する希釈冷凍装置に関する。

希釈冷凍機は、ヘリウムガスの同位体（具体的には、^３Ｈｅと^４Ｈｅ）を冷媒に用い、これらの同位体の物理的性質を利用して、０．１Ｋ以下の超低温を作り出す装置である。
^３Ｈｅと^４Ｈｅの混合液は、０.８７Ｋ以下の低温で相分離を起こすため、^３Ｈｅが１００％に近い^３Ｈｅ濃厚相と、^４Ｈｅ中に^３Ｈｅが６％程度混合された^３Ｈｅ希薄相と、に分離して共存する。^３Ｈｅ濃厚相は、^３Ｈｅ希薄相よりも密度が小さいため、^３Ｈｅ希薄相の上部に分離して存在する。

そして、^３Ｈｅ濃厚相にある^３Ｈｅが^３Ｈｅ希薄相に溶け込む際にエンタルピー差に応じた冷却が起こる。希釈冷凍機は、この２相間（後述する図１０に示す^３Ｈｅ濃厚相２０９と^３Ｈｅ希薄相２１１との間）のエンタルピー差を利用した冷凍機である（例えば、特許文献１，２参照。）。

図１０は、従来の希釈冷凍機の概略構成の一例を模式的に示す断面図である。
ここで、図１０を参照して、従来の希釈冷凍機２００の構成について簡単に説明する。
従来の希釈冷凍機２００は、^３Ｈｅ供給ライン２０１と、^３Ｈｅ排出ライン２０３と、１Ｋ溜室２０５と、混合室２０７と、熱交換器２１３，２１５，２１７と、分留室２１９と、副インピーダンス２２１と、真空断熱容器２２２と、主インピーダンス２２３と、を有する。

^３Ｈｅ供給ライン２０１は、１Ｋ溜室２０５、主インピーダンス２２３、分留室２１９、副インピーダンス２２１、及び熱交換器２１７，２１５，２１３を介して、混合室２０７に^３Ｈｅを供給する。
^３Ｈｅ排出ライン２０３は、分留室２１９から^３Ｈｅを排出し、図示していない真空ポンプを有する循環ラインを介して^３Ｈｅ供給ライン２０１と接続されている。

１Ｋ溜室２０５は、分留室２１９の前段に位置する^３Ｈｅ供給ライン２０１に設けられている。１Ｋ溜室２０５は、液体ヘリウムを減圧することで１Ｋ台に冷却されている。
なお、^３Ｈｅの循環に圧縮機を用い、主インピーダンス２２３の値を大きくすることでジュール・トムソン（ＪＴ）効果により^３Ｈｅを凝縮することで１Ｋ溜室を無くすこともできる。

混合室２０７は、その内部に^３Ｈｅ濃厚相２０９と^３Ｈｅ希薄相２１１（６％程度の^３Ｈｅを含む相）とが形成されている。混合室２０７では、液体の^３Ｈｅを液体の^４Ｈｅに希釈させることで０．１Ｋ以下の低温を得る。

熱交換器２１３，２１５，２１７は、混合室２０７と分留室２１９との間に配置されている。熱交換器２１３，２１５，２１７は、混合室２０７に流入する^３Ｈｅと、混合室２０７から流出する^３Ｈｅと^４Ｈｅとの混合液と、を熱交換させる。
熱交換器２１３，２１５は、平型熱交換器である。熱交換器２１３，２１５は、板部材２２５の両面に固定された銀パウダー焼結部材２２６が配置されている。このような構成とすることで、０．０１Ｋ以下の超低温を実現することができる。
熱交換器２１７としては、例えば、チューブインチューブ型の熱交換器を用いることができる。

分留室２１９は、^３Ｈｅと^４Ｈｅとの混合液から^３Ｈｅを分離させる。分離させた^３Ｈｅは、^３Ｈｅ排出ライン２０３を介して、真空断熱容器２２２外に排出される。
主インピーダンス２２３は、１Ｋ溜室２０５と分留室２１９との間に位置する^３Ｈｅ供給ライン２０１に設けられている。
副インピーダンス２２１は、熱交換器２１７と分留室２１９との間に位置する^３Ｈｅ供給ライン２０１に設けられている。副インピーダンス２２１は、^３Ｈｅの流れが不安定にならないようにするためのものである。副インピーダンス２２１の値は、主インピーダンス２２３よりも１桁程度低い値とされている。
真空断熱容器２２２は、^３Ｈｅ供給ライン２０１の一部、^３Ｈｅ排出ライン２０３の一部、１Ｋ溜室２０５、混合室２０７、熱交換器２１３，２１５，２１７、及び分留室２１９を収容するように配置されている。

従来、希釈冷凍機は、０．１Ｋ以下の超低温での基礎物性測定に用いられてきた。特に、希釈冷凍機は、電磁波等を検出する超伝導素子を有する低温検出器の冷却に有効である。
該低温検出器は、従来の検出器と比較して、１０倍以上の検出能力を有しているため、次世代の検出器として注目されている。このような低温検出器は、希釈冷凍機の性能の改善によって検出精度が大きく改善される。

上記説明した従来の希釈冷凍機２００と比較して小型化を図ることの可能な希釈冷凍機として、シリンダー型希釈冷凍機がある（例えば、特許文献３，４参照。）。
シリンダー型希釈冷凍機は、凝縮器、分溜器、熱交換器、及び混合器が一体に構成されている。このため、構成要素の数を少なくすることが可能となるので、容易に製造することが可能で、かつ配管等の接続箇所を少なくすることが可能となる。
また、配管等の接続箇所が少なくなることで、リークの発生を抑制可能となるので、シリンダー型希釈冷凍機を安定して動作させることができる。

しかしながら、シリンダー型希釈冷凍機は、従来の希釈冷凍機２００と比較して、冷凍能力が劣るため、高い冷凍能力が要求される用途には不向きであった。
このような問題を解決可能な従来のシリンダー型希釈冷凍機として、混合室を２段構成にしたシリンダー型希釈冷凍機がある（例えば、特許文献５，６参照。）。

特開２００５−９０９２８号公報 特開２００８−２３２４５５号公報 特開２００１−３０４７０９号公報 特開平８−２７１０７６号公報 特開２００４−２５７７１９号公報 特開２００４−２９３９９６号公報

しかしながら、特許文献５，６に開示されたシリンダー型希釈冷凍機のように、混合室の数を増加させても、シリンダー型希釈冷凍機の構造上、十分な冷凍能力を得ることが困難であった。

一般的に、冷却板は、熱伝導の良い無酸素銅等の材料で製作される。熱伝導度は、温度に比例して小さくなる。冷却源である混合室の面積が冷却板より小さくなると、冷凍能力の不足と冷却板の熱伝導度が温度の低下とともに悪くなっていく。
したがって、冷却ヘッド（混合室）の面積に対し、冷却板の面積が大きい場合や、細長い冷却板の端の方に冷却ヘッドが配置されている場合において、特許文献３〜６に開示された１つのシリンダー型希釈冷凍機を用いて冷却板を冷却すると、該冷却板に温度差（温度勾配）が生じるため、均一に冷却板を冷却することが困難となる。
このため、上記場合において、特許文献３〜６に開示された１つのシリンダー型希釈冷凍機を用いると、所定の温度となるように被冷却物を冷却できない。

特許文献１，２に開示された希釈冷凍機を用いて、外形の大きな冷却板を介して、複数の被冷却物、或いは形状の大きな被冷却物を冷却する場合、混合室の面積を大きくしていくと、冷熱源冷凍能力が大きくなり、かつ冷却板の温度を均一にすることが可能となる。
よって、このような場合には、所定の温度となるように被冷却物を冷却することは可能となる。しかしながら、この場合、混合室の面積を大きくすることで、希釈冷凍機装置が大型化してしまう。

また、特許文献１，２に開示された希釈冷凍機を用いて、幅が狭く、かつ長さの長い冷却板を介して、複数の被冷却物を冷却する場合も冷却板の温度が不均一になるため、所定の温度となるように複数の被冷却物を均一に冷却することが困難であった。
つまり、特許文献１，２に開示された希釈冷凍機、及び特許文献３〜６に開示されたシリンダー型希釈冷凍機単体の使用では、冷却板の自由度を向上させることが困難であった。

そこで、本発明は、希釈冷凍装置の大型化を抑制した上で、希釈冷凍装置と接続され、間接的に被冷却物を冷却する冷却板の自由度を向上させることの可能な希釈冷凍装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明によれば、被冷却物と対向するように配置された冷却板と、前記被冷却物と対向する第１の面とは反対側に位置する前記冷却板の第２の面に接続され、該冷却板を冷却することで、間接的に前記被冷却物を冷却する複数の希釈冷凍機ユニットと、前記被冷却物、前記冷却板、及び前記希釈冷凍機を収容する輻射シールドと、前記輻射シールドを収容する真空断熱容器と、を有し、前記複数の希釈冷凍機は、前記輻射シールドの延在方向と同じ方向に延在し、下部に液体の^３Ｈｅ及び液体の^４Ｈｅを含む混合液体ヘリウムを収容する筒状容器と、前記筒状容器内の下部に該筒状容器と接触しないように配置され、下端が開放端とされた筒状部材と、前記筒状部材内の上部に配置されたプランジャーと、前記筒状部材の下部と前記プランジャーの下端とで区画され、^３Ｈｅ濃厚相と前記液体の^３Ｈｅを含む^３Ｈｅ希薄相とが形成される混合室と、前記筒状容器の上方に位置する前記筒状容器内に配置された熱伝導ブロックと、前記熱伝導ブロックと前記筒状部材との間に位置する前記筒状容器内に配置され、前記混合液体ヘリウムから^３Ｈｅを分離する分留室と、前記筒状容器のうち、前記筒状部材、及び前記分留室の配設位置に対応する部分の外面を覆う断熱部材と、前記筒状部材の周囲に配置された熱交換器と、前記熱伝導ブロックに内設された凝縮器と、前記筒状断熱容器と前記断熱部材との間に配置された液体ヘリウム、または機械式冷凍機と、前記凝縮器、及び前記熱交換器を介して、前記混合室に液体の^３Ｈｅを供給する^３Ｈｅ供給ラインと、前記筒状容器の上部と接続され、前記分留室で分離された液体の^３Ｈｅを前記筒状断熱容器の外に回収する^３Ｈｅ回収ラインと、含み、前記液体ヘリウム及び前記機械式冷凍機は、前記筒状容器を４．２Ｋ以下に冷却することを特徴とする希釈冷凍装置が提供される。

また、請求項２に係る発明によれば、前記液体の^３Ｈｅを貯留するバッファタンクと、前記複数の希釈冷凍機ユニットを構成する前記^３Ｈｅ供給ライン、及び前記バッファタンクと接続された冷媒供給ラインと、前記複数の希釈冷凍機ユニットを構成する前記^３Ｈｅ回収ライン、及び前記バッファタンクと接続された冷媒回収ラインと、を有し、前記複数の希釈冷凍機ユニットを構成する前記^３Ｈｅ供給ラインは、前記冷媒供給ラインから分岐したラインであり、前記複数の希釈冷凍機ユニットを構成する前記^３Ｈｅ回収ラインは、前記冷媒回収ラインから分岐したラインであることを特徴とする請求項１記載の希釈冷凍装置が提供される。

また、請求項３に係る発明によれば、前記冷却板に接続された前記複数の希釈冷凍機ユニットは、同一の材料、及び同一の形状とされた部品で構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の希釈冷凍装置が提供される。

また、請求項４に係る発明によれば、前記冷却板を複数有し、同一の前記冷却板に接続された複数の前記希釈冷凍機ユニットは、同一の材料、及び同一の形状とされた部品で構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の希釈冷凍装置が提供される。

また、請求項５に係る発明によれば、前記冷却板を複数有し、同一の前記冷却板に接続された複数の前記希釈冷凍機ユニットは、異なる冷却性能を有する構成であることを特徴とする請求項１または２記載の希釈冷凍装置が提供される。

また、請求項６に係る発明によれば、前記冷媒供給ラインに設けられ、前記バッファタンクから供給されたガス状態の^３Ｈｅを圧縮する圧縮機と、前記圧縮機の後段に位置する前記冷媒供給ラインに設けられたフィルターと、前記冷媒回収ラインに設けられたポンプと、を有することを特徴とする請求項２ないし５のうち、いずれか１項記載の希釈冷凍装置が提供される。

また、請求項７に係る発明によれば、前記冷却板の第１の面に配置され、該冷却板の温度を検出する温度検出器を有することを特徴とする請求項１ないし６のうち、いずれか１項記載の希釈冷凍装置が提供される。

本発明の希釈冷凍装置によれば、複数の希釈冷凍機ユニットの構成を、筒状容器内において、筒状容器の延在方向に混合室、プランジャー、熱交換器、分留室、熱伝導ブロック、凝縮器が配置された構成にすることで、複数の希釈冷凍機ユニットの小型化を図ることが可能となる。
これにより、冷却板のサイズや形状等に依存することなく、希釈冷凍装置の大型化を抑制した上で、冷却板が均一な温度で冷却されるように、冷却板の第２の面に、筒状容器を４．２Ｋ以下に冷却する液体ヘリウム、或いは機械式冷凍機を有する複数の希釈冷凍機ユニットを配置させることが可能となる。

つまり、希釈冷凍装置の大型化を抑制した上で、複数の希釈冷凍機ユニットと接続され、間接的に被冷却物を冷却する冷却板の自由度を向上させることができる。
具体的には、例えば、Ｓ字形状のようなカーブを有する冷却板や、一方向に延在する帯状の冷却板や、縦の幅及び横の幅が広く、大型の冷却板等にも対応することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る希釈冷凍装置の概略構成を示す図である。 図１に示す冷却板及び複数の希釈冷凍機ユニットの平面図である。 図２に示す希釈冷凍機ユニットのＡ−Ａ線方向の断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る希釈冷凍装置の概略構成を示す図である。 図４に示す複数の冷却板及び複数の希釈冷凍機ユニットの平面図である。 第２の実施の形態の変形例に係る希釈冷凍装置の概略構成を示す図である。 図６に示す複数の冷却板及び複数の希釈冷凍機ユニットの平面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る希釈冷凍装置の概略構成を示す図である。 図８に示す複数の冷却板及び複数の希釈冷凍機ユニットの平面図である。 従来の希釈冷凍機の概略構成の一例を模式的に示す断面図である。

以下、図面を参照して本発明を適用した実施の形態について詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、本発明の実施形態の構成を説明するためのものであり、図示される各部の大きさや厚さや寸法等は、実際の希釈冷凍機ユニット及び希釈冷凍装置の寸法関係とは異なる場合がある。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る希釈冷凍装置の概略構成を示す図である。
図１を参照するに、第１の実施の形態の希釈冷凍装置１０は、冷却板１２と、希釈冷凍機ユニット１３−１〜１３−３（複数の希釈冷凍機ユニット）と、輻射シールド１４と、真空断熱容器１５と、バッファタンク１７と、冷媒供給及び回収ライン１８と、冷媒供給ライン２１と、圧縮機２３と、フィルター２４と、冷媒回収ライン２７と、ポンプ２８と、を有する。

図２は、図１に示す冷却板及び複数の希釈冷凍機ユニットの平面図である。図２において、図１に示す構造体と同一構成部分には同一符号を付す。

図１及び図２を参照するに、冷却板１２は、被冷却物１１と対向し、被冷却物１１が接触する第１の面１２ａと、第１の面１２ａの反対側に配置された第２の面１２ｂと、を有する。被冷却物１１は、冷却板１２に固定されている。
冷却板１２の材料としては、熱伝導性の良い材料を用いるとよい。具体的には、冷却板１２の材料としては、例えば、直金メッキされた高純度の無酸素銅、高純度銀等を用いることができる。
このような材料で構成された冷却板１２の厚さは、例えば、５〜２０ｍｍの範囲内で適宜設定することができる。
なお、第１の実施の形態では、図２に示すように、冷却板１２の形状が平面視長方形の場合を例に挙げて、以下の説明を行う。

希釈冷凍機ユニット１３−１〜１３−３は、その下端が冷却板１２の第２の面１２ｂと接触するように、冷却板１２に固定（接続）されている。
希釈冷凍機ユニット１３−１〜１３−３は、平面視長方形とされた冷却板１２の長手方向に、希釈冷凍機ユニット１３−１、希釈冷凍機ユニット１３−２、希釈冷凍機ユニット１３−３の順で配列されている。

図３は、図２に示す希釈冷凍機ユニットのＡ−Ａ線方向の断面図である。図３において、図１及び図２に示す構造体と同一構成部分には同一符号を付す。

図１及び図３を参照するに、希釈冷凍機ユニット１３−１は、筒状断熱容器３５と、筒状容器３７と、断熱部材３８と、真空排気管４１と、筒状部材４３と、プランジャー４５と、混合室４７と、熱伝導ブロック４９と、回収用カバー５３と、回収管５４と、分留室５５と、^３Ｈｅ供給ライン５７−１と、凝縮器５９と、主インピーダンス６１と、分留室熱交換器６２と、熱交換器６４と、^３Ｈｅ回収ライン６６−１と、を有する。

筒状断熱容器３５は、筒状断熱容器本体３５−１と、蓋体３５−２と、を有する。筒状断熱容器本体３５−１は、鉛直方向に延在する断熱容器である。筒状断熱容器本体３５−１は、筒状容器３７と、断熱部材３８と、液体ヘリウム３６（液体の^４Ｈｅ）と、を収容する。
液体ヘリウム３６（液体の^４Ｈｅ）は、筒状容器３７と断熱部材３８との間、及び断熱部材３８と筒状断熱容器本体３５−１との間に配置されている。液体ヘリウム３６は、筒状容器３７を４．２Ｋ以下の温度まで冷却する。
筒状断熱容器本体３５−１は、その上部側壁に筒状断熱容器本体３５−１内に存在するガスを排出するためのガス排出口３５−１Ａを有する。ガス排出口３５−１Ａは、ガスを排出することで、筒状断熱容器本体３５−１内の圧力を調整する。筒状断熱容器本体３５−１の上端は、開放端とされている。
上記筒状断熱容器本体３５−１の形状は、例えば、円筒形状とすることができる。この場合、筒状断熱容器本体３５−１の外径は、例えば、１００ｍｍとすることができる。

蓋体３５−２は、円形の薄板であり、その中央部に後述する筒状容器本体３７−１が挿入される貫通穴３５−２Ａを有する。
蓋体３５−２は、筒状断熱容器本体３５−１に対して固定（例えば、フランジ接合等の手法により固定）されている。
貫通孔３５−２Ａに筒状容器本体３７−１が挿入され、かつ蓋体３５−２が筒状断熱容器本体３５−１に対して固定された状態において、筒状断熱容器３５内は気密されている。
上記構成とされた筒状断熱容器３５は、例えば、真空断熱部材で構成することができる。

筒状容器３７は、輻射シールド１４の延在方向と同じ方向に延在し、下部に液体の^３Ｈｅ及び液体の^４Ｈｅを含む混合液体ヘリウム３９を収容する容器である。
筒状容器３７は、筒状容器本体３７−１と、蓋体３７−２と、を有する。筒状容器本体３７−１は、鉛直方向（筒状断熱容器３５の延在方向と同じ方向、言い換えれば、輻射シールド１４の延在方向と同じ方向）に延在する容器である。
筒状容器本体３７−１は、蓋体３５−２に設けられた貫通穴３５−２Ａを介して、筒状断熱容器３５内に挿入されている。
筒状容器本体３７−１は、その下端が筒状断熱容器本体３５−１の底面よりも上方に位置するように配置されている。
筒状容器本体３７−１は、^３Ｈｅ回収口３７−１Ａを有する。^３Ｈｅ回収口３７−１Ａは、蓋体３５−２から突出した筒状容器本体３７−１の側壁に設けられている。^３Ｈｅ回収口３７−１Ａは、^３Ｈｅ回収ライン６６−１と接続されている。

筒状容器本体３７−１は、真空排気管４１の一部、筒状部材４３、プランジャー４５、混合室４７、熱伝導ブロック４９、回収用カバー５３、回収管５４、分留室５５と、^３Ｈｅ回収ライン５７−１の一部、凝縮器５９、主インピーダンス６１、分留室熱交換器６２、及び熱交換器６４を収容している。
筒状容器本体３７−１の下部には、液体の^３Ｈｅ、及び液体の^４Ｈｅを含む混合液体ヘリウム３９が収容されている。混合液体ヘリウム３９は、混合室４７内に存在し、６％程度の^３Ｈｅを含む^３Ｈｅ希薄相３９−１と、混合室４７内に存在し、^３Ｈｅの濃度の高い^３Ｈｅ濃厚相３９−２と、を含む。
上記筒状容器本体３７−１の形状は、例えば、円筒形状とすることができる。この場合、筒状断熱容器本体３７−１の外径は、例えば、３０ｍｍとすることができる。

蓋体３７−２は、円形の薄板であり、その中央部に後述する真空排気管４１が挿入される貫通穴３７−２Ａを有する。
蓋体３７−２は、筒状容器本体３７−１に対して固定（例えば、フランジ接合等の手法により固定）されている。
貫通孔３７−２Ａに真空排気管４１が挿入され、かつ蓋体３７−２が筒状容器本体３７−１に対して固定された状態において、筒状容器３７内は気密されている。
上記構成とされた筒状容器３７と筒状断熱容器３５との間の空間には、液体ヘリウム３６が収容されている。このため、該空間の温度は、４．２Ｋ程度の低温に保たれている。

断熱部材３８は、混合液体ヘリウム３９の収容領域に対応する筒状容器本体３７−１の外面を覆うように配置されている。断熱部材３８と筒状断熱容器本体３５−１との間には、液体ヘリウム３６が配置されている。

真空排気管４１は、蓋体３７−２に設けられた貫通穴３７−２Ａを通過することで、筒状容器３７内において、鉛直方向に延在している。真空排気管４１の下端は、筒状部材４３の上端と接続されている。これにより、真空排気管４１は、筒状容器３７内に配置される筒状部材４３を支持する機能を有する。
真空排気管４１は、真空ポンプ及びバルブ（共に図示せず）と接続されている。該真空ポンプ（図示せず）は、筒状部材４３内を排気することで、筒状部材４３内に収容されるプランジャー４５を鉛直方向に動作させる。

筒状部材４３は、下端が開放端とされており、筒状容器３７内の下部に配置されている。筒状部材４３は、下端が筒状容器３７の底面から上方に離間するように配置されている。
プランジャー４５は、筒状容器３７内に差し込まれることで、筒状部材４３内の上部に配置されている。プランジャー４５は、その下端部がスカート状とされた筒状容器である。プランジャー４５の表面には、^３Ｈｅまたは^４Ｈｅの流路と配管・配線の導入路となるらせん状の溝（図示せず）が設けられている。

混合室４７は、筒状部材４３の下部とプランジャー４５の下端とで区画されており、^３Ｈｅ濃厚相３９−２と、液体の^４Ｈｅを含む^３Ｈｅ希薄相３９−１と、が形成されている。
^３Ｈｅ濃厚相３９−２は、^３Ｈｅ希薄相３９−１とプランジャー４５の下端との間に形成される。
混合室４７内に位置する^３Ｈｅ濃厚相３９−２には、^３Ｈｅ供給ライン５７−１を介して、凝縮器５９（コンデンサ）、主インピーダンス６１、分留室熱交換器６２、及び熱交換器６４を経由することでさらに冷却された液体の^３Ｈｅが供給される。
筒状容器３７は、ヘリウム３６により４．２Ｋ以下の温度となるように冷却されている。このため、筒状容器３７内に存在する混合室４７内温度は、冷却の初期段階では４．２K程度となる。混合室４７では、^３Ｈｅ濃厚相３９−２に含まれる^３Ｈｅが^３Ｈｅ希薄相３９−１に溶け込む際にエンタルピーに応じた冷却が発生することで、さらに混合室４７内が冷却され、混合室４７内の温度は、０．１Ｋ程度の超低温となる。

熱伝導ブロック４９は、分留室５５と分留室５５よりも上方に配置される空間とを区画するように、筒状部材４３の上方に位置する筒状容器３７内に設けられている。熱伝導ブロック４９は、筒状容器３７との間に隙間が形成されないように配置されている。
熱伝導ブロック４９は、液体ヘリウム３６により間接的に冷却されることで、４．２Ｋ程度に冷却される。熱伝導ブロック４９は、^３Ｈｅ供給ライン５７−１内を流れる^３Ｈｅを冷却することで、^３Ｈｅを液化させる。
熱伝導ブロック４９の材料としては、例えば、無酸素銅を用いることができる。

回収用カバー５３は、筒状容器３７内に収容されており、分留室５５の上方に配置されている。回収用カバー５３は、分留室５５で蒸発した^３Ｈｅを回収して、回収管５４に導く。
回収管５４は、熱伝導ブロック４９を貫通するように配置されており、熱伝導ブロック４９の下方に延在している。回収管５４の下端は、回収用カバー５３と接続されている。回収管５４は、分留室５５で蒸発した^３Ｈｅを^３Ｈｅ回収口３７−１Ａに導くための管路である。

分留室５５は、熱伝導ブロック４９と筒状部材４３との間に位置する筒状容器３７内に配置されており、混合液体ヘリウム３９のうち、^３Ｈｅ希薄相３９−１で満たされている。
分留室５５では、１Ｋ以下の低温であるため、^３Ｈｅと^４Ｈｅとの大幅な飽和蒸気圧の差により、^３Ｈｅが優先的に蒸発する。これにより、分留室５５では、^３Ｈｅ希薄相３９−１から^３Ｈｅが分離される。
分留室５５は、^３Ｈｅ希薄相３９−１を介して、混合室４７と連結されている。なお、分留室５５にヒーター（図示せず）を設けてもよい。
分留室５５において^３Ｈｅが排気されると、分留室５５内の^３Ｈｅの濃度が低下し、この^３Ｈｅの濃度が低下に伴って、混合室４７内の^３Ｈｅ希薄相３９−１の^３Ｈｅの濃度も低下する。この^３Ｈｅ希薄相３９−１の^３Ｈｅの濃度の低下分を補うように、^３Ｈｅ濃厚相３９−２から^３Ｈｅが^３Ｈｅ希薄相３９−１に溶け込んでいく。

^３Ｈｅ供給ライン５７−１は、冷媒供給ライン２１から分岐したラインであり、蓋体３７−２を貫通し、筒状容器３７の延在方向と同じ方向に延在している。
^３Ｈｅ供給ライン５７−１の先端５７−１Ａは、混合室４７内に位置する^３Ｈｅ濃厚相３９−２に液化された^３Ｈｅを供給可能な位置に配置されている。
^３Ｈｅ供給ライン５７−１は、バッファタンク１７内に貯留された^３Ｈｅを、^３Ｈｅ濃厚相３９−２に供給するためのラインである。

凝縮器５９は、熱伝導ブロック４９に内設されている。凝縮器５９は、その上端が熱伝導ブロック４９の直上に位置する^３Ｈｅ供給ライン５７−１と接続されており、下端が熱伝導ブロック４９の直下に位置する^３Ｈｅ供給ライン５７−１と接続されている。
凝縮器５９を流れる^３Ｈｅは、４．２Ｋ程度に冷却された熱伝導ブロック４９により、冷却されて液化する。液化した^３Ｈｅは、凝縮器５９の下方に配置された^３Ｈｅ供給ライン５７−１により、分留室熱交換器６２に供給される。
凝縮器５９としては、例えば、コイル管状、若しくは銅粉を焼結させた熱交換器を用いることができる。

主インピーダンス６１は、回収用カバー５３よりも上方で、かつ熱伝導ブロック４９よりも下方に位置する^３Ｈｅ供給ライン５７−１に設けられている。主インピーダンス６１は、^３Ｈｅ希薄相３９−１から露出されている。
主インピーダンス６１は、^３Ｈｅ供給ライン５７−１を流れる^３Ｈｅガス流量を適切な値に制限する機能、ジュール・トムソン効果により^３Ｈｅ供給ライン５７−１を流れる^３Ｈｅガスを冷却する機能、又は当該^３Ｈｅガスの一部若しくは全部を液化する機能を有する。

分留室熱交換器６２は、分留室５５内に配置されている。分留室熱交換器６２は、^３Ｈｅ希薄相３９−１に浸漬されている。分留室熱交換器６２は、その上端が^３Ｈｅ供給ライン５７−１と接続されており、下端が熱交換器６４と接続されている。分留室熱交換器６２では、凝縮器５９により液化された^３Ｈｅを冷却する。
分留室熱交換器６２としては、例えば、コイル管状の熱交換器を用いることができる。

熱交換器６４は、筒状部材４３と筒状容器本体３７−１との間に配置されている。熱交換器６４の上端は、分留室熱交換器６２と接続されている。
熱交換器６４の下端は、混合室４７の^３Ｈｅ濃厚相３９−２の上部に位置するように設けられており、解放口として機能する。熱交換器６４は、^３Ｈｅ濃厚相３９−２に^３Ｈｅを供給する。
熱交換器６４は、^３Ｈｅ希薄相３９−１に浸漬されている。熱交換器６４では、分留室５５の温度（例えば、１Ｋ程度）まで冷却された^３Ｈｅをさらに混合室４７の温度（例えば、０．１Ｋ程度）に近い温度まで冷却する。熱交換器６４としては、例えば、プランジャー４５の表面に形成されたらせん状の溝（図示せず）に沿って巻き付けたコイル管状の熱交換器を用いることができる。

^３Ｈｅ回収ライン６６−１は、冷媒回収ライン２７から分岐したラインであり、^３Ｈｅ回収口３７−１Ａと接続されている。
^３Ｈｅ回収ライン６６−１は、筒状容器３７内から回収した^３Ｈｅを冷媒回収ライン２７に導くためのラインである。
上記構成とされた希釈冷凍機ユニット１３−１（シリンダー型希釈冷凍機ユニット）は、筒状容器３７の延在方向に混合室４７、プランジャー４５、熱交換器６４、分留室熱交換器６２、分留室５５、熱伝導ブロック４９、及び凝縮器５９が一体化されて配置されているため、特許文献１，２に開示された希釈冷凍機よりも小型化（例えば、筒状断熱容器本体３５−１の外径が１００ｍｍ）を図ることができる。

また、希釈冷凍機ユニット１３−１は、特許文献１，２に開示された希釈冷凍機よりも部品（構成要素）の数が少ないため、容易に製造することが可能である。また、部品（構成要素）の数が少ないことにより、配管等の接続箇所を少なくなり、リークの発生を抑制可能となるので、希釈冷凍機ユニット１３−１を安定して動作させることができる。

図１に示す希釈冷凍機ユニット１３−２を構成する^３Ｈｅ供給ライン５７−２、及び希釈冷凍機ユニット１３−３を構成する^３Ｈｅ供給ライン５７−３は、希釈冷凍機ユニット１３−１を構成する^３Ｈｅ供給ライン５７−１と同様な構成とされている。
また、図１に示す希釈冷凍機ユニット１３−２を構成する^３Ｈｅ回収ライン６６−２、及び希釈冷凍機ユニット１３−３を構成する^３Ｈｅ回収ライン６６−３は、希釈冷凍機ユニット１３−１を構成する^３Ｈｅ回収ライン６６−１と同様な構成とされている。
希釈冷凍機ユニット１３−２，１３−３は、上記説明した希釈冷凍機ユニット１３−１と同一の材料、及び同一の形状とされた部品（構成要素）で構成されている。
希釈冷凍機ユニット１３−１〜１３−３は、冷却板１２を冷却することで、所定の温度となるように、間接的に被冷却物１１を冷却する。

このように、希釈冷凍機ユニット１３−１〜１３−３を同一の材料、及び同一の形状とされた部品（構成要素）で構成することで、希釈冷凍機ユニット１３−１を経由する^３Ｈｅ供給ライン５７−１から^３Ｈｅ回収ライン６６−１までの区間、希釈冷凍機ユニット１３−２を経由する^３Ｈｅ供給ライン５７−２から^３Ｈｅ回収ライン６６−２までの区間、及び希釈冷凍機ユニット１３−３を経由する^３Ｈｅ供給ライン５７−３から^３Ｈｅ回収ライン６６−３までの区間の配管抵抗（以下、「圧力損失」という）が等しくなるため 希釈冷凍機ユニット１３−１〜１３−３の各混合室４７内に供給される液化した^３Ｈｅの供給量を等しくすることが可能となる。
これにより、希釈冷凍機ユニット１３−１〜１３−３（シリンダー型希釈冷凍機の構成を含むユニット）の冷却性能が等しくなるので、冷却板１２の第１の面１２ａ内において温度がばらつくことを抑制可能となる。したがって、被冷却物１１を均一に冷却することができる。

希釈冷凍機ユニット１３−１〜１３−３間において、圧力損失に多少の差異があった場合、各混合室４７に導入される^３Ｈｅの流量に差異が生じるが、シリンダー型希釈冷凍機の性質上、上記^３Ｈｅの流量の差異により、各希釈冷凍機ユニット１３−１〜１３−３の冷凍能力が影響を受けることはほとんどない。

シリンダー型希釈冷凍機の構成を含む希釈冷凍機ユニット１３−１〜１３−３を構成する筒状容器３７の分留室５５及びその下部の^３Ｈｅ濃厚相３９−２と^３Ｈｅ希薄相３９−１に存在する^３Ｈｅと^４Ｈｅの中で、^３Ｈｅの割合は１割程度である。一方、例えば図１０に示す希釈冷凍機ではその割合は３割程度となる。
定常状態において、^４Ｈｅはほとんど筒状断熱容器３５内に留まっており、温度に応じて^３Ｈｅが溶け込んで平衡状態になっている。

希釈冷凍機ユニット１３−１〜１３−３（シリンダー型希釈冷凍機を含むユニット）は、同一の材料、及び同一の形状とされた部品（構成要素）で構成されているため、熱侵入の差はほとんどなく、各希釈冷凍機ユニット１３−１〜１３−３の分留室５５に形成される^３Ｈｅ希薄槽３９−１の液面はいずれもほぼ一定に保たれる。
このように、希釈冷凍機ユニット１３−１〜１３−３は、^３Ｈｅ−^４Ｈｅ混合ガスに含まれる^３Ｈｅの量が少なく、^３Ｈｅが液化される前の段階で分留室５５の液面が略決まるため、その後の^３Ｈｅによる分留室５５の液面の変動が小さくて済む。したがって、分留室５５の^３Ｈｅ希薄相３９−１の液面の調整を容易に行うことができる。

希釈冷凍機ユニット１３−１〜１３−３では、混合室４７に導入された^３Ｈｅは、^４Ｈｅに溶け込むが、^３Ｈｅ希薄相３９−１における^３Ｈｅの濃度は温度によって決まっており、混合室４７内の^３Ｈｅ濃厚相３９−２と^３Ｈｅ希釈相３９−１の２相は略平衡状態にある。実際は、分留室５５から^３Ｈｅが排出されるため、分留室５５の^３Ｈｅの濃度が減少して、分留室５５内の^３Ｈｅ希薄相３９−１が非平衡状態になる。この平衡状態は、混合室４７でも発生し、不足した^３Ｈｅを補うために、^３Ｈｅ濃厚相３９−２から^３Ｈｅ希薄相３９−１に^３Ｈｅが溶け込んでいく。
^３Ｈｅを導入する側は、主インピーダンス６１で、排気側はポンプ２８の容量できまるため、主インピーダンス６１を精度良く作製することで、混合室４７への^３Ｈｅの供給量と混合室での^３Ｈｅの消費量とのバランスを保つことができる。

排気側が一定の場合、^３Ｈｅの供給量が不足すると、混合室４７では、^３Ｈｅの量が減少して、^３Ｈｅを吸い込む力が増加することで、^３Ｈｅの供給量が増加する。
また、排気側が一定の場合、^３Ｈｅの供給量が過剰になると、混合室４７では、^３Ｈｅの量が増加して温度が上昇し、^３Ｈｅを吸い込む力が弱くなるため、^３Ｈｅの供給量が減少する。
このように少量の不均一であれば、混合室４７への^３Ｈｅの供給量と混合室での^３Ｈｅの排出量とのバランスを保つことができる。

また、分留室５５は、同一のポンプ２８で排気しているので、一定温度（蒸気圧）となるように働く。^３Ｈｅの排出量が増加すると、分留室５５の^３Ｈｅの濃度が減少し、混合室４７から^３Ｈｅをくみ上げる力が増加（浸透圧が増加）する。
これにより、混合室４７の^３Ｈｅの濃度が減少し、^４Ｈｅへの^３Ｈｅの溶け込み量が増加することで、^３Ｈｅを吸い込む力が増加し、分留室５５の^３Ｈｅの濃度の減少が補われる。

一方、^３Ｈｅの排出量が不足すると、分留室５５の^３Ｈｅの濃度が増加し、混合室４７から^３Ｈｅをくみ上げる力が低下（浸透圧が低下）する。これにより、混合室４７の^３Ｈｅの濃度が増加し、^４Ｈｅへの^３Ｈｅの溶け込み量が低下することで、^３Ｈｅを吸い込む力が低下し、分留室５５の^３Ｈｅの濃度の増加が抑制される。

これでも、混合室４７への^３Ｈｅの供給量と混合室での^３Ｈｅの消費量とのバランスが悪い場合には、分留室５５にヒーター（図示せず）を配置し、該ヒーターを用いて^３Ｈｅの排出量を調整することで、混合室４７への^３Ｈｅの供給量と混合室での^３Ｈｅの消費量とのをバランスさせるとよい。

希釈冷凍装置１０は、希釈冷凍機ユニット１３−１〜１３−３に供給される^３Ｈｅの流量が編流した場合でも、^３Ｈｅの流量を均一化させる機能を有する。
例えば、希釈冷凍機ユニット１３−１の圧力損失（インピーダンス）が小さい場合、希釈冷凍機ユニット１３−１内には、希釈冷凍機ユニット１３−２，１３−３よりも多くの^３Ｈｅが導入される。すると、希釈冷凍機ユニット１３−１の混合器４７では、^３Ｈｅの量が増加すると共に、^４Ｈｅ中に溶け込む^３Ｈｅの量が多くなるため、^３Ｈｅの濃度が増加する。

この希釈冷凍機ユニット１３−１の混合器４７の^３Ｈｅの濃度の増加によって、分留器５５内の^３Ｈｅが増加傾向となる。分留室５５は１Ｋ以下の温度とされているため、主に^３Ｈｅが蒸発する。このため、^３Ｈｅの濃度が高くなると排出されやすくなり、^３Ｈｅの濃度（液量）を減らす方向に働き、希釈冷凍機ユニット１３−１内の^３Ｈｅの量が一定の範囲に収まることで、^３Ｈｅ濃厚相３９−２の割合と^３Ｈｅ希薄相３９−１の割合とのバランスが保たれるため、分留室５５内の液面及び混合室４７内の界面の位置が一定の範囲内に保たれる。
希釈冷凍機ユニット１３−２,１３−３においても希釈冷凍機ユニット１３−１と同様の作用が起こるので、すべての希釈冷凍機ユニット１３−１〜１３−３で分留室５５内の液面及び混合室４７内の界面の位置が略同じ位置となる。
分留器５５内に貯液される^３Ｈｅが希薄な液体ヘリウムが分留器５５の容量を超えた場合、該液体ヘリウムは、分留器５５より高温で運転される凝縮器５９に導入され、該液体ヘリウムは気化される。この結果、該液体ヘリウムの液面はどこかで安定する。

また、分留器５５の制御方法として、分留室５５の希薄相３９−１の液面が一定になる様にヒーター（図示せず）で蒸発量を制御することで、^３Ｈｅの循環量を調整することもできる。

一方、例えば、希釈冷凍機ユニット１３−１の圧力損失(インピーダンス)が大きい場合、希釈冷凍機ユニット１３−１内に導入される^３Ｈｅは、希釈冷凍機ユニット１３−２，１３−３内に導入される^３Ｈｅより減少する。
その結果、希釈冷凍機ユニット１３−１の冷却能力が他の希釈冷凍機ユニット１３−２，１３−３よりも減少する。但し、元々^３Ｈｅの量が少ないため、^３Ｈｅによる分留室５５の液面の変動自体が大きくないので、分留室５５の液面と混合室４７の下方に存在するＨｅ希薄相３９−１と上方に存在する^３Ｈｅ濃厚相３９−２との境界の位置に及ぼす影響は小さい。
^３Ｈｅの量が少なくなるが、分留器５５内の^３Ｈｅの濃度が小さくなっているため、^３Ｈｅの排出量も少なくなるので、分留室５５に形成される^３Ｈｅ希薄相３９−１の液面と、混合室４７に形成される^３Ｈｅ濃厚相３９−２と^３Ｈｅ希薄相３９−１との界面の位置と、がバランスする。

したがって、圧力損失(インピーダンス)をある一定の大きさの範囲で決めておけば、この性質に依り、冷却板１２に、希釈冷凍機ユニット１３−１〜１３−３と同様な構成とされた希釈冷凍機ユニットを数十台接続させた場合において、一部の希釈冷凍機ユニットの循環量が少なく冷凍能力が小さくても、他の希釈冷凍機ユニットの循環量が多くなり、他の希釈冷凍機ユニットの冷凍能力が増加して不足分を補うことが可能となるので、各希釈冷凍機ユニット間の冷却能力の偏心が問題となることを回避できる。

輻射シールド１４は、希釈冷凍装置１０のうち、被冷却物１１、冷却板１２、及び希釈冷凍機ユニット１３−１〜１３−３を収容している。輻射シールド１４は、輻射シールド本体１４−１と、窓部１４−２と、を有する。窓部１４−２は、輻射シールド本体１４−１のうち、被冷却物１１と対向する部分に設けられている。窓部１４−２は、例えば、Ｘ線を透過可能な材料で構成することができる。

真空断熱容器１５は、輻射シールド１４を収容するように配置されている。真空断熱容器１５は、真空断熱容器本体１５−１と、窓部１５−２と、を有する。窓部１５−２は、真空断熱容器本体１５−１のうち、窓部１４−２と対向する部分に設けられている。窓部１５−２は、例えば、Ｘ線を透過可能な材料で構成することができる。

図１を参照するに、バッファタンク１７は、真空断熱容器１５の外側に配置されている。バッファタンク１７は、冷媒供給及び回収ライン１８の一端と接続されている。バッファタンク１７は、希釈冷凍機ユニット１３−１〜１３−３内から回収した^３Ｈｅを貯留するためのタンクである。

冷媒供給及び回収ライン１８は、その一端がバッファタンク１７の上端と接続されており、他端が冷媒供給ライン２１及び冷媒回収ライン２７の一端と接続されている。冷媒供給及び回収ライン１８は、冷媒供給ライン２１にバッファタンク１７内の^３Ｈｅを供給する際、及び冷媒回収ライン２７内を流れる回収した^３Ｈｅをバッファタンク１７内に導入する際に使用するラインである。

冷媒供給ライン２１は、一端が冷媒供給及び回収ライン１８の他端と接続されている。冷媒供給ライン２１は、^３Ｈｅ供給ライン５７−１，５７−２，５７−３を介して、各希釈冷凍機ユニット１３−１〜１３−３を構成する混合室４７内に液化した^３Ｈｅを供給する。

圧縮機２３は、^３Ｈｅ供給ライン５７−１の分岐位置よりも上流側に位置する冷媒供給ライン２１に設けられている。圧縮機２３は、バッファタンク１７から供給された^３Ｈｅガスを圧縮する。

フィルター２４は、^３Ｈｅ供給ライン５７−１の分岐位置と圧縮機２３との間に位置する冷媒供給ライン２１に設けられている。フィルター２４は、圧縮された^３Ｈｅに含まれる塵や埃等を除去する。
なお、上記フィルター２４の他に、冷媒供給ライン２１に、水分を取り除くモリキュラーシーブや液体窒素で冷却した低温トラップ（例えば、活性炭等により構成）を設けてもよい。

冷媒回収ライン２７は、その一端が冷媒供給及び回収ライン１８の他端と接続されている。冷媒回収ライン２７は、^３Ｈｅ回収ライン６６−１，６６−２，６６−３を介して、各希釈冷凍機ユニット１３−１〜１３−３内から回収した^３Ｈｅを輸送する機能を有する。

ポンプ２８は、真空断熱容器１５の外側に配置されている。ポンプ２８は、^３Ｈｅ回収ライン６６−１の分岐位置と冷媒回収ライン２７の一端との間に位置する冷媒回収ライン２７に設けられている。ポンプ２８は、^３Ｈｅを減圧排気して分留器５５の温度を下げるため希釈冷凍装置１０の起動中は常に駆動する。

第１の実施の形態の希釈冷凍装置によれば、被冷却物１１と対向するように配置された冷却板１２と、冷却板１２の第２の面１２ｂに接続され、冷却板１２を冷却することで、間接的に被冷却物１１を冷却する希釈冷凍機ユニット１３−１〜１３−３（複数の希釈冷凍機ユニット）と、を有し、希釈冷凍機ユニット１３−１〜１３−３として、筒状容器３７内において、筒状容器３７の延在方向に混合室４７、プランジャー４５、熱交換器６４、分留室熱交換器６２、分留室５５、熱伝導ブロック４９、及び凝縮器５９が配置されたシリンダー型希釈冷凍機ユニット（特許文献１，２に開示された希釈冷凍機ユニットよりも小型化された希釈冷凍機ユニット）を用いることにより、冷却板１２のサイズや形状等に依存することなく、希釈冷凍装置１０の大型化を抑制した上で、冷却板１２が均一な温度で冷却されるように、冷却板１２の第２の面１２ｂに希釈冷凍機ユニット１３−１〜１３−３を配置させることが可能となる。

これにより、希釈冷凍装置１０の大型化を抑制した上で、希釈冷凍機ユニット１３−１〜１３−３が接続され、間接的に被冷却物１１を冷却する冷却板１２の自由度を向上させることができる。
具体的には、例えば、Ｓ字形状のようなカーブを有する冷却板や、一方向に延在する帯状の冷却板や、縦の幅及び横の幅が広く、大型の冷却板等にも対応することができる。

なお、第１の実施の形態では、図１に示すように、冷却板１２に対して３つの希釈冷凍機ユニットを接続された場合を例に挙げて説明したが、冷却板１２に接続する希釈冷凍機ユニットの数は、２つ以上であればよく、図１に示す構成に限定されない。
また、第１の実施の形態において、^３Ｈｅを循環させるポンプ２８や圧縮機２３を大型化させることで、希釈冷凍機ユニット１３−１〜１３−３の数を増加させた場合でも、その都度、ポンプ２８や圧縮機２３以外に、別途、ポンプ及び圧縮機を設置する必要はない。

また、希釈冷凍機ユニット１３−１〜１３−３を動作させる低温環境は、無冷媒型の場合、液体ヘリウムに替えて、４．２Ｋ以下の低温を得ることの可能な後述する図８に示す機械式冷凍機１１３（例えば、ＧＭ冷凍機やパルス管冷凍機等）を用いるとよい。
さらに、被冷却物１１の形状や集中して冷却させたい場所が存在する場合には、その目的に応じて、希釈冷凍機ユニット１３−１〜１３−３を配置させてもよい。

（第２の実施の形態）
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る希釈冷凍装置の概略構成を示す図である。図４において、図１に示す第１の実施の形態に係る希釈冷凍装置１０と同一構成部分には、同一符号を付す。
図４に示す^３Ｈｅ供給ライン５７−４〜５７−９は、^３Ｈｅ回収ライン５７−１と同様な構成とされたラインであり、^３Ｈｅ回収ライン６６−４〜６６−９は、^３Ｈｅ回収ライン６６−１と同様な構成とされたラインである。
図５は、図４に示す複数の冷却板及び複数の希釈冷凍機ユニットの平面図である。図５において、図４に示す構造体と同一構成部分には、同一符号を付す。

図４及び図５を参照するに、第２の実施の形態の希釈冷凍装置７０は、異なる温度となるように、被冷却物１１，７２，７３を冷却する装置であり、第１の実施の形態に係る希釈冷凍装置１０の構成の他に、冷却板７５，７６、及び希釈冷凍機ユニット８１〜８６を有するとともに、さらに、複数の希釈冷凍機ユニット群（具体的には、希釈冷凍機ユニット１３−１〜１３−３よりなる希釈冷凍機ユニット群、希釈冷凍機ユニット８１〜８３よりなる希釈冷凍機ユニット群、及び希釈冷凍機ユニット８４〜８６よりなる希釈冷凍機ユニット群）を有し、該希釈冷凍機ユニット群がそれぞれ輻射シールド１４に収容され、さらに、各輻射シールド１４が真空断熱容器１５に収納された構成とされている。

冷却板７５は、冷却板１２，７６とは異なる温度で冷却される冷却板であり、被冷却物７２が固定される第１の面７５ａと、第１の面７５ａの反対側に配置された第２の面７５ｂと、を有する。
冷却板７６は、冷却板１２，７５とは異なる温度で冷却される冷却板であり、被冷却物７３が固定される第１の面７６ａと、第１の面７６ａの反対側に配置された第２の面７６ｂと、を有する。
冷却板７５，７６は、例えば、冷却板１２と同様な形状にすることができる。

希釈冷凍機ユニット８１〜８３は、その下端が冷却板７５の第２の面７５ｂと接続されている。希釈冷凍機ユニット８１〜８３は、冷却板７５の長手方向に配置されている。希釈冷凍機ユニット８１〜８３は、冷却板７５を介して、被冷却物７２を冷却する。希釈冷凍機ユニット８１〜８３は、同一の材料、及び同一の形状とされた部品で構成されている。
希釈冷凍機ユニット８４〜８６は、その下端が冷却板７６の第２の面７６ｂと接続されている。希釈冷凍機ユニット８４〜８６は、冷却板７６の長手方向に配置されている。希釈冷凍機ユニット８４〜８６は、冷却板７６を介して、被冷却物７３を冷却する。希釈冷凍機ユニット８４〜８６は、同一の材料、及び同一の形状とされた部品で構成されている。

例えば、被冷却物１１，７２，７３を異なる温度で冷却する場合には、冷却板１２，７５，７６にそれぞれ取り付けられたヒーター及び温度計（ともに図示せず）により、被冷却物１１，７２，７３の冷却温度の調整を行う。
上記ヒーター及び温度計は、例えば、被冷却物１１，７２，７３に取り付けることが可能である。希釈冷凍機ユニット８１〜８６の構成は、希釈冷凍機ユニット１５−１〜１５−３と同様な構成とすることができる。

また、各冷却板１２，７５，７６の温度を異なる温度に制御する場合、一つの装置に異なる検出器（センサ）を配置することが可能となる。
つまり、被冷却物として検出対象が異なる複数の検出器を接続し、各冷却板の温度を各検出器の適切な温度に制御することによって、１台の希釈冷凍装置７０で複数の観測対象物の検知を行うことができる。
具体的には、１台の希釈冷凍装置７０で、Ｘ線、サブミリ波、放射線等の検出エネルギーレンジが異なる検出器を置くことができる。
このように、異なる種類の検出器を設置することにより、構成成分が未知の物質がある場合において、複数の観点から観測することが可能となるので、観測効率を向上させることができる。
また、複数の放射能が含まれている場合、1種類の検出器では分析しきれないが、本願を採用した希釈冷凍装置７０では対応が可能となる場合がある。

また、この場合、検出器（センサ）毎に特性にバラつきがあった際、それぞれを最適な温度に調整することで検出器の性能を向上させることができる。
つまり、同一の検出器であっても、検出器を構成する素子の作製条件によって、高効率となる運転温度が異なる場合がある。其々の該素子の特徴を把握し、該素子毎に適切な温度に調整することで能力を向上させることができる。
また、各冷却板１２，７５，７６に接続された複数の希釈冷凍機ユニットのそれぞれの冷却性能を異ならせてもよい。この場合、複数の上記検出器を設けた場合と同様な効果を得ることができる。

第２の実施の形態の希釈冷凍装置によれば、冷却板１２，７５，７６（複数の冷却板）と、冷却板１２に接続された希釈冷凍機ユニット１３−１〜１３−３と、冷却板７５に接続された希釈冷凍機ユニット８１〜８３と、冷却板７６に接続された希釈冷凍機ユニット８４〜８６と、を有し、同一の冷却板に接続された複数（図４の場合、一例として３つ）の希釈冷凍機ユニットを、同一の材料、及び同一の形状とされた部品で構成することで、別途、他の希釈冷凍装置を準備することなく、１台の希釈冷凍装置７０を用いて、複数の被冷却物１１，７２，７３を異なる温度に冷却することができる。

また、各冷却板１２，７５，７６に、異なる種類の検出器（具体的には、例えば、電波、赤外線、可視光、Ｘ線、γ線、β線等の検出器）を配置することで、観測（分析）できる物質の種類が拡大等、検出範囲を拡大させることが可能となる。
つまり、測定対象を構成する物質が、直接、電磁波や光を放出している場合には、各冷却板１２，７５，７６に配置された複数種類の検出器によって、電磁波や光等を同時に検出し、その物質の構成元素の解明や、土壌や食品内の有害物質（重金属等毒物、放射能）のモニター、貨物内の危険物の検査等に使用できる。
また、測定対象を構成する物質が、直接、電磁波や光を放出していない場合には、測定対象を構成する物質に赤外線等を照射し、そのときの散乱波を観測することでも、同じ効果を得ることができる。
また、検出器を構成する検出素子が個々の特性の違いで一番良い性能が出る温度が異なる場合には、個々の希釈冷凍機ユニット１３−１〜１３−３，８１〜８６で最適な温度に調整することで、各検出器の精度を向上させることが可能なことは上述した通りである。

また、第２の実施の形態では、複数の希釈冷凍機ユニット群（具体的には、希釈冷凍機ユニット１３−１〜１３−３よりなる希釈冷凍機ユニット群、希釈冷凍機ユニット８１〜８３よりなる希釈冷凍機ユニット群、及び希釈冷凍機ユニット８４〜８６よりなる希釈冷凍機ユニット群）がそれぞれ輻射シールド１４に収納された場合（つまり、希釈冷凍機ユニット群の数と輻射シールド１４の数とが同じ場合）を例に挙げて説明したが、複数の希釈冷凍機ユニット群を１つの輻射シールド１４内に収容し、該輻射シールド１４を収容するように１つの真空断熱容器１５を設けてもよい。
このような構成とされた希釈冷凍装置は、第２の実施の形態の希釈冷凍装置７０と同様な効果を得ることができる。

図６は、第２の実施の形態の変形例に係る希釈冷凍装置の概略構成を示す図である。図７は、図６に示す複数の冷却板及び複数の希釈冷凍機ユニットの平面図である。
図６及び図７において、図４及び図５に示す構造体と同一構成部分には、同一符号を付す。

図６及び図７を参照するに、第２の実施の形態の変形例に係る希釈冷凍装置１００は、被冷却物１０１〜１０３の形状が図４に示す被冷却物１１，７２，７３の形状と異なり、平面視長方形とされた冷却板１２，７５，７６に替えて、平面視円形の冷却板１０５〜１０７を有し、かつ希釈冷凍機ユニット１３−１〜１３−３，８１〜８６の配列を変更させたこと以外は、第２の実施の形態の希釈冷凍装置７０と同様に構成される。
このように、小型化された希釈冷凍機ユニット１３−１〜１３−３，８１〜８６を用いることで、冷却板１０５〜１０７の形状や目的に応じて、希釈冷凍機ユニット１３−１〜１３−３，８１〜８６の配列を自由に変更することができる。

（第３の実施の形態）
図８は、本発明の第３の実施の形態に係る希釈冷凍装置の概略構成を示す図である。図９は、図８に示す複数の冷却板及び複数の希釈冷凍機ユニットの平面図である。
図８及び図９において、図１に示す第１の実施の形態に係る希釈冷凍装置１０と同一構成部分には、同一符号を付す。

図８及び図９を参照するに、第３の実施の形態の希釈冷凍装置１１０は、第１の実施の形態の希釈冷凍装置１０を構成する冷却板１２、輻射シールド１４、及び真空断熱容器１５に替えて、冷却板１１７、第１の輻射シールド１４Ａ、第２の輻射シールド１４Ｂ、及び真空断熱容器１５Ａを有すると共に、さらに、希釈冷凍機ユニット１３−１〜１３−７と、機械式冷凍機１１３と、低温検出器１１８と、ステージ１２１と、を有する。

希釈冷凍機ユニット１３−１〜１３−７は、冷却板１１７の第２の面１１７ｂと接続されている。希釈冷凍機ユニット１３−１〜１３−７は、一方向に延在する帯状の冷却板１１７の第２の面１１７ｂに、一列で配置されている。希釈冷凍機ユニット１３−４〜１３−７は、希釈冷凍機ユニット１３−１〜１３−３と同様な構成とされている。
希釈冷凍機ユニット１３−１〜１３−７は、冷媒供給ライン２１から分岐したライン、及び冷媒回収ライン２８から分岐したラインと接続されている。

第１の輻射シールド１４Ａは、冷却板１１７、低温検出器１１８、及び希釈冷凍機ユニット１３−１〜１３−７を収容している。
第１の輻射シールド１４Ａは、フィルター２４と希釈冷凍機ユニット１３−１〜１３−７とを接続する導入用ラインを第１の輻射シールド１４Ａ内に導入するためのライン導入口１１１を有し、後述する機械式冷凍機１１３のヘッド１１３−３によって冷却されていること以外は、図１で説明した輻射シールド１４と同様な構成とされている。
第１の輻射シールド１４Ａを構成する窓部１４−２は、輻射シールド本体１４−１のうち、低温検出器１１８とステージ１２１との間に位置する部分に設けられている。

第２の輻射シールド１４Ｂは、第１の輻射シールド１４Ａ、並びに後述する２段目冷却部１１３−３及び第２のシリンダー部１１３−５（機械式冷凍機１１３の構成要素の一部）を収容している。
第２の輻射シールド１４Ｂは、フィルター２４と希釈冷凍機ユニット１３−１〜１３−７とを接続する導入用ラインを第２の輻射シールド１４Ｂ内に導入するためのライン導入口１１２を有し、後述する機械式冷凍機１１３のヘッド１１３−２によって冷却されていること以外は、図１で説明した輻射シールド１４と同様な構成とされている。
第２の輻射シールド１４Ｂを構成する窓部１４−２は、輻射シールド本体１４−１のうち、低温検出器１１８とステージ１２１との間に位置する部分に設けられている。

真空断熱容器１５Ａは、第２の輻射シールド１４Ｂ、並びに後述する段目冷却部１１３−２及び第１のシリンダー部１１３−４（機械式冷凍機１１３の構成要素の一部）を収容している。
真空断熱容器１５Ａは、フィルター２４と希釈冷凍機ユニット１３−１〜１３−７とを接続する導入用ラインを真空断熱容器１５Ａ内に導入するためのライン導入口１５−３と、ポンプ２８と希釈冷凍機ユニット１３−１〜１３−７とを接続する導出用ラインを真空断熱容器１５Ａの外に導出するためのライン導出口１５−４と、を有すること以外は、図１で説明した真空断熱容器１５と同様な構成とされている。
真空断熱容器１５Ａを構成する窓部１５−２は、真空断熱容器本体１５−１のうち、低温検出器１１８とステージ１２１との間に位置する部分に設けられている。

機械式冷凍機１１３は、冷凍機本体１１３−１と、１段目冷却部１１３−２と、２段目冷却部１１３−３と、第１のシリンダー部１１３−４と、第２のシリンダー部１１３−５と、を有する。
冷凍機本体１１３−１は、真空断熱容器１５Ａ上に設けられている。１段目冷却部１１３−２は、冷凍機本体１１３−１と対向するように、第２の輻射シールド１４Ｂ上に設けられている。
２段目冷却部１１３−３は、１段目冷却部１１３−２と対向するように、第２の輻射シールド１４Ｂ上に設けられている。

第１のシリンダー部１１３−４は、冷凍機本体１１３−１と１段目冷却部１１３−２とを接続するように、真空断熱容器１５Ａと第２の輻射シールド１４Ｂとの間に設けられている。
第２のシリンダー部１１３−５は、１段目冷却部１１３−２と２段目冷却部１１３−３とを接続するように、第１の輻射シールド１４Ａと第２の輻射シールド１４Ｂとの間に設けられている。

機械式冷凍機１１３としては、例えば、２段のＧＭ冷凍機や２段のパルス管冷凍機等を用いることができるが、機械式冷凍機１１３は、冷却プレート１１４を介して、真空断熱容器１５Ａ内の第１の輻射シールド１４Ａを４．２Ｋ程度に冷却するものであればよい。
機械式冷凍機１１３として、２段構成とされたＧＭ冷凍機を用いる場合、１段目冷却部１１３−２は、第１の輻射シールド１４Ａとライン内のガスを室温から４０Ｋ近くまで冷却するのに使用される。
この場合、２段目冷却部１１３−３は、第２の輻射シールド１４Ｂ、及び１段目冷却部１１３−２で冷却されたライン内のガスを、４．２Ｋ近くまで冷却する。
上述した第１の実施の形態、第２の実施の形態、及び第２の実施の形態の変形例の希釈冷凍装置１０，７０，１００では、筒状容器３７を４．２Ｋ以下に冷却する際に液体ヘリウム３９を用いたが、第３の実施の形態では、液体ヘリウム３９に替えて、機械式冷凍機１１３を用いる点が異なる。

冷却板１１７は、ステージ１２１の延在方向に延在しており、平坦な第１及び第２の面１１７ａ，１１７ｂを有する。第２の面１１７ｂは、希釈冷凍機ユニット１３−１〜１３−７が接続される側の面であり、第１の面１１７ａの反対側に位置している。
低温検出器１１８は、冷却板１１７の第１の面１１７ａに設けられている。低温検出器１１８は、冷却板１１７の第１の面１１７ａの温度を検出するための検出器である。
低温検出器１１８としては、例えば、超伝導転移端カロリーメーター（ＴＥＳ）、超伝導トンネル接合（ＳＴＪ）検出器等を用いることができる。

ステージ１２１は、真空断熱容器１５Ａの下方に配置されている。ステージ１２１の一部は、窓部１５−２と対向するように配置されている。ステージ１２１上には、複数の被検査物１２２が配列されている。
ステージ１２１は、冷却板１１７の長手方向に延在しており、冷却板１１７の長手方向に移動可能な構成とされている。

第３の実施の形態の希釈冷凍装置によれば、希釈冷凍機ユニット１３−１〜１３−７と、第２の面１１７ｂに希釈冷凍機ユニット１３−１〜１３−７が接続され、かつ一方向に延在する冷却板１１７と、冷却板１１７の第１の面１１７ａに配置された被冷却物である低温検出器１１８と、冷却板１１７と対向するように配置されるとともに冷却板１１７の延在方向に延在し、冷却板１１７の延在方向に移動可能なステージ１２１と、を有することで、複数の被検査物１２２を移動させながら検査をする検査装置をして使用することができる。

また、低温検出器１１８として、例えば、放射線、Ｘ線、赤外線、サブミリ波等を検出可能な検出器を用いるとよい。低温検出器１１８として、放射線、Ｘ線、赤外線、サブミリ波等を検出可能な検出器を用いることで、一度に大量の被検査物１２２を連続して検査することが可能となる。

低温検出器１１８は、一般的に非常に高感度である。このため、例えば、低温検出器１１８として放射線用の検出器を用い、かつ被検査物１２２として食品を用いる場合、該食品中に含まれる微量の放射能の検査を行うことができる。また、被検査物１２２にＸ線やサブミリ波等を照射し、散乱或いは透過される電磁波を検出することで、被検査物１２２に含まれる異物の検査、及びセキュリティーゲートでの荷物の検査等にも利用可能である。
また、図８において、低温検出器１１８に替えて検出対象が異なる検出器を複数配置することで、一度の処理で、複数の検査を行うことができる。

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

例えば、図８に示す第１の輻射シールド１４Ａ、第２の輻射シールド１４Ｂ、真空断熱容器１５Ａ、機械式冷凍機１１３、及び低温検出器１１８を、先に説明した希釈冷凍装置１０，７０，１００の構成要素として用いてもよい。
また、第１ないし第３の実施の形態では、平面視長方形、或いは平面視円形の冷却板を用いた場合を例に挙げて説明したが、冷却板の形状は、これに限定されない。例えば、Ｓ字形状のようなカーブを有する冷却板や、縦の幅及び横の幅が広く、大型の冷却板等にも適用できる。

本発明は、冷却板を介して、被冷却物を冷却する希釈冷凍装置に適用可能である。

１０，７０，１００，１１０…希釈冷凍装置、１１，７２，７３，１０１〜１０３，１２２…被冷却物、１２，７５，７６，１０５〜１０７，１１７…冷却板、１２ａ，７５ａ，７６ａ，１１７ａ…第１の面、１２ｂ，７５ｂ，７６ｂ，１１７ｂ…第２の面、１３−１〜１３−７，８１〜８６…希釈冷凍機ユニット、１４…輻射シールド、１４−１…輻射シールド本体、１４−２，１５−２…窓部、１４Ａ…第１の輻射シールド、１４Ｂ…第２の輻射シールド、１５，１５Ａ…真空断熱容器、１５−１…真空断熱容器本体、１５−３，１１１，１１２…ライン導入口、１５−４…ライン導出口、１７…バッファタンク、１８…冷媒供給及び回収ライン、２１…冷媒供給ライン、２３…圧縮器、２４…フィルター、２７…冷媒回収ライン、２８…ポンプ、３５…筒状断熱容器、３５−１Ａ…ガス排出口、３５−１…筒状断熱容器本体、３５−２，３７−２…蓋体、３５−２Ａ，３７−２Ａ…貫通穴、３６…液体ヘリウム、３７…筒状容器、３７−１…筒状容器本体、３７−１Ａ…^３Ｈｅ回収口、３８…断熱部材、３９…混合液体ヘリウム、３９−１…^３Ｈｅ希薄相、３９−２…^３Ｈｅ濃厚相、４１…真空排気管、４３…筒状部材、４５…プランジャー、４７…混合室、４９…熱伝導ブロック、５３…回収用カバー、５４…回収管、５５…分留室、５７−１〜５７−９…^３Ｈｅ供給ライン、５７−１Ａ…先端、５９…凝縮器、６１…主インピーダンス、６２…分留室熱交換器、６４…熱交換器、６６−１〜６６−９…^３Ｈｅ回収ライン、１１３…機械式冷凍機、１１３−１…冷凍機本体、１１３−２…１段目冷却部、１１３−３…２段目冷却部、１１３−４…第１のシリンダー部、１１３−５…第２のシリンダー部、１１４…冷却プレート、１１８…低温検出器、１２１…ステージ、１２２…被検査物

Claims (7)

1. 被冷却物と対向するように配置された冷却板と、
   前記被冷却物と対向する第１の面とは反対側に位置する前記冷却板の第２の面に接続され、該冷却板を冷却することで、間接的に前記被冷却物を冷却する複数の希釈冷凍機ユニットと、
   前記被冷却物、前記冷却板、及び前記希釈冷凍機を収容する輻射シールドと、
   前記輻射シールドを収容する真空断熱容器と、
   を有し、
   前記複数の希釈冷凍機は、前記輻射シールドの延在方向と同じ方向に延在し、下部に液体の^３Ｈｅ及び液体の^４Ｈｅを含む混合液体ヘリウムを収容する筒状容器と、
   前記筒状容器内の下部に該筒状容器と接触しないように配置され、下端が開放端とされた筒状部材と、
   前記筒状部材内の上部に配置されたプランジャーと、
   前記筒状部材の下部と前記プランジャーの下端とで区画され、^３Ｈｅ濃厚相と前記液体の^３Ｈｅを含む^３Ｈｅ希薄相とが形成される混合室と、
   前記筒状容器の上方に位置する前記筒状容器内に配置された熱伝導ブロックと、
   前記熱伝導ブロックと前記筒状部材との間に位置する前記筒状容器内に配置され、前記混合液体ヘリウムから^３Ｈｅを分離する分留室と、
   前記筒状容器のうち、前記筒状部材、及び前記分留室の配設位置に対応する部分の外面を覆う断熱部材と、
   前記筒状部材の周囲に配置された熱交換器と、
   前記熱伝導ブロックに内設された凝縮器と、
   前記筒状断熱容器と前記断熱部材との間に配置された液体ヘリウム、または機械式冷凍機と、前記凝縮器、及び前記熱交換器を介して、前記混合室に液体の^３Ｈｅを供給する^３Ｈｅ供給ラインと、
   前記筒状容器の上部と接続され、前記分留室で分離された液体の^３Ｈｅを前記筒状断熱容器の外に回収する^３Ｈｅ回収ラインと、含み、
   前記液体ヘリウム及び前記機械式冷凍機は、前記筒状容器を４．２Ｋ以下に冷却することを特徴とする希釈冷凍装置。
2. 前記液体の^３Ｈｅを貯留するバッファタンクと、
   前記複数の希釈冷凍機ユニットを構成する前記^３Ｈｅ供給ライン、及び前記バッファタンクと接続された冷媒供給ラインと、
   前記複数の希釈冷凍機ユニットを構成する前記^３Ｈｅ回収ライン、及び前記バッファタンクと接続された冷媒回収ラインと、
   を有し、
   前記複数の希釈冷凍機ユニットを構成する前記^３Ｈｅ供給ラインは、前記冷媒供給ラインから分岐したラインであり、
   前記複数の希釈冷凍機ユニットを構成する前記^３Ｈｅ回収ラインは、前記冷媒回収ラインから分岐したラインであることを特徴とする請求項１記載の希釈冷凍装置。
3. 前記冷却板に接続された前記複数の希釈冷凍機ユニットは、同一の材料、及び同一の形状とされた部品で構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の希釈冷凍装置。
4. 前記冷却板を複数有し、
   同一の前記冷却板に接続された複数の前記希釈冷凍機ユニットは、同一の材料、及び同一の形状とされた部品で構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の希釈冷凍装置。
5. 前記冷却板を複数有し、
   同一の前記冷却板に接続された複数の前記希釈冷凍機ユニットは、異なる冷却性能を有する構成であることを特徴とする請求項１または２記載の希釈冷凍装置。
6. 前記冷媒供給ラインに設けられ、前記バッファタンクから供給されたガス状態の^３Ｈｅを圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機の後段に位置する前記冷媒供給ラインに設けられたフィルターと、
   前記冷媒回収ラインに設けられたポンプと、
   を有することを特徴とする請求項２ないし５のうち、いずれか１項記載の希釈冷凍装置。
7. 前記冷却板の第１の面に配置され、該冷却板の温度を検出する温度検出器を有することを特徴とする請求項１ないし６のうち、いずれか１項記載の希釈冷凍装置。

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