JP2019100601A

JP2019100601A - 希釈冷凍機

Info

Publication number: JP2019100601A
Application number: JP2017230601A
Authority: JP
Inventors: 良浩山中; Yoshihiro Yamanaka; 琢司伊藤; Takuji Ito
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 2017-11-30
Filing date: 2017-11-30
Publication date: 2019-06-24
Anticipated expiration: 2037-11-30
Also published as: JP6685990B2

Abstract

【課題】混合室の軸の位置がずれにくく、分析装置に適用しやすい希釈冷凍機を提供する。【解決手段】混合室４２と接続される分留配管５０と、気体の３Ｈｅが流れる分岐配管２１Ａを有する配管部材２１と、分留配管５０と同軸方向であり、配管部材２１から混合室４２に向かう方向に開口する第１の端部２２Ａと第１の端部２２Ａと同一方向に開口する第２の端部２２Ｂとを有する第１の配管２２と、真空容器１０内と真空容器１０外とにわたって配置される第２の配管２３と、互いの伸縮により生じる伸縮力を打ち消し合うように配置される一対のベローズ２４，２５と、を備え、一対のベローズ２４，２５のうちいずれか一方が分岐配管２１Ａと第１の配管２２の第１の端部２２Ａとを接続し、一対のベローズ２４，２５のうち残る一方が第１の配管２２の第２の端部２２Ｂと第２の配管２３とを接続する、希釈冷凍機１。【選択図】図１

Description

本発明は、希釈冷凍機に関する。

ヘリウムガスの同位体（^３Ｈｅ及び^４Ｈｅ）の物理的性質を利用する希釈冷凍機が知られている（特許文献１及び非特許文献１）。希釈冷凍機は^３Ｈｅ及び^４Ｈｅを液化し、混合室内で^３Ｈｅを^４Ｈｅに連続的に希釈することで、０．１Ｋ程度の極低温を達成している。特許文献１に記載の希釈冷凍機のように、従来の希釈冷凍機はＧＭ冷凍機等の機械式冷凍機を用いて数Ｋ程度まで^３Ｈｅを予冷したのちに、混合室に^３Ｈｅを供給している。

希釈冷凍機は一般に大型である。図２は従来の希釈冷凍機の構成を示す模式図である。
図２に示す希釈冷凍機１０１は、真空容器１１０と第１の輻射シールド１２０と第２の輻射シールド１３０と第３の輻射シールド１４０と第１の熱交換器１２６と第２の熱交換器１２７と混合室１４２と分留配管１５０とを有する。さらに第１の輻射シールド１２０の上端にはフランジ１２０Ｂが設けられ、第２の輻射シールド１３０の上端にはフランジ１３１が設けられている。希釈冷凍機１０１では、機械式冷凍機を用いてフランジ１２０Ｂ及びフランジ１３１を４〜４０Ｋ程度に冷却することで、第１の輻射シールド１２０内と第２の輻射シールド１３０内と第３の輻射シールド１４０内とをこの順で段階的に冷却している。そして、希釈冷凍機１０１は混合室１４２の近傍のコールドヘッドで極低温を達成する。

ところが機械式冷凍機は、ヘリウムガスの圧縮及び膨張を周期的に繰り返すことから、必然的に振動が発生してしまう。希釈冷凍機を用いて電子顕微鏡等の分析装置の検出器を冷却する場合、機械式冷凍機の振動がコールドヘッドを介して分析装置に伝播すると、分析装置の分析精度及び分析感度が損なわれてしまうおそれがある。例えば、希釈冷凍機で数ミリ角のＸ線検出器を冷却する場合、Ｘ線検出器の位置が１ｍｍずれただけでも試料の蛍光Ｘ線を検出できなくなり、Ｘ線検出器の位置を再調整する必要が生じる。

さらに、希釈冷凍機１０１は、図２に示すように、鉛直方向の同軸上に延在する複数の輻射シールドを貫くように分留配管１５０が鉛直方向に配置される構造を採用しているため、大型である。希釈冷凍機１０１において機械式冷凍機の振動の除去を目的として、除振装置を併用する場合にあっては、装置構成がさらに大型化するため、従来の希釈冷凍機にあっては分析装置への適用が困難であった。

そこで、非特許文献１には機械式冷凍機の振動による分析装置への影響を低減するため、機械式冷凍機を用いて^３Ｈｅを予冷する予冷ユニットと、予冷された^３Ｈｅの液体を希釈する希釈冷凍機とを備える分離型の希釈冷凍機が開示されている。図３は分離型の希釈冷凍機の構成を説明するための模式図である。

図３に示す希釈冷凍機２０１は、真空容器２１０と第１の輻射シールド２２０と第２の輻射シールド２３０と第３の輻射シールド２４０と第１の熱交換器２２６と第２の熱交換器２２７と混合室２４２と分留配管２５０とを有する。真空容器２１０は、第１の支持体２１１と第１の輻射シールド２２０とを収容する。第１の支持体２１１は第１の輻射シールド２２０を真空容器２１０内で固定している。第１の輻射シールド２２０は、配管部材２２１と、ベローズ２２３と、第１の熱交換器２２６と、第２の熱交換器２２７と、第２の支持体２２９とを収容する。希釈冷凍機２０１では、機械式冷凍機で４〜４０Ｋ程度に予冷された冷媒が流れる図示略の冷媒供給ラインとフランジ２２０Ｂ及びフランジ２３１との間で熱交換することで、第１の輻射シールド２２０内と第２の輻射シールド２３０内と第３の輻射シールド２４０内とを段階的に冷却している。

希釈冷凍機２０１は小型化を目的として、第１の輻射シールド２２０内で分留配管２５０が折り返されている構造を採用している。具体的には分留配管２５０は配管部材２２１の部分で折り返され、分留配管２５０と離間して配置されるベローズ２２３と接続されている。これにより、希釈冷凍機２０１では装置の小型化が達成されている。

希釈冷凍機２０１では、配管取出口２１２が図示略のポンプと接続されている。そのため、ヘリウムガスは混合室２４２から分留配管２５０と配管部材２２１とベローズ２２３とをこの順で経由して、真空容器２１０外に排気されたのち、図示略の循環ユニットを経由して混合室２４２に再供給される。

希釈冷凍機２０１においては、第１の輻射シールド２２０内の温度は４０Ｋ程度であるのに対し、真空容器２１０外の温度が常温（３００Ｋ程度）である。そこで、第１の輻射シールド２２０内と真空容器２１０外との温度差に起因する配管の熱収縮に対処するために、希釈冷凍機２０１はベローズ２２３を採用している。これにより、第１の輻射シールド２２０内と真空容器２１０外との温度差があってもベローズ２２３が温度差に応じて伸縮するため、真空容器２１０内の構造の安定化が図られていた。

特開２００１−３０４７０９号公報

伊藤琢司及び山中良浩、「走査透過型電子顕微鏡搭載用の小型無冷媒希釈冷凍機」、大陽日酸技報、Ｎｏ．３３（２０１４）．

しかしながら、希釈冷凍機２０１にあっては、ベローズ２２３内を真空引きしてヘリウムガス排気すると、ベローズ２２３内の圧力変動が大きく、排気の度にベローズ２２３がさらに伸縮を繰り返すことになる。具体的には、ベローズ２２３の伸縮により図３に示すようにベローズ２２３が斜めに歪む場合がある。
ベローズ２２３が斜めに歪むことや、伸縮を繰りかえすことによって、第１の支持体２１１、配管部材２２１及び第２の支持体２２９に負荷が断続的に加わる可能性がある。

さらに第１の支持体２１１及び第２の支持体２２９にあっては、固定に必要な強度を備え、かつ熱侵入を抑えるためにガラス強化繊維（ＦＲＰ）、ポリイミド樹脂系の固定部品を使用することが望ましい。しかし、希釈冷凍機２０１の小型化にともない、第１の支持体２１１及び第２の支持体２２９を配置できる空間に制約ができ、分岐配管２２１Ａ，２２１Ｂの太さ及び厚さが制限される。そのため、真空になったときのベローズ２２３の伸縮による応力に耐えうる剛性を第１の支持体２１１及び第２の支持体２２９で確保しにくく、第１の支持体２１１及び第２の支持体２２９の位置が動きやすい。その結果、分析装置の使用中に混合室２４２の軸の位置を調整しても、ベローズ２２３の伸縮に起因して、混合室２４２の軸が調整した位置からずれてしまう可能性もあった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、混合室の軸の位置がずれにくく、分析装置に適用しやすい希釈冷凍機を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の構成を備える。
［１］液体の^３Ｈｅと液体の^４Ｈｅとを含む混合液に液体の^３Ｈｅを希釈する混合室を備える希釈冷凍機であって、前記混合室を収容する真空容器と、前記混合室と接続される分留配管と、前記真空容器の内側の空間内で前記分留配管と接続されるとともに、前記混合液から分離されたヘリウムガスが流れる分岐配管を有する配管部材と、前記配管部材から前記混合室に向かう方向と平行な方向に開口する第１の端部と前記第１の端部と同一方向に開口する第２の端部とを有する第１の配管と、前記真空容器の側面に形成される配管取出口を介して前記真空容器内と前記真空容器外とにわたって配置される第２の配管と、互いの伸縮により生じる伸縮力を打ち消し合うように配置される一対のベローズと、を備え、前記一対のベローズのうちいずれか一方が前記分岐配管と前記第１の配管の第１の端部とを接続し、前記一対のベローズのうち残る一方が前記第１の配管の第２の端部と前記第２の配管とを接続する、希釈冷凍機。
［２］前記第１の配管が前記第１の端部及び前記第２の端部と結ぶ配管部分を有し、前記第１の端部と前記配管部分との接続部分の角度と、前記第２の端部と前記配管部分との接続部分の角度とがいずれも直角である、［１］の希釈冷凍機。
［３］前記第２の配管が前記一対のベローズのうちいずれか一方と同軸方向に延在する配管部分を有する、［１］又は［２］の希釈冷凍機。

本発明の希釈冷凍機は、混合室の軸の位置がずれにくく、分析装置に適用しやすい。

本発明を適用した実施形態に係る希釈冷凍機の構成の一例を示す模式図である。従来の希釈冷凍機の構成を示す模式図である。分離型の希釈冷凍機の構成を説明するための模式図である。

以下、本発明を適用した一実施形態の希釈冷凍機について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

以下、本発明を適用した一実施形態である希釈冷凍機１の構成について説明する。
図１は、希釈冷凍機１の構成の一例を示す模式図である。希釈冷凍機１は真空容器１０と、第１の輻射シールド２０と、第２の輻射シールド３０と、第３の輻射シールド４０と、分留配管５０とを備える。
以下に希釈冷凍機１のその他の各構成要素に関して詳しく説明を行う。

本実施形態では、真空容器１０は鉛直方向に延在する断熱容器である。真空容器１０は、例えば真空断熱部材で構成することができる。

真空容器１０は本体上部１０Ａと、トップフランジ１０Ｂと、本体下部１０Ｃとを有する。トップフランジ１０Ｂの中央部には貫通穴Ｈ１が形成されている。貫通穴Ｈ１には第１の輻射シールド２０が挿入される。トップフランジ１０Ｂは、本体上部１０Ａと本体下部１０Ｃとの間でフランジ接合等の手法により固定されている。

真空容器１０の本体上部１０Ａ及び本体下部１０Ｃの形状は、例えば円筒形状とすることができる。この場合、本体上部１０Ａの外径は例えば、１７０〜２００ｍｍとすることができ、本体下部１０Ｃの外径は１７０〜２００ｍｍとすることができ、真空容器１０の鉛直方向の高さは６５０〜７５０ｍｍとすることができる。

真空容器１０は、内側の空間内に第１の支持体１１と、第２の配管２３の一部と、第１の輻射シールド２０とを収容する。
第１の支持体１１は、トップフランジ１０Ｂと後述するフランジ２０Ｂとの間で固定されている。これにより第１の支持体１１はフランジ２０Ｂを介して第１の輻射シールド２０を真空容器１０内で固定できる。
真空容器１０の本体上部１０Ａの下方側の側面には配管取出口１２が形成されている。配管取出口１２を介して真空容器１０内から真空容器１０外に第２の配管２３が取り出される。真空容器１０の外部では第２の配管２３が図示略のヘリウム循環ユニットと接続されている。循環ユニットとしては、真空ポンプと、ヘリウムガスを再度希釈冷凍機１に供給するための循環ラインとを備える形態であれば特に限定されない。

本実施形態では、第１の輻射シールド２０は真空容器１０の延在方向と同じ方向に延在する容器である。第１の輻射シールド２０は、例えば銅、アルミニウム等の高熱伝導率の部材で構成することができる。

第１の輻射シールド２０は、本体上部２０Ａと、フランジ２０Ｂと、本体中部２０Ｃと、フランジ２０Ｄと、本体下部２０Ｅとを有する。
フランジ２０Ｂには貫通穴Ｈ２及び貫通穴Ｈ３が形成されている。貫通穴Ｈ２には第２の輻射シールド３０が挿入され、貫通穴Ｈ３には第２の配管２３が挿入される。フランジ２０Ｂは、本体上部２０Ａと本体中部２０Ｃとの間でフランジ接合等の手法により固定されている。
本体中部２０Ｃは、トップフランジ１０Ｂに形成された貫通穴Ｈ１を介して、真空容器１０内に挿入されている。
フランジ２０Ｄには貫通穴Ｈ４が形成されている。貫通穴Ｈ４には第２の輻射シールド３０が挿入される。フランジ２０Ｄは、本体中部２０Ｃと本体下部２０Ｅとの間でフランジ接合等の手法により固定されている。
本体下部２０Ｅは下端が真空容器１０の底面よりも上方に位置するように配置されている。

第１の輻射シールド２０の本体上部２０Ａ、本体中部２０Ｃ及び本体下部２０Ｅの形状は、例えば、円筒形状とすることができる。この場合、本体上部２０Ａの外径は、例えば、１６０〜１８０ｍｍとすることができ、本体中部２０Ｃの外径は７０〜１００ｍｍとすることができ、本体下部２０Ｅの外径は１４０〜１６０ｍｍとすることができ、第１の輻射シールド２０の鉛直方向の高さは６００〜７００ｍｍとすることができる。

第１の輻射シールド２０は、内側の空間内に配管部材２１と、第１の配管２２と、第２の配管２３の一部と、第１のベローズ２４と、第２のベローズ２５と、第１の熱交換器２６と、第２の熱交換器２７と、フランジ２８と、第２の支持体２９と、第２の輻射シールド３０を収容する。配管部材２１、第１の配管２２、第２の配管２３、第１のベローズ２４、第２のベローズ２５については後述する。

第１の熱交換器２６は、フランジ２０Ｂの上側に固定されている。例えば第１の熱交換器２６においては、フランジ２０Ｂと図示略の機械式冷凍機によって４０Ｋ程度に予冷された冷媒が流れる図示略の第１の冷媒供給ラインとの間で熱交換が行われる。これによりフランジ２０Ｂが４０Ｋ程度に冷却される。

第２の熱交換器２７は、フランジ２８と後述するフランジ３１との間で固定されている。例えば、第２の熱交換器２７では、フランジ３１と図示略の機械式冷凍機によって４Ｋ程度に予冷された冷媒が流れる図示略の第２の冷媒供給ラインとの間で熱交換が行われる。これによりフランジ３１が４Ｋ程度に冷却される。なお、本実施形態では第２の熱交換器２７が分留配管５０と配管部材２１と一体化した構造として構成されている。

フランジ２８には貫通穴Ｈ５が形成されている。貫通穴Ｈ５の周囲に第２の熱交換器２７が配置されている。
フランジ２８は第２の支持体２９によって支持されている。第２の支持体２９はフランジ２０Ｂの上側に固定されている。これによりフランジ２８は第２の熱交換器２７を第１の輻射シールド２０内で固定できる。第２の支持体２９は熱伝導率が低いＦＲＰで構成することが好ましい。これによりフランジ２０Ｂとフランジ２８との間の温度差が保たれやすくなる。

本実施形態では４０Ｋ程度に予冷された冷媒が流れる図示略の第１の冷媒供給ラインとフランジ２０Ｂとの間で熱交換が行われる。そのため第１の輻射シールド２０の温度は、４０Ｋ程度の低温に保たれる。

第２の輻射シールド３０は、内側の空間内に第３の輻射シールド４０を収容する。本実施形態では、第２の輻射シールド３０は第１の輻射シールド２０の延在方向と同じ方向に延在する容器である。第２の輻射シールド３０は、例えば銅、アルミニウム等の高熱伝導率の部材で構成することができる。

第２の輻射シールド３０は、本体上部３０Ａと、フランジ３０Ｂと、本体下部３０Ｃとを有する。
本体上部３０Ａの上端はフランジ３１を介して第２の熱交換器２７の下端に固定されている。本体上部３０Ａはフランジ２０Ｂ，２０Ｄにそれぞれ形成された貫通穴Ｈ２及び貫通穴Ｈ４に挿入されている。
フランジ３０Ｂには貫通穴Ｈ６が形成されている。貫通穴Ｈ６には第３の輻射シールド４０が挿入される。フランジ３０Ｂは、本体上部３０Ａと本体下部３０Ｃとの間でフランジ接合等の手法により固定されている。
本体下部３０Ｃは、下端が第１の輻射シールド２０の本体下部２０Ｅの底面よりも上方に位置するように配置されている。

第２の輻射シールド３０の本体上部３０Ａ及び本体下部３０Ｃの形状は、例えば、円筒形状とすることができる。この場合、本体上部３０Ａの外径は、７０〜９０ｍｍとすることができ、本体下部３０Ｃの外径は１２０〜１４０ｍｍとすることができ、第２の輻射シールド３０の鉛直方向の高さは４３０〜４８０ｍｍとすることができる

フランジ３１には貫通穴Ｈ７が形成されている。貫通穴Ｈ７には分留配管５０が挿入される。
貫通穴Ｈ７に分留配管５０が挿入された状態において、４Ｋ程度に予冷された冷媒が流れる図示略の第２の冷媒供給ラインとフランジ３１との間で熱交換が行われる。その結果、第２の輻射シールド３０内の温度は、４．２Ｋ程度の低温に保たれる。

第３の輻射シールド４０は、内側の空間内に混合室４２を収容する。本実施形態では、第３の輻射シールド４０は第２の輻射シールド３０の延在方向と同じ方向に延在する容器である。第３の輻射シールド４０は、例えば銅、アルミニウム等の高熱伝導率の部材で構成することができる。
第３の輻射シールド４０は本体上部４０Ａと、フランジ４０Ｂと、本体下部４０Ｃとを有する。
本体上部４０Ａは、フランジ３０Ｂに形成された貫通穴Ｈ６に挿入されている。
フランジ４０Ｂには貫通穴Ｈ８が形成されている。貫通穴Ｈ８には分留配管５０が挿入される。フランジ４０Ｂは本体上部４０Ａと本体下部４０Ｃとの間でフランジ接合等の手法により固定されている。
本体下部４０Ｃは、下端が第２の輻射シールド３０の本体下部３０Ｃの底面よりも上方に位置するように配置されている。

第３の輻射シールド４０の本体上部４０Ａ及び本体下部４０Ｃの形状は、例えば、円筒形状とすることができる。この場合、本体上部４０Ａの外径は、例えば、５５〜７５ｍｍとすることができ、本体下部４０Ｃの外径は９０〜１１０ｍｍとすることができ、第３の輻射シールド４０の鉛直方向の高さは２５８〜３０８ｍｍとすることができる。

本体上部４０Ａの上端はフランジ４１を介して分留配管５０と固定されている。フランジ４１には貫通穴Ｈ９が形成されている。貫通穴Ｈ９には分留配管５０が挿入される。ここで分留配管５０の内部には、フランジ４１の位置に図示略の分留室が配置されている。図示略の分留室内では液体の^３Ｈｅと液体の^４Ｈｅとを含む混合液の液面が形成されている。この状態において、分留配管５０内を減圧することにより、分留配管５０内が１Ｋ程度まで冷却される。その結果、分留配管５０と接触するフランジ４１及び第３の輻射シールド３０の温度が１Ｋ程度の低温に冷却される。

混合室４２は液体の^３Ｈｅと液体の^４Ｈｅとを含む混合液に液体の^３Ｈｅを希釈する容器である。
混合室４２内には図示略のヘリウム供給ラインを介して、第２の熱交換器２７、図示略の分留室、分留配管５０内であって分留室の下部に配置された図示略の第３の熱交換器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。これにより混合室４２内では液体の^３Ｈｅを含む^３Ｈｅ濃厚相と、液体の^３Ｈｅと液体の^４Ｈｅとを含む混合液である^３Ｈｅ希薄相とが形成されている。^３Ｈｅ濃厚相は^３Ｈｅ希薄相の上側に形成される。

第３の輻射シールド４０内は、気体の^３Ｈｅを減圧することにより１Ｋ以下の温度となるように冷却されている。このため混合室４２内温度は、冷却の初期段階では１Ｋ程度となる。混合室４２内では^３Ｈｅ濃厚相に含まれる^３Ｈｅが^３Ｈｅ希薄相に溶け込む際の希釈反応が発生することで吸熱されてさらに混合室４２内が冷却され、混合室４２内の温度は０．１Ｋ程度の極低温となる。

分留配管５０は混合室４２と接続される配管である。本実施形態では分留配管５０の下端が混合室４２と接続され、上端が配管部材２１と貫通穴Ｈ５の周囲で接続されている。分留配管５０はフランジ２８によって第１の熱交換器２７と固定されている。この状態において、分留配管５０は第２の輻射シールド３０及び第３の輻射シールド４０と同軸方向に延在し、第１の輻射シールド２０内と第２の輻射シールド３０内と第３の輻射シールド４０内とに配置される。

配管部材２１は第１の輻射シールド２０内で分留配管５０と接続されるとともに、第１の分岐配管２１Ａと第２の分岐配管２１Ｂとを有する。
第１の分岐配管２１Ａは混合室４２内の混合液から分離されたヘリウムガスが流れる配管である。第１の分岐配管２１Ａは、配管部材２１の側方から分岐したのち、分留配管５０と軸方向と平行な方向に折り曲げられている。第１の分岐配管２１Ａは混合室４２から配管部材２１に向かう方向に開口する端部２１ａを有する。第１の分岐配管２１Ａは端部２１ａで第１のベローズ２４と接続される。第２の分岐配管２１Ｂは、分留配管５０と同軸方向に延在する配管である。

第１のベローズ２４と第２のベローズ２５とは、互いの伸縮により生じる伸縮力を打ち消し合うように配置される一対のベローズ２４，２５である。一対のベローズ２４，２５は伸縮管であれば特に限定されない。ただし、一対のベローズ２４，２５はいずれも金属ベローズであることが好ましい。
第１のベローズ２４は、第１の分岐配管２１Ａと後述する第１の配管２２の第１の端部２２Ａとを接続する。これにより、第１の分岐配管２１Ａと第１の配管２２とが連通する。
第２のベローズ２５は、後述する第１の配管２２の第２の端部２２Ｂと後述する第２の配管２３の主配管２３Ａとを接続する。これにより、第１の配管２２と第２の配管２３とが連通する。

第１の配管２２は、分留配管５０に沿って配管部材２１から混合室４２に向かう方向と平行な方向に開口する第１の端部２２Ａと、第１の端部２２Ａと同一方向に開口する第２の端部２２Ｂと、第１の端部２２Ａと第２の端部２２Ｂとを結ぶ配管部分２２Ｃとを有する。第１の配管２２は第１の端部２２Ａで第１のベローズ２４と接続されているとともに、第２の端部２２Ｂで第２のベローズ２５と接続されている。これにより第１のベローズ２４の伸縮方向が第２のベローズ２５の伸縮方向と平行となる。

本実施形態では第１の端部２２Ａと配管部分２２Ｃとの接続部分の角度と、第２の端部２２Ｂと配管部分２２Ｃとの接続部分の角度とがいずれも直角となるように、配管部分２２Ｃが第１の端部２２Ａ及び第２の端部２２Ｂ接続されている。これにより、分留配管５０と第２の配管２３との間の距離を一定に保持しやすくなる。

本実施形態では第２の配管２３が貫通穴Ｈ３に挿入されている。これにより、第２の配管２３は、真空容器１０の本体上部１０Ａの下方側の側面に形成される配管取出口１２を介して真空容器１０内と真空容器１０外とにわたって配置される。
第２の配管２３は主配管２３Ａと、湾曲部２３Ｂと、取出配管２３Ｃとを有する。
主配管２３Ａは上端で第２のベローズ２５と接続されているとともに、下端で湾曲部２３Ｂと接続されている。これにより、第２の配管２３の熱収縮を第２のベローズ２５が吸収できる。

本実施形態では主配管２３Ａが第２のベローズ２５と同軸方向に延在する配管部分である。これにより、第２のベローズ２５の伸縮方向が第２の配管２３と同軸方向と一致し、第２のベローズ２５が第２の配管２３の熱収縮を吸収しやすくなる。
湾曲部２３Ｂは主配管２３Ａと取出配管２３Ｃとの間に配置されている。取出配管２３Ｃは配管取出口１２に挿入されるとともに、分留配管５０の延在方向と直交する方向に延在する配管である。これにより、主配管２３Ａ内を流れるヘリウムガスが湾曲部２３Ｂを経由し、取出配管２３Ｃから真空容器１０の外部に排気される。

本実施形態では一対のベローズ２４，２５は、第１のベローズ２４及び第２のベローズ２５の伸縮方向が平行となるように離間して配置される。これにより、一対のベローズ２４，２５内の圧力変動に伴い、一対のベローズのうちいずれか一方のベローズが伸縮しても残る一方のベローズが伸縮し、互いの伸縮により生じる伸縮力を打ち消し合っている。

次に、以上説明した構成を備える希釈冷凍機１の運転方法の一例について説明する。まず、第１の熱交換器２６と第２の熱交換器２７と図示略の分留室とにより段階的に１Ｋ程度にまで冷却された液体の^３Ｈｅが、図示略のヘリウム供給ラインによって混合室４２内に供給される。混合室４２内では^３Ｈｅ希薄相の上側に^３Ｈｅ濃厚相が形成されている。混合室４２内では^３Ｈｅ濃厚相に含まれる液体の^３Ｈｅを^３Ｈｅ希薄相に連続的に希釈することで、０．１Ｋ程度の極低温が達成される。

分留配管５０内の図示略の分留室には、液体の^３Ｈｅと液体の^４Ｈｅとを含む混合液の液面があり、ヘリウムが気液平衡状態となっている。分留配管５０内の気相側では分留配管５０内には、主に液体の^３Ｈｅと液体の^４Ｈｅとを含む混合液から分離した気体の^３Ｈｅが流れている。分離されたヘリウムガスは、図示略の循環ユニットによって分留配管５０内から第１の分岐配管２１Ａ、第１のベローズ２４、第１の配管２２、第２のベローズ２５、第２の配管２３をこの順に経由して真空容器１０外に排気される。

（作用効果）
本明細書で既に述べたように、図３に示すような従来の希釈冷凍機２０１にあっては、ヘリウムガスを排気するために、ベローズ２２３内を真空引きすると、配管部材２２１を介して第１の支持体２１１及び第２の支持体２２９に負荷がかかってしまうという問題があった。
さらに、希釈冷凍機の混合室に数ミリ角程度の検出器を配置して使用する場合、検出器の位置を１ミリ以下の単位で調整することが必要である。従来の希釈冷凍機にあってはベローズ２２３等の配管の減圧及び熱収縮に伴い、装置内部の配管等が縮み、その結果生じる応力によって支持体がゆがむことがあった。この場合、検出器の位置がずれて分析ができなくなり、検出器の位置を再調整する必要があった。

本実施形態の希釈冷凍機１によれば、一対のベローズ２４，２５を備えるため、一対のベローズ２４，２５のそれぞれに生じる伸縮力を互いに打ち消し合うように伸縮できる。よって、第２の配管２３内を真空引きしてヘリウムガスを分留配管５０内の気相から排気し、一対のベローズ２４，２５内で圧力が変動しても、配管部材２１に歪みなどの負荷がかからず、第１の支持体１１及び第２の支持体２９に負荷がかからない構造になる。

本実施形態の希釈冷凍機１によれば、一対のベローズ２４，２５が伸縮を繰り返しても第１の支持体１１及び第２の支持体２９に負荷がかかりにくく、混合室４２の軸の位置が変わりにくいため、分析装置の信頼性を大きく向上させることができる。さらに、分析装置を用いた測定中に検出器の位置を再調整する頻度も低減される。

希釈冷凍機１では第１の分岐配管２１Ａと第１の配管２２と第２の配管２３とで一本の分留配管が構成されており、第１の配管２２の部分で前記一本の分留配管が日本語の「コ」の字型を形成するように折り曲げられているため、鉛直方向の高さが従来品と比較して小型化されている。よって、分析装置と接続しやすく、搬送も容易である。したがって希釈冷凍機１は分析装置に適用しやすい。

希釈冷凍機１は一対のベローズ２４，２５を備えるため、熱収縮により第２の配管２３が収縮しても歪みが生じにくい。よって、希釈冷凍機１によれば、一本のベローズを使用する場合に比べて組立時の自由度が向上する。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、本発明はかかる特定の実施の形態に限定されない。また、本発明は特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が加えられてよい。

例えば、本実施形態の希釈冷凍機１は、機械式冷凍機を用いて^３Ｈｅを予冷する予冷ユニットと組み合わせて用いてもよい。この場合においては、機械式冷凍機で予冷した冷媒が流れる冷媒供給ラインを利用して、上述した第１の冷媒供給ラインでフランジ２０Ｂを第２の冷媒供給ラインでフランジ３１を冷却してもよい。

１，１０１，２０１…希釈冷凍機、１０，１１０，２１０…真空容器、１１，２１１…第１の支持体、１２，２１２…配管取出口、２０，１２０，２２０…第１の輻射シールド、２１，１２１，２２１…配管部材、２２…第１の配管、２３…第２の配管、２４…第１のベローズ、２５…第２のベローズ、２６，１２６，２２６…第１の熱交換器、２７，１２７，２２７…第２の熱交換器、２８…フランジ、２９，２２９…第２の支持体、３０，１３０，２３０…第２の輻射シールド、３１，１３１，２３１…フランジ、４０，１４０，２４０…第３の輻射シールド、４１…フランジ、４２，１４２，２５２…混合室、５０，１５０，２５０…分留配管、Ｈ１〜Ｈ９…貫通穴。

Claims

液体の^３Ｈｅと液体の^４Ｈｅとを含む混合液に液体の^３Ｈｅを希釈する混合室を備える希釈冷凍機であって、
前記混合室を収容する真空容器と、
前記混合室と接続される分留配管と、
前記真空容器の内側の空間内で前記分留配管と接続されるとともに、前記混合液から分離されたヘリウムガスが流れる分岐配管を有する配管部材と、
前記配管部材から前記混合室に向かう方向と平行な方向に開口する第１の端部と前記第１の端部と同一方向に開口する第２の端部とを有する第１の配管と、
前記真空容器の側面に形成される配管取出口を介して前記真空容器内と前記真空容器外とにわたって配置される第２の配管と、
互いの伸縮により生じる伸縮力を打ち消し合うように配置される一対のベローズと、
を備え、
前記一対のベローズのうちいずれか一方が前記分岐配管と前記第１の配管の第１の端部とを接続し、
前記一対のベローズのうち残る一方が前記第１の配管の第２の端部と前記第２の配管とを接続する、希釈冷凍機。
前記第１の配管が前記第１の端部及び前記第２の端部と結ぶ配管部分を有し、
前記第１の端部と前記配管部分との接続部分の角度と、前記第２の端部と前記配管部分との接続部分の角度とがいずれも直角である、請求項１に記載の希釈冷凍機。
前記第２の配管が前記一対のベローズのうちいずれか一方と同軸方向に延在する配管部分を有する、請求項１又は２に記載の希釈冷凍機。