JP2020076519A - Dilution - Google Patents

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JP2020076519A
JP2020076519A JP2018208855A JP2018208855A JP2020076519A JP 2020076519 A JP2020076519 A JP 2020076519A JP 2018208855 A JP2018208855 A JP 2018208855A JP 2018208855 A JP2018208855 A JP 2018208855A JP 2020076519 A JP2020076519 A JP 2020076519A
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琢司 伊藤
Takuji Ito
琢司 伊藤
良浩 山中
Yoshihiro Yamanaka
良浩 山中
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Taiyo Nippon Sanso Corp
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Abstract

To provide a piston cylinder type dilution refrigerator capable of shortening precooling time.SOLUTION: A dilution refrigerator 1 is a piston cylinder type one equipped with an outer layer pipe 3 closed at a tip end, and a plunger 5 inserted in the outer layer pipe 3. The plunger 5 is made from a core material having plural stages of large diameter portions 5a and small diameter portions 5b toward the tip end. The large diameter portion 5a is formed with a spiral multiple thread screw groove 25, and a main piping 19 used at normal operation and a precooling piping 21 used at precooling can be respectively arranged in the screw grooves.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、ヘリウムガスの同位体(HeおよびHe)の物理的性質を利用して、0.1K以下の極低温を得るための希釈冷凍機に関する。 The present invention relates to a dilution refrigerator for obtaining a cryogenic temperature of 0.1 K or less by utilizing the physical properties of isotopes ( 3 He and 4 He) of helium gas.

Heの液相とHeの液相との混合液は、0.8K以下で2相分離し、低温でHeを6.4%含む希薄相と、Heを100%含む濃厚相とが共存する。そして濃厚相のHeを希薄相へ溶け込ませる(希釈させる)と、外部から熱を吸収し、その結果1〜10−3Kの超低温を得ることができる。このような現象を利用した冷凍機が希釈冷凍機である。 The mixed liquid of the liquid phase of 3 He and the liquid phase of 4 He undergoes two-phase separation at 0.8 K or less, and a dilute phase containing 6.4% of 3 He at a low temperature and a concentrated phase containing 100% of 3 He. Coexist. Then, when 3 He of the rich phase is dissolved (diluted) in the dilute phase, heat is absorbed from the outside, and as a result, an ultralow temperature of 1 to 10 −3 K can be obtained. A refrigerator utilizing such a phenomenon is a dilution refrigerator.

希釈冷凍機の一例として、外層パイプにプランジャを挿入したコンパクトなピストンシリンダー型の希釈冷凍機が開発されている。
このような希釈冷凍機として、例えば図4に示す、特許文献1における従来技術として例示されたものがある。
As an example of the dilution refrigerator, a compact piston-cylinder type dilution refrigerator in which a plunger is inserted into an outer layer pipe has been developed.
As such a dilution refrigerator, for example, there is the one illustrated in FIG. 4 as a conventional technique in Patent Document 1.

従来例の希釈冷凍機101は、図4に示すように、外層パイプ102と、プランジャ103と、混合室104と、配管106と、分留室107と、熱交換室108と、を有して概略構成されている。   As shown in FIG. 4, a dilution refrigerator 101 of a conventional example has an outer layer pipe 102, a plunger 103, a mixing chamber 104, a pipe 106, a fractionating chamber 107, and a heat exchange chamber 108. It is roughly configured.

混合室104と分留室107とは連通しており、混合室104と分留室107との間の空間には、HeがHeに溶け込んだ混合液(以下、「He−He混合液」という)で満たされている。また、配管106を介して液体Heが、混合室104に供給されている。
混合室104では、100%Heの濃厚相と、HeがHeに溶け込んだHe−6.4%Heの希薄相とに2相分離しており、密度差により下層が希薄相(He−6.4%He)、上層が濃厚相(He相)となる。そして濃厚相に送り込まれたHeが希薄相に溶け込む際に、上述した熱吸収が生じ、10mKのオーダーの超低温に冷却される。すなわちこの混合室104が冷凍機としてのコールドヘッドとなるから、この部分に冷却対象物(サンプル)を保持しておけば、そのサンプルを10mKのオーダーに冷却することができる。
The mixing chamber 104 and the fractionating chamber 107 communicate with each other, and in the space between the mixing chamber 104 and the fractionating chamber 107, a mixed liquid of 3 He dissolved in 4 He (hereinafter, referred to as “ 3 He- 4 He” "Mixed liquid"). The liquid 3 He is supplied to the mixing chamber 104 via the pipe 106.
In the mixing chamber 104, and the dense phase of 100% 3 He, 3 He has two phases separated into a dilute phase of 4 He-6.4% 3 He which melted into 4 the He, lower lean phase by density difference ( 4 He-6.4% 3 He), and the upper layer becomes a concentrated phase ( 3 He phase). Then, when 3 He sent into the rich phase melts into the dilute phase, the above-mentioned heat absorption occurs, and it is cooled to an ultralow temperature of the order of 10 mK. That is, since this mixing chamber 104 serves as a cold head as a refrigerator, if the object to be cooled (sample) is held in this portion, the sample can be cooled to the order of 10 mK.

特開2016−188737号公報JP, 2016-188737, A 特開2009−74774号公報JP, 2009-74774, A

希釈冷凍機の起動時はすべて室温であり、そこから徐々に予冷され各部は適切な温度に冷却されていく。
分留室、熱交換器、混合室はそれぞれ断熱されており、He−Heガス冷媒と循環配管は0.1Kの低温での動作に最適化されているため高温での冷凍能力が非常に小さく、冷媒ガスの循環だけでは4.2Kまでの予冷に非常に長い時間がかかる。
When the dilution refrigerator is started, it is at room temperature, and from there it is gradually pre-cooled and each part is cooled to an appropriate temperature.
The fractionating chamber, heat exchanger, and mixing chamber are each insulated, and the 3 He- 4 He gas refrigerant and the circulation piping are optimized for operation at a low temperature of 0.1 K, so the refrigeration capacity at a high temperature is extremely high. It is very small, and it takes a very long time to precool to 4.2K only by circulating the refrigerant gas.

特に、希釈冷凍機は、図4には示されていないが、ジュールトムソン(Joule-Thomson)効果を利用してHeを液化する構成を採用しているため、Heが流通する流路において、流量を絞らなければならない。すなわち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が必要とされる。このため予冷時において、He−Heガス冷媒の通過できる流量がごく微量となるため、低温に到達するまで長時間を要することになる。 In particular, the dilution refrigerator, which is not shown in FIG. 4, employs a configuration for liquefying 3 He by utilizing the Joule-Thomson effect, so that in the flow path of 3 He , The flow rate must be reduced. That is, a flow path having an extremely high impedance that can liquefy 3 He is required. For this reason, during pre-cooling, the flow rate of the 3 He- 4 He gas refrigerant that can pass becomes extremely small, and thus it takes a long time to reach the low temperature.

そこで、予冷時間短縮のため、一般的な希釈冷凍機では、通常、分留室、熱交換器、混合室などを真空断熱容器(外部真空容器)内部にさらに4.2Kステージにアンカーされた別の真空容器(内部真空容器)を設けてその中に収納する構造を採用することが多い。予冷時は内部真空容器内に熱交換ガスを入れて4.2K近傍まで全体を冷却し、その後熱交換ガスを排気するという方法が取られている。
しかし、上記の方法では予冷時間は短縮されるものの、予冷後に熱交換ガスを排気する煩雑さと、構造が複雑になる、装置が大型化する、など多くのデメリットがあった。
Therefore, in order to reduce the pre-cooling time, in a general dilution refrigerator, a fractionating chamber, a heat exchanger, a mixing chamber, etc. are usually separated inside a vacuum heat insulating container (external vacuum container) by a 4.2K stage anchor. The vacuum container (internal vacuum container) of (1) is often provided and the structure is stored therein. At the time of precooling, a method is used in which the heat exchange gas is put into the internal vacuum container to cool the whole to around 4.2K, and then the heat exchange gas is exhausted.
However, although the above-described method shortens the precooling time, it has many disadvantages such as the complexity of exhausting the heat exchange gas after the precooling, the complicated structure, and the large-sized apparatus.

本発明が対象としているピストンシリンダー型の希釈冷凍機は、全体がコンパクトであるため各部品の熱容量は小さく、He−Heガス冷媒の循環量がある程度大きくなれば短時間での予冷が可能となる。
そのためには、He−He混合ガス冷媒の流路において、インピーダンスをバイパスする必要があり、インピーダンスのバイパス配管を導入するためにはインピーダンスの下流側に分岐を設け、そこに配管をつながなければならない。
The piston-cylinder dilution refrigerator targeted by the present invention has a small overall heat capacity because of its compactness, and can be pre-cooled in a short time if the circulation amount of the 3 He- 4 He gas refrigerant becomes large to some extent. Becomes
For that purpose, it is necessary to bypass the impedance in the flow path of the 3 He- 4 He mixed gas refrigerant, and in order to introduce the bypass piping for the impedance, a branch should be provided on the downstream side of the impedance and the piping should be connected there. I have to.

この点、例えば特許文献2に開示されているように十分な空間が確保できる希釈冷凍機では、接続しやすいサイズの継ぎ手を用いることができるが、本発明が対象としているピストンシリンダー型の希釈冷凍機では、コンパクトであるが故にインピーダンスの下流に継ぎ手を設置する空間を確保することができない。   In this respect, for example, in a dilution refrigerator that can secure a sufficient space as disclosed in Patent Document 2, a joint having a size that is easy to connect can be used. Since the machine is compact, it is not possible to secure a space for installing the joint downstream of the impedance.

また、プランジャと外層パイプとの隙間は、極狭く(10ミクロンオーダーで公差管理)することで熱リークをできるだけ小さくする必要があり、この隙間を通過させて予冷用の配管を配設することはできない。   In addition, it is necessary to minimize the heat leak by making the gap between the plunger and the outer layer pipe extremely narrow (tolerance control on the order of 10 microns), and it is not possible to dispose a precooling pipe through this gap. Can not.

このように、ピストンシリンダー型の希釈冷凍機は、コンパクトであるが故に、予冷配管をいかにして配設するかという特有の課題を有していた。   As described above, since the piston-cylinder type dilution refrigerator is compact, it has a unique problem of how to dispose the precooling pipe.

本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、予冷時間を短縮することができるピストンシリンダー型の希釈冷凍機を提供することを目的としている。   The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a piston-cylinder-type dilution refrigerator that can shorten the precooling time.

発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、予冷配管を配設する方法として、プランジャに大径部と小径部を設け、大径部によって熱的な緩衝部を形成すると共に、大径部に設ける螺旋溝を多条ねじ溝にするという発想を得た。
本発明はかかる発想に基づくものであり、具体的には以下の構成からなるものである。
The inventor, as a result of extensive studies to solve the above problems, as a method of arranging the precooling pipe, a large diameter portion and a small diameter portion are provided in the plunger, and a thermal buffer portion is formed by the large diameter portion, We got the idea that the spiral groove provided in the large diameter part should be a multiple thread groove.
The present invention is based on this idea, and specifically has the following configuration.

(1)本発明に係る希釈冷凍機は、先端が閉じられた外層パイプと、該外層パイプの内部に挿入されるプランジャとを備えたピストンシリンダー型のものであって、
前記プランジャは、先端に向かって複数段の大径部と小径部を有する芯材からなり、前記大径部には、螺旋状の多条ねじ溝が形成されており、通常運転時に使用する本配管と予冷運転時に使用する予冷配管のそれぞれを各ねじ溝に配設できるようにしたことを特徴とするものである。
(1) A dilution refrigerator according to the present invention is of a piston cylinder type including an outer layer pipe with a closed tip and a plunger inserted into the outer layer pipe,
The plunger is composed of a core material having a plurality of steps of a large diameter portion and a small diameter portion toward the tip, and a spiral multi-thread screw groove is formed in the large diameter portion, which is used in normal operation. Each of the pipe and the precooling pipe used during the precooling operation can be arranged in each thread groove.

(2)また、上記(1)に記載のものにおいて、前記多条ねじ溝は3条ねじ溝であり、一つのねじ溝には本配管が、他の一つのねじ溝には予冷配管が、残りの一つのねじ溝には配線が、それぞれ配設されていることを特徴とするものである。 (2) Moreover, in the thing described in said (1), the said multiple thread groove is a 3 thread groove, one thread groove is this piping, another one thread groove is a precooling piping, A wiring is provided in each of the remaining one thread grooves.

本発明によれば、プランジャの大径部に多条ねじ溝を設けることで、プランジャの熱的な緩衝部を維持しつつ、インピーダンスを通過することなく、予冷配管を混合室まで配設することができる。これにより、予冷運転時には、He−He冷媒ガスを予冷配管を通じて循環することができ、真空容器(内部真空容器)を設ける方法のように、予冷後に熱交換ガスを排気する煩雑さ、構造の複雑化、装置の大型化、作業の手間が増える等のデメリットが生ずることなく、予冷運転時間を短くすることができる。 According to the present invention, by providing the multiple thread groove in the large diameter portion of the plunger, the precooling pipe can be arranged up to the mixing chamber without passing through the impedance while maintaining the thermal buffer portion of the plunger. You can As a result, during the pre-cooling operation, the 3 He- 4 He refrigerant gas can be circulated through the pre-cooling pipe, and the heat exchange gas is exhausted after the pre-cooling as in the method of providing the vacuum container (internal vacuum container). The pre-cooling operation time can be shortened without the disadvantages such as complication, increase in size of the apparatus, and increase in labor of work.

本発明の実施の形態に係る希釈冷凍機の構成を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the structure of the dilution refrigerator which concerns on embodiment of this invention. 図1に示した希釈冷凍機のプランジャと本配管、予冷配管の巻き回状態を説明する説明図であり、(a)は本配管のみを巻き回した状態、(b)は本配管に加えて予冷配管を巻き回した状態を示している。It is explanatory drawing explaining the winding state of the plunger of this dilution refrigerator shown in FIG. 1, main piping, and pre-cooling piping, (a) is the state which wound only this piping, (b) is in addition to this piping The state where the pre-cooling pipe is wound is shown. プランジャの他の態様の説明図である。It is explanatory drawing of the other aspect of a plunger. 従来例の説明図である。It is explanatory drawing of a prior art example.

本実施の形態に係る希釈冷凍機1は、図1に示すように、先端が閉じられた外層パイプ3と、外層パイプ3の内部に挿入されるプランジャ5とを有するピストンシリンダー型の希釈冷凍機1であって、混合室7と、分留器9と、凝縮器15と、精製器17と、本配管19と、予冷配管21と、循環ポンプ23と、を概略の構成要素としている。
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、各構成要素について詳細に説明する。
As shown in FIG. 1, the dilution refrigerator 1 according to the present embodiment is a piston-cylinder-type dilution refrigerator having an outer layer pipe 3 having a closed tip and a plunger 5 inserted into the outer layer pipe 3. 1, and the mixing chamber 7, the distiller 9, the condenser 15, the refiner 17, the main pipe 19, the precooling pipe 21, and the circulation pump 23 are used as schematic components.
Note that, in the drawings used in the following description, in order to make the features easy to understand, there are cases in which features that are the features are enlarged for convenience, and the dimensional ratios of the components are not necessarily the same as the actual ones. Absent.
Hereinafter, each component will be described in detail.

<外層パイプ>
外層パイプ3は、先端が閉じられた円筒体であって、低温に耐えることができ、かつ熱伝導性の低い材質ものが用いられる。具体的には、例えば、オーステナイト系ステンレス(SUS304、SUS316)、白銅などを用いることができる。
<Outer layer pipe>
The outer layer pipe 3 is a cylindrical body with a closed tip, and is made of a material that can withstand low temperatures and has low thermal conductivity. Specifically, for example, austenitic stainless steel (SUS304, SUS316), white copper or the like can be used.

<プランジャ>
プランジャ5は、外層パイプ3に挿入され、その先端側から順に混合室7、熱交換器11、分留器9を構成する。
プランジャ5は、図2に示すように、先端(混合室7)に向かって複数の大径部5aと小径部5bを有する中空パイプからなり、大径部5aには、螺旋状の多条ねじ溝25が形成されている。プランジャ5は本配管19と予冷配管21を巻き回す芯材として機能する。
<Plunger>
The plunger 5 is inserted into the outer layer pipe 3, and forms a mixing chamber 7, a heat exchanger 11, and a fractionator 9 in that order from the tip side thereof.
As shown in FIG. 2, the plunger 5 is a hollow pipe having a plurality of large diameter portions 5a and small diameter portions 5b toward the tip (mixing chamber 7), and the large diameter portion 5a has a spiral multi-thread screw. The groove 25 is formed. The plunger 5 functions as a core material around which the main pipe 19 and the precooling pipe 21 are wound.

図2に示す例は、大径部5aに2条ねじ溝を形成した例であり、図2(a)は、プランジャ5に通常運転時に使用する本配管19のみを巻き回した状態を示しており、図2(b)は、予冷運転時に使用する予冷配管21(図中、黒の実線と破線で示している)をさらに巻き回した状態を示している。なお、予冷配管21は、小径部5bでは密に巻き回す必要がなく、図2(b)で予冷配管21が見えない箇所を破線で示したように、小径部5bを斜めに通過するように巻き回せればよい。   The example shown in FIG. 2 is an example in which a double thread groove is formed in the large-diameter portion 5a, and FIG. 2 (a) shows a state in which only the main pipe 19 used during normal operation is wound around the plunger 5. 2B shows a state in which the precooling pipe 21 (indicated by a solid black line and a broken line in the drawing) used during the precooling operation is further wound. Note that the pre-cooling pipe 21 does not need to be tightly wound around the small-diameter portion 5b, so that the pre-cooling pipe 21 passes diagonally through the small-diameter portion 5b as indicated by the broken line in FIG. 2 (b) where the pre-cooling pipe 21 cannot be seen. It just needs to be wound.

本配管19は、小径部5bには密に巻き回され、大径部5aには多条ねじ溝25の一つのねじ溝内に配設されて巻き回されている。
また、予冷配管21は、小径部5bでは、本配管19の上を通過するように斜めに配設され、大径部5aでは本配管19と同様に多条ねじ溝25の一つのねじ溝内に配設されて巻き回されている。
The main pipe 19 is tightly wound around the small-diameter portion 5b, and is arranged and wound within one screw groove of the multiple thread groove 25 around the large-diameter portion 5a.
Further, the pre-cooling pipe 21 is obliquely arranged so as to pass over the main pipe 19 in the small diameter portion 5b, and within the single thread groove of the multiple thread groove 25 in the large diameter portion 5a like the main pipe 19. Is arranged and wound.

上記のように本配管19と予冷配管21が巻き回されたプランジャ5が外層パイプ3に挿入されることで、小径部5bでは、外層パイプ3との隙間を混合室7から分留器9に向かって通過する低温のHeガスと、本配管19内を流れる液体Heが熱交換をする熱交換器11を構成する。大径部5aでは、外層パイプ3との隙間が小さくなることで、熱的な緩衝部となって、混合室7の極低温が維持できる構造になっている。 By inserting the plunger 5 in which the main pipe 19 and the pre-cooling pipe 21 are wound into the outer layer pipe 3 as described above, the gap between the outer layer pipe 3 and the small diameter portion 5b is transferred from the mixing chamber 7 to the fractionator 9. The low-temperature 3 He gas passing therethrough and the liquid 3 He flowing in the main pipe 19 constitute a heat exchanger 11 that exchanges heat. In the large-diameter portion 5a, the gap between the large-diameter portion 5a and the outer-layer pipe 3 becomes small, so that the large-diameter portion 5a serves as a thermal buffer portion and can maintain the cryogenic temperature of the mixing chamber 7.

また、大径部5aに多条ねじ溝25を形成して、予冷配管21を分留器9側から混合室7まで配設可能としたことで、後述するように、予冷運転時間の短縮化を実現している。   Further, since the multiple thread groove 25 is formed in the large diameter portion 5a so that the precooling pipe 21 can be arranged from the fractionator 9 side to the mixing chamber 7, the precooling operation time can be shortened as described later. Has been realized.

プランジャ5の材質としては、低温に耐えることができるものであれば特に限定されず、例えば、オーステナイト系ステンレス(SUS304、SUS316)、白銅などを用いることができる。   The material of the plunger 5 is not particularly limited as long as it can withstand a low temperature, and for example, austenitic stainless steel (SUS304, SUS316), white copper, or the like can be used.

<混合室>
混合室7は、外層パイプ3の先端の内周面とプランジャ5の先端との間に設けられた空間である。
混合室7では、前述したように、100%Heの濃厚相と、HeがHeに溶け込んだHe−6.4%Heの希薄相とに2相分離しており、密度差により下層が希薄相(He−6.4%He)、上層が濃厚相(He相)となっている。
<Mixing room>
The mixing chamber 7 is a space provided between the inner peripheral surface of the tip of the outer layer pipe 3 and the tip of the plunger 5.
In the mixing chamber 7, as described above, the dense phase of 100% 3 He, 3 He has two phases separated into a dilute phase of 4 He-6.4% 3 He which melted into 4 the He, density difference Thus, the lower layer is a dilute phase ( 4 He-6.4% 3 He) and the upper layer is a rich phase ( 3 He phase).

<熱交換器>
熱交換器11は、前述したように、プランジャ5の小径部5bと外層パイプ3の隙間の空間によって構成される。
熱交換器11を通過したHeガスは、循環ポンプ23によって本配管19に吸引され、希釈冷凍機1内を循環する。
<Heat exchanger>
As described above, the heat exchanger 11 is configured by the space between the small diameter portion 5b of the plunger 5 and the outer layer pipe 3.
The 3 He gas that has passed through the heat exchanger 11 is sucked into the main pipe 19 by the circulation pump 23 and circulates in the dilution refrigerator 1.

<分留器>
分留器9は、熱交換器11の上方に形成された空間であり、HeとHeとの飽和蒸気圧の差を利用してHe−He混合液中からHeを選択的に排出させるためのものである。
凝縮器15から送られて来たHeはこの分留器9に熱接触する熱交換器13において熱交換されて、0.5〜0.7K程度まで冷却され、さらに熱交換器11において100mK程度まで冷却され、混合室7に送り込まれる。
<Distiller>
Fractionator 9 is a space formed above the heat exchanger 11, selectively 3 He from 3 He-4 He mixture during by utilizing the difference in the saturated vapor pressure of 3 He and 4 He It is for discharging to.
The 3 He sent from the condenser 15 is heat-exchanged in the heat exchanger 13 which is in thermal contact with the fractionator 9 to be cooled to about 0.5 to 0.7 K, and further 100 mK in the heat exchanger 11. It is cooled to a certain degree and sent to the mixing chamber 7.

<凝縮器>
凝縮器15は、循環ポンプ23によって送り出された300K程度の温度の気体Heを液化するためのものである。
凝縮器15で液化したHeは、インピーダンス29を介して分留器9内の熱交換器13に送られる。
<Condenser>
The condenser 15 is for liquefying the gas 3 He having a temperature of about 300 K sent out by the circulation pump 23.
The 3 He liquefied in the condenser 15 is sent to the heat exchanger 13 in the fractionator 9 via the impedance 29.

<精製器>
精製器17は、不純ガスを取り除くことを目的として、本配管19の途中に設けられているものであり、活性炭をつめた容器を液体窒素で冷やした液体窒素トラップ型が利用されている。
<Refiner>
The purifier 17 is provided in the middle of the main pipe 19 for the purpose of removing the impure gas, and a liquid nitrogen trap type in which a container filled with activated carbon is cooled with liquid nitrogen is used.

<本配管>
本配管19は、通常運転時及び予冷運転時においてHe、He−Heガス冷媒を希釈冷凍機1内に循環させる配管である。
本配管19は、外層パイプ3の排出口27から、循環ポンプ23、精製器17を通過して、外層パイプ3内の凝縮器15、分留器9、熱交換器11、13を通過して混合室7に至る。
前述したように、本配管19は、プランジャ5の小径部5bに密に巻き回されて熱交換器11を構成し、プランジャ5の大径部5aでは多条ねじ溝25の一つのねじ溝内に配設される。
<Main piping>
The main pipe 19 is a pipe that circulates 3 He and 3 He- 4 He gas refrigerant in the dilution refrigerator 1 during normal operation and precooling operation.
From the outlet 27 of the outer layer pipe 3, the main pipe 19 passes through the circulation pump 23, the refiner 17, and passes through the condenser 15, the fractionator 9, and the heat exchangers 11 and 13 in the outer layer pipe 3. It reaches the mixing chamber 7.
As described above, the main pipe 19 is densely wound around the small-diameter portion 5b of the plunger 5 to form the heat exchanger 11, and the large-diameter portion 5a of the plunger 5 is arranged in one thread groove of the multiple thread groove 25. Is installed in.

本配管19における凝縮器15と分留器9の間には、インピーダンス29が設けられている。このインピーダンス29は、Heの流れに対する抵抗をつけ、凝縮器15における温度での圧力を維持し、Heを液化させる。
本配管19の材質としては、低温に耐えることができるものであれば特に限定されず、例えば、オーステナイト系ステンレス(SUS304、SUS316)、白銅などを用いることができる。
An impedance 29 is provided between the condenser 15 and the fractionator 9 in the main pipe 19. This impedance 29 provides resistance to the flow of 3 He, maintains the pressure at temperature in the condenser 15 and liquefies 3 He.
The material of the main pipe 19 is not particularly limited as long as it can withstand a low temperature, and for example, austenitic stainless steel (SUS304, SUS316), white copper, or the like can be used.

<予冷配管>
予冷配管21は、本発明において新たに適用したものであり、予冷運転時においてHe−Heガス冷媒を流通させて、機器を4Kレベルに冷却するのに使用するものである。
予冷配管21は、一端が本配管19における精製器17の下流側に接続され、外層パイプ3内に挿入されて、凝縮器15、分留器9、熱交換器11、13を通過して混合室7に至る。
<Pre-cooling piping>
The pre-cooling pipe 21 is newly applied in the present invention, and is used for circulating the 3 He- 4 He gas refrigerant during the pre-cooling operation to cool the equipment to the 4K level.
One end of the pre-cooling pipe 21 is connected to the downstream side of the purifier 17 in the main pipe 19, is inserted into the outer layer pipe 3, passes through the condenser 15, the fractionator 9, and the heat exchangers 11 and 13 and is mixed. Reach room 7.

予冷配管21は、予冷運転時のみ使用するため、通常運転時には予冷配管21の流れ停止するためのバルブ31が設けられている。一方、予冷配管21には、本配管19に設けられているようなインピーダンス29は設けられていないので、He−Heガス冷媒を円滑に流通させることができる。
前述したように、予冷配管21は、プランジャ5の小径部5bでは本配管19の上を斜めに通過し、プランジャ5の大径部5aでは多条ねじ溝25における本配管19が巻き回されていない方のねじ溝内に配設される。
Since the pre-cooling pipe 21 is used only during the pre-cooling operation, the valve 31 for stopping the flow of the pre-cooling pipe 21 during the normal operation is provided. On the other hand, since the precooling pipe 21 is not provided with the impedance 29 as provided in the main pipe 19, the 3 He- 4 He gas refrigerant can be smoothly circulated.
As described above, the pre-cooling pipe 21 obliquely passes over the main pipe 19 in the small diameter portion 5b of the plunger 5, and the main pipe 19 in the multiple thread groove 25 is wound in the large diameter portion 5a of the plunger 5. It is arranged in the non-threaded groove.

<循環ポンプ>
循環ポンプ23は、本配管19における外層パイプ3の排出口27の下流側に設けられて、He及びHe−He冷媒ガスの循環を行うものである。
<Circulation pump>
The circulation pump 23 is provided on the downstream side of the outlet 27 of the outer layer pipe 3 in the main pipe 19 and circulates the 3 He and 3 He- 4 He refrigerant gas.

次に上記のように構成された本実施の形態の希釈冷凍機1の動作の概要を、予冷運転と通常運転に分けて図1を参照しながら説明する。
<予冷運転>
予冷運転は、希釈冷凍機1全体を4.2K近傍まで冷却するための運転であり、He−He冷媒ガスを循環ポンプ23によって循環する。
予冷運転時には、予冷配管21に設けられているバルブ31を開放して、予冷配管21及び本配管19の両方にHe−He冷媒ガスを循環する。
Next, an outline of the operation of the dilution refrigerator 1 of the present embodiment configured as described above will be described with reference to FIG. 1 separately for precooling operation and normal operation.
<Pre-cooling operation>
The pre-cooling operation is an operation for cooling the entire dilution refrigerator 1 to the vicinity of 4.2 K, and 3 He- 4 He refrigerant gas is circulated by the circulation pump 23.
During the precooling operation, the valve 31 provided in the precooling pipe 21 is opened, and the 3 He- 4 He refrigerant gas is circulated in both the precooling pipe 21 and the main pipe 19.

予冷配管21にはインピーダンス29が設けられておらず、本配管19に比べて多量のガス通流が可能になっているので、予冷時間を短縮することができる。
予冷運転によって、4.2K近傍まで冷えたところで、バルブ31を閉止して、本配管19による通常運転に切り替える。
Since the precooling pipe 21 is not provided with the impedance 29 and a larger amount of gas can be passed as compared with the main pipe 19, the precooling time can be shortened.
When the temperature has cooled to around 4.2K by the pre-cooling operation, the valve 31 is closed and the normal operation by the main pipe 19 is switched to.

<通常運転>
通常運転では、循環ポンプ23から送り出された300K程度の温度の気体Heは、凝縮器15において液化し、さらにインピーダンス29を介して分留器9内の熱交換器13に送られる。分留器9においては、前述したようにHeとHeとの飽和蒸気圧の差を利用してHe−He混合液中からHeが選択的に排出される。
凝縮器15から送られて来たHeはこの分留器9に熱接触する熱交換器13において熱交換されて、0.5〜0.7K程度まで冷却される。さらに、Heは、熱交換器11において100mK程度まで冷却され、混合室7に送り込まれる。
<Normal operation>
In normal operation, the gas 3 He having a temperature of about 300 K sent from the circulation pump 23 is liquefied in the condenser 15 and further sent to the heat exchanger 13 in the fractionator 9 via the impedance 29. In fractionator 9, 3 He is selectively discharged from the 3 by utilizing the difference in the saturated vapor pressure of He and 4 He 3 He-4 He mixture in as described above.
The 3 He sent from the condenser 15 is heat-exchanged in the heat exchanger 13 which is in thermal contact with the fractionator 9 and cooled to about 0.5 to 0.7 K. Further, 3 He is cooled to about 100 mK in the heat exchanger 11 and sent to the mixing chamber 7.

混合室7では、100%Heの濃厚相と、HeがHeに溶け込んだHe−6.4%Heの希薄相とに2相分離しており、密度差により下層が希薄相(He−6.4%He)、上層が濃厚相(He相)となる。そして濃厚相に送り込まれたHeが希薄相に溶け込む際に、既に述べたように熱吸収が生じ、10mKのオーダーの超低温に冷却される。
このとき、プランジャ5に設けられた大径部5aが緩衝部となって冷熱が熱交換器11から上方に伝わるのを防止され、混合室7が極低温に維持される。
In the mixing chamber 7, a dense phase of 100% 3 He, 3 He has two phases separated into a dilute phase of 4 He-6.4% 3 He which melted into 4 the He, lower lean phase by density difference ( 4 He-6.4% 3 He), and the upper layer becomes a concentrated phase ( 3 He phase). Then, when 3 He sent to the rich phase melts into the dilute phase, heat absorption occurs as described above, and it is cooled to an ultralow temperature of the order of 10 mK.
At this time, the large-diameter portion 5a provided on the plunger 5 serves as a buffer to prevent cold heat from being transferred upward from the heat exchanger 11, and the mixing chamber 7 is maintained at an extremely low temperature.

以上のように、本実施の形態では、プランジャ5の大径部5aに多条ねじ溝25を設けることで、プランジャ5の熱的な緩衝部を維持しつつ、インピーダンス29を通過することなく、予冷配管21を混合室7まで配設することができた。これにより、予冷運転時には、He−He冷媒ガスを循環ポンプ23によって予冷配管21を通じて循環することができ、真空容器(内部真空容器)を設ける方法のように、予冷後に熱交換ガスを排気する煩雑さ、構造の複雑化、装置の大型化、作業の手間が増える等のデメリットが生ずることなく、予冷運転時間を短くすることができる。 As described above, in the present embodiment, by providing the multiple thread groove 25 in the large diameter portion 5a of the plunger 5, the thermal buffer portion of the plunger 5 is maintained and the impedance 29 does not pass through. The pre-cooling pipe 21 could be installed up to the mixing chamber 7. Thereby, during the pre-cooling operation, the 3 He- 4 He refrigerant gas can be circulated through the pre-cooling pipe 21 by the circulation pump 23, and the heat exchange gas is exhausted after the pre-cooling like the method of providing the vacuum container (internal vacuum container). The precooling operation time can be shortened without causing the disadvantages such as complicatedness, complicated structure, upsizing of the apparatus, and increase in labor of work.

なお、上記の実施の形態では、プランジャ5の大径部5aに形成する多条ねじ溝25の例として、2条ねじ溝の例を示したが、本発明の多条ねじ溝25はこれに限られず、例えば図3に示すように、3条ねじ溝であってもよい。この場合、一つのねじ溝には本配管19を、他の一つのねじ溝には予冷配管21を、残りの一つのねじ溝には温度計等の配線を、それぞれ配設するようにすればよい。
もっとも、2条ねじ溝を形成して、予冷配管21と配線を同じねじ溝内に配設するようにしてもよい。
In the above embodiment, the example of the double thread groove is shown as an example of the multiple thread groove 25 formed in the large diameter portion 5a of the plunger 5, but the multiple thread groove 25 of the present invention is not limited to this. For example, as shown in FIG. 3, it may be a 3-thread groove. In this case, the main pipe 19 may be arranged in one screw groove, the precooling pipe 21 may be arranged in the other screw groove, and the wiring such as a thermometer may be arranged in the remaining one screw groove. Good.
However, a double thread groove may be formed so that the precooling pipe 21 and the wiring are arranged in the same thread groove.

1 希釈冷凍機
3 外層パイプ
5 プランジャ
5a 大径部
5b 小径部
7 混合室
9 分留器
11 熱交換器(プランジャ)
13 熱交換器(分留器)
15 凝縮器
17 精製器
19 本配管
21 予冷配管
23 循環ポンプ
25 多条ねじ溝
27 排出口
29 インピーダンス
31 バルブ
<従来例>
101 希釈冷凍機
102 外層パイプ
103 プランジャ
104 混合室
106 配管
107 分留室
108 熱交換室
1 Dilution refrigerator 3 Outer layer pipe 5 Plunger 5a Large diameter part 5b Small diameter part 7 Mixing chamber 9 Fractionator 11 Heat exchanger (plunger)
13 Heat exchanger (fractionator)
15 Condenser 17 Purifier 19 Main pipe 21 Pre-cooling pipe 23 Circulation pump 25 Multi-threaded groove 27 Discharge port 29 Impedance 31 Valve <Conventional example>
101 Dilution refrigerator 102 Outer layer pipe 103 Plunger 104 Mixing chamber 106 Piping 107 Fractionation chamber 108 Heat exchange chamber

Claims (2)

先端が閉じられた外層パイプと、該外層パイプの内部に挿入されるプランジャとを備えたピストンシリンダー型の希釈冷凍機であって、
前記プランジャは、先端に向かって複数段の大径部と小径部を有する芯材からなり、前記大径部には、螺旋状の多条ねじ溝が形成されており、通常運転時に使用する本配管と予冷運転時に使用する予冷配管のそれぞれを各ねじ溝に配設できるようにしたことを特徴とする希釈冷凍機。
A piston-cylinder-type dilution refrigerator having an outer layer pipe with a closed tip and a plunger inserted into the outer layer pipe,
The plunger is composed of a core material having a plurality of steps of a large diameter portion and a small diameter portion toward the tip, and a spiral multi-thread screw groove is formed in the large diameter portion, which is used in normal operation. A dilution refrigerator in which each of the pipes and the precooling pipes used during the precooling operation can be arranged in each thread groove.
前記多条ねじ溝は3条ねじ溝であり、一つのねじ溝には本配管が、他の一つのねじ溝には予冷配管が、残りの一つのねじ溝には配線が、それぞれ配設されていることを特徴とする請求項1記載の希釈冷凍機。   The multi-thread screw groove is a three-thread screw groove. One pipe is provided with the main pipe, another one is provided with precooling pipe, and the other one is provided with wiring. The dilution refrigerator according to claim 1, wherein
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