JP2020190345A - 極低温装置およびクライオスタット - Google Patents

Abstract

【課題】冷却ステージと被冷却部材との間に形成される隙間の閉塞リスクを低減した極低温装置およびクライオスタットを提供する。【解決手段】極低温装置１００は、気密容器１０２と、気密容器１０２内に配置された第１段冷却ステージ１６ａを備える極低温冷凍機１０と、第１段冷却ステージ１６ａとの間に熱交換を可能とする隙間をあけて気密容器１０２内に配置された被冷却部材１０４と、を備える。第１段冷却ステージ１６ａは、冷凍機軸方向Ｃに垂直な方向に被冷却部材１０４に向けて延出したコールドフィン３０を備える。被冷却部材１０４には、冷凍機軸方向Ｃに垂直な方向に凹んでいるフィン受入溝３２が形成され、フィン受入溝３２は、冷凍機軸方向Ｃに沿って延在し、被冷却部材１０４は、隙間をあけてフィン受入溝３２にコールドフィン３０を受け入れている。【選択図】図１

Description

本発明は、極低温装置およびクライオスタットに関する。

従来、極低温冷凍機を用いた低沸点ガスの再凝縮装置において、極低温冷凍機の取付および取外しを容易にするために、極低温冷凍機のコールドボディを熱伝達リングと接触させることなく熱的に結合させたものが知られている。コールドボディと熱伝達リングとの間には一定間隔のギャップが形成されている。熱伝達リングは液化された低沸点ガスの容器に取り付けられている。コールドボディはギャップを介して熱伝達リングを冷却し、それにより、この液化ガス容器が冷却される。

特表２００４−５３７０２６号公報

上記の再凝縮装置では、コールドボディと熱伝達リングとの間に形成されるギャップは、気化した低沸点ガスの通路でもある。低沸点ガスの流れには、汚染物質または当該ガス自身が液化または固化した微粒子などのパーティクルが含まれうる。ギャップは極めて狭いので、パーティクルはギャップ内に溜まりうる。その結果、パーティクルがギャップを閉塞しガス流れを妨げる不具合が起こりうる。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、冷却ステージと被冷却部材との間に形成される隙間の閉塞リスクを低減した極低温装置およびクライオスタットを提供することにある。

本発明のある態様によると、極低温装置は、気密容器と、前記気密容器に装着された装着部と、前記装着部から前記気密容器内へと冷凍機軸方向に延在する接続部と、前記接続部に取り付けられ、前記気密容器内に配置された冷却ステージと、を備える極低温冷凍機と、前記冷却ステージとの間に熱交換を可能とする隙間をあけて前記気密容器内に配置された被冷却部材と、を備え、前記冷却ステージは、前記冷凍機軸方向に垂直な方向に前記被冷却部材に向けて延出したコールドフィンを備え、前記被冷却部材には、前記冷凍機軸方向に垂直な方向に凹んでいるフィン受入溝が形成され、前記フィン受入溝は、前記冷凍機軸方向に沿って延在し、前記被冷却部材は、前記隙間をあけて前記フィン受入溝に前記コールドフィンを受け入れる。

本発明のある態様によると、クライオスタットは、上述の極低温装置を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、冷却ステージと被冷却部材との間に形成される隙間の閉塞リスクを低減した極低温装置およびクライオスタットを提供することができる。

実施の形態に係る極低温装置を示す概略図である。 図１に示される極低温装置のＡ−Ａ線による概略断面図である。 他の実施の形態を示す概略断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。説明および図面において同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施の形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、実施の形態に係る極低温装置１００を示す概略図である。図２は、図１に示される極低温装置１００のＡ−Ａ線による概略断面図である。図２には、冷凍機軸方向Ｃに垂直な平面における極低温装置１００の構成要素の位置関係が示されている。

この実施の形態では、極低温装置１００は、冷媒再凝縮の機能をもつクライオスタットに適用されている。極低温装置１００は、極低温冷凍機１０と、極低温冷凍機１０が設置された気密容器１０２と、気密容器１０２内に配置され、極低温冷凍機１０によって冷却される被冷却部材１０４とを備える。

冷媒は、例えばヘリウムである。よって、ヘリウムガスが極低温冷凍機１０によって液体ヘリウムへと再凝縮される。ただし、極低温装置１００は、たとえば窒素などその他の適当な冷媒を使用することも可能である。

気密容器１０２は、内部空間の気密性を保持するように構成されている。この実施の形態では、気密容器１０２は、例えば天板またはその他の壁面に、極低温冷凍機１０が装着される開口部を有する。この開口部を通じて極低温冷凍機１０の低温部が気密容器１０２内に挿入され、開口部に極低温冷凍機１０の室温部が取り付けられる。気密容器１０２は、内部空間を真空に保持する真空容器としても使用される。

被冷却部材１０４は、気密容器１０２内に配置されている。被冷却部材１０４内には冷媒の気体および液体を収容する冷媒区画が形成され、この冷媒区画は、被冷却部材１０４の外（すなわち気密容器１０２と被冷却部材１０４との間のスペース）から隔離されている。被冷却部材１０４は、冷媒を収容する容器であるともいえる。

被冷却部材１０４は、極低温冷凍機１０の近傍またはその他の部位に冷媒導入口１０３を有してもよい。外部から冷媒導入口１０３を通じて被冷却部材１０４内に冷媒ガスが導入されうる。被冷却部材１０４は、冷媒導出口を有してもよい。冷媒導出口を通じて被冷却部材１０４外に冷媒ガスが排出されうる。

被冷却部材１０４は、振動絶縁部１０６と連結部材１１６を介して気密容器１０２に接続されている。振動絶縁部１０６は、極低温冷凍機１０の運転に起因する振動、またはそのほか周囲環境からの振動が被冷却部材１０４に伝達されるのを防止し又は少なくとも軽減するように構成されている。振動絶縁部１０６は、例えば、ダンパー、ベローズ、防振ゴム、またはその他の適切な振動絶縁部材または振動絶縁構造であってもよい。振動絶縁部１０６は、被冷却部材１０４における例えば室温部など比較的高温の部位を気密容器１０２に接続する。そうすれば、室温環境で使用可能な汎用の振動絶縁部品を採用できるので、都合がよい。このようにして、極低温装置１００は、被冷却部材１０４を振動から保護するよう構成され、この実施の形態では、低振動または無振動のクライオスタットが提供される。

被冷却部材１０４は、液化冷媒槽１０８と、液化冷媒槽１０８に取り付けられた熱伝導スリーブ１１０とを備える。液化冷媒槽１０８には、液化冷媒１１２、例えば液体ヘリウムが貯留される。液化冷媒槽１０８は、熱伝導スリーブ１１０を介して極低温冷凍機１０によって冷却される。なお、被冷却部材１０４は、周囲環境および気密容器１０２から液化冷媒槽１０８への熱の侵入を抑制するために気密容器１０２と液化冷媒槽１０８との間に液化冷媒槽１０８を囲むように配置された熱シールドを備えてもよい。そうした熱シールドが熱伝導スリーブ１１０によって冷却されてもよい。

被冷却部材１０４の熱伝導スリーブ１１０は、第１段冷却ステージ１６ａとの間に熱交換を可能とする隙間をあけて気密容器１０２内に配置されている。以下では、この隙間を熱交換隙間１１４ともいう。熱伝導スリーブ１１０は、接触することなく極低温冷凍機１０と熱的に結合されている。熱伝導スリーブ１１０は、例えば銅などの高熱伝導率の金属材料で形成される。

被冷却部材１０４の全体が極低温冷凍機１０の低温部とは非接触に配置されている。よって、熱伝導スリーブ１１０だけでなく液化冷媒槽１０８も極低温冷凍機１０に物理的に接触していない。

熱伝導スリーブ１１０は、連結部材（例えば薄肉筒状部材）１１６により振動絶縁部１０６に連結され、振動絶縁部１０６を介して気密容器１０２（例えば、気密容器１０２の天板）に支持されている。一例として、連結部材１１６は、熱伝導スリーブ１１０よりも薄肉に形成され、熱伝導スリーブ１１０の外周部で熱伝導スリーブ１１０に接続されている。

極低温冷凍機１０は、一例として、ＧＭ（Gifford-McMahon）方式の二段パルス管冷凍機である。よって、極低温冷凍機１０は、第１段パルス管１２ａ、第２段パルス管１２ｂ、第１段蓄冷管１４ａ、第２段蓄冷管１４ｂ、第１段冷却ステージ１６ａ、第２段冷却ステージ１６ｂを備える。説明の便宜上、以下では、第１段パルス管１２ａ、第２段パルス管１２ｂをパルス管１２と総称することがある。同様に、第１段蓄冷管１４ａ、第２段蓄冷管１４ｂを蓄冷管１４と総称し、第１段冷却ステージ１６ａ、第２段冷却ステージ１６ｂを冷却ステージ１６と総称しうる。

また、極低温冷凍機１０は、気密容器１０２に装着された装着部１８を備える。装着部１８は、例えば、気密容器１０２の開口部に取付可能な真空フランジであってもよい。第１段パルス管１２ａは、装着部１８を第１段冷却ステージ１６ａに接続し、第２段パルス管１２ｂは、装着部１８を第２段冷却ステージ１６ｂに接続する。第１段蓄冷管１４ａは、装着部１８を第１段冷却ステージ１６ａに接続する。第２段蓄冷管１４ｂは、第１段冷却ステージ１６ａを第２段冷却ステージ１６ｂに接続する。装着部１８は、トップフランジと称されてもよい。

パルス管１２及び／または蓄冷管１４は、装着部１８から気密容器１０２内へと冷凍機軸方向Ｃに延在する接続部であるとみなされる。第１段冷却ステージ１６ａは、接続部（例えば、第１段パルス管１２ａ、第１段蓄冷管１４ａ）に取り付けられ、気密容器１０２内に配置されている。同様に、第２段冷却ステージ１６ｂは、接続部（例えば、第２段パルス管１２ｂ、第２段蓄冷管１４ｂ）に取り付けられ、気密容器１０２内に配置されている。

この実施の形態では、極低温冷凍機１０は、その中心軸を鉛直方向に一致させるようにして気密容器１０２の天板または上部に取り外し可能に設置され、冷却ステージ１６が気密容器１０２のなかに配置される。したがって、冷凍機軸方向Ｃは鉛直方向となる。しかし、極低温冷凍機１０の取付姿勢はこれに限られない。極低温冷凍機１０は、所望される姿勢で設置可能であり、冷凍機軸方向Ｃが斜め方向または水平方向に一致するようにして気密容器１０２に設置されてもよい。

第１段パルス管１２ａ、第２段パルス管１２ｂはそれぞれ、冷凍機軸方向Ｃに延在する。また、第１段蓄冷管１４ａ、第２段蓄冷管１４ｂは直列に接続され、冷凍機軸方向Ｃに延在する。第１段蓄冷管１４ａは、第１段パルス管１２ａと並列に配置され、第２段蓄冷管１４ｂは、第２段パルス管１２ｂと並列に配置されている。第１段パルス管１２ａは冷凍機軸方向Ｃに第１段蓄冷管１４ａとほぼ同じ長さを有し、第２段パルス管１２ｂは、冷凍機軸方向Ｃに第１段蓄冷管１４ａと第２段蓄冷管１４ｂの合計長さとほぼ同じ長さを有する。

例示的な構成においては、パルス管１２は内部を空洞とする円筒状の管であり、蓄冷管１４は内部に蓄冷材１５を充填した円筒状の管であり、両者は互いに隣り合って各々の中心軸を平行として配置されている。

第１段パルス管１２ａの低温端と第１段蓄冷管１４ａの低温端は、第１段冷却ステージ１６ａによって、構造的に接続され熱的に結合されている。第１段冷却ステージ１６ａは内部流路を有し、この内部流路を通じて第１段パルス管１２ａの低温端と第１段蓄冷管１４ａの低温端との間で極低温冷凍機１０の作動ガスが流れることができる。同様に、第２段パルス管１２ｂの低温端と第２段蓄冷管１４ｂの低温端は、第２段冷却ステージ１６ｂによって、構造的に接続され熱的に結合されている。また、第２段パルス管１２ｂの低温端と第２段蓄冷管１４ｂの低温端は、第２段冷却ステージ１６ｂの内部流路で接続されている。一方、第１段パルス管１２ａ、第２段パルス管１２ｂ、および第１段蓄冷管１４ａそれぞれの高温端は、装着部１８によって接続されている。

冷却ステージ１６は、例えば銅などの高熱伝導率の金属材料で形成される。一方、パルス管１２および蓄冷管１４は、例えばステンレス鋼など、冷却ステージ１６に比べて熱伝導率の低い金属材料で形成される。

第２段冷却ステージ１６ｂは、冷媒を凝縮する少なくとも１つの凝縮穴２０を有してもよい。凝縮穴２０は、冷凍機軸方向Ｃに第２段冷却ステージ１６ｂを貫通している。

装着部１８の一方の主表面からパルス管１２および蓄冷管１４が延び、装着部１８の他方の主表面にはヘッド部２４が設けられている。上述のように、装着部１８は、たとえば真空フランジであり、気密容器１０２の気密性を保つように気密容器１０２に取り付けられる。装着部１８が気密容器１０２に取り付けられるとき、パルス管１２、蓄冷管１４、および冷却ステージ１６は、気密容器１０２に収容され、ヘッド部２４は、気密容器１０２の外に配置される。

ヘッド部２４には、極低温冷凍機１０の振動流発生源２６および位相制御機構２８が設けられている。よく知られているように、極低温冷凍機１０がＧＭ方式のパルス管冷凍機である場合には、振動流発生源２６として、作動ガスの定常流を生み出す圧縮機と、圧縮機の高圧側と低圧側とを周期的に切り替えてパルス管１２および蓄冷管１４に接続する流路切替弁との組み合わせが用いられる。この流路切替弁は、必要に応じて設けられたバッファタンクとともに、位相制御機構２８としても働く。また、極低温冷凍機１０がスターリング方式のパルス管冷凍機である場合には、振動流発生源２６として、調和振動するピストンによって振動流を発生する圧縮機が用いられ、位相制御機構２８として、バッファタンクとこれをパルス管１２の高温端につなぐ連通路が用いられる。

なお、振動流発生源２６は、ヘッド部２４に内蔵されている必要はない（つまり、装着部１８に直接取り付けられていなくてもよい）。振動流発生源２６は、ヘッド部２４から分離して配置され、剛性または可撓性の配管によりヘッド部２４に接続されてもよい。同様に、位相制御機構２８についても、装着部１８に直接取り付けられることは必須ではなく、ヘッド部２４から分離して配置され、剛性または可撓性の配管によりヘッド部２４に接続されてもよい。

このような構成により、極低温冷凍機１０は、作動ガスの圧力振動に対しパルス管１２内のガス要素（ガスピストンとも呼ばれる）の変位振動の位相を適切に遅らせることによって、極低温冷凍機１０は、パルス管１２の低温端にＰＶ仕事を発生し、冷却ステージ１６を冷却することができる。このようにして、極低温冷凍機１０は、冷却ステージ１６に接触する気体、液体、または、冷却ステージ１６に熱的に結合された物体を冷却することができる。

極低温冷凍機１０がヘリウム再凝縮に使用される場合、第１段冷却ステージ１６ａは例えば１００Ｋ未満（たとえば３０Ｋ〜６０Ｋ程度）に冷却され、第２段冷却ステージ１６ｂはヘリウム液化温度である約４Ｋ程度またはそれ以下に冷却される。極低温冷凍機１０が他の冷媒の再凝縮に使用される場合には、その冷媒の液化温度以下に少なくとも第２段冷却ステージ１６ｂが冷却される。

極低温冷凍機１０を冷却するために極低温冷凍機１０内を循環する作動ガスとして、例えばヘリウムガスがよく用いられる。このように、極低温冷凍機１０の作動ガスは、極低温装置１００によって再凝縮される冷媒ガスと同じガスでありうる。しかし、この実施の形態では、極低温冷凍機１０の作動ガスの流路は、再凝縮される冷媒ガスの流路から隔離されている。よって、これらのガスが互いに混ざり合うことはない。

第１段冷却ステージ１６ａは、冷凍機軸方向Ｃに垂直な方向に被冷却部材１０４の熱伝導スリーブ１１０に向けて延出した少なくとも１つのコールドフィン３０を備える。この実施の形態では、複数のコールドフィン３０が設けられ、図２には８つのコールドフィン３０が示されている。コールドフィン３０の数はとくに限定されず、第１段冷却ステージ１６ａには任意の数のコールドフィン３０が設けられてもよい。

第１段冷却ステージ１６ａは、パルス管１２および蓄冷管１４が固着された本体を有し、コールドフィン３０は、第１段冷却ステージ１６ａの本体から冷凍機軸方向Ｃに垂直な平面に沿って延びている。この実施の形態では、第１段冷却ステージ１６ａの本体は、円板状または円柱状の形状を有してもよく、コールドフィン３０は、冷凍機軸方向Ｃに垂直な極低温冷凍機１０の径方向に沿って第１段冷却ステージ１６ａの本体から外向きに延出している。各コールドフィン３０の先端面（すなわち径方向に最も外側の面）は、第１段冷却ステージ１６ａの本体の中心を中心軸とする円筒面の一部をなしてもよい。全体として第１段冷却ステージ１６ａは、冷凍機軸方向Ｃに見たとき、外歯歯車のような形状を有しうる。

一例として、各コールドフィン３０は同じサイズに形成されている。すなわち、各コールドフィン３０の長さは等しく、各フィンの幅は等しく、各フィンの高さは等しい。フィンの長さとは、フィンの径方向寸法であり、第１段冷却ステージ１６ａの本体からフィンの先端面までの距離にあたる。フィンの幅とは、フィンの周方向寸法にあたる。フィンの高さとは、冷凍機軸方向Ｃにおけるフィンの寸法である。

この例では、コールドフィン３０の長さは、第１段冷却ステージ１６ａの本体半径より短く、例えば本体半径の半分より短いが、これに限定されず、第１段冷却ステージ１６ａの本体半径以上であってもよい。コールドフィン３０の幅は、周方向に隣り合う２つのコールドフィン３０の間隔より短いが、これに限定されず、そうした間隔以上であってもよい。

また、コールドフィン３０の高さは、第１段冷却ステージ１６ａの厚さ（軸方向寸法）に等しく、フィンの上面および下面はそれぞれ第１段冷却ステージ１６ａの本体上面および本体下面と面一になっている。しかし、コールドフィン３０の高さは、第１段冷却ステージ１６ａの厚さより大きくてもよいし、あるいは小さくてもよい。また、コールドフィン３０は、第１段冷却ステージ１６ａの本体に対して冷凍機軸方向Ｃにいくらかずれた位置で第１段冷却ステージ１６ａの本体に設けられていてもよい。

コールドフィン３０は、第１段冷却ステージ１６ａの全周にわたって等角度間隔に配置されている。しかし、コールドフィン３０は、第１段冷却ステージ１６ａの外周の一部分のみに設けられてもよい。また、コールドフィン３０は、不等角度間隔に配置されてもよい。

被冷却部材１０４の熱伝導スリーブ１１０には、冷凍機軸方向Ｃに垂直な方向に凹んでいるフィン受入溝３２が形成されている。被冷却部材１０４の熱伝導スリーブ１１０は、熱交換隙間１１４をあけてフィン受入溝３２にコールドフィン３０を受け入れている。

熱伝導スリーブ１１０は、第１段冷却ステージ１６ａを囲むように第１段冷却ステージ１６ａの周囲に配置され、上述のように、熱伝導スリーブ１１０と第１段冷却ステージ１６ａとの間には熱交換隙間１１４が形成されている。

熱伝導スリーブ１１０は、第１段冷却ステージ１６ａを受け入れる冷凍機軸方向Ｃに貫通した中心開口部を有し、フィン受入溝３２および熱交換隙間１１４はこの中心開口部の一部をなす。熱伝導スリーブ１１０は、第１段冷却ステージ１６ａと同軸配置された円形リング状の形状を有する。熱伝導スリーブ１１０は、コールドフィン３０が設けられた第１段冷却ステージ１６ａの外周面のみと対向し、第１段冷却ステージ１６ａの底面を覆っていない。第１段冷却ステージ１６ａの底面は、液化冷媒槽１０８内で第２段冷却ステージ１６ｂに対向している。熱伝導スリーブ１１０は、第１段冷却ステージ１６ａの上面も覆っていない。

フィン受入溝３２は、冷凍機軸方向Ｃに垂直な平面において、熱交換隙間１１４を形成する熱伝導スリーブ１１０の内周面から外側に向けて凹んでいる。フィン受入溝３２は、コールドフィン３０と同じ数だけ設けられ、一対一に対応している。フィン受入溝３２のサイズおよび形状は、対応するコールドフィン３０との間に熱交換隙間１１４が形成されるように定められている。全体として熱伝導スリーブ１１０は、冷凍機軸方向Ｃに見たとき、第１段冷却ステージ１６ａとかみ合う内歯歯車のような形状を有しうる（ただし、上述のように、熱伝導スリーブ１１０と第１段冷却ステージ１６ａは熱交換隙間１１４により隔てられ、互いに接触していない）。

フィン受入溝３２は、冷凍機軸方向Ｃに沿って延在する。フィン受入溝３２は、冷凍機軸方向Ｃに垂直な方向にコールドフィン３０より外側で、被冷却部材１０４の熱伝導スリーブ１１０を冷凍機軸方向Ｃに貫通している。熱伝導スリーブ１１０の厚さ（軸方向寸法）は、第１段冷却ステージ１６ａの厚さよりいくらか大きくてもよく、よって、フィン受入溝３２の軸方向長さは、コールドフィン３０の高さより長くてもよい。

図２に示されるように、熱交換隙間１１４は、冷凍機軸方向Ｃに垂直な平面内で蛇行状に折れ曲がるようにして第１段冷却ステージ１６ａと熱伝導スリーブ１１０の間に延びている。一方、上述のように、コールドフィン３０が第１段冷却ステージ１６ａの外周で冷凍機軸方向Ｃに沿って延在するとともにフィン受入溝３２が熱伝導スリーブ１１０を冷凍機軸方向Ｃに貫通しているから、熱交換隙間１１４は、冷凍機軸方向Ｃに沿って直線的なガス通路を提供する。冷凍機軸方向Ｃについては、熱交換隙間１１４は、蛇行状に折れ曲がっていない。

一例として、熱交換隙間１１４は、第１段冷却ステージ１６ａと熱伝導スリーブ１１０の間で一定の幅を有する。熱交換隙間１１４の幅は、例えば、１〜１０ｍｍ、または２〜５ｍｍの範囲にある。コールドフィン３０の先端面とこれに対向するフィン受入溝３２の表面との距離（径方向寸法）は、コールドフィン３０の側面とこれに対向するフィン受入溝３２の側面との距離（周方向寸法）に等しい。また、コールドフィン３０の先端面とこれに対向するフィン受入溝３２の表面との距離は、周方向に隣り合う２つのコールドフィン３０間における第１段冷却ステージ１６ａと熱伝導スリーブ１１０の距離とも等しい。

コールドフィン３０のサイズ、形状、および対応するフィン受入溝３２のサイズ、形状は、とくに限定されず、例えば、第１段冷却ステージ１６ａと熱伝導スリーブ１１０との間に所望される熱交換性能、熱交換隙間１１４の流路抵抗、極低温冷凍機１０の運転中における第１段冷却ステージ１６ａの振動の振幅、ガスとともに熱交換隙間１１４に進入しうると予想されるパーティクルの大きさ、またはその他の条件に応じて、適宜設定されうる。また、異なる２つのコールドフィン３０（および対応する２つのフィン受入溝３２）が互いに同じサイズ、形状を有することは必須ではなく、互いに異なっていてもよい。

フィン受入溝３２がコールドフィン３０と一対一に対応することは必須ではなく、例えば、フィン受入溝３２の幅が比較的大きい場合、またはコールドフィン３０の幅が比較的小さく互いに近接して配置されている場合には、１つのフィン受入溝３２が複数のコールドフィン３０を受け入れてもよい。

図１を再び参照して、実施の形態に係る極低温装置１００の動作を述べる。上述のように、この実施の形態では、極低温装置１００は、ヘリウム再凝縮の機能をもつクライオスタットとして構成されている。極低温冷凍機１０が運転されることにより、第１段冷却ステージ１６ａおよび第２段冷却ステージ１６ｂは所望される冷却温度に冷却される。第１段冷却ステージ１６ａは熱交換隙間１１４を介して非接触に熱伝導スリーブ１１０と熱的に結合されているから、熱伝導スリーブ１１０は第１段冷却ステージ１６ａによって冷却される。

ヘリウムガスは、矢印Ｂ１で示されるように、冷媒導入口１０３から被冷却部材１０４内に導入され、第１段冷却ステージ１６ａおよび熱伝導スリーブ１１０の近傍へと流れる。ヘリウムガスは、矢印Ｂ２で示されるように、熱交換隙間１１４を冷凍機軸方向Ｃに通過しながら冷却され、液化冷媒槽１０８に入る。ヘリウムガスは、第２段冷却ステージ１６ｂによって冷却され、第２段冷却ステージ１６ｂで液化される。液化したヘリウムは第２段冷却ステージ１６ｂから滴下し、液化冷媒槽１０８の底部に貯留される。

液体ヘリウムは、物体の冷却に使用される。冷却されるべき物体は、同じクライオスタット内に配置されていてもよい。あるいは、被冷却物体は、別の場所に配置されてもよく、クライオスタットから延びる液体ヘリウム導管を通じて液体ヘリウムが被冷却物体に供給されてもよい。その結果気化したヘリウムは回収され、再び冷媒導入口１０３から被冷却部材１０４内に導入される。このようにして、極低温装置１００は、極低温冷媒を用いた極低温循環冷却システムを構築することができる。

以上に説明したように、実施の形態に係る極低温装置１００においては、第１段冷却ステージ１６ａは、冷凍機軸方向Ｃに垂直な方向に被冷却部材１０４の熱伝導スリーブ１１０に向けて延出したコールドフィン３０を備え、被冷却部材１０４の熱伝導スリーブ１１０には、冷凍機軸方向Ｃに垂直な方向に凹んでいるフィン受入溝３２が形成されている。フィン受入溝３２は、冷凍機軸方向Ｃに沿って延在する。被冷却部材１０４の熱伝導スリーブ１１０は、熱交換隙間１１４をあけてフィン受入溝３２にコールドフィン３０を受け入れる。

したがって、ガス通路でもある熱交換隙間１１４の全体または大部分を冷凍機軸方向Ｃに沿って直線的な経路とすることができる。蛇行状の経路に比べて、熱交換隙間１１４を通過するガス流れは促進され、ガス流れに含まれうるパーティクルによる熱交換隙間１１４の閉塞も起こりにくくなる。

また、第１段冷却ステージ１６ａにコールドフィン３０を設け、熱伝導スリーブ１１０にフィン受入溝３２を設けることにより、熱交換面積が増え、第１段冷却ステージ１６ａと熱伝導スリーブ１１０の熱交換効率が向上される。

上述のように極低温冷凍機１０には高圧の冷媒ガスが周期的に出入りし圧力変動が生じる。そうした圧力変動は、パルス管１２、蓄冷管１４といった冷却ステージ１６への極低接続部を冷凍機軸方向Ｃに周期的に伸縮させ、それにより冷却ステージ１６には冷凍機軸方向Ｃに周期的な位置変動が生じる。このようにして、極低温冷凍機１０の運転中、冷却ステージ１６は、冷凍機軸方向Ｃにおいて他の方向に比べて大きな振幅で振動しうる。

実施の形態に係る極低温装置１００によると、フィン受入溝３２が冷凍機軸方向Ｃに沿って延在し、熱交換隙間１１４をあけてフィン受入溝３２にコールドフィン３０が進入し、冷凍機軸方向Ｃと垂直な方向に熱交換隙間１１４が形成されている。そのため、第１段冷却ステージ１６ａすなわちコールドフィン３０が冷凍機軸方向Ｃに振動しても、熱伝導スリーブ１１０と接触しにくい。よって、熱交換隙間１１４の大きさを比較的小さく設定することができ、これも熱交換効率の向上に寄与する。

また、フィン受入溝３２は、冷凍機軸方向Ｃに垂直な方向にコールドフィン３０より外側で、被冷却部材１０４の熱伝導スリーブ１１０を冷凍機軸方向Ｃに貫通している。したがって、熱交換隙間１１４は、熱伝導スリーブ１１０の上面から下面へと延びる直線的なガス通路となる。熱交換隙間１１４を通過するガス流れは促進され、ガス流れに含まれうるパーティクルによる熱交換隙間１１４の閉塞も起こりにくくなる。また、この実施の形態では、冷凍機軸方向Ｃが鉛直方向（重力方向）に一致しているから、パーティクルが熱交換隙間１１４に止まることなく自重により落下する効果も期待され、これも熱交換隙間１１４の閉塞を回避することに役立ちうる。

図３は、他の実施の形態を示す概略断面図である。上述の実施の形態と同様に、第１段冷却ステージ１６ａは、冷凍機軸方向Ｃに垂直な方向に熱伝導スリーブ１１０に向けて延出したコールドフィン３０を備える。熱伝導スリーブ１１０には、冷凍機軸方向Ｃに垂直な方向に凹んでいるフィン受入溝３２が形成されている。フィン受入溝３２は、冷凍機軸方向Ｃに沿って延在する。被冷却部材１０４の熱伝導スリーブ１１０は、熱交換隙間１１４をあけてフィン受入溝３２にコールドフィン３０を受け入れている。

熱伝導スリーブ１１０は、第１段冷却ステージ１６ａの底面と対向する表面（以下、対向表面３４という）を有する。熱伝導スリーブ１１０は、径方向に内側に延出した内周リムを有し、この内周リムの上面が対向表面３４として第１段冷却ステージ１６ａの底面と対向する。冷凍機軸方向Ｃにおける第１段冷却ステージ１６ａの底面と対向表面３４との間隔４０が、冷凍機軸方向Ｃに垂直な方向における熱交換隙間１１４より大きい。

第１段冷却ステージ１６ａの底面には、冷凍機軸方向Ｃに下方（例えば第２段冷却ステージ１６ｂ）に向けて延出した１つ又は複数のステージ底部フィン３６が設けられている。熱伝導スリーブ１１０のステージ底部フィン３６には、ステージ底部フィン３６を受け入れる底部フィン受入凹部３８が形成されている。底部フィン受入凹部３８は、ステージ底部フィン３６が冷凍機軸方向Ｃに延出していることに対応して、冷凍機軸方向Ｃに凹んでいる。間隔４０が形成されているので、ステージ底部フィン３６と熱伝導スリーブ１１０の内周リムは非接触であり、上述の実施の形態と同様に、第１段冷却ステージ１６ａと熱伝導スリーブ１１０は互いに接触することなく熱的に結合されている。

フィン受入溝３２は、冷凍機軸方向Ｃに垂直な方向にコールドフィン３０より外側で、被冷却部材１０４の熱伝導スリーブ１１０を冷凍機軸方向Ｃに貫通している。コールドフィン３０とフィン受入溝３２との間には熱交換隙間１１４が形成されている。第１段冷却ステージ１６ａの内周リムには冷凍機軸方向Ｃに貫通した貫通スリット４２が形成されている。熱交換隙間１１４と貫通スリット４２は軸方向に並んでおり、これらによりガスが通過することができる直線経路が形成されている。このような構成によっても、熱交換隙間１１４および貫通スリット４２を通過するガス流れは促進され、ガス流れに含まれうるパーティクルによる熱交換隙間１１４の閉塞は起こりにくくなる。

第１段冷却ステージ１６ａにコールドフィン３０およびステージ底部フィン３６を設け、熱伝導スリーブ１１０にフィン受入溝３２および底部フィン受入凹部３８を設けることにより、熱交換面積が増え、第１段冷却ステージ１６ａと熱伝導スリーブ１１０の熱交換効率が向上される。

また、上述のように、極低温冷凍機１０が発生させうる振動は、他の方向に比べて冷凍機軸方向Ｃにおいて比較的大きい振幅を有する。冷凍機軸方向Ｃにおける第１段冷却ステージ１６ａの底面と対向表面３４との間隔４０が、冷凍機軸方向Ｃに垂直な方向における熱交換隙間１１４より大きいので、第１段冷却ステージ１６ａすなわちコールドフィン３０が冷凍機軸方向Ｃに振動しても、熱伝導スリーブ１１０と接触しにくい。よって、熱交換隙間１１４の大きさを比較的小さく設定することができ、これも熱交換効率の向上に寄与する。

なお、第１段冷却ステージ１６ａは、ステージ底部フィン３６を有していなくてもよい。第１段冷却ステージ１６ａの底面は平坦でもよく、これに対応して熱伝導スリーブ１１０の対向表面３４も平坦であってもよい。

熱伝導スリーブ１１０は、貫通スリット４２を有していなくてもよい。この場合、第１段冷却ステージ１６ａの底面と熱伝導スリーブ１１０の対向表面３４との間隔４０と、熱交換隙間１１４とによりガス通路が形成される。間隔４０は、熱交換隙間１１４の一部であるとみなされうる。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。ある実施の形態に関連して説明した種々の特徴は、他の実施の形態にも適用可能である。組合せによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態それぞれの効果をあわせもつ。

上述の実施の形態では、第１段冷却ステージ１６ａは円板状の形状を有し、熱伝導スリーブ１１０は円環状の形状を有するが、これらの形状はとくに限定されない。例えば、第１段冷却ステージ１６ａは、矩形の板状であってもよく、熱伝導スリーブ１１０は、こうした矩形板状の第１段冷却ステージ１６ａを囲む矩形枠状の形状を有してもよい。

上述の実施の形態では、コールドフィン３０が第１段冷却ステージ１６ａに設けられ、コールドフィン３０がフィン受入溝３２に収容され、第１段冷却ステージ１６ａと熱伝導スリーブ１１０の非接触伝熱構造が構成されている。しかし、このような非接触伝熱構造は、第１段冷却ステージ１６ａに代えて、または第１段冷却ステージ１６ａとともに、第２段冷却ステージ１６ｂに適用されてもよい。

極低温冷凍機１０は、パルス管冷凍機に限られず、ＧＭ冷凍機またはその他の極低温冷凍機であってもよい。たとえば、ＧＭ冷凍機の場合、上述の実施形態における「蓄冷管」は、蓄冷器を内蔵したディスプレーサを収容するシリンダとすればよい。ＧＭ冷凍機は、パルス管を有しない。

極低温装置１００は、ヘリウム以外の冷媒を使用してもよい。使用する場合には、極低温冷凍機１０はその冷媒の液化温度を提供できればよく、単段の冷凍機であってもよい。

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１０ 極低温冷凍機、 １６ 冷却ステージ、 １８ 装着部、 ３０ コールドフィン、 ３２ フィン受入溝、 １００ 極低温装置、 １０２ 気密容器、 １０４ 被冷却部材、 Ｃ 冷凍機軸方向。

Claims (4)

1. 気密容器と、
   前記気密容器に装着された装着部と、前記装着部から前記気密容器内へと冷凍機軸方向に延在する接続部と、前記接続部に取り付けられ、前記気密容器内に配置された冷却ステージと、を備える極低温冷凍機と、
   前記冷却ステージとの間に熱交換を可能とする隙間をあけて前記気密容器内に配置された被冷却部材と、を備え、
   前記冷却ステージは、前記冷凍機軸方向に垂直な方向に前記被冷却部材に向けて延出したコールドフィンを備え、
   前記被冷却部材には、前記冷凍機軸方向に垂直な方向に凹んでいるフィン受入溝が形成され、前記フィン受入溝は、前記冷凍機軸方向に沿って延在し、前記被冷却部材は、前記隙間をあけて前記フィン受入溝に前記コールドフィンを受け入れることを特徴とする極低温装置。
2. 前記フィン受入溝は、前記冷凍機軸方向に垂直な方向に前記コールドフィンより外側で、前記被冷却部材を前記冷凍機軸方向に貫通していることを特徴とする請求項１に記載の極低温装置。
3. 前記被冷却部材は、前記冷却ステージの底面と対向する表面を備え、
   前記冷凍機軸方向における前記冷却ステージの底面と前記対向する表面との間隔が、前記冷凍機軸方向に垂直な方向における前記隙間より大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の極低温装置。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の極低温装置を備えることを特徴とするクライオスタット。

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