JP2673898B2 - ▲上３▼Ｈｅ−▲上４▼Ｈｅ希釈冷凍機 - Google Patents
▲上３▼Ｈｅ−▲上４▼Ｈｅ希釈冷凍機Info
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、3He−4He希釈冷凍機に関し、特にジュー
ル・トムソン効果を利用して冷却性能を改善した3He−4
He希釈冷凍機に関する。
ル・トムソン効果を利用して冷却性能を改善した3He−4
He希釈冷凍機に関する。
［従来の技術〕 3He−4He希釈冷凍機は、1K以下の低温を長時間連続的
に作り出せる、現在知られている唯一の冷凍機である。
この種の冷凍機は、たとえば 特開昭50−79857号 特開昭51−129958号 特開昭52−145849号 特開昭55−123962号 に開示されている。これらの希釈冷凍機では、ヘリウム
を循環させるために、冷凍機本体から出てくる低温のヘ
リウムをいったん室温に戻してから、ポンプによってこ
のヘリウムを昇圧してから冷凍機本体に送り返してい
る。このヘリウムを再び低温にするには、いくつかの冷
却ポット（例えば、77K液体窒素ポットと、4.2K液ヘリ
ウムポットと、1K液体ヘリウムポット）で熱交換させて
冷却する必要がある。その後このヘリウムを分溜室内の
熱交換器を経由して混合室へ送っている。
に作り出せる、現在知られている唯一の冷凍機である。
この種の冷凍機は、たとえば 特開昭50−79857号 特開昭51−129958号 特開昭52−145849号 特開昭55−123962号 に開示されている。これらの希釈冷凍機では、ヘリウム
を循環させるために、冷凍機本体から出てくる低温のヘ
リウムをいったん室温に戻してから、ポンプによってこ
のヘリウムを昇圧してから冷凍機本体に送り返してい
る。このヘリウムを再び低温にするには、いくつかの冷
却ポット（例えば、77K液体窒素ポットと、4.2K液ヘリ
ウムポットと、1K液体ヘリウムポット）で熱交換させて
冷却する必要がある。その後このヘリウムを分溜室内の
熱交換器を経由して混合室へ送っている。
［発明が解決しようとする課題］ 上述した従来の希釈冷凍機には、次のような欠点があ
る。
る。
（１）室温で動作する、ヘリウム循環用の大形の気密ポ
ンプが必要となり、さらに冷凍機本体とポンプとをつな
ぐ太い配管も必要となり、冷凍機システム全体が大形に
なることが避けられない。
ンプが必要となり、さらに冷凍機本体とポンプとをつな
ぐ太い配管も必要となり、冷凍機システム全体が大形に
なることが避けられない。
（２）ヘリウムを予冷するための1Kポットには、常に1K
の液体ヘリウムを供給して減圧排気する必要があり、そ
のための独立したヘリウム冷却回路が必要となる。
の液体ヘリウムを供給して減圧排気する必要があり、そ
のための独立したヘリウム冷却回路が必要となる。
そこで、上述の（２）の欠点を解消するために、従来
の1Kポットに代えて、ジュール・トムソン膨脹による冷
却作用を利用した技術が知られている（Cryogenics,27
（1987）p.454−457）。この場合でも、依然として、上
述の（１）の欠点は残されている。
の1Kポットに代えて、ジュール・トムソン膨脹による冷
却作用を利用した技術が知られている（Cryogenics,27
（1987）p.454−457）。この場合でも、依然として、上
述の（１）の欠点は残されている。
この発明は、このような事情にかんがみてなされたも
のであり、その目的は、室温で動作する大形の気密ポン
プを省略できる3He−4He希釈冷凍機を提供することにあ
る。
のであり、その目的は、室温で動作する大形の気密ポン
プを省略できる3He−4He希釈冷凍機を提供することにあ
る。
［課題を解決するための手段および作用］ この発明では、室温で動作するポンプをなくすため
に、低温で連続的に動作する多段吸着ポンプシステムを
採用している。したがって、この発明に係る3He−4He希
釈冷凍機は次の各構成要素を有している。
に、低温で連続的に動作する多段吸着ポンプシステムを
採用している。したがって、この発明に係る3He−4He希
釈冷凍機は次の各構成要素を有している。
（ａ）液体状態の3He濃厚相と3He稀薄相とを含み、3He
濃厚相から3He稀薄相へ3Heが溶け込むことによって冷却
作用を得る混合室。
濃厚相から3He稀薄相へ3Heが溶け込むことによって冷却
作用を得る混合室。
（ｂ）前記混合室から送られてくる3He稀薄液を溜め
て、3He稀薄液から3Heを選択的に気化する分溜室。
て、3He稀薄液から3Heを選択的に気化する分溜室。
（ｃ）前記分溜室から送られてくる3Heガスを、複数の
吸着ポンプを交互に動作させて昇圧する多段吸着ポンプ
システム。
吸着ポンプを交互に動作させて昇圧する多段吸着ポンプ
システム。
（ｄ）前記多段吸着ポンプシステムから送られてくる3H
eガスを予冷する予冷装置。
eガスを予冷する予冷装置。
（ｅ）前記予冷装置から送られてくる3Heガスをジュー
ル・トムソン効果によって冷却するジュール・トムソン
冷却装置。
ル・トムソン効果によって冷却するジュール・トムソン
冷却装置。
（ｆ）前記ジュール・トムソン冷却装置から送られてく
る3Heを、前記分溜室内の3He稀薄液と熱交換させて完全
に液化し、これを前記混合室の3He濃厚相に送る熱交換
器。
る3Heを、前記分溜室内の3He稀薄液と熱交換させて完全
に液化し、これを前記混合室の3He濃厚相に送る熱交換
器。
この希釈冷凍機は、分溜室での3Heガスの分離性能が
重要となる。通常、96％以上の純度が必要である。この
分離性能を高めるために、この発明では、前記分溜室の
上部に、ヘリウムフィルム蒸発器を設置することが望ま
しい。このヘリウムフィルム蒸発器では、分溜室の壁面
を這い上がってくる超流動状態の4Heフィルムを蒸発さ
せるとともに、前記ジュール・トムソン冷却装置から送
られてくる3Heを熱交換によって冷却して前記熱交換器
に送ることができる。
重要となる。通常、96％以上の純度が必要である。この
分離性能を高めるために、この発明では、前記分溜室の
上部に、ヘリウムフィルム蒸発器を設置することが望ま
しい。このヘリウムフィルム蒸発器では、分溜室の壁面
を這い上がってくる超流動状態の4Heフィルムを蒸発さ
せるとともに、前記ジュール・トムソン冷却装置から送
られてくる3Heを熱交換によって冷却して前記熱交換器
に送ることができる。
上述の多段吸着ポンプシステムは、これまでまったく
知られていないもので、複数の吸着ポンプを交互に動作
させることによって、低温で3Heガスを昇圧できるもの
である。しかも、連続運転が可能である。たとえば、２
系統３段（合計６個の吸着ポンプ）のポンプシステムと
することができ、各ポンプの間には弁を配置して、吸着
ポンプ内の圧力に応じて弁を開閉制御する。複数系統と
する理由は、一方の系統でヘリウムガスの吸着動作をお
こなっている間に他方の系統が吐き出し動作をおこなう
ためである。したがって、少なくとも２系統が必要であ
る。多段にする理由は、ヘリウムガスを無理なく昇圧す
るためである。少なくとも２段は必要である。したがっ
て、この発明における多段吸着ポンプシステムは、少な
くとも４個の吸着ポンプを必要とする。
知られていないもので、複数の吸着ポンプを交互に動作
させることによって、低温で3Heガスを昇圧できるもの
である。しかも、連続運転が可能である。たとえば、２
系統３段（合計６個の吸着ポンプ）のポンプシステムと
することができ、各ポンプの間には弁を配置して、吸着
ポンプ内の圧力に応じて弁を開閉制御する。複数系統と
する理由は、一方の系統でヘリウムガスの吸着動作をお
こなっている間に他方の系統が吐き出し動作をおこなう
ためである。したがって、少なくとも２系統が必要であ
る。多段にする理由は、ヘリウムガスを無理なく昇圧す
るためである。少なくとも２段は必要である。したがっ
て、この発明における多段吸着ポンプシステムは、少な
くとも４個の吸着ポンプを必要とする。
なお、システムを簡素化するために吸着ポンプを液体
4Heあるいは3Heの減圧排気に用いることはよく知られて
いる（たとえば、「低温工学ハンドブック」（1982）、
内田老鶴圃新社）。しかし、通常は１回限りの排気で終
わる。1K以下の極低温では試料の冷却に長時間を必要と
するので、このような従来の吸着ポンプは、この発明の
ような連続運転には向いていない。
4Heあるいは3Heの減圧排気に用いることはよく知られて
いる（たとえば、「低温工学ハンドブック」（1982）、
内田老鶴圃新社）。しかし、通常は１回限りの排気で終
わる。1K以下の極低温では試料の冷却に長時間を必要と
するので、このような従来の吸着ポンプは、この発明の
ような連続運転には向いていない。
上述の予冷装置は、多段吸着ポンプシステムから吐き
出される高温（40K程度）のヘリウムガスを4.2K程度ま
で冷却してジュール・トムソン冷却装置に送るもので、
従来の1Kポットとは異なるものである。予冷装置として
は、たとえば、液体ヘリウム容器内のヘリウムとの間で
熱交換をおこなう熱交換器の形式とすることができる。
出される高温（40K程度）のヘリウムガスを4.2K程度ま
で冷却してジュール・トムソン冷却装置に送るもので、
従来の1Kポットとは異なるものである。予冷装置として
は、たとえば、液体ヘリウム容器内のヘリウムとの間で
熱交換をおこなう熱交換器の形式とすることができる。
［実施例］ 次に、この発明の実施例を図面を参照して説明する。
第１図は、この発明の一実施例の全体構成図である。
冷凍機システムはすべて液体ヘリウム容器10の内部に収
められている。3Heと4Heの混合ガスの容器24だけが外部
に置かれている。
冷凍機システムはすべて液体ヘリウム容器10の内部に収
められている。3Heと4Heの混合ガスの容器24だけが外部
に置かれている。
液体ヘリウム容器10の内部には液体ヘリウム11があっ
て、断熱真空容器12はこの液体ヘリウム11の中にある。
断熱真空容器12の内部は真空になっている。断熱真空容
器12の内部には、分溜室14と混合室20と各種の熱交換器
が配置されている。断熱真空容器12の外部の上方には、
多段吸着ポンプシステム22が配置されている。
て、断熱真空容器12はこの液体ヘリウム11の中にある。
断熱真空容器12の内部は真空になっている。断熱真空容
器12の内部には、分溜室14と混合室20と各種の熱交換器
が配置されている。断熱真空容器12の外部の上方には、
多段吸着ポンプシステム22が配置されている。
以下、ヘリウムの循環経路に沿って、この希釈冷凍機
の構造および動作を説明する。
の構造および動作を説明する。
室温に置かれた混合ガス容器24には、3Heガスと4Heガ
スとが適当な割合で充填されている。たとえば、3Hガス
は全体の３分の１またはそれ以下である。冷凍機の運転
を開始するときと終了するときには、室温弁26を空け
て、冷凍機に混合ガスを供給し、あるいは冷凍機から混
合ガスを回収する。
スとが適当な割合で充填されている。たとえば、3Hガス
は全体の３分の１またはそれ以下である。冷凍機の運転
を開始するときと終了するときには、室温弁26を空け
て、冷凍機に混合ガスを供給し、あるいは冷凍機から混
合ガスを回収する。
熱交換器28は、ヘリウムガスを80K程度まで冷却する
ための熱交換器である。液体ヘリウム容器10の内部の上
方では、液体ヘリウムが気化しており、この気化したヘ
リウムと、パイプ内のヘリウムガスとが熱交換する。
ための熱交換器である。液体ヘリウム容器10の内部の上
方では、液体ヘリウムが気化しており、この気化したヘ
リウムと、パイプ内のヘリウムガスとが熱交換する。
80Kに冷却されたヘリウムガスは、熱交換器30で、4.2
K程度に冷却される。この場合は、パイプ外の液体ヘリ
ウム11と、パイプ内のヘリウムガスとが熱交換する。冷
凍機が定常運転の状態にあるときは、このパイプ内のヘ
リウムガスは、ほとんどが3Heである。以下の説明で
は、定常運転の状態を述べることにする。
K程度に冷却される。この場合は、パイプ外の液体ヘリ
ウム11と、パイプ内のヘリウムガスとが熱交換する。冷
凍機が定常運転の状態にあるときは、このパイプ内のヘ
リウムガスは、ほとんどが3Heである。以下の説明で
は、定常運転の状態を述べることにする。
4.2Kに冷却されたヘリウムガスは、ジュール・トムソ
ンインピーダンスZ1のところで、ジュール・トムソン効
果によって冷却される。このジュール・トムソンインピ
ーダンスZ1は、非常に細い管で作られている。詳しく
は、熱絶縁体のキュプロニッケル製で、内径0.1mm、長
さが2mである。
ンインピーダンスZ1のところで、ジュール・トムソン効
果によって冷却される。このジュール・トムソンインピ
ーダンスZ1は、非常に細い管で作られている。詳しく
は、熱絶縁体のキュプロニッケル製で、内径0.1mm、長
さが2mである。
ジュール・トムソンインピーダンスZ1で冷却されたミ
スト状態のヘリウムは、熱交換器32とインピーダンスZ2
とを通過して、等温絞り効果でそのほとんどが液化され
る。熱交換器32とインピーダンスZ2の具体的な構成は、
後述のヘリウムフィルム蒸発器15（第３図参照）の箇所
で説明する。
スト状態のヘリウムは、熱交換器32とインピーダンスZ2
とを通過して、等温絞り効果でそのほとんどが液化され
る。熱交換器32とインピーダンスZ2の具体的な構成は、
後述のヘリウムフィルム蒸発器15（第３図参照）の箇所
で説明する。
ほとんど液化されたヘリウムは、分溜室14の内部の熱
交換器34で完全に液化されて約0.6Kとなる。その後、イ
ンピーダンスZ3を通過して、連続管式熱交換器16と分割
形熱交換器18とで、さらに冷却される。これらの熱交換
器16、18では、混合室20から出てくる、より低温のヘリ
ウムと熱交換する。分割形熱交換器18を除いて、これま
で説明してきた熱交換器28、30、32、34、16は、すべて
連続管式の簡単なものである。その構造は、外径1mm、
内径0.6mmのキュプロニッケル製で、約1.5mずつの長さ
である。
交換器34で完全に液化されて約0.6Kとなる。その後、イ
ンピーダンスZ3を通過して、連続管式熱交換器16と分割
形熱交換器18とで、さらに冷却される。これらの熱交換
器16、18では、混合室20から出てくる、より低温のヘリ
ウムと熱交換する。分割形熱交換器18を除いて、これま
で説明してきた熱交換器28、30、32、34、16は、すべて
連続管式の簡単なものである。その構造は、外径1mm、
内径0.6mmのキュプロニッケル製で、約1.5mずつの長さ
である。
分割形熱交換器18を出たヘリウムは、混合室20の3He
濃厚相20aに入る。3He濃厚相20aは、ほとんどが液体3He
である。3He濃厚相20aの下側の3He稀薄相20bは、数％の
液体3Heと残部の液体4Heとの混合液である。3He濃厚相2
0aから3He稀薄相20bへと3Heが溶け込むことによって、
冷却が起こる。
濃厚相20aに入る。3He濃厚相20aは、ほとんどが液体3He
である。3He濃厚相20aの下側の3He稀薄相20bは、数％の
液体3Heと残部の液体4Heとの混合液である。3He濃厚相2
0aから3He稀薄相20bへと3Heが溶け込むことによって、
冷却が起こる。
混合室20の3He稀薄相20bにある稀薄液は、熱交換器18
と16を通過して、分溜室14に入る。分溜室14では、3He
稀薄液36から3Heガスが分離される。3Heガスは、ヘリウ
ムフィルム蒸発器15で、より純粋化される。分溜室14と
ヘリウムフィルム蒸発器15の構成と働きは、後に第３図
を参照して詳しく説明する。
と16を通過して、分溜室14に入る。分溜室14では、3He
稀薄液36から3Heガスが分離される。3Heガスは、ヘリウ
ムフィルム蒸発器15で、より純粋化される。分溜室14と
ヘリウムフィルム蒸発器15の構成と働きは、後に第３図
を参照して詳しく説明する。
ヘリウムフィルム蒸発器15を出たヘリウムガスは、多
段吸着ポンプシステム22で吸引加圧されて、最終的に、
圧力2000mb、温度40Kとなる。このヘリウムガスは、再
び、4.2K熱交換器30で冷却されて、以下同様に循環す
る。
段吸着ポンプシステム22で吸引加圧されて、最終的に、
圧力2000mb、温度40Kとなる。このヘリウムガスは、再
び、4.2K熱交換器30で冷却されて、以下同様に循環す
る。
第２図は、多段吸着ポンプシステム22の構成図であ
る。このポンプシステムは６個の吸着ポンプ41〜46から
なり、２系統３段のポンプシステムを構成している。ポ
ンプ41、43、45が第１系統を構成し、ポンプ42、44、46
が第２系統を構成する。そして、ポンプ41、42が第１段
を、ポンプ43、44が第２段を、ポンプ45、46が第３段を
構成している。ポンプシステムの下方には弁51、52があ
り、上方には弁57、58がある。各段の間には、弁53、5
4、55、56がある。
る。このポンプシステムは６個の吸着ポンプ41〜46から
なり、２系統３段のポンプシステムを構成している。ポ
ンプ41、43、45が第１系統を構成し、ポンプ42、44、46
が第２系統を構成する。そして、ポンプ41、42が第１段
を、ポンプ43、44が第２段を、ポンプ45、46が第３段を
構成している。ポンプシステムの下方には弁51、52があ
り、上方には弁57、58がある。各段の間には、弁53、5
4、55、56がある。
各吸着ポンプの構成は同じなので、ポンプ41を例にと
って説明する。吸着ポンプは、断熱容器61に取り囲まれ
ていて、断熱容器61の内部は真空になっている。吸着ポ
ンプ41と断熱容器61との間には熱スイッチ62がある。熱
スイッチ62を閉じると、吸着ポンプ41の壁は断熱容器61
に熱接触し、断熱容器61外部のヘリウムガスによって冷
却される。熱スイッチ62を開くとともにヒータ63を働か
せると吸着ポンプ41は加熱される。吸着ポンプ41の内部
には、40グラムの活性炭が入っており、冷却されるとヘ
リウムガスを吸着し、加熱されるとヘリウムガスを放出
するようになっている。活性炭は、銅製の多数の円板と
メッシュと銅粉とを介して、吸着ポンプ41の銅製の容器
壁に熱接触している。吸着ポンプ41の内部の圧力は、圧
力計64で測定される。
って説明する。吸着ポンプは、断熱容器61に取り囲まれ
ていて、断熱容器61の内部は真空になっている。吸着ポ
ンプ41と断熱容器61との間には熱スイッチ62がある。熱
スイッチ62を閉じると、吸着ポンプ41の壁は断熱容器61
に熱接触し、断熱容器61外部のヘリウムガスによって冷
却される。熱スイッチ62を開くとともにヒータ63を働か
せると吸着ポンプ41は加熱される。吸着ポンプ41の内部
には、40グラムの活性炭が入っており、冷却されるとヘ
リウムガスを吸着し、加熱されるとヘリウムガスを放出
するようになっている。活性炭は、銅製の多数の円板と
メッシュと銅粉とを介して、吸着ポンプ41の銅製の容器
壁に熱接触している。吸着ポンプ41の内部の圧力は、圧
力計64で測定される。
この吸着ポンプシステムは、0.01mbの圧力のヘリウム
ガスを2000mbの圧力まで昇圧することができる。それに
伴い、ヘリウムガスの温度は4.2Kから40Kまで上昇す
る。ポンプシステムの動作は弁の開閉によって制御され
る。弁は所定の時間間隔で開閉される。弁の開いている
時間は、ポンプの吸引能力に応じて定まる。
ガスを2000mbの圧力まで昇圧することができる。それに
伴い、ヘリウムガスの温度は4.2Kから40Kまで上昇す
る。ポンプシステムの動作は弁の開閉によって制御され
る。弁は所定の時間間隔で開閉される。弁の開いている
時間は、ポンプの吸引能力に応じて定まる。
第１段のポンプ41、42は、0.01mbの圧力、4.2Kの温度
で吸引動作をし、1mb、15Kで吐き出し動作をする。第２
段のポンプ43、44は、1mb、15Kで吸引動作をし、50mb、
24Kで吐き出し動作をする。第３段のポンプ45、46は、5
0mb、24Kで吸引動作をし、2000mb、40Kで吐き出し動作
をする。そして、各段のポンプは、一方の系統のポンプ
が吸引動作にあるときは、他方の系統のポンプは吐き出
し動作にある。１個の吸着ポンプの吸引・吐き出しサイ
クルは１〜２時間である。
で吸引動作をし、1mb、15Kで吐き出し動作をする。第２
段のポンプ43、44は、1mb、15Kで吸引動作をし、50mb、
24Kで吐き出し動作をする。第３段のポンプ45、46は、5
0mb、24Kで吸引動作をし、2000mb、40Kで吐き出し動作
をする。そして、各段のポンプは、一方の系統のポンプ
が吸引動作にあるときは、他方の系統のポンプは吐き出
し動作にある。１個の吸着ポンプの吸引・吐き出しサイ
クルは１〜２時間である。
ポンプシステムの動作例を以下に具体的に示す。い
ま、弁51が開いていて、ポンプ41でヘリウムガスを吸引
していると仮定する。吸引している間は、圧力は0.01mb
でほぼ一定である。所定の時間が経過すると、弁51が閉
じ、弁52が開く。そして、すでに十分冷却されて待機し
ているポンプ42が吸引を開始する。一方、吸引が完了し
たポンプ41はヒータ63で加熱され、同時に弁53が開かれ
る。ヒータ63は、ポンプ41内の圧力が1mbとなるように
加熱制御される。ポンフ41から放出されるヘリウムガス
は、第２段のポンプ43で吸引される。このようにして、
二つの系統のポンプが交互に動作し、かつ、格段のポン
プが順番に動作して、上述の動作条件で連続的にヘリウ
ムガスの加圧がおこなわれる。2000mb（約２気圧）まで
の加圧は、吸着ポンプを多段にすることにより無理なく
おこなわれる。したがって、低温で動作する弁に苛酷な
条件を課さなくて済む。また、吸着熱による過度の熱負
荷の影響を、周囲の寒剤（ヘリウム）に直接及ぼさなく
て済む。
ま、弁51が開いていて、ポンプ41でヘリウムガスを吸引
していると仮定する。吸引している間は、圧力は0.01mb
でほぼ一定である。所定の時間が経過すると、弁51が閉
じ、弁52が開く。そして、すでに十分冷却されて待機し
ているポンプ42が吸引を開始する。一方、吸引が完了し
たポンプ41はヒータ63で加熱され、同時に弁53が開かれ
る。ヒータ63は、ポンプ41内の圧力が1mbとなるように
加熱制御される。ポンフ41から放出されるヘリウムガス
は、第２段のポンプ43で吸引される。このようにして、
二つの系統のポンプが交互に動作し、かつ、格段のポン
プが順番に動作して、上述の動作条件で連続的にヘリウ
ムガスの加圧がおこなわれる。2000mb（約２気圧）まで
の加圧は、吸着ポンプを多段にすることにより無理なく
おこなわれる。したがって、低温で動作する弁に苛酷な
条件を課さなくて済む。また、吸着熱による過度の熱負
荷の影響を、周囲の寒剤（ヘリウム）に直接及ぼさなく
て済む。
第３図は、分溜室14とヘリウムフィルム蒸発器15の詳
細な構成図である。分溜室14は、銅製容器72で作られて
いる。分溜室14の上部中央は上方に突き出していて、ヘ
リウムフィルム蒸発器15の一部を構成する。分溜室14の
上方には銅製保温台74があって、この保温台74の中央か
らは、垂下部75を介してフィルム蒸発パイプ76（外径5m
m、内径4mm）が下方に延びて保温台74と一体となってい
る。分溜室14と保温台74との間は、キュプロニッケル製
の断熱パイプ78で接続されている。保温台74の上部も同
様の断熱パイプ80に接続されている。保温台74には、熱
交換器32bと、金属膜抵抗で作られたヒータ73が熱接触
している。保温台74は、これらによる加熱作用と、内部
のヘリウムガスによる冷却作用とによって、約1.5Kの温
度に保たれている。
細な構成図である。分溜室14は、銅製容器72で作られて
いる。分溜室14の上部中央は上方に突き出していて、ヘ
リウムフィルム蒸発器15の一部を構成する。分溜室14の
上方には銅製保温台74があって、この保温台74の中央か
らは、垂下部75を介してフィルム蒸発パイプ76（外径5m
m、内径4mm）が下方に延びて保温台74と一体となってい
る。分溜室14と保温台74との間は、キュプロニッケル製
の断熱パイプ78で接続されている。保温台74の上部も同
様の断熱パイプ80に接続されている。保温台74には、熱
交換器32bと、金属膜抵抗で作られたヒータ73が熱接触
している。保温台74は、これらによる加熱作用と、内部
のヘリウムガスによる冷却作用とによって、約1.5Kの温
度に保たれている。
ジュール・トムソンインピーダンスZ1を通過したヘリ
ウムは、断熱パイプ80の壁面にある熱交換器32aで補助
的に冷却され、さらに、保温台74にある熱交換器32bに
よって冷却される。インピーダンスZ2は、実際は、熱交
換器32b自体で作り出している。インピーダンスZ2は、
キュプロニッケル製で、内径0.1mm、長さが2mである。
インピーダンスZ2を出たヘリウムは、上述のように、熱
交換器34とインピーダンスZ3を通過する。インピーダン
スZ3は、キュプロニッケル製で、内径0.1mm、長さが0.3
5mである。熱交換器32b、34の終端に配置されているイ
ンピーダンスZ2、Z3は、液化に必要な圧力を保持するた
めのものである。
ウムは、断熱パイプ80の壁面にある熱交換器32aで補助
的に冷却され、さらに、保温台74にある熱交換器32bに
よって冷却される。インピーダンスZ2は、実際は、熱交
換器32b自体で作り出している。インピーダンスZ2は、
キュプロニッケル製で、内径0.1mm、長さが2mである。
インピーダンスZ2を出たヘリウムは、上述のように、熱
交換器34とインピーダンスZ3を通過する。インピーダン
スZ3は、キュプロニッケル製で、内径0.1mm、長さが0.3
5mである。熱交換器32b、34の終端に配置されているイ
ンピーダンスZ2、Z3は、液化に必要な圧力を保持するた
めのものである。
混合室20からやってきた3He稀薄液は、パイプ35を通
って分溜室14に入る。分溜室14は0.25〜0.65Kの温度に
保たれていて、蒸気圧の高い3Heだけが蒸発して、3He稀
薄液36から3Heが選択的に分離される。3Heガスは、フィ
ルム蒸発パイプ76の内側を通って排出される。
って分溜室14に入る。分溜室14は0.25〜0.65Kの温度に
保たれていて、蒸気圧の高い3Heだけが蒸発して、3He稀
薄液36から3Heが選択的に分離される。3Heガスは、フィ
ルム蒸発パイプ76の内側を通って排出される。
3He稀薄液36内の液体4Heは、超流動状態のフィルム82
になって容器72の壁面を這い上がる。このフィルムは、
やがて断熱パイプ78の内面をつたって、保温台74の下面
や、垂下部75の外面に回り込む。しかし、保温台74は1.
5Kに保たれているのでフィルムは蒸発する。蒸発した4H
eは、狭いギャップ（0.2mm）を隔ててフィルム蒸発パイ
プ76と対向している低温の壁86、88に接触して凝縮す
る。このようにして、フィルムの動きが止められる。し
たがって、フィルム蒸発パイプ76の内部を通って排気さ
れるガスは、ほぼ純粋な3Heとなる。
になって容器72の壁面を這い上がる。このフィルムは、
やがて断熱パイプ78の内面をつたって、保温台74の下面
や、垂下部75の外面に回り込む。しかし、保温台74は1.
5Kに保たれているのでフィルムは蒸発する。蒸発した4H
eは、狭いギャップ（0.2mm）を隔ててフィルム蒸発パイ
プ76と対向している低温の壁86、88に接触して凝縮す
る。このようにして、フィルムの動きが止められる。し
たがって、フィルム蒸発パイプ76の内部を通って排気さ
れるガスは、ほぼ純粋な3Heとなる。
希釈冷凍機のヘリウム循環量は、分溜室14の温度によ
って定まる。したがって、ヒータ73を制御することによ
って、ヘリウム循環量を調節することができる。分溜室
14の温度が高くなれば、パイプ80内の圧力が高くなる。
したがって、パイプ80に取り付けられている圧力計65で
パイプ内の圧力を測定することにより、分溜室14の温度
を、そして、ヘリウム循環量を知ることができる。実際
は、圧力計65の出力をヒータ63の制御に利用している。
って定まる。したがって、ヒータ73を制御することによ
って、ヘリウム循環量を調節することができる。分溜室
14の温度が高くなれば、パイプ80内の圧力が高くなる。
したがって、パイプ80に取り付けられている圧力計65で
パイプ内の圧力を測定することにより、分溜室14の温度
を、そして、ヘリウム循環量を知ることができる。実際
は、圧力計65の出力をヒータ63の制御に利用している。
以上のような希釈冷凍機により、0.01K以下までの極
低温を、室温での準備を含めて数時間で容易に作り出す
ことができ、また、急速に室温に戻すことができる。し
かも、長時間（数週間以上）の連続運転が可能である。
低温を、室温での準備を含めて数時間で容易に作り出す
ことができ、また、急速に室温に戻すことができる。し
かも、長時間（数週間以上）の連続運転が可能である。
これまで述べてきた実施例では、冷凍機システムを取
り囲む寒剤として、液体ヘリウム容器10内部の液体ヘリ
ウム11を利用しているが、別の冷却手段を利用しても良
い。たとえば、液体ヘリウムを入手しにくいところで
は、4.5K冷凍機を利用することができる。
り囲む寒剤として、液体ヘリウム容器10内部の液体ヘリ
ウム11を利用しているが、別の冷却手段を利用しても良
い。たとえば、液体ヘリウムを入手しにくいところで
は、4.5K冷凍機を利用することができる。
［発明の効果］ 以上説明したように、この発明は、多段吸着ポンプシ
ステムを利用して、分溜室からのヘリウムガスを加圧し
て循環させているので、連続運転が可能でありながら、
外付けポンプ（室温で動作する大形の気密ポンプ）を使
わなくて済む。したがって、次の利点がある。
ステムを利用して、分溜室からのヘリウムガスを加圧し
て循環させているので、連続運転が可能でありながら、
外付けポンプ（室温で動作する大形の気密ポンプ）を使
わなくて済む。したがって、次の利点がある。
（１）希釈冷凍機システム全体が非常に小型になる。
（２）運搬が容易になる。
（３）機械的ポンプを必要としないので、騒音や振動が
生じない。
生じない。
さらに、請求項２の発明では、分溜室の上部にヘリウ
ムフィルム蒸発器を設置して、この部分の熱交換器で、
ジュール・トムソン冷却装置から送られてくる3Heを等
温絞り効果で冷却しているので、分溜室内の熱交換器に
送るための3Heをより効果的に冷却することができる。
ムフィルム蒸発器を設置して、この部分の熱交換器で、
ジュール・トムソン冷却装置から送られてくる3Heを等
温絞り効果で冷却しているので、分溜室内の熱交換器に
送るための3Heをより効果的に冷却することができる。
第１図は、この発明の一実施例の全体構成図、 第２図は、多段吸着ポンプシステムの構成図、 第３図は、分溜室とヘリウムフィルム蒸発器の構成図で
ある。 14……分溜室 15……ヘリウムフィルム蒸発器 20……混合室 22……多段吸着ポンプシステム 30……4.2K熱交換器（予冷装置） 34……分溜室内の熱交換器 Z1……ジュール・トムソンインピーダンス
ある。 14……分溜室 15……ヘリウムフィルム蒸発器 20……混合室 22……多段吸着ポンプシステム 30……4.2K熱交換器（予冷装置） 34……分溜室内の熱交換器 Z1……ジュール・トムソンインピーダンス
Claims (2)
- 【請求項１】以下のものを有する3He−4He希釈冷凍機。 （ａ）液体状態の3He濃厚相と3He稀薄相とを含み、3He
濃厚相から3He稀薄相へ3Heが溶け込むことによって冷却
作用を得る混合室。 （ｂ）前記混合室から送られてくる3He稀薄液を溜め
て、3He稀薄液から3Heを選択的に気化する分溜室。 （ｃ）前記分溜室から送られてくる3Heガスを、複数の
吸着ポンプを交互に動作させて昇圧する多段吸着ポンプ
システム。 （ｄ）前記多段吸着ポンプシステムから送られてくる3H
eガスを予冷する予冷装置。 （ｅ）前記予冷装置から送られてくる3Heガスをジュー
ル・トムソン効果によって冷却するジュール・トムソン
冷却装置。 （ｆ）前記ジュール・トムソン冷却装置から送られてく
る3Heを、前記分溜室内の3He稀薄液と熱交換させて完全
に液化し、これを前記混合室の3He濃厚相に送る熱交換
器。 - 【請求項２】前記分溜室の上部にヘリウムフィルム蒸発
器を設置して、これにより、分溜室の壁面を這い上がっ
てくる超流動状態の4Heフィルムを蒸発させるととも
に、前記ジュール・トムソン冷却装置から送られてくる
3Heを熱交換によって冷却して前記熱交換器に送ること
を特徴とする請求項１記載の3He−4He希釈冷凍機
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29016288A JP2673898B2 (ja) | 1988-11-18 | 1988-11-18 | ▲上３▼Ｈｅ−▲上４▼Ｈｅ希釈冷凍機 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29016288A JP2673898B2 (ja) | 1988-11-18 | 1988-11-18 | ▲上３▼Ｈｅ−▲上４▼Ｈｅ希釈冷凍機 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02136654A JPH02136654A (ja) | 1990-05-25 |
| JP2673898B2 true JP2673898B2 (ja) | 1997-11-05 |
Family
ID=17752563
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP29016288A Expired - Lifetime JP2673898B2 (ja) | 1988-11-18 | 1988-11-18 | ▲上３▼Ｈｅ−▲上４▼Ｈｅ希釈冷凍機 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2673898B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4824530B2 (ja) * | 2006-11-24 | 2011-11-30 | 大陽日酸株式会社 | 希釈冷凍機 |
| CN112146311B (zh) * | 2020-10-23 | 2023-04-21 | 段娜 | 一种反向刀口管式氦-4超流抑制器 |
-
1988
- 1988-11-18 JP JP29016288A patent/JP2673898B2/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 低温工学協会編「低温工学ハンドブック」内田老鶴圃新社（昭５７−９−１５）Ｐ．３９０〜Ｐ．３９９ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH02136654A (ja) | 1990-05-25 |
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