JP2773793B2 - 極低温冷凍機 - Google Patents

極低温冷凍機

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、極低温冷凍機に関し、
特に温度安定性の高い極低温冷凍機に関する。赤外セン
サ、SQUID素子または超電導磁石等の冷却におい
て、冷却温度の変動幅が0.1K以下の安定性が求めら
れる。
【0002】
【従来の技術】従来、極低温において、極めて安定な冷
却温度を必要とする場合には、液体ヘリウムを使用する
かまたは冷凍機の冷却部に熱浴(寒冷浴)としてCu、
Alなどの大きな固体材料ブロックを密着させて、温度
の変動振幅を吸収する方法が採られていた。
【0003】しかし、液体ヘリウムを使用する方法で
は、液体の注入、蒸発または再凝縮等の制御のためのシ
ステム構成や運転操作が複雑になり、コストも高いとい
う欠点がある。
【0004】また、Cu、Al等の固体材料ブロックを
冷却部に密着させる方法は、以下のような欠点がある。
図8は、Cu、Al、及びHeの温度に対する比熱の変
化を示す。横軸は絶対温度を、縦軸は比熱を単位J/c
3 ・Kで表す。点線b1、b2はそれぞれCu、Al
の比熱の変化を示す。図に示すように、Cu、Alの比
熱は、温度の低下とともに単調に減少し、温度4K付近
では室温におけるときと比較して1/1000以下に減
少する。このため、熱浴として使用するためには極めて
大きな体積のCuまたはAlを必要とする。
【0005】従って、装置全体の構成も大きくなり、か
つ室温からの予冷にも余分なエネルギと時間が必要とな
る。さらに、体積が大きくなると、その支持が困難にな
り、かつ冷却部と被冷却部との熱伝導も悪くなり、冷却
部と被冷却部の温度差が大きくなるという問題がある。
【0006】上記問題点を解決して冷凍機の冷却部の温
度変化を抑制する方法として、Heガスの熱容量を利用
する方法が実開昭62−115060及び特開平3−1
053に開示されている。
【0007】図8に示す曲線a1、a2、a3、a4、
a5、a6はそれぞれ圧力が1気圧、2気圧、3気圧、
5気圧、10気圧、20気圧のときのHeの比熱の温度
に対する変化を示す。室温から温度を低下させるとHe
の比熱は徐々に増加し、圧力によって若干の相違はある
が、4K〜10K近傍で極大値を示す。それ以下に温度
を低下すると、比熱は緩やかに減少する。
【0008】例えば、温度4KにおけるHeの比熱は約
0.4J/cm3 ・Kであり、室温におけるCu、Al
等の比熱よりも一桁小さい程度である。従って、4K付
近における熱浴用材料としては、Cu、Al等の固体材
料よりもHeの方が適している。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】上記の実開昭62−1
15060に開示されている方法は、冷却部に密着して
設けたHeポットに高圧のHeガスを密閉する方法であ
る。温度の変動を十分に吸収するためには、温度10K
以下において数気圧程度のガス圧が必要である。従っ
て、このHeポットを密閉状態のまま室温に戻すと、ポ
ット内のガスは百気圧を越える圧力になる。このため、
冷凍機の運転を停止したときに超高圧のHeガスを装置
内に保存することになり安全性に問題がある。
【0010】特開平3−1053に開示されている方法
は、Heポットが密閉状態ではなく、冷却時にHeポッ
トへHeガスを導入する。従って、冷凍機の運転停止時
にHeガスを放出または回収するので高圧のまま保存す
る必要はない。HeポットへのHeガスの導入方法につ
いては記載されていないが、一般的にはHeガスボンベ
等から減圧弁を通じて導入されるものと考えられる。こ
の場合、弁の開閉等の操作が必要になる。
【0011】本発明の目的は、冷却部の温度変化の振幅
が小さく、かつ操作方法が簡単で安全性に優れた極低温
冷凍機を提供することである。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明の極低温冷凍機
は、圧縮ヘリウムガスを生成する圧縮手段と、ヘリウム
ガスを膨張させて寒冷を発生させる膨張室と、前記膨張
室に圧縮されたヘリウムガスを供給するためのガス供給
手段と、前記膨張室からヘリウムガスを排出するための
ガス排出手段と、被冷却物を取り付ける冷却部に設けら
れた、内部にヘリウムガスまたはヘリウムガスと液体ヘ
リウムを収納する蓄冷手段と、前記ガス供給手段または
前記ガス排出手段と前記蓄冷手段とを接続するヘリウム
ガス導入排出手段と、前記ヘリウムガス導入排出手段の
途中に設けられた減圧弁とを含む。
【0013】さらに、前記蓄冷手段に収容されたヘリウ
ムガスの温度を測定するための温度測定手段と、前記温
度測定手段の測定結果が入力され、所定の温度に保持さ
れるように前記減圧弁を制御するための制御手段とを含
んでもよい。さらに、前記蓄冷手段に収容された液体ヘ
リウムの液面の高さを測定するための液面位測定手段を
設け、前記液面位測定手段の測定結果を前記制御手段に
入力し、液面が所定の高さに保持されるようにしてもよ
い。
【0014】本発明のさらに他の極低温冷凍機は、真空
容器内に配置された膨張室内のヘリウムガスを膨張させ
て寒冷を発生させる極低温冷凍機において、膨張室に圧
縮されたヘリウムガスを供給するためのガス供給手段
と、前記膨張室からヘリウムガスを排出するためのガス
排出手段と、被冷却物を取り付ける冷却部に設けられ
た、内部にヘリウムガスまたはヘリウムガスと液体ヘリ
ウムを収納する蓄冷手段と、前記真空容器内に配置され
た、前記蓄冷手段の容積の少なくとも10倍以上の容積
を持ち、内部にヘリウムガスを収容するヘリウムガス収
容手段と、前記ヘリウムガス収容手段と前記蓄冷手段と
を接続するヘリウムガス導入排出手段とを含む。
【0015】
【作用】被冷却物を取り付ける冷却部にヘリウムガスま
たは液体ヘリウムを収容した蓄冷手段を設けることによ
り、冷却部の温度変動を抑制することができる。
【0016】冷凍機の膨張室にヘリウムを供給し、また
は膨張室からヘリウムを排出するためのガス供給または
排出手段と蓄冷手段とを接続することにより、装置外部
にガス供給源を準備する必要がない。また、冷凍機停止
時には、蓄冷手段からヘリウムガスが排出されるため、
蓄冷手段内が高圧になることを防止できる。
【0017】蓄冷手段にヘリウムガスを導入する配管に
減圧弁を設け、蓄冷手段内の温度、または液体ヘリウム
の液面の高さが一定になるように減圧弁を調整すること
により、蓄冷手段内のヘリウムの一部を安定性よく液化
することができる。液化することにより、液化潜熱も使
用されるため、冷却部の温度変化をさらに抑制すること
ができる。
【0018】また、蓄冷手段の容積の少なくとも十倍以
上の容積を持つヘリウムガス収容手段を蓄冷手段に接続
することにより、冷凍機を停止したときに、蓄冷手段内
のヘリウムガスをヘリウムガス収容手段に移動させるこ
とができる。ヘリウムガス収容手段の容積は蓄冷手段の
十倍以上であるため、蓄冷手段及びヘリウムガス収容手
段内のガス圧が高圧になることを抑制できる。
【0019】
【実施例】図1〜図4を参照して、本発明をギフォード
マクマホンサイクルを利用した冷凍機(GM冷凍機)に
適用した第1の実施例について説明する。
【0020】図1は、第1の実施例によるGM冷凍機の
概略正面図である。なお、説明の都合上ハウジング部に
ついては、一部断面を示している。圧縮機20と冷凍機
1が高圧側配管2及び低圧側配管3で接続されている。
圧縮機20は、低圧側配管3を介して冷凍機1からHe
ガスを排気し、圧縮して、高圧側配管2を介して冷凍機
1へHeガスを供給する。
【0021】冷凍機1の真空容器10内には、第1段蓄
冷部11及び第2段蓄冷部12が直列に接続されて配置
されている。第2段蓄冷部12の先端には冷却ステージ
13が設けられている。冷却ステージ13には、Heポ
ット15が密着して設けられている。
【0022】被冷却物16は、Heポット15に密着し
て保持され、冷却される。高圧側配管2及び低圧側配管
3は、バルブ7とハウジング6中に形成されたガス流路
4とを介して第1段冷却部11に接続される。バルブ7
は、シャフト9によりモータ部8に接続されておりシリ
ンダの往復運動に同期して第1段冷却部11と高圧側配
管2若しくは低圧側配管3との接続切替えが行われる。
【0023】ハウジング6内には、常時、高圧側配管2
に接続されるガス流路5が形成されている。ガス流路5
は、Heガス導入用細管17及び第1段蓄冷部11と熱
交換を行うためのサーマルアンカ14を介してHeポッ
ト15に接続されている。このようにして、高圧側配管
2内のガス圧のHeガスが、サーマルアンカ14によっ
て第1段蓄冷部11の温度まで冷却され、Heポット1
5に供給される。Heガス導入用細管17は、ステンレ
ス等の熱伝導率の悪い材料で構成される。
【0024】Heポット15は、銅等の熱伝導のよい材
料で構成される。内容積は用途に応じて数cm3 〜数百
cm3 とする。図2(A)に示すように、Heポット内
のガスと、冷却ステージとの熱交換の促進を図るため
に、Heポットの内部にフィン18を設けてもよい。ま
た、フィンの代わりに溝を形成してもよい。
【0025】図2(B)に示すように、Heポット15
と冷却ステージ13とを一体化構造にしてもよい。一体
化構造にすることにより、冷却ステージ13とHeポッ
ト15との間で熱交換が促進される。一体化構造とせず
Heポットと冷却ステージとを接着剤で接着する場合に
は、熱伝導率の大きい接着剤で取り付けることが好まし
い。
【0026】図3は、第1の実施例による極低温冷凍機
の冷却ステージ13の温度変化を示す。横軸は時間を単
位秒で表し、縦軸は絶対温度を表す。曲線p1はHeポ
ットを使用した場合の温度変化、曲線q1はHeポット
を使用しない場合の温度変化を示す。Heポットを使用
しない場合には、温度変化の振幅は約0.47Kである
のに対し、Heポットを使用した場合の温度変化の振幅
は約0.03Kである。
【0027】図4は、第1の実施例による極低温冷凍機
の冷却ステージ13の温度変化の振幅を示す。横軸は冷
却ステージの絶対温度を表し、縦軸は冷却ステージの温
度変化の振幅を単位Kで表す。曲線p2はHeポットを
使用した場合、曲線q2はHeポットを使用しない場合
の温度変化の振幅を示す。
【0028】Heポットを使用しない場合の温度変化の
振幅は、冷却ステージの温度が2K〜16Kの範囲で
0.2K以上であり、冷却ステージの温度が約10Kの
とき極大値約1Kとなる。Heポットを使用した場合の
温度変化の振幅は、冷却ステージの温度が2K〜16K
の範囲で0.15K以下であり、特に冷却ステージの温
度が4K近傍では0.1K以下であり、振幅の変化が殆
どみられない。
【0029】このように、Heポットを使用することに
より、冷却ステージの温度変化を抑制することができ
る。第1の実施例による極低温冷凍機は、従来の極低温
冷凍機にHeガス導入用細管17とHeポット15を追
加しただけの簡単な構成であり、低コストで実現でき
る。さらに、調整弁等の操作を必要とする部分がないた
め、従来の極低温冷凍機と同様の操作で運転することが
できる。
【0030】極低温冷凍機を停止すると、冷却ステージ
13が徐々に室温に戻る際に、Heポット15から高圧
側配管2にガスが戻される。このため、Heポットに数
百気圧といった高い圧力が印加されることがなく、特別
な圧力管理の必要もない。
【0031】Heポット15内の容積は、圧縮機20の
ガス容積の数百ないし数千分の一しかない。そのため、
Heポットが冷却されて内部のガス圧が低下し、圧縮機
内のガスがHeポット内に導入されて、Heポット内の
ガス量が数十倍に増加したとしても圧縮機や冷凍機に対
する影響はほとんどない。
【0032】図5は、本発明の第2の実施例による極低
温冷凍機を示す。Heガス導入用細管17は、ハウジン
グ6に形成されたガス流路5aを介して第1段蓄冷部1
1からガスを排気するための低圧側ガス流路26に接続
されている。低圧側ガス流路26は、フランジ19に設
けられたガス流路を介して低圧側配管3に接続されてい
る。その他の構成は、図1の第1の実施例と同様であ
る。このように、第1の実施例では、Heガス導入用細
管17は高圧側配管2に接続されていたが、第2の実施
例では低圧側配管3に接続されている。
【0033】図8に示すように、温度4K近傍でのHe
の比熱は、圧力依存性が少ないため、第2の実施例に示
すように低圧側配管からHeポットにガスを導入しても
第1の実施例と同様の効果が期待できる。
【0034】図6は、本発明の第3の実施例を示す。真
空容器10内の高温側に高温バッファ21が設けられて
いる。高温バッファ21とHeポット15はHeガス導
入用細管17及びサーマルアンカ14を介して接続さ
れ、気密空間とされている。その他の構成は、図1の第
1の実施例と同様である。
【0035】Heポット15が冷却されると、内部のガ
ス圧が低下し高温バッファ21からHeガスが導入され
る。極低温冷凍機が停止しHeポット15が室温に戻さ
れると、Heポット15内のHeガスは高温バッファ2
1に戻される。高温バッファ21の容積がHeポット1
5の容積の10倍以上、好ましくは数十倍であれば、冷
凍機停止時の保存圧力を十数気圧以下にすることが可能
である。従って、極低温冷凍機を停止した場合でも、H
eポットに高圧力が加わることがない。
【0036】図7は、本発明の第4の実施例を示す。H
eポット15には、高圧側配管2からバルブ24を介し
て分岐したHeガス導入用細管17及びサーマルアンカ
14を介してHeガスが導入される。Heポット15に
は、温度計22が設置されており、測定結果が制御装置
23に入力される。制御装置23は、Heポット15内
の温度が所定の温度になるようにバルブ24を制御す
る。
【0037】その他の構成は、図1の第1の実施例と同
様である。Heポット15の容積は一定であるため、内
部のHeガスの温度を測定すれば圧力を求めることがで
きる。従って、バルブ24を調整することにより、He
ポット15内の圧力を所定値に保つことができる。
【0038】Heは、2.26気圧以上になると、超臨
界になり温度を下げても液化しなくなる。バルブ24を
調整してHeポット15内の圧力が2.26気圧以下に
なるように制御することにより、Heポット15内のH
eを液化させることができる。Heポット15内のHe
の一部が液化すれば、液化潜熱も使用され、熱量の変化
は温度変化として現れないため、さらに温度の安定性を
高めることができる。
【0039】さらに、Heポット15内のHeの液化量
を測定するための液面位計25を設置してもよい。液面
位計は、例えば液体He温度で超伝導状態になる金属を
使用した超伝導線をHeポット15内に垂直に配置して
構成できる。液体Heに浸漬した部分は超伝導状態にな
るため電気抵抗は0になり、液面から上部の部分は常伝
導状態の電気抵抗を示す。従って、その電気抵抗を測定
することにより液面の高さを求めることができる。
【0040】液面位計25の出力は制御装置23に入力
される。制御装置23は、Heポット15内の温度、及
び液面の高さが所定値になるようにバルブ24を制御す
る。Heポット15内のHeの液化が始まると、その後
温度は殆ど変化しなくなり、温度を基準とした制御が困
難になる。しかし、上記のように、Heポット15内の
Heの液化量が一定になるように制御することにより、
安定してHeポット15内の温度を制御することができ
る。
【0041】上記実施例では、GM冷凍機に適用する場
合について説明したが、動作ガスとしてヘリウムを使用
する冷凍機であればその他の冷凍機にも適用可能であ
る。例えば、スターリング冷凍機等にも適用可能であ
る。
【0042】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種
々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に
自明であろう。
【0043】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
装置構成及び運転操作を複雑にすることなく、極低温冷
凍機の温度変動を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例による極低温冷凍機の一
部断面を含む正面図である。
【図2】本発明の第1の実施例による極低温冷凍機のヘ
リウムポットの断面図である。
【図3】本発明の第1の実施例による極低温冷凍機を使
用した場合の冷却部の温度変化を示すグラフである。
【図4】本発明の第1の実施例による極低温冷凍機を使
用した場合の冷却部の温度に対する温度変化の振幅を示
すグラフである。
【図5】本発明の第2の実施例による極低温冷凍機の一
部断面を含む正面図である。
【図6】本発明の第3の実施例による極低温冷凍機の正
面図である。
【図7】本発明の第4の実施例による極低温冷凍機の正
面図である。
【図8】Cu、Al、Heの温度に対する比熱の変化を
示すグラフである。
【符号の説明】
1 冷凍機 2 高圧側配管 3 低圧側配管 4、5、5a ガス流路 6 ハウジング 7 バルブ 8 モータ部 9 シャフト 10 真空容器 11 第1段蓄冷部 12 第2段蓄冷部 13 冷却シテージ 14 サーマルアンカ 15 Heポット 16 被冷却物 17 Heガス導入用細管 18 フィン 19 フランジ 20 圧縮機 21 高温バッファ 22 温度計 23 制御装置 24 減圧弁 25 液面位計 26 低圧側ガス流路
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) F25B 9/00 F25B 9/14 530

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 圧縮ヘリウムガスを生成する圧縮手段
    と、 ヘリウムガスを膨張させて寒冷を発生させる膨張室と、 前記膨張室に圧縮されたヘリウムガスを供給するための
    ガス供給手段(2)と、 前記膨張室からヘリウムガスを排出するためのガス排出
    手段(3)と、 被冷却物を取り付ける冷却部に設けられた、内部にヘリ
    ウムガスまたはヘリウムガスと液体ヘリウムを収納する
    蓄冷手段(15)と、 前記ガス供給手段または前記ガス排出手段と前記蓄冷手
    段とを接続するヘリウムガス導入排出手段(5、17)
    と、 前記ヘリウムガス導入排出手段の途中に設けらた減圧弁
    (24)とを含む極低温冷凍機。
  2. 【請求項2】 さらに、前記蓄冷手段に収容されたヘリ
    ウムガスの温度を測定するための温度測定手段(22)
    と、 前記温度測定手段の測定結果が入力され、所定の温度に
    保持されるように前記減圧弁を制御するための制御手段
    (23)とを含む請求項1記載の極低温冷凍機。
  3. 【請求項3】 さらに、前記蓄冷手段に収容された液体
    ヘリウムの液面の高さを測定するための液面位測定手段
    (25)が設けられており、 前記制御手段には、さらに、前記液面位測定手段の測定
    結果が入力され、液面が所定の高さに保持されるように
    前記減圧弁を制御する請求項2記載の極低温冷凍機。
  4. 【請求項4】 真空容器(10)内に配置された膨張室
    内のヘリウムガスを膨張させて寒冷を発生させる極低温
    冷凍機において、 膨張室に圧縮されたヘリウムガスを供給するためのガス
    供給手段と、 前記膨張室からヘリウムガスを排出するためのガス排出
    手段と、 被冷却物を取り付ける冷却部に設けられた、内部にヘリ
    ウムガスまたはヘリウムガスと液体ヘリウムを収納する
    蓄冷手段と、 前記真空容器内に配置された、前記蓄冷手段の容積の少
    なくとも10倍以上の容積を持ち、内部にヘリウムガス
    を収容するヘリウムガス収容手段(21)と、 前記ヘリウムガス収容手段と前記蓄冷手段とを接続する
    ヘリウムガス導入排出手段とを含む極低温冷凍機。
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