JP3524460B2 - 冷凍機の冷却シリンダとクライオスタットの真空隔壁構造 - Google Patents

冷凍機の冷却シリンダとクライオスタットの真空隔壁構造

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JP3524460B2 JP2000040353A JP2000040353A JP3524460B2 JP 3524460 B2 JP3524460 B2 JP 3524460B2 JP 2000040353 A JP2000040353 A JP 2000040353A JP 2000040353 A JP2000040353 A JP 2000040353A JP 3524460 B2 JP3524460 B2 JP 3524460B2
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Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】本発明は、冷凍機冷却型クラ
イオスタットにおける冷凍機と真空容器の取付け構造に
関する。 【0002】 【従来の技術】クライオスタット(極低温真空容器)の
冷却手段として近年液体ヘリウムに代わって図3に示す
GM冷凍機Rが使用されている。GM冷凍機の構造は大
別してモータ駆動部Mと、複数段の冷却シリンダC1、
C2と蓄熱体を内蔵し前記シリンダC1、C2内を往復動
するディスプレーサD1、D2から構成されており、第1
段冷却シリンダC1の下端部に第1段コールドヘッドH
1、第2段冷却シリンダC2の下端部に第2段コールドヘ
ッドH2がそれぞれ形成されている。 【0003】上記2段のコールドヘッドを有するGM冷
凍機にあっては、第1段コールドヘッドで70〜40K
に、第2段コールドヘッドで20〜4Kまで極低温にす
ることが可能であり、各段のコールドヘッドにより被冷
却物が所定温度まで冷却される。 【0004】上記GM冷凍機を超電導マグネット或いは
一般のクライオスタット等の冷却に長時間(稼働約1万
時間)使用する場合は必ずGM冷凍機のメンテナンスが
必要である。通常のメンテナンスでは、常に運動してい
る部分の部品交換と点検である。この作業を行なう場合
はモータの駆動部Mとそれに連結されているディスプレ
ーサD1、D2を冷却シリンダC1、C2から引抜き取り外
すことが必要である。 【0005】しかし、低温に冷却されているディスプレ
ーサを大気中でシリンダから引き抜くと、瞬時にディス
プレーサとシリンダ内面に水分が付着し氷が表面を覆
い、メンテナンス作業が不可能となる。そこで、装置を
停止して装置全体を常温に戻してから作業を行なわねば
ならなかった。装置が常温に戻るまでの必要時間は、被
冷却物の熱容量によって左右されるが、早いもので1
日、長いもので6日程度かかり、その間装置は停止した
ままで遊休状態である。 【0006】冷凍機のメンテナンスに要する時間は1台
当り3時間程度であるので、生産設備等に組込まれて稼
働しているGM冷凍機のメンテナンスの場合、長時間生
産ラインを停止させることはできないので、メンテナン
スの必要のあるGM冷凍機は部品交換作業を行なうよう
なことはしないで、シリンダを含むGM冷凍機一式をメ
ンテナンス済みのものとそっくり交換することが考えら
れ、図4に示す構造のものが考えられた。 【0007】即ち、真空容器1の天板1’に、真空容器
内の真空領域と隔絶するための上方に開口部を有する真
空隔壁筒体2を設置し、該真空隔壁筒体2の上方開口部
からGM冷凍機Rの冷却シリンダを挿入し、冷凍機の冷
却シリンダを真空容器内の真空領域と隔絶した状態でG
M冷凍機を設置するようにしたものである。 【0008】上記真空隔壁筒体2の構造は、上方に開口
部を有し下端に第1冷却フランジF1を設けている第1
スリーブ2aと、前記第1冷却フランジF1に上端が接
続され下端部に第2冷却フランジF2が取付けられてい
る第2スリーブ2bと、前記第1冷却フランジF1の上
面にバネSを介して第1スリーブ2a内で伸縮可能に取
付けられている冷却フランジF1’から構成されてお
り、第1スリーブ2a開口部周縁には真空容器天板1’
に気密にボルト付けするためのフランジF3が溶接され
ている。 【0009】なお、図4において冷凍機の第1段コール
ドヘッドH1と冷却フランジF1’の接触面および、冷凍
機の第2段コールドヘッドH2と第2冷却フランジF2の
接触面に、これらの接触面の熱接触を高めるため、それ
ぞれ約0.5〜1mm程度のインジウムシート3a、3b
が挿入されている。 【0010】真空隔壁筒体2に冷凍機を挿入設置し冷却
を開始すると、冷凍機の第1段冷却シリンダC1が第1
スリーブ2aよりも早く低温になり、両者間に熱収縮差
(約0.5〜0.6mm)が生じ冷却シリンダが短くな
り、第1段コールドヘッドH1のインジウム界面への押
し付け圧力が低下し、遂には第1段コールドヘッドH1
とインジュウム3aとの接触面が離間するという事態が
生じ、一旦そのような事態が生じると、もはや第1スリ
ーブ2aは冷却されなくなる。 【0011】そこで、かかる事態を避けるために、前記
従来のものは第1冷却フランジF1の上面にバネSを介
して冷却フランジF1’を取付けることにより第1段コ
ールドヘッドH1のインジウム3a界面への押し付け力
が常時掛かるように配慮している。また、第2段コール
ドヘッドH2のインジウム3b界面への押し付け力は冷
凍機モータ駆動部側の取付けネジ4の調整により行なっ
ている。 【0012】上記従来のものは第1段コールドヘッドH
1のインジウム3a界面への押し付け力の調整と第2段
コールドヘッドH2のインジウム3b界面への押し付け
力の調整はバネSの弾性および取付けネジ4の両者の調
整で行なうために、調整が複雑で面倒であり、その上、
第1冷却フランジF1と冷却フランジF1’間にバネ部材
Sが介在されているため、第1段コールドヘッドH1と
第1冷却フランジF1間の伝熱性能が阻害されるという
問題点があった。 【0013】 【発明が解決しようとする課題】本発明は上記従来の第
1段コールドヘッドH1と第1冷却フランジF1間の伝熱
性能を劣化させることがなく、簡単な構造でしかも第1
段コールドヘッドH1のインジウム3a界面への押し付
け力の調整と、第2段コールドヘッドH2のインジウム
3b界面への押し付け力の調整が簡単容易にできる真空
隔壁筒体を提供することを目的とするものである。 【00014】 【課題を解決するための手段】冷凍機をクライオスタッ
ト内に真空領域と離隔して設置するための真空隔壁筒体
であって、該真空隔壁筒体2は上端部に冷凍機の冷却シ
リンダを挿入するための開口部と取付けフランジF3と
を有し、下端部に環状の第1冷却フランジF1を有する
第1スリーブ2aと、該第1スリーブ2aの前記第1冷
却フランジF1か ら垂下され、下端部に第2冷却フラン
ジF2を、途中にオーステナイト系ステンレス鋼製の環
状部材ないしは中空フランジ状部材からなるバネ機能を
有する筒体5をそれぞれ設けた第2スリーブ2bとから
構成されており、冷凍機の冷却シリンダを前記真空隔壁
筒体2に挿入した際、冷凍機の第1段コールドヘッドH
1の下端面が第1冷却フランジF1の上面にインジウムシ
ート3aを介して当接されており、また、冷凍機の第2
段コールドヘッドH2の下端面が第2冷却フランジ F2
の上面にインジウムシート3bを介して当接されている
ことを特徴とする。 【0015】 【発明の実施の形態】図1は本発明にかかる真空隔壁筒
体2をクライオスタット1に装着している状態を示す説
明図、図2は本発明にかかる真空隔壁筒体に冷凍機の冷
却シリンダを装着した状態の説明図である。なお、本発
明にかかる真空隔壁筒体の構造において前述の図4に示
す従来構造と同一部品には同一符号を付して説明する。 【0016】本発明にかかる真空隔壁筒体2は上端部に
開口部と取付けフランジF3とを有し、下端部に環状の
第1冷却フランジF1を有する第1スリーブ2aの前記
第1冷却フランジF1から垂下した第2スリーブ2bの
途中にバネ機能を有する筒体5を溶接し、第2スリーブ
2bの下端部に第2冷却フランジF2を設けた構造から
なっている。 【0017】上記のバネ機能を有する筒体としては、コ
ールドヘッドH2への熱侵入を極力抑制する必要がある
ため、熱伝導度が小さくて弾性のある材料例えばSUS
304(オーステナイト系ステンレス鋼)を使用した環
状部材ないしは中空フランジ状部材、その他、バネ定数
の大きいベローズ等が採用される。 【0018】上記本発明の真空隔壁筒体2は、上端部取
付けフランジF3でクライオスタット1の天板1’に気
密にボルト付けされており、第1冷却フランジF1に熱
シールド板6の天板部6’が、また、第2冷却フランジ
F2に超電導マグネット等の被冷却材がそれぞれ冷却さ
れるように伝熱的に接触している。 【0019】GM冷凍機Rを真空隔壁筒体2内にその上
端開口部から挿入し、冷凍機の第1段コールドヘッドH
1の下端面が第1冷却フランジF1の上面にインジウムシ
ート3aを介して当接するように、また、冷凍機の第2
段コールドヘッドH2の下端面が第2冷却フランジF2の
上面にインジウムシート3bを介して当接するように冷
凍機の駆動部Mの取付けボルト4を調節することにより
真空隔壁筒体2に設置される。 【0020】冷凍機の運転を開始し、各段のコールドヘ
ッドが冷却されて収縮しても第1段コールドヘッドH1
は取付けボルト4の締め付け力により押圧されているた
めインジウムシート3aから離間することがなく、ま
た、第2段コールドヘッドH2は収縮してもバネ機能を
有する筒体5の作用で第2冷却フランジF2が常時上方
へ押圧力を受けているため、インジウムシート3bから
離間することがないのでクライオスタットが効率よく冷
却される。なお、本実施例では冷凍機としてGM冷凍機
を例にとって説明したが、GM冷凍機に限定されること
なくスターリング、パルス式冷凍機に対しても適用され
ることは云うまでもない。 【0021】 【発明の効果】本発明では真空隔壁筒体の下段側の第2
スリーブの途中にバネ機能を有する筒体5を設置させた
ことにより、上記従来の第1段コールドヘッドH1と第
1冷却フランジF1間の伝熱性能を劣化させることがな
く、簡単な構造としたために製造コストを低減できると
ともに、しかも第1段コールドヘッドH1のインジウム
3a界面への押し付け力の調整と、第2段コールドヘッ
ドH2のインジウム3b界面への押し付け力の調整が簡
単容易にできる。
【図面の簡単な説明】 【図1】本発明にかかる真空隔壁筒体を装着したクライ
オスタットの全体説明図。 【図2】本発明にかかる真空隔壁筒体にGM冷凍機を装
着した状態を示す説明図。 【図3】2段冷却型GM冷凍機の概略説明図。 【図4】従来型の真空隔壁筒体を装着したクライオスタ
ットの全体説明図。 【符号の説明】 1 クライオスタット C1 第1
段冷却シリンダ 1’ クライオスタット天板 C2 第2
段冷却シリンダ 2 真空隔壁筒体 D1 第1
段ディスプレーサ 2a 第1スリーブ D2 第2
段ディスプレーサ 2b 第2スリーブ F1 第1
冷却フランジ 3a、3b インジウムシート F2 第2
冷却フランジ 4 取付けボルト F3 取付
けフランジ 5 弾性機能を有する筒体 H1 第1
段コールドヘッド 6 熱シールド板 H2 第2
段コールドヘッド R GM冷凍機 S バネ
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 39/04 ZAA F25B 9/00 H01F 6/04 ZAA

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】冷凍機をクライオスタット内に真空領域と
    離隔して設置するための真空隔壁筒体であって、該真空
    隔壁筒体(2)は上端部に冷凍機の冷却シリンダを挿入
    するための開口部と取付けフランジ(F3)とを有し、
    下端部に環状の第1冷却フラ ンジ(F1)を有する第1
    スリーブ(2a)と、該第1スリーブ(2a)の前記
    第1冷却フランジ(F1)から垂下され、下端部に第2
    冷却フランジ(F2)を、途中にオーステナイト系ステ
    ンレス鋼製の環状部材ないしは中空フランジ状部材から
    なるバネ機能を有する筒体(5)をそれぞれ設けた第2
    スリーブ(2b)とから構成されており、冷凍機の冷却
    シリンダを前記真空隔壁筒体(2)に挿入した際、冷凍
    機の第1段コールドヘッド(H 1 )の下端面が第1冷却
    フランジ(F 1 )の上面にインジウムシート(3a)を
    介して当接されており、また、冷凍機の第2段コールド
    ヘッド(H 2 )の下端面が第2冷却フランジ(F 2 )の上
    面にインジウムシート(3b)を介して当接されている
    ことを特徴とする冷凍機の冷却シリンダとクライオスタ
    ットの真空隔壁構造。
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