JP3809582B2 - 希釈冷凍機 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明が属する技術分野】
この発明は、液体ヘリウム（３Ｈｅ，４Ｈｅ）を用いて１０−２Ｋレベルの超低温を連続的に得るための希釈冷凍機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
極低温技術に携わる者には良く知られているように、３Ｈｅ液相と４Ｈｅ液相の混合液は、０．８Ｋ（８００ｍＫ）以下の極低温において、相対的に３Ｈｅが少ない３Ｈｅ希薄相と、相対的に３Ｈｅを多く含む３Ｈｅ濃厚相とに分離する。ここで、３Ｈｅ希薄相と３Ｈｅ濃厚相のそれぞれにおける３Ｈｅの含有率は、温度によって決定されるが、０．１Ｋ以下の温度では、３Ｈｅを６．４％含み残部が４Ｈｅからなる３Ｈｅ希薄相と、１００％の３Ｈｅからなる３Ｈｅ濃厚相とに分離された状態となる。またここで、３Ｈｅ液相よりも４Ｈｅ液相の方が密度が大きいため、上述のように３Ｈｅ−４Ｈｅ混合液が３Ｈｅ希薄相と３Ｈｅ濃厚相とに２相分離した状態では、密度の大きい３Ｈｅ希薄相が下側に、密度の小さい３Ｈｅ濃厚相が上側に位置することになる。したがって例えば０．１Ｋ程度以下の極低温の室内（従来の一般的な希釈冷凍機における混合室内）では、６．４％３Ｈｅ−残部４Ｈｅの３Ｈｅ希薄相が下部に、１００％３Ｈｅからなる３Ｈｅ濃厚相が上部に位置するように２相分離した平衡状態となる。そしてこのような平衡状態にある混合室内において、なんらかの手段により３Ｈｅ希薄相から３Ｈｅ分子を抜き去って、３Ｈｅ希薄相における３Ｈｅ濃度を低下させれば、両相は平衡状態に戻ろうとするため、３Ｈｅ濃厚相中の３Ｈｅが３Ｈｅ希薄相中へ溶け込む（３Ｈｅが４Ｈｅに希釈される）ことになる。
【０００３】
ここで、同一温度での各相中の３Ｈｅ分子のエントロピーを比較すれば、濃厚相中の３Ｈｅ分子のエントロピーは希薄相中の３Ｈｅ分子のエントロピーより小さいため、断熱状態であれば前述のように２相分離した混合室内において３Ｈｅが濃厚相中から希薄相中へ希釈されることにより吸熱が生じることになる。このような吸熱を利用した冷凍機が希釈冷凍機と称されるものであり、１０−２Ｋレベルの超低温を得ることが可能となる。
【０００４】
希釈冷凍機の原理的な構成については、非特許文献１、非特許文献２などにおいて説明されているが、その原理的な構成を図３に示す。
【０００５】
図３において、ロータリーポンプ等からなる真空ポンプ１は３Ｈｅガスを圧送して強制循環させるためのものであり、この真空ポンプ１の出口側から後述する混合室９までの経路を往路１１Ａとしかつ混合室９から真空ポンプ１の入口側に至る経路を復路１１Ｂとして、これらの往路１１Ａ、復路１１Ｂにより、一部に４Ｈｅを含んで３Ｈｅを循環させるためのＨｅ循環経路が形成されている。
【０００６】
前記真空ポンプ１から往路１１Ａ側に送り出された３００Ｋ程度の温度の３Ｈｅガスは、液体４Ｈｅを排気減圧して１．３Ｋ程度に保った１Ｋポット２に熱的に接触する凝縮器（コンデンサ）３において液化され、さらに分留器５内の熱交換器６に送られる。この分留器５は、後述するように３Ｈｅと４Ｈｅとの飽和蒸気圧の差を利用して、復路１１Ｂ側において４Ｈｅ−３Ｈｅの混合液中から３Ｈｅを選択的に排出させるためのものであるが、往路１１Ａ側において凝縮器３から送られて来た３Ｈｅは、この分留器５に熱接触する熱交換器６において熱交換されて、０．７Ｋ程度まで冷却される。さらにその往路１１Ａ側の３Ｈｅは、熱交換器８の往路側流路８Ａにおいて、その熱交換器８の復路側流路８Ｂと熱交換されて０．１Ｋ程度まで冷却され、混合室９に導入される。混合室９では、前述のような１００％３Ｈｅからなる３Ｈｅ濃厚相Ｐと、３Ｈｅが４Ｈｅに溶け込んだ４Ｈｅ−６．４％３Ｈｅからなる３Ｈｅ希薄相Ｑとに２相分離しており、両相の密度差により下層が３Ｈｅ希薄相（４Ｈｅ−６．４％３Ｈｅ）Ｑ、上層が３Ｈｅ濃厚相（１００％３Ｈｅ相）Ｐとなる。そして３Ｈｅ濃厚相Ｐに導入された３Ｈｅが３Ｈｅ希薄相Ｑに溶け込む際に、既に述べたように熱吸収が生じ、１０−２Ｋのオーダーの超低温に冷却される。すなわちこの混合室９が冷凍機としてのコールドヘッドとなり、この部分に近接して冷却対象物（試料）を保持しておけば、その試料を１０−２Ｋのオーダーに冷却することができる。
【０００７】
混合室９の３Ｈｅ希薄相における３Ｈｅ濃度は６．４％を保ち、一方復路１１Ｂにおける分留器５内の４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液中からは４Ｈｅと３Ｈｅとの飽和蒸気圧の差によって３Ｈｅのみがガス化して排出されて行くから、分留器５内の３Ｈｅ濃度は０．７Ｋで１％程度となり、そのため混合室９の３Ｈｅ希薄相Ｑと分留器５内の４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液との間で３Ｈｅの濃度差が生じるから、両者間の濃度勾配によって混合室９内の３Ｈｅ希薄相Ｑ中から３Ｈｅが復路１１Ｂ側（分留器５側）へ引込まれ、それに伴なって混合室９内の３Ｈｅ希薄相Ｑで３Ｈｅ濃度の低下傾向が生じるため、その３Ｈｅ希薄相Ｑの３Ｈｅ濃度が６．４％を保つように（すなわちその温度における３Ｈｅ濃厚相Ｐと３Ｈｅ希薄相Ｑとの平衡状態を保つように）、１００％３Ｈｅの３Ｈｅ濃厚相Ｐから３Ｈｅ希薄相Ｑへの３Ｈｅの溶け込みが連続的に生じることになる。そして混合室９から３Ｈｅが分留器５へ引込まれる間においてその３Ｈｅは熱交換器８を通過し、前述の往路１１Ａ側の３Ｈｅを冷却する。
【０００８】
分留器５においては、既に述べたように飽和蒸気圧の差によって４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液中から３Ｈｅのみが蒸発し、前述の真空ポンプ１によって引出される。真空ポンプ１に吸引された３Ｈｅは、再び凝縮器３へ送られて同様な過程を繰返す。
【０００９】
以上のようにして、希釈冷凍機では、１０−２Ｋオーダーの超低温を得ることができ、特に外部からの熱侵入が全くない理想状態において０．１Ｋの温度の１００％３Ｈｅ液体が混合室９に導入された場合を想定すれば、その場合は計算上は０．０３６Ｋまで冷却することが可能となる。
【００１０】
【非特許文献１】
“３Ｈｅ−４Ｈｅ希釈冷凍機の原理と設計上の問題点Ｉ”、「日本物理学会誌」、第３７巻第５号（１９８２）、ｐ４０９−４１８
“３Ｈｅ−４Ｈｅ希釈冷凍機の原理と設計上の問題点ＩＩ”、「日本物理学会誌」、第３７巻第７号（１９８２）、ｐ５９５−６００
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで希釈冷凍機においては、前述のように理想状態では０．０３６Ｋ程度の超低温が得られる筈であるが、従来の一般的な希釈冷凍機では、実際には０．０６Ｋ程度の温度までしか得られていないのが実情である。これは、前述のような原理的構成で説明した理想状態での運転状況と、実際の運動状況とが若干異なることに由来する。
【００１２】
すなわち図３において、外部からの熱侵入が全くない理想状態では、分留器５内の４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液体の液面からは３Ｈｅガスのみが蒸発し、その３Ｈｅガスのみ（すなわち１００％３Ｈｅのガス）が真空ポンプ１により引出されて、その１００％３Ｈｅガスが往路１１Ａ側の凝縮器３において凝縮されて１００％３Ｈｅ液相となり、その１００％３Ｈｅ液相が、熱交換器６、熱交換器８を経て混合室９に送り込まれる筈である。
【００１３】
しかしながら良く知られているように、４Ｈｅは２Ｋ程度以下の温度では超流動ヘリウム（ＨｅII）の状態となっており、したがって０．７Ｋ程度の温度の分留器５内における４Ｈｅ液相は超流動性を有しているため、分留器５内の４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液体中の４Ｈｅ液相は、実際にはその超流動性により液面から分留器５の内壁を伝わって薄膜状に上昇し、さらには真空ポンプ１に至る管路等の壁面に沿って薄膜状に上昇して、真空ポンプ１近くの２Ｋ程度の温度の部位（超流動性から常流動性に転移する温度の部位）まで至ってしまい、その部位付近で４Ｈｅ液相が気化して４Ｈｅガスとなり、その４Ｈｅガスが、本来導くべき３Ｈｅガス中に混入して真空ポンプ１に至ってしまう。その結果、４Ｈｅガスが混入した３Ｈｅガス、すなわち４Ｈｅ−３Ｈｅ混合ガスが真空ポンプ１により往路１１Ａ側へ送り出されて、凝縮器３により混合状態のまま液化され、さらに分留器５内の熱交換器６、熱交換器８を経て混合室９に導入されてしまう。
【００１４】
このように４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液体が混合室９内に導入された場合には、その混合液体は混合室９の上層すなわち１００％３Ｈｅの３Ｈｅ濃厚相Ｐ中に導かれて、その３Ｈｅ濃厚相Ｐ中で３Ｈｅ相（３Ｈｅ濃厚相）と６．４％３Ｈｅ−４Ｈｅ相（３Ｈｅ希薄相）とに相分離し、その後に３Ｈｅ希薄相Ｑ中へ溶け込むことになるが、混合室９に導入された混合液体が３Ｈｅ濃厚相Ｐ中で相分離する際には発熱が生じてしまう。もちろん３Ｈｅ濃厚相Ｐ中から３Ｈｅ希釈相Ｑ中に３Ｈｅが溶け込む（希釈される）際には、既に述べた通り吸熱が生じて、冷却効果を得ることができるのであるが、上述の相分離の際の発熱により冷却効果が減じられて、理想状態で計算上考えられる温度までは達し得なかったのである。
【００１５】
本発明者等の実験によれば、真空ポンプ１によって往路１１Ａ側へ送り出される３Ｈｅガスには、４０％程度の４Ｈｅガスが混入するのが通常であり、このような４０％４Ｈｅ−６０％３Ｈｅの混合液体が０．１Ｋの温度で混合室９に導かれた場合、前述のような相分離時の発熱によって、０．０６Ｋ程度までしか冷却させ得ないことが判明している。
【００１６】
このような問題を解決するための一手法としては、分留器から真空ポンプに至る経路の壁面を物理的（構造的）に途切れさせて、分留器から超流動状態で薄膜状に上昇した４Ｈｅが２Ｋ程度の温度の部位まで至らないような構造としたり、また分留器から超流動状態で薄膜状に上昇した４Ｈｅをヒーター等により積極的に気化させるとともに、その気化された４Ｈｅガスが真空ポンプに至らないような構造とする等の方策が採られているが、このような方策を採るためには、分留器等の構造が極めて複雑とならざるを得ず、またヒータやヒータ用電源などを必要としたりして、高コスト化を招かざるを得なかったのが実情である。またこれらの方策を適用した場合でも、４Ｈｅガスの混入を確実に阻止することは困難であり、そのため理想状態で得られる筈の極低温には未だ達し得なかったのが実情である。
【００１７】
そこで本発明者等は、特に複雑な構造やヒータ等を用いることなく、冷凍機の冷却ヘッドとなるべき混合室に、４Ｈｅが混入されていない１００％３Ｈｅ液体もしくはそれに近い液体が導入されるようにし、これにより理想状態に近い超低温まで冷却し得るようにした希釈冷凍機を、既に特願２００３−５２２９２において提案している。
【００１８】
上記の特願２００３−５２２９２の提案の希釈冷凍機では、基本的には混合室の直近の上流側において、混合室へ送り込まれるべきＨｅ液体中から４Ｈｅを分離除去することとしている。そしてそのために、混合室の直近の上流側に混合室と同様な構成の分離室を介挿しておき、４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液体中から４Ｈｅを抜き出して、これを混合室を通さずに復路側へ直接バイパスし、残る３Ｈｅのみを混合室へ送り込むようにしている。
【００１９】
図４に、上記の特願２００３−５２２９２において提案している希釈冷凍機の原理的な構成の一例を示す。なお図４において、図３に示す従来の一般的な希釈冷凍機と同様な部分については同一の符号を付す。
【００２０】
図４において、往路１１Ａにおける熱交換器８（往路側熱交換器流路８Ａ）と混合室９との間には分離室１３が介挿されている。この分離室１３には、熱交換器８の往路側流路８Ａにおいてその熱交換器８の復路側流路８Ｂと熱交換されて０．８Ｋより充分に低い温度（通常は０．１Ｋ程度）まで冷却された液体Ｈｅが導入される。この際の液体Ｈｅは、理想状態では１００％３Ｈｅ液相となっている筈であるが、実際上は前述のように３Ｈｅに例えば４０％程度の４Ｈｅが混入された４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液体となっているのが通常である。
【００２１】
ここで分離室１３内は、０．８Ｋよりも充分に低温であって、通常は０．１Ｋ程度以下であるため、図３を参照して混合室９に関して説明したと同様に、１００％３Ｈｅからなる３Ｈｅ濃厚相Ｐ’と、６.４％３Ｈｅ−残部４Ｈｅの３Ｈｅ希薄相Ｑ’とに２相分離した状態となっており、かつ密度の小さい３Ｈｅ濃厚相Ｐ’が上層に、密度の大きい３Ｈｅ希薄相Ｑ’が下層に位置する。そしてこのような分離室１３内に４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液を導入すれば、その４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液は３Ｈｅ濃厚相と３Ｈｅ希薄相とに２相分離して、それぞれ分離室１３内に既に存在している各相Ｐ’、Ｑ’に合体する。
【００２２】
さらに分離室１３の下部（下層の３Ｈｅ希薄相Ｑ’に相当する部位、例えば底部）はバイパス路１５によって復路１１Ｂにおける混合室９と熱交換器８との間の中間部分に連結されており、このバイパス路１５には、３Ｈｅ液相の流通に対して抵抗を与えかつ超流動状態の４Ｈｅ（すなわちＨｅII）の流通を実質的に阻止しない選択抵抗手段１７が介挿されていて、これらのバイパス路１５、選択抵抗手段１７を介して、分離室１３内の３Ｈｅ希薄相Ｑ’中から４Ｈｅのみが抜き出される。
【００２３】
ここで、分離室１３内の温度は０．８Ｋ以下、通常は０．１Ｋ程度であるが、４Ｈｅ液相は２Ｋ以下で超流動状態（ＨｅII相）となるから、分離室１３から出た４Ｈｅ（液相）も超流動状態となっている。このような超流動４Ｈｅ液相は、その粘性が３Ｈｅ液相と比較して格段に小さいため、極く小さな隙間でも容易に入り込んで流通することができる。したがって極く小さな隙間の如く、流体の流れに対して大きなインピーダンスを与えるような選択抵抗手段１７をバイパス路１５に設けておけば、超流動４Ｈｅ液相は、その粘性が著しく小さいため、選択抵抗手段１７内の極く小さい隙間を通過して流通することができる一方、超流動性を持たない常流動性の３Ｈｅ液相は、粘性が相対的に格段に大きいため、その粘性が隙間を通過する際の抵抗となり、その結果３Ｈｅ液相が流通することが実質的に阻止される。
【００２４】
選択抵抗手段１７の具体例としては、例えばキャピラリーチューブと称される極細管内に極細線（鋼線等）を挿入してなるもの（この場合は極細管の内面と極細線の外面との間の隙間を超流動４Ｈｅ液体が流通する）や、粒径数μｍのエメリー粉、アルミナ粉、銅粉等の粉末を密に充填した粉末充填層、あるいは網状の複数の部材を重ねたもの、その他連続気泡体や、連続孔を有する焼結体等を用いることができる。
【００２５】
一方分離室１３の上部（上層の３Ｈｅ濃厚相Ｐ’に相当する部分）は、３Ｈｅ導出路１９によって前述の混合室９の上部に連絡されている。この３Ｈｅ導出路１９は、前述の往路１１Ａの一部（最下流部分）を構成している。
【００２６】
上述のように、分離室１３の下部は、３Ｈｅ液相に対し抵抗を与えかつ超流動４Ｈｅを実施的に阻止しない選択抵抗手段１７を介挿したバイパス路１５を経て混合室９の下流側の復路１１Ｂに導かれており、この復路１１Ｂでは、真空ポンプ１により分留器５と分離室１３との間に圧力差が生じているから、選択抵抗手段１７を通過した超流動４Ｈｅ液相がバイパス路１５から復路１１Ｂ中に引出され、復路１１Ｂ中の３Ｈｅ液相の流れに４Ｈｅ液相が合流することになる。このようにして、分離室１３の下層、すなわち６．４％３Ｈｅ−４Ｈｅの３Ｈｅ希薄相Ｑ’からは４Ｈｅが選択抵抗手段１７を介挿したバイパス路１５によって直接的に（すなわち混合室９を通らずに）復路１１Ｂの側へ導かれる。その一方、分離室１３の上部は３Ｈｅ導出路１９（往路１１Ａ）により混合室９の上部に接続されているから、分離室１３内の上層、すなわち１００％３Ｈｅの３Ｈｅ濃厚相Ｐ’から混合室９の上部に１００％３Ｈｅが導かれることになる。言い換えれば、分離室１３に導入された４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液（例えば４０％４Ｈｅ−６０％３Ｈｅ混合液体）のうち４Ｈｅは、分離室１３内において３Ｈｅ希薄相Ｑ’に分離され、さらにその４Ｈｅは、３Ｈｅ希薄相Ｑ’から選択抵抗手段１７を介挿したバイパス路１５を経て直接復路１１Ｂに引出されることになり、一方分離室１３に導入された４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液のうちの３Ｈｅは、分離室１３の３Ｈｅ濃厚相Ｐ’中に分離され、さらにその３Ｈｅ濃厚相Ｐ’から混合室９に導かれることになる。したがって混合室９には、４Ｈｅを含まない実質的に１００％３Ｈｅからなる３Ｈｅ液相が導入されることになる。
【００２７】
このようにして混合室９には、実質的に１００％３Ｈｅの液相が導入され、この３Ｈｅ液相は既に図３を参照して説明したと同様に、混合室９内において３Ｈｅ濃厚相Ｐ中から３Ｈｅ希薄相Ｑに希釈される際に、吸熱を生じさせて、冷凍機としての冷却作用をもたらすことになる。ここで、混合室９に導入される液体が４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液体である場合には、既に説明したように、混合室９内の３Ｈｅ濃厚相Ｐにおいて混合液体が相分離する際に発熱が生じ、この発熱により冷却能が減じられてしまうことになるが、図４の希釈冷凍機の場合には、前述のように混合室９に導入される液体が実質的に４Ｈｅを含まない状態、すなわち実質的に３Ｈｅ液相のみの理想状態もしくはそれに近い状態となっているため、相分離に伴なう発熱が実質的に生じず、そのため理想状態に近い超低温（例えば０．０３６Ｋに近い超低温）を得ることが可能となるのである。
【００２８】
混合室９の３Ｈｅ希薄相Ｑからは、既に図３について説明したように、３Ｈｅ液相が復路１１Ｂの側に導出され、さらにその復路１１Ｂの中途においては、前述のように分離室１３から選択抵抗手段１７を介挿したバイパス路１５を経て４Ｈｅ液相が合流し、熱交換器８を通って分留器５に導入される。この分留器５においては、４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液体中から４Ｈｅと３Ｈｅとの飽和蒸気圧の差によって３Ｈｅがガス化して蒸発し、真空ポンプ１に導かれる。またその分留器５においては、４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液の液面から超流動性を有する４Ｈｅ液相が、その超流動性により壁面伝いに薄膜として上昇し、さらに真空ポンプ１に至る管路（復路１１Ｂ）等の壁面伝いに超流動性を失う位置（約２Ｋの部位）まで４Ｈｅ液相の薄膜が上昇し、その付近で４Ｈｅ液相が気化して４Ｈｅガスとなる。したがって既に述べたように、真空ポンプ１の入口側には３Ｈｅガスに４Ｈｅガスが混入したガスが導かれ、その混合ガスが真空ポンプ１により往路１１Ａ側へ圧送されることになる。そしてその混合ガスが凝縮器３において液化され、熱交換器８を経てさらに冷却されて分離室１３に導かれることは既に述べた通りである。
【００２９】
以上のように、図４に原理的な構成を示した特願２００３−５２２９２の発明の希釈冷凍機においては、特に複雑な構造やヒータ等を用いることなく、理想状態に近い超低温（０．１Ｋの液体Ｈｅが混合室に導入された場合には０．０３６Ｋに近い超低温）を得ることが可能となるのである。
【００３０】
しかしながら、本発明者等が図４に示す希釈冷凍機を実用化するための実験、研究を重ねたところ、未だ次のような問題があることが判明した。
【００３１】
すなわち、図４に示される希釈冷凍機において、分離室１３を設けない場合（すなわち図３に示される希釈冷凍機の場合）と同等の流量で４Ｈｅを含まない１００％３Ｈｅのみからなる液体を分離室１３から混合室９へ導入するためには、分離室１３に流入する４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液体中の４Ｈｅと同量の４Ｈｅ液相を、分離室１３からバイパス路１５および選択手段１７を経て復路１１Ｂの側に抜き出さなければならない。そのためには、バイパス路１５における選択抵抗手段１７のインピーダンスが適切な値となっていなければならない。
【００３２】
ここで、選択抵抗手段１７のインピーダンスが緩すぎる場合は、分離室１３に流入する４Ｈｅ−３Ｈｅの混合液体の４Ｈｅ量を越える多量のＨｅ液体が分離室１３からバイパス路１５を通って直接復路１１Ｂ側へ流れてしまう。この場合、分離器１３からバイパス路１５へ流出するＨｅ液体には４Ｈｅのみならず３Ｈｅも含まれることになるから、分離室１３から混合室９に導かれる３Ｈｅの量が少なくなり、そのため混合室９における希釈冷却作用が小さくなって、充分な超低温が得られなくなってしまう。
【００３３】
一方、選択抵抗手段１７のインピーダンスがきつすぎる場合には、分離室１３に流入する４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液体中の４Ｈｅの量よりも分離室１３からバイパス路１５の側へ流出する４Ｈｅ液体の量が少なくなり、その結果分離室１３から混合室９に導かれる液体中にも４Ｈｅが含まれるようになってしまう。すなわち混合室９には３Ｈｅに４Ｈｅが混入した混合液体が流入することになり、そのため既に述べた図３の場合と同様に混合室９において充分な冷却効果が得られなくなってしまい、充分な超低温が得られなくなるのである。
【００３４】
このように、バイパス路１５における選択抵抗手段１７は、適切なインピーダンスを有していることが必要であって、インピーダンスが緩すぎても、またきつすぎても充分な超低温を得ることができなくなってしまう。
【００３５】
しかるに、上述のような適正なインピーダンス値を計算等により予測することは極めて困難である。そこで現状では、装置の試作段階あるいは実機の実用運転前の段階において、種々のインピーダンスを選択抵抗手段１７に設定して、試験運転を何回も行ない、その結果から最適なインピーダンスを決定するという試行錯誤を重ねざるを得ないのが実情である。しかしながらこのような現状では、適切なインピーダンスを定めるまでの試験運転に多大な時間と手間を要さざるを得ないという問題がある。またこのような試行錯誤によってインピーダンスを設定したとしても、そのインピーダンスが真に最適か否かは不明であり、したがって真に理想的な運転状況となっているとは限らないのが実情である。
【００３６】
この発明は以上の事情を背景としてなされたもので、前述の特願２００３−５２２９２の提案による希釈冷凍機の問題を解決し、インピーダンス設定のための試行錯誤を不要とし、これにより試作段階や実機の実用運転前の段階での試験運転に要する手間と時間を大幅に削減し、しかも前記提案の希釈冷凍機と遜色のない超低温が得られる希釈冷凍機を提供することを目的とするものである。
【００３７】
【課題を解決するための手段】
前述のような課題を解決するため、本願発明者等が種々実験・検討を重ねた結果、前述の特願２００３−５２２９２の提案の希釈冷凍機におけるバイパス路（選択抵抗手段を含む）を取り去って、分離室に流入する４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液体と同量の液体を分離室から混合室へ導いた場合にも、混合室内における相分離による発熱を防止して、希釈冷却能を充分に発揮し得ることを見出した。
【００３８】
すなわち、４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液体を、分離室において一旦３Ｈｅ希薄相と４Ｈｅ濃厚相とに分離し、その分離された３Ｈｅ希薄相と４Ｈｅ濃厚相を、分離状態を保ったまま混合室に導入すれば、混合室内での相分離の発生を防止して、相分離時の発熱による冷却能の低下を防止し得ることを見出し、この発明をなすに至ったのである。
【００３９】
具体的には、請求項１の発明は、Ｈｅガスを循環圧送するための真空ポンプの出口側から、Ｈｅ液相を３Ｈｅ濃厚相と３Ｈｅ希薄相とに２相分離した状態で収容しかつ冷却ヘッドとなるべき混合室の入口までの経路を往路とし、前記混合室の出口から真空ポンプの入口側に至る経路を復路とし、これらの往路、復路によってＨｅを循環させるためのＨｅ循環経路を形成しておき、前記往路中に凝縮器を配設しておき、真空ポンプにより送り出されたＨｅガスをその凝縮器において凝縮させ、得られたＨｅ液相を、復路側との熱交換により０．８Ｋ以下に冷却して、その０．８Ｋ以下に冷却されたＨｅ液相を、前記混合室の３Ｈｅ濃厚相中に導き、混合室内での３Ｈｅ濃厚相中から３Ｈｅ希薄相への３Ｈｅの希釈により熱吸収を生ぜしめ、一方復路中には分留器を配設しておき、その分留器内における３Ｈｅの蒸気圧と４Ｈｅの蒸気圧の差を利用して、３Ｈｅを気化させて真空ポンプの入口側へ導くと同時に、その気化による分留器内のＨｅ液相中におけるＨｅ濃度の低下を利用して、混合室内の３Ｈｅ希薄相から３Ｈｅ液相を復路側へ導き出すようにした希釈冷凍機において、前記往路における混合室の直近の上流側に、Ｈｅ液相を３Ｈｅ濃厚相と３Ｈｅ希薄相とに２相分離した状態で収容する分離室を介挿しておき、往路中の凝縮器により凝縮されかつ０．８Ｋ以下に冷却されたＨｅ液相を分離室内に導き、そのＨｅ液相を３Ｈｅ濃厚相と３Ｈｅ希薄相とに分離させて、それぞれ分離室内の３Ｈｅ濃厚相、３Ｈｅ希薄相に合体させるようにし、さらにその分離室内の３Ｈｅ希薄相中および３Ｈｅ濃厚相を、分離状態を保ったまま混合室内に導入し、これによって混合室内に導入されたＨｅ液相が新たに相分離を生じさせないようにしたことを特徴とするものである。
【００４０】
【発明の実施の形態】
図１に、この発明の希釈冷凍機の原理的な構成の一例を示す。なお図１において、図４に示した特願２００３−５２２９２の提案の希釈冷凍機の要素と同一の要素については図４と同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００４１】
図１において、往路１１Ａにおける熱交換器８（往路側熱交換器８Ａ）と混合室９との間に分離室１３が介挿されている点は、図４の希釈冷凍機と同様である。但し、図４の希釈冷凍機の場合のようなバイパス路（１５）および選択抵抗手段（１７）は設けられていない。そしてこの分離室１３は、その液体排出口としては、上下方向の中間部分（上面および底面を除いた部分）に形成された排出口１３Ａのみを有している。この排出口１３Ａは、導出路１９によって混合室９の上部に連絡されている。なおこの導出路１９は、前述の往路１１Ａの一部（最下流部分）を構成している。
【００４２】
ここで分離室１３内は、既に図４あるいは図３について述べたと同様に、０．８Ｋよりも充分に低温であって、通常は０．１Ｋ程度であり、この状態では混合室１３内の液体Ｈｅは、１００％３Ｈｅからなる３Ｈｅ濃厚相Ｐ’と、６．４％３Ｈｅ−残部４Ｈｅの３Ｈｅ希薄相Ｑ’とに２相分離している。なおこの２相分離状態では、密度の小さい３Ｈｅ濃厚相Ｐ’が上層に、密度の大きい３Ｈｅ希薄相Ｑ’が下層となる。一方、このような０．８Ｋ以下、通常は０．１Ｋ程度の温度の分離室１３内に４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液が熱交換器８を経て導入されれば、その４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液が、１００％３Ｈｅの３Ｈｅ濃厚相と６．４％３Ｈｅ−残部４Ｈｅの３Ｈｅ希薄相とに２相分離する。そして導入された混合液体から相分離された３Ｈｅ濃厚相は、それ以前から分離室１３内に存在している３Ｈｅ濃厚相（上層）Ｐ’に溶け込んで一体化し、また導入された混合液体から相分離された３Ｈｅ希薄相は、同じくそれ以前から分離室１３内に存在している３Ｈｅ希薄相（下層）Ｑ’に溶け込んで一体化する。
【００４３】
そして分離室１３内の相分離された３Ｈｅ濃厚相および３Ｈｅ希薄相は、その分離室１３の上下方向中間位置に形成された排出口１３Ａから、導出路１９を経て混合室９に導入される。ここで導出路１９も、０．８Ｋより充分に低い温度、通常は０．１Ｋ程度の低温となっているから、分離室１３から排出された３Ｈｅ濃厚相および３Ｈｅ希薄相は、導出路１９内においても相分離された状態を保ち、その２相分離液体が混合室９の上部へ導入されることになる。
【００４４】
混合室９に導入された２相分離液体中の３Ｈｅ濃厚相は、それ以前から混合室９内に存在している３Ｈｅ濃厚相（上層）Ｐに溶け込んでそのまま一体化し、一方、導入された２相分離液体中の３Ｈｅ希薄相はそれ以前から混合室９内に存在している３Ｈｅ希薄相（下層）Ｑにそのまま溶け込んで一体化する。
【００４５】
一方混合室９の下部からは、既に図３について説明したと同様に、３Ｈｅ希薄相Ｑ中から３Ｈｅ液相が復路１１Ｂの側に導出され、この３Ｈｅ液相は、熱交換器８の復路側流路８Ｂを通って分留器５に至る。すなわち、分留器５内では、３Ｈｅと４Ｈｅの飽和蒸気圧の差により４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液体中から３Ｈｅが選択的に蒸発するから、これによる分留器５内の４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液体中の３Ｈｅ濃度の低下（通常は０．７Ｋ程度で３Ｈｅ濃度１％程度となる）によって、混合室９内の３Ｈｅ希薄相Ｑ中の３Ｈｅ濃度（６．４％）と分留器５内の４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液体中の３Ｈｅ濃度（約１％）との間に３Ｈｅの濃度差が生じ、その濃度差が駆動力となって混合室９内の３Ｈｅ希薄相Ｐから３Ｈｅのみが選択的に復路１１Ｂの側に引出されるのである。
【００４６】
このようにして混合室９内の３Ｈｅ希薄相Ｑから３Ｈｅが引出されて、その３Ｈｅ希薄相Ｑ中の３Ｈｅ濃度が６．４％よりも低下する傾向が生じれば、それに伴なって、３Ｈｅ希薄相Ｑの３Ｈｅ濃度を６．４％に保つように３Ｈｅ濃厚相Ｐから３Ｈｅが３Ｈｅ希薄相Ｑ中に溶け込み（希釈し）、この時既に述べたように吸熱が生じて希釈冷凍作用をもたらす。
【００４７】
ここで、混合室９内に導入されるＨｅ液体は、前述のように既に分離室１３内において１００％３Ｈｅの３Ｈｅ濃厚相と６．４％３Ｈｅ−残部４Ｈｅの３Ｈｅ希薄相とに分離されているから、混合室９内では改めて相分離が生じることはなく、そのため相分離に伴なう発熱は混合室９内では生じないことになり、したがって相分離に伴なう発熱が、希釈冷凍作用による冷却能を低下させることがなく、そのため理想状態に近い超低温（例えば０．０３６Ｋに近い超低温）を得ることが可能となるのである。
【００４８】
なお混合室９の３Ｈｅ希薄相Ｑからは、既に説明したように３Ｈｅ液相が復路１１Ｂの側に導出され、熱交換器８を通って分留器５に導入される。また真空ポンプ１により分留器５と混合室９との間には圧力差が生じているから、混合室９内の３Ｈｅ希薄相Ｑ中の４Ｈｅも混合室９から復路１１Ｂを通って分留器５に導かれる。そして分留器５においては、４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液体中から４Ｈｅと３Ｈｅとの飽和蒸気圧の差によって３Ｈｅがガス化して蒸発し、真空ポンプ１に導かれる。
【００４９】
ここで分留器５においては、４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液の液面から、超流動性を有する４Ｈｅ液相がその超流動性により壁面伝いに薄膜として上昇し、さらに真空ポンプ１に至る管路（復路１１Ｂ）等の壁面伝いに超流動性を失う位置（約２Ｋの部位）まで４Ｈｅ液相の薄膜が上昇し、その付近で４Ｈｅ液相が気化して４Ｈｅガスとなる。したがって既に［発明が解決しようとする課題］の項で述べたように、真空ポンプ１の入口側には３Ｈｅガスに４Ｈｅガスが混入したガスが導かれ、その混合ガスが真空ポンプ１により往路１１Ａ側へ圧送されることになる。そしてその混合ガスが凝縮器３において液化され、熱交換器８を経てさらに冷却されて分離室１３に導かれることは既に述べた通りである。
【００５０】
以上のように、図１に原理的な構成を示したこの発明の方法によれば、理想状態に近い超低温（０．１Ｋの液体Ｈｅが混合室に導入された場合には０．０３６Ｋに近い超低温）を得ることができるのである。
【００５１】
なお、図４に示される提案の希釈冷凍機の場合には混合室９に３Ｈｅのみが流入するが、図１に示すこの発明の希釈冷凍機の場合は、既に述べたように分離室１３で分離された３Ｈｅ希薄相（４Ｈｅと３Ｈｅの両者を含むもの）も混合室９に流入する。このとき、３Ｈｅ希薄相は混合室９内に既に存在している３Ｈｅ希薄相Ｐと合体するだけであって、改めて相分離は生じないから、相分離に起因する発熱は生じないが、混合室に流入した３Ｈｅ希薄相自体は当初０．１Ｋ程度の温度から温度が０．０３６Ｋ近くまで下がるために熱を奪われる必要がある。ここで４Ｈｅはエントロピーが極めて小さく、そのため混合室９内に流入した３Ｈｅ希薄相中の４Ｈｅは温度にほとんど影響を与えないが、３Ｈｅは４Ｈｅと比較して格段にエントロピーが大きいため、混合室９内に流入した３Ｈｅ希薄相中の３Ｈｅは、上述のように０．１Ｋ程度から０．０３６Ｋ近くまで温度低下するためにある程度は熱量を消費することになる。すなわち、混合室９内に３Ｈｅ希薄相が流入すれば、その希薄相中の３Ｈｅが混合室９における余分な熱負荷となり、そのため図４に示したような１００％３Ｈｅのみが混合室に流入する場合と比較すれば、冷却能は若干下がることになる。しかしながら、温度の担体である３Ｈｅ希薄相中の３Ｈｅは、全３Ｈｅ量のわずか数％に過ぎない。すなわち、３Ｈｅ希薄相中の３Ｈｅ量が６．４％であってまた分離室１３に導入される４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液体中の３Ｈｅ量が４０％であると仮定すれば、計算上は希薄相中の３Ｈｅ量は全３Ｈｅ量の約４．６％に過ぎない。このように、全３Ｈｅ量に占める希薄相中の３Ｈｅ量はわずか数％程度に過ぎないから、図４の場合との温度低下量の差は、わずか０．００１〜０．００２Ｋ程度となる。したがって図４の希釈冷凍機で０．０３６Ｋが得られるとすれば、図１の場合、それよりわずかに０．００１〜０．００２Ｋ程度高い温度、すなわち０．０３７〜０．０３８Ｋ程度までは冷却することが可能となるのである。
【００５２】
また分離室１３からは、前述のように分離室１３内で２相分離された３Ｈｅ希薄相および３Ｈｅ濃厚相を排出口１３Ａから同時に流出させるが、排出口１３の位置は、分離室１３の上面と底面との間の中間位置であれば良く、特にその位置を厳密に規制する必要は特にない。すなわち、３Ｈｅ希薄相と３Ｈｅ濃厚相とを同時に流出させるためには、本来排出口１３Ａが分離室１３内の３Ｈｅ希薄相Ｐ’と３Ｈｅ濃厚相Ｑ’との境界面に位置している必要があるが、運転開始時点では上記境界面の位置が排出口１３Ａの位置から上方もしくは下方にずれていたとしても、運転を開始すれば境界面はすみやかに排出口１３Ａの位置で安定して平衡状態を保つようになる。例えば初期状態（運転開始時）では排出口１３Ａが両相の境界面より下方に位置していた場合、最初は３Ｈｅ希薄相のみが排出口１３Ａから流出することになるが、それに伴なって分離室１３に流入する混合液体中の４Ｈｅの量も多くなり、その結果境界面が下降して境界面が排出口１３Ａの位置に達すれば、３Ｈｅ希薄相と３Ｈｅ濃厚相とが同時に排出される状態となり、その状態で系全体がバランスされて平衡状態となり、排出口１３Ａの位置で境界面が維持されることになる。また逆に初期状態で排出口１３Ａが境界面より上方に位置していた場合、最初は３Ｈｅ濃厚相のみが排出口１３Ａから流出することになるが、それに伴なって分離室１３に流入する混合液体中の３Ｈｅの割合も高くなり、そのため境界面が上昇し、境界面が排出口１３Ａの位置に達すれば、３Ｈｅ希薄相と３Ｈｅ濃厚相とが同時に排出される状態となり、その状態で系全体がバランスされて平衡状態となって、排出口１３Ａの位置で境界面が維持されるようになる。
【００５３】
【実施例】
この発明の希釈冷凍機の具体例を、図２に基いて説明する。
【００５４】
図２において、真空断熱層２０を有する有底円筒状の外側容器２２内には、冷媒としての液体ヘリウム（通常は液体４Ｈｅ）２４が収容されており、この外側容器２２の上端を密閉する蓋体２６には減圧口２８が設けられており、この減圧口２８は配管３０および開閉弁３２を介して減圧ポンプ３４に導かれている。
【００５５】
一方、外側容器２２内の液体ヘリウム冷媒２４中には、上方から前記蓋体２６を貫通して有底円筒状の内側容器３６が挿入・浸漬されている。この内側容器３６の下部の周壁部には真空断熱層３８が形成されている。そして真空断熱層３８の上端には排気管４０が接続されて、開閉弁４１を介して外部の排気ポンプ４３に接続されている。一方内側容器３６の上端近くには、Ｈｅガス排出口４２が形成され、このＨｅガス排出口４２はＨｅ循環用の真空ポンプ１の入口側に接続されている。
【００５６】
一方、前記内側容器３６内の下部には、３Ｈｅ液相と４Ｈｅ液相との混合液体ヘリウム４６が収容されており、この液体ヘリウム４６中には、上方から支柱兼真空排気管４８によって吊下された状態で、円筒状のプランジャ５０が浸漬されている。なおこのプランジャ５０は、後に改めて説明するように、周囲（その外周面と内側容器３６の内周面との間）に液体ヘリウム４６が流通可能な空隙４７が存在するように配設されている。一方前記支柱兼真空排気管４８の中間位置（プランジャ５０よりも上方でかつ液体ヘリウム４６の液面４６Ａよりも上方の位置）には、その支柱兼真空排気管４８が上下に貫通するように銅等の良熱伝導材料からなる熱伝導ブロック５２が固定されている。この熱伝導ブロック５２は、図示しない銅等の良熱伝導材料製のバネなどにより内側容器３６の内面に熱的に接触している。
【００５７】
またこの熱伝導ブロック５２からは、下面を開放した傘状もしくは円筒状のＨｅガス収集部材５６が吊下されている。このＨｅガス収集部材５６は、その下端部が液体ヘリウム４６の液面４６Ａより下方に浸漬されて、液面４６Ａ上に空間５６Ａが形成されている。そして前記熱伝導ブロック５２を上下に貫通しかつＨｅガス収集部材５６の内側空間５６Ａ内に続くガス通路５８によって、熱伝導ブロック５２の上側の空間と液体ヘリウム４６の液面４６Ａ上のＨｅガス収集部材５６の内側空間５６Ａとが連通されている。ここで、プランジャ５０の上面からＨｅガス収集部材５６までの間が前述の分留器５に相当する。
【００５８】
前記プランジャ５０には、その上下方向の中間位置の内部に中空な空室５０Ａが形成されており、また下端には下方に開放された空室５０Ｂが形成されている。ここで、プランジャ５０の中間位置の空室５０Ａは、前述の分離室１３に相当し、また下端の下方に開放された空室５０Ｂは、前述の混合室９に相当する。なおプランジャ５０における空室５０Ａ（分離室１３）より上方の部分、および空室５０Ｂ（混合室９）との間の部分は、真空断熱構造とされている。
【００５９】
一方前記内側容器３６内には、その上端の蓋体６０を貫通して上方からＨｅガス供給管６２が挿入されている。このＨｅガス供給管６２は、内側容器３６の外部において前述のＨｅ循環用の真空ポンプ１の出口側に、Ｈｅガス入口バルブ６４を介して接続されている。またそのＨｅガス供給管６２は、内側容器３６内を下方へ導かれて、前述の熱伝導ブロック５２に一体に組込まれた銅粉焼結体などからなる凝縮器３の上面入口側に接続されている。
【００６０】
ここで熱伝導ブロック５２は、前述のように内側容器３６に熱的に接触され、かつその内側容器３６の外側には冷媒としての液体ヘリウム２４が存在しているから、この液体ヘリウムが凝縮器３を冷却するための１Ｋポット２（図１、図３参照）として機能することになる。
【００６１】
さらに凝縮器３の下方の出口側は配管６６を介して例えばスパイラル管状の分留器熱交換器６に接続されている。この分留器熱交換器６は、プランジャ５０の上面側において（すなわち前記分留器５内において）液体ヘリウム４６に浸漬されている。また分留器熱交換器６の下方出口側は、プランジャ５０の上部外周面と内側容器３６の内周面との間の空隙４７に配設された例えばスパイラル管状の熱交換器往路側流路８Ａに接続され、されにこの熱交換器往路側流路８Ａの下端は、前述の分離室１３を構成するプランジャ５０内の空室５０ＡにおいてＨｅ液相を吐出する吐出口７０に導かれている。またこの分離室１３の側面の上下方向中間位置には、その分離室１３内で分離された３Ｈｅ希薄相および３Ｈｅ濃厚相を同時に排出するための排出口１３Ａが吐出口７０から離れた位置で開口しており、この排出口１３Ａはプランジャ５０の外周面と内側容器３６の内周面との間の空隙に介在する熱交換器流路７４を備えた導出路１９を介してプランジャ５０の下端の空室５０Ｂ（すなわち混合室９）の上部に導かれている。
【００６２】
以上のような図２に示される希釈冷凍機において、外側容器２２と内側容器３６との間の空間には前述のように液体ヘリウム（通常の４Ｈｅ）２４が注入され、かつ減圧ポンプ３４によって減圧口２８からその空間が排気減圧されて、１Ｋ近くの低温に保持される。したがってこの液体ヘリウム２４を注入した空間の部分が図３における１Ｋポット２に相当し、熱伝導ブロック５２を１．３Ｋ程度まで冷却するのに寄与する。一方内側容器３６内には、３Ｈｅ液相と４Ｈｅ液相とからなる液体ヘリウム４６が、その液面４６ＡがＨｅガス収集部材の上下方向中間位置（したがって分留器５の中間位置）に位置するように収容されている。ここで、分離室１３（プランジャ５０の中間位置の空室５０Ａ）および混合室９（プランジャ５０の下端の空室５０Ｂ）も液体ヘリウム４６で満たされるが、それぞれ１００％３Ｈｅの３Ｈｅ濃厚相（上層）Ｐ’，Ｐと４Ｈｅ−６．４％３Ｈｅからなる３Ｈｅ希薄相（下層）Ｑ’，Ｑに分離されている。
【００６３】
このような状態で３Ｈｅに４Ｈｅが混入した混合Ｈｅガスが真空ポンプ１によってバルブ６４およびＨｅガス供給管６２を経て凝縮器３に導かれ、熱伝導ブロック５２によって１．３Ｋ程度に冷却されて液化する。液化された混合Ｈｅは、分留器熱交換器６および熱交換器往路側流路８Ａを経てさらに冷却され、吐出口７０から分離室１３（空室５０Ａ）内に吐出される。なお熱交換器往路側流路８Ａに対応する熱交換器８の復路側流路８Ｂ（図１参照）は、空隙４７によって構成されている。
【００６４】
前記分離室１３においては、既に図１に関して述べたように、吐出された混合液体ヘリウムが１００％Ｈｅの３Ｈｅ濃厚相と６．４％３Ｈｅ−残部４Ｈｅの３Ｈｅ希薄相とに分離され、それぞれが上層の３Ｈｅ濃厚相Ｐ’、下層の３Ｈｅ希薄相Ｑ’中に合体される。そしてこの分離室１３の排出口１３Ａから、３Ｈｅ濃厚相と３Ｈｅ希薄相とがその分離状態を保ったまま導出路１９および熱交換器７４を経て混合室９に導かれて、その混合室９内に吐出される。
【００６５】
そして上述のようにして混合室９内に吐出された３Ｈｅ濃厚相および３Ｈｅ希薄相は、それぞれ混合室９内に既に存在している濃厚相（上層）Ｐおよび希薄相（下層）Ｑに合体する。そしてまた濃厚相の３Ｈｅの一部が下側の希薄相Ｑに溶け込む。このとき、既に述べたように熱吸収が生じて、０．０３７Ｋ〜０．０３８Ｋ程度の超低温が得られる。ここで、混合室９内に導かれる液体ヘリウムは、既に述べたように予め分離室１３において３Ｈｅ濃厚相と３Ｈｅ希薄相とに分離されているから、混合室１３内で４Ｈｅが分離することによる発熱が実質的に生じず、その結果前述のように０．０３７〜０．０３８Ｋ程度の超低温を得ることが可能となるのである。
【００６６】
一方、混合室９はプランジャ５０の外周面側の空隙４７により分留器５と連通しているから、混合室９内の３Ｈｅ希薄相Ｑ中の３Ｈｅは分留器５に至るが、この分留器５は１Ｋ以下の低温となっているため、３Ｈｅと４Ｈｅとの大幅な飽和蒸気圧の差によって主に３Ｈｅが蒸発し、この気相の３Ｈｅは熱伝導ブロック５２のガス通路５８を通って内側容器３６の上方の空間からＨｅガス排出口４２を経て真空ポンプ１により排気される。これに伴ない、分留器５内の液体ヘリウム中の３Ｈｅ濃度は１％程度まで低下するから、分留器５内の液体中における３Ｈｅ濃度（約１％）と混合室９の３Ｈｅ希薄相Ｑ中の３Ｈｅ濃度（約６．４％）との間に３Ｈｅの濃度差が生じ、その濃度勾配によって混合室９の３Ｈｅ希薄相Ｑから３Ｈｅ分子が空隙４７を通って分留器５に引込まれ、またそれにより混合室９の３Ｈｅ希薄相Ｑ中の３Ｈｅ濃度が低くなるに伴なって、混合室９内において３Ｈｅ濃厚相Ｐから３Ｈｅが連続的に３Ｈｅ希薄相Ｑ中へ溶け込み（希釈される）、これにより熱吸収が連続的に持続されることになる。
【００６７】
また真空ポンプ１によって分留器５と混合室９との間には圧力差が生じているから、混合室９内の３Ｈｅ希薄相Ｑからは４Ｈｅ分子も空隙４７を通って分留器５に引込まれる。
【００６８】
そして分留器５内における液体ヘリウム４６の液面４６Ａやその周囲の部分の液面からは、Ｈｅガス収集部材５６の内面や外面伝い、あるいは内側容器３６の内面伝いに、超流動４Ｈｅがその超流動性により薄膜として上昇し、その薄膜として上昇した超流動４Ｈｅは、内側容器３６の上方の空間やさらには真空ポンプ１に至る管路における２Ｋ程度の温度の部位まで上昇して常流動性に戻るとともにその付近の蒸気圧に応じて気化し、その結果、真空ポンプ１の入口側には３Ｈｅガスに４Ｈｅガスが混入した混合Ｈｅガスが引込まれることになる。
【００６９】
その後の循環過程は既に述べた通りであり、混合Ｈｅガスが再び凝縮器３で凝縮されて液化し、さらに冷却されて分離室１３に至り、分離室１３で１００％３Ｈｅの３Ｈｅ濃厚相と６．４％３Ｈｅ−残部４Ｈｅの３Ｈｅ希薄相とに分離し、それらの両相が分離状態のまま混合室９に導入される。
【００７０】
以上のように、分留器で選択的に気化された３Ｈｅに対して４Ｈｅが混入して、その混合Ｈｅが真空ポンプにより圧送されて循環されてしまうこと自体は許容しながらも、往路の混合Ｈｅを、混合室９の直前の分離室において３Ｈｅ濃厚相と３Ｈｅ希薄相とに分離させ、その分離状態を保ったまま混合室に３Ｈｅ濃厚相と３Ｈｅ希薄相を導入することによって、混合室において理想状態に近い０．０３７〜０．０３８Ｋ程度の超低温を得ることが可能となるのである。またここで、上述のように分留器で選択的に蒸発した３Ｈｅガスに対して４Ｈｅが混入してしまうこと自体は許容しているため、分留器から真空ポンプに至る経路において４Ｈｅ混入防止のための複雑な構造を適用する必要はない。さらに、図４に示す希釈冷凍機の場合のようなバイパス路、選択抵抗手段がなく、そのためこれらのインピーダンスを適正値に設定する必要もないことになる。
【００７１】
【発明の効果】
前述の説明で明らかなように、この発明の希釈冷凍機によれば、冷却ヘッドとしての機能を果たすべき混合室に導入される液体ヘリウムが、予め３Ｈｅ濃厚相と３Ｈｅ希薄相とに相分離されているため、混合室内で混合液体が相分離することによる発熱が生じることがなく、そのため希釈冷凍機能を充分に発揮して、理想状態に近い超低温を得ることが可能となる。また、分留器から真空ポンプに至る経路において３Ｈｅガスに４Ｈｅガスが混入すること自体は許容しているため、そのような４Ｈｅガスの混入を阻止するための複雑な構造やヒータ等を用いる必要がなく、そのため低コストでかつ耐久性も高い。さらにこの発明の希釈冷凍機においては、先行して出願した特願２００３−５２２９２の提案の希釈冷凍機の場合のような分離室から復路へのバイパス路（選択抵抗手段を介挿したもの）が省かれているため、選択抵抗手段のインピーダンスを適正値に設定するために何回も試験運転を重ねる必要がなく、そのため試験運転に要する手間や時間を大幅に削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の希釈冷凍機の原理的な構成の一例を示す略解図である。
【図２】この発明の希釈冷凍機の一実施例を示す略解的な縦断正面図である。
【図３】従来の一般的な希釈冷凍機の原理的な構成を示す略解図である。
【図４】先行して出願した特願２００３−５２２９２の提案による希釈冷凍機の原理的な構成を示す略解図である。
【符号の説明】
１ 真空ポンプ
５ 分留器
８ 熱交換器
９ 混合室
１１Ａ 往路
１１Ｂ 復路
１３ 分離室
Ｐ、Ｐ’ ３Ｈｅ濃厚相
Ｑ、Ｑ’ ３Ｈｅ希薄相
【発明が属する技術分野】
この発明は、液体ヘリウム（３Ｈｅ，４Ｈｅ）を用いて１０−２Ｋレベルの超低温を連続的に得るための希釈冷凍機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
極低温技術に携わる者には良く知られているように、３Ｈｅ液相と４Ｈｅ液相の混合液は、０．８Ｋ（８００ｍＫ）以下の極低温において、相対的に３Ｈｅが少ない３Ｈｅ希薄相と、相対的に３Ｈｅを多く含む３Ｈｅ濃厚相とに分離する。ここで、３Ｈｅ希薄相と３Ｈｅ濃厚相のそれぞれにおける３Ｈｅの含有率は、温度によって決定されるが、０．１Ｋ以下の温度では、３Ｈｅを６．４％含み残部が４Ｈｅからなる３Ｈｅ希薄相と、１００％の３Ｈｅからなる３Ｈｅ濃厚相とに分離された状態となる。またここで、３Ｈｅ液相よりも４Ｈｅ液相の方が密度が大きいため、上述のように３Ｈｅ−４Ｈｅ混合液が３Ｈｅ希薄相と３Ｈｅ濃厚相とに２相分離した状態では、密度の大きい３Ｈｅ希薄相が下側に、密度の小さい３Ｈｅ濃厚相が上側に位置することになる。したがって例えば０．１Ｋ程度以下の極低温の室内（従来の一般的な希釈冷凍機における混合室内）では、６．４％３Ｈｅ−残部４Ｈｅの３Ｈｅ希薄相が下部に、１００％３Ｈｅからなる３Ｈｅ濃厚相が上部に位置するように２相分離した平衡状態となる。そしてこのような平衡状態にある混合室内において、なんらかの手段により３Ｈｅ希薄相から３Ｈｅ分子を抜き去って、３Ｈｅ希薄相における３Ｈｅ濃度を低下させれば、両相は平衡状態に戻ろうとするため、３Ｈｅ濃厚相中の３Ｈｅが３Ｈｅ希薄相中へ溶け込む（３Ｈｅが４Ｈｅに希釈される）ことになる。
【０００３】
ここで、同一温度での各相中の３Ｈｅ分子のエントロピーを比較すれば、濃厚相中の３Ｈｅ分子のエントロピーは希薄相中の３Ｈｅ分子のエントロピーより小さいため、断熱状態であれば前述のように２相分離した混合室内において３Ｈｅが濃厚相中から希薄相中へ希釈されることにより吸熱が生じることになる。このような吸熱を利用した冷凍機が希釈冷凍機と称されるものであり、１０−２Ｋレベルの超低温を得ることが可能となる。
【０００４】
希釈冷凍機の原理的な構成については、非特許文献１、非特許文献２などにおいて説明されているが、その原理的な構成を図３に示す。
【０００５】
図３において、ロータリーポンプ等からなる真空ポンプ１は３Ｈｅガスを圧送して強制循環させるためのものであり、この真空ポンプ１の出口側から後述する混合室９までの経路を往路１１Ａとしかつ混合室９から真空ポンプ１の入口側に至る経路を復路１１Ｂとして、これらの往路１１Ａ、復路１１Ｂにより、一部に４Ｈｅを含んで３Ｈｅを循環させるためのＨｅ循環経路が形成されている。
【０００６】
前記真空ポンプ１から往路１１Ａ側に送り出された３００Ｋ程度の温度の３Ｈｅガスは、液体４Ｈｅを排気減圧して１．３Ｋ程度に保った１Ｋポット２に熱的に接触する凝縮器（コンデンサ）３において液化され、さらに分留器５内の熱交換器６に送られる。この分留器５は、後述するように３Ｈｅと４Ｈｅとの飽和蒸気圧の差を利用して、復路１１Ｂ側において４Ｈｅ−３Ｈｅの混合液中から３Ｈｅを選択的に排出させるためのものであるが、往路１１Ａ側において凝縮器３から送られて来た３Ｈｅは、この分留器５に熱接触する熱交換器６において熱交換されて、０．７Ｋ程度まで冷却される。さらにその往路１１Ａ側の３Ｈｅは、熱交換器８の往路側流路８Ａにおいて、その熱交換器８の復路側流路８Ｂと熱交換されて０．１Ｋ程度まで冷却され、混合室９に導入される。混合室９では、前述のような１００％３Ｈｅからなる３Ｈｅ濃厚相Ｐと、３Ｈｅが４Ｈｅに溶け込んだ４Ｈｅ−６．４％３Ｈｅからなる３Ｈｅ希薄相Ｑとに２相分離しており、両相の密度差により下層が３Ｈｅ希薄相（４Ｈｅ−６．４％３Ｈｅ）Ｑ、上層が３Ｈｅ濃厚相（１００％３Ｈｅ相）Ｐとなる。そして３Ｈｅ濃厚相Ｐに導入された３Ｈｅが３Ｈｅ希薄相Ｑに溶け込む際に、既に述べたように熱吸収が生じ、１０−２Ｋのオーダーの超低温に冷却される。すなわちこの混合室９が冷凍機としてのコールドヘッドとなり、この部分に近接して冷却対象物（試料）を保持しておけば、その試料を１０−２Ｋのオーダーに冷却することができる。
【０００７】
混合室９の３Ｈｅ希薄相における３Ｈｅ濃度は６．４％を保ち、一方復路１１Ｂにおける分留器５内の４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液中からは４Ｈｅと３Ｈｅとの飽和蒸気圧の差によって３Ｈｅのみがガス化して排出されて行くから、分留器５内の３Ｈｅ濃度は０．７Ｋで１％程度となり、そのため混合室９の３Ｈｅ希薄相Ｑと分留器５内の４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液との間で３Ｈｅの濃度差が生じるから、両者間の濃度勾配によって混合室９内の３Ｈｅ希薄相Ｑ中から３Ｈｅが復路１１Ｂ側（分留器５側）へ引込まれ、それに伴なって混合室９内の３Ｈｅ希薄相Ｑで３Ｈｅ濃度の低下傾向が生じるため、その３Ｈｅ希薄相Ｑの３Ｈｅ濃度が６．４％を保つように（すなわちその温度における３Ｈｅ濃厚相Ｐと３Ｈｅ希薄相Ｑとの平衡状態を保つように）、１００％３Ｈｅの３Ｈｅ濃厚相Ｐから３Ｈｅ希薄相Ｑへの３Ｈｅの溶け込みが連続的に生じることになる。そして混合室９から３Ｈｅが分留器５へ引込まれる間においてその３Ｈｅは熱交換器８を通過し、前述の往路１１Ａ側の３Ｈｅを冷却する。
【０００８】
分留器５においては、既に述べたように飽和蒸気圧の差によって４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液中から３Ｈｅのみが蒸発し、前述の真空ポンプ１によって引出される。真空ポンプ１に吸引された３Ｈｅは、再び凝縮器３へ送られて同様な過程を繰返す。
【０００９】
以上のようにして、希釈冷凍機では、１０−２Ｋオーダーの超低温を得ることができ、特に外部からの熱侵入が全くない理想状態において０．１Ｋの温度の１００％３Ｈｅ液体が混合室９に導入された場合を想定すれば、その場合は計算上は０．０３６Ｋまで冷却することが可能となる。
【００１０】
【非特許文献１】
“３Ｈｅ−４Ｈｅ希釈冷凍機の原理と設計上の問題点Ｉ”、「日本物理学会誌」、第３７巻第５号（１９８２）、ｐ４０９−４１８
“３Ｈｅ−４Ｈｅ希釈冷凍機の原理と設計上の問題点ＩＩ”、「日本物理学会誌」、第３７巻第７号（１９８２）、ｐ５９５−６００
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで希釈冷凍機においては、前述のように理想状態では０．０３６Ｋ程度の超低温が得られる筈であるが、従来の一般的な希釈冷凍機では、実際には０．０６Ｋ程度の温度までしか得られていないのが実情である。これは、前述のような原理的構成で説明した理想状態での運転状況と、実際の運動状況とが若干異なることに由来する。
【００１２】
すなわち図３において、外部からの熱侵入が全くない理想状態では、分留器５内の４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液体の液面からは３Ｈｅガスのみが蒸発し、その３Ｈｅガスのみ（すなわち１００％３Ｈｅのガス）が真空ポンプ１により引出されて、その１００％３Ｈｅガスが往路１１Ａ側の凝縮器３において凝縮されて１００％３Ｈｅ液相となり、その１００％３Ｈｅ液相が、熱交換器６、熱交換器８を経て混合室９に送り込まれる筈である。
【００１３】
しかしながら良く知られているように、４Ｈｅは２Ｋ程度以下の温度では超流動ヘリウム（ＨｅII）の状態となっており、したがって０．７Ｋ程度の温度の分留器５内における４Ｈｅ液相は超流動性を有しているため、分留器５内の４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液体中の４Ｈｅ液相は、実際にはその超流動性により液面から分留器５の内壁を伝わって薄膜状に上昇し、さらには真空ポンプ１に至る管路等の壁面に沿って薄膜状に上昇して、真空ポンプ１近くの２Ｋ程度の温度の部位（超流動性から常流動性に転移する温度の部位）まで至ってしまい、その部位付近で４Ｈｅ液相が気化して４Ｈｅガスとなり、その４Ｈｅガスが、本来導くべき３Ｈｅガス中に混入して真空ポンプ１に至ってしまう。その結果、４Ｈｅガスが混入した３Ｈｅガス、すなわち４Ｈｅ−３Ｈｅ混合ガスが真空ポンプ１により往路１１Ａ側へ送り出されて、凝縮器３により混合状態のまま液化され、さらに分留器５内の熱交換器６、熱交換器８を経て混合室９に導入されてしまう。
【００１４】
このように４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液体が混合室９内に導入された場合には、その混合液体は混合室９の上層すなわち１００％３Ｈｅの３Ｈｅ濃厚相Ｐ中に導かれて、その３Ｈｅ濃厚相Ｐ中で３Ｈｅ相（３Ｈｅ濃厚相）と６．４％３Ｈｅ−４Ｈｅ相（３Ｈｅ希薄相）とに相分離し、その後に３Ｈｅ希薄相Ｑ中へ溶け込むことになるが、混合室９に導入された混合液体が３Ｈｅ濃厚相Ｐ中で相分離する際には発熱が生じてしまう。もちろん３Ｈｅ濃厚相Ｐ中から３Ｈｅ希釈相Ｑ中に３Ｈｅが溶け込む（希釈される）際には、既に述べた通り吸熱が生じて、冷却効果を得ることができるのであるが、上述の相分離の際の発熱により冷却効果が減じられて、理想状態で計算上考えられる温度までは達し得なかったのである。
【００１５】
本発明者等の実験によれば、真空ポンプ１によって往路１１Ａ側へ送り出される３Ｈｅガスには、４０％程度の４Ｈｅガスが混入するのが通常であり、このような４０％４Ｈｅ−６０％３Ｈｅの混合液体が０．１Ｋの温度で混合室９に導かれた場合、前述のような相分離時の発熱によって、０．０６Ｋ程度までしか冷却させ得ないことが判明している。
【００１６】
このような問題を解決するための一手法としては、分留器から真空ポンプに至る経路の壁面を物理的（構造的）に途切れさせて、分留器から超流動状態で薄膜状に上昇した４Ｈｅが２Ｋ程度の温度の部位まで至らないような構造としたり、また分留器から超流動状態で薄膜状に上昇した４Ｈｅをヒーター等により積極的に気化させるとともに、その気化された４Ｈｅガスが真空ポンプに至らないような構造とする等の方策が採られているが、このような方策を採るためには、分留器等の構造が極めて複雑とならざるを得ず、またヒータやヒータ用電源などを必要としたりして、高コスト化を招かざるを得なかったのが実情である。またこれらの方策を適用した場合でも、４Ｈｅガスの混入を確実に阻止することは困難であり、そのため理想状態で得られる筈の極低温には未だ達し得なかったのが実情である。
【００１７】
そこで本発明者等は、特に複雑な構造やヒータ等を用いることなく、冷凍機の冷却ヘッドとなるべき混合室に、４Ｈｅが混入されていない１００％３Ｈｅ液体もしくはそれに近い液体が導入されるようにし、これにより理想状態に近い超低温まで冷却し得るようにした希釈冷凍機を、既に特願２００３−５２２９２において提案している。
【００１８】
上記の特願２００３−５２２９２の提案の希釈冷凍機では、基本的には混合室の直近の上流側において、混合室へ送り込まれるべきＨｅ液体中から４Ｈｅを分離除去することとしている。そしてそのために、混合室の直近の上流側に混合室と同様な構成の分離室を介挿しておき、４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液体中から４Ｈｅを抜き出して、これを混合室を通さずに復路側へ直接バイパスし、残る３Ｈｅのみを混合室へ送り込むようにしている。
【００１９】
図４に、上記の特願２００３−５２２９２において提案している希釈冷凍機の原理的な構成の一例を示す。なお図４において、図３に示す従来の一般的な希釈冷凍機と同様な部分については同一の符号を付す。
【００２０】
図４において、往路１１Ａにおける熱交換器８（往路側熱交換器流路８Ａ）と混合室９との間には分離室１３が介挿されている。この分離室１３には、熱交換器８の往路側流路８Ａにおいてその熱交換器８の復路側流路８Ｂと熱交換されて０．８Ｋより充分に低い温度（通常は０．１Ｋ程度）まで冷却された液体Ｈｅが導入される。この際の液体Ｈｅは、理想状態では１００％３Ｈｅ液相となっている筈であるが、実際上は前述のように３Ｈｅに例えば４０％程度の４Ｈｅが混入された４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液体となっているのが通常である。
【００２１】
ここで分離室１３内は、０．８Ｋよりも充分に低温であって、通常は０．１Ｋ程度以下であるため、図３を参照して混合室９に関して説明したと同様に、１００％３Ｈｅからなる３Ｈｅ濃厚相Ｐ’と、６.４％３Ｈｅ−残部４Ｈｅの３Ｈｅ希薄相Ｑ’とに２相分離した状態となっており、かつ密度の小さい３Ｈｅ濃厚相Ｐ’が上層に、密度の大きい３Ｈｅ希薄相Ｑ’が下層に位置する。そしてこのような分離室１３内に４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液を導入すれば、その４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液は３Ｈｅ濃厚相と３Ｈｅ希薄相とに２相分離して、それぞれ分離室１３内に既に存在している各相Ｐ’、Ｑ’に合体する。
【００２２】
さらに分離室１３の下部（下層の３Ｈｅ希薄相Ｑ’に相当する部位、例えば底部）はバイパス路１５によって復路１１Ｂにおける混合室９と熱交換器８との間の中間部分に連結されており、このバイパス路１５には、３Ｈｅ液相の流通に対して抵抗を与えかつ超流動状態の４Ｈｅ（すなわちＨｅII）の流通を実質的に阻止しない選択抵抗手段１７が介挿されていて、これらのバイパス路１５、選択抵抗手段１７を介して、分離室１３内の３Ｈｅ希薄相Ｑ’中から４Ｈｅのみが抜き出される。
【００２３】
ここで、分離室１３内の温度は０．８Ｋ以下、通常は０．１Ｋ程度であるが、４Ｈｅ液相は２Ｋ以下で超流動状態（ＨｅII相）となるから、分離室１３から出た４Ｈｅ（液相）も超流動状態となっている。このような超流動４Ｈｅ液相は、その粘性が３Ｈｅ液相と比較して格段に小さいため、極く小さな隙間でも容易に入り込んで流通することができる。したがって極く小さな隙間の如く、流体の流れに対して大きなインピーダンスを与えるような選択抵抗手段１７をバイパス路１５に設けておけば、超流動４Ｈｅ液相は、その粘性が著しく小さいため、選択抵抗手段１７内の極く小さい隙間を通過して流通することができる一方、超流動性を持たない常流動性の３Ｈｅ液相は、粘性が相対的に格段に大きいため、その粘性が隙間を通過する際の抵抗となり、その結果３Ｈｅ液相が流通することが実質的に阻止される。
【００２４】
選択抵抗手段１７の具体例としては、例えばキャピラリーチューブと称される極細管内に極細線（鋼線等）を挿入してなるもの（この場合は極細管の内面と極細線の外面との間の隙間を超流動４Ｈｅ液体が流通する）や、粒径数μｍのエメリー粉、アルミナ粉、銅粉等の粉末を密に充填した粉末充填層、あるいは網状の複数の部材を重ねたもの、その他連続気泡体や、連続孔を有する焼結体等を用いることができる。
【００２５】
一方分離室１３の上部（上層の３Ｈｅ濃厚相Ｐ’に相当する部分）は、３Ｈｅ導出路１９によって前述の混合室９の上部に連絡されている。この３Ｈｅ導出路１９は、前述の往路１１Ａの一部（最下流部分）を構成している。
【００２６】
上述のように、分離室１３の下部は、３Ｈｅ液相に対し抵抗を与えかつ超流動４Ｈｅを実施的に阻止しない選択抵抗手段１７を介挿したバイパス路１５を経て混合室９の下流側の復路１１Ｂに導かれており、この復路１１Ｂでは、真空ポンプ１により分留器５と分離室１３との間に圧力差が生じているから、選択抵抗手段１７を通過した超流動４Ｈｅ液相がバイパス路１５から復路１１Ｂ中に引出され、復路１１Ｂ中の３Ｈｅ液相の流れに４Ｈｅ液相が合流することになる。このようにして、分離室１３の下層、すなわち６．４％３Ｈｅ−４Ｈｅの３Ｈｅ希薄相Ｑ’からは４Ｈｅが選択抵抗手段１７を介挿したバイパス路１５によって直接的に（すなわち混合室９を通らずに）復路１１Ｂの側へ導かれる。その一方、分離室１３の上部は３Ｈｅ導出路１９（往路１１Ａ）により混合室９の上部に接続されているから、分離室１３内の上層、すなわち１００％３Ｈｅの３Ｈｅ濃厚相Ｐ’から混合室９の上部に１００％３Ｈｅが導かれることになる。言い換えれば、分離室１３に導入された４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液（例えば４０％４Ｈｅ−６０％３Ｈｅ混合液体）のうち４Ｈｅは、分離室１３内において３Ｈｅ希薄相Ｑ’に分離され、さらにその４Ｈｅは、３Ｈｅ希薄相Ｑ’から選択抵抗手段１７を介挿したバイパス路１５を経て直接復路１１Ｂに引出されることになり、一方分離室１３に導入された４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液のうちの３Ｈｅは、分離室１３の３Ｈｅ濃厚相Ｐ’中に分離され、さらにその３Ｈｅ濃厚相Ｐ’から混合室９に導かれることになる。したがって混合室９には、４Ｈｅを含まない実質的に１００％３Ｈｅからなる３Ｈｅ液相が導入されることになる。
【００２７】
このようにして混合室９には、実質的に１００％３Ｈｅの液相が導入され、この３Ｈｅ液相は既に図３を参照して説明したと同様に、混合室９内において３Ｈｅ濃厚相Ｐ中から３Ｈｅ希薄相Ｑに希釈される際に、吸熱を生じさせて、冷凍機としての冷却作用をもたらすことになる。ここで、混合室９に導入される液体が４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液体である場合には、既に説明したように、混合室９内の３Ｈｅ濃厚相Ｐにおいて混合液体が相分離する際に発熱が生じ、この発熱により冷却能が減じられてしまうことになるが、図４の希釈冷凍機の場合には、前述のように混合室９に導入される液体が実質的に４Ｈｅを含まない状態、すなわち実質的に３Ｈｅ液相のみの理想状態もしくはそれに近い状態となっているため、相分離に伴なう発熱が実質的に生じず、そのため理想状態に近い超低温（例えば０．０３６Ｋに近い超低温）を得ることが可能となるのである。
【００２８】
混合室９の３Ｈｅ希薄相Ｑからは、既に図３について説明したように、３Ｈｅ液相が復路１１Ｂの側に導出され、さらにその復路１１Ｂの中途においては、前述のように分離室１３から選択抵抗手段１７を介挿したバイパス路１５を経て４Ｈｅ液相が合流し、熱交換器８を通って分留器５に導入される。この分留器５においては、４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液体中から４Ｈｅと３Ｈｅとの飽和蒸気圧の差によって３Ｈｅがガス化して蒸発し、真空ポンプ１に導かれる。またその分留器５においては、４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液の液面から超流動性を有する４Ｈｅ液相が、その超流動性により壁面伝いに薄膜として上昇し、さらに真空ポンプ１に至る管路（復路１１Ｂ）等の壁面伝いに超流動性を失う位置（約２Ｋの部位）まで４Ｈｅ液相の薄膜が上昇し、その付近で４Ｈｅ液相が気化して４Ｈｅガスとなる。したがって既に述べたように、真空ポンプ１の入口側には３Ｈｅガスに４Ｈｅガスが混入したガスが導かれ、その混合ガスが真空ポンプ１により往路１１Ａ側へ圧送されることになる。そしてその混合ガスが凝縮器３において液化され、熱交換器８を経てさらに冷却されて分離室１３に導かれることは既に述べた通りである。
【００２９】
以上のように、図４に原理的な構成を示した特願２００３−５２２９２の発明の希釈冷凍機においては、特に複雑な構造やヒータ等を用いることなく、理想状態に近い超低温（０．１Ｋの液体Ｈｅが混合室に導入された場合には０．０３６Ｋに近い超低温）を得ることが可能となるのである。
【００３０】
しかしながら、本発明者等が図４に示す希釈冷凍機を実用化するための実験、研究を重ねたところ、未だ次のような問題があることが判明した。
【００３１】
すなわち、図４に示される希釈冷凍機において、分離室１３を設けない場合（すなわち図３に示される希釈冷凍機の場合）と同等の流量で４Ｈｅを含まない１００％３Ｈｅのみからなる液体を分離室１３から混合室９へ導入するためには、分離室１３に流入する４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液体中の４Ｈｅと同量の４Ｈｅ液相を、分離室１３からバイパス路１５および選択手段１７を経て復路１１Ｂの側に抜き出さなければならない。そのためには、バイパス路１５における選択抵抗手段１７のインピーダンスが適切な値となっていなければならない。
【００３２】
ここで、選択抵抗手段１７のインピーダンスが緩すぎる場合は、分離室１３に流入する４Ｈｅ−３Ｈｅの混合液体の４Ｈｅ量を越える多量のＨｅ液体が分離室１３からバイパス路１５を通って直接復路１１Ｂ側へ流れてしまう。この場合、分離器１３からバイパス路１５へ流出するＨｅ液体には４Ｈｅのみならず３Ｈｅも含まれることになるから、分離室１３から混合室９に導かれる３Ｈｅの量が少なくなり、そのため混合室９における希釈冷却作用が小さくなって、充分な超低温が得られなくなってしまう。
【００３３】
一方、選択抵抗手段１７のインピーダンスがきつすぎる場合には、分離室１３に流入する４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液体中の４Ｈｅの量よりも分離室１３からバイパス路１５の側へ流出する４Ｈｅ液体の量が少なくなり、その結果分離室１３から混合室９に導かれる液体中にも４Ｈｅが含まれるようになってしまう。すなわち混合室９には３Ｈｅに４Ｈｅが混入した混合液体が流入することになり、そのため既に述べた図３の場合と同様に混合室９において充分な冷却効果が得られなくなってしまい、充分な超低温が得られなくなるのである。
【００３４】
このように、バイパス路１５における選択抵抗手段１７は、適切なインピーダンスを有していることが必要であって、インピーダンスが緩すぎても、またきつすぎても充分な超低温を得ることができなくなってしまう。
【００３５】
しかるに、上述のような適正なインピーダンス値を計算等により予測することは極めて困難である。そこで現状では、装置の試作段階あるいは実機の実用運転前の段階において、種々のインピーダンスを選択抵抗手段１７に設定して、試験運転を何回も行ない、その結果から最適なインピーダンスを決定するという試行錯誤を重ねざるを得ないのが実情である。しかしながらこのような現状では、適切なインピーダンスを定めるまでの試験運転に多大な時間と手間を要さざるを得ないという問題がある。またこのような試行錯誤によってインピーダンスを設定したとしても、そのインピーダンスが真に最適か否かは不明であり、したがって真に理想的な運転状況となっているとは限らないのが実情である。
【００３６】
この発明は以上の事情を背景としてなされたもので、前述の特願２００３−５２２９２の提案による希釈冷凍機の問題を解決し、インピーダンス設定のための試行錯誤を不要とし、これにより試作段階や実機の実用運転前の段階での試験運転に要する手間と時間を大幅に削減し、しかも前記提案の希釈冷凍機と遜色のない超低温が得られる希釈冷凍機を提供することを目的とするものである。
【００３７】
【課題を解決するための手段】
前述のような課題を解決するため、本願発明者等が種々実験・検討を重ねた結果、前述の特願２００３−５２２９２の提案の希釈冷凍機におけるバイパス路（選択抵抗手段を含む）を取り去って、分離室に流入する４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液体と同量の液体を分離室から混合室へ導いた場合にも、混合室内における相分離による発熱を防止して、希釈冷却能を充分に発揮し得ることを見出した。
【００３８】
すなわち、４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液体を、分離室において一旦３Ｈｅ希薄相と４Ｈｅ濃厚相とに分離し、その分離された３Ｈｅ希薄相と４Ｈｅ濃厚相を、分離状態を保ったまま混合室に導入すれば、混合室内での相分離の発生を防止して、相分離時の発熱による冷却能の低下を防止し得ることを見出し、この発明をなすに至ったのである。
【００３９】
具体的には、請求項１の発明は、Ｈｅガスを循環圧送するための真空ポンプの出口側から、Ｈｅ液相を３Ｈｅ濃厚相と３Ｈｅ希薄相とに２相分離した状態で収容しかつ冷却ヘッドとなるべき混合室の入口までの経路を往路とし、前記混合室の出口から真空ポンプの入口側に至る経路を復路とし、これらの往路、復路によってＨｅを循環させるためのＨｅ循環経路を形成しておき、前記往路中に凝縮器を配設しておき、真空ポンプにより送り出されたＨｅガスをその凝縮器において凝縮させ、得られたＨｅ液相を、復路側との熱交換により０．８Ｋ以下に冷却して、その０．８Ｋ以下に冷却されたＨｅ液相を、前記混合室の３Ｈｅ濃厚相中に導き、混合室内での３Ｈｅ濃厚相中から３Ｈｅ希薄相への３Ｈｅの希釈により熱吸収を生ぜしめ、一方復路中には分留器を配設しておき、その分留器内における３Ｈｅの蒸気圧と４Ｈｅの蒸気圧の差を利用して、３Ｈｅを気化させて真空ポンプの入口側へ導くと同時に、その気化による分留器内のＨｅ液相中におけるＨｅ濃度の低下を利用して、混合室内の３Ｈｅ希薄相から３Ｈｅ液相を復路側へ導き出すようにした希釈冷凍機において、前記往路における混合室の直近の上流側に、Ｈｅ液相を３Ｈｅ濃厚相と３Ｈｅ希薄相とに２相分離した状態で収容する分離室を介挿しておき、往路中の凝縮器により凝縮されかつ０．８Ｋ以下に冷却されたＨｅ液相を分離室内に導き、そのＨｅ液相を３Ｈｅ濃厚相と３Ｈｅ希薄相とに分離させて、それぞれ分離室内の３Ｈｅ濃厚相、３Ｈｅ希薄相に合体させるようにし、さらにその分離室内の３Ｈｅ希薄相中および３Ｈｅ濃厚相を、分離状態を保ったまま混合室内に導入し、これによって混合室内に導入されたＨｅ液相が新たに相分離を生じさせないようにしたことを特徴とするものである。
【００４０】
【発明の実施の形態】
図１に、この発明の希釈冷凍機の原理的な構成の一例を示す。なお図１において、図４に示した特願２００３−５２２９２の提案の希釈冷凍機の要素と同一の要素については図４と同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００４１】
図１において、往路１１Ａにおける熱交換器８（往路側熱交換器８Ａ）と混合室９との間に分離室１３が介挿されている点は、図４の希釈冷凍機と同様である。但し、図４の希釈冷凍機の場合のようなバイパス路（１５）および選択抵抗手段（１７）は設けられていない。そしてこの分離室１３は、その液体排出口としては、上下方向の中間部分（上面および底面を除いた部分）に形成された排出口１３Ａのみを有している。この排出口１３Ａは、導出路１９によって混合室９の上部に連絡されている。なおこの導出路１９は、前述の往路１１Ａの一部（最下流部分）を構成している。
【００４２】
ここで分離室１３内は、既に図４あるいは図３について述べたと同様に、０．８Ｋよりも充分に低温であって、通常は０．１Ｋ程度であり、この状態では混合室１３内の液体Ｈｅは、１００％３Ｈｅからなる３Ｈｅ濃厚相Ｐ’と、６．４％３Ｈｅ−残部４Ｈｅの３Ｈｅ希薄相Ｑ’とに２相分離している。なおこの２相分離状態では、密度の小さい３Ｈｅ濃厚相Ｐ’が上層に、密度の大きい３Ｈｅ希薄相Ｑ’が下層となる。一方、このような０．８Ｋ以下、通常は０．１Ｋ程度の温度の分離室１３内に４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液が熱交換器８を経て導入されれば、その４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液が、１００％３Ｈｅの３Ｈｅ濃厚相と６．４％３Ｈｅ−残部４Ｈｅの３Ｈｅ希薄相とに２相分離する。そして導入された混合液体から相分離された３Ｈｅ濃厚相は、それ以前から分離室１３内に存在している３Ｈｅ濃厚相（上層）Ｐ’に溶け込んで一体化し、また導入された混合液体から相分離された３Ｈｅ希薄相は、同じくそれ以前から分離室１３内に存在している３Ｈｅ希薄相（下層）Ｑ’に溶け込んで一体化する。
【００４３】
そして分離室１３内の相分離された３Ｈｅ濃厚相および３Ｈｅ希薄相は、その分離室１３の上下方向中間位置に形成された排出口１３Ａから、導出路１９を経て混合室９に導入される。ここで導出路１９も、０．８Ｋより充分に低い温度、通常は０．１Ｋ程度の低温となっているから、分離室１３から排出された３Ｈｅ濃厚相および３Ｈｅ希薄相は、導出路１９内においても相分離された状態を保ち、その２相分離液体が混合室９の上部へ導入されることになる。
【００４４】
混合室９に導入された２相分離液体中の３Ｈｅ濃厚相は、それ以前から混合室９内に存在している３Ｈｅ濃厚相（上層）Ｐに溶け込んでそのまま一体化し、一方、導入された２相分離液体中の３Ｈｅ希薄相はそれ以前から混合室９内に存在している３Ｈｅ希薄相（下層）Ｑにそのまま溶け込んで一体化する。
【００４５】
一方混合室９の下部からは、既に図３について説明したと同様に、３Ｈｅ希薄相Ｑ中から３Ｈｅ液相が復路１１Ｂの側に導出され、この３Ｈｅ液相は、熱交換器８の復路側流路８Ｂを通って分留器５に至る。すなわち、分留器５内では、３Ｈｅと４Ｈｅの飽和蒸気圧の差により４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液体中から３Ｈｅが選択的に蒸発するから、これによる分留器５内の４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液体中の３Ｈｅ濃度の低下（通常は０．７Ｋ程度で３Ｈｅ濃度１％程度となる）によって、混合室９内の３Ｈｅ希薄相Ｑ中の３Ｈｅ濃度（６．４％）と分留器５内の４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液体中の３Ｈｅ濃度（約１％）との間に３Ｈｅの濃度差が生じ、その濃度差が駆動力となって混合室９内の３Ｈｅ希薄相Ｐから３Ｈｅのみが選択的に復路１１Ｂの側に引出されるのである。
【００４６】
このようにして混合室９内の３Ｈｅ希薄相Ｑから３Ｈｅが引出されて、その３Ｈｅ希薄相Ｑ中の３Ｈｅ濃度が６．４％よりも低下する傾向が生じれば、それに伴なって、３Ｈｅ希薄相Ｑの３Ｈｅ濃度を６．４％に保つように３Ｈｅ濃厚相Ｐから３Ｈｅが３Ｈｅ希薄相Ｑ中に溶け込み（希釈し）、この時既に述べたように吸熱が生じて希釈冷凍作用をもたらす。
【００４７】
ここで、混合室９内に導入されるＨｅ液体は、前述のように既に分離室１３内において１００％３Ｈｅの３Ｈｅ濃厚相と６．４％３Ｈｅ−残部４Ｈｅの３Ｈｅ希薄相とに分離されているから、混合室９内では改めて相分離が生じることはなく、そのため相分離に伴なう発熱は混合室９内では生じないことになり、したがって相分離に伴なう発熱が、希釈冷凍作用による冷却能を低下させることがなく、そのため理想状態に近い超低温（例えば０．０３６Ｋに近い超低温）を得ることが可能となるのである。
【００４８】
なお混合室９の３Ｈｅ希薄相Ｑからは、既に説明したように３Ｈｅ液相が復路１１Ｂの側に導出され、熱交換器８を通って分留器５に導入される。また真空ポンプ１により分留器５と混合室９との間には圧力差が生じているから、混合室９内の３Ｈｅ希薄相Ｑ中の４Ｈｅも混合室９から復路１１Ｂを通って分留器５に導かれる。そして分留器５においては、４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液体中から４Ｈｅと３Ｈｅとの飽和蒸気圧の差によって３Ｈｅがガス化して蒸発し、真空ポンプ１に導かれる。
【００４９】
ここで分留器５においては、４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液の液面から、超流動性を有する４Ｈｅ液相がその超流動性により壁面伝いに薄膜として上昇し、さらに真空ポンプ１に至る管路（復路１１Ｂ）等の壁面伝いに超流動性を失う位置（約２Ｋの部位）まで４Ｈｅ液相の薄膜が上昇し、その付近で４Ｈｅ液相が気化して４Ｈｅガスとなる。したがって既に［発明が解決しようとする課題］の項で述べたように、真空ポンプ１の入口側には３Ｈｅガスに４Ｈｅガスが混入したガスが導かれ、その混合ガスが真空ポンプ１により往路１１Ａ側へ圧送されることになる。そしてその混合ガスが凝縮器３において液化され、熱交換器８を経てさらに冷却されて分離室１３に導かれることは既に述べた通りである。
【００５０】
以上のように、図１に原理的な構成を示したこの発明の方法によれば、理想状態に近い超低温（０．１Ｋの液体Ｈｅが混合室に導入された場合には０．０３６Ｋに近い超低温）を得ることができるのである。
【００５１】
なお、図４に示される提案の希釈冷凍機の場合には混合室９に３Ｈｅのみが流入するが、図１に示すこの発明の希釈冷凍機の場合は、既に述べたように分離室１３で分離された３Ｈｅ希薄相（４Ｈｅと３Ｈｅの両者を含むもの）も混合室９に流入する。このとき、３Ｈｅ希薄相は混合室９内に既に存在している３Ｈｅ希薄相Ｐと合体するだけであって、改めて相分離は生じないから、相分離に起因する発熱は生じないが、混合室に流入した３Ｈｅ希薄相自体は当初０．１Ｋ程度の温度から温度が０．０３６Ｋ近くまで下がるために熱を奪われる必要がある。ここで４Ｈｅはエントロピーが極めて小さく、そのため混合室９内に流入した３Ｈｅ希薄相中の４Ｈｅは温度にほとんど影響を与えないが、３Ｈｅは４Ｈｅと比較して格段にエントロピーが大きいため、混合室９内に流入した３Ｈｅ希薄相中の３Ｈｅは、上述のように０．１Ｋ程度から０．０３６Ｋ近くまで温度低下するためにある程度は熱量を消費することになる。すなわち、混合室９内に３Ｈｅ希薄相が流入すれば、その希薄相中の３Ｈｅが混合室９における余分な熱負荷となり、そのため図４に示したような１００％３Ｈｅのみが混合室に流入する場合と比較すれば、冷却能は若干下がることになる。しかしながら、温度の担体である３Ｈｅ希薄相中の３Ｈｅは、全３Ｈｅ量のわずか数％に過ぎない。すなわち、３Ｈｅ希薄相中の３Ｈｅ量が６．４％であってまた分離室１３に導入される４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液体中の３Ｈｅ量が４０％であると仮定すれば、計算上は希薄相中の３Ｈｅ量は全３Ｈｅ量の約４．６％に過ぎない。このように、全３Ｈｅ量に占める希薄相中の３Ｈｅ量はわずか数％程度に過ぎないから、図４の場合との温度低下量の差は、わずか０．００１〜０．００２Ｋ程度となる。したがって図４の希釈冷凍機で０．０３６Ｋが得られるとすれば、図１の場合、それよりわずかに０．００１〜０．００２Ｋ程度高い温度、すなわち０．０３７〜０．０３８Ｋ程度までは冷却することが可能となるのである。
【００５２】
また分離室１３からは、前述のように分離室１３内で２相分離された３Ｈｅ希薄相および３Ｈｅ濃厚相を排出口１３Ａから同時に流出させるが、排出口１３の位置は、分離室１３の上面と底面との間の中間位置であれば良く、特にその位置を厳密に規制する必要は特にない。すなわち、３Ｈｅ希薄相と３Ｈｅ濃厚相とを同時に流出させるためには、本来排出口１３Ａが分離室１３内の３Ｈｅ希薄相Ｐ’と３Ｈｅ濃厚相Ｑ’との境界面に位置している必要があるが、運転開始時点では上記境界面の位置が排出口１３Ａの位置から上方もしくは下方にずれていたとしても、運転を開始すれば境界面はすみやかに排出口１３Ａの位置で安定して平衡状態を保つようになる。例えば初期状態（運転開始時）では排出口１３Ａが両相の境界面より下方に位置していた場合、最初は３Ｈｅ希薄相のみが排出口１３Ａから流出することになるが、それに伴なって分離室１３に流入する混合液体中の４Ｈｅの量も多くなり、その結果境界面が下降して境界面が排出口１３Ａの位置に達すれば、３Ｈｅ希薄相と３Ｈｅ濃厚相とが同時に排出される状態となり、その状態で系全体がバランスされて平衡状態となり、排出口１３Ａの位置で境界面が維持されることになる。また逆に初期状態で排出口１３Ａが境界面より上方に位置していた場合、最初は３Ｈｅ濃厚相のみが排出口１３Ａから流出することになるが、それに伴なって分離室１３に流入する混合液体中の３Ｈｅの割合も高くなり、そのため境界面が上昇し、境界面が排出口１３Ａの位置に達すれば、３Ｈｅ希薄相と３Ｈｅ濃厚相とが同時に排出される状態となり、その状態で系全体がバランスされて平衡状態となって、排出口１３Ａの位置で境界面が維持されるようになる。
【００５３】
【実施例】
この発明の希釈冷凍機の具体例を、図２に基いて説明する。
【００５４】
図２において、真空断熱層２０を有する有底円筒状の外側容器２２内には、冷媒としての液体ヘリウム（通常は液体４Ｈｅ）２４が収容されており、この外側容器２２の上端を密閉する蓋体２６には減圧口２８が設けられており、この減圧口２８は配管３０および開閉弁３２を介して減圧ポンプ３４に導かれている。
【００５５】
一方、外側容器２２内の液体ヘリウム冷媒２４中には、上方から前記蓋体２６を貫通して有底円筒状の内側容器３６が挿入・浸漬されている。この内側容器３６の下部の周壁部には真空断熱層３８が形成されている。そして真空断熱層３８の上端には排気管４０が接続されて、開閉弁４１を介して外部の排気ポンプ４３に接続されている。一方内側容器３６の上端近くには、Ｈｅガス排出口４２が形成され、このＨｅガス排出口４２はＨｅ循環用の真空ポンプ１の入口側に接続されている。
【００５６】
一方、前記内側容器３６内の下部には、３Ｈｅ液相と４Ｈｅ液相との混合液体ヘリウム４６が収容されており、この液体ヘリウム４６中には、上方から支柱兼真空排気管４８によって吊下された状態で、円筒状のプランジャ５０が浸漬されている。なおこのプランジャ５０は、後に改めて説明するように、周囲（その外周面と内側容器３６の内周面との間）に液体ヘリウム４６が流通可能な空隙４７が存在するように配設されている。一方前記支柱兼真空排気管４８の中間位置（プランジャ５０よりも上方でかつ液体ヘリウム４６の液面４６Ａよりも上方の位置）には、その支柱兼真空排気管４８が上下に貫通するように銅等の良熱伝導材料からなる熱伝導ブロック５２が固定されている。この熱伝導ブロック５２は、図示しない銅等の良熱伝導材料製のバネなどにより内側容器３６の内面に熱的に接触している。
【００５７】
またこの熱伝導ブロック５２からは、下面を開放した傘状もしくは円筒状のＨｅガス収集部材５６が吊下されている。このＨｅガス収集部材５６は、その下端部が液体ヘリウム４６の液面４６Ａより下方に浸漬されて、液面４６Ａ上に空間５６Ａが形成されている。そして前記熱伝導ブロック５２を上下に貫通しかつＨｅガス収集部材５６の内側空間５６Ａ内に続くガス通路５８によって、熱伝導ブロック５２の上側の空間と液体ヘリウム４６の液面４６Ａ上のＨｅガス収集部材５６の内側空間５６Ａとが連通されている。ここで、プランジャ５０の上面からＨｅガス収集部材５６までの間が前述の分留器５に相当する。
【００５８】
前記プランジャ５０には、その上下方向の中間位置の内部に中空な空室５０Ａが形成されており、また下端には下方に開放された空室５０Ｂが形成されている。ここで、プランジャ５０の中間位置の空室５０Ａは、前述の分離室１３に相当し、また下端の下方に開放された空室５０Ｂは、前述の混合室９に相当する。なおプランジャ５０における空室５０Ａ（分離室１３）より上方の部分、および空室５０Ｂ（混合室９）との間の部分は、真空断熱構造とされている。
【００５９】
一方前記内側容器３６内には、その上端の蓋体６０を貫通して上方からＨｅガス供給管６２が挿入されている。このＨｅガス供給管６２は、内側容器３６の外部において前述のＨｅ循環用の真空ポンプ１の出口側に、Ｈｅガス入口バルブ６４を介して接続されている。またそのＨｅガス供給管６２は、内側容器３６内を下方へ導かれて、前述の熱伝導ブロック５２に一体に組込まれた銅粉焼結体などからなる凝縮器３の上面入口側に接続されている。
【００６０】
ここで熱伝導ブロック５２は、前述のように内側容器３６に熱的に接触され、かつその内側容器３６の外側には冷媒としての液体ヘリウム２４が存在しているから、この液体ヘリウムが凝縮器３を冷却するための１Ｋポット２（図１、図３参照）として機能することになる。
【００６１】
さらに凝縮器３の下方の出口側は配管６６を介して例えばスパイラル管状の分留器熱交換器６に接続されている。この分留器熱交換器６は、プランジャ５０の上面側において（すなわち前記分留器５内において）液体ヘリウム４６に浸漬されている。また分留器熱交換器６の下方出口側は、プランジャ５０の上部外周面と内側容器３６の内周面との間の空隙４７に配設された例えばスパイラル管状の熱交換器往路側流路８Ａに接続され、されにこの熱交換器往路側流路８Ａの下端は、前述の分離室１３を構成するプランジャ５０内の空室５０ＡにおいてＨｅ液相を吐出する吐出口７０に導かれている。またこの分離室１３の側面の上下方向中間位置には、その分離室１３内で分離された３Ｈｅ希薄相および３Ｈｅ濃厚相を同時に排出するための排出口１３Ａが吐出口７０から離れた位置で開口しており、この排出口１３Ａはプランジャ５０の外周面と内側容器３６の内周面との間の空隙に介在する熱交換器流路７４を備えた導出路１９を介してプランジャ５０の下端の空室５０Ｂ（すなわち混合室９）の上部に導かれている。
【００６２】
以上のような図２に示される希釈冷凍機において、外側容器２２と内側容器３６との間の空間には前述のように液体ヘリウム（通常の４Ｈｅ）２４が注入され、かつ減圧ポンプ３４によって減圧口２８からその空間が排気減圧されて、１Ｋ近くの低温に保持される。したがってこの液体ヘリウム２４を注入した空間の部分が図３における１Ｋポット２に相当し、熱伝導ブロック５２を１．３Ｋ程度まで冷却するのに寄与する。一方内側容器３６内には、３Ｈｅ液相と４Ｈｅ液相とからなる液体ヘリウム４６が、その液面４６ＡがＨｅガス収集部材の上下方向中間位置（したがって分留器５の中間位置）に位置するように収容されている。ここで、分離室１３（プランジャ５０の中間位置の空室５０Ａ）および混合室９（プランジャ５０の下端の空室５０Ｂ）も液体ヘリウム４６で満たされるが、それぞれ１００％３Ｈｅの３Ｈｅ濃厚相（上層）Ｐ’，Ｐと４Ｈｅ−６．４％３Ｈｅからなる３Ｈｅ希薄相（下層）Ｑ’，Ｑに分離されている。
【００６３】
このような状態で３Ｈｅに４Ｈｅが混入した混合Ｈｅガスが真空ポンプ１によってバルブ６４およびＨｅガス供給管６２を経て凝縮器３に導かれ、熱伝導ブロック５２によって１．３Ｋ程度に冷却されて液化する。液化された混合Ｈｅは、分留器熱交換器６および熱交換器往路側流路８Ａを経てさらに冷却され、吐出口７０から分離室１３（空室５０Ａ）内に吐出される。なお熱交換器往路側流路８Ａに対応する熱交換器８の復路側流路８Ｂ（図１参照）は、空隙４７によって構成されている。
【００６４】
前記分離室１３においては、既に図１に関して述べたように、吐出された混合液体ヘリウムが１００％Ｈｅの３Ｈｅ濃厚相と６．４％３Ｈｅ−残部４Ｈｅの３Ｈｅ希薄相とに分離され、それぞれが上層の３Ｈｅ濃厚相Ｐ’、下層の３Ｈｅ希薄相Ｑ’中に合体される。そしてこの分離室１３の排出口１３Ａから、３Ｈｅ濃厚相と３Ｈｅ希薄相とがその分離状態を保ったまま導出路１９および熱交換器７４を経て混合室９に導かれて、その混合室９内に吐出される。
【００６５】
そして上述のようにして混合室９内に吐出された３Ｈｅ濃厚相および３Ｈｅ希薄相は、それぞれ混合室９内に既に存在している濃厚相（上層）Ｐおよび希薄相（下層）Ｑに合体する。そしてまた濃厚相の３Ｈｅの一部が下側の希薄相Ｑに溶け込む。このとき、既に述べたように熱吸収が生じて、０．０３７Ｋ〜０．０３８Ｋ程度の超低温が得られる。ここで、混合室９内に導かれる液体ヘリウムは、既に述べたように予め分離室１３において３Ｈｅ濃厚相と３Ｈｅ希薄相とに分離されているから、混合室１３内で４Ｈｅが分離することによる発熱が実質的に生じず、その結果前述のように０．０３７〜０．０３８Ｋ程度の超低温を得ることが可能となるのである。
【００６６】
一方、混合室９はプランジャ５０の外周面側の空隙４７により分留器５と連通しているから、混合室９内の３Ｈｅ希薄相Ｑ中の３Ｈｅは分留器５に至るが、この分留器５は１Ｋ以下の低温となっているため、３Ｈｅと４Ｈｅとの大幅な飽和蒸気圧の差によって主に３Ｈｅが蒸発し、この気相の３Ｈｅは熱伝導ブロック５２のガス通路５８を通って内側容器３６の上方の空間からＨｅガス排出口４２を経て真空ポンプ１により排気される。これに伴ない、分留器５内の液体ヘリウム中の３Ｈｅ濃度は１％程度まで低下するから、分留器５内の液体中における３Ｈｅ濃度（約１％）と混合室９の３Ｈｅ希薄相Ｑ中の３Ｈｅ濃度（約６．４％）との間に３Ｈｅの濃度差が生じ、その濃度勾配によって混合室９の３Ｈｅ希薄相Ｑから３Ｈｅ分子が空隙４７を通って分留器５に引込まれ、またそれにより混合室９の３Ｈｅ希薄相Ｑ中の３Ｈｅ濃度が低くなるに伴なって、混合室９内において３Ｈｅ濃厚相Ｐから３Ｈｅが連続的に３Ｈｅ希薄相Ｑ中へ溶け込み（希釈される）、これにより熱吸収が連続的に持続されることになる。
【００６７】
また真空ポンプ１によって分留器５と混合室９との間には圧力差が生じているから、混合室９内の３Ｈｅ希薄相Ｑからは４Ｈｅ分子も空隙４７を通って分留器５に引込まれる。
【００６８】
そして分留器５内における液体ヘリウム４６の液面４６Ａやその周囲の部分の液面からは、Ｈｅガス収集部材５６の内面や外面伝い、あるいは内側容器３６の内面伝いに、超流動４Ｈｅがその超流動性により薄膜として上昇し、その薄膜として上昇した超流動４Ｈｅは、内側容器３６の上方の空間やさらには真空ポンプ１に至る管路における２Ｋ程度の温度の部位まで上昇して常流動性に戻るとともにその付近の蒸気圧に応じて気化し、その結果、真空ポンプ１の入口側には３Ｈｅガスに４Ｈｅガスが混入した混合Ｈｅガスが引込まれることになる。
【００６９】
その後の循環過程は既に述べた通りであり、混合Ｈｅガスが再び凝縮器３で凝縮されて液化し、さらに冷却されて分離室１３に至り、分離室１３で１００％３Ｈｅの３Ｈｅ濃厚相と６．４％３Ｈｅ−残部４Ｈｅの３Ｈｅ希薄相とに分離し、それらの両相が分離状態のまま混合室９に導入される。
【００７０】
以上のように、分留器で選択的に気化された３Ｈｅに対して４Ｈｅが混入して、その混合Ｈｅが真空ポンプにより圧送されて循環されてしまうこと自体は許容しながらも、往路の混合Ｈｅを、混合室９の直前の分離室において３Ｈｅ濃厚相と３Ｈｅ希薄相とに分離させ、その分離状態を保ったまま混合室に３Ｈｅ濃厚相と３Ｈｅ希薄相を導入することによって、混合室において理想状態に近い０．０３７〜０．０３８Ｋ程度の超低温を得ることが可能となるのである。またここで、上述のように分留器で選択的に蒸発した３Ｈｅガスに対して４Ｈｅが混入してしまうこと自体は許容しているため、分留器から真空ポンプに至る経路において４Ｈｅ混入防止のための複雑な構造を適用する必要はない。さらに、図４に示す希釈冷凍機の場合のようなバイパス路、選択抵抗手段がなく、そのためこれらのインピーダンスを適正値に設定する必要もないことになる。
【００７１】
【発明の効果】
前述の説明で明らかなように、この発明の希釈冷凍機によれば、冷却ヘッドとしての機能を果たすべき混合室に導入される液体ヘリウムが、予め３Ｈｅ濃厚相と３Ｈｅ希薄相とに相分離されているため、混合室内で混合液体が相分離することによる発熱が生じることがなく、そのため希釈冷凍機能を充分に発揮して、理想状態に近い超低温を得ることが可能となる。また、分留器から真空ポンプに至る経路において３Ｈｅガスに４Ｈｅガスが混入すること自体は許容しているため、そのような４Ｈｅガスの混入を阻止するための複雑な構造やヒータ等を用いる必要がなく、そのため低コストでかつ耐久性も高い。さらにこの発明の希釈冷凍機においては、先行して出願した特願２００３−５２２９２の提案の希釈冷凍機の場合のような分離室から復路へのバイパス路（選択抵抗手段を介挿したもの）が省かれているため、選択抵抗手段のインピーダンスを適正値に設定するために何回も試験運転を重ねる必要がなく、そのため試験運転に要する手間や時間を大幅に削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の希釈冷凍機の原理的な構成の一例を示す略解図である。
【図２】この発明の希釈冷凍機の一実施例を示す略解的な縦断正面図である。
【図３】従来の一般的な希釈冷凍機の原理的な構成を示す略解図である。
【図４】先行して出願した特願２００３−５２２９２の提案による希釈冷凍機の原理的な構成を示す略解図である。
【符号の説明】
１ 真空ポンプ
５ 分留器
８ 熱交換器
９ 混合室
１１Ａ 往路
１１Ｂ 復路
１３ 分離室
Ｐ、Ｐ’ ３Ｈｅ濃厚相
Ｑ、Ｑ’ ３Ｈｅ希薄相
Claims (1)
- Ｈｅガスを循環圧送するための真空ポンプの出口側から、Ｈｅ液相を３Ｈｅ濃厚相と３Ｈｅ希薄相とに２相分離した状態で収容しかつ冷却ヘッドとなるべき混合室の入口までの経路を往路とし、前記混合室の出口から真空ポンプの入口側に至る経路を復路とし、これらの往路、復路によってＨｅを循環させるためのＨｅ循環経路を形成しておき、
前記往路中に凝縮器を配設しておき、真空ポンプにより送り出されたＨｅガスをその凝縮器において凝縮させ、得られたＨｅ液相を、復路側との熱交換により０．８Ｋ以下に冷却して、その０．８Ｋ以下に冷却されたＨｅ液相を、前記混合室の３Ｈｅ濃厚相中に導き、混合室内での３Ｈｅ濃厚相中から３Ｈｅ希薄相への３Ｈｅの希釈により熱吸収を生ぜしめ、
一方復路中には分留器を配設しておき、その分留器内における３Ｈｅの蒸気圧と４Ｈｅの蒸気圧の差を利用して、３Ｈｅを気化させて真空ポンプの入口側へ導くと同時に、その気化による分留器内のＨｅ液相中におけるＨｅ濃度の低下を利用して、混合室内の３Ｈｅ希薄相から３Ｈｅ液相を復路側へ導き出すようにした希釈冷凍機において、
前記往路における混合室の直近の上流側に、Ｈｅ液相を３Ｈｅ濃厚相と３Ｈｅ希薄相とに２相分離した状態で収容する分離室を介挿しておき、往路中の凝縮器により凝縮されかつ０．８Ｋ以下に冷却されたＨｅ液相を分離室内に導き、そのＨｅ液相を３Ｈｅ濃厚相と３Ｈｅ希薄相とに分離させて、それぞれ分離室内の３Ｈｅ濃厚相、３Ｈｅ希薄相に合体させるようにし、さらにその分離室内の３Ｈｅ希薄相中および３Ｈｅ濃厚相を、分離状態を保ったまま混合室内に導入し、これによって混合室内に導入されたＨｅ液相が新たに相分離を生じさせないようにしたことを特徴とする、希釈冷凍機。
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