JP3845708B2

JP3845708B2 - 極低温冷却装置

Info

Publication number: JP3845708B2
Application number: JP2001113567A
Authority: JP
Inventors: 真船山; 順司稲谷; 泰範藤井
Original assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA; Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA; Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2001-04-12
Filing date: 2001-04-12
Publication date: 2006-11-15
Anticipated expiration: 2021-04-12
Also published as: JP2002310521A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＧＭ冷凍機のような冷凍機の冷凍ステージを搭載した極低温冷却装置に関し、特に高い検出精度を得るためにセンサを極低温にて冷却するのに適した極低温冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
検出動作に高度の安定性を要求されるセンサの一例として、超伝導センサが知られている。超伝導センサは、例えば大きな温度差が生じるような環境下でも、高精度で検出動作を行うことが要求される。このため、このようなセンサは、絶対温度で４K程度の一定温度の冷却状態において使用するようにされている。このような冷却状態をつくるためには、ＧＭ冷凍機のような冷凍機の冷凍ステージが真空容器内に収容されて使用される。ＧＭ冷凍機は、複数段の冷凍ステージを持ち、最終段の冷凍ステージに装着されるセンサ用マウント部において数K程度の冷却状態をつくることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような冷凍機は、外部からの輻射熱の影響を受けるので、輻射熱を抑制するために冷凍ステージの周囲には筒状の熱シールド板が設けられる。これまで、この熱シールド板は、冷凍機における低温部に接続されて積極的に冷却するようにされているのが普通である。
【０００４】
ところが、このような熱シールド板を使用しても輻射熱の影響を完全に無くすことはできず、センサ用マウント部において所望の冷却温度、例えば４Kまで冷却することはできないのが実情である。この原因は、真空容器内における対流現象によるものと考えられている。これに対して、超伝導センサにおいては、上記のように４Kまでの冷却が要求されているので、輻射熱による影響を受けること無く４K程度の極低温状態を安定に維持するための改良が求められている。
【０００５】
本発明は、このような要求を満足することのできる極低温冷却装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、複数段の冷凍ステージを真空容器内に配置し、該真空容器内であって少なくとも最終段の一段手前の冷凍ステージにおけるヘッド部分には、最終段の冷凍ステージを包囲して熱的にシールドするための筒状の第１の熱シールド板を設けて成る極低温冷却装置において、前記真空容器内には更に、第１段の冷凍ステージの底部フランジに設けられたサポート部材を介して少なくとも前記第１の熱シールド板を包囲するように筒状の第２の熱シールド板を設け、該第２の熱シールド板を前記第１の熱シールド板からの輻射冷却によって冷却する構成としたことにより、前記第１の熱シールド板に入る輻射熱量を軽減したことを特徴とする。
【０００７】
特に、前記第２の熱シールド板は、銅製で光沢ニッケルメッキが施されていることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１を参照して、本形態における極低温冷却装置は、第１段、第２段の冷凍ステージ１１、１２を持つ冷凍ステージ１０を真空容器２０内に配置して成る。真空容器２０内であって第１段の冷凍ステージ１１におけるヘッド部１１−１には、そのフランジ部を利用して第２段の冷凍ステージ１２を包囲して熱的にシールドするための円筒状の第１の熱シールド板３１が設けられている。ここでは、第１の熱シールド板３１には銅を用いているが、この限りではない。
【０００９】
第２段の冷凍ステージ１２におけるヘッド部１２−１には、サーマルダンパ４０を介して被冷却部、ここでは赤外線センサを搭載するためのマウント部５０が設けられている。
【００１０】
本形態においては、真空容器２０内に更に、第２段の冷凍ステージ１２の全体と、第１段の冷凍ステージ１１の一部（上部域）と、サーマルダンパ４０の大部分とを包囲するように円筒状の第２の熱シールド板３２を設けたことを特徴とする。特に、第２の熱シールド板３２は、これまでの熱シールド板とは異なった考え方に基づいて設けられている。すなわち、これまでの熱シールド板は、これを積極的に冷却するために、冷凍機の低温部に接続するように設けられるのが普通であった。しかしながら、本形態では第２の熱シールド板３２を冷凍ステージの常温部に接続するようにしている。具体的には、第１段の冷凍ステージ１１の底部フランジ１１−２にリング状のフランジ１１−３が取り付けられ、このフランジ１１−３にはＦＲＰによるサポート部材３３が複数個、周方向に間隔をおいて立設されている。そして、これら複数のサポート部材３３の上部に円筒状の第２の熱シールド板３２の下部がボルト、ナットにより固定されるようになっている。なお、第２の熱シールド板３２は、本形態では銅製のものが使用され、表面には光沢ニッケルメッキが施されている。第２の熱シールド板３２は、真空容器２０から５ｍｍ以上離して設けられる。
【００１１】
真空容器２０は、第２の熱シールド板３２を包囲している円筒状部分２１と、この円筒状部分２１の上端に連結固定されてマウント部５０を包囲している天板付きの筒状部分２２とから成る。ここでは、円筒状部分２１の材料にはＳＵＳ３０４が用いられ、筒状部分２２にはアルミニウム合金板が用いられている。筒状部分２２は、円筒状部分２１よりも大きな径を有し、ここでは八角形状にされている。真空容器２０は、円筒状部分２１の下部がフランジ１１−３に固定されている。真空容器２０は、排気口２３を通して真空引きが行われるので、気密性を保持する必要がある。このために、フランジ１１−３と円筒状部分２１との間の連結固定部、円筒状部分２１と筒状部分２２との間の連結固定部、筒状部分における天板の接続部にはＯ−リングによるシール部材が設けられている。
【００１２】
また、本形態ではマウント部５０には赤外線センサがマウントされるので、筒状部分２２には、その複数箇所に赤外線を透過する特別な窓が気密を保持できる状態で設けられる。
【００１３】
第２段の冷凍ステージ１２のヘッド部１２−１に対応する高さ位置で、第１の熱シールド板３１の上端部にも、サーマルダンパ４０及びマウント部５０を包囲している天板付きの筒状の第１のシールド容器３４が連結固定されている。この第１のシールド容器３４も銅製で、第１の熱シールド板３１と同径でサーマルダンパ４０を包囲している円筒状部分３４−１と、これより大径の筒状部分３４−２とから成る。筒状部分３４−２において筒状部分２２に設けられた窓に対応する箇所にも窓が設けられる。
【００１４】
同様にして、サーマルダンパ４０の上部に対応する高さ位置で、第２の熱シールド板３２の上端部にも、第１のシールド容器３４を包囲するように天板付きの筒状の第２のシールド容器３５が連結固定されている。勿論、第２のシールド容器３５は、第２の熱シールド板３２より大きな径を持つ。
【００１５】
第１段の冷凍ステージ１１の外底部、すなわち真空容器２０の外底部には、冷凍ステージ１０への冷媒の導出入部３６が設けられている。導出入部３６には冷媒の導入配管３６−１と導出配管３６−２が接続され、これらは図示しない冷媒圧縮機に接続されている。
【００１６】
フランジ１１−３には、複数（ここでは３本）の丸棒による支柱３７−１と板体３７−２とから成る支持枠体３７を介して複数の台座３８が設けられている。台座３８はねじ部３８−１を有し、このねじ部３８−１が板体３７−２のねじ穴に螺入されると共に、ナット３８−２で締め付けされることで高さが調整可能にされている。また、台座３８の底部にはゴム板が張られている。
【００１７】
更に、必要に応じて、第２の熱シールド板３２の外面側には、複層の可撓性熱シールド材から成る熱シールド部材３９が巻かれる。
【００１８】
サーマルダンパ４０は、図２に示されるように、密閉容器４１の内部に複数のフィン状部材４２が内蔵され、密閉容器４１にはヘリウムガス等の冷媒が導入可能にされている。密閉容器４１は、削り出しにより複数のフィン状部材４２が一体形成されているフィン側部材４１−１と、複数のフィン状部材４２を収容する筒状部材を持つ容器側部材４１−２とから成り、ボルトにより連結固定されている。この連結固定部にもＯリングによるシール部材が設けられる。容器側部材４１−２にはヘリウムガス導入用のＳＵＳによる配管４３が連結されている。配管４３はキャピラリチューブとも呼ばれ、一例をあげると、外径１．５９ｍｍである。
【００１９】
本形態の極低温冷却装置においては、第１段の冷凍ステージ１１により４０K程度までの冷却が実現され、第２段の冷凍ステージ１２により４Kまでの冷却が実現される。そして、サーマルダンパ４０は、この４Kを安定に維持することができる。これは以下の理由による。
【００２０】
第２の熱シールド板３２は、２００K程度の輻射シールド板として作用し、第１の熱シールド板３１は、４０K程度の輻射シールド板として作用する。すなわち、２４０K程度の常温部フランジ１１−３においてサポートされた第２の熱シールド板３２は、４０Kの第１の熱シールド板３１からの輻射冷却によって冷却されることにより２００K程度の輻射シールド板として作用し、第２の熱シールド板３２が無い場合と比較した時に、４０Kの第１の熱シールド板３１に入る輻射熱量が１／４程度に軽減される。これにより、第１の熱シールド板３１に侵入する輻射熱に起因するサーマルダンパ４０における温度上昇が抑止され、サーマルダンパ４０及びマウント部５０における冷却温度を安定に４Kに維持することができる。
【００２１】
本形態では、サーマルダンパ４０への熱侵入を最小限するための工夫もなされている。サーマルダンパ４０は、マウント部５０における温度上昇を抑制するためのものであるが、冷凍ステージ１０側の輻射熱の侵入による温度上昇に加えて、配管４３を通しての熱伝導による熱侵入、配管４３内のヘリウムガスの対流、サーマルオシレーションと呼ばれる現象による温度上昇の影響も受ける。これは、配管４３を通してのヘリウムガスの導入が冷凍機の低圧ラインからの分岐により行われるからである。すなわち、真空容器２０内の途中までは配管４３内のヘリウムガスは常温に近い温度を持っている。これに対し、真空容器２０の底部を通して配管４３を真空容器２０内に導入し、第１の熱シールド板３１の外周に巻き付ける等の方法で接触させてからサーマルダンパ４０に導入するというような単純な方法では、サーマルダンパ４０の温度を所望の値に維持することは難しかった。
【００２２】
このような理由で、配管４３を通してのサーマルダンパ４０への熱侵入による温度上昇を抑制すべく、以下のような配管４３の施工を行っている。
【００２３】
図１において、フランジ１１−３を通して配管４３を真空容器２０内に導入し、一旦、第２段の冷凍ステージ１２のヘッド部近傍まで立ち上げる。真空容器２０内部での入り口部分を位置Ｆ（第１の部位）とし、上記の立ち上げ部分を位置Ｅ（第２の部位）とする。立ち上げた配管４３を第１の熱シールド板３１とは離間させた状態でその周囲を螺旋状かつ第１の熱シールド板３１の下部側に向かって数回だけ周回するように配設する。
【００２４】
次に、第１の熱シールド板３１の下部にて配管４３を接触させた状態でそのまま立ち上げ、第１の熱シールド板３１の上部にて離し、第２段の冷凍ステージ１２のヘッド部を迂回させて更に円筒状部分３４−１に接触させた状態で立ち上げ、円筒状部分３４−１の上部において離す。第１の熱シールド板３１の下部側部分を位置Ｄ（第３の部位）とし、円筒状部分３４−１の上部から離れた部分を位置Ｃ（第４の部位）とする。
【００２５】
更に、位置Ｃから下側、すなわち第１の熱シールド板３１の上部側に向かって円筒状部分３４−１及び第１の熱シールド板３１の外周を約半周分周回させてから再び立ち上げてサーマルダンパ４０に接続するようにしている。配管４３の再立ち上げ部分を位置Ｂ（第５の部位）とし、サーマルダンパ４０への接続部分を位置Ａとする。４３−１、４３−２、４３−３はそれぞれコネクタであり、真空容器２０への導入部、及び真空容器２０に導入されてからサーマルダンパ４０に接続されるまでの配管を複数の分割部品で構成し、あらかじめ成形された部品として作っておくことで、上記のような特殊な配管引き回しを容易にしている。
【００２６】
なお、配管４３と第１の熱シールド板３１との接触、及び配管４３と円筒状部分３４−１との接触部は、サーマルアンカーとして作用し、いずれもハンダ付けにより固定され、この固定部は箔状のテープでカバーされる。
【００２７】
上記のような配管４３の引き回しを行うことで、熱伝導による熱侵入は勿論のこと、ヘリウムガスの対流による熱侵入、サーマルオシレーションによる熱侵入を抑制して、サーマルダンパ４０における温度上昇を抑制することができた。因みに、位置Ｆ、Ｅでのヘリウムガス温度は３００K、位置Ｄ、Ｃでは６０K、位置Ｂ、Ａでは４Kが測定結果として得られている。
【００２８】
上記の形態では冷凍ステージとして、第１段、第２段の冷凍ステージを持つ場合について説明したが、本発明は冷凍ステージの段数が３段以上でも適用可能である。この場合、少なくとも最終段の冷凍ステージを包囲するように第１の熱シールド板を設け、第１段の冷凍ステージの底部フランジから第２の熱シールド板を延ばして少なくとも第１の熱シールド板を包囲するように設ければ良い。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による極低温冷却装置は、筒状の第１の熱シールド板の周囲に更に、これを囲むように筒状の第２の熱シールド板を設け、しかもこの第２の熱シールド板の下部側を第１段の冷凍ステージにおける底部の常温部に接続するようにしたことにより、真空容器内の熱輻射に起因するマウント部の温度上昇を抑制して、所望の冷却温度、例えば４Kを得ることができる。その結果、マウント部にセンサが搭載される場合にはその検出精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による極低温冷却装置の縦断面図である。
【図２】図１に示されたサーマルダンパの断面図である。
【符号の説明】
１０冷凍ステージ
１１第１段の冷凍ステージ
１２第２段の冷凍ステージ
２０真空容器
３１第１の熱シールド板
３２第２の熱シールド板
３３サポート部材
３６冷媒の導出入部
３７支持枠体
３８台座
３９熱シールド部材
４０サーマルダンパ
４３配管
５０被冷却部のマウント部

Claims

極低温側を最終段とする複数段の冷凍ステージを真空容器内に配置し、該真空容器内であって少なくとも最終段の一段手前の冷凍ステージにおけるヘッド部分には、最終段の冷凍ステージを包囲して熱的にシールドするための筒状の第１の熱シールド板を設けて成る極低温冷却装置において、
前記真空容器内には更に、第１段の冷凍ステージの底部フランジに設けられたサポート部材を介して少なくとも前記第１の熱シールド板を包囲するように筒状の第２の熱シールド板を設け、該第２の熱シールド板を前記第１の熱シールド板からの輻射冷却によって冷却する構成としたことにより、前記第１の熱シールド板に入る輻射熱量を軽減したことを特徴とする極低温冷却装置。
請求項１記載の極低温冷却装置において、前記第２の熱シールド板は、銅製で光沢ニッケルメッキが施されていることを特徴とする極低温冷却装置。
請求項１記載の極低温冷却装置において、前記最終段の冷凍ステージにおけるヘッド部分にはサーマルダンパを介して、被冷却部を搭載するためのマウント部が設けられることを特徴とする極低温冷却装置。
請求項３記載の極低温冷却装置において、前記被冷却部は電磁波センサであり、前記真空容器は、前記第１段の冷凍ステージの底部フランジから前記マウント部の方向に延びる筒状の密封用の容器であって前記マウント部に対応する部分には前記電磁波センサへの電磁波透過用の窓が設けられていることを特徴とする極低温冷却装置。
請求項３記載の極低温冷却装置において、前記サーマルダンパは、密閉容器の内部に複数のフィン状部材が内蔵され、該密閉容器には冷媒が導入可能にされていることを特徴とする極低温冷却装置。
請求項３記載の極低温冷却装置において、前記第１の熱シールド板は、前記サーマルダンパ及び前記マウント部を包囲している筒状の第１のシールド容器に、前記最終段の冷凍ステージのヘッド部分に対応する位置で連結されていることを特徴とする極低温冷却装置。
請求項６記載の極低温冷却装置において、前記第２の熱シールド板は、前記第１のシールド容器を包囲している筒状の第２のシールド容器に、前記サーマルダンパに対応する位置で連結されていることを特徴とする極低温冷却装置。
請求項２記載の極低温冷却装置において、前記第２の熱シールド板の外面側には、複層の可撓性熱シールド材から成る熱シールド部材が巻かれていることを特徴とする極低温冷却装置。