JP3928865B2 - 冷凍機用サーマルダンパ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷凍機用サーマルダンパに係り、特に、ヘリウムガスを冷媒とする極低温冷凍機に用いるのに好適な、該冷凍機の温度変動を低減することが可能なサーマルダンパ、該サーマルダンパを備えた冷凍機、及び、該サーマルダンパの調整方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ヘリウムガスを冷媒とした極低温冷凍機において、被冷却体として、例えばジョセフソン素子センサ等を冷却する場合、冷凍機の冷却ステージに素子を固定することは、冷凍機の温度振幅が大きいため、センサの性能を著しく阻害する。
【０００３】
即ち、従来のように構成された極低温冷凍機の冷却ステージは、一般に銅で作られているが、２０Ｋ以下の温度において銅の比熱が小さくなるため、冷凍機の膨張室に高圧のヘリウムガスが入る温度と、低圧に膨張して寒冷が発生して降下した温度とが、熱交換授受され、冷却ステージ外表面に極めて抵抗のない形で温度振幅として現われてくる。
【０００４】
この冷凍機の温度振幅を小さくするために、冷却ステージと被冷却体の間に、ナイロン、フッ素樹脂、ＦＲＰ樹脂等の熱伝導の悪い材料を介装して冷却する方法があるが、熱伝達損失が大きい等の欠点がある。
【０００５】
又、前記温度振幅を小さくする他の方法として、特許文献１、特許文献２、特許文献３に、図１に示す如く、被冷却体８と冷凍機ユニット２０の最終段（図１では２段）冷却ステージ２８の間にサーマルダンパ（ヘリウムポットとも称する）１６を設けることが提案されている。図において、１０は圧縮機ユニット、１２は高圧側配管、１４は低圧側配管、１７はサーマルダンパ用配管、１８は該サーマルダンパ用配管１７を閉じるためのバルブ、２２は１段シリンダ、２４は１段冷却ステージ、２６は２段シリンダである。
【０００６】
【特許文献１】
特公平３−１６５９２号公報
【特許文献２】
特許第２７７３７９７号公報
【特許文献３】
特開平７−１４６０２０号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のサーマルダンパには、次のような問題点があった。即ち、サーマルダンパは、冷却ステージ２８に取り付けられた容器１６内に２０Ｋ以下で銅よりも熱容量の大きなヘリウムガスを密封又は導入させ、温度変動を吸収しているが、容器内はヘリウムガスとの熱交換のため、フィンを設ける等複雑な形状を採らなければならず、容器製作のコストがかかってしまう。又、容器内には２０Ｋ以下で数気圧程度のヘリウムガスが入っていなければ、温度振幅低減効果が得られないが、この状態から常温に戻すと容器内の圧力が急上昇し、容器が膨張してしまう。又、サーマルダンパは温度振幅を低減させることはできるが、冷却ステージ２８とサーマルダンパ１６間の熱伝導損失により、サーマルダンパの冷凍能力が冷却ステージの冷凍能力に比べて低くなるという問題がある。
【０００８】
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、低コストで製作でき、膨張対策、冷凍能力確保と温度振幅低減を同時に達成することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、冷却ステージの温度振幅を低減させるための、サーマルダンパ用配管が接続される冷凍機用サーマルダンパにおいて、前記冷却ステージと一体化された上部と、該上部に固定された下部と、前記上部から下部へ熱伝達する部分と、該上部から下部へ熱伝達する部分に上下方向に形成された、低温ガス流入用の多数の穴と、前記上部又は下部の少なくとも一方の外周をカバーする締めリングと、を有するようにして、前記課題を解決したものである。
【００１２】
本発明は、又、前記のサーマルダンパを備えたことを特徴とする冷凍機を提供するものである。
【００１３】
又、前記のサーマルダンパを用いる際に、該サーマルダンパの上部から下部へ熱伝達する断面積や距離を変更するようにして、冷凍能力を確保しつつ温度振幅を低減させることができるようにしたものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１５】
本発明の第１実施形態に係るサーマルダンパ３０は、図２（サーマルダンパ部分の縦断面図）及び図３（同じく横断面図）に示す如く、２段シリンダ２６の下に配設された最終段（ここでは２段）冷却ステージ（２８）と一体化された上部３２と、該上部３２に、例えば蝋付けにより固定された、低温ガス流入用の多数の穴３４Ｈが形成された円柱状の下部３４と、前記上部３２及び下部３４の外周をカバーする、例えばステンレス製の締めリング３６とを用いて構成されている。
【００１６】
前記冷却ステージ（２８）とサーマルダンパ３０との温度差を無くすために、サーマルダンパ３０を上部３２と下部３４に分け、上部３２を冷却ステージ２８と一体構造とし、下部３４を蝋付け（半田付けやねじ止めも可）によって取り付けるようにしている。このように一体構造とすることによって、冷却ステージ２８の温度振幅の抑制効果は弱まるが、サーマルダンパの上部３２から下部３４へ伝熱する断面積Ａ及び距離Ｌを変更することにより、熱の侵入を調節して、冷凍能力を確保しつつ、温度振幅を低減させることができる。又、熱伝導率を高めるためにインジウムを挟んで冷却ステージにサーマルダンパを固定する場合の温度のばらつきや冷凍能力の低下も無い。
【００１７】
前記締めリング３６は、サーマルダンパ３０の膨張を防ぐためのもので、サーマルダンパの外壁に例えば蝋付けされる。
【００１８】
前記下部３４は、例えば銅製とされ、多くの穴３４Ｈを開けた多孔型構造とされている。これにより、コンパクトで、伝熱面積を広くとることができ、高い冷凍能力を確保しつつ、製作が容易で、強度も上り、低コストで耐圧強度を保つことができる。
【００１９】
前記サーマルダンパ下部３４を、図４に示す第２実施形態のように、上部３２と下部３４にねじ３３を切って締結したり、冷却シリンダ２６等で使われている蝋材よりも融点の低い蝋材で蝋付けや半田付けを行なうことにより、下部３４をいつでも取り外し可能な形状とすれば、伝熱面積、伝熱距離や穴数等、形状変更を容易に行なうことができる。
【００２０】
次に、本発明の第３実施形態を図５に示す。本実施形態は、サーマルダンパ上部３２の高さを第１実施形態よりも高くして、該上部３２にも穴３２Ｈを開け、上部３２と下部３４のほぼ中間に配管１７からヘリウムガスを供給するようにしたものである。
【００２１】
他の点については第１実施形態と同様であるので、説明は省略する。
【００２２】
なお、前記実施形態においては、サーマルダンパが銅製、締めリングがステンレス製とされていたが、サーマルダンパや締めリングの材質はこれに限定されない。又、穴の形状や配置も図３に示したものに限定されず、三角形や四角形状の穴を任意の位置に配置することができる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、サーマルダンパ内の構造を多孔型とすることで、製作が容易になり、強度も上がる。又、サーマルダンパ上部を冷却ステージと一体構造とし、下部を例えば蝋付けによって取り付け、上部と下部の断面積や距離を変更できるようにして、サーマルダンパはコンパクトで且つ高い冷凍能力を確保しつつ、温度振幅を抑制することができる。
【００２４】
更に、例えばステンレス材による締めリングを用いることで、安全性が格段に上がる。
【００２５】
極低温冷凍機の場合、冷凍機内のガスが膨張と圧縮を繰り返しており、これにより冷却ステージ温度が±１００mK以上で振幅するが、このサーマルダンパを用いることにより、冷却ステージと同程度の冷凍能力を確保しつつ、温度振幅を±３０mK以下に保つことができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のサーマルダンパが配設された冷凍機を示す構成図
【図２】本発明に係るサーマルダンパの第１実施形態の形状を示す縦断面図
【図３】図２のIII−III線に沿う横断面図
【図４】本発明の第２実施形態の構成を示す縦断面図
【図５】同じく第３実施形態の構成を示す縦断面図
【符号の説明】
３０…サーマルダンパ
３２…上部
３４…下部
３２Ａ、３４Ｂ…ねじ部
３２Ｈ、３４Ｈ…穴
３６…締めリング

Claims (3)

1. 冷却ステージの温度振幅を低減させるための、サーマルダンパ用配管が接続される冷凍機用サーマルダンパにおいて、
   前記冷却ステージと一体化された上部と、
   該上部に固定された下部と、
   前記上部から下部へ熱伝達する部分と、
   該上部から下部へ熱伝達する部分に上下方向に形成された、低温ガス流入用の多数の穴と、
   前記上部又は下部の少なくとも一方の外周をカバーする締めリングと、
   を有することを特徴とする冷凍機用サーマルダンパ。
2. 請求項１に記載のサーマルダンパを備えたことを特徴とする冷凍機。
3. 請求項１に記載のサーマルダンパを用いる際に、
   該サーマルダンパの上部から下部へ熱伝達する断面積や距離を変更することを特徴とする冷凍機用サーマルダンパの調整方法。

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