JP4031318B2 - 極低温温度ダンパ - Google Patents
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- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
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- F25B2400/17—Re-condensers
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、極低温温度ダンパ(以下、単に温度ダンパとも称する)に係り、特に、ヘリウムガスを冷媒とする極低温冷凍機(以下、単に冷凍機とも称する)に使用するのに好適な、該冷凍機の温度変動を低減することが可能な温度ダンパ、及び、該温度ダンパを含む冷凍機に関する。
【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、ポリテトラフルオロエチレン、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、特公平3−16592や特許第2773793号に、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の間に温度ダンパ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、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】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来は、冷凍機ユニット20の冷媒を、室温部より細管17を介して冷凍機最終段の冷却ステージ28に取付けてある温度ダンパ16内に導入しているため、急な温度上昇があって瞬時にヘリウムが気化した場合の操作性や安全性に問題があった。即ち、冷凍機を停止すると、その温度上昇に伴なって、温度ダンパ16内の液体ヘリウムの温度も上昇して気化する。この際、ヘリウムの気体と液体の気化比は699と非常に大きいため、室温部のバルブ18の操作を誤ると、温度ダンパ16の内部が異常高圧となって、危険な状態になる。又、急激な温度上昇に対してもガスの逃げ場がなく、温度ダンパ16内は異常高圧となって、危険である。
【0007】
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、極低温冷凍機の冷却ステージから発生する大きな温度振幅を小さくし、且つ、操作性が簡単で安全性の高い極低温冷凍機を提供することを課題とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ヘリウムガスを冷媒とする極低温冷凍機に使用する極低温温度ダンパであって、上部に設けられたヘリウムガス室と、中央部に設けられた、冷凍機の冷却ステージの近傍に配置される、冷凍機と熱交換するためのコンデンサ室と、該コンデンサ室の内部に配設されたヘリウムガス流路管と、下部に設けられた液体ヘリウム室とを備え、内部にヘリウムを封入し、下端で被冷却体を冷却するようにして、前記課題を解決したものである。
【0010】
ここで、前記コンデンサ室に、液体ヘリウム室で蒸発したヘリウムガスをヘリウムガス室に戻すためのヘリウムガス流路を設けたので、液体ヘリウム室で蒸発したヘリウムガスのヘリウムガス室への戻りが円滑に行なわれる。
【0012】
本発明は、又、前記コンデンサ室と冷凍機の冷却ステージを、小さい熱抵抗で接続したものである。
【0013】
又、前記コンデンサ室が、金属短繊維(メタルファイバ)を含むようにしたものである。
【0016】
又、前記ヘリウムガス室及び液体ヘリウム室を、ステンレスで作るようにしたものである
【0017】
又、外部からの侵入熱をカットするためのサーマルアンカを設けたものである。
【0018】
本発明は、又、前記の温度ダンパを含むことを特徴とする極低温冷凍機を提供するものである。
【0020】
【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。
【0021】
本発明の第1実施形態は、図1に示したと同様の圧縮機ユニット10及び冷凍機ユニット20等を有する2段式4K−GM冷凍機において、図2に示す如く、2段冷却ステージ28と、被冷却体8の間に、本発明に係る温度ダンパ40を挿入したものである。
【0022】
前記温度ダンパ40は、図3に詳細に示す如く、ヘリウムガスを収納する手段である、例えばSUS304L製のヘリウムガス室42と、ヘリウムガスを液化させるコンデンサ手段である、例えば直径0.5mmの焼結銅球が充填された、例えば無酸素銅(C1020)製のコンデンサ室44と、液化された液体ヘリウム47を収納する蓄冷手段である、例えばSUS304L製の液体ヘリウム室46と、必要量のヘリウムガスを常温で導入する手段である、例えば外径3.18mm、肉厚0.8mmの銅管(C1200T−0)製のヘリウムガス導入管50と、導入されたヘリウムガスを封止するためのヘリウムガス封止手段である導入ガス封じ切り部52と、前記液体ヘリウム室46で蒸発したヘリウムガスをヘリウムガス室42に戻すための、例えば外径4mm、肉厚0.5mmのステンレスパイプ製のヘリウムガス流路管48と、被冷却体8を液体ヘリウム室46に取り付けるための、例えば無酸素銅(C1020)製の被冷却体取付フランジ60と、温度ダンパ40を冷凍機の2段冷却ステージ28に取付けるための取付ステー62とを含んで構成されている。図2において、64は、例えばフランジ60に配設された、例えばゲルマニウム温度センサである。
【0023】
前記コンデンサ室44と2段冷却ステージ28は、一番近い位置に配設するか、又は、小さい熱抵抗で接続することにより、コンデンサ室44と冷却ステージ28を同等の温度にして、冷却効率を高めるようにされる。
【0024】
前記温度ダンパ40内には、室温でヘリウムガスボンベから減圧弁により例えば充填圧力を10Mpqに減圧したヘリウムガスを、ヘリウムガス導入管50より充填して封じ切る。導入するガス量は、極低温で液体ヘリウム室46に所定の液量がたまるよう算出する。なお、冷凍機の冷媒は使わない。
【0025】
前記導入ガス封じ切り部52は、図4(縦断面図)及び図5(図4のV−V線に沿う横断面図)に示す如く、例えば内径1.58mmのヘリウムガス導入管50の最先端の所定長さLを除く先端部に、例えば直径1.2mmの半田線54のような柔い金属線を挿入して、ヘリウムガス導入管50の基部をヘリウムガス室42の頂部に銀蝋付けした構成とされている。
【0026】
封じ切りに際しては、ヘリウムガス充慎後、バルブ55を付けた状態でヘリウムガス充慎装置56から切り離し、半田線54が挿入されている部分を、図6(縦断面図)及び、図7(図6のVII−VII線に沿う横断面図)に示す如く叩き潰して圧着する。
【0027】
この状態で、ヘリウムガスが封じ切られている事を確認し、バルブ55を取り外す。更に、ヘリウムガス導入管50の端部52を潰して、溶接(実施例ではハンダ付け)でシールする(溶接の際、封じ切られている半田線の部分54Aの温度が上がらないよう、水に浸したウエス等で十分冷却しておく)。
【0028】
従って、封じ切り部は、ヘリウムガス導入管50と半田線54とが圧着された部分と、先端部の溶接の二重の封じ切りで構成されている。
【0029】
本実施形態における熱伝達サイクルは、図8に示す如く、次のように行われる。
【0030】
(1)被冷却体8からの入熱によって熱せられた液体ヘリウム47は、自然対流によって液体ヘリウム室46内を上部に移動し、液表面で一部が気化し、それによって液温度を一定に保つ。
【0031】
(2)ガス化されたヘリウムは、ヘリウムガス流路管48内を円滑に上昇し、コンデンサ室44上部に移動して、コンデンサ(焼結銅球)により再液化される。
【0032】
(3)再液化された液体ヘリウムは、コンデンサ室44内を下に移動し、液体ヘリウム室46に戻る。
【0033】
(4)冷凍機の冷却ステージ28から伝達される大きな温度振幅は、液体ヘリウムの大きな比熱と気化潜熱によって吸収される。
【0034】
このように、沸騰再液化のサイクルが、温度ダンパ40内で行なわれ、冷却ステージ28から被冷却体8への熱伝達が促進されると同時に、温度振幅が小さくされる。
【0035】
本実施形態においては、コンデンサ室44から独立した液体ヘリウム室46が設けられているので、比較的大量の液体ヘリウムを保持することができる。
【0036】
なお、図9に示す第1比較例のように、独立した液体ヘリウム室を省略して、コンデンサ室44の下部に液体ヘリウム47を蓄えるようにしてもよい。
【0037】
本比較例によれば、構成が簡略であり、コストダウンを図れると共に、温度ダンパの高さを小さくできる。
【0038】
なお、第1比較例では、ヘリウムガス流路管48も省略されていたが、図10に示す第
2比較例のように、ヘリウムガス流路管48を設けてもよい。
【0039】
更に、図11に示す本発明の第2実施形態のように、冷凍機ユニット20の1段冷却ステージ24との間にサーマルアンカ68を設けて、上からの侵入熱をカットすることもできる。
【0040】
【実施例】
冷凍機として2段式4K−GM冷凍機を用いて、2段冷却ステージ28に、図3に示した第1実施形態の温度ダンパ40を取付けて冷凍装置を運転したところ、温度ダンパ40も順次冷却され、やがて内部に充填されてあるヘリウムガスが液化し、液体ヘリウム室46に比熱と蒸発潜熱の大きな液体ヘリウム47が約16cc溜り、図12の実線Bに示す如く、2.4K〜4.2K間の温度振幅は5mKであった。これは、図12に破線Aで示した冷凍機単体(温度ダンパ無し)の温度振幅の凡そ1/30に減少している。
【0041】
図9に示す第1比較例の温度ダンパを用いた実施例の試験結果を図13の実線Cに示す。この場合、充填したヘリウムガス量は約20リットルで、温度振幅は図11の場合に比べて2〜3倍に上昇しているが、従来に比べれば十分に小さくなっている。
【0042】
第1比較例と同じ構成でヘリウムガス室42の材質をSUS304Lから無酸素銅C1020に変えた第3比較例の試験結果を図14に示す。この場合、銅の熱伝導が良いため、コンデンサ室44とヘリウムガス室42がほぼ同一温度となり、ヘリウムガスの消費が多く、液体ヘリウム量が減少してしまって、温度振幅が十分に減少できなかった。
【0043】
従って、本発明の温度ダンパは、各室の材料構成も重要である。即ち、ヘリウムガス室42の温度を4.2K近くまで下げてしまうと、ヘリウムガス密度の関係で多量のガスが消費されてしまい、液体ヘリウム室46に溜まる液量が減少して温度振幅が小さくならない。このため、ステンレス等の熱伝導の悪い材料を使って、ヘリウムガスの温度を4.2K以上に高くする必要がある。一方、ヘリウムガス室42の温度があまり高くなると、コンデンサ室42への熱侵入量が増えて冷凍機の性能が低下してしまう。ヘリウムガス室42の材質をSUS304とした第1比較例におけるヘリウムガス室42中央の外壁温度は約12Kであった。
【0044】
又、液体ヘリウム室46もコンデンサ室44の材質(銅)からの温度振幅及び熱侵入を抑えるため、ステンレス等の熱伝導の悪い材料を使うことが望ましい。
【0045】
なお、熱伝導の悪い材料はステンレスに限定されず、アルミニウム、チタン、又はそれらの合金を用いることも可能である。
【0046】
なお、第2実施形態では、ヘリウムガス室42とコンデンサ室44、コンデンサ室44と液体ヘリウム室46を分離し、熱伝導の悪い材料、例えばステンレス製の配管45で接続しているので、ヘリウムガス室42や液体ヘリウム室46を銅又は銅合金製とすることもできる。
【0047】
前記実施形態においては、いずれも、ヘリウムガス室が1つとされていたが、図15に示す、3段式4K−GM冷凍機に適用した第3実施形態のように、ヘリウムガス室を42、43の2つとして、容積を向上させ、充慎圧力を低下させることもできる。この場合には、ヘリウムガス導入管50は、ヘリウムガス室42、43のいずれか一方に設ければよい。図において、70は3段シリンダ、72は3段ステージである。
【0048】
なお、前記実施形態においては、冷凍機に2段式又は3段式4K−GM冷凍機を用いていたが、冷凍機の種類はこれに限定されない。
【0049】
又、コンデンサも焼結銅球に限定されず、鋼球等の他の金属球、又は、メタルファイバ等の金属短繊維等、表面積が大きくとれて熱伝導率が良く、焼結が可能な他の材料を用いることも可能である。
【0050】
【発明の効果】
本発明によれば、冷凍機の温度を室温以上に上げない限り、温度ダンパ内の圧力も充填圧力以上に上がらないため、安全である。又、バルブ等の付属部品が無いため、構成が簡単である。更に、冷凍機にセットした後のバルブ開閉等の操作が無いため、取り扱いも簡単である。
【0051】
よって、極低温冷凍機の冷却ステージから発生する大きな温度振幅を小さくし、且つ、操作性が簡単で、安全性の高い極低温冷凍機を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の極低温温度ダンパが配設された冷凍機を示す構成図
【図2】本発明に係る温度ダンパの第1実施形態が配設された冷凍機を示す構成図
【図3】温度ダンパの第1実施形態の詳細構成を示す断面図
【図4】第1実施形態におけるヘリウムガス導入管の導入ガス封じ切り部の構成を示す縦断面図
【図5】図4のV−V線に沿う横断面図
【図6】図4の導入ガス封じ切り部の圧着後の状態を示す横断面図
【図7】図6のVII−VII線に沿う横断面図
【図8】第1実施形態の作用を示す断面図
【図9】温度ダンパの第1比較例の構成を示す断面図
【図10】同じく第2比較例の構成を示す断面図
【図11】本発明の第2実施形態の構成を示す断面図
【図12】第1実施形態の試験結果を示す線図
【図13】第1比較例の試験結果を示す線図
【図14】第3比較例の試験結果を示す線図
【図15】本発明の第3実施形態の構成を示す断面図
【符号の説明】
8…被冷却体
10…圧縮機ユニット
20…冷凍機ユニット
28…2段冷却ステージ
40…温度ダンパ
42、43…ヘリウムガス室
44…コンデンサ室
46…液体ヘリウム室
47…液体ヘリウム
48…ヘリウムガス流路管
50…ヘリウムガス導入管
52…導入ガス封じ切り部
54…半田線
68…サーマルアンカ
72…3段冷却ステージ
Claims (7)
- ヘリウムガスを冷媒とする極低温冷凍機に使用する極低温温度ダンパであって、
上部に設けられたヘリウムガス室と、
中央部に設けられた、冷凍機の冷却ステージの近傍に配置される、冷凍機と熱交換するためのコンデンサ室と、
該コンデンサ室の内部に配設されたヘリウムガス流路管と、
下部に設けられた液体ヘリウム室とを備え、
内部にヘリウムが封入され、
下端で被冷却体を冷却するようにされていることを特徴とする極低温温度ダンパ。 - 前記コンデンサ室と冷凍機の冷却ステージが、小さい熱抵抗で接続されていることを特徴とする請求項1に記載の極低温温度ダンパ。
- 前記コンデンサ室が、金属短繊維を含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の極低温温度ダンパ。
- 前記ヘリウムガス室及び液体ヘリウム室が、銅より熱伝導の悪い材料で作られていることを特徴とする請求項1に記載の極低温温度ダンパ。
- 前記ヘリウムガス室及び液体ヘリウム室が、ステンレスとされていることを特徴とする請求項4に記載の極低温温度ダンパ。
- 外部からの侵入熱をカットするためのサーマルアンカが設けられていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の極低温温度ダンパ。
- 請求項1乃至6のいずれかに記載の極低温温度ダンパを含むことを特徴とする極低温冷凍機。
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