JP4031319B2 - 極低温保持装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、極低温保持装置に係り、特に、GM冷凍機等の小型の極低温冷凍機(以下、単に冷凍機とも称する)に使用するのに好適な、機械的振動及び温度変動の無い極低温環境を実現することが可能な極低温保持装置、及び、該極低温保持装置を含む冷凍機に関する。
【0002】
【従来の技術】
GM冷凍機等の小型の極低温冷凍機は、その利便性や経済性から、急速に発達し、広範囲に利用されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、機械的振動及び温度変動が大きいため、精密な実験等には利用できないという問題点を有していた。
【0004】
又、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は、熱交換授受され、冷却ステージ外表面に極めて抵抗の無い形で温度振幅として現われてくるという問題点も有していた。
【0005】
従って従来は、精密な実験が必要な場合には、冷凍機ではなく、液体ヘリウムを用いたクライオスタットによる冷却方法が一般に用いられているが、そのためには、クライオスタットやヘリウム液化装置等、別の一連の装置が必要になる。
【0006】
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、機械的振動や温度変動を無くした状態で、長時間極低温を保持できる環境を提供することを課題とする。
【0007】
【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保持装置であって、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、内部にヘリウムガスが封入され、比熱と気化潜熱の大きな液体ヘリウムが溜まるようにされ、内部で沸騰再液化を繰り返すようにされ、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保持装置により、前記課題を解決したものである。
【0009】
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。
【0011】
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。
【0012】
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。
【0015】
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るようにしたものである。
【0018】
本発明は、又、前記の極低温保持装置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。
【0021】
【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。
【0022】
本発明の第1実施形態は、図1に示す如く、圧縮機ユニット12と、1段シリンダ22、1段冷却ステージ24、2段シリンダ26、2段冷却ステージ28を含む冷凍機ユニット20と、前記圧縮機ユニット12と冷凍機ユニット20を接続する高圧側配管14及び低圧側配管16とを有する2段式4K−GM冷凍機(以下、冷凍装置とも称する)10において、2段冷却ステージ28と被冷却体8の間に、本発明に係る極低温保持装置40を挿入したものである。
【0023】
前記極低温保持装置40は、図2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のりん脱酸銅(C1220T−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、極低温保持装置40を冷凍機の冷却ステージ28に取付けるための取付ステー62と、例えばヘリウムガス室42を1段冷却ステージ24と接続して、コンデンサ室44への侵入熱をカットするためのサーマルアンカ64と、を含んで構成されている。
【0024】
図において、43は、互いに分離されたヘリウムガス室42とコンデンサ等44を接続する、例えばステンレス製の配管、45は、互いに分離されたコンデンサ室44と液体ヘリウム室46を接続する、例えばステンレス製の配管、66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、68は、例えばフランジ60に埋め込まれた温度調節用のヒータである。
【0025】
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2段冷却ステージ28を同等の温度にして、冷却効率を高めるようにされる。
【0026】
前記極低温保持装置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。
【0027】
前記導入ガス封じ切り部52は、図3(縦断面図)及び図4(図3のIV−IV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。
【0028】
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5(縦断面図)及び、図6(図5のVI−VI線に沿う横断面図)に示す如く叩き潰して圧着する。
【0029】
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)。
【0030】
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。
【0031】
本実施形態における熱伝達サイクルは、図2に示した如く、次のように行われる。
【0032】
(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。
【0033】
(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。
【0034】
(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。
【0035】
(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。
【0036】
このように、沸騰再液化のサイクルが、極低温保持装置40内で行なわれる。
【0037】
従って、本発明に係る極低温保持装置40を備えない、通常の極低温(4K)冷凍機を停止すると、シリンダ22、26からの熱侵入によって、最終段(ここでは2段)冷却ステージ28の温度は、短時間で4.2K以上の温度に上昇してしまい、極低温の実験に適さないのに対して、極低温保持装置40を取付けた本実施形態では、冷凍装置10を運転することにより、極低温保持装置40も順次冷却され、やがて充填されてあるヘリウムガスが液化され、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が溜まる。本実施形態では、液体ヘリウム室46に約16ccの液体ヘリウム47が溜り、被冷却体取付フランジ60の最低到達温度は2.4Kに到達した。
【0038】
この時点で、冷凍装置10の運転を停止すると、冷凍機ユニット20からの機械的な振動及び温度変動が無い状態で、液体ヘリウム室46に4.2K以下の液体ヘリウムが保持される。
【0039】
実施例では、極低温保持装置40の被冷却体取付フランジ60の温度が、最低到達温度の2.4Kから4.2Kに上昇するまでの保持時間は15分(極低温保持装置40がない従来例は2〜3分)であった。従って、実験する温度が4.2K以下の場合、この保持時間内に機械的な振動と温度変動が無い極低温環境を使って、各種の実験を行なうことができる。
【0040】
更に、液体ヘリウム47が気化して、前記温度センサ66によって検出されるフランジ60の温度が、例えば4.2K以上に上昇したことが検知されたときは、図1に示した制御装置70により冷凍機装置10を再起動(圧縮機ユニット12を運転)することで、10〜20分程度の短時間のうちに、被冷却体取付フランジ60を、最低到達温度(2.5K台)に復帰させることができる。勿論、4.2K以上の温度環境で実験する場合は、冷凍装置10を再起動することなく、継続して実験すればよい。
【0041】
本実施形態においては、ヘリウムガス室42にサーマルアンカ64を設け、1段冷却ステージ24と接続しているので、コンデンサ室44へ侵入する熱をカットすることができ、極低温の状態を長く維持することができる。
【0042】
なお、前記極低温保持装置40を外すことにより、通常の極低温冷凍機として使用することもできる。
【0043】
なお、本発明の極低温保持装置は、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とした実施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】
本実施形態においては、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、熱伝導の悪いステンレス製の配管43、45により接続するようにしたので、ヘリウムガス室42、液体ヘリウム室46を銅又は銅合金製としても良い。
【0047】
なお、図7に示す第2実施形態のように、配管43、45を省略して、ヘリウムガス室42、コンデンサ室44、液体ヘリウム室46を直結し一体化することもできる。
【0048】
図において、67は、取付ステー62に配設した、例えばゲルマニウム温度センサである。
【0049】
又、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8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、充填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、80は3段シリンダ、82は3段ステージである。
【0050】
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。
【0051】
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。
【0052】
【実施例】
図7中に示したように、第2実施形態において、冷凍装置の停止直前には、液体ヘリウム室46に液体ヘリウム47が10ccたまり、極低温保持装置取付ステー62の温度が2.35K、ヘリウムガス室42の側面の温度が11.9K、フランジ60の被冷却体取付面の温度が2.4Kであったものが、停止後15分経過しても、未だ、それぞれ10.3K、14.8K、4.2Kであることが確認できた。
【0053】
【発明の効果】
本発明によれば、冷凍機を停止させて冷凍機から発生する機械的振動や温度変動を無くした状態で、長時間極低温を保持することが可能となる。従って、例えば精密な温度測定が要求される物質の点移転温度の測定や、機械的振動に敏感な光の実験等が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る極低温保持装置の第1実施形態が配設された冷凍機を示す構成図
【図2】前記第1実施形態の詳細構成を示す断面図
【図3】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4】図3のIV−IV線に沿う横断面図
【図5】図3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6】図5のVI−VI線に沿う横断面図
【図7】本発明に係る極低温保持装置の第2実施形態を示す断面図
【図8】本発明に係る極低温保持装置の第3実施形態を示す断面図
【符号の説明】
8…被冷却体
12…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…極低温保持装置
42、43…ヘリウムガス室
44…コンデンサ室
46…液体ヘリウム室
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
64…サーマルアンカ
70…制御装置
82…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保持装置であって、
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、
内部にヘリウムガスが封入され、比熱と気化潜熱の大きな液体ヘリウムが溜まるようにされ、内部で沸騰再液化を繰り返すようにされ、
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保持装置。 - 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に記載の極低温保持装置。
- 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に記載の極低温保持装置。
- 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に記載の極低温保持装置。
- 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に記載の極低温保持装置。
- 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保持装置。
- 請求項1乃至6のいずれかに記載の極低温保持装置を含むことを特徴とする極低温冷凍機。
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