JP4496634B2

JP4496634B2 - Superconducting filter device

Info

Publication number: JP4496634B2
Application number: JP2000321305A
Authority: JP
Inventors: 輝中西; 章彦赤瀬川; 一典山中; 学甲斐
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2000-10-20
Filing date: 2000-10-20
Publication date: 2010-07-07
Anticipated expiration: 2020-10-20
Also published as: JP2002134800A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超伝導フィルタとこれをその動作温度以下に保つ手段とで構成される超伝導フィルタ装置に関する。
【０００２】
近年、マイクロ波通信システム等では高温超伝導材料を使用した超伝導デバイスが期待されており、超伝導フィルタもその一つである。この超伝導フィルタは移動体通信の基地局装置等への適用が検討されている。
【０００３】
【従来の技術】
超伝導フィルタは、通常、図４に示すような形で、クライオスタット（以下、真空断熱容器と記す）内で冷凍機により超伝導温度以下に冷却しながら使用される。図４（Ａ）、（Ｂ）は従来例を示す要部断面図であり、同図において、２１Ａ、２１Ｂは真空断熱容器、２４は冷凍機のコールドヘッド、２５はコールドヘッドの冷却端、２６は熱拡散板であるコールドプレート、２７は被冷却物である超伝導フィルタ、２８は信号入出力用のコネクタ（ハーメチックシール型同軸コネクタ）、２９は同軸ケーブルである。
【０００４】
この冷凍機は装置の大型化を抑えるのに有利とされているスターリング冷凍機であり、そのコールドヘッド２４は管内が気体膨張部となっている。真空断熱容器２１Ａ又は２１Ｂの下方の冷凍機本体（図示は省略）からコールドヘッド２４が真空断熱容器２１Ａ又は２１Ｂ内に垂直に延在し、その上端の冷却端２５にコールドプレート２６が水平に装着されており、コールドプレート２６の上面に被冷却物の超伝導フィルタ２７が搭載されている。真空断熱容器２１Ａ，２１Ｂはそれぞれ容器本体２２Ａ，２２Ｂと上蓋２３Ａ，２３Ｂからなる。（Ａ）図ではコネクタ２８が上蓋２３Ａに設けられており、（Ｂ）図ではコネクタ２８が容器本体２２Ｂの側面に設けられている。
【０００５】
移動体通信の基地局装置の受信回路に用いられる場合の超伝導フィルタ装置では、超伝導フィルタの出力側に接続されるローノイズアンプも超伝導フィルタと同一真空断熱容器内で冷却するように構成されることが多い。更に、図２に示すような概略構成で、複数の超伝導フィルタをそれぞれローノイズアンプとともに同一真空断熱容器内に収容することもある。これらの場合、総ての超伝導フィルタとローノイズアンプをコールドプレート上面に搭載して冷却する。尚、この超伝導フィルタ装置は真空断熱容器内を真空排気した後、真空排気系を切り離した状態で使用される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前述の超伝導フィルタ装置では、超伝導フィルタとローノイズアンプをコールドプレート上に搭載しており、しかもその上方に同軸ケーブルをコネクタに接続するための作業スペースを確保しなければならないから、真空断熱容器はコールドプレート上方に大きなスペースを要する。一方、冷凍機の性能を確保するためにはそのコールドヘッドを短縮できないから、真空断熱容器はコールドプレート下方にも大きなスペースを要する。その結果、大きな真空断熱容器が必要となり、この超伝導フィルタ装置を採用するシステムが著しく大型化する、という問題があった。また、この装置の使用中に真空断熱容器の真空度が徐々に低下し、冷凍機の負荷が増える、フィルタ特性が変化する、更にはフィルタ機能が失われる、という問題があった。
【０００７】
本発明は、このような問題を解決して、真空断熱容器の小型化及び長期にわたる真空度維持が可能な超伝導フィルタ装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、本発明においては、超伝導フィルタと、真空断熱容器と、真空断熱容器内で超伝導フィルタを冷却する冷凍機とを有する超伝導フィルタ装置において、冷凍機のコールドヘッドが真空断熱容器内に垂直に延在し、コールドヘッドの冷却端上に熱的良導体からなるコールドプレートが水平に装着され、コールドプレートの下面側に超伝導フィルタが装着されていることを特徴とする超伝導フィルタ装置としている。
【０００９】
即ち、被冷却物がコールドプレートの下面に装着されるから、真空断熱容器のコールドプレート上方のスペースを削減でき、また、コールドプレート上面に多孔質物質を載置することができる。また、真空断熱容器のコールドプレート下方はもともとデッドスペースであったから、超伝導フィルタの他にローノイズアンプをコールドプレート下面に装着しても、真空断熱容器を下方に拡大する必要はない。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図を参照しながら説明する。図１は本発明の実施の形態の一例を示す要部断面図である。この例は、図２に示すような概略構成で、二個の超伝導フィルタをそれぞれローノイズアンプとともに同一真空断熱容器内に収容したものである。
【００１１】
図１において、１は真空断熱容器であり、底板２と、その上方空間を覆う帽子状の上蓋３とで構成されている。４は冷凍機のコールドヘッド、５はコールドヘッドの冷却端であり、真空断熱容器１下方の冷凍機本体（図示は省略）から管状のコールドヘッド４が真空断熱容器１内に垂直に延在し、その上端が銅等の熱的良導体からなる冷却端５となっている。冷凍機は例えばスターリング冷凍機であり、その場合、コールドヘッド４の管内が気体膨張部となる。６はコールドプレートであり、アルミニウムや銅等の熱的良導体からなり、インジウム等のシートを挟んで銅等の熱的良導体からなる冷却端５に水平にねじ止めされている。
【００１２】
７は超伝導フィルタであり、高温超伝導材料からなるフィルタ要素がアルミニウム等の金属パッケージに実装されている。８はローノイズアンプであり、超伝導フィルタ７と同様の材質・寸法のパッケージに実装されている。超伝導フィルタ７とローノイズアンプ８は各々のパッケージの一面が相互に密着した状態でコールドプレート６の下面に装着されている。９は熱拡散部材であり、銅やアルミニウム等の熱的良導体（金、銀、グラファイトでもよい）からなり、相互に密着した状態の超伝導フィルタ７とローノイズアンプ８の外面に接してこれを包囲し、その端部はコールドプレート６に接している。これは、超伝導フィルタ７とローノイズアンプ８の温度均一性を向上させるためのものである。
【００１３】
１０は信号入出力用のコネクタ、１１は同軸ケーブルである。コネクタ１０はハーメチック型の同軸コネクタであり、総て底板２に装着されている。従って、底板２に上蓋３を被せる前に同軸ケーブル１１をコネクタ１０に接続することができ、作業スペースを真空断熱容器１内に設ける必要がない。尚、この図には表れていないが、超伝導フィルタ７からローノイズアンプ８に至る同軸ケーブルが、図の裏面側にある。
【００１４】
１２は多孔質物質であり、例えば、モレキュラシーブ、活性炭、シリカゲルである。これは、真空排気した後の真空断熱容器１内の残留ガスやリークガス等をクライオ効果によって吸着し、真空断熱容器１内の真空度を長期にわたり保持するためのものである。
【００１５】
この他、図示は省略したが、真空断熱容器１には真空計、真空排気口とそれに連通する真空バルブ等が設けられている。この超伝導フィルタ装置は、真空断熱容器１内を真空ポンプで排気した後、真空バルブを閉じ、真空ポンプを切り離して使用する。
【００１６】
本発明者は、上記の超伝導フィルタ装置に対し、真空断熱容器１を約５.0×10^-5Paまで真空排気して真空バルブを閉じた状態で、約７０Ｋで冷却テストを行った結果、コールドプレート６と超伝導フィルタ７との温度差は１Ｋ以下に抑えられ、伝送特性もコールドプレート上に超伝導フィルタとローノイズアンプとを装着した従来の装置のそれと同等の値が得られた。また、真空度も10^-5Pa台が維持でき、多孔質物質の効果も確認された。
【００１７】
図３は、本発明の実施の形態の他の例を示す要部断面図である。この例では、コールドプレート６から底板２へ複数の細線１３が放射状に張られている。これはコールドプレート６とこれに装着された部材（超伝導フィルタ７やローノイズアンプ８等）が真空断熱容器１内で横揺れするのを防ぐためのものである。即ち、コールドプレート６とこれに装着された部材を支える冷凍機のコールドヘッド４の外壁は肉厚が極めて薄く（１mm以下）、横方向の力に弱いため、上に搭載した部材が横揺れすることにより折れや曲がりを生じて冷凍機の能力を損なうおそれがあるからである。
【００１８】
従って、細線１３の一端が固着される部位はコールドプレート６とは限らず、これに装着された部材やコールドヘッドの冷却端５であってもよい。但し、複数本の細線１３はコールドヘッド４に曲げモーメントが生じないように異なる方向へ、且つ張力をバランスさせて張る必要がある。細線１３の材質としては、低温でも強度を有し且つ熱伝導度の低いものが良く、ケブラー（パラフェニルテレフタルアミド），ナイロン，ステンレス鋼等が適している。
【００１９】
本発明は以上の例に限定されることなく、更に種々変形して実施することができる。例えば、超伝導フィルタ装置がローノイズアンプ８，熱拡散部材９，多孔質物質１２のいずれか、又はそれらのうちの二つ以上を有しない場合であっても、超伝導フィルタ７を一個または三個以上有する場合であっても、また、真空断熱容器１の構造が図１と異なる場合であっても、本発明は有効である。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、真空断熱容器の小型化及び長期にわたる真空度維持が可能な超伝導フィルタ装置を提供することが可能となり、これを使用するシステムの小型化や信頼性向上に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例を示す要部断面図である。
【図２】超伝導フィルタ装置の構成例を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態の他の例を示す要部断面図である。
【図４】従来例を示す要部断面図である。
【符号の説明】
１、２１Ａ、２１Ｂ真空断熱容器
２底板
３上蓋
４、２４コールドヘッド
５、２５冷却端
６、２６コールドプレート
７超伝導フィルタ
８ローノイズアンプ
９熱拡散部材
１０、２８コネクタ
１１、２９同軸ケーブル
１２多孔質物質
１３細線
２２Ａ、２２Ｂ容器本体
２３Ａ、２３Ｂ上蓋
２７被冷却物[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a superconducting filter device including a superconducting filter and means for keeping the superconducting filter below its operating temperature.
[0002]
Recently, superconducting devices using high-temperature superconducting materials are expected in microwave communication systems and the like, and superconducting filters are one of them. Application of this superconducting filter to mobile communication base station devices is under study.
[0003]
[Prior art]
The superconducting filter is usually used in a form as shown in FIG. 4 while being cooled below the superconducting temperature by a refrigerator in a cryostat (hereinafter referred to as a vacuum heat insulating container). 4 (A) and 4 (B) are cross-sectional views showing a main part of a conventional example. In the figure, 21A and 21B are vacuum heat insulating containers, 24 is a cold head of a refrigerator, 25 is a cooling end of the cold head, 26 cold plates are heat diffusion plate, 27 superconducting filter as the object to be cooled, 28 connectors for signal input and output (hermetically sealed coaxial connector), 29 is a coaxial cable.
[0004]
This refrigerator is a Stirling refrigerator that is advantageous for suppressing an increase in the size of the apparatus, and the cold head 24 has a gas expansion portion in the pipe. A cold head 24 extends vertically into the vacuum heat insulating container 21A or 21B from a refrigerator main body (not shown) below the vacuum heat insulating container 21A or 21B, and a cold plate 26 is horizontally mounted on the cooling end 25 at the upper end thereof. The superconducting filter 27 to be cooled is mounted on the upper surface of the cold plate 26. The vacuum heat insulating containers 21A and 21B are composed of container main bodies 22A and 22B and upper lids 23A and 23B, respectively. In (A), the connector 28 is provided on the upper lid 23A, and in (B), the connector 28 is provided on the side surface of the container body 22B.
[0005]
In a superconducting filter device used in a receiving circuit of a mobile communication base station device, a low noise amplifier connected to the output side of the superconducting filter is also configured to cool in the same vacuum heat insulating container as the superconducting filter. Often. Furthermore, with a schematic configuration as shown in FIG. 2, a plurality of superconducting filters may be housed in the same vacuum heat insulating container together with a low noise amplifier. In these cases, all superconducting filters and low-noise amplifiers are mounted on the top surface of the cold plate for cooling. The superconducting filter device is used in a state in which the inside of the vacuum heat insulating container is evacuated and then the evacuation system is disconnected.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In the above-described superconducting filter device, the superconducting filter and the low noise amplifier are mounted on the cold plate, and a work space for connecting the coaxial cable to the connector must be secured above the superconducting filter device. Requires a large space above the cold plate. On the other hand, since the cold head cannot be shortened in order to ensure the performance of the refrigerator, the vacuum heat insulating container requires a large space below the cold plate. As a result, there is a problem that a large vacuum heat insulating container is required, and a system employing this superconducting filter device is remarkably increased in size. In addition, the vacuum degree of the vacuum heat insulating container gradually decreases during use of the apparatus, and the load on the refrigerator increases, the filter characteristics change, and the filter function is lost.
[0007]
An object of the present invention is to solve such problems and to provide a superconducting filter device capable of downsizing a vacuum heat insulating container and maintaining the degree of vacuum over a long period of time.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve this object, in the present invention, in a superconducting filter device having a superconducting filter, a vacuum heat insulating container, and a refrigerator that cools the superconducting filter in the vacuum heat insulating container, a cold head of the refrigerator is provided. It extends vertically in the vacuum insulation container, and a cold plate made of a good thermal conductor is mounted horizontally on the cold end of the cold head, and a superconducting filter is mounted on the lower surface side of the cold plate. It is a superconducting filter device.
[0009]
That is, since the object to be cooled is mounted on the lower surface of the cold plate, the space above the cold plate of the vacuum heat insulating container can be reduced, and the porous material can be placed on the upper surface of the cold plate. In addition, since the vacuum heat insulating container below the cold plate was originally a dead space, it is not necessary to expand the vacuum heat insulating container downward even if a low noise amplifier is mounted on the lower surface of the cold plate in addition to the superconducting filter.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view of an essential part showing an example of an embodiment of the present invention. This example has a schematic configuration as shown in FIG. 2, and each of the two superconducting filters is housed in the same vacuum heat insulating container together with a low noise amplifier.
[0011]
In FIG. 1, 1 is a vacuum heat insulation container, and is comprised by the baseplate 2 and the cap-shaped upper cover 3 which covers the upper space. Reference numeral 4 is a cold head of the refrigerator, and 5 is a cooling end of the cold head. A tubular cold head 4 extends vertically from the refrigerator main body (not shown) below the vacuum insulation container 1 into the vacuum insulation container 1. The upper end is a cooling end 5 made of a thermal good conductor such as copper. The refrigerator is, for example, a Stirling refrigerator, and in that case, the inside of the pipe of the cold head 4 is a gas expansion portion. A cold plate 6 is made of a good thermal conductor such as aluminum or copper, and is screwed horizontally to a cooling end 5 made of a good thermal conductor such as copper with a sheet of indium or the like interposed therebetween.
[0012]
Reference numeral 7 denotes a superconducting filter, in which a filter element made of a high-temperature superconducting material is mounted on a metal package such as aluminum. Reference numeral 8 denotes a low-noise amplifier, which is mounted on a package having the same material and dimensions as the superconducting filter 7. The superconducting filter 7 and the low noise amplifier 8 are mounted on the lower surface of the cold plate 6 with one surface of each package being in close contact with each other. Reference numeral 9 denotes a heat diffusion member, which is made of a good thermal conductor such as copper or aluminum (or gold, silver, or graphite) and surrounds the superconductive filter 7 and the low noise amplifier 8 in close contact with each other. The end portion is in contact with the cold plate 6. This is for improving the temperature uniformity of the superconducting filter 7 and the low noise amplifier 8.
[0013]
10 is a connector for signal input / output, and 11 is a coaxial cable. The connectors 10 are hermetic type coaxial connectors and are all attached to the bottom plate 2. Therefore, the coaxial cable 11 can be connected to the connector 10 before the bottom cover 2 is covered with the upper lid 3, and there is no need to provide a work space in the vacuum heat insulating container 1. Although not shown in this figure, the coaxial cable from the superconducting filter 7 to the low noise amplifier 8 is on the back side of the figure.
[0014]
Reference numeral 12 denotes a porous material, for example, molecular sieve, activated carbon, or silica gel. This is for adsorbing residual gas, leak gas, and the like in the vacuum heat insulating container 1 after evacuation by the cryo effect, and maintaining the degree of vacuum in the vacuum heat insulating container 1 for a long period of time.
[0015]
In addition, although not shown, the vacuum heat insulating container 1 is provided with a vacuum gauge, a vacuum exhaust port, a vacuum valve communicating therewith, and the like. In this superconducting filter device, the inside of the vacuum heat insulating container 1 is evacuated by a vacuum pump, and then the vacuum valve is closed and the vacuum pump is disconnected.
[0016]
The present inventor conducted a cooling test on the above superconducting filter device at about 70 K in a state where the vacuum heat insulating container 1 was evacuated to about 5.0 × 10 ⁻⁵ Pa and the vacuum valve was closed. The temperature difference between the cold plate 6 and the superconducting filter 7 was suppressed to 1K or less, and the transmission characteristics were the same as those of the conventional device in which the superconducting filter and the low noise amplifier were mounted on the cold plate. In addition, the degree of vacuum could be maintained at the ^10-5 Pa level, and the effect of the porous material was confirmed.
[0017]
FIG. 3 is a cross-sectional view of the main part showing another example of the embodiment of the present invention. In this example, a plurality of thin wires 13 are radially extended from the cold plate 6 to the bottom plate 2. This is to prevent the cold plate 6 and members (such as the superconducting filter 7 and the low noise amplifier 8) mounted on the cold plate 6 from rolling in the vacuum heat insulating container 1. That is, the outer wall of the cold head 4 of the refrigerator that supports the cold plate 6 and the member mounted on the cold plate 6 is extremely thin (less than 1 mm) and is weak against lateral force. This is because there is a risk that the capacity of the refrigerator may be impaired due to bending or bending.
[0018]
Therefore, the portion to which one end of the thin wire 13 is fixed is not limited to the cold plate 6 but may be a member attached to the cold plate 6 or the cooling end 5 of the cold head. However, the multiple thin wires 13 need to be stretched in different directions and with balanced tension so that no bending moment is generated in the cold head 4. The material of the thin wire 13 is preferably a material having strength even at a low temperature and low thermal conductivity, and Kevlar (paraphenyl terephthalamide), nylon, stainless steel and the like are suitable.
[0019]
The present invention is not limited to the above examples and can be implemented with various modifications. For example, even if the superconducting filter device does not have any one of the low noise amplifier 8, the heat diffusing member 9, the porous material 12, or two or more of them, one or three superconducting filters 7 are provided. Even if it is a case where it has the above or it is a case where the structure of the vacuum heat insulation container 1 differs from FIG. 1, this invention is effective.
[0021]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a superconducting filter device capable of miniaturizing a vacuum heat insulating container and maintaining the degree of vacuum over a long period of time, and reducing the size and reliability of a system using the same. Contributes to improvement.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of an essential part showing an example of an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of a superconducting filter device.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a main part showing another example of the embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view of a main part showing a conventional example.
[Explanation of symbols]
1 and 21A, 21B the vacuum insulation container 2 bottom plate 3 the upper cover 4, 24 cold head 5,25 cold end 6, 26 cold plates
7 Superconducting filter 8 Low noise amplifier 9 Thermal diffusion member 10, 28 Connector 11, 29 Coaxial cable 12 Porous material 13 Fine wire 22A, 22B Container body 23A, 23B Upper lid 27 Object to be cooled

Claims

In a superconducting filter device having a superconducting filter, a vacuum heat insulating container, and a refrigerator that cools the superconducting filter in the vacuum heat insulating container,
The cold head of the refrigerator extends vertically into the vacuum heat insulating container, and a heat diffusion plate made of a good thermal conductor is horizontally mounted on the cold end of the cold head, and on the lower surface side of the heat diffusion plate A superconducting filter device, wherein the superconducting filter is mounted, and a porous material is placed on the upper surface of the heat diffusion plate .

2. The superconducting filter device according to claim 1 , wherein a low noise amplifier is mounted together with the superconducting filter on a lower surface side of the heat diffusion plate .

2. A heat diffusion member made of a good thermal conductor, in contact with the heat diffusion plate and in close contact with the superconducting filter or the superconducting filter in close contact with the low noise amplifier. Or the superconducting filter apparatus of 2.

4. The super heat insulating container according to claim 1, wherein the vacuum heat insulating container comprises a bottom plate and a cap-shaped upper cover covering the space above the bottom plate, and a connector for signal input / output is provided on the bottom plate. Conductive filter device.

5. A plurality of fine wires are stretched between the vacuum heat insulating container and the heat diffusion plate or / and a member attached to the heat diffusion plate. Superconducting filter device.