JP4663858B2

JP4663858B2 - 冷却装置および光検出装置

Info

Publication number: JP4663858B2
Application number: JP2000260015A
Authority: JP
Inventors: 真工藤; 知行丸山; 二三男成沢; 光喜田中
Original assignee: Hioki EE Corp
Current assignee: Hioki EE Corp
Priority date: 2000-08-30
Filing date: 2000-08-30
Publication date: 2011-04-06
Anticipated expiration: 2020-08-30
Also published as: JP2002071453A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷媒によって冷却対象体を冷却する冷却装置、および、その冷却装置によって目標冷却温度に冷却された状態で入射光を検出する光検出手段を備えた光検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の冷却装置を備えた光検出装置として、出願人は、図５に示す光検出装置５１を既に開発している。この光検出装置５１は、アバランシェホトダイオード１８を光検出素子として用いて微弱な近赤外域光を検出可能に構成されている。この場合、アバランシェホトダイオード１８は温度変化に非常に敏感な特性を有しているため、近赤外域光の検出に際しては、アバランシェホトダイオード１８を一定温度（例えば−１５０℃）に冷却する必要がある。このため、光検出装置５１は、アバランシェホトダイオード１８を設定温度に冷却する冷却部５２を備えている。冷却部５２は、筐体としての真空容器１１で囲われて図外の真空ポンプで内気を排気された断熱室Ｓ１内に、アバランシェホトダイオード１８を冷却するための液化窒素ＬＮを貯留可能な冷媒容器５３と、熱伝導率の低い素材で形成され冷媒容器５３の底部から下方に突設された連結材５４と、連結材５４の先端部に取り付けられてアバランシェホトダイオード１８が固定される台座１４と、台座１４の上端部側に巻き回されてアバランシェホトダイオード１８の冷却温度を調節するヒータ１６と、台座１４に取り付けられて台座１４の温度に応じたセンサ信号を出力する温度センサ１７とが配設されている。この場合、温度センサ１７は、図外の温度制御部に接続されており、温度制御部は、温度センサ１７のセンサ信号に基づいてアバランシェホトダイオード１８の冷却温度を近似的に検出し、その検出温度に基づいてヒータ１６を通電制御することにより、台座１４の温度を所定温度に調整する。
【０００３】
この光検出装置５１では、冷媒容器５３内に液化窒素ＬＮを注入することにより、連結材５４を介して台座１４の熱が冷媒容器５３に伝熱して液化窒素ＬＮに吸熱される。この場合、連結材５４が熱伝導率の低い素材で形成されているため、台座１４は徐々に冷却されて設定温度まで冷却される。次いで、台座１４が設定温度よりも低下した際には、温度制御部が温度センサ１７のセンサ信号に基づいてヒータ１６を通電制御することにより、台座１４の冷却温度が設定温度に維持される。この場合、連結材５４の熱伝導率が低いため、冷媒容器５３内の液化窒素ＬＮによる急激な冷却が抑えられ、これにより、液化窒素ＬＮの蒸発量およびヒータ１６への通電量が抑制される。一方、アバランシェホトダイオード１８が台座１４と同じ温度に冷却された状態では、光ファイバーケーブルを介してアバランシェホトダイオード１８に信号光を入射することにより、アバランシェホトダイオード１８が入射光を検出する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、この光検出装置５１には、以下の改善すべき点がある。すなわち、光検出装置５１では、低い熱伝導率を有する素材で形成した連結材５４によって冷媒容器５３と台座１４とが連結されているため、冷媒容器５３に液化窒素ＬＮを注入してからアバランシェホトダイオード１８が設定温度に冷却されるまでに長時間必要とされる。したがって、光検出測定が可能となるまでの待ち時間が長くなってしまい、これを改善するのが好ましい。また、光検出装置５１では、冷媒容器５３の下方に連結材５４を介して台座１４を配設しているため、冷媒容器５３が真空容器１１内の上方に位置する。このため、冷媒容器５３内に液化窒素ＬＮを注入した状態では、重心が真空容器１１の上方に位置する結果、真空容器１１が不安定な設置状態となり、これを改善するのが好ましい。
【０００５】
一方、高い熱伝導率を有する素材で連結材５４を形成したり、連結材５４を短尺に形成して台座１４と冷媒容器５３との距離を短くしたりすることにより、アバランシェホトダイオード１８を短時間で冷却することもできる。しかし、かかる構成を採用した場合、台座１４の熱が冷媒容器５３に伝わり易くなるため、液化窒素ＬＮが短時間で気化する。また、アバランシェホトダイオード１８が過度に冷却され易くなるため、ヒータ１６への通電量が増大する。このため、液化窒素ＬＮの消費量、およびヒータ１６による電力の消費量が増大するという問題が生じる。
【０００６】
また、特開平８−３１８１５１号公報に開示された真空装置では、液体窒素（１１）を自動補給するための液体窒素自動補給装置（９）を配設することにより、冷却部位（４）への液体窒素（１１）の供給量を制御して、比較的短時間で冷却部位（４）を冷却可能とし、かつ、冷却部位（４）が所定温度まで冷却された状態では、液体窒素（１１）の供給量を制限することにより、液体窒素（１１）の消費量の低減が図られている。しかし、この真空装置には、複雑かつ大形の液体窒素自動補給装置（９）を必要とするため、製造コストが高騰する点、および広い設置スペースが必要となる点、などの各種問題が存在する。
【０００７】
本発明は、かかる改善すべき課題に鑑みてなされたものであり、装置のコストアップや大型化を招くことなく、冷媒の消費量を抑えつつ冷却対象体を短時間で冷却可能な冷却装置を提供することを主目的とする。また、冷媒を注入した状態での装置の設置安定性を向上し得る冷却装置、および冷却装置を用いて受光素子を冷却可能な光検出装置を提供することを他の目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく請求項１記載の冷却装置は、真空容器と、冷媒を貯留可能に構成されると共に冷却対象体を連結可能に構成されて真空容器内に配設された冷媒容器とを備えた冷却装置において、冷媒容器は、細直管で形成されると共に上端部が断熱部材を介して真空容器に連結されて真空容器によって垂下状態で保持された第１の貯留部と、第１の貯留部の下端部に吊り下げられた状態で連結されると共に第１の貯留部よりも大量の冷媒を貯留可能に構成された第２の貯留部とを備え、第１の貯留部は、真空容器に形成された媒体注入口を介して注入された冷媒を第２の貯留部に案内可能に構成されると共に、上下方向における中間部に直接的に、または第１の貯留部を構成する素材よりも高い熱伝導性の素材で形成された高熱伝導性部材を介して冷却対象体を連結可能に構成されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項２記載の冷却装置は、請求項１記載の冷却装置において、第２の貯留部は、真空容器内の底面側に配置されることを特徴とする。
【００１２】
請求項３記載の冷却装置は、請求項１または２記載の冷却装置において、冷却対象体の温度を検出する温度検出手段と、冷却対象体を加熱する加熱手段と、温度検出手段の検出温度が目標冷却温度よりも低下したときに加熱手段を駆動して冷却対象体を加熱させる温度制御手段とを備えていることを特徴とする。
【００１３】
請求項４記載の光検出装置は、請求項１から３のいずれかに記載の冷却装置と、第１の貯留部に連結された冷却対象体と、冷却対象体に固定されて冷却装置によって目標冷却温度に冷却された状態で入射光を検出する光検出手段とを備えていることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明に係る冷却装置を光検出素子の冷却部に適用した光検出装置の好適な実施の形態について説明する。なお、出願人が既に開発している光検出装置５１と同一の構成要素については、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００１５】
光検出装置１は、大気中の水滴や塵の測定などの環境測定、各種工業分野におけるガスや微量物質の分析、および医療診断などに応用可能な光検出装置であって、例えば波長０．９μｍ〜１．５５μｍの近赤外域光を光パワー０．０００１ｐＷ〜１０ｐＷの範囲で高検出効率で検出可能に構成されている。具体的には、光検出装置１は、図１に示すように、光検出素子を設定温度（目標温度）に冷却する冷却部２と、光検出素子の検出信号に基づいて入射光を検出する光検出部３とを備えている。冷却部２は、本発明における冷却装置に相当し、図２に示すように、真空容器１１、連結材１２、冷媒容器１３、ヒータ１６、温度センサ１７および温度制御部４（図１参照）を備えている。真空容器１１は、筐体に相当し、例えばステンレススチールで全体として箱状に形成され、冷媒容器１３を吊り下げた状態で所定位置に保持すると共に、連結材１２および冷媒容器１３と相俟って形成される内部空間の内気を真空ポンプで排気されることにより、真空状態の断熱室Ｓ１を形成する。また、真空容器１１には、蓋１５で開閉自在な冷媒注入口１１ａが形成され、この冷媒注入口１１ａを介して冷媒容器１３に液化窒素ＬＮが注入される。この場合、蓋１５は、断熱性に優れ軽量の発泡樹脂で形成され、図３に示すように、冷媒注入口１１ａに装着された状態では、気化した液化窒素ＬＮを外部に放出させるための僅かな隙間Ｈが連結材１２との間に形成される。連結材１２は、低熱伝導性の素材（例えば発泡樹脂）で形成され、図２に示すように、冷媒容器１３を断熱室Ｓ１内に吊り下げた状態で真空容器１１と冷媒容器１３とを連結する。この場合、「低熱伝導性」とは、低い熱伝導率を有する性質をいう。
【００１６】
冷媒容器１３は、図２に示すように、貯留部１３ａ，１３ｂを備えて構成されている。貯留部１３ａは、本発明における第１の貯留部に相当し、低熱伝導性素材の薄肉ステンレスで細直管状に形成され、媒体注入口１１ａを介して注入された液化窒素ＬＮを貯留部１３ｂに案内すると共に、その内部空間Ｓ２に貯留部１３ｂと相俟って液化窒素ＬＮを貯留可能に構成されている。この貯留部１３ａは、連結材１２を介して真空容器１１の上面から吊り下げられてほぼ垂直状態（垂下状態）で保持されている。また、貯留部１３ａの上下方向における中間部の周面には、本発明における冷却対象体に相当する台座１４が連結されている。貯留部１３ｂは、本発明における第２の貯留部に相当し、ステンレススチールで箱状に形成され、その内部空間Ｓ３に液化窒素ＬＮを貯留可能に構成されている。この貯留部１３ｂは、貯留部１３ａの下端部に吊り下げられた状態で連結され、貯留部１３ａを介して液化窒素ＬＮが注入される。この場合、貯留部１３ｂは、低熱伝導性素材の貯留部１３ａを介して台座１４に連結されるため、台座１４から貯留部１３ｂに対しては熱が伝導しにくい構成となっている。また、貯留部１３ｂは、貯留部１３ａよりも大量の液化窒素ＬＮを貯留可能に構成され、かつ真空容器１１内部の底部側に配置されている。
【００１７】
光検出部３は、図１に示すように、アバランシェホトダイオード１８、検出部５、電源部６および制御部７を備えている。アバランシェホトダイオード１８は、本発明における光検出手段を構成し、温度センサ１７と共に台座１４に固定されている。また、図４に示すように、アバランシェホトダイオード１８は、高純度の銅で筒状に形成されて表面に金メッキが施された２つのケース２７，２８で覆われている。この場合、ケース２７は、台座１４に固定されると共に、その外周に、信号ケーブル２２，２５、光ファイバーケーブル２３および電源ケーブル２４（以下、「ケーブル２２〜２５」ともいう）が巻き回れている。したがって、ケース２７は、各ケーブル２２〜２５に対する熱アンカーとして機能する。一方、ケース２８は、ケース２７の外周を覆うように嵌め込まれ、ケース２７と相俟って各ケーブル２２〜２５を挟み込んでケース２７に対して熱的に密着させると共に真空容器１１からの輻射熱によるアバランシェホトダイオード１８の温度上昇を防止する。
【００１８】
光ファイバーケーブル２３は、図２に示すように、導入部２３ａを挿通させられて真空容器１１の外部に配置された図外の集光光学系に接続されている。また、各ケーブル２１，２２，２４，２５の一端部は、導入用端子２６，２６・・に接続され、各導入用端子２６，２６・・は、図１に示すように、温度制御部４、検出部５または電源部６にそれぞれ接続されている。さらに、各ケーブル２１，２２，２４，２５の他端部は、ヒータ１６、温度センサ１７またはアバランシェホトダイオード１８に接続されている。
【００１９】
次に、光検出装置１の全体的な動作について説明する。
【００２０】
最初に、真空容器１１の冷媒注入口１１ａから冷媒容器１３に液化窒素ＬＮを注入し、冷媒注入口１１ａに蓋１５を装着する。この際には、まず、貯留部１３ｂの内部空間Ｓ３に液化窒素ＬＮが貯留され、続いて注入される液化窒素ＬＮが貯留部１３ａの内部空間Ｓ２に貯留される。この場合、この光検出装置１では、貯留部１３ｂが真空容器１１内部の底部側に配置されているため、内部空間Ｓ３に液化窒素ＬＮが貯留された状態では、冷却部２全体としての重心が下方に位置する結果、真空容器１１の設置安定性の向上が図られている。また、台座１４が貯留部１３ａの上下方向のほぼ中間部に連結されているため、台座１４の熱が貯留部１３ａに伝熱する結果、内部空間Ｓ２における台座１４の近傍まで注入された液化窒素ＬＮによって台座１４が急激に冷却される。したがって、アバランシェホトダイオード１８は、短時間で設定温度まで冷却される。この際に、貯留部１３ａ内で気化した液化窒素ＬＮは冷媒注入口１１ａおよび蓋１５の間の隙間Ｈから真空容器１１の外部に放出される。この後、温度制御部４が、温度センサ１７のセンサ信号に基づいて台座１４の温度を検出し、設定温度よりも低下したときには、ヒータ１６を通電制御する。これにより、台座１４は、液化窒素ＬＮによる冷却とヒータ１６による加熱とで温度制御されて所定温度に維持される。
【００２１】
この後、貯留部１３ａ内の液化窒素ＬＮが気化して真空容器１１の外部に放出されるにつれて、台座１４の冷却に対する貯留部１３ｂ内の液化窒素ＬＮによる寄与が徐々に大きくなる。また、貯留部１３ａ内の液化窒素ＬＮがすべて気化した状態では、台座１４は、低熱伝導性素材で形成された貯留部１３ａを介して貯留部１３ｂに連結された状態となる。このため、台座１４は、貯留部１３ｂ内の液化窒素ＬＮによって緩やかに冷却され続ける。したがって、貯留部１３ａ内の液化窒素ＬＮがすべて気化する前の状態、つまり貯留部１３ａ内の液化窒素ＬＮによって直接的に冷却される状態と比較して、ヒータ１６の通電量および液化窒素ＬＮの消費量が低下する。なお、必要に応じて媒体注入口１１ａから貯留部１３ｂに液化窒素ＬＮを補充することにより、より長時間に亘ってアバランシェホトダイオード１８を冷却し続けることができる。
【００２２】
一方、アバランシェホトダイオード１８の冷却温度と断熱室Ｓ１の外気温度との間には、百数十℃の温度差が生じており、外気によって暖められた真空容器１１の熱が断熱室Ｓ１内に輻射する。この場合、ケース２７，２８がアバランシェホトダイオード１８を覆っているため、アバランシェホトダイオード１８の輻射熱による温度上昇が防止される。同時に、ケーブル２１〜２５を介して真空容器１１の外部からの熱の流入がケース２７による熱アンカーによって防止されている。したがって、各ケーブル２１〜２５を介してアバランシェホトダイオード１８に流入する熱量が最小かつほぼ一定となるため、アバランシェホトダイオード１８が一定温度に冷却される。
【００２３】
入射光の検出測定時には、図外の集光光学系における絞りを閉じることによって、アバランシェホトダイオード１８に対する信号光の入射を遮断する。続いて、この状態において、検出部５が、アバランシェホトダイオード１８を流れる暗電流に応じた電圧のパルス信号に変換し、所定のしきい値を超えるパルス信号の数をカウントする。次いで、集光光学系における絞りを開くことによって信号光をアバランシェホトダイオード１８に入射させる。この状態において、検出部５が、所定のしきい値を超えるパルス信号の数をカウントし、信号光が入射している状態のときのカウント値から、信号光が遮断されている状態のときのカウント値を減算することによって、信号光のみに対応するカウント値を算出する。この場合、信号光の入射が遮断されている状態のときの雑音量に相当するカウント値が正確に相殺されるため、信号光の入射量を高精度で検出することができる。
【００２４】
このように、この光検出装置１によれば、貯留部１３ａの周面に台座１４を直接的に連結し、貯留部１３ｂと台座１４とを低熱伝導性素材で形成された貯留部１３ａを介して連結したことにより、貯留部１３ａ内の液化窒素ＬＮによってアバランシェホトダイオード１８を短時間で冷却することができ、しかも、貯留部１３ａ内の液化窒素ＬＮが気化し尽くされた状態では、貯留部１３ｂ内の液化窒素ＬＮによってアバランシェホトダイオード１８を長時間に亘って緩やかに冷却し続けることができる。この結果、液化窒素ＬＮの消費量およびヒータ１６の通電量を抑えつつアバランシェホトダイオード１８を冷却することができる。また、この光検出装置１によれば、貯留部１３ｂを真空容器１１内の下方に配置したことにより、冷媒容器１３に液化窒素ＬＮを注入した状態では、冷却部２の重心が下方に位置するため、冷却部２の設置安定性を向上させることができる。
【００２５】
なお、本発明の実施の形態では、薄肉ステンレスで細直管状に形成した貯留部１３ａを真空容器１１内で垂直に吊り下げた状態で保持する構成例について説明したが、第１の貯留部の材質、形状および保持姿勢などについては、他の材質の低熱伝導性素材を用いて形成することもできるし、曲管状に形成することもできる。また、第１の貯留部を傾けて真空容器１１内に保持することもできる。さらに、真空容器１１、冷媒容器１３、貯留部１３ａ，１３ｂ、および台座１４などの形状も任意の形状（例えば、円筒状、角筒状、箱状）に変更ができるのは勿論である。また、本発明の実施の形態では、貯留部１３ａと台座１４とを直接的に連結した例について説明したが、例えば、銅やアルミニウムなどの高熱伝導性の素材で形成した高熱伝導性部材（連結材など）を介して貯留部１３ａと台座１４とを連結してもよい。この場合、「高熱伝導性」とは、高い熱伝導率を有する性質をいうものとする。この構成であっても、貯留部１３ａ内の冷媒で台座１４が急激に冷却されるため、光検出装置１と同様にして、アバランシェホトダイオード１８を短時間で冷却することができる。
【００２６】
さらに、本発明の実施の形態では、冷媒として液化窒素ＬＮを用いた例について説明したが、各種低温冷媒を採用することができる。また、本発明の実施の形態では、本発明における冷却装置を光検出装置の光検出素子冷却用冷却部に適用した例について説明したが、本発明における冷却対象体は、これに限定されない。さらに、本発明における光検出手段についても、本発明の実施の形態に示したアバランシェホトダイオード１８に限定されず、ＰＩＮホトダイオードなどの各種光検出用ダイオードを用いることができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上のように、請求項１記載の冷却装置よれば、冷却対象体を直接的または高熱伝導性部材を介して細直管で形成された第１の貯留部に連結することにより、装置のコストアップや大型化を招くことなく、しかも、冷媒の消費量を抑えつつ、冷却開始直後に第１の貯留部内の冷媒によって冷却対象体を短時間で冷却することができ、第１の貯留部内の冷媒が気化し尽くされた状態では、第１の貯留部よりも大量の冷媒を貯留可能な第２の貯留部内の冷媒で冷却対象体を長時間に亘って緩やかに冷却し続けることができる。
【００２９】
また、この冷却装置によれば、細直管で形成された第１の貯留部が真空容器によって垂下状態で保持され、その上下方向における中間部に冷却対象体を連結可能に構成したことにより、冷媒をスムーズに注入することができると共に、第２の貯留部の極く近傍に冷却対象体を連結する構成と比較して、冷却対象体の熱が第２の貯留部に伝わりにくい構成となるため、冷媒の消費量を抑えつつ長時間に亘って緩やかに冷却し続けることができる。
【００３０】
また、請求項２記載の冷却装置によれば、第２の貯留部を真空容器内の底面側に配置したことにより、冷媒容器に冷媒を注入した状態では、装置全体としての重心が下方に位置するため、冷却装置の設置安定性を向上させることができる。
【００３１】
また、請求項３記載の冷却装置によれば、温度検出手段、加熱手段および温度制御手段を備えたことにより、冷却対象体を正確に目標冷却温度に冷却することができる。
【００３２】
また、請求項４記載の光検出装置によれば、冷却装置によって光検出手段を短時間で目標温度に冷却できるため、光検出手段による入射光の検出測定を迅速に開始することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る光検出装置１の構成を示すブロック図である。
【図２】光検出装置１の構成を示す断面図である。
【図３】光検出装置１の真空容器１１における冷媒注入口１１ａ近傍の断面図である。
【図４】光検出装置１における温度センサ１７およびアバランシェホトダイオード１８近傍の断面図である。
【図５】出願人が既に開発している光検出装置５１の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１光検出装置
２冷却部
４温度制御部
１１真空容器
１３冷媒容器
１３ａ，１３ｂ貯留部
１４台座
１６ヒータ
１７温度センサ
１８アバランシェホトダイオード
ＬＮ液化窒素
Ｓ１断熱室
Ｓ２，Ｓ３内部空間

Claims

真空容器と、冷媒を貯留可能に構成されると共に冷却対象体を連結可能に構成されて前記真空容器内に配設された冷媒容器とを備えた冷却装置において、
前記冷媒容器は、細直管で形成されると共に上端部が断熱部材を介して前記真空容器に連結されて当該真空容器によって垂下状態で保持された第１の貯留部と、当該第１の貯留部の下端部に吊り下げられた状態で連結されると共に当該第１の貯留部よりも大量の前記冷媒を貯留可能に構成された第２の貯留部とを備え、
前記第１の貯留部は、前記真空容器に形成された媒体注入口を介して注入された前記冷媒を前記第２の貯留部に案内可能に構成されると共に、上下方向における中間部に直接的に、または当該第１の貯留部を構成する素材よりも高い熱伝導性の素材で形成された高熱伝導性部材を介して前記冷却対象体を連結可能に構成されていることを特徴とする冷却装置。
前記第２の貯留部は、前記真空容器内の底面側に配置されることを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
前記冷却対象体の温度を検出する温度検出手段と、前記冷却対象体を加熱する加熱手段と、前記温度検出手段の検出温度が目標冷却温度よりも低下したときに前記加熱手段を駆動して前記冷却対象体を加熱させる温度制御手段とを備えていることを特徴とする請求項１または２記載の冷却装置。
請求項１から３のいずれかに記載の冷却装置と、前記第１の貯留部に連結された冷却対象体と、当該冷却対象体に固定されて前記冷却装置によって目標冷却温度に冷却された状態で入射光を検出する光検出手段とを備えていることを特徴とする光検出装置。