JP4791894B2 - 希釈冷凍機 - Google Patents

Description

この発明は、液体ヘリウム（３Ｈｅ，４Ｈｅ）を用いて１〜１０^−３Ｋの超低温を連続的に得るための希釈冷凍機に関するものである。

極低温技術に携わる者には良く知られているように、３Ｈｅ液相と４Ｈｅ液相の混合液は、０．８Ｋ（８００ｍＫ）以下の極低温において、相対的に３Ｈｅが少ない３Ｈｅ希薄相と、相対的に３Ｈｅを多く含む３Ｈｅ濃厚相とに分離する。ここで、３Ｈｅ希薄相と３Ｈｅ濃厚相のそれぞれにおける３Ｈｅの含有率は、温度によって決定されるが、０．１Ｋ以下の温度では、３Ｈｅを６．４％含み残部が４Ｈｅからなる３Ｈｅ希薄相と、１００％の３Ｈｅからなる３Ｈｅ濃厚相とに分離される。またここで、３Ｈｅ液相よりも４Ｈｅ液相の方が密度が大きいため、上述のように３Ｈｅ−４Ｈｅ混合液が３Ｈｅ希薄相と３Ｈｅ濃厚相とに２相分離した状態では、密度の大きい３Ｈｅ希薄相が下側に、密度の小さい３Ｈｅ濃厚相が上側に位置することになる。したがって例えば０．１Ｋ程度以下の極低温の室内（従来の一般的な希釈冷凍機における混合室内）では、６．４％３Ｈｅ−残部４Ｈｅの３Ｈｅ希薄相が下部に、１００％３Ｈｅからなる３Ｈｅ濃厚相が上部に位置するように２相分離した平衡状態となる。そしてまたこのような平衡状態にある混合室内において、なんらかの手段により３Ｈｅ希薄相から３Ｈｅ分子を抜き去って、３Ｈｅ希薄相における３Ｈｅ濃度を低下させれば、両相は平衡状態に戻ろうとするため、３Ｈｅ濃厚相中の３Ｈｅが３Ｈｅ希薄相中へ溶け込む（３Ｈｅが４Ｈｅに希釈される）ことになる。

ここで、同一温度での各相中の３Ｈｅ分子のエントロピーを比較すれば、濃厚相中の３Ｈｅ分子のエントロピーは希薄相中の３Ｈｅ分子のエントロピーより小さいため、断熱状態であれば前述のように２相分離した混合室内において３Ｈｅが濃厚相中から希薄相中へ希釈されることにより吸熱が生じることになる。このような吸熱を利用した冷凍機が希釈冷凍機と称されるものであり、１〜１０^−３Ｋ程度の超低温を得ることが可能となる。

希釈冷凍機の原理的な構成については、非特許文献１、非特許文献２などにおいて説明されているが、その原理的な構成を図６に示す。

図６において、ロータリーポンプ等からなる真空ポンプ１は３Ｈｅガスを圧送して強制循環させるためのものであり、この真空ポンプ１の出口側から後述する混合室３までの経路を往路５Ａとしかつ混合室３から真空ポンプ１の入口側に至る経路を復路５Ｂとして、これらの往路５Ａ、復路５Ｂにより、一部に４Ｈｅを含んで３Ｈｅを循環させるためのＨｅ循環経路５が形成されている。

前記真空ポンプ１から往路５Ａ側に送り出された３００Ｋ程度の温度の３Ｈｅガスは、液体４Ｈｅを排気減圧して１．３Ｋ程度に保った１Ｋポット７に熱的に接触する凝縮器（コンデンサ）９において液化され、さらに分留器１１内の熱交換器１３に送られる。この分留器１１は、後述するように３Ｈｅと４Ｈｅとの飽和蒸気圧の差を利用して、復路５Ｂ側において４Ｈｅ−３Ｈｅの混合液中から３Ｈｅを選択的に排出させるためのものであるが、往路５Ａ側において凝縮器９から送られて来た３Ｈｅは、この分留器１１に熱接触する熱交換器１３において熱交換されて、０．５〜０．７Ｋ程度まで冷却される。さらにその往路５Ａ側の３Ｈｅは、熱交換器１５の往路側流路１５Ａにおいて、その熱交換器１５の復路側流路１５Ｂと熱交換されて０．１Ｋ程度まで冷却され、混合室３に導入される。混合室３では、前述のような１００％３Ｈｅからなる３Ｈｅ濃厚相Ｐと、３Ｈｅが４Ｈｅに溶け込んだ４Ｈｅ−６．４％３Ｈｅからなる３Ｈｅ希薄相Ｑとに２相分離しており、両相の密度差により下層が３Ｈｅ希薄相（４Ｈｅ−６．４％３Ｈｅ）Ｑ、上層が３Ｈｅ濃厚相（１００％３Ｈｅ相）Ｐとなる。そして３Ｈｅ濃厚相Ｐに導入された３Ｈｅが３Ｈｅ希薄相Ｑに溶け込む際に、既に述べたように熱吸収が生じ、１０ｍＫのオーダーの超低温に冷却される。すなわちこの混合室３が冷凍機としてのコールドヘッドとなり、この部分に近接して冷却対象物（試料）を保持しておけば、その試料を１０ｍＫのオーダーに冷却することができる。

混合室３の３Ｈｅ希薄相における３Ｈｅ濃度は６．４％を保ち、一方復路５Ｂにおける分留器１１内の４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液中からは４Ｈｅと３Ｈｅとの飽和蒸気圧の差によって３Ｈｅのみがガス化して排出されて行くから、分留器１１内の３Ｈｅ濃度は０．５〜０．７Ｋで１％程度となり、そのため混合室３の３Ｈｅ希薄相Ｑと分留器１１内の４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液との間で３Ｈｅの濃度差が生じるから、両者間の濃度勾配によって混合室３内の３Ｈｅ希薄相Ｑ中から３Ｈｅが復路５Ｂ側（分留器１１側）へ引込まれ、それに伴なって混合室３内の３Ｈｅ希薄相Ｑで３Ｈｅ濃度の低下傾向が生じるため、その３Ｈｅ希薄相Ｑの３Ｈｅ濃度が６．４％を保つように（すなわちその温度における３Ｈｅ濃厚相Ｐと３Ｈｅ希薄相Ｑとの平衡状態を保つように）、１００％３Ｈｅの３Ｈｅ濃厚相Ｐから３Ｈｅ希薄相Ｑへの３Ｈｅの溶け込みが連続的に生じることになる。そして混合室３から３Ｈｅが分留器１１へ引込まれる間においてその３Ｈｅは熱交換器１５の復路側流路１５Ｂを通過し、前述の往路５Ａ側の３Ｈｅを冷却する。

分留器１１においては、既に述べたように飽和蒸気圧の差によって４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液中から３Ｈｅのみが蒸発し、前述の真空ポンプ１によって引出される。真空ポンプ１に吸引された３Ｈｅは、再び凝縮器９へ送られて同様な過程を繰返す。

以上のようにして、希釈冷凍機では、１０ｍＫオーダーの超低温を得ることができ、特に外部からの熱侵入が全くない理想状態において０．１Ｋの温度の１００％３Ｈｅ液体が混合室３に導入された場合を想定すれば、その場合は計算上は０．０３６Ｋまで冷却することが可能となる。

ここで、以上のような図６に示した希釈冷凍機についての説明は、飽くまで原理的な構成について説明したものであり、実際の希釈冷凍機においては、真空ポンプ１を除いた部分、すなわち１Ｋポット７、凝縮器９、分留器１１（熱交換器１３）、熱交換器１５、混合室３は、その全体が周囲を真空断熱した極低温容器１７（通常クライオスタットと称されるもの）内に一体的に収容されて、希釈冷凍機本体１９を構成している。そして極低温容器（クライオスタット）１７内には、液体ヘリウムが注入されていて、希釈冷凍機本体１９が全体的に低温に冷却保持されるようになっている。そしてこの極低温容器１７内の冷却保持用の液体ヘリウムの一部が、前記凝縮器９を冷却するための１Ｋポット７の液体ヘリウム（予冷用冷媒）２１として用いられている。そして１Ｋポット７は、液体ヘリウム２１の温度を常時１Ｋ近くの低温に保つため、その室内が第２の真空ポンプ２３によって排気減圧されるのが通常である。

ところで図６に原理的に示した希釈冷凍機では、前述のように１Ｋポット７内は排気減圧されるため、その１Ｋポット７内の液体ヘリウム（通常は前述のように極低温容器１７内の液体ヘリウムと共通）２１は徐々に消費されてその量が減ることになり、したがって随時液体ヘリウムの補給を行なう必要がある。このように液体ヘリウムの補給を行なう際には、希釈冷凍機の運転を停止させなければならないから、図６の希釈冷凍機では長時間連続して運転することが困難であり、また液体ヘリウムは著しく高価であるから、それを消費する図６の希釈冷凍機は、ランニングコストも著しく高くならざるを得ない。

そこで最近では、例えば特許文献１に示しているように前述のような液体ヘリウムを用いた１Ｋポットに代え、ＧＭ冷凍機（ギフォード−マクマホン冷凍機）で代表される小型機械式極低温冷凍機を用いて凝縮器を冷却するように構成した希釈冷凍機を本発明者が提案している。ただし、ＧＭ冷凍機だけでは３Ｈｅガスの凝縮・液化温度まで冷却することが困難となることもあり、そこで上記提案では、ＧＭ冷凍機で数Ｋ程度まで冷却された３Ｈｅガスを断熱膨張させて１Ｋ近くまで冷却し、凝縮させることとしている。

具体的には、特許文献１で提案されている希釈冷凍機は、３Ｈｅガスを循環させるための真空ポンプと、その真空ポンプにより送出される３Ｈｅガスを受入れる希釈冷凍機本体とを有し、前記希釈冷凍機本体は、冷却ヘッドを備えた小型機械式冷凍機と、その小型機械式冷凍機の冷却ヘッドから延長された良熱伝導材料からなる伝熱ブロックと、その伝熱ブロックに熱的に接触しかつ前記真空ポンプから送出された３Ｈｅガスを冷却するための主熱交換器と、その主熱交換器により冷却された３Ｈｅガスを断熱膨張により３Ｈｅガスの凝縮温度以下まで冷却するためのＪＴ膨張器と、４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液体を保持しかつ４Ｈｅと３Ｈｅとの蒸気圧の差により３Ｈｅガスが前記真空ポンプの吸気圧により真空ポンプへ向けて吸出される分留器と、前記ＪＴ膨張器から導かれた液体３Ｈｅが通過してこれを前記分留器内の４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液体によりさらに冷却するための分留器熱交換器と、相互に熱交換可能に隔絶された往路側通路および復路路側通路を備えかつ往路側通路に前記分留器熱交換器から導かれた液体３Ｈｅが通過して復路側通路の冷熱により往路側通路の液体３Ｈｅを０．８Ｋ以下の温度に冷却するための往復熱交換器と、底部側が前記往復熱交換器の復路側通路を介して前記分留器の底部側に連通するように作られかつ前記往復熱交換器の往路側通路から液体３Ｈｅが導入されるとともに予め液体４Ｈｅが収容されるようにした混合室とからなり、前記真空ポンプから送出された３Ｈｅガスが、前記主熱交換器を通過する際に冷凍機の冷却ヘッドの冷熱により前記伝熱ブロックを介して所定の低温に冷却され、さらにＪＴ膨張器を通過して凝縮液化され、その液化された液体３Ｈｅが往復熱交換器の往路側通路を通って混合室に送り込まれるように構成したことを特徴とするものである。

このような特許文献１において提案している希釈冷凍機では、ＧＭ冷凍機などの小型機械式冷凍機を用いて数Ｋ程度まで３Ｈｅガスを冷却し、さらに断熱膨張により凝縮温度以下まで冷却して液化させているため、図６に示される希釈冷凍機の如く初期冷却のために減圧した液体ヘリウムを使用する必要がなく、そのため長時間の連続運転が可能となるとともにランニングコストも低減される。

さらに特許文献１の希釈冷凍機の原理的構成を図７に示し、これについて以下に簡単に説明する。

図７において、１は３Ｈｅガスを循環させるための真空ポンプであり、この真空ポンプ１により送り出された３Ｈｅガス（通常は室温）は、トラップ２５を介して、極低温容器（クライオスタット）１７内に収容された希釈冷凍機本体１９に送り込まれる。ここでトラップ２５は、真空ポンプ１から送り出される３Ｈｅガス中から空気成分や油分等を除去するためのものである。そして極低温容器１７内には、真空ポンプ１からトラップ２５を経て送り込まれたＨｅガスを混合室３まで導くための往路５Ａと、混合室３から真空ポンプ１へ向けて３Ｈｅガスを導くため（但し下部の区間では液体４Ｈｅが流通している）の復路５Ｂとが設けられている。さらにこれらの往路５Ａ、復路５Ｂには、後に改めて説明するように、主熱交換器２７、ＪＴ膨張前予冷用熱交換器２９、ＪＴ膨張器３１、分留器１１および分留器内熱交換器１３、往復熱交換器１５（往路側通路１５Ａおよび復路側通路１５Ｂ）が介在されており、これらによって冷凍機本体１９が構成されている。

前記希釈冷凍機本体１９は、上記各構成要素のほか、例えば４．２Ｋ程度の低温を発生するＧＭ冷凍機などの小型機械式冷凍機（以下特に説明のない限りは、これをＧＭ冷凍機と記す）３３を備えている。すなわちＧＭ冷凍機３３の本体基部３３Ａが極低温容器１７の上面側に固定され、そのＧＭ冷凍機３３の冷却ヘッド３３Ｂが上方から極低温容器１７の内部へ挿入されており、その冷却ヘッド３３Ｂからは銅等の良伝熱材料からなる伝熱ブロック３５が水平に延出されるとともにその先端側が往路５Ａに設けられた主熱交換器２７の伝熱部２７Ａに熱的に接続されて、往路５Ａ内を流れる３Ｈｅを４．２Ｋ程度に冷却するようになっている。なお図示の例では、この主熱交換器２７の伝熱部２７Ａは復路５Ｂにも熱的に接触する構成としている。

さらに往路５Ａにおける主熱交換器２７の出口側はＪＴ膨張前予冷用熱交換器２９に導かれている。この予冷用熱交換器２９は、ＪＴ膨張器３１によって３Ｈｅガスを断熱膨張させる前の段階で、例えば２．６Ｋ程度に３Ｈｅガスを予冷するためのものであり、復路５Ｂ内を流れる戻りの３Ｈｅガスの冷熱を受けるべく、復路５Ｂに熱的に接続されている。

往路５Ａにおける主熱交換器２７の出口側はＪＴ膨張器３１に導かれている。このＪＴ膨張器３１は、ジュール・トムソン膨張によって３Ｈｅガスをその凝縮温度以下の温度、例えば１．５Ｋ程度まで冷却して、３Ｈｅガスを凝縮液化させるためのものであり、図示の例では復路５Ｂを流れる復路側の３Ｈｅガスの冷熱をも利用するべく、復路５Ｂに熱的に接続されている。

また往路５ＡにおけるＪＴ膨張器３１の出口側は分留器１１に配置された分留器用熱交換器１３に導かれている。この分留器用熱交換器１３は、分留器１１内の４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液体によって往路側の３Ｈｅガスを例えば１．１Ｋ程度に冷却するためのものであり、分留器１１内の４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液体に熱的に接触するように設けられている。

そして往路５Ａにおける分留器用熱交換器１３の出口側は、往復熱交換器１５における往路側通路１５Ａに導かれる。この往復熱交換器１５は、往路側通路１５Ａと復路側通路１５Ｂとを備えており、これらの往路側通路１５Ａと復路側通路１５Ｂとは流路構造的には隔絶されているものの、熱的には互いに熱交換可能となるように配設されていて、往路側通路１５Ａを通る液体３Ｈｅが、復路側通路１５Ｂ内の４Ｈｅ＋３Ｈｅ混合液体によって０．８Ｋ以下の低温、例えば１００ｍＫ程度に冷却されるように構成されている。

さらに往復熱交換器１５の往路側通路１５Ａの出口は混合室３の上部に導かれている。この混合室３には、予め液体４Ｈｅが収容されており、往路５Ａから導かれた液体３Ｈｅが液体４Ｈｅに混合されることになる。そして既に述べた図６の希釈冷凍機と同様に、３Ｈｅを約６．４％含む希薄相（下層）Ｑと３Ｈｅ１００％濃厚相（上層）Ｐとして２相分離し、濃厚相中の３Ｈｅが希薄相へ溶け込む際に１０ｍＫオーダーの超低温が得られる。

混合室３の底部からは前述の復路５Ｂが上方へ導き出されている。そしてこの復路５Ｂにおける最も混合室３に近い位置には、前述の往復熱交換器１５の復路側通路１５Ｂが設けられており、その復路側通路１５Ｂの出口側は前述の分留器１１の底部に導かれ、さらにその分留器１１の上部は上方に導かれて、極低温容器１７の外部の前記真空ポンプ１により吸引されるようになっている。ここで、分留器１１内には４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液体が保持されるが、既に述べたように３Ｈｅと４Ｈｅとの飽和蒸気圧の差により３Ｈｅガスが選択的に排出されることになる。そしてこの３Ｈｅガスが真空ポンプ１によって再び極低温容器１７内の希釈冷凍機本体１９に送り込まれることになる。

以上のように、図７に示す特許文献１の希釈冷凍機においては、真空ポンプ１によって極低温容器１７内に送り込まれた３Ｈｅガスは、ＧＭ冷凍機３３からの冷熱により主熱交換器２７において４．２Ｋ程度に冷却され、さらに予冷用熱交換器２９において２．６Ｋ程度に冷却され、続いてＪＴ膨張器３１において凝縮温度以下の１．５Ｋ程度に冷却されて液化する。したがって図７の例では、主熱交換器２７、予冷用熱交換器２９およびＪＴ膨張器３１が図６の例における凝縮器９に対応することになる。このようにして液化された液体３Ｈｅは分留器用熱交換器１３において１．１Ｋ程度に冷却され、さらに往復熱交換器１５の往路側通路１５Ａにおいて１００ｍＫ程度に冷却され、最終的に混合室３内においてｍＫオーダーの超低温を得ることができる。

なおＧＭ冷凍機などの機械式冷凍機を用いた希釈冷凍機としては、特許文献２に、希釈冷凍機の本体部分に対して機械式冷凍機を構造的に分離・独立させておき、機械式冷凍機の発生する冷熱をフレキシブルヒートパイプにより希釈冷凍機の本体部分内に伝達するようにしたものも提案されている。

"３Ｈｅ−４Ｈｅ希釈冷凍機の原理と設計上の問題点Ｉ"、「日本物理学会誌」、第３７巻第５号（１９８２）、ｐ４０９−４１８ "３Ｈｅ−４Ｈｅ希釈冷凍機の原理と設計上の問題点ＩＩ"、「日本物理学会誌」、第３７巻第７号（１９８２）、ｐ５９５−６００ 特開２００１−３０４７０９号公報 特開２００５−９０９２８号公報

前述のように図６に示される従来の希釈冷凍機では、連続運転可能な運転時間は、１Ｋポット７の部分を含む極低温容器１７内に保有されている液体ヘリウムの量に依存するから、長時間連続運転させるためには、多量の液体ヘリウムを必要とし、そのためには極低温容器１７を全体的に大型化せざるを得ない。したがって実用機として長時間連続運転可能な希釈冷凍機は、著しく大型なものとなるため、汎用性、運搬性、取扱い性に欠ける問題がある。特に電子顕微鏡観察において試料冷却のために電子顕微鏡に取付けるには不向きであり、また実験室での小規模な卓上冷却実験には不向きであった。

一方、図７に示されるようなＧＭ冷凍機で代表される小型機械式冷凍機を用いた希釈冷凍機の場合は、既に述べたように３Ｈｅの凝縮のための予冷用冷媒として液体ヘリウムを用いないため、長時間の連続運転が可能となる。但し、機械的冷凍機を備えているため、小型化には制約がある。

さらに図７に示される希釈冷凍機の場合、機械式冷凍機による振動の問題を逃れ得ないという、根本的な問題があった。すなわちＧＭ冷凍機で代表される機械式冷凍機は、機械的に圧縮−膨張させる行程を周期的に繰返すところから、必然的に振動が発生し、この振動が希釈冷凍機本体の全体に伝達されるため、希釈冷凍機を用いた各種分析機器において分析精度が損なわれてしまうおそれがある。

例えば、半導体表面検査や材料開発における微量元素分析には、Ｘ線分光分析計が頻繁に用いられており、このＸ線分光分析計のＸ線検出器には半導体検出器が搭載されているが、従来の半導体検出器では分析性能が理論的限界に近付いており、微量元素についてのこれ以上の高精度分析性能の向上は困難となりつつある。そこで近年、従来の半導体検出器よりも優れた分析性能を有する超伝導相転移端温度計（ＴＥＳ）型マイクロカロリーメーターを検出器とするＸ線分光分析計の開発が進められている。このＴＥＳ型マイクロカロリーメーターを用いたＸ線分光分析計に用いる超伝導Ｘ線検出素子が常に高性能で動作するためには、１００ｍＫ以下の極低温で温度変動幅１０μＫ程度以内の温度安定度を保持する必要があり、そこで冷却装置として希釈冷凍機が不可欠となる。しかしながらこの種のＸ線分光分析計に前述のような図７に示す希釈冷凍機を用いた場合、実際には機械式冷凍機の発する振動のために、試料と検出素子との間の距離が変動することなどに起因して、高精度の分析が困難とならざるを得なかったのである。

一方、特許文献２において提案されている機械式冷凍機を用いた希釈冷凍機は、振動発生源となる機械式冷凍機を、希釈冷凍機の本体部分とは構造的に分離・独立させ、両者間をフレキシブルヒートパイプによって結合した構成としているため、理論的には機械式冷凍機で発生する振動が希釈冷凍機本体部分に加わることを抑制できると考えられる。

しかしながら特許文献２で提案されている希釈冷凍機で用いているヒートパイプは、フレキシブルなものと称してはいるが、いわゆるヒートサイホン構造の重力型のものであり、そのためヒートパイプの一端部（凝縮部）に接する機械式冷凍機を、ヒートパイプの他端部（蒸発部）に接する希釈冷凍機本体の上方に配置せざるを得ないから、機器の配置の自由度が制約される問題があるほか、フレキシブルではあっても、重力型であるためヒートパイプの中間の一部を垂れ下げることができないから、ヒートパイプの取り廻しも制約される問題があり、さらにはこれらの配置や取り廻しの制約に起因して、全体的なコンパクト化も困難となりやすいという問題もある。

なお一般のヒートパイプとしては、液相還流のためにウィックを用いた逆勾配可能な毛細管タイプのものもあるが、数Ｋ程度の極低温で使用可能でしかも充分にフレキシブルなものは、未だ実用化されておらず、そのため前述のような重力型のものを用いざるを得ず、配置や取り廻しの問題を免れ得ないのである。

これらの関係から、特許文献２で提案されている希釈冷凍機は、実際に使用するには程遠いもの、と言わざるを得なかったのである。すなわち、特許文献２で提案されている希釈冷凍機は、原理的には機械式冷凍機で発生する振動の悪影響を抑制するために有効と考えられるものの、配置の自由度や取り廻し性に甚だしく劣っていて、全体的なコンパクト化も難しく、そのため実際の機器としては使用することが困難で、未だ不充分なものと言わざるを得なかったのが実情である。

この発明は以上のような事情を背景としてなされたもので、基本的には長時間連続運転可能としながらも、希釈冷凍機の本体部分（極低温容器の部分）の小型化を図り、これにより取扱い性、運搬性の向上を図ると同時に、ＧＭ冷凍機で代表される機械式冷凍機を用いた場合の振動による問題を回避し得るようにし、しかも実用的な機器として、配置の自由度や取り廻し性を損なうことがないようにした希釈冷凍機を提供することを目的とするものである。

前述のような課題を解決するため、この発明では、３Ｈｅの凝縮のために機械式冷凍機を用いた場合においては、機械式冷凍機の部分（もしくは機械式冷凍機および凝縮器の部分）を、希釈冷凍機の本体部分から構造的に分離して、機械式冷凍機の振動が希釈冷凍機本体に直接伝達されないようにするとともに、本体部分の小型化を図って、希釈冷凍機の取扱い性、運搬性を向上させるばかりでなく、機械式冷凍機で発生した冷熱を希釈冷凍機の本体部分へ伝えるための予冷用冷媒を、真空ポンプにより積極的に圧送循環させるようにして、ヒートパイプを用いた場合の問題を解決することとした。

また機械式冷凍機を用いずに液体ヘリウムにより３Ｈｅを凝縮させるようにした場合においては、凝縮器における１Ｋポットに相当する部分（３Ｈｅを冷却・凝縮させるための予冷用冷媒を収容する部分）、もしくは凝縮器の部分自体を希釈冷凍機の本体部分から分離して、本体部分の小型化を図り、その取扱い性、運搬性を向上させるとともに、ヒートパイプを不要として前記問題を解消することとした。

本願の各請求項のうち、請求項１〜請求項５の発明では、ＧＭ冷凍機で代表される小型機械式冷凍機を用いた場合を規定し、また請求項６、請求項７の発明では、機械式冷凍機を用いない場合について規定している。

具体的には、請求項１の発明は、Ｈｅガスを循環圧送するための第１の真空ポンプの出口側から、Ｈｅ液相を３Ｈｅ濃厚相と３Ｈｅ希薄相とに２相分離した状態で収容しかつ冷却ヘッドとなるべき混合室の入口までの経路を往路とし、前記混合室の出口から第１の真空ポンプの入口側に至る経路を復路とし、これらの往路、復路によってＨｅを循環させるためのＨｅ循環経路を形成しておき、前記往路中に凝縮器を配設しておき、第１の真空ポンプにより送り出されたＨｅガスをその凝縮器において冷却して凝縮させ、得られたＨｅ液相を、第１の熱交換器において復路側との熱交換により０．８Ｋ以下に冷却して、その０．８Ｋ以下に冷却された液相を、前記混合室の３Ｈｅ濃厚相中に導き、混合室内での３Ｈｅ濃厚相中から３Ｈｅ希薄相への３Ｈｅの希釈により熱吸収を生ぜしめ、一方復路中には分留器を配設しておき、その分留器内における３Ｈｅの蒸気圧と４Ｈｅの蒸気圧の差を利用して、３Ｈｅを気化させて第１の真空ポンプの入口側へ導くと同時に、その気化による分留器内のＨｅ液相中におけるＨｅ濃度の低下を利用して、混合室内の３Ｈｅ希薄相から前記第１の熱交換器を経て３Ｈｅ液相を復路側へ導き出すようにした希釈冷凍機において、前記凝縮器と、第１の熱交換器と、混合室と、分留器とを断熱容器内に収容して、これらを全体として一体化された希釈冷凍機本体とする一方、前記第１の真空ポンプを希釈冷凍機本体の断熱容器に対して離隔させて配設し、さらに前記第１の真空ポンプとは別の第２の真空ポンプと機械式小型極低温冷凍機とを備えた予冷用冷却装置を、前記希釈冷凍機本体の断熱容器から離隔させてその断熱容器とは別体に設けておき、前記予冷用冷却装置を、予冷用冷媒を機械式小型低温冷凍機により冷却するとともに、その予冷用冷媒を前記第２の真空ポンプにより循環圧送させて、希釈冷凍機本体内の凝縮器に導き、その凝縮器において予冷用冷媒の冷熱により前記往路内のＨｅガスを冷却するように構成し、かつ予冷用冷却装置内から希釈冷凍機本体内へ予冷用冷媒を導きかつ希釈冷凍機本体内から予冷用冷却装置内へ予冷用冷媒を戻すための管路を、可撓性を有する管体によって構成したことを特徴とするものである。

また請求項２の発明は、Ｈｅガスを循環圧送するための真空ポンプの出口側から、Ｈｅ液相を３Ｈｅ濃厚相と３Ｈｅ希薄相とに２相分離した状態で収容しかつ冷却ヘッドとなるべき混合室の入口までの経路を往路とし、前記混合室の出口から真空ポンプの入口側に至る経路を復路とし、これらの往路、復路によってＨｅを循環させるためのＨｅ循環経路を形成しておき、前記往路中に凝縮器を配設しておき、真空ポンプにより送り出されたＨｅガスをその凝縮器において冷却して凝縮させ、得られたＨｅ液相を、第１の熱交換器において復路側との熱交換により０．８Ｋ以下に冷却して、その０．８Ｋ以下に冷却された液相を、前記混合室の３Ｈｅ濃厚相中に導き、混合室内での３Ｈｅ濃厚相中から３Ｈｅ希薄相への３Ｈｅの希釈により熱吸収を生ぜしめ、一方復路中には分留器を配設しておき、その分留器内における３Ｈｅの蒸気圧と４Ｈｅの蒸気圧の差を利用して、３Ｈｅを気化させて真空ポンプの入口側へ導くと同時に、その気化による分留器内のＨｅ液相中におけるＨｅ濃度の低下を利用して、混合室内の３Ｈｅ希薄相から前記第１の熱交換器を経て３Ｈｅ液相を復路側へ導き出すようにした希釈冷凍機において、前記凝縮器と、第１の熱交換器と、混合室と、分留器とを断熱容器内に収容して、これらを全体として一体化された希釈冷凍機本体とする一方、前記真空ポンプを希釈冷凍機本体の断熱容器に対して離隔させて配設し、さらに機械式小型極低温冷凍機とを備えた予冷用冷却装置を、前記希釈冷凍機本体の断熱容器から離隔させてその断熱容器とは別体に設けておき、前記真空ポンプから希釈冷凍機本体内の凝縮器へ送られるべきＨｅガスの一部を予冷用冷却装置へ導いて循環圧送させ、そのＨｅガスを予冷用冷媒として機械式小型低温冷凍機により冷却するとともに、冷却された予冷用冷媒を希釈冷凍機本体内の凝縮器に導き、その凝縮器において予冷用冷媒の冷熱により前記往路内のＨｅガスを冷却するように構成し、かつ予冷用冷却装置内から希釈冷凍機本体内へ予冷用冷媒を導きかつ希釈冷凍機本体内から予冷用冷却装置内へ予冷用冷媒を戻すための管路を、可撓性を有する管体によって構成したことを特徴とするものである。

またさらに請求項３の発明は、請求項１もしくは請求項２に記載の希釈冷凍機において、予冷用冷却装置において予冷用冷媒を断熱膨張させて液化させ、その液化された予冷用冷媒を希釈冷凍機本体内の凝縮器に導くように構成したことを特徴とするものである。

そしてまた請求項４の発明は、請求項１もしくは請求項２に記載の希釈冷凍機において、予冷用冷却装置から気相のままの予冷用冷媒を希釈冷凍機本体内の凝縮器に導き、その凝縮器においては、往路内のＨｅガスを予冷用冷媒との熱交換により冷却後、断熱膨張させて液化させるように構成したことを特徴とするものである。

さらに請求項５の発明は、Ｈｅガスを循環圧送するための真空ポンプの出口側から、Ｈｅ液相を３Ｈｅ濃厚相と３Ｈｅ希薄相とに２相分離した状態で収容しかつ冷却ヘッドとなるべき混合室の入口までの経路を往路とし、前記混合室の出口から真空ポンプの入口側に至る経路を復路とし、これらの往路、復路によってＨｅを循環させるためのＨｅ循環経路を形成しておき、前記往路中に凝縮器を配設しておき、真空ポンプにより送り出されたＨｅガスをその凝縮器において冷却して凝縮させ、得られたＨｅ液相を、第１の熱交換器において復路側との熱交換により０．８Ｋ以下に冷却して、その０．８Ｋ以下に冷却された液相を、前記混合室の３Ｈｅ濃厚相中に導き、混合室内での３Ｈｅ濃厚相中から３Ｈｅ希薄相への３Ｈｅの希釈により熱吸収を生ぜしめ、一方復路中には分留器を配設しておき、その分留器内における３Ｈｅの蒸気圧と４Ｈｅの蒸気圧の差を利用して、３Ｈｅを気化させて真空ポンプの入口側へ導くと同時に、その気化による分留器内のＨｅ液相中におけるＨｅ濃度の低下を利用して、混合室内の３Ｈｅ希薄相から前記第１の熱交換器を経て３Ｈｅ液相を復路側へ導き出すようにした希釈冷凍機において、前記第１の熱交換器と、混合室と、分留器とを断熱容器内に収容して、これらを全体として一体化された希釈冷凍機本体後段部とし、一方その希釈冷凍機本体後段部の断熱容器から離隔させて希釈冷凍機本体前段部を設けておき、かつその希釈冷凍機本体前段部内に前記凝縮器を配設するとともに、その凝縮器を通るＨｅガスを冷却するための機械的小型冷凍機を付設しておき、前記希釈冷凍機本体後段部と希釈冷凍機本体前段部とを結ぶ循環経路における凝縮器と分留器との間の往路部分および復路部分の流路を、可撓性を有する管体によって構成したことを特徴とするものである。

また請求項６の発明は、Ｈｅガスを循環圧送するための真空ポンプの出口側から、Ｈｅ液相を３Ｈｅ濃厚相と３Ｈｅ希薄相とに２相分離した状態で収容しかつ冷却ヘッドとなるべき混合室の入口までの経路を往路とし、前記混合室の出口から真空ポンプの入口側に至る経路を復路とし、これらの往路、復路によってＨｅを循環させるためのＨｅ循環経路を形成しておき、前記往路中に凝縮器を配設しておき、真空ポンプにより送り出されたＨｅガスをその凝縮器において冷却して凝縮させ、得られたＨｅ液相を、第１の熱交換器において復路側との熱交換により０．８Ｋ以下に冷却して、その０．８Ｋ以下に冷却された液相を、前記混合室の３Ｈｅ濃厚相中に導き、混合室内での３Ｈｅ濃厚相中から３Ｈｅ希薄相への３Ｈｅの希釈により熱吸収を生ぜしめ、一方復路中には分留器を配設しておき、その分留器内における３Ｈｅの蒸気圧と４Ｈｅの蒸気圧の差を利用して、３Ｈｅを気化させて真空ポンプの入口側へ導くと同時に、その気化による分留器内のＨｅ液相中におけるＨｅ濃度の低下を利用して、混合室内の３Ｈｅ希薄相から前記第１の熱交換器を経て３Ｈｅ液相を復路側へ導き出すようにした希釈冷凍機において、前記凝縮器と、第１の熱交換器と、混合室と、分留器とを断熱容器内に収容して、これらを全体として一体化された希釈冷凍機本体とする一方、真空ポンプを希釈冷凍機本体に対して離隔させて配設し、また前記凝縮器には、真空ポンプから送られて来るＨｅガスを冷却するために凝縮器と熱交換させる第２の熱交換器を付設しておき、一方予冷用液体Ｈｅ貯留槽を、希釈冷凍機本体の断熱容器から離隔して配置しておき、その予冷用液体Ｈｅ貯留槽からの液体Ｈｅもしくはその液体Ｈｅを断熱膨張させて得られたＨｅガスを、前記第２の熱交換器に予冷用冷媒として導くように構成したことを特徴とするものである。

そしてまた請求項７の発明は、Ｈｅガスを循環圧送するための真空ポンプの出口側から、Ｈｅ液相を３Ｈｅ濃厚相と３Ｈｅ希薄相とに２相分離した状態で収容しかつ冷却ヘッドとなるべき混合室の入口までの経路を往路とし、前記混合室の出口から真空ポンプの入口側に至る経路を復路とし、これらの往路、復路によってＨｅを循環させるためのＨｅ循環経路を形成しておき、前記往路中に凝縮器を配設しておき、真空ポンプにより送り出されたＨｅガスをその凝縮器において冷却して凝縮させ、得られたＨｅ液相を、第１の熱交換器において復路側との熱交換により０．８Ｋ以下に冷却して、その０．８Ｋ以下に冷却された液相を、前記混合室の３Ｈｅ濃厚相中に導き、混合室内での３Ｈｅ濃厚相中から３Ｈｅ希薄相への３Ｈｅの希釈により熱吸収を生ぜしめ、一方復路中には分留器を配設しておき、その分留器内における３Ｈｅの蒸気圧と４Ｈｅの蒸気圧の差を利用して、３Ｈｅを気化させて真空ポンプの入口側へ導くと同時に、その気化による分留器内のＨｅ液相中におけるＨｅ濃度の低下を利用して、混合室内の３Ｈｅ希薄相から前記第１の熱交換器を経て３Ｈｅ液相を復路側へ導き出すようにした希釈冷凍機において、前記分留器と、第１の熱交換器と、混合室とを断熱温容器内に収容して、これらを全体として一体化された希釈冷凍機本体とし、かつその希釈冷凍機本体とは離隔して配設した凝縮器断熱容器内に前記凝縮器を収容し、その凝縮器断熱容器内に外部から予冷用冷媒として液体Ｈｅを導入して、その液体Ｈｅにより凝縮器内の３Ｈｅガスを冷却・凝縮させるように構成したことを特徴とするものである。

請求項１〜請求項４の発明の希釈冷凍機においては、振動の発生源となる機械式小型極低温冷凍機を含む予冷用冷却装置が、冷凍機としてのコールドヘッドに相当する混合室を含む希釈冷凍機本体から離隔されて、その希釈冷凍機本体の断熱容器とは別体に設けられており、かつ予冷用冷却装置と希釈冷凍機本体とを結ぶ管路が、可撓性を有する管体によって構成されているため、機械式小型極低温冷凍機で発生した振動が希釈冷凍機本体、特にコールドヘッドの混合室の部分に伝達されることが有効に防止され、そのため各種分析を高精度で行なうことが可能となる。また希釈冷凍機本体の断熱容器の内側に往路内を流れる３Ｈｅを冷却するための液体ヘリウムを別途保持しておく必要がないため、希釈冷凍機本体の断熱容器を従来よりも格段に小型化することができ、そのため取扱い性、運搬性に優れ、電子顕微鏡などの種々の装置への取り付けが容易となるとともに、実験室での卓上冷却実験にも適している。

さらに請求項１〜４の発明の希釈冷凍機においては、予冷用冷却装置から予冷用冷媒を真空ポンプにより循環圧送させて希釈冷凍機本体内の凝縮器に可撓性管体により導くようにしており、この場合の管体は、いわゆるヒートパイプとは異なり、背圧が加えられた予冷用冷媒をその圧力により導くだけの単純な構成であれば良いため、逆勾配となっても特に問題はなく、かつ充分な可撓性を与えておくことも容易であるため、予冷用冷却装置と希釈冷凍機本体との配置関係（上下関係）が特に制約されることがなく、かつ管体の一部が垂れ下がっても予冷用冷媒の移送に支障がないことから、管体の取り廻し性も良好であり、したがって配置、取り廻しの自由度が極めて高い。

また請求項５の発明の希釈冷凍機においては、凝縮器の部分およびそれを冷却するための小型機械式極低温冷凍機を備えた部分が、希釈冷凍機本体の前段部分（予冷部）として、コールドヘッドに相当する混合室を含む希釈冷凍機本体の後段部分から離隔されて、その希釈冷凍機本体後段部分とは別体に設けられており、かつ凝縮器と分留器との間の往路部分および復路部分すなわち前段部分と後段部分とを結ぶ部分の流路が、可撓性を有する管体によって構成されており、しかもその管体部分は真空ポンプにより圧力が加えられたＨｅガスが流れる部分であって、ヒートパイプを使用すべき部分ではないから、請求項１〜請求項４の発明と同様な効果を得ることができる。

一方、請求項６の発明の希釈冷凍機においては、凝縮器に付設される第２の熱交換器を流通する液体ヘリウム（予冷用液体ヘリウム）を貯留しておくための予冷用液体Ｈｅ貯留槽が、コールドヘッドに相当する混合室を含む希釈冷凍機本体から離隔されて配置されているため、希釈冷凍機本体自体の内部には３Ｈｅガスの冷却・凝縮のための液体ヘリウムを保持させておく必要がなく、そのため希釈冷凍機本体自体の小型化が可能であり、そのため取扱い性、運搬性に優れ、電子顕微鏡などの種々の装置への取付けが容易になるとともに、実験室での卓上冷却にも適している。

さらに請求項７の発明の希釈冷凍機においては、凝縮器を収容した凝縮器容器の部分が、コールドヘッドに相当する混合室を含む希釈冷凍機本体とは離隔して別体に配設され、その凝縮器容器内に３Ｈｅガスの冷却・凝縮のための予冷用冷媒としての液体ヘリウムが保持されることから、請求項６の発明の場合と同様に希釈冷凍機本体の小型化が可能となり、請求項６の発明と同様な効果が得られる。

図１に請求項１の発明の一実施例の希釈冷凍機の全体的な構成を示す。なお以下の各実施例において、図６もしくは図７に示す従来技術の希釈冷凍機と同一の要素については同一の符号を付し、その説明は省略する。

図１に示す実施例は、基本的には図７に示した従来技術の希釈冷凍機と同様にＧＭ冷凍機３３で代表される機械式小型極低温冷凍機を用いたものである。

図１において、周囲が真空断熱された断熱容器４１内には、凝縮器９、インピーダンス４２、分留器１１、第１熱交換器１５、混合室３が収納されており、これらが全体として一体化された希釈冷凍機本体４３を構成している。Ｈｅガスを循環圧送するための真空ポンプ（第１の真空ポンプ）１は希釈冷凍機本体４３から（したがって断熱容器４１から）離隔して配置されており、真空ポンプ１の出口側からオイルトラップ４５および液体窒素トラップ４６を経てＨｅガスを希釈冷凍機本体４３内の凝縮器９へ導くための管路（往路５Ａの一部を構成する管路）５Ａ０および希釈冷凍機本体４３内の凝縮器９に付設された熱交換流路体９Ｃから真空ポンプ１にＨｅガスを戻すための管路（復路５Ｂの一部を構成する管路）５Ｂ０は、いずれも可撓性を有する管体（いわゆるフレキシブルチューブ）によって構成されている。

ここで、凝縮器９は、例えば銅粉等の熱伝導率の高い金属粉末の焼結体の如く、微細な流路を有する凝縮器本体９Ａを備えていて、その凝縮器本体９Ａ内の微細な流路に真空ポンプ１から送られて来たＨｅガスが導かれるように構成され、またその凝縮器本体９Ａはその全体が銅等の熱伝導性の高い材料からなる伝熱体９Ｂにより取囲まれ、その伝熱体９Ｂには、復路５Ｂにおける分留器１１からのＨｅガスが流通する熱交換流路体９Ｃが熱的に接触もしくは一体化した状態で設けられている。さらに凝縮器９の伝熱体９Ｂには、次に述べるようなＧＭ冷凍機等の機械式小型極低温冷凍機３３を備えた予冷用冷却装置４９から給送された予冷用冷媒が流れる予冷用冷媒流路５１が熱的に接触した状態で設けられている。

予冷用冷却装置４９は、Ｈｅ等の予冷用冷媒を１Ｋ程度まで冷却するためのものであり、希釈冷凍機本体４３から（したがって断熱容器４１から）離隔して設けられている。ここで以下の説明では、予冷用冷媒としてＨｅを用いるものとして説明する。

この予冷用冷却装置４９は、ＧＭ冷凍機等の機械式小型極低温冷凍機３３を備えており、真空ポンプ（第１の真空ポンプ）１とは別の真空ポンプ（第２の真空ポンプ）５３から循環圧送されるＨｅガスをそのＧＭ冷凍機３３によって冷却する構成とされている。具体的には、予冷用冷却装置４９は、希釈冷凍機本体４３の断熱容器４１から離隔して別体に設けられた断熱容器５５内に、ＧＭ冷凍機３３の二つのステージ３３Ｂ１、３３Ｂ２からなる冷却ヘッド３３Ｂが挿入され、またその冷却ヘッド３３Ｂの第１ステージ（相対的に高温側）３３Ｂ１および第２ステージ（相対的に低温側）３３Ｂ２にそれぞれ熱交換用第１流路５７Ａおよび熱交換用第２流路５７Ｂが熱的に接触した状態で設けられ、さらに断熱容器５５内には、入側熱交換器５９および出側熱交換器６１が設けられた構成とされている。ここで入側熱交換器５９は、往路側流路５９Ａおよび復路側流路５９Ｂとによって構成され、また出側熱交換器６１も往路側流路６１Ａおよび復路側流路６１Ｂとによって構成されている。出側熱交換器６１における往路側流路６１Ａの出口側がＪＴ膨張弁６３（予冷用冷媒凝縮器）を経て予冷用冷却装置４９の断熱容器５５の外部に導き出されて、予冷用冷媒導入管路６５を介して前記希釈冷凍機本体４３内の凝縮器９における予冷用冷媒流路５１に導かれ、さらにその予冷用冷媒流路５１の出側が予冷用冷媒排出管路６７を介して予冷用冷却装置４９の断熱容器５５の内部の出側熱交換器６１の復路側流路６１Ｂに導かれている。ここで、予冷用冷却装置４９と希釈冷凍機本体４３とを結ぶ管路６５，６７、すなわち予冷用冷媒が流通する管路６５，６７は、いわゆるフレキシブルチューブ等の可撓性を有する管体によって構成されている。

一方、予冷用冷却装置４９の入側熱交換器５９の往路側流路５９Ａには、第２の真空ポンプ５３によって、３Ｈｅガスがオイルトラップ７１および液体窒素トラップ７３を介して圧送供給されるようになっており、またその予冷用冷却装置４９の入側熱交換器５９の往路側流路５９Ｂは、前記真空ポンプ５３の入口側に導かれている。

次に図１に示される実施例の希釈冷凍機の動作、機能について説明する。

図１に示される希釈冷凍機において、第１の真空ポンプ１から圧送された３Ｈｅガスは、オイルトラップ４５および液体窒素トラップ４６を経て、Ｈｅガス循環路５の往路５Ａにおける断熱容器４１の外側（したがって希釈冷凍機本体４３の外側）の部分、すなわちフレキシブルチューブ５Ａ０を通り、断熱容器４１内に送り込まれ、凝縮器９の凝縮器本体９Ａ、インピーダンス４２、分留器１１の熱交換器１３、往復熱交換器１５の往路側通路１５Ａを経て、予め４Ｈｅが収容されている混合室３の上部に導かれる。

一方、混合室３の下部からは、４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液体が復路５Ｂにより往復熱交換器１５を経て分留器１１内に導かれ、その分留器１１から３Ｈｅガスが凝縮器９の熱交換流路体９Ｃを経て断熱容器４１の外部へ導き出されて、復路５Ｂにおける断熱容器４１の外側のフレキシブルチューブ５Ｂ０を介して第１の真空ポンプ１に戻る。

ここで、凝縮器９の凝縮器本体９Ａ内においては、往路５Ａ内の３Ｈｅガスは、主として予冷用冷媒流路５１を通る予冷用冷却装置４９からの予冷用冷媒（液体Ｈｅ）により１．２Ｋ程度まで冷却されて液化し、さらにその液化された３Ｈｅは、インピーダンス４２、分留器熱交換器１３および往復熱交換器１５の往路側通路１５Ａを通ってさらに冷却されて１００ｍＫ程度に冷却され、最終的に混合室３内においてｍＫオーダーの極低温を得ることができる。

一方、予冷用冷却装置４９の側においては、３Ｈｅガスがオイルトラップ７１および液体窒素トラップ７３を経て断熱容器５５に導かれ、断熱容器５５内において、入側熱交換器５９の往路側流路５９Ａを経てＧＭ冷凍機３３の冷却ヘッド３３Ｂの第１ステージ３３Ｂ１に熱的に接する熱交換用第１流路５７Ａおよび第２ステージ３３Ｂ２に熱的に接する熱交換用第２流路５７Ｂを通り、その間に４Ｋ程度まで冷却され、さらに出側熱交換器６１における往路側流路６１Ａを経てＪＴ膨張弁（予冷用冷媒凝縮器）６３により１Ｋ程度まで冷却されて液化し、その液化した１Ｋ程度の液体Ｈｅは、予冷用冷却媒体として、断熱容器５５の外部へ導き出され、可撓性を有する予冷用冷媒導入管路６５を介して断熱容器４１内の凝縮器９における予冷用冷媒流路５１に導かれ、伝熱体９Ｂを介して凝縮器本体９Ａ内を流れる希釈冷凍機本体側の３Ｈｅガスと熱交換して、その本体側の３Ｈｅガスを１．２Ｋ程度に冷却してこれを液化させる。

一方、予冷用冷媒流路５１から出た予冷用冷媒（通常は前述の熱交換により気化したＨｅガス）は、断熱容器４１の外部へ導き出されて、可撓性を有する予冷用冷媒排出管路６７を介して予冷用冷却装置４９の断熱容器５５内に導入され、出側熱交換器６１の復路側流路６１Ｂおよび入側熱交換器５９の復路側流路５９Ｂを通り、それぞれ出側熱交換器の往路側流路６１Ａ、入側熱交換器５９の往路側流路５９Ａを通る予冷用冷媒と熱交換した後、断熱容器５５の外部の第２の真空ポンプ５３に戻る。

以上の実施例において、ＧＭ冷凍機３３はかなりの振動を発生するのが通常であるが、前述のようにＧＭ冷凍機３３を含む予冷用冷却装置４９は、希釈冷凍機本体４３から離隔して設けられていて、その間を結ぶ予冷用冷媒を流通させる管路（６５、６７）は可撓性を有する管体によって構成されているため、ＧＭ冷凍機３３の振動が混合室３を含む希釈冷凍機本体４３の断熱容器４１に伝達されることが可及的に防止され、その結果高精度での分析等が可能となるのである。また希釈冷凍機本体４３内の凝縮器９において３Ｈｅを冷却、凝縮させるための冷媒は、希釈冷凍機本体４３とは別体の予冷用冷却装置４９から供給されるため、希釈冷媒器本体４３の断熱容器４１内には特に冷媒を保持しておく必要がないから、断熱容器自体を従来よりも小型化することが可能となる。

なおここで、図１に示す請求項１の発明の実施例では、予冷用冷却装置４９と希釈冷凍機本体４３とを結ぶ管体（予冷用冷媒導入管路６５および予冷用冷媒排出管路６７）には、第２の真空ポンプ５３による圧力が加えられた状態で予冷用冷媒が流通するから、予冷用冷却装置４９の側を希釈冷凍機本体４３の側よりも下方に配置しても（したがって上述の管体が逆勾配となっても）、あるいは上述の管体の中途が垂れ下がっても、特に予冷用冷媒の流れが妨げられることがない。この点は特許文献２に示される希釈冷凍機との大きな相違点である。

なおまた、図１の実施例では、予冷用冷却装置４９内にＪＴ膨張弁６３を設けておいて、予冷用冷却装置４９の側において予冷用冷媒を液化温度まで充分に冷却し、予冷用冷媒を液相状態で希釈冷凍機本体４３の凝縮器９の予冷用冷媒流路５１に送り込む構成としているが、場合によっては予冷用冷却装置４９内のＪＴ膨張弁６３を省き、４Ｋ程度の気相のままの予冷用冷媒を希釈冷凍機本体４３の側へ送り込んでも良い。但しこの場合は、希釈冷凍機本体４３の凝縮器９においては、凝縮器本体９Ａのみでは本体側３Ｈｅガスが４Ｋ近くまでしか冷却されず、液化温度まで達しないのが通常であるから、その場合には凝縮器本体９Ａの後段（インピーダンス４２の前）に図示しないＪＴ膨張弁を設けておき（あるいはインピーダンス４２の代わりにＪＴ膨張弁を設けておき）、凝縮器本体９Ａで４Ｋ近くまで冷却された３ＨｅガスをＪＴ膨張弁により断熱膨張させ、これにより１．２Ｋ以下に冷却して液化させるように構成すれば良い。

図２には、請求項２の発明に対応する実施例、すなわち図１に示される第１の実施例の一部を変形させた第２の実施例を示す。

図２の実施例においては、図１の実施例における予冷用冷却装置４９の側の真空ポンプ５３を省く一方、希釈冷凍機本体４３側の真空ポンプ（第１の真空ポンプ）１から凝縮器９に送られるＨｅガスの一部を分流させて予冷用冷却装置４９の側に導き、そのＨｅガスを予冷用冷却装置４９において冷却させて液化し、予冷用冷媒として用いることとしている。

具体的には、図２に示す実施例では、真空ポンプ１からオイルトラップ４５および窒素トラップ４６を経て希釈冷凍機本体４３の断熱容器４１内にＨｅガスを導くための流路（往路５Ａの一部）から、往路側バイパス管路７５が分岐され、その往路側バイパス管路７５が予冷用冷却装置４９の断熱容器５５内の入側熱交換器５９における往路側流路５９Ａの入口側に導かれている。一方、希釈冷凍機本体４３の断熱容器４１内の凝縮器熱交換流路体９Ｃから真空ポンプ１にＨｅガスを戻すための流路（復路５Ｂの一部）の中途には、復路側バイパス管路７７の一端が接続されており、この復路側バイパス管路７７の他端側は、予冷用冷却装置４９の断熱容器５５内の入側熱交換器５９における復路側流路５９Ｂの出口側に接続されている。なお図２の実施例では、図１の実施例とは異なり、予冷用冷却装置４９の側に専用の真空ポンプを設けていない。そしてこれらの点以外についての構成は、図１の実施例と同様である。

以上のような図２に示される実施例においては、真空ポンプ１からオイルトラップ４５および液体窒素トラップ４６を経て希釈冷凍機本体４３の断熱容器４１内の凝縮器９に送られるＨｅガスの一部が、往路側バイパス管路７５によって分流されて予冷用冷却装置４９の断熱容器５５内に導かれ、その断熱容器５５内においては、図１に示した実施例と同様に、入側熱交換器５９を経てＧＭ冷凍機３３により４Ｋ程度まで冷却され、さらに出側熱交換器６１を経てＪＴ膨張弁６３により１Ｋ程度まで冷却されて液化し、その液化した１Ｋ程度の液体Ｈｅが、予冷用冷媒として希釈冷凍機本体４３の断熱容器４１内の凝縮器９における予冷用冷媒流路５１に導かれる。そしてこの予冷用冷媒流路５１において熱交換されて温度上昇して気化したＨｅガスは、予冷用冷媒排出管路６７を経て予冷用冷却装置４９の断熱容器５５内に戻り、出側熱交換器６１および入側熱交換器５９を通った後、断熱容器５５内から復路側バイパス管路７７を経て真空ポンプ１に戻る。

以上のような図２に示す実施例によれば、図１に示す実施例と同様な効果が奏されるほか、予冷用冷媒として本体側へ送られるＨｅガスの一部を利用して、Ｈｅガス圧送用の真空ポンプを希釈冷凍機本体４３の側と予冷用冷却装置４９の側とで共用しているため、全体として高価な真空ポンプが１基で足り、そのため図１の実施例よりも低コスト化を図ることができる。

なお図２の例においても、図１に示される実施例に関して説明したように、予冷用冷却装置４９内のＪＴ膨張弁６３を省く一方、希釈冷凍機本体４３内の凝縮器９の凝縮器本体９Ａの後段（インピーダンス４２の前）に図示しないＪＴ膨張弁を設けるかまたはインピーダンス４２の代りにＪＴ膨張弁を設けた構成として、予冷用冷却装置４９から気相のままの予冷用冷媒を希釈冷凍機本体４３内に導入し、一方希釈冷凍機本体４３内において図示しないＪＴ膨張弁により本体側のＨｅガスを液化に至らしめるようにしても良い。

図３には、この発明の第３の実施例、すなわち請求項３の発明に対応する実施例を示す。

図３に示される実施例の希釈冷凍機は、原理的には、図７に示されるＧＭ冷凍機を用いた希釈冷凍機の本体を、ＧＭ冷凍機を含む前段部分と、希釈冷凍機の冷却ヘッドとなるべき後段部分とに積極的に分離して、両者間で振動が伝達されないようにしたものである。

具体的には、図３に示される実施例では、希釈冷凍機本体が、ＧＭ冷凍機等の機械式小型極低温冷凍機３３により冷却される凝縮器９を断熱容器８１内に収容した希釈冷凍機本体前段部（予冷凝縮部）８３と、分留器１１、第１の熱交換器１５および混合室３を断熱容器８５内に収容した希釈冷凍機本体後段部８７とによって構成されており、前段部８３の断熱容器８１と後段部８７の断熱容器８５とは、構造的、空間的に分離されている。そしてＨｅ循環経路５の往路５Ａおよび復路５Ｂにおける前段部８３の断熱容器８１内の部分と後段部８７の断熱容器８５内の部分とを結ぶ外部中間往路管路８９および外部中間復路管路９１が、フレキシブルチューブ等の可撓性を有する管体によって構成されている。

ここで、図３の例では、希釈冷凍機本体前段部８３は、断熱容器８１内にＧＭ冷凍機３３の冷却ヘッド３３Ｂ（第１ステージ３３Ｂ１および第２ステージ３３Ｂ２）が挿入されている。そして往路５Ａの一部として冷却ヘッド３３Ｂの第１ステージ３３Ｂ１に熱的に接する第１熱交換流路９９Ａおよび第２ステージ３３Ｂ２に熱的２接する第２熱交換流路９９Ｂが設けられ、さらに往路５Ａ、復路５Ｂの熱交換のための前段熱交換器９３および中間熱交換器９５と、ＪＴ膨張弁等の断熱膨張器９７とが断熱容器８１内に収容されて、これらによって凝縮器９が構成されている。また希釈冷凍機本体後段部８７の断熱容器８５内の構成は、図１もしくは図２に示される希釈冷凍機本体４３における分留器１１から混合室３までの部分と同様な構成とされている。

このような図３に示される実施例の希釈冷凍機においては、真空ポンプ１からオイルトラップ４５および液体窒素トラップ４６を経て送り出された３Ｈｅガスは、往路５Ａの外部管路（可撓性管体からなるもの）５Ａ０により希釈冷凍機本体前段部８３の断熱容器８１内に送り込まれ、前段熱交換器９３の往路側流路９３Ａを経てある程度予冷されて、ＧＭ冷凍機３３の冷却ヘッド第１ステージ３３Ｂ１に接する熱交換流路９９Ａおよび冷却ヘッド第２ステージ３３Ｂ２に接する熱交換流路９９Ｂを通って、４Ｋ近くまで冷却され、さらに中間熱交換器９５の往路側熱交換流路体９５Ａを経て、断熱膨張器９７により最終的に１．２Ｋ以下に冷却されて液化する。そしてその液化された液相３Ｈｅは、可撓性管体からなる外部中間往路管路８９を経て希釈冷凍機本体後段部８７の断熱容器８５内に送り込まれ、分留器１１の熱交換器１３、往復熱交換器１５の往路側流路１５Ａを経て混合室の上部に導かれる。一方、混合室３の下部からの４Ｈｅ−３Ｈｅ混合液体は、復路５Ｂにより往復熱交換器１５を経て分留器１１内に導かれ、その分留器１１で気化した３Ｈｅガスが断熱容器８５外へ導き出され、可撓性管体からなる外部中間復路管路９１により希釈冷凍機本体前段部８３の断熱容器８１内に導かれ、中間熱交換器９５の復路側流路９５Ｂおよび前段熱交換器９３の復路側流路９３Ｂを経て再び断熱容器８１の外部へ導き出され、外部管路５Ｂ０を経て真空ポンプ１へ戻る。

このような図３に示される実施例では、振動発生源となるＧＭ冷凍機３３を備えた希釈冷凍機本体前段部８３と、希釈冷凍機としての冷却ヘッドとなる混合室３を含む希釈冷凍機本体後段部８７とが、それぞれ別の断熱容器８１、８５に収容されて、構造的、機械的に分離されるとともに、その間が可撓性管体からなる外部中間往路・復路管路８９、９１によって結ばれているため、ＧＭ冷凍機３３により発生する振動が混合室３を含む後段部８７に伝達されることが防止され、その結果高精度での分析が可能となる。

また希釈冷凍機本体前段部８３と同後段部８７とを結ぶ可撓性管体からなる外部中間往路・復路管路８９、９１には、真空ポンプ１による圧力が加えられた状態で液体ＨｅもしくはＨｅガスが通過するから、前段部８３の断熱容器８１と後段部８７の断熱容器８５の配置関係（上下位置関係）は特に制約されず、また管路８９、９１を構成している可撓性管体の中間が垂れ下がっても、特に液体Ｈｅ、Ｈｅガスの流通の妨げとなることがない。

なお、図３に示される実施例の場合、真空ポンプ１から希釈冷凍機本体前段部８３の断熱容器８１内に送られて来たＨｅガスを凝縮器９により冷却、液化させるにあたっては、ＧＭ冷凍機３３により冷却して断熱膨張器９７により断熱膨張させるばかりでなく、前段熱交換器９３および中間熱交換器９５により復路側の冷熱を充分に利用しているため、前段部断熱容器８１内には別の冷媒を維持しておく必要がないから、その部分を従来よりも格段に小型化することができる。

なおまた図３に示される例の場合も、ＧＭ冷凍機３３として充分に大きな冷却能力を有するものを用いた場合には、ＧＭ冷凍機３３によって３Ｈｅガスを直接的に液化温度まで冷却して凝縮させるようにして、ＪＴ膨張弁等の断熱膨張器９７を省くことも可能である。

図４には、この発明の第４の実施例、すなわち請求項６の発明に対応する実施例を示す。

図４に示される実施例の希釈冷凍機は、基本的には図６に示される希釈冷凍機と同様に、ＧＭ冷凍機等の機械式小型極低温冷凍機を用いず、冷媒としてヘリウムを用いて、希釈冷凍機本体内の３Ｈｅを凝縮させるようにしたものであり、従来の図６に示される希釈冷凍機とは異なる点は、凝縮機における１Ｋポットに相当する部分の代りに、希釈冷凍機本体の外部から導かれた液体ヘリウムの断熱膨張ガスとの熱交換により本体側の３Ｈｅガスを冷却・凝縮させる熱交換器（第２の熱交換器）を設けたことである。

具体的には、図４の実施例では、周囲が真空断熱された断熱容器４１内に、図１に示した第１の実施例と同様に、凝縮器９、インピーダンス４２、分留器１１、第１熱交換器１５、混合室３が収納されており、これらが全体として一体化された希釈冷凍機本体４３を構成している。Ｈｅガスを循環圧送するための真空ポンプ（第１の真空ポンプ）１は希釈冷凍機本体４３から（したがって断熱容器４１から）離隔して配置されており、真空ポンプ１の出口側からオイルトラップ４５および液体窒素トラップ４６を経てＨｅガスを希釈冷凍機本体４３内の凝縮器９へ導くための外部管路（往路５Ａの一部を構成する管路）５Ａ０および希釈冷凍機本体４３内の凝縮器９に付設された熱交換流路体９Ｃから真空ポンプ１にＨｅガスを戻すための外部管路（往路５Ｂの一部を構成する管路）５Ｂ０は、いずれも可撓性を有する管体（いわゆるフレキシブルチューブ）によって構成されている。

ここで、凝縮器９は、図１に示した第１の実施例と同様に、銅粉等の熱伝導率の高い金属粉末の焼結体の如く、微細な流路を有する凝縮器本体９Ａを備えていて、その凝縮器本体９Ａ内の微細な流路に真空ポンプ１から送られて来たＨｅガスが導かれるように構成され、またその凝縮器本体９Ａはその全体が銅等の熱伝導性の高い材料からなる伝熱体９Ｂにより取囲まれ、その伝熱体９Ｂには、復路５Ｂにおける分留器１１からのＨｅガスが流通する熱交換流路体９Ｃが熱的に接触もしくは一体化した状態で設けられている。さらに凝縮器９の伝熱体９Ｂには第２の熱交換器１０１が熱的に接触した状態で設けられている。この第２の熱交換器１０１には、希釈冷凍機本体４３から（したがって断熱容器４１から）離隔して設けられた予冷用液体Ｈｅ貯留槽１０３からの液体Ｈｅを、ＪＴ膨張弁等の断熱膨張器１０５により断熱膨張させて得られたＨｅガスが予冷用冷媒として導かれるようになっている。すなわち、前記予冷用液体Ｈｅ貯留槽１０３は、希釈冷凍機本体４３の断熱容器４１から構造的、機械的に分離して配置されており、その予冷用液体Ｈｅ貯留槽１０３から延出して希釈冷凍機４３の断熱容器４１に至る予冷用液体Ｈｅ供給路１０７がフレキシブルチューブ等の可撓性を有する管体によって構成されている。そして前記予冷用液体Ｈｅ供給管路１０７は、断熱容器４１内に配設されたＪＴ膨張弁等の断熱膨張器１０５に導かれており、その断熱膨張器１０５の出口側が前述の第２の熱交換器１０１の入口側に接続され、されにその第２の熱交換器１０１の出口側は、断熱容器４１の外部にその断熱容器４１から離隔して設けられた真空ポンプ１０９に、前記同様に可撓性管体からなる排出管路１１１を経て導かれている。

このような図４に示される希釈冷凍機における希釈冷凍機本体４３内の希釈冷凍機能自体は、基本的には図１に示される希釈冷凍機と同様であるが、凝縮器９に付設された第２の熱交換器１０１に導かれる予冷用冷媒としてのＨｅガスが、ＧＭ冷凍機によって冷却されたものではなく、予冷用液体Ｈｅ貯留槽１０３から供給された液体ヘリウムを断熱膨張器１０５によって温度低下させた（通常は１Ｋ程度）ものである点が図１の希釈冷凍機と異なる。すなわち、図４に示される希釈冷凍機においては、予冷用液体Ｈｅ貯留槽１０３内の液体Ｈｅが真空ポンプ１０９の吸引圧力によって予冷用液体Ｈｅ供給管路１０７を経て希釈冷凍機本体４３の断熱容器４１内に導かれ、断熱膨張器１０５により温度が低下されて、凝縮器９の凝縮器本体９Ａに熱的に接触する第２の熱交換器１０１内を流れる。一方、真空ポンプ１により導かれる本体側の３Ｈｅガスは、図１の希釈冷凍機の場合と同様に、凝縮器本体９Ａ内を通る際に、主として第２の熱交換器１０１からの冷熱により冷却されて凝縮し、インピーダンス４２および第１の熱交換器１５を経て混合室３に導かれ、以下図１の例と同様に機能する。

以上のような図４の希釈冷凍機においては、希釈冷凍機本体４３の凝縮器９において３Ｈｅガスを冷却、凝縮させるための予冷用冷媒としての断熱膨張前の液体Ｈｅが、希釈冷凍機本体４３の断熱容器４１とは別体に構成されかつ断熱容器４１と離隔して設けられた予冷用液体Ｈｅ貯留槽１０３に保持されているため、希釈冷凍機本体４３の断熱容器４１内には３Ｈｅの冷却・凝縮のための冷媒（例えば液体ヘリウム）を保持しておく必要がない。すなわち、冷媒保持のためのスペースが断熱容器４１内に不要であるため、断熱容器４１を小型化し、ひいては希釈冷凍機本体４３を従来より格段に小型化することが可能となる。

なお図４に示される実施例の場合も、インピーダンス４２の代りにＪＴ膨張弁等の断熱膨張器を設ける一方、予冷用冷媒としての液体Ｈｅを気化させるためのＪＴ膨張弁等の断熱膨張器１０５を省くこともできる。この場合は、予冷用の液体Ｈｅ貯留槽１０３からの液体Ｈｅを、液相のまま希釈冷凍機本体４３内の第２の熱交換器１０１に導く一方、同じく希釈冷凍機本体４３内の凝縮器本体９Ａおよび断熱膨張器（インピーダンス４２の代りに設けたもの）により３Ｈｅガスを冷却・凝縮させることになる。

さらに図５には、この発明の第５の実施例、すなわち請求項７の発明の実施例を示す。

図５に示される実施例の希釈冷凍機は、基本的には、図４に示される実施例と同様に、ＧＭ冷凍機等の機械式小型極低温冷凍機を用いず、冷媒として液体ヘリウムを用いて、希釈冷凍機本体内の３Ｈｅを冷却・凝縮させるようにしたものであるが、図４に示される希釈冷凍機と異なる点は、凝縮器９の部分を、希釈冷凍機本体４３の断熱容器４１と離隔させてその断熱容器４１に対し別体に設けた凝縮器容器１２１内に配設した構成としたことである。すなわち、希釈冷凍機本体４３の断熱容器４１内には、分留器１１、第１の熱交換器１５および混合室３が配設されており、一方その断熱容器４１の外部には、液体Ｈｅ貯留槽１０３と、真空断熱層からなる凝縮器容器１２１とが、それぞれ別体かつ離隔して設けられている。凝縮器容器１２１内には、凝縮器９として、例えば銅粉等の熱伝導率の高い金属粉末の焼結体の如く、微細な流路を有する凝縮器本体（凝縮器熱交換流路体）９Ａと、インピーダンス１２３とが、後述する予冷用冷媒としての液体Ｈｅ中に浸漬されるように配設されている。ここで、凝縮器本体９Ａには、真空ポンプ１からオイルトラップ４５、液体窒素トラップ４６、および可撓性管体からなる供給管路５Ａ０を経て３Ｈｅガスが導かれるようになっている。またインピーダンス１２３の出口側は、可撓性管体からなる中間管路５Ａ１を介して、希釈冷凍機本体４３の断熱容器４１内に導かれ、分留器１１の熱交換器１３に導かれている。一方凝縮器容器１２１の外部の予冷用液体Ｈｅ貯留槽１０３からは、予冷用冷媒供給管路１２４を介して凝縮器容器１２１内に予冷用冷媒としての液体ヘリウムが導入されるようになっており、その液体ヘリウム（予冷用冷媒）中に、凝縮器本体９Ａおよびインピーダンス１２３とが浸漬されている。なお凝縮器容器１２１内で気化したＨｅガスは、Ｈｅガス排出管１２５を介して真空ポンプ１０９により吸引されるようになっている。

以上のような図５に示される実施例の希釈冷凍機では、真空ポンプ１によって送り出された本体側の３Ｈｅガスは、一旦凝縮器容器１２１に導かれ、その凝縮器容器１２１内の凝縮器９で冷却・凝縮される。すなわち、外部の液体Ｈｅ貯留槽１０３から導かれた予冷用冷媒としての液体Ｈｅ中に浸漬された凝縮器本体９Ａにおいて、本体側３Ｈｅガスが凝縮され、その凝縮された３Ｈｅ液相が希釈冷凍機本体４３の側の分留器１１に導かれる。

このような図５に示される実施例の場合も、希釈冷凍機本体４３の断熱容器４１内には、予冷用冷媒としての液体Ｈｅを保持する必要がないため、断熱容器４１の小型化を図ることができる。ここで、図５の例では、希釈冷凍機本体４３とは別に凝縮器容器１２１を備えているため、その凝縮器容器１２１のための設置スペースが必要とはなるものの、それ自体はさほど大型である必要はなく、したがってトータル的に見れば、小型化を図るとともに設置の自由度を増すことができる。

なお場合によっては、図５中の仮想線で示すように、希釈冷凍機本体４３の断熱容器４１内にＪＴ膨張器１２６を設けておき、中間管路５Ａ１を介して断熱容器４１内に導かれたＨｅをより確実に凝縮・液化させるようにしても良い。

請求項１の発明に対応する第１の実施例の希釈冷凍機を概略的に示すブロック図である。 請求項２の発明に対応する第２の実施例の希釈冷凍機を概略的に示すブロック図である。 請求項５の発明に対応する第３の実施例の希釈冷凍機を概略的に示すブロック図である。 請求項６の発明に対応する第４の実施例の希釈冷凍機を概略的に示すブロック図である。 請求項７の発明に対応する第５の実施例の希釈冷凍機を概略的に示すブロック図である。 従来の希釈冷凍機の一例を概略的に示すブロック図である。 従来の希釈冷凍機の他の例を概略的に示すブロック図である。

符号の説明

１ 真空ポンプ（第１の真空ポンプ）
３ 混合室
５ Ｈｅ循環経路
５Ａ 往路
５Ｂ 復路
９ 凝縮器
１１ 分留器
１５ 第１の熱交換器
３３ 機械式小型極低温冷凍機（ＧＭ冷凍機）
４１ 断熱容器
４３ 希釈冷凍機本体
４９ 予冷用冷却装置
５５ 断熱容器
６５ 予冷用冷媒導入管路（可撓性管体）
６７ 予冷用冷媒排出管路（可撓性管体）
７５ 往路側バイパス管路
７７復路側バイパス管路

Claims (7)

1. Ｈｅガスを循環圧送するための第１の真空ポンプの出口側から、Ｈｅ液相を３Ｈｅ濃厚相と３Ｈｅ希薄相とに２相分離した状態で収容しかつ冷却ヘッドとなるべき混合室の入口までの経路を往路とし、前記混合室の出口から第１の真空ポンプの入口側に至る経路を復路とし、これらの往路、復路によってＨｅを循環させるためのＨｅ循環経路を形成しておき、
   前記往路中に凝縮器を配設しておき、第１の真空ポンプにより送り出されたＨｅガスをその凝縮器において冷却して凝縮させ、得られたＨｅ液相を、第１の熱交換器において復路側との熱交換により０．８Ｋ以下に冷却して、その０．８Ｋ以下に冷却された液相を、前記混合室の３Ｈｅ濃厚相中に導き、混合室内での３Ｈｅ濃厚相中から３Ｈｅ希薄相への３Ｈｅの希釈により熱吸収を生ぜしめ、
   一方復路中には分留器を配設しておき、その分留器内における３Ｈｅの蒸気圧と４Ｈｅの蒸気圧の差を利用して、３Ｈｅを気化させて第１の真空ポンプの入口側へ導くと同時に、その気化による分留器内のＨｅ液相中におけるＨｅ濃度の低下を利用して、混合室内の３Ｈｅ希薄相から前記第１の熱交換器を経て３Ｈｅ液相を復路側へ導き出すようにした希釈冷凍機において、
   前記凝縮器と、第１の熱交換器と、混合室と、分留器とを断熱容器内に収容して、これらを全体として一体化された希釈冷凍機本体とする一方、前記第１の真空ポンプを希釈冷凍機本体の断熱容器に対して離隔させて配設し、さらに前記第１の真空ポンプとは別の第２の真空ポンプと機械式小型極低温冷凍機とを備えた予冷用冷却装置を、前記希釈冷凍機本体の断熱容器から離隔させてその断熱容器とは別体に設けておき、前記予冷用冷却装置を、予冷用冷媒を機械式小型低温冷凍機により冷却するとともに、その予冷用冷媒を前記第２の真空ポンプにより循環圧送させて、希釈冷凍機本体内の凝縮器に導き、その凝縮器において予冷用冷媒の冷熱により前記往路内のＨｅガスを冷却するように構成し、かつ予冷用冷却装置内から希釈冷凍機本体内へ予冷用冷媒を導きかつ希釈冷凍機本体内から予冷用冷却装置内へ予冷用冷媒を戻すための管路を、可撓性を有する管体によって構成したことを特徴とする、希釈冷凍機。
2. Ｈｅガスを循環圧送するための真空ポンプの出口側から、Ｈｅ液相を３Ｈｅ濃厚相と３Ｈｅ希薄相とに２相分離した状態で収容しかつ冷却ヘッドとなるべき混合室の入口までの経路を往路とし、前記混合室の出口から真空ポンプの入口側に至る経路を復路とし、これらの往路、復路によってＨｅを循環させるためのＨｅ循環経路を形成しておき、
   前記往路中に凝縮器を配設しておき、真空ポンプにより送り出されたＨｅガスをその凝縮器において冷却して凝縮させ、得られたＨｅ液相を、第１の熱交換器において復路側との熱交換により０．８Ｋ以下に冷却して、その０．８Ｋ以下に冷却された液相を、前記混合室の３Ｈｅ濃厚相中に導き、混合室内での３Ｈｅ濃厚相中から３Ｈｅ希薄相への３Ｈｅの希釈により熱吸収を生ぜしめ、
   一方復路中には分留器を配設しておき、その分留器内における３Ｈｅの蒸気圧と４Ｈｅの蒸気圧の差を利用して、３Ｈｅを気化させて真空ポンプの入口側へ導くと同時に、その気化による分留器内のＨｅ液相中におけるＨｅ濃度の低下を利用して、混合室内の３Ｈｅ希薄相から前記第１の熱交換器を経て３Ｈｅ液相を復路側へ導き出すようにした希釈冷凍機において、
   前記凝縮器と、第１の熱交換器と、混合室と、分留器とを断熱容器内に収容して、これらを全体として一体化された希釈冷凍機本体とする一方、前記真空ポンプを希釈冷凍機本体の断熱容器に対して離隔させて配設し、さらに機械式小型極低温冷凍機とを備えた予冷用冷却装置を、前記希釈冷凍機本体の断熱容器から離隔させてその断熱容器とは別体に設けておき、前記真空ポンプから希釈冷凍機本体内の凝縮器へ送られるべきＨｅガスの一部を予冷用冷却装置へ導いて循環圧送させ、そのＨｅガスを予冷用冷媒として機械式小型低温冷凍機により冷却するとともに、冷却された予冷用冷媒を希釈冷凍機本体内の凝縮器に導き、その凝縮器において予冷用冷媒の冷熱により前記往路内のＨｅガスを冷却するように構成し、かつ予冷用冷却装置内から希釈冷凍機本体内へ予冷用冷媒を導きかつ希釈冷凍機本体内から予冷用冷却装置内へ予冷用冷媒を戻すための管路を、可撓性を有する管体によって構成したことを特徴とする、希釈冷凍機。
3. 請求項１もしくは請求項２に記載の希釈冷凍機において、
   予冷用冷却装置において予冷用冷媒を断熱膨張させて液化させ、その液化された予冷用冷媒を希釈冷凍機本体内の凝縮器に導くように構成したことを特徴とする、希釈冷凍機。
4. 請求項１もしくは請求項２に記載の希釈冷凍機において、
   予冷用冷却装置から気相のままの予冷用冷媒を希釈冷凍機本体内の凝縮器に導き、その凝縮器においては、往路内のＨｅガスを予冷用冷媒との熱交換により冷却後、断熱膨張させて液化させるように構成したことを特徴とする、希釈冷凍機。
5. Ｈｅガスを循環圧送するための真空ポンプの出口側から、Ｈｅ液相を３Ｈｅ濃厚相と３Ｈｅ希薄相とに２相分離した状態で収容しかつ冷却ヘッドとなるべき混合室の入口までの経路を往路とし、前記混合室の出口から真空ポンプの入口側に至る経路を復路とし、これらの往路、復路によってＨｅを循環させるためのＨｅ循環経路を形成しておき、
   前記往路中に凝縮器を配設しておき、真空ポンプにより送り出されたＨｅガスをその凝縮器において冷却して凝縮させ、得られたＨｅ液相を、第１の熱交換器において復路側との熱交換により０．８Ｋ以下に冷却して、その０．８Ｋ以下に冷却された液相を、前記混合室の３Ｈｅ濃厚相中に導き、混合室内での３Ｈｅ濃厚相中から３Ｈｅ希薄相への３Ｈｅの希釈により熱吸収を生ぜしめ、
   一方復路中には分留器を配設しておき、その分留器内における３Ｈｅの蒸気圧と４Ｈｅの蒸気圧の差を利用して、３Ｈｅを気化させて真空ポンプの入口側へ導くと同時に、その気化による分留器内のＨｅ液相中におけるＨｅ濃度の低下を利用して、混合室内の３Ｈｅ希薄相から前記第１の熱交換器を経て３Ｈｅ液相を復路側へ導き出すようにした希釈冷凍機において、
   前記第１の熱交換器と、混合室と、分留器とを断熱容器内に収容して、これらを全体として一体化された希釈冷凍機本体後段部とし、一方その希釈冷凍機本体後段部の断熱容器から離隔させて希釈冷凍機本体前段部を設けておき、かつその希釈冷凍機本体前段部内に前記凝縮器を配設するとともに、その凝縮器を通るＨｅガスを冷却するための機械的小型冷凍機を付設しておき、前記希釈冷凍機本体後段部と希釈冷凍機本体前段部とを結ぶ循環経路における凝縮器と分留器との間の往路部分および復路部分の流路を、可撓性を有する管体によって構成したことを特徴とする、希釈冷凍機。
6. Ｈｅガスを循環圧送するための真空ポンプの出口側から、Ｈｅ液相を３Ｈｅ濃厚相と３Ｈｅ希薄相とに２相分離した状態で収容しかつ冷却ヘッドとなるべき混合室の入口までの経路を往路とし、前記混合室の出口から真空ポンプの入口側に至る経路を復路とし、これらの往路、復路によってＨｅを循環させるためのＨｅ循環経路を形成しておき、
   前記往路中に凝縮器を配設しておき、真空ポンプにより送り出されたＨｅガスをその凝縮器において冷却して凝縮させ、得られたＨｅ液相を、第１の熱交換器において復路側との熱交換により０．８Ｋ以下に冷却して、その０．８Ｋ以下に冷却された液相を、前記混合室の３Ｈｅ濃厚相中に導き、混合室内での３Ｈｅ濃厚相中から３Ｈｅ希薄相への３Ｈｅの希釈により熱吸収を生ぜしめ、
   一方復路中には分留器を配設しておき、その分留器内における３Ｈｅの蒸気圧と４Ｈｅの蒸気圧の差を利用して、３Ｈｅを気化させて真空ポンプの入口側へ導くと同時に、その気化による分留器内のＨｅ液相中におけるＨｅ濃度の低下を利用して、混合室内の３Ｈｅ希薄相から前記第１の熱交換器を経て３Ｈｅ液相を復路側へ導き出すようにした希釈冷凍機において、
   前記凝縮器と、第１の熱交換器と、混合室と、分留器とを断熱容器内に収容して、これらを全体として一体化された希釈冷凍機本体とする一方、真空ポンプを希釈冷凍機本体に対して離隔させて配設し、また前記凝縮器には、真空ポンプから送られて来るＨｅガスを冷却するために凝縮器と熱交換させる第２の熱交換器を付設しておき、一方予冷用液体Ｈｅ貯留槽を、希釈冷凍機本体の断熱容器から離隔して配置しておき、その予冷用液体Ｈｅ貯留槽からの液体Ｈｅもしくはその液体Ｈｅを断熱膨張させて得られたＨｅガスを、前記第２の熱交換器に予冷用冷媒として導くように構成したことを特徴とする、希釈冷凍機。
7. Ｈｅガスを循環圧送するための真空ポンプの出口側から、Ｈｅ液相を３Ｈｅ濃厚相と３Ｈｅ希薄相とに２相分離した状態で収容しかつ冷却ヘッドとなるべき混合室の入口までの経路を往路とし、前記混合室の出口から真空ポンプの入口側に至る経路を復路とし、これらの往路、復路によってＨｅを循環させるためのＨｅ循環経路を形成しておき、
   前記往路中に凝縮器を配設しておき、真空ポンプにより送り出されたＨｅガスをその凝縮器において冷却して凝縮させ、得られたＨｅ液相を、第１の熱交換器において復路側との熱交換により０．８Ｋ以下に冷却して、その０．８Ｋ以下に冷却された液相を、前記混合室の３Ｈｅ濃厚相中に導き、混合室内での３Ｈｅ濃厚相中から３Ｈｅ希薄相への３Ｈｅの希釈により熱吸収を生ぜしめ、
   一方復路中には分留器を配設しておき、その分留器内における３Ｈｅの蒸気圧と４Ｈｅの蒸気圧の差を利用して、３Ｈｅを気化させて真空ポンプの入口側へ導くと同時に、その気化による分留器内のＨｅ液相中におけるＨｅ濃度の低下を利用して、混合室内の３Ｈｅ希薄相から前記第１の熱交換器を経て３Ｈｅ液相を復路側へ導き出すようにした希釈冷凍機において、
   前記分留器と、第１の熱交換器と、混合室とを断熱温容器内に収容して、これらを全体として一体化された希釈冷凍機本体とし、かつその希釈冷凍機本体とは離隔して配設した凝縮器断熱容器内に前記凝縮器を収容し、その凝縮器断熱容器内に外部から予冷用冷媒として液体Ｈｅを導入して、その液体Ｈｅにより凝縮器内の３Ｈｅガスを冷却・凝縮させるように構成したことを特徴とする、希釈冷凍機。

Images