JP5283096B2 - 極低温冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍機を用いて冷却されるクライオスタットを備えた極低温冷却装置に係り、特に、ギフォードマクマホンサイクル型（ＧＭ型）のパルス管冷凍機やバルブユニットがコールドヘッドから分離可能なギフォードマクマホンサイクル冷凍機（ＧＭ冷凍機）に用いるのに好適な、冷凍機に起因する振動が、クライオスタット全体や被冷却体に伝わるのを防ぐことが可能な極低温冷却装置に関する。

冷凍機を用いて冷却されるクライオスタットを備えた極低温冷却装置においては、通常、冷凍機に起因する何種類かの振動が発生し、クライオスタット全体及び被冷却体に伝わる。まず、圧力振動源である圧縮機は機械式であるため、その機械振動が、圧縮機と、クライオスタットに取付けられた冷却部であるコールドヘッドとを連結する連結管を通じてコールドヘッドに伝わり、クライオスタット全体に影響を及ぼす。又、ＧＭ冷凍機やスターリング冷凍機のような、コールドヘッド内部にピストン（ディスプレーサとも呼ばれる）を有する冷凍機では、圧縮膨張に伴うピストンの往復運動が周期的な振動を引き起こし、クライオスタット全体及び被冷却体に伝わる。更に、冷凍機のシリンダが通常薄肉の筒状構造物であるため、圧縮膨張に伴うコールドヘッド内の高低圧力振動がシリンダの弾性伸縮を引き起こし、被冷却体に新たな振動を付加する。

このような問題点を解決するべく、特許文献１には、超電導コイル冷却装置において、（１）被冷却体である超伝導コイルを、冷凍機の冷却ステージに、細い銅線を編んだ編組線や、薄い銅板を多数枚積み重ねたものでなる良熱伝導性金属からなる振動吸収部材を介して連結して、冷却ステージからの振動を吸収すること、更に、（２）冷凍機とクライオスタットの真空容器の間に、蛇腹管等のフレキシブル管やコイル体でなる振動吸収部材を介在させて、冷凍機で発生する振動を真空容器に伝播させないようにすることが記載されている。

又、特許文献２には、膨張器−ディスプレーサを圧縮機に対してベローズにより低振動に取り付けることが記載されている。

又、特許文献３には、ジュールトムソンサイクル（Ｊ−Ｔサイクル）と予冷サイクルからなるヘリウム液化冷凍機を用いた微弱磁場測定装置において、（１）予冷サイクルを構成するホースとＪ−Ｔサイクルを構成するホースに、予冷サイクルの振動を分離するための振動遮断チューブを設けること、及び、（２）予冷サイクルを構成する部材と、これを支える構造物の間に、予冷サイクルの振動を分離するための空気ばねを介在させることが記載されている。

特開平９−５０９１０号公報 特開平２−１０３３４６号公報 特開平４−２０４２８０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の超電導コイル冷却装置では、冷凍機と超伝導コイルが、クライオスタットの真空容器内に設けられた熱シールド容器、該熱シールド容器の支持棒、及び、コイル支持棒を介してつながっており、支持棒を通じて伝わってきた振動を断ち切ることができない。

又、特許文献２のように、クライオスタットの冷凍機取付部にベローズを導入して、クライオスタット全体に伝わる、圧縮機からの振動やピストンの往復運動による振動を低減することも考えられるが、クライオスタット内が通常真空状態であるため、ベローズが収縮して柔軟性を失い、期待する程の減振効果を得ることができない。

又、特許文献３に記載の装置においても、クライオスタットの荷重が冷凍機にかかるため、振動を十分に遮断できないという問題点を有していた。

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、冷凍機に起因する振動が、クライオスタット全体や被冷却体に伝わるのを防ぐことを課題とする。

本願の請求項１に係る発明は、２段式の冷凍機を用いて冷却されるクライオスタットを備えた極低温冷却装置において、前記冷凍機のコールドヘッドが固定され、その荷重を支持するサポートステージと、地面に支持されるとともに、該サポートステージに自身がべローズで連結され、被冷却体と前記コールドヘッドの１段冷却ステージ及び２段冷却ステージとを収納する前記クライオスタットと、該クライオスタットに支持部材を介して支持され、該被冷却体の荷重を支持する低振動ステージと、前記クライオスタットの内側に配置され且つ該クライオスタットに自身の荷重が支持されるとともに、前記１段冷却ステージに接続され、且つ前記被冷却体と前記２段冷却ステージと前記低振動ステージとを収納する熱シールドと、を備えることにより、前記課題を解決したものである。

本願の請求項２に係る発明は、前記熱シールドを支持するとともに前記クライオスタットに支持される１段低振動ステージを更に備え、該１段低振動ステージは前記１段冷却ステージと可撓的な第１ヒートリンクを介して接続され、且つ、前記低振動ステージは前記２段冷却ステージと可撓的な第２ヒートリンクを介して接続されるようにしたものである。

本願の請求項３に係る発明は、前記第１、第２ヒートリンクに、銅又はアルミニウムの編素線又は薄板を使用するようにしたものである。

本発明によれば、冷凍機に起因する振動が、クライオスタット全体や被冷却体に伝わるのを防止することが可能となる。

本発明の第１実施形態の構成を示す断面図 比較例の構成を示す断面図 別の比較例の構成を示す断面図

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。

本発明の第１実施形態は、本発明を図１に示す如く、２段式のＧＭ型パルス管冷凍機、又は、冷凍機１０の圧縮機１２から高圧ガスライン１４及び低圧ガスライン１６を介してコールドヘッド１８に供給されるガスの高低圧力を切り換えるためのバルブユニット２０がコールドヘッド１８から分離できる２段式のＧＭ冷凍機を使用した極低温冷却装置に適用したもので、冷凍機１０のコールドヘッド１８をクライオスタット３０に直接固定せず、クライオスタット３０とは別に設けたサポートステージ５０にコールドヘッド１８を固定して、その荷重を支持すると共に、被冷却体８が固定され、その荷重を吊持する２段低振動ステージ４２を、支持棒５３、５４を介してクライオスタット３０（ここではクライオスタットのトップフランジ３１）で支持するようにしている。図において、２１は、コールドヘッド１８の１段冷却ステージ、２２は、同じく２段冷却ステージである。

前記サポートステージ５０は、真空容器ではないが、極めて大きい質量（例えば３０Ｋｇ以上）を有し、クライオスタット３０とは無関係に地面に設置することが望ましい。

前記クライオスタット３０の全体は、例えばゴムシートや空気ばね、除振構造体でなる除振機構（図ではゴムシート）５４を介して地面に設置される。

更に、前記圧縮機１２の振動がクライオスタット３０全体に伝わらないようにするため、圧縮機１２とコールドヘッド１８をつなぐフレキシブル管（又はホース）２４をクランプ６０を用いて地面又は壁に固定する。

更に、前記バルブユニット２０を、クライオスタット３０とは別に設けた台又は地面又は壁（ここでは質量の大きい（例えば１０Ｋｇ以上）バルブ固定台６２）に固定する。

更に、前記バルブユニット２０やコールドヘッド１８の付近で、フレキシブル管２４に代えて、例えばステンレスや銅等の硬いリジッド管６４を使用し、且つ、このリジッド管６４を前記クライオスタット３０とは別に設けた台又は地面又は壁（ここでは前記バルブ固定台６２）にクランプ６６により固定する。

更に、前記クライオスタット３０（ここではそのトップフランジ３１）とサポートステージ５０（ここではそのトップフランジ５１）の間をベローズ７０で連結し、コールドヘッド１８のトップフランジ１９やクライオスタット３０本体と共に真空空間６１を形成する。

前記ベローズ７０としては、変形し易く振動吸収し易い溶接ベローズを使用し、ベローズ７０の山と山の間にゴムシート、ゴムリング等の緩衝材７２を設けて、外部から衝撃があった場合のベローズの振動の発振を防止することができる。なお、二重ベローズとして液体を封入したり、あるいは溶接ベローズの代わりに成形ベローズを用いることも可能である。

又、前記コールドヘッドの１段、２段冷却ステージ２１、２２と１段、２段低振動ステージ４１、４２との間に、それぞれ、ステージの熱収縮を吸収するための可撓的なヒートリンク８１、８２を設けている。該ヒートリンク８１、８２の材料としては、例えば熱伝導率の良い銅やアルミニウムの編素線や薄板を使用することで、可撓性を保ちつつ、伝熱性能を確保することができる。

本実施形態では２段式の冷凍機を使用しているため、１段低振動ステージ４１に熱シールド９０を設け、被冷却体８が固定される低温側の２段低振動ステージ４２の冷却効果を高めている。

このようにして、冷凍機１０のコールドヘッド１８をクライオスタット３０に直接固定せず、クライオスタット３０とは別に設けたサポートステージ５０に荷重を載せることにより、圧縮機１２からの振動やピストンの往復運動による振動がクライオスタット３０に伝わるのを防ぐことができる。

又、被冷却体８の荷重支持を、振動の少ないクライオスタット３０（ここではそのトップフランジ３１）からとることにより、圧縮機１２からの振動やピストンの往復運動による振動が、荷重支持体を通じて被冷却体８に伝わるのを防ぐことができる。

又、クライオスタット３０全体を、除振機構５４を介して地面に設置することにより、クライオスタット３０全体に振動が伝わるのを防ぐことができる。

又、クランプ６０を用いてフレキシブル管２４を地面又は壁に固定することにより、圧縮機１２からの振動が地面又は壁で遮断され、クライオスタット３０全体に伝わり難くなる。

又、バルブユニット２０やコールドヘッド１８の付近でリジッド管６４を使用し、且つ、クライオスタット３０とは別に設けた質量の大きい台又は地面又は壁（図ではバルブ固定台６２）に固定しているので、圧縮機１２の圧力変化に伴うフレキシブル管２４の脈動を減らすことができる。

又、バルブユニット２０を、クライオスタット３０とは別に設けた質量の大きい台又は地面又は壁（図ではバルブ固定台２６）に固定しているので、圧縮機１２からの振動が一層確実に遮断されるだけでなく、バルブユニット２０自身が発生する振動も遮断され、クライオスタット３０全体に伝わり難くなる。

又、クライオスタット３０（ここではそのトップフランジ３１）とサポートステージ５０（ここではそのトップフランジ５１）の間をベローズ７０で連結しているので、真空によりベローズ７０が柔軟性を失うのを防いで、圧縮機１２からの振動やピストンの往復運動による振動がクライオスタット３０に伝わるのを防いでいる。

更に、ベローズ７０に溶接ベローズを使用し、且つベローズの山と山との間に緩衝材７２を使用することで、ベローズの減衰効果を一層強化している。

又、コールドヘッド１８の各段冷却ステージ２１、２２と各段低振動ステージ４１、４２の間に可撓的なヒートリンク８１、８２を設けているので、ピストンの往復運動による振動やシリンダの弾性伸縮による振動が被冷却体８に伝わるのを防ぐことができる。

次に、図２を参照して、単段式のＧＭ冷凍機を使用した極低温冷却装置に適用した比較例を詳細に説明する。

比較例では、図２に示す如く、コールドヘッド１８の内部に切換バルブと駆動モータが組み込まれているため、コールドヘッド１８付近の高圧ガスラインと低圧ガスライン１４、１６を、硬い、例えばステンレス製のリジッド管６４に置き換え、クランプ６６によって、バルブ固定台に代わる連結管固定台６８に固定している。

又、低振動ステージが１段低振動ステージ４１のみとなり、２段低振動ステージ４２、支持棒５４、ヒートリンク８２、熱シールド９０は省略されている。

他の点については第１実施形態と同様であるので、説明は省略する。

次に、図３に示す如く、圧縮機１２がコールドヘッド１８と一体、又は、連結管２６を介して至近距離（１ｍ以内）に配置されるスターリング冷凍機やスターリング型パルス管冷凍機を使用した極低温冷却装置に適用した別の比較例を詳細に説明する。

本実施形態では、図３に示す如く、コールドヘッド１８と共に圧縮機１２もサポートステージ５０に固定し、該サポートステージ５０によって、圧縮機１２の荷重とコールドヘッド１８の荷重を支持するようにしている。

他の点については前記比較例と同様であるので、説明は省略する。

なお、前記実施形態ではＧＭ型のパルス管冷凍機が２段式とされていたが、冷凍機の形式は、実施形態に限定されない。

本発明は、低振動が要求される超伝導装置、デバイス冷却装置、検出器冷却装置、サンプル冷却装置、クライオポンプ装置、計測分析装置、ＮＭＲ装置等に適用できる。

８…被冷却体
１０…冷凍機
１２…圧縮機
１４…高圧ガスライン
１６…低圧ガスライン
１８…コールドヘッド
２０…バルブユニット
２１、２２…冷却ステージ
２４…フレキシブル管
３０…クライオスタット
３１、５１…トップフランジ
４１、４２…低振動ステージ
５０…サポートステージ
５４…除振機構
６０、６６…クランプ
６２…バルブ固定台
６４…リジッド管
６８…連結管固定台
７０…ベローズ
７２…緩衝材
８１、８２…ヒートリンク

Claims (3)

1. ２段式の冷凍機を用いて冷却されるクライオスタットを備えた極低温冷却装置において、
   前記冷凍機のコールドヘッドが固定され、その荷重を支持するサポートステージと、
   地面に支持されるとともに、該サポートステージに自身がべローズで連結され、被冷却体と前記コールドヘッドの１段冷却ステージ及び２段冷却ステージとを収納する前記クライオスタットと、
   該クライオスタットに支持部材を介して支持され、該被冷却体の荷重を支持する低振動ステージと、
   前記クライオスタットの内側に配置され且つ該クライオスタットに自身の荷重が支持されるとともに、前記１段冷却ステージに接続され、且つ前記被冷却体と前記２段冷却ステージと前記低振動ステージとを収納する熱シールドと、
   を備えることを特徴とする極低温冷却装置。
2. 前記熱シールドを支持するとともに前記クライオスタットに支持される１段低振動ステージを更に備え、
   該１段低振動ステージは前記１段冷却ステージと可撓的な第１ヒートリンクを介して接続され、且つ、
   前記低振動ステージは前記２段冷却ステージと可撓的な第２ヒートリンクを介して接続されることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷却装置。
3. 前記第１、第２ヒートリンクに、銅又はアルミニウムの編素線又は薄板を使用することを特徴とする請求項２に記載の極低温冷却装置。

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