JP6153101B2 - 冷凍機用ポット - Google Patents

Description

本発明は、極低温冷凍機等に用いられる冷凍機用ポットに関するものである。

医療用機器、超電導デバイス、小型シンクロトロン放射光源、ジョセフソンコンピュータ等のコンピュータ関連機器、又は電波望遠鏡等の広範な分野において、ヘリウムガス冷凍機等の極低温冷凍機が使用されている。

例えば電波望遠鏡において宇宙からの微弱な電波を受信するためには、受信機（センサー）の性能を高める必要がある。センサーの熱雑音を減らすためには、該センサーを極低温冷凍機によって極低温に冷却することが行われている。

極低温環境を得るには液体ヘリウムを用いることが一般的である。該液体ヘリウムを用意するには、ヘリウム液化装置を使用するか、液体ヘリウムを購入する必要がある。

しかし、ヘリウム液化装置は大型で高価な設備であり、その取り扱いには高度な低温技術の知識が必要である。また、液体ヘリウムを購入したとしても、該液体ヘリウムは蒸発する性質を有するので経済的でない。

そこで、液体ヘリウムの供給を必要とせずに４Ｋ程度迄の温度環境を作り出すことができる、液体ヘリウムフリーの機械式冷凍機（ギフォードマクマホン冷凍機（以下、ＧＭ冷凍機と記載することがある）又はスターリング冷凍機等）が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

上記のＧＭ冷凍機は、蓄冷材がシリンダ内部を往復動し、作動ガスを断熱膨張させて寒冷を発生させる冷凍機であり、極低温環境を生成することができるものである。

特公平７−９６９７４号公報

しかしながら、上記のＧＭ冷凍機では、断熱膨張させる瞬間に温度が下がるサイクルが繰り返されることから、作動ガスを膨張させる直前と直後における温度差が大きくなり、４Ｋ付近では冷却ヘッドの温度振動が３００ｍＫ程度となってしまう。そのため、上記温度振動を逓減することができる技術が望まれていた。

本発明は上記のような事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、温度振動を逓減できる冷凍機用ポットを提供することである。

本発明に係る冷凍機用ポットは、極低温冷凍機の冷却部に取り付けられ、ヘリウムガスを格納することを要旨とする。

本発明において、前記冷却部に取り付けられる容器と該容器の下部開口を閉じる下蓋部材とを備えていてもよい。

本発明において、前記容器及び前記下蓋部材は銅で形成されていることが好ましい。

本発明において、前記容器と前記下蓋部材とが銀ロウ又は溶接で接着されていることが好ましい。

本発明によれば、ヘリウムガスを格納した冷凍機用ポットを極低温冷凍機の冷却部に取り付けることによって、該冷却部の温度が熱容量（比熱）の大きいヘリウムガスに吸収され、該冷却部の温度振動を逓減することができる。

また、極低温冷凍機の冷却部内に導入されたヘリウムガスとの熱交換によって、冷凍機用ポット内のヘリウムガスの一部が液化されることによって、ヘリウムの密度が増加し、該ポットとヘリウムの熱接触面積が増えるので、該冷却部の温度振動を更に逓減することができる。

本発明に係る冷凍機用ポットの縦断面図である。 図１の冷凍機用ポットが取り付けられる極低温冷凍機の縦断面図である。 図１の冷凍機用ポットが取り付けられる極低温冷凍機の他の例を示す縦断面図である。 冷却ヘッドに冷凍機用ポットを取り付けた場合と取り付けない場合との該冷却ヘッドの温度変化を示すグラフである。

以下、図面に示した実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。

１．第１実施形態
図１は本発明に係る冷凍機用ポットの縦断面図である。図１において、本発明に係る冷凍機用ポット１は、容器２及びこの容器２の下部開口を閉じる下蓋部材３を備えている。冷凍機用ポット１内には、容器２の側面に形成されたガス導入口２ａを介してヘリウムガスが導入され充填される。充填されたヘリウムガスの気圧は、室温で約１００気圧である。なお、ヘリウムガスの充填後は、ガス導入口２ａに図示しない栓がされて中のヘリウムガスが漏れ出ないようになっている。

冷凍機用ポット１の容器２及び下蓋部材３は、後述の冷却ヘッド（冷却部）１１ｈとの熱伝導を良くするために、熱伝導性に優れた銅で形成される。また、容器２と下蓋部材３とは銀ロウ或いは溶接で強固に接着することができる。

容器２の内径をＬ１とし、その外径をＬ２としたとき、Ｌ２／Ｌ１は１．２以上であることが好ましく、１．３〜１．４であることがより好ましい。Ｌ２／Ｌ１が１．２未満であると、充填されたガスが１０気圧足らずで冷凍機用ポット１が膨張し始め、Ｌ２／Ｌ１が１．４を超えると冷凍機用ポット１をコンパクト且つ軽量にすることができないためである。

図２は図１の冷凍機用ポット１が取り付けられる極低温冷凍機１０の縦断面図である。図２において極低温冷凍機１０は、冷却ヘッド１１ｈを備える小型機械式冷凍機１１と、この冷却ヘッド１１ｈの底面に取り付けられ、ヘリウムガスが充填された冷凍機用ポット１とを主に備える。なお極低温とは、絶対零度（−２７３．１５℃）に極めて近い温度のことで、概ね液体ヘリウムの液化によって得られる約４Ｋ以下の温度域を指すのが一般的である。

小型機械式冷凍機１１としては、公知のＧＭ冷凍機など４Ｋ程度の低温環境を生成し得る蓄冷式冷凍機を使用することができる。なおＧＭ冷凍機の他に、スターリング冷凍機やビルマイヤー冷凍機等の他の冷凍機を採用してもよい。

以下、小型機械式冷凍機１１としてＧＭ冷凍機を用いる場合について説明する。

小型機械式冷凍機１１は、第１段冷却ステージ１１ａ及び第２段冷却ステージ１１ｂの２段階の冷却ステージを備える。

第１段冷却ステージ１１ａは、高温側（４０Ｋ程度）の冷却ステージであり、第２段冷却ステージ１１ｂは、低温側（４Ｋ程度）の冷却ステージである。この第２段冷却ステージ１１ｂの底部が一般に冷却ヘッド１１ｈと呼ばれるものである。

第１段冷却ステージ１１ａ内には、上下方向に往復動する図示しない第１段ディスプレーサが設けられている。第１段冷却ステージ１１ａの上部には第１段シリンダ１１ｄが接続されており、この第１段シリンダ１１ｄ内には上記の第１段ディスプレーサに接続された図示しない第１段蓄冷器が設けられている。

同様に、第２段冷却ステージ１１ｂ内には、上下方向に往復動する図示しない第２段ディスプレーサが設けられている。第２段冷却ステージ１１ｂの上部には第２段シリンダ１１ｅが接続されており、この第２段シリンダ１１ｅ内には上記の第２段ディスプレーサに接続された図示しない第２段蓄冷器が設けられている。

また、第１段冷却ステージ１１ａ内に第１膨張室１１ｆが形成されており、第２段冷却ステージ１１ｂ内に第２膨張室１１ｇが形成されている。

この様な極低温冷凍機１０において、外部から供給された高圧の作動ガス（例えばヘリウム）が上記の第１、第２段蓄冷器で冷却されつつ第１、第２膨張室１１ｆ，１１ｇに導入される。第１膨張室１１ｆに導入された作動ガスは、上述したように４０Ｋ程度まで冷却され、第２膨張室１１ｇに導入された作動ガスは、４Ｋ程度まで冷却されるようになっている。

その後、作動ガスの吸気バルブ（図示せず）を閉じ、排気バルブ（図示せず）を開くと、作動ガスが高圧状態から低圧状態に移行して膨張し、各膨張室１１ｆ，１１ｇにおいて寒冷が発生する。第２膨張室１１ｇで発生した寒冷は、冷却ヘッド１１ｈによって冷凍機用ポット１に伝えられる。

冷凍機用ポット１は、その上部が冷却ヘッド１１ｈの底部に螺子結合されていて、取り外し可能となっている。冷凍機用ポット１と冷却ヘッド１１ｈとの間に熱伝導性を向上させるためのインジウム層を介在させることができる。冷凍機用ポット１の外面に図示しない被冷却物が取り付けられる。

第２段シリンダ１１ｅ、第２段冷却ステージ１１ｂ（冷却ヘッド１１ｈ）、及び冷凍機用ポット１は輻射シールド１３内に格納されている。この輻射シールド１３は、第１段冷却ステージ１１ａのフランジに螺子結合されており、取り外し可能となっている。

輻射シールド１３は、この輻射シールド１３の内部雰囲気を４０Ｋ程度に保つために外部からの熱輻射を小さくするためのもので、アルミニウムの筒と板を加工して有底筒状に形成されている。

また、第１段シリンダ１１ｄ、第１段冷却ステージ１１ａ、及び輻射シールド１３は、真空断熱ジャケット１４内に格納されている。この真空断熱ジャケット１４は、その上端部のフランジ１４ａが小型機械式冷凍機１１のフランジ１１ｃにネジ止めされており、取り外し可能となっている。真空断熱ジャケット１４の内部雰囲気は真空引きすることで断熱空間となる。

真空断熱ジャケット１４は、筒状部材１４ｂと有底筒部材１４ｃとから構成されている。筒状部材１４ｂの下端部及び有底筒部材１４ｃの上端部はフランジ部１４ｄで螺子結合されており、各部材が分解可能なように構成されている。筒状部材１４ｂの外面には、図示しない真空ポンプに接続されるポート１４ｇが形成されている。

この様な構成において、ポート１４ｇを介して真空断熱ジャケット１４の内部雰囲気が真空引きされる。その後、小型機械式冷凍機１１が上で説明したように作動すると、冷却ヘッド１１ｈが冷却されて、冷凍機用ポット１内のヘリウムガスの一部が液化される。

本発明によれば、ヘリウムガスを格納した冷凍機用ポット１を極低温冷凍機１０の冷却ヘッド１１ｈに取り付けることによって、該冷却ヘッド１１ｈの温度が熱容量の大きいヘリウムガス（液体ヘリウム）に吸収され、冷却ヘッド１１ｈの温度振動を逓減することができる。また、ヘリウムの液化時の潜熱として冷却ヘッド１１ｈの温度が利用されることによって、冷却ヘッド１１ｈの温度振動を更に逓減できる。

したがって、例えば電波顕微鏡などに本発明の極低温冷凍機１０を用いた場合、温度変化が逓減された状態で該電波顕微鏡の受信機を極低温に冷却することができる。これにより、受信機における熱雑音が抑制されて、該受信機の信頼性を高めることができる。

また、本発明では冷凍機用ポット１内のヘリウムガスを熱交換により液化することから、ヘリウム液化装置や液体ヘリウムを購入する必要がなく経済的である。

２．第２実施形態
図３は図１の冷凍機用ポット１が取り付けられる極低温冷凍機の他の例を示す縦断面図である。なお、第１実施形態と同じ構成要素には同符号を付し、その説明を省略する。

図３において極低温冷凍機１０ａは、冷却ヘッド１１ｈを備える小型機械式冷凍機１１と、冷却ヘッド１１ｈの底面に固定された４Ｋプレート１２と、ヘリウムが充填される１Ｋポット（冷却部）２３と、１Ｋポット２３の底面に取り付けられ、ヘリウムガスが充填された冷凍機用ポット１とを主に備える。

４Ｋプレート１２の底部には、１Ｋポット２３内に連通する管路（例えば直径０．１〜０．３ｍｍの極細管）２２と、同じく１Ｋポット２３内に連通する管路（例えば直径４ｍｍの細管）２４とが接続されている。また、４Ｋプレート１２には、上記の管路２２，２４、１Ｋポット２３、及び冷凍機用ポット１を格納するシールド２１が取り付けられている。

冷凍機用ポット１は、その上部が１Ｋポット２３の底部に螺子結合されていて、取り外し可能となっている。冷凍機用ポット１と１Ｋポット２３との間に熱伝導性を向上させるためのインジウム層を介在させることができる。冷凍機用ポット１の外面に図示しない被冷却物が取り付けられる。

第２段シリンダ１１ｅ、第２段冷却ステージ１１ｂ、４Ｋプレート１２、管路２２，２４、１Ｋポット２３、及び冷凍機用ポット１は輻射シールド１３内に格納されている。輻射シールド１３は、第１段冷却ステージ１１ａのフランジに螺子結合されており、取り外し可能となっている。

また、輻射シールド１３は真空断熱ジャケット１４内に格納されている。真空断熱ジャケット１４は、その上端部のフランジ１４ａが小型機械式冷凍機１１のフランジ１１ｃにネジ止めされており、取り外し可能となっている。真空断熱ジャケット１４の内部雰囲気は真空引きすることで断熱空間となる。

真空断熱ジャケット１４は、筒状部材１４ｂ，１４ｃと有底筒部材１４ｄとから構成されている。筒状部材１４ｂの下端部及び筒状部材１４ｃの上端部はフランジ部１４ｅで螺子結合されており、筒状部材１４ｃの下端部及び有底筒部材１４ｄの上端部はフランジ部１４ｆで螺子結合されており、各部材が分解可能なように構成されている。

真空断熱ジャケット１４の筒状部材１４ｃの外面には、ヘリウムガスを輻射シールド１３内に導入するためのガス導入口１５が設けられている。このガス導入口１５に導入されるヘリウムガスの温度は、２８０〜３００Ｋである。

ガス導入口１５は、輻射シールド１３内に通ずるガス導入管１６の一端に接続されている。ガス導入管１６の他端はガス導入細管１７の一端に接続され、このガス導入細管１７の他端は４Ｋプレート１２を介して管路２２に連通している。このような構成により、ガス導入口１５から導入されたヘリウムガスが１Ｋポット２３内に供給されるようになっている。

一方、１Ｋポット２３と４Ｋプレート１２とが管路２４で接続されており、４Ｋプレート１２にはガス排出細管１８の一端が接続されている。ガス排出細管１８の他端は、輻射シールド１３の外に通じているガス排出管１９の一端に接続されている。ガス排出管１９の他端は、筒状部材１４ｃの外面に設けられたガス排出口２０に連通している。ガス排出口２０は図示しない管路及びポンプを介してガス導入口１５に連通しており、該ポンプの作動によってヘリウムガスが循環するようになっている。

このような構成において、第１実施形態と同様な方法により第２膨張室１１ｇで発生した寒冷は、冷却ヘッド１１ｈによって４Ｋプレート１２に伝えられる。

そして、ガス導入口１５からヘリウムガスが導入され、ガス導入管１６、及びガス導入細管１７を通じて４Ｋプレート１２内に供給される。このヘリウムガスは、冷却ヘッド１１ｈに対して熱交換することにより液化する。液化したヘリウムは管路２２を通じて１Ｋポット２３内に貯留されて凝縮される。１Ｋポット２３内の液体ヘリウムは気化し、気化したヘリウムは管路２４から排気される。なお、この際の気化熱を潜熱として奪うことで１Ｋの温度を実現できるようになっている。

１Ｋポット２３内に貯留されたヘリウムは、冷凍機用ポット１内のヘリウムガスとの間で熱交換を行う。その際、冷凍機用ポット１内のヘリウムガスは、上記熱交換によってその一部が液化して液体ヘリウムとなる。

本発明によれば、上述のようにヘリウムガスを循環させることで長期に亘って冷却機能を果たすことができる。この為、１Ｋポット２３内ではヘリウムが絶えず液化して温度振動が生じ得ることとなるが、冷凍機用ポット１を取り付けることによって、１Ｋポット２３の温度が熱容量の大きいヘリウムガス（液体ヘリウム）に吸収され、１Ｋポット２３の温度振動を逓減することができる。

以上が本発明を実施するための形態であるが、本発明はもとより上記実施形態によって制限を受けるものではなく、本発明の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

図４は冷却ヘッド１１ｈに冷凍機用ポット１を取り付けた場合と取り付けない場合との該冷却ヘッド１１ｈの温度変化を示すグラフである。

本実施例では、冷凍機用ポット１内に室温で約１００気圧のヘリウムガスを充填し、該ガスを熱交換により液化して実験を行った。

図４に示すように、冷却ヘッド１１ｈに冷凍機用ポット１を取り付けなかった場合の温度変化ＤＡ２の幅（温度振動）は約３００ｍＫ（０．３Ｋ）となったが、冷凍機用ポット１を取り付けた場合の温度変化ＤＡ１の幅は約１０ｍＫ（０．０１Ｋ）となった。この結果から、冷却ヘッド１１ｈに冷凍機用ポット１を取り付けることによって、温度振動を約１／３０も逓減できることを確認することができた。

１ 冷凍機用ポット
２ 容器
３ 下蓋部材
１０，１０ａ 極低温冷凍機
１１ 小型機械式冷凍機
１１ａ 第１段冷却ステージ
１１ｂ 第２段冷却ステージ
１１ｈ 冷却ヘッド
１２ ４Ｋプレート
１３ 輻射シールド
１４ 真空断熱ジャケット
２３ １Ｋポット

Claims (2)

1. 極低温冷凍機の冷却部に取り付けられ、ヘリウムガスを格納し、銅で形成されている冷凍機用ポットであり、
   前記冷却部に取り付けられ側面にガス導入口を有する容器と該容器の下部開口を閉じる下蓋部材とを備えていることを特徴とする冷凍機用ポット。
2. 前記容器と前記下蓋部材とが銀ロウ又は溶接で接着されている請求項１に記載の冷凍機用ポット。

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