JP6331032B2 - 希釈冷凍機 - Google Patents

Description

本発明は、希釈冷凍機に関する。

希釈冷凍機は、ヘリウムガスの同位体（^３Ｈｅおよび^４Ｈｅ）の物理的性質を利用して、０．１Ｋ以下の極低温を得るための装置である。
具体的には、希釈冷凍機内で、^３Ｈｅリッチの相（Ｃｏｎｄｅｎｓｅ相、以下、「Ｃ相」とする）と^４Ｈｅリッチの相（ｄｉｌｕｔｅ相、以下、「ｄ相」とする）との二相が接触した状態をつくり、Ｃ相からｄ相内へ^３Ｈｅを希釈することで、外部の熱が吸収され、極低温を得ることができる。

図３に従来の一実施形態である希釈冷凍機１０１の断面模式図を示す。図３に示すように、希釈冷凍機１０１は、外層パイプ１０２と、プランジャ１０３と、混合室１０４と、配管１０６と、分留室１０７と、熱交換室１０８と、を有して概略構成されている。

混合室１０４と分留室１０７とは連通しており、混合室１０４と分留室１０７との間の空間には、ｄ相Ｓ１０２を構成する^３Ｈｅが^４Ｈｅに溶け込んだ混合液（以下、「^３Ｈｅ−^４Ｈｅ混合液」とする）で満たされている。また、配管１０６を介してＣ相Ｓ１０１を構成する液体^３Ｈｅが、混合室１０４に供給されている。混合室１０４では、液体^３Ｈｅと^３Ｈｅ−^４Ｈｅ混合液との密度差により、上部にＣ相Ｓ１０１が設けられ、下部にｄ相Ｓ１０２が設けられ、Ｃ相Ｓ１０１とｄ相Ｓ１０２との間に接触面Ｓ１０３が安定して形成される。この接触面Ｓ１０３により効率よくＣ相Ｓ１０１からｄ相Ｓ１０２内へ^３Ｈｅを希釈でき、冷却することが可能となる。

このような希釈冷凍機は、様々な要望に応えるために、工夫が施されてきた。例えば、特許文献１には、構造が単純で小型化を可能としたピストンシリンダー型の希釈冷凍機が開示されている。

特開２００１−３０４７０９号公報

ところで、近年、水平方向に設けられた穴に希釈冷凍機を挿入して冷却をするなど、鉛直方向以外に固定した状態で希釈冷凍機を使用する要望が高まっている。
しかしながら、特許文献１に開示されたピストンシリンダー型の希釈冷凍機をはじめとする従来の希釈冷凍機１０１では、図４のように横にして使用すると、混合室１０４はｄ相Ｓ１０２を構成する^３Ｈｅ−^４Ｈｅ混合液で満たされた状態となり、Ｃ相Ｓ１０１とｄ相Ｓ１０２との接触面Ｓ１０３を極低温の発生に適した状態に安定して保つことができず、効率よく冷却することができなかった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、鉛直方向以外の任意の傾きでも冷凍が可能なピストンシリンダー型の希釈冷凍機を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、
先端が閉じられた外層パイプと、
前記外層パイプの内部に挿入されるプランジャと、
前記外層パイプの先端の内周面と前記プランジャの先端とに囲まれ、上部に^３Ｈｅからなる^３Ｈｅリッチ相と、下部に^３Ｈｅ−^４Ｈｅ混合液からなる^４Ｈｅリッチ相と、を含む混合室と、を有するピストンシリンダー型の希釈冷凍機であって、
前記プランジャは前記外層パイプの内径と同じ外径であり、
前記プランジャの外周面に設けられ、先端が前記^４Ｈｅリッチ相に位置し、前記^４Ｈｅリッチ相の^３Ｈｅ−^４Ｈｅ混合液を導出する溝と、
前記溝に埋没され、先端が前記^３Ｈｅリッチ相に位置し、前記^３Ｈｅリッチ相に^３Ｈｅを供給する配管と、を有し、
鉛直方向に対して傾斜している希釈冷凍機であり、
傾斜にあわせて前記溝の先端が前記 ^４ Ｈｅリッチ相に配置されるとともに、前記配管の先端が前記 ^３ Ｈｅリッチ相に配置されることを特徴とする希釈冷凍機である。

また、請求項２に係る発明は、
前記溝が螺旋状であることを特徴とする請求項１に記載の希釈冷凍機である。

本発明の希釈冷凍機は、外層パイプの先端の内周面とプランジャの先端とに囲まれた密閉された混合室が設けられている。そして、希釈冷凍機の本体が傾斜していても、予め、その傾斜に併せて、混合室の上部の^３Ｈｅリッチ相に、^３Ｈｅを供給する配管の先端を配置することで、混合室の上部に安定して^３Ｈｅリッチ相を設けることができる。また、予め、その傾斜に併せて、混合室の下部の^４Ｈｅリッチ相に^３Ｈｅ−^４Ｈｅ混合液の導出口を配置することで、^３Ｈｅ−^４Ｈｅ混合液を分留室へ導出することができる。これにより、好ましい位置において^３Ｈｅリッチ相と^４Ｈｅリッチ相との接触面を適した状態に安定して保つことができる。
その結果、希釈冷凍機を鉛直方向以外の任意の傾きにおいても冷凍することができる。

本発明を適用した一実施形態である希釈冷凍機を示す断面模式図である。 本発明を適用した一実施形態である希釈冷凍機を４５度下向きにしたときの状態を示す断面模式図である。 従来の一実施形態である希釈冷凍機を示す断面模式図である。 従来の一実施形態である希釈冷凍機を横にしたときの状態を示す断面模式図である。

以下、本発明を適用した一実施形態である希釈冷凍機について詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

先ず、本発明を適用した一実施形態である希釈冷凍機の構成について説明する。図１は、本発明を適用した一実施形態である希釈冷凍機の断面模式図である。図１に示すように、本実施形態の希釈冷凍機１は、外層パイプ２と、プランジャ３と、混合室４と、溝５と、配管６と、分留室７と、熱交換室８と、を有し概略構成されている。
本実施形態の希釈冷凍機１は、ヘリウムガスの同位体（^３Ｈｅと^４Ｈｅ）の物理的性質を利用して、０．１Ｋ以下の極低温を得ることができる装置であり、鉛直方向以外の設置でも使用可能である。

本実施形態の希釈冷凍機１は、先端２ａが閉じられた形状である外層パイプ２の内側に、プランジャ３を挿入するピストンシリンダー構造となっている。そのため、装置の構成がシンプルとなり、メンテナンスを容易に行うことができる。

外層パイプ２の材質としては、熱伝導が悪く、かつ低温に耐えることができるものであれば特に限定されない。具体的には、例えば、オーステナイト系ステンレス（ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６）、白銅などを用いることができる。

プランジャ３は、外層パイプ２の内部に挿入される。プランジャ３の外径は、外層パイプ２の内径と同じであることが好ましい。これにより、外層パイプ２とプランジャ３との間に隙間がないため、^３Ｈｅ−^４Ｈｅ混合液は漏れない。しかしながら、実際には、プランジャ３を抜き差しする作業が必要となることから、外層パイプ２とプランジャ３との間には僅かな隙間が設けられている。これにより、^３Ｈｅ−^４Ｈｅ混合液がこの隙間に沿って微小量流れることになるが、問題は生じない。

プランジャ３の材質としては、低温に耐えることができるものであれば特に限定されない。具体的には、例えば、オーステナイト系ステンレス（ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６）、白銅などを用いることができる。

プランジャ３は、温度変化により熱縮小する。そのため、プランジャ３は、バネ（図示略）により、外層パイプ２の内側の先端２ａ方向に押さえつけられている。これにより、後述する混合室４の気密性が保たれる。しかしながら、本実施形態においてはバネを用いたが、これに限定されることではなく、その他の押さえつける方法でもよい。

混合室４は、外層パイプ２の先端２ａの内周面とプランジャ３の先端３ａとの間に設けられた空間である。混合室４は、上部に液体^３ＨｅからなるＣ相Ｓ１を含み、下部に^３Ｈｅ−^４Ｈｅ混合液からなるｄ相Ｓ２を含み、Ｃ相Ｓ１とｄ相Ｓ２との間には接触面Ｓ３が形成されている。

接触面Ｓ３において、Ｃ相Ｓ１からｄ相Ｓ２内へ^３Ｈｅが希釈されることにより、外部の熱が吸収され、極低温を得ることができる。

溝５はプランジャ３の外周面に螺旋状に設けられている。溝５の先端５ａは、混合室４のｄ相Ｓ２に位置する。溝５により、混合室４と分留室７とをｄ相Ｓ２の^３Ｈｅ−^４Ｈｅ混合液で満たすことができる。

配管６は溝５に沿って螺旋状に巻かれ、溝５に埋没されるようにして設けられている。配管６の先端６ａは、混合室４のＣ相Ｓ１に位置する。配管６内には液体^３Ｈｅが流れる。配管６により液体^３ＨｅをＣ相Ｓ１に供給することができる。配管６の材質としては、低温に耐えることができるものであれば特に限定されない。具体的には、例えば、オーステナイト系ステンレス（ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６）、白銅などを用いることができる。

溝５内において、配管６内を流れる液体^３Ｈｅと、配管６の外側に滞留する^３Ｈｅ−^４Ｈｅ混合液との間で熱交換が行われ、混合室４に送られるまでに、液体^３Ｈｅは混合室４の温度近くまで冷却される。

分留室７は、外層パイプ２の側面上部に設けられた空間である。分留室７と外層パイプ２とは連通しており、分留室７の下部に^３Ｈｅ−^４Ｈｅ混合液が貯留されている。真空ポンプ（図示略）により、^３Ｈｅ−^４Ｈｅ混合液中の^３Ｈｅが分留され、後述する熱交換室８に供給される。

熱交換室８は、分留室７の上部に設けられた空間である。熱交換室８と分留室７とは連通しており、分留室７で抜き出された^３Ｈｅ（^３Ｈｅガス）が供給されている。上述した配管６は、分留室７および熱交換室８を貫通するようにして熱交換室８内に設けられており、配管６内を流れる液体^３Ｈｅと、熱交換室８内の^３Ｈｅ−^４Ｈｅ混合液および^３Ｈｅガスと、の間で熱交換が行われる。これにより、配管６内を流れる液体^３Ｈｅが冷却される。

熱交換室８に供給された^３Ｈｅガスは上述の真空ポンプ（図示略）により配管６に供給される。これにより、^３Ｈｅを希釈冷凍機１内で循環させることができる。

次に、実施形態の希釈冷凍機１の動作の概要について、図１を参照しながら説明する。
冷却に用いられる^３Ｈｅは、希釈冷凍機１内を循環し、混合室４に連続的に供給される。具体的には、先ず、真空ポンプ（図示略）により、分留室７内の^３Ｈｅ−^４Ｈｅ混合液から^３Ｈｅが分留される。抜き出された^３Ｈｅ（^３Ｈｅガス）は、熱交換室８や熱交換器（図示略）などに送られ、配管６内の^３Ｈｅを冷却する。これにより、配管６内の^３Ｈｅガスは液体状態の^３Ｈｅ（液体^３Ｈｅ）に変化する。その後、熱交換室８の^３Ｈｅガスは、配管６に供給される。

次に、配管６に供給された^３Ｈｅガスは、膨張器（図示略）で断熱膨張されることにより冷却され、さらに、熱交換器（図示略）や上述の熱交換室８で冷却されることにより、液化し、液体^３Ｈｅとして配管６内を流れる。

その後、配管６内を流れる液体^３Ｈｅは、溝５において、配管６の外側の^３Ｈｅ−^４Ｈｅ混合液との間で熱交換が行われる。これにより、配管６内の液体^３Ｈｅは混合室４の温度近くまで冷却された後、混合室４内のＣ相Ｓ１に供給される。

一方、分留室７で分留された^３Ｈｅ−^４Ｈｅ混合液は、液中の^３Ｈｅが減少したことで、^３Ｈｅを希釈しやすい状態となる。その結果、混合室４において、接触面Ｓ３を介して、Ｃ相Ｓ１内の^３Ｈｅが、ｄ相Ｓ２内の^３Ｈｅ−^４Ｈｅ混合液に希釈される。これにより、外部から熱を吸収し、約１００ｍＫの極低温を得ることができる。

本実施形態の希釈冷凍機１の混合室４は密閉されているので、図２のように４５度下向きの状態で使用する場合でも、その傾きにあわせて、配管６の先端６ａをＣ相Ｓ１に配置し、かつ、溝５の先端５ａをｄ相Ｓ２に配置することで、安定してＣ相Ｓ１に液体^３Ｈｅを供給し、ｄ相Ｓ２に^３Ｈｅ−^４Ｈｅ混合液を供給することができる。これにより、希釈冷凍機１を傾けた状態であっても、Ｃ相Ｓ１とｄ相Ｓ２の間の接触面Ｓ３を極低温を得るのに適した状態に安定して保つことができる。その結果、安定して極低温を得ることが可能となる。

以上説明したように、本実施形態の希釈冷凍機１によれば、先端２ａが閉じられた外層パイプ２と、外層パイプ２の内部に挿入されるプランジャ３と、外層パイプ２の先端２ａの内周面とプランジャ３の先端３ａとに囲まれ、上部に^３ＨｅからなるＣ相Ｓ１と、下部に^３Ｈｅ−^４Ｈｅ混合液からなるｄ相Ｓ２と、を含む混合室４と、を有するピストンシリンダー型の希釈冷凍機であって、プランジャ３は外層パイプ２の内径と同じ外径であり、プランジャ３の外周面に設けられ、先端５ａがｄ相Ｓ２に位置し、ｄ相Ｓ２の^３Ｈｅ−^４Ｈｅ混合液を導出する溝５と、溝５に埋没され、先端６ａがＣ相Ｓ１に位置し、Ｃ相Ｓ１に^３Ｈｅを供給する配管６と、を有する構成をとる。

そのため、希釈冷凍機１の本体が傾斜していても、予め、その傾斜に併せて、混合室４の上部のＣ相Ｓ１に、^３Ｈｅを供給する配管６の先端６ａを配置することで、混合室４の上部に安定してＣ相Ｓ１を設けることができる。また、予め、その傾斜に併せて、混合室の下部のｄ相Ｓ２に溝５の先端５ａを配置することで、^３Ｈｅ−^４Ｈｅ混合液をｄ相Ｓ２へ導出することができる。これにより、Ｃ相Ｓ１とｄ相Ｓ２との接触面Ｓ３を極低温を得るのに適した状態に保つことができる。
その結果、鉛直方向以外の任意の傾きでも冷凍することができる。

また、本実施形態の希釈冷凍機１によれば、外層パイプ２内に、溝５に配管６が巻かれたプランジャ３を、混合室４の上部に配管６の先端６ａが位置し、混合室４の下部に溝５の先端５ａが位置するように挿入する構成をとる。そのため、装置の構成がシンプルとなり、メンテナンスを容易に行うことができる。

また、本実施形態の希釈冷凍機１によれば、溝５が螺旋状であるため、配管６内を流れる液体^３Ｈｅと、配管６の外側の^３Ｈｅ−^４Ｈｅ混合液との間で効率的に熱交換が行われ、液体^３Ｈｅを効率的に冷却することができる。

本発明の希釈冷凍機を用いることで、ヘリウムガスの同位体（^３Ｈｅおよび^４Ｈｅ）を用いて約１００ｍＫの極低温を安定して得ることができる。

１，１０１…希釈冷凍機
２，１０２…外層パイプ
２ａ…先端
３，１０３…プランジャ
３ａ…先端
４，１０４…混合室
５…溝
５ａ…先端
６，１０６…配管
６ａ…先端
７，１０７…分留室
８，１０８…熱交換室
Ｓ１，Ｓ１０１…Ｃ相（^３Ｈｅリッチ相）
Ｓ２，Ｓ１０２…ｄ相（^４Ｈｅリッチ相）
Ｓ３，Ｓ１０３…接触面

Claims (2)

1. 先端が閉じられた外層パイプと、
   前記外層パイプの内部に挿入されるプランジャと、
   前記外層パイプの先端の内周面と前記プランジャの先端とに囲まれ、上部に^３Ｈｅからなる^３Ｈｅリッチ相と、下部に^３Ｈｅ−^４Ｈｅ混合液からなる^４Ｈｅリッチ相と、を含む混合室と、を有するピストンシリンダー型の希釈冷凍機であって、
   前記プランジャは前記外層パイプの内径と同じ外径であり、
   前記プランジャの外周面に設けられ、先端が前記^４Ｈｅリッチ相に位置し、前記^４Ｈｅリッチ相の^３Ｈｅ−^４Ｈｅ混合液を導出する溝と、
   前記溝に埋没され、先端が前記^３Ｈｅリッチ相に位置し、前記^３Ｈｅリッチ相に^３Ｈｅを供給する配管と、を有し、
   鉛直方向に対して傾斜している希釈冷凍機であり、
   傾斜にあわせて前記溝の先端が前記 ^４ Ｈｅリッチ相に配置されるとともに、前記配管の先端が前記 ^３ Ｈｅリッチ相に配置されることを特徴とする希釈冷凍機。
2. 前記溝が螺旋状であることを特徴とする請求項１に記載の希釈冷凍機。

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