JPH02157575A - 低温冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は低温冷却装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来の装置は、例えば、特開昭５９−８１４６２号公報
のような、寒冷発生回路と被冷却体の冷却回路とを別々
に設け、ジュールトムソン弁を用いて高圧Ｈｅガスを液
化し寒冷源を生成し、液体Ｈｅで冷却対象物を浸漬して
収納する冷却チャンバ内の気化したＨｅガスを寒冷かの
寒冷寒冷によって凝縮し再液化する装置がある。

また、特開昭５９−１３２６０３号公報のような、熱負
荷と液化器との間に重力式により冷却媒体を循環させる
循環系路を設け、冷凍手段で液化器を冷却して循環系路
の熱負荷で気化した冷却媒体を液化器で再液化して熱負
荷側に供給される装置６がある。

また、特開昭６３−１２８６３０号公報に記載のような
、真空容器内に収納された低温試料台に低ｍ液化ガス槽
を取り付けて低温試料台を冷却する装置がある。

〔発明が解決しようとする譜題〕 上記従来技術は、被冷却体の冷却運転の最適運転ならび
に被冷却体の温度制御の点について配慮されておらず、
被冷却体は液化冷媒により直接に冷却され、冷媒は気化
、再液化の循環を自然に繰り返えすようになっており、
被冷却体の負荷変動に対して気化、再液化のバランスを
調整しにくかったり、また、被冷却体の温度が液化冷媒
の温度で決まってしまう等、冷却運転の操作性、制御性
が悪いという問題があった。

本発明の目的は、被冷却体の冷却運転の操作性を向上す
ることのできる低温冷却装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上ＩＣ目的を達成するために、内部に有した熱交換手段
を液化ガスで冷却する熱交換容器と、液化ガスを１５’
蔵する貯蔵タンクと、気化ガスを液化し貯蔵タンク内に
供給する液化手段と、貯蔵タンク内に液化ガスを熱交換
容器に送り熱交換容器の気化ガスおよび貯蔵タンク内の
気化ガスを液化手段に戻す手段と、熱交換容器内の熱交
換手段と被冷却体との間で冷媒を循環させる循環手段と
、これらを真空雰囲気内に保持する真空保持手段とで構
成したものである。

また、上記目的を達成するために、被冷却体と熱交換器
との間で冷媒を循環させる手段と、熱交換器を液化ガス
で冷却する手段とを真空雰囲気内に収納し、少なくとも
被冷却体の真空雰囲気を独立させて設けたものである。

また、上記目的を達成するために、内部に有した熱交換
手段を液化ガスで冷却する熱交換容器と、熱交換容器内
の液化ガス雰囲気圧力を減圧する手段と、熱交換手段と
被冷却体との間で冷媒ガスを高圧循環する手段と、被冷
却体の温度によって冷媒ガスの循環流蓋を調整する手段
とで構成したものである。

さらに、上記目的を達成するために、被冷却体を配置す
る試料台と、冷媒を冷却する冷却手段と、冷却された冷
媒を試料台と冷却手段との間で循環させる循環手段と、
試料台の温度を検出する温度検出手段と、試料台を加温
するヒータと、循環手段により循環される冷媒の循ポ装
胃を調整する流量調整手段と、温度検出手段からの検出
信号によって試料台が所定温度になるまでヒータを制御
し制御した熱量相当分の冷媒の循環流量な流量調整手段
で調整する制御手段とで構成したものである。

〔作　　用〕

液化手段、貯蔵タンク、熱交換容器および液化ガスの送
り、戻しを行なう手段から成る熱交換手段の液化ガス供
給回路と、熱父換手段、被冷却体および循環手段から成
る冷却回路とを独立の系にして構成し、冷却回路の冷媒
を循環手段によって強制循環させるようにしているので
、被冷却体の負荷に対応して最適な冷却運転ができ、操
作性が向上する。

また、被冷却体を独立した真空雰囲気にして、熱交換器
、冷却手段、４＆冷却体および循環手段から成る冷却回
路の真空雰囲気と別にしているので、被冷却体側の真空
雰囲気からの影響を受けることなく被冷却体の冷却運転
ができ、操作性が向上する。

また、熱交換容器内の液化ガス雰囲気を減圧手段によっ
て減圧させ、該減圧相当分の温度低下が生じて液化ガス
温度がさらに下がるとともに、熱交換手段、被冷却体お
よび高圧循環手段から成る冷却回路の高圧冷媒の流量を
、調整手段によって調整できるので、被冷却体の温度調
整範囲を大きくして冷却運転ができ、操作性が向上する
。

また、試料台にヒータと温度検出手段とを設けるととも
に、冷却手段、試料台および循環手段から成る冷却回路
に流量＠差手段を設けて、試料台の温度を検出して制御
装２ｉｌこよってヒータを制御し、ヒータにより所定温
度への到達を早クシ、その後、ヒータ制御に相当する熱
量分を制御装置によって流Ｊ１調整手段を制御し流量調
整するので、安定した冷却運転ができ、操作性が向上す
る。

〔実　施　例〕

以下、本発明の一実施例を第１図によって説明する。

真空雰囲気を形成する真空保持手段は、この場合、真空
保冷槽ｌと真空室２とで形成され、真空保冷槽１と真空
室２とは試料台部を介して分けられ、試料台ρの試料を
配置する面の側を真゛空室２内に設け、試料台ηの反対
面側を真空保冷槽１内に設けである。

真空室２には、図示しない試料配置手段、例えば、予備
真空室に試料を搬入し予備真空室内を真空雰囲気と同程
度にした後、試料を真空室２内に搬入し試料台ｎに配置
し、また、搬出時はこの逆の操作を行なう手段が設けで
ある。これは、試料台乙の真空雰囲気を保持して試料台
乙の温度を保持するためである。

試料台乙の内部には冷却流路幻が設けてあり、冷却流路
るの一方は熱交換器２１の一方に接続され、他方はバッ
フ１タンクδ、循環ポンプ２０．パフファタンクスな順
次介して熱交換器２１の他方に接続されて、循環ライン
部を形成し、循環手段を形成している。また、循環ポン
プ加の吐出、吸込側のラインの間には、弁４を介してバ
イパスラインコを設けて、循環ライン部の冷媒循環量の
ｔＭ、量調整手段を形成しである。

また、試料台ｎにはヒータ３１が設けてあり、試料台η
を加温可能にしである。ヒータ３１にはヒータ電源ηが
接続しである。また、試料台乙には温度検出手段である
温度センサあが設けてあり、検出信号は制御装置あに入
力され、制御装置ρあからは弁ｎおよびヒータ電源ｎに
制御信号が出力されるようになっている。

制御装置あは、温度センサおからの検出信号によって弁
ｎを制御し、例えば、試料台ｎの温度が設定値よりも高
いときＩこは弁ｎを絞り、バイパスする冷媒流量を少な
くして冷却流路おへ多くの冷媒を送る。試料台ｎの温度
が設定値よりも低いときには弁ｎを開き、バイパスする
冷媒流量を多くして冷却流路るへ送る冷媒址な少なくす
る。また、例えば、温度センサ羽からの検出信号によっ
てヒータ電源３２を制御し、例えば、試料台２２ｆ２）
温度が設定値よりも低いときにはヒータ３１を加温して
、Ｓ早（設定温度にし、その後、ヒータ３１で加温した
熱量分に相当する冷媒の循環流量を弁ｎを制御して減ら
す。

熱交換器２１は熱交換容器１２内に収納され、熱交換容
器１２内には液化ガスを溜めて熱交換器２１を浸漬して
冷却可能にしである。

熱交換容器１２の上部には、この場合、戻しポンプ１５
を介して冷凍機１ｏの寒冷部に堆り付けた熱交換器１６
につながる戻りライン１７が接続してあり、また、熱交
換器１６を収納した貯蔵タンク１１から流量調整弁１３
を介して熱交換容器しにつながる供給ライン１４が設け
である。また、熱交納容器１２には図示しない液面計が
設けてあり、図示しない制御装置により流量調整弁１３
を制御して、熱交換容器１２内の液化ガス社を一定に制
御可能にしである。

上記のように構成した装置によれば、まず、熱交換器Ｗ
　１２内で気化したガスは、戻しポンプ巧によって戻り
ライン１７を通して熱交換器１６に送られ、ここで、冷
凍機１０の発生する寒冷によって凝縮され、液化して財
戯タンク１１内に落下し溜まる。貯蔵タンクｌｌ内は、
戻しポンプ１５の作動によって熱交換容器１２内よりも
圧力が高くなっており、貯蔵タンク１１内の液化ガスは
供給ライン１４を通って熱交換器ｉｌ′１ｉ１２へ送ら
れる。このとき、熱交換容器１２に液化ガスを多く送り
過ぎないように、流量調整弁１３で制御する。なお、こ
のとき、貯蔵タンク１１と熱交換器器内の差圧だけでは
液化ガスを移送できない場合は、供給ライン１４に供給
ポンプを設ければ良い。

これにより、熱交換容器１２にいつも安定して液化カス
を供給することができるとともに、貯蔵タンク１１と熱
交換容器１２との間で液化ガス、気化ガスを循環させて
いるので、液化ガスまたは気化ガスの大幅な補光を必要
としなくてすむ。

また、熱交換１１８ｉ２１は常に熱交換器１ｉ１８１２
内の液化カスにより安定に冷却され、熱交換器２１で冷
却された循環ライン乙の冷媒は、循環ポンプ加の作動に
より、冷却流路田へ送られ、冷却された冷媒によって試
料台ｎは冷部され、試料台四の熱を奮って昇温した冷媒
は冷却流路幻を出て循環ポンプ加の吸込側に戻る。循環
ポンプ加の吐出側から出た冷媒は、熱交換′ａ２１に送
られ、再び冷部されて試料台ｎ側へ送られる。

このとき、循環ラインあの冷媒にガスを用いると、循環
ポンプ加でカスが昇圧され、ガス温度が上がるので、熱
交換器２１の上流側に設けるのが好ましい。また、試料
台ｎ１すなわち、被冷却体側の急激な温度変化、例えば
、高温になった場合、冷媒が急激に湯度上昇し膨張する
ので、循環ライ／あの途中にパブファタンクδまたは冴
を設けて、循環ラインに内の急激な圧力変動を防止させ
である。

循環ライン部内を循環する冷媒流肚は、弁ｎを操作して
バイパスラインあを流れる冷媒量を調整して行ない、試
料台η、すなわち、被冷却体側の負荷に合わせて冷媒循
環量を調整することができる。

また、冷媒は一定量保環させ、試料台部を充分に冷却可
能にしておき、ヒータ３１を制御して試料台四の加温量
を調整し、試料台ηを所定温度に設定するようにすれば
、試料台ｎの温度を任意に素早く設定することができる
。また、ヒータ３１によって、まず、試料台ｎを所定温
度に設定し、次に、該設定に要した熱社分に相当する冷
媒の循環量を弁ｎで調整することによって、試料台ｎを
素早々所定温度に設定できるとともに、その後、ヒータ
３１により余分な熱負荷を加えることな畷試料台ｎの温
度を保持でき、熱交換容器校内での気化ガス蓋を少なく
できる。

以上、本実施例によれば、供給ライン１４および戻りラ
イン１７のラインと、循環ラインＩとは別々に独立した
ラインとしているので、それぞれのラインはそれぞれに
単独に最適な運転が行なえ、さらに、循環ラインＩにお
いては、試料台ｎ、すなわち、被冷却体の負荷に対応し
て冷ｔｓ流量を調整し最適な冷却運転ができ、操作性を
向上させることができるという効果がある。

また、試料台２２部分で真空保冷槽１と真空室２とに真
空雰囲気を分けて設けているので、真空室２＠の雰囲気
が真空保冷権側に洩れることがないので、真空保冷槽１
の真空雰囲気を一定にでき、安定した冷却運転かでき、
操作性を向上させることができるという効果がある。ま
た、真空保冷槽１と真空室２とを図示しないそれぞれ別
の真空ポンプで減圧排気することで、真空室２側は真空
保冷槽ｌ側と違う圧力の真空雰囲気に制御でき、試料台
ｎに配置する試料をいろいろな圧力条件で処理すること
もできる。

また、温度センサおによって試料台ρの温度を１定しな
がら、試料台ｎの温度なヒータ３１によって素早く制御
できるとともに、弁γによって冷媒の循環流量を調整で
き安定した冷却運転ができ、操作を向上させることがで
きるという効果がある。

なお、本−実施例において、戻しポンプ１５の作動によ
り熱交換容器１２内は減圧ぎみになり、これをさらに進
めて、戻しポンプ１５の代わりに減圧ポンプを用いれば
、熱交換容器内の圧力が低下し、熱交換容器１２内の液
化ガスは圧力低下分に相当する温度降下を生じ、熱交換
器２１で冷却される冷媒温度がさらに低下して、試料台
ｎでの温度調整範囲をさらに拡げて冷却運動を行なうこ
とができ、操作を向上させることができるという効果が
ある。

また、循環ラインあの冷媒を熱交換器４部の気化ガスと
同じにし、循環ライン加の冷媒圧力を高くすれば、液化
ガス温度が低下しても熱交換器４部で冷媒が凝縮される
こともなく、低い温度で試料台ｎを冷却させることがで
きるという効果がある。このように、循環ライン々を循
環する冷媒は、液化ガスの気化ガスと同じもの、例えば
、窒素。

ヘリウム等でも良いし、違う組み合わせでも良い。

また、液化ガス温度で固化せず試料台部の負荷によって
気化しない液体であっても良い。

また、冷凍機ｌＯを直接に熱交換容器１２に設けて気化
ガスを凝縮するようにしても良いが、この場合は、熱交
換器４部の液化ガス量を多４して負荷変動が大きくなっ
て液化ガスの気化が増えても熱交換器２１が露出しない
ようにするか、または、冷凍機１０の冷凍能力を負荷変
動に合わせて制御可能にしておけば良い。また、本−実
施例では冷凍ｅｉｏの寒冷で気化ガスを凝縮するように
しているが、ジュールトムソン効果を用いた冷凍機に気
化ガスを戻し再液化するようにしても良い。また、この
ように貯蔵タンク１１を設けたものにおいては、供給ラ
イン１４および戻りライン１７を真空断熱配管とし、真
空保冷槽ｌから冷凍８！１ｏおよび貯蔵タンク１１を囲
んだ真空保冷槽を別にして、真空保冷槽ｌをコンパクト
にしたり、設置をし易くしたりしても良い。また、試料
台部と接続される部分の循環ラインかを真空断熱配管と
し、試料台部を真空室２内に収納し、他は真空保冷槽ｌ
内に収納してセパレート式にし、前述のように真空室２
だけにしてコンパクトにしたり、設置し易くしたりして
も良い。

また、本−実施例では真空室２に試料を配置できるよう
な試料台ｎ１すなわち、被冷却体を設けた構成にしてい
るが、被冷却体としてはタライオパネルのようなもので
あったり、超電導コイルのようなものであったりしても
良く、真空室２も被冷却体の種類に合わせた真空容器で
あって良い。

また、試料台ｎは、この場合、一体もので形成しである
が、冷却流路おおよびヒータ３１と試料台部の配置面と
の間に熱伝導可能な電気的絶縁材を介して形成し、冷却
流路おおよびヒータ３１側の試料台ｎを接地し、配置面
側の試料台部に直流または低・高周波等の電力な印加可
能にしても良い。

また、このような場合の真空室２としては、ガスを供給
して所定圧力化で該ガスをプラズマ化する手段を設けて
、試料台ｎ１．：１ＩＩｉ２置した試料をプラズマ処理
するようなものであっても良い。

さらに、循環ライン部の冷媒循環緻は、この場合、バイ
パスライン昂に設けた弁ｎで調整するようにしているが
、バイパスラインあの代わりに、循環ポンプの吐出量を
変えられるように循環ポンプ加の回転数を制御するよう
にしても良い。

〔発明の効果〕

本発明によれば、被冷却体の冷却運転の操作性を向上さ
せることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である低温冷却装置を示す構
成図である。 １・・・・・・真空保冷槽、２・・・・・・真空室、１
ｏ・曲・冷凍機、１１・・・・・・貯蔵タンク、稔・・
・・・・熱交換容器、１３・・・流量調整弁、１５・・
・・・・戻しポンプ、１６・・曲熱交換器、Ｉ・・・・
・循環ポンプ、４・・・・・熱交換器、ｎ・・・・・・
試料せ 容、ｎ・・・・・・弁

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、内部に有した熱交換手段を液化ガスで冷却する熱交
   換容器と、液化ガスを貯蔵する貯蔵タンクと、気化ガス
   を液化し貯蔵タンク内に供給する液化手段と、前記貯蔵
   タンク内の液化ガスを前記熱交換容器に送り該熱交換容
   器の気化ガスおよび前記貯蔵タンク内の気化ガスを前記
   液化手段に戻す手段と、前記熱交換容器内の熱交換手段
   と被冷却体との間で冷媒を循環させる循環手段と、前記
   これらを真空雰囲気内に保持する真空保持手段とから成
   ることを特徴とする低温冷却装置。 ２、被冷却体と熱交換器との間で冷媒を循環させる手段
   と、前記熱交換器を液化ガスで冷却する手段とから成り
   、前記これらを真空雰囲気内に収納し、少なくとも前記
   被冷却体の真空雰囲気を独立させて設けたことを特徴と
   する低温冷却装置。 ３、内部に有した熱交換手段を液化ガスで冷却する熱交
   換容器と、該熱交換容器内の液化ガス雰囲気圧力を減圧
   する手段と、前記熱交換手段と被冷却体との間で冷媒ガ
   スを高圧循環する手段と、前記被冷却体の温度によって
   前記冷媒ガスの循環流量を調整する手段とを有すること
   を特徴とする低温冷凍装置。 ４、被冷却体を配置する試料台と、冷媒を冷却する冷却
   手段と、該冷却された冷媒を前記試料台と前記冷却手段
   との間で循環させる循環手段と、前記試料台の温度を検
   出する温度検出手段と、前記試料台を加温するヒータと
   、前記循環手段により循環される冷媒の循環流量を調整
   する流量調整手段と、前記温度検出手段からの検出信号
   によって前記試料台が所定温度になるまで前記ヒータを
   制御し該制御した熱量相当分の冷媒の循環流量を前記流
   量調整手段で調整する制御手段とから成ることを特徴と
   する低温冷却装置。