JPH0316592B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明はヘリウムガスサイクル冷凍装置に設
けられてその温度振幅を制振するサーマルダンパ
に関するものである。

一般にヘリウムガスサイクル冷凍装置におい
て、被冷却体として例えば半導体レーザ素子、ジ
ヨセフソン素子センサなどの冷却を行なう場合、
冷凍機に素子を直接固定することは低温熱伝達器
の温度振幅のためセンサ性能を著しく阻害する
か、ダメージを与える。この温度振幅を小さくす
るため冷凍機と被冷却体の間に高容積比熱のセラ
ミツクを用いたサーマルダンパ、あるいは銅より
線を用いた熱伝達緩衝器などを設けているが、高
価、有効温度域が狭い、熱伝達損失が大きいなど
の欠点がある。

第１図は従来のガスサイクル冷凍機を用いた冷
凍装置の構成を示す概略図で、図において、１は
ガス圧縮機、２はモータ、３はガス切替弁、４は
１段シリンダ、５は２段シリンダ、６は１段ピス
トン、７は２段ピストン、８は１段シール、９は
２段シール、１０は１段蓄冷材、１１は２段蓄冷
材、１２は１段熱伝達器、１３は２段熱伝達器、
１４は１段冷凍発生部、１５は２段冷凍発生部、
１６は銅より線、１７は被冷却体である。

循環ヘリウムガスは圧縮機１で加圧され、その
高圧ヘリウムガスは切替弁３に入り、１段蓄冷材
１０を通り一部は１段冷凍発生部１４へ、残りは
２段蓄冷材１１を通り２段冷凍発生部１５へ入
る。この時各１、２段ピストン６，７はシリンダ
４，５内を上昇し、高圧ヘリウムガスが各１、２
段冷凍発生部を満たす。ピストンが最上端に達し
た時切替弁が圧縮機１の低圧系に連通し、各１、
２段冷凍発生部の高圧ヘリウムガスは低圧に膨張
し冷凍を発生する。この後各１、２段ピストンは
下降し、冷凍ガスは各１、２段蓄冷材を通過し蓄
冷材の熱を取り、すなわち冷熱を蓄え圧縮機に常
温ガスとして戻し、上記サイクルを繰り返すこと
により極低温を発生する。この発生した極低温を
被冷却体１７に銅より線１６などで熱伝達してい
る。

上記のように構成された従来の冷凍装置では、
冷凍機の熱伝達器は一般に銅で作られるため、
20K以下において銅の容積比熱すなわち熱エネル
ギを貯蔵する能力が極めて少なくなり、冷凍機冷
凍発生部に高圧ヘリウムガスが入る温度と、低圧
に膨張し冷凍発生して降下した温度とが熱交換授
受され、熱伝達器外表面に極めて抵抗のない形で
温度振幅として表われてくる。この温度振幅がク
ライオセンサ例えば半導体レーザ素子、ジヨセフ
ソン素子などに伝達されるとセンサ性能に悪影響
を与えるため、冷凍機熱伝達器とセンサとの間に
熱伝達緩衝器すなわちサーマルダンパとしてセラ
ミツク、銅より線などを用いているが、セラミツ
クの場合多種類のセラミツクを温度域に従つて選
択し複雑な工作を行うことが必要となり、高価に
なる欠点があり、又銅より線の場合多数の本数で
数cmの長さが必要であり、熱伝達損失が多くなり
不経済である欠点があつた。

第２図は本発明に関連して99.9％銅およびヘリ
ウムガスの温度と容積比熱の物性値を示す。縦軸
を容積比熱（密度と比熱の積）、横軸を絶対温度
で表わしてあり、一般に用いているガスサイクル
冷凍機の銅熱伝達器材と冷凍機の運転圧力に相当
する冷媒ヘリウムガスの物性比較を示している。

図で明らかなごとく20atｍの高圧ヘリウムガス
と銅材の交点は27K付近にあり、5atｍの低圧ヘ
リウムガスと銅材の交点は20K付近となる。一般
に温度振幅の影響は15K以下より発生することか
ら、材料の容積比熱の値からみて冷媒ヘリウムガ
スが有効なことがわかる。

本発明はヘリウムガスを冷媒とするガスサイク
ル冷凍装置の熱伝達器と被冷却体の間に極低温時
の容積比熱の大きい冷凍機循環ヘリウムガスを内
封し、冷凍熱エネルギを十分に貯蔵し良熱伝達構
造となし、従来装置より温度制振効果を効率よく
簡便に低価格で得られる極低温サーマルダンパを
提供することを目的とするものである。以下実施
例に従つて本発明を詳細に説明する。

第３図は本発明の一実施例を示す構成図であ
る。１，２，１２，１３，１７は第１図の従来冷
凍装置の該当部分に相当する。１８は高圧圧力
計、１９は低圧圧力計、２０は自封式継手、２１
はフイルタ、２２は圧力制振連結管、２３は不純
ガス吸着器、２４は毛細管、２５は極低温サーマ
ルダンパである。

上記のように構成された冷凍装置において、冷
凍機の作動は常温より低温に温度降下するに従い
冷凍機処理ガス量は増加し、高圧圧力計１８の圧
力振動は20K以下において約1atｍ発生する。こ
の圧力振動は低圧圧力計１９も同様である。ガス
サイクル冷凍機の切替弁、シール、ピストン、シ
リンダなどの各摩耗粉は冷凍機低圧時に低圧ガス
と共に圧縮機へガス輪送される。このダストある
いは圧縮機より供給される高圧ガス中のダストを
過するフイルタ２１、高圧系又は低圧系よりガ
ス導入するための自封式継手２０、圧力振動を制
振するため内挿したオリフイス又は毛細管など
（図示しない）を有する圧力制振連結管２２、ヘ
リウムガス中に含まれた不純ガスを吸着する吸着
器２３、熱伝達器１２と吸着器２３とを連接する
管２６、毛細管２４を図示の如く設ける。毛細管
２４は熱侵入を防止するごとく冷凍機シリンダ５
周囲を適当な接触と適当な長さで取囲む。冷凍機
熱伝達器１３と被冷却体１７、例えばセンサの間
に極低温サーマルダンパ２５を設ける。各構成部
２０，２１，２２，２３，２４，２５が連通せし
められている。

被冷却体の冷却は極低温サーマルダンパ２５の
金属ケース例えば銅材で行なわれ、、この熱伝導
率は300K〜5K付近において約400w／ｍ．ｋの良
熱伝導体である。これに対して内封されたヘリウ
ムガスは300Kで0.2w／ｍ．ｋとなり、極めて不
良熱伝導体であることが知見されている。

この相反する物性を有効に機能させるため本発
明による極低温サーマルダンパ２５はケース上下
金属フランジ部よりの熱伝達表面積を広げるため
高いフイン２７，２８を設け、ヘリウムガスの対
流熱交換効果をあげている。

冷却は上記熱伝達抵抗の極めて少い銅材料など
で行なわれ、温度振幅の制振は300K〜27Kまで
は主として銅材が熱エネルギを吸収し、制振作用
を行い、27K以下においては容積比熱の大きなヘ
リウムガスが主として制振作用を行うようにす
る。20atmの高圧ヘリウムガスは27K以下におい
て制振効果が有効で、5atmのヘリウムガスは特
に7K以下で有効となる。

上記実施例では極低温サーマルダンパの材料と
して銅材を用い、フイン型熱交換器構造を示した
が、サーマルダンパとしては極めて熱伝達の悪い
構造、例えばステンレス鋼製の箱型が最も効果が
ある。変形例としてサーマルダンパの軸方向壁材
にステンレス鋼、熱伝達材にアルミニウム、アル
ミ合金材など、熱交換形式としてスパイラル型、
リボン型、多管型など材料、構造を適宜選択する
ことができる。

以上説明したように、本発明による極低温サー
マルダンパ２５を具えたガスサイクル冷凍装置は
従来のガスサイクル冷凍装置に比して、同様の運
転手段をもつて、極低温を被冷却体に有効に熱伝
達し、ヘリウムガスでもつて熱エネルギを十分貯
蔵し、従来装置より温度制振効果に優れており、
簡便で経済的な効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のガスサイクル冷凍機を用いた冷
凍装置の構成を示す概略図、第２図はヘリウムガ
スと銅の温度と容積比熱の物性値、第３図は本発
明のサーマルダンパ実施例を有する冷凍装置の概
略図である。 図において、１は圧縮機、２はモータ、１２は
１段熱伝達器、１３は２段熱伝達器、１７は被冷
却体、２１はフイルタ、２２は圧力制振連結管、
２３は不純ガス吸着器、２４は毛細管、２５は極
低温サーマルダンパである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ヘリウムガスを冷媒とするガスサイクル冷凍
   装置に使用する極低温サーマルダンパであつて、 前記冷凍装置の冷凍熱伝達器と被冷却体との間
   に熱交換器を配置し、該熱交換器の内部を前記冷
   凍装置のヘリウムガス循環路に連通して、前記冷
   凍装置を循環するヘリウムガスの一部を前記熱交
   換器の内部に案内するようにして構成したことを
   特徴とする極低温サーマルダンパ。 ２ 前記熱交換器と前記冷凍装置のヘリウムガス
   循環路とを連通接続する連結路中に、前記冷凍装
   置の運動部分で発生する摩耗粉を除去するフイル
   ターを配置した特許請求の範囲第１項に記載の極
   低温サーマルダンパ。 ３ 前記熱交換器と前記冷凍装置のヘリウムガス
   循環路とを連通接続する連結路中に、不純ガス吸
   着器を配置した特許請求の範囲第１項又は第２項
   に記載の極低温サーマルダンパ。