JPH0587295A - クライオスタツト - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 クライオスタットのネック部の内壁を介して
外部からの侵入熱による低温液化ガスの蒸発ロスを防止
しつつ、ネック部の長さを短くしてコンパクト化を図
る。 【構成】 ネック部３の内壁５Ｂに、周方向に環状に連
続する凹部１０を形成し、かつその凹部１０の内奥部１
１Ｂを、ネック部の軸線方向と平行に真空断熱層７中に
延出させ、かつ凹部１０に断熱材１１を挿入し、かつそ
の断熱材１１の凹部開口端側の端部が蓋体４と接するよ
うに位置決めした構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、半導体材料や金属材
料、非金属材料、その他各種素子などの試料に対して低
温で実験や測定を行なうために、試料を液体ヘリウム等
の低温液化ガスで冷却保持するためのクライオスタット
に関するものであり、特にそのネック部の短縮を図った
クライオスタットに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、低温科学の発達に伴ない、半導体
等の各種材料や素子の低温特性や低温挙動を調べるため
に、低温での測定、実験を行なう機会が増加しつつあ
る。このような低温試験装置では、液体ヘリウムや液体
窒素などの低温液化ガスによって試料を所定の低温に冷
却保持するのが通常であり、一般にこのような冷却装置
をクライオスタットと称している。

【０００３】従来のクライオスタットの代表的な一例を
図４に示す。図４において、例えば球形をなす槽本体１
の内部は、低温液化ガス８や測定対象となる試料等を収
容する冷却室２が形成されている。その槽本体１の上部
には、中空円筒状のネック部３が連続一体に形成されて
おり、このネック部３の上端の開口端３Ａに蓋体４が上
方から挿入されるようになっている。そしてまた槽本体
１およびネック部３はその壁部が内壁５と外壁６からな
る内部２重壁構造とされており、その内壁５と外壁６と
の間は真空断熱層７とされている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前述のようなクライオ
スタットにおいては、槽本体１およびネック部３はその
周囲が真空断熱層７によって真空断熱されていて、その
部分での断熱効果は高いが、ネック部３の開口端３Ａお
よび蓋体４の部分では真空断熱がなされていない。その
ためネック部３の開口端３Ａおよび蓋体４の部分で外部
からの相当量の熱侵入が生じることは避け難い。この外
部からの侵入熱は、ネック部３の内壁を伝わって槽本体
１の内壁から低温液化ガス８に与えられ、低温液化ガス
８を蒸発させる。このようなネック部３の開口端３Ａ、
蓋体４からの熱侵入による低温液化ガスの蒸発ロスを可
及的に防止するため、従来はネック部３の長さを長くし
て、ネック部３の開口端３Ａや蓋体４の部分から槽本体
１内の低温液化ガス８に至るまでの距離を大きくし、そ
の間での内壁の伝熱抵抗を大きくすることにより、槽本
体１内に至る侵入熱を少なくし、低温液化ガスの蒸発ロ
スをできるだけ少なくすることが行なわれている。

【０００５】このように従来のクライオスタットでは、
侵入熱による低温液化ガスの蒸発ロスを少なくするた
め、ネック部の長さを長くせざるを得なかったが、実際
の使用状況では、クライオスタットを狭い場所に設置し
たいこともあり、このような場合、長いネック部が邪魔
になってしまう問題がある。また狭い場所に設置する場
合に限らず、輸送や保管上の問題などから、コンパクト
化することが望まれることが多い。さらに、クライオス
タットを用いる各種試料の実験や測定を行なうにあたっ
ては、槽本体内の試料に対する外部からの信号線を、蓋
体の部分を通してネック部を介し槽本体内に導くことが
多いが、ネック部が長ければそれに伴なって信号線も長
くならざるを得ず、そのため試料と外部の電子回路との
間で信号の伝達の遅れが生じ、高速作動素子などを試料
とする場合には問題が生じることがあった。

【０００６】この発明は以上の事情を背景としてなされ
たもので、ネック部の開口端および蓋体の部分からの熱
侵入による低温液化ガスの蒸発ロスを少なくすると同時
に、ネック部の長さを短くしたクライオスタットを提供
することを目的とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明においては、前
述の課題を解決するため、基本的には、低温液化ガスを
収容する冷却室を内部に形成した槽本体と、その槽本体
の上部に上方へ突出するように形成された中空円筒状の
ネック部と、そのネック部に上方から挿入される蓋体と
を有し、かつ前記槽本体およびネック部は、その壁部が
内外２重壁構造とされて、その内壁と外壁との間に真空
断熱層が設けられたクライオスタットにおいて、前記ネ
ック部の内壁の所定位置には、周方向に環状に連続する
凹部が形成され、かつその凹部はその内奥部がネック部
の軸線方向と平行に前記真空断熱層中に延出されてお
り、さらに前記凹部には、その開口端から内奥部まで連
続する断熱材が挿入されており、その断熱材における凹
部開口端側の端部が前記蓋体と接するように位置決めさ
れた構成としている。

【０００８】またここで、請求項２の発明のクライオス
タットにおいては、請求項１の発明において、前記断熱
材における蓋体と接する面に良熱伝導性材料からなる伝
熱層が設けられており、しかもその伝熱層は蓋体と接す
る部分から凹部内へ所定長さの位置まで延長された構成
としている。

【０００９】

【作用】この発明のクライオスタットにおいては、ネッ
ク部の内壁の所定位置に、周方向に連続する凹部が形成
されており、かつその凹部は、内奥部がネック部の軸線
方向と平行に真空断熱層中に延出されている。したがっ
てネック部の開口端から下端に至るまでの内壁の長さ
は、開口端から下端までの空間的な直線距離よりも凹部
の内壁面の断面長さ分だけ長くなっている。ここで、凹
部は前述のように内奥部がネック部の軸線方向と平行に
真空断熱層中に延出されているから、凹部内奥部の互い
に対向する面を考慮すれば、その内奥部の延出長さの２
倍も内壁長さを稼ぐことができる。

【００１０】このようにネック部の開口端から下端に至
るまでの内壁の長さが、見掛け上の開口端から下端まで
の直線距離よりも著しく大きくなるから、ネック部の見
掛け上の長さを短くしても、開口端から下端に至るまで
の内壁の実際の長さを大きくすることができ、そのため
ネック部の開口端や蓋体を介しての外部からの侵入熱が
ネック部の内壁伝いに槽本体に至るまでの伝熱距離を大
きくすることができるから、その間の伝熱抵抗を大きく
して、槽本体にまで与えられる侵入熱を少なくし、低温
液化ガスの蒸発ロスを少なくすることができる。換言す
れば、侵入熱による低温液化ガスのロスを大きくするこ
となく、ネック部の見掛け上の長さを小さくして、クラ
イオスタットのコンパクト化を図ることができるのであ
る。

【００１１】ここで、単にネック部の内壁に凹部を形成
するのみならず、その凹部に、内奥部に至るまで断熱材
を挿入しておくことが重要である。すなわち、断熱材が
凹部に挿入されていない場合には、凹部の対向面間でガ
スを介しての熱伝達が生じて、内壁伝いの熱伝達の距離
を稼ぐ効果が失われてしまう。しかしながら断熱材を凹
部に挿入しておくことにより、凹部の対向面間でのガス
を介しての熱伝達が阻止され、前述の効果を充分に得る
ことができるのである。

【００１２】そしてまた、凹部に挿入された断熱材の凹
部開口端側の端部が蓋体と接していることも重要であ
る。すなわち、このようにすることによって、蓋体と断
熱材の凹部開口端側の端部との間のガスの流通が実質的
に遮断される。換言すれば、凹部開口端付近において、
下方の槽本体の冷却室から蒸発した低温のガスが、凹部
内に導かれずに凹部よりも上方の隙間（蓋体とネック部
内壁との間の隙間）へ直ちに至ってしまうことを防止し
ている。したがって下方の冷却室からの低温のガスは、
下方から凹部開口端の下側の内面と断熱材端部の下側の
面との間の隙間に導かれ、凹部内面と断熱材との間の隙
間を通って凹部の内奥部に至り、その内奥部から同じく
凹部内面と断熱材との間の隙間を通って凹部開口端の上
側と断熱材上面との間の隙間から流出し、蓋体との間の
隙間へ導かれることになる。そのため、凹部内の内壁全
体を低温のガスによって冷却して、外部からの侵入熱を
内壁面から奪い、内壁伝いの侵入熱の熱伝達を少なくす
ることができる。そのため前述のように内壁における熱
伝達距離を稼ぐ効果と相俟って、外部侵入熱による冷却
室での低温液化ガスの蒸発ロスを少なくすることができ
る。また上述のように低温のガスが凹部内で断熱材表面
と凹部内面との間の隙間を流れるため、断熱材自体も冷
却されることになり、その断熱材の端部に接する蓋体を
も冷却することができる。

【００１３】さらに請求項２の発明のクライオスタット
においては、断熱材における蓋体と接する側の面に、良
熱伝導材料からなる伝熱層が形成されていて、その伝熱
層が蓋体と接する部分から凹部内へ所定長さの位置まで
延長されている。したがってその伝熱層が凹部内の断熱
材と凹部内面との間を流れる低温のガスによって冷却さ
れ、その伝熱層に接する蓋体の熱を奪って蓋体を冷却
し、外部からの蓋体を介しての熱侵入を一層少なくする
ことができる。

【００１４】

【実施例】図１から図３にこの発明の一実施例のクライ
オスタットを示す。槽本体１は図示の例では球形をなす
ように作られており、その内部には低温液化ガス８を収
容するための冷却室２が形成されている。槽本体１の上
部には、中空円筒状をなすネック部３が連続一体に形成
されている。槽本体１は内壁５Ａと外壁６Ａとからなる
内外２重壁構造に作られ、ネック部３も内壁５Ｂと外壁
６Ｂとからなる内外２重壁構造とされている。そして各
内壁５Ａ，５Ｂと各外壁６Ａ，６Ｂとの間は真空断熱層
７とされている。なおネック部３の開口端３Ａには上方
から蓋体４が挿入されるようになっている。

【００１５】前記ネック部３の内壁５Ｂの中間位置（蓋
体４の下端近くの位置）には、そのネック部３の円周方
向へ環状に連続する凹部１０が形成されている。この凹
部１０は、その開口部１０Ａがネック部３の中心軸線へ
向けて半径方向内向きに開口するように作られ、かつそ
の開口部１０Ａに連続する内奥部１０Ｂは、ネック部３
の中心軸線と平行な円筒状の空間を形成するように作ら
れている。したがって凹部１０の内奥部１０Ｂは、ネッ
ク部３における内壁５Ｂと外壁６Ｂとの間の真空断熱層
７中に延出されることになる。

【００１６】さらにネック部３の凹部１０には、発泡ポ
リウレタン等からなる断熱材１１が挿入されている。こ
の断熱材１１は、凹部１０の内奥部１０Ｂの形状に対応
する中間筒状部１１Ｂの上端に、開口部１０Ａの形状に
対応する内向きフランジ部１１Ａを連続一体に形成した
ものであって、その内向きフランジ部１１Ａの内側端部
は、その少なくとも上面がネック部３の内壁５Ｂの表面
よりも若干突出するように寸法が定められている。また
この断熱材１１の上面（内向きフランジ部１１Ａの上
面）および外周面上部（筒状部１１Ｂの外周面上部）に
は、銅板等の良熱伝導材料からなる伝熱層１２が連続し
て形成されている。そして断熱材１１の内向きフランジ
部１１Ａの内側端部の上面には蓋体４の周縁部下端面４
Ａが接するようになっており、したがって伝熱層１２の
上面に蓋体４の周縁部下端面４Ａが接することになる。
なお蓋体４にも、銅板等の良熱伝導材料からなる伝熱層
１３を、蓋体４の周縁部下端面４Ａに露呈するように、
すなわち前記伝熱層１２と接するように形成しておくこ
とが望ましい。

【００１７】以上の実施例において、図１、図３に示す
ようにネック部３の内壁５Ｂにおける上端から凹部１０
の開口端までの距離をＬ₁ 、凹部１０の開口部１０Ａの
幅をＬ₂ 、凹部１０の開口端から内壁５Ｂの下端までの
距離をＬ₃ とし、さらに凹部１０の開口部１０Ａの深さ
（半径方向の深さ）をＬ₄ とし、凹部１０の内奥部１０
Ｂの深さ（軸線方向に沿った深さ）をＬ₅ とすれば、内
壁５の上端から下端までの見掛け上の直線空間距離は Ｌ₁ ＋Ｌ₂ ＋Ｌ₃ となる。これに対し内壁５の実際の長さは、 Ｌ₁ ＋Ｌ₂ ＋Ｌ₃ ＋２×Ｌ₄ ＋２×Ｌ₅ となる。したがってネック部３の内壁５Ｂの長さは、見
掛け上の直線空間距離よりも格段に長くなっていること
が明らかである。

【００１８】また前述の実施例において、蓋体４をネッ
ク部３の開口端部３Ａに挿着した状態では、蓋体４の周
縁部下端面４Ａが、ネック部３の凹部１０に挿入された
断熱材１１の内向きフランジ部１１Ａの端部上面に接す
る。したがってその部分でガスの流通が実質的に遮断さ
れるから、槽本体１の冷却室２内の低温液化ガス８から
蒸発された低温の気化ガスは、凹部１０における開口部
１０Ａの下面と断熱材１１の内向きフランジ部１１Ａの
下面との間の隙間に流入し、凹部１０の内奥部１０Ｂま
でその凹部内面と断熱材筒状部１１Ｂの内周面表面との
間の隙間を通って導入され、さらに断熱材筒状部１１Ｂ
の外周面と凹部内周面との間の隙間を通って開口部１０
Ａの上面と断熱材内向きフランジ部１１Ａの上面との間
の隙間を出て上方へ流出することになる。そしてこのよ
うに凹部１０の内面と断熱材１１との隙間に低温ガスが
導入されることによって、凹部１０の内面が低温に冷却
されるとともに、断熱材１１も冷却されることになる。

【００１９】さらに、前述のように蓋体４の周縁部下端
面４Ａが断熱材１１の内向きフランジ部１１Ａの端部上
面に接した状態では、蓋体４の下面の伝熱層１３が断熱
材１１の内向きフランジ部１１Ａの上面の伝熱層１２に
接することになる。この伝熱層１２は断熱材１１と凹部
１０の内面との間の隙間に導入される低温のガスによっ
て冷却されており、したがって蓋体４の熱が伝熱層１
３、伝熱層１２を介して導かれ、蓋体４の下部が冷却さ
れる。

【００２０】なお以上の実施例では槽本体１が球形のも
のとしたが、槽本体１の形状はこれに限らず、垂直円筒
状、水平円筒状等、任意の形状とすることができる。

【００２１】

【発明の効果】この発明のクライオスタットにおいて
は、ネック部の内壁に周方向に環状に連続する凹部が形
成されかつその凹部の内奥部はネック部の軸線方向と平
行に真空断熱層中に延出されており、したがってネック
部の内壁の上端から下端までの長さは、見掛け上の空間
直線距離よりも格段に長くなるから、たとえネック部の
見掛け上の長さが短くてもネック部における内壁伝いの
上端から下端までの熱伝達距離が著しく大きくなり、か
つその熱伝達距離を稼ぐに寄与する凹部には断熱材が挿
入されているから、凹部の対向面間でのガスを介しての
熱伝達も阻止される。さらに凹部の開口端において断熱
材の端部が蓋体に接することから、槽本体の低温液化ガ
スの蒸発ガス（低温ガス）が凹部の内奥部まで導入さ
れ、凹部の内面が充分に冷却されるとともに、断熱材自
体も冷却されることになる。したがってこれらの作用が
相俟って、ネック部の見掛け上の長さが短くても、外部
の熱がネック部開口端や蓋体からネック部の内壁伝いに
槽本体内まで侵入することを充分に防止して、槽本体内
の低温液化ガスの蒸発ロス量を充分に少なくすることが
できる。そしてこのようにネック部の見掛け上の長さを
短くすることができるため、クライオスタットの全体の
高さを低くして、コンパクト化を図ることができ、その
ためクライオスタット設置上の制約が少なくなるととも
に、保管や輸送にも有利となり、さらに蓋体を介して外
部からの信号線を槽本体内に導入する場合においてその
信号線の長さを短くし、信号の遅延を防止することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例のクライオスタットを示す
縦断正面図である。

【図２】第１図のＸ−Ｘ線における横断平面図である。

【図３】第１図のクライオスタットの要部を拡大して示
す部分省略縦断面図である。

【図４】従来のクライオスタットの一例を示す略解的な
縦断面図である。

【符号の説明】

１ 槽本体 ２ 冷却室 ３ ネック部 ４ 蓋体 ５，５Ａ，５Ｂ 内壁 ６，６Ａ，６Ｂ 外壁 ７ 真空断熱層 ８ 低温液化ガス １０ 凹部 １０Ａ 開口部 １０Ｂ 内奥部 １１ 断熱材 １２ 伝熱層

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 低温液化ガスを収容する冷却室を内部に
   形成した槽本体と、その槽本体の上部に上方へ突出する
   ように形成された中空円筒状のネック部と、そのネック
   部に上方から挿入される蓋体とを有し、かつ前記槽本体
   およびネック部は、その壁部が内外２重壁構造とされ
   て、その内壁と外壁との間に真空断熱層が設けられたク
   ライオスタットにおいて、 前記ネック部の内壁の所定位置には、周方向に環状に連
   続する凹部が形成され、かつその凹部はその内奥部がネ
   ック部の軸線方向と平行に前記真空断熱層中に延出され
   ており、さらに前記凹部には、その開口端から内奥部ま
   で連続する断熱材が挿入されており、その断熱材におけ
   る凹部開口端側の端部が前記蓋体と接するように位置決
   めされていることを特徴とするクライオスタット。
2. 【請求項２】 前記断熱材における蓋体と接する面に良
   熱伝導性材料からなる伝熱層が設けられており、しかも
   その伝熱層は蓋体と接する部分から凹部内へ所定長さの
   位置まで延長されている請求項１に記載のクライオスタ
   ット。