JPH0658499A - クライオスタット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 クライオスタットの開口部の壁面を介しての
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、開口部の長さを短くしてコンパクト化を図る。 【構成】 槽本体１を水平な筒状とし、その外壁６と内
壁５との中間に、真空断熱空間７から隔絶された中間環
状空間１３を形成し、その中間環状空間１３が槽本体１
の開口部１１の内周面において周方向に連続して開口す
るようになし、かつ中間環状空間１３に断熱材１５を挿
入し、その断熱材の縁部が蓋体４と接するように構成し
た。

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、特にその高さの減少を図ったクラ
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５に示す。図５において、例えば球形をなす槽本体１
の内部には、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、その槽本体１に対する開口部１１を構成する中
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（開口部１１の上端）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との間は真空断熱空間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
周囲が真空断熱空間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の内壁を伝わって冷却
室２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３
Ａ、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の部分から冷
却室２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、冷却室２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ず、したがって冷
却室の容積に比して全高さが著しく高くならざるを得な
かったのである。ところ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、収容したいこともあり、
このような場合、従来のような全高さの高いクライオス
タットでは収容できないことが多い。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も、
全高さを短縮してコンパクト化することが強く望まれる
ている。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、冷却室内の試料に対
する外部からの信号線を、蓋体の部分を通してネック部
を介し冷却室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、槽本体の開口部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するかまたは実質的にネック
部が存在しないような構造とし、これによって全高さを
従来よりも格段に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
の上部に形成された開口部と、その開口部に上方から着
脱可能に挿入される密閉用の蓋体とを有し、かつ前記槽
本体は、その壁部が内壁と外壁とによって構成されて、
その内壁と外壁との間に真空断熱空間が形成されたクラ
イオスタットにおいて、前記槽本体は、その全体形状
が、水平な軸線を中心とする筒状をなすように作られて
おり、かつその槽本体の壁部のうち、筒状をなす部分の
上面側に前記開口部が設けられており、さらに槽本体の
壁部の筒状をなす部分における外壁と内壁との中間に
は、その外壁および内壁と平行な内外２重の中間壁が設
けられており、これらの内外２重の中間壁の間に、前記
真空断熱空間から隔絶される中間環状空間が形成され、
その中間環状空間は前記開口部の内周面にその全周にわ
たって開口されており、しかもその中間環状空間内には
全体として筒状をなす断熱材が挿入されていて、その断
熱材における前記開口部に対応する位置には、前記蓋体
が挿通される挿通口が貫通形成され、かつその挿通口の
縁部は、その全周にわたって蓋体と密に接する構成とし
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
材には、その挿通口の縁部において前記蓋体に接しかつ
その部分から中間環状空間の内部へ向って所定長さだけ
延長される伝熱層が形成された構成としている。

【０００９】さらに請求項３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、前記断熱材は、
前記内外２重の中間壁のうちいずれか一方または双方に
対面する側の面に、槽本体の軸心を基準とする螺旋状を
なす凹溝が形成されており、かつその螺旋状凹溝の間の
凸部が、それに対面する中間壁に接した構成としてい
る。

【００１０】

【作用】この発明のクライオスタットにおいては、槽本
体の壁部の筒状をなす部分の外壁と内壁との中間に、断
熱真空空間に対して隔絶されかつ外壁・内壁と平行な中
間環状空間が形成されている。この中間環状空間は、槽
本体の上部の開口部（蓋体を挿入すべき部分）の内周面
にその全周にわたって開口している。したがって槽本体
の開口部から見れば、その開口端（上端）から冷却室に
続く部分（下端）までの間に、前記中間環状空間が開口
部の内周面に対して引込んでいる凹部として存在するこ
とになる。そのため、槽本体の開口部の内周面における
その上端から下端に至る迄の間の壁面沿いの距離は、同
じく上端から下端に至る迄の間の空間的な直線距離より
も格段に長くなっている。具体的には、直線的な空間距
離よりも壁面沿いの距離は、中間環状空間の深さ（槽本
体開口部内周面に開口する位置から、軸線方向の端部に
至るまでの距離）の２倍分長くなっている。

【００１１】このように開口部内周面の開口端から下端
に至るまでの壁面沿いの長さが、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、開口
部の見掛け上の長さを短くしても、開口端から下端に至
るまでの壁面沿いの距離を大きくすることができ、その
ため開口部の開口端や蓋体を介しての外部からの侵入熱
が開口部の壁面伝いに冷却室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、冷却室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、開口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。ここで、槽本体の開口部は、通常は槽本体から突出
するネック部に形成されるのが通常であり、したがって
開口部の見掛け上の長さを小さくすることができること
は、そのネック部を短縮できることを意味し、さらに槽
本体から突出するネック部が実質的に存在しない状況と
することもできる。

【００１２】さらにこの発明のクライオスタットでは、
単に開口部の内周面に対して凹部として機能する中間環
状空間を形成するのみならず、その中間環状空間に、内
奥部分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、断熱材が中間環状空間に挿入されていな
い場合には、中間環状空間の対向面間でガスを介しての
熱伝達が生じて、壁面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中間環状空間に
挿入しておくことにより、中間環状空間の対向面間での
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。

【００１３】そしてまた、中間環状空間に挿入された断
熱材の挿通口（槽本体の開口部に対応する部分）の縁部
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、蓋体と断熱材の挿通口縁部と
の間のガスの流通が実質的に遮断される。換言すれば、
中間環状空間の挿通口付近において、下方の槽本体の冷
却室から蒸発した低温のガスが、中間環状空間内に導か
れずに中間環状空間よりも上方の隙間（蓋体と開口部内
壁との間の中間環状空間よりも上側の隙間）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、開口部の下方から中間環状空間
の下側の壁面と断熱材の下側の面との間の隙間に導か
れ、その隙間を通って中間環状空間の内奥部に至り、そ
の内奥部から同じく中間環状空間の上側の壁面と断熱材
の上側の面との間の隙間を通って開口部の上部へ流出
し、開口部内周面と蓋体との間の隙間へ導かれることに
なる。そのため、中間環状空間内の壁面全体を低温のガ
スによって冷却して、外部からの侵入熱を壁面から奪
い、壁面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中間環状空間の壁面によって
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中間環状空間内で
断熱材表面と中間環状空間の壁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。

【００１４】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中間環状空間内へ所定長さの
位置まで延長されている。したがってその伝熱層が中間
環状空間内の断熱材と中間環状空間の壁面との間を流れ
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。

【００１５】さらに請求項３の発明のクライオスタット
においては、中間環状空間内の断熱材に螺旋状の凹溝が
形成されている。したがって下方の冷却室からの低温ガ
スから中間環状空間内の隙間に導かれた低温のガスは、
断熱材の螺旋状の凹溝を通ることになる。このとき、凹
溝を螺旋状としておくことによって、低温ガスが断熱材
表面に沿って流れる距離が著しく高くなり、そのため断
熱材と中間環状空間の壁面を充分に冷却することが可能
となる。

【００１６】

【実施例】図１から図４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は図示の例では水平な軸線
を中心とする円筒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を収容するための内面円筒状の冷
却室２が形成されている。槽本体１の上部には、中空環
状をなす短いネック部３が連続一体に形成されている。
槽本体１の壁部１０は内壁５と外壁６とからなる内外２
重壁構造に作られており、内壁５と各外壁６との間は真
空断熱空間７とされている。また槽本体１の上部には、
ネック部３から槽本体１の壁部１０を貫通して蓋体４が
挿入される内周円筒面状の開口部１１が形成されてい
る。

【００１７】槽本体１の壁部１０のうち、円筒状をなす
部分には、内壁５と外壁６との中間位置、すなわち真空
断熱空間７内に、円筒状をなす内外２重の中間壁１２
Ａ，１２Ｂが設けられており、これらの中間壁１２Ａ，
１２Ｂの間が中間環状空間１３とされている。この中間
環状空間１３は中間壁１２Ａ，１２Ｂによって真空断熱
空間７と隔絶されていることになる。さらにこの中間環
状空間１３は、槽本体１の開口部１１に対応する部分に
おいて、その開口部１１の内周面の全周にわたって開口
している。したがって中間環状空間１３は、開口部１１
の内周面に対して凹部となっている。

【００１８】さらに前記中間環状空間１３には、発泡ポ
リウレタンなどからなる断熱材１５が挿入されている。
この断熱材１５は、中間環状空間１３の全体形状に対応
して、全体として中空円筒状をなすように作られたもの
であり、その中央の上部には、槽本体１の開口部１１に
対応する位置に蓋体４が挿通される挿通口１６が貫通形
成されている。この挿通口１６は、開口部１１の内径よ
りも若干小径に作られて、挿通口１６の縁部１６Ａが開
口部１１内に若干突出するようになっている。そしてこ
の縁部１６Ａが蓋体４の周縁部下向き面４Ａにその全周
にわたって接するようになっている。

【００１９】前記断熱材１５は、図４に詳細に示すよう
に、その内周面および外周面に、それぞれ螺旋状の凹溝
１７Ａ，１８Ａが形成されている。これらの凹溝１７
Ａ，１８Ａの間の凸部（螺旋状凸部）１７Ｂ，１８Ｂ
は、中間環状空間１３の各壁面（すなわち中間壁１２
Ａ，１２Ｂの表面）に接するようにその寸法が定められ
ている。さらに断熱材１５の挿通口１６の縁部１６Ａ付
近には、前記蓋体４の周縁部下向き面４Ａに接するよう
に、銅箔等の良熱伝導材料からなる伝熱層１９が形成さ
れている。この伝熱層１９は、挿通口１６の縁部１６Ａ
から、中間環状空間１３の内部へ向って所定距離だけ延
長するように設けられている。図示の例では、この伝熱
層１９は、断熱材１５の外周面側の螺旋状凹部１７Ａの
底部に所定長さに渡って延長されている。なお蓋体４に
も銅箔等の良伝熱材料からなる伝熱層２１を、蓋体４の
周縁部下向き面４Ａに露呈するように、すなわち断熱材
１５の側の伝熱層１９と面接触するように設けておくこ
とが望ましい。

【００２０】なお蓋体４は、例えば図４に示すように、
開口部１１に上方から挿入されるとともに、蓋体フラン
ジ部４Ｂとネック部３の上面との間がシール材２２によ
ってシールされ、かつビス２３によって固定されるのが
通常である。

【００２１】以上の実施例において、図１、図４に示す
如く開口部１１の内周面における上端（開口端）から中
間環状空間１３の開口縁部までの距離をＬ₁ 、中間環状
空間１３の開口幅をＬ₂ 、中間環状空間１３の開口縁部
から開口部１１の内周面下端までの距離をＬ₃ 、中空環
状空間１３の深さ（開口縁部からの長さ）をＬ₄ とすれ
ば、開口部１１の上端（開口端）から下端までの見掛け
上の直線空間距離Ｌ₀は、 Ｌ₀ ＝Ｌ₁ ＋Ｌ₂ ＋Ｌ₃ となる。これに対し開口部１３の上端から下端までの壁
面伝いの実際の長さＬは、 Ｌ＝Ｌ₁ ＋Ｌ₂ ＋Ｌ₃ ＋２×Ｌ₄ となる。したがって開口部１３の壁面伝いの長さＬは、
見掛け上の直線的な空間距離Ｌ₀ よりも２×Ｌ₄ の長さ
分だけ長くなっていることが明らかである。

【００２２】また前述の実施例において、蓋体４を開口
部１１に挿着した状態では、蓋体４の周縁部下向き面４
Ａが、中間環状空間１３に挿入された断熱材１５の挿通
口１６の縁部１６Ａの上面に接する。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、中間環状空間１３の上向きの壁面（中間壁１２
Ａの表面）と断熱材１５の下面との間の隙間（螺旋状凹
溝１７Ａ）に流入し、中間環状空間１３の内奥部分まで
螺旋方向に沿って凹溝１７Ａを通って導入され、さらに
断熱材１５の上面と中間環状空間１３の下向きの壁面
（中間壁１２Ｂの表面）との間の隙間（螺旋状凹溝１８
Ａ）を通って螺旋状に流れ、開口部１１の上部において
開口部１１の内周面と蓋体４の外周面との間の隙間に流
出して上方へ流れることになる。そしてこのように中間
環状空間１３の壁面（中間壁１２Ａ，１２Ｂの表面）と
断熱材１５との隙間（螺旋状凹溝１７Ａ，１８Ａ）に低
温ガスが導入されることによって、中間環状空間１３の
壁面が低温に冷却されるとともに、断熱材１５も冷却さ
れることになる。

【００２３】さらに、前述のように蓋体４の周縁部下向
き面４Ａが断熱材１５の挿通口１６の縁部１６Ａ上面に
接した状態では、蓋体４の伝熱層２１が断熱材１５の挿
通口１６の縁部１６Ａの上面の伝熱層１９に接すること
になる。この伝熱層１９は断熱材１５と中間環状空間１
３の壁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、したがって伝熱層１９、伝熱層２１を
介して導かれる冷熱によって、蓋体４の下部が冷却され
る。

【００２４】なお以上の実施例では槽本体１が円筒状の
ものとしたが、要は筒状であれば良いから、例えば角筒
状であっても良い。

【００２５】また前述の実施例では断熱材１５の内周
面、外周面の両方に螺旋状の凹溝１７Ａ，１８Ａを形成
しているが、場合によってはいずれか一方のみに螺旋状
の凹溝を形成しただけであっても良く、さらには螺旋状
の凹溝１７Ａ，１８Ａを全く形成しなくても良い。但し
これらの場合には、中間環状空間１３の壁面と断熱材１
５の表面との間の隙間の低温ガスの流れの距離が短くな
るから、低温ガスによって中間環状空間１３の壁面や断
熱材１５を冷却する効果は小さくなる。

【００２６】

【発明の効果】この発明のクライオスタットにおいて
は、槽本体の開口部の内周面に、その全周にわたって中
間環状空間が開口しているから、開口部の内周面の上端
から下端までの壁面伝いの長さは、見掛け上の空間直線
距離よりも格段に長くなり、したがってたとえ開口部の
見掛け上の長さが短くても開口部における壁面伝いの上
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中間環状空間には断熱
材が挿入されているから、中間環状空間の対向面間での
ガスを介しての熱伝達も阻止される。さらに中間環状空
間の開口部分において断熱材の縁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
中間環状空間の内奥部分まで導入され、中間環状空間の
壁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、
開口部の見掛け上の長さが短くても、外部の熱が開口端
や蓋体から開口部の壁面伝いに冷却室内まで侵入するこ
とを充分に防止して、冷却室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
に開口部の見掛け上の長さを短くすることができるた
め、槽本体から突出するネック部の長さを著しく短くし
たり、さらにはネック部が実質的に存在しないようにし
て、クライオスタットの全体の高さを著しく低くし、こ
れによっ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】図１のＸ−Ｘ線における縦断側面図である。

【図３】図１のＹ−Ｙ線における縦断側面図である。

【図４】図１のクライオスタットの要部を拡大して示す
拡大縦断面図である。

【図５】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 ４ 蓋体 ５ 内壁 ６ 外壁 ７ 真空断熱空間 ８ 低温液化ガス １０ 壁部 １１ 開口部 １２Ａ，１２Ｂ 中間壁 １３ 中間環状空間 １５ 断熱材 １６ 挿通口 １７Ａ，１８Ａ 螺旋状凹溝 １９ 伝熱層 ２１ 伝熱層

Claims (3)

【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形成された開口
   部と、その開口部に上方から着脱可能に挿入される密閉
   用の蓋体とを有し、かつ前記槽本体は、その壁部が内壁
   と外壁とによって構成されて、その内壁と外壁との間に
   真空断熱空間が形成されたクライオスタットにおいて、 前記槽本体は、その全体形状が、水平な軸線を中心とす
   る筒状をなすように作られており、かつその槽本体の壁
   部のうち、筒状をなす部分の上面側に前記開口部が設け
   られており、さらに槽本体の壁部の筒状をなす部分にお
   ける外壁と内壁との中間には、その外壁および内壁と平
   行な内外２重の中間壁が設けられており、これらの内外
   ２重の中間壁の間に、前記真空断熱空間から隔絶される
   中間環状空間が形成され、その中間環状空間は前記開口
   部の内周面にその全周にわたって開口されており、しか
   もその中間環状空間内には全体として筒状をなす断熱材
   が挿入されていて、その断熱材における前記開口部に対
   応する位置には、前記蓋体が挿通される挿通口が貫通形
   成され、かつその挿通口の縁部は、その全周にわたって
   蓋体と密に接するように構成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】 前記断熱材には、その挿通口の縁部にお
   いて前記蓋体に接しかつその部分から中間環状空間の内
   部へ向って所定長さだけ延長される伝熱層が形成されて
   いる請求項１に記載のクライオスタット。
3. 【請求項３】 前記断熱材は、前記内外２重の中間壁の
   うちいずれか一方または双方に対面する側の面に、槽本
   体の軸心を基準とする螺旋状をなす凹溝が形成されてお
   り、かつその螺旋状凹溝の間の凸部が、それに対面する
   中間壁に接するように構成されている請求項１に記載の
   クライオスタット。