JPH0734305Y2 - 分割型クライオスタットにおけるサーマルオシレーション防止シール構造 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この考案は、半導体材料や金属材
料、非金属材料あるいは各種素子などの試料に対して低
温で各種の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、特に槽本体を分割構造とし
たクライオスタットにおいて、分割部分の隙間に生じる
サーマルオシレーションを防止するためのシール構造に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、低温科学の発展に伴ない、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、低温での測定や低温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
体窒素等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】こようなクライオスタットは、試料を低温
液化ガス中に直接浸漬させることにより試料を冷却する
浸漬型のものと、試料を低温液化ガス中に直接浸漬させ
ずに熱伝導によって間接的に冷却する熱伝導型のものと
に大別される。後者の熱伝導型のクライオスタットは、
間接冷却方式であるため、外部からの熱侵入や試料の発
熱等に起因して、試料を低温液化ガスの温度と同等の低
温まで充分に冷却することが困難な場合が多く、したが
って温度マージンを考慮すれば、前者の浸漬型クライオ
スタットが有利である。

【０００４】ところで浸漬型クライオスタットにおいて
は、試料を上部の蓋から吊下げて低温液化ガス中に浸漬
させる関係上、試料と外部の機器の電子回路との間で信
号のやりとりをするための信号線も、蓋からの試料吊下
げのための部材を経て外部へ引出されるが、通常のクラ
イオスタットにおける低温液化ガス収容室の深さは１ｍ
以上あり、したがって信号線の長さはそれ以上の長さと
なってしまう。このように信号線が長い場合、試料と外
部装置の電子回路との間の信号の伝達が、信号線の長さ
分だけ遅くなり、そのため試料の種類や実験・測定の目
的によっては不都合が生じることがある。そこで既に本
願考案者等は、実願平１−６０５５０号（実開平３−５
６４号）において、浸漬型クライオスタットにおいて試
料からの信号線を短かくするための構造として、槽本体
を上下２分割構造とし、下部槽の真空断熱層を横切って
信号線を試料から外部へ引出すようにしたクライオスタ
ットを提案している。

【０００５】上記提案のクライオスタットは、基本的に
は、上端が上蓋によって密閉されかつ下底部が開放され
た上部槽と、その上部槽の下部に着脱可能に取付けられ
て上部槽とともに低温液化ガス収容室を区画形成する下
部槽とを備え、前記上部槽および下部槽はそれぞれ内外
２重壁を有する構成とされ、かつ上部槽の内壁および外
壁の間と、下部槽の内壁および外壁の間とには、それぞ
れ独立に真空断熱層が形成されており、前記下部槽に
は、試料を前記低温液化ガス収容室内に露呈させた状態
で保持するための試料保持部が設けられていることを特
徴とするものである。

【０００６】上記提案のクライオスタットの具体例を図
３に示す。

【０００７】図３において、全体として中空長円筒状を
なす上部槽２０は、内壁２１と外壁２２との内外２重壁
構造とされており、内壁２１と外壁２２との間は真空断
熱層２３とされている。上部槽２０の上端には上蓋２４
がボルト２５によって着脱可能に取付けられ、かつその
上蓋２４と上部槽２０の上端面との間はＯリング等のシ
ール部材２６によって気密にシールされている。また上
蓋２４には、液体ヘリウム等の低温液化ガス９を注入す
るための注入口２８と、気化ガスを放出させるための放
出口２９とが設けられている。なお上部槽２０のそれ自
体の下底部は開放されている。また上部槽２０の外周面
には、下端から所定の距離ｌだけ上方の位置に、フラン
ジ部３０が一体に形成されている。

【０００８】一方下部槽３１は、全体として有底筒状に
作られ、かつ上部槽２０と同様に内壁３２と外壁３３と
の内外２重壁構造とされて、内壁３２と外壁３３との間
は真空断熱層３４とされている。そしてこの下部槽３１
は、上部槽２０の下部、すなわちフランジ部３０よりも
下側の距離ｌの部分を取囲む大径筒部３１Ａと、その大
径筒部３１Ａの下側に一体に連続する直方体部３１Ｂと
によって構成され、その直方体部３１Ｂの下底部は閉塞
されている。さらに直方体部３１Ｂの下端内面には、台
状の試料保持部３５が形成されている。そして下部槽３
１の上端面と上部槽２０のフランジ部３０とは、ボルト
３６によって締結され、かつその下部槽３１の上端面と
上部槽２０のフランジ部３０と間は、Ｏリング等のシー
ル部材３７によって気密にシールされている。なお下部
槽３１は、基台３８および支柱３９によって支持されて
いる。

【０００９】以上のような上部槽２０の内面と下部槽３
１の内面とによって液体ヘリウム等の低温液化ガス９を
収容する低温液化ガス収容室１が区画形成されている。
そして試料６は前記試料保持部３５に保持され、低温液
化ガス収容室１内の低温液化ガス９に直接的に曝される
ことになる。また試料６からの信号線１０は、下部槽３
１の直方体部３１Ｂにおいて内壁３２、真空断熱層３
４、外壁３３を貫通して外部へ引出され、基台３８に設
けられた外部端子部４０に接続される。

【００１０】このような浸漬型クライオスタットにおい
ては、試料６と外部装置との間の信号のやりとりを行な
うための信号線１０は、下部槽３１の試料保持部３５か
ら下部槽３１の内壁３２、真空断熱層３４、外壁３３を
横切って外部へ引出すことができ、したがって信号線１
０はその長さを短かくして、信号線１０の長さによる信
号伝達の遅れを少なくすることができる。

【００１１】なお上述の提案のクライオスタットは分割
構造であって、試料交換時には上部槽２０と下部槽３１
とを分離することになるが、上部槽２０の真空断熱層２
３と下部槽３１の真空断熱層３４とは互いに独立となっ
ているため、分離時に各真空断熱層２３，３４の真空状
態が破られることはない。したがって試料交換時に真空
排気作業を行なう必要がなく、そのため作業時間が大幅
に短縮される。また上述のように上部槽２０の真空断熱
層２３と下部槽３１の真空断熱層３４は互いに独立して
いるから、極低温部位での真空シール部は不要であり、
したがって試料交換後に上部槽２０と下部槽３１とを結
合する際には極低温部位での真空シール作業を行なう必
要がない。

【００１２】なおまた、低温液化ガス収容室１の容量は
上部槽２０を長くすることによって大きくすることがで
きる。このことは、下部槽３１はその深さ（上下方向の
長さ）を特に大きくする必要がなく、浅い深さとするか
または深さがない形状となし得ることを意味し、したが
って上部槽２０を下部槽３１から分離した状態での下部
槽３１の試料保持部３５に対する試料６の取付け、取外
しは、下部槽３１の上方から手を差し込んで極めて容易
に行なうことができる。そしてまた、上部槽２０の長さ
は試料交換時の作業性に無関係であるため、上部槽２０
の長さを変えることによって、試料交換の作業性を損な
うことなく任意に低温液化ガス収容室１の容量を変える
ことができる。

【００１３】

【考案が解決しようとする課題】図３に示すような浸漬
型クライオスタットにおいては、上部槽２０の外壁２２
の下部外周面と、下部槽３１の内壁３２の上部内周面と
の間に、図３中の長さｌの範囲にわたって隙間Ｇが存在
するのが通常である。この隙間Ｇ内には、低温液化ガス
収容室１内の低温液化ガス９の気化ガスが充満される。
そしてこの隙間Ｇ内の気化ガスは、外気温に近い上端部
分（シール部材３７の位置付近）と収容室１内の低温液
化ガス温度に近い下端部分との間で温度勾配が形成され
る。

【００１４】ところで上述のように隙間Ｇ内には気化ガ
スが充満されるが、この場合隙間Ｇの上端はシール部材
３７によって気密に閉じられている一方、下端は液化ガ
ス収容室１内に開放され、かつ隙間Ｇの上端は相対的に
高温、下端開放端は低温となっていることから、隙間Ｇ
内でサーマルオシレーション（気柱熱振動）が生じるこ
とがある。このようなサーマルオシレーションが生じれ
ば、大量の熱が低温液化ガス収容室１内の低温液化ガス
９中に侵入し、低温液化ガスの沸騰、気化が促進されて
低温液化ガスの消費量が増大するという問題が生じる。

【００１５】この考案は以上の事情を背景としてなされ
たもので、図３に示されるような上下２分割構造のクラ
イオスタットにおいて、前述のようなサーマルオシレー
ションを防止するためのシール構造を提供することを目
的とするものである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】前述のような課題を解決
するため、この考案のサーマルオシレーション防止シー
ル構造は、上端が上蓋によって密閉されかつ下底部が開
放された中空筒状の上部槽と、上端が開放された有底筒
状の下部槽とを備え、上部槽の下部が下部槽の上部に内
挿されて、上部槽の下部の外周面が下部槽上部の内周面
によって取囲まれ、かつ下部槽上端において下部槽と上
部槽とが気密にシールされた状態で着脱可能に結合され
るようにした分割型クライオスタットにおいて、上部槽
の下端に半径方向外向きの連続外周面をなす上部シール
面が形成されるとともに、下部槽の底部付近には、前記
上部槽シール面に近接する位置に半径方向外向きの連続
外周面をなす下部槽シール面が形成され、かつ前記上部
槽シール面と下部槽シール面との両者を跨いで、両シー
ル面を取囲む環状の下部シール部材が配設され、その下
部シール部材は上部槽および下部槽の材料よりも熱膨張
係数が大きい材料で作られていることを特徴とするもの
である。

【００１７】

【作用】この考案の構造が適用される分割型クライオス
タットにおいては、上部槽の下部外周面と下部槽上部の
内周面との間には若干の隙間が存在するのが通常であ
る。そしてその隙間は、上方においては下部槽上端位置
で気密にシールされている。一方その隙間の下方の部分
は、下部シール部材によって次のように液密にシールさ
れる。

【００１８】すなわち、上部槽の下端の上部槽シール面
とその近くの下部槽シール面を取囲む環状の下部シール
部材は、その熱膨張係数が上部槽、下部槽の材料よりも
大きい。したがって環状の下部シール部材の内径寸法
を、常温では上部槽シール面、下部槽シール面に容易に
嵌め込み得るような寸法（下部シール部材を上部槽シー
ル面、下部槽シール面のいずれか一方または双方にネジ
合わせるように作られている場合は容易にネジ込み得る
ような寸法）としていても、クライオスタット使用時、
すなわち低温液化ガス収容時には、シール部材が低温に
冷却されることにより、上部槽、下部槽よりも大きく収
縮してその内径が小さくなり、シール部材の内周面が上
部槽シール面、下部槽シール面に密着される。これによ
ってシール部材内周面と上部槽シール面、下部槽シール
面との間は液密にシールされることになり、ひいては上
部槽と下部槽との間の間隙が液密にシールされることに
なる。

【００１９】このシール部分は上部槽の下端の位置であ
るから、それよりも上方の上部槽外周面と下部槽内周面
との間の隙間へ、低温液化ガスが液状で侵入することが
防止される。したがってその隙間にサーマルオシレーシ
ョンが発生することが有効に防止される。

【００２０】

【実施例】図１にこの考案のサーマルオシレーション防
止シール構造を適用した分割型クライオスタットの一例
を示し、また図２に、図１の要部、すなわちサーマルオ
シレーション防止構造の部分について、上部槽、下部槽
を分離した状態の一例を示す。なお図１、図２におい
て、従来例として示した図３における要素と同一の要素
については同じ符号を付し、その説明は省略する。

【００２１】図１、図２において、上部槽２０および下
部槽３１は、ＦＲＰによって作られている。上部槽２０
の下端には、その上部槽２０に一体に連続して下方へ小
寸法だけ突出する環状突部５１が形成されており、この
環状突部５１の外周面には雄ネジ５２が形成されてい
る。そしてこの雄ネジ５２が形成された外周面が上部槽
シール面５３とされている。一方、下部槽３１の底部近
くには、上面が前記上部槽２０の環状突部５１に近接す
るように、上方へ向って若干突出する環状突部５４が形
成されており、この環状突部５４の円筒状の外周面が下
部槽シール面５５とされている。

【００２２】上部槽２０の環状突部５１と下部槽３１の
環状突部５４の外周上には、商品名テフロン等のフッ素
樹脂からなる環状の下部シール部材５６が配設されてい
る。この下部シール部材５６は、上部槽２０の環状突部
５１に対応する部分の内周面に雌ネジ５７が形成されて
いる。すなわち上部槽環状突部５１のシール面５３であ
る雄ネジ５２と螺合する雌ネジ５７が形成されている。
一方、下部シール部材５６における、下部槽３１の環状
突部５４に対応する部分の内周面は、平滑な円筒面５８
とされている。すなわち下部槽環状突部５４のシール面
５５に接する円筒面５８とされている。

【００２３】ここで、下部シール部材５６の雌ネジ５７
は、常温（室温）では上部槽２０のシール面５３である
環状突部５１の雄ネジ５２に容易に螺合させ得るような
有効ネジ径に定められている。また下部シール部材５６
の円筒面５８は、同じく常温では下部槽３１のシール面
５５である環状突部５４の外周面に容易に嵌め込み得る
ような内径とされている。したがって常温でクライオス
タットを組立てる際には、上部槽環状突部５１の雄ネジ
５２に下部シール部材５６を容易にネジ込ませることか
でき、かつその下部シール部材５６を容易に下部槽環状
突部５４に嵌め込むことができる。

【００２４】一方クライオスタット組立後の使用時に、
低温液化ガス収容室１に液体窒素等の低温液化ガス９を
注入すれば、上部槽環状突部５１、下部槽環状突部５
４、下部シール部材５６も低温液化ガス温度近くまで冷
却される。このとき、上部槽２０、下部槽３１はＦＲＰ
で構成されているのに対し、下部シール部材５６はフッ
素樹脂で構成されており、通常のクライオスタットに使
用されるＦＲＰ（例えばエポキシ系樹脂をガラス繊維で
強化したもの）の熱膨張係数が０．３％程度であるに対
し、フッ素樹脂の熱膨張係数は１．９％程度で、ＦＲＰ
よりも格段に大きい。そのため上述のように低温に冷却
されれば、下部シール部材５６が上部槽環状突部５１お
よび下部槽環状突部５４よりも大きく収容し、その結果
下部シール部材５６の内面が上部槽環状突部５１、下部
槽環状突部５４の外周面に密着される。すなわち、下部
シール部材５６の雌ネジ５７が上部槽環状突部５１のシ
ール面５３である雄ネジ５２に密着すると同時に、下部
シール部材５６の内側円筒面５８が下部槽環状突部５４
のシール面５５に密着される。したがって下部シール部
材５６により、その位置で上部槽２０と下部槽３１との
間がシールされることになる。

【００２５】上述のような下部シール部材５６の冷却・
収縮によるシールの程度は、通常は気密なシールではな
く、液体が侵入しない程度であるが、いずれにしても低
温液化ガス収容室１内の低温液化ガス９が、下部シール
部材５６よりも上方の位置の上部槽２０の外周面と下部
槽３１の内周面との間の隙間Ｇに侵入することが防止さ
れる。その隙間Ｇには、低温液化ガスの気化ガスは侵入
するのが通常であるが、前述のように液体状態の低温液
化ガスはシール部材５６の位置で遮断されるから、隙間
Ｇ内にサーマルオシレーションが発生することが防止さ
れる。

【００２６】なお図１、図２の例では、上部槽２０の環
状突部５１に雄ネジ５２を形成して、これに対応する下
部シール部材５６の上半部分の内周面に雌ネジ５７を形
成しているが、場合によっては上部槽２０の環状突部５
１の外周面（シール面５３）は平滑な円筒面とする一
方、下部槽３１の環状突部５４の外周面（シール面５
５）に雄ネジを形成し、これに対応して下部シール部材
５６も下半部分の内周面に雌ネジを形成しても良い。ま
た場合によっては上部槽２０の環状突部５１と下部槽３
１の環状突部５４の両者のシール面５３，５５に雄ネジ
を形成し、これに対応して下部シール部材５６の上半部
分、下半部分の両者に雌ネジを形成しても良い。さらに
は、上部槽２０の環状突部５１のシール面５３、下部槽
３１の環状突部５４のシール面５５のいずれにも雄ネジ
を形成せず、またこれに対応して下部シール部材５６の
内周面も雌ネジを形成せずに単なる円筒面として、下部
シール部材５６を単純に嵌め込むだけにしても良い。

【００２７】なおまた、図１においては、試料６への信
号線については特に示していないが、図３の従来例と同
様に下部槽３１を貫通させても、あるいは上方へ引出し
て上蓋２４を貫通させるようにしても良く、その点はこ
の考案の要旨には関係しない。

【００２８】さらに、前記実施例では上部槽２０、下部
槽３１の材料としてＦＲＰを用い、下部シール部材５６
の材料としてフッ素樹脂を用いているが、これらに限ら
れるものではなく、要は上部槽、下部槽の材料よりも熱
膨張率が大きい材料、したがって低温冷却時に収縮の大
きい材料を下部シール部材に用いれば良い。

【００２９】

【考案の効果】この考案の分割型クライオスタットにお
けるシール構造によれば、上部槽の下部の外周面と下部
槽上部の内周面との間の間隙に低温液化ガスが液体状態
で侵入することが防止されるため、その間隙にサーマル
オシレーションが生じることが有効に防止され、その結
果サーマルオシレーションの発生に起因する低温液化ガ
ス収容室内での低温液化ガスの沸騰、気化を防止して、
低温液化ガスの消費量を抑えることができる。またこの
考案のシール構造では、下部シール部材と上部槽、下部
槽との熱膨張率の差を利用してシールするため、常温で
のクライオスタット組立時には下部シール部材とそれに
相対するシール面との間に余裕を持たせておくことによ
って、その組立を簡単かつ容易とし、しかもクライオス
タット使用時（低温冷却時）には下部シール部材の収縮
によって有効にシールすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この考案のサーマルオシレーション防止シール
構造を適用した分割型クライオスタットの一例を示す縦
断面図である。

【図２】図１の分割型クライオスタットにおけるシール
構造部分を、拡大して分解状態で示す縦断面図である。

【図３】従来の分割型クライオスタットの一例を示す縦
断面図である。

【符号の説明】

２０ 上部槽 ２４ 上蓋 ３１ 下部槽 ５３ 上部槽シール面 ５５ 下部槽シール面 ５６ 下部シール部材

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 上端が上蓋によって密閉されかつ下底部
   が開放された中空筒状の上部槽と、上端が開放された有
   底筒状の下部槽とを備え、上部槽の下部が下部槽の上部
   に内挿されて、上部槽の下部の外周面が下部槽上部の内
   周面によって取囲まれ、かつ下部槽上端において下部槽
   と上部槽とが気密にシールされた状態で着脱可能に結合
   されるようにした分割型クライオスタットにおいて、 上部槽の下端に半径方向外向きの連続外周面をなす上部
   シール面が形成されるとともに、下部槽の底部付近に
   は、前記上部槽シール面に近接する位置に半径方向外向
   きの連続外周面をなす下部槽シール面が形成され、かつ
   前記上部槽シール面と下部槽シール面との両者を跨い
   で、両シール面を取囲む環状の下部シール部材が配設さ
   れ、その下部シール部材は上部槽および下部槽の材料よ
   りも熱膨張係数が大きい材料で作られていることを特徴
   とする分割型クライオスタットにおけるサーマルオシレ
   ーション防止シール構造。