JPH08278400A - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 液体窒素に比べ安価な冷却媒体を使用して、
試料等の冷却対象を容易に冷却できるようにする。 【構成】 ノズル管１０に連通して冷却チャンバ３０を
設置する。一方、クライオポンプ４０における膨張室４
２の外表面に吸熱部４８を形成し、この吸熱部４８を冷
却チャンバ３０内に配置する。そして、冷却チャンバ３
０内に、例えば常温窒素ガスを冷却媒体として供給し、
クライオポンプ４０の吸熱部４８で同窒素ガスの熱を吸
収し、ノズル管１０の先端から噴出させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、Ｘ線回折装置等に装
着された測定試料の冷却に好適な冷却装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】Ｘ線回折装置等の試料測定装置において
は、極低温状態下にて試料の結晶構造解析等を行なうこ
とがあり、その際に冷却装置が用いられている。従来の
冷却装置としては、貯蔵タンク内に液体窒素を貯留して
おき、適量づつガス化してノズル管の先端から試料に向
けて低温窒素ガスを吹き付ける構造のものが知られてい
る。

【０００３】図４は従来のこの種の冷却装置を示す構成
図である。同図に示すように、貯蔵タンク１００内に液
体窒素を密閉して貯留しておき、ヒータ１０１によって
加熱して適量の液体窒素をガス化し、配管１０２を通し
てノズル本体１０３内に供給している。ノズル本体１０
３内では、熱電対１０４によって窒素ガスの温度を管理
しながら、温調ヒータ１０５で温度を調節し、ノズル管
１０６の先端開口部から該窒素ガスを噴出させる構造と
なっている。ノズル管１０６の外周には、乾燥ヒータ１
０７によって湿気を取り除かれた乾燥ガスが配管１０８
を通して供給されており、この乾燥ガスによりノズル管
１０６の周面に霜が付着することを防止している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
のこの種の冷却装置は、冷却媒体として液体窒素を使用
している。この液体窒素は一般に高価格であり、しかも
運搬，取扱いに注意が必要であり、使用場所によっては
運搬作業に困難性を有し、試料測定の実施に障害となる
ことがあった。例えば、Ｘ線回折測定においては、一週
間以上もの長期間にわたり連続して測定を続けることも
稀ではない。その間の液体窒素の使用量は、例えば、１
００リットルを越えることもあり、液体窒素の運搬作業
に大きな労力と時間を必要とするとともに、経済的にも
コストがかかり過ぎるという問題を有していた。

【０００５】この発明は上述した事情に鑑みてなされた
もので、液体窒素に比べ安価な冷却媒体を使用して、試
料等の冷却対象を容易に冷却することのできる冷却装置
の提供を目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明の冷却装置は、冷却媒体を先端開口部から
噴出させるノズル管と、このノズル管の基端開口部に連
通しかつ冷却媒体の供給口が開口した冷却チャンバと、
冷媒ガスの循環する冷媒通路によって連通する圧縮室お
よび膨張室を有するとともに上記膨張室の外表面に吸熱
部を形成したクライオポンプ等の冷却手段とを備え、冷
却手段の吸熱部を、冷却チャンバ内に配置したことを特
徴としている。

【０００７】

【作用】上述した構成の冷却装置は、例えば、常温の窒
素ガス等を冷却媒体として使用することができ、これを
冷却チャンバ内に供給する。冷却チャンバ内に配置した
冷却手段の吸熱部は、冷却手段による熱交換によって周
囲の熱を吸収する。したがって、冷却チャンバ内に供給
された冷却媒体は、冷却手段によって吸熱され温度を降
下する。このように冷却された冷却媒体を、ノズル管を
通して試料等の冷却対象に吹き付けることによって、該
冷却対象を冷却することができる。このように、冷却チ
ャンバ内で冷却媒体の温度を下げるため、供給する冷却
媒体は常温であっても不都合はなく、高価格で取扱が不
便な液体窒素等を使用しなくて済む。

【０００８】

【実施例】以下、この発明の実施例について図面を参照
して詳細に説明する。図１はこの発明の実施例に係る冷
却装置を示す正面断面図、図２は同装置のノズル管先端
部を拡大して示す正面断面図、図３は同装置の全体シス
テムを示す構成図である。この実施例に係る冷却装置
は、Ｘ線回折装置等の試料測定装置に併設され、試料に
対して極低温の冷却媒体を吹き付けるもので、ノズル管
１０，フレキシブル管２０，冷却チャンバ３０，および
冷却手段としてのクライオポンプ４０を備えている。な
お、図３ではフレキシブル管２０を省略して示してい
る。

【０００９】ノズル管１０は、図２に示すように、内管
１１，真空断熱管１２，外管１３の三重管構造となって
いる。内管１１は、後述するように冷却チャンバ３０側
からフレキシブル管２０を介して送られてきた冷却媒体
（冷却ガス）を先端開口部１１ａから噴出させるように
なっている。内管１１の内部中空部には、温調ヒータ１
４と熱電対１５が配設してあり、熱電対１５によって温
度を管理しつつ、温調ヒータ１４の加熱によって冷却媒
体を所望の温度に調整する。

【００１０】内管１１の外周には、一定の間隔をあけて
真空断熱管１２が同軸状に設けてある。内管１１と真空
断熱管１２の間に形成した空間は、後述するように真空
引きされて断熱空間１６を形成する。真空断熱管１２の
先端は、内管１１の先端とほぼ面一となる箇所で閉塞し
てある。また、真空断熱管１２の外周には、一定の間隔
をあけて外管１３が同軸状に設けてある。外管１３の基
端部には配管を介して図示しない乾燥媒体供給源が接続
され、外管１３と真空断熱管１２との間に形成した空間
１７内に、乾燥空気等の乾燥媒体を供給するようになっ
ている。供給された乾燥媒体は、真空断熱管１２の外周
面に沿って軸方向に流動し、先端開口部１３ａから噴出
する。

【００１１】さらに、真空断熱管１２の先端周辺部は、
内管１１の先端部に向かって直径が小さくなるようなテ
ーパ面１２ａとなっている（図２参照）。このテーパ面
１２ａは、乾燥媒体を気流の乱れを生ずることなく外管
１３の先端開口部１３ａから噴出させるためのもので、
このテーパ面１２ａの形成によって、外部の湿気を含ん
だ空気が回り込んで内管１１や真空断熱管１２の先端部
に付着することを防止している。発明者の行なった一実
験例によると、真空断熱管１２の外周面と外管１３の内
周面との間の間隔ｄを１．５〜２．５ｍｍとし、またテ
ーパ面１２ａの中心軸に対する勾配θを１４〜１６°と
した場合に、内管１１や真空断熱管１２側への外気の回
り込みを効率的に防止することができた。

【００１２】フレキシブル管２０は、内管２１および真
空断熱管２２からなり、内管２１の外周面から一定の間
隔をあけて真空断熱管２２を同軸状に設けた二重構造と
なっている。フレキシブル管２０の内管２１および真空
断熱管２２は、図１では省略してあるが、弾力的に撓む
ことができるよう蛇腹構造となっている。このフレキシ
ブル管２０の内管２１が、先端においてノズル管１０の
内管１１と連結しており、またフレキシブル管２０の真
空断熱管２２は、先端においてノズル管１０の真空断熱
管１２と連結している。そして、内管２１と真空断熱管
２２との間に形成した空間（断熱空間）２３が、ノズル
管１０の断熱空間１６と連通している。

【００１３】冷却チャンバ３０は、外周を真空断熱カバ
ー３１で被包してあり、この真空断熱カバー３１との間
に断熱空間３２を形成している。この断熱空間３２は、
フレキシブル管２０の断熱空間２３と連通している。各
断熱空間３２，２３，１６内は、配管を介して接続した
真空ポンプ（図示せず）によって真空引きされ、熱の伝
導を遮断する。冷却チャンバ３０は、先端中央部におい
てフレキシブル管２０の内管２１と連通している。さら
に、冷却チャンバ３０には、図３に示すように配管５０
を介して冷却媒体供給源５１が接続してある。

【００１４】この実施例では、冷却媒体として常温窒素
ガスを使用し、窒素ガス発生装置５１を冷却媒体供給源
としている。窒素ガス発生装置５１は、気体中から窒素
を分離して取り出す装置であり、既に各種構造のものが
周知となっている。例えば、ＰＡＳ(Pressure Swing Ad
sorption)方式の窒素ガス発生装置は、 吸着筒内にカー
ボンを原料とする吸着剤を充填した構造となっている。
そして、吸着筒内に空気を供給し、加圧，減圧を繰り返
すと、加圧状態のとき、空気に含まれる窒素以外のガス
を吸着材が吸着し、減圧状態でその吸着したガスを機外
に放出する。このようにして空気から窒素を分離できる
構造となっている。この窒素ガス発生装置５１を冷却媒
体供給源として使用することにより、従来のように液体
窒素を運搬しなくて済み、測定のための準備作業が大幅
に簡略化される。

【００１５】冷却チャンバ３０の基端部には、クライオ
ポンプ本体４１が取り付けてある。周知のとおり、クラ
イオポンプ４０は、液体ヘリウムや液体水素等の冷媒ガ
スを循環させ、圧縮，膨張を繰り返して熱交換を行なう
構造を有しており、冷却ガスの膨張に伴う吸熱作用によ
って周囲の気体を吸着プレートに吸着することを本来の
機能とする小形の真空ポンプである。この実施例では、
クライオポンプ４０を利用して冷却チャンバ３０に供給
された冷却媒体を冷却し、ノズル管１０の先端から噴出
させる構造を採用している。

【００１６】すなわち、クライオポンプ４０は、クライ
オポンプ本体４１の内部に膨張室４２を形成していると
ともに、同本体４１とは別体のコンプレッサー４３を備
え、このコンプレッサー４３内の圧縮室４４と上記膨張
室４２との間を供給管４５および排出管４６によって連
通し、冷却ガスを循環する構造となっている。通常、ク
ライオポンプ本体４１の外周面には、周囲の気体を活性
炭等の吸着剤を利用して吸着する吸着プレートを取り付
けてあるが、この実施例では、この吸着プレートを取り
除き、吸熱用の冷却フィン４７を一定の間隔をおいてク
ライオポンプ本体４１の外周面に配設し、吸熱部４８を
構成している。

【００１７】そして、冷却チャンバ３０の内部に吸熱部
４８を配置し、冷却チャンバ３０の基端側から導入され
た冷却媒体を吸熱部４８を通してフレキシブル管２０の
内管２１へと送り出す経路を形成している。ここで、冷
却チャンバ３０はフレキシブル管２０に直接連通してい
るため、冷却チャンバ３０内で冷却した冷却媒体を、極
低温状態のままフレキシブル管２０およびノズル管１０
を介して先端から噴出することができる。

【００１８】次に、上述した構成の冷却装置の動作を説
明する。クライオポンプ本体４１を取り付けた冷却チャ
ンバ３０，フレキシブル管２０，およびノズル管１０
は、一体となって装置本体１を形成している。この装置
本体１を、Ｘ線回折装置等の試料測定装置に併設する。
このとき、ノズル管１０の先端を試料に向けてその近傍
に配設する。

【００１９】そして、クライオポンプ４０のコンプレッ
サー４３を作動し、冷却ガスの熱交換を開始するととも
に、窒素ガス発生装置５１を作動して、空気中の窒素ガ
スを分離し、冷却媒体として冷却チャンバ３０内に供給
する。クライオポンプ４０は、コンプレッサー４３内の
圧縮室４４で冷却ガスを圧縮するとともに放熱し、供給
管４５を介してクライオポンプ本体４１内の膨張室４２
へと圧送する。膨張室４２に入った冷却ガスは、体積の
急激な増加とともに温度が降下し、吸熱部４８を介して
外部との熱交換を行なう。

【００２０】吸熱部４８は、冷却チャンバ３０内に配設
してあるため、冷却ガスが該冷却チャンバ３０の内部に
供給されてきた窒素ガス（冷却媒体）の熱を吸収し、極
低温の窒素ガスとする。このようにして冷却チャンバ３
０内の窒素ガスから熱を吸収した冷却ガスは、排出管４
６を通してコンプレッサー４３内の圧縮室４４に送ら
れ、再び圧縮と放熱作用を受ける。

【００２１】冷却チャンバ３０内で吸熱された窒素ガス
は、フレキシブル管２０の内管２１を経てノズル管１０
の内管１１を通り、内管１１内で温調ヒータ１４によっ
て所望の温度に調整されて、先端開口部１１ａから試料
に向けて噴出する。冷却チャンバ３０，フレキシブル管
２０，およびノズル管１０に形成した断熱空間３２，２
３，１６は、図示しない真空ポンプによって真空引きさ
れており、これによって冷却チャンバ３０および各内管
２１，１１の外周を断熱している。

【００２２】ノズル管１０における真空断熱管１２と外
管１３との間の空間１７には、図示しない乾燥媒体供給
源から乾燥空気が導入されており、先端開口部１３ａか
ら噴出している。したがって、内管１１から噴出した極
低温の窒素ガスの周囲にこの乾燥空気の層が形成され、
窒素ガスの拡散を防止して、効率よく試料へと吹き付け
ることができる。ここで、乾燥空気は、真空断熱管１２
の先端周辺部に形成したテーパ面１２ａに沿って滑らか
に流出するので、湿った外気がノズル管１０内に回り込
んで霜を形成することがない。

【００２３】なお、この発明は上述した実施例に限定さ
れるものではない。例えば、冷却媒体供給源としては、
窒素ガス発生装置に限らず、窒素ガス，水素ガス等の冷
却媒体を封入したガスボンベ等であってもよい。ただ
し、窒素ガス，水素ガス等の既成の冷却媒体を手に入れ
にくい地域にあっては、冷却媒体の運搬，補充作業を省
略できる窒素ガス発生装置の使用が好ましい。また、冷
却手段としてはクライオポンプに限らず、冷却チャンバ
内に吸熱部を配設できる小形の各種熱交換機を適用する
ことができる。さらに、この発明の冷却装置は、比較的
小さな領域を極低温に冷却する必要のある種々の用途に
適用でき、例えば、人体の患部を冷凍するための医療用
冷却装置としても適用することができる。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、この発明の冷却装
置は、ノズル管と連通する冷却チャンバ内で、冷却手段
の吸熱部によって冷却媒体を冷却するようにしたので、
該冷却チャンバに供給する冷却媒体は液体窒素のような
極低温媒体である必要がなく、したがって、液体窒素に
比べ安価な冷却媒体を使用して、冷却対象を容易に冷却
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例に係る冷却装置を示す正面断
面図である。

【図２】同装置のノズル管先端部を拡大して示す正面断
面図である。

【図３】同装置の全体システムを示す構成図である。

【図４】従来の冷却装置の全体システムを示す構成図で
ある。

【符号の説明】

１０：ノズル管 １１：内管 １２：真空断熱管 １３：外管 １４：温調ヒータ １５：熱電対 １６，２３，３２：断熱空間 ２０：フレキシブル管 ２１：内管 ２２：真空断熱管 ３０：冷却チャンバ ３１：真空断熱カバー ４０：クライオポンプ ４１：クライオポンプ本体 ４２：膨張室 ４３：コンプレッサー ４４：圧縮室 ５１：窒素ガス発生装置

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷却媒体を先端開口部から噴出させるノ
   ズル管と、 このノズル管の基端開口部に連通しかつ冷却媒体の供給
   口が開口した冷却チャンバと、 冷媒ガスの循環する冷媒通路によって連通する圧縮室お
   よび膨張室を有するとともに、前記膨張室の外表面に吸
   熱部を形成した冷却手段とを備え、 前記冷却手段の吸熱部を、前記冷却チャンバ内に配置し
   たことを特徴とする冷却装置。
2. 【請求項２】 前記冷却手段が、クライオポンプである
   ことを特徴とした請求項１記載の冷却装置。