JPH09287836A - 極低温冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 起動時のクールダウン時間を長くすることな
く被冷却部の温度振幅を低減する。 【解決手段】 ヒートステーション３１の側面３１a
に、板状に形成された熱緩衝材３２を取り付ける。熱緩
衝材３２は、ヒートステーション３１の温度振幅を低減
するために熱伝導率がエルビウム３ニッケル(Ｅr₃Ｎi)
よりも高く、高い冷凍能力を保持するために少なくとも
エルビウム３ニッケル(Ｅr₃Ｎi)程度の高比熱を有し、
且つ、機械加工が可能な材質で形成する。こうして、ヒ
ートステーション３１の重量を大きくすることなく、換
言すれば、起動時のクールダウン時間を長くすることな
く被冷却部の温度振幅を低減する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、高圧冷媒ガスの
導入とその膨張とを繰り返して極低温を得る極低温冷凍
機に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、エルビウム３ニッケル(Ｅr₃Ｎi)
等の磁性蓄冷材を使用した極低温冷凍機(クライオ冷凍
機)として図１１に示すようなものがある。この極低温
冷凍機は、内部に蓄冷材を収納した第１室を有して第１
シリンダ１内に封入された第１ディスプレーサ３と、第
１室に連通されると共に蓄冷材を収納した第２室を有し
て第２シリンダ５内に封入された第２ディスプレーサ７
を備えている。そして、上記第１ディスプレーサ３の第
１室は、バルブステム９およびバルブ１０を介して、導
入口１１を有する高圧室１２あるいは排出口１３を有す
る低圧室１４に切り替え連通される。

【０００３】上記第１室から高圧室１２あるいは低圧室
１４への連通路の切り替えは、シンクロナスモータ１５
でバルブ１０を回転させることによって行われる。

【０００４】上記構成を有する極低温冷凍機は次のよう
に動作する。図１１において、圧縮機(図示せず)等から
供給された高圧の冷媒ガスは、上記導入口１１からバル
ブ１０およびバルブステム９を介して第１ディスプレー
サ３の第１室内に導かれ、第１室内の蓄冷材と冷熱交換
を行って冷却される(第１ステージ)。こうして冷却され
た冷媒ガスは更に第２ディスプレーサ７内の第２室に導
かれて、第２室内の蓄冷材と冷熱交換を行って更に冷却
される(第２ステージ)。

【０００５】そうした後、上記シンクロナスモータ１５
によってバルブ１０が回転され、第１室が低圧室１４に
連通される。そうすると、上記第１室および第２室内に
導入されている高圧の冷媒ガスが一気に膨張されてガス
温度が低下する。こうして、冷媒ガスの膨張によって得
られた冷熱は蓄冷材に蓄積される。上述のように、上記
第１室及び第２室への高圧冷媒ガスの導入とその膨張と
を繰り返して(すなわち、冷凍サイクルを繰り返して)超
低温が得られるのである。

【０００６】図１１に示すような構造を有する極低温冷
凍機においては、第２シリンダ５の先端部２４が最も冷
却される箇所であり、ヒートステーションと呼ばれてい
る。

【０００７】また、上述のような極低温冷凍機を予冷冷
凍機として用い、この予冷冷凍機によって得られた２０
Ｋレベルの冷気をジュールトムソン回路(以下、Ｊ−Ｔ
回路と略称する)を用いて更に冷却して４Ｋレベルの極
低温を得る極低温冷凍装置がある。この極低温冷凍装置
は、図１２に示すように、図１１に示す極低温冷凍機と
同様の構成を有する予冷冷凍機１０１と、Ｊ−Ｔ回路１
０２とから構成される。

【０００８】上記Ｊ−Ｔ回路１０２においては、圧縮機
１０３から吐出された高圧の冷媒ガス(例えば、ヘリウ
ムガス)は第１ジュールトムソン熱交換器(以下、Ｊ-Ｔ
熱交換器と略称する)１０４によって戻りガス冷媒と熱
交換を行って冷却され、２０Ｋレベルに冷却された予冷
冷凍機１０１のヒートステーション(予冷機ヒートステ
ーション)１０５および第２Ｊ-Ｔ熱交換器１０６よって
更に冷却されて、ジュールトムソン弁(以下、Ｊ-Ｔ弁と
略称する)１０７に至る。そして、Ｊ−Ｔ弁１０７によ
って急激に膨張されて極低温度となったガス冷媒は、予
冷冷凍機１０１で得られた２０Ｋレベルの冷気が供給さ
れるヒートステーション１０８に設けられた冷却器１０
９で熱交換を行ってヒートステーション１０８を４Ｋレ
ベルまで冷却するのである。以下、４Ｋレベルまで冷却
されるヒートステーション１０８を４Ｋヒートステーシ
ョンと言う。そうした後、上記冷却器１０９で熱交換を
行った後のガス冷媒は、第２Ｊ-Ｔ熱交換器１０６およ
び第１Ｊ-Ｔ熱交換器１０４において供給ガス冷媒と熱
交換を行った後に圧縮機１０３に戻る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の極低温冷凍機においては、２０Ｋ以下の極低温にな
ると、高圧冷媒ガスの導入とその膨張との冷凍サイクル
において被冷却部に温度振幅が生ずる。そこで、通常、
ヒートステーション２４の重量を大きくすることによっ
て被冷却部の温度振幅を低減するようにしている。とこ
ろが、上述のように、温度振幅に対処するためにヒート
ステーション２４の重量を大きくすると、起動時のクー
ルダウン時間が長くなるという別の問題が発生する。

【００１０】また、上記従来の極低温冷凍装置において
も、予冷冷凍機１０１の冷凍サイクルにおいて予冷機ヒ
ートステーション１０５の被冷却部に温度振幅が生ず
る。そして、予冷機ヒートステーション１０５の被冷却
部に発生した温度振幅が４Ｋヒートステーション１０８
に伝わり、この４Ｋヒートステーション１０８に取り付
けられた宇宙からの電波を検知する電波センサ等の被冷
却物に対するノイズ源になる。そこで、従来は、４Ｋヒ
ートステーション１０８の材質を純度の高い銅にした
り、大型化を図って重量を重くしたりすることにとによ
って対処している。したがって、起動時のクールダウン
時間が長くなることの他に、コストが上昇するという問
題が生ずる。

【００１１】そこで、この発明の目的は、起動時におけ
るクールダウン時間を長くすることなく被冷却部の温度
振幅を低減できる極低温冷凍機を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に係る発明の極低温冷凍機は、最終ヒート
ステーションの先端に、金属単体の熱緩衝材を設けたこ
とを特徴としている。上記構成によれば、最終ヒートス
テーションの先端に設けられた熱緩衝材の作用によっ
て、上記ヒートステーションの温度振幅が低減される。
こうして、上記ヒートステーションの重量を大きくする
ことなく、換言すれば起動時のクールダウン時間が長く
なるのを押さえて、被冷却部の温度振幅が低減される。

【００１３】また、請求項２に係る発明は、請求項１に
係る発明の極低温冷凍機において、上記熱緩衝材はネオ
ジウム(Ｎd)単体で形成されていることを特徴としてい
る。上記構成によれば、上記熱緩衝材は、エルビウム３
ニッケル(Ｅr₃Ｎi)と同等の比熱を有し、且つ、上記エ
ルビウム３ニッケル(Ｅr₃Ｎi)より十分高い熱伝導率を
有して、機械加工性の良いネオジウム(Ｎd)単体によっ
て形成される。したがって、上記熱緩衝材は、ヒートス
テーションの先端形状にマッチし且つ密着可能に形成さ
れて、上記ヒートステーション先端に密着して取り付け
られる。こうして、上記ヒートステーションの重量を大
きくすることなく被冷却部の温度振幅が低減される。

【００１４】また、請求項３に係る発明は、請求項１に
係る発明の極低温冷凍機において、上記熱緩衝材は鉛
(Ｐb)単体で形成されていることを特徴としている。上
記構成によれば、上記熱緩衝材は、２０Ｋ近傍の温度で
は上記ヒートステーションとして十分な比熱を有し、且
つ、上記エルビウム３ニッケル(Ｅr₃Ｎi)より十分高い
熱伝導率を有して、機械加工性の良い鉛(Ｐb)単体によ
って形成される。したがって、上記熱緩衝材は、上記ヒ
ートステーション先端に密着して取り付けることが可能
になる。その結果、２０Ｋ近傍の温度において、上記ヒ
ートステーションの重量を大きくすることなく被冷却部
の温度振幅が低減される。

【００１５】また、請求項４に係る発明の極低温冷凍機
は、最終ヒートステーションの先端に、高熱伝導率の単
体金属中に高比熱の金属化合物を分散させて成る熱緩衝
材を設けたことを特徴としている。上記構成によれば、
上記熱緩衝材は、高熱伝導率と高比熱を有するので、上
記ヒートステーションの重量を大きくすることなく被冷
却部の温度振幅が低減される。さらに、上記単体金属と
して機械加工性の良い金属を用いることによって、上記
熱緩衝材は、ヒートステーションの先端形状にマッチし
且つ密着可能に形成されて、上記ヒートステーション先
端に密着して取り付けられる。

【００１６】また、請求項５に係る発明の極低温冷凍機
は、最終ヒートステーションの先端に、高熱伝導率の単
体金属中に高比熱の単体金属を分散させて成る熱緩衝材
を設けたことを特徴としている。上記構成によれば、機
械加工性の良い上記単体金属を用いて形成された熱緩衝
材は、高熱伝導率と高比熱とを有すると共に、機械加工
性が良い。したがって、上記ヒートステーション先端に
密着して取り付けられて、上記ヒートステーションの重
量を大きくすることなく被冷却部の温度振幅が低減され
る。さらに、高熱伝導率の単体金属中に高比熱の単体金
属が分散されているので、上記単体金属の酸化が防止さ
れる。

【００１７】また、請求項６に係る発明は、請求項４に
係る発明の極低温冷凍機において、上記高比熱を有する
金属化合物は、Ｅr₃Ｃo,ＥrＮi,Ｅr₃Ｎi,ＨoＣu₂,ＨoＡ
l₂，Ｈo₂Ａl,ＥrＮi_0.8Ｃo_0.2およびＥrＮi_0.9Ｃo_0.1の
何れか一つであることを特徴としている。上記構成によ
れば、高熱伝導率の単体金属中に分散される金属化合物
は、上記エルビウム３ニッケル(Ｅr₃Ｎi)と同等の高比
熱を有する。したがって、形成される熱緩衝材は、上記
高熱伝導率の単体金属による温度振幅の低減に加えて、
上記金属化合物によって高い冷凍能力が保持される。

【００１８】また、請求項７に係る発明は、請求項４ま
たは請求項５に係る発明の極低温冷凍機において、上記
熱緩衝材は、最終ヒートステーションの先端に設けられ
た高熱伝導率構造物の凹部に鋳込まれて、上記高熱伝導
率構造物と一体に構成されていることを特徴としてい
る。上記構成によれば、高熱伝導率の単体金属中に高比
熱の単体金属あるいは金属化合物を分散させて形成され
た熱緩衝材は、ヒートステーションの先端形状にマッチ
し且つ密着可能に形成されている高熱伝導率構造物の凹
部に鋳込まれて一体に構成される。こうして、上記熱緩
衝材がヒートステーション先端に密着して取り付けられ
て、更に効率良く温度振幅が低減される。

【００１９】また、請求項８に係る発明の極低温冷凍機
は、最終ヒートステーションの先端に、高熱伝導率の容
器中に高比熱金属の粒子を低沸点ガスと共に充填して成
る熱緩衝材を設けたことを特徴としている。上記構成に
よれば、低沸点ガスの対流と上記低沸点ガスの温度およ
び圧力によって生ずる凝縮とによって熱伝導性が向上し
て、温度分布が均一になる。こうして、効率良く温度振
幅が低減される。

【００２０】また、請求項９に係る発明の極低温冷凍機
は、極低温ヒートステーションを予冷する予冷冷凍機
と,上記予冷された極低温ヒートステーションを更に冷
却するジュールトムソン回路を有する極低温冷凍機にお
いて、上記極低温ヒートステーションに、請求項１乃至
請求項８の何れか一つに係る発明の熱緩衝材を設けたこ
とを特徴としている。上記構成によれば、予冷冷凍機の
冷凍サイクルにおいて上記予冷冷凍機のヒートステーシ
ョンに生じた温度振幅は、熱緩衝材の作用によって低減
されて、極低温ヒートステーションには伝達されない。
あるいは、上記予冷冷凍機のヒートステーションに生じ
て極低温ヒートステーションに伝達された温度振幅が、
熱緩衝材の作用によって低減される。こうして、上記極
低温ヒートステーションの重量を大きくすることなく、
換言すれば起動時のクールダウン時間が長くなるのを押
さえて、上記極低温ヒートステーションの温度を安定に
できる。

【００２１】また、請求項１０に係る発明の極低温冷凍
機は、極低温ヒートステーションを予冷する予冷冷凍機
と,上記予冷された極低温ヒートステーションを更に冷
却するジュールトムソン回路を有する極低温冷凍機にお
いて、上記予冷冷凍機のヒートステーションに、請求項
１乃至請求項８の何れか一つに係る発明の熱緩衝材を設
けたことを特徴としている。上記構成によれば、予冷冷
凍機の冷凍サイクルにおいて上記予冷冷凍機のヒートス
テーションに生じた温度振幅は、熱緩衝材の作用によっ
て低減されて、極低温ヒートステーションには伝達され
ない。こうして、上記極低温ヒートステーションの重量
を大きくしたり、純度の高い銅にしたりすることなく、
上記極低温ヒートステーションの温度を安定化できる。

【００２２】また、請求項１１に係る発明の極低温冷凍
機は、極低温ヒートステーションを予冷する予冷冷凍機
と,上記予冷冷凍機によって内部の冷媒ガスが冷却され
ると共に,この冷却された冷媒ガスで上記予冷された極
低温ヒートステーションを更に冷却するジュールトムソ
ン回路を有する極低温冷凍機において、上記ジュールト
ムソン回路における上記予冷冷凍機のヒートステーショ
ンと上記極低温ヒートステーションとの間の配管に、請
求項１乃至請求項８の何れか一つに係る発明の熱緩衝材
を設けたことを特徴としている。上記構成によれば、予
冷冷凍機のヒートステーションに生じてジュールトムソ
ン回路中の冷媒ガスに伝達された温度振幅は、上記ジュ
ールトムソン回路における上記ヒートステーションと極
低温ヒートステーションとの間の配管に設けられた熱緩
衝材の作用によって低減される。したがって、上記冷媒
ガスの温度振幅が上記極低温ヒートステーション伝達さ
れることはない。

【００２３】また、請求項１２に係る発明は、請求項９
乃至請求項１１の何れか一つに係る発明の極低温冷凍機
において、上記極低温ヒートステーションは複数存在
し、上記ジュールトムソン回路は全ての極低温ヒートス
テーションを冷却するようになっていることを特徴とし
ている。上記構成によれば、予冷冷凍機のヒートステー
ションに生じた温度振幅、複数の極低温ヒートステーシ
ョンに伝達された温度振幅、あるいは、ジュールトムソ
ン回路中の冷媒ガスに伝達された温度振幅が、上記ヒー
トステーション,各極低温ヒートステーションまたはジ
ュールトムソン回路の配管に設けられた熱緩衝材の作用
によって低減される。こうして、各極低温ヒートステー
ションに対する温度振幅の発生が防止される。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、この発明を図示の実施の形
態により詳細に説明する。図１は、本実施の形態の極低
温冷凍機におけるシリンダの先端部の拡大図である。本
極低温冷凍機においては、ヒートステーション３１の側
面３１aに、板状に形成された熱緩衝材３２を取り付け
ている。

【００２５】上記熱緩衝材３２の材質は、ヒートステー
ション３１の温度振幅を低減するために熱伝導率がエル
ビウム３ニッケル(Ｅr₃Ｎi)よりも高く、高い冷凍能力
を保持するために少なくともエルビウム３ニッケル(Ｅr
₃Ｎi)程度の高比熱を有し、且つ、機械加工が可能であ
る必要がある。図２に、上記熱緩衝材３２として用いら
れる金属の比熱および熱伝導率をエルビウム３ニッケル
(Ｅr₃Ｎi)と比較して示している。ここで、図２に示す
ように、一般に、ネオジウム(Ｎd)を除く希土類の合金
は切削,穴あけ,研磨等の機械加工性が良くない。そこ
で、切削や研磨等によって熱緩衝材３２を形成するに
は、以下のような工夫が必要である。

【００２６】(１）金属単体使用 図２に示すように、ネオジウム金属は、エルビウム３ニ
ッケル(Ｅr₃Ｎi)程度の高比熱を有し、熱伝導率がエル
ビウム３ニッケル(Ｅr₃Ｎi)の１０倍〜２０倍と高い。
したがって、ネオジウム金属は、単体で、４Ｋ近傍の極
低温度でも使用可能な低温用途の熱緩衝材の材料として
最適である。しかも、十分な機械加工性を有しており、
ヒートステーション３１の側面３１aの形状にマッチし
且つ密着可能な熱緩衝材３２を形成できるのである。す
なわち、上記ネオジウム金属は、単体で、最適な熱緩衝
材３２を形成することができるのである。

【００２７】また、鉛(Ｐb)は高い熱伝導率を有してい
るが、４Ｋ近傍では殆ど比熱が０となる。ところが、２
０Ｋ近傍ではヒートステーションとして十分な比熱を有
する。そこで、鉛(Ｐb)は、２０Ｋ近傍で使用される高
温用途の熱緩衝材の材料としてであれば、十分使用可能
である。

【００２８】尚、上述の例においては、ネオジウム(Ｎ
d)あるいは鉛(Ｐb)を単体で熱緩衝材３２として使用し
ているが、図３に示すように、ネオジウム(Ｎd)または
鉛(Ｐb)で形成された円板３３を高熱伝導率を有する銅
(Ｃu)等によってヒートステーション３１の側面３１aの
形状にマッチし且つ密着可能に形成された金属構造物３
４中に取り付けて、熱緩衝材３２を構成してもよい。

【００２９】(２）分散使用 上述したように、エルビウムコバルト(Ｅr₃Ｃo),エルビ
ウムニッケル(ＥrＮi),エルビウム３ニッケル(Ｅr₃Ｎ
i)，ホロミウムアルミニウム(ＨoＡl₂)，ホロミウム銅
(ＨoＣu₂)，ホロミウム２アルミニウム(Ｈo₂Ａl)，エル
ビウムニッケル合金(ＥrＮi_0.8Ｃo_0.2)，エルビウムニ
ッケル合金(ＥrＮi_0.9Ｃo_0.1)等の希土類の金属化合物
は、高い比熱を有するが機械加工性が良くない。

【００３０】そこで、図４に示すように、これらの希土
類金属化合物３５で小径の球や粒を形成し、鉛(Ｐb)や
インジウム(Ｉn)等のエルビウム３ニッケル(Ｅr₃Ｎi)よ
り高い熱伝導率を呈して機械加工性の良い金属３６中に
分散させて金属塊を作成するのである。こうして作成さ
れた金属塊は、エルビウム３ニッケル(Ｅr₃Ｎi)程度の
比熱とエルビウム３ニッケル(Ｅr₃Ｎi)より高い熱伝導
率とを合わせ持つ。したがって、良好な熱緩衝材として
機能する。また、上記金属塊は、機械加工性の悪い希土
類金属化合物は機械加工性の良い金属中に分散されてい
るので、上記熱緩衝材３２を形成可能な程度の機械加工
性は有している。したがって、上記金属塊を切削・研磨
することによって、ヒートステーション３１の側面３１
aの形状にマッチし且つ密着可能な熱緩衝材３２を形成
することができるのである。

【００３１】尚、上述の説明では、機械加工性の悪い希
土類金属化合物を機械加工性の良い金属中に分散させて
金属塊を形成しているが、機械加工性の良い希土類金属
である上記ネオジウム(Ｎd)を機械加工性の良い鉛(Ｐb)
金属中に分散させて金属塊を形成しても一向に構わな
い。こうすることによって、鉛(Ｐb)金属単体使用ある
いはネオジウム(Ｎd)金属単体使用の場合よりも機械加
工性や冷凍能力は低下するが、ネオジウム(Ｎd)の酸化
を防止できるという新たな効果を得ることができる。

【００３２】(３）鋳込み使用 機械加工性が良くない希土類金属化合物は、小球や粒に
して鉛(Ｐb)やインジウム(Ｉn)等の機械加工性が良い高
熱伝導率の単体金属中に分散させて金属塊を作成するこ
とによって機械加工性を高めることができるが、上記機
械加工性の良い金属に比べると十分な機械加工性が得ら
れるとは言い難い。そこで、図５に示すように、上述の
如く希土類金属化合物を高熱伝導率の単体金属中に分散
させた金属塊または上記ネオジウム(Ｎd)を鉛(Ｐb)金属
中に分散させた金属塊(両金属塊を総称して金属塊３７
と言う)を、高熱伝導率を有すると共に機械加工性の良
い銅またはネオジウム(Ｎd)で形成された金属構造物３
８中に鋳込むのである。こうすることによって、上記金
属塊３７が有する熱緩衝材能力を更に向上させ、且つ、
より高い機械加工性を得ることができるのである。した
がって、切削や研磨によって上記高熱伝導率の金属構造
物３８を形成することによって、ヒートステーション３
１の側面３１aの形状にマッチし且つ密着可能な熱緩衝
材３２を形成することができるのである。

【００３３】(４）ガス中分散使用 上記エルビウム３ニッケル(Ｅr₃Ｎi)よりも高い熱伝導
率とエルビウム３ニッケル(Ｅr₃Ｎi)程度の比熱とを有
して熱緩衝機能および高い冷凍能力の保持機能を合わせ
持つ熱緩衝材は、希土類金属を低沸点ガスと共に充填し
ても得られる。

【００３４】図６に示すように、銅合金等のように熱伝
導率が高く機械加工性の良い金属によって、ヒートステ
ーション３１の側面３１aの形状にマッチし且つ密着可
能な金属容器３９を形成する。そして、この金属容器３
９の中に、上述したネオジウム(Ｎd)または希土類金属
化合物の粒子４０を低沸点ガス４１と一緒に充填するの
である。尚、上記低沸点ガスとしては、適用温度が３０
Ｋ以上である場合にはアルゴン(Ａr)が適し、適用温度
が２０Ｋ近傍である場合にはヘリウム(Ｈe),水素(Ｈ₂)
あるいはネオン(Ｎe)が適し、適用温度が４Ｋ近傍であ
る場合にはヘリウム(Ｈe)が適している。このように、
上記希土類金属化合物の粒子４０を低沸点ガス４１中に
分散させることによって、ガスの対流とガスの温度およ
び圧力で生ずる凝縮とによって熱伝導性が向上して、温
度分布が均一になるのである。

【００３５】上述のように、本実施の形態においては、
上記ネオジウム(Ｎd)や鉛(Ｐb)のように高比熱および高
熱伝導率を有して機械加工性の良い金属単体によって熱
緩衝材３２を形成し、あるいは、高い比熱を有する希土
類金属化合物の粒子３５を高い熱伝導率を有して機械加
工性の良い金属３６中に分散させた金属塊によって熱緩
衝材３２を形成し、あるいは、高い熱伝導性を有して機
械加工性のよい金属構造物３８中に上記金属塊３７を鋳
込んで熱緩衝材３２を形成し、あるいは、熱伝導率が高
く機械加工性の良い金属によって形成した金属容器３９
中に高比熱を有するネオジウム(Ｎd)や希土類金属化合
物の粒子４０を低沸点ガス４１と一緒に充填して熱緩衝
材３２を形成する。そして、こうして形成した熱緩衝材
３２をヒートステーション３１の側面３１aに密着して
取り付けている。したがって、上記ヒートステーション
３１の重量を大きくすることなく、換言すれば、起動時
のクールダウン時間を長くすることなく、被冷却部の温
度振幅を低減できるのである。

【００３６】次に、例えば、図１２に示すような、予冷
冷凍機によって得られた２０Ｋレベルの冷気をＪ−Ｔ回
路を用いてさらに冷却して４Ｋレベルの極低温を得る極
低温冷凍装置における４Ｋヒートステーションに生ずる
温度振幅防止について説明する。上述のような極低温冷
凍装置における温度振幅防止方法としては、次のような
方法がある。(ａ）４Ｋヒートステーションの端面に熱
緩衝材を設ける。(ｂ）４Ｋヒートステーションの予冷
機ヒートステーション側に熱緩衝材を設ける。(ｃ)予冷
機ヒートステーションに熱緩衝材を設ける。(ｄ）予冷
機ヒートステーションと４Ｋヒートステーションとの間
のＪ−Ｔ回路に熱緩衝材を設ける。

【００３７】図７は、４Ｋヒートステーション５１の端
面とこの端面に取り付けられた被冷却物５２との間に熱
緩衝材５３を設けた場合を示す。こうすることによっ
て、４Ｋヒートステーション５１に生じた温度振幅が熱
緩衝材５３の作用によって低減されて、被冷却物５２に
伝わることが防止される。したがって、被冷却物５２が
電波センサ等のセンサである場合に、このセンサに対す
るノイズを低減できるのである。尚、上記熱緩衝材５３
としては、上述した（１）金属単体使用、(２）分散使
用、(３）鋳込み使用、(４）ガス中分散使用の何れのタ
イプの熱緩衝材であってもよい。また、材質も４Ｋヒー
トステーション５１や被冷却物５２の形状や冷却温度等
に応じて、上述の材質から適宜選択して選択して用いれ
ばよい。

【００３８】図８は、４Ｋヒートステーション５５の予
冷機ヒートステーション側に熱緩衝材５６を設けた場合
を示す。こうすることによって、予冷機ヒートステーシ
ョン(図示せず)から４Ｋヒートステーション５５に伝達
される熱の温度分布が均一になり、上記予冷機ヒートス
テーションに生じた温度振幅が４Ｋヒートステーション
４８に伝わることを防止できるのである。尚、上記熱緩
衝材５６は、リング状に形成して図８に示すように４Ｋ
ヒートステーション５５の外周に設けた溝に嵌合しても
よいし、円盤状に形成して４Ｋヒートステーション５５
とこの４Ｋヒートステーション５５を上記予冷機ヒート
ステーションに接続する接続部５７との間に挟んで設け
てもよい。また、熱緩衝材５６の上記タイプや材質は特
に限定されず、上述したタイプや材質の中から目的に応
じて適宜選択して選択して用いればよい。

【００３９】図９は、予冷機ヒートステーション６１の
先端に熱緩衝材６２を設けた場合を示す。こうすること
によって、予冷機ヒートステーション６１から４Ｋヒー
トステーション６３に伝達される熱の温度分布が均一に
なり予冷機ヒートステーション６１に生じた温度振幅が
４Ｋヒートステーション６３に伝わることを防止できる
のである。尚、上記熱緩衝材６２の上記タイプや材質は
特に限定されず、上述したタイプや材質の中から目的に
応じて適宜選択して選択して用いればよい。

【００４０】図１０は上記Ｊ−Ｔ回路に熱緩衝材を設け
た場合を示し、Ｊ−Ｔ弁６５の下流側の配管６６あるい
は上流側の配管６７の少なくとも一方に、熱緩衝材６８
あるいは熱緩衝材６９を設ける。この熱緩衝材６８,６
９は、例えば、エルビウム３ニッケル(Ｅr₃Ｎi)程度の
高比熱を有し、熱伝導率がエルビウム３ニッケル(Ｅr₃
Ｎi)の１０倍〜２０倍と高く、且つ、十分な機械加工性
を有しているネオジウム(Ｎd)金属を用いて、配管６６,
６７の外径に略等しい内径を有する円筒状に形成して得
る。そして、この円筒状の熱緩衝材６８,６９内に配管
６６あるいは配管６７を挿通させて取り付けるのであ
る。こうすることによって、予冷機ヒートステーション
７０とＪ−Ｔ回路中の冷媒ガスとの熱交換の際に上記冷
媒ガスに生じた温度振幅が低減されるのである。したが
って、上記冷媒ガスと４Ｋヒートステーション７１との
熱交換によって４Ｋヒートステーション７１に熱振幅が
発生することはない。

【００４１】また、１つの予冷冷凍機に複数の４Ｋヒー
トステーションを並列に接続し、上記Ｊ−Ｔ回路におけ
るＪ−Ｔ弁の下流側に複数の冷却器を設け、各冷却器を
各４Ｋヒートステーションに直列に取り付けて成る極低
温冷凍装置がある。このような極低温冷凍機において
は、上述した （ａ）４Ｋヒートステーションの端面に熱緩衝材を設け
る （ｂ）４Ｋヒートステーションの予冷機ヒートステーシ
ョン側に熱緩衝材を設ける （ｃ）予冷機ヒートステーションに熱緩衝材を設ける （ｄ）Ｊ−Ｔ回路に熱緩衝材を設ける を、上記予冷機ヒートステーションあるいは各４Ｋヒー
トステーションに適宜組み合わせて適用することによっ
て、各４Ｋヒートステーションに対する温度振幅の発生
を防止できる。

【００４２】

【発明の効果】以上より明らかなように、請求項１に係
る発明の極低温冷凍機は、最終ヒートステーションの先
端に金属単体の熱緩衝材を設けているので、上記熱緩衝
材の作用によって、上記ヒートステーションの温度振幅
が低減される。したがって、上記ヒートステーションの
重量を大きくすることなく、換言すれば起動時のクール
ダウン時間が長くなるのを押さえて、被冷却部の温度振
幅を低減できる。

【００４３】また、請求項２にかかる発明の極低温冷凍
機における熱緩衝材は、ネオジウム(Ｎd)単体で形成さ
れているので、上記熱緩衝材は、エルビウム３ニッケル
(Ｅr₃Ｎi)と同等の比熱を有し、上記エルビウム３ニッ
ケル(Ｅr₃Ｎi)より十分高い熱伝導率を有し、且つ、機
械加工性が良い。したがって、上記熱緩衝材は、上記ヒ
ートステーションの先端形状にマッチし且つ密着可能に
形成することによって、上記ヒートステーション先端に
密着して取り付けることができ、上記ヒートステーショ
ンの重量を大きくすることなく被冷却部の温度振幅を低
減できる。

【００４４】また、請求項３に係る発明の極低温冷凍機
における熱緩衝材は、鉛(Ｐb)単体で形成されているの
で、上記熱緩衝材は、２０Ｋ近傍の温度では上記ヒート
ステーションとして十分な比熱を有し、上記エルビウム
３ニッケル(Ｅr₃Ｎi)より十分高い熱伝導率を有し、且
つ、機械加工性が良い。したがって、上記熱緩衝材は、
上記ヒートステーション先端に密着して取り付けること
ができ、２０Ｋ近傍の温度において、上記ヒートステー
ションの重量を大きくすることなく被冷却部の温度振幅
を低減できる。

【００４５】また、請求項４に係る発明の極低温冷凍機
は、最終ヒートステーションの先端に、高熱伝導率の単
体金属中に高比熱の金属化合物を分散させて成る熱緩衝
材を設けたので、上記ヒートステーションの重量を大き
くすることなく被冷却部の温度振幅を低減できる。さら
に、上記熱緩衝材は機械加工性が良く、ヒートステーシ
ョンの先端形状にマッチし且つ密着可能に形成すること
ができるので、上記ヒートステーション先端に密着して
取り付けることができる。

【００４６】また、請求項５に係る発明の極低温冷凍機
は、最終ヒートステーションの先端に、高熱伝導率の単
体金属中に高比熱の単体金属を分散させて成る熱緩衝材
を設けたので、上記ヒートステーションの重量を大きく
することなく被冷却部の温度振幅を低減できる。さら
に、上記熱緩衝材は、高熱伝導率の単体金属中に高比熱
の単体金属を分散して形成されているので、上記単体金
属の酸化が防止される。さらに、上記熱緩衝材は機械加
工性が良く、ヒートステーションの先端形状にマッチし
且つ密着可能に形成することができる。したがって、上
記ヒートステーション先端に密着して取り付けることが
でき。

【００４７】また、請求項６に係る発明の極低温冷凍機
は、上記高比熱を有する金属化合物は、ＨoＣu₂,Ｅr₃Ｃ
o,ＥrＮi,Ｅr₃Ｎi,ＨoＡl₂,Ｈo₂Ａl,ＥrＮi_0.8Ｃo_0.2お
よびＥrＮi_0.9Ｃo_0.1の何れか一つであるので、上記高
熱伝導率の単体金属中に、上記エルビウム３ニッケル
(Ｅr₃Ｎi)と同等の高比熱を有する金属化合物が分散さ
れて上記熱緩衝材が形成される。したがって、上記熱緩
衝材は、被冷却部の温度振幅を低減し、高い冷凍能力を
保持できる。

【００４８】また、請求項７に係る発明の極低温冷凍機
は、最終ヒートステーションの先端に設けられた高熱伝
導率構造物の凹部に、高熱伝導率の単体金属中に高比熱
の単体金属あるいは金属化合物を分散させて形成された
熱緩衝材を鋳込んで構成するので、上記熱緩衝材は、上
記ヒートステーション先端に密着して取り付けられて更
に効率良く温度振幅が低減される。

【００４９】また、請求項８に係る発明の極低温冷凍機
は、最終ヒートステーションの先端に、高熱伝導率の容
器中に高比熱金属の粒子を低沸点ガスと共に充填して成
る熱緩衝材を設けたので、低沸点ガスの対流と上記低沸
点ガスの温度および圧力によって生ずる凝縮とによって
熱伝導性を向上させて、上記高熱伝導率の容器内の温度
分布を均一にできる。したがって、この発明によれば、
効率良く温度振幅を低減できる。

【００５０】また、請求項９に係る発明の極低温冷凍機
は、予冷冷凍機によって予冷される極低温ヒートステー
ションに、請求項１乃至請求項８の何れか一つに記載の
熱緩衝材を設けたので、上記予冷冷凍機の冷凍サイクル
において上記予冷冷凍機のヒートステーションに生じた
温度振幅を上記熱緩衝材の作用によって低減して、極低
温ヒートステーションに伝達しないようにできる。ある
いは、上記予冷冷凍機のヒートステーションに生じて極
低温ヒートステーションに伝達された温度振幅を、上記
熱緩衝材の作用によって低減できる。したがって、上記
極低温ヒートステーションの重量を大きくすることな
く、換言すれば起動時のクールダウン時間が長くなるの
を押さえて、上記極低温ヒートステーションの温度を安
定にできる。さらに、上記極低温ヒートステーションを
純度の高い銅で形成する必要がなく、コストダウンを図
ることができる。すなわち、この発明によれば、宇宙か
らの電波を検知する電波センサ等を被冷却物とする場合
に、上記熱振幅が上記被冷却物に対するノイズ源となる
のを容易に且つ安価に防止できるのである。

【００５１】また、請求項１０に係る発明の極低温冷凍
機は、極低温ヒートステーションを予冷する予冷冷凍機
のヒートステーションに、請求項１乃至請求項８の何れ
か一つに記載の熱緩衝材を設けたので、上記予冷冷凍機
のヒートステーションに生じた温度振幅を上記熱緩衝材
の作用によって低減して、極低温ヒートステーションに
伝達しないようにできる。したがって、上記極低温ヒー
トステーションの重量を大きくしたり、純度の高い銅に
したりすることなく、上記極低温ヒートステーションの
温度を安定化できる。

【００５２】また、請求項１１に係る発明の極低温冷凍
機は、予冷冷凍機によって冷却された冷媒ガスで極低温
ヒートステーションを冷却するジュールトムソン回路に
おける上記予冷冷凍機のヒートステーションと極低温ヒ
ートステーションとの間の配管に、請求項１乃至請求項
８の何れか一つに記載の熱緩衝材を設けたので、上記予
冷冷凍機のヒートステーションに生じて上記ジュールト
ムソン回路中の冷媒ガスに伝達された温度振幅を上記熱
緩衝材の作用によって低減できる。したがって、上記ジ
ュールトムソン回路中の冷媒ガスの温度振幅は、上記極
低温ヒートステーション伝達されない。

【００５３】また、請求項１２に係る発明の極低温冷凍
機は、請求項９乃至請求項１１の何れか一つに係る極低
温冷凍機において、上記極低温ヒートステーションは複
数存在し、上記ジュールトムソン回路は全ての極低温ヒ
ートステーションを冷却するようになっているので、予
冷冷凍機のヒートステーションに生じた温度振幅、複数
の極低温ヒートステーションに伝達された温度振幅、あ
るいは、ジュールトムソン回路中の冷媒ガスに伝達され
た温度振幅を、上記ヒートステーション,各極低温ヒー
トステーションまたはジュールトムソン回路の配管に設
けられた熱緩衝材の作用によって低減できる。したがっ
て、複数の極低温ヒートステーションに対する温度振幅
の発生を防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の極低温冷凍機におけるヒートステー
ション近傍の拡大図である。

【図２】熱緩衝材として用いられる金属の比熱および熱
伝導率を示す図である。

【図３】図１に示す熱緩衝材の一例を示す断面図であ
る。

【図４】図３とは異なる熱緩衝材の断面図である。

【図５】図３および図４とは異なる熱緩衝材の断面図で
ある。

【図６】図３,図４および図５とは異なる熱緩衝材の断
面図である。

【図７】Ｊ−Ｔ回路を用いた極低温冷凍装置における４
Ｋヒートステーションの端面に熱緩衝材を設ける場合の
説明図である。

【図８】Ｊ−Ｔ回路を用いた極低温冷凍装置における４
Ｋヒートステーションの予冷機ヒートステーション側に
熱緩衝材を設ける場合の説明図である。

【図９】Ｊ−Ｔ回路を用いた極低温冷凍装置における予
冷機ヒートステーションに熱緩衝材を設ける場合の説明
図である。

【図１０】Ｊ−Ｔ回路を用いた極低温冷凍装置における
Ｊ−Ｔ回路に熱緩衝材を設ける場合の説明図である。

【図１１】極低温冷凍機としてのクライオ冷凍機を示す
図である。

【図１２】Ｊ−Ｔ回路を用いた極低温冷凍装置を示す図
である。

【符号の説明】

３１…ヒートステーション、３２,５３,５６,６２,６
８,６９…熱緩衝材、３３…ネオジウムあるいは鉛の円
板、 ３４,３８…高熱伝導率の金属構造物、３５…希
土類金属化合物、 ３６…高熱伝導率金属、
３７…金属塊、 ３９…高熱伝導
率の金属容器、４０…ネオジウムや希土類金属化合物の
粒子、４１…低沸点ガス、５１,５５,６３,７１…４Ｋ
ヒートステーション、６１,７０…予冷機ヒートステー
ション、６５…Ｊ−Ｔ弁。

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 最終ヒートステーションの先端に、金属
   単体の熱緩衝材を設けたことを特徴とする極低温冷凍
   機。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の極低温冷凍機におい
   て、 上記熱緩衝材はＮd単体で形成されていることを特徴と
   する極低温冷凍機。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の極低温冷凍機におい
   て、 上記熱緩衝材はＰb単体で形成されていることを特徴と
   する極低温冷凍機。
4. 【請求項４】 最終ヒートステーションの先端に、高熱
   伝導率の単体金属中に高比熱の金属化合物を分散させて
   成る熱緩衝材を設けたことを特徴とする極低温冷凍機。
5. 【請求項５】 最終ヒートステーションの先端に、高熱
   伝導率の単体金属中に高比熱の単体金属を分散させて成
   る熱緩衝材を設けたことを特徴とする極低温冷凍機。
6. 【請求項６】 請求項４に記載の極低温冷凍機におい
   て、 上記高比熱の金属化合物は、Ｅr₃Ｃo,ＥrＮi,Ｅr₃Ｎi,
   ＨoＡl₂,ＨoＣu₂,Ｈo₂Ａl,ＥrＮi_0.8Ｃo_0.2およびＥrＮ
   i_0.9Ｃo_0.1の何れか一つであることを特徴とする極低温
   冷凍機。
7. 【請求項７】 請求項４あるいは請求項５に記載の極低
   温冷凍機において、上記熱緩衝材は、最終ヒートステー
   ションの先端に設けられた高熱伝導率構造物の凹部に鋳
   込まれて、上記高熱伝導率構造物と一体に構成されてい
   ることを特徴とする極低温冷凍機。
8. 【請求項８】 最終ヒートステーションの先端に、高熱
   伝導率の容器中に高比熱金属の粒子を低沸点ガスと共に
   充填して成る熱緩衝材を設けたことを特徴とする極低温
   冷凍機。
9. 【請求項９】 極低温ヒートステーション(５１,５５)
   を予冷する予冷冷凍機と、上記予冷された極低温ヒート
   ステーション(５１,５５)を更に冷却するジュールトム
   ソン回路を有する極低温冷凍機において、 上記極低温ヒートステーション(５１,５５)に、請求項
   １乃至請求項８の何れか一つに記載の熱緩衝材を設けた
   ことを特徴とする極低温冷凍機。
10. 【請求項１０】 極低温ヒートステーションを予冷する
    予冷冷凍機と、上記予冷された極低温ヒートステーショ
    ンを更に冷却するジュールトムソン回路を有する極低温
    冷凍機において、 上記予冷冷凍機のヒートステーション(６１)に、請求項
    １乃至請求項８の何れか一つに記載の熱緩衝材を設けた
    ことを特徴とする極低温冷凍機。
11. 【請求項１１】 極低温ヒートステーション(７１）を
    予冷する予冷冷凍機と、上記予冷冷凍機によって内部の
    冷媒ガスが冷却されると共に、この冷却された冷媒ガス
    で上記予冷された極低温ヒートステーション(７１)を更
    に冷却するジュールトムソン回路を有する極低温冷凍機
    において、 上記ジュールトムソン回路における上記予冷冷凍機のヒ
    ートステーション(７０)と上記極低温ヒートステーショ
    ン(７１)との間の配管に、請求項１乃至請求項８の何れ
    か一つに記載の熱緩衝材を設けたことを特徴とする極低
    温冷凍機。
12. 【請求項１２】 請求項９乃至請求項１１の何れか一つ
    に記載の極低温冷凍機において、 上記極低温ヒートステーションは複数存在し、 上記ジュールトムソン回路は、全ての極低温ヒートステ
    ーションを冷却するようになっていることを特徴とする
    極低温冷凍機。