JPS58168854A - 冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、１°に以下の温度で冷却するための希釈冷凍
機に係る。

３ 希釈冷凍機は、液体　Ｈｅ中への液体　Ｈｅの断熱的希
釈及び混合のための希釈室中への濃縮Ｈｅの循環を用い
た循環方法で動作する。断熱的希釈には、２つの混合方
法がある。その１つの方法に於ては、濃縮混合物中への
溶媒の拡散が半透過性の膜を通して行われ、もう１つの
方法に於ては、４−６ 約１０　モル７秒の気体３Ｈｅが約１．３　Ｘ　１０バ
ールのその気体圧力の下でボンピングによす取出される
、蒸留方法によって行われる。それから、上記気体３Ｈ
ｅが、低温維持装置（ｃｒｙｏｓｔａｔ）の外部で、圧
縮され、予冷され、そして液体の形で絞り弁を経て希釈
室へ循環される。従って、’Ｈｅの蒸発は２段階で行わ
れ、即ち第１段階は　Ｈｅによる３Ｈｅの希釈であり、
第２段階は希釈液の蒸発である。

従来の代表的な技術がスイス特許第４４４８９５号の明
細書に開示されており、該明細書は、減圧装置の背後の
圧力に対応する温度よりも低い温度の冷気を発生するジ
ュール−ケルビン・システムについて記載している。こ
の装置は、出力が熱交換器を経て圧縮器の入力へそしで
減圧弁を経てタンクへ連結されているエジェクタとして
設計されており、上記タンクの蒸気室は上記エジェクタ
の吸引入力に連結されている。

スイス特許第５２７３９９号の明細書は、上記スイス特
許第４４４８９３号の明細書に記載された技術の改良を
示しており、その改良技術に於ては、一種のフィルタで
あるスーパーリーク（ｓｕｐｅｒｉｅ＋ａｋｌの一方の
端部が熱交換器（ヘリウムがそのラムダ温度以下に冷却
される）及び減圧パルプを経て供給管の第１位置に連結
され、スーパーリークの他方の端部が冷却タンクに連結
され、該冷却タンクは上記第１位置よりも低圧下にある
上記供給管の第２位置への管（そこでは、超流体ヘリウ
ムがその臨界速度を超える）に連結されている。

上記両特許明細書は、ヘリウムが気相に戻され、従って
１０００ｇ／秒のオーダーの”Ｈｅガスをボンピング及
び圧縮するために大型の圧縮を要する、希釈冷凍機に関
する。Ｐｈｙａ、Ｒｅｖ、１２Ｂ、Ｎｏ、５、第１９９
２頁乃至第２００５頁に於けるＨ、Ｌｏｎｄｏｎ）Ｇ、
Ｒ，Ｃ１ａｒｋｅ及びＥ、　ＭｅｎｄｏｚａにょるＯｓ
ｍｏｔｉｃ　　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　　ｏｆ　Ｈｅ６ｉｎ
　Ｌｉｇｕｉｄ　Ｈｅ４ｓ　ｗｉｔｈ　Ｐｒｏｐｏｓａ
ｌｓｆｏｒ　　ａ　　Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ　　ｔ
ｏ　Ｗｏｒｋ　　ＢｅｌｏｗｌｏＫ”と題する文献に於
て提案されている冷凍機も同様である。

大型のポンプ装置を必要とすることは、明らかに従来技
術に於ける大きな欠点であるが、本発明による希釈冷凍
機によればその必要がない。

生呈豆ユ監！ σ 本発明の目的は、液体４Ｈｅ中に液体３Ｈｅを断熱的に
希釈しそして濃縮された３Ｈｅを希釈室中に循環させる
ことにより１°に以下の温度で冷却するための希釈冷凍
機を提供することである。この希釈冷凍機は、液体　Ｈ
ｅ　−４Ｈｅ混合物を希釈室から４Ｈｅ　ＩＩ原子のみ
を透過し得るフィルタ（スーパーリーク）ヘボンピング
しそして濃縮された３Ｈｅを上記希釈室へ戻し、それに
よって上記フィルタの下端に於て冷気を発生しそして再
び３Ｈｅを４Ｈｅと混合することによって熱を消費し、
上記冷気は戻されている３Ｈｅの流れを予冷するために
熱交換器に於て用いられることを特徴とする。

上記希釈冷凍機は、吸引及びボンピングのための管に各
々配置されている少くとも２個の弁の位置に応じて、液
体３Ｈｅ−４Ｈｅ混合物を希釈室から吸引しそして濃縮
された３Ｈｅを再び希釈室へボンピングするための少く
とも１個のポンプと、上記ポンプ及び上記希釈室の間に
配置されており、４Ｈｅ■原子のみを透過し得るスーパ
ーリークと、上記希釈室及び熱交換器と密接に熱的に接
触する様に装着されている熱負荷管とを有している。

しかしながら、この冷凍機が使用可能か否かは、液体ヘ
リウムを取扱い得るポンプ及び弁が得られるか否かに依
存する。その様なポンプ及び弁が以下の本発明の好実施
例に関する記載に於て提案されている。

本発明の好実施例 第１図は本発明による希釈冷凍機の一実施例を示してい
る。第１図に於て、垂直に配置された管２が希釈室１中
に達しており、管２は熱交換器３を通過し、又弁４に於
て終端している。弁４から水平に延びる管５が弁乙に於
て終端しており、管５は分岐管７及び８を有している。

管７は、後述する如く液体ヘリウムをボンピングし得る
機械的ポンプ９に連結されている。管８は弁１０に連結
され、弁１０には管１２がスーパーリーク１１を経て連
結されており、管１２は希釈室１中に達している。弁６
は管１３に連結されており、管１３も希釈室１中に達し
ている。

ポンプ９が２°に以下の温度に保たれるものと仮定する
。これは、ポンプ９を循環する液体４Ｈｅの浴中に浸漬
することによって達成され得る。弁４を開き、弁６及び
１０を閉じ、例えばピストン又はしゃばらを上昇させて
管７に於ける圧力を低下させることにより、３Ｈｅ−４
Ｈｅ混合物が希釈室１から熱交換器６を通過して管２及
びポンプ９中に吸引される。弁４を閉じ、弁１０を開き
、それと同時にポンプ９の圧力を増すことにより、起流
体４Ｈｅがスーパーリーク１１を経て流動され、管１２
を経て希釈室１中に戻されるが、　Ｈｅはすべてスーパ
ーリーク１１の上方に留められる。

スーパーリークは通常、微粉末を詰込まれそして１０　
　”’ｃｍのオーダーの穴で迷路が形成されている、内
径の小きい（約１）、３ｍｍ）管より成る。

起流体４Ｈｅは粘度を有していないので、かなりの速度
でスーパーリークを通過し得るが、３Ｈｅはスーパーリ
ークを全く通過し得ない。

４Ｈｅがスーパーリーク１１を経て流動するに従って、
スーパーリークの上方の管に於て温度が上昇するが、管
１２及び希釈室１に於ては温度が低下する。これは、起
流体４Ｈｅが何ら内部エネルギを有さす、従ってそれが
流動している管から何らエネルギを除去し得ないことに
よるものである。従って、スーパーリークの上方に残る
液体の固有内部エネルギ及びそれに対応する温度が上昇
する。

４Ｈｅのみがスーパーリーク１１を経て流れることによ
り、３Ｈｅ及び４Ｈｅが分離される結果、弁４と同様に
閉じられた弁１０の上方の管内に於て３Ｈｅが濃縮され
ている。弁６が開かれそしてポンプ９の圧力が上昇され
ると、濃縮された３Ｈｅが管１６を経て希釈室１中に押
出される。

スーパーリーク１１が４Ｈｅのみを透過し得ることから
、弁１０は除かれてもよい。弁１０が除かれた場合には
、３Ｈｅ−４Ｈｅ混合物を管２及び５を経て吸引するた
めにポンプ９の圧力が低下されるとき、一部の４Ｈｅが
スーパーリーク１１を経て引上げられて直ちに管５．７
及び８中に蒸発する。しかしながら、３Ｈｅ−４Ｈｅ混
合物が直ちに弁４を経て管５．７及び８中に入るので、
弁１０を除くことによって失われる効率は極めて小さい
。

希釈室１が約０．８°に以下に低下すると、混合へリウ
ム中に相分離が生じる。これは、低温に於ては、液体　
Ｈｅのエントロピーが液体３Ｈｅのエントロピーに比べ
て極めて小さくなるためであり４Ｈｅ中に於ける　Ｈｅ
の混合物は、６Ｈｅのみから成る１成分系であって、　
Ｈｅは３Ｈｅの占有する体積を変えているだけであると
考えられ得る。従って、その２相への分離は、気体と平
衡状態にある液体に等しい。゛液相”の”Ｈｅは°′気
相”の４Ｈｅよりも密度が小さいので、容器中の気体及
び液体の通常の配置が上下逆になり、即ち３Ｈｅを豊富
に含む混合物５４が４Ｈｅを豊富に含む混合物５５上に
配置される。

濃縮３Ｈｅが管１６を経て希釈室１に入るとき、希釈室
中の内容物中に溶解されろ。殆どの他の系の場合と同様
に、希釈が生じると、希釈室１中の温度の低下が生じる
。その冷却は、液体がその表面で蒸発する場合と同様に
、実質的に２相間の界面で生じる。３Ｈｅを豊富に含む
混合物及び４Ｈｅを豊富に含む混合物は両方とも熱伝導
率が低いので、熱負荷は相の境界１４に密接に接触され
ねばならない。従って、第１図に示されている如く、熱
負荷管１５が、冷凍機の動作中に予想されるレベルの相
の境界の近傍に於て希釈室１中に延びる様に配置されて
いる。

管１５は、熱交換器６を通るべきであり、又ポンプ９が
４Ｈｅ浴中に浸漬されている容器１６を通過し得る。更
に、熱伝導を増すために、６Ｈｅ−４Ｈｅ混合物中に浸
漬される管１５の外側に通常の焼結された銀の覆いを設
けてもよい。又、第２図に示されている如く、管１５が
希釈室１の外側に取付けられてもよい。この場合には、
希釈室１と管１５との間の境界に焼結された銀の熱伝導
部材１７を用いろことによって、良好な熱接触が確保さ
れるべきである。

第２図は、各々管２０及び２１を経て管５に連結されて
いるがもう１つの弁２２により分離されている２つのポ
ンプ１８及び１９を有する、本発明による希釈冷凍機の
もう１つの実施例を示している。弁４が開かれ、弁６．
１０及び２２が閉じられて、ポンプ１８は希釈室１から
管２を経て６Ｈｅを豊富に含む混合物を吸引し得ろ。弁
４が閉じられ、弁１０が開かれたとき、混合物中の４Ｈ
ｅがスーパーリーク１１及び管１２を経て希釈室１中に
再び押出され得る。それから、濃縮された６Ｈｅが管５
かも開かれた弁２２を経て管２１中へ送られ、その後に
弁２２が再び閉じられて、ポンプ１９により弁６及び管
１６を経て押出される。その後半の段階に於て、ポンプ
１８が同時に６Ｈｅを豊富に含む混合物を再び吸引する
こと等も可能である。この二重サイクル方法はより良好
な熱交換を生じる。

記載の冷凍機に於ける１つの重要な部分は、圧力勾配に
逆らって液体ヘリウムを転送し得ろポンプ（９，１８，
１９）である。

第３図は、一方の端部２４が封止されそして他方の端部
が２つの弁２６及び２７で閉じられた管２５に連結され
ているしゃばら２３を有する・その様なポンプの簡単な
１例を示している。しゃばら２ろの封止された端部２４
が上下に移動されるとともに、その容積が増減される。

弁２６が閉じられそして弁２７が開かれて、端部２４が
上方に移動されると、弁２７を経てしゃばら２６中に吸
引が生じる。次に、弁２７が閉じられそして弁２６が開
かれて、しゃばら２３が圧縮されると、じやばら２３の
内容物が弁２６を経て転送される。

ポンプは低温環境で動作せねばならないので、じやばら
２３の作動は後述するカム手段によって最も良好に達成
される。

冷凍機のもう１つの重要な部分は、弁（４，６，１０，
２２）である。１つの適当な弁が、ＩＢＭＴｅｃｈｎｉ
ｃａｌ　　Ｄｉｓｃｌｏｓｕｒｅ　　Ｂｕｌｌｅｔｉｎ
）第２２巻、第７号、第２８９６頁に記載されている。

その弁を更に改良したものが第４図に示されている。管
２８は２重壁の筐体２９を通って弁室３０中に連結され
ており、弁室６０はその一端に排出管３１を有しそして
その他端に作動棒３３の　　　　　。

ための案内路６２を有している。排出管３１は鋭い端部
を有する環状弁座３４に於て終端し、作動棒３６の先端
には球状プラグ６５が設けられている。低温環境で用い
られる好ましい材料の組合せは、弁座ろ４に金を用いそ
してプラグ６５に鋼を用いる組合せであることが解った
。弁座６４の開孔よりも大きな直径を有するプラグ３５
が初めに弁座３４中に落下されるとき、弁座が鋼の球状
プラグの形状に厳密に適合する形状を有する様に金が流
動する。

作動棒６３は、じやばら３８の封止部６７に据付けられ
てバイアスねじろ９を封入している圧電気プレートの積
重ね３乙に取付けられ得る。ねじ３９は弁座３４とプラ
グ３５との間の間隙が予め調節されろ様にし、じやばら
３８はねじ３９のねじ切りを経てヘリウムが漏洩するこ
とを防ぐ。圧電気プレートの積重ね６６は通常、プラグ
６５を弁座３４中にしつかり押付けるに充分な電圧によ
って制御される。第５図に示されている如く、弁４．１
０．２２及び６並びにポンプ１８及び１９は、プランジ
ャ４７乃至５２によって上記弁及びポンプを作動させる
ためにカム４１乃至４６が配置されている共通のカム・
シャフト４０から作動され得ろ。カム・シャフト及びそ
の駆動モータは、低温保持装置の外部に配置され得る。

熱伝導率は温度とともに低下するため、多量の熱が上記
プランジャを経て該装置に入ることはない。

上述の装置に於けるヘリウムの流れは、該装置を僅かに
過度の圧力の下で動作させることによって増加されろ。

又、望ましくない蒸発を防ぐため、３Ｈｅの流れが管１
３を経て希釈室１中に再び導入されそして′５Ｈｅ−４
Ｈｅ混合物が管２を経て上方に吸引される様に、管２に
平衡用じやばら５３（第１図及び第２図）が設けられ得
る。

従来の希釈冷凍機は典型的にはＩＤＯｍＫに於て約１０
０μＷの冷凍能力を有しているが、本発明による冷凍機
はその１０３倍も優れた冷凍能力を有する（従来の装置
に於ては、１ｍｍ”７秒の液体ヘリウムがボンピングさ
れ得るのに対して、本明細書に提案されているポンプを
用いた場合には、１ｃｍ”７秒の液体ヘリウムがポンピ
ングされ得る）。

従って、本発明による希釈冷凍機の冷凍能力は１００ｍ
Ｋの近傍に於て１００　ｍＷのオーダーである。本発明
による冷凍機を用いて達し得る最終温度は約２ｍＫであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による希釈冷凍機の一実施例を示す概略
図、第２図は本発明による希釈冷凍機のもう１つの実施
例を示す概略図、第３図は液体ヘリウムのためのポンプ
の一例を示す概略図、第４図は液体ヘリウムのための弁
の一例を示す概略図、第５図は共通のカム・シャフトか
ら弁及びポンプを機械的に作動させる手段の一例を示す
概略図である。 １・・・・希釈室、２．５．７．８．１２．１６．２０
．２１．２５．２８・・・・管、３・・・・熱交換器、
４．６．１０．２２．２６．２７・・・・弁、９．１８
．１９・・・・ポンプ、１１・・・・スーパーリーク、
１４・・・・相の境界、１５・・・・熱負荷管、１６・
・・・容器、１７・・・・熱伝導部材、２３．６８・・
・・じやばら、２４・・・・端部、２９・・・・２重壁
の筐体、３０・・・・弁室、６１・・・・排出管、６２
・・・・案内路、６３・・・・作動棒、６４・・・・弁
座、６５・・・・球状プラグ、３６・・・・圧電気プレ
ートの積重ね、３７・・・・封止部、３９・・・・バイ
アスねじ、４０・・・・カム・シャフト、４１乃至４６
・・・・カム、４７乃至５２・・・・プランジャ、５ろ
・・・・平衡用しゃばら、５４・・・・　Ｈｅを豊富に
含む混合物、５５・・４Ｈｅを豊富に含む混合物。 出願人　　インターナゾヨナノいビジネス・マシしノズ
・コーポレーション５ 第１図 ］ｌ 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 下記構成を有する冷凍機。 （イ）　液体４Ｈｅにおいて液体３Ｈｅを断熱的に希釈
   するための希釈室。 ４ （ロ）上記希釈室から上記　Ｈｅ及び　Ｈｅを吸引し、
   再び上記希釈室に戻す様に動作するポンプ系。 （ハ）上記の吸引した３Ｈｅ及び４Ｈｅのうち４Ｈｅ■
   原子のみを通過させるフィルタを備１えた、上記ポンプ
   系及び上記希釈室の間に設けられた通路。 （に）上記フィルタによって濃縮された　Ｈｅを上記希
   釈室へ戻すための上記ポンプ系及び上記希釈室の間に設
   けられた通路。 （ホ）少くとも上記２つの通路に係合する熱交換器。