JPS63156987A - 試料冷却用の極低温冷凍装置 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、ジｅセフソン素子等の超電導素子や、極低温
温度計、電磁波計といった各種試料を、絶対温度数に〜
数十に程度の極低温レベルに冷却して、その物理量の測
定等を行うごとくした試料冷却用の極低温冷凍装置に関
する。

（従来の技術） 従来、冷凍機ユニット内で、ヘリウム等の高圧ガスを、
蓄冷器をもつディスプレーサ−等の移動をして膨張せし
め、該ガスの膨張空間と隣接す”るヒートステージ鍔ン
に極低温を得るごとくしたものは、例えば特開昭５８−
２１４７５８号公報等により知られている。

しかして、一般に、この種の極低温冷凍装置にあっては
、第７図に示すように、複数のヒートステーション（［
１１）　　（Ｈ２）　　（１１３）をもち、段階的に極
低温の温度レベルを小さくしてゆき、本体（ＸＩ）の端
部に設ける最小温度、レベルのヒートステーション（■
３）を、試料取付部（ｘ２）として利用し、該試料取付
部（ｘ２）に、超電導素子や極低温温度計等の試料を取
付けて、各種物理量の測定を行うごとくしている。

又、前記本体（ＸＩ）及び試料取付部（ｘ２）から成る
冷凍機ユニツ）（１３）は、真空容器（ｘ４）内に収容
され、外気（大気）との断熱を行っている。

更に、最小ヒートステーション（Ｈ３）をもつ前記試料
取付部（ｘ２）の周囲には、前記本体（Ｘｌ）側のヒー
トステーション（Ｈｌ）から延びる熱遮蔽体（ｘ７）を
配置して、外気と接する前記真空容器（ｘ４）から前記
試料取付部（ｘ２）への熱輻射を遮蔽し、一層の断熱効
果を上げている（発明が解決しようとする問題点） ところが、上記従来の装置では、試料取付部（ｘ２）と
本体（ＸＩ）とが−ツノ真空容器（ｘ４）内に収容され
ているために、試料の交換時に、前記取付部（ｉ２）の
周囲のみならず、前記本体（Ｘりの周囲の真空をも破壊
しなければならず、このため、第４図点線に示すように
、全てのヒートステーション（ｌ１ｌ）〜（ＩＩ：ｌ）
について、大気中の水分が凝縮しない様その温度を常温
近くまで昇温する必要があり、又、試料交換後には再び
、全てのヒートステーション（Ｈｌ）〜（［１３）を極
低温まで冷却する必要があって、ウォームアブプ時間及
びクールダウン時間が長くかかるのであった。

つまり、試料交換の際には、試料取付部（Ｘ２）以外に
、本体（ＸＩ）の部分をも昇温及び冷却しなければなら
ず、それだけ無駄にエネルギーを消費するものであった
し、又、交換に長時間を要するため、頻繁に試料を交換
できない欠点があったのである。

本発明の目的は、上記問題点を解決し、ウオームアラ・
プ時間及びクールダウン時間を短縮でき、冷凍装置の実
使用効率の向上が図れる試料冷却用の極低温冷凍装置を
提供する点にあり、特許請求の範囲第１項記載の発明（
以下第１発明という）では、試料取付部と本体とを隔壁
を介して分離形成することにより、試料取付部周りの真
空のみを単独で破壊できるようにすることを目的とする
ものであり、更に、特許請求の範囲第２項記載の他の発
明（以下第２発明という）では、更に試料取付部の周囲
に配置する熱遮蔽体が、試料交換時に、その熱伝導によ
り本体側へ悪影響を及ぼさないよう、該熱遮蔽体と本体
との熱接続を選択的に断連できるようにすることを目的
とするものである。

（問題点を解決するための手段） しかして第１発明は、１以上のヒートステーションをも
つ本体（１）と、該本体（１）の最小ヒートステーショ
ンよりも低いヒートステーションをもつ試料取付部（２
）とを備えた冷凍機ユニット（３）を、真空容器（４）
内に収容し、高圧ガスの膨張で前記試料取付部（２）に
極低温を得るごとくした試料冷却用の極低温冷凍装置で
あって、前記本体（１）を収容する第１真空室（ｌ工）
と、前記試料取付部（２）を収容する第２真空室（１２
）とを、隔壁（５）を介して分離形成すると共に、前記
第２真空室（１２）に、前記試料取付部（２）に試料を
着脱自由に取付ける開閉蓋（６）を設けたことを特徴と
するものである。

また、第２発明は、上記第１発明の主要な構成、即ち、
本体（１）を収容する第１真空室（１１）と、試料取付
部（２）を収容する第２真空室（１２）とを、隔壁（５
）を介して分離形成するという構成に加えて、前記第２
Ｗ空室（１２）に、前記試料取付部（２）を取囲み、前
記本体（１）のヒートステーションと熱接続する１以上
の熱遮蔽体（７）を配置する一方、該熱遮蔽体（７）と
前記本体（１）のヒートステーションとの熱接続を選択
的に断通するサーマルスイッチ（８）を設けたことを特
徴とするものである。

（作用） かくして、本体（１）を収容する第１真空室（１１）と
、試料取付部（２）を収容する第２真空室（１２）とを
、隔壁（５）を介して分離形成することにより、前記試
料取付部（２）に取付ける試料を交換する場合、前記第
２真空室（１２）のみの真空を破壊するだけでよいこと
となり、真空を破壊する空間容積を最小限に小さくでき
るのであり、又、前記取付部（２）のみの昇温及び冷却
を行うだけでよいこととなるのであって、そのウォーム
アブプ時間及びクールダウン時間が短縮できることとな
るのである。

更に、これに加えて、第２発明では、前記試料取付部（
２）の周りに、本体（１）のヒートステーションと熱接
続する熱遮蔽体（７）を配置したから、外気からの熱輻
射の悪影響を排して断熱性を向上できることとなるので
あるし、又一方で、この熱遮蔽体（７）が介装されてい
るがゆえに、試料交換時に、前記第２真空室（１２）を
真空破壊した場合に、該熱遮蔽体（７）から本体（１）
側へ熱の移動が起こって該本体（１）側を無駄に昇温し
かねないのであるが、前記熱遮蔽体（７）と前記本体（
１）のヒートステージ何ンとの間には、これら熱接続を
選択的に断通するサーマルスイッチ（８）を設けたので
あるから、前記熱遮蔽体（７）から本体（１）側への熱
侵入の問題も解消できて、クールダウン時間を長引かせ
ることなく、その時間短縮が図れるのである。

（実施例） 第１図に示す極低温冷凍ａｉｔは、第１及び第２ヒート
ステージ日ン（ＩＩＩ）　　（１１１２）をもつ本体（
１）と、第３ヒートステーシヨン（Ｈ３）をもつ試料取
付部（２）とを備えた冷凍器ユニー／　）（３）を、筒
部（４１）（４２）及びフランジ部（４ａ）　　（４ｂ
）　　（４ｃ）で構成する密閉状の真空容器（４）内に
収容したものである。

前記冷凍機ユニツ）　（３）では、外部圧縮機ユニット
から導入口（２１）を介し導入するヘリウム等の高圧ガ
スを、既知の通り、該冷凍機ユニット（３）に内装する
ディスプレーサ−等の移動をして膨張せしめ、前記各ヒ
ートステーション（Ｈｌ）　　（１１２）　　（１１３
）に、順次温度レベルを小とする極低温領域を段階形成
しているのである。

尚、（２２）は前記高圧ガスの膨張後の低圧ガスの排出
口であり、該排出口（２２）と前記導入口（２１）とは
、バルブモータ（２０）により、前記冷凍機ユニット（
３）の内部に選択的に連通させている。

しかして、前記本体（１）を収容する第１真空室（１１
）と、前記取付部（２）を収容する第２真空室（１２）
とを、前記中間フランジ部（４ｂ）に設ける隔壁（５）
を介して分離形成すると共に、前記第２真空室（１２）
の端部に、前記端部フランジ部（４ｃ）を介して、前記
取付部（２）に試料を着脱自由に取付ける開閉蓋（６）
を設けるのである。

又、前記第１真空室（１１）に、第１ヒートステーショ
ン（１１）に取付けられ、第２ヒートステーション（［
１２）を取囲む筒状の熱遮蔽体（１７）（以下後記する
熱遮蔽体（７）と区別するためにヒートシードという）
を配置する共に、前記第２真空室（１２）に、前記ヒー
トシード（１７）と複数本のロッド（８１）を介して熱
接続され、第３ヒートステーション（■３）即ち前記取
付部（２）を取囲む熱遮蔽体（７）を配置して、前記ヒ
ートシード（１７）と前記熱遮蔽体（７）との間に、こ
れらの熱接続を選択的に断通するサーマルスイッチ（８
）を設けるのである。

具体的には、第２，３図に示すように、前記第１及び第
２真空室（１１）（１２）を隔離する前記隔壁（５）は
、前記中間フランジ部（４ｂ）に固定する環状平板から
成る固定部（５１）と、該固定部（５１）に取付ける伸
縮自在な可動部、つまり、伸縮自在なベローズ（５ａ）
、環状ガイド体（５ｂ）、環状支持体（５Ｃ）、筒状体
（５ｄ）、及び仕切り底板（５ｅ）から成る可動部（５
２）とで構成するのである。

尚、前記可動部（５２）の一つを構成する前記仕切り底
板（５ｅ）は、主として断熱材料等で形成しており、又
、該底板（５ｅ）には、前記試料取付部（２）に延びる
筒状ケース（３ａ）、並びに、第３ヒートステーシヨン
（Ｈ３）に付設する予冷コイル（６３）のパイプ（８ａ
）と、それぞれ固定する通孔（５１（５ｇ）を設けてい
る。

そして、前記固定部（５１）と前記可動部（５２）との
間には、前記環状ガイド体（５ｂ）に設けるガイド孔（
５ｈ）に挿通するガイドロッド（３１）と、該環状ガイ
ド体（５ｂ）を伸長方向へ付勢するスプリング（３２）
とをもった複数個の支持機構（３０）を介装するのであ
り、該支持機構（３０）と前記ベローズ（５ａ）の伸縮
動作により、前記可動部（５２）を、第２図に示す伸長
状態と、第３図に示す縮短状態とを実現可能としている
のである。

尚、前記各ガイトロブト（３１）の端部には、前記可動
部（５２）の伸長ストロークを調節するストッパー（３
３）を設けている。

そして、前記可動部（５２）の一つを構成する前記環状
支持体（５ｃ）の−側に、前記熱遮蔽体（７）を取付け
ると共に、他側に、前記第１真空室（１１）に延びる複
数本の前記ロッド（８１）を固定して、該ロッド（８１
）の端部に、前記サーマルスイッチ（８）の−側のスイ
ッチ接点を構成する円環平板状の接片（９）を取付ける
のである。

更に、前記ヒートシード（１７）の端部に、断面逆り字
形の環状突出部（８２）を突出形成して、該突出部（８
２）の端部内面に、前記接片（９）と接触し、前記サー
マルスイッチ（８）の他側のスイッチ接点を構成する接
触面（８３）を設けるのである。

尚、前記した環状支持体（５Ｃ）、ロッド（８１）、接
片（９）、及び接触面（８３）等は、例えば銅等の熱伝
導良好なる材料で形成するのが望ましい。

又、前記熱遮蔽体（７）の端部には、前記取付部（２）
で試料交換を行うため、着脱自由ｔｌ蓋板（７０）を設
けており、前記第２真空室（１２）を取囲む前記筒体（
４２）には、該第２真空室（１２）の真空の破壊時に導
入するドライガス等の導入継手管（４０）を取付けてい
る。

かくして、前記本体（１）を収容する第１真空室（１１
）と、前記試料取付部（２）を収容する第２真空室（１
２）とは、前記した固定部（５１）と、ベローズ（５ａ
　）　、環状ガイド体（５ｂ）、環状支持体（５ｃ　）
　、筒状体（５ｄ）、仕切り底板（５ｅ）から成る可動
部（５２）とで構成する隔壁（５）を介して分離形成さ
れるのであるから、前記試料取付部（２）に取付ける試
料を交換する場合、該取付部（２）を収容する第２真空
室（１２）のみの真空を破壊するだけでよく、真空を破
壊する空間容積を最小限に小さくできるのであり、又、
前記取付部（２）即ち第３ヒートステーション（Ｈ３）
のみの昇温及び冷却を行うだけでよいこととなり、その
ウオームアツプ時間及びクールダウン時間が短縮できる
こととなるのである。

また、前記試料取付部（２）の周りに、前記熱遮蔽体（
７）を配置したから、外気からの熱輻射の悪影響を排し
て断熱性を向上できるのであるし、一方で、この熱遮蔽
体（７）が介装されているがゆえに、試料交換時に、前
記第２真空室（１２）を真空破壊した場合に、該熱遮蔽
体（７）から本体（１）側へ熱の移動が起こって本体（
１）側を無駄に昇温しかねないのであるが、前記熱遮蔽
体（７）と本体（１）側のヒートシード（１７）との間
に、これら熱接続を選択的に断連するサーマルスイッチ
（８）を設けたのであるから、前記熱遮蔽体（７）から
本体（１）側への熱侵入の問題も解消できて、所期の目
的であるクールダウン時間の短縮が遜色なく図れるので
ある。

即ち、冷却運転中は、第２図のごとく、前記スプリング
（３２）の付勢による前記ベローズ（５ａ）の伸長によ
り、前記サーマルスイッチ（８）の接片（９）を前記接
触面（８３）に熱伝導密に接触させて、前記熱遮蔽体（
７）を前記ヒートシード（１７）に熱伝導密に熱接続す
るのであり、この熱遮蔽体（７）で取囲まれる前記試料
取付部（２）では、真空容器（４）の外壁からの熱輻射
の悪影響を排除できて、良好なる断熱が行われるのであ
る。

一方、試料交換時に、前記開閉蓋（６）を取外した場合
、あるいは、前記導入継手管（４０）から導入するドラ
イガスにより前記第２真空室（１２）の圧力が大気圧近
くとなった場合には、第３図に示すように、前記第１真
空室（１１）と第２真空室（１２）との圧力差により、
自動的に前記ベローズ（５ａ）を縮短させて前記接片（
９）と接触面（８３）との接触を離し、大気中に置かれ
る前記熱遮蔽体（７）から、前記ヒートシード（１７）
をもつ本体（１）側への熱侵入を殆どな（することがで
きて、前記本体（１）側を無駄に昇温することがなく、
試料交換後に再び行われるクールダウンの時間を長引か
せてしまうことなく、その時間短縮が図れるのである。

第４図に示すものは、以上の作用効果を、前記各ヒート
ステーション（Ｈｌ）　　（１１２）　　（１１３）ご
との温度変化により明らかとしたものであって、即ち、
試料交換を行う時、前記第２真空室（１２）のみを真空
破壊するものであるから、試料取付部（２）即ち第３ヒ
ートステーション（Ｈ３）のみの昇温を行えばよいだけ
であるし、又、試料交換完了後にはこの第３ヒートステ
ージＨン（■３）のみを再び冷却すればよいだけであり
、本体（１）側の第１及び第２ヒートステージ却ン（Ｈ
ｌ）（０２）の昇温及び再冷却は不要で、しかも、これ
ら本体（１）側のヒートステーション（ｌ１ｌ）　　（
［１２）の温度変化も最小限に抑制できるものであるか
ら、試料交換に伴うウオームアツプ時間及びクールダウ
ン時間いずれについても、点線で示す従来装置のものに
比べて短縮でき、冷凍装置としての実使用効率の向上が
図れるに至ったのである。

尚、上記実施例では、サーマルスイッチ（８）を、２つ
の真空室（１１）（１２）の真空度に差が生じたときに
自動的に作動するように構成したが、その他、第５図に
示すように、接片（９）の周縁部に連結部（９１）（９
１）を形成して、該連結部（９１）（９１）を、支軸（
９２）（９２）の周りに揺動するアーム（９３）（９３
）に連結し、該アーム（θ３）（９３）の揺動操作で、
試料取付部（２）側に配置される熱遮蔽体（７）と、本
体（１）側に配置されるヒ−トシード（１７）との間の
熱接続を断通するごとくしてもよいし、又、第６図に示
すように、接片（９）と隔９！　（５）の固定部（５１
）との間に電磁アクチュエータ（１００）を介装して、
該アクチュエータ（１００）への通電制御により、その
熱接続の断通を行うとと（してもよい。

この場合、２つの真空室（１１）（１２）の真空度と無
関係に、前記熱遮蔽体（７）のヒートシード（１７）へ
の熱接続を断通できるため、ウオームアツプ開始直後か
ら、即ち第２真空室（１２）と第１真空室（１１）との
間に未だ隔壁（５）の可動部（６２）を縮短するに十分
な圧力差を生じていない時期から、試料取付部（２）と
本体（１）との熱接続を切り離すことができ、そのウオ
ームアツプ時間を一層短縮することも可能となるのであ
る。

以上説明した実施例では、本体（１）側に２つのヒート
ステーション（ＩＩＩ）　　（１２）を設け、試料取付
部（２）の１つのヒートステーション（Ｈ３）トで合計
３つのヒートステーションを設けるごとくしたが、本体
（１）のヒートステーションは１つ以上あればよく、即
ち、冷凍機ユニット（３）としては全体として、２つ以
上のヒートステーション′があればよい。

又、前記第２真空室（１２）には、本体（１）側からの
１つの熱遮蔽体（７）を配置したが、複数個配置しても
よい。

（発明の効果） 以上のごとく本発明によれば、試料取付部（２）の試料
を交換する場合、第２真空室（１２）のみの真空を破壊
し、又該取付部（２）のみの昇温及び冷却を行うだけで
よいこととなるから、試料交換時に行うウオームアツプ
及びクールダウンの時間短縮が図れて、冷凍装置として
の実使用効率が向上でき、各種物理量の測定等が速やか
に且つ便利に行うことができるのである。

更に、これに加えて、第２発明によれ°ば、試料取付部
（２）の周りに熱遮蔽体（７）を配置したから、外気か
らの熱輻射による悪影響を排して断熱性を向上できるの
であり、しかも、一方で、この熱遮蔽体（７）が介装さ
れているがゆえに、該熱遮蔽体（７）を通じて本体（１
）側を無駄に昇温しかねないのであるが、この熱遮蔽体
（７）と本体（１）のヒートステーションとの間に、こ
れら熱接続を選択的に断通するサーマルスイッチ（８）
を設けたのであるから、前記熱遮蔽体（７）から本体（
１）側への熱侵入の問題も解消できて、クールダウン時
間を長引かせることなく、その時間短縮が良好に図れる
のである。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明に係る極低温冷凍装置の一実施例の断面
図、第２図及び第３図は同要部のみの拡大断面図、第４
図は各ヒートステーションの温度変化図、第５図及び第
６図はサーマルスイッチの他の実施例を説明する断面図
、第７図は従来装置の断面図である。 （１）・・・・本体 （２）・・・・試料取付部 （３）・・・・冷凍機ユニット （４）・・・・真空容器 （５）・・・・隔壁 （６）・・・・開閉蓋 （７）・・・・熱遮蔽体 （８）・・・・サーマルスイッチ （９）・・・・接片 （１１）・・・・第１真空室 （１２）・・・・第２真空室 （５１）・・・・固定部 （５２）・・・・可動部 第２図 第８図 第４図 ４↓町（＃Ｊ）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）１以上のヒートステーションをもつ本体（１）と
   、該本体（１）の最低温度ヒートステーションよりも低
   い温度のヒートステーションをもつ試料取付部（２）と
   を備えた冷凍機ユニット（３）を、真空容器（４）内に
   収容し、高圧ガスの膨張で前記試料取付部（２）に極低
   温を得るごとくした試料冷却用の極低温冷凍装置であっ
   て、前記本体（１）を収容する第１真空室（１１）と、
   前記試料取付部（２）を収容する第２真空室（１２）と
   を、隔壁（５）を介して分離形成すると共に、前記第２
   真空室（１２）に、前記試料取付部（２）に試料を着脱
   自由に取付ける開閉蓋（６）を設けたことを特徴とする
   試料冷却用の極低温冷凍装置。
2. （２）１以上のヒートステーションをもつ本体（１）と
   、該本体（１）の最低温度ヒートステーションよりも低
   い温度のヒートステーションをもつ試料取付部（２）と
   を備えた冷凍機ユニット（３）を、真空容器（４）内に
   収容し、高圧ガスの膨張で前記試料取付部（２）に極低
   温を得るごとくした試料冷却用の極低温冷凍装置であっ
   て、前記本体（１）を収容する第１真空室（１１）と、
   前記試料取付部（２）を収容する第２真空室（１２）と
   を、隔壁（５）を介して分離形成し、かつ、前記第２真
   空室（１２）に、前記試料取付部（２）を取囲み、前記
   本体（１）のヒートステーションと熱接続する１以上の
   熱遮蔽体（７）を配置する一方、該熱遮蔽体（７）と前
   記本体（１）のヒートステーションとの熱接続を選択的
   に断通するサーマルスイッチ（８）を設けたことを特徴
   とする試料冷却用の極低温冷凍装置。
3. （３）前記サーマルスイッチ（８）が、前記第１真空室
   （１１）と、前記第２真空室（１２）との真空度に差が
   生じたとき作動するサーマルスイッチで構成しているこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の試料冷却用
   の極低温冷凍機。
4. （４）前記隔壁（５）を、固定部（５１）と、該固定部
   （５１）に取り付ける伸縮自在な可動部（５２）とで構
   成し、該可動部（５２）に、前記熱遮蔽体（７）を取付
   けて、該熱遮蔽体（７）に、前記第１真空室（１１）に
   延びる前記サーマルスイッチ（８）の接片（９）を設け
   たことを特徴とする特許請求の範囲第２項又は第３項記
   載の試料冷却用の極低温冷凍機。