JPWO2008066127A1 - refrigerator - Google Patents
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Abstract
被冷却物を冷却する冷却ステージと;前記被冷却物が載置されるHe凝縮部と; 前記He凝縮部に連通する、Heガスが充填されたリザーバと;前記冷却ステージと前記He凝縮部との間に配置された、前記He凝縮部より熱伝導率が低い材料からなる伝熱緩衝材と;を備えた冷凍機。A cooling stage that cools the object to be cooled; a He condensing unit on which the object to be cooled is placed; a reservoir filled with He gas that communicates with the He condensing unit; and the cooling stage and the He condensing unit And a heat transfer buffer material made of a material having a lower thermal conductivity than the He condensing unit.
Description
本発明は、冷凍機に関する。 The present invention relates to a refrigerator.
4K近傍の極低温環境における試料物性の測定や、極低温環境を利用するセンサ等を用いた種々物理量の測定等のため、GM冷凍機が利用されている。この冷凍機は、Heガス等の冷媒ガスの圧縮および膨張(冷凍サイクル)を繰り返すことにより、非冷却物を極低温まで冷却するものである。ところが、上述した冷凍サイクルに起因する熱流の脈動のため、被冷却物の載置面に温度振幅が発生する。被冷却物を安定的に冷却するため、この温度振幅の低減が望まれている。 GM refrigerators are used for measuring sample physical properties in a cryogenic environment near 4K, measuring various physical quantities using sensors that utilize the cryogenic environment, and the like. This refrigerator cools an uncooled object to a very low temperature by repeating compression and expansion (refrigeration cycle) of refrigerant gas such as He gas. However, due to the pulsation of the heat flow caused by the above-described refrigeration cycle, a temperature amplitude is generated on the placement surface of the object to be cooled. In order to cool the object to be cooled stably, it is desired to reduce this temperature amplitude.
特許文献1には、被冷却物を取り付ける冷却部に設けられた、内部にヘリウムガスまたはヘリウムガス及び液体ヘリウムを収納する蓄冷手段と、圧縮されたヘリウムガスの供給手段及び前記蓄冷手段を接続するヘリウムガス導入排出手段とを含む極低温冷凍機が開示されている。
特許文献2には、必要量のヘリウムガスを常温で導入するヘリウムガス導入管と、ヘリウムガスを液化させるコンデンサ室と、液化された液体ヘリウムを収納する液体ヘリウム室とを備えた極低温温度ダンパが開示されている。
しかしながら、特許文献1の極低温冷凍機における前記温度振幅は30mK程度であるため、さらなる温度振幅の低減が望まれている。
一方、特許文献2の極低温温度ダンパは構造が複雑であり、また冷却物からの伝熱流路が長く非軸対称であるため、冷却が不均一で不安定になるおそれがある。However, since the temperature amplitude in the cryogenic refrigerator of Patent Document 1 is about 30 mK, further reduction of the temperature amplitude is desired.
On the other hand, the cryogenic temperature damper of
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、被冷却物の載置面における温度振幅の低減が可能であり、また被冷却物の均一で安定した冷却が可能な、冷凍機の提供を目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and is capable of reducing the temperature amplitude on the surface on which the object to be cooled is placed, and also capable of cooling the object to be cooled uniformly and stably. The purpose is to provide a machine.
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を採用している。すなわち、本発明の冷凍機は、被冷却物を冷却する冷却ステージと;前記被冷却物が載置されるHe凝縮部と;前記He凝縮部に連通する、Heガスが充填されたリザーバと;前記冷却ステージと前記He凝縮部との間に配置された、前記He凝縮部より熱伝導率が低い材料からなる伝熱緩衝材と;を備える。
この構成によれば、冷凍機の冷凍サイクルに起因する熱流の脈動が、He凝縮部におけるHeの蒸発および凝縮(相転移)によって吸収される。その際、伝熱緩衝材が熱流の絞り機構として作用するので、冷却ステージにおける温度振幅の伝達が抑制される。その結果、被冷却物の載置面における温度振幅を低減することができる。また冷却ステージ、伝熱緩衝材、He凝縮部および被冷却物が同軸状に連続配置されるので、被冷却物の均一で安定した冷却が可能になる。In order to solve the above problems, the present invention employs the following means. That is, the refrigerator of the present invention includes a cooling stage that cools an object to be cooled; a He condensing unit on which the object to be cooled is placed; a reservoir filled with He gas that communicates with the He condensing unit; A heat transfer buffer material, which is disposed between the cooling stage and the He condensing unit and is made of a material having a lower thermal conductivity than the He condensing unit.
According to this configuration, the pulsation of the heat flow caused by the refrigeration cycle of the refrigerator is absorbed by the evaporation and condensation (phase transition) of He in the He condensation unit. At that time, since the heat transfer buffer acts as a heat flow restricting mechanism, transmission of temperature amplitude in the cooling stage is suppressed. As a result, the temperature amplitude on the placement surface of the object to be cooled can be reduced. Further, since the cooling stage, the heat transfer buffer material, the He condensing part, and the object to be cooled are continuously arranged coaxially, the object to be cooled can be uniformly and stably cooled.
前記He凝縮部は、4K近傍の温度における熱伝導率が200W/(m・K)以上の材料からなってもよい。
この構成によれば、He凝縮部内で凝縮した液体Heにより、被冷却物を効率よく冷却することができる。The He condensing part may be made of a material having a thermal conductivity of 200 W / (m · K) or more at a temperature in the vicinity of 4K.
According to this configuration, the object to be cooled can be efficiently cooled by the liquid He condensed in the He condensing unit.
前記伝熱緩衝材は、4K近傍の温度における熱伝導率が100W/(m・K)未満の材料からなってもよい。
この構成によれば、冷却ステージにおける温度振幅の伝達を確実に防止することができる。The heat transfer buffer material may be made of a material having a thermal conductivity of less than 100 W / (m · K) at a temperature in the vicinity of 4K.
According to this configuration, transmission of temperature amplitude in the cooling stage can be reliably prevented.
前記He凝縮部の容積は、10cc以上100cc以下であってもよい。
この構成によれば、被冷却物の冷却に必要な液体Heの収納容積を確保しつつ、He凝縮部をコンパクト化することができる。The volume of the He condensing part may be 10 cc or more and 100 cc or less.
According to this configuration, the He condensing unit can be made compact while securing the storage volume of the liquid He necessary for cooling the object to be cooled.
前記リザーバの容積は、前記He凝縮部の容積の5倍以上100倍以下であってもよい。
この構成によれば、被冷却物の冷却に必要なHeガスの収納容積を確保しつつ、リザーバをコンパクト化することができる。The volume of the reservoir may be not less than 5 times and not more than 100 times the volume of the He condensing unit.
According to this configuration, the reservoir can be made compact while ensuring the storage volume of the He gas necessary for cooling the object to be cooled.
前記リザーバに充填された前記Heガスの圧力は、室温において0.1MPa以上1.0MPa以下であってもよい。
この構成によれば、仮に冷凍機が停止してHe凝縮部の液体Heが蒸発しても、リザーバ及びHe凝縮部が高圧力となることを防止することができる。The pressure of the He gas filled in the reservoir may be 0.1 MPa or more and 1.0 MPa or less at room temperature.
According to this configuration, even if the refrigerator is stopped and the liquid He in the He condensing part evaporates, it is possible to prevent the reservoir and the He condensing part from becoming high pressure.
前記He凝縮部の内面に、フィンが立設されてもよい。
また、前記He凝縮部の内面に、多孔質構造体が装着されてもよい。
これらの構成によれば、He凝縮部の内面と液体Heとの接触面積が大きくなるため、He凝縮部に載置される被冷却物を効率よく冷却することができる。A fin may be erected on the inner surface of the He condensing unit.
Further, a porous structure may be attached to the inner surface of the He condensing unit.
According to these structures, since the contact area of the inner surface of He condensation part and liquid He becomes large, the to-be-cooled object mounted in He condensation part can be cooled efficiently.
前記伝熱緩衝材と、前記冷却ステージまたは前記He凝縮部との接触面に、凹凸が形成されてもよい。
この構成によれば、伝熱緩衝材と冷却ステージまたはHe凝縮部との接触面積が小さくなるので、冷却ステージにおける温度振幅の伝達が抑制される。その結果、被冷却物の載置面における温度振幅を低減することができる。Irregularities may be formed on the contact surface between the heat transfer buffer material and the cooling stage or the He condensing unit.
According to this configuration, the contact area between the heat transfer buffer material and the cooling stage or the He condensing unit is reduced, so that transmission of temperature amplitude in the cooling stage is suppressed. As a result, the temperature amplitude on the placement surface of the object to be cooled can be reduced.
前記He凝縮部に装着された温度センサおよびヒータと;前記温度センサの測定結果に基づいて前記ヒータを駆動する制御部と;をさらに備えてもよい。
この構成によれば、He凝縮部の温度が所定値を下回った場合に、ヒータを駆動してHe凝縮部の温度を所定値に復帰させることができる。したがって、被冷却物の載置面における温度振幅を低減することができる。The apparatus may further comprise a temperature sensor and a heater attached to the He condensing unit; and a control unit that drives the heater based on a measurement result of the temperature sensor.
According to this configuration, when the temperature of the He condensing unit falls below a predetermined value, the heater can be driven to return the temperature of the He condensing unit to the predetermined value. Accordingly, it is possible to reduce the temperature amplitude on the placement surface of the object to be cooled.
本発明によれば、伝熱緩衝材を設けたことにより、冷却ステージにおける温度振幅の伝達が防止され、その結果、被冷却物の載置面における温度振幅を低減することができる。また冷却ステージ、伝熱緩衝材、He凝縮部および被冷却物が同軸状に連続配置されるので、被冷却物の均一で安定した冷却が可能になる。 According to the present invention, by providing the heat transfer buffer material, the transmission of the temperature amplitude in the cooling stage is prevented, and as a result, the temperature amplitude on the placement surface of the object to be cooled can be reduced. Further, since the cooling stage, the heat transfer buffer material, the He condensing part, and the object to be cooled are continuously arranged coaxially, the object to be cooled can be uniformly and stably cooled.
1 冷凍機
14 第2冷却ステージ(冷却ステージ)
16 伝熱緩衝材
18 凹凸
20 He凝縮部
30 リザーバ
40 被冷却物
50 Heガス
62 制御部
64 温度センサ
66 ヒータ
222 第1フィン(フィン)
224 第2フィン(フィン)
322 多孔質構造体1
16
224 2nd fin (fin)
322 Porous structure
以下、本発明の実施形態につき、図面を参照して説明する。
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態に係る冷凍機の概略構成図である。本実施形態に係る冷凍機1は、被冷却物40を冷却する第2冷却ステージ14と、被冷却物40が載置されるHe凝縮部20と、He凝縮部20に連通する、Heガス50が充填されたリザーバ30と、第2冷却ステージ14とHe凝縮部20との間に配置された、He凝縮部20より熱伝導率が低い材料からなる伝熱緩衝材16と、を備えたものである。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a refrigerator according to the first embodiment of the present invention. The refrigerator 1 according to the present embodiment includes a
冷凍機1は、主に圧縮機4、本体部2および冷却部15を備えている。圧縮機4は、低圧配管8から供給される低圧Heガスを圧縮して高圧Heガスとし、高圧配管6に供給するものである。本体部2は、高圧配管6および低圧配管8と次述する冷却部15内のHeガス流路との接続を、モータ等の動力により連続的に切り替えるものである。
The refrigerator 1 mainly includes a
本体部2に連続して、冷却部15が設けられている。冷却部15は、真空環境に保持された真空槽10の内部に配置され、内部を流通するHeガスの膨張により寒冷を発生させるものである。冷却部15には、第1冷却部11、第1冷却ステージ12、第2冷却部13および第2冷却ステージ14が順に設けられている。第1冷却部11および第2冷却部13は円柱状に形成され、第1冷却ステージ12および第2冷却ステージ14は円盤状に形成されて、同軸状に配置されている。冷却部15の内部には、Heガス流路(不図示)が形成されている。このHeガス流路に供給された高圧Heガスは、第2冷却ステージ14において吸熱膨張し、低圧Heガスに変化する。
A cooling
第2冷却ステージ14の下面であって後述するHe凝縮部20との間には、伝熱緩衝材16が設けられている。伝熱緩衝材16は、例えば直径数十mm程度、厚さ2mm程度の板状に形成されている。伝熱緩衝材16は、4K近傍の温度における熱伝導率が後述するHe凝縮部20より低い、ステンレス材料等で構成されている。特に、4K近傍の温度における熱伝導率が100W/(m・K)未満の材料で伝熱緩衝材16を構成すれば、第2冷却ステージ14の温度振幅がHe凝縮部20に伝達されるのを抑制することができる。
なお、伝熱緩衝材16の両面に熱接触性を高めるためIn箔等があてがわれて、第2冷却ステージ14、伝熱緩衝材16およびHe凝縮部20が締結されている。A
In addition, In foil etc. are applied to both surfaces of the heat-
伝熱緩衝材16の下面に、被冷却物40が載置されるHe凝縮部20が設けられている。He凝縮部20は、4K近傍の温度における熱伝導率が前述した伝熱緩衝材16より高い、CuやAg、Al等の材料で構成されている。本実施形態では、無酸素銅によりHe凝縮部20が形成されている。特に、4K近傍の温度における熱伝導率が200W/(m・K)以上の材料でHe凝縮部20を構成すれば、He凝縮部20内で凝縮した液体Heにより、被冷却物40を効率よく冷却することができる。
A He condensing
He凝縮部20は、両端を密閉した円筒状に形成され、内部に液体Heを貯留しうるようになっている。このHe凝縮部20の容積を10cc以上100cc以下とすれば、被冷却物40の冷却に必要な液体Heの収納容積を確保しつつ、He凝縮部20をコンパクト化することができる。本実施形態では、He凝縮部20の容積が40ccに設定されている。
He凝縮部20の下面には、テーブル41が配置されている。このテーブル41の下面が、被冷却物40の載置場所である冷却位置となっている。テーブル41は、He凝縮部20と同様の物性を有する材料で構成されている。本実施形態では、He凝縮部20とテーブル41との間、およびテーブル41と被冷却物40との間にIn箔等があてがわれて、He凝縮部20とテーブル41とが締結されている。なおテーブル41を設けることなく、被冷却物40をHe凝縮部20に熱接触よくあてがってもよい。The He condensing
A table 41 is disposed on the lower surface of the
上述した冷却部15の第2冷却ステージ14、伝熱緩衝材16、He凝縮部20および被冷却物40は、被冷却物からの伝熱流路を構成している。本実施形態では、これらを同軸状に連続して配置することにより、伝熱流路の距離を短くすることが可能になる。これにより、冷却損失を低減することが可能になり、被冷却物40を目的の温度まで短時間で効率的に冷却することができる。また伝熱流路を軸対称形状とすることが可能になり、被冷却物40の全体を均一かつ安定して冷却することができる。
The
He凝縮部20から細管32が延設され、真空槽10の外部に配置されたリザーバ30に常時接続されている。リザーバ30の容積は、He凝縮部20の容積の5倍以上100倍以下とすることが望ましい。本実施形態では、リザーバ30の容積が3250ccに設定されている。これにより、被冷却物40の冷却に必要なHeガスの収納容積を確保しつつ、リザーバ30をコンパクト化することができる。
A
リザーバ30の内部にはHeガスが充填されている。そのHeガスの圧力は、室温において0.1MPa以上1.0MPa以下とすることが望ましい。本実施形態では、室温における圧力が0.4MPaのHeガス50をリザーバ30に充填している。これにより、仮に冷凍機1が停止しHe凝縮部20の液体He52が蒸発しても、リザーバ30が高圧力となることはない。なお細管32の中間部には、第1冷却ステージ12と熱交換を行うための熱アンカー34が形成されている。
The interior of the
次に、本実施形態に係る冷凍機1の作用について説明する。上述したように、圧縮機4から冷却部15に供給された高圧Heガスは、第2冷却ステージ14において吸熱膨張し、低圧Heガスに変化する。本体部2は、高圧配管6および低圧配管8と冷却部15のHeガス流路との接続を連続的に切り替える。これにより、Heガスの圧縮および膨張(冷凍サイクル)が繰り返されて、第2冷却ステージ14の温度は極低温となる。
Next, the operation of the refrigerator 1 according to this embodiment will be described. As described above, the high-pressure He gas supplied from the
第2冷却ステージ14の下方に、He凝縮部20が設けられている。第2冷却ステージ14によりHe凝縮部20が冷却されると、He凝縮部20の内部のHeガスが凝縮して液化し、液体He52が生成される。本実施形態では、He凝縮部20に対する容積比が30%以下(例えば20%程度)となるように液体Heを生成している。
A He condensing
ところで、上述した冷凍サイクルに起因する熱流の脈動のため、第2冷却ステージ14には温度振幅が発生する。しかしながら、本実施形態では、冷凍サイクルに起因する熱流の脈動が、Heの蒸発および凝縮(相転移)によって吸収される。そのため、第2冷却ステージ14と同等の温度振幅がHe凝縮部20に発生することはなく、He凝縮部20の温度振幅は小さくなる。
By the way, due to the pulsation of the heat flow caused by the above-described refrigeration cycle, a temperature amplitude is generated in the
しかも本実施形態では、第2冷却ステージ14とHe凝縮部20との間に、He凝縮部20より熱伝導率が低い材料からなる伝熱緩衝材16が設けられている。この伝熱緩衝材16が熱流の絞り機構として作用するので、第2冷却ステージ14における温度振幅がHe凝縮部20に伝達されるのを抑制することができる。したがって、被冷却物の載置面における温度振幅を低減することができる。
Moreover, in the present embodiment, the
図2は、第2冷却ステージの温度と温度振幅との関係を示すグラフである。ここでは、3種類の装置構成について温度振幅を測定した。具体的には、(1)本実施形態と同様に第2冷却ステージ14、伝熱緩衝材16およびHe凝縮部20を設けた場合のHe凝縮部20の温度振幅(菱形プロット)と、(2)伝熱緩衝材16を設けることなく第2冷却ステージ14およびHe凝縮部20を設けた場合のHe凝縮部20の温度振幅(三角形プロット)と、(3)伝熱緩衝材16およびHe凝縮部20を設けない場合の第2冷却ステージ14の温度振幅(丸形プロット)とを測定した。横軸には、被冷却物の載置場所である冷却位置(温度振幅の測定位置)の温度をとっている。なおリザーバ30の容積を3250cc、リザーバ30へのHeガスの充填圧を0.4MPa、He凝縮部20の内部における液体Heの容積比を20%に設定した。
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the temperature of the second cooling stage and the temperature amplitude. Here, the temperature amplitude was measured for three types of apparatus configurations. Specifically, (1) the temperature amplitude (diamond plot) of the
その結果、各装置構成の温度振幅の大きさは(3)>(2)>(1)の順であった。なお冷却位置の温度が高いほど、各装置構成間の温度振幅の差が大きくなった。また(1)の装置構成において、冷却位置の温度が4.2Kの場合には、He凝縮部20の温度振幅が±9mKに抑えられた。上記の測定結果より、(3)第2冷却ステージ14のみの装置構成に比べて、(2)He凝縮部20を追加した装置構成では温度振幅が格段に低下することと、(1)伝熱緩衝材16およびHe凝縮部20を追加した装置構成では(2)に比べ温度振幅がさらに低下することとが確認された。
As a result, the magnitude of the temperature amplitude of each device configuration was in the order of (3)> (2)> (1). In addition, the difference of the temperature amplitude between each apparatus structure became large, so that the temperature of the cooling position was high. In the apparatus configuration (1), when the temperature at the cooling position is 4.2 K, the temperature amplitude of the
図3は、He凝縮部における液体Heの容積比と温度振幅との関係を示すグラフである。ここでは、(1)本実施形態と同様に伝熱緩衝材を設けた場合の温度振幅(菱形プロット)と、(2)伝熱緩衝材を設けない場合の温度振幅(三角形プロット)とを測定した。なおリザーバ30の容積を3250cc、リザーバ30へのHeガスの最大充填圧を0.48MPa、冷却位置の温度を4.2Kに設定した。
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the volume ratio of the liquid He and the temperature amplitude in the He condensing unit. Here, (1) the temperature amplitude when the heat transfer buffer material is provided (diamond plot) as in this embodiment, and (2) the temperature amplitude when the heat transfer buffer material is not provided (triangle plot) are measured. did. The volume of the
その結果、液体Heの容積比にかかわらず、温度振幅の大きさは(2)>(1)であった。また、液体Heがない場合の温度振幅は大きくなったが、液体Heが少しでも存在する場合には温度振幅は小さくなった。さらに、(1)において液体Heの容積割合が1%〜30%の場合には、いずれもHe凝縮部20の温度振幅が±9mKに抑えられた。上記より、少量の液体Heであっても温度振幅を大幅に低減できる効果があることが確認された。
As a result, regardless of the volume ratio of the liquid He, the magnitude of the temperature amplitude was (2)> (1). In addition, the temperature amplitude increased when there was no liquid He, but the temperature amplitude decreased when liquid He existed even a little. Furthermore, in (1), when the volume ratio of the liquid He was 1% to 30%, the temperature amplitude of the
ところで、本実施形態では、He凝縮部20より熱伝導率が低い伝熱緩衝材16を設けたので、冷凍機の冷凍能力が低下すると考えられる。そこで本願の発明者は、伝熱緩衝材16の有無による冷凍能力の差異を調査した。
図4は、冷却位置の温度と冷却位置における冷凍能力との関係を示すグラフである。ここでは、(1)本実施形態と同様に伝熱緩衝材16を設けた場合の冷凍能力(菱形プロット)と、(2)伝熱緩衝材を設けない場合の冷凍能力(四角形プロット)とを測定した。なおHe凝縮部20の内部における液体Heの容積比を20%に設定した。
その結果、冷却位置の温度にかかわらず、伝熱緩衝材16がある場合の冷凍能力の低下率は25%程度であった。したがって、冷凍能力の損失は数十%に抑えられることが確認された。By the way, in this embodiment, since the heat-
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the temperature at the cooling position and the refrigeration capacity at the cooling position. Here, (1) the refrigerating capacity (diamond plot) when the
As a result, regardless of the temperature at the cooling position, the reduction rate of the refrigerating capacity when the heat
また本実施形態では、He凝縮部20より熱伝導率が低い伝熱緩衝材16を設けたので、冷却時間が増加すると考えられる。そこで本願の発明者は、伝熱緩衝材16の有無による冷却時間の差異を調査した。
図5は、冷却時間と冷却位置の温度との関係を示すグラフである。ここでは、(1)本実施形態と同様に伝熱緩衝材を設けた場合の冷却位置の温度(実線)と、(2)伝熱緩衝材を設けない場合の冷却位置の温度(四角形プロット)とを測定した。その結果、伝熱緩衝材16の有無による冷却時間の差異はほとんどないことが確認された。Moreover, in this embodiment, since the heat-
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the cooling time and the temperature at the cooling position. Here, (1) the temperature at the cooling position when the heat transfer buffer material is provided (solid line) as in the present embodiment, and (2) the temperature at the cooling position when the heat transfer buffer material is not provided (square plot) And measured. As a result, it was confirmed that there was almost no difference in cooling time depending on the presence or absence of the heat
以上に詳述したように、本実施形態に係る冷凍機(図1参照)は、被冷却物40が載置されるHe凝縮部20と第2冷却ステージ14との間に、He凝縮部20より熱伝導率が低い材料からなる伝熱緩衝材16を備える構成とした。この構成によれば、冷凍機1の冷凍サイクルに起因する熱流の脈動が、He凝縮部20におけるHeの蒸発および凝縮(相転移)によって吸収される。その際、伝熱緩衝材16が熱流の絞り機構として作用するので、第2冷却ステージ14における温度振幅の伝達が抑制され、その結果、被冷却物40の載置面における温度振幅を低減することができる。また第2冷却ステージ14、伝熱緩衝材16、He凝縮部20および被冷却物40が同軸状に連続配置されるので、被冷却物からの伝熱流路が軸対称形状で短距離になる。したがって、被冷却物40の均一で安定した冷却が可能になる。
As described in detail above, the refrigerator according to the present embodiment (see FIG. 1) includes the
また本実施形態では、He凝縮部20における液体He52の容積比を30%以下に抑えることができる。したがって、Heガス50が充填されるリザーバ30を小型化することが可能になる。またリザーバ30に対する室温時のHeガス50の充填圧力を低くすることが可能になる。その結果、仮に冷凍機1が停止しHe凝縮部20の液体He52が気化しても、リザーバ30及びHe凝縮部が高圧力となることを防止することができる。
In the present embodiment, the volume ratio of the liquid He 52 in the
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態に係る冷凍機について説明する。
図6は、本実施形態に係る冷凍機のHe凝縮部近傍における概略構成図である。本実施形態に係る冷凍機は、He凝縮部220の内面221,223に、フィン222,224が立設されたものである。なお第1実施形態と同様の構成となる部分については、その詳細な説明を省略する。(Second Embodiment)
Next, the refrigerator which concerns on 2nd Embodiment of this invention is demonstrated.
FIG. 6 is a schematic configuration diagram in the vicinity of the He condensing unit of the refrigerator according to the present embodiment. In the refrigerator according to the present embodiment,
第2冷却ステージ14と被冷却物40との間に、He凝縮部220が配置されている。
He凝縮部220は、CuやAg、Al等の材料からなる円筒状の中空容器であり、その内部にHeガス50が充填されている。第2冷却ステージ14によりHe凝縮部220が冷却されると、Heガスが凝縮して液体He52が生成される。この液体He52により、被冷却物40が冷却される。A He condensing
The He condensing
He凝縮部220の内面には複数のフィン222,224が立設されている。各フィン222,224は、He凝縮部220と同様に、熱伝導率の高い材料で構成することが望ましい。各フィン222,224は、He凝縮部220と一体成形してもよいし、別体に成形してHe凝縮部220に固着してもよい。
A plurality of
第1フィン222は、He凝縮部220の底面221から天井面223に向かって形成されている。これにより、He凝縮部220の内面と液体He52との接触面積を大きくすることが可能になる。したがって、He凝縮部220に載置される被冷却物40を効率よく冷却することができる。
第2フィン224は、He凝縮部220の天井面223から底面221に向かって形成されている。これにより、He凝縮部220の内面とHeガス50との接触面積を大きくすることが可能になる。したがって、He凝縮部220の内部のHeガス50を効率よく冷却して凝縮することができる。The
The
(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態に係る冷凍機について説明する。
図7は、本実施形態に係る冷凍機のHe凝縮部近傍における概略構成図である。本実施形態に係る冷凍機は、He凝縮部320の内面に多孔質構造体322が装着されたものである。なお第1実施形態と同様の構成となる部分については、その詳細な説明を省略する。(Third embodiment)
Next, a refrigerator according to a third embodiment of the present invention will be described.
FIG. 7 is a schematic configuration diagram in the vicinity of the He condensing unit of the refrigerator according to the present embodiment. In the refrigerator according to the present embodiment, a
He凝縮部320の内面に多孔質構造体322が装着されている。多孔質構造体322は、メッシュや発泡性金属、焼結金属などで構成されている。多孔質構造体322は、He凝縮部320の内側全体に充填されていてもよく、一部のみに充填されていてもよい。
多孔質構造体322は、He凝縮部320の内面と熱的に良好な接触を保つように、接着剤等によりHe凝縮部320の内面に装着されている。A
The
多孔質構造体322を設けることにより、He凝縮部320の内面と液体He52との接触面積を大きくすることが可能になる。したがって、He凝縮部320に載置される被冷却物40を効率よく冷却することができる。また多孔質構造体322を設けることにより、He凝縮部320の内面とHeガス50との接触面積を大きくすることが可能になる。したがって、He凝縮部320の内部のHeガス50を効率よく冷却して凝縮することができる。
By providing the
(第4実施形態)
次に、本発明の第4実施形態に係る冷凍機について説明する。
図8は、本実施形態に係る冷凍機のHe凝縮部近傍における概略構成図である。本実施形態に係る冷凍機は、伝熱緩衝材16における第2冷却ステージ14との接触面に、凹凸18が形成されたものである。なお第1実施形態と同様の構成となる部分については、その詳細な説明を省略する。(Fourth embodiment)
Next, a refrigerator according to a fourth embodiment of the present invention will be described.
FIG. 8 is a schematic configuration diagram in the vicinity of the He condensing unit of the refrigerator according to the present embodiment. In the refrigerator according to the present embodiment,
伝熱緩衝材16は、熱伝導率が低いステンレス材料等で構成されている。その第2冷却ステージ14との接触面に、凹凸18が形成されている。凹凸18は、規則的に形成されていても、不規則(ランダム)に形成されていてもよい。また、第2冷却ステージ14と点接触するように凹凸18を錘状に形成してもよく、第2冷却ステージ14と面接触するように凹凸18を錘台状に形成してもよい。また第2冷却ステージ14と線接触するように凹凸18を断面三角形の突条としてもよく、第2冷却ステージ14と帯状に面接触するように凹凸18を断面台形の突条としてもよい。
The
本実施形態では、伝熱緩衝材16における第2冷却ステージ14との接触面に凹凸18を形成したので、伝熱緩衝材16と第2冷却ステージ14との接触面積が小さくなる。これにより、伝熱緩衝材16と第2冷却ステージ14とが全面接触している場合と比べて、熱流の絞り機能が強化されるので、第2冷却ステージ14における温度振幅がHe凝縮部420に伝達されるのを抑制することが可能になる。したがって、被冷却物の載置面における温度振幅を低減することができる。
In this embodiment, since the unevenness |
本実施形態では伝熱緩衝材16の第2冷却ステージ14との接触面に凹凸18を形成したが、第2冷却ステージ14の伝熱緩衝材16との接触面に凹凸を形成してもよい。また、伝熱緩衝材16のHe凝縮部420との接触面に凹凸を形成してもよく、He凝縮部420の伝熱緩衝材16との接触面に凹凸を形成してもよい。すなわち、第2冷却ステージ14またはHe凝縮部420と、伝熱緩衝材16との接触面に、凹凸が形成されていればよい。いずれの場合でも、第2冷却ステージ14における温度振幅がHe凝縮部420に伝達されるのを抑制することが可能になる。したがって、被冷却物の載置面における温度振幅を低減することができる。
In the present embodiment, the
(第5実施形態)
次に、本発明の第5実施形態に係る冷凍機について説明する。
図9は、本実施形態に係る冷凍機のHe凝縮部近傍における概略構成図である。本実施形態に係る冷凍機は、He凝縮部520に装着された温度センサ64およびヒータ66と、温度センサ64の測定結果に基づいてヒータ66を駆動する制御部62と、を備えたものである。なお第1実施形態と同様の構成となる部分については、その詳細な説明を省略する。(Fifth embodiment)
Next, a refrigerator according to a fifth embodiment of the present invention will be described.
FIG. 9 is a schematic configuration diagram in the vicinity of the He condensing unit of the refrigerator according to the present embodiment. The refrigerator according to the present embodiment includes a
本実施形態では、He凝縮部520における被冷却物40の載置面の近傍に、温度センサ64が装着されている。またHe凝縮部520には、電熱線等を備えたヒータ66が装着されている。これら温度センサ64およびヒータ66は、制御部62に接続されている。制御部62は、温度センサ64の測定結果に基づいてヒータ66を駆動するようになっている。すなわち、温度センサ64の出力信号をヒータ66の駆動電流に変換し、また、ヒータ66に帰還電流を流すことにより、その発熱に起因する温度の脈動が最小となるように制御を行う。
具体的には、まず被冷却物40の載置面の設定温度と、温度センサ64の測定温度とを比較する。測定温度が設定温度を下回った場合には、ヒータを駆動してHe凝縮部520を加熱する。これにより、被冷却物40の載置面の温度を上昇させて、設定温度に復帰させることが可能になる。したがって、被冷却物40の載置面における温度振幅を低減することができる。In the present embodiment, the
Specifically, first, the set temperature of the mounting surface of the object to be cooled 40 is compared with the measured temperature of the
なお、本発明の技術範囲は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な材料や構成などはほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。 It should be noted that the technical scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes those in which various modifications are made to the above-described embodiments without departing from the spirit of the present invention. That is, the specific materials and configurations described in the embodiments are merely examples, and can be changed as appropriate.
被冷却物の載置面における温度振幅の低減が可能であり、また被冷却物の均一で安定した冷却が可能な、冷凍機を提供することができる。 It is possible to provide a refrigerator that can reduce the temperature amplitude on the surface on which the object to be cooled is placed and can cool the object to be cooled uniformly and stably.
Claims (10)
前記被冷却物が載置されるHe凝縮部と;
前記He凝縮部に連通する、Heガスが充填されたリザーバと;
前記冷却ステージと前記He凝縮部との間に配置された、前記He凝縮部より熱伝導率が低い材料からなる伝熱緩衝材と;
を備えたことを特徴とする冷凍機。A cooling stage for cooling the object to be cooled;
A He condensing unit on which the object to be cooled is placed;
A reservoir filled with He gas that communicates with the He condensation section;
A heat transfer buffer material made of a material having a lower thermal conductivity than the He condensing unit, disposed between the cooling stage and the He condensing unit;
A freezer comprising the above.
前記温度センサの測定結果に基づいて前記ヒータを駆動する制御部と;
をさらに備えたことを特徴とする請求項1に記載の冷凍機。A temperature sensor and a heater mounted on the He condensing unit;
A control unit that drives the heater based on the measurement result of the temperature sensor;
The refrigerator according to claim 1, further comprising:
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von Schneidemesser et al. | Generation of liquid helium temperatures using a lead regenerator in a GM precooled pulse tube stage |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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A02 | Decision of refusal |
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A521 | Request for written amendment filed |
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A911 | Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi) |
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A912 | Re-examination (zenchi) completed and case transferred to appeal board |
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