KR20090085641A

KR20090085641A - 냉동기

Info

Publication number: KR20090085641A
Application number: KR1020097010913A
Authority: KR
Inventors: 준페이 유야마; 슈이치 야마사키; 미츠키 데라시마; 다쿠 고무로
Original assignee: 가부시키가이샤 아루박
Priority date: 2006-11-30
Filing date: 2007-11-29
Publication date: 2009-08-07
Also published as: KR101121232B1; EP2090850A1; CN101542219A; WO2008066127A1; EP2090850B1; TW200839162A; CN101542219B; JPWO2008066127A1; EP2090850A4; US20100031693A1; TWI395916B

Abstract

피냉각물을 냉각하는 냉각 스테이지, 상기 피냉각물이 안착되는 He응축부, 상기 He응축부에 연통하는, He가스가 충전된 저장고, 상기 냉각 스테이지와 상기 He응축부의 사이에 배치된, 상기 He응축부보다 열전도율이 낮은 재료로 이루어진 전열완충재를 구비한 냉동기.

Description

냉동기{Refrigerating machine}

본 발명은 냉동기에 관한 것이다.

4K 근방의 극저온환경에서의 시료물성의 측정이나, 극저온환경을 이용하는 센서 등을 사용한 다양한 물리량의 측정 등을 위해 GM냉동기가 이용되고 있다. 이 냉동기는 He가스 등의 냉매가스의 압축 및 팽창(냉동 사이클)을 반복함으로써 비냉각물을 극저온까지 냉각하는 것이다. 그런데, 상술한 냉동 사이클에 기인하는 열류(熱流)의 맥동 때문에 피냉각물의 안착면에 온도 진폭이 발생한다. 피냉각물을 안정적으로 냉각하기 위해 이 온도 진폭의 저감이 요구되고 있다.

특허문헌 1에는, 피냉각물을 장착하는 냉각부에 설치된, 내부에 헬륨가스 또는 헬륨가스 및 액체 헬륨을 수납하는 축냉(蓄冷) 수단과, 압축된 헬륨가스의 공급 수단 및 상기 축냉 수단을 접속하는 헬륨가스 도입 배출 수단을 포함하는 극저온 냉동기가 개시되어 있다.

특허문헌 2에는, 필요량의 헬륨가스를 상온에서 도입하는 헬륨가스 도입관, 헬륨가스를 액화시키는 콘덴서실, 액화된 액체 헬륨을 수납하는 액체 헬륨실을 구비한 극저온 온도 댐퍼가 개시되어 있다.

특허문헌 1: 일본특허 제2773793호 공보

특허문헌 2: 일본공개특허 2004-76955호 공보

그러나, 특허문헌 1의 극저온 냉동기에서의 상기 온도 진폭은 30mK 정도이기 때문에, 더욱 온도 진폭의 저감이 요구되고 있다.

한편, 특허문헌 2의 극저온 온도 댐퍼는 구조가 복잡하고, 또한 냉각물로부터의 전열 유로가 길고 비축대칭이기 때문에, 냉각이 불균일하여 불안정하게 될 우려가 있다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 피냉각물의 안착면에서의 온도 진폭의 저감이 가능하고, 또한 피냉각물의 균일하고 안정된 냉각이 가능한 냉동기의 제공을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 이 발명은 이하의 수단을 채용하고 있다. 즉, 본 발명의 냉동기는 피냉각물을 냉각하는 냉각 스테이지; 상기 피냉각물이 안착되는 He응축부; 상기 He응축부에 연통하는, He가스가 충전(充塡)된 저장고; 상기 냉각 스테이지와 상기 He응축부의 사이에 배치된, 상기 He응축부보다 열전도율이 낮은 재료로 이루어진 전열완충재;를 구비한다.

이 구성에 의하면, 냉동기의 냉동 사이클에 기인하는 열류의 맥동이 He응축부에서의 He의 증발 및 응축(상전이)에 의해 흡수된다. 그 때, 전열완충재가 열류의 조리개 기구로서 작용하므로, 냉각 스테이지에서의 온도 진폭의 전달이 억제된다. 그 결과, 피냉각물의 안착면에서의 온도 진폭을 저감할 수 있다. 또한, 냉각 스테이지, 전열완충재, He응축부 및 피냉각물이 동축상으로 연속 배치되므로, 피냉각물의 균일하고 안정된 냉각이 가능하게 된다.

상기 He응축부는 4K 근방의 온도에서의 열전도율이 200W/(m·K) 이상의 재료로 이루어져도 된다.

이 구성에 의하면, He응축부 내에서 응축한 액체 He에 의해 피냉각물을 효율적으로 냉각할 수 있다.

상기 전열완충재는 4K 근방의 온도에서의 열전도율이 100W/(m·K) 미만의 재료로 이루어져도 된다.

이 구성에 의하면, 냉각 스테이지에서의 온도 진폭의 전달을 확실히 방지할 수 있다.

상기 He응축부의 용적은 10cc 이상 100cc 이하이어도 된다.

이 구성에 의하면, 피냉각물의 냉각에 필요한 액체 He의 수납 용적을 확보하면서 He응축부를 컴팩트화할 수 있다.

상기 저장고의 용적은 상기 He응축부의 용적의 5배 이상 100배 이하이어도 된다.

이 구성에 의하면, 피냉각물의 냉각에 필요한 He가스의 수납 용적을 확보하면서 저장고를 컴팩트화할 수 있다.

상기 저장고에 충전된 상기 He가스의 압력은 실온에서 0.1MPa 이상 1.0MPa 이하이어도 된다.

이 구성에 의하면, 만약 냉동기가 정지하여 He응축부의 액체 He가 증발해도 저장고 및 He응축부가 고압력이 되는 것을 방지할 수 있다.

상기 He응축부의 내면에 휜(fin)이 세워져 설치되어도 된다.

또한, 상기 He응축부의 내면에 다공질 구조체가 장착되어도 된다.

이러한 구성에 의하면, He응축부의 내면과 액체 He의 접촉면적이 커지기 때문에 He응축부에 안착되는 피냉각물을 효율적으로 냉각할 수 있다.

상기 전열완충재와 상기 냉각 스테이지 또는 상기 He응축부의 접촉면에 요철이 형성되어도 된다.

이 구성에 의하면, 전열완충재와 냉각 스테이지 또는 He응축부의 접촉면적이 작아지므로 냉각 스테이지에서의 온도 진폭의 전달이 억제된다. 그 결과, 피냉각물의 안착면에서의 온도 진폭을 저감할 수 있다.

상기 He응축부에 장착된 온도 센서 및 히터와, 상기 온도 센서의 측정결과에 기초하여 상기 히터를 구동하는 제어부를 더 구비해도 된다.

이 구성에 의하면, He응축부의 온도가 소정값을 밑돈 경우에 히터를 구동하여 He응축부의 온도를 소정값으로 복귀시킬 수 있다. 따라서, 피냉각물의 안착면에서의 온도 진폭을 저감할 수 있다.

본 발명에 의하면, 전열완충재를 설치함으로써 냉각 스테이지에서의 온도 진폭의 전달이 방지되고, 그 결과, 피냉각물의 안착면에서의 온도 진폭을 저감할 수 있다. 또한, 냉각 스테이지, 전열완충재, He응축부 및 피냉각물이 동축상으로 연속 배치되므로, 피냉각물의 균일하고 안정된 냉각이 가능하게 된다.

도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 관한 냉동기의 개략 구성도이다.

도 2는 제2 냉각 스테이지의 온도와 온도 진폭의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 3은 He응축부에서의 액체 He의 용적비와 온도 진폭의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 4는 제2 냉각 스테이지의 온도와 냉동 능력의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 5는 냉각 시간과 제2 냉각 스테이지의 온도의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 6은 본 발명의 제2 실시형태에 관한 냉동기의 He응축부 근방에서의 개략 구성도이다.

도 7은 본 발명의 제3 실시형태에 관한 냉동기의 He응축부 근방에서의 개략 구성도이다.

도 8은 본 발명의 제4 실시형태에 관한 냉동기의 He응축부 근방에서의 개략 구성도이다.

도 9는 본 발명의 제5 실시형태에 관한 냉동기의 He응축부 근방에서의 개략 구성도이다.

<부호의 설명>

1: 냉동기

14: 제2 냉각 스테이지(냉각 스테이지)

16: 전열완충재

18: 요철

20: He응축부

30: 저장고

40: 피냉각물

50: He가스

62: 제어부

64: 온도 센서

66: 히터

222: 제1휜(휜)

224: 제2휜(휜)

322: 다공질 구조체

이하, 본 발명의 실시형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다.

(제1 실시형태)

도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 관한 냉동기의 개략 구성도이다. 본 실시형태에 관한 냉동기(1)는 피냉각물(40)을 냉각하는 제2 냉각 스테이지(14), 피냉각물(40)이 안착되는 He응축부(20), He응축부(20)에 연통하는, He가스(50)가 충전된 저장고(30), 제2 냉각 스테이지(14)와 He응축부(20)의 사이에 배치된, He응축부(20)보다 열전도율이 낮은 재료로 이루어진 전열완충재(16)를 구비한 것이다.

냉동기(1)는 주로 압축기(4), 본체부(2) 및 냉각부(15)를 구비하고 있다. 압 축기(4)는, 저압 배관(8)으로부터 공급되는 저압 He가스를 압축하여 고압 He가스로 하고 고압 배관(6)에 공급하는 것이다. 본체부(2)는, 고압 배관(6) 및 저압 배관(8)과 후술하는 냉각부(15) 내의 He가스 유로의 접속을 모터 등의 동력에 의해 연속적으로 절환하는 것이다.

본체부(2)에 연속하여 냉각부(15)가 설치되어 있다. 냉각부(15)는 진공 환경으로 유지된 진공조(10)의 내부에 배치되고, 내부를 유통하는 He가스의 팽창에 의해 한랭을 발생시키는 것이다. 냉각부(15)에는 제1 냉각부(11), 제1 냉각 스테이지(12), 제2 냉각부(13) 및 제2 냉각 스테이지(14)가 차례대로 설치되어 있다. 제1 냉각부(11) 및 제2 냉각부(13)는 원주형상으로 형성되고, 제1 냉각 스테이지(12) 및 제2 냉각 스테이지(14)는 원반형상으로 형성되어 동축상으로 배치되어 있다. 냉각부(15)의 내부에는 He가스 유로(도시생략)가 형성되어 있다. 이 He가스 유로에 공급된 고압 He가스는 제2 냉각 스테이지(14)에서 흡열 팽창하여 저압 He가스로 변화한다.

제2 냉각 스테이지(14)의 하면이며 후술하는 He응축부(20)와의 사이에는 전열완충재(16)가 설치되어 있다. 전열완충재(16)는, 예를 들면 직경 수십mm 정도, 두께 2mm정도의 판형상으로 형성되어 있다. 전열완충재(16)는, 4K 근방의 온도에서의 열전도율이 후술하는 He응축부(20)보다 낮은 스테인레스 재료 등으로 구성되어 있다. 특히, 4K 근방의 온도에서의 열전도율이 100W/(m·K) 미만의 재료로 전열완충재(16)를 구성하면, 제2 냉각 스테이지(14)의 온도 진폭이 He응축부(20)에 전달되는 것을 억제할 수 있다.

전열완충재(16)의 양면에 열 접촉성을 높이기 위해 In박 등을 대고 제2 냉각 스테이지(14), 전열완충재(16) 및 He응축부(20)가 체결되어 있다.

전열완충재(16)의 하면에 피냉각물(40)이 안착되는 He응축부(20)가 설치되어 있다. He응축부(20)는, 4K 근방의 온도에서의 열전도율이 전술한 전열완충재(16)보다 높은 Cu나 Ag, Al 등의 재료로 구성되어 있다. 본 실시형태에서는 무산소동에 의해 He응축부(20)가 형성되어 있다. 특히, 4K 근방의 온도에서의 열전도율이 200W/(m·K) 이상의 재료로 He응축부(20)를 구성하면, He응축부(20) 내에서 응축된 액체 He에 의해 피냉각물(40)을 효율적으로 냉각할 수 있다.

He응축부(20)는 양단을 밀폐한 원통형상으로 형성되고, 내부에 액체 He를 저류(貯留)할 수 있게 되어 있다. 이 He응축부(20)의 용적을 10cc 이상 100cc 이하로 하면, 피냉각물(40)의 냉각에 필요한 액체 He의 수납 용적을 확보하면서 He응축부(20)를 컴팩트화할 수 있다. 본 실시형태에서는 He응축부(20)의 용적이 40cc로 설정되어 있다.

He응축부(20)의 하면에는 테이블(41)이 배치되어 있다. 이 테이블(41)의 하면이 피냉각물(40)의 안착장소인 냉각 위치로 되어 있다. 테이블(41)은 He응축부(20)와 마찬가지의 물성을 가진 재료로 구성되어 있다. 본 실시형태에서는, He응축부(20)와 테이블(41)의 사이 및 테이블(41)과 피냉각물(40)의 사이에 In박 등을 대고 He응축부(20)와 테이블(41)이 체결되어 있다. 테이블(41)을 설치하지 않고 피냉각물(40)을 He응축부(20)에 열 접촉 잘되게 대어도 된다.

상술한 냉각부(15)의 제2 냉각 스테이지(14), 전열완충재(16), He응축부(20) 및 피냉각물(40)은 피냉각물로부터의 전열 유로를 구성하고 있다. 본 실시형태에서는, 이들을 동축상으로 연속하여 배치함으로써 전열 유로의 거리를 짧게 하는 것이 가능하게 된다. 이에 의해, 냉각 손실을 저감하는 것이 가능하게 되고, 피냉각물(40)을 목적의 온도까지 단시간에 효율적으로 냉각할 수 있다. 또한, 전열 유로를 축대칭 형상으로 하는 것이 가능하게 되고, 피냉각물(40)의 전체를 균일하고 안정하게 냉각할 수 있다.

He응축부(20)로부터 세관(細管; 32)이 연장 설치되고, 진공조(10)의 외부에 배치된 저장고(30)에 항상 접속되어 있다. 저장고(30)의 용적은 He응축부(20)의 용적의 5배 이상 100배 이하로 하는 것이 바람직하다. 본 실시형태에서는 저장고(30)의 용적이 3250cc로 설정되어 있다. 이에 의해, 피냉각물(40)의 냉각에 필요한 He가스의 수납 용적을 확보하면서 저장고(30)를 컴팩트화할 수 있다.

저장고(30)의 내부에는 He가스가 충전되어 있다. 그 He가스의 압력은 실온에서 0.1MPa 이상 1.0MPa 이하로 하는 것이 바람직하다. 본 실시형태에서는, 실온에서의 압력이 0.4MPa인 He가스(50)를 저장고(30)에 충전하고 있다. 이에 의해, 만약 냉동기(1)가 정지하여 He응축부(20)의 액체 He(52)가 증발해도 저장고(30)가 고압력이 되는 일은 없다. 세관(32)의 중간부에는 제1 냉각 스테이지(12)와 열교환을 하기 위한 열 앵커(anchor)(34)가 형성되어 있다.

다음에, 본 실시형태에 관한 냉동기(1)의 작용에 대해 설명한다. 상술한 바와 같이, 압축기(4)로부터 냉각부(15)로 공급된 고압 He가스는 제2 냉각 스테이지(14)에서 흡열 팽창하여 저압 He가스로 변화한다. 본체부(2)는, 고압 배관(6) 및 저압 배관(8)과 냉각부(15)의 He가스 유로의 접속을 연속적으로 절환한다. 이에 의해, He가스의 압축 및 팽창(냉동 사이클)이 반복되어 제2 냉각 스테이지(14)의 온도는 극저온이 된다.

제2 냉각 스테이지(14)의 아래쪽에 He응축부(20)가 설치되어 있다. 제2 냉각 스테이지(14)에 의해 He응축부(20)가 냉각되면, He응축부(20)의 내부의 He가스가 응축하여 액화되어 액체 He(52)가 생성된다. 본 실시형태에서는, He응축부(20)에 대한 용적비가 30% 이하(예를 들면, 20% 정도)가 되도록 액체 He를 생성하고 있다.

그런데, 상술한 냉동 사이클에 기인하는 열류의 맥동 때문에 제2 냉각 스테이지(14)에는 온도 진폭이 발생한다. 그러나, 본 실시형태에서는 냉동 사이클에 기인하는 열류의 맥동이 He의 증발 및 응축(상전이)에 의해 흡수된다. 그 때문에, 제2 냉각 스테이지(14)와 동등한 온도 진폭이 He응축부(20)에 발생하지 않고 He응축부(20)의 온도 진폭은 작아진다.

게다가 본 실시형태에서는, 제2 냉각 스테이지(14)와 He응축부(20)의 사이에 He응축부(20)보다 열전도율이 낮은 재료로 이루어진 전열완충재(16)가 설치되어 있다. 이 전열완충재(16)가 열류의 조리개기구로서 작용하므로, 제2 냉각 스테이지(14)에서의 온도 진폭이 He응축부(20)에 전달되는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 피냉각물의 안착면에서의 온도 진폭을 저감할 수 있다.

도 2는 제2 냉각 스테이지의 온도와 온도 진폭의 관계를 나타내는 그래프이다. 여기서는 3종류의 장치 구성에 대해 온도 진폭을 측정하였다. 구체적으로는 (1)본 실시형태와 마찬가지로 제2 냉각 스테이지(14), 전열완충재(16) 및 He응축 부(20)를 설치한 경우의 He응축부(20)의 온도 진폭(마름모형 플롯)과, (2)전열완충재(16)를 설치하지 않고 제2 냉각 스테이지(14) 및 He응축부(20)를 설치한 경우의 He응축부(20)의 온도 진폭(삼각형 플롯)과, (3)전열완충재(16) 및 He응축부(20)를 설치하지 않은 경우의 제2 냉각 스테이지(14)의 온도 진폭(원형 플롯)을 측정하였다. 횡축에는 피냉각물의 안착장소인 냉각 위치(온도 진폭의 측정위치)의 온도를 취하고 있다. 저장고(30)의 용적을 3250cc, 저장고(30)에의 He가스의 충전압을 0.4MPa, He응축부(20)의 내부에서의 액체 He의 용적비를 20%로 설정하였다.

그 결과, 각 장치 구성의 온도 진폭의 크기는 (3)>(2)>(1)의 순서였다. 냉각 위치의 온도가 높을수록 각 장치 구성 간의 온도 진폭의 차가 커졌다. 또한, (1)의 장치 구성에서 냉각 위치의 온도가 4.2K인 경우에는 He응축부(20)의 온도 진폭이 ±9mK로 억제되었다. 상기 측정 결과로부터, (3)제2 냉각 스테이지(14)만의 장치 구성에 비해, (2)He응축부(20)를 추가한 장치 구성에서는 온도 진폭이 현격하게 저하되는 것과, (1)전열완충재(16) 및 He응축부(20)를 추가한 장치 구성에서는 (2)에 비해 온도 진폭이 더 저하되는 것이 확인되었다.

도 3은 He응축부에서의 액체 He의 용적비와 온도 진폭의 관계를 나타내는 그래프이다. 여기서는, (1)본 실시형태와 마찬가지로 전열완충재를 설치한 경우의 온도 진폭(마름모형 플롯)과, (2)전열완충재를 설치하지 않은 경우의 온도 진폭(삼각형 플롯)을 측정하였다. 저장고(30)의 용적을 3250cc, 저장고(30)에의 He가스의 최대 충전압을 0.48MPa, 냉각 위치의 온도를 4.2K로 설정하였다.

그 결과, 액체 He의 용적비와 상관없이 온도 진폭의 크기는 (2)>(1)이었다. 또한, 액체 He가 없는 경우의 온도 진폭은 커졌지만, 액체 He가 조금이라도 존재하는 경우에는 온도 진폭은 작아졌다. 또, (1)에서 액체 He의 용적 비율이 1%~30%인 경우에는 모두 He응축부(20)의 온도 진폭이 ±9mK로 억제되었다. 상기로부터, 소량의 액체 He이라도 온도 진폭을 대폭적으로 저감할 수 있는 효과가 있는 것이 확인되었다.

그런데, 본 실시형태에서는 He응축부(20)보다 열전도율이 낮은 전열완충재(16)를 설치하였으므로, 냉동기의 냉동 능력이 저하된다고 생각된다. 그래서, 본원의 발명자는 전열완충재(16)의 유무에 의한 냉동 능력의 차이를 조사하였다.

도 4는 냉각 위치의 온도와 냉각 위치에서의 냉동 능력의 관계를 나타내는 그래프이다. 여기서는, (1)본 실시형태와 마찬가지로 전열완충재(16)를 설치한 경우의 냉동 능력(마름모형 플롯)과, (2)전열완충재를 설치하지 않은 경우의 냉동 능력(사각형 플롯)을 측정하였다. He응축부(20)의 내부에서의 액체 He의 용적비를 20%로 설정하였다.

그 결과, 냉각 위치의 온도와 상관없이 전열완충재(16)가 있는 경우의 냉동 능력의 저하율은 25%정도였다. 따라서, 냉동 능력의 손실은 수십%로 억제되는 것이 확인되었다.

또한, 본 실시형태에서는 He응축부(20)보다 열전도율이 낮은 전열완충재(16)를 설치하였으므로, 냉각 시간이 증가하는 것으로 생각된다. 그래서, 본원의 발명자는 전열완충재(16)의 유무에 의한 냉각 시간의 차이를 조사하였다.

도 5는 냉각 시간과 냉각 위치의 온도의 관계를 나타내는 그래프이다. 여기 서는, (1)본 실시형태와 마찬가지로 전열완충재를 설치한 경우의 냉각 위치의 온도(실선)와, (2)전열완충재를 설치하지 않은 경우의 냉각 위치의 온도(사각형 플롯)를 측정하였다. 그 결과, 전열완충재(16)의 유무에 의한 냉각 시간의 차이는 거의 없는 것이 확인되었다.

이상에 상술한 바와 같이, 본 실시형태에 관한 냉동기(도 1 참조)는, 피냉각물(40)이 안착되는 He응축부(20)와 제2 냉각 스테이지(14)의 사이에 He응축부(20)보다 열전도율이 낮은 재료로 이루어진 전열완충재(16)를 구비하는 구성으로 하였다. 이 구성에 의하면, 냉동기(1)의 냉동 사이클에 기인하는 열류의 맥동이 He응축부(20)에서의 He의 증발 및 응축(상전이)에 의해 흡수된다. 그 때, 전열완충재(16)가 열류의 조리개기구로서 작용하므로, 제2 냉각 스테이지(14)에서의 온도 진폭의 전달이 억제되고, 그 결과, 피냉각물(40)의 안착면에서의 온도 진폭을 저감할 수 있다. 또한, 제2 냉각 스테이지(14), 전열완충재(16), He응축부(20) 및 피냉각물(40)이 동축상으로 연속 배치되므로, 피냉각물로부터의 전열 유로가 축대칭 형상으로 단거리가 된다. 따라서, 피냉각물(40)의 균일하고 안정된 냉각이 가능하게 된다.

또한, 본 실시형태에서는, He응축부(20)에서의 액체 He(52)의 용적비를 30% 이하로 억제할 수 있다. 따라서, He가스(50)가 충전되는 저장고(30)를 소형화하는 것이 가능하게 된다. 또한, 저장고(30)에 대한 실온시의 He가스(50)의 충전 압력을 낮게 하는 것이 가능하게 된다. 그 결과, 만약 냉동기(1)가 정지하여 He응축부(20)의 액체 He(52)가 기화하더라도 저장고(30) 및 He응축부가 고압력이 되는 것을 방 지할 수 있다.

(제2 실시형태)

다음에, 본 발명의 제2 실시형태에 관한 냉동기에 대해 설명한다.

도 6은 본 실시형태에 관한 냉동기의 He응축부 근방에서의 개략 구성도이다. 본 실시형태에 관한 냉동기는 He응축부(220)의 내면(221, 223)에 휜(222, 224)이 세워져 설치된 것이다. 제1 실시형태와 마찬가지의 구성이 되는 부분에 대해서는 그 상세한 설명을 생략한다.

제2 냉각 스테이지(14)와 피냉각물(40)의 사이에 He응축부(220)가 배치되어 있다.

He응축부(220)는 Cu나 Ag, Al 등의 재료로 이루어진 원통형상의 중공 용기이고, 그 내부에 He가스(50)가 충전되어 있다. 제2 냉각 스테이지(14)에 의해 He응축부(220)가 냉각되면, He가스가 응축하여 액체 He(52)가 생성된다. 이 액체 He(52)에 의해 피냉각물(40)이 냉각된다.

He응축부(220)의 내면에는 복수의 휜(222, 224)이 세워져 설치되어 있다. 각 휜(222, 224)은 He응축부(220)와 마찬가지로 열전도율이 높은 재료로 구성하는 것이 바람직하다. 각 휜(222, 224)은 He응축부(220)와 일체 성형해도 되고, 별체로 성형하여 He응축부(220)에 고착해도 된다.

제1 휜(222)은 He응축부(220)의 바닥면(221)으로부터 천정면(223)을 향하여 형성되어 있다. 이에 의해, He응축부(220)의 내면과 액체 He(52)의 접촉면적을 크게 하는 것이 가능하게 된다. 따라서, He응축부(220)에 안착되는 피냉각물(40)을 효율적으로 냉각할 수 있다.

제2 휜(224)은 He응축부(220)의 천정면(223)에서 바닥면(221)을 향하여 형성되어 있다. 이에 의해, He응축부(220)의 내면과 He가스(50)의 접촉면적을 크게 하는 것이 가능하게 된다. 따라서, He응축부(220)의 내부의 He가스(50)를 효율적으로 냉각하여 응축할 수 있다.

(제3 실시형태)

다음에, 본 발명의 제3 실시형태에 관한 냉동기에 대해 설명한다.

도 7은 본 실시형태에 관한 냉동기의 He응축부 근방에서의 개략 구성도이다. 본 실시형태에 관한 냉동기는, He응축부(320)의 내면에 다공질 구조체(322)가 장착된 것이다. 또, 제1 실시형태와 마찬가지의 구성이 되는 부분에 대해서는 그 상세한 설명을 생략한다.

He응축부(320)의 내면에 다공질 구조체(322)가 장착되어 있다. 다공질 구조체(322)는 메쉬나 발포성 금속, 소결 금속 등으로 구성되어 있다. 다공질 구조체(322)는 He응축부(320)의 내측 전체에 충전되어도 되고, 일부에만 충전되어도 된다.

다공질 구조체(322)는, He응축부(320)의 내면과 열적으로 양호한 접촉을 유지하도록 접착제 등에 의해 He응축부(320)의 내면에 장착되어 있다.

다공질 구조체(322)를 설치함으로써, He응축부(320)의 내면과 액체 He(52)의 접촉면적을 크게 하는 것이 가능하게 된다. 따라서, He응축부(320)에 안착되는 피냉각물(40)을 효율적으로 냉각할 수 있다. 또한, 다공질 구조체(322)를 설치함으로 써, He응축부(320)의 내면과 He가스(50)의 접촉면적을 크게 하는 것이 가능하게 된다. 따라서, He응축부(320)의 내부의 He가스(50)를 효율적으로 냉각하여 응축할 수 있다.

(제4 실시형태)

다음에, 본 발명의 제4 실시형태에 관한 냉동기에 대해 설명한다.

도 8은 본 실시형태에 관한 냉동기의 He응축부 근방에서의 개략 구성도이다. 본 실시형태에 관한 냉동기는, 전열완충재(16)에서의 제2 냉각 스테이지(14)와의 접촉면에 요철(18)이 형성된 것이다. 제1 실시형태와 마찬가지의 구성이 되는 부분에 대해서는 그 상세한 설명을 생략한다.

전열완충재(16)는 열전도율이 낮은 스테인레스 재료 등으로 구성되어 있다. 그 제2 냉각 스테이지(14)와의 접촉면에 요철(18)이 형성되어 있다. 요철(18)은 규칙적으로 형성되어도 되고, 불규칙(랜덤)하게 형성되어도 된다. 또한, 제2 냉각 스테이지(14)와 점접촉하도록 요철(18)을 추(錘)형상으로 형성해도 되고, 제2 냉각 스테이지(14)와 면접촉하도록 요철(18)을 뿔대형상으로 형성해도 된다. 또한, 제2 냉각 스테이지(14)와 선접촉하도록 요철(18)을 단면 삼각형의 돌조(突條; 돌출줄기)로 해도 되고, 제2 냉각 스테이지(14)와 띠형상으로 면접촉하도록 요철(18)을 단면 사다리꼴의 돌조로 해도 된다.

본 실시형태에서는 전열완충재(16)에서의 제2 냉각 스테이지(14)와의 접촉면에 요철(18)을 형성하였으므로, 전열완충재(16)와 제2 냉각 스테이지(14)의 접촉면적이 작아진다. 이에 의해, 전열완충재(16)와 제2 냉각 스테이지(14)가 전면 접촉 하고 있는 경우에 비해 열류의 조리개기능이 강화되므로, 제2 냉각 스테이지(14)에서의 온도 진폭이 He응축부(420)에 전달되는 것을 억제하는 것이 가능하게 된다. 따라서, 피냉각물의 안착면에서의 온도 진폭을 저감할 수 있다.

본 실시형태에서는 전열완충재(16)의 제2 냉각 스테이지(14)와의 접촉면에 요철(18)을 형성하였지만, 제2 냉각 스테이지(14)의 전열완충재(16)와의 접촉면에 요철을 형성해도 된다. 또한, 전열완충재(16)의 He응축부(420)와의 접촉면에 요철을 형성해도 되고, He응축부(420)의 전열완충재(16)와의 접촉면에 요철을 형성해도 된다. 즉, 제2 냉각 스테이지(14) 또는 He응축부(420)와, 전열완충재(16)의 접촉면에 요철이 형성되어 있으면 된다. 어떤 경우에서도, 제2 냉각 스테이지(14)에서의 온도 진폭이 He응축부(420)에 전달되는 것을 억제하는 것이 가능하게 된다. 따라서, 피냉각물의 안착면에서의 온도 진폭을 저감할 수 있다.

(제5 실시형태)

다음에, 본 발명의 제5 실시형태에 관한 냉동기에 대해 설명한다.

도 9는 본 실시형태에 관한 냉동기의 He응축부 근방에서의 개략 구성도이다. 본 실시형태에 관한 냉동기는, He응축부(520)에 장착된 온도 센서(64) 및 히터(66), 온도 센서(64)의 측정결과에 기초하여 히터(66)를 구동하는 제어부(62)를 구비한 것이다. 제1 실시형태와 마찬가지의 구성이 되는 부분에 대해서는 그 상세한 설명을 생략한다.

본 실시형태에서는, He응축부(520)에서의 피냉각물(40)의 안착면의 근방에 온도 센서(64)가 장착되어 있다. 또한, He응축부(520)에는 전열선 등을 구비한 히 터(66)가 장착되어 있다. 이들 온도 센서(64) 및 히터(66)는 제어부(62)에 접속되어 있다. 제어부(62)는 온도 센서(64)의 측정결과에 기초하여 히터(66)를 구동하게 되어 있다. 즉, 온도 센서(64)의 출력신호를 히터(66)의 구동 전류로 변환하고, 또한 히터(66)에 귀환 전류를 흘려 보냄으로써 그 발열에 기인하는 온도의 맥동이 최소가 되도록 제어를 한다.

구체적으로는, 우선 피냉각물(40)의 안착면의 설정온도와 온도 센서(64)의 측정온도를 비교한다. 측정온도가 설정온도를 밑돈 경우에는, 히터를 구동하여 He응축부(520)를 가열한다. 이에 의해, 피냉각물(40)의 안착면의 온도를 상승시켜 설정온도로 복귀시키는 것이 가능하게 된다. 따라서, 피냉각물(40)의 안착면에서의 온도 진폭을 저감할 수 있다.

본 발명의 기술범위는 상술한 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위에서 상술한 실시형태에 여러가지 변경을 추가한 것을 포함한다. 즉, 실시형태에서 든 구체적인 재료나 구성 등은 극히 일례에 불과하며 적절히 변경이 가능하다.

피냉각물의 안착면에서의 온도 진폭의 저감이 가능하고, 또한 피냉각물의 균일하고 안정된 냉각이 가능한 냉동기를 제공할 수 있다.

Claims

피냉각물을 냉각하는 냉각 스테이지;

상기 피냉각물이 안착되는 He응축부;

상기 He응축부에 연통하는, He가스가 충전된 저장고;

상기 냉각 스테이지와 상기 He응축부의 사이에 배치된, 상기 He응축부보다 열전도율이 낮은 재료로 이루어진 전열완충재;를 구비한 것을 특징으로 하는 냉동기.
제1항에 있어서,

상기 He응축부는 4K 근방의 온도에서의 열전도율이 200W/(m·K) 이상의 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 냉동기.
제1항에 있어서,

상기 전열완충재는 4K 근방의 온도에서의 열전도율이 100W/(m·K) 미만의 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 냉동기.
제1항에 있어서,

상기 He응축부의 용적은 10cc 이상 100cc 이하인 것을 특징으로 하는 냉동기.
제1항에 있어서,

상기 저장고의 용적은 상기 He응축부의 용적의 5배 이상 100배 이하인 것을 특징으로 하는 냉동기.
제1항에 있어서,

상기 저장고에 충전된 상기 He가스의 압력은 실온에서 0.1MPa 이상 1.0MPa 이하인 것을 특징으로 하는 냉동기.
제1항에 있어서,

상기 He응축부의 내면에 휜(fin)이 세워져 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 냉동기.
제1항에 있어서,

상기 He응축부의 내면에 다공질 구조체가 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 냉동기.
제1항에 있어서,

상기 전열완충재와, 상기 냉각 스테이지 또는 상기 He응축부의 접촉면에 요철이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 냉동기.
제1항에 있어서,

상기 He응축부에 장착된 온도 센서 및 히터;

상기 온도 센서의 측정결과에 기초하여 상기 히터를 구동하는 제어부;를 더 구비한 것을 특징으로 하는 냉동기.