(57)【要約】【課題】予冷時間を短縮することができるピストンシリンダー型の希釈冷凍機を提供する。【解決手段】本発明に係る希釈冷凍機１は、先端が閉じられた外層パイプ３と、外層パイプ３の内部に挿入されるプランジャ５とを備えたピストンシリンダー型のものであって、プランジャ５は、先端に向かって複数段の大径部５ａと小径部５ｂを有する芯材からなり、大径部５ａには、螺旋状の多条ねじ溝２５が形成されており、通常運転時に使用する本配管１９と予冷運転時に使用する予冷配管２１のそれぞれを各ねじ溝に配設できるようにしたことを特徴とするものである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端が閉じられた外層パイプと、該外層パイプの内部に挿入されるプランジャとを備えたピストンシリンダー型の希釈冷凍機であって、
前記プランジャは、先端に向かって複数段の大径部と小径部を有する芯材からなり、前記大径部には、螺旋状の多条ねじ溝が形成されており、通常運転時に使用する本配管と予冷運転時に使用する予冷配管のそれぞれを各ねじ溝に配設できるようにしたことを特徴とする希釈冷凍機。
【請求項２】
前記多条ねじ溝は３条ねじ溝であり、一つのねじ溝には本配管が、他の一つのねじ溝には予冷配管が、残りの一つのねじ溝には配線が、それぞれ配設されていることを特徴とする請求項１記載の希釈冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヘリウムガスの同位体（３Ｈｅおよび４Ｈｅ）の物理的性質を利用して、０．１Ｋ以下の極低温を得るための希釈冷凍機に関する。
【背景技術】
【０００２】
３Ｈｅの液相と４Ｈｅの液相との混合液は、０．８Ｋ以下で２相分離し、低温で３Ｈｅを６．４％含む希薄相と、３Ｈｅを１００％含む濃厚相とが共存する。そして濃厚相の３Ｈｅを希薄相へ溶け込ませる（希釈させる）と、外部から熱を吸収し、その結果１〜１０−３Ｋの超低温を得ることができる。このような現象を利用した冷凍機が希釈冷凍機である。
【０００３】
希釈冷凍機の一例として、外層パイプにプランジャを挿入したコンパクトなピストンシリンダー型の希釈冷凍機が開発されている。
このような希釈冷凍機として、例えば図４に示す、特許文献１における従来技術として例示されたものがある。
【０００４】
従来例の希釈冷凍機１０１は、図４に示すように、外層パイプ１０２と、プランジャ１０３と、混合室１０４と、配管１０６と、分留室１０７と、熱交換室１０８と、を有して概略構成されている。
【０００５】
混合室１０４と分留室１０７とは連通しており、混合室１０４と分留室１０７との間の空間には、３Ｈｅが４Ｈｅに溶け込んだ混合液（以下、「３Ｈｅ−４Ｈｅ混合液」という）で満たされている。また、配管１０６を介して液体３Ｈｅが、混合室１０４に供給されている。
混合室１０４では、１００％３Ｈｅの濃厚相と、３Ｈｅが４Ｈｅに溶け込んだ４Ｈｅ−６．４％３Ｈｅの希薄相とに２相分離しており、密度差により下層が希薄相（４Ｈｅ−６．４％３Ｈｅ）、上層が濃厚相（３Ｈｅ相）となる。そして濃厚相に送り込まれた３Ｈｅが希薄相に溶け込む際に、上述した熱吸収が生じ、１０ｍＫのオーダーの超低温に冷却される。すなわちこの混合室１０４が冷凍機としてのコールドヘッドとなるから、この部分に冷却対象物（サンプル）を保持しておけば、そのサンプルを１０ｍＫのオーダーに冷却することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１６−１８８７３７号公報
【特許文献２】特開２００９−７４７７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
希釈冷凍機の起動時はすべて室温であり、そこから徐々に予冷され各部は適切な温度に冷却されていく。
分留室、熱交換器、混合室はそれぞれ断熱されており、３Ｈｅ−４Ｈｅガス冷媒と循環配管は０．１Ｋの低温での動作に最適化されているため高温での冷凍能力が非常に小さく、冷媒ガスの循環だけでは４．２Ｋまでの予冷に非常に長い時間がかかる。
【０００８】
特に、希釈冷凍機は、図４には示されていないが、ジュールトムソン（Joule-Thomson）効果を利用して３Ｈｅを液化する構成を採用しているため、３Ｈｅが流通する流路において、流量を絞らなければならない。すなわち３Ｈｅを液化できる程度のきわめて高いインピーダンスの流路が必要とされる。このため予冷時において、３Ｈｅ−４Ｈｅガス冷媒の通過できる流量がごく微量となるため、低温に到達するまで長時間を要することになる。
【０００９】
そこで、予冷時間短縮のため、一般的な希釈冷凍機では、通常、分留室、熱交換器、混合室などを真空断熱容器（外部真空容器）内部にさらに４．２Ｋステージにアンカーされた別の真空容器（内部真空容器）を設けてその中に収納する構造を採用することが多い。予冷時は内部真空容器内に熱交換ガスを入れて４．２Ｋ近傍まで全体を冷却し、その後熱交換ガスを排気するという方法が取られている。
しかし、上記の方法では予冷時間は短縮されるものの、予冷後に熱交換ガスを排気する煩雑さと、構造が複雑になる、装置が大型化する、など多くのデメリットがあった。
【００１０】
本発明が対象としているピストンシリンダー型の希釈冷凍機は、全体がコンパクトであるため各部品の熱容量は小さく、３Ｈｅ−４Ｈｅガス冷媒の循環量がある程度大きくなれば短時間での予冷が可能となる。
そのためには、３Ｈｅ−４Ｈｅ混合ガス冷媒の流路において、インピーダンスをバイパスする必要があり、インピーダンスのバイパス配管を導入するためにはインピーダンスの下流側に分岐を設け、そこに配管をつながなければならない。
【００１１】
この点、例えば特許文献２に開示されているように十分な空間が確保できる希釈冷凍機では、接続しやすいサイズの継ぎ手を用いることができるが、本発明が対象としているピストンシリンダー型の希釈冷凍機では、コンパクトであるが故にインピーダンスの下流に継ぎ手を設置する空間を確保することができない。
【００１２】
また、プランジャと外層パイプとの隙間は、極狭く（10ミクロンオーダーで公差管理）することで熱リークをできるだけ小さくする必要があり、この隙間を通過させて予冷用の配管を配設することはできない。
【００１３】
このように、ピストンシリンダー型の希釈冷凍機は、コンパクトであるが故に、予冷配管をいかにして配設するかという特有の課題を有していた。
【００１４】
本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、予冷時間を短縮することができるピストンシリンダー型の希釈冷凍機を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、予冷配管を配設する方法として、プランジャに大径部と小径部を設け、大径部によって熱的な緩衝部を形成すると共に、大径部に設ける螺旋溝を多条ねじ溝にするという発想を得た。
本発明はかかる発想に基づくものであり、具体的には以下の構成からなるものである。
【００１６】
（１）本発明に係る希釈冷凍機は、先端が閉じられた外層パイプと、該外層パイプの内部に挿入されるプランジャとを備えたピストンシリンダー型のものであって、
前記プランジャは、先端に向かって複数段の大径部と小径部を有する芯材からなり、前記大径部には、螺旋状の多条ねじ溝が形成されており、通常運転時に使用する本配管と予冷運転時に使用する予冷配管のそれぞれを各ねじ溝に配設できるようにしたことを特徴とするものである。
【００１７】
（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記多条ねじ溝は３条ねじ溝であり、一つのねじ溝には本配管が、他の一つのねじ溝には予冷配管が、残りの一つのねじ溝には配線が、それぞれ配設されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、プランジャの大径部に多条ねじ溝を設けることで、プランジャの熱的な緩衝部を維持しつつ、インピーダンスを通過することなく、予冷配管を混合室まで配設することができる。これにより、予冷運転時には、３Ｈｅ−４Ｈｅ冷媒ガスを予冷配管を通じて循環することができ、真空容器（内部真空容器）を設ける方法のように、予冷後に熱交換ガスを排気する煩雑さ、構造の複雑化、装置の大型化、作業の手間が増える等のデメリットが生ずることなく、予冷運転時間を短くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態に係る希釈冷凍機の構成を説明する説明図である。
【図２】図１に示した希釈冷凍機のプランジャと本配管、予冷配管の巻き回状態を説明する説明図であり、（ａ）は本配管のみを巻き回した状態、（ｂ）は本配管に加えて予冷配管を巻き回した状態を示している。
【図３】プランジャの他の態様の説明図である。
【図４】従来例の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本実施の形態に係る希釈冷凍機１は、図１に示すように、先端が閉じられた外層パイプ３と、外層パイプ３の内部に挿入されるプランジャ５とを有するピストンシリンダー型の希釈冷凍機１であって、混合室７と、分留器９と、凝縮器１５と、精製器１７と、本配管１９と、予冷配管２１と、循環ポンプ２３と、を概略の構成要素としている。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
以下、各構成要素について詳細に説明する。
【００２１】
＜外層パイプ＞
外層パイプ３は、先端が閉じられた円筒体であって、低温に耐えることができ、かつ熱伝導性の低い材質ものが用いられる。具体的には、例えば、オーステナイト系ステンレス（ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６）、白銅などを用いることができる。
【００２２】
＜プランジャ＞
プランジャ５は、外層パイプ３に挿入され、その先端側から順に混合室７、熱交換器１１、分留器９を構成する。
プランジャ５は、図２に示すように、先端（混合室７）に向かって複数の大径部５ａと小径部５ｂを有する中空パイプからなり、大径部５ａには、螺旋状の多条ねじ溝２５が形成されている。プランジャ５は本配管１９と予冷配管２１を巻き回す芯材として機能する。
【００２３】
図２に示す例は、大径部５ａに２条ねじ溝を形成した例であり、図２（ａ）は、プランジャ５に通常運転時に使用する本配管１９のみを巻き回した状態を示しており、図２（ｂ）は、予冷運転時に使用する予冷配管２１（図中、黒の実線と破線で示している）をさらに巻き回した状態を示している。なお、予冷配管２１は、小径部５ｂでは密に巻き回す必要がなく、図２（ｂ）で予冷配管２１が見えない箇所を破線で示したように、小径部５ｂを斜めに通過するように巻き回せればよい。
【００２４】
本配管１９は、小径部５ｂには密に巻き回され、大径部５ａには多条ねじ溝２５の一つのねじ溝内に配設されて巻き回されている。
また、予冷配管２１は、小径部５ｂでは、本配管１９の上を通過するように斜めに配設され、大径部５ａでは本配管１９と同様に多条ねじ溝２５の一つのねじ溝内に配設されて巻き回されている。
【００２５】
上記のように本配管１９と予冷配管２１が巻き回されたプランジャ５が外層パイプ３に挿入されることで、小径部５ｂでは、外層パイプ３との隙間を混合室７から分留器９に向かって通過する低温の３Ｈｅガスと、本配管１９内を流れる液体３Ｈｅが熱交換をする熱交換器１１を構成する。大径部５ａでは、外層パイプ３との隙間が小さくなることで、熱的な緩衝部となって、混合室７の極低温が維持できる構造になっている。
【００２６】
また、大径部５ａに多条ねじ溝２５を形成して、予冷配管２１を分留器９側から混合室７まで配設可能としたことで、後述するように、予冷運転時間の短縮化を実現している。
【００２７】
プランジャ５の材質としては、低温に耐えることができるものであれば特に限定されず、例えば、オーステナイト系ステンレス（ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６）、白銅などを用いることができる。
【００２８】
＜混合室＞
混合室７は、外層パイプ３の先端の内周面とプランジャ５の先端との間に設けられた空間である。
混合室７では、前述したように、１００％３Ｈｅの濃厚相と、３Ｈｅが４Ｈｅに溶け込んだ４Ｈｅ−６．４％３Ｈｅの希薄相とに２相分離しており、密度差により下層が希薄相（４Ｈｅ−６．４％３Ｈｅ）、上層が濃厚相（３Ｈｅ相）となっている。
【００２９】
＜熱交換器＞
熱交換器１１は、前述したように、プランジャ５の小径部５ｂと外層パイプ３の隙間の空間によって構成される。
熱交換器１１を通過した３Ｈｅガスは、循環ポンプ２３によって本配管１９に吸引され、希釈冷凍機１内を循環する。
【００３０】
＜分留器＞
分留器９は、熱交換器１１の上方に形成された空間であり、３Ｈｅと４Ｈｅとの飽和蒸気圧の差を利用して３Ｈｅ−４Ｈｅ混合液中から３Ｈｅを選択的に排出させるためのものである。
凝縮器１５から送られて来た３Ｈｅはこの分留器９に熱接触する熱交換器１３において熱交換されて、０．５〜０．７Ｋ程度まで冷却され、さらに熱交換器１１において１００ｍＫ程度まで冷却され、混合室７に送り込まれる。
【００３１】
＜凝縮器＞
凝縮器１５は、循環ポンプ２３によって送り出された３００Ｋ程度の温度の気体３Ｈｅを液化するためのものである。
凝縮器１５で液化した３Ｈｅは、インピーダンス２９を介して分留器９内の熱交換器１３に送られる。
【００３２】
＜精製器＞
精製器１７は、不純ガスを取り除くことを目的として、本配管１９の途中に設けられているものであり、活性炭をつめた容器を液体窒素で冷やした液体窒素トラップ型が利用されている。
【００３３】
＜本配管＞
本配管１９は、通常運転時及び予冷運転時において３Ｈｅ、３Ｈｅ−４Ｈｅガス冷媒を希釈冷凍機１内に循環させる配管である。
本配管１９は、外層パイプ３の排出口２７から、循環ポンプ２３、精製器１７を通過して、外層パイプ３内の凝縮器１５、分留器９、熱交換器１１、１３を通過して混合室７に至る。
前述したように、本配管１９は、プランジャ５の小径部５ｂに密に巻き回されて熱交換器１１を構成し、プランジャ５の大径部５ａでは多条ねじ溝２５の一つのねじ溝内に配設される。
【００３４】
本配管１９における凝縮器１５と分留器９の間には、インピーダンス２９が設けられている。このインピーダンス２９は、３Ｈｅの流れに対する抵抗をつけ、凝縮器１５における温度での圧力を維持し、３Ｈｅを液化させる。
本配管１９の材質としては、低温に耐えることができるものであれば特に限定されず、例えば、オーステナイト系ステンレス（ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６）、白銅などを用いることができる。
【００３５】
＜予冷配管＞
予冷配管２１は、本発明において新たに適用したものであり、予冷運転時において３Ｈｅ−４Ｈｅガス冷媒を流通させて、機器を４Ｋレベルに冷却するのに使用するものである。
予冷配管２１は、一端が本配管１９における精製器１７の下流側に接続され、外層パイプ３内に挿入されて、凝縮器１５、分留器９、熱交換器１１、１３を通過して混合室７に至る。
【００３６】
予冷配管２１は、予冷運転時のみ使用するため、通常運転時には予冷配管２１の流れ停止するためのバルブ３１が設けられている。一方、予冷配管２１には、本配管１９に設けられているようなインピーダンス２９は設けられていないので、３Ｈｅ−４Ｈｅガス冷媒を円滑に流通させることができる。
前述したように、予冷配管２１は、プランジャ５の小径部５ｂでは本配管１９の上を斜めに通過し、プランジャ５の大径部５ａでは多条ねじ溝２５における本配管１９が巻き回されていない方のねじ溝内に配設される。
【００３７】
＜循環ポンプ＞
循環ポンプ２３は、本配管１９における外層パイプ３の排出口２７の下流側に設けられて、３Ｈｅ及び３Ｈｅ−４Ｈｅ冷媒ガスの循環を行うものである。
【００３８】
次に上記のように構成された本実施の形態の希釈冷凍機１の動作の概要を、予冷運転と通常運転に分けて図１を参照しながら説明する。
＜予冷運転＞
予冷運転は、希釈冷凍機１全体を４．２Ｋ近傍まで冷却するための運転であり、３Ｈｅ−４Ｈｅ冷媒ガスを循環ポンプ２３によって循環する。
予冷運転時には、予冷配管２１に設けられているバルブ３１を開放して、予冷配管２１及び本配管１９の両方に３Ｈｅ−４Ｈｅ冷媒ガスを循環する。
【００３９】
予冷配管２１にはインピーダンス２９が設けられておらず、本配管１９に比べて多量のガス通流が可能になっているので、予冷時間を短縮することができる。
予冷運転によって、４．２Ｋ近傍まで冷えたところで、バルブ３１を閉止して、本配管１９による通常運転に切り替える。
【００４０】
＜通常運転＞
通常運転では、循環ポンプ２３から送り出された３００Ｋ程度の温度の気体３Ｈｅは、凝縮器１５において液化し、さらにインピーダンス２９を介して分留器９内の熱交換器１３に送られる。分留器９においては、前述したように３Ｈｅと４Ｈｅとの飽和蒸気圧の差を利用して３Ｈｅ−４Ｈｅ混合液中から３Ｈｅが選択的に排出される。
凝縮器１５から送られて来た３Ｈｅはこの分留器９に熱接触する熱交換器１３において熱交換されて、０．５〜０．７Ｋ程度まで冷却される。さらに、３Ｈｅは、熱交換器１１において１００ｍＫ程度まで冷却され、混合室７に送り込まれる。
【００４１】
混合室７では、１００％３Ｈｅの濃厚相と、３Ｈｅが４Ｈｅに溶け込んだ４Ｈｅ−６．４％３Ｈｅの希薄相とに２相分離しており、密度差により下層が希薄相（４Ｈｅ−６．４％３Ｈｅ）、上層が濃厚相（３Ｈｅ相）となる。そして濃厚相に送り込まれた３Ｈｅが希薄相に溶け込む際に、既に述べたように熱吸収が生じ、１０ｍＫのオーダーの超低温に冷却される。
このとき、プランジャ５に設けられた大径部５ａが緩衝部となって冷熱が熱交換器１１から上方に伝わるのを防止され、混合室７が極低温に維持される。
【００４２】
以上のように、本実施の形態では、プランジャ５の大径部５ａに多条ねじ溝２５を設けることで、プランジャ５の熱的な緩衝部を維持しつつ、インピーダンス２９を通過することなく、予冷配管２１を混合室７まで配設することができた。これにより、予冷運転時には、３Ｈｅ−４Ｈｅ冷媒ガスを循環ポンプ２３によって予冷配管２１を通じて循環することができ、真空容器（内部真空容器）を設ける方法のように、予冷後に熱交換ガスを排気する煩雑さ、構造の複雑化、装置の大型化、作業の手間が増える等のデメリットが生ずることなく、予冷運転時間を短くすることができる。
【００４３】
なお、上記の実施の形態では、プランジャ５の大径部５ａに形成する多条ねじ溝２５の例として、２条ねじ溝の例を示したが、本発明の多条ねじ溝２５はこれに限られず、例えば図３に示すように、３条ねじ溝であってもよい。この場合、一つのねじ溝には本配管１９を、他の一つのねじ溝には予冷配管２１を、残りの一つのねじ溝には温度計等の配線を、それぞれ配設するようにすればよい。
もっとも、２条ねじ溝を形成して、予冷配管２１と配線を同じねじ溝内に配設するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００４４】
１  希釈冷凍機
３  外層パイプ
５  プランジャ
５ａ  大径部
５ｂ  小径部
７  混合室
９  分留器
１１  熱交換器（プランジャ）
１３  熱交換器（分留器）
１５  凝縮器
１７  精製器
１９  本配管
２１  予冷配管
２３  循環ポンプ
２５  多条ねじ溝
２７  排出口
２９  インピーダンス
３１  バルブ
＜従来例＞
１０１  希釈冷凍機
１０２  外層パイプ
１０３  プランジャ
１０４  混合室
１０６  配管
１０７  分留室
１０８  熱交換室
【図１】
2020076519.tif 000003
【図２】
2020076519.tif 000004
【図３】
2020076519.tif 000005
【図４】
2020076519.tif 000006