(57)【要約】【課題】連続回転する系で無冷媒冷凍機を運転可能にし、極低温を実現・長時間保持できる装置を提供する。【解決手段】回転中心部に穴を穿設した回転テーブルと、回転テーブル上に固定された真空容器と、真空容器内部に冷却部を有する無冷媒冷凍機と、回転テーブル底部に固定され上下方向に貫通するスルーホールとヘリウムガスを通し側壁及び上部に開口した往ヘリウムガス流路及び還ヘリウムガス流路を備える内筒と、内筒を内部に回転可能に収納し前記ヘリウムガス流路に連設する往還ヘリウムガス接続口を備える外筒と、無冷媒冷凍機にヘリウムガスを往還ヘリウムガス流路に通し循環させるコンプレッサと、内筒に固定され回転可能に電気を通電する配線用回転継手とからなり、前記スルーホール及び穴に内部配線を通し回転テーブル上の機器に電気を供給することを特徴とする連続回転系で極低温を実現する装置の構成とした。【選択図】図１
2014156952.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続回転する系で無冷媒冷凍機を運転し、極低温を実現・長時間保持可能な極低温冷却装置であって、
回転中心部の上下方向に穴を穿設した回転テーブルと、
前記回転テーブルを回転可能に保持する枠体と、
前記回転テーブル上に固定された真空容器と、
前記真空容器内部に冷却部を有する無冷媒冷凍機と、
前記回転テーブルの底部に固定され上下方向に貫通するスルーホールを備えヘリウムガスを気密的かつ回転可能に前記無冷媒冷凍機に送るヘリウムガス用回転継手と、
非回転面に設置され、前記ヘリウムガス用回転継手を通し前記無冷媒冷凍機にヘリウムガスを循環させるコンプレッサと、
前記ヘリウムガス用回転継手に固定され回転可能に電気を回転テーブル上に通電する配線用回転継手と、
からなり、
前記スルーホール及び穴に前記配線用回転継手に接続する内部配線通し前記回転テーブル上の機器に電気を供給することを特徴とする連続回転系で極低温を実現する装置。
【請求項２】
前記ヘリウム用回転継手が、
前記回転テーブルの底部に固定され上下方向に貫通するスルーホールと前記ヘリウムガスを通す往還ヘリウムガス流路を備える内筒と、
前記内筒を内部に気密的かつ回転可能に収納するとともに前記往還ヘリウムガス流路に前記ヘリウムガスを送る外筒と、
からなることを特徴とする請求項１に記載の連続回転系で極低温を実現する装置。
【請求項３】
前記内筒が、
側壁及び上部に開口した往ヘリウムガス流路及び還ヘリウムガス流路を備え、
前記外筒が、
内周に前記往ヘリウムガス流路に連設する第一環状溝と前記第一環状溝に連設し外周に開口した往ヘリウムガス接続口と、内周に前記還ヘリウムガス流路に連設する第二環状溝と前記第二環状溝に連設し外周に開口した還ヘリウムガス接続口を備える
ことを特徴とする請求項２に記載の連続回転系で極低温を実現する装置。
【請求項４】
前記配線用回転継手が、
一方の非回転コネクタ部に電源からの配線を接続し、他端の回転コネクタ部に前記無冷媒冷凍機に電気を供給する内部配線を接続することを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の連続回転系で極低温を実現する装置。
【請求項５】
前記回転テーブル上に、前記真空容器内部の温度、圧力データ、被冷却体の温度を出力するモニタを載置したことを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の連続回転系で極低温を実現する装置。
【請求項６】
前記回転テーブル上に、前記真空容器内に設置された各種装置の運転を制御するとともに、前記モニタに出力されるデータを記録するＰＣを載置したことを特徴とする請求項５に記載の連続回転系で極低温を実現する装置。
【請求項７】
前記回転テーブル上に、前記ＰＣと非回転面上に配置されたＰＣと無線ＬＡＮ通信可能にするルータを載置したことを特徴とする請求項６に記載の連続回転系で極低温を実現する装置。
【請求項８】
請求項１〜請求項７の何れか１項に記載の連続回転系で極低温を実現する装置の真空容器内に、電波望遠鏡のレンズ、焦点面を配置し、前記レンズ及び焦点面を極低温に冷却することを特徴とする電波望遠鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、連続的に回転する系で、極低温（数ケルビン以下）に到達させ、極低温を長時間保持可能な冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、連続的に回転する系での冷却は、液体ヘリウム等の液体冷媒を冷却部に貯めて用いる方式のみが知られている。
【０００３】
しかしながら、従来の液体冷媒を用いた方式では、液体冷媒の気化拡散などにより、極低温の保持時間は、長くてせいぜい数日程度で、到達温度も４．２ケルビンにとどまっていた。また、回転を止めることなしに、常温状態から冷却することはできない。さらに、液体冷媒の追加等のメンテナンスに多大な労力、費用を要した。
【０００４】
他方、特許文献１などのような無冷媒冷凍機も知られている。無冷媒冷凍機は、液体冷媒を用いない機械式冷凍機であり、ＧＭ冷凍機などがある。無冷媒冷凍機を用いることで、液体冷媒の補充などのメンテナンスを無くすことができるものの、回転する無冷媒冷凍機に電源、ヘリウムガスパイプを接続する点において問題であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】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】
【０００６】
本発明は、連続回転する系で無冷媒冷凍機を運転可能にし、極低温を実現・長時間保持できる装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記の課題を解決するために、
（１）
連続回転する系で無冷媒冷凍機を運転し、極低温を実現・長時間保持可能な極低温冷却装置であって、
回転中心部の上下方向に穴を穿設した回転テーブルと、
前記回転テーブルを回転可能に保持する枠体と、
前記回転テーブル上に固定された真空容器と、
前記真空容器内部に冷却部を有する無冷媒冷凍機と、
前記回転テーブルの底部に固定され上下方向に貫通するスルーホールを備えヘリウムガスを気密的かつ回転可能に前記無冷媒冷凍機に送るヘリウムガス用回転継手と、
非回転面に設置され、前記ヘリウムガス用回転継手を通し前記無冷媒冷凍機にヘリウムガスを循環させるコンプレッサと、
前記ヘリウムガス用回転継手に固定され回転可能に電気を回転テーブル上に通電する配線用回転継手と、
からなり、
前記スルーホール及び穴に前記配線用回転継手に接続する内部配線通し前記回転テーブル上の機器に電気を供給することを特徴とする連続回転系で極低温を実現する装置の構成とした。
（２）
前記ヘリウム用回転継手が、
前記回転テーブルの底部に固定され上下方向に貫通するスルーホールと前記ヘリウムガスを通す往還ヘリウムガス流路を備える内筒と、
前記内筒を内部に気密的かつ回転可能に収納するとともに前記往還ヘリウムガス流路に前記ヘリウムガスを送る外筒と、
からなることを特徴とする（１）に記載の連続回転系で極低温を実現する装置の構成とした。
（３）
前記内筒が、
側壁及び上部に開口した往ヘリウムガス流路及び還ヘリウムガス流路を備え、
前記外筒が、
内周に前記往ヘリウムガス流路に連設する第一環状溝と前記第一環状溝に連設し外周に開口した往ヘリウムガス接続口と、内周に前記還ヘリウムガス流路に連設する第二環状溝と前記第二環状溝に連設し外周に開口した還ヘリウムガス接続口を備える
ことを特徴とする（２）に記載の連続回転系で極低温を実現する装置の構成とした。
（４）
前記配線用回転継手が、
一方の非回転コネクタ部に電源からの配線を接続し、他端の回転コネクタ部に前記無冷媒冷凍機に電気を供給する内部配線を接続することを特徴とする（１）〜（３）の何れかに記載の連続回転系で極低温を実現する装置の構成とした。
（５）
前記回転テーブル上に、前記真空容器内部の温度、圧力データ、被冷却体の温度を出力するモニタを載置したことを特徴とする（１）〜（４）の何れかに記載の連続回転系で極低温を実現する装置の構成とした。
（６）
前記回転テーブル上に、前記真空容器内に設置された各種装置の運転を制御するとともに、前記モニタに出力されるデータを記録するＰＣを載置したことを特徴とする（５）に記載の連続回転系で極低温を実現する装置の構成とした。
（７）
前記回転テーブル上に、前記ＰＣと非回転面上に配置されたＰＣと無線ＬＡＮ通信可能にするルータを載置したことを特徴とする（６）に記載の連続回転系で極低温を実現する装置の構成とした。
（８）
（１）〜（７）の何れかに記載の連続回転系で極低温を実現する装置の真空容器内に、電波望遠鏡のレンズ、焦点面を配置し、前記レンズ及び焦点面を極低温に冷却することを特徴とする電波望遠鏡の構成とした。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、上記構成であるので、以下の効果を発揮する。即ち、内筒と外筒からなるヘリウムガス用回転継手を採用し、高圧・高純度のヘリウムガスをヘリウムガス用回転継手内に通し、回転テーブル上の無冷媒冷凍機と非回転面に設置したコンプレッサの間を循環させ、さらに電気、ケーブル等の配線用回転継手を介して接続するとともに、ヘリウムガス用回転継手のスルーホール内に通す。これらの工夫は、回転テーブル上での無冷媒冷凍機の運転を可能にする。つまり、連続的に回転する系で、極低温を実現し、極低温状態を長時間保持することを可能にした。当然、回転させない状態でも、回転、停止を繰り返しながらでも、無冷媒冷凍機の運転（冷却）、昇温も可能である。
【０００９】
回転し続けた状態でも、極低温を長期間に渡り保持することができるので、極低温を必要とする装置（被冷却体）を極低温かつ回転した状態で使用できる。被冷却体は真空容器内に配置する。システム構築後は、液体冷媒の補充がなく、ほぼメンテナンスフリーなシステムとなる。
【００１０】
到達温度は使用する無冷媒冷凍機の性能に依存するが、到達温度に原理的に制限はなく、３ケルビン以下まで容易に到達できる。また、冷凍機を組み合わせて1ケルビン未満の絶対零度付近まで到達可能である。例えば、無冷媒冷凍機とヘリウム３収着式冷凍機を組み合わせることにより０．３ケルビンまで容易に到達できる。
【００１１】
回転テーブル上に、ＰＣ、モニタを配置することで、連続回転系で極低温を実現する装置に搭載される機器の種々のデータの入手、それらの機器の運転制御も、配線用回転継手を介して行うことができる。さらには、回転テーブル上に無線用のルータを設置することで、各種データ入手、各種機器、装置の運転制御を無線ＬＡＮ通信によって行うことができる。
【００１２】
本発明は、電波天文観測分野、例えば回転する電波望遠鏡のレンズ、焦点面の極低温冷却に応用でき、地上での高感度の電波観測が可能になる。さらに、環境、セキュリティ、軍事産業など、極低温を必要とする回転式高感度レーダーを利用する分野への利用が見込まれる。長時間極低温を保持し、メンテナンスフリーであるので、レーダー感度を大幅に向上させることができる。さらに、飛行機、衛星、宇宙ステーションなどの飛行体への搭載も容易に可能である。また、極低温を必要とする装置で人体の周りからスキャンするなどの医学装置分野への利用も見込まれる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明である連続回転系で極低温を実現する装置の部分断面概念図である。
【図２】ヘリウムガス用回転継手及び配線用回転継手の拡大部分断面図である。
【図３】本発明による極低温実証実験の結果である。
【図４】本発明である連続回転系で極低温を実現する装置の電波望遠鏡への応用例を示す図である。
【図５】連続回転系で極低温を実現する装置を備える電波望遠鏡での観測範囲の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付図面に基づき、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、本発明は下記実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００１５】
図１、２の部分断面図に示すように、本発明の一例である連続回転系で極低温を実現する装置１は、連続回転する系で無冷媒冷凍機を運転し、極低温を実現・長時間保持可能な装置である。回転テーブル２と、枠体３と、真空容器４と、無冷媒冷凍機５と、内筒７及び外筒８とからなるヘリウムガス用回転継手６と、配線用回転継手９と、柱１５と、コンプレッサ１０と、回転テーブル２の上に置かれる各種機器と、無冷媒冷凍機５に電気を供給するＡＣ２００Ｖ電源と、各種機器に電気を供給するＡＣ１００Ｖ電源と、からなる。
【００１６】
回転テーブル２は、上面２ｄと、上面２ｄの底部に固定した回転軸２ａとからなり、回転中心部の上下方向に穴２ｂが穿設される。上面２ｄには、真空容器４、非回転面から供給される電気で駆動する各種機器が載置される。真空容器４、各種機器は、重量バランス、重心を考慮して配置されることが望ましい。回転テーブル２は、回転軸２ａに係止されたベルト２ｃを介してモータ（図示省略）の駆動によって回転する。
【００１７】
枠体３は、非回転面、例えば地面１６に立設し、回転テーブル２の上面２ｄとの間に回転テーブル２の荷重を受け水平方向に回転テーブル２を回転させるベアリング３ａ（スラスト玉軸受け）と、回転軸２ａとの間に回転軸２ａの軸ぶれを防ぐベアリング３ｂ（アンギュラ玉軸受け）を固定し、回転テーブル２を回転可能に保持する。
【００１８】
真空容器４は回転テーブル２の上に固定され、真空容器４の内部は回転テーブル２とともに回転するポンプ４ａによって減圧される。また、真空容器４の内部には、被冷却体５ｃが配置される。さらに、必要に応じて、追加冷却装置などの各種装置４ｂも配置される。図１に示す真空容器４の内部の空気の排気用ポンプ４ａ、真空容器４の内部に気体を導入する経路に設けた吸気用のバルブ４ｃ、各種装置４ｂ等は、後述のＰＣ１１で作動制御される。
【００１９】
無冷媒冷凍機５は、ＧＭ冷凍機など、機械式冷凍機で、液体冷媒を用いない。無冷媒冷凍機５のモータポンプ（図示省略）の起動、駆動は、コンプレッサ１０によって制御される。無冷媒冷凍機５はコンプレッサ１０から供給されるＡＣ２００Ｖ電源によって駆動される。
【００２０】
冷却部（１ｓｔステージ５ａ、２ｎｄステージ５ｂ）は、真空容器４の内部に位置する。被冷却体５ｃは、冷却部に直接接触又は間接的に連設して、極低温に冷却される。無冷媒冷凍機５の内部では、ヘリウムガスがコンプレッサ１０によって循環（破線矢印）する。コンプレッサ１０から無冷媒冷凍機５に向かうヘリウムガスが往ヘリウムガス１０ａ、無冷媒冷凍機５からコンプレッサ１０に戻るヘリウムガスが還ヘリウムガス１０ｂであり、それぞれパイプ、ヘリウムガス用回転継手６で接続される。  
【００２１】
内筒７は、図２に示すように、フランジ７ａ部が回転テーブル２の底部（回転軸２ａ）に留め具７ｂで固定される。内筒７の内部には上下方向に貫通するスルーホール７ｅと、ヘリウムガスを通し側壁及び上部に開口した往ヘリウムガス流路７ｃ及び還ヘリウムガス流路７ｄを備える。往ヘリウムガス流路７ｃ及び還ヘリウムガス流路７ｄの上部開口には、無冷媒冷凍機５に繋がるヘリウムガスを通すパイプがそれぞれ接続される。内筒７の先端部は、外筒８から脱落しない形状、ここでは下に向けテーパーとしている。
【００２２】
外筒８は、内筒７を内部に気密的に収納し、上部に内筒７を回転可能に保持するベアリング軸受け８ａを備える。Ｏリング８ｆを外筒８の内壁面のヘリウムガス流路（第一、第二環状溝８ｃ、８ｅ）の上下に設けた溝に嵌めることで、高圧ヘリウムガスをシールする。
【００２３】
外筒８の内周には、往ヘリウムガス流路７ｃに連設する第一環状溝８ｃと、第一環状溝８ｃに連設し外周に開口した往ヘリウムガス接続口８ｂを備える。また、第一環状溝８ｃと異なる位置の内周に、還ヘリウムガス流路７ｄに連設する第二環状溝８ｅと、第二環状溝８ｅに連設し外周に開口した還ヘリウムガス接続口８ｄを備える。往、還ヘリウムガス接続口８ｂ、８ｄには、コンプレッサ１０に繋がるヘリウムガスを通すパイプがそれぞれ接続される。
【００２４】
そして、内筒７の底部において、スナップリング８ｇで、内筒７を外筒８に回転可能に係止して、内筒７の外筒８からの浮上を防止する。
【００２５】
配線用回転継手９は、内筒７に留め具９ｅで固定されたホルダ９ｄに、複数の端子が突出した内筒７及びホルダ９ｄとともに回転する回転コネクタ部９ｃが係止され、カバー９ａを介して、他端に複数の端子が突出した非回転コネクタ部９ｂが電気的に接続する。カバー９ａの内部には、伝導性の液体（水銀）が充填され、非回転コネクタ部９ｂの端子から回転コネクタ部９ｃの対応する端子に通電する。このような配線用回転継手９は、一般的な電気部品として市場に流通している。例えば、Ｍｅｒｃｏｔａｃ社製、Ｍｏｄｅｌ８３０などがある。
【００２６】
ここでは、非回転コネクタ部９ｂの１の端子にＡＣ２００Ｖ電源に繋がる２００Ｖ配線１４を接続し（接点９ｆ）、他の端子にＡＣ１００Ｖ電源に繋がる１００Ｖ配線１４ａを接続する（接点９ｇ）。他方、回転コネクタ部９ｃの接点９ｆに電気的に繋がる端子に無冷媒冷凍機５に電気を供給する内部配線１４ｃを接続し（接点９ｈ）、接点９ｇに電気的に繋がる端子に回転テーブル２の上の各種機器に電気を供給する内部配線４ｄを接続する（接点９ｉ）。
【００２７】
柱１５は、地面１６から起立し、保持部９ｋに挿通しナット１５ａで保持部９ｋを固定し、保持部９ｋを介して配線用回転継手９の位置決めする。また、柱１５は、外筒８のフランジ８ｈに挿通し、ナット１５ａでフランジ８ｈを固定し、外筒８の位置決めもする。
【００２８】
コンプレッサ１０は、非回転面に設置され、高純度（９９．９９９％以上）のヘリウムガスを高圧（〜１６Ｍｐａ）で、往ヘリウムガス流路７ｃ及び還ヘリウムガス流路７ｄを通し、無冷媒冷凍機５の内部に移送し、循環させる。コンプレッサ１０等の重量物は、非回転面に、例えば地面１６に、載置される。その結果、回転テーブル２の上の載置重量を低減でき、コンパクトで、メンテナンスフリーのシステムを提供することができることとなる。
【００２９】
回転テーブル２の上に置かれる各種機器としては、パーソナルコンピューター（ＰＣ１１）、モニタ１２、ルータ１３、ポンプ４ａなどがある。
【００３０】
ＰＣ１１は、１００Ｖ電源に接続する内部配線１４ｄから電源供給を受け、駆動し、モニタ１２、ルータ１３、ポンプ４ａの運転を制御し、さらに真空容器４の内部に置かれた各種装置４ｂの作動を制御する。
【００３１】
モニタ１２は、真空容器４の内部の温度、圧力データ、被冷却体５ｃの温度値を出力する。さらに、ＰＣ１１と接続される。ＰＣ１１が取得した真空容器４の内部の温度、圧力データを出力してもよい。
【００３２】
ルータ１３は、ＰＣ１１に接続され、ＰＣ１１と連続回転系で極低温を実現する装置１に搭載されていないＰＣとを無線ＬＡＮ通信を可能にする。ルータ１３を備えることで、離れた場所から、真空容器４の内部の各種データを入手し、ＰＣ１１のコントロール、さらにＰＣ１１を介して各種装置４ｂを制御することが可能になる。
【００３３】
このようにしてなる連続回転系で極低温を実現する装置１は、スルーホール７ｅ及び穴２ｂに内部配線１４ｃ、１４ｄを通し回転テーブル２の上の機器に電気を供給する。そして、配線、パイプ配管後、使用時には、コンプレッサ１０のスイッチを入れるだけで、冷凍機の性能や容器の大きさに依存するが、１〜２時間程度の短時間で目標の極低温に到達させることが可能になる。
【００３４】
実際の試験では、図３に示すように、室温から極低温まで約４０分で到達させることができた。図３の縦軸は温度Ｋ（ケルビン）、横軸は測定時刻である。破線が無冷媒冷凍機５の１ｓｔステージ５ａ、実線が２ｎｄステージ５ｂの測定温度値である。
【実施例２】
【００３５】
このようにしてなる連続回転系で極低温を実現する装置１は、図４、５に示すように、地上において高感度かつ広範囲の電波２３を観測することのできる回転式の電波望遠鏡２０に応用できる。
【００３６】
電波望遠鏡２０は、図４に示すように、回転テーブル２の上に載置した真空容器４の内部に、レンズ２１、２１及び焦点面２２を配置し、無冷媒冷凍機５で、レンズ２１、焦点面２２を極低温に冷却する。電波望遠鏡２０の感度は、おおまかには焦点面２２の温度に反比例して向上する。したがって、このような構成にした電波望遠鏡２０は、高い感度を保ちながら高速回転する。その結果、一台で図５に示すように広範囲観測が可能になる。
【符号の説明】
【００３７】
１      連続回転系で極低温を実現する装置
２      回転テーブル
２ａ    回転軸
２ｂ    穴
２ｃ    ベルト
２ｄ    上面
３      枠体
３ａ    ベアリング
３ｂ    ベアリング
４      真空容器
４ａ    ポンプ
４ｂ    各種装置
４ｃ    バルブ
５      無冷媒冷凍機
５ａ    １ｓｔステージ
５ｂ    ２ｎｄステージ
５ｃ    被冷却体
６      ヘリウムガス用回転継手
７      内筒
７ａ    フランジ
７ｂ    留め具
７ｃ    往ヘリウムガス流路
７ｄ    還ヘリウムガス流路
７ｅ    スルーホール
８      外筒
８ａ    ベアリング軸受け
８ｂ    往ヘリウムガス接続口
８ｃ    第一環状溝
８ｄ    還ヘリウムガス接続口
８ｅ    第二環状溝
８ｆ    Ｏリング
８ｇ    スナップリング
８ｈ    フランジ
９      配線用回転継手
９ａ    カバー
９ｂ    非回転コネクタ部
９ｃ    回転コネクタ部
９ｄ    ホルダ
９ｅ    留め具
９ｆ    接点
９ｇ    接点
９ｈ    接点
９ｉ    接点
９ｋ    保持部
１０    コンプレッサ
１０ａ  往ヘリウムガス
１０ｂ  還ヘリウムガス
１１    ＰＣ
１２    モニタ
１３    ルータ
１３ａ  無線
１４    ２００Ｖ配線
１４ａ  １００Ｖ配線
１４ｃ  内部配線
１４ｄ  内部配線
１５    柱
１５ａ  ナット
１６    地面
２０    電波望遠鏡
２１    レンズ
２２    焦点面
２３    電波
２４    自転
２５    スキャンエリア
【図１】
2014156952.tif 000003
【図２】
2014156952.tif 000004
【図３】
2014156952.tif 000005
【図４】
2014156952.tif 000006
【図５】
2014156952.tif 000007