(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒ガスが膨張して寒冷を発生するための膨張空間と、
一端から冷媒ガスが流入する導入路と、
前記導入路の他端に接続され、前記導入路に流入した冷媒ガスを前記膨張空間内に噴出する微細孔と、
前記膨張空間内の冷媒ガスを、前記導入路と熱交換させながら、前記膨張空間から排出する排出路と、
前記微細孔に挿入されて冷媒ガスの噴出量を調節するニードルと、
ガスが充填された容積可変の空洞を含み、該空洞の容積の変動に応じて、前記微細孔への前記ニードルの挿入量を調節するニードル駆動機構と、
一端が前記ニードル駆動機構の空洞に連通し、他端が閉じられた細長い空洞を画定し、閉じた端部が前記膨張空間内に挿入されており、該膨張空間内への挿入の深さを調節することができる温度検出器と、
前記ニードルの移動方向に平行な細長い空間を画定する支持部材と
を有し、
前記温度検出器が、前記支持部材で画定された細長い空間内に挿入された直線部分と、該直線部分に連続し、湾曲して前記固定壁に取り付けられた湾曲部分とを含み、
前記直線部分が前記ニードルの移動方向に移動することによって、前記温度検出器の前記膨張空間内への挿入の深さが変化し、前記直線部分が前記支持部材に接触することによってその位置が保持されるジュールトムソン型冷却装置。
【請求項２】
前記ニードル駆動機構が、
前記微細孔に対する相対位置が固定されている固定壁と、
前記ニードルが取り付けられ、該ニードルの移動方向に移動する可動壁と、
前記固定壁と可動壁とを接続し、前記容積可変の空洞を画定するベローズと
を有し、
前記温度検出器の一端が前記固定壁に取り付けられている請求項１に記載のジュールトムソン型冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ジュールトムソン型冷却装置に関し、特に冷媒ガス流量調節型のジュールトムソン型冷却装置に関する。
【０００２】
ジュールトムソン型冷却装置は、例えば、半導体赤外線検出素子を液化窒素温度程度に冷却するための冷却装置として利用されている。
【０００３】
【従来の技術】
ジュールトムソン型冷却装置は、ノズルから冷媒ガスを噴出させ、冷媒ガスを断熱膨張させて寒冷を発生させる。ジュールトムソン型冷却装置には、冷媒ガスを噴出させるノズルの大きさが固定のものと、ニードルを駆動してノズルを部分的にもしくは完全に塞ぎ冷媒ガス流量を調節するガス流量調節型のものがある。
【０００４】
ガス流量調節型のジュールトムソン型冷却装置は、冷却部の温度が十分低下するとノズルを塞いでガス流量を減少させる。このため、ノズルの大きさが固定のものに比べて冷媒ガスを節約することができる。ガス流量調節型のジュールトムソン型冷却装置に関する発明が、特開平４−２２７４３９号、特開平６−３４７１１３号、特開平８−３１３０８７号公報等に開示されている。
【０００５】
温度検出器によって冷却対象部の温度が検出され、検出結果に基づいてニードルが駆動される。温度が低下しすぎると、ニードルがノズル内に深く侵入し、冷媒ガスの噴出量が少なくなる。温度が上昇すると、ニードルの侵入の深さが浅くなり、冷媒ガスの噴出量が多くなる。このようにして、冷却対象部の温度が所望の温度に維持される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
温度検出器によるフィードバック制御により、冷却対象部の温度を所望の温度に維持することができるが、温度検出器の感度が低すぎたり、あるいは高すぎたりすると、冷却対象部の温度変動が大きくなる。
【０００７】
本発明の目的は、冷却対象部の温度変動の少ないジュールトムソン型冷却装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によると、冷媒ガスが膨張して寒冷を発生するための膨張空間と、一端から冷媒ガスが流入する導入路と、前記導入路の他端に接続され、前記導入路に流入した冷媒ガスを前記膨張空間内に噴出する微細孔と、前記膨張空間内の冷媒ガスを、前記導入路と熱交換させながら、前記膨張空間から排出する排出路と、前記微細孔に挿入されて冷媒ガスの噴出量を調節するニードルと、ガスが充填された容積可変の空洞を含み、該空洞の容積の変動に応じて、前記微細孔への前記ニードルの挿入量を調節するニードル駆動機構と、一端が前記ニードル駆動機構の空洞に連通し、他端が閉じられた細長い空洞を画定し、閉じた端部が前記膨張空間内に挿入されており、該膨張空間内への挿入の深さを調節することができる温度検出器と、前記ニードルの移動方向に平行な細長い空間を画定する支持部材とを有し、前記温度検出器が、前記支持部材で画定された細長い空間内に挿入された直線部分と、該直線部分に連続し、湾曲して前記固定壁に取り付けられた湾曲部分とを含み、前記直線部分が前記ニードルの移動方向に移動することによって、前記温度検出器の前記膨張空間内への挿入の深さが変化し、前記直線部分が前記支持部材に接触することによってその位置が保持されるジュールトムソン型冷却装置が提供される。
【０００９】
導入路から微細孔へ冷媒ガスが供給され、微細孔から膨張空間へ噴出する。このとき、冷媒ガスが断熱膨張し寒冷を発生する。ニードル駆動機構が膨張空間内の温度を検出してニードルを駆動し、冷媒ガスの噴出量を調節する。温度が上昇すると、噴出量を増加させて冷却し、温度が低下すると、噴出量を減少させて冷媒ガスを節約する。
【００１０】
膨張空間内への温度検出器の挿入の深さを調節することにより、温度検出感度を調節することができる。温度検出感度を好適な値にすることにより、膨張空間内の温度変動幅を小さくすることができる。膨張空間を画定する容器に冷却対象物を熱的に接続して冷却する場合、冷却対象物の冷却温度を安定させることができると考えられる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例によるジュールトムソン型冷却装置を、半導体赤外線検出装置に適用した場合を例にとって説明する。
【００１２】
図１（Ａ）に、半導体赤外線検出装置の断面図を示す。実施例による半導体赤外線検出装置は、冷媒ガス導入管１０、微細孔１１、ニードル１２、ニードル駆動機構２０、温度検出器２７、デュア瓶３０、半導体赤外線検出素子４０を含んで構成されている。
【００１３】
冷媒ガス導入管１０の外周面に、導入管の内外で効率的に熱交換を行うためのフィン１４が取り付けられている。冷媒ガス導入管１０は、円筒管１３の外周面に、フィン１４同士がほぼ接する程度のピッチでらせん状に巻かれている。冷媒ガス導入管１０は、例えば銅ニッケル合金で形成され、フィン１４は、例えば銅で形成される。らせん軸方向に隣り合うフィン１４同士の隙間を埋めるように、ひも１５が巻かれている。ひも１５により、冷媒ガス導入管１０を安定して固定することができる。円筒管１３の一端に、ステンレス等で形成された蓋部材１６が取り付けられており、他端は、図には示さないが例えば開放されている。
【００１４】
蓋部材１６の内部に空洞１８が形成されており、空洞１８はガス流路１７を介して冷媒ガス導入管１０に接続されている。また、空洞１８は、微細孔１１を介して外部と連通している。冷媒ガス導入管１０からガス流路１７を通って空洞１８内に冷媒ガスが供給され、空洞１８内の冷媒ガスが微細孔１１を通って外部に噴出する。
【００１５】
ニードル１２は、テーパ状の先端を有し、先端の一部が微細孔１１内に挿入されるように配置されている。ニードル１２は先端近傍でＵ字状に湾曲し、蓋部材１６に設けられた貫通孔を通って円筒管１３の内部まで導入されている。ニードル１２の他端は、後述するニードル駆動機構２０に取り付けられている。ニードル１２は、例えばステンレスで形成される。
【００１６】
図１（Ｂ）に、ニードル１２の先端部の正面図を示す。ニードル１２の先端部はテーパ状（円錐面状）に加工されており、テーパ面の母線方向に沿って溝１９が形成されている。ニードル１２の先端の一部が、微細孔１１内に挿入されている。溝１９は、ダイヤモンドカッタ等で容易に形成することができる。なお、必ずしも溝１９を形成する必要はない。
【００１７】
冷媒ガスが、微細孔１１の開口部表面とニードル１２の先端部のテーパ面との間の間隙２８を通って膨張空間内に噴出する。ニードル１２を微細孔１１内へ挿入する量を調節することにより、間隙２８の幅が変化し冷媒ガスの噴出量を制御することができる。
【００１８】
ニードル１２の先端部のテーパ面が微細孔１１の開口部表面に密接すると、間隙２８が消滅する。このとき、冷媒ガスは溝１９を通って膨張空間内に噴出する。このように、溝１９が形成されているため、ニードル１２が微細孔１１を完全に塞ぐことがなく、ニードル１２が微細孔１１の開口部表面に密接している状態であっても、一定量の冷媒ガスが噴出する。溝１９が形成されていない場合には、ニードル１２の先端部のテーパ面が微細孔１１の開口部表面に密接すると、冷媒ガスはほとんど噴出しない。
【００１９】
図１（Ａ）に戻って説明を続ける。ニードル駆動機構２０が、固定容器２１、可動壁２２、固定壁２３、ベローズ２４、及びコイルバネ２５を含んで構成されている。固定容器２１は、一端が開放され他端が閉じた円筒状の容器であり、その外周面が円筒管１３の内周面に密着し、開放端が蓋部材１６側を向くように円筒管１３に固定されている。
【００２０】
可動壁２２が固定容器２１内に挿入され、固定容器２１の開口部に固定壁２３が取り付けられている。可動壁２２は、コイルバネ２５により固定壁２３に取り付けられ、弾性的に支持されている。ニードル１２の、円筒管１３内に導入された部分が、固定壁２３に設けられている貫通孔を貫通し、可動壁２２に固定されている。可動壁２２の縁部と固定容器２１の底面とがベローズ２４で接続されており、可動壁２２、ベローズ２４、及び固定容器２１の底面によって気密な空洞２６が画定されている。なお、ベローズ２４の固定容器２１側の端部は、予めネーバル黄銅（ＣｕとＳｎとの合金）等からなるリテーナで密封しておいてもよい。
【００２１】
空洞２６内に、大気圧よりも高圧のガスが封入されている。封入ガスは、例えば窒素、アルゴン、もしくは空気等である。可動壁２２は、封入ガスの圧力とコイルバネ２５の弾性力との均衡がとれた位置に静止する。封入ガスの温度が変化して空洞２６内の圧力が変化すると、可動壁２２の静止位置が変化する。
【００２２】
温度検出器２７の一端が、固定容器２７の底面に取り付けられている。固定容器２７への取り付けは、例えば半田付けにより行われる。温度検出器２７は、固定容器２１に取り付けられた端部近傍の湾曲部２７ａ、及び湾曲部２７ａに連続し、円筒管１３の内周面の母線方向に沿って延在する直線部２７ｂを含んで構成される。直線部２７ｂは、蓋部材１６に設けられている貫通孔を通って円筒管１３の外部まで導出されている。温度検出器２７は、例えば内径０．３ｍｍ、肉厚０．１ｍｍのＮｉＣｕ合金製の中空の管で形成される。
【００２３】
温度検出器２７の内部の空洞は、ニードル駆動機構２０内の空洞２６に連通している。また、円筒管１３の外部まで導出された端部２７ｃは塞がれている。端部２７ｃの閉塞は、例えば半田付けにより行われる。円筒管１３の外部まで導出された端部２７ｃを、温度検出端と呼ぶ。
【００２４】
図１（Ｃ）に、円筒管１３及びその内部の断面図を示す。固定容器２１の側壁の外周面が円筒管１３の内周面に密着している。固定容器２１内にベローズ２４が配置され、その内側に空洞２６が画定されている。固定容器２１の側壁は、部分的に厚くされている。この厚い部分に、外周面側から溝２１ａが形成されている。溝２１ａは、円筒管１３の内周面の母線方向に沿う。円筒管１３の内周面と、溝２１ａの内面とにより、細長い空間が画定される。この細長い空間内に温度検出器２７の直線部２７ｂが挿入される。円筒管１３と固定容器２１とが、温度検出器２７の直線部２７ｂを支持する。
【００２５】
このように構成された冷媒ガス導入管１０、微細孔１１、ニードル１２、ニードル駆動機構２０、及び温度検出器２７を含む部分が二重壁構造のデュワ瓶３０内に挿入されている。デュワ瓶３０は、例えばガラスで形成される。デュワ瓶３０の内壁の内径は、その内周面がフィン１４にほぼ接する大きさとされている。
【００２６】
蓋部材１６とデュワ瓶３０の内壁との間に膨張空間３１が画定される。微細孔１１から膨張空間３１内に冷媒ガスが吹き出す。温度検出器２７の温度検出端２７ｃが、膨張空間３１内に配置される。温度検出器２７の湾曲部２７ａは可撓性を有する。このため、直線部２７ｂを、円筒管１３の軸方向に移動させることにより、膨張空間３１内への温度検出端２７ｃの挿入の深さを調節することができる。直線部２７ｂと、溝２１ａの内面や円筒管１３の内周面との間の摩擦力により、温度検出端２７ｃの位置が保持される。
【００２７】
デュワ瓶３０の外壁のうち先端の一部は赤外線透過部材３３で構成されている。赤外線透過部材３３は、例えばゲルマニウム、サファイア等で形成される。
【００２８】
半導体赤外線検出素子４０が、デュワ瓶３０の内壁の赤外線透過部材３３に対向する位置に取り付けられている。デュワ瓶３０の二重壁の内部空洞３２は、半導体赤外線検出素子４０を取り付けた後、真空封止されている。半導体赤外線検出素子４０は、例えばシリコンと白金コバルトとのショットキ接合を用いた赤外線検出素子である。この検出素子をマトリクス状に配列することにより、赤外線による画像検出を行うことができる。なお、この検出素子は、従来のＨｇＣｄＴｅを用いた検出素子に比べて使用温度条件が厳しいため、冷却温度を安定にする必要がある。
【００２９】
次に、実施例によるジュールトムソン型冷却装置の動作を説明する。冷媒ガス導入管１０の図中下方の端部から高圧の冷媒ガスを供給する。冷媒ガスは、例えば窒素、アルゴン、もしくは空気等である。冷媒ガスは、冷媒ガス導入管１０を通って空洞１８に導入され、微細孔１１から膨張空間３１内に噴出する。このとき、ジュールトムソン効果により寒冷を発生し、半導体赤外線検出素子４０を冷却する。
【００３０】
膨張空間３１内の低温の冷媒ガスは、円筒管１３とデュア瓶３０の内壁との間の空間を通って外部に排出される。このとき、低温の冷媒ガスが冷媒ガス導入管１０を冷却する。冷媒ガス導入管１０にはフィン１４が設けられているため、効率的に冷却することができる。また、ひも１５が冷媒ガスの流れを妨げて乱流を生じさせるため、熱交換効率が向上する。冷媒ガス導入管１０内を流れる冷媒ガスが、排出される冷媒ガスと熱交換して冷却されるため、冷却効率を向上させることができる。
【００３１】
膨張空間３１内の温度が低下すると、温度検出器２７の温度検出端２７ｃの温度も低下する。温度が低下すると、温度検出器２７の空洞内の封入ガスの体積が減少し、空洞２６内の圧力が低下する。このため、可動壁２２がコイルバネ２５によって押し下げられ、ニードル１２が微細孔１１内に、より深く挿入される。挿入量が深くなることにより、冷媒ガスの噴出量が減少する。
【００３２】
冷媒ガスの噴出量が減少すると膨張空間３１内の温度が上昇するため、空洞２６内の圧力が上昇しニードル１２の微細孔１１への挿入量が浅くなる。冷媒ガスの噴出量が増加し、膨張空間３１内の温度が低下する。このようにして、膨張空間３１内の温度調節が行われるとともに、冷媒ガスを節約することができる。
【００３３】
膨張空間３１内の温度が十分低下し、ニードル１２の先端が微細孔１１の開口部表面に密接しても、図１（Ｂ）で説明したように、溝１９を通って冷媒ガスが噴出する。このように、溝１９によって冷媒ガスの最低流量が確保される。なお、溝１９が形成されていない場合には、冷媒ガスの噴出が停止するため、膨張空間３１内の温度が、より速く上昇する。
【００３４】
温度検出端２７ｃの温度検出感度が適切であれば、赤外線検出素子４０の温度変動幅を小さくすることができる。ところが、温度検出感度が適切でない場合、赤外線検出素子４０の温度変動幅が大きくなる。膨張空間３１内への温度検出端２７ｃの挿入量を調節することにより、温度検出感度を好ましい値に設定することができる。これにより、赤外線検出素子４０の温度変動を少なくすることができる。
【００３５】
溝１９が形成されていない場合には、冷媒ガスの噴出の停止により、速く温度が上昇する。この場合でも、温度検出器１７が素早く温度変化を検出するため、温度変動が抑制される。このように、溝１９が形成されていない場合に、温度検出器２７の顕著な効果が得られる。溝１９が形成されている場合には、溝１９と温度検出器２７との相乗効果により、温度変動がより小さくなるであろう。
【００３６】
なお、空洞２６内の封入ガスは、作動温度において、一部が液化していることが好ましい。一部が液化していると、温度のわずかな変動によって液化量が増減し、空洞２６内の圧力が大きく変動する。このため、温度変化を敏感に検出することができる。
【００３７】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、膨張空間内への温度検出器の挿入の深さを調節することにより、温度検出感度を調節することができる。適切な温度検出感度とすることにより、膨張空間内の温度の変動幅を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例によるジュールトムソン型冷却装置の断面図、及びジュールトムソン型冷却装置に使用されるニードル先端の正面図である。
【符号の説明】
１０  冷媒ガス導入管
１１  微細孔
１２  ニードル
１３  円筒管
１４  フィン
１５  ひも
１６  蓋部材
１７  ガス流路
１８  空洞
１９  溝
２０  ニードル駆動機構
２１  固定容器
２２  可動壁
２３  固定壁
２４  ベローズ
２５  コイルバネ
２６  空洞
２７  温度検出器
２８  間隙
３０  デュア瓶
４０  半導体赤外線検出素子
【図１】
0003588645.tif 000002