(57)【要約】【課題】冷媒ガスを補給する必要が無く、そのための配管が不要で、構成が単純な冷凍機用ヒートシンクを提供する。【解決手段】冷却ステージ２８の温度振幅を低減させるための冷凍機用ヒートシンク４０であって、冷却ステージ２８と直接又は間接的に接触された、極低温域で高い比熱を持つ酸化物蓄冷材６０と、該酸化物蓄冷材６０を収容又は被覆する金属材４２、４４、４６、４８、５０、５２、５４を備える。【選択図】      図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却ステージの温度振幅を低減させるための冷凍機用ヒートシンクであって、
冷却ステージと直接又は間接的に接触された、極低温域で高い比熱を持つ酸化物蓄冷材と、
該酸化物蓄冷材を収容又は被覆する金属材と、
を備えたことを特徴とする冷凍機用ヒートシンク。
【請求項２】
前記酸化物蓄冷材が、熱伝導性の良い金属材で挟まれたサンドイッチ型とされていることを特徴とする請求項１に記載の冷凍機用ヒートシンク。
【請求項３】
前記金属材が、金属ブロックに、前記酸化物蓄冷材を収容する多数の穴が開けられた多孔型とされていることを特徴とする請求項１に記載の冷凍機用ヒートシンク。
【請求項４】
前記金属材が、金属ブロックに、前記酸化物蓄冷材を収容するスリットが設けられたスリット型とされていることを特徴とする請求項１に記載の冷凍機用ヒートシンク。
【請求項５】
前記冷却ステージが前記酸化物蓄冷材で覆われ、その上から熱伝導性の良い金属材で覆われた外部覆い型とされていることを特徴とする請求項１に記載の冷凍機用ヒートシンク。
【請求項６】
前記冷却ステージを冷却する手段の内面が前記酸化物蓄冷材で覆われ、その上から熱伝導性の良い金属材で覆われた内部覆い型とされていることを特徴とする請求項１に記載の冷凍機用ヒートシンク。
【請求項７】
前記金属材と酸化物蓄冷材の接触面が、熱伝導性の良い材料で加工されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の冷凍機用ヒートシンク。
【請求項８】
前記金属材が容器とされ、該容器に、前記酸化物蓄冷材と共に冷媒ガスが封入されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の冷凍機用ヒートシンク。
【請求項９】
前記酸化物蓄冷材が、ガドリニウム酸化イオウＧＯＳ、ガドリニウムアルミナＧＡＰ、又は、それらの混合物であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の冷凍機用ヒートシンク。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれかに記載のヒートシンクを備えたことを特徴とする冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷凍機用ヒートシンクに係り、特に、到達温度が５Ｋ以下の極低温冷凍機に用いるのに好適な、冷凍機の温度変動を低減することが可能なヒートシンク、及び、該ヒートシンクを備えた冷凍機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＳＱＵＩＤ素子、超電導磁石、極低温で動作させるセンサ等、被冷却物の一部には、動作時の温度が安定している必要があり、例えば０．１Ｋ以下の温度振幅が必要となるものがある。そこで、ＧＭ冷凍機やパルス管冷凍機、スターリング冷凍機のように、圧縮と膨張を繰り返す冷凍機により、これらの被冷却物を冷却する場合、冷凍機の温度振幅が大きいため、次のような方法で、温度振幅を減少させている。
【０００３】
（１）絶対温度１５Ｋ以下の領域では、図１に示す如く、ヘリウムポットと呼ばれるガス状又は液体ヘリウムを収容する蓄冷器１６を冷凍機２０の最終（図では２段）冷却ステージ２８に設け、温度ダンパとして作用させて、周期的に寒冷が発生することにより引き起こされる冷却ステージ２８の温度振幅を、図２に示す如く、減少させている（特許文献１乃至３）。蓄冷には十分なヘリウム量が必要となることから、ヘリウムポット１６の外部より配管１７を介してヘリウムが供給される。図において、８は被冷却物、１０は圧縮機、１２は高圧側配管、１４は低圧側配管、１８はヘリウム供給配管１７を必要に応じて閉じるためのバルブ、２２は１段シリンダ、２４は１段冷却ステージ、２６は２段シリンダである。
【０００４】
又、エルビニウム３ニッケルＥｒ３Ｎｉ等の低温で比熱の高い化合物３２を加工し、図３に示す如く、容器３０に収納した状態で冷却ステージ２８に取り付けて、温度振幅を低減することも提案されている（特許文献４）。
【０００５】
【特許文献１】
特公平３−１６５９２号公報
【特許文献２】
特許第２７７３７９７号公報
【特許文献３】
特開平７−１４６０２０号公報
【特許文献４】
特開平９−２８７８３６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１に示したヘリウムポット１６を用いる方法は、次のような問題点を有する。
【０００７】
（１）ヘリウム供給配管１７や熱交換部、又、ガス量が多い場合にはヘリウムガス貯蔵容器が冷凍機２０に付属した形で設けられることにより、冷凍機の構造が複雑になり、又、取り合い設計においては、ヘリウムガス供給配管１７が必要とする空間を考慮しなければならない。更に、冷凍機脱着時には配管を傷めることがないような注意も必要となる。
【０００８】
（２）冷凍装置の循環ヘリウムを供給源とするため、冷凍機内で膨張し寒冷を発生させることに使用されるヘリウム量が減り、冷凍能力が低下する。冷凍機の循環ヘリウムガスが例えば０．１ＭＰａ減ると、４．２Ｋステージは少なくとも０．０１Ｋ温度が上昇する。冷凍機の循環ヘリウムをヘリウムポット１６に使用する場合、非常に多くのガスを必要とするため、ヘリウムポットを使用しない場合に比べて、冷却ステージの温度は、最低でも０．１Ｋ程度上昇してしまう。ヘリウムガス貯蔵器を追加する場合には、冷凍機を起動し、定常運転になるまでの間、変動する圧力を調整する複雑な機構も必要となる。
【０００９】
（３）冷凍装置の循環ヘリウムを供給源とするため、ヘリウムポット１６の蓄冷に供給できるヘリウムの量に限度があり、温度振幅を、より小さくすることができない。
【００１０】
一方、特許文献４で用いられるエルビニウム３ニッケルＥｒ３Ｎｉは、図４に示す如く、ヘリウムＨｅに比べて、４．２Ｋ付近で十分な比熱をもっていないため、温度振幅を低減させるためには、これらの高価な化合物が多量に必要となる。又、従来容器の単純な形状では、温度振幅低減と冷凍能力の確保を同時に行なうのは難しい等の問題点を有する。
【００１１】
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、冷媒を補給する必要がなく、配管が不要な単純な構成で、温度振幅を低減しつつ冷凍能力を確保することを課題とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、冷却ステージの温度振幅を低減させるための冷凍機用ヒートシンクであって、冷却ステージと直接又は間接的に接触された、極低温域で高い比熱を持つ酸化物蓄冷材と、該酸化物蓄冷材を収容又は被覆する金属材とを備えることにより、前記課題を解決したものである。
【００１３】
又、前記酸化物蓄冷材を、熱伝導性の良い金属材で挟んだサンドイッチ型としたものである。
【００１４】
あるいは、前記金属材を、金属ブロックに、前記酸化物蓄冷材を収容する多数の穴を開けた多孔型としたものである。
【００１５】
あるいは、前記金属材を、金属ブロックに、前記酸化物蓄冷材を収容するスリットを設けたスリット型としたものである。
【００１６】
あるいは、前記冷却ステージを前記酸化物蓄冷材で覆い、その上から熱伝導性の良い金属材で覆った外部覆い型としたものである。
【００１７】
あるいは、前記冷却ステージを冷却する手段の内面を前記酸化物蓄冷材で覆い、その上から熱伝導性の良い金属材で覆った内部覆い型としたものである。
【００１８】
又、前記金属材と酸化物蓄冷材の接触面を、半田、接着、グリース、インジウム、ウッドメタル等の熱伝導性の良い材料で加工したものである。
【００１９】
又、前記金属材を容器とし、該容器に、前記酸化物蓄冷材と共に冷媒ガスを封入したものである。
【００２０】
又、前記酸化物蓄冷材を、ガドリニウム酸化イオウＧｄ２Ｏ２Ｓ（ＧＯＳと略する）、ガドリニウムアルミナＧｄＡｌＯ３（ＧＡＰと略する）、又は、それらの混合物としたものである。
【００２１】
本発明は、又、前記のヒートシンクを備えたことを特徴とする冷凍機を提供するものである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２３】
本発明の第１実施形態は、図５に示す如く、粒状、板状、ブロック状、あるいは網状に形成した酸化物蓄冷材６０を、銅、アルミニウム等の熱伝導性の良い金属材４２で挟んだサンドイッチ型のヒートシンク４０を、冷却ステージ２８に配設したものである。
【００２４】
前記酸化物蓄冷材６０としては、図６に示す如く、従来用いられることがあるホロミウム銅ＨｏＣｕ２よりも５Ｋ以下の極低温域で高い比熱を持つガドリニウム酸化イオウＧＯＳを用いる。なお、ＧＯＳの代りに、ガドリニウムアルミナＧＡＰや、それらの混合物等を用いることができる。
【００２５】
該酸化物蓄冷材６０と前記金属材４２間の熱移動を容易にするため、インジウム、半田、接着、グリース、ウッドメタル等、熱伝導性の良い材料を一緒に挟むことができる。
【００２６】
このようにして、ヒートシンク４０は、コンパクトで大きな熱容量を得ることが可能になり、冷却ステージ２８側では、図７に破線Ａで示す如く大であった温度振幅を、ヒートシンク４０の下側では、実線Ｂで示す如く小さくすることができる。
【００２７】
次に、本発明の第２実施形態を詳細に説明する。
【００２８】
本実施形態は、図８（Ａ）（縦断面図）、図８（Ｂ）（図８（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿う横断面図）に示す如く、ヒートシンク４０を、円柱若しくは多角柱の熱伝導性の良い金属ブロック４４に多数の穴４５を開けた多孔型とし、該穴４５の中に、粒状又は棒状の酸化物蓄冷材６０を入れたものである。
【００２９】
前記穴４５内には、酸化物蓄冷材６０に熱を伝え易くするために、半田やグリース等を流し込むことができる。又、ヘリウムガスを封入して熱容量を増やし、伝熱性を高めることもできる。穴４５の形状は、６角形、８角形や、はちの巣状とすることもできる。
【００３０】
次に、本発明の第３実施形態を詳細に説明する。
【００３１】
本実施形態は、図９（Ａ）（縦断面図）及び（Ｂ）（図９（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿う横断面図）に示す如く、ヒートシンク４０を、円柱若しくは多角柱の熱伝導性の良い金属ブロック４６に、スリット４７を縦、横、又は縦横両方向に設けたスリット型とし、該スリット４７の中に、粒状若しくは棒状の酸化物蓄冷材６０を入れたものである。他の点に関しては第２実施形態と同様であるので、説明は省略する。
【００３２】
次に、本発明の第４実施形態を詳細に説明する。
【００３３】
本実施形態は、図１０に示す如く、ヒートシンク４０の金属材を、銅、アルミニウム等の熱伝導率が大きい金属容器４８とし、該金属容器４８内に、粒、棒、網状の酸化物蓄冷材６０を充填したものである。他の点に関しては、第２実施形態と同様であるので、説明は省略する。
【００３４】
次に、本発明の第５実施形態を詳細に説明する。
【００３５】
本実施形態は、図１１に示す如く、ヒートシンク４０を、冷凍機の４Ｋに冷える部分である冷却ステージ２８を、粒状若しくは板状の酸化物蓄冷材６０で覆い、その上から熱伝導性の良い金属材５０で覆った外部覆い型としたものである。
【００３６】
前記金属材５０は、例えば蝋付けや半田付けで冷却ステージ２８に固定することができる。
【００３７】
次に、本発明の第６実施形態を詳細に説明する。
【００３８】
本実施形態は、図１２に示す如く、ヒートシンク４０を、冷却ステージ２８を冷却する手段であるシリンダ２６の内面を、粒状若しくは板状の酸化物蓄冷材６０で覆い、その上から熱伝導性の良い金属材５２で覆った内部覆い型としたものである。
【００３９】
次に、本発明の第７実施形態を詳細に説明する。
【００４０】
本実施形態は、図１３に示す如く、ヒートシンク４０を、Ｓ字型に形成した熱伝導性の良い金属４２の隙間に、粒、板、網状の酸化物蓄冷材６０を入れ、金属４２より熱伝導性の悪い金属板５４で抑えた形状としたものである。他の点に関しては第２実施形態と同様であるので、説明は省略する。
【００４１】
なお、前記実施形態においては、酸化物蓄冷材としてＧＯＳが用いられていたが、酸化物蓄冷材の種類はこれに限定されず、ＧＡＰや、ＧＯＳとＧＡＰの混合物、あるいは更に他の酸化物蓄冷材を用いることができる。又、金属材の材質も銅やアルミニウムに限定されない。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、小型のヒートシンクで大きな熱容量を得ることができ、効果的に温度振幅を低減させることができる。従って、温度振幅減少機構と、これを組み込む冷凍装置全体が小型で簡素になり、冷凍装置の信頼性が向上する。
【００４３】
又、ヘリウムを供給する配管や熱交換器の無い単純な構造とすることができ、被冷却物側との取り合いも単純になる。従って、保守時には、細い配管の損傷を気にすることなく冷凍機の着脱が容易になる。
【００４４】
更に、ヘリウムガスを外部から供給する必要がないので、ヘリウムガスの供給量が従来のヘリウムポットに比べて少なくて済む。このため、冷凍機の作動ヘリウムガスを用いる場合には、その冷凍能力に大きな影響を与えず、ヘリウム貯蔵用に容器を設置する場合にも、大きな容積を必要としない。従って、冷凍機の動作ガスを節約し、冷凍機の能力を向上させると共に、極低温冷凍機の温度振幅を安定的に小さくさせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のヘリウムポットが配設された冷凍機を示す構成図
【図２】ヘリウムポットの有無による温度振幅の違いを示す線図
【図３】特開平９−２８７８３６で提案されたヒートシンクを示す断面図
【図４】特開平９−２８７８３６で用いられるエルビニウム３ニッケルＥｒ３ＮｉとヘリウムＨｅの比熱を比較して示す線図
【図５】本発明に係るヒートシンクの第１実施形態の要部構成を示す縦断面図
【図６】第１実施形態で用いられる酸化物蓄冷材の例の比熱を示す線図
【図７】第１実施形態の作用を示すタイムチャート
【図８】本発明の第２実施形態の要部構成を示す縦断面図及び横断面図
【図９】本発明の第３実施形態の要部構成を示す縦断面図及び横断面図
【図１０】本発明の第４実施形態の要部構成を示す縦断面図
【図１１】本発明の第５実施形態の要部構成を示す縦断面図
【図１２】本発明の第６実施形態の要部構成を示す縦断面図
【図１３】本発明の第７実施形態の要部構成を示す断面図
【符号の説明】
２６…２段シリンダ
２８…（２段）冷却ステージ
４０…ヒートシンク
４２、５０、５２、５４…金属材
４４、４６…金属ブロック
４５…穴
４７…スリット
４８…金属容器
６０…酸化物蓄冷材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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