(57)【要約】【課題】冷凍機０１の膨張シリンダ１０及び冷却端部１と、冷却端部１に装着された被冷却物１００とを真空容器４及びフランジ２で覆い、真空容器４に設けられた排気管２０を通じ、予め真空排気装置０２を介して真空容器４内のガスをその圧力が所定レベルに下降するまで排気（真空引き）したのち排気管２０を封じ切り、以後、被冷却物１００を機能させる際は冷凍機０１を作動させて被冷却物を所定の極低温（例えば７０Ｋ）に保つ真空断熱システムにて、真空引きの時間を短縮し、真空容器の断熱が有効に維持される時間を延長させる。【解決手段】冷却端部１に冷却端部１を加熱するヒータ８を装着し、真空引きの際、真空容器の外部からの従来の加熱とヒータ８の加熱とを同時または交互に行うようにすることで、真空容器部の構成部材からのガス放出を促進すると共に真空封じ切り以後に真空容器部の構成部材から真空容器内空間に放出されるガス量を低減する。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも冷凍機の冷却端部と、該冷却端部に装着された被冷却物とを外部空間から気密状態で隔離するための容器体で覆つてなり、
該容器体に設けられた排気管を通じ、予め真空排気手段を介して前記容器体内のガスをその圧力が所定レベルに下降するまで排気したのち前記容器体が密閉されるように前記排気管を封じ切り、
以後、前記被冷却物を機能させる際は、前記冷凍機を作動させて前記被冷却物を所定の極低温に保つ真空断熱システムにおいて、
前記冷却端部に装着され、通電によって該冷却端部を加熱する第１の加熱手段と、
前記容器体を少なくとも前記外部空間側から加熱する第２の加熱手段とを備え、
前記の排気中、前記第１，第２の加熱手段を同時または交互に作動させることを特徴とする真空断熱システム。
【請求項２】
請求項１に記載の真空断熱システムにおいて、
それぞれ通電に基づいて活性化されガスを吸着する１または複数のガス吸着手段を前記容器体内に備え、
少なくとも該ガス吸着手段のいずれかを前記封じ切りの直前と、前記封じ切り時点から所定時間を経た時点以後とに活性化することを特徴とする真空断熱システム。
【請求項３】
請求項２に記載の真空断熱システムにおいて、
前記容器体内の圧力を測定ないしは推定する圧力検出手段を備え、
前記圧力検出手段の検出圧力が所定レベルを越えるつど、少なくとも前記ガス吸着手段のいずれかを活性化することを特徴とする真空断熱システム。
【請求項４】
請求項３に記載の真空断熱システムにおいて、
前記圧力検出手段が前記容器体内の圧力を推定する際は、前記冷凍機の消費電力を用いることを特徴とする真空断熱システム。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の真空断熱システムにおいて、前記第１の加熱手段を電気ヒータとしたことを特徴とする真空断熱システム。
【請求項６】
請求項２ないし５のいずれかに記載の真空断熱システムにおいて、前記ガス吸着手段を非蒸発型ゲッターとしたことを特徴とする真空断熱システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、冷却状態で機能させる被冷却物、例えば赤外線センサ、高温超伝導体等を冷凍機の冷却端部に装着し、少なくとも被冷却物を含む冷却端部を封じ切り真空容器によって真空に保持することにより、真空容器への外界からの熱侵入を防ぎつつ（つまり、冷凍機の熱負荷を低減しながら）被冷却物を所定の極低温に保持する真空断熱システムに関するもので、
特に、真空容器を封じ切る前に真空容器内のガスを排気（真空引き）する時間を短縮し、且つ真空容器を封じ切った後の真空容器内のガス圧を所定値以下に保つ時間（つまり真空断熱が有効となっている時間）をより長くすることができる真空断熱システムに関する。
【０００２】
なお、以下各図において同一の符号は同一もしくは相当部分を示す。
【０００３】
【従来の技術】
図５は従来のこの種の真空断熱システムの構成例を示す。同図において１０は冷凍機０１のフランジ２と一体でフランジ２の上面から図上方へ突出し、ヘリウム等の冷却媒体が内部で膨張する円筒状の膨張シリンダ、１はこの膨張シリンダ１０の上端部をなして最上端面が閉じられ、膨張シリンダ１０と一体で同軸かつ外径が大きい肉厚の円筒状に構成され、前記冷却媒体の膨張によって冷却される冷却端部、１００はこの冷却端部１に装着された被冷却物である。
４はフランジ２と組み合わされて被冷却物１００、冷却端部１、膨張シリンダ１０の部分を覆う、上端面が閉じられた円筒状の真空容器で、真空容器４の下方の開放端の周縁部とフランジ２の外周縁部とは金属シール３を介して気密に接合されながら図外のネジ等によって一体に結合されている。
【０００４】
２１は真空容器４にこの容器４の外部空間に対し気密となるように設けられて真空排気装置０２へ延びる排気管２０の途中の封じ切り部であり、この図は以下に述べる真空引きが終わった後で排気管２０が封じ切られた状態を示している。即ち、このシステムは、予め排気管２０を介し真空排気装置０２で一定期間、真空容器４の内部の排気（真空引き）をした後にチップオフなどの手段で封じ切り部２１を封じ切って使用する。
この真空引きの理由は、冷却端部１を冷凍機０１によって冷却する際、真空容器４内のガスを排出しないとこのガスの伝熱による真空容器外からの熱侵入によって冷凍機０１の熱負荷が増加し、冷凍機０１の現実的な能力では被冷却物１００を目的の極低温に冷却できなくなるためである。
【０００５】
０７は冷却端部１に取付けられた温度センサ７の感温信号を入力して冷却端部１の温度を測定し、この温度を示す温度測定信号を制御部０３に伝える温度計、０３はこの真空断熱システムを制御する制御部で、この制御部０３は、真空容器４の封じ切り後に被冷却物１００を機能させる際に、温度計０７を介して測定された冷却端部１の温度を所定の極低温（例えば７０Ｋ）に維持するように冷凍機０１内の図外の冷却媒体圧縮用のモータを駆動制御する。
また、制御部０３はこの真空容器４の封じ切りの際、外部指令に応じて次に述べる非蒸発型ゲッター６内の図外のヒータへの通電を行い非蒸発型ゲッター６を活性化させて真空容器内の残留ガスをゲッター６に吸着させる役割も持つ。
【０００６】
ところで、この真空断熱システムの構成部品のうち真空容器４、金属シール３、冷凍機０１の冷却端部１，膨張シリンダ１０およびこれと一体のフランジ２などの金属部品は、２００〜４００°Ｃ以上の高温で脱ガス処理を行うことで、内部からの放出ガス量を低減させることができる。
しかし、被冷却物１００を高温で脱ガス処理できない場合には（一般にはこのような場合が多い）、脱ガス処理の温度を高くすることができない。このため従来は、予め単体の状態で加熱可能な部品だけ上記のように高温で脱ガス処理を行い、真空容器部として組み上げてからは構成要素の耐熱温度の中の最も低い耐熱温度に合わせて真空容器部全体を真空容器４の外側から長時間加熱しながら真空引きをする脱ガス処理を行ったのち真空に封じ切る、いわゆる低温加熱封じ切り方式を用いている。
【０００７】
また、図外のヒータを内蔵した非蒸発型ゲッター６を図のように真空容器４の内部に取り付けておき、真空引きによって真空容器内の圧力が真空断熱可能な圧力、例えば１×１０−１Ｐａ以下に到達してから、非蒸発型ゲッター６をその内蔵ヒータで加熱して活性化し、その後で真空に封じ切る方法も行われている。
さらに、図のように冷凍機の冷却端１にモレキュラシーブス１１を一定量装着しておき、冷凍機０１を運転して冷却端部１を７０Ｋ程度に冷却し続けることによって、真空容器内の放出ガスを吸着させ、真空容器内圧力を１×１０−１Ｐａ以下に保つ方法も行われている。
【０００８】
また、７０Ｋになる冷却端部１付近および被冷却物１００を図のように多層断熱材５で５〜２０層巻くことにより真空容器外からの熱輻射による侵入熱量を低減し、冷凍機０１の熱負荷、従ってその消費電力を低減するという方法も行われている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の低温加熱封じ切り方式の真空断熱システムには、次のような問題があった。
▲１▼低温加熱による脱ガス処理において、真空容器４の外側からの間接的な加熱を行うため、冷凍機の冷却端部１の温度が脱ガス温度になるまでに時間がかかり、真空容器４の内部の構成部材からのガス排出が不充分となる。このため、真空封じ切り後に真空容器内構成部材から真空容器内部空間へ放出されるガス量が多く、真空封じ切り後の真空容器内圧力が短時間に上昇して真空断熱が可能な上限圧力（例えば１×１０−１Ｐａ）を越えてしまう。
【００１０】
▲２▼真空封じ切り後に真空容器内構成部材から真空容器内部空間へ放出されるガスを充分低減できないので、真空封じ切り後の真空容器内の圧力を非蒸発型ゲッター６を用いて真空断熱可能な圧力以下に維持しようとすると非蒸発型ゲッターの所要容量が大きくなってしまう。
ゲッター材は高価であり且つ活性化のための加熱装置も必要なため、このことが真空断熱システムの製造コストを上昇させる。
▲３▼冷却端部１の付近を多層断熱材５で覆った場合は、真空容器４の排気口部での排気速度を大きくしても多層断熱材５の部分の排気の抵抗が大きくなり、また、多層断熱材５によりその内部の温度の上昇も遅くなるので、真空容器内構成部材からのガス排出がさらに不充分になる。このため、多層断熱材５を用いない場合より非蒸発型ゲッター６の所要容量が大きくなってしまう。
【００１１】
▲４▼モレキュラシーブス１１は、７０Ｋ以下の極低温ではガスの吸着能力が高いが常温では自身からの放出ガス量が多いため、これを冷却端部１に装着した場合は、冷凍機の運転を停止すると吸着したガスの放出と自身からの放出ガスのために真空容器内の圧力が上昇してしまう。
こうして真空容器内の圧力が１×１０−１Ｐａ以上に上昇してしまうと、冷却端部１への侵入熱量が大きくなり、冷凍機を運転しても冷却端部１の温度が７０Ｋ以下に下がらなくなってしまう。
本発明は上述の問題を解消し、脱ガス温度が低温でも真空引きの時間を短縮しながら真空封じ切り後における真空容器内の各部材からの放出ガス量を効果的に低減し、且つこの放出ガスを適時、ゲッターに吸着させて真空容器の断熱効果を長期間維持でき、そして低コストで製造できる真空断熱システムを提供しようとするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するために、請求項１の真空断熱システムは、
少なくとも冷凍機（０１）の冷却端部（１）と、該冷却端部に装着された被冷却物（１００）とを外部空間から気密状態で隔離するための容器体（真空容器４、フランジ２など）で覆つてなり、
該容器体に設けられた排気管（２０）を通じ、予め真空排気手段（真空排気装置０２）を介して前記容器体内のガスをその圧力が所定レベルに下降するまで排気したのち前記容器体が密閉されるように（封じ切り部２１において）前記排気管を封じ切り、
以後、前記被冷却物を機能させる際は、前記冷凍機を作動させて前記被冷却物を所定の極低温（例えば７０Ｋ）に保つ真空断熱システムにおいて、
前記冷却端部に装着され、通電によって該冷却端部を加熱する第１の加熱手段（ヒータ８）と、
前記容器体を少なくとも前記外部空間側から加熱する第２の加熱手段（真空容器４の外周面に巻き付けられた図外のリボンヒータなど）とを備え、
前記の排気中、（制御部０３などを介して）前記第１，第２の加熱手段を同時または交互に作動させるようにする。
【００１３】
また請求項２の真空断熱システムは、請求項１に記載の真空断熱システムにおいて、
それぞれ通電に基づいて活性化されガスを吸着する１または複数のガス吸着手段を前記容器体内に備え、
（制御部０３などを介し）少なくとも該ガス吸着手段のいずれかを前記封じ切りの直前と、前記封じ切り時点から所定時間を経た時点以後とに活性化するようにする。
また請求項３の真空断熱システムは、請求項２に記載の真空断熱システムにおいて、
前記容器体内の圧力を測定ないしは推定する圧力検出手段（圧力センサ９、圧力計０９など）を備え、
前記圧力検出手段の検出圧力が所定レベル（例えば１×１０−１Ｐａ）を越えるつど、（制御部０３を介し）少なくとも前記ガス吸着手段のいずれかを活性化するようにする。
【００１４】
また請求項４の真空断熱システムでは、請求項３に記載の真空断熱システムにおいて、前記圧力検出手段が前記容器体内の圧力を推定する際は、前記冷凍機の消費電力を用いるようにする。
また請求項５の真空断熱システムは、請求項１ないし４のいずれかに記載の真空断熱システムにおいて、前記第１の加熱手段を電気ヒータとする。
また請求項６の真空断熱システム、請求項２ないし５のいずれかに記載の真空断熱システムにおいて、前記ガス吸着手段を非蒸発型ゲッター（６，６Ａ，６Ｂなど）とする。
【００１５】
本発明の作用は以下の如くである。即ち、
真空断熱システムの真空容器４を封じ切る前に、真空容器４内を真空引きする際、真空容器４を外部から加熱するだけでなく、冷却端部１にヒータ８を直接装着して加熱することにより脱ガス温度に上昇しにくい冷却端部１を含む真空容器の内部の部材の温度を迅速に高め、真空容器部を構成する各部材からのガス放出を促進して、真空引きの時間（つまり真空容器内のガス圧が排気によって所定値まで下がる時間）を短縮すると共に真空封じ切り後における真空容器部構成部材からの真空容器内部空間へのガス放出量を低減する。
【００１６】
また、内蔵ヒータを通電により加熱することで活性化してガスを吸着する非蒸発型ゲッター６を１または複数個、真空容器４内に設けておき、真空封じ切りの直前と、真空封じ切り時点から所定時間を経た真空封じ切りの初期時点に、非蒸発型ゲッターを活性化するようにして真空封じ切りの初期時点に真空容器内の空間に残留するガス量を低減する。
さらに、真空容器内の圧力を測定または推定する手段を設けておくことにより、真空断熱システムの稼働中、真空容器４内のガス圧が所定値、例えば１×１０−１Ｐａを越えるつど非蒸発型ゲッターを活性化し、真空容器部の構成部材から真空容器の内部空間に放出されたガスをゲッターに吸着させることで、より長期間、真空容器４内のガス圧を低く保ち、従って真空容器の断熱効果を高く維持し、冷凍機の消費電力を増大させずに被冷却物１００を適切な極低温（例えば７０Ｋ）に維持する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
〔実施例１〕
図１は本発明の第１の実施例としての真空断熱システムの構成を示し、図１は冷却端部１の外周面に、ヒータ８を装着したことが従来技術と主に異なる。なお、ヒータ８は制御部０３を介し通電して加熱する。
図１のシステムにおける真空容器部の組み立て後の脱ガス処理を説明すると、先ず、真空容器４の外周面に図外のリボンヒータを巻き付け、このリボンヒータとヒータ８との加熱を同時または交互に行いながら真空排気装置０２を運転して真空容器４内のガスを排気（真空引き）する。
【００１８】
これにより、ヒータ８によって真空容器４の内部の部材は迅速かつ均一に脱ガス温度まで加熱されて脱ガス温度に保たれ、内部部材からのガス放出が促進される。従って真空引きの時間（つまり真空容器４の排気を開始した時点から真空容器４を次に述べるように封じ切るまでの時間）を従来よりも短縮できる。
この真空引きによって、排気管２０内の圧力が低下して行き、真空排気装置０２による排気速度と真空容器４の内部部材からのガスの放出速度とが釣り合って圧力が最低値で飽和した時点に、制御部０３を介して非蒸発型ゲッター６の内蔵ヒータに通電し、ゲッター６を活性化させる。
【００１９】
これにより、真空容器４内の空間のガスがゲッター６に吸着され、排気管２０内のガス圧がさらに一段と低下してほぼ一定値に飽和した時点に排気管２０の封じ切り部２１を封じ切る。
その後はゲッター６の吸着速度が徐々に低下する一方、真空容器４の内部部材等からのガスの放出が続くことによって真空容器内のガス圧が僅かながら上昇して行き、ある時間経過するとほぼ一定値に飽和する。
そこでこのような状態になる頃を見計らって（例えば真空封じ切り後、約２０分経過した時点に）、再び非蒸発型ゲッター６の内蔵ヒータに通電し、ゲッター６を活性化させ、真空容器４内の空間に残留するガスをゲッター６に吸着させる。
【００２０】
このように非蒸発型ゲッター６の活性化を真空排気装置０２で排気した排気の最終段階（つまり真空封じ切りの直前）と、真空封じ切り後、所定の短時間（例えば２０分）を経た初期時点との２回行うことによって、真空容器４のより長時間の真空断熱維持が期待できる。
〔実施例２〕
図２は本発明の第２の実施例としての真空断熱システムの構成を示す。図２においては図１に対しさらに多層断熱材５が追加されている。この場合も、ヒータ８の装着によって従来の多層断熱材５を用いた場合よりも多層断熱材５の内部の温度を短時間で脱ガス温度に到達させ、真空排気時におけるガスの排出量を高めることができる。
【００２１】
〔実施例３〕
図３は本発明の第３の実施例としての真空断熱システムの構成を示す。図３においては図２に対し非蒸発型ゲッター６を６Ａと６Ｂの２個装着したことが異なる。
図３の場合は、例えば真空引きの最終段階で非蒸発型ゲッター６Ａを活性化し、真空封じ切り後の初期には非蒸発型ゲッター６Ｂを活性化する。このように真空封じ切り後にも新品のゲッターを使用することにより、１個のゲッター６を繰り返し使用した場合よりゲッターのガス吸着能力が高いため、第１，第２の実施例の場合よりも長時間の真空断熱維持が期待できる。
【００２２】
なお、非蒸発型ゲッターは、一般的に新品の一回目の活性化後が吸着能力が最も高く、再活性化を繰り返すたびに吸着能力が低下して行くが、実用上は５回程度まで使用可能である。
従って、冷凍機０１を運転して冷却端部１を冷却している状態で一定期間ごとに、例えばゲッター６Ａを繰り返し計５回まで活性化したのちは、ゲッター６Ｂを繰り返し計５回まで活性化するとか、ゲッター６Ａと６Ｂを交互にそれぞれ計５回まで活性化するといった方法でゲッターの活性化を繰り返すようにすることにより、真空断熱保持時間をさらに延長することができる。
【００２３】
なお、ゲッターの個数をさらに多くの複数個としてそれぞれ活性化を繰り返すようにしてもよい。
〔実施例４〕
図４は本発明の第４の実施例としての真空断熱システムの構成を示す。図４においては図３に対し、真空容器４に設けた小孔を介して真空容器４内の圧力を受圧する圧力センサ（例えば機械式の真空計）９が真空容器４の外周面に装着され、この圧力センサ９の受圧信号から真空容器４内の圧力を測定し、圧力測定信号を制御部０３に伝える圧力計０９が追加されている点が異なる。
【００２４】
図４の真空断熱システムでは、制御部０３が冷凍機０１の運転の有無にかかわらず真空容器４内の圧力を監視しながら圧力が上限値、例えば１×１０−１Ｐａ以上に上昇したときに非蒸発ゲッター６（６Ａ，６Ｂ）の少なくともいずれかを、例えば〔実施例３〕に述べたと同様な方法で選択して通電し、活性化するという制御を行う。
このように非蒸発型ゲッター６の活性化の時期を真空容器内の圧力に連動させることで、よりきめ細かな圧力管理が可能となる。この例では、圧力を直接、圧力計０９で測定する方法で説明したが、予め冷凍機０１の消費電力と真空容器４内の圧力との相関を求めておき、この相関から冷凍機０１の消費電力の上昇に応じて真空容器４内の圧力増加を推定してもよい。この方法によれば、圧力センサがなくて済むので、システムのコストを下げることができる。
【００２５】
【発明の効果】
少なくとも冷凍機０１の冷却端部１と、この冷却端部１に装着された被冷却物１００とを真空容器４などで覆い、真空容器４に設けられた排気管２０を通じ、予め真空排気装置０２を介して真空容器４内のガスをその圧力が所定レベルに下降するまで排気（真空引き）したのち真空容器４が密閉されるように排気管２０を封じ切り、以後、被冷却物１００を機能させる際は、冷凍機０１を作動させて被冷却物を所定の極低温（例えば７０Ｋ）に保つ真空断熱システムにおいて、
請求項１に関わる発明によれば、冷却端部１に冷却端部１を直接加熱するヒータ８を装着し、上記真空引きの際、従来の真空容器の外部からの加熱と冷却端部加熱用のヒータ８との加熱を同時または交互に行うようにしたので、真空容器内の構成部材を上限温度に素早く均一に加熱することができ、このため、従来の真空容器の外部からだけの加熱に比べ、より短時間に真空容器内構成部材からのガス放出を行わせて真空容器内のガス圧を真空封じ切りの可能な（つまり真空断熱の可能な）低い圧力に到達させることができる。
【００２６】
また、請求項２に関わる発明によれば、通電に基づき活性化されてガスを吸着する１または複数個の非蒸発型ゲッターを真空容器内に設け、真空容器を封じ切る直前に非蒸発型ゲッターを活性化して真空容器内に残留するガスを吸着させて内部圧力を低くした状態で封じ切り、封じ切り後に再度、吸着能力を回復した非蒸発型ゲッターまたは新品の非蒸発型ゲッターを活性化するようにしたので、封じ切り後の初期の真空容器内のガス圧をより低くして、真空断熱可能な時間を延長することができる。
また、請求項３に関わる発明によれば、請求項２に関わる発明においてさらに、真空容器内の圧力を測定または推定する手段を設けて、真空容器内の圧力が予め設定した圧力以上になるつど、同一の非蒸発型ゲッターを繰り返し又は新たな非蒸発型ゲッターを順次、活性化させるようにしたので、ゲッターを効率よく利用して真空断熱時間をより延長することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例としての真空断熱システムの構成図
【図２】本発明の第２の実施例としての真空断熱システムの構成図
【図３】本発明の第３の実施例としての真空断熱システムの構成図
【図４】本発明の第４の実施例としての真空断熱システムの構成図
【図５】従来の真空断熱システムの構成図
【符号の説明】
０１　　　　　　　　　　　　　冷凍機
０２　　　　　　　　　　　　　真空排気装置
０３　　　　　　　　　　　　　制御部
０７　　　　　　　　　　　　　温度計
０９　　　　　　　　　　　　　圧力計
１　　　　　　　　　　　　　　冷却端部
２　　　　　　　　　　　　　　フランジ
３　　　　　　　　　　　　　　金属シール
４　　　　　　　　　　　　　　真空容器
５　　　　　　　　　　　　　　多層断熱材
６（６Ａ，６Ｂ）　　　　　　　非蒸発型ゲッター
７　　　　　　　　　　　　　　温度センサ
８　　　　　　　　　　　　　　ヒータ
９　　　　　　　　　　　　　　圧力センサ
１０　　　　　　　　　　　　　膨張シリンダ
２０　　　　　　　　　　　　　排気管
２１　　　　　　　　　　　　　封じ切り部
１００　　　　　　　　　　　　被冷却物
【図１】
2004138283.tif 000003
【図２】
2004138283.tif 000004
【図３】
2004138283.tif 000005
【図４】
2004138283.tif 000006
【図５】
2004138283.tif 000007