(57)【要約】【課題】冷却ステージの冷却時間をより一層短縮することができる冷却装置を提供する。【解決手段】冷却装置１は、サンプルを保持する冷却ステージ２に接触・離間可能な液体窒素タンク６を有する。この液体窒素タンク６は、断熱棒８を介してベローズ７と接続されており、このベローズ７の圧力を調整するために、ベローズ７の中空部と連通する配管１１と、この配管１１に設けられる三方弁１０とを有する。さらに、この三方弁１０の一端は、大気に開放されており、他端は、真空ポンプ９に接続されている。三方弁１０を大気側と連通させることで、ベローズ７内を大気圧とし、冷却ステージ２に液体窒素タンク６を接触させることができる。一方、三方弁１０を真空ポンプ９側に切り替えることで、ベローズ７内を真空（低圧）状態とし、冷却ステージ２から液体窒素タンク６を離間させることができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被冷却体を保持する被冷却体保持部と、
該被冷却体保持部を冷却するための冷凍部を有する冷凍機と、
前記被冷却体保持部と前記冷凍部とを収容する真空容器と、
該真空容器内に配置される冷源と、
前記冷源を前記被冷却体保持部に接触・離間させるための冷源駆動機構と、
を有することを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
前記冷源は冷却媒体を収容する収容容器であることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
【請求項３】
前記冷源駆動機構は、中空部が形成され、該中空部内の圧力により体積が変化する体積可変部材と、該体積可変部材の前記中空部内の圧力を調整する圧力調整手段と、を有し、
前記冷源と前記体積可変部材とが連結しており、前記体積可変部材の体積変化により前記冷源を前記被冷却体保持部に対して接触・離間させることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却装置。
【請求項４】
前記体積可変部材はベローズであることを特徴とする請求項３に記載の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は冷却装置に関し、特に冷却ステージの冷却時間を短縮することができる冷却装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、極低温冷凍機等の冷凍部（コールドヘッド）により冷却ステージを冷却して、該冷却ステージ上のサンプルを極低温まで冷却する場合、冷却ステージを所望の温度まで冷却するには長時間を要する。そのため、冷却ステージを予冷して、冷却ステージの冷却時間を短縮しようとする技術が数々開発されている（例えば、下記特許文献１及び特許文献２）。
【０００３】
下記特許文献１に開示されている技術は、ＧＭ（ギフォード−マクマホン）型の２段冷凍機を用いたものである。この冷凍機は、第一コールドヘッドと第二コールドヘッドとの、二つのコールドヘッド（冷凍部）を有するものであり、より冷凍出力の高い第一コールドヘッドに取り付けられた第一冷却ステージと、第二コールドヘッドに取り付けられた第二冷却ステージとを伝熱体で連結している。そして、冷凍出力の高い第一コールドヘッドで、第二冷却ステージを第一冷却ステージとともにある温度まで冷却し、その後、伝熱体を第二冷却ステージから切り離して、第二冷却ステージを第二コールドヘッドの冷凍出力で所望の温度まで冷却するようにしたものである。
【０００４】
一方、特許文献２に開示されている技術は、被冷却体（ここでは超電導コイル）が収容された容器に、液体窒素等の冷却媒体が供給される配管を巻きつけ、液体窒素等の冷却媒体を配管に供給して、容器を予冷するようにしたものである。
【０００５】
【特許文献１】
特許第２９１３３８８号公報
【０００６】
【特許文献２】
特許第２９７７１６８号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１に開示されている技術においては、第一コールドヘッドの冷凍出力が大きいとはいっても、第一コールドヘッドが、第一冷却ステージと第二冷却ステージとの両者を冷却する必要があるので、第二冷却ステージの熱容量が大きい場合には、第一コールドヘッドによる冷却速度が落ちるため、十分な冷却時間の短縮にはならない。また、第一コールドヘッドと第二コールドヘッドとの複数のコールドヘッドを有する冷凍機にしか適用できないという問題がある。
【０００８】
一方、上記特許文献２に開示されている技術では、被冷却体が収容される被冷却体保持部としての収容容器と、配管とが常に接触しているので、冷凍能力の小さい冷凍機を使用すると、配管からの熱流入を防ぐことができず、例えば配管に供給する冷却媒体の温度以下に冷却ステージを冷凍機のコールドヘッドを用いて冷却する場合には、冷却時間を十分に短縮できるとはいえない。
【０００９】
本発明は、上記問題を鑑みて、被冷却体の冷却時間をより一層短縮することができる冷却装置を提供することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記課題を解決するために、本発明の冷却装置は、被冷却体を保持する被冷却体保持部と、該被冷却体保持部を冷却するための冷凍部を有する冷凍機と、前記被冷却体保持部と前記冷凍部とを収容する真空容器と、該真空容器内に配置される冷源と、前記冷源を前記被冷却体保持部に接触・離間させるための冷源駆動機構と、を有することを特徴とする。
【００１１】
上記のように、本発明では、被冷却体を保持する被冷却体保持部に伝熱体ではなく冷源を直接接触させ、この冷源により被冷却体保持部を予冷しているので、特許文献１のように、ひとつの冷源（特許文献１の場合、冷凍部）で複数の被冷却体保持部を冷却するのとは異なり、冷凍機とは別に新たに冷源を設けたので、被冷却体保持部ひいては被冷却体の冷却時間をより一層短縮することができる。さらに、冷凍部（コールドヘッド）を複数段設ける必要がないので、単数の冷凍部しか有していない冷凍機にも採用することができる。さらに、被冷却体保持部に対して冷源が接触・離間できるようにする冷源駆動機構を有するので、被冷却体保持部が所望の温度まで冷却されたとき、例えば冷源による予冷効果が十分に発揮されない程度まで被冷却体保持部が冷却されたときには、冷源を被冷却体保持部から離間させることができる。例えば、冷源の温度よりも低温に、被冷却体保持部ひいては被冷却体を冷却したい場合には、冷源と被冷却体保持部が接触したままでは、冷源からの熱流入により被冷却体保持部の冷却時間が長くなってしまうが、被冷却体保持部と冷源とを離間させることで、冷源からの熱流入がなくなり、被冷却体保持部の冷却時間をさらに短縮することができるのである。
【００１２】
さらに、本発明の冷却装置は、冷源は冷却媒体を収容する収容容器であるとすることができる。冷却媒体としては、例えば液体窒素等を例示することができる。冷却媒体により収容容器が冷却され、冷却媒体と略同等の温度に冷却された収容容器を冷源として使用することができる。さらに、収容容器は、該収容容器内に冷却媒体を供給する供給配管と、収容容器内から冷却媒体を回収する回収配管とを有するものとして、収容容器内の冷却媒体を循環させるのがよい。これにより、収容容器を冷却媒体と略同一の温度に保つことができる。
【００１３】
さらに、本発明の冷却装置において、前記冷源駆動機構は、中空部が形成され、該中空部内の圧力により体積が変化する体積可変部材と、該体積可変部材の前記中空部内の圧力を調整する圧力調整手段と、を有し、前記冷源と前記体積可変部材とが連結されており、前記体積可変部材の体積変化により前記冷源を前記被冷却体保持部に対して接触・離間させるものとすることができる。
【００１４】
上記のような構成によれば、体積可変部材と冷源とを連結し、中空部内の圧力を、圧力調整手段により変化させ、該体積可変部材の体積を変化させることができ、ひいては体積可変部材に連結される冷源を移動させることができる。ここで、冷源は体積可変部材の体積変化の方向に沿って移動するので、体積可変部材の体積変化の方向に、冷源と被冷却体保持部とを配置しておくことで、冷源が被冷却体保持部に対して進退移動し、冷源と被冷却体保持部との接触・離間が可能となる。具体的には、体積可変部材は、一定の設定方向に伸縮する形態で体積が変化するものであり、前記設定方向に沿って、体積可変部材と冷源と被冷却体保持部とを、この順番で配置することで、被冷却体保持部と冷源との接触・離間を実現することができる。前記設定方向に沿って、体積可変部材と冷源と被冷却体保持部とを、この順番で配置する場合において、体積可変部材の体積が膨張し、設定方向に沿って伸長するとき、この体積可変部材の伸長により冷源を被冷却体保持部に接触させ、一方、体積可変部材が収縮し、設定方向に沿って短縮するとき、冷源を被冷却体保持部に対して離間させることができる。
【００１５】
また、体積可変部材は、真空容器内に配置されるものとして、真空容器内の圧力と、体積可変部材の中空部内の圧力との差により、自身の体積を変化させるものとすることができる。また、圧力調整手段は、体積可変部材の中空部に連通する配管と、該配管を介して前記中空部内に流入する流体の流量を調整する調整弁とを有し、この調整弁により中空部内に供給される流体の量を調整することで、中空部内の圧力を調整できるものとすることができる。このように、調整弁を使用して体積可変部材の中空部内の圧力を変化させることで、機構的な冷源駆動機構を容易に実現することができる。
【００１６】
また、圧力調整手段は、中空部内に供給する流体の流量を調整弁により調整することにより、体積可変部材の中空部内の圧力を、第一圧力と該第一圧力よりも大きい第二圧力との間で切り替えられるものとすることができる。これによれば、体積可変部材の中空部内の圧力が第一圧力のときよりも、第二圧力のときのほうが、体積可変部材が膨張し、該体積可変部材の体積が大きくなるので、中空部内の圧力が第一圧力のときに、冷源と被冷却体保持部とが離間するようにして、第二圧力のときに、冷源と被冷却体保持部とが接触するようにすることができる。
【００１７】
さらに、上記のような冷源駆動機構を採用する場合、体積可変部材の中空部の圧力を調整する流体は気体であるとし、調整弁として、体積可変部材の中空部に連通する配管に取り付けられるとともに、第一端が真空ポンプに通じ、第二端が大気に通じ、第三端が体積可変部材の中空部に通じる三方弁を採用することができる。これによれば、三方弁により体積可変部材の中空部内と大気とを連通させれば、体積可変部材の中空部内の圧力を大気圧程度（第二圧力）として、真空容器内の圧力に対して中空部内の圧力を高めることができ、一方、三方弁により体積可変部材の中空部と真空ポンプとを連通させれば、体積可変部材の中空部内の圧力を真空容器内と略同等の真空圧（第一圧力）まで低くすることができる。そのため、三方弁が真空ポンプに連通しているときに比べて、三方弁が大気に連通しているときには、体積可変部材の体積が大きくなり、体積可変部材が伸びる。これにより、冷源と被冷却体保持部とが接触する。一方、三方弁が真空ポンプに連通しているときには、体積可変部材の中空部内の圧力を真空ポンプと同等程度まで低くすることができ、そのため、体積可変部材を収縮させることができ、冷源と被冷却体保持部とを離間させることができる。
【００１８】
さらに、本発明の冷却装置において、体積可変部材はベローズとすることができる。ベローズはベローズ内部にかかる圧力をベローズ自体の変位に変換することができるので、体積可変部材として採用することができ比較的安価な手段により本発明の冷却装置の構成を実現することができる。
【００１９】
なお、本明細書において、被冷却体保持部とは、被冷却体を保持するとともに、冷凍機の冷凍部からの冷凍出力を被冷却体に伝えるものであり、その機能を有するものであれば、形状等は特に制限されるものではない。例えば、被冷却体保持部を板状に形成し、この上面に被冷却体を配置するようにしてもよいし、被冷却体保持部を容器状に形成して、この容器内に被冷却体を収容するようにしてもよい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を使用して本発明の実施の形態について説明する。図１は本実施形態の冷却装置を示す概略図である。図１の冷却装置１は、被冷却体としてのサンプルを保持するための被冷却体保持部としての冷却ステージ２と、該冷却ステージ２に冷凍部３が接触する冷凍機５と、冷却ステージ２と冷凍部３とを収容する真空容器４と、真空容器４内に配置される冷源としての液体窒素タンク（収容容器）６と、液体窒素タンク６を冷却ステージ２に対して接触・離間するための冷源駆動機構１２とを有する。液体窒素タンク６内には冷却媒体としての液体窒素が収容されており、この液体窒素タンク６に液体窒素を供給するための供給配管１５と、液体窒素タンク６内で液体窒素が蒸発した窒素ガスを回収する回収配管１６とが、液体窒素タンク６に接続されている。これにより、液体窒素タンク６の温度がほぼ液体窒素温度に保たれることになり、冷却ステージを予冷するための冷源としての機能を果たすことができる。
【００２１】
本実施形態において、冷凍機５は冷凍部３としてのコールドヘッドを１つ有するＧＭ型冷凍機である。なお、本発明においては、冷凍機はＧＭ型冷凍機に限定されるものではなく、その他公知の冷凍機を採用することができる。
【００２２】
さらに、本実施形態においては、冷源駆動機構１２は、体積可変部材としてのベローズ７と、該ベローズ７の中空部内の圧力を調整するための圧力調整手段１４と、ベローズ７と冷源とを接続する断熱棒８と、を有する。ベローズ７は冷却ステージ２に対して進退移動が可能な形態で（図１においては上下方向に）伸縮することができるようになっており、該ベローズ７の伸縮により、ベローズ７と断熱棒８により連結される液体窒素タンク６が、冷却ステージ２に対して進退移動できるようになっている。より具体的には、図２に示すように、ベローズ７が縮んでいるときには、冷却ステージ２と液体窒素タンク６とは離間しており、ベローズ７が伸びているときには冷却ステージ２と液体窒素タンク６とが接触するようになっている。さらに、本実施形態においては断熱棒８を介して液体窒素タンク６とベローズ７とが連結されているが、液体窒素タンク６にベローズ７が直接接続されていてもよい。
【００２３】
さらに、圧力調整手段１４は、ベローズ７の中空部内に連通する配管１１と、該配管１１に取り付けられた調整弁としての三方弁１０と、該三方弁１０の第二端１０ｂに取り付けられた真空ポンプ９とを有するものである。また、三方弁１０の第一端１０ａは大気と連通しており、この三方弁１０を大気側と真空ポンプ側とで切り替えることにより、三方弁１０の第三端１０ｃに連通するベローズ７の中空部内の圧力を大気圧（第二圧力）と真空圧（第一圧力）との間で調整できるようになっている。なお、三方弁１０を大気側に切り替えることによりベローズ７内の圧力が大気圧となり、三方弁１０を真空ポンプ９側に切り替えることで、ベローズ７内が真空状態となる。
【００２４】
さらに、冷却装置１において、冷却ステージ２には温度センサ１３が取り付けられており、冷却ステージ２の温度を測定することができるようになっている。本実施の形態において、この温度センサ１３は、真空容器４の外部に設けられる図示しない温度表示装置と接続されており、真空容器４内の冷却ステージ２の温度が確認できるようになっている。
【００２５】
以下、本実施形態の冷却装置１の作用について説明する。まず、冷却ステージ２上に、被冷却体として例えば測定試料等のサンプルを配置するとともに、真空容器４内を真空ポンプにより真空状態とする。このとき使用する真空ポンプは、三方弁１０に連結される真空ポンプ９とは別個に設けることもできるし、真空ポンプ９を、真空容器４内を真空状態とする真空ポンプに兼用することもできる。真空容器内４を真空状態とした後に、冷凍機５の冷凍部（コールドヘッド）３により冷却ステージ２を冷却する前に、冷却ステージ２の予冷を行う。
【００２６】
冷却ステージ２の予冷は、冷却媒体としての液体窒素が収容された液体窒素タンク６を冷却ステージ２に接触させることにより行うことができる。具体的に、液体窒素タンク６を冷却ステージ２に接触させるには、図２（ａ）に示すように、三方弁１０を大気側に切り替えて、配管１１からベローズ７内に流入する大気によりベローズ７の中空部内の圧力を大気圧とし、真空容器４内との差圧により行うことができる。これは、ベローズ７の中空部内を大気圧とすることで、ベローズ７が伸張するからである。
【００２７】
次に、冷却媒体としての液体窒素を液体窒素タンク６内に供給する、これにより、液体窒素タンク６を冷源として活用することが可能となる。液体窒素を液体窒素タンク６内に供給すると、液体窒素タンク６が略液体窒素温度まで冷却され、さらにこの液体窒素タンク６に接触する冷却ステージ２が予冷されることになる。なお、予め液体窒素タンク６内に液体窒素を供給しておき、液体窒素タンク６を略液体窒素温度まで冷却しておいて、その後にベローズ７の中空部内を大気圧として、液体窒素タンク６を冷却ステージ２に接触させるようにしてもよい。
【００２８】
冷却ステージ２が冷却されると、冷却ステージ２と液体窒素タンク６との温度差が小さくなり、液体窒素タンク６による冷却ステージ２の予冷効果が飽和する傾向となる。これにより、冷却ステージ２の温度が所望の温度まで冷却されれば、その後は、冷凍機５のみで、冷却ステージ２を冷却するようにしている。この冷凍機５の冷凍部３は、冷却媒体（本実施形態では液体窒素）の温度よりも低い温度まで冷却ステージ２を冷却できる冷凍出力を有するものである。冷凍機５の冷凍部３は、冷却ステージ２に接触しており、冷凍機５を起動させることで、冷凍機５の冷凍部３が冷却され、該冷凍部３に接触する冷却ステージ２が冷却される。これにより、冷却ステージ２を液体窒素温度以下まで冷却させることが可能となる。
【００２９】
なお、冷却ステージ２の温度が最も短時間で低下するように、冷凍機５を作動させるタイミングを適宜設定することができる。また、冷却ステージ２の冷却時間を短縮するために、冷却ステージ２を液体窒素タンク６により予冷する当初から、冷凍機５の冷凍部３により冷却ステージ２を冷却するようにしてもよいし、冷却ステージ２が所望の温度まで冷却されてから、冷凍機５を起動させて冷凍機５の冷凍部３のみにより冷却ステージ２を冷却するようにしてもよい。
【００３０】
さらに、冷凍機５の冷凍部３により冷却ステージ２を冷却媒体（本実施形態では液体窒素）よりも低い温度に冷却させる際に、冷却ステージ２の予冷用として冷却ステージ２に接触されていた冷源（本実施形態においては液体窒素タンク６）を、冷却ステージ２から離間させる。冷却ステージ２に液体窒素タンク６が接触したままの状態で、冷凍機５により冷却ステージ２を液体窒素温度以下の温度まで低下させようとすると、液体窒素タンク６からの熱流入により冷却ステージ２の冷却時間が長くなるためである。
【００３１】
なお、冷却ステージ２から液体窒素タンク６を離間させるタイミングは、冷却ステージ２の予冷開始から一定時間経過後としてもよいし、冷却ステージ２の温度を温度センサ１３によりモニタリングしておき、この冷却ステージ２の温度が所望の温度に到達した時点で、冷却ステージ２を液体窒素タンク６から離間するようにしてもよい。
【００３２】
以下、液体窒素タンク６を冷却ステージ２から離間させるときの、本実施形態の作用について簡単に説明する。まず、温度センサ１３により冷却ステージ２の温度を検出して、冷却ステージ２の温度が所望の温度まで冷却されたことが確認された時点で、三方弁１０を真空ポンプ９側に切り替える。これにより、図２（ｂ）に示すように、ベローズ７の中空部内が真空ポンプ９により真空引きされ、ベローズ７の中空部内が真空状態となる。これにより、ベローズ７の中空部内の圧力と真空容器４内の圧力とが略同圧となり、ベローズ７の自然長や、液体窒素タンク６及び断熱部８の自重のため、ベローズ７が収縮し、液体窒素タンク６が冷却ステージ２から離間することになり、液体窒素タンク６からの熱の流入がなくなる。
【００３３】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれらに限られるものではない。本実施形態においては、冷源駆動機構として、体積可変部材の体積変化により冷源の位置を変化させるようにしているが、本発明はこれに限られるものではなく、手動及び自動駆動を含む直線導入機、転造ネジ構造、バネ構造等の機構も本発明に含むものとする。
【００３４】
さらに、本実施の形態において、体積可変部材としてベローズを採用しているが、体積可変部材として、中空部を有し、該中空部内の圧力により、自身の体積を変化させることができるものであれば、その他の構成のものを採用することもできるのはいうまでもない。
【００３５】
さらに、本実施の形態においては、冷源として冷却媒体としての液体窒素が充填された液体窒素タンクを使用するようにしているが、冷却ステージを予冷するための冷源は、冷却媒体としての液体窒素が供給される配管とすることもできる。この場合、冷却媒体が供給される配管を、冷却ステージに対して接触・離間できるように、該冷却ステージに対して進退移動できるように配置しておき、本実施の形態にかかる冷源駆動機構により
また、本発明においては、被冷却体保持部として板状の冷却ステージを採用しているが、被冷却体保持部として、収容容器状のものを採用することも可能である。その場合、この収容容器の内部に被冷却体を保持し、この収容容器を介して、内部に保持される被冷却体を冷却することができる。
【００３６】
【実施例】
図３は、本発明の冷却装置１と、従来の冷却装置における、冷却時間と冷却ステージ２の温度との関係を比較したものである。本発明の冷却装置１は、冷却ステージ２を冷源としての液体窒素タンク６にて予冷するものであり、冷却ステージ２を液体窒素タンク６で予冷する当初から冷凍機５を作動させるようにして、液体窒素タンク６と冷凍機５の冷凍部３との両者で冷却ステージ２を予冷するようにしている。さらに、冷却ステージ２の温度を温度センサ１３によりモニタリングしておき、冷却ステージ２の温度が略液体窒素温度（７７Ｋ）となったときに、冷却ステージ２から液体窒素タンク６を離間させるようにして、液体窒素温度（７７Ｋ）以下においては、冷凍機５の冷凍部３のみで冷却ステージ２を冷却するようにしている。一方、従来の冷却装置は、冷凍機の冷凍部のみにより冷却ステージを冷却するものである。図３に示すように、本発明の冷却装置においては、従来の冷却装置と比べて大幅に冷却時間が短縮されていることがわかる。
【００３７】
【発明の効果】
このように、本発明の冷却装置においては、冷却ステージに対して冷源を接触・離間させるための冷源駆動機構を有するので、冷却ステージに直接冷源を接触させることで、冷却ステージの予冷時間をより一層短縮することができるとともに、冷却ステージの予冷が十分におこなわれてからは、この冷却ステージから冷源を離間させ、冷凍機のみで冷却ステージの冷却を行うことができるので、冷却ステージの冷却時間をさらに短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の冷却装置を示す概略図。
【図２】ベローズの作用について説明する概略図。
【図３】本発明の冷却装置と従来の冷却装置との冷却ステージの冷却時間と温度との関係を比較して示す図。
【符号の説明】
１  本発明の冷却装置
２  冷却ステージ
３  冷凍部
４  真空容器
５  冷凍機
６  液体窒素タンク（収容容器、冷源）
７  ベローズ（体積可変部材）
１４  圧力調整機構
【図１】
2004257629.tif 000003
【図２】
2004257629.tif 000004
【図３】
2004257629.tif 000005