(57)【要約】【課題】極低温冷凍機の冷却ステージから発生する大きな温度振幅を小さくし、且つ、操作性が簡単で安全性の高い極低温冷凍機を提供する。【解決手段】ヘリウムガスを収納するヘリウムガス室４２、４３と、ヘリウムガスを液化させるコンデンサ室４４と、液化された液体ヘリウム４７を収納する液体ヘリウム室４６と、必要量のヘリウムガスを常温で導入するヘリウムガス導入管５０と、導入されたヘリウムガスを封止するための導入ガス封じ切り部５２とを備えた極低温温度ダンパ４０を用いる。【選択図】　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヘリウムガスを冷媒とする極低温冷凍機に使用する極低温温度ダンパであって、
ヘリウムガスを収納する手段と、
ヘリウムガスを液化させるコンデンサ手段と、
液化された液体ヘリウムを収納する蓄冷手段と、
必要量のヘリウムガスを常温で導入する手段と、
導入されたヘリウムガスを封止するためのヘリウムガス封止手段とを備え、
液体ヘリウムの大きな比熱と気化潜熱を用いたことを特徴とする極低温温度ダンパ。
【請求項２】
前記コンデンサ手段と蓄冷手段が一体化され、前記コンデンサ手段の下方が蓄冷手段とされていることを特徴とする請求項１に記載の極低温温度ダンパ。
【請求項３】
前記コンデンサ手段に、蓄冷手段で蒸発したヘリウムガスをヘリウムガス収納手段に戻すためのヘリウムガス流路が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の極低温温度ダンパ。
【請求項４】
前記コンデンサ手段を、冷凍機の冷却ステージの近傍に配置して、該冷凍機の冷却ステージと同等の温度にすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の極低温温度ダンパ。
【請求項５】
前記コンデンサ手段と冷凍機の冷却ステージが、小さい熱抵抗で接続されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の極低温温度ダンパ。
【請求項６】
前記コンデンサ手段が、焼結金属球又は金属短繊維を含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の極低温温度ダンパ。
【請求項７】
前記ヘリウムガス導入手段が、ヘリウムガス導入後、前記ヘリウムガス封止手段のガス導入管部で封じ切られることを特徴とする請求項１に記載の極低温温度ダンパ。
【請求項８】
前記ガス導入管部の内側に、その内径より小径の柔らかい金属線が挿入されていることを特徴とする請求項７に記載の極低温温度ダンパ。
【請求項９】
前記金属線が半田線であることを特徴とする請求項８に記載の極低温温度ダンパ。
【請求項１０】
前記ヘリウムガス収納手段及び蓄冷手段が、銅より熱伝導の悪い材料で作られていることを特徴とする請求項１に記載の極低温温度ダンパ。
【請求項１１】
前記ヘリウムガス収納手段及び蓄冷手段が、ステンレス、アルミニウム、チタン、又は、それらの合金製とされていることを特徴とする請求項１０に記載の極低温温度ダンパ。
【請求項１２】
外部からの侵入熱をカットするためのサーマルアンカが設けられていることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載の極低温温度ダンパ。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれかに記載の極低温温度ダンパを含むことを特徴とする極低温冷凍機。
【請求項１４】
請求項８又は９に記載のガス導入管部よりヘリウムガスを導入した後、
ガス導入管と前記金属線とを共に圧着させて封止した後、
更に、前記ガス導入管の端部を圧着して溶接することを特徴とするヘリウムガスの封止方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、極低温温度ダンパ（以下、単に温度ダンパとも称する）に係り、特に、ヘリウムガスを冷媒とする極低温冷凍機（以下、単に冷凍機とも称する）に使用するのに好適な、該冷凍機の温度変動を低減することが可能な温度ダンパ、該温度ダンパを含む冷凍機、及び、前記温度ダンパに用いるのに好適なヘリウムガスの封止方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ヘリウムガスを冷媒とした極低温冷凍機において、被冷却体として、例えばジョセフソン素子センサ等を冷却する場合、冷凍機の冷却ステージに素子を固定することは、冷凍機の温度振幅が大きいため、センサの性能を著しく阻害する。
【０００３】
即ち、従来のように構成された極低温冷凍機の冷却ステージは、一般に銅で作られているが、２０Ｋ以下の温度において銅の比熱が小さくなるため、冷凍機の膨張室に高圧のヘリウムガスが入る温度と、低圧に膨張して寒冷が発生して降下した温度とが、熱交換授受され、冷却ステージ外表面に極めて抵抗のない形で温度振幅として現われてくる。
【０００４】
この冷凍機の温度振幅を小さくするために、冷却ステージと被冷却体の間に、ナイロン、ポリテトラフルオロエチレン、ＦＲＰ樹脂等の熱伝導の悪い材料を介装して冷却する方法があるが、熱伝達損失が大きい等の欠点がある。
【０００５】
又、前記温度振幅を小さくする他の方法として、特公平３−１６５９２や特許第２７７３７９３号に、図１に示す如く、被冷却体８と冷凍機ユニット２０の最終段（図１では２段）冷却ステージ２８の間に温度ダンパ１６を設けることが提案されている。図において、１０は圧縮機ユニット、１２は高圧側配管、１４は低圧側配管、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。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来は、冷凍機ユニット２０の冷媒を、室温部より細管１７を介して冷凍機最終段の冷却ステージ２８に取付けてある温度ダンパ１６内に導入しているため、急な温度上昇があって瞬時にヘリウムが気化した場合の操作性や安全性に問題があった。即ち、冷凍機を停止すると、その温度上昇に伴なって、温度ダンパ１６内の液体ヘリウムの温度も上昇して気化する。この際、ヘリウムの気体と液体の気化比は６９９と非常に大きいため、室温部のバルブ１８の操作を誤ると、温度ダンパ１６の内部が異常高圧となって、危険な状態になる。又、急激な温度上昇に対してもガスの逃げ場がなく、温度ダンパ１６内は異常高圧となって、危険である。
【０００７】
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、極低温冷凍機の冷却ステージから発生する大きな温度振幅を小さくし、且つ、操作性が簡単で安全性の高い極低温冷凍機を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ヘリウムガスを冷媒とする極低温冷凍機に使用する極低温温度ダンパであって、ヘリウムガスを収納する手段と、ヘリウムガスを液化させるコンデンサ手段と、液化された液体ヘリウムを収納する蓄冷手段と、必要量のヘリウムガスを常温で導入する手段と、導入されたヘリウムガスを封止するためのヘリウムガス封止手段とを備え、液体ヘリウムの大きな比熱と気化潜熱を用いることにより、前記課題を解決したものである。
【０００９】
又、前記コンデンサ手段と蓄冷手段を一体化し、前記コンデンサ手段の下方を蓄冷手段として、構成を簡略化したものである。
【００１０】
又、前記コンデンサ手段に、蓄冷手段で蒸発したヘリウムガスをヘリウムガス収納手段に戻すためのヘリウムガス流路を設けて、蓄冷手段で蒸発したヘリウムガスのヘリウムガス収納手段への戻りが円滑に行なわれるようにしたものである。
【００１１】
又、前記コンデンサ手段を、冷凍機の冷却ステージの近傍に配置して、該冷凍機の冷却ステージと同等の温度にしたものである。
【００１２】
又、前記コンデンサ手段と冷凍機の冷却ステージを、小さい熱抵抗で接続したものである。
【００１３】
又、前記コンデンサ手段が、焼結金属球（好ましくは銅球）又は金属短繊維（メタルファイバ）を含むようにしたものである。
【００１４】
又、前記ヘリウムガス導入手段を、ヘリウムガス導入後、前記ヘリウムガス封止手段のガス導入管部で封じ切るようにしたものである。
【００１５】
又、前記ガス導入管部の内側に、その内径より小径の柔らかい金属線（好ましく半田線）を挿入したものである。
【００１６】
又、前記ヘリウムガス収納手段及び蓄冷手段を、ステンレス、アルミニウム、チタン、又は、それらの合金等の銅より熱伝導の悪い材料で作るようにしたものである。
【００１７】
又、外部からの侵入熱をカットするためのサーマルアンカを設けたものである。
【００１８】
本発明は、又、前記の温度ダンパを含むことを特徴とする極低温冷凍機を提供するものである。
【００１９】
又、前記のガス導入管部よりヘリウムガスを導入した後、ガス導入管と前記金属線とを共に圧着させて封止した後、更に、前記ガス導入管の端部を圧着して溶接するようにした、ヘリウムガスの封止方法を提供するものである。
【００２０】
【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。
【００２１】
本発明の第１実施形態は、図１に示したと同様の圧縮機ユニット１０及び冷凍機ユニット２０等を有する２段式４Ｋ−ＧＭ冷凍機において、図２に示す如く、２段冷却ステージ２８と、被冷却体８の間に、本発明に係る温度ダンパ４０を挿入したものである。
【００２２】
前記温度ダンパ４０は、図３に詳細に示す如く、ヘリウムガスを収納する手段である、例えばＳＵＳ３０４Ｌ製のヘリウムガス室４２と、ヘリウムガスを液化させるコンデンサ手段である、例えば直径０．５ｍｍの焼結銅球が充填された、例えば無酸素銅（Ｃ１０２０）製のコンデンサ室４４と、液化された液体ヘリウム４７を収納する蓄冷手段である、例えばＳＵＳ３０４Ｌ製の液体ヘリウム室４６と、必要量のヘリウムガスを常温で導入する手段である、例えば外径３．１８ｍｍ、肉厚０．８ｍｍの銅管（Ｃ１２００Ｔ−０）製のヘリウムガス導入管５０と、導入されたヘリウムガスを封止するためのヘリウムガス封止手段である導入ガス封じ切り部５２と、前記液体ヘリウム室４６で蒸発したヘリウムガスをヘリウムガス室４２に戻すための、例えば外径４ｍｍ、肉厚０．５ｍｍのステンレスパイプ製のヘリウムガス流路管４８と、被冷却体８を液体ヘリウム室４６に取り付けるための、例えば無酸素銅（Ｃ１０２０）製の被冷却体取付フランジ６０と、温度ダンパ４０を冷凍機の２段冷却ステージ２８に取付けるための取付ステー６２とを含んで構成されている。図２において、６４は、例えばフランジ６０に配設された、例えばゲルマニウム温度センサである。
【００２３】
前記コンデンサ室４４と２段冷却ステージ２８は、一番近い位置に配設するか、又は、小さい熱抵抗で接続することにより、コンデンサ室４４と冷却ステージ２８を同等の温度にして、冷却効率を高めるようにされる。
【００２４】
前記温度ダンパ４０内には、室温でヘリウムガスボンベから減圧弁により例えば充填圧力を１０Ｍｐｑに減圧したヘリウムガスを、ヘリウムガス導入管５０より充填して封じ切る。導入するガス量は、極低温で液体ヘリウム室４６に所定の液量がたまるよう算出する。なお、冷凍機の冷媒は使わない。
【００２５】
前記導入ガス封じ切り部５２は、図４（縦断面図）及び図５（図４のＶ−Ｖ線に沿う横断面図）に示す如く、例えば内径１．５８ｍｍのヘリウムガス導入管５０の最先端の所定長さＬを除く先端部に、例えば直径１．２ｍｍの半田線５４のような柔い金属線を挿入して、ヘリウムガス導入管５０の基部をヘリウムガス室４２の頂部に銀蝋付けした構成とされている。
【００２６】
封じ切りに際しては、ヘリウムガス充慎後、バルブ５５を付けた状態でヘリウムガス充慎装置５６から切り離し、半田線５４が挿入されている部分を、図６（縦断面図）及び、図７（図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う横断面図）に示す如く叩き潰して圧着する。
【００２７】
この状態で、ヘリウムガスが封じ切られている事を確認し、バルブ５５を取り外す。更に、ヘリウムガス導入管５０の端部５２を潰して、溶接（実施例ではハンダ付け）でシールする（溶接の際、封じ切られている半田線の部分５４Ａの温度が上がらないよう、水に浸したウエス等で十分冷却しておく）。
【００２８】
従って、封じ切り部は、ヘリウムガス導入管５０と半田線５４とが圧着された部分と、先端部の溶接の二重の封じ切りで構成されている。
【００２９】
本実施形態における熱伝達サイクルは、図８に示す如く、次のように行われる。
【００３０】
（１）被冷却体８からの入熱によって熱せられた液体ヘリウム４７は、自然対流によって液体ヘリウム室４６内を上部に移動し、液表面で一部が気化し、それによって液温度を一定に保つ。
【００３１】
（２）ガス化されたヘリウムは、ヘリウムガス流路管４８内を円滑に上昇し、コンデンサ室４４上部に移動して、コンデンサ（焼結銅球）により再液化される。
【００３２】
（３）再液化された液体ヘリウムは、コンデンサ室４４内を下に移動し、液体ヘリウム室４６に戻る。
【００３３】
（４）冷凍機の冷却ステージ２８から伝達される大きな温度振幅は、液体ヘリウムの大きな比熱と気化潜熱によって吸収される。
【００３４】
このように、沸騰再液化のサイクルが、温度ダンパ４０内で行なわれ、冷却ステージ２８から被冷却体８への熱伝達が促進されると同時に、温度振幅が小さくされる。
【００３５】
本実施形態においては、コンデンサ室４４から独立した液体ヘリウム室４６が設けられているので、比較的大量の液体ヘリウムを保持することができる。
【００３６】
なお、図９に示す第２実施形態のように、独立した液体ヘリウム室を省略して、コンデンサ室４４の下部に液体ヘリウム４７を蓄えるようにしてもよい。
【００３７】
本実施形態によれば、構成が簡略であり、コストダウンを図れると共に、温度ダンパの高さを小さくできる。
【００３８】
なお、第２実施形態では、ヘリウムガス流路管４８も省略されていたが、図１０に示す第３実施形態のように、ヘリウムガス流路管４８を設けてもよい。
【００３９】
更に、図１１に示す第４実施形態のように、冷凍機ユニット２０の１段冷却ステージ２４との間にサーマルアンカ６８を設けて、上からの侵入熱をカットすることもできる。
【００４０】
【実施例】
冷凍機として２段式４Ｋ−ＧＭ冷凍機を用いて、２段冷却ステージ２８に、図３に示した第１実施形態の温度ダンパ４０を取付けて冷凍装置を運転したところ、温度ダンパ４０も順次冷却され、やがて内部に充填されてあるヘリウムガスが液化し、液体ヘリウム室４６に比熱と蒸発潜熱の大きな液体ヘリウム４７が約１６ｃｃ溜り、図１２の実線Ｂに示す如く、２．４Ｋ〜４．２Ｋ間の温度振幅は５ｍＫであった。これは、図１２に破線Ａで示した冷凍機単体（温度ダンパ無し）の温度振幅の凡そ１／３０に減少している。
【００４１】
図９に示す第２実施形態の温度ダンパを用いた実施例の試験結果を図１３の実線Ｃに示す。この場合、充填したヘリウムガス量は約２０リットルで、温度振幅は図１１の場合に比べて２〜３倍に上昇しているが、従来に比べれば十分に小さくなっている。
【００４２】
第２実施形態と同じ構成でヘリウムガス室４２の材質をＳＵＳ３０４Ｌから無酸素銅Ｃ１０２０に変えた比較例の試験結果を図１４に示す。この場合、銅の熱伝導が良いため、コンデンサ室４４とヘリウムガス室４２がほぼ同一温度となり、ヘリウムガスの消費が多く、液体ヘリウム量が減少してしまって、温度振幅が十分に減少できなかった。
【００４３】
従って、本発明の温度ダンパは、各室の材料構成も重要である。即ち、ヘリウムガス室４２の温度を４．２Ｋ近くまで下げてしまうと、ヘリウムガス密度の関係で多量のガスが消費されてしまい、液体ヘリウム室４６に溜まる液量が減少して温度振幅が小さくならない。このため、ステンレス等の熱伝導の悪い材料を使って、ヘリウムガスの温度を４．２Ｋ以上に高くする必要がある。一方、ヘリウムガス室４２の温度があまり高くなると、コンデンサ室４２への熱侵入量が増えて冷凍機の性能が低下してしまう。ヘリウムガス室４２の材質をＳＵＳ３０４とした第２実施形態におけるヘリウムガス室４２中央の外壁温度は約１２Ｋであった。
【００４４】
又、液体ヘリウム室４６もコンデンサ室４４の材質（銅）からの温度振幅及び熱侵入を抑えるため、ステンレス等の熱伝導の悪い材料を使うことが望ましい。
【００４５】
なお、熱伝導の悪い材料はステンレスに限定されず、アルミニウム、チタン、又はそれらの合金を用いることも可能である。
【００４６】
なお、第４実施形態では、ヘリウムガス室４２とコンデンサ室４４、コンデンサ室４４と液体ヘリウム室４６を分離し、熱伝導の悪い材料、例えばステンレス製の配管４５で接続しているので、ヘリウムガス室４２や液体ヘリウム室４６を銅又は銅合金製とすることもできる。
【００４７】
前記実施形態においては、いずれも、ヘリウムガス室が１つとされていたが、図１５に示す、３段式４Ｋ−ＧＭ冷凍機に適用した第５実施形態のように、ヘリウムガス室を４２、４３の２つとして、容積を向上させ、充慎圧力を低下させることもできる。この場合には、ヘリウムガス導入管５０は、ヘリウムガス室４２、４３のいずれか一方に設ければよい。図において、７０は３段シリンダ、７２は３段ステージである。
【００４８】
なお、前記実施形態においては、冷凍機に２段式又は３段式４Ｋ−ＧＭ冷凍機を用いていたが、冷凍機の種類はこれに限定されない。
【００４９】
又、コンデンサも焼結銅球に限定されず、鋼球等の他の金属球、又は、メタルファイバ等の金属短繊維等、表面積が大きくとれて熱伝導率が良く、焼結が可能な他の材料を用いることも可能である。
【００５０】
【発明の効果】
本発明によれば、冷凍機の温度を室温以上に上げない限り、温度ダンパ内の圧力も充填圧力以上に上がらないため、安全である。又、バルブ等の付属部品が無いため、構成が簡単である。更に、冷凍機にセットした後のバルブ開閉等の操作が無いため、取り扱いも簡単である。
【００５１】
よって、極低温冷凍機の冷却ステージから発生する大きな温度振幅を小さくし、且つ、操作性が簡単で、安全性の高い極低温冷凍機を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の極低温温度ダンパが配設された冷凍機を示す構成図
【図２】本発明に係る温度ダンパの第１実施形態が配設された冷凍機を示す構成図
【図３】温度ダンパの第１実施形態の詳細構成を示す断面図
【図４】第１実施形態におけるヘリウムガス導入管の導入ガス封じ切り部の構成を示す縦断面図
【図５】図４のＶ−Ｖ線に沿う横断面図
【図６】図４の導入ガス封じ切り部の圧着後の状態を示す横断面図
【図７】図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う横断面図
【図８】第１実施形態の作用を示す断面図
【図９】温度ダンパの第２実施形態の構成を示す断面図
【図１０】同じく第３実施形態の構成を示す断面図
【図１１】同じく第４実施形態の構成を示す断面図
【図１２】第１実施形態の試験結果を示す線図
【図１３】第２実施形態の試験結果を示す線図
【図１４】比較例の試験結果を示す線図
【図１５】温度ダンパの第５実施形態の構成を示す断面図
【符号の説明】
８…被冷却体
１０…圧縮機ユニット
２０…冷凍機ユニット
２８…２段冷却ステージ
４０…温度ダンパ
４２、４３…ヘリウムガス室
４４…コンデンサ室
４６…液体ヘリウム室
４７…液体ヘリウム
４８…ヘリウムガス流路管
５０…ヘリウムガス導入管
５２…導入ガス封じ切り部
５４…半田線
６８…サーマルアンカ
７２…３段冷却ステージ
【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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【図１４】
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【図１５】
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