(57)【要約】【課題】高周波回路を十分に冷却しうるとともに、高周波回路の交換、保守を容易に行いうる高周波回路冷却装置を提供する。【解決手段】高周波回路を収容するパッケージ容器１４と、パッケージ容器１４内に導入される気体を貯蔵するタンク１６と、パッケージ容器１４及びタンク１６を冷却するコールドヘッド１２と、タンク１６に接続され、タンク１６に気体を供給するための配管２４、２６と、タンク１６とパッケージ容器１４との間に着脱自在に接続され、タンク１６内の気体をパッケージ容器１４内に導入するための配管１８、２２と、パッケージ容器１４に着脱自在に接続され、パッケージ容器１４内の気体を排出するための配管３４、３６とを有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波回路を収容するパッケージ容器と、
前記パッケージ容器内に導入される気体を貯蔵するタンクと、
前記パッケージ容器及び前記タンクを冷却する冷却部と、
前記タンクに接続され、前記タンクに気体を供給するための第１の配管と、
前記タンクと前記パッケージ容器との間に着脱自在に接続され、前記タンク内の前記気体を前記パッケージ容器内に導入するための第２の配管と、
前記パッケージ容器に着脱自在に接続され、前記パッケージ容器内の前記気体を排出するための第３の配管と
を有することを特徴とする高周波回路冷却装置。
【請求項２】
請求項１記載の高周波回路冷却装置において、
前記冷却部、前記パッケージ容器及び前記タンクを収容する真空容器を更に有する
ことを特徴とする高周波回路冷却装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の高周波回路冷却装置において、
前記パッケージ容器は、金属よりなる
ことを特徴とする高周波回路冷却装置。
【請求項４】
請求項３記載の高周波回路冷却装置において、
前記パッケージ容器は、銅、アルミニウム、アルミニウム合金、又は鉄−ニッケル基合金よりなる
ことを特徴とする高周波回路冷却装置。
【請求項５】
請求項１又は２記載の高周波回路冷却装置において、
前記パッケージ容器は、セラミックスよりなる容器と、前記容器の内壁に形成された金属膜を有する
ことを特徴とする高周波回路冷却装置。
【請求項６】
請求項５記載の高周波回路冷却装置において、
前記容器は、アルミナ、ジルコニア、部分安定化ジルコニア、又は安定化ジルコニアよりなり、
前記金属膜は、金、銀、又は銅よりなる
ことを特徴とする高周波回路冷却装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の高周波回路冷却装置において、
前記第２の配管と前記パッケージ容器との接続部、及び前記第３の配管と前記パッケージ容器との接続部は、メタルシールによりシーリングされている
ことを特徴とする高周波回路冷却装置。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の高周波回路冷却装置において、
前記パッケージ容器及び／又は前記タンクは、熱伝導性を有する固体媒体を介して前記冷却部と接触している
ことを特徴とする高周波回路冷却装置。
【請求項９】
請求項８記載の高周波回路冷却装置において、
前記固体媒体は、炭化水素系グリース、シート状インジウム、又はグラファイトである
ことを特徴とする高周波回路冷却装置。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか１項に記載の高周波回路冷却装置において、
前記タンクに前記気体を供給する気体供給部と、
前記パッケージ容器付近に設けられ、前記パッケージ容器付近の温度を検出する温度センサと、
前記温度センサによる前記パッケージ容器付近の温度の検出結果に基づき、前記気体供給部による前記タンクへの前記気体の供給を制御する制御部とを更に有する
ことを特徴とする高周波回路冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低温で動作する高周波回路や、動作時に発熱を伴う高周波回路等を冷却する高周波回路冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
１００Ｋ以下のような低温で動作する高周波回路としては、ＹＢＣＯ等の酸化物高温超伝導体を回路導体として用いたフィルタ、ＧａＡｓベースの半導体からなる低雑音増幅器等が知られている。
【０００３】
このような低温で動作する高周波回路のうち、より大きな電力を扱う超伝導送信フィルタ等の回路は、数ＧＨｚ以下の周波数を通信帯域とする移動通信基地局への応用を考える場合、そのパッケージ内を十分に冷却することが要請されている。また、保守のため交換容易な冷却装置への実装が要請されている。さらに、超伝導体のクエンチによる発熱を速やかに除去することや、試験時に熱伝達を変えられることも要請されている。
【０００４】
超伝導体が所要の温度に冷却されて超伝導状態となった場合、数ＧＨｚ程度の周波数では、超伝導体の発熱は、常伝導体に比べて１〜２桁以上小さなものである。その一方で、超伝導体を回路導体として用いた高周波回路においても、回路の構成要素として、電極等の常伝導体よりなる部材を含むことが多い。また、ケーブル等を通しての外部から熱伝導や、電流を流すことによるコネクタやケーブルなどからの熱流入もある。このため、超伝導体を回路導体として用いた高周波回路についても、できるだけ十分に冷却することが望まれている。
【０００５】
高周波回路は、これまでに以下のような方法により冷却されている。
【０００６】
例えば、高周波回路が収容されたパッケージ容器を冷凍機のコールドヘッドに熱接触させて熱伝導により冷却する。
【０００７】
また、冷凍機のコールドヘッドに、ヘリウムガスで満たされる金属製容器を設け、この金属製容器内に、高周波回路が収容されたパッケージ容器を収める。さらに、これらコールドヘッド及び該金属容器を真空容器内に収容する。ヘリウムガスは、真空容器の外部から供給する。このような状態で、コールドヘッドにより、高周波回路が収容されたパッケージ容器を冷却する。
【０００８】
また、高周波回路が収容されたパッケージ容器を液体窒素、液体ヘリウムに浸漬することにより冷却する。
【特許文献１】特開２０００−３０７３０６号公報
【特許文献２】特開平０４−２６３７６８号公報
【特許文献３】特開２０００−２９４３９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来の高周波回路の冷却方法では、高周波回路の十分な冷却と、高周波回路の容易な交換、保守とを両立して実現することは困難であった。
【００１０】
本発明の目的は、高周波回路を十分に冷却しうるとともに、高周波回路の交換、保守を容易に行いうる高周波回路冷却装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一観点によれば、高周波回路を収容するパッケージ容器と、前記パッケージ容器内に導入される気体を貯蔵するタンクと、前記パッケージ容器及び前記タンクを冷却する冷却部と、前記タンクに接続され、前記タンクに気体を供給するための第１の配管と、前記タンクと前記パッケージ容器との間に着脱自在に接続され、前記タンク内の前記気体を前記パッケージ容器内に導入するための第２の配管と、前記パッケージ容器に着脱自在に接続され、前記パッケージ容器内の前記気体を排出するための第３の配管とを有する高周波回路冷却装置が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
以上の通り、本発明によれば、高周波回路を収容するパッケージ容器と、パッケージ容器内に導入される気体を貯蔵するタンクと、パッケージ容器及びタンクを冷却する冷却部と、タンクに接続され、タンクに気体を供給するための第１の配管と、タンクとパッケージ容器との間に着脱自在に接続され、タンク内の気体をパッケージ容器内に導入するための第２の配管と、パッケージ容器に着脱自在に接続され、パッケージ容器内の気体を排出するための第３の配管とを有するので、パッケージ容器内に収容されている高周波回路を十分に冷却することができるとともに、パッケージ容器内に収容されている高周波回路の交換、保守を容易に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による高周波回路冷却装置について図１乃至図３を用いて説明する。図１は本実施形態による高周波回路冷却装置の構造を示す斜視図、図２はパッケージ容器を取り外した状態の本実施形態による高周波回路冷却装置の構造を示す斜視図、図３は本実施形態による高周波回路冷却装置における配管接続部のメタルシールの構造を示す概略図である。
【００１４】
図示するように、真空容器１０内に、冷却機のコールドヘッド１２が配設されている。また、真空容器１０には、真空容器１０内を真空状態に減圧するための真空ポンプ（図示せず）が接続されている。
【００１５】
真空容器１０内では、コールドヘッド１２上に、高周波回路が収容されたパッケージ容器１４と、パッケージ容器１４内に導入されるヘリウムガスを貯蔵するタンク１６とがそれぞれ載置されている。コールドヘッド１２上に載置されたパッケージ容器１４は、コールドヘッド１２にネジ止めされている。パッケージ容器１４とタンク１６とは、パッケージ容器１４に接続された配管１８、及びタンク１６に接続された配管２０を介して互いに接続されている。パッケージ容器１４と配管１８との接続部は、メタルシール（図示せず）によりシーリングされている。タンク１６と配管２０との接続部は、メタルシール（図示せず）によりシーリングされている。配管１８と配管２０との接続部は、メタルシール２２によりシーリングされている。
【００１６】
タンク１６には、タンク１６にヘリウムガスを供給するための配管２４、２６が接続されている。配管２４は、タンク１６と真空容器１０の壁部に設けられた配管接続孔の内側との間に接続されている。タンク１６と配管２４との接続部は、メタルシール（図示せず）によりシーリングされている。配管２４と配管接続孔との接続部は、メタルシール３０によりシーリングされている。配管２６は、配管２４が内側に接続された配管接続孔の外側に接続されている。配管接続孔と配管２６との接続部は、メタルシール３０によりシーリングされている。こうして、配管２４と配管２６とが互いに接続され、その接続部はメタルシール３０によりシーリングされている。
【００１７】
パッケージ容器１４には、パッケージ容器１４内からヘリウムガスを排出するための配管３４、３６が接続されている。配管３４は、パッケージ容器１４と真空容器１０の壁部に設けられた配管接続孔の内側との間に接続されている。パッケージ容器１４と配管３４との接続部はメタルシール（図示せず）によりシーリングされている。配管３４と配管接続孔との接続部は、メタルシール３８によりシーリングされている。配管３６は、配管３４が内側に接続された配管接続孔の外側に接続されている。配管３６と配管接続孔との接続部は、メタルシール３８によりシーリングされている。こうして、配管３４と配管３６とが互いに接続され、その接続部はメタルシール３８によりシーリングされている。
【００１８】
パッケージ容器１４に接続された配管３４は、真空容器１０の壁部に設けられた配管接続孔の内側に着脱自在に接続されている。また、パッケージ容器１４に接続された配管１８は、配管２０と着脱自在に接続されている。本実施形態による高周波回路冷却装置では、配管３４と配管接続孔との接続を解除し、配管１８と配管２０との接続を解除し、コールドヘッド１２にパッケージ容器１４をネジ止めしているネジを外すことにより、図２に示すように、パッケージ容器１４を取り外すことができる。なお、パッケージ容器１４は、パッケージ容器１４に設けられたネジ用の貫通穴１４ａ、及びコールドヘッド１２に設けられたネジ用の穴１２ａにネジを螺挿することにより、コールドヘッド１２にネジ止めされる。
【００１９】
ここで、各配管の接続部におけるメタルシールの構造について、配管１８と配管２０との接続部におけるメタルシール２２を例に図３を用いて説明する。
【００２０】
図示するように、配管１８、２０の端部には、金属フランジ２２ａ、２２ｂがそれぞれ設けられている。金属フランジ２２ａ、２２ｂには、互いに固定するためのネジ用の穴２２ｃがそれぞれ設けられている。金属フランジ２２ａの金属フランジ２２ｂと接触する面には、気密性を保持するための金属ガスケットを固定するための溝２２ｄが設けられている。金属フランジ２２ｂの金属フランジ２２ａと接触する面にも、同様の溝（図示せず）が設けられている。なお、金属ガスケットとしてコンフラッド型の銅ガスケットを用いる場合には、金属ガスケットを固定するためのエッジ形状の溝が金属フランジ２２ａ、２２ｂの両方に設けられている必要があるが、インジウムよりなるＯリングシールを用いる場合には、Ｏリングが固定される形状をした溝が金属フランジ２２ａ、２２ｂのどちらか一方に設けられていればよい。
【００２１】
配管１８と配管２０との接続部におけるメタルシール２２以外のメタルシールも、上記とほぼ同様の構造を有している。
【００２２】
こうして、本実施形態による高周波回路冷却装置が構成されている。
【００２３】
本実施形態による高周波回路冷却装置は、コールドヘッド１２上に載置され、高周波回路が収容されたパッケージ容器１４に、ヘリウムガスを導入するための配管１８及びヘリウムガスを排出するための配管３４が接続されており、パッケージ容器１４内にヘリウムガスが導入されるようになっていることに特徴がある。
【００２４】
パッケージ容器１４内にヘリウムガスが導入されることにより、パッケージ容器１４内に収容された高周波回路は、コールドヘッド１２によるパッケージ容器１４を介した固体熱伝導により冷却されるとともに、ヘリウムガスによる熱伝達によっても冷却される。これにより、パッケージ容器１４内に収容された高周波回路を十分に冷却することができる。回路導体として超伝導体を用いた高周波回路の場合には、クエンチによる発熱を速やかに除去することができ、回路の熱暴走を防止することができる。
【００２５】
また、タンク１６を介してパッケージ容器１４へ供給されるヘリウムガスの供給量を適宜制御することにより、パッケージ容器１４内に収容された高周波回路に対する熱伝達を調整することができる。これにより、例えば高周波回路の試験時等において、高周波回路の冷却温度、冷却速度を調整することができる。
【００２６】
また、本実施形態による高周波回路冷却装置は、コールドヘッド１２上に載置され、パッケージ容器１４内に導入されるヘリウムガスを貯蔵するタンク１６を有することにも特徴がある。
【００２７】
タンク１６に貯蔵されたヘリウムガスは、コールドヘッド１２によるタンク１６を介した固体熱伝導により冷却されるため、予め十分に冷却されたヘリウムガスをパッケージ容器１４内に導入することができる。したがって、パッケージ容器１４内に収容された高周波回路を短時間に十分に冷却することができる。
【００２８】
さらに、本実施形態による高周波回路冷却装置は、コールドヘッド１２上に載置されたパッケージ容器１４が取り外し可能な構造となっていることにも特徴がある。
【００２９】
パッケージ容器１４がコールドヘッド１２から取り外し可能な構造となっているため、必要に応じてパッケージ容器１４を真空容器１０外に適宜取り出すことができ、パッケージ容器１４内に収容された高周波回路の交換、保守を容易に行うことができる。
【００３０】
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態による高周波回路冷却装置について図４及び図５を用いて説明する。図４は本実施形態による高周波回路冷却装置の構造を示す断面図、図５は本実施形態による高周波回路冷却装置により高周波回路を冷却しながら動作させて電力テストを行った結果を示すグラフである。
【００３１】
まず、本実施形態による高周波回路冷却装置の全体構成について図４を用いて説明する。
【００３２】
図示するように、真空容器１０内に、冷却機のコールドヘッド１２が配設されている。また、真空容器１０には、真空容器１０内を真空状態に減圧するための真空ポンプ（図示せず）が接続されている。
【００３３】
真空容器１０内では、コールドヘッド１２上に、高周波回路が収容されたパッケージ容器１４と、パッケージ容器１４内に導入されるヘリウムガスを貯蔵するタンク１６とがそれぞれ載置されている。パッケージ容器１４とタンク１６とは、パッケージ容器１４に接続された配管１８、及びタンク１６に接続された配管２０を介して互いに接続されている。パッケージ容器１４と配管１８との接続部は、メタルシール（図示せず）によりシーリングされている。タンク１６と配管２０との接続部は、メタルシール（図示せず）によりシーリングされている。配管１８と配管２０との接続部は、メタルシール２２によりシーリングされている。
【００３４】
タンク１６には、配管２４、２６を介して、タンク１６にヘリウムガスを供給する気体供給部２８が接続されている。配管２４は、タンク１６と真空容器１０の壁部に設けられた配管接続孔の内側との間に接続されている。タンク１６と配管２４との接続部は、メタルシール（図示せず）によりシーリングされている。配管２４と配管接続孔との接続部は、メタルシール３０によりシーリングされている。配管２６は、配管２４が内側に接続された配管接続孔の外側と気体供給部２８との間に接続されている。配管接続孔と配管２６との接続部は、メタルシール３０によりシーリングされている。こうして、配管２４と配管２６とが互いに接続され、その接続部はメタルシール３０によりシーリングされている。配管２６には、電磁バルブ３２が設けられている。
【００３５】
パッケージ容器１４には、パッケージ容器１４内からヘリウムガスを排出するための配管３４、３６が接続されている。配管３４は、パッケージ容器１４と真空容器１０の壁部に設けられた配管接続孔の内側との間に接続されている。パッケージ容器１４と配管３４との接続部はメタルシール（図示せず）によりシーリングされている。配管３４と配管接続孔との接続部は、メタルシール３８によりシーリングされている。配管３６は、配管３４が内側に接続された配管接続孔の外側に接続されている。配管３６と配管接続孔との接続部は、メタルシール３８によりシーリングされている。こうして、配管３４と配管３６とが互いに接続され、その接続部はメタルシール３８によりシーリングされている。配管３６には、バルブ４０が設けられている。
【００３６】
また、パッケージ容器１４には、パッケージ容器１４内に収容された高周波回路に対する高周波信号の入出力を行うための高周波同軸コネクタ４２ａ、４２ｂが設けられている。高周波同軸コネクタ４２ａは、高周波同軸ケーブル４４ａを介して、真空容器１０の壁部に設けられた高周波同軸コネクタ４６ａに接続されている。高周波同軸コネクタ４６ａは、ハーメチックシール４８によりシーリングされている。高周波同軸コネクタ４２ｂは、高周波同軸ケーブル４４ｂを介して、真空容器１０の壁部に設けられた高周波同軸コネクタ４６ｂに接続されている。高周波同軸コネクタ４６ｂは、ハーメチックシール５０によりシーリングされている。
【００３７】
さらに、パッケージ容器１４には、温度センサ５２が付設されている。温度センサ５２には、配線５４を介して、温度センサ５２からの出力信号をモニタする温度モニタ５６が接続されている。温度センサ５２と温度モニタ５６とを接続する配線５４が引き出される真空容器１０の壁部には、ハーメチックシール５８によりシーリングされている。
【００３８】
温度モニタ５６には、温度モニタ５６のモニタ結果に基づき、配管２６に設けられた電磁バルブ３２の開閉を制御するバルブ制御器６０が接続されている。
【００３９】
こうして、本実施形態による高周波回路冷却装置が構成されている。以下に、本実施形態による高周波回路冷却装置の各構成要素についてについて詳述する。
【００４０】
真空容器１０は、真空ポンプによりその内部を減圧して真空状態とすることにより、その内部に収容されたパッケージ容器１４及びタンク１６と外部とを断熱するためのものである。これにより、コールドヘッド１２によるパッケージ容器１４及びタンク１６の冷却効率を向上することができる。真空容器１０は、例えば図４に示すように、真空シール用ネジ１１により互いに固定された上側部分１０ａと下側部分１０ｂとにより構成されている。真空シール用ネジ１１を取り外すことにより、上側部分１０ａと下側部分１０ｂとに分離可能な構造を真空容器１０が有しているため、真空容器１０内に収容された部品の交換、保守を容易に行うことができる。
【００４１】
コールドヘッド１２は、パッケージ容器１４内に収容された高周波回路の動作温度である例えば１００Ｋ以下の温度に冷却可能なものである。コールドヘッド１２により、コールドヘッド１２上に載置されたパッケージ容器１４が冷却され、その内部に収容された高周波回路が冷却される。また、コールドヘッド１２により、コールドヘッド１２上に載置されたタンク１６が冷却され、その内部に貯蔵されたヘリウムガスが冷却される。
【００４２】
パッケージ容器１４及びタンク１６は、コールドヘッド１２による冷却効率を高めるために、熱伝導性を有する固体媒体を介してコールドヘッド１２上に載置されている。熱伝導性を有する固体媒体としては、例えば炭化水素系グリース、シート状インジウム、グラファイト等を用いることができる。なお、シリコングリースは、高周波回路の動作温度である１００Ｋ以下のような低温に冷却されるとクラックが生じるため、コールドヘッド１２による冷却効率を高めるための固体媒体としては不適である。
【００４３】
熱伝導性を有する固体媒体を介してコールドヘッド１２上に載置されたパッケージ容器１４及びタンク１６は、コールドヘッド１２に対して、ネジ等を用いて着脱自在な状態で機械的に固定されている。
【００４４】
パッケージ容器１４内には、高周波回路として、例えば、４ＧＨｚ帯付近に通過周波数を有する送信用超伝導バンドパスフィルタが収容されている。パッケージ容器１４の大きさは、例えば、幅３ｃｍ、長さ５ｃｍ、幅３ｃｍ程度である。パッケージ容器１４の材料としては、例えば、銅、アルミニウム、アルミ合金、鉄−ニッケル基合金等の金属を用いることができる。また、パッケージ容器１４の材料として、アルミナ、ジルコニア、部分安定化ジルコニア、安定化ジルコニア等のセラミックスを用いることもできる。セラミックスをパッケージ容器１４の材料として用いる場合には、パッケージ容器１２の内壁に、例えば金、銀、銅等の金属膜を形成する。このように、金属材料よりなるパッケージ容器１４又は内壁に金属膜が形成されたセラミックスよりなるパッケージ容器１４により、高周波回路に影響を及ぼす外部電磁波を遮蔽される。
【００４５】
パッケージ容器１４は、その内部に高周波回路を収容し、又はその内部に収容された高周波回路を取り出すことができるように、複数の部品に分離可能な構造となっている。複数の部品は、ネジ等により互いに機械的に固定される。複数の部品間は、例えばインジウム、銅、アルミニウム、金等よりなるメタルシールによりシーリングされている。これにより、パッケージ容器１４は、気密性を有するものとなっている。パッケージ容器１４が複数の部品に分離可能な構造を有しているため、パッケージ容器１４内に収容された高周波回路の交換、保守を容易に行うことができる。
【００４６】
また、パッケージ容器１４内には、後述するように、タンク１６に貯蔵されて冷却されたヘリウムガスが配管２０、１８を介して導入される。このようにパッケージ容器１４内に導入されたヘリウムガスにより、パッケージ容器１４内に収容された高周波回路が直接的に冷却される。
【００４７】
真空容器１０内の配管３４は、パッケージ容器１４に着脱自在に接続されている。配管３４とパッケージ容器１４との接続部は、メタルシール（図示せず）によりシーリングされている。パッケージ容器１４に接続された真空容器１０内の配管３４と、真空容器１０外の配管３６とは、真空容器１０の壁部に設けられた配管接続孔において、互いに着脱自在に接続されている。配管３４と配管３６との接続部は、メタルシール３８によりシーリングされている。配管３４とパッケージ容器１４との接続部のメタルシール（図示せず）、メタルシール３８は、例えばＩＣＦ型のものであり、それらの材料としては、インジウム、銅、アルミニウム、金等を用いることができる。
【００４８】
タンク１６は、気体供給部２８から配管２６、２４を介して供給されるヘリウムガスを貯蔵する。タンク１６内に貯蔵されたヘリウムガスは、コールドヘッド１２により所定の温度に冷却される。タンク１６内にはフィンが設けられ伝熱面積が大きくされおり、タンク１６内に貯蔵されたヘリウムガスを効率よく冷却することができるようになっている。タンク１６内に貯蔵されたヘリウムガスは、気体供給部２８から新たにヘリウムガスがタンク１６に供給されることにより、配管２０、１８を介してパッケージ容器１４内に導入される。
【００４９】
真空容器１０内の配管２４は、タンク１６に着脱自在に接続されている。配管２４とタンク１６との接続部は、メタルシール（図示せず）によりシーリングされている。タンク１６に接続された真空容器１０内の配管２４と、気体供給部２８に接続された真空容器１０外の配管２６とは、真空容器１０の壁部に設けられた配管接続孔において、互いに着脱自在に接続されている。配管２４と配管２６との接続部は、メタルシール３０によりシーリングされている。配管２４とタンク１６との接続部のメタルシール（図示せず）、メタルシール３０は、例えばＩＣＦ型のものであり、それらの材料としては、インジウム、銅、アルミニウム、金等を用いることができる。
【００５０】
また、パッケージ容器１４に接続された配管１８と、タンク１６に接続された配管２０とは、互いに着脱自在に接続されている。配管１８と配管２０との接続部は、メタルシール２２によりシーリングされている。配管１８は、パッケージ容器１４に着脱自在に接続されている。配管１８とパッケージ容器１４との接続部は、メタルシール（図示せず）によりシーリングされている。配管２０は、タンク１６に着脱自在に接続されている。配管２０とタンク１６との接続部は、メタルシール（図示せず）によりシーリングされている。配管１８とパッケージ容器１４との接続部のメタルシール（図示せず）、配管２０とタンク１６との接続部のメタルシール（図示せず）、メタルシール２２は、例えばＩＣＦ型のものであり、それらの材料としては、インジウム、銅、アルミニウム、金等を用いることができる。
【００５１】
気体供給部２８は、配管２６、２４を介してヘリウムガスをタンク１６に供給する。気体供給部２８は、タンク１６に供給するガスの圧力を、例えば１０−３Ｔｏｒｒ〜１気圧の範囲内で調節することができる。気体供給部２８により供給されるヘリウムガスは、例えば室温になっている。気体供給部２８からタンク１６へのヘリウムガスの供給の開始及び停止、ヘリウムガスの供給量は、配管２６に設けられた電磁バルブ３２の開閉により制御される。
【００５２】
温度センサ５２は、例えば４線式の温度センサであり、パッケージ容器１４の温度を検出し、検出信号を温度モニタ５６に出力する。
【００５３】
温度モニタ５６は、温度センサ５２からの出力信号に基づき、パッケージ容器１４の温度をモニタし、モニタ結果をバルブ制御器６０に出力する。
【００５４】
バルブ制御器６０は、温度モニタ５６によるパッケージ容器１４の温度のモニタ結果に基づき、配管２６に設けられた電磁バルブ３２の開閉を制御する。これにより、気体供給部２８からタンク１６へのヘリウムガスの供給の開始及び停止、ヘリウムガスの供給量が制御される。
【００５５】
本実施形態による高周波回路冷却装置は、コールドヘッド１２上に載置され、高周波回路が収容されたパッケージ容器１４に、ヘリウムガスを導入するための配管１８及びヘリウムガスを排出するための配管３４が接続されており、パッケージ容器１４内にヘリウムガスが導入されるようになっていることに特徴がある。
【００５６】
パッケージ容器１４内にヘリウムガスが導入されることにより、パッケージ容器１４内に収容された高周波回路は、コールドヘッド１２によるパッケージ容器１４を介した固体熱伝導により冷却されるとともに、ヘリウムガスによる熱伝達によっても冷却される。これにより、パッケージ容器１４内に収容された高周波回路を十分に冷却することができる。回路導体として超伝導体を用いた高周波回路の場合には、クエンチによる発熱を速やかに除去することができ、回路の熱暴走を防止することができる。
【００５７】
本実施形態による高周波回路冷却装置によれば、十分に高周波回路を冷却することができるため、例えば、本実施形態による高周波回路冷却装置により超伝導バンドパスフィルタを冷却しながら動作させた場合に優れたフィルタ特性を得ることができ、パッケージ容器内を真空状態とした場合と比較して、より大きな電力の入力信号が入力された場合においても、優れたフィルタ特性を得ることができる。
【００５８】
また、気体供給部２８からタンク１６を介してパッケージ容器１４へ供給されるヘリウムガスの供給量を適宜制御することにより、パッケージ容器１４内に収容された高周波回路に対する熱伝達を調整することができる。これにより、例えば高周波回路の試験時等において、高周波回路の冷却温度、冷却速度を調整することができる。
【００５９】
また、本実施形態による高周波回路冷却装置は、コールドヘッド１２上に載置され、パッケージ容器１４内に導入されるヘリウムガスを貯蔵するタンク１６を有することにも特徴がある。
【００６０】
タンク１６に貯蔵されたヘリウムガスは、コールドヘッド１２によるタンク１６を介した固体熱伝導により冷却されるため、予め十分に冷却されたヘリウムガスをパッケージ容器１４内に導入することができる。したがって、パッケージ容器１４内に収容された高周波回路を短時間に十分に冷却することができる。
【００６１】
さらに、本実施形態による高周波回路冷却装置は、パッケージ容器１４が、機械的に固定された複数の部品により構成され、複数の部品に分離可能な構造となっており、さらに、配管１８、３４が、パッケージ容器１４に着脱自在にそれぞれ接続され、配管２０、３６に着脱自在にそれぞれ接続されていることにも特徴がある。
【００６２】
このため、配管１８、３４とパッケージ容器１４とを外し、或いは配管１８、３４と他の配管２０、３６とを外し、パッケージ容器１４を複数の部品に分離することにより、パッケージ容器１４内に収容されている高周波回路の交換、保守を容易に行うことができる。
【００６３】
次に、本実施形態による高周波回路冷却装置の動作について図４を用いて説明する。
【００６４】
まず、電磁バルブ３２、バルブ４０を開放した状態で、配管２６、２４を介して、気体供給部２８によりヘリウムガスをタンク１６、及び配管２０、１８を介してタンク１６に接続されたパッケージ容器１４に供給する。これにより、ヘリウムガスの供給前にパッケージ容器１４内に満たされていた気体は配管３４、３６を介して外部に排出され、パッケージ容器１４内は、ヘリウムガスで置換される。
【００６５】
タンク１６内及びパッケージ容器１４内がヘリウムガスで満たされた後、電磁バルブ３２、バルブ４０を一旦閉止する。
【００６６】
次いで、真空ポンプにより真空容器１０内を減圧し、真空容器１０内を所定の真空度の真空状態とする。
【００６７】
次いで、コールドヘッド１２による冷却を開始する。コールドヘッド１２からの熱伝導により、パッケージ容器１４が冷却され、パッケージ容器１４内の高周波回路及びヘリウムガスが冷却されていく。また、タンク１６が冷却され、タンク１６内のヘリウムガスが冷却されていく。
【００６８】
こうして、パッケージ容器１２内に収容された高周波回路が、その動作温度である例えば１００Ｋ以下に冷却される。
【００６９】
動作温度に冷却された高周波回路が動作する間、高周波回路の発熱によるパッケージ容器１４の温度変化を温度センサ５２により検出し、温度モニタ５６によりモニタする。
【００７０】
高周波回路の動作温度の限界を超えた温度が温度モニタ５６によりモニタされると、バルブ制御器６０により、電磁バルブ３２が開放される。これにより、気体供給部２８からタンク１６へ配管２６、２４を介してヘリウムガスが供給される。
【００７１】
気体供給部２８からタンク１６にヘリウムガスが供給されると、タンク１６内の冷却されているヘリウムガスが、配管２０、１８を介してパッケージ容器１４内に導入される。タンク１６内のヘリウムガスは、高周波回路の発熱により温度が上昇したパッケージ容器１４内のヘリウムガスよりも低温に冷却されている。このため、タンク１６内のヘリウムガスがパッケージ容器１４内に導入されることにより、発熱している高周波回路を十分に冷却することができる。ここで、配管３６に設けられたバルブ４０を適宜開放し、パッケージ容器１４内の温度が上昇したヘリウムガスを排出する。
【００７２】
タンク１６内の冷却されたヘリウムガスのすべて又は一部がパッケージ容器１４内に導入され、温度モニタ５６によりモニタされる温度が高周波回路の動作温度の範囲内になった時点で、電磁バルブ３２が閉止される。気体供給部２８から新たに供給されたヘリウムガスにより温度上昇したタンク１６内のヘリウムガスは、コールドヘッド１２により所定の温度に冷却される。
【００７３】
こうして、高周波回路が動作する間、パッケージ容器１４の温度のモニタ結果に基づき、冷却されたタンク１６内のヘリウムガスをパッケージ容器１４内に適宜導入することにより、高周波回路を十分に冷却することができる。
【００７４】
なお、パッケージ容器１４内に収容された高周波回路の動作終了後、高周波回路の交換、保守を行う場合には、コールドヘッド１２による冷却を停止するとともに、真空容器１０内を大気圧に戻す。さらに、電磁バルブ３２、バルブ４０を開放して気体供給部２８によりヘリウムガスをタンク１６内、パッケージ容器１４内に流す。これにより、冷却されていたパッケージ容器１４、パッケージ容器１４内に収容された高周波回路、及びタンク１６を短時間で室温まで昇温することができる。したがって、高周波回路の動作終了後、高周波回路の交換、保守を短時間に行うことができる。
【００７５】
図５（ａ）は、本実施形態による高周波回路冷却装置により高周波回路を冷却しながら動作させて電力テストを行った結果を示すグラフである。
【００７６】
電力テストを行った高周波回路は、図５（ｂ）に示すマイクロストリップ型の共振器（１段フィルタ）とした。すなわち、酸化マグネシウム基板６４上に入出力フィーダ線路６６ａ、６６ｂ、及び入出力フィーダ線路６６ａ、６６ｂに挟まれたディスクパターンの共振素子パターン６８が形成された高周波回路について電力テストを行った。入出力フィーダ線路６６ａ、６６ｂ及び共振素子パターン６８は、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−δ（ＹＢＣＯ）超伝導体膜により構成した。また、共振素子パターンの直径は、１４ｍｍとした。
【００７７】
電力テストでは、上記図５（ｂ）に示す高周波回路をパッケージ容器１４に収容し、パッケージ容器１４をコールドヘッド１２上に載置して動作温度８０Ｋに冷却した。動作温度に冷却された状態で、高周波同軸ケーブル４４ａ、４４ｂを介して高周波回路に共振周波数（４ＧＨｚ）の正弦波を印加し、基本波（印加した正弦波信号の主成分）及びＩＭＤ３（第３次相互変調歪）の出力電力を測定した。
【００７８】
なお、図５のグラフの横軸は、入力電力Ｐｉｎ（真空容器１０の外側での値）を示し、縦軸は、出力電力（真空容器１０の外側での値）を示している。また、●で示す基本波のプロットは、本実施形態による高周波回路冷却装置によりパッケージ容器１４内にヘリウムガスを導入した場合に得られたものである。また、▲で示す基本波のプロットは、パッケージ容器１４内を真空状態とした場合に得られたものである。また、○で示すＩＭＤ３のプロットは、本実施形態による高周波回路冷却装置によりパッケージ容器１４内にヘリウムガスを導入した場合に得られたものである。また、△で示すＩＭＤ３のプロットは、パッケージ容器１４内を真空状態とした場合に得られたものである。
【００７９】
図５に示すプロットの比較から明らかなように、本実施形態による高周波回路冷却装置によりパッケージ容器１４内にヘリウムガスを導入した場合の方が、パッケージ容器１４内を真空状態とした場合と比較して、大きな入力電力Ｐｉｎの値に対して、ブレークダウン電力（ハンドリング電力）が大きいことが分かる。また、本実施形態による高周波回路冷却装置によりパッケージ容器１４内にヘリウムガスを導入した場合の方が、パッケージ容器１４内を真空状態とした場合と比較して、ＩＭＤ３波に対して、同じ入力電力Ｐｉｎの値に対して良好な低い歪を示していることが分かる。
【００８０】
上記電力テストの結果から、本実施形態による高周波回路冷却装置によれば、高周波回路を十分に冷却することができ、高周波回路の特性を向上することができることが確認された。
【００８１】
このように、本実施形態によれば、コールドヘッド１２上に載置され、高周波回路が収容されたパッケージ容器１４に、ヘリウムガスが導入されるので、パッケージ容器１４内に収容された高周波回路を、コールドヘッド１２によるパッケージ容器１４を介した固体熱伝導により冷却するとともに、ヘリウムガスによる熱伝達によっても冷却することができる。これにより、パッケージ容器１４内に収容された高周波回路を十分に冷却することができる。
【００８２】
また、本実施形態によれば、気体供給部２８からタンク１６を介してパッケージ容器１４へ供給されるヘリウムガスの供給量を適宜制御することにより、パッケージ容器１４内に収容された高周波回路に対する熱伝達を調整することができる。これにより、例えば高周波回路の試験時等において、高周波回路の冷却温度、冷却速度を調整することができる。
【００８３】
また、本実施形態によれば、コールドヘッド１２上に載置されたタンク１６内に、パッケージ容器１４内に導入されるヘリウムガスを貯蔵するので、コールドヘッド１２により予め十分に冷却されたヘリウムガスをパッケージ容器１４内に導入することができる。したがって、パッケージ容器１４内に収容された高周波回路を短時間に十分に冷却することができる。
【００８４】
さらに、本実施形態によれば、パッケージ容器１４が、機械的に固定された複数の部品により構成され、複数の部品に分離可能な構造となっており、さらに、配管１８、３４が、パッケージ容器１４に着脱自在にそれぞれ接続され、他の配管２０、３６に着脱自在にそれぞれ接続されているので、配管１８、３４とパッケージ容器１４とを外し、或いは配管１８、３４と他の配管２０、３６とを外し、パッケージ容器１４を複数の部品に分離することにより、パッケージ容器１４内に収容されている高周波回路の交換、保守を容易に行うことができる。
【００８５】
［変形実施形態］
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
【００８６】
例えば、上記実施形態では、パッケージ容器１４内に導入する気体としてヘリウムガスを用いる場合について説明したが、パッケージ容器１４内に導入する気体は、ヘリウムガスに限定されるものではない。パッケージ容器１４内に導入する気体としては、ヘリウムガスのほか、例えば、窒素ガス、アルゴンガス、ネオンガス等の不活性ガスを用いることができる。但し、パッケージ容器１４内に導入する気体は、高周波回路の冷却温度で液化、凝固しない物質よりなるものを選択する必要がある。
【００８７】
また、上記実施形態では、コールドヘッド１２上に１個のパッケージ容器１４を載置する場合について説明したが、コールドヘッド１２上に複数個のパッケージ容器１４を載置してもよい。この場合において、複数のパッケージ容器１４のそれぞれについて、上記と同様にして、パッケージ容器１４内に導入するガスを貯蔵するタンク１６を接続してもよいし、複数個のパッケージ容器１４を１個のタンク１６に対して配管を介して直列又は並列に接続してもよい。
【００８８】
また、上記実施形態では、コールドヘッド１２上にパッケージ容器１４及びタンク１６を載置する場合について説明したが、必ずしもこれらはコールドヘッド１２上に載置されている必要はなく、パッケージ容器１４及びタンク１６は、コールドヘッド１２に接触し、熱伝導により冷却されるようになっていればよい。
【００８９】
また、上記実施形態では、高周波回路として４ＧＨｚ帯付近に通過周波数を有する送信用超伝導バンドパスフィルタがパッケージ容器１４内に収容されている場合について説明したが、本発明は、低温で動作する高周波回路や、動作時に発熱を伴う可能性のある高周波回路のように冷却の必要なあらゆる高周波回路を冷却する場合に適用することができる。
【００９０】
また、上記実施形態では、コールドヘッド１２、パッケージ容器１４及びタンク１６が真空容器１０内に収容されている場合について説明したが、パッケージ容器１４内に収容された高周波回路の冷却温度等に応じて、コールドヘッド１２、パッケージ容器１４及びタンク１６を真空容器１０内に収容しなくてもよい。
【００９１】
また、上記実施形態では、パッケージ容器１４に温度センサ５２を付設する場合について説明したが、パッケージ容器１４に収容された高周波回路の基板に直接温度センサ５２を付設してもよい。温度センサ５２は、パッケージ容器１４付近に設けられ、パッケージ容器１４内に収容された高周波回路の温度を間接的又は直接的にモニタすることができればよい。
【００９２】
以上詳述したとおり、本発明の特徴をまとめると以下の通りとなる。
【００９３】
（付記１）  高周波回路を収容するパッケージ容器と、
前記パッケージ容器内に導入される気体を貯蔵するタンクと、
前記パッケージ容器及び前記タンクを冷却する冷却部と、
前記タンクに接続され、前記タンクに気体を供給するための第１の配管と、
前記タンクと前記パッケージ容器との間に着脱自在に接続され、前記タンク内の前記気体を前記パッケージ容器内に導入するための第２の配管と、
前記パッケージ容器に着脱自在に接続され、前記パッケージ容器内の前記気体を排出するための第３の配管と
を有することを特徴とする高周波回路冷却装置。
【００９４】
（付記２）  付記１記載の高周波回路冷却装置において、
前記冷却部、前記パッケージ容器及び前記タンクを収容する真空容器を更に有する
ことを特徴とする高周波回路冷却装置。
【００９５】
（付記３）  付記１又は２記載の高周波回路冷却装置において、
前記パッケージ容器は、金属よりなる
ことを特徴とする高周波回路冷却装置。
【００９６】
（付記４）  付記３記載の高周波回路冷却装置において、
前記パッケージ容器は、銅、アルミニウム、アルミニウム合金、又は鉄−ニッケル基合金よりなる
ことを特徴とする高周波回路冷却装置。
【００９７】
（付記５）  付記１又は２記載の高周波回路冷却装置において、
前記パッケージ容器は、セラミックスよりなる容器と、前記容器の内壁に形成された金属膜を有する
ことを特徴とする高周波回路冷却装置。
【００９８】
（付記６）  付記５記載の高周波回路冷却装置において、
前記容器は、アルミナ、ジルコニア、部分安定化ジルコニア、又は安定化ジルコニアよりなり、
前記金属膜は、金、銀、又は銅よりなる
ことを特徴とする高周波回路冷却装置。
【００９９】
（付記７）  付記１乃至６のいずれかに記載の高周波回路冷却装置において、
前記第２の配管と前記パッケージ容器との接続部、及び前記第３の配管と前記パッケージ容器との接続部は、メタルシールによりシーリングされている
ことを特徴とする高周波回路冷却装置。
【０１００】
（付記８）  付記１乃至７のいずれかに記載の高周波回路冷却装置において、
前記パッケージ容器及び／又は前記タンクは、熱伝導性を有する固体媒体を介して前記冷却部と接触している
ことを特徴とする高周波回路冷却装置。
【０１０１】
（付記９）  付記８記載の高周波回路冷却装置において、
前記固体媒体は、炭化水素系グリース、シート状インジウム、又はグラファイトである
ことを特徴とする高周波回路冷却装置。
【０１０２】
（付記１０）  付記１乃至９のいずれかに記載の高周波回路冷却装置において、
前記タンクに前記気体を供給する気体供給部と、
前記パッケージ容器付近に設けられ、前記パッケージ容器付近の温度を検出する温度センサと、
前記温度センサによる前記パッケージ容器付近の温度の検出結果に基づき、前記気体供給部による前記タンクへの前記気体の供給を制御する制御部とを更に有する
ことを特徴とする高周波回路冷却装置。
【０１０３】
（付記１１）  付記１乃至１０のいずれかに記載の高周波回路冷却装置において、
前記気体は、ヘリウムガス、窒素ガス、アルゴンガス、又はネオンである
ことを特徴とする高周波回路冷却装置。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】本発明の第１実施形態による高周波回路冷却装置の構造を示す斜視図である。
【図２】パッケージ容器を取り外した状態の本発明の第１実施形態による高周波回路冷却装置の構造を示す斜視図である。
【図３】本発明の第１実施形態による高周波回路冷却装置における配管接続部のメタルシールの構造を示す概略図である。
【図４】本発明の第２実施形態による高周波回路冷却装置の構造を示す断面図である。
【図５】本発明の第２実施形態による高周波回路冷却装置により高周波回路を冷却しながら動作させて電力テストを行った結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１０５】
１０…真空容器
１２…コールドヘッド
１２ａ…穴
１１…真空シール用ネジ
１４…パッケージ容器
１４ａ…貫通穴
１６…タンク
１８…配管
２０…配管
２２…メタルシール
２２ａ、２２ｂ…金属フランジ
２２ｃ…穴
２２ｄ…溝
２４…配管
２６…配管
２８…気体供給部
３０…メタルシール
３２…電磁バルブ
３４…配管
３６…配管
３８…メタルシール
４０…バルブ
４２ａ、４２ｂ…高周波同軸コネクタ
４４ａ、４４ｂ…高周波同軸ケーブル
４６ａ、４６ｂ…高周波同軸コネクタ
４８…ハーメチックシール
５０…ハーメチックシール
５２…温度センサ
５４…配線
５６…温度モニタ
５８…ハーメチックシール
６０…バルブ制御器
６４…酸化マグネシウム基板
６６ａ、６６ｂ…入出力フィーダ線路
６８…共振素子パターン
【図１】
2005333387.tif 000003
【図２】
2005333387.tif 000004
【図３】
2005333387.tif 000005
【図４】
2005333387.tif 000006
【図５】
2005333387.tif 000007