(57)【要約】      （修正有）【課題】冷凍機を用いて、超高性能精密機器などの物品に振動を与えることなく、極低温まで冷却する。【解決手段】冷凍機のコールドエンド３６を円板状に形成し、このコールドエンドの主面上に対をなす冷凍管３１，３２同士を結ぶ線が略直交するようにして２対の冷凍管を配置し、一方の対の冷凍管に高圧のガスを供給し、他方の対の冷凍管に低圧のガスを供給してコールドエンド上に不動点を形成し、この不動点上に部品３９を取り付けて、前記物品の冷却を行う。【選択図】        図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷凍機のコールドエンドの不動点上に部品を取り付けて、前記物品の冷却を行うことを特徴とする、冷凍機を用いた物品の冷却方法。
【請求項２】
前記コールドエンドは略円形状を呈し、前記不動点は前記コールドエンドの略直径上に形成することを特徴とする、請求項１に記載の冷凍機を用いた物品の冷却方法。
【請求項３】
前記不動点は、前記コールドエンドの略中心に形成することを特徴とする、請求項２に記載の冷凍機を用いた物品の冷却方法。
【請求項４】
２対の冷凍管を、対をなす冷凍管同士を結ぶ線が略直交するようにして前記コールドエンドに接続し、一方の対の冷凍管に高圧のガスを供給し、他方の対の冷凍管に低圧のガスを供給するようにして、前記不動点を前記コールドエンド上に形成するようにしたことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載の冷凍機を用いた物品の冷却方法。
【請求項５】
前記コールドエンドは高剛性材料から構成し、前記高圧ガスと前記低圧ガスとの供給位相差を１８０°にすることにより、前記コールドエンドの振動を抑制し、前記コールドエンドの全面に不動点を形成することを特徴とする、請求項４に記載の冷凍機を用いた物品の冷却方法。
【請求項６】
２対の冷凍管と、これらの冷凍管が接続されてなるコールドエンドとを具え、
前記２対の冷凍管は、対をなす冷凍管同士を結ぶ線が略直交するようにして前記コールドエンドに接続され、一方の対の冷凍管に高圧のガスが供給され、他方の対の冷凍管に低圧のガスが供給されるようにして、前記コールドエンド上に不動点を形成するようにしたことを特徴とする、冷凍機。
【請求項７】
前記コールドエンドは略円形状を呈し、前記不動点は前記コールドエンドの略直径上に形成することを特徴とする、請求項６に記載の冷凍機。
【請求項８】
前記不動点は、前記コールドエンドの略中心に形成することを特徴とする、請求項７に記載の冷凍機。
【請求項９】
前記コールドエンドは高剛性材料から構成され、前記高圧ガスと前記低圧ガスとの供給位相差を１８０°にすることにより、前記コールドエンドの振動を抑制し、前記コールドエンドの全面に不動点を形成することを特徴とする、請求項８に記載の冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷凍機を用いた物品の冷却方法、及び冷凍機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＴ通信分野の超電導フィルタ、医療分野の超伝導ＭＲＩ、及び基礎科学の分野などでは、高精度電子顕微鏡、高感度のサブミリ波や赤外線に対する検出器などの超高性能精密機器の熱攪乱を排除するために冷却は必須の要件である。このような超高性能精密機器の冷却には、液化ガスや小型冷却器などが用いられてきた。近年、小型冷凍機は達成可能な温度域が拡大し、従来は液体ヘリウムなどの極低温寒剤でしか実現できなかった４Ｋ以下までスイッチひとつで得られるようになった。
【０００３】
図１は、従来のＧＭ（Ｇｉｆｆｏｒｄ  ＭｃＭａｈｏｎ）型の冷凍機の構成を示す概略図である。図１に示す冷凍機１０は、コンプレッサ１１と、冷凍機コールドヘッド１２とを有している。冷凍機コールドヘッド１２内には、蓄冷器１３及びディスプレーサ１４が設けられており、下部にはコールドエンド１６が設けられている。蓄冷機２３とパルス管２４をあわせて冷凍管と呼ぶコンプレッサ１１からは高圧及び低圧のガスがフレキシブルホース１５を通り、切り替えバルブ１７を介して冷凍機本体１２に交互に送られ、冷凍機コールドヘッド１２内で圧縮及び膨脹が繰り返される。
【０００４】
ディスプレーサ１４ではモータ１８を駆動させることにより、ガスの膨脹によって生じた寒冷を次回の膨脹に重ね合わせるようにしている。周期的な膨脹を経ることによって生成された寒冷は蓄冷器１３内に蓄積され、この結果、コールドエンド１６が極低温にまで冷却される。そして、冷却すべき物品をコールドエンド１６に接触させることにより、前記物品の冷却を行う。
【０００５】
図２は、従来のパルス管型の冷凍機の構成を示す概略図である。図２に示す冷凍機２０は、コンプレッサ２１と、冷凍機コールドヘッド２２とを有している。冷凍機コールドヘッド２２内には、蓄冷器２３及びパルス管２４が設けられており、下部にはコールドエンド２６が設けられている。蓄冷機２３とパルス管２４をあわせて冷凍管と呼ぶコンプレッサ２１からは高圧及び低圧のガスがフレキシビルホース２５を通り、切り替えバルブ２７を介して冷凍機コールドヘッド２２に交互に送られ、冷凍機本体２２内で圧縮及び膨脹が繰り返される。
【０００６】
パルス管２４では、連続して設けられたバッファタンク２８にオリフィス２９を通して出入りするガスのタイミングを調節することで、膨脹によって生じた寒冷を次回の膨脹に重ね合わせるようにしている。周期的な膨脹を経ることによって生成された寒冷は蓄冷器２３内に蓄積され、この結果、コールドエンド２６が極低温にまで冷却される。そして、冷却すべき物品をコールドエンド１６に接触させることにより、前記物品の冷却を行う。
【０００７】
【解決しようとする課題】
上述したＧＭ型冷凍機及びパルス管型冷凍機のいずれにおいても、コンプレッサ１１及び２１からは、冷凍機本体１２及び２２内を高圧及び低圧のガスが循環するようになるので、これによってコールドエンド１６及び２６には、長手方向において約１０μｍ程度の振幅で避けることのできない振動が生じる。しかしながら、上述した超高性能精密機器における振動の許容範囲はサブミクロンのレベルであり、上述した比較的大きな振動が印加されると内部構造や制御性が破壊されたりすることによって、前記機器が機能不全に陥る場合がある。
【０００８】
本発明は、上述した超高性能精密機器などの物品に振動を与えることなく、極低温まで冷却することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく、本発明は、
冷凍機のコールドエンドの不動点上に部品を取り付けて、前記物品の冷却を行うことを特徴とする、冷凍機を用いた物品の冷却方法に関する。
【００１０】
本発明者らは上記目的を達成すべく鋭意検討を実施した。その結果、以下の事実を見出すに至った。
【００１１】
コールドエンドを円板状に形成し、このコールドエンドの主面上に、対をなす冷凍管同士を結ぶ線が略直交するようにして２対の冷凍管を配置し、一方の対の冷凍管に高圧のガスを供給し、他方の対の冷凍管に低圧のガスを供給するようにすると、前記コールドエンドは図３に示すように変化する。図３から明らかなように、前記コールドエンド全体の形状は経時的に変化するが、略直径方向、特に略中心部分においては前記コールドエンドがほとんど変化せずに不動であることを見出した。
【００１２】
したがって、前記コールドエンドの不動部分に不動点を設定し、この部分を利用して所定の物品を冷却するようにすれば、前記物品に対してほとんど振動を与えることなく極低温まで冷却することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を発明の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図４は、本発明の冷凍機の一例を示す構成図であり、図５は、図４に示す冷凍機における冷凍管の、コールドエンドに対する接続状態を示す図である。なお、図４において、コンプレッサは省略し、冷凍機コールドヘッドのみを示している。
【００１４】
図４に示す冷凍機コールドヘッド３０は、２対の冷凍管３１及び３２と、これら冷凍管が接続されたコールドエンド３６とを有している。３１及び３２の下部にはコールドエンド３６が設けられている。
【００１５】
図５に示すように、冷凍管３１及び３２は、対をなす冷凍管３１同士を結ぶ線Ｘと、対をなす冷凍管３２同士を結ぶ線Ｙとが略直交するようにして、コールドエンド３６に接続されている。そして、冷凍管３１に高圧のガスを供給し、冷凍管３２に低圧のガスを供給するようにしている。コールドエンド３６の、高圧ガスが負荷された部分は下方に変形し、低圧のガスが負荷された部分は上方に変形するようになる。
【００１６】
しかしながら、上下に変形する部分の中間の直径Ｚに相当する部分はほとんど変形せず、特に中心Ｏはほとんど変形しなくなる。したがって、直径Ｚ上には不動点が形成される。図４に示す冷凍機本体３０では、不動点である中心Ｏに取り付け部３９を設けている。この結果、取り付け部３９に所定の物品を取り付けることにより、前記物品に対してほとんど振動を負荷することなく、冷却することができるようになる。
【００１７】
また、冷凍機３１に対するガス供給と、冷凍機３２に対するガス供給との供給位相差を１８０°に設定し、コールドエンド３６を十分な肉厚を持たせたタングステンカーバイドなどの高剛性材料から構成すれば、コールドエンド３６自体の振動を抑制することができ、コールドエンド３６の全面に不動点を形成することができる。
【００１８】
以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、超高性能精密機器などの物品に振動を与えることなく、極低温まで冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のＧＭ（Ｇｉｆｆｏｒｄ  ＭｃＭａｈｏｎ）型の冷凍機の構成を示す概略図である。
【図２】従来のパルス管型の冷凍機の構成を示す概略図である。
【図３】本発明の冷凍機におけるコールドエンドの変形態様のイメージ図である。
【図４】本発明の冷凍機コールドヘッドの一例を示す構成図である。
【図５】図４に示す冷凍機コールドヘッドにおける冷凍管の、コールドエンドに対する接続状態を示す図である。
【符号の説明】
１１、２１  コンプレッサ
１２、２２  冷凍機コールドヘッド
１３、２３  冷凍管（ディスプレーサー）
１４  ディスプレーサ
１５、２５  フレキシブルホース
１６、２６、３６  コールドエンド
１７、２７  切り替えバルブ
１８  モータ
２４  冷凍管（パルス管）
２８  バッファタンク
２９  オリフィス
３０  冷凍機コールドヘッド
３１、３２  冷凍管
３９  物品取り付け部
【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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