(57)【要約】低温動作物品の冷却装置は冷凍機と冷凍機に設けられたコールドヘッドとを有する。第１のペルチェ素子がコールドヘッドに熱接触して固定され、第２のペルチェ素子がコールドヘッドに熱接触して固定される。第１の物品が第１のペルチェ素子に熱接触して配置可能であり、第２の物品が第２のペルチェ素子に熱接触して配置可能である。コールドヘッドは冷凍機によって低温にされ、第１の物品と第２の物品とはそれぞれ第１のペルチェ素子と第２のペルチェ素子によってさらに温度制御され、異なった温度で冷却される。
2004088216.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷凍機と、該冷凍機に設けられたコールドヘッドと、該コールドヘッドに熱接触して固定された第１のペルチェ素子と、該コールドヘッドに熱接触して固定された第２のペルチェ素子とを備え、第１の物品が該第１のペルチェ素子に熱接触して配置可能であり、第２の物品が該第２のペルチェ素子に熱接触して配置可能であり、該第１の物品と該第２の物品とが異なった温度で冷却されるようにしたことを特徴とする低温動作物品の冷却装置。
【請求項２】
該第１のペルチェ素子及び該第２のペルチェ素子はそれぞれの吸熱面が該コールドヘッドに向くように配置され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】
該第１のペルチェ素子に熱接触された第１の物品の温度を検出するセンサと、該第２のペルチェ素子に熱接触された第２の物品の温度を検出するセンサとを備えることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
【請求項４】
該コールドヘッドとは反対側の該第１のペルチェ素子の表面に第１の金属のブロックが設けられ、第１の物品は該第１の金属のブロックを介して該第１のペルチェ素子に取りつけられ、該コールドヘッドとは反対側の該第２のペルチェ素子の表面に第２の金属のブロックが設けられ、第２の物品は該第２の金属のブロックを介して該第２のペルチェ素子に取りつけられ、該センサは該第１及び第２の金属のブロックの各々に配置されることを特徴とする請求項３に記載の冷却装置。
【請求項５】
該第１及び第２の金属のブロックの各々にヒータが配置されることを特徴とする請求項４に記載の冷却装置。
【請求項６】
該コールドヘッドと該第１及び第２の金属のブロックの少なくとも一つとの間に該第１及び第２のペルチェ素子の対応する少なくとも一つと並列に低熱伝導性の構造物が介在されることを特徴とする請求項４に記載の冷却装置。
【請求項７】
該コールドヘッドと該第１及び第２のペルチェ素子との間に第３の金属ブロックが設けられ、該コールドヘッドと該第３の金属のブロックとの間に低温で可塑性を有する材料のシートが配置されることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
【請求項８】
第３の金属のブロックにヒータが配置されることを特徴とする請求項７に記載の冷却装置。
【請求項９】
該コールドヘッド及び該第１及び第２のペルチェ素子を収容する真空容器と、該真空容器の外部に配置された制御装置とを備え、該第１及び第２のペルチェ素子の配線は該真空容器の内部から該真空容器の外部へ気密性よく引き出され、該制御装置に接続されることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
【請求項１０】
該第１及び第２のペルチェ素子はＰＮ接合を有していることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
【請求項１１】
該第１及び第２の物品は超伝導体を含むことを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
【請求項１２】
該第１及び第２の物品は高周波回路又は高速デジタル回路を構成することを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は例えば１００Ｋ以下の温度で動作する複数の物品の冷却装置に関する。特に、本発明は複数の電子デバイスや電子回路ユニットを独立的に微調整された温度で冷却することのできる冷却装置に関する。
【背景技術】  例えば１００Ｋ以下の温度で動作する超伝導体を冷却するために、パルスチューブ冷凍機やスターリング冷凍機等の冷凍機が使用される。例えば特開２００１−１４４６３５号公報はパルスチューブ冷凍機を用いて無線受信機を冷却することを開示している。この無線受信機は、受信帯域フィルタと受信低雑音増幅器とを含む。さらに、この公報では、ペルチェ素子が冷凍機に固定され、受信帯域フィルタと受信低雑音増幅器はペルチェ素子に固定されて、無線受信機を冷凍機が生成する低温よりもさらに低温に冷却するようになっている。これによって、冷凍機の冷却能力を増加させることなく、無線受信機の発生する熱を奪い、無線受信機をより低い温度で動作させることができる。
最近、超伝導体を含む回路装置の温度を低温にするとともにその低温を精密に制御する要求が生じている。特に、１つの回路装置内に複数の電子デバイス又は電子回路ユニットがある場合、それらの電子デバイス又は電子回路ユニットを互いに異なり且つ互いに近接した温度で冷却する要求が生じた。
この要求を満足するためには、多段の冷凍機を使用したり、複数の冷凍機を用いることが必要になる。例えば、２段式の冷凍機を使用する場合には、クライオスタット等の真空空間において、１段目の冷却端（コールドヘッド）は２０Ｋ程度の温度、２段目のコールドヘッドは７０Ｋ程度の温度にして、第１の被冷却物品を１段目のコールドヘッドに設置し、第２の被冷却物品を２段目のコールドヘッドに設置する。温度センサやヒータが必要に応じて設けられ、温度センサやヒータの配線は真空容器の外部に引き出され、真空容器の外部に配置された制御装置に接続される。このようにして、第１の被冷却物品及び第２の被冷却物品をそれぞれ所望の温度に制御する。
複数の冷凍機を用いる場合には、複数の被冷却物品と同数の冷凍機を設け、複数の被冷却物品をそれぞれの冷凍機で冷却する。この場合にも、多段式冷凍機の場合と同様に、必要に応じて温度センサやヒータを設け、制御装置により、複数の被冷却物品をそれぞれ所望の温度に制御する。
これらの方法では、複数の被冷却物品を異なる温度で冷却するために、複雑な構造の冷凍機を用いたり、複数の冷凍機を用いたりするために、全体の構造が複雑になり、クライオスタットのスペースを拡大することが必要になる。また、複数の被冷却物品を近接した位置におきたい場合に、不便なことが多い。また、必要な冷却温度の差が５〜３０Ｋ程度と小さい場合でも、複雑な構造の冷却装置を使用しなければならず、被冷却物品の配置が制約を受けやすい。
【発明の開示】
本発明の目的は、例えば１００Ｋ以下の温度で動作する複数の物品を互いに異なり且つ互いに近接した温度で精密に冷却することができる低温動作物品の冷却装置を提供することである。
本発明による低温動作物品の冷却装置は、冷凍機と、該冷凍機に設けられたコールドヘッドと、該コールドヘッドに熱接触して固定された第１のペルチェ素子と、該コールドヘッドに熱接触して固定された第２のペルチェ素子とを備え、第１の物品が該第１のペルチェ素子に熱接触して配置可能であり、第２の物品が該第２のペルチェ素子に熱接触して配置可能であり、該第１の物品と該第２の物品とが異なった温度で冷却されるようにしたことを特徴とする。
この構成によれば、コールドヘッドは冷凍機によって低温にされ、第１の物品と第２の物品とはそれぞれ第１のペルチェ素子と第２のペルチェ素子によってさらに温度制御され、異なった温度で冷却される。従って、高周波回路部品や高速デジタル回路部品等の複数の被冷却物品を互いに異なり且つ互いに近接した温度で精密に冷却することができる。
【図面の簡単な説明】  図１は本発明の実施例による低温動作物品の冷却装置を示す概要図である。
図２は図１のコールドヘッドを含む部分の拡大詳細図である。
図３は本発明が適用される高周波受信信号デジタル変換−復調装置の例を示す図である。
図４は図３の高周波デジタル変換装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】  図１は本発明の実施例による低温動作物品の冷却装置を示す図である。冷却装置１０はクライオスタットを構成する真空容器１２及び冷凍機１４（２０，２２，１８，１６等から成る）を含む。冷凍機１４は例えばパルスチューブ冷凍機からなる。パルスチューブ冷凍機以外のその他の冷凍機、例えばスターリング冷凍機を用いることもできる。冷凍機１４はコンプレッサ１６、膨張器１８及び膨張器１８の一部である柱状の支柱２０を含む。コンプレッサ１６は膨張器１８の内部に挿入されたヘリウムガス等のガスを振動させ、柱状の支柱２０におけるガスの膨張収縮作用により低温が生成される。
柱状の支柱２０の先端には冷却端（コールドヘッド）２２が設けられている。第１のペルチェ素子２４がコールドヘッド２２に熱接触して固定され、第２のペルチェ素子２６がコールドヘッド２２に熱接触して固定されている。第１のペルチェ素子２４と第２のペルチェ素子２６とは共通のコールドヘッド２２に近接した位置で配置される。この例の冷却装置１０は２つの物品を冷却するように構成されているが、ペルチェ素子の数を増加することによって２つ以上の物品を冷却することができることは明らかであろう。
第１の物品２８は第１のペルチェ素子２４に熱接触して固定され、第２の物品３０は第２のペルチェ素子２６に熱接触して固定されるようになっている。例えば、第１の物品２８及び第２の物品３０は各々直方体形状の外観を有し、高さ１〜５ｃｍ、幅及び奥行きはそれぞれ２〜１０ｃｍ程度ある。第１のペルチェ素子２４及び第２のペルチェ素子２６は各々平板状の形状を有し、厚さ０．１〜１ｃｍで、０．５〜５ｃｍの角程度のサイズである。
冷凍機１４の柱状の支柱２０、コールドヘッド２２、第１のペルチェ素子２４、第２のペルチェ素子２６、第１の物品２８、および第２の物品３０は、真空容器１２の内部に収容されている。制御装置３２は真空容器１２の外部に配置される。冷凍機１４、第１のペルチェ素子２４および第２ペルチェ素子２６は制御装置３２によって図示しない温度センサの出力に応じて制御される。この際、コールドヘッド２２は冷凍機１４によって低温にされ、第１の物品２８と第２の物品３０とはそれぞれ第１のペルチェ素子２４と第２のペルチェ素子２６によってさらに温度制御されて異なった温度で冷却される。従って、高周波回路部品や高速デジタル回路部品等の複数の被冷却物品を互いに異なり且つ互いに近接した温度で精密に冷却することができる。
図３は本発明が適用される高周波受信信号デジタル変換−復調装置の例を示す図である。図３において、高周波受信信号デジタル変換−復調装置は、受信したＲＦ信号を入力するＲＦ信号デジタル変換装置３４と、ＲＦ信号デジタル変換装置３４に接続された復調回路３６とを含む。図４は図３のＲＦ信号デジタル変換装置３４を示す図である。図４において、ＲＦ信号デジタル変換装置３４は、低雑音高周波増幅器（ＬＮＡ）３８と、超伝導ＡＤＣ４０とを含む。超伝導ＡＤＣ４０は高温超伝導ＳＦＱ回路を用いたＡＤＣ（アナログ−デジタル信号変換器）であり、ＬＮＡ３８は低温においてノイズが小さくなる特性を有する。超伝導ＡＤＣ４０は図１の第１の物品２８に相当し、ＬＮＡ３８は図１の第２の物品３０に相当する。なお、本発明は高周波受信装置に適用されるばかりでなく、その他の超伝導体を用いた装置や、半導体を用いた高周波回路又は高速デジタル回路にも適用される。
図２は図１のコールドヘッドを含む部分の拡大詳細図である。支持プレート（金属のブロック）４２が厚さ０．１〜０．２ｍｍのインジウムシート（Ｉｎシート）４４を介してコールドヘッド２２に固定されている。支持プレート４２の内部にはヒータ４６と温度センサ４８が埋設されている。ヒータ４６はリード線４６ａに接続され、温度センサ４８はリード線４８ａに接続される。リード線４６ａ，４８ａは真空容器１２（図１）の内部から気密性よく真空容器１２の外部へ引き出され、制御装置３２に接続される。
支持プレート４２は冷凍機１４により冷却されて、その温度は概略設定値近くになる。支持プレート４２の温度は温度センサ４８によって検出され、ヒータ４６によって設定値に調節される。Ｉｎシート４４は低温において可塑性を有し、常温において使用されるサーマルグリースのようにコールドヘッド２２と支持プレート４２との熱接触を向上させる。Ｉｎシート４４の変わりにグラファイトシート等の同様の作用をもったシートを使用することができる。また、図２では示されていないが、Ｉｎシート４４と同様のシートがその他の部材間の接合部に使用されることができる。
第１のペルチェ素子２４及び第２のペルチェ素子２６は支持プレート４２に固定され、その結果、支持プレート４２を介してコールドヘッド２２に熱接触される。第１のペルチェ素子２４は２本のリード線２４ａに接続され、第２のペルチェ素子２６は２本のリード線２６ａに接続される。第１及び第２のペルチェ素子２４，２６はＰＮ接合を有する。第１及び第２のペルチェ素子２４，２６の各々は、電流を流すと、一方の表面が吸熱面（低温面）となり、他方の表面が発熱面（高温側）になる。好ましくは、第１のペルチェ素子２４及び第２のペルチェ素子２６は、それぞれの吸熱面が支持プレート４２に固定され、従って、吸熱面がコールドヘッド２２に熱接触されるように配置される。この場合、第１の物品２８及び第２の物品２８の温度は支持プレート４２の温度より高くなる。
第１の金属のブロック５０がコールドヘッド２２とは反対側の第１のペルチェ素子２４の表面（発熱面）に設けられ、第１の物品２８は第１の金属のブロック５０を介して第１のペルチェ素子２４に取りつけられる。第２の金属のブロック５２がコールドヘッド２２とは反対側の第２のペルチェ素子２６の表面（発熱面）に設けられ、第２の物品３０は第２の金属のブロック５２を介して第２のペルチェ素子２６に取りつけられる。第１の金属のブロック５０及び第２の金属のブロック５２はそれぞれ第１の物品２８及び第２の物品２８の支持台として作用する。
筒状のスペーサ５４が第１の物品２８を支持プレート４２に固定するために支持プレート４２と第１の金属のブロック５０との間で第１のペルチェ素子２４と並列に設けられる。実施例では、４個のスペーサ５４が第１のペルチェ素子２４のまわりに設けられる。スペーサ５４と同様のスペーサが第２のペルチェ素子２６のまわりに設けられることができる。実施例では、第１の物品２８が比較的重いので、第１のペルチェ素子２４に過度の負荷がかからないように第１のペルチェ素子２４のまわりに設けられている。
第１の金属のブロック５０の内部にはヒータ５６と温度センサ５８が埋設されている。ヒータ５６はリード線５６ａに接続され、温度センサ５８はリード線５８ａに接続される。同様に、第２の金属のブロック５２の内部にはヒータ６０と温度センサ６２が埋設されている。ヒータ６０はリード線６０ａに接続され、温度センサ６２はリード線６２ａに接続される。リード線２４ａ，２６ａ，５６ａ，５８ａ，６０ａ，６２ａは真空容器１２（図１）の内部から気密性よく真空容器１２の外部へ引き出され、制御装置３２に接続される。ヒータ４６，５６，６０はキャン形状を有し、それらのリード線は２本ずつある。
温度センサ５８は第１のペルチェ素子２４に熱接触された第１の物品２８の温度を検出し、温度センサ６２は第２のペルチェ素子２６に熱接触された第２の物品３０の温度を検出する。第１の物品２８及び第２の物品３０の温度は、支持プレート４２の温度に対して、第１のペルチェ素子２４及び第２のペルチェ素子２６の作用によって調節される。第１のペルチェ素子２４及び第２のペルチェ素子２６の吸熱面が支持プレート４２に固定されているので、第１の物品２８及び第２の物品３０の温度は、支持プレート４２の温度よりも高くなる。そして、第１の物品２８及び第２の物品３０の温度は、必要に応じて、ヒータ５６，６０によって設定値にさらに精密に調節される。
本発明においては、第１の物品２８及び第２の物品３０がそれぞれに第１のペルチェ素子２４及び第２のペルチェ素子２６を介して支持プレート４２に熱接触されているので、第１の物品２８の温度と第２の物品３０の温度は、互いに異なり且つ互いに近接した温度で精密に冷却されることができる。例えば、支持プレート４２の温度が７０Ｋに制御され、第１の物品２８の温度が７５Ｋに制御され、第２の物品３０の温度が７２Ｋに制御されることができる。しかも、従来的な単一の冷凍機１４を使用することができる。
コールドヘッド２２、支持プレート４２、第１の金属のブロック５０、及び第２の金属のブロック５２は銅（無酸素銅）やアルミ等の熱伝導性のよい金属で作られる。各部品間の取りつけは例えばねじで行うことができる。
一方、スペーサ５４は低熱伝導性の材料で作られる。すなわち、熱は支持プレート４２から第１のペルチェ素子２４のみを通って第１の金属のブロック５０へ伝導され、熱がスペーサ５４を通って伝導されないようにするのが望ましい。好ましくは、スペーサ５４は、１００Ｋ以下で３Ｋ以上の範囲の動作温度領域の熱伝導率が１Ｗ／（ｃｍ・Ｋ）以下の材料で作られる。例えば、スペーサ５４は、ステンレス鋼、インバー、コバール、黄銅、Ｔｉ−Ｖ合金、銅−Ｎｉ合金、ＰＩ、アラミド樹脂、ＰＭＭＡ、ＰＴＦＥ、ポリカーボネート、ガラスエポキシ樹脂、ガラスＰＴＦＥ樹脂のグループの中の少なくとも一つ以上又はその複合材料で作られる。
要するに、本発明は、冷凍機１４ないし冷媒によって冷却される冷却端に、複数のペルチェ素子２４，２６の吸熱面を熱接触させ、これらのペルチェ素子２４，２６の発熱面に、複数の被冷却物２８，３０を熱接触して配置するようにして、それぞれの被冷却物２８，３０の近傍に熱接触させた温度センサ５８，６２により個々の温度を検出し、制御装置３２により、個々のペルチェ素子２４，２６を駆動してそれぞれの被冷却物２８，３０が所定の温度になるようにしたものである。
被冷却物２８，３０のベースとなる温度は、冷凍機１４ないし冷媒によって冷却される冷却端の温度制御によって決めることができ、ペルチェ素子２４，２６に電流を流さないときは、断熱真空容器１２の外部からの熱侵入と被冷却物２８，３０の発生する熱や、被冷却物２８，３０と冷却端間の熱抵抗によって左右するが、およそ冷却端より若干高めになる温度（０〜１０Ｋの範囲の温度差）におさえる。
それぞれのペルチェ素子２４，２６を駆動していないときは、真空容器１２の外部との断熱向上や、被冷却物２８，３０の発熱が小さいほど、それぞれの被冷却物２８，３０と冷却端間の温度差をおさえることができる。この温度の状態をベースとして、ペルチェ素子２４，２６の駆動は、所要温度より被冷却物２８，３０の温度が低い場合は、被冷却物側を加熱するように駆動する。
制御装置３２は真空容器１２の外部に設けられ、例えば０．０１°Ｋの分解能の温度制御を行うことができる。冷凍機出力が電気的に変えられるものの場合、ヒータ４６は必ずしも温度制御する必要はない。実施例によれば、第１の物品２８及び第２の物品３０を近接した状態で、コールドヘッド２２のベース温度７０Ｋで０〜５Ｋの範囲の温度差を０．０１Ｋの制御分解能で安定に実現できる。第１の物品２８及び第２の物品３０にそれぞれ共振周波数が温度依存する共振器を内在する場合、互いに独立的に周波数を可変することが可能である。第１の物品２８及び第２の物品３０を互いに近接して配置できるため、伝送損失を低減できる。また、ペルチェ素子２４，２６の吸熱面が冷凍機側の冷却端に熱的に接しているため、第１及び第２のペルチェ素子２４，２６による被冷却物２８，３０の加熱時でも、冷凍機１４の負荷の増加を抑制できる。例えば、ペルチェ素子２４，２６の発熱面が冷凍機側の冷却端に熱的に接していると、支持プレート４２がペルチェ素子２４，２６から熱を受ける。
また、個々の温度センサ４８，５８，６２の計測は、真空容器１２の外部の制御装置３２によって行い、これらの結果から、それぞれ所要の温度制御値になるように第１及び第２のペルチェ素子２４，２６を駆動する。第１及び第２のペルチェ素子２４，２６の駆動は、第１の物品２８及び第２の物品３０の温度が設定温度より低い場合は、第１の物品２８及び第２の物品３０を加熱するように駆動する。また、第１及び第２のペルチェ素子２４，２６、ヒータ４６，５６，６０、及び冷凍機１４の温度制御は、ＰＩＤ制御方式を用い、それぞれにオーバードライブにならないように個々の制御装置の出力にリミッタを設ける。
産業上の利用分野
以上説明したように、本発明によれば、１００Ｋ以下の温度で動作し、複数の電子デバイスや電子回路ユニット等において、個々のこれらのデバイスやユニット等の冷却温度を近接した状態で、温度差を０〜３０°Ｋ程度までに、特に０〜５°Ｋ程度の範囲を制御する冷却装置を実現することができる。
【図１】
2004088216.tif 000003
【図２】
2004088216.tif 000004
【図３】
2004088216.tif 000005
【図４】
2004088216.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成17年3月17日(2005.3.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷凍機と、該冷凍機に設けられたコールドヘッドと、該コールドヘッドに熱接触して固定された第１のペルチェ素子と、該コールドヘッドに熱接触して固定された第２のペルチェ素子とを備え、第１の物品が該第１のペルチェ素子に熱接触して配置可能であり、第２の物品が該第２のペルチェ素子に熱接触して配置可能であり、該第１の物品と該第２の物品とが異なった温度で冷却されるようにしたことを特徴とする低温動作物品の冷却装置。
【請求項２】
該第１のペルチェ素子及び該第２のペルチェ素子はそれぞれの吸熱面が該コールドヘッドに向くように配置され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】
該第１のペルチェ素子に熱接触された第１の物品の温度を検出するセンサと、該第２のペルチェ素子に熱接触された第２の物品の温度を検出するセンサとを備えることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
【請求項４】
該コールドヘッドとは反対側の該第１のペルチェ素子の表面に第１の金属のブロックが設けられ、第１の物品は該第１の金属のブロックを介して該第１のペルチェ素子に取りつけられ、該コールドヘッドとは反対側の該第２のペルチェ素子の表面に第２の金属のブロックが設けられ、第２の物品は該第２の金属のブロックを介して該第２のペルチェ素子に取りつけられ、該センサは該第１及び第２の金属のブロックの各々に配置されることを特徴とする請求項３に記載の冷却装置。
【請求項５】
該コールドヘッドと該第１及び第２の金属のブロックの少なくとも一つとの間に該第１及び第２のペルチェ素子の対応する少なくとも一つと並列に低熱伝導性の構造物が介在されることを特徴とする請求項４に記載の冷却装置。
【請求項６】
該コールドヘッドと該第１及び第２のペルチェ素子との間に第３の金属ブロックが設けられ、該コールドヘッドと該第３の金属のブロックとの間に低温で可塑性を有する材料のシートが配置されることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
【請求項７】
該コールドヘッド及び該第１及び第２のペルチェ素子を収容する真空容器と、該真空容器の外部に配置された制御装置とを備え、該第１及び第２のペルチェ素子の配線は該真空容器の内部から該真空容器の外部へ気密性よく引き出され、該制御装置に接続されることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
【請求項８】
該第１及び第２のペルチェ素子はPN接合を有していることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
【請求項９】
該第１及び第２の物品は超伝導体を含むことを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
【請求項１０】
該第１及び第２の物品は高周波回路又は高速デジタル回路を構成することを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は例えば 100Ｋ以下の温度で動作する複数の物品の冷却装置に関する。特に、本発明は複数の電子デバイスや電子回路ユニットを独立的に微調整された温度で冷却することのできる冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば 100Ｋ以下の温度で動作する超伝導体を冷却するために、パルスチューブ冷凍機やスターリング冷凍機等の冷凍機が使用される。例えば特許文献１はパルスチューブ冷凍機を用いて無線受信機を冷却することを開示している。この無線受信機は、受信帯域フィルタと受信低雑音増幅器とを含む。さらに、この公報では、ペルチェ素子が冷凍機に固定され、受信帯域フィルタと受信低雑音増幅器はペルチェ素子に固定されて、無線受信機を冷凍機が生成する低温よりもさらに低温に冷却するようになっている。これによって、冷凍機の冷却能力を増加させることなく、無線受信機の発生する熱を奪い、無線受信機をより低い温度で動作させることができる。
【０００３】
最近、超伝導体を含む回路装置の温度を低温にするとともにその低温を精密に制御する要求が生じている。特に、１つの回路装置内に複数の電子デバイス又は電子回路ユニットがある場合、それらの電子デバイス又は電子回路ユニットを互いに異なり且つ互いに近接した温度で冷却する要求が生じた。
【０００４】
この要求を満足するためには、多段の冷凍機を使用したり、複数の冷凍機を用いることが必要になる。例えば、２段式の冷凍機を使用する場合には、クライオスタット等の真空空間において、１段目の冷却端（コールドヘッド）は20Ｋ程度の温度、２段目のコールドヘッドは70Ｋ程度の温度にして、第１の被冷却物品を１段目のコールドヘッドに設置し、第２の被冷却物品を２段目のコールドヘッドに設置する。温度センサやヒータが必要に応じて設けられ、温度センサやヒータの配線は真空容器の外部に引き出され、真空容器の外部に配置された制御装置に接続される。このようにして、第１の被冷却物品及び第２の被冷却物品をそれぞれ所望の温度に制御する。
【０００５】
複数の冷凍機を用いる場合には、複数の被冷却物品と同数の冷凍機を設け、複数の被冷却物品をそれぞれの冷凍機で冷却する。この場合にも、多段式冷凍機の場合と同様に、必要に応じて温度センサやヒータを設け、制御装置により、複数の被冷却物品をそれぞれ所望の温度に制御する。
【０００６】
これらの方法では、複数の被冷却物品を異なる温度で冷却するために、複雑な構造の冷凍機を用いたり、複数の冷凍機を用いたりするために、全体の構造が複雑になり、クライオスタットのスペースを拡大することが必要になる。また、複数の被冷却物品を近接した位置におきたい場合に、不便なことが多い。また、必要な冷却温度の差が５〜30Ｋ程度と小さい場合でも、複雑な構造の冷却装置を使用しなければならず、被冷却物品の配置が制約を受けやすい。
【０００７】
【特許文献１】特開2001−144635号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、例えば 100Ｋ以下の温度で動作する複数の物品を互いに異なり且つ互いに近接した温度で精密に冷却することができる低温動作物品の冷却装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明による低温動作物品の冷却装置は、冷凍機と、該冷凍機に設けられたコールドヘッドと、該コールドヘッドに熱接触して固定された第１のペルチェ素子と、該コールドヘッドに熱接触して固定された第２のペルチェ素子とを備え、第１の物品が該第１のペルチェ素子に熱接触して配置可能であり、第２の物品が該第２のペルチェ素子に熱接触して配置可能であり、該第１の物品と該第２の物品とが異なった温度で冷却されるようにしたことを特徴とする。
【００１０】
この構成によれば、コールドヘッドは冷凍機によって低温にされ、第１の物品と第２の物品とはそれぞれ第１のペルチェ素子と第２のペルチェ素子によってさらに温度制御され、異なった温度で冷却される。従って、高周波回路部品や高速デジタル回路部品等の複数の被冷却物品を互いに異なり且つ互いに近接した温度で精密に冷却することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は本発明の実施例による低温動作物品の冷却装置を示す図である。冷却装置10はクライオスタットを構成する真空容器12及び冷凍機14（20，22，18，16等から成る）を含む。冷凍機14は例えばパルスチューブ冷凍機からなる。パルスチューブ冷凍機以外のその他の冷凍機、例えばスターリング冷凍機を用いることもできる。冷凍機14はコンプレッサ16、膨張器18及び膨張器18の一部である柱状の支柱20を含む。コンプレッサ16は膨張器18の内部に挿入されたヘリウムガス等のガスを振動させ、柱状の支柱20におけるガスの膨張収縮作用により低温が生成される。
【００１２】
柱状の支柱20の先端には冷却端（コールドヘッド）22が設けられている。第１のペルチェ素子24がコールドヘッド22に熱接触して固定され、第２のペルチェ素子26がコールドヘッド22に熱接触して固定されている。第１のペルチェ素子24と第２のペルチェ素子26とは共通のコールドヘッド22に近接した位置で配置される。この例の冷却装置10は２つの物品を冷却するように構成されているが、ペルチェ素子の数を増加することによって２つ以上の物品を冷却することができることは明らかであろう。
【００１３】
第１の物品28は第１のペルチェ素子24に熱接触して固定され、第２の物品30は第２のペルチェ素子26に熱接触して固定されるようになっている。例えば、第１の物品28及び第２の物品30は各々直方体形状の外観を有し、高さ１〜５cm、幅及び奥行きはそれぞれ２〜10cm程度ある。第１のペルチェ素子24及び第２のペルチェ素子26は各々平板状の形状を有し、厚さ 0.1〜１cmで、0.5〜５cm の角程度のサイズである。
【００１４】
冷凍機14の柱状の支柱20、コールドヘッド22、第１のペルチェ素子24、第２のペルチェ素子26、第１の物品28、および第２の物品30は、真空容器12の内部に収容されている。制御装置32は真空容器12の外部に配置される。冷凍機14、第１のペルチェ素子24および第２ペルチェ素子26は制御装置32によって図示しない温度センサの出力に応じて制御される。この際、コールドヘッド22は冷凍機14によって低温にされ、第１の物品28と第２の物品30とはそれぞれ第１のペルチェ素子24と第２のペルチェ素子26によってさらに温度制御されて異なった温度で冷却される。従って、高周波回路部品や高速デジタル回路部品等の複数の被冷却物品を互いに異なり且つ互いに近接した温度で精密に冷却することができる。
【００１５】
図３は本発明が適用される高周波受信信号デジタル変換−復調装置の例を示す図である。図３において、高周波受信信号デジタル変換−復調装置は、受信したＲＦ信号を入力するRF信号デジタル変換装置34と、ＲＦ信号デジタル変換装置34に接続された復調回路36とを含む。図４は図３のＲＦ信号デジタル変換装置34を示す図である。図４において、ＲＦ信号デジタル変換装置34は、低雑音高周波増幅器（LNA）38 と、超伝導ADC40 とを含む。超伝導ADC40 は高温超伝導SFQ 回路を用いたADC(アナログ−デジタル信号変換器）であり、LNA38 は低温においてノイズが小さくなる特性を有する。超伝導ADC40 は図１の第１の物品28に相当し、LNA38 は図１の第２の物品30に相当する。なお、本発明は高周波受信装置に適用されるばかりでなく、その他の超伝導体を用いた装置や、半導体を用いた高周波回路又は高速デジタル回路にも適用される。
【００１６】
図２は図１のコールドヘッドを含む部分の拡大詳細図である。支持プレート（金属のブロック）42が厚さ 0.1〜0.2mm のインジウムシート（Inシート）44を介してコールドヘッド22に固定されている。支持プレート42の内部にはヒータ46と温度センサ48が埋設されている。ヒータ46はリード線46ａに接続され、温度センサ48はリード線48ａに接続される。リード線46ａ，48ａは真空容器12（図１）の内部から気密性よく真空容器12の外部へ引き出され、制御装置32に接続される。
【００１７】
支持プレート42は冷凍機14により冷却されて、その温度は概略設定値近くになる。支持プレート42の温度は温度センサ48によって検出され、ヒータ46によって設定値に調節される。Inシート44は低温において可塑性を有し、常温において使用されるサーマルグリースのようにコールドヘッド22と支持プレート42との熱接触を向上させる。Inシート44の代りにグラファイトシート等の同様の作用をもったシートを使用することができる。また、図２では示されていないが、Inシート44と同様のシートがその他の部材間の接合部に使用されることができる。
【００１８】
第１のペルチェ素子24及び第２のペルチェ素子26は支持プレート42に固定され、その結果、支持プレート42を介してコールドヘッド22に熱接触される。第１のペルチェ素子24は２本のリード線24ａに接続され、第２のペルチェ素子26は２本のリード線26ａに接続される。第１及び第２のペルチェ素子24，26はPN接合を有する。第１及び第２のペルチェ素子24，26の各々は、電流を流すと、一方の表面が吸熱面（低温面）となり、他方の表面が発熱面（高温側）になる。好ましくは、第１のペルチェ素子24及び第２のペルチェ素子26は、それぞれの吸熱面が支持プレート42に固定され、従って、吸熱面がコールドヘッド22に熱接触されるように配置される。この場合、第１の物品28及び第２の物品30の温度は支持プレート42の温度より高くなる。
【００１９】
第１の金属のブロック50がコールドヘッド22とは反対側の第１のペルチェ素子24の表面（発熱面）に設けられ、第１の物品28は第１の金属のブロック50を介して第１のペルチェ素子24に取りつけられる。第２の金属のブロック52がコールドヘッド22とは反対側の第２のペルチェ素子26の表面（発熱面）に設けられ、第２の物品30は第２の金属のブロック52を介して第２のペルチェ素子26に取りつけられる。第１の金属のブロック50及び第２の金属のブロック52はそれぞれ第１の物品28及び第２の物品30の支持台として作用する。
【００２０】
筒状のスペーサ54が第１の物品28を支持プレート42に固定するために支持プレート42と第１の金属のブロック50との間で第１のペルチェ素子24と並列に設けられる。実施例では、４個のスペーサ54が第１のペルチェ素子24のまわりに設けられる。スペーサ54と同様のスペーサが第２のペルチェ素子26のまわりに設けられることができる。実施例では、第１の物品28が比較的重いので、第１のペルチェ素子24に過度の負荷がかからないように第１のペルチェ素子24のまわりに設けられている。
【００２１】
第１の金属のブロック50の内部にはヒータ56と温度センサ58が埋設されている。ヒータ56はリード線56ａに接続され、温度センサ58はリード線58ａに接続される。同様に、第２の金属のブロック52の内部にはヒータ60と温度センサ62が埋設されている。ヒータ60はリード線60ａに接続され、温度センサ62はリード線62ａに接続される。リード線24ａ，26ａ，56ａ，58ａ，60ａ，62ａは真空容器12（図１）の内部から気密性よく真空容器12の外部へ引き出され、制御装置32に接続される。ヒータ46，56，60はキャン形状を有し、それらのリード線は２本ずつある。
【００２２】
温度センサ58は第１のペルチェ素子24に熱接触された第１の物品28の温度を検出し、温度センサ62は第２のペルチェ素子26に熱接触された第２の物品30の温度を検出する。第１の物品28及び第２の物品30の温度は、支持プレート42の温度に対して、第１のペルチェ素子24及び第２のペルチェ素子26の作用によって調節される。第１のペルチェ素子24及び第２のペルチェ素子26の吸熱面が支持プレート42に固定されているので、第１の物品28及び第２の物品30の温度は、支持プレート42の温度よりも高くなる。そして、第１の物品28及び第２の物品30の温度は、必要に応じて、ヒータ56，60によって設定値にさらに精密に調節される。
【００２３】
本発明においては、第１の物品28及び第２の物品30がそれぞれに第１のペルチェ素子24及び第２のペルチェ素子26を介して支持プレート42に熱接触されているので、第１の物品28の温度と第２の物品30の温度は、互いに異なり且つ互いに近接した温度で精密に冷却されることができる。例えば、支持プレート42の温度が70Ｋに制御され、第１の物品28の温度が75Ｋに制御され、第２の物品30の温度が72Ｋに制御されることができる。しかも、従来的な単一の冷凍機14を使用することができる。
【００２４】
コールドヘッド22、支持プレート42、第１の金属のブロック50、及び第２の金属のブロック52は銅（無酸素銅）やアルミ等の熱伝導性のよい金属で作られる。各部品間の取りつけは例えばネジねじで行うことができる。
【００２５】
一方、スペーサ54は低熱伝導性の材料で作られる。すなわち、熱は支持プレート42から第１のペルチェ素子24のみを通って第１の金属のブロック50へ伝導され、熱がスペーサ54を通って伝導されないようにするのが望ましい。好ましくは、スペーサ54は、 100Ｋ以下で３Ｋ以上の範囲の動作温度領域の熱伝導率が１Ｗ／（cm・Ｋ）以下の材料で作られる。例えば、スペーサ54は、ステンレス鋼、インバー、コバール、黄銅、Ti−Ｖ合金、銅−Ni合金、PI、アラミド樹脂、PMMA、PTFE、ポリカーボネート、ガラスエポキシ樹脂、ガラスPTFE樹脂のグループの中の少なくとも一つ以上又はその複合材料で作られる。
【００２６】
要するに、本発明は、冷凍機14ないし冷媒によって冷却される冷却端に、複数のペルチェ素子24，26の吸熱面を熱接触させ、これらのペルチェ素子24，26の発熱面に、複数の被冷却物28，30を熱接触して配置するようにして、それぞれの被冷却物28，30の近傍に熱接触させた温度センサ58，62により個々の温度を検出し、制御装置32により、個々のペルチェ素子24，26を駆動してそれぞれの被冷却物28，30が所定の温度になるようにしたものである。
【００２７】
被冷却物28，30のベースとなる温度は、冷凍機14ないし冷媒によって冷却される冷却端の温度制御によって決めることができ、ペルチェ素子24，26に電流を流さないときは、断熱真空容器12の外部からの熱侵入と被冷却物28，30の発生する熱や、被冷却物28，30と冷却端間の熱抵抗によって左右するが、およそ冷却端より若干高めになる温度（０〜10Ｋの範囲の温度差）におさえる。
【００２８】
それぞれのペルチェ素子24，26を駆動していないときは、真空容器12の外部との断熱向上や、被冷却物28，30の発熱が小さいほど、それぞれの被冷却物28，30と冷却端間の温度差をおさえることができる。この温度の状態をベースとして、ペルチェ素子24，26の駆動は、所要温度より被冷却物28，30の温度が低い場合は、被冷却物側を加熱するように駆動する。
【００２９】
制御装置32は真空容器12の外部に設けられ、例えば0.01°Ｋの分解能の温度制御を行うことができる。冷凍機出力が電気的に変えられるものの場合、ヒータ46は必ずしも温度制御する必要はない。実施例によれば、第１の物品28及び第２の物品30を近接した状態で、コールドヘッド22のベース温度70Ｋで０〜５Ｋの範囲の温度差を0.01Ｋの制御分解能で安定に実現できる。第１の物品28及び第２の物品30にそれぞれ共振周波数が温度依存する共振器を内在する場合、互いに独立的に周波数を可変することが可能である。第１の物品28及び第２の物品30を互いに近接して配置できるため、伝送損失を低減できる。また、ペルチェ素子24，26の吸熱面が冷凍機側の冷却端に熱的に接しているため、第１及び第２のペルチェ素子24，26による被冷却物28，30の加熱時でも、冷凍機14の負荷の増加を抑制できる。例えば、ペルチェ素子24，26の発熱面が冷凍機側の冷却端に熱的に接していると、支持プレート42がペルチェ素子24，26から熱を受ける。
【００３０】
また、個々の温度センサ48，58，62の計測は、真空容器12の外部の制御装置32によって行い、これらの結果から、それぞれ所要の温度制御値になるように第１及び第２のペルチェ素子24，26を駆動する。第１及び第２のペルチェ素子24，26の駆動は、第１の物品28及び第２の物品30の温度が設定温度より低い場合は、第１の物品28及び第２の物品30を加熱するように駆動する。また、第１及び第２のペルチェ素子24，26、ヒータ46，56，60、及び冷凍機14の温度制御は、PID 制御方式を用い、それぞれにオーバードライブにならないように個々の制御装置の出力にリミッタを設ける。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
以上説明したように、本発明によれば、100Ｋ 以下の温度で動作し、複数の電子デバイスや電子回路ユニット等において、個々のこれらのデバイスやユニット等の冷却温度を近接した状態で、温度差を０〜30°Ｋ程度までに、特に０〜５°Ｋ程度の範囲を制御する冷却装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】図１は本発明の実施例による低温動作物品の冷却装置を示す概要図である。
【図２】図２は図１のコールドヘッドを含む部分の拡大詳細図である。
【図３】図３は本発明が適用される高周波受信信号デジタル変換−復調装置の例を示す図である。
【図４】図４は図３の高周波デジタル変換装置の構成を示す図である。
【国際調査報告】
2004088216.tif 000007
2004088216.tif 000008