(57)【要約】本発明は、流体を循環させることにより、６Ｋから２５Ｋ程度の温度で冷却すべき物体（２０）を熱的に安定させるための装置に関し、当該装置は：−気体を供給するための、圧力が制御されたジュワー瓶（１０）；−気体を予冷する手段（１１、２６）；−冷却すべき物体を中に置くクライオスタット（１６）；−気体をジュワー真空瓶からクライオスタットに移すための同軸サイフォン（１３）、該サイフォンは気体を熱的にろ過する少なくとも１つのふるい（１４）を備える；および−気体が排出される流量可変型排気口ポート（１７）；を備えることを特徴とする装置。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を循環させることにより、所定の温度で冷却すべき物体（２０）を熱的に安定させるための装置であって：
−気体を供給するための、圧力が制御されたジュワー瓶（１０）；
−気体を予冷する手段（１１、２６）；
−冷却すべき物体を中に置くクライオスタット（１６）；
−気体をジュワー瓶からクライオスタットに移すためのサイフォン（１３）、該サイフォンは気体を熱的にろ過する少なくとも１つのふるい（１４）を内部に備える；および
−気体が排出される流量可変型排気口ポート（１７）；
を備えることを特徴とする装置。
【請求項２】
ふるいは、鉛または希土類粒子からなることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
粒子の直径は約２００μｍから５００μｍであることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
少なくとも２つのふるい（１４、１５）を含み、少なくとも１つのふるいは、サイフォン内の交換器の流出口に設けられ、他の１つのふるいはサイフォン内で冷却すべき物体より上流に設けられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
５Ｋと３０Ｋの間の温度まで冷却するためには、前記気体はヘリウムであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
サイフォンはステンレス鋼の薄い壁を含むことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
前記サイフォンは同軸であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
出力が調整可能である電気抵抗が物体（２０）に隣接していることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
ジュワー瓶（１０）の底部で、螺旋体（２６）またはコイルがサイフォンを形成することを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１０】
気体を予冷するための手段は、同軸の交換器（１１）を備えることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体を循環させることにより、特に５Ｋから５０Ｋまでの範囲の温度で、冷却すべき物体を熱的に安定させるための装置に関する。
本発明は、寸法が小さい（数立方センチメートル）物体を冷却し、物体を安定した温度に維持することが重要である複数の分野で応用できる。特に、本発明は、精度が温度の安定性に依存する赤外線検出器の分野で応用でき、またはＸ線を用いて分析すべきサンプルを低温に維持するためにＸ線の分野でもさらに応用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
現在、流体を循環させて物体を５Ｋから３０Ｋまで冷却するためには、サイフォンを介して、ある液体を加圧された瓶内にサンプリングして得られる気体流が用いられている。サイフォンの流出口では、得られた流体は２相になっており、それはその後、気体のみ取り出すために、相分離ボックスに注入される。
【０００３】
旧来用いられている相分離ボックスの例を、参照番号１として図１に示す。
２相の流体（Ｆ）をチャンバ１に導くサイフォンは参照番号２である。通常、この２相の流体はヘリウムで、ヘリウムは、相分離ボックス１内で、領域Ｚ１に含まれる液体ヘリウムと、領域Ｚ２に含まれるヘリウムガスに分離する。
【０００４】
気体状態のヘリウム（Ｇ）は、領域Ｚ１の液体槽より上部から抽出され、そして排気口ポート３から相分離ボックスの外へ放出される。
ボックス１に熱を供給する加熱装置４が相分離ボックス１に取り付けられているので、液体のレベルは一定に保たれる。温度計５で、ボックス１の排気口３における気体の温度を調べることができる。
【０００５】
このようなシステムは、特に論文「液体窒素供給管路のための相分離装置（Ｐｈａｓｅ ｓｅｐａｒａｔｏｒ ｆｏｒ ｌｉｑｕｉｄ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｓｕｐｐｌｙ ｌｉｎｅｓ）」、Ｂ．Ｖ．ＥＬＫＯＮＩＮ著、Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃｓ、Ｖｏｌ．３５、Ｎｏ．５、ｐｐ．３４７−３４８に開示されている。
しかし、これらのシステムにおいて抽出された気体の温度の変動は比較的大きく、すなわち数百ミリケルビン程度である場合がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、正確には、前述の装置の欠点を改善する方法を見つけることである。
この目的のために、流体を循環させることにより、５Ｋから５０Ｋの温度を、変動が数ミリケルビン程度の安定した状態で、達成できる冷却装置を提供する。
【０００７】
さらに詳細には、本発明は、流体を循環させることにより、５Ｋから５０Ｋ程度の温度で冷却すべき物体を熱的に安定させるための装置に関し、当該装置は：
−気体を供給するための、圧力が調節されたジュワー瓶；
−気体を予冷する手段；
−冷却すべき物体を中に置くクライオスタット；
−気体をジュワー瓶からクライオスタットに移すための同軸サイフォン、該サイフォンは気体を熱的にろ過する少なくとも１つのふるいを備える；および      −気体が排出される流量可変型排気口ポート；
を備えることを特徴とする。
【０００８】
有利には、ふるいは、鉛または希土類の粒子からなる。好ましくは、その粒子の直径は２００μｍから５００μｍ程度である。
本発明の実施形態によると、装置はサイフォン内に配置された２つのふるいを含み、１つは前記交換機の流出口に位置し、もう１つは冷却すべき物体より上流に位置する。
本発明による装置のサイフォンは、有利にはステンレス鋼でできた薄い壁を含む。
本発明の好適な実施例では、気体はヘリウムである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明は、５ケルビンから３０ケルビン程度の温度まで冷却すべき物体を熱的に安定させるための装置に関する。
この流体循環型装置を用いて、容積が小さい物体を、温度変動が非常に小さい状態で、５ケルビンから３０ケルビン程度の温度まで冷却することができる。
【００１０】
本発明による装置を概略的に図２に示す。当該装置は加圧装置１２により加圧されたジュワー瓶１０を含む。該ジュワー瓶は領域Ｚｌに液体状態の流体を含む。使用する流体は、物体を何度まで冷却するかによる。非常に低温の場合、つまり５Ｋから３０Ｋの間である場合、流体はヘリウムでよい。
ジュワー瓶の加圧の影響を受けて、液体ヘリウムは少なくとも部分的に気体へと変化し、該気体は瓶１０の領域Ｚｇに含まれる。
【００１１】
その結果得られた気体は、液体ヘリウム槽の中に浸かっている同軸の交換器１１により予冷される。
この図２に、領域Ｚｇから流出口１０’までジュワー瓶１０内の気体が通る経路を矢印で示す。この流出口１０’から、サイフォン１３はジュワー瓶の上部空間内の気体の抽出をする。
【００１２】
本発明によると、サイフォン１３は同軸タイプであり、ジュワー瓶内の気体の収集を行う。該サイフォンは、熱交換を促進可能なステンレス鋼でできた薄い壁を備える。
ジュワー瓶の流出口１０’、つまりサイフォン１３の中ほどには、気体温度を安定させる第１のふるい１４がある。このふるい１４は、気体を熱的にろ過できる交換器である。
【００１３】
ふるい１４は、鉛、またはＥｒ３Ｎｉ、ＥｒＮｉ、ＧｄＲｈ、ＨｏＣｕ２のような希土類の棒または粒子、あるいは気体の温度において比熱が非常に大きな他の任意の材料を用いて製造することができる。これらの希土類の比熱は、論文「４Ｋ以下で動作する２段階のパルス管冷却器（Ａ ｔｗｏ−ｓｔａｇｅ ｐｕｌｓｅ ｔｕｂｅ ｃｏｏｌｅｒ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｂｅｌｏｗ ４Ｋ）」、Ｃ．ＷＡＮＧ共著、Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃｓ １９９７年、Ｖｏｌ．３７、Ｎｏ．３、ｐｐ．１５９−１６４に記載されている。結果として、温度が５Ｋから５０Ｋの間の気体の場合、用いる材料は有利には鉛またはエルビウム３ニッケルで、それはこれらの温度において大きな比熱を有するので、熱的なフィルタとしての役割をはたす。
【００１４】
本発明の好適な実施形態において、ふるい１４は、鉛またはエルビウム３ニッケルでできた、直径が２００μｍから５００μｍの粒子から製造される。
サイフォン１３は第１のふるい１４で安定化された低温の気体を、冷却すべき物体２０が中に配置されているクライオスタット１６内に導く。好適には、冷却すべき物体を、クライオスタット内で、サイフォン１３の流出口に配置する。
【００１５】
本発明の１つの実施形態では、第２のふるい１５を、サイフォン内で、冷却すべき物体よりも上流に配置する。この第２のふるい１５により気体の温度安定性はさらに改善する。
第１のふるいと同一のこの第２のふるい１５によって、クライオスタット１６への吸気口で、つまり冷却すべき物体２０に到達する前に、気体の温度を精密に安定化できる。
【００１６】
クライオスタット１６を出て、サイフォン１３は流量可変型ポート１７で終端する。このポート１７は、装置から排出された気体の流量を調整できるように較正あるいは設定される。言い換えると、気体の温度、つまり物体の平均温度はポート１７により調節することができる。
同軸のサイフォンは、例えば、外側の管の直径が１１ｍｍから１２ｍｍで、内側の管の直径が３ｍｍから４ｍｍで、液体に浸かっている長さが２００ｍｍから７００ｍｍの間で、排気口ポートの直径が３ｍｍである。
【００１７】
この例では、サイフォンを形成しているステンレス鋼の管は、長さ８０ｍｍ、直径１０ｍｍ、そして質量約２８．５ｇの、粒子からなるふるいを含む。
このサイフォンは、極低温で通常用いられるサイフォンのように、熱的損失を制限するために真空ガードで保護されている。
本発明の好適な実施例では、用いる極低温の流体はヘリウムである（温度が５Ｋから５０Ｋの場合）。しかし、水素、またはネオンなどのような他の気体も用いることができる（温度が５０Ｋ から６０Ｋの場合）。
【００１８】
本発明による装置はまたブタン、メタン、窒素、または酸素も応用として用いることができるが、その場合、冷却温度は前述の実施形態における冷却温度より高温でなくてはならず、このような気体の場合、冷却温度は、ブタンおよびメタンの場合２００Ｋから３００Ｋ程度、そして窒素および酸素の場合１００Ｋから２００Ｋ程度である。
【００１９】
本発明の装置は、選択した応用例に従って寸法を決められるという利点を有する。その寸法決めは：
−目標温度のために最適な極低温流体を選択し；
−安定化装置がない状態での、冷却すべき物体の温度変動を計測し；
−物体を冷却すべき温度に最適な、ふるいを製造する材料を選択し；そして
−前述のパラメータによってふるいのサイズを決定する；
ことにより行われる。
【００２０】
流体の流れおよび熱交換を表す熱水力学の方程式を用いた計算により、ふるいの寸法を決めることができるということに注目されたい。これらの計算は当業者に知られており、テキストブック「熱転移入門（Ｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ ａｕｘ ｔｒａｎｓｆｅｒｔｓ ｔｈｅｒｍｉｑｕｅｓ （Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅｒｍａｌ ｔｒａｎｓｆｅｒｓ））」ｔｈｅ Ｃｅｎｔｒｅ ｄ’Ａｃｔｕａｌｉｓａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｑｕｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｄｅ ｌ’ＩＮＳＡ ｏｆ ＬｙｏｎのＪ．Ｆ．ＳＡＣＡＤＵＲＡ著、ｐｐ．１８５−２２９に載っている。
【００２１】
図３Ａおよび図３Ｂは、２つの実施形態において、物体（この場合クランプである）の温度の変化を示すグラフを描いたものである。図３Ａの場合、本発明による装置はジュワー瓶の流出口にふるいがなく、図３Ｂの場合、本発明による装置はクライオスタットへの吸気口にふるい１５を有する。
両方のグラフは、同じ極低温流体同じ流量を用いた同一の状況下で作成されたものである。それらはともに時間（単位は秒）に対するクランプの温度（単位はケルビン）の変化を示している。
【００２２】
図３Ａに示されているが、ふるいを備えていない同軸のサイフォン１３は温度を４０ｍＫ内で安定させることができる。
図３Ｂに示されているが、ふるい１５を備える同軸のサイフォン１３は変動を４ｍＫ内に制限することができる。
【００２３】
次に、２つの付加的な改善形態について、図４、および図５を参照して説明する。
図４の実施例では、少なくとも１つの抵抗２５が加わっている。その機能は、物体２０の温度を調節するための熱を提供することである。それは気体流には作用しないが、物体２０が冷たすぎるときに加熱する。利点は、安定化された気体流により、選択した温度範囲において、冷却の安定性を向上できる点である。
【００２４】
物体２０の質量、および該物体を何度で調節するかによって抵抗２５を選択する。その形状は、物体の形状に適した形状にする。例えば、丸い物体の場合、抵抗でそれを取り囲むことができる。長い物体の場合、抵抗線をその周りに巻きつけることができる。 板の場合は、複数の曲がりくねった形状の抵抗線を表面に配置することができる。抵抗値は物体のエンタルピーにしたがって選択する。温度プローブ２４は物体２０の温度を連続的に計測し、抵抗２５で消費される電力をその制御手段を調節して調整する。
【００２５】
図５の実施形態では、コイル２６がジュワー瓶１０の底部でサイフォンを形成する。その機能は、極低温液体とのよりよい交換を行うことにより、気体の吸気温度を低減することであり、その結果、ジュワー瓶１０をより有効に利用できるようになる。実際には、液体に浸かっているコイル２６で全熱交換が行われるので、熱交換はジュワー瓶１０の充填物とは無関係になる。それによってより有効に利用できるようになる。実際、この実施形態は、極低温液体の気化により発生した気体を抽出するにつれて、ジュワー瓶１０内の液体のレベルが低下し、それにより交換器１１内の熱交換の長さが短くなる、つまり、液体が気化するにつれ、排出される気体の温度が上昇するという問題を解決する。
【００２６】
コイル２６の寸法は、最小目標気体流量、およびジュワー瓶１０の大きさにしたがって選択する。
よって、コイル２６は交換器１１の底部の下側まで配置され、気体流は交換器１１内を下向きに流れ、サイフォン１３に流入し、交換器１１から流れ出るときも下方に流れ、コイル２６を通って、そして上向きに戻るように流れて物体２０へと向かう。そのような実施形態において、交換器１１は絶対に必要であるというわけではなく、除去することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は流体を循環させることによる旧来の冷却装置を示す。
【図２】図２は本発明による装置を概略的に示す。
【図３】図３Ａおよび図３Ｂは、それぞれ、本発明による装置がふるいを備えない場合、またはサイフォンの流出口にふるいを備える場合の、物体の温度変化を表す２つのグラフを示す。
【図４】図４は、図５の改良形態と別々にまたは一緒に適用可能な改良形態を示す。
【図５】図５は、図４の改良形態と別々にまたは一緒に適用可能な改良形態を示す。
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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