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極低温冷凍機 新技術説明会

国内特許コード P09A014925
整理番号 2007-020
掲載日 2009年12月18日
出願番号 特願2007-326028
公開番号 特開2008-261616
登録番号 特許第5030064号
出願日 平成19年12月18日(2007.12.18)
公開日 平成20年10月30日(2008.10.30)
登録日 平成24年7月6日(2012.7.6)
優先権データ
  • 特願2007-068981 (2007.3.16) JP
発明者
  • 西岡 孝
出願人
  • 国立大学法人高知大学
発明の名称 極低温冷凍機 新技術説明会
発明の概要 【課題】2.17K以下の極低温を安価に且つ長時間作り出すことのできる極低温冷凍機を提供する。
【解決手段】高温側の第1段冷却ステージ及び低温側の第2段冷却ステージを備える小型機械式冷凍機30と、第2段冷却ステージに熱接触して接続されるとともに、Heガス供給手段及び減圧排気手段と接続される第1チャンバ8と、第1チャンバ8に低熱伝導性の連通部を介して連通接続された第2チャンバ10と、第1段冷却ステージに熱接触して接続されるとともに、少なくとも第1チャンバ8及び第2チャンバ10を包囲する第1輻射シールド7と、第1輻射シールド7の外側に配置された真空断熱ジャケット25と、を有し、連通部は、第1チャンバ8及び第2チャンバ10の天部に開口し、第2チャンバ10の周壁部の内径又は内法より小さく絞られた内径又は内法を有していることとした。
【選択図】図3
従来技術、競合技術の概要 従来から、液体ヘリウムを用意し、これを用いて極低温環境を得る技術が知られている。この種の技術では、4.2K迄温度を下げたい場合は液体Heを利用したクライオスタット、1K迄下げたい場合は液体Heを減圧排気(液体と気体のエントロピー差を利用した蒸発冷凍)するクライオスタット、そして、0.3K迄下げたい場合は液体Heを減圧排気するクライオスタットが利用され、5mK迄下げたい場合は希釈冷凍機が利用され、さらに1μK程度まで下げたい場合は常磁性体(核スピン)の断熱消磁が利用され得る。

液体ヘリウムを用意するには、ヘリウム液化装置を用いるか、ヘリウム液化装置が無い場合は液体ヘリウムを購入する必要がある。しかしながら、ヘリウム液化装置は、大型で高価な設備であるし、取り扱いには低温技術の知識が必要である。また、液体ヘリウムを購入したとしても、液体ヘリウムは、日に日に蒸発するため、不経済である。

そのため、液体ヘリウムの供給を必要とせずに4K程度迄の環境を作り出すことができる、液体ヘリウムフリーの機械式冷凍機(ギフォードマクマホン冷凍機、スターリング冷凍機、パルス管冷凍機等)が提案されている。

液体ヘリウムフリーの上記機械式冷凍機を用いれば、ギフォードマクマホン冷凍機(GM冷凍機とも言う。)のような小型の機械式冷凍機によって、Heガスを液化させて極低温環境を作ることが可能となる(例えば、特許文献1等)。

しかしながら、小型機械式冷凍機では、3K程度が冷却限界であり、Heガスを液化させても、周囲の熱輻射等によって、Heを長時間液化させておくことが困難であった。極低温環境を長時間保持するために種々の提案がなされているが、極低温環境持続時間は、せいぜい数十分であった(例えば、特許文献2等)。

さらに、上記の機械的冷凍機でヘリウムガスを液化して、吸着剤にヘリウムガスを吸着させることで、液体ヘリウムを減圧し、0.5K以下の極低温環境を作り出す技術も提案されている(例えば、特許文献3,4等)。

また、機械式冷凍機にジュールトムソン膨張を組合せて1K以下の極低温を実現する極低温冷凍機も提案されている(例えば特許文献5)。
【特許文献1】特公平7-96974号公報
【特許文献2】特開2004-76956号公報
【特許文献3】特開平8-283009号公報
【特許文献4】特開2005-321147号公報
【特許文献5】特開2006-343075号公報

産業上の利用分野 本発明は、Heの沸点である4.2K(ケルビン)以下の極低温環境を作り出す極低温冷凍機に係り、特に、液体ヘリウムの供給を必要としない小型機械式冷凍機を用いて、Heが超流動に変化する2.17K以下の極低温環境を長時間維持し得る極低温冷凍機に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
高温側の第1段冷却ステージ及び低温側の第2段冷却ステージを備える小型機械式冷凍機と、
前記第2段冷却ステージに熱接触して接続されるとともに、Heガス供給手段及び減圧排気手段と接続される第1チャンバと、
前記第1チャンバに低熱伝導性の連通部を介して連通接続された第2チャンバと、
前記第1段冷却ステージに熱接触して接続されるとともに、少なくとも前記第1チャンバ及び第2チャンバを包囲する第1輻射シールドと、
前記第1輻射シールドの外側に配置された真空断熱ジャケットと、
を有し、
前記連通部は、前記第1チャンバの底部及び前記第2チャンバの天部に開口し、前記第2チャンバの周壁部の内径又は内法より小さく絞られた内径又は内法を有していることを特徴とする極低温冷凍機。

【請求項2】
前記第1輻射シールドの内側において、前記第1チャンバ及び前記第2段冷却ステージの少なくとも一方に熱接触して接続され、前記第2チャンバを覆う第2輻射シールドを更に備えることを特徴とする請求項1に記載の極低温冷凍機。

【請求項3】
前記第1チャンバから減圧排気されたHeガスを再び前記第1チャンバ内のHeガスと熱交換させて、前記第2チャンバ内に液体Heを滴下させる循環流路を更に備えることを特徴とする請求項1に記載の極低温冷凍機。

【請求項4】
前記循環流路は、所定の流量抵抗を付与するインピーダンス部を備えることを特徴とする請求項3に記載の極低温冷凍機。

【請求項5】
前記第1チャンバの底部に、取り外し可能な底板を備え、該底板が、前記連通部及び第2チャンバとともに取り外し可能に接続されていることを特徴とする請求項1に記載の極低温冷凍機。

【請求項6】
前記第2チャンバの底板に設けられ、Heガスの供給と減圧排気とを行うHeガス操作系と接続され、且つ、前記Heガス操作系から供給されるHeガスを前記第2チャンバとの熱交換により液化させる熱交換器と、
前記熱交換器に、該熱交換器によって液化された液体Heを低熱伝導性の連通部を介して受け入れ可能に接続された第3チャンバと、を更に備え、
前記第1輻射シールドは、前記第1チャンバ、第2チャンバ、及び第3チャンバを包括して覆うように構成されていることを特徴とする請求項1に記載の極低温冷凍機。

【請求項7】
前記第2段冷却ステージ及び前記第1チャンバの少なくとも一方に熱接触して接続されて、前記第2チャンバ及び前記第3チャンバを包括して覆う第3輻射シールドを、前記第1輻射シールドの内側に更に備えることを特徴とする請求項6に記載の極低温冷凍機。

【請求項8】
前記第2チャンバに熱接触して接続されて、前記第3チャンバを覆う第4輻射シールドを、前記第1輻射シールドの内側に更に備えることを特徴とする請求項6に記載の極低温冷凍機。

【請求項9】
前記第1輻射シールドの内側において、前記第2段冷却ステージ及び前記第1チャンバの少なくとも一方に熱接触して接続されて、前記第2チャンバ及び前記第3チャンバを包括して覆う第3輻射シールドと、
前記第3輻射シールの内側において、前記第2チャンバに熱接触して接続されて、前記第3チャンバを覆う第4輻射シールドと、
を更に備えることを特徴とする請求項6に記載の極低温冷凍機。

【請求項10】
前記第2チャンバの底板が着脱可能となっていることを特徴とする請求項6に記載の極低温冷凍機。

国際特許分類(IPC)
画像

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