JPH04227441A

JPH04227441A - 希釈冷凍機

Info

Publication number: JPH04227441A
Application number: JP3194441A
Authority: JP
Inventors: Giorgio Frossati; ジョルジョ・フロッサティ; Nei F Oliveira; ネイ・エフ・オリヴェイラ
Original assignee: Cryogenic Consultants Ltd
Current assignee: Cryogenic Consultants Ltd
Priority date: 1990-08-02
Filing date: 1991-08-02
Publication date: 1992-08-17
Also published as: GB9116462D0; EP0470751B2; DE69127733D1; GB9017011D0; DE69127733T3; EP0470751A2; EP0470751A3; EP0470751B1; US5189880A; DE69127733T2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は希釈冷凍機に関し、特に
、高い磁場で用いる希釈冷凍機に関する。

【０００２】

【従来の技術】希釈冷凍機は、現在、試料を数ミリケル
ビンまで冷却するのに最も有効な手段であり、低エント
ロピーのＨｅ３　から、Ｈｅ４で希釈されたより高いエ
ントロピーのＨｅ３　の混合物への膨張によるものであ
る。このような膨張は熱を吸収するため、冷却が生じるので
ある。ヘリウムは極低温で作動する装置にとって標準的
な冷却剤であり、約４Ｋを下回る温度で液化される。

【０００３】希釈冷凍機は、それ自体、入力及び出力チ
ューブによって互いに熱断続及び熱接続される２つの隔
室からなっている。上部隔室は蒸留室（または略してス
チルとか分溜室）と称され、下部隔室は混合室と称され
る。熱交換は、入力チューブに沿って流れる流体と、出
力チューブに沿って流れる流体との間で生じる。

【０００４】初期段階では、希釈冷凍機は、Ｈｅ３　と
Ｈｅ４の同質混合物を含んでおり、この混合物の温度は
ほぼ１．２Ｋ〜１．５Ｋである。これらの温度では、混
合物はあらゆる濃度で同質である。混合物の容量は、入
力チューブ、混合室、出力チューブ、蒸留器の一部を満
たすように、完璧に計算される。

【０００５】低インピーダンスのポンプ系が、蒸留器か
ら、外部ポンプシステムまで、そしてほぼ入力チューブ
まで延びて、閉回路を形成している。低圧の気体が、混
合物の自由面と均衡して蒸留器から吸気されて圧縮され
る。気体循環が開始されるとすぐ、蒸留器の温度は下が
り、相分離が生じる。Ｈｅ３　でより濃くなる相はＨｅ
４　でより濃くなる相より軽く、Ｈｅ４　の上に浮き、
容易に吸気されて再び凝結し、入力チューブと混合室の
一部を満たす。Ｈｅ４　の蒸気圧はＨｅ３　の蒸気圧よ
りもずっと低いので、Ｈｅ３　のみが循環して、蒸留器
の温度は約０．３Ｋまで低下する。この温度では、Ｈｅ
３　の蒸気圧もまた非常に低く、循環はほとんど止まり
、外部から希釈冷凍機への漏熱のみで動いている。

【０００６】そして、蒸留器に、その温度を０．６Ｋ〜
０．７Ｋまで上げるために熱が付与されるが、ここでは
Ｈｅ４　の蒸気圧はＨｅ３　の蒸気圧の数パーセントに
過ぎず、実際の希釈冷凍が開始されるのである。

【０００７】極低温において、Ｈｅ３　で希釈されたＨ
ｅ４　の均衡濃度は実質的にはゼロである一方、Ｈｅ４
　で希釈されたＨｅ３　の濃度は約６．５％である。凝
縮されたＨｅ３　が希釈されたＨｅ３　と均衡する混合
室において、もし、Ｈｅ４　中のＨｅ３　の限界濃度を
所定温度で吸気によって低下させようとすると、純粋な
Ｈｅ３　は境界を越えて、均衡濃度を再び現出すること
になる。この工程が熱を吸収して、混合室とその内容物
、例えば観察中の試料の温度を下げるのである。混合室
におけるエンタルピーバランスは次の式によって求めら
れる。Ｑ／ｎ　　＝　　９４．５Ｔ２　ｍｃ　　−　　１２．
５Ｔ２　ｃここで、ＱはＷ単位で表した冷却力、ｎはｍ
ｏｌｅｓ／ｓ単位で表した循環率、Ｔｍｃは混合室内の
温度、Ｔｃは混合室内に入った凝縮された相の温度で、
単位はケルビンである。

【０００８】最大の冷却力は、Ｔｃ＝Ｔｍｃとなったと
きに得られる。これは、原則的には、流入する凝縮Ｈｅ
３　のエンタルピーをすべて、流出する希釈Ｈｅ３　に
移送するような非常に大型の熱交換器を用いると可能で
ある。実際には、最大の冷却力は、特定の大面積のある
適切な材料、通常は細かく粉砕された銀を用いた大面積
熱交換器で得られる。

【０００９】従って、希釈冷凍機は３つのメインブロッ
クを有している。つまり、上部の蒸留器、底部の混合室
、その間に、混合室の入力チューブから出力チューブに
熱を移送するために設けられた熱交換器（または複数の
熱交換器からなる装置）である。これらは、最も一般的
には金属材料で作られるが、過去にはプラスチック製の
熱交換器も提案されており、応用例によっては、プラス
チック製の混合室も知られている。

【００１０】希釈冷凍機の多くの応用例では、高い磁場
と低温との同時存在が要求される。

【００１１】強い直流磁場は、通常超伝導ソレノイド、
ビター型抵抗ソレノイド、または両者の組合せ（ハイブ
リッド磁石）によって生成される。強い磁場が存在する
ときは、希釈冷凍機の最低温度は、磁場変動及び機械的
な振動によって生じる渦電流加熱によって限られてしま
う。

【００１２】超伝導ソレノイドによって作られた場は、
特にソレノイドが不変のモードスイッチを備えている場
合、非常に静かであり、渦電流加熱は、機械的振動を慎
重に最小にすることにより適切に保持される。しかし、
ビター磁石は生来的に「ノイズが大きく」、希釈冷凍機
の最低温度をかなり限定する。残念ながら、ビター磁石
は最も高い磁場を作るのに最も適しているのである。い
ずれにしても、希釈冷凍機による強い場での冷却試料は
、試料と希釈冷凍機との間の距離が大きいために、常に
長い冷却時間を必要としていた。同じ理由により、場を
変更するにも時間を要し、その結果、渦電流が冷凍機の
金属部分を加熱することになる。

【００１３】渦電流加熱効果を最小にするには、強い場
の領域における高伝導材料の存在をできるだけ避けるこ
とが重要である。２つの方法が最も一般的に用いられる
。１つは、希釈冷凍機を強い場の領域の外側に配置して
、磁石孔の中心を貫通する長いエポキシ樹脂の混合室を
備えさせることである。２番目は、場の領域に延びる冷
温フィンガーに接続された（場の外側に配置された）金
属製混合室の内部に大型熱交換器を備えることである。冷温フィンガーは、典型的には、渦電流加熱を低下させ
るために切込みを設けた銀製ロッドである。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、渦電流加熱
による影響を少なくし、高い冷却力を有する冷凍機を比
較的安いコストで提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明による希釈冷凍機
は、蒸留器と混合室とを有し、これらは低インピーダン
スの流路を形成する熱交換器によって互いに接続される
とともに、全体が完全にプラスチック材料で作られてい
る。

【００１６】

【発明の効果】このような完全なプラスチック構造の希
釈冷凍機は、渦電流加熱の問題を解決して高い冷却力を
得ることができるとともに、全体が小型で、かつ、安い
コストで製造することができる。

【００１７】熱交換器は筒状であってもよいし、蛇腹状
であってもよいし、好ましくは、両者が連続して組み合
わされたものであってもよい。蛇腹形状により非常に大
きな表面積が得られる一方、比較的低いインピーダンス
の流路が提供される。

【００１８】筒状の熱交換器は、好ましくは、一端から
他端に延びる螺旋溝を形成したロッドからなっている。この溝は、少なくとも１つの細孔で保持されている。凝
縮されたＨｅ３　の混合物が蒸留器から１つの細孔を通
って混合室の方へ下降する。戻ってくる希釈されたＨｅ
３　は、好ましくは前者の細孔の外部に位置する別の細
孔を通るか、あるいは細孔の回りの螺旋溝を通って上昇
することができる。

【００１９】混合室から希釈されたＨｅ３　を離して移
送するための熱交換器の「出力」チューブは、凝縮され
たＨｅ３　を混合室に送るための「入力」チューブの外
側に位置していることが好ましい。従って、凝縮Ｈｅ３
　から熱を吸収する希釈Ｈｅ３　は、熱が冷凍機の外側
から冷温の入力チューブに達するのを防ぐための熱シー
ルドとして作用する。

【００２０】蛇腹形状が用いられる場合は、蛇腹の中心
の下方に螺旋溝を備えたロッドを設けることが好ましい
。ロッドは中央の孔内にピッタリ嵌入していれば理想的
である。螺旋溝は、蒸留器と混合室との間に低インピー
ダンスと低い熱伝導性を与えるとともに、蛇腹内のＨｅ
３　に対してかなり長い滞留時間を与える。蛇腹の内部
は、蛇腹及びロッド周囲に存在する停滞Ｈｅ３　混合物
を介して、蛇腹の層内に熱を伝達するのに充分な表面積
を必要とする。

【００２１】Ｈｅ３　−Ｈｅ４　の混合物の粘性は高く
、熱交換器を介して「ゆるやかな」低インピーダンス流
路を設けることによって、粘性加熱は減少する。液体の
伝導性は高いので、熱は交換器内の液体のあらゆる停滞
部分に容易に伝えられる。非常な低温では、熱はあらゆ
る境界で反射される傾向にあるため（カピッツァ抵抗）
、非常に広い面積が必要とされる。

【００２２】熱交換器のプラスチック製壁部は、熱伝達
を改善するため比較的薄いことが好ましい。プスチック
壁部は金属製壁部より低いカピッツァ抵抗を有している
。

【００２３】蒸留器、熱交換器、混合室は、蒸留室から
混合室に延びるプラスチック製チューブによってカバー
されていることが好ましい。従って、冷凍機からそれを
取り巻く空間への漏出を防ぐために漏密が必要な接合箇
所は２箇所のみである。これは、真空率の高いカバーで
作動する希釈冷凍機の重要な利点である。

【００２４】

【実施例】次に、本発明の実施例を図面を参照しながら
説明する。

【００２５】希釈冷凍機２は、蒸留器４と混合室６を有
している。蒸留器４はアラルダイト（登録商標、エポキ
シ樹脂の一種）で機械加工されており、長さは約６５ｍ
ｍである。蒸留器４の上には、（希釈冷凍機の作動温度
で超流動体として作用する）Ｈｅ４　の膜が蒸留器４か
ら逃げるのを防ぐために膜遮断材８が設けられている。

【００２６】蒸留器４は、蒸留器４と混合室６との間に
断熱体を設けた熱交換器１０に接続されている。熱交換
器１０は連続した２つの部分を備えている。上部分は、
螺旋溝１４が刻まれたアラルダイト製ロッドでできた連
続逆流筒状熱交換器１２である。ロッドの全長は約４１
ｃｍである。テフロン（登録商標）製の細孔１６は長さ
約６ｍであって、溝内に位置しているが、流体が細孔１
６の外部の溝１４に沿って流れるように、すべての断面
領域はふさいでいない。Ｈｅ３　の濃い凝縮相は、細孔
１６を通って混合室６へ向かう一方、流出するＨｅ３　
の希釈相は螺旋溝１４に沿って蒸留器４へ案内される。溝１４と細孔１６の両方は、Ｈｅ３　の混合物のために
低インピーダンスの流路を形成する。しかし、この流路
は、充分な熱交換が生じるのに充分な時間、Ｈｅ３　の
混合物が筒状熱交換器１２に留まるような長さとなって
いる。

【００２７】熱交換器１０の下部分は、細孔１６から送
られる凝縮された混合物と混合室６から送られる希釈さ
れた混合物とを分離するプラスチック箔製の蛇腹１８（
図２参照）を有している。凝縮された混合物は細孔１６
を下降して蛇腹１８内から混合室６に入り、希釈された
混合物は蛇腹１８の外側１８ｂを上昇しながら、溝１４
に沿って蒸留器４に入る。蛇腹１８は、約６００の環状
ディスク２０の内周と外周を交互に接着剤でくっつける
ことによって形成されている。図２に示すように、螺旋
溝２３を備えたアラルダイト製ロッド２２は蛇腹１８内
に延びており、ほぼディスク２０のすべての中央孔をふ
さいでいる。

【００２８】螺旋溝２３によって、蒸留器４と混合室６
との間に低インピーダンス及び低熱伝導性が与えられる
とともに、蛇腹１８内のＨｅ３　の滞留時間がかなり長
くなる。蛇腹の内部１８ａは、蛇腹１８及びロッド２２
の周辺に存在する停滞Ｈｅ３　混合物を介して蛇腹１８
の層内に熱を送るのに充分な表面積を有している。

【００２９】筒状熱交換器１２とロッド２２とは、図示
のように中空体であってよいし、あるいは中実体であっ
てもよく、さらに、両者は、図示のように一体的に形成
されたものであってもよいし、あるいは別体に形成され
たものであってもよい。

【００３０】全体の熱交換器１０の底部には筒状のプラ
スチック製シールド２４が取り付けられており、相境界
に空間を与えている。そこで、Ｈｅ３　は、シールド２
４の外部を流路に沿って吸気される。

【００３１】熱交換器１０は、蒸留器４の下の冷却器の
あらゆる部分を覆うぴったりしたプラスチック製シリン
ダ２６によって包囲されている。混合室６の壁部はシリ
ンダ２６の底部によって形成されるとともに、混合室６
の底部は、実験用セルが載置される円錐形プラグ２８に
よって閉鎖されている。

【００３２】このような希釈冷凍機２は、Ｈｅ３　の循
環率が代表的には２７０μｍｏｌｅｓ／ｓで、１０００
μｍｏｌｅｓ／ｓまでは１０ｍＫ領域の温度を得ること
ができる。しかし、さらに低い温度も達成することが期
待できる。図示された希釈冷凍機の外径は、外側のプラ
スチック製シリンダ２６も含めて３６ｍｍである。これ
は、冷凍機全体をビター磁石などの最も一般的な磁石の
孔に設置することができるということを意味する。

【００３３】この小型の冷凍機は、同じサイズの金属製
冷凍機の１０〜１００倍の循環率、結果として冷却力を
もつと同時に、渦電流加熱を被ることがない。また、こ
れだけの冷却力をもつ強力金属製冷凍機は、焼結銀粉や
多くの接続箇所や接合箇所を用いて製造するため高価な
ものになる。

【００３４】尚、特許請求の範囲の項に図面との対照を
便利にするために符号を記すが、該記入により本発明は
添付図面の構造に限定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】図は本発明による希釈冷凍機の縦断面図

【図２
】図１の希釈冷凍機に用いられる熱交換器の拡大断面図

【符号の説明】

２　　　　希釈冷凍機４　　　　蒸留器６　　　　混合室１０　　　　熱交換器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　蒸留器（４）と混合室（６）とを有す
る希釈冷却装置（２）であって、前記蒸留器（４）と混
合室（６）とが、低インピーダンス流路を形成する熱交
換器（１０）によって互いに接続されているとともに、
全体が完全にプラスチック材料からなる希釈冷凍機。
【請求項２】　　前記熱交換器（１０）が蛇腹形状であ
る請求項１に記載の希釈冷凍機。
【請求項３】　　前記熱交換器（１０）が筒状である請
求項１に記載の希釈冷凍機。
【請求項４】　　前記熱交換器（１０）が連続して接続
された２つの部分を有しており、第１の部分が蛇腹形状
（１８）であり、第２の部分が筒状熱交換器（１２）で
ある請求項１に記載の希釈冷凍機。
【請求項５】　　前記筒状の熱交換器（１２）がロッド
からなり、このロッドがその一端から他端に延びる螺旋
溝（１４）を備えている請求項３または４に記載の希釈
冷凍機。
【請求項６】　　少なくとも１つのプラスチック製細孔
（１６）が前記螺旋溝（１４）内に保持されている請求
項５に記載の希釈冷凍機。
【請求項７】　　前記熱交換器（１０）が、希釈された
Ｈｅ３　を混合室から移送する出力チューブと、凝縮さ
れたＨｅ３　を混合室へ移送する入力チューブとを有し
ており、前記出力チューブが前記入力チューブの外部に
位置している先行する請求項のいずれかに記載の希釈冷
凍機。
【請求項８】　　螺旋溝（２３）を備えたロッド（２２
）が前記蛇腹の中心下方に設けられている請求項２、４
から７のいずれかに記載の希釈冷凍機。
【請求項９】　　前記蒸留器（４）、前記熱交換器（１
０）、及び前記混合室（６）が、蒸留室から混合室まで
延びるプラスチック製チューブによって包囲されている
請求項１から８のいずれかに記載の希釈冷凍機。
【請求項１０】　　前記熱交換器（１０）のプラスチッ
ク製壁部が比較的薄い請求項１から９のいずれかに記載
の希釈冷凍機。