JPH0621756B2 - 非温度サイクル低温冷却装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の背景］ 本発明は低温冷却装置に関し、特にそこにおける温度サ
イクル防止のための改良に関する。

ある低温冷却装置例えばスターリン（sterling）サイク
ルでヘリウムを高圧状態におく冷却装置は、特定された
温度の上および／または下の温度サイクルの好ましくな
い現象を示す。典型的な冷却装置は、デュワー（dewer
）から間隔を置き、その空間内に熱伝導体として空気
を含む低温フィンガを含む。ヘリウムは低温フィンガ内
で冷却媒体として使用される。赤外線映像システムで使
用される検出器は、温度約70゜K に保持されることが可
能であるようにデュワーに固定される。他の場合では、
検出器は赤外線放射を感知するのに不適当であろう。そ
のような冷却装置は、温度60゜K まで冷却可能であり、
その後温度サイクルが始まり、１分程度の間で40゜K 以
上変化する。そのような温度サイクルは、低温フィンガ
とデュワー間の空気の液化によって生じると考えられて
いる。空気中の主要成分の気体である窒素は70゜Ｋで液
化するので、冷却装置の温度が77゜Ｋ以下に低下したと
き液体窒素がデュワー上に形成され、低温フィンガとデ
ュワーとの間の空間の気体が失われて低温フィンガとデ
ュワーとの間の熱の伝達が行われなくなる。このような
熱伝導が行われなくなることによってデュワーの温度は
次第に上昇し、液体が再び気化する温度まで到達すると
気化した気体によって熱伝導が再開され、冷却が進むと
再び液化温度まで低下し、液化によって再び熱の伝達が
行われなくなり、このような温度サイクルが繰り返され
る。

［発明の解決しようとする課題］ 上記のような温度サイクルは冷却装置では許容すること
ができないものであり、このような温度サイクルの発生
は阻止しなければならない。低温冷却装置が一定の温度
に維持する必要のある装置の冷却に使用される場合、例
えば赤外線検出装置の冷却に使用される場合に、このよ
うな温度サイクルが発生すると温度の変動によって赤外
線検出器の特性が変動し、正確な検出ができなくなる。

このため、動作温度でも液化しないガスを低温フィンガ
とデュワーとの間の空間に封入することが提案されてい
る。しかしながら、そのようなガスを封入するためには
まず真空ポンプを使用して低温フィンガとデュワーとの
間の空気を排気した後ガスを充填しなければならず、真
空ポンプが必要であり、排気とガス充填の２工程が必要
であり、経済的ではない。また真空ポンプを使用する代
りに多量のガスを流して空気を追い出してガスで置換す
る方法も考えられるがそのような方法では高価なガスを
多量に必要となる。したがって空気の代りに動作温度で
も液化しないガスを封入した装置を得るためには多額の
費用を必要とする欠点がある。

本発明は比較的簡単な構成で温度サイクルの発生を阻止
し、一定の温度で冷却することが可能な廉価に提供する
ことのできる低温冷却装置を提供することを目的として
いる。

［課題解決のための手段および作用］ 本発明は、低温フィンガとそれから狭い間隔を隔てて配
置されたデュワーとを具備し、低温フィンガとデュワー
との間隙に位置する熱伝導体を含み、空気が液化される
温度以下の動作温度で動作する低温冷却装置において、
低温フィンガとデュワーとの間隙に位置している熱伝導
体が、低温フィンガとデュワーとの間隙に存在する空気
と、その空気に比例して少量の、空気の液化温度以下の
温度で気体状態を維持する特性を有するガスとの混合物
であることを特徴とする。

このような低温冷却装置の通常の動作温度は低温フィン
ガとデュワーとの間隙において70゜Ｋ程度であり、この
温度では上記の空気が液化される温度以下の動作温度で
気体状態を維持する特性を有する条件を満たすものは水
素、ヘリウム、ネオンの３種類のガスである。これらの
ガスはデュワーの材料がそのガスを通さない材料で構成
されていれば使用可能である。ガラスは典型的なデュワ
ー材料であり、電気絶縁材料であり、赤外線がそれを透
過することができるためにデュワー材料として好ましい
ものである。しかしながら、水素とヘリウムはガラスを
通り抜けて拡散可能であるため、ネオンが最も好ましい
ガスである。しかしながら、デュワー材料として水素や
ヘリウムが通り抜けて拡散することができない他の材料
を使用すればこれらのガスも使用できる。

低温フィンガとデュワーとの間の間隙はこのようなネオ
ン等のガスのみで満たされても温度サイクルを阻止する
点では満足すべき熱伝導特性を与えることができる。し
かしながら、前述のようにそのようにした場合にはまず
真空ポンプを使用して低温フィンガとデュワーとの間の
間隙を排気し、その後ガスを充填するか、或いは多量の
ガスを流して空気を排除するように洗浄する必要があ
り、製造コストが増大する。

本発明では、低温フィンガとデュワーとの間の間隙を排
除することなく、空気中に少量のガスを混合することに
よって70゜Ｋ程度の空気の液化温度に冷却されて空気が
液体となり熱伝導作用を行わなくなった後も気体の熱伝
導がその圧力によって余り影響されないために気体とし
て残留している混合されているガスによって熱伝導が維
持されて冷却状態が維持されるために温度サイクルの発
生は防止され、デュワーは一定の温度に安定して保持さ
れることができる。

空気に混合するガスの量は例えば５乃至１０容積％程度
の少ない量でよく、ガスの使用が経済的であるだけでな
く、少量のガスを低温フィンガとデュワーとの間の間隙
にある空気中に注入すればよいから、製作も容易であ
る。

したがって、このような低温冷却装置を赤外線検出装置
の冷却に使用すれば冷却温度が一定に保持されて正確な
感知特性を得ることができる。

その他の目標および利点、さらに本発明の完全な理解
は、次の典型的な実施例の説明点および添付図面から明
らかにされる。

［図の簡単な説明］ 第１図は、本発明において使用される低温冷却装置を示
す。

［好ましい実施例の詳細な説明］ 示されたように低温冷却装置10は、間隔を置いてデュワ
ー14に取り囲まれ典型的にはガラスである低温フィンガ
12を含む。ヘリウムは支持端16から低温フィンガ内へ挿
入され、低温フィンガおよびデュワーは支持端16によっ
て支持される。デュワー14は、気体が満たされている管
状空間18によって低温フィンガ12から間隔を置かれてい
る。気体は、デュワーが低温フィンガによって冷却の動
作温度まで冷却できるように熱伝導体として働く。典型
的に、そのような気体は必要な熱伝導を供給する空気を
含む。赤外線検出器のような冷却される装置は、デュワ
ー14の端部20に固定されるよう配置され、動作温度は保
たれる。赤外線検出器においては、典型的な冷却温度は
70゜K である。

低温フィンガとデュワー間の熱伝導を維持するために、
少量のネオンが、全ての気体の液化防止のためにしたが
って温度サイクル防止のために空気へ添加される。低温
フィンガとデュワーを分離する環境の部分としてのこの
少量の凝縮しない気体は、冷却装置の動作温度70゜K で
その気体状態で残る。分子平均自由行程が熱伝導が起こ
り得る寸法に匹敵するまでは気体の熱伝導が本質的にそ
の圧力に依存しないので、70゜K よりかなり低い液化温
度を有する微量の凝縮しない気体は、デュワー／低温フ
ィンガ環境に添加される。量は多くは必要としない、た
とえ気体の大部分つまり酸素および窒素が液体状態で残
っているにしても、本質的に一定の熱伝達を維持するた
めに例えば容量で５％から１０％含めばよい。

３つの凝縮しない気体としては、沸点が実質的にそれぞ
れ約21゜K 、5 ゜K 、27゜K である水素、ヘリウム、ネ
オンが通常有用であることが認められる。水素およびヘ
リウムはデュワーガラス壁を通過可能であるので、した
がって検出器に悪影響を与えるおそれがあり、ネオンが
好ましいガスである。

本発明は特定の実施例に関して記載されているが、本発
明の技術的範囲を逸脱すること無く変化および修正可能
なことは明白である。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】低温フィンガとそれから狭い間隔を隔てて
   配置されたデュワーとを具備し、低温フィンガとデュワ
   ーとの間隙に位置する熱伝導体を含み、空気が液化され
   る温度以下の動作温度で動作する低温冷却装置におい
   て、 前記熱伝導体は、前記低温フィンガとデュワーとの間隙
   に存在する空気と、前記空気に比較して少量の、空気の
   液化温度以下の温度で気体状態を維持する特性を有する
   ガスとの混合物であることを特徴とする低温冷却装置。
2. 【請求項２】デュワーが前記ガスを通さない材料で構成
   されている請求項１記載の低温冷却装置。
3. 【請求項３】前記ガスが水素、ヘリウム、およびネオン
   からなるグループから選択された１つのガスである請求
   項２記載低温冷却装置。
4. 【請求項４】デュワーがガラスからなり、前記ガスがネ
   オンである請求項２記載低温冷却装置。
5. 【請求項５】ガスの量は容積で５乃至１０％の範囲であ
   る請求項１乃至４のいずれか１項記載の低温冷却装置。