JPH08200864A - 小型低温デバイス装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】民生機器への普及も可能である小型でメンテナ
ンスが容易な低温デバイス装置を供給する。 【構成】低温デバイス周辺を適切な材料且つ適切な構造
で高真空に密閉保持したこと、低温デバイス側（小型低
温デバイス装置）と冷凍機を別ユニットにし脱着機構を
設けたことにより低温デバイス側または冷凍機側が故障
した時に交換必要なユニットを容易に取り替えできるよ
うになった。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明は、冷却装置を用いた放送
用アンテナ（ＢＳ等）、ミリ波・マイクロ波・極超短波
を利用した通信機器、赤外線分光分析器（ＩＲ分析）や
マイクロ波分光分析器など科学機器、コンピュータ装置
や記録装置など情報機器に関する。 【０００２】 【従来の技術】最近通信機器、科学機器、情報機器等の
高性能化に伴い、高性能化に重要な役割を持つデバイス
を低温環境で使うことが検討されている。それは低温環
境にすることにより、周知の如く極めて優れた性能を持
つ超電導デバイスを使えるだけでなく半導体デバイスも
低雑音化、高速化、高集積化が図れるためである。 【０００３】低温環境にするための冷却装置は開サイク
ルタイプと閉サイクルタイプの２種類に大別できる。開
サイクルタイプはいわゆる寒剤冷却である液体窒素や液
体ヘリウムを用いる液体冷媒冷却、固体アルゴンやメタ
ン等の昇華潜熱を利用する固体冷媒冷却と宇宙空間の様
な低温シンクを利用し受動的に機能する放射冷却があ
る。これらは主にスーパーコンピューター、リニヤモー
タカー、電力エネルギー貯蔵装置の様な大型装置の冷却
に用いられている。 【０００４】閉サイクルタイプにはスターリングサイク
ル（ＳＴ）、ギフォード・マクマホンサイクル（Ｇ
Ｍ）、ビルマイヤサイクル（ＶＭ）、ジュール・トムソ
ンサイクル（ＪＴ）、ブレイトンサイクル（ＢＲ）、パ
ルスチューブサイクル等がある。これらは主に蒸着機や
スパッタ装置に用いる真空ポンプ（クライオポンプ）や
コールドトラップ、赤外線イメージセンサー冷却、レー
ザーの冷却等比較的小型の産業機器・科学機器に用いら
れている。 【０００５】近年は使用場所の制約が少なく、冷却温度
を容易に変えられる後者の閉サイクルタイプが注目され
ている。閉サイクルタイプを用いた冷却デバイス装置の
構造は図１３に示す様に冷却装置の冷媒により冷却され
た冷却ステージ９に低温デバイス３を固定冷却すると共
にその周辺を断熱のため真空キャビティー（断熱室）５
で覆う構造になっている。また真空キャビティー（断熱
室）５には真空引きするための拡散ポンプ（ＤＰ）２１
やロータリーポンプ（ＲＰ）２２などの排気系が併設さ
れる。排気系には他にクライオポンプ、ターボ分子ポン
プなどが用いられる。 【０００６】 【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の閉サイ
クル冷却装置を用いた低温デバイス装置は以下の様な問
題を有していた。 【０００７】（１）拡散ポンプ、ロータリーポンプ、ク
ライオポンプ、ターボ分子ポンプなどが併設されている
ため小型化が困難であり、また構造が複雑になると専門
家のメンテナンスを必要とした。図１０ではこれらのシ
ステムを簡略した記号で示しているが大きさは真空キャ
ビティーの数十倍から数百倍大きい。この点は民生機器
へ低温デバイス装置を普及させる上で大きな阻害因子と
なっていた。 【０００８】（２）閉サイクル冷却装置本体を小型化す
ると冷媒の量が少なくなるため冷却能力が落ち、低温デ
バイス周辺の断熱効率や冷却ステージと低温デバイス間
の熱伝導効率面に無駄が有ると低温デバイスを均一に冷
却できずデバイスの特性劣化をまねいた。即ち小型化と
冷却能力には相反する面があり小型化を図るには如何に
断熱効率と熱伝導効率を高くするかがポイントと言え
る。 【０００９】（３）低温デバイスまたは閉サイクル冷凍
機が故障したとき低温デバイス装置と閉サイクル冷凍機
が一体となっていたため必要な箇所だけの修理が困難で
あった。 【００１０】故に低温デバイスと閉サイクル冷凍機の両
方を修理する場合メンテナンスコストが大きかった。ま
た必要な箇所の修理が可能な場合でもメーカーに於て可
能でありユーザー特に家庭に於いては不可能であった。
いまだ家庭で容易に交換できる装置はなかった。この点
も民生機器へ低温デバイス装置を普及させる上で大きな
阻害因子となっていた。 【００１１】（４）マイクロ波、ミリ波などＧＨｚ以上
の高周波信号の伝送には損失を少なくするためリード線
を太くする必要がある。しかしリード線を太くするとリ
ード線からの熱伝導による熱エネルギーの侵入により低
温デバイスの温度を一定にすることができない。この様
な問題は電源のリード線にも有る。 【００１２】本発明は以上述べた問題点を解決するもの
であり、小型化が出来、メンテナンスが容易で民生機器
への適用が可能で且つ多方面への応用が可能な小型低温
デバイス装置を得んとするものである。 【００１３】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の小型低温デバイス装置は閉サイクル冷凍機
と係合するための係合部を有した外枠と、低温デバイス
を載せ低温デバイスと閉サイクル冷凍機とを熱的に接続
する接合体を備え、且つ該外枠と接合体により形成され
る断熱室即ち低温デバイスの周部を真空状態に保持して
いること、外枠をアンバー、絶縁体等熱伝導率が１０ｋ
ｃａｌ／ｍｈｒ℃以下好ましくは１ｋｃａｌ／ｍｈｒ℃
以下のいわゆる断熱材料から形成し、接合体を１００ｋ
ｃａｌ／ｍｈｒ℃以上のいわゆる良熱伝導材料から形成
していることを特徴とする。この断熱室の真空度は１０
^ー3Ｔｏｒｒ以上好ましくは１０^-5ｔｏｒｒ以上である。 【００１４】また本発明の小型低温デバイス装置は小型
低温デバイス装置と閉サイクル冷凍機が別ユニットにな
っていること、取り付け取り外しを行うネジ部、アンカ
ー部等取り付け機構を設けていること、閉サイクル冷凍
機の低温ステージと熱的に接続する接合体の表面にＡ
ｕ、Ｐｂ、Ｉｎ、Ｇａ金属または該金属を主成分とする
合金からなる膜または箔を形成していること、係合部周
部にパッキンを設け、小型低温デバイス装置と閉サイク
ル冷凍機よりなる空隙を外気と隔離したこと、その空隙
が減圧状態またはドライガス好ましくはＣ₆Ｈ₆、ＣＯ₂
ガスで置換されていることを特徴とする。 【００１５】さらに低温デバイスの周部を真空状態に保
持した小型低温デバイス装置に於て低温デバイスの周部
に低温デバイス装置と外部装置と信号を交信する発信回
路と受信回路を備えたこと、同様に低温デバイス装置の
周部に太陽電池の様な電磁波を電気エネルギーに変換す
る素子とコンデンサーを備えたことを特徴とする小型低
温デバイス装置。 【００１６】 【実施例】以下、実施例に従って本発明を詳細に説明し
ていく。 【００１７】（実施例１）本実施例の小型低温デバイス
装置の構造を図１と図２に示す。図１は小型低温デバイ
ス装置単体の断面図、図２は小型低温デバイス装置を閉
サイクル型冷凍機に組み込んだ冷凍機一体型デバイス装
置の断面図である。尚発明では閉サイクル冷凍機の中で
最も効率が良く、小型化の可能なスターリングサイクル
を用いた。 【００１８】先ず図１に従い小型低温デバイス装置単体
から説明する。外枠１は断熱性の良い表１（熱伝導率は
０℃近傍に於ける値）に示す材料からなり中央部に係合
部６を有している。 【００１９】 【表１】 【００２０】 【表２】 【００２１】外枠１の厚さは本実施例では１〜２ｍｍで
あるが商品化に必要な強度を得られる範囲であれば外部
からの熱伝導による熱侵入を抑えるため極力薄い方が好
ましい。尚無機ガラスの様に太陽光線など熱エネルギー
となる電磁波を透過し易い材料を用いる場合は外枠１の
表面にＡｌ等の金属膜を蒸着する。この金属膜は太陽光
線の浸入を防ぐだけでなく輻射防止効果をも合わせ持
つ。 【００２２】接合体２は熱伝導性の良い表２に示す材料
よりなる。好ましくは１００ｋｃａｌ／ｍｈｒ℃以上の
熱伝導率を持つ材料が良い。また接合体２には低温デバ
イス３を密着固定している。次に外枠１内に低温デバイ
ス３他（リード線等）を載せた接合体２を組み込み、後
に真空チャンバー中に入れ真空引きすると共に外枠１と
接合体２を溶接または接着せしめ一体化する。一体化に
より断熱室５は真空状態に保持される。真空度は１０^-3
Ｔｏｒｒ以上が好ましく、より好ましくは１０^-5Ｔｏｒ
ｒ以上である。真空度が悪いと断熱性が悪くなり低温デ
バイス３を冷却する能力が低下する。そのため真空度が
材料からの放出ガス等により長期に渡り維持できない場
合は外枠１をべーキングした後接合体２と接合する、外
枠１の内面に放出ガスを吸着するＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、希
土類等活性金属を蒸着する等の対策をとる。無機ガラス
と金属の様に相溶性の悪い材料の接合にはＺｎまたはＳ
ｂを添加したＰｂ−Ｓｎ合金等無機ガラスと反応し易い
金属を添加した接合材４を用いて行うと強固で密封性に
優れた接合ができる。更に接合時に超音波を印加すると
よりその効果は大きくなる。 【００２３】上記により得られた小型低温デバイス装置
（単体）を図２に示す様に冷凍機１１にセットし冷凍機
一体型デバイス装置を得る。ここで用いた冷凍機は現在
得られる最も小型の冷凍機である。図２に於て８と９と
１０はそれぞれ冷凍機１１のシリンダと冷却ステージと
フランジである。小型低温デバイス装置を冷凍機１１に
セットすることにより冷却ステージ９と接合体２、更に
低温デバイス３は熱的に接合し、低温デバイスを所定の
温度に冷却する。この熱的接合をより詳しく分析してみ
る。冷却ステージ９と接合体２、即ち固体と固体の接点
を通じての熱伝達率κ（ＷＫ^-1ｍ^-2）はＲ．Ｂｅｒｍａ
ｎの研究によると κ＝αＰ （αは比例定数） で示される。即ち熱伝達率κは接点に加えられる圧力Ｐ
に対して比例関係にある。故に低温デバイス３を安定し
て冷却するには冷却ステージ９と接合体２を所定の安定
した圧力で接触係合させる必要がある。 【００２４】 【表３】 【００２５】そこで本発明では図３または図４または図
５に示すように接合体２、または外枠１の係合部６、ま
たは外枠１の外周部にネジ部を形成し小型低温デバイス
装置を冷凍機１１に固定している。ネジ固定の他にも図
７または図８の様なアンカー１４や爪１５による固定で
も何等差し支えない。以上により得られた冷凍機一体型
デバイス装置の７７Ｋまでの到達時間と低温７７Ｋに於
ける温度安定性を外枠１または接合体２に他の材料を用
いた装置と従来の排気系を有する装置と比較した。測定
は湿度６０％温度２５℃の恒温恒湿槽内で１Ｈ時間稼動
後行った。結果をそれぞれ表３（材料による比較）と表
４（従来例との比較：図１１の装置）に示す。尚実施例
と比較例は材料が異なる他は外枠１と接合体２形状はほ
ぼ同じである。 【００２６】表３から外枠１と接合体２の材料に冷却特
性が大きく影響され、適切な材料の選択が必要なことが
判る。尚差が顕著にでたのは民生機器への普及を考慮し
現在得られる最も小さい小型冷凍機を用いためである。
通常小型化を図ると冷媒の量が少なくなり冷却能力は低
下する。しかし民生機器への普及を考えると低下は避け
られないため如何に外部からの熱エネルギーの侵入を押
え、如何に冷却ステージ９から低温デバイスへの冷却効
率を上げるかがポイントと言える。 【００２７】 【表４】 【００２８】本実施例の様に適正材料の選択、冷却経路
の熱伝導効率向上、断熱室６の安定した高真空化を図る
ことにより従来の断熱室をＤＰやＲＰで排気する装置
（特性を表４に示す）と比較し僅か低下するもののほぼ
同等の性能が得られた。また外枠１と接合体２はそれぞ
れ熱伝導率が１０ｋｃａｌ／ｍｈｒ℃以下、１００ｋｃ
ａｌ／ｍｈｒ℃以上の材料を組み合わせる必要があるこ
とが判る。 【００２９】（実施例２）外枠１に硼珪酸ガラス（内面
にＡｌ蒸着）を、接合体２にＣｕを用いて実施例１とほ
ぼ同じ工程、構造で製造したものであるが図６に示すよ
うに接合体２の低温ステージ９と接触する面に密着層１
３を形成した点がことなる。密着層１３には表面にＡ
ｕ、Ｐｂ、Ｉｎ、Ｇａ金属またはそれらを主成分とする
合金を用いて蒸着、箔の接着により形成する。密着層１
３の厚さは冷凍機１１に組み込んだ状態で０．５ｍｍ以
下である。またＧａ−Ｉｎ合金等の様に室温近傍に融点
を有する材料は加熱し溶融した状態で冷凍機に組み込む
か組み込んだんだ状態で溶融し形成する。この様にして
得られた冷凍機一体型デバイス装置を実施例１と同様な
方法で評価した。結果を表５に示す。 【００３０】 【表５】 【００３１】表５に示す様に密着層１３を形成すると実
施例１より更に性能が向上しているのが判る。これは軟
質性、延伸性に優れた密着層１３を接合体２と低温ステ
ージ９の中間部に形成することにより部品の寸法バラツ
キや部品の表面凹凸により実質の接触面積が少なかった
ものが改善されたためである。さらにＩｎ−Ｇａを用い
た時の様に加熱し溶融させると接触面積はより増加し確
実に接合するためより冷却性能は向上する。Ｉｎ−Ｇａ
合金は組成比を調整することにより融点を室温近傍にで
きるため僅かな加熱でよく家庭でも容易に行うことが出
来る。但しＡｕを除き接合体２材料より熱伝導率が低く
厚すぎると逆効果になるため好ましくは０．５ｍｍ以下
が良い。 【００３２】この様に密着層１３の形成は更に冷却性能
を必要とする時に有効である。また個人差が大きい民生
に普及した場合はこの密着層１３がその個人差によるセ
ットバラツキを吸収する。 【００３３】（実施例３）実施例１の装置に図９に示す
ようにフランジ部またはシリンダ部またはその両方にパ
ッキン１７、１８を形成した。 【００３４】 【表６】 【００３５】更に小型低温デバイス装置と冷凍機を組み
込む時にできる隙間１９を減圧状態かＣＯ₂やＮ₂等ドラ
イガスで置換する。 【００３６】得られた装置を雨天を想定して、湿度９０
％以上の恒温恒湿槽内で７７Ｋまでの到達時間と温度安
定性を調べた。尚到達時間は恒温恒湿槽内に１Ｈ入れ冷
凍機の昇温降温を１度繰り返した後の測定であり温度安
定性は到達時間測定後２００Ｈ冷凍機を稼動した後測定
した値である。 【００３７】結果を表６から判る様にパッキンを形成し
且つドライガスで置換または減圧にした装置は優れた長
期安定性を示しているのに対してパッキンの無い装置は
到達時間と温度安定性、共に悪くなっている。これはパ
ッキンの無い装置は隙間１９内に水蒸気が侵入し凝結さ
らには接合体２の近傍で凝固して隙間１９内の熱伝導率
を上げ断熱効果を低下させているためである。凝固は外
枠１に圧力を加え２５０Ｈ後には外枠１の係合部６が破
壊した。尚本実施例の中でも減圧中とＣＯ₂の特性が良
いのは上記ガス中でＣＯ₂が最も熱伝導率が低いためで
あり、減圧中はガス分子の自由行路が長くなり熱伝導率
は更に低下しているためである。 【００３８】（実施例４）マイクロ波、ミリ波などＧＨ
ｚ以上の高周波信号の伝送などリード線を太くする必要
のある低温デバイス装置に適している。 【００３９】図１０と図１１に本実施例による小型低温
デバイス装置の回路の模式図を図１２にその断面構造図
を示す。超伝導アンテナ、超伝導ミクサ（周波数混合）
等を形成した低温デバイス２の近傍にミクサからのＩＦ
信号を断熱室５外にある外部装置に発信するための発信
回路と超伝導アンテナから送信するための発信信号を外
部装置から受信するための受信回路よりなる発受信装置
２０を設ける。本実施例では発信回路の発信素子に半導
体レーザーを、受信回路の受信素子にフォトダイオード
を用いた。また発受信回路２０に隣接して電磁波を電気
エネルギーに変換する変換素子（例えば太陽電池）とそ
の電気エネルギーを貯蓄するコンデンサーを備えたエネ
ルギー貯蔵装置２１を備える。変換素子には光電現象を
持つｐｎ接合素子を用いた。発受信装置２０、低温デバ
イス２は主にこのエネルギー貯蔵装置２１から電気エネ
ルギーの供給を受け作動する。 【００４０】得られた冷凍機一体型デバイス装置の室温
から７７Ｋまでの到達時間、７７Ｋに於ける熱安定性を
調べた。結果をリード線を用いた比較例と共に表７に示
した。尚ここに用いた比較例のリード線は高周波（ＧＨ
ｚ域）の伝搬損を抑えるため可能な限り細くしているが
太い。 【００４１】 【表７】 【００４２】この様に本実施例では熱伝導経路となる太
いリード線を真空断熱した断熱室５内に引き込まなくて
もよいため７７Ｋまでの到達時間と熱安定性は大幅に改
善された。尚外部装置との交信にミリ波以下の波長の電
磁波を用いると熱侵入の少ない石英ガラス、有機材料で
構成された光ファイバーでの信号伝送が可能となり同様
な効果が得られる。 【００４３】上記実施例では閉サイクル冷凍機にスター
リングサイクル型を用いたがＧＭ（ギフォードマクマホ
ンサイクル）型、ビルマイヤサイクル型、パルスチュー
ブ型等他の閉サイクル冷凍機を用いても何等差し支えな
い。 【００４４】 【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、以下に記載される様な効果を奏する。 【００４５】低温デバイス周辺を適切な材料且つ適切な
構造で高真空に密閉保持したこと、低温デバイス側（小
型低温デバイス装置）と冷凍機を別ユニットにし脱着機
構を設けたこと、小型低温デバイス装置と冷凍機の係合
接触面に軟質延伸材料膜または箔を形成し密着面積を増
加させ係合バラツキがあっても熱伝導に影響が出ないよ
うにしたことにより低温デバイス側または冷凍機側が故
障した時に交換必要なユニットを容易に取り替えできる
ようになった。この様なメンテナンスの容易化は高性能
である低温デバイス装置の家庭への普及を可能にする。 【００４６】そして、小型低温デバイス装置内に信号の
受発信装置と電磁波を電気エネルギーに変換し且つ貯蔵
する装置を設けることによりリード線を廃止し熱の侵入
を抑えることができるため冷却効率が改善され低温デバ
イスを安定に冷却することが可能になった。リード線の
廃止は交換時に於けるリード線の接続を必要としないた
めメンテナンスの容易化にもつながる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の小型低温デバイス装置の一実施例を示
す部分縦断面図。 【図２】本発明の小型低温デバイス装置の冷凍機との係
合状態を示す縦断面図。 【図３】本発明の小型低温デバイス装置の係合部部分断
面図。 【図４】本発明の小型低温デバイス装置の他の係合部部
分断面図。 【図５】本発明の小型低温デバイス装置の他の係合部を
示す部分断面図。 【図６】本発明の小型低温デバイス装置の他の係合部を
示す部分断面図。 【図７】本発明の小型低温デバイス装置の脱着機構を示
す部分断面図。 【図８】本発明の小型低温デバイス装置の他の脱着機構
を示す部分断面図。 【図９】本発明の小型低温デバイス装置の他の実施例を
示す部分断面図。 【図１０】本発明の小型低温デバイス装置の他の実施例
の回路図。 【図１１】本発明の小型低温デバイス装置の他の実施例
の回路図。 【図１２】本発明の小型低温デバイス装置の他の実施例
を示す部分縦断面図。 【図１３】従来の低温デバイス装置の部分縦断面図。 【符号の説明】 １ 外枠 ２ 接合体 ３ 低温デバイス ４ 接合材 ５ 断熱室 ６ 係合部 ７ 係合部ネジ部 ８ 冷凍機シリンダ １０ 冷凍機フランジ １１ 冷凍機本体 １２ 外枠ネジ部 １３ 密着層 １４ 脱着機構アンカー １５ 脱着機構爪 １６ 脱着機構スプリング １７ 外部パッキン １８ 内部パッキン １９ 係合隙間 ２０ 受発信装置 ２１ エネルギー貯蓄装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 下田 達也 長野県諏訪市大和３丁目３番５号 セイコ ーエプソン株式会社内

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 閉サイクル冷凍機と係合するための係合
   部を有した外枠と、低温デバイスを載せ低温デバイスと
   閉サイクル冷凍機とを熱的に接続する接合体とを備え、
   且つ該外枠と接合体により形成される断熱室に対応する
   低温デバイスの周部を真空状態に保持していることを特
   徴とする小型低温デバイス装置。 【請求項２】 前記外枠をアンバー、絶縁体等熱伝導率
   が１０ｋｃａｌ／ｍｈｒ℃以下の断熱材料から形成し、
   接合体を１００ｋｃａｌ／ｍｈｒ℃以上の良熱伝導材料
   から形成していることを特徴とする請求項１記載の小型
   低温デバイス装置。 【請求項３】 小型低温デバイス装置と閉サイクル冷凍
   機が別ユニットになっていること、取り付け取り外しを
   行うネジ部、アンカー部等取り付け機構を設けているこ
   とを特徴とする小型低温デバイス装置。 【請求項４】 閉サイクル冷凍機の低温ステージと熱的
   に接続する接合体の表面にＡｕ、Ｐｂ、Ｉｎ、Ｇａ金属
   または該金属を主成分とする合金からなる膜または箔を
   形成していることを特徴とする請求項３記載の小型低温
   デバイス装置。 【請求項６】 係合部周部にパッキンを設け、小型低温
   デバイス装置と閉サイクル冷凍機よりなる空隙を外気と
   隔離したことを特徴とする請求項３記載の小型低温デバ
   イス装置。 【請求項７】 空隙が減圧状態またはドライガス好まし
   くはＣ₆Ｈ₆、ＣＯ₂ガスで置換されていることを特徴と
   する請求項６記載の小型低温デバイス装置。 【請求項８】 低温デバイスの周部を真空状態に保持し
   た小型低温デバイス装置に於て、低温デバイスの周部に
   低温デバイス装置と外部装置と信号を交信する発信回路
   と受信回路を備えたことを特徴とする小型低温デバイス
   装置。 【請求項９】 低温デバイスの周部を真空状態に保持し
   た小型低温デバイス装置に於て、電磁波を電気エネルギ
   ーに変換する素子とコンデンサーを備えたことを特徴と
   する小型低温デバイス装置。