JPH109700A

JPH109700A - 低温デバイス装置

Info

Publication number: JPH109700A
Application number: JP8161273A
Authority: JP
Inventors: Eiji Natori; 栄治名取; Tatsuya Shimoda; 達也下田; Taketomi Kamikawa; 武富上川; Setsuya Iwashita; 節也岩下
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1996-06-21
Filing date: 1996-06-21
Publication date: 1998-01-16
Anticipated expiration: 2016-06-21
Also published as: JP3608296B2

Abstract

(57)【要約】【課題】閉サイクル冷凍機の振動を抑制すると共に異
なる特性を有するデバイスのそれぞれの性能を最大限に
引き出す。【解決手段】２台以上の閉サイクル型冷凍機を互いに
振動を打ち消し合う方向に連結し振動を抑制すると共に
それぞれの冷却ヘッドには特性の異なるデバイスを搭載
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、冷凍機を用いた通
信機器、科学機器や情報機器に関する。

【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。通常開サイクルタイプによるデバイスの冷却には電
子情報通信学会、信学技報、ＭＷ−９３−７、ｐｐ３９
（１９９３）と電子情報通信学会論文誌、Ｖｏｌ．Ｊ７
５−Ｃ−II、Ｎｏ．１１、ｐｐ７２９（１９９２）に述
べられている様に液体窒素中または液体ヘリウム中にデ
バイスを浸漬する方法が用いられている。但しこの方法
は実験室レベルであり実用化に向けては大型の装置を除
き検討されていない。

【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。これらの構造は未踏科
学技術協会新超伝導材料研究会の宇宙用超伝導技術の平
成元年度調査研究（その２）ｐ３１４〜３３０に述べら
れている。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。中でも冷却効率が最も高いスターリングサイクル
は小型化が期待されている。この閉サイクルタイプによ
るデバイスの冷却は図８に示す様に閉サイクル冷凍機
（シングルヘッド）の冷却ヘッド６２にデバイス６３を
直接固定して行なうものである。またデバイス６３の周
囲即ちガラス６５と外枠６４の内部は真空に保持され断
熱を行なっている。尚この方法は電子情報通信学会、信
学技報、ＭＷ９４−１４３、ｐｐ９（１９９５）に詳細
が述べられている。

【０００５】

【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。

【０００６】（１）ピストン、クランク、ディスプレー
サーなど高速で摺動する機構を持つスターリングサイク
ル、ギフォードマクマホンサイクル、ビルマイヤーサイ
クル等は冷却ヘッドに於ける振動が大きくデバイスの特
性劣化を招いていた。特に冷却効率が高く小型化が可能
で民生機器への普及も期待されるスターリングサイクル
は振動が大きい。

【０００７】（２）閉サイクル冷凍機を小型化すると冷
却ヘッドも小さくなるため冷却できるデバイスの面積が
少なくなる。ちなみに現在市販されている小型冷凍機の
冷却ヘッドの面積は１〜２ｃｍ²程度である。故にデバ
イスの設計が制約される。例えば超電導フィルター、超
電導ミクサ、超電導アンテナ、超電導共振器、超電導遅
延回路等超電導の際だった特徴である抵抗ゼロ・完全反
磁性・量子効果を活かし他のデバイスの追従を許さない
デバイスを組み合わせると理想的な低温デバイス装置が
得られるが小型冷凍機を用いると超電導アンテナ、超電
導ミクサー、超電導フィルターの搭載が限度となる。ち
なみにＴ．ＩＥＥＪａｐａｎ，Ｖｏｌ．１１３−Ｄ，
Ｎｏ．８（１９９３）では超電導ミクサと超電導フィル
ターが第４１回応用物理学関係連合講演会（１９９４
年）、講演予稿集、２９ａ−ＺＶ−６では超電導アンテ
ナと超電導ミクサのモノリシック化が報告されている。
しかし超電導アンテナ、超電導ミクサー、超電導フィル
ターの３デバイスをモノリシック化した報告は無い。

【０００８】（３）閉サイクル冷凍機の冷却能力は冷媒
の量に比例するため小型化すると冷却能力は低下する。
その場合如何に熱浸入を抑えるかがポイントとなる。

【０００９】（２）に於て超電導デバイスの優れてい
ることを述べたが残念ながら臨界温度が高い酸化物超電
導体を用いた超電導デバイスには顕著な増幅機能は無
い。故に増幅機能を付加するには半導体デバイスを用い
る必要があるが周知の如く半導体デバイスを用いると増
幅用の半導体デバイスは発熱量が多いため冷却到達温度
が高くなると共に発熱量の変動により温度制御が困難に
なる。超電導デバイスは動作温度に敏感であり特に臨界
温度を越えると全くデバイスとして機能しないため致命
的な問題となる。

【００１０】室外で用いる場合は熱線（赤外線）と可
視光線の影響がある。熱線がデバイスに照射されると温
度の上昇が起こる。また可視光線のエネルギーは酸化物
超電導体のエネルギーギャップより大きいため超電導デ
バイスに照射されるとクーパー対が破壊されデバイス機
能を持たなくなる。これらの電磁波の遮断は金属でデバ
イスの周部を覆おうことにより可能であるが電磁波を検
出または放射するデバイスには用いることは出来ない。（４）小さい冷却ヘッドの限られた面積の中に特性の異
なるデバイスをモノリシック化すると相互干渉により性
能が低下することが多々見られる。その１つに送信デバ
イスと受信デバイスがある。送信デバイスの強い信号が
近傍の受信デバイスに入ると当然ノイズとなり性能は大
幅に低下する。

【００１１】（５）アンテナの利得ＧはＧ＝η ×Ｄで表される。ここでηは放射効率、Ｄは指向性利得であ
る。式から分かるように指向性を強くすることによりア
ンテナの利得は向上する。超電導体をアンテナに用いる
と、いわゆる超指向性アンテナが出来る。しかし指向性
を強くすると電磁波の来る方位が分からない場合や移動
体の様にアンテナの方向が刻々と変わる場合は効率の良
い方向にアンテナを向けないと逆に利得は大幅に低下す
る事になる。本発明は以上述べた問題点を解決するもの
であり、民生機器への普及も可能である小型で高性能な
低温デバイス装置を得んとするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明よりなる低温デバイス装置は閉サイクル型冷
凍機を用いた低温デバイス装置であって、前記閉サイク
ル型冷凍機を２台以上互いに振動を打ち消し合う方向に
連結し、各々の冷却ヘッドに特性の異なるデバイスを固
定して成ること、上記の特性の異なるデバイスが通信に
用いる送信用デバイスと受信用デバイスであること、ま
たは上記の特性の異なるデバイスが半導体デバイスと超
電導デバイスであること、または上記の特性の異なるデ
バイスが通信用のアンテナ指向の異なるデバイスであり
都度必要な指向のデバイスを選択し使用することを特徴
とする。また本発明よりなる低温デバイス装置は閉サイ
クル型冷却装置を用いた低温デバイス装置であって閉サ
イクル型冷凍機を２台以上互いに振動を打ち消し合う方
向に連結し、更に各々の冷却ヘッドをデバイスを固定し
た一体の冷却ステージで接合連結して成ることを特徴と
する。冷却ステージは熱電導率が高く変質の少ない材料
が好ましく、冷却ステージに冷却ステージの温度を安定
させる蓄冷材を接合しても良い。また本発明よりなる低
温デバイス装置は冷却するデバイスの周部を該デバイス
と共に冷却した可視光吸収フィルターで覆い、更にその
周部を高真空に維持した断熱室を介して赤外線吸収フィ
ルターで覆ったことを特徴とする。更に本発明よりなる
低温デバイス装置は冷却するデバイスに回転機構を設
け、該デバイスの周部を動作温度より低い沸点を有する
不活性ガス、酸素、窒素、またはそれらの混合ガスを注
入したキャビティーで覆い、さらに該キャビティーの周
部を高真空に維持した断熱室で覆ったことを特徴とす
る。また上記デバイスが通信用デバイスであり、必要な
アンテナの指向位置に於て回転を停止させる制御機能を
設けたことを特徴とする。尚キャビティー内に充填する
ガスは高い熱電導率を有するガスが好ましい。また本発
明よりなる低温デバイス装置は電磁波を透過し真空断熱
を行なう外枠と所定の電磁波を反射または吸収するフィ
ルターをドーム状に形成し、そのドームの径中心にアン
テナ、ミクサまたは電磁波を収束するレンズを配したこ
とを特徴とする。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、実施例に従って本発明を詳
細に説明していく。

【００１４】（実施例１）本発明よりなる低温デバイス
装置の部分断面図を図１に示す。２つのインテグラル型
スターリングサイクル１ａ、１ｂを互いに振動を打ち消
し合う方向、本実施例ではほぼ圧縮機ピストンの動作方
向に連結し２つの冷却ヘッド２ａ，２ｂを有する閉サイ
クル冷凍機を得る。振動を効率良く抑えるため単なる連
結ではなく外部ケースを一体にしている。また作動時に
は振動を抑制させるため２つのインテグラル型スターリ
ングサイクル１ａ、１ｂの振動が互いに干渉し減衰する
振動モードになる様に圧縮機の駆動タイミングを同期さ
せる。尚連結方向をほぼ圧縮機ピストンの動作方向とし
たのは圧縮機ピストンの振動がメインであるが摺動部は
他にもあり、更に冷凍機の形状と重心も振動に影響を与
えるため全体の振動バランスを考慮すると多少ずれるた
めである。インテグラル型はスプリット型に比べて小型
化が可能な反面振動が大きいのが特徴であり、振動を抑
えると有効な冷凍機となる。

【００１５】次に冷却ヘッド２ａに超電導デバイス３ａ
を一方の冷却ヘッド２ｂに半導体デバイス３ｂを低融点
金属であるＩｎ−Ｇａ合金で接着固定する。ここでＩｎ
−Ｇａ合金で接着するのは熱伝導性を良くして効率良く
冷却するためである。次にそれぞれのデバイス３ａ、３
ｂの周部をステンレススチールからなる外枠４ａと石英
ガラスからなる４ｂで覆う。通常この様に外枠を２種類
に分けるのは電磁波検出を目的とした場合でありそれを
除くと金属で一体に形成しても良い。次に内部を１０^-4
Ｔｏｒｒ以下の圧力に真空引きした後密閉し高真空に保
持した断熱室７０を構成して低温デバイス装置を得る。
断熱室７０を高真空に維持するには極力部品を一体に作
り、ハーメチックシールや溶接の様に気密性の高い接合
方法により部品間を接合する。パッキンを用いる場合は
排気システムを付加することが好ましい。尚図中では配
線は省略している（以下の実施例も同様）。

【００１６】

【表１】

【００１７】得られた低温デバイス装置の冷却ヘッド２
ａ，２ｂに於ける振動とデバイス動作時に於ける到達温
度を測定した。振動は加速度を測定し評価した。結果を
それぞれ表１と表２に示した。

【００１８】表１から判るように本実施例は２つのイン
テグラル型スターリングサイクル１ａ、１ｂを互いに振
動を抑制する方向に連結し且つ振動が干渉により減衰す
る駆動タイミングで作動しているため振動が大幅に少な
くなっている。冷却ヘッドを１つにして圧縮機ピストン
部のみ２つ連結する方法も考えられるが振動を発生する
摺動部は圧縮機ピストンだけではなく振動は抑制される
が全体的にバランスが取れないため本実施例より効果は
少ない。また圧縮機ピストンのみ２つ連結する方法は１
つの圧縮ピストンは冷却に関係無いため無駄が生ずる。

【００１９】

【表２】

【００２０】表２から半導体デバイス側の方が到達温度
が高い、即ち冷却されないことが判る。これは半導体デ
バイスを作動させることにより半導体デバイスが発熱し
ているためである。半導体デバイスを作動しない時は６
０Ｋであるため作動の有無により１５Ｋの差が生まれ、
これは動作温度のバラツキに繋がる。この温度のバラツ
キは半導体デバイスでは特性に殆ど影響を与えないが超
伝導デバイスでは臨界電流が変わり、さらには非超電導
体へと相転移する場合もあるため特性に大きな影響を与
える。即ち同じ冷却ヘッドに超伝導デバイスと半導体デ
バイスを同時に搭載すると半導体デバイスの発熱により
超伝導デバイスに悪い影響を与えるため、冷却能力の低
い小型冷凍機に超伝導デバイスと半導体デバイスを搭載
する場合は冷却ヘッドを別々にする必要がある。この様
に本実施例は振動の抑制だけでなく超伝導デバイスと半
導体デバイスの特徴を共に活かすことが出来る。

【００２１】（実施例２）実施例１により得た冷凍機の
冷却ヘッド２ａ、２ｂに５素子スーパーゲインアンテナ
（超利得アンテナ）、超電導ミクサ等を形成した超電導
デバイス３ａ、３ｂを指向方位を４５°〜９０°ずらし
て冷却ヘッド２ａ、２ｂにＩｎ−Ｇａにより接合固定す
る。次に実施例１と同様に超電導デバイス３ａ、３ｂの
周部をステンレススチールからなる外枠４ａと石英ガラ
スからなる外枠４ｂで覆い、更に内部を１０^-4Ｔｏｒｒ
以下の圧力に真空引きし断熱室７０を構成して低温デバ
イス装置を得る。

【００２２】得られた通信用低温デバイス装置の指向性
を図２に示す。左が超電導デバイス３ａ、右が超電導デ
バイス３ｂの指向性であり最大（外周円）で１５ｄＢで
ある。図から判るように超利得アンテナの指向性は強く
利得が高い反面超利得アンテナ単独では直角方向では逆
に極めて利得が低くなる。それを本実施例の様に指向を
ずらして２つ配置することにより欠点を補うことが出来
る。超利得アンテナは給電を逆にすると指向性を反転で
きるため１８０°の方向は問題ない。尚本実施例では２
方向の指向性で説明しているが冷凍機を更に連結し多方
向に超利得アンテナを配置すると更に効率を良くするこ
とが出来る。

【００２３】また受けた電磁波の電界強度の強い方の超
利得アンテナ、または通信する相手の位置が判っている
場合最も指向の合った超利得アンテナを選択して用いる
とより効率の良い通信が可能になる。更に人、装置の有
る方向を避ける様に超利得アンテナを選択すると電磁波
の存在する範囲を必要最小限にできるため最近の問題と
なっている電磁波による脳障害や電子機器の誤動作防止
に有効となる。

【００２４】（実施例３）実施例２と同様に実施例１に
より得た冷凍機の冷却ヘッド２ａ、２ｂに５素子スーパ
ーゲインアンテナ（超利得アンテナ）、超電導ミクサ等
を形成した超電導デバイス３ａ、３ｂを冷却ヘッド２
ａ、２ｂにＩｎ−Ｇａにより接合固定する。超電導デバ
イス３ａは発信用デバイス、超電導デバイス３ｂは受信
用デバイスである。次に超電導デバイス３ａ、３ｂの周
部をステンレススチールからなる外枠４ａと石英ガラス
からなる４ｂで覆い、更に内部を１０^-4Ｔｏｒｒ以下の
圧力に真空引きし断熱室７０を構成して低温デバイス装
置を得る。

【００２５】得られた低温デバイス装置の通信実験を電
波暗室に於て行なったところ超伝導デバイス３ａと３ｂ
には十分な間隔があるため互いの干渉による性能低下は
なかった。また間隔が有るとシールドも容易に図れる。

【００２６】（実施例４）本発明よりなる低温デバイス
装置の部分断面図を図３に示す。２つのインテグラル型
スターリングサイクルを互いに振動を打ち消し合う方向
に連結し閉サイクル冷凍機１０を得る。実施例１では外
枠４ａを取り付けるフランジは別々にあったが本実施例
では一体となっている。

【００２７】次に冷却ヘッド１２ａと１２ｂに無酸素銅
に金メッキを施した冷却ステージ１６をＩｎ−Ｇａ合金
で接合し冷却ヘッド１２ａと１２ｂを連結する。次に冷
却ステージ１６の裏面に高比熱金属からなる蓄冷体１７
を、表面に超電導デバイス１３ａ、１３ｂをＩｎ−Ｇａ
合金で接合する。ここで冷却ステージ１６に無酸素銅を
用いたのは熱伝導性に優れた無酸素銅を用いることによ
り効率良く超電導デバイス１３ａ、１３ｂを冷却するた
めであり、金メッキは酸化による熱伝導率の低下、熱射
出率の増加を抑制するためである。また蓄冷体１７は外
部からの熱浸入など温度ゆらぎによる冷却ステージ１６
の温度変動を抑制する働きをする。

【００２８】次に超電導デバイス１３ａ、１３ｂの周部
をステンレススチールからなる外枠１４ａと石英ガラス
からなる外枠１４ｂで覆い、更に内部を１０^-4Ｔｏｒｒ
以下の圧力に真空引きし断熱室７０を構成して低温デバ
イス装置を得る。

【００２９】得られた低温デバイス装置の冷却ステージ
１６の７７Ｋに於ける温度分布を電波暗室内で測定し
た。結果を１つの冷却ヘッドに本実施例と同一面積の冷
却ステージ１６を接合した比較例と共に表３に示した。

【００３０】

【表３】

【００３１】表から判るように本実施例によると広い面
積を有する冷却ステージ１６の温度分布を少なく出来
る。即ち広い面積の超電導デバイス１３ａ、１３ｂを使
うことが出来、超電導ミクサ、超電導アンテナ、超電導
フィルター、超電導共振器、超電導遅延回路等のモノリ
シック化が可能になる。

【００３２】また振動を抑制するため必然的に長くなっ
たスターリングサイクルの連結方向に冷却ステージ１６
を長くしてデバイスを搭載する面積を広くしているため
空間を有効に利用しデバイスの搭載面積を稼ぐことが出
来る。即ち小型化が図れる。

【００３３】以上の実施例ではスターリングサイクルを
用い説明したがギフォードマクマホンサイクル、ビルマ
イヤーサイクル等ピストン、クランク、ディスプレーサ
ーなど高速で摺動する機構を持つサイクルであれば効果
は同じである。

【００３４】（実施例５）本発明よりなる低温デバイス
装置の部分断面図を図４に示す。冷却ヘッド２２に接合
した内枠２８、内枠２８に接合した超電導デバイス２
３、超電導デバイス２３を覆うように内枠に２８に接合
した可視光吸収フィルター２９ａ、更に其れらを覆うよ
うに形成した外枠２４ａ、赤外線吸収フィルター（赤外
線反射フィルターでも良い）２９ｂと電磁波遮断層２９
ｃを形成した外枠２４ｂと断熱室７０により構成され
る。

【００３５】本実施例のポイントは次の通りである。ス
ターリングサイクルの冷却ヘッド２２に無酸素銅に金メ
ッキを施した内枠２８をＩｎ−Ｇａ合金で接合し、該内
枠２８の内部に超電導アンテナと超電導ミクサ等を形成
した超電導デバイス２３を同じくＩｎ−Ｇａで接合す
る。更に超電導デバイス２３を覆うように可視光吸収フ
ィルター２９ａを内枠２８に固定する。この可視光吸収
フィルター２９ａは内枠２８に固定することにより超電
導デバイス２３と同様に内枠２８を通して冷却せしめら
れる。尚可視光吸収フィルター２９ａと内枠２８を強固
に接合すると可視光吸収フィルター２９ａが内枠２８と
の線膨張係数の違いにより降温または昇温時に割れるた
め熱伝導性が良く軟らかい金属シートを可視光吸収フィ
ルター２９ａと内枠２８の間に挟み機械的に固定してい
る。次に内枠２８と可視光吸収フィルター２９ａの周部
をステンレススチールからなる外枠２４ａと赤外線（熱
線）吸収フィルター２９ｂと電磁波遮断層２９ｃを形成
した石英ガラスからなる外枠２４ｂで覆う。電磁波遮断
層２９ｃはＡｌ、Ａｇ、Ｃｕ等電磁波を遮断し且つ熱放
射の射出率が少ない材料を蒸着して形成する。尚熱放射
の射出率は鏡面で有るほど少ないが平坦性の良い石英ガ
ラスに金属を蒸着すると良い鏡面が得られる。更に内部
を１０^-4Ｔｏｒｒ以下の圧力に真空引きし断熱室７０を
構成して低温デバイス装置を得る。

【００３６】得られた低温デバイス装置の冷却ヘッドの
到達温度と温度バラツキ、１０ＧＨｚのマイクロ波を照
射した時のシャピロステップの形状をオープンサイト
（太陽下）に於て評価した。

【００３７】

【表４】

【００３８】結果を可視光吸収フィルター、赤外線吸収
フィルター共に形成しない場合（比較例１）、内枠に可
視光吸収フィルターのみ形成した場合（比較例２）、外
枠に赤外線吸収フィルターのみ形成した場合（比較例
３）、内枠に赤外線吸収フィルターのみ形成した場合
（比較例４）、外枠に可視光吸収フィルターのみ形成し
た場合（比較例５）、内枠に赤外線吸収フィルター、外
枠に可視光吸収フィルターを形成した場合（比較例
６）、外枠に赤外線吸収フィルターと可視光吸収フィル
ターを形成した場合（比較例７）、金属の外枠で完全に
覆った場合の比較例と共に表４に示した。尚表４の中の
○は明瞭なシャピロステップ、△は鈍りがあるシャピロ
ステップ、×はシャピロステップなしを示す。

【００３９】表に示す様に超電導デバイス２３の周囲を
冷却した可視光吸収フィルター２９ａで、更にその外周
を断熱室７０を介して赤外線吸収フィルター２９ｂで覆
うことにより太陽下でも超電導デバイス２３の冷却温度
を安定させ且つ明瞭なシャピロステップを得ることが出
来る。この理由を説明する。先ず温度バラツキに関して
は、実施例、比較例３、比較例７の様に赤外線吸収フィ
ルター２９ｂを断熱室７０の外に配したものが最も温度
バラツキが少なく太陽光を全く通さない金属の外枠のみ
からなる比較例８とほぼ同等となっている。比較例４と
比較例６の様に断熱室７０の内部に赤外線吸収フィルタ
ーを配したものは赤外線吸収フィルターを全く用いない
ものより温度バラツキは少ないものの効果は顕著ではな
い。これは赤外線吸収フィルターは赤外線を吸収して赤
外線を透過させないが自体は赤外線を吸収することによ
り発熱する、その時前者は断熱室７０により熱の内部へ
の浸入を抑制するが後者は熱が遮断されないため内枠２
８を通して冷却ヘッド２２や超電導デバイス２３の温度
を変化させるためである。シャピロステップの波形に関
しては可視光吸収フィルターを用いない比較例１、比較
例３、比較例４はシャピロステップが見られない。これ
は超電導体のエネルギーギャップより大きいエネルギー
（ｈν）の可視光が超電導デバイス２３に入射すること
により超電導体のクーパー対が破壊され量子効果が現れ
ないためである。また可視光吸収フィルターを用いたも
のでも実施例２、実施例５、実施例６、実施例７は明瞭
なシャピロステップが現れていない。これは太陽光の赤
外線入射による温度上昇により超電導状態が不安定にな
ったためと外枠や外枠に形成したフィルターからの熱放
射によるものである。物体から射出される電磁波の波長
は λ＝ｂ／Ｔｂ＝０．２８９ｃｍＫＴ：絶対温度で表わされる。この式から太陽下に於ける外枠またフィ
ルターの温度５０℃を当てはめると数μｍの電磁波が射
出されていることが判る。石英ガラスやフィルターの射
出率は高い（ちなみに石英ガラスの射出率は約０．９
５）ためこの電磁波の放射がシャピロステップの波形を
鈍らしているものと考えられる。

【００４０】またそのエネルギーはＳ＝σＴ⁴ σ＝５．６７×１０^ー12Ｗ・ｃｍ^-2ｄｅ
ｇ^-4 で表される。この式から温度の４乗に比例して低くなる
ことが判る。即ち実施例の様にフィルターを冷却するこ
とにより射出される電磁波の波長は長波長になり、さら
にエネルギーが極めて少なくなる。実施例では冷却して
いるのは可視光吸収フィルター２９ａであるが可視光吸
収フィルター２９ａの用いられているガラス基板はちょ
うど外枠２４ｂや外枠２４ｂに形成した赤外線吸収フィ
ルター２９ｂ等からの電磁波を吸収するため明瞭なシャ
ピロステップが出ているものと考えられる。以上の点を
鑑みると断熱室７０の外に赤外線吸収フィルター２９ｂ
を断熱室７０の内に冷却した可視光吸収フィルター２９
ａを形成することが最も良いことが判る。

【００４１】（実施例６）本発明よりなる低温デバイス
装置の部分断面図を図５に示す。冷却ヘッド３２に接合
した内枠３８ａと該内枠３８ａに接合した内枠３８ｂに
より形成したキャビティー３９、該キャビティー３９の
内部に内枠３８ａに固定された永久磁石４１、永久磁石
に係合したローター４２、ローター４２上に固定された
超電導デバイス３３、超電導デバイス３３周囲を覆う熱
伝導ガス４０、そしてキャビティー３９の周部に配した
外枠３４ａ、３４ｂ、断熱室７０より構成される。

【００４２】本実施例のポイントは次の通りである。Ｎ
ｉ−Ｆｅ系合金（パーマロイ）、Ｃｏ−Ｆｅ系合金（パ
ーメンジュール）、純鉄など高透磁率材料からなる円筒
状の内枠３８ａの内面に多極着磁をしたリング状Ｐｒ−
Ｆｅ−Ｂ系の永久磁石４１を固定する。ここで内枠３８
ａに高透磁率材料を用いたのは超電導デバイス３３への
磁束の漏洩を極力少なくするためであり、Ｐｒ−Ｆｅ−
Ｂ系永久磁石を用いたのは多分野に応用されているＮｄ
−Ｆｅ−Ｂ系永久磁石は低温領域に於てスピンの再配列
があり冷却することにより性能が低下するがＰｒ−Ｆｅ
−Ｂ系永久磁石は相転移がなく冷却する程磁気性能は高
くなるためである。次に永久磁石４１にローター４２を
係合する。ローター４２にはヨークにコイルが巻かれて
いるためコイルに制御電流を流すことにより所定の条件
で回転するステップモーターとなる。尚回転をより精密
に制御する場合はエンコーダーを用いてもよい。次にロ
ーター４２に超電導デバイス３３を固定する。ローター
４２他からの磁束の漏洩があり超電導デバイス３３に影
響を与える場合は漏洩場所に超電導体を配すると磁束を
排除出来る。また回転機構をステップモーターで説明し
たが、これに限定されるものではなく、例えば超電導体
のピンニング効果による磁石化やマイスナー効果による
磁気浮上を利用すると回転抵抗の少ないアクチュエータ
ーを形成出来る。

【００４３】次に石英ガラスから成る内枠３８ｂを内枠
３８ａに接合しキャビティー３９を形成する。更にキャ
ビティー３９の内部を真空引きした後にＨｅ、Ｎｅ、Ａ
ｒ、酸素、窒素単体またはそれらの混合ガスからなる熱
伝導ガス４０を注入し密閉する。但し用いる熱伝導ガス
４０は超電導デバイス３３の動作温度より低い沸点を有
する必要がある。熱伝導ガス４０の中では沸点が低く熱
伝導性の優れたＨｅやＮｅが好ましい。次にキャビティ
ー３９を冷凍機の冷却ヘッド３２にＩｎ−Ｇａで接合し
更に前記実施例と同様に周囲をステンレススチールから
なる外枠３５ａと石英からなる外枠３５ｂ、断熱室７０
で覆い低温デバイス装置を得る。

【００４４】超利得アンテナは指向性が強く利得が高い
反面指向に対して直角方向は極めて利得が低いことを前
述したが本実施例では超電導デバイス３３を自由に回転
出来るため必要な時に必要な方向に自由に指向を調整す
ることが出来る。即ち電磁波の受信方向に関係なく超利
得アンテナの利点を最大限に引き出すことが出来る。

【００４５】尚本実施例では冷却に閉サイクル冷凍機を
用いているがキャビティー３９と断熱室７０の間に液体
窒素や液体ヘリウムを入れる開サイクル冷凍機を用いて
も何等差し支えない。

【００４６】（実施例７）本発明よりなる低温デバイス
装置の部分断面図を図６に示す。本実施例のポイントは
電磁波を透過する石英からなる外枠５４ｂをドーム状に
形成したことと該ドームの半径中心部かその近傍にデバ
イス５３を配したことにある。デバイス５３が大面積で
あり様々な素子を形成してある場合はデバイス５３の中
でも電磁波を直接検出するアンテナをドームの半径中心
近傍に配する。

【００４７】前述の実施例（１〜６）や従来例では電磁
波を透過する外枠４ｂ、１４ｂ、２４ｂ、３４ｂ、６５
にフラットなガラスを用いている。しかしフラットな場
合電磁波の入射してくる角度が変わると電磁波の反射率
と透過するガラスの厚さが異なりアンテナに入る電磁波
の電界強度が変わる。特にガラス面に対して垂直に入射
する場合は良いが低角度になると電磁波の電界強度は少
なくなる。その点本実施例の用に電磁波を透過する外枠
５４ｂをドーム状に形成し、ドームの半径中心部かその
近傍にアンテナを配したことにより電磁波の入射する角
度が変わっても反射率やガラスの厚さ等電磁波の入射条
件が一定になり安定した電界強度となる。尚図６ではド
ーム状にしたのは外枠５４ｂのみであるがフィルターを
用いる場合はフィルターもドーム状にした方が好まし
い。また図７に示す用にレンズ（図７では超半球レン
ズ）を用いて電磁波を収束させる場合はアンテナではな
くレンズをドームの半径中心部かその近傍に配する。

【００４８】

【発明の効果】本発明は、以上説明した様に構成されて
いるので、以下に記載される様な効果を奏する。

【００４９】２台以上の閉サイクル型冷凍機を互いに振
動を打ち消し合う方向に連結したことにより低い振動の
冷凍機を得られ、それに搭載するデバイスの振動による
性能の低下を抑制出来る。また振動を抑制するためだけ
の連結ではなく各々の冷却ヘッドには特性の異なるデバ
イスを搭載しているため下記の様に各々のデバイスの特
徴を最大限に引き出すことが出来る。（１）送信用デバ
イスと受信用デバイスを別々の冷却ヘッドに搭載したこ
とにより互いの干渉による性能の低下を抑制出来る。
（２）半導体デバイスと超電導デバイスを別々の冷却ヘ
ッドに搭載したことにより冷却能力の少ない小型冷凍機
でも超電導デバイスは半導体デバイスの発熱による影響
を受けないため性能の低下はない。（３）指向性の異な
るアンテナをそれぞれの冷却ヘッドに配したため、例え
ば指向性の強い超利得アンテナを用いても多方位に渡り
利用出来る。また都度必要な指向のアンテナを選択する
と効率の良い通信が可能になるだけでなく人や装置の有
る方向を避ける様にアンテナを選択すると電磁波の存在
する範囲を必要最小限にできるため最近の問題となって
いる電磁波による脳障害や電子機器の誤動作防止に有効
となる。

【００５０】またそれぞれの冷却ヘッドを冷却ステージ
により連結することにより温度分布の少ない広い面積の
冷却ステージを確保出来る。即ち広い面積のデバイスを
使うことが出来、例えば超電導デバイスでは超電導ミク
サ、超電導アンテナ、超電導フィルター、超電導共振
器、超電導遅延回路等のモノリシック化が可能になる。

【００５１】また振動を抑制するため必然的に長くなっ
たサイクルの連結方向に冷却ステージを長くしてデバイ
スを搭載する面積を広くしているため空間を有効に利用
して小型化が図れる。

【００５２】また超電導デバイスの周囲を超電導デバイ
スと同様に冷却した可視光吸収フィルターでさらにその
外周を断熱室を介して赤外線吸収フィルターで覆ったこ
とにより冷却能力の低い小型冷凍機を用いても安定して
冷却でき動作温度に敏感な超電導デバイスを安定して使
うことが出来る。更に輻射など必要外の電磁波の超電導
デバイスへの入射を抑制できるため鈍りのない出力信号
波形を得ることが出来る。

【００５３】また超電導デバイスを自由に回転出来るた
め必要な時に必要な方向に自由に指向を調整することが
出来る。即ち電磁波の受信方向に関係なく超利得アンテ
ナの利点を最大限に引き出すことが出来る。将来イリジ
ューム計画、テレデシック計画など衛星通信が計画され
ているがこれらは低軌道衛星で静止衛星ではなく追尾の
必要がある。本実施例によればそれらに用いる通信装置
として容易に対応がとれる。

【００５４】更に電磁波を透過し真空断熱を行なう外枠
と所定の電磁波を反射または吸収するフィルターをドー
ム状に形成し、そのドームの径中心近傍にアンテナ、ミ
クサまたは電磁波を収束するレンズを配したことにより
検出部への電磁波の照射を均一にし利得の向上が図れ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明よりなる第１の実施例に於ける低温デバ
イス装置の部分断面図。

【図２】本発明よりなる第２の実施例に於ける低温デバ
イス装置のアンテナの指向性を示す図。

【図３】本発明よりなる第４の実施例に於ける低温デバ
イス装置の部分断面図。

【図４】本発明よりなる第５の実施例に於ける低温デバ
イス装置の部分断面図。

【図５】本発明よりなる第６の実施例に於ける低温デバ
イス装置の部分断面図。

【図６】本発明よりなる第７の実施例に於ける低温デバ
イス装置の部分断面図。

【図７】本発明よりなる第７の実施例のレンズを用いた
場合に於ける低温デバイス装置の部分断面図。

【図８】従来の低温デバイス装置の部分断面図。

【符号の説明】

１ａ、１ｂ・・・閉サイクル冷凍機２ａ、２ｂ、１２ａ、１２ｂ、２２、３２、５２、６２
・・・冷却ヘッド３ａ、３ｂ、１３ａ、１３ｂ、２３、３３、５３、６３
・・・デバイス４ａ、４ｂ、１４ａ、１４ｂ、２４ａ、２４ｂ、３４
ａ、３４ｂ、５４ａ、５４ｂ、６４・・・外枠１６・・・冷却ステージ１７・・・蓄冷剤２８、３８ａ，３８ｂ・・・内枠２９ａ・・・可視光吸収フィルター２９ｂ・・・赤外線吸収フィルター２９ｃ・・・遮断層３９・・・キャビティー４０・・・熱伝導ガス４１・・・永久磁石４２・・・ローター６５・・・ガラス７０・・・断熱室８０・・・ドーム半径の中心９０・・・レンズｒ・・・ドーム内半径

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者岩下節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

【特許請求の範囲】

【請求項１】閉サイクル型冷凍機を用いた低温デバイ
ス装置であって、前記閉サイクル型冷凍機を２台以上互
いに振動を打ち消し合う方向に連結し、各々の冷却ヘッ
ドに特性の異なるデバイスを固定して成ることを特徴と
する低温デバイス装置。
【請求項２】上記の特性の異なるデバイスが通信に用
いる送信用デバイスと受信用デバイスであることを特徴
とする請求項１記載の低温デバイス装置。
【請求項３】上記の特性の異なるデバイスが半導体デ
バイスと超電導デバイスであることを特徴とする請求項
１記載の低温デバイス装置。
【請求項４】上記の特性の異なるデバイスが通信用の
アンテナ指向の異なるデバイスであり都度必要な指向の
デバイスを選択し使用することを特徴とする請求項１記
載の低温デバイス装置。
【請求項５】閉サイクル型冷却装置を用いた低温デバ
イス装置であって、前記閉サイクル型冷凍機を２台以上
互いに振動を打ち消し合う方向に連結し、更に各々の冷
却ヘッドをデバイスを固定した一体の冷却ステージで接
合連結して成ることを特徴とする低温デバイス装置。
【請求項６】冷却するデバイスの周部を該デバイスと
共に冷却した可視光吸収フィルターで覆い、更にその周
部を高真空に維持した断熱室を介して赤外線吸収フィル
ターで覆ったことを特徴とする低温デバイス装置。
【請求項７】冷却するデバイスに回転機構を設け、該
デバイスの周部を動作温度より低い沸点を有する不活性
ガス、酸素、窒素、またはそれらの混合ガスを注入した
キャビティーで覆い、更に該キャビティーの周部を高真
空に維持した断熱室で覆ったことを特徴とする低温デバ
イス装置。
【請求項８】上記デバイスが通信用デバイスであり、
必要なアンテナの指向位置に於てデバイスの回転を停止
させる制御機能を設けたことを特徴とする請求項７記載
の低温デバイス装置。
【請求項９】電磁波を透過し真空断熱を行なう外枠と
所定の電磁波を反射または吸収するフィルターをドーム
状に形成し、そのドームの半径の中心近傍にアンテナ、
ミクサまたは電磁波を収束するレンズを配したことを特
徴とする低温デバイス装置。