特許 6223846 冷却装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6223846

(24)【登録日】2017年10月13日

(45)【発行日】2017年11月1日

(54)【発明の名称】冷却装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 39/04 20060101AFI20171023BHJP

   H01F 6/04 20060101ALI20171023BHJP

【ＦＩ】

   H01L39/04

   H01F6/04ZAA

【請求項の数】5

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2014-20404(P2014-20404)

(22)【出願日】2014年2月5日

(65)【公開番号】特開2015-149344(P2015-149344A)

(43)【公開日】2015年8月20日

【審査請求日】2016年8月10日

(73)【特許権者】

【識別番号】000002107

【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100162640

【弁理士】

【氏名又は名称】柳 康樹

(72)【発明者】

【氏名】鶴留 武尚

【審査官】 棚田 一也

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０５−２９１６３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０２−２１８１８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１９２８４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開平０６−００７０７５（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ３９／０４

Ｈ０１Ｌ ３９／１８

Ｈ０１Ｆ ６／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

試料を冷却するための冷凍機と、
前記冷凍機に対して主要部が熱的に接続し、一の方向に延びる略柱状の第１伝熱部と、
前記第１伝熱部の前記主要部に対してその一部が一方側の端部で熱的に接続し、その径が前記第１伝熱部よりも小さく前記試料を収容可能な第２伝熱部と、
を含んで構成されるクライオスタットと、
前記第２伝熱部を挿入するための開口が形成された磁場発生部と、
を備える冷却装置であって、
前記第２伝熱部は、一方側の端部において外方に突出するフランジ部を有し、
前記第１伝熱部の前記一方側の端面と前記フランジ部とを互いに固定することで前記第１伝熱部と前記第２伝熱部とを連結する連結部が形成され、
前記連結部が前記磁場発生部上に載置される冷却装置。

【請求項2】

前記フランジ部は、その外径が前記第１伝熱部の外径と略同一となるように形成されている請求項１記載の冷却装置。

【請求項3】

前記連結部には、前記磁場発生部と当接する位置に弾性部材が設けられている請求項１又は２記載の冷却装置。

【請求項4】

前記第１伝熱部の前記一方側の端面は平坦であり、前記フランジ部の外周側において前記フランジ部と前記第１伝熱部の前記一方側の端面とを締結し、その端部がフランジ部から突出しない締結部材によって、前記第１伝熱部の前記一方側の端面と前記フランジ部とを互いに固定されている請求項１〜３のいずれか一項に記載の冷却装置。

【請求項5】

前記一の方向とは異なる方向への前記第１伝熱部の移動を規制するための規制部材を更に備える請求項１〜４のいずれか一項に記載の冷却装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、冷却装置に関する。

【背景技術】

【0002】

冷凍機冷却型のクライオスタット（極低温真空容器）として、例えば図４に示す構造の装置が知られている。図４に示すクライオスタット５では、ＧＭ冷凍機の第１段冷却シリンダＣ１及び第２段冷却シリンダＣ２が真空容器１００内の真空領域とは隔絶されたスリーブ７の内部に挿入されている。

【0003】

第１段スリーブ７ａと第２段スリーブ７ｂとを含んで構成されるスリーブ７のうち、第１段スリーブ７ａの下端における第１段コールドヘッドＨ１に対しては、第１段冷却フランジＦ１が熱接触している。第１段冷却フランジＦ１には、真空容器１００における熱シールド容器１０６の天板部が伝熱可能に取り付けられている。また、第２段スリーブ７ｂ内の第２段冷却シリンダＣ２の先端に設けられた第２段コールドヘッドＨ２に対して熱接触する第２段冷却フランジＦ２に真空容器１００内の被冷却物Ｔが伝熱的に接触することで、被冷却物Ｔが冷却される。

【0004】

このようなクライオスタット５は、磁場中に被冷却物Ｔを配置して種々の評価を行う場合に用いられることがある。この場合、被冷却物Ｔに対して印加する磁場を生成する磁場発生部を被冷却物Ｔの近傍に配置することがある。図４では、クライオスタット５の被冷却物Ｔの周囲に磁場を生成する環状コイルＣＬを被冷却物Ｔの周囲に配置した場合の配置例を示している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００５−１２３３１３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、図４に示すクライオスタット５では、磁場発生部の配置に対してクライオスタット５が背高になるため、クライオスタット５を安定して支持する構造が望まれる。ここで、例えばクライオスタット５を支持するための部材等を新たに設けることも考えられるが、クライオスタットを安定に取り付けるための工程数又は部品数が増加し、作業性が低下する可能性がある。

【0007】

本発明は上記を鑑みてなされたものであり、より簡単な構造で安定して設置することが可能な冷却装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記目的を達成するため、本発明に係る冷却装置は、試料を冷却するための冷凍機と、前記冷凍機に対して主要部が熱的に接続し、一の方向に延びる略柱状の第１伝熱部と、前記第１伝熱部の前記主要部に対してその一部が一方側の端部で熱的に接続し、その径が前記第１伝熱部よりも小さく前記試料を収容可能な第２伝熱部と、を含んで構成されるクライオスタットと、前記第２伝熱部を挿入するための開口が形成された磁場発生部と、を備える冷却装置であって、前記第２伝熱部は、一方側の端部において外方に突出するフランジ部を有し、前記第１伝熱部の前記一方側の端面と前記フランジ部とを互いに固定することで前記第１伝熱部と前記第２伝熱部とを連結する連結部が形成され、前記連結部が前記磁場発生部上に載置されることを特徴する。

【0009】

上記の冷却装置によれば、第１伝熱部の一方側の端面と第２伝熱部のフランジ部とが互いに固定された連結部が磁場発生部と当接する状態でクライオスタットが磁場発生部上に載置される。ここで、第２伝熱部に対して第１伝熱部の径が大きいため、磁場発生部において、連結部を介して冷凍機、第１伝熱部及び第２伝熱部による荷重を安定して受けることができるため、クライオスタットを含む冷却装置を安定して設置することができる。また、第１伝熱部と第２伝熱部との連結部の構造を従来の構成から変更するのみであり、より簡単な構造で冷却装置の安定性を高めることができる。

【0010】

ここで、前記フランジ部は、その外径が前記第１伝熱部の外径と略同一となるように形成されている態様とすることができる。

【0011】

このように、フランジ部の外径を第１伝熱部の外径と略同一となるようにフランジ部の外径を大きくすることで、磁場発生部上に載置されたクライオスタットの安定性を更に高めることができる。

【0012】

また、前記連結部には、前記磁場発生部と当接する位置に弾性部材が設けられている態様とすることができる。

【0013】

磁場発生部と当接する位置に弾性部材が設けられていることで、磁場発生部上に連結部を載置する場合の衝撃を緩和することができると共にクライオスタットの安定性を更に高めることができる。

【0014】

前記第１伝熱部の前記一方側の端面は平坦であり、前記フランジ部の外周側において前記フランジ部と前記第１伝熱部の前記一方側の端面とを締結し、その端部がフランジ部から突出しない締結部材によって、前記第１伝熱部の前記一方側の端面と前記フランジ部とが互いに固定されている態様とすることができる。

【0015】

締結部材によって第１伝熱部の一方側の端面とフランジ部とが互いに固定されていて、且つ締結部材の端部はフランジ部よりも突出しない形状とすることで、締結部材によって第１伝熱部と第２伝熱部とをより確実に固定することができると共に締結部材が磁場発生部に対して当接することなくクライオスタットを安定して載置することができる。

【0016】

また、前記一の方向とは異なる方向への前記第１伝熱部の移動を規制するための規制部材を更に備える態様とすることができる。

【0017】

この場合、第１伝熱部の一の方向とは異なる方向への移動が規制されるため、第１伝熱部を含むクライオスタットの安定性が更に向上する。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、より簡単な構造で安定して設置することができる冷却装置が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】実施形態に係る冷却装置の概略構成図である。

【図2】クライオスタットの第２伝熱部側の拡大図である。

【図3】クライオスタットの第１伝熱部と第２伝熱部との連結部の構造を説明する図である。

【図4】従来の冷却装置の構造を説明する概略断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

【0021】

図１は、本発明の実施形態に係る冷却装置１の概略構成図である。また、図２は、冷却装置１のうち、クライオスタット２の第２伝熱部２０側の拡大図である。また、図３は、冷却装置１の第１伝熱部１０と第２伝熱部２０との連結部の構造を説明する図である。

【0022】

冷却装置１は、冷凍機冷却型のクライオスタット（極低温真空容器）２及び磁場発生部８０を含んで構成される。クライオスタット２は、ＧＭ冷凍機３と、ＧＭ冷凍機３の下部に連結された第１伝熱部１０と第２伝熱部２０とを含んで構成されている。第１伝熱部１０及び第２伝熱部２０は、それぞれ外径が円柱状であり、軸線Ｘに沿って上下方向にＧＭ冷凍機３、第１伝熱部１０及び第２伝熱部２０がこの順に連結されている。第１伝熱部１０及び第２伝熱部２０は被冷却物である試料Ｓを収容する真空容器としても機能する。

【0023】

ＧＭ冷凍機３は、２段式ギフォード・マクマホン（Ｇ−Ｍ：GiffordMacMahone）サイクルを用いた冷凍機であり、第１ステージでは約４０Ｋ程度まで冷却可能であり、試料Ｓの周囲に設けられる輻射シールド等の冷却に用いられる。また、第２ステージは、約４Ｋ程度まで冷却可能であり、試料Ｓの冷却に用いられる。

【0024】

本実施形態に係るクライオスタット２では、第１ステージのコールドヘッド及び第２ステージのコールドヘッドを含む主要部が第１伝熱部１０の本体部１１内に収容されると共に試料Ｓは第２伝熱部２０の本体部２１内に収容される。そして、ＧＭ冷凍機３と第１伝熱部１０の主要部とは熱的に接続される。

【0025】

第１伝熱部１０及び第２伝熱部２０は、それぞれ略円柱状をなしている。また、第１伝熱部１０の本体部１１の径は第２伝熱部２０の本体部２１の径よりも大きく、軸線Ｘ方向下側から見たときに、第２伝熱部２０の本体部２１に対して第１伝熱部１０の下端面１５が外方に突出している。第２伝熱部は、略円柱状の本体部２１と、本体部２１の上端に形成された本体部２１よりも径が大きいフランジ部２２とを含んで構成され、第１伝熱部１０の下端面１５に対してフランジ部２２が固定されることで、第１伝熱部１０と第２伝熱部２０とが連結されている。第１伝熱部１０と第２伝熱部２０とを連結する連結部についての構成は後述する。

【0026】

また、冷却装置１においては、試料Ｓの周囲に磁場を生成する磁場発生部８０が第２伝熱部２０の周囲に設けられる。円環状をなし軸線Ｘに沿った開口８１を備える磁場発生部８０は、例えば、真空容器に封入され、軸線Ｘを中心にして配置された円環状の超電導コイル８２を含んで構成される。開口８１は、その径が、第２伝熱部２０の本体部２１よりも大きく、第１伝熱部１０の本体部１１よりも小さくされている。

【0027】

磁場発生部８０は、図示しない冷却手段によって冷却されて超電導状態とされた超電導コイル８２に対して電流を流すことにより、強力な磁場を発生させることができる。高磁場環境下において試料Ｓを冷却するために、第２伝熱部２０は、磁場発生部８０の開口８１に挿入される。このとき、図１に示すように、第１伝熱部１０の下端面１５と第２伝熱部２０のフランジ部２２とを含んで構成される連結部３０が磁場発生部８０の上面８４に当接した状態となる。すなわち、磁場発生部８０の上面８４がクライオスタット２を載置する載置面となり、クライオスタット２の上下方向の座屈荷重は磁場発生部８０の上面８４によって支持される。

【0028】

また、第１伝熱部１０の上端側には、第１伝熱部１０の本体部１１から外方に突出した本体部１１よりも径が大きなフランジ部１２が設けられる。図１に示すように、第１伝熱部１０の本体部１１に対応する開口６１を有すると共にクライオスタット２を磁場発生部８０の上面８４に載置した際にフランジ部１２と当接する規制部材６０を磁場発生部８０とは別に設けることで、クライオスタット２の水平方向の移動を規制する構成とすることができる。

【0029】

次に、クライオスタット２の内部について、図２を参照しながら説明する。上述したように、ＧＭ冷凍機３の第１ステージのコールドヘッド及び第２ステージのコールドヘッドを含む主要部が第１伝熱部１０の本体部１１内に収容される。第２伝熱部２０の本体部２１内には、第２ステージのコールドヘッドに対して熱的に接続して試料Ｓを冷却すると共に試料Ｓへの通電を行う棒状の冷却部材２５が第１伝熱部１０内から軸線Ｘに沿って延び、冷却部材２５の下端部２７に試料Ｓが吊り下げられる状態で試料Ｓが第２伝熱部２０内に収容される。

【0030】

第２伝熱部２０内では試料Ｓの周囲には略円筒状の輻射シールド４０が設けられる。輻射シールド４０は、第２伝熱部２０の下端側にも試料Ｓの下端側を覆うように配置されている。輻射シールド４０は、第１伝熱部１０内の第１ステージのコールドヘッドと熱的に接続し、約４０Ｋ程度まで冷却される。

【0031】

ここで、図２及び図３を参照しながら、第１伝熱部１０と第２伝熱部２０との間の連結部３０について説明する。連結部３０では、第２伝熱部２０のフランジ部２２が第１伝熱部１０の下端面１５に対してネジ（締結部材）３７によって固定され、フランジ部２２が第１伝熱部１０の下端面１５に連結した状態で磁場発生部８０の上面８４に載置される。このとき、第２伝熱部２０は磁場発生部８０等によって支持されていない（図１参照）。したがって、すなわち、第１伝熱部１０及び第２伝熱部２０を含むクライオスタット２の座屈荷重が全て第１伝熱部１０の下端面１５及び下端面１５と連結された第２伝熱部２０のフランジ部２２にかかる。

【0032】

ここで、第１伝熱部１０の本体部１１の径が第２伝熱部２０の本体部２１の径に対して十分に大きくされているので、クライオスタット２の座屈荷重をより広い面で受けることができ、単位面積当たりの過重負荷を低減することができる。また、第１伝熱部１０の下端面１５及び第２伝熱部上下方向に長いクライオスタット２を安定して支持することができる。

【0033】

フランジ部２２の上面側（第１伝熱部１０との接続面側）は平坦面とされている。これによって、第１伝熱部１０からの荷重をフランジ部２２全面で受けることができる。また、フランジ部２２の下面側（本体部２１側）も平坦面とされていることで、連結部３０における単位面積当たりの過重負荷を低減することができる。

【0034】

また、第２伝熱部２０のフランジ部２２は、その外径が第１伝熱部１０の本体部１１の外径と略同一とされている。これにより、フランジ部２２によって第１伝熱部１０からの荷重をより大きな面積で受けることができる。

【0035】

また、ネジ止め固定する位置は、フランジ部２２の外周側であることが好ましく、固定後のネジ３７の下端は、フランジ部２２の下面側表面よりも上方であることが好ましい。これにより、ネジ３７がクライオスタット２の荷重を受けることを防止することができる。

【0036】

更に、連結部３０では、フランジ部２２の外周よりも外側であって第１伝熱部１０の本体部１１の下端面１５には、弾性部材３２が取り付けられている。弾性部材３２は、クライオスタット２を磁場発生部８０上に載置した際に、磁場発生部８０の上面８４と当接する位置に設けられる。これによって、磁場発生部８０との当接による衝撃を緩和すると共に、クライオスタット２の安定性を向上させることができる。したがって弾性部材３２は、第１伝熱部１０の本体部１１の外周側に設けられることが好ましい。弾性部材３２は、ネジ止め又は接着等の種々の方法で取り付けることができる。また、弾性部材３２は、外力が作用していない状態では、フランジ部２２の下面側表面よりも下方に突出していることが好ましい。弾性部材３２としては、クライオスタット２の第１伝熱部１０及び第２伝熱部２０を構成する材料よりもヤング率が低い材料を用いることができ、例えばゴムや樹脂が好適に用いられる。

【0037】

以上のように、上記の冷却装置１によれば、第１伝熱部１０の下端面１５と第２伝熱部２０のフランジ部２２とが互いに固定された連結部３０が磁場発生部８０と当接する状態で、クライオスタット２が磁場発生部８０上に載置される。ここで、第２伝熱部２０に対して第１伝熱部１０の径が大きいため、連結部３０を介してＧＭ冷凍機３、第１伝熱部１０及び第２伝熱部２０による荷重を磁場発生部８０が安定して受けることができるため、クライオスタット２を含む冷却装置１を安定して設置することができる。また、従来のクライオスタットの場合の場合には安定性を高めるために支持部材等を用いる必要があったが、より簡単な構造で冷却装置の安定性を高めることができる。

【0038】

また、フランジ部２２の外径と第１伝熱部１０の本体部１１の外径とが略同一となるようにフランジ部２２の外径を大きくされている。したがって、磁場発生部８０上に載置されたクライオスタット２の安定性を更に高めることができる。

【0039】

また、連結部３０には、磁場発生部８０と当接する位置に弾性部材３２が設けられている。これにより、磁場発生部８０上に連結部３０を載置する場合の衝撃を緩和することができると共にクライオスタット２の安定性を更に高めることができる。なお、弾性部材３２は、第１伝熱部１０の下端面１５側に取り付ける必要はなく、フランジ部２２上に設ける態様としてもよい。

【0040】

また、第１伝熱部１０の下端面１５は平坦であり、フランジ部２２の外周側においてネジ３７によって締結される。また、ネジ３７の端部がフランジ部２２から突出しない構造となっている。これにより、第１伝熱部１０と第２伝熱部２０とをより確実に固定することができると共にネジ３７と磁場発生部８０とが当接することを防止できるため、クライオスタット２を安定して載置することができる。

【0041】

また、冷却装置１では、規制部材６０によって、第１伝熱部１０の上側で第１伝熱部１０の水平方向の移動が規制されている。このように、軸線Ｘ方向とは異なる方向への移動を規制する規制部材６０を備えることで、第１伝熱部１０を含むクライオスタット２の安定性が更に向上する。

【0042】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではない。例えば、上記実施形態のクライオスタット２では、第１伝熱部に２段分のコールドヘッドが収容されて、第２伝熱部２０には試料Ｓが収容されている構成とされていたが、この構成には限定されない。また、第１伝熱部１０及び第２伝熱部２０は、それぞれ外形が円柱状である場合について説明した。しかしながら、第１伝熱部１０は略柱状であればよく特に限定されない。また、第２伝熱部２０については特に形状は限定されない。

【0043】

また、磁場発生部８０の構成は上記実施形態に限定されず、例えば超電導コイルの数等適宜変更することができる。

【符号の説明】

【0044】

１…冷却装置、２…クライオスタット、３…ＧＭ冷凍機、１０…第１伝熱部、２０…第２伝熱部、２２…フランジ部、３０…連結部、４０…輻射シールド、６０…規制部材、８０…磁場発生部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】