特許 7128544 熱交換器、冷凍機および焼結体

(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】

(24)【登録日】2022-08-23

(45)【発行日】2022-08-31

(54)【発明の名称】熱交換器、冷凍機および焼結体

(51)【国際特許分類】

   F25B 9/12 20060101AFI20220824BHJP

   F28F 3/06 20060101ALI20220824BHJP

   F28F 13/00 20060101ALI20220824BHJP

   F28F 21/08 20060101ALI20220824BHJP

【ＦＩ】

F25B9/12

F28F3/06 Z

F28F13/00

F28F21/08 Z

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2020501078

(86)(22)【出願日】2019-02-25

(86)【国際出願番号】 JP2019006960

(87)【国際公開番号】W WO2019163978

(87)【国際公開日】2019-08-29

【審査請求日】2020-07-20

(31)【優先権主張番号】P 2018032417

(32)【優先日】2018-02-26

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】504139662

【氏名又は名称】国立大学法人東海国立大学機構

(74)【代理人】

【識別番号】100105924

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 賢樹

(72)【発明者】

【氏名】和田 信雄

(72)【発明者】

【氏名】松下 琢

(72)【発明者】

【氏名】檜枝 光憲

【審査官】関口 勇

(56)【参考文献】

【文献】特開２００９－０７４７７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５８－１２４１９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０１－２６６４９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１９８４１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００５／０４００６７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００１－１１８８９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－２１４３１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－２６０２６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－２８３００９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－１８７５７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－３３０５２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－１１０２６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－１３９３７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１４／１２９６２６（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２５Ｂ ９／１２

Ｆ２８Ｆ ３／０６

Ｆ２８Ｆ １３／００

Ｆ２８Ｆ ２１／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

低温の液体ヘリウムが流れる低温側流路と、
高温の液体ヘリウムが流れる高温側流路と、
前記高温側流路から前記低温側流路へ熱を伝導する熱伝導部と、を備え、
前記熱伝導部は、
前記高温側流路と前記低温側流路とを隔てる隔壁部材と、
前記隔壁部材と前記液体ヘリウムとの熱抵抗を低減する熱抵抗低減部と、を有し、
前記熱抵抗低減部は、ナノサイズの細孔を有する多孔体と、前記多孔体よりも熱伝導率の高い金属微粒子と、を有することを特徴とする熱交換器。

【請求項2】

前記熱抵抗低減部は、前記多孔体と前記金属微粒子との焼結体であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。

【請求項3】

前記熱抵抗低減部は、厚みが１～１０００μｍの範囲であることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。

【請求項4】

前記多孔体は、前記細孔として表面に貫通孔が形成されている粒子であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の熱交換器。

【請求項5】

前記貫通孔は、内部においてヘリウムが液体で存在できる直径を有していることを特徴とする請求項４に記載の熱交換器。

【請求項6】

前記多孔体は、平均細孔径が２～３０ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の熱交換器。

【請求項7】

前記多孔体は、平均粒径が５０～２００００ｎｍの範囲にあるシリケート粒子であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の熱交換器。

【請求項8】

前記多孔体は、比面積が６００ｍ^２／ｇ以上であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の熱交換器。

【請求項9】

前記金属微粒子は、平均粒径が５０～１０００００ｎｍの範囲にある銀微粒子であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の熱交換器。

【請求項10】

請求項１乃至９のいずれか１項に記載の熱交換器と、
内部に^３Ｈｅ希薄相と^３Ｈｅ濃厚相とが形成されており、前記高温側流路から前記^３Ｈｅ濃厚相に^３Ｈｅ液体が流入する流入路と、前記^３Ｈｅ希薄相から前記低温側流路へ^３Ｈｅ液体が流出する流出路と、を有する混合室と、
前記低温側流路を流れる^３Ｈｅ液体が流入する流入路を有し、^４Ｈｅ液体と^３Ｈｅ液体との混合液から^３Ｈｅを蒸気として選択的に分離する分溜室と、
前記分溜室で分離された前記^３Ｈｅを液化して前記高温側流路へ戻す冷却経路と、
を備えることを特徴とする冷凍機。

【請求項11】

ナノサイズの細孔を有する多孔体と、前記多孔体よりも熱伝導率の高い金属微粒子との焼結体であって、
前記細孔の内部には^４Ｈｅと^３Ｈｅとが吸着されていることを特徴とする焼結体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、冷凍機に用いられる熱交換器に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、１００ｍＫ以下の極低温を実現する冷凍機として、^３Ｈｅ／^４Ｈｅ希釈冷凍機が知られている。このような希釈冷凍機における最低到達温度や冷却能力は、熱交換器の性能に大きく依存している。希釈冷凍機の熱交換器は、冷却部である混合器の中に流入するいわゆる^３Ｈｅ濃厚相（Ｃ相：^３Ｈｅ濃度がほぼ１００％）を、いわゆる^３Ｈｅ希薄相（Ｄ相：^３Ｈｅ濃度が約６．４％）で冷却するものである。

【0003】

そのため、^３Ｈｅ濃厚相の熱をいかに効率良く^３Ｈｅ希薄相に伝導するかが重要である。例えば、熱伝導を向上するために、濃厚相と希薄相を仕切る金属板を、高熱伝導率を有する銀板で構成し、その銀板を挟むように焼結銀からなる円板が配置された熱交換器が考案されている（特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００９－７４７７４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、上述の希釈冷凍機に用いられる^３Ｈｅは非常に希少で高価であるため、その使用量を抑えることはコストの低減や装置の小型化に寄与する。また、希釈冷凍機の性能は熱交換器の性能に大きく依存するため、冷凍機の熱交換器における熱伝導を更に向上することが求められる。

【0006】

本開示はこうした状況に鑑みてなされており、その例示的な目的の一つは、冷凍機の熱交換器における熱伝導の更なる向上を実現する新たな技術を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するために、本開示のある態様の熱交換器は、低温の液体ヘリウムが流れる低温側流路と、高温の液体ヘリウムが流れる高温側流路と、高温側流路から低温側流路へ熱を伝導する熱伝導部と、を備える。熱伝導部は、高温側流路と低温側流路とを隔てる金属部材と、金属部材と液体ヘリウムとの熱抵抗を低減する熱抵抗低減部と、を有する。熱抵抗低減部は、ナノサイズの細孔を有する多孔体と、多孔体よりも熱伝導率の高い金属微粒子と、を有する。

【発明の効果】

【0008】

本開示によれば、熱交換器における熱伝導の更なる向上を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本実施の形態に係る希釈冷凍機の概略構成を示す模式図である。

【図2】本実施の形態に係る熱交換器の概略構成を示す模式図である。

【図3】本実施の形態に係る熱抵抗低減部の要部を示す模式図である。

【図4】本実施の形態に係る多孔体の概略構成を模式的に示す模式図である。

【図5】本実施の形態に係る混合室の概略構成を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

本開示のある態様の熱交換器は、低温の（例えば、^３Ｈｅ濃度が低い）液体ヘリウムが流れる低温側流路と、高温の（例えば、^３Ｈｅ濃度が高い）液体ヘリウムが流れる高温側流路と、高温側流路から低温側流路へ熱を伝導する熱伝導部と、を備える。熱伝導部は、高温側流路と低温側流路とを隔てる金属部材と、金属部材と液体ヘリウムとの熱抵抗を低減する熱抵抗低減部とを有する。熱抵抗低減部は、ナノサイズの細孔を有する多孔体と、多孔体よりも熱伝導率の高い金属微粒子と、を有する。

【0011】

この態様によると、熱伝導率が比較的高い金属微粒子と比面積が大きな多孔体とで熱抵抗低減部を構成することで、金属微粒子のみを金属部材表面に固定した場合と比較して、金属部材と液体ヘリウムとの熱抵抗を低減できる。そのため、高温側流路から低温側流路への熱伝導を更に向上できる。

【0012】

熱抵抗低減部は、多孔体と金属微粒子との焼結体であってもよい。これにより、液体ヘリウムとの接触面積を多孔体で増大させることでカピッツァ抵抗を小さくするとともに、多孔体と金属部材との熱伝導は、多孔体よりも熱伝導率が高い金属微粒子を介して行うことで、金属部材と液体ヘリウムとの熱抵抗を低減できる。

【0013】

熱抵抗低減部は、厚みが１～１０００μｍの範囲であってもよく、１～５００μｍの範囲がより好ましく、１～２００μｍの範囲が最も好ましい。これにより、ナノサイズの細孔を有する多孔体をある程度含みつつ、熱抵抗低減部全体の熱抵抗を低減できる。

【0014】

多孔体は、細孔として表面に貫通孔が形成されている粒子であってもよい。これにより、多孔体粒子の外部と細孔内のヘリウムが直接接続して熱の伝導が可能となる。

【0015】

多孔体粒子表面の貫通孔は、内部においてヘリウムが液体で存在できる直径を有していてもよい。これにより、同じ液体であるヘリウム同士の熱の伝導が貫通孔において可能となる。なお、貫通孔とは、多孔体表面に形成された開口部から多孔体の内部に続く孔であり、入口または出口が金属微粒子等で閉塞されていてもよい。

【0016】

多孔体の細孔は、内壁に固体状態のヘリウム（例えば^４Ｈｅ）層が形成されても、細孔の中心部分にヘリウム（例えば^３Ｈｅ）が液体で存在し、かつ、ヘリウム（例えば^３Ｈｅ）液体がつながって存在できる直径を有するとよい。具体的には、多孔体は、平均細孔径が２～３０ｎｍの範囲であってもよい。

【0017】

多孔体は、平均粒径が５０～２００００ｎｍの範囲にあるシリケート粒子であってもよい。これにより、カピッツァ抵抗の低減に寄与する大きな比面積と、熱抵抗に影響する多孔体のシリケート部材を介した熱伝導距離の短縮化とを両立できる。

【0018】

多孔体は、比面積が６００ｍ^２／ｇ以上であってもよい。これにより、多孔体と液体ヘリウムとの界面でのカピッツァ抵抗を低減できる。

【0019】

金属微粒子は、平均粒径が５０～１０００００ｎｍの範囲にある銀微粒子であってもよい。これにより、金属微粒子が多孔体を取り囲むように焼結体として金属部材に固定される。

【0020】

本開示の他の態様は、冷凍機である。この冷凍機は、上述の熱交換器と、内部に^３Ｈｅ希薄相と^３Ｈｅ濃厚相とが形成されており、高温側流路から^３Ｈｅ濃厚相に^３Ｈｅ液体が流入する流入路と、^３Ｈｅ希薄相から低温側流路へ^３Ｈｅ液体が流出する流出路と、を有する混合室と、低温側流路を流れる^３Ｈｅ液体が流入する流入路を有し、^４Ｈｅ液体と^３Ｈｅ液体との混合液から^３Ｈｅを蒸気として選択的に分離する分溜室と、分溜室で分離された^３Ｈｅを液化して高温側流路へ戻す冷却経路と、を備えてもよい。

【0021】

本開示の更に他の態様は、焼結体である。この焼結体は、ナノサイズの細孔を有する多孔体と、多孔体よりも熱伝導率の高い金属微粒子との焼結体である。多孔体の細孔の内部には、^４Ｈｅと^３Ｈｅとが吸着されている。これにより、焼結体の熱抵抗を十分に小さくできる。

【0022】

この態様によると、熱交換器における熱伝導の更なる向上が図られるため、冷凍性能の向上や冷凍機全体の小型化が可能となる。

【0023】

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本開示の表現を方法、装置、システム、などの間で変換したものもまた、本開示の態様として有効である。

【0024】

以下、図面等を参照しながら、本開示を実施するための形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本開示の範囲を何ら限定するものではない。

【0025】

（希釈冷凍機）
本実施の形態に係る希釈冷凍機は、１００ｍＫ以下の極低温を実現する代表的な冷凍機である。図１は、本実施の形態に係る希釈冷凍機の概略構成を示す模式図である。希釈冷凍機１０は、内部に^３Ｈｅ希薄相（以下、適宜「希薄相」と称する。）１２と^３Ｈｅ濃厚相（以下、適宜「濃厚相」と称する。）１４とが形成される混合室１６と、混合室１６に流入する^３Ｈｅ液体と混合室１６から流出する^３Ｈｅ液体および^４Ｈｅ液体の混合液とが熱交換する熱交換器１８と、^３Ｈｅおよび^４Ｈｅの混合液から^３Ｈｅを蒸気として選択的に分離する分溜室２０と、１Ｋ液体ヘリウムが貯留されている１Ｋ貯溜室２２と、を備える。分溜室２０は、低温側流路３２を流れる混合液が流入する流入路２０ｂを有している。混合室１６、熱交換器１８、分溜室２０および１Ｋ貯溜室２２は、真空断熱されたクライオスタット２４内に配置されている。

【0026】

次に、希釈冷凍機１０の動作について説明する。^３Ｈｅと^４Ｈｅの混合液は、０.８７Ｋ以下の低温で相分離を起こす。そのため、混合室１６において、^３Ｈｅと^４Ｈｅの混合液は、^３Ｈｅが１００％に近い濃厚相１４と^４Ｈｅ中に^３Ｈｅが約６．４％混合している希薄相１２とに分離して共存する。

【0027】

濃厚相１４は、希薄相１２より密度が小さいため、希薄相１２の上に浮いており、濃厚相１４の^３Ｈｅが希薄相１２に溶け込む（希釈する）際にエントロピー差に応じた冷却が起こる。希釈冷凍機１０は、濃厚相および希薄相の２相間のエントロピー差を利用した冷凍機である。

【0028】

分溜室２０の温度を０．８Ｋ以下に設定すると、蒸気圧の違いから^３Ｈｅのみが選択的に蒸発する。そして、分溜室２０の排出路２６に接続されている、クライオスタット２４外の真空ポンプで吸引することで、希薄相２０ａから^３Ｈｅを蒸気Ｓとして選択的に分離し取り出すことができる。

【0029】

その結果、分溜室２０内の希薄相２０ａにおける^３Ｈｅ濃度が低下し、混合室１６の希薄相１２との間に濃度差が生じる。これにより、混合室１６内の希薄相１２内の^３Ｈｅが分溜室２０に向かって移動し、希薄相１２内の^３Ｈｅ濃度が低下するため、濃厚相１４中の^３Ｈｅが希薄相１２中に溶け込む。この際、冷却が生じ、混合室１６内の希薄相１２の温度が更に低下する。

【0030】

分溜室２０で蒸発した^３Ｈｅの蒸気Ｓは、外部のポンプによって回収、圧縮されて、供給路２８から混合室１６に再び戻される。供給路２８から供給される^３Ｈｅの蒸気Ｓは、４．２Ｋの^４Ｈｅで予冷され、１Ｋ貯溜室２２で更に冷却され、液化される。本実施の形態では、供給路２８から１Ｋ貯溜室２２を経由して高温側流路３０までの経路が、^３Ｈｅを液化して高温側流路３０へ戻す冷却経路２９として機能する。液化された^３Ｈｅは、熱交換器１８の高温側流路３０を通過する過程で、熱交換器１８の低温側流路３２を通過する^３Ｈｅと熱交換を行うことで更に冷却され、混合室１６の流入路３４から濃厚相１４に戻る。

【0031】

以上のように、本実施の形態に係る希釈冷凍機１０は、^３Ｈｅが循環することで１Ｋから数ｍＫまで連続的に極低温が得られることから、半導体検出器や量子コンピュータ等の極低温の冷却が必要な様々な分野での利用が期待されている。また、冷却性能を落とさずに、高価な^３Ｈｅの使用量の削減や装置の小型化も、希釈冷凍機の普及には重要である。

【0032】

（熱交換器）
本発明者らは、このような希釈冷凍機の性能に大きな影響を与える構成の一つである熱交換器に着目し、特に、高温側流路３０から低温側流路３２への熱伝導を向上するための、新たな技術を考案した。

【0033】

図２は、本実施の形態に係る熱交換器の概略構成を示す模式図である。本実施の形態に係る熱交換器１８は、容器３１の内部に、^３Ｈｅ濃度が低い（約６．４％の）液体ヘリウムが流れる低温側流路３２と、^３Ｈｅ濃度が高い（約１００％）液体ヘリウムが流れる高温側流路３０と、高温側流路３０から低温側流路３２へ熱Ｈを伝導する熱伝導部３６と、を備える。

【0034】

高温側流路３０は、１Ｋ貯溜室２２や分溜室２０で予冷された^３Ｈｅが流入する流入路３０ａと、熱交換器１８で更に冷却された^３Ｈｅが流出する流出路３０ｂと、を有する。低温側流路３２は、混合室１６の希薄相１２から主として^３Ｈｅが流入する流入路３２ａと、高温側流路３０を流れる^３Ｈｅから熱Ｈを奪った^３Ｈｅを分溜室２０の希薄相２０ａへ向けて流出させる流出路３２ｂと、を有する。熱伝導部３６は、高温側流路３０と低温側流路３２とを隔てる隔壁部材としての板状の金属部材３８と、金属部材３８と液体ヘリウムとの熱抵抗を低減する熱抵抗低減部４０と、を有する。金属部材３８は、例えば、銅や銀といった熱伝導率の高い材料で構成されている。隔壁部材としては、金属以外にダイヤモンドといった熱伝導率の高い材料で構成されていてもよい。

【0035】

希釈冷凍機１０が利用される約１００ｍＫ以下の温度範囲における熱交換では、金属部材３８のような固体表面と液体ヘリウムとの界面で生じるカピッツァ抵抗が熱交換の性能を低下させる主な要因の一つとなる。そこで、界面面積をできるだけ多くすることが可能で、熱伝導が良い材料である銀や銅の金属微粒子を金属部材３８の表面に固定することが一案である。しかしながら、本発明者らは、複数の機能部材を組み合わせることで、金属微粒子単独では実現し得ない熱伝導性能を達成できる熱抵抗低減部４０に想到した。

【0036】

（熱抵抗低減部）
図３は、本実施の形態に係る熱抵抗低減部４０の要部を示す模式図である。図３では、一つのナノ多孔体を中心とした構成を図示しているが、熱抵抗低減部４０には、ナノ多孔体や金属微粒子が多数存在していることは言うまでもない。

【0037】

図３に示すように、本実施の形態に係る熱抵抗低減部４０は、ナノサイズの細孔を有する多孔体４２と、多孔体４２よりも熱伝導率の高い銀の金属微粒子４４と、を有する。このように、熱伝導率が比較的高い金属微粒子４４と比面積が大きな多孔体４２とで熱抵抗低減部４０を構成することで、金属微粒子４４のみを金属部材３８表面に固定した場合と比較して、金属部材３８と液体ヘリウムとの熱抵抗を低減できる。そのため、高温側流路３０から低温側流路３２への熱伝導を更に向上できる。

【0038】

また、熱抵抗低減部４０は、金属部材３８に固定された、多孔体４２と金属微粒子４４との焼結体である。これにより、液体ヘリウムとの接触面積を多孔体４２で増大させることでカピッツァ抵抗を小さくするとともに、多孔体４２と金属部材３８との熱伝導は、多孔体４２よりも熱伝導率が高い金属微粒子４４を介して行うことで、金属部材３８と液体ヘリウムＬとの熱抵抗を低減できる。

【0039】

（多孔体）
図４は、本実施の形態に係る多孔体４２の概略構成を模式的に示す模式図である。多孔体４２は、シリケート等からなるナノ多孔体（メソポーラスシリカ）であり、ナノサイズの複数の細孔４２ａが規則的に形成されている。そのため、銀等の金属微粒子の比面積（約１ｍ^２／ｇ）と比較して、多孔体４２は、比面積が６００～１３００ｍ^２／ｇであり、３桁以上大きい。カピッツァ効果による熱抵抗は界面面積に反比例して減少するため、多孔体４２を介して金属部材３８と液体ヘリウムとの熱伝導を行うことで、金属部材３８と液体ヘリウムとの界面でのカピッツァ抵抗を低減できる。また、小さい熱伝導部３６でも十分な界面面積を確保することができるため、装置の小型化が可能である。

【0040】

また、細孔４２ａの平均細孔径Ｄは、比面積の観点からは小さい方が好ましい。しかしながら、本発明者らの検討によれば、液体ヘリウムＬと接する、細孔径が約２ｎｍより大きな多孔体４２の細孔４２ａ内においては、固体状態のヘリウム（主に^４Ｈｅ）が細孔壁面４２ｂ上に吸着していることがわかった。また、その際の固体状態のヘリウムからなる固体層４６の厚みＣは約０．６ｎｍである。そして、液体ヘリウムの平均粒子間距離が約０．４ｎｍであることから、細孔径が１．５ｎｍ以下の場合、細孔全体が固体状態のヘリウムで充填されてしまう。

【0041】

本実施の形態に係る多孔体４２の細孔径Ｄは、Barrett-Joyner-Halenda（ＢＪＨ）法による測定値で約３．９ｎｍである。したがって、固体層４６の内部の直径が２．７ｎｍの円柱領域は、希薄相１２または濃厚相１４に含まれる^３Ｈｅ液体Ｌ’で満たされている。^３Ｈｅ液体Ｌ’の円柱領域の直径は、液体ヘリウムの粒子間距離約０．４ｎｍよりも十分大きいので、多孔体４２の周囲にあるヘリウム液体Ｌと同じ熱伝導等の性質が期待される。そして、多孔体４２の周囲にある液体ヘリウムＬと細孔４２ａ内の^３Ｈｅ液体Ｌ’は、多孔体粒子表面の貫通孔で液体同士が直接つながっている。

【0042】

細孔４２ａ内の^３Ｈｅ液体Ｌ’と多孔体細孔壁面とのカピッツァ熱抵抗に由来する熱抵抗は、細孔壁面の合計面積に反比例する。多孔体４２の巨大な比面積のため、小型の熱交換器であっても大きな面積を実現して、カピッツァ熱抵抗由来の熱抵抗を小さくしている。このように、多孔体４２周囲にある液体ヘリウムＬと多孔体４２のシリケート部材との熱伝導を良くしている。

【0043】

このように、多孔体４２は、内部において^３Ｈｅが液体で存在できる直径を細孔４２ａが有しており、また、細孔４２ａが貫通孔である。これにより、^３Ｈｅ液体Ｌ’を介して細孔４２ａの両端部の熱伝導が効率良く可能となる。また、粒子状の多孔体４２の外部と細孔４２ａ内の^３Ｈｅ液体Ｌ’が直接接続されることで、熱の伝導が可能となる。

【0044】

なお、多孔体４２の平均細孔径Ｄは、細孔４２ａの中心部分の円柱形状の^３Ｈｅ液体Ｌ’の直径が液体ヘリウムの粒子間距離約０．４ｎｍよりも十分大きくなるようにすることが好ましい。この場合、固体状態の^４Ｈｅの固体層４６の厚さ０．６ｎｍを考慮すると、少なくとも細孔径Ｄは１．６ｎｍ以上が必要であり、２ｎｍ以上が好ましく、比面積の観点から３０ｎｍ以下がより好ましい。これにより、細孔４２ａの中心部分に直径が０．４ｎｍよりも十分大きな^３Ｈｅ液体Ｌ’が存在できる。

【0045】

多孔体４２がシリケート粒子の場合、平均粒径が大きすぎると、多孔体４２自体の熱抵抗が大きくなる。また、平均粒径が小さすぎると、平均細孔径Ｄを適切な範囲に調整することが困難となる。そこで、本実施の形態に係る多孔体４２は、平均粒径が５０～２００００ｎｍの範囲、好ましくは、多孔体４２の部材の熱抵抗等を考慮して、平均粒径が１００～５００ｎｍの範囲にあるシリケート粒子である。これにより、カピッツァ抵抗の低減に寄与する大きな比面積と、熱抵抗に影響する多孔体のシリケート部材を介した熱伝導距離の短縮化とを両立できる。なお、多孔体４２に適したシリケート粒子としては、例えば、ＦＳＭ－１６、ＭＣＭ－４１等が挙げられる。

【0046】

本実施の形態に係る金属微粒子４４は、平均粒径が５０～１０００００ｎｍの範囲にある銀微粒子である。これにより、熱伝導の良好な金属微粒子４４が多孔体４２を取り囲むように焼結体として金属部材３８に固定される。

【0047】

本実施の形態に係る熱抵抗低減部４０は、厚みが１～５００μｍの範囲である。これにより、ナノサイズの細孔を有する多孔体４２の周囲をある程度の量の金属微粒子４４が囲むようにし、金属部材３８と液体ヘリウムとの金属微粒子４４を介した熱抵抗を低減できる。なお、熱抵抗低減部４０は、厚みが１～１０００μｍの範囲であってもよく、１～２００μｍの範囲が最も好ましい

【0048】

このように、本実施の形態に係る希釈冷凍機１０は、熱交換器１８における熱伝導の更なる向上が図られるため、冷凍性能の向上や冷凍機全体の小型化が可能となる。

【0049】

（性能評価）
上記のナノ多孔体と銀の焼結構造は、ナノ多孔体に吸着した^４Ｈｅと^３Ｈｅの超低温比熱測定で評価を行った。比熱測定は準断熱ヒートパルス法で行い、比熱容器にはヒータと温度計が取り付けてある。そして、ヒートパルスを加えたあとの容器温度の時間変化を解析することにより、吸着ヘリウムと容器が同じ温度になるまでの緩和時間を測定した。その結果、温度が２６ｍＫまでは、温度計の応答時間約５秒よりも短い緩和時間であり、熱抵抗が十分に小さいことが確認された。

【0050】

そこで、本実施の形態に係る熱抵抗低減部４０を備えたステップタイプの熱交換器を製作し、ヘリウム希釈冷凍機に取り付けて作動させた。ステップタイプの熱交換器を備えず、ｔｕｂｅ－ｉｎ－ｔｕｂｅの熱交換器だけを取り付けて運転した希釈冷凍機は、^３Ｈｅを約２０μｍｏｌ／ｓｅｃの連続循環した場合に最低温が約３５ｍＫに到達し、ｓｉｎｇｌｅ－ｓｈｏｔ（^３Ｈｅの循環を停止して、回収だけを行い冷却する方法）の場合に最低温が２０ｍＫ台に到達する。一方、この希釈冷凍機に本実施の形態に係る熱交換器を取り付けた場合、連続循環した場合に最低温が２０．６ｍＫに到達し、ｓｉｎｇｌｅ－ｓｈｏｔの場合に最低温が８．６ｍＫに到達した。このように、本実施の形態に係る希釈冷凍機は、最低到達温度が向上しており、多孔体４２を含む熱抵抗低減部４０の有効性を示している。

【0051】

なお、前述の熱抵抗低減部４０は、熱交換器１８だけでなく混合室１６の熱伝導部にも利用できる。図５は、本実施の形態に係る混合室１６の概略構成を示す模式図である。混合室１６は、高温側流路３０から濃厚相１４に^３Ｈｅ液体が流入する流入路３４と、希薄相１２から低温側流路３２へ^３Ｈｅ液体が流出する流出路５２と、が形成されている容器４８を備える。

【0052】

容器４８の底部４８ａの内側には、熱抵抗低減部４０が配置されている。これにより、希薄相１２の液体ヘリウムと底部４８ａの熱抵抗を低減でき、底部４８ａを冷却面Ｓとした場合の冷却性能を向上できる。

【0053】

以上、本開示を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本開示の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

【産業上の利用可能性】

【0054】

本開示の冷凍機は、極低温での動作が必要な様々な装置の冷却に利用が可能であり、例えば、量子コンピュータや半導体検出器の冷却に利用が可能である。

【符号の説明】

【0055】

１０ 希釈冷凍機、 １２ 希薄相、 １４ 濃厚相、 １６ 混合室、 １８ 熱交換器、 ２０ 分溜室、 ２０ａ 希薄相、 ２０ｂ 流入路、 ２２ １Ｋ貯溜室、 ２４ クライオスタット、 ２６ 排出路、 ２８ 供給路、 ２９ 冷却経路、 ３０ 高温側流路、 ３０ａ 流入路、 ３０ｂ 流出路、 ３１ 容器、 ３２ 低温側流路、 ３２ａ 流入路、 ３２ｂ 流出路、 ３４ 流入路、 ３６ 熱伝導部、 ３８ 金属部材、 ４０ 熱抵抗低減部、 ４２ 多孔体、 ４２ａ 細孔、 ４２ｂ 細孔壁面、 ４４ 金属微粒子、 ４６ 固体層、 ４８ 容器、 ４８ａ 底部、 ５２ 流出路。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】