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JP2001304709A - Dilution refrigerating machine - Google Patents

Dilution refrigerating machine

Info

Publication number
JP2001304709A
JP2001304709A JP2000120089A JP2000120089A JP2001304709A JP 2001304709 A JP2001304709 A JP 2001304709A JP 2000120089 A JP2000120089 A JP 2000120089A JP 2000120089 A JP2000120089 A JP 2000120089A JP 2001304709 A JP2001304709 A JP 2001304709A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
heat exchanger
dilution
refrigerator
heat transfer
gas
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2000120089A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP3580531B2 (en
Inventor
Shigeru Yoshida
茂 吉田
Takahiro Umeno
高裕 梅野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Taiyo Toyo Sanso Co Ltd
Original Assignee
Taiyo Toyo Sanso Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Taiyo Toyo Sanso Co Ltd filed Critical Taiyo Toyo Sanso Co Ltd
Priority to JP2000120089A priority Critical patent/JP3580531B2/en
Publication of JP2001304709A publication Critical patent/JP2001304709A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3580531B2 publication Critical patent/JP3580531B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce running costs and enable long time continuous operation by eliminating the use of exhaust pressure reduced liquid helium as in the case of the prior arts as a means for cooling 3 He gas to the proximity of 1 K in an initial cooling in a dilution refrigerating machine. SOLUTION: A small-sized mechanical refrigerating machine such as GM refrigerating machine or the like is used to cool 3 He has fed into a main body to several Kelvin by a vacuum pump in the initial cooling, and 3 He gas is further cooled to the proximity of 1 K through adiabatic expansion. As the structure for this process, parts other than the GM refrigerating machine is constituted as a rod-like unit as a whole, and the unit can be inserted into and removed from an inner tube in a heat insulated container.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、液体ヘリウム(3H
e,4He)を用いて1〜10-3Kの超低温を連続的に
得るための希釈冷凍機に関するものである。
The present invention relates to a liquid helium (3H
e, 4He) using a dilution refrigerator for continuously obtaining an ultra-low temperature of 1 to 10 -3 K.

【0002】[0002]

【従来の技術】良く知られているように、3Heの液相
と4Heの液相との混合液は、0.8K以下で2相分離
し、低温で3Heを6.4%含む希薄相と、3Heを1
00%含む濃厚相とが共存する。そして濃厚相の3He
を希薄相へ溶け込ませる(希釈させる)と、外部から熱
を吸収し、その結果1〜10-3Kの超低温を得ることが
できる。このような現象を利用した冷凍機が希釈冷凍機
と称され、近年実用化に至っている。
2. Description of the Related Art As is well known, a mixture of a liquid phase of 3He and a liquid phase of 4He is separated into two phases at a temperature of 0.8 K or less, and a dilute phase containing 6.4% of 3He at a low temperature. , 3He is 1
A dense phase containing 00% coexists. And 3He of rich phase
Is dissolved (diluted) in the dilute phase, heat is absorbed from the outside, and as a result, an extremely low temperature of 1 to 10 -3 K can be obtained. A refrigerator utilizing such a phenomenon is called a dilution refrigerator, and has recently been put to practical use.

【0003】希釈冷凍機の原理については、例えば「日
本物理学会誌」第37巻第5号(1982)の第409
頁〜第418頁(3He−4He希釈冷凍機の原理と設
計上の問題点I)、「日本物理学会誌」第37巻第7号
(1982)の第595頁〜第600頁(3He−4H
e希釈冷凍機の原理と設計上の問題点II)などにおい
て説明されているが、その原理的な構成を図4に示す。
The principle of the dilution refrigerator is described, for example, in Journal of the Physical Society of Japan, Vol. 37, No. 5, No. 409 (1982).
Pages 418 to 418 (Principles and Design Issues of 3He-4He Dilution Refrigerator I), 595-600 (3He-4H) of the Journal of the Physical Society of Japan, Vol. 37, No. 7, (1982).
The principle of the e-dilution refrigerator and problems in design II) are described, and the principle configuration is shown in FIG.

【0004】図4において、第1の真空ポンプ1Aは3
Heガスを強制循環させるためのものであり、この第1
の真空ポンプ1Aから送り出された300K程度の温度
の3Heガスは、第2の真空ポンプ1Bにより液体4H
eを排気減圧して1.3K程度に保った1Kポット2に
熱的に接触する凝縮器(コンデンサ)3において液化
し、さらにインピーダンス4を介して分留器5内の熱交
換器6に送られる。この分留器5は、後述するように3
Heと4Heとの飽和蒸気圧の差を利用して4He−3
Heの混合液中から3Heを選択的に排出させるための
ものであるが、凝縮器3から送られて来た3Heはこの
分留器5に熱接触する熱交換器6において熱交換され
て、0.5〜0.7K程度まで冷却される。さらにその
3Heは、インピーダンス7を経て熱交換器8において
100mK程度まで冷却され、混合室9に送り込まれ
る。混合室9では、前述のような100%3Heの濃厚
相と、3Heが4Heに溶け込んだ4He−6.4%3
Heの希薄相とに2相分離しており、密度差により下層
が希薄相(4He−6.4%3He)、上層が濃厚相
(3He相)となる。そして濃厚相に送り込まれた3H
eが希薄相に溶け込む際に、既に述べたように熱吸収が
生じ、10mKのオーダーの超低温に冷却される。すな
わちこの混合室9が冷凍機としてのコールドヘッドとな
るから、この部分に冷却対象物(試料)を保持しておけ
ば、その試料を10mKのオーダーに冷却することがで
きる。
In FIG. 4, a first vacuum pump 1A is
This is for forcibly circulating He gas.
The 3He gas at a temperature of about 300K sent out from the vacuum pump 1A is supplied to the liquid 4H by the second vacuum pump 1B.
e is evacuated and evacuated and liquefied in a condenser (condenser) 3 which is in thermal contact with a 1K pot 2 kept at about 1.3K and further sent to a heat exchanger 6 in a fractionator 5 via an impedance 4. Can be This fractionator 5 has a 3
Utilizing the difference between the saturated vapor pressures of He and 4He, 4He-3
Although it is for selectively discharging 3He from the He mixture, 3He sent from the condenser 3 is heat-exchanged in the heat exchanger 6 in thermal contact with the fractionator 5, It is cooled to about 0.5-0.7K. Further, the 3He is cooled to about 100 mK in the heat exchanger 8 via the impedance 7 and sent to the mixing chamber 9. In the mixing chamber 9, the 100% 3He rich phase as described above and 4He-6.4% 3 in which 3He is dissolved in 4He.
The two layers are separated from the He dilute phase, and the lower layer becomes a dilute phase (4He-6.4% 3He) and the upper layer becomes a dense phase (3He phase) due to the density difference. And 3H sent to the rich phase
When e dissolves in the dilute phase, heat absorption occurs, as described above, and it is cooled to a very low temperature of the order of 10 mK. That is, since the mixing chamber 9 serves as a cold head as a refrigerator, if an object to be cooled (sample) is held in this portion, the sample can be cooled to the order of 10 mK.

【0005】混合室9の希薄相における3He濃度は
6.4%を保ち、一方前記分留器5内の4He−3He
混合液中からは4Heと3Heとの飽和蒸気圧の差によ
って3Heのみがガス化して排出されて行くから、分留
器5内の3He濃度は0.5〜0.7Kで1%程度とな
り、そのため混合室9の希薄相と分留器5内の混合液と
で3Heの濃度差が生じ、そのため両者間の濃度勾配に
よって混合室9内の希薄相中から3Heが分留器5側へ
引込まれ、それに伴なって混合室9においては100%
3Heの濃厚相から希薄相への3Heの溶け込みが連続
的に生じることになる。そして混合室9から3Heが分
留器5へ引込まれる間においてその3Heは熱交換器8
を通過し、前述の往路側の3Heを冷却する。
[0005] The 3He concentration in the dilute phase of the mixing chamber 9 is maintained at 6.4%, while the 4He-3He in the fractionator 5 is maintained.
Since only 3He is gasified and discharged from the mixed solution due to the difference in saturated vapor pressure between 4He and 3He, the 3He concentration in the fractionator 5 becomes about 1% at 0.5 to 0.7K, Therefore, a concentration difference of 3He occurs between the dilute phase in the mixing chamber 9 and the liquid mixture in the fractionator 5, and 3He is drawn into the fractionator 5 from the dilute phase in the mixing chamber 9 due to a concentration gradient between the two. Rare, 100% in mixing room 9
The dissolution of 3He from the 3He rich phase to the lean phase will occur continuously. While 3He is drawn into the fractionator 5 from the mixing chamber 9, the 3He is transferred to the heat exchanger 8
To cool the above-mentioned 3He on the outward path side.

【0006】分留器5においては、既に述べたように飽
和蒸気圧の差によって4He−3He混合液中から3H
eのみが蒸発し、前述の真空ポンプ1Aによって排気さ
れる。真空ポンプ1Aに吸引された3Heは、再び凝縮
器3へ送られて同様な過程を繰返す。
[0006] In the fractionator 5, as described above, due to the difference in the saturated vapor pressure, the 3H mixture is removed from the 4He-3He mixture.
Only e evaporates and is evacuated by the aforementioned vacuum pump 1A. The 3He sucked by the vacuum pump 1A is sent to the condenser 3 again and repeats the same process.

【0007】以上のようにして、希釈冷凍機では、10
mKオーダーの超低温を得ることができる。
As described above, in the dilution refrigerator, 10
An ultra-low temperature of the order of mK can be obtained.

【0008】ところでこのような原理を利用した簡易型
の希釈冷凍機が、英国において刊行された「Cryog
enics」1993 Vol33, No9,p92
3〜925の「One−day dilution r
efrigerator」において提案されている。こ
の簡易型希釈冷凍機については、東京大学低温センター
発行の「低温センターたより」第16号(1993年1
月)のp15〜p20「簡易型希釈冷凍機の試作」にも
示されている。
A simple dilution refrigerator utilizing such a principle is disclosed in "Cryog" published in the UK.
Enics "1993 Vol33, No9, p92
3 to 925, "One-day dilution r"
efrigator ". This simple dilution refrigerator is described in "Low Temperature Center Newsletter" No. 16 (January 1993)
This is also shown in “Prototype production of simple dilution refrigerator” on p.

【0009】上記提案による簡易型冷凍機の模式的な構
成を図5に示す。
FIG. 5 shows a schematic configuration of the simplified refrigerator according to the above proposal.

【0010】図5において、外側真空断熱層10によっ
て取囲まれた有底円筒状の外側容器12内には冷媒とし
ての液体ヘリウム(通常の液体4He)14が注入され
ており、またこの外側容器12の側壁上部には液体ヘリ
ウム減圧口16が設けられており、この減圧口16は第
2の真空ポンプ45に導かれている。外側容器12内の
液体ヘリウム14中には、有底円筒状の内側容器18が
浸漬されている。この内側容器18の下部(液体ヘリウ
ム14中に浸漬されている部分)の壁部には真空断熱層
20が設けられており、また内側容器18の上端近くに
は、3He排出口21が形成されている。
In FIG. 5, a liquid helium (normal liquid 4He) 14 as a refrigerant is injected into a bottomed cylindrical outer container 12 surrounded by an outer vacuum heat insulating layer 10, and this outer container A liquid helium decompression port 16 is provided in the upper part of the side wall of 12, and this decompression port 16 is led to a second vacuum pump 45. A cylindrical inner container 18 with a bottom is immersed in the liquid helium 14 in the outer container 12. A vacuum heat insulating layer 20 is provided on a lower wall portion (a portion immersed in the liquid helium 14) of the inner container 18, and a 3He outlet 21 is formed near the upper end of the inner container 18. ing.

【0011】さらに内側容器18内の下部には液体ヘリ
ウム(後述する液相23,25)が収容されており、こ
の液体ヘリウム中には、上方から支柱兼真空排気管22
によって吊下された状態で中空のプランジャ24が浸漬
されている。また支柱兼真空排気管22の中間の位置
(プランジャ24よりも上方でかつ液面23Aよりも上
方の位置)には、その支柱兼真空排気管22が上下に貫
通するように銅等の良熱伝導材料からなる熱伝導ブロッ
ク26が固定されており、この熱伝導ブロック26に
は、これを上下に貫通する3He通路27が形成されて
いる。そして前述のようなプランジャ24と熱伝導ブロ
ック26の配置によって、内側容器18内における熱伝
導ブロック26よりも下側の部分はプランジャ24の下
側の混合室38と、プランジャ24の上側でかつ熱伝導
ブロック26の下側の分留室40とに区分されることに
なる。なおプランジャ24の外周面と内側容器18の内
周面との間には隙間42が存在しており、この隙間42
によって混合室38と分留室40とが連通して、分留室
40内に液面23Aが位置している。なおまた、熱伝導
ブロック26は、図示しない銅製バネ部材などを介して
内側容器18の内面に熱的に接触しているが、熱伝導ブ
ロック26の周囲の少なくとも一部には、その熱伝導ブ
ロック26の上方空間と下方空間(分留室40)とを連
通させる不可避的な空隙41が存在する。
Further, liquid helium (liquid phases 23 and 25 to be described later) is accommodated in a lower portion of the inner container 18, and a column / evacuation pipe 22 is provided in the liquid helium from above.
The hollow plunger 24 is immersed in a state where the plunger 24 is suspended. In a middle position of the column / evacuation pipe 22 (above the plunger 24 and above the liquid surface 23A), a good heat of copper or the like is used so that the column / evacuation pipe 22 penetrates vertically. A heat conduction block 26 made of a conductive material is fixed, and a 3He passage 27 penetrating the heat conduction block 26 vertically is formed in the heat conduction block 26. Due to the arrangement of the plunger 24 and the heat conduction block 26 as described above, the lower portion of the heat conduction block 26 in the inner container 18 is mixed with the mixing chamber 38 below the plunger 24 and the upper side of the plunger 24 and heat. It is divided into a fractionation chamber 40 below the conduction block 26. A gap 42 exists between the outer peripheral surface of the plunger 24 and the inner peripheral surface of the inner container 18.
Thus, the mixing chamber 38 and the fractionating chamber 40 communicate with each other, and the liquid level 23 </ b> A is located in the fractionating chamber 40. In addition, the heat conduction block 26 is in thermal contact with the inner surface of the inner container 18 via a copper spring member or the like (not shown), but at least a part around the heat conduction block 26 has the heat conduction block. There is an unavoidable gap 41 that connects the upper space of 26 with the lower space (fractionation chamber 40).

【0012】そしてまた内側容器18内には、上方から
3He供給管28が挿入されている。この3He供給管
28は、内側容器18内を下方へ導かれて、前述の熱伝
導ブロック26に一体的に組込まれた銅粉焼結多孔質体
などからなる凝縮器(コンデンサ)30に接続され、さ
らにこの凝縮器30の下方出側は配管32を介して同じ
くコイル管状の分留室熱交換器34に接続されている。
なお分留室熱交換器34は、前記分留室40における液
体ヘリウム(液相23)中に浸漬されている。また分留
室熱交換器34の下方出側は、プランジャ24と内側容
器18の内壁面との間の隙間42に配設された熱交換器
36に接続され、さらにこの熱交換器36の下端は、前
述の混合室38に導かれて、この混合室38内に3He
を吐出する吐出口44が設けられている。なお前述の3
He排出口21と3He供給管28との間には、内側容
器18の外部において第1の真空ポンプ46が介在され
ている。
A 3He supply pipe 28 is inserted into the inner container 18 from above. The 3He supply pipe 28 is guided downward in the inner vessel 18 and is connected to a condenser (condenser) 30 made of a copper powder sintered porous body or the like that is integrated into the heat conduction block 26 described above. The lower outlet side of the condenser 30 is connected via a pipe 32 to a heat exchanger 34, which is also a coil tubular fractionation chamber.
The fractionation chamber heat exchanger 34 is immersed in the liquid helium (liquid phase 23) in the fractionation chamber 40. The lower exit side of the fractionation chamber heat exchanger 34 is connected to a heat exchanger 36 disposed in a gap 42 between the plunger 24 and the inner wall surface of the inner container 18. Is introduced into the mixing chamber 38, and 3He is introduced into the mixing chamber 38.
Is provided. Note that the above 3
A first vacuum pump 46 is interposed between the He outlet 21 and the 3He supply pipe 28 outside the inner container 18.

【0013】以上のような簡易型希釈冷凍機において、
外側容器12の内面と内側容器18の外面との間の空間
15には前述のように液体ヘリウム(通常の4He)1
4が注入され、かつ第2の真空ポンプ45によって液体
ヘリウム減圧口16からその空間15内が排気減圧され
て、1K近くの低温に保持される。したがってこの空間
15の部分が図4における1Kポット2に相当し、熱伝
導ブロック26を1.3K程度に冷却するに寄与する。
一方内側容器18の分留室40内は、液面23Aが分留
室40内の中間に位置するように4He−10%3He
からなる液相23が満たされ、一方混合室38は、10
0%3Heの濃厚相と4He−6.4%3Heの希薄相
からなる液相25で満たされる。このような状態で3H
eが真空ポンプ46によって3He供給管28を経て凝
縮器30に導かれ、熱伝導ブロック26によって3He
が1.3K程度に冷却されて液化する。液化された3H
eは、分留室熱交換器34および熱交換器36を経てさ
らに冷却され、吐出口44から混合室38内に吐出され
る。この混合室38においては、既に図4における混合
室9について述べたように、吐出された3Heが上側の
100%3Heの濃厚相に溶け込み、濃厚相の3Heの
一部が下側の4He−6.4%3Heの希薄相に溶け込
む。このとき、熱吸収が生じて10mKのオーダーの超
低温が得られる。
In the simple dilution refrigerator described above,
The space 15 between the inner surface of the outer container 12 and the outer surface of the inner container 18 has liquid helium (normal 4He) 1 as described above.
4 is injected, and the space 15 is evacuated and depressurized from the liquid helium depressurization port 16 by the second vacuum pump 45, and is kept at a low temperature near 1K. Therefore, this space 15 corresponds to the 1K pot 2 in FIG. 4 and contributes to cooling the heat conduction block 26 to about 1.3K.
On the other hand, in the fractionation chamber 40 of the inner container 18, 4He-10% 3He is set so that the liquid level 23A is located in the middle of the fractionation chamber 40.
Liquid phase 23 consisting of
It is filled with a liquid phase 25 consisting of a dense phase of 0% 3He and a dilute phase of 4He-6.4% 3He. 3H in such a state
e is led to the condenser 30 through the 3He supply pipe 28 by the vacuum pump 46, and is introduced into the 3He by the heat conduction block 26.
Is cooled to about 1.3K and liquefied. Liquefied 3H
e is further cooled through the fractionation chamber heat exchanger 34 and the heat exchanger 36, and is discharged from the discharge port 44 into the mixing chamber 38. In the mixing chamber 38, as already described for the mixing chamber 9 in FIG. 4, the discharged 3He dissolves in the upper 100% 3He dense phase, and a part of the rich phase 3He is lower 4He-6. Dissolves in a 4% 3He dilute phase. At this time, heat absorption occurs and an ultra-low temperature of the order of 10 mK is obtained.

【0014】一方混合室38は分留室40と連通してい
るから、混合室38内の希薄相中の3Heは分留室40
に至るが、この分留室40は1K以下の低温となってい
るため、3Heと4Heの大幅な飽和蒸気圧の差によっ
て3Heのみが蒸発し、この気相の3Heは熱伝導ブロ
ック26の3He通路27を通って内側容器18の上方
の空間から3He排出口21を経て第1の真空ポンプ4
6によって排気される。これに伴なって、分留室40内
の液体ヘリウム中の3He濃度は1%程度に低くなるか
ら、分留室40の3He濃度(約1%)と混合室38の
希薄相中の3He濃度(6.4%)との濃度勾配によ
り、混合室38内の希薄相から3He原子が分離室40
へ導かれる。またこれによって混合室38内の希薄相中
の3He濃度が低くなるに伴ない、3He100%の濃
厚相から連続的に3Heが希薄相中へ溶け込むことにな
る。
On the other hand, since the mixing chamber 38 is in communication with the fractionating chamber 40, 3He in the dilute phase in the mixing chamber 38 is
However, since the fractionation chamber 40 has a low temperature of 1 K or less, only 3He is evaporated due to a large difference in saturated vapor pressure between 3He and 4He. The first vacuum pump 4 passes from the space above the inner container 18 through the passage 27 through the 3He outlet 21.
6 is exhausted. Accordingly, the 3He concentration in the liquid helium in the fractionation chamber 40 is reduced to about 1%, so that the 3He concentration in the fractionation chamber 40 (about 1%) and the 3He concentration in the dilute phase in the mixing chamber 38 are reduced. (6.4%), 3He atoms are separated from the dilute phase in the mixing chamber 38 by the separation chamber 40.
Led to. In addition, as the 3He concentration in the dilute phase in the mixing chamber 38 decreases, 3He continuously dissolves into the dilute phase from the 3He 100% rich phase.

【0015】このようにして連続的に3Heが循環さ
れ、かつ混合室38における希薄相への3Heの溶け込
みにより連続的に10mKオーダーの超低温が維持され
る。
In this way, 3He is continuously circulated, and the ultra-low temperature of the order of 10 mK is continuously maintained by the incorporation of 3He into the dilute phase in the mixing chamber 38.

【0016】また上述のような図5に示す簡易型希釈冷
凍機の一部を改良した希釈冷凍機を、本発明者等は既に
特許第2689230号において提案しており、その希
釈冷凍機の基本的な機能は図5に示すものと同様であ
る。
The present inventors have already proposed in Japanese Patent No. 2689230 a dilution refrigerator having an improved part of the simple dilution refrigerator shown in FIG. 5 as described above. Typical functions are the same as those shown in FIG.

【0017】[0017]

【発明が解決しようとする課題】図4あるいは図5に示
すような従来の希釈冷凍機においては次のような問題が
あった。
The conventional dilution refrigerator as shown in FIG. 4 or 5 has the following problems.

【0018】すなわち、図4に示す希釈冷凍機において
は、1Kポット2において1.3K程度の低温を得るた
め、1Kポット2内の液体ヘリウムを第2の真空ポンプ
1Bにより排気減圧しており、したがって1Kポット2
内の液体ヘリウムは徐々に消費されてその量が減ること
になる。また図5に示す希釈冷凍機の場合、外側容器1
2の内面と内側容器18との間の空間15に液体ヘリウ
ムが保持されるとともに第2の真空ポンプ45によって
その空間15内が排気減圧されて、1.3K程度の低温
を得るようになっており、その空間部分15が前述の1
Kポットに相当することになるが、その場合も排気減圧
によって空間部分15内の液体ヘリウムが徐々に減少す
ることになる。
That is, in the dilution refrigerator shown in FIG. 4, in order to obtain a low temperature of about 1.3K in the 1K pot 2, the liquid helium in the 1K pot 2 is evacuated and reduced by the second vacuum pump 1B. Therefore 1K pot 2
The liquid helium inside is gradually consumed and its amount is reduced. In the case of the dilution refrigerator shown in FIG.
Liquid helium is held in the space 15 between the inner surface of the container 2 and the inner container 18 and the space 15 is evacuated and decompressed by the second vacuum pump 45 to obtain a low temperature of about 1.3K. And the space portion 15 is the aforementioned 1
This corresponds to a K pot, but also in this case, the liquid helium in the space portion 15 gradually decreases due to the exhaust pressure reduction.

【0019】上述のように従来の希釈冷凍機では、3H
eガスを1.3K程度に冷却するために別に液体ヘリウ
ムを用いかつその液体ヘリウムを排気減圧させていると
ころから、液体ヘリウムが次第に減少し、そのため随時
液体ヘリウムの補給を行なわなければならない。この場
合一般には液体ヘリウムの補給のために希釈冷凍機の運
転を停止させなければならないから、長時間連続して希
釈冷凍機を運転することが困難であり、そのため希釈冷
凍機を用いた極低温試験等に支障を来たすおそれがあ
る。
As described above, in the conventional dilution refrigerator, 3H
Since liquid helium is separately used to cool the e-gas to about 1.3K and the liquid helium is evacuated and decompressed, the liquid helium gradually decreases, so that liquid helium must be replenished as needed. In this case, it is generally difficult to operate the dilution refrigerator continuously for a long time because the operation of the dilution refrigerator must be stopped in order to supply liquid helium. There is a risk that it will interfere with the test.

【0020】またそればかりでなく、液体ヘリウムは著
しく高価であるから、それを消費する従来の希釈冷凍機
では、ランニングコストが著しく高くならざるを得ない
という問題もあった。
In addition, since liquid helium is extremely expensive, the conventional diluting refrigerator that consumes it has a problem that the running cost must be extremely high.

【0021】そのほか、前述の図4や図5に示される希
釈冷凍機以外にも種々のタイプの希釈冷凍機が提案ある
いは実用化されているが、それらの希釈冷凍機では、前
述の問題のほか極低温に冷却すべき試料を交換する場合
などにおいて希釈冷凍機の各構成部分を断熱するための
真空を破らなければならない構造のものが多く、その場
合試料交換後の真空排気にかなりの長時間を要するとい
う問題もあった。さらに従来の希釈冷凍機では、希釈冷
凍機を構成する各部位、特に超低温となる部位を低温封
止するための構造が特殊かつ高価となったり、試料交換
後に改めて低温封止するための作業が煩雑となったりす
ることが多いという問題もあった。
In addition, various types of dilution refrigerators have been proposed or put into practical use in addition to the dilution refrigerators shown in FIGS. 4 and 5 described above. In many cases, such as when exchanging samples to be cooled to cryogenic temperatures, the vacuum must be broken to insulate the components of the dilution refrigerator. There was also a problem that required. Furthermore, in the conventional dilution refrigerator, the structure for sealing the parts constituting the dilution refrigerator at low temperature, especially the part that becomes extremely low temperature, becomes special and expensive, and work for sealing again at low temperature after exchanging the sample is required. There is also a problem that it is often complicated.

【0022】この発明は以上の事情を背景としてなされ
たもので、真空ポンプによって送り込まれる3Heガス
を1K近くまで初期冷却するための手段として、従来技
術の場合のような排気減圧した液体ヘリウム(液体4H
e)を用いないようにして、長時間連続運転を可能にす
るとともにランニングコストを低減し、さらには取扱い
も容易で試料交換後に真空断熱部部分の真空排気に長時
間を要さず、さらには超低温部位での低温封止を不要と
した希釈冷凍機を提供することを目的とするものであ
る。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and as a means for initially cooling 3He gas fed by a vacuum pump to near 1K, a liquid helium (liquid) which has been evacuated and depressurized as in the prior art is used. 4H
By not using e), continuous operation can be performed for a long time and running costs can be reduced. Further, handling is easy, and evacuation of the vacuum insulation portion after sample replacement does not require a long time. It is an object of the present invention to provide a dilution refrigerator that does not require low-temperature sealing at an ultra-low temperature part.

【0023】[0023]

【課題を解決するための手段】前述のような課題を解決
するため、この発明の希釈冷凍機では、基本的には、真
空ポンプによって希釈冷凍機本体内に送り込まれた3H
eガスを数K程度に初期冷却するために、GM冷凍機
(ギフォード−マクマホン冷凍機)で代表される小型機
械式冷凍機を用いることとし、かつ一般にこの種のGM
冷凍機では3Heガスの凝縮・液化温度まで冷却するこ
とは困難であることに鑑み、GM冷凍機によって数K程
度まで冷却された3Heガスをさらに断熱膨張によって
1K近くまで冷却することとした。
SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve the above-mentioned problems, in the dilution refrigerator of the present invention, basically, 3H pumped into the dilution refrigerator main body by a vacuum pump.
In order to initially cool the e-gas to about several K, a small mechanical refrigerator represented by a GM refrigerator (Gifford-McMahon refrigerator) is used.
Considering that it is difficult to cool the condensing / liquefaction temperature of the 3He gas with the refrigerator, the 3He gas cooled to about several K by the GM refrigerator is further cooled to near 1K by adiabatic expansion.

【0024】具体的には、請求項1の発明の希釈冷凍機
は、3Heガスを循環させるための真空ポンプと、その
真空ポンプにより送出される3Heガスを受入れる希釈
冷凍機本体とを有し、前記希釈冷凍機本体は、冷却ヘッ
ドを備えた小型機械式冷凍機と、その小型機械式冷凍機
の冷却ヘッドから延長された良熱伝導材料からなる伝熱
ブロックと、その伝熱ブロックに熱的に接触しかつ前記
真空ポンプから送出された3Heガスを冷却するための
主熱交換器と、その主熱交換器により冷却された3He
ガスを断熱膨張により3Heガスの凝縮温度以下まで冷
却するためのJT膨張器と、4He−3He混合液体を
保持しかつ4Heと3Heとの蒸気圧の差により3He
ガスが前記真空ポンプの吸気圧により真空ポンプへ向け
て吸出される分留器と、前記JT膨張器から導かれた液
体3Heが通過してこれを前記分留器内の4He−3H
e混合液体によりさらに冷却するための分留器熱交換器
と、相互に熱交換可能に隔絶された往路側通路および復
路路側通路を備えかつ往路側通路に前記分留器熱交換器
から導かれた液体3Heが通過して復路側通路の冷熱に
より往路側通路の液体3Heを0.8K以下の温度に冷
却するための往復熱交換器と、底部側が前記往復熱交換
器の復路側通路を介して前記分留器の底部側に連通する
ように作られかつ前記往復熱交換器の往路側通路から液
体3Heが導入されるとともに予め液体4Heが収容さ
れるようにした混合室とからなり、前記真空ポンプから
送出された3Heガスが、前記主熱交換器を通過する際
に冷凍機の冷却ヘッドの冷熱により前記伝熱ブロックを
介して所定の低温に冷却され、さらにJT膨張器を通過
して凝縮液化され、その液化された液体3Heが往復熱
交換器の往路側通路を通って混合室に送り込まれるよう
に構成したことを特徴とするものである。
Specifically, the dilution refrigerator according to the first aspect of the present invention has a vacuum pump for circulating 3He gas, and a dilution refrigerator body for receiving 3He gas sent by the vacuum pump, The dilution refrigerator main body includes a small mechanical refrigerator having a cooling head, a heat transfer block made of a good heat conductive material extended from the cooling head of the small mechanical refrigerator, and a heat transfer block thermally connected to the heat transfer block. And a main heat exchanger for cooling the 3He gas delivered from the vacuum pump and the 3He gas cooled by the main heat exchanger.
A JT expander for cooling the gas to below the condensation temperature of 3He gas by adiabatic expansion, and 3He by holding a 4He-3He mixed liquid and by a difference in vapor pressure between 4He and 3He.
A fractionator in which gas is sucked out toward the vacuum pump by the suction pressure of the vacuum pump, and a liquid 3He guided from the JT expander passes therethrough and passes through 4He-3H in the fractionator.
e, a fractionator heat exchanger for further cooling by the mixed liquid, and a forward path and a return path which are separated from each other so as to be capable of exchanging heat with each other, and which is guided from the fractionator heat exchanger to the forward path. Reciprocating heat exchanger for cooling the liquid 3He in the outward passage to a temperature of 0.8 K or less by the heat of the returning liquid 3He by the cool heat in the inbound passage, and the reciprocating heat exchanger on the bottom side through the reciprocating heat exchanger. A mixing chamber formed so as to communicate with the bottom side of the fractionator and into which the liquid 3He is introduced from the outward passage of the reciprocating heat exchanger and the liquid 4He is stored in advance. When the 3He gas sent from the vacuum pump passes through the main heat exchanger, it is cooled to a predetermined low temperature through the heat transfer block by the cold of the cooling head of the refrigerator, and further passes through the JT expander. Condensed and liquefied It is characterized in that the liquefied liquid 3He is configured to be fed into the mixing chamber through the outward side passage of the reciprocating heat exchanger.

【0025】このように請求項1の発明の希釈冷凍機に
おいては、GM冷凍機などの小型機械式冷凍機を用いて
数K程度まで3Heガスを冷却し、さらに断熱膨張によ
り凝縮温度以下まで冷却して液化させているため、従来
の図4や図5に示される希釈冷凍機の如く初期冷却のた
めに減圧した液体ヘリウムを使用する必要がない。した
がって長時間の連続運転が可能となるとともにランニン
グコストも低減される。
As described above, in the dilution refrigerator according to the first aspect of the present invention, the 3He gas is cooled to about several K using a small mechanical refrigerator such as a GM refrigerator, and further cooled to a condensation temperature or lower by adiabatic expansion. Therefore, there is no need to use decompressed liquid helium for initial cooling, unlike the conventional dilution refrigerator shown in FIGS. 4 and 5. Therefore, long-term continuous operation is possible and running cost is reduced.

【0026】また請求項2の発明の希釈冷凍機は、この
発明による希釈冷凍機を構造的に規定したものである。
A dilution refrigerator according to a second aspect of the present invention structurally defines the dilution refrigerator according to the present invention.

【0027】すなわち請求項2の発明は、請求項1に記
載の希釈冷凍機において、前記希釈冷凍機本体が、真空
断熱された容器の内部に、冷却ヘッド室と、その冷却ヘ
ッド室の底部から下方へ延びる希釈冷凍室とが設けられ
ており、かつ容器内には、その上蓋部分から前記冷却ヘ
ッド室内を通って希釈冷凍室の底部まで延びる中空な有
底の内管が設けられており、その内管における上下方向
の中間位置の一部は良伝熱材料によって主熱交換器用伝
熱部とされ、さらに前記内管はその内側空間が冷却ヘッ
ド室の室内空間および希釈冷凍室の室内空間から気密に
隔絶されており、前記冷却ヘッド室内には上方から前記
小型機械式冷凍機の冷却ヘッドが挿入されていて、その
冷却ヘッドから前記伝熱ブロックが前記内管の伝熱部ま
で延びており、さらに前記内管内には、全体として棒状
をなす希釈冷凍ユニットが上方から挿抜可能に挿入され
ており、その希釈冷凍ユニットは、前記真空ポンプから
送出された3Heガスを受入れる受入口および3Heガ
スを排出して真空ポンプへ導くための還流口が上端部に
形成されるとともに、下端部に試料保持部を伴なった前
記混合室が形成され、しかも前記受入口から前記混合室
に至る往路側流路および混合室から前記送流口に至る復
路側流路とを備え、かつその往路側流路および復路側流
路に介在するように主熱交換器、JT膨張器、分留器、
分留器熱交換器、および往復熱交換器が一体的に形成さ
れた構成とされ、また前記内管の伝熱部とそれに対応す
る位置の前記希釈冷凍ユニット内の往路側流路との間が
熱的に接触されてその部分に前記主熱交換器が形成され
ることを特徴とするものである。
According to a second aspect of the present invention, in the dilution refrigerator of the first aspect, the dilution refrigerator main body is provided inside a vacuum-insulated container from a cooling head chamber and a bottom of the cooling head chamber. A dilution freezing room extending downward is provided, and a hollow bottomed inner tube extending from the upper lid portion to the bottom of the dilution freezing room through the cooling head chamber is provided in the container, A part of the middle position of the inner tube in the vertical direction is made of a heat transfer part for the main heat exchanger by using a good heat transfer material, and the inner space of the inner tube has an inner space of a cooling head room and an inner space of a dilution freezing room. The cooling head of the small mechanical refrigerator is inserted from above into the cooling head chamber, and the heat transfer block extends from the cooling head to the heat transfer portion of the inner pipe. Yes A diluting refrigeration unit having a rod shape as a whole is inserted into the inner tube so as to be insertable and removable from above, and the diluting refrigeration unit discharges the 3He gas by receiving the 3He gas sent from the vacuum pump. A reflux port is formed at the upper end to guide the mixture to the vacuum pump, and the mixing chamber with a sample holder is formed at the lower end, and a forward passage from the receiving port to the mixing chamber. A main heat exchanger, a JT expander, a fractionator, and a return-side flow path from the mixing chamber to the inflow port, and interposed in the forward-side flow path and the return-side flow path.
The heat exchanger of the fractionator and the reciprocating heat exchanger are integrally formed, and between the heat transfer portion of the inner tube and the outward flow path in the dilution refrigeration unit at a position corresponding thereto. Are thermally contacted with each other to form the main heat exchanger at that portion.

【0028】このような請求項2の発明の希釈冷凍機に
おいては、試料交換時には内管内の希釈冷凍ユニットを
抜き出して試料交換を行ない、再び希釈冷凍ユニットを
内管内に挿入すれば良く、したがって試料交換が極めて
簡単となる。また内管と希釈冷凍ユニットとの間の封止
は、容器の蓋部付近、すなわち常温付近の部分にて行な
えば良いから、特殊かつ高価な低温封止を必要とせず、
コスト的に安価となるとともに、封止作業も簡単化され
る。
In the dilution refrigerator according to the second aspect of the present invention, at the time of exchanging the sample, the dilution / refrigeration unit in the inner tube may be extracted and the sample exchanged, and the dilution / refrigeration unit may be inserted into the inner tube again. Replacement becomes extremely simple. In addition, since the sealing between the inner tube and the dilution refrigeration unit may be performed in the vicinity of the lid of the container, that is, in the vicinity of room temperature, no special and expensive low-temperature sealing is required,
The cost is reduced and the sealing operation is simplified.

【0029】さらに請求項3の発明は、請求項2に記載
の希釈冷凍機において、前記混合室から分留器に至るま
での間の復路側流路が、内管内へ挿抜可能な全体として
棒状の希釈冷凍ユニットの外面と内管の内周面との間に
形成されることを特徴とするものである。
According to a third aspect of the present invention, in the dilution refrigerator of the second aspect, the return path from the mixing chamber to the fractionator has a rod-like shape as a whole that can be inserted into and removed from the inner tube. Is formed between the outer surface of the dilution refrigeration unit and the inner peripheral surface of the inner tube.

【0030】このような請求項3の発明の希釈冷凍機に
おいては、内管の内側の空間のうち、その下部は4He
+3He混合液体で満たされ、上部は3Heガスで満た
されることになる。そのため希釈冷凍ユニットの一部
(例えば往復熱交換器の部分)を除いて、特に内管の内
側で真空断熱を行う必要がなく、そのため試料交換時に
真空を破って試料交換後に再度真空排気するために長時
間を要することがない。
In the dilution refrigerator according to the third aspect of the present invention, the lower portion of the space inside the inner tube is 4He.
The + 3He mixed liquid will be filled, and the upper part will be filled with 3He gas. Therefore, except for a part of the dilution refrigeration unit (for example, a part of the reciprocating heat exchanger), there is no need to perform vacuum insulation particularly inside the inner tube. Does not take a long time.

【0031】そしてまた請求項4の発明は、請求項1に
記載の希釈冷凍機において、前記往路側流路における主
熱交換器とJT膨張器との間に、復路側流路の冷熱を受
けるJT膨張前予冷用熱交換器が介されていることを特
徴とするものである。
According to a fourth aspect of the present invention, in the dilution refrigerator of the first aspect, between the main heat exchanger and the JT expander in the outward flow path, cold heat in the return flow path is received. The heat exchanger for pre-cooling before JT expansion is interposed.

【0032】このような請求項4の発明の希釈冷凍機で
は、主熱交換器で冷却された3Heガスに対し、さらに
復路側の低温3Heガスで冷却することなるため、冷熱
の有効利用を図って全体的な冷却効率を高めることがで
きる。
In the dilution refrigerator according to the fourth aspect of the present invention, since the 3He gas cooled by the main heat exchanger is further cooled by the low-temperature 3He gas on the return path side, cold heat is effectively used. Thus, the overall cooling efficiency can be increased.

【0033】[0033]

【発明の実施の形態】BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION

【0034】[0034]

【実施例】図1にこの発明の希釈冷凍機の原理的な構成
を示す。
FIG. 1 shows the basic structure of a dilution refrigerator according to the present invention.

【0035】図1において、51は3Heガスを循環さ
せるための真空ポンプであり、この真空ポンプ51によ
り送り出された3Heガス(通常は室温)は、液体窒素
トラップ53および供給配管55を介して希釈冷凍機本
体57の受入口59に送り込まれる。ここで液体窒素ト
ラップ53は、真空ポンプ51から送り出される3He
ガス中から油分等を除去するためのものである。そして
希釈冷凍機本体57内には、前記受入口59を経て後述
する混合室61まで3Heガスを導くための往路側流路
63と、混合室61から還流口64まで3Heガスを導
くため(但し下部の区間では液体4Heが流通してい
る)の復路側流路65とが設けられている。さらにこれ
らの往路側流路63、復路側流路65には、後に改めて
説明するように、主熱交換器67、JT膨張前予冷用熱
交換器69、JT膨張器71、分留器73および分留器
熱交換器75、往復熱交換器77(往路側通路77Aお
よび復路側通路77B)が介在されている。
In FIG. 1, reference numeral 51 denotes a vacuum pump for circulating 3He gas. The 3He gas (usually room temperature) sent out by the vacuum pump 51 is diluted through a liquid nitrogen trap 53 and a supply pipe 55. It is sent to the receiving port 59 of the refrigerator main body 57. Here, the liquid nitrogen trap 53 is supplied with 3He pumped from the vacuum pump 51.
This is for removing oil and the like from the gas. In the dilution refrigerator main body 57, a forward flow path 63 for guiding the 3He gas through the receiving port 59 to a mixing chamber 61, which will be described later, and a 3He gas from the mixing chamber 61 to the reflux port 64 (provided that the 3He gas is introduced). In the lower section, a return path 65 for the liquid 4He is provided). Further, in the forward passage 63 and the backward passage 65, as will be described later, a main heat exchanger 67, a pre-JT expansion pre-cooling heat exchanger 69, a JT expander 71, a fractionator 73, The fractionator heat exchanger 75 and the reciprocating heat exchanger 77 (the forward passage 77A and the backward passage 77B) are interposed.

【0036】前記希釈冷凍機本体57は、例えば4.2
K程度の低温を発生するGM冷凍機などの小型機械式冷
凍機(以下特に説明のない限りは、これをGM冷凍機と
記す)79を備えており、そのGM冷凍機79の冷却ヘ
ッド79Aが上方から希釈冷凍器本体57の内部へ挿入
されており、その冷却ヘッド79Aからは銅等の良伝熱
材料からなる伝熱ブロック81が水平に延出されるとと
もにその先端側が往路側流路63に設けられた主熱交換
器67の伝熱部67Aに熱的に接続されて、往路側流路
63内を流れる3Heを4.2K程度に冷却するように
なっている。なお図示の例では、この主熱交換器67の
伝熱部67Aは復路側流路65にも熱的に接触する構成
としている。
The dilution refrigerator main body 57 has, for example, 4.2
A small mechanical refrigerator (hereinafter referred to as a GM refrigerator) 79 such as a GM refrigerator that generates a low temperature of about K is provided, and a cooling head 79A of the GM refrigerator 79 is provided. A heat transfer block 81 made of a good heat transfer material such as copper is horizontally extended from a cooling head 79A of the dilution refrigerator main body 57 from above, and a tip end of the heat transfer block 81 is connected to the outward passage 63. It is thermally connected to the heat transfer section 67A of the provided main heat exchanger 67, and cools 3He flowing in the outward passage 63 to about 4.2K. In the illustrated example, the heat transfer portion 67A of the main heat exchanger 67 is configured to be in thermal contact with the return passage 65.

【0037】さらに往路側流路63における主熱交換器
67の出口側はJT膨張前予冷用熱交換器69に導かれ
ている。この予冷用熱交換器69は、JT膨張器71に
よって3Heガスを断熱膨張させる前の段階で、例えば
2.6K程度に3Heガスを予冷するためのものであ
り、復路側流路65内を流れる戻りの3Heガスの冷熱
を受けるべく、復路側流路65に熱的に接続されてい
る。
Further, the outlet side of the main heat exchanger 67 in the outward passage 63 is led to a pre-JT expansion pre-cooling heat exchanger 69. The pre-cooling heat exchanger 69 is for pre-cooling the 3He gas to, for example, about 2.6K before the adiabatic expansion of the 3He gas by the JT expander 71, and flows in the return passage 65. In order to receive the cool heat of the returning 3He gas, it is thermally connected to the return path 65.

【0038】往路側流路63における主熱交換器69の
出口側はJT膨張器71に導かれている。このJT膨張
器71は、ジュール・トムソン膨張によって3Heガス
をその凝縮温度以下の温度、例えば1.5K程度まで冷
却して、3Heガスを凝縮液化させるためのものであ
り、図示の例では復路側流路65を流れる復路側の3H
eガスの冷熱をも利用するべく、復路側流路65に熱的
に接続されている。
The outlet side of the main heat exchanger 69 in the outward passage 63 is led to the JT expander 71. The JT expander 71 cools the 3He gas to a temperature lower than its condensing temperature, for example, about 1.5K by Joule-Thomson expansion to condense and liquefy the 3He gas. 3H on the return path flowing through the flow path 65
In order to utilize the cold heat of the e-gas, it is thermally connected to the return path 65.

【0039】また往路側流路63におけるJT膨張器7
1の出口側は分留器73に配置された分留器熱交換器7
5に導かれている。この分留器熱交換器75は、後に改
めて説明するような分留器73内の4He−3He混合
液体によって往路側の3Heガスを例えば1.1K程度
に冷却するためのものであり、分留器73内の4He−
3He混合液体に熱的に接触するように設けられてい
る。
The JT expander 7 in the outward passage 63
The outlet side of 1 is a fractionator heat exchanger 7 disposed in the fractionator 73.
It is led to 5. The fractionator heat exchanger 75 is for cooling the forward 3He gas to, for example, about 1.1K by the 4He-3He mixed liquid in the fractionator 73 as will be described later. 4He- in the vessel 73
It is provided so as to be in thermal contact with the 3He mixed liquid.

【0040】そして往路側流路63における分留器熱交
換器75の出口側は、往復熱交換器77における往路側
通路77Aに導かれる。この往復熱交換器77は、往路
側通路77Aと復路側通路77Bとを備えており、これ
らの往路側通路77Aと復路側通路77Bとは構造的に
は隔絶されているものの、熱的には互いに熱交換可能と
なるように配設されていて、往路側通路77Aを通る液
体3Heが、復路側通路77B内の4He+3He混合
液体によって0.8K以下の低温、例えば100mK程
度に冷却されるように構成されている。
The outlet side of the fractionator heat exchanger 75 in the outward passage 63 is led to the outward passage 77 A of the reciprocating heat exchanger 77. The reciprocating heat exchanger 77 includes a forward path 77A and a return path 77B. Although the forward path 77A and the return path 77B are structurally separated from each other, they are thermally separated. The liquid 3He passing through the outward passage 77A is arranged so as to be capable of exchanging heat with each other, and is cooled to a low temperature of 0.8K or less, for example, about 100 mK by the 4He + 3He mixed liquid in the return passage 77B. It is configured.

【0041】さらに往路側流路63に置ける往復熱交換
器77の往路側通路77Aの出口は混合室61の上部に
導かれている。この混合室61は、その底部に排出口6
1Aを形成したものであって、その内部には予め液体4
Heが収容されており、往路側流路63から導かれた液
体3Heが液体4Heに混合されることになる。そして
既に述べた図4や図5の従来技術と同様に、3Heを約
6.4%含む希薄相(下層)62Aと3He100%濃
厚相(上層)62Bとして2相分離し、濃厚相62B中
の3Heが希薄相62Aへ溶け込む際に10mKオーダ
ーの超低温、例えば60mK程度の超低温が得られる。
したがってこの混合室61に図示しない試料保持部を設
けておくことにより、試料を例えば60mK程度まで冷
却することができる。
Further, the outlet of the forward passage 77A of the reciprocating heat exchanger 77 in the forward passage 63 is led to the upper part of the mixing chamber 61. The mixing chamber 61 has an outlet 6 at its bottom.
1A, in which a liquid 4
He is stored, and the liquid 3He guided from the outward passage 63 is mixed with the liquid 4He. 4 and 5, two phases are separated as a dilute phase (lower layer) 62A containing about 6.4% of 3He and a 100% rich phase (upper layer) 62B containing 3He, and the two-phase separation in the rich phase 62B is performed. When 3He dissolves in the dilute phase 62A, a very low temperature of the order of 10 mK, for example, a very low temperature of about 60 mK is obtained.
Therefore, by providing a sample holder (not shown) in the mixing chamber 61, the sample can be cooled to, for example, about 60 mK.

【0042】混合室61の底部の排出口61Aからは前
述の復路側流路65が還流口64へ向けて上方へ導き出
されている。そしてこの復路側流路65における最も混
合室61に近い位置には、前述の往復熱交換器77の復
路側通路77Bが設けられており、その復路側通路77
Bの出口側は前述の分留器73の底部に導かれ、さらに
その分留器73の上部は前述の還流口64に導かれて、
前記真空ポンプ51により吸引されるようになってい
る。ここで、分留器73内には4He−3He混合液体
が保持されるが、3Heと4Heとの飽和蒸気圧の差に
より3Heガスが選択的に排出されることになる。そし
てこの3Heガスが還流口64を経て真空ポンプ51に
より再び希釈冷凍機本体57の受入口59に送り込まれ
ることになる。
From the outlet 61 A at the bottom of the mixing chamber 61, the above-mentioned return-side flow path 65 is led upward toward the reflux port 64. A return path 77B of the reciprocating heat exchanger 77 is provided at a position closest to the mixing chamber 61 in the return path 65.
The outlet side of B is guided to the bottom of the fractionator 73, and the upper part of the fractionator 73 is guided to the reflux port 64,
The suction is performed by the vacuum pump 51. Here, the 4He-3He mixed liquid is held in the fractionator 73, but the 3He gas is selectively discharged due to the difference in saturated vapor pressure between 3He and 4He. Then, this 3He gas is again sent to the receiving port 59 of the dilution refrigerator main body 57 by the vacuum pump 51 through the recirculation port 64.

【0043】以上のように、図1に示すこの発明の実施
例の希釈冷凍機においては、真空ポンプ51によって希
釈冷凍機本体57内に送り込まれた3Heガスは、GM
冷凍機79によって4.2K程度に冷却され、さらに予
冷用熱交換器69において2.6K程度に冷却され、続
いてJT膨張器71において凝縮温度以下の1.5K程
度に冷却されて液化し、その液体3Heは分留器熱交換
器75において1.1K程度に冷却され、さらに往復熱
交換器77の往路側通路77Aにおいて100mK程度
に冷却され、最終的に混合室61内においてmKオーダ
ーの超低温、例えば60mKの超低温を得ることができ
る。
As described above, in the dilution refrigerator according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 1, the 3He gas sent into the dilution refrigerator main body 57 by the vacuum pump 51 is GM.
Cooled to about 4.2K by the refrigerator 79, further cooled to about 2.6K in the pre-cooling heat exchanger 69, and subsequently cooled to about 1.5K below the condensing temperature in the JT expander 71 to liquefy, The liquid 3He is cooled to about 1.1K in the fractionator heat exchanger 75, further cooled to about 100mK in the outward passage 77A of the reciprocating heat exchanger 77, and finally in the mixing chamber 61 at a very low temperature of the order of mK. For example, a very low temperature of 60 mK can be obtained.

【0044】次に図1に示される原理的な構成を具体化
した実施例を図2に示す。
Next, FIG. 2 shows an embodiment embodying the principle configuration shown in FIG.

【0045】図2において、希釈冷凍機本体57を構成
する容器83は、外壁83Aと内壁83Bとの2重壁構
造とされており、また容器83の内室、すなわち内壁8
3B内の空間は、上側の冷却ヘッド室87Aと下側の希
釈冷凍室87Bとの2室に区分されている。下側の希釈
冷凍室87Bは、上側の冷却ヘッド室87Aよりも小径
に作られていて、冷却ヘッド室87Aの底部の一部から
下方へ垂下するように形成されている。ここで、外壁8
3Aと内壁83Bとの間の空間85および容器83の内
室(すなわち冷却ヘッド室87Aおよび希釈冷凍室87
B)は相互に連通され、かつ真空断熱されるようになっ
ている。
In FIG. 2, a container 83 constituting the dilution refrigerator main body 57 has a double wall structure of an outer wall 83A and an inner wall 83B.
The space inside 3B is divided into two chambers, an upper cooling head chamber 87A and a lower dilution freezing chamber 87B. The lower dilution freezing chamber 87B has a smaller diameter than the upper cooling head chamber 87A, and is formed so as to hang downward from a part of the bottom of the cooling head chamber 87A. Here, the outer wall 8
The space 85 between the inner wall 3B and the inner wall 83B and the inner chamber of the container 83 (ie, the cooling head chamber 87A and the dilution freezing chamber 87)
B) are interconnected and are vacuum insulated.

【0046】さらに冷却ヘッド室87A内には、容器8
3の上端の蓋部83CからGM冷凍機79の第2段目の
冷却ヘッド79Aが垂直に挿入されている。ここで、G
M冷凍機79としては、20K程度の低温を生じる第1
段目(第1ステージ)の冷却ヘッド79Bと、4.2K
程度の低温を発生する第2段目(第2ステージ)の冷却
ヘッド79Aとを有する2段(2ステージ)タイプのも
のが用いられおり、第1段目の冷却ヘッド79Bは容器
83の内壁83Bに熱的に接触され、第2段目の冷却ヘ
ッド79Aが冷却ヘッド室87A内に挿入されている。
この第2段目の冷却ヘッド79Aの下端には、水平な厚
板状の銅等の良伝熱材料からなる伝熱ブロック81が固
定され、この伝熱ブロック81は前述の希釈冷凍室87
Bの上端開口部上方の位置へ向けて水平に延出されてい
る。
Further, a container 8 is provided in the cooling head chamber 87A.
The second-stage cooling head 79A of the GM refrigerator 79 is vertically inserted from the lid 83C at the upper end of the third GM refrigerator 79. Where G
As the M refrigerator 79, the first which generates a low temperature of about 20K
Stage (first stage) cooling head 79B, 4.2K
A two-stage (two-stage) type having a second-stage (second-stage) cooling head 79A that generates a low temperature is used. The first-stage cooling head 79B is an inner wall 83B of the container 83. , And the second stage cooling head 79A is inserted into the cooling head chamber 87A.
At the lower end of the second stage cooling head 79A, a horizontal thick plate-like heat transfer block 81 made of a good heat transfer material such as copper is fixed.
B extends horizontally to a position above the upper end opening.

【0047】また容器83内には、全体として有底中空
円筒状をなす内管89が蓋部83C上から垂直に挿入さ
れている。この内管89は、冷却ヘッド室87Aを上下
に貫通して、その下部が希釈冷凍室87B内に挿入さ
れ、かつ下端部は希釈冷凍室87Bの底部近くに位置し
ている。内管89における冷却ヘッド室87A内の伝熱
ブロック81に対応する部分は、局部的に銅等の良伝熱
材料からなる第1の伝熱部89Aとされ、また内管89
における容器83の内壁83Bに対応する部分も局部的
に銅等の良伝熱材料からなる第2の伝熱部89Bとされ
ている。そして第1の伝熱部89Aと前記伝熱ブロック
81とは相互に機械的に結合されて熱的にも接続され、
また第2の伝熱部89Bと内壁83Bも相互に機械的に
結合されて熱的にも接続されている。なおこれらの伝熱
部89A,89Bはその外周面側において伝熱ブロック
81もしくは内壁83Bに接続されるばかりでなく、内
周面側が内管89の内側空間89Cへ露出するように構
成されている。また内管89は、その内側空間89Cが
冷却ヘッド室87Aおよび希釈冷凍室87Bに対して気
密に隔絶されるように取付けられている。
In the container 83, an inner tube 89 having a hollow cylindrical shape with a bottom as a whole is vertically inserted from above the lid 83C. The inner pipe 89 penetrates vertically through the cooling head chamber 87A, its lower part is inserted into the dilution freezing chamber 87B, and its lower end is located near the bottom of the dilution freezing chamber 87B. A portion of the inner tube 89 corresponding to the heat transfer block 81 in the cooling head chamber 87A is locally a first heat transfer portion 89A made of a good heat transfer material such as copper.
The portion corresponding to the inner wall 83B of the container 83 is also locally a second heat transfer portion 89B made of a good heat transfer material such as copper. The first heat transfer section 89A and the heat transfer block 81 are mechanically coupled to each other and thermally connected,
The second heat transfer portion 89B and the inner wall 83B are also mechanically connected to each other and are also thermally connected. These heat transfer portions 89A and 89B are configured such that not only are their outer peripheral surfaces connected to the heat transfer block 81 or the inner wall 83B, but also their inner peripheral surfaces are exposed to the inner space 89C of the inner tube 89. . The inner pipe 89 is attached so that its inner space 89C is airtightly isolated from the cooling head chamber 87A and the dilution freezing chamber 87B.

【0048】さらに前記内管89内には、上方から希釈
冷凍ユニット91が挿抜可能に挿入されている。この希
釈冷凍ユニット91は、全体として垂直な棒状をなすも
のであり、その詳細を図3に示す。
Further, a dilution refrigeration unit 91 is inserted into the inner tube 89 from above so as to be able to be inserted and withdrawn. The dilution refrigeration unit 91 has a vertical rod shape as a whole, and details thereof are shown in FIG.

【0049】図3において、希釈冷凍ユニット91は、
上方から下方へ向けて蓋部91A、上段中空管部91
B、第2伝熱ブロック91C、中間中空管部91D、第
1伝熱ブロック91E、下段中空管部91F、および内
部に空室91Hを形成したプランジャ91Gをその順に
相互に連結固定した構成とされており、さらに全体の中
心軸線付近には、蓋部91Aの上方からプランジャ部9
1Gまで貫通する排気管91Iが設けられている。この
希釈冷凍ユニット91における上段中空管部91Bはそ
の上部が容器83の蓋部83Cよりも上方へ突出し、そ
の部分にフランジ部93が形成されて、前記内管89の
上端フランジ部89Dに対し封止される。なおこの封止
は、後述するように特殊な低温封止である必要はなく、
常温付近で充分である。
In FIG. 3, the dilution refrigeration unit 91 comprises:
The lid portion 91A and the upper-stage hollow tube portion 91 are directed downward from above.
B, a configuration in which a second heat transfer block 91C, an intermediate hollow tube portion 91D, a first heat transfer block 91E, a lower hollow tube portion 91F, and a plunger 91G having an empty space 91H formed therein are connected and fixed to each other in this order. In addition, the plunger portion 9 is positioned near the central axis from above the lid portion 91A.
An exhaust pipe 91I penetrating up to 1G is provided. The upper hollow tube portion 91B of the dilution refrigeration unit 91 has an upper portion protruding above the lid portion 83C of the container 83, and a flange portion 93 is formed at that portion. Sealed. This sealing does not need to be a special low-temperature sealing as described later,
Around normal temperature is sufficient.

【0050】希釈冷凍ユニット91における上端の蓋部
91Aには、前述の受入口59(図1参照)が形成さ
れ、この受入口59から往路側流路63(図1参照)に
相当する往路側流路配管95がユニット91の内部に挿
入されている。また上段中空管部91Bの側面には前述
の還流口64が形成されている。そしてこれらの受入口
59、還流口64は図1で示したと同様に、3Heガス
循環用の真空ポンプ51、液体窒素トラップ53に接続
されるようになっている。
The above-described receiving port 59 (see FIG. 1) is formed in the lid 91A at the upper end of the dilution refrigeration unit 91. From this receiving port 59, the outward path side corresponding to the outward path channel 63 (see FIG. 1). The flow pipe 95 is inserted into the unit 91. The above-described reflux port 64 is formed on a side surface of the upper hollow tube portion 91B. The receiving port 59 and the recirculation port 64 are connected to a vacuum pump 51 for circulating 3He gas and a liquid nitrogen trap 53 as shown in FIG.

【0051】往路側流路配管95は、上方から上段中空
管部91Bの内側を通って第2の伝熱ブロック91Cに
設けられた例えば銅粉焼結多孔質体などからなる副熱交
換器101の上端に至る。第2の伝熱ブロック91C
は、銅等の良伝熱材料からなるものであり、前記副熱交
換器101に熱的に接触するように作られるとともに、
後述するように復路側流路65(図1参照)の一部に相
当する連通孔97を上下に貫通するように形成したもの
であって、内管89内にユニット91を挿入した状態
で、その第2伝熱ブロック91Cの外周面が内管89側
の第2の伝熱部89Bの内周面に熱的に接触されるよう
に構成されている。具体的には、例えば第2の伝熱部8
9Bの内周面と第2の伝熱ブロック91Cの外周面との
うち、いずれか一方の面に例えば帯状のベリリウム銅等
の良伝熱弾性材料からなる伝熱バネ部材99を取付けて
おき、その伝熱バネ部材99が他方の面に接するように
構成すれば良い。
The outgoing-side flow path pipe 95 passes through the inside of the upper hollow tube portion 91B from above and is provided in the second heat transfer block 91C. It reaches the upper end of 101. Second heat transfer block 91C
Is made of a good heat transfer material such as copper, and is made to be in thermal contact with the sub heat exchanger 101;
As will be described later, it is formed so as to vertically penetrate a communication hole 97 corresponding to a part of the return path 65 (see FIG. 1), and the unit 91 is inserted into the inner pipe 89. The outer peripheral surface of the second heat transfer block 91C is configured to be in thermal contact with the inner peripheral surface of the second heat transfer portion 89B on the inner tube 89 side. Specifically, for example, the second heat transfer section 8
A heat transfer spring member 99 made of a good heat transfer elastic material such as, for example, belt-shaped beryllium copper is attached to one of the inner peripheral surface of 9B and the outer peripheral surface of the second heat transfer block 91C. What is necessary is just to comprise so that the heat-transfer spring member 99 may contact the other surface.

【0052】さらに往路側流路配管95における副熱交
換器101の出口側(下端)は、中間中空管部91Dの
内側を通ってその下方の第1の伝熱ブロック91Eに設
けられた例えば銅粉焼結多孔質体などからなる主熱交換
器67の上端に至る。第1の伝熱ブロック91Eは、銅
等の良伝熱材料からなるものであり、前記主熱交換器6
7に熱的に接触するように作られるとともに、後述する
ように復路側流路65(図1参照)の一部に相当する連
通孔103を上下に貫通するように形成したものであっ
て、内管89内にユニット91を挿入した状態で、その
第1伝熱ブロック91Eの外周面が内管89側の第1の
伝熱部89Aの内周面に熱的に接触されるように構成さ
れている。具体的には、例えば第1の伝熱部89Aの内
周面と第1の伝熱ブロック91Eの外周面とのうち、い
ずれか一方の面に例えば帯状のベリリウム銅等の良伝熱
弾性材料からなる伝熱バネ部材105を取付けておき、
その伝熱バネ部材105が他方の面に接するように構成
すれば良い。
Further, the outlet side (lower end) of the sub heat exchanger 101 in the outward passage pipe 95 is provided in the first heat transfer block 91E below the intermediate hollow pipe portion 91D, for example. It reaches the upper end of the main heat exchanger 67 made of a copper powder sintered porous body or the like. The first heat transfer block 91E is made of a good heat transfer material such as copper.
7, and is formed so as to penetrate vertically through a communication hole 103 corresponding to a part of the return path 65 (see FIG. 1), as described later. With the unit 91 inserted into the inner tube 89, the outer peripheral surface of the first heat transfer block 91E is in thermal contact with the inner peripheral surface of the first heat transfer portion 89A on the inner tube 89 side. Have been. Specifically, for example, one of the inner peripheral surface of the first heat transfer portion 89A and the outer peripheral surface of the first heat transfer block 91E has a good heat transfer elastic material such as a belt-like beryllium copper. A heat transfer spring member 105 made of
What is necessary is just to comprise so that the heat transfer spring member 105 may contact the other surface.

【0053】続いて往路側流路配管95における主熱交
換器67の出口側(下端側)は、前記下段中空管部91
Fの内側に導かれ、その下段中空管部91Fの内側空間
に配設された予冷用熱交換器69およびJT膨張器71
(図1参照)にその順に導かれている。
Subsequently, the outlet side (lower end side) of the main heat exchanger 67 in the outward flow path pipe 95 is connected to the lower hollow pipe section 91.
F, and a pre-cooling heat exchanger 69 and a JT expander 71 disposed in the space inside the lower hollow tube portion 91F.
(See FIG. 1) in that order.

【0054】さらに下段中空管部91F内におけるJT
膨張器71よりも下方の位置には、これを上下に区分す
る隔壁107が設けられており、この隔壁107から傘
状もしくは逆カップ状の3Heガス収集部材109が垂
下されている。そしてこの3Heガス収集部材109の
内側空間の上端は、前記復路側流路65の一部を構成す
る連通管111を介して下段中空管部91Fにおける隔
壁107よりも上方の空間に連通されている。
Further, JT in the lower hollow tube portion 91F
A partition 107 is provided below the expander 71 to divide the partition into upper and lower parts, and an umbrella-shaped or inverted cup-shaped 3He gas collecting member 109 hangs down from the partition 107. The upper end of the inner space of the 3He gas collecting member 109 is communicated with the space above the partition wall 107 in the lower hollow tube portion 91F via the communication tube 111 constituting a part of the return path 65. I have.

【0055】さらに下段中空管部91Fの下端はプラン
ジャ部91Gの上端に結合されている。但し、下段中空
管部91Fの下端部分には、プランジャ部91Gの外周
側の空間と下段中空管部91Fの内側下部空間とを連通
させるための切欠連通部113が形成されている。ここ
で、下段中空管部91F内の隔壁107よりも下方でか
つプランジャ部91Gの上端より上側の部分は、前述の
分留器73(図1参照)を構成しており、この分留器7
3内に4He+3He混合液体の液面115が位置し、
前述の3Heガス収集部材109はその下部が液面11
5よりも下方に浸漬されるように位置決めされている。
そしてまた往路側流路配管95におけるJT膨張器71
の出口側(下端側)は、隔壁107を通って分留器73
内に至り、その分留器73の液面115よりも下方の位
置に設けられた例えばコイル管状の分留器熱交換器75
に導かれている。
The lower end of the lower hollow tube portion 91F is connected to the upper end of the plunger portion 91G. However, a cutout communicating portion 113 for communicating a space on the outer peripheral side of the plunger portion 91G with a lower inner space of the lower hollow tube portion 91F is formed at a lower end portion of the lower hollow tube portion 91F. Here, a portion below the partition wall 107 in the lower hollow tube portion 91F and above the upper end of the plunger portion 91G constitutes the above-described fractionator 73 (see FIG. 1). 7
The liquid level 115 of the 4He + 3He mixed liquid is located in 3;
The 3He gas collecting member 109 described above has a liquid level 11 below.
It is positioned so that it is immersed below 5.
Further, the JT expander 71 in the outward passage channel piping 95 is also provided.
Exit side (lower end side) passes through partition 107 and fractionator 73
And a heat exchanger 75, for example, a coiled tubular fractionator provided at a position below the liquid level 115 of the fractionator 73.
Is led to.

【0056】さらに往路側流路配管95における分留器
熱交換器75の出口側(下端側)は、例えばプランジャ
部91Gの外周上にコイル上に巻回された往復熱交換器
往路側通路77A(図1参照)に導かれている。プラン
ジャ部91Gは、内側に真空断熱用の空室91Hを形成
し、さらにその空室91Hの下方に、隔壁119を隔て
て下面側へ開放された混合室61(図1参照)を形成し
たものである。そしてプランジャ部91Gの空室91H
は、その上端に接続された前述の排気管91Iを介して
外部の真空ポンプ121により真空排気されるようにな
っている。
Further, the outlet side (lower end side) of the fractionator heat exchanger 75 in the outward passage pipe 95 is, for example, a reciprocating heat exchanger outward passage 77A wound on a coil around the outer periphery of the plunger portion 91G. (See FIG. 1). The plunger part 91G has a vacuum chamber 91H for vacuum heat insulation formed inside, and a mixing chamber 61 (see FIG. 1) opened to the lower side with a partition wall 119 formed below the hollow chamber 91H. It is. And vacant room 91H of plunger part 91G
Is evacuated by an external vacuum pump 121 via the above-described exhaust pipe 91I connected to the upper end thereof.

【0057】ここで、プランジャ部91Gの外周側の空
間(内管89の内周面との間の空隙)は往路側流路65
(図1参照)に介在する往復熱交換器77の復路側通路
77Bを構成している。したがって往路側通路77A
は、復路側通路77Bに熱的に接触することになる。
Here, the space on the outer peripheral side of the plunger portion 91G (the gap between the inner peripheral surface of the inner pipe 89) and the forward passage 65
The return passage 77B of the reciprocating heat exchanger 77 interposed between the return heat exchanger 77 (see FIG. 1) is formed. Therefore, the outward passage 77A
Is in thermal contact with the return path 77B.

【0058】往路側流路配管95における往復熱交換器
往路側通路77Aの下端(出口側)は、プランジャ部9
1Gの隔壁119を貫通して混合室61の上部に開口し
ている。そしてこの混合室61内に冷却対象となる試料
を保持するための試料保持部123が設けられている。
The lower end (outlet side) of the reciprocating heat exchanger outward passage 77A in the outward passage flow pipe 95 is connected to the plunger 9.
It is open to the upper part of the mixing chamber 61 through the 1G partition wall 119. A sample holder 123 for holding a sample to be cooled is provided in the mixing chamber 61.

【0059】ここで、図2、図3の例では、復路側流路
65(図1参照)は、プランジャ部91Gの下端(混合
室61の下端)からプランジャ部91Gの外周面と内管
89の内周面との間の空間(往復熱交換器77の復路側
通路77B)を通って切欠連通部113を介し下段中空
管部91F内における隔壁107よりも下側の空間(分
留器73)に導かれ、さらに連通管111を介して下段
中空管部91F内における隔壁107よりも上側の空間
(JT膨張器71および予冷用熱交換器69が位置する
空間)を通り、第1の伝熱ブロック91Eの連通孔10
3を介して中段中空管部91Dの内側空間に至り、さら
に第2の伝熱ブロック91Cの連通孔97を介して上段
中空管部91Bの内側空間から還流口64に至ることに
なる。
Here, in the examples of FIGS. 2 and 3, the return path 65 (see FIG. 1) extends from the lower end of the plunger portion 91G (the lower end of the mixing chamber 61) to the outer peripheral surface of the plunger portion 91G and the inner pipe 89. Through the space between the inner peripheral surface (return path 77B of the reciprocating heat exchanger 77) and the notch communicating portion 113, the space below the partition 107 in the lower hollow tube portion 91F (fractionator). 73), further passes through the space above the partition 107 in the lower hollow tube portion 91F (the space where the JT expander 71 and the pre-cooling heat exchanger 69 are located) through the communication tube 111, and the first. Communication hole 10 of heat transfer block 91E
3, the space reaches the inner space of the middle hollow tube portion 91D, and further from the inner space of the upper hollow tube portion 91B to the reflux port 64 through the communication hole 97 of the second heat transfer block 91C.

【0060】以上のような図2、図3に示される実施例
においては、希釈冷凍ユニット91を内管89内に挿入
した状態では、第1の伝熱ブロック91E、第2の伝熱
ブロック91Cがそれぞれ内管89側の第1の伝熱部8
9A、第2の伝熱部89Bに熱的に接続される。したが
って受入口59から導入された室温程度の3Heガス
は、先ずGM冷凍機79の第1段冷却ヘッド79Bの2
0K程度の冷熱によって、第2の伝熱部89Bおよび第
2の伝熱ブロック91Cを介し副熱交換器101におい
て20K近くに予備的に冷却され、続いてGM冷凍機7
9の第2段冷却ヘッド79Aの4.2K程度の冷熱によ
って、第1の伝熱部89Aおよび第1の伝熱ブロック9
1Eを介し主熱交換器67により4.2K近くまで冷却
されることになる。その後3Heガスは、予冷用熱交換
器69、JT膨張器71を通って既に述べたように凝縮
温度以下の例えば1.5K程度に冷却されて液化し、分
留器熱交換器75を通って1.1K程度に冷却され、さ
らにプランジャ部91Gの上部に設けた往復熱交換器7
7の往路側通路77Aにおいて100mK程度に冷却さ
れて、混合室61に至り、既に野べたような混合室61
内における100%3He濃厚相と4He+6.4%3
He希薄相との間の作用によって、10mKのオーダー
の超低温、例えば60mK程度の超低温を得ることがで
きる。
In the embodiment shown in FIGS. 2 and 3, when the dilution refrigeration unit 91 is inserted into the inner pipe 89, the first heat transfer block 91E and the second heat transfer block 91C are used. Are the first heat transfer sections 8 on the inner pipe 89 side, respectively.
9A, and is thermally connected to the second heat transfer section 89B. Therefore, the 3He gas at room temperature or so introduced from the receiving port 59 is supplied to the first cooling head 79B of the GM refrigerator 79B first.
By the cold heat of about 0K, it is preliminarily cooled to about 20K in the sub heat exchanger 101 via the second heat transfer section 89B and the second heat transfer block 91C.
9, the first heat transfer section 89A and the first heat transfer block 9 are cooled by about 4.2K of the second stage cooling head 79A.
It will be cooled down to about 4.2K by the main heat exchanger 67 via 1E. Thereafter, the 3He gas passes through the pre-cooling heat exchanger 69 and the JT expander 71, is cooled to a temperature of, for example, about 1.5 K or less, which is lower than the condensation temperature, as described above, and passes through the fractionator heat exchanger 75. The reciprocating heat exchanger 7 is cooled to about 1.1K and further provided above the plunger portion 91G.
7 is cooled to about 100 mK in the outward passage 77A, and reaches the mixing chamber 61, where the mixing chamber 61 is already in a rough state.
In 100% 3He rich phase and 4He + 6.4% 3
An ultra-low temperature of the order of 10 mK, for example, an ultra-low temperature of about 60 mK can be obtained by the action with the He dilute phase.

【0061】ここで試料交換は、希釈冷凍ユニット91
の全体を内管89から引抜くことによって行なうことが
できる。そして試料交換後には希釈冷凍ユニット91を
内管89内へ挿入して、内管89の上端のフランジ部8
9Dと希釈冷凍ユニット91のフランジ部93との間を
封止すれば良いが、この封止部分は常時常温近くの環境
下にあるから、特殊な低温封止を行なう必要はなく、常
温封止で充分となる。
Here, the sample exchange is performed in the dilution refrigeration unit 91.
Can be pulled out from the inner tube 89. Then, after exchanging the sample, the dilution refrigeration unit 91 is inserted into the inner tube 89, and the flange 8 at the upper end of the inner tube 89 is inserted.
It is sufficient to seal the space between 9D and the flange portion 93 of the dilution refrigeration unit 91. However, since this sealed portion is always in an environment near room temperature, there is no need to perform special low-temperature sealing, and room-temperature sealing is not required. Is sufficient.

【0062】また内管89の内側の部分では、真空断熱
は希釈冷凍ユニット91のプランジャ部91Gの空室9
1Hのみにおいて行なっているが、この部分の真空断熱
については試料交換時すなわち希釈冷凍ユニット91の
挿抜時において真空を破る必要がなく、したがって材料
交換時に断熱のための真空排気のために長時間を要する
こともない。
In a portion inside the inner pipe 89, vacuum insulation is performed by the vacant chamber 9
1H only, the vacuum insulation of this portion does not need to be broken at the time of sample exchange, that is, at the time of insertion / removal of the dilution / refrigeration unit 91. Therefore, a long time is required for evacuation for heat insulation at the time of material exchange. No need.

【0063】なお前述の説明では小型機械式冷凍機とし
てGM冷凍機を用いることとしたが、このほか液体ヘリ
ウムを消費しない小型機械式冷凍機であれば、例えばパ
ルス管冷凍機なども使用することが可能である。
In the above description, the GM refrigerator is used as the small mechanical refrigerator. However, if a small mechanical refrigerator that does not consume liquid helium, for example, a pulse tube refrigerator or the like may be used. Is possible.

【0064】[0064]

【発明の効果】前述の説明からも明らかなように、請求
項1の発明の希釈冷凍機によれば、GM冷凍機などの小
型機械式冷凍機を用いて数K程度まで3Heガスを冷却
し、さらに断熱膨張により凝縮温度まで冷却して液化さ
せているため、従来の希釈冷凍機の如く初期冷却のため
に減圧した液体ヘリウムを使用する必要がなく、したが
って従来よりも格段に長時間の連続運転が可能となると
ともにランニングコストも格段に低減される。
As is apparent from the above description, according to the dilution refrigerator of the first aspect, the 3He gas is cooled to about several K using a small mechanical refrigerator such as a GM refrigerator. Since it is cooled to the condensing temperature by adiabatic expansion and liquefied, there is no need to use decompressed liquid helium for initial cooling as in a conventional dilution refrigerator, and therefore, it is much longer continuous than before. Driving becomes possible and running costs are significantly reduced.

【0065】また請求項2の発明の希釈冷凍機によれ
ば、試料交換時には内管内の希釈冷凍ユニットを抜き出
して試料交換を行ない、再び希釈冷凍ユニットを内管内
に挿入すれば良く、したがって試料交換が極めて簡単と
なり、また内管と希釈冷凍ユニットとの間の封止は、容
器の蓋部付近、すなわち常温付近の部分にて行なえば良
いから、特殊かつ高価な低温封止を必要とせず、コスト
的に安価となるとともに、封止作業も簡単化される。
According to the dilution refrigerator of the second aspect of the invention, at the time of exchanging the sample, the dilution / refrigeration unit in the inner tube is taken out, the sample is exchanged, and the dilution / refrigeration unit is inserted into the inner tube again. Is extremely simple, and the sealing between the inner tube and the dilution refrigeration unit can be performed in the vicinity of the lid of the container, that is, at a portion near room temperature, so that a special and expensive low-temperature sealing is not required, The cost is reduced and the sealing operation is simplified.

【0066】さらに請求項3の発明の希釈冷凍機によれ
ば、内管の内側の空間のうち、下部は4He+3He混
合液体で満たされ、上部は3Heガスで満たされること
になり、そのため希釈冷凍ユニットの一部の内部(例え
ば往復熱交換器の部分)を除いて、特に内管の内側で真
空断熱を行う必要がなく、そのため試料交換時に真空を
破って試料交換後に再度真空排気するために長時間を要
さず、そのため希釈冷凍機を用いての超低温試験等の能
率を向上させることができる。
According to the dilution refrigerator of the third aspect of the invention, the lower part of the space inside the inner tube is filled with the mixed liquid of 4He + 3He, and the upper part is filled with the gas of 3He. It is not necessary to perform vacuum insulation, especially inside the inner tube, except for a part of the inside (for example, the part of the reciprocating heat exchanger). Time is not required, so that the efficiency of an ultra-low temperature test or the like using a dilution refrigerator can be improved.

【0067】そしてまた請求項4の発明の希釈冷凍機に
よれば、主熱交換器で冷却された往路側の3Heガス
を、さらに復路側の戻りの低温3Heガスで冷却するこ
となるため、冷熱の有効利用を図って全体的な冷却効率
を高めることができる。
Further, according to the dilution refrigerator of the fourth aspect of the present invention, the forward 3He gas cooled by the main heat exchanger is further cooled by the returning low-temperature 3He gas on the backward path, so Can be used effectively to increase the overall cooling efficiency.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】この発明の希釈冷凍機の一実施例を原理的に示
すブロック図である。
FIG. 1 is a block diagram showing in principle one embodiment of a dilution refrigerator of the present invention.

【図2】この発明の希釈冷凍機の一実施例の具体的な構
成を示す切欠正面図である。
FIG. 2 is a cutaway front view showing a specific configuration of an embodiment of the dilution refrigerator of the present invention.

【図3】図2の希釈冷凍機に使用される希釈冷凍ユニッ
トの縦断面図である。
FIG. 3 is a longitudinal sectional view of a dilution refrigeration unit used in the dilution refrigerator of FIG. 2;

【図4】従来の希釈冷凍機の原理を示すためのブロック
図である。
FIG. 4 is a block diagram showing the principle of a conventional dilution refrigerator.

【図5】従来の簡易型希釈冷凍機の一例を示す模式図で
ある。
FIG. 5 is a schematic view showing an example of a conventional simple dilution refrigerator.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

51 真空ポンプ 57 希釈冷凍機本体 59 受入口 61 混合室 63 往路側流路 64 還流口 65 復路側流路 67 主熱交換器 69 JT膨張前予冷用熱交換器 71 JT膨張器 73 分留器 75 分留器熱交換器 77 往復熱交換器 77A 往路側通路 77B 復路側通路 79 GM冷凍機 79A 冷却ヘッド 81 伝熱ブロック 83 容器 89 内管 89A 伝熱部 91 希釈冷凍ユニット 91E 伝熱ブロック 123 試料保持部 51 Vacuum pump 57 Dilution refrigerator main body 59 Receiving port 61 Mixing chamber 63 Outgoing flow path 64 Reflux port 65 Return flow path 67 Main heat exchanger 69 Pre-cooling heat exchanger before JT expansion 71 JT expander 73 Fractionator 75 Fractionator heat exchanger 77 Reciprocating heat exchanger 77A Outbound path 77B Inbound path 79 GM refrigerator 79A Cooling head 81 Heat transfer block 83 Container 89 Inner tube 89A Heat transfer unit 91 Dilution refrigeration unit 91E Heat transfer block 123 Sample holding Department

─────────────────────────────────────────────────────
────────────────────────────────────────────────── ───

【手続補正書】[Procedure amendment]

【提出日】平成12年6月30日(2000.6.3
0)
[Submission date] June 30, 2000 (2006.3.3)
0)

【手続補正1】[Procedure amendment 1]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0012[Correction target item name] 0012

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【0012】そしてまた内側容器18内には、上方から
3He供給管28が挿入されている。この3He供給管
28は、内側容器18内を下方へ導かれて、前述の熱伝
導ブロック26に一体的に組込まれた銅粉焼結多孔質体
などからなる凝縮器(コンデンサ)30に接続され、さ
らにこの凝縮器30の下方出側は配管32を介してコイ
ル管状の分留室熱交換器34に接続されている。なお分
留室熱交換器34は、前記分留室40における液体ヘリ
ウム(液相23)中に浸漬されている。また分留室熱交
換器34の下方出側は、プランジャ24と内側容器18
の内壁面との間の隙間42に配設された熱交換器36に
接続され、さらにこの熱交換器36の下端は、前述の混
合室38に導かれて、この混合室38内に3Heを吐出
する吐出口44が設けられている。なお前述の3He排
出口21と3He供給管28との間には、内側容器18
の外部において第1の真空ポンプ46が介在されてい
る。
A 3He supply pipe 28 is inserted into the inner container 18 from above. The 3He supply pipe 28 is guided downward in the inner vessel 18 and is connected to a condenser (condenser) 30 made of a copper powder sintered porous body or the like that is integrated into the heat conduction block 26 described above. Further, the lower outlet side of the condenser 30 is connected to a coil-shaped fractionating-chamber heat exchanger 34 via a pipe 32. The fractionation chamber heat exchanger 34 is immersed in the liquid helium (liquid phase 23) in the fractionation chamber 40. The plunger 24 and the inner container 18
The lower end of the heat exchanger 36 is guided to the mixing chamber 38, and 3He is introduced into the mixing chamber 38. A discharge port 44 for discharging is provided. The inner container 18 is provided between the 3He outlet 21 and the 3He supply pipe 28 described above.
A first vacuum pump 46 is interposed outside the device.

【手続補正2】[Procedure amendment 2]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0013[Correction target item name] 0013

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【0013】以上のような簡易型希釈冷凍機において、
外側容器12の内面と内側容器18の外面との間の空間
15には前述のように液体ヘリウム(通常の4He)1
4が注入され、かつ第2の真空ポンプ45によって液体
ヘリウム減圧口16からその空間15内が排気減圧され
て、1K近くの低温に保持される。したがってこの空間
15の部分が図4における1Kポット2に相当し、熱伝
導ブロック26を1.3K程度に冷却するに寄与する。
一方内側容器18の分留室40内は、液面23Aが分留
室40内の中間に位置するように4He−10%3He
からなる液相23が満たされ、一方混合室38は、10
0%3Heの濃厚相と4He−6.4%3Heの希薄相
からなる液相25で満たされる。このような状態で3H
eが第1の真空ポンプ46によって3He供給管28を
経て凝縮器30に導かれ、熱伝導ブロック26によって
3Heが1.3K程度に冷却されて液化する。液化され
た3Heは、分留室熱交換器34および熱交換器36を
経てさらに冷却され、吐出口44から混合室38内に吐
出される。この混合室38においては、既に図4におけ
る混合室9について述べたように、吐出された3Heが
上側の100%3Heの濃厚相に溶け込み、濃厚相の3
Heの一部が下側の4He−6.4%3Heの希薄相に
溶け込む。このとき、熱吸収が生じて10mKのオーダ
ーの超低温が得られる。
In the simple dilution refrigerator described above,
The space 15 between the inner surface of the outer container 12 and the outer surface of the inner container 18 has liquid helium (normal 4He) 1 as described above.
4 is injected, and the space 15 is evacuated and depressurized from the liquid helium depressurization port 16 by the second vacuum pump 45, and is kept at a low temperature near 1K. Therefore, this space 15 corresponds to the 1K pot 2 in FIG. 4 and contributes to cooling the heat conduction block 26 to about 1.3K.
On the other hand, in the fractionation chamber 40 of the inner container 18, 4He-10% 3He is set so that the liquid level 23A is located in the middle of the fractionation chamber 40.
Liquid phase 23 consisting of
It is filled with a liquid phase 25 consisting of a dense phase of 0% 3He and a dilute phase of 4He-6.4% 3He. 3H in such a state
e is guided to the condenser 30 through the 3He supply pipe 28 by the first vacuum pump 46, and 3He is cooled to about 1.3K and liquefied by the heat conduction block 26. The liquefied 3He is further cooled through the fractionation chamber heat exchanger 34 and the heat exchanger 36, and is discharged from the discharge port 44 into the mixing chamber 38. In the mixing chamber 38, as already described for the mixing chamber 9 in FIG. 4, the discharged 3He dissolves in the upper 100% 3He rich phase, and
Part of He dissolves in the lower 4He-6.4% 3He dilute phase. At this time, heat absorption occurs and an ultra-low temperature of the order of 10 mK is obtained.

【手続補正3】[Procedure amendment 3]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0014[Correction target item name] 0014

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【0014】一方混合室38は分留室40と連通してい
るから、混合室38内の希薄相中の3Heは分留室40
に至るが、この分留室40は1K以下の低温となってい
るため、3Heと4Heの大幅な飽和蒸気圧の差によっ
て3Heのみが蒸発し、この気相の3Heは熱伝導ブロ
ック26の3He通路27を通って内側容器18の上方
の空間から3He排出口21を経て第1の真空ポンプ4
6によって排気される。これに伴なって、分留室40内
の液体ヘリウム中の3He濃度は1%程度に低くなるか
ら、分留室40の3He濃度(約1%)と混合室38の
希薄相中の3He濃度(6.4%)との濃度勾配によ
り、混合室38内の希薄相から3He原子が分留室40
へ導かれる。またこれによって混合室38内の希薄相中
の3He濃度が低くなるに伴ない、3He100%の濃
厚相から連続的に3Heが希薄相中へ溶け込むことにな
る。
On the other hand, since the mixing chamber 38 is in communication with the fractionating chamber 40, 3He in the dilute phase in the mixing chamber 38 is
However, since the fractionation chamber 40 has a low temperature of 1 K or less, only 3He is evaporated due to a large difference in saturated vapor pressure between 3He and 4He. The first vacuum pump 4 passes from the space above the inner container 18 through the passage 27 through the 3He outlet 21.
6 is exhausted. Accordingly, the 3He concentration in the liquid helium in the fractionation chamber 40 is reduced to about 1%, so that the 3He concentration in the fractionation chamber 40 (about 1%) and the 3He concentration in the dilute phase in the mixing chamber 38 are reduced. (6.4%), 3He atoms are extracted from the dilute phase in the mixing chamber 38 by the fractionation chamber 40.
Led to. In addition, as the 3He concentration in the dilute phase in the mixing chamber 38 decreases, 3He continuously dissolves into the dilute phase from the 3He 100% rich phase.

【手続補正4】[Procedure amendment 4]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0043[Correction target item name] 0043

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【0043】以上のように、図1に示すこの発明の実施
例の希釈冷凍機においては、真空ポンプ51によって希
釈冷凍機本体57内に送り込まれた3Heガスは、GM
冷凍機79によって4.2K程度に冷却され、さらにJ
T膨張前予冷用熱交換器69において2.6K程度に冷
却され、続いてJT膨張器71において凝縮温度以下の
1.5K程度に冷却されて液化し、その液体3Heは分
留器熱交換器75において1.1K程度に冷却され、さ
らに往復熱交換器77の往路側通路77Aにおいて10
0mK程度に冷却され、最終的に混合室61内において
mKオーダーの超低温、例えば60mKの超低温を得る
ことができる。
As described above, in the dilution refrigerator according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 1, the 3He gas sent into the dilution refrigerator main body 57 by the vacuum pump 51 is GM.
It is cooled to about 4.2K by the refrigerator 79,
It is cooled to about 2.6K in the pre-T expansion precooling heat exchanger 69, then cooled to about 1.5K below the condensing temperature in the JT expander 71 and liquefied, and the liquid 3He is a fractionator heat exchanger. 75, is cooled to about 1.1K, and further cooled in the forward passage 77A of the reciprocating heat exchanger 77.
It is cooled to about 0 mK, and finally an ultra-low temperature of the order of mK, for example, an ultra-low temperature of 60 mK can be obtained in the mixing chamber 61.

【手続補正5】[Procedure amendment 5]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0049[Correction target item name] 0049

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【0049】図3において、希釈冷凍ユニット91は、
上方から下方へ向けて蓋部91A、上段中空管部91
B、第2伝熱ブロック91C、中間中空管部91D、第
1伝熱ブロック91E、下段中空管部91F、および内
部に空室91Hを形成したプランジャ部91Gをその順
に相互に連結固定した構成とされており、さらに全体の
中心軸線付近には、蓋部91Aの上方からプランジャ部
91Gまで貫通する排気管91Iが設けられている。こ
の希釈冷凍ユニット91における上段中空管部91Bは
その上部が容器83の蓋部83Cよりも上方へ突出し、
その部分にフランジ部93が形成されて、前記内管89
の上端フランジ部89Dに対し封止される。なおこの封
止は、後述するように特殊な低温封止である必要はな
く、常温付近で充分である。
In FIG. 3, the dilution refrigeration unit 91 comprises:
The lid portion 91A and the upper-stage hollow tube portion 91 are directed downward from above.
B, a second heat transfer block 91C, an intermediate hollow tube portion 91D, a first heat transfer block 91E, a lower hollow tube portion 91F, and a plunger portion 91G having an empty space 91H formed therein are connected and fixed to each other in this order. Further, an exhaust pipe 91I penetrating from above the lid portion 91A to the plunger portion 91G is provided near the central axis of the whole. The upper portion of the upper hollow tube portion 91B of the dilution refrigeration unit 91 projects upward from the lid portion 83C of the container 83,
A flange portion 93 is formed at that portion, and the inner tube 89 is formed.
Is sealed with respect to the upper end flange portion 89D. Note that this sealing does not need to be a special low-temperature sealing as described later, and is sufficient at around normal temperature.

【手続補正6】[Procedure amendment 6]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0056[Correction target item name] 0056

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【0056】さらに往路側流路配管95における分留器
熱交換器75の出口側(下端側)は、例えばプランジャ
部91Gの外周上にコイル状に巻回された往復熱交換器
往路側通路77A(図1参照)に導かれている。プラン
ジャ部91Gは、内側に真空断熱用の空室91Hを形成
し、さらにその空室91Hの下方に、隔壁119を隔て
て下面側へ開放された混合室61(図1参照)を形成し
たものである。そしてプランジャ部91Gの空室91H
は、その上端に接続された前述の排気管91Iを介して
外部の真空ポンプ121により真空排気されるようにな
っている。
Further, the outlet side (lower end side) of the fractionator heat exchanger 75 in the outward passage pipe 95 is, for example, a reciprocating heat exchanger outward passage 77A wound in a coil shape on the outer periphery of the plunger portion 91G. (See FIG. 1). The plunger part 91G has a vacuum chamber 91H for vacuum heat insulation formed inside, and a mixing chamber 61 (see FIG. 1) opened to the lower side with a partition wall 119 formed below the hollow chamber 91H. It is. And vacant room 91H of plunger part 91G
Is evacuated by an external vacuum pump 121 via the above-described exhaust pipe 91I connected to the upper end thereof.

【手続補正7】[Procedure amendment 7]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0057[Correction target item name] 0057

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【0057】ここで、プランジャ部91Gの外周側の空
間(内管89の内周面との間の空隙)は復路側流路65
(図1参照)に介在する往復熱交換器77の復路側通路
77Bを構成している。したがって往路側通路77A
は、復路側通路77Bに熱的に接触することになる。
Here, the space on the outer peripheral side of the plunger portion 91G (the gap between the inner peripheral surface of the inner pipe 89) is formed in the return passage 65.
The return passage 77B of the reciprocating heat exchanger 77 interposed between the return heat exchanger 77 (see FIG. 1) is formed. Therefore, the outward passage 77A
Is in thermal contact with the return path 77B.

【手続補正8】[Procedure amendment 8]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0060[Correction target item name] 0060

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【0060】以上のような図2、図3に示される実施例
においては、希釈冷凍ユニット91を内管89内に挿入
した状態では、第1の伝熱ブロック91E、第2の伝熱
ブロック91Cがそれぞれ内管89側の第1の伝熱部8
9A、第2の伝熱部89Bに熱的に接続される。したが
って受入口59から導入された室温程度の3Heガス
は、先ずGM冷凍機79の第1段冷却ヘッド79Bの2
0K程度の冷熱によって、第2の伝熱部89Bおよび第
2の伝熱ブロック91Cを介し副熱交換器101におい
て20K近くに予備的に冷却され、続いてGM冷凍機7
9の第2段冷却ヘッド79Aの4.2K程度の冷熱によ
って、第1の伝熱部89Aおよび第1の伝熱ブロック9
1Eを介し主熱交換器67により4.2K近くまで冷却
されることになる。その後3Heガスは、予冷用熱交換
器69、JT膨張器71を通って既に述べたように凝縮
温度以下の例えば1.5K程度に冷却されて液化し、分
留器熱交換器75を通って1.1K程度に冷却され、さ
らにプランジャ部91Gの上部に設けた往復熱交換器7
7の往路側通路77Aにおいて100mK程度に冷却さ
れて、混合室61に至り、既に述べたような混合室61
内における100%3He濃厚相と4He+6.4%3
He希薄相との間の作用によって、10mKのオーダー
の超低温、例えば60mK程度の超低温を得ることがで
きる。
In the embodiment shown in FIGS. 2 and 3, when the dilution refrigeration unit 91 is inserted into the inner pipe 89, the first heat transfer block 91E and the second heat transfer block 91C are used. Are the first heat transfer sections 8 on the inner pipe 89 side, respectively.
9A, and is thermally connected to the second heat transfer section 89B. Therefore, the 3He gas at room temperature or so introduced from the receiving port 59 is supplied to the first cooling head 79B of the GM refrigerator 79B first.
By the cold heat of about 0K, it is preliminarily cooled to about 20K in the sub heat exchanger 101 via the second heat transfer section 89B and the second heat transfer block 91C.
9, the first heat transfer section 89A and the first heat transfer block 9 are cooled by about 4.2K of the second stage cooling head 79A.
It will be cooled down to about 4.2K by the main heat exchanger 67 via 1E. Thereafter, the 3He gas passes through the pre-cooling heat exchanger 69 and the JT expander 71, is cooled to a temperature of, for example, about 1.5 K or less, which is lower than the condensation temperature, as described above, and passes through the fractionator heat exchanger 75. The reciprocating heat exchanger 7 is cooled to about 1.1K and further provided above the plunger portion 91G.
7 is cooled to about 100 mK in the outward passage 77A, and reaches the mixing chamber 61.
In 100% 3He rich phase and 4He + 6.4% 3
An ultra-low temperature of the order of 10 mK, for example, an ultra-low temperature of about 60 mK can be obtained by the action with the He dilute phase.

【手続補正9】[Procedure amendment 9]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0067[Correction target item name] 0067

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【0067】そしてまた請求項4の発明の希釈冷凍機に
よれば、主熱交換器で冷却された往路側の3Heガス
を、さらに復路側の戻りの低温3Heガスで冷却するこ
とになるため、冷熱の有効利用を図って全体的な冷却効
率を高めることができる。
According to the dilution refrigerator of the fourth aspect of the present invention, the forward 3He gas cooled by the main heat exchanger is further cooled by the return low-temperature 3He gas on the backward path. The overall cooling efficiency can be increased by effectively utilizing the cold heat.

【手続補正10】[Procedure amendment 10]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】符号の説明[Correction target item name] Explanation of sign

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【符号の説明】 51 真空ポンプ 57 希釈冷凍機本体 59 受入口 61 混合室 63 往路側流路 64 還流口 65 復路側流路 67 主熱交換器 69 JT膨張前予冷用熱交換器 71 JT膨張器 73 分留器 75 分留器熱交換器 77 往復熱交換器 77A 往路側通路 77B 復路側通路 79 GM冷凍機 79A 冷却ヘッド 81 伝熱ブロック 83 容器 89 内管 89A 第1の伝熱部 91 希釈冷凍ユニット 91E 第1の伝熱ブロック 123 試料保持部[Description of Signs] 51 Vacuum pump 57 Dilution refrigerator main body 59 Reception port 61 Mixing chamber 63 Outgoing side flow path 64 Reflux port 65 Return path side flow path 67 Main heat exchanger 69 JT expansion pre-cooling heat exchanger 71 JT expander 73 fractionator 75 fractionator heat exchanger 77 reciprocating heat exchanger 77A forward path 77B return path 79 GM refrigerator 79A cooling head 81 heat transfer block 83 container 89 inner tube 89A first heat transfer section 91 dilution refrigeration Unit 91E First heat transfer block 123 Sample holder

【手続補正11】[Procedure amendment 11]

【補正対象書類名】図面[Document name to be amended] Drawing

【補正対象項目名】全図[Correction target item name] All figures

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【図1】 FIG.

【図2】 FIG. 2

【図3】 FIG. 3

【図4】 FIG. 4

【図5】 FIG. 5

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 3Heガスを循環させるための真空ポン
プと、その真空ポンプにより送出される3Heガスを受
入れる希釈冷凍機本体とを有し、 前記希釈冷凍機本体は、冷却ヘッドを備えた小型機械式
冷凍機と、その小型機械式冷凍機の冷却ヘッドから延長
された良熱伝導材料からなる伝熱ブロックと、その伝熱
ブロックに熱的に接触しかつ前記真空ポンプから送出さ
れた3Heガスを冷却するための主熱交換器と、その主
熱交換器により冷却された3Heガスを断熱膨張により
3Heガスの凝縮温度以下まで冷却するためのJT膨張
器と、4He−3He混合液体を保持しかつ4Heと3
Heとの蒸気圧の差により3Heガスが前記真空ポンプ
の吸気圧により真空ポンプへ向けて吸出される分留器
と、前記JT膨張器から導かれた液体3Heが通過して
これを前記分留器内の4He−3He混合液体によりさ
らに冷却するための分留器熱交換器と、相互に熱交換可
能に隔絶された往路側通路および復路路側通路を備えか
つ往路側通路に前記分留器熱交換器から導かれた液体3
Heが通過して復路側通路の冷熱により往路側通路の液
体3Heを0.8K以下の温度に冷却するための往復熱
交換器と、底部側が前記往復熱交換器の復路側通路を介
して前記分留器の底部側に連通するように作られかつ前
記往復熱交換器の往路側通路から液体3Heが導入され
るとともに予め液体4Heが収容されるようにした混合
室とからなり、 前記真空ポンプから送出された3Heガスが、前記主熱
交換器を通過する際に冷凍機の冷却ヘッドの冷熱により
前記伝熱ブロックを介して所定の低温に冷却され、さら
にJT膨張器を通過して凝縮液化され、その液化された
液体3Heが往復熱交換器の往路側通路を通って混合室
に送り込まれるように構成したことを特徴とする希釈冷
凍機。
1. A small machine having a vacuum pump for circulating 3He gas and a dilution refrigerator main body for receiving 3He gas sent by the vacuum pump, wherein the dilution refrigerator main body is provided with a cooling head. -Type refrigerator, a heat transfer block made of a good heat conductive material extended from a cooling head of the small mechanical refrigerator, and 3He gas which is in thermal contact with the heat transfer block and is sent from the vacuum pump. A main heat exchanger for cooling, a JT expander for cooling the 3He gas cooled by the main heat exchanger to a temperature lower than the condensation temperature of the 3He gas by adiabatic expansion, and holding a 4He-3He mixed liquid; 4He and 3
A fractionator in which 3He gas is sucked toward the vacuum pump by the suction pressure of the vacuum pump due to a difference in vapor pressure with He, and a liquid 3He guided from the JT expander passes through the fractionator. A fractionator heat exchanger for further cooling with a 4He-3He mixed liquid in the vessel, a forward path and a return path which are isolated from each other so as to be capable of exchanging heat with each other; Liquid 3 led from exchanger
The reciprocating heat exchanger for passing He through the return path to cool the liquid 3He in the outward path to a temperature of 0.8 K or less by the cool heat of the return path, and the bottom part is connected to the reciprocating heat exchanger through the return path. A mixing chamber formed so as to communicate with the bottom side of the fractionator, the liquid 3He being introduced from the outward passage of the reciprocating heat exchanger, and the liquid 4He being previously stored therein; The 3He gas delivered from the chiller is cooled to a predetermined low temperature through the heat transfer block by the cold heat of the cooling head of the refrigerator when passing through the main heat exchanger, and further passes through the JT expander to condense and liquefy. Wherein the liquefied liquid 3He is sent to the mixing chamber through the outward passage of the reciprocating heat exchanger.
【請求項2】 請求項1に記載の希釈冷凍機において、 前記希釈冷凍機本体が、真空断熱された容器の内部に、
冷却ヘッド室と、その冷却ヘッド室の底部から下方へ延
びる希釈冷凍室とが設けられており、かつ容器内には、
その上蓋部分から前記冷却ヘッド室内を通って希釈冷凍
室の底部まで延びる中空な有底の内管が設けられてお
り、その内管における上下方向の中間位置の一部は良伝
熱材料によって主熱交換器用伝熱部とされ、さらに前記
内管はその内側空間が冷却ヘッド室の室内空間および希
釈冷凍室の室内空間から気密に隔絶されており、前記冷
却ヘッド室内には上方から前記小型機械式冷凍機の冷却
ヘッドが挿入されていて、その冷却ヘッドから前記伝熱
ブロックが前記内管の伝熱部まで延びており、さらに前
記内管内には、全体として棒状をなす希釈冷凍ユニット
が上方から挿抜可能に挿入されており、 その希釈冷凍ユニットは、前記真空ポンプから送出され
た3Heガスを受入れる受入口および3Heガスを排出
して真空ポンプへ導くための還流口が上端部に形成され
るとともに、下端部に試料保持部を伴なった前記混合室
が形成され、しかも前記受入口から前記混合室に至る往
路側流路および混合室から前記送流口に至る復路側流路
とを備え、かつその往路側流路および復路側流路に介在
するように主熱交換器、JT膨張器、分留器、分留器熱
交換器、および往復熱交換器が一体的に形成された構成
とされ、 また前記内管の伝熱部とそれに対応する位置の前記希釈
冷凍ユニット内の往路側流路との間が熱的に接触されて
その部分に前記主熱交換器が形成されることを特徴とす
る希釈冷凍機。
2. The dilution refrigerator according to claim 1, wherein the dilution refrigerator main body is provided inside a vacuum-insulated container,
A cooling head chamber and a dilution freezing chamber extending downward from the bottom of the cooling head chamber are provided, and in the container,
A hollow bottomed inner tube extending from the upper lid portion to the bottom of the dilution freezing room through the cooling head chamber is provided, and a portion of the inner tube in the vertical direction is mainly made of a good heat transfer material. The heat transfer section for a heat exchanger, and the inner space of the inner tube is hermetically isolated from the room space of the cooling head room and the room space of the dilution refrigeration room. The cooling head of the type refrigerator is inserted, the heat transfer block extends from the cooling head to the heat transfer portion of the inner tube, and further, in the inner tube, a dilution refrigeration unit having a rod-like shape as a whole is located upward. The dilution refrigeration unit has a receiving port for receiving the 3He gas sent from the vacuum pump and a return port for discharging the 3He gas and guiding it to the vacuum pump. Is formed at the upper end, and the mixing chamber with the sample holding section is formed at the lower end, and further, from the receiving port to the mixing chamber, from the outward flow path and from the mixing chamber to the outlet. A main heat exchanger, a JT expander, a fractionator, a fractionator heat exchanger, and a reciprocating heat exchanger so as to be interposed in the forward flow path and the return flow path. The heat transfer portion of the inner tube and the forward passage in the dilution refrigeration unit at a position corresponding to the heat transfer portion are in thermal contact with each other, and the main heat is applied to that portion. A dilution refrigerator, wherein an exchanger is formed.
【請求項3】 請求項2に記載の希釈冷凍機において、 前記混合室から分留器に至るまでの間の復路側流路が、
内管内へ挿抜可能な全体として棒状の希釈冷凍ユニット
の外面と内管の内周面との間に形成されることを特徴と
する希釈冷凍機。
3. The dilution refrigerator according to claim 2, wherein the return-side flow path from the mixing chamber to the fractionator is:
A dilution refrigerator, wherein the dilution refrigerator is formed between an outer surface of a rod-shaped dilution refrigeration unit as a whole which can be inserted into and removed from an inner tube and an inner peripheral surface of the inner tube.
【請求項4】 請求項1に記載の希釈冷凍機において、 前記往路側流路における主熱交換器とJT膨張器との間
に、復路側流路の冷熱を受けるJT膨張前予冷用熱交換
器が介されていることを特徴とする希釈冷凍機。
4. The pre-cooling JT expansion pre-cooling heat exchanger that receives cold heat in a return flow path between a main heat exchanger and a JT expander in the forward flow path in the dilution refrigerator according to claim 1. A dilution refrigerator having a vessel interposed.
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