KR101121232B1 - Refrigerating machine - Google Patents
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Abstract
피냉각물을 냉각하는 냉각 스테이지, 상기 피냉각물이 안착되는 He응축부, 상기 He응축부에 연통하는, He가스가 충전된 저장고, 상기 냉각 스테이지와 상기 He응축부의 사이에 배치된, 상기 He응축부보다 열전도율이 낮은 재료로 이루어진 전열완충재를 구비한 냉동기.A cooling stage for cooling the object to be cooled, a He condensation portion on which the object to be cooled is seated, a reservoir filled with He gas in communication with the He condensation portion, and the He disposed between the cooling stage and the He condensation portion. Refrigerator with a heat transfer buffer made of a material having a lower thermal conductivity than the condensation unit.
Description
본 발명은 냉동기에 관한 것이다.The present invention relates to a refrigerator.
4K 근방의 극저온환경에서의 시료물성의 측정이나, 극저온환경을 이용하는 센서 등을 사용한 다양한 물리량의 측정 등을 위해 GM냉동기가 이용되고 있다. 이 냉동기는 He가스 등의 냉매가스의 압축 및 팽창(냉동 사이클)을 반복함으로써 비냉각물을 극저온까지 냉각하는 것이다. 그런데, 상술한 냉동 사이클에 기인하는 열류(熱流)의 맥동 때문에 피냉각물의 안착면에 온도 진폭이 발생한다. 피냉각물을 안정적으로 냉각하기 위해 이 온도 진폭의 저감이 요구되고 있다.GM chillers are used to measure sample properties in cryogenic environments around 4K, and to measure various physical quantities using sensors using cryogenic environments. This refrigerator cools uncooled material to cryogenic temperature by repeating compression and expansion (freezing cycle) of refrigerant gas such as He gas. By the way, a temperature amplitude arises on the seating surface of a to-be-cooled object because of the pulsation of the heat flow resulting from the above-mentioned freezing cycle. In order to cool the to-be-cooled object stably, the reduction of this temperature amplitude is calculated | required.
특허문헌 1에는, 피냉각물을 장착하는 냉각부에 설치된, 내부에 헬륨가스 또는 헬륨가스 및 액체 헬륨을 수납하는 축냉(蓄冷) 수단과, 압축된 헬륨가스의 공급 수단 및 상기 축냉 수단을 접속하는 헬륨가스 도입 배출 수단을 포함하는 극저온 냉동기가 개시되어 있다.
특허문헌 2에는, 필요량의 헬륨가스를 상온에서 도입하는 헬륨가스 도입관, 헬륨가스를 액화시키는 콘덴서실, 액화된 액체 헬륨을 수납하는 액체 헬륨실을 구비한 극저온 온도 댐퍼가 개시되어 있다.
특허문헌 1: 일본특허 제2773793호 공보Patent Document 1: Japanese Patent No. 2773793
특허문헌 2: 일본공개특허 2004-76955호 공보Patent Document 2: Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-76955
그러나, 특허문헌 1의 극저온 냉동기에서의 상기 온도 진폭은 30mK 정도이기 때문에, 더욱 온도 진폭의 저감이 요구되고 있다.However, since the said temperature amplitude in the cryogenic freezer of
한편, 특허문헌 2의 극저온 온도 댐퍼는 구조가 복잡하고, 또한 냉각물로부터의 전열 유로가 길고 비축대칭이기 때문에, 냉각이 불균일하여 불안정하게 될 우려가 있다.On the other hand, the cryogenic temperature damper of
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 피냉각물의 안착면에서의 온도 진폭의 저감이 가능하고, 또한 피냉각물의 균일하고 안정된 냉각이 가능한 냉동기의 제공을 목적으로 한다.The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a refrigerator capable of reducing the temperature amplitude on the seating surface of the object to be cooled, and capable of uniform and stable cooling of the object to be cooled.
상기 과제를 해결하기 위해, 이 발명은 이하의 수단을 채용하고 있다. 즉, 본 발명의 냉동기는 피냉각물을 냉각하는 냉각 스테이지; 내부에 액체 He를 수용하며, 하면에 상기 피냉각물이 안착되는 테이블을 가지는 He응축부; 상기 He응축부에 연통하는, He가스가 충전(充塡)된 저장고; 상기 냉각 스테이지의 하면과 상기 He응축부의 상면 사이에 배치된, 상기 He응축부보다 열전도율이 낮은 재료로 이루어진 전열완충재;를 구비한다.In order to solve the said subject, this invention employ | adopts the following means. That is, the refrigerator of the present invention includes a cooling stage for cooling the object to be cooled; A He condensation unit accommodating liquid He therein and having a table on which a surface to be cooled is seated; A reservoir filled with He gas in communication with the He condensation unit; And a heat transfer buffer made of a material having a lower thermal conductivity than the He condensation portion, disposed between the lower surface of the cooling stage and the upper surface of the He condensation portion.
이 구성에 의하면, 냉동기의 냉동 사이클에 기인하는 열류의 맥동이 He응축부에서의 He의 증발 및 응축(상전이)에 의해 흡수된다. 그 때, 전열완충재가 열류의 조리개 기구로서 작용하므로, 냉각 스테이지에서의 온도 진폭의 전달이 억제된다. 그 결과, 피냉각물의 안착면에서의 온도 진폭을 저감할 수 있다. 또한, 냉각 스테이지, 전열완충재, He응축부 및 피냉각물이 동축상으로 연속 배치되므로, 피냉각물의 균일하고 안정된 냉각이 가능하게 된다.According to this structure, the pulsation of the heat flow resulting from the freezing cycle of a refrigerator is absorbed by evaporation and condensation (phase transition) of He in a He condensation part. At that time, since the electrothermal shock absorber acts as a diaphragm mechanism for heat flow, the transmission of the temperature amplitude in the cooling stage is suppressed. As a result, the temperature amplitude at the mounting surface of the object to be cooled can be reduced. In addition, since the cooling stage, the heat transfer buffer, the He condensation part, and the object to be cooled are continuously arranged coaxially, uniform and stable cooling of the object to be cooled is possible.
상기 He응축부는 4K 근방의 온도에서의 열전도율이 200W/(m?K) 이상의 재료로 이루어져도 된다.The He condensation portion may be made of a material having a thermal conductivity of 200 W / (m? K) or higher at a temperature near 4K.
이 구성에 의하면, He응축부 내에서 응축한 액체 He에 의해 피냉각물을 효율적으로 냉각할 수 있다.According to this structure, the to-be-cooled object can be cooled efficiently by the liquid He condensed in the He condensation part.
상기 전열완충재는 4K 근방의 온도에서의 열전도율이 100W/(m?K) 미만의 재료로 이루어져도 된다.The electrothermal shock absorber may be made of a material having a thermal conductivity of less than 100 W / (m? K) at a temperature near 4K.
이 구성에 의하면, 냉각 스테이지에서의 온도 진폭의 전달을 확실히 방지할 수 있다.According to this structure, transmission of the temperature amplitude in a cooling stage can be prevented reliably.
상기 He응축부의 용적은 10cc 이상 100cc 이하이어도 된다.The volume of the He condensation portion may be 10 cc or more and 100 cc or less.
이 구성에 의하면, 피냉각물의 냉각에 필요한 액체 He의 수납 용적을 확보하면서 He응축부를 컴팩트화할 수 있다.According to this structure, the He condensation part can be made compact while ensuring the storage volume of the liquid He required for cooling the to-be-cooled object.
상기 저장고의 용적은 상기 He응축부의 용적의 5배 이상 100배 이하이어도 된다.The volume of the said reservoir may be 5 times or more and 100 times or less of the volume of the said He condensation part.
이 구성에 의하면, 피냉각물의 냉각에 필요한 He가스의 수납 용적을 확보하면서 저장고를 컴팩트화할 수 있다.According to this configuration, the storage can be made compact while securing the storage volume of He gas required for cooling the object to be cooled.
상기 저장고에 충전된 상기 He가스의 압력은 실온에서 0.1MPa 이상 1.0MPa 이하이어도 된다.The pressure of the He gas filled in the reservoir may be 0.1 MPa or more and 1.0 MPa or less at room temperature.
이 구성에 의하면, 만약 냉동기가 정지하여 He응축부의 액체 He가 증발해도 저장고 및 He응축부가 고압력이 되는 것을 방지할 수 있다.According to this structure, even if the refrigerator stops and the liquid He of the He condensation part evaporates, it is possible to prevent the reservoir and the He condensation part from becoming high pressure.
상기 He응축부의 내면에 휜(fin)이 세워져 설치되어도 된다.A fin may be installed on the inner surface of the He condensation portion.
또한, 상기 He응축부의 내면에 다공질 구조체가 장착되어도 된다.In addition, a porous structure may be mounted on the inner surface of the He condensation portion.
이러한 구성에 의하면, He응축부의 내면과 액체 He의 접촉면적이 커지기 때문에 He응축부에 안착되는 피냉각물을 효율적으로 냉각할 수 있다.According to such a structure, since the contact area of the inner surface of the He condensation part with the liquid He becomes large, the cooled object seated on the He condensation part can be cooled efficiently.
상기 전열완충재와 상기 냉각 스테이지 또는 상기 He응축부의 접촉면에 요철이 형성되어도 된다.Unevenness may be formed on the contact surface of the heat transfer buffer and the cooling stage or the He condensation portion.
이 구성에 의하면, 전열완충재와 냉각 스테이지 또는 He응축부의 접촉면적이 작아지므로 냉각 스테이지에서의 온도 진폭의 전달이 억제된다. 그 결과, 피냉각물의 안착면에서의 온도 진폭을 저감할 수 있다.According to this structure, since the contact area of the electrothermal shock absorber and the cooling stage or the He condensation portion becomes small, the transfer of the temperature amplitude in the cooling stage is suppressed. As a result, the temperature amplitude at the mounting surface of the object to be cooled can be reduced.
상기 He응축부에 장착된 온도 센서 및 히터와, 상기 온도 센서의 측정결과에 기초하여 상기 히터를 구동하는 제어부를 더 구비해도 된다.A temperature sensor and a heater mounted on said He condensation part, and the control part which drives the said heater based on the measurement result of the said temperature sensor may be further provided.
이 구성에 의하면, He응축부의 온도가 소정값을 밑돈 경우에 히터를 구동하여 He응축부의 온도를 소정값으로 복귀시킬 수 있다. 따라서, 피냉각물의 안착면에서의 온도 진폭을 저감할 수 있다.According to this configuration, when the temperature of the He condensation portion is lower than the predetermined value, the heater can be driven to return the temperature of the He condensation portion to the predetermined value. Therefore, the temperature amplitude at the mounting surface of the object to be cooled can be reduced.
본 발명에 의하면, 전열완충재를 설치함으로써 냉각 스테이지에서의 온도 진폭의 전달이 방지되고, 그 결과, 피냉각물의 안착면에서의 온도 진폭을 저감할 수 있다. 또한, 냉각 스테이지, 전열완충재, He응축부 및 피냉각물이 동축상으로 연속 배치되므로, 피냉각물의 균일하고 안정된 냉각이 가능하게 된다.According to the present invention, the transfer of the temperature amplitude in the cooling stage is prevented by providing the heat transfer buffer, and as a result, the temperature amplitude on the seating surface of the object to be cooled can be reduced. In addition, since the cooling stage, the heat transfer buffer, the He condensation part, and the object to be cooled are continuously arranged coaxially, uniform and stable cooling of the object to be cooled is possible.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 관한 냉동기의 개략 구성도이다.1 is a schematic configuration diagram of a refrigerator according to a first embodiment of the present invention.
도 2는 제2 냉각 스테이지의 온도와 온도 진폭의 관계를 나타내는 그래프이다.2 is a graph showing the relationship between the temperature of the second cooling stage and the temperature amplitude.
도 3은 He응축부에서의 액체 He의 용적비와 온도 진폭의 관계를 나타내는 그래프이다.3 is a graph showing the relationship between the volume ratio of liquid He and the temperature amplitude in the He condensation section.
도 4는 제2 냉각 스테이지의 온도와 냉동 능력의 관계를 나타내는 그래프이다.4 is a graph showing the relationship between the temperature of the second cooling stage and the freezing capacity.
도 5는 냉각 시간과 제2 냉각 스테이지의 온도의 관계를 나타내는 그래프이다.5 is a graph showing the relationship between the cooling time and the temperature of the second cooling stage.
도 6은 본 발명의 제2 실시형태에 관한 냉동기의 He응축부 근방에서의 개략 구성도이다.It is a schematic block diagram in the vicinity of He condensation part of the refrigerator which concerns on 2nd Embodiment of this invention.
도 7은 본 발명의 제3 실시형태에 관한 냉동기의 He응축부 근방에서의 개략 구성도이다.It is a schematic block diagram in the vicinity of He condensation part of the refrigerator which concerns on 3rd Embodiment of this invention.
도 8은 본 발명의 제4 실시형태에 관한 냉동기의 He응축부 근방에서의 개략 구성도이다.It is a schematic block diagram near He condensation part of the refrigerator which concerns on 4th Embodiment of this invention.
도 9는 본 발명의 제5 실시형태에 관한 냉동기의 He응축부 근방에서의 개략 구성도이다.It is a schematic block diagram near He condensation part of the refrigerator which concerns on 5th Embodiment of this invention.
<부호의 설명><Description of the code>
1: 냉동기1: freezer
14: 제2 냉각 스테이지(냉각 스테이지)14: second cooling stage (cooling stage)
16: 전열완충재16: electrothermal buffer
18: 요철18: unevenness
20: He응축부20: He condensation
30: 저장고30: storage
40: 피냉각물40: Coolant
50: He가스50: He gas
62: 제어부62: control unit
64: 온도 센서64: temperature sensor
66: 히터66: heater
222: 제1휜(휜)222: first (휜)
224: 제2휜(휜)224: 2nd (휜)
322: 다공질 구조체322: porous structure
이하, 본 발명의 실시형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, embodiment of this invention is described with reference to drawings.
(제1 실시형태)(First embodiment)
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 관한 냉동기의 개략 구성도이다. 본 실시형태에 관한 냉동기(1)는 피냉각물(40)을 냉각하는 제2 냉각 스테이지(14), 피냉각물(40)이 안착되는 He응축부(20), He응축부(20)에 연통하는, He가스(50)가 충전된 저장고(30), 제2 냉각 스테이지(14)와 He응축부(20)의 사이에 배치된, He응축부(20)보다 열전도율이 낮은 재료로 이루어진 전열완충재(16)를 구비한 것이다.1 is a schematic configuration diagram of a refrigerator according to a first embodiment of the present invention. The
냉동기(1)는 주로 압축기(4), 본체부(2) 및 냉각부(15)를 구비하고 있다. 압 축기(4)는, 저압 배관(8)으로부터 공급되는 저압 He가스를 압축하여 고압 He가스로 하고 고압 배관(6)에 공급하는 것이다. 본체부(2)는, 고압 배관(6) 및 저압 배관(8)과 후술하는 냉각부(15) 내의 He가스 유로의 접속을 모터 등의 동력에 의해 연속적으로 절환하는 것이다.The
본체부(2)에 연속하여 냉각부(15)가 설치되어 있다. 냉각부(15)는 진공 환경으로 유지된 진공조(10)의 내부에 배치되고, 내부를 유통하는 He가스의 팽창에 의해 한랭을 발생시키는 것이다. 냉각부(15)에는 제1 냉각부(11), 제1 냉각 스테이지(12), 제2 냉각부(13) 및 제2 냉각 스테이지(14)가 차례대로 설치되어 있다. 제1 냉각부(11) 및 제2 냉각부(13)는 원주형상으로 형성되고, 제1 냉각 스테이지(12) 및 제2 냉각 스테이지(14)는 원반형상으로 형성되어 동축상으로 배치되어 있다. 냉각부(15)의 내부에는 He가스 유로(도시생략)가 형성되어 있다. 이 He가스 유로에 공급된 고압 He가스는 제2 냉각 스테이지(14)에서 흡열 팽창하여 저압 He가스로 변화한다.The cooling
제2 냉각 스테이지(14)의 하면이며 후술하는 He응축부(20)와의 사이에는 전열완충재(16)가 설치되어 있다. 전열완충재(16)는, 예를 들면 직경 수십mm 정도, 두께 2mm정도의 판형상으로 형성되어 있다. 전열완충재(16)는, 4K 근방의 온도에서의 열전도율이 후술하는 He응축부(20)보다 낮은 스테인레스 재료 등으로 구성되어 있다. 특히, 4K 근방의 온도에서의 열전도율이 100W/(m?K) 미만의 재료로 전열완충재(16)를 구성하면, 제2 냉각 스테이지(14)의 온도 진폭이 He응축부(20)에 전달되는 것을 억제할 수 있다.The
전열완충재(16)의 양면에 열 접촉성을 높이기 위해 In박 등을 대고 제2 냉각 스테이지(14), 전열완충재(16) 및 He응축부(20)가 체결되어 있다.The
전열완충재(16)의 하면에 피냉각물(40)이 안착되는 He응축부(20)가 설치되어 있다. He응축부(20)는, 4K 근방의 온도에서의 열전도율이 전술한 전열완충재(16)보다 높은 Cu나 Ag, Al 등의 재료로 구성되어 있다. 본 실시형태에서는 무산소동에 의해 He응축부(20)가 형성되어 있다. 특히, 4K 근방의 온도에서의 열전도율이 200W/(m?K) 이상의 재료로 He응축부(20)를 구성하면, He응축부(20) 내에서 응축된 액체 He에 의해 피냉각물(40)을 효율적으로 냉각할 수 있다.The He condensation
He응축부(20)는 양단을 밀폐한 원통형상으로 형성되고, 내부에 액체 He를 저류(貯留)할 수 있게 되어 있다. 이 He응축부(20)의 용적을 10cc 이상 100cc 이하로 하면, 피냉각물(40)의 냉각에 필요한 액체 He의 수납 용적을 확보하면서 He응축부(20)를 컴팩트화할 수 있다. 본 실시형태에서는 He응축부(20)의 용적이 40cc로 설정되어 있다.The He condensation
He응축부(20)의 하면에는 테이블(41)이 배치되어 있다. 이 테이블(41)의 하면이 피냉각물(40)의 안착장소인 냉각 위치로 되어 있다. 테이블(41)은 He응축부(20)와 마찬가지의 물성을 가진 재료로 구성되어 있다. 본 실시형태에서는, He응축부(20)와 테이블(41)의 사이 및 테이블(41)과 피냉각물(40)의 사이에 In박 등을 대고 He응축부(20)와 테이블(41)이 체결되어 있다. 테이블(41)을 설치하지 않고 피냉각물(40)을 He응축부(20)에 열 접촉 잘되게 대어도 된다.The table 41 is disposed on the lower surface of the
상술한 냉각부(15)의 제2 냉각 스테이지(14), 전열완충재(16), He응축부(20) 및 피냉각물(40)은 피냉각물로부터의 전열 유로를 구성하고 있다. 본 실시형태에서는, 이들을 동축상으로 연속하여 배치함으로써 전열 유로의 거리를 짧게 하는 것이 가능하게 된다. 이에 의해, 냉각 손실을 저감하는 것이 가능하게 되고, 피냉각물(40)을 목적의 온도까지 단시간에 효율적으로 냉각할 수 있다. 또한, 전열 유로를 축대칭 형상으로 하는 것이 가능하게 되고, 피냉각물(40)의 전체를 균일하고 안정하게 냉각할 수 있다.The
He응축부(20)로부터 세관(細管; 32)이 연장 설치되고, 진공조(10)의 외부에 배치된 저장고(30)에 항상 접속되어 있다. 저장고(30)의 용적은 He응축부(20)의 용적의 5배 이상 100배 이하로 하는 것이 바람직하다. 본 실시형태에서는 저장고(30)의 용적이 3250cc로 설정되어 있다. 이에 의해, 피냉각물(40)의 냉각에 필요한 He가스의 수납 용적을 확보하면서 저장고(30)를 컴팩트화할 수 있다.A
저장고(30)의 내부에는 He가스가 충전되어 있다. 그 He가스의 압력은 실온에서 0.1MPa 이상 1.0MPa 이하로 하는 것이 바람직하다. 본 실시형태에서는, 실온에서의 압력이 0.4MPa인 He가스(50)를 저장고(30)에 충전하고 있다. 이에 의해, 만약 냉동기(1)가 정지하여 He응축부(20)의 액체 He(52)가 증발해도 저장고(30)가 고압력이 되는 일은 없다. 세관(32)의 중간부에는 제1 냉각 스테이지(12)와 열교환을 하기 위한 열 앵커(anchor)(34)가 형성되어 있다.He gas is filled in the
다음에, 본 실시형태에 관한 냉동기(1)의 작용에 대해 설명한다. 상술한 바와 같이, 압축기(4)로부터 냉각부(15)로 공급된 고압 He가스는 제2 냉각 스테이지(14)에서 흡열 팽창하여 저압 He가스로 변화한다. 본체부(2)는, 고압 배관(6) 및 저압 배관(8)과 냉각부(15)의 He가스 유로의 접속을 연속적으로 절환한다. 이에 의해, He가스의 압축 및 팽창(냉동 사이클)이 반복되어 제2 냉각 스테이지(14)의 온도는 극저온이 된다.Next, the operation of the
제2 냉각 스테이지(14)의 아래쪽에 He응축부(20)가 설치되어 있다. 제2 냉각 스테이지(14)에 의해 He응축부(20)가 냉각되면, He응축부(20)의 내부의 He가스가 응축하여 액화되어 액체 He(52)가 생성된다. 본 실시형태에서는, He응축부(20)에 대한 용적비가 30% 이하(예를 들면, 20% 정도)가 되도록 액체 He를 생성하고 있다.The He condensation
그런데, 상술한 냉동 사이클에 기인하는 열류의 맥동 때문에 제2 냉각 스테이지(14)에는 온도 진폭이 발생한다. 그러나, 본 실시형태에서는 냉동 사이클에 기인하는 열류의 맥동이 He의 증발 및 응축(상전이)에 의해 흡수된다. 그 때문에, 제2 냉각 스테이지(14)와 동등한 온도 진폭이 He응축부(20)에 발생하지 않고 He응축부(20)의 온도 진폭은 작아진다.By the way, the temperature amplitude arises in the
게다가 본 실시형태에서는, 제2 냉각 스테이지(14)와 He응축부(20)의 사이에 He응축부(20)보다 열전도율이 낮은 재료로 이루어진 전열완충재(16)가 설치되어 있다. 이 전열완충재(16)가 열류의 조리개기구로서 작용하므로, 제2 냉각 스테이지(14)에서의 온도 진폭이 He응축부(20)에 전달되는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 피냉각물의 안착면에서의 온도 진폭을 저감할 수 있다.In addition, in this embodiment, between the
도 2는 제2 냉각 스테이지의 온도와 온도 진폭의 관계를 나타내는 그래프이다. 여기서는 3종류의 장치 구성에 대해 온도 진폭을 측정하였다. 구체적으로는 (1)본 실시형태와 마찬가지로 제2 냉각 스테이지(14), 전열완충재(16) 및 He응축 부(20)를 설치한 경우의 He응축부(20)의 온도 진폭(마름모형 플롯)과, (2)전열완충재(16)를 설치하지 않고 제2 냉각 스테이지(14) 및 He응축부(20)를 설치한 경우의 He응축부(20)의 온도 진폭(삼각형 플롯)과, (3)전열완충재(16) 및 He응축부(20)를 설치하지 않은 경우의 제2 냉각 스테이지(14)의 온도 진폭(원형 플롯)을 측정하였다. 횡축에는 피냉각물의 안착장소인 냉각 위치(온도 진폭의 측정위치)의 온도를 취하고 있다. 저장고(30)의 용적을 3250cc, 저장고(30)에의 He가스의 충전압을 0.4MPa, He응축부(20)의 내부에서의 액체 He의 용적비를 20%로 설정하였다.2 is a graph showing the relationship between the temperature of the second cooling stage and the temperature amplitude. Here, temperature amplitudes were measured for three types of device configurations. Specifically (1) The temperature amplitude of the
그 결과, 각 장치 구성의 온도 진폭의 크기는 (3)>(2)>(1)의 순서였다. 냉각 위치의 온도가 높을수록 각 장치 구성 간의 온도 진폭의 차가 커졌다. 또한, (1)의 장치 구성에서 냉각 위치의 온도가 4.2K인 경우에는 He응축부(20)의 온도 진폭이 ±9mK로 억제되었다. 상기 측정 결과로부터, (3)제2 냉각 스테이지(14)만의 장치 구성에 비해, (2)He응축부(20)를 추가한 장치 구성에서는 온도 진폭이 현격하게 저하되는 것과, (1)전열완충재(16) 및 He응축부(20)를 추가한 장치 구성에서는 (2)에 비해 온도 진폭이 더 저하되는 것이 확인되었다.As a result, the magnitude | size of the temperature amplitude of each apparatus structure was the order of (3)> (2)> (1). The higher the temperature at the cooling location, the larger the difference in temperature amplitude between each device configuration. In addition, when the temperature of the cooling position is 4.2K in the apparatus configuration of (1), the temperature amplitude of the
도 3은 He응축부에서의 액체 He의 용적비와 온도 진폭의 관계를 나타내는 그래프이다. 여기서는, (1)본 실시형태와 마찬가지로 전열완충재를 설치한 경우의 온도 진폭(마름모형 플롯)과, (2)전열완충재를 설치하지 않은 경우의 온도 진폭(삼각형 플롯)을 측정하였다. 저장고(30)의 용적을 3250cc, 저장고(30)에의 He가스의 최대 충전압을 0.48MPa, 냉각 위치의 온도를 4.2K로 설정하였다.3 is a graph showing the relationship between the volume ratio of liquid He and the temperature amplitude in the He condensation section. Here, the temperature amplitude (diamond plot) when (1) the heat transfer buffer was provided and (2) the temperature amplitude (triangle plot) when the heat transfer buffer was not provided were measured similarly to this embodiment. The volume of the
그 결과, 액체 He의 용적비와 상관없이 온도 진폭의 크기는 (2)>(1)이었다. 또한, 액체 He가 없는 경우의 온도 진폭은 커졌지만, 액체 He가 조금이라도 존재하는 경우에는 온도 진폭은 작아졌다. 또, (1)에서 액체 He의 용적 비율이 1%~30%인 경우에는 모두 He응축부(20)의 온도 진폭이 ±9mK로 억제되었다. 상기로부터, 소량의 액체 He이라도 온도 진폭을 대폭적으로 저감할 수 있는 효과가 있는 것이 확인되었다.As a result, the magnitude of the temperature amplitude was (2)> (1) regardless of the volume ratio of the liquid He. In addition, the temperature amplitude when the liquid He was not increased, but when the liquid He even a little present, the temperature amplitude was small. Moreover, in (1), when the volume ratio of liquid He was 1%-30%, the temperature amplitude of the
그런데, 본 실시형태에서는 He응축부(20)보다 열전도율이 낮은 전열완충재(16)를 설치하였으므로, 냉동기의 냉동 능력이 저하된다고 생각된다. 그래서, 본원의 발명자는 전열완충재(16)의 유무에 의한 냉동 능력의 차이를 조사하였다.By the way, in this embodiment, since the
도 4는 냉각 위치의 온도와 냉각 위치에서의 냉동 능력의 관계를 나타내는 그래프이다. 여기서는, (1)본 실시형태와 마찬가지로 전열완충재(16)를 설치한 경우의 냉동 능력(마름모형 플롯)과, (2)전열완충재를 설치하지 않은 경우의 냉동 능력(사각형 플롯)을 측정하였다. He응축부(20)의 내부에서의 액체 He의 용적비를 20%로 설정하였다.4 is a graph showing the relationship between the temperature of the cooling position and the freezing capacity at the cooling position. Here, (1) freezing capacity (a rhombus plot) when the
그 결과, 냉각 위치의 온도와 상관없이 전열완충재(16)가 있는 경우의 냉동 능력의 저하율은 25%정도였다. 따라서, 냉동 능력의 손실은 수십%로 억제되는 것이 확인되었다.As a result, the reduction rate of the refrigerating capacity when the
또한, 본 실시형태에서는 He응축부(20)보다 열전도율이 낮은 전열완충재(16)를 설치하였으므로, 냉각 시간이 증가하는 것으로 생각된다. 그래서, 본원의 발명자는 전열완충재(16)의 유무에 의한 냉각 시간의 차이를 조사하였다.In addition, in this embodiment, since the heat
도 5는 냉각 시간과 냉각 위치의 온도의 관계를 나타내는 그래프이다. 여기 서는, (1)본 실시형태와 마찬가지로 전열완충재를 설치한 경우의 냉각 위치의 온도(실선)와, (2)전열완충재를 설치하지 않은 경우의 냉각 위치의 온도(사각형 플롯)를 측정하였다. 그 결과, 전열완충재(16)의 유무에 의한 냉각 시간의 차이는 거의 없는 것이 확인되었다.5 is a graph showing a relationship between a cooling time and a temperature of a cooling position. Here, the temperature (solid line) of the cooling position in the case of installing the heat transfer buffers (1) and the temperature (the square plot) of the cooling position in the case of not installing the heat transfer buffers were measured in the same manner as in the present embodiment. As a result, it was confirmed that there was almost no difference in cooling time with or without the
이상에 상술한 바와 같이, 본 실시형태에 관한 냉동기(도 1 참조)는, 피냉각물(40)이 안착되는 He응축부(20)와 제2 냉각 스테이지(14)의 사이에 He응축부(20)보다 열전도율이 낮은 재료로 이루어진 전열완충재(16)를 구비하는 구성으로 하였다. 이 구성에 의하면, 냉동기(1)의 냉동 사이클에 기인하는 열류의 맥동이 He응축부(20)에서의 He의 증발 및 응축(상전이)에 의해 흡수된다. 그 때, 전열완충재(16)가 열류의 조리개기구로서 작용하므로, 제2 냉각 스테이지(14)에서의 온도 진폭의 전달이 억제되고, 그 결과, 피냉각물(40)의 안착면에서의 온도 진폭을 저감할 수 있다. 또한, 제2 냉각 스테이지(14), 전열완충재(16), He응축부(20) 및 피냉각물(40)이 동축상으로 연속 배치되므로, 피냉각물로부터의 전열 유로가 축대칭 형상으로 단거리가 된다. 따라서, 피냉각물(40)의 균일하고 안정된 냉각이 가능하게 된다.As mentioned above, the refrigerator (refer FIG. 1) which concerns on this embodiment is a He condensation part (between He condensation
또한, 본 실시형태에서는, He응축부(20)에서의 액체 He(52)의 용적비를 30% 이하로 억제할 수 있다. 따라서, He가스(50)가 충전되는 저장고(30)를 소형화하는 것이 가능하게 된다. 또한, 저장고(30)에 대한 실온시의 He가스(50)의 충전 압력을 낮게 하는 것이 가능하게 된다. 그 결과, 만약 냉동기(1)가 정지하여 He응축부(20)의 액체 He(52)가 기화하더라도 저장고(30) 및 He응축부가 고압력이 되는 것을 방 지할 수 있다.In addition, in this embodiment, the volume ratio of the liquid He 52 in the
(제2 실시형태)(2nd embodiment)
다음에, 본 발명의 제2 실시형태에 관한 냉동기에 대해 설명한다.Next, the refrigerator which concerns on 2nd Embodiment of this invention is demonstrated.
도 6은 본 실시형태에 관한 냉동기의 He응축부 근방에서의 개략 구성도이다. 본 실시형태에 관한 냉동기는 He응축부(220)의 내면(221, 223)에 휜(222, 224)이 세워져 설치된 것이다. 제1 실시형태와 마찬가지의 구성이 되는 부분에 대해서는 그 상세한 설명을 생략한다.6 is a schematic configuration diagram near the He condensation portion of the refrigerator according to the present embodiment. The refrigerator according to the present embodiment is provided with the
제2 냉각 스테이지(14)와 피냉각물(40)의 사이에 He응축부(220)가 배치되어 있다.The
He응축부(220)는 Cu나 Ag, Al 등의 재료로 이루어진 원통형상의 중공 용기이고, 그 내부에 He가스(50)가 충전되어 있다. 제2 냉각 스테이지(14)에 의해 He응축부(220)가 냉각되면, He가스가 응축하여 액체 He(52)가 생성된다. 이 액체 He(52)에 의해 피냉각물(40)이 냉각된다.The He condensation
He응축부(220)의 내면에는 복수의 휜(222, 224)이 세워져 설치되어 있다. 각 휜(222, 224)은 He응축부(220)와 마찬가지로 열전도율이 높은 재료로 구성하는 것이 바람직하다. 각 휜(222, 224)은 He응축부(220)와 일체 성형해도 되고, 별체로 성형하여 He응축부(220)에 고착해도 된다.A plurality of
제1 휜(222)은 He응축부(220)의 바닥면(221)으로부터 천정면(223)을 향하여 형성되어 있다. 이에 의해, He응축부(220)의 내면과 액체 He(52)의 접촉면적을 크게 하는 것이 가능하게 된다. 따라서, He응축부(220)에 안착되는 피냉각물(40)을 효율적으로 냉각할 수 있다.The
제2 휜(224)은 He응축부(220)의 천정면(223)에서 바닥면(221)을 향하여 형성되어 있다. 이에 의해, He응축부(220)의 내면과 He가스(50)의 접촉면적을 크게 하는 것이 가능하게 된다. 따라서, He응축부(220)의 내부의 He가스(50)를 효율적으로 냉각하여 응축할 수 있다.The
(제3 실시형태)(Third embodiment)
다음에, 본 발명의 제3 실시형태에 관한 냉동기에 대해 설명한다.Next, the refrigerator which concerns on 3rd Embodiment of this invention is demonstrated.
도 7은 본 실시형태에 관한 냉동기의 He응축부 근방에서의 개략 구성도이다. 본 실시형태에 관한 냉동기는, He응축부(320)의 내면에 다공질 구조체(322)가 장착된 것이다. 또, 제1 실시형태와 마찬가지의 구성이 되는 부분에 대해서는 그 상세한 설명을 생략한다.7 is a schematic configuration diagram near the He condensation portion of the refrigerator according to the present embodiment. The refrigerator according to the present embodiment is provided with the
He응축부(320)의 내면에 다공질 구조체(322)가 장착되어 있다. 다공질 구조체(322)는 메쉬나 발포성 금속, 소결 금속 등으로 구성되어 있다. 다공질 구조체(322)는 He응축부(320)의 내측 전체에 충전되어도 되고, 일부에만 충전되어도 된다. The
다공질 구조체(322)는, He응축부(320)의 내면과 열적으로 양호한 접촉을 유지하도록 접착제 등에 의해 He응축부(320)의 내면에 장착되어 있다.The
다공질 구조체(322)를 설치함으로써, He응축부(320)의 내면과 액체 He(52)의 접촉면적을 크게 하는 것이 가능하게 된다. 따라서, He응축부(320)에 안착되는 피냉각물(40)을 효율적으로 냉각할 수 있다. 또한, 다공질 구조체(322)를 설치함으로 써, He응축부(320)의 내면과 He가스(50)의 접촉면적을 크게 하는 것이 가능하게 된다. 따라서, He응축부(320)의 내부의 He가스(50)를 효율적으로 냉각하여 응축할 수 있다.By providing the
(제4 실시형태)(4th Embodiment)
다음에, 본 발명의 제4 실시형태에 관한 냉동기에 대해 설명한다.Next, the refrigerator which concerns on 4th Embodiment of this invention is demonstrated.
도 8은 본 실시형태에 관한 냉동기의 He응축부 근방에서의 개략 구성도이다. 본 실시형태에 관한 냉동기는, 전열완충재(16)에서의 제2 냉각 스테이지(14)와의 접촉면에 요철(18)이 형성된 것이다. 제1 실시형태와 마찬가지의 구성이 되는 부분에 대해서는 그 상세한 설명을 생략한다.8 is a schematic configuration diagram near the He condensation portion of the refrigerator according to the present embodiment. In the refrigerator according to the present embodiment, the
전열완충재(16)는 열전도율이 낮은 스테인레스 재료 등으로 구성되어 있다. 그 제2 냉각 스테이지(14)와의 접촉면에 요철(18)이 형성되어 있다. 요철(18)은 규칙적으로 형성되어도 되고, 불규칙(랜덤)하게 형성되어도 된다. 또한, 제2 냉각 스테이지(14)와 점접촉하도록 요철(18)을 추(錘)형상으로 형성해도 되고, 제2 냉각 스테이지(14)와 면접촉하도록 요철(18)을 뿔대형상으로 형성해도 된다. 또한, 제2 냉각 스테이지(14)와 선접촉하도록 요철(18)을 단면 삼각형의 돌조(突條; 돌출줄기)로 해도 되고, 제2 냉각 스테이지(14)와 띠형상으로 면접촉하도록 요철(18)을 단면 사다리꼴의 돌조로 해도 된다.The
본 실시형태에서는 전열완충재(16)에서의 제2 냉각 스테이지(14)와의 접촉면에 요철(18)을 형성하였으므로, 전열완충재(16)와 제2 냉각 스테이지(14)의 접촉면적이 작아진다. 이에 의해, 전열완충재(16)와 제2 냉각 스테이지(14)가 전면 접촉 하고 있는 경우에 비해 열류의 조리개기능이 강화되므로, 제2 냉각 스테이지(14)에서의 온도 진폭이 He응축부(420)에 전달되는 것을 억제하는 것이 가능하게 된다. 따라서, 피냉각물의 안착면에서의 온도 진폭을 저감할 수 있다.In this embodiment, since the unevenness |
본 실시형태에서는 전열완충재(16)의 제2 냉각 스테이지(14)와의 접촉면에 요철(18)을 형성하였지만, 제2 냉각 스테이지(14)의 전열완충재(16)와의 접촉면에 요철을 형성해도 된다. 또한, 전열완충재(16)의 He응축부(420)와의 접촉면에 요철을 형성해도 되고, He응축부(420)의 전열완충재(16)와의 접촉면에 요철을 형성해도 된다. 즉, 제2 냉각 스테이지(14) 또는 He응축부(420)와, 전열완충재(16)의 접촉면에 요철이 형성되어 있으면 된다. 어떤 경우에서도, 제2 냉각 스테이지(14)에서의 온도 진폭이 He응축부(420)에 전달되는 것을 억제하는 것이 가능하게 된다. 따라서, 피냉각물의 안착면에서의 온도 진폭을 저감할 수 있다.In this embodiment, although the unevenness |
(제5 실시형태)(Fifth Embodiment)
다음에, 본 발명의 제5 실시형태에 관한 냉동기에 대해 설명한다.Next, the refrigerator which concerns on 5th Embodiment of this invention is demonstrated.
도 9는 본 실시형태에 관한 냉동기의 He응축부 근방에서의 개략 구성도이다. 본 실시형태에 관한 냉동기는, He응축부(520)에 장착된 온도 센서(64) 및 히터(66), 온도 센서(64)의 측정결과에 기초하여 히터(66)를 구동하는 제어부(62)를 구비한 것이다. 제1 실시형태와 마찬가지의 구성이 되는 부분에 대해서는 그 상세한 설명을 생략한다.9 is a schematic configuration diagram near the He condensation portion of the refrigerator according to the present embodiment. The refrigerator which concerns on this embodiment is the
본 실시형태에서는, He응축부(520)에서의 피냉각물(40)의 안착면의 근방에 온도 센서(64)가 장착되어 있다. 또한, He응축부(520)에는 전열선 등을 구비한 히 터(66)가 장착되어 있다. 이들 온도 센서(64) 및 히터(66)는 제어부(62)에 접속되어 있다. 제어부(62)는 온도 센서(64)의 측정결과에 기초하여 히터(66)를 구동하게 되어 있다. 즉, 온도 센서(64)의 출력신호를 히터(66)의 구동 전류로 변환하고, 또한 히터(66)에 귀환 전류를 흘려 보냄으로써 그 발열에 기인하는 온도의 맥동이 최소가 되도록 제어를 한다.In this embodiment, the
구체적으로는, 우선 피냉각물(40)의 안착면의 설정온도와 온도 센서(64)의 측정온도를 비교한다. 측정온도가 설정온도를 밑돈 경우에는, 히터를 구동하여 He응축부(520)를 가열한다. 이에 의해, 피냉각물(40)의 안착면의 온도를 상승시켜 설정온도로 복귀시키는 것이 가능하게 된다. 따라서, 피냉각물(40)의 안착면에서의 온도 진폭을 저감할 수 있다.Specifically, first, the set temperature of the mounting surface of the object to be cooled 40 and the measurement temperature of the
본 발명의 기술범위는 상술한 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위에서 상술한 실시형태에 여러가지 변경을 추가한 것을 포함한다. 즉, 실시형태에서 든 구체적인 재료나 구성 등은 극히 일례에 불과하며 적절히 변경이 가능하다.The technical scope of this invention is not limited to embodiment mentioned above, Comprising: Various changes were added to embodiment mentioned above in the range which does not deviate from the meaning of this invention. That is, the specific material, structure, etc. which were mentioned in embodiment are only an example, and can be changed suitably.
피냉각물의 안착면에서의 온도 진폭의 저감이 가능하고, 또한 피냉각물의 균일하고 안정된 냉각이 가능한 냉동기를 제공할 수 있다.It is possible to reduce the temperature amplitude on the seating surface of the object to be cooled, and to provide a refrigerator capable of uniform and stable cooling of the object to be cooled.
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