JP3608296B2

JP3608296B2 - Low temperature device

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Publication number: JP3608296B2
Application number: JP16127396A
Authority: JP
Inventors: 栄治名取; 達也下田; 武富上川; 節也岩下
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1996-06-21
Filing date: 1996-06-21
Publication date: 2005-01-05
Anticipated expiration: 2016-06-21
Also published as: JPH109700A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷凍機を用いた通信機器、科学機器や情報機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近通信機器、科学機器、情報機器等の高性能化に伴い、高性能化に重要な役割を持つデバイスを低温環境で使うことが検討されている。それは低温環境にすることにより、周知の如く極めて優れた性能を持つ超電導デバイスを使えるだけでなく半導体デバイスも低雑音化、高速化、高集積化が図れるためである。
【０００３】
低温環境にするための冷却装置は開サイクルタイプと閉サイクルタイプの２種類に大別できる。開サイクルタイプはいわゆる寒剤冷却である液体窒素や液体ヘリウムを用いる液体冷媒冷却、固体アルゴンやメタン等の昇華潜熱を利用する固体冷媒冷却と宇宙空間の様な低温シンクを利用し受動的に機能する放射冷却がある。通常開サイクルタイプによるデバイスの冷却には電子情報通信学会、信学技報、ＭＷ−９３−７、ｐｐ３９（１９９３）と電子情報通信学会論文誌、Ｖｏｌ．Ｊ７５−Ｃ−ＩＩ、Ｎｏ．１１、ｐｐ７２９（１９９２）に述べられている様に液体窒素中または液体ヘリウム中にデバイスを浸漬する方法が用いられている。但しこの方法は実験室レベルであり実用化に向けては大型の装置を除き検討されていない。
【０００４】
閉サイクルタイプにはスターリングサイクル（ＳＴ）、ギフォード・マクマホンサイクル（ＧＭ）、ビルマイヤサイクル（ＶＭ）、ジュール・トムソンサイクル（ＪＴ）、ブレイトンサイクル（ＢＲ）、パルスチューブサイクル等がある。これらの構造は未踏科学技術協会新超伝導材料研究会の宇宙用超伝導技術の平成元年度調査研究（その２）ｐ３１４〜３３０に述べられている。近年は使用場所の制約が少なく、冷却温度を容易に変えられる後者の閉サイクルタイプが注目されている。中でも冷却効率が最も高いスターリングサイクルは小型化が期待されている。この閉サイクルタイプによるデバイスの冷却は図８に示す様に閉サイクル冷凍機（シングルヘッド）の冷却ヘッド６２にデバイス６３を直接固定して行なうものである。またデバイス６３の周囲即ちガラス６５と外枠６４の内部は真空に保持され断熱を行なっている。尚この方法は電子情報通信学会、信学技報、ＭＷ９４−１４３、ｐｐ９（１９９５）に詳細が述べられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の閉サイクル冷却装置を用いた低温デバイス装置は以下の様な問題を有していた。
【０００６】
（１）ピストン、クランク、ディスプレーサーなど高速で摺動する機構を持つスターリングサイクル、ギフォードマクマホンサイクル、ビルマイヤーサイクル等は冷却ヘッドに於ける振動が大きくデバイスの特性劣化を招いていた。特に冷却効率が高く小型化が可能で民生機器への普及も期待されるスターリングサイクルは振動が大きい。
【０００７】
（２）閉サイクル冷凍機を小型化すると冷却ヘッドも小さくなるため冷却できるデバイスの面積が少なくなる。ちなみに現在市販されている小型冷凍機の冷却ヘッドの面積は１〜２ｃｍ^２程度である。故にデバイスの設計が制約される。例えば超電導フィルター、超電導ミクサ、超電導アンテナ、超電導共振器、超電導遅延回路等超電導の際だった特徴である抵抗ゼロ・完全反磁性・量子効果を活かし他のデバイスの追従を許さないデバイスを組み合わせると理想的な低温デバイス装置が得られるが小型冷凍機を用いると超電導アンテナ、超電導ミクサー、超電導フィルターの搭載が限度となる。ちなみにＴ．ＩＥＥＪａｐａｎ，Ｖｏｌ．１１３−Ｄ，Ｎｏ．８（１９９３）では超電導ミクサと超電導フィルターが第４１回応用物理学関係連合講演会（１９９４年）、講演予稿集、２９ａ−ＺＶ−６では超電導アンテナと超電導ミクサのモノリシック化が報告されている。しかし超電導アンテナ、超電導ミクサー、超電導フィルターの３デバイスをモノリシック化した報告は無い。
【０００８】
（３）閉サイクル冷凍機の冷却能力は冷媒の量に比例するため小型化すると冷却能力は低下する。その場合如何に熱浸入を抑えるかがポイントとなる。
【０００９】
▲１▼（２）に於て超電導デバイスの優れていることを述べたが残念ながら臨界温度が高い酸化物超電導体を用いた超電導デバイスには顕著な増幅機能は無い。故に増幅機能を付加するには半導体デバイスを用いる必要があるが周知の如く半導体デバイスを用いると増幅用の半導体デバイスは発熱量が多いため冷却到達温度が高くなると共に発熱量の変動により温度制御が困難になる。超電導デバイスは動作温度に敏感であり特に臨界温度を越えると全くデバイスとして機能しないため致命的な問題となる。
【００１０】
▲２▼室外で用いる場合は熱線（赤外線）と可視光線の影響がある。熱線がデバイスに照射されると温度の上昇が起こる。また可視光線のエネルギーは酸化物超電導体のエネルギーギャップより大きいため超電導デバイスに照射されるとクーパー対が破壊されデバイス機能を持たなくなる。これらの電磁波の遮断は金属でデバイスの周部を覆おうことにより可能であるが電磁波を検出または放射するデバイスには用いることは出来ない。
（４）小さい冷却ヘッドの限られた面積の中に特性の異なるデバイスをモノリシック化すると相互干渉により性能が低下することが多々見られる。その１つに送信デバイスと受信デバイスがある。送信デバイスの強い信号が近傍の受信デバイスに入ると当然ノイズとなり性能は大幅に低下する。
【００１１】
（５）アンテナの利得Ｇは
Ｇ＝η ×Ｄ
で表される。ここでηは放射効率、Ｄは指向性利得である。式から分かるように指向性を強くすることによりアンテナの利得は向上する。超電導体をアンテナに用いると、いわゆる超指向性アンテナが出来る。しかし指向性を強くすると電磁波の来る方位が分からない場合や移動体の様にアンテナの方向が刻々と変わる場合は効率の良い方向にアンテナを向けないと逆に利得は大幅に低下する事になる。
本発明は以上述べた問題点を解決するものであり、民生機器への普及も可能である小型で高性能な低温デバイス装置を得んとするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するため、本発明の低温デバイス装置は
（１）振動を打ち消しあう方向に連結した冷却ヘッドを有する２台の閉サイクル型冷凍機、
前記閉サイクル型冷凍機の一方の前記冷却ヘッドに固定された送信用デバイス、
前記閉サイクル型冷凍機の他方の前記冷却ヘッドに固定された受信用デバイス、
前記送信用デバイスの周部と前記受信用デバイスの周部のそれぞれの一部に配置された電磁波を遮蔽する材料からなる外枠を有することを特徴とする。
（２）振動を打ち消しあう方向に連結した冷却ヘッドを有する複数の閉サイクル型冷凍機、
各々の冷却ヘッドに接合し、前記各々の冷却ヘッドを連結した、無酸素銅に金メッキを施した一体の冷却ステージ、
該一体の冷却ステージの表面に固定されたデバイス、
前記一体の冷却ステージの裏面に接合した蓄冷体、
を有することを特徴とする。
（３）内枠に接合したデバイス、
該デバイスを覆うように内枠に接合した可視光吸収フィルター、
前記内枠に接合した冷却ヘッド、
前記可視光吸収フィルター、前記内枠、及び前記冷却ヘッドの周部を高真空に維持した断熱室、
該断熱室上に配置された赤外線吸収フィルター、
を有する低温デバイス装置において、
前記可視光吸収フィルターと前記内枠とが金属シートを挟んで固定されたことを特徴とする。
（４）キャビティーを構成する内枠に固定された永久磁石、
該永久磁石に係合したローター、
該ローター上に固定したデバイス、
前記内枠に接合した冷却ヘッド、
前記キャビティーの内部に密閉し、前記デバイスの動作温度より低い沸点を有する不活性ガス、酸素、窒素、またはそれらの混合ガス、
前記キャビティーの周部を高真空に維持した断熱室、
を有することを特徴とする。
（５）アンテナを有する通信用デバイスを固定した回転機構、
前記通信用デバイスの周部に該通信用デバイスの動作温度より低い沸点を有する不活性ガス、酸素、窒素、またはそれらの混合ガスを密閉したキャビティー、
該キャビティーに接合した冷却ヘッド、
前記キャビティーの周部を高真空に維持した断熱室、
を有する低温デバイス装置において、
必要なアンテナの指向位置においてデバイスの回転を停止させる制御機能を設けたことを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、実施例に従って本発明を詳細に説明していく。
【００１４】
（実施例１）
本発明よりなる低温デバイス装置の部分断面図を図１に示す。２つのインテグラル型スターリングサイクル１ａ、１ｂを互いに振動を打ち消し合う方向、本実施例ではほぼ圧縮機ピストンの動作方向に連結し２つの冷却ヘッド２ａ，２ｂを有する閉サイクル冷凍機を得る。振動を効率良く抑えるため単なる連結ではなく外部ケースを一体にしている。また作動時には振動を抑制させるため２つのインテグラル型スターリングサイクル１ａ、１ｂの振動が互いに干渉し減衰する振動モードになる様に圧縮機の駆動タイミングを同期させる。尚連結方向をほぼ圧縮機ピストンの動作方向としたのは圧縮機ピストンの振動がメインであるが摺動部は他にもあり、更に冷凍機の形状と重心も振動に影響を与えるため全体の振動バランスを考慮すると多少ずれるためである。インテグラル型はスプリット型に比べて小型化が可能な反面振動が大きいのが特徴であり、振動を抑えると有効な冷凍機となる。
【００１５】
次に冷却ヘッド２ａに超電導デバイス３ａを一方の冷却ヘッド２ｂに半導体デバイス３ｂを低融点金属であるＩｎ−Ｇａ合金で接着固定する。ここでＩｎ−Ｇａ合金で接着するのは熱伝導性を良くして効率良く冷却するためである。次にそれぞれのデバイス３ａ、３ｂの周部をステンレススチールからなる外枠４ａと石英ガラスからなる４ｂで覆う。通常この様に外枠を２種類に分けるのは電磁波検出を目的とした場合でありそれを除くと金属で一体に形成しても良い。次に内部を１０^−４Ｔｏｒｒ以下の圧力に真空引きした後密閉し高真空に保持した断熱室７０を構成して低温デバイス装置を得る。断熱室７０を高真空に維持するには極力部品を一体に作り、ハーメチックシールや溶接の様に気密性の高い接合方法により部品間を接合する。パッキンを用いる場合は排気システムを付加することが好ましい。尚図中では配線は省略している（以下の実施例も同様）。
【００１６】
【表１】

【００１７】
得られた低温デバイス装置の冷却ヘッド２ａ，２ｂに於ける振動とデバイス動作時に於ける到達温度を測定した。振動は加速度を測定し評価した。結果をそれぞれ表１と表２に示した。
【００１８】
表１から判るように本実施例は２つのインテグラル型スターリングサイクル１ａ、１ｂを互いに振動を抑制する方向に連結し且つ振動が干渉により減衰する駆動タイミングで作動しているため振動が大幅に少なくなっている。冷却ヘッドを１つにして圧縮機ピストン部のみ２つ連結する方法も考えられるが振動を発生する摺動部は圧縮機ピストンだけではなく振動は抑制されるが全体的にバランスが取れないため本実施例より効果は少ない。また圧縮機ピストンのみ２つ連結する方法は１つの圧縮ピストンは冷却に関係無いため無駄が生ずる。
【００１９】
【表２】

【００２０】
表２から半導体デバイス側の方が到達温度が高い、即ち冷却されないことが判る。これは半導体デバイスを作動させることにより半導体デバイスが発熱しているためである。半導体デバイスを作動しない時は６０Ｋであるため作動の有無により１５Ｋの差が生まれ、これは動作温度のバラツキに繋がる。この温度のバラツキは半導体デバイスでは特性に殆ど影響を与えないが超伝導デバイスでは臨界電流が変わり、さらには非超電導体へと相転移する場合もあるため特性に大きな影響を与える。即ち同じ冷却ヘッドに超伝導デバイスと半導体デバイスを同時に搭載すると半導体デバイスの発熱により超伝導デバイスに悪い影響を与えるため、冷却能力の低い小型冷凍機に超伝導デバイスと半導体デバイスを搭載する場合は冷却ヘッドを別々にする必要がある。この様に本実施例は振動の抑制だけでなく超伝導デバイスと半導体デバイスの特徴を共に活かすことが出来る。
【００２１】
（実施例２）
実施例１により得た冷凍機の冷却ヘッド２ａ、２ｂに５素子スーパーゲインアンテナ（超利得アンテナ）、超電導ミクサ等を形成した超電導デバイス３ａ、３ｂを指向方位を４５°〜９０°ずらして冷却ヘッド２ａ、２ｂにＩｎ−Ｇａにより接合固定する。次に実施例１と同様に超電導デバイス３ａ、３ｂの周部をステンレススチールからなる外枠４ａと石英ガラスからなる外枠４ｂで覆い、更に内部を１０^−４Ｔｏｒｒ以下の圧力に真空引きし断熱室７０を構成して低温デバイス装置を得る。
【００２２】
得られた通信用低温デバイス装置の指向性を図２に示す。左が超電導デバイス３ａ、右が超電導デバイス３ｂの指向性であり最大（外周円）で１５ｄＢである。図から判るように超利得アンテナの指向性は強く利得が高い反面超利得アンテナ単独では直角方向では逆に極めて利得が低くなる。それを本実施例の様に指向をずらして２つ配置することにより欠点を補うことが出来る。超利得アンテナは給電を逆にすると指向性を反転できるため１８０°の方向は問題ない。尚本実施例では２方向の指向性で説明しているが冷凍機を更に連結し多方向に超利得アンテナを配置すると更に効率を良くすることが出来る。
【００２３】
また受けた電磁波の電界強度の強い方の超利得アンテナ、または通信する相手の位置が判っている場合最も指向の合った超利得アンテナを選択して用いるとより効率の良い通信が可能になる。更に人、装置の有る方向を避ける様に超利得アンテナを選択すると電磁波の存在する範囲を必要最小限にできるため最近の問題となっている電磁波による脳障害や電子機器の誤動作防止に有効となる。
【００２４】
（実施例３）
実施例２と同様に実施例１により得た冷凍機の冷却ヘッド２ａ、２ｂに５素子スーパーゲインアンテナ（超利得アンテナ）、超電導ミクサ等を形成した超電導デバイス３ａ、３ｂを冷却ヘッド２ａ、２ｂにＩｎ−Ｇａにより接合固定する。超電導デバイス３ａは発信用デバイス、超電導デバイス３ｂは受信用デバイスである。次に超電導デバイス３ａ、３ｂの周部をステンレススチールからなる外枠４ａと石英ガラスからなる４ｂで覆い、更に内部を１０^−４Ｔｏｒｒ以下の圧力に真空引きし断熱室７０を構成して低温デバイス装置を得る。
【００２５】
得られた低温デバイス装置の通信実験を電波暗室に於て行なったところ超伝導デバイス３ａと３ｂには十分な間隔があるため互いの干渉による性能低下はなかった。また間隔が有るとシールドも容易に図れる。
【００２６】
（実施例４）
本発明よりなる低温デバイス装置の部分断面図を図３に示す。２つのインテグラル型スターリングサイクルを互いに振動を打ち消し合う方向に連結し閉サイクル冷凍機１０を得る。実施例１では外枠４ａを取り付けるフランジは別々にあったが本実施例では一体となっている。
【００２７】
次に冷却ヘッド１２ａと１２ｂに無酸素銅に金メッキを施した冷却ステージ１６をＩｎ−Ｇａ合金で接合し冷却ヘッド１２ａと１２ｂを連結する。次に冷却ステージ１６の裏面に高比熱金属からなる蓄冷体１７を、表面に超電導デバイス１３ａ、１３ｂをＩｎ−Ｇａ合金で接合する。ここで冷却ステージ１６に無酸素銅を用いたのは熱伝導性に優れた無酸素銅を用いることにより効率良く超電導デバイス１３ａ、１３ｂを冷却するためであり、金メッキは酸化による熱伝導率の低下、熱射出率の増加を抑制するためである。また蓄冷体１７は外部からの熱浸入など温度ゆらぎによる冷却ステージ１６の温度変動を抑制する働きをする。
【００２８】
次に超電導デバイス１３ａ、１３ｂの周部をステンレススチールからなる外枠１４ａと石英ガラスからなる外枠１４ｂで覆い、更に内部を１０^−４Ｔｏｒｒ以下の圧力に真空引きし断熱室７０を構成して低温デバイス装置を得る。
【００２９】
得られた低温デバイス装置の冷却ステージ１６の７７Ｋに於ける温度分布を電波暗室内で測定した。結果を１つの冷却ヘッドに本実施例と同一面積の冷却ステージ１６を接合した比較例と共に表３に示した。
【００３０】
【表３】

【００３１】
表から判るように本実施例によると広い面積を有する冷却ステージ１６の温度分布を少なく出来る。即ち広い面積の超電導デバイス１３ａ、１３ｂを使うことが出来、超電導ミクサ、超電導アンテナ、超電導フィルター、超電導共振器、超電導遅延回路等のモノリシック化が可能になる。
【００３２】
また振動を抑制するため必然的に長くなったスターリングサイクルの連結方向に冷却ステージ１６を長くしてデバイスを搭載する面積を広くしているため空間を有効に利用しデバイスの搭載面積を稼ぐことが出来る。即ち小型化が図れる。
【００３３】
以上の実施例ではスターリングサイクルを用い説明したがギフォードマクマホンサイクル、ビルマイヤーサイクル等ピストン、クランク、ディスプレーサーなど高速で摺動する機構を持つサイクルであれば効果は同じである。
【００３４】
（実施例５）
本発明よりなる低温デバイス装置の部分断面図を図４に示す。冷却ヘッド２２に接合した内枠２８、内枠２８に接合した超電導デバイス２３、超電導デバイス２３を覆うように内枠に２８に接合した可視光吸収フィルター２９ａ、更に其れらを覆うように形成した外枠２４ａ、赤外線吸収フィルター（赤外線反射フィルターでも良い）２９ｂと電磁波遮断層２９ｃを形成した外枠２４ｂと断熱室７０により構成される。
【００３５】
本実施例のポイントは次の通りである。スターリングサイクルの冷却ヘッド２２に無酸素銅に金メッキを施した内枠２８をＩｎ−Ｇａ合金で接合し、該内枠２８の内部に超電導アンテナと超電導ミクサ等を形成した超電導デバイス２３を同じくＩｎ−Ｇａで接合する。更に超電導デバイス２３を覆うように可視光吸収フィルター２９ａを内枠２８に固定する。この可視光吸収フィルター２９ａは内枠２８に固定することにより超電導デバイス２３と同様に内枠２８を通して冷却せしめられる。尚可視光吸収フィルター２９ａと内枠２８を強固に接合すると可視光吸収フィルター２９ａが内枠２８との線膨張係数の違いにより降温または昇温時に割れるため熱伝導性が良く軟らかい金属シートを可視光吸収フィルター２９ａと内枠２８の間に挟み機械的に固定している。次に内枠２８と可視光吸収フィルター２９ａの周部をステンレススチールからなる外枠２４ａと赤外線（熱線）吸収フィルター２９ｂと電磁波遮断層２９ｃを形成した石英ガラスからなる外枠２４ｂで覆う。電磁波遮断層２９ｃはＡｌ、Ａｇ、Ｃｕ等電磁波を遮断し且つ熱放射の射出率が少ない材料を蒸着して形成する。尚熱放射の射出率は鏡面で有るほど少ないが平坦性の良い石英ガラスに金属を蒸着すると良い鏡面が得られる。更に内部を１０^−４Ｔｏｒｒ以下の圧力に真空引きし断熱室７０を構成して低温デバイス装置を得る。
【００３６】
得られた低温デバイス装置の冷却ヘッドの到達温度と温度バラツキ、１０ＧＨｚのマイクロ波を照射した時のシャピロステップの形状をオープンサイト（太陽下）に於て評価した。
【００３７】
【表４】

【００３８】
結果を可視光吸収フィルター、赤外線吸収フィルター共に形成しない場合（比較例１）、内枠に可視光吸収フィルターのみ形成した場合（比較例２）、外枠に赤外線吸収フィルターのみ形成した場合（比較例３）、内枠に赤外線吸収フィルターのみ形成した場合（比較例４）、外枠に可視光吸収フィルターのみ形成した場合（比較例５）、内枠に赤外線吸収フィルター、外枠に可視光吸収フィルターを形成した場合（比較例６）、外枠に赤外線吸収フィルターと可視光吸収フィルターを形成した場合（比較例７）、金属の外枠で完全に覆った場合の比較例と共に表４に示した。尚表４の中の○は明瞭なシャピロステップ、△は鈍りがあるシャピロステップ、×はシャピロステップなしを示す。
【００３９】
表に示す様に超電導デバイス２３の周囲を冷却した可視光吸収フィルター２９ａで、更にその外周を断熱室７０を介して赤外線吸収フィルター２９ｂで覆うことにより太陽下でも超電導デバイス２３の冷却温度を安定させ且つ明瞭なシャピロステップを得ることが出来る。この理由を説明する。先ず温度バラツキに関しては、実施例、比較例３、比較例７の様に赤外線吸収フィルター２９ｂを断熱室７０の外に配したものが最も温度バラツキが少なく太陽光を全く通さない金属の外枠のみからなる比較例８とほぼ同等となっている。比較例４と比較例６の様に断熱室７０の内部に赤外線吸収フィルターを配したものは赤外線吸収フィルターを全く用いないものより温度バラツキは少ないものの効果は顕著ではない。これは赤外線吸収フィルターは赤外線を吸収して赤外線を透過させないが自体は赤外線を吸収することにより発熱する、その時前者は断熱室７０により熱の内部への浸入を抑制するが後者は熱が遮断されないため内枠２８を通して冷却ヘッド２２や超電導デバイス２３の温度を変化させるためである。シャピロステップの波形に関しては可視光吸収フィルターを用いない比較例１、比較例３、比較例４はシャピロステップが見られない。これは超電導体のエネルギーギャップより大きいエネルギー（ｈν）の可視光が超電導デバイス２３に入射することにより超電導体のクーパー対が破壊され量子効果が現れないためである。また可視光吸収フィルターを用いたものでも実施例２、実施例５、実施例６、実施例７は明瞭なシャピロステップが現れていない。これは太陽光の赤外線入射による温度上昇により超電導状態が不安定になったためと外枠や外枠に形成したフィルターからの熱放射によるものである。物体から射出される電磁波の波長は
λ＝ｂ／Ｔｂ＝０．２８９ｃｍＫＴ：絶対温度
で表わされる。この式から太陽下に於ける外枠またフィルターの温度５０℃を当てはめると数μｍの電磁波が射出されていることが判る。石英ガラスやフィルターの射出率は高い（ちなみに石英ガラスの射出率は約０．９５）ためこの電磁波の放射がシャピロステップの波形を鈍らしているものと考えられる。
【００４０】
またそのエネルギーは
Ｓ＝σＴ^４ σ＝５．６７×１０^ー１２Ｗ・ｃｍ^−２ｄｅｇ^−４
で表される。この式から温度の４乗に比例して低くなることが判る。即ち実施例の様にフィルターを冷却することにより射出される電磁波の波長は長波長になり、さらにエネルギーが極めて少なくなる。実施例では冷却しているのは可視光吸収フィルター２９ａであるが可視光吸収フィルター２９ａの用いられているガラス基板はちょうど外枠２４ｂや外枠２４ｂに形成した赤外線吸収フィルター２９ｂ等からの電磁波を吸収するため明瞭なシャピロステップが出ているものと考えられる。以上の点を鑑みると断熱室７０の外に赤外線吸収フィルター２９ｂを断熱室７０の内に冷却した可視光吸収フィルター２９ａを形成することが最も良いことが判る。
【００４１】
（実施例６）
本発明よりなる低温デバイス装置の部分断面図を図５に示す。冷却ヘッド３２に接合した内枠３８ａと該内枠３８ａに接合した内枠３８ｂにより形成したキャビティー３９、該キャビティー３９の内部に内枠３８ａに固定された永久磁石４１、永久磁石に係合したローター４２、ローター４２上に固定された超電導デバイス３３、超電導デバイス３３周囲を覆う熱伝導ガス４０、そしてキャビティー３９の周部に配した外枠３４ａ、３４ｂ、断熱室７０より構成される。
【００４２】
本実施例のポイントは次の通りである。Ｎｉ−Ｆｅ系合金（パーマロイ）、Ｃｏ−Ｆｅ系合金（パーメンジュール）、純鉄など高透磁率材料からなる円筒状の内枠３８ａの内面に多極着磁をしたリング状Ｐｒ−Ｆｅ−Ｂ系の永久磁石４１を固定する。ここで内枠３８ａに高透磁率材料を用いたのは超電導デバイス３３への磁束の漏洩を極力少なくするためであり、Ｐｒ−Ｆｅ−Ｂ系永久磁石を用いたのは多分野に応用されているＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系永久磁石は低温領域に於てスピンの再配列があり冷却することにより性能が低下するがＰｒ−Ｆｅ−Ｂ系永久磁石は相転移がなく冷却する程磁気性能は高くなるためである。次に永久磁石４１にローター４２を係合する。ローター４２にはヨークにコイルが巻かれているためコイルに制御電流を流すことにより所定の条件で回転するステップモーターとなる。尚回転をより精密に制御する場合はエンコーダーを用いてもよい。次にローター４２に超電導デバイス３３を固定する。ローター４２他からの磁束の漏洩があり超電導デバイス３３に影響を与える場合は漏洩場所に超電導体を配すると磁束を排除出来る。また回転機構をステップモーターで説明したが、これに限定されるものではなく、例えば超電導体のピンニング効果による磁石化やマイスナー効果による磁気浮上を利用すると回転抵抗の少ないアクチュエーターを形成出来る。
【００４３】
次に石英ガラスから成る内枠３８ｂを内枠３８ａに接合しキャビティー３９を形成する。更にキャビティー３９の内部を真空引きした後にＨｅ、Ｎｅ、Ａｒ、酸素、窒素単体またはそれらの混合ガスからなる熱伝導ガス４０を注入し密閉する。但し用いる熱伝導ガス４０は超電導デバイス３３の動作温度より低い沸点を有する必要がある。熱伝導ガス４０の中では沸点が低く熱伝導性の優れたＨｅやＮｅが好ましい。次にキャビティー３９を冷凍機の冷却ヘッド３２にＩｎ−Ｇａで接合し更に前記実施例と同様に周囲をステンレススチールからなる外枠３５ａと石英からなる外枠３５ｂ、断熱室７０で覆い低温デバイス装置を得る。
【００４４】
超利得アンテナは指向性が強く利得が高い反面指向に対して直角方向は極めて利得が低いことを前述したが本実施例では超電導デバイス３３を自由に回転出来るため必要な時に必要な方向に自由に指向を調整することが出来る。即ち電磁波の受信方向に関係なく超利得アンテナの利点を最大限に引き出すことが出来る。
【００４５】
尚本実施例では冷却に閉サイクル冷凍機を用いているがキャビティー３９と断熱室７０の間に液体窒素や液体ヘリウムを入れる開サイクル冷凍機を用いても何等差し支えない。
【００４６】
（実施例７）
本発明よりなる低温デバイス装置の部分断面図を図６に示す。本実施例のポイントは電磁波を透過する石英からなる外枠５４ｂをドーム状に形成したことと該ドームの半径中心部かその近傍にデバイス５３を配したことにある。デバイス５３が大面積であり様々な素子を形成してある場合はデバイス５３の中でも電磁波を直接検出するアンテナをドームの半径中心近傍に配する。
【００４７】
前述の実施例（１〜６）や従来例では電磁波を透過する外枠４ｂ、１４ｂ、２４ｂ、３４ｂ、６５にフラットなガラスを用いている。しかしフラットな場合電磁波の入射してくる角度が変わると電磁波の反射率と透過するガラスの厚さが異な
りアンテナに入る電磁波の電界強度が変わる。特にガラス面に対して垂直に入射する場合は良いが低角度になると電磁波の電界強度は少なくなる。その点本実施例の用に電磁波を透過する外枠５４ｂをドーム状に形成し、ドームの半径中心部かその近傍にアンテナを配したことにより電磁波の入射する角度が変わっても反射率やガラスの厚さ等電磁波の入射条件が一定になり安定した電界強度となる。尚図６ではドーム状にしたのは外枠５４ｂのみであるがフィルターを用いる場合はフィルターもドーム状にした方が好ましい。また図７に示す用にレンズ（図７では超半球レンズ）を用いて電磁波を収束させる場合はアンテナではなくレンズをドームの半径中心部かその近傍に配する。
【００４８】
【発明の効果】
本発明は、以上説明した様に構成されているので、以下に記載される様な効果を奏する。
【００４９】
２台以上の閉サイクル型冷凍機を互いに振動を打ち消し合う方向に連結したことにより低い振動の冷凍機を得られ、それに搭載するデバイスの振動による性能の低下を抑制出来る。また振動を抑制するためだけの連結ではなく各々の冷却ヘッドには特性の異なるデバイスを搭載しているため下記の様に各々のデバイスの特徴を最大限に引き出すことが出来る。（１）送信用デバイスと受信用デバイスを別々の冷却ヘッドに搭載したことにより互いの干渉による性能の低下を抑制出来る。（２）半導体デバイスと超電導デバイスを別々の冷却ヘッドに搭載したことにより冷却能力の少ない小型冷凍機でも超電導デバイスは半導体デバイスの発熱による影響を受けないため性能の低下はない。（３）指向性の異なるアンテナをそれぞれの冷却ヘッドに配したため、例えば指向性の強い超利得アンテナを用いても多方位に渡り利用出来る。また都度必要な指向のアンテナを選択すると効率の良い通信が可能になるだけでなく人や装置の有る方向を避ける様にアンテナを選択すると電磁波の存在する範囲を必要最小限にできるため最近の問題となっている電磁波による脳障害や電子機器の誤動作防止に有効となる。
【００５０】
またそれぞれの冷却ヘッドを冷却ステージにより連結することにより温度分布の少ない広い面積の冷却ステージを確保出来る。即ち広い面積のデバイスを使うことが出来、例えば超電導デバイスでは超電導ミクサ、超電導アンテナ、超電導フィルター、超電導共振器、超電導遅延回路等のモノリシック化が可能になる。
【００５１】
また振動を抑制するため必然的に長くなったサイクルの連結方向に冷却ステージを長くしてデバイスを搭載する面積を広くしているため空間を有効に利用して小型化が図れる。
【００５２】
また超電導デバイスの周囲を超電導デバイスと同様に冷却した可視光吸収フィルターでさらにその外周を断熱室を介して赤外線吸収フィルターで覆ったことにより冷却能力の低い小型冷凍機を用いても安定して冷却でき動作温度に敏感な超電導デバイスを安定して使うことが出来る。更に輻射など必要外の電磁波の超電導デバイスへの入射を抑制できるため鈍りのない出力信号波形を得ることが出来る。
【００５３】
また超電導デバイスを自由に回転出来るため必要な時に必要な方向に自由に指向を調整することが出来る。即ち電磁波の受信方向に関係なく超利得アンテナの利点を最大限に引き出すことが出来る。将来イリジューム計画、テレデシック計画など衛星通信が計画されているがこれらは低軌道衛星で静止衛星ではなく追尾の必要がある。本実施例によればそれらに用いる通信装置として容易に対応がとれる。
【００５４】
更に電磁波を透過し真空断熱を行なう外枠と所定の電磁波を反射または吸収するフィルターをドーム状に形成し、そのドームの径中心近傍にアンテナ、ミクサまたは電磁波を収束するレンズを配したことにより検出部への電磁波の照射を均一にし利得の向上が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明よりなる第１の実施例に於ける低温デバイス装置の部分断面図。
【図２】本発明よりなる第２の実施例に於ける低温デバイス装置のアンテナの指向性を示す図。
【図３】本発明よりなる第４の実施例に於ける低温デバイス装置の部分断面図。
【図４】本発明よりなる第５の実施例に於ける低温デバイス装置の部分断面図。
【図５】本発明よりなる第６の実施例に於ける低温デバイス装置の部分断面図。
【図６】本発明よりなる第７の実施例に於ける低温デバイス装置の部分断面図。
【図７】本発明よりなる第７の実施例のレンズを用いた場合に於ける低温デバイス装置の部分断面図。
【図８】従来の低温デバイス装置の部分断面図。
【符号の説明】
１ａ、１ｂ・・・閉サイクル冷凍機
２ａ、２ｂ、１２ａ、１２ｂ、２２、３２、５２、６２・・・冷却ヘッド
３ａ、３ｂ、１３ａ、１３ｂ、２３、３３、５３、６３・・・デバイス
４ａ、４ｂ、１４ａ、１４ｂ、２４ａ、２４ｂ、３４ａ、３４ｂ、５４ａ、５４ｂ、６４・・・外枠
１６・・・冷却ステージ
１７・・・蓄冷剤
２８、３８ａ，３８ｂ・・・内枠
２９ａ・・・可視光吸収フィルター
２９ｂ・・・赤外線吸収フィルター
２９ｃ・・・遮断層
３９・・・キャビティー
４０・・・熱伝導ガス
４１・・・永久磁石
４２・・・ローター
６５・・・ガラス
７０・・・断熱室
８０・・・ドーム半径の中心
９０・・・レンズ
ｒ・・・ドーム内半径[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to communication equipment, scientific equipment and information equipment using a refrigerator.
[0002]
[Prior art]
Recently, with the improvement in performance of communication equipment, scientific equipment, information equipment, etc., it has been studied to use devices having an important role in improving performance in a low temperature environment. This is because, by using a low temperature environment, not only can a superconducting device having extremely excellent performance be used, but also a semiconductor device can be reduced in noise, speeded up, and highly integrated.
[0003]
Cooling devices for achieving a low temperature environment can be broadly classified into two types: an open cycle type and a closed cycle type. The open-cycle type functions passively by using so-called cryogen cooling liquid refrigerant cooling using liquid nitrogen or liquid helium, solid refrigerant cooling using sublimation latent heat such as solid argon or methane, and a low-temperature sink like outer space. There is radiant cooling. For the cooling of devices of the normal open cycle type, the Institute of Electronics, Information and Communication Engineers, IEICE Technical Report, MW-93-7, pp39 (1993) and the IEICE Transactions, Vol. J75-C-II, No. 11, pp 729 (1992), a method of immersing the device in liquid nitrogen or liquid helium is used. However, this method is at the laboratory level and has not been studied for practical use except for a large apparatus.
[0004]
The closed cycle type includes Stirling cycle (ST), Gifford McMahon cycle (GM), Billmayer cycle (VM), Joule Thomson cycle (JT), Brayton cycle (BR), pulse tube cycle and the like. These structures are described in the 1989 survey of space superconducting technology (part 2) p314-330 of the New Superconducting Materials Study Group of the Unexplored Science and Technology Association. In recent years, the latter closed-cycle type, which has few restrictions on the place of use and can easily change the cooling temperature, has attracted attention. Among them, the Stirling cycle with the highest cooling efficiency is expected to be downsized. The device of this closed cycle type is cooled by directly fixing the device 63 to the cooling head 62 of a closed cycle refrigerator (single head) as shown in FIG. Further, the periphery of the device 63, that is, the inside of the glass 65 and the outer frame 64 is kept in a vacuum to insulate. This method is described in detail in IEICE, IEICE Technical Report, MW94-143, pp9 (1995).
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the low temperature device using the conventional closed cycle cooling device has the following problems.
[0006]
(1) Stirling cycle, Gifford McMahon cycle, Birmeier cycle, etc., which have a mechanism that slides at high speed, such as piston, crank, displacer, etc., have large vibrations in the cooling head, leading to deterioration of device characteristics. In particular, the Stirling cycle, which has high cooling efficiency and can be miniaturized and is expected to be widely used in consumer equipment, has a large vibration.
[0007]
(2) When the closed cycle refrigerator is downsized, the cooling head is also reduced, so that the area of the device that can be cooled is reduced. By the way, the area of the cooling head of the small refrigerators currently on the market is 1-2 cm.²Degree. Therefore, the device design is limited. For example, superconducting filters, superconducting mixers, superconducting antennas, superconducting resonators, superconducting delay circuits, etc. are ideal when combined with devices that do not allow other devices to follow, making use of zero resistance, complete diamagnetism, and quantum effects, which are distinctive features of superconductivity. A low-temperature device can be obtained, but if a small refrigerator is used, the mounting of a superconducting antenna, a superconducting mixer, and a superconducting filter is the limit. By the way, T.M. IEEE Japan, Vol. 113-D, no. 8 (1993) reported the 41st Joint Physics Related Lecture Meeting on Applied Physics (1994), and the 29a-ZV-6 reported monolithic superconducting antennas and superconducting mixers. However, there are no reports of monolithic three devices: a superconducting antenna, a superconducting mixer, and a superconducting filter.
[0008]
(3) Since the cooling capacity of a closed cycle refrigerator is proportional to the amount of refrigerant, the cooling capacity decreases when the size is reduced. In that case, the point is how to suppress the heat penetration.
[0009]
(1) Although the superconducting device is excellent in (2), unfortunately a superconducting device using an oxide superconductor having a high critical temperature has no remarkable amplification function. Therefore, it is necessary to use a semiconductor device in order to add an amplification function. However, as is well known, when a semiconductor device is used, the amplification semiconductor device generates a large amount of heat, so that the temperature to reach the cooling becomes high and temperature control is possible due to fluctuations in the amount of heat generation. It becomes difficult. A superconducting device is sensitive to the operating temperature, and if it exceeds a critical temperature, it does not function as a device at all.
[0010]
(2) When used outdoors, there are effects of heat rays (infrared rays) and visible rays. The temperature rises when the device is irradiated with heat rays. In addition, since the energy of visible light is larger than the energy gap of the oxide superconductor, when the superconducting device is irradiated, the Cooper pair is destroyed and the device function is lost. These electromagnetic waves can be blocked by covering the periphery of the device with a metal, but cannot be used for a device that detects or emits an electromagnetic wave.
(4) When devices with different characteristics are monolithic within a limited area of a small cooling head, it is often seen that the performance deteriorates due to mutual interference. One of them is a transmitting device and a receiving device. When a strong signal from a transmitting device enters a nearby receiving device, it naturally becomes noise and the performance is significantly reduced.
[0011]
(5) The gain G of the antenna is
G = η × D
It is represented by Here, η is radiation efficiency, and D is directivity gain. As can be seen from the equation, the gain of the antenna is improved by increasing the directivity. When a superconductor is used as an antenna, a so-called superdirectional antenna can be formed. However, if the directivity is strengthened, if the direction of the electromagnetic wave is unknown or the direction of the antenna changes every moment like a moving object, the gain will drop significantly if the antenna is not directed in an efficient direction. .
The present invention solves the above-described problems, and aims to obtain a small and high-performance low-temperature device device that can be widely used in consumer equipment.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the low-temperature device of the present invention is
(1) Two closed-cycle refrigerators having cooling heads connected in a direction to cancel vibrations,
A transmitting device fixed to one of the cooling heads of the closed-cycle refrigerator,
A receiving device fixed to the other cooling head of the closed-cycle refrigerator,
It has an outer frame which consists of material which shields electromagnetic waves arranged in a part of each circumference of the device for transmission, and a circumference of the device for reception.
(2) A plurality of closed-cycle refrigerators having cooling heads connected in a direction to cancel vibrations,
An integrated cooling stage in which gold plating is applied to oxygen-free copper, joined to each cooling head and connected to each cooling head,
A device fixed to the surface of the integral cooling stage;
A regenerator body joined to the back surface of the integrated cooling stage;
It is characterized by having.
(3) A device joined to the inner frame,
A visible light absorption filter joined to the inner frame so as to cover the device,
A cooling head joined to the inner frame;
A heat insulating chamber in which the visible light absorption filter, the inner frame, and the periphery of the cooling head are maintained in a high vacuum;
An infrared absorption filter disposed on the heat insulation chamber;
In a low-temperature device apparatus having
The visible light absorption filter and the inner frame are fixed with a metal sheet interposed therebetween.
(4) A permanent magnet fixed to the inner frame constituting the cavity,
A rotor engaged with the permanent magnet;
A device fixed on the rotor;
A cooling head joined to the inner frame;
An inert gas, oxygen, nitrogen, or a mixed gas thereof having a boiling point lower than the operating temperature of the device, hermetically sealed in the cavity
A heat insulating chamber in which the periphery of the cavity is maintained at a high vacuum;
It is characterized by having.
(5) A rotation mechanism in which a communication device having an antenna is fixed,
A cavity in which an inert gas having a boiling point lower than the operating temperature of the communication device, oxygen, nitrogen, or a mixed gas thereof is sealed around the communication device;
A cooling head joined to the cavity;
A heat insulating chamber in which the periphery of the cavity is maintained at a high vacuum;
In a low-temperature device apparatus having
A control function for stopping the rotation of the device at a necessary antenna directivity position is provided.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail according to examples.
[0014]
(Example 1)
FIG. 1 shows a partial cross-sectional view of a low-temperature device according to the present invention. The two integral type Stirling cycles 1a and 1b are connected in a direction in which vibrations cancel each other, in the present embodiment, substantially in the direction of operation of the compressor piston, and a closed cycle refrigerator having two cooling heads 2a and 2b is obtained. In order to suppress vibration efficiently, the external case is integrated, not simply connected. In order to suppress vibration during operation, the drive timing of the compressor is synchronized so that the vibrations of the two integral type Stirling cycles 1a and 1b interfere with each other and attenuate. The connection direction is almost the direction of operation of the compressor piston, but the vibration of the compressor piston is the main, but there are other sliding parts, and the shape and center of gravity of the refrigerator also affect the vibration. This is because the vibration balance is somewhat deviated. The integral type can be downsized compared to the split type, but is characterized by large vibrations. If the vibration is suppressed, it becomes an effective refrigerator.
[0015]
Next, the superconducting device 3a is bonded to the cooling head 2a, and the semiconductor device 3b is bonded and fixed to one cooling head 2b with an In—Ga alloy which is a low melting point metal. The reason why the In—Ga alloy is used here is to improve the thermal conductivity and to efficiently cool. Next, the peripheral portions of the respective devices 3a and 3b are covered with an outer frame 4a made of stainless steel and 4b made of quartz glass. Normally, the outer frame is divided into two types in this way for the purpose of detecting electromagnetic waves. Next, inside 10^-4A low-temperature device is obtained by constructing a heat insulation chamber 70 that is evacuated to a pressure below Torr and then sealed and kept at a high vacuum. In order to maintain the heat insulation chamber 70 at a high vacuum, parts are made as much as possible, and the parts are joined by a highly airtight joining method such as hermetic sealing or welding. When packing is used, it is preferable to add an exhaust system. In the figure, wiring is omitted (the same applies to the following embodiments).
[0016]
[Table 1]

[0017]
The vibration in the cooling heads 2a and 2b of the obtained low-temperature device apparatus and the temperature reached during device operation were measured. Vibration was evaluated by measuring acceleration. The results are shown in Tables 1 and 2, respectively.
[0018]
As can be seen from Table 1, in this embodiment, the two integral type Stirling cycles 1a and 1b are connected to each other in the direction of suppressing the vibration and are operated at the drive timing at which the vibration is attenuated by the interference. It has become. Although it is conceivable to connect only two compressor pistons with a single cooling head, the sliding part that generates vibration is not limited to the compressor piston, but vibration is suppressed, but the overall balance is not achieved. Less effective than the embodiment. Further, the method of connecting only two compressor pistons is wasteful because one compression piston is not related to cooling.
[0019]
[Table 2]

[0020]
It can be seen from Table 2 that the semiconductor device side has a higher temperature, that is, it is not cooled. This is because the semiconductor device generates heat by operating the semiconductor device. When the semiconductor device is not operated, it is 60K, so that a difference of 15K is generated depending on whether or not the semiconductor device is operated, which leads to variations in operating temperature. This variation in temperature hardly affects the characteristics in the semiconductor device, but the critical current changes in the superconducting device, and further, the phase transition to a non-superconductor may greatly affect the characteristics. That is, if a superconducting device and a semiconductor device are mounted on the same cooling head at the same time, the heat generated by the semiconductor device will adversely affect the superconducting device. Need to have separate heads. As described above, this embodiment can not only suppress vibration but also make use of the characteristics of the superconducting device and the semiconductor device.
[0021]
(Example 2)
The cooling heads 2a and 2b of the refrigerator obtained according to the first embodiment have the superconducting devices 3a and 3b in which a 5-element super gain antenna (super gain antenna), a superconducting mixer, etc. are formed and the directing directions are shifted by 45 ° to 90 °. 2a and 2b are bonded and fixed by In-Ga. Next, as in Example 1, the peripheral portions of the superconducting devices 3a and 3b are covered with an outer frame 4a made of stainless steel and an outer frame 4b made of quartz glass, and the inside is further 10^-4A low temperature device is obtained by evacuating to a pressure equal to or lower than Torr to form a heat insulation chamber 70.
[0022]
The directivity of the obtained low-temperature communication device device is shown in FIG. The left is the directivity of the superconducting device 3a and the right is the directivity of the superconducting device 3b, which is 15 dB at the maximum (peripheral circle). As can be seen from the figure, the directivity of the super gain antenna is strong and the gain is high, but the gain of the super gain antenna alone is extremely low in the perpendicular direction. Disadvantages can be compensated by arranging two of them with different orientations as in this embodiment. Since the directivity of the super-gain antenna can be reversed when the feeding is reversed, the 180 ° direction is not a problem. In this embodiment, the directivity in two directions is described. However, if the refrigerator is further connected and super gain antennas are arranged in multiple directions, the efficiency can be further improved.
[0023]
In addition, if the super-gain antenna having the stronger electric field strength of the received electromagnetic wave or the position of the partner to communicate with is known, selecting and using the super-gain antenna with the best orientation enables more efficient communication. Furthermore, selecting a super-gain antenna so as to avoid the direction of people and devices can minimize the area where electromagnetic waves exist, which is effective in preventing brain damage caused by electromagnetic waves and malfunctions of electronic devices that have become a recent problem. .
[0024]
(Example 3)
Similarly to the second embodiment, the superconducting devices 3a and 3b in which the 5-element super gain antenna (super gain antenna), the superconducting mixer, etc. are formed on the cooling heads 2a and 2b of the refrigerator obtained in the first embodiment are used as the cooling heads 2a and 2b. Bonded and fixed with In-Ga. Superconducting device 3a is a transmitting device, and superconducting device 3b is a receiving device. Next, the peripheral portions of the superconducting devices 3a and 3b are covered with an outer frame 4a made of stainless steel and 4b made of quartz glass, and the inside is further made 10^-4A low temperature device is obtained by evacuating to a pressure equal to or lower than Torr to form a heat insulation chamber 70.
[0025]
When a communication experiment of the obtained low-temperature device apparatus was performed in an anechoic chamber, there was no deterioration in performance due to mutual interference because the superconducting devices 3a and 3b had a sufficient interval. Also, if there is a gap, shielding can be easily achieved.
[0026]
(Example 4)
FIG. 3 shows a partial cross-sectional view of a low-temperature device device according to the present invention. Two integral type Stirling cycles are connected in a direction in which vibrations cancel each other to obtain a closed cycle refrigerator 10. In Example 1, there were separate flanges for attaching the outer frame 4a, but in this example, they were integrated.
[0027]
Next, a cooling stage 16 in which oxygen-free copper is plated with gold is joined to the cooling heads 12a and 12b with an In—Ga alloy to connect the cooling heads 12a and 12b. Next, the regenerator 17 made of a high specific heat metal is joined to the back surface of the cooling stage 16, and the superconducting devices 13 a and 13 b are joined to the front surface with an In—Ga alloy. Here, the oxygen-free copper is used for the cooling stage 16 in order to efficiently cool the superconducting devices 13a and 13b by using oxygen-free copper having excellent thermal conductivity, and gold plating reduces the thermal conductivity due to oxidation. This is to suppress an increase in the heat injection rate. The regenerator 17 functions to suppress temperature fluctuations of the cooling stage 16 due to temperature fluctuations such as heat penetration from the outside.
[0028]
Next, the peripheral portions of the superconducting devices 13a and 13b are covered with an outer frame 14a made of stainless steel and an outer frame 14b made of quartz glass, and the inside is further 10^-4A low temperature device is obtained by evacuating to a pressure equal to or lower than Torr to form a heat insulation chamber 70.
[0029]
The temperature distribution at 77K of the cooling stage 16 of the obtained low temperature device was measured in an anechoic chamber. The results are shown in Table 3 together with a comparative example in which a cooling stage 16 having the same area as that of this embodiment is joined to one cooling head.
[0030]
[Table 3]

[0031]
As can be seen from the table, according to this embodiment, the temperature distribution of the cooling stage 16 having a large area can be reduced. That is, it is possible to use the superconducting devices 13a and 13b having a large area, and it is possible to make the superconducting mixer, the superconducting antenna, the superconducting filter, the superconducting resonator, the superconducting delay circuit, etc. monolithic.
[0032]
In addition, the cooling stage 16 is lengthened in the connecting direction of the Stirling cycle, which is inevitably long to suppress vibrations, and the area for mounting the device is widened. Therefore, it is possible to effectively use the space and increase the device mounting area. I can do it. That is, the size can be reduced.
[0033]
In the above embodiment, the Stirling cycle has been described, but the effect is the same as long as it is a cycle having a high-speed sliding mechanism such as a piston, crank, or displacer, such as a Gifford McMahon cycle or a Birmeier cycle.
[0034]
(Example 5)
FIG. 4 shows a partial cross-sectional view of a low-temperature device device according to the present invention. The inner frame 28 joined to the cooling head 22, the superconducting device 23 joined to the inner frame 28, the visible light absorption filter 29a joined to the inner frame 28 so as to cover the superconducting device 23, and further formed so as to cover them. An outer frame 24a, an infrared absorption filter (may be an infrared reflection filter) 29b, an outer frame 24b on which an electromagnetic wave shielding layer 29c is formed, and a heat insulating chamber 70 are configured.
[0035]
The points of the present embodiment are as follows. A superconducting device 23 in which a superconducting antenna and a superconducting mixer are formed in the inner frame 28 by joining an inner frame 28 in which gold-plated oxygen-free copper is joined to the cooling head 22 of the Stirling cycle with an In—Ga alloy. Join with Ga. Further, the visible light absorption filter 29 a is fixed to the inner frame 28 so as to cover the superconducting device 23. The visible light absorption filter 29 a is cooled through the inner frame 28 in the same manner as the superconducting device 23 by being fixed to the inner frame 28. When the visible light absorbing filter 29a and the inner frame 28 are firmly joined, the visible light absorbing filter 29a cracks when the temperature is lowered or raised due to the difference in linear expansion coefficient with the inner frame 28, so that the heat-conductive and soft metal sheet is visible light. It is sandwiched between the absorption filter 29a and the inner frame 28 and mechanically fixed. Next, the inner frame 28 and the peripheral portion of the visible light absorption filter 29a are covered with an outer frame 24a made of stainless steel, an outer frame 24b made of quartz glass on which an infrared ray (heat ray) absorption filter 29b and an electromagnetic wave blocking layer 29c are formed. The electromagnetic wave shielding layer 29c is formed by vapor-depositing a material that shields electromagnetic waves such as Al, Ag, and Cu and has a low emission rate of thermal radiation. The emission rate of thermal radiation is so small that it is a mirror surface, but a good mirror surface can be obtained by depositing metal on quartz glass with good flatness. 10 inside^-4A low temperature device is obtained by evacuating to a pressure equal to or lower than Torr to form a heat insulation chamber 70.
[0036]
The temperature reached and the temperature variation of the cooling head of the obtained low-temperature device were evaluated at an open site (under the sun) when irradiated with a 10 GHz microwave.
[0037]
[Table 4]

[0038]
When neither the visible light absorption filter nor the infrared absorption filter is formed (Comparative Example 1), when only the visible light absorption filter is formed on the inner frame (Comparative Example 2), when only the infrared absorption filter is formed on the outer frame (Comparative Example) 3) When only an infrared absorption filter is formed on the inner frame (Comparative Example 4), when only a visible light absorption filter is formed on the outer frame (Comparative Example 5), an infrared absorption filter is formed on the inner frame, and a visible light absorption filter is formed on the outer frame. Table 4 is shown together with a comparative example in which an infrared absorption filter and a visible light absorption filter are formed on the outer frame (Comparative Example 7), and a case where the outer frame is completely covered with a metal outer frame (Comparative Example 6). . In Table 4, ◯ indicates a clear Shapiro step, Δ indicates a dull Shapiro step, and X indicates no Shapiro step.
[0039]
As shown in the table, the cooling temperature of the superconducting device 23 is stabilized even under the sun by covering the outer periphery with a visible light absorbing filter 29a cooled around the superconducting device 23 and further covering the outer periphery with an infrared absorbing filter 29b through the heat insulating chamber 70. And a clear Shapiro step can be obtained. The reason for this will be explained. First, with respect to temperature variation, only the metal outer frame that has the least temperature variation and does not allow sunlight to pass through is the one in which the infrared absorption filter 29b is arranged outside the heat insulation chamber 70 as in Example, Comparative Example 3, and Comparative Example 7. It is almost equivalent to Comparative Example 8 consisting of As in Comparative Example 4 and Comparative Example 6, an infrared absorption filter disposed in the heat insulation chamber 70 has less temperature variation than that using no infrared absorption filter, but the effect is not significant. This is because the infrared absorption filter absorbs infrared rays and does not transmit infrared rays, but it itself generates heat by absorbing infrared rays. At that time, the former suppresses the penetration of heat into the interior by the heat insulating chamber 70, but the latter does not block the heat. Therefore, the temperature of the cooling head 22 and the superconducting device 23 is changed through the inner frame 28. As for the waveform of the Shapiro step, Comparative Example 1, Comparative Example 3 and Comparative Example 4 which do not use a visible light absorption filter do not show a Shapiro step. This is because visible light having an energy (hν) larger than the energy gap of the superconductor is incident on the superconducting device 23, thereby destroying the Cooper pair of the superconductor and causing no quantum effect. Even in the case where a visible light absorption filter is used, no clear chapiro step appears in Examples 2, 5, 6, and 7. This is because the superconducting state becomes unstable due to the temperature rise due to the incidence of infrared rays of sunlight and the heat radiation from the outer frame and the filter formed on the outer frame. The wavelength of the electromagnetic wave emitted from the object is
λ = b / T b = 0.289 cm K T: Absolute temperature
It is represented by From this equation, it can be seen that an electromagnetic wave of several μm is emitted when the temperature of the outer frame or filter under the sun is 50 ° C. Since the emission rate of quartz glass and filters is high (by the way, the emission rate of quartz glass is about 0.95), it is considered that the radiation of this electromagnetic wave blunts the waveform of the Shapiro step.
[0040]
And the energy is
S = σT⁴ σ = 5.67 × 10^-12W · cm^-2deg^-4
It is represented by From this equation, it can be seen that the temperature decreases in proportion to the fourth power of the temperature. That is, the wavelength of the electromagnetic wave emitted by cooling the filter as in the embodiment becomes a long wavelength, and the energy is extremely reduced. In the embodiment, it is the visible light absorption filter 29a that is cooled, but the glass substrate on which the visible light absorption filter 29a is used has just received the electromagnetic waves from the outer frame 24b and the infrared absorption filter 29b formed on the outer frame 24b. It is thought that a clear Shapiro step has come out to absorb. In view of the above points, it can be seen that it is best to form the visible light absorption filter 29 a in which the infrared absorption filter 29 b is cooled in the heat insulation chamber 70 outside the heat insulation chamber 70.
[0041]
(Example 6)
FIG. 5 shows a partial cross-sectional view of a low-temperature device device according to the present invention. A cavity 39 formed by an inner frame 38a joined to the cooling head 32 and an inner frame 38b joined to the inner frame 38a, a permanent magnet 41 fixed to the inner frame 38a inside the cavity 39, and engaged with the permanent magnet The rotor 42, the superconducting device 33 fixed on the rotor 42, the heat conducting gas 40 covering the periphery of the superconducting device 33, outer frames 34 a and 34 b arranged around the cavity 39, and the heat insulating chamber 70.
[0042]
The points of the present embodiment are as follows. Ring-shaped Pr—Fe— in which the inner surface of a cylindrical inner frame 38a made of a high magnetic permeability material such as Ni—Fe alloy (permalloy), Co—Fe alloy (permendur), or pure iron is multipolar magnetized. The B system permanent magnet 41 is fixed. Here, the reason why the high permeability material is used for the inner frame 38a is to minimize the leakage of the magnetic flux to the superconducting device 33, and the use of the Pr-Fe-B permanent magnet is applied to various fields. Nd-Fe-B permanent magnets have spin rearrangement in the low temperature region and their performance decreases when cooled, but Pr-Fe-B permanent magnets have higher magnetic performance as they cool without phase transition. It is to become. Next, the rotor 42 is engaged with the permanent magnet 41. Since the rotor 42 has a coil wound around the yoke, it becomes a step motor that rotates under a predetermined condition by supplying a control current to the coil. An encoder may be used when the rotation is controlled more precisely. Next, the superconducting device 33 is fixed to the rotor 42. If there is a leakage of magnetic flux from the rotor 42 or the like and affects the superconducting device 33, the magnetic flux can be eliminated by arranging a superconductor at the leakage location. Although the rotation mechanism has been described with a step motor, the present invention is not limited to this. For example, an actuator with a small rotational resistance can be formed by utilizing magnetization by the pinning effect of a superconductor or magnetic levitation by the Meissner effect.
[0043]
Next, an inner frame 38b made of quartz glass is joined to the inner frame 38a to form a cavity 39. Further, after the cavity 39 is evacuated, a heat conduction gas 40 made of He, Ne, Ar, oxygen, nitrogen alone or a mixed gas thereof is injected and sealed. However, the heat conduction gas 40 to be used needs to have a boiling point lower than the operating temperature of the superconducting device 33. Among the heat conduction gases 40, He or Ne having a low boiling point and excellent heat conductivity is preferable. Next, the cavity 39 is joined to the cooling head 32 of the refrigerator by In-Ga, and the periphery is covered with an outer frame 35a made of stainless steel, an outer frame 35b made of quartz, and a heat insulating chamber 70 as in the above-described embodiment. Get the device.
[0044]
Although the super-gain antenna has high directivity and high gain, the gain in the direction perpendicular to the directivity is extremely low as described above. However, in this embodiment, the superconducting device 33 can be freely rotated so that it can be freely moved in the necessary direction when necessary. The orientation can be adjusted. That is, the advantages of the super gain antenna can be maximized regardless of the receiving direction of the electromagnetic wave.
[0045]
In this embodiment, a closed cycle refrigerator is used for cooling. However, there is no problem even if an open cycle refrigerator in which liquid nitrogen or liquid helium is inserted between the cavity 39 and the heat insulating chamber 70 is used.
[0046]
(Example 7)
FIG. 6 shows a partial cross-sectional view of a low-temperature device apparatus according to the present invention. The point of this embodiment is that the outer frame 54b made of quartz that transmits electromagnetic waves is formed in a dome shape and that the device 53 is arranged at or near the radius center of the dome. In the case where the device 53 has a large area and various elements are formed, an antenna that directly detects an electromagnetic wave among the devices 53 is arranged near the radius center of the dome.
[0047]
In the above-described embodiments (1 to 6) and the conventional example, flat glass is used for the outer frames 4b, 14b, 24b, 34b, and 65 that transmit electromagnetic waves. However, if the angle of incidence of electromagnetic waves changes in the flat case, the reflectivity of the electromagnetic waves and the thickness of the transmitted glass differ.
The electric field strength of the electromagnetic wave entering the antenna changes. In particular, the incident light is perpendicular to the glass surface, but the electric field strength of the electromagnetic wave decreases at a low angle. In this respect, the outer frame 54b that transmits electromagnetic waves is formed in a dome shape for this embodiment, and an antenna is disposed at or near the center of the radius of the dome so that the reflectivity and glass can be changed even if the incident angle of the electromagnetic waves changes. The incident condition of the electromagnetic wave such as the thickness of the film becomes constant, and the electric field strength becomes stable. In FIG. 6, only the outer frame 54b is formed in a dome shape. However, when a filter is used, it is preferable that the filter is also formed in a dome shape. Further, when the electromagnetic wave is converged by using a lens (super hemispherical lens in FIG. 7) as shown in FIG. 7, the lens is arranged not at the antenna but at the center of the radius of the dome or in the vicinity thereof.
[0048]
【The invention's effect】
Since the present invention is configured as described above, the following effects can be obtained.
[0049]
By connecting two or more closed-cycle refrigerators in a direction in which vibrations cancel each other, a low-vibration refrigerator can be obtained, and performance degradation due to vibrations of the devices mounted on the refrigerator can be suppressed. Moreover, since the devices having different characteristics are mounted on the respective cooling heads, not just for suppressing the vibration, the characteristics of each device can be maximized as follows. (1) By mounting the transmitting device and the receiving device on separate cooling heads, it is possible to suppress a decrease in performance due to mutual interference. (2) Since the semiconductor device and the superconducting device are mounted on separate cooling heads, the performance of the superconducting device is not affected by the heat generated by the semiconductor device even in a small refrigerator having a small cooling capacity. (3) Since antennas having different directivities are arranged in the respective cooling heads, for example, a super-gain antenna having a high directivity can be used in multiple directions. Also, selecting the antenna with the required orientation each time will not only enable efficient communication, but selecting the antenna so as to avoid the direction of people and devices can minimize the range where electromagnetic waves exist, so recent problems This is effective in preventing brain damage caused by electromagnetic waves and malfunction of electronic devices.
[0050]
Further, by connecting the respective cooling heads with the cooling stage, it is possible to secure a cooling area with a wide area with a small temperature distribution. That is, a device having a wide area can be used. For example, a superconducting device can be monolithic such as a superconducting mixer, a superconducting antenna, a superconducting filter, a superconducting resonator, and a superconducting delay circuit.
[0051]
In addition, the cooling stage is lengthened in the connecting direction of the cycle that is inevitably long to suppress vibration, and the area for mounting the device is widened. Therefore, the space can be effectively used to reduce the size.
[0052]
In addition, the periphery of the superconducting device is cooled with a visible light absorption filter cooled in the same way as the superconducting device, and the outer periphery is covered with an infrared absorption filter through a heat insulation chamber, so that stable cooling is possible even with a small refrigerator with low cooling capacity. The superconducting device sensitive to the operating temperature can be used stably. Furthermore, since it is possible to suppress incidence of unnecessary electromagnetic waves such as radiation to the superconducting device, an output signal waveform without dullness can be obtained.
[0053]
In addition, since the superconducting device can be freely rotated, the directivity can be freely adjusted in the necessary direction when necessary. That is, the advantages of the super gain antenna can be maximized regardless of the receiving direction of the electromagnetic wave. In the future, satellite communications such as iridium plan and teledesic plan are planned, but these are low-orbit satellites and need to be tracked instead of geostationary satellites. According to the present embodiment, it is possible to easily cope with the communication device used for them.
[0054]
Furthermore, an outer frame that transmits electromagnetic waves and performs vacuum insulation and a filter that reflects or absorbs predetermined electromagnetic waves are formed in a dome shape, and an antenna, a mixer, or a lens that converges electromagnetic waves is placed near the center of the dome diameter. It is possible to improve the gain by making the electromagnetic wave irradiation to the part uniform.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partial sectional view of a low-temperature device device in a first embodiment according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing the directivity of an antenna of a low-temperature device device in a second embodiment according to the present invention.
FIG. 3 is a partial sectional view of a low temperature device according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a partial cross-sectional view of a low temperature device according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a partial sectional view of a low temperature device according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a partial cross-sectional view of a low temperature device according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a partial cross-sectional view of a low temperature device when a lens according to a seventh embodiment of the present invention is used.
FIG. 8 is a partial cross-sectional view of a conventional low temperature device.
[Explanation of symbols]
1a, 1b ... closed cycle refrigerator
2a, 2b, 12a, 12b, 22, 32, 52, 62 ... cooling head
3a, 3b, 13a, 13b, 23, 33, 53, 63... Device
4a, 4b, 14a, 14b, 24a, 24b, 34a, 34b, 54a, 54b, 64 ... outer frame
16 ... Cooling stage
17 ... Cold storage agent
28, 38a, 38b ... inner frame
29a ... Visible light absorption filter
29b ... Infrared absorption filter
29c ... blocking layer
39 ... cavity
40 ... Heat conduction gas
41 ... Permanent magnet
42 ... Rotor
65 ... Glass
70 ... heat insulation room
80 ... Center of dome radius
90 ... Lens
r ... Radius inside the dome

Claims

Two closed-cycle refrigerators with cooling heads connected in a direction to cancel vibrations,
A transmitting device fixed to one of the cooling heads of the closed-cycle refrigerator,
A receiving device fixed to the other cooling head of the closed-cycle refrigerator,
A low-temperature device apparatus, comprising: an outer frame made of a material that shields electromagnetic waves, arranged at each of a part of the periphery of the transmitting device and a part of the periphery of the receiving device.

A plurality of closed-cycle refrigerators having cooling heads connected in a direction to cancel vibrations,
An integrated cooling stage in which gold plating is applied to oxygen-free copper, joined to each cooling head and connected to each cooling head,
A device fixed to the surface of the integral cooling stage;
A regenerator body joined to the back surface of the integrated cooling stage;
A low-temperature device apparatus comprising:

Device joined to the inner frame,
A visible light absorption filter joined to the inner frame so as to cover the device,
A cooling head joined to the inner frame;
A heat insulating chamber in which the visible light absorption filter, the inner frame, and the periphery of the cooling head are maintained in a high vacuum;
An infrared absorption filter disposed on the heat insulation chamber;
In a low-temperature device apparatus having
The low-temperature device apparatus, wherein the visible light absorption filter and the inner frame are fixed with a metal sheet interposed therebetween.

A permanent magnet fixed to the inner frame constituting the cavity,
A rotor engaged with the permanent magnet;
A device fixed on the rotor;
A cooling head joined to the inner frame;
An inert gas, oxygen, nitrogen, or a mixed gas thereof having a boiling point lower than the operating temperature of the device, hermetically sealed in the cavity;
A heat insulating chamber in which the periphery of the cavity is maintained at a high vacuum;
A low-temperature device apparatus comprising:

A rotation mechanism for fixing a communication device having an antenna;
A cavity in which an inert gas having a boiling point lower than the operating temperature of the communication device, oxygen, nitrogen, or a mixed gas thereof is sealed around the communication device;
A cooling head joined to the cavity;
A heat insulating chamber in which the periphery of the cavity is maintained at a high vacuum;
In a low-temperature device apparatus having
A low-temperature device apparatus provided with a control function for stopping rotation of a device at a necessary antenna directivity position.