阅读说明：本技术 热交换器、制冷机和烧结体 (Heat exchanger, refrigerator, and sintered body ) 是由 和田信雄 松下琢 桧枝光宪 于 2019-02-25 设计创作，主要内容包括：热交换器(18)包括：低温侧流路(32),其供低温的液氦流过；高温侧流路(30),其供高温的液氦流过；以及热传导部(36),其将热从高温侧流路(30)传导至低温侧流路(32)。热传导部(36)具有：分隔部件,其用于分隔开高温侧流路(30)和低温侧流路(32)；以及热阻减小部(40),其用于减小隔壁部件与液氦之间的热阻。热阻减小部(40)具有：多孔体,其具有纳米尺寸的细孔；以及金属微粒,其导热系数高于多孔体。(The heat exchanger (18) comprises: a low-temperature side flow path (32) through which low-temperature liquid helium flows; a high-temperature side flow path (30) through which high-temperature liquid helium flows; and a heat conduction unit (36) that conducts heat from the high-temperature-side flow path (30) to the low-temperature-side flow path (32). The heat conduction section (36) has: a partition member for partitioning the high-temperature-side flow path (30) and the low-temperature-side flow path (32); and a thermal resistance reducing portion (40) for reducing a thermal resistance between the partition member and the liquid helium. The thermal resistance reducing section (40) has: a porous body having nanometer-sized pores; and metal fine particles having a higher thermal conductivity than the porous body.)

热交换器、制冷机和烧结体

技术领域

本公开涉及一种使用于制冷机的热交换器。

背景技术

一直以来，作为实现100mK以下的极低温的制冷机，已知有³He-⁴He稀释制冷机。这种稀释制冷机的能够达到的最低温度、冷却能力是很大程度上依赖于热交换器的性能。稀释制冷机的热交换器是利用所谓的³He稀薄相(D相：³He浓度约6.4％)，来冷却流入于作为冷却部的混合室中的³He浓缩相(C相：³He浓度约100％)的装置。

因此，重点在于如何将³He浓缩相的热有效地传递给³He稀薄相。例如，为了提高热传导，提出了如下的热交换器：即，由具有高导热系数(thermal conductivity)的银板来构成将浓缩相和稀薄相分隔开的金属板，并由烧结银构成的圆板以夹住该银板的方式配置的热交换器(参照专利文献1)。

(现有技术文献)

(专利文献)

专利文献1：日本特开2009-74774号公报

发明内容

(发明所要解决的问题)

然而，由于上述的稀释制冷机中所使用的³He非常稀少且昂贵，因此抑制其使用量的做法有助于成本的削减、装置的小型化。此外，由于稀释制冷机的性能很大程度上依赖于热交换器的性能，因此被要求进一步提高制冷机的热交换器的热传导。

本公开鉴于这种情况而提出的，其示例的目的之一在于，提供一种实现制冷机的热交换器的热传导的进一步提高的技术。

(解决问题所采用的措施)

为了解决上述问题，本公开的某一方式的热交换器包括：低温侧流路，其供低温的液氦流过；高温侧流路，其供高温的液氦流过；以及热传导部，其将热从高温侧流路传导至低温侧流路。热传导部具有：金属部件，其用于分隔开高温侧流路和低温侧流路；以及热阻减小部，其用于减小金属部件与液氦之间的热阻。热阻减少部具有：多孔体，其具有纳米尺寸的细孔；以及金属微粒，其导热系数高于多孔体。

(发明的效果)

根据本公开，能够实现热交换器的热传导的进一步提高。

附图说明

图1为示出本实施方式的稀释制冷机的示意性结构的示意图。

图2为示出本实施方式的热交换器的示意性结构的示意图。

图3为示出本实施方式的热阻减小部的主要部分的示意图。

图4为示意性地示出本实施方式的多孔体的示意性结构的示意图。

图5为示出本实施方式的混合室的示意性结构的示意图。

具体实施方式

本公开的某一方式的热交换器包括：低温侧流路，供低温的(例如，³He浓度低的)液氦流过；高温侧流路，供高温的(例如，³He浓度高的)液氦流过；以及热传导部，用于将热从高温侧流路传导至低温侧流路。热传导部具有：金属部件，其用于分隔开高温侧流路和低温侧流路；以及热阻减小部，其用于减小金属部件与液氦之间的热阻。热阻减小部具有：多孔体，其具有纳米尺寸的细孔；以及金属微粒，其导热系数高于多孔体。

根据该方式，与仅将金属微粒固定于金属部件的情况相比，由导热系数较高的金属微粒和比表面积大的多孔体构成热阻减小部而能够减小金属部件与液氦之间的热阻。因此，能够进一步提高从高温侧流路向低温侧流路的热传导。

热阻减小部也可以是多孔体与金属微粒的烧结体。由此，利用多孔体而使与液氦的接触面积增加，来降低卡皮查热阻(Kapitza resistance)，并且，多孔体与金属部件之间的热传导通过导热系数高于多孔体的金属微粒来进行，从而能够减小金属部件与液氦之间的热阻。

热阻减小部的厚度可以为1～1000μm的范围，更优选为1～500μm的范围，最优选为1～200μm的范围。由此，在含有一定程度的具有纳米尺寸的细孔的多孔体的同时，能够减小整个热阻减小部的热阻。

多孔体可以是作为细孔在表面上形成有贯通孔的颗粒。由此，多孔体颗粒的外部和细孔内的氦可以直接接触而进行热传导。

多孔体颗粒表面的贯通孔可以具有氦能够在其内部以液体的形式存在的直径。由此，可以在贯通孔中进行作为相同的液体的氦之间的热传导。此外，贯通孔是指，从形成在多孔体表面的开口部连续至多孔体的内部的孔，入口或出口可以被金属微粒闭塞。

多孔体的细孔只要具有以下条件的直径即可：即使内壁形成有固体状态的氦(例如⁴He)层，氦(例如³He)也能够以液体的形式存在于细孔的中心部分，并且，氦(例如³He)液体能够相连接而存在的直径。具体地，多孔体的平均细孔直径可以为2～30nm的范围。

多孔体可以是平均粒径为50～20000nm的范围的硅酸盐颗粒。由此，能够兼顾对减小卡皮查热阻的方面有贡献的大的比表面积和经由对热阻产生影响的多孔体的硅酸盐部件所得的热传导距离的缩短化。

多孔体的比表面积可以为600m²/g以上。由此，能够减小多孔体与液氦的界面处的卡皮查热阻。

金属微粒可以是平均粒径为50～100000nm的范围的银微粒。由此，金属微粒包围多孔体而作为烧结体固定于金属部件。

本公开的另一方式为制冷机。该制冷机可包括：上述热交换器；混合室，其内部形成有³He稀薄相和³He浓缩相，并具有供³He液体从高温侧流路流入³He浓缩相的流入路和供³He液体从³He稀薄相向低温侧流路流出的流出路；分馏室，其具有供流动于低温侧流路的³He液体流入的流入路，用于将³He以蒸汽形式选择性地从⁴He液体和³He液体的混合液中分离；以及冷却通路，其将在分馏室中分离出的³He液化并使其返回到高温侧流路。

本公开的又一方式为烧结体。该烧结体为具有纳米尺寸的细孔的多孔体与导热系数高于多孔体的金属微粒的烧结体。多孔体的细孔的内部吸附着⁴He和³He。由此，能够使烧结体的热阻充分小。

根据该方式，由于能够提供热交换器的热传导的进一步的提高，因此可以实现冷冻性能的提高、整个制冷机的小型化。

此外，以上构成要素的任何组合、将本公开的表现在方法、装置、系统等之间进行转换也都作为本公开的方式而有效。

以下，将参照附图等来详细地对用于实施本公开的方式进行说明。此外，在附图的说明中，相同的元件标注相同的附图标记，并适当省略重复的说明。此外，以下所述的结构为示例，并不限定本公开的范围。

(稀释制冷机)

本实施方式的稀释制冷机是实现100mK以下的极低温的代表性的制冷机。图1为示出本实施方式的稀释制冷机的示意性结构的示意图。稀释制冷机10包括：混合室16，可在其内部形成³He稀薄相(以下，适当地称为“稀薄相”)12和³He浓缩相(以下，适当地称为“浓缩相”)14；热交换器18，其用于在流入到混合室16的³He液体与从混合室16流出的³He液体及⁴He液体的混合液之间进行热交换；分馏室20，其用于将³He以蒸汽形式选择性地从³He液体和⁴He液体的混合液中分离；1K储存室22，其用于储存1K液氦。分馏室20具有供流动于低温侧流路32的混合液流入的流入口20b。混合室16、热交换器18、分馏室20以及1K储存室22被配置于真空绝热的低温恒温器(cryostat)24内。

接下来，对稀释制冷机10的动作进行说明。³He和⁴He的混合液在0.87K以下的低温下发生相分离(phase separation)。因此，在混合室16内，³He和⁴He的混合液分离为³He接近于100％的浓缩相14和在⁴He中混合有大约6.4％的³He的稀薄相12并共存。

由于浓缩相14的密度小于稀薄相12，因此其会浮在稀薄相12之上，在浓缩相14的³He融入稀薄相12中时会发生对应于熵差的冷却。稀释制冷机10是利用了浓缩相和稀薄相这两相之间的熵差的制冷机。

若将分馏室20的温度设定为0.8K以下，则因蒸气压的不同而仅³He被选择性地蒸发。使用与分馏室20的排出路26相连接的低温恒温器24外的真空泵抽吸，由此能够将³He以蒸汽S形式从稀薄相20a中选择性地分离而取出。

其结果，分馏室20内的稀薄相20a中的³He浓度下降而与混合室16的稀薄相12之间产生浓度差。由此，混合物16内的稀薄相12内的³He朝向分馏室20移动而稀薄相12内的³He浓度下降，因此浓缩相14中的³He溶解于稀薄相12中。此时发生冷却而混合室16内的稀薄相12的温度进一步下降。

在分馏室20中蒸发的³He的蒸汽S在外部的泵的作用下被回收并压缩之后，从供给路28再次回到混合室16。从供给路28供给的³He的蒸汽S可由4.2K的⁴He所预冷却，并在1K储存室22中进一步冷却而液化。在本实施方式中，从供给路28开始经由1K储存室22而到高温侧流路30为止的通路作为对³He进行液化而使其返回到高温侧流路30的冷却通路29来发挥作用。被液化的³He在经过热交换器18的高温侧流路30的过程中与经过热交换器18的低温侧流路32的³He进行热交换而进一步被冷却，并从混合室16的流入路34返回到浓缩相14。

如上所述，本实施方式的稀释制冷机10通过³He的循环而连续地获得1K到几mK的极低温，因此可期待应用于半导体检测器、量子计算机等的需要极低温冷却的各种领域中。此外，在不降低冷却性能的前提下，昂贵的³He的使用量的削减、装置的小型化对稀释制冷机的普及也很重要。

(热交换器)

本发明人着眼于对这种稀释制冷机的性能产生很大影响的结构之一的热交换器，特别是，研发出了用于提高从高温侧流路30向低温侧流路32的热传导的新技术。

图2为示出本实施方式的热交换器的示意性结构的示意图。本实施方式的热交换器18在容器31的内部具备低温侧流路32、高温侧流路30、以及热传导部36，其中，低温侧流路32可供³He浓度低的(约6.4％的)液氦流过，高温侧流路30可供³He浓度高的(约100％)的液氦流过，热传导部36用于将热H从高温侧流路30传导至低温侧流路32。

高温侧流路30具有供在1K储存室22、分馏室20中被预冷却的³He流入的流入路30a、以及供在热交换器18中进一步被冷却的³He流出的流出路30b。低温侧流路32具有主要供³He从混合室16的稀薄相12流入的流入路32a、以及使从流动于高温侧流路30的³He夺取了热H的³He朝向分馏室20的稀薄相20a流出的流出路32b。热传导部36具有作为分隔开高温侧流路30和低温侧流路32的分隔部件的的板状的金属部件38、以及减小金属部件38与液氦之间的热阻的热阻减小部40。金属部件38由例如铜、银这种导热系数高的材料构成。作为分隔部件，除了金属以外，也可由金刚石这种导热系数高的材料构成。

在使用稀释制冷机10的约100mK以下的温度范围中的热交换中，在如金属部件38那样的固体表面和液氦之间的界面产生的卡皮查热阻成为导致热交换性能下降的主要原因之一。因此，能够尽量多地增加界面面积且导热性好的银、铜的金属微粒固定于金属部件38的表面是其中一个解决方案。然而，本发明人研发出了通过多个功能部件的组合，来能够达到无法由金属微粒单独实现的导热性的热阻减小部40。

(热阻减小部)

图3为示出本实施方式的热阻减小部40的主要部分的示意图。虽然在图3中示出了以一个纳米多孔体为中心的结构，当然，在热阻减小部40中也可存在多个纳米多孔体、金属微粒。

如图3所示，本实施方式的热阻减小部40具有：具有纳米尺寸的细孔的多孔体42；以及导热系数高于多孔体42的银的金属微粒44。如此，由导热系数较高的金属微粒44和比表面积大的多孔体42构成热阻减小部40，由此与仅将金属微粒44固定于金属部件38的情况相比，能够减小金属部件38与液氦之间的热阻。因此，能够进一步提高高温侧流路30向低温侧流路32的热传导。

此外，热阻减小部40为固定在金属部件38上的、多孔体42与金属微粒44的烧结体。由此，利用多孔体42而使与液氦的接触面积增加，来减小卡皮查热阻，并且，多孔体42和金属部件38之间的热传导是经由导热系数高于多孔体42的金属微粒44来进行，由此能够减小金属部件38与液氦之间的热阻。

(多孔体)

图4为示意性地示出本实施方式的多孔体42的示意性结构的示意图。多孔体42为由硅酸盐等构成的纳米多孔体(介孔二氧化硅，mesoporous silica)，并规则地形成有多个纳米尺寸的细孔42a。因此，多孔体42的比表面积为600～1300m²/g，从而与银等的金属微粒的比表面积(约1m²/g)相比大三个数量级以上。因卡皮查效应而引起的热阻与界面面积成反比例而减小，因此通过多孔体42来进行金属部件38与液氦之间的热传导，能够减小金属部件38和液氦的界面上的卡皮查热阻。此外，即使是小的热传导部36也可保证充分的界面面积，因此可以实现装置的小型化。

此外，从比表面积的观点出发，细孔42a的平均细孔直径D小为好。然而，根据本发明人的研究分析，发现了在与液氦相接触的、细孔直径大于约2nm的多孔体42的细孔42a内，固态的氦(主要是⁴He)被吸附于细孔壁面42b上的情况。此外，由此时的固态的氦所构成的固体层46的厚度C约为0.6nm。由于液氦的粒子间平均距离为约0.4nm，因此在细孔直径为1.5nm以下得情况下，细孔整体会被固态的氦所填充。

本实施方式的多孔体42的细孔直径D通过Barrett-Joyner-Halenda(BJH)法而得到的测定值为约3.9nm。因此，固体层46的内部的直径为2.7nm的圆柱区域被稀薄相12或浓缩相14中所包含的³He液体L’所填满。由于³He液体L’的圆柱区域的直径充分大于液氦的约0.4nm的粒子间距，因此可期待与位于多孔体42周围的氦液体L相同的热传导等的性质。位于多孔体42周围的液氦L和细孔42a内的³He液体L’的液体之间通过多孔体颗粒表面的贯通孔而直接相连。

细孔42a内的³He液体L’与多孔体细孔壁面之间的卡皮查热阻所引起的热阻与细孔壁面的总面积成反比。由于多孔体42巨大的比表面积，因此即使是小型的热交换器也可实现大的面积，从而使卡皮查热阻所引起的热阻变小。如此，使位于多孔体42周围的液氦L和多孔体42的硅酸盐部件的热传导变得良好。

如此，多孔体42的细孔42a具有³He能够在其内部以液体的形式存在的直径，此外，细孔42a为贯通孔。由此，能够通过³He液体L’而能够有效实现细孔42a的两端部的热传导。此外，颗粒状的多孔体42的外部和细孔42a内的³He液体L’被直接连接而能够实现热的传导。

此外，优选地，多孔体42的平均细孔直径D设定为使细孔42a的中心部分的圆柱形状的³He液体L’的直径充分大于液氦的约0.4nm的粒子间距。在此情况下，若考虑固体状态的⁴He的固体层46的0.6nm的厚度，则至少细孔直径D需要为1.6nm以上，优选为2nm以上，而从比表面积的观点出发，则30nm以下更为优选。由此，在细孔42a的中心部分中能够存在直径充分大于0.4nm的³He液体L’。

在多孔体42为硅酸盐颗粒的情况下，若平均粒径过大，则多孔体42自身的热阻会变大。此外，若平均粒径过小，则难以将平均细孔直径D调整到合适的范围。因此，本实施方式的多孔体42为平均粒径在50～20000nm的范围的硅酸盐颗粒，而考虑到多孔体42的部件的热阻等，优选为平均粒径在100～500nm的范围的硅酸盐颗粒。由此，能够兼顾对卡皮查热阻的减小有贡献的大的比表面积与经由对热阻产生影响的多孔体的硅酸盐部件的热传导距离的缩短化。此外，作为适用于多孔体42的硅酸盐颗粒，可列举例如FSM-16、MCM-41等。

本实施方式的金属微粒44为平均粒径在50～100000nm的范围的银微粒。由此，热传导良好的金属微粒44包围多孔体42而作为烧结体固定于金属部件38。

本实施方式的热阻减小部40的厚度为1～500μm的范围。由此，使一定程度的量的金属微粒44包围具有纳米尺寸的细孔的多孔体42的周围，减小因金属部件38和液氦之间的金属微粒44而产生的热阻。此外，热阻减小部40的厚度可以为1～1000μm的范围，最优选为1～200μm的范围。

如此，在本实施方式的稀释制冷机10中，由于实现热交换器18的热传导的进一步提高，因此可以实现冷冻性能的提高、整个制冷机的小型化。

(性能评价)

关于上述的纳米多孔体和银的烧结结构，通过吸附于纳米多孔体的⁴He和³He的超低温比热测定来进行了评价。比热测定是通过准绝热热脉冲法来进行，比热容器上安装有加热器和温度计。通过对施加了热脉冲后的容器温度的时间变化进行解析，来测定吸附氦和容器成为相同温度为止的弛豫时间(relaxation time)。其结果，确认了如下情况：温度直到26mK，弛豫时间比温度计的约为5秒的响应时间短，并且热阻充分小。

因此，制作具备有本实施方式的热阻减小部40的阶梯型(step type)的热交换器，并将其安装于氦稀释制冷机上而运行。不具备阶梯型的热交换器，而仅安装套管式(tube-in-tube)的热交换器而运行的稀释制冷机在使³He进行约20μmol/sec的连续循环的情况下最低温达到约35mK，而在单发(single-shot，停止³He的循环，仅进行回收而进行冷却的方法)的情况下最低温达到20mK。另一方面，在将本实施方式的热交换器安装于该稀释制冷机上的情况下，在连续循环的情况下最低温达到20.6mK，而在单发(single-shot)的情况下最低温达到8.6mK。如此，本实施方式的稀释制冷机提高了能够达到的最低温度，并显示出了包含多孔体42的热阻减小部40的有效性。

此外，上述的热阻减小部40不仅利用于热交换器18中，也能够利用于混合室16的热传导部中。图5为示出本实施方式的混合室16的示意性结构的示意图。混合室16具备容器48，所述容器48形成有供³He液体从高温侧流路30流入到浓缩相14的流入路34、以及供³He液体从稀薄相12流出至低温侧流路32的流出路52。

容器48的底部48a的内侧配置有热阻减小部40。由此，能够减小稀薄相12的液氦和底部48a的热阻，并能够提高将底部48a作为冷却面S时的冷却性能。

以上，基于实施方式对本公开进行了说明。本领域技术人员可以理解的是，该实施方式是一个示例，各构件、各处理过程的组合可产生各种各样的变形例，并且这些变形例都属于本发明的范围。

(产业上的可利用性)

本公开的制冷机可以利用于需要在极低温下工作的装置的冷却，例如，可以利用于量子计算机、半导体检测器的冷却。

(附图标记的说明)

10：稀释制冷机；12：稀薄相；14：浓缩相；16：混合室；18：热交换器；20：分馏室；20a稀薄相；20b：流入路；22：1K储存室；24：低温恒温器；26：排出路；28：供给路；29：冷却通路；30：高温侧流路；30a：流入路；30b：流出路；31：容器；32：低温恒温器；32a：流入路；32b：流出路；34：流入路；36：热传导部；38：金属部件；40：热阻减小部；42：多孔体；42a：细孔；42b：细孔壁面；44：金属微粒；46：固体层；48：容器；48a：底部；52：流出路。