CN104919258B - 极低温装置以及使用该极低温装置的被冷却体的冷却方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种极低温装置，其能够在有效地抑制朝向被冷却体的热侵入的同时，将制冷机的冷头相对于被冷却体以能够高效率地进行热传递的方式连结为能够装卸。极低温装置具备被冷却体容器(16)、具有筒部(32)和底部(34)的冷头插入部(18)、在冷头(26)的低温端(28)与所述底部(34)之间形成热连结部的热连结形成部(60)、以及设置在底部(34)与被冷却体(12)之间的热开关(70)。热连结形成部(60)具有制冷机侧凹凸部(61、62)和插入部侧凹凸部(63、64)，通过使气体状的热传导介质在上述凹凸部的间隙(66)内凝固而形成热连结部。热开关(70)具有设置于所述底部(34)的插入部侧热开关元件和被冷却体侧热开关元件，通过两开关元件的接合分离来切换热传导的允许和切断。

Description

极低温装置以及使用该极低温装置的被冷却体的冷却方法
技术领域
本发明涉及利用制冷机对超导磁铁等被冷却体进行冷却的极低温装置、以及使用该极低温装置的该被冷却体的冷却方法。
背景技术
以往，作为用于对超导磁铁、收容该超导磁铁的液氦容器这样的被冷却体进行冷却的极低温装置，已知利用了具有冷头的制冷机的装置。如何能够在该装置中高效地(即以较小的热阻)将所述冷头与被冷却体连接且断开，成为重要的技术问题。
专利文献1公开了在所述被冷却体与所述冷头的连接中利用了氮等低沸点气体的技术。如图6所示，该装置具有：液氦容器100；收容该液氦容器的真空容器102；具有冷头104的制冷机106；形成于所述液氦容器100与所述真空容器102之间并且能够供所述冷头104从真空容器102的外部插入的套筒108；以堵塞该套筒108的下部的方式装配于该套筒108的下部的堵塞板110；用于向该堵塞板110的正上方空间供给氮气等加热气体的气体导入管112；以及固定在所述堵塞板110的下表面上的传热用的翅片114。上述堵塞板110以及翅片114是被所述制冷机106冷却的被冷却体，通过该冷却将液氦容器100内的温度保持在氦的沸点以下的极低温状态。
所述冷头104在其中段部位以及下端部位分别具有第一冷却台104a以及第二冷却台104b，所述第二冷却台104b与作为被冷却体的所述液氦容器100以如下方式连接为能够热传递。首先，在所述套筒108的底部蓄积液氮。另一方面，所述冷头104以该第二冷却台104b浸渍于所述液氮内且在该第二冷却台104b的下表面与所述堵塞板110的上表面之间形成规定尺寸的间隙的位置，插入到所述套筒108内。当在该状态下启动所述冷头104时，所述第二冷却台104b将所述液氮冷却而使其固化，由此，形成由该被固化的氮构成的热接头(heat joint)116。该热接头116具有较高的热传导系数，其高效地将所述冷头104所生成的冷能传递给所述堵塞板110。
另一方面，在为了进行制冷机106的维护等而从套筒108拆卸所述冷头104时，停止所述制冷机106的运转，更优选通过所述气体导入管112而向套筒108内导入加热气体(例如氮)。由此，构成所述热接头116的氮发生气化而使该热接头116消失，从而能够从所述套筒108内取出所述冷头104。
在所述专利文献1所记载的装置中，难以避免在拆卸冷头104时的向被冷却体的热侵入。具体而言，为了从所述套筒108拔出所述冷头104而必须将该套筒108内加热至氮的沸点以上的温度为止，并且，在该拔出后，套筒108内向大气中开放。此时，大量的热量从所述套筒108通过所述堵塞板110而向液氦容器100内侵入。
在先技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2005-210015号公报
发明内容
本发明的目的在于，提供用于通过具有冷头的制冷机对被冷却体进行冷却的极低温装置、以及使用该极低温装置的被冷却体的冷却方法，该极低温装置在有效地抑制朝向所述被冷却体的热侵入的同时，能够将所述冷头相对于所述被冷却体以能够高效率地进行热传递的方式连结为能够装卸。
本发明所提供的极低温装置具备：被冷却体容器，其具有外壁，并且在该被冷却体容器的内侧收容所述被冷却体；冷头插入部，其具有筒部和底部，该筒部形成从所述外壁起朝向所述被冷却体延伸、且为了允许所述冷头从其低温端侧插入而向所述外壁的外侧开口的筒状，该底部以堵塞该筒部的里侧端部的方式与该筒部相接，该冷头插入部具有通过该插入的冷头来封闭内部的形状；热连结形成部，其用于在所述冷头的低温端与所述冷头插入部的底部之间形成能够进行热传导的热连结部；以及热开关，其设置在所述冷头插入部的底部与所述被冷却体之间。所述热连结形成部具有制冷机侧凹凸部和插入部侧凹凸部，该制冷机侧凹凸部设置在所述冷头的低温端且在与该冷头的插入方向平行的方向上起伏，该插入部侧凹凸部设置在所述冷头插入部的底部中的朝向所述冷头的低温端侧的面上，并且以能够与所述制冷机侧凹凸部隔开间隙进行对置的方式在与该冷头的插入方向平行的方向上起伏。所述制冷机侧凹凸部以及所述插入部侧凹凸部具有如下的形状：通过在所述制冷机侧凹凸部以及所述插入部侧凹凸部彼此的间隙内使气体状的热传导介质在所述冷头的低温端的运转温度下凝固而形成所述热连结部。所述热开关具有插入部侧热开关元件和被冷却体侧热开关元件，该插入部侧热开关元件设置在所述底部中的朝向所述被冷却体侧的面、即被冷却体侧面，该被冷却体侧热开关元件以相对于该插入部侧热开关元件在与所述冷头的插入方向平行的方向上对置的方式配置于所述被冷却体，通过使两开关元件在与所述冷头的插入方向平行的方向上相对位移，从而在接通状态与断开状态之间进行切换，在该接通状态下，所述插入部侧热开关元件以及被冷却体侧热开关元件彼此接触而允许所述冷头插入部的底部与所述被冷却体之间的热传导，在该断开状态下，所述插入部侧热开关元件以及被冷却体侧热开关元件彼此分离而允许所述冷头插入部的底部与所述被冷却体之间的热传导。
另外，本发明提供一种用于使用所述极低温装置对所述被冷却体进行冷却的方法。该方法包括：准备所述极低温装置；将制冷机的冷头从其低温端侧插入到该极低温装置的冷头插入部内，由此将该冷头插入部内封闭，并且使设置在所述冷头的低温端处的制冷机侧凹凸部与所述插入部侧凹凸部隔开间隙进行对置；通过所述制冷机的运转，使气体状的热传导介质在所述间隙内凝固而形成热连结部；以及将所述热开关接通。
附图说明
图1是本发明的实施方式所涉及的极低温装置的剖面主视图。
图2是表示所述极低温装置的主要部分的剖面主视图。
图3是表示图2所示的热开关及其周边部位的构造的放大剖视图。
图4是图3的IV-IV线剖视图。
图5是分别表示固态氮、液氮以及铜的导热系数的曲线图。
图6是表示现有的极低温装置的主要部分的剖面主视图。
具体实施方式
参照附图，对本发明的实施方式进行说明。本实施方式所涉及的极低温装置是超导电磁铁装置，作为被冷却体而具备超导电磁铁10以及收容该超导电磁铁10的液氦容器12，并且利用制冷机20对该被冷却体进行冷却。但是，本发明并不限定被冷却体的种类，也能够应用于SQUID磁强计这样的其他超导元件的冷却。
图1所示的装置在所述超导电磁铁10以及液氦容器12之外，还具备收容所述液氦容器12的热屏蔽容器14、收容该热屏蔽容器14且在其内部形成真空状态的真空容器16、以及冷头插入部18。
所述超导电磁铁10以及各容器12、14、16具有共用的水平中心轴，并形成包围沿着该中心轴延伸的试料空间22的圆环状。所述液氦容器12收容用于冷却所述超导电磁铁10的液氦13，并使所述超导电磁铁10浸渍在该液氦13内。另外，本实施方式所涉及的所述热屏蔽容器14以及所述真空容器16构成用于收容作为被冷却体的所述超导电磁铁10以及所述液氦容器12的被冷却体容器。
如图2所示，本实施方式所涉及的所述制冷机20由两级式的GM制冷机构成。具体而言，该制冷机20具有制冷机主体24和与该制冷机主体24连接的冷头26。冷头26形成大致圆柱状的整体形状。冷头26具有中段部分和前端部分。所述中段部分构成第一冷却台27。所述前端部分即低温端构成设定温度比所述第一冷却台27低的第二冷却台28。所述第一冷却台27被设计为，将所述热屏蔽容器14冷却至规定的第一目标温度(例如40K)。所述第二冷却台27被设计为，将所述液氦容器13冷却至比所述第一目标温度低的第二目标温度(例如4K以下)。
在本实施方式中，在所述制冷机主体24与所述冷头26之间设置有外径比所述制冷机主体24和所述冷头26的外径大的凸缘部30。各台27、28也具有比其他部分大的外径。但是，所述第一冷却台27的外径比所述凸缘部30的外径小，所述第二冷却台28的外径进一步比所述第一冷却台27的外径小。
在本发明中，并不特别限定所使用的制冷机的具体形状、构造。例如，也可以使用单级的制冷机(例如仅具有所述第二冷却台28的制冷机)。
所述冷头插入部18设置在从所述真空容器16的外壁(在本实施方式中为顶壁)到作为被冷却体的液氦容器12的附近为止的区域。在所述冷头插入部18中能够插入所述冷头26。所述冷头插入部18具有图2及图3所示那样的筒部32和底部34。所述筒部32从所述真空容器16的顶壁起，朝向所述液氦容器12而向下延伸。所述筒部32形成向所述顶壁的外侧(在本实施方式中为向上)开口的筒状，以便允许所述冷头18从作为该低温端的第二冷却台28的一侧起向下插入到该筒部32中。所述底部34在本实施方式中形成圆板状，并且以堵塞所述筒部32的里侧端部(在本实施方式中为下端部)的方式与该筒部32相接。
所述筒部32具有能够在与冷头插入方向平行的方向(在本实施方式中为上下方向)上弹性地伸缩的构造，通过该伸缩，能够使所述底部34在上下方向上位移。
具体而言，该筒部32从其上侧依次具有直管部36、热屏蔽连接用套筒37、以及波纹管部38。所述波纹管部38能够在上下方向上伸缩，所述直管部36的上端以及所述波纹管部38的下端分别与所述真空容器16的开口17的周缘部和所述底部34的周缘部接合。所述热屏蔽连接用套筒37介于所述直管部36与所述波纹管部38之间，并经由热传导构件40而与所述热屏蔽容器14连接。
另一方面，在所述冷头26的第一冷却台27的周缘下端面连结有热传递套筒42。该热传递套筒42配置为包围所述冷头26，在该热传递套筒42的外周面上设置有能够在径向上挠曲的省略图示的多个挠曲片。而且，伴随着向所述冷头插入部18插入冷头26，所述挠曲片随着其挠曲而压接于所述热屏蔽连接用套筒37的内周面，由此所述第一冷却台27的冷能经由所述热传递套筒42、所述热屏蔽连接用套筒37以及所述热传导构件40而传递至所述热屏蔽容器14。
所述制冷机20的凸缘部30在所述冷头26插入到所述冷头插入部18的状态下，经由高度调节机构44而支承在所述真空容器18的顶壁上，由此能够封闭所述冷头插入部18内。
该高度调节机构44具有：多根螺纹轴45，其在所述真空容器18的顶壁上竖立设置在所述开口17的周围；圆环板状的高度调节凸缘46，其与所述凸缘部30的周缘部下表面接合，并具有能够供各螺纹轴45贯穿的贯通孔；上下螺母47、48，其与所述各螺纹轴45螺合；以及密封部50。通过在所述螺母47、48中的下侧的螺母48上载置所述高度调节凸缘46并从该高度调节凸缘46的上方紧固上侧螺母47，从而将该凸缘部30支承在真空容器16的顶壁上。
所述密封部50具有：圆环板状的密封件保持板52；固定在该密封件保持板52的下表面上的由例如O型环构成的密封件54；以及将所述密封件保持板52与所述高度调节凸缘46的下表面连接起来的筒状的波纹管部56。在该密封部50中，伴随着所述波纹管部56的弹性收缩变形而将所述密封件54向所述真空容器16的顶壁的上表面(所述开口17的周缘部的上表面)按压。由此，所述制冷机20能够封闭所述冷头插入部18内。
因此，根据该高度调节机构44，通过调节各螺母47、48相对于所述螺纹轴45的相对位置，从而能够调节当所述冷头26完全被插入到所述冷头插入部18内时的所述高度调节凸缘46距真空容器16的上表面的高度Hf(图2)，换言之，能够调节冷头26相对于所述冷头插入部18的插入深度。
另外，该极低温装置具备如图2所示那样的气体供排管58、热连结形成部60、热开关70以及温度控制装置80。
所述热连结形成部60用于在作为所述冷头26的低温端的第二冷却台28与所述冷头插入部18的底部34之间形成能够进行热传导的热连结部，并且具有设置于所述第二冷却台28的制冷机侧凹凸部和设置于所述底部34的插入部侧凹凸部。上述凹凸部具有如下形状：以能够彼此隔开间隙进行对置的方式在与所述冷头26的插入方向平行的方向上起伏，并且使后述的热传导介质在所述间隙内凝固，由此形成所述热连结部。
如图3所示，本实施方式所涉及的制冷机侧凹凸部具有与所述插入部侧凹凸部对置的制冷机侧基面61、以及从该制冷机侧基面61向下突出的多片制冷机侧翅片62。在本实施方式中，所述制冷机侧基面61由所述第二冷却台28的下表面构成。所述各制冷机侧翅片62成为具有与所述第二冷却台28的中心一致的共用的中心的圆弧状，并且在该第二冷却台28的径向上彼此隔开间隔进行排列。此外，在本实施方式中，为了允许后述的热传导介质浸入到各制冷机侧翅片62的内侧，如图4所示，使各制冷机侧翅片62的周向上的一部分中断。需要说明的是，在图4中，为了方便说明，仅图示出最外侧的制冷机侧翅片62。
同样，本实施方式所涉及的插入部侧凹凸部具有与所述制冷机侧凹凸部对置的插入部侧基面63、以及从插入部侧基面63向上突出的多个插入部侧翅片64。在本实施方式中，所述插入部侧基面63由配设在所述底部34上的平板65的上表面构成。但是，插入部侧基面63也可以由所述底部34的上表面自身构成。所述各插入部侧翅片64与所述各制冷机侧翅片62同样地形成具有与所述第二冷却台28的中心一致的共用的中心的圆弧状，并且在该第二冷却台28的径向上彼此隔开间隔进行排列。此外，为了允许后述的热传导介质浸入到各插入部侧翅片64的内侧，如图4所示，使各插入部侧翅片64的周向上的一部分中断。
关于所述各制冷机侧翅片62与所述各插入部侧翅片64的相对位置关系，如图3以及图4所示，在所述冷头26插入到所述冷头插入部18内的状态下，以如下方式配置各翅片62、64：所述各插入部侧翅片64在彼此沿径向相邻的制冷机侧翅片62彼此之间突出，并且在该制冷机侧翅片62与该插入部侧翅片64之间，在冷头26的插入方向以及径向这两个方向上形成间隙66。
此外，该极低温装置具备制冷机侧定位部67以及插入部侧定位部68。上述定位部67、68分别用于进行所述两翅片62、64的相对定位，以便可靠地形成所述间隙66。
所述制冷机侧定位部67与所述各翅片62、64同样地形成具有与第二冷却台28的中心一致的中心的圆弧状且翅片状，使其周向上的一部分中断。制冷机侧定位部67在最外侧的制冷机侧翅片62的更靠外侧的位置，与所述制冷机侧翅片62同样地从所述制冷机侧基面61向下突出。制冷机侧定位部67的下表面构成随着朝向径向上的内侧而向底部34侧(在图3以及图4中为下侧)位移的朝向上的锥面、即抵接面67a。
另一方面，所述插入部侧定位部68也与所述各翅片62、64同样地形成具有与第二冷却台28的中心一致的中心的圆弧状且翅片状，使其周向上的一部分中断。插入部侧定位部68在最外侧的插入部侧翅片64的更靠外侧的位置，与所述插入部侧翅片64同样地从所述底部34的上表面向上突出。该插入部侧定位部68的上表面构成随着朝向径向上的内侧而向底部34侧(在图3以及图4中为下侧)位移的朝向上的锥面、即抵接面68a。
所述两定位部67、68的相对位置以及所述各抵接面67a、68a的形状被设定为，通过将所述冷头26插入到所述冷头插入部18内而使两抵接面67a、68a相互抵接，并且通过该抵接，使施加给所述冷头26的插入操作力传递至冷头插入部18的底部34，并且，决定两翅片62、64彼此的相对位置，以便在所述各制冷机侧翅片62与所述各插入部侧翅片64之间确保所述冷头插入方向以及径向上的间隙66。即，所述两定位部67、68作为操作力传递部以及定位部这两者发挥功能。
所述气体供排管58被配置为，在所述冷头26插入到所述冷头插入部18的状态下，将该冷头插入部18内的空气导出并导入热传导介质。本实施方式所涉及的气体供排管58以与所述冷头26一体地相对于所述冷头插入部18进行装卸的方式卷绕在该冷头26的周围。该气体供排管58具有：经由图2所示的阀门59而以能够切换的方式与省略图示的气体供给泵和真空泵连接的入口端、以及配置在所述热连结形成部60的附近区域处的出口端。
向所述冷头插入部18内导入的热传导介质在常温下保持气相，另一方面，在作为所述冷头26的低温端的第二冷却台28的运转温度(例如4K以下)下凝固，用于形成将该第二冷却台28与所述冷头插入部18的底部34以能够进行热传导的方式连结起来的热连结部。因此，该热传导介质在其凝固后的低温状态下具有高热传导系数(低热阻)，具体而言优选氮。如图5所示，该氮凝固而成的介质(固态氮)的热传导系数在所述第二冷却台28的运转温度的附近区域(3～4K)达到峰值，例如在3.8K下，氮能够保持24.1W/m/K的热传导系数。该热传导系数与纯度低的铜、例如磷脱氧铜的热传导系数相匹配，能够进行良好的热连接。除了氮以外，作为所述热传导介质，例如能够应用氖、仲氢、氦。
所述热开关70设置在所述冷头插入部18的底部34与作为被冷却体的液氦容器12之间，并且被切换为在两者间进行热传导的接通状态、以及切断该热传导的断开状态，在本实施方式中，所述热开关70具有作为插入部侧热开关元件的插入部侧金属板72、以及作为被冷却体侧热开关元件的被冷却体侧金属板74。
所述插入部侧金属板72被设置为，覆盖所述底部34中的朝向所述被冷却体侧的下表面、即被冷却体侧面(在图中为下表面)。所述被冷却体侧金属板74以相对于所述插入部侧金属板72在与所述冷头26的插入方向平行的方向(图3中为上下方向)上对置的方式配置于所述被冷却体。
所述被冷却体侧金属板74也可以直接配设于例如所述液氦容器12的上表面，但在本实施方式中，所述被冷却体侧金属板74经由支承体76而被支承在所述液氦容器12上。支承体76具有支承板77和编织层78。编织层78介于所述支承板77与所述液氦容器12的顶壁之间。编织层78例如通过由铜构成的编织线来构成，能够在所述支承板77与液氦容器12之间进行热传导，同时以与所述液氦容器12平行的姿势对所述支承板77进行支承。另外，该编织层78通过其自身的弹性变形而能够使支承板77在上下方向上产生少许位移，根据该弹性力，还具有后述那样的使金属板72、74彼此的接触压上升而提高其紧贴度的功能，以及抑制制冷机20的振动传递到液氦容器12的功能。所述被冷却体侧金属板74以在与所述冷头26的插入方向平行的方向(上下方向)上和所述插入部侧金属板72对置的方式，配设在所述支承板77的上表面上。
所述两金属板72、74由导电性以及相互紧贴性优异的材料形成，在它们彼此紧贴的状态下，在两金属板72、74之间形成良好的热传导。具体而言，优选在利用电解研磨等对由铜板构成的母材的表面进行处理之后对其表面实施金或银的电镀而成的金属板。但是，本发明所涉及的热开关元件并不局限于如所述两金属板72、74那样由与底部34、被冷却体不同的构件构成。例如，插入部侧热开关元件也能够由底部34自身构成，同样地，被冷却体热开关元件也能够由例如液氦容器12的外壁自身构成。
图2所示的所述冷头插入部18d的筒部32的自然长度Ls、即未向该冷头插入部18施加外力(冷头26的插入操作力)时的筒部32的长度被设定为，在与该筒部32相接的底部34的下表面设置的所述插入部侧金属板72从被冷却体侧金属板74向上方分离与距离Dg(图2)对应的量。另外，在图2中，为了方便说明，描绘为在两金属板72、74之间形成与所述距离Dg相当的尺寸的间隙，但是实际上，通过所述高度调节机构44来调节凸缘部30的高度Hf以及冷头26的插入深度，使得从所述冷头26经由两定位部67、68而传递至冷头插入部18的底部34的向下的插入操作力使所述筒部32的波纹管部38伸长而使所述底部34以及所述插入部侧金属板72向下位移，从而使该插入部侧金属板72紧贴在被冷却体侧金属板74上。
如图2所示，所述温度控制装置80在插入到所述冷头插入部26内的冷头26的运转中进行将所述热连结形成部60的温度保持为目标温度的控制。该目标温度被设定为用于将所述热传导介质保持为液相的温度。例如在热传导介质是氮气的情况下，优选所述目标温度被设定为比其三相点高一些的温度(64K或其附近温度)。
具体而言，所述温度控制装置80具有加热器82、温度传感器84以及温度调节器86。所述加热器82具有在所述热连结形成部60的附近(在图2以及图3中为冷头26中的第二冷却台28的附近的部位)设置的线圈87、以及使电流流经该线圈87来对该线圈87进行加热的主体部88。所述温度传感器84设置在所述热连结形成部60的附近的位置，并输出与该位置处的温度相当的电信号。温度调节器86控制所述加热器82的动作，使得与所述温度传感器84输出的电信号对应的温度接近于预先设定的所述目标温度。所述线圈87、所述温度传感器84可以预先组装到冷头插入部18内，也可以安装在该冷头26上，以便与冷头26一体地相对于该冷头插入部18进行插拔。在该情况下，与所述线圈87、所述温度传感器84连接的布线也可以与所述气体供排管58同样地卷绕在冷头26上。
另外，虽未图示，优选在所述冷头26或所述冷头插入部18上，设置用于对插入有该冷头26的状态下的该冷头插入部18内的压力进行检测的压力传感器。如后所述，该压力传感器能够在该冷头插入部18的外部识别在冷头插入部18内封入的所述热传导介质液化(或凝固)的情况。
接着，对使用了该极低温装置和制冷机20的被冷却体(超导电磁铁10以及液氦容器12)的冷却方法、以及该制冷机20的拆卸方法进行说明。
1)初始状态
在初始状态下，即在制冷机20的冷头26未插入到冷头插入部18内的状态下，该冷头插入部18的筒部32保持自然长度Ls，在与此相连的底部34的下表面设置的插入部侧金属板72从被冷却体侧金属板74向上方分离。
2)冷头26的插入(图2)
从所述初始状态开始，所述冷头26以其第二冷却台28为前头而向下插入到所述冷头插入部18内。如上所述，在该冷头26上，预先设置有气体供排管58、热传递套筒42、高度调节凸缘46、密封部50、形成热连结形成部60的多个制冷机侧翅片62、以及制冷机侧定位部67，它们与所述冷头26一体地插入到所述冷头插入部18内。
在插入该冷头26时，在所述热传递套筒42的外周面上设置的多个挠曲片压接于构成冷头插入部18的筒部32的热屏蔽连接用套筒37的内周面。另外，如图3所示，通过使作为制冷机侧定位部67的下表面的锥形状的抵接面67a与作为插入部侧定位部68的上表面的同样为锥形状的抵接面68a抵接，从而在冷头26的第二冷却套筒28与冷头插入部18的底部34之间进行相对定位、所谓的定心，以便在制冷机侧翅片62与插入部侧翅片64之间，针对冷头26的插入方向以及径向这两者形成预先规定的尺寸的间隙66。
另一方面，在高度调节机构44中，在预先仅将下侧螺母48装配在各螺纹轴45上的状态下，将该螺纹轴45分别穿过固定在制冷机20的凸缘部30处的高度调节凸缘46的多个贯通孔，从而进行所述冷头26的插入作业、即使制冷机20整体下降的作业，在所述下侧螺母48上载置了所述高度调节凸缘46的时刻，结束该作业。此时，如所述那样，两定位部67、68的抵接面67a、68a彼此抵接，设置于所述高度调节凸缘46处的密封部50的密封件54在整周的范围内与液氦容器12的开口17的周缘部紧贴，由此将所述冷头插入部18内封闭。
3)冷头插入部18内的气体的置换
针对以所述方式来封闭的冷头插入部18进行该插入部18内的气体置换，具体而言，通过气体供排管58以及阀门59，进行来自该插入部18的空气的导出以及朝向该插入部18内的热传导介质(例如氮气)的导入。通过这种方式，形成在冷头插入部18内充满由热传导介质构成的气体的状态。
4)制冷机20以及温度控制装置80的工作
在置换所述气体后，进行制冷机20以及温度控制装置80的启动。通过制冷机20的工作，使其第二冷却台28周边的温度开始下降，通过温度控制装置80的工作而进行线圈87的加热，最终控制在第一目标温度(例如比热传导介质的三相点稍高的温度)附近。与之相伴，构成在所述步骤(3)中封入插入部18内的热传导介质的气体的压力下降，并且在将第二冷却台周边温度保持为第一目标温度的期间发生液化，从而以液体状态蓄积在插入部18的底部。
5)温度控制装置80的停止
当所述的热传导介质的液化进行时，所述冷头插入部18内的压力下降，在该液化完成的时刻，该压力为最低值且保持稳定(例如为氮的三相点附近的饱和压力且大体真空状态)。于是，所述温度控制装置80的温度调节器86对省略图示的压力传感器的输出信号进行监视，并基于在该输出信号低于预先设定的值的时刻液化完成的判断，停止加热器82的驱动。其结果是，再次进行第一冷却台27以及第二冷却台28的冷却，充满所述两翅片62、64彼此的间隙66的液体(热传导介质液化而成的介质)的温度随之下降而最终凝固。
像这样通过热传导介质的凝固而形成的热连结部具有优异的热传导系数(例如在氮的情况下，在3.8K下为24.2W/m/K)。例如，当将所述翅片62、64之间的间隙66的尺寸设为0.1mm、将翅片62、64中的相互在冷头插入方向或径向上对置的面的总表面积设为1.6×104mm2时，在氮的情况下，所形成的热连结部处的热阻仅为2.6×10-4mK/W。即，当将移动的热量设为1W时，界面温度差仅为0.26mK。与此相对，当将热传导介质设为液氦时，其在3.8K下的热传导系数为2.48×10-2W/m/K，因此热阻为0.25K/W，是非常大的。
该凝固后的介质(例如固态氮)能够与所述两翅片62、64一起以较高的效率将所述第二冷却台28的冷能传递至冷头插入部18的底部34。
6)冷头26的进一步插入
通过步骤(5)，在冷头插入部18的底部形成了热传导介质固化而成的介质之后，进一步向下方插入冷头18。具体而言，在高度调节机构44中，在松开上侧螺母47和下侧螺母48中的一端而使高度调节凸缘46成为上下自由移动的状态之后，进一步向下方按压所述冷头26。
进行所述冷头26的插入且使其插入操作力经由所述两定位部67、68传递至冷头插入部18的底部34，由此随着该冷头插入部18的筒部32中的波纹管部38的伸长方向上的弹性变形，该底部34向下方位移，从而使设于该底部34的下表面的插入部侧金属板72与被冷却体侧金属板74紧贴。即，热开关70从断开状态被切换为接通状态，从而能够在所述冷头插入部18的底部34与作为被冷却体的液氦容器12之间进行热传导。
这样，在底部34下降至两金属板72、74彼此紧贴之后，再次紧固所述上侧螺母47以及下侧螺母48的高度位置，由此完成向真空容器16固定制冷机20。
7)冷头26的拆卸
接着，在以制冷机20的维护等为目的而从冷头插入部18拆卸该制冷机20的冷头26时，使所述热开关70成为断开状态并且使热传导介质气化即可。具体而言，通过拆下高度调节机构44的上侧螺母48并将制冷机20稍微抬起，由此使构成热开关70的金属板72、74彼此分离，并且停止所述制冷机20的运转即可。此外，通过驱动加热器82或者穿过气体供排管58向冷头插入部18内供给常温气体，能够促进所述热传导介质的升温以及气化。
若通过上述方式将热传导介质气化，则构成热连结形成部60的翅片62、64彼此的连结被解除。由此，能够容易地从所述冷头插入部18中取出冷头26。而且，处于断开状态的热开关70有效地抑制了伴随着所述冷头插入部18的升温的朝向被冷却体(液氦容器12)的热侵入。例如，在构成热开关70的各金属板72、74的面积为1.6×10-2m2且其表面的辐射率为0.01的情况下，即使所述底部34的温度上升到室温为止，金属板72、74之间的辐射传热量也被抑制为36mW。因而，有效地抑制了制冷机20的修理或更换中的被冷却体的温度上升。
此时，可以按照如下方式设定该冷头插入部18容积：即，从在所述间隙66内凝固的状态气化后的热传导介质的气体以大致接近于大气压的压力充满冷头插入部18内。换言之，优选基于用于使热传导介质在液体状态下充满所述间隙66的该热传导介质的必要体积、以及下述的表1所示那样的该热传导介质的密度比(液体状态下的密度相对于1个气压且0℃时的气体密度之比)，设定所述冷头插入部18的容积。
[表1]
本发明并不局限于以上说明的实施方式。例如，也能够包括如下那样的实施方式。
对于所述热开关70而言，在所述实施方式中通过冷头插入部18的底部34的位移而将该热开关70接通断开，但是也可以通过使被冷却体侧开关元件(在图3中为被冷却体侧金属板74)位移来将热开关70接通断开。但是，在该情况下，需要用于操作所述被冷却体侧开关元件的特殊机构，与之相对，在如所述实施方式那样基于冷头插入部18的底部34的位移的方式中，具有能够利用冷头26的插入操作力来将热开关70接通断开的优点。另外，在如所述那样利用冷头26的插入操作力来使所述底部34位移的情况下，用于传递该插入操作力的操作力传递部也可以与所述定位部67、68独立设置。
本发明所涉及的制冷机侧凹凸部以及插入部侧凹凸部并不局限于所述那样的包括翅片62、64在内的结构。例如，制冷机侧凹凸部也可以具有朝向插入部侧凹凸部呈棒状或球状突出的多个制冷机侧突起，插入部侧凹凸部也可以是在所述各制冷机侧突起之间突出的同样为棒状或球状的突起。
本发明所涉及的制冷机侧以及插入部侧定位部也可以设置在与热连结形成部分离的位置，例如设置在冷头的中段部分或冷头插入部的入口侧部分。但是，如所述那样分别与制冷机侧凹凸部以及插入部侧凹凸部并列设置的定位部能够以更高的精度来规定所述凹凸部彼此的间隙的尺寸。
能够省略所述温度控制装置80。例如，在热传导介质保持液相的温度区域较大的情况下，即便仅以较低的速度对该热传导介质进行冷却，在该冷却中也能够使该热传导介质成为液相而遍布在两凹凸部间的间隙中。另外，在热传导介质的密度与空气的密度相比非常大的情况下，也可以在将冷头向冷头插入部内插入之前，将该冷头插入部内的气体置换成热传导介质。换言之，也可以在置换该气体之后，将冷头插入到冷头插入部内。
如上所述，根据本发明，提供用于通过具有冷头的制冷机对被冷却体进行冷却的极低温装置、以及使用该极低温装置的被冷却体的冷却方法，该极低温装置在有效地抑制朝向所述被冷却体的热侵入的同时，能够将所述冷头相对于所述被冷却体以能够高效率地进行热传递的方式连结为能够装卸。
所述极低温装置具备：被冷却体容器，其具有外壁，并且在该被冷却体容器的内侧收容所述被冷却体；冷头插入部，其具有筒部和底部，该筒部形成从所述外壁起朝向所述被冷却体延伸、且为了允许所述冷头从其低温端侧插入而向所述外壁的外侧开口的筒状，该底部以堵塞该筒部的里侧端部的方式与该筒部相接，该冷头插入部具有通过该插入的冷头而将内部封闭的形状；热连结形成部，其用于在所述冷头的低温端与所述冷头插入部的底部之间形成能够进行热传导的热连结部；以及热开关，其设置在所述冷头插入部的底部与所述被冷却体之间。所述热连结形成部具有制冷机侧凹凸部和插入部侧凹凸部，该制冷机侧凹凸部设置在所述冷头的低温端处且在与该冷头的插入方向平行的方向上起伏，该插入部侧凹凸部设置在所述冷头插入部的底部中的朝向所述冷头的低温端侧的面上，并且以能够与所述制冷机侧凹凸部隔开间隙进行对置的方式在与该冷头的插入方向平行的方向上起伏。所述制冷机侧凹凸部以及所述插入部侧凹凸部具有如下的形状：通过在所述制冷机侧凹凸部以及所述插入部侧凹凸部彼此的间隙内使气体状的热传导介质在所述冷头的低温端的运转温度下凝固，由此形成所述热连结部。所述热开关具有插入部侧热开关元件和被冷却体侧热开关元件，该插入部侧热开关元件设置在所述底部中的朝向所述被冷却体侧的面、即被冷却体侧面，该被冷却体侧热开关元件以相对于该插入部侧热开关元件在与所述冷头的插入方向平行的方向上对置的方式配置于所述被冷却体，通过使两开关元件在与所述冷头的插入方向平行的方向上相对位移，从而在接通状态与断开状态之间进行切换，在该接通状态下，所述插入部侧热开关元件以及被冷却体侧热开关元件彼此接触而允许所述冷头插入部的底部与所述被冷却体之间的热传导，在该断开状态下，所述插入部侧热开关元件以及被冷却体侧热开关元件彼此分离而允许所述冷头插入部的底部与所述被冷却体之间的热传导。
另外，本发明提供一种用于使用所述极低温装置对所述被冷却体进行冷却的方法。该方法包括：准备所述极低温装置；将制冷机的冷头从其低温端侧插入到该极低温装置的冷头插入部内，由此将该冷头插入部内封闭，并且使设置在所述冷头的低温端处的制冷机侧凹凸部与所述插入部侧凹凸部隔开间隙进行对置；通过所述制冷机的运转，使气体状的热传导介质在所述间隙内凝固而形成热连结部；以及将所述热开关接通。
通过以上方式，由两凹凸部以及凝固后的热传导介质形成的热连结部能够将制冷机所生成的冷能从其低温端起通过该热连结部而传递至冷头插入部的底部。而且，传递至该底部后的冷能能够经由处于接通状态的热开关(即处于相互接触的状态的插入部侧热开关元件以及被冷却体侧热开关元件)而传递至被冷却体。
另外，通过这种方式，能够在抑制向所述被冷却体的热侵入的同时，将插入到冷头插入部的冷头从所述冷头插入部拆卸。具体而言，在将所述热开关设为断开状态(即，使所述插入部侧热开关元件与被冷却体侧热开关元件相互分离的状态)之后，使制冷机的运转停止即可。由此，由凝固后的热传导介质形成的热连结部升温而气化，从而能够切断至此为止进行连结的冷头的冷却端与冷头插入部的底部。此时，由于所述热开关成为断开状态，因此能够有效地抑制伴随着所述升温的朝向被冷却体的热侵入。
具体而言，作为用于使所述热开关接通断开的机构，优选如下结构：所述冷头插入部的筒部能够在与所述冷头的插入方向平行的方向上伸缩，在该筒部的收缩状态下，使所述插入部侧热开关元件与所述被冷却体侧热开关元件分离，在该筒部的伸长状态下，使所述插入部侧热开关元件与所述被冷却体侧热开关元件接触。根据该构造，在不使被冷却体侧的构造变得复杂的前提下，能够利用构成冷头插入部的筒部的伸缩来实现热开关的接通断开切换。
此外，优选所述筒部能够在所述冷头的插入方向上弹性地伸缩，并且在未插入所述冷头的状态下，具有使所述插入部侧热开关元件与所述被冷却体侧热开关元件分离的自然长度，另一方面，所述极低温装置具备操作力传递部，该操作力传递部分别设置在所述冷头以及所述冷头插入部上，伴随着所述冷头的插入而在与冷头的插入方向平行方向上相互抵接，所述操作力传递部将施加到所述冷头的插入方向上的操作力传递至所述冷头插入部而使所述冷头插入部的筒部伸长，由此使所述插入部侧热开关元件与所述被冷却体侧热开关元件接触。该构造利用所述冷头朝向所述冷头插入部内的插入操作，从而能够直接将热开关从断开切换为接通。
而且，所述操作力传递部可以配置为，通过将所述操作力传递部彼此抵接而在所述制冷机侧凹凸部与所述插入部侧凹凸部之间确保所述间隙。
另外，优选的是，所述被冷却体侧热开关元件借助包括能够弹性变形的编织体在内的支承体而被支承在所述被冷却体上，所述编织体通过自身的弹性变形而允许所述被冷却体侧热开关元件朝向靠近所述被冷却体侧的方向位移。在该情况下，通过将所述冷头插入到所述冷头插入部以使所述底部位移至使所述编织体发生弹性变形，由此能够利用所述编织体的弹性力来提高热开关元件彼此的接触压，从而提高它们的紧贴性。
另一方面，优选的是，所述制冷机侧凹凸部与所述插入部侧凹凸部具有如下的形状：能够在这些凹凸部彼此之间针对与所述插入方向平行的方向以及与其正交的冷头径向这两个方向而形成间隙。这种形状能够以凝固后的热传导介质作为媒介，在所述制冷机侧凹凸部与所述插入部侧凹凸部之间，不仅在与冷头的插入方向平行的方向上并且在冷头径向上传递冷能，从而能够进一步提高热传导性能。
具体而言，优选的是，所述制冷机侧凹凸部具有与所述插入部侧凹凸部对置的制冷机侧基面、以及从该制冷机侧基面突出的多片制冷机侧翅片，所述插入部侧凹凸部包括与所述制冷机侧凹凸部对置的插入部侧基面、以及从该插入部侧基面向所述制冷机侧翅片彼此之间突出的多片插入部侧翅片。
而且，在该情况下，优选的是，极低温装置还具备定位部，该定位部分别设置于所述冷头以及所述冷头插入部，伴随着所述冷头的插入而相互抵接，由此决定两凹凸部的相对位置，使得在所述制冷机侧凹凸部与所述插入部侧凹凸部之间，针对与所述插入方向平行的方向以及与其正交的冷头径向这两个方向确保间隙。该定位部仅通过向冷头插入部内插入冷头的作业，就能够在所述两凹凸部彼此之间，针对冷头插入方向以及径向这两个方向确保适当的间隙。
具体而言，优选的是，在所述极低温装置中，作为所述定位部，具有制冷机侧定位部和插入部侧定位部，该制冷机侧定位部与所述制冷机侧翅片一并从所述冷头的低温端朝向所述冷头插入部的底部突出，该插入部侧定位部与所述插入部侧翅片一并从所述冷头插入部的底部朝向所述冷头的低温端突出，两定位部具有相互抵接的抵接面，这些抵接面是随着朝向所述冷头的径向上的内侧而向所述冷头插入部的底部侧位移的朝向上的锥面。这些抵接面伴随着所述冷头的插入而将所述制冷机侧定位部引入所述插入部侧定位部的径向上的内侧，由此能够针对冷头的插入方向以及径向这两个方向同时进行定位。
优选的是，本发明所涉及的极低温装置还具备密封部，该密封部设置于所述冷头，在向所述冷头插入部插入该冷头时，与所述被冷却体容器或所述冷头插入部接触而将该冷头插入部内封闭。在该情况下，进一步优选的是，该极低温装置还具备气体供排管，该气体供排管用于将被所述密封部封闭后的所述冷头插入部内的气体置换成由所述热传导介质构成的气体。
优选的是，所述极低温装置还具备温度控制装置，该温度控制装置在插入到所述冷头插入部内的冷头的运转中，将所述热连结形成部的温度控制为用于将所述热传导介质保持为液相的温度。使用了该温度控制装置的温度控制能够使供给至所述冷头插入部内的热传导介质暂时成为液相而完全遍布在所述两凹凸部间的间隙中。此外，之后停止该温度控制而使所述热传导介质凝固，由此能够使该热传导介质的凝固物可靠地介于所述间隙内。

Claims (14)

1.一种极低温装置，其用于通过具有冷头的制冷机对被冷却体进行冷却，其中，
所述极低温装置具备：
被冷却体容器，其具有外壁，并且在该被冷却体容器的内侧收容所述被冷却体；
冷头插入部，其具有筒部和底部，该筒部形成从所述外壁起朝向所述被冷却体延伸、且为了允许所述冷头从其低温端侧插入而向所述外壁的外侧开口的筒状，该底部以堵塞该筒部的里侧端部的方式与该筒部相接，该冷头插入部具有通过该冷头的插入来封闭内部的形状；
热连结形成部，其用于在所述冷头的低温端与所述冷头插入部的底部之间形成能够进行热传导的热连结部；以及
热开关，其设置在所述冷头插入部的底部与所述被冷却体之间，
所述热连结形成部具有制冷机侧凹凸部和插入部侧凹凸部，该制冷机侧凹凸部设置在所述冷头的低温端且在与该冷头的插入方向平行的方向上起伏，该插入部侧凹凸部设置在所述冷头插入部的底部中的朝向所述冷头的低温端侧的面上，并且以能够与所述制冷机侧凹凸部隔开间隙进行对置的方式在与该冷头的插入方向平行的方向上起伏，所述制冷机侧凹凸部以及所述插入部侧凹凸部具有如下的形状：通过在所述制冷机侧凹凸部以及所述插入部侧凹凸部彼此的间隙内使气体状的热传导介质在所述冷头的低温端的运转温度下凝固，由此形成所述热连结部，
所述热开关具有插入部侧热开关元件以及被冷却体侧热开关元件，该插入部侧热开关元件设置在所述底部中的朝向所述被冷却体侧的面、即被冷却体侧面，该被冷却体侧热开关元件以相对于该插入部侧热开关元件在与所述冷头的插入方向平行的方向上对置的方式配置于所述被冷却体，通过使两开关元件在与所述冷头的插入方向平行的方向上相对位移而在接通状态与断开状态之间进行切换，在该接通状态下，所述插入部侧热开关元件以及所述被冷却体侧热开关元件彼此接触而允许所述冷头插入部的底部与所述被冷却体之间的热传导，在该断开状态下，所述插入部侧热开关元件以及所述被冷却体侧热开关元件彼此分离而切断所述冷头插入部的底部与所述被冷却体之间的热传导。
2.根据权利要求1所述的极低温装置，其中，
所述冷头插入部的筒部能够在与所述冷头的插入方向平行的方向上伸缩，在该筒部的收缩状态下，使所述插入部侧热开关元件与所述被冷却体侧热开关元件分离，在该筒部的伸长状态下，使所述插入部侧热开关元件与所述被冷却体侧热开关元件接触。
3.根据权利要求2所述的极低温装置，其中，
所述筒部能够在所述冷头的插入方向上弹性地伸缩，并且在未插入所述冷头的状态下，具有使所述插入部侧热开关元件与所述被冷却体侧热开关元件分离的自然长度，另一方面，所述极低温装置具备操作力传递部，该操作力传递部分别设置在所述冷头以及所述冷头插入部上，伴随着所述冷头的插入而所述操作力传递部在与冷头的插入方向平行的方向上彼此抵接，所述操作力传递部将施加到所述冷头的插入方向上的操作力传递至所述冷头插入部而使所述冷头插入部的筒部伸长，由此使所述插入部侧热开关元件与所述被冷却体侧热开关元件接触。
4.根据权利要求3所述的极低温装置，其中，
所述操作力传递部被配置为，通过将所述操作力传递部彼此抵接而在所述制冷机侧凹凸部与所述插入部侧凹凸部之间确保所述间隙。
5.根据权利要求3所述的极低温装置，其中，
所述被冷却体侧热开关元件借助包括能够弹性变形的编织体在内的支承体而被支承在所述被冷却体上，所述编织体通过自身的弹性变形而允许所述被冷却体侧热开关元件朝向靠近所述被冷却体侧的方向位移。
6.根据权利要求1所述的极低温装置，其中，
所述制冷机侧凹凸部与所述插入部侧凹凸部具有如下的形状：能够在这些凹凸部彼此之间，在与所述插入方向平行的方向以及与其正交的冷头径向这两个方向上形成间隙。
7.根据权利要求6所述的极低温装置，其中，
所述制冷机侧凹凸部具有与所述插入部侧凹凸部对置的制冷机侧基面、以及从该制冷机侧基面突出的多片制冷机侧翅片，所述插入部侧凹凸部包括与所述制冷机侧凹凸部对置的插入部侧基面、以及从该插入部侧基面向所述制冷机侧翅片彼此之间突出的多片插入部侧翅片。
8.根据权利要求6所述的极低温装置，其中，
所述极低温装置还具备定位部，该定位部分别设置于所述冷头以及所述冷头插入部，伴随着所述冷头的插入而相互抵接，由此决定两凹凸部的相对位置，使得在所述制冷机侧凹凸部与所述插入部侧凹凸部之间，在与所述插入方向平行的方向以及与其正交的冷头径向这两个方向上确保间隙。
9.根据权利要求8所述的极低温装置，其中，
作为所述定位部，具有制冷机侧定位部和插入部侧定位部，该制冷机侧定位部与所述制冷机侧翅片一并从所述冷头的低温端朝向所述冷头插入部的底部突出，该插入部侧定位部与所述插入部侧翅片一并从所述冷头插入部的底部朝向所述冷头的低温端突出，两定位部具有相互抵接的抵接面，这些抵接面是随着朝向所述冷头的径向上的内侧而向所述冷头插入部的底部侧位移的朝向上的锥面。
10.根据权利要求1所述的极低温装置，其中，
所述极低温装置还具备密封部，该密封部设置于所述冷头，在向所述冷头插入部插入该冷头时，该密封部与所述被冷却体容器或所述冷头插入部接触而将该冷头插入部内封闭。
11.根据权利要求10所述的极低温装置，其中，
所述极低温装置还具备气体供排管，该气体供排管用于将被所述密封部封闭后的所述冷头插入部内的气体置换成由所述热传导介质构成的气体。
12.根据权利要求1所述的极低温装置，其中，
所述极低温装置还具备温度控制装置，该温度控制装置在插入到所述冷头插入部内的冷头的运转中，将所述热连结形成部的温度控制为用于将所述热传导介质保持为液相的温度。
13.一种被冷却体的冷却方法，其用于使用具有冷头的制冷机对被冷却体进行冷却，其中，
所述被冷却体的冷却方法包括：
准备权利要求1至12中任一项所述的极低温装置；
将制冷机的冷头从其低温端侧插入到所述极低温装置的冷头插入部内，由此将该冷头插入部内封闭，并且使设置在所述冷头的低温端处的制冷机侧凹凸部与所述插入部侧凹凸部隔开间隙进行对置；
通过所述制冷机的运转，使气体状的热传导介质在所述间隙内凝固而形成热连结部；以及
将所述热开关接通。
14.根据权利要求13所述的被冷却体的冷却方法，其中，
所述被冷却体的冷却方法包括：
在通过所述制冷机的运转而使气体状的热传导介质在所述间隙内凝固之前，控制所述热连结形成部的温度，使得该热传导介质暂时成为液相而遍布在该热连结形成部的两凹凸部间的间隙中。
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