CN115210510A - 冷却装置及冷头更换方法 - Google Patents

Abstract

制冷机通道(14)具有套筒(24)及底座(34)。配管(50)从制冷机通道(14)引出。配管(50)上设有阀(52)。在拔出冷头(16)前，罐(58)内的氦气经由配管(50)供给到通道空间(42)。由此，通道空间(42)的压力成为大气压或者接近大气压。

Description

冷却装置及冷头更换方法

技术领域

本发明涉及冷却装置及冷头更换方法，尤其涉及在传导冷却方式下更换冷头时利用的技术。

背景技术

作为冷却方式，已知有经由液体或气体的制冷剂通过制冷机来冷却被冷却体的制冷剂冷却方式、以及不经由这样的制冷剂而利用制冷机来冷却被冷却体的传导冷却方式。在后者的传导冷却方式中，制冷机的冷头直接或经由导热体与被冷却体连接。冷头经由用于制冷剂循环的配管与压缩机连结。冷头是吸收热的部分，换言之是生成冷能的部分，也被称为制冷机单元。在长期使用冷头的情况下，需要对冷头定期维护。在该维护中，例如包括密封部件、阀等消耗品的更换。

作为冷头的维护方法，已知以下三种方法。第一维护方法是在维持冷头及被冷却体的冷却状态的情况下，通过拆解冷头来进行冷头的维护。第二维护方法是不维持冷头及被冷却体的冷却状态，使它们升温至室温来进行维护。

第三维护方法是在维持被冷却体的冷却状态的情况下，拆下冷头后进行冷头的维护。此时，通常在拆下冷头后，配置新的冷头。在收纳有被冷却体的真空容器中，以能够一边维持其内部的真空状态一边进行冷头更换的方式设置有制冷机通道。制冷机通道是收纳冷头并作为隔壁发挥功能的中空结构体。根据第三维护方法，能够维持被冷却体的冷却状态。另外，能够在室温下对冷头进行维护，具有可使维护作业性良好的优点。

在专利文献1以及专利文献2中，公开了以上述的第三维护方法为前提的冷却装置。在专利文献1所公开的冷却装置中，在接收制冷机单元的制冷机通道设置有多个波纹管。专利文献2所公开的冷却装置具备在使制冷机单元与制冷机通道结合时发挥功能的结合用促动器、以及在使制冷机单元从制冷机通道离开时发挥功能的分离用促动器。在专利文献1和专利文献2中的任一个中均未发现用于对制冷机通道的内部压力进行操作的结构。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2019-200003

专利文献2：日本特表2010-506134

发明内容

发明所要解决的课题

在对制冷机通道设置冷头的状态下，作为制冷机通道的内部的通道空间成为气密空间。在该状态下，当使冷头工作时，残留在通道空间内的气体冷凝，通道空间的压力相对于大气压变得相当低，即成为负压。由此，对冷头施加按压其的大气压。在这样的状态下，为了将冷头从制冷机通道拔出，需要相当大的力。这成为使更换作业性降低的主要原因。

本公开的目的在于，在对冷头进行维护的情况下使作业性变得良好。或者，本公开的目的在于，在维护冷头的情况下操作通道空间的压力。

用于解决课题的手段

本公开所涉及的冷却装置包括：真空容器，其收纳被冷却物；制冷机通道，其设置于所述真空容器，具备以能够更换的方式收纳对所述被冷却物进行冷却的制冷机冷头的通道空间；以及压力调整设备，其在拔出所述冷头前向所述通道空间供给气体来提高所述通道空间的压力。

本公开所涉及的冷头更换方法包括：在设置于真空容器的制冷机通道内配置有制冷机冷头的状态下，从外部向所述制冷机通道内的通道空间供给气体，由此提高所述通道空间的压力的工序；以及在提高了所述通道空间的压力后，从所述制冷机通道拔出所述冷头的工序。

发明的效果

根据本公开，在维护冷头的情况下，能够使作业性良好。或者，根据本公开，在维护冷头的情况下，能够操作通道空间的压力。

附图说明

图1是表示第一实施方式所涉及的冷却装置的截面图。

图2是表示凸缘重合部分的平面图。

图3是表示第二实施方式所涉及的冷却装置的截面图。

图4是表示图3所示的冷却装置的一部分的放大截面图。

图5是表示变形例的放大截面图。

图6是表示第三实施方式所涉及的冷却装置的截面图。

图7是表示图6所示的冷却装置的一部分的放大截面图。

图8是表示实施方式所涉及的冷头更换方法的流程图。

图9是表示设置有各实施方式所涉及的冷却装置的设备的一例的图

具体实施方式

以下，基于附图说明实施方式。

(1)实施方式的概要

实施方式所涉及的冷却装置包括真空容器、制冷机通道以及压力调整设备。真空容器是收纳有被冷却物的容器。制冷机通道是设置于真空容器的通道，其具备以能够更换的方式收纳对被冷却物进行冷却的制冷机冷头的通道空间。压力调整设备是用于在拔出冷头前向通道空间供给气体来提高通道空间的压力的设备。

根据上述结构，在从制冷机通道拔出冷头之前，使压力调整设备发挥功能向通道空间供给气体，提高通道空间的压力。由此，消除或减轻外界与通道空间之间的压力差，从而消除或减轻起因于压力差而作用于冷头的力。由此，冷头的拔出作业变得容易。

在实施方式中，压力调整设备不仅在向通道空间供给气体时发挥功能，还在从通道空间排出气体时发挥功能。另外，也可以出于其他目的利用压力调整设备。在实施方式中，制冷机通道是收纳冷头的全部或一部分的中空结构体。制冷机通道作为将真空容器的内部空间与通道空间隔开的隔壁而发挥功能。

在实施方式中，压力调整设备包括配管及阀。配管具有与通道空间连通的气体流路，从制冷机通道引出。阀设置于配管。通过阀，在制冷机运转时关闭气体流路，在更换冷头时允许向气体流路供给气体。

根据上述结构，能够通过简单的结构对通道空间供给气体。也可以以贯通真空容器的方式设置配管，也可以以贯通冷头的凸缘(安装板)的方式设置配管。根据前者结构，能够直接使用现有的冷头。

在实施方式中，配管的第一端部与制冷机通道连结，配管的第二端部被引导至真空容器的外侧。在配管的露出部分(从真空容器出来的部分)设有阀。在采用该结构的情况下，能够通过手动作业进行阀的开闭。当然，也可以通过电信号来控制阀门的开闭。

在实施方式中，制冷机通道具有沿通道的中心轴方向伸缩的波纹管。从制冷机通道的波纹管的室温侧引出配管。波纹管是波纹结构，具有变形性，另外，发挥降低热流入作用。通过从制冷机通道的室温侧部分引出配管，从而从冷头的冷却台(热吸收部、冷能生成部)对配管进行热分离。另外，根据上述结构，具有即使波纹管变形也不对配管施加负荷或难以施加负荷的优点。

在实施方式中，制冷机通道具有套筒及底座。套筒是包围通道空间的部件。底座是设置在套筒的冷却侧端部的部件，与冷头的冷却台直接或间接地连结。在制冷机中，还设置有弹性机构，其对底座施加弹性力，以使底座与冷却台之间的连结力增大。

根据结构，通过弹性机构，能够增大底座与冷却台之间的连结力，使它们之间的热传导性良好。通过与套筒分开独立地设置弹性机构，能够得到与波纹管弹性作用无关的充分的弹性作用。不过，也可以在制冷机通道的一部分具有生成辅助弹性力的部分。在实施方式中，作为弹性机构，设置有机械地产生弹性力的机构。在冷却装置振动或振动波及到冷却装置的状况下，也能期待由弹性机构吸收、缓和振动。在冷却装置的姿势发生变化的情况下，根据弹性机构，能够稳定地获得上述良好的热传导性。

在实施方式中，通道空间由在通道的中心轴方向上排列的第一通道空间以及第二通道空间构成。制冷机通道包括第一套筒、第二套筒、第一底座以及第二底座。第一套筒是包围第一通道空间的部件。第二套筒是包围第二通道空间的部件。第一底座是设置于第一套筒的冷却侧端部的部件，与冷头的第一冷却台直接或间接地连结。第二底座是设置于第二套筒的冷却侧端部的部件，与冷头的第二冷却台直接或间接地连结。冷却装置还设置有第一弹性机构和第二弹性机构。第一弹性机构对第一底座施加弹性力，以使第一底座与第一冷却台之间的连结力增大。第二弹性机构对第二底座施加弹性力，以使第二底座与第二冷却台之间的连结力增大。

上述结构以具备串联连接的2个冷能生成部的2级冷却台结构(2级冷头)为前提。通过第一弹性机构，第一底座与第一冷却台之间的第一热传导性提高，通过第二弹性机构，第二底座与第二冷却台之间的第二热传导性提高。在实施方式中，在真空容器与第一底座之间设置有第一弹性机构，另外，在真空容器与第二底座之间设置有第二弹性机构。即，采用独立牵引方式。通过采用这样的结构，能可靠地获得良好的第一热传导性和第二热传导性。也可以考虑使2个弹性机构连结或协作的变形例。

在实施方式中，第一弹性机构包括设置于第一套筒周围的多个第一支撑构件，各第一支撑构件包括弹性部件。第二弹性机构包括设置于第一套筒和第二套筒周围的多个第二支撑构件，各第二支撑元件包括弹性部件。

根据上述结构，由于在第一套筒的外侧设置有多个第一支撑构件，另外，在第二套筒的外侧设置有多个第二支撑构件，因此能够避免第一套筒以及第二套筒的大型化。换言之，能够实现它们的小型化。由于能够减小第一套筒内的第一套筒空间以及第二套筒内的第二套筒空间的体积，因此能够减少气体消耗量。

在实施方式中，在制冷机通道设置有用于防止供给到通道空间的气体的液化的加热器。加热器是液化防止手段。在维护冷头时，冷头的冷却台的温度为极低温的状态下，当向通道空间内供给气体时，该气体液化(或颗粒化)，气体供给效果降低。或者，气体消耗量上升。有些情况下，因冷却而产生的液体(或颗粒)会使导热硅脂等的作用降低。根据上述结构，能够避免或减少这些问题。

实施方式所涉及的冷头更换方法包括第一工序和第二工序。在第一工序中，在设置于真空容器的制冷机通道内配置有制冷机冷头的状态下，从外部向制冷机通道内的通道空间供给气体，由此提高通道空间的压力。在第二工序中，在提高了通道空间的压力后从制冷机通道拔出冷头。

根据上述结构，在提高了通道空间的压力之后可以拔出冷头，因此在取出时无需很大的力。由此，冷头拔出时的作业性变得良好。优选将通道空间内的压力提高至大气压，但也可以将通道空间内的压力提高至比大气压低的水平。

在实施方式中，还设置有在制冷机通道配置新的冷头后将通道空间内的气体向外部排出的工序。根据这个结构，能够进一步降低通道空间内的残留气体的对流引起的热传导。

(2)实施方式的详细内容

图1中示出了第一实施方式所涉及的冷却装置。图示的冷却装置是基于传导冷却方式的冷却装置。在图1中，示出了x方向以及与其正交的z方向。与x方向以及z方向正交的方向为y方向。在图1中，没有示出y方向。x方向、y方向及z方向均未必与重力作用的铅垂方向一致，但为了便于说明，以下以附图为基准，使用上下左右的用语。

图示的冷却装置具备制冷机10、真空容器12及制冷机通道14。在真空容器12内设置有被冷却体15。被冷却体15例如是用于生成磁场的超导线圈。被冷却体15在真空容器12内被支承机构18支承。真空容器12的内部是真空空间22。真空容器12例如由不锈钢构成。支承机构18具有由隔热材料构成的多个支柱20。各支柱20例如由具有较高的隔热作用的FRP(Fiber-Reinforced Plastics，纤维增强复合材料)构成。作为这样的FRP，可列举出含有玻璃纤维的GFRP、含有碳纤维的CFRP等。

制冷机10由冷头(也称为制冷机单元)16及压缩机(也称为压缩单元)46构成。它们通过用于制冷剂循环的配管44连接。作为制冷机10，可以列举GM制冷机、苏尔威制冷机、脉冲管制冷机等。

在真空容器12设置有制冷机通道14。制冷机通道14是收纳冷头16的中空结构体。从这个观点来看，制冷机通道14是冷头通道。冷头16具有执行热交换循环的多个元件。多个元件包括注射器、活塞等。制冷机通道14的内部空间为通道空间42。在将冷头16安装于制冷机通道14的状态下，通道空间42成为与外界或真空空间22隔离的气密空间。

在真空容器12上形成有圆形开口25。以包围开口25的方式形成有作为周缘部或安装台的凸缘28。制冷机通道14具有套筒24及底座34。套筒24是圆筒状中空体，在其中间部分形成有波纹管26。波纹管26是波纹结构，由多个连续折回部构成，沿制冷机通道14的中心轴方向伸缩。波纹管26具有抑制由从室温侧向被冷却体15侧的热传导导致的热流入的功能。另外，波纹管26具有变形性，具有在实际的空间关系从制冷机通道14与冷头16之间所指定的空间关系发生偏离的情况下，吸收该偏离(尺寸差)的功能。

套筒24的室温侧端部(在图1中为上端部)与开口25连结，套筒24的冷却侧端部(在图1中为下端部)与底座34连结。例如，套筒24整体由不锈钢构成。套筒24的波纹管26的壁厚例如为0.1～0.2mm，套筒24的波纹管26以外的部分的壁厚例如为0.2～0.4mm。本说明书中列举的数值均只是例示。

底座34是由热传导性良好的材料、例如铜(具体为无氧铜)构成的圆板。在图1所示的结构例中，底座34的第一面(图1中的上面)经由热传导部件36与冷头16连接。热传导部件36例如是由铜构成的圆板。热传导部件36是出于保护冷头16的冷却台40等目的而设置。也可以不设置热传导部件36，而将底座34直接接合于冷头16的冷却台40。

在各个部件之间，根据需要设置导热硅脂。在图1所示的结构例中，底座34的第二面(图2中的下面)经由热传导部件41与被冷却体15连接。热传导部件41由自由变形且热传导性良好的材料(例如铜)构成。

冷头16的一部分38插入制冷机通道14内。冷头16具有设置于室温侧的凸缘30。凸缘30是作为呈突缘状扩展的环状圆板的安装板。凸缘30通过未图示的多个螺栓安装于凸缘28。

如后所述，在凸缘28上形成有环形凹槽。在该凹槽中配置有作为密封部件的O形环。在凸缘28与凸缘30重合紧固的状态下，通过O形环，凸缘28与凸缘30之间的间隙被完全密封。由此，通道空间42成为气密空间。凸缘28及凸缘30例如由不锈钢构成。凸缘28与套筒24也可以通过焊接等方法连结。

冷头16具有作为冷却端部的冷却台40。在冷头16产生的冷能从冷却台40经由热传导部件36、底座34以及热传导部件41向被冷却体传递。换言之，被冷却体15的热经由热传导部件41、底座34以及热传导部件36被冷却台40吸收。这样，通过传导冷却方式，被冷却体15被冷却。

在制冷机通道14上设置冷头16之后，若使冷头16工作，则伴随着冷头16的冷能生成，通道空间42内的气体(通常，氦气)凝聚，通道空间42的压力变得比大气压低很多。在冷却装置的工作中，维持这个状态。

在制冷机维护时，例如包括冷头16在内的作业空间整体被袋状的罩64覆盖。在除去了罩64内的空气后，向罩64内充入氦气等。由此来防止空气进入通道空间42。假设空气进入通道空间42，则会出现霜的产生等问题。罩64还发挥防止异物进入的作用。

在制冷机维护的作业中，通过仅松开上述的多个螺栓，O形环的作用得以维持，即，通道空间42的压力保持负压。在这个状态下，对冷头16施加大气压，为了将冷头16从制冷机通道14拔出，需要相当大的力。或者，无法拔出。因此，在实施方式中，设置有压力调整设备48。以下对其进行详细叙述。

在图示的结构例中，压力调整设备48由配管50及阀52构成。配管50的第一端部53与套筒24连结，配管50的第二端部54位于真空容器12的外部。配管50贯通真空容器12中的特定的壁(图1中的上部壁)，配管50的一部分构成属于外界的露出部分。在该露出部分设有阀52。特定的壁是形成有开口25的壁，是与作业空间相邻的壁。考虑到冷头16的更换作业时的作业性以及阀52的操作性，确定阀52的设置位置。

配管50的内部流路与通道空间42连通。当使阀门52进行关闭动作时，内部流路成为关闭状态，当使阀门52进行打开动作时，内部流路成为打开状态即流通状态。第一端部53与套筒24中的靠近室温侧而不是波纹管26的部分连结。由此，抑制了经由配管50的热流入。即使波纹管26变形，在配管50中也不会产生特别的应力。

配管50例如由不锈钢管构成。其内径例如为4～6mm、其外径例如为5～7mm。作为阀52，设置有能够通过手动作业进行开闭的阀。也可以利用电磁阀等来代替这样的阀。也可以通过电信号来控制阀52的开闭。

在拔出冷头16前，罐58与第二端部54连接。在这种情况下，也可以经由中继配管56将罐58与第二端部54连接。罐58是收纳氦气的小型罐。在罐58与第二端部54连接的状态下，若打开阀52，则罐58内的氦气通过配管50的内部空间被输送至通道空间42。由此，通道空间42的压力成为大气压或者接近大气压。在这种状态下，能容易地拔出冷头16。

另一方面，在将新的冷头(也可以是维护后的冷头16)设置于制冷机通道14时，根据需要，将吸引泵60连接到第二端部54。在这种情况下，也可以经由中继配管56将吸引泵60与第二端部54连接。在通道空间42成为气密空间的状态下，通过打开阀52并使吸引泵60工作，能够将通道空间42内的残留气体(通常，氦气)向外部排出(参照符号62)。

在冷头16开始工作后，通道空间42内的残留气体凝聚，通道空间42内的压力降低，在此之前，通过尽可能地减少残留气体，能够进一步减少在通道空间42产生的对流。另外，在残留气体排出后，关闭阀52。在图1所示的结构例中，维护作业时，在罩64中配置有罐58以及吸引泵60，但也能够将它们配置在罩64的外侧。

也可以以贯通冷头16的凸缘30的方式设置配管。在这种情况下，在配管上的大气侧设有阀。也可以在凸缘30上形成贯通孔，在其出口侧设置阀。在这种情况下，贯通孔相当于配管。不过，根据图1所示的结构，能够获得可直接利用现有的冷头16的优点。作为配管及阀的设置方式，可以采用各种方式。

也可以维持经由中继配管56而将罐58以及吸引泵60与第二端部54连接的状态。在这种情况下，只要在中继配管56设置切换流路的切换阀即可。在第二端部54内，虽然微小但包含空气。为了避免这微量的空气进入到通道空间42，也可以在连接罐58时排出残留空气。对于从多个制冷机通道引出的多个配管，也可以在它们上连接共用的罐58、或共用的吸引泵60。

在上述结构中，也可以将氮气等其他非活性气体作为向通道空间42供给的气体。也可以对制冷机通道14连接用于供给气体的配管和用于排出气体的配管。在这种情况下，在各个配管上设有阀。在阀的概念中包括止回阀等开闭器。

在罩64内充满氦气的状态下，且在第二端部54面向罩64内的状态下，可以将阀52设为打开状态。在这种情况下，通道空间42与外界(罩64的内部)经由配管50连通，产生自然的压力均衡。在采用这样的结构的情况下，不需要罐58。

可以对通道空间42填充具有柔软性或变形性的材料、例如作为发泡材料的聚氨酯。根据这个结构，能够减小在通道空间42中气体能够存在的有效体积，由此，能够进一步减少气体对流引起的热流入。

图2示出凸缘28和凸缘30的结合体(重合体)。符号38表示冷头中的插入部分。插入部分的外侧且套筒24的内部为通道空间42。在凸缘28上形成有环形的凹槽，在此处配置有发挥密封作用的O形环70。2个凸缘28、30通过螺栓列68紧固。螺栓列68例如由配置成环状的8个螺栓71构成。螺栓列68设置于O形环70的外侧。在通道空间42的压力为负压的情况下，即使松开多个螺栓71，O形环70的密封作用也维持原样。因此，如上述那样设置有压力调整设备。

图3中示出了第二实施方式所涉及的冷却装置。在图3中，省略了罩的图示。在图3中，对与已经说明的元件相同的元件标注相同的符号，并省略其说明。这同样适用于图4以后的各图所示的元件。

在图3所示的冷却装置10A中，在制冷机通道14的外侧设置有弹性机构72来包围制冷机通道14。制冷机通道14与弹性机构72分体化设置，相互独立地发挥功能。为了提高冷头16与底座34之间的物理接合程度、特别是热传导性，弹性机构72对底座赋予朝向大气侧(在图4中朝向上方)的弹性力(按压力)。

在图示的例子中，在底座34与冷头16的冷却台40之间配置有热传导部件36。在这种情况下，通过向底座34施加按压力，能够提高底座34与热传导部件36之间的紧贴度，同时提高热传导部件36与冷却台40之间的紧贴度。

图4中放大示出了图3所示的冷却装置10A的一部分。弹性机构72由在制冷机通道14的周围以均等的角度间隔配置的例如3个弹性元件74构成。各弹性元件74分别独立地对底座34施加弹性力。也可以设置4个以上的弹性元件74。

具体而言，各弹性元件74由弹性片76、支柱78以及连结板80构成。弹性片76由沿z方向伸长的第一部分76a和从其端部沿x方向伸长的第二部分76b构成。在图示的例子中，弹性片76是板簧，如悬臂那样发挥功能。

具体而言，弹性片76产生将第二部分76b的端部向室温侧(在图4中为上方)拉起的弹性力。通过使用具有期望的弹簧系数的弹性片作为弹性片76，能够调整弹性片76所产生的弹性力。支柱78的第一端部通过固定部件82固定于第二部分76b。支柱78的第二端部固定于连结板80。连结板80与底座34连结。

弹性片76所产生的弹性力经由支柱78以及连结板80而被提供给底座34。弹性片76例如由不锈钢构成，连结板80例如也由不锈钢构成。支柱78由隔热性高的材料构成，例如由FRP构成。

在制冷机通道的中心轴周围具有120度的角度间隔，来自3个弹性元件74的3个弹性力被施加到底座34。也可以设置更多的弹性元件74。通过将弹性机构72设置在制冷机通道14的外侧，能够减小制冷机通道14的尺寸、具体而言减小其直径。由此，通道空间42的体积变小，能够减少残留气体的总量。其结果是，能够降低因残留气体的滞留而引起的热传导。

如上所述，如果利用压力调整设备48从通道空间42排出残留气体，则能够进一步降低由残留气体的对流引起的热传导。通过制冷机通道14的小型化，能够提高其物理强度。

也可以通过变更弹性元件74的设置数量来调整施加到底座34的总弹性力。作为产生各弹性元件74的弹性力或按压力的手段，除了板簧以外，还可以采用螺旋弹簧、碟形弹簧等。也可以通过弹簧以外的部件或机构来产生弹性力。例如，也可以利用线牵引力、磁力。

在图4所示的结构例中，在制冷机通道14的冷却侧端部或其附近设置有加热器84。具体而言，加热器84由紧贴于套筒24的外周面的多个加热器元件构成。

通过在向通道空间42供给氦气的过程、其他必要的时刻使加热器84工作，能够防止氦气的液化(及粒状化)。即，在冷头的冷却状态下，若将氦气供给到通道空间42，氦气的一部分有可能液化(及粒状化)。在这种情况下，氦气的消耗量会增大。或者，还存在因液化等导致导热硅脂的作用降低等问题。

通过使加热器84工作，能够防止氦气的液化等，从而将上述问题的产生防患于未然。也可以将加热器84设置在套筒的内部。当然，加热器84在制冷机的运转中不工作。

图5示出了变形例。在冷却装置10B中，在制冷机通道的外侧设置有弹性机构72A。弹性机构72A例如由3个弹性元件74A构成。各个弹性元件74A由支柱88以及弹性片86构成。弹性片86由第一部分86a及第二部分86b构成。支柱88的第一端部与真空容器12连结。支柱88的第二端部与第一部分86a连结。第二部分86b与底座34连结。弹性片86是板簧，其对底座34施加朝向室温侧的弹性力。

根据这样的变形例，也能够对底座34施加用于提高与冷头等的紧贴度的弹性力。在变形例中，支柱88也由隔热性良好的材料构成。

图6中示出了第三实施方式所涉及的冷却装置10C。制冷机通道96由第一通道部分98及第二通道部分100构成。第一通道部分98和第二通道部分100在z方向上相连。另一方面，冷头16B具有收纳于制冷机通道96的部分90。该部分90由在z方向上相连的第一冷却区段和第二冷却区段构成。第一冷却区段的端部是第一冷却台92，第二冷却区段的端部是第二冷却台94。第一冷却台92的温度例如为40～60K，第二冷却台的温度例如为4K。

第一弹性机构102被设置用来包围第一通道部分98，第二弹性机构104被设置用来包围第一通道部分98及第二通道部分100的整体(即制冷机通道96)。

在真空容器12内设置有包围被冷却体15的辐射屏蔽件106。辐射屏蔽件106是阻止从真空容器12发出的辐射到达被冷却体15的部件。辐射屏蔽件106与真空容器12及被冷却体15隔开，其由热传导性良好的材料、例如铝构成。辐射屏蔽件106与第一冷却台92热接触。

在图7中放大示出了图6所示的冷却装置10C的一部分。如上所述，制冷机通道96由第一通道部分98及第二通道部分100构成。第一通道部分98具有第一套筒108及第一底座118。第一套筒108具有圆筒形状，其中间部分构成第一波纹管110。第一套筒108设置在形成于真空容器的开口的周围与第一底座118的第一面(图7中的上面)之间。第一底座118具有环形状。

第二通道部分100具有第二套筒112及第二底座122。第二套筒112具有圆筒形状，其中间部分构成波纹管114。第二套筒112设置于第一底座118的第二面(在图7中为下面)与第二底座122的第一面(在图7中为上面)之间。

在第一底座118与第一冷却台92之间设置有环状的热传导部件120。冷头16B通过热传导部件120的开口部。在第二底座122的第一面(图7中的上面)与第二冷却台94之间设置有圆板状的热传导部件139。第二底座122的第二面(在图7中为下面)与热传导部件41相接。

制冷机通道96的内部空间是通道空间，具体而言，该通道空间由第一通道空间116A和第二通道空间116B构成。第一通道空间116A和第二通道空间116B连通。即，整个通道空间为单一的气密空间。

第一弹性机构102由以包围第一通道部分98的方式设置的、例如3个弹性元件构成。3个弹性元件以均等的角度间隔配置。各个弹性元件由板簧124、支柱126以及连结板128构成。由板簧124生成的弹性力经由支柱126以及连结板128而向第一底座118施加。由此，第一底座118与热传导部件120紧贴，热传导部件120与第一冷却台92紧贴。

第二弹性机构104是独立于第一弹性机构102的机构。具体而言，第二弹性机构104由包围制冷机通道96的、例如3个弹性元件构成。这些弹性元件环状排列，以均等的角度间隔排列。各弹性元件由板簧130、支柱132及联络板134构成。在图示的例子中，支柱132具有与制冷机通道96的全长相当的长度。由板簧130生成的弹性力经由支柱132以及联络板134向第二底座122施加。由此，第二底座122与热传导部件139紧贴，热传导部件139与第二冷却台94紧贴。

绕制冷机通道96的中心轴，构成第一弹性机构102的3个弹性元件例如设置在0度、120度以及240度的位置，构成第二弹性机构204的3个弹性要素例如设置在60度、180度以及300度的位置。由此，避免了第一弹性机构102与第二弹性机构104的物理干涉。

在各支柱132的中途设置有热锚定器135。它由圆环状或圆筒状的热传导部件构成。在各热锚定器135与第一冷却台92之间设置有具有柔软性的热连结件136。各热锚定器135的温度被操作、固定于与第一冷却台92的温度大致相同的温度。通过该结构，能够减少经由各支柱132的热流入。各支柱132也可以不是单一的棒状部件，而是由经由热锚定器连结的2个棒状部件构成。在第一底座118与辐射屏蔽件106之间设置有具有柔软性的热连杆件137。由此，辐射屏蔽件106被冷却。

由于第一弹性机构102和第二弹性机构104作为相互独立的机构而设置，因此可以对第一底座118和第二底座122分别可靠地施加适当的弹性力。虽然也考虑在第一底座与第二底座122之间设置第二弹性机构104，但在采用这样的结构的情况下，由于第一底座118的位置、姿势的变化，第二弹性机构104的作用会发生变化。根据图示的结构，能够避免产生这样的问题。

从第一套筒108的第一波纹管110的室温侧引出配管50。配管50贯通真空容器，被引导至外界。在配管50的露出部分设有阀52。由配管50和阀52构成压力调整设备48。配管50设置在不与上述多个弹性元件接触的位置。如已经说明的那样，也可以在冷头16B的凸缘处设置配管。

在第二套筒112的外侧设置有加热器138。加热器138防止氦气的液化(及粒状化)。

图8示出实施方式所涉及的冷头更换方法。S10是准备工序。在S10中，以包围已设冷头的方式设置罩。其内部的空气被氦气置换。在S12中，相对于配管连接收纳有氦气的罐。在S14中，打开阀。由此，从罐经由配管向通道空间供给氦气。由此，通道空间的压力成为大气压或接近大气压。在S16中，关闭阀。也可以不关闭阀而持续供给氦气。

在S18中，在松开多个螺栓后，将已设冷头从制冷机通道拔出。由于减轻或消除了通道空间的负压，因此在其作业中不需要较大的拔出力。在拔出已设冷头后，把新的冷头(或已维护的冷头)插入到制冷机通道。之后，利用多个螺栓将新的冷头固定于真空容器。

在S20中，将吸引泵与配管连接。在S22中，打开阀，在其前后吸引泵开始工作。由此，通道空间内的氦气向外部排出。在S24中，停止吸引泵的工作，另外，关闭阀。

之后，经过去除罩等必要的作业，开始冷头的运转。随着冷头温度的降低，通道空间内的残留气体凝集，通道空间的压力下降。通过排出残留气体，残留气体的量非常少，能够很大程度抑制由滞留引起的热流入。

为了防止氦气的液化，例如，在时刻T1开始向加热器通电。之后，例如，在时刻T2停止向加热器通电。也可以在其他期间使加热器工作。

上述冷却装置可以在例如超导线圈的冷却中使用。例如，设置于粒子射线治疗装置的、用于生成磁场的超导线圈被上述冷却装置冷却。以下通过图9对此进行说明。

在图9中示意性地示出了作为在粒子射线治疗装置中设置的巨大结构物的门架140。符号144表示门架140的旋转中心轴。门架140绕旋转中心轴144旋转运动。通过该旋转运动，变更针对受检者的粒子射线照射角度。门架140具备圆筒形的主体140A。符号142表示粒子射线的轨道。为了更准确地形成适当的轨道142，在轨道142上设置有多个单元U1～U8。它们固定于主体140A。其中，包括射束聚集单元、射束扫描单元。多个单元U1～U8为示例。

在各个单元U1～U8中包括1个或多个超导线圈。各个超导线圈被上述冷却装置冷却。每个冷却装置上设置有压力调整设备。不过，也可以从共用的罐向多个压力调整设备分配气体。另外，也可以将共用的吸引泵与多个压力调整设备连接，依次切换吸引目标。如果采用实施方式所涉及的结构，则在粒子射线治疗装置所包括的各个冷却装置的维护作业中，能够提高安全性，并且能够提高作业性。也可以在NMR系统、MRI系统中搭载上述冷却装置。

上述压力调整设备(气体供给手段及残留气体排出手段)、弹性机构(从制冷机通道分体化的按压力赋予手段)及加热器(液化防止手段)可以分别单独采用。

符号说明

10冷却装置、12真空容器、14制冷机通道、15被冷却体、16冷头、24套筒、26波纹管、42通道空间、48压力调整设备、50配管、52阀、58罐、60吸引泵。

Claims (9)

1.一种冷却装置，其特征在于，包括：

真空容器，其收纳被冷却物；

制冷机通道，其设置于所述真空容器，具备以能够更换的方式收纳对所述被冷却物进行冷却的制冷机冷头的通道空间；以及

压力调整设备，其用于在拔出所述冷头前向所述通道空间供给气体来提高所述通道空间的压力。

2.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，

所述压力调整设备具备：

配管，其具有与所述通道空间连通的气体流路，从所述制冷机通道引出；以及

阀，其设置于所述配管，在所述制冷机运转时关闭所述气体流路，在更换所述冷头时允许向所述气体流路供给所述气体。

3.根据权利要求2所述的冷却装置，其特征在于，

所述制冷机通道具有沿通道中心轴方向伸缩的波纹管，

所述配管从所述制冷机通道的所述波纹管的室温侧引出。

4.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，

所述制冷机通道包括：

套筒，其包围所述通道空间；以及

底座，其是设置在所述套筒的冷却侧端部的部件，与所述冷头的冷却台直接或间接地连结，

所述制冷机通道设置有弹性机构，该弹性机构对所述底座施加弹性力，以使所述底座与所述冷却台之间的连结力增大。

5.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，

所述通道空间由在通道中心轴方向排列的第一通道空间以及第二通道空间构成，

所述制冷机通道包括：

第一套筒，其包围所述第一通道空间；

第二套筒，其包围所述第二通道空间；

第一底座，其是设置于所述第一套筒的冷却侧端部的部件，与所述冷头的所述第一冷却台直接或间接地连结；以及

第二底座，其是设置于所述第二套筒的冷却侧端部的部件，与所述冷头的所述第二冷却台直接或间接地连接，

所述制冷机通道设置有第一弹性机构，该第一弹性机构对所述第一底座施加弹性力，以使所述第一底座与所述第一冷却台间的连结力增大，

所述制冷机通道设置有第二弹性机构，该第二弹性机构对所述第二底座施加弹性力，以使所述第二底座与所述第二冷却台的连结力增大。

6.根据权利要求5所述的冷却装置，其特征在于，

所述第一弹性机构包括设置于所述第一套筒的周围的多个第一支撑构件，

所述各第一支撑构件包括弹性部件，

所述第二弹性机构包括设置于所述第一套筒和所述第二套筒的周围的多个第二支撑构件，

所述各第二支撑构件包括弹性部件。

7.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，

在所述制冷机通道设置有用于防止向所述通道空间供给的气体的液化的加热器。

8.一种冷头更换方法，其特征在于，包括：

在设置于真空容器的制冷机通道内配置有制冷机冷头的状态下，从外部向所述制冷机通道内的通道空间供给气体，由此提高通道空间的压力的工序；以及

在提高了所述通道空间的压力之后从所述制冷机通道拔出所述冷头的工序。

9.根据权利要求8所述的冷头更换方法，其特征在于，还包括：

在向所述制冷机通道配置了新的冷头后将所述通道空间内的气体向外部排出的工序。

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