JP2017207270A - クライオスタットとコールドヘッドとを備え、冷却システムとの隔離を改善した冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却システムから発してコールドヘッドを介してクライオスタットの中に入る機械的外乱の導入をより簡素且つ小型化した方法で最小化した冷却装置を提供する。
【解決手段】冷却装置１は、クライオスタット２と、冷却システム５２のコールドヘッド３、とを備え、冷却システム５２の作動ガス用の接続ライン１５、特に、脈動する作動ガス用の圧力ラインはコールドヘッド３に接続される。冷却装置１はピボット軸受を有し、これを用いて、コールドヘッド３は回転軸線Ａの周囲で回転できるようにクライオスタット２に装着され、接続ライン１５は、冷却システム５２によって生起された力が加力点ＥＰにおいて加力方向ＥＲに接続ライン１５を介してコールドヘッド３に作用するように、コールドヘッド３に接続され、加力方向ＥＲは、回転軸線Ａ及び加力点ＥＰを含むレバー平面ＨＥの法線Ｎに対して４０°以下で傾斜している。
【選択図】図１ａ

Description

本発明は、極低温液体用の少なくとも１つの極低温槽が配置された真空槽を含むクライオスタットと、冷却システムのコールドヘッド、特に、パルス管冷凍機のコールドヘッドとを備える冷却装置に関する。

コールドヘッドは、クライオスタットに取り付けられ、コールドヘッドの冷却アームは、極低温槽へのクライオスタットのアクセス開口の中に突出し、
真空槽の壁をコールドヘッドの室温部に直接的又は間接的に結合する可撓性封止要素は、極低温槽の内側を環境から封止している。

冷却システムの作動ガス用の接続ライン、特に、脈動する作動ガス用の圧力ラインは、コールドヘッドに接続される。

この種の冷却装置は、特許文献１（ドイツ特許第１０２０１４２１９８４９号明細書）で知られている。

核磁気共鳴（ＮＭＲ）装置、特に、ＮＭＲ分光計及びＮＭＲ断層撮影装置は、しばしば超伝導マグネットコイルを用いて生成される強磁場を必要とする。超伝導マグネットコイルは、極低温で動作させる必要がある。このため、マグネットコイルは、通常は、液体ヘリウム等の極低温液体で満たされたクライオスタットの極低温槽内に配置される。動作温度を長期間にわたって維持すると同時に、極低温液体の消費を最小限にするために、コールドヘッドの冷却アームは極低温槽の中に突出し、これによって熱を取り除くことができる。極低温槽は断熱用の真空槽に囲まれている。

ＮＭＲ測定は、特に、クライオスタットに取り付けられたコールドヘッドを介して導入されるＮＭＲ装置の機械的振動によって妨害される場合がある。

しばしば適用されるパルス管冷凍機の原理による冷却の場合、作動ガスの周期的な圧力変動がコールドヘッドで確立される。この目的のために、制御弁が、作動ガスの高圧リザーバと低圧リザーバとをコールドヘッドに交互に接続し、制御弁の切替周波数は、通常は約１〜２Ｈｚである。コールドヘッドにおける外乱振動は、他の冷却原理（スターリング、ギフォード・マクマホン等）でも生じる。

パルス管冷凍機の原理による冷却の場合、作動ガスは、特許文献２（欧州特許出願公開第０７８０６９８号明細書）にあるように、通常は可撓性の接続ラインを介してコールドヘッドに接続される。可撓性の接続ラインは、コールドヘッドにおける高周波の外乱の導入を最小化する。

可撓性の接続ラインの周期的な圧力変動により、可撓性の接続ラインの長さ、そして場合によっては曲率が周期的に変化するが、これに対応してコールドヘッドが動くことにつながる場合があり、この動きがクライオスタットに導入されて、ＮＭＲ測定の妨げとなる。

特許文献３（ドイツ特許第１０２０１４２１４８１９号明細書）から分かるように、制御弁とコールドヘッドとを接続するために、パルス管冷凍機システムに２つのライン分岐を用いることで、両方の分岐における同一の圧力変動によって、対抗して互いに相殺する機械的な力が生じる。これにより、コールドヘッドへの力の印加を低減することができる。しかしながら、この構造物は比較的大きい。

特許文献１（ドイツ特許第１０２０１４２１９８４９号明細書）には、防振用の隔離要素を用いて、極低温槽壁でコールドヘッドを懸架することが記載されている。真空槽壁とコールドヘッドの室温部との間にある可撓性封止要素が極低温槽の内側を環境から封止し、その結果、可撓性封止要素の両側には、最小限の圧力差しか存在しない。この構造により、コールドヘッドから極低温槽に伝わる力を低減する。

ドイツ特許第１０２０１４２１９８４９号明細書 欧州特許出願公開第０７８０６９８号明細書 ドイツ特許第１０２０１４２１４８１９号明細書

しかしながら、防振用の隔離要素の使用は、比較的高価であり、調節のために訓練された人材を必要とする。さらに、この組立体の大きさも無視できるものではなく、小型のクライオスタットでの使用をより困難にしている。

本発明の目的は、冷却システムから発してコールドヘッドを介してクライオスタットの中に至る機械的外乱の導入をより簡素且つ小型化した方法で最小化することにある。

この目的は、冒頭で述べた種類の冷却装置によって達成され、この冷却装置は、ピボット軸受を有し、これを用いて、コールドヘッドは、回転軸線の周囲で回転できるようにクライオスタットに装着され、接続ラインは、冷却システムによって生起された力が加力点において加力方向に接続ラインを介してコールドヘッドに作用するようにコールドヘッドに接続され、加力方向は、回転軸線及び加力点を含むレバー平面の法線に対して４０°以下で傾斜していることを特徴とする。

本発明との関係において、パルス管冷凍機システム等の一般的な冷却システムから発する機械的外乱は、コールドヘッドの中に導入されるときに、通常は顕著な異方性の影響を受けることが認められた。この異方性は、ほぼ接続ラインの経路から生じる。特に、パルス管冷凍機システムの作動ガスの周期的な脈圧は、接続ラインに沿って作用し、接続ラインの可撓部は、通常は長さの変化、且つ湾曲した経路の場合は、一定の伸長（湾曲の部分的な直線化）の作用を受ける。このコールドヘッドの偏位の振幅は、通常はコールドヘッドの大きさに比べて非常に小さい。したがって、コールドヘッドにはほぼ一定の加力点が存在し、この点では、ほぼ一定の加力方向への加力が生じる。したがって、機械的外乱は、継続してコールドヘッドに同じ運動をさせようとする。

本発明は、接続ラインをそのように配置すること、又はコールドヘッドが機械的外乱によって生じたこのほぼ一定の運動をクライオスタットに対して自由に行えるように、コールドヘッドをクライオスタットに取り付けることを提供する。

本発明に係るピボット軸受は、その動作を、ごくわずかな摩擦抵抗を伴う回転運動として行うことを可能にする。コールドヘッドとクライオスタットとの間をさらに隔離する必要はなく、これは通常はいずれにも提供されない。特に、クライオスタットに隔離部品（例えば、「負の剛性」の隔離部品）を取り付ける必要がなく、空気が圧力変動する場合に、コールドヘッドの位置を維持するための補償室も必要ない。本発明に係る軸受機構の設計は簡素であり、保守が容易（コールドヘッドの取り付け及び取り外しが容易で、調節の必要性が最小限）で且つ小型である。

レバー平面の法線に対する加力方向の本発明に係る配向のために、冷却システムによって生起される力（特に、接続ラインの可撓性ライン部で作動ガスの圧力波によって生起される衝撃）の大部分は、好ましくは完全に、クライオスタットに対して自由に行われ得るコールドヘッドの回転運動に変換され、これにより、外乱としてクライオスタットに導入されない。本発明との関係において、冷却システムによって生起された力は、回転軸線Ａの周囲の円形の経路にほぼ沿って（又は加力点におけるこの円形の経路の接線に沿って）、（加力方向に従って）加力点を動かそうとし、その結果、コールドヘッドは、ピボット軸受によってこの運動に自由に従うことができる。したがって、冷却装置の動作中は、コールドヘッドの回転軸線のまわりに、クライオスタットに対するコールドヘッドの意図的な振動性の回転運動（揺動運動）が（ただし、小振幅で）行われる。

圧力差が最小限であるため（ほとんどの場合０〜５０ｍｂａｒであり、２５ｍｂａｒ以下であることが多い）、可撓性封止要素は実質上無応力であり、クライオスタットに顕著な機械的外乱を伝えることはない。

必要とされるか又は所望される場合は、冷却システムによって生起されたコールドヘッドに作用する力は、知られている手段、特に、接続ラインのライン分岐の力補償経路を用いて低減されてもよい。

好ましくは、加力方向は、レバー平面の法線に対して、（量に応じて）３０°以下、特に好ましくは１５°以下、より好ましくは１０°以下で傾斜し、又は、加力方向は、レバー平面の法線と平行に延びる。

回転軸線Ａのまわりの回転運動は、通常は、クライオスタットにおけるコールドヘッドの自由度のみである。

本発明の好ましい実施態様
本発明に係る冷却装置の実施態様は、回転軸線がコールドヘッドの重心を通って延びることが特に好ましい。これにより、コールドヘッドの前後への揺動が確立されるときに、回転軸線（軸受の軸線）、又はクライオスタットに力が印加されるのを防止する。代わりの実施態様において、回転軸線が重心を通って延びていない場合は、重心は、回転軸線の下方に配置されなければならない。

一実施態様は、有利には、加力方向が軸受平面に対して１５°以下、好ましくは１０°以下の角度αで傾斜し、この軸受平面は、回転軸線に垂直に延びて加力点を含み、加力方向は、特に、軸受平面内で延びている。これにより、回転軸線に沿ってクライオスタットに至る力の印加を最小化することができる。

また、一実施態様は、有利には、加力方向が垂直平面に対して、３５°以下、好ましくは１５°以下の角度βで傾斜し、垂直平面は、レバー平面に垂直且つ回転軸線と平行で、加力点を通って延び、加力方向は、特に、垂直平面内で延びている。これにより、回転軸線に垂直に、クライオスタットに至る力の印加が最小化される。

特に好ましい実施態様では、接続ラインは、少なくとも１つの可撓部を有する。可撓部は、接続ラインのコールドヘッドから離間した端部で（例えば、回転弁／制御弁又は圧縮機によって）発生又は導入される高周波外乱がコールドヘッドに伝わるのを防止するのに役立つ。この実施態様では、加力方向は、通常は、作動ガスの（低周波の）脈圧による少なくとも１つの可撓部の長さの変化に（湾曲した経路の場合は曲率の変化にも）由来する。

この実施態様の有利な展開により、少なくとも１つの可撓部は、全体的に直線状に加力方向に延びている。これにより、加力方向の調節を非常に容易且つ正確に行うことができる。

別の有利な展開において、少なくとも１つの可撓部は、少なくとも１つの副部で湾曲し、且つ／又は異なる副部で異なる方向に延びている。したがって、加力方向は、より自由に選択することができ、特に、可撓部の（コールドヘッドに近接した）端部の経路から外れるように調節することができる。特に小型の構造にすることも、しばしば可能になる。

さらに別の展開において、加力点は、コールドヘッドに近接した少なくとも１つの可撓部の一端に配置される。これは、実際に成功することが分かっており、設計が特に簡素になる。

また、一実施態様は、好ましくは、接続ラインがコールドヘッドから離間した一端で、冷却システムの可動部品、特に、制御弁又は圧縮機に接続される。可動部品は、クライオスタットから距離をおいて配置され、接続ラインによって接続されてもよく、その結果、接続ラインは、コールドヘッド又はクライオスタットへの唯一の関連した機械的接続部となり、その接続部の加力は、本発明に係るクライオスタットから容易に遠ざけることができる。

これも有利な本発明に係る冷却装置の実施態様により、コールドヘッドの室温部は、可撓性封止要素が取り付けられる領域に、その長手方向軸線に垂直な直径ＤＭを有し、且つ可撓性封止要素が真空槽の壁に取り付けられている封止平面からの回転軸線との間隔ＡＢは、ＡＢ≦０．４×ＤＭ、好ましくはＡＢ≦０．３×ＤＭとして表され、回転軸線は、特に、封止平面に配置される。したがって、真空槽壁とコールドヘッドの室温部との間隙に径方向に橋架される可撓性封止要素の場合、コールドヘッドの回転運動時に、ほぼ軸線方向に封止要素に変形を生じさせ、これにより、封止要素に応力を発生させないようになる。可撓性封止要素は、通常は軸線方向に膨らむ。

有利な実施態様において、コールドヘッドとクライオスタットとは、コールドヘッドの長手方向軸線に沿って互いに調節できるように設計される。したがって、コールドヘッドは、特に、回転運動中にコールドヘッドがクライオスタットに接触するのを防止するために、且つ製造公差が避けられないことにかかわらず、コールドヘッドの冷却ステージとクライオスタットとの間の必要な小さい間隙を容易に調節できるようにするために、クライオスタットに対して調節することができる。ピボット軸受は、通常はクライオスタットに対して、固定位置に固定される。

有利な実施態様において、ピボット軸受は、真空槽のカラー部からコールドヘッドに向かって回転軸線に沿って突出する２つの軸受ピンを有するように設計され、軸受ピンは、それぞれボール軸受に囲まれ、ボール軸受は、コールドヘッドに固定的に結合される。ボール軸受は、クライオスタットに対して、コールドヘッドの外乱のない回転運動を行うために、最小限の摩擦で円形の軸受ピンのまわりに回転することができる。外乱がクライオスタットに伝わることはない。軸受ピンは、コールドヘッドの組み立て又は分解のために、回転軸線に沿って格納できるように設計されてもよい。

また、本実施態様の展開では、有利には、ボール軸受は、１つ以上の調節要素を用いて、コールドヘッドの長手方向軸線に沿ってコールドヘッドに対して調節可能な保持リング内に配置される。これにより、クライオスタットに対して、コールドヘッドの位置を容易に調節することができる。調節要素は、例えば、調節ねじとして形成されてもよい。代案として、コールドヘッドの長手方向軸線に沿って、すなわちクライオスタットのアクセス開口の長手方向軸線に沿って調節できるように、クライオスタットに軸受ピンを形成することもでき、この場合、ボール軸受は、静的な方法でコールドヘッドに配置されてもよい。

代わりの実施態様では、ピボット軸受は真空槽のカラー部からコールドヘッドに向かって突出する２つの軸受ピンを有するように設計され、軸受延長部は、回転軸線上に置かれる少なくとも２つの点状又は線状の支持部を有するように設計される。この取り付け方法は、特に低摩擦であり、コールドヘッドは、上方から軸受延長部に容易に配置することができる。

好ましい実施態様では、回転軸線は水平に延びている。これにより、コールドヘッドをクライオスタットの中に吊り下げるように上方から垂直方向に容易に位置決めすることができる。

また、本発明の範囲は、前述した本発明に係る冷却装置と、極低温槽内のマグネットコイル組立体と、クライオスタットの室温ボア内の試料空間を囲むＲＦ共振器とを備える、ＮＭＲ測定組立体を含む。ＮＭＲ測定組立体は、特に、外乱のない方法で動作させることができる。

本説明及び図面から、本発明の別の利点を知ることができる。同様に、前述及び後述した特徴は、個別に、又は集合的に所望の組み合わせで用いられてもよい。図示して説明する実施の形態は、網羅的なリストとして理解されるべきではなく、本発明を説明するための例示的な性質のものである。

水平な接続ラインを備える本発明に係る冷却装置の第１の実施の形態の概略断面図である。 軸受平面内で延びている接続ラインを備える図１ａの冷却装置のコールドヘッドの概略上面図である。 軸受平面に対して角度をなして延びている接続ラインを備える冷却装置の変形例のコールドヘッドの概略上面図である。 高さ調節が可能なコールドヘッドを備える本発明に係る冷却装置の第２の実施の形態の概略断面図である。 コールドヘッドの保持リング内において、２つの軸受ピンを囲むボール軸受を備える冷却装置の第３の実施の形態の概略部分断面等角図である。 軸受延長部に点状の支持部を備える本発明に係る冷却装置の第４の実施の形態の概略部分断面等角図である。 水平線に対して角度をなして延びている接続ラインに可撓部を有する本発明に係る冷却装置の第５の実施の形態の概略断面図である。 接続ラインに湾曲した可撓部を有する本発明に係る冷却装置の第６の実施の形態の概略断面図である。 本発明に係るＮＭＲ測定組立体の概略側面図である。

本発明を図面で示し、実施の形態を参照して詳細に説明する。

図１ａは、本発明に係る冷却装置１の第１の実施の形態の詳細な概略断面図である。

冷却装置１は、クライオスタット２とコールドヘッド３とを備える。クライオスタット２は、真空槽４の内側が排気される真空槽４を形成する。この場合、真空槽４に輻射シールド５が形成され、極低温槽６を囲む。極低温槽６は、ここでは液体ヘリウムである極低温液体で満たされ（図示せず）、極低温槽６に配置されたＮＭＲ分光計の超伝導マグネットコイル組立体（図１ａでは図示せず。図７を参照）を冷却する。

コールドヘッド３は、クライオスタット２を越えて突出する室温部７と、クライオスタット２のアクセス開口９の中に（本実施の形態では上から）突出する冷却アーム８とを有する。図示の実施の形態では、第１の冷却ステージ１０は、非接触で輻射シールド５に結合され、（真空槽４内部の上部境界１４からの第１の冷却ステージ１０の間の小さい間隙は、図１ａでは明示せず。図３を参照）、コールドヘッド３の第２の冷却ステージ１１は、極低温槽６の上部開口内に突出している。

冷却アーム８の環境は、（空気で満たされた）環境１２よりも圧力がわずかに高い、例えば、圧力が環境よりも２０ｍｂａｒ高い、ヘリウムガスに囲まれている。極低温槽６の内側を環境１２から封止する可撓性封止要素１３が、真空槽４の壁の上縁に、且つコールドヘッド３の室温部７の下縁に取り付けられている。内部のヘリウムの圧力が周囲圧力と比較してわずかに高いため、可撓性封止要素１３はわずかに外側に膨らむが、著しい機械的応力下にあるわけではない。

コールドヘッド３は、ピボット軸受（図１ａでは詳細は図示せず。図３及び図４を参照）を用いてクライオスタット２に装着される。コールドヘッド３は、これに応じて、回転軸線Ａを中心としてクライオスタット２に対して自由に回転可能になり、図示の位置では、コールドヘッド３の長手方向軸線ＬＡは垂線（垂直位置）と平行に配向されている。しかしながら、コールドヘッド３の最大回転角度は、コールドヘッド３がクライオスタット２（極低温槽６の開口のほぼ縁部）に衝突する前に、その中心位置（本例では垂直位置）のまわりに通常は＋／−５°以下の狭い角度範囲に制限される。この場合、回転軸線Ａは、コールドヘッド３の重心ＳＰを通って延びている。

コールドヘッド３は、冷却システム５２、すなわちパルス管冷凍機の一部である。制御弁５０は、接続ライン１５を介して作動ガス（ほとんどの場合ヘリウム）の高圧と低圧とをコールドヘッド３に（約１〜２Ｈｚで）交互に印加する。図示の実施の形態では、接続ライン１５の直線状の水平な可撓性ライン部１６が、コールドヘッド３のフランジ１７に達している。圧力変動により、可撓性ライン部１６の伸縮が長手方向に交互に生じ、これにより、コールドヘッド３の可撓性ライン部１６の接続部で圧縮力と引張力とが交互に生じる。

作動ガスの圧力衝撃のため、これに応じて、加力点ＥＰにおいて、加力方向ＥＲに、力がコールドヘッド３に周期的に作用する。

加力方向ＥＲは、レバー平面ＨＥ上の法線Ｎに対して角度γを形成する。法線はレバー平面に垂直であり、法線Ｎの終点は、加力点ＥＰ上に位置する。レバー平面ＨＥは、回転軸線Ａと加力点ＥＰとを含む。

図示の実施の形態では、加力方向ＥＲは軸受平面ＬＥにある。軸受平面ＬＥは、回転軸線Ａに垂直に延び、加力点ＥＰを含む。したがって、この場合、角度γは、加力方向ＥＲと垂直平面ＯＥとの間で測定される角度βに等しく、垂直平面ＯＥは、レバー平面ＨＥに垂直に且つ回転軸線と平行に延び、加力点ＥＰを含む。なお、垂直平面ＯＥは、さらに軸受平面ＬＥに垂直である。

図示の実施の形態では、角度γ、すなわちβは、約３０°であり、したがって、加力の大部分は、法線Ｎの方向に作用する。ピボット軸受によってコールドヘッド３が前述の大部分の加力に従って、クライオスタット２に対して回転軸線Ａの周囲で回転運動する。自由な回転運動が発生することにより、ピボット軸受を介してクライオスタット２の中に力が導入されることがない。

レバー平面ＨＥの法線Ｎに対して、加力方向ＥＲの角度γが小さいことによって、ピボット軸受を介してクライオスタット３に作用する残りの力をさらに低減できることに留意されたい。したがって、角度γはできるだけ小さくなるように選択されることが好ましい。

可撓性封止要素１３が（直接的又は間接的に）真空槽４の壁に取り付けられる封止平面ＤＥからの回転軸線Ａとの間隔ＡＢは、可撓性封止要素１３が室温部７に取り付けられるコールドヘッド３の室温部７の直径ＤＭと比べて、すなわち、封止平面ＤＥにおける室温部７の直径ＤＭと比べて小さくする必要がある。この例では、ＡＢは約０．２×ＤＭになるように選択されている。したがって、可撓性封止要素１３が取り付けられる室温部７の縁部は、回転運動中はほぼ軸線方向にのみ昇降し、垂直方向には最低限の移動しかせず、これにより、可撓性封止要素１３を容易に無応力に維持することができる。

図１ｂは、図１ａのコールドヘッド３の上面図である。明示されているように、接続ライン１５の可撓部１６は、軸受平面ＬＥ内で延び、軸受平面ＬＥと加力方向ＥＲとの間の角度αは、本例では０°である。したがって、回転軸線（軸受の軸線）Ａに沿ったクライオスタットへの加力が防止される。

接続ライン１５の可撓部１６が角度をなしてコールドヘッド３のフランジ１７に達することによって、図１ｃに示すように、加力方向ＥＲが、軸受平面ＬＥに対してゼロでない角度（ｎｏｎ−ｖａｎｉｓｈｉｎｇ ａｎｇｌｅ）αを形成する場合は、回転軸線Ａに沿って、クライオスタットに一定の加力が生じる場合がある。したがって角度αは、この加力を最小化するために、できるだけ小さくなるように選択されることが好ましい。

レバー平面の垂線に対する角度γは、αからの要素とβからの要素とを有し得ることに留意されたい。

図２は、図１の第１の実施の形態と同様の本発明に係る冷却装置１の第２の実施の形態を示し、実質的な相違のみについて説明する。

本例では、冷却装置１は、回転軸線Ａの周囲で回転可能にクライオスタット２に取り付けられた保持リング２０を有するように設計される。（残りの）コールドヘッド３は、長手方向軸線ＬＡに沿って、本例では、ほぼ垂直に調節できるように、調節ねじ２１によって保持リング２０に取り付けられる。コールドヘッド３のカラー２２は、保持リング２０の内側に形成され、Ｏリング２３によって保持リング２０から封止される。コールドヘッド３が保持リング２０に対して垂直に調節されると、Ｏリング２３は、保持リング２０の内側に滑り降ろすことができる。

このような調節を可能とすることによって（静止した）回転軸線Ａに対する、コールドヘッド３の重心の調節、すなわち相互接触を避けるためのクライオスタット２に対するコールドヘッド３の位置の調節が可能になる。

図３は、図２の実施の形態と同様の本発明に係る冷却装置１の第３の実施の形態の概略部分断面図であり、実質的な相違のみについて説明する。本図では、コールドヘッド３のピボット軸受３５が明示されている。

円形の断面部を有する２つの対向する軸受ピン３１（図３では、そのうちの１つのみを示す）は、真空槽４のカラー部３０からコールドヘッド３に向かって内向きに突出する。軸受ピン３１は、回転軸線Ａに沿って延びている。軸受ピン３１は、それぞれボール軸受３２に囲まれている。ボール軸受３２は、コールドヘッド３が取り付けられる保持リング２０内に形成される。保持リング２０は、複数の調節ねじ２１を用いることによって、コールドヘッド３の長手方向軸線ＬＡに沿ってコールドヘッド３に対して動かすことができる。Ｏリング２３を備えるコールドヘッド３のカラー２２は、極低温槽６のヘリウムガスからコールドヘッド３を封止する。

図３では、真空槽４の内部の上部境界１４からの第１の冷却ステージ１０の間隙３４も明示されている。

図４は、図３の実施の形態と同様の本発明に係る冷却装置１の第４の実施の形態の概略部分断面図であり、実質的な相違のみについて説明する。

本例では、ピボット軸受３５は、カラー部３０から内向きに突出する、２つの対向する軸受延長部４０（図４では、そのうちの１つのみを示す）を有するように設計される。軸受延長部４０は、ほぼＬ字形であり、点状の支持部４２は、この場合、円錐形の垂直支柱４１の各上端に形成される。支持部４２は、底部が開いたほぼ円錐形の凹所４３内で、保持リング２０内に置かれる。したがって、コールドヘッド３は、点状の支持部４２を通って延びている回転軸線Ａのまわりに旋回又は回転することができる。

図５は、大部分が図１ａの実施の形態に対応する本発明に係る冷却装置１の第５の実施の形態を示し、実質的な相違のみについて以下に説明する。

本実施の形態では、接続ライン１５は、剛性部５３と可撓部１６とを有する。可撓部１６は、水平線に対して角度をなして延びている。したがって、可撓部１６は、レバー平面ＨＥに対してほぼ垂直になるように設置することができる。圧力によって誘起される可撓部１６の伸縮は、冷却システム５２（本例では、パルス管冷凍機システム）の制御弁（回転弁）５０によって始動され、その後、レバー平面ＨＥの法線Ｎに沿って延びる加力方向ＥＲの力がコールドヘッド３に作用する。したがって、加力方向ＥＲは、垂直平面ＯＥに対してβ＝０°の角度をなす。

軸受平面ＬＥに対する加力方向ＥＲの角度αもまた、本例では０°であり（詳細は図示せず）、その結果、冷却システム５２によってピボット軸受を介してクライオスタット２に力が導入されることは実質的に皆無である。

図６は、図１ａの実施の形態と同様の本発明に係る冷却装置１の第６の実施の形態を示し、実質的な相違のみについて説明する。

本例の場合、接続ライン１５の湾曲した可撓部１６は、制御弁５０からコールドヘッド３のフランジ１７へと延びている。可撓部１６内の作動ガスの脈圧は、可撓部１６を伸長（及び収縮）させるだけでなく、これを延伸させる、すなわち曲率を減少させる。したがって、加力方向ＥＲは、可撓部１６の、コールドヘッドに近接した端部の経路の方向から外れる。

可撓部１６は、好ましくは、加力点ＥＰに対応する可撓性ライン部１６の終点がコールドヘッド３に取り付けられなかった場合でも、脈圧によって、その終点が軸線Ａの周囲の円形の経路６１上に（すなわち、この円形の経路のほぼ接線上に）案内されように、（特に、その軸線方向の剛性及びその曲率に対して）設置される（「接線力印加方向」）。可撓部１６がコールドヘッド３に取り付けられた後は、コールドヘッド３は、脈圧の加力によって、単に回転軸線Ａのまわりに自由に回転するに過ぎず、ピボット軸受を介してクライオスタット２にほぼ力が伝わることはない。加力方向ＥＲは、その後、加力点ＥＰから離れて再度レバー平面ＨＥの法線に沿って延びている。

図６では、コールドヘッド３の室温部７の回転位置と、関連する可撓性ライン部１６の伸長位置とが破線で示されている。

また、互いに対して角度をなして、前後に並べて配置された２つの直線状の可撓性ライン部（詳細には図示せず）によって、接続ラインの湾曲した可撓部によるものと同様の機械的効果を達成することができる。

図７は、本発明に係るＮＭＲ測定組立体７０、本例では、高解像度ＮＭＲ分光計の概略側面図であり、例えば図１ａに示す本発明に係る冷却装置１が設置されている。本冷却装置は、クライオスタット２を備え、クライオスタット２の極低温槽（詳細は図示せず）は超伝導マグネットコイル組立体７１を収容する。このマグネットコイル組立体は、試料空間７２に、均一な静磁場Ｂ_０を生成する。ＲＦ共振器７３によって、ＲＦパルスを試料空間７２、又はここに配置された試料の中に放射することができ、試料が放出して生成された信号を検出することができる。試料空間７２とＲＦ共振器７３とは、クライオスタット２の、本例では垂直な室温ボア７４に配置される。クライオスタット２の極低温槽内の極低温液体は、突出して回転可能に取り付けられたコールドヘッド３によって冷却され、コールドヘッド３は、接続ラインの可撓部１６を介して、本例では、剛性支持部７５に配置された制御弁５０に接続される。制御弁５０は、パルス管冷凍機の原理によって、作動ガスの高圧リザーバと低圧リザーバとをコールドヘッド３に交互に接続する。

１ 冷却装置
２ クライオスタット
３ コールドヘッド
４ 真空槽
６ 極低温槽
８ 冷却アーム
９ アクセス開口
１０ 第１の冷却ステージ
１１ 第２の冷却ステージ
１３ 可撓性封止要素
１５ 接続ライン
１６ 可撓性（ライン）部
３０ カラー部
３１ 軸受ピン
３５ ピボット軸受
５２ 冷却システム
７０ ＮＭＲ測定組立体
７１ 超伝導マグネットコイル組立体
Ａ 回転軸線
ＤＥ 封止平面
ＥＰ 加力点
ＥＲ 加力方向
ＨＥ レバー平面
Ｎ 法線
ＳＰ 重心
α，β，γ 角度

Claims (16)

1. クライオスタット（２）と、冷却システム（５２）のコールドヘッド（３）、特に、パルス管冷凍機のコールドヘッド（３）とを備え、
   前記クライオスタット（２）は、極低温液体用の少なくとも１つの極低温槽（６）が配置された真空槽（４）を有し、
   前記コールドヘッド（３）は、前記クライオスタット（２）に装着され、前記コールドヘッド（３）の冷却アーム（８）は、前記極低温槽（６）への前記クライオスタット（２）のアクセス開口（９）の中に突出し、
   前記真空槽（４）の壁を前記コールドヘッド（３）の室温部（７）に直接的又は間接的に結合する可撓性封止要素（１３）は、前記極低温槽（６）の内側を前記環境（１２）から封止し、
   前記冷却システム（５２）の作動ガス用の接続ライン（１５）、特に、脈動する作動ガス用の圧力ラインは前記コールドヘッド（３）に接続される冷却装置（１）において、
   前記冷却装置（１）はピボット軸受（３５）を有し、これを用いて、前記コールドヘッド（３）は回転軸線（Ａ）の周囲で回転できるように前記クライオスタット（２）に装着され、
   前記接続ライン（１５）は、前記冷却システム（５２）によって生起された力が加力点（ＥＰ）において加力方向（ＥＲ）に前記接続ライン（１５）を介して前記コールドヘッド（３）に作用するように、前記コールドヘッド（３）に接続され、前記加力方向（ＥＲ）は、前記回転軸線（Ａ）及び前記加力点（ＥＰ）を含むレバー平面（ＨＥ）の法線（Ｎ）に対して４０°以下で傾斜している
   ことを特徴とする冷却装置（１）。
2. 前記回転軸線（Ａ）は、前記コールドヘッド（３）の重心（ＳＰ）を通って延びていることを特徴とする請求項１記載の冷却装置（１）。
3. 前記加力方向（ＥＲ）は、前記回転軸線（Ａ）に垂直に延びていると共に前記加力点（ＥＰ）を含む軸受平面（ＬＥ）に対して１５°以下、好ましくは１０°以下の角度αで傾斜し、
   前記加力方向（ＥＲ）は、特に、前記軸受平面（ＬＥ）に延びていることを特徴とする請求項１又は２記載の冷却装置（１）。
4. 前記加力方向（ＥＲ）は、前記レバー平面（ＨＥ）に垂直且つ前記回転軸線（Ａ）と平行であると共に前記加力点（ＥＰ）を通る垂直平面（ＯＥ）に対して、３５°以下、好ましくは１５°以下の角度βで傾斜し、
   特に、前記加力方向（ＥＲ）が前記垂直平面（ＯＥ）内で延びていることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の冷却装置（１）。
5. 前記接続ライン（１５）は、少なくとも１つの可撓部（１６）を含むことを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の冷却装置（１）。
6. 前記少なくとも１つの可撓部（１６）は、前記加力方向（ＥＲ）に全体的に直線状に、延びていることを特徴とする請求項５記載の冷却装置（１）。
7. 前記少なくとも１つの可撓部（１６）は、少なくとも１つの部分で湾曲し、且つ／又は異なる部分で異なる方向に延びていることを特徴とする請求項５記載の冷却装置（１）。
8. 前記加力点（ＥＰ）は、前記コールドヘッド（３）に近接した前記少なくとも１つの可撓部（１６）の一端に配置されることを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項に記載の冷却装置（１）。
9. 前記接続ライン（１５）は、前記コールドヘッド（３）から離間した一端で、前記冷却システム（５２）の可動部品、特に、制御弁（５０）又は圧縮機に接続されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の冷却装置（１）。
10. 前記コールドヘッド（３）の前記室温部（７）は、前記可撓性封止要素（１３）が取り付けられる領域に、その長手方向軸線（ＬＡ）に垂直な直径ＤＭを有し、前記可撓性封止要素（１３）が前記真空槽（４）の前記壁に取り付けられている封止平面（ＤＥ）からの前記回転軸線（Ａ）との間隔ＡＢは、ＡＢ≦０．４×ＤＭ、好ましくはＡＢ≦０．３×ＤＭとして表され、特に、前記回転軸線（Ａ）は前記封止平面（ＤＥ）に配置されることを特徴とする請求項１乃至９いずれか１項に記載の冷却装置（１）。
11. 前記コールドヘッド（３）及び前記クライオスタット（２）は、前記コールドヘッド（３）の長手方向軸線（ＬＡ）に沿って互いに調節できるように設計されることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の冷却装置（１）。
12. 前記ピボット軸受（３５）は、前記真空槽（４）のカラー部（３０）から前記コールドヘッド（３）に向かって前記回転軸線（Ａ）に沿って突出する２つの軸受ピン（３１）を有するように設計され、前記軸受ピン（３１）は、それぞれボール軸受（３２）に囲まれ、前記ボール軸受（３２）は、前記コールドヘッド（３）に固定的に結合されることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の冷却装置（１）。
13. 前記ボール軸受（３２）は、１つ以上の調節要素（２１）を用いて前記コールドヘッド（３）の前記長手方向軸線（ＬＡ）に沿って前記コールドヘッド（３）に対して調節可能な保持リング（２０）内に配置されることを特徴とする請求項１１又は１２記載の冷却装置（１）。
14. 前記ピボット軸受（３５）は、前記真空槽（４）のカラー部（３０）から前記コールドヘッド（３）に向かって突出する２つの軸受延長部（４０）を有するように設計され、前記軸受延長部（４０）は、前記回転軸線（Ａ）の上に置かれる少なくとも２つの点状又は線状の支持部（４２）を有するように設計されることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の冷却装置（１）。
15. 前記回転軸線（Ａ）は水平に延びていることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の冷却装置（１）。
16. 請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の前記冷却装置（１）と、前記極低温槽（６）内のマグネットコイル組立体（７１）と、前記クライオスタット（２）の室温ボア（７４）内の試料空間（７２）を囲むＲＦ共振器（７３）とを備えることを特徴とするＮＭＲ測定組立体（７０）。

Images