JP2021089088A - 極低温装置、および極低温機器のための加熱機構 - Google Patents

Abstract

【課題】極低温機器を極低温から急速に昇温することのできる極低温装置、および極低温機器のための加熱機構を提供する。【解決手段】極低温装置１０は、超伝導コイル１２などの物体を伝導冷却により冷却する冷却ステージ２２を備える極低温冷凍機２０と、物体と冷却ステージ２２が配置される真空領域３２を外部環境１４から隔てる真空チャンバー３０と、外部環境１４と熱的に結合され、外部環境１４から真空領域３２へと延びる伝熱体１１０と、伝熱体１１０が物体を熱伝導により加熱する加熱状態と伝熱体１１０が物体および冷却ステージ２２から離れる待機状態とを切り替えるように伝熱体１１０を移動可能に支持する支持機構１２０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、極低温装置、および極低温機器のための加熱機構に関する。

従来、超伝導コイルと、超伝導コイルを包囲する輻射シールドと、輻射シールドを包囲する真空容器と、真空容器に取り付けられ超伝導コイルと輻射シールドを冷却する冷凍機とを備えた超伝導マグネットが知られている。このような極低温装置では、超伝導コイルなど被冷却物を極低温に維持するために、例えば被冷却物を真空中に配置する等、断熱性能を高める様々な工夫がなされている。

特開２０００−１８２８２１号公報

一般に、極低温装置は定期的に運用が停止されメンテナンスが施される。その際、極低温に冷却されている被冷却物は、運用中の極低温より高い温度、例えば室温まで昇温される。被冷却物の昇温には、典型的に、例えば、周囲からの自然の入熱により加熱する方法と、被冷却物にあらかじめ用意された電気ヒーターなどジュール熱を利用した加熱器具で加熱する方法がある。上述のように極低温装置は高い断熱性能をもつように設計されているが故に、前者の自然昇温には、例えば数日から一週間というように、相当に長い時間がかかる欠点がある。後者のジュール熱による昇温では、素早く加熱をするにはヒーター及びヒーターへの電気配線に大きな電流を流す必要があり、この場合、ヒーターでの過剰な加熱や電気配線の溶断などのトラブルが起こるリスクが高まり、安全上の懸念がある。また、もしヒーターが故障すれば、結局自然昇温に頼るほかない。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、極低温機器を極低温から急速に昇温することのできる極低温装置、および極低温機器のための加熱機構を提供することにある。

本発明のある態様によると、極低温装置は、物体を伝導冷却により冷却する冷却ステージを備える極低温冷凍機と、物体と冷却ステージが配置される真空領域を外部環境から隔てる真空チャンバーと、外部環境と熱的に結合され、外部環境から真空領域へと延びる伝熱体と、伝熱体が物体を熱伝導により加熱する加熱状態と伝熱体が物体および冷却ステージから離れる待機状態とを切り替えるように伝熱体を移動可能に支持する支持機構と、を備える。

本発明のある態様によると、真空領域に配置され外部環境から真空断熱された極低温機器のための加熱機構が提供される。加熱機構は、外部環境と熱的に結合され、外部環境から真空領域へと延びる伝熱体と、伝熱体が極低温機器を熱伝導により加熱する加熱状態と伝熱体が極低温機器から離れる待機状態とを切り替えるように伝熱体を移動可能に支持する支持機構と、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、極低温機器を極低温から急速に昇温することのできる極低温装置、および極低温機器のための加熱機構を提供することができる。

実施の形態に係る極低温装置を概略的に示す図である。 図１に示される極低温装置の加熱機構の動作を概略的に示す図である。 図３（ａ）および図３（ｂ）は、図１に示される極低温装置の加熱機構の動作を概略的に示す図である。 実施の形態に係り、加熱機構の熱源の他の例を概略的に示す図である。 図５（ａ）および図５（ｂ）は、実施の形態に係り、押しねじ式の加圧機構を有する支持機構の例示的構成を概略的に示す図である。 実施の形態に係り、加熱機構の配置に関して他の例を概略的に示す図である。 図７（ａ）および図７（ｂ）は、実施の形態に係り、加熱表示器具を有する加熱機構を概略的に示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。説明および図面において同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施の形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、実施の形態に係る極低温装置１０を概略的に示す図である。極低温装置１０は、超伝導コイル１２を室温から極低温に冷却するとともに、超伝導コイル１２の使用中、超伝導コイル１２を極低温に維持するように構成される。また、極低温装置１０は、超伝導コイル１２のメンテナンスなど必要に応じて、超伝導コイル１２を極低温から室温に昇温するように構成される加熱機構１００を備える。

超伝導コイル１２は、例えばＮＭＲシステム、ＭＲＩシステム、サイクロトロンなどの加速器、核融合システムなどの高エネルギー物理システム、またはその他の高磁場利用機器（図示せず）の磁場源として高磁場利用機器に搭載され、その機器に必要とされる高磁場を発生させることができる。超伝導コイル１２は、超伝導転移温度以下の極低温に冷却された状態で超伝導コイル１２に通電することにより強力な磁場を発生するように構成される。

極低温装置１０は、極低温冷凍機２０と、真空チャンバー３０と、輻射熱シールド４０とを備える。また、加熱機構１００は、伝熱体１１０と、ベローズ１３０を有する支持機構１２０とを備える。

この実施の形態では、極低温装置１０は、超伝導コイル１２を液体ヘリウムなどの極低温液体冷媒に浸して冷却する浸漬冷却式ではなく、そうした液体冷媒を用いずに超伝導コイル１２を極低温冷凍機２０で直接冷却する伝導冷却式として構成される。

極低温冷凍機２０は、物体を伝導冷却により冷却する冷却ステージ２２、より具体的には、一段冷却ステージ２２ａと二段冷却ステージ２２ｂを備える。極低温冷凍機２０は、真空チャンバー３０に設置され、一段冷却ステージ２２ａと二段冷却ステージ２２ｂは、真空チャンバー３０の中に配置される。

極低温冷凍機２０は、作動ガス（たとえばヘリウムガス）の圧縮機（図示せず）と、コールドヘッドとも呼ばれる膨張機とを備え、圧縮機と膨張機により極低温冷凍機２０の冷凍サイクルが構成され、それにより一段冷却ステージ２２ａおよび二段冷却ステージ２２ｂがそれぞれ所望の極低温に冷却される。一段冷却ステージ２２ａは、例えば３０Ｋ〜８０Ｋに冷却され、二段冷却ステージ２２ｂは、例えば３Ｋ〜２０Ｋに冷却される。一段冷却ステージ２２ａおよび二段冷却ステージ２２ｂは、例えば銅などの金属材料またはその他の高い熱伝導率をもつ材料で形成される。

極低温冷凍機２０は、一例として、二段式のギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機であるが、パルス管冷凍機、スターリング冷凍機、またはそのほかのタイプの極低温冷凍機であってもよい。極低温冷凍機２０は、単段式のＧＭ冷凍機またはそのほかのタイプの極低温冷凍機であってもよい。

真空チャンバー３０は、真空領域３２を外部環境１４から隔てるように構成される。真空領域３２は、真空チャンバー３０内に定められる。真空チャンバー３０は、例えばクライオスタットであってもよい。超伝導コイル１２、極低温冷凍機２０の冷却ステージ２２、輻射熱シールド４０は、真空領域３２に配置され、外部環境１４から真空断熱される。

例示的な構成として、真空チャンバー３０は、上壁３０ａ、側壁３０ｂ、下壁３０ｃを有する。真空チャンバー３０は、床面１６に設置されてもよく、例えば、真空チャンバー３０の下壁３０ｃが適宜の支持部材３４を介して床面１６に設置されてもよい。

輻射熱シールド４０は、一段冷却ステージ２２ａと熱的に結合され一段冷却ステージ２２ａの冷却温度に冷却される。輻射熱シールド４０は、それよりも低温に冷却される超伝導コイル１２、極低温冷凍機２０の二段冷却ステージ２２ｂ、およびその他の低温部を囲むように配置され、外部からの輻射熱からこれら低温部を熱的に保護することができる。輻射熱シールド４０は、例えば銅などの金属材料またはその他の高い熱伝導率をもつ材料で形成される。

輻射熱シールド４０は、一段冷却ステージ２２ａに直接取り付けられ、一段冷却ステージ２２ａと熱的に結合される。あるいは、輻射熱シールド４０は、可撓性または剛性をもつ伝熱部材を介して一段冷却ステージ２２ａに取り付けられてもよい。

輻射熱シールド４０は、伝熱体１１０を受け入れる開口部４０ａを有する。開口部４０ａは、例えば、輻射熱シールド４０に形成される貫通孔である。

超伝導コイル１２は、伝熱部材２４を介して二段冷却ステージ２２ｂと熱的に結合される。一例として、伝熱部材２４は、図１に示されるように、超伝導コイル１２の底面に取り付けられるが、超伝導コイル１２の側面または上面など他の部位に取り付けられてもよい。伝熱部材２４は、可撓性をもつように例えば細線の束または箔の積層として形成されてもよく、銅などの高熱伝導材料で形成されてもよい。伝熱部材２４は、例えばロッド状またはプレート状など、剛性の伝熱部材であってもよい。あるいは、超伝導コイル１２は、伝熱部材２４を介することなく、二段冷却ステージ２２ｂに直接取り付けられてもよい。

超伝導コイル１２の表面には、追加の伝熱部材が装着されてもよい。図１に示されるように、例えば、超伝導コイル１２の上面に装着されるコイル上面伝熱プレート２６ａと、超伝導コイル１２の外周面に装着されるコイル側面伝熱プレート２６ｂが設けられてもよい。超伝導コイル１２の内周面に伝熱プレートが設けられてもよい。こうした追加の伝熱部材は、伝熱部材２４を介して、または直接に、二段冷却ステージ２２ｂと熱的に結合されてもよい。

このようにして、超伝導コイル１２は、極低温冷凍機２０の二段冷却ステージ２２ｂによって、二段冷却ステージ２２ｂの冷却温度に冷却される。図示されない電源から超伝導コイル１２に通電することにより、超伝導コイル１２は、強力な磁場を発生することができる。

なお、超伝導コイル１２のまわりに配置されるコイル上面伝熱プレート２６ａ、コイル側面伝熱プレート２６ｂといった伝熱部材は、超伝導コイル１２を収容するコイルケースを形成してもよい。こうしたコイルケースは、超伝導コイル１２とともに冷却ガス（例えばヘリウムガス）を気密に収容する気密容器であってもよい。この場合、超伝導コイル１２は真空領域３２に露出されない。コイルケース内に充填される冷却ガスは、超伝導コイル１２の内部の熱伝導の均一化に役立ちうる。

次に、加熱機構１００について説明する。伝熱体１１０は、外部環境１４と熱的に結合され、外部環境１４から真空領域３２へと延びる。伝熱体１１０は、外部フランジ１１２と、伝熱ロッド１１４とを備える。

外部フランジ１１２は、外部環境１４に配置され、外部環境１４の温度、すなわち例えば室温に維持されることができる。伝熱ロッド１１４は、外部フランジ１１２から真空領域３２へと延び、外部フランジ１１２によって外部環境１４の温度に維持されることができる。したがって、後述するように、伝熱体１１０は、超伝導コイル１２と接触することにより熱伝導により超伝導コイル１２を加熱することができる。

外部フランジ１１２は、ベローズ１３０を介して真空チャンバー３０の上壁３０ａに接続され、真空チャンバー３０の一部を構成する。ベローズ１３０は、真空領域３２の気密性を保つように、外部フランジ１１２と上壁３０ａそれぞれに接続される。よって、ベローズ１３０内の空間は、真空領域３２の一部となる。真空チャンバー３０の上壁３０ａには、伝熱ロッド１１４が挿通されるロッド挿通孔３６が設けられ、外部フランジ１１２は、ロッド挿通孔３６に面して配置される。ベローズ１３０の一端が、ロッド挿通孔３６を囲むようにして上壁３０ａに取り付けられ、ベローズ１３０の他端が、外部フランジ１１２の下面に取り付けられる。

外部フランジ１１２の下面には、伝熱ロッド１１４の一端が固定され、外部フランジ１１２から直線的に延びる。伝熱ロッド１１４は真空領域３２に配置される。伝熱ロッド１１４は、外部フランジ１１２からロッド挿通孔３６およびベローズ１３０を通って真空チャンバー３０内に進入し、さらに輻射熱シールド４０の開口部４０ａを通って超伝導コイル１２の近傍まで延びている。伝熱ロッド１１４の径は、輻射熱シールド４０と物理的に接触しないように、開口部４０ａの径よりもいくらか小さい。伝熱ロッド１１４は、例えば円柱形状または角柱形状、または筒形状など任意の形状を有しうる。伝熱ロッド１１４は、例えば銅、真鍮、アルミニウムなどの金属材料またはその他の高い熱伝導率をもつ材料で形成される。

伝熱ロッド１１４の先端部１１４ａは、例えば、研磨された金属面または表面、または金属蒸着面など、鏡面を有してもよい。このようにして、先端部１１４ａの表面の反射率を高くすることにより、超伝導コイル１２の近くに配置される伝熱ロッド１１４の先端部１１４ａが発する輻射熱を低減することができる。超伝導コイル１２の使用中、伝熱ロッド１１４から超伝導コイル１２への入熱を小さくすることができる。

必要に応じて、伝熱ロッド１１４の先端部１１４ａには、押付板１１６が設けられてもよい。押付板１１６は、先端部１１４ａに固定され、伝熱ロッド１１４と同じ温度に維持される。押付板１１６は、先端部１１４ａに比べて広い面積を有してもよく、それにより、伝熱ロッド１１４が押付板１１６を介して超伝導コイル１２（または例えばコイル上面伝熱プレート２６ａなどの伝熱部材）と接触するとき、接触面積を大きくとることができる。超伝導コイル１２など被冷却物の加熱を促進することができる。

伝熱ロッド１１４の先端部１１４ａ、または押付板１１６には、例えばインジウムシートなどの軟質材料層が設けられてもよい。こうした軟質材料層を介して伝熱ロッド１１４が超伝導コイル１２と接触することによっても、良好な熱接触が得られる。

支持機構１２０は、外部環境１４に配置され、伝熱体１１０を移動可能に支持するように構成される。支持機構１２０は、外部フランジ１１２を移動させるように構成される加圧機構１２２を備える。加圧機構１２２は、例えば押しねじ式などの可動機構を有してもよく、この可動機構を手動により作動させて外部フランジ１１２を移動させてもよい。可動機構を作動させるために、加圧機構１２２は、油圧、空圧、電動モーター、電磁石など適宜の駆動源を有してもよい。

支持機構１２０が伝熱体１１０を移動させることによって、伝熱体１１０が超伝導コイル１２を熱伝導により加熱する加熱状態と、伝熱体１１０が超伝導コイル１２および冷却ステージ２２から離れる待機状態とを切り替えることができる。伝熱体１１０は、加熱状態と待機状態を切り替えるようにベローズ１３０の伸縮により移動可能である。

また、加熱機構１００は、外部環境１４に配置され、伝熱体１１０と熱的に結合される熱源１４０をさらに備えてもよい。熱源１４０は、例えば、外部フランジ１１２に取り付けられる電気ヒーターなどジュール熱を利用した加熱器具であってもよい。熱源１４０は、加熱機構１００の少なくとも加熱状態において動作し、伝熱体１１０を室温に維持し、または室温より高い温度に加熱することができる。熱源１４０を使用することにより、超伝導コイル１２を急速に加熱することができる。また、熱源１４０は外部環境１４に配置されるので、もし故障したとしても、修理や交換が容易である。

図２、図３（ａ）、図３（ｂ）は、図１に示される極低温装置１０の加熱機構１００の動作を概略的に示す図である。図２には、加熱機構１００の加熱状態を示し、図３（ａ）には、加熱機構１００の待機状態を示す。また、図３（ｂ）には、加熱機構１００の代替的な待機状態を示す。

図２に示されるように、加熱状態においては、伝熱体１１０が支持機構１２０（および加圧機構１２２）によって移動され、超伝導コイル１２に物理的に接触する。伝熱体１１０は、伝熱体１１０から超伝導コイル１２への熱伝導により超伝導コイル１２を加熱することができる。上述のように伝熱体１１０は室温に維持されるので、極低温に冷却された超伝導コイル１２に比べて、かなり高温の熱源として働く。

超伝導コイル１２は真空領域３２に配置され外部環境１４から真空断熱されているから、仮に、加熱機構１００無しで超伝導コイル１２を室温まで自然に昇温するとしたら、本書の冒頭で述べたように、相当に長い時間がかかる。ところが、実施の形態に係る極低温装置１０によれば、加熱機構１００を利用して超伝導コイル１２を極低温から室温へと急速に昇温することができる。

また、実施の形態に係る極低温装置１０によれば、加熱機構１００により超伝導コイル１２を昇温することができるから、従来のように、真空チャンバー３０内に電気ヒーターなどジュール熱を利用した加熱器具を設ける必要がない。したがって、ヒーターでの過剰な加熱や電気配線の溶断などのトラブルを心配する必要もない。

伝熱体１１０は、加熱状態において、冷却ステージ２２または冷却ステージ２２を超伝導コイル１２など物体に接続する伝熱部材に接触することが好ましい。一例として、図２に示されるように、伝熱ロッド１１４の先端部１１４ａが超伝導コイル１２の表面に設けられる例えばコイル上面伝熱プレート２６ａなど伝熱部材に接触する。こうした伝熱部材は、極低温冷凍機２０が極低温機器を一様に及び／または迅速に冷却するように効率的な熱伝導を可能とする伝熱経路を形成するように設計され配置されている。したがって、伝熱体１１０を伝熱部材に接触させることにより、加熱機構１００は、効率的な伝熱経路を利用して、極低温機器を一様に及び／または迅速に加熱することができる。

図３（ａ）に示されるように、加熱機構１００の待機状態においては、伝熱体１１０が超伝導コイル１２から離れる。伝熱体１１０は、支持機構１２０によって、超伝導コイル１２と接触しないように支持される。したがって、伝熱体１１０から超伝導コイル１２への熱伝導による加熱は行われない。例えば、伝熱体１１０の先端部１１４ａは、待機状態において、輻射熱シールド４０の外に移動され、例えば開口部４０ａよりも超伝導コイル１２から遠くに離れてもよい。

ただし、真空チャンバー３０は伝熱体１１０と同様に外部環境１４の温度を有するから、真空チャンバー３０から輻射熱シールド４０の開口部４０ａを通じて輻射熱シールド４０内に入射する輻射熱６０（図３（ａ）に矢印で模式的に示す）が増える傾向にある。これは、超伝導コイル１２の使用中、超伝導コイル１２への入熱を増加させうる。

そこで、図３（ｂ）に示されるように、真空領域３２に配置される伝熱体１１０の先端部１１４ａは、待機状態において、開口部４０ａに配置されてもよい。このようにすれば、真空チャンバー３０からの輻射熱６２は、伝熱体１１０に入射するにすぎない。開口部４０ａには伝熱体１１０の先端部１１４ａが配置され、この先端部１１４ａから輻射熱シールド４０内に輻射熱６４が入射しうる。しかし、開口部４０ａおよび先端部１１４ａの面積は比較的小さいので、図３（ａ）に示される輻射熱６０に比べて、輻射熱シールド４０内への入熱を小さくすることができる。また、上述のように、先端部１１４ａが鏡面を有することにより、先端部１１４ａが発する輻射熱６４をさらに減らすことができる。

伝熱体１１０と超伝導コイル１２は真空領域３２に配置されるので、両者の間にわずかでも隙間ができれば熱伝導は遮断される。よって、伝熱体１１０の先端部１１４ａは、待機状態において、開口部４０ａよりも超伝導コイル１２（および冷却ステージ２２）の近くに配置されてもよい。この場合にも、真空チャンバー３０からの輻射熱６２を伝熱体１１０で受け、それにより輻射熱シールド４０内への入熱を抑制できる。

図４は、実施の形態に係り、加熱機構１００の熱源１４０の他の例を概略的に示す図である。図４に示されるように、伝熱体１１０、例えば外部フランジ１１２は、表面に立設された多数のフィン１４２または突起を備えてもよい。フィン１４２または突起は、外部環境１４に配置される。これにより、外部環境１４に露出される伝熱体１１０の表面積が増加され、外部環境１４の気体（例えば空気）と伝熱体１１０との熱交換が促進され、これは伝熱体１１０を室温に維持することに役立つ。

フィン１４２とともに、またはフィン１４２に代えて、熱源１４０（または室温維持機構）としてファン１４４が設けられてもよい。ファン１４４は、伝熱体１１０、例えば外部フランジ１１２に送風するように、外部環境１４に配置される。これも、伝熱体１１０を室温に維持することに役立つ。フィン１４２及び／またはファン１４４は、電気ヒーターなどの加熱器具と併用されてもよい。

図５（ａ）および図５（ｂ）は、実施の形態に係り、押しねじ式の加圧機構１２２を有する支持機構１２０の例示的な構成を概略的に示す図である。伝熱体１１０は、上述のように、外部環境１４に配置される外部フランジ１１２と、真空領域３２に配置される伝熱ロッド１１４と、を備える。外部フランジ１１２は、ベローズ１３０を介して真空チャンバー３０に接続され真空チャンバー３０の一部を構成し、伝熱ロッド１１４は、外部フランジ１１２からベローズ１３０を通って真空チャンバー３０内に進入する。

図５（ａ）に示されるように、支持機構１２０は、押しねじ１５０、ナット部材１５２、ナット固定構造１５４、フランジガイド１５６、戻しばね１５８を備える。

押しねじ１５０は、一端が外部フランジ１１２の上面に押し当てられる。押しねじ１５０は、外部フランジ１１２の上面に接触しながら軸まわりに回転可能である。上述のように、外部フランジ１１２の下面には伝熱ロッド１１４が固定されるから、外部フランジ１１２は、押しねじ１５０と伝熱ロッド１１４の間に配置される。押しねじ１５０は、伝熱ロッド１１４と同軸に配置される。押しねじ１５０は、外部フランジ１１２より上方でナット部材１５２と螺合する。

ナット部材１５２は、ナット固定構造１５４によって真空チャンバー３０に固定される。ナット固定構造１５４は、ナット部材１５２を固定するナット固定板とナット固定板を真空チャンバー３０に固定する固定シャフトとを有してもよい。

フランジガイド１５６は、外部フランジ１１２の移動を案内するように構成される。フランジガイド１５６は、ベローズ１３０のまわりで真空チャンバー３０に立設されるガイドシャフトを有し、ガイドシャフトは押しねじ１５０および伝熱ロッド１１４と平行に配置されてもよい。外部フランジ１１２は、ガイドシャフトに沿って摺動可能にガイドシャフトに支持されてもよい。

戻しばね１５８は、例えば圧縮コイルばねであり、ベローズ１３０を囲むように配置され、ばねの一端が外部フランジ１１２に取り付けられ、他端が真空チャンバー３０に取り付けられる。加圧機構１２２による押し付け力が作用するとき、戻しばね１５８は、さらに圧縮され、それによりベローズ１３０の収縮と真空チャンバー３０内への伝熱体１１０の移動が可能となる。加圧機構１２２による押し付け力が作用しないとき、戻しばね１５８は、復元力によりベローズ１３０を伸長させ伝熱体１１０をもとの位置に復帰させることができる。

したがって、押しねじ１５０が軸まわりに回転するとき、押しねじ１５０とナット部材１５２の螺合により、押しねじ１５０は、ナット部材１５２に対して押しねじ１５０の長手方向に直線的に移動することができる。押しねじ１５０の直線移動に伴い、伝熱体１１０がベローズ１３０を伸縮させながら進退する。

例えば、押しねじ１５０を締めるとき（図５（ａ）に矢印１６２で模式的に示す）、押しねじ１５０は下向きに移動され、外部フランジ１１２に押し付けられる。押しねじ１５０とともに外部フランジ１１２がベローズ１３０と戻しばね１５８を縮めながら真空チャンバー３０に接近する。外部フランジ１１２はフランジガイド１５６に沿って下方に移動し、伝熱ロッド１１４は真空チャンバー３０内へと押し込まれていく（図５（ａ）に矢印１６４で模式的に示す）。こうして、図２に示されるように、伝熱ロッド１１４が被冷却物と接触し、加熱機構１００は加熱状態をとることができる。

逆に、押しねじ１５０を緩めると、押しねじ１５０は上向きに移動され、外部フランジ１１２への押し付け力が解放される。戻しばね１５８の復元力により外部フランジ１１２は押しねじ１５０とともに上向きに移動され、ベローズ１３０は伸長され、伝熱ロッド１１４も引き上げられる。こうして、図３（ａ）および図３（ｂ）に示されるように、伝熱ロッド１１４は被冷却物から離れ、加熱機構１００は待機状態をとることができる。

押しねじ１５０は、人力で回転可能であってもよい。その場合、加圧機構１２２を手動で作動させることができる。あるいは、支持機構１２０は、押しねじ１５０を軸まわりに回転させるように押しねじ１５０に接続される例えば電動モーターなどの回転駆動源１６０を備えてもよい。

また、図５（ｂ）に示されるように、支持機構１２０は、例えばロードセルなどの荷重センサ１６６を備えてもよい。荷重センサ１６６は、伝熱体１１０による被冷却物への押し付け力を測定するように構成される。この押し付け力が弱ければ、伝熱体１１０と被冷却物の間の熱抵抗は増加する傾向にある。したがって、荷重センサ１６６によって測定される押し付け力に基づいて、押し付け力を適正な値に管理することにより、伝熱体１１０と被冷却物の間の熱抵抗を抑え良好な熱接触をとることが可能となる。

荷重センサ１６６は、例えば、押しねじ１５０と外部フランジ１１２の間に配置されてもよい。荷重センサ１６６が押しねじ１５０と外部フランジ１１２に挟み込まれることによって、押しねじ１５０から外部フランジ１１２への押し付け力（すなわち伝熱ロッド１１４から被冷却物への押し付け力）を測定することができる。

荷重センサ１６６が例えば外部フランジ１１２の上面に設置され、荷重センサ１６６と押しねじ１５０の間にはセンサ押付板１６８が設けられてもよい。センサ押付板１６８は、押しねじ１５０よりも高硬度の材料で形成されてもよい。センサ押付板１６８は、ナット固定構造１５４に対し上下に摺動可能に設けられてもよい。センサ押付板１６８を介して押しねじ１５０から荷重センサ１６６に荷重を作用させることにより、押しねじ１５０で荷重センサ１６６を直接押し込む場合に比べて、荷重センサ１６６に対する押しねじ１５０の傾きを抑え、まっすぐに荷重を作用させることができる。

上述の説明では、加熱機構１００は、真空チャンバー３０の上壁３０ａに搭載されているが、以下に例示するように、他の場所に設けられてもよい。その場合にも同様に、伝熱体１１０は、熱伝導により超伝導コイル１２を加熱することができる。

図６は、実施の形態に係り、加熱機構１００の配置に関して他の例を概略的に示す図である。加熱機構１００は、伝熱体１１０と、ベローズ１３０を有する支持機構１２０とを備える。支持機構１２０は、加熱状態と待機状態を切り替えるように伝熱体１１０を移動可能に支持する。

伝熱体１１０は、真空チャンバー３０の下壁３０ｃに設置されてもよい。外部フランジ１１２は、外部環境１４、例えば床面１６上に配置され、外部環境１４の温度、すなわち例えば室温に維持されることができる。伝熱ロッド１１４は、外部フランジ１１２から真空領域３２へと延び、外部フランジ１１２によって外部環境１４の温度に維持されることができる。

外部フランジ１１２は、ベローズ１３０を介して真空チャンバー３０の下壁３０ｃに接続され、真空チャンバー３０の一部を構成する。真空チャンバー３０の下壁３０ｃにはロッド挿通孔３６が設けられ、輻射熱シールド４０には開口部４０ａが設けられる。開口部４０ａはロッド挿通孔３６の上方にある。伝熱ロッド１１４は、外部フランジ１１２の上面からベローズ１３０、ロッド挿通孔３６、および開口部４０ａを通って直線的に延び、真空領域３２に配置される。

図示の例においては、伝熱ロッド１１４の先端部１１４ａは、加熱状態において伝熱部材２４に接触し、待機状態において伝熱部材２４から離れる。あるいは、伝熱ロッド１１４は、加熱状態において二段冷却ステージ２２ｂに接触するように配置されてもよいし、または、超伝導コイル１２に直接接触するように配置されてもよい。

極低温の超伝導コイル１２を伝熱ロッド１１４で加熱するとき、とくに加熱し始めるときには、伝熱ロッド１１４は超伝導コイル１２によって冷却されることになる。それにより外部フランジ１１２も冷却され、その表面には結露が生じうる。伝熱体１１０が真空チャンバー３０の下壁３０ｃに設置される場合には、結露水は床面１６を濡らしうるにすぎない。よって、伝熱体１１０が真空チャンバー３０の上壁３０ａに設置される場合に比べて、結露水による真空チャンバー３０の腐食や周囲の機器への結露水の悪影響を避けやすく、都合がよい。結露水の周囲への広がりを抑えるために、図示されるように、水受けトレイ１７０が外部フランジ１１２の下に配置されてもよい。

なお、伝熱体１１０は、真空チャンバー３０の側壁３０ｂに設置されてもよい。

図７（ａ）および図７（ｂ）は、実施の形態に係り、加熱表示器具１８０を有する加熱機構１００を概略的に示す図である。図７（ａ）には、加熱機構１００の加熱状態を示し、図７（ｂ）には、加熱機構１００の待機状態を示す。

加熱表示器具１８０は、加熱機構１００の機械的な動きによって加熱状態を表示するように構成される。加熱表示器具１８０は、加熱表示面１８２を備え、加熱機構１００が加熱状態にあるとき加熱表示面１８２が現れ、加熱機構１００が待機状態にあるとき加熱表示面１８２が隠されるように構成される。

一例として、加熱表示器具１８０は、加熱機構１００を囲むように真空チャンバー３０に設置される筒状部材を有し、この筒状部材は、外部フランジ１１２の外径よりわずかに大きい内径を有する。したがって、外部フランジ１１２は、加熱表示器具１８０に対し移動可能である。加熱表示面１８２は、加熱状態を示す標識として、加熱表示器具１８０の内面に設けられる。例えば、加熱表示面１８２は、例えば赤色など加熱状態を示す色またはその他の認識容易な色による塗装によって形成されてもよい。

図７（ａ）に示されるように、加熱機構１００が加熱状態をとるとき、伝熱体１１０が真空チャンバー３０内へと押し込まれ、外部フランジ１１２が加熱表示器具１８０の上端に対して下方に移動する。このとき加熱表示面１８２が現れ、視認可能となる。一方、図７（ｂ）に示されるように、加熱機構１００が待機状態をとるとき、伝熱体１１０がもとの位置に戻され、加熱表示面１８２は外部フランジ１１２で隠れる。このようにして、作業者は、加熱表示面１８２を目視することによって、加熱機構１００が加熱状態と待機状態のどちらであるかを容易に確認することができる。

なお、加熱機構１００が真空チャンバー３０の上壁３０ａに設けられる場合、加熱表示器具１８０のような筒状部材は、図６に示される水受けトレイ１７０と同様に、結露水の周囲への広がりを抑えることができ、都合がよい。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。ある実施の形態に関連して説明した種々の特徴は、他の実施の形態にも適用可能である。組合せによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態それぞれの効果をあわせもつ。

上述の実施の形態では、極低温装置１０が極低温冷却されるべき物体として超伝導コイル１２を有する場合を例として説明したが、本発明は、これに限られない。極低温装置１０は、超伝導機器、センサ、またはその他の極低温機器を室温から極低温に冷却するとともに、極低温機器の使用中、当該機器を極低温に維持するように構成されてもよい。極低温機器は、真空領域に配置され外部環境から真空断熱される。また、加熱機構１００は、そうした極低温機器を極低温から昇温するように構成されてもよい。

必要とされる場合には、図１に示されるように、極低温装置１０は、真空領域３２にヒーター５０を備えてもよい。ヒーター５０は、例えば電気ヒーターなどジュール熱を利用した加熱器具であってもよい。ヒーター５０は、真空チャンバー３０内に配置され、超伝導コイル１２など極低温機器と熱的に結合されてもよい。ヒーター５０は、例えば、伝熱部材２４、または冷却ステージ２２（例えば二段冷却ステージ２２ｂ）に取り付けられてもよい。ヒーター５０は、極低温機器の運転中に当該機器の温度を微調整するために使用されてもよい。また、ヒーター５０は、加熱機構１００の加熱状態において、極低温機器の加熱のために加熱機構１００とともに補助的に使用されてもよい。極低温装置１０には加熱機構１００が設けられているから、ヒーター５０は、従来に比べて、低出力のもので十分となりうる。したがって、安全上の懸念は小さく、従来の問題は緩和される。

上述の実施の形態では、加熱機構１００は、超伝導コイル１２など、二段冷却ステージ２２ｂによって冷却される部位を加熱するように構成される。しかし、加熱機構１００は、輻射熱シールド４０など、一段冷却ステージ２２ａによって冷却される部位を加熱するように構成されてもよい。よって、加熱機構１００は、伝熱体１１０が輻射熱シールド４０または一段冷却ステージ２２ａと接触し熱伝導により加熱する加熱状態と、伝熱体１１０が輻射熱シールド４０および一段冷却ステージ２２ａから離れる待機状態とを切り替えるように構成されてもよい。

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１０ 極低温装置、 １４ 外部環境、 ２０ 極低温冷凍機、 ２２ 冷却ステージ、 ２４ 伝熱部材、 ３０ 真空チャンバー、 ３０ａ 上壁、 ３０ｂ 側壁、 ３０ｃ 下壁、 ３２ 真空領域、 ４０ 輻射熱シールド、 ４０ａ 開口部、 １００ 加熱機構、 １１０ 伝熱体、 １１２ 外部フランジ、 １１４ 伝熱ロッド、 １１４ａ 先端部、 １２０ 支持機構、 １３０ ベローズ、 １４０ 熱源。

Claims (8)

1. 物体を伝導冷却により冷却する冷却ステージを備える極低温冷凍機と、
   前記物体と前記冷却ステージが配置される真空領域を外部環境から隔てる真空チャンバーと、
   前記外部環境と熱的に結合され、前記外部環境から前記真空領域へと延びる伝熱体と、
   前記伝熱体が前記物体を熱伝導により加熱する加熱状態と前記伝熱体が前記物体および前記冷却ステージから離れる待機状態とを切り替えるように前記伝熱体を移動可能に支持する支持機構と、を備えることを特徴とする極低温装置。
2. 前記外部環境に配置され、前記伝熱体と熱的に結合される熱源をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の極低温装置。
3. 前記伝熱体は、前記加熱状態において、前記冷却ステージまたは前記冷却ステージを前記物体に接続する伝熱部材に接触することを特徴とする請求項１または２に記載の極低温装置。
4. 前記真空領域に配置される前記伝熱体の先端部は、鏡面を有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の極低温装置。
5. 前記物体および前記冷却ステージを囲むように前記真空領域に配置される輻射熱シールドをさらに備え、前記輻射熱シールドは、前記伝熱体を受け入れる開口部を有し、
   前記真空領域に配置される前記伝熱体の先端部は、前記待機状態において、前記開口部に、または前記開口部よりも前記物体および前記冷却ステージの近くに配置されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の極低温装置。
6. 前記伝熱体は、前記真空チャンバーの下壁または側壁に設置されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の極低温装置。
7. 前記伝熱体は、前記外部環境に配置される外部フランジと、前記外部フランジから前記真空領域へと延びる伝熱ロッドと、を備え、
   前記支持機構は、前記外部フランジを前記真空チャンバーに接続し前記伝熱ロッドが挿通されるベローズを備え、前記伝熱体は、前記加熱状態と前記待機状態を切り替えるように前記ベローズの伸縮により移動可能であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の極低温装置。
8. 真空領域に配置され外部環境から真空断熱された極低温機器のための加熱機構であって、
   前記外部環境と熱的に結合され、前記外部環境から前記真空領域へと延びる伝熱体と、
   前記伝熱体が前記極低温機器を熱伝導により加熱する加熱状態と前記伝熱体が前記極低温機器から離れる待機状態とを切り替えるように前記伝熱体を移動可能に支持する支持機構と、を備えることを特徴とする加熱機構。

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