JP2021134951A - 極低温冷凍機および極低温システム - Google Patents

Abstract

【課題】極低温冷凍機の冷凍能力が低下するとき極低温冷凍機を被冷却物から自動的に切り離すことを可能とする新規な機構を提供する。【解決手段】極低温冷凍機１００は、真空容器２３に装着可能であり、液体冷媒容器２１を冷却する。極低温冷凍機１００は、極低温冷凍機１００が真空容器２３の装着口２６に装着されるとき装着口２６との間に冷媒ガス室１１２を形成し、冷媒ガス室１１２の昇圧により取り外し方向に移動可能な取付フランジ１０６と、真空容器２３内に配置される被冷却物を冷却する冷却ステージ１１０ａ、１１０ｂであって、被冷却物に接触する冷却位置から被冷却物から離れる非冷却位置に取付フランジ１０６の取り外し方向への移動に伴って移動可能な冷却ステージ１１０ａ、１１０ｂと、を備える。冷媒ガス室１１２が、液体冷媒容器２１に接続されている。【選択図】図１

Description

本発明は、極低温冷凍機および極低温システムに関する。

従来、極低温冷凍機とたとえば超伝導コイルなど被冷却物との熱的結合を切り離したり、接続することが可能な熱スイッチが知られている。給電検出リレーにより冷凍機が動作していないことを検知した場合、昇降装置の駆動によりコールドヘッドが被冷却物から切り離される。

特開２０１６−２１１８０３号公報

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、極低温冷凍機の冷凍能力が低下するとき極低温冷凍機を被冷却物から自動的に切り離すことを可能とする新規な機構を提供することにある。

本発明のある態様によると、極低温冷凍機は、真空容器に装着可能であり、液体冷媒容器を冷却する。極低温冷凍機は、極低温冷凍機が真空容器の装着口に装着されるとき装着口との間に冷媒ガス室を形成し、冷媒ガス室の昇圧により取り外し方向に移動可能な取付フランジと、真空容器内に配置される被冷却物を冷却する冷却ステージであって、被冷却物に接触する冷却位置から被冷却物から離れる非冷却位置に取付フランジの取り外し方向への移動に伴って移動可能な冷却ステージと、を備える。冷媒ガス室が、液体冷媒容器に接続されている。

本発明のある態様によると、極低温システムは、真空容器内に配置される液体冷媒容器であって、真空領域から液体冷媒を隔てる容器壁と、容器壁に設けられた再凝縮部と、を備える液体冷媒容器と、真空容器に装着され、液体冷媒容器を冷却する極低温冷凍機と、を備える。極低温冷凍機は、極低温冷凍機が真空容器の装着口に装着されるとき装着口との間に冷媒ガス室を形成し、冷媒ガス室の昇圧により取り外し方向に移動可能な取付フランジと、真空領域に配置され再凝縮部を冷却する冷却ステージであって、再凝縮部に接触する冷却位置から再凝縮部から離れる非冷却位置に取付フランジの取り外し方向への移動に伴って移動可能な冷却ステージと、を備える。冷媒ガス室が、液体冷媒容器に接続されている。

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、極低温冷凍機の冷凍能力が低下するとき極低温冷凍機を被冷却物から自動的に切り離すことができる。

第１実施形態に係る極低温システムを概略的に示す図である。 図１に示される極低温冷凍機について冷却位置と非冷却位置を示す。 第２実施形態に係る極低温冷凍機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、第１実施形態に係る極低温システム１０を概略的に示す図である。極低温システム１０は、被冷却体１２を浸漬冷却によって冷却するように構成される。すなわち、被冷却体１２は、極低温の液体冷媒１４との熱交換により極低温に冷却される。被冷却体１２は、その全体または一部分が液体冷媒１４に浸され、液体冷媒１４に直接触れている。あるいは、液体冷媒１４を流す流路及び／または配管が、被冷却体１２の内部及び／または周囲に設けられ、液体冷媒１４と被冷却体１２は、流路及び／または配管を介して熱交換してもよい。

この実施形態では、極低温システム１０は、たとえば磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）システム、または超伝導電磁石など超伝導機器を有する超伝導システムの一部であってもよく、被冷却体１２は、超伝導コイルであってもよい。液体冷媒１４は、たとえば液体ヘリウムである。液体冷媒１４に浸されることによって、超伝導コイルは、超伝導を発現する臨界温度以下の極低温に冷却される。

極低温システム１０は、クライオスタット２０と、極低温冷凍機１００とを備える。クライオスタット２０は、内部に極低温真空環境を提供するように構成され、被冷却体１２および液体冷媒１４を収容し、それらを極低温真空環境に保持する。クライオスタット２０には、液体冷媒１４を冷却するために極低温冷凍機１００が搭載される。極低温冷凍機１００は、液体冷媒１４を利用して被冷却体１２を間接的に冷却することができる。

クライオスタット２０は、液体冷媒容器２１と、熱シールド２２と、真空容器２３とを備える。

液体冷媒容器２１は、液体冷媒１４を被冷却体１２とともに収容するように構成されている。あるいは、液体冷媒１４を流す流路及び／または配管が被冷却体１２に設けられる場合には、液体冷媒容器２１は液体冷媒１４の貯槽として使用され、被冷却体１２は液体冷媒容器２１の外に配置されてもよい。液体冷媒１４として液体ヘリウムが通例使用されるので、液体冷媒容器２１は、液体ヘリウム槽と呼ぶこともできる。

液体冷媒容器２１は、真空容器２３内に配置され、真空領域２４から液体冷媒１４を隔てる容器壁２１ａと、容器壁２１ａに設けられた再凝縮部２５と、を備える。再凝縮部２５は、極低温冷凍機１００によって液体冷媒容器２１の外から冷却される。再凝縮部２５は、液体冷媒容器２１の外側に露出され、極低温冷凍機１００と接触する伝熱面２５ａを有する。再凝縮部２５は、液体冷媒１４と接触する表面積を増やすためにフィン状または凹凸を液体冷媒容器２１の内部に有してもよい。

例示的な構成として、液体冷媒容器２１は、液体冷媒１４（および被冷却体１２）を収容する第１室と、再凝縮部２５が設けられた第２室とを有してもよい。第１室と第２室は、第１室で気化した液体冷媒１４のガスを第１室から第２室に受け入れ、第２室で再凝縮された液体冷媒１４を第２室から第１室に戻すことができるように、相互に接続されていてもよい。あるいは、再凝縮部２５と液体冷媒１４は同じ室に収められていてもよい。

熱シールド２２は、真空容器２３内で液体冷媒容器２１の周囲に配置される。熱シールド２２は、熱シールド２２の外から侵入しうる輻射熱から液体冷媒容器２１および被冷却体１２を熱的に保護するように構成されている。

真空容器２３は、その内部に形成される真空領域２４をクライオスタット２０の周囲環境から隔離するように構成される。真空容器２３には、内部を真空引きするための真空ポンプ（図示せず）が付設され、または真空ポンプに接続可能であってもよい。真空容器２３と熱シールド２２との間には断熱材料で形成された断熱層が設けられていてもよい。真空容器２３の外部となる周囲環境は、室温大気圧環境であってもよい。

真空容器２３には、極低温冷凍機１００を真空容器２３に装着するための装着口２６が設けられている。装着口２６は、極低温冷凍機１００が取り外し可能に装着されるように構成される。装着の際、極低温冷凍機１００は装着口２６から真空容器２３内に挿入され、極低温冷凍機１００の低温部を真空容器２３内に配置した状態で、極低温冷凍機１００の室温部が装着口２６に取り付けられる。

一例として、装着口２６は、真空容器２３の天板または上部に形成されている。極低温冷凍機１００は、その中心軸を鉛直方向に一致させるようにしてクライオスタット２０に設置される。しかし、極低温冷凍機１００の取付姿勢はこれに限られない。極低温冷凍機１００は、所望される姿勢で設置可能であり、中心軸を斜め方向または水平方向に一致させるようにしてクライオスタット２０に設置されてもよい。

クライオスタット２０は、真空容器２３の装着口２６から真空容器２３内に延在するコールドヘッドスリーブ２７を備える。コールドヘッドスリーブ２７は、極低温冷凍機１００と同軸に極低温冷凍機１００を囲むようにして熱シールド２２へと延びている。コールドヘッドスリーブ２７の内側も、真空容器２３内の他の場所と同様に、真空領域２４となる。熱シールド２２側のスリーブ端部には、極低温冷凍機１００によって冷却される伝熱ステージ２７ａが取り付けられている。伝熱ステージ２７ａは、熱シールド２２の一部であってもよく、または適宜の伝熱部材を介して熱シールド２２に接続されてもよい。伝熱ステージ２７ａには、その中心部に極低温冷凍機１００が挿通される開口が形成されている。

なお、コールドヘッドスリーブ２７は、真空容器２３内で熱シールド２２よりも内側まで、たとえば液体冷媒容器２１まで、さらに延びていてもよい。この場合、コールドヘッドスリーブ２７は、再凝縮部２５と熱的に結合される追加の伝熱ステージを有してもよい。この追加の伝熱ステージが極低温冷凍機１００によって冷却され、それにより再凝縮部２５が冷却されてもよい。

極低温冷凍機１００は、圧縮機１０２と、コールドヘッド１０４とを備える。圧縮機１０２は、極低温冷凍機１００の作動ガスをコールドヘッド１０４から回収し、回収した作動ガスを昇圧して、再び作動ガスをコールドヘッド１０４に供給するよう構成されている。コールドヘッド１０４は、膨張機または冷凍機とも称される。圧縮機１０２とコールドヘッド１０４により極低温冷凍機１００の冷凍サイクルが構成され、それにより低温部１４ｂが所望の極低温に冷却される。作動ガスは、冷媒ガスとも称され、通例はヘリウムガスであるが、適切な他のガスが用いられてもよい。

一般に、圧縮機１０２からコールドヘッド１０４に供給される作動ガスの圧力と、コールドヘッド１０４から圧縮機１０２に回収される作動ガスの圧力は、ともに大気圧よりかなり高く、それぞれ第１高圧及び第２高圧と呼ぶことができる。説明の便宜上、第１高圧及び第２高圧はそれぞれ単に高圧及び低圧とも呼ばれる。典型的には、高圧は例えば２〜３ＭＰａである。低圧は例えば０．５〜１．５ＭＰａであり、例えば約０．８ＭＰａである。

コールドヘッド１０４は、真空容器２３の装着口２６に装着される取付フランジ１０６を備える。また、この実施形態では、極低温冷凍機１００は、二段式のギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機であり、コールドヘッド１０４は、第１シリンダ１０８ａ、第２シリンダ１０８ｂ、第１冷却ステージ１１０ａ、第２冷却ステージ１１０ｂを備える。これらシリンダおよび冷却ステージは、コールドヘッド１０４が真空容器２３に装着されたとき、真空領域２４に配置される。第１シリンダ１０８ａは、コールドヘッドスリーブ２７内に配置され、取付フランジ１０６を第１冷却ステージ１１０ａに接続する。第２シリンダ１０８ｂは、熱シールド２２内に配置され、第１冷却ステージ１１０ａを第２冷却ステージ１１０ｂに接続する。

第１冷却ステージ１１０ａは、第１冷却温度、たとえば１００Ｋ未満（たとえば３０Ｋ〜６０Ｋ程度）に冷却され、第２冷却ステージ１１０ｂは、第１冷却温度より低い第２冷却温度、たとえば約４Ｋ程度またはそれ以下に冷却される。

詳細は後述するが、コールドヘッド１０４の取付フランジ１０６は、真空容器２３の装着口２６に装着されるとき装着口２６との間に冷媒ガス室１１２を形成する。冷媒ガス室１１２に働く圧力によって、取付フランジ１０６は、真空容器２３の装着口２６に装着された状態で装着口２６に対して移動可能である。

この実施形態では、極低温冷凍機１００は、その中心軸の方向（図１において上下方向）の移動が許容される。上述のコールドヘッド１０４の構成要素、すなわち取付フランジ１０６、第１シリンダ１０８ａ、第２シリンダ１０８ｂ、第１冷却ステージ１１０ａ、および第２冷却ステージ１１０ｂは、互いに剛に連結されている。

そのため、装着口２６に対する取付フランジ１０６の相対移動に伴い、第１冷却ステージ１１０ａおよび第２冷却ステージ１１０ｂも一体に移動される。この相対移動によって、コールドヘッド１０４は、冷却位置から非冷却位置へと、または非冷却位置から冷却位置へと移動することができる。

冷却位置では、コールドヘッド１０４の冷却ステージが真空容器２３内の被冷却物と接触する。すなわち、冷却位置では、第１冷却ステージ１１０ａが伝熱ステージ２７ａと接触し、第２冷却ステージ１１０ｂが再凝縮部２５の伝熱面２５ａと接触する。よって、伝熱ステージ２７ａおよび熱シールド２２は、第１冷却ステージ１１０ａによって第１冷却温度に冷却され、再凝縮部２５は、第２冷却ステージ１１０ｂによって第２冷却温度に冷却されることができる。

一方、非冷却位置では、冷却ステージが被冷却物から離れる。すなわち、非冷却位置では、第１冷却ステージ１１０ａが伝熱ステージ２７ａから離れ、第２冷却ステージ１１０ｂが再凝縮部２５の伝熱面２５ａから離れる。よって、伝熱ステージ２７ａおよび熱シールド２２は、第１冷却ステージ１１０ａと伝熱ステージ２７ａとの間の真空により第１冷却ステージ１１０ａから断熱されることができる。再凝縮部２５は、第２冷却ステージ１１０ｂと伝熱面２５ａとの間の真空により第２冷却ステージ１１０ｂから断熱されることができる。

クライオスタット２０には、液体冷媒容器２１を冷媒ガス室１１２に接続する冷媒ガス配管１１４が設けられている。液体冷媒容器２１内で気化した液体冷媒１４のガスは、冷媒ガス配管１１４を通じて液体冷媒容器２１から冷媒ガス室１１２へと供給されうる。一例として、冷媒ガス配管１１４は、取付フランジ１０６からコールドヘッドスリーブ２７内を通り、伝熱ステージ２７ａ（または熱シールド２２）を貫通して熱シールド２２内で延在し、液体冷媒容器２１に至る。この例では、冷媒ガス配管１１４の全体が真空容器２３内（すなわち真空領域２４）に配置されているが、冷媒ガス配管１１４の一部が真空容器２３の外を通って取付フランジ１０６（すなわち冷媒ガス室１１２）まで延びていてもよい。

冷媒ガス配管１１４は、液体冷媒容器２１から冷媒ガス室１１２に冷媒ガスを導入可能とするように配置された逆止弁１１６を備える。すなわち、逆止弁１１６は、液体冷媒容器２１から冷媒ガス室１１２へのガス流れを許容し、その逆方向のガス流れを遮断するように、冷媒ガス配管１１４に配置されている。図１では、逆止弁１１６は、熱シールド２２内に配置されているが、冷媒ガス配管１１４上で他の場所（たとえばコールドヘッドスリーブ２７内、あるいは、真空容器２３の外）に配置されてもよい。

また、クライオスタット２０には、液体冷媒容器２１の内圧の過剰な上昇に対処すべくガスの外部放出を可能とするパージライン１１８が設けられている。パージライン１１８は、冷媒ガス配管１１４から分岐し、クライオスタット２０の外部に至る。パージライン１１８は、冷媒ガス配管１１４と逆止弁１１６の間で冷媒ガス配管１１４から分岐している。よって、パージライン１１８は、液体冷媒容器２１からだけでなく、冷媒ガス室１１２からも、ガスをクライオスタット２０の外部に放出することができる。なお、パージライン１１８が冷媒ガス配管１１４から分岐する位置についても、冷媒ガス配管１１４上のどの場所であってもよい。パージライン１１８は、冷媒ガス配管１１４ではなく、冷媒ガス室１１２に直に接続されてもよい。

パージライン１１８には、安全弁１２０が設けられている。安全弁１２０は、内圧が外圧に対して許容圧力を超えて高くなったとき開放されるように構成される。安全弁１２０は、出入口間に作用する差圧にもとづいて電気的または機械的に開放される弁として構成されてもよく、あるいは、安全弁１２０は、バーストディスクであってもよい。図１では、安全弁１２０は、クライオスタット２０の外に配置されているが、パージライン１１８上で他の場所に配置されてもよい。

なお、冷媒ガス室１１２、冷媒ガス配管１１４およびパージライン１１８などの気化した液体冷媒１４のガスの経路は、極低温冷凍機１００を作動させるための圧縮機１０２とコールドヘッド１０４との間の作動ガスの循環回路から分かれている。液体冷媒１４のガスがコールドヘッド１０４の内部に流入したり、あるいは、コールドヘッド１０４内の作動ガスが冷媒ガス室１１２や冷媒ガス配管１１４に流れ出ることは無い。

図２は、図１に示される極低温冷凍機１００を示す。図２においては、対比により理解を容易にするために、冷却位置にあるときの極低温冷凍機１００が右半分に図示され、非冷却位置にあるときの極低温冷凍機１００が左半分に図示される。

極低温冷凍機１００が真空容器２３の装着口２６に装着されるとき、取付フランジ１０６と装着口２６との間には、上述のように、冷媒ガス室１１２が形成される。取付フランジ１０６は、冷媒ガス室１１２の昇圧により取り外し方向に移動可能である。第１冷却ステージ１１０ａおよび第２冷却ステージ１１０ｂは、取付フランジ１０６の取り外し方向への移動に伴って冷却位置から非冷却位置に移動可能である。

この実施形態では、装着口２６が真空容器２３の上部に設けられ、そこからコールドヘッド１０４が挿入されて真空容器２３に装着されるので、図において「取り外し方向」は上向きとなる。コールドヘッド１０４の取り付け方向は、取り外し方向とは反対向きであるから、図において下向きとなる。

取付フランジ１０６は、取付フランジ１０６が装着口２６に装着されるとき真空容器２３内の真空領域２４を外部の周囲環境から隔離するものであり、真空フランジとして機能する。取付フランジ１０６は、周囲環境側から真空領域２４に向かって段々と小径となる段付き形状をもつ。周囲環境にさらされる取付フランジ１０６の上部が最も大径である。取付フランジ１０６の中間部は上部よりも小径であり、取付フランジ１０６の下部は中間部よりも小径である。第１シリンダ１０８ａは取付フランジ１０６の下部よりも小径である。取付フランジ１０６の上部、中間部、下部はそれぞれ円板状の形状をもち、第１シリンダ１０８ａとともにコールドヘッド１０４の中心軸に同軸配置されている。図においては、上部、中間部、下部は厚さ（軸方向寸法）がこの順に段々と大きくなっているが、これに限られない。

取付フランジ１０６は、その中間部の外周面である第１フランジ周面１３１と、取付フランジ１０６の下部の外周面である第２フランジ周面１３２とを有する。これら２つのフランジ周面に対応して、装着口２６は、第１ガイド面１４１と第２ガイド面１４２を有する。第１フランジ周面１３１は、第１ガイド面１４１に摺動可能に接触し、第２フランジ周面１３２は、第２ガイド面１４２に摺動可能に接触する。摺動の方向は、コールドヘッド１０４の取り外し方向および取り付け方向（すなわち軸方向）である。第２フランジ周面１３２および第２ガイド面１４２は、第１フランジ周面１３１および第１ガイド面１４１よりも小径である。第１ガイド面１４１と第２ガイド面１４２は、コールドヘッドスリーブ２７の一部（たとえば上端部）であるとみなされてもよい。

取付フランジ１０６は、第１シール１５１と第２シール１５２とを備える。第１シール１５１は、第１ガイド面１４１と第１フランジ周面１３１の間に保持され、真空容器２３の外部環境から冷媒ガス室１１２を封止する。第２シール１５２は、第２ガイド面１４２と第２フランジ周面１３２の間に保持され、真空容器２３内の真空領域２４から冷媒ガス室１１２を封止する。第２シール１５２が第１シール１５１よりも小径である。これら２つのシールはそれぞれ、対応するフランジ周面とガイド面との間で全周にわたって円環状に延在する。第１シール１５１および第２シール１５２は、運動用Ｏリング、スリッパーシールなどの運動用シール材が用いられる。図示されるように、この実施形態では、第１シール１５１および第２シール１５２はそれぞれ対応するフランジ周面に装着されるが、それに代えて、ガイド面に装着される構成もありうる。適用可能であれば、接触シールに代えて、第１シール１５１および第２シール１５２は、非接触シールであってもよい。

第１シール１５１および第２シール１５２を設けることにより、冷媒ガス室１１２の圧力を周囲環境および真空領域２４のそれぞれと異なる圧力に保持することができる。冷媒ガス室１１２に冷媒ガスを受け入れたとき、冷媒ガスが周囲環境および真空領域２４にリークすることを抑制することができる。

また、取付フランジ１０６は、第１フランジ周面１３１と第２フランジ周面１３２とをつなぐ冷媒ガス室形成面１１３を備える。冷媒ガス室形成面１１３は、冷媒ガス室１１２に面し、取付フランジ１０６の取り外し方向とは反対方向を向いている。図示される例では、冷媒ガス室形成面１１３は下向きの表面であり、冷却ステージ側を向く。冷媒ガス室形成面１１３は、冷媒ガス室１１２の上面（天井面）の少なくとも一部となる。冷媒ガス室形成面１１３は、たとえば、コールドヘッド１０４の中心軸に垂直な平面の一部であり、２つのフランジ周面をつなぐように円環状の形状をもつ。第２フランジ周面１３２が第１フランジ周面１３１に対し軸方向に下側にあるので、冷媒ガス室形成面１１３は、第１フランジ周面１３１の下縁と第２フランジ周面１３２の上縁とをつなぐ。

冷媒ガス室形成面１１３が取付フランジ１０６の取り外し方向とは反対方向を向いているので、冷媒ガス室１１２における冷媒ガスの圧力によって、取り外し方向の力が冷媒ガス室形成面１１３に働く。冷媒ガス室１１２にガスが導入されるときコールドヘッド１０４を持ち上げる力を取付フランジ１０６に作用させることができる。

ただし、冷媒ガス室形成面１１３は上述のものには限られず、他の形状を有してもよい。冷媒ガス室１１２における冷媒ガスの圧力によって取付フランジ１０６の取り外し方向の成分をもつ力が冷媒ガス室形成面１１３に働くように、冷媒ガス室形成面１１３は傾斜面及び／または曲面を有してもよい。

なお、取付フランジ１０６は、第１シリンダ１０８ａの一部（たとえば上端部）を含みうる。第１フランジ周面１３１、第２フランジ周面１３２、および冷媒ガス室形成面１１３は、第１シリンダ１０８ａの上端部に形成されてもよい。

取付フランジ１０６は、取り外し方向とは反対方向に取付フランジ１０６を真空容器２３へと弾性的に押し付ける押付機構１６０を備える。この実施形態では、押付機構１６０は、複数の支柱１６１と複数のスプリング１６２を備える。複数の支柱１６１は、装着口２６を囲むように周方向にたとえば等間隔に真空容器２３に固定される。支柱１６１は、たとえばボルトであり、装着口２６の周囲にあるボルト穴に締結される。真空容器２３に装着される取付フランジ１０６の上部には、支柱１６１が貫通する穴または切り欠きが形成されている。取付フランジ１０６は、支柱１６１に沿って移動可能である。各スプリング１６２は、対応する支柱１６１の頭部と取付フランジ１０６との間で圧縮された状態をとるように、当該支柱１６１に装着される。これにより、スプリング１６２は、取付フランジ１０６を真空容器２３へと押し付ける弾性力を発生させることができる。

押付機構１６０は、取り外し方向への取付フランジ１０６の過剰な動きを抑制することができる。もし、取付フランジ１０６が図において過大なストロークで上方に移動したとすると、第１シール１５１および第２シール１５２がそれぞれ第１ガイド面１４１および第２ガイド面１４２から上側に外れ、シール機能が損なわれる事態が起こり得る。しかし、押付機構１６０によって取付フランジ１０６を真空容器２３へと押し付けることによって、取付フランジ１０６の移動ストロークを適正範囲に保持することができる。また、冷却状態においては、押付機構１６０は、取付フランジ１０６を押し付けることによって冷却ステージを被冷却物に押し付けることができ、これは冷却ステージと被冷却物の間の熱抵抗の低減に役立つ。

なお、コールドヘッド１０４の自重が十分に大きい場合など、取付フランジ１０６を真空容器２３へと押し付けるために重力を利用できる場合には、押付機構１６０は、不要となりうる。

以上、実施の形態に係る極低温システム１０の構成を述べた。続いてその動作を説明する。

常態としては、図２の右側に示されるように、コールドヘッド１０４は冷却位置にある。第１冷却ステージ１１０ａは、伝熱ステージ２７ａと接触し、第２冷却ステージ１１０ｂは、再凝縮部２５の伝熱面２５ａと接触する。押付機構１６０およびコールドヘッド１０４の自重によって、これら冷却ステージはそれぞれの被冷却物に押し付けられている（下向きの矢印で模式的に図示する）。伝熱ステージ２７ａおよび熱シールド２２は、第１冷却ステージ１１０ａによって第１冷却温度に冷却され、再凝縮部２５は、第２冷却ステージ１１０ｂによって第２冷却温度に冷却されることができる。

液体冷媒容器２１に貯留されている液体冷媒１４は、被冷却体１２を冷却することによって気化される。気化された液体冷媒１４のガスは、再凝縮部２５に触れることによって冷却され再凝縮される。このようにして、液体冷媒容器２１内の圧力は、たとえば大気圧またはその他の適正圧に保持される。冷媒ガス室１１２の圧力も、たとえば大気圧に保持され、または液体冷媒容器２１内の圧力と顕著な差圧をもたないように調整されている。そのため、冷媒ガス配管１１４の逆止弁１１６は閉鎖され、液体冷媒容器２１から冷媒ガス室１１２に冷媒ガスは流入しない。

極低温冷凍機１００の故障または一時的な動作不安定など、極低温冷凍機１００の冷凍能力が低下した場合、液体冷媒容器２１における液体冷媒１４の気化が促進され、液体冷媒容器２１の圧力が冷媒ガス室１１２の圧力に比べて高まりうる。この差圧によって逆止弁１１６が開かれると、冷媒ガスが冷媒ガス配管１１４を通じて液体冷媒容器２１から冷媒ガス室１１２へと供給され、液体冷媒容器２１の圧力が冷媒ガス室１１２に導入される。

図２の左側に示されるように、冷媒ガス室１１２の昇圧により冷媒ガス室形成面１１３が押し上げられ、第１フランジ周面１３１および第２フランジ周面１３２がそれぞれ第１ガイド面１４１および第２ガイド面１４２に対して摺動し、取付フランジ１０６が取り外し方向に移動される。取付フランジ１０６の取り外し方向への移動に伴って、第１冷却ステージ１１０ａおよび第２冷却ステージ１１０ｂも、冷却位置から非冷却位置に移動される（上向きの矢印で模式的に図示する）。非冷却位置では、第１冷却ステージ１１０ａが伝熱ステージ２７ａから離れ、第２冷却ステージ１１０ｂが再凝縮部２５から離れる。冷却ステージと被冷却物との間の真空により、被冷却物はコールドヘッド１０４から断熱される。

仮に、極低温冷凍機１００の冷凍能力が喪失または顕著に低下した状況において、このようなコールドヘッド１０４の持ち上げによる熱的接続の解除が行われない場合には、コールドヘッド１０４それ自体が、クライオスタット２０の周囲環境を液体冷媒容器２１内の液体冷媒１４へと直接つなぐ実質的な伝熱経路を形成することになる。この場合、液体冷媒容器２１および液体冷媒１４への熱侵入はかなり大きなものとなりうる。液体冷媒１４の気化が一層促進され液体冷媒容器２１の内部圧力が過剰に高まるリスクがある。

しかし、この実施形態によれば、極低温冷凍機１００の冷凍能力の低下に応じて冷媒ガスが冷媒ガス室１１２に導入され、極低温冷凍機１００を被冷却物から自動的に熱的に切り離すことができる。こうして、コールドヘッド１０４を伝熱経路とした液体冷媒１４への熱侵入を抑制することができる。液体冷媒１４の気化も緩やかとなり、液体冷媒１４による被冷却体１２の冷却を当面続けることができる。

たとえば被冷却体１２が超伝導コイルの場合には極低温冷凍機１００の冷凍能力の低下はクエンチを招きうるが、液体冷媒１４による冷却を利用して、クエンチの発生を遅らせることができる。

従来構成の熱スイッチでは、冷凍機の稼働状態を検出して駆動機構を電気的に動作させて冷凍機を切り離すので、そうした検出器や駆動機構を要する。これに対して、この実施形態によれば、簡素な構成で熱スイッチを実現することができる。極低温冷凍機１００の冷凍能力の低下によって自然に発生する冷媒ガスおよびその昇圧を利用するので、専用の検出器や駆動機構は必要とされない。そのため、停電など不測の事態にも、極低温冷凍機１００を再凝縮部２５などの被冷却物から切り離し可能である。

逆止弁１１６は、その出入口間に、ある最小の差圧（以下、開弁圧ともいう）が作用するとき開き、液体冷媒容器２１から冷媒ガス室１１２へのガス流れが許容される。逆止弁１１６の開弁圧は、コールドヘッド１０４が持ち上がるときの冷媒ガス室１１２の圧力よりも大きくてもよい。このようにすれば、逆止弁１１６が開いたとき、コールドヘッド１０４を持ち上げ可能な圧力を超える圧力が冷媒ガス室１１２に直ちに導入されるので、コールドヘッド１０４を応答性よく持ち上げることができる。

パージライン１１８を利用して（安全弁１２０を開くことによって）、昇圧された冷媒ガス室１１２の圧力を解放することができる。このようにして、冷媒ガス室１１２の圧力を下げることができる。コールドヘッド１０４を非冷却位置から冷却位置へと復帰させることができる。押付機構１６０が設けられている場合には、押付機構１６０の弾性的な押し付け力によってコールドヘッド１０４を冷却位置へと自動的に戻すことができる。あるいは、手動または動力によりコールドヘッド１０４が冷却位置へと押し戻されてもよい。

図３は、第２実施形態に係る極低温冷凍機２００を概略的に示す図である。第２実施形態に係る極低温冷凍機２００は、液体冷媒容器に関して第１実施形態に係る極低温冷凍機１００と相違し、その余については概ね共通する。以下では、相違する構成を中心に説明し、共通する構成については簡単に説明するか、あるいは説明を省略する。

極低温冷凍機２００は、一例として、単段式のＧＭ冷凍機である。極低温冷凍機２００のコールドヘッド２０４は、取付フランジ１０６と、冷却ステージ２１０とを備える。コールドヘッド２０４が真空容器２３の装着口２６に装着されるとき、取付フランジ１０６と装着口２６との間には、上述のように、冷媒ガス室１１２が形成される。取付フランジ１０６は、冷媒ガス室１１２の昇圧により取り外し方向に移動可能である。冷却ステージ２１０は、取付フランジ１０６の取り外し方向への移動に伴って冷却位置から非冷却位置に移動可能である。

コールドヘッド２０４は、液体冷媒容器２２１と、液体冷媒容器２２１を冷媒ガス室１１２に接続する冷媒ガス配管１１４と、をさらに備え、液体冷媒容器２２１が、冷却ステージ２１０に固定されている。極低温冷凍機２００の運転により冷却ステージ２１０が冷却されるとき、冷却ステージ２１０によって液体冷媒容器２２１が冷却される。液体冷媒容器２２１には、たとえば液体窒素など、冷却ステージ２１０の冷却温度で液化される液体冷媒２１４が収容されている。冷媒ガス配管１１４には逆止弁１１６が設けられていてもよい。

したがって、第２実施形態においても第１実施形態と同様に、極低温冷凍機２００の冷凍能力が低下した場合、液体冷媒容器２２１において液体冷媒２１４が気化し、それにより冷媒ガス室１１２が昇圧される。冷媒ガス室１１２の昇圧によりコールドヘッド２０４を冷却位置から非冷却位置へと押し上げることができる。

第２実施形態に係る極低温冷凍機２００は、いわゆる伝導冷却式の極低温冷却にも適用できる。知られているように、伝導冷却では、たとえば超伝導コイルなど被冷却体を冷却するうえで液体冷媒は使用されない。被冷却体または被冷却体に接続された伝熱部材は、冷却ステージ２１０が冷却位置にあるとき冷却ステージ２１０と直に接触し、熱的に結合され、液体冷媒を介することなく直接冷却される。冷却ステージ２１０が非冷却位置にあるときは、冷却ステージ２１０が被冷却体から離れる。

極低温冷凍機２００は、二段式のＧＭ冷凍機として構成されてもよい。その場合、液体冷媒容器２２１は、第２冷却ステージに固定されてもよい。この場合、液体冷媒は、第１実施形態と同様に液体ヘリウムを使えばよい。

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、極低温冷凍機１００、２００は、一例として、単段式または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。

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 極低温システム、 １４ 液体冷媒、 ２１ 液体冷媒容器、 ２１ａ 容器壁、 ２３ 真空容器、 ２４ 真空領域、 ２５ 再凝縮部、 ２６ 装着口、 １００ 極低温冷凍機、 １０６ 取付フランジ、 １１２ 冷媒ガス室、 １１３ 冷媒ガス室形成面、 １１４ 冷媒ガス配管、 １１６ 逆止弁、 １３１ 第１フランジ周面、 １３２ 第２フランジ周面、 １４１ 第１ガイド面、 １４２ 第２ガイド面、 １５１ 第１シール、 １５２ 第２シール、 １６０ 押付機構。

Claims (8)

1. 真空容器に装着可能であり、液体冷媒容器を冷却する極低温冷凍機であって、
   前記極低温冷凍機が前記真空容器の装着口に装着されるとき前記装着口との間に冷媒ガス室を形成し、前記冷媒ガス室の昇圧により取り外し方向に移動可能な取付フランジと、
   前記真空容器内に配置される被冷却物を冷却する冷却ステージであって、前記被冷却物に接触する冷却位置から前記被冷却物から離れる非冷却位置に前記取付フランジの前記取り外し方向への移動に伴って移動可能な冷却ステージと、を備え、
   前記冷媒ガス室が、前記液体冷媒容器に接続されていることを特徴とする極低温冷凍機。
2. 前記取付フランジは、
   前記真空容器の第１ガイド面に摺動可能に接触する第１フランジ周面と、
   前記真空容器の第２ガイド面に摺動可能に接触し、前記第１フランジ周面よりも小径の第２フランジ周面と、
   前記第１フランジ周面と前記第２フランジ周面とをつなぎ、前記取り外し方向とは反対方向を向く冷媒ガス室形成面と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機。
3. 前記取付フランジは、
   前記第１ガイド面と前記第１フランジ周面の間に保持され、前記真空容器の外部環境から前記冷媒ガス室を封止する第１シールと、
   前記第２ガイド面と前記第２フランジ周面の間に保持され、前記真空容器内の真空領域から前記冷媒ガス室を封止する第２シールと、を備えることを特徴とする請求項２に記載の極低温冷凍機。
4. 前記取付フランジは、前記取り外し方向とは反対方向に前記取付フランジを前記真空容器へと弾性的に押し付ける押付機構を備え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冷凍機。
5. 前記液体冷媒容器と、前記液体冷媒容器を前記冷媒ガス室に接続する冷媒ガス配管と、をさらに備え、前記液体冷媒容器が、前記冷却ステージに固定されてい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冷凍機。
6. 前記冷媒ガス配管は、前記液体冷媒容器から前記冷媒ガス室に冷媒ガスを導入可能とするように配置された逆止弁を備えることを特徴とする請求項５に記載の極低温冷凍機。
7. 真空容器内に配置される液体冷媒容器であって、真空領域から液体冷媒を隔てる容器壁と、前記容器壁に設けられた再凝縮部と、を備える液体冷媒容器と、
   前記真空容器に装着され、前記液体冷媒容器を冷却する極低温冷凍機であって、
   前記極低温冷凍機が前記真空容器の装着口に装着されるとき前記装着口との間に冷媒ガス室を形成し、前記冷媒ガス室の昇圧により取り外し方向に移動可能な取付フランジと、
   前記真空領域に配置され前記再凝縮部を冷却する冷却ステージであって、前記再凝縮部に接触する冷却位置から前記再凝縮部から離れる非冷却位置に前記取付フランジの前記取り外し方向への移動に伴って移動可能な冷却ステージと、を備える極低温冷凍機と、を備え、
   前記冷媒ガス室が、前記液体冷媒容器に接続されていることを特徴とする極低温システム。
8. 前記液体冷媒容器を前記冷媒ガス室に接続する冷媒ガス配管をさらに備え、
   前記冷媒ガス配管は、前記液体冷媒容器から前記冷媒ガス室に冷媒ガスを導入可能とするように配置された逆止弁を備えることを特徴とする請求項７に記載の極低温システム。

Images