JP2021169874A - Fitting structure for cryogenic refrigeration machine and cryogenic refrigeration machine - Google Patents

Fitting structure for cryogenic refrigeration machine and cryogenic refrigeration machine Download PDF

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健太 出村
Kenta Demura
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Abstract

To provide preferable thermal contact between a cryogenic refrigeration machine and the fitting structure thereof.SOLUTION: A fitting structure 30 for a cryogenic refrigeration machine 10 includes: a first-stage heat transfer stage 36 coming into contact with a first-stage cooling stage 20 of the cryogenic refrigeration machine 10 or released from the contact with the movement of the cryogenic refrigeration machine 10; and a heat transfer structure 50 installed so as to be elastically displaceable relative to the first-stage heat transfer stage 36 and coming into contact with a second surface that is different from a first surface of the first-stage cooling stage 20 when the first-stage heat transfer stage 36 comes into contact with the first surface of the first-stage cooling stage 20.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、極低温冷凍機の装着構造および極低温冷凍機に関する。 The present invention relates to a cryogenic refrigerator mounting structure and a cryogenic refrigerator.

従来、極低温冷凍機のコールドヘッドをスリーブを介してクライオスタットなどの極低温真空容器に装着することが知られている。極低温真空容器内には例えば超電導コイルなどの被冷却物が収容され、この被冷却物はスリーブに熱的に結合されている。コールドヘッドとスリーブを接触させることにより、極低温冷凍機は、スリーブを介して被冷却物を冷却することができる。 Conventionally, it is known that a cold head of a cryogenic refrigerator is attached to a cryogenic vacuum container such as a cryostat via a sleeve. An object to be cooled, such as a superconducting coil, is housed in the cryogenic vacuum vessel, and the object to be cooled is thermally coupled to the sleeve. By bringing the cold head into contact with the sleeve, the cryogenic refrigerator can cool the object to be cooled through the sleeve.

極低温冷凍機を長期的に運転するなかで、極低温冷凍機のメンテナンスが定期的に必要とされうる。作業者は、スリーブからコールドヘッドをいくらか引き上げ、コールドヘッドとスリーブの接触を解除して極低温冷凍機にメンテナンスを施すことができる。極低温冷凍機は例えば室温などメンテナンス作業に都合のよい温度に昇温され、作業完了後に再冷却される。コールドヘッドの接触解除により、被冷却物は低温に保つことができる。したがって、極低温冷凍機とともに被冷却物を室温に昇温して極低温冷凍機にメンテナンスを施す場合に比べて被冷却物の再冷却時間を短縮することができ、メンテナンスの所要時間を短くすることができる。 During the long-term operation of the cryogenic chiller, maintenance of the cryogenic chiller may be required on a regular basis. The operator can pull the cold head out of the sleeve somewhat to break the contact between the cold head and the sleeve and perform maintenance on the cryogenic refrigerator. The cryogenic refrigerator is heated to a temperature convenient for maintenance work, such as room temperature, and is recooled after the work is completed. By releasing the contact of the cold head, the object to be cooled can be kept at a low temperature. Therefore, the recooling time of the object to be cooled can be shortened as compared with the case where the object to be cooled is heated to room temperature together with the cryogenic refrigerator to perform maintenance on the cryogenic refrigerator, and the time required for maintenance is shortened. be able to.

特開2013−160393号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-160393

本発明者は、上述の装着構造について検討し、以下の課題を認識した。コールドヘッドとスリーブとの熱接触は、コールドヘッドをスリーブに押し付けることによって実現される。この押し付け力によってコールドヘッドとスリーブとの接触圧が決まる。接触圧は熱抵抗に影響する。接触圧の不足は熱抵抗の増加を招き、熱抵抗は温度差をもたらす。もし、この温度差が大きければ、被冷却物の冷却温度は、極低温冷凍機が実現しうる到達温度ほどには十分に下がらないかもしれない。被冷却物の冷却不良を避けるために、より大きな冷凍能力をもつ極低温冷凍機を採用しなければならないかもしれない。 The present inventor examined the above-mentioned mounting structure and recognized the following problems. Thermal contact between the cold head and the sleeve is achieved by pressing the cold head against the sleeve. This pressing force determines the contact pressure between the cold head and the sleeve. Contact pressure affects thermal resistance. Insufficient contact pressure leads to an increase in thermal resistance, which causes a temperature difference. If this temperature difference is large, the cooling temperature of the object to be cooled may not be sufficiently lower than the temperature that can be achieved by the cryogenic refrigerator. Cryogenic chillers with greater freezing capacity may have to be employed to avoid poor cooling of the object to be cooled.

多くの場合、二段式の極低温冷凍機が使用され、一段冷却ステージによって被冷却物を熱的に保護する輻射シールドが冷却され、二段冷却ステージによって被冷却物が冷却される。コールドヘッドからスリーブへの押し付け力は構造上、一段冷却ステージでの接触圧と二段冷却ステージでの接触圧に配分される。そのため、一段と二段の熱抵抗はトレードオフの関係にある。被冷却物の冷却不良を避けることを優先する観点からは、二段冷却ステージでの接触圧をより高めることが望まれる。しかし、その結果、一段冷却ステージでの接触圧は小さくなり、一段での熱抵抗は高まり、今度は輻射シールドの冷却が不十分となることが懸念される。 In many cases, a two-stage cryogenic refrigerator is used, with a one-stage cooling stage cooling the radiation shield that thermally protects the object to be cooled, and a two-stage cooling stage cooling the object to be cooled. The pressing force from the cold head to the sleeve is structurally distributed to the contact pressure in the one-stage cooling stage and the contact pressure in the two-stage cooling stage. Therefore, there is a trade-off between the thermal resistance of the first and second stages. From the viewpoint of giving priority to avoiding poor cooling of the object to be cooled, it is desired to further increase the contact pressure in the two-stage cooling stage. However, as a result, the contact pressure in the one-stage cooling stage becomes small, the thermal resistance in the one-stage becomes high, and there is a concern that the cooling of the radiation shield will be insufficient this time.

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、極低温冷凍機とその装着構造との間に良好な熱接触を提供することにある。 One exemplary object of an aspect of the invention is to provide good thermal contact between a cryogenic refrigerator and its mounting structure.

本発明のある態様によると、極低温冷凍機の装着構造が提供される。装着構造は、極低温冷凍機の移動により極低温冷凍機の冷却ステージと接触し又は接触解除される伝熱ステージと、伝熱ステージに対して弾性的に変位可能に設けられ、伝熱ステージが冷却ステージの第1面と接触するとき冷却ステージの第1面とは異なる第2面と接触する伝熱構造と、を備える。 According to certain aspects of the invention, a cryogenic refrigerator mounting structure is provided. The mounting structure is provided with a heat transfer stage that comes into contact with or is released from contact with the cooling stage of the ultra-low temperature refrigerator by moving the ultra-low temperature refrigerator, and a heat transfer stage that is elastically displaceable with respect to the heat transfer stage. It is provided with a heat transfer structure that contacts a second surface different from the first surface of the cooling stage when it comes into contact with the first surface of the cooling stage.

本発明のある態様によると、極低温冷凍機の装着構造が提供される。極低温冷凍機は、二段式の極低温冷凍機である。装着構造は、極低温冷凍機の移動により極低温冷凍機の一段冷却ステージと接触し又は接触解除される一段伝熱ステージと、一段伝熱ステージに対して弾性的に変位可能に設けられ、一段伝熱ステージが一段冷却ステージの第1面と接触するとき一段冷却ステージの第1面とは異なる第2面と接触する伝熱構造と、を備える。 According to certain aspects of the invention, a cryogenic refrigerator mounting structure is provided. The cryogenic refrigerator is a two-stage cryogenic refrigerator. The mounting structure is provided with a one-stage heat transfer stage that comes into contact with or is released from contact with the one-stage cooling stage of the ultra-low temperature refrigerator by moving the ultra-low temperature refrigerator, and a one-stage heat transfer stage that is elastically displaceable with respect to the one-stage heat transfer stage. It is provided with a heat transfer structure that contacts a second surface different from the first surface of the one-stage cooling stage when the heat transfer stage contacts the first surface of the one-stage cooling stage.

本発明のある態様によると、極低温冷凍機は、極低温冷凍機の移動により極低温冷凍機の装着構造に設けられた伝熱ステージと接触し又は接触解除される冷却ステージと、冷却ステージに対して弾性的に変位可能に設けられ、冷却ステージが伝熱ステージの第1面と接触するとき伝熱ステージの第1面とは異なる第2面と接触する伝熱構造と、を備える。 According to an aspect of the present invention, the ultra-low temperature chiller is provided with a cooling stage and a cooling stage which are brought into contact with or released from the heat transfer stage provided in the mounting structure of the ultra-low temperature chiller by the movement of the ultra-low temperature chiller. On the other hand, it is provided so as to be elastically displaceable, and includes a heat transfer structure that contacts a second surface different from the first surface of the heat transfer stage when the cooling stage contacts the first surface of the heat transfer stage.

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。 It should be noted that any combination of the above components or components and expressions of the present invention that are mutually replaced between methods, devices, systems, and the like are also effective as aspects of the present invention.

本発明によれば、極低温冷凍機とその装着構造との間に良好な熱接触を提供することができる。 According to the present invention, good thermal contact can be provided between the cryogenic refrigerator and its mounting structure.

実施の形態に係る装着構造を説明するための概略図である。It is the schematic for demonstrating the mounting structure which concerns on embodiment. 実施の形態に係る装着構造を説明するための概略図である。It is the schematic for demonstrating the mounting structure which concerns on embodiment. 図1に示される伝熱構造を示す部分拡大図である。It is a partially enlarged view which shows the heat transfer structure shown in FIG. 図2に示される伝熱構造を示す部分拡大図である。It is a partially enlarged view which shows the heat transfer structure shown in FIG. 図3に示される伝熱構造のA−A線断面を概略的に示す図である。It is a figure which shows roughly the AA line cross section of the heat transfer structure shown in FIG. 実施の形態に係る伝熱構造の変形例を概略的に示す図である。It is a figure which shows typically the modification of the heat transfer structure which concerns on embodiment. 実施の形態に係る伝熱構造の他の変形例を概略的に示す図である。It is a figure which shows typically the other modification of the heat transfer structure which concerns on embodiment. 実施の形態に係る伝熱構造の他の変形例を概略的に示す図である。It is a figure which shows typically the other modification of the heat transfer structure which concerns on embodiment. 図9(a)および図9(b)は、実施の形態に係る伝熱構造の他の変形例を概略的に示す図である。9 (a) and 9 (b) are diagrams schematically showing other modifications of the heat transfer structure according to the embodiment. 図10(a)および図10(b)は、実施の形態に係る極低温冷凍機を説明するための概略図である。10 (a) and 10 (b) are schematic views for explaining the cryogenic refrigerator according to the embodiment.

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。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description and drawings, the same or equivalent components, members, and processes are designated by the same reference numerals, and duplicate description will be omitted as appropriate. The scales and shapes of the illustrated parts are set for convenience of explanation and are not interpreted in a limited manner unless otherwise specified. Embodiments are exemplary and do not limit the scope of the invention in any way. Not all features and combinations thereof described in the embodiments are essential to the invention.

図1および図2は、実施の形態に係る装着構造を説明するための概略図である。図1には、極低温冷凍機10と例えば超電導コイルなどの被冷却物90との熱的な結合が解除された状態が示され、図2には、両者が熱的に結合された状態が示されている。 1 and 2 are schematic views for explaining a mounting structure according to an embodiment. FIG. 1 shows a state in which the cryogenic refrigerator 10 and an object to be cooled 90 such as a superconducting coil are disconnected, and FIG. 2 shows a state in which the two are thermally coupled. It is shown.

極低温冷凍機10は、この実施の形態においては、二段式のギフォード・マクマホン(Gifford-McMahon;GM)冷凍機である。極低温冷凍機10は、圧縮機12と、二段式のコールドヘッド14とを備える。 The cryogenic refrigerator 10 is, in this embodiment, a two-stage Gift-McMahon (GM) refrigerator. The cryogenic refrigerator 10 includes a compressor 12 and a two-stage cold head 14.

圧縮機12は、極低温冷凍機10の冷媒ガスをコールドヘッド14から回収し、回収した冷媒ガスを昇圧して、再び冷媒ガスをコールドヘッド14に供給するよう構成されている。コールドヘッド14は、膨張機とも称され、供給された冷媒ガスを内部の膨張室で断熱膨張させることにより寒冷を発生させることができる。圧縮機12とコールドヘッド14との間の冷媒ガスの循環がコールドヘッド14での冷媒ガスの適切な圧力変動と容積変動の組み合わせをもって行われることにより、極低温冷凍機10の冷凍サイクル(例えばGMサイクル)が構成され、それによりコールドヘッド14の各冷却ステージが所望の極低温に冷却される。冷媒ガスは、作動ガスとも称され、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。 The compressor 12 is configured to recover the refrigerant gas of the cryogenic refrigerator 10 from the cold head 14, pressurize the recovered refrigerant gas, and supply the refrigerant gas to the cold head 14 again. The cold head 14 is also called an expander, and can generate cold by adiabatically expanding the supplied refrigerant gas in an internal expansion chamber. The refrigeration cycle of the cryogenic refrigerator 10 (eg, GM) is performed by circulating the refrigerant gas between the compressor 12 and the cold head 14 with an appropriate combination of pressure fluctuation and volume fluctuation of the refrigerant gas in the cold head 14. A cycle) is configured to cool each cooling stage of the cold head 14 to the desired cryogenic temperature. The refrigerant gas, also referred to as a working gas, is usually helium gas, but other suitable gases may be used.

コールドヘッド14は、コールドヘッドフランジ16、一段シリンダ18、一段冷却ステージ20、二段シリンダ22、および二段冷却ステージ24を備え、これらはコールドヘッド14の中心軸に沿って同軸に配置されている。一段シリンダ18は、コールドヘッドフランジ16を一段冷却ステージ20と連結し、二段シリンダ22は、一段冷却ステージ20を二段冷却ステージ24と連結する。一段冷却ステージ20および二段冷却ステージ24は、例えば銅(例えば純銅)などの高熱伝導金属、またはその他の熱伝導材料で形成されている。一段シリンダ18および二段シリンダ22は、例えばステンレスなどの金属で形成されている。冷却ステージを形成する熱伝導材料の熱伝導率は、シリンダを形成する材料の熱伝導率より高い。 The cold head 14 includes a cold head flange 16, a one-stage cylinder 18, a one-stage cooling stage 20, a two-stage cylinder 22, and a two-stage cooling stage 24, which are arranged coaxially along the central axis of the cold head 14. .. The one-stage cylinder 18 connects the cold head flange 16 to the one-stage cooling stage 20, and the two-stage cylinder 22 connects the one-stage cooling stage 20 to the two-stage cooling stage 24. The one-stage cooling stage 20 and the two-stage cooling stage 24 are made of a highly thermally conductive metal such as copper (for example, pure copper) or other thermally conductive material. The one-stage cylinder 18 and the two-stage cylinder 22 are made of a metal such as stainless steel. The thermal conductivity of the heat conductive material forming the cooling stage is higher than the thermal conductivity of the material forming the cylinder.

なおコールドヘッドフランジ16には駆動部17が取り付けられている。駆動部17は、一段シリンダ18および二段シリンダ22のそれぞれに収容された一段ディスプレーサおよび二段ディスプレーサを軸方向に往復させるモータを備える。また、駆動部17には、このモータによってディスプレーサと同期して駆動される圧力切替バルブも収納されている。圧力切替バルブは、コールドヘッド14への高圧冷媒ガスの受け入れと低圧冷媒ガスの送出を周期的に切り替えるよう構成されている。圧縮機12、コールドヘッドフランジ16、および駆動部17は、周囲環境27に配置されている。 A drive unit 17 is attached to the cold head flange 16. The drive unit 17 includes a motor that reciprocates the one-stage displacer and the two-stage displacer housed in the one-stage cylinder 18 and the two-stage cylinder 22, respectively, in the axial direction. The drive unit 17 also houses a pressure switching valve that is driven by the motor in synchronization with the displacer. The pressure switching valve is configured to periodically switch between the reception of the high-pressure refrigerant gas and the delivery of the low-pressure refrigerant gas to the cold head 14. The compressor 12, the cold head flange 16, and the drive unit 17 are arranged in the ambient environment 27.

極低温冷凍機10の装着構造30は、真空容器26、例えばクライオスタットなどの極低温真空容器に極低温冷凍機10を装着するための器具である。装着構造30は、コールドヘッド収容スリーブ、または単にスリーブとも称される。装着構造30は、周囲環境27から隔離された気密領域28をコールドヘッド14と装着構造30との間に形成するよう真空容器26に設置される。周囲環境27は例えば室温の大気圧環境である。気密領域28は、真空に排気されてもよいし、あるいは、ヘリウムガスのような極低温で液化しない不活性ガスで充填されてもよい。また、装着構造30は、真空容器26と組み合わされて真空容器26内に真空領域29を区画するように真空容器26に設置される。 The mounting structure 30 of the cryogenic refrigerator 10 is an instrument for mounting the cryogenic refrigerator 10 in a vacuum container 26, for example, a cryogenic vacuum container such as a cryostat. The mounting structure 30 is also referred to as a cold head accommodating sleeve, or simply a sleeve. The mounting structure 30 is installed in the vacuum vessel 26 so as to form an airtight region 28 isolated from the surrounding environment 27 between the cold head 14 and the mounting structure 30. The ambient environment 27 is, for example, an atmospheric pressure environment at room temperature. The airtight region 28 may be evacuated to vacuum or may be filled with an inert gas such as helium gas that does not liquefy at extremely low temperatures. Further, the mounting structure 30 is installed in the vacuum vessel 26 so as to partition the vacuum region 29 in the vacuum vessel 26 in combination with the vacuum vessel 26.

装着構造30は、極低温冷凍機10とともに、極低温冷凍機10の製造業者により顧客に提供されてもよい。被冷却物90を冷却する冷却装置が、極低温冷凍機10および装着構造30から構成されるとも言える。 The mounting structure 30 may be provided to the customer by the manufacturer of the cryogenic refrigerator 10 together with the cryogenic refrigerator 10. It can be said that the cooling device for cooling the object to be cooled 90 is composed of the cryogenic refrigerator 10 and the mounting structure 30.

装着構造30も、コールドヘッド14に対応して二段式に構成される。装着構造30は、スリーブフランジ32、一段スリーブ体34、一段伝熱ステージ36、二段スリーブ体38、および二段伝熱ステージ40を備え、これらはコールドヘッド14の中心軸に沿って同軸に配置されている。 The mounting structure 30 is also configured in a two-stage manner corresponding to the cold head 14. The mounting structure 30 includes a sleeve flange 32, a one-stage sleeve body 34, a one-stage heat transfer stage 36, a two-stage heat transfer stage 38, and a two-stage heat transfer stage 40, which are arranged coaxially along the central axis of the cold head 14. Has been done.

スリーブフランジ32は、一例として、真空容器26の天板に形成された開口部に固定され、装着構造30はこの開口部から真空容器26内に延びている。また、スリーブフランジ32には、コールドヘッドフランジ16が例えばボルト等の締結部材33で取り付けられる。コールドヘッドフランジ16とスリーブフランジ32が締結されるとき、一段冷却ステージ20と二段冷却ステージ24がそれぞれ一段伝熱ステージ36と二段伝熱ステージ40に押し付けられることになる。スリーブフランジ32は、コールドヘッド14を受け入れる開口部を締結部材33よりも径方向に内側に有し、この開口部の内周面にはコールドヘッドフランジ16が接触している。 As an example, the sleeve flange 32 is fixed to an opening formed in the top plate of the vacuum container 26, and the mounting structure 30 extends into the vacuum container 26 from this opening. Further, a cold head flange 16 is attached to the sleeve flange 32 by a fastening member 33 such as a bolt. When the cold head flange 16 and the sleeve flange 32 are fastened, the one-stage cooling stage 20 and the two-stage cooling stage 24 are pressed against the one-stage heat transfer stage 36 and the two-stage heat transfer stage 40, respectively. The sleeve flange 32 has an opening for receiving the cold head 14 in the radial direction with respect to the fastening member 33, and the cold head flange 16 is in contact with the inner peripheral surface of the opening.

締結部材33によるコールドヘッドフランジ16とスリーブフランジ32の締結が解除されているとき、コールドヘッドフランジ16は、スリーブフランジ32に対して軸方向に摺動可能であり、それにより、コールドヘッド14は、装着構造30に対し軸方向(図1および図2における上下方向)に移動可能である。可動範囲は例えば数cm以内、例えば2〜3cm程度である。作業者は、手動により、または油圧ジャッキなどの補助器具を使用して、または動力源を有する昇降装置がコールドヘッド14に接続されている場合にはこれを作動させて、この可動範囲においてコールドヘッド14を軸方向に昇降させることができる。 When the cold head flange 16 and the sleeve flange 32 are released from being fastened by the fastening member 33, the cold head flange 16 is axially slidable with respect to the sleeve flange 32, whereby the cold head 14 can be slid. It is movable in the axial direction (vertical direction in FIGS. 1 and 2) with respect to the mounting structure 30. The movable range is, for example, within several cm, for example, about 2 to 3 cm. The operator manually, uses an auxiliary device such as a hydraulic jack, or activates a powered lifting device, if connected to it, to the cold head in this range of motion. 14 can be moved up and down in the axial direction.

コールドヘッドフランジ16とスリーブフランジ32との間には例えばOリングなどのシール部材42が挟み込まれている。シール部材42は、スリーブフランジ32の開口部内周面に形成された周溝に配置されている。シール部材42が設けられているので、コールドヘッド14が装着構造30に対し上述の可動範囲内で軸方向に移動されても気密領域28は周囲環境27から隔離されている。 A sealing member 42 such as an O-ring is sandwiched between the cold head flange 16 and the sleeve flange 32. The seal member 42 is arranged in a peripheral groove formed on the inner peripheral surface of the opening of the sleeve flange 32. Since the seal member 42 is provided, the airtight region 28 is isolated from the surrounding environment 27 even if the cold head 14 is moved in the axial direction within the above-mentioned movable range with respect to the mounting structure 30.

一段スリーブ体34は、スリーブフランジ32を一段伝熱ステージ36と連結し、二段スリーブ体38は、一段伝熱ステージ36を二段伝熱ステージ40と連結する。一段スリーブ体34および二段スリーブ体38はそれぞれ、一段シリンダ18および二段シリンダ22を囲むように配置されている。一段伝熱ステージ36の中心部には、一段スリーブ体34の内部空間を二段スリーブ体38の内部空間に接続する開口部が設けられている。コールドヘッド14の二段シリンダ22および二段冷却ステージ24はこの開口部から二段スリーブ体38の内部空間へと挿入される。一段伝熱ステージ36および二段伝熱ステージ40は、例えば銅(例えば純銅)などの高熱伝導金属、またはその他の熱伝導材料で形成されている。一段スリーブ体34および二段スリーブ体38は、例えばステンレスなどの金属で形成されている。伝熱ステージを形成する熱伝導材料の熱伝導率は、スリーブ体を形成する材料の熱伝導率より高い。 The one-stage sleeve body 34 connects the sleeve flange 32 to the one-stage heat transfer stage 36, and the two-stage sleeve body 38 connects the one-stage heat transfer stage 36 to the two-stage heat transfer stage 40. The one-stage sleeve body 34 and the two-stage sleeve body 38 are arranged so as to surround the one-stage cylinder 18 and the two-stage cylinder 22, respectively. At the center of the one-stage heat transfer stage 36, an opening is provided to connect the internal space of the one-stage sleeve body 34 to the internal space of the two-stage sleeve body 38. The two-stage cylinder 22 and the two-stage cooling stage 24 of the cold head 14 are inserted into the internal space of the two-stage sleeve body 38 through this opening. The one-stage heat transfer stage 36 and the two-stage heat transfer stage 40 are formed of a high heat transfer metal such as copper (for example, pure copper) or other heat transfer material. The one-stage sleeve body 34 and the two-stage sleeve body 38 are made of a metal such as stainless steel. The thermal conductivity of the heat conductive material forming the heat transfer stage is higher than the thermal conductivity of the material forming the sleeve body.

したがって、装着構造30の一段伝熱ステージ36は、極低温冷凍機10のコールドヘッド14の移動によりコールドヘッド14の一段冷却ステージ20と接触し又は接触解除される。同様に、装着構造30の二段伝熱ステージ40は、コールドヘッド14の移動により二段冷却ステージ24と接触し又は接触解除される。 Therefore, the one-stage heat transfer stage 36 of the mounting structure 30 comes into contact with or is released from the one-stage cooling stage 20 of the cold head 14 by the movement of the cold head 14 of the cryogenic refrigerator 10. Similarly, the two-stage heat transfer stage 40 of the mounting structure 30 comes into contact with or is released from the two-stage cooling stage 24 by the movement of the cold head 14.

装着構造30は、詳細は後述するが、一段伝熱ステージ36に対して弾性的に変位可能に設けられた伝熱構造50を備える。伝熱構造50は、コールドヘッド14の移動に垂直な方向(すなわち軸方向に垂直な径方向)に一段伝熱ステージ36に対して弾性的に変位可能である。伝熱構造50は、一段伝熱ステージ36に取り付けられている。伝熱構造50は、一段伝熱ステージ36が一段冷却ステージ20の第1面と接触するとき一段冷却ステージ20の第1面とは異なる第2面と接触するように配置されている。この実施の形態においては、第1面は、一段冷却ステージ20の底面20aであり、第2面は、一段冷却ステージ20の底面20aと角度をなす一段冷却ステージ20の側面20bである。 The mounting structure 30 includes a heat transfer structure 50 provided so as to be elastically displaceable with respect to the one-stage heat transfer stage 36, which will be described in detail later. The heat transfer structure 50 can be elastically displaced with respect to the one-stage heat transfer stage 36 in a direction perpendicular to the movement of the cold head 14 (that is, a radial direction perpendicular to the axial direction). The heat transfer structure 50 is attached to the one-stage heat transfer stage 36. The heat transfer structure 50 is arranged so that when the one-stage heat transfer stage 36 comes into contact with the first surface of the one-stage cooling stage 20, it comes into contact with a second surface different from the first surface of the one-stage cooling stage 20. In this embodiment, the first surface is the bottom surface 20a of the one-stage cooling stage 20, and the second surface is the side surface 20b of the one-stage cooling stage 20 at an angle with the bottom surface 20a of the one-stage cooling stage 20.

真空領域29に露出される一段伝熱ステージ36の外面には、輻射シールド92が熱的に結合されている。輻射シールド92は、被冷却物90を熱的に保護するために、被冷却物90を囲むように配置されている。図1及び図2には輻射シールド92の一部のみが示される。輻射シールド92は、一段伝熱ステージ36に直接取り付けられてもよいし、あるいは、剛性または可撓性の伝熱部材を介して接続されてもよい。一段伝熱ステージ36には、輻射シールド92とともに、またはこれに代えて、別の被冷却物が熱的に結合されてもよい。また、真空領域29に露出される二段伝熱ステージ40の外面には被冷却物90が熱的に結合されている。被冷却物90は、二段伝熱ステージ40に直接取り付けられてもよいし、あるいは、剛性または可撓性の伝熱部材を介して接続されてもよい。 A radiation shield 92 is thermally coupled to the outer surface of the one-stage heat transfer stage 36 exposed to the vacuum region 29. The radiation shield 92 is arranged so as to surround the object to be cooled 90 in order to thermally protect the object 90 to be cooled. Only a part of the radiation shield 92 is shown in FIGS. 1 and 2. The radiation shield 92 may be attached directly to the one-stage heat transfer stage 36, or may be connected via a rigid or flexible heat transfer member. Another object to be cooled may be thermally bonded to the one-stage heat transfer stage 36 together with or instead of the radiation shield 92. Further, the object to be cooled 90 is thermally coupled to the outer surface of the two-stage heat transfer stage 40 exposed in the vacuum region 29. The object to be cooled 90 may be directly attached to the two-stage heat transfer stage 40, or may be connected via a rigid or flexible heat transfer member.

図1に示されるように、コールドヘッド14と装着構造30の熱接触が解除された状態においては、コールドヘッド14が可動範囲の例えば上端に位置する。このとき、一段冷却ステージ20が一段伝熱ステージ36および伝熱構造50から物理的に離れ、二段冷却ステージ24が二段伝熱ステージ40から物理的に離れるので、極低温冷凍機10は、被冷却物90および輻射シールド92を冷却しない。コールドヘッド14が被冷却物90および輻射シールド92よりも高い温度例えば室温に昇温されたとしても、コールドヘッド14から被冷却物90および輻射シールド92への熱的な影響は限定的であるか、無視しうる。被冷却物90および輻射シールド92は極低温に維持される。 As shown in FIG. 1, in a state where the cold head 14 and the mounting structure 30 are released from thermal contact, the cold head 14 is located at, for example, the upper end of the movable range. At this time, the one-stage cooling stage 20 is physically separated from the one-stage heat transfer stage 36 and the heat transfer structure 50, and the two-stage cooling stage 24 is physically separated from the two-stage heat transfer stage 40. The object to be cooled 90 and the radiation shield 92 are not cooled. Is the thermal effect of the cold head 14 on the object to be cooled 90 and the radiant shield 92 limited even if the temperature of the cold head 14 is raised to a temperature higher than that of the object to be cooled 90 and the radiant shield 92, for example, room temperature? , Can be ignored. The object to be cooled 90 and the radiation shield 92 are maintained at a cryogenic temperature.

図2に示されるように、コールドヘッド14と装着構造30が熱接触している状態においては、コールドヘッド14が可動範囲の下端に位置する。このとき、一段冷却ステージ20が一段伝熱ステージ36および伝熱構造50に物理的に接触し、それにより、一段冷却ステージ20は、一段伝熱ステージ36および伝熱構造50を介して輻射シールド92と熱接触する。それとともに、二段冷却ステージ24が二段伝熱ステージ40に物理的に接触し、それにより、二段冷却ステージ24は、二段伝熱ステージ40を介して被冷却物90と熱接触する。こうして、極低温冷凍機10は、被冷却物90および輻射シールド92を冷却することができる。輻射シールド92は、例えば30K〜80K(通例は30K〜50K、例えば40K)に冷却され、被冷却物90は、例えば3K〜20K(通例は3K〜4K)に冷却されうる。 As shown in FIG. 2, when the cold head 14 and the mounting structure 30 are in thermal contact with each other, the cold head 14 is located at the lower end of the movable range. At this time, the one-stage cooling stage 20 physically contacts the one-stage heat transfer stage 36 and the heat transfer structure 50, whereby the one-stage cooling stage 20 passes through the one-stage heat transfer stage 36 and the heat transfer structure 50 to the radiation shield 92. In thermal contact with. At the same time, the two-stage cooling stage 24 physically contacts the two-stage heat transfer stage 40, whereby the two-stage cooling stage 24 makes thermal contact with the object to be cooled 90 via the two-stage heat transfer stage 40. In this way, the cryogenic refrigerator 10 can cool the object to be cooled 90 and the radiation shield 92. The radiation shield 92 can be cooled to, for example, 30K to 80K (usually 30K to 50K, for example 40K), and the object to be cooled 90 can be cooled to, for example, 3K to 20K (usually 3K to 4K).

図3および図4はそれぞれ、図1および図2に示される伝熱構造50を示す部分拡大図である。図3には、一段冷却ステージ20と一段伝熱ステージ36の接触が解除された状態が示され、図4には、一段冷却ステージ20と一段伝熱ステージ36が接触した状態が示される。図5は、図3に示される伝熱構造50のA−A線断面を概略的に示す図である。なお理解の容易のために、図5ではコールドヘッド14の二段シリンダ22は破線で図示されている。 3 and 4 are partially enlarged views showing the heat transfer structure 50 shown in FIGS. 1 and 2, respectively. FIG. 3 shows a state in which the contact between the one-stage cooling stage 20 and the one-stage heat transfer stage 36 is released, and FIG. 4 shows a state in which the one-stage cooling stage 20 and the one-stage heat transfer stage 36 are in contact with each other. FIG. 5 is a diagram schematically showing a cross section taken along line AA of the heat transfer structure 50 shown in FIG. For ease of understanding, the two-stage cylinder 22 of the cold head 14 is shown by a broken line in FIG.

伝熱構造50は、各々が一段伝熱ステージ36に対して弾性的に変位可能に設けられた複数の伝熱片52を備える。一段伝熱ステージ36が一段冷却ステージ20の第1面(例えば底面20a)と接触するとき、複数の伝熱片52の各々が一段冷却ステージ20の第2面(例えば側面20b)と接触する。 The heat transfer structure 50 includes a plurality of heat transfer pieces 52, each of which is elastically displaceable with respect to the one-stage heat transfer stage 36. When the one-stage heat transfer stage 36 comes into contact with the first surface (for example, the bottom surface 20a) of the one-stage cooling stage 20, each of the plurality of heat transfer pieces 52 comes into contact with the second surface (for example, the side surface 20b) of the one-stage cooling stage 20.

複数の伝熱片52は、コールドヘッド14の一段冷却ステージ20が挿入されるとき一段冷却ステージ20を囲むように、一段伝熱ステージ36の外周に沿って取り付けられている。図5に示されるように、周方向に隣り合う2つの伝熱片52はスリット54で隔てられている。また、図3および図4に示されるように、各伝熱片52の下端部が一段伝熱ステージ36に固定され、そこから各伝熱片52は軸方向上方に延在する。したがって、各伝熱片52の上端部が一段伝熱ステージ36に対して径方向に弾性的に変位可能である。各伝熱片52は、軸方向に延びる短冊状またはワイヤ状の伝熱要素であってもよい。 The plurality of heat transfer pieces 52 are attached along the outer periphery of the one-stage heat transfer stage 36 so as to surround the one-stage cooling stage 20 when the one-stage cooling stage 20 of the cold head 14 is inserted. As shown in FIG. 5, two heat transfer pieces 52 adjacent to each other in the circumferential direction are separated by a slit 54. Further, as shown in FIGS. 3 and 4, the lower end of each heat transfer piece 52 is fixed to the one-stage heat transfer stage 36, from which each heat transfer piece 52 extends upward in the axial direction. Therefore, the upper end of each heat transfer piece 52 can be elastically displaced in the radial direction with respect to the one-stage heat transfer stage 36. Each heat transfer piece 52 may be a strip-shaped or wire-shaped heat transfer element extending in the axial direction.

伝熱片52は、一段伝熱ステージ36と同様に、例えば銅(例えば純銅)などの高熱伝導金属、またはその他の熱伝導材料で形成されている。各伝熱片52と一段伝熱ステージ36は、例えばねじなど機械的接合により構造的に一体化され、熱的に結合される。あるいは、伝熱片52は、半田など冶金的接合またはそのほか適宜の接合技術を利用して一段伝熱ステージ36に固定されてもよい。 Like the one-stage heat transfer stage 36, the heat transfer piece 52 is made of a high heat transfer metal such as copper (for example, pure copper) or other heat transfer material. Each heat transfer piece 52 and the one-stage heat transfer stage 36 are structurally integrated by mechanical joining such as screws, and are thermally coupled. Alternatively, the heat transfer piece 52 may be fixed to the one-stage heat transfer stage 36 by using metallurgical joining such as soldering or other appropriate joining techniques.

図5には、一例として、12個の伝熱片52が示されているが、伝熱片52の数はこれより多くてもよいし、少なくてもよい。また、この実施の形態においては、各伝熱片52の形状および寸法(高さ、幅、厚さ)は同じであるが、これは必須ではなく、少なくとも1つの伝熱片52の形状または寸法のいずれかが他の少なくとも1つの伝熱片52とは異なってもよい。 In FIG. 5, 12 heat transfer pieces 52 are shown as an example, but the number of heat transfer pieces 52 may be larger or smaller than this. Further, in this embodiment, the shape and dimensions (height, width, thickness) of each heat transfer piece 52 are the same, but this is not essential, and the shape or size of at least one heat transfer piece 52. May be different from at least one heat transfer piece 52.

図3に示されるように、伝熱構造50の入口径(D1)、すなわち、対向する2つの伝熱片52の上端の径方向間隔は、一段冷却ステージ20の端面の径(D2)と等しいか、または若干小さくてもよい。一段冷却ステージ20が伝熱構造50に挿入されるとき伝熱片52と摺動しながら接触するように、これら2つの径(D1、D2)の寸法公差が定められていてもよい。一段冷却ステージ20の側面20bと接触する各伝熱片52の径方向内向きの面が、一段冷却ステージ20の側面20bと平行であってもよい。 As shown in FIG. 3, the inlet diameter (D1) of the heat transfer structure 50, that is, the radial distance between the upper ends of the two opposing heat transfer pieces 52 is equal to the diameter (D2) of the end face of the one-stage cooling stage 20. Or it may be slightly smaller. The dimensional tolerances of these two diameters (D1 and D2) may be set so that when the one-stage cooling stage 20 is inserted into the heat transfer structure 50, it comes into contact with the heat transfer piece 52 while sliding. The radial inward surface of each heat transfer piece 52 in contact with the side surface 20b of the one-stage cooling stage 20 may be parallel to the side surface 20b of the one-stage cooling stage 20.

各伝熱片52の上端面はテーパ面56であってもよい。テーパ面56は、各伝熱片52の外周面を内周面に接続し、径方向内向きに軸方向下方に向けて傾斜している。これにより、一段冷却ステージ20が伝熱構造50に挿入されるとき、まず一段冷却ステージ20の端面外周がテーパ面56に突き当たる。テーパ面56は、一段冷却ステージ20を案内するガイド面として働き、それにより、一段冷却ステージ20は伝熱構造50に容易に受け入れられる。また、コールドヘッド14と装着構造30との間にいくらかの軸ずれがあったとしても、一段冷却ステージ20はテーパ面56にガイドされて伝熱構造50に挿入されることができる。 The upper end surface of each heat transfer piece 52 may be a tapered surface 56. The tapered surface 56 connects the outer peripheral surface of each heat transfer piece 52 to the inner peripheral surface, and is inclined inward in the radial direction and downward in the axial direction. As a result, when the one-stage cooling stage 20 is inserted into the heat transfer structure 50, the outer periphery of the end surface of the one-stage cooling stage 20 first abuts on the tapered surface 56. The tapered surface 56 acts as a guide surface for guiding the one-stage cooling stage 20, whereby the one-stage cooling stage 20 is easily accepted by the heat transfer structure 50. Also, even if there is some misalignment between the cold head 14 and the mounting structure 30, the one-stage cooling stage 20 can be guided by the tapered surface 56 and inserted into the heat transfer structure 50.

以上の構成を有する極低温冷凍機10および装着構造30の動作を説明する。極低温冷凍機10のメンテナンスが許容されるタイミングが到来すると、極低温冷凍機10の冷却運転が停止される。このとき、図2および図4に示されるように、一段冷却ステージ20は一段伝熱ステージ36および伝熱構造50と物理的かつ熱的に接触し、二段冷却ステージ24は二段伝熱ステージ40と物理的かつ熱的に接触している。 The operation of the cryogenic refrigerator 10 and the mounting structure 30 having the above configuration will be described. When the timing at which maintenance of the cryogenic refrigerator 10 is permitted comes, the cooling operation of the cryogenic refrigerator 10 is stopped. At this time, as shown in FIGS. 2 and 4, the one-stage cooling stage 20 is in physical and thermal contact with the one-stage heat transfer stage 36 and the heat transfer structure 50, and the two-stage cooling stage 24 is a two-stage heat transfer stage. It is in physical and thermal contact with 40.

作業者が締結部材33を操作することによって、コールドヘッドフランジ16とスリーブフランジ32との締結が解除される。そして、コールドヘッド14が装着構造30からいくらか引き上げられる。コールドヘッドフランジ16とスリーブフランジ32の間にはシール部材42が設けられているので、周囲環境27からの気密領域28の隔離は保持される。 When the operator operates the fastening member 33, the fastening between the cold head flange 16 and the sleeve flange 32 is released. The cold head 14 is then pulled up somewhat from the mounting structure 30. Since the sealing member 42 is provided between the cold head flange 16 and the sleeve flange 32, the isolation of the airtight region 28 from the surrounding environment 27 is maintained.

こうして、図1および図3に示されるように、一段冷却ステージ20は一段伝熱ステージ36および伝熱構造50から物理的に離れて熱的に非接触となる。二段冷却ステージ24は二段伝熱ステージ40から物理的に離れて熱的に非接触となる。被冷却物90および輻射シールド92を低温に保ちつつ、コールドヘッド14を昇温することができる。 Thus, as shown in FIGS. 1 and 3, the one-stage cooling stage 20 is physically separated from the one-stage heat transfer stage 36 and the heat transfer structure 50 and becomes thermally non-contact. The two-stage cooling stage 24 is physically separated from the two-stage heat transfer stage 40 and becomes thermally non-contact. The temperature of the cold head 14 can be raised while keeping the temperature of the object to be cooled 90 and the radiation shield 92 at low temperatures.

極低温冷凍機10のメンテナンスが行われる。コールドヘッド14の駆動部17およびディスプレーサがコールドヘッド14から取り外される。コールドヘッド14の外側構造、すなわち、コールドヘッドフランジ16、一段シリンダ18、一段冷却ステージ20、二段シリンダ22、および二段冷却ステージ24は、そのまま装着構造30に装着されている。そして、メンテナンスが施された(または新品の)駆動部17およびディスプレーサがコールドヘッド14に取り付けられる。そして、極低温冷凍機10の冷却運転が再開される。 Maintenance of the cryogenic refrigerator 10 is performed. The drive unit 17 and the displacer of the cold head 14 are removed from the cold head 14. The outer structure of the cold head 14, that is, the cold head flange 16, the one-stage cylinder 18, the one-stage cooling stage 20, the two-stage cylinder 22, and the two-stage cooling stage 24 are directly mounted on the mounting structure 30. Then, the maintained (or new) drive unit 17 and the displacer are attached to the cold head 14. Then, the cooling operation of the cryogenic refrigerator 10 is restarted.

作業者はコールドヘッド14を装着構造30に再び押し込む。一段冷却ステージ20が軸方向に挿入され各伝熱片52に対し軸方向に摺動するとき、一段冷却ステージ20は、各伝熱片52を径方向外向き(図4の矢印58)に押し広げるように弾性的に撓ませる。各伝熱片52の径方向内向きの面が一段冷却ステージ20の側面20bに追従して、図2および図4に示されるように、一段冷却ステージ20と各伝熱片52が弾性的に面接触する。それとともに、一段冷却ステージ20の底面20aが一段伝熱ステージ36に接触して押し付けられる。 The operator pushes the cold head 14 back into the mounting structure 30. When the one-stage cooling stage 20 is inserted in the axial direction and slides in the axial direction with respect to each heat transfer piece 52, the one-stage cooling stage 20 pushes each heat transfer piece 52 radially outward (arrow 58 in FIG. 4). Elastically bend to spread. The radial inward surface of each heat transfer piece 52 follows the side surface 20b of the one-stage cooling stage 20, and the one-stage cooling stage 20 and each heat transfer piece 52 elastically follow the side surface 20b of the one-stage cooling stage 20 and as shown in FIGS. 2 and 4. Face contact. At the same time, the bottom surface 20a of the one-stage cooling stage 20 comes into contact with and pressed against the one-stage heat transfer stage 36.

そして、締結部材33によってコールドヘッドフランジ16とスリーブフランジ32が締結される。一段冷却ステージ20は一段伝熱ステージ36および伝熱構造50と物理的かつ熱的に接触し、二段冷却ステージ24は二段伝熱ステージ40と物理的かつ熱的に接触し、図2および図4に示される状態に戻る。 Then, the cold head flange 16 and the sleeve flange 32 are fastened by the fastening member 33. The one-stage cooling stage 20 physically and thermally contacts the one-stage heat transfer stage 36 and the heat transfer structure 50, and the two-stage cooling stage 24 physically and thermally contacts the two-stage heat transfer stage 40. It returns to the state shown in FIG.

したがって、実施の形態に係る極低温冷凍機10および装着構造30によれば、コールドヘッド14の移動により装着構造30との熱接触が解除され、被冷却物90および輻射シールド92を低温に保ちつつコールドヘッド14を昇温しメンテナンスをすることができる。被冷却物90および輻射シールド92をコールドヘッド14とともに室温に昇温して極低温冷凍機10にメンテナンスを施す場合に比べて被冷却物90および輻射シールド92の再冷却時間を短縮することができ、メンテナンスの所要時間を短くすることができる。 Therefore, according to the cryogenic refrigerator 10 and the mounting structure 30 according to the embodiment, the thermal contact with the mounting structure 30 is released by the movement of the cold head 14, and the object to be cooled 90 and the radiation shield 92 are kept at a low temperature. The temperature of the cold head 14 can be raised for maintenance. The recooling time of the object to be cooled 90 and the radiation shield 92 can be shortened as compared with the case where the object to be cooled 90 and the radiation shield 92 are heated to room temperature together with the cold head 14 to perform maintenance on the cryogenic refrigerator 10. , The time required for maintenance can be shortened.

多数の伝熱片52を有する伝熱構造50が一段伝熱ステージ36に設置されることにより、一段冷却ステージ20と一段伝熱ステージ36との接触面積を増加することができ、それにより、一段冷却ステージ20と一段伝熱ステージ36の間に生じうる熱抵抗を低減することができる。また、一段冷却ステージ20が伝熱構造50に挿入されるとき伝熱片52と摺動しながら接触し、伝熱片52に生じる弾性力が伝熱片52を一段冷却ステージ20に押し付ける。こうして、伝熱構造50は、一段冷却ステージ20を比較的強力に締め付けることができる。伝熱構造50と一段冷却ステージ20の間の接触面圧を増加し、熱抵抗を低減することができる。 By installing the heat transfer structure 50 having a large number of heat transfer pieces 52 on the one-stage heat transfer stage 36, the contact area between the one-stage cooling stage 20 and the one-stage heat transfer stage 36 can be increased, thereby increasing the contact area between the one-stage cooling stage 20 and the one-stage heat transfer stage 36. The heat resistance that may occur between the cooling stage 20 and the one-stage heat transfer stage 36 can be reduced. Further, when the one-stage cooling stage 20 is inserted into the heat transfer structure 50, it comes into contact with the heat transfer piece 52 while sliding, and the elastic force generated in the heat transfer piece 52 presses the heat transfer piece 52 against the one-stage cooling stage 20. In this way, the heat transfer structure 50 can tighten the one-stage cooling stage 20 relatively strongly. The contact surface pressure between the heat transfer structure 50 and the one-stage cooling stage 20 can be increased, and the thermal resistance can be reduced.

ここで注目すべきは、接触面圧がコールドヘッド14の移動の方向とは異なる方向、たとえば、おおむね直交する方向に生じることである。そのため、伝熱構造50の追加により接触面積は増加しているが、コールドヘッド14を押し込むのに必要とされる力はそれほど増加しない。したがって、コールドヘッド14を軸方向に移動させるための作業負荷はあまり変わらない。既存の昇降装置をそのまま使うことができる。 It should be noted here that the contact surface pressure occurs in a direction different from the direction of movement of the cold head 14, for example, in a direction substantially orthogonal to each other. Therefore, although the contact area is increased by the addition of the heat transfer structure 50, the force required to push the cold head 14 is not so increased. Therefore, the workload for moving the cold head 14 in the axial direction does not change much. The existing lifting device can be used as it is.

コールドヘッド14が装着構造30と熱接触するとき、コールドヘッド14を軸方向に押し込む力は、一段部と二段部に構造力学的に分配され、その結果として一段部と二段部それぞれの接触面圧が決まる。本実施の形態においては、伝熱構造50が一段伝熱ステージ36に設置されることにより、一段冷却ステージ20と一段伝熱ステージ36の熱接触が改善される。そのため、一段部に比べて二段部の接触面圧が大きくなるようにコールドヘッド14および装着構造30を設計することができる。このようにして、一段部だけでなく二段部についても良好な熱接触を提供することができる。 When the cold head 14 makes thermal contact with the mounting structure 30, the force for pushing the cold head 14 in the axial direction is structurally distributed to the first-stage portion and the second-stage portion, and as a result, the contact between the first-stage portion and the second-stage portion is performed. The surface pressure is determined. In the present embodiment, by installing the heat transfer structure 50 on the one-stage heat transfer stage 36, the thermal contact between the one-stage cooling stage 20 and the one-stage heat transfer stage 36 is improved. Therefore, the cold head 14 and the mounting structure 30 can be designed so that the contact surface pressure of the two-stage portion is larger than that of the one-stage portion. In this way, good thermal contact can be provided not only for the first-stage portion but also for the second-stage portion.

図6は、実施の形態に係る伝熱構造50の変形例を概略的に示す図である。図6に示されるように、一段冷却ステージ20は、底面20aを側面20bに接続する傾斜面20cを有してもよい。一段冷却ステージ20は円柱状の形状を有するので、傾斜面20cは円錐台の側面にあたる形状を有する。一段冷却ステージ20の底面20aは、一段伝熱ステージ36に接触しうる。一段冷却ステージ20の形状に対応して、伝熱構造50の各伝熱片52は、第1伝熱面52bと第2伝熱面52cを有してもよい。第1伝熱面52bが一段冷却ステージ20の側面20bと接触し、第2伝熱面52cが一段冷却ステージ20の傾斜面20cと接触しうる。なお一段冷却ステージ20の傾斜面20cの少なくとも一部が一段伝熱ステージ36に接触するように一段伝熱ステージ36の形状が定められていてもよい。 FIG. 6 is a diagram schematically showing a modified example of the heat transfer structure 50 according to the embodiment. As shown in FIG. 6, the one-stage cooling stage 20 may have an inclined surface 20c that connects the bottom surface 20a to the side surface 20b. Since the one-stage cooling stage 20 has a columnar shape, the inclined surface 20c has a shape corresponding to the side surface of the truncated cone. The bottom surface 20a of the one-stage cooling stage 20 may come into contact with the one-stage heat transfer stage 36. Corresponding to the shape of the one-stage cooling stage 20, each heat transfer piece 52 of the heat transfer structure 50 may have a first heat transfer surface 52b and a second heat transfer surface 52c. The first heat transfer surface 52b may come into contact with the side surface 20b of the one-stage cooling stage 20, and the second heat transfer surface 52c may come into contact with the inclined surface 20c of the one-stage cooling stage 20. The shape of the one-stage heat transfer stage 36 may be determined so that at least a part of the inclined surface 20c of the one-stage cooling stage 20 comes into contact with the one-stage heat transfer stage 36.

図7は、実施の形態に係る伝熱構造50の他の変形例を概略的に示す図である。伝熱構造50の各伝熱片52が単一の材料で形成されることは必須ではない。図7に示されるように、一段冷却ステージ20の側面20bと接触する各伝熱片52の径方向内向きの面60は、伝熱片52の本体部分62を形成する高熱伝導材料とは異なる材料で形成されてもよい。面60は、高熱伝導金属のメッキ層であってもよく、たとえば、銅の本体部分62に形成された金、銀、またはインジウムのメッキ層であってもよい。 FIG. 7 is a diagram schematically showing another modification of the heat transfer structure 50 according to the embodiment. It is not essential that each heat transfer piece 52 of the heat transfer structure 50 be made of a single material. As shown in FIG. 7, the radial inward surface 60 of each heat transfer piece 52 in contact with the side surface 20b of the one-stage cooling stage 20 is different from the high heat transfer material forming the main body portion 62 of the heat transfer piece 52. It may be formed of a material. The surface 60 may be a plating layer of a high thermal conductive metal, for example, a gold, silver, or indium plating layer formed on a copper main body portion 62.

図8は、実施の形態に係る伝熱構造50の他の変形例を概略的に示す図である。典型的には、銅などの熱伝導率の良い金属材料は比較的軟らかい。そのため、伝熱片52の全体がこうした材料のみで形成される場合には、伝熱片52は低剛性となりがちである。そうすると、一段冷却ステージ20が伝熱構造50に挿入されるとき、伝熱片52が比較的容易に変形し、そのため、一段冷却ステージ20と伝熱片52の接触面圧は小さくなりがちである。熱抵抗を低減するには、高い接触面圧が望まれる。 FIG. 8 is a diagram schematically showing another modification of the heat transfer structure 50 according to the embodiment. Typically, metal materials with good thermal conductivity, such as copper, are relatively soft. Therefore, when the entire heat transfer piece 52 is formed of only such a material, the heat transfer piece 52 tends to have low rigidity. Then, when the one-stage cooling stage 20 is inserted into the heat transfer structure 50, the heat transfer piece 52 is deformed relatively easily, so that the contact surface pressure between the one-stage cooling stage 20 and the heat transfer piece 52 tends to be small. .. A high contact surface pressure is desired to reduce thermal resistance.

そこで、図8に示されるように、伝熱片52は、本体部分62と板ばね層64の二層構造を有してもよい。本体部分62は例えば銅などの高熱伝導材料で形成され、一段冷却ステージ20に接触する。板ばね層64は、本体部分62に対して外周部に配置され、本体部分62と一体化されている。板ばね層64は、たとえば真鍮、ステンレス鋼など、本体部分62を形成する材料に比べて硬い金属またはその他の材料で形成される。よって、板ばね層64は、本体部分62に比べて高い剛性をもつ。また、板ばね層64を形成する材料は、典型的には、本体部分62に比べて低い熱伝導率を有する。このようにすれば、一段冷却ステージ20が伝熱構造50に挿入されるとき伝熱片52に生じる弾性力が増加され、伝熱構造50と一段冷却ステージ20の間の接触面圧を増加し、熱抵抗を低減することができる。 Therefore, as shown in FIG. 8, the heat transfer piece 52 may have a two-layer structure of the main body portion 62 and the leaf spring layer 64. The main body portion 62 is formed of a high thermal conductive material such as copper and comes into contact with the one-stage cooling stage 20. The leaf spring layer 64 is arranged on the outer peripheral portion of the main body portion 62 and is integrated with the main body portion 62. The leaf spring layer 64 is formed of a metal or other material that is harder than the material forming the main body portion 62, such as brass or stainless steel. Therefore, the leaf spring layer 64 has higher rigidity than the main body portion 62. Further, the material forming the leaf spring layer 64 typically has a lower thermal conductivity than the main body portion 62. In this way, the elastic force generated in the heat transfer piece 52 when the one-stage cooling stage 20 is inserted into the heat transfer structure 50 is increased, and the contact surface pressure between the heat transfer structure 50 and the one-stage cooling stage 20 is increased. , Thermal resistance can be reduced.

図9(a)および図9(b)は、実施の形態に係る伝熱構造50の他の変形例を概略的に示す図である。伝熱構造50は、スリーブ、例えば装着構造30の一段スリーブ体34に弾性的に支持されていてもよい。図9(a)に示されるように、各伝熱片52が、例えばスプリングなどの弾性部材66によって一段スリーブ体34に支持されていてもよい。このようにしても、一段冷却ステージ20が伝熱構造50に挿入されるとき伝熱片52に生じる弾性力を増加させることができる。この場合、図9(b)に示されるように、各伝熱片52が一段伝熱ステージ36に剛に接続されるのではなく、可撓性の伝熱部材68によって一段伝熱ステージ36に接続されてもよい。 9 (a) and 9 (b) are diagrams schematically showing other modifications of the heat transfer structure 50 according to the embodiment. The heat transfer structure 50 may be elastically supported by a sleeve, for example, the one-stage sleeve body 34 of the mounting structure 30. As shown in FIG. 9A, each heat transfer piece 52 may be supported by the one-stage sleeve body 34 by an elastic member 66 such as a spring. Even in this way, the elastic force generated in the heat transfer piece 52 when the one-stage cooling stage 20 is inserted into the heat transfer structure 50 can be increased. In this case, as shown in FIG. 9B, each heat transfer piece 52 is not rigidly connected to the one-stage heat transfer stage 36, but is connected to the one-stage heat transfer stage 36 by the flexible heat transfer member 68. May be connected.

図10(a)および図10(b)は、実施の形態に係る極低温冷凍機を説明するための概略図である。図10(a)には、一段冷却ステージ20と一段伝熱ステージ36の接触が解除された状態が示され、図10(b)には、一段冷却ステージ20と一段伝熱ステージ36が接触した状態が示される。上述の実施の形態においては、伝熱構造50が装着構造30に設けられているが、以下に説明するように、伝熱構造50は、極低温冷凍機のコールドヘッド14に設けられてもよい。 10 (a) and 10 (b) are schematic views for explaining the cryogenic refrigerator according to the embodiment. FIG. 10A shows a state in which the contact between the one-stage cooling stage 20 and the one-stage heat transfer stage 36 is released, and FIG. 10B shows the contact between the one-stage cooling stage 20 and the one-stage heat transfer stage 36. The state is shown. In the above-described embodiment, the heat transfer structure 50 is provided in the mounting structure 30, but as described below, the heat transfer structure 50 may be provided in the cold head 14 of the cryogenic refrigerator. ..

したがって、伝熱構造50は、一段冷却ステージ20に対して弾性的に変位可能に設けられてもよい。伝熱構造50は、コールドヘッド14の移動に垂直な方向(すなわち軸方向に垂直な径方向)に一段冷却ステージ20に対して弾性的に変位可能である。伝熱構造50は、一段冷却ステージ20に取り付けられている。伝熱構造50は、一段冷却ステージ20が一段伝熱ステージ36の第1面と接触するとき一段伝熱ステージ36の第1面とは異なる第2面と接触するように配置されている。この実施の形態においては、第1面は、一段伝熱ステージ36の上面36aであり、第2面は、一段伝熱ステージ36の上面36aと角度をなす一段伝熱ステージ36の側面36bである。 Therefore, the heat transfer structure 50 may be provided so as to be elastically displaceable with respect to the one-stage cooling stage 20. The heat transfer structure 50 can be elastically displaced with respect to the one-stage cooling stage 20 in a direction perpendicular to the movement of the cold head 14 (that is, a radial direction perpendicular to the axial direction). The heat transfer structure 50 is attached to the one-stage cooling stage 20. The heat transfer structure 50 is arranged so that when the one-stage cooling stage 20 comes into contact with the first surface of the one-stage heat transfer stage 36, it comes into contact with a second surface different from the first surface of the one-stage heat transfer stage 36. In this embodiment, the first surface is the upper surface 36a of the one-stage heat transfer stage 36, and the second surface is the side surface 36b of the one-stage heat transfer stage 36 at an angle with the upper surface 36a of the one-stage heat transfer stage 36. ..

伝熱構造50は、各々が一段冷却ステージ20に対して弾性的に変位可能に設けられた複数の伝熱片52を備える。一段冷却ステージ20が一段伝熱ステージ36の第1面(例えば上面36a)と接触するとき、複数の伝熱片52の各々が一段伝熱ステージ36の第2面(例えば側面36b)と接触する。 The heat transfer structure 50 includes a plurality of heat transfer pieces 52, each of which is elastically displaceable with respect to the one-stage cooling stage 20. When the one-stage cooling stage 20 comes into contact with the first surface (for example, the upper surface 36a) of the one-stage heat transfer stage 36, each of the plurality of heat transfer pieces 52 comes into contact with the second surface (for example, the side surface 36b) of the one-stage heat transfer stage 36. ..

このようにしても、極低温冷凍機のコールドヘッド14とその装着構造30との間に良好な熱接触を提供することができる。 Even in this way, good thermal contact can be provided between the cold head 14 of the cryogenic refrigerator and the mounting structure 30 thereof.

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。 The present invention has been described above based on examples. It will be understood by those skilled in the art that the present invention is not limited to the above embodiment, various design changes are possible, various modifications are possible, and such modifications are also within the scope of the present invention. By the way. The various features described in relation to one embodiment are also applicable to other embodiments. The new embodiments resulting from the combination have the effects of each of the combined embodiments.

上述の実施の形態では、伝熱構造50がコールドヘッド14または装着構造30の一段部に設けられているが、伝熱構造50は二段部に設けられてもよい。したがって、例えば、伝熱構造50は、二段伝熱ステージ40に対して弾性的に変位可能に設けられ、二段伝熱ステージ40が二段冷却ステージ24の第1面と接触するとき二段冷却ステージ24の第1面とは異なる第2面と接触してもよい。また、伝熱構造50は、単段式のコールドヘッド、またはその装着構造に設けられてもよい。 In the above-described embodiment, the heat transfer structure 50 is provided in the one-stage portion of the cold head 14 or the mounting structure 30, but the heat transfer structure 50 may be provided in the two-stage portion. Therefore, for example, the heat transfer structure 50 is provided so as to be elastically displaceable with respect to the two-stage heat transfer stage 40, and when the two-stage heat transfer stage 40 comes into contact with the first surface of the two-stage cooling stage 24, the two-stage heat transfer structure 50 is provided in two stages. It may come into contact with a second surface different from the first surface of the cooling stage 24. Further, the heat transfer structure 50 may be provided in a single-stage cold head or a mounting structure thereof.

極低温冷凍機10は、GM冷凍機には限られない。極低温冷凍機10は、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。 The cryogenic refrigerator 10 is not limited to the GM refrigerator. The cryogenic refrigerator 10 may be a pulse tube refrigerator, a Stirling refrigerator, or another type of cryogenic refrigerator.

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。 Although the present invention has been described using specific terms and phrases based on the embodiments, the embodiments show only one aspect of the principles and applications of the present invention, and the embodiments are claimed. Many modifications and arrangement changes are permitted within the range not departing from the idea of the present invention defined in the scope.

10 極低温冷凍機、 20 一段冷却ステージ、 20a 底面、 20b 側面、 24 二段冷却ステージ、 30 装着構造、 36 一段伝熱ステージ、 40 二段伝熱ステージ、 50 伝熱構造、 52 伝熱片、 90 被冷却物、 92 輻射シールド。 10 Cryogenic refrigerator, 20 1-stage cooling stage, 20a bottom surface, 20b side surface, 24 2-stage cooling stage, 30 mounting structure, 36 1-stage heat transfer stage, 40 2-stage heat transfer stage, 50 heat transfer structure, 52 heat transfer piece, 90 object to be cooled, 92 radiation shield.

Claims (7)

極低温冷凍機の装着構造であって、
前記極低温冷凍機の移動により前記極低温冷凍機の冷却ステージと接触し又は接触解除される伝熱ステージと、
前記伝熱ステージに対して弾性的に変位可能に設けられ、前記伝熱ステージが前記冷却ステージの第1面と接触するとき前記冷却ステージの前記第1面とは異なる第2面と接触する伝熱構造と、を備えることを特徴とする極低温冷凍機の装着構造。
It is a mounting structure of a cryogenic refrigerator,
A heat transfer stage that comes into contact with or is released from contact with the cooling stage of the cryogenic refrigerator by moving the cryogenic refrigerator.
It is provided so as to be elastically displaceable with respect to the heat transfer stage, and when the heat transfer stage comes into contact with the first surface of the cooling stage, the heat transfer comes into contact with a second surface different from the first surface of the cooling stage. A cryogenic refrigerator mounting structure characterized by having a thermal structure.
前記伝熱構造は、各々が伝熱ステージに対して弾性的に変位可能に設けられた複数の伝熱片を備え、
前記複数の伝熱片の各々が、前記伝熱ステージが前記冷却ステージの第1面と接触するとき前記冷却ステージの前記第2面と接触することを特徴とする請求項1に記載の極低温冷凍機の装着構造。
The heat transfer structure comprises a plurality of heat transfer pieces, each of which is elastically displaceable with respect to the heat transfer stage.
The cryogenic temperature according to claim 1, wherein each of the plurality of heat transfer pieces comes into contact with the second surface of the cooling stage when the heat transfer stage comes into contact with the first surface of the cooling stage. Refrigerator mounting structure.
前記第1面は、前記冷却ステージの底面であり、前記第2面は、前記冷却ステージの前記底面と角度をなす前記冷却ステージの側面であり、
前記伝熱構造は、前記極低温冷凍機の移動に垂直な方向に前記伝熱ステージに対して弾性的に変位可能であることを特徴とする請求項1または2に記載の極低温冷凍機の装着構造。
The first surface is the bottom surface of the cooling stage, and the second surface is the side surface of the cooling stage at an angle with the bottom surface of the cooling stage.
The cryogenic refrigerator according to claim 1 or 2, wherein the heat transfer structure can be elastically displaced with respect to the heat transfer stage in a direction perpendicular to the movement of the cryogenic refrigerator. Mounting structure.
前記伝熱構造は、前記伝熱ステージに取り付けられてい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の装着構造。 The mounting structure of the cryogenic refrigerator according to any one of claims 1 to 3, wherein the heat transfer structure is mounted on the heat transfer stage. 前記伝熱ステージに接続されたスリーブをさらに備え、
前記伝熱構造は、前記スリーブに弾性的に支持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の装着構造。
Further provided with a sleeve connected to the heat transfer stage
The mounting structure of a cryogenic refrigerator according to any one of claims 1 to 4, wherein the heat transfer structure is elastically supported by the sleeve.
極低温冷凍機の装着構造であって、前記極低温冷凍機は、二段式の極低温冷凍機であり、
前記極低温冷凍機の移動により前記極低温冷凍機の一段冷却ステージと接触し又は接触解除される一段伝熱ステージと、
前記一段伝熱ステージに対して弾性的に変位可能に設けられ、前記一段伝熱ステージが前記一段冷却ステージの第1面と接触するとき前記一段冷却ステージの前記第1面とは異なる第2面と接触する伝熱構造と、を備えることを特徴とする極低温冷凍機の装着構造。
It has a structure in which a cryogenic refrigerator is mounted, and the cryogenic refrigerator is a two-stage cryogenic refrigerator.
A one-stage heat transfer stage that comes into contact with or is released from contact with the one-stage cooling stage of the cryogenic refrigerator by moving the cryogenic refrigerator.
A second surface that is elastically displaceable with respect to the one-stage heat transfer stage and is different from the first surface of the one-stage cooling stage when the one-stage heat transfer stage comes into contact with the first surface of the one-stage cooling stage. A cryogenic refrigerator mounting structure characterized by having a heat transfer structure that comes into contact with the water.
極低温冷凍機の移動により前記極低温冷凍機の装着構造に設けられた伝熱ステージと接触し又は接触解除される冷却ステージと、
前記冷却ステージに対して弾性的に変位可能に設けられ、前記冷却ステージが前記伝熱ステージの第1面と接触するとき前記伝熱ステージの前記第1面とは異なる第2面と接触する伝熱構造と、を備えることを特徴とする極低温冷凍機。
A cooling stage that comes into contact with or is released from the heat transfer stage provided in the mounting structure of the cryogenic refrigerator by moving the cryogenic refrigerator.
It is provided so as to be elastically displaceable with respect to the cooling stage, and when the cooling stage comes into contact with the first surface of the heat transfer stage, the heat transfer comes into contact with a second surface different from the first surface of the heat transfer stage. An ultra-low temperature refrigerator characterized by having a thermal structure.
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