JP2022113132A - 極低温装置 - Google Patents

Abstract

【課題】極低温装置のユーザビリティを向上する。【解決手段】極低温装置１０は、極低温冷凍機２０と、受入凹部５０を外側に有する真空容器３０と、受入凹部５０を覆うように真空容器３０に取り付けられたカバー部材５２と、を備える。極低温冷凍機２０は、その一部分が真空容器３０内に配置され、他の一部分がカバー部材５２で覆われた真空容器３０の受入凹部５０内に配置されるようにして、真空容器３０に設置されている。極低温装置１０は、極低温冷凍機２０に接続され、真空容器３０に巻き取られたフレキシブル管をさらに備えてもよい。【選択図】図１

Description

本発明は、極低温装置に関する。

従来、極低温冷凍機と真空容器とを有する極低温装置が知られている。真空容器内には、例えば、超伝導コイルなどの超伝導機器、極低温環境で使用するその他の機器、さらにはこうした機器を冷却する極低温冷媒など、様々な被冷却物が収容され、極低温冷凍機は、被冷却物を冷却するために利用される。極低温冷凍機は、コールドヘッドとも呼ばれる冷媒ガスの膨張機を有し、コールドヘッドには、被冷却物を冷却するための低温部と、低温部に冷凍サイクルを繰り返し発生させるための駆動部が設けられる。低温部は真空容器の開口部から挿入されて真空容器内に配置され、駆動部は真空容器の外側に取り付けられる。

特開平６－１３２５６８号公報

本発明者は、上記の極低温装置について検討したところ、ユーザビリティの観点から、いくつかの問題を発見した。例えば、極低温冷凍機の運転中、コールドヘッドへの冷媒ガスの周期的な給排に伴う駆動音が、コールドヘッドやコールドヘッドを圧縮機に接続するフレキシブル管などの冷媒ガス配管から絶えず発生する。極低温装置が使用される現場で静粛さが望まれる場合には、この駆動音が耳障りに感じられるかもしれない。

冷媒ガス配管は、標準的に比較的長い（例えば１０～２０ｍ）。これは圧縮機をコールドヘッドから遠方に配置するなど配置場所の自由度を高めることに役立つが、近接して配置する場合には余剰の配管が現場で邪魔になるかもしれない。しかし、配管の容積は極低温冷凍機の冷凍性能に影響するため、その長さだけを単純に現場で変更することは極低温冷凍機の設計上必ずしも許容されない。

コールドヘッドの駆動部は真空容器の壁面から外側に飛び出ているので、作業者が極低温装置の周囲で作業するとき障害となりうる。例えば、大型の極低温装置では真空容器上面を作業者が歩行することがあるが、このとき、真空容器上面から突き出したコールドヘッド駆動部に作業者がつまずく懸念がある。安全性をより高めることが好ましい。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、このようないくつかの問題のうち少なくとも１つに対処し、極低温装置のユーザビリティを向上することにある。

本発明のある態様によると、極低温装置は、複数の超伝導コイルと、複数の超伝導コイルが配置される真空領域を内部に定める中空筒型の真空容器と、駆動部と、複数の超伝導コイルの少なくとも１つを冷却する冷却ステージとを備え、駆動部が真空容器の外側にかつ冷却ステージが真空領域に配置されるように真空容器に設置されるコールドヘッドと、を備える。複数の超伝導コイルは、第１超伝導コイルと、真空容器の周方向に第１超伝導コイルから離れて配置される第２超伝導コイルとを備える。真空容器は、駆動部が配置される受入凹部を、周方向に第１超伝導コイルと第２超伝導コイルとの間に備える。

本発明のある態様によると、極低温装置は、極低温冷凍機と、受入凹部を外側に有する真空容器と、受入凹部を覆うように真空容器に取り付けられたカバー部材と、を備える。極低温冷凍機は、その一部分が真空容器内に配置され、他の一部分がカバー部材で覆われた真空容器の受入凹部内に配置されるようにして、真空容器に設置されている。

本発明のある態様によると、極低温装置は、極低温冷凍機と、真空容器と、を備える。極低温冷凍機は、その一部分が真空容器内に配置され、他の一部分が真空容器の外側に配置されるようにして、真空容器に設置されている。極低温装置は、極低温冷凍機に接続され、真空容器に巻き取られたフレキシブル管をさらに備える。

本発明によれば、極低温装置のユーザビリティを向上することができる。

実施の形態に係る極低温装置を模式的に示す図である。 実施の形態に係る極低温装置を模式的に示す図である。 他の実施の形態に係る極低温装置の一例を模式的に示す図である。 他の実施の形態に係る極低温装置の他の一例を模式的に示す図である。 更なる他の実施の形態に係る極低温装置を模式的に示す図である。 更なる他の実施の形態に係る極低温装置を模式的に示す図である。 更なる実施の形態に係る極低温装置を模式的に示す斜視図である。 図７に示される極低温装置を模式的に示す上面図である。 図７に示される極低温装置を矢印Ａの方向から見たときの側面展開図を模式的に示す。 図１０（ａ）から図１０（ｃ）は、コールドヘッドの駆動部の配置の他の例を模式的に示す図である。 図１１（ａ）から図１１（ｃ）は、別の受入凹部を模式的に示す図である。 更なる実施の形態に係る極低温装置の他の例を模式的に示す斜視図である。

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および図２は、実施の形態に係る極低温装置１０を模式的に示す図である。図１には極低温装置１０の内部構造を模式的に示し、図２には極低温装置１０の外観を模式的に示す。

極低温装置１０は、被冷却物１２と、被冷却物１２を冷却する極低温冷凍機２０と、極低温冷凍機２０が設置され、被冷却物１２を収容する真空容器３０とを備える。

詳細は後述するが、真空容器３０は、受入凹部５０を外側に有し、極低温装置１０は、受入凹部５０を覆うように真空容器３０に取り付けられたカバー部材５２を備える。極低温冷凍機２０は、その一部分が真空容器３０内に配置され、他の一部分がカバー部材５２で覆われた真空容器３０の受入凹部５０内に配置されるようにして、真空容器３０に設置されている。

この実施の形態では、極低温装置１０は、超伝導磁石装置であり、被冷却物１２は、超伝導コイルである。超伝導磁石装置は、例えば単結晶引き上げ装置、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。なお、極低温装置１０は、極低温環境を利用する様々な装置であってもよく、被冷却物１２は、極低温環境で使用する例えばセンサなど様々な機器、さらにはこうした機器を冷却する例えばヘリウムなどの極低温冷媒であってもよい。

極低温冷凍機２０は、冷媒ガス（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、それにより極低温冷却を提供する。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。極低温冷凍機２０は、極低温に冷却される低温部として、第１冷却ステージ２２ａと第２冷却ステージ２２ｂを備える。これら冷却ステージは、真空容器３０の中に配置される。第１冷却ステージ２２ａおよび第２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。

また、極低温冷凍機２０は、第１シリンダ２４ａと、第２シリンダ２４ｂと、駆動部２６と、装着フランジ２８とを備える。第１シリンダ２４ａは、装着フランジ２８を第１冷却ステージ２２ａに接続し、第２シリンダ２４ｂは、第１冷却ステージ２２ａを第２冷却ステージ２２ｂに接続する。駆動部２６は、第１シリンダ２４ａとは反対側で装着フランジ２８に取り付けられている。

第１シリンダ２４ａと第２シリンダ２４ｂは、一例として、円筒形状を有する部材であり、第２シリンダ２４ｂが第１シリンダ２４ａよりも小径である。第１シリンダ２４ａと第２シリンダ２４ｂは同軸に配置され、第１シリンダ２４ａの下端が第２シリンダ２４ｂの上端に剛に連結されている。極低温冷凍機２０がＧＭ冷凍機である場合、第１シリンダ２４ａと第２シリンダ２４ｂにはそれぞれ、蓄冷材を内蔵した第１ディスプレーサと第２ディスプレーサが収容されている。第１ディスプレーサと第２ディスプレーサは互いに連結され、それぞれ第１シリンダ２４ａと第２シリンダ２４ｂに沿って往復動可能である。

駆動部２６は、モータと、モータの出力する回転運動を第１ディスプレーサと第２ディスプレーサの往復動に変換するようにモータをこれらディスプレーサに連結する連結機構とを備える。また、駆動部２６は、第１シリンダ２４ａと第２シリンダ２４ｂの内部の圧力を高圧と低圧に周期的に切り替える圧力切替弁を備え、この圧力切替弁も同じモータによって駆動される。

なお、極低温冷凍機２０は、単段式のＧＭ冷凍機であってもよい。あるいは、極低温冷凍機２０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。

真空容器３０は、真空容器本体３０ａと、真空容器本体３０ａを床面１６に支持する支持部３０ｂとを備える。真空容器３０は、例えばクライオスタットであってもよい。真空容器本体３０ａ内には真空領域３２が定められ、真空容器本体３０ａ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。外部環境１４は、大気領域であってもよい。被冷却物１２と極低温冷凍機２０の低温部は、真空領域３２に配置され、外部環境１４から真空断熱される。断熱性能を高めるために、真空領域３２を外部環境１４から隔てる真空容器本体３０ａの壁部材の表面に沿って、または壁部材の内部に、断熱材料が設けられていてもよい。

一例として、真空容器本体３０ａは、円柱状の形状を有する気密容器であり、平面状の上端面および下端面と、これら２つの端面を接続する円筒状の側面とを有する。支持部３０ｂは、真空容器本体３０ａに比べて径の小さい円柱状の台座であり、真空容器本体３０ａの下端面を床面１６に接続する。ただし、真空容器本体３０ａは、このような特定の形状に限定されるものではなく、四角い箱形など他の形状を有してもよい。支持部３０ｂも様々な形状をとりうる。

この実施の形態では、極低温冷凍機２０が挿し込まれる真空容器本体３０ａの開口部は、真空容器本体３０ａの上端面に設けられている。この開口部から真空容器本体３０ａの内部に向かって埋設管５４が延びている。埋設管５４の上端が真空容器本体３０ａの開口部に取り付けられ、埋設管５４の下端には極低温冷凍機２０の装着フランジ２８が取り付けられている。極低温冷凍機２０の第１冷却ステージ２２ａおよび第２冷却ステージ２２ｂなど低温部は、埋設管５４を通じて真空容器本体３０ａ内に挿入されている。装着フランジ２８上の駆動部２６は、埋設管５４内に定められた受入凹部５０内に配置される。カバー部材５２は、受入凹部５０に蓋をするようにして、埋設管５４の上端に、または真空容器本体３０ａに取り付けられている。埋設管５４は例えば円筒形状であり、カバー部材５２は埋設管５４の上端と概ね同径の円板形状であってもよい。

このようにして、極低温冷凍機２０は、駆動部２６がカバー部材５２で覆われた真空容器３０の外側の受入凹部５０内に配置され、低温部が真空容器３０内に配置されるようにして、真空容器３０に設置されている。また、極低温冷凍機２０は、駆動部２６を上方に、低温部を下方に向けて、縦向きに真空容器３０に設置されている。

真空容器本体３０ａの開口部とこの開口部に取り付けられた埋設管５４の上端との間には、真空領域３２を外部環境１４から封止する第１シール５６ａが設けられている。また、極低温冷凍機２０の装着フランジ２８とこれに取り付けられた埋設管５４の下端との間には、真空領域３２を外部環境１４から封止する第２シール５６ｂが設けられている。第１シール５６ａおよび第２シール５６ｂは、例えばＯリングなど適宜のシール部材であってもよい。こうして、埋設管５４は、真空容器本体３０ａとともに真空領域３２を定める。したがって、埋設管５４の内部に定められる受入凹部５０は、真空領域３２ではなく、外部環境１４となる。

真空領域３２には、極低温冷凍機２０の低温部および被冷却物１２とともに、輻射熱シールド４０が配置される。輻射熱シールド４０は、第１冷却ステージ２２ａと熱的に結合され第１冷却温度に冷却される。輻射熱シールド４０は、第１冷却ステージ２２ａに直接取り付けられ、第１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第１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、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、第２冷却温度に冷却される被冷却物１２、極低温冷凍機２０の第２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。

被冷却物１２は、伝熱部材４２を介して第２冷却ステージ２２ｂと熱的に結合され第２冷却温度に冷却される。伝熱部材４２は、可撓性または剛性をもつ伝熱部材であってもよく、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。被冷却物１２は、第２冷却ステージ２２ｂに直接取り付けられてもよい。

極低温冷凍機２０の運転中、第１冷却ステージ２２ａは、第１冷却温度、例えば３０Ｋ～８０Ｋに冷却され、第２冷却ステージ２２ｂは、第１冷却温度よりも低い第２冷却温度、例えば３Ｋ～２０Ｋに冷却される。輻射熱シールド４０は、第１冷却ステージ２２ａによって第１冷却温度に冷却される。被冷却物１２は、第２冷却ステージ２２ｂによって第２冷却温度に冷却される。

ところで、既存の極低温装置の設計では多くの場合、極低温冷凍機の駆動部が真空容器の外側に露出され、真空容器の壁面から外側に飛び出ている。一般に、極低温冷凍機は、運転中、冷媒ガスの吸排気音を発生させる。この音は、主に、駆動部内の圧力切替弁による高圧と低圧の周期的な圧力切替に伴う冷媒ガス流れに起因する。このような極低温冷凍機の駆動音は、圧力切替の周波数（例えば約１Ｈｚ程度）で継続的に発生する。極低温装置が使用される現場で静粛さが望まれる場合には、この音が耳障りに感じられることが懸念される。加えて、真空容器の壁面から飛び出た部分は、作業者が極低温装置の周囲で作業するとき障害となりうる。

実施の形態に係る極低温装置１０によると、騒音源となる極低温冷凍機２０の一部分がカバー部材５２で覆われている。カバー部材５２による防音効果によって、極低温冷凍機２０の駆動音を低減することができる。とくに、極低温冷凍機２０の駆動部２６がカバー部材５２で覆われているので、駆動部２６から発生する音が周囲に聞こえるのを効果的に低減することができる。極低温装置１０の静粛性を向上することができる。

また、実施の形態に係る極低温装置１０によると、極低温冷凍機２０の一部分が受入凹部５０内に配置されている。そのため、真空容器３０からの極低温冷凍機２０の飛び出し部を小さくし、または無くすことができる。こうして、飛び出し部を作業者の邪魔となりにくくすることができる。大型の極低温装置１０では真空容器３０の上面を作業者が歩行することがあるが、真空容器上面からの飛び出し部が小さいことにより、作業者がこれにつまずくリスクも小さくなり、安全性を高めることができる。

とくに、この実施の形態では、図２に示されるように、真空容器３０は、カバー部材５２が取り付けられた状態で全体として円筒形状を有する。カバー部材５２が取り付けられた真空容器本体３０ａの上端面は、ほぼ平坦となり、カバー部材５２の厚さ程度の僅かな段差を有しうるにすぎない。真空容器本体３０ａの上端面に飛び出し部が存在しないものとみなすことができ、作業者が歩行の際につまずくリスクを最小にすることができる。

また、実施の形態に係る極低温装置１０によると、真空容器３０に極低温冷凍機２０を埋没させることにより、そうではない既存設計に比べて、極低温冷凍機２０の低温部を真空容器３０のより内側に、すなわち被冷却物１２により近づけて配置することが容易になる。これは、極低温冷凍機２０の低温部から被冷却物１２への伝熱経路を短くして、被冷却物１２を効率的に冷却することにつながりうる。

極低温冷凍機２０の駆動部２６は、運転中に発熱しうる。極低温冷凍機２０で駆動部２６を覆うことにより、受入凹部５０内に熱がこもるかもしれない。そこで、図１に例示するように、受入凹部５０内において極低温冷凍機２０の放熱対策が取られてもよい。極低温装置１０は、受入凹部５０に配置された極低温冷凍機２０の一部分をカバー部材５２と熱的に結合するように受入凹部５０に配置された伝熱要素６０を備えてもよい。

伝熱要素６０は、カバー部材５２と極低温冷凍機２０の一部分（例えば駆動部２６）に挟み込まれるようにして受入凹部５０に配置されてもよい。あるいは、伝熱要素６０は、埋設管５４と極低温冷凍機２０の一部分に挟み込まれるようにして受入凹部５０に配置されてもよい。カバー部材５２を埋設管５４に固定することによって、伝熱要素６０は、受入凹部５０内に配置された極低温冷凍機２０の一部分の上面、側面、またはその他の面に押し付けられてもよい。

伝熱要素６０は、カバー部材５２と極低温冷凍機２０の間で圧縮されるばねとして働くように高熱伝導材料（例えば銅などの金属材料）で形成された弾性伝熱部材であってもよい。あるいは、伝熱要素６０は、カバー部材５２と極低温冷凍機２０の間に挟み込まれるシート状の伝熱部材であってもよく、高熱伝導ゴムなど高熱伝導の樹脂材料またはその他の高熱伝導材料で形成されてもよい。

放熱を促進するために、カバー部材５２の外面に放熱フィンが形成されてもよい。

図３は、他の実施の形態に係る極低温装置１０の一例を模式的に示す図である。この実施の形態では、真空容器３０は受入凹部５０を有しないので、極低温冷凍機２０の駆動部２６が真空容器本体３０ａの上端面から飛び出ている。

駆動部２６には、高圧の冷媒ガスを受け入れる高圧ポート６２ａと、低圧の冷媒ガスが送出される低圧ポート６２ｂとが設けられている。高圧ポート６２ａには高圧冷媒ガス配管６４ａが接続され、低圧ポート６２ｂには低圧冷媒ガス配管６４ｂが接続される。この実施の形態では、高圧冷媒ガス配管６４ａと低圧冷媒ガス配管６４ｂは、フレキシブル管であり、可撓性を有する。高圧冷媒ガス配管６４ａと低圧冷媒ガス配管６４ｂはそれぞれ、圧縮機１８の吐出口と吸入口に接続される。

高圧冷媒ガス配管６４ａと低圧冷媒ガス配管６４ｂは、比較的長い（例えば１０～２０ｍ）。上述のように、これは圧縮機１８をコールドヘッドから遠方に配置するなど配置場所の自由度を高めることに役立つが、近接して配置する場合には余剰の配管が現場で邪魔になるかもしれない。しかし、冷媒ガス配管の容積は極低温冷凍機２０の冷凍性能に影響するため、その長さだけを単純に現場で変更することは極低温冷凍機２０の設計上必ずしも許容されない。また、冷媒ガス配管は極低温冷凍機２０とともに高圧ガス容器を構成することから、冷媒ガス配管の途中で簡単に切断しがたい。

そこで、極低温冷凍機２０に接続されたフレキシブル管、つまり高圧冷媒ガス配管６４ａと低圧冷媒ガス配管６４ｂが、真空容器３０に巻き取られている。図示されるように、高圧冷媒ガス配管６４ａと低圧冷媒ガス配管６４ｂは、真空容器３０の支持部３０ｂの外周にその円筒形状を利用してリールのように巻き付けられている。これらフレキシブル管を収める凹みが支持部３０ｂの外周に設けられていてもよい。このようにして、余分なフレキシブル管を収納することができる。

あるいは、高圧冷媒ガス配管６４ａと低圧冷媒ガス配管６４ｂは、真空容器本体３０ａの側面に、または端面（例えば下端面）に巻き取られてもよい。これらフレキシブル管を収める凹み６５が真空容器本体３０ａの表面に設けられていてもよい。

真空容器３０に巻き取られたフレキシブル管を覆うように真空容器３０に取り付けられたフレキシブル管カバー６６が設けられてもよい。図３に示される例では、フレキシブル管カバー６６は、真空容器３０の支持部３０ｂに巻き取られたフレキシブル管に沿ってその全周を覆うように支持部３０ｂに取り付けられている。これにより、フレキシブル管カバー６６による防音効果によって、高圧冷媒ガス配管６４ａと低圧冷媒ガス配管６４ｂから発生する騒音を抑制し、極低温装置１０の静粛性を向上することができる。

また、真空容器３０に巻き取られたフレキシブル管を保持するために、保持部６８が設けられてもよい。保持部６８は、例えば、真空容器３０の表面に取り付けられたフックであってもよい。あるいは、保持部６８は、真空容器３０の表面に取り付けられ、フレキシブル管を把持する可撓性の把持具であってもよい。保持部６８は、真空容器３０の表面にねじ留めされてフレキシブル管を固定する固定具であってもよい。保持部６８は、様々な形態をとりうる。フレキシブル管は、その内部を通る冷媒ガスの圧力変動により僅かに膨張と収縮を繰り返すので、保持部６８とフレキシブル管の間に緩衝材を挟んでもよい。

図４は、他の実施の形態に係る極低温装置１０の他の一例を模式的に示す図である。図４に示されるように、極低温装置１０は、複数台の極低温冷凍機２０を備えてもよい。真空容器３０は、円筒状の真空容器本体３０ａと、この真空容器本体３０ａを床面１６に支持する支持部３０ｂを備えてもよい。複数台の極低温冷凍機２０は、円柱状の真空容器本体３０ａの上面で周方向に等間隔に設置されている。支持部３０ｂは、複数本の支持脚であってもよい。この例では、４台の極低温冷凍機２０が設けられている。また、４本の支持脚が設けられている。

極低温冷凍機２０ごとにフレキシブル管（高圧冷媒ガス配管６４ａ、低圧冷媒ガス配管６４ｂ）の巻き取りスペースが分けられてもよい。例えば、図４に示されるように、極低温冷凍機２０ごとに異なる支持脚がフレキシブル管の巻き取りに使用されてもよい。このようにすれば、複数台の極低温冷凍機２０のフレキシブル管を同じ巻き取りスペースに巻き取る場合に比べて、ある１台の極低温冷凍機２０を真空容器３０から取り外す際にその極低温冷凍機２０のフレキシブル管だけを取り外すことが容易になる。

また、同じ極低温冷凍機２０について高圧冷媒ガス配管６４ａと低圧冷媒ガス配管６４ｂに別の巻き取りスペースが設けられてもよい。これは、図３に示される実施の形態に適用することもできる。

なお、図３および図４の実施の形態では、極低温冷凍機２０の駆動部２６が真空容器３０から飛び出している（受入凹部５０が真空容器３０に設けられていない）が、図１および図２に示される実施の形態と同様に、駆動部２６は、カバー部材５２で覆われた真空容器３０の受入凹部５０に配置されてもよい。

図１および図２の実施の形態のように受入凹部５０が真空容器３０の一つの面に形成されることは、必須ではない。図５に例示するように、受入凹部５０は、真空容器３０の隣接する二面からなる角部に切り欠き部として形成されてもよい。

図５および図６は、更なる他の実施の形態に係る極低温装置１０を模式的に示す図である。図５には極低温装置１０の内部構造の一部を模式的に示し、図６には極低温装置１０の外観の一部を模式的に示す。

この実施の形態では、受入凹部５０が真空容器本体３０ａの上端面と側面がなす角部に形成される。Ｌ字状のカバー部材５２が、この受入凹部５０を覆うように真空容器本体３０ａに取り付けられている。受入凹部５０には、極低温冷凍機２０の駆動部２６が配置される。図１および図２の実施の形態とは異なり、図５の実施の形態では、埋設管５４を設けるのではなく、カバー部材５２と真空容器３０の表面との間に受入凹部５０が形成される。

カバー部材５２には、２つの配管取出部７０と、配線取出部７２が設けられてもよい。これら取出部は、カバー部材５２に形成された貫通穴などの開口部であってもよい。高圧ポート６２ａと低圧ポート６２ｂはそれぞれ、受入凹部５０内において駆動部２６からカバー部材５２に向かって延びている。高圧ポート６２ａは、一方の配管取出部７０を通じて受入凹部５０の外へと取り出され、低圧ポート６２ｂは、他方の配管取出部７０を通じて受入凹部５０の外へと取り出される。また、駆動部２６に接続される電気配線が配線取出部７２を通じて受入凹部５０の外へと引き出される。図示の例では、配管取出部７０と配線取出部７２は、真空容器本体３０ａの側面と隣接するカバー部材５２の面に設けられている。これに代えて、配管取出部７０と配線取出部７２が真空容器本体３０ａの上端面と隣接するカバー部材５２の面に設けられてもよい。

なお、こうした配管取出部７０と配線取出部７２は、図１および図２に示されるカバー部材５２に設けられてもよい。

高圧ポート６２ａと低圧ポート６２ｂにはそれぞれ、高圧冷媒ガス配管６４ａと低圧冷媒ガス配管６４ｂが接続される。高圧冷媒ガス配管６４ａと低圧冷媒ガス配管６４ｂは、フレキシブル管カバー６６で覆われていてもよい。説明の便宜上、図６では、高圧冷媒ガス配管６４ａ、低圧冷媒ガス配管６４ｂ、フレキシブル管カバー６６は省略されている。

高圧冷媒ガス配管６４ａと低圧冷媒ガス配管６４ｂは、図３に示される実施の形態と同様に、真空容器３０に巻き取られていてもよい。

図７は、更なる実施の形態に係る極低温装置１０を模式的に示す斜視図である。図８は、図７に示される極低温装置１０を模式的に示す上面図である。図９は、図７に示される極低温装置１０を矢印Ａの方向から見たときの側面展開図を模式的に示す。図８、図９では、理解を容易にするために、図７に示されるカバー部材５２を真空容器３０から取り外した状態が示される。また、図８、図９では、真空容器３０の内部に配置された構成要素の一部が破線で示されている。

極低温装置１０は、この実施の形態では超伝導磁石装置であり、複数の超伝導コイル７４と、超伝導コイル７４を冷却する極低温冷凍機のコールドヘッド７６と、コールドヘッド７６が設置され、超伝導コイル７４を収容する真空容器３０とを備える。単結晶引き上げ装置において坩堝内の融液の対流制御を目的として融液に磁場を印加するＭＣＺ(Magnetic field applied Czochralski)法が知られており、極低温装置１０は、こうした単結晶引き上げ装置の磁場発生源として利用されうる。単結晶引き上げ装置は、例えば、シリコン単結晶引き上げ装置であってもよい。

真空容器３０は、中空筒型の形状を有し、その内部に複数の超伝導コイル７４が配置される真空領域を定める。この真空領域は、真空容器３０を取りまく周囲環境から隔離される。真空容器３０は、例えばクライオスタットであってもよく、極低温装置１０の動作中、真空容器３０の内部空間には超伝導コイル７４を超伝導状態とするのに適する極低温真空環境が提供される。真空容器３０は、周囲圧力（たとえば大気圧）に耐えるように、例えばステンレス鋼などの金属材料またはその他の適する高強度材料で形成される。真空容器３０には、内部に真空領域を定める真空容器本体３０ａを床面１６に支持する支持部３０ｂが設けられている。支持部３０ｂは、複数本（例えば４本）の支持脚であってもよい。

真空容器３０は、内側に中心空洞７８を定める。中心空洞７８の外側で中心空洞７８を囲むようにして、超伝導コイル７４が配置される。極低温装置１０が単結晶引き上げ装置に搭載されたとき、中心空洞７８には、単結晶材料の融液を収容する坩堝を含む単結晶引き上げ炉が配置される。中心空洞７８は、真空容器３０を取りまく周囲環境の一部であり（すなわち真空容器３０の外にあり）、真空容器３０に囲まれた例えば円柱状の空間である。

複数の超伝導コイル７４は、２つの第１超伝導コイル７４ａと２つの第２超伝導コイル７４ｂを備える。２つの第１超伝導コイル７４ａは周方向に隣接して配置され、２つの第２超伝導コイル７４ｂは周方向に隣接して配置される。第２超伝導コイル７４ｂは、真空容器３０の周方向に第１超伝導コイル７４ａから離れて配置される。第１超伝導コイル７４ａと第２超伝導コイル７４ｂとは、中心空洞７８を挟んで互いに反対側に配置される。各超伝導コイル７４は、同じ形状および同じサイズを有し、この例では、同径の円形コイルである。

これら超伝導コイル７４は、各々がその中心軸を真空容器３０の径方向（真空容器３０の中心軸に垂直な方向）に向けるように配置され、径方向に磁場を発生させる。超伝導コイル７４が発生させる合成磁場は、中心空洞７８に水平方向（床面１６に平行な方向）の磁場であってもよい。この場合、極低温装置１０は、ＭＣＺ法の一例として知られるＨＭＣＺ（Horizontal-MCZ；横磁場型のＭＣＺ）単結晶引き上げ装置の磁場発生源として利用できる。

この実施の形態では、極低温装置１０は、４つの超伝導コイル７４を有するが、これより少数の超伝導コイル７４を有してもよい。例えば、極低温装置１０は、１つの第１超伝導コイル７４ａと１つの第２超伝導コイル７４ｂを備えてもよい。この場合、第１超伝導コイル７４ａと第２超伝導コイル７４ｂは、中心空洞７８を挟んで互いに反対側に配置される鞍型コイルであってもよい。あるいは、極低温装置１０は、より多くの超伝導コイル７４を有してもよく、３つ（またはそれより多数）の第１超伝導コイル７４ａと３つ（またはそれより多数）の第２超伝導コイル７４ｂを備えてもよい。

超伝導コイル７４は、真空容器３０内に配置される支持構造によって真空容器３０に支持される。支持構造は、例えば、第１支持部材８０ａ、第２支持部材８０ｂ、および第３支持部材８０ｃを備える。第１支持部材８０ａは、真空容器３０の周方向に沿って真空容器３０の全周にわたって延在するリング状の部材である。第２支持部材８０ｂは、超伝導コイル７４ごとに設けられたコイル位置決め用のプレートである。第２支持部材８０ｂは、対応する超伝導コイル７４の端面に固定され、第１支持部材８０ａの定められた場所に取り付けられる。第３支持部材８０ｃは、第２支持部材８０ｂを真空容器３０に固定する。第３支持部材８０ｃは、例えば、第２支持部材８０ｂの下部を真空容器３０の底面に固定する。

コールドヘッド７６は、駆動部２６と、複数の超伝導コイル７４の少なくとも１つを冷却する冷却ステージ（例えば、図１に示される第２冷却ステージ２２ｂ）とを備え、駆動部２６が真空容器３０の外側にかつ冷却ステージが真空領域に配置されるように真空容器３０に設置される。冷却ステージが超伝導コイル７４と熱的に結合され、コールドヘッド７６は超伝導コイル７４を冷却することができる。コールドヘッド７６は、上述の実施の形態と同様に、例えば、二段式のギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機の膨張機であってもよい。

この実施の形態では、真空容器３０に２つのコールドヘッド７６が設置され、一方のコールドヘッド７６が第１超伝導コイル７４ａを冷却し、他方のコールドヘッド７６が第２超伝導コイル７４ｂを冷却する。このように、１つのコールドヘッド７６が２以上の超伝導コイル７４を冷却してもよい。あるいは、超伝導コイル７４ごとにコールドヘッド７６が設けられ、１つのコールドヘッド７６が対応する１つの超伝導コイル７４を冷却してもよい。

真空容器３０は、受入凹部５０を外側に有し、極低温装置１０は、受入凹部５０を覆うように真空容器３０に取り付けられたカバー部材５２を備える。コールドヘッド７６は、駆動部２６がカバー部材５２で覆われた真空容器３０の外側の受入凹部５０内に配置され、低温部が真空容器３０内に配置されるようにして、真空容器３０に設置されている。コールドヘッド７６は、駆動部２６を上方に、低温部を下方に向けて、縦向きに真空容器３０に設置されている。カバー部材５２には、図５および図６を参照して述べた実施の形態と同様に、配管取出部及び／または配線取出部が設けられてもよい。

受入凹部５０は、真空容器３０の周方向に第１超伝導コイル７４ａと第２超伝導コイル７４ｂとの間に位置する。よって、この実施の形態では、受入凹部５０は二箇所に設けられ、これら受入凹部５０は中心空洞７８を挟んで互いに反対側に位置する。受入凹部５０は、真空容器３０の上部に形成されている。第１超伝導コイル７４ａと第２超伝導コイル７４ｂとの間の空所の一部を受入凹部５０として利用することにより、極低温装置１０をコンパクトにすることができる。

このようにして、実施の形態に係る極低温装置１０によると、コールドヘッド７６の駆動部２６が受入凹部５０内に配置されている。そのため、真空容器３０からのコールドヘッド７６の飛び出し部を小さくし、または無くすことができる。こうして、飛び出し部を作業者の邪魔となりにくくすることができる。大型の極低温装置１０では真空容器３０の上面を作業者が歩行することがあるが、真空容器上面からの飛び出し部が小さいことにより、作業者がこれにつまずくリスクも小さくなり、安全性を高めることができる。

とくに、この実施の形態では、真空容器３０は、カバー部材５２が取り付けられた状態で全体として円筒形状を有する。カバー部材５２が取り付けられた真空容器本体３０ａの上端面は、ほぼ平坦となり、カバー部材５２の厚さ程度の僅かな段差を有しうるにすぎない。真空容器本体３０ａの上端面に飛び出し部が存在しないものとみなすことができ、作業者が歩行の際につまずくリスクを最小にすることができる。

コールドヘッド７６の駆動部２６だけでなく、受入凹部５０には、典型的な極低温装置の真空容器表面から外側に突出しうる他の機器類が収められてもよい。例えば、受入凹部５０には、超伝導コイル７４への電流導入端子８２ａが配置されてもよい。また、受入凹部５０には、真空容器の内部機器への配線や配管が接続されるポート８２ｂが配置されてもよい。このようにしても、真空容器３０からのコールドヘッド７６の飛び出し部を小さくし、または無くすことができる。

また、受入凹部５０には、磁気シールド８３が設けられてもよい。磁気シールド８３は、例えば鉄などの磁性材料で形成される。磁気シールド８３は、コールドヘッド７６の駆動部２６の少なくとも一部を囲むように、受入凹部５０内に配置されてもよい。図８に示されるように、例えば、磁気シールド８３は、駆動部２６に対して内周側と周方向両側を囲むように配置されてもよい。このようにすれば、超伝導コイル７４が中心空洞７８に発生させる強い磁場が駆動部２６の動作に及ぼす磁気的な影響を効果的に低減することができる。磁気シールド８３に加えて、または磁気シールド８３に代えて、カバー部材５２が、磁性材料で形成され、磁気シールド８３の一部を形成してもよい。

なお、真空容器３０の内部には、超伝導コイル７４とコールドヘッド７６の低温部を囲むようにして輻射シールド（例えば図１に示される輻射熱シールド４０）が設けられてもよい。この輻射シールドは、真空容器３０の形状に合わせて円筒状の形状を有し、受入凹部５０に合わせた位置に凹みを有してもよい。このような輻射シールドの凹み部では、輻射シールドの高さが小さくなるので、輻射シールドの上下に生じうる温度差を小さくすることができる。

この実施の形態においても、図１を参照して述べた実施の形態と同様に、極低温装置１０は、受入凹部５０に配置され、コールドヘッド７６の駆動部２６をカバー部材５２と熱的に結合する伝熱要素６０を備えてもよい。

図１０（ａ）から図１０（ｃ）は、コールドヘッド７６の駆動部２６の配置の他の例を模式的に示す図である。受入凹部５０は、図７から図９を参照して述べた実施の形態と同様に、真空容器３０の上部に形成され、真空容器３０の周方向に第１超伝導コイル７４ａと第２超伝導コイル７４ｂとの間に位置する（なお図１０（ａ）から図１０（ｃ）では第１超伝導コイル７４ａと第２超伝導コイル７４ｂの図示は省略される）。

図１０（ａ）に示されるように、コールドヘッド７６は、真空容器３０に横向きに設置されてもよく、この場合にも、コールドヘッド７６の駆動部２６は、受入凹部５０に配置されてもよい。また、図１０（ｂ）に示されるように、コールドヘッド７６は、真空容器３０に斜めの向きに設置されてもよい。このように、コールドヘッド７６が横向きまたは斜めに真空容器３０に設置される場合、コールドヘッド７６が縦向きの場合に比べて、コールドヘッド７６の冷却ステージを超伝導コイル７４（図示省略）の近くに配置し、伝熱経路を短くして効率的な冷却が可能となりうる。

図１０（ｃ）に示されるように、複数（例えば２つ）のコールドヘッド７６が１つの受入凹部５０に設置されてもよい。２つのコールドヘッド７６はそれぞれ、受入凹部５０において周方向の端部に配置されてもよい。この構成は、図７から図９を参照して述べた実施の形態（２つの受入凹部５０それぞれにコールドヘッド７６を配置する）の代替例として用いられてもよい。

図１１（ａ）から図１１（ｃ）は、別の受入凹部５１を模式的に示す図である。受入凹部５１は、真空容器３０の下部に形成されてもよい。下部の受入凹部５１も、真空容器３０の周方向に第１超伝導コイル７４ａと第２超伝導コイル７４ｂとの間に位置する（なお図１１（ａ）から図１１（ｃ）では第１超伝導コイル７４ａと第２超伝導コイル７４ｂの図示は省略される）。

図１１（ａ）に示されるように、上部の受入凹部５０にコールドヘッド７６が設置され、下部の受入凹部５１に電流導入端子８２ａとポート８２ｂが配置されてもよい。あるいは、逆に、上部の受入凹部５０に電流導入端子８２ａとポート８２ｂが設置され、下部の受入凹部５１にコールドヘッド７６が配置されてもよい。

図１１（ｂ）に示されるように、下部の受入凹部５１には、コールドヘッド７６に作動ガスを供給する圧縮機１８が配置されてもよい。圧縮機１８は床面１６に設置され、圧縮機１８の上部が受入凹部５１内に収められてもよい。圧縮機１８は、コールドヘッド７６とともに極低温冷凍機を構成する。高圧冷媒ガス配管６４ａが圧縮機１８の吐出口を駆動部２６の高圧ポート６２ａに接続し、低圧冷媒ガス配管６４ｂが圧縮機１８の吸入口を駆動部２６の低圧ポート６２ｂに接続する。高圧冷媒ガス配管６４ａと低圧冷媒ガス配管６４ｂは、フレキシブル管であり、可撓性を有する。

また、図１１（ｃ）に示されるように、コールドヘッド７６と圧縮機１８がともに、下部の受入凹部５１に配置されてもよい。コールドヘッド７６と圧縮機１８を接続するフレキシブル管（例えば、高圧冷媒ガス配管６４ａ、低圧冷媒ガス配管６４ｂ）も、受入凹部５１内に収められてもよい。フレキシブル管は、例えば受入凹部５１内で、真空容器に巻き取られていてもよい。なお、真空容器３０の下部に受入凹部５１が設けられる場合、真空容器３０の上部の受入凹部５０は省略することもできる。

図１２は、更なる実施の形態に係る極低温装置１０の他の例を模式的に示す斜視図である。真空容器３０の上面の内周側には、落下防止壁８４が設けられてもよい。落下防止壁８４は、真空容器３０の中心空洞７８を全周にわたり囲むように設けられている。上述のように、真空容器３０の上面を作業者が歩行したり、作業したりすることがある。落下防止壁８４は、作業者が作業工具を中心空洞７８（または中心空洞７８に配置される単結晶引き上げ炉と中心空洞７８との隙間）に落としたり、作業者が中心空洞７８に落下することを防ぐことに役立つ。なお、落下防止壁８４は、真空容器３０の上面の内周側に加えて、またはこれに代えて、真空容器３０の上面の外周側に設けられてもよい。

また、作業者が真空容器３０の上面を歩行するときの安全性を高めるために、真空容器３０の上面（及び／またはカバー部材５２）には、例えば、縞鋼板を装着する、ゴムマット塗装を施す等、滑り止め部が設けられてもよい。こうした滑り止め部は、真空容器３０の上面全体に設けられてもよいし、真空容器３０の上面の外周縁（または内周縁）のみに設けられてもよい。作業者に注意を喚起するために、滑り止め部は、他の部位とは異なる色で塗装されてもよい。また、滑り止め部は、真空容器３０の上面に設けられる細かい凹凸（例えば、ボルト頭やザグリ穴）を覆うように設けられてもよい。これは、これら凹凸に塵等が溜まるのを防ぐことに役立つ。

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。

真空容器３０は、真空容器本体３０ａの少なくとも一部を囲む磁気シールドを備えてもよい。受入凹部５０は、この磁気シールドに形成され、カバー部材５２は、磁気シールドに取り付けられてもよい。

極低温冷凍機２０の駆動部２６を囲む磁気シールドが形成されてもよい。カバー部材５２は、磁性材料で形成され、磁気シールドの一部を形成してもよい。受入凹部５０を定める他の部材（例えば、埋設管５４、または真空容器３０の壁面）が磁性材料で形成され、磁気シールドの一部を形成してもよい。

防音性を高めるために、吸音材が、受入凹部５０内、例えばカバー部材５２の内側に設けられてもよい。同様に、フレキシブル管カバー６６の内側に吸音材が設けられてもよい。

あるいは、カバー部材５２は、受入凹部５０を塞ぐ板に代えて、受入凹部５０を完全には塞がない例えば金網などの部材であってもよい。この場合、カバー部材５２の防音効果は下がるが、冷媒ガス配管や電気配線の取り出しは容易になる。

真空容器３０の受入凹部５０への極低温冷凍機２０の取り付け（つまり挿し込み）、および、受入凹部５０からの極低温冷凍機２０の取り外し（つまり引き抜き）を容易にするために、極低温冷凍機２０の駆動部２６に取っ手が設けられていてもよい。

上述の実施の形態では、極低温冷凍機２０が真空容器３０に縦向きに設置されているが、極低温冷凍機２０は、他の向きで真空容器３０に設置されてもよい。例えば、極低温冷凍機２０は、真空容器３０に横向きに設置されてもよく、この場合、受入凹部５０は、真空容器３０の側面に設けられてもよい。あるいは、図５の実施の形態のように、受入凹部５０が真空容器３０の角部に設けられてもよい。

上述の実施の形態では、極低温冷凍機２０の駆動部２６の全高が受入凹部５０に収まるように受入凹部５０の深さが定められている。これに代えて、受入凹部５０はより浅くてもよく、駆動部２６の高さの一部（例えば半分）が受入凹部５０に収まるように受入凹部５０の深さが定められてもよい。つまり、カバー部材５２は、真空容器３０に取り付けられた状態で、カバー部材５２の周囲の真空容器３０の壁面からいくらか飛び出ていてもよい。この場合でも、駆動部２６の全体が真空容器３０から飛び出ている既存設計に比べて、飛び出し部を小さくする（低くする）ことができる。

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、 ２０ 極低温冷凍機、 ２２ａ 第１冷却ステージ、 ２２ｂ 第２冷却ステージ、 ２６ 駆動部、 ３０ 真空容器、 ５０ 受入凹部、 ５２ カバー部材、 ５４ 埋設管、 ６０ 伝熱要素、 ６４ａ 高圧冷媒ガス配管、 ６４ｂ 低圧冷媒ガス配管、 ６６ フレキシブル管カバー。

Claims (12)

1. 複数の超伝導コイルと、
   前記複数の超伝導コイルが配置される真空領域を内部に定める中空筒型の真空容器と、
   駆動部と、前記複数の超伝導コイルの少なくとも１つを冷却する冷却ステージとを備え、前記駆動部が前記真空容器の外側にかつ前記冷却ステージが前記真空領域に配置されるように前記真空容器に設置されるコールドヘッドと、を備え、
   前記複数の超伝導コイルは、第１超伝導コイルと、前記真空容器の周方向に前記第１超伝導コイルから離れて配置される第２超伝導コイルとを備え、
   前記真空容器は、前記駆動部が配置される受入凹部を、前記周方向に前記第１超伝導コイルと前記第２超伝導コイルとの間に備えることを特徴とする極低温装置。
2. 前記受入凹部は、前記真空容器の上部または下部に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の極低温装置。
3. 前記真空容器は、前記コールドヘッドに作動ガスを供給する圧縮機が配置される別の受入凹部をさらに備え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. 前記受入凹部を覆うように前記真空容器に取り付けられたカバー部材をさらに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装置。
5. 前記受入凹部に配置され、前記駆動部を前記カバー部材と熱的に結合する伝熱要素をさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の極低温装置。
6. 前記コールドヘッドに接続され、前記真空容器に巻き取られたフレキシブル管をさらに備え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. 極低温冷凍機と、
   受入凹部を外側に有する真空容器と、
   前記受入凹部を覆うように前記真空容器に取り付けられたカバー部材と、を備え、
   前記極低温冷凍機は、その一部分が前記真空容器内に配置され、他の一部分が前記カバー部材で覆われた前記真空容器の前記受入凹部内に配置されるようにして、前記真空容器に設置されていることを特徴とする極低温装置。
8. 前記真空容器は、前記カバー部材が取り付けられた状態で全体として円筒形状を有することを特徴とする請求項７に記載の極低温装置。
9. 前記受入凹部に配置され、前記極低温冷凍機の前記他の一部分を前記カバー部材と熱的に結合する伝熱要素をさらに備えることを特徴とする請求項７または８に記載の極低温装置。
10. 前記極低温冷凍機に接続され、前記真空容器に巻き取られたフレキシブル管をさらに備えることを特徴とする請求項７から９のいずれかに記載の極低温装置。
11. 前記真空容器に巻き取られた前記フレキシブル管を覆うように前記真空容器に取り付けられたフレキシブル管カバーをさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載の極低温装置。
12. 極低温冷凍機と、真空容器と、を備え、
    前記極低温冷凍機は、その一部分が前記真空容器内に配置され、他の一部分が前記真空容器の外側に配置されるようにして、前記真空容器に設置され、
    前記極低温冷凍機に接続され、前記真空容器に巻き取られたフレキシブル管をさらに備えることを特徴とする極低温装置。

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