JP2023034893A - Cryogenic device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、極低温装置に関する。 The present invention relates to cryogenic devices.
従来、極低温冷凍機をクライオスタットなどの極低温真空容器に装着するために、スリーブを備えた装着構造を使用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伝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末端に熱接触している。極低温冷凍機のコールドヘッドはスリーブの内部に装着されており、スリーブを介して被冷却物を冷却する。 Conventionally, it is known to use a mounting structure with a sleeve to mount a cryogenic refrigerator to a cryogenic vacuum vessel such as a cryostat. An object to be cooled, such as a superconducting coil, is contained within the cryogenic vacuum vessel and is in thermal contact with the distal end of the sleeve. A cold head of the cryogenic refrigerator is mounted inside the sleeve and cools 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、コールドヘッドをスリーブからわずかに持ち上げることができ、それによりコールドヘッドとスリーブの熱接触を解除し、コールドヘッドにメンテナンスを施すことができる。コールドヘッド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。熱接触の解除により、被冷却物は低温に保つことができる。極低温冷凍機のメンテナンスのために被冷却物の昇温と再冷却をする必要がない。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 a cryogenic refrigerator, maintenance of the cryogenic refrigerator may be required on a regular basis. The operator can lift the coldhead slightly from the sleeve, thereby breaking the thermal contact between the coldhead and the sleeve, and performing maintenance on the coldhead. The cold head is heated to a temperature convenient for maintenance work, such as room temperature, and then cooled again after the work is completed. By releasing the thermal contact, the object to be cooled can be kept at a low temperature. There is no need to heat up and recool the object to be cooled for maintenance of the cryogenic refrigerator. Therefore, it is possible to shorten the recooling time of the object to be cooled and shorten the time required for maintenance compared to the case where the temperature of the object to be cooled is raised to room temperature together with the cryogenic refrigerator and the maintenance is performed on the cryogenic refrigerator. be able to.
本発明者は、上述の極低温装置について鋭意研究を重ねた結果、以下の課題を認識するに至った。コールドヘッド収容スリーブに対するコールドヘッドの移動をガイドするガイド構造が設けられている。ガイド構造はガイド部と被ガイド部との間にいくらかのクリアランスを有する。熱接触の解除のためにコールドヘッドがスリーブから持ち上げられるとき、このクリアランスのために、コールドヘッドがスリーブに対して傾斜しうる。傾斜に伴い、場合によっては望まれないことに、コールドヘッド末端の冷却ステージがスリーブに接触しうる。また、コールドヘッドがスリーブに押し付けられているとき、コールドヘッドに偏荷重が働きうる。偏荷重によって生じうるコールドヘッドの変形は、コールドヘッド内の冷媒ガス流れに影響を及ぼし、コールドヘッドの冷凍能力を低下させうる。 As a result of earnest research on the above-described cryogenic apparatus, the inventors of the present invention have come to recognize the following problems. A guide structure is provided for guiding movement of the coldhead relative to the coldhead receiving sleeve. The guiding structure has some clearance between the guiding part and the guided part. This clearance can cause the coldhead to tilt relative to the sleeve when the coldhead is lifted from the sleeve to break thermal contact. With tilting, the cooling stage at the end of the coldhead may contact the sleeve, possibly undesirably. Also, when the cold head is pressed against the sleeve, an unbalanced load may act on the cold head. The deformation of the cold head that can occur due to the unbalanced load affects the flow of refrigerant gas within the cold head and can reduce the refrigerating capacity of the cold head.
本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、コールドヘッド収容スリーブに対するコールドヘッドの移動をガイドするガイド構造に改善を提供することにある。 It is an exemplary object of some aspects of the present invention to provide improvements in guide structures for guiding movement of the coldhead relative to the coldhead-receiving sleeve.
本発明のある態様によると、極低温装置は、スリーブ側フランジと、一段伝熱ステージと、二段伝熱ステージと、を備えるコールドヘッド収容スリーブと、コールドヘッド側フランジと、一段冷却ステージと、一段冷却ステージよりも低温に冷却される二段冷却ステージとを備え、一段冷却ステージおよび二段冷却ステージがそれぞれ、スリーブ側フランジに対するコールドヘッド側フランジの移動により一段伝熱ステージおよび二段伝熱ステージと接触または離間するコールドヘッドと、スリーブ側フランジに対するコールドヘッド側フランジの移動をガイドするガイド構造と、を備える。ガイド構造は、スリーブ側フランジに設けられるガイド部と、コールドヘッド側フランジに設けられ、ガイド部によってガイドされる被ガイド部とを備え、コールドヘッド側フランジの移動方向に垂直な横方向のクリアランスをガイド部と被ガイド部との間に有する。一段冷却ステージおよび二段冷却ステージがそれぞれ一段伝熱ステージおよび二段伝熱ステージから離間しているとき生じるガイド部に対する被ガイド部の傾斜による一段冷却ステージおよび二段冷却ステージとコールドヘッド収容スリーブとの接触を防ぐように、ガイド構造のクリアランスが定められている。 According to one aspect of the invention, a cryogenic apparatus includes a coldhead containing sleeve comprising a sleeve side flange, a single heat transfer stage, a double heat transfer stage, a coldhead side flange, a single cooling stage, a two-stage cooling stage cooled to a lower temperature than the one-stage cooling stage, the one-stage cooling stage and the two-stage cooling stage being respectively the one-stage heat transfer stage and the two-stage heat transfer stage due to movement of the coldhead side flange relative to the sleeve side flange. and a guide structure for guiding movement of the cold head side flange with respect to the sleeve side flange. The guide structure includes a guide portion provided on the sleeve-side flange and a guided portion provided on the cold-head-side flange and guided by the guide portion, and provides a lateral clearance perpendicular to the moving direction of the cold-head-side flange. It is provided between the guide portion and the guided portion. The first cooling stage, the second cooling stage, and the cold head housing sleeve due to the inclination of the guided part with respect to the guiding part caused when the first cooling stage and the second cooling stage are separated from the first heat transfer stage and the second heat transfer stage, respectively. The clearance of the guide structure is defined so as to prevent the contact of the
本発明のある態様によると、極低温装置は、スリーブ側フランジと、一段伝熱ステージと、二段伝熱ステージと、を備えるコールドヘッド収容スリーブと、コールドヘッド側フランジと、一段冷却ステージと、一段冷却ステージよりも低温に冷却される二段冷却ステージとを備え、一段冷却ステージおよび二段冷却ステージがそれぞれ、スリーブ側フランジに対するコールドヘッド側フランジの移動により一段伝熱ステージおよび二段伝熱ステージと接触または離間するコールドヘッドと、スリーブ側フランジに対するコールドヘッド側フランジの移動をガイドするガイド構造と、を備える。ガイド構造は、スリーブ側フランジに設けられるガイド部と、コールドヘッド側フランジに設けられ、ガイド部によってガイドされる被ガイド部とを備え、コールドヘッド側フランジの移動方向に垂直な横方向のクリアランスをガイド部と被ガイド部との間に有する。コールドヘッドは、一段冷却ステージを二段冷却ステージに接続する二段シリンダと、二段シリンダに対して移動可能に二段シリンダ内に収容される二段ディスプレーサとを備える。二段シリンダと二段ディスプレーサの横方向の隙間が、二段冷却ステージが二段伝熱ステージに押し付けられているときコールドヘッド側フランジに働く偏荷重のもとで当該隙間の許容上限を超えないように、ガイド構造のクリアランスが定められている。 According to one aspect of the invention, a cryogenic apparatus includes a coldhead containing sleeve comprising a sleeve side flange, a single heat transfer stage, a double heat transfer stage, a coldhead side flange, a single cooling stage, a two-stage cooling stage cooled to a lower temperature than the one-stage cooling stage, the one-stage cooling stage and the two-stage cooling stage being respectively the one-stage heat transfer stage and the two-stage heat transfer stage due to movement of the coldhead side flange relative to the sleeve side flange. and a guide structure for guiding movement of the cold head side flange with respect to the sleeve side flange. The guide structure includes a guide portion provided on the sleeve-side flange and a guided portion provided on the cold-head-side flange and guided by the guide portion, and provides a lateral clearance perpendicular to the moving direction of the cold-head-side flange. It is provided between the guide portion and the guided portion. The coldhead includes a dual stage cylinder connecting the single stage cooling stage to the dual stage cooling stage, and a dual stage displacer housed within the dual stage cylinder movably relative to the dual stage cylinder. The lateral gap between the two-stage cylinder and the two-stage displacer does not exceed the permissible upper limit of the gap under the unbalanced load acting on the cold head side flange when the two-stage cooling stage is pressed against the two-stage heat transfer stage. As such, the clearance of the guide structure is defined.
本発明によれば、コールドヘッド収容スリーブに対するコールドヘッドの移動をガイドするガイド構造に改善を提供することができる。 According to the present invention, an improvement can be provided in the guide structure for guiding movement of the coldhead relative to the coldhead receiving sleeve.
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。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION 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 denoted by the same reference numerals, and overlapping descriptions are omitted as appropriate. The scales and shapes of the illustrated parts are set for convenience in order to facilitate explanation, and should not be construed as limiting unless otherwise specified. The embodiment is an example and does not limit the scope of the present invention. All features and combinations thereof described in the embodiments are not necessarily essential to the invention.
図1および図2は、実施の形態に係る極低温装置を模式的に示す図である。図1には、極低温装置内の被冷却物が極低温装置に設けられた極低温冷凍機のコールドヘッドと熱的に結合された状態が示され、図2には、コールドヘッドの移動によりコールドヘッドと被冷却物の熱的な結合が解除された状態が示されている。また、図3は、実施の形態に係り、極低温冷凍機のコールドヘッドを模式的に示す上面図である。図4は、実施の形態に係り、極低温装置に設けられたガイド構造を模式的に示す図である。 1 and 2 are diagrams schematically showing a cryogenic apparatus according to an embodiment. FIG. 1 shows a state in which an object to be cooled in a cryogenic apparatus is thermally coupled with a cold head of a cryogenic refrigerator provided in the cryogenic apparatus, and FIG. A state in which the cold head and the object to be cooled are thermally decoupled is shown. FIG. 3 is a top view schematically showing the cold head of the cryogenic refrigerator according to the embodiment. FIG. 4 is a diagram schematically showing a guide structure provided in the cryogenic apparatus according to the embodiment.
極低温装置10は、クライオスタットとも呼ばれる真空容器12に設置され、真空容器12内に極低温環境を提供する冷却源として使用される。真空容器12内には、極低温装置10によって冷却される被冷却物14が配置される。極低温装置10は、真空容器12および被冷却物14とともに、極低温利用機器の一部を構成しうる。極低温利用機器は、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であってもよく、この場合、被冷却物14は、超伝導コイルであってもよい。
The
極低温装置10は、コールドヘッド22と圧縮機24とを有する極低温冷凍機20と、コールドヘッド収容スリーブ(以下では単に、スリーブともいう)50とを備える。スリーブ50は、真空容器12と組み合わされて真空容器12内に真空領域13を区画するように真空容器12に設置される。コールドヘッド22は、スリーブ50内に挿入された状態でスリーブ50に装着される。コールドヘッド22とスリーブ50との間には、周囲環境16から隔離された気密領域18が形成される。周囲環境16は例えば室温の大気圧環境である。気密領域18は、真空に排気されてもよい。
The
極低温冷凍機20の圧縮機24は、極低温冷凍機20に作動ガス(例えばヘリウムガス)を循環させるために設けられている。圧縮機24は、周囲環境16に配置される。圧縮機24は、高圧の作動ガスをコールドヘッド22に供給し、コールドヘッド22内の膨張空間での断熱膨張により減圧された低圧の作動ガスをコールドヘッド22から回収して再び昇圧するよう構成されている。
A
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。よって、コールドヘッド22は、コールドヘッド側フランジ26、一段シリンダ28、一段冷却ステージ30、二段シリンダ32、二段冷却ステージ34を備える。コールドヘッド22のこれら構成要素は、コールドヘッド22の中心軸に沿ってこの記載の順に配置されている。コールドヘッド側フランジ26は、周囲環境16に配置され、一段シリンダ28、一段冷却ステージ30、二段シリンダ32、および二段冷却ステージ34は、気密領域18に配置される。
一段シリンダ28は、コールドヘッド側フランジ26を一段冷却ステージ30と接続し、二段シリンダ32は、一段冷却ステージ30を二段冷却ステージ34と接続する。典型的に、一段シリンダ28および二段シリンダ32は、コールドヘッド22の中心軸と同軸に延在する中空の円筒状部材であり、一段シリンダ28が二段シリンダ32よりも大径である。コールドヘッド側フランジ26、一段シリンダ28および二段シリンダ32は、例えばステンレスなどの金属で形成されている。
A
一段冷却ステージ30は、コールドヘッド側フランジ26とは軸方向反対側で一段シリンダ28の端部に固着されており、その軸方向長さは一段シリンダ28よりも短い。二段冷却ステージ34は、一段冷却ステージ30とは軸方向反対側で二段シリンダ32の端部に固着されており、その軸方向長さは二段シリンダ32よりも短い。一段冷却ステージ30および二段冷却ステージ34は典型的に、コールドヘッド22の中心軸と同軸の円柱状の外形を有し、一段冷却ステージ30が二段冷却ステージ34よりも大径である。一段冷却ステージ30および二段冷却ステージ34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。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。
A first
さらに、コールドヘッド22は、互いに端部で連結された一段ディスプレーサ36および二段ディスプレーサ38と、これらディスプレーサを軸方向に駆動する駆動部40とを備える。
The
一段ディスプレーサ36および二段ディスプレーサ38は、コールドヘッド22の中心軸と同軸に延在し、それぞれ一段シリンダ28および二段シリンダ32内に軸方向に移動可能に配置されている。一段ディスプレーサ36と二段ディスプレーサ38には、蓄冷材が内蔵されている。一段シリンダ28内で一段ディスプレーサ36と一段冷却ステージ30との間に作動ガスの一段膨張空間が形成され、二段シリンダ32内で二段ディスプレーサ38と二段冷却ステージ34との間に作動ガスの二段膨張空間が形成される。
A single-
駆動部40は、回転を出力する電気モーターと、この回転を直線的な往復動に変換するスコッチヨーク機構などの運動変換機構とを備える。この運動変換機構は、二段ディスプレーサ38とは軸方向反対側で一段ディスプレーサ36に連結されている。よって、電気モーターの駆動により、運動変換機構を介して一段ディスプレーサ36および二段ディスプレーサ38を軸方向に往復動させることができる。
The
また、駆動部40には、膨張空間の圧力を制御するバルブが内蔵されている。この圧力制御バルブは、圧縮機24から蓄冷材を介した膨張空間への高圧作動ガス供給と、膨張空間から蓄冷材を介した圧縮機24への低圧作動ガス回収とを交互に切り替えるよう構成されている。駆動部40は、一段ディスプレーサ36および二段ディスプレーサ38の軸方向往復動による膨張空間の容積変化と、圧力制御バルブによる膨張空間の圧力変化とを適切に同期させるよう構成されている。このような極低温冷凍機20の動作によって、一段冷却ステージ30は、第1冷却温度、例えば30K~80Kに冷却され、二段冷却ステージ34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。
Further, the
駆動部40は、コールドヘッド側フランジ26とともに周囲環境16に配置され、例えばボルト等の締結部材(図示せず)によって一段シリンダ28とは反対側でコールドヘッド側フランジ26に固定される。極低温冷凍機20のメンテナンスをするときには、駆動部40とコールドヘッド側フランジ26の締結を解除することができる。これにより、一段ディスプレーサ36および二段ディスプレーサ38をそれぞれ一段シリンダ28および二段シリンダ32から引き抜き、駆動部40を一段ディスプレーサ36および二段ディスプレーサ38とともに一体的にコールドヘッド22から取り外すことができる。
The
極低温冷凍機20が二段式である場合、これに対応して、スリーブ50も二段式に構成される。よって、スリーブ50は、スリーブ側フランジ52、一段スリーブ体54、一段伝熱ステージ56、二段スリーブ体58、二段伝熱ステージ60を備える。スリーブ50のこれら構成要素は、コールドヘッド22の中心軸に沿ってこの記載の順に配置されている。
If the
一段スリーブ体54は、スリーブ側フランジ52を一段伝熱ステージ56と接続し、二段スリーブ体58は、一段伝熱ステージ56を二段伝熱ステージ60と接続する。一段スリーブ体54および二段スリーブ体58は、コールドヘッド22の中心軸と同軸に延在する中空の円筒状部材であり、一段スリーブ体54が二段スリーブ体58よりも大径である。スリーブ側フランジ52、一段スリーブ体54および一段伝熱ステージ56は、例えばステンレスなどの金属で形成されている。
A
一段スリーブ体54および二段スリーブ体58はそれぞれ、一段シリンダ28および二段シリンダ32を囲むように配置されている。一段スリーブ体54の径は一段シリンダ28の径よりいくらか大きく、一段スリーブ体54と一段シリンダ28との間には隙間があり互いに接触していない。同様に、二段スリーブ体58の径は二段シリンダ32の径よりいくらか大きく、二段スリーブ体58と二段シリンダ32との間には隙間があり互いに接触していない。
Single-
一段伝熱ステージ56は、スリーブ側フランジ52とは軸方向反対側で一段スリーブ体54の端部に固着され、二段伝熱ステージ60は、一段伝熱ステージ56とは軸方向反対側で二段スリーブ体58の端部に固着されている。一段伝熱ステージ56の中心部には、一段スリーブ体54の内部空間を二段スリーブ体58の内部空間に接続する貫通開口部が形成されている。コールドヘッド22の二段シリンダ32および二段冷却ステージ34はこの開口部から二段スリーブ体58の内部空間へと挿入される。一段伝熱ステージ56および二段伝熱ステージ60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。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。
A first
一段伝熱ステージ56は、一段冷却ステージ30との物理的接触により一段冷却ステージ30と熱的に結合される。二段伝熱ステージ60は、二段冷却ステージ34との物理的接触により二段冷却ステージ34と熱的に結合される。この実施の形態では、伝熱ステージと冷却ステージの接触面は平坦面とされている。ただし、冷却ステージは、テーパ面、傾斜面、または凹凸面などの非平坦面が冷却ステージに設けられてもよく、この非平坦面に対応する非平坦面が伝熱ステージに設けられてもよい。また、伝熱ステージと冷却ステージは、直に接触してもよいし、あるいは、例えばインジウムシートのような、良好な伝熱に役立つ軟質介在層を挟んで熱接触してもよい。
Single
真空領域13に露出される一段伝熱ステージ56の外面には、被冷却物14とは別の被冷却物(例えば、被冷却物14を囲む熱シールド)が取り付けられ、または適宜の伝熱部材を介して熱的に結合される。よって、この一段の被冷却物は、一段冷却ステージ30が一段伝熱ステージ56と接触しているとき、一段冷却ステージ30によって一段伝熱ステージ56を介して第1冷却温度に冷却されることができる。また、真空領域13に露出される二段伝熱ステージ60の外面には、被冷却物14が取り付けられ、または適宜の伝熱部材を介して熱的に結合される。よって、被冷却物14は、二段冷却ステージ34が二段伝熱ステージ60と接触しているとき、二段冷却ステージ34によって二段伝熱ステージ60を介して第2冷却温度に冷却されることができる。
An object to be cooled other than the object to be cooled 14 (for example, a heat shield surrounding the object to be cooled 14) is attached to the outer surface of the one-stage
スリーブ側フランジ52は、周囲環境16に配置され、コールドヘッド側フランジ26に結合されている。一例として、スリーブ側フランジ52は真空容器12の天板に形成された開口部に固定され、一段スリーブ体54と二段スリーブ体58がこの開口部から真空容器12内に延びている。よって、コールドヘッド22は、その中心軸を鉛直方向に平行とするようにして、駆動部40を上方にかつ冷却ステージを下方に向けて、真空容器12に設置される。ただし、コールドヘッド22の設置の向きはこのような縦向きに限定されず、横向きや斜めなど他の向きで設置されてもよい。スリーブ50は、真空容器12の側面や底面など任意の面に形成されてもよい。
A sleeve-
スリーブ側フランジ52は、例示的な構成として、コールドヘッド側フランジ26が取り付けられる円環状の第1フランジ52aと、真空容器12に固定される円環状の第2フランジ52bと、第1フランジ52aと第2フランジ52bを接続する円筒状の外筒部52cとを備える。第1フランジ52a、第2フランジ52b、および外筒部52cは、コールドヘッド22の中心軸と同軸に配置される。第2フランジ52bは一段スリーブ体54の端部から径方向外側に延出し、外筒部52cは第2フランジ52bから一段スリーブ体54とは軸方向反対側に延出し、第1フランジ52aは、第2フランジ52bとは軸方向反対側で外筒部52cの端部から径方向外側に延出している。
As an exemplary configuration, the
コールドヘッド側フランジ26は、2つのフランジ、すなわち、メインフランジ42とトランジションフランジ44の結合体である。メインフランジ42は、一段冷却ステージ30とは軸方向反対側で一段シリンダ28の端部から径方向外側に延出している。メインフランジ42は、一段シリンダ28と一体形成されていてもよい。
The
トランジションフランジ44は、メインフランジ42に固定されるとともにスリーブ側フランジ52と組み合わされ、スリーブ50とコールドヘッド22との間に気密領域18を形成する。トランジションフランジ44は、円環状のフランジ部44aと、円筒状の内筒部44bとを有する。フランジ部44aは、例えばボルト等の締結部材(図示せず)によってメインフランジ42の下面(駆動部40とは軸方向反対側の面)に固定され、スリーブ側フランジ52の第1フランジ52aと軸方向に間隔をあけて対向している。内筒部44bは、フランジ部44aの内周部からメインフランジ42とは軸方向反対側に延出し、スリーブ側フランジ52の外筒部52cに挿し込まれている。内筒部44bは、一段シリンダ28の上端部を囲んでいる。
A
スリーブ側フランジ52の外筒部52cはトランジションフランジ44の内筒部44bのすぐ外側に隣接して配置されている。外筒部52cの径は、内筒部44bの径よりも例えば数mm程度大きく、外筒部52cの内周面と内筒部44bの外周面との間に隙間があり互いに接触していない。気密領域18の気密性を保持するためのシール部材46が、外筒部52cと内筒部44bの間に配置されている。シール部材46は、例えば、内筒部44bに形成された周溝に配置されたOリングなどのシール部材である。図示される例では、シール部材46は内筒部44bに装着されているが、外筒部52cに装着されていてもよい。
The outer
また、極低温装置10は、スリーブ側フランジ52に対するコールドヘッド側フランジ26の移動をガイドするガイド構造70を備える。図3に示されるように、ガイド構造70は、コールドヘッド側フランジ26の複数箇所に、この例では4箇所に設けられる。ガイド構造70は、コールドヘッド22の駆動部40を囲むようにしてコールドヘッド側フランジ26に周方向に等角度間隔(例えば90度おき)に配置されてもよい。
The
ガイド構造70は、スリーブ側フランジ52に設けられるガイド部と、コールドヘッド側フランジ26に設けられ、ガイド部によってガイドされる被ガイド部とを備える。この実施形態では、ガイド部として、スリーブ側フランジ52にガイドピン72が設けられる。また、被ガイド部として、ガイドピン72が挿し込まれるガイド穴74がコールドヘッド側フランジ26に設けられる。
The
図4に示されるように、ガイドピン72は、スリーブ側フランジ52の第1フランジ52aに立設され、コールドヘッド側フランジ26に向かって延出している円柱状の突起である。ガイド穴74は、ガイドピン72が挿し込まれる円形状の貫通穴であり、この実施の形態では、トランジションフランジ44に設けられている。
As shown in FIG. 4 , the
ガイド構造70は、コールドヘッド側フランジ26の移動方向に垂直な横方向のクリアランスdGをガイドピン72とガイド穴74との間に有する。すなわち、クリアランスdGは、ガイドピン72とガイド穴74の径方向隙間であり、ガイドピン72の径をφG、ガイド穴74の径をφGmと表すとき、dG=(φGm-φG)/2と表すことができる。
The
この実施の形態では、ガイド構造70のクリアランスdGは、シール部材46におけるクリアランスC1、すなわちトランジションフランジ44の内筒部44bとスリーブ側フランジ52の外筒部52cとの間の径方向隙間よりも小さくてもよい。一般的なOリング設計によると、Oリングのつぶし率は例えば8%~30%の範囲から選択される。そのため、シール部材46がOリングである場合、Oリングの太さを例えば3mmとすると、クリアランスC1は、0.24mm~0.9mmの範囲から選択されることになる。ガイド構造70のクリアランスdGは、選択されたクリアランスC1(例えば0.9mm)よりも小さくてもよい。
In this embodiment, the clearance d G of the
このようにすれば、仮にトランジションフランジ44がコールドヘッド22の中心軸から位置ずれしてシール部材46が局所的に変形されたとしても、トランジションフランジ44の内筒部44bがスリーブ側フランジ52の外筒部52cに当たる前にトランジションフランジ44のフランジ部44aがガイド穴74でガイドピン72に当たることになる。このように、ガイド構造70は、シール部材46の変形に伴うコールドヘッド22の径方向変位に対する機械的なストッパーとして働くことができる。
With this configuration, even if the
メインフランジ42には、軸方向にガイド穴74と連続する貫通穴76が形成されている。ガイドピン72は、ガイド穴74から貫通穴76へと挿し込まれている。この実施の形態では、メインフランジ42とガイドピン72との間に形成される横方向のクリアランスC2、すなわちガイドピン72と貫通穴76の径方向隙間が、ガイド構造70のクリアランスdGよりも大きい。
A through
このようにすれば、複数のガイド構造70が定める中心軸をシール部材46の中心に一致させることが容易になる。これと異なり、ガイド穴74がメインフランジ42に設けられていたとすると、メインフランジ42とトランジションフランジ44との間の組立誤差によって、ガイド構造70が定める中心軸がシール部材46の中心から位置ずれしうるため、不利である。
In this way, it becomes easy to align the central axis defined by the plurality of
なお、メインフランジ42とトランジションフランジ44を正確に組み立てることで組立誤差が十分に低減される場合には、ガイド穴74はメインフランジ42に設けられてもよい。この場合、ガイドピン72が挿し込まれるトランジションフランジ44に形成される貫通穴は、メインフランジ42のガイド穴74よりも径が大きくてもよい。または、トランジションフランジ44の貫通穴とメインフランジ42のガイド穴74は同径であってもよい。
Note that the guide holes 74 may be provided in the
メインフランジ42とトランジションフランジ44を正確に組み立てることを助けるために、コールドヘッド側フランジ26には、軸合わせ構造78が設けられてもよい。軸合わせ構造78の一例として、図4に示されるように、トランジションフランジ44のフランジ部44aの最外周部に設けられた凸部がメインフランジ42の外周面と係合してもよい。組立の際、トランジションフランジ44のこの凸部内にメインフランジ42を嵌め合わせることにより、メインフランジ42とトランジションフランジ44それぞれの中心を容易に位置合わせすることができる。
The
図3に示されるように、例えばボルト等のフランジ締結部材48がコールドヘッド22の駆動部40を囲むようにしてコールドヘッド側フランジ26の複数箇所に設けられる。フランジ締結部材48は、コールドヘッド側フランジ26に形成された挿通穴または切り欠き部を通じてスリーブ側フランジ52のボルト穴に螺合され、コールドヘッド側フランジ26とスリーブ側フランジ52を締結することができる。フランジ締結部材48の締結が解除されたとき、コールドヘッド側フランジ26は、スリーブ側フランジ52に対してガイド構造70に沿って軸方向に移動可能となる。
As shown in FIG. 3 ,
例示的な配置として、フランジ締結部材48は、コールドヘッド側フランジ26上でガイド構造70と同じ円周上に配置されてもよく、少なくとも1本(図示の例では2本)のフランジ締結部材48が、周方向に隣り合うガイド構造70間に設けられてもよい。なお、簡単のため図3では図示を省略しているが、コールドヘッド側フランジ26には、メインフランジ42とトランジションフランジ44を締結する締結部材も設けられる。
As an exemplary arrangement, the
実施の形態に係る極低温装置10においては以下に述べるように、一段冷却ステージ30および二段冷却ステージ34がそれぞれ、スリーブ側フランジ52に対するコールドヘッド側フランジ26の移動により一段伝熱ステージ56および二段伝熱ステージ60と接触または離間する。
In the
極低温冷凍機20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20の冷却運転が停止される。このとき、図1に示されるように、一段冷却ステージ30は一段伝熱ステージ56と物理的かつ熱的に接触し、二段冷却ステージ34は二段伝熱ステージ60と物理的かつ熱的に接触している。
When the timing when the maintenance of the
まず、作業者によってフランジ締結部材48が取り外され、コールドヘッド側フランジ26とスリーブ側フランジ52との締結が解除される。コールドヘッド側フランジ26がガイド構造70に沿ってスリーブ側フランジ52から持ち上げられ、コールドヘッド22がスリーブ50から引き上げられる。この持ち上げ高さLCは数mm程度、例えば2~3mm程度である。図2に示されるように、一段冷却ステージ30および二段冷却ステージ34はそれぞれ、一段伝熱ステージ56および二段伝熱ステージ60から離間され、熱接触が解除される。コールドヘッド側フランジ26とスリーブ側フランジ52の間にはシール部材46が設けられているので、周囲環境16からの気密領域18の隔離は保持される。被冷却物14を低温に保ちつつ、コールドヘッド22を昇温することができる。
First, the operator removes the
極低温冷凍機20のメンテナンスが行われる。コールドヘッド22の駆動部40が一段ディスプレーサ36および二段ディスプレーサ38とともにコールドヘッド22から取り外される。一段シリンダ28、一段冷却ステージ30、二段シリンダ32、および二段冷却ステージ34はそのままスリーブ50に設置されている。そして、メンテナンスが施された(または新品の)駆動部およびディスプレーサがコールドヘッド22に取り付けられる。そして、極低温冷凍機20の冷却運転が再開される。
Maintenance of the
その後、コールドヘッド側フランジ26がガイド構造70に沿ってスリーブ側フランジ52へと押し込まれ、一段冷却ステージ30および二段冷却ステージ34はそれぞれ、一段伝熱ステージ56および二段伝熱ステージ60と再び接触する。フランジ締結部材48によりコールドヘッド側フランジ26とスリーブ側フランジ52とが再び締結され、図1に示されるように、一段冷却ステージ30および二段冷却ステージ34はそれぞれ、一段伝熱ステージ56および二段伝熱ステージ60に押し付けられ、再び熱接触する。
The
図5は、実施の形態に係り、ガイド構造70に生じうる傾斜を示す模式図である。ガイド構造70は上述のように、スリーブ側フランジ52のガイドピン72とコールドヘッド側フランジ26のガイド穴74との間にクリアランスdGを有する。そのため、コールドヘッド側フランジ26がスリーブ側フランジ52から持ち上げられているとき、ガイドピン72に対してガイド穴74が傾斜しうる。最大限傾斜したときその傾斜角度θは、θ=tan-1(2dG/LG)となる。
FIG. 5 is a schematic diagram showing a tilt that can occur in the
ここで、LGは、ガイド構造70の長さを表し、コールドヘッド側フランジ26に設けられたガイド穴74の深さを表す。上述の例のようにガイド穴74がトランジションフランジ44のフランジ部44aに形成されている場合、ガイド構造70の長さLGは、トランジションフランジ44のフランジ部44aの厚さに相当する。
Here, LG represents the length of the
このように、コールドヘッド側フランジ26がスリーブ側フランジ52から持ち上げられているときガイド構造70に傾斜が生じると、コールドヘッド22がスリーブ50に対して傾斜することになる。傾斜角度が大きければ、コールドヘッド22がスリーブ50に接触または衝突するかもしれず、不都合が起こりうる。例えば、コールドヘッド22の冷却ステージに温度センサが設けられている場合、温度センサへの配線がコールドヘッド22の周囲に配置されるが、コールドヘッド22がスリーブ50に接触するときこうした配線がそれらの間に挟み込まれ損傷されうる。気密領域18に他のセンサが配置される場合にも同様の損傷リスクがありうる。また、コールドヘッド22の冷却ステージには、スリーブ50の伝熱ステージと接触する接触界面があるが、コールドヘッド22がスリーブ50に接触するときこの接触界面が損傷を受けるかもしれない。このような懸念は避けることが望まれる。
Thus, tilting of the
そこで、この実施の形態では、一段冷却ステージ30および二段冷却ステージ34がそれぞれ一段伝熱ステージ56および二段伝熱ステージ60から離間しているとき生じるガイドピン72に対するガイド穴74の傾斜による一段冷却ステージ30および二段冷却ステージ34とスリーブ50との接触を防ぐように、ガイド構造70のクリアランスdGが定められている。
Therefore, in this embodiment, the inclination of the
本発明者の検討によると、ガイド構造70での傾斜による接触または衝突のリスクが高い部位の1つは、二段冷却ステージ34と二段スリーブ体58である。よって、ガイドピン72に対するガイド穴74の傾斜による二段冷却ステージ34の横方向の移動量が二段冷却ステージ34と二段スリーブ体58の横方向の間隔を超えないように、ガイド構造70のクリアランスdGが定められてもよい。
According to the study of the present inventors, one of the parts with a high risk of contact or collision due to inclination in the
二段冷却ステージ34の横方向の移動量は、最大で、LRsinθと表すことができる。ここで、LRは、コールドヘッド22の軸方向長さに相当し、コールドヘッド22のメインフランジ42の下面から二段冷却ステージ34の端面(二段伝熱ステージ60との接触面)までの距離である。傾斜角度θは上述のように、θ=tan-1(2dG/LG)である。
The maximum amount of lateral movement of the two-
なお、LR=LA+LBと表すことができる。図2に示されるように、LAは二段シリンダ32の長さに相当し、一段冷却ステージ30の端面(一段伝熱ステージ56との接触面)から二段冷却ステージ34の端面までの距離である。LBは一段シリンダ28の長さに相当し、コールドヘッド22のメインフランジ42の下面から一段冷却ステージ30の端面までの距離である。
Note that it can be expressed as L R =L A +L B. As shown in FIG. 2, L A corresponds to the length of the two-
二段冷却ステージ34と二段スリーブ体58の横方向の間隔は、(Ds-Dh2)/2と表すことができ、ここで、Dh2は二段冷却ステージ34の外径、Dsは二段スリーブ体58の内径を表す。
The lateral spacing between the
したがって、ガイド構造70のクリアランスdGは、次式(1)が満たされるように定められてもよい。
LRsin(tan-1(2dG/LG))<(Ds-Dh2)/2 ・・・(1)
Therefore, the clearance dG of the
L R sin(tan −1 (2d G /L G ))<(D s −D h2 )/2 (1)
図6(a)および図6(b)は、実施の形態に係り、コールドヘッド22の二段冷却ステージ34の例示的な形状を示す模式図である。図6(a)に示されるように、二段冷却ステージ34は、その外径が軸方向に一定とされた円柱形状を有してもよい。この場合、一般に入手容易なコールドヘッド22(例えば、住友重機械工業株式会社製の4KGM冷凍機)では、二段冷却ステージ34の外径Dh2は、46mmである。また、図6(b)に示されるように、二段冷却ステージ34は、その末端にフランジ部を有してもよく、このフランジ部は二段冷却ステージ34の他の部位に比べて拡径されている。この場合、一般に入手容易なコールドヘッド22(例えば、住友重機械工業株式会社製の4KGM冷凍機)では、二段冷却ステージ34の外径Dh2(すなわちフランジ部の直径)は、64mmである。よって、二段冷却ステージ34の外径Dh2は典型的に、46mmから64mmの範囲にあると言える。
6(a) and 6(b) are schematic diagrams showing exemplary shapes of the two-
また、二段スリーブ体58の内径Dsは、二段スリーブ体58を通じた熱伝導による二段冷却ステージ34への入熱量を低減する観点から、過剰に大きいことは望まれない。1つの目安として、二段スリーブ体58の内径Dsは、コールドヘッド22の一段冷却ステージ30の外径よりも小さくてもよい。一段冷却ステージ30の外径は典型的に90mmである。そこで、二段スリーブ体58の内径Dsは、50mmから90mmの範囲から選択されてもよい。よって、二段冷却ステージ34と二段スリーブ体58の横方向の間隔(Ds-Dh2)/2は、2mmから22mmの範囲内にありうる。
Moreover, the inner diameter Ds of the two-
ガイド構造70の長さLGは、例えば5mmから50mmの範囲から選択されてもよく、例えば、10mmから15mmの範囲から選択されてもよい。コールドヘッド22の軸方向長さLRは、例えば360mmから440mmの範囲から選択されてもよい。
The length LG of the
(Ds-Dh2)/2を22mm、コールドヘッド22の軸方向長さLRを392.5mmとした例を考えると、ガイド構造70の長さLGが10mmの場合、上式(1)を満たすガイド構造70のクリアランスdGは、約0.25mm以下となる。ガイド構造70の長さLGが例えば12mmの場合、ガイド構造70のクリアランスdGが約0.3mm以下であれば上式(1)は満たされる。ガイド構造70の長さLGが例えば13mmの場合、ガイド構造70のクリアランスdGが約0.35mm以下であれば上式(1)は満たされる。ガイド構造70の長さLGが15mmの場合、ガイド構造70のクリアランスdGが約0.4mm以下であれば上式(1)は満たされる。
Considering an example where (D s −D h2 )/2 is 22 mm and the axial length L R of the
このようにして、ガイド構造70のクリアランスdGの上限を上式(1)に基づいて定めることができる。これにより、コールドヘッド22がスリーブ50から持ち上げられているとき生じるガイドピン72に対するガイド穴74の傾斜による二段冷却ステージ34と二段スリーブ体58との接触を防ぐことができる。
Thus, the upper limit of the clearance dG of the
本発明者の検討によると、ガイド構造70での傾斜による接触または衝突のリスクが高いもう1つの部位は、一段冷却ステージ30と一段伝熱ステージ56である。よって、ガイドピン72に対するガイド穴74の傾斜による一段冷却ステージ30のエッジ部30aの下降移動量がスリーブ側フランジ52に対するコールドヘッド側フランジ26の持ち上げ高さLCを超えないように、ガイド構造70のクリアランスLGが定められてもよい。
According to the study of the present inventors, another part where the risk of contact or collision due to tilting in the
図7(a)および図7(b)は、実施の形態に係り、コールドヘッド22の一段冷却ステージ30の例示的な形状を示す模式図である。図7(a)に示されるように、一段冷却ステージ30は、その外径が軸方向に一定とされた円柱形状を有してもよい。この場合、一般に入手容易なコールドヘッド22(例えば、住友重機械工業株式会社製の4KGM冷凍機)では、一段冷却ステージ30の外径Dh1は、90mmである。
FIGS. 7(a) and 7(b) are schematic diagrams showing exemplary shapes of the single-
また、図7(b)に示されるように、一段冷却ステージ30は、軸方向中間部にフランジ部を有してもよく、このフランジ部は一段冷却ステージ30の他の部位に比べて拡径されている。この場合、一般に入手容易なコールドヘッド22(例えば、住友重機械工業株式会社製の4KGM冷凍機)では、一段冷却ステージ30の外径Dh1(すなわちフランジ部の直径)は、125mm程度であることが多い。
In addition, as shown in FIG. 7B, the first-
ガイドピン72に対するガイド穴74の傾斜による一段冷却ステージ30のエッジ部30aの下降移動量は、(Dh1/2)sinθ+LBcosθ-LBと表すことができる。したがって、ガイド構造70のクリアランスdGは、次式(2)が満たされるように定められてもよい。
(Dh1/2)sinθ+LBcosθ-LB<LC ・・・(2)
ここで、傾斜角度θは上述のように、θ=tan-1(2dG/LG)である。
The amount of downward movement of the
(D h1 /2) sin θ+L B cos θ−L B <L C (2)
Here, the tilt angle θ is θ=tan −1 (2d G /L G ) as described above.
一例として、持ち上げ高さLCを2mm、一段シリンダ28の長さLBを192.5mm、一段冷却ステージ30の外径Dh1を125mmとした例を考えると、ガイド構造70の長さLGが10mmの場合、上式(2)を満たすガイド構造70のクリアランスdGは、約0.15mm以下となる。ガイド構造70の長さLGが15mmの場合、ガイド構造70のクリアランスdGが約0.25mm以下であれば上式(2)は満たされる。
As an example, if the lift height L C is 2 mm, the length L B of the
このようにして、ガイド構造70のクリアランスdGの上限を上式(2)に基づいて定めることができる。これにより、コールドヘッド22がスリーブ50から持ち上げられているとき生じるガイドピン72に対するガイド穴74の傾斜による一段冷却ステージ30と一段伝熱ステージ56との接触を防ぐことができる。
Thus, the upper limit of the clearance dG of the
ガイドピン72に対するガイド穴74の摺動を可能にする観点からガイド構造70のクリアランスdGの下限が定められてもよい。ガイド構造70のクリアランスdGは、例えば、0.01mm(または例えば0.04mm、または例えば0.06mm)より大きくてもよい。
A lower limit of the clearance dG of the
ところで、コールドヘッド22をスリーブ50から持ち上げる場面とは異なり、コールドヘッド22をスリーブ50に押し付ける場面では、コールドヘッド22の冷却ステージがスリーブ50の伝熱ステージに密着しているから、上述のようなコールドヘッド22の傾斜によるスリーブ50との接触や衝突は起こらない。しかし、本発明者の検討によると、コールドヘッド22をスリーブ50に押し付ける際には、コールドヘッド側フランジ26に働きうる偏荷重によってもたらされる別の懸念がある。偏荷重によってコールドヘッド22が変形し、二段シリンダ32と二段ディスプレーサ38との隙間が局所的に拡大するかもしれない。そうすると、本来は二段ディスプレーサ38内の蓄冷材を通過すべき二段シリンダ32内の作動ガス流れが、蓄冷材を迂回してこの隙間を通るようになり、コールドヘッド22の二段の冷凍能力を低下させるかもしれない。
By the way, unlike when the
そこで、二段シリンダ32と二段ディスプレーサ38の横方向の隙間が、二段冷却ステージ34が二段伝熱ステージ60に押し付けられているときコールドヘッド側フランジ26に働く偏荷重のもとで当該隙間の許容上限を超えないように、ガイド構造70のクリアランスdGが定められてもよい。
Therefore, the lateral gap between the two-
図8は、実施の形態に係り、コールドヘッド22に働きうる偏荷重を示す模式図である。コールドヘッド側フランジ26に働く横方向の偏荷重Wによるコールドヘッド22の変形は、図8に示されるように、二段冷却ステージ34を固定端とした梁モデルを用いて見積もることができる。
FIG. 8 is a schematic diagram showing an unbalanced load that can act on the
二段シリンダ32と二段ディスプレーサ38の隙間の許容上限をdAmax、二段シリンダ32と二段ディスプレーサ38の隙間の初期値をdi、偏荷重Wによる一段シリンダ28末端(二段シリンダ32上端)の横方向変位をδAと表すとき、δA+di≦dAmaxが成立すればよい。
dA max is the allowable upper limit of the gap between the two-
図8の梁モデルに基づき、δB=XδAである。ここで、δBは、偏荷重Wによるコールドヘッド側フランジ26の横方向変位を表す。一段シリンダ28と二段シリンダ32のヤング率Eが等しく、外径Dおよび内径dをもつ円筒の断面2次モーメントIがI=1/64×π×(D4-d4)であることを用いると、係数Xは、X=(2β+6αβ+6α2β+2α3)/(2β+3αβ)と計算される。ここで、α=LB/LA、β=IB/IA=(ΦB
4-φB
4)/(ΦA
4-φA
4)であり、ΦAおよびφAは二段シリンダ32の外径および内径であり、ΦBおよびφBは一段シリンダ28の外径および内径である。
Based on the beam model of FIG. 8, δ B =X δ A. Here, δ B represents the lateral displacement of the
コールドヘッド側フランジ26は最大でガイド構造70のクリアランスdGだけ横方向に変位できるから、δB≦dG(=(φGm-φG)/2)である。
Since the
したがって、ガイド構造70のクリアランスdGは、次式(3)が満たされるように定められてもよい。
dG/X+di≦dAmax ・・・(3)
Therefore, the clearance dG of the
dG /X+di≦dAmax (3)
極低温冷凍機20の作動ガスが二段シリンダ32と二段ディスプレーサ38の隙間を軸方向に直線的に流れることを防ぐためには、隙間が0.03mm以下とすることが好ましいことが知られている。よって、二段シリンダ32と二段ディスプレーサ38の隙間の許容上限をdAmaxは、0.03mmとすることができる。また、隙間の初期値をdiの典型例として0.01mmを採用し、一般に入手容易なコールドヘッド22(例えば、住友重機械工業株式会社製の4KGM冷凍機)の一段シリンダ28および二段シリンダ32の長さLB、LA、外径ΦB、ΦA、内径φB、φAから上式(3)に基づいて計算すると、φGm-φG(=2dG)の上限値は0.1mm程度となることがわかる。
In order to prevent the working gas of the
このようにして、ガイド構造70のクリアランスdGの上限値を上式(3)に基づいて定めることができる。これにより、押し付け時にコールドヘッド22に働きうる偏荷重に起因するコールドヘッド22の冷凍能力低下を防ぐことができる。
Thus, the upper limit of the clearance dG of the
図9(a)および図9(b)は、実施の形態に係るガイド構造70の他の一例を模式的に示す図である。図9(a)には、コールドヘッド側フランジ26がスリーブ側フランジ52に押し付けられた状態が示され、図9(b)には、コールドヘッド側フランジ26がスリーブ側フランジ52から持ち上げられた状態が示される。つまり、図9(a)では、一段冷却ステージ30および二段冷却ステージ34がそれぞれ一段伝熱ステージ56および二段伝熱ステージ60と接触し、図9(b)では、一段冷却ステージ30および二段冷却ステージ34がそれぞれ一段伝熱ステージ56および二段伝熱ステージ60から離間している。
FIGS. 9A and 9B are diagrams schematically showing another example of the
ガイド構造70は、先細のガイドピン72をスリーブ側フランジ52に有し、ガイドピン72は、スリーブ側フランジ52に固定された根元部で径が大きく、先端部でそれよりも径が小さい。ガイドピン72が挿し込まれるコールドヘッド側フランジ26のガイド穴74は一定の内径を有する。
The
したがって、図示されるように、ガイドピン72の根元部までガイド穴74が押し込まれた状態では、ガイド構造70のクリアランスは第1の大きさdG1を有し、ガイドピン72の先端部へとガイド穴74が持ち上げられた状態ではガイド構造70のクリアランスは第2の大きさdG2を有し、第1の大きさdG1が第2の大きさdG2よりも小さい。
Therefore, as shown in the figure, when the
このようにすれば、コールドヘッド側フランジ26がスリーブ側フランジ52に押し付けられた状態、すなわち一段冷却ステージ30および二段冷却ステージ34がそれぞれ一段伝熱ステージ56および二段伝熱ステージ60と接触し押し付けられた状態において、ガイド構造70は、シール部材46の変形に伴うコールドヘッド22の径方向変位に対する機械的なストッパーとして働くことができる。
In this way, the cold
図10(a)および図10(b)は、実施の形態に係るガイド構造70の他の一例を模式的に示す図である。図10(a)には、コールドヘッド側フランジ26がスリーブ側フランジ52に押し付けられた状態が示され、図10(b)には、コールドヘッド側フランジ26がスリーブ側フランジ52から持ち上げられた状態が示される。
FIGS. 10(a) and 10(b) are diagrams schematically showing another example of the
この例では、コールドヘッド側フランジ26にガイドピン72が被ガイド部として設けられ、ガイドピン72が挿し込まれるガイド穴74がスリーブ側フランジ52にガイド部として設けられている。ガイドピン72は軸方向に一定の径を有し、ガイド穴74に挿し込まれている。ガイド穴74は、テーパー状の穴形状を有し、その内径は、ガイド穴74の深部で小さく、入口部でそれより大きくなっている。
In this example, a
したがって、図示されるように、ガイドピン72がガイド穴74の深部まで押し込まれた状態では、ガイド構造70のクリアランスは第1の大きさdG1を有し、ガイドピン72がガイド穴74の入口部へと持ち上げられた状態ではガイド構造70のクリアランスは第2の大きさdG2を有し、第1の大きさdG1が第2の大きさdG2よりも小さい。
Thus, as shown, with the
このようにしても、上述の例と同様に、コールドヘッド側フランジ26がスリーブ側フランジ52に押し付けられた状態、すなわち一段冷却ステージ30および二段冷却ステージ34がそれぞれ一段伝熱ステージ56および二段伝熱ステージ60と接触し押し付けられた状態において、ガイド構造70は、シール部材46の変形に伴うコールドヘッド22の径方向変位に対する機械的なストッパーとして働くことができる。
In this way, the cold
図9および図10に示されるガイド構造70において、ガイド構造70のクリアランスの第1の大きさdG1は、上式(3)が満たされるように定められてもよい。また、ガイド構造70のクリアランスの第2の大きさdG2は、上式(1)または(2)が満たされるように定められてもよい。
In the
図11は、実施の形態に係るガイド構造70の他の一例を模式的に示す図である。図11には、図3と同様に、コールドヘッド22の上面図が模式的に示される。ガイド構造70は、この例では、スリーブ側フランジ52に設けられたガイド部としてのガイドピン72と、被ガイド部としてのコールドヘッド側フランジ26の外周面26aとを有する。コールドヘッド側フランジ26がスリーブ側フランジ52に対してコールドヘッド22の軸方向に移動するとき、コールドヘッド側フランジ26の外周面26aがガイドピン72に沿って案内される。よって、コールドヘッド側フランジ26には、ガイドピン72が挿し込まれるガイド穴は設けられていない。コールドヘッド側フランジ26の外周面26aとガイドピン72との間にはクリアランスdGが設けられる。ガイド構造70のクリアランスdGは、上式(1)、(2)、または(3)のいずれかが満たされるように定められてもよい。
FIG. 11 is a diagram schematically showing another example of the
図12は、実施の形態に係るガイド構造70の他の一例を模式的に示す図である。ガイド構造70は、ガイド部としてのスリーブ側フランジ52の内周面と、被ガイド部としてトランジションフランジ44の内筒部44bに設けられたガイドリング80とを有する。この例では、ガイドリング80は、シール部材46の上側に設けられているが、シール部材46の下側に設けられてもよい。トランジションフランジ44がスリーブ側フランジ52に対してコールドヘッド22の軸方向に移動するとき、ガイドリング80がスリーブ側フランジ52の内周面に沿って案内される。ガイドリング80とスリーブ側フランジ52の内周面との間にはクリアランスdGが設けられる。ガイド構造70のクリアランスdGは、上式(1)、(2)、または(3)のいずれかが満たされるように定められてもよい。
FIG. 12 is a diagram schematically showing another example of the
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 the examples. It should be understood by those skilled in the art that the present invention is not limited to the above embodiments, and that various design changes and modifications are possible, and that such modifications are within the scope of the present invention. By the way. Various features described in relation to one embodiment are also applicable to other embodiments. A new embodiment resulting from combination has the effects of each of the combined embodiments.
上述の実施の形態では、極低温冷凍機20が二段式のGM冷凍機である場合を例として説明したが、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。
In the above embodiments, the
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 based on the embodiment, the embodiment only shows one aspect of the principle and application of the present invention, and the embodiment does not include the claims. Many variations and rearrangements are permissible without departing from the spirit of the invention as defined in its scope.
本発明の実施形態は以下のように表現することもできる。 Embodiments of the present invention can also be expressed as follows.
1.スリーブ側フランジと、一段伝熱ステージと、二段伝熱ステージと、を備えるコールドヘッド収容スリーブと、
コールドヘッド側フランジと、一段冷却ステージと、前記一段冷却ステージよりも低温に冷却される二段冷却ステージとを備え、前記一段冷却ステージおよび前記二段冷却ステージがそれぞれ、前記スリーブ側フランジに対する前記コールドヘッド側フランジの移動により前記一段伝熱ステージおよび前記二段伝熱ステージと接触または離間するコールドヘッドと、
前記スリーブ側フランジに対する前記コールドヘッド側フランジの移動をガイドするガイド構造であって、前記スリーブ側フランジに設けられるガイド部と、前記コールドヘッド側フランジに設けられ、前記ガイド部によってガイドされる被ガイド部とを備え、前記コールドヘッド側フランジの移動方向に垂直な横方向のクリアランスを前記ガイド部と前記被ガイド部との間に有するガイド構造と、を備え、
前記一段冷却ステージおよび前記二段冷却ステージがそれぞれ前記一段伝熱ステージおよび前記二段伝熱ステージから離間しているとき生じる前記ガイド部に対する前記被ガイド部の傾斜による前記一段冷却ステージおよび前記二段冷却ステージと前記コールドヘッド収容スリーブとの接触を防ぐように、前記ガイド構造の前記クリアランスが定められていることを特徴とする極低温装置。
1. a coldhead containing sleeve comprising a sleeve-side flange, a single heat transfer stage, and a double heat transfer stage;
a cold head-side flange, a first-stage cooling stage, and a two-stage cooling stage cooled to a lower temperature than the first-stage cooling stage, wherein the first-stage cooling stage and the second-stage cooling stage respectively cool the cold head to the sleeve-side flange. a cold head that contacts or separates from the first-stage heat transfer stage and the second-stage heat transfer stage by movement of the head-side flange;
A guide structure for guiding movement of the cold head side flange with respect to the sleeve side flange, comprising: a guide section provided on the sleeve side flange; and a guided section provided on the cold head side flange and guided by the guide section. and a guide structure having a lateral clearance between the guide portion and the guided portion perpendicular to the direction of movement of the cold head flange,
The one-stage cooling stage and the two-stage cooling stage are separated from the one-stage heat transfer stage and the two-stage heat transfer stage, respectively. A cryogenic apparatus, wherein the clearance of the guide structure is defined to prevent contact between the cooling stage and the coldhead containing sleeve.
2.前記コールドヘッド収容スリーブは、前記一段伝熱ステージを前記二段伝熱ステージに接続する二段スリーブ体を備え、
前記ガイド部に対する前記被ガイド部の傾斜による前記二段冷却ステージの前記横方向の移動量が前記二段冷却ステージと前記二段スリーブ体の前記横方向の間隔を超えないように、前記ガイド構造の前記クリアランスが定められていることを特徴とする実施形態1に記載の極低温装置。
2. the coldhead containing sleeve comprises a two-stage sleeve body connecting the one-stage heat transfer stage to the two-stage heat transfer stage;
The guide structure is arranged such that the amount of lateral movement of the two-stage cooling stage due to the inclination of the guided portion with respect to the guide portion does not exceed the lateral distance between the two-stage cooling stage and the two-stage sleeve body. 2. The cryogenic apparatus of embodiment 1, wherein said clearance of is defined.
3.前記ガイド部に対する前記被ガイド部の傾斜による前記一段冷却ステージのエッジ部の下降移動量が前記スリーブ側フランジに対する前記コールドヘッド側フランジの持ち上げ高さを超えないように、前記ガイド構造の前記クリアランスが定められていることを特徴とする実施形態1または2に記載の極低温装置。 3. The clearance of the guide structure is such that the amount of downward movement of the edge portion of the first-stage cooling stage due to the inclination of the guided portion with respect to the guide portion does not exceed the lift height of the cold head side flange with respect to the sleeve side flange. 3. Cryogenic apparatus according to embodiment 1 or 2, characterized in that:
4.スリーブ側フランジと、一段伝熱ステージと、二段伝熱ステージと、を備えるコールドヘッド収容スリーブと、
コールドヘッド側フランジと、一段冷却ステージと、前記一段冷却ステージよりも低温に冷却される二段冷却ステージとを備え、前記一段冷却ステージおよび前記二段冷却ステージがそれぞれ、前記スリーブ側フランジに対する前記コールドヘッド側フランジの移動により前記一段伝熱ステージおよび前記二段伝熱ステージと接触または離間するコールドヘッドと、
前記スリーブ側フランジに対する前記コールドヘッド側フランジの移動をガイドするガイド構造であって、前記スリーブ側フランジに設けられるガイド部と、前記コールドヘッド側フランジに設けられ、前記ガイド部によってガイドされる被ガイド部とを備え、前記コールドヘッド側フランジの移動方向に垂直な横方向のクリアランスを前記ガイド部と前記被ガイド部との間に有するガイド構造と、を備え、
前記コールドヘッドは、前記一段冷却ステージを前記二段冷却ステージに接続する二段シリンダと、前記二段シリンダに対して移動可能に前記二段シリンダ内に収容される二段ディスプレーサとを備え、
前記二段シリンダと前記二段ディスプレーサの前記横方向の隙間が、前記二段冷却ステージが前記二段伝熱ステージに押し付けられているとき前記コールドヘッド側フランジに働く偏荷重のもとで当該隙間の許容上限を超えないように、前記ガイド構造の前記クリアランスが定められていることを特徴とする極低温装置。
4. a coldhead containing sleeve comprising a sleeve-side flange, a single heat transfer stage, and a double heat transfer stage;
a cold head-side flange, a first-stage cooling stage, and a two-stage cooling stage cooled to a lower temperature than the first-stage cooling stage, wherein the first-stage cooling stage and the second-stage cooling stage respectively cool the cold head to the sleeve-side flange. a cold head that contacts or separates from the first-stage heat transfer stage and the second-stage heat transfer stage by movement of the head-side flange;
A guide structure for guiding movement of the cold head side flange with respect to the sleeve side flange, comprising: a guide section provided on the sleeve side flange; and a guided section provided on the cold head side flange and guided by the guide section. and a guide structure having a lateral clearance between the guide portion and the guided portion perpendicular to the direction of movement of the cold head flange,
The cold head comprises a two-stage cylinder connecting the first-stage cooling stage to the second-stage cooling stage, and a two-stage displacer housed in the two-stage cylinder movably relative to the two-stage cylinder,
The lateral gap between the two-stage cylinder and the two-stage displacer is under an unbalanced load acting on the cold head side flange when the two-stage cooling stage is pressed against the two-stage heat transfer stage. , wherein the clearance of the guide structure is defined so as not to exceed the allowable upper limit of .
5.前記コールドヘッド側フランジは、メインフランジと、前記メインフランジに固定されるとともに前記スリーブ側フランジと組み合わされ、前記コールドヘッド収容スリーブと前記コールドヘッドとの間に周囲環境から隔離された気密領域を形成するトランジションフランジと、を備え、
前記被ガイド部は、前記トランジションフランジに設けられることを特徴とする実施形態1から4のいずれかに記載の極低温装置。
5. The cold head side flange is fixed to a main flange and combined with the sleeve side flange to form an airtight region between the cold head receiving sleeve and the cold head, which is isolated from the surrounding environment. and a transition flange for
5. The cryogenic apparatus according to any one of Embodiments 1 to 4, wherein the guided portion is provided on the transition flange.
6.前記メインフランジと前記ガイド部との間に形成される前記横方向のクリアランスが、前記ガイド構造の前記クリアランスよりも大きいことを特徴とする実施形態5に記載の極低温装置。 6. 6. Cryogenic apparatus according to embodiment 5, wherein the lateral clearance formed between the main flange and the guide portion is greater than the clearance of the guide structure.
7.前記ガイド構造の前記クリアランスは、前記一段冷却ステージおよび前記二段冷却ステージがそれぞれ前記一段伝熱ステージおよび前記二段伝熱ステージと接触しているとき第1の大きさを有し、前記一段冷却ステージおよび前記二段冷却ステージがそれぞれ前記一段伝熱ステージおよび前記二段伝熱ステージから離間しているとき第2の大きさを有し、前記第1の大きさが前記第2の大きさよりも小さいことを特徴とする実施形態1から6のいずれかに記載の極低温装置。 7. The clearance of the guide structure has a first magnitude when the single cooling stage and the double cooling stage are in contact with the single heat transfer stage and the double heat transfer stage, respectively; the stage and the dual cooling stage have a second magnitude when spaced apart from the single heat transfer stage and the dual heat transfer stage, respectively, wherein the first magnitude is greater than the second magnitude; 7. A cryogenic apparatus according to any preceding embodiment, characterized in that it is small.
8.前記ガイド部は、ガイドピンを有し、前記被ガイド部は、前記ガイドピンが挿し込まれるガイド穴を有することを特徴とする実施形態1から7のいずれかに記載の極低温装置。 8. 8. The cryogenic apparatus according to any one of Embodiments 1 to 7, wherein the guide portion has a guide pin, and the guided portion has a guide hole into which the guide pin is inserted.
10 極低温装置、 16 周囲環境、 18 気密領域、 22 コールドヘッド、 26 コールドヘッド側フランジ、 30 一段冷却ステージ、 32 二段シリンダ、 34 二段冷却ステージ、 38 二段ディスプレーサ、 42 メインフランジ、 44 トランジションフランジ、 50 スリーブ、 52 スリーブ側フランジ、 56 一段伝熱ステージ、 60 二段伝熱ステージ、 70 ガイド構造、 72 ガイドピン、 74 ガイド穴。
10
Claims (8)
コールドヘッド側フランジと、一段冷却ステージと、前記一段冷却ステージよりも低温に冷却される二段冷却ステージとを備え、前記一段冷却ステージおよび前記二段冷却ステージがそれぞれ、前記スリーブ側フランジに対する前記コールドヘッド側フランジの移動により前記一段伝熱ステージおよび前記二段伝熱ステージと接触または離間するコールドヘッドと、
前記スリーブ側フランジに対する前記コールドヘッド側フランジの移動をガイドするガイド構造であって、前記スリーブ側フランジに設けられるガイド部と、前記コールドヘッド側フランジに設けられ、前記ガイド部によってガイドされる被ガイド部とを備え、前記コールドヘッド側フランジの移動方向に垂直な横方向のクリアランスを前記ガイド部と前記被ガイド部との間に有するガイド構造と、を備え、
前記一段冷却ステージおよび前記二段冷却ステージがそれぞれ前記一段伝熱ステージおよび前記二段伝熱ステージから離間しているとき生じる前記ガイド部に対する前記被ガイド部の傾斜による前記一段冷却ステージおよび前記二段冷却ステージと前記コールドヘッド収容スリーブとの接触を防ぐように、前記ガイド構造の前記クリアランスが定められていることを特徴とする極低温装置。 a coldhead containing sleeve comprising a sleeve-side flange, a single heat transfer stage, and a double heat transfer stage;
a cold head-side flange, a first-stage cooling stage, and a two-stage cooling stage cooled to a lower temperature than the first-stage cooling stage, wherein the first-stage cooling stage and the second-stage cooling stage respectively cool the cold head to the sleeve-side flange. a cold head that contacts or separates from the first-stage heat transfer stage and the second-stage heat transfer stage by movement of the head-side flange;
A guide structure for guiding movement of the cold head side flange with respect to the sleeve side flange, comprising: a guide section provided on the sleeve side flange; and a guided section provided on the cold head side flange and guided by the guide section. and a guide structure having a lateral clearance between the guide portion and the guided portion perpendicular to the direction of movement of the cold head flange,
The one-stage cooling stage and the two-stage cooling stage are separated from the one-stage heat transfer stage and the two-stage heat transfer stage, respectively. A cryogenic apparatus, wherein the clearance of the guide structure is defined to prevent contact between the cooling stage and the coldhead containing sleeve.
前記ガイド部に対する前記被ガイド部の傾斜による前記二段冷却ステージの前記横方向の移動量が前記二段冷却ステージと前記二段スリーブ体の前記横方向の間隔を超えないように、前記ガイド構造の前記クリアランスが定めら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。 the coldhead containing sleeve comprises a two-stage sleeve body connecting the one-stage heat transfer stage to the two-stage heat transfer stage;
The guide structure is arranged such that the amount of lateral movement of the two-stage cooling stage due to the inclination of the guided portion with respect to the guide portion does not exceed the lateral distance between the two-stage cooling stage and the two-stage sleeve body. 2. The cryogenic apparatus of claim 1, wherein said clearance of is defined.
コールドヘッド側フランジと、一段冷却ステージと、前記一段冷却ステージよりも低温に冷却される二段冷却ステージとを備え、前記一段冷却ステージおよび前記二段冷却ステージがそれぞれ、前記スリーブ側フランジに対する前記コールドヘッド側フランジの移動により前記一段伝熱ステージおよび前記二段伝熱ステージと接触または離間するコールドヘッドと、
前記スリーブ側フランジに対する前記コールドヘッド側フランジの移動をガイドするガイド構造であって、前記スリーブ側フランジに設けられるガイド部と、前記コールドヘッド側フランジに設けられ、前記ガイド部によってガイドされる被ガイド部とを備え、前記コールドヘッド側フランジの移動方向に垂直な横方向のクリアランスを前記ガイド部と前記被ガイド部との間に有するガイド構造と、を備え、
前記コールドヘッドは、前記一段冷却ステージを前記二段冷却ステージに接続する二段シリンダと、前記二段シリンダに対して移動可能に前記二段シリンダ内に収容される二段ディスプレーサとを備え、
前記二段シリンダと前記二段ディスプレーサの前記横方向の隙間が、前記二段冷却ステージが前記二段伝熱ステージに押し付けられているとき前記コールドヘッド側フランジに働く偏荷重のもとで当該隙間の許容上限を超えないように、前記ガイド構造の前記クリアランスが定められていることを特徴とする極低温装置。 a coldhead containing sleeve comprising a sleeve-side flange, a single heat transfer stage, and a double heat transfer stage;
a cold head-side flange, a first-stage cooling stage, and a two-stage cooling stage cooled to a lower temperature than the first-stage cooling stage, wherein the first-stage cooling stage and the second-stage cooling stage respectively cool the cold head to the sleeve-side flange. a cold head that contacts or separates from the first-stage heat transfer stage and the second-stage heat transfer stage by movement of the head-side flange;
A guide structure for guiding movement of the cold head side flange with respect to the sleeve side flange, comprising: a guide section provided on the sleeve side flange; and a guided section provided on the cold head side flange and guided by the guide section. and a guide structure having a lateral clearance between the guide portion and the guided portion perpendicular to the direction of movement of the cold head flange,
The cold head comprises a two-stage cylinder connecting the first-stage cooling stage to the second-stage cooling stage, and a two-stage displacer housed in the two-stage cylinder movably relative to the two-stage cylinder,
The lateral gap between the two-stage cylinder and the two-stage displacer is under an unbalanced load acting on the cold head side flange when the two-stage cooling stage is pressed against the two-stage heat transfer stage. , wherein the clearance of the guide structure is defined so as not to exceed the allowable upper limit of .
前記被ガイド部は、前記トランジションフランジに設けられることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の極低温装置。 The cold head side flange is fixed to a main flange and combined with the sleeve side flange to form an airtight region between the cold head receiving sleeve and the cold head, which is isolated from the surrounding environment. and a transition flange for
5. The cryogenic apparatus according to claim 1, wherein the guided portion is provided on the transition flange.
Priority Applications (1)
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JP2021141356A JP2023034893A (en) | 2021-08-31 | 2021-08-31 | Cryogenic device |
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JP2021141356A Pending JP2023034893A (en) | 2021-08-31 | 2021-08-31 | Cryogenic device |
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