JP2024056390A - コールドヘッド装着構造、極低温装置、コールドヘッド、およびコールドヘッドのメンテナンス方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コールドヘッド装着構造に対するコールドヘッドの傾きを抑制する。
【解決手段】極低温冷凍機２０のコールドヘッド２２を真空容器１２に装着するためのコールドヘッド装着構造が提供される。コールドヘッド装着構造は、真空容器１２に設置され、コールドヘッド２２が取り付けられるスリーブ５０であって、真空容器１２内の真空領域１３から隔離された気密領域１８をコールドヘッド２２との間に形成するスリーブ５０と、スリーブ５０の中心軸Ｃに対して片側に配置され、中心軸Ｃに対するコールドヘッド２２の傾動を拘束するとともに中心軸Ｃの方向にコールドヘッド２２の移動を案内するように構成された主ガイド７０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、コールドヘッド装着構造、極低温装置、コールドヘッド、およびコールドヘッドのメンテナンス方法に関する。

極低温冷凍機は、例えば超伝導装置など極低温で動作する機器を極低温に冷却するために利用されている。極低温冷凍機は、被冷却物（例えば超伝導コイル）を収容した真空容器に設置される。このような極低温装置を長期的に運転するなかで、極低温冷凍機の点検や修理、交換などメンテナンスが必要になることがある。

従来、いわゆるメンテナンススリーブを介して極低温冷凍機のコールドヘッドを真空容器に装着することが知られている。メンテナンススリーブは、真空容器の気密性を保つように構成され、真空容器の壁から内部へと延びており、このスリーブの内側にコールドヘッドが取り外し可能に装着される。これにより、真空容器内の被冷却物を極低温に冷却したままで、コールドヘッドを真空容器から取り外し、コールドヘッドにメンテナンスをして、再び真空容器に取り付けることができる。スリーブが無かった場合コールドヘッドのメンテナンスには、事前に被冷却物の常温（例えば３００Ｋ程度）への昇温とメンテナンス後に極低温への再冷却が必要となるが、これには相当の時間がかかり、とくに大型の被冷却物では数日またはそれ以上にもなることがある。メンテナンススリーブを採用することで昇温と再冷却の時間は不要となり、メンテナンスを短時間で済ませることができる。

特開２０１８－８４３４７号公報

本発明者は、上記のスリーブ型のコールドヘッド装着構造について検討し、以下の課題を独自に認識した。コールドヘッドの装着はたいてい、極低温冷凍機が使用される現場で作業員によって行われる。装着作業は、コールドヘッドが正規の姿勢をとるように（例えば、コールドヘッドの中心軸が鉛直方向に一致するように）細心の注意を払って行われる。しかしながら、場合によっては、コールドヘッドが正規の姿勢からわずかに傾いてコールドヘッド装着構造に装着されることがあることが判明した。装着されたコールドヘッドは、良好な熱接触を実現するために、強い力で装着構造に押し付けられている。従って、コールドヘッドの傾きは、コールドヘッドに働く応力分布を不均一にし、コールドヘッドに歪みをもたらし、望ましくないことに、冷凍能力に悪影響が出るかもしれない。また、コールドヘッドの傾きは、コールドヘッドと装着構造との接触状態に影響し、両者間の接触熱抵抗の増加をもたらすかもしれない。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、コールドヘッド装着構造に対するコールドヘッドの傾きを抑制することにある。

本発明のある態様によると、極低温冷凍機のコールドヘッドを真空容器に装着するためのコールドヘッド装着構造が提供される。コールドヘッド装着構造は、真空容器に設置され、コールドヘッドが取り付けられるコールドヘッド収容スリーブであって、真空容器内の真空領域から隔離された気密領域をコールドヘッドとの間に形成するコールドヘッド収容スリーブと、コールドヘッド収容スリーブの中心軸に対して片側に配置され、中心軸に対するコールドヘッドの傾動を拘束するとともに中心軸の方向にコールドヘッドの移動を案内するように構成された主ガイドと、を備える。

本発明のある態様によると、極低温装置は、コールドヘッドと、真空領域を内部に定める真空容器と、真空容器に設置され、コールドヘッドが取り付けられるコールドヘッド収容スリーブであって、コールドヘッドとの間に真空領域から隔離された気密領域を形成するコールドヘッド収容スリーブと、コールドヘッド収容スリーブの中心軸に対して片側に配置され、中心軸に対するコールドヘッドの傾動を拘束するとともに中心軸の方向にコールドヘッドの移動を案内するように構成された主ガイドと、を備える。

本発明のある態様によると、コールドヘッドは、駆動モータと、取付フランジと、駆動モータが取り付けられ、取付フランジ上に設けられた駆動部ハウジングと、を備える。取付フランジ及び／または駆動部ハウジングは、錘部材を取付可能な取付構造を駆動モータとは反対側に備える。

本発明のある態様によると、コールドヘッドのメンテナンス方法は、コールドヘッドがコールドヘッド収容スリーブに支持された状態で、錘部材をコールドヘッドに取り付けることと、錘部材を取り付けた状態でコールドヘッドをコールドヘッド収容スリーブに対して移動させることと、を備える。

本発明によれば、コールドヘッド装着構造に対するコールドヘッドの傾きを抑制することができる。

ある実施の形態に係る極低温装置およびコールドヘッド装着構造を模式的に示す図である。 ある実施の形態に係る極低温装置およびコールドヘッド装着構造を模式的に示す図である。 ある実施の形態に係り、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。 ある実施の形態に係り、コールドヘッド装着構造に設けられたガイド構造を模式的に示す図である。 ある実施の形態に係り、コールドヘッド装着構造に設けられたガイド構造の他の一例を模式的に示す図である。 ある実施の形態に係り、コールドヘッド装着構造に設けられたガイド構造の他の一例を模式的に示す図である。 ある実施の形態に係り、コールドヘッド装着構造に設けられたガイド構造の他の一例を模式的に示す図である。 図８（ａ）は、ある実施の形態に係る極低温冷凍機のコールドヘッドの一部と錘部材とを模式的に示す斜視図であり、図８（ｂ）は、この実施の形態に係る錘部材を模式的に示す斜視図である。 図８（ａ）および図８（ｂ）に示される実施の形態に係る錘部材の使用方法を示すフローチャートである。 ある実施の形態に係るコールドヘッド装着構造の一部を模式的に示す図である。 ある実施の形態に係るコールドヘッド装着構造の一部を模式的に示す図である

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

図１および図２は、ある実施の形態に係る極低温装置およびコールドヘッド装着構造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、ある実施の形態に係り、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、ある実施の形態に係り、コールドヘッド装着構造に設けられたガイド構造を模式的に示す図である。

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。

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、コールドヘッド装着構造としての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。

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。

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、取付フランジ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Ｃに沿ってこの記載の順に配置されている。取付フランジ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、取付フランジ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Ｃ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。取付フランジ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。

一段冷却ステージ３０は、取付フランジ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Ｃ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。

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。

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Ｃ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。

駆動部４０は、コールドヘッド２２を駆動する駆動モータ４０ａと、駆動モータ４０ａが取り付けられた駆動部ハウジング４０ｂとを備える。駆動モータ４０ａは、例えば、回転を出力する電気モータである。図示されるように、駆動モータ４０ａは、コールドヘッド２２（およびスリーブ５０）の中心軸Ｃに対して片側で、駆動部ハウジング４０ｂに取り付けられている。駆動部ハウジング４０ｂは、取付フランジ２６上に設けられている。駆動部ハウジング４０ｂは、コールドヘッド２２内の気密性を保つように取付フランジ２６（後述のメインフランジ４２）に固定されている。駆動部ハウジング４０ｂには、駆動モータ４０ａ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が収容されている。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。

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。

駆動部４０は、取付フランジ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とは反対側で取付フランジ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と取付フランジ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。

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Ｃに沿ってこの記載の順に配置されている。

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Ｃ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。よって、スリーブ５０の中心軸Ｃは、コールドヘッド２２の中心軸Ｃに一致する。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。

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。

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。

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。

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。

スリーブ側フランジ５２は、周囲環境１６に配置され、取付フランジ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Ｃ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。

スリーブ側フランジ５２は、例示的な構成として、取付フランジ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Ｃ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。

取付フランジ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。

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。

コールドヘッド２２とスリーブ５０との間には、真空容器１２の周囲環境１６から気密領域１８をシールするシール部材４６が設けられている。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は、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。

極低温装置１０のコールドヘッド装着構造は、主ガイド７０を備える。主ガイド７０は、コールドヘッド２２およびスリーブ５０の中心軸Ｃに対して片側に配置されている。この実施の形態では、主ガイド７０は、中心軸Ｃに対してコールドヘッド２２の駆動モータ４０ａとは反対側に配置される。図３に示されるように、主ガイド７０は、取付フランジ２６上で１箇所のみに設けられている。

主ガイド７０は、中心軸Ｃに対するコールドヘッド２２の傾動を拘束するとともに中心軸Ｃの方向にコールドヘッド２２の移動を案内するように構成されている。主ガイド７０は、スリーブ側フランジ５２に設けられるガイド部と、取付フランジ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、スリーブ側フランジ５２に対する取付フランジ２６の移動をガイドする。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に主ガイドピン７２が設けられる。また、被ガイド部として、主ガイドピン７２が挿し込まれる主ガイド穴７４が取付フランジ２６に設けられる。

図４に示されるように、主ガイドピン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、取付フランジ２６に向かって延出している円柱状の突起である。主ガイドピン７２は、中心軸Ｃの方向に延在する。よって、主ガイド７０の中心軸は中心軸Ｃと平行である。主ガイド穴７４は、主ガイドピン７２が挿し込まれる円形状の貫通穴であり、メインフランジ４２およびトランジションフランジ４４に設けられている。主ガイドピン７２が主ガイド穴７４に中心軸Ｃの方向に摺動可能に係合する。また、主ガイドピン７２と主ガイド穴７４の係合により、中心軸Ｃに対するコールドヘッド２２の傾動が拘束される。

主ガイド７０は、中心軸Ｃ（すなわち主ガイド７０の中心軸）に垂直な横方向のクリアランスｄ_Ｇを主ガイドピン７２と主ガイド穴７４との間に有する。すなわち、クリアランスｄ_Ｇは、主ガイドピン７２と主ガイド穴７４の径方向隙間である。主ガイド７０のクリアランスｄ_Ｇは、シール部材４６におけるクリアランスＣ_１、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い。クリアランスｄ_Ｇは、例えば、０．５ｍｍより小さく、または０．３ｍｍより小さく、または０．１ｍｍより小さくてもよい。また、主ガイドピン７２と主ガイド穴７４を摺動を可能にしつつコールドヘッド２２の傾動を最小限とするために、クリアランスｄ_Ｇは、例えば、０．０１ｍｍより大きく、または０．０３ｍｍより大きく、または０．０５ｍｍより大きくてもよい。なお、図４では説明の便宜上、クリアランスｄ_Ｇを誇張して大きく描いている。

この実施の形態では、上述のように主ガイド７０が取付フランジ２６上で１箇所のみに設けられているため、コールドヘッド２２は主ガイド７０まわりに回転しうる。そこで、極低温装置１０のコールドヘッド装着構造は、回転止めとして副ガイド７６をさらに備える。副ガイド７６は、主ガイド７０の中心軸まわりのコールドヘッド２２の回転を拘束するとともに中心軸の方向にコールドヘッド２２の移動を許容するように構成されている。この実施の形態では、上述のシール部材４６がこの副ガイド７６として機能する。

また、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を囲むようにして取付フランジ２６の複数箇所に設けられる。フランジ締結部材４８は、取付フランジ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、取付フランジ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、取付フランジ２６は、スリーブ側フランジ５２に対して主ガイド７０に沿って軸方向に移動可能となる。

例示的な配置として、フランジ締結部材４８は、取付フランジ２６上で主ガイド７０と同じ円周上に配置されてもよい。なお、簡単のため図３では図示を省略しているが、取付フランジ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。

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に対する取付フランジ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。

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。

まず、作業者によってフランジ締結部材４８が取り外され、取付フランジ２６とスリーブ側フランジ５２との締結が解除される。取付フランジ２６が主ガイド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Ｌ_Ｃ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。取付フランジ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。

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。

その後、取付フランジ２６が主ガイド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により取付フランジ２６とスリーブ側フランジ５２とが再び締結され、コールドヘッド２２がスリーブ５０に固定され、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。

極低温冷凍機が使用される現場でのこのようなコールドヘッド装着作業は、コールドヘッド２２が正規の姿勢をとるように（例えば、コールドヘッド２２の中心軸Ｃが鉛直方向に一致するように）細心の注意を払って行われる。しかしながら、本発明者の検討によると、場合によっては、コールドヘッド２２が正規の姿勢からわずかに傾いてスリーブ５０に装着されることがあることが判明した。

装着されたコールドヘッド２２の一段冷却ステージ３０および二段冷却ステージ３４はそれぞれ、良好な熱接触を実現するために、強い力でスリーブ５０の一段伝熱ステージ５６および二段伝熱ステージ６０に押し付けられている。そのため、コールドヘッド２２の傾きは、たとえそれがわずかな傾きであっても、コールドヘッド２２に働く応力分布を不均一にし、コールドヘッド２２に歪みをもたらすかもしれない。その結果、望ましくないことに、冷凍能力に悪影響が出るかもしれない。例えば、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。冷凍能力の低下がもし大きければ、被冷却物１４の冷却に悪影響が出ることも懸念される。

また、コールドヘッド２２の傾きは、コールドヘッド２２の冷却ステージとスリーブ５０の伝熱ステージとの接触状態に影響し、両者間の接触熱抵抗の増加をもたらすかもしれない。これも、被冷却物１４の冷却に影響しうる。

ところで、コールドヘッドの装着のための既存のスリーブの典型的な設計として、スリーブに対するコールドヘッドのガイドをコールドヘッドまわりに複数箇所を等間隔に（例えば、コールドヘッドの駆動部を囲むようにして４箇所のガイドを９０度おきに）配置することが考えられる。この設計において、上述のコールドヘッド装着作業において発生しうるコールドヘッドのわずかな傾斜を防ぐには、各ガイドのクリアランスをできるだけ小さくすることが考えられる。しかしながら、こうした極小のクリアランスを複数のガイドの各々に実際に採用した場合、製造上の誤差など諸要因により、各ガイドの競合およびそれによる過剰拘束が生じ、その結果、ガイドでの摺動が妨げられてコールドヘッドがスリーブに対して移動できなくなりうる。したがって、ガイドのクリアランス極小化は、典型的な既存設計においては、必ずしもコールドヘッドの傾き防止のための有効な解決策ではない。

これに対して、実施の形態では、単一の主ガイド７０が中心軸Ｃに対して片側に配置されている。そのため、主ガイド７０におけるクリアランスｄ_Ｇをできるだけ小さくしたとしても、上述の過剰拘束の問題は起こらない。よって、コールドヘッド装着作業において発生しうるコールドヘッド２２の傾きを抑制することができる。

駆動モータ４０ａが中心軸Ｃに対して片側に配置されているため、駆動モータ４０ａに働く重力は、コールドヘッド装着作業におけるコールドヘッド２２の傾きの一因となりうる。また、駆動モータ４０ａの近傍には通例、コールドヘッド２２に作動ガスを給排するためのフレキシブルホースが接続される。これらフレキシブルホースからコールドヘッド２２の駆動部４０に働きうる引張力も、コールドヘッド２２の傾きの一因となりうる。

この実施の形態では、主ガイド７０は、中心軸Ｃに対してコールドヘッド２２の駆動モータ４０ａとは反対側に配置される。したがって、主ガイド７０は、駆動モータ４０ａ側へのコールドヘッド２２の傾きを効果的に抑制することができる。

なお、駆動モータ４０ａと主ガイド７０との干渉が問題とはならない場合には、主ガイド７０は、中心軸Ｃに対してコールドヘッド２２の駆動モータ４０ａと同じ側に配置されてもよい。

図５は、ある実施の形態に係り、コールドヘッド装着構造に設けられたガイド構造の他の一例を模式的に示す図である。ガイド構造は、上述の実施の形態と同様に、主ガイド７０および副ガイド７６（シール部材４６）を備える。

コールドヘッド２２の取付フランジ２６、具体的にはメインフランジ４２は、板状部４２ａと突出部４２ｂとを備える。板状部４２ａは、フランジとしてトランジションフランジ４４と結合される部分であり、突出部４２ｂは、主ガイド７０を中心軸Ｃ（すなわち主ガイド７０の中心軸）の方向に延長するために設けられている。突出部４２ｂは、トランジションフランジ４４とは反対側で、中心軸の方向に板状部４２ａから突出する。主ガイドピン７２は、スリーブ側フランジ５２に設けられ、主ガイド穴７４は、板状部４２ａおよび突出部４２ｂを軸方向に貫通して設けられている。このようにすれば、主ガイド７０の軸方向長さを長くとることができる。これにより、主ガイド７０は、コールドヘッド２２の傾きをより効果的に抑制することができる。

図６は、ある実施の形態に係り、コールドヘッド装着構造に設けられたガイド構造の他の一例を模式的に示す図である。この実施の形態では、周囲環境１６から気密領域１８をシールするために、シール部材４６に代えて、取付フランジ２６（例えばトランジションフランジ４４）とスリーブ側フランジ５２とを接続する伸縮可能な気密隔壁（例えばベローズ）７８が設けられている。

コールドヘッド装着構造のガイド構造は、主ガイド７０および副ガイド７６を備える。主ガイド７０は、上述の実施の形態と同様に、主ガイドピン７２と主ガイド穴７４とを備える。副ガイド７６は、スリーブ５０の中心軸Ｃ（図１参照）に対して主ガイド７０とは反対側に配置され、すなわち駆動モータ４０ａ側に配置されている。副ガイド７６は、主ガイド７０の中心軸まわりのコールドヘッド２２の回転止めとして働くとともに中心軸の方向にコールドヘッド２２の移動を許容するように構成されている。

一例として、副ガイド７６は、主ガイド７０と同様に、副ガイドピン７６ａおよび副ガイド穴７６ｂを備える。副ガイドピン７６ａは、スリーブ側フランジ５２の第１フランジ５２ａに立設され、取付フランジ２６に向かって延出している円柱状の突起である。副ガイド穴７６ｂは、副ガイドピン７６ａが挿し込まれる円形状の貫通穴であり、取付フランジ２６に設けられている。

副ガイド７６の副ガイドピン７６ａと副ガイド穴７６ｂとの間の副クリアランスＣ_２は、主ガイド７０の主ガイドピン７２と主ガイド穴７４との間の主クリアランスｄ_Ｇよりも大きい。これは、主ガイド７０と副ガイド７６の競合による過剰拘束を避けることに役立つ。

なお、図５に示される軸方向に延長された主ガイド７０が、図６の実施の形態に適用されてもよい。

上述の実施の形態では、ガイド部としてスリーブ側フランジ５２に主ガイドピン７２が設けられ、被ガイド部として取付フランジ２６に主ガイド穴７４が設けられている。しかし、以下に述べるように、ガイドピンとガイド穴の位置関係は逆であってもよい。

図７は、ある実施の形態に係り、コールドヘッド装着構造に設けられたガイド構造の他の一例を模式的に示す図である。図示されるように、主ガイド７０の主ガイドピン７２は、取付フランジ２６に設けられてもよい。主ガイドピン７２が挿し込まれる主ガイド７０の主ガイド穴７４は、スリーブ側フランジ５２に設けられてもよい。

図６に示される実施の形態における副ガイド７６においても同様である。すなわち、副ガイドピン７６ａが取付フランジ２６に設けられ、副ガイド穴７６ｂがスリーブ側フランジ５２に設けられてもよい。

コールドヘッド装着構造に対するコールドヘッドの傾きを抑制するための他の方策も考えられる。例えば、駆動モータ４０ａがコールドヘッド２２の片側に取り付けられているためにコールドヘッド２２に生じうる偏荷重とバランスをとるべく、図８（ａ）および図８（ｂ）を参照して以下に述べるように、錘部材８０がコールドヘッド２２に取り付けられてもよい。

図８（ａ）は、ある実施の形態に係る極低温冷凍機のコールドヘッドの一部と錘部材とを模式的に示す分解斜視図であり、図８（ｂ）は、この実施の形態に係る錘部材を模式的に示す斜視図である。コールドヘッド２２は、コールドヘッド２２を駆動する駆動モータ４０ａと、スリーブ５０と結合される取付フランジ２６と、駆動モータ４０ａが取り付けられ、取付フランジ２６上に設けられた駆動部ハウジング４０ｂと、駆動モータ４０ａとは反対側で駆動部ハウジング４０ｂに取り外し可能に取り付けられた錘部材８０と、を備える。錘部材８０の重さは、例えば、５ｋｇから１０ｋｇの範囲内にあってもよい。

駆動部ハウジング４０ｂは、錘部材８０を取付可能な取付構造８２を駆動モータ４０ａとは反対側に備える。錘部材８０は、例えばねじまたはボルトなどの取付部材で駆動部ハウジング４０ｂに取り付けられてもよく、取付構造８２は、こうした取付部材を取り付けるために駆動部ハウジング４０ｂに設けられた例えばねじ穴またはボルト穴などの取付穴を有してもよい。対応する取付構造（取付穴）８４が錘部材８０にも設けられている。錘部材８０は、コールドヘッド２２に一時的に取り付けられてもよい。あるいは、錘部材８０は、コールドヘッド２２に常設であってもよい。

錘部材８０は、駆動部ハウジング４０ｂへの取付に代えて、取付フランジ２６に取り付けられてもよい。この場合、取付フランジ２６に取付構造８２が設けられてもよい。あるいは、駆動部ハウジング４０ｂに錘部材８０を取り付けるとともに、追加の錘部材が取付フランジ２６に取り付けられてもよい。

錘部材８０は、図１から図７を参照して説明した実施の形態に適用されてもよい。

図９は、図８（ａ）および図８（ｂ）に示される実施の形態に係る錘部材８０の使用方法を示すフローチャートである。この方法は、図１および図２を参照して上述したコールドヘッド２２のメンテナンス方法の一部を構成しうる。図９に示されるように、この使用方法は、コールドヘッド２２がスリーブ５０に支持された状態で、錘部材８０をコールドヘッド２２に取り付けることと（Ｓ１０）、錘部材８０を取り付けた状態でコールドヘッド２２をスリーブ５０に対して移動させることと（Ｓ１１）、を備える。移動させることは、図１および図２を参照して上述したように、コールドヘッド２２をスリーブ５０から引き上げること、及び／または、コールドヘッド２２をスリーブ５０に押し込むことを備えてもよい。また、本方法は、コールドヘッド２２をスリーブ５０に再び固定することと（Ｓ１２）、スリーブ５０へのコールドヘッド２２の再固定後に錘部材８０をコールドヘッド２２から取り外すことと（Ｓ１３）、をさらに備える。

このようにすれば、駆動モータ４０ａと錘部材８０とで重量バランスをとることができ、コールドヘッド装着作業において発生しうるコールドヘッド２２の傾きを抑制することができる。

図１０は、ある実施の形態に係るコールドヘッド装着構造の一部を模式的に示す図である。図１０には、スリーブ５０にコールドヘッド２２を締結するための締結構造８６が示されている。締結構造８６は、スリーブ５０にコールドヘッド２２を締結する締結ボルト８６ａと、締結ボルト８６ａとスリーブ５０との間に挟み込まれた球面座金８６ｂとを備える。図示の例では、締結ボルト８６ａは、ボルト頭部がスリーブ側フランジ５２側に、ボルト先端が取付フランジ２６側に位置するようにして、スリーブ側フランジ５２と取付フランジ２６を締結する。球面座金８６ｂは、締結ボルト８６ａの頭部とスリーブ側フランジ５２の間に挟み込まれている。取付フランジ２６のメインフランジ４２とトランジションフランジ４４、およびスリーブ側フランジ５２には、締結ボルト８６ａに対応するボルト穴８６ｃが形成されている。

このようにすれば、スリーブ５０に対してコールドヘッド２２がわずかに傾いていたとしても、締結構造８６は、球面座金８６ｂを利用してこの傾きを吸収し、コールドヘッド２２とスリーブ５０との締結を可能にする。

なお、締結ボルト８６ａは、ボルト頭部が取付フランジ２６側に、ボルト先端がスリーブ側フランジ５２側に位置するようにして、スリーブ側フランジ５２と取付フランジ２６を締結してもよい。この場合、球面座金８６ｂは、締結ボルト８６ａとスリーブ５０との間、より具体的には締結ボルト８６ａの頭部と取付フランジ２６との間に挟み込まれてもよい。

図１１は、ある実施の形態に係るコールドヘッド装着構造の一部を模式的に示す図である。コールドヘッド２２をスリーブ５０に装着するためにスリーブ５０内へと押し込む作業において、例えば油圧ジャッキなどの加圧装置９０の押圧力をコールドヘッド２２に伝達するために、コールドヘッド２２の駆動部４０の上面にジグ８８が設置される場合がある。ジグ８８は、加圧装置９０とコールドヘッド２２の駆動部４０との間に挟み込まれている。コールドヘッド２２の駆動部４０の上面に突起がある場合には、この突起を受ける凹部がジグ８８に設けられてもよい。

図示されるように、加圧装置９０に対するジグ８８の接触面を球面または凸曲面とすることにより、スリーブ５０に対してコールドヘッド２２がわずかに傾いていたとしても、加圧装置９０の押圧力を面内で均一化してコールドヘッド２２の冷却ステージをスリーブ５０の伝熱ステージに均一に押し当てることができる。

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

上述の実施の形態では、極低温冷凍機２０が二段式のＧＭ冷凍機である場合を例として説明しているが、極低温冷凍機２０は、単段式のＧＭ冷凍機であってもよい。この場合、コールドヘッド装着構造は、コールドヘッド２２が１つの冷却ステージをもつことに対応して、１つの伝熱ステージを有する。また、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。

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、 １２ 真空容器、 １３ 真空領域、 １６ 周囲環境、 １８ 気密領域、 ２０ 極低温冷凍機、 ２２ コールドヘッド、 ２６ 取付フランジ、 ４０ 駆動部、 ４０ａ 駆動モータ、 ４０ｂ 駆動部ハウジング、 ４２ａ 板状部、 ４２ｂ 突出部、 ４６ シール部材、 ５０ スリーブ、 ５２ スリーブ側フランジ、 ７０ 主ガイド、 ７２ 主ガイドピン、 ７４ 主ガイド穴、 ７６ 副ガイド、 ８０ 錘部材、 ８２，８６ 締結構造、 ８６ａ 締結ボルト、 ８６ｂ 球面座金。

Claims (12)

1. 極低温冷凍機のコールドヘッドを真空容器に装着するためのコールドヘッド装着構造であって、
   前記真空容器に設置され、前記コールドヘッドが取り付けられるコールドヘッド収容スリーブであって、前記真空容器内の真空領域から隔離された気密領域を前記コールドヘッドとの間に形成するコールドヘッド収容スリーブと、
   前記コールドヘッド収容スリーブの中心軸に対して片側に配置され、前記中心軸に対する前記コールドヘッドの傾動を拘束するとともに前記中心軸の方向に前記コールドヘッドの移動を案内するように構成された主ガイドと、を備えることを特徴とするコールドヘッド装着構造。
2. 前記主ガイドは、前記コールドヘッド収容スリーブの中心軸に対して前記コールドヘッドの駆動モータとは反対側に配置されることを特徴とする請求項１に記載のコールドヘッド装着構造。
3. 前記コールドヘッド収容スリーブは、前記コールドヘッドの取付フランジと結合されるスリーブ側フランジを備え、
   前記主ガイドは、前記取付フランジおよび前記スリーブ側フランジのうち一方に設けられ、前記中心軸の方向に延在する主ガイドピンと、前記取付フランジおよび前記スリーブ側フランジのうち他方に設けられた主ガイド穴とを備え、前記主ガイドピンが前記主ガイド穴に前記中心軸の方向に摺動可能に係合することを特徴とする請求項１に記載のコールドヘッド装着構造。
4. 前記コールドヘッドの前記取付フランジは、板状部と、前記板状部から前記中心軸の方向に突出する突出部を備え、
   前記主ガイドピンは、前記スリーブ側フランジに設けられ、前記主ガイド穴は、前記取付フランジの前記突出部に設けられていることを特徴とする請求項３に記載のコールドヘッド装着構造。
5. 前記コールドヘッド収容スリーブの中心軸と平行な前記主ガイドの中心軸まわりの前記コールドヘッドの回転を拘束するとともに前記中心軸の方向に前記コールドヘッドの移動を許容するように構成された副ガイドをさらに備え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コールドヘッド装着構造。
6. 前記副ガイドは、前記真空容器の周囲環境から前記気密領域をシールするように前記コールドヘッドと前記コールドヘッド収容スリーブとの間に設けられたシール部材を備えることを特徴とする請求項５に記載のコールドヘッド装着構造。
7. 前記副ガイドは、前記コールドヘッド収容スリーブの中心軸に対して前記主ガイドとは反対側に配置され、
   前記副ガイドの副ガイドピンと副ガイド穴との間の副クリアランスが、前記主ガイドの主ガイドピンと主ガイド穴との間の主クリアランスよりも大きいことを特徴とする請求項５に記載のコールドヘッド装着構造。
8. 前記コールドヘッド収容スリーブに前記コールドヘッドを締結する締結ボルトと、前記締結ボルトと前記コールドヘッド収容スリーブまたは前記コールドヘッドとの間に挟み込まれた球面座金とを備える締結構造をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のコールドヘッド装着構造。
9. コールドヘッドと、
   真空領域を内部に定める真空容器と、
   前記真空容器に設置され、前記コールドヘッドが取り付けられるコールドヘッド収容スリーブであって、前記コールドヘッドとの間に前記真空領域から隔離された気密領域を形成するコールドヘッド収容スリーブと、
   前記コールドヘッド収容スリーブの中心軸に対して片側に配置され、前記中心軸に対する前記コールドヘッドの傾動を拘束するとともに前記中心軸の方向に前記コールドヘッドの移動を案内するように構成された主ガイドと、を備えることを特徴とする極低温装置。
10. 前記コールドヘッドは、
    前記コールドヘッドを駆動する駆動モータと、
    前記コールドヘッド収容スリーブと結合される取付フランジと、
    前記駆動モータが取り付けられ、前記取付フランジ上に設けられた駆動部ハウジングと、
    前記駆動モータとは反対側で前記取付フランジ及び／または前記駆動部ハウジングに取り外し可能に取り付けられた錘部材と、を備えることを特徴とする請求項９に記載の極低温装置。
11. 駆動モータと、
    取付フランジと、
    前記駆動モータが取り付けられ、前記取付フランジ上に設けられた駆動部ハウジングと、を備え、
    前記取付フランジ及び／または前記駆動部ハウジングは、錘部材を取付可能な取付構造を前記駆動モータとは反対側に備えることを特徴とするコールドヘッド。
12. コールドヘッドがコールドヘッド収容スリーブに支持された状態で、錘部材を前記コールドヘッドに取り付けることと、
    前記錘部材を取り付けた状態で前記コールドヘッドを前記コールドヘッド収容スリーブに対して移動させることと、を備えることを特徴とするコールドヘッドのメンテナンス方法。

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