JP2024060436A - コールドヘッド装着構造および極低温装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スリーブレスのコールドヘッド装着構造を提供する。
【解決手段】コールドヘッド装着構造５０は、第１被冷却物と熱的に結合され、コールドヘッド２０ａの第１冷却ステージ２２ａに対応して設けられた第１伝熱ステージ５２ａと、第２被冷却物と熱的に結合され、コールドヘッド２０ａの第２冷却ステージ２２ｂに対応して設けられた第２伝熱ステージ５２ｂと、真空容器３０の周囲環境１４から真空領域３２を隔絶するとともに真空容器３０に対するコールドヘッド２０ａの軸方向移動を許容するようにコールドヘッド２０ａを真空容器３０に接続する気密接続部５４と、を備える。第１伝熱ステージ５２ａと気密接続部５４とが、離間して配置され、互いに熱的に切り離され、かつ、第２伝熱ステージ５２ｂと気密接続部５４とが、離間して配置され、互いに熱的に切り離されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、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、および、そうしたコールドヘッド装着構造を備える極低温装置に関する。

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２００４－５３０６８号公報

上述のメンテナンススリーブでは、極低温冷却中、コールドヘッドをスリーブに良好に熱接触させるために強い力でコールドヘッドがスリーブに押し付けられる。そのため、スリーブはこれに耐えるよう頑丈でなければならない。加えて、スリーブには気密性を保持する強固な構造が求められる。その結果、このスリーブを伝熱経路とする真空容器の周囲環境からその内部の極低温環境への熱侵入が比較的大きくなりうることが懸念される。また、構造上の要件を満たすために、メンテナンススリーブは、比較的複雑な構造をとり、また製造コストも高くなりがちである。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、スリーブレスのコールドヘッド装着構造を提供することにある。

本発明のある態様によると、極低温冷凍機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。真空容器内の真空領域には、第１被冷却物および第２被冷却物が配置される。コールドヘッドは、第１被冷却物を冷却するために第１冷却温度に冷却される第１冷却ステージと、第２被冷却物を冷却するために第１冷却温度よりも低い第２冷却温度に冷却される第２冷却ステージとを備える。コールドヘッド装着構造は、第１被冷却物と熱的に結合され、第１冷却ステージに対応して設けられた第１伝熱ステージと、第２被冷却物と熱的に結合され、第２冷却ステージに対応して設けられた第２伝熱ステージと、真空容器の周囲環境から真空領域を隔絶するとともに真空容器に対するコールドヘッドの軸方向移動を許容するようにコールドヘッドを真空容器に接続する気密接続部と、を備える。第１伝熱ステージと気密接続部とが、離間して配置され、互いに熱的に切り離され、かつ、第２伝熱ステージと気密接続部とが、離間して配置され、互いに熱的に切り離されている。

本発明のある態様によると、極低温装置は、第１被冷却物および第２被冷却物が配置される真空領域を内部に定める真空容器と、第１被冷却物を冷却するために第１冷却温度に冷却される第１冷却ステージと、第２被冷却物を冷却するために第１冷却温度よりも低い第２冷却温度に冷却される第２冷却ステージとを備え、真空容器に装着されるコールドヘッドと、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と、を備える。コールドヘッド装着構造は、第１被冷却物と熱的に結合され、第１冷却ステージに対応して設けられた第１伝熱ステージと、第２被冷却物と熱的に結合され、第２冷却ステージに対応して設けられた第２伝熱ステージと、真空容器の周囲環境から真空領域を隔絶するとともに真空容器に対するコールドヘッドの軸方向移動を許容するようにコールドヘッドを真空容器に接続する気密接続部と、を備える。第１伝熱ステージと気密接続部とが、離間して配置され、互いに熱的に切り離され、かつ、第２伝熱ステージと気密接続部とが、離間して配置され、互いに熱的に切り離されている。

本発明によれば、スリーブレスのコールドヘッド装着構造を提供することができる。

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。 実施の形態に係るコールドヘッド装着構造を模式的に示す斜視図である。 実施の形態に係るコールドヘッド装着構造の第１伝熱ステージを模式的に示す平面図である。 変形例に係るコールドヘッド装着構造を模式的に示す図である。 他の実施の形態に係るコールドヘッド装着構造を模式的に示す図である。 図６に示されるコールドヘッド装着構造の第２伝熱ステージを模式的に示す平面図である。 更なる実施の形態に係るコールドヘッド装着構造を模式的に示す図である。 実施の形態に係るコールドヘッド装着構造の気密接続部の他の一例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、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３は、実施の形態に係るコールドヘッド装着構造を模式的に示す斜視図である。図１および図３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。後述するように、コールドヘッド装着構造に対する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を熱接触させ、または熱接触を解除することができる。

極低温装置１０は、被冷却物の一例としての超伝導コイル１２を室温から極低温に冷却するとともに、超伝導コイル１２の使用中、超伝導コイル１２を極低温に維持するように構成される。超伝導コイル１２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。超伝導コイル１２は、超伝導転移温度以下の極低温に冷却された状態で超伝導コイル１２に通電することにより強力な磁場を発生するように構成される。

極低温装置１０は、極低温冷凍機２０と、真空容器３０と、輻射熱シールド４０と、コールドヘッド装着構造５０とを備える。詳細は後述するが、極低温冷凍機２０がコールドヘッド装着構造５０を介して真空容器３０に装着される。コールドヘッド装着構造５０は極低温冷凍機２０とともに、被冷却物を冷却する冷却装置を構成するとも言える。コールドヘッド装着構造５０は、極低温冷凍機２０（及び／または真空容器３０）とともに、極低温冷凍機２０の製造業者により顧客に提供されてもよい。

極低温冷凍機２０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２０は、二段式のコールドヘッド２０ａと、圧縮機２０ｂとを備える。圧縮機２０ｂは、真空容器３０の外側となる周囲環境１４に配置されている。周囲環境１４は例えば室温の大気圧環境である。

圧縮機２０ｂは、極低温冷凍機２０の冷媒ガスをコールドヘッド２０ａ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２０ａに供給するよう構成されている。コールドヘッド２０ａ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２０ｂとコールドヘッド２０ａとの間の冷媒ガスの循環がコールドヘッド２０ａ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２０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２０ａの各冷却ステージが所望の極低温に冷却される。コールドヘッド２０ａと圧縮機２０ｂは、フレキシブル管などの冷媒ガス配管により接続される。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。

コールドヘッド２０ａは、冷却ステージ２２、具体的には、第１冷却ステージ２２ａと第２冷却ステージ２２ｂを備える。極低温冷凍機２０が動作することによって、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。第２冷却温度は、超伝導コイル１２の超伝導転移温度より低い温度である。なお、本書では、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極低温装置１０の部分または構成要素を第１被冷却物と呼び、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極低温装置１０の部分または構成要素を第２被冷却物と呼ぶことがある。

また、コールドヘッド２０ａは、第１シリンダ２４ａと、第２シリンダ２４ｂと、駆動部２６と、取付フランジ２８とを備える。第１シリンダ２４ａは、取付フランジ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とは反対側で取付フランジ２８に取り付けられている。

コールドヘッド２０ａが真空容器３０に装着されるとき、コールドヘッド２０ａは真空容器３０のコールドヘッド挿入口３１に挿入され、取付フランジ２８が真空容器３０の外側でコールドヘッド挿入口３１に取り付けられる。こうして、コールドヘッド２０ａは、第１シリンダ２４ａ、第１冷却ステージ２２ａ、第２シリンダ２４ｂ、第２冷却ステージ２２ｂが真空容器３０内の真空領域３２に配置されるとともに、駆動部２６が周囲環境１４に配置されるようにして、真空容器３０に設置される。

図示される例では、コールドヘッド挿入口３１は、真空容器３０の天板に形成され、コールドヘッド２０ａ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２６を上方にかつ冷却ステージ２２を下方に向けて、真空容器３０に設置される。ただし、コールドヘッド２０ａ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。コールドヘッド挿入口３１は、真空容器３０の側面や底面など任意の面に形成されてもよい。

典型的に、第１シリンダ２４ａと第２シリンダ２４ｂは、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冷却ステージ２２ａと第２冷却ステージ２２ｂはそれぞれ、第１シリンダ２４ａと第２シリンダ２４ｂの先端に固着された円柱状の部材である。第１シリンダ２４ａ、第１冷却ステージ２２ａ、第２シリンダ２４ｂ、第２冷却ステージ２２ｂは、コールドヘッド２０ａの中心軸に沿って同軸に配置されている。

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（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。第１シリンダ２４ａと第２シリンダ２４ｂ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２２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。

極低温冷凍機２０がギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；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ディスプレーサの軸方向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２０ａ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。

なお、図１では例として、１台の極低温冷凍機２０を示しているが、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。極低温冷凍機２０ごとにコールドヘッド装着構造５０が設けられてもよい。

真空容器３０は、真空領域３２を周囲環境１４から隔てるように構成される。真空領域３２は、真空容器３０の内部に定められる。真空容器３０は、例えばクライオスタットであってもよい。超伝導コイル１２、極低温冷凍機２０の冷却ステージ２２、輻射熱シールド４０は、真空領域３２に配置され、周囲環境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を周囲環境１４から隔てる真空容器３０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。真空容器３０内の被冷却物は、図示しない支持部材により真空容器３０の壁に連結され、真空容器３０に支持されてもよい。

輻射熱シールド４０は、コールドヘッド装着構造５０を介して第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、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超伝導コイル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。

コールドヘッド装着構造５０は、コールドヘッド２０ａを真空容器３０に装着するための器具であり、伝熱ステージ５２と、気密接続部５４と、非気密性の支持構造５６とを備える。コールドヘッド装着構造５０は、真空容器３０に対するコールドヘッド２０ａの移動により、コールドヘッド２０ａを真空容器３０内の被冷却物（例えば超伝導コイル１２）と熱的に結合し、またはこの熱的結合を解除するいわば熱スイッチとして真空容器３０に設置されている。

コールドヘッド装着構造５０も、コールドヘッド２０ａに対応して二段式に構成される。よって、伝熱ステージ５２には、第１伝熱ステージ５２ａと第２伝熱ステージ５２ｂが含まれる。第１伝熱ステージ５２ａと第２伝熱ステージ５２ｂはともに、真空容器３０内の真空領域３２に配置される。第１伝熱ステージ５２ａ、第２伝熱ステージ５２ｂはそれぞれ、真空容器３０に対するコールドヘッド２０ａの移動により、第１冷却ステージ２２ａ、第２冷却ステージ２２ｂと接触または離間する。これら伝熱ステージ５２は、冷却ステージ２２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。

第１伝熱ステージ５２ａは、輻射熱シールド４０と第１柔軟伝熱部材５８ａを介して接続される。柔軟伝熱部材は、可撓性をもつように例えば細線の束または箔の積層として形成されてもよく、銅などの高熱伝導材料で形成されてもよい。したがって、第１冷却ステージ２２ａが第１伝熱ステージ５２ａと接触するとき、第１冷却ステージ２２ａは、第１伝熱ステージ５２ａと第１柔軟伝熱部材５８ａを介して、輻射熱シールド４０と熱的に結合される。第１冷却ステージ２２ａが第１伝熱ステージ５２ａから離間するとき、第１冷却ステージ２２ａと輻射熱シールド４０の熱的結合は解除される。

第１伝熱ステージ５２ａが輻射熱シールド４０に対して移動可能に設置されるのに対して、第２伝熱ステージ５２ｂは、剛性の伝熱部材４２に固定される。伝熱部材４２は、直接に、または、可撓性または剛性をもつ追加の伝熱部材を介して、超伝導コイル１２に接続される。こうして、図示の例では、第２伝熱ステージ５２ｂは、伝熱部材４２を介して超伝導コイル１２と熱的に結合される。

第２冷却ステージ２２ｂが第２伝熱ステージ５２ｂと接触するとき、第２冷却ステージ２２ｂは、第２伝熱ステージ５２ｂおよび伝熱部材４２を介して、超伝導コイル１２と熱的に結合される。これにより、第２冷却ステージ２２ｂは、超伝導コイル１２を第２冷却温度に冷却することができる。第２冷却ステージ２２ｂが第２伝熱ステージ５２ｂから離間するとき、第２冷却ステージ２２ｂと超伝導コイル１２の熱的結合は解除される。なお、伝熱部材４２は必須ではなく、第２伝熱ステージ５２ｂは、例えば超伝導コイル１２など、第２冷却温度に冷却される他の部位に固定されてもよい。

気密接続部５４は、周囲環境１４から真空領域３２を隔絶するとともに真空容器３０に対するコールドヘッド２０ａの移動を許容するようにコールドヘッド２０ａを真空容器３０に接続する。気密接続部５４は、真空容器３０のコールドヘッド挿入口３１に設けられている。気密接続部５４にコールドヘッド２０ａが装着されたとき、コールドヘッド２０ａによってコールドヘッド挿入口３１が塞がれ、真空領域３２が周囲環境１４から隔絶される。また、気密接続部５４は、コールドヘッド２０ａがその中心軸の方向に真空容器３０に対して移動可能となるようにコールドヘッド２０ａを支持する。

この実施の形態では、気密接続部５４は、コールドヘッド２０ａの移動方向（すなわち中心軸の方向）に伸縮可能な気密隔壁６０を備え、この気密隔壁６０は例えばベローズである。この伸縮可能な気密隔壁６０は、コールドヘッド２０ａの取付フランジ２８を真空容器３０のコールドヘッド挿入口３１に接続する。気密隔壁６０の外側は周囲環境１４であり、内側にはコールドヘッド２０ａの第１シリンダ２４ａが挿通されており、真空領域３２となっている。気密隔壁６０は、コールドヘッド２０ａがコールドヘッド挿入口３１に挿し込まれる方向に移動するとき（図１では下方に移動するとき）縮み、反対にコールドヘッド２０ａがコールドヘッド挿入口３１から引き抜かれる方向に移動するとき（図２に示されるように上方に移動するとき）伸びる。

また、気密接続部５４は、ガイド部６２を備える。ガイド部６２は、真空容器３０の外側で気密隔壁６１の周囲に配置され、真空容器３０に固定されている。一例として、ガイド部６２は、図３に示されるように、ガイドプレート６２ａと、支持部６２ｂとを備える。ガイドプレート６２ａは、気密隔壁６０を囲むように配置されたリング状のプレートであり、取付フランジ２８と概ね同径であってもよい。支持部６２ｂはガイドプレート６２ａの下側に設けられ、支持部６２ｂを介してガイドプレート６２ａは真空容器３０に取り付けられている。支持部６２ｂはガイドプレート６２ａに沿って周方向に複数箇所（例えば４箇所）に設けられてもよく、そのうち３つの支持部６２ｂが図３に示されている。

コールドヘッド２０ａが気密接続部５４に装着されるとき、コールドヘッド２０ａの取付フランジ２８がガイドプレート６２ａの上面に接触し、例えばボルトなどの締結部材（例えば図９に示す締結ボルト８０）を用いてガイドプレート６２ａと締結される。締結は解除することができ、そのとき取付フランジ２８はガイド部６２に沿って移動可能となる。ガイドプレート６２ａの上面にはガイドピン６２ｃ（図３参照）が立設しており、取付フランジ２８にはこのガイドピン６２ｃに対応するガイド穴が形成されている。ガイドピン６２ｃは、コールドヘッド２０ａの軸方向の移動の際、当該方向に取付フランジ２８をガイドする。

コールドヘッド２０ａを真空容器３０に対して移動させるために、後述するように、コールドヘッド装着構造５０は、コールドヘッド２０ａを真空容器３０に対して昇降させる昇降機構６４を備える。取付フランジ２８には操作プレート２９（図３参照）が設けられ、昇降機構６４はこの操作プレート２９をコールドヘッド２０ａの軸方向に昇降させるように構成されてもよい。昇降機構６４による操作を容易にするために、操作プレート２９は取付フランジ２８から径方向外側に向けて延びている。図３では一例として、２つの操作プレート２９が取付フランジ２８の両側に取り付けられている。操作プレート２９は、取付フランジ２８と一体であってもよい。昇降機構６４は、例えば油圧ジャッキなど、適宜の動力源を有するタイプであってもよいし、人力でコールドヘッド２０ａを昇降させるものであってもよい。昇降機構６４は、常設されてもよいし、必要なとき一時的に設置されてもよい。

非気密性の支持構造５６は、真空容器３０内の真空領域３２に配置される。支持構造５６は、コールドヘッド２０ａの冷却ステージ２２が真空領域３２にさらされるようにコールドヘッド２０ａの周囲に配置される。支持構造５６は、第２伝熱ステージ５２ｂに固定され、第１伝熱ステージ５２ａを第２伝熱ステージ５２ｂに対してコールドヘッド２０ａの軸方向に移動可能に支持する。支持構造５６は、後述のように、第１伝熱ステージ５２ａをコールドヘッド２０ａの軸方向に弾性的に支持してもよい。

ただし、支持構造５６は、第１伝熱ステージ５２ａと第２伝熱ステージ５２ｂを連結するが、真空容器３０には連結されていない。そのため、この実施の形態では、第１伝熱ステージ５２ａと気密接続部５４とが、離間して配置され、互いに熱的に切り離されている。また、第２伝熱ステージ５２ｂと気密接続部５４とが、離間して配置され、互いに熱的に切り離されている。したがって、有利なことに、第１伝熱ステージ５２ａおよび第２伝熱ステージ５２ｂへの周囲環境１４からの入熱は、ゼロとなるか、または実際上無視し得る程度に低減される。

支持構造５６は、より具体的には、第２伝熱ステージ５２ｂから第１伝熱ステージ５２ａへと延びる複数（例えば４本）の支持棒６６を備える。複数の支持棒６６の各々は、一端で第２伝熱ステージ５２ｂに固定され、そこからコールドヘッド２０ａの中心軸と平行に第１伝熱ステージ５２ａを貫通して延びている。支持棒６６は、第１伝熱ステージ５２ａの近傍で終端し、真空容器３０には達していない。支持棒６６は、コールドヘッド２０ａの周囲に、例えば周方向に等間隔に配置されている。

なお、支持構造５６は、第２伝熱ステージ５２ｂではなく、例えば伝熱部材４２または超伝導コイル１２など第２冷却温度に冷却される他の部分に固定されてもよい。例えば、支持棒６６は、第２伝熱ステージ５２ｂの径方向外側で第２被冷却物（例えば伝熱部材４２）に固定されてもよい。

図３に示されるように、コールドヘッド２０ａの周囲には少数の支持棒６６が設けられるにすぎず、コールドヘッド２０ａは、真空容器３０内の真空領域３２に開放されている。よって、コールドヘッド２０ａの周囲の空間は常時、真空領域３２と同じ圧力となる。真空領域３２が真空に保たれている限り、コールドヘッド２０ａの周囲の空間も真空となる。

これは、従来のコールドヘッド装着構造とは異なる。典型的に、従来のコールドヘッド装着構造には、コールドヘッド挿入口３１から真空容器３０内に延びその中にコールドヘッドを収容する気密スリーブが設けられ、このスリーブによってコールドヘッド周囲の空間が真空領域３２から隔絶される。従来のコールドヘッド装着構造ではコールドヘッドは真空領域３２にさらされない。真空領域３２から隔絶されたコールドヘッド周囲の空間は、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ることがある。または、コールドヘッド周囲の空間は真空排気されることもある。しかし、いずれにせよ、コールドヘッド周囲の空間は真空領域３２から隔絶されているから、真空領域３２と異なる圧力（たいてい、真空領域３２よりも高い圧力）となる。

複数の支持棒６６のうち少なくとも１つの支持棒６６は、中空である。すべての支持棒６６が中空であってもよい。支持棒６６が中実のロッドである場合に比べて、支持棒６６の断面積が小さくなり、第１伝熱ステージ５２ａから支持棒６６を通じた第２伝熱ステージ５２ｂへの入熱を低減することができる。

一例として、支持棒６６は、円形の断面を有するが、長方形または六角形など多角形や、Ｌ字状など、他の任意の形状の断面を有してもよい。なお支持棒６６は中実のロッドであってもよい。

支持棒６６は、たとえばガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）のような繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）など、適宜の断熱材料で形成される。あるいは、支持棒６６は、たとえばステンレス鋼など、極低温装置１０において伝熱経路を形成する高熱伝導材料よりも熱伝導率が小さい材料で形成されてもよい。

なお、すべての支持棒６６が同じ形状および寸法を有することは必須ではない。ある支持棒６６が他の支持棒６６と異なる断面をもつことにより、コールドヘッド２０ａがコールドヘッド装着構造５０に押し付けられたとき発生しうる偏荷重の影響が緩和されてもよい。

支持構造５６は、複数の支持棒６６に装着された第１スプリング部６８ａを備える。複数の支持棒６６は、第１スプリング部６８ａを介して第１伝熱ステージ５２ａを弾性的に支持するとともに、コールドヘッド２０ａの軸方向における第１伝熱ステージ５２ａの移動をガイドする。各支持棒６６が第１スプリング部６８ａを有する。第１スプリング部６８ａは、第１伝熱ステージ５２ａの下側で支持棒６６に装着されている。第１スプリング部６８ａは、例えば、コイル状のスプリングまたはその他のスプリングを備えてもよい。

また、支持構造５６は、第１ストッパー７０ａを備える。第１ストッパー７０ａは、コールドヘッド２０ａの軸方向における第２伝熱ステージ５２ｂから離れる向き（つまり、真空容器３０のコールドヘッド挿入口３１に近づく方向）の第１伝熱ステージ５２ａの移動に関してその移動量を規制する。第１ストッパー７０ａは、第１伝熱ステージ５２ａに対して第１スプリング部６８ａとは反対側で支持棒６６に設けられている。第１ストッパー７０ａは、支持棒６６からその径方向に突出した凸部またはフランジ状の部位であり、第１伝熱ステージ５２ａが支持棒６６に沿って移動するとき第１ストッパー７０ａに当たることにより第１伝熱ステージ５２ａの移動が規制される。

なお、第１スプリング部６８ａは、第１伝熱ステージ５２ａの上側で支持棒６６に装着されてもよい。この場合、第１スプリング部６８ａが、第２伝熱ステージ５２ｂから離れる向きの第１伝熱ステージ５２ａの移動を規制する第１ストッパー７０ａとして機能してもよい。

図４は、実施の形態に係る第１伝熱ステージ５２ａを模式的に示す平面図である。図４には、第１伝熱ステージ５２ａをコールドヘッド挿入口３１側から見た上面図を示す。

図示されるように、第１伝熱ステージ５２ａは、中心開口７１と、第１接触面７２と、複数の第１ガイド穴７３とを有する。中心開口７１は、コールドヘッド２０ａのための貫通穴であり、コールドヘッド２０ａがコールドヘッド装着構造５０に装着されるとき、コールドヘッド２０ａの第２シリンダ２４ｂが中心開口７１に挿し通される。第１接触面７２は、中心開口７１を囲む第１伝熱ステージ５２ａの部位であり、第１冷却ステージ２２ａと対向する第１伝熱ステージ５２ａの上面にある。第１冷却ステージ２２ａが第１接触面７２と接触することにより、第１冷却ステージ２２ａと第１伝熱ステージ５２ａが熱的に結合される。

複数の第１ガイド穴７３は、複数の支持棒６６のための貫通穴であり、各第１ガイド穴７３に対応する支持棒６６が挿入され、それにより、第１伝熱ステージ５２ａが支持棒６６に沿ってガイドされることができる。第１ガイド穴７３は、中心開口７１および第１接触面７２よりも径方向外側で、支持棒６６と同様に周方向に等間隔に設けられている。図示されるように、第１伝熱ステージ５２ａは、例えば円板形状を有するが、他の任意の形状を有してもよい。

次に、図１および図２を参照して、真空容器３０に対するコールドヘッド２０ａの移動によってコールドヘッド２０ａと真空容器３０内の被冷却物との熱的な結合とその解除の切替動作を説明する。

図２に示されるように、コールドヘッド２０ａとコールドヘッド装着構造５０の熱接触が解除された状態においては、コールドヘッド２０ａが可動範囲の末端例えば上端に位置する。このとき、コールドヘッド２０ａの取付フランジ２８は、コールドヘッド装着構造５０のガイド部６２から離れている。気密接続部５４の気密隔壁６０は伸長されており、気密接続部５４によって真空領域３２は周囲環境１４から隔絶されている。

また、第１冷却ステージ２２ａが第１伝熱ステージ５２ａから物理的に離れ、第２冷却ステージ２２ｂが第２伝熱ステージ５２ｂから物理的に離れているので、極低温冷凍機２０から真空容器３０内の被冷却物（例えば輻射熱シールド４０および超伝導コイル１２）への伝熱経路は遮断される。

第１伝熱ステージ５２ａは初期位置にある。例えば、第１伝熱ステージ５２ａは、第１ストッパー７０ａに接触していてもよい。このとき、第１スプリング部６８ａは、未圧縮の中立状態にあり、または第１伝熱ステージ５２ａをいくらかの予荷重で第１ストッパー７０ａに押し当ててもよい。あるいは、第１伝熱ステージ５２ａは、第１ストッパー７０ａからいくらか離れていてもよく、第１スプリング部６８ａは中立状態にあってもよい。

コールドヘッド２０ａと真空容器３０内の被冷却物を熱的に結合するために、上述の昇降機構６４を作動させ、それによりコールドヘッド２０ａがコールドヘッド装着構造５０へと押し込まれる。このとき、コールドヘッド２０ａの取付フランジ２８は、コールドヘッド装着構造５０のガイド部６２へと接近し、気密接続部５４の気密隔壁６０は縮む。気密接続部５４によって真空領域３２は依然として周囲環境１４から隔絶されている。

コールドヘッド装着構造５０に対するコールドヘッド２０ａの移動により、第１冷却ステージ２２ａが第１伝熱ステージ５２ａに接近し、やがて物理的に接触する。コールドヘッド２０ａがさらに押し込まれると、第１冷却ステージ２２ａは第１伝熱ステージ５２ａを移動させ、第１伝熱ステージ５２ａは第１スプリング部６８ａを圧縮しながら支持棒６６に沿って移動する。このとき第１伝熱ステージ５２ａの輻射熱シールド４０に対する移動は第１柔軟伝熱部材５８ａによって許容される。

図１に示されるように、コールドヘッド２０ａの取付フランジ２８がコールドヘッド装着構造５０のガイド部６２に接触すると（すなわち上述のように、取付フランジ２８がガイドピン６２ｃに沿って移動しガイドプレート６２ａに接触すると）、コールドヘッド２０ａの移動は止まる。このとき、第２冷却ステージ２２ｂは、第２伝熱ステージ５２ｂに接触している。例えばボルトなどの締結部材を用いて取付フランジ２８がガイドプレート６２ａと締結され、コールドヘッド２０ａがコールドヘッド装着構造５０に固定される。

このとき、第２冷却ステージ２２ｂと第２伝熱ステージ５２ｂは良好な面接触が可能である。製造上の公差や組み付け作業に起因して、コールドヘッド２０ａの中心軸と第２冷却ステージ２２ｂ（または第２伝熱ステージ５２ｂ）の表面とが完全には垂直でない可能性があるが、そのようなコールドヘッド２０ａのわずかな傾きは、気密接続部５４（気密隔壁６０）の変形による取付フランジ２８のわずかな変位および第１伝熱ステージ５２ａ（第１スプリング部６８ａ）による第１伝熱ステージ５２ａのわずかな変位によって、吸収されうる。このようにして、第２冷却ステージ２２ｂと第２伝熱ステージ５２ｂの面接触が保証され、第２冷却ステージ２２ｂと第２伝熱ステージ５２ｂの間の接触熱抵抗を低減し、伝熱効率を改善することができる。

このようにして、コールドヘッド２０ａが可動範囲の反対側の末端例えば下端まで移動され、コールドヘッド２０ａとコールドヘッド装着構造５０が熱的に結合される。第１冷却ステージ２２ａは第１伝熱ステージ５２ａを介して輻射熱シールド４０と熱的に結合され、輻射熱シールド４０はコールドヘッド２０ａによって第１冷却温度に冷却される。第２冷却ステージ２２ｂは第２伝熱ステージ５２ｂを介して超伝導コイル１２と熱的に結合され、超伝導コイル１２はコールドヘッド２０ａによって第２冷却温度に冷却される。

コールドヘッド２０ａと被冷却物の熱的結合を解除する場合には、まず、コールドヘッド２０ａとコールドヘッド装着構造５０の締結が解除される。そして、上述の昇降機構６４によってコールドヘッド２０ａがコールドヘッド装着構造５０から持ち上げられる。具体的には、コールドヘッド２０ａの取付フランジ２８がコールドヘッド装着構造５０のガイド部６２から離れ、気密接続部５４の気密隔壁６０が伸長される。

コールドヘッド装着構造５０に対するコールドヘッド２０ａの移動により、第１冷却ステージ２２ａが第１伝熱ステージ５２ａから持ち上げられ、第２冷却ステージ２２ｂが第２伝熱ステージ５２ｂから持ち上げられる。第２冷却ステージ２２ｂは、第２伝熱ステージ５２ｂから離れる。一方、第１伝熱ステージ５２ａは第１スプリング部６８ａによって第１冷却ステージ２２ａに押し付けられているため、第１冷却ステージ２２ａの移動量が小さいとき、第１冷却ステージ２２ａと第１伝熱ステージ５２ａの接触が保持されるかもしれない。

そこで、確実に接触を解除するために、第１冷却ステージ２２ａが第１ストッパー７０ａよりも上方まで移動されるように、コールドヘッド２０ａは持ち上げられる。このようにすれば、第１ストッパー７０ａが第１伝熱ステージ５２ａの上方移動を規制することができ、第１冷却ステージ２２ａを第１伝熱ステージ５２ａから確実に離間させることができる。

このようにして、図２に示されるように、第１冷却ステージ２２ａが第１伝熱ステージ５２ａから物理的に離れ、第２冷却ステージ２２ｂが第２伝熱ステージ５２ｂから物理的に離れる。コールドヘッド２０ａと真空容器３０内の被冷却物との熱的な結合は解除され、極低温冷凍機２０から真空容器３０内の被冷却物への伝熱経路は遮断される。コールドヘッド２０ａが輻射熱シールド４０および超伝導コイル１２よりも高い温度例えば室温に昇温されたとしても、真空領域３２が真空に保たれている限り、コールドヘッド２０ａから輻射熱シールド４０および超伝導コイル１２への熱的な影響は限定的であるか、無視しうる。よって、輻射熱シールド４０および超伝導コイル１２はコールドヘッド２０ａと異なる温度（例えば極低温）に維持することができる。

コールドヘッド２０ａと被冷却物との熱的な結合を解除している間に、極低温冷凍機２０のメンテナンスを行うことができる。極低温冷凍機２０を被冷却物から熱的に切り離すことによって、被冷却物を極低温に保持した状態で（あるいは温度上昇を最小限に抑えながら）、極低温冷凍機２０の冷却運転を停止して室温へと昇温し、極低温冷凍機２０のメンテナンスをすることができる。メンテナンスが終了したら、極低温冷凍機２０の冷却運転が再開される。コールドヘッド２０ａが十分に冷却されたときコールドヘッド２０ａと被冷却物を再び結合し、極低温装置１０の運転を再開することができる。被冷却物をコールドヘッド２０ａとともに室温に昇温して極低温冷凍機２０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。

上述のように、従来のコールドヘッド装着構造、すなわち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。極低温冷却中、コールドヘッドをスリーブに良好に熱接触させるためにコールドヘッドがメンテナンススリーブに強い力で押し付けられるので、メンテナンススリーブはこれに耐えるよう頑丈でなければならない。また、メンテナンススリーブによってコールドヘッド周囲の空間が真空容器内の真空領域から隔絶されるから、メンテナンススリーブには気密性を保持する強固な構造が求められる。その結果、このスリーブを伝熱経路とする真空容器の周囲環境からその内部の極低温環境への熱侵入が比較的大きくなりうることが懸念される。また、構造上の要件を満たすために、メンテナンススリーブは、比較的複雑な構造をとり、また製造コストも高くなりがちである。

これに対して、実施の形態によると、スリーブレス、つまりスリーブを持たないコールドヘッド装着構造５０を提供することができる。コールドヘッド装着構造５０は、非気密性の支持構造５６を有し、コールドヘッド２０ａは真空容器３０内の真空領域３２にさらされる。支持構造５６は、気密スリーブを要しない。コールドヘッド装着構造５０は、比較的簡素な構造で実現でき、製造コストも抑えられる。

メンテナンススリーブのように気密スリーブの場合、万一発生した過剰なスリーブ内圧を解放するための安全弁を設置することが実用上望まれる。しかし、実施の形態によると、コールドヘッド装着構造５０は気密スリーブを要しないから、こうした安全弁も不要である。また、メンテナンススリーブの場合、真空容器内の機器への配線のために真空容器に設けられるフィードスルー部とメンテナンススリーブ内のコールドヘッドへの配線のためのフィードスルー部を別々に設ける必要がある。しかし、実施の形態によると、これら配線をまとめることもできる。これらの要因も、製造コストの低減に役立つ。

加えて、第１伝熱ステージ５２ａ、第２伝熱ステージ５２ｂ、および支持構造５６を備える伝熱ステージ組立体は、真空容器３０と直接つながってはいない。上述のように、第１伝熱ステージ５２ａと気密接続部５４とが、離間して配置され、互いに熱的に切り離され、かつ、第２伝熱ステージ５２ｂと気密接続部５４とが、離間して配置され、互いに熱的に切り離されている。したがって、真空容器３０の周囲環境１４からこの伝熱ステージ組立体への入熱は、従来の気密メンテナンススリーブに比べて、顕著に低減される。周囲環境１４から超伝導コイル１２への入熱を抑制でき、有利である。

また、このような伝熱ステージ組立体は、極低温装置１０の製造工程において、あらかじめ組み立ててからこれを真空容器３０に設置することができる。極低温装置１０の組立作業を容易にすることができる。

実施の形態に係るコールドヘッド装着構造５０は、上述の特定の実施の形態には限定されず、ほかにも様々な形態をとりうる。いくつかの具体例を述べる。

上述の実施の形態では、支持構造５６は、複数の支持棒６６を備えるが、他の形状を有してもよい。図５は、変形例に係るコールドヘッド装着構造５０を模式的に示す図である。なお説明の便宜上、図５では、コールドヘッド２０ａを破線で示す。

図示されるように、支持構造５６は、例えば、第２伝熱ステージ５２ｂから第１伝熱ステージ５２ａへと延びる筒状支持部材、例えば支持筒６７を備えてもよい。第２伝熱ステージ５２ｂは、第２被冷却物に固定されている。支持筒６７は、２つの伝熱ステージ間でコールドヘッド２０ａを囲むようにコールドヘッド２０ａの軸方向に延びている。支持筒６７は、真空容器３０には連結されていない。よって、従来の気密メンテナンススリーブとは異なり、コールドヘッド２０ａ周囲の空間は密閉されない。支持筒６７が設けられていても、依然としてコールドヘッド２０ａの第１冷却ステージ２２ａと第２冷却ステージ２２ｂは、真空容器３０内の真空領域３２にさらされる。また、第１伝熱ステージ５２ａと気密接続部５４とが、離間して配置され、互いに熱的に切り離されている。また、第２伝熱ステージ５２ｂと気密接続部５４とが、離間して配置され、互いに熱的に切り離されている。真空容器３０の周囲環境１４から伝熱ステージ組立体への入熱は抑制される。

支持構造５６は、第１伝熱ステージ５２ａをコールドヘッド２０ａの軸方向に弾性的に支持してもよい。第１伝熱ステージ５２ａは、輻射熱シールド４０と第１柔軟伝熱部材５８ａを介して接続される。支持構造５６は、上述の実施の形態と同様に、第１スプリング部６８ａおよび第１ストッパー７０ａを備えてもよい。支持筒６７は、第１スプリング部６８ａを介して第１伝熱ステージ５２ａを弾性的に支持してもよい。第１スプリング部６８ａは、支持筒６７と第１伝熱ステージ５２ａとの間に装着されていてもよい。

第１ストッパー７０ａは、コールドヘッド２０ａの軸方向における第２伝熱ステージ５２ｂから離れる向きの第１伝熱ステージ５２ａの移動に関してその移動量を規制する。図示されるように、第１ストッパー７０ａは、例えば、輻射熱シールド４０などの第１被冷却物に取り付けられていてもよい。あるいは、第１ストッパー７０ａは、支持筒６７に取り付けられていてもよい。第１スプリング部６８ａは、第１ストッパー７０ａと第１伝熱ステージ５２ａとの間に装着されていてもよい。第１ストッパー７０は、第１伝熱ステージ５２ａと輻射熱シールド４０との径方向隙間の少なくとも一部を覆うように構成されてもよい。このような構成によると、当該隙間から侵入する輻射熱を抑制することができる。

図６は、他の実施の形態に係るコールドヘッド装着構造５０を模式的に示す図である。上述の実施の形態と同様に、非気密性の支持構造５６は、コールドヘッド２０ａの冷却ステージ２２が真空容器３０内の真空領域３２にさらされるようにコールドヘッド２０ａの周囲に配置される。支持構造５６は、第１伝熱ステージ５２ａと第２伝熱ステージ５２ｂを連結するが、真空容器３０には連結されていない。第１伝熱ステージ５２ａと気密接続部５４とが、離間して配置され、互いに熱的に切り離されている。また、第２伝熱ステージ５２ｂと気密接続部５４とが、離間して配置され、互いに熱的に切り離されている。したがって、有利なことに、第１伝熱ステージ５２ａおよび第２伝熱ステージ５２ｂへの周囲環境１４からの入熱は、ゼロとなるか、または実際上無視し得る程度に低減される。

ただし、支持構造５６は、第１伝熱ステージ５２ａに固定され、第２伝熱ステージ５２ｂを第１伝熱ステージ５２ａに対してコールドヘッド２０ａの軸方向に移動可能に支持する。支持構造５６は、後述のように、第２伝熱ステージ５２ｂをコールドヘッド２０ａの軸方向に弾性的に支持してもよい。

支持構造５６は、より具体的には、第１伝熱ステージ５２ａから第２伝熱ステージ５２ｂへと延びる複数（例えば４本）の支持棒６６を備える。複数の支持棒６６の各々は、一端で第１伝熱ステージ５２ａに固定され、そこからコールドヘッド２０ａの中心軸と平行に第２伝熱ステージ５２ｂを貫通して延びている。支持棒６６は、第２伝熱ステージ５２ｂの近傍で終端し、真空容器３０には達していない。支持棒６６は、コールドヘッド２０ａの周囲に、例えば周方向に等間隔に配置されている。

なお、支持構造５６は、第１伝熱ステージ５２ａではなく、例えば輻射熱シールド４０など第１冷却温度に冷却される他の部分に固定されてもよい。例えば、支持棒６６は、第１伝熱ステージ５２ａの径方向外側で第１被冷却物（例えば輻射熱シールド４０）に固定されてもよい。

第２伝熱ステージ５２ｂは、伝熱部材４２と第２柔軟伝熱部材５８ｂを介して接続される。超伝導コイル１２は、伝熱部材４２上に設置され、または伝熱部材４２と接続されている。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。第２冷却ステージ２２ｂが第２伝熱ステージ５２ｂと接触するとき、第２冷却ステージ２２ｂは、第２伝熱ステージ５２ｂ、第２柔軟伝熱部材５８ｂ、伝熱部材４２を介して、超伝導コイル１２と熱的に結合される。これにより、第２冷却ステージ２２ｂは、超伝導コイル１２を第２冷却温度に冷却することができる。なお、伝熱部材４２は必須ではなく、第２伝熱ステージ５２ｂは、超伝導コイル１２と第２柔軟伝熱部材５８ｂを介して接続されてもよい。

支持構造５６は、複数の支持棒６６に装着された第２スプリング部６８ｂを備える。複数の支持棒６６は、第２スプリング部６８ｂを介して第２伝熱ステージ５２ｂを弾性的に支持するとともに、コールドヘッド２０ａの移動方向における第２伝熱ステージ５２ｂの移動をガイドする。各支持棒６６が第２スプリング部６８ｂを有する。第２スプリング部６８ｂは、第２伝熱ステージ５２ｂの下側で支持棒６６に装着されている。第２スプリング部６８ｂは、例えば、コイル状のスプリングまたはその他のスプリングを備えてもよい。

また、支持構造５６は、第２ストッパー７０ｂを備える。第２ストッパー７０ｂは、真空容器３０のコールドヘッド挿入口３１に近づく方向の第２伝熱ステージ５２ｂの移動に関してその移動量を規制する。第２ストッパー７０ｂは、第２伝熱ステージ５２ｂに対して第２スプリング部６８ｂとは反対側で支持棒６６に設けられている。第２ストッパー７０ｂは、支持棒６６からその径方向に突出した凸部またはフランジ状の部位であり、第２伝熱ステージ５２ｂが支持棒６６に沿って移動するとき第２ストッパー７０ｂに当たることにより第２伝熱ステージ５２ｂの移動が規制される。

なお、第２スプリング部６８ｂは、第２伝熱ステージ５２ｂの上側で支持棒６６に装着されてもよい。この場合、第２スプリング部６８ｂが、真空容器３０のコールドヘッド挿入口３１に近づく方向の第２伝熱ステージ５２ｂの移動を規制する第２ストッパー７０ｂとして機能してもよい。

図７は、図６に示されるコールドヘッド装着構造５０の第２伝熱ステージ５２ｂを模式的に示す平面図である。図７には、第２伝熱ステージ５２ｂをコールドヘッド挿入口３１側から見た上面図を示す。

図７に示されるように、第２伝熱ステージ５２ｂは、その中心部に第２接触面７４を有し、第２接触面７４の径方向外側に複数の第２ガイド穴７５を有する。第２接触面７４は、第２冷却ステージ２２ｂと対向する第２伝熱ステージ５２ｂの上面にあり、第２冷却ステージ２２ｂが第２接触面７４と接触することにより、第２冷却ステージ２２ｂと第２伝熱ステージ５２ｂが熱的に結合される。複数の第２ガイド穴７５は、複数の支持棒６６のための貫通穴であり、各第２ガイド穴７５に対応する支持棒６６が挿入され、それにより、第２伝熱ステージ５２ｂが支持棒６６に沿ってガイドされることができる。第２伝熱ステージ５２ｂは、例えば円板形状を有するが、他の任意の形状を有してもよい。

図６および図７に示される実施の形態によっても、スリーブレスのコールドヘッド装着構造５０を提供することができる。真空容器３０に対するコールドヘッド２０ａの移動によってコールドヘッド２０ａと真空容器３０内の被冷却物との熱的な結合とその解除の切替動作が可能である。気密スリーブを要しないので、コールドヘッド装着構造５０は、比較的簡素な構造で実現でき、製造コストも抑えられる。

また、第１伝熱ステージ５２ａ、第２伝熱ステージ５２ｂ、および支持構造５６を備える伝熱ステージ組立体は、真空容器３０と直接つながってはいない。上述のように、第１伝熱ステージ５２ａと気密接続部５４とが、離間して配置され、互いに熱的に切り離され、かつ、第２伝熱ステージ５２ｂと気密接続部５４とが、離間して配置され、互いに熱的に切り離されている。したがって、真空容器３０の周囲環境１４からこの伝熱ステージ組立体への入熱は、従来の気密メンテナンススリーブに比べて、顕著に低減される。周囲環境１４から超伝導コイル１２への入熱を抑制でき、有利である。

上述の実施の形態では、第１伝熱ステージ５２ａと第２伝熱ステージ５２ｂが支持構造５６で連結されている。しかし、これに代えて、以下に述べるように、第１伝熱ステージ５２ａと第２伝熱ステージ５２ｂが分離されたコールドヘッド装着構造５０も可能である。

図８は、更なる実施の形態に係るコールドヘッド装着構造５０を模式的に示す図である。この実施の形態においても、上述の実施の形態と同様に、第１伝熱ステージ５２ａと気密接続部５４とが、離間して配置され、互いに熱的に切り離されている。また、第２伝熱ステージ５２ｂと気密接続部５４とが、離間して配置され、互いに熱的に切り離されている。さらに、第１伝熱ステージ５２ａと第２伝熱ステージ５２ｂとが、離間して配置され、互いに熱的に切り離されている。

第１伝熱ステージ５２ａは、輻射熱シールド４０と第１柔軟伝熱部材５８ａを介して接続される。第１柔軟伝熱部材５８ａは、上述の第１スプリング部６８ａのように、第１伝熱ステージ５２ａを弾性的に支持する機能を果たしてもよい。また、第１伝熱ステージ５２ａの近傍には、第１ストッパー７０ａが設けられている。第１ストッパー７０ａは、コールドヘッド２０ａの軸方向における第２伝熱ステージ５２ｂから離れる向き（つまり、真空容器３０のコールドヘッド挿入口３１に近づく方向）の第１伝熱ステージ５２ａの移動に関してその移動量を規制する。図示されるように、第１ストッパー７０ａは、例えば、輻射熱シールド４０などの第１被冷却物に取り付けられている。

同様にして、第２伝熱ステージ５２ｂは、伝熱部材４２（または超伝導コイル１２）と第２柔軟伝熱部材５８ｂを介して接続される。第２柔軟伝熱部材５８ｂは、上述の第２スプリング部６８ｂのように、第２伝熱ステージ５２ｂを弾性的に支持する機能を果たしてもよい。また、第２伝熱ステージ５２ｂの近傍には、第２ストッパー７０ｂが設けられている。第２ストッパー７０ｂは、真空容器３０のコールドヘッド挿入口３１に近づく方向の第２伝熱ステージ５２ｂの移動に関してその移動量を規制する。図示されるように、第２ストッパー７０ｂは、例えば、伝熱部材４２（または超伝導コイル１２）などの第２被冷却物に取り付けられている。

図８に示される実施の形態によっても、スリーブレスのコールドヘッド装着構造５０を提供することができる。真空容器３０に対するコールドヘッド２０ａの移動によってコールドヘッド２０ａと真空容器３０内の被冷却物との熱的な結合とその解除の切替動作が可能である。気密スリーブを要しないので、コールドヘッド装着構造５０は、比較的簡素な構造で実現でき、製造コストも抑えられる。

また、真空容器３０の周囲環境１４から２つの伝熱ステージへの入熱は、従来の気密メンテナンススリーブに比べて、顕著に低減される。周囲環境１４から超伝導コイル１２への入熱を抑制でき、有利である。さらに、第１伝熱ステージ５２ａと第２伝熱ステージ５２ｂが分離されているので、第１伝熱ステージ５２ａから第２伝熱ステージ５２ｂへの入熱も低減される。

なお、極低温冷却に伴う熱収縮に起因する第１被冷却物および第２被冷却物の変位が十分に小さい場合には、第１伝熱ステージ５２ａが第１被冷却物（例えば輻射熱シールド４０）に固定され、第２伝熱ステージ５２ｂが第２被冷却物（例えば超伝導コイル１２）に固定されてもよい。この場合、第１柔軟伝熱部材５８ａおよび第２柔軟伝熱部材５８ｂは用いられずに、第１伝熱ステージ５２ａ、第２伝熱ステージ５２ｂはそれぞれ、第１被冷却物、第２被冷却物に直接固定されてもよい。

図９は、実施の形態に係るコールドヘッド装着構造５０の気密接続部５４の他の一例を模式的に示す図である。気密接続部５４は、上述の伸縮可能な気密隔壁（以下、第１気密隔壁ともいう）６０に加えて、コールドヘッド挿入口３１を有する装着リング７６と、追加の伸縮可能な気密隔壁（以下、第２気密隔壁ともいう）７８とを備える。第１気密隔壁６０は、コールドヘッド２０ａの取付フランジ２８を装着リング７６に接続し、第２気密隔壁７８は、装着リング７６を真空容器３０に接続する。第２気密隔壁７８は、第１気密隔壁６０と同様に、例えばベローズである。気密接続部５４の外側は周囲環境１４であり、気密接続部５４の内側にはコールドヘッド２０ａの第１シリンダ２４ａが挿通されており、真空容器３０内の真空領域３２となっている。コールドヘッド２０ａの取付フランジ２８は、締結ボルト８０により装着リング７６と締結されている。

気密接続部５４は、コールドヘッド２０ａの軸方向（図において上下方向）及び／または前記軸方向に垂直な横方向（図において左右方向）の移動が許容されるように真空容器３０に取り付けられている。すなわち、装着リング７６が第２気密隔壁７８を介して真空容器３０に接続されているため、装着リング７６およびこれに締結されたコールドヘッド２０ａの取付フランジ２８は、第２気密隔壁７８の伸縮により、真空容器３０にしていくらか変位することが可能である。コールドヘッド２０ａによる極低温冷却は、コールドヘッド２０ａや真空容器３０内の被冷却物に熱収縮をもたらしうる。こうした熱収縮に起因するコールドヘッド２０ａの軸方向及び／または横方向の移動がある程度許容される。

また、真空容器３０内の被冷却物の冷却に伴う熱収縮によって発生しうる応力を逃がすために、取付フランジ２８と締結ボルト８０の頭部との間にスプリング８２が介装されてもよい。

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

上述の実施の形態では、極低温冷凍機２０がＧＭ冷凍機である場合を例として説明しているが、これは必須ではない。ある実施の形態では、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。

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、 １４ 周囲環境、 ２０ 極低温冷凍機、 ２０ａ コールドヘッド、 ２２ 冷却ステージ、 ２２ａ 第１冷却ステージ、 ２２ｂ 第２冷却ステージ、 ３０ 真空容器、 ３２ 真空領域、 ５０ コールドヘッド装着構造、 ５２ 伝熱ステージ、 ５２ａ 第１伝熱ステージ、 ５２ｂ 第２伝熱ステージ、 ５４ 気密接続部、 ５６ 支持構造、 ６６ 支持棒。

Claims (9)

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、前記真空容器内の真空領域に第１被冷却物および第２被冷却物が配置され、前記コールドヘッドは、前記第１被冷却物を冷却するために第１冷却温度に冷却される第１冷却ステージと、前記第２被冷却物を冷却するために前記第１冷却温度よりも低い第２冷却温度に冷却される第２冷却ステージとを備えており、前記コールドヘッド装着構造は、
   前記第１被冷却物と熱的に結合され、前記第１冷却ステージに対応して設けられた第１伝熱ステージと、
   前記第２被冷却物と熱的に結合され、前記第２冷却ステージに対応して設けられた第２伝熱ステージと、
   前記真空容器の周囲環境から前記真空領域を隔絶するとともに前記真空容器に対する前記コールドヘッドの軸方向移動を許容するように前記コールドヘッドを前記真空容器に接続する気密接続部と、を備え、
   前記第１伝熱ステージと前記気密接続部とが、離間して配置され、互いに熱的に切り離され、かつ、前記第２伝熱ステージと前記気密接続部とが、離間して配置され、互いに熱的に切り離されていることを特徴とするコールドヘッド装着構造。
2. 前記コールドヘッドの前記第１冷却ステージおよび前記第２冷却ステージが前記真空領域にさらされるように前記コールドヘッドの周囲に配置される非気密性の支持構造であって、前記第２伝熱ステージまたは前記第２被冷却物に固定され、前記第１伝熱ステージを前記第２伝熱ステージに対して前記コールドヘッドの軸方向に移動可能に支持する支持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。
3. 前記非気密性の支持構造は、前記第１伝熱ステージを前記コールドヘッドの軸方向に弾性的に支持することを特徴とする請求項２に記載のコールドヘッド装着構造。
4. 前記非気密性の支持構造は、前記コールドヘッドの軸方向における前記第２伝熱ステージから離れる向きの前記第１伝熱ステージの移動に関してその移動量を規制するストッパーを備えることを特徴とする請求項２に記載のコールドヘッド装着構造。
5. 前記非気密性の支持構造は、前記第２伝熱ステージから前記第１伝熱ステージへと延びる複数の支持棒を備えることを特徴とする請求項２に記載のコールドヘッド装着構造。
6. 前記コールドヘッドの前記第１冷却ステージおよび前記第２冷却ステージが前記真空領域にさらされるように前記コールドヘッドの周囲に配置される非気密性の支持構造であって、前記第１伝熱ステージまたは前記第１被冷却物に固定され、前記第２伝熱ステージを前記第１伝熱ステージに対して前記コールドヘッドの軸方向に移動可能に支持する支持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。
7. 前記第１伝熱ステージと前記第２伝熱ステージとが、離間して配置され、互いに熱的に切り離されてい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。
8. 前記気密接続部は、前記コールドヘッドの軸方向及び／または前記軸方向に垂直な横方向の移動が許容されるように前記真空容器に取り付けられていることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のコールドヘッド装着構造。
9. 第１被冷却物および第２被冷却物が配置される真空領域を内部に定める真空容器と、
   前記第１被冷却物を冷却するために第１冷却温度に冷却される第１冷却ステージと、前記第２被冷却物を冷却するために前記第１冷却温度よりも低い第２冷却温度に冷却される第２冷却ステージとを備え、前記真空容器に装着されるコールドヘッドと、
   前記コールドヘッドを前記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、
   前記第１被冷却物と熱的に結合され、前記第１冷却ステージに対応して設けられた第１伝熱ステージと、
   前記第２被冷却物と熱的に結合され、前記第２冷却ステージに対応して設けられた第２伝熱ステージと、
   前記真空容器の周囲環境から前記真空領域を隔絶するとともに前記真空容器に対する前記コールドヘッドの軸方向移動を許容するように前記コールドヘッドを前記真空容器に接続する気密接続部と、を備えるコールドヘッド装着構造と、を備え、
   前記第１伝熱ステージと前記気密接続部とが、離間して配置され、互いに熱的に切り離され、かつ、前記第２伝熱ステージと前記気密接続部とが、離間して配置され、互いに熱的に切り離されていることを特徴とする極低温装置。

Images