JP6951889B2 - 極低温冷凍機、及び極低温冷凍機の磁気シールド構造 - Google Patents

Description

本発明は、極低温冷凍機、及び極低温冷凍機の磁気シールド構造に関する。

ギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機に代表される極低温冷凍機は、例えば、磁気共鳴イメージング（Magnetic Resonance Imaging、ＭＲＩ）装置等の超伝導磁石システムを冷却するために用いられる。極低温冷凍機は、超伝導磁石を冷却する液体ヘリウムの再凝縮のために超伝導磁石システムに備えられる。

特開２００８−１３０７４４号公報

一般に、約４．２Ｋ以下の液体ヘリウム温度への冷却を実現する極低温冷凍機には、磁性蓄冷材が用いられる。磁性蓄冷材は、超伝導磁石などの磁場発生源が発生させる比較的強い磁場のもとで磁化されうる。磁場環境で磁性蓄冷材が運動すると、磁気ノイズが生じうる。例えばＧＭ冷凍機の場合、磁性蓄冷材がディスプレーサに収容されている。ディスプレーサの往復動に伴い磁性蓄冷材も運動し、ＧＭ冷凍機の周囲に磁気ノイズを発生させうる。磁気ノイズは、極低温冷凍機の周囲の磁場を変動させ、ＭＲＩ装置またはその他の測定装置の測定精度に影響を与えうる。極低温冷凍機に磁気シールドを付設することによって、磁気ノイズによる周囲環境への影響が軽減されうる。磁気シールドは、例えば１０Ｋ以下の極低温、例えば液体ヘリウム温度に冷却される。

ヘリウム再凝縮用の極低温冷凍機は、磁気シールドとこれに近接する極低温冷凍機の一部分とがヘリウム雰囲気に露出して配置される場合がある。磁気シールドと極低温冷凍機の当該一部分との間に生じうる温度差がヘリウムガスの対流を引き起こし、その対流に伴う熱伝達が極低温冷凍機の冷凍性能を低下させうる。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、ヘリウム雰囲気で使用される磁気シールド付きの極低温冷凍機について冷凍性能の低下を抑制することにある。

本発明のある態様によると、極低温冷凍機は、ヘリウム液化温度より高い一段温度に冷却される一段冷却ステージと、前記ヘリウム液化温度以下である二段温度に冷却され、ヘリウム雰囲気に配置されるヘリウム凝縮面を有する二段冷却ステージと、前記二段冷却ステージを前記一段冷却ステージに連結するよう軸方向に延在するシリンダと、磁性蓄冷材を備え、前記シリンダ内を軸方向に往復動可能なディスプレーサと、前記シリンダの外側で前記二段冷却ステージから前記シリンダに沿って軸方向に延在するとともに、前記一段冷却ステージから軸方向離間距離を隔てて配置された筒状磁気シールドであって、前記シリンダと前記筒状磁気シールドとの間には、前記ヘリウム雰囲気に開放された環状空間が形成され、前記環状空間の軸方向深さが前記軸方向離間距離より長い筒状磁気シールドと、前記シリンダと前記筒状磁気シールドとの温度差に起因する前記環状空間でのヘリウムガスの軸方向対流を抑制する対流抑制部材であって、前記環状空間に配置され、前記軸方向離間距離より長い軸方向長さを有する対流抑制部材と、を備える。

本発明のある態様によると、極低温冷凍機は、ヘリウム液化温度より高い一段温度に冷却される一段冷却ステージと、前記ヘリウム液化温度以下である二段温度に冷却され、ヘリウム雰囲気に配置されるヘリウム凝縮面を備える二段冷却ステージと、前記二段冷却ステージを前記一段冷却ステージに連結するよう軸方向に延在するシリンダと、磁性蓄冷材を備え、前記シリンダ内を軸方向に往復動可能なディスプレーサと、前記シリンダの外側で前記二段冷却ステージから前記シリンダに沿って軸方向に延在するとともに、前記一段冷却ステージから軸方向離間距離を隔てて配置された筒状磁気シールドであって、前記シリンダと前記筒状磁気シールドとの間には、前記ヘリウム雰囲気に開放された環状空間が形成され、前記環状空間の軸方向深さが前記軸方向離間距離より長い筒状磁気シールドと、前記環状空間から前記筒状磁気シールドの外へと液体ヘリウムが流出するよう前記筒状磁気シールドまたは前記二段冷却ステージに形成された液体ヘリウム流出孔と、を備える。

本発明のある態様によると、極低温冷凍機の磁気シールド構造であって、前記極低温冷凍機は、ヘリウム液化温度より高い一段温度に冷却される一段冷却ステージと、前記ヘリウム液化温度以下である二段温度に冷却され、ヘリウム雰囲気に配置されるヘリウム凝縮面を備える二段冷却ステージと、前記二段冷却ステージを前記一段冷却ステージに連結するよう軸方向に延在するシリンダと、を備え、前記磁気シールド構造は、前記シリンダの外側で前記二段冷却ステージから前記シリンダに沿って軸方向に延在するとともに、前記一段冷却ステージから軸方向離間距離を隔てて配置された筒状磁気シールドであって、前記シリンダと前記筒状磁気シールドとの間には、前記ヘリウム雰囲気に開放された環状空間が形成され、前記環状空間の軸方向深さが前記軸方向離間距離より長い筒状磁気シールドと、前記環状空間から前記筒状磁気シールドの外へと液体ヘリウムが流出するよう前記筒状磁気シールドまたは前記二段冷却ステージに形成された液体ヘリウム流出孔と、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、ヘリウム雰囲気で使用される磁気シールド付きの極低温冷凍機について冷凍性能の低下を抑制することができる。

第１の実施の形態に係る極低温冷凍機を概略的に示す図である。 図１に示される極低温冷凍機のＡ−Ａ断面を示す概略図である。 図３（ａ）および図３（ｂ）は、ある典型的な磁気シールド付きの極低温冷凍機の一部を概略的に示す図である。 第２の実施の形態に係る極低温冷凍機を概略的に示す図である。 図４に示される磁気シールド構造の一部を拡大して示す概略図である。 極低温冷凍機の二段冷却部における軸方向の温度プロファイルを例示する図である。 第３の実施の形態に係る極低温冷凍機を概略的に示す図である。 第３の実施の形態に係る極低温冷凍機を概略的に示す図である。 第４の実施の形態に係る極低温冷凍機を概略的に示す図である。

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は、第１の実施の形態に係る極低温冷凍機１を概略的に示す図である。図１には、極低温冷凍機１の内部の構造が概略的に示されている。図２は、図１に示される極低温冷凍機１のＡ−Ａ断面を示す概略図である。

極低温冷凍機１は、蓄冷器部、膨張機、及び圧縮機を備える。たいていの場合、蓄冷器部は膨張機に設けられている。蓄冷器部は、作動ガス（例えばヘリウムガス）を予冷するよう構成されている。膨張機は、蓄冷器部により予冷された作動ガスをさらに冷却するために、予冷された作動ガスを膨張させる空間を備える。蓄冷器部は、膨張により冷却された作動ガスによって冷却されるよう構成されている。圧縮機は、蓄冷器部から作動ガスを回収し圧縮して、蓄冷器部に再び作動ガスを供給するよう構成されている。

二段式の極低温冷凍機１においては、蓄冷器部は、一段蓄冷器と二段蓄冷器とを備える。一段蓄冷器は、圧縮機から供給される作動ガスを一段蓄冷器の低温端温度へと予冷するよう構成されている。二段蓄冷器は、一段蓄冷器により予冷された作動ガスを二段蓄冷器の低温端温度へと予冷するよう構成されている。

図示の極低温冷凍機１は、二段式のＧＭ冷凍機である。極低温冷凍機１は、圧縮機として機能するガス圧縮機３と、膨張機として機能する二段式のコールドヘッド１０とを有する。コールドヘッド１０は、一段冷却部１５と、二段冷却部５０とを有し、これらの冷却部は、室温フランジ１２に同軸となるように連結されている。一段冷却部１５は一段高温端２３ａ及び一段低温端２３ｂを備え、二段冷却部５０は二段高温端５３ａ及び二段低温端５３ｂを備える。一段冷却部１５は二段冷却部５０と直列に接続されている。従って一段低温端２３ｂは二段高温端５３ａに相当する。

一段冷却部１５は、一段シリンダ２０、一段ディスプレーサ２２、一段蓄冷器３０、一段膨張室３１、及び一段冷却ステージ３５を備える。一段シリンダ２０は軸方向Ｑに延在する中空の気密容器である。一段ディスプレーサ２２は、軸方向Ｑに往復運動可能であるように一段シリンダ２０内に設けられている。一段蓄冷器３０は、一段ディスプレーサ２２内に充填された一段蓄冷材を備える。一段蓄冷材は通例、複数枚の金網からなる積層構造を有する。従って一段ディスプレーサ２２は、一段蓄冷材を収容する容器である。一段膨張室３１は、一段低温端２３ｂにおいて一段シリンダ２０内に形成される。一段膨張室３１は、一段ディスプレーサ２２の往復運動により容積が変化する。一段冷却ステージ３５は、一段低温端２３ｂにおいて一段シリンダ２０の外側に取り付けられている。一段冷却ステージ３５には、一段フランジ３６が一段冷却ステージ３５の外周面に沿って設けられている。

一段高温端２３ａ、具体的には一段蓄冷器３０の高温側には、一段蓄冷器３０にヘリウムガスを流出入させるために複数の一段高温側流通路４０が設けられている。一段低温端２３ｂ、具体的には一段蓄冷器３０の低温側には、一段蓄冷器３０と一段膨張室３１との間でヘリウムガスを流出入させるために複数の一段低温側流通路４２が設けられている。一段シリンダ２０と一段ディスプレーサ２２との間には、一段シリンダ２０の内面と一段ディスプレーサ２２の外面との隙間のガス流れを封じる一段シール３９が設けられている。従って、一段高温端２３ａと一段低温端２３ｂとの間の作動ガス流れは一段蓄冷器３０を経由する。

二段冷却部５０は、二段シリンダ５１、二段ディスプレーサ５２、二段蓄冷器６０、二段膨張室５５、及び二段冷却ステージ７２を備える。二段シリンダ５１は二段冷却ステージ７２とともに中空の気密容器を形成する。二段シリンダ５１は、二段冷却ステージ７２を一段冷却ステージ３５に連結するよう軸方向Ｑに延在する。二段シリンダ５１の高温側の端が一段シリンダ２０の低温側の端に接続され、二段シリンダ５１は一段シリンダ２０とともに、ひとつのシリンダ部材を形成する。二段シリンダ５１は一段シリンダ２０に比べて小径である。二段ディスプレーサ５２は、軸方向Ｑに往復運動可能であるように二段シリンダ５１内に設けられている。二段蓄冷器６０は、二段ディスプレーサ５２内に充填された二段蓄冷材を備える。従って二段ディスプレーサ５２は、二段蓄冷材を収容する容器である。

二段冷却ステージ７２は、二段シリンダ５１の内径と概ね同じ内径をもつ短筒状に形成されている。二段冷却ステージ７２の外径は、二段シリンダ５１の外径より大きい。二段冷却ステージ７２は、ヘリウム雰囲気に配置されるヘリウム凝縮面６２を有するステージ底部と、ステージ底部を二段シリンダ５１に接続するステージ側部とを備える。ヘリウム凝縮面６２は、二段冷却ステージ７２の表面のうち、二段膨張室５５とは軸方向Ｑに反対側を向く面に設けられているが、その他の面（すなわちステージ側部）に設けられてもよい。ヘリウム凝縮面６２は、表面積を大きくして熱交換効率を高めるために、フィン状の突起構造を有してもよい。

二段冷却ステージ７２は、二段シリンダ５１の低温側の端に、例えばろう付け接合または溶接により直接接合されている。二段冷却ステージ７２によって二段シリンダ５１が閉じられている。二段膨張室５５は、二段低温端５３ｂにおいて二段ディスプレーサ５２と二段冷却ステージ７２との間に形成され、二段ディスプレーサ５２の往復運動により容積が変化する。

なお、二段冷却ステージ７２は、二段低温端５３ｂにおいて二段シリンダ５１を囲むように二段シリンダ５１の外側に取り付けられてもよい。二段膨張室５５は、二段低温端５３ｂにおいて二段ディスプレーサ５２と二段シリンダ５１との間に形成されてもよい。

二段蓄冷器６０は、非磁性蓄冷材６０ａと磁性蓄冷材６０ｂに仕切られている。非磁性蓄冷材６０ａは、二段蓄冷器６０の高温側領域にあたり、例えば鉛やビスマスなどの非磁性材の二段蓄冷材で構成される。磁性蓄冷材６０ｂは、二段蓄冷器６０の低温側領域にあたり、例えばＨｏＣｕ_２等の磁性材の二段蓄冷材で構成される。磁性蓄冷材６０ｂは、極低温での磁気相転移に伴って比熱が増大する磁性体を蓄冷材として用いたものである。鉛やビスマス、ＨｏＣｕ_２等は球状に形成されており、複数の球状の形成物が集まって二段蓄冷材が構成されている。

二段高温端５３ａ、具体的には二段蓄冷器６０の高温側には、二段蓄冷器６０にヘリウムガスを流出入させるために二段高温側流通路４４が設けられている。図示される極低温冷凍機１においては、二段高温側流通路４４は、一段膨張室３１を二段蓄冷器６０に接続する。二段低温端５３ｂ、具体的には二段蓄冷器６０の低温側には、二段膨張室５５にヘリウムガスを流出入させるために複数の二段低温側流通路５４が設けられている。二段シリンダ５１と二段ディスプレーサ５２との間には、二段シリンダ５１の内面と二段ディスプレーサ５２の外面との隙間のガス流れを封じる二段シール５９が設けられている。従って、二段高温端５３ａと二段低温端５３ｂとの間の作動ガス流れは二段蓄冷器６０を経由する。なお、二段冷却部５０は、二段シリンダ５１と二段ディスプレーサ５２との隙間にいくらかのガス流れが許容されるよう構成されていてもよい。

極低温冷凍機１は、ガス圧縮機３とコールドヘッド１０とを接続する配管７を備える。配管７には高圧バルブ５及び低圧バルブ６が設けられている。極低温冷凍機１は、高圧のヘリウムガスがガス圧縮機３から高圧バルブ５及び配管７を介して一段冷却部１５に供給されるよう構成されている。また、極低温冷凍機１は、低圧のヘリウムガスが一段冷却部１５から配管７及び低圧バルブ６を介してガス圧縮機３に排気されるよう構成されている。

極低温冷凍機１は、一段ディスプレーサ２２及び二段ディスプレーサ５２の往復運動のための駆動モータ８を備える。駆動モータ８により、一段ディスプレーサ２２及び二段ディスプレーサ５２は軸方向Ｑに沿って一体に往復運動する。また、駆動モータ８は、この往復運動に連動して高圧バルブ５の開弁と低圧バルブ６の開弁とを選択的に切り替えるように高圧バルブ５及び低圧バルブ６に連結されている。このようにして、極低温冷凍機１は、作動ガスの吸気行程と排気行程とを適切に切り替えられるよう構成されている。

極低温冷凍機１は、筒状磁気シールド（以下、単に磁気シールドともいう）７０と、対流抑制部材７４とを備える磁気シールド部品７６を備える。磁気シールド７０は、二段冷却ステージ７２に設置されている。対流抑制部材７４は、磁気シールド７０に取り付けられている。

磁気シールド７０は、二段シリンダ５１の外側を二段シリンダ５１に沿って延在している。磁気シールド７０は、二段シリンダ５１の外周面の外側に配置され、二段シリンダ５１の周囲を囲んでいる。磁気シールド７０は、一端が二段冷却ステージ７２に固定され、他端が二段高温端５３ａ（または一段冷却ステージ３５）に向かって延びている。磁気シールド７０は、二段シリンダ５１に比べて径の大きい円筒状の部材であり、二段シリンダ５１と同軸に配置されている。磁気シールド７０の内径は、二段シリンダ５１の外径より大きい。磁気シールド７０の外径は、二段冷却ステージ７２の外径と等しいか、それより大きくてもよい。

磁気シールド７０は、二段冷却ステージ７２に熱的に結合され、二段冷却ステージ７２の温度（例えば約４．２Ｋ以下の温度）に冷却される。磁気シールド７０は、一段冷却部１５とは物理的に接触していない。磁気シールド７０の軸方向上端は、一段冷却ステージ３５から軸方向に離れている。磁気シールド７０は、二段シリンダ５１とも物理的に接触していない。磁気シールド７０の内面は、二段シリンダ５１の外面から径方向に離れている。

極低温冷凍機１は、液体ヘリウムの再凝縮のために使用可能である。一段冷却部１５の一部と二段冷却部５０は、ヘリウム雰囲気に配置される。極低温冷凍機１は、一段フランジ３６を介して液体ヘリウム槽３８に設置されうる。液体ヘリウム槽３８の開口部を密封するように一段フランジ３６が取り付けられる。こうして、極低温冷凍機１のうち一段フランジ３６よりも低温側の部分が、液体ヘリウム槽３８内に露出され、ヘリウム雰囲気に配置される。よって、二段シリンダ５１、二段冷却ステージ７２、及び磁気シールド部品７６は、ヘリウム雰囲気に配置される。言い換えれば、二段シリンダ５１、二段冷却ステージ７２、及び磁気シールド部品７６の表面は、極低温冷凍機１の使用に際し、ヘリウムガスに接触している。

磁気シールド７０は、二段シリンダ５１の外側で二段冷却ステージ７２から二段シリンダ５１に沿って軸方向Ｑに延在するとともに、一段冷却ステージ３５から軸方向離間距離Ｌ１を隔てて配置されている。軸方向離間距離Ｌ１は、一段冷却ステージ３５の軸方向下端から磁気シールド７０の軸方向上端までの軸方向距離に相当する。

二段シリンダ５１と磁気シールド７０との間には、ヘリウム雰囲気に開放された環状空間７８が形成されている。環状空間７８の軸方向上端が開放され、環状空間７８の軸方向下端は閉じられている。環状空間７８の底面７８ａは、二段冷却ステージ７２の上面により定められている。また、径方向については、環状空間７８は、二段シリンダ５１の外周面と磁気シールド７０の内周面とにより定められている。環状空間７８は、軸方向Ｑまわりの周方向に連続している。

環状空間７８の軸方向深さＬ２は、軸方向離間距離Ｌ１より長い。環状空間７８の軸方向深さＬ２は、磁気シールド７０の軸方向上端から二段冷却ステージ７２の軸方向上端までの軸方向距離に相当する。環状空間７８の軸方向深さＬ２は、より長くてもよく、例えば、軸方向離間距離Ｌ１の２倍、５倍、または１０倍より長くてもよい。ただし、環状空間７８の軸方向深さＬ２は、磁気シールド７０（または磁気シールド部品７６）の軸方向長さより短い。

ここで、軸方向離間距離Ｌ１および環状空間７８の軸方向深さＬ２は、周方向に全周にわたって一定であるが、これに限られない。軸方向離間距離Ｌ１および環状空間７８の軸方向深さＬ２が周方向（または径方向）に変化する場合、軸方向離間距離Ｌ１は、一段冷却ステージ３５の下端から磁気シールド７０の軸方向上端までの最小の軸方向距離をいう。環状空間７８の軸方向深さＬ２は、磁気シールド７０の軸方向上端から二段冷却ステージ７２の軸方向上端までの最大の軸方向距離をいう。

環状空間７８の軸方向深さＬ２を長くすることは、磁気シールド７０の軸方向長さを延ばすことに相当する。磁気シールド７０は、軸方向Ｑに比較的深い環状空間７８を形成するように、二段冷却ステージ７２から比較的長く延びている。このように、磁気シールド７０が比較的長いことにより、磁性蓄冷材６０ｂの軸方向往復動に伴って発生しうる磁気ノイズが磁気シールド７０の外に伝わるのを防ぎやすい。

磁気シールド７０と二段シリンダ５１との熱的接触を避けるために、磁気シールド７０の内面と二段シリンダ５１の外面との距離、つまり環状空間７８の径方向幅は、例えば０．１ｍｍ以上（例えば２ｍｍ以上、または４ｍｍ以上）であってもよい。磁気シールド７０を過度に径方向に大きくするのを避けるために、環状空間７８の径方向幅は、例えば１０ｍｍ以下（例えば８ｍｍ以下、または６ｍｍ以下）であってもよい。

対流抑制部材７４は、二段シリンダ５１と磁気シールド７０との温度差に起因する環状空間７８でのヘリウムガスの軸方向対流を抑制するために設けられている。対流抑制部材７４は、環状空間７８に配置されている。対流抑制部材７４は、軸方向離間距離Ｌ１より長い軸方向長さを有する。対流抑制部材７４の軸方向長さは、より長くてもよく、例えば、軸方向離間距離Ｌ１の２倍、５倍、または１０倍より長くてもよい。対流抑制部材７４の軸方向長さは、環状空間７８の軸方向深さＬ２と等しい。あるいは、対流抑制部材７４の軸方向長さは、軸方向離間距離Ｌ１より長く、かつ環状空間７８の軸方向深さＬ２より短くてもよい。対流抑制部材７４は、例えばステンレス鋼などの金属材料、またはセラミック、またはその他の比較的熱伝導率の低い材料で形成されている。

対流抑制部材７４は、複数の対流抑制板８０と、対流抑制板８０を支持する支持部８２とを備える。対流抑制板８０は、環状空間７８を複数の環状区画７９へと軸方向に分割するよう環状空間７８に配置されている。対流抑制板８０は、環状空間７８において周方向に延びるリング状または円環状の部分である。対流抑制板８０は、支持部８２から径方向内側に延在する。対流抑制板８０は、二段シリンダ５１との間に径方向に僅かな隙間を有しており、二段シリンダ５１とは接触していない。この径方向隙間は、例えば０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下である。図１においては３つの対流抑制板８０が設けられているが、その数は特に限定されず、いくつでもよい。対流抑制板８０は１つだけであってもよい。

少なくとも１つの対流抑制板８０によって環状空間７８は複数の環状区画７９へと分割される。それにより、ひとつの環状区画７９に生じうる温度差は、環状空間７８に生じうる最大の温度差に比べて、小さくなる。よって、各々の環状区画７９におけるヘリウムガスの対流は抑制され、その結果、対流に伴う熱伝達および冷凍損失が低減される。そのため、極低温冷凍機１の冷凍性能の低下を抑制することができる。

対流抑制板８０と支持部８２は一体形成されていてもよい。あるいは、対流抑制板８０と支持部８２は個別に形成され、対流抑制板８０が支持部８２に取り付けられていてもよい。

なお、必要に応じて、対流抑制部材７４は、環状空間７８を周方向に分割するよう環状空間７８に配置された少なくとも１つの対流抑制壁を備えてもよい。対流抑制壁は支持部８２に沿って軸方向Ｑに延びていてもよい。

支持部８２は、磁気シールド７０に沿って軸方向Ｑに延在しており、対流抑制部材７４の軸方向長さを定める。すなわち、支持部８２の軸方向長さが対流抑制部材７４の軸方向長さに相当する。また、支持部８２は、各対流抑制板８０の軸方向位置を定める。支持部８２は、筒状に形成されており、その外周面が磁気シールド７０の内周面に接触してもよい。支持部８２の内周面は、二段シリンダ５１の外周面との間に隙間をあけて配置されている。この隙間に対流抑制板８０が配置されている。支持部８２の形状は、筒状には限られず、他の形状も可能である。例えば、支持部８２は軸方向Ｑに延在する複数の支持棒であってもよく、これら支持棒が対流抑制板８０の外周に沿って周方向に等角度間隔に取り付けられていてもよい。

このようにして、環状空間７８において比較的広い軸方向長さにわたって、複数の対流抑制板８０を配列することができる。好ましくは、環状空間７８において軸方向全長にわたって、複数の対流抑制板８０を配列することができる。

支持部８２が磁気シールド７０に取り付けられている。支持部８２の軸方向上端が、例えばボルト等の締結部材によって、磁気シールド７０の軸方向上端に取り付けられている。取付のために、支持部８２はその軸方向上端にフランジ部を備えてもよい。支持部８２は、例えばろう付けまたは溶接により磁気シールド７０に接合されてもよい。支持部８２は、接着剤により磁気シールド７０に接着されてもよい。支持部８２を磁気シールド７０に取り付けることによって、複数の対流抑制板８０を個々に磁気シールド７０に取り付ける場合に比べて、取付作業が容易になる。

磁気シールド７０は、二段冷却ステージ７２に直接接合されている。したがって、二段冷却ステージ７２は、磁気シールド部品７６の一部であるともみなされる。極低温冷凍機１の製造工程で、磁気シールド７０を二段冷却ステージ７２に接合することができるので、製造作業が容易となる。磁気シールド７０と二段冷却ステージ７２の直接接合は、例えばろう付け接合によりなされる。磁気シールド７０が純銅などの比較的高融点の金属材料で形成されているので、ろう付け接合が可能である。二段シリンダ５１と二段冷却ステージ７２とのろう付け接合の工程で、磁気シールド７０も同様に接合することができるので、製造作業が容易となる。磁気シールド７０と二段冷却ステージ７２の直接接合は、接着剤による接合であってもよい。

以上のように構成された極低温冷凍機１の動作について説明する。まず、一段ディスプレーサ２２及び二段ディスプレーサ５２がそれぞれ一段シリンダ２０及び二段シリンダ５１内の下死点またはその近傍に位置するとき、高圧バルブ５が開かれる。一段ディスプレーサ２２及び二段ディスプレーサ５２は下死点から上死点に向けて移動する。この間、低圧バルブ６は閉じられている。

ガス圧縮機３から、高圧のヘリウムガスが一段冷却部１５に流入する。高圧のヘリウムガスは、一段高温側流通路４０から一段ディスプレーサ２２の内部に流入し、一段蓄冷器３０によって所定の温度まで冷却される。冷却されたヘリウムガスは、一段低温側流通路４２から一段膨張室３１に流入する。一段膨張室３１へ流入した高圧のヘリウムガスの一部は、二段高温側流通路４４から二段ディスプレーサ５２の内部に流入する。このヘリウムガスは、二段蓄冷器６０によって、さらに低い所定の温度まで冷却され、二段低温側流通路５４から二段膨張室５５に流入する。これらの結果、一段膨張室３１及び二段膨張室５５内は、高圧状態となる。

一段ディスプレーサ２２及び二段ディスプレーサ５２がそれぞれ一段シリンダ２０及び二段シリンダ５１内の上死点またはその近傍に到達すると、高圧バルブ５が閉弁される。それと概ね同時に低圧バルブ６が開かれる。一段ディスプレーサ２２及び二段ディスプレーサ５２は、今度は上死点から下死点に向けて移動する。

一段膨張室３１及び二段膨張室５５内のヘリウムガスは減圧され膨張する。その結果、ヘリウムガスが冷却される。また、一段冷却ステージ３５及び二段冷却ステージ７２がそれぞれ冷却される。低圧のヘリウムガスは、上記と逆の順路を通り、一段蓄冷器３０及び二段蓄冷器６０をそれぞれ冷却しつつ、低圧バルブ６及び配管７を介してガス圧縮機３に戻る。

一段ディスプレーサ２２及び二段ディスプレーサ５２がそれぞれ一段シリンダ２０及び二段シリンダ５１内の下死点またはその近傍に到達すると、低圧バルブ６が閉弁される。それと概ね同時に高圧バルブ５が再び開かれる。

極低温冷凍機１は、以上の動作を１サイクルとし、これを繰り返す。こうして、極低温冷凍機１は、一段冷却ステージ３５、二段冷却ステージ７２においてそれぞれに熱接続された冷却対象物（不図示）から熱を吸収し、冷却することができる。

一段高温端２３ａの温度は、例えば室温である。一段低温端２３ｂ及び二段高温端５３ａ（すなわち一段冷却ステージ３５）の温度は、例えば約２０Ｋ〜約４０Ｋの範囲にある。二段低温端５３ｂ（すなわち二段冷却ステージ７２）の温度は、例えば約４Ｋである。

このように、一段温度はヘリウム液化温度（約４．２Ｋ）より高く、二段温度はヘリウム液化温度以下である。二段冷却ステージ７２のヘリウム凝縮面６２がヘリウム雰囲気に配置されることにより、ヘリウム凝縮面６２は周囲のヘリウムガスを液化することができる。こうして、極低温冷凍機１は、液体ヘリウム槽３８において気化されたヘリウムガスを再凝縮することができる。

磁気シールド７０は、常伝導体で形成されている。本書では、４Ｋまで冷却しても超伝導に転移しない材料を常伝導体という。また、磁気シールド７０は、非磁性金属材料で形成されている。磁気シールド７０は、例えば、純銅のような電気良導体で形成されている。二段冷却ステージ７２は典型的に、高熱伝導率の観点から、銅で形成される。磁気シールド７０は、二段冷却ステージ７２と同一材料で形成されてもよい。磁気シールド７０は、純アルミニウムで形成されてもよい。二段シリンダ５１は例えばステンレス鋼などの金属材料で形成されており、磁気シールド７０は、二段シリンダ５１に比べて低い電気抵抗率を有する材料で形成されている。磁気シールド７０は二段シリンダ５１の全周を囲んでいるので、磁気シールド７０には二段シリンダ５１を周回する電流が流れることができる。

磁気シールド７０は、二段ディスプレーサ５２の往復動による磁性蓄冷材６０ｂの移動範囲の全体にわたって延在する。磁気シールド７０は、軸方向Ｑに関して、磁性蓄冷材６０ｂの移動ストロークを超える長さを有し、磁性蓄冷材６０ｂの移動ストロークを含むように配置されている。磁気シールド７０の軸方向下端は、冷凍機運転に伴い二段ディスプレーサ５２が下死点にある際の磁性蓄冷材６０ｂの最下端よりも下方に位置する。磁気シールド７０の軸方向上端は、冷凍機運転に伴い二段ディスプレーサ５２が上死点にある際の磁性蓄冷材６０ｂの最上端よりも上方に位置する。このようにすれば、磁界中において磁性蓄冷材６０ｂから発生する磁気ノイズの周辺への漏出を十分に遮蔽することができる。

磁界中で磁性蓄冷材６０ｂが軸方向Ｑに往復動すると、磁気シールド７０に鎖交する磁束が変化する。この磁束の変化を打ち消すように、磁気シールド７０に電流が流れる。電流の流れる方向は極低温冷凍機１の配置及び作用する磁場によって異なるが、例えば、軸方向Ｑに沿って、または軸方向Ｑのまわりに周回するように、またはその他の方向に、電流が流れる。この電流により、磁気シールド７０よりも外側の領域の磁場の変化が打ち消される。これにより、磁気シールド７０よりも外側の空間の磁場の乱れを軽減することができる。

このようにして、磁気シールド７０は、磁気シールド７０の内部に生じる磁界変動（例えば、上述のように、磁性蓄冷材６０ｂの周期的な往復運動に起因する磁気ノイズまたは磁界変動）が磁気シールド７０の内部から外部へ伝播するのを遮蔽することができる。また磁気シールド７０は、磁気シールド７０の外部に生じる磁界変動が磁気シールド７０の外部から内部へ伝播するのを遮蔽することもできる。

周期的な往復運動を行う二段ディスプレーサ５２に、鉄等の磁性体や、ステンレス鋼等の微少な磁化を帯びた金属材料が取り付けられている場合、これらの材料も磁場を乱す要因になる。磁気シールド７０は、この磁場の乱れを抑制する効果も併せ持つ。

磁気シールド７０は、電気良導体で形成すればよく、例えばニオブチタン（ＮｂＴｉ）のような比較的高価な超伝導体で形成する必要はない。このため、装置の低価格化を図ることが可能になる。

本発明者の知見によると、磁気シールド７０を純銅で製作し、その肉厚を約５ｍｍ以上とすることにより、良好な変動磁場遮蔽効果を得ることが保証される。また、磁気シールド７０の重量を抑制して取り扱いを容易にするためには、純銅の磁気シールド７０の肉厚は、約１０ｍｍ以下であることが好ましい。また、磁気シールド７０が純アルミニウムで形成される場合、純アルミニウムの磁気シールド７０の肉厚は約５．６ｍｍ以下であることが好ましい。純アルミニウムの磁気シールド７０自体の機械的強度を保証するために、磁気シールド７０の肉厚は、例えば、約０．５ｍｍ以上または約１ｍｍ以上であることが好ましい。磁気シールド７０の肉厚は、磁気シールド７０の周方向に分布を有してもよい。磁気シールド７０の軸方向に垂直な断面の形状は任意であり、円形には限られない。磁気シールド７０は、楕円状またはその他の断面形状を有する筒状の部材であってもよい。

磁気シールド部品７６の内径Ｄｉ（すなわち、対流抑制板８０の内径）は、図１に示されるように、一段シリンダ２０または一段冷却ステージ３５の外径Ｄ１よりも小さい。これにより、磁気シールド部品７６が二段冷却ステージ７２に取り付けられたとき、極低温冷凍機１の全体サイズをコンパクトにまとめることができる。また、磁気シールド部品７６の外径Ｄｏ（すなわち、磁気シールド７０の外径）も、一段シリンダ２０または一段冷却ステージ３５の外径Ｄ１よりも小さくてもよい。このようにすれば、磁気シールド付きの極低温冷凍機１のサイズがさらにコンパクトになる。

図３（ａ）および図３（ｂ）は、ある典型的な磁気シールド付きの極低温冷凍機の一部を概略的に示す図である。第１の実施の形態に係る極低温冷凍機１とは異なり、図示される極低温冷凍機の磁気シールド８４とシリンダ部材８６との間には、ヘリウムガスの対流を抑制する構造が設けられていない。磁気シールド８４、シリンダ部材８６、および二段冷却ステージ８８は、ヘリウム雰囲気に配置されている。

磁気シールド８４とシリンダ部材８６の低温端は、二段冷却ステージ８８によって約４Ｋに冷却される。既述の通り、磁気シールド８４は通例、シリンダ部材８６に比べて高い熱伝導率をもつ金属材料で形成される。そのため、磁気シールド８４の上端部は、比較的良好に冷却され、例えば１０Ｋ未満、または約４Ｋに冷却される。これに対し、シリンダ部材８６は、磁気シールド８４の上端部と同じ軸方向位置において、より高温に冷却され、例えば２０Ｋから３０Ｋに冷却される。このように、磁気シールド８４の軸方向温度分布に比べて、シリンダ部材８６の軸方向温度分布は、より大きな温度差をもつ。

そのため、図３（ａ）に示されるように、磁気シールド８４とシリンダ部材８６の隙間９０において軸方向全長にわたり、ヘリウムガスの対流が発生する。このような軸方向対流（曲線の矢印で示す）は、シリンダ部材８６と磁気シールド８４の間に熱伝達を生じさせ、これは極低温冷凍機１の冷凍損失につながる。また、図３（ｂ）に示されるように、冷却され液化されたヘリウムが隙間９０の底部に溜まる。この液体ヘリウムも、冷凍損失につながる。

ところが、第１の実施の形態に係る極低温冷凍機１においては、対流抑制部材７４が、二段シリンダ５１と磁気シールド７０との温度差に起因する環状空間７８でのヘリウムガスの軸方向対流を抑制するよう環状空間７８に配置されている。これにより、環状空間７８においてヘリウムガスの軸方向対流を抑制することができる。その結果、対流に伴う熱伝達および冷凍損失が低減される。そのため、極低温冷凍機１の冷凍性能の低下を抑制することができる。

対流抑制部材７４の軸方向長さが軸方向離間距離Ｌ１より長いので、極低温冷凍機１に磁気シールド７０が設置された状態で対流抑制部材７４を環状空間７８に挿入して後から取り付けるのは困難である。そこで、対流抑制部材７４は、極低温冷凍機１の製造工程において磁気シールド７０に予め取り付けられ、磁気シールド部品７６が製造される。そして、磁気シールド部品７６が極低温冷凍機１に設置される。このようにして、極低温冷凍機１と磁気シールド部品７６をひとつの製品として提供することが容易である。例えば、極低温冷凍機１の製造業者は、磁気シールド部品７６を極低温冷凍機１に取り付けた状態で、冷凍機の購入者に提供することができる。

図４は、第２の実施の形態に係る極低温冷凍機１を概略的に示す図である。第２の実施の形態に係る極低温冷凍機１は、磁気シールド構造、とくに対流抑制部材７４に関して、第１の実施の形態に係る極低温冷凍機１と異なり、その余については第１の実施の形態に係る極低温冷凍機１と共通する構成をもつ。以下、第２の実施の形態に係る極低温冷凍機１について、第１の実施の形態と異なる構成を中心に説明し、共通する構成については簡単に説明するか、あるいは説明を省略する。

対流抑制部材７４は、複数の対流抑制板８０と、対流抑制板８０を支持し、磁気シールド７０に沿って軸方向Ｑに延在する支持部８２と、を備える。対流抑制板８０は、環状空間７８を複数の環状区画７９へと軸方向に分割するよう環状空間７８に配置されている。支持部８２は磁気シールド７０に取り付けられている。磁気シールド７０は、二段冷却ステージ７２と一体形成され、二段冷却ステージ７２と一体の部品として設けられている。磁気シールド７０、二段冷却ステージ７２、及び対流抑制部材７４から磁気シールド部品７６が構成されている。ヘリウム雰囲気に配置される二段冷却ステージ７２の端面であるヘリウム凝縮面６２は平坦面である。

少なくとも１つの対流抑制板８０が気液分離板９２として設けられている。具体的には、気液分離板９２は、複数の対流抑制板８０のうち軸方向Ｑに最も下方に位置する対流抑制板８０にあたる。気液分離板９２は、他の対流抑制板８０と同様に、環状空間７８において周方向に延びるリング状または円環状の部分であり、支持部８２から径方向内側に延在する。気液分離板９２は、二段シリンダ５１とは接触しない。

気液分離板９２は、環状空間７８を液体ヘリウム区画９４とヘリウムガス区画９６とに分割するよう環状空間７８に配置されている。液体ヘリウム区画９４は、軸方向Ｑに関して気液分離板９２と環状空間７８の底面７８ａとの間に形成される。液体ヘリウム区画９４は、複数の環状区画７９のうち軸方向Ｑに最も下方の環状区画７９にあたる。残りの環状区画７９がヘリウムガス区画９６にあたる。ヘリウムガス区画９６は、隣接する２つの対流抑制板８０の間に、または隣接する対流抑制板８０と気液分離板９２の間に形成される。

また、極低温冷凍機１は、環状空間７８から磁気シールド７０の外へと液体ヘリウムが流出するよう磁気シールド７０または二段冷却ステージ７２に形成された液体ヘリウム流出孔９８を備える。液体ヘリウム流出孔９８は、液体ヘリウム区画９４を磁気シールド部品７６の外のヘリウム雰囲気に連通する。

液体ヘリウム流出孔９８は、環状空間７８の底面７８ａの近傍に形成され、磁気シールド７０を径方向に貫通している。図示されるように極低温冷凍機１が二段冷却ステージ７２を鉛直下向きとして設置されるとき重力の作用により液体ヘリウムが液体ヘリウム区画９４から流れ出るように、液体ヘリウム流出孔９８は、水平方向に形成されている。代案として、破線で示すように、液体ヘリウム流出孔９８は、環状空間７８の底面７８ａから二段冷却ステージ７２を貫通して鉛直下向きに形成されてもよいし、あるいは斜め下向きに形成されてもよい。

液体ヘリウム流出孔９８は、周方向に間隔をあけて複数（例えば２つ）設けられているが、１つだけであってもよい。液体ヘリウム流出孔９８は、例えば直径１ｍｍから５ｍｍ程度、または直径２ｍｍから３ｍｍ程度の小孔である。液体ヘリウムの粘性は小さいので、液体ヘリウムは、液体ヘリウム流出孔９８を通じて流れることができる。

第２の実施の形態に係る極低温冷凍機１においては、環状空間７８において液化された液体ヘリウムが液体ヘリウム区画９４に貯留される。気液分離板９２によって液体ヘリウム区画９４がヘリウムガス区画９６から仕切られているので、液体ヘリウムの再蒸発や対流するヘリウムガスとの熱交換が抑制される。冷凍損失が低減され、極低温冷凍機１の冷凍性能の低下を抑制することができる。

液体ヘリウム流出孔９８が設けられているので、液体ヘリウム区画９４から液体ヘリウムを排出することができる。そのため、液体ヘリウムは液体ヘリウム区画９４に溜まりにくい。これも、冷凍損失の低減に役立つ。

また、対流抑制板８０によって環状空間７８は複数のヘリウムガス区画９６へと分割されている。第１の実施の形態と同様に、各々のヘリウムガス区画におけるヘリウムガスの対流は抑制され、その結果、対流に伴う熱伝達および冷凍損失が低減される。そのため、極低温冷凍機１の冷凍性能の低下を抑制することができる。

図５は、図４に示される磁気シールド構造の一部を拡大して示す概略図である。図示されるように、ヘリウムガス区画９６に配置された対流抑制板８０は、二段シリンダ５１との間に第１径方向隙間Ｇ１を形成する。気液分離板９２は、二段シリンダ５１との間に第２径方向隙間Ｇ２を形成する。第２径方向隙間Ｇ２は、第１径方向隙間Ｇ１より小さい。第１径方向隙間Ｇ１は上述のように、例えば０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下である。第２径方向隙間Ｇ２は、例えば０．１ｍｍ以上０．２ｍｍ以下である。他の対流抑制板８０に比べて、気液分離板９２は、支持部８２から二段シリンダ５１により近接して設けられている。また、液体ヘリウム流出孔９８は、環状空間７８の底面７８ａとほぼ同じ軸方向位置に形成されている。

このようにして、気液分離板９２は、より効果的に液体ヘリウム区画９４をヘリウムガス区画９６から分離することができる。気液分離板９２によって、液体ヘリウムは液体ヘリウム区画９４に封じ込められる。液体ヘリウムの再蒸発や、液体ヘリウムとヘリウムガス区画９６のヘリウムガスとの熱交換を抑制することができ、極低温冷凍機１の冷凍性能の低下を抑制することができる。また、液体ヘリウム区画９４においてヘリウムが凝縮したとしても、液体ヘリウムは液体ヘリウム流出孔９８を通じて排出される。

図６は、極低温冷凍機１の二段冷却部５０における軸方向Ｑの温度プロファイルを例示する図である。図示されるように、二段冷却部５０における軸方向温度プロファイルは、二段高温端５３ａから二段低温端５３ｂへと単調に低下していく。二段高温端５３ａでは温度の低下率が比較的大きく、二段低温端５３ｂでは温度の低下率が比較的小さい。こうした二段冷却部５０の軸方向温度プロファイルは、例えば、二段シリンダ５１の外周面上で複数の異なる軸方向位置で温度を測定することによって取得することができる。あるいは、二段冷却部５０の軸方向温度プロファイルは、シミュレーションによって演算することができる。

気液分離板９２の軸方向位置は、二段冷却部５０の軸方向温度プロファイルに基づいて定められてもよい。ヘリウム液化温度より高いある閾値温度を考える。気液分離板９２は、ヘリウム液化温度より高くかつ閾値温度以下の温度範囲に相当する軸方向位置に配置される。閾値温度は、１０Ｋ以下、８Ｋ以下、６Ｋ以下、または５Ｋ以下の温度であってもよい。図６には、例として、二段冷却部５０（例えば二段シリンダ５１の外周面）において５Ｋとなる軸方向位置に気液分離板９２が配置される場合を示す。このようにすれば、ヘリウムが凝縮される温度領域と凝縮されない温度領域の境界に合わせて気液分離板９２を配置することができる。

図７および図８は、第３の実施の形態に係る極低温冷凍機１を概略的に示す図である。第３の実施の形態に係る極低温冷凍機１は、対流抑制部材７４を除いて、第２の実施の形態に係る極低温冷凍機１と共通する。以下、第３の実施の形態に係る極低温冷凍機１について、第２の実施の形態と異なる構成を中心に説明し、共通する構成については簡単に説明するか、あるいは説明を省略する。

図７に示されるように、対流抑制部材７４は、環状空間７８の少なくとも一部を充填するフェルト状部材１００を備える。フェルト状部材１００は、径方向には対流抑制部材７４の支持部８２と二段シリンダ５１に挟まれている。フェルト状部材１００は、軸方向には気液分離板９２によって支持されている。フェルト状部材１００は、第２の実施の形態におけるヘリウムガス区画９６を充填している。液体ヘリウム区画９４は第２の実施の形態と同様に空洞であり、フェルト状部材１００は液体ヘリウム区画９４には設けられていない。

このようにして、フェルト状部材１００で環状空間７８の少なくとも一部を充填することにより、ヘリウムガスの対流は抑制され、その結果、対流に伴う熱伝達および冷凍損失が低減される。そのため、極低温冷凍機１の冷凍性能の低下を抑制することができる。

また、フェルト状部材１００は柔軟性を有する。よって、極低温冷凍機１に磁気シールド７０が設置された状態でフェルト状部材１００を環状空間７８に挿入して後から取り付けることも可能である。

図８に示されるように、フェルト状部材１００は、環状空間７８の全体に充填されてもよい。この場合、対流抑制部材７４には、対流抑制板８０（および気液分離板９２）が設けられていない。このようにしても、環状空間７８でのヘリウムガスの対流が抑制される。

図８においては、フェルト状部材１００は支持部８２によって支持されているが、これは必須ではない。対流抑制部材７４は、支持部８２を備えなくてもよい。その場合、フェルト状部材１００は、磁気シールド７０と二段シリンダ５１に挟まれて環状空間７８に配置される。

図９は、第４の実施の形態に係る極低温冷凍機１を概略的に示す図である。第４の実施の形態に係る極低温冷凍機１は、対流抑制部材７４を備えない。ただし、第４の実施の形態に係る極低温冷凍機１は、第２の実施の形態と同様に、液体ヘリウム流出孔９８を備える。

したがって、環状空間７８において液化された液体ヘリウムは、液体ヘリウム流出孔９８を通じて外部のヘリウム雰囲気へと排出することができる。液体ヘリウムは環状空間７８に溜まりにくい。よって、環状空間７８における液体ヘリウムの再蒸発や対流するヘリウムガスとの熱交換が抑制される。冷凍損失が低減され、極低温冷凍機１の冷凍性能の低下を抑制することができる。

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。

上述の実施形態は、ＧＭ冷凍機を例として説明したが、実施の形態に係る磁気シールド構造は、スターリング冷凍機、パルス管冷凍機などその他の極低温冷凍機にも適用可能である。

１ 極低温冷凍機、 ３５ 一段冷却ステージ、 ６０ｂ 磁性蓄冷材、 ６２ ヘリウム凝縮面、 ７０ 磁気シールド、 ７２ 二段冷却ステージ、 ７４ 対流抑制部材、 ７８ 環状空間、 ７９ 環状区画、 ８０ 対流抑制板、 ８２ 支持部、 ９２ 気液分離板、 ９４ 液体ヘリウム区画、 ９６ ヘリウムガス区画、 ９８ 液体ヘリウム流出孔、 １００ フェルト状部材。

Claims (10)

1. ヘリウム液化温度より高い一段温度に冷却される一段冷却ステージと、
   前記ヘリウム液化温度以下である二段温度に冷却され、ヘリウム雰囲気に配置されるヘリウム凝縮面を有する二段冷却ステージと、
   前記二段冷却ステージを前記一段冷却ステージに連結するよう軸方向に延在するシリンダと、
   磁性蓄冷材を備え、前記シリンダ内を軸方向に往復動可能なディスプレーサと、
   前記シリンダの外側で前記二段冷却ステージから前記シリンダに沿って軸方向に延在するとともに、前記一段冷却ステージから軸方向離間距離を隔てて配置された筒状磁気シールドであって、前記シリンダと前記筒状磁気シールドとの間には、前記ヘリウム雰囲気に開放された環状空間が形成され、前記環状空間の軸方向深さが前記軸方向離間距離より長い筒状磁気シールドと、
   前記シリンダと前記筒状磁気シールドとの温度差に起因する前記環状空間でのヘリウムガスの軸方向対流を抑制する対流抑制部材であって、前記環状空間に配置され、前記軸方向離間距離より長い軸方向長さを有する対流抑制部材と、を備え、
   前記筒状磁気シールドの一端が、前記二段冷却ステージに固定されていることを特徴とする極低温冷凍機。
2. 前記対流抑制部材は、前記環状空間を複数の環状区画へと軸方向に分割するよう前記環状空間に配置された少なくとも１つの対流抑制板と、前記対流抑制板を支持し、前記筒状磁気シールドに沿って軸方向に延在する支持部と、を備え、
   前記支持部が前記筒状磁気シールドに取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機。
3. 前記少なくとも１つの対流抑制板は、前記環状空間を液体ヘリウム区画とヘリウムガス区画とに分割するよう前記環状空間に配置された気液分離板を含むことを特徴とする請求項２に記載の極低温冷凍機。
4. 前記ヘリウムガス区画に配置された対流抑制板は、前記シリンダとの間に第１径方向隙間を形成し、
   前記気液分離板は、シリンダとの間に前記第１径方向隙間より小さい第２径方向隙間を形成することを特徴とする請求項３に記載の極低温冷凍機。
5. 前記対流抑制部材は、前記環状空間の少なくとも一部を充填するフェルト状部材を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極低温冷凍機。
6. 前記環状空間から前記筒状磁気シールドの外へと液体ヘリウムが流出するよう前記筒状磁気シールドまたは前記二段冷却ステージに形成された液体ヘリウム流出孔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冷凍機。
7. ヘリウム液化温度より高い一段温度に冷却される一段冷却ステージと、
   前記ヘリウム液化温度以下である二段温度に冷却され、ヘリウム雰囲気に配置されるヘリウム凝縮面を備える二段冷却ステージと、
   前記二段冷却ステージを前記一段冷却ステージに連結するよう軸方向に延在するシリンダと、
   磁性蓄冷材を備え、前記シリンダ内を軸方向に往復動可能なディスプレーサと、
   前記シリンダの外側で前記二段冷却ステージから前記シリンダに沿って軸方向に延在するとともに、前記一段冷却ステージから軸方向離間距離を隔てて配置された筒状磁気シールドであって、前記シリンダと前記筒状磁気シールドとの間には、前記ヘリウム雰囲気に開放された環状空間が形成され、前記環状空間の軸方向深さが前記軸方向離間距離より長い筒状磁気シールドと、
   前記環状空間から前記筒状磁気シールドの外へと液体ヘリウムが流出するよう前記筒状磁気シールドまたは前記二段冷却ステージに形成された液体ヘリウム流出孔と、を備え、
   前記筒状磁気シールドの一端が、前記二段冷却ステージに固定されていることを特徴とする極低温冷凍機。
8. 前記液体ヘリウム流出孔は、前記二段冷却ステージの上面により定められた前記環状空間の底面またはその近傍に形成され、前記筒状磁気シールドまたは前記二段冷却ステージを貫通していることを特徴とする請求項６または７に記載の極低温冷凍機。
9. 極低温冷凍機の磁気シールド構造であって、
   前記極低温冷凍機は、ヘリウム液化温度より高い一段温度に冷却される一段冷却ステージと、前記ヘリウム液化温度以下である二段温度に冷却され、ヘリウム雰囲気に配置されるヘリウム凝縮面を備える二段冷却ステージと、前記二段冷却ステージを前記一段冷却ステージに連結するよう軸方向に延在するシリンダと、を備え、
   前記磁気シールド構造は、
   前記シリンダの外側で前記二段冷却ステージから前記シリンダに沿って軸方向に延在するとともに、前記一段冷却ステージから軸方向離間距離を隔てて配置された筒状磁気シールドであって、前記シリンダと前記筒状磁気シールドとの間には、前記ヘリウム雰囲気に開放された環状空間が形成され、前記環状空間の軸方向深さが前記軸方向離間距離より長い筒状磁気シールドと、
   前記環状空間から前記筒状磁気シールドの外へと液体ヘリウムが流出するよう前記筒状磁気シールドまたは前記二段冷却ステージに形成された液体ヘリウム流出孔と、を備え、
   前記筒状磁気シールドの一端が、前記二段冷却ステージに固定されていることを特徴とする磁気シールド構造。
10. 前記液体ヘリウム流出孔は、前記二段冷却ステージの上面により定められた前記環状空間の底面またはその近傍に形成され、前記筒状磁気シールドまたは前記二段冷却ステージを貫通していることを特徴とする請求項９に記載の磁気シールド構造。

Images