JP7451006B2 - 冷却装置及びコールドヘッド交換方法 - Google Patents

Description

本発明は冷却装置及びコールドヘッド交換方法に関し、特に、伝導冷却方式の下でコールドヘッドを交換する際に利用される技術に関する。

冷却方式として、液体又は気体の冷媒を介して冷凍機により被冷却体を冷却する冷媒冷却方式、及び、そのような冷媒を介さずに冷凍機により被冷却体を冷却する伝導冷却方式が知られている。後者の伝導冷却方式では、冷凍機のコールドヘッドが直接的に又は熱伝導体を介して被冷却体に接続される。コールドヘッドは、冷媒循環用の配管を介して圧縮機に連結される。コールドヘッドは、熱を吸収する部分、換言すれば、冷熱を生成する部分であり、冷凍機ユニットとも称されている。長期間にわたってコールドヘッドを使用する場合、コールドヘッドの定期的メンテナンスが必要となる。そのメンテナンスには、例えば、シール部材やバルブ等の消耗品の交換が含まれる。

コールドヘッドのメンテナンス方法として、以下の３つの方法が知られている。第１のメンテナンス方法は、コールドヘッド及び被冷却体の冷却状態を維持したまま、コールドヘッドを解体することにより、コールドヘッドのメンテナンスを行うものである。第２のメンテナンス方法は、コールドヘッド及び被冷却体の冷却状態を維持せず、それらを室温まで昇温させてメンテナンスを行うものである。

第３のメンテナンス方法は、被冷却体の冷却状態を維持したまま、コールドヘッドを取り外した上でコールドヘッドのメンテナンスを行うものである。その場合、通常、コールドヘッド取り外し後、新たなコールドヘッドが配置される。被冷却体を収容した真空容器には、その内部の真空状態を維持しつつコールドヘッドの交換を行えるように、冷凍機ポートが設けられている。冷凍機ポートは、コールドヘッドを収容し隔壁として機能する中空の構造体である。第３のメンテナンス方法によれば、被冷却体の冷却状態を維持できる。また、室温下でコールドヘッドをメンテナンスすることができ、メンテナンス作業性を良好にできるという利点を得られる。

特許文献１及び特許文献２には、上記の第３のメンテナンス方法を前提とした冷却装置が開示されている。特許文献１に開示された冷却装置においては、冷凍機ユニットを受け入れる冷凍機ポートに複数のベローズが設けられている。特許文献２に開示された冷却装置は、冷凍機ポートに対して冷凍機ユニットを結合させる際に機能する結合用アクチュエータ、及び、冷凍機ポートから冷凍機ユニットを離す際に機能する分離用アクチュエータを備えている。特許文献１及び特許文献２のいずれにも、冷凍機ポートの内部の圧力を操作するための構成は認められない。

特開２０１９－２００００３号公報 特表２０１０－５０６１３４号公報

冷凍機ポートに対してコールドヘッドを設置した状態では、冷凍機ポートの内部であるポート空間は気密空間となる。その状態で、コールドヘッドを動作させると、ポート空間内に残留していたガスは凝縮し、ポート空間の圧力は、大気圧に対してかなり低くなり、つまり負圧となる。これにより、コールドヘッドにはそれを押さえ付ける大気圧が加わる。そのような状態で、コールドヘッドを冷却機ポートから引き抜くにはかなり大きな力を要する。それは交換作業性を低下させる要因となる。

本開示の目的は、コールドヘッドをメンテナンスする場合において作業性を良好にすることにある。あるいは、本開示の目的は、コールドヘッドをメンテナンスする場合においてポート空間の圧力を操作することにある。

本開示に係る冷却装置は、被冷却物を収容した真空容器と、前記真空容器に設けられ、前記被冷却物を冷却する冷凍機のコールドヘッドを交換可能に収容するポート空間を備える冷凍機ポートと、前記コールドヘッドの引き抜き前に前記ポート空間にガスを供給して前記ポート空間の圧力を上げるための圧力調整設備と、を含むことを特徴とする。

本開示に係るコールドヘッド交換方法は、真空容器に設けられた冷凍機ポート内に冷凍機のコールドヘッドが配置されている状態で、前記冷凍機ポート内のポート空間へ外部からガスを供給し、これにより前記ポート空間の圧力を高める工程と、前記ポート空間の圧力が高められた後に前記冷凍機ポートから前記コールドヘッドを引き抜く工程と、を含むことを特徴とする。

本開示によれば、コールドヘッドをメンテナンスする場合において作業性を良好にできる。あるいは、本開示によれば、コールドヘッドをメンテナンスする場合においてポート空間の圧力を操作できる。

第１実施形態に係る冷却装置を示す断面図である。 フランジ重合部分を示す平面図である。 第２実施形態に係る冷却装置を示す断面図である。 図３に示した冷却装置の一部分を示す拡大断面図である。 変形例を示す拡大断面図である。 第３実施形態に係る冷却装置を示す断面図である。 図６に示した冷却装置の一部分を示す拡大断面図である。 実施形態に係るコールドヘッド交換方法を示すフローチャートである。 各実施形態に係る冷却装置が設置される設備の一例を示す図である。

以下、実施形態を図面に基づいて説明する。

（１）実施形態の概要
実施形態に係る冷却装置は、真空容器、冷凍機ポート及び圧力調整設備を含む。真空容器は、被冷却物を収容した容器である。冷凍機ポートは、真空容器に設けられたポートであって、それは、被冷却物を冷却する冷凍機のコールドヘッドを交換可能に収容するポート空間を備える。圧力調整設備は、コールドヘッドの引き抜き前にポート空間にガスを供給してポート空間の圧力を上げるための設備である。

上記構成によれば、冷凍機ポートからコールドヘッドを引き抜く前に、圧力調整設備を機能させてポート空間にガスを供給し、ポート空間の圧力を上げられる。よって、外界とポート空間との間の圧力差が解消又は軽減され、圧力差に起因してコールドヘッドに及んでいる力が解消又は軽減される。これにより、コールドヘッドの引き抜き作業が容易となる。

実施形態において、圧力調整設備は、ポート空間へのガスを供給する時のみならず、ポート空間からガスを排出する時にも機能する。更に、他の目的において圧力調整設備が利用されてもよい。実施形態において、冷凍機ポートは、コールドヘッドの全部又は一部を収容する中空の構造体である。冷凍機ポートは、真空容器の内部空間とポート空間とを仕切る隔壁として機能する。

実施形態において、圧力調整設備は、配管及びバルブを含む。配管は、ポート空間に連通するガス流路を有し、冷凍機ポートから引き出されている。バルブは、配管に設けられている。バルブにより、冷凍機の運転時にガス流路が閉止され、コールドヘッドの交換時にガス流路へのガスの供給が許容される。

上記構成によれば、簡易な構成により、ポート空間に対してガスを供給できる。真空容器を貫通するように配管が設けられてもよいし、コールドヘッドのフランジ（取付板）を貫通するように配管が設けられてもよい。前者の構成によれば、既存のコールドヘッドをそのまま用いることが可能となる。

実施形態においては、配管の第１端部が冷凍機ポートに接続され、配管の第２端部が真空容器の外側にまで導かれている。配管における露出部分（真空容器から出ている部分）にバルブが設けられる。この構成を採用する場合、バルブの開閉を手作業で行い得る。もっとも、電気信号によりバルブの開閉を制御してもよい。

実施形態において、冷凍機ポートは、ポート中心軸方向に伸縮するベローズを有する。
冷凍機ポートにおけるベローズの室温側から配管が引き出されている。ベローズは、蛇腹構造であり、変形性を有し、また、熱流入低減作用を発揮する。冷凍機ポートにおける室温側部分から配管を引き出すことにより、コールドヘッドのステージ（熱吸収部、冷熱生成部）から配管を熱的に遠ざけられる。また、上記構成によれば、ベローズが変形しても配管に負荷がかからない又はかかり難いという利点を得られる。

実施形態において、冷凍機ポートは、スリーブ及び台座を有する。スリーブは、ポート空間を取り囲む部材である。台座は、スリーブの冷却側端部に設けられた部材であり、コールドヘッドのステージに対して直接的又は間接的に連結される。冷凍機には、更に、台座とステージの間の連結力が増大するように台座に対して弾性力を及ぼす弾性機構が設けられる。

この構成によれば、弾性機構により、台座とステージとの間の連結力を増大してそれらの間での熱伝導性を良好にできる。弾性機構をスリーブとは別に独立して設けることにより、ベローズ弾性作用によらない、十分な弾性作用を得られる。もっとも、冷凍機ポートの一部に補助的弾性力を生成する部分があってもよい。実施形態においては、弾性機構として、機械的に弾性力を生じさせる機構が設けられる。冷却装置が振動し又は冷却装置に振動が及ぶ状況において、弾性機構による振動の吸収、緩和も期待し得る。冷却装置の姿勢が変化するような場合において、弾性機構によれば、上記の良好な熱伝導性を安定的に得ることが可能となる。

実施形態において、ポート空間は、ポート中心軸方向に並んだ第１ポート空間及び第２ポート空間により構成される。冷凍機ポートは、第１スリーブ、第２スリーブ、第１台座、及び、第２台座を含む。第１スリーブは、第１ポート空間を取り囲む部材である。第２スリーブは、第２ポート空間を取り囲む部材である。第１台座は、第１スリーブの冷却側端部に設けられた部材であって、コールドヘッドの第１ステージに対して直接的又は間接的に連結される。第２台座は、第２スリーブの冷却側端部に設けられた部材であって、コールドヘッドの第２ステージに対して直接的又は間接的に連結される。冷却装置には、更に、第１弾性機構、及び、第２弾性機構が設けられる。第１弾性機構は、第１台座と第１ステージの間の連結力が増大するように第１台座に対して弾性力を及ぼすものである。第２弾性機構は、第２台座と第２ステージの間の連結力が増大するように第２台座に対して弾性力を及ぼすものである。

上記構成は、直列接続された２つの冷熱生成部を備えている２段ステージ構成（２段コールドヘッド）を前提とするものである。第１弾性機構により、第１台座と第１ステージとの間の第１熱伝導性が高められ、第２弾性機構により、第２台座と第２ステージとの間の第２熱伝導性が高められる。実施形態においては、真空容器と第１台座との間に第１弾性機構が設けられており、それとは別に、真空容器と第２台座との間に第２弾性機構が設けられている。すなわち、独立牽引方式が採用されている。そのような構成を採用することにより、第１熱伝導性と第２熱伝導性のそれぞれを確実に良好にできる。２つの弾性機構を連結又は連携させる変形例も考えられる。

実施形態において、第１弾性機構は、第１スリーブの周囲に設けられた複数の第１支持要素を含み、各第１支持要素は弾性部材を含む。第２弾性機構は第１スリーブ及び第２スリーブの周囲に設けられた複数の第２支持要素を含み、各第２支持要素は弾性部材を含む。

上記構成によれば、第１スリーブの外側に複数の第１支持要素が設けられており、また、第２スリーブの外側に複数の第２支持要素が設けられているので、第１スリーブ及び第２スリーブの大型化を回避できる。換言すれば、それらの小型化を図れる。第１スリーブ内の第１スリーブ空間及び第２スリーブ内の第２スリーブ空間の体積をいずれも小さくできるので、ガス消費量を低減し得る。

実施形態において、冷凍機ポートには、ポート空間へ供給されたガスの液化を防止するためのヒーターが設けられている。ヒーターは液化防止手段である。コールドヘッドのメンテナンス時において、コールドヘッドのステージの温度が極低温になっている状態で、ポート空間内にガスを供給すると、そのガスが液化し（又は粒子化し）、ガス供給効果が低減してしまう。あるいは、ガス消費量が上がってしまう。場合によっては、冷却により生じた液体（又は粒子）が熱伝導グリス等の作用を低下させてしまう。上記構成によれば、それらの問題を回避又は低減することが可能となる。

実施形態に係るコールドヘッド交換方法は、第１工程、及び、第２工程を含む。第１工程では、真空容器に設けられた冷凍機ポート内に冷凍機のコールドヘッドが配置されている状態で、冷凍機ポート内のポート空間へ外部からガスを供給し、これによりポート空間の圧力が高められる。第２工程では、ポート空間の圧力が高められた後に冷凍機ポートからコールドヘッドが引き抜かれる。

上記構成によれば、ポート空間の圧力を高めた後にコールドヘッドを引き抜けるので、その引き抜きに際して多大なる力が求められなくなる。これによりコールドヘッド引き抜き時の作業性が良好となる。ポート空間内の圧力を大気圧まで高めるのが望ましいが、ポート空間内の圧力を大気圧よりも低いレベルまで高めてもよい。

実施形態においては、更に、冷凍機ポートへ新たなコールドヘッドを配置した後にポート空間内のガスを外部へ排出する工程が設けられる。この構成によれば、ポート空間内における残留ガスの対流による熱伝導をより低減することが可能となる。

（２）実施形態の詳細
図１には、第１実施形態に係る冷却装置が示されている。図示された冷却装置は、伝導冷却方式に従う冷却装置である。図１においては、ｘ方向及びそれに直交するｚ方向が示されている。ｘ方向及びｚ方向に直交する方向がｙ方向である。図１において、ｙ方向は示されていない。ｘ方向、ｙ方向及びｚ方向は、いずれも、重力が作用する鉛直方向とは必ずしも一致しないが、以下においては、説明の便宜上、図面を基準として、上下左右の用語を用いる。

図示された冷却装置は、冷凍機１０、真空容器１２、及び、冷凍機ポート１４を備える。真空容器１２内に被冷却体１５が設けられている。被冷却体１５は、例えば、磁場生成用の超伝導コイルである。被冷却体１５は、真空容器１２内において、支持機構１８によって支持されている。真空容器１２の内部は真空空間２２である。真空容器１２は、例えば、ステンレスにより構成される。支持機構１８は、断熱材料で構成される複数の支柱２０を有する。各支柱２０は、例えば、高い断熱作用をもったＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ－Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）により構成される。そのようなＦＲＰとして、ガラス繊維を含むＧＦＲＰ、カーボン繊維を含むＣＦＲＰ等があげられる。

冷凍機１０は、コールドヘッド（冷凍機ユニットともいう）１６、及び、圧縮機（圧縮ユニットともいう）４６により構成される。それらは冷媒循環用の配管４４によって接続される。冷凍機１０として、ＧＭ冷凍機、ソルベイ冷凍機、パルスチューブ冷凍機、等があげられる。

真空容器１２には、冷凍機ポート１４が設けられている。冷凍機ポート１４は、コールドヘッド１６を収容する中空の構造体である。その観点から見て、冷凍機ポート１４はコールドヘッドポートである。コールドヘッド１６は、熱交換サイクルを実行する複数の要素を有する。複数の要素には、シリンジ、ピストン等が含まれる。冷凍機ポート１４の内部空間がポート空間４２である。冷凍機ポート１４に対してコールドヘッド１６を取り付けた状態では、ポート空間４２は、外界や真空空間２２から隔離された気密空間となる。

真空容器１２には、円形の開口２５が形成されている。開口２５を取り囲むように、周縁部又は取付台としてのフランジ２８が形成されている。冷凍機ポート１４は、スリーブ２４及び台座３４を有する。スリーブ２４は、円筒状中空体であり、その中間部分にベローズ２６が形成されている。ベローズ２６は、蛇腹構造であって、複数の折り返しの連鎖からなるものであり、冷凍機ポート１４の中心軸方向に伸縮する。ベローズ２６は、室温側から被冷却体１５側への熱伝導による熱流入を抑制する機能を有する。また、ベローズ２６は、変形性を有し、冷凍機ポート１４とコールドヘッド１６との間における規定の空間的関係から実際の空間的関係がずれた場合にそのずれ（寸法差）を吸収する機能を有する。

スリーブ２４の室温側端部（図１において上端部）は開口２５に連結されており、スリーブ２４の冷却側端部（図１において下端部）は台座３４に連結されている。スリーブ２４は、それ全体として、例えばステンレスにより構成される。スリーブ２４におけるベローズ２６の肉厚は、例えば、０．１～０．２ｍｍであり、スリーブ２４におけるベローズ２６以外の部分の肉厚は、例えば、０．２～０．４ｍｍである。本明細書で挙げる数値はいずれも例示に過ぎないものである。

台座３４は、熱伝導性の良好な材料、例えば銅（具体的には無酸素銅）により構成される円板である。図１に示す構成例では、台座３４の第１面（図１において上面）が、熱伝導部材３６を介して、コールドヘッド１６に接続されている。熱伝導部材３６は、例えば、銅からなる円板である。熱伝導部材３６は、コールドヘッド１６のステージ４０の保護等の目的から設けられる。熱伝導部材３６を設けることなく、コールドヘッド１６のステージ４０に対して台座３４を直接的に接合してもよい。

個々の部材間には、必要に応じて、熱伝導グリスが設けられる。図１に示す構成例では、台座３４の第２面（図２において下面）が、熱伝導部材４１を介して、被冷却体１５に接続されている。熱伝導部材４１は、自在に変形し且つ熱伝導性が良好な材料（例えば銅）で構成される。

コールドヘッド１６において、その一部３８が冷凍機ポート１４内に差し込まれている。コールドヘッド１６は、室温側に設けられるフランジ３０を有する。フランジ３０は、鍔状に広がった環状円板としての取付板である。フランジ３０が、図示されていない複数のボルトにより、フランジ２８に取り付けられる。

後述するように、フランジ２８にはリング状の溝が形成されている。その溝の中にはシール部材としてのＯリングが配置されている。フランジ２８とフランジ３０とが重合し締結した状態では、Ｏリングによって、フランジ２８とフランジ３０との間の隙間が完全に封止される。これにより、ポート空間４２が気密空間となる。フランジ２８及びフランジ３０は、例えば、ステンレスにより構成される。フランジ２８とスリーブ２４が溶接等の手法により連結されてもよい。

コールドヘッド１６は、冷却端部としてのステージ４０を有する。コールドヘッド１６で生じた冷熱がステージ４０から、熱伝導部材３６、台座３４、及び、熱伝導部材４１を介して、被冷却体へ伝わる。換言すれば、被冷却体１５の熱が、熱伝導部材４１、台座３４、及び、熱伝導部材３６を介して、ステージ４０により吸収される。このように、伝導冷却方式により、被冷却体１５が冷却される。

冷凍機ポート１４へコールドヘッド１６を設置した後、コールドヘッド１６を動作させると、コールドヘッド１６での冷熱生成に伴って、ポート空間４２内のガス（通常、ヘリウムガス）が凝集し、ポート空間４２の圧力が大気圧よりもかなり低くなる。冷却装置の動作中においては、その状態が維持される。

冷凍機メンテナンスの際、例えば、コールドヘッド１６を含む作業空間それ全体が袋状のカバー６４で覆われる。カバー６４内の大気が除かれた上で、カバー６４内にヘリウムガス等が入れられる。これにより、ポート空間４２への大気の進入が防止される。仮に大気がポート空間４２に進入すると、霜の発生等の問題が生じる。カバー６４は、異物進入を防止する作用も発揮する。

冷凍機メンテナンスの作業において、上述した複数のボルトを緩めただけでは、Ｏリングの作用はそのまま維持されてしまい、すなわち、ポート空間４２の圧力は負圧のままとなる。その状態では、コールドヘッド１６に大気圧がかかっており、コールドヘッド１６を冷凍機ポート１４から引き抜くのには、かなり大きな力を要する。あるいは、その引き抜きを行えない。そこで、実施形態においては、圧力調整設備４８が設けられている。以下、それについて詳述する。

圧力調整設備４８は、図示の構成例において、配管５０及びバルブ５２により構成される。配管５０の第１端部５３は、スリーブ２４に連結されており、配管５０の第２端部５４は、真空容器１２の外部に位置している。配管５０は、真空容器１２における特定の壁（図１において上部壁）を貫通しており、配管５０の一部分が外界に属する露出部分を構成している。その露出部分にバルブ５２が設けられている。特定の壁は、開口２５が形成された壁であり、作業空間に隣接する壁である。コールドヘッド１６の交換作業時の作業性及びバルブ５２の操作性を考慮して、バルブ５２の設置位置が定められる。

配管５０の内部流路は、ポート空間４２に連通している。バルブ５２を閉動作させると、内部流路が閉状態となり、バルブ５２を開動作させると、内部流路が開状態つまり流通状態となる。第１端部５３は、スリーブ２４におけるベローズ２６よりも室温側の部分に連結されている。これにより、配管５０を介した熱流入が抑制されている。ベローズ２６が変形しても配管５０において特段の応力は生じない。

配管５０は、例えばステンレスチューブで構成される。その内径は例えば４～６ｍｍであり、その外径は例えば５～７ｍｍである。バルブ５２として、手作業によりその開閉を行えるものが設けられている。そのようなバルブに代えて電磁バルブその他を利用し得る。電気信号によってバルブ５２の開閉が制御されてもよい。

コールドヘッド１６の引き抜き前に、第２端部５４に対してタンク５８が接続される。その場合、第２端部５４に対して、中継配管５６を介して、タンク５８が接続されてもよい。タンク５８は、ヘリウムガスを収容した小型タンクである。第２端部５４にタンク５８を接続した状態で、バルブ５２を開くと、タンク５８内のヘリウムガスが配管５０の内部空間を通じて、ポート空間４２に送られる。これによりポート空間４２の圧力が大気圧になり又は大気圧に近付く。その状態では、コールドヘッド１６を容易に引き抜ける。

一方、新たなコールドヘッド（メンテナンス後のコールドヘッド１６であってもよい）を冷凍機ポート１４に設置する際には、必要に応じて、第２端部５４に対して吸引ポンプ６０が接続される。その場合にも、第２端部５４に対して、中継配管５６を介して、吸引ポンプ６０が接続されてもよい。ポート空間４２が気密空間となった状態で、バルブ５２を開きつつ、吸引ポンプ６０を動作させることにより、ポート空間４２内の残留ガス（通常、ヘリウムガス）を外部へ排出することが可能となる（符号６２を参照）。

コールドヘッド１６の動作開始後、ポート空間４２内の残留ガスが凝集し、ポート空間４２内の圧力が低下するが、それ以前において、残留ガスをできるだけ少なくしておくことにより、ポート空間４２で生じる対流をより低減することが可能となる。なお、残留ガスの排出後、バルブ５２が閉じられる。図１に示す構成例では、メンテナンス作業時に、カバー６４の中にタンク５８及び吸引ポンプ６０が配置されているが、それらをカバー６４の外側に配置することも可能である。

コールドヘッド１６のフランジ３０を貫通するように配管を設けてもよい。その場合、配管上における大気側にバルブが設けられる。フランジ３０に貫通孔を形成し、その出口側にバルブを設けてもよい。その場合、貫通孔が配管に相当する。もっとも、図１に示した構成によれば、既存のコールドヘッド１６をそのまま利用できるという利点を得られる。配管及びバルブの設置態様として各種のものを採用し得る。

第２端部５４に対して中継配管５６を介してタンク５８及び吸引ポンプ６０が接続された状態が維持されてもよい。その場合、中継配管５６に流路を切り替える切り替え弁を設ければよい。第２端部５４内には、僅かではあるが大気が含まれる。その微量の大気がポート空間４２に入り込まないように、タンク５８の接続時において残留大気を追い出すようにしてもよい。複数の冷凍機ポートから引き出された複数の配管に対して、それらに共通のタンク５８やそれらに共通の吸引ポンプ６０を接続してもよい。

上記構成において、ポート空間４２に供給されるガスを窒素ガス等の他の不活性ガスとしてもよい。冷凍機ポート１４に対して、ガス供給用の配管とガス排出用の配管とを接続してもよい。その場合、それぞれの配管にバルブが設けられる。バルブの概念には逆止弁等の開閉器が含まれる。

カバー６４内にヘリウムガスが充満している状態において、かつ、第２端部５４がカバー６４内に臨んでいる状態において、バルブ５２を開状態としてもよい。その場合、配管５０を介して、ポート空間４２と外界（カバー６４の内部）とが連通し、自然な圧力均衡が生じる。そのような構成を採用する場合、タンク５８は不要となる。

ポート空間４２に対して、柔軟性又は変形性を有する材料、例えば、発泡材としてのウレタンが充填されてもよい。この構成によれば、ポート空間４２においてガスが存在し得る実効体積を小さくでき、これにより、ガス対流による熱流入をより低減することが可能となる。

図２には、フランジ２８及びフランジ３０の結合体（重合体）が示されている。符号３８は、コールドヘッドにおける差し込み部分を示している。その外側であってスリーブ２４の内部がポート空間４２である。フランジ２８には、リング状の溝が形成され、そこにシール作用を発揮するＯリング７０が配置されている。２つのフランジ２８，３０は、ボルト列６８によって締結される。ボルト列６８は、例えば、環状に配置された８個のボルト７１により構成される。ボルト列６８は、Ｏリング７０の外側に設けられている。ポート空間４２の圧力が負圧である場合、複数のボルト７１を緩めても、Ｏリング７０のシール作用はそのまま維持される。このため、上記のように圧力調整設備が設けられている。

図３には、第２実施形態に係る冷却装置が示されている。図３においては、カバーの図示が省略されている。図３において、既に説明した要素と同一の同素には同一の符号を付し、その説明を省略する。このことは、図４以降の各図に示されている要素についても同様である。

図３に示す冷却装置１０Ａにおいて、冷凍機ポート１４の外側には、冷凍機ポート１４を取り囲むように、弾性機構７２が設けられている。冷凍機ポート１４と弾性機構７２は別体化されており、相互に独立して機能する。弾性機構７２は、コールドヘッド１６と台座３４との間における物理的な接合度合い、特に熱伝導性を高めるために、台座に対して大気側へ向く（図４において上方へ向く）弾性力（押圧力）を与えるものである。

図示の例では、台座３４とコールドヘッド１６のステージ４０との間に熱伝導部材３６が配置されている。その場合、台座３４への押圧力の付与により、台座３４と熱伝導部材３６との間の密着度が高められ、同時に、熱伝導部材３６とステージ４０との間の密着度が高められる。

図４には、図３に示した冷却装置１０Ａの一部分が拡大して示されている。弾性機構７２は、冷凍機ポート１４の周囲において均等の角度間隔をもって配置された例えば３つの弾性要素７４により構成される。各弾性要素７４は、それぞれ、独立して台座３４に対して弾性力を与えるものである。４つ以上の弾性要素７４が設けられてもよい。

各弾性要素７４は、具体的には、弾性片７６、支柱７８、及び、連結板８０により構成される。弾性片７６は、ｚ方向に伸長した第１部分７６ａと、その端部からｘ方向に伸長した第２部分７６ｂと、により構成される。図示の例では、弾性片７６は、板バネであって、カンチレバーのように機能する。

具体的には、弾性片７６は、第２部分７６ｂの端部を室温側（図４において上方）へ引き上げる弾性力を生じさせるものである。弾性片７６として、所望のバネ定数を有する弾性片を用いることにより、弾性片７６が生成する弾性力を調整し得る。支柱７８の第１端部は固定部材８２によって第２部分７６ｂに固定されている。支柱７８の第２端部は連結板８０に固定されている。連結板８０は台座３４に連結されている。

弾性片７６が生成した弾性力が、支柱７８及び連結板８０を介して、台座３４へ与えられている。弾性片７６は、例えば、ステンレスにより構成され、連結板８０も、例えば、ステンレスにより構成される。支柱７８は、断熱性の高い材料により構成され、例えば、ＦＲＰにより構成される。

台座３４に対しては、冷凍機ポートの中心軸周りにおいて１２０度の角度間隔をもって、３つの弾性要素７４からの３つの弾性力が及んでいる。より多くの弾性要素７４を設けてもよい。弾性機構７２を冷凍機ポート１４の外側に設けることにより、冷凍機ポート１４のサイズ、具体的にはその直径を小さくすることが可能となる。これにより、ポート空間４２の体積が小さくなるので、残留ガスの総量を少なくできる。その結果、残留ガスの滞留による熱伝導を低減できる。

上述したように、圧力調整設備４８を利用して、ポート空間４２から残留ガスの排出を行えば、残留ガスの対流による熱伝導をより低減することが可能となる。冷凍機ポート１４の小型化により、その物理的強度を高められる。

弾性要素７４の設置数を変更することにより、台座３４に及ぶ総弾性力が調整されてもよい。各弾性要素７４における弾性力又は押圧力を生じさせる手段として、板バネの他、つるまきバネ、皿バネ、等を採用し得る。バネ以外の部材又は機構により弾性力が生成されてもよい。例えば、ワイヤー牽引力、磁力が利用されてもよい。

図４に示す構成例では、冷凍機ポート１４における冷却側端部又はその付近にヒーター８４が設けられている。ヒーター８４は、具体的には、スリーブ２４の外周面に密着している複数のヒーター要素により構成される。

ヘリウムガスをポート空間４２に供給する過程、その他必要なタイミングで、ヒーター８４を動作させることにより、ヘリウムガスの液化（及び粒状化）を防止できる。すなわち、コールドヘッドの冷却状態において、ヘリウムガスをポート空間４２へ供給すると、ヘリウムガスの一部が液化（及び粒状化）してしまうおそれが生じる。その場合、ヘリウムガスの消費量が増大してしまう。あるいは、液化等により、熱伝導グリスの作用が低下する等の問題も懸念される。

ヒーター８４を動作させることにより、ヘリウムガスの液化等を防止して、上述した問題が生じることを未然に防止できる。ヒーター８４をスリーブの内部に設けてもよい。ヒーター８４は、当然ながら、冷凍機の運転中においては動作しないものである。

図５には、変形例が示されている。冷却装置１０Ｂにおいて、冷凍機ポートの外側には弾性機構７２Ａが設けられている。弾性機構７２Ａは、例えば３つの弾性要素７４Ａにより構成される。個々の弾性要素７４Ａは、支柱８８及び弾性片８６により構成される。弾性片８６は、第１部分８６ａ及び第２部分８６ｂにより構成される。支柱８８の第１端部が真空容器１２に連結されている。支柱８８の第２端部が第１部分８６ａに連結されている。第２部分８６ｂは台座３４に連結されている。弾性片８６は、板バネであり、それは、台座３４に対して室温側への弾性力を及ぼすものである。

このような変形例によっても、台座３４に対して、コールドヘッド等との密着度を高めるための弾性力を及ぼすことが可能となる。変形例においても、支柱８８は、断熱性の良好な材料で構成される。

図６には、第３実施形態に係る冷却装置１０Ｃが示されている。冷凍機ポート９６は、第１ポート部分９８及び第２ポート部分１００により構成される。第１ポート部分９８と第２ポート部分１００はｚ方向に連なっている。一方、コールドヘッド１６Ｂは、冷凍機ポート９６に収容された部分９０を有する。その部分９０は、ｚ方向に連なる第１冷却セクション及び第２冷却セクションにより構成される。第１冷却セクションの端部が第１ステージ９２であり、第２冷却セクションの端部が第２ステージ９４である。第１ステージ９２の温度は例えば４０～６０Ｋになり、第２ステージの温度は例えば４Ｋになる。

第１ポート部分９８を取り囲むように第１弾性機構１０２が設けられており、第１ポート部分９８及び第２ポート部分１００それら全体（つまり冷凍機ポート９６）を取り囲むように第２弾性機構１０４が設けられている。

真空容器１２内には、被冷却体１５を取り囲む輻射シールド１０６が設けられている。輻射シールド１０６は、真空容器１２から出る輻射が被冷却体１５へ到達することを阻止する部材である。輻射シールド１０６は、真空容器１２及び被冷却体１５から隔てられており、それは、熱伝導性が良好な材料、例えばアルミニウムにより構成される。輻射シールド１０６は、第１ステージ９２に熱的に接触している。

図７には、図６に示した冷却装置１０Ｃの一部が拡大して示されている。冷凍機ポート９６は、上記のように、第１ポート部分９８及び第２ポート部分１００により構成される。第１ポート部分９８は、第１スリーブ１０８及び第１台座１１８を有する。第１スリーブ１０８は円筒状の形態を有し、その中間部分が第１ベローズ１１０を構成している。第１スリーブ１０８は、真空容器に形成された開口の周囲と第１台座１１８の第１面（図７において上面）との間に設けられている。第１台座１１８は環状の形態を有する。

第２ポート部分１００は、第２スリーブ１１２及び第２台座１２２を有する。第２スリーブ１１２は、円筒状の形態を有し、その中間部分がベローズ１１４を構成している。第２スリーブ１１２は、第１台座１１８の第２面（図７において下面）と第２台座１２２の第１面（図７において上面）との間に設けられている。

第１台座１１８と第１ステージ９２との間には、環状の熱伝導部材１２０が設けられている。熱伝導部材１２０の開口部をコールドヘッド１６Ｂが通過している。第２台座１２２の第１面（図７において上面）と第２ステージ９４との間には円板状の熱伝導部材１３９が設けられている。第２台座１２２の第２面（図７において下面）は熱伝導部材４１に接している。

冷凍機ポート９６の内部空間がポート空間であり、そのポート空間は、具体的には、第１ポート空間１１６Ａと第２ポート空間１１６Ｂとにより構成される。第１ポート空間１１６Ａと第２ポート空間１１６Ｂは連通している。すなわち、ポート空間それ全体が単一の気密空間である。

第１弾性機構１０２は、第１ポート部分９８を取り囲むように設けられた例えば３つの弾性要素により構成される。３つの弾性要素は均等の角度間隔をもって配置されている。個々の弾性要素は、板バネ１２４、支柱１２６及び連結板１２８により構成される。板バネ１２４によって生成された弾性力が、支柱１２６及び連結板１２８を介して、第１台座１１８へ及んでいる。これにより、第１台座１１８と熱伝導部材１２０とが密着し、熱伝導部材１２０と第１ステージ９２とが密着する。

第２弾性機構１０４は、第１弾性機構１０２から独立した機構である。具体的には、第２弾性機構１０４は、冷凍機ポート９６を取り囲む例えば３つの弾性要素により構成される。それらの弾性要素は、環状に配列されており、均等の角度間隔をもって配列されている。各弾性要素は、板バネ１３０、支柱１３２及び連絡板１３４からなる。図示の例では、支柱１３２は、冷凍機ポート９６の全長に匹敵する長さを有する。板バネ１３０で生成された弾性力が、支柱１３２及び連絡板１３４を介して、第２台座１２２に及んでいる。これにより、第２台座１２２と熱伝導部材１３９とが密着し、熱伝導部材１３９と第２ステージ９４とが密着する。

第１弾性機構１０２を構成する３つの弾性要素は、冷凍機ポート９６の中心軸回りにおいて、例えば、０度、１２０度及び２４０度の位置に設けられており、第２弾性機構２０４を構成する３つの弾性要素は、例えば、６０度、１８０度及び３００度の位置に設けられている。これにより、第１弾性機構１０２と第２弾性機構１０４の物理的干渉が避けられている。

各支柱１３２の途中には、サーマルアンカ１３５が設けられている。それは円環状又は円筒状の熱伝導部材により構成される。各サーマルアンカ１３５と第１ステージ９２との間に柔軟性を有する熱リンク１３６が設けられている。各サーマルアンカ１３５の温度は、第１ステージ９２の温度とほぼ同じ温度に操作、固定される。この構成により、各支柱１３２を介した熱流入が低減される。各支柱１３２を単一の棒状部材ではなく、サーマルアンカを介して連結された２つの棒状部材で構成してもよい。第１台座１１８と輻射シールド１０６との間には、柔軟性を有する熱リンク１３７が設けられている。これにより、輻射シールド１０６が冷却される。

第１弾性機構１０２と第２弾性機構１０４が互いに独立した機構として設けられているため、第１台座１１８及び第２台座１２２のそれぞれに対して適正な弾性力を確実に与えられる。第１台座と第２台座１２２の間に第２弾性機構１０４を設けることも考えられるが、そのような構成を採用した場合、第１台座１１８の位置や姿勢の変化により、第２弾性機構１０４の作用が変化してしまう。図示された構成によれば、そのような問題が生じることを回避できる。

第１スリーブ１０８における第１ベローズ１１０の室温側から配管５０が引き出されている。配管５０は真空容器を貫通し、外界まで導かれている。配管５０における露出部分にバルブ５２が設けられている。配管５０及びバルブ５２により圧力調整設備４８が構成されている。配管５０は、上述した複数の弾性要素に当たらない位置に設けられている。既に説明したように、コールドヘッド１６Ｂのフランジに配管設けてもよい。

第２スリーブ１１２の外側にはヒーター１３８が設けられている。ヒーター１３８は、ヘリウムガスの液化（及び粒状化）を防止するものである。

図８には、実施形態に係るコールドヘッド交換方法が示されている。Ｓ１０は準備工程である。Ｓ１０では、既設コールドヘッドを包み込むようにカバーが設けられる。その内部のエアがヘリウムガスにより置換される。Ｓ１２では、配管に対して、ヘリウムガスを収容したタンクが接続される。Ｓ１４では、バルブが開けられる。これによりタンクから配管を介してポート空間へヘリウムガスが供給される。これによりポート空間の圧力が大気圧とされ又はそれに近付けられる。Ｓ１６では、バルブが閉じられる。バルブを閉じることなく、ヘリウムガスを流し続けてもよい。

Ｓ１８では、複数のボルトを緩めた上で、既設コールドヘッドが冷凍機ポートから引き抜かれる。ポート空間の負圧が軽減又は解消されているので、その作業において大きな引き抜き力は必要とされない。既設コールドヘッドの引き抜き後、新たなコールドヘッド（又はメンテナンス済みのコールドヘッド）が冷凍機ポートに差し込まれる。その後、複数のボルトにより、新たなコールドヘッドが真空容器に固定される。

Ｓ２０では、配管に対して吸引ポンプが接続される。Ｓ２２では、バルブが開けられ、それに前後して吸引ポンプの動作が開始される。これによりポート空間内のヘリウムガスが外部へ排出される。Ｓ２４では、吸引ポンプの動作が停止され、また、バルブが閉じられる。

その後、カバーの除去等、必要な作業を経て、コールドヘッドの運転が開始される。コールドヘッドの温度の低下に伴って、ポート空間内の残留ガスが凝集し、ポート空間の圧力が下がる。残留ガスの排気により、残留ガスの量は非常に少なく、滞留による熱流入をかなり抑えられる。

ヘリウムガスの液化を防止するためには、例えば、タイミングＴ１でヒーターへの通電が開始される。その後、例えば、タイミングＴ２でヒーターへの通電が停止される。他の期間においてヒーターを動作させてもよい。

上記の冷却装置は、例えば、超電導コイルの冷却において用いられる。例えば、粒子線治療装置に設置される磁場生成用の超電導コイルが上記冷却装置により冷却される。それについて以下に図９を用いて説明する。

図９には、粒子線治療装置において設けられる巨大構造物であるガントリ１４０が模式的に示されている。符号１４４はガントリ１４０の回転中心軸を示している。ガントリ１４０は、回転中心軸１４４回りにおいて回転運動する。この回転運動により、被検者に対する粒子線照射角度が変更される。ガントリ１４０は、円筒形を有する本体１４０Ａを備える。符号１４２は粒子線の軌道を示している。軌道１４２上には、より正確には適正な軌道１４２を形成するために、複数のユニットＵ１～Ｕ８が設けられている。それらは本体１４０Ａに固定されている。それらの中には、ビーム収束ユニット、ビーム走査ユニットが含まれる。複数のユニットＵ１～Ｕ８は例示である。

個々のユニットＵ１～Ｕ８には、１つ又は複数の超電導コイルが含まれる。個々の超電導コイルが上記の冷却装置によって冷却される。個々の冷却装置ごとに圧力調整設備が設けられる。もっとも、共通のタンクから複数の圧力調整設備へガスを分配するようにしてもよい。また、共通の吸引ポンプを複数の圧力調整設備に接続し、吸引先を順次切り替えるようにしてもよい。実施形態に係る構成を採用すれば、粒子線治療装置に含まれる個々の冷却装置のメンテナンス作業において、安全性を向上でき、また作業性を向上できる。ＮＭＲシステムやＭＲＩシステムに上記の冷却装置が搭載されてもよい。

上述した圧力調整設備（ガス供給手段及び残留ガス排出手段）、弾性機構（冷凍機ポートから別体化された押圧力付与手段）、及び、ヒーター（液化防止手段）はそれぞれ単独で採用され得る。

１０ 冷却装置、１２ 真空容器、１４ 冷凍機ポート、１５ 被冷却体、１６ コールドヘッド、２４ スリーブ、２６ ベローズ、４２ ポート空間、４８ 圧力調整設備、５０ 配管、５２ バルブ、５８ タンク、６０ 吸引ポンプ。

Claims (9)

1. 被冷却物を収容した真空容器と、
   前記真空容器に設けられ、前記被冷却物を冷却する冷凍機のコールドヘッドを交換可能に収容するポート空間を備える冷凍機ポートであって、前記コールドヘッドの第１ステージに対して直接的又は間接的に連結される第１台座と、前記コールドヘッドの第２ステージに対して直接的又は間接的に連結される第２台座と、を有する冷凍機ポートと、
   前記コールドヘッドの引き抜き前に前記ポート空間にガスを供給して前記ポート空間の圧力を上げるための圧力調整設備と、
   前記真空容器と前記第１台座との間に設けられ、前記第１台座と前記第１ステージの間の連結力が増大するように前記第１台座に対して弾性力を及ぼす第１弾性機構と、
   前記真空容器と前記第２台座との間に前記第１弾性機構から独立して設けられ、前記第２台座と前記第２ステージの間の連結力が増大するように前記第２台座に対して弾性力を及ぼす第２弾性機構と、
   を含むことを特徴とする冷却装置。
2. 請求項１記載の冷却装置において、
   前記圧力調整設備は、
   前記ポート空間に連通するガス流路を有し、前記冷凍機ポートから引き出された配管と、
   前記配管に設けられたバルブであって、前記冷凍機の運転時に前記ガス流路を閉止し、前記コールドヘッドの交換時に前記ガス流路への前記ガスの供給を許容するバルブと、
   を含むことを特徴とする冷却装置。
3. 請求項２記載の冷却装置において、
   前記冷凍機ポートは、ポート中心軸方向に伸縮するベローズを有し、
   前記冷凍機ポートにおける前記ベローズの室温側から前記配管が引き出されている、
   ことを特徴とする冷却装置。
4. 請求項１記載の冷却装置において、
   前記第１弾性機構は、複数の弾性部材を有する複数の第１支持要素を含み、
   前記第２弾性機構は、複数の弾性部材を有する複数の第２支持要素を含む、
   ことを特徴とする冷却装置。
5. 請求項１記載の冷却装置において、
   前記ポート空間は、ポート中心軸方向に並んだ第１ポート空間及び第２ポート空間により構成され、
   前記冷凍機ポートは、
   前記第１ポート空間を取り囲む第１スリーブと、前記第１スリーブの冷却側端部に設けられた前記第１台座と、からなる第１ポート部分と、
   前記第２ポート空間を取り囲む第２スリーブと、前記第２スリーブの冷却側端部に設けられた前記第２台座と、からなる第２ポート部分と、
   を含み、
   前記第１弾性機構は、前記第１ポート部分の周囲に設けられており、
   前記第２弾性機構は、前記第１ポート部分及び前記第２ポート部分の周囲に設けられている、
   ことを特徴とする冷却装置。
6. 請求項５記載の冷却装置において、
   前記第１弾性機構は前記第１スリーブの周囲に設けられた複数の第１支持要素を含み、
   前記各第１支持要素は弾性部材を含み、
   前記第２弾性機構は前記第１スリーブ及び前記第２スリーブの周囲に設けられた複数の第２支持要素を含み、
   前記各第２支持要素は弾性部材を含む、
   ことを特徴とする冷却装置。
7. 請求項１記載の冷却装置において、
   前記冷凍機ポートには前記ポート空間へ供給されたガスの液化を防止するためのヒーターが設けられている、
   ことを特徴とする冷却装置。
8. 被冷却物を収容した真空容器に設けられた冷凍機ポート内に冷凍機のコールドヘッドが配置されている状態で、前記冷凍機ポート内のポート空間へ外部からガスを供給し、これにより前記ポート空間の圧力を高める工程と、
   前記ポート空間の圧力が高められた後に前記冷凍機ポートから前記コールドヘッドを引き抜く工程と、
   を含み、
   前記冷凍機ポートは、前記コールドヘッドの第１ステージに対して直接的又は間接的に連結される第１台座と、前記コールドヘッドの第２ステージに対して直接的又は間接的に連結される第２台座と、を有し、
   前記真空容器と前記第１台座との間には、前記第１台座と前記第１ステージの間の連結力が増大するように前記第１台座に対して弾性力を及ぼす第１弾性機構が設けられ、
   前記真空容器と前記第２台座との間には、前記第１弾性機構から独立して、前記第２台座と前記第２ステージの間の連結力が増大するように前記第２台座に対して弾性力を及ぼす第２弾性機構が設けられた、
   ことを特徴とするコールドヘッド交換方法。
9. 請求項８記載のコールドヘッド交換方法において、
   前記冷凍機ポートへ新たなコールドヘッドを配置した後に前記ポート空間内のガスを外部へ排出する工程を含む、
   ことを特徴とするコールドヘッド交換方法。