JPWO2019073971A1 - 極低温冷凍機の装着構造および装着方法 - Google Patents

Abstract

極低温冷凍機１０の装着構造は、スリーブ１６と、周囲環境２６からの気密領域２８の隔離を保持しつつ、コールドヘッド側冷却ステージ３２とスリーブ側冷却ステージ４８を物理的に接触させ又は非接触とするように、スリーブ側フランジ５０とコールドヘッド側フランジ３４との間隔を調整するフランジ間隔調整機構１８と、コールドヘッド側冷却ステージ３２とスリーブ側冷却ステージ４８とがしきい値以下の熱抵抗で熱的に接触するように指定された押付面圧でコールドヘッド側冷却ステージ３２をスリーブ側冷却ステージ４８に押し付けるように、コールドヘッド側フランジ３４をスリーブ側フランジ５０と締結するフランジ締結機構２０と、を備える。

Description

本発明は、真空容器への極低温冷凍機の装着構造および装着方法に関する。

従来から、極低温冷凍機のコールドヘッドをスリーブを介してクライオスタットなどの極低温真空容器に装着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取り付けられ、熱接触している。コールドヘッドとスリーブとの熱接触により、極低温冷凍機は、スリーブを介して被冷却物を冷却することができる。

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、スリーブを用いた装着構造を操作し、コールドヘッドとスリーブの熱接触を解除して極低温冷凍機にメンテナンスを施すことができる。極低温冷凍機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。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。

特許第３５２４４６０号公報 特許第３９９２２７６号公報

本発明者は、スリーブを介した真空容器への極低温冷凍機の装着構造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。本発明者は、この種の装着構造により装着された極低温冷凍機のメンテナンスを何回か繰り返したとき、極低温冷凍機とスリーブとの間の熱接触状態が劣化しやすいという新たな現象を発見した。通例、極低温冷凍機とスリーブの熱接触部には、熱接触をよくするためにインジウムシートが挟み込まれている。本発明者の考察によれば、熱接触状態の劣化現象は、インジウムシートの介在に起因すると考えられる。熱接触の劣化は、被冷却物の冷却温度の上昇、あるいは冷却効率の低下を招きうるので、望ましくない。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、スリーブを介して真空容器に装着される極低温冷凍機に関して、極低温冷凍機のメンテナンスが反復されても長期にわたり極低温冷凍機とスリーブの熱接触を良好に維持する技術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装着構造であって、前記コールドヘッドは、コールドヘッド側冷却ステージと、コールドヘッド側フランジとを備えており、前記装着構造は、周囲環境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よう前記真空容器に設置された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側冷却ステージとの物理的接触により前記コールドヘッド側冷却ステージと熱接触するスリーブ側冷却ステージと、前記コールドヘッド側フランジに結合されるスリーブ側フランジと、を備えるコールドヘッド収容スリーブと、前記周囲環境からの前記気密領域の隔離を保持しつつ、前記コールドヘッド側冷却ステージと前記スリーブ側冷却ステージを物理的に接触させ又は非接触とするように、前記スリーブ側フランジと前記コールドヘッド側フランジとの間隔を調整するよう構成されたフランジ間隔調整機構と、前記コールドヘッド側冷却ステージと前記スリーブ側冷却ステージとがしきい値以下の熱抵抗で熱的に接触するように指定された押付面圧で前記コールドヘッド側冷却ステージを前記スリーブ側冷却ステージに押し付けるように、前記コールドヘッド側フランジを前記スリーブ側フランジと締結するよう構成されたフランジ締結機構と、を備える。

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コールドヘッド収容スリーブを介して真空容器に装着する装着方法であって、前記コールドヘッドは、コールドヘッド側冷却ステージと、コールドヘッド側フランジとを備え、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側冷却ステージとの物理的接触により前記コールドヘッド側冷却ステージと熱接触するスリーブ側冷却ステージと、前記コールドヘッド側フランジに結合されるスリーブ側フランジと、を備え、周囲環境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よう前記真空容器に設置されており、前記装着方法は、前記周囲環境からの前記気密領域の隔離を保持しつつ、前記コールドヘッド側冷却ステージを前記スリーブ側冷却ステージに物理的に接触させるように、前記スリーブ側フランジと前記コールドヘッド側フランジとの間隔を調整することと、前記コールドヘッド側冷却ステージと前記スリーブ側冷却ステージとがしきい値以下の熱抵抗で熱的に接触するように指定された押付面圧で前記コールドヘッド側冷却ステージを前記スリーブ側冷却ステージに押し付けるように、前記コールドヘッド側フランジを前記スリーブ側フランジと締結することと、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、スリーブを介して真空容器に装着される極低温冷凍機に関して、極低温冷凍機のメンテナンスが反復されても長期にわたり極低温冷凍機とスリーブの熱接触を良好に維持することができる。

実施の形態に係る装着構造を説明するための概略図である。 実施の形態に係る装着構造を説明するための概略図である。 実施の形態に係る装着方法を説明するためのフローチャートである。 温度差ΔＴと押付面圧との関係を示すグラフである。 温度差ΔＴとメンテナンス回数との関係を示すグラフである。 図６（ａ）および図６（ｂ）は、実施の形態に係る極低温冷凍機に使用されうる冷却ステージ構造の一例を示す概略図である。 実施の形態に係るコールドヘッド側伝熱ブロックの例示的構成を示す概略斜視図である。 実施の形態に係るコールドヘッド側伝熱ブロックおよびその周辺構造の例示的構成を示す概略断面図である。 実施の形態に係る極低温冷凍機に使用されうるフランジ間隔調整機構およびフランジ締結機構の一例を示す概略斜視図である。 実施の形態に係る極低温冷凍機に使用されうるフランジ間隔調整機構およびフランジ締結機構の一例を示す概略斜視図である。 他の実施の形態に係る装着構造を説明するための概略図である。 他の実施の形態に係る装着構造を説明するための概略図である。 他の実施の形態に係る装着構造を説明するための概略図である。

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、実施の形態に係る装着構造を説明するための概略図である。図１には、極低温冷凍機１０が例えば超伝導コイルなどの被冷却物１２と熱的に結合された状態が示され、図２には、両者の熱的な結合が解除された状態が示されている。

実施の形態に係る装着構造は、真空容器１４、例えばクライオスタットなどの極低温真空容器に極低温冷凍機１０を装着するための器具である。装着構造は、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）１６と、フランジ間隔調整機構１８と、フランジ締結機構２０とを備える。極低温冷凍機１０は、コールドヘッド２２と圧縮機２４とを備える。

スリーブ１６は、周囲環境２６から隔離された気密領域２８をコールドヘッド２２との間に形成するよう真空容器１４に設置される。周囲環境２６は例えば室温の大気圧環境である。気密領域２８は、真空に排気されてもよいし、あるいは、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てもよい。

また、スリーブ１６は、真空容器１４と組み合わされて真空容器１４内に真空領域３０を区画するように真空容器１４に設置される。一例として、真空容器１４の天板に形成された開口部にスリーブ１６の上端部が取り付けられ、スリーブ１６はこの開口部から真空容器１４内に延びている。スリーブ１６の下端が被冷却物１２に直接に又は任意の伝熱部材を介して取り付けられている。被冷却物１２は、真空領域３０に配置されている。

極低温冷凍機１０は、一例として、単段式のギフォード・マクマホン冷凍機（以下、ＧＭ冷凍機ともいう）である。よって、装着構造は、単段式のＧＭ冷凍機を真空容器１４に装着するよう構成されている。ただし、極低温冷凍機１０は、これに限られず、二段式のＧＭ冷凍機であってもよく、その場合、装着構造は、二段式のＧＭ冷凍機を真空容器１４に装着するよう構成されうる。極低温冷凍機１０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であってもよい。

極低温冷凍機１０は、上記の装着構造とともに、極低温冷凍機１０の製造業者により顧客に提供されてもよい。被冷却物１２を冷却する冷却装置が、極低温冷凍機１０および装着構造から構成されるとも言える。よって、実施の形態に係る冷却装置は、極低温冷凍機１０と、スリーブ１６と、フランジ間隔調整機構１８と、フランジ締結機構２０とを備える。

極低温冷凍機１０のコールドヘッド２２は、コールドヘッド側冷却ステージ３２、コールドヘッド側フランジ３４、シリンダ３６を備える。シリンダ３６は、中心軸３８に沿って延在し、コールドヘッド側フランジ３４をコールドヘッド側冷却ステージ３２と連結している。コールドヘッド側フランジ３４およびコールドヘッド側冷却ステージ３２はシリンダ３６と同軸に配置されている。コールドヘッド側フランジ３４はシリンダ３６の上端に設けられ、コールドヘッド側冷却ステージ３２はシリンダ３６の下端に設けられている。

一例として、シリンダ３６は、中空の円筒状部材であり、コールドヘッド側フランジ３４は、シリンダ３６の上端開口周縁から中心軸３８と垂直な径方向外側に広がる円環状部材である。コールドヘッド側冷却ステージ３２は、シリンダ３６の下端開口を閉じるようシリンダ３６に固着された円板状または短い円柱状の部材である。コールドヘッド側冷却ステージ３２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。コールドヘッド側フランジ３４およびシリンダ３６は、例えばステンレスなどの金属で形成されている。コールドヘッド側冷却ステージ３２を形成する熱伝導材料の熱伝導率は、シリンダ３６（またはコールドヘッド側フランジ３４）を形成する材料の熱伝導率より高い。

極低温冷凍機１０の圧縮機２４は、極低温冷凍機１０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、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。

さらに、コールドヘッド２２は、ディスプレーサ４０と、ディスプレーサ４０を駆動するディスプレーサ４０と連結された駆動部４２とを備える。ディスプレーサ４０は、シリンダ３６と同軸にシリンダ３６内に配置され、シリンダ３６に沿って中心軸３８の方向に往復動可能である。ディスプレーサ４０とコールドヘッド側冷却ステージ３２との間に作動ガスの膨張空間が形成される。また駆動部４２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から膨張空間への高圧作動ガス供給と膨張空間から圧縮機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４２は、ディスプレーサ４０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。それにより、コールドヘッド２２は、コールドヘッド側冷却ステージ３２を冷却することができる。

駆動部４２は、例えばボルト等の締結部材（図示せず）によってコールドヘッド側フランジ３４に固定される。締結を解除することによって、駆動部４２は、ディスプレーサ４０とともに一体的にコールドヘッド２２から取り外し可能である。

コールドヘッド側フランジ３４は、２つのフランジの結合体である。すなわち、コールドヘッド側フランジ３４は、シリンダ３６の上端開口周縁にシリンダ３６と一体形成されたシリンダフランジ４４と、シリンダフランジ４４の下面に取り付けられたトランジションフランジ４６とを備える。駆動部４２はシリンダフランジ４４に取り外し可能に固定されている。駆動部４２が取り外されるとき、シリンダ３６の上端開口からディスプレーサ４０が引き抜かれ、駆動部４２が取り付けられるとき、シリンダ３６の上端開口からディスプレーサ４０がシリンダ３６内に挿入される。

トランジションフランジ４６は、装着構造のひとつの構成要素でもあり、環状の板部４６ａおよび筒部４６ｂを備える。環状の板部４６ａが例えばボルト等の締結部材（図示せず）によってシリンダフランジ４４の下面に固定される。筒部４６ｂは、環状の板部４６ａから中心軸３８の方向に下方に延びている。筒部４６ｂは、短い円筒であり、シリンダ３６の上端を囲んでいる。筒部４６ｂの径はシリンダ３６の径より若干大きく、筒部４６ｂの内周面とシリンダ３６の外周面との間には隙間があり互いに接触していない。

圧縮機２４、コールドヘッド側フランジ３４、および駆動部４２は、周囲環境２６に配置されている。

スリーブ１６は、シリンダ３６を囲むようにシリンダ３６と同軸に配置されている。スリーブ１６は、スリーブ側冷却ステージ４８と、スリーブ側フランジ５０と、スリーブ体５２とを備える。

スリーブ側冷却ステージ４８は、コールドヘッド側冷却ステージ３２との物理的接触によりコールドヘッド側冷却ステージ３２と熱接触する。一例として、スリーブ側冷却ステージ４８とコールドヘッド側冷却ステージ３２の接触面は平坦であるが、この形状には限られない。後述のように、コールドヘッド側冷却ステージ３２は、テーパ面、傾斜面、または凹凸面などの非平坦面を有してもよく、気密領域２８に露出されるスリーブ側冷却ステージ４８の内面は、この非平坦面に対応する非平坦面を有してもよい。真空領域３０に露出されるスリーブ側冷却ステージ４８の外面には被冷却物１２が取り付けられている。

したがって、コールドヘッド側冷却ステージ３２がスリーブ側冷却ステージ４８と物理的に接触するとき、コールドヘッド側冷却ステージ３２がスリーブ側冷却ステージ４８を介して被冷却物１２と熱的に結合される。よって、コールドヘッド側冷却ステージ３２が冷却されることによって、被冷却物１２を冷却することができる。例えば、被冷却物１２が超伝導コイルのような超伝導機器である場合、極低温冷凍機１０は、超伝導材料の臨界温度以下の極低温に被冷却物１２を冷却することができる。

なお、後述する理由により、コールドヘッド側冷却ステージ３２とスリーブ側冷却ステージ４８とはインジウムシートのような伝熱用の介在物無く、直接に接触することが望ましい。しかし、本発明は、介在物の不存在を必須とはしない。許容される場合には、コールドヘッド側冷却ステージ３２とスリーブ側冷却ステージ４８とがインジウムシートのような伝熱用の介在物を挟んで熱接触してもよい。

スリーブ側フランジ５０は、コールドヘッド側フランジ３４に結合され、周囲環境２６に配置されている。一例として、スリーブ側フランジ５０は、環状の第１板部５０ａ、筒部５０ｂ、および環状の第２板部５０ｃを備える。環状の第１板部５０ａと環状の第２板部５０ｃは筒部５０ｂによって連結されている。環状の第１板部５０ａは例えばボルト等の締結部材（図示せず）によって真空容器１４の上面に固定される。筒部５０ｂは、短い円筒であり、第１板部５０ａから中心軸３８の方向に上方に延びている。第２板部５０ｃは、例えば数ｍｍ程度の間隔を隔ててトランジションフランジ４６の環状の板部４６ａと対向している。

スリーブ側フランジ５０の筒部５０ｂはトランジションフランジ４６の筒部４６ｂのすぐ外側に隣接配置され、両者は互いに接触している。気密領域２８の気密性を保持するためのシール部材５４が、スリーブ側フランジ５０の筒部５０ｂとトランジションフランジ４６の筒部４６ｂの間に配置されている。シール部材５４は、例えば、スリーブ側フランジ５０の筒部５０ｂ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。

スリーブ体５２は、中空の円筒状部材であり、シリンダ３６と同軸に中心軸３８に沿って延在し、スリーブ側フランジ５０をスリーブ側冷却ステージ４８と連結している。スリーブ側フランジ５０はスリーブ体５２の上端に設けられ、スリーブ側冷却ステージ４８はスリーブ体５２の下端に設けられている。スリーブ側フランジ５０は、スリーブ体５２の上端開口周縁から中心軸３８と垂直な径方向外側に広がる円環状部材である。スリーブ側冷却ステージ４８は、スリーブ体５２の下端開口を閉じるようスリーブ体５２に固着された円板状または短い円柱状の部材である。

スリーブ側冷却ステージ４８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。スリーブ側フランジ５０およびスリーブ体５２は、例えばステンレスなどの金属で形成されている。スリーブ側冷却ステージ４８を形成する熱伝導材料の熱伝導率は、スリーブ体５２（またはスリーブ側フランジ５０）を形成する材料の熱伝導率より高い。

コールドヘッド側フランジ３４はスリーブ側フランジ５０に対して軸方向に摺動可能であり、それにより、コールドヘッド２２は、スリーブ１６に対し軸方向に移動可能である。この可動範囲は数ｍｍ程度、例えば２〜３ｍｍ程度である。シール部材５４があるので、コールドヘッド２２が移動しても気密領域２８は周囲環境２６から隔離されている。

図１には、コールドヘッド２２が可動範囲の下端に位置してコールドヘッド側冷却ステージ３２とスリーブ側冷却ステージ４８が熱接触している状態が示されている。図２には、コールドヘッド２２が可動範囲の上端に位置してコールドヘッド側冷却ステージ３２がスリーブ側冷却ステージ４８から離れ、両者の熱接触が解除された状態が示されている。

フランジ間隔調整機構１８は、周囲環境２６からの気密領域２８の隔離を保持しつつ、コールドヘッド側冷却ステージ３２とスリーブ側冷却ステージ４８を物理的に接触させ又は非接触とするように、スリーブ側フランジ５０とコールドヘッド側フランジ３４との間隔を調整するよう構成されている。作業者がフランジ間隔調整機構１８を操作することによって、上記の可動範囲においてコールドヘッド２２を昇降させることができる。フランジ間隔調整機構１８の例示的な構成は、後述する。

フランジ締結機構２０は、コールドヘッド側冷却ステージ３２をスリーブ側冷却ステージ４８に押し付けるように、コールドヘッド側フランジ３４をスリーブ側フランジ５０と締結するよう構成されている。フランジ締結機構２０は、コールドヘッド側冷却ステージ３２とスリーブ側冷却ステージ４８とがしきい値以下の熱抵抗で熱的に接触するように指定された押付面圧で、コールドヘッド側冷却ステージ３２をスリーブ側冷却ステージ４８に押し付ける。このしきい値を以下では、熱抵抗しきい値ともいう。作業者がフランジ締結機構２０を操作することによって、フランジ締結機構２０は、コールドヘッド側冷却ステージ３２とスリーブ側冷却ステージ４８の間に働く押付面圧を調整することができる。フランジ締結機構２０の例示的な構成は、後述する。

また、コールドヘッド２２は、コールドヘッド側冷却ステージ３２の温度を測定するコールドヘッド側温度センサ５６を備える。コールドヘッド側温度センサ５６は、コールドヘッド側冷却ステージ３２に配置されている。スリーブ１６は、スリーブ側冷却ステージ４８の温度を測定するスリーブ側温度センサ５８を備える。スリーブ側温度センサ５８は、スリーブ側冷却ステージ４８に配置されている。コールドヘッド側温度センサ５６は、コールドヘッド測定温度を表す信号Ｓ１を外部に出力するよう構成され、スリーブ側温度センサ５８は、スリーブ測定温度を表す信号Ｓ２を外部に出力するよう構成されている。したがって、作業者は、コールドヘッド側冷却ステージ３２の測定温度とスリーブ側冷却ステージ４８の測定温度を取得し、それらの温度差ΔＴを取得することができる。測定温度（及び／または温度差）を表示または出力する出力部６０が設けられていてもよい。

コールドヘッド側冷却ステージ３２の測定温度とスリーブ側冷却ステージ４８の測定温度との温度差ΔＴが熱抵抗しきい値に相当する所定の温度差以内に収まるように、フランジ締結機構２０によってコールドヘッド側フランジ３４がスリーブ側フランジ５０と締結される。作業者は、フランジ締結機構２０を操作することによって、温度差ΔＴが熱抵抗しきい値に相当する所定の温度差以内に収まるようにコールドヘッド側フランジ３４をスリーブ側フランジ５０と締結することができる。

図３は、実施の形態に係る装着方法を説明するためのフローチャートである。極低温冷凍機１０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１０の冷却運転が停止される（Ｓ１０）。

作業者がフランジ間隔調整機構１８およびフランジ締結機構２０を操作することによって、極低温冷凍機１０と被冷却物１２との熱的な結合が解除される（Ｓ１２）。そのために、まず、フランジ締結機構２０によるコールドヘッド側フランジ３４とスリーブ側フランジ５０との締結が解除される（Ｓ１４）。次に、周囲環境２６からの気密領域２８の隔離を保持しつつ、コールドヘッド側冷却ステージ３２をスリーブ側冷却ステージ４８から物理的に非接触とするように、スリーブ側フランジ５０とコールドヘッド側フランジ３４との間隔が調整される。コールドヘッド側フランジ３４とスリーブ側フランジ５０の間にはシール部材５４が設けられているので、周囲環境２６からの気密領域２８の隔離は保持される。こうして、フランジ間隔調整機構１８によりコールドヘッド２２が引き上げられる（Ｓ１６）。コールドヘッド２２の引き上げにより、コールドヘッド側冷却ステージ３２がスリーブ側冷却ステージ４８から離れ、両者の熱接触が解除される。被冷却物１２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１０のメンテナンスが行われる（Ｓ１８）。駆動部４２およびディスプレーサ４０がコールドヘッド２２から取り外される。シリンダ３６およびコールドヘッド側冷却ステージ３２はそのままスリーブ１６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４２およびディスプレーサ４０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１０の冷却運転が再開される（Ｓ２０）。

作業者がフランジ間隔調整機構１８およびフランジ締結機構２０を再び操作することによって、極低温冷凍機１０と被冷却物１２とが再び熱的に結合される（Ｓ２２）。周囲環境２６からの気密領域２８の隔離を保持しつつ、コールドヘッド側冷却ステージ３２をスリーブ側冷却ステージ４８に物理的に接触させるように、スリーブ側フランジ５０とコールドヘッド側フランジ３４との間隔が調整される。こうして、フランジ間隔調整機構１８によりコールドヘッド２２が降下される（Ｓ２４）。コールドヘッド側冷却ステージ３２は、スリーブ側冷却ステージ４８と再び物理的に接触する。このとき、コールドヘッド側冷却ステージ３２は、コールドヘッド２２の自重、および周囲環境２６と気密領域２８との圧力差によって、スリーブ側冷却ステージ４８に押し付けられる。

フランジ締結機構２０によりコールドヘッド側フランジ３４とスリーブ側フランジ５０とが再び締結される（Ｓ２６）。フランジ締結機構２０によるコールドヘッド側フランジ３４とスリーブ側フランジ５０との締結によって、コールドヘッド側冷却ステージ３２とスリーブ側冷却ステージ４８とがしきい値以下の熱抵抗で熱的に接触するように指定された押付面圧で、コールドヘッド側冷却ステージ３２が、スリーブ側冷却ステージ４８に押し付けられる。フランジ締結機構２０による締結力を調整することにより、コールドヘッド側冷却ステージ３２とスリーブ側冷却ステージ４８との間の押付面圧を調整することができる。そこで、この指定された押付面圧、またはこれに相当するフランジ締結機構２０による締結力または締結トルクは、極低温冷凍機１０の取扱説明書など関連資料に記載されていてもよい。

コールドヘッド側温度センサ５６によりコールドヘッド側冷却ステージ３２の温度が測定され、スリーブ側温度センサ５８によりスリーブ側冷却ステージ４８の温度が測定される。コールドヘッド側冷却ステージ３２の測定温度とスリーブ側冷却ステージ４８の測定温度との温度差ΔＴが熱抵抗しきい値に相当する所定の温度差以内に収まるように、コールドヘッド側フランジ３４がスリーブ側フランジ５０と締結される。測定された温度差ΔＴが所定の温度差を超える場合には、作業者は、フランジ締結機構２０による締結力を増すことによりコールドヘッド側冷却ステージ３２とスリーブ側冷却ステージ４８との間の押付面圧を増加させてもよい。こうして、コールドヘッド側冷却ステージ３２とスリーブ側冷却ステージ４８とがしきい値以下の熱抵抗で熱的に接触するように、熱抵抗が監視される（Ｓ２８）。

コールドヘッド２２とスリーブ１６の再度の熱接触（Ｓ２２）および熱抵抗の監視（Ｓ２８）は、極低温冷凍機１０の冷却運転再開によりコールドヘッド側冷却ステージ３２およびスリーブ側冷却ステージ４８が十分に冷却されてから行うことが望ましい。そのようにすれば、冷却中の熱収縮によるコールドヘッド側冷却ステージ３２とスリーブ側冷却ステージ４８の離間を避けることができる。なお、熱収縮によりコールドヘッド側冷却ステージ３２がスリーブ側冷却ステージ４８から離間した場合には、フランジ締結機構２０による締結力を調整することにより、コールドヘッド側冷却ステージ３２をスリーブ側冷却ステージ４８と再接触させることができる。

図４は、温度差ΔＴと押付面圧との関係を示すグラフであり、本発明者らの実験により得られたものである。コールドヘッド側冷却ステージ３２とスリーブ側冷却ステージ４８との間の熱抵抗は、コールドヘッド側冷却ステージ３２の測定温度とスリーブ側冷却ステージ４８の測定温度との温度差ΔＴで評価することが簡便である。コールドヘッド側冷却ステージ３２とスリーブ側冷却ステージ４８との間の押付面圧が大きいほど、コールドヘッド側冷却ステージ３２の測定温度とスリーブ側冷却ステージ４８の測定温度との温度差ΔＴが小さくなっている。したがって、押付面圧を適切に指定することにより、温度差ΔＴすなわち熱抵抗を管理することができる。指定された押付面圧は、上述のように、フランジ締結機構２０による締結力を調整することにより、実現することができる。

一例として、温度差ΔＴが１．５Ｋまたは１Ｋ以内であれば、コールドヘッド側冷却ステージ３２とスリーブ側冷却ステージ４８とが十分に小さい熱抵抗で良好に熱接触していると言える。よって、熱抵抗しきい値に相当する所定の温度差は、例えば１．５Ｋまたは１Ｋとすることができる。図示される例では、押付面圧を約４ＭＰａ以上と指定すれば、温度差ΔＴが所定の温度差１．５Ｋ以内となる。また、押付面圧を約７ＭＰａ以上と指定すれば、温度差ΔＴが所定の温度差１Ｋ以内となる。よって、指定された押付面圧（例えば、約４ＭＰａ以上または約７ＭＰａ以上）となるようにフランジ締結機構２０による締結力を調整することにより、コールドヘッド側冷却ステージ３２とスリーブ側冷却ステージ４８との温度差ΔＴが１．５Ｋまたは１Ｋ以内となり、熱抵抗が十分に小さくなる。すなわち、コールドヘッド側冷却ステージ３２とスリーブ側冷却ステージ４８とが熱抵抗しきい値以下の熱抵抗で熱的に接触していると評価することができる。

図５は、温度差ΔＴとメンテナンス回数との関係を示すグラフであり、本発明者らの実験により得られたものである。図５には、実施例と比較例とが示されている。上述のように、実施例においてはコールドヘッド側冷却ステージ３２とスリーブ側冷却ステージ４８の間にインジウムシートは使用されない。また実施例においては、上述の方法に従ってコールドヘッド側冷却ステージ３２とスリーブ側冷却ステージ４８との間の熱抵抗が管理されている。比較例においては、コールドヘッドとスリーブとの伝熱面にインジウムシートが介在している。また比較例においては伝熱面での熱抵抗は管理されていない。

比較例では、４回目のメンテナンスまでは熱抵抗（すなわち温度差ΔＴ）がほぼ一定に維持されているが、５回目のメンテナンス後に熱抵抗が顕著に劣化している（すなわち温度差ΔＴが大きく増えている）。このように、極低温冷凍機のメンテナンスを何回か繰り返したとき、極低温冷凍機とスリーブとの間の熱接触状態が劣化しやすいという現象を本発明者は見出した。この熱接触の劣化現象は、これまで知られていない。

こうした熱接触の劣化現象が起こるメカニズムは、本発明者の考察によれば、以下の通りである。

メンテナンス開始のために極低温冷凍機がスリーブから離れるときインジウムシートも冷凍機とともに移動しスリーブから剥がされる。メンテナンスが完了し極低温冷凍機がスリーブに再び接触するときインジウムシートも再びスリーブに接触する。インジウムシートの剥離と再接触が極低温冷凍機のメンテナンスのたびに繰り返され、インジウムシートの形状が、初期の平坦なシート形状から、いくらか凹凸を含む等の初期形状と異なる形状に変わりうる。メンテナンスの間、スリーブは被冷却物とともに極低温に保たれる一方、極低温冷凍機はメンテナンスを施すために室温に戻されている。インジウムシートも極低温冷凍機とともに室温となっている。そのため、インジウムシートがスリーブに再接触する瞬間に、インジウムシートはスリーブによって急冷され、硬化されうる。このようにして、形状が変化したインジウムシートが極低温冷凍機とスリーブの間に挟まれ、その結果、インジウムシートによる極低温冷凍機とスリーブとの間の伝熱面積は、初期形状のインジウムシートに比べて、低減されうる。よって、極低温冷凍機とスリーブとの間の熱接触状態が劣化しうる。

これに対して、実施例では、メンテナンスを１０回繰り返した後でも、熱抵抗がほぼ一定に維持され、再現性が良好である。これは、押付面圧の適正な管理によるものと考えられる。また、インジウムシートのような介在物の不存在も熱抵抗の再現性に寄与している。

実施の形態に係る極低温冷凍機１０の装着構造によれば、指定された押付面圧でコールドヘッド側冷却ステージ３２をスリーブ側冷却ステージ４８に押し付けるように、コールドヘッド側フランジ３４とスリーブ側フランジ５０とが相互に締結される。押付面圧は、コールドヘッド側冷却ステージ３２とスリーブ側冷却ステージ４８とが熱抵抗しきい値以下の熱抵抗で熱的に接触するように指定されている。このようにして、スリーブ１６を介して真空容器１４に装着される極低温冷凍機１０に関して、極低温冷凍機１０のメンテナンスが反復されても長期にわたり極低温冷凍機１０とスリーブ１６の熱接触を良好に維持することができる。

図６（ａ）および図６（ｂ）は、実施の形態に係る極低温冷凍機１０に使用されうる冷却ステージ構造の一例を示す概略図である。図６（ａ）にはコールドヘッド側冷却ステージ３２とスリーブ側冷却ステージ４８が熱接触している状態が示され、図６（ｂ）にはコールドヘッド側冷却ステージ３２がスリーブ側冷却ステージ４８から離れ、両者の熱接触が解除された状態が示されている。

コールドヘッド側冷却ステージ３２は、コールドヘッド側熱負荷フランジ６２とコールドヘッド側伝熱ブロック６４とを備える。コールドヘッド側伝熱ブロック６４は、非シート形状を有する。コールドヘッド側伝熱ブロック６４の側面および下面が気密領域２８に露出されている。一例として、コールドヘッド側熱負荷フランジ６２は、シリンダ３６の下端開口を閉じるようシリンダ３６に固着された円板状部材である。コールドヘッド側伝熱ブロック６４は、コールドヘッド側熱負荷フランジ６２に取り付けられた円板状部材である。コールドヘッド側伝熱ブロック６４は、コールドヘッド側熱負荷フランジ６２に取り外し可能に取り付けられるアタッチメントであり、例えばボルト等の締結部材（図示せず）によりコールドヘッド側熱負荷フランジ６２に取り付けられている。

コールドヘッド側熱負荷フランジ６２およびコールドヘッド側伝熱ブロック６４は、例えば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。コールドヘッド側熱負荷フランジ６２およびコールドヘッド側伝熱ブロック６４は、非インジウム製であり、すなわちインジウムを含有しない（ただし不可避不純物を除く）。ここで、コールドヘッド側熱負荷フランジ６２とコールドヘッド側伝熱ブロック６４は同じ熱伝導材料で形成されているが、それは必須ではなく、両者が異なる熱伝導材料で形成されていてもよい。

図７は、実施の形態に係るコールドヘッド側伝熱ブロック６４の例示的構成を示す概略斜視図である。コールドヘッド側伝熱ブロック６４は、ブロック基部６４ａとブロック中心凸部６４ｂとを備える。ブロック基部６４ａおよびブロック中心凸部６４ｂは一体形成されている。ブロック基部６４ａには、コールドヘッド側伝熱ブロック６４をコールドヘッド側熱負荷フランジ６２に取り付けるための複数のボルト孔６６が形成されている。これらボルト孔は円周状に等角度間隔に配置されている。

ブロック中心凸部６４ｂはブロック基部６４ａの中心部から軸方向下方に突出している。一例として、ブロック中心凸部６４ｂは、円錐台状の凸部であり、平坦なブロック端面６４ｃとテーパ面６４ｄとを有する。ブロック端面６４ｃは極低温冷凍機１０の中心軸に垂直な円形状領域であり、テーパ面６４ｄは円錐台の側面にあたる傾斜面である。テーパ角度は例えば１５度であり、すなわちブロック端面６４ｃとテーパ面６４ｄのなす角度は１０５度である。こうしたテーパ面６４ｄを設けることにより、コールドヘッド側伝熱ブロック６４がスリーブ側冷却ステージ４８と接触する表面積を大きくすることができるので、コールドヘッド側冷却ステージ３２とスリーブ側冷却ステージ４８との熱交換効率を高くすることができる。

図８は、実施の形態に係るコールドヘッド側伝熱ブロック６４およびその周辺構造の例示的構成を示す概略断面図である。図８に示されるように、コールドヘッド側温度センサ５６は、コールドヘッド側熱負荷フランジ６２とコールドヘッド側伝熱ブロック６４の間に配置されている。例えば、コールドヘッド側温度センサ５６は、コールドヘッド側伝熱ブロック６４に取り付けられている。一例として、冗長性のために、２つのコールドヘッド側温度センサ５６が設けられている。同様に、冗長性のために、２つのスリーブ側温度センサ５８がスリーブ側冷却ステージ４８に設けられている。

図６（ａ）および図６（ｂ）を再び参照すると、スリーブ側冷却ステージ４８は、スリーブ側熱負荷フランジ６８とスリーブ側伝熱ブロック７０とを備える。スリーブ側熱負荷フランジ６８は、スリーブ体５２の下端開口を閉じるようスリーブ体５２に固着された円板状部材である。スリーブ側熱負荷フランジ６８に被冷却物１２が取り付けられる。スリーブ側伝熱ブロック７０は、非シート形状を有する。スリーブ側伝熱ブロック７０の上面が気密領域２８に露出されている。スリーブ側熱負荷フランジ６８とスリーブ側伝熱ブロック７０は一体形成されている。

スリーブ側伝熱ブロック７０は、コールドヘッド側伝熱ブロック６４のブロック中心凸部６４ｂに対応する中心凹部を有する。スリーブ側伝熱ブロック７０は、コールドヘッド側伝熱ブロック６４のブロック基部６４ａ、ブロック端面６４ｃ、およびテーパ面６４ｄに対応するブロック上面７０ａ、ブロック下面７０ｂ、および傾斜面７０ｃを有する。コールドヘッド側伝熱ブロック６４がスリーブ側伝熱ブロック７０と接触するとき、ブロック基部６４ａ、ブロック端面６４ｃ、およびテーパ面６４ｄがそれぞれ、ブロック上面７０ａ、ブロック下面７０ｂ、および傾斜面７０ｃと接触する。コールドヘッド側伝熱ブロック６４がスリーブ側伝熱ブロック７０から離れるとき、ブロック基部６４ａ、ブロック端面６４ｃ、およびテーパ面６４ｄがそれぞれ、ブロック上面７０ａ、ブロック下面７０ｂ、および傾斜面７０ｃから離れる。

スリーブ側熱負荷フランジ６８およびスリーブ側伝熱ブロック７０は、例えば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。スリーブ側熱負荷フランジ６８およびスリーブ側伝熱ブロック７０は、非インジウム製であり、すなわちインジウムを含有しない（ただし不可避不純物を除く）。ここで、スリーブ側熱負荷フランジ６８とスリーブ側伝熱ブロック７０は同じ熱伝導材料で形成されているが、それは必須ではなく、両者が異なる熱伝導材料で形成されていてもよい。

コールドヘッド側伝熱ブロック６４とスリーブ側伝熱ブロック７０との直接の物理的接触により、コールドヘッド側冷却ステージ３２とスリーブ側冷却ステージ４８とが熱的に接触する。コールドヘッド側伝熱ブロック６４とスリーブ側伝熱ブロック７０とは直接に物理的に接触するから、両者の間にインジウムシートのような伝熱用の介在物は存在しない。このようにして、インジウムシートのような伝熱用の介在物無く、コールドヘッド側冷却ステージ３２とスリーブ側冷却ステージ４８との間に良好な熱接触を実現することができる。

図９および図１０は、実施の形態に係る極低温冷凍機１０に使用されうるフランジ間隔調整機構１８およびフランジ締結機構２０の一例を示す概略斜視図である。図９には、図１と同様に極低温冷凍機１０が被冷却物１２と熱的に結合された状態が示され、図１０には、図２と同様に両者の熱的な結合が解除された状態が示されている。

フランジ間隔調整機構１８は、コールドヘッド側フランジ３４に形成されたリフトアップ用ボルト孔７２と、リフトアップ用ボルト孔７２と螺合するリフトアップ用ボルト７４と、を備える。フランジ間隔調整機構１８は、リフトアップ用ボルト７４をスリーブ側フランジ５０に突き当てた状態でリフトアップ用ボルト７４を回転させることによりスリーブ側フランジ５０に対しコールドヘッド側フランジ３４を昇降させるよう構成されている。

リフトアップ用ボルト孔７２は、コールドヘッド側フランジ３４において円周状に等角度間隔に配置されている。一例として、コールドヘッド側フランジ３４には４つのリフトアップ用ボルト孔７２が設けられている。リフトアップ用ボルト孔７２は、シリンダフランジ４４とトランジションフランジ４６の環状の板部４６ａとを貫通している。

スリーブ側フランジ５０においてリフトアップ用ボルト孔７２の直下に位置する部位には穴が無く、したがって、リフトアップ用ボルト７４の先端をスリーブ側フランジ５０の環状の第２板部５０ｃに突き当てることができる。上述のように、リフトアップ用ボルト７４はリフトアップ用ボルト孔７２と螺合している。そのため、リフトアップ用ボルト７４の先端が環状の第２板部５０ｃに突き当てられた状態でリフトアップ用ボルト７４を締め方向（例えば時計回り）に回転させることにより、コールドヘッド側フランジ３４がスリーブ側フランジ５０から離れるようにコールドヘッド側フランジ３４を上方に移動させることができる。こうして、フランジ間隔調整機構１８は、スリーブ側フランジ５０とコールドヘッド側フランジ３４との間隔を広げることができ、コールドヘッド２２がスリーブ１６から引き上げられる。その結果、図２に示されるように、コールドヘッド側冷却ステージ３２がスリーブ側冷却ステージ４８から離れ、これらの熱接触が解除される。

逆に、リフトアップ用ボルト７４の先端が環状の第２板部５０ｃに突き当てられた状態でリフトアップ用ボルト７４を緩め方向（例えば反時計回り）に回転させることにより、コールドヘッド側フランジ３４がスリーブ側フランジ５０に近づくようにコールドヘッド側フランジ３４を下方に移動させることができる。こうして、フランジ間隔調整機構１８は、スリーブ側フランジ５０とコールドヘッド側フランジ３４との間隔を狭めることができ、コールドヘッド２２が降下される。その結果、図１に示されるように、コールドヘッド側冷却ステージ３２がスリーブ側冷却ステージ４８と物理的に接触し、これらの熱接触が実現される。リフトアップ用ボルト７４を緩め方向（例えば反時計回り）にさらに回転させると、リフトアップ用ボルト７４の先端はスリーブ側フランジ５０から離れる。

このようにして、リフトアップ用ボルト孔７２とリフトアップ用ボルト７４の組み合わせという比較的簡単な構造で、コールドヘッド側フランジ３４とスリーブ側冷却ステージ４８との間隔を調整することができる。

フランジ締結機構２０は、スリーブ側フランジ５０に形成された締め付け用ボルト孔７６と、締め付け用ボルト孔７６と螺合する締め付け用ボルト７８と、を備える。フランジ締結機構２０は、締め付け用ボルト７８の回転によりコールドヘッド側冷却ステージ３２とスリーブ側冷却ステージ４８の押付面圧を調整するよう構成されている。

締め付け用ボルト孔７６は、スリーブ側フランジ５０において円周状に等角度間隔に配置されている。一例として、スリーブ側フランジ５０には８つの締め付け用ボルト孔７６が設けられている。締め付け用ボルト７８は、コールドヘッド側フランジ３４とスリーブ側フランジ５０の両方を貫通している。ただし、締め付け用ボルト７８は、コールドヘッド側フランジ３４に遊嵌し、従って、コールドヘッド側フランジ３４とは螺合していない。締め付け用ボルト７８は、コールドヘッド側フランジ３４に形成された切り欠き部８０に収容されている。切り欠き部８０は、例えば、コールドヘッド側フランジ３４の外周縁に形成され軸方向に延びるＵ字溝である。締め付け用ボルト７８の頭部は、コールドヘッド側フランジ３４の上面、すなわちシリンダフランジ４４に接触しうる。

コールドヘッド側冷却ステージ３２がスリーブ側冷却ステージ４８と物理的に接触した状態で、締め付け用ボルト７８を締め方向に回転させることにより、コールドヘッド側フランジ３４とスリーブ側フランジ５０との締結力が増加され、コールドヘッド側冷却ステージ３２とスリーブ側冷却ステージ４８の押付面圧も増加される。逆に、締め付け用ボルト７８を緩め方向に回転させることにより、コールドヘッド側フランジ３４とスリーブ側フランジ５０との締結力が減少され、コールドヘッド側冷却ステージ３２とスリーブ側冷却ステージ４８の押付面圧も減少される。

このようにして、締め付け用ボルト孔７６と締め付け用ボルト７８の組み合わせという比較的簡単な構造で、コールドヘッド側フランジ３４とスリーブ側冷却ステージ４８との押付面圧を調整することができる。

図１１から図１３は、他の実施の形態に係る装着構造を説明するための概略図である。この実施の形態においては、極低温冷凍機１０は、二段式のコールドヘッド２２と圧縮機２４とを備える。よって、装着構造は、二段式のスリーブ１６と、フランジ間隔調整機構１８と、フランジ締結機構２０とを備える。極低温冷凍機１０は、例えば、二段ＧＭ冷凍機である。ただし、極低温冷凍機１０は、他の二段式の極低温冷凍機であってもよい。

図１１には、コールドヘッド２２とスリーブ１６が一段と二段の両方で熱接触している状態が示されている。図１２には、一段については熱接触が保持され、二段については熱接触が解除された状態が示されている。図１３には、一段と二段の両方について熱接触が解除された状態が示されている。

コールドヘッド２２は、コールドヘッド側一段冷却ステージ１３２、一段シリンダ１３６、コールドヘッド側二段冷却ステージ２３２、二段シリンダ２３６を備える。一段シリンダ１３６は、コールドヘッド側フランジ３４をコールドヘッド側一段冷却ステージ１３２と連結し、二段シリンダ２３６は、コールドヘッド側一段冷却ステージ１３２をコールドヘッド側二段冷却ステージ２３２と連結する。一段シリンダ１３６および二段シリンダ２３６は同軸に配置されている。

コールドヘッド側一段冷却ステージ１３２およびコールドヘッド側二段冷却ステージ２３２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。一段シリンダ１３６および二段シリンダ２３６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。

スリーブ１６は、スリーブ側一段冷却ステージ１４８、一段スリーブ体１５２、スリーブ側二段冷却ステージ２４８、二段スリーブ体２５２を備える。一段スリーブ体１５２は、スリーブ側フランジ５０をスリーブ側一段冷却ステージ１４８と連結し、二段スリーブ体２５２は、スリーブ側一段冷却ステージ１４８をスリーブ側二段冷却ステージ２４８と連結する。一段スリーブ体１５２および二段スリーブ体２５２はそれぞれ、一段シリンダ１３６および二段シリンダ２３６を囲むように一段シリンダ１３６および二段シリンダ２３６と同軸に配置されている。

スリーブ側一段冷却ステージ１４８は、コールドヘッド側一段冷却ステージ１３２との物理的接触によりコールドヘッド側一段冷却ステージ１３２と熱接触する。スリーブ側二段冷却ステージ２４８は、コールドヘッド側二段冷却ステージ２３２との物理的接触によりコールドヘッド側二段冷却ステージ２３２と熱接触する。図１〜図１０を参照して説明した実施の形態と同様に、スリーブ側の冷却ステージとコールドヘッド側の冷却ステージの接触面の形状は、テーパ面、傾斜面、または凹凸面などの非平坦面であってもよいし、または、平坦面であってもよい。

スリーブ側一段冷却ステージ１４８およびスリーブ側二段冷却ステージ２４８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。一段スリーブ体１５２および二段スリーブ体２５２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。

真空領域３０に露出されるスリーブ側二段冷却ステージ２４８の外面には被冷却物１２が取り付けられている。真空領域３０に露出されるスリーブ側一段冷却ステージ１４８の外面には、被冷却物１２とは別の被冷却物（例えば、被冷却物１２を囲む熱シールド）が取り付けられていてもよい。

スリーブ側一段冷却ステージ１４８の中心部には、一段スリーブ体１５２の内部空間を二段スリーブ体２５２の内部空間に接続する開口部が設けられている。二段シリンダ２３６およびコールドヘッド側二段冷却ステージ２３２はこの開口部から二段スリーブ体２５２の内部空間へと挿入される。

スリーブ側一段冷却ステージ１４８は、スリーブ側一段熱負荷フランジ１６８とスリーブ側一段伝熱ブロック１７０と、伝熱バネ機構１８０とを備える。スリーブ側一段熱負荷フランジ１６８は、一段スリーブ体１５２の下端に固着されている。スリーブ側一段伝熱ブロック１７０は、気密領域２８に収容され、伝熱バネ機構１８０を介してスリーブ側一段熱負荷フランジ１６８に取り付けられている。スリーブ側一段伝熱ブロック１７０は、伝熱バネ機構１８０の伸縮によりスリーブ側一段熱負荷フランジ１６８に対して軸方向に変位可能である。スリーブ側一段熱負荷フランジ１６８およびスリーブ側一段伝熱ブロック１７０は、同軸に配置された円環状部材であり、上述のように、その中心開口部を通じて二段シリンダ２３６およびコールドヘッド側二段冷却ステージ２３２が二段スリーブ体２５２の内部空間へと挿入される。

伝熱バネ機構１８０は、伝熱バネ部１８２と、支持バネ部１８４とを備える。伝熱バネ部１８２および支持バネ部１８４は、スリーブ側一段熱負荷フランジ１６８とスリーブ側一段伝熱ブロック１７０との間に並列に設けられている。すなわち、伝熱バネ部１８２は、スリーブ側一段伝熱ブロック１７０をスリーブ側一段熱負荷フランジ１６８に接続する。同様に、支持バネ部１８４は、スリーブ側一段伝熱ブロック１７０をスリーブ側一段熱負荷フランジ１６８に接続する。スリーブ側一段伝熱ブロック１７０は、伝熱バネ部１８２および支持バネ部１８４によってスリーブ側一段熱負荷フランジ１６８に弾性的に支持される。

伝熱バネ部１８２は、スリーブ側一段伝熱ブロック１７０からスリーブ側一段熱負荷フランジ１６８への伝熱経路として機能する。伝熱バネ部１８２は、例えば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たバネである。伝熱バネ部１８２は、例えばコイルバネ、またはその他の任意の形状を有してもよい。伝熱バネ部１８２は、支持バネ部１８４に比べて小さいバネ定数を有してもよい。

支持バネ部１８４は、コールドヘッド側一段冷却ステージ１３２がスリーブ側一段伝熱ブロック１７０に押し付けられるとき、コールドヘッド側一段冷却ステージ１３２とスリーブ側一段伝熱ブロック１７０が軸方向に沈み込むことを許容する。また、支持バネ部１８４は、コールドヘッド側一段冷却ステージ１３２とスリーブ側一段伝熱ブロック１７０の過剰な沈み込みを抑える機能も有する。上述のように、主な伝熱経路は伝熱バネ部１８２であるが、支持バネ部１８４も伝熱機能をある程度受け持ってもよい。支持バネ部１８４は、例えば金属材料、またはその他の適する材料で形成されたバネである。支持バネ部１８４は、例えばコイルバネ、皿バネ、またはその他の任意の形状を有してもよい。

コールドヘッド側一段冷却ステージ１３２とスリーブ側一段伝熱ブロック１７０との物理的接触により、コールドヘッド側一段冷却ステージ１３２とスリーブ側一段伝熱ブロック１７０が熱的に接触する。スリーブ側一段伝熱ブロック１７０は、伝熱バネ機構１８０を介してスリーブ側一段熱負荷フランジ１６８と熱的に接触する。こうして、コールドヘッド側一段冷却ステージ１３２は、スリーブ側一段冷却ステージ１４８と熱的に接触する。

また、スリーブ側一段伝熱ブロック１７０は、伝熱バネ部１８２および支持バネ部１８４の弾性変形によりスリーブ側一段熱負荷フランジ１６８に対して軸方向に変位することができる。コールドヘッド側一段冷却ステージ１３２がスリーブ側一段伝熱ブロック１７０に押し付けられるとき、コールドヘッド側一段冷却ステージ１３２はスリーブ側一段伝熱ブロック１７０とともに軸方向に弾性的に変位することができる。

なお、伝熱バネ機構１８０が伝熱バネ部１８２を有することは必須ではない。伝熱バネ機構１８０は、伝熱バネ部１８２に代えて、ベローズ、網状物、膜などの柔軟性を有する伝熱部材を有してもよい。

伝熱バネ機構１８０は、伝熱バネ部１８２および支持バネ部１８４を個別のバネとして有することは必須ではない。伝熱バネ機構１８０は、伝熱機能と支持機能の両方を有する単一のバネ部材を有してもよい。

伝熱バネ機構１８０は、スリーブ側一段冷却ステージ１４８に組み込まれることは必須ではない。伝熱バネ機構１８０は、コールドヘッド側一段冷却ステージ１３２に組み込まれていてもよい。例えば、コールドヘッド側一段冷却ステージ１３２は、コールドヘッド側熱負荷フランジと、コールドヘッド側伝熱ブロックと、伝熱バネ機構１８０とを備えてもよい。コールドヘッド側熱負荷フランジが一段シリンダ１３６の下端に固着され、コールドヘッド側伝熱ブロックが伝熱バネ機構１８０を介してコールドヘッド側熱負荷フランジに取り付けられていてもよい。コールドヘッド側伝熱ブロックがスリーブ側一段冷却ステージ１４８と熱接触するとともに、コールドヘッド側熱負荷フランジが伝熱バネ機構１８０の弾性変形により軸方向に変位可能であってもよい。

また、コールドヘッド側温度センサ５６は、コールドヘッド側二段冷却ステージ２３２の温度を測定するためにコールドヘッド側二段冷却ステージ２３２に配置されている。スリーブ側温度センサ５８は、スリーブ側二段冷却ステージ２４８の温度を測定するためにスリーブ側二段冷却ステージ２４８に配置されている。

コールドヘッド側二段冷却ステージ２３２およびスリーブ側二段冷却ステージ２４８は、図１〜図１０を参照して説明した実施の形態におけるコールドヘッド側冷却ステージ３２およびスリーブ側冷却ステージ４８と同様の構成を有する。よって、コールドヘッド側二段冷却ステージ２３２がスリーブ側二段冷却ステージ２４８と物理的に接触するとき、コールドヘッド側二段冷却ステージ２３２がスリーブ側二段冷却ステージ２４８を介して被冷却物１２と熱的に結合される。よって、コールドヘッド側二段冷却ステージ２３２が冷却されることによって、被冷却物１２を冷却することができる。

図１１から図１３を参照して、実施の形態に係る装着方法を説明する。この方法は基本的に図３に示される方法と同様である。

極低温冷凍機１０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１０の冷却運転が停止される。このとき、図１１に示されるように、コールドヘッド側一段冷却ステージ１３２はスリーブ側一段冷却ステージ１４８と物理的かつ熱的に接触し、コールドヘッド側二段冷却ステージ２３２はスリーブ側二段冷却ステージ２４８と物理的かつ熱的に接触している。

まず、作業者がフランジ締結機構２０を操作することによって、コールドヘッド側フランジ３４とスリーブ側フランジ５０との締結が解除される。図１２に示されるように、伝熱バネ機構１８０の弾性力によってコールドヘッド２２はいくらか持ち上がり、コールドヘッド側二段冷却ステージ２３２とスリーブ側二段冷却ステージ２４８の物理的接触は解除され、極低温冷凍機１０と被冷却物１２との熱的な結合が解除される。コールドヘッド側一段冷却ステージ１３２はスリーブ側一段冷却ステージ１４８と接触している。

作業者がフランジ間隔調整機構１８を操作することによって、コールドヘッド２２がさらに引き上げられる。図１３に示されるように、周囲環境２６からの気密領域２８の隔離を保持しつつ、コールドヘッド側一段冷却ステージ１３２をスリーブ側一段冷却ステージ１４８から物理的に非接触とするように、スリーブ側フランジ５０とコールドヘッド側フランジ３４との間隔が調整される。コールドヘッド側フランジ３４とスリーブ側フランジ５０の間にはシール部材５４が設けられているので、周囲環境２６からの気密領域２８の隔離は保持される。

こうして、コールドヘッド側一段冷却ステージ１３２およびコールドヘッド側二段冷却ステージ２３２はそれぞれ、スリーブ側一段冷却ステージ１４８およびスリーブ側二段冷却ステージ２４８から熱的に非接触となる。被冷却物１２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１０のメンテナンスが行われる。コールドヘッド２２の駆動部およびディスプレーサがコールドヘッド２２から取り外される。コールドヘッド側一段冷却ステージ１３２、一段シリンダ１３６、コールドヘッド側二段冷却ステージ２３２、および二段シリンダ２３６はそのままスリーブ１６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１０の冷却運転が再開される。

作業者がフランジ間隔調整機構１８およびフランジ締結機構２０を再び操作することによって、極低温冷凍機１０と被冷却物１２とが再び熱的に結合される。フランジ間隔調整機構１８によりスリーブ側フランジ５０とコールドヘッド側フランジ３４との間隔が調整され、コールドヘッド２２が降下される。図１２に示されるように、周囲環境２６からの気密領域２８の隔離は保持された状態で、コールドヘッド側一段冷却ステージ１３２は、スリーブ側一段冷却ステージ１４８と再び物理的かつ熱的に接触する。このとき、コールドヘッド側二段冷却ステージ２３２とスリーブ側二段冷却ステージ２４８は接触していない。

フランジ締結機構２０によりコールドヘッド側フランジ３４とスリーブ側フランジ５０とが再び締結される。フランジ締結機構２０によるコールドヘッド側フランジ３４とスリーブ側フランジ５０との締結によって、伝熱バネ機構１８０が圧縮され、コールドヘッド側一段冷却ステージ１３２およびスリーブ側一段伝熱ブロック１７０がスリーブ側一段熱負荷フランジ１６８に向かって沈み込む。それにより、図１１に示されるように、コールドヘッド側二段冷却ステージ２３２とスリーブ側二段冷却ステージ２４８が物理的に接触する。

さらに締結されることによって、コールドヘッド側二段冷却ステージ２３２とスリーブ側二段冷却ステージ２４８とがしきい値以下の熱抵抗で熱的に接触するように指定された押付面圧で、コールドヘッド側二段冷却ステージ２３２が、スリーブ側二段冷却ステージ２４８に押し付けられる。フランジ締結機構２０による締結力を調整することにより、コールドヘッド側二段冷却ステージ２３２とスリーブ側二段冷却ステージ２４８との間の押付面圧を調整することができる。

コールドヘッド側温度センサ５６によりコールドヘッド側二段冷却ステージ２３２の温度が測定され、スリーブ側温度センサ５８によりスリーブ側二段冷却ステージ２４８の温度が測定される。コールドヘッド側二段冷却ステージ２３２の測定温度とスリーブ側二段冷却ステージ２４８の測定温度との温度差ΔＴが熱抵抗しきい値に相当する所定の温度差以内に収まるように、コールドヘッド側フランジ３４がスリーブ側フランジ５０と締結される。測定された温度差ΔＴが所定の温度差を超える場合には、作業者は、フランジ締結機構２０による締結力を増すことによりコールドヘッド側二段冷却ステージ２３２とスリーブ側二段冷却ステージ２４８との間の押付面圧を増加させてもよい。こうして、コールドヘッド側二段冷却ステージ２３２とスリーブ側二段冷却ステージ２４８とがしきい値以下の熱抵抗で熱的に接触するように、熱抵抗が監視される。

図１１から図１３を参照して説明した実施の形態に係る極低温冷凍機１０の装着構造によれば、指定された押付面圧でコールドヘッド側二段冷却ステージ２３２をスリーブ側二段冷却ステージ２４８に押し付けるように、コールドヘッド側フランジ３４とスリーブ側フランジ５０とが相互に締結される。押付面圧は、コールドヘッド側二段冷却ステージ２３２とスリーブ側二段冷却ステージ２４８とが熱抵抗しきい値以下の熱抵抗で熱的に接触するように指定されている。このようにして、スリーブ１６を介して真空容器１４に装着される極低温冷凍機１０に関して、極低温冷凍機１０のメンテナンスが反復されても長期にわたり極低温冷凍機１０とスリーブ１６の熱接触を良好に維持することができる。

また、伝熱バネ機構１８０がスリーブ側一段冷却ステージ１４８（またはコールドヘッド側一段冷却ステージ１３２）に組み込まれているため、コールドヘッド側一段冷却ステージ１３２とスリーブ側一段冷却ステージ１４８は、伝熱バネ機構１８０を介して熱接触する。したがって、コールドヘッド側一段冷却ステージ１３２とスリーブ側一段冷却ステージ１４８の熱接触を保持しつつ、コールドヘッド側二段冷却ステージ２３２とスリーブ側二段冷却ステージ２４８との間の押付面圧を調整することができる。

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。

１０ 極低温冷凍機、 １４ 真空容器、 １６ スリーブ、 １８ フランジ間隔調整機構、 ２０ フランジ締結機構、 ２２ コールドヘッド、 ２６ 周囲環境、 ２８ 気密領域、 ３２ コールドヘッド側冷却ステージ、 ３４ コールドヘッド側フランジ、 ４８ スリーブ側冷却ステージ、 ５０ スリーブ側フランジ、 ５６ コールドヘッド側温度センサ、 ５８ スリーブ側温度センサ、 ６４ コールドヘッド側伝熱ブロック、 ６６ ボルト孔、 ７０ スリーブ側伝熱ブロック、 ７２ リフトアップ用ボルト孔、 ７４ リフトアップ用ボルト、 １３２ コールドヘッド側一段冷却ステージ、 １４８ スリーブ側一段冷却ステージ、 ２３２ コールドヘッド側二段冷却ステージ、 ２４８ スリーブ側二段冷却ステージ。

本発明は、真空容器への極低温冷凍機の装着構造および装着方法の分野における利用が可能である。

Claims (8)

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装着構造であって、前記コールドヘッドは、コールドヘッド側冷却ステージと、コールドヘッド側フランジとを備えており、前記装着構造は、
   周囲環境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よう前記真空容器に設置された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側冷却ステージとの物理的接触により前記コールドヘッド側冷却ステージと熱接触するスリーブ側冷却ステージと、前記コールドヘッド側フランジに結合されるスリーブ側フランジと、を備えるコールドヘッド収容スリーブと、
   前記周囲環境からの前記気密領域の隔離を保持しつつ、前記コールドヘッド側冷却ステージと前記スリーブ側冷却ステージを物理的に接触させ又は非接触とするように、前記スリーブ側フランジと前記コールドヘッド側フランジとの間隔を調整するよう構成されたフランジ間隔調整機構と、
   前記コールドヘッド側冷却ステージと前記スリーブ側冷却ステージとがしきい値以下の熱抵抗で熱的に接触するように指定された押付面圧で前記コールドヘッド側冷却ステージを前記スリーブ側冷却ステージに押し付けるように、前記コールドヘッド側フランジを前記スリーブ側フランジと締結するよう構成されたフランジ締結機構と、を備えることを特徴とする装着構造。
2. 前記コールドヘッド側冷却ステージの温度を測定するコールドヘッド側温度センサと、
   前記スリーブ側冷却ステージの温度を測定するスリーブ側温度センサと、をさらに備え、
   前記コールドヘッド側冷却ステージの測定温度と前記スリーブ側冷却ステージの測定温度との温度差が前記しきい値に相当する所定の温度差以内に収まるように、前記フランジ締結機構によって前記コールドヘッド側フランジが前記スリーブ側フランジと締結されることを特徴とする請求項１に記載の装着構造。
3. 前記フランジ間隔調整機構は、前記コールドヘッド側フランジに形成されたリフトアップ用ボルト孔と、前記リフトアップ用ボルト孔と螺合するリフトアップ用ボルトと、を備え、前記リフトアップ用ボルトを前記スリーブ側フランジに突き当てた状態で前記リフトアップ用ボルトを回転させることにより前記スリーブ側フランジに対し前記コールドヘッド側フランジを昇降させるよう構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の装着構造。
4. 前記コールドヘッド側冷却ステージは、熱伝導材料からなるコールドヘッド側伝熱ブロックを備え、
   前記スリーブ側冷却ステージは、熱伝導材料からなるスリーブ側伝熱ブロックを備え、
   前記コールドヘッド側伝熱ブロックと前記スリーブ側伝熱ブロックとの直接の物理的接触により、前記コールドヘッド側冷却ステージと前記スリーブ側冷却ステージとが熱的に接触することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の装着構造。
5. 前記コールドヘッドは、二段式のコールドヘッドであり、前記コールドヘッド収容スリーブは、二段式のスリーブであり、
   前記フランジ締結機構は、コールドヘッド側二段冷却ステージとスリーブ側二段冷却ステージとがしきい値以下の熱抵抗で熱的に接触するように指定された押付面圧で前記コールドヘッド側二段冷却ステージを前記スリーブ側二段冷却ステージに押し付けるように、前記コールドヘッド側フランジを前記スリーブ側フランジと締結するよう構成されてい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装着構造。
6. コールドヘッド側一段冷却ステージとスリーブ側一段冷却ステージは、伝熱バネ機構を介して熱接触することを特徴とする請求項５に記載の装着構造。
7. 極低温冷凍機のコールドヘッドをコールドヘッド収容スリーブを介して真空容器に装着する装着方法であって、
   前記コールドヘッドは、コールドヘッド側冷却ステージと、コールドヘッド側フランジとを備え、
   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側冷却ステージとの物理的接触により前記コールドヘッド側冷却ステージと熱接触するスリーブ側冷却ステージと、前記コールドヘッド側フランジに結合されるスリーブ側フランジと、を備え、周囲環境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よう前記真空容器に設置されており、前記装着方法は、
   前記周囲環境からの前記気密領域の隔離を保持しつつ、前記コールドヘッド側冷却ステージを前記スリーブ側冷却ステージに物理的に接触させるように、前記スリーブ側フランジと前記コールドヘッド側フランジとの間隔を調整することと、
   前記コールドヘッド側冷却ステージと前記スリーブ側冷却ステージとがしきい値以下の熱抵抗で熱的に接触するように指定された押付面圧で前記コールドヘッド側冷却ステージを前記スリーブ側冷却ステージに押し付けるように、前記コールドヘッド側フランジを前記スリーブ側フランジと締結することと、を備えることを特徴とする装着方法。
8. 前記コールドヘッド側冷却ステージの温度を測定することと、
   前記スリーブ側冷却ステージの温度を測定することと、をさらに備え、
   前記コールドヘッド側冷却ステージの測定温度と前記スリーブ側冷却ステージの測定温度との温度差が前記しきい値に相当する所定の温度差以内に収まるように、前記コールドヘッド側フランジが前記スリーブ側フランジと締結されることを特徴とする請求項７に記載の装着方法。

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