TWI827114B - 冷頭裝配結構及極低溫裝置 - Google Patents

Abstract

[課題]提供一種無套筒的冷頭裝配結構。 [解決手段]冷頭裝配結構(50)具備：導熱台(52)，係配置於真空容器(30)內的真空區域(32)，藉由冷頭(20a)相對於真空容器(30)的移動而與冷頭(20a)的冷卻台(22)接觸或分離；氣密連接部(54)，係將冷頭(20a)以使真空區域(32)與周圍環境(14)隔絕並且允許冷頭(20a)相對於真空容器(30)的移動之方式連接於真空容器(30)；及非氣密性的支撐結構(56)，係將導熱台(52)支撐於真空容器(30)，並以使冷頭(20a)的冷卻台(22)暴露於真空區域(32)中之方式配置於冷頭(20a)的周圍。

Description

冷頭裝配結構及極低溫裝置

本發明係關於一種冷頭裝配結構及極低溫裝置。

極低溫冷凍機例如用於將超導裝置等在極低溫下動作之機器冷卻至極低溫。極低溫冷凍機設置於收納有被冷卻物(例如，超導線圈)之真空容器。如此的極低溫裝置在長期運轉之過程中，有時需要進行極低溫冷凍機的點檢或修理、更換等維護。

以往，已知經由所謂的維護套筒將極低溫冷凍機的冷頭安裝於真空容器。維護套筒構成為保持真空容器的氣密性，且從真空容器的壁向內部延伸，在該套筒的內側可拆卸地裝配有冷頭。藉此，能夠以將真空容器內的被冷卻物冷卻至極低溫之狀態將冷頭從真空容器拆卸，對冷頭進行維護之後，再度將其安裝於真空容器。在沒有套筒的情況下，冷頭的維護中需要事先將被冷卻物升溫至常溫(例如300K左右)及維護後再冷卻至極低溫，但其花費相當的時間，尤其在大型被冷卻物中，有時甚至會成為數日或其以上。藉由採用維護套筒，不需要升溫和再冷卻的時間，能夠在短時間內完成維護。 [先前技術文獻]

[專利文獻1]日本特開2004-53068號公報

[發明所欲解決之問題]

在上述維護套筒中，在極低溫冷卻中，為了使冷頭與套筒良好地熱接觸，將冷頭強力緊壓於套筒上。因此，套筒必須堅固，以承受該力。而且，對套筒要求保持氣密性之結構。為了滿足該等要件，維護套筒採用比較複雜的結構，並且製造成本往往亦會變高。

本發明的某一樣態的例示性目的之一為提供一種無套筒的冷頭裝配結構。 [解決問題之技術手段]

依本發明的某一樣態，冷頭裝配結構具備：導熱台，係配置於真空容器內的真空區域，藉由冷頭相對於真空容器的移動而與冷頭的冷卻台接觸或分離；氣密連接部，係將冷頭以使真空區域與周圍環境隔絕並且允許冷頭相對於真空容器的移動之方式連接於真空容器；及非氣密性的支撐結構，係將導熱台支撐於真空容器，並以使冷頭的冷卻台暴露於真空區域中之方式配置於冷頭的周圍。

依本發明的某一樣態，極低溫裝置具備：真空容器，係在內部界定真空區域；冷頭，係具備冷卻台，且裝配於真空容器；導熱台，係配置於真空容器內的真空區域，藉由冷頭相對於真空容器的移動而與冷頭的冷卻台接觸或分離；氣密連接部，係將冷頭以使真空區域與周圍環境隔絕並且允許冷頭相對於前真空容器的移動之方式連接於真空容器；及非氣密性的支撐結構，係將導熱台支撐於真空容器，並以使冷頭的冷卻台暴露於真空區域中之方式配置於冷頭的周圍。 [發明之效果]

依本發明，能夠提供無套筒的冷頭裝配結構。

以下，參照圖式對用於實施本發明之形態進行詳細說明。在說明及圖式中，對相同或等同的構成要素、構件、處理標註相同符號，並適當省略重複說明。圖示之各部的縮尺或形狀係為了便於說明而方便地設定，只要沒有特別提及，則不應限定性地進行解釋。實施形態僅為例示，並不對本發明的範圍進行任何限定。實施形態中記述之所有特徵或其組合並不一定係發明的本質者。

圖1及圖2係示意地表示實施形態之極低溫裝置之圖。圖3係示意地表示實施形態之冷頭裝配結構之立體圖。在圖1及圖3中示出極低溫裝置內的被冷卻物與設置於極低溫裝置之極低溫冷凍機的冷頭熱耦合之狀態，在圖2中示出冷頭與被冷卻物的熱耦合被解除之狀態。如後述，藉由冷頭相對於冷頭裝配結構的移動，能夠使冷頭與被冷卻物熱接觸或者解除熱接觸。

極低溫裝置10構成為，將作為被冷卻物的一例的超導線圈12由室溫冷卻至極低溫，並且在超導線圈12的使用中，將超導線圈12維持為極低溫。超導線圈12例如作為單晶提拉裝置、NMR系統、MRI系統、迴旋加速器等加速器、核融合系統等高能量物理系統或其他高磁場利用機器(未圖示)的磁場源而搭載於高磁場利用機器中，能夠產生該機器所需要之高磁場。超導線圈12構成為藉由在冷卻至超導轉變溫度以下的極低溫之狀態下向超導線圈12通電而產生強力的磁場。

極低溫裝置10具備極低溫冷凍機20、真空容器30、輻射熱屏蔽件40及冷頭裝配結構50。詳細內容留待後述，極低溫冷凍機20經由冷頭裝配結構50而裝配於真空容器30。可以說，冷頭裝配結構50與極低溫冷凍機20一同構成對被冷卻物進行冷卻之冷卻裝置。冷頭裝配結構50可以與極低溫冷凍機20(及/或真空容器30)一同由極低溫冷凍機20的製造廠商提供給顧客。

在該實施形態中，極低溫冷凍機20為二段式的吉福特-麥克馬洪(Gifford-McMahon；GM)冷凍機。極低溫冷凍機20具備二段式的冷頭20a和壓縮機20b。壓縮機20b配置於成為真空容器30的外側之周圍環境14中。周圍環境14例如為室溫的大氣壓環境。

壓縮機20b構成為，從冷頭20a回收極低溫冷凍機20的冷媒氣體，對所回收之冷媒氣體進行升壓，並將冷媒氣體再度供給到冷頭20a。冷頭20a亦被稱為膨脹機，能夠藉由使被供給之冷媒氣體在內部的膨脹室中隔熱膨脹而產生寒冷。壓縮機20b與冷頭20a之間的冷媒氣體的循環藉由冷頭20a中的冷媒氣體的適當的壓力變動與容積變動的組合而進行，從而構成極低溫冷凍機20的冷凍循環(例如GM循環)，藉此冷頭20a的各冷卻台被冷卻至所期望的極低溫。冷頭20a和壓縮機20b由柔性管等冷媒氣體配管連接。冷媒氣體亦被稱為工作氣體，通常為氦氣，但亦可以使用適當的其他氣體。

冷頭20a具備冷卻台22，具體而言，具備第1冷卻台22a和第2冷卻台22b。藉由極低溫冷凍機20進行動作，第1冷卻台22a被冷卻至第1冷卻溫度，例如30K～80K，第2冷卻台22b被冷卻至低於第1冷卻溫度的第2冷卻溫度，例如3K～20K。第2冷卻溫度為低於超導線圈12的超導轉變溫度的溫度。

又，冷頭20a具備第1缸體24a、第2缸體24b、驅動部26及安裝凸緣28。第1缸體24a將安裝凸緣28連接於第1冷卻台22a，第2缸體24b將第1冷卻台22a連接於第2冷卻台22b。驅動部26在與第1缸體24a相反的一側被安裝於安裝凸緣28。

當冷頭20a裝配於真空容器30時，冷頭20a被插入到真空容器30的冷頭插入口31中，安裝凸緣28在真空容器30的外側被安裝於冷頭插入口31。如此，冷頭20a以使第1缸體24a、第1冷卻台22a、第2缸體24b、第2冷卻台22b配置於真空容器30內的真空區域32並且驅動部26配置於周圍環境14中之方式設置於真空容器30。

在圖示之例子中，冷頭插入口31形成於真空容器30的頂板，冷頭20a以其中心軸與鉛直方向平行之方式，並且以驅動部26朝向上方且冷卻台22朝向下方之方式設置於真空容器30。但是，冷頭20a的設置朝向並不限定於如此的縱向，亦可以以橫向或傾斜等其他朝向設置。冷頭插入口31亦可以形成於真空容器30的側面或底面等任意的面。

典型地，第1缸體24a和第2缸體24b為具有圓筒形狀之構件，第2缸體24b的直徑小於第1缸體24a的直徑。第1冷卻台22a和第2冷卻台22b分別為固著於第1缸體24a和第2缸體24b的前端之圓柱狀的構件。第1缸體24a、第1冷卻台22a、第2缸體24b、第2冷卻台22b沿著冷頭20a的中心軸同軸地配置。

第1冷卻台22a及第2冷卻台22b例如由銅(例如純銅)等高導熱金屬或其他導熱材料形成。第1缸體24a和第2缸體24b例如由不銹鋼等金屬形成。形成冷卻台22之導熱材料的導熱率高於形成缸體之材料的導熱率。

當極低溫冷凍機20為吉福特-麥克馬洪(Gifford-McMahon；GM)冷凍機時，在第1缸體24a和第2缸體24b中分別收納內部設有蓄冷材料之第1置換器和第2置換器。第1置換器和第2置換器相互連結，且分別能夠沿著第1缸體24a和第2缸體24b往返移動。

驅動部26具備馬達和連結機構，該連結機構將馬達連結於該等置換器，以便將馬達輸出之旋轉運動轉換為第1置換器和第2置換器的軸向往返移動。又，驅動部26中還收納有與置換器同步地由該馬達驅動之壓力切換閥。壓力切換閥構成為，週期性地切換從冷頭20a接收高壓冷媒氣體和向冷頭20a送出低壓冷媒氣體。

另外，在圖1中，作為例子，示出了一台極低溫冷凍機20，但極低溫裝置10亦可以具備複數台極低溫冷凍機20。亦可以按每個極低溫冷凍機20設置冷頭裝配結構50。

真空容器30以使真空區域32與周圍環境14隔開之方式構成。真空區域32界定在真空容器30的內部。真空容器30例如可以為低溫保持器。超導線圈12、極低溫冷凍機20的冷卻台22、輻射熱屏蔽件40配置於真空區域32，與周圍環境14真空隔熱。為了提高隔熱性能，可以沿著使真空區域32與周圍環境14隔開之真空容器30的壁構件的表面或在壁構件的內部設置隔熱材料。

輻射熱屏蔽件40經由冷頭裝配結構50而與第1冷卻台22a熱耦合並被冷卻至第1冷卻溫度。輻射熱屏蔽件40例如由銅等金屬材料或其他具有高導熱率之材料形成。輻射熱屏蔽件40以包圍被冷卻至第2冷卻溫度之超導線圈12、極低溫冷凍機20的第2冷卻台22b及其他低溫部之方式配置，能夠從來自外部之輻射熱對該等低溫部進行熱保護。

冷頭裝配結構50為用以將冷頭20a裝配於真空容器30之器具，設置於真空容器30的冷頭插入口31。當在冷頭裝配結構50中裝配有冷頭20a時，冷頭插入口31被冷頭20a封住，真空區域32與周圍環境14隔絕。又，冷頭裝配結構50以使冷頭20a能夠沿其中心軸的方向相對於真空容器30移動之方式支撐冷頭20a。冷頭裝配結構50作為藉由冷頭20a相對於真空容器30的移動而使冷頭20a與真空容器30內的被冷卻物(例如超導線圈12)熱耦合或者解除該熱耦合之熱開關而設置於真空容器30。

冷頭裝配結構50具備導熱台52、氣密連接部54及非氣密性的支撐結構56。

冷頭裝配結構50亦對應於冷頭20a而以二段式構成。因此，導熱台52包括第1導熱台52a和第2導熱台52b。第1導熱台52a和第2導熱台52b一同配置於真空容器30內的真空區域32。第1導熱台52a、第2導熱台52b分別藉由冷頭相對於真空容器30的移動而與第1冷卻台22a、第2冷卻台22b接觸或分離。該等導熱台52與冷卻台22同樣地例如由銅(例如純銅)等高導熱金屬或其他導熱材料形成。

第1導熱台52a經由第1柔軟導熱構件58a而與輻射熱屏蔽件40連接。柔軟導熱構件例如可以形成為細線束或箔的積層以具有可撓性，亦可以由銅等高導熱材料形成。因此，當第1冷卻台22a與第1導熱台52a接觸時，第1冷卻台22a經由第1導熱台52a和第1柔軟導熱構件58a而與輻射熱屏蔽件40熱耦合。當第1冷卻台22a從第1導熱台52a分離時，第1冷卻台22a與輻射熱屏蔽件40的熱耦合被解除。

第2導熱台52b經由第2柔軟導熱構件58b而與導熱構件42連接。超導線圈12設置於導熱構件42上，或者與導熱構件42連接。導熱構件42可以為具有可撓性或剛性之導熱構件，例如由銅等金屬材料或其他具有高導熱率之材料形成。另外，導熱構件42並不是必需的，第2導熱台52b亦可以經由第2柔軟導熱構件58b而與超導線圈12連接。

當第2冷卻台22b與第2導熱台52b接觸時，第2冷卻台22b經由第2導熱台52b、第2柔軟導熱構件58b、導熱構件42而與超導線圈12熱耦合。藉此，第2冷卻台22b能夠將超導線圈12冷卻至第2冷卻溫度。當第2冷卻台22b從第2導熱台52b分離時，第2冷卻台22b與超導線圈12的熱耦合被解除。

氣密連接部54將冷頭20a以使真空區域32與周圍環境14隔絕並且允許冷頭20a相對於真空容器30的移動之方式連接於真空容器30。在該實施形態中，氣密連接部54具備可沿冷頭20a的移動方向(亦即中心軸的方向)伸縮之氣密分隔壁60，該氣密分隔壁60例如為波紋管。該可伸縮之氣密分隔壁60使冷頭20a的安裝凸緣28連接於真空容器30的冷頭插入口31。氣密分隔壁60的外側為周圍環境14，內側插通有冷頭20a的第1缸體24a且成為真空區域32。當冷頭20a沿著插入到冷頭插入口31之方向移動時(在圖1中，為向下方移動時)，氣密分隔壁60收縮，相反地，當冷頭20a沿著從冷頭插入口31抽出之方向移動時(如圖2所示，向上方移動時)，氣密分隔壁60伸展。

又，氣密連接部54具備導引部62。導引部62在真空容器30的外側配置於氣密分隔壁60的周圍，並固定於真空容器30。作為一例，如圖3所示，導引部62具備導引板62a和支撐部62b。導引板62a為以包圍氣密分隔壁60之方式配置之環狀的板，其直徑可以與安裝凸緣28大致相同。支撐部62b設置於導引板62a的下側，導引板62a經由支撐部62b而安裝於真空容器30。支撐部62b可以沿著導引板62a在周圍方向上設置於複數個部位(例如4個部位)，在圖3中示出其中3個支撐部62b。

當冷頭20a裝配於冷頭裝配結構50時，冷頭20a的安裝凸緣28與導引板62a的上表面接觸，並且例如使用螺栓等緊固構件與導引板62a緊固。緊固能夠解除，此時，安裝凸緣28能夠沿著導引部62移動。在導引板62a的上表面立設有導銷62c(參照圖3)，在安裝凸緣28上形成有與該導銷62c對應之導孔。當冷頭20a沿軸向移動時，導銷62c沿該方向導引安裝凸緣28。

為了使冷頭20a相對於真空容器30移動，如後述，冷頭裝配結構50具備使冷頭20a相對於真空容器30升降之升降機構64。在安裝凸緣28上設置有操作板29(參照圖3)，升降機構64構成為使該操作板29沿冷頭20a的軸 向升降。為了使基於升降機構64之操作輕易地進行，操作板29從安裝凸緣28朝向徑向外側延伸。在圖3中，作為一例，2片操作板29安裝於安裝凸緣28的兩側。操作板29可以與安裝凸緣28成為一體。

非氣密性的支撐結構56配置於真空容器30內的真空區域32。支撐結構56將導熱台52支撐於真空容器30，並以使冷頭20a的冷卻台22暴露於真空區域32中之方式配置於冷頭20a的周圍。

更具體而言，支撐結構56具備從真空容器30的冷頭插入口31向導熱台52延伸之複數根(例如4根)支撐棒66。複數根支撐棒66在冷頭20a的周圍例如沿著周圍方向以等間隔配置。複數根支撐棒66的每一根以與冷頭20a的中心軸平行之方式貫通第1導熱台52a和第2導熱台52b而延伸。如圖3所示，在冷頭20a的周圍僅設置少數的支撐棒66，冷頭20a開放在真空容器30內的真空區域32中。因此，冷頭20a周圍的空間始終成為與真空區域32相同的壓力。只要真空區域32保持真空，則冷頭20a周圍的空間亦會成為真空。

這與以往的冷頭裝配結構不同。典型地，在以往的冷頭裝配結構中，設置有從冷頭插入口31向真空容器30內延伸且在其中收納冷頭之氣密套筒，利用該套筒，冷頭周圍的空間與真空區域32隔絕。在以往的冷頭裝配結構中，冷頭並不暴露於真空區域32中。與真空區域32隔絕之冷頭周圍的空間有時被氦氣之類的在極低溫下不會液化之惰性氣體填充。或者，冷頭周圍的空間有時被排氣成真空。但是，無論在哪個情況下，冷頭周圍的空間與真空區域32隔絕，因此成為與真空區域32不同的壓力(大致為高於真空區域32的壓力)。

複數根支撐棒66中的至少一根支撐棒66為中空。亦可以所有支撐棒66為中空。與支撐棒66為實心桿的情況相比，支撐棒66的截面積變小，能夠減少從周圍環境14通過支撐棒66向真空容器30內的低溫部的侵入熱。作為一例，支撐棒66具有圓形的截面，但亦可以具有長方形或六邊形等多邊形或L字狀等其他任意形狀的截面。另外，支撐棒66亦可以為實心桿。

支撐棒66例如由纖維強化塑膠(FRP)等隔熱材料形成。或者，支撐棒66例如可以由不銹鋼等導熱率小於在極低溫裝置10中形成導熱路徑之高導熱材料的導熱率之材料形成。

並不需要使所有支撐棒66具有相同的形狀及尺寸。藉由某一支撐棒66具有與其他支撐棒66不同的截面，冷頭20a被緊壓在冷頭裝配結構50時可能產生之偏荷重(offset load)的影響可以被緩和。

支撐結構56具備裝配於複數根支撐棒66之第1彈簧部68a及第2彈簧部68b。各支撐棒66具有第1彈簧部68a和第2彈簧部68b。第1彈簧部68a在第1導熱台52a的下側裝配於支撐棒66。第2彈簧部68b在第2導熱台52b的下側裝配於支撐棒66。彈簧部例如可以具備線圈狀的彈簧或其他彈簧。

複數根支撐棒66經由第1彈簧部68a彈性地支撐第1導熱台52a，並且導引第1導熱台52a在冷頭20a的移動方向上的移動。又，複數根支撐棒66經由第2彈簧部68b彈性地支撐第2導熱台52b，並且導引第2導熱台52b在冷頭20a的移動方向上的移動。

又，支撐結構56具備第1止擋件70a和第2止擋件70b。關於靠近真空容器30的冷頭插入口31之方向上的第1導熱台52a的移動，第1止擋件70a限制其移動量。第1止擋件70a在相對於第1導熱台52a與第1彈簧部68a相反的一側設置於支撐棒66。第1止擋件70a為從支撐棒66向其徑向突出之凸部或凸緣狀的部位，當第1導熱台52a沿著支撐棒66移動時，藉由與第1止擋件70a抵靠而第1導熱台52a的移動受到限制。同樣地，關於靠近真空容器30的冷頭插入口31之方向上的第2導熱台52b的移動，第2止擋件70b限制其移動量。第2止擋件70b在相對於第2導熱台52b與第2彈簧部68b相反的一側設置於支撐棒66。第2止擋件70b為從支撐棒66向其徑向突出之凸部或凸緣狀的部位，當第2導熱台52b沿著支撐棒66移動時，藉由與第2止擋件70b抵靠而第2導熱台52b的移動受到限制。

另外，第1彈簧部68a、第2彈簧部68b分別可以在第1導熱台52a、第2導熱台52b的上側裝配於支撐棒66。此時，第1彈簧部68a、第2彈簧部68b分別可以作為限制靠近真空容器30的冷頭插入口31之方向上的第1導熱台52a、第2導熱台52b的移動之第1止擋件70a、第2止擋件70b發揮作用。

另外，配置於真空容器30內之機器，例如超導線圈12、輻射熱屏蔽件40等被冷卻物可以與支撐結構56在結構上連結並被支撐結構56支撐。如此一來，能夠將從真空容器30向真空容器30內的被冷卻物的導熱路徑限定在支撐結構56中，能夠減少向被冷卻物的侵入熱。或者，真空容器30內的被冷卻物可以藉由未圖示之支撐構件而連結於真空容器30的壁並支撐於真空容器30。

圖4(a)係示意地表示實施形態之第1導熱台52a之俯視圖，圖4(b)係示意地表示實施形態之第2導熱台52b之俯視圖。圖4(a)及圖4(b)分別表示從冷頭插入口31側觀察第1導熱台52a和第2導熱台52b之俯視圖。

如圖4(a)所示，第1導熱台52a具有中心開口71、第1接觸面72及複數個第1導孔73。中心開口71為用於冷頭20a之貫通孔，當冷頭20a裝配於冷頭裝配結構50時，冷頭20a的第2缸體24b插通於中心開口71。第1接觸面72為包圍中心開口71之第1導熱台52a的部位，位於與第1冷卻台22a相對向之第1導熱台52a的上表面。藉由第1冷卻台22a與第1接觸面72接觸，第1冷卻台22a和第1導熱台52a被熱耦合。複數個第1導孔73為用於複數根支撐棒66之貫通孔，插入有與各第1導孔73對應之支撐棒66，藉此，能夠沿著支撐棒66導引第1導熱台52a。第1導孔73在比中心開口71及第1接觸面72更靠徑向外側的位置處與支撐棒66同樣地沿著周圍方向以等間隔設置。如圖所示，第1導熱台52a例如具有圓板形狀，但亦可以具有其他任意的形狀。

如圖4(b)所示，第2導熱台52b在其中心部具有第2接觸面74，在第2接觸面74的徑向外側具有複數個第2導孔75。第2接觸面74位於與第2冷卻台22b相對向之第2導熱台52b的上表面，藉由第2冷卻台22b與第2接觸面74接觸，第2冷卻台22b和第2導熱台52b被熱耦合。複數個第2導孔75為用於複數根支撐棒66之貫通孔，插入有與各第2導孔75對應之支撐棒66，藉此，能夠沿著支撐棒66導引第2導熱台52b。第2導熱台52b例如具有圓板形狀，但亦可以具有其他任意的形狀。

圖5(a)及圖5(b)係與實施形態有關之示意地表示設置於冷頭裝配結構50之升降機構64之圖。在該實施形態中，升降機構64具備用於將冷頭20a壓入冷頭裝配結構50中之加壓裝置64a和相反地將冷頭20a從冷頭裝配結構50抬起之抬起機構64b。

如圖5(a)所示，加壓裝置64a在真空容器30的外側設置於導引部62的附近。加壓裝置64a可以為產生緊壓力之適當的裝置，例如油壓千斤頂等。如圖中的箭頭所示，加壓裝置64a能夠藉由使緊壓力作用於操作板29而使操作板29朝向導引部62推壓。此時，操作板29沿著導銷62c移動而與被支撐部62b支撐之導引板62a接觸。如上所述，當設置有複數片(例如2片)操作板29時，可以按每片操作板29設置加壓裝置64a。如此一來，加壓裝置64a能夠將冷頭20a壓入冷頭裝配結構50中。加壓裝置64a為為了將冷頭20a壓入而暫時設置者，但亦可以代替此而設置常設的升降機構64。

如圖5(b)所示，抬起機構64b可以為螺入到設置於操作板29之螺栓孔64b1(參照圖5(a))中之緊固螺栓64b2。藉由在使緊固螺栓64b2的前端推壓在真空容器30(或導引部62)之狀態下使緊固螺栓64b2旋轉，抬起機構64b能夠如圖中的箭頭所示那樣將操作板29從導引部62抬起。操作板29沿著導銷62c移動而從導引板62a分開。如此，抬起機構64b能夠將冷頭20a從冷頭裝配結構50抬起。

或者，可以代替加壓裝置64a而使用抬起機構64b用以將冷頭20a壓入冷頭裝配結構50中。藉由使緊固螺栓64b2反向旋轉，抬起機構64b能夠將冷頭20a壓入冷頭裝配結構50中。又，亦可以代替抬起機構64b而使用加壓裝置64a用以將冷頭20a從冷頭裝配結構50抬起。

接著，參照圖1及圖2對藉由冷頭20a相對於真空容器30的移動而切換冷頭20a與真空容器30內的被冷卻物的熱耦合和其解除的動作進行說明。

如圖2所示，在冷頭20a與冷頭裝配結構50的熱接觸被解除之狀態下，冷頭20a位於可動範圍的末端例如上端。此時，冷頭20a的安裝凸緣28已從冷頭裝配結構50的導引部62分開。氣密連接部54的氣密分隔壁60伸長，真空區域32藉由氣密連接部54而與周圍環境14隔絕。

又，由於第1冷卻台22a從第1導熱台52a物理分開，第2冷卻台22b從第2導熱台52b物理分開，因此從極低溫冷凍機20向真空容器30內的被冷卻物(例如輻射熱屏蔽件40及超導線圈12)的導熱路徑被隔斷。

第1導熱台52a和第2導熱台52b位於初期位置。例如，第1導熱台52a和第2導熱台52b分別可以與第1止擋件70a和第2止擋件70b接觸。此時，第1彈簧部68a和第2彈簧部68b處於未壓縮的中立狀態，或者可以將第1導熱台52a和第2導熱台52b分別以稍微的預荷重(preload)推壓在第1止擋件70a和第2止擋件70b上。或者，第1導熱台52a和第2導熱台52b分別可以從第1止擋件70a和第2止擋件70b稍微分開，第1彈簧部68a和第2彈簧部68b可以處於中立狀態。

為了使冷頭20a和真空容器30內的被冷卻物熱耦合，使上述升降機構64例如加壓裝置64a作動，藉此冷頭20a被壓入冷頭裝配結構50中。此時，冷頭20a的安裝凸緣28接近冷頭裝配結構50的導引部62，氣密連接部54的氣密分隔壁60收縮。真空區域32藉由氣密連接部54而依然與周圍環境14隔絕。

藉由冷頭20a相對於冷頭裝配結構50的移動，第1冷卻台22a和第2冷卻台22b分別接近第1導熱台52a和第2導熱台52b，最終物理接觸。若冷頭20a進一步被壓入，則第1冷卻台22a使第1導熱台52a移動，第1導熱台52a一邊壓縮第1彈簧部68a一邊沿著支撐棒66移動。同樣地，第2冷卻台22b使第2導熱台52b移動，第2導熱台52b一邊壓縮第2彈簧部68b一邊沿著支撐棒66移動。此時，第1導熱台52a相對於輻射熱屏蔽件40的移動被第1柔軟導熱構件58a允許，第2導熱台52b相對於超導線圈12的移動被第2柔軟導熱構件58b允許。

如圖1所示，若冷頭20a的安裝凸緣28與冷頭裝配結構50的導引部62接觸(亦即，如上所述，若安裝凸緣28沿著導銷62c移動而與導引板62a接觸)，則冷頭20a停止移動。安裝凸緣28例如使用螺栓等緊固構件與導引板62a緊固，冷頭20a固定於冷頭裝配結構50。其後，加壓裝置64a向操作板29及安裝凸緣28的緊壓荷重被解除。

如此一來，冷頭20a移動至與可動範圍相反的一側的末端例如下端，冷頭20a和冷頭裝配結構50被熱耦合。第1冷卻台22a經由第1導熱台52a而與輻射熱屏蔽件40熱耦合，輻射熱屏蔽件40被冷頭20a冷卻至第1冷卻溫度。第2冷卻台22b經由第2導熱台52b而與超導線圈12熱耦合，超導線圈12被冷頭20a冷卻至第2冷卻溫度。

被壓縮之第1彈簧部68a在第1冷卻台22a與第1導熱台52a之間產生預定的接觸面壓，藉此在第1冷卻台22a與第1導熱台52a之間實現良好的熱接觸。又，被壓縮之第2彈簧部68b在第2冷卻台22b與第2導熱台52b之間產生預定的接觸面壓，藉此在第2冷卻台22b與第2導熱台52b之間實現良好的熱接觸。如此，藉由按每個導熱台設置彈簧部，能夠按每個彈簧部賦予不同的彈性特性，藉此能夠按每個導熱台個別地調整接觸面壓。

又，藉由使用彈簧部使冷卻台22和導熱台52相互緊壓，還具有即使冷卻台22和導熱台52藉由極低溫冷卻而熱收縮亦能夠輕易地保持接觸狀態之優點。即使在因冷頭20a的個體差而冷頭20a與冷頭裝配結構50的中心軸稍微相互偏移之情況下，亦能夠藉由使用彈簧部使冷卻台22和導熱台52相互緊壓來輕易地保持冷卻台22與導熱台52的接觸狀態。

當解除冷頭20a與被冷卻物的熱耦合時，首先，冷頭20a與冷頭裝配結構50的緊固被解除。然後，利用上述升降機構64例如抬起機構64b將冷頭20a從冷頭裝配結構50抬起。具體而言，在緊固螺栓64b2被螺入操作板29的螺栓孔64b1中且緊固螺栓64b2的前端被抵靠在真空容器30之狀態下，緊固螺栓64b2被旋轉而操作板29從導引部62被抬起。冷頭20a的安裝凸緣28從冷頭裝配結構50的導引部62分開，氣密連接部54的氣密分隔壁60伸長。

藉由冷頭20a相對於冷頭裝配結構50的移動，第1冷卻台22a從第1導熱台52a被抬起，第2冷卻台22b從第2導熱台52b被抬起。第1導熱台52a和第2導熱台52b分別由第1彈簧部68a和第2彈簧部68b緊壓在第1冷卻台22a和第2冷卻台22b上。因此，當第1冷卻台22a和第2冷卻台22b的移動量小時，第1冷卻台22a與第1導熱台52a的接觸及第2冷卻台22b與第2導熱台52b的接觸可能會得到保持。

因此，為了確實地解除接觸，將冷頭20a抬起，以使第1冷卻台22a和第2冷卻台22b分別移動至比第1止擋件70a和第2止擋件70b更靠上方的位置。如此一來，第1止擋件70a和第2止擋件70b能夠限制第1導熱台52a和第2導熱台52b的向上方的移動，能夠使第1冷卻台22a和第2冷卻台22b分別從第1導熱台52a和第2導熱台52b確實地分離。

如此一來，如圖2所示，第1冷卻台22a從第1導熱台52a物理分開，第2冷卻台22b從第2導熱台52b物理分開。冷頭20a與真空容器30內的被冷卻物的熱耦合被解除，從極低溫冷凍機20向真空容器30內的被冷卻物的導熱路徑被隔斷。即使冷頭20a升溫至比輻射熱屏蔽件40及超導線圈12高的溫度例如室溫，只要真空區域32保持真空，則從冷頭20a向輻射熱屏蔽件40及超導線圈12的熱影響也是有限的或者可以忽略。因此，輻射熱屏蔽件40及超導線圈12能夠維持在與冷頭20a不同的溫度(例如極低溫)。

在解除冷頭20a與被冷卻物的熱耦合之期間，能夠進行極低溫冷凍機20的維護。藉由將極低溫冷凍機20與被冷卻物熱分離，能夠在將被冷卻物保持在極低溫的狀態下(或者將溫度上升抑制在最小限度的同時)，停止極低溫冷凍機20的冷卻運轉而升溫至室溫並進行極低溫冷凍機20的維護。若維護結束，則重新開始極低溫冷凍機20的冷卻運轉。當冷頭20a被充分冷卻時，能夠使冷頭20a和被冷卻物再度耦合，並重新開始極低溫裝置10的運轉。與將被冷卻物與冷頭20a一同升溫至室溫後對極低溫冷凍機20實施維護之情況相比，能夠縮短被冷卻物的再冷卻時間，從而能夠縮短維護所需時間。

如上所述，以往的冷頭裝配結構亦即維護套筒以保持真空容器的氣密性之方式構成，從真空容器的壁向內部延伸，冷頭可拆卸地裝配於該套筒的內側。在極低溫冷卻中，為了使冷頭與套筒良好地熱接觸而將冷頭強力緊壓在維護套筒上，因此維護套筒必須堅固，以承受該力。又，冷頭周圍的空間藉由維護套筒而與真空容器內的真空區域隔絕，因此對維護套筒要求保持氣密性之結構。為了滿足該等要件，維護套筒採用比較複雜的結構，並且製造成本往往亦會變高。

相對於此，依實施形態，能夠提供無套筒亦即不具有套筒之冷頭裝配結構50。冷頭裝配結構50具有非氣密性的支撐結構56，冷頭20a暴露於真空容器30內的真空區域32中。支撐結構56不需要氣密套筒。冷頭裝配結構50能夠以比較簡單的結構實現，還可抑制製造成本。

在維護套筒之類的氣密套筒的情況下，實際使用時期望設置用以釋放意外產生之過大的套筒內壓之安全閥。但是，依實施形態，冷頭裝配結構50不需要氣密套筒，因此亦不需要這樣的安全閥。又，在維護套筒的情況下，需要個別地設置為了在真空容器內的機器中進行配線而設置於真空容器之饋通部和用以在維護套筒內的冷頭中進行配線之饋通部。但是，依實施形態，亦能夠將該等配線匯集在一起。該等要因亦有助於降低製造成本。

實施形態之冷頭裝配結構並不限定於上述特定的實施形態，此外還可以採用各種形態。對若干個具體例進行敘述。

圖6係示意地表示可用於實施形態之冷頭裝配結構之第1導熱台52a的例子之立體圖。如圖6所示，可以在第1導熱台52a上設置加強部76。加強部76亦可以設置於和與第1冷卻台22a接觸之第1接觸面72(參照圖4(a))相反的一側的面例如下表面。加強部76可以避開中心開口71和第1導孔73而配置。加強部76與第1導熱台52a一體地形成，可以為安裝於第1導熱台52a之加強肋，加強肋可以沿著徑向或周圍方向或其他方向延伸。藉由設置加強部76，能夠抑制第1冷卻台22a被緊壓在第1導熱台52a上時的第1導熱台52a的變形。另外，第2導熱台52b亦同樣可以具有加強部76。

圖7(a)係示意地表示可用於實施形態之冷頭裝配結構之第2導熱台52b的例子之立體圖，圖7(b)係示意地表示組裝有圖7(a)所示之第2導熱台52b之冷頭裝配結構50的一部分之圖。如圖7(a)所示，第2導熱台52b可以具有凸緣部77。該凸緣部77從具有與第2冷卻台22b接觸之第2接觸面74之第2導熱台52b的本體部分的下部朝徑向外側延伸出。第2導孔75形成於凸緣部77。如此，藉由在第2導熱台52b的下側設置凸緣部77，如圖7(b)所示，能夠擴大從第1導熱台52a向凸緣部77的距離，能夠將從第1導熱台52a向第2導熱台52b延伸之支撐棒66的部分延長。這有助於減少從第1導熱台52a向第2導熱台52b的侵入熱。

另外，可以以相同的方式，在第1導熱台52a設置凸緣部77，藉此擴大從固定有支撐棒66之真空容器30的壁向第1導熱台52a的凸緣部77的距離，並將從真空容器30向第1導熱台52a延伸之支撐棒66的部分延長。這有助於減少從真空容器30向第1導熱台52a的侵入熱。

圖8係示意地表示可用於實施形態之冷頭裝配結構50之非氣密性的支撐結構56的例子之圖。如圖8所示，支撐結構56具備將支撐棒66彼此連結之第1加強件78a、第2加強件78b及第3加強件78c。第1加強件78a將在周圍方向上鄰接之支撐棒66在真空容器30與第1導熱台52a之間進行連接。第2加強件78b將在周圍方向上鄰接之支撐棒66在第1導熱台52a與第2導熱台52b之間進行連接。第3加強件78c將貫通了第2導熱台52b之支撐棒66的前端彼此進行連接。利用該等加強件，能夠抑制冷頭20a被緊壓在冷頭裝配結構50上時的支撐結構56的變形。另外，可以省略第1加強件78a、第2加強件78b及第3加強件78c中的任一個。

圖9係示意地表示實施形態之冷頭裝配結構50的另一例之圖。冷頭裝配結構50可以具備安裝部80，該安裝部80安裝有氣密連接部54和非氣密性的支撐結構56，且能夠從真空容器30拆卸。安裝部80為在其中心部具有冷頭插入口31之板狀的構件，例如具有圓板形狀。冷頭裝配結構50通過將安裝部80以用安裝部80封住真空容器30的開口部之方式安裝於真空容器30而設置於真空容器30。在安裝部80上可以裝配有被安裝部80與真空容器30夾入之O型環等密封構件81，藉此，當將安裝部80安裝於真空容器30時維持真空容器30的氣密性。在安裝部80上能夠可拆卸地安裝有上述升降機構64(在圖9中未圖示)。

以上，依據實施例對本發明進行了說明。本發明並不限定於上述實施形態，所屬技術領域中具有通常知識者應理解，能夠進行各種設計變更，能夠進行各種變形例，並且，這樣的變形例亦在本發明的範圍內。關於某一實施形態而說明之各種特徵亦能夠適用於其他實施形態。藉由組合而產生之新的實施形態兼具所組合之實施形態各自的效果。

在上述實施形態中，支撐棒66從真空容器30延伸並貫通第1導熱台52a而到達第2導熱台52b。如此，第1導熱台52a和第2導熱台52b並不需要沿著1根支撐棒66而設置。在某一實施形態中，支撐結構56可以具有從真空容器30向第1導熱台52a延伸之支撐棒的第1部分和從第1導熱台52a向第2導熱台52b延伸之支撐棒的第2部分。此時，支撐棒的第1部分和第2部分可以有不同的直徑或不同的設置根數。支撐棒的第1部分和第2部分可以設為不同的配置，例如相對於第1部分，第2部分配置於徑向內側等。

在上述實施形態中，支撐棒66以與冷頭20a的中心軸平行的方式直線延伸，但並不限於此。支撐棒66可以相對於冷頭20a的中心軸傾斜地延伸，亦可以圍繞冷頭20a以螺旋狀延伸。如此一來，能夠延長支撐棒66的長度，有助於減少通過支撐棒66從真空容器30向第1導熱台52a或第2導熱台52b的侵入熱。

在上述實施形態中，支撐結構56具備複數片支撐棒66，但亦可以具有其他形狀。例如，支撐結構56的一部分(例如，將真空容器30連接於第1導熱台52a之部分)可以具有包圍冷頭20a之筒狀的形狀。

在上述實施形態中，將極低溫冷凍機20為二段式的GM冷凍機的情況為例子進行了說明，但極低溫冷凍機20亦可以為單段式的GM冷凍機。在該情況下，冷頭裝配結構50對應於冷頭20a具有1個冷卻台22之情況而具有1個導熱台52。又，極低溫冷凍機20亦可以為脈衝管冷凍機、斯特林冷凍機或其他類型的極低溫冷凍機。

依據實施形態，使用具體的語句對本發明進行了說明，但實施形態只不過是示出本發明的原理、應用的一態樣，在實施形態中，可以在不脫離申請專利範圍中所規定之本發明的思想之範圍內允許進行多種變形例或配置的變更。

10:極低溫裝置 14:周圍環境 20a:冷頭 22:冷卻台

28:安裝凸緣

30:真空容器

31:冷頭插入口

32:真空區域

50:冷頭裝配結構

52:導熱台

54:氣密連接部

56:支撐結構

60:氣密分隔壁

64:升降機構

66:支撐棒

68a:第1彈簧部(彈簧部)

68b:第2彈簧部(彈簧部)

70a:第1止擋件(止擋件)

70b:第2止擋件(止擋件)

80:安裝部

[圖1]係示意地表示實施形態之極低溫裝置之圖。 [圖2]係示意地表示實施形態之極低溫裝置之圖。 [圖3]係示意地表示實施形態之冷頭裝配結構之立體圖。 [圖4]中，圖4(a)係示意地表示實施形態之第1導熱台之俯視圖，圖4(b)係示意地表示實施形態之第2導熱台之俯視圖。 [圖5]中，圖5(a)及圖5(b)係與實施形態有關之示意地表示設置於冷頭裝配結構之升降機構之圖。 [圖6]係示意地表示可用於實施形態之冷頭裝配結構之第1導熱台的例子之立體圖。 [圖7]中，圖7(a)係示意地表示可用於實施形態之冷頭裝配結構之第2導熱台的例子之立體圖，圖7(b)係示意地表示組裝有圖7(a)所示之第2導熱台之冷頭裝配結構的一部分之圖。 [圖8]係示意地表示可用於實施形態之冷頭裝配結構之非氣密性的支撐結構的例子之圖。 [圖9]係示意地表示實施形態之冷頭裝配結構的另一例之圖。

10:極低溫裝置

12:超導線圈

14:周圍環境

20:極低溫冷凍機

20a:冷頭

20b:壓縮機

22:冷卻台

22a:第1冷卻台

22b:第2冷卻台

24a:第1缸體

24b:第2缸體

26:驅動部

28:安裝凸緣

30:真空容器

31:冷頭插入口

32:真空區域

40:輻射熱屏蔽件

42:導熱構件

50:冷頭裝配結構

52:導熱台

52a:第1導熱台

52b:第2導熱台

54:氣密連接部

56:支撐結構

58a:第1柔軟導熱構件

58b:第2柔軟導熱構件

60:氣密分隔壁

62:導引部

64:升降機構

66:支撐棒

68a:第1彈簧部

68b:第2彈簧部

70a:第1止擋件

70b:第2止擋件

Claims (9)

1. 一種冷頭裝配結構，其特徵為，係具備：導熱台，係配置於真空容器內的真空區域，藉由冷頭相對於前述真空容器的移動而與前述冷頭的冷卻台接觸或分離；氣密連接部，係將前述真空區域與周圍環境隔絕，並且以允許前述冷頭相對於前述真空容器的移動之方式將前述冷頭連接於前述真空容器；及非氣密性的支撐結構，係將前述導熱台支撐於前述真空容器，且以使前述冷頭的前述冷卻台暴露於前述真空區域中之方式配置於前述冷頭的周圍；前述非氣密性的支撐結構具備彈簧部，且前述非氣密性的支撐結構是隔著前述彈簧部將前述導熱台彈性地支撐。
2. 如請求項1所述之冷頭裝配結構，其中前述非氣密性的支撐結構具備從前述真空容器的冷頭插入口向前述導熱台延伸之複數根支撐棒。
3. 如請求項2所述之冷頭裝配結構，其中前述彈簧部裝配於前述複數根支撐棒，前述複數根支撐棒經由前述彈簧部彈性地支撐前述導熱台，並且導引前述導熱台在前述冷頭的移動方向上的移動。
4. 如請求項3所述之冷頭裝配結構，其中 前述非氣密性的支撐結構具備止擋件，關於靠近前述真空容器的前述冷頭插入口之方向上的前述導熱台的移動，前述止擋件限制其移動量。
5. 如請求項2至請求項4之任一項所述之冷頭裝配結構，其中前述複數根支撐棒中的至少一根支撐棒為中空。
6. 如請求項1至請求項4之任一項所述之冷頭裝配結構，其中前述氣密連接部具備能夠沿前述冷頭的移動方向伸縮之氣密分隔壁。
7. 如請求項1至請求項4之任一項所述之冷頭裝配結構，其中前述冷頭具備配置於前述真空容器外且安裝於前述真空容器之安裝凸緣，前述冷頭裝配結構具備使前述安裝凸緣相對於前述真空容器升降之升降機構。
8. 如請求項1至請求項4之任一項所述之冷頭裝配結構，其中前述冷頭裝配結構進一步具備安裝部，前述安裝部安裝有前述氣密連接部和前述非氣密性的支撐結構，且能夠從前述真空容器拆卸。
9. 一種極低溫裝置，其特徵為，係具備：真空容器，係在內部界定真空區域；冷頭，係具備冷卻台，且裝配於前述真空容器； 導熱台，係配置於前述真空容器內的前述真空區域，藉由前述冷頭相對於前述真空容器的移動而與前述冷頭的前述冷卻台接觸或分離；氣密連接部，係將前述真空區域與周圍環境隔絕，並且以允許前述冷頭相對於前述真空容器的移動之方式將前述冷頭連接於前述真空容器；及非氣密性的支撐結構，係將前述導熱台支撐於前述真空容器，並以使前述冷頭的前述冷卻台暴露於前述真空區域中之方式配置於前述冷頭的周圍；前述非氣密性的支撐結構具備彈簧部，且前述非氣密性的支撐結構是隔著前述彈簧部將前述導熱台彈性地支撐。

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