WO2021215090A1 - 冷却装置及びコールドヘッド交換方法 - Google Patents

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WO2021215090A1
WO2021215090A1 PCT/JP2021/005482 JP2021005482W WO2021215090A1 WO 2021215090 A1 WO2021215090 A1 WO 2021215090A1 JP 2021005482 W JP2021005482 W JP 2021005482W WO 2021215090 A1 WO2021215090 A1 WO 2021215090A1
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port
cold head
refrigerator
cooling device
space
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PCT/JP2021/005482
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English (en)
French (fr)
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洋之 渡邊
千葉　知雄
Original Assignee
株式会社日立製作所
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    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/10—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point with several cooling stages
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
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    • F25B9/002—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F25D19/00—Arrangement or mounting of refrigeration units with respect to devices or objects to be refrigerated, e.g. infrared detectors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F25D2400/00—General features of, or devices for refrigerators, cold rooms, ice-boxes, or for cooling or freezing apparatus not covered by any other subclass
    • F25D2400/02—Refrigerators including a heater

Definitions

  • the present invention relates to a cooling device and a cold head replacement method, and more particularly to a technique used when replacing a cold head under a conduction cooling system.
  • a refrigerant cooling method in which the object to be cooled is cooled by the refrigerator through a liquid or gas refrigerant and a conduction cooling method in which the object to be cooled is cooled by the refrigerator without using such a refrigerant are known.
  • the cold head of the refrigerator is connected to the object to be cooled either directly or via a heat conductor.
  • the cold head is connected to the compressor via a pipe for circulating refrigerant.
  • the cold head is a part that absorbs heat, in other words, a part that generates cold heat, and is also called a refrigerator unit.
  • regular maintenance of the cold head is required.
  • the maintenance includes, for example, replacement of consumables such as seal members and valves.
  • the following three methods are known as cold head maintenance methods.
  • the first maintenance method is to maintain the cold head by disassembling the cold head while maintaining the cooling state of the cold head and the body to be cooled.
  • the second maintenance method is to perform maintenance by raising the temperature of the cold head and the object to be cooled to room temperature without maintaining the cooling state.
  • the third maintenance method is to perform maintenance on the cold head after removing the cold head while maintaining the cooled state of the object to be cooled.
  • a new cold head is arranged.
  • the vacuum container containing the object to be cooled is provided with a refrigerator port so that the cold head can be replaced while maintaining the vacuum state inside the container.
  • the chiller port is a hollow structure that houses the cold head and functions as a bulkhead. According to the third maintenance method, the cooled state of the object to be cooled can be maintained. In addition, the cold head can be maintained at room temperature, and there is an advantage that maintenance workability can be improved.
  • Patent Document 1 and Patent Document 2 disclose a cooling device based on the above-mentioned third maintenance method.
  • a plurality of bellows are provided in the refrigerator port that receives the refrigerator unit.
  • the cooling device disclosed in Patent Document 2 includes a coupling actuator that functions when the refrigerator unit is coupled to the refrigerator port, and a separation actuator that functions when the refrigerator unit is separated from the refrigerator port. It has.
  • Neither Patent Document 1 nor Patent Document 2 has a configuration for manipulating the pressure inside the refrigerator port.
  • the port space inside the refrigerator port is an airtight space.
  • the gas remaining in the port space is condensed, and the pressure in the port space becomes considerably lower than the atmospheric pressure, that is, a negative pressure.
  • atmospheric pressure is applied to the cold head to hold it down. In such a state, it takes a considerable amount of force to pull the cold head out of the cooler port. It becomes a factor that reduces the replacement workability.
  • an object of the present disclosure is to manipulate the pressure in the port space when maintaining a cold head.
  • the cooling device is a refrigerator port provided with a vacuum container containing an object to be cooled and a port space provided in the vacuum container for interchangeably accommodating a cold head of a refrigerator for cooling the object to be cooled. It is characterized by including a pressure adjusting facility for supplying gas to the port space and increasing the pressure in the port space before the cold head is pulled out.
  • gas is supplied from the outside to the port space in the refrigerator port in a state where the cold head of the refrigerator is arranged in the refrigerator port provided in the vacuum container. It is characterized by including a step of increasing the pressure in the port space and a step of pulling out the cold head from the refrigerator port after the pressure in the port space is increased.
  • workability can be improved when the cold head is maintained.
  • the pressure in the port space can be manipulated when maintaining the cold head.
  • FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view showing a part of the cooling device shown in FIG. It is an enlarged cross-sectional view which shows the modification. It is sectional drawing which shows the cooling apparatus which concerns on 3rd Embodiment.
  • FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view showing a part of the cooling device shown in FIG. It is a flowchart which shows the cold head exchange method which concerns on embodiment. It is a figure which shows an example of the equipment in which the cooling device which concerns on each embodiment is installed.
  • the cooling device includes a vacuum container, a refrigerator port, and pressure adjusting equipment.
  • the vacuum container is a container that contains an object to be cooled.
  • the chiller port is a port provided in the vacuum vessel, which comprises a port space for interchangeably accommodating the cold head of the chiller for cooling the object to be cooled.
  • the pressure adjustment equipment is equipment for supplying gas to the port space to increase the pressure in the port space before the cold head is pulled out.
  • the pressure adjustment equipment before pulling out the cold head from the refrigerator port, the pressure adjustment equipment can be operated to supply gas to the port space and increase the pressure in the port space. Therefore, the pressure difference between the outside world and the port space is eliminated or reduced, and the force exerted on the cold head due to the pressure difference is eliminated or reduced. This facilitates the work of pulling out the cold head.
  • the pressure adjusting equipment functions not only when supplying gas to the port space but also when discharging gas from the port space.
  • pressure regulation equipment may be used for other purposes.
  • the chiller port is a hollow structure that houses all or part of the cold head.
  • the refrigerator port functions as a partition wall that separates the internal space of the vacuum vessel from the port space.
  • the pressure regulating equipment includes piping and valves.
  • the pipe has a gas flow path that communicates with the port space and is drawn out from the refrigerator port.
  • the valve is provided in the pipe. The valve closes the gas flow path during operation of the refrigerator and allows gas to be supplied to the gas flow path when the cold head is replaced.
  • gas can be supplied to the port space with a simple configuration.
  • the piping may be provided so as to penetrate the vacuum container, or the piping may be provided so as to penetrate the flange (mounting plate) of the cold head.
  • the existing cold head can be used as it is.
  • the first end of the pipe is connected to the refrigerator port, and the second end of the pipe is led to the outside of the vacuum vessel.
  • a valve is provided in the exposed part of the pipe (the part protruding from the vacuum vessel). When this configuration is adopted, the valve can be opened and closed manually. However, the opening and closing of the valve may be controlled by an electric signal.
  • the refrigerator port has a bellows that expands and contracts in the direction of the central axis of the port. Piping is pulled out from the room temperature side of the bellows at the refrigerator port.
  • the bellows has a bellows structure, is deformable, and exhibits a heat inflow reducing effect. By pulling out the pipe from the room temperature side part of the refrigerator port, the pipe can be thermally separated from the stage (heat absorption part, cold heat generation part) of the cold head. Further, according to the above configuration, even if the bellows is deformed, it is possible to obtain the advantage that the load is not applied to the pipe or it is difficult to apply the load.
  • the refrigerator port has a sleeve and a pedestal.
  • the sleeve is a member that surrounds the port space.
  • the pedestal is a member provided at the cooling side end of the sleeve and is directly or indirectly connected to the stage of the cold head.
  • the refrigerator is further provided with an elastic mechanism that exerts an elastic force on the pedestal so as to increase the connecting force between the pedestal and the stage.
  • the elastic mechanism can increase the connecting force between the pedestal and the stage and improve the thermal conductivity between them.
  • a sufficient elastic action that does not depend on the bellows elastic action can be obtained.
  • a part of the refrigerator port may have a part that generates an auxiliary elastic force.
  • the elastic mechanism a mechanism for mechanically generating an elastic force is provided. In a situation where the cooling device vibrates or the cooling device is vibrated, it can be expected that the elastic mechanism absorbs and alleviates the vibration. When the posture of the cooling device changes, the elastic mechanism makes it possible to stably obtain the above-mentioned good thermal conductivity.
  • the port space is composed of a first port space and a second port space arranged in the direction of the central axis of the port.
  • the refrigerator port includes a first sleeve, a second sleeve, a first pedestal, and a second pedestal.
  • the first sleeve is a member that surrounds the first port space.
  • the second sleeve is a member that surrounds the second port space.
  • the first pedestal is a member provided at the cooling side end of the first sleeve and is directly or indirectly connected to the first stage of the cold head.
  • the second pedestal is a member provided at the cooling side end of the second sleeve and is directly or indirectly connected to the second stage of the cold head.
  • the cooling device is further provided with a first elastic mechanism and a second elastic mechanism.
  • the first elastic mechanism exerts an elastic force on the first pedestal so that the connecting force between the first pedestal and the first stage is increased.
  • the second elastic mechanism exerts an elastic force on the second pedestal so as to increase the connecting force between the second pedestal and the second stage.
  • the above configuration is premised on a two-stage stage configuration (two-stage cold head) including two cold heat generators connected in series.
  • the first elastic mechanism enhances the first thermal conductivity between the first pedestal and the first stage
  • the second elastic mechanism enhances the second thermal conductivity between the second pedestal and the second stage. Be done.
  • the first elastic mechanism is provided between the vacuum container and the first pedestal, and separately, the second elastic mechanism is provided between the vacuum container and the second pedestal. That is, the independent traction method is adopted.
  • each of the first thermal conductivity and the second thermal conductivity can be surely improved.
  • a modified example in which two elastic mechanisms are connected or linked is also conceivable.
  • the first elastic mechanism includes a plurality of first support elements provided around the first sleeve, and each first support element includes an elastic member.
  • the second elastic mechanism includes a first sleeve and a plurality of second support elements provided around the second sleeve, and each second support element includes an elastic member.
  • the first sleeve and the first sleeve are provided. 2 It is possible to avoid increasing the size of the sleeve. In other words, they can be miniaturized. Since the volume of the first sleeve space in the first sleeve and the volume of the second sleeve space in the second sleeve can be reduced, the gas consumption can be reduced.
  • the refrigerator port is provided with a heater for preventing the gas supplied to the port space from being liquefied.
  • the heater is a liquefaction prevention means.
  • the cold head replacement method includes a first step and a second step.
  • the first step in a state where the cold head of the refrigerator is arranged in the refrigerator port provided in the vacuum vessel, gas is supplied from the outside to the port space in the refrigerator port, whereby the pressure in the port space is increased. Is enhanced.
  • the second step the cold head is pulled out of the refrigerator port after the pressure in the port space is increased.
  • a step of discharging the gas in the port space to the outside is further provided after arranging a new cold head in the refrigerator port. According to this configuration, it is possible to further reduce the heat conduction due to the convection of the residual gas in the port space.
  • FIG. 1 shows a cooling device according to the first embodiment.
  • the illustrated cooling device is a cooling device that follows a conduction cooling system.
  • the x direction and the z direction orthogonal to the x direction are shown.
  • the direction orthogonal to the x-direction and the z-direction is the y-direction.
  • the y direction is not shown.
  • the x-direction, y-direction, and z-direction do not always correspond to the vertical direction in which gravity acts, but in the following, for convenience of explanation, the terms up, down, left, and right are used with reference to the drawings.
  • the illustrated cooling device includes a refrigerator 10, a vacuum container 12, and a refrigerator port 14.
  • a body to be cooled 15 is provided in the vacuum container 12.
  • the body to be cooled 15 is, for example, a superconducting coil for generating a magnetic field.
  • the body to be cooled 15 is supported by a support mechanism 18 in the vacuum vessel 12.
  • the inside of the vacuum container 12 is a vacuum space 22.
  • the vacuum vessel 12 is made of, for example, stainless steel.
  • the support mechanism 18 has a plurality of columns 20 made of a heat insulating material.
  • Each support column 20 is composed of, for example, FRP (Fiber-Reinforced Plastics) having a high heat insulating effect. Examples of such FRP include GFRP containing glass fiber and CFRP containing carbon fiber.
  • the refrigerator 10 is composed of a cold head (also referred to as a refrigerator unit) 16 and a compressor (also referred to as a compression unit) 46. They are connected by a pipe 44 for refrigerant circulation.
  • a cold head also referred to as a refrigerator unit
  • a compressor also referred to as a compression unit
  • Examples of the refrigerator 10 include a GM refrigerator, a Solvay refrigerator, a pulse tube refrigerator, and the like.
  • the vacuum container 12 is provided with a refrigerator port 14.
  • the refrigerator port 14 is a hollow structure that houses the cold head 16. From that point of view, the refrigerator port 14 is a cold head port.
  • the cold head 16 has a plurality of elements that carry out a heat exchange cycle. The plurality of elements include syringes, pistons and the like.
  • the internal space of the refrigerator port 14 is the port space 42. When the cold head 16 is attached to the refrigerator port 14, the port space 42 is an airtight space isolated from the outside world and the vacuum space 22.
  • the vacuum container 12 is formed with a circular opening 25.
  • a flange 28 as a peripheral edge or a mounting base is formed so as to surround the opening 25.
  • the refrigerator port 14 has a sleeve 24 and a pedestal 34.
  • the sleeve 24 is a cylindrical hollow body, and a bellows 26 is formed in an intermediate portion thereof.
  • the bellows 26 has a bellows structure and is composed of a plurality of folded chains, and expands and contracts in the direction of the central axis of the refrigerator port 14.
  • the bellows 26 has a function of suppressing heat inflow due to heat conduction from the room temperature side to the cooled body 15 side. Further, the bellows 26 has a deformability, and has a function of absorbing the deviation (dimensional difference) when the actual spatial relationship deviates from the predetermined spatial relationship between the refrigerator port 14 and the cold head 16. Has.
  • the room temperature side end (upper end in FIG. 1) of the sleeve 24 is connected to the opening 25, and the cooling side end (lower end in FIG. 1) of the sleeve 24 is connected to the pedestal 34.
  • the sleeve 24 as a whole is made of, for example, stainless steel.
  • the wall thickness of the bellows 26 on the sleeve 24 is, for example, 0.1 to 0.2 mm, and the wall thickness of the portion of the sleeve 24 other than the bellows 26 is, for example, 0.2 to 0.4 mm.
  • the numerical values given in the present specification are merely examples.
  • the pedestal 34 is a disk made of a material having good thermal conductivity, for example, copper (specifically, oxygen-free copper).
  • the first surface (upper surface in FIG. 1) of the pedestal 34 is connected to the cold head 16 via the heat conductive member 36.
  • the heat conductive member 36 is, for example, a disk made of copper.
  • the heat conductive member 36 is provided for the purpose of protecting the stage 40 of the cold head 16.
  • the pedestal 34 may be directly joined to the stage 40 of the cold head 16 without providing the heat conductive member 36.
  • Heat conductive grease is provided between the individual members as needed.
  • the second surface (lower surface in FIG. 2) of the pedestal 34 is connected to the cooled body 15 via the heat conductive member 41.
  • the heat conductive member 41 is made of a material (for example, copper) that is freely deformable and has good heat conductivity.
  • the cold head 16 has a flange 30 provided on the room temperature side.
  • the flange 30 is a mounting plate as an annular disc that spreads like a flange.
  • the flange 30 is attached to the flange 28 by a plurality of bolts (not shown).
  • the flange 28 is formed with a ring-shaped groove.
  • An O-ring as a sealing member is arranged in the groove.
  • the flange 28 and the flange 30 are made of, for example, stainless steel.
  • the flange 28 and the sleeve 24 may be connected by a method such as welding.
  • the cold head 16 has a stage 40 as a cooling end.
  • the cold heat generated by the cold head 16 is transferred from the stage 40 to the cooled body via the heat conductive member 36, the pedestal 34, and the heat conductive member 41.
  • the heat of the body to be cooled 15 is absorbed by the stage 40 via the heat conductive member 41, the pedestal 34, and the heat conductive member 36. In this way, the body 15 to be cooled is cooled by the conduction cooling method.
  • the gas usually helium gas
  • the port space 42 aggregates with the cold heat generation in the cold head 16, and the port space
  • the pressure of 42 is much lower than the atmospheric pressure. The state is maintained during the operation of the cooling device.
  • the entire work space including the cold head 16 is covered with a bag-shaped cover 64.
  • a bag-shaped cover 64 After the air inside the cover 64 is removed, helium gas or the like is put into the cover 64. This prevents the air from entering the port space 42. If the atmosphere enters the port space 42, problems such as the generation of frost will occur.
  • the cover 64 also exerts an action of preventing foreign matter from entering.
  • the action of the O-ring is maintained as it is just by loosening the plurality of bolts described above, that is, the pressure of the port space 42 remains negative. In that state, atmospheric pressure is applied to the cold head 16, and it takes a considerable force to pull out the cold head 16 from the refrigerator port 14. Alternatively, the withdrawal cannot be performed. Therefore, in the embodiment, the pressure adjusting equipment 48 is provided. It will be described in detail below.
  • the pressure adjusting equipment 48 is composed of a pipe 50 and a valve 52 in the illustrated configuration example.
  • the first end 53 of the pipe 50 is connected to the sleeve 24, and the second end 54 of the pipe 50 is located outside the vacuum vessel 12.
  • the pipe 50 penetrates a specific wall (upper wall in FIG. 1) in the vacuum vessel 12, and a part of the pipe 50 constitutes an exposed portion belonging to the outside world.
  • a valve 52 is provided in the exposed portion.
  • the specific wall is a wall on which the opening 25 is formed and is adjacent to the work space.
  • the installation position of the valve 52 is determined in consideration of the workability of the cold head 16 replacement work and the operability of the valve 52.
  • the internal flow path of the pipe 50 communicates with the port space 42.
  • the valve 52 When the valve 52 is closed, the internal flow path is closed, and when the valve 52 is opened, the internal flow path is open, that is, the distribution state.
  • the first end portion 53 is connected to a portion of the sleeve 24 on the room temperature side of the bellows 26. As a result, heat inflow through the pipe 50 is suppressed. Even if the bellows 26 is deformed, no particular stress is generated in the pipe 50.
  • the pipe 50 is composed of, for example, a stainless steel tube. Its inner diameter is, for example, 4 to 6 mm, and its outer diameter is, for example, 5 to 7 mm.
  • a valve 52 that can be opened and closed manually is provided. Solenoid valves and others may be used in place of such valves. The opening and closing of the valve 52 may be controlled by an electric signal.
  • the tank 58 Before pulling out the cold head 16, the tank 58 is connected to the second end 54. In that case, the tank 58 may be connected to the second end 54 via the relay pipe 56.
  • the tank 58 is a small tank containing helium gas.
  • the valve 52 When the valve 52 is opened with the tank 58 connected to the second end 54, the helium gas in the tank 58 is sent to the port space 42 through the internal space of the pipe 50. As a result, the pressure in the port space 42 becomes or approaches atmospheric pressure. In that state, the cold head 16 can be easily pulled out.
  • a suction pump 60 is connected to the second end 54 as needed.
  • the suction pump 60 may be connected to the second end portion 54 via the relay pipe 56.
  • the residual gas in the port space 42 aggregates and the pressure in the port space 42 decreases, but before that, it occurs in the port space 42 by reducing the residual gas as much as possible. It is possible to further reduce convection.
  • the valve 52 is closed after the residual gas is discharged.
  • the tank 58 and the suction pump 60 are arranged inside the cover 64 at the time of maintenance work, but they can also be arranged outside the cover 64.
  • Piping may be provided so as to penetrate the flange 30 of the cold head 16.
  • a valve is provided on the air side of the pipe.
  • a through hole may be formed in the flange 30 and a valve may be provided on the outlet side thereof.
  • the through hole corresponds to the pipe.
  • the advantage that the existing cold head 16 can be used as it is can be obtained.
  • Various types of pipes and valves can be installed.
  • the state in which the tank 58 and the suction pump 60 are connected to the second end portion 54 via the relay pipe 56 may be maintained.
  • the relay pipe 56 may be provided with a switching valve for switching the flow path.
  • the second end 54 contains a small amount of air. The residual atmosphere may be expelled when the tank 58 is connected so that the trace amount of air does not enter the port space 42.
  • a common tank 58 or a common suction pump 60 may be connected to the plurality of pipes drawn from the plurality of refrigerator ports.
  • the gas supplied to the port space 42 may be another inert gas such as nitrogen gas.
  • a pipe for supplying gas and a pipe for discharging gas may be connected to the refrigerator port 14.
  • a valve is provided in each pipe.
  • the concept of a valve includes a switch such as a check valve.
  • the valve 52 may be opened while the cover 64 is filled with helium gas and the second end portion 54 faces the inside of the cover 64. In that case, the port space 42 and the outside world (inside the cover 64) communicate with each other via the pipe 50, and a natural pressure balance is generated. When such a configuration is adopted, the tank 58 becomes unnecessary.
  • the port space 42 may be filled with a flexible or deformable material, for example, urethane as a foaming material. According to this configuration, the effective volume in which the gas can exist in the port space 42 can be reduced, which makes it possible to further reduce the heat inflow due to gas convection.
  • a flexible or deformable material for example, urethane as a foaming material.
  • FIG. 2 shows a composite (polymer) of the flange 28 and the flange 30.
  • Reference numeral 38 indicates an insertion portion in the cold head.
  • the port space 42 is outside the sleeve 24 and inside the sleeve 24.
  • a ring-shaped groove is formed in the flange 28, and an O-ring 70 that exerts a sealing action is arranged therein.
  • the two flanges 28, 30 are fastened by a row of bolts 68.
  • the bolt row 68 is composed of, for example, eight bolts 71 arranged in an annular shape.
  • the bolt row 68 is provided on the outside of the O-ring 70.
  • FIG. 3 shows the cooling device according to the second embodiment.
  • the cover is not shown.
  • the same allotropes as the elements already described are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted. This also applies to the elements shown in each of the figures after FIG.
  • an elastic mechanism 72 is provided on the outside of the refrigerator port 14 so as to surround the refrigerator port 14.
  • the refrigerator port 14 and the elastic mechanism 72 are separated from each other and function independently of each other.
  • the elastic mechanism 72 is an elastic force (pushing) facing the atmosphere (upward in FIG. 4) with respect to the pedestal in order to increase the degree of physical connection between the cold head 16 and the pedestal 34, particularly thermal conductivity. Pressure).
  • the heat conductive member 36 is arranged between the pedestal 34 and the stage 40 of the cold head 16. In that case, by applying the pressing force to the pedestal 34, the degree of adhesion between the pedestal 34 and the heat conductive member 36 is increased, and at the same time, the degree of adhesion between the heat conductive member 36 and the stage 40 is increased.
  • FIG. 4 shows a part of the cooling device 10A shown in FIG. 3 in an enlarged manner.
  • the elastic mechanism 72 is composed of, for example, three elastic elements 74 arranged at equal angular intervals around the refrigerator port 14. Each elastic element 74 independently applies an elastic force to the pedestal 34. Four or more elastic elements 74 may be provided.
  • each elastic element 74 is composed of an elastic piece 76, a support column 78, and a connecting plate 80.
  • the elastic piece 76 is composed of a first portion 76a extending in the z direction and a second portion 76b extending in the x direction from the end portion thereof.
  • the elastic piece 76 is a leaf spring and functions like a cantilever.
  • the elastic piece 76 generates an elastic force that pulls the end portion of the second portion 76b toward the room temperature side (upward in FIG. 4).
  • the elastic force generated by the elastic piece 76 can be adjusted.
  • the first end portion of the support column 78 is fixed to the second portion 76b by the fixing member 82.
  • the second end of the support column 78 is fixed to the connecting plate 80.
  • the connecting plate 80 is connected to the pedestal 34.
  • the elastic force generated by the elastic piece 76 is applied to the pedestal 34 via the support column 78 and the connecting plate 80.
  • the elastic piece 76 is made of, for example, stainless steel
  • the connecting plate 80 is also made of, for example, stainless steel.
  • the support column 78 is made of a material having high heat insulating properties, and is made of, for example, FRP.
  • Three elastic forces from the three elastic elements 74 extend to the pedestal 34 with an angular interval of 120 degrees around the central axis of the refrigerator port. More elastic elements 74 may be provided.
  • the size of the refrigerator port 14 specifically, its diameter can be reduced. As a result, the volume of the port space 42 is reduced, so that the total amount of residual gas can be reduced. As a result, heat conduction due to retention of residual gas can be reduced.
  • the residual gas is discharged from the port space 42 by using the pressure adjusting facility 48, it is possible to further reduce the heat conduction due to the convection of the residual gas.
  • the total elastic force over the pedestal 34 may be adjusted by changing the number of elastic elements 74 installed.
  • a means for generating an elastic force or a pressing force in each elastic element 74 in addition to a leaf spring, a spiral spring, a disc spring, or the like can be adopted.
  • An elastic force may be generated by a member or mechanism other than the spring. For example, wire traction force and magnetic force may be used.
  • the heater 84 is provided at or near the cooling side end of the refrigerator port 14. Specifically, the heater 84 is composed of a plurality of heater elements that are in close contact with the outer peripheral surface of the sleeve 24.
  • liquefaction (and granulation) of helium gas can be prevented. That is, if the helium gas is supplied to the port space 42 in the cooled state of the cold head, a part of the helium gas may be liquefied (and granulated). In that case, the consumption of helium gas increases. Alternatively, there is a concern that the action of the heat conductive grease may be reduced due to liquefaction or the like.
  • the heater 84 By operating the heater 84, liquefaction of helium gas and the like can be prevented, and the above-mentioned problems can be prevented from occurring.
  • the heater 84 may be provided inside the sleeve. The heater 84, of course, does not operate during the operation of the refrigerator.
  • FIG. 5 shows a modified example.
  • an elastic mechanism 72A is provided on the outside of the refrigerator port.
  • the elastic mechanism 72A is composed of, for example, three elastic elements 74A.
  • Each elastic element 74A is composed of a strut 88 and an elastic piece 86.
  • the elastic piece 86 is composed of a first portion 86a and a second portion 86b.
  • the first end of the column 88 is connected to the vacuum vessel 12.
  • the second end of the column 88 is connected to the first portion 86a.
  • the second portion 86b is connected to the pedestal 34.
  • the elastic piece 86 is a leaf spring, which exerts an elastic force on the pedestal 34 toward the room temperature side.
  • the support column 88 is made of a material having good heat insulating properties.
  • FIG. 6 shows the cooling device 10C according to the third embodiment.
  • the refrigerator port 96 is composed of a first port portion 98 and a second port portion 100.
  • the first port portion 98 and the second port portion 100 are connected in the z direction.
  • the cold head 16B has a portion 90 housed in the refrigerator port 96.
  • the portion 90 is composed of a first cooling section and a second cooling section which are continuous in the z direction.
  • the end of the first cooling section is the first stage 92 and the end of the second cooling section is the second stage 94.
  • the temperature of the first stage 92 is, for example, 40 to 60 K
  • the temperature of the second stage is, for example, 4 K.
  • the first elastic mechanism 102 is provided so as to surround the first port portion 98, and the second elastic mechanism 104 surrounds the first port portion 98 and the second port portion 100 as a whole (that is, the refrigerator port 96). It is provided.
  • a radiation shield 106 surrounding the body to be cooled 15 is provided in the vacuum container 12.
  • the radiation shield 106 is a member that prevents the radiation emitted from the vacuum vessel 12 from reaching the cooled body 15.
  • the radiation shield 106 is separated from the vacuum vessel 12 and the object to be cooled 15, which is made of a material having good thermal conductivity, for example aluminum.
  • the radiation shield 106 is in thermal contact with the first stage 92.
  • FIG. 7 shows a part of the cooling device 10C shown in FIG. 6 in an enlarged manner.
  • the refrigerator port 96 is composed of the first port portion 98 and the second port portion 100.
  • the first port portion 98 has a first sleeve 108 and a first pedestal 118.
  • the first sleeve 108 has a cylindrical shape, and an intermediate portion thereof constitutes the first bellows 110.
  • the first sleeve 108 is provided between the periphery of the opening formed in the vacuum vessel and the first surface (upper surface in FIG. 7) of the first pedestal 118.
  • the first pedestal 118 has an annular shape.
  • the second port portion 100 has a second sleeve 112 and a second pedestal 122.
  • the second sleeve 112 has a cylindrical shape, and an intermediate portion thereof constitutes a bellows 114.
  • the second sleeve 112 is provided between the second surface of the first pedestal 118 (lower surface in FIG. 7) and the first surface of the second pedestal 122 (upper surface in FIG. 7).
  • An annular heat conductive member 120 is provided between the first pedestal 118 and the first stage 92.
  • the cold head 16B passes through the opening of the heat conductive member 120.
  • a disk-shaped heat conductive member 139 is provided between the first surface (upper surface in FIG. 7) of the second pedestal 122 and the second stage 94.
  • the second surface (lower surface in FIG. 7) of the second pedestal 122 is in contact with the heat conductive member 41.
  • the internal space of the refrigerator port 96 is a port space, and the port space is specifically composed of a first port space 116A and a second port space 116B.
  • the first port space 116A and the second port space 116B communicate with each other. That is, the entire port space itself is a single airtight space.
  • the first elastic mechanism 102 is composed of, for example, three elastic elements provided so as to surround the first port portion 98.
  • the three elastic elements are arranged at equal angular spacing.
  • Each elastic element is composed of a leaf spring 124, a strut 126 and a connecting plate 128.
  • the elastic force generated by the leaf spring 124 extends to the first pedestal 118 via the support column 126 and the connecting plate 128.
  • the first pedestal 118 and the heat conductive member 120 are in close contact with each other, and the heat conductive member 120 and the first stage 92 are in close contact with each other.
  • the second elastic mechanism 104 is a mechanism independent of the first elastic mechanism 102.
  • the second elastic mechanism 104 is composed of, for example, three elastic elements surrounding the refrigerator port 96.
  • the elastic elements are arranged in a ring shape and are arranged at equal angular intervals.
  • Each elastic element consists of a leaf spring 130, a strut 132 and a connecting plate 134.
  • the stanchion 132 has a length comparable to the overall length of the refrigerator port 96.
  • the elastic force generated by the leaf spring 130 extends to the second pedestal 122 via the support column 132 and the connecting plate 134.
  • the second pedestal 122 and the heat conductive member 139 are in close contact with each other, and the heat conductive member 139 and the second stage 94 are in close contact with each other.
  • the three elastic elements constituting the first elastic mechanism 102 are provided at positions of, for example, 0 degrees, 120 degrees, and 240 degrees around the central axis of the refrigerator port 96, and constitute the second elastic mechanism 204.
  • the three elastic elements are provided, for example, at 60, 180 and 300 degree positions. As a result, physical interference between the first elastic mechanism 102 and the second elastic mechanism 104 is avoided.
  • a thermal anchor 135 is provided in the middle of each column 132. It is composed of an annular or cylindrical heat conductive member.
  • a flexible thermal link 136 is provided between each thermal anchor 135 and the first stage 92. The temperature of each thermal anchor 135 is operated and fixed to be substantially the same as the temperature of the first stage 92. With this configuration, heat inflow through each column 132 is reduced.
  • Each strut 132 may be composed of two rod-shaped members connected via a thermal anchor instead of a single rod-shaped member.
  • a flexible thermal link 137 is provided between the first pedestal 118 and the radiation shield 106. As a result, the radiation shield 106 is cooled.
  • first elastic mechanism 102 and the second elastic mechanism 104 are provided as independent mechanisms, appropriate elastic forces can be reliably applied to each of the first pedestal 118 and the second pedestal 122. It is conceivable to provide a second elastic mechanism 104 between the first pedestal and the second pedestal 122, but when such a configuration is adopted, the second elastic mechanism 104 is changed due to a change in the position or posture of the first pedestal 118. The action of is changed. According to the illustrated configuration, it is possible to avoid such problems.
  • the pipe 50 is pulled out from the room temperature side of the first bellows 110 in the first sleeve 108.
  • the pipe 50 penetrates the vacuum container and is guided to the outside world.
  • a valve 52 is provided in the exposed portion of the pipe 50.
  • the pressure adjusting equipment 48 is composed of the pipe 50 and the valve 52.
  • the pipe 50 is provided at a position where it does not hit the plurality of elastic elements described above.
  • the piping may be provided on the flange of the cold head 16B.
  • a heater 138 is provided on the outside of the second sleeve 112. The heater 138 prevents the helium gas from being liquefied (and granulated).
  • FIG. 8 shows a cold head replacement method according to the embodiment.
  • S10 is a preparatory step.
  • a cover is provided so as to wrap the existing cold head. The air inside it is replaced by helium gas.
  • S12 a tank containing helium gas is connected to the pipe.
  • the valve is opened. As a result, helium gas is supplied from the tank to the port space via the pipe. This brings the pressure in the port space to or close to atmospheric pressure.
  • the valve is closed. Helium gas may continue to flow without closing the valve.
  • a suction pump is connected to the pipe.
  • the valve is opened, and before and after that, the operation of the suction pump is started. As a result, the helium gas in the port space is discharged to the outside.
  • the operation of the suction pump is stopped and the valve is closed.
  • the operation of the cold head is started.
  • the residual gas in the port space aggregates and the pressure in the port space decreases. Due to the exhaust of the residual gas, the amount of the residual gas is very small, and the heat inflow due to the retention can be considerably suppressed.
  • energization of the heater is started at timing T1. After that, for example, the energization of the heater is stopped at the timing T2.
  • the heater may be operated during other periods.
  • the above cooling device is used, for example, in cooling a superconducting coil.
  • the superconducting coil for generating a magnetic field installed in the particle beam therapy device is cooled by the cooling device. This will be described below with reference to FIG.
  • FIG. 9 schematically shows a gantry 140, which is a huge structure provided in a particle beam therapy device.
  • Reference numeral 144 indicates the rotation center axis of the gantry 140.
  • the gantry 140 rotates around the central axis of rotation 144. This rotational movement changes the particle beam irradiation angle for the subject.
  • the gantry 140 includes a main body 140A having a cylindrical shape.
  • Reference numeral 142 indicates the trajectory of the particle beam.
  • a plurality of units U1 to U8 are provided on the track 142 in order to form a more accurate orbit 142. They are fixed to the main body 140A. Among them are a beam convergence unit and a beam scanning unit.
  • the plurality of units U1 to U8 are examples.
  • the individual units U1 to U8 include one or more superconducting coils.
  • the individual superconducting coils are cooled by the cooling device described above.
  • Pressure regulation equipment is provided for each cooling device.
  • the gas may be distributed from the common tank to a plurality of pressure adjusting facilities.
  • a common suction pump may be connected to a plurality of pressure adjusting facilities so that the suction destinations are sequentially switched. If the configuration according to the embodiment is adopted, safety can be improved and workability can be improved in the maintenance work of each cooling device included in the particle beam therapy device.
  • the above cooling device may be mounted on an NMR system or an MRI system.
  • the above-mentioned pressure adjusting equipment gas supply means and residual gas discharge means
  • elastic mechanism pressing pressure applying means separated from the refrigerator port
  • heater liquefaction prevention means
  • cooling device 10 cooling device, 12 vacuum container, 14 refrigerator port, 15 cooled body, 16 cold head, 24 sleeve, 26 bellows, 42 port space, 48 pressure adjustment equipment, 50 piping, 52 valves, 58 tanks, 60 suction pumps.

Abstract

冷凍機ポート（１４）は、スリーブ（２４）及び台座（３４）を有する。冷凍機ポート（１４）から配管（５０）が引き出されている。配管（５０）にはバルブ（５２）が設けられている。コールドヘッド（１６）の引き抜き前に、タンク（５８）内のヘリウムガスが配管（５０）を介してポート空間（４２）に供給される。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。

Description

冷却装置及びコールドヘッド交換方法
　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 特表２０１０－５０６１３４
　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、
    　前記冷凍機ポートは、
    　前記ポート空間を取り囲むスリーブと、
    　前記スリーブの冷却側端部に設けられた部材であって、前記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台座と、
    　を含み、
    　前記台座と前記ステージの間の連結力が増大するように前記台座に対して弾性力を及ぼす弾性機構が設けられた、
    　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２ポート空間を取り囲む第２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部材であって、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、
    　前記第２スリーブの冷却側端部に設けられた部材であって、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、
    　を含み、
    　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. 　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。
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