特許 6276033 極低温装置及び被冷却体に対する冷凍機の接続及び切り離し方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6276033

(24)【登録日】2018年1月19日

(45)【発行日】2018年2月7日

(54)【発明の名称】極低温装置及び被冷却体に対する冷凍機の接続及び切り離し方法

(51)【国際特許分類】

   F25B 9/00 20060101AFI20180129BHJP

   H01L 39/04 20060101ALI20180129BHJP

【ＦＩ】

   F25B9/00 H

   H01L39/04

【請求項の数】14

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2014-2063(P2014-2063)

(22)【出願日】2014年1月9日

(65)【公開番号】特開2014-157011(P2014-157011A)

(43)【公開日】2014年8月28日

【審査請求日】2016年9月1日

(31)【優先権主張番号】特願2013-4339(P2013-4339)

(32)【優先日】2013年1月15日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000001199

【氏名又は名称】株式会社神戸製鋼所

(74)【代理人】

【識別番号】100067828

【弁理士】

【氏名又は名称】小谷 悦司

(74)【代理人】

【識別番号】100115381

【弁理士】

【氏名又は名称】小谷 昌崇

(74)【代理人】

【識別番号】100109058

【弁理士】

【氏名又は名称】村松 敏郎

(72)【発明者】

【氏名】三木 孝史

【審査官】 伊藤 紀史

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００５−２１００１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１０−５０６１３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−２８７８３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−２５２１１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表平０８−５１００９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 仏国特許出願公開第０２９６３６６７（ＦＲ，Ａ１）

【文献】 米国特許第０４７６５１５３（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開平０９−１６６３６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６１−０９５５８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−３３１１８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−１２８７４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６２−０９０９１０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２５Ｂ ９／００

Ｈ０１Ｌ ３９／０２−３９／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

コールドヘッドを有する冷凍機により被冷却体を冷却するための極低温装置であって、
外壁を有してその内側に前記被冷却体を収容する被冷却体容器と、
前記外壁から前記被冷却体に向かって延び、前記コールドヘッドがその低温端側から挿入されるのを許容するように前記外壁の外側に開口する筒状をなす筒部とこの筒部の奥側端部を塞ぐように当該筒部につながる底部とを有し、そのコールドヘッドの挿入によって内部が密閉される形状を有するコールドヘッド挿入部と、
前記コールドヘッドの低温端と前記コールドヘッド挿入部の底部との間に熱伝導可能な熱連結部を形成するための熱連結形成部と、
前記コールドヘッド挿入部の底部と前記被冷却体との間に設けられる熱スイッチと、備え、
前記熱連結形成部は、前記コールドヘッドの低温端に設けられて当該コールドヘッドの挿入方向と平行な方向に起伏する冷凍機側凹凸部と、前記コールドヘッド挿入部の底部のうち前記コールドヘッドの低温端側を向く冷凍機側面に設けられて前記冷凍機側凹凸部と隙間をおいて対向可能となるように当該コールドヘッドの挿入方向と平行な方向に起伏する挿入部側凹凸部と、を有し、両凹凸部は、これら同士の隙間内でガス状の熱伝導媒体が前記コールドヘッドの低温端の運転温度下で凝固することにより前記熱連結部を形成する形状を有し、
前記熱スイッチは、前記底部のうち前記被冷却体側を向く面であって前記冷凍機側面と反対側の面である被冷却体側面に設けられる挿入部側熱スイッチ要素と、この挿入部側熱スイッチ要素に対して前記コールドヘッドの挿入方向と平行な方向に対向するように前記被冷却体に配置される被冷却体側熱スイッチ要素と、を有し、両スイッチ要素が前記コールドヘッドの挿入方向と平行な方向に相対変位することにより、互いに接触して前記熱連結形成部の前記挿入部側凹凸部を含む前記コールドヘッド挿入部の底部と前記被冷却体との間の熱伝導を許容することにより前記コールドヘッドの低温端から前記熱連結部及び前記コールドヘッド挿入部の底部を通じて前記被冷却体に前記冷凍機の生成する冷熱が伝達されることを可能にするオン状態と、互いに離間して前記熱連結形成部の前記挿入部側凹凸部を含む前記コールドヘッド挿入部の底部と前記被冷却体との間の熱伝導を遮断することにより前記オン状態に比べて前記コールドヘッド挿入部から前記被冷却体への熱侵入を抑えながら前記熱連結部の昇温による消滅を可能にするオフ状態と、に切換えられる、極低温装置。

【請求項2】

請求項１記載の極低温装置であって、前記コールドヘッド挿入部の筒部が前記コールドヘッドの挿入方向と平行な方向に伸縮可能であり、その収縮状態で前記挿入部側熱スイッチ要素を前記被冷却体側熱スイッチ要素から離間させ、伸長状態で前記挿入部側熱スイッチ要素を前記被冷却体側熱スイッチ要素に接触させる、極低温装置。

【請求項3】

請求項２記載の極低温装置であって、前記筒部は前記コールドヘッドの挿入方向に弾性的に伸縮可能であるとともに、前記コールドヘッドが挿入されていない状態で前記挿入部側熱スイッチ要素を前記被冷却体側熱スイッチ要素から離間させる自然長を有する一方、前記極低温装置は、前記コールドヘッド及び前記コールドヘッド挿入部にそれぞれ設けられて前記コールドヘッドの挿入に伴いその挿入方向と平行な方向に互いに当接する冷凍機側操作力伝達部及び挿入部側操作力伝達部を備え、当該冷凍機側操作力伝達部及び当該挿入部側操作力伝達部は前記コールドヘッドに加えられる挿入方向の操作力を前記コールドヘッド挿入部に伝達して前記コールドヘッド挿入部の筒部を伸長させることにより前記挿入部側熱スイッチ要素を前記被冷却体側熱スイッチ要素に接触させる、極低温装置。

【請求項4】

請求項３記載の極低温装置であって、前記冷凍機側操作力伝達部及び前記挿入部側操作力伝達部は、当該冷凍機側操作力伝達部及び当該挿入部側操作力伝達部が互いに当接することにより前記冷凍機側凹凸部と前記挿入部側凹凸部との間に前記隙間を確保するように配置されている、極低温装置。

【請求項5】

請求項３または４記載の極低温装置であって、前記被冷却体側熱スイッチ要素は弾性変形可能な編組体を含む支持体を介して前記被冷却体に支持され、前記編組体はその弾性変形により前記被冷却体側熱スイッチ要素が前記被冷却体側に近づく向きに変位するのを許容する、極低温装置。

【請求項6】

請求項１〜５のいずれかに記載の極低温装置であって、前記冷凍機側凹凸部と前記挿入部側凹凸部は、これらの凹凸部同士の間に前記挿入方向と平行な方向及びこれと直交するコールドヘッド径方向の双方について隙間を形成することが可能な形状を有する、極低温装置。

【請求項7】

請求項６記載の極低温装置であって、前記冷凍機側凹凸部は、前記挿入部側凹凸部に対向する冷凍機側基面と、この冷凍機側基面から突出する複数枚の冷凍機側フィンと、を有し、前記挿入部側凹凸部は、前記冷凍機側凹凸部に対向する挿入部側基面と、この挿入部側基面から前記冷凍機側フィン同士の間に突出する複数枚の挿入部側フィンと、を含む、極低温装置。

【請求項8】

請求項６または７記載の極低温装置であって、前記コールドヘッド及び前記コールドヘッド挿入部にそれぞれ設けられ、前記コールドヘッドの挿入に伴って互いに当接することにより、前記冷凍機側凹凸部と前記挿入部側凹凸部との間に前記挿入方向と平行な方向及びこれと直交するコールドヘッド径方向の双方について隙間を確保するように両凹凸部の相対位置を決める位置決め部をさらに備える、極低温装置。

【請求項9】

請求項８記載の極低温装置であって、前記位置決め部として、前記冷凍機側フィンとともに前記コールドヘッドの低温端から前記コールドヘッド挿入部の底部に向かって突出する冷凍機側位置決め部と、前記挿入部側フィンとともに前記コールドヘッド挿入部の底部から前記コールドヘッドの低温端に向かって突出する挿入部側位置決め部と、を有し、両位置決め部は互いに当接する当接面を有し、これらの当接面は前記コールドヘッドの径方向の内側に向かうに従って前記コールドヘッド挿入部の底部の側に変位する向きのテーパー面である、極低温装置。

【請求項10】

請求項１〜９のいずれかに記載の極低温装置であって、前記コールドヘッドに設けられて当該コールドヘッドの前記コールドヘッド挿入部への挿入時に前記被冷却体容器または前記コールドヘッド挿入部と接触して当該コールドヘッド挿入部内を密閉するシール部をさらに備える、極低温装置。

【請求項11】

請求項１０記載の極低温装置であって、前記シール部により密閉された前記コールドヘッド挿入部内のガスを前記熱伝導媒体からなるガスに置換するためのガス給排管をさらに備える、極低温装置。

【請求項12】

請求項１〜１１のいずれかに記載の極低温装置であって、前記コールドヘッド挿入部内に挿入されたコールドヘッドの運転中において前記熱連結形成部の温度を前記熱伝導媒体を液相に保つための温度に制御する温度制御装置をさらに備える、極低温装置。

【請求項13】

コールドヘッドを有する冷凍機の被冷却体に対する接続及び切り離しを行うための方法であって、
請求項１〜１２のいずれかに記載の極低温装置を用意することと、
前記極低温装置のコールドヘッド挿入部内に冷凍機のコールドヘッドをその低温端側から挿入することにより、当該コールドヘッド挿入部内を密閉するとともに、前記コールドヘッドの低温端に設けられた冷凍機側凹凸部と前記挿入部側凹凸部と隙間をおいて対向させること、前記冷凍機の運転により前記隙間内でガス状の熱伝導媒体を凝固させて熱連結部を形成すること、及び前記熱スイッチをオン状態にすること、により前記コールドヘッドを前記熱連結部及び前記熱スイッチを介して前記被冷却体に接続することと、
前記熱連結部が形成された状態で前記熱スイッチをオフ状態にしかつ前記冷凍機の運転を停止させることにより前記オン状態に比べて前記コールドヘッド挿入部から前記被冷却体への熱侵入を抑えながら前記熱連結部の昇温により当該熱連結部を消滅させ、これにより前記コールドヘッドを前記被冷却体から切り離すことと、を含む、被冷却体に対する冷凍機の接続及び切り離し方法。

【請求項14】

請求項１３記載の被冷却体に対する冷凍機の接続及び切り離し方法であって、前記冷凍機の運転により前記隙間内でガス状の熱伝導媒体を凝固させる前に、当該熱伝導媒体を一旦液相にして前記熱連結形成部の両凹凸部間の隙間に行き渡らせるように当該熱連結形成部の温度を制御することを含む、被冷却体に対する冷凍機の接続及び切り離し方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、冷凍機を利用して超伝導磁石等の被冷却体を冷却するための極低温装置及び当該被冷却体に対する当該冷凍機の接続及び切り離し方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、超伝導磁石やこれを収容する液体ヘリウム容器といった被冷却体を冷却するための極低温装置として、コールドヘッドを有する冷凍機を利用したものが知られている。この装置では、被冷却体に対して前記コールドヘッドをいかに効率よく（すなわち小さな熱抵抗で）接続し、かつ、これを切り離すことを可能にするかが、重要な課題である。

【0003】

特許文献１は、前記被冷却体と前記コールドヘッドとの接続に窒素などの低沸点ガスを利用したものを開示する。この装置は、図６に示すように、液体ヘリウム容器１００と、この液体ヘリウム容器を収容する真空容器１０２と、コールドヘッド１０４を有する冷凍機１０６と、前記液体ヘリウム容器１００と前記真空容器１０２との間に形成されて前記コールドヘッド１０４が真空容器１０２の外部から挿入可能なスリーブ１０８と、このスリーブ１０８の下部にこれを閉塞するように装着される閉塞板１１０と、この閉塞板１１０の直上空間に窒素ガスなどの加温ガスを供給するためのガス導入管１１２と、前記閉塞板１１０の下面に固定される伝熱用のフィン１１４と、を有する。これらの閉塞板１１０及びフィン１１４は、前記冷凍機１０６によって冷却される被冷却体であり、その冷却を受けて液体ヘリウム容器１００内の温度をヘリウムの沸点以下の極低温状態に保つ。

【0004】

前記コールドヘッド１０４は、その中断部位及び下端部位にそれぞれ第１冷却ステージ１０４ａ及び第２冷却ステージ１０４ｂを有し、前記第２冷却ステージ１０４ｂと被冷却体である前記液体ヘリウム容器１００とが次のようにして熱伝導可能に接続される。まず、前記スリーブ１０８の底部に液体窒素が溜められる。一方、前記コールドヘッド１０４は、その第２冷却ステージ１０４ｂが前記液体窒素内に浸漬されて当該第２冷却ステージ１０４ｂの下面と前記閉塞板１１０の上面との間に所定寸法の隙間を形成する位置で前記スリーブ１０８内に挿入される。この状態で前記コールドヘッド１０４が起動すると、前記第２冷却ステージ１０４ｂが前記液体窒素を冷却してこれを固化し、これにより、その固化された窒素からなる熱ジョイント１１６を形成する。この熱ジョイント１１６は高い熱伝導率を有し、前記コールドヘッド１０４が生成する冷熱を効率よく前記閉塞板１１０に伝達する。

【0005】

一方、冷凍機１０６のメンテナンス等を行うために前記コールドヘッド１０４をスリーブ１０８から脱着する際は、前記冷凍機１０６の運転が停止され、さらに好ましくは前記ガス導入管１１２を通じて加温ガス（例えば窒素ガス）がスリーブ１０８内に導入される。これにより、前記熱ジョイント１１６を構成する窒素が気化して当該熱ジョイント１１６が消滅し、前記コールドヘッド１０４が前記スリーブ１０８内から取り出されることを可能にする。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００５−２１００１５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

前記特許文献１に記載される装置では、コールドヘッド１０４の脱着の際の被冷却体への熱侵入を回避することが困難である。具体的に、前記コールドヘッド１０４を前記スリーブ１０８から抜き取るためには当該スリーブ１０８内を窒素の沸点以上の温度まで加温しなければならず、さらに、その抜取り後はスリーブ１０８内が大気中に開放されることになる。このとき、前記スリーブ１０８から前記閉塞板１１０を通じて液体ヘリウム容器１００内に大きな熱が侵入する。

【0008】

本発明は、このような事情に鑑み、コールドヘッドを有する冷凍機により被冷却体を冷却するための極低温装置であって、前記被冷却体への熱侵入を有効に抑止しながら、前記コールドヘッドを前記被冷却体に対して高効率で熱伝達可能となるように着脱可能に連結することを可能にするもの、及び当該極低温装置での被冷却体に対する冷凍機の接続及び切り離し方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明は、コールドヘッドを有する冷凍機により被冷却体を冷却するための極低温装置を提供する。この極低温装置は、外壁を有してその内側に前記被冷却体を収容する被冷却体容器と、前記外壁から前記被冷却体に向かって延び、前記コールドヘッドがその低温端側から挿入されるのを許容するように前記外壁の外側に開口する筒状をなす筒部とこの筒部の奥側端部を塞ぐように当該筒部につながる底部とを有し、そのコールドヘッドの挿入によって内部が密閉される形状を有するコールドヘッド挿入部と、前記コールドヘッドの低温端と前記コールドヘッド挿入部の底部との間に熱伝導可能な熱連結部を形成するための熱連結形成部と、前記コールドヘッド挿入部の底部と前記被冷却体との間に設けられる熱スイッチと、備える。前記熱連結形成部は、前記コールドヘッドの低温端に設けられて当該コールドヘッドの挿入方向と平行な方向に起伏する冷凍機側凹凸部と、前記コールドヘッド挿入部の底部のうち前記コールドヘッドの低温端側を向く冷凍機側面に設けられて前記冷凍機側凹凸部と隙間をおいて対向可能となるように当該コールドヘッドの挿入方向と平行な方向に起伏する挿入部側凹凸部と、を有し、両凹凸部は、これら同士の隙間内でガス状の熱伝導媒体が前記コールドヘッドの低温端の運転温度下で凝固することにより前記熱連結部を形成する形状を有する。前記熱スイッチは、前記底部のうち前記被冷却体側を向く面であって前記冷凍機側面と反対側の面である被冷却体側面に設けられる挿入部側熱スイッチ要素と、この挿入部側熱スイッチ要素に対して前記コールドヘッドの挿入方向と平行な方向に対向するように前記被冷却体に配置される被冷却体側熱スイッチ要素と、を有し、両スイッチ要素が前記コールドヘッドの挿入方向と平行な方向に相対変位することにより、互いに接触して前記熱連結形成部の前記挿入部側凹凸部を含む前記コールドヘッド挿入部の底部と前記被冷却体との間の熱伝導を許容することにより前記コールドヘッドの低温端から前記熱連結部及び前記コールドヘッド挿入部の底部を通じて前記被冷却体に前記冷凍機の生成する冷熱が伝達されることを可能にするオン状態と、互いに離間して前記熱連結形成部の前記挿入部側凹凸部を含む前記コールドヘッド挿入部の底部と前記被冷却体との間の熱伝導を遮断することにより前記オン状態に比べて前記コールドヘッド挿入部から前記被冷却体への熱侵入を抑えながら前記熱連結部の昇温による消滅を可能にするオフ状態と、に切換えられる。

【0010】

また、本発明は、コールドヘッドを有する冷凍機の被冷却体に対する接続及び切り離しを行うための方法を提供する。この方法は、前記極低温装置を用意することと、前記極低温装置のコールドヘッド挿入部内に冷凍機のコールドヘッドをその低温端側から挿入することにより、当該コールドヘッド挿入部内を密閉するとともに、前記コールドヘッドの低温端に設けられた冷凍機側凹凸部と前記挿入部側凹凸部と隙間をおいて対向させること、前記冷凍機の運転により前記隙間内でガス状の熱伝導媒体を凝固させて熱連結部を形成すること、及び前記熱スイッチをオン状態にすること、により前記コールドヘッドを前記熱連結部及び前記熱スイッチを介して前記被冷却体に接続することと、前記熱連結部が形成された状態で前記熱スイッチをオフ状態にしかつ前記冷凍機の運転を停止させることにより前記オン状態に比べて前記コールドヘッド挿入部から前記被冷却体への熱侵入を抑えながら前記熱連結部の昇温により当該熱連結部を消滅させ、これにより前記コールドヘッドを前記被冷却体から切り離すことと、を含む。

【0011】

以上のようにして両凹凸部および凝固した熱伝導媒体により形成された熱連結部は、冷凍機が生成する冷熱がその低温端から当該熱連結部を通じてコールドヘッド挿入部の底部に伝達されることを可能にする。そして、この底部に伝達された冷熱は、オン状態にある熱スイッチ（すなわち互いに接触した状態にある挿入部側熱スイッチ要素及び被冷却体側熱スイッチ要素）を介して被冷却体に伝達されることができる。

【0012】

さらに、このようにしてコールドヘッド挿入部に挿入されたコールドヘッドは、前記被冷却体への熱侵入を抑えながら前記コールドヘッド挿入部から脱着されることが可能である。具体的には、前記熱スイッチをオフ状態（すなわち前記挿入部側熱スイッチ要素と被冷却体側熱スイッチ要素とを互いに離間させた状態）にした上で、冷凍機の運転を停止させればよい。これにより、凝固した熱伝導媒体により形成された熱連結部が昇温して気化し、それまで連結されていたコールドヘッドの冷却端とコールドヘッド挿入部の底部とが切離し可能となる。このとき、前記熱スイッチがオフ状態とされているため、前記の昇温に伴う被冷却体への熱侵入が有効に抑止される。

【0013】

具体的に、前記熱スイッチをオンオフさせるための手段としては、前記コールドヘッド挿入部の筒部が前記コールドヘッドの挿入方向と平行な方向に伸縮可能であり、その収縮状態で前記挿入部側熱スイッチ要素を前記被冷却体側熱スイッチ要素から離間させ、伸長状態で前記挿入部側熱スイッチ要素を前記被冷却体側熱スイッチ要素に接触させるものが、好適である。この構造によれば、被冷却体側の構造を複雑にすることなく、コールドヘッド挿入部を構成する筒部の伸縮で熱スイッチのオンオフ切換を達成することができる。

【0014】

さらに、前記筒部は前記コールドヘッドの挿入方向に弾性的に伸縮可能であるとともに、前記コールドヘッドが挿入されていない状態で前記挿入部側熱スイッチ要素を前記被冷却体側熱スイッチ要素から離間させる自然長を有する一方、前記極低温装置は、前記コールドヘッド及び前記コールドヘッド挿入部にそれぞれ設けられて前記コールドヘッドの挿入に伴いその挿入方向と平行な方向に互いに当接する冷凍機側操作力伝達部及び挿入部側操作力伝達部を備え、当該冷凍機側操作力伝達部及び当該挿入部側操作力伝達部は前記コールドヘッドに加えられる挿入方向の操作力を前記コールドヘッド挿入部に伝達して前記コールドヘッド挿入部の筒部を伸長させることにより前記挿入部側熱スイッチ要素を前記被冷却体側熱スイッチ要素に接触させるものが、好適である。この構造では、前記コールドヘッド挿入部内への前記コールドヘッドの挿入操作を利用してそのまま熱スイッチをオフからオンに切換えることを可能にする。

【0015】

そして、前記冷凍機側操作力伝達部及び前記挿入部側操作力伝達部は、当該冷凍機側操作力伝達部及び当該挿入部側操作力伝達部が互いに当接することにより前記冷凍機側凹凸部と前記挿入部側凹凸部との間に前記隙間を確保するように配置されているのが、よい。

【0016】

また、前記被冷却体側熱スイッチ要素は弾性変形可能な編組体を含む支持体を介して前記被冷却体に支持され、前記編組体はその弾性変形により前記被冷却体側熱スイッチ要素が前記被冷却体側に近づく向きに変位するのを許容するのが、好ましい。この場合、前記編組体を弾性変形させるまで前記底部が変位するように前記コールドヘッド挿入部に前記コールドヘッドが挿入されることにより、前記編組体の弾発力を利用して熱スイッチ要素同士の接触圧を高めてこれらの密着性を向上させることが可能である。

【0017】

一方、前記冷凍機側凹凸部と前記挿入部側凹凸部は、これらの凹凸部同士の間に前記挿入方向と平行な方向及びこれと直交するコールドヘッド径方向の双方について隙間を形成することが可能な形状を有するものが、好ましい。このような形状は、凝固した熱伝導媒体を媒介として前記冷凍機側凹凸部と前記挿入部側凹凸部との間でコールドヘッドの挿入方向と平行な方向だけでなくコールドヘッド径方向にも冷熱を伝えることを可能にし、熱伝導性能をさらに高めることができる。

【0018】

具体的に、前記冷凍機側凹凸部は、前記挿入部側凹凸部に対向する冷凍機側基面と、この冷凍機側基面から突出する複数枚の冷凍機側フィンと、を有し、前記挿入部側凹凸部は、前記冷凍機側凹凸部に対向する挿入部側基面と、この挿入部側基面から前記冷凍機側フィン同士の間に突出する複数枚の挿入部側フィンと、を含むものが、好適である。

【0019】

そしてこれらの場合、極低温装置は、前記コールドヘッド及び前記コールドヘッド挿入部にそれぞれ設けられ、前記コールドヘッドの挿入に伴って互いに当接することにより、前記冷凍機側凹凸部と前記挿入部側凹凸部との間に前記挿入方向と平行な方向及びこれと直交するコールドヘッド径方向の双方について隙間を確保するように両凹凸部の相対位置を決める位置決め部を有するのが、好ましい。この位置決め部は、コールドヘッド挿入部内にコールドヘッドを挿入する作業のみで、前記両凹凸部同士の間にコールドヘッド挿入方向及び径方向の双方について好適な隙間を確保することを、可能にする。

【0020】

具体的に、前記極低温装置は、前記位置決め部として、前記冷凍機側フィンとともに前記コールドヘッドの低温端から前記コールドヘッド挿入部の底部に向かって突出する冷凍機側位置決め部と、前記挿入部側フィンとともに前記コールドヘッド挿入部の底部から前記コールドヘッドの低温端に向かって突出する挿入部側位置決め部と、を有し、両位置決め部は互いに当接する当接面を有し、これらの当接面は前記コールドヘッドの径方向の内側に向かうに従って前記コールドヘッド挿入部の底部の側に変位する向きのテーパー面であるのが、好ましい。これらの当接面は、前記コールドヘッドの挿入に伴って前記冷凍機側位置決め部を前記挿入部側位置決め部の径方向の内側に誘い込むことにより、コールドヘッドの挿入方向及び径方向の双方について同時に位置決めを行うことができる。

【0021】

本発明に係る極低温装置は、前記コールドヘッドに設けられて当該コールドヘッドの前記コールドヘッド挿入部への挿入時に前記被冷却体容器または前記コールドヘッド挿入部と接触して当該コールドヘッド挿入部内を密閉するシール部をさらに備えることが、好ましい。その場合、さらに、当該極低温装置は、前記シール部により密閉された前記コールドヘッド挿入部内のガスを前記熱伝導媒体からなるガスに置換するためのガス給排管をさらに備えるのが、好ましい。

【0022】

前記極低温装置は、前記コールドヘッド挿入部内に挿入されたコールドヘッドの運転中において前記熱連結形成部の温度を前記熱伝導媒体を液相に保つための温度に制御する温度制御装置をさらに備えることが、好ましい。この温度制御装置を用いた温度制御により、前記コールドヘッド挿入部内に供給した熱伝導媒体を一旦液相にして前記両凹凸部間の隙間に完全に行き渡らせることが可能であり、その後に当該温度制御を停止して前記熱伝導媒体を凝固させることにより、当該熱伝導媒体の凝固物を前記隙間内に確実に介在させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】本発明の実施の形態にかかる極低温装置の断面正面図である。

【図2】前記極低温装置の要部を示す断面正面図である。

【図3】図２に示される熱スイッチ及びその周辺部位の構造を示す拡大断面図である。

【図4】図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。

【図5】固体及び液体窒素と銅の熱伝導率をそれぞれ示すグラフである。

【図6】従来の極低温装置の要部を示す断面正面図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。この実施の形態に係る極低温装置は超電導磁石装置であり、超電導磁石１０及びこれを収容する液体ヘリウム容器１２を被冷却体として備え、これらが冷凍機２０により冷却されるものである。しかし、本発明は被冷却体の種類に限定されず、ＳＱＵＩＤ磁力計その他の超伝導素子の冷却にも適用されることが可能である。

【0025】

図１に示す装置は、前記超電導磁石１０及び液体ヘリウム容器１２に加え、前記液体ヘリウム容器１２を収容する熱シールド容器１４と、この熱シールド容器１４を収容しかつその内部に真空状態が形成される真空容器１６と、コールドヘッド挿入部１８と、を備える。

【0026】

前記超電導磁石１０及び各容器１２，１４，１６は、共通の水平な中心軸を有し、この中心軸に沿って伸びる試料空間２２を囲むドーナツ状をなす。前記液体ヘリウム容器１２は前記超電導磁石１０を冷却するための液体ヘリウム１３を収容し、この液体ヘリウム１３内に前記超電導磁石１０が浸漬される。また、この実施の形態に係る前記熱シールド容器１４及び前記真空容器１６は、被冷却体である前記超電導磁石１０及び前記液体ヘリウム容器１２を収容する被冷却体容器を構成する。

【0027】

図２に示すように、この実施の形態に係る前記冷凍機２０は、２段式のＧＭ冷凍機により構成される。具体的に、この冷凍機２０は、冷凍機本体２４と、これに接続されるコールドヘッド２６と、を有する。コールドヘッド２６は、略円柱状の全体形状をなし、その中段部分が第１冷却ステージ２７を構成し、先端部分すなわち低温端が前記第１冷却ステージ２７よりも設定温度の低い第２冷却ステージ２８を構成している。前記第１冷却ステージ２７は、前記熱シールド容器１４を所定の第１目標温度（例えば４０Ｋ）に冷却するように設計され、前記第２冷却ステージ２７は、前記液体ヘリウム容器１３を前記第１目標温度よりも低い第２目標温度（例えば４Ｋ以下）に冷却するように設計されている。

【0028】

この実施形態では、前記冷凍機本体２４と前記コールドヘッド２６との間にこれらの外径よりも大きな外径を有するフランジ部３０が設けられている。各ステージ２７，２８も他の部分よりも大きな外径を有するが、前記第１冷却ステージ２７の外径は前記フランジ部３０の外径よりも小さく、前記第２冷却ステージ２８の外径は前記第１冷却ステージ２７の外径よりもさらに小さい。

【0029】

本発明では、使用される冷凍機の具体的な形状や構造は特に限定されない。例えば、単一段の冷凍機（例えば前記第２冷却ステージ２８のみを有するもの）が用いられてもよい。

【0030】

前記コールドヘッド挿入部１８は、前記真空容器１６の外壁（この実施の形態では天壁）から被冷却体である液体ヘリウム容器１２の近傍に至るまでの領域に設けられ、これに前記コールドヘッド２６が挿入可能なものであって、図２及び図３に示すような筒部３２と底部３４とを有する。前記筒部３２は、前記真空容器１６の天壁から前記液体ヘリウム容器１２に向かって下向きに延び（この実施の形態では下向きに延び）、前記コールドヘッド１８がその低温端である第２冷却ステージ２８の側から下向きに挿入されるのを許容するように前記天壁の外側に（この実施の形態では上向きに）開口する筒状をなす。前記底部３４は、この実施の形態では円板状をなし、前記筒部３２の奥側端部（この実施の形態では下端部）を塞ぐように当該筒部３２につながる。

【0031】

前記筒部３２は、コールドヘッド挿入方向と平行な方向（この実施の形態では上下方向）に弾性的に伸縮可能な構造を有し、その伸縮によって前記底部３４を上下方向に変位させることができる。

【0032】

具体的に、この筒部３２は、その上側から順に、直管部３６と、熱シールド接続用スリーブ３７と、蛇腹部３８と、を有する。前記蛇腹部３８は上下方向に伸縮可能であり、前記直管部３６の上端及び前記蛇腹部３８の下端がそれぞれ前記真空容器１６の開口１７の周縁部と前記底部３４の周縁部とに接合されている。前記熱シールド接続用スリーブ３７は前記直管部３６と前記蛇腹部３８との間に介在し、前記熱シールド容器１４に熱伝導部材４０を介して接続されている。

【0033】

一方、前記コールドヘッド２６の第１冷却ステージ２７の周縁下端面には、熱伝達スリーブ４２が連結されている。この熱伝達スリーブ４２は、前記コールドヘッド２６を包囲するように配置され、その外周面上には径方向に撓み可能な図略の多数の撓み片が設けられている。そして、前記コールドヘッド挿入部１８へのコールドヘッド２６の挿入に伴って前記撓み片がその撓みを伴いながら前記熱シールド接続用スリーブ３７の内周面に圧接することにより、前記第１冷却ステージ２７の冷熱が前記熱伝達スリーブ４２、前記熱シールド接続用スリーブ３７及び前記熱伝導部材４０を介して前記熱シールド容器１４に伝えられる。

【0034】

前記冷凍機２０のフランジ部３０は、前記コールドヘッド挿入部１８に前記コールドヘッド２６が挿入された状態で高さ調節機構４４を介して前記真空容器１８の天壁上に支持され、これにより前記コールドヘッド挿入部１８内を密閉することが可能である。

【0035】

この高さ調節機構４４は、前記真空容器１８の天壁上で前記開口１７の周囲に立設された複数本のねじ軸４５と、前記フランジ部３０の周縁部下面に接合され、各ねじ軸４５が挿通可能な貫通孔をもつドーナツ板状の高さ調節フランジ４６と、前記各ねじ軸４５に螺合される上下のナット４７，４８と、シール部５０と、を有し、下側のナット４８上に前記高さ調節フランジ４６を載せて当該高さ調節フランジ４６の上から上側ナット４７を締めることにより、当該フランジ部３０が真空容器１６の天壁上に支持される。

【0036】

前記シール部５０は、ドーナツ板状のシール材保持板５２と、このシール材保持板５２の下面に固定される、例えばＯリングからなるシール材５４と、前記シール材保持板５２と前記高さ調節フランジ４６の下面とを接続する筒状の蛇腹部５６と、を有し、この蛇腹部５６の弾性収縮変形を伴いながら前記シール材５４が前記真空容器１６の天壁の上面（前記開口１７の周縁部の上面）に押付けられることにより、前記冷凍機２０が前記コールドヘッド挿入部１８内を密閉することを可能にする。

【0037】

従って、この高さ調節機構４４によれば、前記ねじ軸４５に対する各ナット４７，４８の相対位置を調節することにより、前記コールドヘッド挿入部１８内に前記コールドヘッド２６が完全挿入されるときの真空容器１６の上面からの前記高さ調節フランジ４６の高さＨｆ（図２）を調節すること、換言すれば、前記コールドヘッド挿入部１８に対するコールドヘッド２６の挿入深さを調節すること、が可能である。

【0038】

さらに、この極低温装置は、図２に示すようなガス給排管５８、熱連結形成部６０、熱スイッチ７０、及び温度制御装置８０を備える。

【0039】

前記熱連結形成部６０は、前記コールドヘッド２６の低温端である第２冷却ステージ２８と前記コールドヘッド挿入部１８の底部３４との間に熱伝導可能な熱連結部を形成するためのもので、前記第２冷却ステージ２８に設けられる冷凍機側凹凸部と、前記底部３４に設けられる挿入部側凹凸部とを有する。これらの凹凸部は、互いに隙間をおいて対向可能となるように前記コールドヘッド２６の挿入方向と平行な方向に起伏し、かつ、前記隙間内で後述の熱伝導媒体が凝固することにより、前記熱連結部を形成する形状を有する。

【0040】

図３に示すように、この実施の形態に係る冷凍機側凹凸部は、前記挿入部側凹凸部に対向する冷凍機側基面６１と、この冷凍機側基面６１から下向きに突出する複数枚の冷凍機側フィン６２と、を有する。前記冷凍機側基面６１は、この実施の形態では、前記第２冷却ステージ２８の下面により構成される。前記各冷凍機側フィン６２は、前記第２冷却ステージ２８の中心と合致する共通の中心をもつ円弧状をなし、当該第２冷却ステージ２８の径方向に互いに間隔をおいて配列されている。さらに、この実施の形態では、各冷凍機側フィン６２の内側への後述の熱伝導媒体の浸入を許容するため、図４に示すように、各冷凍機側フィン６２の周方向の一部が途切れている（図４では便宜上最も外側の冷凍機側フィン６２のみが図示されている。）。

【0041】

同様に、この実施の形態に係る挿入部側凹凸部は、前記冷凍機側凹凸部に対向する挿入部側基面６３と、この挿入部側基面６３から上向きに突出する複数枚の挿入部側フィン６４と、を有する。前記挿入部側基面６３は、この実施の形態では、前記底部３４上に配設されたプレート６５の上面により構成されているが、前記底部３４の上面そのものにより構成されていてもよい。前記各挿入部側フィン６４は、前記各冷凍機側フィン６２と同じく前記第２冷却ステージ２８の中心と合致する共通の中心をもつ円弧状をなし、当該第２冷却ステージ２８の径方向に互いに間隔をおいて配列され、かつ、各挿入部側フィン６４の内側への後述の熱伝導媒体の浸入を許容するため、図４に示すように、各挿入部側フィン６４の周方向の一部が途切れている。

【0042】

前記各冷凍機側フィン６２と前記各挿入部側フィン６４との相対位置関係については、前記コールドヘッド挿入部１８内に前記コールドヘッド２６が挿入された状態で、図３及び図４に示すように、互いに径方向に隣り合う冷凍機側フィン６２同士の間に前記各挿入部側フィン６４が突出し、当該冷凍機側フィン６２と当該挿入部側フィン６４との間にコールドヘッド２６の挿入方向及び径方向の双方について隙間６６が形成されるように、各フィン６２，６４が配置されている。

【0043】

さらに、この極低温装置は、前記隙間６６が確実に形成されるように前記両フィン６２，６４の相対的な位置決めを行うための位置決め部である冷凍機側位置決め部６７及び挿入部側位置決め部６８を備えている。

【0044】

前記冷凍機側位置決め部６７は、前記各フィン６２，６４と同じく第２冷却ステージ２８の中心と合致する中心をもつ円弧状かつフィン状をなし、その周方向の一部が途切れている。冷凍機側位置決め部６７は、最も外側の冷凍機側フィン６２のさらに外側の位置で前記冷凍機側基面６１から前記冷凍機側フィン６２と同様に下向きに突出し、かつ、その下面は、径方向の内側に向かうに従って底部３４側（図３及び図４では下側）に変位する向きのテーパ面である当接面６７ａを構成する。

【0045】

一方、前記挿入部側位置決め部６８も、前記各フィン６２，６４と同じく第２冷却ステージ２８の中心と合致する中心をもつ円弧状かつフィン状をなし、その周方向の一部が途切れている。挿入部側位置決め部６８は、最も外側の挿入部側フィン６４のさらに外側の位置で前記底部３４の上面から前記挿入部側フィン６４と同様に上向きに突出し、かつ、その上面は、径方向の内側に向かうに従って底部３４側（図３及び図４では下側）に変位する向きのテーパ面である当接面６８ａを構成する。

【0046】

前記両位置決め部６７，６８の相対位置及び前記各当接面６７ａ，６８ａの形状は、前記コールドヘッド挿入部１８内に前記コールドヘッド２６が挿入されることにより両当接面６７ａ，６８ａが互いに当接し、かつ、その当接により、前記コールドヘッド２６に加えられる挿入操作力がコールドヘッド挿入部１８の底部３４に伝達されるとともに、前記各冷凍機側フィン６２と前記各挿入部側フィン６４との間に前記コールドヘッド挿入方向及び径方向の隙間６６を確保すべく両フィン６２，６４同士の相対位置が決められるように、設定されている。すなわち、前記両位置決め部６７，６８は、操作力伝達部及び位置決め部の双方として機能する。

【0047】

前記ガス給排管５８は、前記コールドヘッド挿入部１８に前記コールドヘッド２６が挿入された状態で、当該コールドヘッド挿入部１８内の空気を導出して熱伝導媒体を導入するように配管される。この実施の形態に係るガス給排管５８は、前記コールドヘッド挿入部１８に対して前記コールドヘッド２６と一体に着脱されるように当該コールドヘッド２６の周囲に巻き付けられ、その入口端が図２に示すバルブ５９を介して図略のガス供給ポンプと真空ポンプとに切換可能に接続される一方、その出口端が前記熱連結形成部６０の近傍領域に配置されている。

【0048】

前記コールドヘッド挿入部１８内に導入される熱伝導媒体は、常温では気相を保つ一方、前記コールドヘッド２６の低温端である第２冷却ステージ２８の運転温度（例えば４Ｋ以下）にて凝固して当該第２冷却ステージ２８と前記コールドヘッド挿入部１８の底部３４とを熱伝導可能に連結する熱連結部を形成するためのものである。従って、この熱伝導媒体は、その凝固した低温状態で高い熱伝導率（低い熱抵抗）を有するものが、好ましく、具体的には窒素が好適である。この窒素が凝固したもの（固体窒素）の熱伝導率は、図５に示すように、前記第２冷却ステージ２８の運転温度の近傍領域（３〜４Ｋ）においてピークを迎え、例えば３．８Ｋでは窒素は２４．１Ｗ／ｍ／Ｋもの熱伝導率を保有することができる。この熱伝導率は、純度の低い銅、例えばリン脱酸銅の熱伝導率に匹敵し、良好な熱接続を可能にする。窒素以外には、前記熱伝導媒体として例えば、ネオンやパラ水素、ヘリウムが適用されることが、可能である。

【0049】

前記熱スイッチ７０は、前記コールドヘッド挿入部１８の底部３４と被冷却体である液体ヘリウム容器１２との間に設けられて両者間で熱伝導を行うオン状態と、当該熱伝導を遮断するオフ状態とに切換えられるものであり、この実施の形態では、挿入部側熱スイッチ要素である挿入部側金属板７２と、被冷却体側熱スイッチ要素である被冷却体側金属板７４と、を有する。

【0050】

前記挿入部側金属板７２は、前記底部３４のうち前記被冷却体側を向く下面である被冷却体側面（図では下面）にこれを覆うように設けられ、前記被冷却体側金属板７４は、前記挿入部側金属板７２に対して前記コールドヘッド２６の挿入方向と平行な方向（図３では上下方向）に対向するように前記被冷却体に配置される。

【0051】

前記被冷却体側金属板７４は、例えば前記液体ヘリウム容器１２の上面に直接配設されてもよいが、この実施の形態では、前記液体ヘリウム容器１２上に支持体７６を介して支持されている。支持体７６は、支持板７７と、この支持板７７と前記液体ヘリウム容器１２の天壁との間に介在する編組７８と、からなる。編組７８は、例えば銅からなる編組線で構成され、前記支持板７７と液体ヘリウム容器１２との間での熱伝導を可能にしながら、前記支持板７７を前記液体ヘリウム容器１２と平行な姿勢で支持する。さらに、当該編組７８は、それ自体の弾性変形によって支持板７７の若干の上下方向の変位を可能にし、その弾発力によって後述のような金属板７２，７４同士の接触圧を上昇させてその密着度を高める機能、及び、冷凍機２０の振動が液体ヘリウム容器１２に伝わるのを抑止する機能も有する。前記被冷却体側金属板７４は、前記コールドヘッド２６の挿入方向と平行な方向（上下方向）に前記挿入部側金属板７２と対向するように、前記支持板７７の上面上に配設される。

【0052】

前記両金属板７２，７４は、導電性及び相互密着性に優れた材料により形成され、その密着状態で両金属板７２，７４の間に良好な熱伝導を形成する。具体的には、銅板からなる母材の表面が電界研磨などにより処理されてその上に金または銀のメッキが施されたものが、好適である。ただし、本発明に係る熱スイッチ要素は前記両金属板７２，７４のように底部３４や被冷却体と別の部材により構成されるものに限定されない。例えば、挿入部側熱スイッチ要素は底部３４そのものによって構成されることも可能であり、同様に、被冷却体熱スイッチ要素は例えば液体ヘリウム容器１２の外壁そのものによって構成されることも可能である。

【0053】

図２に示される前記コールドヘッド挿入部１８の筒部３２の自然長Ｌｓ、すなわち、このコールドヘッド挿入部１８に外力（コールドヘッド２６の挿入操作力）が加えられないときの筒部３２の長さは、この筒部３２につながる底部３４の下面に設けられた前記挿入部側金属板７２が被冷却体側金属板７４から上方に距離Ｄｇ（図２）だけ離間するように、設定されている。また、前記高さ調節機構４４により調節されるフランジ部３０の高さＨｆ及びコールドヘッド２６の挿入深さは、（図２では便宜上両金属板７２，７４間に前記距離Ｄｇに相当する寸法の隙間が形成されるように描かれているが）実際は、前記コールドヘッド２６から両位置決め部６７，６８を介してコールドヘッド挿入部１８の底部３４に伝達される下向きの挿入操作力が前記筒部３２の蛇腹部３８を伸長させて前記底部３４及び前記挿入部側金属板７２を下向きに変位させて当該挿入部側金属板７２を被冷却体側金属板７４に密着させるように、設定されている。

【0054】

前記温度制御装置８０は、図２に示すように前記コールドヘッド挿入部２６内に挿入されたコールドヘッド２６の運転中に前記熱連結形成部６０の温度を目標温度に保つ制御を行うものであり、その目標温度は、前記熱伝導媒体を液相に保つための温度に設定される。例えば窒素ガスの場合、好ましくは、その三重点よりも若干高い温度（６４Ｋまたはその近傍温度）に設定される。

【0055】

具体的に、前記温度制御装置８０は、ヒータ８２と、温度センサ８４と、温度調節器８６と、を有する。前記ヒータ８２は、前記熱連結形成部６０の近傍（図２及び図３ではコールドヘッド２６における第２冷却ステージ２８の近傍の部位）に設けられるコイル８７と、このコイル８７に電流を流して当該コイル８７を加熱する本体部８８と、を有する。前記温度センサ８４は、前記熱連結形成部６０の近傍の位置に設けられて当該位置での温度に相当する電気信号を出力する。温度調節器８６は、前記温度センサ８４が出力する電気信号に対応する温度を予め設定された前記目標温度に近づけるように前記ヒータ８２の動作を制御する。前記コイル８７や前記温度センサ８４は、予めコールドヘッド挿入部１８内に組み込まれてもよいが、当該コールドヘッド挿入部１８に対してコールドヘッド２６と一体に挿脱されるように当該コールドヘッド２６に取付けられてもよい。この場合、前記コイル８７や前記温度センサ８４に接続される配線は前記ガス給排管５８と同様にコールドヘッド２６に巻き付けられてもよい。

【0056】

さらに、図示はしないが、前記コールドヘッド２６または前記コールドヘッド挿入部１８には、当該コールドヘッド２６が挿入された状態における当該コールドヘッド挿入部１８内の圧力を検出する圧力センサが設けられることが、好ましい。この圧力センサは、後述のように、コールドヘッド挿入部１８内に封入された前記熱伝導媒体が液化（または凝固）したことを当該コールドヘッド挿入部１８の外部で認識することを可能にする。

【0057】

次に、この極低温装置及び冷凍機２０を用いた被冷却体（超電導磁石１０及び液体ヘリウム容器１２）の冷却方法及び当該冷凍機２０の脱着方法を説明する。

【0058】

１）初期状態
初期状態、すなわち、コールドヘッド挿入部１８内に冷凍機２０のコールドヘッド２６が挿入されていない状態では、当該コールドヘッド挿入部１８の筒部３２は自然長Ｌｓを保ち、これにつながる底部３４の下面に設けられた挿入部側金属板７２は被冷却体側金属板７４から上方に離間している。

【0059】

２）コールドヘッド２６の挿入（図２）
前記の初期状態から前記コールドヘッド挿入部１８内に前記コールドヘッド２６がその第２冷却ステージ２８を先頭にして下向きに挿入される。このコールドヘッド２６には、上述のように、予めガス給排管５８、熱伝達スリーブ４２、高さ調節フランジ４６、シール部５０、熱連結形成部６０を形成する複数の冷凍機側フィン６２、及び冷凍機側位置決め部６７が設けられており、これらが前記コールドヘッド２６と一体に前記コールドヘッド挿入部１８内に挿入される。

【0060】

このコールドヘッド２６の挿入の際、前記熱伝達スリーブ４２の外周面上に設けられた多数の撓み片がコールドヘッド挿入部１８の筒部３２を構成する熱シールド接続用スリーブ３７の内周面に圧接する。さらに、図３に示すように冷凍機側位置決め部６７の下面であるテーパー状の当接面６７ａが挿入部側位置決め部６８の上面である同じくテーパー状の当接面６８ａに当接することにより、コールドヘッド２６の第２冷却スリーブ２８とコールドヘッド挿入部１８の底部３４との間での相対的な位置決め、いわゆる芯出し、が行われ、冷凍機側フィン６２と挿入部側フィン６４との間にコールドヘッド２６の挿入方向及び径方向の双方について予め規定された寸法の隙間６６が形成される。

【0061】

一方、高さ調節機構４４においては、各ねじ軸４５に予め下側ナット４８のみが装着された状態で当該ねじ軸４５を冷凍機２０のフランジ部３０に固定された高さ調節フランジ４６の複数の貫通穴にそれぞれ挿通するようにして前記コールドヘッド２６の挿入作業すなわち冷凍機２０全体を下降させる作業が行われ、前記下側ナット４８上に前記高さ調節フランジ４６が載った時点で当該作業が終了する。このとき前記のように両位置決め部６７，６８の当接面６７ａ，６８ａ同士が当接し、前記高さ調節フランジ４６に設けられたシール部５０のシール材５４が液体ヘリウム容器１２の開口１７の周縁部に全周にわたって密着することにより、前記コールドヘッド挿入部１８内が密閉される。

【0062】

３）コールドヘッド挿入部１８内のガスの置換
前記のようにして密閉されたコールドヘッド挿入部１８に対し、当該挿入部１８内のガスの置換、具体的には、当該挿入部１８からの空気の導出及び当該挿入部１８内への熱伝導媒体（例えば窒素ガス）の導入が、ガス給排管５８及びバルブ５９を通じて行われる。このようにしてコールドヘッド挿入部１８内に熱伝導媒体からなるガスが充満する状態が形成される。

【0063】

４）冷凍機２０及び温度制御装置８０の作動
前記ガスの置換後、冷凍機２０及び温度制御装置８０の始動が行われる。冷凍機２０の作動により、その第２冷却ステージ２８周辺の温度が低下し始めるが、温度制御装置８０の働きによりコイル８７の加熱が行われ、最終的に第１目標温度（例えば熱伝導媒体の３重点のわずか上の温度）付近に制御される。これに伴い、前記手順（３）で挿入部１８に封入された熱伝導媒体を構成するガスの圧力は低下してゆき、第２冷却ステージ周辺温度が第１目標温度に保持されている間に液化して挿入部１８の底に液体状態でたまる。

【0064】

５）温度制御装置８０の停止
前記の熱伝導媒体の液化が進むと、前記コールドヘッド挿入部１８内の圧力が低下し、当該液化が完了した時点で当該圧力は最低値で安定する（例えば窒素の３重点付近の飽和圧力であって略真空状態）。そこで、前記温度制御装置８０の温度調節器８６は、図略の圧力センサの出力信号を監視し、当該出力信号が予め設定された値を下回った時点で、液化が完了したとの判断に基づきヒータ８２の駆動を停止する。その結果、第１及び第２冷却ステージ２７，２８の冷却が再び進行して前記両フィン６２，６４同士の隙間６６を満たす液体（熱伝導媒体が液化したもの）の温度が次第に降下し、最終的に凝固する。

【0065】

このようにして熱伝導媒体の凝固により形成された熱連結部は、優れた熱伝導率（例えば窒素の場合、３．８Ｋで２４．２Ｗ／ｍ／Ｋ）を有する。例えば、前記フィン６２，６４の間の隙間６６の寸法を０．１ｍｍ、フィン６２，６４のうち互いにコールドヘッド挿入方向または径方向に対向する面の総表面積を１．６×１０^４ｍｍ^２とすると、窒素の場合、形成される熱連結部での熱抵抗は僅か２．６×１０^−４ｍＫ／Ｗである。つまり、移動する熱量が１Ｗであるとすると、界面温度差はわずか０．２６ｍＫである。これに対し、熱伝導媒体が液体ヘリウムであるとすると、その３．８Ｋでの熱伝導率は２．４８×１０^−２Ｗ／ｍ／Ｋであるから、熱抵抗は０．２５Ｋ／Ｗと非常に大きなものとなる。

【0066】

この凝固したもの（例えば固体窒素）は、前記両フィン６２，６４とともに、前記第２冷却ステージ２８の冷熱を高い効率でコールドヘッド挿入部１８の底部３４に伝達することができる。

【0067】

６）コールドヘッド２６の更なる挿入
手順（５）により、コールドヘッド挿入部１８の底部に熱伝導媒体の固化したものが形成されたのち、コールドヘッド１８を更に下方へ挿入する。具体的には高さ調節機構４４において、上側ナット４７と下側ナット４８を一端緩めて、高さ調節フランジ４６が上下に自在に動ける状態としたのち、前記コールドヘッド２６をさらに下方へ押し込む。

【0068】

前記コールドヘッド２６の挿入が進行してその挿入操作力が前記両位置決め部６７，６８を介してコールドヘッド挿入部１８の底部３４に伝達されることにより、当該コールドヘッド挿入部１８の筒部３２における蛇腹部３８の伸長方向の弾性変形を伴って当該底部３４が下方に変位し、当該底部３４の下面に設けられている挿入部側金属板７２が被冷却体側金属板７４に密着する。すなわち、熱スイッチ７０がオフ状態からオン状態に切換えられて、前記コールドヘッド挿入部１８の底部３４と被冷却体である液体ヘリウム容器１２との間での熱伝導が可能になる。

【0069】

こうして、両金属板７２，７４同士が密着するまで底部３４が下降した後、前記上側ナット４７および下側ナット４８の高さ位置が再び締め付けられることにより、真空容器１６への冷凍機２０の固定が完了する。

【0070】

７）コールドヘッド２６の脱着
次に、冷凍機２０のメンテナンスなどを目的に当該冷凍機２０のコールドヘッド２６をコールドヘッド挿入部１８から脱着させるには、前記熱スイッチ７０をオフ状態にしかつ熱伝導媒体を気化させればよい。具体的には、高さ調節機構４４の上側ナット４８を取り外して冷凍機２０を若干引き上げることにより、熱スイッチ７０を構成する金属板７２，７４同士を離間させるとともに、前記冷凍機２０の運転を停止すればよい。さらに、ヒータ８２の駆動や、ガス給排管５８を通じてのコールドヘッド挿入部１８内への常温ガスの供給により、前記熱伝導媒体の昇温及び気化を促進することができる。

【0071】

このようにして熱伝導媒体が気化すると、熱連結形成部６０を構成するフィン６２，６４同士の連結が解除されるため、前記コールドヘッド挿入部１８からコールドヘッド２６を難なく抜き取ることが可能である。しかも、熱スイッチ７０はオフ状態にあるので、前記コールドヘッド挿入部１８の昇温に伴う被冷却体（液体ヘリウム容器１２）への熱侵入が有効に抑止される。例えば、熱スイッチ７０を構成する各金属板７２，７４の面積が１．６×１０^−２ｍ^２、その表面の輻射率が０．０１の場合、前記底部３４の温度が仮に室温まで上昇しても金属板７２，７４間の輻射伝熱量は３６ｍＷに抑えられる。よって、冷凍機２０の修理や交換中における被冷却体の温度上昇が有効に抑制される。

【0072】

このとき、前記隙間６６内で凝固していた状態から気化した熱伝導媒体のガスがほぼ大気圧に近い圧力でコールドヘッド挿入部１８内を満たすように、当該コールドヘッド挿入部１８の容積が設定されるのが、よい。換言すれば、前記コールドヘッド挿入部１８の容積は、熱伝導媒体が液体状態で前記隙間６６を満たすための当該熱伝導媒体の必要体積と、下記の表１に示すような当該熱伝導媒体の密度比（１気圧、０°Ｃでのガス密度に対する液体状態での密度の比）とに基づいて設定されるのが、好ましい。

【0073】

【表1】

【0074】

本発明は、以上説明した実施の形態に限られない。例えば、次のような実施の形態を含むことも可能である。

【0075】

前記熱スイッチ７０において、前記実施の形態ではコールドヘッド挿入部１８の底部３４の変位により当該熱スイッチ７０がオンオフされるが、被冷却体側スイッチ要素（図３では被冷却体側金属板７４）が変位することにより熱スイッチ７０がオンオフされてもよい。ただし、この場合には前記被冷却体側スイッチ要素を操作するための特別な手段を要するのに対し、前記実施の形態のようにコールドヘッド挿入部１８の底部３４の変位に基づくものでは、コールドヘッド２６の挿入操作力を利用して熱スイッチ７０をオンオフすることができる利点がある。また、前記のようにコールドヘッド２６の挿入操作力を利用して前記底部３４を変位させる場合、その挿入操作力を伝達するための操作力伝達部は、前記位置決め部６７，６８とは別に設けられてもよい。

【0076】

本発明に係る冷凍機側凹凸部及び挿入部側凹凸部は、前記のようなフィン６２，６４を含むものに限定されない。例えば、冷凍機側凹凸部は、挿入部側凹凸部に向かって棒状あるいは球状に突出する複数の冷凍機側突起を有し、挿入部側凹凸部は前記各冷凍機側突起の間に突出する同じく棒状あるいは球状の突起であってもよい。

【0077】

本発明に係る冷凍機側及び挿入部側位置決め部は、熱連結形成部から離れた位置、例えばコールドヘッドの中段部分やコールドヘッド挿入部の入口側部分に設けられていてもよい。しかし、前記のように冷凍機側凹凸部及び挿入部側凹凸部とそれぞれ並設される位置決め部は、これらの凹凸部同士の隙間の寸法をより高い精度で規定することを可能にする。

【0078】

前記温度制御装置８０は、省略が可能である。例えば、熱伝導媒体が液相を保持する温度領域が大きい場合には、この熱伝導媒体を低い速度で冷却するだけでもその冷却中に当該熱伝導媒体を液相にして両凹凸部間の隙間に行き渡らせることが可能である。また、熱伝導媒体の密度が空気の密度よりも十分大きい場合には、コールドヘッド挿入部内にコールドヘッドが挿入される前に当該コールドヘッド挿入部内のガスが熱伝導媒体に置換されてもよい。換言すれば、当該ガスの置換後にコールドヘッド挿入部内にコールドヘッドが挿入されてもよい。

【符号の説明】

【0079】

１０ 超電導磁石（被冷却体）
１２ 液体ヘリウム容器（被冷却体）
１４ 熱シールド容器（被冷却体容器）
１６ 真空容器（被冷却体容器）
１７ 開口
１８ コールドヘッド挿入部
２０ 冷凍機
２６ コールドヘッド
２７ 第１冷却ステージ
２８ 第２冷却ステージ
３０ フランジ部
３２ 筒部
３４ 底部
３８ 蛇腹部
４４ 高さ調節機構
５０ シール部
５８ ガス給排管
６０ 熱連結形成部
６１ 冷凍機側基面
６２ 冷凍機側フィン
６３ 挿入部側基面
６４ 挿入部側フィン
６６ 隙間
６７ 冷凍機側位置決め部
６７ａ 冷凍機側位置決め部の当接面
６８ 挿入部側位置決め部
６８ａ 挿入部側位置決め部の当接面
７０ 熱スイッチ
７２ 挿入部側金属板（挿入部側熱スイッチ要素）
７４ 被冷却体側金属板（被冷却体側熱スイッチ要素）
７６ 支持体
７８ 編組
８０ 温度制御装置
８２ ヒータ
８４ 温度センサ
８６ 温度調節器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】