特許 6773532 極低温冷却装置

(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】6773532

(24)【登録日】2020年10月5日

(45)【発行日】2020年10月21日

(54)【発明の名称】極低温冷却装置

(51)【国際特許分類】

   F25B 9/00 20060101AFI20201012BHJP

【ＦＩ】

   F25B9/00 ZZAA

   F25B9/00 311

【請求項の数】8

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2016-226059(P2016-226059)

(22)【出願日】2016年11月21日

(65)【公開番号】特開2018-84347(P2018-84347A)

(43)【公開日】2018年5月31日

【審査請求日】2019年5月24日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001380

【氏名又は名称】特許業務法人東京国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】根塚 隼人

(72)【発明者】

【氏名】高橋 政彦

(72)【発明者】

【氏名】栗山 透

(72)【発明者】

【氏名】荒木 隆久

(72)【発明者】

【氏名】出浦 香織

【審査官】 田中 一正

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−１３０３３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−０４２０００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６３−１３５７６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−３０３８１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−０３３１２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０５１２９２３２（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２５Ｂ ９／００

Ｈ０１Ｆ ６／０４

Ｇ０１Ｎ ２４／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

真空容器の外部から内部の熱シールドで包囲された内部閉空間に差し込まれる冷凍機と、
前記内部閉空間内で前記冷凍機の第１伝熱ヘッドに接触して冷却される第１伝熱ブロックと、
前記冷凍機のディスプレーサを包囲する筒状のスリーブのうち前記第１伝熱ヘッドに接続される第１スリーブメンバと、
前記第１スリーブメンバの胴部に設けられる第１ベローズと、
変位する前記第１伝熱ブロックに追従して接触を維持して前記第１伝熱ブロックから超電導コイルへ伝熱する第１フレキシブル伝熱部材と、
前記熱シールドの外部閉空間に配置された前記冷凍機の第２伝熱ヘッドに接触する第２伝熱ブロックと、
前記スリーブのうち前記第２伝熱ブロックに接続される第２スリーブメンバと、
前記第２スリーブメンバの胴部に設けられる第２ベローズと、
前記真空容器の外部において、前記第２スリーブメンバに一端が接続されて他端が蓋閉可能であるとともにその胴部にベロ―ズを有する第３スリーブメンバと、を備えることを特徴とする極低温冷却装置。

【請求項2】

前記第１伝熱ヘッドのヘッド先端は、前記第１ベローズの下端より上まで引き抜かれた位置を熱切断時の定位置とする請求項１に記載の極低温冷却装置。

【請求項3】

前記真空容器と前記熱シールドとで閉じられた外部閉空間に配置される前記冷凍機の第２伝熱ヘッドと、
前記第２伝熱ヘッドに接触して冷却される第２伝熱ブロックと、
変位する前記第２伝熱ブロックに追従して接触を維持して前記第２伝熱ブロックから前記熱シールドへ伝熱する第２フレキシブル伝熱部材と、を備える請求項１または請求項２に記載の極低温冷却装置。

【請求項4】

前記第１伝熱ブロックと前記第１伝熱ヘッドとは錐形状を有して嵌り合う請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の極低温冷却装置。

【請求項5】

前記スリーブで包囲されたシリンダ空間に接続されて前記シリンダ空間の真空調整をする調節管を備える請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の極低温冷却装置。

【請求項6】

前記第２伝熱ヘッドのヘッド先端は、前記第２ベローズの下端より上まで引き抜かれた位置を熱切断時の定位置とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の極低温冷却装置。

【請求項7】

前記第１スリーブメンバに前記第１ベローズをブリッジして設けられるスタッドと、
前記スタッドに前記第１ベローズの収縮力と同じ向きに反発力を発生させるバネと、を備える請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の極低温冷却装置。

【請求項8】

前記超電導コイルに熱的に常時接続される主冷凍機を備える請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の極低温冷却装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、超電導磁石を冷却する極低温冷却装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、クライオスタットの冷却手段として、液体Ｈｅに代わり極低温冷凍機（以下、単に「冷凍機」という）が使用されている。
メンテナンス又は供給熱量の調整等の観点から、Ｗシリンダ構造を有する冷凍機の開発がなされている。

【0003】

冷却ステージと冷却対象である超電導コイルとを熱的に接続する伝熱体の構造を切り離し可能な２以上の部材で構成することで、冷凍機の引き抜きが可能になる。
切り離し部分は、例えば、いずれも伝熱性の高い金属で組成された伝熱ヘッド及びこの伝熱ヘッドに接触する伝熱ブロックで構成される。

【0004】

また、このシリンダ構造によって真空容器内の真空環境や温度環境等が変化しないように、冷却ステージを有する冷凍機シリンダは両端が密閉されたスリーブで包囲される。
スリーブ内を真空にすることで、冷凍機シリンダのみ常温にして引き抜くことができる。
また、冷凍機を空気などの混入を防ぐガスバッグを利用すれば、装置本体の真空断熱を破ることなく極低温冷凍機を引き抜くことができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開昭６２−９０９１０号公報

【特許文献2】特開２００７−３０３８１４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、上述した従来の技術では、極低温帯での冷凍機とスリーブの熱収縮差により伝熱ヘッドと伝熱ブロックとが十分に密着せず、熱抵抗が増加して伝熱効率が低下するという課題があった。
また、冷凍機が多段式の場合、全ての伝熱ヘッドを対応する伝熱ブロックに密着させることが困難であった。
よって、２段冷却ステージにおいては、伝熱ヘッドと伝熱ブロックとの隙間をＨｅなどのガスで充填してこのガスによる熱伝導を用いていたため、伝熱効率が低下していた。

【0007】

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、伝熱効率を向上させたシリンダ構造を有する極低温冷却装置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】

【0008】

本実施形態に係る極低温冷却装置は、真空容器の外部から内部の熱シールドで包囲された内部閉空間に差し込まれる冷凍機と、前記内部閉空間内で前記冷凍機の第１伝熱ヘッドに接触して冷却される第１伝熱ブロックと、前記冷凍機の冷凍機シリンダを包囲する筒状のスリーブのうち前記第１伝熱ヘッドに接続される第１スリーブメンバと、前記第１スリーブメンバの胴部に設けられる第１ベローズと、変位する前記第１伝熱ブロックに追従して接触を維持して前記第１伝熱ブロックから超電導コイルへ伝熱する第１フレキシブル伝熱部材と、を備えるものである。

【発明の効果】

【0009】

本発明により、伝熱効率を向上させたシリンダ構造を有する極低温冷却装置が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】第１実施形態に係る極低温冷却装置の概略構成図。

【図2】第１実施形態に係る極低温冷却装置の４Ｋフレキシブル伝熱部材の概略斜視図。

【図3】４Ｋフレキシブル伝熱部材の第１の変形例の概略斜視図。

【図4】４Ｋフレキシブル伝熱部材の第２の変形例の概略斜視図。

【図5】４Ｋフレキシブル伝熱部材の第３の変形例の概略斜視図。

【図6】（Ａ）第１実施形態に係る極低温冷却装置のＯＮ時の冷凍機周辺の拡大図、（Ｂ）同・ＯＦＦ時の冷凍機周辺の拡大図。

【図7】第１実施形態に係る極低温冷却装置の変形例の概略構成図。

【図8】第２実施形態に係る極低温冷却装置の概略構成図。

【図9】直管シリンダ及び４Ｋベローズ付シリンダについての４Ｋ伝熱ヘッドの引き上げ長さと熱侵入量との関係を示す図。

【図10】４Ｋ伝熱ヘッドからスリーブへの熱侵入を説明する図。

【図11】スリーブにおける４Ｋ伝熱ヘッドの高さとスリーブの各地点の温度との関係を示す図。

【図12】第１実施形態に係る極低温冷却装置の冷却効果を確認した実験結果を示す図。

【図13】第３実施形態に係る極低温冷却装置の概略構成図。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。

【0012】

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る極低温冷却装置１０（以下、単に「冷却装置１０」という）の概略構成図である。
第１実施形態に係る冷却装置１０は、図１に示されるように、第１ベローズ１１と、第１フレキシブル伝熱部材１２と、を備える。

【0013】

以下、詳細を説明する。
冷却装置１０は、真空容器１３の内部に熱シールド１４が設けられ、この熱シールド１４の内部に収容された超電導コイル１６を冷却する。
熱シールド１４は、真空容器１３との温度差を考慮して、真空容器１３の天井面から断熱体１７で吊り下げられる。

【0014】

真空容器１３の内部は、この熱シールド１４で包囲される内部閉空間Ψと、外部閉空間Ωと、で構成されることになる。
冷凍機１８は、真空容器１３の外部から内部閉空間Ψに差し込まれて固定される。
なお、超電導コイル１６も同様に断熱体で吊り下げられるが、図示は省略する。

【0015】

冷凍機１８は、例えば、１段冷却ステージ１９及び２段冷却ステージ２１の２つの冷却ステージを有する２段式冷凍機である。
１段冷却ステージ１９は外部閉空間Ωに配置され、５０Ｋ伝熱ヘッド（第２伝熱ヘッド）２２が設けられる。
２段冷却ステージ２１は内部閉空間Ψに配置され、４Ｋ伝熱ヘッド（第１伝熱ヘッド）２３が設けられる。

【0016】

以下、冷却装置１０の稼働時に５０Ｋ程度に冷却される部材には「５０Ｋ」、４Ｋ程度に冷却される部材には「４Ｋ」を付加して名称を統一する。
ただし、これら「５０Ｋ」及び「４Ｋ」の表記は温度を限定するものではない。例えば、５０Ｋ伝熱ヘッド２２は、最適冷却温度が７０Ｋや、１００Ｋであることもある。

【0017】

４Ｋ伝熱ヘッド２３は、４Ｋ伝熱ブロック（第１伝熱ブロック）２４に接触してこの４Ｋ伝熱ブロック２４に冷熱を伝熱する。
４Ｋ伝熱ブロック２４は、４Ｋフレキシブル伝熱部材１２を介して超電導コイル１６に熱的に接続される。

【0018】

５０Ｋ伝熱ヘッド２２も同様に、５０Ｋ伝熱ブロック（第２伝熱ブロック）２７に接触してこの５０Ｋ伝熱ブロック２７に冷熱を伝熱する。
５０Ｋ伝熱ブロック２７は、例えば熱シールド１４の外表面に直接接触して固定される。
５０Ｋ伝熱ブロック２７を介した１段冷却ステージ１９の冷熱の伝熱により、熱シールド１４は、５０Ｋ前後に冷却される。

【0019】

４Ｋ伝熱ヘッド２３及び５０Ｋ伝熱ヘッド２２を含む冷凍機シリンダ１５全体は、周囲をスリーブ２９で包囲される。
スリーブ２９は、真空容器１３外に有する一端をフランジ付きの上蓋２８で、他端を４Ｋ伝熱ブロック２４で気密に封止される。
スリーブ２９は、例えば、４Ｋ側スリーブメンバ（第１スリーブメンバ）２９ａ、５０Ｋ側スリーブメンバ（第２スリーブメンバ）２９ｂ、及びスリーブメンバ２９ｃの、この順に並んだ３つの部材で構成される。

【0020】

４Ｋ側スリーブメンバ２９ａは、４Ｋ伝熱ブロック２４から５０Ｋ伝熱ブロック２７までの、主に内部閉空間Ψ内のスリーブ区間を構成する。
５０Ｋ側スリーブメンバ２９ｂは、５０Ｋ伝熱ブロック２７から真空容器１３までの、主に外部閉空間Ω内のスリーブ区間を構成する。
スイッチ切替用スリーブメンバ２９ｃは、主に真空容器１３外において、５０Ｋ側スリーブメンバ２９ｂ及び上蓋２８のそれぞれとフランジ３１で接続される。

【0021】

これらのスリーブメンバ２９ａ〜２９ｃの内空間同士は連通され、一連のシリンダ空間３２を形成する。
スリーブメンバ２９ｃの胴部にベローズ等を設けて上下に伸縮させることで、冷凍機シリンダ１５がシリンダ空間３２の気密性を維持してスリーブ２９に沿って変位可能にされる。

【0022】

スリーブ２９全体の自然長を冷凍機シリンダ１５よりも短くすることで、５０Ｋ伝熱ブロック２７と５０Ｋ伝熱ヘッド２２との接触／非接触と、４Ｋ伝熱ブロック２４と４Ｋ伝熱ヘッド２３との接触／非接触とを連動させることができる。
この伝熱ブロック２７，２４と伝熱ヘッド２２，２３との接触／非接触が、冷凍機１８の熱スイッチ機能のＯＮ／ＯＦＦになる。

【0023】

そして、第１実施形態に係る冷却装置１０では、４Ｋ側スリーブメンバ２９ａの胴部に、ベローズ（４Ｋベローズ：第１ベローズ）１１が設けられる。
また、第１実施形態に係る冷却装置１０では、超電導コイル１６に固定的に接続された４Ｋフレキシブル伝熱部材１２が４Ｋ伝熱ブロック２４に追従して４Ｋ伝熱ブロック２４との接触を維持する。

【0024】

ここで、図２は、第１実施形態に係る冷却装置１０の４Ｋフレキシブル伝熱部材１２の概略斜視図である。
４Ｋフレキシブル伝熱部材１２は、図２に示されるように、３０枚程度の薄く柔軟な長寸のアルミ板３３を束ねたものである。
アルミ板３３は、長手方向両端部から１／３程度が毎葉ハンダ付けにより結束されて、固定端領域３４（３４ａ，３４ｂ）を形成する。
一方の固定端領域３４ａが４Ｋ伝熱ブロック２４に接続され、他方の固定端領域３４ｂが超電導コイル１６に接続される。

【0025】

一方、４Ｋフレキシブル伝熱部材１２の中央部は、拘束を受けずアルミ板３３が単に積層されたままの状態を維持して、自由に撓む。
冷凍機シリンダ１５の押し込みの際、４Ｋフレキシブル伝熱部材１２の中央部が撓むことで、固定端領域３４との接触を維持して４Ｋ伝熱ブロック２４を変位させることができる。

【0026】

また、図３〜図５は、いずれも、第１実施形態に係る冷却装置１０の４Ｋフレキシブル伝熱部材１２の変形例の概略斜視図である。
図３に示されるように、図２の４Ｋフレキシブル伝熱部材１２の形状を維持して、薄く柔軟なアルミ板３３に代えて、平編線３０で４Ｋフレキシブル伝熱部材１２ａを構成してもよい。

【0027】

また、図４に示されるように、４Ｋ伝熱ブロック２４と超電導コイル１６に接続される伝熱板３７とをベローズ（伝熱ベローズ）３８ａが設けられた伝熱筒部材３８で接続するものを４Ｋフレキシブル伝熱部材１２ｂとしてもよい。

【0028】

さらに、図５に示されるように、内径１ｍｍ程度の細いパイプ３９ａを螺旋状に巻回したヒートパイプ３９を４Ｋフレキシブル伝熱部材１２ｃにしてもよい。
超電導コイル１６上に例えば、伝熱板３７、ヒートパイプ３９、及び４Ｋ伝熱ブロック２４をこの順に積層して、４Ｋ伝熱ブロック２４の冷熱を超電導コイル１６に伝熱する。
ヒートパイプ３９は、４Ｋ程度に冷却されるパイプ３９ａの内部にＨｅを充填することで、Ｈｅが気化と液化とを繰り返して伝熱板３７に熱を運ぶ。
例えば、パイプ３９ａの垂直部の一部にＳ字状の屈曲部４１を設けることで、４Ｋ伝熱ブロック２４が変位しても、パイプ３９ａが撓んで接触を維持させることができる。

【0029】

４Ｋ伝熱ヘッド２３が４Ｋ伝熱ブロック２４に有限角を有して押し込まれても、４Ｋベローズ１１及び４Ｋフレキシブル伝熱部材１２がこの有限角を相殺するように変形する。
つまり、４Ｋベローズ１１と４Ｋフレキシブル伝熱部材１２とを組み合わせることで、各部材の熱収縮の差異や、４Ｋベローズ１１の水平方向への撓みを吸収して４Ｋ伝熱ヘッド２３と４Ｋ伝熱ブロック２４とを全面で密着させることができる。

【0030】

図１に戻って説明を続ける。
４Ｋ伝熱ヘッド２３と４Ｋ伝熱ブロック２４との熱接触面を大きくするため、例えば４Ｋ伝熱ヘッド２３が凸形状で４Ｋ伝熱ブロック２４が凹形状の錘形状に設計される。
４Ｋ伝熱ヘッド２３が大きな熱接触面を有して４Ｋ伝熱ブロック２４に嵌り込むことで、４Ｋ伝熱ブロック２４への伝熱効率を向上させることができる。

【0031】

次に、図６（Ａ），（Ｂ）を用いて、熱スイッチのＯＮ時及びＯＦＦ時の状態を説明する。
図６（Ａ）は、第１実施形態に係る冷却装置１０のＯＮ時の冷凍機１８周辺の拡大図である。
図６（Ｂ）は、第１実施形態に係る冷却装置１０のＯＦＦ時の冷凍機１８周辺の拡大図である。

【0032】

シリンダ空間３２には、真空度を調節するための調節管４２がスリーブメンバ２９ｃのフランジ３１から差し込まれる。
熱スイッチのＯＮ時には、供給弁２６が開放され、調節管４２からシリンダ空間３２にヘリウム４３が供給される。

【0033】

例えば熱シールド１４と５０Ｋ伝熱ブロック２７との接触面等、密着させる２部材間にはインジウム等の高展性金属（図示省略）が配置される。
両部材を高展性金属ごと強固にネジ止めすることで、高展性金属が変形して両部材に密着して両部材間の伝熱ロスを軽減し、伝熱効率を向上させている。

【0034】

しかし、４Ｋ伝熱ヘッド２３と４Ｋ伝熱ブロック２４とは、熱スイッチとしてＯＮ／ＯＦＦが切り替わるので、高展性金属で密着性を高めることができない。
そこで、４Ｋ伝熱ヘッド２３と４Ｋ伝熱ブロック２４との接触面４４にできる微小な空隙にヘリウム４３を流入させて、４Ｋ伝熱ヘッド２３による伝熱効率を向上させる。

【0035】

また、熱スイッチのＯＦＦ時には、４Ｋ伝熱ヘッド２３の冷熱が４Ｋ伝熱ブロック２４に伝導することを防止するため、排出弁２５を開放して調節管４２からヘリウム４３を排出する。
このように、熱スイッチの切り替えに合わせて真空調整をすることで、ＯＦＦ時の熱遮断性を維持しながら、４Ｋ伝熱ヘッド２３と４Ｋ伝熱ブロック２４との伝熱効率をより向上させることができる。

【0036】

また、図７は、第１実施形態に係る冷却装置１０Ａの変形例の概略構成図である。
冷却装置１０Ａは、図７に示されるように、４Ｋベローズ１１をブリッジして４Ｋ側スリーブメンバ２９ａに設けられるスタッド４６と、スタッド４６に４Ｋベローズ１１の収縮力と同じ向きに反発力を発生させるバネ４７と、を備えてもよい。

【0037】

４Ｋ伝熱ヘッド２３を４Ｋ伝熱ブロック２４に押し込んだ際、４Ｋベローズ１１のみでは、４Ｋ伝熱ブロック２４に十分な反発力を付与することができないことがある。
十分な反発力が付与されない場合、４Ｋ伝熱ヘッド２３と４Ｋ伝熱ブロック２４との間の隙間が広がる。
そこで、スタッド４６に設けられたバネ４７で４Ｋベローズ１１の収縮力を補強することで、４Ｋ伝熱ヘッド２３と４Ｋ伝熱ブロック２４とを十分に密着させることが望ましい。

【0038】

以上のように、第１実施形態に係る冷却装置１０によれば、４Ｋ伝熱ヘッド２３を４Ｋ伝熱ブロック２４に密着させることができるので、超電導コイル１６への伝熱効率を向上させることができる。

【0039】

（第２実施形態）
図８は、第２実施形態に係る冷却装置１０Ｂの概略構成図である。

【0040】

第２実施形態に係る冷却装置１０Ｂは、図８に示されるように、４Ｋ伝熱ヘッド２３のヘッド先端が４Ｋベローズ１１の下端より上まで引き抜かれた位置を熱切断時の定位置にされる。
熱スイッチのＯＦＦ時には、熱遮断性を高めるため、４Ｋ伝熱ヘッド２３から４Ｋ伝熱ブロック２４への伝熱を補助するヘリウム４３を調節管４２から排出してシリンダ空間３２を真空にする。
しかし、熱スイッチのＯＦＦ後に冷凍機１８が停止され室温へ上昇すると、これに伴って超電導コイル１６も温度上昇してしまうことが確認された。
この温度上昇は、冷凍機シリンダ１５からの輻射熱によるものと考えられる。

【0041】

熱スイッチの熱遮断性が低い場合、例えば図８のように、伝熱板３７に主冷凍機１８ｂ及び補助冷凍機１８ａの２台が接続される冷却装置１０Ｂの場合に問題になる。
つまり、熱スイッチを有する補助冷凍機１８ａを必要時にのみＯＮにして、常時稼働する主冷凍機１８ｂによる冷却の補助に用いる場合である。
このような冷却装置１０Ｂでは、低熱負荷時には補助冷凍機１８ａの熱スイッチをＯＦＦにした後に稼働を停止させることで、省エネ運転を実現する。

【0042】

この場合、補助冷凍機１８ａをＯＦＦにしても、内部閉空間Ψを４Ｋ程度の極低温に維持する必要がある。
そこで、第２実施形態では、熱スイッチのＯＦＦ時には、４Ｋ伝熱ヘッド２３のヘッド先端を、４Ｋベローズ１１の下端より上まで引き抜いて熱輻射の影響を低減させる必要がある。

【0043】

ここで、図９は、直管スリーブ及び４Ｋベローズ付スリーブについての４Ｋ伝熱ヘッド２３の引き上げ長さと熱侵入量との関係を示す図である。
また、図１０は、４Ｋ伝熱ヘッド２３からスリーブ２９への熱侵入を説明する図である。
さらに、図１１は、４Ｋベローズ１１における４Ｋ伝熱ヘッド２３の高さと、４Ｋベローズ１１の各地点の温度との関係を示す図である。

【0044】

図９に表されるように、４Ｋベローズ付シリンダへの熱侵入量は、直管シリンダへの熱侵入量と比較して、実測値及び解析値ともに常時小さい結果になった。
この結果は、図１０で示されるように、輻射によって４Ｋ伝熱ヘッド２３からスリーブ２９へ侵入した熱が、スリーブ２９を伝導する過程で熱が上下に分かれて減衰したものと理解できる。
この現象に基づくと、侵入熱Ｑｒａｄは、侵入箇所Ｓにおける４Ｋベローズ１１の長さの逆比に従ってスリーブ２９を伝熱する。

【0045】

また、４Ｋベローズ１１は細く長い熱経路を構成するので、熱抵抗が大きく、４Ｋベローズ１１以外の４Ｋ側スリーブメンバ２９ａの伝熱経路長は無視することができる。
つまり、５０Ｋ伝熱ブロック２７側へ上昇する伝熱量をＱ１、４Ｋ伝熱ブロック２４側へ下降する伝熱量をＱ２とし、４Ｋベローズ１１を５０Ｋ伝熱ブロック２７側からＬ１：Ｌ２に分ける点を熱の侵入箇所Ｓとすると次式（１）が成り立つ。
Ｑ１：Ｑ２ ＝ Ｌ２：Ｌ１ （１）
よって、熱の侵入箇所Ｓから４Ｋベローズ１１の下端までの長さＬ２を大きな値にすることで、４Ｋ伝熱ブロック２４に下降する伝熱量Ｑ２を小さくすることができる。

【0046】

また、このような現象に基づくと、スリーブ２９の各地点での温度と、４Ｋ伝熱ヘッド２３の高さとの関係は図１１のようになる。
４Ｋ伝熱ヘッド温度が３００Ｋである場合、４Ｋ伝熱ヘッド２３と同地点のスリーブ２９の温度は、３００Ｋ程度になる。
スリーブ２９の温度は、この地点を最高温度にこの地点からの距離に比例して、小さくなる。

【0047】

また、この熱侵入量の低下の勾配は、Ｑ１とＱ２との分配で決定されるため、４Ｋ伝熱ヘッド２３のヘッド先端を高く引き上げる程、４Ｋ伝熱ブロック２４への熱侵入量を小さくすることができる。
特に、ヘッド先端を４Ｋベローズ１１の下端から１／２以上に引き上げると、過半数の熱が上昇し、熱侵入量は４Ｋベローズ１１の範囲で大きく変化する。

【0048】

このように４Ｋ側スリーブメンバ２９ａに４Ｋベローズ１１を設け、熱スイッチのＯＦＦ時に、４Ｋ伝熱ヘッド２３のヘッド先端を４Ｋベローズ１１の下端より高く引き上げることで、補助冷凍機１８ａから超電導コイル１６への熱侵入量を大幅に低減させることができる。

【0049】

次に、図１２は、第１実施形態に係る冷却装置１０Ｂの冷却効果を確認した実験結果を示す図である。
横軸は４Ｋ伝熱ヘッド２３及び伝熱板３７の平均温度、縦軸は熱抵抗を示す。

【0050】

比較例では、３．８Ｋ〜４．５Ｋの温度帯で２．０［Ｋ／Ｗ］〜１．３［Ｋ／Ｗ］の熱抵抗であった。
一方、４Ｋベローズ１１及び４Ｋフレキシブル伝熱部材１２を備えた冷却装置１０Ｂの同条件での実施例では、４．１Ｋ〜４．９Ｋの温度帯で０．４［Ｋ／Ｗ］〜０．３［Ｋ／Ｗ］の熱抵抗であった。
計測できた温度帯は多少異なるものの、熱抵抗が有意に低くなっていることが確認することができた。
つまり、４Ｋベローズ１１を設けることで、４Ｋ伝熱ヘッド２３を押し付けた時の熱抵抗の低減効率を大きくすることができることが確認された。

【0051】

図８に戻って説明を続ける。
４Ｋ側スリーブメンバ２９ａと同様に、５０Ｋ側スリーブメンバ２９ｂの腹部にもベローズ（第２ベローズ：５０Ｋベローズ）５１を設けてもよい。
この場合、５０Ｋベローズ５１の位置は、ＯＦＦ時の５０Ｋ伝熱ヘッド２２のヘッド先端の定位置が５０Ｋベローズ５１の下端より上になるように設計される。
５０Ｋベローズ５１は、４Ｋベローズ１１と同様に、５０Ｋ伝熱ヘッド２２からの輻射熱が５０Ｋ伝熱ブロック２７に伝熱することを防止する。

【0052】

なお、熱切断時の伝熱ヘッド（２２，２３）の定位置をベローズ（１１，３８）の下端より上方にすること以外は、第２実施形態は第１実施形態と同じ構造及び動作手順となるので、重複する説明を省略する。
図面においても、共通の構成または機能を有する部分は同一符号で示し、重複する説明を省略する。

【0053】

このように、第２実施形態に係る冷却装置１０Ｂによれば、第１実施形態の効果に加え、熱スイッチのＯＦＦ時に熱輻射による伝熱ブロック（２４，２７）への伝熱を阻止することができるので、熱スイッチのＯＦＦ時の熱遮断性を向上させることができる。

【0054】

（第３実施形態）
図１３は、第３実施形態に係る冷却装置１０Ｃの概略構成図である。

【0055】

第３実施形態に係る冷却装置１０Ｃは、図１３に示されるように、５０Ｋ伝熱ブロック２７に追従して接触を維持して５０Ｋ伝熱ブロック２７から熱シールド１４へ伝熱する５０Ｋフレキシブル伝熱部材（第２フレキシブル伝熱部材）５４を備える。

【0056】

第１実施形態では、５０Ｋ伝熱ブロック２７は、その伝熱対象である熱シールド１４に固定されている例で説明した。
しかし、５０Ｋ伝熱ブロック２７も変位可能にすることで、５０Ｋ伝熱ブロック２７と５０Ｋ伝熱ヘッド２２とをより強固に密着させることができる。

【0057】

そこで、第３実施形態では、５０Ｋ伝熱ブロック２７を熱シールド１４に固定せずに、５０Ｋベローズ５１の伸縮で変位可能にする。
そして、５０Ｋ伝熱ヘッド２２との接触等で変位する５０Ｋ伝熱ブロック２７と、熱シールド１４と、を５０Ｋフレキシブル伝熱部材５４で接続する。
５０Ｋフレキシブル伝熱部材５４は、図２〜図５で例示される４Ｋフレキシブル伝熱部材１２と同様な構成を有する。

【0058】

このように第３実施形態によれば、５０Ｋ伝熱ヘッド２２及び接触等で変位する５０Ｋ伝熱ブロック２７と、４Ｋ伝熱ヘッド２３及び接触等で変位する４Ｋ伝熱ブロック２４と、の両者を同時に密着させることができる。

【0059】

なお、５０Ｋフレキシブル伝熱部材５４で５０Ｋ伝熱ブロック２７を変位可能にすること以外は、第３実施形態は第１実施形態と同じ構造及び動作手順となるので、重複する説明を省略する。
図面においても、共通の構成または機能を有する部分は同一符号で示し、重複する説明を省略する。

【0060】

このように、第３実施形態に係る冷却装置１０Ｃによれば、第１実施形態の効果に加え、５０Ｋ伝熱ヘッド２２を５０Ｋ伝熱ブロック２７に密着させることができるので、冷却装置１０Ｃ全体の伝熱効率を向上させることができる。

【0061】

以上述べた少なくとも一つの実施形態の冷却装置１０によれば、４Ｋ伝熱ヘッド２３を４Ｋ伝熱ブロック２４に密着させることができるので、超電導コイル１６への伝熱効率を向上させることが可能となる。

【0062】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。
これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。
これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

【符号の説明】

【0063】

１０（１０Ａ〜１０Ｃ）…極低温冷却装置（冷却装置）、１１…４Ｋベローズ（第１ベローズ）、１２（１２ａ〜１２ｃ）…４Ｋフレキシブル伝熱部材（第１フレキシブル伝熱部材）、１３…真空容器、１４…熱シールド、１５…冷凍機シリンダ、１６…超電導コイル、１７…断熱体、１８（１８ａ，１８ｂ）…冷凍機（補助冷凍機，主冷凍機）、１９…１段冷却ステージ、２１…２段冷却ステージ、２２…５０Ｋ伝熱ヘッド（伝熱ヘッド）、２３…４Ｋ伝熱ヘッド（伝熱ヘッド）、２４…４Ｋ伝熱ブロック（伝熱ブロック）、２５…排出弁、２６…供給弁、２７…５０Ｋ伝熱ブロック（伝熱ブロック）、２８…上蓋、２９（２９ａ〜２９ｃ）…スリーブ（４Ｋ側スリーブメンバ，５０Ｋ側スリーブメンバ，スリーブメンバ）、３０…平編線、３１…フランジ、３２…シリンダ空間、３３…アルミ板、３４（３４ａ，３４ｂ）…固定端領域、３６…ハンダ、３７…伝熱板、３８（３８ａ）…伝熱筒部材（ベローズ部）、３９（３９ａ）…ヒートパイプ（パイプ）、４１…屈曲部、４２…調節管、４３…ヘリウム、４４…接触面、４６…スタッド、４７…バネ、５１…５０Ｋベローズ、５４…５０Ｋフレキシブル伝熱部材、Ｑｒａｄ…侵入熱、Ｓ…侵入箇所、Ψ…内部閉空間、Ω…外部閉空間。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】