特開 2022-100018 極低温冷凍機および熱スイッチ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022100018

(43)【公開日】2022-07-05

(54)【発明の名称】極低温冷凍機および熱スイッチ

(51)【国際特許分類】

   F25B 9/00 20060101AFI20220628BHJP

   H01L 39/04 20060101ALI20220628BHJP

   H01F 6/04 20060101ALN20220628BHJP

【ＦＩ】

F25B9/00 F

H01L39/04

H01F6/04

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020214138

(22)【出願日】2020-12-23

(71)【出願人】

【識別番号】000002107

【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105924

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 賢樹

(74)【代理人】

【識別番号】100116274

【弁理士】

【氏名又は名称】富所 輝観夫

(72)【発明者】

【氏名】出村 健太

【テーマコード（参考）】

4M114

【Ｆターム（参考）】

4M114AA17

4M114BB04

4M114CC03

4M114CC16

4M114DA02

4M114DA12

4M114DA33

4M114DA34

(57)【要約】

【課題】極低温環境において実用に適する熱スイッチ、およびそうした熱スイッチを組み込んだ極低温冷凍機を提供する。
【解決手段】極低温冷凍機２０は、被冷却物を冷却するための第１冷却ステージ２２ａと、第１冷却ステージ２２ａと被冷却物のうち一方と接続される第１伝熱部材５１と、第１冷却ステージ２２ａと被冷却物のうち他方と柔軟伝熱部材５３を介して接続され、第１伝熱部材５１に対して移動可能に配置される第２伝熱部材５２と、弾性的に圧縮可能な第１弾性部材５４と、第１伝熱部材５１に取り付けられた第１弾性部材ホルダ５５であって、第２伝熱部材５２が弾性的に圧縮された第１弾性部材５４によって第１伝熱部材５１に押し当てられるように、第２伝熱部材５２と弾性的に圧縮された第１弾性部材５４を第１伝熱部材５１との間に保持する第１弾性部材ホルダ５５と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

被冷却物を冷却するための冷却ステージと、
前記冷却ステージと前記被冷却物のうち一方と接続される第１伝熱部材と、
前記冷却ステージと前記被冷却物のうち他方と柔軟伝熱部材を介して接続され、前記第１伝熱部材に対して移動可能に配置される第２伝熱部材であって、前記第１伝熱部材と接触するとき前記冷却ステージと前記被冷却物が熱的に結合され、前記第１伝熱部材から離れるとき前記冷却ステージと前記被冷却物の熱的な結合が解除される第２伝熱部材と、
弾性的に圧縮可能な弾性部材と、
前記第１伝熱部材に取り付けられた弾性部材ホルダであって、前記第２伝熱部材が弾性的に圧縮された前記弾性部材によって前記第１伝熱部材に押し当てられるように、前記第２伝熱部材と弾性的に圧縮された前記弾性部材を前記第１伝熱部材との間に保持する弾性部材ホルダと、を備えることを特徴とする極低温冷凍機。

【請求項2】

前記第１伝熱部材と前記第２伝熱部材が接触するとき前記第１伝熱部材および前記第２伝熱部材から離れて配置される操作部材であって、前記第２伝熱部材に対し係合可能に設けられ、前記第２伝熱部材と係合するとき前記弾性部材を弾性的にさらに圧縮しながら前記第２伝熱部材を前記第１伝熱部材から引き離すように前記第２伝熱部材とともに移動可能な操作部材をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機。

【請求項3】

前記弾性部材は、前記第２伝熱部材と前記弾性部材ホルダの間に挟み込まれた皿ばねであることを特徴とする請求項１または２に記載の極低温冷凍機。

【請求項4】

前記第２伝熱部材は、前記弾性部材との接触面に補強材を有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の極低温冷凍機。

【請求項5】

前記第１伝熱部材、前記第２伝熱部材、前記弾性部材、および前記弾性部材ホルダは、環状であり、前記極低温冷凍機を囲むように配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の極低温冷凍機。

【請求項6】

前記極低温冷凍機は、前記冷却ステージとしての第１冷却ステージと、前記第１冷却ステージよりも低温に冷却される第２冷却ステージとを備え、
前記第１伝熱部材、前記第２伝熱部材、前記弾性部材、および前記弾性部材ホルダは、前記第１冷却ステージと前記第２冷却ステージの間に配置されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の極低温冷凍機。

【請求項7】

前記極低温冷凍機は、前記冷却ステージとしての第１冷却ステージと、前記第１冷却ステージよりも低温に冷却される第２冷却ステージとを備え、
前記第２冷却ステージとそれによって冷却される被冷却物のうち一方と接続される第３伝熱部材と、
前記第２冷却ステージと前記被冷却物のうち他方と柔軟伝熱部材を介して接続され、前記第３伝熱部材に対して移動可能に配置される第４伝熱部材であって、前記第３伝熱部材と接触するとき前記第２冷却ステージと前記被冷却物が熱的に結合され、前記第３伝熱部材から離れるとき前記第２冷却ステージと前記被冷却物の熱的な結合が解除される第４伝熱部材と、
弾性的に圧縮可能な第２弾性部材と、
前記第３伝熱部材に取り付けられた第２弾性部材ホルダであって、前記第４伝熱部材が弾性的に圧縮された前記第２弾性部材によって前記第３伝熱部材に押し当てられるように、前記第４伝熱部材と弾性的に圧縮された前記第２弾性部材を前記第３伝熱部材との間に保持する第２弾性部材ホルダと、をさらに備えることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の極低温冷凍機。

【請求項8】

前記第３伝熱部材と前記第４伝熱部材が接触するとき前記第３伝熱部材および前記第４伝熱部材から離れて配置される第２操作部材であって、前記第４伝熱部材に対し係合可能に設けられ、前記第４伝熱部材と係合するとき前記第２弾性部材を弾性的にさらに圧縮しながら前記第４伝熱部材を前記第３伝熱部材から引き離すように前記第４伝熱部材とともに移動可能な第２操作部材をさらに備え、
前記第２操作部材は、前記第２伝熱部材から前記第４伝熱部材に向けて延びていることを特徴とする請求項７に記載の極低温冷凍機。

【請求項9】

極低温冷凍機の冷却ステージから被冷却物への伝熱経路に設置される熱スイッチであって、
前記冷却ステージと前記被冷却物のうち一方と接続される第１伝熱部材と、
前記冷却ステージと前記被冷却物のうち他方と柔軟伝熱部材を介して接続され、前記第１伝熱部材に対して移動可能に配置される第２伝熱部材であって、前記第１伝熱部材と接触するとき前記冷却ステージと前記被冷却物が熱的に結合され、前記第１伝熱部材から離れるとき前記冷却ステージと前記被冷却物の熱的な結合が解除される第２伝熱部材と、
弾性的に圧縮可能な弾性部材と、
前記第１伝熱部材に取り付けられた弾性部材ホルダであって、前記第２伝熱部材が弾性的に圧縮された前記弾性部材によって前記第１伝熱部材に押し当てられるように、前記第２伝熱部材と弾性的に圧縮された前記弾性部材を前記第１伝熱部材との間に保持する弾性部材ホルダと、を備えることを特徴とする熱スイッチ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、熱スイッチを組み込んだ極低温冷凍機、および熱スイッチに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、熱スイッチを極低温冷凍機から超伝導コイルへの伝熱路に設けることが知られている。熱スイッチ作動用の加圧装置が、超伝導コイルを収容する真空容器の外部に設けられ、真空容器を貫通して熱スイッチの接点へと延びている。加圧装置からの加圧により熱スイッチが閉じられ、それにより極低温冷凍機が超伝導コイルと熱接続される。加圧装置を解放することにより熱スイッチが開かれ、極低温冷凍機と超伝導コイルの熱接続が解除される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１２－２０９３８１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上述の熱スイッチは、実際のところ、熱スイッチの接点での熱接触が不十分となり、熱スイッチを介した熱抵抗が大きくなり、その結果、熱スイッチの両側で温度差が大きくなりがちである。熱スイッチでの温度差が大きければ、極低温冷凍機が提供できる冷却温度に比べて超伝導コイルなど冷却対象の冷却温度はこの温度差の分だけ高くなってしまう。所望の冷却温度に冷却対象を冷却するために、より大きい冷凍能力をもつ大型の極低温冷凍機を必要とすることになるかもしれない。また、上述の熱スイッチ用の加圧装置は、真空容器の外から真空容器内へと延びているため、真空装置のスペースを比較的大きく占有し、望ましくない。さらに、もし加圧装置が故障した場合には押し付け力が無くなり、熱スイッチが解除され、冷却不能となるリスクもある。このような様々な不都合から、上述の熱スイッチは実用にあまり適しない。

【0005】

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、極低温環境において実用に適する熱スイッチ、およびそうした熱スイッチを組み込んだ極低温冷凍機を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明のある態様によると、極低温冷凍機は、被冷却物を冷却するための冷却ステージと、冷却ステージと被冷却物のうち一方と接続される第１伝熱部材と、冷却ステージと被冷却物のうち他方と柔軟伝熱部材を介して接続され、第１伝熱部材に対して移動可能に配置される第２伝熱部材であって、第１伝熱部材と接触するとき冷却ステージと被冷却物が熱的に結合され、第１伝熱部材から離れるとき冷却ステージと被冷却物の熱的な結合が解除される第２伝熱部材と、弾性的に圧縮可能な弾性部材と、第１伝熱部材に取り付けられた弾性部材ホルダであって、第２伝熱部材が弾性的に圧縮された弾性部材によって第１伝熱部材に押し当てられるように、第２伝熱部材と弾性的に圧縮された弾性部材を第１伝熱部材との間に保持する弾性部材ホルダと、を備える。

【0007】

本発明のある態様によると、極低温冷凍機の冷却ステージから被冷却物への伝熱経路に設置される熱スイッチが提供される。熱スイッチは、冷却ステージと被冷却物のうち一方と接続される第１伝熱部材と、冷却ステージと被冷却物のうち他方と柔軟伝熱部材を介して接続され、第１伝熱部材に対して移動可能に配置される第２伝熱部材であって、第１伝熱部材と接触するとき冷却ステージと被冷却物が熱的に結合され、第１伝熱部材から離れるとき冷却ステージと被冷却物の熱的な結合が解除される第２伝熱部材と、弾性的に圧縮可能な弾性部材と、第１伝熱部材に取り付けられた弾性部材ホルダであって、第２伝熱部材が弾性的に圧縮された弾性部材によって第１伝熱部材に押し当てられるように、第２伝熱部材と弾性的に圧縮された弾性部材を第１伝熱部材との間に保持する弾性部材ホルダと、を備える。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、極低温環境において実用に適する熱スイッチ、およびそうした熱スイッチを組み込んだ極低温冷凍機を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施の形態に係る極低温装置を模式的に示す図である。

【図2】実施の形態に係る極低温冷凍機を真空容器の一部とともに模式的に示す斜視図である。

【図3】図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）、および図３（ｄ）は、それぞれ、実施の形態に係る第１伝熱部材、第２伝熱部材、第１弾性部材、および第１弾性部材ホルダを模式的に示す上面図である。

【図4】図１に示される極低温装置のＡ－Ａ線断面を模式的に示す図である。

【図5】実施の形態に係る第１操作機構のオンオフ切替動作を示す模式図である。

【図6】実施の形態に係る第１熱スイッチ構造のオンオフ切替動作を示す模式図である。

【図7】実施の形態に係る状態表示部の一例を示す模式図である。

【図8】実施の形態に係り、第２伝熱部材の他の例を示す一部切り欠き斜視図である。

【図9】実施の形態に係り、第１熱スイッチ構造の他の例を示す一部切り欠き斜視図である。

【図10】実施の形態に係り、第２操作機構の他の例を示す斜視図である。

【図11】実施の形態に係り、極低温冷凍機の他の例を模式的に示す図である。

【図12】実施の形態に係り、第１熱スイッチ構造の他の例を模式的に示す図である。

【図13】実施の形態に係り、第１熱スイッチ構造の他の例を模式的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。説明および図面において同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施の形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

【0011】

図１は、実施の形態に係る極低温装置を模式的に示す図である。図２は、実施の形態に係る極低温冷凍機を真空容器の一部とともに模式的に示す斜視図である。

【0012】

極低温装置１０は、被冷却物の一例としての超伝導コイル１２を室温から極低温に冷却するとともに、超伝導コイル１２の使用中、超伝導コイル１２を極低温に維持するように構成される。超伝導コイル１２は、例えば単結晶引き上げ装置、ＮＭＲシステム、ＭＲＩシステム、サイクロトロンなどの加速器、核融合システムなどの高エネルギー物理システム、またはその他の高磁場利用機器（図示せず）の磁場源として高磁場利用機器に搭載され、その機器に必要とされる高磁場を発生させることができる。超伝導コイル１２は、超伝導転移温度以下の極低温に冷却された状態で超伝導コイル１２に通電することにより強力な磁場を発生するように構成される。

【0013】

極低温装置１０は、極低温冷凍機２０と、真空容器３０と、輻射熱シールド４０とを備える。この実施の形態では、極低温装置１０は、超伝導コイル１２を液体ヘリウムなどの極低温液体冷媒に浸して冷却する浸漬冷却式ではなく、超伝導コイル１２を極低温冷凍機２０で直接冷却する伝導冷却式として構成される。極低温冷凍機２０は、超伝導コイル１２を伝導冷却により冷却するように超伝導コイル１２と熱的に結合されている。なお、図１では例として、１台の極低温冷凍機２０を示しているが、例えば超伝導コイル１２が大型の場合など、必要に応じて、極低温装置１０は、一つの同じ被冷却物を冷却する複数台の極低温冷凍機２０を備えてもよい。

【0014】

極低温冷凍機２０は、物体を伝導冷却により冷却する冷却ステージ２２、より具体的には、第１冷却ステージ２２ａと第２冷却ステージ２２ｂを備える。極低温冷凍機２０は、真空容器３０に設置され、第１冷却ステージ２２ａと第２冷却ステージ２２ｂは、真空容器３０の中に配置される。第１冷却ステージ２２ａおよび第２冷却ステージ２２ｂは、例えば、銅などの金属材料またはその他の高い熱伝導率をもつ材料で形成される。

【0015】

また、極低温冷凍機２０は、第１シリンダ２４ａと、第２シリンダ２４ｂと、駆動部２６と、装着フランジ２８とを備える。第１シリンダ２４ａは、装着フランジ２８を第１冷却ステージ２２ａに接続し、第２シリンダ２４ｂは、第１冷却ステージ２２ａを第２冷却ステージ２２ｂに接続する。駆動部２６は、第１シリンダ２４ａとは反対側で装着フランジ２８に取り付けられている。

【0016】

第１シリンダ２４ａと第２シリンダ２４ｂは、一例として、円筒形状を有する部材であり、第２シリンダ２４ｂが第１シリンダ２４ａよりも小径である。第１シリンダ２４ａと第２シリンダ２４ｂは同軸に配置され、第１シリンダ２４ａの下端が第２シリンダ２４ｂの上端に剛に連結されている。極低温冷凍機２０がギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機である場合、第１シリンダ２４ａと第２シリンダ２４ｂにはそれぞれ、蓄冷材を内蔵した第１ディスプレーサと第２ディスプレーサが収容されている。第１ディスプレーサと第２ディスプレーサは互いに連結され、それぞれ第１シリンダ２４ａと第２シリンダ２４ｂに沿って往復動可能である。

【0017】

駆動部２６は、モータと、モータの出力する回転運動を第１ディスプレーサと第２ディスプレーサの往復動に変換するようにモータをこれらディスプレーサに連結する連結機構とを備える。また、駆動部２６は、第１シリンダ２４ａと第２シリンダ２４ｂの内部の圧力を高圧と低圧に周期的に切り替える圧力切替弁を備え、この圧力切替弁もモータによって駆動される。

【0018】

極低温冷凍機２０は、第１シリンダ２４ａ、第１冷却ステージ２２ａ、第２シリンダ２４ｂ、および第２冷却ステージ２２ｂが真空容器３０の開口部から真空容器３０内に挿入され、この開口部に装着フランジ２８が装着されて、真空容器３０に取り付けられる。真空容器３０の開口部には、真空容器３０の外に向かって延びる真空延長管３１が接続されている。真空延長管３１の端部には、装着フランジ２８が装着される上部フランジ３１ａが設けられている。駆動部２６は装着フランジ２８とともに真空容器３０の外に配置され、第１シリンダ２４ａは真空延長管３１に沿って真空延長管３１内に延在し、第１冷却ステージ２２ａは真空延長管３１から離れて真空容器３０内に配置される。このようにして、極低温冷凍機２０は、第１冷却ステージ２２ａと第２冷却ステージ２２ｂが真空容器３０内に配置されるようにして真空容器３０に設置することができる。

【0019】

極低温冷凍機２０は、作動ガス（たとえばヘリウムガス）の圧縮機（図示せず）と、コールドヘッドとも呼ばれる膨張機とを備え、圧縮機と膨張機により極低温冷凍機２０の冷凍サイクルが構成され、それにより第１冷却ステージ２２ａおよび第２冷却ステージ２２ｂがそれぞれ所望の極低温に冷却される。第１冷却ステージ２２ａは、第１冷却温度、例えば３０Ｋ～８０Ｋに冷却され、第２冷却ステージ２２ｂは、第１冷却温度よりも低い第２冷却温度、例えば３Ｋ～２０Ｋに冷却される。第２冷却温度は、超伝導コイル１２の超伝導転移温度より低い温度である。

【0020】

極低温冷凍機２０は、一例として、二段式のＧＭ冷凍機であるが、パルス管冷凍機、スターリング冷凍機、またはそのほかのタイプの極低温冷凍機であってもよい。所望の冷却温度を提供できるのであれば、極低温冷凍機２０は、単段式のＧＭ冷凍機またはそのほかのタイプの極低温冷凍機であってもよい。

【0021】

真空容器３０は、真空領域３２を外部環境１４から隔てるように構成される。真空領域３２は、真空容器３０内に定められる。真空容器３０は、例えばクライオスタットであってもよい。超伝導コイル１２、極低温冷凍機２０の冷却ステージ２２、輻射熱シールド４０は、真空領域３２に配置され、外部環境１４から真空断熱される。断熱性能を高めるために、真空領域３２を外部環境１４から隔てる真空容器３０の壁部材の表面に沿って、または壁部材の内部に、断熱材料が設けられていてもよい。

【0022】

詳細は後述するが、この実施の形態では、極低温冷凍機２０は、ノーマルクローズ型の第１熱スイッチ構造５０と、真空容器３０の外から第１熱スイッチ構造５０のオンオフ切替を可能とする第１操作機構６０とを備える。第１熱スイッチ構造５０は、真空容器３０内で第１冷却ステージ２２ａの近傍に配置され、第１操作機構６０の操作により、被冷却物の一例としての輻射熱シールド４０と第１冷却ステージ２２ａとの熱接続のオンオフを可能とする。また、極低温冷凍機２０は、ノーマルクローズ型の第２熱スイッチ構造７０と、真空容器３０の外から第２熱スイッチ構造７０のオンオフ切替を可能とする第２操作機構８０とを備える。第２熱スイッチ構造７０は、真空容器３０内で第２冷却ステージ２２ｂの近傍に配置され、第２操作機構８０の操作により、超伝導コイル１２と第２冷却ステージ２２ｂとの熱接続のオンオフを可能とする。

【0023】

輻射熱シールド４０は、第１熱スイッチ構造５０を介して第１冷却ステージ２２ａと熱的に結合され第１冷却温度に冷却される。輻射熱シールド４０は、例えば銅などの金属材料またはその他の高い熱伝導率をもつ材料で形成される。輻射熱シールド４０は、第２冷却温度に冷却される超伝導コイル１２、極低温冷凍機２０の第２冷却ステージ２２ｂ、およびその他の低温部を囲むように配置され、外部からの輻射熱からこれら低温部を熱的に保護することができる。

【0024】

伝熱部材４２は、第２熱スイッチ構造７０を介して第２冷却ステージ２２ｂと熱的に結合される。伝熱部材４２は、可撓性または剛性をもつ伝熱部材であってもよく、例えば銅などの金属材料またはその他の高い熱伝導率をもつ材料で形成される。超伝導コイル１２は、伝熱部材４２と第２熱スイッチ構造７０を介して第２冷却ステージ２２ｂと熱的に結合され第２冷却温度に冷却される。なお、伝熱部材４２を用いることなく、超伝導コイル１２は、第２熱スイッチ構造７０を介して第２冷却ステージ２２ｂと熱的に結合されてもよい。

【0025】

第１熱スイッチ構造５０は、輻射熱シールド４０と接続される第１伝熱部材５１と、第１冷却ステージ２２ａと柔軟伝熱部材５３を介して接続され、第１伝熱部材５１に対して移動可能に配置される第２伝熱部材５２とを備える。また、第１熱スイッチ構造５０は、弾性的に圧縮可能な第１弾性部材５４と、第１伝熱部材５１に取り付けられた第１弾性部材ホルダ５５とを備える。第１弾性部材ホルダ５５は、第２伝熱部材５２が弾性的に圧縮された第１弾性部材５４によって第１伝熱部材５１に押し当てられるように、第２伝熱部材５２と弾性的に圧縮された第１弾性部材５４を第１伝熱部材５１との間に保持する。

【0026】

第１伝熱部材５１、第２伝熱部材５２、第１弾性部材５４、および第１弾性部材ホルダ５５は、環状であり、極低温冷凍機２０を囲むように配置されている。第１伝熱部材５１、第２伝熱部材５２、第１弾性部材５４、および第１弾性部材ホルダ５５は、中心部に開口を有し、この開口に第２シリンダ２４ｂが挿通されている。これら部材の中心開口は概ね等しい径を有する。このようにして、第１熱スイッチ構造５０は、極低温冷凍機２０の中心軸（すなわち第１シリンダ２４ａおよび第２シリンダ２４ｂの中心軸）と同軸に配置され、第２シリンダ２４ｂを囲むように配置されている。

【0027】

第１操作機構６０は、第１操作部材として複数の第１操作棒６１を備える。第１操作棒６１は、第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２が接触するとき第１伝熱部材５１および第２伝熱部材５２から離れて配置される。すなわち、第１操作棒６１は、第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２が接触するとき、第１熱スイッチ構造５０とは非接触とされる。第１操作棒６１は、第２伝熱部材５２に対し係合可能に設けられ、第２伝熱部材５２と係合するとき第１弾性部材５４を弾性的にさらに圧縮しながら第２伝熱部材５２を第１伝熱部材５１から引き離すように第２伝熱部材５２とともに移動可能である。

【0028】

第２伝熱部材５２が第１伝熱部材５１と接触するとき第１冷却ステージ２２ａと輻射熱シールド４０が熱的に結合され、第１熱スイッチ構造５０はオンとなる。第２伝熱部材５２が第１伝熱部材５１から離れるとき第１冷却ステージ２２ａと被冷却物の熱的な結合が解除され、第１熱スイッチ構造５０はオフとなる。

【0029】

第２熱スイッチ構造７０は、伝熱部材４２と接続される第３伝熱部材７１と、第２冷却ステージ２２ｂと柔軟伝熱部材７３を介して接続され、第３伝熱部材７１に対して移動可能に配置される第４伝熱部材７２とを備える。また、第２熱スイッチ構造７０は、弾性的に圧縮可能な第２弾性部材７４と、第３伝熱部材７１に取り付けられた第２弾性部材ホルダ７５とを備える。第２弾性部材ホルダ７５は、第４伝熱部材７２が弾性的に圧縮された第２弾性部材７４によって第３伝熱部材７１に押し当てられるように、第４伝熱部材７２と弾性的に圧縮された第２弾性部材７４を第３伝熱部材７１との間に保持する。

【0030】

第２操作機構８０は、第２操作部材として複数の第２操作棒８１を備える。第２操作棒８１は、第３伝熱部材７１と第４伝熱部材７２が接触するとき第３伝熱部材７１および第４伝熱部材７２から離れて配置される。すなわち、第２操作棒８１は、第３伝熱部材７１と第４伝熱部材７２が接触するとき、第２熱スイッチ構造７０とは非接触とされる。第２操作棒８１は、第４伝熱部材７２に対し係合可能に設けられ、第４伝熱部材７２と係合するとき第２弾性部材７４を弾性的にさらに圧縮しながら第４伝熱部材７２を第３伝熱部材７１から引き離すように第４伝熱部材７２とともに移動可能である。

【0031】

第４伝熱部材７２が第３伝熱部材７１と接触するとき第２冷却ステージ２２ｂと伝熱部材４２が熱的に結合され、第２熱スイッチ構造７０はオンとなる。第４伝熱部材７２が第３伝熱部材７１から離れるとき第２冷却ステージ２２ｂと伝熱部材４２の熱的な結合が解除され、第２熱スイッチ構造７０はオフとなる。

【0032】

図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）、および図３（ｄ）は、それぞれ、実施の形態に係る第１伝熱部材５１、第２伝熱部材５２、第１弾性部材５４、および第１弾性部材ホルダ５５を模式的に示す上面図である。各図には、第１伝熱部材５１、第２伝熱部材５２、第１弾性部材５４、および第１弾性部材ホルダ５５を極低温冷凍機２０の中心軸方向から見た形状が示される。理解を容易にするために、各図には、第２シリンダ２４ｂが破線で示される。また、図３（ｂ）には、第１冷却ステージ２２ａと柔軟伝熱部材５３が破線で示される。

【0033】

図３（ａ）に示されるように、第１伝熱部材５１は、円環状のプレートであり、第２シリンダ２４ｂが挿通される中心開口５１ａを有する。第１伝熱部材５１は、その片面（図１における上面）にスイッチ面５１ｂを有する。図３（ａ）において便宜上、スイッチ面５１ｂに斜線を付して示す。スイッチ面５１ｂは、第１伝熱部材５１の内周側で、中心開口５１ａを囲むようにして設けられる。スイッチ面５１ｂは、第２伝熱部材５２との接触面として利用される。

【0034】

第１伝熱部材５１は、スイッチ面５１ｂよりも外周側に結合部５１ｃを有する。結合部５１ｃは、周方向に等間隔に設けられた複数のボルト穴であり、この例では、９０度おきに４つ設けられている。結合部５１ｃは、第１伝熱部材５１を第１弾性部材ホルダ５５と結合するために使用される。また、第１伝熱部材５１は、スイッチ面５１ｂよりも外周側に挿通部５１ｄを有する。挿通部５１ｄは、例えば、第１伝熱部材５１の外周輪郭から径方向内側に凹んだ凹部であり、この例では、９０度おきに４つ設けられている。結合部５１ｃのボルト穴と挿通部５１ｄの凹部は周方向に交互に配置されている。第１伝熱部材５１と第２操作棒８１の干渉を防ぐために、これら４つの凹部のうち１８０度おきに設けられた２つの凹部に第２操作棒８１（図３（ａ）において破線で示す）が挿通される。

【0035】

図３（ｂ）に示されるように、第２伝熱部材５２は、内周部５２ａと、外周部５２ｂと、接続部５２ｃとを有する。内周部５２ａと外周部５２ｂは中心軸方向に異なる高さにあり、接続部５２ｃによって剛に接続される。この例では、内周部５２ａ、外周部５２ｂ、および接続部５２ｃは、一体部品であるが、これに代えて、別々の部品として用意され互いに連結され固定されてもよい。

【0036】

第２伝熱部材５２の内周部５２ａは、第２シリンダ２４ｂが挿通される中心開口５２ｄを囲む円環状部分であり、その下面で第１伝熱部材５１のスイッチ面５１ｂと接触する。接触面での熱抵抗を低減するために、軟質の介在層が第２伝熱部材５２の内周部５２ａと第１伝熱部材５１のスイッチ面５１ｂの間に挟み込んで使用されてもよい。この介在層は、第２伝熱部材５２の内周部５２ａと第１伝熱部材５１のスイッチ面５１ｂの少なくとも一方の表面に形成されためっき層であってもよく、このめっき層は例えば、インジウム、金、または銀など高熱伝導金属のめっき層であってもよい。

【0037】

また、内周部５２ａは、その上面で第１弾性部材５４と接触する。内周部５２ａと接続部５２ｃにより囲まれる円環状のスペースに第１弾性部材５４と第１弾性部材ホルダ５５が配置される。よって、接続部５２ｃの内径は、第１弾性部材５４の外径に等しいか、これより若干大きい。

【0038】

第２伝熱部材５２の外周部５２ｂは、複数の切り欠き部５２ｅによって周方向に複数の部分に分割されている。この例では、４つの切り欠き部５２ｅが周方向に等間隔に設けられ、外周部５２ｂも周方向に４分割されている。これら分割部分はそれぞれ、挿通部５２ｆを有する。挿通部５２ｆは、例えば、第２伝熱部材５２の外周輪郭から径方向内側に凹んだ凹部であり、この例では、９０度おきに４つ設けられている。挿通部５２ｆと切り欠き部５２ｅは周方向に交互に配置されている。

【0039】

図２に示されるように、第２伝熱部材５２と第１操作棒６１の干渉を防ぐために、これら４つの凹部のうち１８０度おきに設けられた２つの凹部には、第１操作棒６１が挿通される。これら２つの凹部をそれぞれ有する外周部５２ｂの２つの分割部分は、第１操作棒６１との係合部として使用される。また、第２伝熱部材５２と第２操作棒８１の干渉を防ぐために、残りの２つの凹部に第２操作棒８１が挿通される。なお、理解を容易にするために、第１操作棒６１と第２操作棒８１を図３（ｂ）に破線で示す。

【0040】

図２および図３（ｂ）を参照すると、第２伝熱部材５２の外周部５２ｂはその上面に柔軟伝熱部材５３が取り付けられている。柔軟伝熱部材５３は、外周部５２ｂを第１冷却ステージ２２ａの外周面に接続し、それにより、上述のように第２伝熱部材５２と第１冷却ステージ２２ａが柔軟伝熱部材５３を介して熱的に結合される。この例では、柔軟伝熱部材５３は、周方向に等間隔に８箇所に設けられている。外周部５２ｂの分割部分ごとに、２箇所の柔軟伝熱部材５３が挿通部５２ｆの両側に設けられている。

【0041】

第１伝熱部材５１および第２伝熱部材５２は、例えば、銅などの金属材料またはその他の高い熱伝導率をもつ材料で形成される。また、柔軟伝熱部材５３は、可撓性をもつように例えば細線の束または箔の積層として形成されてもよく、銅などの高熱伝導材料で形成されてもよい。

【0042】

図３（ｃ）に示されるように、この実施の形態では、第１弾性部材５４は、皿ばねであり、第２シリンダ２４ｂが挿通される中心開口５４ａを囲む円錐面の形状を有する。第１弾性部材５４は、中心軸方向に弾性的に圧縮可能であり、予圧縮された状態で第２伝熱部材５２と第１弾性部材ホルダ５５の間に挟み込まれる。例えば、図１に示されるように、第１弾性部材５４の外径部が第２伝熱部材５２に突き当てられ、第１弾性部材５４の内径部が第１弾性部材ホルダ５５に突き当てられる。第１弾性部材５４は、例えばステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０４）などの金属材料またはその他の高強度の材料で形成される。この例では、第１弾性部材５４は、一枚の皿ばねのみを有するが、必要とされる場合には、重ね合わされた複数枚の皿ばねを有してもよい。

【0043】

図３（ｄ）に示されるように、第１弾性部材ホルダ５５は、円環状のプレートであり、第２シリンダ２４ｂが挿通される中心開口５５ａを有する。第１弾性部材ホルダ５５は、外周側に結合部５５ｂを有する。結合部５５ｂは、第１弾性部材ホルダ５５を第１伝熱部材５１と結合するために使用される。結合部５５ｂは、第１弾性部材ホルダ５５の外周輪郭から径方向外側に突き出す凸部として形成され、第１伝熱部材５１の結合部５１ｃと対応して、周方向に等間隔に設けられている。各凸部にはボルト穴が設けられている。

【0044】

第１弾性部材ホルダ５５は、第１弾性部材５４を弾性的に圧縮した状態で第２伝熱部材５２と第１弾性部材ホルダ５５との間に保持すべく、第１伝熱部材５１と剛に結合される。第１弾性部材ホルダ５５は、第１弾性部材５４を圧縮された状態で保持するために、例えばステンレス鋼などの金属材料またはその他の高強度の材料で形成される。第１弾性部材ホルダ５５は、第１伝熱部材５１および第２伝熱部材５２に比べて低い熱伝導率をもつ材料、または断熱材料で形成されてもよい。

【0045】

第１熱スイッチ構造５０を構成する各部材の形状は、図３（ａ）から図３（ｄ）を参照して上述した特定の形状に限られない。例えば、上述の第２伝熱部材５２では、内周部５２ａと外周部５２ｂが中心軸方向に異なる高さに位置し、接続部５２ｃにより互いに接続されている。これに代えて、第２伝熱部材５２は、円環状のプレートであってもよく、すなわち、内周部５２ａと外周部５２ｂが同じ高さにあってもよい。この場合、第１伝熱部材５１が、スイッチ面５１ｂを有する内周部と、結合部５１ｃ（および挿通部５１ｄ）を有する外周部とを有し、これら内周部と外周部が中心軸方向に異なる高さに位置し、接続部により互いに接続されていてもよい。

【0046】

また、第１弾性部材５４は、皿ばねには限られない。第１弾性部材５４は、例えば、コイルばね等のばね部材、またはその他の圧縮可能な弾性部材であってもよい。ただし、コイルばねに利用されるばね用鋼材は、低温脆性のために極低温下での使用に適しない場合がある。一般的に、強力なコイルばね用のばね用鋼材ほど低温脆性をもつ傾向にある。したがって、使用する弾性部材は、極低温下での使用に適する弾性材料から形成されることが好ましい。この点で、皿ばねの場合、例えばオーステナイト系ステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０４）のように低温脆性が生じないかまたは生じにくい材料で強力な皿ばねを形成することができ、有利である。

【0047】

第１熱スイッチ構造５０を構成する各部材は、周方向に全周にわたり連続している単一の円環状の形状を有する。しかし、第１伝熱部材５１、第２伝熱部材５２、第１弾性部材５４、第１弾性部材ホルダ５５のうち少なくとも１つは、周方向に分割された複数の部分から形成されてもよく、これら複数の部分が周方向に配列されていてもよい。

【0048】

再び図１および図２を参照すると、第１伝熱部材５１、第２伝熱部材５２、第１弾性部材５４、および第１弾性部材ホルダ５５は、第１冷却ステージ２２ａと第２冷却ステージ２２ｂの間に配置されている。第１熱スイッチ構造５０を構成するこれら部材は、第２冷却ステージ２２ｂよりも第１冷却ステージ２２ａに近接して配置されている。第１伝熱部材５１、第２伝熱部材５２、第１弾性部材５４、および第１弾性部材ホルダ５５は、第１冷却ステージ２２ａから遠い側からこの記載の順に積み重ねられている。このようにして、第１熱スイッチ構造５０は、第１冷却ステージ２２ａの下側で第２シリンダ２４ｂの周囲の空きスペースに配置されている。

【0049】

図２に示されるように、第１伝熱部材５１と第１弾性部材ホルダ５５は、極低温冷凍機２０の中心軸方向（図において上下方向）に間隔を空けて配置され、互いに結合されている。第１伝熱部材５１と第１弾性部材ホルダ５５の結合体は、第１冷却ステージ２２ａに対して軸方向に下方に配置されている。この結合体は、第１冷却ステージ２２ａに近接して配置されるが、接触はしていない。

【0050】

第１弾性部材ホルダ５５の結合部５５ｂは、第２伝熱部材５２の切り欠き部５２ｅを通じて第２伝熱部材５２の接続部５２ｃよりも径方向外側に突き出している。第１伝熱部材５１の結合部５１ｃと第１弾性部材ホルダ５５の結合部５５ｂが例えばボルト等の締結部材により締結され、第１伝熱部材５１と第１弾性部材ホルダ５５がそれらの外周部で互いに結合される。

【0051】

図１に示されるように、第１伝熱部材５１は、その一方の面（図において下面）で輻射熱シールド４０と接触し、他方の面（上面）で第２伝熱部材５２と接触する。第１伝熱部材５１は、輻射熱シールド４０と接続され熱的に結合される。例えば、第１伝熱部材５１は、輻射熱シールド４０が取り付けられるフランジとして利用されてもよく、輻射熱シールド４０は、例えばボルト等の締結部材を用いて第１伝熱部材５１に直接取り付けられてもよい。あるいは、輻射熱シールド４０は、可撓性または剛性をもつ伝熱部材を介して第１伝熱部材５１に取り付けられてもよい。

【0052】

このように第１伝熱部材５１は輻射熱シールド４０に固定され、第１冷却ステージ２２ａは第１シリンダ２４ａおよび装着フランジ２８を介して真空容器３０に固定されている。さらに、輻射熱シールド４０は真空容器３０に対し固定されている。よって、第１伝熱部材５１は、第１冷却ステージ２２ａに対して位置が固定されている。つまり、第１伝熱部材５１と第１弾性部材ホルダ５５の結合体は、第１冷却ステージ２２ａに対して移動不能である。

【0053】

第１伝熱部材５１と第１弾性部材ホルダ５５との間に、第２伝熱部材５２と第１弾性部材５４が挟み込まれている。第２伝熱部材５２が第１伝熱部材５１と隣接して配置され、第１弾性部材５４が第１弾性部材ホルダ５５と隣接して配置される。上述のように、第１弾性部材５４は、弾性的に圧縮された状態で、第２伝熱部材５２と第１弾性部材ホルダ５５との間に保持される。第２伝熱部材５２は、第１弾性部材５４の弾性力（復元力）によって第１伝熱部材５１に押し当てられる。

【0054】

第２伝熱部材５２の外周部５２ｂは、第１弾性部材ホルダ５５よりも上方に位置し、第１冷却ステージ２２ａと近接して配置されている。第２伝熱部材５２の外周部５２ｂは、柔軟伝熱部材５３により第１冷却ステージ２２ａと接続されている。柔軟伝熱部材５３は第２伝熱部材５２の動きに応じて変形することができ、第２伝熱部材５２は、第１冷却ステージ２２ａ（および第１伝熱部材５１）に対して軸方向に移動可能である。

【0055】

第２熱スイッチ構造７０は、第１熱スイッチ構造５０と同様に構成される。この実施の形態では、第２熱スイッチ構造７０を構成する第３伝熱部材７１、第４伝熱部材７２、第２弾性部材７４、第２弾性部材ホルダ７５はそれぞれ、第１伝熱部材５１、第２伝熱部材５２、第１弾性部材５４、第１弾性部材ホルダ５５と同一の材料で形成され、同一の形状および位置関係を有する。ただし、第１熱スイッチ構造５０が第１冷却ステージ２２ａの下方に近接配置されるのに対し、第２熱スイッチ構造７０は、第２冷却ステージ２２ｂを囲んで配置される。

【0056】

第１伝熱部材５１が輻射熱シールド４０と接続され熱的に結合されるのと同様にして、第３伝熱部材７１は、伝熱部材４２と接続され熱的に結合される。上述のように、第３伝熱部材７１は、伝熱部材４２を介して超伝導コイル１２と熱的に結合される。

【0057】

第２冷却ステージ２２ｂは、その軸方向上端に取付フランジ２３を有し、第４伝熱部材７２の外周部と取付フランジ２３が柔軟伝熱部材７３を介して熱的に結合される。図示されるように、第４伝熱部材７２の外周部と取付フランジ２３は軸方向高さに位置してもよい。取付フランジ２３は、第２冷却ステージ２２ｂと一体形成されてもよく、あるいは、別部品として用意され第２冷却ステージ２２ｂに取り付けられ熱的に結合されてもよい。第３伝熱部材７１と第２弾性部材ホルダ７５の結合体は、取付フランジ２３に対して軸方向に下方に配置されている。この結合体は、第２冷却ステージ２２ｂに近接して配置されるが、接触はしていない。

【0058】

図４は、図１に示される極低温装置のＡ－Ａ線断面を模式的に示す図である。なお、図１には、図４に示されるＢ－Ｂ線断面が示されている。図１、図２および図４を参照して、第１操作機構６０と第２操作機構８０について説明する。

【0059】

第１操作機構６０は、複数の第１操作棒６１に加えて、ベローズ６２と昇降プレート６３とを備える。第１操作棒６１は、この例では、２本の第１操作棒６１が極低温冷凍機２０を挟んで両側に等間隔に配置される。昇降プレート６３は、真空容器３０の外に配置され、ベローズ６２により真空容器３０に接続されている。ベローズ６２は、第１操作棒６１の各々に設けられ、昇降プレート６３と真空容器３０との間で極低温冷凍機２０の中心軸方向に伸縮可能である。第１操作棒６１は、ベローズ６２内で昇降プレート６３に固定され、真空容器３０の壁を貫通して真空容器３０内へと極低温冷凍機２０の中心軸方向に沿って直線的に延びている。上述のように、第１操作棒６１は、第２伝熱部材５２の外周部５２ｂと接触することなく、挿通部５２ｆを通過して延びている（図３（ｂ）参照）。

【0060】

真空容器３０内に配置される第１操作棒６１の端部には、鍔部６１ａが設けられている。鍔部６１ａは、第２伝熱部材５２の外周部５２ｂの下側で接続部５２ｃの外側に配置されている。鍔部６１ａは、第１操作棒６１が引き上げられるとき第２伝熱部材５２の外周部５２ｂと係合するように、第１操作棒６１の他の部分に比べて拡径されている。

【0061】

第１操作棒６１は、例えばステンレス鋼などの金属材料またはその他の適する材料で形成される。第１操作棒６１は昇降プレート６３に固定されているため、昇降プレート６３と同様に周囲温度（例えば室温）を有しうる。第１操作棒６１から発せられる輻射熱を低減するために、第１操作棒６１の表面は、低輻射率面（例えば研磨面）であってもよい。あるいは、昇降プレート６３から第１操作棒６１を通じた鍔部６１ａへの熱伝導を抑制するために、第１操作棒６１は、断熱材料で形成されてもよい。

【0062】

ベローズ６２は、両端に設けられた２つの真空フランジと、これら真空フランジを接続する伸縮部とを有する。一方の真空フランジが第１操作棒６１の上端を囲んで昇降プレート６３の下面に取り付けられ、他方の真空フランジが真空容器３０の挿通孔に取り付けられている。上述のように、第１操作棒６１がベローズ６２と真空容器３０の挿通孔を通じて真空容器３０内に差し込まれている。

【0063】

昇降プレート６３は、この例では、極低温冷凍機２０の装着フランジ２８が装着された真空延長管３１を囲む円環プレートであり、極低温冷凍機２０の中心軸と同軸に配置されている。昇降プレート６３は、真空延長管３１の上部フランジ３１ａからいくらかの隙間をあけて上部フランジ３１ａの下側に配置されている。図示されるように、昇降プレート６３の外径は、上部フランジ３１ａの外径より大きくてもよい。ベローズ６２は昇降プレート６３の動きに応じて伸縮することができ、昇降プレート６３は、真空延長管３１（および真空容器３０）に対して軸方向に移動可能である。昇降プレート６３を極低温冷凍機２０の中心軸方向に昇降させることによって、ベローズ６２を伸縮させるとともに第１操作棒６１を中心軸方向に昇降させることができる。

【0064】

上部フランジ３１ａは、昇降プレート６３の上方移動を規制するストッパとして利用されてもよい。昇降プレート６３が上部フランジ３１ａに突き当たることによって、昇降プレート６３（および第１操作棒６１）の過剰な上方移動を防ぐことができる。

【0065】

第１操作棒６１の軸方向移動をガイドするガイド部６４が設けられていてもよい。ガイド部６４は、例えば、真空容器３０の挿通孔に取り付けられている。ガイド部６４は、軸方向以外の方向への第１操作棒６１の移動を拘束するように構成される。ガイド部６４は、第１操作棒６１が第１熱スイッチ構造５０と接触していないとき起こりうる第１操作棒６１の振れを抑制し、第１操作棒６１と第１熱スイッチ構造５０の非接触を維持するために設けられている。よって、ガイド部６４は、第１操作棒６１と第１熱スイッチ構造５０との不測の接触とそれによる第１操作棒６１から第１熱スイッチ構造５０への入熱を防ぐことに役立つ。

【0066】

第２操作機構８０は、第１操作機構６０と同様に構成される。２本の第２操作棒８１が極低温冷凍機２０を挟んで両側に等間隔に配置される。これら第２操作棒８１は、２本の第１操作棒６１とは極低温冷凍機２０の中心軸まわりに９０度回転した位置にある。よって、複数の第１操作棒６１と複数の第２操作棒８１が周方向に交互に配置されている。昇降プレート６３は、第２操作機構８０に共有されている。ベローズ６２が第２操作棒８１の各々に設けられ、第２操作棒８１は、ベローズ６２内で昇降プレート６３に固定され、真空容器３０の壁を貫通して真空容器３０内へと極低温冷凍機２０の中心軸方向に沿って直線的に延びている。第２操作棒８１は、第１熱スイッチ構造５０の側方を通過して、第２熱スイッチ構造７０まで延びている。第２操作棒８１の端部には、第２操作棒８１が引き上げられるとき第４伝熱部材７２の外周部と係合する鍔部８１ａが設けられている。昇降プレート６３を極低温冷凍機２０の中心軸方向に昇降させることによって、ベローズ６２を伸縮させるとともに第２操作棒８１を中心軸方向に昇降させることができる。

【0067】

例えば油圧ジャッキなどの昇降装置６５が第１操作機構６０および第２操作機構８０の一部として設けられている。昇降装置６５は、昇降プレート６３と真空容器３０との間に設置され、昇降プレート６３を第１操作棒６１および第２操作棒８１とともに持ち上げるために使用される。この実施の形態では、昇降装置６５は、第１熱スイッチ構造５０と第２熱スイッチ構造７０のオンオフ切替のために一時的に設置されるものであるが、これに代えて、常設の昇降装置６５が設けられてもよい。昇降装置６５は、例えば、周方向に第１操作棒６１と第２操作棒８１の間に配置される。

【0068】

次に、実施の形態に係る熱スイッチのオンオフ切替動作を説明する。図５は、実施の形態に係る第１操作機構６０のオンオフ切替動作を示す模式図である。図６は、実施の形態に係る第１熱スイッチ構造５０のオンオフ切替動作を示す模式図である。

【0069】

図５に示される昇降プレート６３は、常態としては、真空領域３２と外部環境１４（例えば大気圧）の圧力差によって真空容器３０に向けて押し込まれている。このとき、図６に示されるように、第１操作棒６１は第１熱スイッチ構造５０とは非接触に配置され、第１操作棒６１の鍔部６１ａは、第２伝熱部材５２の外周部５２ｂと係合していない。

【0070】

第１弾性部材５４は、弾性的に圧縮された状態で、第２伝熱部材５２の内周部５２ａと第１弾性部材ホルダ５５との間に保持される。第２伝熱部材５２は、第１弾性部材５４の弾性力（復元力）によって第１伝熱部材５１に押し当てられる。第２伝熱部材５２が第１伝熱部材５１と接触し、第１熱スイッチ構造５０はオンとなる。このようにして、輻射熱シールド４０は、第１熱スイッチ構造５０を介して第１冷却ステージ２２ａと熱的に結合される。極低温冷凍機２０の冷却運転により第１冷却ステージ２２ａは第１冷却温度に冷却され、輻射熱シールド４０も第１冷却ステージ２２ａによって第１冷却温度に冷却される。

【0071】

図５に示されるように、第１熱スイッチ構造５０をオンからオフに切り替えるために、昇降装置６５が昇降プレート６３と真空容器３０の間に設置される。昇降装置６５を作動させることによって、図５に破線および矢印で示すように、昇降プレート６３を第１操作棒６１とともに持ち上げることができる。それにより、図６に示されるように、第１操作棒６１の鍔部６１ａが引き上げられ、第２伝熱部材５２の外周部５２ｂと係合し、第１操作棒６１は、第２伝熱部材５２に上方への駆動力を作用させることができる。

【0072】

第１弾性部材５４の弾性力に抗する（すなわち第１弾性部材５４をさらに圧縮させる）駆動力を第２伝熱部材５２に作用させることによって、第２伝熱部材５２を第１伝熱部材５１から引き離すように移動させることができる。図６に破線および矢印で示すように、第２伝熱部材５２が第１伝熱部材５１から離れるとき、第１熱スイッチ構造５０はオフとなる。このとき、第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２との間に、例えば数ｍｍ程度の僅かな隙間４４が形成される。こうして、第１冷却ステージ２２ａと輻射熱シールド４０の熱的な結合が解除される。

【0073】

逆に、第１熱スイッチ構造５０をオフからオンに切り替えるには、昇降装置６５による昇降プレート６３の持ち上げを解除すればよい。真空領域３２と外部環境１４の圧力差によって昇降プレート６３および第１操作棒６１は再び押し込まれ、第１操作棒６１と第２伝熱部材５２との係合も解除される。第２伝熱部材５２は、第１弾性部材５４によって第１伝熱部材５１に再び押し当てられる。第２伝熱部材５２が第１伝熱部材５１と接触し、第１熱スイッチ構造５０はオンとなる。

【0074】

同様にして、第２熱スイッチ構造７０は、第１熱スイッチ構造５０と同期して動作する。図２に示されるように、昇降プレート６３が真空領域３２と外部環境１４の圧力差によって真空容器３０に向けて押し込まれている状態では、第２操作棒８１は第２熱スイッチ構造７０とは非接触に配置され、第２操作棒８１の鍔部８１ａは、第４伝熱部材７２と係合していない。そのため、第２弾性部材７４は、弾性的に圧縮された状態で、第４伝熱部材７２と第２弾性部材ホルダ７５との間に保持され、第４伝熱部材７２は、第２弾性部材７４の弾性力によって第３伝熱部材７１に押し当てられる。第４伝熱部材７２が第３伝熱部材７１と接触し、第２熱スイッチ構造７０はオンとなる。

【0075】

このようにして、伝熱部材４２は、第２熱スイッチ構造７０を介して第２冷却ステージ２２ｂと熱的に結合される。極低温冷凍機２０の冷却運転により第２冷却ステージ２２ｂは第２冷却温度に冷却され、超伝導コイル１２も第２冷却ステージ２２ｂによって第２冷却温度に冷却される。図示されない電源から超伝導コイル１２に通電することにより、超伝導コイル１２は、強力な磁場を発生することができる。このようにして、極低温装置１０を運転することができる。

【0076】

昇降装置６５を作動させることによって、昇降プレート６３が第２操作棒８１とともに持ち上げられる。第２操作棒８１の鍔部８１ａが引き上げられ、第２伝熱部材５２の外周部５２ｂと係合する。第２操作棒８１は、第４伝熱部材７２に上方への駆動力を作用させ、第２弾性部材７４をさらに圧縮させ、第４伝熱部材７２を第３伝熱部材７１から引き離すように移動させることができる。第４伝熱部材７２が第３伝熱部材７１から離れるとき、第２熱スイッチ構造７０はオフとなる。第２冷却ステージ２２ｂと超伝導コイル１２の熱的な結合が解除される。逆に、昇降装置６５による昇降プレート６３の持ち上げを解除すれば、第４伝熱部材７２を第３伝熱部材７１と接触させ、第２熱スイッチ構造７０をオフからオンに切り替えることができる。

【0077】

上述のように熱スイッチをオフとして、極低温冷凍機２０を被冷却物から切り離している間に、極低温冷凍機２０のメンテナンスを行うことができる。極低温冷凍機２０を被冷却物から熱的に切り離すことによって、被冷却物を極低温に保持した状態で（あるいは温度上昇を最小限に抑えながら）、極低温冷凍機２０の冷却運転を停止して室温へと昇温し、極低温冷凍機２０のメンテナンスをすることができる。メンテナンスが終了したら、極低温冷凍機２０の冷却運転が再開される。極低温冷凍機２０が十分に冷却されたとき熱スイッチをオンに切り替え、極低温装置１０の運転を再開することができる。

【0078】

実施の形態によると、新規なノーマルクローズ型の熱スイッチを組み込んだ極低温冷凍機２０を提供することができる。これにより、本書の冒頭に言及した既存の熱スイッチにおける様々な不都合を解消または緩和することができる。

【0079】

例えば、第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２との接触面積を比較的広くとり、第１熱スイッチ構造５０における熱抵抗を低減することが容易である。とくに、第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２との接触面積を極低温冷凍機２０のまわりに環状に広がるように定めることができ、それにより第１熱スイッチ構造５０は広い接触面積を確保することができる。

【0080】

また、弾性的に圧縮された第１弾性部材５４によって第２伝熱部材５２を第１伝熱部材５１に押し当てることにより、第１熱スイッチ構造５０における熱抵抗を低減することが容易である。とくに、第１弾性部材５４として皿ばねを使用する場合には、少ない変位量で高い接触面圧を確保しやすく、有利である。また、長期にわたる使用に伴う接触面圧の低下のリスクも小さい。

【0081】

第１熱スイッチ構造５０は、省スペースである。第１熱スイッチ構造５０は、ドーナツ状の形状を有し、第１冷却ステージ２２ａの近傍に収めることができるので、このような熱スイッチ構造を有しない既存の極低温冷凍機と比べて、追加的に必要となる占有スペースは小さくて済む。

【0082】

第１熱スイッチ構造５０がオンとされているとき、第１操作機構６０は第１熱スイッチ構造５０と接触しないので、第１操作機構６０から第１熱スイッチ構造５０を通じた第１冷却ステージ２２ａへの熱伝導による入熱を遮断することができる。

【0083】

第１操作機構６０の昇降という簡便な操作で熱スイッチのオンオフを切り替えることができる。取り扱いが容易である。

【0084】

第２熱スイッチ構造７０についても同様の利点を得ることができる。

【0085】

なお、第１熱スイッチ構造５０のオンオフ切替に伴う第１操作機構６０の移動ストロークは僅かであるため、第１熱スイッチ構造５０のオンオフ状態を第１操作機構６０の外観から知ることは必ずしも容易でない。そこで、図５に示されるように、極低温冷凍機２０は、熱スイッチのオンオフ状態を表示する状態表示部３３を備えてもよい。状態表示部３３は、第１操作機構６０の機械的な動きに応じて第１熱スイッチ構造５０のオンオフ状態を視覚的に表すように構成される。この実施の形態では、状態表示部３３は、真空延長管３１の外周面上で上部フランジ３１ａに近接する位置に設けられた状態表示面を有してもよい。一例として、状態表示面は、第１熱スイッチ構造５０がオフのとき昇降プレート６３よりも上方に現れ、第１熱スイッチ構造５０がオンのとき昇降プレート６３によって隠される。状態表示面には、第１熱スイッチ構造５０がオフであることを示すマークが付されていてもよい。よって、昇降プレート６３と真空延長管３１の上部フランジ３１ａとの隙間から状態表示面を覗くことによって第１熱スイッチ構造５０のオンオフ状態を把握することができる。

【0086】

あるいは、図７に示されるように、状態表示部３３は、第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２との間の電気抵抗を検出し、検出された電気抵抗に基づいて熱スイッチのオンオフ状態を表示するように構成されてもよい。例えば、状態表示部３３は、真空容器３０の外に配置され、第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２のそれぞれと導線３４で接続されてもよい。第１熱スイッチ構造５０がオンとされ第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２が接触するとき、第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２との間の電気抵抗は小さくなる。一方、第１熱スイッチ構造５０がオフとされ第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２が離れるとき、第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２との間の電気抵抗は大きくなる。状態表示部３３は、電気抵抗測定器であってもよく、このような第１熱スイッチ構造５０のオンオフに伴う電気抵抗の変化を検出し、検出された電気抵抗に基づいて熱スイッチのオンオフ状態を判定し、熱スイッチのオンオフ状態を表示部に出力してもよい。

【0087】

実施の形態に係る熱スイッチ構造および操作機構は、上述の特定の実施の形態には限定されず、ほかにも様々な形態をとりうる。いくつかの具体例を述べる。

【0088】

図８は、実施の形態に係り、第２伝熱部材５２の他の例を示す一部切り欠き斜視図である。第２伝熱部材５２は、第１弾性部材５４との接触面に補強材５６を備えてもよい。上述のように第２伝熱部材５２が内周部５２ａで第１弾性部材５４と接触する場合、補強材５６は、第２伝熱部材５２の内周部５２ａにおいて第１弾性部材５４と接触する側の面に固定される。補強材５６は、一例として、複数本のバーであってもよく、それらが周方向に等間隔に配置され、中心開口５２ｄから径方向外向きに延びていてもよい。この例では、４本のバーが内周部５２ａ上に９０度おきに設けられている。バーの配置は、第２伝熱部材５２の切り欠き部５２ｅに合わせてある。切り欠き部５２ｅは上述のように、外周部５２ｂを複数の部分に周方向に分割するように形成されている。あるいは、補強材５６は、内周部５２ａと同様の形状（例えば円環形状）をもつプレートであってもよい。補強材５６は、第２伝熱部材５２に比べて高剛性の材料、例えばステンレス鋼などの金属材料で形成される。

【0089】

第２伝熱部材５２を形成する高熱伝導率の材料はたいてい、比較的軟らかく、第１弾性部材５４からの強い弾性力が作用するとき歪みが生じ、第２伝熱部材５２と第１伝熱部材５１の間の接触面圧が接触領域内で不均一となりがちである。とくに、第１弾性部材５４が皿ばねの場合、その外径（または内径）のみで第２伝熱部材５２と線状に接触するので、この接触線付近で接触面圧が強く、接触線から離れるほど接触面圧は弱くなる。２つの伝熱部材間の接触面圧は熱抵抗に大きく影響する。不均一な接触面圧は不均一な熱抵抗をもたらし、設計通りの良好な熱接触を伝熱部材間に実現する妨げとなりうる。

【0090】

補強材５６を第２伝熱部材５２に設けることにより、第２伝熱部材５２の歪みを抑制することができる。それにより、第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２との接触面積全体にわたり接触面圧を均一にすることができる。これは、第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２との間に良好な熱接触を実現することに役立つ。

【0091】

図９は、実施の形態に係り、第１熱スイッチ構造５０の他の例を示す一部切り欠き斜視図である。上述の実施の形態では第１伝熱部材５１と第１弾性部材ホルダ５５の結合部がこれら部材の外周側に設けられているが、図９に示されるように、第１伝熱部材５１と第１弾性部材ホルダ５５は、これら部材の内周側で互いに結合されてもよい。そこで、第１伝熱部材５１と第１弾性部材ホルダ５５は内周部に互いに係合するねじ部５７を有してもよい。ねじ部５７は、第１伝熱部材５１と第１弾性部材ホルダ５５を囲む比較的大径のねじである。

【0092】

上述の実施の形態と同様に、第１伝熱部材５１と第１弾性部材ホルダ５５との間に、第２伝熱部材５２と第１弾性部材５４が挟み込まれている。第１弾性部材５４は、弾性的に圧縮された状態で、第２伝熱部材５２と第１弾性部材ホルダ５５との間に保持される。第２伝熱部材５２は、第１弾性部材５４の弾性力によって第１伝熱部材５１に押し当てられる。

【0093】

第１伝熱部材５１と第１弾性部材ホルダ５５がねじ部５７で結合された状態で第１弾性部材ホルダ５５を第１伝熱部材５１に対して中心軸まわりに回転させると、ねじ部５７によって第１弾性部材ホルダ５５が第１伝熱部材５１に軸方向に接近し（または離れ）、第１弾性部材ホルダ５５と第１伝熱部材５１の軸方向間隔を調整することができる。これにより、第１弾性部材５４の弾性力を調整し、第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２の接触面圧を調整することができる。

【0094】

ねじ部５７を容易に回すために、棒状の工具を差し込むことのできる工具差込穴５８が第１弾性部材ホルダ５５の外周の側面に設けられてもよい。棒状の工具を差し込みやすくするために、工具差込穴５８の配置は、第２伝熱部材５２の切り欠き部５２ｅに合わせてある。工具を利用してねじ部５７を回すことにより、第１弾性部材ホルダ５５と第１伝熱部材５１の軸方向間隔の調整が容易になる。

【0095】

図１０は、実施の形態に係り、第２操作機構８０の他の例を示す斜視図である。図１０には、図２と同様に、極低温冷凍機２０が示される。ただし、図１０に示される実施の形態は、第２操作棒８１の固定に関して、図２に示される実施の形態とは異なる。図２の実施の形態では、上述のように、第２操作棒８１が、昇降プレート６３に固定され、真空容器３０内の第２熱スイッチ構造７０へと延びているのに対し、図１０の実施の形態では、第２操作棒８１は全体が真空容器３０内に配置され、第２伝熱部材５２から第４伝熱部材７２に向けて延びている。第２操作棒８１の一端が第２伝熱部材５２の外周部５２ｂに固定される。第２操作棒８１の他端には、上述の実施の形態と同様に、第４伝熱部材７２と係合可能な鍔部８１ａが設けられている。

【0096】

このようにしても、上述の実施の形態と同様に、第１熱スイッチ構造５０がオフとされているとき、第２熱スイッチ構造７０もオフとされる。第１熱スイッチ構造５０をオフからオンに切り替えるために第１操作機構６０が第２伝熱部材５２を引き上げるとき、第２伝熱部材５２とともに第２操作棒８１も引き上げられる。第２操作棒８１の鍔部８１ａが第４伝熱部材７２と係合し、第４伝熱部材７２も引き上げられ、それにより第２熱スイッチ構造７０もオフからオンに切り替えられる。第１操作機構６０による引き上げを解除すれば、第１熱スイッチ構造５０および第２熱スイッチ構造７０はともに、オンからオフに再び切り替えられる。

【0097】

図１０に示される実施の形態では、第２操作棒８１が第２伝熱部材５２に固定されているので、第２操作棒８１を第１冷却ステージ２２ａによって第１冷却温度に冷却することができる。よって、第２操作棒８１から第２熱スイッチ構造７０など第２冷却温度に冷却される部位への輻射による入熱をごく小さくすることができる。

【0098】

なお、図１０に示される実施の形態では、昇降プレート６３から第２伝熱部材５２までの領域で第２操作機構８０（ベローズ６２および第２操作棒８１の上部）が取り除かれているので、この空きスペースにさらに２セットの第１操作機構６０を追加し、合計４セットの第１操作機構６０が設けられてもよい。

【0099】

図１１は、実施の形態に係り、極低温冷凍機２０の他の例を模式的に示す図である。第１熱スイッチ構造５０の第１伝熱部材５１は、伝熱部材９０により第２冷却ステージ２２ｂと接続されている。輻射熱シールド４０は、第１伝熱部材５１ではなく、第１冷却ステージ２２ａに取り付けられている。第２冷却ステージ２２ｂには、超伝導コイル１２に接続される伝熱部材４２が取り付けられている。

【0100】

上述の実施の形態と同様に、第１伝熱部材５１と第１弾性部材ホルダ５５との間に、第２伝熱部材５２と第１弾性部材５４が挟み込まれている。第１弾性部材５４は、弾性的に圧縮された状態で、第２伝熱部材５２と第１弾性部材ホルダ５５との間に保持される。第２伝熱部材５２は、第１弾性部材５４の弾性力によって第１伝熱部材５１に押し当てられる。第２伝熱部材５２は、第１冷却ステージ２２ａと柔軟伝熱部材５３を介して接続され、第１伝熱部材５１に対して移動可能である。

【0101】

第１熱スイッチ構造５０がオンとされているとき、第１冷却ステージ２２ａが第１熱スイッチ構造５０と伝熱部材９０を介して第２冷却ステージ２２ｂに接続される。よって、第１冷却ステージ２２ａは、第２冷却ステージ２２ｂを冷却することができる。

【0102】

これは、極低温装置１０の起動時における初期冷却に有利である。初期冷却では、極低温冷凍機２０が周囲温度（例えば室温）から目標の極低温まで冷却される。一般的に、極低温冷凍機２０の第１冷却ステージ２２ａでの冷凍能力は第２冷却ステージ２２ｂでの冷凍能力よりも大きい。第２冷却ステージ２２ｂが周囲温度のような高温にあるときは第２冷却ステージ２２ｂの冷却の補助に第１冷却ステージ２２ａの冷凍能力を利用することによって初期冷却の所要時間を短縮することができる。

【0103】

第２冷却ステージ２２ｂが第１冷却温度まで冷却されたら、第１操作機構６０を操作することによって第１熱スイッチ構造５０がオンからオフに切り替えられる。第２冷却ステージ２２ｂは、第１冷却ステージ２２ａから切り離され、第２冷却温度へと冷却される。このようにして、極低温冷凍機２０の初期冷却が完了すれば、極低温装置１０の運転を開始することができる。

【0104】

したがって、この実施の形態では、第１熱スイッチ構造５０をオフに維持した状態で極低温冷凍機２０の冷却運転が継続される。そこで、上述の昇降装置６５（例えば図５参照）によって昇降プレート６３が持ち上げられた状態が維持されてもよい。あるいは、昇降装置６５と置換して、昇降プレート６３と真空容器３０との間にブロックが挟み込まれてもよい。このブロックにより、昇降プレート６３の持ち上げ高さが維持されてもよい。

【0105】

図１２は、実施の形態に係り、第１熱スイッチ構造５０の他の例を模式的に示す図である。図１２に示されるように、第１伝熱部材５１は、第１冷却ステージ２２ａに接続されてもよい。第１伝熱部材５１は、第１冷却ステージ２２ａに固定され、または第１冷却ステージ２２ａと一体であってもよい。第２伝熱部材５２は、柔軟伝熱部材５３を介して被冷却物（例えば輻射熱シールド４０）と接続され、第１伝熱部材５１に対して移動可能に配置されてもよい。

【0106】

上述の実施の形態と同様に、第１伝熱部材５１と第１弾性部材ホルダ５５との間に、第２伝熱部材５２と第１弾性部材５４が挟み込まれている。第１弾性部材５４は、弾性的に圧縮された状態で、第２伝熱部材５２と第１弾性部材ホルダ５５との間に保持される。第２伝熱部材５２は、第１弾性部材５４の弾性力によって第１伝熱部材５１に押し当てられる。図１２に示される実施の形態においても、第１操作機構６０の操作により、第１熱スイッチ構造５０のオンオフを切り替えることができる。

【0107】

なお、上述の実施の形態においては、第１熱スイッチ構造５０を構成する第１伝熱部材５１、第２伝熱部材５２、第１弾性部材５４、および第１弾性部材ホルダ５５は、第１冷却ステージ２２ａから遠い側からこの記載の順に積み重ねられている。しかしながら、ある実施の形態では、逆の積み重ね順序も可能である。

【0108】

図１３は、実施の形態に係り、第１熱スイッチ構造５０の他の例を模式的に示す図である。第１熱スイッチ構造５０は、第１伝熱部材５１、第２伝熱部材５２、第１弾性部材５４、および第１弾性部材ホルダ５５が第１冷却ステージ２２ａに近い側からこの記載の順に積み重ねられた構成を有してもよい。この場合、第１操作機構６０の第１操作棒６１が第２伝熱部材５２を押し下げることによって第１弾性部材５４を弾性的にさらに圧縮して第２伝熱部材５２を第１伝熱部材５１から離間させ、第１熱スイッチ構造５０がオンからオフに切り替えられてもよい。

【0109】

上述の実施の形態では、第１熱スイッチ構造５０がオンとされているとき第１操作機構６０は第１熱スイッチ構造５０から非接触に配置され、第２熱スイッチ構造７０がオンとされ第２操作機構８０は第２熱スイッチ構造７０から非接触に配置されている。しかし、ある実施の形態では、第１操作機構６０の第１操作棒６１が第１熱スイッチ構造５０の第２伝熱部材５２に固定されていてもよい。第１操作棒６１が断熱材料で形成されるなど、第１操作機構６０から第１熱スイッチ構造５０への入熱が小さいと評価される場合には、こうした構成も適用可能である。同様に、第２操作機構８０の第２操作棒８１が第２熱スイッチ構造７０の第４伝熱部材７２に固定されてもよい。

【0110】

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。ある実施の形態に関連して説明した種々の特徴は、他の実施の形態にも適用可能である。組合せによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態それぞれの効果をあわせもつ。

【0111】

実施の形態に係る熱スイッチは、極低温冷凍機２０とは別個に設けられてもよい。熱スイッチは、極低温冷凍機２０の第１冷却ステージ２２ａから被冷却物（例えば輻射熱シールド４０）への伝熱経路に設けられてもよい。あるいは、熱スイッチは、極低温冷凍機２０の第２冷却ステージ２２ｂから被冷却物（例えば超伝導コイル１２）への伝熱経路に設けられてもよい。

【0112】

第１熱スイッチ構造５０に関連して述べた実施の形態は、第２熱スイッチ構造７０にも同様に適用可能である。また、第１操作機構６０に関連して述べた実施の形態は、第２操作機構８０にも同様に適用可能である。

【0113】

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

【符号の説明】

【0114】

１０ 極低温装置、 ２０ 極低温冷凍機、 ２２ａ 第１冷却ステージ、 ２２ｂ 第２冷却ステージ、 ５０ 第１熱スイッチ構造、 ５１ 第１伝熱部材、 ５２ 第２伝熱部材、 ５３ 柔軟伝熱部材、 ５４ 第１弾性部材、 ５５ 第１弾性部材ホルダ、 ５６ 補強材、 ６０ 第１操作機構、 ６１ 第１操作棒、 ７０ 第２熱スイッチ構造、 ７１ 第３伝熱部材、 ７２ 第４伝熱部材、 ７３ 柔軟伝熱部材、 ７４ 第２弾性部材、 ７５ 第２弾性部材ホルダ、 ８０ 第２操作機構、 ８１ 第２操作棒。

【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】