ホーム > 特許ランキング > 住友重機械工業株式会社
知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
(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】P2024064535
(43)【公開日】2024-05-14
(54)【発明の名称】極低温冷凍機、およびコールドヘッドシリンダの補強部品
(51)【国際特許分類】
F25B 9/00 20060101AFI20240507BHJP
【ＦＩ】
F25B9/00 H
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022173189
(22)【出願日】2022-10-28
(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
(57)【要約】
【課題】極低温冷凍機のコールドヘッドを補強する。
【解決手段】極低温冷凍機１０は、コールドヘッドシリンダ１６と、コールドヘッドシリンダ１６の外側に配置され、コールドヘッドシリンダ１６を補強するシリンダサポート５０と、を備える。コールドヘッドシリンダ１６は、第１材料で形成される。シリンダサポート５０は、フィラーを含有するフィラー含有樹脂材料で形成される。第１材料およびフィラー含有樹脂材料は、基準温度から所定の極低温まで冷却されるときの熱収縮率が実質的に等しい。
【選択図】図２
【解決手段】極低温冷凍機１０は、コールドヘッドシリンダ１６と、コールドヘッドシリンダ１６の外側に配置され、コールドヘッドシリンダ１６を補強するシリンダサポート５０と、を備える。コールドヘッドシリンダ１６は、第１材料で形成される。シリンダサポート５０は、フィラーを含有するフィラー含有樹脂材料で形成される。第１材料およびフィラー含有樹脂材料は、基準温度から所定の極低温まで冷却されるときの熱収縮率が実質的に等しい。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
コールドヘッドシリンダと、
前記コールドヘッドシリンダの外側に配置され、前記コールドヘッドシリンダを補強するシリンダサポートと、を備え、
前記コールドヘッドシリンダは、第１材料で形成され、
前記シリンダサポートは、フィラーを含有するフィラー含有樹脂材料で形成され、
前記第１材料および前記フィラー含有樹脂材料は、基準温度から所定の極低温まで冷却されるときの熱収縮率が実質的に等しいことを特徴とする極低温冷凍機。
前記コールドヘッドシリンダの外側に配置され、前記コールドヘッドシリンダを補強するシリンダサポートと、を備え、
前記コールドヘッドシリンダは、第１材料で形成され、
前記シリンダサポートは、フィラーを含有するフィラー含有樹脂材料で形成され、
前記第１材料および前記フィラー含有樹脂材料は、基準温度から所定の極低温まで冷却されるときの熱収縮率が実質的に等しいことを特徴とする極低温冷凍機。
【請求項2】
前記シリンダサポートは、前記コールドヘッドシリンダの外周面に接触してい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】
前記フィラー含有樹脂材料のフィラー含有率は、４０質量パーセント以上８０質量パーセント以下であ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4】
前記フィラーは、前記熱収縮率が前記第１材料に比べて小さい第２材料で形成され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】
コールドヘッドシリンダの補強部品であって、前記コールドヘッドシリンダは、第１材料で形成されており、前記補強部品は、
前記コールドヘッドシリンダの外側に配置されるシリンダサポートを備え、
前記シリンダサポートは、フィラーを含有するフィラー含有樹脂材料で形成され、
前記第１材料および前記フィラー含有樹脂材料は、基準温度から所定の極低温まで冷却されるときの熱収縮率が実質的に等しいことを特徴とする補強部品。
前記コールドヘッドシリンダの外側に配置されるシリンダサポートを備え、
前記シリンダサポートは、フィラーを含有するフィラー含有樹脂材料で形成され、
前記第１材料および前記フィラー含有樹脂材料は、基準温度から所定の極低温まで冷却されるときの熱収縮率が実質的に等しいことを特徴とする補強部品。
【請求項6】
コールドヘッドシリンダと、
前記コールドヘッドシリンダの外周面に接触して配置され、前記コールドヘッドシリンダを補強するシリンダサポートと、を備えることを特徴とする極低温冷凍機。
前記コールドヘッドシリンダの外周面に接触して配置され、前記コールドヘッドシリンダを補強するシリンダサポートと、を備えることを特徴とする極低温冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、極低温冷凍機、およびコールドヘッドシリンダの補強部品に関する。
【背景技術】
【0002】
極低温冷凍機は、例えば超伝導装置など極低温下で使用される機器を極低温に冷却するためによく利用されている。極低温冷凍機のコールドヘッドが被冷却物（例えば超伝導コイル）を収容した真空容器に設置され、コールドヘッドの低温部が真空容器内で被冷却物と熱的に結合される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２００４－５３０６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
極低温冷凍機のコールドヘッドと被冷却物が構造的に剛に接続される場合、極低温冷却による被冷却物の熱収縮に伴う相対変位によって、コールドヘッドに荷重がかかり、それに起因してコールドヘッドが変形することが懸念される。そうした変形は、例えばギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機の場合、コールドヘッドシリンダとその内部で往復動するディスプレーサとのクリアランスを局所的に変化させ、それにより極低温冷凍機の冷凍能力が低下することがある。
【0005】
本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、極低温冷凍機のコールドヘッドを補強することにある。
【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、コールドヘッドシリンダと、コールドヘッドシリンダの外側に配置され、コールドヘッドシリンダを補強するシリンダサポートと、を備える。コールドヘッドシリンダは、第１材料で形成される。シリンダサポートは、フィラーを含有するフィラー含有樹脂材料で形成される。第１材料およびフィラー含有樹脂材料は、基準温度から所定の極低温まで冷却されるときの熱収縮率が実質的に等しい。
【0007】
本発明のある態様によると、コールドヘッドシリンダの補強部品が提供される。コールドヘッドシリンダは、第１材料で形成されている。補強部品は、コールドヘッドシリンダの外側に配置されるシリンダサポートを備える。シリンダサポートは、フィラーを含有するフィラー含有樹脂材料で形成される。第１材料およびフィラー含有樹脂材料は、基準温度から所定の極低温まで冷却されるときの熱収縮率が実質的に等しい。
【0008】
本発明のある態様によると、極低温冷凍機は、コールドヘッドシリンダと、コールドヘッドシリンダの外周面に接触して配置され、コールドヘッドシリンダを補強するシリンダサポートと、を備える。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、極低温冷凍機のコールドヘッドを補強することができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】実施の形態に係る極低温冷凍機を概略的に示す図である。
【図2】実施の形態に係る極低温冷凍機を概略的に示す図である。
【図3】変形例に係るシリンダサポートを概略的に示す図である。
【図7】変形例に係るシリンダサポートを概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
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。
【0012】
【0013】
極低温装置１００は、極低温冷凍機１０とともに、超伝導コイル１０２と、真空容器１０４と、輻射シールド１０６とを備える。極低温装置１００は、被冷却物の一例としての超伝導コイル１０２を室温から極低温に冷却するとともに、超伝導コイル１０２の使用中、超伝導コイル１０２を極低温に維持するように構成される。
【0014】
超伝導コイル１０２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１０２は、超伝導転移温度以下の極低温に冷却された状態で外部電源（図示せず）から通電されることにより強力な磁場を発生するように構成される。
【0015】
真空容器１０４は、超伝導コイル１０２を超伝導状態とするのに適する極低温真空環境を提供する断熱真空容器であり、クライオスタットとも呼ばれる。真空容器１０４は、例えば、円柱状の形状、または中心部に中空部を有する円筒状の形状を有してもよい。真空容器１０４は、周囲圧力（たとえば大気圧）に耐えるように、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高強度材料で形成される。
【0016】
極低温冷凍機１０は、圧縮機１２と、コールドヘッド１４とを備える。圧縮機１２は、極低温冷凍機１０の作動ガスをコールドヘッド１４から回収し、回収した作動ガスを昇圧して、再び作動ガスをコールドヘッド１４に供給するよう構成されている。コールドヘッド１４は、膨張機とも呼ばれる。作動ガスは、冷媒ガスとも称され、通例はヘリウムガスであるが、適切な他のガスが用いられてもよい。
【0017】
図１では例として、１台の極低温冷凍機１０を示しているが、例えば超伝導コイル１０２が大型の場合など、必要に応じて、極低温装置１００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１０を備えてもよい。極低温冷凍機１０は、一例として、二段式のギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機である。よって、極低温冷凍機１０によって冷却すべき所望の物体または媒体との熱交換のために、コールドヘッド１４は、低温部として第１冷却ステージ３３と第２冷却ステージ３５を備える。第１冷却ステージ３３および第２冷却ステージ３５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。
【0018】
コールドヘッド１４は、第１シリンダ１６ａと第２シリンダ１６ｂを有するコールドヘッドシリンダ１６と、第１シリンダサポート５０ａと、第２シリンダサポート５０ｂとを備える。第１シリンダサポート５０ａは、第１シリンダ１６ａの外側に配置され、第１シリンダ１６ａを補強する。第２シリンダサポート５０ｂは、第２シリンダ１６ｂの外側に配置され、第２シリンダ１６ｂを補強する。以下では、第１シリンダサポート５０ａと第２シリンダサポート５０ｂを、シリンダサポート５０と総称することもある。シリンダサポート５０の詳細は後述する。
【0019】
第１シリンダ１６ａと第２シリンダ１６ｂ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１６ｂが第１シリンダ１６ａよりも小径である。第１シリンダ１６ａと第２シリンダ１６ｂは同軸に配置され、第１シリンダ１６ａの下端が第２シリンダ１６ｂの上端に剛に連結されている。コールドヘッドシリンダ１６は通例、例えばステンレス鋼など、第１冷却ステージ３３および第２冷却ステージ３５に比べて熱伝導率の低い金属材料で形成される。
【0020】
また、コールドヘッドシリンダ１６は、コールドヘッド１４を真空容器１０４に設置するためのコールドヘッド装着フランジ２２を備える。第１シリンダ１６ａは、コールドヘッド装着フランジ２２を第１冷却ステージ３３に接続し、第２シリンダ１６ｂは、第１冷却ステージ３３を第２冷却ステージ３５に接続する。コールドヘッドハウジング２０は、第１シリンダ１６ａとは反対側でコールドヘッド装着フランジ２２に取り付けられている。
【0021】
コールドヘッドシリンダ１６内に、コールドヘッド１４は、第１ディスプレーサ１８ａと第２ディスプレーサ１８ｂとを有するディスプレーサ組立体１８を備える。第１ディスプレーサ１８ａと第２ディスプレーサ１８ｂは、一例として、円筒形状を有する部材であり、第２ディスプレーサ１８ｂが第１ディスプレーサ１８ａよりも小径である。第１ディスプレーサ１８ａと第２ディスプレーサ１８ｂは同軸に配置されている。
【0022】
第１ディスプレーサ１８ａは、第１シリンダ１６ａに収容され、第２ディスプレーサ１８ｂは、第２シリンダ１６ｂに収容されている。第１ディスプレーサ１８ａは、第１シリンダ１６ａに沿って軸方向に往復移動可能であり、第２ディスプレーサ１８ｂは、第２シリンダ１６ｂに沿って軸方向に往復移動可能である。第１ディスプレーサ１８ａと第２ディスプレーサ１８ｂは互いに連結され、一体に移動する。
【0023】
本書では、極低温冷凍機１０の構成要素間の位置関係を説明するために、便宜上、ディスプレーサの軸方向往復動の上死点に近い側を「上」、下死点に近い側を「下」と表記することとする。上死点は膨張空間の容積が最大となるディスプレーサの位置であり、下死点は膨張空間の容積が最小となるディスプレーサの位置である。極低温冷凍機１０の運転時には軸方向上方から下方へと温度が下がる温度勾配が生じるので、上側を高温側、下側を低温側と呼ぶこともできる。
【0024】
第１ディスプレーサ１８ａは、第１蓄冷器２６を収容する。第１蓄冷器２６は、第１ディスプレーサ１８ａの筒状の本体部の中に、例えば銅などの金網またはその他適宜の第１蓄冷材を充填することによって形成されている。第１ディスプレーサ１８ａの上蓋部および下蓋部は第１ディスプレーサ１８ａの本体部とは別の部材として提供されてもよく、第１ディスプレーサ１８ａの上蓋部および下蓋部は、締結、溶接など適宜の手段で本体に固定され、それにより第１蓄冷材が第１ディスプレーサ１８ａに収容されてもよい。
【0025】
同様に、第２ディスプレーサ１８ｂは、第２蓄冷器２８を収容する。第２蓄冷器２８は、第２ディスプレーサ１８ｂの筒状の本体部の中に、例えばビスマスなどの非磁性蓄冷材、ＨｏＣｕ２などの磁性蓄冷材、またはその他適宜の第２蓄冷材を充填することによって形成されている。第２蓄冷材は粒状に成形されていてもよい。第２ディスプレーサ１８ｂの上蓋部および下蓋部は第２ディスプレーサ１８ｂの本体部とは別の部材として提供されてもよく、第２ディスプレーサ１８ｂの上蓋部の下蓋部は、締結、溶接など適宜の手段で本体に固定され、それにより第２蓄冷材が第２ディスプレーサ１８ｂに収容されてもよい。
【0026】
ディスプレーサ組立体１８は、上部室３０、第１膨張室３２、第２膨張室３４をコールドヘッドシリンダ１６の内部に形成する。上部室３０は、第１ディスプレーサ１８ａの上蓋部と第１シリンダ１６ａの上部との間に形成される。第１膨張室３２は、第１ディスプレーサ１８ａの下蓋部と第１冷却ステージ３３との間に形成される。第２膨張室３４は、第２ディスプレーサ１８ｂの下蓋部と第２冷却ステージ３５との間に形成される。第１冷却ステージ３３は、第１膨張室３２を取り囲むように第１シリンダ１６ａの下部に固着され、第２冷却ステージ３５は、第２膨張室３４を取り囲むように第２シリンダ１６ｂの下部に固着されている。
【0027】
第１蓄冷器２６は、第１ディスプレーサ１８ａの上蓋部に形成された作動ガス流路３６ａを通じて上部室３０に接続され、第１ディスプレーサ１８ａの下蓋部に形成された作動ガス流路３６ｂを通じて第１膨張室３２に接続されている。第２蓄冷器２８は、第１ディスプレーサ１８ａの下蓋部から第２ディスプレーサ１８ｂの上蓋部へと形成された作動ガス流路３６ｃを通じて第１蓄冷器２６に接続されている。また、第２蓄冷器２８は、第２ディスプレーサ１８ｂの下蓋部に形成された作動ガス流路３６ｄを通じて第２膨張室３４に接続されている。
【0028】
第１膨張室３２、第２膨張室３４と上部室３０との間の作動ガス流れが、コールドヘッドシリンダ１６とディスプレーサ組立体１８との間のクリアランスではなく、第１蓄冷器２６、第２蓄冷器２８に導かれるようにするために、第１シール３８ａ、第２シール３８ｂが設けられていてもよい。第１シール３８ａは、第１ディスプレーサ１８ａと第１シリンダ１６ａとの間に配置されるように第１ディスプレーサ１８ａの上蓋部に装着されてもよい。第２シール３８ｂは、第２ディスプレーサ１８ｂと第２シリンダ１６ｂとの間に配置されるように第２ディスプレーサ１８ｂの上蓋部に装着されてもよい。
【0029】
図１に示されるように、コールドヘッド１４は、圧力切替バルブ４０を収容するコールドヘッドハウジング２０を備える。コールドヘッドハウジング２０は、コールドヘッド装着フランジ２２でコールドヘッドシリンダ１６と結合され、それにより、圧力切替バルブ４０およびディスプレーサ組立体１８を収容する気密容器が構成される。
【0030】
図２に示されるように、圧力切替バルブ４０は、高圧バルブ４０ａと低圧バルブ４０ｂを備え、コールドヘッドシリンダ１６内に周期的圧力変動を発生させるように構成されている。圧縮機１２の作動ガス吐出口が高圧バルブ４０ａを介して上部室３０に接続され、圧縮機１２の作動ガス吸入口が低圧バルブ４０ｂを介して上部室３０に接続されている。高圧バルブ４０ａと低圧バルブ４０ｂは、選択的かつ交互に開閉するように（すなわち、一方が開いているとき他方が閉じるように）構成されている。高圧（例えば２～３ＭＰａ）の作動ガスが圧縮機１２から高圧バルブ４０ａを通じてコールドヘッド１４に供給され、低圧（例えば０．５～１．５ＭＰａ）の作動ガスがコールドヘッド１４から低圧バルブ４０ｂを通じて圧縮機１２に回収される。理解のために、作動ガスの流れる方向を図２に矢印で示す。
【0031】
また、コールドヘッド１４は、ディスプレーサ組立体１８の往復動を駆動する駆動モータ４２を備える。駆動モータ４２は、コールドヘッドハウジング２０に取り付けられている。駆動モータ４２は、たとえばスコッチヨーク機構などの運動変換機構４３を介してディスプレーサ駆動軸４４に連結されている。運動変換機構４３は、圧力切替バルブ４０と同様に、コールドヘッドハウジング２０に収容されている。ディスプレーサ駆動軸４４は、運動変換機構４３から上部室３０の中へと延び、第１ディスプレーサ１８ａの上蓋部に固定されている。駆動モータ４２が駆動されるとき、駆動モータ４２の回転出力は運動変換機構４３によってディスプレーサ駆動軸４４の軸方向往復動に変換され、ディスプレーサ組立体１８はコールドヘッドシリンダ１６内を軸方向に往復する。また、駆動モータ４２は、高圧バルブ４０ａと低圧バルブ４０ｂを選択的かつ交互に開閉するようにこれらバルブに連結されている。
【0032】
コールドヘッド１４は、この例では、真空容器１０４の天板に設置されている。真空容器１０４の天板には開口部が設けられ、そこからコールドヘッド１４が真空容器１０４内に挿し込まれている。この開口部でコールドヘッド装着フランジ２２が真空容器１０４に取り付けられ、コールドヘッド１４は真空容器１０４に固定される。コールドヘッド１４は、コールドヘッドハウジング２０を上方に向け、第１冷却ステージ３３および第２冷却ステージ３５を下方に向けるようにして、縦向きに真空容器１０４に設置される。コールドヘッドハウジング２０は、真空容器１０４の周囲環境（例えば室温大気圧環境）に露出されている。
【0033】
図１に示されるように、真空容器１０４内には、極低温冷凍機１０の低温部および超伝導コイル１０２とともに、輻射シールド１０６が配置される。輻射シールド１０６は、第１冷却ステージ３３と熱的に結合され第１冷却温度に冷却される。輻射シールド１０６は、第１冷却ステージ３３に直接取り付けられ、第１冷却ステージ３３と熱的に結合される。あるいは、輻射シールド１０６は、可撓性または剛性をもつ伝熱部材を介して第１冷却ステージ３３に取り付けられてもよい。輻射シールド１０６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。輻射シールド１０６は、第２冷却温度に冷却される超伝導コイル１０２、極低温冷凍機１０の第２冷却ステージ３５、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。
【0034】
超伝導コイル１０２は、第２冷却ステージ３５に直接取り付けられ、第２冷却ステージ３５と熱的に結合される。あるいは、超伝導コイル１０２は、可撓性または剛性をもつ伝熱部材を介して第２冷却ステージ３５に取り付けられてもよい。伝熱部材は、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。
【0035】
極低温冷凍機１０は、圧縮機１２および駆動モータ４２が運転されるとき、第１膨張室３２および第２膨張室３４において周期的な容積変動とこれに同期した作動ガスの圧力変動を発生させ、それにより冷凍サイクルが構成され、第１冷却ステージ３３および第２冷却ステージ３５が所望の極低温に冷却される。
【0036】
第１冷却ステージ３３は、第１冷却温度、例えば３０Ｋ～８０Ｋに冷却される。輻射シールド１０６は、第１冷却ステージ３３によって第１冷却温度に冷却される。第２冷却ステージ３５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１０２の超伝導転移温度より低い温度である。超伝導コイル１０２は、第２冷却ステージ３５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１０２に通電することにより、超伝導コイル１０２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１００を運転することができる。
【0037】
本書の冒頭で述べたように、コールドヘッド１４と超伝導コイル１０２が構造的に剛に接続される既存設計では、極低温冷却による超伝導コイル１０２の熱収縮に伴い、超伝導コイル１０２がコールドヘッド１４に対して変位しようとするため、コールドヘッド１４に荷重がかかり、それに起因してコールドヘッド１４が変形することが懸念される。その結果、望ましくないことに、極低温冷凍機１０の冷凍能力に悪影響が出るかもしれない。例えば、第２シリンダ１６ｂと第２ディスプレーサ１８ｂとの隙間が局所的に拡大するかもしれない。そうすると、本来は第２ディスプレーサ１８ｂ内の蓄冷材を通過すべき第２シリンダ１６ｂ内の作動ガス流れが、蓄冷材を迂回してこの隙間を通るようになり、コールドヘッド１４の二段の冷凍能力を低下させるかもしれない。冷凍能力の低下がもし大きければ、超伝導コイル１０２の冷却に悪影響が出ることも懸念される。
【0038】
そこで、典型的な設計では、コールドヘッド１４と超伝導コイル１０２は、例えば銅編線、なまし銅板など、変形可能な伝熱要素で熱接続される。極低温冷却による熱変形がこの伝熱要素の変形により吸収され、コールドヘッド１４への荷重を低減しまたは防止することができる。しかし、このような変形可能な伝熱要素は、剛性の伝熱部材を用いた熱接続に比べて、熱抵抗が大きくなりがちである。これは、超伝導コイル１０２の冷却温度を高める要因となりうる。
【0039】
加えて、超伝導コイル１０２は一般に、真空容器１０４内で支持体により支持される。真空容器１０４および支持体は、これらを伝熱経路とする周囲環境から超伝導コイル１０２への熱流入をなるべく小さくするように断熱設計がなされているが、それでもいくらかの入熱はありうる。これも、超伝導コイル１０２の冷却温度を高める要因となりうる。
【0040】
このような問題に対処すべく、この実施の形態では、コールドヘッド１４には、コールドヘッドシリンダ１６の補強部品としてシリンダサポート５０が取り付けられている。
【0041】
この例では、第１シリンダサポート５０ａは、第１シリンダ１６ａに対応して円筒状の形状を有し、その内径は第１シリンダ１６ａの外径に等しい。第１シリンダサポート５０ａは、その内周面が第１シリンダ１６ａの外周面に接触するようにコールドヘッドシリンダ１６に取り付けられている。第１シリンダサポート５０ａは、コールドヘッド装着フランジ２２と第１冷却ステージ３３との間でコールドヘッド１４の軸方向（図において上下方向）に延在する。
【0042】
取付の一例として、第１シリンダサポート５０ａは、両端でコールドヘッドシリンダ１６に支持されてもよい。例えば、第１シリンダサポート５０ａの一端（図において上端）がコールドヘッド装着フランジ２２に固定されてもよい。第１シリンダサポート５０ａの上端は、外フランジを有し、コールドヘッド装着フランジ２２の下面に例えばボルト等の締結部材により固定されてもよい。あるいは、所望の結合力が得られる限り、例えば接着など他の適宜の固定方法が用いられてもよい。第１シリンダサポート５０ａの他端（図において下端）は、第１冷却ステージ３３の上縁部に突き当てられていてもよい。この場合、第１シリンダサポート５０ａの下端は第１冷却ステージ３３に接触するが固定されてはいない。あるいは、第１シリンダサポート５０ａの下端も、上端と同様にフランジを設けるなどして、第１冷却ステージ３３に固定されてもよい。
【0043】
同様にして、第２シリンダサポート５０ｂは、第２シリンダ１６ｂに対応して円筒状の形状を有し、その内径は第２シリンダ１６ｂの外径に等しい。第２シリンダサポート５０ｂは、その内周面が第２シリンダ１６ｂの外周面に接触するようにコールドヘッドシリンダ１６に取り付けられている。第２シリンダサポート５０ｂは、第１冷却ステージ３３と第２冷却ステージ３５との間でコールドヘッド１４の軸方向に延在する。
【0044】
第２シリンダサポート５０ｂは、第１シリンダサポート５０ａと同様に、両端でコールドヘッドシリンダ１６に支持されてもよい。例えば、第２シリンダサポート５０ｂの上端が第１冷却ステージ３３に固定されてもよい。第２シリンダサポート５０ｂの上端は、外フランジを有し、第１冷却ステージ３３の下面に例えばボルト等の締結部材により固定されてもよい。第２シリンダサポート５０ｂの下端は、第２冷却ステージ３５の上縁部に突き当てられていてもよい。この場合、第２シリンダサポート５０ｂの下端は第２冷却ステージ３５に接触するが固定されてはいない。あるいは、第２シリンダサポート５０ｂの下端も、上端と同様にフランジを設けるなどして、第２冷却ステージ３５に固定されてもよい。
【0045】
シリンダサポート５０は、分割構造を有してもよい。例えば、シリンダサポート５０は、周方向に分割された複数の円弧状パーツを組み合わせることで円筒状に形成されてもよい。例えば、図示されるように、シリンダサポート５０は、２つの同径の半円筒パーツを組み合わせて一つの円筒状サポートを形成するように構成されてもよい。この場合、個々のパーツがそれぞれコールドヘッドシリンダ１６に取り付けられる。例えば、第１シリンダサポート５０ａであれば、これを形成する複数のパーツがそれぞれコールドヘッド装着フランジ２２に取り付けられることで円筒状に組み合わされてもよい。
【0046】
シリンダサポート５０は、コールドヘッドシリンダ１６と熱収縮率（より正確には、基準温度から所定の極低温まで冷却されるときの熱収縮率）が実質的に等しい材料で形成されることが好ましい。よって、第１シリンダサポート５０ａは、第１シリンダ１６ａと熱収縮率が実質的に等しい材料で形成され、第２シリンダサポート５０ｂは、第２シリンダ１６ｂと熱収縮率が実質的に等しい材料で形成されてもよい。
【0047】
シリンダサポート５０の熱収縮率がコールドヘッドシリンダ１６のそれと異なる場合、極低温冷却によりシリンダサポート５０およびコールドヘッドシリンダ１６のうち一方が他方よりも大きく収縮しようとするため熱応力が発生し、これはコールドヘッドシリンダ１６に歪みをもたらしうる。その結果、上述のように、極低温冷凍機１０の冷凍能力に悪影響が出るかもしれない。
【0048】
作用しうる熱応力およびこれに起因するコールドヘッドシリンダ１６の歪みを実用上十分に小さくするうえで、シリンダサポート５０を形成する材料の熱収縮率は、コールドヘッドシリンダ１６を形成する材料の熱収縮率の例えば９０％以上、またはより好ましくは９５％以上であってもよい。同様の理由から、シリンダサポート５０を形成する材料の熱収縮率は、コールドヘッドシリンダ１６を形成する材料の熱収縮率の例えば１１０％以下、またはより好ましくは１０５％以下であってもよい。シリンダサポート５０を形成する材料の熱収縮率がコールドヘッドシリンダ１６を形成する材料の熱収縮率と比較してこのような範囲にある場合には、両者は実質的に等しいとみなすことができる。
【0049】
ある材料について基準温度Ｔｈから所定の極低温Ｔｌまで冷却されるときの熱収縮率Ａは、Ａ＝（ＬＴｈ－ＬＴｌ）／ＬＴｈと定義しうる。ＬＴｈは、その材料のサンプルの基準温度Ｔｈでの長さであり、ＬＴｌは、その材料の同じサンプルの所定の極低温Ｔｈでの長さである。サンプルの長さは、第１シリンダサポート５０ａ（または第２シリンダサポート５０ｂ）の軸方向長さであってもよい。基準温度Ｔｈと所定の極低温Ｔｌをそれぞれ、３００Ｋ、０Ｋとするとき、熱収縮率Ａは、Ａ＝（Ｌ３００－Ｌ０）／Ｌ３００と定義しうる。室温から液体窒素温度に冷却されるときの熱収縮の大きさは、たいてい、室温から約０Ｋに冷却されるときの熱収縮の大きさのおよそ９割に達するので、０Ｋでの基準長さＬ０に代えて、熱収縮率Ａは、液体窒素温度（７７Ｋ）でのサンプル長さＬ７７を用いて、Ａ＝（Ｌ３００－Ｌ７７）／Ｌ３００と定義してもよい。すなわち、材料サンプルは３００Ｋで基準長さＬ３００を有し、この基準長さが７７Ｋに冷却されたとき長さＬ７７に縮小する。よって、熱収縮率は、材料サンプルの長さを室温と極低温（例えば液体窒素温度）で測定することにより、取得することができる。
【0050】
この実施の形態では、シリンダサポート５０は、合成樹脂材料で形成されてもよい。好ましくは、シリンダサポート５０とコールドヘッドシリンダ１６の熱収縮率を同程度とするために、シリンダサポート５０は、フィラー含有樹脂材料で形成されてもよい。コールドヘッドシリンダ１６の材料を第１材料（例えばＳＵＳ３０４などのステンレス鋼）と呼ぶとき、シリンダサポート５０を形成するフィラー含有樹脂材料は、基準温度から所定の極低温まで冷却されるときの熱収縮率が第１材料に比べて小さい第２材料で形成されたフィラーをベース樹脂材料に含有したものであってもよい。シリンダサポート５０を形成する材料は、こうしたフィラーとベース樹脂材料の混合物であってもよい。
【0051】
ベース樹脂材料は、例えばエポキシ樹脂など適宜の合成樹脂材料であってもよい。一般的に合成樹脂材料の熱収縮率は金属材料に比べて大きいのと同様に、ベース樹脂材料の熱収縮率は、上述の第１材料の熱収縮率に比べて大きくてもよい。
【0052】
フィラーは、例えばガラスフィラーであってもよい。ガラスフィラーは、例えば、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）のフィラーであってもよい。あるいは、フィラーは、シリカフィラーであってもよい。フィラーの形状または性状は、例えばパウダー、チョップドストランド、ローピングなど任意である。
【0053】
フィラー含有樹脂材料のフィラー含有率は、例えば４０質量パーセント以上であってもよい。また、フィラー含有樹脂材料のフィラー含有率は、例えば８０質量パーセント以下であってもよい。フィラー含有率が４０質量パーセント未満の場合にはフィラー含有樹脂材料の熱収縮率が第１材料の熱収縮率を顕著に上回る一方、フィラー含有率が８０質量パーセントを超える場合にはフィラー含有樹脂材料の熱収縮率が第１材料の熱収縮率を顕著に下回るものと想定されるからである。
【0054】
このように、熱収縮率の比較的大きいベース樹脂材料と熱収縮率の比較的小さいフィラーを混合することにより、フィラー含有樹脂材料と第１材料の熱収縮率を実質的に等しくすることができる。例えば、フィラー含有樹脂材料の熱収縮率を第１材料の熱収縮率の９０％以上１１０％以下とすることができる。または、好ましくは、フィラー含有樹脂材料の熱収縮率を第１材料の熱収縮率の９５％以上１０５％以下とすることができる。このようにして、シリンダサポート５０とコールドヘッドシリンダ１６で熱収縮率を実質的に等しくすることができる。
【0055】
ここで、第１シリンダサポート５０ａの材料の熱収縮率Ａｊと第１シリンダ１６ａの材料の熱収縮率Ａｓ（ただし、Ａｊ≠Ａｓとする）が力学的に満たすべき条件を考える。極低温冷却による第１シリンダサポート５０ａの熱収縮に伴い第１シリンダ１６ａに生じる応力は、
（ｄＬ／Ｌ）Ｅｊ
と表される。Ｌは、極低温冷却される前の第１シリンダサポート５０ａおよび第１シリンダ１６ａ（第１シリンダサポート５０ａで囲まれた第１シリンダ１６ａの部分）の軸方向長さである。ｄＬ＝Ｌｊ－Ｌｓであり、ＬｊとＬｓはそれぞれ、極低温冷却された後の第１シリンダサポート５０ａおよび第１シリンダ１６ａ（第１シリンダサポート５０ａで囲まれた第１シリンダ１６ａの部分）の（収縮した）軸方向長さである。Ｅｊは、第１シリンダサポート５０ａの材料のヤング率である。
（ｄＬ／Ｌ）Ｅｊ
と表される。Ｌは、極低温冷却される前の第１シリンダサポート５０ａおよび第１シリンダ１６ａ（第１シリンダサポート５０ａで囲まれた第１シリンダ１６ａの部分）の軸方向長さである。ｄＬ＝Ｌｊ－Ｌｓであり、ＬｊとＬｓはそれぞれ、極低温冷却された後の第１シリンダサポート５０ａおよび第１シリンダ１６ａ（第１シリンダサポート５０ａで囲まれた第１シリンダ１６ａの部分）の（収縮した）軸方向長さである。Ｅｊは、第１シリンダサポート５０ａの材料のヤング率である。
【0056】
第１シリンダ１６ａに許容される応力をσｊｍと表すとき、
（ｄＬ／Ｌ）Ｅｊ＜σｊｍ
が満たされるべきである。よって、ｄＬ＝（Ｌ－ＡｊＬ）－（Ｌ－ＡｓＬ）＝（Ａｊ－Ａｓ）Ｌを考慮すると、第１シリンダサポート５０ａの材料の熱収縮率Ａｊは、
Ａｊ＜σｊｍ／Ｅｊ＋Ａｓ
を満たすべきである。
（ｄＬ／Ｌ）Ｅｊ＜σｊｍ
が満たされるべきである。よって、ｄＬ＝（Ｌ－ＡｊＬ）－（Ｌ－ＡｓＬ）＝（Ａｊ－Ａｓ）Ｌを考慮すると、第１シリンダサポート５０ａの材料の熱収縮率Ａｊは、
Ａｊ＜σｊｍ／Ｅｊ＋Ａｓ
を満たすべきである。
【0057】
実施の形態によると、シリンダサポート５０によりコールドヘッドシリンダ１６が補強される。シリンダサポート５０が両端でコールドヘッドシリンダ１６に固定される場合、軸方向の引張荷重および圧縮荷重、さらには軸方向に垂直な横方向の荷重など、さまざまな方向についてコールドヘッドシリンダ１６の耐荷重性を向上することができる。
【0058】
シリンダサポート５０はコールドヘッドシリンダ１６の外周面に接触しているため、少なくとも横方向の荷重（曲げ荷重）に対する補強の役割を果たすことができる。この場合、シリンダサポート５０がコールドヘッドシリンダ１６に両端で固定されることは必須ではない。シリンダサポート５０は、一方の端部のみでコールドヘッドシリンダ１６に固定され、コールドヘッドシリンダ１６に支持されてもよい。あるいは、シリンダサポート５０は両端ともコールドヘッドシリンダ１６に固定されず、コールドヘッドシリンダ１６に摺動可能な状態で装着されていてもよい。
【0059】
このようにして、シリンダサポート５０がコールドヘッドシリンダ１６に取り付けられることで、コールドヘッド１４の強度が高まり、外部荷重に対して変形しにくくなる。したがって、コールドヘッド１４と超伝導コイル１０２を構造的に剛に接続したとしても、上述のようなコールドヘッド１４の変形に起因する極低温冷凍機１０の冷凍能力の低下を緩和または防止することができる。銅編線のような変形可能な伝熱要素で接続する場合に比べて、コールドヘッド１４と超伝導コイル１０２との間の熱抵抗を小さくすることができ、極低温冷凍機１０は効率的に超伝導コイル１０２を冷却することができる。効率的な冷却は、極低温装置１００の長寿命化にもつながり、有利である。
【0060】
さらに、コールドヘッド１４と超伝導コイル１０２を構造的に剛に接続することで（例えば、図示されるように、コールドヘッド１４に超伝導コイル１０２を吊り下げて支持することで）、超伝導コイル１０２と真空容器１０４との熱接触は最小限となるか、または不要となる。従来のような支持体を介した周囲環境から超伝導コイル１０２への入熱も低減または防止することができる。
【0061】
シリンダサポート５０は、さまざまな製法により製造可能である。例えば、上述のフィラー含有樹脂材料のブロックを準備し、このブロックを切削など機械加工することにより、シリンダサポート５０が製造されてもよい。
【0062】
あるいは、シリンダサポート５０の型を準備し、この型にフィラー含有樹脂材料の原材料（例えば、液状のベース樹脂材料とフィラーとを混合した液状の原材料）を流し込み、硬化させ、型から取り出すことにより、シリンダサポート５０が製造されてもよい。この場合、シリンダサポート５０の型は、コールドヘッドシリンダ１６のまわりに取り付けられてもよく、この型内（つまり型とコールドヘッドシリンダ１６との間の空間）にフィラー含有樹脂材料の原材料を流し込み、硬化させ、型を取り外すことにより、シリンダサポート５０が製造されてもよい。コールドヘッドシリンダ１６に密着されたシリンダサポート５０を得ることができる。
【0063】
実施の形態に係るシリンダサポート５０は、上述の特定の構造および配置には限られず、さまざまな他の形態をとることもできる。いくつかの例を後述する。
【0064】
例えば、図３に示されるように、コールドヘッドシリンダ１６は、薄肉部５２を有し、この薄肉部５２がシリンダサポート５０により補強されてもよい。薄肉部５２は、コールドヘッドシリンダ１６（例えば第１シリンダ１６ａ）の軸方向中間部に設けられてもよい。薄肉部５２は、コールドヘッドシリンダ１６のうち他の部位（例えば、第１シリンダ１６ａのうち、薄肉部５２をコールドヘッド装着フランジ２２に接続するシリンダ部分）に比べてシリンダ厚さが小さい部分である。逆の見方をすると、コールドヘッドシリンダ１６のうちシリンダサポート５０を装着した部分を薄肉化することができる、とも言える。薄肉化によりコールドヘッドシリンダ１６の断面積が小さくなり、コールドヘッドシリンダ１６を通じた伝導損失（例えば、第１シリンダ１６ａを伝熱経路とするコールドヘッド装着フランジ２２から第１冷却ステージ３３への入熱）を減らすことができる。同様にして、第２シリンダ１６ｂの薄肉部に第２シリンダサポート５０ｂが装着されてもよい。
【0065】
また、図３に例示されるように、シリンダサポート５０を取り付けるための追加フランジ５４がコールドヘッドシリンダ１６に設けられてもよい。追加フランジ５４をコールドヘッドシリンダ１６の任意の位置に設けることにより、シリンダサポート５０をコールドヘッドシリンダ１６の任意の位置に取り付けることができる。
【0066】
シリンダサポート５０の軸方向に垂直な断面が円形であることは必須ではなく、他の形状であってもよい。例えば、作用する荷重の方向が既知である場合、シリンダサポート５０は、その荷重方向に適合した断面形状を有してもよい。そうした例を図４（ａ）および図４（ｂ）に示す。図４（ａ）には、半円筒状の断面をもつシリンダサポート５０が示され、図４（ｂ）には、シリンダサポート５０から径方向外向きに突出し軸方向に延在するリブ５６を有する円筒状のシリンダサポート５０が示されている。
【0067】
上述の実施の形態では、シリンダサポート５０は軸方向に全長にわたりコールドヘッドシリンダ１６の外周面に接触しているが、これに限られない。シリンダサポート５０はコールドヘッドシリンダ１６の外周面から空間をあけてコールドヘッドシリンダ１６の外側に配置されてもよい。そうした例を図５（ａ）および図５（ｂ）に示す。図５（ａ）には、コーン状の形状をもつシリンダサポート５０が示され、図５（ｂ）には、パイプ状のシリンダサポート５０が示されている。
【0068】
図６（ａ）に示されるように、シリンダサポート５０は、コールドヘッドシリンダ１６の外周面から空間をあけてコールドヘッドシリンダ１６の外側に配置されてもよい。第１シリンダサポート５０ａは、コールドヘッド装着フランジ２２と第１冷却ステージ３３とを接続し、第１シリンダサポート５０ａと第１シリンダ１６ａとの間には空間が形成されている。第２シリンダサポート５０ｂは、第１冷却ステージ３３と第２冷却ステージ３５とを接続し、第２シリンダサポート５０ｂと第２シリンダ１６ｂとの間には空間が形成されている。このようにしても、シリンダサポート５０は、コールドヘッドシリンダ１６を補強することができる。
【0069】
また、図６（ｂ）に示されるように、第１シリンダサポート５０ａは、第１冷却ステージ３３に固定される第１追加フランジ５８ａとコールドヘッド装着フランジ２２とを接続し、第１シリンダサポート５０ａと第１シリンダ１６ａとの間には空間が形成されてもよい。輻射シールド１０６は、第１追加フランジ５８ａに固定されてもよい。あるいは、第１シリンダサポート５０ａは、第１追加フランジ５８ａと真空容器１０４とを接続してもよい。第２シリンダサポート５０ｂは、第２冷却ステージ３５に固定される第２追加フランジ５８ｂと第１追加フランジ５８ａとを接続し、第２シリンダサポート５０ｂと第２シリンダ１６ｂとの間には空間が形成されてもよい。超伝導コイル１０２は、第２追加フランジ５８ｂに固定されてもよい。
【0070】
上述の実施の形態では、シリンダサポート５０は、合成樹脂材料で形成されているが、本発明はこれに限られない。シリンダサポート５０は、例えば金属材料など他の材料で形成されてもよい。例えば、図７に示されるように、シリンダサポート５０は、コールドヘッドシリンダ１６と同じ材料、例えばステンレス鋼で形成されたサポート本体６０を備えてもよい。このようにすれば、シリンダサポート５０とコールドヘッドシリンダ１６で熱収縮率を実質的に等しくすることができる。
【0071】
この場合、シリンダサポート５０を通じたコールドヘッドシリンダ１６の高温部から低温部への熱伝導を低減するために、シリンダサポート５０は、サポート本体６０の内周面に断熱層６２を備えてもよい。シリンダサポート５０は、断熱層６２を介してコールドヘッドシリンダ１６の外周面に接触してもよい。断熱層６２は、例えばフッ素樹脂層であってもよい。
【0072】
なお、上述のように、シリンダサポート５０が一方の端部のみでコールドヘッドシリンダ１６に固定されているか、またはシリンダサポート５０が両端ともコールドヘッドシリンダ１６に固定されずにコールドヘッドシリンダ１６に摺動可能な状態で装着されている場合には、シリンダサポート５０とコールドヘッドシリンダ１６の熱収縮率は異なっていてもよい。この場合、シリンダサポート５０は、例えば、フィラー含有樹脂材料ではなく、フィラーを含有しない汎用の合成樹脂材料で形成されてもよい。シリンダサポート５０がコールドヘッドシリンダ１６の外周面に接触していれば、少なくとも横方向の荷重（曲げ荷重）に対する補強の役割を果たしうる。
【0073】
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。
【0074】
上述の実施の形態では、極低温冷凍機１０が多段式のＧＭ冷凍機である場合を例として説明しているが、本発明はこれに限られない。極低温冷凍機１０は、単段式のＧＭ冷凍機であってもよい。極低温冷凍機１０は、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単段式または多段式の極低温冷凍機であってもよい。また、極低温冷凍機１０によって冷却される被冷却物は、超伝導コイル１０２に限られず、例えば極低温液体冷媒を貯留する液体槽など他の被冷却物であってもよい。
【0075】
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】
【0076】
１０ 極低温冷凍機、 １４ コールドヘッド、 １６ コールドヘッドシリンダ、 １６ａ 第１シリンダ、 １６ｂ 第２シリンダ、 ５０ シリンダサポート、 ５０ａ 第１シリンダサポート、 ５０ｂ 第２シリンダサポート。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】