特開 2025-25880 コールドヘッドシリンダの昇温補助具および昇温方法

(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】P2025025880

(43)【公開日】2025-02-21

(54)【発明の名称】コールドヘッドシリンダの昇温補助具および昇温方法

(51)【国際特許分類】

   F25B 9/14 20060101AFI20250214BHJP

   F25B 9/00 20060101ALI20250214BHJP

【ＦＩ】

F25B9/14 510B

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 2023131089

(22)【出願日】2023-08-10

(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】コールドヘッドシリンダの適正な昇温に役立つコールドヘッドシリンダの昇温補助具および昇温方法を提供する。
【解決手段】コールドヘッドシリンダの昇温補助具６０が提供される。昇温補助具６０は、加熱器６１を備え、コールドヘッドシリンダに挿入可能な本体６２と、加熱器６１よりも本体６２の先端側に取り付けられた温度センサ６３と、を備える。温度センサ６３は、本体６２がコールドヘッドシリンダに挿入されたとき、加熱器６１よりもコールドヘッドシリンダの底面に近接するように、本体６２に取り付けられていてもよい。
【選択図】図６

【特許請求の範囲】

【請求項1】

コールドヘッドシリンダの昇温補助具であって、
加熱器を備え、コールドヘッドシリンダに挿入可能な本体と、
前記加熱器よりも前記本体の先端側に取り付けられた温度センサと、を備えることを特徴とする昇温補助具。

【請求項2】

前記温度センサは、前記本体が前記コールドヘッドシリンダに挿入されたとき、前記加熱器よりも前記コールドヘッドシリンダの底面に近接するように、前記本体に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の昇温補助具。

【請求項3】

前記加熱器は、温風発生器からの温風を吹き出すように構成された温風吹出口を備え、
前記温風吹出口は、前記温度センサから逸れるように前記温風を方向付けるように構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の昇温補助具。

【請求項4】

前記温風吹出口は、前記本体が前記コールドヘッドシリンダに挿入されたとき、前記コールドヘッドシリンダの側面に向けて前記温風を方向付けるように構成されていることを特徴とする請求項３に記載の昇温補助具。

【請求項5】

前記温度センサは、衝撃吸収材を介して前記本体に取り付けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の昇温補助具。

【請求項6】

コールドヘッドシリンダの昇温方法であって、
加熱器および温度センサを、前記加熱器よりも前記温度センサを前記コールドヘッドシリンダの底面に近接させるようにして、前記コールドヘッドシリンダ内に配置することと、
前記温度センサを使用して前記コールドヘッドシリンダの温度を測定しながら、前記加熱器を使用して前記コールドヘッドシリンダを加熱することと、を備えることを特徴とする方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、コールドヘッドシリンダの昇温補助具および昇温方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、いわゆるメンテナンススリーブを介して極低温冷凍機のコールドヘッドを真空容器に装着することが知られている。真空容器内には例えば超伝導コイルなどの被冷却物が収容され、この被冷却物はメンテナンススリーブに熱的に結合されている。コールドヘッドとメンテナンススリーブを接触させることにより、極低温冷凍機は、メンテナンススリーブを介して被冷却物を冷却することができる。

【0003】

極低温冷凍機を長期的に運転するなかで、極低温冷凍機のメンテナンスが定期的に必要とされうる。作業者は、メンテナンススリーブからコールドヘッドをいくらか引き上げ、コールドヘッドとメンテナンススリーブの熱接触を解除してコールドヘッドにメンテナンスを施すことができる。コールドヘッドは例えば室温などメンテナンス作業に都合のよい温度に昇温され、作業完了後に再冷却される。その一方で、コールドヘッドの接触解除により、被冷却物は低温に保つことができる。したがって、このメンテナンス方法は、コールドヘッドとともに被冷却物を室温に昇温したうえでコールドヘッドにメンテナンスを施す場合に比べて、被冷却物の再冷却時間を短縮することができ、メンテナンスの所要時間を短くすることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【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】

【0005】

上述のメンテナンスにおける一つの工程として、コールドヘッドが分解されることがある。分解作業は、コールドヘッドシリンダをメンテナンススリーブに残した状態で、コールドヘッドの内部構成部品をコールドヘッドシリンダから取り外す工程を含みうる。このとき、コールドヘッドシリンダの内部表面は、周囲環境から流入する空気にさらされる。シリンダが周囲温度よりも低温である場合には、このシリンダ表面に空気中の水分が凝縮して霜や氷が付着しうる。コールドヘッドを再び組み立てる前には、こうした霜を除去すべく、コールドヘッドシリンダが周囲温度またはそれよりもいくらか高い温度（例えば約２０～４０℃）に昇温される。昇温作業における温度管理は通例、コールドヘッドシリンダに備えられた温度センサを利用して行われる。

【0006】

コールドヘッドには極低温の測定に適した温度センサが採用されているが、こうした極低温用の温度センサは、上述の昇温作業における室温程度の温度測定に十分な精度が保証されたものであるとは限らない。その場合、昇温中にコールドヘッドシリンダの過昇温が起こるリスクがある。つまり、実際にはコールドヘッドシリンダが所望の温度よりも過剰に高い温度に加熱されているにもかかわらず、温度測定誤差によりこれを検知できないという、望まれない事態が発生する可能性が考えられる。過昇温は、とくにコールドヘッドシリンダの底部で発生した場合には、再組立後の極低温冷凍機の動作に悪影響を生じさせるかもしれない。

【0007】

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、コールドヘッドシリンダの適正な昇温に役立つコールドヘッドシリンダの昇温補助具および昇温方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明のある態様によると、コールドヘッドシリンダの昇温補助具が提供される。昇温補助具は、加熱器を備え、コールドヘッドシリンダに挿入可能な本体と、加熱器よりも本体の先端側に取り付けられた温度センサと、を備える。

【0009】

本発明のある態様によると、コールドヘッドシリンダの昇温方法が提供される。この方法は、加熱器および温度センサを、加熱器よりも温度センサをコールドヘッドシリンダの底面に近接させるようにして、コールドヘッドシリンダ内に配置することと、温度センサを使用してコールドヘッドシリンダの温度を測定しながら、加熱器を使用してコールドヘッドシリンダを加熱することと、を備える。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、コールドヘッドシリンダの適正な昇温に役立つコールドヘッドシリンダの昇温補助具および昇温方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】実施の形態に係る極低温装置を概略的に示す図である。

【図2】実施の形態に係る極低温装置を概略的に示す図である。

【図3】実施の形態に係り、メンテナンス中の極低温冷凍機のコールドヘッドを概略的に示す図である。

【図4】実施の形態に係り、メンテナンス中の極低温冷凍機のコールドヘッドを概略的に示す図である。

【図5】従来の昇温補助具を概略的に示す図である。

【図6】実施の形態に係る昇温補助具を概略的に示す図である。

【図7】実施の形態に係るコールドヘッドシリンダの昇温方法を示す概略的に示す図である。

【図8】実施の形態に係る昇温補助具の変形例を概略的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

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。

【0013】

図１および図２は、実施の形態に係る極低温装置１００を概略的に示す図である。図１には、極低温冷凍機１０と例えば超伝導コイルなどの被冷却物９０との熱的な結合が解除された状態が示され、図２には、両者が熱的に結合された状態が示されている。

【0014】

極低温冷凍機１０は、この実施の形態においては、二段式のギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機である。極低温冷凍機１０は、圧縮機１２と、二段式のコールドヘッド１４とを備える。

【0015】

圧縮機１２は、極低温冷凍機１０の冷媒ガスをコールドヘッド１４から回収し、回収した冷媒ガスを昇圧して、再び冷媒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、膨張機とも称され、供給された冷媒ガスを内部の膨張室で断熱膨張させることにより寒冷を発生させることができる。圧縮機１２とコールドヘッド１４との間の冷媒ガスの循環がコールドヘッド１４での冷媒ガスの適切な圧力変動と容積変動の組み合わせをもって行われることにより、極低温冷凍機１０の冷凍サイクル（例えばＧＭサイクル）が構成され、それによりコールドヘッド１４の各冷却ステージが所望の極低温に冷却される。冷媒ガスは、作動ガスとも称され、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。

【0016】

コールドヘッド１４は、コールドヘッドシリンダ１５と、コールドヘッド駆動部１６とを備える。コールドヘッドシリンダ１５は、コールドヘッドフランジ１７、一段シリンダ１８、一段冷却ステージ２０、二段シリンダ２２、および二段冷却ステージ２４を備え、これらはコールドヘッド１４の中心軸に沿って同軸に配置されている。

【0017】

一段シリンダ１８は、コールドヘッドフランジ１７を一段冷却ステージ２０と連結し、二段シリンダ２２は、一段冷却ステージ２０を二段冷却ステージ２４と連結する。一段冷却ステージ２０および二段冷却ステージ２４は、例えば銅（例えば純銅）などの高熱伝導金属、またはその他の熱伝導材料で形成されている。一段シリンダ１８および二段シリンダ２２は、例えばステンレスなどの金属で形成されている。一般に、冷却ステージを形成する熱伝導材料の熱伝導率は、シリンダを形成する材料の熱伝導率より高い。

【0018】

コールドヘッド駆動部１６は、コールドヘッドフランジ１７に取り付けられている。コールドヘッド駆動部１６は、一段シリンダ１８および二段シリンダ２２のそれぞれに収容された一段ディスプレーサおよび二段ディスプレーサを軸方向に往復させるモータを備える。また、コールドヘッド駆動部１６には、このモータによってディスプレーサと同期して駆動される圧力切替バルブも収納されている。圧力切替バルブは、コールドヘッド１４への高圧冷媒ガスの受け入れと低圧冷媒ガスの送出を周期的に切り替えるよう構成されている。圧縮機１２、コールドヘッド駆動部１６、およびコールドヘッドフランジ１７は、周囲環境２７に配置されている。

【0019】

極低温冷凍機１０の装着構造３０は、真空容器２６（例えばクライオスタットなどの極低温真空容器）にコールドヘッド１４を装着するための器具である。装着構造３０は、コールドヘッド収容スリーブ、または単にスリーブとも称されうる。装着構造３０は、周囲環境２７から隔離された気密領域２８をコールドヘッド１４と装着構造３０との間に形成するよう真空容器２６に設置される。周囲環境２７は例えば室温の大気圧環境である。気密領域２８は、真空に排気されてもよいし、あるいは、ヘリウムガスのような極低温で液化しない不活性ガスで充填されてもよい。また、装着構造３０は、真空容器２６と組み合わされて真空容器２６内に真空領域２９を区画するように真空容器２６に設置される。

【0020】

装着構造３０は、極低温冷凍機１０とともに、極低温冷凍機１０の製造業者により顧客に提供されてもよい。被冷却物９０を冷却する冷却装置が、極低温冷凍機１０および装着構造３０から構成されるとも言える。

【0021】

装着構造３０も、コールドヘッド１４に対応して二段式に構成される。装着構造３０は、スリーブフランジ３２、一段スリーブ体３４、一段伝熱ステージ３６、二段スリーブ体３８、および二段伝熱ステージ４０を備え、これらはコールドヘッド１４の中心軸に沿って同軸に配置されている。

【0022】

スリーブフランジ３２は、一例として、真空容器２６の天板に形成された開口部に固定され、装着構造３０はこの開口部から真空容器２６内に延びている。また、スリーブフランジ３２には、コールドヘッドフランジ１７が例えばボルト等の締結部材３３で取り付けられる。コールドヘッドフランジ１７とスリーブフランジ３２が締結されるとき、一段冷却ステージ２０と二段冷却ステージ２４がそれぞれ一段伝熱ステージ３６と二段伝熱ステージ４０に押し付けられることになる。スリーブフランジ３２は、コールドヘッド１４を受け入れる開口部を締結部材３３よりも径方向に内側に有し、この開口部の内周面にはコールドヘッドフランジ１７が接触している。

【0023】

締結部材３３によるコールドヘッドフランジ１７とスリーブフランジ３２の締結が解除されているとき、コールドヘッドフランジ１７は、スリーブフランジ３２に対して軸方向に摺動可能であり、それにより、コールドヘッド１４は、装着構造３０に対し軸方向（図１および図２における上下方向）に移動可能である。可動範囲は例えば数ｍｍ以内、例えば２～３ｍｍ程度である。作業者は、手動により、または油圧ジャッキなどの補助器具を使用して、または動力源を有する昇降装置がコールドヘッド１４に接続されている場合にはこれを作動させて、この可動範囲においてコールドヘッド１４を軸方向に昇降させることができる。

【0024】

コールドヘッドフランジ１７とスリーブフランジ３２との間には例えばＯリングなどのシール部材４２が挟み込まれている。シール部材４２は、スリーブフランジ３２の開口部内周面に形成された周溝に配置されている。シール部材４２が設けられているので、コールドヘッド１４が装着構造３０に対し上述の可動範囲内で軸方向に移動されても気密領域２８は周囲環境２７から隔離されている。

【0025】

一段スリーブ体３４は、スリーブフランジ３２を一段伝熱ステージ３６と連結し、二段スリーブ体３８は、一段伝熱ステージ３６を二段伝熱ステージ４０と連結する。一段スリーブ体３４および二段スリーブ体３８はそれぞれ、一段シリンダ１８および二段シリンダ２２を囲むように配置されている。一段伝熱ステージ３６の中心部には、一段スリーブ体３４の内部空間を二段スリーブ体３８の内部空間に接続する開口部が設けられている。コールドヘッド１４の二段シリンダ２２および二段冷却ステージ２４はこの開口部から二段スリーブ体３８の内部空間へと挿入される。一段伝熱ステージ３６および二段伝熱ステージ４０は、例えば銅（例えば純銅）などの高熱伝導金属、またはその他の熱伝導材料で形成されている。一段スリーブ体３４および二段スリーブ体３８は、例えばステンレスなどの金属で形成されている。伝熱ステージを形成する熱伝導材料の熱伝導率は、スリーブ体を形成する材料の熱伝導率より高い。

【0026】

したがって、装着構造３０の一段伝熱ステージ３６は、極低温冷凍機１０のコールドヘッド１４の移動によりコールドヘッド１４の一段冷却ステージ２０と接触し又は接触解除される。同様に、装着構造３０の二段伝熱ステージ４０は、コールドヘッド１４の移動により二段冷却ステージ２４と接触し又は接触解除される。

【0027】

コールドヘッドシリンダ１５には、温度センサ４４が設けられていてもよい。温度センサ４４は、二段冷却ステージ２４の底部に設けられ、二段冷却ステージ２４の温度を測定してもよい。温度センサ４４は、二段冷却ステージ２４に実現される極低温の測定に適する極低温用の温度センサであり、例えば酸化ルテニウム温度計であってもよい。温度センサ４４は、配線４５により温度表示器４６に接続されていてもよい。配線４５は、気密領域２８でコールドヘッドシリンダ１５にらせん状に巻き付けられ、コールドヘッドフランジ１７のフィードスルー４７を通じて周囲環境２７に引き出されてもよい。温度表示器４６は、周囲環境２７に配置された温度表示器４６に接続されていてもよい。温度表示器４６は、配線４５を通じて温度センサ４４の出力を取得し、測定温度を表示し又は他の機器に出力することができる。温度表示器４６は、極低温冷凍機１０を制御するコントローラの一部を構成していてもよい。

【0028】

また、真空領域２９に露出される一段伝熱ステージ３６の外面には、輻射シールド９２が熱的に結合されている。輻射シールド９２は、被冷却物９０を熱的に保護するために、被冷却物９０を囲むように配置されている。図１及び図２には輻射シールド９２の一部のみが示される。輻射シールド９２は、一段伝熱ステージ３６に直接取り付けられてもよいし、あるいは、剛性または可撓性の伝熱部材を介して接続されてもよい。一段伝熱ステージ３６には、輻射シールド９２とともに、またはこれに代えて、別の被冷却物が熱的に結合されてもよい。また、真空領域２９に露出される二段伝熱ステージ４０の外面には被冷却物９０が熱的に結合されている。被冷却物９０は、二段伝熱ステージ４０に直接取り付けられてもよいし、あるいは、剛性または可撓性の伝熱部材を介して接続されてもよい。

【0029】

図１に示されるように、コールドヘッド１４と装着構造３０の熱接触が解除された状態においては、コールドヘッド１４が可動範囲の例えば上端に位置する。このとき、一段冷却ステージ２０が一段伝熱ステージ３６から物理的に離れ、二段冷却ステージ２４が二段伝熱ステージ４０から物理的に離れるので、極低温冷凍機１０は、被冷却物９０および輻射シールド９２を冷却しない。コールドヘッド１４が被冷却物９０および輻射シールド９２よりも高い温度例えば室温に昇温されたとしても、コールドヘッド１４から被冷却物９０および輻射シールド９２への熱的な影響は限定的であるか、無視しうる。被冷却物９０および輻射シールド９２は極低温に維持される。

【0030】

図２に示されるように、コールドヘッド１４と装着構造３０が熱接触している状態においては、コールドヘッド１４が可動範囲の下端に位置する。このとき、一段冷却ステージ２０が一段伝熱ステージ３６に物理的に接触し、それにより、一段冷却ステージ２０は、一段伝熱ステージ３６を介して輻射シールド９２と熱接触する。それとともに、二段冷却ステージ２４が二段伝熱ステージ４０に物理的に接触し、それにより、二段冷却ステージ２４は、二段伝熱ステージ４０を介して被冷却物９０と熱接触する。こうして、極低温冷凍機１０は、被冷却物９０および輻射シールド９２を冷却することができる。輻射シールド９２は、例えば３０Ｋ～８０Ｋ（通例は３０Ｋ～５０Ｋ、例えば４０Ｋ）に冷却され、被冷却物９０は、例えば３Ｋ～２０Ｋ（通例は３Ｋ～４Ｋ）に冷却されうる。

【0031】

以上の構成を有する極低温装置１００の動作の一例を説明する。極低温冷凍機１０のメンテナンスが許容されるタイミングが到来すると、極低温冷凍機１０の冷却運転が停止される。このとき、図２に示されるように、一段冷却ステージ２０は一段伝熱ステージ３６と物理的かつ熱的に接触し、二段冷却ステージ２４は二段伝熱ステージ４０と物理的かつ熱的に接触している。

【0032】

作業者が締結部材３３を操作することによって、コールドヘッドフランジ１７とスリーブフランジ３２との締結が解除される。そして、コールドヘッド１４が装着構造３０からいくらか引き上げられる。コールドヘッドフランジ１７とスリーブフランジ３２の間にはシール部材４２が設けられているので、周囲環境２７からの気密領域２８の隔離は保持される。

【0033】

こうして、図１に示されるように、一段冷却ステージ２０は一段伝熱ステージ３６から物理的に離れて熱的に非接触となり、二段冷却ステージ２４は二段伝熱ステージ４０から物理的に離れて熱的に非接触となる。したがって、被冷却物９０および輻射シールド９２を低温に保ちつつ、コールドヘッド１４を昇温することができる。

【0034】

極低温冷凍機１０のメンテナンスが行われる。図３および図４は、実施の形態に係り、メンテナンス中の極低温冷凍機１０のコールドヘッド１４を概略的に示す図である。図３に示されるように、コールドヘッド１４のコールドヘッド駆動部１６がコールドヘッドフランジ１７から取り外される。コールドヘッド駆動部１６とともに、一段ディスプレーサ１９および二段ディスプレーサ２３がそれぞれ、一段シリンダ１８および二段シリンダ２２から引き抜かれる。コールドヘッドシリンダ１５（すなわち、コールドヘッドフランジ１７、一段シリンダ１８、一段冷却ステージ２０、二段シリンダ２２、および二段冷却ステージ２４）は、そのまま装着構造３０に装着されている。取り外されたコールドヘッド駆動部１６、一段ディスプレーサ１９および二段ディスプレーサ２３は、消耗部品の交換や清掃、修理などのメンテナンスが施され、または、新品のコールドヘッド駆動部またはディスプレーサと交換される。

【0035】

このようにコールドヘッド１４の内部構造がコールドヘッドシリンダ１５から取り外されることによって、コールドヘッドシリンダ１５の内部表面が周囲環境２７に露出されることになる。極低温冷凍機１０の冷却運転中に極低温に冷却されている部材、例えば、一段冷却ステージ２０、二段シリンダ２２、および二段冷却ステージ２４は、依然として低温にあるかもしれず、これら部材の表面には周囲環境２７から霜が付着しうる。

【0036】

そこで、コールドヘッド１４を再び組み立てる前に、コールドヘッドシリンダ１５が加熱され、コールドヘッドシリンダ１５内に付着した霜が除去されてもよい。この加熱には、図４に示されるように、例えばヒートガン、ドライヤーなどの温風発生器４８が使用されてもよい。温風発生器４８からの温風４９をコールドヘッドシリンダ１５内に供給することにより、コールドヘッドシリンダ１５が加熱されてもよい。

【0037】

続いて、極低温冷凍機１０が再び組み立てられる。メンテナンスが施された（または新品の）コールドヘッド駆動部１６、一段ディスプレーサ１９および二段ディスプレーサ２３がコールドヘッドシリンダ１５に挿入され、コールドヘッド駆動部１６がコールドヘッドフランジ１７に再び取り付けられる。図１に示される状態に戻る。そして、極低温冷凍機１０の冷却運転が再開される。

【0038】

一段冷却ステージ２０および二段冷却ステージ２４をそれぞれ一段伝熱ステージ３６および二段伝熱ステージ４０に接触させるように、コールドヘッド１４が装着構造３０に対して移動される。コールドヘッド１４が装着構造３０に再び押し込まれる。

【0039】

コールドヘッド１４の移動により、一段冷却ステージ２０は一段伝熱ステージ３６と物理的かつ熱的に接触し、二段冷却ステージ２４は二段伝熱ステージ４０と物理的かつ熱的に接触する。そして、締結部材３３によってコールドヘッドフランジ１７とスリーブフランジ３２が締結される。こうして、図２に示される状態に戻る。

【0040】

したがって、実施の形態に係る極低温装置１００によれば、コールドヘッド１４の移動により装着構造３０との熱接触が解除され、被冷却物９０および輻射シールド９２を低温に保ちつつコールドヘッド１４を昇温しメンテナンスをすることができる。被冷却物９０および輻射シールド９２をコールドヘッド１４とともに室温に昇温して極低温冷凍機１０にメンテナンスを施す場合に比べて被冷却物９０および輻射シールド９２の再冷却時間を短縮することができ、メンテナンスの所要時間を短くすることができる。

【0041】

図５は、従来の昇温補助具５０を概略的に示す図である。コールドヘッドシリンダ１５への上述の加熱工程では、昇温と霜取りを促進するために、昇温補助具５０が使用されてもよい。昇温補助具５０は、両端が開放された中空の筒状の形状を有し、その一端をコールドヘッドシリンダ１５に挿入して二段冷却ステージ２４に近接させることができるように、二段シリンダ２２および二段冷却ステージ２４の内径よりもいくらか小さい外径を有する。また、昇温補助具５０は、コールドヘッドシリンダ１５に挿入されたとき他端がコールドヘッドシリンダ１５の外に位置するように、コールドヘッドシリンダ１５の軸方向深さ（つまりコールドヘッドフランジ１７から二段冷却ステージ２４の底部２４ａまでの軸方向距離）よりもいくらか長い軸方向長さを有する。

【0042】

昇温補助具５０がコールドヘッドシリンダ１５に挿入されたときコールドヘッドシリンダ１５の外に位置する昇温補助具５０の一方の開放端は、温風導入口５１として利用される。温風導入口５１には、温風発生器４８の温風吹出口が接続される。温風発生器４８からの温風４９が温風導入口５１から昇温補助具５０内に導入される。コールドヘッドシリンダ１５内で二段冷却ステージ２４に近接して配置される昇温補助具５０の他方の開放端は、温風吹出口５２として利用される。温風導入口５１から昇温補助具５０内に導入された温風４９は、温風吹出口５２から二段冷却ステージ２４の底部２４ａに向けて吹き出される。温風４９はまず、二段冷却ステージ２４の底部２４ａを加熱し、底部２４ａからの熱伝導により、二段冷却ステージ２４の側部２４ｂ、および二段シリンダ２２などコールドヘッドシリンダ１５の他の部位を加熱することができる。

【0043】

昇温補助具５０には温度センサは設けられていないため、加熱工程におけるコールドヘッドシリンダ１５の温度管理は、コールドヘッド１４に備えられた温度センサ４４を利用して行われる。温度センサ４４としては上述のように、極低温の測定に適した温度センサが用いられている。しかしながら、こうした極低温用の温度センサは、その仕様によっては、コールドヘッドシリンダ１５の加熱工程で測定すべき室温程度の温度範囲の測定に十分な精度が保証されていない。

【0044】

このようなケースでは、加熱工程の最中にコールドヘッドシリンダ１５の二段冷却ステージ２４が過剰に昇温されるリスクがあることを本発明者は認識した。つまり、実際には二段冷却ステージ２４が室温程度の所望の温度よりも過剰に高い温度に加熱されているにもかかわらず、温度測定誤差によりこれを検知できないという、望まれない事態が発生する可能性が考えられる。

【0045】

二段冷却ステージ２４の過昇温は、場合によっては、再組立後の極低温冷凍機１０の動作に悪影響を生じさせるかもしれない。例えば、温度センサ４４が装着された二段冷却ステージ２４の底部と温度センサ４４との熱伝導を良好にするためのグリスや接着剤がこれらの間に用いられている場合があるが、こうした介在物は耐熱性が低いことが多い。もし、過昇温により介在物が損傷された場合には、温度センサ４４による以降の温度測定の精度低下が懸念される。最悪の場合、コールドヘッドシリンダ１５を装着構造３０から取り外したうえで、温度センサ４４および二段冷却ステージ２４を修理、交換するといった本来不要な追加のメンテナンス作業が発生しうる。

【0046】

図６は、実施の形態に係る昇温補助具６０を概略的に示す図である。昇温補助具６０は、上述の昇温補助具５０と同様に、コールドヘッドシリンダ１５を効率的に加熱するために使用される。昇温補助具６０は、加熱器６１を備える本体６２と、本体６２に設けられた温度センサ６３とを備える。

【0047】

昇温補助具６０の本体６２は、コールドヘッドシリンダ１５に挿入可能な形状を有する。一例として、図７に示されるように、本体６２は、その先端をコールドヘッドシリンダ１５に挿入し二段冷却ステージ２４に近接させることができるように、二段シリンダ２２および二段冷却ステージ２４の内径よりもいくらか小さい外径を有する中空の筒状の形状を有する。また、本体６２は、コールドヘッドシリンダ１５に挿入されたとき他端がコールドヘッドシリンダ１５の外に位置するように、コールドヘッドシリンダ１５の軸方向深さよりもいくらか長い軸方向長さを有する。

【0048】

昇温補助具６０がコールドヘッドシリンダ１５に挿入されたときコールドヘッドシリンダ１５の外に位置する昇温補助具６０の一方の開放端は、図６に示されるように、温風導入口６４として利用される。温風導入口６４には、温風発生器４８の温風吹出口が取り外し可能に接続される。温風発生器４８からの温風４９が温風導入口６４から昇温補助具６０内に導入される。

【0049】

加熱器６１は、本体６２の先端部に設けられている。加熱器６１は、温風発生器４８からの温風４９を吹き出すように構成された温風吹出口６５を備える。温風吹出口６５は、温度センサ６３から逸れるように温風４９を方向付けるように構成されている。具体的には、例えば、温風吹出口６５は、温風４９が加熱器６１から径方向外向きに放出されるように加熱器６１に形成された複数の穴であってもよい。これら複数の穴は、加熱器６１の全周にわたり温風４９を放出することができるように、周方向に並んでいてもよい。

【0050】

また、温風吹出口６５は、図７に示されるように、本体６２がコールドヘッドシリンダ１５に挿入されたとき、コールドヘッドシリンダ１５の側面（例えば、二段冷却ステージ２４の側部２４ｂ）に向けて温風４９を方向付けるように構成されている。言い換えれば、温風吹出口６５は、温風４９が二段冷却ステージ２４の底部２４ａに向けて直接吹き付けられないように構成されている。

【0051】

温度センサ６３は、加熱器６１よりも本体６２の先端側に取り付けられている。そのため、温度センサ６３は、本体６２がコールドヘッドシリンダ１５に挿入されたとき、加熱器６１よりもコールドヘッドシリンダ１５の底面（すなわち、二段冷却ステージ２４の底部２４ａ）に近接することになる。

【0052】

温度センサ６３は、接触式の温度計が使用されてもよい。本体６２がコールドヘッドシリンダ１５に挿入されたとき、温度センサ６３または温度センサ６３が取り付けられた部位（例えば、後述の測温部６６ｂ）が二段冷却ステージ２４の底部２４ａに接触し、底部２４ａの温度を測定することができる。温度センサ６３は、室温程度の温度範囲（例えば、０～５０℃程度の温度範囲）で、コールドヘッド１４の温度センサ４４に比べて良好な精度で温度を測定可能であってもよく、例えば、熱電対、白金温度センサなど、安価な汎用の温度センサであってもよい。

【0053】

この実施の形態では、温度センサ６３は、衝撃吸収材６６を介して本体６２に取り付けられている。この例では、図６に示されるように、衝撃吸収材６６は、撓み可能な接続部材であり、本体６２の底面に取り付けられた基部６６ａと、温度センサ６３が取り付けられた測温部６６ｂと、基部６６ａと測温部６６ｂを接続する撓み部６６ｃとを備える。本体６２がコールドヘッドシリンダ１５に挿入されて温度センサ６３または測温部６６ｂが二段冷却ステージ２４の底部２４ａに接触するとき、衝撃吸収材６６は、撓み部６６ｃが撓むことにより、昇温補助具６０が二段冷却ステージ２４に突き当たる衝撃を吸収または緩和することができる。なお、撓み部６６ｃに代えて、または撓み部６６ｃとともに、衝撃吸収材６６は、基部６６ａと測温部６６ｂを接続するばね材を備えてもよい。

【0054】

なお、衝撃吸収材６６は、必須ではない。ある実施の形態では、温度センサ６３は、本体６２の底部に直接取り付けられていてもよい。

【0055】

温度表示器７０が昇温補助具６０に付属して設けられていてもよい。温度センサ６３は、配線６７により温度表示器７０に接続されていてもよい。配線６７は、温度センサ６３から延び、本体６２にらせん状に巻き付けられ、コールドヘッドシリンダ１５の外に引き出されてもよい。温度表示器７０は、配線６７を通じて温度センサ６３の出力を取得し、測定温度を表示し又は他の機器に出力することができる。温度表示器７０は、コールドヘッド１４の温度センサ４４の測定温度を表示するための上述の温度表示器４６と同一であってもよいし、または、温度表示器４６とは別に設けられてもよい。温度表示器７０は、例えば、市販の温度テスタであってもよい。

【0056】

図７は、実施の形態に係るコールドヘッドシリンダ１５の昇温方法を示す概略的に示す図である。まず、本方法の第１ステップとして、図７の左側に示されるように、加熱器６１および温度センサ６３が、加熱器６１よりも温度センサ６３をコールドヘッドシリンダ１５の底面に近接させるようにして、コールドヘッドシリンダ１５内に配置される。この配置ステップは、昇温補助具６０の本体６２をコールドヘッドシリンダ１５に挿入することによって行うことができる。本体６２がコールドヘッドシリンダ１５に挿入され、加熱器６１の温風吹出口６５は、二段冷却ステージ２４の側部２４ｂに対向して配置され、温度センサ６３（または測温部６６ｂ）は、二段冷却ステージ２４の底部２４ａに接触して配置される。

【0057】

なお、第１ステップの前に、コールドヘッドシリンダ１５は、周囲環境からの熱流入により自然昇温されてもよい。例えば、極低温冷凍機１０の運転終了時には、二段冷却ステージ２４は、例えば４Ｋ程度の極低温にある。この運転終了温度から所定の加熱開始温度（例えば、液体窒素温度）まで、コールドヘッドシリンダ１５（つまり二段冷却ステージ２４）は、自然昇温されてもよい。自然昇温中の二段冷却ステージ２４の温度は、温度センサ４４の測定温度から把握できる。作業者は、温度センサ４４の測定温度に基づいて自然昇温を続行しまたは終了してもよい。以下の第２ステップは、自然昇温の終了後に行われてもよい。

【0058】

次に、第２ステップとして、図７の右側に示されるように、昇温補助具６０を使用してコールドヘッドシリンダ１５が加熱される。この実施の形態では、コールドヘッドシリンダ１５は、温風発生器４８からの温風４９を用いて加熱される。温風導入口６４（図６参照）から昇温補助具６０の本体６２内に導入された温風４９は、加熱器６１の温風吹出口６５を通じて二段冷却ステージ２４の側部２４ｂに向けて吹き出される。よって、温風４９はまず、二段冷却ステージ２４の側部２４ｂを優先的に加熱する。そして、主として側部２４ｂからの熱伝導により、二段冷却ステージ２４の側部２４ｂ、および二段シリンダ２２などコールドヘッドシリンダ１５の他の部位が加熱される。

【0059】

こうしたコールドヘッドシリンダ１５の加熱と同時に、温度センサ６３を使用してコールドヘッドシリンダ１５の温度が測定される。温度センサ６３によって二段冷却ステージ２４の底部２４ａの温度が測定され、測定温度を示す情報が温度センサ６３から温度表示器７０（図６参照）に送信される。測定温度は、温度表示器７０により表示され、または温度表示器７０から出力される。作業者は、温度表示器７０を利用して、コールドヘッドシリンダ１５の温度、具体的には二段冷却ステージ２４の底部２４ａの温度を把握することができる。作業者は、測定温度が加熱終了温度（例えば約２０～４０℃）に達したとき本昇温方法を終了してもよい。

【0060】

実施の形態によると、上述のように、温度センサ６３が二段冷却ステージ２４の底部２４ａの温度を測定するように配置されている。よって、二段冷却ステージ２４の底部２４ａに設けられたコールドヘッド１４の温度センサ４４での加熱温度を正確に測定することができる。したがって、従来の昇温補助具５０を使用した場合における温度センサ４４の温度測定誤差に起因するコールドヘッドシリンダ１５の過昇温を防止し、又はそのリスクを低減することができる。過昇温により生じうるコールドヘッド１４の温度センサ４４への悪影響も避けられる。

【0061】

実施の形態によると、昇温補助具６０を用いてコールドヘッドシリンダ１５を加熱することにより、二段冷却ステージ２４の側部２４ｂが底部２４ａよりも先に温められることになる。そのため、仮に過昇温が起こるとしても、それはまず二段冷却ステージ２４の側部２４ｂで生じることになる。これも、二段冷却ステージ２４の底部２４ａでの過昇温のリスクを低減することに役立つ。

【0062】

また、温度センサ６３には温風４９が直接あたらないこと、および、温度センサ６３として室温付近で良好な測定精度をもつ温度センサを採用可能であることも、コールドヘッド１４の温度センサ４４での加熱温度を正確に知ることに役立つ。

【0063】

コールドヘッドシリンダ１５の側面（例えば、二段シリンダ２２の内周面）は、極低温冷凍機１０の動作中、二段ディスプレーサ２３との摺動面となるため、コールドヘッドシリンダ１５と二段ディスプレーサ２３との径方向クリアランスには高い寸法精度が求められる。何らかの原因で、コールドヘッドシリンダ１５の側面が損傷され、この径方向クリアランスが変化したとすると、極低温冷凍機１０の冷凍性能が低下しうるなど、極低温冷凍機１０に大きな影響が生じうる。

【0064】

実施の形態によると、温度センサ６３を二段冷却ステージ２４の底部２４ａに接触させているため、昇温補助具６０は、コールドヘッドシリンダ１５の側面（例えば、二段シリンダ２２の内周面）には接触する必要が無い。昇温補助具６０がコールドヘッドシリンダ１５の側面と接触した場合に起こりうる損傷を避けることができ、上述の問題も回避できる。

【0065】

上述の実施の形態では、昇温補助具６０は温風４９でコールドヘッドシリンダ１５を加熱するように構成されているが、他の加熱方式を利用した昇温補助具６０も可能である。

【0066】

図８は、実施の形態に係る昇温補助具６０の変形例を概略的に示す図である。昇温補助具６０は、加熱器６１を備える本体６２と、本体６２に設けられた温度センサ６３とを備える。加熱器６１は、例えば電気ヒータなど、適宜の加熱器であってもよい。加熱器６１は、本体６２がコールドヘッドシリンダ１５に挿入されたとき、二段冷却ステージ２４の側部２４ｂを効率的に加熱するために側部２４ｂに対向するように、本体６２の先端部に設けられていてもよい。温度センサ６３は、加熱器６１よりも本体６２の先端側に取り付けられている。温度センサ６３は、本体６２がコールドヘッドシリンダ１５に挿入されたとき、加熱器６１よりもコールドヘッドシリンダ１５の底面（すなわち、二段冷却ステージ２４の底部２４ａ）に接触することができる。図示されるように、温度センサ６３は、本体６２の底部に直接取り付けられていてもよい。

【0067】

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。

【0068】

上述の実施の形態では、昇温補助具６０がコールドヘッド１４の二段冷却ステージ２４を加熱する場合を例として説明しているが、昇温補助具６０は、コールドヘッド１４の一段冷却ステージ２０の加熱に用いることも可能である。その場合、昇温補助具６０がコールドヘッドシリンダ１５に挿入され、加熱器６１の温風吹出口６５は、一段冷却ステージ２０の側部に対向して配置され、温度センサ６３（または測温部６６ｂ）は、一段冷却ステージ２０の底部に接触して配置されてもよい。そして、加熱器６１を使用してコールドヘッドシリンダ１５が加熱されてもよい。温風４９は、加熱器６１の温風吹出口６５を通じて一段冷却ステージ２０の側部に向けて吹き出されてもよい。コールドヘッドシリンダ１５の加熱と同時に、温度センサ６３を使用してコールドヘッドシリンダ１５の温度（例えば、一段冷却ステージ２０の底部の温度）が測定されてもよい。

【0069】

上述の実施の形態では、極低温冷凍機１０が二段式のＧＭ冷凍機である場合を例として説明したが、極低温冷凍機１０は、単段式、または三段式など他の多段式のＧＭ冷凍機であってもよい。また、極低温冷凍機１０は、ＧＭ冷凍機には限られない。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極低温冷凍機であってもよい。

【0070】

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】

【0071】

１４ コールドヘッド、 １５ コールドヘッドシリンダ、 ４４ 温度センサ、 ４８ 温風発生器、 ４９ 温風、 ６０ 昇温補助具、 ６１ 加熱器、 ６２ 本体、 ６３ 温度センサ、 ６５ 温風吹出口、 ６６ 衝撃吸収材。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】