特開 2025-25881 極低温装置の初期冷却方法、および極低温装置

(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】P2025025881

(43)【公開日】2025-02-21

(54)【発明の名称】極低温装置の初期冷却方法、および極低温装置

(51)【国際特許分類】

   F25B 9/00 20060101AFI20250214BHJP

【ＦＩ】

F25B9/00 H

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023131090

(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】極低温装置の初期冷却時間の短縮を簡便に実現する。
【解決手段】極低温装置１０は、真空バルブ３４を備える真空容器３０と、第１冷却ステージ２２ａと、第１冷却ステージ２２ａよりも低温に冷却される第２冷却ステージ２２ｂとを備え、第１冷却ステージ２２ａおよび第２冷却ステージ２２ｂが真空容器３０内に配置されるように真空容器３０に設置される極低温冷凍機２０と、真空バルブ３４から直線経路３６でアクセス可能となるように真空容器３０内に配置され、第２冷却ステージ２２ｂに熱的に結合された第２伝熱端子５２と、を備える。極低温装置１０は、真空バルブ３４から直線経路３６でアクセス可能となるように真空容器３０内に配置され、第１冷却ステージ２２ａに熱的に結合された第１伝熱端子５０をさらに備えてもよい。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

極低温装置の初期冷却方法であって、前記極低温装置は、真空バルブを備える真空容器と、前記真空容器内に配置される第１冷却部および第２冷却部とを備え、前記第２冷却部は、前記第１冷却部よりも低温に冷却されるものであり、前記方法は、
伝熱体を備える冷却補助器具を前記真空バルブに取り付けることと、
前記真空バルブを通じて前記伝熱体を前記第２冷却部に物理的に接触させることと、
前記伝熱体を通じて前記第２冷却部を冷却することと、を備えることを特徴とする方法。

【請求項2】

前記冷却補助器具は、前記伝熱体に熱的に結合された冷却源をさらに備え、
前記冷却することは、前記冷却源を使用して、前記伝熱体を通じて前記第２冷却部を冷却することを備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記冷却源は、単段冷凍機、または極低温冷媒を備えることを特徴とする請求項２に記載の方法。

【請求項4】

前記極低温装置は、前記第１冷却部を冷却する第１冷却ステージと、前記第２冷却部を冷却する第２冷却ステージとを備える極低温冷凍機をさらに備え、
前記接触させることは、前記伝熱体を前記第１冷却部と前記第２冷却部の両方に物理的に接触させることを備え、
前記冷却することは、前記第１冷却ステージを冷却源として使用して、前記伝熱体を通じて前記第２冷却部を冷却することを備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項5】

極低温装置の初期冷却方法であって、前記極低温装置は、真空バルブを備える真空容器と、前記真空容器内に配置される第１冷却部および第２冷却部と、前記第１冷却部を冷却する第１冷却ステージと前記第２冷却部を冷却する第２冷却ステージとを備える極低温冷凍機と、を備え、前記第２冷却部は、前記第１冷却部よりも低温に冷却されるものであり、前記方法は、
接触具を備える冷却補助器具を前記真空バルブに取り付けることと、
前記第１冷却部を前記第２冷却部と熱的に結合するように、前記真空バルブを通じて前記接触具を前記第１冷却部と前記第２冷却部の少なくとも一方に物理的に接触させることと、
前記第１冷却ステージを冷却源として使用して前記第２冷却部を冷却することと、を備えることを特徴とする方法。

【請求項6】

前記冷却することの後に、前記冷却補助器具を前記真空バルブから取り外すこ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方法。

【請求項7】

真空バルブを備える真空容器と、
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冷却ステージおよび前記第２冷却ステージが前記真空容器内に配置されるように前記真空容器に設置される極低温冷凍機と、
前記真空バルブから直線経路でアクセス可能となるように前記真空容器内に配置され、前記第２冷却ステージに熱的に結合された伝熱端子と、を備えることを特徴とする極低温装置。

【請求項8】

前記真空バルブから直線経路でアクセス可能となるように前記真空容器内に配置され、前記第１冷却ステージに熱的に結合された追加の伝熱端子をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の極低温装置。

【請求項9】

前記伝熱端子および前記追加の伝熱端子のうち一方に可撓性伝熱体で接続され、前記伝熱端子および前記追加の伝熱端子のうち他方と接離可能に配置された仲介伝熱体をさらに備えることを特徴とする請求項８に記載の極低温装置。

【請求項10】

前記第１冷却ステージに熱的に結合され、前記第２冷却ステージを囲む輻射シールドをさらに備え、
前記輻射シールドは、シールド開口部を前記直線経路上に備えることを特徴とする請求項７から９のいずれかに記載の極低温装置。

【請求項11】

前記シールド開口部には、可動シャッターが設けられていることを特徴とする請求項１０に記載の極低温装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、極低温装置の初期冷却方法、および極低温装置に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば超伝導磁石装置など極低温で動作する極低温装置においては、装置の起動に際して、室温など初期温度から目標冷却温度に冷却する初期冷却が行われる。超伝導磁石による高磁場の提供など、極低温装置の利用は、初期冷却の完了後に可能となる。

【0003】

極低温装置には、極低温冷却のために、ギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機などの二段式の極低温冷凍機がよく用いられている。より低温に冷却される極低温冷凍機の第２段が超伝導コイルなどの極低温装置の被冷却物を冷却し、それよりも高温に冷却される極低温冷凍機の第１段が第２段の被冷却物への入熱を低減するための輻射シールドなど第１段の被冷却物を冷却する。第１段の冷凍能力は比較的大きいため、第１段の被冷却物の初期冷却は、比較的短い時間で行える。しかしながら、第２段の冷凍能力は一般に、第１段に比べてかなり小さいため、第２段の被冷却物の初期冷却には第１段に比べて長い時間を要しがちである。とくに、例えば大型の超伝導コイルを有する極低温装置では、初期冷却の所要時間がかなり長くなる場合がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平９－３１２２１０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

初期冷却時間を短くするために、極低温装置に様々な専用の機構をあらかじめ組み込んでおくことが提案されている。しかしながら、こうした専用の初期冷却機構は、初期冷却完了後の極低温装置の通常運転の場面では使用されないにもかかわらず、たいてい大掛かりであり、それが組み込まれた極低温装置のコストアップを招きがちである。また、極低温装置に組み込まれた初期冷却機構が極低温装置の通常運転中に万が一故障した場合には、初期冷却機構の修理や交換のために極低温装置の通常運転を中断しなければならないかもしれず、極低温装置の運用に大きな影響を与えうる。これを避けるために、初期冷却機構に高い信頼性を保証するように設計したとすると、それもまた装置のコスト増加につながりうる。

【0006】

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、極低温装置の初期冷却時間の短縮を簡便に実現することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明のある態様によると、極低温装置の初期冷却方法が提供される。極低温装置は、真空バルブを備える真空容器と、真空容器内に配置される第１冷却部および第２冷却部とを備える。第２冷却部は、第１冷却部よりも低温に冷却される。方法は、伝熱体を備える冷却補助器具を真空バルブに取り付けることと、真空バルブから伝熱体を真空容器内に挿入することと、伝熱体を第２冷却部に物理的に接触させることと、伝熱体を通じて第２冷却部を冷却することと、を備える。

【0008】

本発明のある態様によると、極低温装置の初期冷却方法が提供される。極低温装置は、真空バルブを備える真空容器と、真空容器内に配置される第１冷却部および第２冷却部と、第１冷却部を冷却する第１冷却ステージと第２冷却部を冷却する第２冷却ステージとを備える極低温冷凍機と、を備える。第２冷却部は、第１冷却部よりも低温に冷却される。方法は、接触具を備える冷却補助器具を真空バルブに取り付けることと、第１冷却部を第２冷却部と熱的に結合するように、真空バルブを通じて接触具を第１冷却部と第２冷却部の少なくとも一方に物理的に接触させることと、第１冷却ステージを冷却源として使用して第２冷却部を冷却することと、を備える。

【0009】

本発明のある態様によると、極低温装置は、真空バルブを備える真空容器と、第１冷却ステージと、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、第１冷却ステージおよび第２冷却ステージが真空容器内に配置されるように真空容器に設置される極低温冷凍機と、真空バルブから直線経路でアクセス可能となるように真空容器内に配置され、第２冷却ステージに熱的に結合された伝熱端子と、を備える。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、極低温装置の初期冷却時間の短縮を簡便に実現することができる。

【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模式的に示す図である。

【図2】実施の形態に係る冷却補助器具を模式的に示す図である。

【図3】実施の形態に係る極低温装置の初期冷却方法を模式的に示す図である。

【図4】図４（ａ）および図４（ｂ）は、実施の形態に係り、冷却補助器具の他の一例を模式的に示す図である。

【図5】図５（ａ）および図５（ｂ）は、実施の形態に係り、冷却補助器具および伝熱端子構造の他の一例を模式的に示す図である。

【図6】実施の形態に係り、極低温装置の他の一例を模式的に示す図である。

【図7】図７（ａ）および図７（ｂ）は、実施の形態に係り、極低温装置および冷却補助器具の他の一例を模式的に示す図である。

【図8】実施の形態に係り、極低温装置および冷却補助器具の他の一例を模式的に示す図である。

【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は、実施の形態に係る極低温装置１０を模式的に示す図である。極低温装置１０は、被冷却物１２と、被冷却物１２を冷却する極低温冷凍機２０と、極低温冷凍機２０が設置され、被冷却物１２を収容する真空容器３０とを備える。

【0014】

極低温装置１０は、超伝導磁石装置であってもよく、被冷却物１２は、超伝導コイルであってもよい。超伝導磁石装置は、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。なお、極低温装置１０は、極低温環境を利用する様々な装置であってもよく、被冷却物１２は、極低温環境で使用する例えばセンサなど様々な機器、さらにはこうした機器を冷却する例えばヘリウムなどの極低温冷媒であってもよい。

【0015】

極低温冷凍機２０は、冷媒ガス（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、それにより極低温冷却を提供する。極低温冷凍機２０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。極低温冷凍機２０は、極低温に冷却される低温部として、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、これら冷却ステージが真空容器３０内に配置されるようにして真空容器３０に設置されている。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（例えば、無酸素銅、タフピッチ銅などの純銅）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。極低温冷凍機２０の運転中、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。

【0016】

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、例えば被冷却物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。

【0017】

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。真空容器３０は、例えばクライオスタットであってもよい。真空領域３２は、真空容器３０内に定められ、外部環境１４は、大気領域であってもよい。被冷却物１２と極低温冷凍機２０の低温部は、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。

【0018】

通例、真空容器３０は、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する。よって、真空容器３０は、概ね平坦な円形状または円環状の天板３０ａおよび底板３０ｂと、これらを接続する円筒状の側壁（円筒状外周壁、または同軸配置された円筒状の外周壁および内周壁）３０ｃとを有する。図示の例では、極低温冷凍機２０は、真空容器３０の天板３０ａに設置されている。あるいは、極低温冷凍機２０は、真空容器３０の底板３０ｂなど他の部位に設置されてもよい。真空容器３０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。

【0019】

真空容器３０は、真空バルブ３４を備える。真空バルブ３４は、閉鎖されたとき真空容器３０内の真空領域３２の気密性を保持し、開放されたとき真空領域３２を外部環境１４に接続するように構成されている。真空バルブ３４は、例えば真空容器３０の側壁３０ｃに設けられている。あるいは、真空バルブ３４は、天板３０ａまたは底板３０ｂなど真空容器３０の他の壁に設けられてもよい。真空バルブ３４は、例えばバタフライバルブであってもよく、この場合、知られているように、円板状の弁体がその直径と一致しまたは平行な軸まわりに回転することにより開閉される。あるいは、真空バルブ３４は、ゲートバルブであってもよい。

【0020】

真空領域３２には、極低温冷凍機２０の低温部および被冷却物１２とともに、輻射シールド４０が配置される。輻射シールド４０は、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。輻射シールド４０は、第１冷却ステージ２２ａに直接取り付けられ、第１冷却ステージ２２ａと熱的に結合される。あるいは、輻射シールド４０は、可撓性または剛性をもつ伝熱部材を介して第１冷却ステージ２２ａに取り付けられてもよい。輻射シールド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。輻射シールド４０は、第２冷却温度に冷却される被冷却物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。

【0021】

被冷却物１２は、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。被冷却物１２は、第２冷却ステージ２２ｂに直接取り付けられ、または、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２２ｂと熱的に結合される。

【0022】

また、極低温装置１０は、真空バルブ３４から直線経路３６でアクセス可能となるように真空容器３０内に配置された第１伝熱端子５０および第２伝熱端子５２を備える。第１伝熱端子５０および第２伝熱端子５２は、輻射シールド４０の内側に配置されている。

【0023】

第１伝熱端子５０は、第１冷却ステージ２２ａ、または輻射シールド４０など、真空容器３０内で第１冷却温度に冷却される第１冷却部と熱的に結合されており、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。第２伝熱端子５２は、第２冷却ステージ２２ｂ、または被冷却物１２など、真空容器３０内で第２冷却温度に冷却される第２冷却部と熱的に結合されており、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。第１伝熱端子５０は、第１冷却部に剛に取り付けられ、第２伝熱端子５２は、第２冷却部に剛に取り付けられてもよい。第１伝熱端子５０は、第１冷却ステージ２２ａまたは輻射シールド４０に固定され、第２伝熱端子５２は、第２冷却ステージ２２ｂまたは被冷却物１２に固定されてもよい。これら伝熱端子は、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。

【0024】

第１伝熱端子５０と第２伝熱端子５２は、隔離隙間５４により互いに物理的に接触しないように隔てられている。よって、第１伝熱端子５０と第２伝熱端子５２は、熱的に結合されていない。ただし、後述のように、冷却補助器具６０を用いることで、これら２つの伝熱端子を熱的に結合することができる。隔離隙間５４の幅（すなわち、隔離隙間５４での第１伝熱端子５０と第２伝熱端子５２の距離）は、２つの伝熱端子の非接触を確実にするために、例えば、０．１ｍｍ以上、または１ｍｍ以上であってもよい。また、隔離隙間５４は、冷却補助器具６０を用いた伝熱端子間の接続を容易にするために、例えば、５ｍｍ以下、または２ｍｍ以下であってもよい。

【0025】

第１伝熱端子５０、第２伝熱端子５２および隔離隙間５４は、真空バルブ３４から直線経路３６に沿って真空容器３０内を見るとき視認できるように配置されている。輻射シールド４０にはシールド開口部４２が直線経路３６上に形成されているため、シールド開口部４２を通じて第１伝熱端子５０、第２伝熱端子５２および隔離隙間５４を真空バルブ３４から直接視認することができる。言い換えれば、外部環境１４からの真空バルブ３４を通じた２つの伝熱端子（および隔離隙間５４）へのアクセス用の作業空間３８が、真空容器３０内で直線経路３６に沿って真空バルブ３４と２つの伝熱端子との間に確保されている。

【0026】

この例のように、真空バルブ３４が側壁３０ｃに取り付けられている場合、真空バルブ３４は、側壁３０ｃ上で隔離隙間５４に合わせた高さ位置に設けられている。直線経路３６は、側壁３０ｃに垂直な方向、典型的には水平方向に平行となり、第１伝熱端子５０と第２伝熱端子５２は、隔離隙間５４により、直線経路３６に垂直な方向、例えば鉛直方向に離間されている。

【0027】

本書の冒頭で述べたように、極低温装置１０が使用される現場に据え付けられ、装置がはじめて起動されるとき、または、極低温装置１０のメンテナンス後に再び起動されるときには、極低温装置１０を初期温度（例えば室温など周囲温度）から極低温装置１０の運転が可能になる目標の極低温まで冷却する初期冷却が行われる。極低温装置１０を冷却する二段式の極低温冷凍機２０は、一般に、第１段の冷凍能力が比較的大きく、第２段の冷凍能力は第１段に比べてかなり小さい。例えば、第２段の冷凍能力は、第１段に比べて数十分の１でありうる。そのため、第２冷却部の初期冷却には時間がかかりがちである。初期冷却には、典型的に少なくとも数日以上、例えば大型の超伝導コイルであれば一週間以上もの長い時間を要しうる。

【0028】

そこで、この実施の形態では、初期冷却において、極低温冷凍機２０に加えて、冷却補助器具６０が使用される。冷却補助器具６０は、後述のように、第１伝熱端子５０と第２伝熱端子５２を熱的に結合することができる。初期冷却の間、極低温冷凍機２０の第１段の冷凍能力を利用して第２冷却部の冷却を補助することができ、初期冷却時間を短縮することができる。

【0029】

図２は、実施の形態に係る冷却補助器具６０を模式的に示す図である。冷却補助器具６０は、真空バルブ３４から真空容器３０内に挿入可能な接触具６２を備える。接触具６２は、伝熱体６２ａと支持柱６２ｂを備える。伝熱体６２ａは、支持柱６２ｂの先端に取り付けられている。伝熱体６２ａは、例えば、銅（例えば、無酸素銅、タフピッチ銅などの純銅）、アルミニウムなど高い熱伝導率をもつ金属材料で形成される。支持柱６２ｂは、例えばガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）などの断熱材料、または、伝熱体６２ａよりも低い熱伝導率をもつ低熱伝導材料（例えばステンレス鋼）で形成される。

【0030】

また、冷却補助器具６０は、真空バルブ３４に取付可能であり、接触具６２を支持する支持具６４を備える。支持具６４は、接触具６２（すなわち伝熱体６２ａ）を直線的に進退させるように伸縮可能である。また、支持具６４は、接触具６２が収容される冷却補助器具６０の内部空間６６の気密性を保持するように構成されている。

【0031】

より具体的には、支持具６４は、取付フランジ６４ａ、真空ベローズ６４ｂ、真空フランジ６４ｃを備える。取付フランジ６４ａは、内部空間６６の気密性を保持するように真空バルブ３４に取付可能である。真空ベローズ６４ｂは、その一端で取付フランジ６４ａに気密に接続され、他端で真空フランジ６４ｃに気密に接続されている。真空フランジ６４ｃ側の真空ベローズ６４ｂの端部は、真空フランジ６４ｃにより塞がれている。真空フランジ６４ｃには、接触具６２の支持柱６２ｂの他端（伝熱体６２ａとは反対側の端部）が取り付けられており、支持柱６２ｂは、真空ベローズ６４ｂ内でその中心軸方向に沿って真空フランジ６４ｃから取付フランジ６４ａの開口部に向かって延在している。したがって、真空ベローズ６４ｂの伸縮により、取付フランジ６４ａの開口部を通じて伝熱体６２ａを直線的に進退させることができる。なお、真空フランジ６４ｃと支持柱６２ｂは、互いに接続された別々の部品であってもよいし、一体化された単一の部品であってもよい。

【0032】

図３は、実施の形態に係る極低温装置１０の初期冷却方法を模式的に示す図である。この初期冷却方法では、まず、冷却補助器具６０が真空バルブ３４に取り付けられる（Ｓ１０）。冷却補助器具６０は、真空バルブ３４に取り外し可能に取り付けられる。真空バルブ３４への冷却補助器具６０の取り付けは、真空バルブ３４のフランジに、または真空バルブ３４を囲む真空容器３０の壁面に、例えばボルト等の締結具を用いて冷却補助器具６０の取付フランジ６４ａを締結することにより行われてもよい。冷却補助器具６０の取り付け前に、または取り付け後に、真空バルブ３４が開放される。なお、冷却補助器具６０を真空バルブ３４に取り付ける前に、真空容器３０は、真空バルブ３４を開くことにより、または真空容器３０に設けられた真空バルブ３４とは別のリリーフバルブ（図示せず）を開くことにより、大気開放されていてもよい。

【0033】

冷却補助器具６０が真空バルブ３４に取り付けられた後、真空容器３０は、図示しない真空ポンプを用いて真空排気される。真空バルブ３４が開放されているため、冷却補助器具６０の内部空間６６も真空容器３０とともに真空排気される。

【0034】

続いて、冷却補助器具６０の接触具６２が、真空バルブ３４から真空容器３０内に挿入される（Ｓ１２）。図示されるように、真空ベローズ６４ｂを縮めるように真空フランジ６４ｃが操作され、それにより、開放された真空バルブ３４を通じて接触具６２の先端の伝熱体６２ａが真空容器３０内へと進入する。伝熱体６２ａは、真空容器３０内の作業空間３８を上述の直線経路３６に沿って隔離隙間５４に向かって移動する。

【0035】

伝熱体６２ａは、第２冷却部に物理的に接触する（Ｓ１４）。この実施の形態では、伝熱体６２ａは、第１冷却部と第２冷却部の両方に物理的に接触する。図示されるように、伝熱体６２ａは、隔離隙間５４を架橋するようにして第１伝熱端子５０と第２伝熱端子５２の両方に接触する。これにより、極低温冷凍機２０の第１冷却ステージ２２ａと第２冷却ステージ２２ｂが、第１伝熱端子５０、伝熱体６２ａおよび第２伝熱端子５２を介して熱的に結合される。

【0036】

伝熱体６２ａは、隔離隙間５４を架橋するようにして第１伝熱端子５０と第２伝熱端子５２の両方に接触することができるサイズおよび形状を有する。伝熱体６２ａの長さＬ（図２参照）は、隔離隙間５４を架橋できるように、隔離隙間５４の幅（すなわち、隔離隙間５４での第１伝熱端子５０と第２伝熱端子５２の距離）よりも長い。伝熱体６２ａの長さは、例えば、１ｍｍ以上、または５ｍｍ以上であってもよい。伝熱体６２ａと２つの伝熱端子との間の良好な熱接触のためにこれらの接触面積を大きくするには、伝熱体６２ａの長さＬはなるべく長いことが望まれる。ただし、伝熱体６２ａの長さＬは、真空バルブ３４の開口部の直径に制約される。真空バルブ３４の開口径は例えば１００ｍｍ以下であることが多く、そのため、伝熱体６２ａの長さは、真空バルブ３４の開口部を通過することができるように、１００ｍｍ未満、または５０ｍｍ未満、または１０ｍｍ未満であってもよい。

【0037】

伝熱体６２ａが第１伝熱端子５０および第２伝熱端子５２に押し当てられた状態が維持されるように、冷却補助器具６０の真空フランジ６４ｃが操作される。例えば、真空フランジ６４ｃは、真空容器３０または真空バルブ３４に例えばねじ止め等により固定されてもよい。

【0038】

そして、伝熱体６２ａを通じて第２冷却部が冷却される（Ｓ１６）。極低温冷凍機２０の冷却運転が行われ、第１冷却ステージ２２ａ、第２冷却ステージ２２ｂがそれぞれ、初期温度（例えば室温など周囲温度）から第１冷却温度、第２冷却温度へと冷却されていく。第２冷却ステージ２２ｂが第１冷却温度に達するまでは、第１冷却ステージ２２ａを冷却源として使用して、第１伝熱端子５０、伝熱体６２ａおよび第２伝熱端子５２を通じて、第２冷却ステージ２２ｂ、被冷却物１２など第２冷却部を冷却することができる。なお、第１冷却ステージ２２ａ、第２冷却ステージ２２ｂの冷却温度は、各冷却ステージに設けられた温度センサ（図示せず）により把握されてもよい。

【0039】

冷却後、冷却補助器具６０は、真空バルブ３４から取り外される。第２冷却部の冷却温度が第１冷却温度に到達した後は、冷却補助器具６０を取り外すことができる。冷却補助器具６０の取り外しは、上述の取り付けとは逆の手順で行うことができる。すなわち、伝熱体６２ａを２つの伝熱端子から離し、伝熱体６２ａを真空バルブ３４を通じて真空容器３０の外に引き抜くように、冷却補助器具６０を操作することができる。第１伝熱端子５０と第２伝熱端子５２の熱的な結合は解除される。伝熱体６２ａが真空バルブ３４から外に取り出された後、真空バルブ３４が閉鎖され、冷却補助器具６０が真空バルブ３４から撤去される。

【0040】

こうして、極低温装置１０は、図１に示される状態に戻る。第１冷却部は第１冷却ステージ２２ａによって第１冷却温度に維持される一方、第２冷却部は第２冷却ステージ２２ｂによってさらに冷却され、最終的には第２冷却温度へと冷却される。その後、極低温装置１０は通常運転を開始することができる。

【0041】

したがって、実施の形態によると、冷却補助器具６０を用いて極低温装置１０の初期冷却時間を短くすることができる。つまり、初期冷却の間、冷却補助器具６０の伝熱体６２ａで第１伝熱端子５０と第２伝熱端子５２を熱的に結合し、極低温冷凍機２０の第１段の冷凍能力を利用して第２冷却部の冷却を補助し、それにより初期冷却時間を短縮することができる。

【0042】

既存技術では、初期冷却時間を短くするために、極低温装置に様々な専用の機構をあらかじめ組み込んでおくことが提案されている。しかしながら、こうした専用の初期冷却機構は、初期冷却完了後の極低温装置の通常運転の場面では使用されないにもかかわらず、たいてい大掛かりであり、それが組み込まれた極低温装置のコストアップを招きがちである。また、極低温装置に組み込まれた初期冷却機構が極低温装置の通常運転中に万が一故障した場合には、初期冷却機構の修理や交換のために極低温装置の通常運転を中断しなければならないかもしれず、極低温装置の運用に大きな影響を与えうる。これを避けるために、初期冷却機構に高い信頼性を保証するように設計したとすると、それもまた装置のコスト増加につながりうる。

【0043】

これに対して、実施の形態によると、冷却補助器具６０は初期冷却に限り極低温装置１０に取り付けられるにすぎない。冷却補助器具６０は初期冷却後に極低温装置１０から取り外される。極低温装置１０は、図１に示されるように、専用の初期冷却機構を持つ必要が無い。極低温装置１０のコストを抑えることができる。また、極低温装置１０は、通常運転中に初期冷却機構の故障に悩まされることがない。

【0044】

また、冷却補助器具６０は、極低温装置１０から取り外された後、この極低温装置１０で以降に行われ得る初期冷却に、または別の極低温装置での初期冷却に、再利用することができる。

【0045】

図４（ａ）および図４（ｂ）は、実施の形態に係り、冷却補助器具６０の他の一例を模式的に示す図である。冷却補助器具６０は、図４（ａ）に示される格納状態と、図４（ｂ）に示される展開状態とを切り替え可能であってもよい。冷却補助器具６０の接触具６２は、伝熱体６２ａと支持柱６２ｂとを備える。伝熱体６２ａは、支持柱６２ｂの先端に折り畳み可能に（例えば、回動可能に）取り付けられている。なお、図を見やすくするために、例えば真空ベローズ６４ｂなど冷却補助器具６０の他の構成要素の図示は省略されている。

【0046】

格納状態においては、図４（ａ）に示されるように、伝熱体６２ａは、真空バルブ３４を通過することができるように、支持柱６２ｂに沿って折り畳まれている。格納状態を保持するために、伝熱体６２ａは、ばね６２ｃで支持柱６２ｂに引き寄せられていてもよい。

【0047】

冷却補助器具６０の展開状態においては、図４（ｂ）に示されるように、伝熱体６２ａは、伝熱端子（例えば、第１伝熱端子５０、または第２伝熱端子５２）に対向するように、支持柱６２ｂから展開される。伝熱体６２ａは、接触具６２が真空バルブ３４を通じて真空容器３０内に挿入されて伝熱端子に突き当てられることにより展開されてもよい。伝熱体６２ａの長さＬは、真空バルブ３４の開口径よりも大きくてもよく、展開状態において伝熱体６２ａは真空バルブ３４を通過することはできない。展開された伝熱体６２ａは、隔離隙間５４を架橋するようにして第１伝熱端子５０と第２伝熱端子５２の両方に接触する。このように、伝熱体６２ａを可動式とすることにより、伝熱体６２ａと伝熱端子との接触面積を広くすることができ、初期冷却での伝熱体６２ａと伝熱端子との熱接触をより良好にすることができる。

【0048】

図５（ａ）および図５（ｂ）は、実施の形態に係り、冷却補助器具６０および伝熱端子構造の他の一例を模式的に示す図である。図５（ａ）には、開放された真空バルブ３４に冷却補助器具６０が取り付けられ、接触具６２がまだ挿入されていない状態が示されている。よって、図５（ａ）では、第１伝熱端子５０と第２伝熱端子５２は、物理的に接触せず、熱的に結合されていない。

【0049】

図５（ａ）に示されるように、仲介伝熱体６８が、第１伝熱端子５０に可撓性伝熱体７０で接続され、第２伝熱端子５２と接離可能に配置されている。仲介伝熱体６８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。冷却補助器具６０が無いときに仲介伝熱体６８が第２伝熱端子５２と物理的に接触しないことを確実にするために、ばね７２が設けられていてもよい。ばね７２は、仲介伝熱体６８が第２伝熱端子５２から離れた位置に保持されるように仲介伝熱体６８を第１伝熱端子５０に接続する。

【0050】

冷却補助器具６０の接触具６２は、支持柱６２ｂを有する。支持柱６２ｂは、上述のように、断熱材料または低熱伝導材料で形成されてもよい図示されるように、接触具６２は、伝熱体６２ａを備えなくてもよい。

【0051】

図５（ｂ）には、第１伝熱端子５０と第２伝熱端子５２が物理的に接触し熱的に結合された状態が示されている。真空ベローズ６４ｂの収縮により接触具６２（すなわち支持柱６２ｂ）が真空バルブ３４を通じて真空容器３０内に挿入され、支持柱６２ｂの先端が仲介伝熱体６８に接触し、仲介伝熱体６８が第２伝熱端子５２と物理的に接触する。仲介伝熱体６８が接触具６２により第２伝熱端子５２に押し付けられ、隔離隙間５４が架橋され、第１伝熱端子５０と第２伝熱端子５２が熱的に結合される。このようにして、真空バルブ３４を通じて接触具６２を第１冷却部に物理的に接触させ、第１冷却部を第２冷却部と熱的に結合することができる。よって、上述の実施の形態と同様に、第１冷却ステージ２２ａを冷却源として使用して第２冷却部を冷却することができる。

【0052】

なお、図示される例とは逆に、仲介伝熱体６８は、第２伝熱端子５２に可撓性伝熱体７０で接続され、第１伝熱端子５０と接離可能に配置されていてもよい。ばね７２は、仲介伝熱体６８が第１伝熱端子５０から離れた位置に保持されるように仲介伝熱体６８を第２伝熱端子５２に接続してもよい。この場合、支持柱６２ｂの先端が仲介伝熱体６８に接触し、仲介伝熱体６８が第１伝熱端子５０と物理的に接触する。仲介伝熱体６８が接触具６２により第１伝熱端子５０に押し付けられ、第１伝熱端子５０と第２伝熱端子５２が熱的に結合される。このようにして、真空バルブ３４を通じて接触具６２を第２冷却部に物理的に接触させ、第１冷却部を第２冷却部と熱的に結合し、第１冷却ステージ２２ａを冷却源として使用して第２冷却部を冷却することができる。

【0053】

図６は、実施の形態に係り、極低温装置１０の他の一例を模式的に示す図である。輻射シールド４０のシールド開口部４２には、可動シャッター４４が設けられていてもよい。可動シャッター４４は、図６において矢印４６で模式的に示されるように、シールド開口部４２を開閉するように構成されている。冷却補助器具６０が真空バルブ３４に取り付けられ、冷却補助器具６０により第１伝熱端子５０と第２伝熱端子５２を熱的に結合するときには、可動シャッター４４は開かれる。これにより、冷却補助器具６０は真空バルブ３４およびシールド開口部４２を通じて第１伝熱端子５０と第２伝熱端子５２にアクセスすることができる。一方、冷却補助器具６０が真空バルブ３４から取り外されているときには、可動シャッター４４は閉鎖される。これにより、シールド開口部４２を通じた第２冷却部（例えば、極低温冷凍機２０の第２冷却ステージ２２ｂ）への熱の侵入を可動シャッター４４により遮蔽することができる。

【0054】

図６に示される可動シャッター４４は、図１から図３の実施の形態、図４（ａ）および図４（ｂ）の実施の形態、および図５（ａ）および図５（ｂ）の実施の形態に適用されてもよい。あるいは、図６に示される可動シャッター４４は、後述の図７（ａ）および図７（ｂ）の実施の形態に適用されてもよい。

【0055】

図７（ａ）および図７（ｂ）は、実施の形態に係り、極低温装置１０および冷却補助器具６０の他の一例を模式的に示す図である。図７（ａ）には、冷却補助器具６０が取り付けられた状態の極低温装置１０が示され、図７（ｂ）には、極低温装置１０から取り外された状態の冷却補助器具６０が示されている。

【0056】

図７（ａ）に示されるように、極低温装置１０は、上述の実施の形態と同様に、被冷却物１２と、被冷却物１２を冷却する極低温冷凍機２０と、極低温冷凍機２０が設置され、被冷却物１２を収容する真空容器３０とを備える。極低温冷凍機２０は、第１冷却温度に冷却される第１冷却ステージ２２ａと、第１冷却温度より低い第２冷却温度に冷却される第２冷却ステージ２２ｂとを備える。真空容器３０の壁には、真空バルブ３４が設けられている。真空容器３０内には、第１冷却ステージ２２ａによって冷却され、被冷却物１２および第２冷却ステージ２２ｂを囲む輻射シールド４０が配置されている。被冷却物１２は、第２冷却ステージ２２ｂによって冷却される。

【0057】

また、極低温装置１０は、真空バルブ３４から直線経路３６でアクセス可能となるように真空容器３０内に配置された伝熱端子７４を備える。伝熱端子７４は、輻射シールド４０の内側に配置されている。伝熱端子７４は、第２冷却ステージ２２ｂ、または被冷却物１２など、真空容器３０内で第２冷却温度に冷却される第２冷却部と熱的に結合されており、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。伝熱端子７４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。

【0058】

図７（ｂ）に示されるように、冷却補助器具６０は、伝熱体６２ａと、伝熱体に熱的に結合された冷却源７６と、冷却源７６を収容するクライオスタット７８とを備える。伝熱体６２ａ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。冷却源７６は、例えば、単段式の極低温冷凍機（例えば、単段ＧＭ冷凍機）であってもよい。冷却源７６は、極低温冷凍機２０の第１冷却ステージ２２ａと同様に、第１冷却温度への極低温冷却を提供してもよい。あるいは、冷却源７６は、第１冷却温度よりも低い冷却温度（例えば、上述の第２冷却温度、または第２冷却温度よりも高い冷却温度）への極低温冷却を提供してもよい。

【0059】

また、冷却補助器具６０は、真空バルブ３４に取付可能であり、伝熱体６２ａを支持する支持具６４を備える。支持具６４は、伝熱体６２ａを直線的に進退させるように伸縮可能であり、伝熱体６２ａが収容される冷却補助器具６０の内部空間６６の気密性を保持するように構成されている。支持具６４は、取付フランジ６４ａと真空ベローズ６４ｂとを備え、クライオスタット７８の一部を構成する。取付フランジ６４ａは、内部空間６６の気密性を保持するように真空バルブ３４に取付可能である。真空ベローズ６４ｂは、その一端で取付フランジ６４ａに気密に接続され、他端でクライオスタット７８に気密に接続されている。伝熱体６２ａの基端は、冷却源７６と熱的に結合され（例えば、単段式の極低温冷凍機の冷却ステージに取り付けられ）、真空ベローズ６４ｂ内でその中心軸方向に沿って取付フランジ６４ａの開口部に向かって延在している。したがって、真空ベローズ６４ｂの伸縮により、取付フランジ６４ａの開口部を通じて伝熱体６２ａを直線的に進退させることができる。

【0060】

図７（ａ）および図７（ｂ）に示される極低温装置１０および冷却補助器具６０を用いる初期冷却方法においては、まず、冷却補助器具６０が真空バルブ３４に取り付けられる。冷却補助器具６０は、真空バルブ３４から取り外し可能である。冷却補助器具６０の取り付け前に、または取り付け後に、真空バルブ３４が開放される。冷却補助器具６０が真空バルブ３４に取り付けられた後、真空容器３０は、図示しない真空ポンプを用いて真空排気される。真空バルブ３４が開放されているため、冷却補助器具６０の内部空間６６も真空容器３０とともに真空排気される。

【0061】

続いて、冷却補助器具６０の伝熱体６２ａが、真空バルブ３４から真空容器３０内に挿入される。真空ベローズ６４ｂを縮めるようにクライオスタット７８が操作され、それにより、開放された真空バルブ３４を通じて伝熱体６２ａが真空容器３０内へと進入する。伝熱体６２ａは、直線経路３６に沿って隔離隙間５４に向かって移動する。そして、伝熱体６２ａは、第２冷却部、具体的には、伝熱端子７４に物理的に接触する。これにより、冷却源７６が伝熱体６２ａと伝熱端子７４を介して極低温冷凍機２０の第２冷却ステージ２２ｂと熱的に結合される。

【0062】

次に、伝熱体６２ａを通じて第２冷却部が冷却される。冷却源７６の冷却運転により、極低温冷凍機２０の第２冷却ステージ２２ｂは、初期温度（例えば室温など周囲温度）から冷却源７６の冷却温度へと冷却されていく。このとき、極低温冷凍機２０の冷却運転も行われる。こうして、極低温装置１０の第１冷却部、第２冷却部はそれぞれ、第１冷却温度、第２冷却温度へと冷却される。

【0063】

冷却後、冷却補助器具６０は、真空バルブ３４から取り外される。冷却補助器具６０の取り外しは、上述の取り付けとは逆の手順で行われる。すなわち、伝熱体６２ａを伝熱端子７４から離し、伝熱体６２ａを真空バルブ３４を通じて真空容器３０の外に引き抜くように、冷却補助器具６０が操作される。伝熱体６２ａと伝熱端子７４の熱的な結合は解除される。伝熱体６２ａが真空バルブ３４から外に取り出された後、真空バルブ３４が閉鎖され、冷却補助器具６０が真空バルブ３４から撤去される。このようにしても、上述の実施の形態と同様に、極低温装置１０の初期冷却時間の短縮を簡便に実現することができる。

【0064】

単段式の極低温冷凍機に代えて、またはそれに加えて、図８に示されるように、冷却源７６は、極低温冷媒、例えば液体窒素などの極低温液体を備えてもよい。この場合、冷却源７６は、伝熱体６２ａと熱的に結合され、極低温冷媒８２を貯えるように構成された極低温冷媒槽８０を備えてもよい。あるいは、冷却源７６は、伝熱体６２ａと熱的に結合され、内部を極低温冷媒が流れるように構成された冷却配管を備えてもよい。

【0065】

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。

【0066】

上述の実施の形態では、真空ベローズ６４ｂの伸縮により、接触具６２、または伝熱体６２ａが真空バルブ３４に対し進退す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。ある実施の形態においては、冷却補助器具６０は、伝熱体６２ａと支持柱６２ｂとを備える接触具６２と、真空バルブ３４に取付可能であり、接触具６２を支持する支持具６４と、を備え、支持柱６２ｂが伝熱体６２ａを真空バルブ３４に対し進退させるように伸縮可能であってもよい。支持具６４は、取付フランジ６４ａおよび真空フランジ６４ｃと、取付フランジ６４ａと真空フランジ６４ｃとを接続し、内部に接触具６２を収容する筒部材とを備えてもよい。

【0067】

上述の実施の形態では、極低温冷凍機２０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２０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２０は、ＧＭ冷凍機には限られない。極低温冷凍機２０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。

【0068】

上述の実施の形態では、極低温装置１０は、被冷却物１２を極低温冷凍機２０で直接冷却する伝導冷却式で構成されている。しかし、ある実施の形態においては、極低温装置１０は、被冷却物１２を液体ヘリウムなどの極低温冷媒に浸して冷却する浸漬冷却式で構成されてもよい。

【0069】

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】

【0070】

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、 ３０ 真空容器、 ３４ 真空バルブ、 ３６ 直線経路、 ３８ 作業空間、 ４０ 輻射シールド、 ４２ シールド開口部、 ４４ 可動シャッター、 ５０ 第１伝熱端子、 ５２ 第２伝熱端子、 ５４ 隔離隙間、 ６０ 冷却補助器具、 ６２ 接触具、 ６２ａ 伝熱体、 ６４ 支持具、 ６４ａ 取付フランジ、 ６４ｂ 真空ベローズ、 ６４ｃ 真空フランジ、 ６８ 仲介伝熱体、 ７０ 可撓性伝熱体、 ７４ 伝熱端子、 ７６ 冷却源。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】