特許 7068032 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】

(24)【登録日】2022-05-06

(45)【発行日】2022-05-16

(54)【発明の名称】極低温冷却装置

(51)【国際特許分類】

   F25B 9/00 20060101AFI20220509BHJP

【ＦＩ】

F25B9/00 Z

F25B9/00 A

F25B9/00 F

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2018095373

(22)【出願日】2018-05-17

(65)【公開番号】P2019200003

(43)【公開日】2019-11-21

【審査請求日】2021-02-01

(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】高橋 政彦

(72)【発明者】

【氏名】根塚 隼人

【審査官】庭月野 恭

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２００５／０２２９６２０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開平０３－０９４４８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－１７２５９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６３－１３５７６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－１４２２４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０４２０００（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－１３０３３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０４－１１５５０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－１９４２５８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２５Ｂ ９／００

Ｈ０１Ｆ ５／００，６／０４

Ｈ０１Ｌ ３９／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

真空可能な気密空間を形成するとともに第１被冷却体を内部収容する真空容器と、
前記真空容器に設けられた開口の周縁部に接続し、外周が大気に接し、内周が前記気密空間に連通する伸縮自在な連通空間を形成する第１ベローズと、
前記真空容器の開口とは反対側の前記第１ベローズの先端に設けられ冷凍機を固定するフランジと、
前記冷凍機を挿入させる前記フランジの開口の周縁部に接続し、外周が前記気密空間に接し、内周が前記冷凍機を収容する第１収容空間を形成する第１スリーブと、
前記フランジとは反対側の前記第１スリーブの先端に設けられ、前記冷凍機の第１冷熱ブロックが当接し前記第１被冷却体に熱的に連結する第１伝熱ブロックと、
前記第１スリーブの一部に形成され、挿入された前記冷凍機に応じて前記第１収容空間を伸縮させる第２ベローズと、を備え、
前記第１スリーブには、前記第２ベローズの伸長量を規制する規制部材が設けられており、この規制部材は、
前記第２ベローズを挟むように前記第１スリーブに配置される一対の支持部材と、
いずれか一方の前記支持部材に一端が固定され他端が他方の支持部材に挿通される柱材と、
前記支持部材に挿通する前記柱材の一端に設けられ抜け落ちを防止するストッパと、
前記支持部材及び前記ストッパを弾性的に連結する付勢部材と、を有していることを特徴とする極低温冷却装置。

【請求項2】

請求項１に記載の極低温冷却装置において、
前記第２ベローズの外周は、前記連通空間を形成していることを特徴とする極低温冷却装置。

【請求項3】

真空可能な気密空間を形成するとともに第１被冷却体を内部収容する真空容器と、
前記真空容器に設けられた開口の周縁部に接続し、外周が大気に接し、内周が前記気密空間に連通する伸縮自在な連通空間を形成する第１ベローズと、
前記真空容器の開口とは反対側の前記第１ベローズの先端に設けられ冷凍機を固定するフランジと、
前記冷凍機を挿入させる前記フランジの開口の周縁部に接続し、外周が前記気密空間に接し、内周が前記冷凍機を収容する第１収容空間を形成する第１スリーブと、
前記フランジとは反対側の前記第１スリーブの先端に設けられ、前記冷凍機の第１冷熱ブロックが当接し前記第１被冷却体に熱的に連結する第１伝熱ブロックと、
前記第１スリーブの一部に形成され、挿入された前記冷凍機に応じて前記第１収容空間を伸縮させる第２ベローズと、を備え、
前記第１被冷却体は、前記気密空間に収容されている第２被冷却体を包囲する熱シールド部材であり、
前記冷凍機には、第１冷熱ブロックよりも低温に設定される第２冷熱ブロックがさらに設けられており、
前記冷凍機を挿入させる前記第１伝熱ブロックの開口の周縁部に接続し、外周が前記熱シールド部材の内側の前記気密空間に接し、内周が前記冷凍機を収容する第２収容空間を形成する第２スリーブと、
前記第１伝熱ブロックとは反対側の前記第２スリーブの先端に設けられ、前記冷凍機の第２冷熱ブロックが当接し前記第２被冷却体に熱的に連結する第２伝熱ブロックと、
前記第２スリーブの一部に形成され、挿入された前記冷凍機に応じて前記第２収容空間を伸縮させる第３ベローズと、を備え、
前記第２スリーブには、前記第３ベローズの伸長量を規制する規制部材が設けられており、この規制部材は、
前記第３ベローズを挟むように前記第２スリーブに配置される一対の支持部材と、
いずれか一方の前記支持部材に一端が固定され他端が他方の支持部材に挿通される柱材と、
前記支持部材に挿通する前記柱材の一端に設けられ抜け落ちを防止するストッパと、
前記支持部材及び前記ストッパを弾性的に連結する付勢部材と、を有していることを特徴とする極低温冷却装置。

【請求項4】

請求項３に記載の極低温冷却装置において、
前記第１スリーブには、前記第２ベローズの伸長量を規制する規制部材が設けられていることを特徴とする極低温冷却装置。

【請求項5】

請求項３に記載の極低温冷却装置において、
前記第２被冷却体は超電導コイルであって、
この超電導コイルと前記第２伝熱ブロックとは、高純度アルミ又は銅を用いたフレキシブルな伝熱板を介して熱的に連結していることを特徴とする極低温冷却装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、被冷却体を極低温に冷却する極低温冷却装置に関する。

【背景技術】

【0002】

超電導状態を維持するために、超電導マグネット等の被冷却体を、液体ヘリウム等の寒剤又は冷凍機を用いて、８０Ｋ以下の極低温に安定的に冷却する技術が求められている。このうち、冷凍機を用いる冷却方法は取扱いが容易であることから、近年適用範囲が拡大している。

【0003】

ところでこの冷凍機は、摺動シールの交換等のメンテナンスが年１回程度必要であり、そのメンテナンス作業は、分解により中身を取り出す必要がある。超電導マグネットが冷却された状態でメンテナンス作業を実施すると、冷凍機の内部が氷結しその性能が低下するおそれがある。

【0004】

このため、超電導マグネットを室温まで昇温する必要があるが、大型の超電導マグネットの再冷却には時間がかかり、中には数週間を要する場合もある。そこで、超電導マグネットの冷却を維持した状態で、冷凍機を交換する極低温冷却装置が提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２００４－５３０６８号公報

【文献】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、冷却を維持した状態で冷凍機を交換する従来の極低温冷却装置では、機器の組立の誤差や熱収縮によるずれにより接触が不十分となり、冷凍機で発生した冷熱の伝導性が悪化するために、被冷却体の冷却性能が低下する課題がある。

【0007】

本発明の実施形態はこのような事情を考慮してなされたもので、冷却を維持した状態で冷凍機を交換することができ、かつ被冷却体の冷却性能に優れ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】

実施形態に係る極低温冷却装置において、真空可能な気密空間を形成するとともに第１被冷却体を内部収容する真空容器と、前記真空容器に設けられた開口の周縁部に接続し外周が大気に接し内周が前記気密空間に連通する伸縮自在な連通空間を形成する第１ベローズと、前記真空容器の開口とは反対側の前記第１ベローズの先端に設けられ冷凍機を固定するフランジと、前記冷凍機を挿入させる前記フランジの開口の周縁部に接続し外周が前記気密空間に接し内周が前記冷凍機を収容する第１収容空間を形成する第１スリーブと、前記フランジとは反対側の前記第１スリーブの先端に設けられ前記冷凍機の第１冷熱ブロックが当接し前記第１被冷却体に熱的に連結する第１伝熱ブロックと、前記第１スリーブの一部に形成され挿入された前記冷凍機に応じて前記第１収容空間を伸縮させる第２ベローズと、を備え、前記第１スリーブには、前記第２ベローズの伸長量を規制する規制部材が設けられており、この規制部材は、前記第２ベローズを挟むように前記第１スリーブに配置される一対の支持部材と、いずれか一方の前記支持部材に一端が固定され他端が他方の支持部材に挿通される柱材と、を有していることを特徴とする。さらには、前記第１被冷却体は、前記気密空間に収容されている第２被冷却体を包囲する熱シールド部材であり、前記冷凍機には、第１冷熱ブロックよりも低温に設定される第２冷熱ブロックがさらに設けられており、前記冷凍機を挿入させる前記第１伝熱ブロックの開口の周縁部に接続し、外周が前記熱シールド部材の内側の前記気密空間に接し、内周が前記冷凍機を収容する第２収容空間を形成する第２スリーブと、前記第１伝熱ブロックとは反対側の前記第２スリーブの先端に設けられ、前記冷凍機の第２冷熱ブロックが当接し前記第２被冷却体に熱的に連結する第２伝熱ブロックと、前記第２スリーブの一部に形成され、挿入された前記冷凍機に応じて前記第２収容空間を伸縮させる第３ベローズと、を備え、前記第２スリーブには、前記第３ベローズの伸長量を規制する規制部材が設けられており、この規制部材は、前記第３ベローズを挟むように前記第２スリーブに配置される一対の支持部材と、いずれか一方の前記支持部材に一端が固定され他端が他方の支持部材に挿通される柱材と、を有していることを特徴とする。

【発明の効果】

【0009】

本発明の実施形態によれば、冷却を維持した状態で冷凍機を交換することができ、かつ被冷却体の冷却性能に優れ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】本発明の第１実施形態に係る極低温冷却装置を示す構成図。

【図2】第１実施形態に係る極低温冷却装置から冷凍機を取り外した状態の説明図。

【図3】（Ａ）第１実施形態に係る極低温冷却装置に冷凍機を装着した状態の説明図、（Ｂ）比較例として第１ベローズが装備されていない極低温冷却装置に冷凍機を装着した状態の説明図。

【図4】（Ａ）比較例として連通空間が第１ベローズにより形成されない極低温冷却装置の冷却特性の説明図、（Ｂ）第１実施形態に係る極低温冷却装置の実施例１に関する冷却特性の説明図、（Ｃ）第１実施形態に係る極低温冷却装置の実施例２に関する冷却特性の説明図。

【図5】本発明の第２実施形態に係る極低温冷却装置を示す構成図。

【図6】第２実施形態に係る極低温冷却装置から冷凍機を取り外した状態の説明図。

【図7】ベローズの伸長量を規制する規制部材の構成図。

【発明を実施するための形態】

【0011】

（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る極低温冷却装置１０Ａ（１０）を示す構成図である。図２は第１実施形態に係る極低温冷却装置１０Ａから冷凍機２０を取り外した状態の説明図である。

【0012】

図１に示すように極低温冷却装置１０Ａは（適宜、図２参照）、真空可能な気密空間１５を形成するとともに被冷却体１１を内部収容する真空容器１６と、この真空容器１６に設けられた開口１７の周縁部に接続し外周が大気に接し内周が気密空間１５に連通する伸縮自在な連通空間１８を形成する第１ベローズ３１と、この真空容器の開口１７とは反対側の第１ベローズ３１の先端に設けられ冷凍機２０を固定するフランジ３４と、冷凍機２０Ａを挿入させるフランジの開口３５の周縁部に接続し外周が気密空間１５に接し内周が冷凍機２０Ａを収容する収容空間４１を形成するスリーブ５１と、フランジ３４とは反対側のスリーブ５１の先端に設けられ冷凍機２０Ａの冷熱ブロック２１が当接し被冷却体１１に熱的に連結する伝熱ブロック６１と、スリーブ５１の一部に形成され挿入された冷凍機２０Ａに応じて収容空間４１を伸縮させる第２ベローズ３２と、を備えている。

【0013】

真空容器１６の内部には、支持部材（図示略）により固定された被冷却体１１が内部収容されている。この支持部材（図示略）は、真空容器１６の外部から被冷却体１１への熱移動が極力少なくなるように、機械剛性を維持しつつ熱伝導率が小さくなるように材料及び形状が選定される。そして真空容器１６の内部を真空装置（図示略）で減圧し、この被冷却体１１を真空断熱することにより、気密空間１５を介する真空容器１６から被冷却体１１への熱の伝わりを抑制することができる。

【0014】

図２に示すように、冷凍機２０Ａは、一段式の冷凍機であって、その外観は、駆動部２３と、取付フランジ２４と、冷却シリンダ２５と、コールドヘッド２６とから構成されている。冷凍機２０Ａは、冷却シリンダ２５の内部で作動ガスを断熱膨張させ、その先端のコールドヘッド２６に７０～４０Ｋの冷熱を発生させる。冷凍機２０Ａの種類としては、ＧＭ冷凍機（ギボード・マクマホン（Gifford-McMahon）冷凍機）、ソルベイ冷凍機、パルスチューブ冷凍機等が挙げられる。

【0015】

コールドヘッド２６には、円錐状の接触面２１ａを有する冷熱ブロック２１が設けられている。この冷熱ブロック２１の接触面２１ａは、これと反対形状を有する伝熱ブロック６１の接触面６１ａに接触し、冷凍機２０で発生させた冷熱をこの伝熱ブロック６１に伝達する。このような構成を有する冷凍機２０は、気密空間１５を大気圧に戻す必要が無く真空状態のままで、冷却装置１０に対し着脱される。

【0016】

図２を参照して、極低温冷却装置１０Ａの本体側の構成を説明する。
フランジ３４は、その開口３５に挿入される冷凍機２０Ａの取付フランジ２４とボルト（図示略）等により気密に締結される。このフランジ３４の開口３５の周縁には、スリーブ５１の一端が溶接等により接続されている。さらにフランジ３４の外周縁には、第１ベローズ３１の一端が接続されている。

【0017】

第１ベローズ３１は、一端が真空容器１６の開口１７の周縁部に接続され、他端がフランジ３４の外周縁に接続されている。この第１ベローズ３１は、真空容器１６に対してフランジ３４を、弾性的に支持している。これにより第１ベローズ３１は、その内周面とスリーブ５１の外周面とフランジ３４の底面とにより、気密空間１５に連通する伸縮自在な連通空間１８を形成している。

【0018】

このように第１ベローズ３１が構成されていることで、真空容器１６の気密空間１５の気密性とスリーブ５１の収容空間４１の気密性とを維持したまま、冷凍機２０Ａの真空容器１６に対する相対的な固定位置を調整することができる。

【0019】

スリーブ５１は、一端がフランジ３４の開口３５の周縁部に接続され、他端が伝熱ブロック６１の外周縁に接続されている。そして、このスリーブ５１の内周面及び伝熱ブロック６１の上面は、フランジ３４の開口３５から挿入される冷凍機２０Ａを収容する収容空間４１を形成する。なお、この収容空間４１は、冷凍機２０の取付フランジ２４によりフランジ３４の開口３５が気密に封止されることにより、被冷却体１１が存在する気密空間１５や外気から隔離された密閉空間となる。

【0020】

第２ベローズ３２は、スリーブ５１の胴体の一部に形成され、この胴体を弾性的に伸縮させる。スリーブ５１の胴体の一部が第２ベローズ３２で形成されていることにより、挿入された冷凍機２０Ａに応じて収容空間４１を伸縮させることができる。これにより冷凍機２０の寸法誤差、挿入角度のずれ、又は冷却時の熱収縮によるずれや冷熱ブロック２１の装着ずれが吸収され、収容空間４１の気密性と冷熱ブロック２１及び伝熱ブロック６１の接触性とを両立させることができる。

【0021】

伝熱ブロック６１は、冷熱ブロックの接触面２１ａとは反転形状を有する接触面６１ａを有しており、この接触面６１ａの外縁に、スリーブ５１の一端が接続されている。そして伝熱ブロック６１は、接触面６１ａの反対面において被冷却体１１に接続し、冷凍機２０と被冷却体１１とを熱的に連結している。

【0022】

収容空間４１には、冷凍機２０が発生した冷熱が伝熱ブロック６１に効率的に伝達されるように、設定温度域において気相状態で熱伝導率の大きいガス（例えば、ヘリウムガス）等が充填される。収容空間４１に収容された冷凍機２０Ａの冷熱ブロック２１と伝熱ブロック６１とは、互いの接触面積を広くすることができ、さらに接触部分の近傍に生じた隙間には高熱伝導性ガスが充填されているため、良好な伝熱経路が形成される。

【0023】

図３は、冷凍機２０Ａのコールドヘッド２６に、冷熱ブロック２１が傾いて装着された場合を模擬している。図３（Ａ）は第１実施形態に係る極低温冷却装置１０Ａに冷凍機２０Ａを装着した状態の説明図である。図３（Ｂ）は比較例として第１ベローズが装備されていない極低温冷却装置に冷凍機２０Ａを装着した状態の説明図である。

【0024】

図３（Ａ）に示す実施例において、冷凍機２０Ａが収容空間４１に挿入されて、傾いて装着された冷熱ブロック２１が伝熱ブロック６１に当接したとする。この場合、第１ベローズ３１と第２ベローズ３２が変形することにより、冷凍機２０Ａが固定されているフランジ３４を上下又は水平方向に対し適度に傾かせる。これにより、冷熱ブロック２１の傾きが吸収される。

【0025】

さらに、真空容器１６の外側の大気圧と、気密空間１５及び連通空間１８の内部圧との圧力差により、冷凍機２０Ａは、伝熱ブロック６１の方向に強く引き付けられる。これにより、冷熱ブロック２１と伝熱ブロック６１との隙間が減少し、両者の良好な接触が維持され、熱抵抗の低減が図られる。

【0026】

これに対し、図３（Ｂ）に示される比較例では、本発明における第１ベローズ（比較例では不存在）と第２ベローズ３２の両方の変形が担保されないために、冷熱ブロック２１の傾きを吸収することができず、伝熱ブロック６１との接触において大きな隙間が生じてしまう。なお、図３（Ｂ）の比較例において、第２ベローズ３２のみが設けられている場合を示しているが、第１ベローズ３１のみが設けられている場合も、同様に冷熱ブロック２１の傾きを吸収することができず、接触が悪く熱抵抗が大きくなる。

【0027】

なお図３では、冷熱ブロック２１が傾いて装着された場合を例示して説明しているが、その他に、伝熱ブロック６１が接続する被冷却体１１が真空容器１６に対し理想位置からずれて支持されている場合や、その他の機器の寸法誤差、冷凍機２０の挿入角度のずれ、又は冷却時の熱収縮によるずれが生じる場合も、これらずれを吸収して冷熱ブロック２１と伝熱ブロック６１との接触を良好にすることができる。

【0028】

図４（Ａ）は比較例として、第１ベローズ３１により連通空間（不存在）が形成されない極低温冷却装置の冷却特性の説明図である。図４（Ｂ）は第１実施形態に係る極低温冷却装置１０Ａの実施例１に関する冷却特性の説明図である。図４（Ｃ）は第１実施形態に係る極低温冷却装置１０Ｂの実施例２に関する冷却特性の説明図である。図４の右側に示される冷却特性のグラフは、収容空間４１において冷凍機２０Ａとの境界位置における温度分布を破線で示し、スリーブ５１との境界位置における温度分布を実線で示している。そして、グラフ中の矢印は、熱の流れる向きと量を示している。

【0029】

図４（Ａ）の比較例の構成のうち実施例と相違する点は、第２ベローズ３２が形成されるスリーブ５１がフランジ３４の開口３５ではなく、真空容器１６の開口１７に接続している点である。これにより、比較例では、実施例のような第１ベローズ３１の内周とスリーブ５１の外周とで形成される連通空間１８が存在しない。

【0030】

このために、図４（Ａ）の比較例では、第１ベローズ３１のみを介して外気と収容空間４１とが接しているために、冷却特性グラフが示すように、収容空間４１の水平方向における温度勾配が大きくなることが避けられない。このため比較例では、収容空間４１への熱侵入が多い。

【0031】

これに対し、図４（Ｂ）の実施例１では、外気と収容空間４１との間が連通空間１８により真空断熱されているために、冷却特性グラフが示すように、収容空間４１の水平方向における温度勾配が小さくなる。このため実施例１では、収容空間４１への熱侵入が低減される。具体的に熱侵入量を測定すると、比較例では１７Ｗであったのに対し、実施例１では７Ｗと、１／２以下に低減されている。これにより実施例１の極低温冷却装置１０Ａでは、被冷却体１１（図１）の冷却性能が比較例に対して優れていることが判る。

【0032】

図４（Ｃ）の極低温冷却装置１０Ｂは、スリーブ５１の一部を形成する第２ベローズ３２の一端がフランジ３４の開口３５に直接接続されている。その結果、連通空間１８は、第２ベローズ３２の外周と第１ベローズ３１の内周とにより形成される。これにより、図４（Ｃ）の実施例２では、冷却特性グラフが示すように、収容空間４１の水平方向における温度勾配がさらに小さくなり、収容空間４１への熱侵入がさらに低減される。これにより実施例２の極低温冷却装置１０Ｂでは、実施例１よりも被冷却体（図１）の冷却性能がさらに向上する。

【0033】

（第２実施形態）
次に図５及び図６を参照して本発明における第２実施形態について説明する。図５は本発明の第２実施形態に係る極低温冷却装置１０Ｃを示す構成図である。図６は第２実施形態に係る極低温冷却装置１０Ｃから冷凍機２０Ｂを取り外した状態の説明図である。なお、図５及び図６において図１と共通の構成又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。

【0034】

図５に示すように極低温冷却装置１０Ｃは（適宜、図６参照）、真空可能な気密空間１５ａを形成するとともに第１被冷却体１１（熱シールド部材１１）を内部収容する真空容器１６と、この真空容器１６に設けられた開口１７の周縁部に接続し外周が大気に接し内周が気密空間１５ａに連通する伸縮自在な連通空間１８を形成する第１ベローズ３１と、真空容器１６の開口１７とは反対側の第１ベローズ３１の先端に設けられ冷凍機２０Ｂを固定するフランジ３４と、冷凍機２０Ｂを挿入させるフランジの開口３５の周縁部に接続し外周が気密空間１５ａに接し内周が冷凍機２０Ｂを収容する第１収容空間４１を形成する第１スリーブ５１と、フランジ３４とは反対側の第１スリーブ５１の先端に設けられ冷凍機２０Ｂの第１冷熱ブロック２１が当接し第１被冷却体１１（熱シールド部材１１）に熱的に連結する第１伝熱ブロック６１と、第１スリーブ５１の一部に形成され挿入された冷凍機２０Ｂに応じて第１収容空間４１を伸縮させる第２ベローズ３２と、を備えている。

【0035】

第２実施形態では、第１被冷却体１１（熱シールド部材１１）で包囲される空間１５ｂに、第２被冷却体１２（超電導コイル１２）が収容されている。そして、冷凍機２０Ｂには、第１冷熱ブロック２１よりも低温に設定される第２冷熱ブロック２２が設けられている。

【0036】

さらに極低温冷却装置１０Ｃは、冷凍機２０Ｂを挿入させる第１伝熱ブロックの開口６３の周縁部に接続し外周が第１被冷却体１１（熱シールド部材１１）の内側の空間１５ｂに接し内周が冷凍機２０Ｂを収容する第２収容空間４２を形成する第２スリーブ５２と、第１伝熱ブロック６１とは反対側の第２スリーブ５２の先端に設けられ冷凍機２０Ｂの第２冷熱ブロック２２が当接し第２被冷却体１２（超電導コイル１２）に熱的に連結する第２伝熱ブロック６２と、第２スリーブ５２の一部に形成され挿入された冷凍機２０Ｂに応じて第２収容空間４２を伸縮させる第３ベローズ３３と、を備えている。なお第２被冷却体である超電導コイル１２と第２伝熱ブロック６２とは、高純度アルミ又は銅を用いたフレキシブルな伝熱板６５を介して熱的に連結されている。

【0037】

図６に示すように、冷凍機２０Ｂは、二段式の冷凍機であって、その外観は、駆動部２３と、取付フランジ２４と、第１冷却シリンダ２５と、第１コールドヘッド２６と、第２冷却シリンダ２７と、第２コールドヘッド２８と、から構成されている。冷凍機２０Ｂは、第１冷却シリンダ２５の内部で作動ガスを断熱膨張させ、その先端の第１コールドヘッド２６に７０～４０Ｋの冷熱を発生させる。さらに７０～４０Ｋに冷却された作動ガスを第２冷却シリンダ２７の内部で断熱膨張させ、その先端の第２コールドヘッド２８に２０～４Ｋの冷熱を発生させる。冷凍機２０Ｂの種類としては、ＧＭ冷凍機（ギボード・マクマホン（Gifford-McMahon）冷凍機）、ソルベイ冷凍機、パルスチューブ冷凍機等が挙げられる。

【0038】

第１コールドヘッド２６には、円錐状の接触面２１ａを有する第１冷熱ブロック２１が設けられている。この第１冷熱ブロック２１の接触面２１ａは、これと反対形状を有する第１伝熱ブロック６１の接触面６１ａに接触し、第１冷却シリンダ２５で発生させた冷熱をこの第１伝熱ブロック６１に伝達する。

【0039】

第２コールドヘッド２８には、円錐状の接触面２２ａを有する第２冷熱ブロック２２が設けられている。この第２冷熱ブロック２２の接触面２２ａは、これと反対形状を有する第２伝熱ブロック６２の接触面６２ａに接触し、第２冷却シリンダ２７で発生させた冷熱をこの第２伝熱ブロック６２に伝達する。

【0040】

図６を参照して、極低温冷却装置１０Ｂの本体側の構成を説明する。
フランジ３４は、その開口３５に挿入される冷凍機２０Ｂの取付フランジ２４と、ボルト（図示略）等により気密に締結される。このフランジ３４の開口３５の周縁には、第１スリーブ５１の一端が溶接等により接続されている。さらにフランジ３４の外周縁には、第１ベローズ３１の一端が接続されている。

【0041】

第１ベローズ３１は、一端が真空容器１６の開口１７の周縁部に接続され、他端がフランジ３４の外周縁に接続されている。この第１ベローズ３１は、真空容器１６に対してフランジ３４を、弾性的に支持している。これにより第１ベローズ３１は、その内周面と第１スリーブ５１の外周面とフランジ３４の底面とにより、気密空間１５ａに連通する伸縮自在な連通空間１８を形成している。

【0042】

このように第１ベローズ３１が構成されていることで、真空容器１６の気密空間１５ａの気密性とスリーブ５１，５２の収容空間４１，４２の気密性とを維持したまま、冷凍機２０Ｂの真空容器１６に対する相対的な固定位置を調整することができる。

【0043】

第１スリーブ５１は、一端がフランジ３４の開口３５の周縁部に接続され、他端が第１伝熱ブロック６１の外周縁に接続されている。そして、この第１スリーブ５１の内周面及び第１伝熱ブロック６１の上面は、冷凍機２０Ｂの第１冷却シリンダ２５を収容する第１収容空間４１を形成する。

【0044】

第２ベローズ３２は、第１スリーブ５１の胴体の一部に形成され、この胴体を弾性的に伸縮させる。第１スリーブ５１の胴体の一部が第２ベローズ３２で形成されていることにより、挿入された冷凍機２０Ｂに応じて第１収容空間４１を伸縮させることができる。これにより冷凍機２０Ｂの第１冷却シリンダ２５や第１コールドヘッド２６の寸法誤差、挿入角度のずれ又は冷却時の熱収縮によるずれや第１冷熱ブロック２１の装着ずれが吸収され、収容空間４１、４２の気密性と第１冷熱ブロック２１及び第１伝熱ブロック６１の接触性とを向上させることができる。

【0045】

第１伝熱ブロック６１は、冷熱ブロックの接触面２１ａとは反転形状を有する接触面６１ａを有しており、この接触面６１ａの外縁に、第１スリーブ５１の一端が接続されている。さらに第１伝熱ブロック６１は、冷凍機２０Ｂの第２冷却シリンダ２７を通過させる開口６３が設けられている。そして第１伝熱ブロック６１は、第１被冷却体１１（熱シールド部材１１）に接続し、第１コールドヘッド２６から供給される冷熱を第１被冷却体１１に伝達する。

【0046】

第２スリーブ５２は、一端が第１伝熱ブロック６１の開口６３の周縁部に接続され、他端が第２伝熱ブロック６２の外周縁に接続されている。そして、この第２スリーブ５２の内周面及び第２伝熱ブロック６２の上面は、冷凍機２０Ｂの第２冷却シリンダ２７を収容する第２収容空間４２を形成する。なお、この第１収容空間４１及び第２収容空間４２は、冷凍機２０の取付フランジ２４によりフランジ３４の開口３５が気密に封止されることにより、被冷却体１１が存在する気密空間１５ａや外気から隔離された密閉空間となる。

【0047】

第３ベローズ３３は、第２スリーブ５２の胴体の一部に形成され、この胴体を弾性的に伸縮させる。第２スリーブ５２の胴体の一部が第３ベローズ３３で形成されていることにより、挿入された冷凍機２０Ｂに応じて第２収容空間４２を伸縮させることができる。これにより冷凍機２０Ｂの第２冷却シリンダ２７や第２コールドヘッド２８の寸法誤差、挿入角度のずれ又は冷却時の熱収縮によるずれや第２冷熱ブロック２２の装着ずれが吸収され、第２冷熱ブロック２２と第２伝熱ブロック６２との接触性を向上させることができる。

【0048】

第２伝熱ブロック６２は、第２冷熱ブロック２２の接触面２２ａとは反転形状を有する接触面６２ａを有しており、この接触面６２ａの外縁に、第２スリーブ５２の一端が接続されている。そして第２伝熱ブロック６２は、第２被冷却体１２（超電導コイル１２）（図５）に接続し、第２コールドヘッド２８から供給される冷熱をこの第２被冷却体１２に伝達する。

【0049】

第１収容空間４１及び第２収容空間４２には、冷凍機２０が発生した冷熱が第１伝熱ブロック６１及び第２伝熱ブロック６２の各々に効率的に伝達されるように、設定温度域において気相状態で熱伝導率の大きいガス（例えば、ヘリウムガス）等が充填される。冷凍機２０Ｂの第１冷熱ブロック２１及び第１伝熱ブロック６１並びに第２冷熱ブロック２２及び第２伝熱ブロック６２は、接触面積を広くすることができ、さらに接触部分の近傍に生じた隙間には高熱伝導性ガスが充填されているため、良好な伝熱経路が形成される。

【0050】

図７はベローズ３３の伸長量を規制する規制部材７０の構成図である。
第２スリーブ５２には、第３ベローズ３３の伸長量を規制する規制部材７０が設けられている。この規制部材７０は、第３ベローズ３３を挟むように第２スリーブ５２に配置される一対の支持部材７１（７１ａ，７１ｂ）と、いずれか一方の支持部材７１ａに一端が固定され他端が他方の支持部材７１ｂに挿通される柱材７２と、支持部材７１ｂを挿通する柱材７２の一端に設けられ抜け落ちを防止するストッパ７４と、柱材７２が挿通する支持部材７１ｂ及びストッパ７４を弾性的に連結する付勢部材７３とを備えている。

【0051】

この規制部材７０により、第２冷熱ブロック２２と第２伝熱ブロック６２とが、付勢部材７３の付勢力により相互に押し付けられる。これにより、第２冷熱ブロック２２と第２伝熱ブロック６２との隙間が減少し、両者の良好な接触が維持され、熱抵抗の低減が図られる。なお、この規制部材７０を第１スリーブ５１に設けて、第２ベローズ３２の伸長量を規制するようにしてもよい。

【0052】

以上述べた少なくともひとつの実施形態の極低温冷却装置によれば、真空容器に連通する連通空間を伸縮自在に形成する第１ベローズと冷凍機の収容空間を伸縮自在に形成する第２ベローズとを持つことにより、冷却を維持した状態で冷凍機を交換することができ、かつ被冷却体の冷却性能に優れる極低温冷却装置が提供される。

【0053】

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】

【0054】

１０（１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ）…極低温冷却装置、１１…第１被冷却体（熱シールド部材）、１２…第２被冷却体（超電導コイル）、１５，１５ａ…気密空間、１５ｂ…空間、１６…真空容器、１７…真空容器の開口、１８…連通空間、２０（２０Ａ，２０Ｂ）…冷凍機、２１…第１冷熱ブロック（冷熱ブロック）、２１ａ…第１冷熱ブロックの接触面、２２…第２冷熱ブロック、２２ａ…第２冷熱ブロックの接触面、２３…駆動部、２４…取付フランジ、２５…冷却シリンダ、２６…第１コールドヘッド（コールドヘッド）、２７…冷却シリンダ、２８…第２コールドヘッド、３１…第１ベローズ、３２…第２ベローズ、３３…第３ベローズ、３４…フランジ、３５…フランジの開口、４１…第１収容空間（収容空間）、４２…第２収容空間、５１…第１スリーブ（スリーブ）、５２…第２スリーブ、６１…第１伝熱ブロック（伝熱ブロック）、６１ａ…第１伝熱ブロックの接触面、６２…第２伝熱ブロック、６２ａ…第２伝熱ブロックの接触面、６３…第２伝熱ブロックの開口、６５…伝熱板、７０…規制部材、７１（７１ａ，７１ｂ）…支持部材、７２…柱材、７３…付勢部材、７４…ストッパ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】