JP2021004725A - 極低温冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】 効果的な動作及び短縮された時間と伴って、周囲温度から極低温温度まで冷却する極低温冷却システムを提供する。【解決手段】 極低温冷却システム１０は、クライオスタット１２、２段極低温コールドヘッド２４及び少なくとも１つの熱接続部材３６、２３６、３３６、４３６を有し、少なくとも１つの熱接続部材は、２段階極低温コールドヘッド２４の第２段部材３０から第１段部材２６までの熱伝達経路１３８、２３８、３３８、４３８の少なくとも一部を提供するように構成される。熱伝達経路１３８、２３８、３３８、４３８は、コールドヘッド２４の外側に配置される。第２の極低温温度での熱伝達経路１３８、２３８、３３８、４３８の提供される少なくとも一部の熱抵抗は、第１の極低温温度での熱伝達経路１３８、２３８、３３８、４３８の提供される少なくとも一部の熱抵抗より大きい。【選択図】 図２

Description

本発明は、２段コールドヘッドを有し、及び特に磁気共鳴検査装置において使用される超電導磁石コイルを有する、極低温冷却システムに関する。

２段（two-stage）極低温冷却装置は、極低温温度に装置を冷却するための冷却ソースとしてしばしば用いられる。作用流体としてヘリウムガスを使用する商業的に入手可能な２段極低温冷却装置の一般的な例は、Gifford-McMahon(GM)冷却器システム及びパルス管（ＰＴ）冷却器システムである。それらは、液体ヘリウムの使用の不便さ及びコスト無しに、サンプル、装置及び他の機器を冷却することができる。特に、このような装置は、臨界温度として知られている特定の温度より低く冷却される場合にそれらの超電導特性を示す超電導材料を有することができる。

このような装置のための一般的な例は、当分野においてよく知られているように、永続的なモードで動作される場合に静磁界を生成することが意図される超電導磁石システムである。

２段極低温冷却装置の第１段は、通常５０Ｋ乃至１００Ｋの間の温度に保持され、内側領域を囲む熱放射シールドに熱的に接続されることができ、内側領域は、より低い温度まで、例えば４Ｋまで冷却される装置を収容するように構成される。装置は、２段極低温冷却装置の第２段に熱的に結合される。

一般に、第１段の冷却容量は、第２段の冷却容量より１又は２のオーダー大きい。結果として、室温から冷却し始める場合、第２段の公称温度まで内側領域を冷却するために必要な時間は、第１段の公称温度まで内側領域を冷却するのに必要な時間よりはるかに長い。

米国特許第5,111,667号公報は、第１段、第１段より低温の第２段及び凝縮表面を有する凝縮部材を有する冷却器を具備する２段クライオポンプを記述する。第１のカプラは、凝縮部材を熱伝導する態様で第２の段階に接続するように構成される。吸着表面を有する吸着部材は、凝縮部材から間隔をおいて配置される。第２のカプラは、吸着部材を熱伝導する態様で第２段に接続するように構成される。吸着部材を再生するための時間期間の間、吸着部材を加熱するヒータが更に提供される。第２のカプラは、ヒータによって凝縮部材を加熱することを防ぐために、吸着部材の加熱期間の間、第２段から及び少なくともの凝縮部材から、吸着部材を十分に熱的に絶縁するように設計される。

本発明の目的は、効果的な動作及び短縮された時間と伴って、周囲温度から極低温温度まで冷却する極低温冷却システムを提供することである。

本発明の１つの見地において、上述の目的は、外側筐体及び外側筐体内に配置される少なくとも１つの熱シールドを有するクライオスタットを具備する極低温冷却システムによって達成される。少なくとも１つの熱シールドは、内側領域を規定し、熱絶縁領域が、少なくとも１つの熱シールドと外側筐体との間に規定される。

極低温冷却システムは更に、極低温コールドヘッドを有し、極低温コールドヘッドは、熱絶縁領域に少なくとも部分的に配置される第１段部材であって、第１段部材は、第１の極低温温度において定常状態で動作されるように構成され、少なくとも１つの熱シールドに熱的に接続される熱伝導リンク部材を有する、第１段部材と、内側領域に少なくとも部分的に配置される少なくとも第２段部材であって、第２段部材は、第１の極低温温度より低い第２の極低温温度において定常状態で動作するように構成される、第２段部材と、極低温冷却システムの少なくとも１つの動作状態において、第２段部材から第１段部材までの熱伝達経路の少なくとも一部を提供するように構成される少なくとも１つの熱接続部材であって、熱伝達経路は、コールドヘッドの外側に配置され、第２の極低温温度における熱伝達経路の提供される少なくとも一部の熱抵抗は、第１の極低温温度における熱伝達経路の提供される少なくとも一部の熱抵抗より大きい、熱接続部材と、を有する。

「熱的に第１（第２）段部材に接続される」という表現は、本願明細書において使用される場合、特に、第１（第２）段部材に熱的に接続される熱伝導部材に熱的に接続される、又は第１（第２）段部材に直接に接続されることとして理解される。

「熱的に接続される」という表現は、本願明細書において用いられる場合、特に熱伝導による熱伝達を可能にする機械的接続として理解される。

「熱伝達経路」という語は、本願明細書において用いられる場合、特に、熱が熱伝導により伝達される経路として理解され、放射線による熱伝達の経路は明示的に除外される。

「熱抵抗」という語は、本出願発明において用いられる場合、特に、熱伝達経路に沿った２つのロケーションの間の温度差と、２つのロケーション間で伝達される熱電力（時間当たりの熱エネルギー量）との比として理解される。

「極低温温度」という語は、本願明細書において用いられている場合、特に、１００Ｋより低い温度として理解される。

極低温冷却装置システムの動作は、通常、作用流体としてヘリウムを使用する閉ループ膨張サイクルに基づく。完全な極低温冷却装置システムは、２つの大きなコンポーネントを有する：作用流体を圧縮し、システムから熱を除去するコンプレッサユニット、及び、極低温温度までコールドヘッドを冷却するために膨張サイクルにわたって作用流体を取得するように構成されるコールドヘッド。「コールドヘッド」という語は、本願明細書において用いられる場合、特にこの意味で理解される。

「第１」、「第２」の語は、区別する目的のためにだけ使用されており、いかなる形であれ順序又は優先順位を示すことは意図しないことを述べておく。

第１の極低温温度における熱伝達経路の提供される少なくとも一部の熱抵抗は、第２の極低温温度における熱抵抗より低いので、第２段は、提供される少なくとも１つの熱接続部材を通じて、より急速に及びより効率的に、冷却されることができ、第２の極低温温度の第２の段階部材によって、熱伝達経路の提供される少なくとも一部の熱抵抗は、第２段部材での耐えられないほど高い熱負荷を防ぐのに十分大きいものであるように設計されることができる。このようにして、極低温コールドヘッドの第１段部材のより高い冷却効率は、冷却プロシージャの開始時に第２段部材から大きい熱量を除去するために使用されることができる。周囲温度から極低温温度まで内側領域を冷却するための時間が、有利に低減されることができる。

好適な実施形態において、第２の極低温温度における熱伝達経路の提供される少なくとも一部の熱抵抗は、第１の極低温温度における熱伝達経路の提供される少なくとも一部の熱抵抗の少なくとも１０倍大きい。

より好適には、第２の極低温温度の熱抵抗は、少なくとも１００倍大きく、最も好適には第１の極低温温度の熱抵抗の少なくとも１０００倍大きい。

このようにして、周囲温度から極低温温度まで内側領域を冷却するための時間の大きな低減が達成されることができる。

別の好適な実施形態において、少なくとも１つの熱接続部材が、複数の炭素繊維を有し、各々の炭素繊維が、２つの端部を有し、複数の炭素繊維の炭素繊維の一端は、第１段部材に熱的に接続され、複数の炭素繊維の炭素繊維の他端は、第２段部材に熱的に接続される。

「複数」という語は、本願明細書において用いられている場合、特に、少なくとも２という量として理解される。

５０Ｋを上回る温度では、炭素繊維は、異常に高い熱コンダクタンスを示すことができる。室温では、熱コンダクタンスは、１０００Ｗ／（ｍ＊Ｋ）のような大きさでありえ、銅の熱コンダクタンスよりはるかに高い。これにより、２つの第１段部材と第２段部材の間の低い熱抵抗が達成されることができ、より強力な及びより効率的な第１段部材は、第２段部材及びその熱負荷を直接冷却することができ、それによってその温度を急速に低下させる。

他の良好な熱伝導性をもつ材料とは異なり、炭素繊維の熱伝導率は、より低い温度で非常に急速に低下する。黒鉛の熱伝導率は、長手方向における炭素繊維の熱伝導率に匹敵し、図１において点線で示されている（Woodcraft et al., A low temperature thermal conductivity database, CP1185, Low Temperature Detectors LTD13, Proceedings of the 13th International Workshop, AIP 2009参照）。極低温冷却装置の適切な温度レンジ（約３００Ｋ乃至４Ｋ）において、熱伝導率は、約４のオーダーで低下する。

周囲温度から冷却する最中に、少なくとも１つの熱接続部材の瞬間的な温度が低下すると、その熱伝導率は、第１段部材及び第２段部材が熱的に実質的に接続されなくなるまで、急速に低下する。第１の極低温温度を下回る温度では、第２段部材は更に、第１の極低温温度より低い温度まで内側領域を冷却することができる。

好適には、複数の炭素繊維のうち幾つかの炭素繊維は、例えば樹脂を用いて相互に機械的に接続されず、カプセル化もされず、よって、他の材料を通じた付加の伝導熱伝達は実施されない。それにより、第１の極低温温度及び第２の極低温温度の熱伝達経路の提供される少なくとも一部の熱抵抗の有利な大きい差が、達成されることができる。

純炭素繊維は、例えば一般に1000（「１Ｋ」、67 tex = 67 g/1,000 m）乃至48,000（「４８Ｋ」、3,200 tex）フィラメント／糸の糸として、及び織物として、商業的に入手可能である。

一実施形態において、複数の炭素繊維は、少なくとも１つのフォースロック接続によって、第１段部材及び第２段部材の少なくとも一方に熱的に接続される。このようにして、複数の炭素繊維と個々の段階の部材との間のインタフェースの低い熱抵抗が、達成されることができる。

ある実施形態において、これは、複数の炭素繊維が少なくとも１つの接着接合によって第１段部材及び第２段部材の少なくとも一方に熱的に接続される場合に有利に達成されることができる。

極低温冷却システムの別の好適な実施形態において、少なくとも１つの熱接続部材は、バイメタル部材を含む。バイメタル部材は、第１の端部及び第２の端部を有する。第１の端部は、第２段部材に固定的に取り付けられ、第２段部材に熱的に接続される。第２段部材の温度が第１の極低温温度より高い場合、第２の端部は、第１段部材及び第１段部材に熱的に接続される熱伝導部材の少なくとも一方に、ゼロより大きい機械的表面圧力を印加するように構成される。第２段部材の温度が第１の極低温温度より低い場合、第２の端部は、第１段部材及び第１段部材に熱的に接続される熱伝導部材の両方にゼロの機械的表面圧力を印加するように構成される。

このようにして、熱伝達経路の提供される少なくとも一部の熱抵抗は、第２の極低温温度では無限大であり、第１段部材及び第２段部材は、第２の極低温温度では熱的に切断されることができ、その一方、第１の極低温温度では、第２段部材から第１段部材への熱伝達経路の少なくとも一部は、低い熱抵抗を具備することができる。第１の極低温温度と第２の極低温温度の間の温度領域において、バイメタル部材の第２の端部及び第１段部材のインタフェースの熱抵抗は、第１段部材及び第１段部材に熱的に接続される熱伝導部材の少なくとも一方に対し接点のロケーションでバイメタル部材によって及ぼされる可変の表面圧力により、第１の極低温温度での特定の値から第２の極低温温度での無限大の値まで有益に増大する。

極低温冷却システムが複数の熱接続部材を有する場合、周囲温度から極低温温度まで内側領域を冷却するために必要な時間に対する相乗効果が達成されることができる。各々の熱接続部材は、バイメタル部材を有する。各々のバイメタル部材は、第１の端部及び第２の端部を有する。第１の端部は、第２段部材に固定的に取り付けられ、第２の端部は、第２段部材の温度が第１の極低温温度より高い場合に、第１段部材及び第１段部材に熱的に接続される熱伝導部材の少なくとも一方に対しゼロより大きい機械的表面圧力を印加するように構成され、第２の端部は、第２段部材の温度が第１の極低温温度より低い場合に、第１段部材及び第１段部材に熱的に接続される熱伝導部材の両方に対しゼロの機械的表面圧力を印加するように構成される。

一実施形態において、少なくとも１つの熱接続部材又は複数の熱接続部材の少なくとも１つは更に、バイメタル部材以外に、複数の炭素繊維を有する。各々の炭素繊維は、第１の端部及び第２の端部を有する。複数の炭素繊維のうち或る炭素繊維の第１の端部は、第２段部材に永久的に熱的に接続される。複数の炭素繊維のうち或る炭素繊維の第２の端部は、バイメタル部材の第２の端部と、第１段部材及び第１段部材に熱的に接続される熱伝導部材の一方との間に配置される。

このようにして、各バイメタル部材は、第１段部材及び第１段部材に熱的に接続される熱伝導部材のうち一方に対し、複数の炭素繊維の接点ロケーションにおいて複数の炭素繊維に温度依存の表面圧力を有益に及ぼすことができる。更に、少なくとも１つの熱接続部材又は複数の熱接続部材の少なくとも１つのアセンブリのための許容誤差要求が低減されることができる。

複数の炭素繊維は、第２段部材に永久に熱的に接続され、その一方で、第１段部材においてバイメタルの圧力依存のアタッチメントを有することが重要である。第２段部材が第２の極低温温度である場合、複数の炭素繊維と第１段部材との間のインタフェースの熱抵抗は、暖かい状態、すなわち第１の極低温温度より高い温度におけるよりも大きい。これによって、バイメタルは、第２の極低温温度の近傍の或る温度に、複数の炭素繊維を維持することを助け、こうして、それらをそれらの全長にわたって実質的に非熱伝導性にする。

一実施形態において、少なくとも１つの熱接続部材、又はバイメタル部材の他の複数の熱接続部材の少なくとも１つは、複数の炭素繊維を更に有する。各々の炭素繊維は、第１の端部及び第２の端部を有する。複数の炭素繊維のうち或る炭素繊維の第１の端部は、第２段部材に永久に熱的に接続される。複数の炭素繊維のうち或る炭素繊維の第２の端部は、バイメタル部材の第２の端部に取り付けられる。

このようにして、複数の炭素繊維は、第１段部材に対し近位に配されているその第２の端部でバイメタル部材に取り付けられる。複数の炭素繊維にわたる、第１段部材からバイメタル部材までの距離にわたる熱コンダクタンスは相対的に低く、その結果、第２の極低温温度である第２段部材の低い熱ロードをもたらす。

好適には、複数の炭素繊維の炭素繊維の第２の端部は、接着剤を用いてバイメタル部材の第２の端部に取り付けられる。

別の好適な実施形態において、少なくとも１つの熱接続部材又は複数の熱接続部材の少なくとも１つは、２つのバイメタル部材を有し、各々のバイメタル部材は、第１の端部及び第２の端部を有し、互いに向かい合うように配置される。

２つのバイメタル部材の一方は、第１の端部により第１段部材に熱的に接続される。２つのバイメタル部材の他方は、第１の端部により第２段部材に熱的に接続される。第２段部材の温度が第１の極低温温度より高い場合、２つのバイメタル部材の第２の端部は協働し、互いに対してゼロより大きい機械的表面圧力を印加するように構成される。第２段部材の温度が第１の極低温温度より低い場合、２つのバイメタル部材の第２の端部は互いに対してゼロの機械的表面圧力を印加するように構成される。

そによって、第２段部材の温度が第１の極低温温度より高い場合、２つのバイメタル部材の第２の端部の間の有利に大きい接点面積が達成されることができ、少なくとも１つの熱接続部材又は複数の熱接続部材の少なくとも１つについてアセンブリ許容誤差の要求が低減されることができる。

好適には、少なくとも１つのバイメタル部材の厚さ全体は、０．１ｍｍ乃至２ｍｍの間のレンジにあるように選択される。このようにして、周囲温度から極低温温度に内側領域を冷却するための時間の低減の大きい効果を与えるために、熱伝達経路の提供される少なくとも一部の十分に低い熱抵抗が、第１の極低温温度で提供されることができる。更に、第２の極低温温度においてバイメタル部材の第２の端部と第１段部材とのインタフェースの無限大の値の熱抵抗を生成するために、バイメタル部材の曲がりの十分な量が達成されることができ、第１の極低温温度で低い熱抵抗を有する第２段部材から第１段部材への熱伝達経路は、一般的に使用される広範囲のクライオスタットサイズに関して達成されることができる。

更に、バイメタル部材の２つの金属の間に存在する及びバイメタル部材を曲げるために必要とされる熱機械的剪断力は、材料疲労又は材料損傷が回避されることが可能であるよう合理的な制限内に保たれる。

本発明の別の見地において、極低温冷却システムは、更に、準安定状態の磁界を提供するように構成される及び磁石共鳴検査装置において使用されるのに適している超電導磁石コイルを有する。超電導磁石コイルは、内側領域内に配置され、第２段部材に熱的に接続され、第２の極低温温度は、超電導磁石コイルの臨界温度より低い。それにより、周囲温度から第２の極低温温度まで急速に効果的に冷却されることが可能な磁石共鳴検査用の超電導磁石コイルが、提供されることができる。

本発明のこれらの及び他の見地は、以下に記述される実施形態から明らかになり、それらを参照して説明される。しかしながら、このような実施形態が、必ずしも本発明のすべての範囲を表現するというわけではなく、本発明の範囲を解釈するために請求項及び本願明細書への参照がなされる。

他の選択された材料と比較した極低温温度のレンジにおける黒鉛の熱伝導特性を示す図。 本発明による極低温冷却システムの概略図。 熱接続部材を有する、図１に基づく極低温冷却システムの２段コールドヘッドの概略図。 熱接続部材の代替実施形態の概略図。 熱接続部材の別の代替実施形態の概略図。 熱接続部材の更に別の代替実施形態の概略図。

図１は、温度の関数としての熱伝導率のグラフィック表現である。

図２は、本発明による極低温冷却システム１０の概略的な図を示す。極低温冷却システム１０は、外側筐体１４及び外側筐体１４内に配置される熱シールド１６を有するクライオスタット１２を具備する。熱シールド１６は、内側領域１８を規定し、内側領域１８は、極低温冷却システム１０の超電導磁石コイル２２が配置される。超電導磁石コイル２２は、数テスラの磁石磁界強度を有する準安定状態磁界を提供するように構成され、磁石共鳴検査装置における使用に適している。超電導磁石コイル２２は、４Ｋの温度での公称動作に関して設計されており、かかる温度は、超電導磁石コイル２２の巻線を形成するニオビウム−チタン（ＮｂＴｉ）超電導ワイヤの１０Ｋの臨界温度より十分に低い。

クライオスタット１２の熱絶縁領域２０が、熱シールド１６及び外側筐体１４の間に規定される。熱絶縁領域１６は、例えば広く使われているマルチレイヤ絶縁（ＭＬＩ）などの熱絶縁材を有することができる。

極低温冷却システム１０は更に、２段極低温コールドヘッド２４を有する。極低温コールドヘッド２４は、熱絶縁領域２０に配置される第１段部材２６を有する。第１段部材２６は、７０Ｋの第１の極低温温度の定常状態で動作するように構成され、第１段部材２６及び熱シールド１６に熱的に接続される接続金属フランジによって形成される熱伝導リンク部材２８を有する。更に、極低温コールドヘッド２４は、内側領域１８に配置される第２段部材３０を有する。第２段部材２４は、第１の極低温温度より低い４Ｋの第２の極低温温度において定常状態で動作するように構成され、第２の極低温温度は、超電導磁石コイル２２の公称動作のための温度に一致する。超電導磁石コイル２２は、銅から作られる金属フランジ３２によって形成される別の熱伝導部材によって、第２段部材３０に熱的に接続される。

コールドヘッド２４は、電気的に駆動されるコンプレッサユニット３４に接続可能であり、コンプレッサユニット３４は、ガスパイプを通じてコールドヘッド２４に気体ヘリウムによって形成される圧縮作用流体を提供するように構成される。この技術の部分は、当分野においては良く知られており、従って、ここではさらに詳細に説明しない。コールドヘッド２４は、約３００Ｋの周囲温度から４Ｋの第２の極低温温度に超電導磁石コイル２２を冷却することが可能である。

図３は、図２に基づく極低温冷却システム１０の２段コールドヘッド２４の概略的な図であり、約３００Ｋの周囲温度から４Ｋの第２の極低温温度まで超電導磁石コイル２２を冷却する極低温冷却システム１０の動作状態において、コールドヘッド２４の外側に配置される第２段部材３０から第１段部材２６への熱伝達経路１３８を提供されるように構成される熱接続部材１３６を示す。

熱接続部材１３６は、１２Ｋの糸として形成される複数の炭素繊維１４０を有する。各々の炭素繊維は、２つの端部１４２、１４４を有し、複数の炭素繊維１４０の炭素繊維１４０の一端１４２は、ねじ込み式接続方式として形成されるフォースロック接続による熱伝導リンク部材２８を通じて、第１段部材２６に熱的に接続され、熱伝導リンク部材２８によって、炭素繊維１４０の端部１４２が、金属プレート５８と接続金属フランジの間で押圧される（図３の左下）。複数の炭素繊維１４０の炭素繊維１４０の他方の端１４４は、接着ジョイントによって接続銅フランジ３２を通じて第２段部材３０に熱的に接続される（図３の右下）。このために、接続銅フランジ３２は、熱的に良好な伝導性をもつエポキシ樹脂１５０を充填された円錐形の切り欠き部１４８を有し、かかる切り欠き部１４８には、エポキシ樹脂１５０の硬化中、複数の炭素繊維１４０の端部１４４が配置された。切り欠き部１４８の円錐形の形状は、炭素繊維１４０及び接続している銅フランジ３２の端部１４２、１４４の間でより低い熱の接点抵抗に生じる増大された表面領域を有する。

この特定の実施形態において、複数の炭素繊維１４０の端部１４２、１４４は、フォースロック接続によって第１段部材２６に熱的に接続され、複数の炭素繊維１４０の他端１４４は、接着ジョイントによって第２段部材３０に熱的に接続されるが、複数の炭素繊維を第１段部材に熱的に接続するための接着ジョイントを提供すること、又は複数の炭素繊維の端部を第２段部材に熱的に接続するためのフォースロック接続を提供すること、又は複数の炭素繊維の両端においてフォースロック接続を提供すること、又は複数の炭素繊維の両端において接着ジョイントを提供することもまた企図される。

複数の炭素繊維１４０の熱伝導率特性のため、提供される熱伝達経路１３８の熱抵抗は、第２の極低温温度では、第１の極低温温度で提供される熱伝達経路１３８の熱抵抗より大きい。

図１に与えられる７０Ｋの第１の極低温温度及び４Ｋの第２の極低温温度の炭素繊維（「黒鉛ＡＸＭ−５Ｑ」）の熱伝導率特性から、第２の極低温温度において提供される熱伝達経路１３８の熱抵抗は、第１の極低温温度において提供される熱伝達経路１３８の熱抵抗の2,000倍以上大きいことが期待されることができる。言い換えると、第１の極低温温度では、効率的な熱伝達経路１３８が、第２段部材３０から第１段部材２６まで提供され、第２の極低温温度では、第１段部材２６及び第２段部材３０は、実際的な観点から熱的に切断される。

以下において、本発明による熱接続部材のいくつかの代替実施形態が開示される。個別の代替実施形態は、特定の図を参照して記述され、特定の代替実施形態の先頭数字（「１」から始まる）によって識別される。すべての実施形態において機能が同じである又は基本的に同じである特徴は、それが関連する代替実施形態の先頭数字及びそのあとに続く特徴の数字からなる参照数字によって識別される。代替実施形態の特徴が、対応する図面の描写において記述されない場合、先行する実施形態の記述が参照されるべきである。

図４は、熱接続部材２３６の代替実施形態の概略的な図である。熱接続部材２３６は、第１の端部２５４及び第２の端部２５６を有する矩形シートとして形成されるバイメタル部材２５２を有する。バイメタル部材２５２の厚さ全体は、０．５ｍｍである。この特定の実施形態において、バイメタル部材２５２は、銅で作られるシート側面及びステンレス鋼で作られる反対側のシート側面を有する。しかしながら、当業者に適しているように現れる金属の他の組み合わせが更に企図される。

バイメタル部材２５２の第１の端部２５４は、固定的に取り付けられ、接続銅フランジ３２を通じて、第２段部材３０に熱的に接続される。銅で作られる金属プレートとして形成される熱伝導部材４６は、第１段部材２６に対し固定的に取り付けら及び熱的に接続され、バイメタル部材２５２の第２の端部２５６の方へ熱伝導リンク部材２８から突出する。図４の上部は、第１の極低温温度より高い温度での熱接続部材２３６を示す。この状態の下で、バイメタル部材２５２の第２の端部２５６の銅の側面は、金属プレートの側面と機械的に接触し、熱伝導部材４６の側に対してゼロより大きい温度依存の表面圧力を印加する。それによって、低い熱抵抗を有する熱伝達経路２３８が、第２段部材３０から第１段部材２６まで提供される。

周囲温度から第２の極低温温度に冷却する間に、第２段部材３０の瞬間的な温度が、第１の極低温温度に等しくなると、バイメタル部材２５２の第２の端部２５６は、熱伝導部材４６に対して、ゼロの機械的表面圧力を印加する。第２段部材３０の瞬間的な温度が、第１の極低温温度より低い場合、バイメタル部材２５２の第２の端部２５６の銅のサイドと熱伝導部材４６との間に間隙が存在し、提供される熱伝達経路２３８の熱抵抗が無限大になる。この状態は、図４の下部に示される。

更なる説明なしに、極低温冷却システム１０は、複数の熱接続部材２３６を有することができ、熱接続部材２３６のいくつかはは、上述される種類のバイメタル部材２５２を有することができることが、当業者によって容易に理解される。このようにして、第２段部材３０の瞬間的な温度が第１の極低温温度より高い場合、平行に配される複数の熱伝達経路２３８が、第２段部材３０から第１段部材２６まで提供されることができる。第１の極低温温度より低い第２段部材３０の瞬間的な温度では、提供される平行な熱伝達経路２３８の熱抵抗は無限大になる。

図５は、熱接続部材３３６の別の代替実施形態の概略的な図である。熱接続部材３３６の代替実施形態は、単一の試料に関して例示的に記述される。しかしながら、上記で説明したように、極低温冷却システム１０は、１つの熱接続部材３３６又は複数の熱接続部材３３６を有することができる。

熱接続部材３３６は、第１の端部３５４及び第２の端部３５６を有するバイメタル部材３５２の他に、２４Ｋヤーン（24K yarn）として形成される複数の炭素繊維３４０を有する。バイメタル部材３５２の第１の端部３５４は、銅で作られる接続金属フランジ３２に固定的に取り付けられ及び熱的に接続され、接続金属フランジ３２は、第２段部材３０に熱的に接続される。カーブしたバイメタル部材３５２の第２の端部３５６は、第１段部材２６に熱的に接続される、金属フランジとして形成される熱伝導リンク部材２８へ向けられる。炭素繊維３４０は、第１の端部３４２及び第２の端部３４４を有する。複数の炭素繊維３４０の炭素繊維３４０の第１の端部３４２は、接続金属フランジ３２に永久に熱的に接続され、接続金属フランジ３２は、第２段部材３０に熱的に接続される。この熱的な接続は、例えばクランプジョイント（図示せず）によって実現されることができる。複数の炭素繊維３４０の炭素繊維３４０の第２の端部３４４は、バイメタル部材３５２の第２の端部３５６に、接着剤で取り付けられ、バイメタル部材３５２の第２の端部３５６と熱伝導リンク部材２８との間に配置される。

図５は、周囲温度（３００Ｋ）から４Ｋの第２の極低温温度への冷却中、第２段部材３０の瞬間的な温度が７０Ｋの第１の極低温温度より低く下がる状況を示す。

バイメタル部材３５２は、熱伝導リンク部材２８から離れるように複数の炭素繊維３４０を移動させるのに十分にカーブしており、それにより、第１段部材２６と第２段部材３０との間の熱伝達m経路３３８１、３３８２の熱抵抗が無限大になる。第２段部材３３０の瞬間的な温度が周囲温度と第１の極低温温度との間である場合、バイメタル部材３５２は、よりまっすぐになり、バイメタル部材３５２の第２の端部３５６は、複数の炭素繊維３４０及び熱伝導リンク部材２８に向けてゼロより大きい温度依存の機械的表面圧力を印加し、それにより、第２段部材３０から第１段部材２６までの低い熱抵抗を有する熱伝達経路３３８を提供する。

図６は、矩形シートとして形成される２つのバイメタル部材４５２、４５２'を有する単一の熱接続部材４３６の別の代替実施形態の概略的な図であり、各々のバイメタル部材４５２、４５２'は、銅で作られるシート側面及びステンレス鋼で作られる反対側のシート側面を有する。ここでも、極低温冷却システム１０は、１つの熱接続部材４３６又は複数の熱接続部材４３６を有することができる。

２つのバイメタル部材４５２、４５２'は、互いに向かい合うように配置される。第１のバイメタル部材４５２の第１の端部４５４は、銅のフランジ３２に対し固定的に取り付けられ及び熱的に接続され、銅のフランジ３２は、第２段部材３０に熱的に接続される。第２のバイメタル部材４５２'の第１の端部４５４'は、金属フランジとして形成される熱伝導リンク部材２８に固定的に取り付けられ及び熱的に接続され、熱伝導リンク部材２８は、第１段部材２６に熱的に接続される。

第２段部材３０の瞬間的な温度が第１の極低温温度より高い場合、２つのバイメタル部材４５２、４５２'の第２の端部４５６、４５６'は、それらの銅の側面と協働し、互いに対しゼロより大きい機械的表面圧力を印加するように構成される。低い熱抵抗の熱伝達経路４３８が、第２段部材３０から第１段部材２６まで提供される。この状態は、図６に示される。第２段部材３０の温度が第１の極低温温度より低い場合、バイメタル部材４５２、４５２'をカーブさせることによって、２つのバイメタル部材４５２、４５２'の第２の端部４５６、４５６'は、互いに対しゼロの機械的表面圧力を印加するように構成される。

本発明が図面及び上述の記述において詳細に図示され説明されているが、このような図示及び説明は、制限的ではなく。説明的又は例示的であると考えられることができる。本発明は、開示される実施形態に限定されるものではない。開示される実施形態に対する他の変更例は、図面、開示及び添付の請求項の検討から、請求項に記載の本発明を実施する際に当業者によって理解され、実現されることができる。請求項において、「有する、含む（comprising）」という語は、他の構成要素又はステップを除外せず、不定冠詞「a」又は「an」は、複数性を除外しない。特定の手段が相互に異なる従属請求項に列挙されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用されることができないことを示さない。請求項における任意の参照符号は、請求項の範囲を制限するものとして解釈されるべきでない。

１０ 極低温冷却システム、６０ ガスパイプ、１２ クライオスタット、１４ 外側筐体、１６ 熱シールド、１８ 内側領域、２０ 熱絶縁領域、２２ 超電導磁石コイル、２４ ２段極低温コールドヘッド、２６ 第１段部材、２８ 熱伝導リンク部材、３０ 第２段部材、３２ 銅のフランジ、３４ コンプレッサユニット、３６ 熱接続部材、３８ 熱伝達経路、４０ 炭素繊維、４２ 第１の端部、４４ 第２の端部、４６ 熱伝導部材、４８ 切り欠き部、５０ エポキシ樹脂、５２ バイメタル部材、５４ 第１の端部、５６ 第２の端部、５８ 金属プレート。

Claims (12)

1. 外側筐体及び前記外側筐体内に配置される少なくとも１つの熱シールドを有するクライオスタットであって、前記少なくとも１つの熱シールドは内側領域を規定し、熱絶縁領域が、前記少なくとも１つの熱シールドと前記外側筐体との間に規定される、クライオスタットと、
   極低温コールドヘッドと、
   を有し、前記極低温コールドヘッドが、
   前記熱絶縁領域に少なくとも部分的に配置される第１段部材であって、前記第１段部材は、第１の極低温温度において定常状態で動作するように構成され、前記少なくとも１つの熱シールドに熱的に接続される熱伝導リンク部材を有する、第１段部材と、
   前記内側領域に部分的に配置される少なくとも１つの第２段部材であって、前記第１の極低温温度より低い第２の極低温温度において定常状態で動作するように構成される第２段部材と、
   前記極低温冷却システムの少なくとも１つの動作状態において、前記第２段部材から前記第１段部材までの熱伝達経路の少なくとも一部を提供するように構成される少なくとも１つの熱接続部材であって、前記熱伝達経路は、前記コールドヘッドの外側に配されており、前記第２の極低温温度における前記熱伝達経路の前記少なくとも一部の熱抵抗は、前記第１の極低温温度における前記熱伝達経路の前記少なくとも一部の熱抵抗より大きい、熱接続部材と、
   有する、極低温冷却システム。
2. 前記第２の極低温温度における前記熱伝達経路の前記少なくとも一部の熱抵抗が、前記第１の極低温温度における前記熱伝達経路の前記少なくとも一部の熱抵抗より少なくとも１０倍大きい、請求項１に記載の極低温冷却システム。
3. 前記少なくとも１つの熱接続部材が、複数の炭素繊維を有し、各炭素繊維が、２つの端部を有し、
   前記複数の炭素繊維のうち或る炭素繊維の一端が、前記第１段部材に熱的に接続され、前記複数の炭素繊維うち前記或る炭素繊維の他端が、前記第２段部材に熱的に接続される、請求項１又は２に記載の極低温冷却システム。
4. 前記複数の炭素繊維が、少なくとも１つのフォースロック接続によって、前記第１段部材及び前記第２段部材の少なくとも一方に熱的に接続される、請求項３に記載の極低温冷却システム。
5. 前記複数の炭素繊維が、少なくとも１つの接着ジョイントによって、前記第１段部材及び前記第２段部材の少なくとも一方に熱的に接続される、請求項３又は４に記載の極低温冷却システム。
6. 前記少なくとも１つの熱接続部材が、第１の端部及び第２の端部を有するバイメタル部材を有し、
   前記第１の端部は、前記第２段部材に対し固定的に取り付けられ及び熱的に接続され、
   前記第２の端部は、前記第２段部材の温度が前記第１の極低温温度より高い場合に、前記第１段部材及び前記第１段部材に熱的に接続される熱伝導部材の少なくとも一方に対してゼロより大きい機械的表面圧力を印加し、前記第２の端部は、前記第２段部材の温度が前記第１の極低温温度より低い場合に、前記第１段部材及び前記第１段部材に熱的に接続される熱伝導部材の両方に対してゼロの機械的表面圧力を印加するように構成される、請求項１に記載の極低温冷却システム。
7. 複数の熱接続部材を有し、各熱接続部材は、第１の端部及び第２の端部を有するバイメタル部材を有し、
   前記第１の端部は、前記第２段部材に対し固定的に取り付けられ及び熱的に接続され、
   前記第２の端部は、前記第２段部材の温度が前記第１の極低温温度より高い場合、前記第１段部材及び前記第１段部材に熱的に接続される熱伝導部材の少なくとも一方に対して、ゼロより大きい機械的表面圧力を印加し、
   前記第２の端部は、前記第２段部材の温度が前記第１の極低温温度より低い場合、前記第１段部材及び前記第１段部材に熱的に接続される熱伝導部材の両方に対して、ゼロの機械的表面圧力を印加するように構成される、請求項６に記載の極低温冷却システム。
8. 前記少なくとも１つの熱接続部材又は前記複数の熱接続部材の少なくとも１つが、複数の炭素繊維を更に有し、各炭素繊維が、第１の端部及び第２の端部を有し、
   前記複数の炭素繊維のうち或る炭素繊維の前記第１の端部が、前記第２段部材に永久に熱的に接続され、前記複数の炭素繊維のうち前記或る炭素繊維の前記第２の端部が、前記バイメタル部材の前記第２の端部と、前記第１段部材及び前記第１段部材に熱的に接続される熱伝導部材の一方との間に配される、請求項６又は７に記載の極低温冷却システム。
9. 前記少なくとも１つの熱接続部材又は複数の熱接続部材の少なくとも１つが、複数の炭素繊維を更に有し、各炭素繊維が、第１の端部及び第２の端部を有し、
   前記複数の炭素繊維のうち或る炭素繊維の第１の端部が、前記第２段部材に永久に熱的に接続され、
   前記複数の炭素繊維のうち前記或る炭素繊維の第２の端部が、前記バイメタル部材の前記第２の端部に取り付けられる、請求項６乃至８のいずれか１項に記載の極低温冷却システム。
10. 前記少なくとも１つの熱接続部材又は前記複数の熱接続部材の少なくとも１つが、第１の端部及び第２の端部を有する第２のバイメタル部材を有し、
    ２つのバイメタル部材は、互いに向き合うように配され、
    前記第２のバイメタル部材は、その第１の端部によって、前記第１段部材に熱的に接続され、
    前記第２段部材の温度が前記第１の極低温温度より高い場合、前記２つのバイメタル部材の第２の端部は、協働し、互いに対してゼロより大きい機械的表面圧力を印加し、
    前記第２段部材の温度が前記第１の極低温温度より低い場合、前記２つのバイメタル部材の第２の端部は、互いに対してゼロの機械的表面圧力を印加するように構成される、請求項６又は７に記載の極低温冷却システム。
11. 少なくとも１つのバイメタル部材の厚さ全体が、０．１ｍｍ乃至２ｍｍの間のレンジにあるように選択される、請求項６乃至１０のいずれか１項に記載の極低温冷却システム。
12. 準安定状態の磁界を提供するように構成され、磁石共鳴検査装置において使用するのに適した超電導磁石コイルを更に有し、
    前記超電導磁石コイルが、前記内側領域内に配され、前記第２段部材に熱的に接続され、
    前記第２の極低温温度が、前記超電導磁石コイルの臨界温度より低い、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の極低温冷却システム。

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