JP7496229B2 - Cryogenic refrigerator mounting structure and cryogenic refrigerator - Google Patents

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Description

本発明は、極低温冷凍機の装着構造および極低温冷凍機に関する。 The present invention relates to a mounting structure for a cryogenic refrigerator and a cryogenic refrigerator.

従来、極低温冷凍機のコールドヘッドをスリーブを介してクライオスタットなどの極低温真空容器に装着することが知られている。極低温真空容器内には例えば超電導コイルなどの被冷却物が収容され、この被冷却物はスリーブに熱的に結合されている。コールドヘッドとスリーブを接触させることにより、極低温冷凍機は、スリーブを介して被冷却物を冷却することができる。 Conventionally, it is known to attach the cold head of a cryogenic refrigerator to a cryogenic vacuum vessel such as a cryostat via a sleeve. An object to be cooled, such as a superconducting coil, is housed in the cryogenic vacuum vessel, and this object is thermally coupled to the sleeve. By bringing the cold head into contact with the sleeve, the cryogenic refrigerator can cool the object to be cooled via the sleeve.

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、スリーブからコールドヘッドをいくらか引き上げ、コールドヘッドとスリーブの接触を解除して極低温冷凍機にメンテナンスを施すことができる。極低温冷凍機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。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、極低温冷凍機とともに被冷却物を室温に昇温して極低温冷凍機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。 During long-term operation of a cryogenic refrigerator, periodic maintenance of the cryogenic refrigerator may be required. An operator can perform maintenance on the cryogenic refrigerator by lifting the cold head somewhat from the sleeve and releasing the contact between the cold head and the sleeve. The cryogenic refrigerator is heated to a temperature that is convenient for the maintenance work, such as room temperature, and is re-cooled after the work is completed. By releasing the contact of the cold head, the object to be cooled can be kept at a low temperature. Therefore, the time required to re-cool the object to be cooled can be shortened compared to when the object to be cooled is raised to room temperature together with the cryogenic refrigerator and maintenance is performed on the cryogenic refrigerator, and the time required for maintenance can be shortened.

特開２０１３－１６０３９３号公報JP 2013-160393 A

本発明者は、上述の装着構造について検討し、以下の課題を認識した。コールドヘッドとスリーブとの熱接触は、コールドヘッドをスリーブに押し付けることによって実現される。この押し付け力によってコールドヘッドとスリーブとの接触圧が決まる。接触圧は熱抵抗に影響する。接触圧の不足は熱抵抗の増加を招き、熱抵抗は温度差をもたらす。もし、この温度差が大きければ、被冷却物の冷却温度は、極低温冷凍機が実現しうる到達温度ほどには十分に下がらないかもしれない。被冷却物の冷却不良を避けるために、より大きな冷凍能力をもつ極低温冷凍機を採用しなければならないかもしれない。 The inventors have studied the above-mentioned mounting structure and recognized the following problems. Thermal contact between the cold head and the sleeve is achieved by pressing the cold head against the sleeve. This pressing force determines the contact pressure between the cold head and the sleeve. The contact pressure affects the thermal resistance. Insufficient contact pressure leads to an increase in thermal resistance, which in turn leads to a temperature difference. If this temperature difference is large, the cooling temperature of the object to be cooled may not drop sufficiently to the temperature that the cryogenic refrigerator can achieve. To avoid insufficient cooling of the object to be cooled, a cryogenic refrigerator with a larger cooling capacity may have to be adopted.

多くの場合、二段式の極低温冷凍機が使用され、一段冷却ステージによって被冷却物を熱的に保護する輻射シールドが冷却され、二段冷却ステージによって被冷却物が冷却される。コールドヘッドからスリーブへの押し付け力は構造上、一段冷却ステージでの接触圧と二段冷却ステージでの接触圧に配分される。そのため、一段と二段の熱抵抗はトレードオフの関係にある。被冷却物の冷却不良を避けることを優先する観点からは、二段冷却ステージでの接触圧をより高めることが望まれる。しかし、その結果、一段冷却ステージでの接触圧は小さくなり、一段での熱抵抗は高まり、今度は輻射シールドの冷却が不十分となることが懸念される。 In many cases, a two-stage cryogenic refrigerator is used, where the radiation shield that thermally protects the object to be cooled is cooled by the first cooling stage, and the object to be cooled is cooled by the second cooling stage. Due to the structure, the pressing force from the cold head to the sleeve is distributed between the contact pressure at the first cooling stage and the contact pressure at the second cooling stage. Therefore, there is a trade-off between the thermal resistance of the first and second stages. From the perspective of prioritizing the avoidance of insufficient cooling of the object to be cooled, it is desirable to increase the contact pressure at the second cooling stage. However, as a result, the contact pressure at the first cooling stage becomes smaller and the thermal resistance at the first stage increases, raising concerns that the radiation shield may not be sufficiently cooled.

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、極低温冷凍機とその装着構造との間に良好な熱接触を提供することにある。 One exemplary objective of certain aspects of the present invention is to provide good thermal contact between the cryogenic refrigerator and its mounting structure.

本発明のある態様によると、極低温冷凍機の装着構造が提供される。装着構造は、極低温冷凍機の移動により極低温冷凍機の冷却ステージと接触し又は接触解除される伝熱ステージと、伝熱ステージに対して弾性的に変位可能に設けられ、伝熱ステージが冷却ステージの第１面と接触するとき冷却ステージの第１面とは異なる第２面と接触する伝熱構造と、を備える。 According to one aspect of the present invention, a mounting structure for a cryogenic refrigerator is provided. The mounting structure includes a heat transfer stage that comes into contact with or is released from contact with the cooling stage of the cryogenic refrigerator as the cryogenic refrigerator moves, and a heat transfer structure that is elastically displaceable relative to the heat transfer stage and that comes into contact with a second surface, different from the first surface of the cooling stage, when the heat transfer stage comes into contact with a first surface of the cooling stage.

本発明のある態様によると、極低温冷凍機の装着構造が提供される。極低温冷凍機は、二段式の極低温冷凍機である。装着構造は、極低温冷凍機の移動により極低温冷凍機の一段冷却ステージと接触し又は接触解除される一段伝熱ステージと、一段伝熱ステージに対して弾性的に変位可能に設けられ、一段伝熱ステージが一段冷却ステージの第１面と接触するとき一段冷却ステージの第１面とは異なる第２面と接触する伝熱構造と、を備える。 According to one aspect of the present invention, a mounting structure for a cryogenic refrigerator is provided. The cryogenic refrigerator is a two-stage cryogenic refrigerator. The mounting structure includes a first heat transfer stage that comes into contact with or is released from contact with the first cooling stage of the cryogenic refrigerator as the cryogenic refrigerator moves, and a heat transfer structure that is elastically displaceable relative to the first heat transfer stage and that comes into contact with a second surface, different from the first surface of the first cooling stage, when the first heat transfer stage comes into contact with the first surface of the first cooling stage.

本発明のある態様によると、極低温冷凍機は、極低温冷凍機の移動により極低温冷凍機の装着構造に設けられた伝熱ステージと接触し又は接触解除される冷却ステージと、冷却ステージに対して弾性的に変位可能に設けられ、冷却ステージが伝熱ステージの第１面と接触するとき伝熱ステージの第１面とは異なる第２面と接触する伝熱構造と、を備える。 According to one aspect of the present invention, the cryogenic refrigerator includes a cooling stage that comes into contact with or is released from contact with a heat transfer stage provided in a mounting structure for the cryogenic refrigerator as the cryogenic refrigerator moves, and a heat transfer structure that is elastically displaceable relative to the cooling stage and that comes into contact with a second surface of the heat transfer stage that is different from the first surface when the cooling stage comes into contact with a first surface of the heat transfer stage.

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。 In addition, any combination of the above components or mutual substitution of the components or expressions of the present invention between methods, devices, systems, etc. are also valid aspects of the present invention.

本発明によれば、極低温冷凍機とその装着構造との間に良好な熱接触を提供することができる。 The present invention provides good thermal contact between the cryogenic refrigerator and its mounting structure.

実施の形態に係る装着構造を説明するための概略図である。1 is a schematic diagram for explaining a mounting structure according to an embodiment. FIG. 実施の形態に係る装着構造を説明するための概略図である。1 is a schematic diagram for explaining a mounting structure according to an embodiment. FIG. 図１に示される伝熱構造を示す部分拡大図である。FIG. 2 is a partially enlarged view showing the heat transfer structure shown in FIG. 1 . 図２に示される伝熱構造を示す部分拡大図である。FIG. 3 is a partial enlarged view showing the heat transfer structure shown in FIG. 2 . 図３に示される伝熱構造のＡ－Ａ線断面を概略的に示す図である。4 is a diagram illustrating a cross section of the heat transfer structure shown in FIG. 3 taken along line AA. 実施の形態に係る伝熱構造の変形例を概略的に示す図である。11A and 11B are diagrams each showing a schematic diagram of a modified example of a heat transfer structure according to an embodiment. 実施の形態に係る伝熱構造の他の変形例を概略的に示す図である。13A and 13B are diagrams illustrating schematic diagrams of another modified example of the heat transfer structure according to the embodiment. 実施の形態に係る伝熱構造の他の変形例を概略的に示す図である。13A and 13B are diagrams illustrating schematic diagrams of another modified example of the heat transfer structure according to the embodiment. 図９（ａ）および図９（ｂ）は、実施の形態に係る伝熱構造の他の変形例を概略的に示す図である。9(a) and 9(b) are diagrams that roughly show other modified examples of the heat transfer structure according to the embodiment. 図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、実施の形態に係る極低温冷凍機を説明するための概略図である。10(a) and 10(b) are schematic diagrams for explaining a cryogenic refrigerator according to an embodiment.

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。 Below, the embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description and drawings, the same or equivalent components, members, and processes are given the same reference numerals, and duplicated descriptions are omitted as appropriate. The scale and shape of each part shown in the drawings are set for convenience in order to facilitate explanation, and should not be interpreted as being limiting unless otherwise specified. The embodiments are illustrative and do not limit the scope of the present invention in any way. All features and combinations thereof described in the embodiments are not necessarily essential to the invention.

図１および図２は、実施の形態に係る装着構造を説明するための概略図である。図１には、極低温冷凍機１０と例えば超電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。 Figures 1 and 2 are schematic diagrams for explaining the mounting structure according to the embodiment. Figure 1 shows a state in which the cryogenic refrigerator 10 and the object to be cooled 90, such as a superconducting coil, are thermally decoupled, and Figure 2 shows a state in which the two are thermally coupled.

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。 In this embodiment, the cryogenic refrigerator 10 is a two-stage Gifford-McMahon (GM) refrigerator. The cryogenic refrigerator 10 includes a compressor 12 and a two-stage cold head 14.

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。 The compressor 12 is configured to recover the refrigerant gas of the cryogenic refrigerator 10 from the cold head 14, pressurize the recovered refrigerant gas, and supply the refrigerant gas to the cold head 14 again. The cold head 14 is also called an expander, and can generate cold by adiabatic expansion of the supplied refrigerant gas in an internal expansion chamber. The circulation of the refrigerant gas between the compressor 12 and the cold head 14 is performed with a combination of appropriate pressure fluctuations and volume fluctuations of the refrigerant gas in the cold head 14, thereby forming a refrigeration cycle (e.g., a GM cycle) of the cryogenic refrigerator 10, whereby each cooling stage of the cold head 14 is cooled to a desired cryogenic temperature. The refrigerant gas is also called a working gas, and is usually helium gas, but other suitable gases may be used.

コールドヘッド１４は、コールドヘッドフランジ１６、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。一段シリンダ１８は、コールドヘッドフランジ１６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。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。 The cold head 14 includes a cold head flange 16, a first-stage cylinder 18, a first-stage cooling stage 20, a second-stage cylinder 22, and a second-stage cooling stage 24, which are arranged coaxially along the central axis of the cold head 14. The first-stage cylinder 18 connects the cold head flange 16 to the first-stage cooling stage 20, and the second-stage cylinder 22 connects the first-stage cooling stage 20 to the second-stage cooling stage 24. The first-stage cooling stage 20 and the second-stage cooling stage 24 are formed of a highly thermally conductive metal such as copper (e.g., pure copper) or other thermally conductive material. The first-stage cylinder 18 and the second-stage cylinder 22 are formed of a metal such as stainless steel. The thermal conductivity of the thermally conductive material forming the cooling stage is higher than that of the material forming the cylinder.

なおコールドヘッドフランジ１６には駆動部１７が取り付けられている。駆動部１７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、駆動部１７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、コールドヘッドフランジ１６、および駆動部１７は、周囲環境２７に配置されている。 The cold head flange 16 is fitted with a drive unit 17. The drive unit 17 includes a motor for axially reciprocating the first-stage displacer and the second-stage displacer housed in the first-stage cylinder 18 and the second-stage cylinder 22, respectively. The drive unit 17 also houses a pressure switching valve that is driven by the motor in synchronization with the displacer. The pressure switching valve is configured to periodically switch between receiving high-pressure refrigerant gas to the cold head 14 and sending out low-pressure refrigerant gas. The compressor 12, the cold head flange 16 and the drive unit 17 are disposed in the ambient environment 27.

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極低温冷凍機１０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。 The mounting structure 30 of the cryogenic refrigerator 10 is a device for mounting the cryogenic refrigerator 10 in a vacuum vessel 26, for example, a cryogenic vacuum vessel such as a cryostat. The mounting structure 30 is also called a cold head receiving sleeve, or simply a sleeve. The mounting structure 30 is installed in the vacuum vessel 26 so as to form an airtight region 28 isolated from the surrounding environment 27 between the cold head 14 and the mounting structure 30. The surrounding environment 27 is, for example, an atmospheric pressure environment at room temperature. The airtight region 28 may be evacuated to a vacuum or may be filled with an inert gas that does not liquefy at cryogenic temperatures, such as helium gas. The mounting structure 30 is also installed in the vacuum vessel 26 so as to define a vacuum region 29 in the vacuum vessel 26 in combination with the vacuum vessel 26.

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。 The mounting structure 30 may be provided to a customer by the manufacturer of the cryogenic refrigerator 10 together with the cryogenic refrigerator 10. It can also be said that a cooling device that cools the object to be cooled 90 is composed of the cryogenic refrigerator 10 and the mounting structure 30.

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。 The mounting structure 30 is also configured in two stages to correspond to the cold head 14. The mounting structure 30 includes a sleeve flange 32, a first-stage sleeve body 34, a first-stage heat transfer stage 36, a second-stage sleeve body 38, and a second-stage heat transfer stage 40, which are arranged coaxially along the central axis of the cold head 14.

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１６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１６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１６が接触している。 As an example, the sleeve flange 32 is fixed to an opening formed in the top plate of the vacuum vessel 26, and the mounting structure 30 extends from this opening into the vacuum vessel 26. The cold head flange 16 is attached to the sleeve flange 32 with a fastening member 33 such as a bolt. When the cold head flange 16 and the sleeve flange 32 are fastened, the first cooling stage 20 and the second cooling stage 24 are pressed against the first heat transfer stage 36 and the second heat transfer stage 40, respectively. The sleeve flange 32 has an opening for receiving the cold head 14 radially inward from the fastening member 33, and the cold head flange 16 is in contact with the inner peripheral surface of this opening.

締結部材３３によるコールドヘッドフランジ１６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１６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ｃｍ以内、例えば２～３ｃｍ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。 When the cold head flange 16 and the sleeve flange 32 are released from the fastening member 33, the cold head flange 16 can slide axially relative to the sleeve flange 32, and the cold head 14 can move axially (up and down in Figs. 1 and 2) relative to the mounting structure 30. The movable range is, for example, within a few centimeters, for example, about 2 to 3 cm. An operator can raise and lower the cold head 14 axially within this movable range either manually, by using an auxiliary tool such as a hydraulic jack, or by operating a lifting device with a power source if one is connected to the cold head 14.

コールドヘッドフランジ１６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。 A seal member 42, such as an O-ring, is sandwiched between the cold head flange 16 and the sleeve flange 32. The seal member 42 is disposed in a circumferential groove formed on the inner peripheral surface of the opening of the sleeve flange 32. Because the seal member 42 is provided, the airtight region 28 is isolated from the surrounding environment 27 even if the cold head 14 is moved axially relative to the mounting structure 30 within the above-mentioned movable range.

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。 The first-stage sleeve body 34 connects the sleeve flange 32 to the first-stage heat transfer stage 36, and the second-stage sleeve body 38 connects the first-stage heat transfer stage 36 to the second-stage heat transfer stage 40. The first-stage sleeve body 34 and the second-stage sleeve body 38 are arranged to surround the first-stage cylinder 18 and the second-stage cylinder 22, respectively. An opening is provided in the center of the first-stage heat transfer stage 36 to connect the internal space of the first-stage sleeve body 34 to the internal space of the second-stage sleeve body 38. The second-stage cylinder 22 and the second-stage cooling stage 24 of the cold head 14 are inserted into the internal space of the second-stage sleeve body 38 through this opening. The first-stage heat transfer stage 36 and the second-stage heat transfer stage 40 are formed of a highly heat-conductive metal such as copper (e.g., pure copper) or other heat-conductive material. The first-stage sleeve body 34 and the second-stage sleeve body 38 are formed of a metal such as stainless steel. The thermal conductivity of the heat-conductive material forming the heat transfer stage is higher than the thermal conductivity of the material forming the sleeve body.

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。 Therefore, the first-stage heat transfer stage 36 of the mounting structure 30 comes into contact with or is released from contact with the first-stage cooling stage 20 of the cold head 14 as the cold head 14 of the cryogenic refrigerator 10 moves. Similarly, the second-stage heat transfer stage 40 of the mounting structure 30 comes into contact with or is released from contact with the second-stage cooling stage 24 as the cold head 14 moves.

装着構造３０は、詳細は後述するが、一段伝熱ステージ３６に対して弾性的に変位可能に設けられた伝熱構造５０を備える。伝熱構造５０は、コールドヘッド１４の移動に垂直な方向（すなわち軸方向に垂直な径方向）に一段伝熱ステージ３６に対して弾性的に変位可能である。伝熱構造５０は、一段伝熱ステージ３６に取り付けられている。伝熱構造５０は、一段伝熱ステージ３６が一段冷却ステージ２０の第１面と接触するとき一段冷却ステージ２０の第１面とは異なる第２面と接触するように配置されている。この実施の形態においては、第１面は、一段冷却ステージ２０の底面２０ａであり、第２面は、一段冷却ステージ２０の底面２０ａと角度をなす一段冷却ステージ２０の側面２０ｂである。 The mounting structure 30, which will be described in detail later, includes a heat transfer structure 50 that is elastically displaceable relative to the first-stage heat transfer stage 36. The heat transfer structure 50 is elastically displaceable relative to the first-stage heat transfer stage 36 in a direction perpendicular to the movement of the cold head 14 (i.e., a radial direction perpendicular to the axial direction). The heat transfer structure 50 is attached to the first-stage heat transfer stage 36. The heat transfer structure 50 is arranged so that when the first-stage heat transfer stage 36 contacts the first surface of the first-stage cooling stage 20, the heat transfer structure 50 contacts a second surface different from the first surface of the first-stage cooling stage 20. In this embodiment, the first surface is the bottom surface 20a of the first-stage cooling stage 20, and the second surface is the side surface 20b of the first-stage cooling stage 20 that forms an angle with the bottom surface 20a of the first-stage cooling stage 20.

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。 A radiation shield 92 is thermally coupled to the outer surface of the first heat transfer stage 36 exposed to the vacuum region 29. The radiation shield 92 is arranged to surround the object 90 to be cooled in order to thermally protect the object 90. Only a part of the radiation shield 92 is shown in FIG. 1 and FIG. 2. The radiation shield 92 may be directly attached to the first heat transfer stage 36, or may be connected via a rigid or flexible heat transfer member. Another object to be cooled may be thermally coupled to the first heat transfer stage 36 together with or instead of the radiation shield 92. In addition, the object 90 to be cooled is thermally coupled to the outer surface of the second heat transfer stage 40 exposed to the vacuum region 29. The object 90 to be cooled may be directly attached to the second heat transfer stage 40, or may be connected via a rigid or flexible heat transfer member.

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および伝熱構造５０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。 As shown in FIG. 1, when the thermal contact between the cold head 14 and the mounting structure 30 is released, the cold head 14 is located, for example, at the upper end of the movable range. At this time, the first-stage cooling stage 20 is physically separated from the first-stage heat transfer stage 36 and the heat transfer structure 50, and the second-stage cooling stage 24 is physically separated from the second-stage heat transfer stage 40, so that the cryogenic refrigerator 10 does not cool the object to be cooled 90 and the radiation shield 92. Even if the cold head 14 is heated to a temperature higher than the object to be cooled 90 and the radiation shield 92, for example, to room temperature, the thermal influence from the cold head 14 to the object to be cooled 90 and the radiation shield 92 is limited or negligible. The object to be cooled 90 and the radiation shield 92 are maintained at a cryogenic temperature.

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および伝熱構造５０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および伝熱構造５０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。 2, when the cold head 14 and the mounting structure 30 are in thermal contact, the cold head 14 is located at the lower end of the movable range. At this time, the first-stage cooling stage 20 is in physical contact with the first-stage heat transfer stage 36 and the heat transfer structure 50, so that the first-stage cooling stage 20 is in thermal contact with the radiation shield 92 via the first-stage heat transfer stage 36 and the heat transfer structure 50. At the same time, the second-stage cooling stage 24 is in physical contact with the second-stage heat transfer stage 40, so that the second-stage cooling stage 24 is in thermal contact with the object to be cooled 90 via the second-stage heat transfer stage 40. In this way, the cryogenic refrigerator 10 can cool the object to be cooled 90 and the radiation shield 92. The radiation shield 92 can be cooled, for example, to 30K to 80K (usually 30K to 50K, for example 40K), and the object to be cooled 90 can be cooled, for example, to 3K to 20K (usually 3K to 4K).

図３および図４はそれぞれ、図１および図２に示される伝熱構造５０を示す部分拡大図である。図３には、一段冷却ステージ２０と一段伝熱ステージ３６の接触が解除された状態が示され、図４には、一段冷却ステージ２０と一段伝熱ステージ３６が接触した状態が示される。図５は、図３に示される伝熱構造５０のＡ－Ａ線断面を概略的に示す図である。なお理解の容易のために、図５ではコールドヘッド１４の二段シリンダ２２は破線で図示されている。 Figures 3 and 4 are partial enlarged views of the heat transfer structure 50 shown in Figures 1 and 2, respectively. Figure 3 shows the first cooling stage 20 and the first heat transfer stage 36 in a state where they are no longer in contact, and Figure 4 shows the first cooling stage 20 and the first heat transfer stage 36 in a state where they are in contact. Figure 5 is a schematic diagram showing the cross section of the heat transfer structure 50 shown in Figure 3 taken along line A-A. For ease of understanding, the two-stage cylinder 22 of the cold head 14 is shown in Figure 5 with a dashed line.

伝熱構造５０は、各々が一段伝熱ステージ３６に対して弾性的に変位可能に設けられた複数の伝熱片５２を備える。一段伝熱ステージ３６が一段冷却ステージ２０の第１面（例えば底面２０ａ）と接触するとき、複数の伝熱片５２の各々が一段冷却ステージ２０の第２面（例えば側面２０ｂ）と接触する。 The heat transfer structure 50 includes a plurality of heat transfer pieces 52, each of which is provided so as to be elastically displaceable relative to the first heat transfer stage 36. When the first heat transfer stage 36 contacts the first surface (e.g., the bottom surface 20a) of the first cooling stage 20, each of the plurality of heat transfer pieces 52 contacts the second surface (e.g., the side surface 20b) of the first cooling stage 20.

複数の伝熱片５２は、コールドヘッド１４の一段冷却ステージ２０が挿入されるとき一段冷却ステージ２０を囲むように、一段伝熱ステージ３６の外周に沿って取り付けられている。図５に示されるように、周方向に隣り合う２つの伝熱片５２はスリット５４で隔てられている。また、図３および図４に示されるように、各伝熱片５２の下端部が一段伝熱ステージ３６に固定され、そこから各伝熱片５２は軸方向上方に延在する。したがって、各伝熱片５２の上端部が一段伝熱ステージ３６に対して径方向に弾性的に変位可能である。各伝熱片５２は、軸方向に延びる短冊状またはワイヤ状の伝熱要素であってもよい。 The heat transfer pieces 52 are attached along the outer periphery of the first heat transfer stage 36 so as to surround the first cooling stage 20 when the first cooling stage 20 of the cold head 14 is inserted. As shown in FIG. 5, two heat transfer pieces 52 adjacent in the circumferential direction are separated by a slit 54. Also, as shown in FIGS. 3 and 4, the lower end of each heat transfer piece 52 is fixed to the first heat transfer stage 36, from which each heat transfer piece 52 extends axially upward. Therefore, the upper end of each heat transfer piece 52 can be elastically displaced in the radial direction relative to the first heat transfer stage 36. Each heat transfer piece 52 may be a strip-shaped or wire-shaped heat transfer element extending in the axial direction.

伝熱片５２は、一段伝熱ステージ３６と同様に、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。各伝熱片５２と一段伝熱ステージ３６は、例えばねじなど機械的接合により構造的に一体化され、熱的に結合される。あるいは、伝熱片５２は、半田など冶金的接合またはそのほか適宜の接合技術を利用して一段伝熱ステージ３６に固定されてもよい。 The heat transfer pieces 52, like the first heat transfer stage 36, are formed of a highly thermally conductive metal such as copper (e.g., pure copper) or other thermally conductive material. Each heat transfer piece 52 and the first heat transfer stage 36 are structurally integrated and thermally coupled by mechanical joints such as screws. Alternatively, the heat transfer pieces 52 may be fixed to the first heat transfer stage 36 using metallurgical joints such as soldering or other suitable joining techniques.

図５には、一例として、１２個の伝熱片５２が示されているが、伝熱片５２の数はこれより多くてもよいし、少なくてもよい。また、この実施の形態においては、各伝熱片５２の形状および寸法（高さ、幅、厚さ）は同じであるが、これは必須ではなく、少なくとも１つの伝熱片５２の形状または寸法のいずれかが他の少なくとも１つの伝熱片５２とは異なってもよい。 In FIG. 5, twelve heat transfer pieces 52 are shown as an example, but the number of heat transfer pieces 52 may be more or less than this. Also, in this embodiment, the shape and dimensions (height, width, thickness) of each heat transfer piece 52 are the same, but this is not required, and either the shape or dimensions of at least one heat transfer piece 52 may be different from at least one other heat transfer piece 52.

図３に示されるように、伝熱構造５０の入口径（Ｄ１）、すなわち、対向する２つの伝熱片５２の上端の径方向間隔は、一段冷却ステージ２０の端面の径（Ｄ２）と等しいか、または若干小さくてもよい。一段冷却ステージ２０が伝熱構造５０に挿入されるとき伝熱片５２と摺動しながら接触するように、これら２つの径（Ｄ１、Ｄ２）の寸法公差が定められていてもよい。一段冷却ステージ２０の側面２０ｂと接触する各伝熱片５２の径方向内向きの面が、一段冷却ステージ２０の側面２０ｂと平行であってもよい。 3, the inlet diameter (D1) of the heat transfer structure 50, i.e., the radial distance between the upper ends of the two opposing heat transfer pieces 52, may be equal to or slightly smaller than the diameter (D2) of the end face of the first cooling stage 20. The dimensional tolerances of these two diameters (D1, D2) may be determined so that the first cooling stage 20 makes sliding contact with the heat transfer pieces 52 when inserted into the heat transfer structure 50. The radially inward surface of each heat transfer piece 52 that contacts the side surface 20b of the first cooling stage 20 may be parallel to the side surface 20b of the first cooling stage 20.

各伝熱片５２の上端面はテーパ面５６であってもよい。テーパ面５６は、各伝熱片５２の外周面を内周面に接続し、径方向内向きに軸方向下方に向けて傾斜している。これにより、一段冷却ステージ２０が伝熱構造５０に挿入されるとき、まず一段冷却ステージ２０の端面外周がテーパ面５６に突き当たる。テーパ面５６は、一段冷却ステージ２０を案内するガイド面として働き、それにより、一段冷却ステージ２０は伝熱構造５０に容易に受け入れられる。また、コールドヘッド１４と装着構造３０との間にいくらかの軸ずれがあったとしても、一段冷却ステージ２０はテーパ面５６にガイドされて伝熱構造５０に挿入されることができる。 The upper end surface of each heat transfer piece 52 may be a tapered surface 56. The tapered surface 56 connects the outer peripheral surface of each heat transfer piece 52 to the inner peripheral surface, and is inclined radially inward and axially downward. As a result, when the first-stage cooling stage 20 is inserted into the heat transfer structure 50, the outer periphery of the end surface of the first-stage cooling stage 20 first abuts against the tapered surface 56. The tapered surface 56 acts as a guide surface for guiding the first-stage cooling stage 20, so that the first-stage cooling stage 20 is easily accepted by the heat transfer structure 50. In addition, even if there is some axial misalignment between the cold head 14 and the mounting structure 30, the first-stage cooling stage 20 can be guided by the tapered surface 56 and inserted into the heat transfer structure 50.

以上の構成を有する極低温冷凍機１０および装着構造３０の動作を説明する。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および図４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および伝熱構造５０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。 The operation of the cryogenic refrigerator 10 and mounting structure 30 having the above configuration will be described. When the time arrives when maintenance of the cryogenic refrigerator 10 is permitted, the cooling operation of the cryogenic refrigerator 10 is stopped. At this time, as shown in Figures 2 and 4, the first-stage cooling stage 20 is in physical and thermal contact with the first-stage heat transfer stage 36 and the heat transfer structure 50, and the second-stage cooling stage 24 is in physical and thermal contact with the second-stage heat transfer stage 40.

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１６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１６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。 The cold head flange 16 and the sleeve flange 32 are released from the fastening member 33 by the operator. The cold head 14 is then lifted somewhat from the mounting structure 30. A seal member 42 is provided between the cold head flange 16 and the sleeve flange 32, so that the airtight region 28 is kept isolated from the surrounding environment 27.

こうして、図１および図３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および伝熱構造５０から物理的に離れて熱的に非接触となる。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。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。 As shown in Figures 1 and 3, the first-stage cooling stage 20 is physically separated from the first-stage heat transfer stage 36 and the heat transfer structure 50, and is not in thermal contact with them. The second-stage cooling stage 24 is physically separated from the second-stage heat transfer stage 40, and is not in thermal contact with them. The cold head 14 can be heated while the object to be cooled 90 and the radiation shield 92 are kept at low temperatures.

極低温冷凍機１０のメンテナンスが行われる。コールドヘッド１４の駆動部１７およびディスプレーサがコールドヘッド１４から取り外される。コールドヘッド１４の外側構造、すなわち、コールドヘッドフランジ１６、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。そして、メンテナンスが施された（または新品の）駆動部１７およびディスプレーサがコールドヘッド１４に取り付けられる。そして、極低温冷凍機１０の冷却運転が再開される。 Maintenance is performed on the cryogenic refrigerator 10. The drive unit 17 and displacer of the cold head 14 are removed from the cold head 14. The outer structure of the cold head 14, i.e., the cold head flange 16, the first-stage cylinder 18, the first-stage cooling stage 20, the second-stage cylinder 22, and the second-stage cooling stage 24, are attached to the mounting structure 30 as is. Then, the drive unit 17 and displacer that have been maintained (or are new) are attached to the cold head 14. Then, the cooling operation of the cryogenic refrigerator 10 is resumed.

作業者はコールドヘッド１４を装着構造３０に再び押し込む。一段冷却ステージ２０が軸方向に挿入され各伝熱片５２に対し軸方向に摺動するとき、一段冷却ステージ２０は、各伝熱片５２を径方向外向き（図４の矢印５８）に押し広げるように弾性的に撓ませる。各伝熱片５２の径方向内向きの面が一段冷却ステージ２０の側面２０ｂに追従して、図２および図４に示されるように、一段冷却ステージ２０と各伝熱片５２が弾性的に面接触する。それとともに、一段冷却ステージ２０の底面２０ａが一段伝熱ステージ３６に接触して押し付けられる。 The worker pushes the cold head 14 back into the mounting structure 30. When the first-stage cooling stage 20 is inserted axially and slides axially against each heat transfer piece 52, the first-stage cooling stage 20 elastically bends each heat transfer piece 52 so as to spread them outward in the radial direction (arrows 58 in FIG. 4). The radially inward surface of each heat transfer piece 52 follows the side surface 20b of the first-stage cooling stage 20, and the first-stage cooling stage 20 and each heat transfer piece 52 come into elastic surface contact as shown in FIG. 2 and FIG. 4. At the same time, the bottom surface 20a of the first-stage cooling stage 20 comes into contact with and is pressed against the first-stage heat transfer stage 36.

そして、締結部材３３によってコールドヘッドフランジ１６とスリーブフランジ３２が締結される。一段冷却ステージ２０は一段伝熱ステージ３６および伝熱構造５０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、図２および図４に示される状態に戻る。 The cold head flange 16 and the sleeve flange 32 are then fastened together by the fastening member 33. The first cooling stage 20 is in physical and thermal contact with the first heat transfer stage 36 and the heat transfer structure 50, and the second cooling stage 24 is in physical and thermal contact with the second heat transfer stage 40, returning to the state shown in Figures 2 and 4.

したがって、実施の形態に係る極低温冷凍機１０および装着構造３０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。 Therefore, according to the cryogenic refrigerator 10 and mounting structure 30 of the embodiment, the movement of the cold head 14 releases thermal contact with the mounting structure 30, and the cold head 14 can be heated and maintained while maintaining the object to be cooled 90 and the radiation shield 92 at low temperatures. Compared to performing maintenance on the cryogenic refrigerator 10 by heating the object to be cooled 90 and the radiation shield 92 to room temperature together with the cold head 14, the time required for recooling the object to be cooled 90 and the radiation shield 92 can be shortened, and the time required for maintenance can be shortened.

多数の伝熱片５２を有する伝熱構造５０が一段伝熱ステージ３６に設置されることにより、一段冷却ステージ２０と一段伝熱ステージ３６との接触面積を増加することができ、それにより、一段冷却ステージ２０と一段伝熱ステージ３６の間に生じうる熱抵抗を低減することができる。また、一段冷却ステージ２０が伝熱構造５０に挿入されるとき伝熱片５２と摺動しながら接触し、伝熱片５２に生じる弾性力が伝熱片５２を一段冷却ステージ２０に押し付ける。こうして、伝熱構造５０は、一段冷却ステージ２０を比較的強力に締め付けることができる。伝熱構造５０と一段冷却ステージ２０の間の接触面圧を増加し、熱抵抗を低減することができる。 By installing a heat transfer structure 50 having a large number of heat transfer pieces 52 on the first heat transfer stage 36, the contact area between the first cooling stage 20 and the first heat transfer stage 36 can be increased, thereby reducing the thermal resistance that may occur between the first cooling stage 20 and the first heat transfer stage 36. In addition, when the first cooling stage 20 is inserted into the heat transfer structure 50, it comes into sliding contact with the heat transfer pieces 52, and the elastic force generated in the heat transfer pieces 52 presses the heat transfer pieces 52 against the first cooling stage 20. In this way, the heat transfer structure 50 can tighten the first cooling stage 20 relatively strongly. The contact surface pressure between the heat transfer structure 50 and the first cooling stage 20 can be increased, reducing the thermal resistance.

ここで注目すべきは、接触面圧がコールドヘッド１４の移動の方向とは異なる方向、たとえば、おおむね直交する方向に生じることである。そのため、伝熱構造５０の追加により接触面積は増加しているが、コールドヘッド１４を押し込むのに必要とされる力はそれほど増加しない。したがって、コールドヘッド１４を軸方向に移動させるための作業負荷はあまり変わらない。既存の昇降装置をそのまま使うことができる。 It should be noted here that the contact pressure occurs in a direction different from the direction of movement of the cold head 14, for example, in a direction roughly perpendicular to it. Therefore, although the contact area increases with the addition of the heat transfer structure 50, the force required to push the cold head 14 does not increase significantly. Therefore, the workload for moving the cold head 14 axially does not change significantly. The existing lifting device can be used as is.

コールドヘッド１４が装着構造３０と熱接触するとき、コールドヘッド１４を軸方向に押し込む力は、一段部と二段部に構造力学的に分配され、その結果として一段部と二段部それぞれの接触面圧が決まる。本実施の形態においては、伝熱構造５０が一段伝熱ステージ３６に設置されることにより、一段冷却ステージ２０と一段伝熱ステージ３６の熱接触が改善される。そのため、一段部に比べて二段部の接触面圧が大きくなるようにコールドヘッド１４および装着構造３０を設計することができる。このようにして、一段部だけでなく二段部についても良好な熱接触を提供することができる。 When the cold head 14 is in thermal contact with the mounting structure 30, the force that pushes the cold head 14 in the axial direction is structurally distributed to the first and second stages, and as a result, the contact surface pressures of the first and second stages are determined. In this embodiment, the heat transfer structure 50 is installed on the first heat transfer stage 36, thereby improving the thermal contact between the first cooling stage 20 and the first heat transfer stage 36. Therefore, the cold head 14 and the mounting structure 30 can be designed so that the contact surface pressure of the second stage is greater than that of the first stage. In this way, good thermal contact can be provided not only for the first stage but also for the second stage.

図６は、実施の形態に係る伝熱構造５０の変形例を概略的に示す図である。図６に示されるように、一段冷却ステージ２０は、底面２０ａを側面２０ｂに接続する傾斜面２０ｃを有してもよい。一段冷却ステージ２０は円柱状の形状を有するので、傾斜面２０ｃは円錐台の側面にあたる形状を有する。一段冷却ステージ２０の底面２０ａは、一段伝熱ステージ３６に接触しうる。一段冷却ステージ２０の形状に対応して、伝熱構造５０の各伝熱片５２は、第１伝熱面５２ｂと第２伝熱面５２ｃを有してもよい。第１伝熱面５２ｂが一段冷却ステージ２０の側面２０ｂと接触し、第２伝熱面５２ｃが一段冷却ステージ２０の傾斜面２０ｃと接触しうる。なお一段冷却ステージ２０の傾斜面２０ｃの少なくとも一部が一段伝熱ステージ３６に接触するように一段伝熱ステージ３６の形状が定められていてもよい。 6 is a diagram showing a schematic diagram of a modified example of the heat transfer structure 50 according to the embodiment. As shown in FIG. 6, the first-stage cooling stage 20 may have an inclined surface 20c connecting the bottom surface 20a to the side surface 20b. Since the first-stage cooling stage 20 has a cylindrical shape, the inclined surface 20c has a shape corresponding to the side surface of a truncated cone. The bottom surface 20a of the first-stage cooling stage 20 may be in contact with the first-stage heat transfer stage 36. In accordance with the shape of the first-stage cooling stage 20, each heat transfer piece 52 of the heat transfer structure 50 may have a first heat transfer surface 52b and a second heat transfer surface 52c. The first heat transfer surface 52b may be in contact with the side surface 20b of the first-stage cooling stage 20, and the second heat transfer surface 52c may be in contact with the inclined surface 20c of the first-stage cooling stage 20. The shape of the first-stage heat transfer stage 36 may be determined so that at least a part of the inclined surface 20c of the first-stage cooling stage 20 is in contact with the first-stage heat transfer stage 36.

図７は、実施の形態に係る伝熱構造５０の他の変形例を概略的に示す図である。伝熱構造５０の各伝熱片５２が単一の材料で形成されることは必須ではない。図７に示されるように、一段冷却ステージ２０の側面２０ｂと接触する各伝熱片５２の径方向内向きの面６０は、伝熱片５２の本体部分６２を形成する高熱伝導材料とは異なる材料で形成されてもよい。面６０は、高熱伝導金属のメッキ層であってもよく、たとえば、銅の本体部分６２に形成された金、銀、またはインジウムのメッキ層であってもよい。 Figure 7 is a schematic diagram showing another modified example of the heat transfer structure 50 according to the embodiment. It is not essential that each heat transfer piece 52 of the heat transfer structure 50 is formed of a single material. As shown in Figure 7, the radially inward surface 60 of each heat transfer piece 52 that contacts the side surface 20b of the first cooling stage 20 may be formed of a material different from the highly thermally conductive material that forms the main body portion 62 of the heat transfer piece 52. The surface 60 may be a plated layer of a highly thermally conductive metal, for example, a plated layer of gold, silver, or indium formed on the copper main body portion 62.

図８は、実施の形態に係る伝熱構造５０の他の変形例を概略的に示す図である。典型的には、銅などの熱伝導率の良い金属材料は比較的軟らかい。そのため、伝熱片５２の全体がこうした材料のみで形成される場合には、伝熱片５２は低剛性となりがちである。そうすると、一段冷却ステージ２０が伝熱構造５０に挿入されるとき、伝熱片５２が比較的容易に変形し、そのため、一段冷却ステージ２０と伝熱片５２の接触面圧は小さくなりがちである。熱抵抗を低減するには、高い接触面圧が望まれる。 Figure 8 is a schematic diagram showing another modified example of the heat transfer structure 50 according to the embodiment. Typically, metal materials with good thermal conductivity, such as copper, are relatively soft. Therefore, if the entire heat transfer piece 52 is made of such a material, the heat transfer piece 52 tends to have low rigidity. Then, when the first cooling stage 20 is inserted into the heat transfer structure 50, the heat transfer piece 52 deforms relatively easily, and therefore the contact surface pressure between the first cooling stage 20 and the heat transfer piece 52 tends to be small. To reduce thermal resistance, a high contact surface pressure is desired.

そこで、図８に示されるように、伝熱片５２は、本体部分６２と板ばね層６４の二層構造を有してもよい。本体部分６２は例えば銅などの高熱伝導材料で形成され、一段冷却ステージ２０に接触する。板ばね層６４は、本体部分６２に対して外周部に配置され、本体部分６２と一体化されている。板ばね層６４は、たとえば真鍮、ステンレス鋼など、本体部分６２を形成する材料に比べて硬い金属またはその他の材料で形成される。よって、板ばね層６４は、本体部分６２に比べて高い剛性をもつ。また、板ばね層６４を形成する材料は、典型的には、本体部分６２に比べて低い熱伝導率を有する。このようにすれば、一段冷却ステージ２０が伝熱構造５０に挿入されるとき伝熱片５２に生じる弾性力が増加され、伝熱構造５０と一段冷却ステージ２０の間の接触面圧を増加し、熱抵抗を低減することができる。 8, the heat transfer piece 52 may have a two-layer structure of a main body portion 62 and a leaf spring layer 64. The main body portion 62 is formed of a highly thermally conductive material such as copper, and is in contact with the first cooling stage 20. The leaf spring layer 64 is disposed on the outer periphery of the main body portion 62 and is integrated with the main body portion 62. The leaf spring layer 64 is formed of a metal or other material that is harder than the material forming the main body portion 62, such as brass or stainless steel. Thus, the leaf spring layer 64 has higher rigidity than the main body portion 62. In addition, the material forming the leaf spring layer 64 typically has a lower thermal conductivity than the main body portion 62. In this way, the elastic force generated in the heat transfer piece 52 when the first cooling stage 20 is inserted into the heat transfer structure 50 is increased, and the contact surface pressure between the heat transfer structure 50 and the first cooling stage 20 is increased, thereby reducing the thermal resistance.

図９（ａ）および図９（ｂ）は、実施の形態に係る伝熱構造５０の他の変形例を概略的に示す図である。伝熱構造５０は、スリーブ、例えば装着構造３０の一段スリーブ体３４に弾性的に支持されていてもよい。図９（ａ）に示されるように、各伝熱片５２が、例えばスプリングなどの弾性部材６６によって一段スリーブ体３４に支持されていてもよい。このようにしても、一段冷却ステージ２０が伝熱構造５０に挿入されるとき伝熱片５２に生じる弾性力を増加させることができる。この場合、図９（ｂ）に示されるように、各伝熱片５２が一段伝熱ステージ３６に剛に接続されるのではなく、可撓性の伝熱部材６８によって一段伝熱ステージ３６に接続されてもよい。 9(a) and 9(b) are diagrams that show another modified example of the heat transfer structure 50 according to the embodiment. The heat transfer structure 50 may be elastically supported by a sleeve, for example, the single-stage sleeve body 34 of the mounting structure 30. As shown in FIG. 9(a), each heat transfer piece 52 may be supported by the single-stage sleeve body 34 by an elastic member 66, for example, a spring. In this way, the elastic force generated in the heat transfer piece 52 when the single-stage cooling stage 20 is inserted into the heat transfer structure 50 can be increased. In this case, as shown in FIG. 9(b), each heat transfer piece 52 may be connected to the single-stage heat transfer stage 36 by a flexible heat transfer member 68, rather than being rigidly connected to the single-stage heat transfer stage 36.

図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、実施の形態に係る極低温冷凍機を説明するための概略図である。図１０（ａ）には、一段冷却ステージ２０と一段伝熱ステージ３６の接触が解除された状態が示され、図１０（ｂ）には、一段冷却ステージ２０と一段伝熱ステージ３６が接触した状態が示される。上述の実施の形態においては、伝熱構造５０が装着構造３０に設けられているが、以下に説明するように、伝熱構造５０は、極低温冷凍機のコールドヘッド１４に設けられてもよい。 Figures 10(a) and 10(b) are schematic diagrams for explaining a cryogenic refrigerator according to an embodiment. Figure 10(a) shows a state in which the first cooling stage 20 and the first heat transfer stage 36 are no longer in contact, and Figure 10(b) shows a state in which the first cooling stage 20 and the first heat transfer stage 36 are in contact. In the above-described embodiment, the heat transfer structure 50 is provided in the mounting structure 30, but as described below, the heat transfer structure 50 may also be provided in the cold head 14 of the cryogenic refrigerator.

したがって、伝熱構造５０は、一段冷却ステージ２０に対して弾性的に変位可能に設けられてもよい。伝熱構造５０は、コールドヘッド１４の移動に垂直な方向（すなわち軸方向に垂直な径方向）に一段冷却ステージ２０に対して弾性的に変位可能である。伝熱構造５０は、一段冷却ステージ２０に取り付けられている。伝熱構造５０は、一段冷却ステージ２０が一段伝熱ステージ３６の第１面と接触するとき一段伝熱ステージ３６の第１面とは異なる第２面と接触するように配置されている。この実施の形態においては、第１面は、一段伝熱ステージ３６の上面３６ａであり、第２面は、一段伝熱ステージ３６の上面３６ａと角度をなす一段伝熱ステージ３６の側面３６ｂである。 Therefore, the heat transfer structure 50 may be provided so as to be elastically displaceable with respect to the first-stage cooling stage 20. The heat transfer structure 50 is elastically displaceable with respect to the first-stage cooling stage 20 in a direction perpendicular to the movement of the cold head 14 (i.e., a radial direction perpendicular to the axial direction). The heat transfer structure 50 is attached to the first-stage cooling stage 20. The heat transfer structure 50 is arranged so that when the first-stage cooling stage 20 contacts the first surface of the first-stage heat transfer stage 36, the heat transfer structure 50 contacts a second surface different from the first surface of the first-stage heat transfer stage 36. In this embodiment, the first surface is the upper surface 36a of the first-stage heat transfer stage 36, and the second surface is the side surface 36b of the first-stage heat transfer stage 36 that forms an angle with the upper surface 36a of the first-stage heat transfer stage 36.

伝熱構造５０は、各々が一段冷却ステージ２０に対して弾性的に変位可能に設けられた複数の伝熱片５２を備える。一段冷却ステージ２０が一段伝熱ステージ３６の第１面（例えば上面３６ａ）と接触するとき、複数の伝熱片５２の各々が一段伝熱ステージ３６の第２面（例えば側面３６ｂ）と接触する。 The heat transfer structure 50 includes a plurality of heat transfer pieces 52, each of which is provided so as to be elastically displaceable relative to the first cooling stage 20. When the first cooling stage 20 contacts the first surface (e.g., the top surface 36a) of the first heat transfer stage 36, each of the plurality of heat transfer pieces 52 contacts the second surface (e.g., the side surface 36b) of the first heat transfer stage 36.

このようにしても、極低温冷凍機のコールドヘッド１４とその装着構造３０との間に良好な熱接触を提供することができる。 In this manner, good thermal contact can be provided between the cryogenic refrigerator cold head 14 and its mounting structure 30.

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。 The present invention has been described above based on examples. Those skilled in the art will understand that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and that various design changes and modifications are possible, and that such modifications are also within the scope of the present invention. Various features described in relation to one embodiment can also be applied to other embodiments. A new embodiment resulting from a combination will have the combined effects of each of the combined embodiments.

上述の実施の形態では、伝熱構造５０がコールドヘッド１４または装着構造３０の一段部に設けられているが、伝熱構造５０は二段部に設けられてもよい。したがって、例えば、伝熱構造５０は、二段伝熱ステージ４０に対して弾性的に変位可能に設けられ、二段伝熱ステージ４０が二段冷却ステージ２４の第１面と接触するとき二段冷却ステージ２４の第１面とは異なる第２面と接触してもよい。また、伝熱構造５０は、単段式のコールドヘッド、またはその装着構造に設けられてもよい。 In the above-described embodiment, the heat transfer structure 50 is provided on one stage of the cold head 14 or the mounting structure 30, but the heat transfer structure 50 may be provided on two stages. Thus, for example, the heat transfer structure 50 may be provided so as to be elastically displaceable relative to the two-stage heat transfer stage 40, and when the two-stage heat transfer stage 40 contacts the first surface of the two-stage cooling stage 24, it may contact a second surface different from the first surface of the two-stage cooling stage 24. The heat transfer structure 50 may also be provided on a single-stage cold head or its mounting structure.

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。 The cryocooler 10 is not limited to a GM cryocooler. The cryocooler 10 may be a pulse tube cryocooler, a Stirling cryocooler, or any other type of cryocooler.

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。 The present invention has been described using specific terms based on the embodiment, but the embodiment merely illustrates one aspect of the principles and applications of the present invention, and many modifications and changes in arrangement are permitted to the embodiment without departing from the concept of the present invention as defined in the claims.

１０ 極低温冷凍機、 ２０ 一段冷却ステージ、 ２０ａ 底面、 ２０ｂ 側面、 ２４ 二段冷却ステージ、 ３０ 装着構造、 ３６ 一段伝熱ステージ、 ４０ 二段伝熱ステージ、 ５０ 伝熱構造、 ５２ 伝熱片、 ９０ 被冷却物、 ９２ 輻射シールド。 10 cryogenic refrigerator, 20 first cooling stage, 20a bottom surface, 20b side surface, 24 second cooling stage, 30 mounting structure, 36 first heat transfer stage, 40 second heat transfer stage, 50 heat transfer structure, 52 heat transfer piece, 90 object to be cooled, 92 radiation shield.

Claims (7)

極低温冷凍機の装着構造であって、前記極低温冷凍機は、底面および前記底面と角度をなす側面を有する冷却ステージを備え、前記装着構造は、
前記極低温冷凍機の移動により前記冷却ステージの前記底面と接触し又は接触解除される上面を有する伝熱ステージと、
前記伝熱ステージの前記上面に対して前記極低温冷凍機の移動に垂直な方向に弾性的に変位可能に設けられ、前記伝熱ステージの前記上面が前記冷却ステージの前記底面と接触するとき前記冷却ステージの前記側面と接触する伝熱構造と、を備えることを特徴とする極低温冷凍機の装着構造。 A mounting structure for a cryogenic refrigerator , the cryogenic refrigerator comprising a cooling stage having a bottom surface and a side surface that forms an angle with the bottom surface, the mounting structure comprising:
a heat transfer stage having an upper surface that comes into contact with or is released from contact with the bottom surface of the cooling stage as the cryogenic refrigerator moves;
a heat transfer structure that is elastically displaceable with respect to the upper surface of the heat transfer stage in a direction perpendicular to the movement of the cryogenic refrigerator , and that comes into contact with the side of the cooling stage when the upper surface of the heat transfer stage comes into contact with the bottom surface of the cooling stage. 前記伝熱構造は、各々が伝熱ステージの前記上面に対して弾性的に変位可能に設けられた複数の伝熱片を備え、
前記複数の伝熱片の各々が、前記伝熱ステージの前記上面が前記冷却ステージの前記底面と接触するとき前記冷却ステージの前記側面と接触することを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機の装着構造。 the heat transfer structure includes a plurality of heat transfer pieces each of which is provided so as to be elastically displaceable with respect to the upper surface of the heat transfer stage;
2. The mounting structure for a cryogenic refrigerator according to claim 1, wherein each of the plurality of heat transfer pieces contacts the side surface of the cooling stage when the top surface of the heat transfer stage contacts the bottom surface of the cooling stage. 前記伝熱構造は、前記冷却ステージの前記側面と接触する本体部分と、前記本体部分に対して外側に配置され、前記極低温冷凍機の移動に垂直な方向に前記伝熱ステージの前記上面に対して弾性的に変位可能である板ばね層と、を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の極低温冷凍機の装着構造。 The mounting structure for a cryogenic refrigerator according to claim 1 or 2, characterized in that the heat transfer structure comprises a main body portion in contact with the side surface of the cooling stage, and a leaf spring layer arranged outwardly of the main body portion and elastically displaceable relative to the upper surface of the heat transfer stage in a direction perpendicular to the movement of the cryogenic refrigerator. 前記伝熱構造は、前記伝熱ステージに取り付けられてい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の装着構造。 The mounting structure for a cryogenic refrigerator according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the heat transfer structure is attached to the heat transfer stage. 前記伝熱ステージに接続されたスリーブをさらに備え、
前記伝熱構造は、前記スリーブに弾性的に支持されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の極低温冷凍機の装着構造。 a sleeve connected to the heat transfer stage;
5. The mounting structure for a cryogenic refrigerator according to claim 1, wherein the heat transfer structure is elastically supported by the sleeve. 極低温冷凍機の装着構造であって、前記極低温冷凍機は、二段式の極低温冷凍機であり、底面および前記底面と角度をなす側面を有する一段冷却ステージを備え、前記装着構造は、
前記極低温冷凍機の移動により前記一段冷却ステージの前記底面と接触し又は接触解除される上面を有する一段伝熱ステージと、
前記一段伝熱ステージの前記上面に対して前記極低温冷凍機の移動に垂直な方向に弾性的に変位可能に設けられ、前記一段伝熱ステージの前記上面が前記一段冷却ステージの前記底面と接触するとき前記一段冷却ステージの前記側面と接触する伝熱構造と、を備えることを特徴とする極低温冷凍機の装着構造。 A mounting structure for a cryogenic refrigerator, the cryogenic refrigerator being a two-stage cryogenic refrigerator, comprising a first cooling stage having a bottom surface and a side surface that forms an angle with the bottom surface, the mounting structure comprising:
a first heat transfer stage having an upper surface that comes into contact with or is released from contact with the bottom surface of the first cooling stage due to movement of the cryogenic refrigerator;
a heat transfer structure that is elastically displaceable relative to the upper surface of the first-stage heat transfer stage in a direction perpendicular to the movement of the cryogenic refrigerator , and that comes into contact with the side surface of the first-stage cooling stage when the upper surface of the first-stage heat transfer stage comes into contact with the bottom surface of the first-stage cooling stage. 装着構造に装着可能な極低温冷凍機であって、前記装着構造は、上面および前記上面と角度をなす側面を有する伝熱ステージを備え、前記極低温冷凍機は、
極低温冷凍機の移動により前記伝熱ステージの前記上面と接触し又は接触解除される底面を有する冷却ステージと、
前記冷却ステージの前記底面に対して前記極低温冷凍機の移動に垂直な方向に弾性的に変位可能に設けられ、前記冷却ステージの前記底面が前記伝熱ステージの前記上面と接触するとき前記伝熱ステージの前記側面と接触する伝熱構造と、を備えることを特徴とする極低温冷凍機。 A cryogenic refrigerator mountable to a mounting structure, the mounting structure including a heat transfer stage having a top surface and a side surface that forms an angle with the top surface, the cryogenic refrigerator comprising:
a cooling stage having a bottom surface that comes into contact with or is released from contact with the top surface of the heat transfer stage by the movement of a cryogenic refrigerator;
a heat transfer structure that is elastically displaceable with respect to the bottom surface of the cooling stage in a direction perpendicular to the movement of the cryogenic refrigerator , and that comes into contact with the side surface of the heat transfer stage when the bottom surface of the cooling stage comes into contact with the top surface of the heat transfer stage.
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