极低温装置以及使用该极低温装置的被冷却体的冷却方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及利用制冷机对超导磁铁等被冷却体进行冷却的极低温装置、以及使用 该极低温装置的该被冷却体的冷却方法。
【背景技术】
[0002] 以往，作为用于对超导磁铁、收容该超导磁铁的液氦容器这样的被冷却体进行冷 却的极低温装置，已知利用了具有冷头的制冷机的装置。如何能够在该装置中高效地（即 以较小的热阻）将所述冷头与被冷却体连接且断开，成为重要的技术问题。
[0003] 专利文献1公开了在所述被冷却体与所述冷头的连接中利用了氮等低沸点气体 的技术。如图6所示，该装置具有：液氦容器100 ;收容该液氦容器的真空容器102 ;具有冷 头104的制冷机106 ;形成于所述液氦容器100与所述真空容器102之间并且能够供所述 冷头104从真空容器102的外部插入的套筒108 ;以堵塞该套筒108的下部的方式装配于 该套筒108的下部的堵塞板110 ;用于向该堵塞板110的正上方空间供给氮气等加热气体 的气体导入管112 ;以及固定在所述堵塞板110的下表面上的传热用的翅片114。上述堵塞 板110以及翅片114是被所述制冷机106冷却的被冷却体，通过该冷却将液氦容器100内 的温度保持在氦的沸点以下的极低温状态。
[0004] 所述冷头104在其中段部位以及下端部位分别具有第一冷却台104a以及第二冷 却台104b，所述第二冷却台104b与作为被冷却体的所述液氦容器100以如下方式连接为能 够热传递。首先，在所述套筒108的底部蓄积液氮。另一方面，所述冷头104以该第二冷却 台l〇4b浸渍于所述液氮内且在该第二冷却台104b的下表面与所述堵塞板110的上表面之 间形成规定尺寸的间隙的位置，插入到所述套筒108内。当在该状态下启动所述冷头104 时，所述第二冷却台l〇4b将所述液氮冷却而使其固化，由此，形成由该被固化的氮构成的 热接头（heatjoint) 116。该热接头116具有较高的热传导系数，其高效地将所述冷头104 所生成的冷能传递给所述堵塞板110。
[0005] 另一方面，在为了进行制冷机106的维护等而从套筒108拆卸所述冷头104时，停 止所述制冷机106的运转，更优选通过所述气体导入管112而向套筒108内导入加热气体 (例如氮）。由此，构成所述热接头116的氮发生气化而使该热接头116消失，从而能够从 所述套筒108内取出所述冷头104。
[0006] 在所述专利文献1所记载的装置中，难以避免在拆卸冷头104时的向被冷却体的 热侵入。具体而言，为了从所述套筒108拔出所述冷头104而必须将该套筒108内加热至 氮的沸点以上的温度为止，并且，在该拔出后，套筒108内向大气中开放。此时，大量的热量 从所述套筒108通过所述堵塞板110而向液氦容器100内侵入。
[0007] 在先技术文献
[0008] 专利文献
[0009] 专利文献1:日本特开2005-210015号公报
【发明内容】
[0010] 本发明的目的在于，提供用于通过具有冷头的制冷机对被冷却体进行冷却的极低 温装置、以及使用该极低温装置的被冷却体的冷却方法，该极低温装置在有效地抑制朝向 所述被冷却体的热侵入的同时，能够将所述冷头相对于所述被冷却体以能够高效率地进行 热传递的方式连结为能够装卸。
[0011] 本发明所提供的极低温装置具备：被冷却体容器，其具有外壁，并且在该被冷却体 容器的内侧收容所述被冷却体；冷头插入部，其具有筒部和底部，该筒部形成从所述外壁起 朝向所述被冷却体延伸、且为了允许所述冷头从其低温端侧插入而向所述外壁的外侧开口 的筒状，该底部以堵塞该筒部的里侧端部的方式与该筒部相接，该冷头插入部具有通过该 插入的冷头来封闭内部的形状；热连结形成部，其用于在所述冷头的低温端与所述冷头插 入部的底部之间形成能够进行热传导的热连结部；以及热开关，其设置在所述冷头插入部 的底部与所述被冷却体之间。所述热连结形成部具有制冷机侧凹凸部和插入部侧凹凸部， 该制冷机侧凹凸部设置在所述冷头的低温端且在与该冷头的插入方向平行的方向上起伏， 该插入部侧凹凸部设置在所述冷头插入部的底部中的朝向所述冷头的低温端侧的面上，并 且以能够与所述制冷机侧凹凸部隔开间隙进行对置的方式在与该冷头的插入方向平行的 方向上起伏。所述制冷机侧凹凸部以及所述插入部侧凹凸部具有如下的形状：通过在所述 制冷机侧凹凸部以及所述插入部侧凹凸部彼此的间隙内使气体状的热传导介质在所述冷 头的低温端的运转温度下凝固而形成所述热连结部。所述热开关具有插入部侧热开关元 件和被冷却体侧热开关元件，该插入部侧热开关元件设置在所述底部中的朝向所述被冷却 体侧的面、即被冷却体侧面，该被冷却体侧热开关元件以相对于该插入部侧热开关元件在 与所述冷头的插入方向平行的方向上对置的方式配置于所述被冷却体，通过使两开关元件 在与所述冷头的插入方向平行的方向上相对位移，从而在接通状态与断开状态之间进行切 换，在该接通状态下，所述插入部侧热开关元件以及被冷却体侧热开关元件彼此接触而允 许所述冷头插入部的底部与所述被冷却体之间的热传导，在该断开状态下，所述插入部侧 热开关元件以及被冷却体侧热开关元件彼此分离而允许所述冷头插入部的底部与所述被 冷却体之间的热传导。
[0012] 另外，本发明提供一种用于使用所述极低温装置对所述被冷却体进行冷却的方 法。该方法包括：准备所述极低温装置；将制冷机的冷头从其低温端侧插入到该极低温装 置的冷头插入部内，由此将该冷头插入部内封闭，并且使设置在所述冷头的低温端处的制 冷机侧凹凸部与所述插入部侧凹凸部隔开间隙进行对置；通过所述制冷机的运转，使气体 状的热传导介质在所述间隙内凝固而形成热连结部；以及将所述热开关接通。
【附图说明】
[0013] 图1是本发明的实施方式所涉及的极低温装置的剖面主视图。
[0014] 图2是表示所述极低温装置的主要部分的剖面主视图。
[0015] 图3是表示图2所示的热开关及其周边部位的构造的放大剖视图。
[0016] 图4是图3的IV-IV线剖视图。
[0017] 图5是分别表示固态氮、液氮以及铜的导热系数的曲线图。
[0018] 图6是表示现有的极低温装置的主要部分的剖面主视图。
【具体实施方式】
[0019] 参照附图，对本发明的实施方式进行说明。本实施方式所涉及的极低温装置是超 导电磁铁装置，作为被冷却体而具备超导电磁铁10以及收容该超导电磁铁10的液氦容器 12,并且利用制冷机20对该被冷却体进行冷却。但是，本发明并不限定被冷却体的种类，也 能够应用于SQUID磁强计这样的其他超导元件的冷却。
[0020] 图1所示的装置在所述超导电磁铁10以及液氦容器12之外，还具备收容所述液 氦容器12的热屏蔽容器14、收容该热屏蔽容器14且在其内部形成真空状态的真空容器 16、以及冷头插入部18。
[0021] 所述超导电磁铁10以及各容器12、14、16具有共用的水平中心轴，并形成包围沿 着该中心轴延伸的试料空间22的圆环状。所述液氦容器12收容用于冷却所述超导电磁铁 10的液氦13,并使所述超导电磁铁10浸渍在该液氦13内。另外，本实施方式所涉及的所 述热屏蔽容器14以及所述真空容器16构成用于收容作为被冷却体的所述超导电磁铁10 以及所述液氦容器12的被冷却体容器。
[0022] 如图2所示，本实施方式所涉及的所述制冷机20由两级式的GM制冷机构成。具 体而言，该制冷机20具有制冷机主体24和与该制冷机主体24连接的冷头26。冷头26形 成大致圆柱状的整体形状。冷头26具有中段部分和前端部分。所述中段部分构成第一冷却 台27。所述前端部分即低温端构成设定温度比所述第一冷却台27低的第二冷却台28。所 述第一冷却台27被设计为，将所述热屏蔽容器14冷却至规定的第一目标温度（例如40K)。 所述第二冷却台27被设计为，将所述液氦容器13冷却至比所述第一目标温度低的第二目 标温度（例如4K以下）。
[0023] 在本实施方式中，在所述制冷机主体24与所述冷头26之间设置有外径比所述制 冷机主体24和所述冷头26的外径大的凸缘部30。各台27、28也具有比其他部分大的外 径。但是，所述第一冷却台27的外径比所述凸缘部30的外径小，所述第二冷却台28的外 径进一步比所述第一冷却台27的外径小。
[0024] 在本发明中，并不特别限定所使用的制冷机的具体形状、构造。例如，也可以使用 单级的制冷机（例如仅具有所述第二冷却台28的制冷机）。
[0025] 所述冷头插入部18设置在从所述真空容器16的外壁（在本实施方式中为顶壁） 到作为被冷却体的液氦容器12的附近为止的区域。在所述冷头插入部18中能够插入所述 冷头26。所述冷头插入部18具有图2及图3所示那样的筒部32和底部34。所述筒部32 从所述真空容器16的顶壁起，朝向所述液氦容器12而向下延伸。所述筒部32形成向所述 顶壁的外侧（在本实施方式中为向上）开口的筒状，以便允许所述冷头18从作为该低温端 的第二冷却台28的一侧起向下插入到该筒部32中。所述底部34在本实施方式中形成圆 板状，并且以堵塞所述筒部32的里侧端部（在本实施方式中为下端部）的方式与该筒部32 相接。
[0026] 所述筒部32具有能够在与冷头插入方向平行的方向（在本实施方式中为上下方 向）上弹性地伸缩的构造，通过该伸缩，能够使所述底部34在上下方向上位移。
[0027] 具体而