(57)【要約】【課題】極低温冷却装置において、スリーブが定位置にあるときの冷却効果を向上させることにある。【解決手段】極低温冷却装置（１）は、冷却剤を収容するチャンバ（２）と、このチャンバ内に開口したネック（３）とを有する。使用の際、ネック内に配置されるスリーブ（８）が提供される。極低温冷却装置は、スリーブの使用中、スリーブの外部に配置される冷却要素（１０）を有する。スリーブは、伝熱部材（９）を有し、この伝熱部材の使用により、冷却要素は、熱をスリーブの内部から奪うようになっている。【選択図】図１
2010071642.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
極低温冷却装置であって、
冷却剤を収容するチャンバと、
前記チャンバ内に開口したネックと、
使用の際、ネック内に配置されるスリーブと、
前記スリーブの外部に配置される冷却要素とを有し、
前記スリーブは、伝熱部材を更に有し、前記伝熱部材の使用により、前記冷却要素は、前記スリーブの内部から熱を奪うようになっている、極低温冷却装置。
【請求項２】
使用中、前記伝熱部材と前記インサートとの間に少なくとも第１の対流を形成することにより、前記伝熱部材は、前記スリーブ内に位置決めされているインサートから熱を奪うようになっている、請求項１記載の極低温冷却装置。
【請求項３】
前記冷却要素は、前記冷却要素と前記伝熱部材との間に少なくとも第２の対流を形成することにより前記伝熱部材から熱を奪う、請求項１又は２記載の極低温冷却装置。
【請求項４】
前記伝熱部材は、前記スリーブ内に配置されたカラーから成る、請求項１〜３のうちいずれか一に記載の極低温冷却装置。
【請求項５】
前記伝熱部材は、前記スリーブの内部に設けられた第１の表面及び前記スリーブの外部に設けられた第２の表面を有する、請求項４記載の極低温冷却装置。
【請求項６】
前記冷却要素は、前記ネック内に配置されたカラーから成る、請求項１記載の極低温冷却装置。
【請求項７】
前記冷却要素は、前記ネックの内部に配置された第１の表面及び前記ネックの外部に配置された第２の表面を有する、請求項６記載の極低温冷却装置。
【請求項８】
前記伝熱部材は、１つ又は２つ以上の孔から成り、前記極低温冷却装置は、前記冷却要素と前記１つ又は２つ以上の孔を通って前記スリーブ内に位置決めされたインサートとの間に第３の対流を形成するようになっている、請求項１記載の極低温冷却装置。
【請求項９】
前記伝熱部材は、熱伝導率の高い材料で作られている、請求項１〜８のうちいずれか一に記載の極低温冷却装置。
【請求項１０】
前記スリーブは、熱伝導率の低い材料で作られている、請求項１記載の極低温冷却装置。
【請求項１１】
前記冷却要素は、熱伝導率の高い材料で作られている、請求項１〜１０のうちいずれか一に記載の極低温冷却装置。
【請求項１２】
前記冷却要素は、前記スリーブから隙間だけ分離されている、請求項１〜１１のうちいずれか一に記載の極低温冷却装置。
【請求項１３】
前記冷却要素は、パルス管型冷凍機によって冷却される、請求項１〜１２のうちいずれか一に記載の極低温冷却装置。
【請求項１４】
前記冷却要素の温度は、約５０Ｋである、請求項１〜１３のうちいずれか一に記載の極低温冷却装置。
【請求項１５】
前記冷却剤は、ヘリウムの同位体である、請求項１〜１４のうちいずれか一に記載の極低温冷却装置。
【請求項１６】
極低温冷却装置の内部を冷却する方法であって、前記極低温冷却装置は、
冷却剤を収容するチャンバと、
前記チャンバ内に開口したネックと、
使用の際、ネック内に配置されるスリーブと、
前記スリーブの外部に配置される冷却要素とを有し、
前記スリーブは、伝熱部材を更に有し、前記伝熱部材の使用により、前記冷却要素は、前記スリーブの内部から熱を奪うようになっており、前記方法は、
少なくとも第１の対流を形成することにより熱を前記スリーブの内部から前記伝熱部材に伝達するステップと、
前記熱を前記伝熱部材から前記冷却要素に伝達するステップとを有する、方法。
【請求項１７】
少なくとも１つの対流が、熱を前記スリーブ内に位置決めされたインサートから前記冷却要素に伝達する、請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
前記伝熱部材は、１つ又は２つ以上の孔から成り、前記ネック内への挿入時か且つ（或いは）前記ネックからのスリーブの取り出し時かのいずれかにおいて、冷却剤ガスが前記孔を通って逃げ出るのを阻止するためにヒンジ止めカラーを用いて前記孔を包囲する、請求項１６又は１７記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、極低温冷却装置及び方法であって、特に、スリーブと共に利用されたときにネックを通ってこの装置のチャンバ内に挿入されるインサートを冷却する際に用いられる極低温冷却装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来型クライオスタットでは、チャンバ内の種々の装置を冷却するためにチャンバ内には極低温冷却剤が入っている。チャンバから上方にネックが延び、このネックは、外部環境からのチャンバへの接近を可能にする。冷却されるべき標的装置を収容したインサートをネックに沿って挿入し、このインサートは、使用中、ネック内に位置決めされたままになる。したがって、インサートは、極低温冷却剤内に浸漬された一端部及び実質的に周囲温度状態にある他端部を有する。実際には、これにより、極低温冷却剤中への相当多量の熱入力が生じ、それにより、極低温冷却剤中への相当多量の熱入力が生じるが、これは予想されたレベルよりも実質的に少ない。というのは、沸騰して冷却剤のプールから出る冷却剤がネックに沿ってこれを上方に進み、インサートと熱交換を行い、その後ネックの頂部から出て行く。かくして、インサートに入る熱の大部分は、決して低温型端部に到達しない。というのは、かかる熱は、気体冷却剤により奪われるからである。
【０００３】
チャンバから蒸発して出た冷却剤を再凝縮させてこれをチャンバに戻すことによりかかる冷却剤を再生利用するクライオスタットが、比較的最近開発された。かかる再凝縮デューワ（「ジュワー」ともいう）は、冷却剤の保存のために有益である。ただし、潜在的な問題がインサートとの熱交換に関して見られる。というのは、チャンバから外部環境へのネックに沿ってこれを上方に向かう気体冷却剤の全体的流れが存在しないからである。実際には、ネック内のカラーを約５０Ｋの温度に冷却することにより、ネック内に対流を生じさせるプロセスによりインサートの十分な冷却が行われることが判明した。
【０００４】
クライオスタットからのインサートの出し入れの際に、外部環境からクライオスタット内への空気の流入を減少させるためにガラス繊維スリーブが用いられるのが通例である。スリーブは、細長く、インサートと同一オーダの長さを有する管の全体的形態を取っている。かかる空気流入は、問題である。というのは、空気は、クライオスタット内に氷として堆積する水分を含むからであり、また、暖かい空気により、冷却剤の沸騰量が増大するからである。クライオスタット内へのインサートの導入の際、多量の低温ヘリウムガスが作られる。というのは、暖かい物体が低温クライオスタット内に挿入されるからである。スリーブは、この低温ヘリウムガスをインサート上でこれに沿って導き、それにより冷却効果を高めるという別の利点を有している。スリーブの使用により、インサートがネックに沿ってこれを昇る冷却剤ガスの流れによって冷却される従来型クライオスタットにおける問題が生じない。しかしながら、再凝縮システムでは、スリーブは、冷却されたカラーにより生じる冷却剤の対流の邪魔になるバリヤとして働く。したがって、スリーブの公知の利点を維持しながらスリーブが定位置にあるときの冷却効果を向上させることが望ましい。
【発明の概要】
【０００５】
本発明の第１の観点によれば、極低温冷却装置であって、冷却剤を収容するチャンバと、チャンバ内に開口したネックと、使用の際、ネック内に配置されるスリーブと、スリーブの外部に配置される冷却要素とを有し、スリーブは、伝熱部材を更に有し、伝熱部材の使用により、冷却要素は、スリーブの内部から熱を奪うようになっていることを特徴とする極低温冷却装置が提供される。
【０００６】
本発明者の認識によれば、冷却システム内にスリーブを用いることにより生じる問題は、従来知られている「スリーブ」内に伝熱部材を利用することによって解決できる。伝熱部材は、冷却要素の冷却電力をインサートに及ぼして相当な量の冷却剤が失われるのを阻止する。
【０００７】
伝熱部材とインサートとの間に少なくとも第１の対流を形成することにより、伝熱部材がスリーブ内に位置決めされているインサートから熱を奪うようになっているのが良い。インサートは、冷却を必要とする実験装置又は物体を支持するようになっている。この場合、インサート（より高い温度）と伝熱部材（より低い温度）との温度差に起因して伝熱部材とインサートとの間に対流が作られる。この場合、これにより、対流が、ヒートシンクとして働く伝熱部材によってインサートから熱を奪うことができる。
【０００８】
好ましくは、この構成では、冷却要素は、冷却要素と伝熱部材との間に少なくとも第２の対流を形成することにより伝熱部材から熱を奪う。冷却要素は、適当な温度状態に保持され、第２の対流は、冷却要素（より低い温度）と伝熱部材（より高い温度）との温度差により形成される。これにより、熱を伝熱部材から奪ってこれを冷却要素に伝達することができる。かくして、冷凍システムからの冷却電力は、一般に、冷却要素に及ぼされ、これに対し、伝熱部材の有効冷却電力は、冷却要素によって提供される。
【０００９】
好ましくは、この場合、伝熱要素は、スリーブ内に配置されたカラーから成る。カラーは、スリーブ（及びかくしてインサート）を完全に包囲するのが良く、このカラーは、適当な接着剤を用いることによりスリーブの上側部分及び下側部分に接合される。カラーは、各部分の端部に機械加工により設けられた「隆起条」を用いることにより、カラーがスリーブの壁と面一をなすようにそれぞれの部分に取り付けられる。環状部分を互いに接合する他の方法も又利用できる。また、カラーを多数のセグメントの状態に作ることが可能であり、これらセグメントは、インサートを完全には包囲しないか、スリーブ軸線回りに一定又は不定の間隔で円周方向に互いに間隔を置いて位置するかのいずれかである。
【００１０】
代表的には、伝熱部材は、スリーブの内部に設けられた第１の表面及びスリーブの外部に設けられた第２の表面を有する。効果的な熱伝達を保証するため、カラーは、好ましくは、スリーブの断面全体を形成する。代表的には、伝熱部材は、スリーブの内面及び外面と面一をなすが、必要ならば、伝熱部材は、スリーブから外方又は内方に突き出ても良い。伝熱部材の内部は、冷却されるべきインサートに隣接して位置決めされ、外面は、ネックの表面に隣接して位置する。
【００１１】
代表的には、冷却要素は、ネック内に配置されたカラーから成る。冷却要素は、好ましくは、ネックの一部をなすが、他の構成が可能である。
【００１２】
好ましくは、冷却要素は、ネックの内部に配置された第１の表面及びネックの外部に配置された第２の表面を有する。第１の表面（内面）は、ネックの内面と面一をなすかこれから突き出るかのいずれかであって良く、冷却要素の第２の表面は、冷却要素が所望の温度を達成するために冷却装置に熱結合される。
【００１３】
カラーの形態を取る伝熱部材の代替手段として、伝熱部材は、１つ又は２つ以上の孔から成っていても良く、この場合、極低温冷却装置は、冷却要素と１つ又は２つ以上の孔を通ってスリーブ内に位置決めされたインサートとの間に第３の対流を形成するようになっている。孔は、多くの寸法形状の状態で配置可能である。ただし、代表的には、これら孔は、冷却要素とほぼ同一の軸方向寸法のものである。孔は、冷却剤と反対側の対応の位置でスリーブ周りに円周方向に等間隔を置いて配置されるのが良い。しかしながら、これは、必要条件ではない。インサート（より高い温度）と冷却要素（より低い温度）との温度差に起因して孔を通って第３の対流が作られ、この第３の対流は、熱をインサートから奪い、孔を通ってこれを冷却要素に伝達する。したがって、第３の対流は、「カラー」伝熱部材の場合における第１の対流と第２の対流の効果の組み合わせに類似した機能を果たす。
【００１４】
代表的には、伝熱部材は、熱伝導率の高い材料で作られる。インサートから冷却要素への熱伝達量を増すために熱伝導率の高い材料が用いられ、代表的には、これは、例えば銅若しくはアルミニウム又は熱伝導率の高い他のかかる材料で作られることになろう。これは、特に、カラーが伝熱部材として用いられる場合である。孔が用いられる場合、これら孔は、スリーブ材料、例えばガラス繊維の領域から切断形成されるのが良い。２つの形式の伝熱部材の組み合わせ、例えば孔を備えた熱伝導率の高いカラーも又想到され、この場合、第１の対流、第２の対流及び第３の対流は、使用中、同時に存在することが可能である。
【００１５】
好ましくは、スリーブは、熱伝導率の低い材料で作られる。これは、ネックの上端部のところの高い周囲温度から非常に低い温度状態にある冷却剤へのネックに沿ってこれを下る熱伝達を阻止するための必要条件である。例示の材料は、ガラス繊維であるが、極低温の影響を受けない熱伝導率の低い任意他の材料を用いることができる。
【００１６】
好ましくは、冷却要素は、熱伝導率の高い材料で作られる。好ましくは、これは、金属、例えば銅又はアルミニウムであろう。というのは、これにより、冷却装置から冷却要素への熱伝達が増加すると共に熱伝導率の高い材料が所望の温度を良好に保持するからである。
【００１７】
好ましくは、冷却要素は、スリーブから隙間の分だけ分離される。代表的には、スリーブの直径は、ネックの直径の約半分であろう。
【００１８】
好ましくは、冷却要素は、パルス管型冷凍機の形態をした冷却装置によって冷却される。冷却要素を冷却するために用いることができる他の冷却装置としては、機械式冷凍機（例えば、ＧＭクーラ）又は他の冷却システムが挙げられる。これら冷却装置は、１つ又は２つ以上の冷却段を有するのが良く、各段は、それぞれの動作温度の状態にあり、これら段のうちの１つを用いて冷却要素を冷却するのが良い。
【００１９】
代表的には、冷却要素の温度は、約５０ケルビンである。周囲温度とチャンバ内の冷却剤温度の中間に位置する他の温度も又使用でき、これは、幾分、用いられる装置及びその温度で利用できる冷却電力で左右される。
【００２０】
好ましくは、冷却剤は、ヘリウムの同位体である。例えば、冷却剤は、ヘリウム‐３又はヘリウム‐４であるのが良い。別の考えられる手段は、或る装置では、ヘリウムに代えて液体窒素の冷却特性を利用することである。冷却剤は、代表的には、チャンバ内での使用時には液体形態で提供され、ネック内の冷却剤は、気相の状態である。
【００２１】
本発明の第２の観点によれば、極低温冷却装置の内部を冷却する方法であって、極低温冷却装置は、冷却剤を収容するチャンバと、チャンバ内に開口したネックと、使用の際、ネック内に配置されるスリーブと、スリーブの外部に配置される冷却要素とを有し、スリーブは、伝熱部材を更に有し、伝熱部材の使用により、冷却要素は、スリーブの内部から熱を奪うようになっており、この方法は、少なくとも第１の対流を形成することにより熱をスリーブの内部から伝熱部材に伝達するステップと、熱を伝熱部材から冷却要素に伝達するステップとを有することを特徴とする方法が提供される。
【００２２】
好ましくは、少なくとも１つの対流が、熱をスリーブ内に位置決めされたインサートから冷却要素に伝達する。１つ、２つ又は３つの対流のいずれを作っても、伝熱部材の構造及び組成に応じて、インサートから冷却要素に熱を伝達することができる。これら２つの考えられる手段について、添付の図面及び以下の説明において更に説明する。
【００２３】
好ましくは、伝熱部材は、１つ又は２つ以上の孔を有し、ネック内への挿入時か且つ（或いは）ネックからのスリーブの取り出し時かのいずれかにおいて、冷却剤ガスが孔を通って逃げ出るのを阻止するためにヒンジ止めカラーを用いて孔を包囲する。
【００２４】
ヒンジ止めカラーは、スリーブの周りで開閉する単一のヒンジを有するのが良い。スリーブがネック内に挿入されると、カラーは、孔を覆って配置され、スリーブと共にネックに向かって滑る。カラーがいったんネックの外面と接触関係をなすと、スリーブは、カラーを通って引き続き滑ることができ、孔がネック内にいったん位置すると、カラーを取り外すのが良い。カラーは又、孔のためのカバー若しくは遮蔽体の形態又は孔を密封するようスリーブ周りに滑ることができる回転可能なバリヤの形態をしていても良い。
【００２５】
次に、添付の図面を参照して本発明の装置及び方法の幾つかの実施形態について説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態に従って使用中における極低温冷却装置の概略断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態を示す図である。
【図３】使用中における第１の実施形態の概略断面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態を示す図である。
【図５】使用中における第２の実施形態の概略断面図である。
【図６】使用中における本発明の第１の実施形態及び第２の実施形態の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明の装置が、図１に示されている。全体が符号１で示されたこの装置は、再凝縮デューワ（ジュワー）を有する。これは、細長いネック３を備えたチャンバ２を有し、ネック３は、チャンバ２の内部に開口し、使用の際、中空筒体の形態を取る。図１に示されているように、チャンバ２は、使用中、液体冷却剤４で部分的に満たされ、この場合、冷却剤は、液体ヘリウム‐４の形態をしている。液体冷却剤４の上方には、冷却剤ガス５として気相の冷却剤が存在している。また、使用中、ネック３内にインサート６が設けられる。このインサートは、冷却剤４の温度に保たれることが必要である実験機器又は装置を収納することができる。ネック３は、その周囲温度側端部が、多数の取り外し可能なフランジ７ａ，７ｂ，７ｃによって密封されている。フランジ７ａ，７ｂ，７ｃは、一緒になって、冷却剤ガス５が逃げ出て周囲環境に失われるのを阻止する。フランジ７ｃは、クライオスタット内に位置決めされた１つ又は２つ以上の磁石（図示せず）を支持している。フランジ７ｃは、必要に応じて磁石の出し入れを可能にするようクライオスタットに取り外し可能に取り付けられている。円筒形スリーブ８が、フランジ７ｃの中央ボアを貫通するよう配置され、それにより、このスリーブ８をクライオスタットネック及びチャンバに挿入したりこれから取り出したりすることができる。フランジ７ｂは、スリーブ８に連結されており、このフランジ７ｂにより、スリーブ８を例えばフランジ７ｃへの結合によりクライオスタットに取り付けることができる。フランジ７ａは、インサート６に連結されたフランジである。これにより、フランジ７ｂに設けられているボアを通ってインサート６のネック３／チャンバ２への挿入及びこれからの取り出しが可能である。使用にあたり、フランジ７ａ及びインサート６を例えばフランジ７ｂを介してクライオスタットに取り付けるのが良い。フランジ７ａは、取り付けられると、クライオスタットの内部を外部環境から密封する。スリーブ８は、インサート６を包囲しており、このスリーブは、ネックを下って途中まで延びているが、必ずしも液体冷却剤４の中に入るわけではない。スリーブ８は、熱伝導率が低い材料、例えばガラス繊維で構成されている。低温側端部（下端部）よりもスリーブの周囲温度側端部（上端部）に近い位置には、伝熱部材９が配置されている。この伝熱部材９は、種々の形態を取ることができ、例えば、熱伝導率の高い材料で構成され又はスリーブ内に一連の孔を有する（これについては、図２及び図４を参照して更に説明する）。ネック３内には伝熱部材と同一の垂直位置のところに、冷却要素１０が設けられている。これは、ネック３内のカラーとして形成され、この冷却要素は、ネック３内に位置する内面及びパルス管型冷凍機（ＰＴＲ）１１の第１段に熱結合された外面を備えている。パルス管型冷凍機１１は、冷却要素１０を約５０ケルビンの温度まで冷却し、これにより、熱を伝熱部材９によりインサート６から冷却要素１０に運び去ることができる。冷却要素１０は、熱伝導率の高い材料、例えば銅で作られており、ネック３は、フランジ７ａ，７ｂ，７ｃからのネックに沿ってこれを下る熱の伝導を最小限に抑えるために熱伝導率の低い材料、例えばガラス繊維又は薄いステンレス鋼で作られている。フランジ７ａ，７ｂ，７ｃのうちの１つは、誤作動の場合に冷却剤ガス５を放出するための圧力弁を更に備えるのが良い。かかる誤作動は、冷却剤の大部分が短時間で蒸発するようにするチャンバ内の磁石の「急冷」である場合がある。装置全体は、システムからの熱の損失をより最小限に抑える熱放射遮蔽体１３及び外側真空ケース１４によって包囲されている。有利には、熱放射遮蔽体は、これ又これら熱放射遮蔽体をＰＴＲの第１段に熱結合することにより、冷却要素１０とほぼ同じ温度状態に保持できる。
【００２８】
装置１は、液体冷却剤４からのネック３に沿ってこれを上方に流れる正味のガス流が最小限である再凝縮デューワである。ガス流により熱交換が行われない場合、インサートに沿ってチャンバ内に向かう相当多量の熱の流れが生じる恐れがある。本発明は、再凝縮デューワが約５０Ｋの状態の冷却要素１０を用いてインサートを冷却するために冷却要素とインサート６の温度差に起因して対流を生じさせることにより、これを解決する。スリーブが邪魔になるように設けられているにもかかわらず、伝熱部材により、対流を発生させることができ、それによりインサート６の冷却具合が向上する。対流は、冷却要素１０の付近に位置するインサート６の領域を約５０Ｋまで冷却してインサート６／ネック３に沿ってこれを下る熱の流れを減少させ、これにより冷却剤の損失量が減少する。冷却要素１０は、その温度を５０Ｋに維持するための冷却電力が約４０Ｗである。この電力量よりも多くの電力量が温度を維持するために必要とされる場合、冷却要素１０の温度は、上昇することになる。実際には、電力は、熱放射遮蔽体１３を更に冷却するのに十分であることが通例である。ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）シール１５が、ネック３の開口部とスリーブ８との間のほぼガス密の密封状態を保証し、周囲環境に逃げる蒸発冷却剤を減少させるために用いられる。この蒸発冷却剤は、弁１６を経てインサートの頂部から排出される。
【００２９】
次に、図２〜図５を参照してスリーブ８及び伝熱部材９について説明する。
【００３０】
図２は、ガラス繊維で作られたスリーブの第１の実施形態を示している。この実施形態では、伝熱部材９は、銅リング２２で作られている。このリング２２は、ガラス繊維スリーブ８の上端部２０と下端部２１との間に挿入されている。銅リング２２は、スリーブ内のカラーとして形成されている。スリーブは、ネック３の壁とインサート６との間に位置決めされている。
【００３１】
銅リング２２は、カラーとして形成され、内面及び外面の各々は、ガラス繊維スリーブ８の内面及び外面と面一をなしている。銅リング２２とガラス繊維スリーブ８との間の緊密な密封状態を保証するため、ガラス繊維スリーブ８と銅リング２２の相互に隣接した領域に隆起条が切断形成されており、密な密封状態が別々のコンポーネント相互間に維持されるようにするために適当な接着剤が用いられている。
【００３２】
図３は、銅リング２２（図２参照）を冷却要素１０と組み合わせることにより、どのように熱をインサートから奪うことができるかを示す部分断面略図である。冷却要素１０は、二段パルス管型冷凍機１１の第１段により約５０Ｋの温度状態に保持されている。装置のネック内の冷却剤ガス５は、冷却剤ガス温度が液体冷却剤４の上方の距離の関数として増大するような温度勾配を示す。銅リングの形態をした伝熱部材は、スリーブが正しくクライオスタット内に挿入されたときに冷却要素１０に隣接して位置する（これと対向して位置する）位置に配置される。実際には、銅リングは、使用の際、下端部（低温側端部）からのスリーブの長さに沿う距離の約７０％のところに位置決めされている。冷却要素１０の垂直位置では、冷却剤ガスの温度は、冷却要素１０の温度（５０Ｋ）を超えている。冷却要素１０により冷却されるガスは、沈み、銅リング２２に隣接して位置する暖かい冷却剤ガス５で置き換えられる。銅リング２２に隣接して位置する暖かい冷却剤ガスは、沈んでいる冷たいガスで置き換えられる。この冷たいガスは、銅リング２２との接触により温められ、かくして対流３０が作られる。この対流により、熱が銅リング２２から奪われ、銅リング２２は、冷却要素１０の温度よりも僅かに高い温度を維持する。その結果、銅リング２２は、インサート６の隣接の部分よりも低い温度状態に保持される。銅リング２２とインサート６の温度差により、第２の対流３１が生じる。これにより、インサートからの熱を対流３１によって除去されて銅リング２２に伝えられる。次に、第１の対流３０は、この熱を銅リング２２から冷却要素１０に伝達する。このように熱がインサート６から銅リング２２を介して除去されることにより、伝熱部材９のすぐ隣りに位置するインサートの部分は、冷却要素１０よりも僅かしか高くない温度を維持することができる。これにより、冷却領域と液体冷却剤４内の下端部との間でインサートに沿う温度勾配が減少する。これにより、インサートの上端部から下端部への熱の流れが減少し、それにより周囲環境に失われる気体冷却剤５の量が減少する。
【００３３】
図４は、スリーブの第２の実施形態を示している。この実施形態では、伝熱部材９は、スリーブ８の周囲に沿って設けられた一連の孔４０として形成されている。この場合、単一品としてのスリーブが用いられ、この場合も又、ガラス繊維で作られている。孔４０は、形状及び寸法がほぼ同じであり、精密カッタを用いてガラス繊維スリーブに形成される。
【００３４】
図５は、孔４０を用いてどのようにして熱がインサート６から除去されてインサートが冷却要素１０の温度とほぼ同じ温度に冷却されるかを示す。図３を参照して上述したように、スリーブは、インサート６とネック３との間に配置されている。冷却要素１０は、パルス管型冷凍機１１に熱結合され、この冷却要素の温度は、約５０ケルビンである。インサート６と冷却要素１０の温度差により、対流４５をこれら２つの領域相互間に作ることができる。この場合、対流は、孔４０を通る。図３に記載した実施形態とは対照的に、冷却要素１０とインサート６との間には単一の対流が作られるに過ぎない。インサート６の周りの高温のガスと冷却要素１０の周りの低温のガスの組み合わせにより、対流が作られ、熱をインサート６から奪って冷却要素１０に伝達することができる。図３を参照して上述したようにこれにより、冷却要素１０及び孔４０の付近のインサートの温度が減少すると共に孔４０とチャンバ２内の液体冷却剤４との間のインサート６の下方部分の温度勾配が減少する。
【００３５】
スリーブは、極低温冷却剤の損失及び更に空気の流入を最小限に抑える仕方でクライオスタットに出し入れされる。次に、この手順について図６を参照して詳細に説明する。最初に、ステップ６１では、冷却されるべきインサート６をガラス繊維スリーブ８内に装入する。ステップ６２では、スリーブとインサート（及び対応のフランジ７ａ，７ｂ）を互いにボルト止めしてこれらが単一ユニットとして働くようにする。プロセスのこの時点において、どの伝熱部材１０が用いられているかに応じて２つの互いに異なる方法を採用することができる。銅リングとしての伝熱部材２２が用いられている場合、方法６５を利用し、孔としての伝熱部材４０が用いられている場合、方法６６を利用する。方法６５を利用する場合、先ず最初にクライオスタットをインサート及びスリーブの挿入が可能であるように準備する。スリーブ８及びインサート６をクライオスタット上に位置決めされたクレーン（ステップ６３）に取り付け、そしてステップ６４においてネック３を通ってチャンバ２内にゆっくりと下降させる。ステップ６７において、インサートとスリーブのユニットをこれらがクライオスタット内に完全に位置するまでチャンバ２内にゆっくりと下降させる。クライオスタット内へのスリーブ８及びインサートの下降により、ヘリウム冷却剤を熱入力により沸騰させてチャンバから出す。これは、弁１６を通って抜き出される。ネック３の開口部とスリーブ８との間のほぼガス密の密封状態を保証するためにＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）シール１５が用いられ、それにより、通常の使用中、周囲環境に逃げ出る蒸発冷却剤が減少する。スリーブ及びインサートが定位置に下降している間に沸騰した冷却剤は、スリーブの内部に沿ってこれを上方に且つインサート６の周りに沿って通り、それによりかくしてインサートが冷却される。インサート及びスリーブは、ネック／チャンバ内に動作位置を取り、弁１６は、スリーブの開口部を密封するために閉じられる。
【００３６】
ステップ６８では、スリーブ８内のカラーとしての伝熱部材２２は、ネック３内で冷却要素１０のすぐ隣りに位置する。これにより、図３を参照して説明した対流を生じさせて伝熱部材に隣接して位置するインサートの領域を冷却要素１０の温度よりもほんの僅かに高い温度まで冷却させる。対流は、フランジ７ａ，７ｂ，７ｃ及び特にインサートの周囲温度側端部からチャンバ２内の液体冷却剤４に達する熱負荷を減少させる。ＰＴＲＦシール１５も又、チャンバ２からのガスの逃げ出しを最小限にする。
【００３７】
ステップ７０では、インサートをその意図した機能に従って、例えば実験の実行の際に働かせる。注目されるべきこととして、スリーブが定位置にある状態でインサートを働かせ、したがって原理的にいえば、スリーブを定位置のままにしておくことができる時間の長さには時間的制限が存在しない。
【００３８】
伝熱部材が孔４０の形態を取り、方法６０が利用される場合、スリーブとインサートを互いに連結した後（ステップ６２）、ヒンジ止め割りカラーを孔の周りに配置して（ステップ７１）、スリーブがチャンバ内に挿入されている間、これら孔を覆って冷却剤ガスが孔４０を通って逃げ出るのを阻止する。スリーブ及びインサートをクライオスタット上に位置決めし（ステップ６３）、クライオスタット内に下降させ（ステップ６４）、そして上述したようにチャンバ内の定位置に滑らせる（ステップ７２）。カラーは、これがネック３の開口部よりも大きな直径を有しているのでクライオスタットに入ることができず、スリーブ８に沿って上方に滑る。孔がネック３内に完全に位置すると、割りカラーを取り外すのが良く（ステップ７３）、スリーブ及びインサートをステップ６７において上述したようにクライオスタット内に完全に滑り込ませる。方法６０に対して上述したようにＰＴＦＥ１５も又利用してネックとスリーブとの間の密封状態ができるだけガス密状態であるようにする。理解されるように、蒸発した冷却剤によるインサート及びスリーブの冷却及び弁１６によるヘリウムガスの排出は、方法６５に関して上述したように起こる。ステップ６８では、方法６５に関して説明したように、孔としての伝熱部材は、冷却要素のすぐ隣りに位置し、図５を参照して上述した対流が作られて方法６５に関して上述したようにインサートに沿う熱伝達を減少させる。次に、ステップ７０を「カラー」としての伝熱部材に関して上述したように実施するのが良い。また、図６のステップを逆に実施すると、インサート及びスリーブを取り出すことができるということは理解されよう。
【００３９】
実用的な実施形態では、ネック３は、約２５ｃｍの直径を有し、バッフル（円板の形態をしている）を収容する。バッフルは、インサートと冷却要素との間に生じる対流を邪魔しない。というのは、これらバッフルは、冷却要素の位置から見て十分遠くに配置されるからである。バッフルの主要な機能は、ネックに沿ってこれを下って下に位置する冷却剤リザーバ上に向かう放射熱負荷を最小限に抑える熱放射遮蔽体としての役目を果たすことにある。スリーブ８の直径は、この場合約１８ｃｍであり、インサートの直径は、１センチメートルのオーダからスリーブの直径にほぼ等しいサイズまでの任意のサイズのものであって良い。インサートも又、インサートに沿ってこれを下る熱伝達を減少させるためのバッフルを有するのが良く、これらバッフルは、スリーブの直径よりも数ミリメートル小さい直径を有するよう構成されるのが良い。本発明の顕著な利点は、インサートの直径を大幅に変えることができるということにある。というのは、対流が、インサートとスリーブの直径相互間の広範な隙間寸法にわたり冷却作用を及ぼすことができるからである。しかしながら、インサートを冷却するための対流の利用は、伝熱部材とインサートとの間の隙間が可能な限り小さい場合により効果的である。任意サイズのインサートと共に機能することができるスリーブの主要な利点は、インサートを改造する必要がなく、任意適当な従来型インサート及び装置を使用できるということにある。かくして、レトロフィット機能が提供される。
【符号の説明】
【００４０】
１  極低温冷却装置
２  チャンバ
３  ネック
４  液体冷却剤
５  気体冷却剤又は冷却ガス
６  インサート
７ａ，７ｂ，７ｃ  フランジ
８  スリーブ
９  伝熱部材
１０  冷却要素
１１  パルス管型冷凍機（ＰＴＲ）
１３  熱放射遮蔽体
１５  シール
２２  銅リング
４０  孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【外国語明細書】
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