(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に被保冷物を収容可能に形成されるとともに上記被保冷物を囲む真空断熱層を備えてなる真空容器と、
前記真空断熱層内に前記被保冷物を囲むように配置された少なくとも１枚の熱シールド板と、
前記真空容器内に設けられて前記熱シールド板の少なくとも１枚と前記被保冷物とを熱的に接続することにより、前記熱シールド板の少なくとも１枚と前記被保冷物とを同温度まで冷却する熱伝熱機構と、
少なくとも１つの冷却ステージを有し、前記熱伝熱機構に結合されて前記被保冷物を冷却し、前記被保冷物を冷却した後には、前記熱伝熱機構から分離されて使用される冷却源と
を具備してなることを特徴とする保冷容器。
【請求項２】
前記熱シールド板は複数枚配置されており、前記熱伝熱機構は前記複数の熱シールド板のうちの前記被保冷物の近くに位置する少なくとも１枚の熱シールド板を前記被冷却物と接続することを特徴とする請求項１に記載の保冷容器。
【請求項３】
前記熱シールド板の一部または全部が比熱の大きい材料で形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の保冷容器。
【請求項４】
前記比熱の大きい材料は、磁気転移点近傍に大きな比熱を持つ磁性材であることを特徴とする請求項３に記載の保冷容器。
【請求項５】
内部に被保冷物を収容可能に形成されるとともに上記被保冷物を囲む真空断熱層を備えてなる真空容器と、
前記真空断熱層内に前記被保冷物を囲むように配置された少なくとも１枚の熱シールド板と、
少なくとも１つの冷却ステージを有し、前記真空容器に結合されて前記真空容器を冷却し、前記真空容器を冷却した後には、前記真空容器から分離されて使用される冷却源と、
前記真空容器内の真空場内に設けられて前記冷却源に真空を破ることなく熱的に接続されたとき、前記熱シールド板のうちの少なくとも１枚を前記被保冷物が熱的に接続される前記冷却ステージに熱的に接続することにより、前記熱シールド板の少なくとも１枚と前記被保冷物とを同温度まで冷却する熱伝熱機構と
を具備してなることを特徴とする保冷装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえば超電導転移温度以下の温度に冷却されている超電導コイル等の被保冷物を長時間に亙って保冷できる保冷容器および保冷装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、最近では種々の極低温機器が使用されている。その代表的なものとして、ＭＲＩ等で用いられている超電導磁石を挙げることができる。
これらの超電導磁石は、通常、図１０に示すように、真空容器１内に冷媒容器２を配置し、この冷媒容器２内に冷媒である、たとえば液体ヘリウム３を収容し、この液体ヘリウム３中に超電導コイル４を配置し、これによってコイルを冷却する浸潰冷却方式を採用している。
【０００３】
しかし、この方式では、液体へリウム３の蒸発に対応させて液体ヘリウムを補給する必要があり、保守の面倒化を招く問題がある。その対策として、一般には、冷媒容器２を囲むように熱シールド板５を設け、この熱シールド板５を冷凍機６で冷却し、これによって輻射で侵入する熱を吸収して液体ヘリウム３の蒸発を抑える方法が採られている。しかし、この方法でも、液体へリウム３の補給間隔が長くなるだけで、液体へリウムの補給が必要であることには変わりない。
【０００４】
また、近年実用化されつつある方式として、図１１に示すように、液体ヘリウムを用いることなく、極低温冷凍機７で超電導コイル４を直接冷却する方式がある。これは極低温冷凍機７の開発が進み、小型のたとえばＧＭ（ギフォード・マクマホン）冷凍機でも液体ヘリウム温度までの冷却が可能になったことによる。
【０００５】
この冷凍機直冷式超電導磁石は、液体へリウムを補給する必要がないばかりか、装置の構成が単純となり、全体を小型化でき、コストも低減できるという長所がある。図１２には冷凍機直冷式超電導磁石の別の例が示されている。この図１２に示す例では、極低温冷凍機７として２段膨張式のＧＭ冷凍機を用い、第１段冷却ステージ８で熱シールド板５を７０Ｋ程度に冷却し、第２段冷却ステージ９で超電導コイル４を４Ｋ程度に冷却している。なお、図中１０は第２段冷却ステージ９と超電導コイル４とを熱的に接続するための熱伝導部材を示している。このような構成を採用することによって、同程度の液体へリウム浸漬冷却式超電導磁石に比べて大きさを１／３程度に抑えることができる。
【０００６】
しかし、冷凍機直冷式超電導磁石にあっても、極低温冷凍機７で発生した振動が超電導コイル４に伝わること、常温から定格温度まで冷却するのに時間がかかること、停電時には使えないこと等の問題点がある。また、極低温冷凍機７を必要としているので、装置全体をさらに小型化するには限界がある。
【０００７】
このようなことから、先に本発明者らは上述した問題点や制限を持たない新しい冷却方式として、図１３に示すようないわゆる蓄冷方式を提案した。
この方式では、極低温冷凍機７を主体とする冷却ユニット１１と、被保冷物である超電導コイル４を収容するための真空容器１を主体とする保冷ユニット１２とに分けている。すなわち、超電導コイル４を超電導転移温度まで冷却するとともに永久電流モードに移行させるまでの間は、冷却ユニット１１と保冷ユニット１２とに設けられた熱伝導機構１３，１４を介して冷却ユニット１１を被保冷物である超電導コイル４と熱シールド５とに熱的に接続して冷却し、冷却後は冷却ユニット１１を保冷ユニット１２から分離させて保冷ユニット１２だけで使用できるようにしている。なお、熱伝導機構１３，１４としては、冷却ユニット１１および保冷ユニット１２の真空を破ることなく、伸縮壁を介して熱的接続を行う方式や、伸縮壁と真空バルブとを組合わせて熱的接続を行う方式等が考えられている。
【０００８】
この方式では、冷凍機の振動などに悩まされず、しかも電源等がなくても使用可能となる。また、複数の保冷ユニット１２に対して１つの冷却ユニット１１を共通に用いることができるばかりか、使用現場には保冷ユニット１２だけを搬送して据え付ければよいので、より小型化が可能となり、コストも低減できる。
【０００９】
このように蓄冷方式には多くの長所があるが、保冷ユニット１２における保冷時間が有限であるという問題がある。通常の装置では少なくとも数日、できれば数年単位で連続運転できることが要求される。この保冷時間を如何にして長くするかという点が技術的課題として残されていた。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上述如く、蓄冷方式には多くの利点があるが、保冷時間をさらに長くすることが望まれていた。
そこで本発明は、全体を大きくしたり、複雑な構成にすることなく、保冷時間を十分に長くできる保冷容器および保冷装置を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る保冷容器は、内部に被保冷物を収容可能に形成されるとともに上記被保冷物を囲む真空断熱層を備えてなる真空容器と、前記真空断熱層内に前記被保冷物を囲むように配置された少なくとも１枚の熱シールド板と、前記真空容器内に設けられて前記熱シールド板の少なくとも１枚と前記被保冷物とを熱的に接続することにより、前記熱シールド板の少なくとも１枚と前記被保冷物とを同温度まで冷却する熱伝熱機構と、少なくとも１つの冷却ステージを有し、前記熱伝熱機構に結合されて前記被保冷物を冷却し、前記被保冷物を冷却した後には、前記熱伝熱機構から分離されて使用される冷却源とを備えている。
【００１３】
また、前記熱シールド板は複数枚配置されており、前記伝熱機構は前記複数の熱シールド板のうちの前記被保冷物の近くに位置する少なくとも１枚の熱シールド板を前記被冷却物と接続するように構成されてもよい。
【００１４】
また、前記熱シールド板の一部または全部が比熱の大きい材料で形成されていてもよい。比熱の大きい材料としては、磁気転移点近傍に大きな比熱を持つ磁性材を用いることもできる。
【００１５】
上記目的を達成するために、本発明に係る保冷装置は、内部に被保冷物を収容可能に形成されるとともに上記被保冷物を囲む真空断熱層を備えてなる真空容器と、前記真空断熱層内に前記被保冷物を囲むように配置された少なくとも１枚の熱シールド板と、少なくとも１つの冷却ステージを有し、前記真空容器に結合されて前記真空容器を冷却し、前記真空容器を冷却した後には、前記真空容器から分離されて使用される冷却源と、前記真空容器内の真空場内に設けられて前記冷却源に真空を破ることなく熱的に接続されたとき、前記熱シールド板のうちの少なくとも１枚を前記被保冷物が熱的に接続される前記冷却ステージに熱的に接続することにより、前記熱シールド板の少なくとも１枚と前記被保冷物とを同温度まで冷却する熱伝熱機構と備えている。
【００１６】
上記構成の保冷容器および保冷装置であると保冷時間を飛躍的に延ばすことができる。すなわち、蓄冷方式を採用した保冷容器の保冷時間を延ばす方法としては、被保冷物の熱容量を増やす方法と、被保冷物への熱侵入を減らす方法とが考えられる。本発明では後者の方法を採用しており、具体的には熱シールド板を有効利用している。
【００１７】
熱シールド板は、図１２、図１３に示した従来装置でも用いている。これらの装置では、真空容器温度（高温側温度）と被保冷物温度（低温側温度）との中間の温度に熱シールド板温度（中間温度）を設定している。この場合、被保冷物に輻射によって入る熱は中間温度と低温側温度とで決まり、中間温度が高温側温度より低い分だけ減少する。一方、中間温度を極端に低くして低温側温度に近づけようとすると、中間温度を保持するために、冷凍機への入力が増えることになり、装置全体の効率が落ちる。このようなことから、従来の装置では熱シールド板を高温側温度と低温側温度との中間の温度に保持している。これは熱シールド板の枚数を増やした場合も同様で、温度を高温側から低温側へと順に低くなるように設定し、それぞれを別個の冷却源で冷却している。しかし、熱シ一ルド板の枚数をむやみに増やすことは構造を複雑にすることになるので、一般的には熱シールド板の枚数は２枚以下である。
【００１８】
上記のような熱シールド板の設定は、定常的に内部冷却を受けている真空容器についての最適化であり、本発明が対象としている蓄冷方式の保冷容器では別の最適化を考えている。すなわち、効率はやや落ちても保冷時間を長くすることを優先させることを考える。この条件では熱シールド板を被保冷物と同程度まで冷却することが最も良い。すなわち、被保冷物と熱シールド板の温度差が少ないほど被保冷物への熱侵入が少なくなるからである。この場合、初期の冷却時には、被保冷物の冷却源と熱シールド板の冷却源とを共通にできることになる。
【００１９】
ところで、被保冷物と熱シールド板との温度差を少なくすることによって、初期には輻射で被保冷物に侵入する熱量を格段に低減できるが、時間とともに熱シールド板の温度が上昇すると、被保冷物への熱侵入が増加する。そこで、この熱シールド板の温度変化を抑える必要がある。そのーつの方法として、熱シールド板を比熱の大きい材料で構成する方法がある。別の方法としては、熱シールド板の外側に別の熱シールド板を取付け、先の熱シールド板と同程度の温度に保持することである。さらに、これを数段積み重ねると効果的である。
【００２０】
比熱の大きな材料としては、たとえばＥｒ３  Ｎｉなどの磁性材が考えられる。これらの磁性材は、図２に示すように磁気転移点近傍に大きな比熱を持つ。実際、熱シールド板を銅のみで構成した場合に比べて、磁性材を併用した場合では保冷時間が約１０倍に増える。
【００２１】
次に、熱シールド板の枚数を増やした場合の効果について説明する。たとえば、全体の体積一定の条件で熱シールド板の枚数を変えた場合の保冷時間の計算値を図３に示す。この図３から明らかなように、熱シールド板の枚数を増やすことにより保冷時間が長くなる。特に、熱シールド板の枚数が３枚以上の場合にはこの効果が顕著である。したがって、熱シールド板の枚数を３枚以上にすることによりさらに保冷時間を長くできる。
【００２２】
このように、本発明によれば保冷時間が十分に長い蓄冷方式の保冷容器が得られる。なお、極低温機器を例にとって説明したが、本発明の原理は温度に関係なく有効であり、冷凍食品、保存血液、精子などを保冷する保冷容器にも適用できる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら発明の実施形態を説明する。
図１には本発明の一実施形態に係る保冷装置、ここには被保冷物としての超電導コイルを超電導転移温度以下（２０Ｋ以下）の温度に冷却し、この温度に保冷する保冷装置の概略構成が示されている。
【００２４】
この保冷装置は、極低温冷凍機２１を主体とする冷却ユニット２２と、被保冷物である超電導コイル２３を収容する保冷容器２４とで構成されている。
冷却ユニット２２に組込まれた極低温冷凍機２１は、この例では２段膨張式のＧＭ冷凍機で構成されており、第１段冷却ステージ３１は７０Ｋ程度に、また第２段冷却ステージ３２は４Ｋ程度に冷却される。これら第１段冷却ステージ３１および第２段冷却ステージ３２は、断熱用の真空容器３３によって覆われている。第１段冷却ステージ３１および第２段冷却ステージ３２には、それぞれ熱伝導部材３４，３５の一端側が熱的に接続されており、これら熱伝導部材３４，３５の他端側は真空容器３３内で外部への熱接続を可能とする熱伝導機構部分３６まで延びている。この熱伝導機構部分３６は、図１３に示した従来のものと同様に、伸縮壁を介して真空を破ることなく熱的接続を行なえる方式や、伸縮壁と真空バルブとを組合わせて真空を破ることなく熱的接続を行なえる方式等に構成されている。
【００２５】
一方、保冷容器２４は、真空容器３８を備え、この真空容器３８内に超電導コイル２３を収容している。真空容器３８内で超電導コイル２３の回りには、超電導コイル２３を囲むように３枚の熱シールド板３９，４０，４１が配置されている。これら熱シールド板３９，４０，４１は、それぞれＣｕ層と、Ｅｒ３  Ｎｉ層と、ＥｒＮｉ２  層とを組合わせたもので、厚さ２ｍｍ程度に形成されている。そして、超電導コイル２３と該超電導コイル２３に最も近い位置に存在する熱シールド板３９とは、熱伝導部材４２の一端側に熱的に接続されている。また、熱シールド板４０，４１は、熱伝導部材４３の一端側に熱的に接続されている。熱伝導部材４２，４３の他端側は、真空容器３８内で外部への熱接続を可能とする熱伝導機構部分４４まで延びている。この熱伝導機構部分４４は、図１３に示した従来のものと同様に、伸縮壁を介して真空を破ることなく熱的接続を行なえる方式や、伸縮壁と真空バルブとを組合わせて真空を破ることなく熱的接続を行なえる方式等に構成されている。
【００２６】
なお、図１ではパワーリードおよび超電導コイル２３に付設される永久電流スイッチが省略されている。パワーリードおよび永久電流スイッチの制御線は、熱伝導機構部分３６，４４を介して外部と接続される。また、真空容器３８内は、１０−６Ｔｏｒｒ程度に排気されている。さらに、保冷容器２４における各部の機械的な支持は次のようになっている。すなわち、真空容器３８に樹脂部材（ＦＲＰ）を介して熱シールド板４１が支持され、この熱シールド板４１に樹脂部材を介して熱シールド板４０が支持され、この熱シールド板４０に樹脂部材を介して熱シールド板３９が支持され、この熱シールド板３９に樹脂部材を介して超電導コイル２３が支持されている。
【００２７】
このように構成された保冷装置において、超電導コイル２３を超電導転移温度まで冷却するとともに永久電流モードに移行させるときには、冷却ユニット２２に設けられた熱伝導機構部分３６と保冷容器２４に設けられた熱伝導機構部分４４とを熱的に接続した状態にする。こうすることによって、熱伝導部材３５が熱伝導部材４２に熱的に接続され、熱伝導部材３４が熱伝導部材４３に熱的に接続され状態となる。
【００２８】
熱伝導部材３４は７０Ｋに保たれており、また熱伝導部材３５は４Ｋに保たれているので、一定時間経過した後に熱シールド板４０，４１が７０Ｋに、また熱シールド板３９および超電導コイル２３が４Ｋに冷却される。つまり、超電導コイル２３は、超電導転移温度以下に冷却されることになる。
【００２９】
そして、永久電流モードに移行させた後に、冷却ユニット２２を保冷容器２４から分離させる。したがって、以後、超電導コイル２３は、自身の熱容量と熱シールド板３９，４０，４１の輻射熱遮蔽効果によって決まる時間だけ保冷されることになる。
【００３０】
この場合、被保冷物である超電導コイル２３と、この外側に位置している熱シールド板３９とは初期において同温度に冷却されているので、超電導コイル２３への熱侵入は長期間に亙って極めて少ない状態に保持される。したがって、保冷時間を十分に長くすることができる。
【００３１】
上述した例では、超電導コイル２３に最も近い位置に存在する熱シールド板３９を超電導コイル２３と同じ温度に初期冷却しているが、３枚の熱シールド板全部を超電導コイル２３と同じ温度に初期冷却してもよい。
【００３２】
図４には本発明の別の実施形態に係る保冷容器５０の例が示されている。
この例に係る保冷容器５０では、６枚の熱シールド板５１〜５６と超電導コイル５７〜５９の全てを２段膨張式ＧＭ冷凍機の第２段冷却ステージ（４Ｋ）で初期冷却するように構成されている。なお、図中６１は真空容器を示している。
【００３３】
図５には図４に示した保冷容器５０を十分に初期冷却し、冷却源を取り外した後の各熱シールド板５１〜５６の温度変化が示されている。また、図６には各熱シ−ルド板間の伝熱量の計算値が示されている。この保冷容器５０では２０日間以上の長時間に亙って超電導コイル５７〜５９を４．６Ｋ以下に保持することができる。
【００３４】
図７には本発明のさらに別の実施形態に係る保冷容器７０の例が示されている。
この例に係る保冷容器７０では、臨界温度が８０Ｋの酸化物超電導体バルク７１〜７４と、これを取り囲むように配置された３枚の熱シールド板７５〜７７とを１段膨張式ＧＭ冷凍機の冷却ステージ（７０Ｋ）で初期冷却するように構成されている。なお、図７中、７８は冷却ユニット連結部を示し、７９は酸化物超電導体バルクを支持する支持材を示している。
【００３５】
図８（ａ）  には本発明のさらに別の実施形態に係る保冷装置８０、ここには図８（ｂ）  拡大して示すように、保冷容器８１内に収容されている酸化物超電導体を用いたＳＱＵＩＤ  ８２を８０Ｋ以下に保冷する装置の例が示されている。図中、８３は冷却ユニットを示し、８４，８５は熱的な接続部を示し、８６は真空容器を示し、８７はＳＱＵＩＤ  ８２と同温度に初期冷却される熱シールド板を示している。
【００３６】
なお、同様の構成で赤外線センサーやＳＩＳ  ミキサー等を保冷することも可能である。
図９には本発明の別の実施形態に係る保冷装置９０、ここには保冷容器９１内に収容されている冷凍食品９２を−２０℃以下に保冷する装置の例が示されている。なお図中、９３は冷却ユニットを示し、９４は熱的な接続部を示し、９５は真空容器を示し、９６は内槽を示し、９７は冷凍食品９２と同温度に初期冷却される熱シールド板を示している。同様の構成で保存血液や精子の保冷も可能である。
【００３７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば蓄冷方式を採用した保冷容器の保冷時間を飛躍的に長くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る保冷装置の概略構成図
【図２】磁気転移点近傍に大きな比熱を持つ磁性材の比熱特性を示す図
【図３】熱シールド板の枚数と保冷時間との関係を示す図
【図４】本発明の別の実施形態に係る保冷容器の概略構成図
【図５】熱シールド板の温度の時間変化の一例を示す図
【図６】熱シールド板の伝熱量の時間変の一例を示す図
【図７】本発明の別の実施形態に係る保冷容器の概略構成図
【図８】本発明のさらに別の実施形態に係る保冷装置の概略構成図
【図９】本発明のさらに異なる実施形態に係る保冷装置の概略構成図
【図１０】液体ヘリウム浸漬冷却式超電導磁石の概略構成図
【図１１】冷凍機直冷式超電導磁石の概略構成図
【図１２】冷凍機直冷式超電導磁石の別の例の概略構成図
【図１３】蓄冷方式の冷凍機冷却超電導磁石の概略構成図
【符号の説明】
２２，８３…冷却ユニット
２３，５７，５８，５９…被保冷物としての超電導コイル
２４，５０，７０，８１，９１…保冷容器
３４，３５，４２，４３…熱伝導部材
３６，４４…熱伝導機構部分
３９〜３８，５１〜５６，７５〜７７，８７，９７…熱シールド板
７１〜７４…被保冷物としての酸化物超電導体バルク
８２…被保冷物としてのＳＱＵＩＤ
９２…被保冷物としての冷凍食品
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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