(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に対象物を収容可能に形成されるとともに上記対象物を囲む断熱層を備えてなる容器と、
前記断熱層内に前記対象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、
前記熱シールド板の少なくとも１枚および前記対象物を冷却あるいは加熱して前記熱シールド板を前記対象物とほぼ等しい温度に制御するための温度制御手段とを具備し、
前記温度制御手段によって前記熱シールド板の少なくとも１枚の温度を調整する際には前記温度制御手段と前記熱シールド板とを伸縮壁を介して熱的に接続し、温度調整を行った後には前記温度制御手段と前記熱シールド板とを伸縮壁を介して熱的に分離して断熱するように構成されていることを特徴とする断熱装置。
【請求項２】
内部に対象物を収容可能に形成されるとともに上記対象物を囲む断熱層を備えてなる容器と、
前記断熱層内に前記対象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を具備し、
冷却あるいは加熱を行うことによって温度を制御するための温度制御手段によって、前記熱シールド板の少なくとも１枚の温度を調整する際には前記温度制御手段と前記熱シールド板とを伸縮壁を介して熱的に接続して前記熱シールド板を前記対象物とほぼ等しい温度に制御し、温度調整を行った後には前記温度制御手段と前記熱シールド板とを伸縮壁を介して熱的に分離して断熱することを特徴とする断熱容器。
【請求項３】
内部に対象物を収容可能に形成されるとともに上記対象物を囲む断熱層を備えてなる容器と、
前記断熱層内に前記対象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を具備した断熱容器の断熱方法であって、
冷却あるいは加熱を行うことによって温度を制御するための温度制御手段によって、前記熱シールド板の少なくとも１枚の温度を調整する際には前記温度制御手段と前記熱シールド板とを伸縮壁を介して熱的に接続して前記熱シールド板を前記対象物とほぼ等しい温度に制御し、温度調整を行った後には前記温度制御手段と前記熱シールド板とを伸縮壁を介して熱的に分離して断熱することを特徴とする断熱方法。
【請求項４】
前記熱的な接続および分離は、前記熱シールド板の少なくとも１枚と前記温度制御手段とにそれぞれ熱的に接続される熱スイッチによって行うことを特徴とする請求項１記載の断熱装置。
【請求項５】
前記温度制御手段によって前記対象物の温度制御を行うために、温度を調整する際には前記温度制御手段と前記対象物とを熱的に接続し、温度調整を行った後には前記温度制御手段と前記対象物とを熱的に分離して断熱するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の断熱装置。
【請求項６】
前記熱的な接続・分離は、前記熱シールド板と前記温度制御手段とを熱的に分離している際には、前記熱シールド板と前記対象物とは熱的に分離するように構成されていることを特徴とする請求項５記載の断熱装置。
【請求項７】
前記温度制御手段と前記熱シールド板とを熱的に接続する際には、前記温度制御手段を前記容器に取付けて行い、熱的に分離する際には、前記温度制御手段を前記容器から切離せるように、前記容器に対して前記温度制御手段を着脱可能に構成したことを特徴とする請求項１記載の断熱装置。
【請求項８】
内部に対象物を収容可能に形成されるとともに上記対象物を囲む断熱層を備えてなる容器と、
前記断熱層内に前記対象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つの温度制御ステージを有し、前記熱シールド板を前記対象物とほぼ等しい温度にする温度制御手段と、
前記温度制御ステージによって前記熱シールド板の少なくとも１枚および前記対象物を温度制御する際には、前記温度制御ステージと前記熱シールド板および前記対象物とを伸縮壁を介して熱的に接続し、温度制御を行った後には前記温度制御ステージと前記熱シールド板および前記対象物とを伸縮壁を介して熱的に分離するための熱接続・分離手段とを備えたことを特徴とする断熱装置。
【請求項９】
内部に対象物を収容可能に形成されるとともに上記対象物を囲む断熱層を備えてなる容器と、
前記断熱層内に前記対象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を具備し、
温度制御を行うための温度制御手段の温度制御ステージによって、前記熱シールド板の少なくとも１枚および前記対象物を温度制御する際には前記温度制御ステージと前記熱シールド板および前記対象物とを伸縮壁を介して熱的に接続して前記熱シールド板を前記対象物とほぼ等しい温度に制御し、温度調整を行った後には前記温度制御ステージと前記熱シールド板および前記対象物とを伸縮壁を介して熱的に分離して断熱するようにしたことを特徴とする断熱方法。
【請求項１０】
前記熱接続・分離手段は、前記熱シールド板の少なくとも１枚と前記温度制御手段とにそれぞれ熱的に接続される熱スイッチであることを特徴とする請求項８記載の断熱装置。
【請求項１１】
前記熱接続・分離手段は、前記熱シールド板と前記冷却源とを熱的に分離している際には、前記熱シールド板と前記対象物とは熱的に分離するように構成されていることを特徴とする請求項８記載の断熱装置。
【請求項１２】
前記温度制御手段の温度制御ステージと前記熱シールド板とを熱的に接続する際には、前記温度制御手段を前記容器に取付けて行い、熱的に分離する際には、前記温度制御手段を前記容器から切離せるように、前記容器に対して前記温度制御手段を着脱可能に構成したことを特徴とする請求項８記載の断熱装置。
【請求項１３】
前記熱シールド板の少なくとも一部は、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又は請求項８記載の断熱装置。
【請求項１４】
前記比熱の大きい材料は、磁気転位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１３記載の断熱装置。
【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や超電導素子等の超電導機器、あるいは液体ヘリウムや液体水素、液体窒素、ＬＮＧなどの極低温冷媒、また保存血液や精子等の医療対象物、また冷凍食品等の食料品、その他、常温や高温に温度を一定に保持したい被保温物等を対象物として長時間に互って温度を所定温度に保持させるための断熱容器、断熱装置および断熱方法に関する。
【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１７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、液体ヘリウム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、この熱シールト板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、液体ヘリウム３の補給間隔が長くなるだけで、液体ヘ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１８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で趨電導コイル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、液体ヘ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。
【０００６】
図１９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ｌ９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．同程度の液体ヘ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。
【０００７】
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間題点がある。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。
【０００８】
このようなことから、先に本発明者らは上述した間題点や制限を持たない新しい冷却方式として、図２０に示すようないわゆる蓄冷方式（特願平８−６１４５８号）を提案した。
【０００９】
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。
【００１０】
この方式では、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ので、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ｌつの冷却ユニットｌｌ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、コストも低滅できる。
【００１１】
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（断熱時間）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（断熱時間）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。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上記目的を達成するために本発明の断熱装置は、内部に対象物を収容可能に形成されるとともに上記対象物を囲む断熱層を備えてなる容器と、前記断熱層内に前記対象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、前記熱シールド板の少なくとも１枚および前記対象物を冷却あるいは加熱して前記熱シールド板を前記対象物とほぼ等しい温度に制御するための温度制御手段とを具備し、前記温度制御手段によって前記熱シールド板の少なくとも１枚の温度を調整する際には前記温度制御手段と前記熱シールド板とを伸縮壁を介して熱的に接続し、温度調整を行った後には前記温度制御手段と前記熱シールド板とを伸縮壁を介して熱的に分離して断熱するように構成されていることを特徴としている。
【００１３】
【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の断熱装置は、
内部に対象物を収容可能に形成されるとともに上記対象物を囲む断熱層を備えてなる容器と、前記断熱層内に前記対象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、前記熱シールド板の少なくとも１枚および前記対象物を冷却あるいは加熱して温度を制御するための温度制御手段とを具備し、前記温度制御手段によって前記熱シールド板の少なくとも１枚の温度を調整する際には前記温度制御手段と前記熱シールド板とを伸縮壁を介して熱的に接続し、温度調整を行った後には前記温度制御手段と前記熱シールド板とを伸縮壁を介して熱的に分離して断熱するように構成されていることを特徴としている。
【００１４】
また、本発明の断熱容器は、内部に対象物を収容可能に形成されるとともに上記対象物を囲む断熱層を備えてなる容器と、前記断熱層内に前記対象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を具備し、冷却あるいは加熱を行うことによって温度を制御するための温度制御手段によって、前記熱シールド板の少なくとも１枚の温度を調整する際には前記温度制御手段と前記熱シールド板とを伸縮壁を介して熱的に接続して前記熱シールド板を前記対象物とほぼ等しい温度に制御し、温度調整を行った後には前記温度制御手段と前記熱シールド板とを伸縮壁を介して熱的に分離して断熱することを特徴としている。
【００１５】
また本発明の断熱方法は、内部に対象物を収容可能に形成されるとともに上記対象物を囲む断熱層を備えてなる容器と、前記断熱層内に前記対象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を具備した断熱容器の断熱方法であって、冷却あるいは加熱を行うことによって温度を制御するための温度制御手段によって、前記熱シールド板の少なくとも１枚の温度を調整する際には前記温度制御手段と前記熱シールド板とを伸縮壁を介して熱的に接続して前記熱シールド板を前記対象物とほぼ等しい温度に制御し、温度調整を行った後には前記温度制御手段と前記熱シールド板とを伸縮壁を介して熱的に分離して断熱することを特徴としている。
【００１６】
また本発明の断熱装置においては、内部に対象物を収容可能に形成されるとともに上記対象物を囲む断熱層を備えてなる容器と、前記断熱層内に前記対象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つの温度制御ステージを有し、前記熱シールド板を前記対象物とほぼ等しい温度にする温度制御手段と、前記温度制御ステージによって前記熱シールド板の少なくとも１枚および前記対象物を温度制御する際には、前記温度制御ステージと前記熱シールド板および前記対象物とを伸縮壁を介して熱的に接続し、温度制御を行った後には前記温度制御ステージと前記熱シールド板および前記対象物とを伸縮壁を介して熱的に分離するための熱接続・分離手段とを備えたことを特徴としている。
【００１７】
また本発明の断熱方法においては、内部に対象物を収容可能に形成されるとともに上記対象物を囲む断熱層を備えてなる容器と、前記断熱層内に前記対象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を具備し、温度制御を行うための温度制御手段の温度制御ステージによって、前記熱シールド板の少なくとも１枚および前記対象物を温度制御する際には前記温度制御ステージと前記熱シールド板および前記対象物とを伸縮壁を介して熱的に接続して前記熱シールド板を前記対象物とほぼ等しい温度に制御し、温度調整を行った後には前記温度制御ステージと前記熱シールド板および前記対象物とを伸縮壁を介して熱的に分離して断熱するようにしたことを特徴としている。
【００２４】
（作用）
熱シールド板は、図１９、図２０に示した従来装置でも用いているが、これらの装置では、真空容器温度（高温側温度）と対象物（以下、冷却対象物を被保冷物と呼ぶ）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。
【００２５】
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、熱シー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校数は２枚以下である。
【００２６】
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断熱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問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。
【００２７】
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。
【００２８】
その一つの方法として、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。
【００２９】
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３に示すように磁気転位点近傍に大きな比熱のピークを持つ。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。
【００３０】
次に、熱シールド板の枚数を増やした場合の効果についで説明する。たとえば、全体の体積一定の条件て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４に示す。この図６、図７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か長くなる。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。このように、本発明によれば保冷時問が十分に長い蓄冷方式の断熱容器、断熱装置が得られる。
【００３１】
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、液体ヘリウムや液体水素、液体窒素、ＬＮＧなどの極低温冷媒、また保存血液や精子等の医療対象物、また冷凍食品等の食料品、その他、常温や高温に温度を一定に保持したいお湯やコーヒー等の被保温物等を対象物として長時間に互って温度を所定温度に保持させるための断熱容器、断熱装置にも適用できる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら発明の一実施形態を説明する。
（第１の実施形態）
図１には本発明の第１の実施形態に係る断熱装置、ここには温度を制御する対象物として、冷却することを対象とした被保冷物としての超電導コイルを超電導転移温度以下（１０Ｋ以下）の温度に冷却し、この温度に保冷する断熱装置の概略構成が示されている。
【００３３】
この断熱装置は、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を収容する断熱容器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冷凍榛で構成されており、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２段冷却ステージ３２には熱伝導部材３４の一端側が熱的に接続されており、この熱伝導部材３４の他瑞側は真空容器３３内で外部ヘの熱接続を可能とする熱伝導機構部分３５まで延びている。この熱伝導機構部分３５はベローズ等から構成される伸縮壁３７を介して真空を破ることなく熱的接続を行なえる方式であるが、図２０に示した従来のものと同様に、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も良い。
【００３４】
一方断熱容器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。これらは熱シールド板３９，４０，４１は、それぞれＥｒＮｉ2 層と、Ｅｒ3 Ｎｉ層と、Ｃｕ層とを組合わせたもので、厚さ２ｍｍ程度に形成されている。
【００３５】
超電導コイル２３および熱シールド板３９，４０，４１からは、それぞれと熱的に接続されている伝熱板４２，４３，４４，４５が真空容器３８内で外部への熱接続を可能とする熱スイッチ部４６ａ，４６ｂ，４６ｃ，４６ｄまで伸びている。この熱スイッチ部４６ａ〜ｄは熱伝導機構部分３５と組み合わされる（熱的に接続される）ことによって、冷却が行われる。この接続の様子を図２に示す。なお、熱スイッチ部４６ａ〜ｄと熱伝導機構部分３５は、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読を行なえる方式等に構成されてもよい。
【００３６】
また、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３５３４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。
【００３７】
さらに、断熱容器２４における各部の機械的な支持は、図示は省略するが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。
【００３８】
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ためには、冷却ユニット２２に設けられた熱伝導機構部分３５と保冷容器２４に設けられた熱スイッチ部４６ａ〜ｄとを図２に示したように熱的に接続した状態にして冷却を開始する。
【００３９】
こうすることによって、熱伝導機構部分３５と各々の伝熱板４２，４３，４４，４５が熱的に接続され、熱スイッチ部４６はＯＮの状態となる。従って、この状態では伝熱板４２，４３，４４，４５と熱伝導部材３４を介して、超電導コイル２３および熱シールド板３９，４０，４１は、極低温冷凍機２１の第２段冷却ステージ３２と熱的に接続された状態となる。
【００４０】
極低温冷凍機２１を運転すると、第１段冷却ステージ３１は約７０Ｋに保たれ、第２段冷却ステージ３２および熱伝導部材３４は約４Ｋに保たれるので、一定時間経過した後に熱シールド板３９，４０、４１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。
【００４１】
このような状態で、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。この時、伝熱板４２，４３，４４，４５と熱伝導機構部分３５は熱的に切り離された状態になり、熱スイッチ部４６はＯＦＦの状態となる。さらに、各伝熱板４２，４３，４４，４５は図１に示したようにそれぞれが離れた状態となる。従って、超電導コイル２３と各熱シールド板３９，４０，４１は熱的に分離された状態となり、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。
【００４２】
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３９，４０，４１は初期において同温度に冷却されている。超電導コイル２３への熱侵入は超電導コイル２３のすぐ外側に位置する熱シールド板３９との温度差によってのみ決まるため、超電導コイル２３への熱侵入はほとんど存在しない。室温部にある真空容器３８から入る熱は最外層に位置する熱シールド板４１に入り、熱シールド板４１の温度が上昇する。熱シールド板４１の温度が上昇すると、熱シールド板４０との間に温度差が生じ、熱シールド板４０への熱侵入が増加し、熱シールド板４０の温度が熱シールド板４１より遅れて上昇しはじめる。
【００４３】
さらに、熱シールド板４０の温度が上昇すると、熱シールド板３９との間に温度差が生じ、熱シールド板３９への熱侵入が増加し、熱シールド板３９の温度が熱シールド板４０より遅れて上昇しはじめる。熱シールド板３９の温度が上昇すると、超電導コイル２３との間に温度差が生じ、超電導コイル２３への熱侵入が増加して、超電導コイル２３の温度が上昇を始める。
【００４４】
しかしながら、超電導コイル２３が温度上昇を始めるには、回りを囲む熱シールド板３９，４０，４１の温度が徐々に上がった後であり、特に、熱シールド板３９の温度が上昇を始める以前は、超電導コイル２３への熱侵入は、長期間に互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。
【００４５】
上述した例では、３枚の熱シールド板を用いたが、５枚、１０枚と熱シールド板の枚数を増やすと保冷時間が延びることは図６、図７に示しす通りである。また、上述した３枚の熱シールド板の外側に、さらに熱シールド板を設け、極低温冷凍機２１の第１段冷却ステージ３１で同様に冷却して切り離してもよい。
【００４６】
（第２の実施形態）
図５には本発明の第２の実施形態に係る断熱容器５０の例が示されている。
この例に係る断熱容器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６０は真空容器を示している。また、図１で示した冷却ユニットや熱スイッチ部分は省略しているが、シールド板の枚数および超電導コイルの構成の相違以外の部分は図１に示した実施形態と同様である。なお、図５でもパワーリードおよび超電導コイルに付設される永久電流スイッチは省略されている。
【００４７】
この第２の実施形態においても極低温冷凍機を運転すると、一定時間経過した後に熱シールド板５１〜５６および超電導コイル５７〜５９が４Ｋに冷却される。このような状態で、永久電流モードに移行させた後に，冷却ユニットを断熱容器から分離させて熱スイッチ部をＯＦＦの状態とする。この状態で、超電導コイル５７〜５９と各熱シールド板５１〜５６は外部と熱的に分離された状態となり、以後、超電導コイル５７〜５９は、自身の熱容量と熱シールド板５１〜５６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。
【００４８】
図６には図５に示した断熱容器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７に各熱シールド板間の伝熱量の計算値が示されている。この断熱容器５０では２０日間（約１．７Ｍｓｅｃ）以上の長時間に互って超電導コイル５７−５９を４．６Ｋ以下に保持することができる。
【００４９】
（第３の実施形態）
図８には、本発明の第３の実施形態に係る断熱容器の例が示されており、図１，図２に示した第１の実施形態と同一部分には同一符号を付し、以下ではその重複する説明は省略する。
【００５０】
この第３の実施形態に係る断熱容器では、被保冷物（対象物）としての超電導コイルを超電導転移温度以下（１０Ｋ以下）の温度に冷却し、この温度に保冷する断熱装置の概略構成が示されている。
【００５１】
この第３の実施形態では、被保冷物である超電導コイル２３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３９，４０，４１とを２段膨張式ＧＭ冷凍機２１の冷却ステージで初期冷却する点は第１の実施形態と同様であるが、、冷凍機２１は真空容器３８へマウントして取付けたまま、取り外さずに熱スイッチのＯＮ−ＯＦＦのみで断熱するように構成されている。
【００５２】
具体的には、超電導コイル２３と超電導コイル２３を囲む内側２層の熱シールド板３９，４０は、それぞれ熱スイッチ６１，６２，６３によって、極低温冷凍機２１の第２段冷却ステージ３２と接続されている。また、最外層の熱シールド板４０は、熱スイッチ６４によって、極低温冷凍機２１の第１段冷却ステージ３１と接続されている。
【００５３】
図９には、熱スイッチ６１〜６４の詳細な構造が示されている。熱スイッチ６１〜６４は、両端を伝熱板６５，６６でふさがれた円筒６７内に、配管６８を介して熱伝導ガスの供給・排出装置６９から、熱伝導ガスとして例えばヘリウムガスを供給・排出することによって熱的なＯＮ／ＯＦＦを行うように構成されたガス圧力式の熱スイッチである。円筒６７内には、両端の伝熱板６５，６６から突起板６５ａ，６６ａが多数突出し、互いに狭い間隔で入れ子（櫛歯）状に対向している。
【００５４】
この円筒６７内へ供給・排出装置６９から配管６８を介してヘリウムガス供給し封入することにより、ヘリウムガスの熱伝導を利用して、両伝熱板６５，６６間を熱が移動し、熱スイッチはＯＮとなる。ヘリウムガスを排気し、熱スイッチ内を真空にすると、両伝熱板６５，６６間の熱の移動はなくなり、熱スイッチはＯＦＦとなる。
【００５５】
今、熱スイッチ６１〜６４内へヘリウムガスを供給して各々の熱スイッチ６１〜６４をＯＮにして、極低温冷凍機２１を始動させる。第１段冷却ステージ３１は熱シールド板４１を、第２段冷却ステージ３２は熱シールド板３９，４０と超電導コイル２３とをそれぞれ熱スイッチ６１〜６４を介して冷却する。
【００５６】
十分時間がたつと、熱シールド板４１は第１段冷却ステージ３１とほぼ等しい温度（約４０Ｋ）および熱シールド板３９，４０と超電導コイル２３は第２段冷却ステージ３２とほぼ等しい温度（４Ｋ）となる。ここで、熱スイッチ６１〜６４内のヘリウムガスを排気して熱スイッチをそれぞれＯＦＦとし、各熱シールド板３９〜４１および超電導コイル２３と、第１および２段冷却ステージ３１，３２とを熱的に分離し、極低温冷凍機２１の運転を止める。
【００５７】
以後、超電導コイル２３は、第１の実施形態例で説明したのと同じ作用・効果を奏し、自身の熱容量と熱シールド板３９〜４１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。
【００５８】
なお、図９に示した熱スイッチは、内部の熱伝導性のガスの圧力を調整してスイッチングを行うガス圧力式の熱スイッチを示したが、本発明で用いられる熱スイッチはこれに限定されるものではない。
【００５９】
例えば、第１の伝熱体に対して第２の伝熱体が相対移動可能に駆動機構を設けておき、これら第１，２の伝熱体同士を機械的に移動させて接触と非接触を切り換えるように構成された機械的な熱スイッチでも良い。この機械的な熱スイッチは、第２の伝熱体を第１の伝熱体と接触させた状態で熱が伝導（スイッチＯＮ）され、第２の伝熱体を第１の伝熱体と機械的に切離して非接触とさせた状態で熱熱的に分離（スイッチＯＦＦ）される。
【００６０】
（第４の実施形態）
図１０には、本発明の第４の実施形態に係る断熱容器の例が示されている。
この第４の実施形態においては、先の実施形態と同一部分は図示および説明を省略する。この実施形態では、被保冷物（対象物）として、先の超電導コイルの代わりに臨界の温度の高い酸化物超電導体バルクを用いた点が特徴である。
【００６１】
具体的には、この例に係る断熱容器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枚の熱シールド枚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１０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。
【００６２】
この第４の実施形態においても極低温冷凍機を運転すると、一定時間経過した後に熱シールド板７５〜７７および酸化物超電導バルク７１〜７４が７０Ｋに冷却される。このような状態で、冷却ユニットを断熱容器から分離させて熱スイッチ部をＯＦＦの状態とする。この状態で、酸化物超電導バルク７１〜７４と各熱シールド板７５〜７７は外部と熱的に分離された状態となり、以後、酸化物超電導バルク７１〜７４は、自身の熱容量と熱シールド板７５〜７７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。
【００６３】
（第５の実施形態）
図１１（ａ）には本発明の第５の実施形態に係る断熱装置８０、ここには図１１（ｂ）に拡大して示すように、断熱容器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複数枚の熱シールド板を示し、必要な熱スイッチ等は図示が省略されている。
【００６４】
この図１１（ａ）（ｂ）に示した実施形態でも先の実施形態と同様に、極低温冷凍機を運転すると、一定時間経過した後に熱シールド板８７およびSQUID ８２が冷却される。このような状態で、冷却ユニット８３を断熱容器から分離させて熱スイッチ部をＯＦＦの状態とする。この状態で、SQUID ８２と各熱シールド板８７は外部と熱的に分離された状態となり、以後、SQUID ８２は、自身の熱容量と熱シールド板８７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。
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（断熱）することも可能である。
【００６５】
（第６の実施形態）
図１２には本発明の第６の実施形態に係る断熱装置９０、ここには断熱容器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複数の熱シールド板を示している。
【００６６】
この第６の実施形態でも先の実施形態と同様に、冷凍機を運転すると、一定時間経過した後に熱シールド板９７および冷凍食品９２が冷却される。このような状態で、冷却ユニット９３を断熱容器９１から分離させて熱スイッチ部をＯＦＦの状態とする。この状態で、冷凍食品９２と各熱シールド板９７は外部と熱的に分離された状態となり、以後、冷凍食品９２は、自身の熱容量と熱シールド板９７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。
【００６７】
同様の構成で保存血液や精子等の医療関連対象物等の保冷も可能である。
（第７の実施形態）
図１３には、本発明の第７の実施形態に係る断熱装置１００の例が示されている。
この例に係る断熱装置では、真空容器１０１と真空容器１０１内に収納された超電導コイル１０２、超電導コイル１０２の回りを囲む３枚のシールド板１０３〜１０５、および冷却用の配管１０６および弁１０７、１０８を介して接続される冷媒供給装置１０９、排気装置１１０等から構成されている。
【００６８】
真空容器１０１外から真空容器１０１内に導入される冷却配管１０６は、各熱シールド板１０３〜１０５と熱的に接続して熱交換するような熱交換器１０６ａ〜１０６ｃを有し、最後に超電導コイル１０２の回りに設けられた熱交換器１０６ｄで超電導コイル１０２と熱的に接続された後、真空容器１０１外へ導出されるよう引き回されて配設されている。
【００６９】
冷却用の液体ヘリウムを冷媒供給装置１０９から上記弁１０７、配管１０６を介して真空容器１０１内へ流し込み、各々の熱交換器１０６ａ〜１０６ｄで各シールド板１０３〜１０５および超電導コイル１０２と熱交換を行ってそれぞれを冷却する。
【００７０】
各熱シールド板１０３〜１０５および超電導コイル１０２が液体ヘリウム温度（４．２Ｋ）になった時点で、図中には示されていない、パワーリードを用いて超電導コイル１０２に電流を供給し、さらに同じく図中には示されていない永久電流スイッチを用いて、超電導コイルを永久電流モードにする。
【００７１】
その時点で、冷媒供給装置１０９および弁１０７を制御して液体ヘリウムの供給を停止する。その後、排気装置１１０および弁１０８を制御して配管１０６内を真空排気し、真空排気した後は、弁１０７，１０８を閉じて配管１０６内を真空機密とすることで、配管１０６からの熱侵入を減らすことができ、断熱状態を達成できる。
【００７２】
以後、超電導コイルは、図１の実施例で説明したのと同じように、自身の熱容量と熱シールド板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。
【００７３】
（第８の実施形態）
図１４には本発明の第８の実施形態に係る断熱装置の例が示されている。
この例に係る断熱装置容器では、真空容器１１１と真空容器１１１内に収納された液体ヘリウム容器１１２、および液体ヘリウム容器１１２の回りを囲む２枚のシールド板１１３、１１４およびヘリウム供給用の供給装置１１５、一端がこの供給装置１１５に連結され、他端が液体ヘリウム容器１１２内へ開放しているヘリウム配管１１６、一端が液体ヘリウム容器１１２内に連結し、他端が真空容器１１１を貫通して大気中へ開放されている排気管１１７等から構成されている。
【００７４】
液体ヘリウム容器１１２内には例えば超電導コイル１１９等の被保冷物が収納されている。ヘリウム配管１１６は、各熱シールド板１１３，１１４と熱交換するような熱交換器１１６ａ，１１６ｂを有し、真空容器１１１外に設けられた供給装置１１５から真空容器１１２内に導入され、これら熱交換器１１６ａ，１１６ｂを熱シールド板１１３，１１４と熱的に接続し、最後に液体ヘリウム容器１１２の内部に導入されて開放されている。
【００７５】
液体ヘリウムを供給装置１１５からヘリウム配管１１６内へ流し込み、熱交換器１１６ａ，１１６で各シールド板１１３，１１４と熱交換して冷却した後、液体ヘリウム容器１１２内へ液体ヘリウムが供給され、超電導コイル１１９を冷却する。各熱シールド板１１３，１１４および超電導コイル１１９が液体ヘリウム温度（４．２Ｋ）に冷却され、さらに液体ヘリウム容器１１２内に液体ヘリウムが溜まった時点で、図中には示されていない、パワーリードを用いて超電導コイル１１９に電流を供給し、さらに同じく図中には示されていない永久電流スイッチを用いて、超電導コイル１１９を永久電流モードにした後、供給装置１１５を制御して液体ヘリウムの供給を止める。
【００７６】
以後は、上述した実施形態と同じく、ヘリウム容器１１２および液体ヘリウム、超電導コイル１１９自身の熱容量と熱シールド板１１３，１１４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。その際、ヘリウム配管１１７は、室温部の真空容器１１１外で断熱効果を得るために蓋をして密閉してもよいし、蒸発ガスでシールド板を冷却してもよい。
【００７７】
（第９の実施形態）
図１５には本発明の第９の実施形態に係る断熱装置の例が示されている。
この例に係る保冷装置では、真空容器１２１と真空容器１２１内に収納された液体ヘリウム容器１２２、および液体ヘリウム容器１２２の回りを囲む３枚の熱シールド板１２３〜１２５、および冷却用の２段ＧＭ冷凍機１２６等から構成されている。なお、液体ヘリウム容器１２２内には超電導コイル１２７が収納されている。
【００７８】
液体ヘリウム容器１２２とこの液体ヘリウム容器１２２を囲む内側２層の熱シールド板１２３，１２４は、それぞれ熱スイッチ１２８〜１３０を介して、冷凍機１２６の第２段冷却ステージ１３２と熱的に接続されている。また、最外層の熱シールド板１２５は、熱スイッチ１３１を介して、極低温冷凍機１２６の第１段冷却ステージ１３３と熱的に接続されている。熱スイッチ１２８〜１３１の構造は、例えば図９に示したものと同様のガス圧力制御式の熱スイッチを用いることができる。
【００７９】
液体ヘリウム容器１２２から真空容器１２１外部まで延出して大気中に開放している液体ヘリウム供給配管１３４より、液体ヘリウム容器１２２内に液体ヘリウムを供給するとともに、熱スイッチ１２８〜１３１をＯＮにして、極低温冷凍機１２６を始動させる。第１段冷却ステージ１３３は熱シールド板１２５を、第２段冷却ステージ１３２は熱シールド板１２２〜１２４をそれぞれ熱スイッチ１２８〜１３１を介して冷却する。
【００８０】
十分時間がたつと、熱シールド板１２５は第１段冷却ステージ１３３とほぼ等しい温度（約４０Ｋ）、および熱シールド板１２２〜１２４は第２段冷却ステージ１３２とほぼ等しい温度（４Ｋ）となる。さらに、液体ヘリウム容器内には、液体ヘリウムが必要量溜められる。
【００８１】
ここで、図中には示されていない、パワーリードを用いて超電導コイル１２７に電流を供給し、さらに同じく図中には示されていない永久電流スイッチを用いて、超電導コイル１２７を永久電流モードにする。
【００８２】
さらに、熱スイッチ１２８〜１３１内のヘリウムガスを排気して熱スイッチをＯＦＦとし、各熱シールド板１２２〜１２５と第１および２段冷却ステージ１３２，１３３を熱的に分離し、極低温冷凍機１２６の運転を止める。
【００８３】
以後、液体ヘリウム容器、液体ヘリウムおよび超電導コイルは、第１の実施形態で説明したのと同じように、自身の熱容量と熱シールド板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。その際、ヘリウム配管１３４は、室温部の真空容器１２１外で蓋をして密閉してもよいし、蒸発ガスでシールド板を冷却してもよい。
【００８４】
（第１０の実施形態）
図１６には本発明の第１０の実施形態に係る断熱装置の例が示されている。
この例に係る断熱装置では、先の第１乃至第９の実施形態で示した温度制御の対象物の種類が、冷却を対象とした被保冷物から、加熱を対象とした被保温物に代えた例であり、本発明の断熱容器、断熱装置の他の適用例である。
【００８５】
この実施形態では、真空容器１４１と真空容器１４１内に収納された液体容器１４２、液体容器１４２の回りを囲む３枚のシールド板１４３〜１４５、加熱用のヒータ１４６及び蓋１４７等から構成されている。
【００８６】
液体容器１４２に例えば水（お湯）やコーヒー等の保温したい液体を注液し、加熱用ヒータ１４６をＯＮにして温度を上げる。この時、加熱用ヒータ１４６は、液体容器１４２及びそれを囲む３枚の熱シールド板１４３〜１４５にも熱的に接続して取り付けられており、液体容器１４２と熱シールド板１４３〜１４５を同時に加熱する。
【００８７】
液体容器１４２内の液体が所定の温度、例えば９５℃程度の温度になった時点で、加熱用ヒータを止める。この時、各熱シールド板１４３〜１４５の温度も保温すべき液体とほぼ同じ温度あるいはそれ以上の温度に加熱されている。液体容器加熱用のヒータ１４６をＯＦＦにした際には、同じく熱シールド板１４３〜１４５への加熱も止める。
【００８８】
以後、加熱された液体は、先の実施形態で説明したのと同じように、自身の熱容量と熱シールド板１４３〜１４５の輻射熱遮蔽効果によって決まる時間だけ保温されることになる。従来の断熱容器が、頻繁に加熱ヒータをON/OFFさせて保温を行うのに対し、本発明に係る断熱容器、断熱装置では、初期に加熱を行うのみで、以後一切の熱入力を伴わず長時間保温が可能となる。
【００８９】
【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、温度制御手段と熱シールド板とを伸縮壁を介して真空を破ることなく熱的接続を行えるので、断熱容器、断熱装置の保冷あるいは保温等の断熱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】  本発明の第１の実施形態に係る断熱装置の概略構成図。
【図２】  本発明の第１の実施形態に係る断熱装置に使用される熱スイッチ部がＯＮの状態を説明するための概略構成図。
【図３】  磁気転位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４】  本発明に係る熱シールド板の枚数と保冷時間との関係を示す図。
【図５】  本発明の第２の実施形態に係る断熱容器の概略構成図。
【図６】  本発明に係る熱シールド板の温度の時間変化の一例を示す図。
【図７】  本発明に係る熱シールド板の伝熱量の時間変化の一例を示す図。
【図８】  本発明の第３の実施形態に係る断熱装置の概略構成図。
【図９】  本発明に係る断熱装置に使用される熱スイッチ一例を示す概略構成図。
【図１０】  本発明の第５の実施形態に係る断熱容器の概略構成図。
【図１１】  本発明の第６の実施形態に係る断熱装置の概略構成図。
【図１２】  本発明の第７の実施形態に係る断熱装置の概略構成図。
【図１３】  本発明の第８の実施形態に係る断熱装置の概略構成図。
【図１４】  本発明の第９の実施形態に係る断熱装置の概略構成図。
【図１５】  本発明の第１０の実施形態に係る断熱装置の概略構成図。
【図１６】  本発明の第１１の実施形態に係る断熱装置の概略構成図。
【図１７】  従来の液体ヘリウム浸潰冷却式超電導磁石の概略構成図。
【図１８】  冷凍機直冷式超電導磁石の概略構成図。
【図１９】  冷凍機直冷式超電導磁石の別の例の概略構成図。
【図２０】  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】
２１  冷凍機（温度制御手段、冷却源）
２２、８３、９３  冷却ユニット
２３、５７、５８、５９、１０２、１１９、１２７  対象物（被保冷物）としての超電導コイル
２４、５０、７０、８ｌ、９１  断熱容器
３４、３５、４２、４３  熱伝導部材
３６、４４  熱伝導機構部分
３９−４１，５１−５６，７５−７７、８７、９７、１０１〜１０５  熱シールド板
１１３，１１４、１２３〜１２５、１４３〜１４５  熱シールド板
７１〜７４  対象物（被保冷物）としての酸化物超電導体バルク
８２  対象物（被保冷物）としてのＳＱＩＤ
９２    対象物（被保冷物）としての冷凍食品
１４６  ヒータ（温度制御手段）
【図１】
0003702063.tif 000002
【図２】
0003702063.tif 000003
【図３】
0003702063.tif 000004
【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】
0003702063.tif 000009
【図９】
0003702063.tif 000010
【図１０】
0003702063.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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