(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒圧縮機とこれに接続した冷凍機本体とを含む冷凍機を備え、真空容器内に収容された熱シールド容器内に配置された超電導コイルを前記冷凍機本体の冷却ステージで冷却するようにした冷凍機冷却型超電導マグネット装置であって、該マグネット装置には該マグネット装置の発生する磁界中にて測定を行うための測定装置が組合わされ、前記超電導コイルは前記熱シールド容器内に配置された超電導電流リードを介して励磁用電源から通電され、しかも前記冷媒圧縮機と前記冷凍機本体との間には、前記測定装置の測定中は前記冷凍機本体の運転を停止させるためのバイパスユニットを備えた冷凍機冷却型超電導マグネット装置において、
前記熱シールド容器及び前記超電導コイルにはそれぞれ温度測定手段を設け、
該温度測定手段から温度測定値を受けると共に、前記励磁用電源から通電電流値を受けて、前記バイパスユニット及び前記励磁用電源の制御を行う制御機器を備え、
該制御機器は、前記通電電流値からマグネット装置の発生する磁界強度を算出して算出した磁界強度を基準にして前記超電導コイル及び前記熱シールド容器の動作臨界温度を算出し、前記温度測定値がこれらの動作臨界温度を越えないように、前記バイパスユニットを制御して前記冷凍機の間欠運転動作制御を行うことを特徴とする冷凍機冷却型超電導マグネット装置。
【請求項２】
請求項１記載の冷凍機冷却型超電導マグネット装置において、前記真空容器内であって前記熱シールド容器の周囲にこれと同じ材料による冷媒容器を設け、該冷媒容器には前記熱シールド容器に要求される冷却温度より低沸点の冷媒を出し入れ可能にしたことを特徴とする冷凍機冷却型超電導マグネット装置。
【請求項３】
請求項２記載の冷凍機冷却型超電導マグネット装置において、前記冷媒容器に出し入れされる前記冷媒は、液体酸素、液体ネオンであることを特徴とする冷凍機冷却型超電導マグネット装置。
【請求項４】
請求項１記載の冷凍機冷却型超電導マグネット装置において、前記真空容器内であって前記熱シールド容器の周囲にこれと同じ材料による熱容量増加部材を設けたことを特徴とする冷凍機冷却型超電導マグネット装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は冷凍機冷却型超電導マグネット装置に関し、特に精密測定に利用される冷凍機冷却型超電導マグネット装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁界を利用した様々な測定装置がある中で、強力な磁界の発生が可能であり、操作の容易な冷凍機冷却型超電導マグネット装置がＶＳＭ（振動試料型磁力計）等の精密測定装置の構成部分として用いられている。冷凍機冷却型超電導マグネット装置は操作が容易である反面、内部にある超電導コイルを超電導状態に保ち磁界を発生させるため、冷凍機を稼動させる必要がある。
【０００３】
一方、冷凍機の稼動の際、冷媒ガス圧縮機から冷凍機本体にヘリウムガスが供給される際に振動やノイズが発生し、精密測定装置の感度が劣化する。精密測定装置の感度劣化を防止するためには冷凍機の稼動制御を行う必要がある。
【０００４】
しかし、冷凍機の稼動制御を単純に実施した場合、超電導マグネット装置にクエンチ（超電導状態から常伝導状態になる）が生じたり、もしくは破損のおそれがある。
【０００５】
図５、図６を参照して、上記の点について説明する。図５は、従来の冷凍機冷却型超電導マグネット装置と測定装置とを組合わせた例の構成を示す。図５において、冷凍機冷却型超電導マグネット装置本体は、真空容器５１内に熱伝導率の高い材料（Ｃｕ、Ａｌなど）を用いた熱シールド容器５２が収容されており、熱シールド容器５２内には超電導コイル５３が収容されている。超電導コイル５３は熱負荷フランジ５４に設置されて熱的に結合している。熱負荷フランジ５４は冷凍機本体６１の第２段冷却ステージと熱的に結合するように接続されている。熱シールド容器５２内で超電導コイル５３との電気的接続を行うためにＢｉ系等の酸化物材料による超電導電流リード５５が設けられ、超電導電流リード５５は真空容器５１に設けられた電流導入端子５６に接続されている。超電導電流リード５５は熱負荷フランジ５４及び熱シールド容器５２と熱的に結合している。真空容器５１の中央部には熱シールド容器５２をも貫いて常温ボア５７が形成されている。
【０００６】
磁界発生用の励磁用電源７０は電流導入端子５６とケーブル７１で繋がっている。磁界発生の際には励磁用電源７０から超電導電流リード５５を介して超電導コイル５３に通電させる。
【０００７】
測定装置８０は、常温ボア５７につながるように真空容器５１に設置される。超電導コイル５３を冷却する冷凍機は、冷凍機本体６１、Ｈｅガス圧縮機６２、フレキシブルホース６３を含む。冷凍機を稼動させる場合、Ｈｅガス圧縮機６２からフレキシブルホース６３を通して圧縮Ｈｅガスが冷凍機本体６１に供給される。また、Ｈｅガス圧縮機６２から冷凍機本体６１に、駆動用電源ケーブル６４が繋がっている。
【０００８】
冷凍機本体６１を稼動させると、冷凍機のモータや圧縮Ｈｅガスなどから振動やノイズが発生する。この振動やノイズは真空容器５１や常温ボア５７についている測定装置８０に伝わる。そのため、測定装置８０の感度が劣化する。
【０００９】
上記のような原因による測定装置の感度劣化を防止するため、Ｈｅガス圧縮機６２と冷凍機本体６１との間に、冷凍機本体６１の動作制御のためのバイパスユニット６５が設けられている。バイパスユニット６５と冷凍機本体６１はフレキシブルホース６３で繋がっている。バイパスユニット６５は、ガス流路の切換え部６５−１と、駆動用電源のオン−オフスイッチ６５−２とを内蔵している。切換え部６５−１は、Ｈｅガス圧縮機６２と冷凍機本体６１との間を接続するモードと、Ｈｅガス圧縮機６２と冷凍機本体６１との間を断とし圧縮ＨｅガスをＨｅガス圧縮機６２側で循環させるモードとの切換えを行うものである。
【００１０】
図６は、バイパスユニット接続時のＨｅガスの流れを示す。冷凍機本体６１の稼動の際は、図６（ａ）に示すように、通常、Ｈｅガス圧縮機６２と冷凍機本体６１の間をＨｅガスが循環している。図６（ｂ）に示すように、バイパスユニット６５に指令電圧が印加されて切換え部６５−１によりガス流路が断にされ、オン−オフスイッチ６５−２がオフにされると、ＨｅガスはＨｅガス圧縮機６２とバイパスユニット６５との間を循環し、冷凍機本体６１の機能は停止する。これにより、冷凍機の間欠運転が容易に可能となる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、単純に冷凍機の間欠運転を実施した場合、超電導コイル５３への通電は継続しているので、熱シールド容器５２の温度と超電導コイル５３の温度が上昇する。熱シールド容器５２の温度が上昇した場合、熱シールド容器５２と熱的に接触している超電導電流リード５５の温度も上昇する。このため、超電導電流リード５５の発生磁界での臨界温度を越えると、超電導電流リード５５の温度暴走が発生する。この温度暴走から、超電導電流リード５５が破損し、通電が出来なくなることがある。
【００１２】
更に、熱シールド容器５２は冷凍機の間欠運転を実施している間、冷凍機停止中は温度が上昇し続け、冷凍機が稼動しても短時間の稼動では温度が下降しない欠点がある。
【００１３】
超電導コイル５３の温度が上昇した場合、発生磁界での臨界温度を越えると、超電導コイル５３がクエンチ（超電導状態から常伝導状態に変化）して所定の磁界強度を保持できなくなる。超電導コイル５３が１度クエンチを起こすと、数時間冷凍機を稼動させて超電導コイル５３を冷却する必要があり、コスト、時間共に無駄が生じる。
【００１４】
以上の点から、測定装置８０では、磁界が保持された状態で安全に精密測定を行えないという問題点がある。
【００１５】
そこで、本発明の課題は、磁界を発生させた状態でも、組合わされた測定装置の感度劣化を防止し、安全に精密測定を実施可能にする冷凍機冷却型超電導マグネット装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、冷媒圧縮機とこれに接続した冷凍機本体とを含む冷凍機を備え、真空容器内に収容された熱シールド容器内に配置された超電導コイルを前記冷凍機本体の冷却ステージで冷却するようにした冷凍機冷却型超電導マグネット装置であって、該マグネット装置には該マグネット装置の発生する磁界中にて測定を行うための測定装置が組合わされ、前記超電導コイルは前記熱シールド容器内に配置された超電導電流リードを介して励磁用電源から通電され、しかも前記冷媒圧縮機と前記冷凍機本体との間には、前記測定装置の測定中は前記冷凍機本体の運転を停止させるためのバイパスユニットを備えた冷凍機冷却型超電導マグネット装置に適用される。本発明では、前記熱シールド容器及び前記超電導コイルにそれぞれ温度測定手段を設け、該温度測定手段から温度測定値を受けると共に、前記励磁用電源から通電電流値を受けて、前記バイパスユニット及び前記励磁用電源の制御を行う制御機器を備える。
【００１７】
この制御機器は、前記通電電流値からマグネット装置の発生する磁界強度を算出して算出した磁界強度を基準にして前記超電導コイル及び前記熱シールド容器の動作臨界温度を算出し、前記温度測定値がこれらの動作臨界温度を越えないように、前記バイパスユニットを制御して前記冷凍機の間欠運転動作制御を行う。
【００１８】
本冷凍機冷却型超電導マグネット装置においては、前記真空容器内であって前記熱シールド容器の周囲にこれと同じ材料による冷媒容器を設け、該冷媒容器には前記熱シールド容器に要求される冷却温度より低沸点の冷媒を出し入れ可能にしても良い。
【００１９】
なお、前記冷媒容器に出し入れされる前記冷媒は、液体酸素、液体ネオンが好ましい。
【００２０】
本冷凍機冷却型超電導マグネット装置においてはまた、前記真空容器内であって前記熱シールド容器の周囲にこれと同じ材料による熱容量増加部材を設けても良い。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１を参照して、本発明の第１の実施の形態による冷凍機冷却型超電導マグネット装置と測定装置との組合わせについて説明する。超電導マグネット装置本体と冷凍機の稼動機構は、図５の従来例と同じ構成である。
【００２２】
図１において、冷凍機冷却型超電導マグネット装置本体は、真空容器５１内に熱伝導率の高い材料（Ｃｕ、Ａｌなど）を用いた熱シールド容器５２が収容されており、熱シールド容器５２内には超電導コイル５３が収容されている。超電導コイル５３は熱負荷フランジ５４に設置されて熱的に結合している。熱負荷フランジ５４は冷凍機本体６１の第２段冷却ステージと熱的に結合するように接続されている。熱シールド容器５２内で超電導コイル５３との電気的接続を行うためにＢｉ系等の酸化物材料による超電導電流リード５５が設けられ、超電導電流リード５５は真空容器５１に設けられた電流導入端子５６に接続されている。超電導電流リード５５は熱負荷フランジ５４及び熱シールド容器５２と熱的に結合している。真空容器５１の中央部には熱シールド容器５２をも貫いて常温ボア５７が形成されている。
【００２３】
磁界発生用の励磁用電源７０は電流導入端子５６とケーブル７１で繋がっている。磁界発生の際には励磁用電源７０から超電導電流リード５５を介して超電導コイル５３に通電させる。
【００２４】
測定装置８０は、常温ボア５７につながるように真空容器５１に設置される。超電導コイル５３を冷却する冷凍機は、冷凍機本体６１、Ｈｅガス圧縮機６２、フレキシブルホース６３を含む。冷凍機を稼動させる場合、Ｈｅガス圧縮機６２からフレキシブルホース６３を通して圧縮Ｈｅガスが冷凍機本体６１に供給される。また、Ｈｅガス圧縮機６２から冷凍機本体６１に、駆動用電源ケーブル６４が繋がっている。
【００２５】
Ｈｅガス圧縮機６２と冷凍機本体６１との間に、冷凍機本体６１の動作制御のためのバイパスユニット６５が設けられている。バイパスユニット６５と冷凍機本体６１はフレキシブルホース６３で繋がっている。バイパスユニット６５は、ガス流路の切換え部６５−１と、駆動用電源のオン−オフスイッチ６５−２とを内蔵している。切換え部６５−１は、Ｈｅガス圧縮機６２と冷凍機本体６１との間を接続するモードと、Ｈｅガス圧縮機６２と冷凍機本体６１との間を断とし圧縮ＨｅガスをＨｅガス圧縮機６２側で循環させるモードとの切換えを行うものである。
【００２６】
本形態の特徴は、以下の点にある。熱シールド容器５２と超電導コイル５３にそれぞれ、温度計測用の測温体（温度センサ）１１を取り付けている。また、冷凍機、超電導マグネット装置のモニター・動作制御系を備えている。このモニター・動作制御系は、温度指示計１２、制御機器１０等で構成される。温度指示計１２は２つの測温体１１と温度モニターケーブル１３で繋がっている。制御機器１０はバイパスユニット６５、励磁用電源７０と制御用ケーブル１４で繋がっている。また、制御機器１０は温度指示計１２とデータ取込みケーブル１５で繋がっている。
【００２７】
モニター・動作制御を実施する場合の流れを図２に示す。制御機器１０は、超電導コイル５３への通電電流値を励磁用電源７０から受け、この通電電流値から算出した発生磁界を基準にして、超電導コイル５３と超電導電流リード５５の動作臨界温度を算出する。制御機器１０はまた、測温体１１で計測された熱シールド容器５２や超電導コイル５５の温度計測値を温度指示計１２を介して取り込む。そして、制御機器１０は、取り込んだそれぞれの温度計測値が、上記のようにして算出した超電導コイル５３と超電導電流リード５５の各動作臨界温度を越えないように、バイパスユニット６５、励磁用電源７０に動作制御信号を出力し、冷凍機と励磁用電源７０の間欠運転動作を制御する。つまり、測定装置８０による測定を行っている間は冷凍機の運転を停止させ、温度が上昇してきたら測定装置８０による測定を止めて冷凍機の運転を再開させるという動作を繰り返す。
【００２８】
上記のような間欠運転動作制御により、超電導コイル５３や超電導電流リード５５がそれぞれの動作臨界温度を越えるようなことが無くなり、温度暴走やクエンチの発生が防止される。
【００２９】
図３を参照して、本発明の第２の実施の形態について説明する。本形態におけるモニター・動作制御系と冷凍機の稼動機構は第１の実施の形態と同じであるので、特徴部分のみについて説明する。
【００３０】
本形態の特徴は、熱シールド容器５２の周囲に熱シールド容器５２と同じ材料で構成される冷媒容器２０を設けた点にある。冷媒容器２０は、熱シールド容器５２の外形形状に合わせた環状あるいは角形状の冷媒収容空間を有すると共に、真空容器５１の外側に導出した冷媒入口２１と冷媒出口２２とを有する。冷媒容器２０には、磁界強度によって決まる超電導電流リード５５が安全に通電可能な熱シールド容器温度より低沸点の冷媒２３（例えば、液体酸素、液体ネオン等、大気圧での沸点が３０Ｋ〜６０Ｋの冷媒）を冷媒入口２１から入れる。つまり、冷媒入口２１には上記の冷媒供給源が接続されている。冷媒２３は熱シールド容器５２と熱交換を行う。冷媒２３がその沸点近傍まで温度が上昇した場合、冷媒２３は冷媒出口２２から排出される。必要に応じ、冷媒供給源から新たに冷媒２３が冷媒入口２１を通して供給される。
【００３１】
このような冷媒容器２０を備えることにより、第１の実施の形態と同様の動作制御による温度上昇防止機能に加えて、冷媒容器２０が熱シールド容器５２に接触しているので、超電導コイル５３がその動作臨界温度を越えるようなことが無くなり、クエンチの発生が防止される。仮に冷媒容器２０内に冷媒２３が収容されていない場合でも、熱シールド容器５２と同じ材料による冷媒容器２０自体の熱容量で熱シールド容器５２の熱容量を増加させることができ、熱シールド容器５２の温度上昇を抑制することが可能となる。
【００３２】
図４を参照して、本発明の第３の実施の形態について説明する。本形態においてもモニター・動作制御系と冷凍機の稼動機構は第１の実施の形態と同じであるので、特徴部分のみについて説明する。
【００３３】
本形態の特徴は、熱シールド容器５２の周囲に、熱シールド容器５２と同じ材料で構成され、同様の形状の熱容量増加材３０を設けた点にある。熱容量増加材３０は、第２の実施の形態における冷媒容器２０内に冷媒２３が無い時と同様の機能を持つ。すなわち、熱シールド容器５２と同じ材料による熱容量増加材３０自体の熱容量で熱シールド容器５２の熱容量を増加させることができる。このような熱容量増加材３０を備えることにより、冷凍機の間欠運転を実施したとき、熱シールド容器５２の温度上昇を抑制することが可能となる。
【００３４】
次に、図２に戻って、測定装置８０のよる精密測定時の全体の作用について説明する。制御機器１０では、冷凍機本体６１の運転パターン、励磁用電源７０の通電パターン、通電電流値から導出される磁界強度によって決まる超電導電流リード５５へ通電可能な熱シールド容器５２の動作臨界温度を算出する。制御機器１０はまた、通電電流値から導出される磁界強度によって決まるクエンチしない超電導コイル５３の動作臨界温度も算出する。これより、冷凍機の間欠運転を行いながら、どちらかの危険温度まで必要な磁界強度での反復で測定装置８０による測定を行う。なお、各部の動作臨界温度到達時には測定を中止させることが可能である。
【００３５】
実施例を下記に示す。
【００３６】
冷凍機の運転パターン：
冷凍機停止時間  １０秒間（この間に測定装置８０で計測を行う。）
停止終了後の冷凍機稼働時間    ５０秒間
通電パターン：
実施磁界範囲      ０〜１０Ｔ（０．１Ｔずつ変化させるように通電電流を変えてゆく）
一方、冷凍機の間欠運転を行うと、熱シールド容器５２の温度が上昇し続ける。その対策として、図３の第２の実施の形態のように、熱シールド容器５２の動作臨界温度到達前に熱シールド容器５２と冷媒容器２０内の冷媒２３で熱交換を行うことにより、熱シールド容器５２の温度を低下させることが可能である。また、冷媒容器２０内に冷媒２３が無い場合でも、冷媒容器２０分の熱容量が増加するので、熱シールド容器５２の温度上昇を抑制することが可能となる。
【００３７】
また、図４に示すように、熱シールド容器５２の周囲に熱容量増加材３０を設けることにより、熱シールド容器５２の動作臨界温度到達を遅らせることが可能となる。
【００３８】
これらの対策により、必要な磁界での反復計測の実施時間を伸ばすことが可能である。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、磁界を発生させた状態でも、組合わされ測定装置の感度劣化を防止し、安全に精密測定を実施可能にする冷凍機冷却型超電導マグネット装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による冷凍機冷却型超電導マグネット装置と測定装置との組合わせを示した図である。
【図２】図１の形態の動作を説明するための図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態による冷凍機冷却型超電導マグネット装置を示した図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態による冷凍機冷却型超電導マグネット装置を示した図である。
【図５】従来の冷凍機冷却型超電導マグネット装置と測定装置との組合わせを示した図である。
【図６】図５に示されたバイパスユニットの動作を説明するための図である。
【符号の説明】
１０    制御機器
１１    測温体
１２    温度指示計
２０    冷媒容器
２１    冷媒入口
２２    冷媒出口
２３    冷媒
３０    熱容量増加材
５１    真空容器
５２    熱シールド容器
５３    超電導コイル
５４    熱負荷フランジ
５５    超電導電流リード
５６    電流導入端子
５７    常温ボア
６１    冷凍機本体
６２    Ｈｅガス圧縮機
６５    バイパスユニット
７０    励磁用電源
８０    測定装置
【図１】
0003717792.tif 000002
【図２】
0003717792.tif 000003
【図３】
0003717792.tif 000004
【図４】
0003717792.tif 000005
【図５】
0003717792.tif 000006
【図６】
0003717792.tif 000007