(57)【要約】【課題】  解決しようとする課題は、超電導磁石およびそれを用いた機器の熱シールドを冷却する流路があるため、熱シールドを包囲断熱真空している真空容器全体が大型化すること、さらに、高効率の熱交換器では圧損増大により超電導磁石の熱的マージンが小さくなる点である。【解決手段】  超電導磁石およびそれを用いた機器のデットスペース内に、低温熱交換器を設置し、低温熱交換器の一部に乱流発生部品を設けた。【選択図】  図１
2014041887.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体ヘリウムと超電導コイルを収納するヘリウム槽と、前記ヘリウム槽を収納する熱シールドと、該熱シールドを収納する真空容器と、該真空容器に冷凍機とを備え、
ヘリウム槽と連結された冷凍機ポートがあり、該冷凍機ポート内外冷凍機を設置し、該冷凍機の第1ステージと熱的に接続された熱シールドを備え、該ヘリウム槽と真空容器外側に設けた逆止弁を連通する流路を設けた超電導磁石であって、
前記真空容器内の流路の途中に熱交換器を有し、
該熱交換器の内部の流路の一部分に、乱し部品を有することを特徴とする超電導磁石。
【請求項２】
請求項1において、
前記熱交換器を熱シールドに熱的に接続するための柔軟性伝導体を熱交換器に有することを特徴とする超電導磁石。
【請求項３】
請求項1において、
前記熱交換器が摩擦撹拌接合により製作することを特徴とする超電導磁石。
【請求項４】
請求項２において、
前記熱交換器と柔軟性伝導体を同時に摩擦撹拌接続で製作することを特徴とする超電導磁石。
【請求項５】
請求項1において、
前記乱し部品としてテープ、ワッシャーまたはバネ形状したものを用いることを特徴とする超電導磁石。
【請求項６】
請求項1において、
前記熱交換器の出入り口流路に異材継手を設けたことを特徴とする超電導磁石。
【請求項７】
請求項1において、
超電導磁石の端部に前記熱交換器を設けることを特徴とする超電導磁石。
【請求項８】
請求項７において、
前記熱交換器をボルト締結により設置することを特徴とする超電導磁石。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８のいずれか記載の超電導磁石を磁場発生のために用いることを特徴とする超電導磁石を用いた機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導磁石およびそれを用いた機器に関するものであり、特に、熱シールドを有する超電導磁石およびそれを用いた機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
人体の診療検査にMRI診断装置が利用されている。このMRI診断装置の一部に超電導磁石がある。この超電導磁石に使用される超電導線は、通常ニオブ・チタンが利用されている。この超電導線は、電気抵抗を０Ωにするために大気圧、飽和温度4Kの液体ヘリウムで冷却されている。この液体ヘリウムは蒸発潜熱が小さいため、300Kの室温からの伝導熱及び放射熱により蒸発しやすい。また、液体ヘリウムは高価であるため、最近の超電導磁石には蒸発したガスを再液化し、再利用するための冷凍機が組み込まれている。
【０００３】
大きな地震及びハリケーンまたは台風等が発生した場合、停電が起こることがある。一般の病院ではこの停電に備え発電機を設置している。しかし、長時間の停電に備えているわけではない。このように長時間の停電により冷凍機運転が停止した場合、液化能力がなくなるので、液体ヘリウムへの侵入熱により蒸発したヘリウムガスが増え続ける。また、超電導磁石の真空容器からの放射熱により熱シールドが加熱されるので冷凍機運転時よりも熱シールドの温度が上昇する。この熱シールドの温度上昇速度は、ヘリウム槽への熱放射およびヘリウム槽を支持固定するための荷重支持体からの伝導熱も増大するため、大きくなる。また、これによりヘリウム槽への侵入熱量が大きくなり、超電導磁石を冷却している液体ヘリウムの液面高さの降下速度が大きくなる。さらに液体ヘリウムの液面低下が進行すると、液体ヘリウムの液中にあった超電導磁石が液面低下によりヘリウムガス中に露出する。このとき、超電導磁石は冷却が不十分となりクエンチ（超電導から常電導に転移すること、これによりジュール発熱が発生すること）が起こり磁石の機能が失われる可能性がある。
【０００４】
そこで、蒸発したヘリウムガスの顕熱を熱シールドの冷却に利用することで、熱シールドの温度上昇をできるだけ小さく抑えることが考えられる。しかし、そのために、蒸発したヘリウムガスを配管に通し、その配管を熱シールドの外周に熱的に接続して熱シールドを冷却する場合、この配管の直径分の大きさが真空容器外周の直径を増やす結果となり、超電導磁石が大型化になり易い課題がある。
【０００５】
熱交換のための熱交換器の例として、特開2008-171987号公報（特許文献１）記載のものがある。特許文献１では、サイリスタや各種電力用コンデンサに取付けて冷却する液冷ヒートシンク構造として、熱伝達の促進のために、乱流を起こすインナーフィンを熱交換器の流路全長に渡り設ける構造が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開2008-171987号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１記載のような熱交換器では、熱伝達が促進される半面、圧損が大きくなるという課題がある。
【０００８】
また、超電導磁石の冷凍機が停止した場合、蒸発したヘリウムガスは、冷凍機の熱交換器の流路から真空容器外側の逆止弁を経て大気に放出されるが、熱交換器の圧損が大きい場合、液体ヘリウムの飽和温度は上昇する。この液体ヘリウムの飽和温度の温度上昇は、超電導線の臨界温度との温度差を小さくするため超電導コイルの冷却性能を低下させるという課題がある。つまり、熱交換器の圧損の上昇は超電導コイルの冷却性能を悪化させるという課題がある。
【０００９】
また、超電導磁石およびそれを用いた機器の熱シールドを冷却する流路が熱シールドの外周全面に設置されている場合、熱シールドを包囲断熱真空している真空容器全体の大きさが大きくなってしまう課題がある。
【００１０】
また、熱交換器の熱交換効率を高めるための乱流発生部品を増やせば圧損が大きくなり超電導磁石の安定性マージンが損なわれる課題がある。
【００１１】
そこで、本発明は、高交換効率で低圧損の熱交換器を有する熱超電導磁石およびそれを用いた機器を提供する。特に、小型化可能な高交換効率で低圧損の低温熱交換器を有する熱超電導磁石およびそれを用いた機器を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。  
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、熱シールドを冷却するための低温熱交換器を真空容器内のデットスペース内に設置し、その低温熱交換器と熱シールドを熱的に接続し、乱流発生部品を低温熱交換器の一部に設置し、この低温熱交換器を超電導磁石およびそれを用いた機器に適用することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、高交換効率で低圧損の熱交換器を有する熱超電導磁石およびそれを用いた機器を提供できる。そしてこの高交換効率で低圧損の熱交換器を有する超電導磁石およびそれを用いた機器を小型化できる。
【００１４】
例えば、超電導磁石およびそれを用いた機器の熱シールドを冷却するための低温熱交換器は内部に乱流を発生させて熱交換効率を高めるための乱し部品を熱交換器流路の一部に設置させ、残りの部分には何も乱流発生部品をいれない領域をもうけることにより、圧損が軽減された熱交換器となる。励磁された超電導磁石は液体ヘリウムにより冷却されているが圧損が低くなると液温が上昇することを防止できる。この液温上昇により超電導磁石の超電導線の臨界温度と液温との温度差が小さくなることによる超電導磁石の冷却安定性が悪化することを防止できる。このため、低圧損の熱交換器は超電導磁石冷却安定性からみても好ましい。また、例えば、この熱交換器及び冷却流路を真空容器のデットスペースにのみ設置することにより、真空容器の直径を増やすことのない超電導磁石ができるので、熱シールドを包囲している真空容器全体の大きさが小型化される利点がある。
【００１５】
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第1の実施形態の超電導磁石およびそれを用いた機器に用いられる低温熱交換器を示す図である。
【図２】第１の実施形態の低温熱交換器の構成部品である乱し部品の他の例を示す図である。
【図３】第１の実施形態の低温熱交換器の構成部品である乱し部品のさらに他の例を示す図である。
【図４】第１の実施形態の柔軟性伝導体と接続端子を設けた低温熱交換器を示す図である。
【図５】第１の実施形態の低温熱交換器の摩擦撹拌接合説明用の図である。
【図６】第１の実施形態の低温熱交換器を適用したMRI用超電導磁石を示す図である。
【図７】図６のMRI用超電導磁石に用いられる冷凍機および冷凍機周り構成の一例を示す図である。
【図８】第２の実施形態の低温熱交換器を示す図である。
【図９】図８のA-A断面図である。
【図１０】第２の実施形態の低温熱交換器を適用したMRI用超電導磁石を示す図である。
【図１１】図１０の部分拡大図である。
【図１２】第３の実施形態の低温熱交換器を適用したシンクロトロン加速器用超電導磁石を示す図である。
【図１３】第３の実施形態の低温熱交換器の熱シールドへの組み込みを説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施例を、図面を用いて説明する。なお、同一の符号を付された構成は、同一の機能を有するので、既に説明されている場合それらの説明は省略することがある。
【００１８】
図１から図7を用いて、本発明の第1の実施形態について、説明する。
【００１９】
図１は、超電導磁石の低温熱交換器10である。溝1は高熱伝導部材3に設けられている。
溝１は、低温熱交換器10の上方から見て複数のかぎ状の溝(図１では２つ)と直線状の溝(図１では１つ)とを組み合わせた形状を有する。この形状により、高熱伝導部材3の長辺の数倍の長い溝１を形成できる。流路2は高熱伝導部材3の溝1と連通しており、この高熱伝導部材3には最低2個の流路2が設けられている。一方の流路2を流体の入り口とすると他方の流路2は流体の出口となる。ここで使用する流体はヘリウムガスである。前述の通り、溝１が長くなり、流体と高熱伝導部材3との接触面積が大きくなることにより、高交換効率となるが、更に、高熱伝導部材3の溝1には熱伝達率を促進するための乱し部品4を入れている。図１にテープ両端をひねることで形成されるひねりテープ状の乱し部品4を示した。このひねりテープは直線的に流れているガスをこの乱し部品4中に流すことでガスの流れが旋回することにより乱流を形成しやすくしている。このため、溝1の壁面の熱伝達が促進される。なお、図1では、乱し部品4を溝１の全体に配置するのでは無く、流体の入り口側（流体の流れの上流側）の流路2に近い側の溝１において、流路2と平行な二つの直線状部分にのみ、乱し部品4を配置している。これにより、低温熱交換器10での圧損を低減できる。更に溝１は、その形状に対応した形状の蓋5により覆われる。
【００２０】
図1に示すように、低温熱交換器10において、流路２を流れる流体であるヘリウムガスへ乱流発生する部品である乱し部品４を有する。そして、圧損を低減するために、低温熱交換器10内の流路２の全体に設けるのではなく、乱し部品４を、低温熱交換器１0内の流路２（溝１）の一部に設置する。残りの流路2（溝１）の部分には何も乱し部品４をいれない領域を設けることにより、圧損が軽減され、これにより、熱交換効率を高めても低圧損の低温熱交換器10が提供できる。また、励磁された超電導磁石は液体ヘリウムにより冷却されているが低温熱交換器10の圧損が低くなると液温が上昇することを防止できる。すなわち、この液温上昇により超電導磁石の超電導線の臨界温度と液温との温度差が小さくなることによる超電導磁石の冷却安定性が悪化することを防止できる。このため、低圧損の熱交換器は超電導磁石冷却安定性からみても好ましい。
【００２１】
図２は、乱し部品の他の例である。符号４aはネジの締結時に良く使用されているワッシャーのようなもので円板に穴を設けたものである。この穴付き円板4aを図2のように配列させるための金属製の線が4a1である。この線4a1を3本使い、各円板4aの外周と接着することで図2の乱し部品4が構成される。この金属線と穴付き円板4a外周との接続を溶接またはロー付けでも乱し部品4aを製作することができる。また、この乱し部品4aと線は金属以外の材質でも良い。
【００２２】
乱し部品4を構成するこの円板4aを一定間隔で配列したことにより、円板4aが有る無しによりは流路2面積が縮小と拡大を繰り返すことで、ガスの速度が大きく変化する。また、速度が大きく変化することで局所的に乱れを作っている。また、この乱れが熱伝達を促進している。
【００２３】
図3は、乱し部品のさらに他の例である。符号４bは線をバネ形状に成型した乱し部品4である。このバネ状の乱し部品を高熱伝導体3の溝１に設置することで、溝1の壁面の表面粗さの凹凸を大きくすることができる。このため、壁面の流れを乱す効果があり、また、この効果が熱伝達を促進している。  
【００２４】
図4は、第１の実施形態の柔軟性伝導体と接続端子を設けた低温熱交換器を示す図であり、これから説明する超電導磁石の熱シールドに低温熱交換器10を熱的に接続するために必要な柔軟性伝導体6および接続端子７を配設した低温熱交換器10である。
【００２５】
図5は、図4に示した柔軟性伝導体6の根元接続端子7aと蓋5を同時に高熱伝導部材33に接合する摩擦撹拌接合について説明するためのものである。この接合材料として柔らかな金属に限定される。例えば、純アルミニウムあるいは純銅が適している。接合する部材に荷重をかけて、しかも、荷重を加えるもの（ここでは回転子と呼ぶことにする）自体を回転させることで回転子と接触している部材には摩擦熱が発生し、その摩擦熱により部材が溶けて接合できる。純アルミニウムどうしの接合にはこの摩擦撹拌接合が良く用いられるようになってきている。また、最近の摩擦撹拌接合技術の向上によって低温熱交換器10の封止が可能となってきている。この摩擦撹拌により低温熱交換器10の製造コストは低減できるメリットがある。
【００２６】
また、真空封止としては高熱伝導部材3と蓋5の隙間にインジウムを挟み付ける手法がある。特に、-269℃の低温下では冷却の過程で熱収縮が起こる。この熱収縮が起きてもヘリウムガスを漏れなくするためにインジウムに高い面圧をかけてインジウム厚みを0.1mm以下にすることで真空封止ができる。インジウムの他、高価ではあるが金線もシール材料として有効である。  
図6は、図5に示した低温熱交換器10をMRI用超電導磁石に適用した状態を説明する図である。図６において、低温熱交換器１０の溝１は、低温熱交換器10の上方から見て複数のかぎ状の溝(図６では３つ)と直線状の溝(図６では１つ)とを組み合わせた形状を有している。また、柔軟性伝導体6および接続端子７及び根元接続端子7aの部材は、図5の実施形態と比較して、それぞれ６個から１６個へ増えている。
【００２７】
符号15は冷凍機である。符号2は流路であり、符号6は柔軟性伝導体であり、符号7は接続端子であり、符号8はリベット又はボルトであり、符号9aは高熱伝導異材継手であり、符号9bは低熱伝導異材継手であり、符号10は低温熱交換器であり、符号11は超電導コイルであり、符号12はヘリウム槽であり、符号13は熱シールドであり、符号14は真空容器であり、符号16は逆止弁であり、符号16aは吐出口である。  図６に示す超電導磁石１００は、超電導コイル１１を極低温に維持する必要がある極低温装置であり、超電導磁石を用いた機器であるＭＲＩ装置（図示せず）に備わっている。
【００２８】
図7には、図6の冷凍機15周りの構造を示した。蒸発したヘリウムガスの流れを説明するため図7を用いて説明する。符号30は冷凍機ポートである。冷凍機ポート30は、ヘリウム槽12と真空容器14とを分離する高温側ベローズ31と、低温側ベローズ32、さらに、冷凍機第1ステージ15aと熱的に接続する冷凍機部材33とで構成されている。室温から熱シールド13への伝導熱と熱シールド13からヘリウム槽12への伝導熱を低減するため、高温側ベローズ31と低温側ベローズ32は低熱伝導のステンレス製である。冷凍機部材33は冷凍機第1ステージ15aの冷熱を熱シールド13に伝達する働きがある。冷凍機部材33は銅またはアルミニウムの材質であるためステンレス鋼とは直接溶接できない。このため、銅とステンレス鋼又はアルミニウムとステンレス鋼からなる異材継手を利用して溶接している。冷凍機ポート30はヘリウムガスが漏れない構造となっている。
【００２９】
また、液体ヘリウム17は超電導コイル11を冷却している。12は超電導コイル11及び液体ヘリウム17を収納しているヘリウム槽である。このヘリウム槽12は周りの熱シールド13からの放射熱及び真空容器14からヘリウム槽12を支持固定している断熱支持体（図に示していない）からの伝導熱があり、液体ヘリウム17は蒸発している。冷凍機15が運転中の場合、蒸発したヘリウムガスは冷凍機15の第2ステージ15bに設置した凝縮器18により液化される。従って、侵入熱によりガス化した液体ヘリウムは凝縮器13により再液化ができるのでヘリウム槽12の液体ヘリウム17の液面が低下することはないので常に超電導磁石が安定に運転できる。
【００３０】
時として、気象状況が不安定な台風またはハリケーンのときに停電が発生する。このとき図6に示すようなMRI用超電導磁石を設置している病院では発電機を備えているところもあるが、長時間の停電には対応できていない。発電機停止時には、冷凍機15も停止する。
【００３１】
冷凍機15の第1ステージ15a及び第2ステージ15bの温度が少しずつ上昇する。凝縮器18の温度もヘリウムの飽和温度以上に上昇するのでガスは液化ができなくなる。蒸発ガスは冷凍機15の第2ステージ15b周りから第1ステージ15aの隙間を通り、第1ステージ15a近傍の流路2から最終的には真空容器14近傍の流路2から真空容器14の外部に吐出している逆止弁16さらに吐出口16aから大気中に放出される。図7の冷凍機15近傍の流路2から真空容器14近傍の流路2まで描かれていない部分について図6を使って説明する。
【００３２】
図6の冷凍機15近傍の流路2から流れてきたガスは約5K程度の低温である。この低温のガスが温度約60Kの熱シールド13と柔軟性伝導体6及び接続端子７によって熱的に接続された低温熱交換器10の内部に流れる。ガスが流れる前の低温熱交換器10の温度は熱シールド13と同じ温度の約60Kである。図１に示した低温熱交換器10のガスの入り口には乱し部品4が設置してあり、低温のヘリウムガスが乱し部品4を通ることにより熱伝達が促進される。
低温熱交換器10のガス入り口のガス温度は約5Kであり、粘性が小さい。このため、ガス入口部に設けた乱し部品4を通った場所の乱し部品4領域の圧力上昇は小さい。乱し部品4を過ぎたヘリウムガスは周りの高熱伝導部材3との熱交換によりヘリウムガスの温度が5Kから温度60Kに上昇する。温度60K以上の温度ではヘリウムガスの粘性が高くなること、さらに、ガス密度が小さくなるためガスの流速が上昇することから圧力損失が大きくなってしまう。このため、乱し部品4は低温熱交換器10のガスの入り口近傍の低温熱交換器10の溝1に配設している。
【００３３】
乱し部品4を低温熱交換器10の溝1全周に渡って設置すると、熱交換効率のためには有利に働くが反面、乱し部品4の圧損により超電導磁石内の液体ヘリウム17の温度が高くなる。
【００３４】
例えば、大気圧からの圧力上昇値が0.0263MPaになると液体ヘリウム17の温度上昇値は0.25Kである。一方、ニオブ・チタン超電導線の臨界温度は磁場が0テスラのとき約9Kであるが5テスラでは約7Kなる。高磁場になれば臨界温度がさらに低下する。ヘリウム槽12内圧力上昇により液体ヘリウム17の飽和温度が上昇すること、超電導磁石の高磁場化にすると臨界温度が低下することで冷却温度マージン（超電導臨界温度Tsc-液体ヘリウム17飽和温度THe）が小さくなる。つまり、超電導磁石にとって熱的安定性が悪化することを意味している。
【００３５】
そこで、低温熱交換器10の入り口近傍の乱し部品4領域で、熱交換効率を良くし、また、乱し部品4のない領域も低温熱交換器10内に設けることで、圧損を増やさないようにした。このため、この低温熱交換器10の特徴は圧損が小さく、熱交換効率が高い利点にある。効果との関係で、乱し部材の設置範囲は、低温熱交換器10内の流路全体の30%から60%が望ましい。
【００３６】
この低温熱交換器10はガスが流れたとき熱収縮が生ずる。この熱収縮緩和と低温熱交換器10の冷熱を熱シールド13に伝達する役割を柔軟性伝導体6が担っている。この柔軟性伝導体6は直径1mm以下の高熱伝導の細線を束ねたもの、または厚さ0.1mm以下の高熱伝導の薄板からできている。これらの材質として熱伝導が高くヤング率が小さな純銅また純アルミニウムが適している。材質が銅の場合、表面の酸化防止としてスズメッキを施してもよい。低温熱交換器10外周に取り付けた柔軟性伝導体6先端の接続端子７の穴を利用してリベット8またはボルト8により熱シールド13に締結している。
【００３７】
従来の超電導磁石においては、低温熱交換器10の代わりに流路2を熱シールド13の外側に幾重にも流路2を巻き付けていた。この流路2を熱シールド13に設置するスペースが必要とすることから熱シールド13外周の真空容器14は巻き付けていた流路2のスペースを確保するため真空容器14の容積が大きくなっていた。本実施形態では、熱シールド13の中央部分が凹形状しており、そのデットスペースの一部にこの低温熱交換器10を設置した。このため、流路2の管の直径分のスペースが縮小できるので、真空容器全体を小型化できる利点が生まれる。
【００３８】
図6には蒸発したヘリウムガスを冷凍機ポート30の流路2から取り出している一例を示した。しかし、真空容器外部とヘリウム槽と連通している流路2であれば冷凍機ポート以外の物を利用しても良い。
【００３９】
図8から図11は、第2の実施形態を説明するための図である。図8は低温熱交換器10を中空円筒状にしたもので、図9は図8のＡ−Ａ断面である。図8、図9に示す低温熱交換器10には内側と外側に各1個の溝1がある。この溝１の数は2個以外でも良い。入口流路2に近い溝1には乱し部品4が設置してある。この乱し部品4の長さは入り口近傍の一部の溝1を使用して設置され、溝1全体の長さの一部部分である。柔軟性伝導体6は高熱伝導部材3の材質がアルミニウムであればアルミニウムの薄膜を多重に積層し、蓋5と柔軟性伝導体6を同時に摩擦撹拌接合により高熱伝導部材3に設置できる。また、柔軟性伝導体6の材質が銅のときは柔軟性伝導体6を銅製の薄膜を多重重ねてアルミニウム同様に摩擦撹拌接合により組み立てることができる。また、前記した通り、インジウムを使った真空シールでも良い。
【００４０】
柔軟性伝導体6は、一枚の厚みが0.05mm以下の薄膜を多層重ねたもので柔軟性がある。
接続端子７は柔軟性伝導体6に穴を設けたものである。
【００４１】
図10は、図8と図9に示した低温熱交換器10をMRI用超電導磁石に適用した一例である。
図１０に示す超電導磁石１０１は、超電導磁石を用いた機器であるＭＲＩ装置（図示せず）に備わっている。
【００４２】
図11は、図１０に示すMRI用超電導磁石の一部の低温熱交換器10を拡大した鳥瞰図である。図１０において、冷凍機15の運転停止時には、ヘリウム蒸発量が増加するので、図示していないヘリウム槽12の内圧が増加し、設定以上の圧力のとき逆止弁16の弁が開く。このとき吐出口16ａからヘリウムガスが放出される。また、このとき、ヘリウムガスは冷凍機15の第2ステージ近傍から，図１０の流路2より低温のヘリウムガスが低温熱交換器10を流れて，流路2出口より逆止弁16aさらに吐出口16ａから大気中に流れる。低温のヘリウムガスの顕熱により低温熱交換器10は冷却されて、低温熱交換器10に設けられた図９に示す柔軟性伝導体6より低温熱交換器10の冷熱が熱シールド13へ伝達される。しばらく経過すると、熱シールド13の温度は初期温度60Kから上昇して一定の温度に落ち着く。そのときの温度は約120K以下となる。前に述べたように、圧損を高くすれば熱伝達効率も高くなるが、液体ヘリウム17の温度が上昇して熱的マージンが、低くなるため超電導磁石のクエンチの発生確率が高くなる。ここでも、乱し部品4の長さを溝1長さの約半分程度にして圧損を低く抑えた低温熱交換器10としていることにより、熱交換効率を高めても低圧損の熱交換器を有する熱超電導磁石およびそれを用いた機器を提供できる。
【００４３】
低温熱交換器10の流路2の材質は、制作上高熱伝導部材3と同じく高熱伝導のアルミニウムまたは銅が良い。一方、冷凍機15第１ステージ近傍の流路2と真空容器近傍の流路2の材質は、ステンレス鋼でできている。ヘリウムガスを大気中に放出するためには真空リークのない接続が重要である。そこで、ステンレス配管とアルミニウム配管を接続するため、異材継手9を利用する。低温熱交換器10の流路2はアルミニウムである。図１１に示す異材継手の高熱伝導異材継手9aと低温熱交換器10の流路2をあらかじめ溶接しておく。すなわち低温熱交換器10に設置されたガスの入り口側の低熱伝導異材継手9bと冷凍機15第1ステージ側のステンレス製流路2、低温熱交換器10のガスの出口側の低熱伝導異材継手9bと真空容器14近傍のステンレス製流路2とをあらかじめ溶接することで、低温熱交換器10に溶接時の熱を加えることなく組立ができる。また、熱シールド13にも熱が拡散しないため、少ない熱量で組立ができる利点がある。同様に、図6に示す実施形態においても、低温熱交換器10のガス入り口出口の流路2にも異材継手9が設置されている。
【００４４】
図11に示した超電導磁石は低温熱交換器10を熱シールド13の側面に設置することで従来の超電導磁石と比較すると、熱シールド13の冷却用流路の直径分、真空容器14の直径を短く(小さく)できるので小型化ができるメリットがある。
【００４５】
また、図１０に示すように、低温熱交換器10を熱シールド13の端部にボルト8またはリベット8で固定できるので低温熱交換器10の設置が容易に出来るメリットもある。
【００４６】
次に、図12と図13を用いて、第3の実施形態を説明する。図12は、低温熱交換器10を用いたシンクロトロン加速器用超電導磁石である。超電導磁石の基本構成はMRI用超電導磁石と同じである。2個のレーストラック型の超電導コイル11は、一定の間隔を置いて向かい合わせに設置してある。2個の超電導コイル11に挟まれた空間に強力な磁場が発生する。この強力な磁場中に高速の電子を通すことにで、連続的なＸ線が得られる。また、このＸ線は被測定物に照射して被測定物の物性解明に利用されている。図１２に示す超電導磁石１０２は、超電導コイル１１を極低温に維持する必要がある極低温装置であり、超電導磁石を用いた機器であるシンクロトロン加速器（図示せず）に備わっている。
【００４７】
この超電導磁石は上部の超電導コイル11の上面と、下部の超電導コイル11の下面はＣ形状の鉄ヨーク19に設置されている。この鉄ヨーク19は超電導コイル11で発生した磁場を閉じ込めるために使用している。超電導コイル11に用いている超電導線の材料がニオブ・チタンの場合では、冷却に液体ヘリウム17を使用する。符号12は、液体ヘリウム17を溜めこむヘリウム槽12である。この液体ヘリウム17により超電導コイル11、鉄ヨーク19は温度4.2Kに冷却される。この超電導磁石でも最外周には真空断熱するために真空容器14がある。
この室温の真空容器14から温度4.2Kの鉄ヨーク19と超電導コイル11への放射熱を遮蔽するため熱シールド13を真空容器14の内側に設置している。さらに、放射熱を遮蔽する目的でアルミニウム蒸着された薄膜を多重に重ねた物（図に示していない）を熱シールド13外周に設置している。熱シールド13の冷却と液体ヘリウム17の液化は冷凍機15の第1ステージと第2ステージの冷熱により行われている。
【００４８】
冷凍機15停止時においては、第1ステージ15a及び第2ステージ15bの冷却能力がなくなってしまう。逆に、冷凍機15は室温からの熱により冷凍機全体の温度が上昇するため第1ステージ15aと第2ステージ15bは加熱源になる。従って、ヘリウム槽12の液体ヘリウム17への侵入熱量は増加するのでヘリウム蒸発量は増大する。このとき、液体ヘリウム17の消費量が増えると液体ヘリウム17液面降下も早くなる。超電導磁石は液体ヘリウム17なしではクエンチするため、この液体ヘリウム17液面高さを維持することが必要である。そこで、蒸発した低温のヘリウムガスを低温熱交換器10に流すことにより、低温熱交換器10の温度上昇を抑制し、低温熱交換器10の冷熱を熱シールド13に伝達することにより熱シールド13の温度上昇を軽減している。
【００４９】
図13は、低温熱交換器10を熱シールド13に組み込む様子を説明するために準備した図である。熱シールド13の上部には雌ネジ22が設けてある。符号10aは冷凍機設置用穴であり、冷凍機１５を設置するための穴である。低温熱交換器10を熱シールド13の上面にバネ座金21とボルト20によって締結するが、低温熱交換機10と雌ネジ22を設けた面の接触抵抗を小さくするため、インジウム箔を接触部に入れるか、または高熱伝導グリースを接触面に塗る。接触熱抵抗を小さくすることで効率よく冷熱を熱シールド13に伝達することができる。また、熱シールド13周りには流路がないため、その分真空容器容積を縮小でき、超電導磁石の小型化が図れるメリットがある。
【００５０】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。
例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００５１】
1---溝
2---流路
3---高熱伝導部材
4---乱し部品
4a---他の乱し部品
4b---他の乱し部品
5---蓋
6---柔軟性伝導体
7---接続端子
7a---根元接続端子
8---リベット又はボルト
9a---高熱伝導異材継手
9b---低熱伝導異材継手
10---低温熱交換器
10a---冷凍機設置用穴
11---超電導コイル
12---ヘリウム槽
13---熱シールド
14---真空容器
15---冷凍機
15a---第1ステージ
15b---第2ステージ
16---逆止弁
16a---吐出口
17---液体ヘリウム
18---凝縮器
19---鉄ヨーク
20---ボルト
21---バネ座金
22---雌ネジ
30---冷凍機ポート
31---高温側ベローズ
32---低温側ベローズ
33---冷凍機部材
【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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