(57)【要約】【課題】メンテナンスしやすい簡易な構成によって自動的に冷媒容器内の圧力制御を行うことのできる低温装置を提供すること。【解決手段】冷媒液５を貯留する冷媒容器４と、冷媒容器４を包囲する真空断熱容器３と、真空断熱容器３の外に設けられ真空断熱容器３と冷媒容器４に貫入して冷媒液５を冷却する冷却ステージ２を有する冷凍機１と、冷媒容器４内の冷媒液５液面上のガス空間に設けられ前記ガス空間の圧力変化に従って体積を変える体積可変容器（６）とを備えている構成とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒液を貯留する冷媒容器と、前記冷媒容器を包囲する真空断熱容器と、前記真空断熱容器の外に設けられ前記真空断熱容器と前記冷媒容器に貫入して前記冷媒液を冷却する冷却ステージを有する冷凍機と、前記冷媒容器内の前記冷媒液液面上のガス空間に設けられ前記ガス空間の圧力変化に従って体積を変える体積可変容器とを備えていることを特徴とする低温装置。
【請求項２】
前記体積可変容器はベローズを備えていることを特徴とする請求項１記載の低温装置。
【請求項３】
前記真空断熱容器の外に体積可変容器が設けられ、前記冷媒容器内に設けられた体積可変容器と前記真空断熱容器外に設けられたバッファまたは体積可変容器を連通する連通管とを備えていることを特徴とする請求項１記載の低温装置。
【請求項４】
前記冷媒容器内に設けられた体積可変容器は、所定の範囲を超える前記冷媒容器内の圧力上昇あるいは圧力低下時に過度の拡大あるいは圧縮を防ぐ停止機構を備えていることを特徴とする請求項１記載の低温装置。
【請求項５】
前記真空断熱容器の外に設けられた体積可変容器は、伸縮量を制限する停止機構、または伸縮量の手動制御機構、または圧力確認用目盛の少なくとも一つを備えていることを特徴とする請求項３記載の低温装置。
【請求項６】
前記連結管は、前記冷媒液内あるいは前記冷媒液上部のガス空間に引き回されて熱交換部を形成していることを特徴とする請求項３記載の低温装置。
【請求項７】
前記真空断熱容器外に設けられたバッファまたは体積可変容器には真空排気またはガス置換操作が可能なバルブが取り付けられていることを特徴とする請求項３記載の低温装置。
【請求項８】
冷媒液を貯留する冷媒容器と、前記冷媒容器を包囲する真空断熱容器と、前記真空断熱容器の外に設けられ前記真空断熱容器と前記冷媒容器に貫入して前記冷媒液を冷却する冷却ステージを有する冷凍機と、前記冷媒容器内の前記冷媒液液面上のガス空間の圧力を計測する圧力計と、前記冷媒液内に設けられたヒーターと、前記圧力計の信号を受けて前記ヒーターに電流を供給する圧力制御器と、前記冷媒液内に設けられ前記ヒーターへの通電によって発生する冷媒ガスを捕集する蒸発ガス溜め容器とを備えていることを特徴とする低温装置。
【請求項９】
冷媒液を貯留する冷媒容器と、前記冷媒容器を包囲する真空断熱容器と、前記真空断熱容器の外に設けられ前記冷媒液の蒸発ガスを再凝縮させる再凝縮部を有する冷凍機と、前記再凝縮部に取り付けられたヒーターと、前記冷媒容器内の前記冷媒液液面上のガス空間の圧力を計測する圧力計と、前記圧力計の信号を受けて前記ヒーターに電流を供給する圧力制御器とを備えていることを特徴とする低温装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導コイル等の低温で稼動する機器を冷媒によって冷却し低温に保持する低温装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導コイル等の低温で稼動する機器は多くの場合、冷媒によって冷却される。このような低温の冷媒を保持する低温装置の容器において、特に熱侵入による冷媒の蒸発量を抑える、あるいは蒸発量をゼロにすることを目的として、冷凍機を用いることがある（特許文献１，２）。冷凍機の冷凍能力が熱侵入量よりも大きい場合には、冷媒容器は負圧になり容器内に空気を吸い込むことになる。この場合、空気中の水分が容器内に固着することにより閉塞をひき起こし、危険であることから、容器内を負圧にしないよう、容器内圧力が大気圧力程度になるように制御する必要がある。
【特許文献１】特開平４−１８０２０３号公報
【特許文献２】特開平６−６９０３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
冷媒容器内の圧力制御に求められる特性としては、信頼性、制御性、簡便性および効率性が挙げられる。  
信頼性が特に求められる低温装置としては、液体窒素あるいは液体ヘリウムを冷媒として用いた超電導磁石（MRI、NMR、SMES、超電導限流器、超電導発電機、超電導変圧器、単結晶引上げ装置用超電導磁石等）のクライオスタットが挙げられる。これらの装置は通常長時間継続運転が求められており、冷凍機の高信頼性が求められるが、容器内の圧力制御に関しても同様の信頼性が求められる。
【０００４】
制御性に関しては、容器内圧力変化は様々な要因で起るため、その各々に対し迅速に追従するような制御性が求められる。例えば、外気温度のような１年周期、１日周期の変動、気圧のような数日周期の変動、およびトラブル時の不規則な変動等に対応する必要がある。
【０００５】
簡便性に関しては、上記の超電導磁石は通常無人運転をしており、圧力制御も自動運転が求められる。また装置の製造の点からも、構造が簡素であることがコスト低減と信頼性向上につながる。効率性に関しては、圧力制御に必要な電力を抑えるあるいはゼロにすることが求められる。
【０００６】
以上の課題を克服するための最良の方策として、電力を使わない、人間の操作を必要としない、電力を使う場合は、断線等のトラブルが起きにくい、等の要求を満たす必要がある。
【０００７】
例えば図６に示す従来の低温装置は、ヒーター２０を冷凍機１の冷却ステージ２に取り付けているが、この部位は通常、断熱真空空間に置かれているため、ヒーター２０と冷却ステージ２との熱接触が劣化した場合、ヒーター２０が断熱加熱されて断線するトラブルが発生しやすい。ヒーター２０の取換作業は、断熱真空容器３を開けないと行えないため、取替え作業は大きなメンテナンスコストを発生させる。  
そこで本発明は、メンテナンスしやすい簡易な構成によって自動的に冷媒容器内の圧力制御を行うことのできる低温装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１は、冷媒液を貯留する冷媒容器と、前記冷媒容器を包囲する真空断熱容器と、前記真空断熱容器の外に設けられ前記真空断熱容器と前記冷媒容器に貫入して前記冷媒液を冷却する冷却ステージを有する冷凍機と、前記冷媒容器内の前記冷媒液液面上のガス空間に設けられ前記ガス空間の圧力変化に従って体積を変える体積可変容器とを備えている構成とする。
【０００９】
また請求項８は、冷媒液を貯留する冷媒容器と、前記冷媒容器を包囲する真空断熱容器と、前記真空断熱容器の外に設けられ前記真空断熱容器と前記冷媒容器に貫入して前記冷媒液を冷却する冷却ステージを有する冷凍機と、前記冷媒容器内の前記冷媒液液面上のガス空間の圧力を計測する圧力計と、前記冷媒液内に設けられたヒーターと、前期圧力計の信号を受けて前記ヒーターに電流を供給する圧力制御器と、前記冷媒液内に設けられ前記ヒーターへの通電によって発生する冷媒ガスを捕集する蒸発ガス溜め容器とを備えている構成とする。
【００１０】
また請求項９は、冷媒液を貯留する冷媒容器と、前記冷媒容器を包囲する真空断熱容器と、前記真空断熱容器の外に設けられ前記冷媒液の蒸発ガスを再凝縮させる再凝縮部を有する冷凍機と、前記再凝縮部に取り付けられたヒーターと、前記冷媒容器内の前記冷媒液液面上のガス空間の圧力を計測する圧力計と、前記圧力計の信号を受けて前記ヒーターに電流を供給する圧力制御器とを備えている構成とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、メンテナンスしやすい簡易な構成によって自動的に冷媒容器内の圧力制御を行うことのできる低温装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の第１ないし第２の実施の形態の低温装置に関して図面を参照して説明する。  
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態の第１の実施例を示す。すなわち、真空断熱容器３内に納められた冷媒容器４内に液体窒素、液体ヘリウム等の低温の冷媒液５が保持され、真空断熱容器３の上部に取り付けられた冷凍機１の冷却ステージ２は真空断熱容器３の上部と冷媒容器４の上部から貫入して冷媒液５に達している。冷媒液５には超電導コイル等の被冷却機器８が浸漬されている。
【００１３】
低温装置においては熱侵入により冷媒液５が蒸発するため、長期間冷媒の充填をしないためには冷凍機等で冷媒を冷却する必要がある。その際、熱侵入量と同じ冷凍能力をもつ冷凍機を用いれば、基本的に蒸発する冷媒は液化され、冷媒液５は長期間保持可能となる。しかし実際は、冷凍機の冷凍能力を、長期間厳密に侵入熱量と同じになるように運転することはできず、冷凍能力が小さくなれば容器内の圧力は上昇し、冷凍機の能力が大きくなれば容器内の圧力は低下する。通常は、冷凍能力が熱侵入量よりも大きい冷凍機を用いて、過剰な冷凍能力分はヒーター等の負の制御系により加熱して容器内の圧力を一定に保持する手段がとられる。従って本実施例における冷凍機１は熱侵入量より大きい冷凍能力を持っているものとする。
【００１４】
本実施例の低温装置は更に、冷媒容器４内に体積可変容器であるベローズ６を設け、ベローズ６の外側は冷媒容器４の内圧に面し、内側は室温部に所定の容積を持つバッファ１５に連通管７で連結した構成とする。このときベローズ６の上端を冷媒液５の温度よりも高い温度の位置に取り付けることで、伸縮するベローズ６自体を熱侵入量制御のための熱伝導部材として機能させることもできる。熱伝導を良くする必要がある場合には、銅、銀、金等の金属部材で構成されたベローズ６を用いる。  
本実施例によれば、冷媒液５の蒸発凝縮に従ってベローズ６が伸縮して冷媒容器４の内圧を大気圧程度に自動的に保つことができる。
【００１５】
図２は本実施の形態の第２の実施例を示し、第１の実施例（図１）における室温バッファ１５の代わりに、体積可変容器である室温側ベローズ１６を設けた構成である。本実施例は、室温側ベローズ１６を設けたことにより、冷媒容器４内の単位圧力変化あたりの低温側に付けたベローズ６のストローク量が大きくなり、圧力制御幅が広くなるメリットがある。このとき、室温側のベローズ１６に、可動範囲を制限する停止装置、圧力を確認できる目盛、手動で伸縮量を調整できる装置等を取り付けることで、圧力制御性が更に向上する。また、低温側のベローズ６にも、可動範囲制限用の停止装置を取り付けることで、異常圧力発生時の保護が可能となる。
【００１６】
図３は本実施の形態の第３の実施例を示し、低温側のベローズ６内と、室温側のベローズ１６内を連通する連通管７の途中に冷媒液５および冷媒ガスとの熱交換部１７を設けた構成である。熱交換部１７により冷媒液５への熱侵入量の調整を行うことができる。冷凍機１の能力が勝り、冷媒容器４内の圧力が低下した際には、低温側のベローズ６が伸び、内部容積が大きくなるため、室温側のベローズ１６内のガスを吸い込むが、このとき熱交換部１７で熱侵入量が増えるため冷媒液５が蒸発し冷媒容器４の内圧が上昇する。逆に冷媒容器４の内圧が増加した際は、低温側のベローズ６内の低温ガスが熱交換部１７に通るため、熱侵入量の増加は起きない。室温側のベローズ１６には、可動部移動範囲制限のための停止装置、圧力確認用目盛、手動調整装置等を取り付けた構成としてもよい。また室温側ベローズ１６を容積変化のないバッファに置き換えた構成としてもよい。
【００１７】
（第２の実施の形態）
図４は本発明の第２の実施の形態の第１の実施例を示し、冷媒液５中に設けたヒーター２０および蒸発ガス溜め容器２５と、冷媒容器４の上部から真空断熱容器３の外部へ突出して設けた圧力計２２と、配線２１，２３によってヒーター２０と圧力計２２に接続された圧力制御器２４とを備えた構成である。
【００１８】
本実施例は、ヒーター２０による加熱、加圧方式を採用しているが、冷媒容器４内に、ヒーター２０の加熱により発生した蒸発ガスをいったん溜める容器２５を設けている。こうすることで蒸発ガスが、冷媒容器４内の冷媒液５、あるいは冷媒液５面上部のガス空間の温度勾配を乱すことなく、内部ガス容積を安定して増加させることができる。そのため、ヒーター加熱に対する圧力上昇の応答性を向上させることができる。
【００１９】
図５は、本実施の形態の第２の実施例を示す。本実施例は、再凝縮用の冷凍機１を冷凍機着脱機構２７によって着脱可能な構成とし、圧力制御用のヒーター２０を冷却ステージ２に取り付けた構成である。本実施例ではヒーター２０の取換が容易である。更に冷凍機１として、蓄冷式GM冷凍機、GM型パルスチューブ冷凍機を用いることで、冷却ステージ２の温度制御が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１の実施の形態の第１の実施例の低温装置の構成を示す断面図。
【図２】本発明の第１の実施の形態の第２の実施例の低温装置の構成を示す断面図。
【図３】本発明の第１の実施の形態の第３の実施例の低温装置の構成を示す断面図。
【図４】本発明の第２の実施の形態の第１の実施例の低温装置の構成を示す断面図。
【図５】本発明の第２の実施の形態の第２の実施例の低温装置の構成を示す断面図。
【図６】従来の低温装置の構成を示す断面図。
【符号の説明】
【００２１】
１…冷凍機、２…冷却ステージ、３…真空断熱容器、４…冷媒容器、５…冷媒液、６…ベローズ、７…連通管、８…被冷却機器、１５…室温バッファ、１６…室温側ベローズ、１７…熱交換部、２０…ヒーター、２１，２３…配線、２２…圧力計、２４…圧力制御器、２５…蒸発ガス溜め容器、２６…再凝縮器、２７…冷凍機着脱機構。
【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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