(57)【要約】【課題】クライオスタットへの熱侵入が抑制されたプラグインタイプの再凝縮機を得ることができる極低温冷却装置を提供する。【解決手段】極低温冷却装置３は、下端がヘリウム容器６に連通し上端が外部に連通する連結管路５を含み極低温液体冷媒を貯溜するクライオスタット１と、冷却ステージが少なくとも１段ある冷凍機１０と、冷凍機１０で冷却される凝縮室９と、凝縮室９に連通され、クライオスタット１の連結管路５に着脱自在にかつ気密に挿入され、クライオスタット１内の冷媒蒸気が凝縮室９内に移行して凝縮され、この凝縮によって生成された冷媒液をクライオスタット１内へ戻す導入管４と、凝縮室９及び導入管４の一部を包囲し凝縮室９とは別の冷却ステージで冷却される輻射シールド１３，１４と、連結管路５内に挿入され、導入管４を囲う導入管輻射シールド１６が存在する部位より導入管輻射シールド１６が存在しない部位を小径化した導入管断熱外壁１１と、冷凍機１０等を含む再凝縮機２と、を有する。【選択図】図１
2008267635.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下端が極低温冷媒容器であるヘリウム容器の上部空間に連通し上端が外部に連通する連結管路を含み極低温液体冷媒を貯溜するクライオスタットと、
冷却ステージが少なくとも１段ある冷凍機と、
この冷凍機で冷却される凝縮室と、
この凝縮室に連通され、前記クライオスタットの連結管路に着脱自在にかつ気密に挿入され、前記クライオスタット内の冷媒蒸気を前記凝縮室内に移行して凝縮し、かつこの凝縮によって生成された冷媒液を前記クライオスタット内へ戻す導入管と、
この凝縮室及び導入管の一部を包囲し前記凝縮室とは別の冷却ステージで冷却される導入管輻射シールドと、
前記連結管路内に挿入され、前記導入管を囲う導入管輻射シールドが存在する部位より前記導入管輻射シールドが存在しない部位を小径化した導入管断熱外壁と、
前記冷凍機、前記凝縮室、前記導入管及び前記導入管輻射シールドを含み一体構造により断熱構成される再凝縮機と、
を有することを特徴とする極低温冷却装置。
【請求項２】
前記導入管断熱外壁の段差部において、この導入管断熱外壁と前記導入管輻射シールドとが熱的に接触して構成されていること、を特徴とする請求項１記載の極低温冷却装置。
【請求項３】
前記導入管輻射シールドの先端を、このクライオスタットの外側の導入管輻射シールドよりも内側に配置して構成されること、を特徴とする請求項１又は２記載の極低温冷却装置。
【請求項４】
前記連結管路が、前記導入管断熱外壁に合わせて、前記極低温冷媒容器側を小径化して形成されること、を特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の極低温冷却装置。
【請求項５】
前記連結管路の段差部において、この連結管路と導入管断熱外壁とが熱的に接触して構成されること、を特徴とする請求項４記載の極低温冷却装置。
【請求項６】
前記連結管路の内側面又は前記導入管断熱外壁の外側面に対流を防止する対流防止部材を少なくとも１個設けること、を特徴とする請求項４記載の極低温冷却装置。
【請求項７】
下端が極低温冷媒容器の上部空間に連通し上端が外部に連通する連結管路を含み極低温液体冷媒を貯溜するクライオスタット及び冷却ステージが少なくとも１段ある冷凍機に熱的に接触する凝縮室により冷却される冷却ステップと、
この凝縮室に連通され、前記クライオスタットの連結管路に着脱自在にかつ気密に挿入され、前記クライオスタット内の冷媒蒸気が前記凝縮室内に移行して凝縮され、この凝縮によって生成された冷媒液を前記導入管を介して前記クライオスタット内へ戻す再凝縮ステップと、
この凝縮室及び導入管の一部を包囲する導入管輻射シールドを前記凝縮室とは別の冷却ステージで冷却する導入管輻射シールド冷却ステップと、
前記連結管路内に挿入され、前記導入管を囲う導入管輻射シールドが存在する部位より前記導入管輻射シールドが存在しない部位を小径化した導入管断熱外壁により熱侵入を抑制する熱侵入抑制ステップと、
を有することを特徴とする極低温冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クライオスタットへの熱侵入を抑制する極低温冷却装置及び極低温冷却方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導マグネット等に用いられるクライオスタットに貯溜される液体ヘリウムは、種々の熱の侵入により蒸発するので、定常運転を維持するために蒸発したヘリウムを再凝縮する方式が様々考案されている。例えば、ＧＭ冷凍機を真空容器に組み込み、ヘリウム容器内に設置した凝縮棒とＧＭ冷凍機の冷却ステージを熱的に接続する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
一方、クライオスタットに極低温のヘリウム容器と室温の真空容器を結ぶ連結管路を設けて、そこにヘリウムガスと液体ヘリウムを往来させる真空断熱した導入管を挿入するプラグインタイプのものが知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
このプラグインタイプの再凝縮機２を有する極低温冷却装置３について、図７を用いて説明する。
【０００５】
本図に示すように、クライオスタット（ｃｒｙｏｓｔａｔ）１とは、被冷却物(超電導コイルなど)を収納して、その重さと発生する力等を支持できる断熱支持構造を持った開放又は密閉構造の低温を保持する装置のことである。通常低温を維持するために液体ヘリウム７又は液体窒素を用いている。
【０００６】
この液体ヘリウム７は、ヘリウム容器６内に貯溜されヘリウムガス８となって、導入管４を上昇し、連結管路５内に設けられている導入管４の上部に設けられた凝縮室９の内部で液化される。この液化した液体ヘリウム７ａは、再び導入管４を経由してクライオスタット１に戻る。凝縮室９において、ＧＭ冷凍機やパルスチューブ冷凍機等からなる冷凍機１０で極低温に冷却される。また、導入管断熱外壁１１から導入管４への輻射熱を低減するために導入管輻射シールド１６が設けられている。
【特許文献１】特開２００１−１４３９２２号公報
【特許文献２】特公平３−１７０５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した従来のプラグインタイプの再凝縮機２は、導入管４をポートから着脱することにより、クライオスタット１から容易に取り外せることに特徴がある。このために、クライオスタット１を昇温させずに、冷凍機１０の交換やメンテナンスが可能である。
【０００８】
しかし、他方では、導入管４や導入管４を挿入するための連結管路はクライオスタット１への熱侵入源となる、という課題があった。この熱侵入の形態としては、導入管断熱外壁１１からの熱伝導及び導入管４とポートに囲まれた空間に存在するヘリウムガス８の対流による熱伝達がある。
【０００９】
また、このプラグインタイプの再凝縮機２は、熱侵入量が多い分だけ冷凍能力が大きな冷凍機１０を使用するか又はクライオスタット１への他の熱侵入量を低減する必要がある点に課題があった。
【００１０】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、クライオスタットへの熱侵入を抑制したプラグインタイプの再凝縮機を得ることができる極低温冷却装置及び極低温冷却方法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】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明の極低温冷却装置においては、下端がヘリウム容器の上部空間に連通し上端が外部に連通する連結管路を含み極低温液体冷媒を貯溜するクライオスタットと、冷却ステージが少なくとも１段ある冷凍機と、この冷凍機で冷却される凝縮室と、この凝縮室に連通され、前記クライオスタットの連結管路に着脱自在にかつ気密に挿入され、前記クライオスタット内の冷媒蒸気を前記凝縮室内に移行して凝縮し、かつこの凝縮によって生成された冷媒液を前記クライオスタット内へ戻す導入管と、この凝縮室及び導入管の一部を包囲し前記凝縮室とは別の冷却ステージで冷却される導入管輻射シールドと、前記連結管路内に挿入され、前記導入管を囲う導入管輻射シールドが存在する部位より前記導入管輻射シールドが存在しない部位を小径化した導入管断熱外壁と、前記冷凍機、前記凝縮室、前記導入管及び前記導入管輻射シールドを含み一体構造により断熱構成される再凝縮機と、を有することを特徴とするものである。
【００１２】
また、上記目的を達成するため、本発明の極低温冷却方法においては、下端がヘリウム容器の上部空間に連通し上端が外部に連通する連結管路を含み極低温液体冷媒を貯溜するクライオスタット及び冷却ステージが少なくとも１段ある冷凍機に熱的に接触する凝縮室により冷却される冷却ステップと、この凝縮室に連通され、前記クライオスタットの連結管路に着脱自在にかつ気密に挿入され、前記クライオスタット内の冷媒蒸気が前記凝縮室内に移行して凝縮され、この凝縮によって生成された冷媒液を前記導入管を介して前記クライオスタット内へ戻す再凝縮ステップと、この凝縮室及び導入管の一部を包囲する導入管輻射シールドを前記凝縮室とは別の冷却ステージで冷却する導入管輻射シールド冷却ステップと、前記連結管路内に挿入され、前記導入管を囲う導入管輻射シールドが存在する部位より前記導入管輻射シールドが存在しない部位を小径化した導入管断熱外壁により熱侵入を抑制する熱侵入抑制ステップと、を有することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の極低温冷却装置及び極低温冷却方法によれば、導入管輻射シールドが存在しない部分の導入管の導入管断熱外壁の直径を小径化することにより、クライオスタットへの熱侵入を抑制したプラグインタイプの再凝縮機を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明に係る極低温冷却装置及び極低温冷却方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。ここで、同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。
【００１５】
図１は、本発明の第１の実施の形態の極低温冷却装置３の構成を示す縦断面図である。
【００１６】
まず、極低温冷却装置３の基本構成について、図１を用いて説明する。
【００１７】
本図に示すように、極低温冷却装置３は、クライオスタット１にプラグインタイプの再凝縮機２が搭載されて構成されている。クライオスタット１には、再凝縮機２の真空断熱された導入管４を挿入するための連結管路５が設けられている。下部に設置された極低温冷媒容器であるヘリウム容器６内には液体ヘリウム７ａが貯溜されている。この貯溜された液体ヘリウム７ａは、外部からの熱侵入によって蒸発しヘリウムガス８となる。この蒸発したヘリウムガス８は、再凝縮機２の導入管４を経由して凝縮室９まで導入される。この導入されたヘリウムガス８は、冷凍機１０の２段ステージ１０ａによって冷却された凝縮室９の内壁面で凝縮し、液体ヘリウム７となる。液体ヘリウム７は、自重で落下し、導入管４を経由して再びヘリウム容器６の下部に戻される。なお、冷凍機１０の１段ステージ１０ｂによって、導入管輻射シールド１６の上部が冷却されている。
【００１８】
極低温に冷却するために、導入管４の温度は４Ｋレベルである必要がある。一方で、この導入管４の導入管断熱外壁１１は、ヘリウムガス８の熱伝導、対流及び輻射により連結管路５と同じ温度分布になる。この連結管路５は、クライオスタット１を構成する真空容器１２とヘリウム容器６を結ぶために、室温から４Ｋのまでの広範囲の温度分布を有する。この連結管路５の外側面の中間には、外側の１段輻射シールド１３及び２段輻射シールド１４が設けられている。すなわち、連結管路５の外側面の中間に設けられた１段輻射シールド１３及び２段輻射シールド１４においてそれぞれ熱的移動手段である熱的なアンカーが形成されている。これらの１段輻射シールド１３及び２段輻射シールド１４は、それぞれシールド冷凍機１５で冷却される。また、導入管４の導入管断熱外壁１１の温度が室温近くなる部位においては、導入管断熱外壁１１から導入管４への輻射熱を低減するために、導入管輻射シールド１６が設けられている。
【００１９】
上述のように、プラグインタイプの再凝縮機２の問題点は、液体ヘリウム７への熱侵入量が大きいことにある。この熱侵入の原因としては、連結管路５や導入管４の導入管断熱外壁１１を経由する熱伝導、導入管４の導入管断熱外壁１１と連結管路５の間の空間に存在するヘリウムガス８による対流等がある。その中でもっとも影響が大きいのが、導入管４の導入管断熱外壁１１を経由する熱伝導が挙げられる。また、この導入管４の導入管断熱外壁１１は、１気圧の外圧に耐えるためにある程度の肉厚が必要であり、このことが熱侵入の大きい原因となっていた。
【００２０】
このように構成された本実施の形態において、極低温冷却装置３は、導入管４の導入管輻射シールド１６が存在しない部位の導入管４の導入管断熱外壁１１の直径を大幅に小さくした小径化導入管断熱外壁１９を採用している。この導入管断熱外壁１１の直径を小径化することにより、周長を短くするだけでなく、１気圧の外圧に耐えるために必要な肉厚も薄くすることができ、導入管断熱外壁１１の断面積を小さくすることができる。
【００２１】
本実施の形態によれば、導入管輻射シールド１６が存在しない部分の導入管４の導入管断熱外壁１１の直径を小径化することにより、導入管断熱外壁１１の断面積を小さくすることができるので、導入管断熱外壁１１を介しての伝導による熱侵入を低減でき、液体ヘリウム７への熱負荷を大幅に軽減することができる。すなわち、導入管輻射シールド１６が存在しない部分の導入管４の導入管断熱外壁１１の直径を小径化した小径化導入管断熱外壁１９を適用することにより、クライオスタット１への熱侵入を抑制するプラグインタイプの再凝縮機２を得ることができる。
【００２２】
図２は、本発明の第２の実施の形態の極低温冷却装置３の構成を示す縦断面図である。本図は、図１の極低温冷却装置３に熱アンカー部材１７ａを追加して設けたものであり、図１と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。
【００２３】
本図に示すように、極低温冷却装置３において、導入管４の導入管断熱外壁１１の段差部１１ａと導入管４の導入管輻射シールド１６の先端の間に、熱移動手段である熱アンカー部材１７ａが設けられている。この熱アンカー部材１７ａを介して熱的に接触させている。室温側から導入管４の導入管断熱外壁１１を経由した伝導熱の大部分は、ヘリウムガス８を介してクライオスタット１の１段輻射シールド１３、２段輻射シールド１４により熱的に接触させて、最終的にはシールド冷凍機１５で冷却される。
【００２４】
しかし、このヘリウムガス８を経由した熱伝達だけでは、熱アンカーとして、すなわち熱移動手段として不十分なときがある。このときの液体ヘリウム７への熱負荷を軽減するためには、導入管４経由の伝導熱量を減らすこと、すなわち導入管断熱外壁１１の段差部１１ａにおける温度を下げることが重要である。
【００２５】
このように構成された本実施の形態において、導入管４の導入管断熱外壁１１の段差部１１ａにおいて、再凝縮機２の導入管輻射シールド１６の先端と積極的に熱接触させ、冷凍機１０の１段ステージ１０ｂで冷却することができるので、導入管断熱外壁１１の段差部１１ａにおける温度を下げることができる。
【００２６】
本実施の形態によれば、導入管４の導入管断熱外壁１１の段差部１１ａにおいて、導入管４の導入管輻射シールド１６の先端において熱アンカー部材１７ａを設けて熱的に接触させているので、段差部１１ａの温度を下げることができる。かくして、クライオスタット１への熱侵入が少ないプラグインタイプの再凝縮機２を得ることができ、さらに、液体ヘリウム７への熱負荷が少ない極低温冷却装置３を得ることができる。
【００２７】
次に、図３を用いて、本発明の第２の実施の形態の極低温冷却装置３の変形例について説明する。
【００２８】
本図に示すように、再凝縮機２の冷凍機１０の１段ステージ１０ｂの冷却能力、シールド冷凍機１５の冷却能力及びこれらへの熱負荷の大きさによっては、導入管４の導入管輻射シールド１６の先端の位置を、クライオスタット１の外側にある１段輻射シールド１３よりも内側に配置している。
【００２９】
本変形例によれば、導入管４の導入管輻射シールド１６の先端の位置を、クライオスタットの１段輻射シールド１３よりも内側に、すなわち、１段輻射シールド１３と２段輻射シールド１４との間に配置することより、導入管断熱外壁１１の段差部１１ｂと熱アンカー部材１７ｂも同様の位置に設定し、液体ヘリウム７への熱負荷をさらに軽減することができる。
【００３０】
図４は、本発明の第３の実施の形態の極低温冷却装置３の構成を示す縦断面図である。本図は、図１の極低温冷却装置３に小径化連結管路２０を設けたものであり、図１と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。
【００３１】
本図に示すように、極低温冷却装置３において、導入管４の導入管断熱外壁１１の直径が小径となっている小径化導入管断熱外壁１９を備えている。さらに、この小径化導入管断熱外壁１９の直径に合わせて、２段輻射シールド１４とヘリウム容器６の間の連結管路の直径を真空容器１２から２段輻射シールド１４の間の連結管路５より小径化した小径化連結管路２０が設けられている。
【００３２】
このように構成された本実施の形態において、導入管４の導入管断熱外壁１１と連結管路５との間の空間を軽減することにより、ヘリウムガス８の熱伝導による２段輻射シールド１４の熱移動の効果を高めることができる。さらに、導入管断熱外壁１１の直径を小さくすることにより、連結管路５の内壁の断面積を減らすことができるので、連結管路５の内壁を経由した熱伝導による液体ヘリウム７への熱侵入も低減することできる。
【００３３】
本実施の形態によれば、小径化連結管路２０を設けることにより、連結管路５の断面積を小さくすることができるので、連結管路５を介しての伝導による熱侵入を低減でき、液体ヘリウム７への熱負荷を大幅に軽減することができる。すなわち連結管路５の直径を小径化した小径化連結管路２０を設けることにより、クライオスタット１への熱侵入が少ないプラグインタイプの再凝縮機２を得ることができる。
【００３４】
図５は、本発明の第４の実施の形態の極低温冷却装置３の構成を示す縦断面図である。本図は、図４の極低温冷却装置３に熱アンカー部材１７ｃを追加して設けたものであり、図４と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。
【００３５】
本図に示すように、極低温冷却装置３において、２段輻射シールド１４において、導入管４の導入管断熱外壁１１と熱アンカー部材１７ｃを経由して熱的に接触させている。
【００３６】
このように構成された本実施の形態において、２段輻射シールド１４における熱移動を確実に行うことにより、壁面を経由する熱侵入をシールド冷凍機１５で冷却することができる。さらに、特に連結管路５が２段輻射シールド部で段差部５ｂになっているときには、特に押し付ける力を作用させることにより、より確実な機械的伝熱手段を得ることができる。
【００３７】
本実施例によれば、２段輻射シールド１４において、導入管４の断熱外壁１９と２段輻射シールド１４とが熱アンカー部材１７ｃを用いて熱的に接触させることにより、２段輻射シールド１４における熱移動がより確実になり、液体ヘリウム７への熱負荷を大幅に軽減することができる。
【００３８】
図６は、本発明の第５の実施の形態の極低温冷却装置３の構成を示す縦断面図である。本図は、図５の極低温冷却装置３に対流防止部材１８を追加して設けたものであり、図５と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。
【００３９】
本図に示すように、導入管４の導入管断熱外壁１１及び小径化導入管断熱外壁１９と連結管路５及び小径化連結管路２０との間の空間の複数個所にヘリウムガス８の対流を防止する対流防止部材１８を取り付けている。
【００４０】
上述のように、導入管断熱外壁１１及び小径化導入管断熱外壁１９と連結管路５及び小径化連結管路２０との温度分布又は対向する壁面の温度差等により、ヘリウムガス８が対流する可能性がある。
【００４１】
このように構成された本実施の形態において、この対流防止部材１８を設けることにより、対流を防止して液体ヘリウム７への不必要な熱侵入増加を未然に防ぐことができる。
【００４２】
本実施例によれば、導入管４の導入管断熱外壁１１及び小径化導入管断熱外壁１９と連結管路５及び小径化連結管路２０との間の空間の複数個所にヘリウムガス８の対流防止部材１８を設けているので、ヘリウムガス８の対流を防止して液体ヘリウム７への熱負荷が少ない極低温冷却装置３を得ることができる。
【００４３】
以上本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は、上述したような各実施の形態に何ら限定されるものではなく、各実施の形態の構成を組み合わせて、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、連結管路５や導入管断熱外壁１１について円筒状の形状について説明したが、この形状は、筒状であれば特に円筒状の形状に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の第１の実施の形態の極低温冷却装置の構成を示す縦断面図。
【図２】本発明の第２の実施の形態の極低温冷却装置の構成を示す縦断面図。
【図３】本発明の第２の実施の形態の極低温冷却装置の変形例の構成を示す縦断面図。
【図４】本発明の第３の実施の形態の極低温冷却装置の構成を示す縦断面図。
【図５】本発明の第４の実施の形態の極低温冷却装置の構成を示す縦断面図。
【図６】本発明の第５の実施の形態の極低温冷却装置の構成を示す縦断面図。
【図７】従来の極低温冷却装置の構成を示す縦断面図。
【符号の説明】
【００４５】
１…クライオスタット、２…再凝縮機、３…極低温冷却装置、４…導入管、５…連結管路、５ａ，５ｂ…段差部、６…ヘリウム容器、７，７ａ…液体ヘリウム、８…ヘリウムガス、９…凝縮室、１０…冷凍機、１０ａ…２段ステージ、１０ｂ…１段ステージ、１１…導入管断熱外壁、１１ａ,１１ｂ…段差部、１２…真空容器、１３…１段輻射シールド、１４…２段輻射シールド、１５…シールド冷凍機、１６…導入管輻射シールド、１７ａ,１７ｂ,１７ｃ…熱アンカー部材、１８…対流防止部材、１９…小径化導入管断熱外壁、２０…小径化連結管路。
【図１】
2008267635.tif 000003
【図２】
2008267635.tif 000004
【図３】
2008267635.tif 000005
【図４】
2008267635.tif 000006
【図５】
2008267635.tif 000007
【図６】
2008267635.tif 000008
【図７】
2008267635.tif 000009