(57)【要約】クライオジェネレータを用いて液化ガス−容器から蒸発するガスの低沸点ガスを再凝縮するための装置であって、当該再凝縮装置は、単段式または少なくとも２段式の冷却段、つまりコールドヘッドから成っている。各段はパルス管冷凍機であり、このパルス管冷凍機の熱伝達器は、再生熱交換器と所属のパルス管との間で露出コールドボディに嵌め込まれている。コールドヘッド全体は、当該再凝縮装置の外側容器にフランジ締結されていて、かつ当該再凝縮装置の狭窄管において内向きに突入している。コールドヘッドの最後位のコールドボディは、狭窄管の端部に設けられていて、かつ液化ガス−低温浴の上方で蒸発室において露出している。別のコールドボディは、それぞれ狭窄管に取り付けられた熱伝達リングに対向している。互いに対向する両方の端面は、互いに接触することなしに、狭いギャップを形成しつつ互いに係合するので、液化ガス−浴の上方に設けられた蒸発室から狭窄管におけるコールドヘッドのフランジまで自由連続通路が形成される。各パルス管−冷凍機段の両方の構成要素である再生熱交換器およびパルス管は、それぞれ熱シールドで被覆されており、この熱シールドは、一方では構成要素に載設する、熱伝導不良のコーティングであってよく、また他方では構成要素を取り囲むリング状の真空室であってよく、外壁は取り囲まれる構成要素に点状に、また場合によっては短区間にわたってライン状にしか接触しないようになっている。
2004537026.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
クライオジェネレータを用いて液化ガス−容器から蒸発するガスの低沸点ガスを再凝縮するための装置であって、
当該再凝縮装置が、単段式または少なくとも２段式の冷却装置であるコールドヘッドから成っており、
単段式の冷却装置では、冷却装置であるコールドヘッドが、管（８）である狭窄管（８）に設けられており、該冷却装置（８）が、当該再凝縮装置の容器（３）の開口／接続フランジ（９）から当該再凝縮装置の液化ガス−容器（２）に向かって延びており、該冷却装置にコールドボディ（２８）が設けられており、該コールドボディ（２８）が露出面で、液化ガス−容器（２）の低温の蒸発室に突入しており、冷却装置であるコールドヘッドが、再生熱交換器（２１）と、パルス管（２３）と、これらの再生熱交換器とパルス間との間に位置する熱伝達器（２５）とから成っており、該熱伝達器（２５）が、コールドボディ（２６）に保持されており、
冷却装置の構成要素である再生熱交換器（２１）およびパルス管（２３）が、それぞれ熱的に絶縁性の外套／熱シールド（２０，３０，３１，３２）で被覆されており、
少なくとも２段式の冷却装置では、該冷却装置が、狭窄管（８）に設けられており、該冷却装置が、容器（３）の開口／接続フランジ（９）から液化ガス−容器（２）に向かって延びており、該冷却装置の各段にそれぞれ１つのコールドボディ（２６もしくは２８）が設けられており、該冷却装置が、供給される液化ガス−浴を温度上昇することなしに組み付けかつ組み外しできるようになっており、
冷却装置の各段が、再生熱交換器（２１もしくは２２）と、パルス管（２３もしくは２４）と、これらの再生熱交換器とパルス管との間に位置する熱伝達器（２５もしくは２７）とから成っており、各熱伝達器（２５もしくは２７）が、各コールドボディ（２６もしくは２８）に保持されており、
２番目／最後位の段のコールドボディ（２８）が露出面で、液体ヘリウム容器（２）の低温の蒸発室に突入しており、
冷却装置の各段の構成要素である再生熱交換器（２１もしくは２２）およびパルス管（２３もしくは２４）が、それぞれ熱的に絶縁性の外套／熱シールド（２０，３０，３１，３２）で被覆されており、
最後段のコールドボディ（２８）を除く全てのコールドボディ（２６）が、後続の段に向かって共軸的にそれぞれ１つの熱伝達リング（１０）に対向しており、これらの熱伝達リング（１０）が、狭窄管（８）の適当箇所で熱伝導良好に取り付けられており、
各コールドボディ（２６）が、軸方向可動に、かつ周囲に一定間隔のギャップを形成し、かつ各コールドボディに対応配置された熱伝達リング（１０）に接触することなく該熱伝達リング（１０）に作用するようになっており、
ガス透過性の通路が、液化ガス−浴の上方に設けられた蒸発室から最前位の冷却段の始端部まで形成されており、
少なくとも２段式の、狭窄管（８）内で延びるコールドヘッドが、フランジカバー（３３）に固定されており、該フランジカバー（３３）が、容器壁（３）の接続フランジ（９）にねじ止めされており、該コールドヘッドが、いずれかに接触することなしに軸方向の熱膨張を行うことができるようになっていることを特徴とする、クライオジェネレータを用いて液化ガス−容器から蒸発するガスの低沸点ガスを再凝縮するための装置。
【請求項２】
熱的に絶縁性の各外套／熱シールド（２０，３０，３１，３２）が、熱伝導不良の層から成っている、請求項１記載の装置。
【請求項３】
熱的に絶縁性の各外套／熱シールド（２０，３０，３１，３２）が、それぞれ一方の端面から他方の端面に連続的に延びる真空室から成っており、該真空室の外壁が、薄い円筒管から成っており、該円筒管が、形状および支持体によって安定されており、外圧が、円筒管を内側壁部に押し付けないかまたは少なくとも大面積では押し付けないようになっている、請求項１記載の装置。
【請求項４】
円筒管（２０，３０，３１，３２）が、該円筒管をそれぞれ被覆する、熱伝導不良の単数または複数の支持装置を介して保持されている、請求項３記載の装置。
【請求項５】
支持装置が、螺旋状に構成要素の周りを、上端から下端までまたはその逆に巻き付けられた線材である、請求項４記載の装置。
【請求項６】
支持装置が、螺旋状に構成要素の周りを、上端から下端までまたはその逆に非連続的に、かつ互いに非接触的に巻き付けられた複数の線材である、請求項４記載の装置。
【請求項７】
熱的に絶縁性の各外套／熱シールド（２０，３０，３１，３２）が、薄い波形チューブとしての管であり、該管の内法が、取り囲まれる構成要素よりも僅かに大きくなっており、該管が、点状に接触するか、または場合によっては局所的に短区間でライン状に接触するようになっている、請求項３記載の装置。
【請求項８】
熱的に絶縁性の各外套／熱シールド（２０，３０，３１，３２）が、条溝またはライン状の補強部を備えた薄い管であり、該管が、点状に接触するか、または場合によっては局所的に短区間でライン状に接触するようになっている、請求項３記載の装置。
【請求項９】
熱的に絶縁性の各外套／熱シールド（２０，３０，３１，３２）が、薄い波形チューブとしての管であり、該管の内法が、取り囲まれる構成要素よりも僅かに大きくなっており、該管が、熱伝導不良で、螺旋状または軸方向で構成要素に取り付けられた棒状エレメントを介して、前記構成要素に対して、連続的にその全長にわたって間隔を維持して設けられている、請求項７記載の装置。
【請求項１０】
各コールドボディ（２６）に、少なくとも１つの孔（３７ａ）が形成されており、少なくとも２段式の冷却装置では、周方向で均等に分割された孔（３７ａ）が形成されており、これらの孔が、ガス流を容易にするようになっている、請求項１から９までのいずれか１項記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クライオジェネレータ（Kryogenerator）を用いて液化ガス−容器から蒸発するガスの低沸点ガスを再凝縮するための装置に関する。たとえばこの再凝縮装置を用いると、液化ガスとしての液体ヘリウムに浸すことによって冷却される超電導磁石が、システムに結合された小型冷凍機、いわゆるクライオクーラによって連続的に駆動される。また高温超電導性材料からなる超電導磁石では、超電導磁石は液体窒素に浸すことによって冷却される。
【０００２】
このような従来技術を簡単に説明する（図４参照）。
【０００３】
クライオ容器１全体は内側容器２から成っており、この内側容器２は液面７まで低沸点液化ガス、たとえば液体ヘリウムで充填されている。超電導装置、典型的には給電部６ａ，６ｂを備えたマグネットコイル５が液化ガスに浸されている。容器２に伝達される熱に基づいて蒸発するヘリウムは、狭窄された管８を介して周囲もしくは集合容器に導出される。熱侵入を減少させるために、ヘリウム容器２は外壁または容器としてのカバー３によって取り囲まれている。熱侵入をさらに減少させるために、両方の容器の間に存在する真空室に輻射シールド４が取り付けられており、この輻射シールド４は狭窄管８に取り付けられた熱伝達リングとしてのコンタクトリング１０を介してヘリウム−排出ガスによって冷却される。狭窄チューブ８は、一方では熱侵入を減少させるためにできるだけ狭くするのが望ましく、他方では排除したい事態、つまり磁石が突然常電導される事態ではない場合に、追加的に蒸発するガスが、容器２において許容できない高い圧力上昇を生ぜしめることなしに、導出できる十分な大きさの横断面を有する必要がある。
【０００４】
ヘリウム充填状態が特定の高さを下回ると、ヘリウムは搬送容器から後充填する必要がある。このことは極めて大きなコストにつながる。
【０００５】
また小型の冷却装置が存在しており、この冷却装置によって、ヘリウム浴から蒸発するヘリウムを直接的に再び低温容器に流すことができ、この冷却装置は２段式または３段以上の多段式の構成で輻射シールドを冷却するための追加的な冷却能力を提供する。そのようなクライオジェネレータの最も重要な構成は、現在ではパルス管冷凍機およびギフォード−マクマホン−冷凍機である。
【０００６】
そのようなクライオ装置は、低温冷却装置に関する限りでは、取扱が簡単で、運転が複雑でなく、かつ保守が簡単であるのが望ましい。冷却装置がパルス管冷凍機、特にギフォード−マクマホン−冷凍機であるそのようなクライオ装置では、低沸点ガスの蒸気は還流される。ここでは低沸点ガスとして、超電導技術で冷媒として用いられるヘリウムＨｅ、水素Ｈ２、ネオンＮｅ、窒素Ｎ２が考えられる。
【０００７】
そのようなクライオ装置は、請求項１の特徴部に記載の構成に基づいて形成されている。またこの装置は、簡単な実施形態では冷却装置、いわゆるコールドヘッド（Kaltkopf）から成っている。このコールドヘッドは、外側でクライオ装置にフランジ締結されており、管８つまり狭窄管８において、液化ガスのための容器３まで延びている。この場合コールド面（Kaltflaeche）としてのコールドボディ２６は、液化ガスの液面７の上方で露出されている。単段式の冷却装置全体は構造的に、供給される液化ガス−浴を高温にすることなく組み込みかつ組み外しできるように形成しかつ組み込まれている。コールドヘッドは、再生熱交換器２１とパルス管２３と、これらの間に位置する熱伝達器２５とから成っている。熱伝達器２５は、コールドボディ２６に嵌め込まれており、このコールドボディ２６は液化ガス−浴に向かって露出されている。
【０００８】
構成要素：再生熱交換器２１およびパルス管２３は、熱的に絶縁性の外套／熱シールド２０，３０，３１，３２で取り囲まれており、これによって外向きの熱的な結合は遮断されるか、またはプロセスのために確実なバリヤを維持することができる。
【０００９】
さらにその構造で多様に形成された別の冷却装置、つまりコールドヘッドは、少なくとも２段式の冷却装置であり、この冷却装置もまた狭窄管８に突入していて、液化ガス−浴の上方において最後段のコールドボディ２８で終了している。このような多段式のコールドヘッドでも、供給される液化ガス−浴を温度上昇することなしに取り付けかつ取り外しできる。コールドヘッドの各段は再生熱交換器２１もしくは２２と、パルス管２３もしくは２４と、これらの再生熱交換器とパルス管との間に位置する熱伝達器２５もしくは２７とから成っており、各熱伝達器はそれぞれ１つのコールドボディ２６もしくは２８に保持されている。外側からみて最後段のコールドボディ２８はその露出した面で、液化ガス−容器２の低温の蒸発室に突入している。各段の構成要素、つまり再生熱交換器２１もしくは２２およびパルス管２３もしくは２４は、単段式の実施形態と同様に、それぞれ１つの熱的に絶縁性の外套／熱シールド２０，３０，３１，３２で覆われている。最後段のコールドボディ２８以外の全てのコールドボディ２６は、後続の段部に向かって共軸的に、それぞれ１つの熱伝達リング１０に対向しており、この熱伝達リング１０は狭窄管８における適当な箇所で熱伝導良好に取り付けられている。各コールドボディ２６は、軸方向可動で、かつ周囲に狭いギャップを形成しつつ、理想的には一定の間隔で、コールドボディに対応配置された熱伝達リング１０に作用し、それもこの熱伝達リング１０に全く接触することはないようになっている。これによって液化ガス−浴の上方に設けられた蒸発室からコールドヘッドのフランジに向かうガス通過性の一貫した通路が生じる。多段式の、狭窄管８突入する冷却装置は、フランジカバー３３で取り付けられており、このフランジカバー３３は容器外壁３の接続フランジ９にねじ止めされており、この冷却装置は、確実な熱作用に基づいて軸方向で膨脹でき、いずれにも接触することはない。
【００１０】
従属請求項には、再凝縮装置の運転をそれぞれの状況に応じて容易にする構成手段を記載した。
【００１１】
請求項２によれば、熱的に絶縁性の単数／複数の外套シールド／熱シールド２０，３０，３１，３２が、対応配置された構成要素に対して熱伝導不良の層から成っており、この層は、使用の際に軸方向および半径方向の熱伝導を許容しないが、場合によって製造誤差を許容する。
【００１２】
図３には、外套部の一方の端面から他方の端面に向かって連続的に延びる真空室による熱絶縁原理について記載した。このために各構成要素は、熱伝導不良の薄い円筒チューブによって取り囲まれており、この円筒チューブは、形状または支持手段によってその面で安定しており、外圧（一般的には周囲圧、エラーが生じた場合、たとえば浸されたコイルの超電導状態から常電導状態への突然の移行のような場合では過圧）が、円筒チューブ自体を、取り囲まれた対象物の壁に押し付けないかまたは少なくとも大面積では押し付けない。さらに請求項４にも、熱伝導不良の単数または複数の支持装置について記載した。支持装置は形成された真空室の外壁を安定して保持する。請求項５では、螺旋状に上方から下方にかけて、またその逆で構成要素に巻き付けられた線材について記載した。そのような連続的に延びる線材の代わりに、請求項６によれば、構成要素の周りに位置し、かつ互いに接触しない複数の線材である。低温絶縁技術から公知の熱的な別の構成手段も、それが使用可能であるならば用いることができる。
【００１３】
真空室形成の別の有利な実施形態は請求項７に記載した。真空室の外壁は、それが薄い波形チューブであるので、その内法で、取り囲まれる構成要素よりも僅かに大きくなっていて、構成要素の外壁と点状に接触するか、または場合によっては局所的に短区間でライン状に接触する。このような室形成は、条溝またはライン状の補強部を備えた薄いチューブによって行うこともでき、このチューブは点状に接触するか、または場合によっては短区間にわたってライン状に接触することができる。
【００１４】
先ず請求項７に記載したように、請求項８によれば、真空室の外壁が薄い波形チューブから成っており、その内法は取り囲まれる構成要素よりも僅かに大きくなっている。この波形チューブは、熱伝導不良の、螺旋状または軸方向で構成要素の外側の外套壁に取り付けられた棒状エレメントを介して、構成要素に対して間隔を有して保持されている（請求項９）。
【００１５】
特にエラーが生じた場合に抵抗の少ないガス流のために、各コールドボディ２６に、少なくとも１つの孔３７ａが設けられており、少なくとも２つの孔が設けられる場合は、これらの孔は均等に分配された孔３７ａである（請求項１０）。
【００１６】
次に本発明の実施例を図示し、詳しく説明する。
【００１７】
図１には、２段式のパルス管冷凍機のコールドヘッドの構造と、クライオスタットへの組み込みとを概略的に示した。ここでは主な構成要素だけを示した。
【００１８】
２段式の冷凍機は、図示していないコンプレッサに通じる接続管路３５を備えた蓄冷器としての再生熱交換器２１から成っており、このコンプレッサはパルス的なガス流を送り込む。圧力は典型的には１０〜２５ｂａｒの間で変化する。再生熱交換器２１の、接続管路側とは別の端部でガス流が分配されるので、第１の部分流が第１の熱伝達器２５を通って第１のパルス管２３に供給される。第１のパルス管の、熱伝達器とは反対側の端部で、別のガス流が接続部３４を介して供給される。ガス流が適当に調節された大きさを有していて、かつ時間的なずれを有している場合、熱伝達器２５の領域に冷却作用が生じる。この冷却能力によって、輻射シールド４は、既に周囲温度よりも大きく下回る第１の温度レベルに冷却される。低温形成箇所に輻射シールド４を熱的に結合するために、熱伝達器２５は熱伝導良好な構造体、いわゆるコールド面としての第１のコールドボディ２６に組み込まれている。狭窄管８に取り付けられた熱伝達リング１０に向いた側で、第１のコールドボディ２６は周りに歯列を備えた構造を有しており、熱伝達リング１０はこれに相補的な構造を有している。このような歯列構造は構造的に次のように形成されており、すなわち第１のコールドボディ２６と熱伝達リング１０との間の、図１で垂直方向に延びる境界面の間に極めて狭いギャップが形成され、このギャップが、容器２内で蒸発するガスで充填されているように形成されている。また歯列は、垂直方向で（コールドボディと熱伝達リングとの）変位が得られるように形成されている。このような構成手段によって、一方ではこれらの間の熱的に良好な結合がもたらされ、また他方ではたとえば熱収縮率の違いによって生じる変位が得られ、必要に応じてクライオスタットの温度上昇なしにコールドヘッドの組み外しおよび組み込みを行うことができる。
【００１９】
第１の再生熱交換器２１から中間温度で流出するガスの第２の部分流は、第２の再生熱交換器２２に供給され、そこから第２の熱伝達器２７を介して第２のパルス管２４に案内される。この第２のパルス管２４の上端にもまた接続部３６を介してパルス的なガス流が供給される。これによって第２の熱伝達器２７の領域においてさらなる温度低下が生じる。従来技術ではあるが、このような冷凍機は次のように形成することができ、すなわち第１段に３０〜１００Ｋの間の温度範囲の第１の冷却能力を提供することができ、第２段に、ヘリウムの凝縮のための温度範囲の、つまり５Ｋよりも小さな温度範囲の極めて僅かな第２の冷却能力を提供することができる。第２の熱伝達器２７が、ヘリウムの蒸発側で大きな表面を有している同じく熱伝導良好な第２のコールドボディ２８に埋め込まれていると、容器２内で蒸発するヘリウムはそこで凝縮され、その下方に位置する浴に還流する。
【００２０】
パルス的なガス流による冷凍機の運転形式によれば、個々の作業サイクルの間、内圧にさらされる管の表面に僅かな温度変動が生じる。パルス管２３，２４においてこの効果は際だっている。蒸発するヘリウムに向いた側の温度変化と、局所的に制限されたこのガスの膨脹とは関連している。このことは８ａ，８ｂによって形成された容器狭窄部全体でガスの運動をもたらす。これによって結果として高温の上位の保持フランジ３３から低温ガス室７に向かって不都合なガス流が生じる。さらに再生熱交換器およびパルス管に生じるばらつきのある温度分布に関連している別の作用が生じる。これによってこれらの構成要素に同じ高さでそれぞれ異なる温度が存在することになる。これによって同様に不都合な熱伝達につながる自然対流が必然的に生ぜしめられる。
【００２１】
両方の再生熱交換器２１，２２およびパルス管２３，２４が熱的に絶縁性の外套／熱シールドとしての壁２９〜３２を備えて形成されると、このような両方の作用は回避される。このことは、熱伝導不良のプラスチック層を被覆することによって、または排気の行われた中間室を真空室に取り付けることによって行うことができる。第１の再生熱交換器を取り囲む被覆管は符号３０で、第１のパルス管の被覆管は符号２９で、第２の再生熱交換器の被覆管は符号３１で、第２のパルス管の被覆管は符号３２でそれぞれ示した。この場合の欠点は、そのような被覆管の壁によって追加的な熱流がそれぞれ低温の端部に向かって生じることである。このような作用を減少させるために、被覆管をできるだけ薄く形成する必要がある。しかしながら壁が過度に薄いと、外側から作用する圧力負荷に基づいて管が凹むリスクが生じる。これに対抗して図２ａおよび図２ｂに示した構成手段が働く。図２ａには、比較的大きな直径を有する構成要素、つまり第１の再生熱交換器２１のために、どのようにして被覆管３０が内側管２１ａ上に設けられた支持構造体によって安定されるかを例示した。別の構成手段は図２ｂに示した。この場合被覆管は薄い波形チューブとして形成されている。内法が、内側管の外径よりも僅かに大きく形成されている場合、無視できる程度の熱ブリッジとの点接触しか生じない。この被覆管は、持続的にシールすることができ、または真空ポンプに接続するための接続管路を備えることができる。
【００２２】
通常の運転では、ヘリウムガスは狭窄管８ａ，８ｂの内側で内部対流のない一定の温度分布を占め、排出ガス管路３７は閉鎖されている。障害に基づいてガス室の圧力が所定の値を超えると、排出ガス管路３７は、たとえば過圧弁を介して開放される。大きなガス量の流出が必要である場合、第１のコールド面の本体２６に孔を形成することができ、これらの孔によって外套壁８ｂを備えた下位の狭窄部分からガスが外壁８ａを備えた部分に容易に流出できる。
【００２３】
図３には、ヘリウム−還流のためのギフォード−マクマホン−冷凍機の主な構成要素を概略的に示した。ここでも２段式のギフォード−マクマホン−冷凍機を使用するために前述のものと同じような構成手段が設けられている。第１段は円筒形の構造体４１として形成されている。円筒形の構造体４１の下位端面は、第１のコールドボディ２６を成している。この第１のコールドボディに設けられた、比較的小さな直径を有する第２の円筒構造体４３は第２の段を成している。これらの円筒構造体４１，４３の内部における圧力パルスによって、またそこで行われる再生熱交換器の運動によって、外壁に温度変動が生じる。これによって生じる不都合な熱流を防止するために、両方の円筒構造体の外套面は熱的に絶縁して形成されている。図３には、波形チューブ−被覆体４２，４４を備えた絶縁手段を示した。ギフォード−マクマホン−冷凍機でも上述の別の絶縁手段を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】２つのパルス管−冷凍機を備えた装置を示す図である。
【図２ａ】間隔維持のための螺旋状の構造体を示す図である。
【図２ｂ】真空外壁としての波形チューブを示す図である。
【図３】２つのマクマホン−冷凍機を備えた装置を示す図である。
【図４】クライオスタットの原理を示す概略図である。
【符号の説明】
【００２５】
１  クライオ容器、  ２  内側容器、  ３  容器壁、  ４  輻射シールド、  ５  マグネットコイル、  ６ａ，６ｂ  給電部、  ７  液面、  ８  狭窄管、  ９  接続フランジ、  １０  コンタクトリング、  ２０  パルス管冷凍機、  ２１，２２  再生熱交換器、  ２３，２４  パルス管、  ２５，２７  熱伝達器、  ２６，２８  コールドボディ、  ２９，３０，３１，３２  被覆管、  ３３  フランジカバー、  ３４，３５，３６  ガス管路、  ３７，３７ａ  排ガス管路、  ３７ｂ  排ガス貫通孔、  ４０  ギフォード−マクマホン−冷凍機、  ４１  構造体、  ４２，４４  波形チューブ−外套、  ４３  円筒
【国際公開パンフレット】
2004537026.tif 000003
2004537026.tif 000004
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2004537026.tif 000021
2004537026.tif 000022
2004537026.tif 000023
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004537026.tif 000024
2004537026.tif 000025
【国際調査報告】
2004537026.tif 000026
2004537026.tif 000027
2004537026.tif 000028
2004537026.tif 000029
2004537026.tif 000030
2004537026.tif 000031