CN102425875B - 超低温容纳容器的连结构造 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超低温容纳容器的连结构造，其能够在抑制向被冷却物的热侵入量的基础上，抑制在超低温制冷机安装时从常温的制冷机向被冷却至超低温的被冷却物的热移动，从而能够以短时间进行制冷机的装拆及再冷却。具有连结在超低温制冷机(1)的冷却台上、并且在至少一部分有可挠部的热接触部，在该热接触部的外周部设置有热收缩率比热接触部大的热收缩环。
Description
技术领域
本发明涉及利用超低温制冷机的装置，尤其涉及在制冷机冷却型超导磁体中将被冷却物冷却至超低温的状态下能够进行制冷机的装拆的超低温容纳容器的连结构造。
背景技术
利用超低温制冷机来冷却超导磁体的制冷机冷却型超导磁体的一大特点是不需要液态氦。由于不需要液态氦，所以不需要生成液态氦过程中的耗能，能够推进节能化。这样的制冷机冷却型超导磁体由于具有不必补充液态氦、用一个按钮就能够实现超低温环境这样的方便性，所以被期待有各种各样的应用，例如应用于磁悬浮列车、强磁场环境下的物理性能测定和磁化、磁分离等。
不使用液态氦来实现超低温环境的超低温制冷机由于具有以下所述构造上的问题，所以需要定期维护。在制冷机冷却型超导磁体中通常所利用的Gifford-McMahon(GM)型制冷机中，需要每年进行一次或是每15000小时进行一次维护。其原因是，在超低温制冷机内部进行压缩、膨胀和热交换的置换器的、伴随往复运动的磨损，因此需要进行磨损部件的更换。此外，由于超低温制冷机内部所填充的氦气的纯度逐渐劣化，所以需要进行氦气的置换。
为了进行超低温制冷机的维护，需要使超低温制冷机暂时升温到室温。升温时间能够通过加热器加热而缩短，但是，存在与超低温制冷机一体化的被冷却物的温度上升的问题。此外，由于与超低温制冷机的冷却台连结的被冷却物的热容量比超低温制冷机自身的热容量大，并且超低温制冷机与被冷却物是一体的，所以存在升温时间长的问题。再者，冷却必须依赖于超低温制冷机的冷却能力，所以存在升温时间越长的系统、其冷却时间也越长的问题。
在只通过超低温制冷机冷却被冷却物的制冷机冷却型超导磁体中，进行超低温制冷机的维护时，被冷却物的温度上升，有可能变成不是超导状态，因此需要将由超导磁体产生的磁场消磁。因此，在维护中，无法发挥作为磁体的功能。为了尽早地再励磁，需要减少超导磁体的温度上升，并在短时间内再次冷却到能够励磁的温度。
以往的超低温制冷机的制冷机冷却构造如图7所示。超低温制冷机1安装在真空容器3上，是通过第二冷却台2和第一冷却台7冷却被冷却物20和隔热屏4的构造。被冷却物20和隔热屏4的周围是真空状态，从而将来自常温的真空容器3的热移动量抑制得较小。
在进行超低温制冷机1的维护时，需要将超低温制冷机1的第二冷却台2与被冷却物20的接触面、以及第一冷却台7与隔热屏4的接触面分离。为了使此时超低温制冷机1的周围为大气压，在超低温制冷机1的周围设置真空壁31。被冷却物20及隔热屏4的一部分也被作为真空容器3的一部分来使用。
用于解决该问题的维护方法大体分为两种。
第一种方法是将超低温制冷机在物理上从被冷却物分离的方法。在专利文献1记载的专利中，使超低温制冷机以推压在被冷却物上的形式与之热接触，通过松开室温部的螺钉能够使超低温制冷机与被冷却物分离。此外，在专利文献2记载的专利中，从室温部松开将超低温制冷机与被冷却物连结在一起的螺钉，能够将超低温制冷机从被冷却物分离。再有，在专利文献3记载的专利中，在超低温制冷机与被冷却物的连结部采用弹簧形状。任何一种方法的特征都在于，在被冷却物维持超低温状态的情况下将超低温制冷机与被冷却物分离。
作为第二种方法，被认为是在超低温制冷机与被冷却物连结的状态下只使超低温制冷机升温的方法。采用所谓的热开关将超低温制冷机与被冷却物热分离，并只使超低温制冷机升温。升温后更换超低温制冷机内部的置换器等，不必更换制冷机本体。
在专利文献4记载的专利中，在超低温制冷机与被冷却物之间填充作为传热介质的氦气，将其作为热开关使用。通过排出氦气，由于超低温制冷机与被冷却物之间的热连结(热连接)消失，所以能够只使超低温制冷机升温。
专利文献1：日本特开平9-287838号公报
专利文献2：日本特开2004-294041号公报
专利文献3：日本特开平1-196479号公报
专利文献4：日本特开2002-252111号公报
关于制冷机的维护提出了各种专利，但是分别存在如下问题。
在专利文献1的技术中，由于对被冷却物施加了面压力而与之接触，所以需要能够耐受该面压力的支承构造，因此支承部的截面积增大，所以存在向被冷却物的热侵入量变大的问题。在专利文献2记载的技术中，需要在超低温制冷机的冷却前使超低温制冷机的冷却台与被冷却物热接触，因此存在被冷却物的温度因制冷机的热容量而上升的问题。在专利文献3记载的技术中，在制冷机安装时，是常温的制冷机与被冷却至超低温的被冷却物热接触的形式，存在被冷却物的温度因制冷机的热容量而上升的问题。在专利文献4记载的技术中，使超低温制冷机升温到室温需要时间，所以存在到实施制冷机的维护所需要的时间变长的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超低温容纳容器的连结构造，其在制冷机冷却型超导磁体中，为了缩短维护及再冷却所需要的时间而抑制超导磁体的温度上升，在超低温制冷机安装时，抑制从常温的制冷机向被冷却至超低温的被冷却物的热移动，从而能够以短时间进行制冷机的装拆及再冷却。
为了解决上述问题，例如采用如下的结构。本发明包括多个解决上述问题的手段，作为其中的一个例子，解决所述问题的本发明的超低温容纳容器的连结构造的第一特征在于：具有连结在超低温制冷机的冷却台上的热接触部，在该热接触部的外周部设置有热收缩率比热接触部大的热收缩环。由此，由于热收缩量大的收缩环对内侧的热接触部进行紧固，所以热接触部与被冷却物的连结部的热接触良好。
此外，本发明的第二特征在于：热接触部与可挠部热接触。由于具有可挠部，所以热接触部能够容易地改变位置和角度，因此热接触部与被冷却物的连结部之间的热接触良好。
此外，本发明的第三特征在于：热接触部在圆周方向上被分割。热接触部被分割，设置在热接触部的外周上的热收缩环被冷却而收缩，由此对热接触部进行紧固。由此，热接触部与被冷却物的连结部之间的热接触良好。
此外，本发明的第四特征在于：与超低温制冷机的冷却台热接触的热接触部，在超低温制冷机的冷却台处于常温状态的情况下，在热接触部与被冷却物的连结部之间产生间隙。处于常温状态的超低温制冷机与处于超低温状态的被冷却物之间没有热接触，因此能够防止常温的超低温制冷机的热容量向处于超低温状态的被冷却物移动。
此外，本发明的第五特征在于：通过在维护后使超低温制冷机启动而将与超低温制冷机的冷却台热耦合的热接触部及热收缩环冷却，由此，热收缩环5因热收缩而缩小，从而热接触部与被冷却物的连结部自动地接触。由此，在超低温制冷机的冷却台的温度高的状态下，与超低温制冷机的冷却台热耦合的热接触部与被冷却物的连结部处于非接触状态，能够抑制从温度高的冷却台向被冷却物的连结部的热侵入，从而能够将被冷却物的温度上升抑制在最低限度。随着超低温制冷机的冷却台的温度降低，与热接触部热耦合的热收缩环逐渐热收缩，从而在某温度以下热接触部与被冷却物的连结部自动热接触。
发明效果
通过具有本发明中的超低温容纳容器的连结构造，能够抑制在超低温制冷机的维护时从处于常温状态的超低温制冷机向被冷却物的热移动，从而能够将被冷却物的温度维持在超低温状态。
在冷却超低温制冷机的过程中，通过热收缩环的热收缩，与超低温制冷机热接触的热传导机构与被冷却物自动地热接触。由于在热传导机构被超低温制冷机冷却了的状态下，热传导机构与被冷却物热接触，所以能够将被冷却物的温度上升抑制在最小限度。
附图说明
图1是表示本发明第一实施例的超低温容纳容器的连结部的剖视图。
图2是第一实施例中的第二冷却台的超低温容纳容器的连结构造的详细剖视图。
图3是第一实施例中的超低温容纳容器的连结构造的从上面观察到的剖视图。
图4是表示本发明第二实施例中的第二冷却台的超低温容纳容器的连结构造的详细剖视图。
图5是表示本发明第三实施例中的第一冷却台的超低温容纳容器的连结构造的详细剖视图。
图6是表示本发明第四实施例中的第一冷却台的超低温容纳容器的连结构造的详细剖视图。
图7是表示现有的超低温容纳容器的连结构造的剖视图。
图8是表示主要构成材料的热收缩率的一例的图(摘自获原宏康编著《低温工学概论》，东京电机大学出版社，1999年7月发行，P292)。
附图标记的说明
1 超低温制冷机
2 第二冷却台
3 真空容器
4 隔热屏
5 热收缩环
6 加热器
7 第一冷却台
11 可挠部
12 热接触部
20 被冷却物
21 连结部
31 真空壁
32 封闭空间
具体实施方式
下面，利用附图说明本发明的实施方式。
【实施例1】
图1是表示本发明的第一实施例的超低温容纳容器的连结部的剖视图。
超低温制冷机1安装在真空容器3上，是通过第二冷却台2及第一冷却台7冷却被冷却物20和隔热屏4的构造。被冷却物20及隔热屏4的周围为真空状态，因此将来自常温的真空容器3的热移动量抑制得较小。在进行超低温制冷机1的维护时，需要将超低温制冷机1的第二冷却台2与被冷却物20的接触面、以及第一冷却台7与隔热屏4的接触面分离。为了在此时使超低温制冷机1的周围从真空状态变化为大气压，在超低温制冷机1的周围设置有真空壁31。被冷却物20及隔热屏4的一部分也被作为真空容器3的一部分来使用。
超低温制冷机1例如是GM型制冷机，具有产生寒冷的第一冷却台7及第二冷却台2。第一冷却台7被冷却至30K到80K之间。此外，第二冷却台2被冷却到30K以下。
通过超低温制冷机1的第一冷却台7冷却的被冷却物主要是隔热屏4。该隔热屏4接受来自常温的真空容器3的辐射。为了减小隔热屏4受到的热辐射量，在隔热屏4与真空容器3之间设置有未图示的被称为层叠隔热材料的隔热材料。隔热屏4例如也可以被用作未图示的电流导线的热锚，也能够被应用于将经由电流导线传递到被冷却物的热传导抑制得较小。
通过超低温制冷机1的第二冷却台2，将在超低温冷却环境下动作的被冷却物20冷却。被冷却物20例如是超导磁体、SQUID应用设备。此外，也能够应用于利用超低温环境的其他设备中。
通过超低温制冷机1的第二冷却台2冷却的被冷却物20具有连结部21，通过超低温制冷机1的第二冷却台2冷却连结部21，由此将被冷却物20冷却至超低温。
通过超低温制冷机1的第一冷却台7冷却的隔热屏4具有连结部72，通过超低温制冷机1的第一冷却台7冷却连结部72，由此将隔热屏4冷却至超低温。
超低温制冷机1被固定在真空容器3上。真空容器3能够使内部成为真空状态，其通过未图示的真空泵进行真空排气。超低温制冷机1的周围通过作为分隔壁的真空壁31而形成与被冷却物20的周围的真空槽不同的封闭空间32。在拆下超低温制冷机1的情况下，使封闭空间32为大气压而拆下。此时，封闭空间32中被氦气填充，以防止在超低温部上的冷凝、结露。
在第二冷却台2，至少一处的可挠部11与被冷却物的热接触部12热耦合。同样地，在第一冷却台，至少一处的可挠部71与被冷却物的热接触部、即连结部72热耦合。可挠部11及可挠部71由无氧铜、高纯度铝等热传导率高的材料构成。可挠部11及可挠部71例如是将无氧铜线、高纯度铝线的捻线扎束而成，同时具有高热传导性和柔软性。
热接触部12及热接触部72通过热传导率高的铜、铝制成。热接触部12与可挠部11热耦合。同样地，热接触部72与可挠部72也热接触。
在热接触部12的外周设置有热收缩环5。而且，在热接触部72的外周设置有热收缩环51。热收缩环5及热收缩环51例如通过特氟龙(注册商标)等的氟类树脂、尼龙这样的高分子化合物制成。此外，在热收缩环5及热收缩环51上，与热收缩环5及热收缩环51相邻地设有加热器6及加热器61。通过热收缩环51，热接触部72与连结部91被紧固在一起。
根据图2，关于超低温制冷机1的第二冷却台2对制冷机安装时的各要素的动作进行说明。图2是第一实施例中的第二冷却台的超低温容纳容器的连结构造的详细剖视图。
第二冷却台2经由至少一部分可挠部11而与热接触部12热耦合。热接触部12是在周向上被分割了的构造，被分割的各热接触部是在半径方向上能够移动的构造。在热接触部12的外周设置有热收缩环5及加热器6。热接触部12与热收缩环5成为在周向上被分割的热接触部的至少一部分中热耦合的形式。
经由第二冷却台2和可挠部11而热耦合的热接触部12与连结部21之间被设计成在热接触部12处于常温状态的情况下产生一定的间隙。因此，在安装了常温的超低温制冷机1的状态下，第二冷却台的热接触部12与连结部21为非接触状态，不会产生从常温的冷却台2向连结部21的热移动。
在安装超低温制冷机1之后，若使超低温制冷机1动作从而使第二冷却台2的温度逐渐降低，则与第二冷却台2热耦合的热接触部12的温度也逐渐降低。而且，安装在热接触部12的外周的热收缩环5的温度也降低。
热收缩环5在超低温冷却时的热收缩率比第二冷却台的热接触部12的大。图8是表示主要构成材料的热收缩量与温度的关系的图(摘自获原宏康编著《低温工学概论》，东京电机大学出版社，1999年7月发行，P292)。
例如，在热接触部是铜的情况下，在冷却到50K左右的状态下，比常温时热收缩了0.3％左右；而在热收缩环5或热收缩环51是尼龙的情况下，在冷却到50K左右的状态下，比常温时收缩了1.4％；在是特氟龙(注册商标)的情况下，在冷却到50K的状态下，比常温时收缩了2.0％。
热接触部12随着温度降低而热收缩，但是由于热收缩环5的热收缩量比热接触部12的热收缩量大，所以热收缩环5逐渐将热接触部12紧固。伴随着热接触，在超低温制冷机1的温度高的情况下，会产生从超低温制冷机1向被冷却物20的热移动，但是由于是在超低温制冷机1被充分冷却的状态下热接触，所以热移动量小，被冷却物20的温度上升能够被抑制得小。
接下来，同样利用图1及图2对拆下制冷机的过程进行说明。
为了将处于超低温状态的连结部21与超低温制冷机1的第二冷却台2分离，对安装在热收缩环5的外周上的加热器6进行加热。由于热收缩环5的温度上升，所以热收缩环5的热收缩量变小，于是在被热收缩环5紧固的热接触部12与连结部21之间产生间隙。同样地，为了将处于超低温状态的连结部91与超低温制冷机1的第一冷却台7分离，对安装在热收缩环51的外周上的加热器61进行加热。由于热收缩环51的温度上升，所以热收缩环51的热收缩量变小，于是在被热收缩环51紧固的热接触部72与连结部91之间产生间隙。
在制冷机的第一冷却台7及第二冷却台2双方产生间隙的时刻，超低温制冷机1能够拆下。
图3是第二冷却台2中的作为热传导机构的热接触部12及热收缩环5的从上面看到的剖视图。热接触部12在周向上被分割。热接触部12与中央的连结部21热接触。在热接触部12的外周设置有热收缩环5和加热器6。
图3(a)表示对超低温制冷机的冷却台进行冷却之前、即常温状态下的热接触部12与被冷却物的连结部21之间的位置关系。在常温状态下，在热接触部12与连结部21之间具有间隙，不会发生从常温的热接触部12向处于超低温状态的连结部21的热移动。由此能够抑制制冷机连结时的被冷却物的温度上升。
图3(b)是表示对超低温制冷机的冷却台进行冷却后的热接触部12与连结部21之间的位置关系的图。通过超低温制冷机的第二冷却台2，热接触部12及热收缩环5、加热器6被冷却至超低温。热收缩环5由于被冷却至超低温，所以热收缩。热收缩环5由于热收缩而周长变短，在半径方向上收缩。例如在是内径为50mm的特氟龙(注册商标)制环的情况下，由于热收缩到50K而周长缩短2％。这意味着直径减小到49mm。由于热收缩环5的直径变小，所以热收缩环5成为紧固热接触部12的形式，热接触部12与连结部21热接触。
【实施例2】
图4是表示本发明第二实施例中的第二冷却台2的超低温容纳容器的连结构造的详细剖视图。只对与第一实施例不同的部分进行说明。
热传导机构122是从内侧和外侧两面支承热收缩环5的构造。热传导机构122与热收缩环5之间处于紧密接触状态，在超低温制冷机1的第二冷却台2的温度上升的情况下，产生热收缩环5的外周将热接触部拉离开的效果。
【实施例3】
图5是表示本发明第三实施例中的第一冷却台的超低温容纳容器的连结构造的详细剖视图。根据图5，对超低温制冷机1的第一冷却台7的超低温容纳容器的连结构造进行说明。
第一冷却台7经由至少一部分可挠部71而与热接触部72热耦合。热接触部72是在周向上被分割了的构造，被分割的各热接触部是在半径方向上能够移动的构造。在热接触部72的外周设置有热收缩环51及加热器61。热接触部72与热收缩环51成为在周向上被分割的热接触部的至少一部分中热耦合的形式。
经由第一冷却台7和可挠部71而热耦合的热接触部72与连结部91之间被设计成在热接触部72处于常温状态的情况下产生一定的间隙。因此，在安装了常温的超低温制冷机1的状态下，第一冷却台的热接触部72与连结部91为非接触状态，不会产生从常温的超低温制冷机1向连结部91的热移动。
在安装超低温制冷机1之后，若使超低温制冷机1动作从而使第一冷却台7的温度逐渐降低，则与第一冷却台7热耦合的热接触部72的温度也逐渐降低。而且，安装在热接触部72的外周上的热收缩环51的温度也降低。
热收缩环51在超低温冷却时的热收缩率比第一冷却台的热接触部72的大。热接触部72随着温度降低而热收缩，但是由于热收缩环51的热收缩量比热接触部72的热收缩量大，所以热收缩环51逐渐将热接触部72紧固。伴随着热接触，在超低温制冷机1的温度高的情况下，会产生从超低温制冷机1向隔热屏4的热移动，但是由于是在超低温制冷机1被充分冷却的状态下热接触，所以热移动量小，隔热屏4的温度上升能够被抑制得小。
接下来，同样利用图5对拆下制冷机的过程进行说明。
为了将处于超低温状态的连结部71与超低温制冷机1的第一冷却台7分离，对安装在热收缩环51的外周上的加热器61进行加热。由于热收缩环51的温度上升，所以热收缩环51的热收缩量变小，于是在被热收缩环51紧固的热接触部72与连结部91之间产生间隙。同样地，为了将处于超低温状态的连结部91与超低温制冷机的第一冷却台7分离，对安装在热收缩环51的外周上的加热器61进行加热。由于热收缩环51的温度上升，所以热收缩环51的热收缩量变小，于是在被热收缩环51紧固的热接触部72与连结部91之间产生间隙。在制冷机的第一冷却台及第二冷却台双方产生间隙的时刻，超低温制冷机1能够拆下。
【实施例4】
图6是表示本发明第四实施例中的第一冷却台7的超低温容纳容器的连结构造的详细剖视图。
热传导机构78是从内侧和外侧两面支承热收缩环51的构造。热传导机构78与热收缩环51之间处于紧密接触状态，在超低温制冷机1的第一冷却台7的温度上升的情况下，产生热收缩环51的外周将热接触部78拉离开的效果。
另外，本发明并不限于上述的实施例，包括各种变形例。例如，上述的实施例是为了以容易理解的方式说明本发明而详细说明的，并不限于必须具有所说明的全部的构成。此外，能够将某实施例的构成的一部分置换成其他的实施例的构成，而且还能够在某实施例的构成中加入其他实施例的构成。此外，关于各实施例的构成的一部分，能够进行其他构成的追加、删除、置换。
此外，关于上述的各构成、功能、处理部、处理机构等，它们的一部分或是全部可以通过在集成电路上进行设计等而由硬件实现。此外，上述的各构成、功能等也可以通过处理器解释、执行实现各自功能的程序而由软件实现。实现各功能的程序、图表、文件等信息能够被置于存储器、硬盘、SSD(Solid State Drive；固态驱动器)等的存储装置、或是IC卡、SD卡、DVD等的存储介质中。
Claims (6)
1.一种超低温容纳容器的连结构造，所述超低温容纳容器具有：
真空容器，在内部收纳被冷却物；
隔热屏，设置在所述被冷却物与所述真空容器之间；和
超低温制冷机，具有将所述被冷却物及所述隔热屏冷却至超低温的冷却台，并且经由连结构造连结在所述真空容器上，
所述超低温容纳容器的连结构造的特征在于，
在所述连结构造中，具有连结在所述冷却台上的热接触部，在该热接触部的外周部设置有热收缩率比热接触部大的热收缩环，
在所述热收缩环上，与所述热收缩环相邻地设有加热器，
所述冷却台具有第一冷却台和第二冷却台，
所述连结构造具有所述隔热屏与所述超低温制冷机的第一冷却台的连结部、以及所述被冷却物与所述超低温制冷机的第二冷却台的连结部，
在所述两个连结部中，具有分别与所述超低温制冷机的第一冷却台以及所述超低温制冷机的第二冷却台连结的热接触部，在所述热接触部的外周部设置有热收缩率比所述热接触部大的热收缩环。
2.如权利要求1所述的超低温容纳容器的连结构造，其特征在于，
所述热接触部具有至少一部分的可挠部。
3.如权利要求1所述的超低温容纳容器的连结构造，其特征在于，
所述热接触部在圆周方向上被分割。
4.如权利要求1所述的超低温容纳容器的连结构造，其特征在于，
在所述超低温制冷机的第一冷却台与所述隔热屏之间，在超低温制冷机处于常温状态的情况下产生间隙，在超低温制冷机的第一冷却台直至成为超低温状态的过程中，通过热收缩环的热收缩，热接触部与隔热屏自动地热接触。
5.如权利要求1所述的超低温容纳容器的连结构造，其特征在于，
在所述超低温制冷机的第二冷却台与所述被冷却物之间，在超低温制冷机处于常温状态的情况下产生间隙，在超低温制冷机的第二冷却台直至成为超低温状态的过程中，通过热收缩环的热收缩，热接触部与被冷却物自动地热接触。
6.一种超低温容纳容器，具有权利要求1至权利要求5中任一项所述的超低温容纳容器的连接构造。
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