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Technisches Gebiet der Erfindung
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Im Allgemeinen beziehen sich Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung auf eine kryogene Kühlvorrichtung zum Kühlen eines auf eine kryogene Temperatur zu kühlenden Objekts.
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Hintergrund der Erfindung
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Damit ein supraleitender Zustand aufrechterhalten wird, besteht der Bedarf nach einer Technik zum stabilen Kühlen eines Kühlobjekts, wie etwa ein supraleitender Magnet, auf eine kryogene Temperatur von 80K oder weniger unter Verwendung eines Kältegeräts oder eines Kryogens, wie etwa flüssiges Helium. Das Kühlverfahren zum Verwenden eines Kältegeräts ist leicht zu handhaben, sodass sein Anwendungsbereich in den vergangenen Jahren zugenommen hat.
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Dieses Kältegerät benötigt ungefähr einmal im Jahr eine Wartung, wie etwa einen Austausch seiner Gleitdichtung, und es ist erforderlich, die Inhalte des Kältegeräts durch Demontage während der Wartungsarbeit herauszunehmen. Wenn die Wartungsarbeit in einem Zustand durchgeführt wird, in welchem der supraleitende Magnet gekühlt ist, dann besteht die Möglichkeit, dass das Innere des Kältegeräts gefriert und die Leistung des Kältegeräts abnimmt.
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Demzufolge ist es erforderlich, die Temperatur eines supraleitenden Magnets auf Raumtemperatur zu erhöhen, wobei es dann allerdings Zeit braucht, einen großen supraleitenden Magneten wieder zu kühlen. In einigen Fällen benötigt es mehrere Wochen, einen großen supraleitenden Magneten wieder zu kühlen. Aus diesem Grund ist eine kryogene Kühlvorrichtung vorgeschlagen worden, bei welcher ihr Kältegerät in einem Zustand ausgetauscht wird, in welchem ein Kühlen ihres supraleitenden Magneten aufrechterhalten wird.
[Patentschrift 1]
JP2004-53068A
[Patentschrift 2]
JP2007-303814A -
Allerdings besteht bei der herkömmlichen kryogenen Kühlvorrichtung, die ihr Kältegerät ersetzt, während der Kühlzustand aufrechterhalten wird, das Problem, dass ihre Kühlleistung des Kühlobjekts verringert ist. Das liegt daran, dass der Kontakt aufgrund von Fehlern bei der Montage von jeweiligen Komponenten und/oder einer durch Wärmeschrumpfung verursachten Abweichung unzureichend wird, und somit die Leitfähigkeit der in dem Kältegerät erzeugten kalten Wärme verschlechtert wird.
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Angesichts des vorstehend beschriebenen Problems besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine kryogene Kühlvorrichtung bereitzustellen, die eine exzellente Kühlleistung eines Kühlobjekts aufweist und sein Kältegerät ersetzen kann, während der Kühlzustand aufrechterhalten wird.
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Figurenliste
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- 1 ist ein Konfigurationsdiagramm, das eine kryogene Kühlvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
- 2 ist ein schematisches Diagramm, das einen Zustand darstellt, in welchem das Kältegerät von der kryogenen Kühlvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel gelöst ist;
- 3A ist ein schematisches Diagramm eines Beispiels zum Darstellen eines Zustands, in welchem ein Kältegerät an der kryogenen Kühlvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel angebracht ist;
- 3B ist ein schematisches Diagramm eines Vergleichsbeispiels zum Darstellen eines Zustands, in welchem ein Kältegerät an einer nicht mit einem ersten Faltenbalg ausgerüsteten kryogenen Kühlvorrichtung angebracht ist;
- 4A ist ein schematisches Diagramm eines Vergleichsbeispiels zum Darstellen von Kühleigenschaften einer kryogenen Kühlvorrichtung, bei welcher ein Kommunikationsraum nicht durch einen ersten Faltenbalg ausgebildet ist;
- 4B ist ein schematisches Diagramm eines ersten Beispiels der kryogenen Kühlvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zum Darstellen seiner Kühleigenschaften;
- 4C ist ein schematisches Diagramm eines zweiten Beispiels der kryogenen Kühlvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zum Darstellen seiner Kühleigenschaften;
- 5 ist ein Konfigurationsdiagramm, das eine kryogene Kühlvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
- 6 ist ein schematisches Diagramm, das den Zustand darstellt, in welchem das Kältegerät von der kryogenen Kühlvorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel gelöst ist; und
- 7 ist ein Konfigurationsdiagramm eines Regulierungselements, das den Dehnungsbetrag des Faltenbalgs reguliert.
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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(Erstes Ausführungsbeispiel)
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Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
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1 ist ein Konfigurationsdiagramm, das eine kryogene Kühlvorrichtung 10A (10) gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
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2 ist ein schematisches Diagramm der kryogenen Kühlvorrichtung 10A gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zum Darstellen eines Zustands, in welchem sein Kältegerät 20A von der kryogenen Kühlvorrichtung 10A gelöst ist.
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Wie in 1 (und 2 nach Bedarf) gezeigt, umfasst die kryogene Kühlvorrichtung 10A einen Vakuumbehälter 16, einen ersten Faltenbalg 31, einen Flansch 34, eine Hülse 51, einen Wärmeübertragungsblock 61 und einen zweiten Faltenbalg 32. Der Vakuumbehälter 16 bildet einen luftdichten Raum 15 aus, der ein Vakuum ausbilden kann, und bringt ein Kühlobjekt 11 in seinem Inneren unter. Der erste Faltenbalg 31 ist mit einem Umfangsabschnitt einer in dem Vakuumbehälter 16 vorgesehenen Öffnung 17 verbunden, und bildet einen ausdehnbaren und zusammenziehbaren Kommunikationsraum 18 aus, welcher in Kontakt zu der Atmosphäre an seinem Außenumfang steht und räumlich mit dem luftdichten Raum 15 an seinem Innenumfang verbunden ist. Der Flansch 34 ist an der Spitze des ersten Faltenbalgs 31 an der der Öffnung 17 des Vakuumbehälters 16 gegenüberliegenden Seite vorgesehen und fixiert das Kältegerät 20A. Die Hülse 51 ist mit dem Umfangsabschnitt einer Öffnung 35 des Flansches 34, in welcher das Kältegerät 20A eingeführt ist, verbunden, und bildet einen Unterbringungsraum 41 aus, welcher in Kontakt zu dem luftdichten Raum 15 an seinem Außenumfang steht, und das Kältegerät 20A in seinem Inneren unterbringt. Der Wärmeübertragungsblock 61 ist an dem Ende der Hülse 51 an der dem Flansch 34 gegenüberliegenden Seite vorgesehen und mit dem Kühlobjekt 11 thermisch gekoppelt, indem er in Kontakt zu einem Kühlblock 21 des Kältegeräts 20A gebracht ist. Der zweite Faltenbalg 32 ist in einem Teil der Hülse 51 ausgebildet und dehnt den Unterbringungsraum 41 aus oder zieht diesen zusammen, in Abhängigkeit von dem einzuführenden Kältegerät 20A.
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Im Inneren des Vakuumbehälters 16 ist ein durch ein nicht dargestelltes Stützelement fixiertes Kühlobjekt 11 (z.B. supraleitende Spule) untergebracht. Das Material und die Form des nicht dargestellten Stützelements werden derart ausgewählt, dass die Wärmeübertragung von der Außenseite des Vakuumbehälters 16 zu dem Kühlobjekt 11 minimiert ist und die thermische Leitfähigkeit klein wird, während seine mechanische Steifigkeit aufrechterhalten wird. Außerdem wird der Druck im Inneren des Vakuumbehälters 16 unter Verwendung einer nicht dargestellten Vakuumvorrichtung herabgesetzt, und dann wird das Kühlobjekt 11 einer Vakuumisolierung unterzogen, welche ermöglicht, die Wärmeübertragung von dem Vakuumbehälter 16 zu dem Kühlobjekt 11 über den luftdichten Raum 15 zu unterdrücken.
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Wie in 2 gezeigt, ist das Kältegerät 20A ein einstufiges Kältegerät, und seine äußere Erscheinung besteht aus einer Antriebseinheit 23, einem Montageflansch 24, einem Kühlzylinder 25 und einem Kältekopf 26. Das Kältegerät 20A dehnt Arbeitsgas im Inneren des Kühlzylinders 25 adiabatisch aus und erzeugt kalte Wärme von 40 bis 70K an der Spitze des Kältekopfes 26. Beispielsweise umfassen Typen des zu verwendenden Kältegeräts 20A ein GM (Gifford-McMahon)-Kältegerät, ein Solvay-Kältegerät und ein Impulsröhrenkältegerät.
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Der Kältekopf 26 ist mit einem Kühlblock 21 versehen, der eine konische Kontaktoberfläche 21a aufweist. Die Kontaktoberfläche 21a des Kühlblocks 21 kontaktiert eine Kontaktoberfläche 61a eines Wärmeübertragungsblocks 61, wobei die Kontaktoberfläche 61a eine umgekehrte Form mit Bezug zu der Kontaktoberfläche 21a derart aufweist, dass der Kühlblock 21 in den Wärmeübertragungsblock 61 passt. Die Kontaktoberfläche 21a überträgt die durch das Kältegerät 20A erzeugte kalte Wärme zu dem Wärmeübertragungsblock 61. Das Kältegerät 20A mit einer solchen Konfiguration wird an der Kühlvorrichtung angebracht und von dieser gelöst, während der Vakuumzustand aufrechterhalten wird, ohne dass der luftdichte Raum 15 zu dem atmosphärischen Druck zurückkehren muss.
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Die Konfiguration der Hauptkörperseite der kryogenen Kühlvorrichtung 10A wird unter Bezugnahme auf 2 beschrieben.
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Der Flansch 34 ist luftdicht an dem Montageflansch 24 des Kältegeräts 20A, welches in die Öffnung 35 eingeführt ist, unter Verwendung von Befestigungselementen wie etwa Bolzen (nicht gezeigt) befestigt. Ein Ende der Hülse 51 ist mit dem Umfang der Öffnung 35 des Flansches 34 durch z.B. Schweißen verbunden. Ferner ist ein Ende des ersten Faltenbalgs 31 mit der Außenumfangskante des Flansches 34 verbunden.
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Ein Ende des ersten Faltenbalgs 31 ist mit dem Umfangsabschnitt der Öffnung 17 des Vakuumbehälters 16 verbunden, und das andere Ende des ersten Faltenbalgs 31 ist mit der Außenumfangskante des Flansches 34 verbunden. Der erste Faltenbalg 31 stützt den Flansch 34 mit Bezug zu dem Vakuumbehälter 16 elastisch. Demzufolge bildet der erste Faltenbalg 31 einen ausdehnbaren und zusammenziehbaren Kommunikationsraum 18 aus, der mit dem luftdichten Raum 15 durch seine Innenumfangsoberfläche, der Außenumfangsoberfläche der Hülse 51 und der unteren Oberfläche des Flansches 34 räumlich verbunden ist.
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Da der erste Faltenbalg 31 wie vorstehend beschrieben konfiguriert ist, kann die relativ fixierte Position des Kältegeräts 20A mit Bezug zu dem Vakuumbehälter 16 eingestellt werden, während eine Luftdichtheit des luftdichten Raums 15 des Vakuumbehälters 16 und eine Luftdichtheit des Unterbringungsraums 41 der Hülse 51 aufrechterhalten werden.
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Ein Ende der Hülse 51 ist mit dem Umfangskantenabschnitt der Öffnung 35 des Flansches 34 verbunden, und das andere Ende der Hülse 51 ist mit der Außenumfangskante des Wärmeübertragungsblocks 61 verbunden. Die Innenumfangsoberfläche der Hülse 51 und die obere Oberfläche des Wärmeübertragungsblocks 61 bilden den Unterbringungsraum 41 zum Unterbringen des Kältegeräts 20A aus, das aus der Öffnung 35 des Flansches 35 einzuführen ist. Die Öffnung 35 des Flansches 34 ist mit dem Montageflansch 24 des Kältegeräts 20 hermetisch abgedichtet, und somit wird der Unterbringungsraum 41 ein hermetisch abgedichteter Raum, der von Außenluft und dem luftdichten Raum 15, in welchem der Kühlkörper 11 vorliegt, isoliert ist.
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Der zweite Faltenbalg 32 ist an einem Teil des Körpers der Hülse 51 ausgebildet und dehnt diesen Körper elastisch aus und zieht ihn zusammen. Da ein Teil des Körpers der Hülse 51 durch den zweiten Faltenbalg 32 ausgebildet ist, kann der Unterbringungsraum 41 gemäß dem eingeführten Kältegerät 20A ausgedehnt und zusammengezogen werden. Folglich werden ein Dimensionsfehler des Kältegeräts 20A, eine Abweichung des Einführwinkels, eine Abweichung aufgrund eines thermischen Zusammenziehens zum Zeitpunkt eines Kühlens, oder eine Montageabweichung des Kühlblocks 21 absorbiert, sodass sowohl die Luftdichtheit des Unterbringungsraums 41 als auch die Kontaktfähigkeit zwischen dem Kühlblock 21 und dem Wärmeübertragungsblock 61 erzielt werden können.
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Der Wärmeübertragungsblock 61 weist eine Kontaktoberfläche 61a mit einer mit Bezug zu der Kontaktoberfläche 21a des Kühlblocks 21 umgekehrten Form auf, und ein Ende der Hülse 51 ist mit der Außenkante der Kontaktoberfläche 61a verbunden. Der Wärmeübertragungsblock 61 ist mit dem Kühlobjekt 11 an der gegenüberliegenden Seite der Kontaktoberfläche 61a verbunden und koppelt das Kältegerät 20A und das Kühlobjekt 11 thermisch.
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Der Unterbringungsraum 41 ist mit Gas (z.B. Heliumgas) mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit in dem Gasphasenzustand in dem voreingestellten Temperaturbereich gefüllt, sodass die durch das Kältegerät 20A erzeugte kalte Wärme zu dem Wärmeübertragungsblock 61 effizient übertragen wird. Der Wärmeübertragungsblock 61 und der Kühlblock 21 des in dem Unterbringungsraum 41 untergebrachten Kältegeräts 20A können eine große Kontaktfläche zueinander aufweisen, und ein hochwärmeleitfähiges Gas füllt die in der Nähe des Kontaktabschnitts ausgebildete Lücke. Somit wird ein zufriedenstellender Wärmeübertragungspfad ausgebildet.
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3A und 3B simulieren einen Fall, in welchem der Kühlblock 21 an dem Kältekopf 26 des Kältegeräts 20A in einer geneigten Weise angebracht ist. 3A ist ein schematisches Diagramm eines Beispiels zum Darstellen eines Zustands, in welchem das Kältegerät 20A an der kryogenen Kühlvorrichtung 10A gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel angebracht ist. 3B ist ein schematisches Diagramm eines Vergleichsbeispiels zum Darstellen eines Zustands, in welchem das Kältegerät 20A an einer nicht mit einem ersten Faltenbalg ausgerüsteten kryogenen Kühlvorrichtung angebracht ist.
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Es wird in dem in 3A gezeigten Beispiel angenommen, dass das Kältegerät 20A in dem Unterbringungsraum 41 eingeführt ist, und der schräg angebrachte Kühlblock 21 in Kontakt zu dem Wärmeübertragungsblock 61 gebracht ist. In diesem Fall sind der erste Faltenbalg 31 und der zweite Faltenbalg 32 verformt, und dadurch ist der Flansch 34 mit dem daran fixierten Kältegerät 20A mit Bezug zu der vertikalen oder horizontalen Richtung in geeigneter Weise geneigt. Folglich wird die Neigung des Kühlblocks 21 absorbiert.
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Ferner wird das Kältegerät 20A aufgrund der Druckdifferenz zwischen dem Atmosphärendruck außerhalb des Vakuumbehälters 16 und dem Innendruck des luftdichten Raums 15 und dem Kommunikationsraum 18 zu dem Wärmeübertragungsblock 61 hin stark angezogen. Demzufolge wird die Lücke zwischen dem Kühlblock 21 und dem Wärmeübertragungsblock 61 verringert, der Kontakt dazwischen wird in zufriedenstellender Weise aufrechterhalten, und der thermische Widerstand wird verringert.
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Im Gegensatz dazu wird bei dem in 3B gezeigten Vergleichsbeispiel eine Verformung sowohl des ersten Faltenbalgs (welcher nicht in dem Vergleichsbeispiel vorgesehen ist) als auch des zweiten Faltenbalgs 32 in der vorliegenden Erfindung nicht garantiert, und somit kann die Neigung des Kühlblocks 21 nicht absorbiert werden. Folglich wird an dem Kontakt zwischen dem Wärmeübertragungsblock 61 und dem Kühlblock 21 eine große Lücke erzeugt. Obwohl lediglich der zweite Faltenbalg 32 in dem Vergleichsbeispiel von 3B vorgesehen ist, gilt dasselbe für den Fall, dass lediglich der erste Faltenbalg 31 vorgesehen ist. D.h., für den Fall, dass lediglich der erste Faltenbalg 31 vorgesehen ist, kann die Neigung des Kühlblocks 21 nicht ähnlich absorbiert werden, wodurch der Kontakt nicht zufriedenstellend wird und den thermischen Widerstand erhöht.
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Obwohl 3A und 3B die Fälle darstellen, in welchen der Kühlblock 21 geneigt montiert ist, liegen andere Fälle vor, in welchen der Kontakt zwischen dem Kühlblock 21 und dem Wärmeübertragungsblock 61 zufriedenstellend aufrechterhalten werden kann, indem ein Dimensionsfehler und/oder eine Abweichung, wie nachstehend beschrieben, absorbiert werden. Beispielsweise für den Fall, dass das Kühlobjekt 11 mit dem daran verbundenen Wärmeübertragungsblock 61 an der Position gestützt wird, die von der idealen Position mit Bezug zu dem Vakuumbehälter 16 abweicht, kann der Kontakt zwischen dem Kühlblock 21 und dem Wärmeübertragungsblock 61 zufriedenstellend aufrechterhalten werden, indem die Positionsabweichung absorbiert wird. Auch für den Fall, dass ein Dimensionsfehler von anderen Vorrichtungen, eine Abweichung des Einführwinkels des Kältegeräts 20A oder eine Abweichung aufgrund einer Wärmeschrumpfung während eines Kühlens auftritt, kann der vorstehend beschriebene Kontakt zufriedenstellend aufrechterhalten werden, indem ein solcher Dimensionsfehler oder eine Abweichung absorbiert werden.
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4A ist ein schematisches Diagramm eines Vergleichsbeispiels zum Darstellen von Kühleigenschaften einer kryogenen Kühlvorrichtung, in welcher ein Kommunikationsraum nicht durch den ersten Faltenbalg 31 ausgebildet ist.
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4B ist ein schematisches Diagramm eines ersten Beispiels der kryogenen Kühlvorrichtung 10A gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zum Darstellen seiner Kühleigenschaften.
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4C ist ein schematisches Diagramm eines zweiten Beispiels der kryogenen Kühlvorrichtung 10B gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zum Darstellen seiner Kühleigenschaften. In dem auf der rechten Seite von jeder von 4A bis 4C gezeigten Graph der Kühleigenschaften ist die Temperaturverteilung an der Grenzposition mit dem Kältegerät 20A in dem Unterbringungsraum 41 durch die unterbrochene Linie angezeigt, und die Temperaturverteilung an der Grenzposition mit der Hülse 51 ist durch die durchgezogene Linie angezeigt. Pfeile in den jeweiligen Graphen zeigen die Richtung und den Betrag des Wärmeflusses an.
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Die Konfiguration des in 4A gezeigten Vergleichsbeispiels unterscheidet sich von dem ersten und dem zweiten Beispiel darin, dass die Hülse 51, an welcher der zweite Faltenbalg 32 ausgebildet ist, nicht mit der Öffnung 35 des Flansches 34, sondern mit der Öffnung 17 des Vakuumbehälters 16 verbunden ist. Demzufolge liegt in dem Vergleichsbeispiel kein durch den Innenumfang des ersten Faltenbalgs 31 und den Außenumfang der Hülse 51 ausgebildeter Kommunikationsraum 18 wie in den Beispielen vor.
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Aus diesem Grund ist in dem Vergleichsbeispiel von 4A der Unterbringungsraum 41 lediglich über dem ersten Faltenbalg 31 in Kontakt zu der Außenluft, und somit ist es unumgänglich, dass der Temperaturgradient in der horizontalen Richtung des Unterbringungsraums 41, wie in dem Kühleigenschaftsgraph gezeigt, groß wird. Somit liegt in dem Vergleichsbeispiel eine hohe Wärmeeindringung in den Unterbringungsraum 41 vor.
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Im Gegensatz dazu ist in dem in 4B gezeigten ersten Beispiel der Raum zwischen der Außenluft und dem Unterbringungsraum 41 durch den Kommunikationsraum 18 vakuumisoliert, und somit wird der Temperaturgradient in der horizontalen Richtung des Unterbringungsraums 41, wie in dem Kühleigenschaftsgraph angezeigt, klein. Somit wird in dem ersten Beispiel eine Wärmeeindringung in den Unterbringungsraum 41 verringert. Der Betrag der Wärmeeindringung wurde gemessen, und das Ergebnis betrug 17W für das Vergleichsbeispiel und 7W für das erste Beispiel. In dem ersten Beispiel wurde eine Wärmeeindringung auf die Hälfte oder weniger des Vergleichsbeispiels verringert. Demzufolge ist die kryogene Kühlvorrichtung 10A des ersten Beispiels 1 dem Vergleichsbeispiel hinsichtlich einer Kühlleistung des Kühlobjekts 11 überlegen (1).
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In der kryogenen Kühlvorrichtung 10B von 4C ist ein Ende des zweiten Faltenbalgs 32, das einen Teil der Hülse 51 ausbildet, direkt mit der Öffnung 35 des Flansches 34 verbunden. Folglich ist der Kommunikationsraum 18 durch den Außenumfang des zweiten Faltenbalgs 32 und den Innenumfang des ersten Faltenbalgs 31 ausgebildet. Somit ist in dem in 4C gezeigten zweiten Beispiel der Temperaturgradient in der horizontalen Richtung des Unterbringungsraums 41, wie in dem Kühleigenschaftsgraph gezeigt, weiter verringert, und somit ist die Wärmeeindringung in den Unterbringungsraum 41 weiter verringert. Demzufolge ist in der kryogenen Kühlvorrichtung 10B des zweiten Beispiels die Kühlleistung des Kühlobjekts (1) im Vergleich zu dem ersten Beispiel weiter verbessert.
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(Zweites Ausführungsbeispiel)
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Im Folgenden wird ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf 5 und 6 beschrieben.
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5 ist ein Konfigurationsdiagramm, das die kryogene Kühlvorrichtung 10C gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
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6 ist ein schematisches Diagramm, das den Zustand darstellt, in welchem das Kältegerät 20B von der kryogenen Kühlvorrichtung 10C gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel gelöst ist.
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In 5 und 6 sind dieselben Bezugszeichen denselben Komponenten in 1 hinsichtlich Konfiguration oder Funktion zugewiesen, und es wird auf eine doppelte Beschreibung verzichtet. In diesem Zusammenhang ist lediglich eine Hülse 51 in dem ersten Ausführungsbeispiel vorgesehen, während eine erste und eine zweite Hülse in dem zweiten Ausführungsbeispiel vorgesehen sind, aber die erste Hülse des zweiten Ausführungsbeispiels ist funktional dieselbe wie die Hülse 51 des ersten Ausführungsbeispiels, und wird als „die erste Hülse 51“ bezeichnet.
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In ähnlicher Weise ist lediglich ein Wärmeübertragungsblock 61 in dem ersten Ausführungsbeispiel vorgesehen, während ein erster und ein zweiter Wärmeübertragungsblock in dem zweiten Ausführungsbeispiel vorgesehen sind, aber der erste Wärmeübertragungsblock des zweiten Ausführungsbeispiels ist funktional derselbe wie der Wärmeübertragungsblock 61 des ersten Ausführungsbeispiels, und wird als „der erste Wärmeübertragungsblock 61“ bezeichnet.
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In ähnlicher Weise ist lediglich ein Unterbringungsraum 41 in dem ersten Ausführungsbeispiel vorgesehen, während ein erster und ein zweiter Unterbringungsraum in dem zweiten Ausführungsbeispiel vorgesehen sind, aber der erste Unterbringungsraum des zweiten Ausführungsbeispiels ist funktional derselbe wie der Unterbringungsraum 41 des ersten Ausführungsbeispiels, und wird als „der erste Unterbringungsraum 41“ bezeichnet.
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Wie in 5 (und nach Bedarf in 6) gezeigt, umfasst die kryogene Kühlvorrichtung 10C den Vakuumbehälter 16, den ersten Faltenbalg 31, den Flansch 34, die erste Hülse 51, den ersten Wärmeübertragungsblock 61 und den zweiten Faltenbalg 32. Der Vakuumbehälter 16 bildet einen luftdichten Raum 15a aus, der ein Vakuum ausbilden kann, und bringt ein erstes Kühlobjekt (Wärmeabschirmelement) 11 in seinem Inneren unter. Der erste Faltenbalg 31 ist mit dem Umfangsabschnitt der in dem Vakuumbehälter 16 vorgesehenen Öffnung 17 verbunden und bildet den ausdehnbaren und zusammenziehbaren Kommunikationsraum 18 aus, welcher in Kontakt zu der Atmosphäre an seinem Außenumfang steht und räumlich mit dem luftdichten Raum 15a an seinem Innenumfang verbunden ist. Der Flansch 34 ist an der Spitze des ersten Faltenbalgs 31 an der der Öffnung 17 des Vakuumbehälters 16 gegenüberliegenden Seite vorgesehen und fixiert das Kältegerät 20B. Die erste Hülse 51 ist mit dem Umfangsabschnitt der Öffnung 35 des Flansches 34, in welcher das Kältegerät 20B eingeführt ist, verbunden, und der Innenumfang der ersten Hülse 51 bildet einen ersten Unterbringungsraum 41, der das Kältegerät 20B unterbringt, aus. Der erste Wärmeübertragungsblock 61 ist an dem Ende der ersten Hülse 51 an der dem Flansch 34 gegenüberliegenden Seite vorgesehen, in Kontakt zu einem ersten Kühlblock 21 des Kältegeräts 20B gebracht, und mit einem ersten Kühlobjekt (Wärmeabschirmelement) 11 thermisch gekoppelt. Der zweite Faltenbalg 32 ist in einem Teil der ersten Hülse 51 ausgebildet und dehnt den ersten Unterbringungsraum 41 aus oder zieht diesen zusammen, in Abhängigkeit von dem einzuführenden Kältegerät 20B.
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In dem zweiten Ausführungsbeispiel ist ein zweites Kühlobjekt (supraleitende Spule) 12 in einem Raum 15b untergebracht, der durch ein erstes Kühlobjekt (Wärmeabschirmelement) 11 umgeben ist. In dem Kältegerät 20B ist ein zweiter Kühlblock 22 vorgesehen, der auf eine Temperatur eingestellt ist, die niedriger als die des ersten Kühlblocks 21 ist.
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Die kryogene Kühlvorrichtung 10C umfasst ferner eine zweite Hülse 52, einen zweiten Wärmeübertragungsblock 62 und einen dritten Faltenbalg 33. Die zweite Hülse 52 ist mit dem Umfangsabschnitt der Öffnung 63 des ersten Wärmeübertragungsblocks 61 verbunden, in welcher das Kältegerät 20B eingeführt ist, und bildet einen zweiten Unterbringungsraum 42 aus, der in Kontakt zu dem Raum 15b im Inneren des ersten Kühlobjekts (Wärmeabschirmelement) 11 an seinem Außenumfang steht und das Kältegerät 20B in seinem Inneren unterbringt. Der zweite Wärmeübertragungsblock 62 ist an der Spitze der zweiten Hülse 52 an der dem ersten Wärmeübertragungsblock 61 gegenüberliegenden Seite vorgesehen, in Kontakt zu dem zweiten Kühlblock 22 des Kältegeräts 20B gebracht, und thermisch mit dem zweiten Kühlobjekt (d.h., supraleitende Spule) 12 gekoppelt. Der dritte Faltenbalg 33 ist in einem Teil der zweiten Hülse 52 ausgebildet und dehnt den zweiten Unterbringungsraum 42 aus oder zieht diesen zusammen, in Abhängigkeit von dem einzuführenden Kältegerät 20B. Die supraleitende Spule (d.h., das zweite Kühlobjekt) 12 und der zweite Wärmeübertragungsblock 62 sind über eine aus einem hochreinen Aluminium oder Kupfer hergestellte flexible Wärmeübertragungsplatte 65 thermisch miteinander verbunden.
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Wie in 6 gezeigt, ist das Kältegerät 20B ein zweistufiges Kältegerät, und seine äußere Erscheinung besteht aus der Antriebseinheit 23, dem Montageflansch 24, dem ersten Kühlzylinder 25 (welcher derselbe wie der Kühlzylinder 25 in dem ersten Ausführungsbeispiel ist), einem ersten Kältekopf 26 (welcher derselbe wie der Kältekopf 26 in dem ersten Ausführungsbeispiel ist), einem zweiten Kühlzylinder 27 und einem zweiten Kältekopf 28. Das Kältegerät 20B dehnt das Arbeitsgas im Inneren des ersten Kühlzylinders 25 adiabatisch aus, und erzeugt eine kalte Wärme von 40 bis 70K an der Spitze des ersten Kältekopfes 26. Ferner dehnt das Kältegerät 20B das auf 40 bis 70K gekühlte Arbeitsgas im Inneren des zweiten Kühlzylinders 27 adiabatisch aus, und erzeugt eine kalte Wärme von 20 bis 40K an der Spitze des zweiten Kältekopfes 28. Beispielsweise umfassen Typen des zu verwendenden Kältegeräts 20B ein GM (Gifford-McMahon)-Kältegerät, ein Solvay-Kältegerät, und ein Impulsröhrenkältegerät.
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In dem ersten Kältekopf 26 ist der erste Kühlblock 21 mit der konischen Kontaktoberfläche 21a vorgesehen. Die Kontaktoberfläche 21a des ersten Kühlblocks 21 kontaktiert die Kontaktoberfläche 61a des ersten Wärmeübertragungsblocks 61, wobei die Kontaktoberfläche 61a eine umgekehrte Form mit Bezug zu der Kontaktoberfläche 21a derart aufweist, dass der erste Kühlblock 21 in den ersten Wärmeübertragungsblock 61 passt. Die Kontaktoberfläche 21a überträgt die durch den ersten Kühlzylinder 25 erzeugte kalte Wärme an den ersten Wärmeübertragungsblock 61.
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In dem zweiten Kältekopf 28 ist der zweite Kühlblock 22 mit einer konischen Kontaktoberfläche 22a vorgesehen. Die Kontaktoberfläche 22a des zweiten Kühlblocks 22 kontaktiert eine Kontaktoberfläche 62a des zweiten Wärmeübertragungsblocks 62, wobei die Kontaktoberfläche 62a eine umgekehrte Form mit Bezug zu der Kontaktoberfläche 22a derart aufweist, dass der zweite Kühlblock 22 in den zweiten Wärmeübertragungsblock 62 passt. Die Kontaktoberfläche 22a überträgt die durch den zweiten Kühlzylinder 27 erzeugte kalte Wärme an den zweiten Wärmeübertragungsblock 62.
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Die Konfiguration der Hauptkörperseite der kryogenen Kühlvorrichtung 10C wird unter Bezugnahme auf 6 beschrieben. Der Flansch 34 ist an dem Montageflansch 24 des Kältegeräts 20B, welches in die Öffnung 25 eingeführt ist, luftdicht befestigt, indem Befestigungselemente, wie etwa Bolzen (nicht gezeigt), verwendet werden. Ein Ende der ersten Hülse 51 ist mit dem Umfang der Öffnung 25 des Flansches 34 durch z.B. Schweißen verbunden. Ferner ist ein Ende des ersten Faltenbalgs 31 mit der Außenumfangskante des Flansches 34 verbunden.
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Ein Ende des ersten Faltenbalgs 31 ist mit dem Umfangsabschnitt der Öffnung 17 des Vakuumbehälters 16 verbunden, und das andere Ende des ersten Faltenbalgs 31 ist mit der Außenumfangskante des Flansches 34 verbunden. Der erste Faltenbalg 31 stützt den Flansch 34 mit Bezug zu dem Vakuumbehälter 16 elastisch. Folglich bilden die Innenumfangsoberfläche des ersten Faltenbalgs 31, die Außenumfangsoberfläche der ersten Hülse 51 und die untere Oberfläche des Flansches 34 den ausdehnbaren und zusammenziehbaren Kommunikationsraum 18 aus, der mit dem luftdichten Raum 15a kommuniziert (d.h., räumlich verbunden ist).
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Da der erste Faltenbalg 31 auf diese Weise konfiguriert ist, kann die relativ fixierte Position des Kältegeräts 20B mit Bezug zu dem Vakuumbehälter 16 eingestellt werden, während eine Luftdichtheit des luftdichten Raums 15a des Vakuumbehälters 16 und eine Luftdichtheit der Unterbringungsräume 41 und 42 der Hülsen 51 und 52 aufrechterhalten werden.
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Ein Ende der ersten Hülse 51 ist mit dem Umfangskantenabschnitt der Öffnung 35 des Flansches 34 verbunden, und das andere Ende der ersten Hülse 51 ist mit der Außenumfangskante des ersten Wärmeübertragungsblocks 61 verbunden. Die Innenumfangsoberfläche der ersten Hülse 51 und die obere Oberfläche des ersten Wärmeübertragungsblocks 61 bilden den ersten Unterbringungsraum 41 aus, der den ersten Kühlzylinder 25 des Kältegeräts 20B unterbringt.
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Der zweite Faltenbalg 32 ist an einem Teil des Körpers der ersten Hülse 51 ausgebildet, und dehnt den Körper der ersten Hülse 51 elastisch aus und zieht diesen zusammen. Da ein Teil des Körpers der ersten Hülse 51 durch den zweiten Faltenbalg 32 ausgebildet ist, kann der erste Unterbringungsraum 41 gemäß dem einzuführenden Kältegerät 20B ausgedehnt oder zusammengezogen werden. Diese Konfiguration absorbiert einen Dimensionsfehler des ersten Kühlzylinders 25 und des ersten Kältekopfes 26 des Kältegeräts 20B, eine Abweichung des Einführwinkels, eine Abweichung aufgrund eines thermischen Zusammenziehens zum Zeitpunkt des Kühlens, und eine Montageabweichung des ersten Kühlblocks 21. Somit können die Luftdichtheit der Unterbringungsräume 41 und 42 sowie die Kontaktierbarkeit zwischen dem ersten Kühlblock 21 und dem ersten Wärmeübertragungsblock 61 verbessert werden.
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Der erste Wärmeübertragungsblock 61 weist die Kontaktoberfläche 61a mit der umgekehrten Form mit Bezug zu der Kontaktoberfläche 21a des ersten Kaltwärmeblocks 21 auf, und ein Ende der ersten Hülse 51 ist mit der Außenkante der Kontaktoberfläche 61a verbunden. Der erste Wärmeübertragungsblock 61 ist ferner mit einer Öffnung 63 versehen, durch welche der zweite Kühlzylinder 27 des Kältegeräts 20B verläuft. Der erste Wärmeübertragungsblock 61 ist mit dem ersten Kühlobjekt (Wärmeabschirmelement) 11 verbunden und überträgt die kalte Wärme, welche von dem ersten Kältekopf 26 zugeführt ist, an das erste Kühlobjekt 11.
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Ein Ende der zweiten Hülse 52 ist mit dem Umfang der Öffnung 63 des ersten Wärmeübertragungsblocks 61 verbunden, und das andere Ende der zweiten Hülse 52 ist mit der Außenumfangskante des zweiten Wärmeübertragungsblocks 62 verbunden. Die Innenumfangsoberfläche der zweiten Hülse 52 und die obere Oberfläche des zweiten Wärmeübertragungsblocks 62 bilden den zweiten Unterbringungsraum 42 aus, der den zweiten Kühlzylinder 27 des Kältegeräts 20B unterbringt. Da die Öffnung 35 des Flansches 34 mit dem Montageflansch 24 des Kältegeräts 20 luftdicht abgedichtet ist, bilden der erste Unterbringungsraum 41 und der zweite Unterbringungsraum 42 einen von der Außenluft isolierten abgeschlossenen Raum und den luftdichten Raum 15a aus, in welchem das Kühlobjekt 11 vorliegt.
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Der dritte Faltenbalg 33 ist an einem Teil des Körpers der zweiten Hülse 52 ausgebildet und dehnt den Körper der zweiten Hülse 52 elastisch aus und zieht diesen zusammen. Da ein Teil des Körpers der zweiten Hülse 52 durch den dritten Faltenbalg 33 ausgebildet ist, kann der zweite Unterbringungsraum 42 gemäß dem einzuführenden Kältegerät 20B ausgedehnt und zusammengezogen werden. Diese Konfiguration absorbiert einen Dimensionsfehler des zweiten Kühlzylinders 27 und des zweiten Kältekopfes 28 des Kältegeräts 20B, eine Abweichung des Einführwinkels, eine Abweichung aufgrund eines thermischen Zusammenziehens zum Zeitpunkt eines Kühlens, und eine Montageabweichung des zweiten Kühlblocks 22. Somit kann die Kontaktierbarkeit zwischen dem zweiten Kühlblock 22 und dem zweiten Wärmeübertragungsblock 62 verbessert werden.
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Der zweite Wärmeübertragungsblock 62 weist die Kontaktoberfläche 62a mit der umgekehrten Form mit Bezug zu der Kontaktoberfläche 22a des zweiten Kühlblocks 22 auf, und ein Ende der zweiten Hülse 52 ist mit der Außenkante der Kontaktoberfläche 62a verbunden. Der zweite Wärmeübertragungsblock 62 ist mit dem zweiten Kühlobjekt (d.h., supraleitende Spule) 12, wie in 5 gezeigt, verbunden, und überträgt die kalte Wärme, welche von dem zweiten Kältekopf 28 zugeführt ist, an das zweite Kühlobjekt 12.
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Der erste Unterbringungsraum 41 und der zweite Unterbringungsraum 42 sind mit Gas (z.B. Heliumgas), das eine hohe thermische Leitfähigkeit in dem Gasphasenzustand in dem voreingestellten Temperaturbereich aufweist, derart gefüllt, dass die durch das Kältegerät 20B erzeugte kalte Wärme an jeden des ersten Wärmeübertragungsblocks 61 und des zweiten Wärmeübertragungsblocks 62 effizient übertragen wird. Der erste und der zweite Kühlblock 21 und 22 des Kältegeräts 20B und der erste und der zweite Wärmeübertragungsblock 61 und 62 können die Kontaktfläche vergrößern, und hochwärmeleitfähiges Gas füllt die in der Nähe des Kontaktabschnitts ausgebildete Lücke. Somit wird ein zufriedenstellender Wärmeübertragungspfad ausgebildet.
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7 ist ein Konfigurationsdiagramm des Regulierungselements 70, das den Ausdehnungsbetrag des Faltenbalgs 33 reguliert.
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Die zweite Hülse 52 ist mit dem Regulierungselement 70 versehen, das den Ausdehnungsbetrag des dritten Faltenbalgs 33 reguliert. Das Regulierungselement 70 umfasst ein Paar an Stützelementen 71a und 71b (auch kollektiv als 71 bezeichnet), eine Stützstange 72, einen Stopper 74 und ein Vorspannelement 73. Das Paar an Stützelementen 71a und 71b ist an der zweiten Hülse 52 vorgesehen, um den dritten Faltenbalg 33 dazwischen aufzunehmen. Die Stützstange 72 ist an einem Ende des Stützelements 71a fixiert, und die andere Endseite der Stützstange 72 dringt durch das andere Stützelement 71b. Der Stopper 74 ist an einem Ende der Stützstange 72, die das Stützelement 71b durchdringt, vorgesehen, um zu verhindern, dass die Stützstange 72 aus dem Stützelement 71b fällt. Das Vorspannelement 73 verbindet den Stopper 74 mit dem Stützelement 71b, durch welches die Stützstange 72 dringt, elastisch.
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Dieses Regulierungselement 70 funktioniert derart, dass der zweite Kühlblock 22 und der zweite Wärmeübertragungsblock 62 durch die Vorspannkraft des Vorspannelements 73 gegeneinandergedrückt werden. Diese Konfiguration verringert die Lücke zwischen dem zweiten Kühlblock 22 und dem zweiten Wärmeübertragungsblock 62, um einen zufriedenstellenden Kontakt dazwischen aufrechtzuerhalten, und somit wird der thermische Widerstand verringert. Das Regulierungselement 70 kann an der ersten Hülse 51 vorgesehen sein, um den Ausdehnungsbetrag des zweiten Faltenbalgs 32 zu beschränken.
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Da die kryogene Kühlvorrichtung von zumindest einem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel den ersten Faltenbalg, der konfiguriert ist, um einen mit dem Vakuumbehälter räumlich verbundenen Kommunikationsraum ausdehnbar und zusammenziehbar auszubilden, und den zweiten Faltenbalg, der konfiguriert ist, um eine Unterbringungsraum zum Unterbringen des Kältegeräts auszubilden, umfasst, ist eine kryogene Kühlvorrichtung vorgesehen, die eine exzellente Kühlleistung eines Kühlobjekts aufweist und sein Kältegerät ersetzen kann, während der Kühlzustand aufrechterhalten wird.
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Einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind vorstehend beschrieben worden. Diese Ausführungsbeispiele sind als Beispiele dargestellt worden. Es ist nicht beabsichtigt, den Umfang der Erfindung zu beschränken. Diese Ausführungsbeispiele können auch in anderen verschiedenen Betriebsarten implementiert sein, und auf verschiedene Weisen ausgelassen, ersetzt, geändert und kombiniert werden, ohne von dem Wesen der Erfindung abzuweichen. Die Ausführungsbeispiele und ihre Variationen sind durch den Umfang und das Wesen der Erfindung umfasst. In ähnlicher Weise sind diese Ausführungsbeispiele und Variationen durch die in den Patentansprüchen beschriebene Erfindung und ihren Äquivalenzbereich umfasst.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2004053068 A [0004]
- JP 2007303814 A [0004]
