JP2001294216A - クライオスタットの断熱システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来のクライオスタットにおける液体ヘリウ
ム容器の支持構造は、外壁から支持部材を介して行われ
ていたので、この支持部材を通して熱の侵入が発生し液
体ヘリウム蒸発の要因となっていた。 【解決手段】 クライオスタット外壁２と液体ヘリウム
容器１を結合する支持部材をなくして、液体ヘリウム容
器１の外周壁面に複数の超電導磁石３を設けると共に、
クライオスタット外壁２の内周壁面に複数個の常電導磁
石４を設ける。このような構造により、超電導体の磁気
浮上力を利用してヘリウム容器１を外壁２から安定的に
浮上断熱する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、クライオスタット
の断熱システムに関し、特に、低温容器（クライオスタ
ット）に保存される超流動ヘリウム等の極低温冷媒の断
熱システムに関し、詳しくは、外壁からの伝導熱リーク
を除去するために、クライオスタット外壁と液体ヘリウ
ム容器を結合する支持部材をなくして、外壁からの熱侵
入を除去するシステムであり、超電導体の磁気浮上力を
利用してヘリウム容器を外壁から安定的に浮上断熱する
ことを実現した断熱システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来におけるクライオスタットの支持構
造を図２を参照して説明する。

【０００３】図２において、液体ヘリウム容器１１はク
ライオスタット外壁１２から複数個の支持部材１５を介
して保持されている。

【０００４】このために、クライオスタット外壁（室
温）から液体ヘリウム容器１１へ支持部材１５を通して
熱侵入が発生し、液体ヘリウム容器１１内の液体ヘリウ
ム蒸発の要因となっていた。

【０００５】この熱侵入（伝導熱リーク）を防ぐために
は、伝導パスをなくすことが要求されるが、支持部材１
５をなくすと、液体ヘリウム容器１１の荷重を支持する
構造体がなくなり、構造的には成り立たない。

【０００６】従って、熱侵入を最小として、且つ構造強
度を有する支持部材として、断面積のできるだけ小さい
支持部材が用いられていた。しかしながら、この場合で
も伝導熱リークは存在するために液体ヘリウムの蒸発は
避けられない。

【０００７】叙上のような液体ヘリウム容器の支持体構
造は、例えば、特開昭６４−６１００４号、特開平５−
１９８４３０号、特開平６−３１０７６７号公報等に開
示されている。

【０００８】上記課題解決するために、非接触支持構造
が要求されていた。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、叙上の
従来技術には下記に示す如き欠点があった。

【００１０】即ち、第１の課題は、非接触で構造体をい
かに支持するかである。

【００１１】第２の課題は、クライオスタットを宇宙で
使用する場合には、衛星打ち上げ時のロケットの重力加
速度（１０ｇ程度）に耐え得る構造強度が必要となるた
めに、１０ｇ程度加速度にも耐える支持部材が必要とな
り、非接触支持方式と矛盾する。

【００１２】本発明は従来の上記実情に鑑み、従来の技
術に内在する上記課題を解決する為になされたものであ
り、従って本発明の目的は、バルク超電導体のピン止め
効果により、超電導体表面近傍に捕捉される反磁性磁束
と、対向する常電導磁場との反発力により液体ヘリウム
容器をクライオスタット外壁から浮上させ、非接触断熱
支持構造を実現することを可能とした宇宙用クライオス
タットの新規な断熱システムを提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する為
に、本発明に係るクライオスタットの断熱システムは、
液体ヘリウムが充填される液体ヘリウム容器と、該液体
ヘリウム容器の外側に該容器を包囲するように配設され
該容器との間に真空空間を形成するクライオスタット外
壁と、該外壁と前記液体ヘリウム容器との間に介在され
該液体ヘリウム容器を支持する複数個の支持部材とを有
するクライオスタット断熱システムにおいて、前記支持
部材を除去し代わりに、前記液体ヘリウム容器を前記ク
ライオスタット外壁から非接触して浮上断熱する超電導
磁石を用いた容器浮上断熱手段を具備して構成される。

【００１４】前記容器浮上断熱手段は、前記液体ヘリウ
ム容器外周壁面に配設された複数個の超電導磁石と、前
記クライオスタット外壁の内周壁面に配設された複数個
の常電導磁石とを含んでいる。

【００１５】前記複数個の超電導磁石と前記複数個の常
電導磁石とは互いに対向している。

【００１６】前記複数個の超電導磁石は前記液体ヘリウ
ム容器の外周壁面上に、前記複数個の常電導磁石は前記
クライオスタット外壁の内周壁面上に、それぞれ互いに
等間隔に配設されていることを特徴としている。

【００１７】［発明の概要］図１において、液体ヘリウ
ム容器１の外周壁２に取り付けられた複数個の超電導磁
石３とクライオスタット外壁２に取り付けられた常電導
磁石４の磁束の反発力を利用して液体ヘリウム容器１は
安定に浮上断熱できるようにされている。

【００１８】バルク超電導材料により形成された超電導
磁石３と液体ヘリウム容器１の外周に配設されたクライ
オスタット外壁２の内側に取り付けた常電導磁石４の一
対の組み合わせを多数作り、両磁石間の反発力により液
体ヘリウム容器１をクライオスタット外壁２から浮上さ
せている。

【００１９】このようにして、本発明では、液体ヘリウ
ム容器１を磁気反発力により浮上させて、液体ヘリウム
蒸発の最大要因であるクライオスタット外壁からの伝導
熱リークを減らす断熱構造とされている。

【００２０】

【発明の実施の形態】次に、本発明をその好ましい一実
施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

【００２１】図１は本発明による一実施の形態を示す概
略断面図である。

【００２２】［実施の形態の構成］図１を参照するに、
そこには、本発明の一実施の形態としての浮上断熱クラ
イオスタットの概略断面が示されている。図において、
超電導磁石３は、常電導磁石４との電磁相互作用によっ
て、安定した浮上を実現する。

【００２３】本発明に係る浮上断熱クライオスタット
は、液体ヘリウムを充填する液体ヘリウム容器１と、そ
の液体ヘリウム容器１を断熱真空に維持する真空空間６
と、この真空空間６を真空容器とするためのクライオス
タット外壁２とから構成されている。

【００２４】液体ヘリウム容器１の内部には液体ヘリウ
ムが充填されており、その外周壁面には複数個の超電導
磁石３が配設されている。液体ヘリウム容器１の外周に
はクライオスタット外壁２が配備されており、液体ヘリ
ウム容器１の外周壁とクライオスタット外壁２の内周壁
との間に真空空間６が形成されている。クライオスタッ
ト外壁２の内周壁面には超電導磁石３に対向して磁石３
と同数の常電導磁石４が配設されている。

【００２５】複数個の超電導磁石３は液体ヘリウム容器
１の外周壁面に、複数個の常電導磁石４はクライオスタ
ット外壁の内周壁面に、それぞれ等間隔にしかも磁石
３、４が互いに対向して配設された場合には、液体ヘリ
ウム容器１の浮上力がバランスがとれて最も好ましい。

【００２６】バルク超電導材料により形成された超電導
磁石３と液体ヘリウム容器１の外周に配設されたクライ
オスタット外壁２の内側に取り付けた常電導磁石４の一
対の組み合わせを多数作り、両磁石間の反発力により液
体ヘリウム容器１をクライオスタット外壁２から浮上さ
せている。

【００２７】真空空間６の真空排気は真空引き口７に真
空ポンプを接続して行われる。真空空間６が高真空にさ
れた状態で真空引き口７に設けられている弁７ａが閉じ
られる。

【００２８】液体ヘリウム容器１には液体ヘリウムが、
液体ヘリウム注入口８から所定量を注入される。

【００２９】［実施の形態の動作］次に、図１に示され
た本発明に係る浮上断熱クライオスタットの動作につい
て詳細に説明する。

【００３０】図１において、本発明に係る液体ヘリウム
容器１、クライオスタット外壁２から成る浮上断熱クラ
イオスタットは、従来のクライオスタットと異なり、液
体ヘリウム容器１を保持する支持部材が除去されてい
る。

【００３１】液体ヘリウム容器１内に液体ヘリウムが充
填されていない状態では、液体ヘリウム容器１の保持は
液体ヘリウム注入口８付近でクライオスタット外壁２と
溶接接合されて構造強度を持たされている。

【００３２】ここで液体ヘリウム容器１内に液体ヘリウ
ムが注入されるとヘリウムの重量を支持する必要が生じ
る。この支持力は超電導磁石３と常電導磁石４の反発力
で与えられる。

【００３３】本方式により、本発明においては、非接触
支持構造を実現することができる。超電導磁石３として
は、高温超電導体材料が用いられ、バルク形状（例え
ば、２ｃｍ×２ｃｍ、厚さ０．５ｃｍ程度）の磁石が用
いられる。

【００３４】常電導磁石４には、通常の電磁石または永
久磁石が用いられる。

【００３５】超電導体を冷却後に励磁するためには、そ
の場励磁が可能であるパルス磁場による磁化が行われ
る。このために、超電導磁石３にコイルを巻き付けてお
き、クライオスタット外部からパルス磁場を与えて励磁
する。

【００３６】

【発明の効果】本発明は以上の如く構成され、作用する
ものであり、本発明によれば、以下に示すような効果が
奏される。

【００３７】第１の効果は、超電導体に捕捉された磁場
を磁場源とした浮上方式は、永久磁石同志の反発とは異
なり、浮上が安定する。

【００３８】浮上力Ｆは、Ｆ＝ＭｄＨ／ｄｘで与えられ
る。ここで、Ｍは反磁性磁化、ｄＨ／ｄｘは磁気勾配で
ある。従って、反磁性磁化Ｍを変化させることによって
浮上力（浮上高さ）を可変させることができる。

【００３９】高温超電導体は、臨界温度以下で臨界磁場
以上の外部磁場を印加すると、磁束の一部が超電導体に
捕捉される（Ｍの＋と−が共存する）。捕捉磁束は、常
にエネルギー安定状態を維持するように働く。このため
に、超電導体の捕捉磁束密度が外的要因で変化しても、
安定状態に復帰するような力（ローレンツ力）が発生し
て浮上が安定するフィードバック機能が自動的に働く。

【００４０】従って、液体ヘリウムタンク重量が変化し
ても、安定な浮上作用によって、支持部材のない浮上断
熱クライオスタットで液体ヘリウム容器はクライオスタ
ット外壁で構造的に支持されることとなる。

【００４１】第２の効果は、浮上断熱クライオスタット
は外部加重変動に対しても液体ヘリウム容器を常に安定
に支持できるために、宇宙用クライオスタットに要求さ
れる過酷な重力加速度にも耐えることができる。このた
めに宇宙用ヘリウム容器としても利用することができ
る。

【００４２】第３の効果は、浮上式断熱クライオスタッ
トは支持部材をなくしたために伝導熱侵入が大幅に減少
する結果、液体ヘリウム保持時間を大幅に延ばすことが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による一実施の形態を示す概略断面図で
ある。

【図２】従来におけるクライオスタットの一例を示す概
略断面図である。

【符号の説明】

１、１１…液体ヘリウム容器 ２、１２…クライオスタット外壁 ３…超電導磁石 ４…常電導磁石 ６、１６…真空空間 ７、１７…真空引き口 ７ａ…弁 ８、１８…液体ヘリウム注入口 １５…支持部材

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液体ヘリウムが充填される液体ヘリウム
   容器と、該液体ヘリウム容器の外側に該容器を包囲する
   ように配設され該容器との間に真空空間を形成するクラ
   イオスタット外壁と、該外壁と前記液体ヘリウム容器と
   の間に介在され該液体ヘリウム容器を支持する複数個の
   支持部材とを有するクライオスタット断熱システムにお
   いて、前記支持部材を除去し代わりに、前記液体ヘリウ
   ム容器を前記クライオスタット外壁から非接触して浮上
   断熱する超電導磁石を用いた容器浮上断熱手段を具備す
   ることを特徴としたクライオスタットの断熱システム。
2. 【請求項２】 前記容器浮上断熱手段は、前記液体ヘリ
   ウム容器外周壁面に配設された複数個の超電導磁石と、
   前記クライオスタット外壁の内周壁面に配設された複数
   個の常電導磁石とを含むことを更に特徴とする請求項１
   に記載のクライオスタットの断熱システム。
3. 【請求項３】 前記複数個の超電導磁石と前記複数個の
   常電導磁石とは互いに対向していることを更に特徴とす
   る請求項２に記載のクライオスタットの断熱システム。
4. 【請求項４】 前記複数個の超電導磁石は前記液体ヘリ
   ウム容器の外周壁面上に、前記複数個の常電導磁石は前
   記クライオスタット外壁の内周壁面上に、それぞれ互い
   に等間隔に配設されていることを更に特徴とする請求項
   ２または請求項３のいずれか一項に記載のクライオスタ
   ットの断熱システム。