JP2002124709A - 輻射シールド、極低温容器および冷却板の取り付け方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 極低温状態でも部品が破壊されず、強固に部
品相互を固定できるようにする。 【解決手段】 第１の熱膨張係数を有する第１の材料で
形成された、冷媒を流す冷却パイプと、冷却パイプを固
定する複数の冷却板と、第２の熱膨張係数を有し、第１
の材料とは異なる第２の材料で形成された被冷却物を覆
うシールド板と、温度に応じて形状が変化する固定板と
を備えた輻射シールドシールドであって、複数の冷却板
の各々と、シールド板と、固定板とが積層され、常温で
可動な状態で固定されている輻射シールド等を提供す
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、極低温状態におい
て材料相互を強固に固定する技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】図５は、従来の極低温容器における輻射
シールド５０の構成を示す。図５の（ａ）は輻射シール
ド５０の上面図、（ｂ）は輻射シールド５０の短い辺に
平行な線による断面図である。極低温容器は、内部に超
電導コイル（図示せず）を収容し、収容した超電導コイ
ルを極低温に冷却するために用いられる。輻射シールド
５０は、極低温容器の外壁（例えば、真空槽の外壁）と
超電導コイルとの間に位置し、超電導コイルに入る輻射
熱を遮断する。図５の（ａ）によれば、輻射シールド５
０は、シールド板１と、冷却板２と、冷却板２に固定さ
れた冷却パイプ３と、冷却板とシールド板１とを固定す
る固定ボルト４とを含む。さらに図５の（ｂ）によれ
ば、輻射シールド５０は、ボルト４と嵌合する固定ナッ
ト８と、シールド板１と固定ナット８との間に設けられ
た皿バネ７とを含む。輻射シールド５０は、超電導コイ
ルに入る輻射熱を遮断するとともに、付設されたパイプ
３の中を冷媒が流れてパイプ３を冷却し、それに伴って
冷却板２およびシールド板１も冷却する。これにより極
低温容器の内部に設置された超電導コイル（図示せず）
を極低温に冷却できる。

【０００３】従来の輻射シールド５０では、皿バネ７が
シールド板１と固定ナット８との間に設けられているの
で、固定ボルト４がシールド板１および冷却板２を締め
付ける圧力は温度が変化しても一定であった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の輻射シールド５
０は、固定ボルト４により締め付けられる圧力が温度変
化にかかわらず一定であるため、材料の収縮による熱応
力でいずれかの個所が破壊されることがあった。例え
ば、シールド板１の材質の膨張係数と冷却パイプ３の材
質の膨張係数とが異なる場合には、常温から極低温に至
るまでの温度変化で熱歪みが生じる。より具体的には、
シールド板１の材質がカーボンＦＲＰ（ＣＦＲＰ）、冷
却パイプ３の材質がアルミニウム（Ａｌ）の場合には、
アルミニウムの膨張係数が大きいため、温度が下がれば
冷却パイプ３が収縮する。しかし、固定ボルト４により
締め付けられる圧力には変化がないので、熱歪みによる
熱応力で固定ボルト４が破壊され、または冷却パイプ３
が破断することがある。

【０００５】このような事態の発生を避けるために、冷
却パイプ３の一部にベンド部９を設ける場合も考えられ
たが、これでは冷却パイプ３の長さが増し、形状にも加
工が必要になる。したがって、材料費および加工費が余
分にかかり望ましくない。

【０００６】本発明の目的は、極低温状態でも部品が破
壊されず、強固に部品相互を固定できるようにすること
である。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の輻射シールド
は、第１の熱膨張係数を有する第１の材料で形成され
た、冷媒を流す冷却パイプと、冷却パイプを固定する複
数の冷却板と、第２の熱膨張係数を有し、第１の材料と
は異なる第２の材料で形成された被冷却物を覆うシール
ド板と、温度に応じて形状が変化する固定板とを備えた
輻射シールドであって、複数の冷却板の各々と、シール
ド板と、固定板とが積層され、常温で可動な状態で固定
されている輻射シールドであり、これにより上記目的が
達成される。

【０００８】複数の冷却板の各々と、シールド板と、固
定板とは、少なくとも固定ボルトにより、常温で可動な
状態で固定されていてもよい。

【０００９】固定ボルトと、複数の冷却板の各々または
シールド板に設けられた固定ボルトの貫通口との間には
緩みがあり、それにより常温で可動な状態で固定されて
いてもよい。

【００１０】前記固定板は、熱膨張係数の異なる２種の
金属板を貼り合わせたバイメタル板であってもよい。

【００１１】前記バイメタル板は冷却により湾曲し、そ
れにより複数の冷却板の各々と、シールド板と、固定板
とがより強く固定されてもよい。

【００１２】前記固定板は、熱膨張係数が負の第３の材
料で形成されていてもよい。

【００１３】前記第３の材料は、冷却により膨張し、そ
れにより複数の冷却板の各々と、シールド板と、固定板
とがより強く固定される、請求項６に記載の輻射シール
ド。

【００１４】本発明の極低温容器は、第１の熱膨張係数
を有する第１の材料で形成された、冷媒を流す冷却パイ
プと、冷却パイプを固定する複数の冷却板と、第２の熱
膨張係数を有し、第１の材料とは異なる第２の材料で形
成された被冷却物を覆うシールド板と、温度に応じて形
状が変化する固定板と、内部が真空に保たれた真空槽と
を備えた極低温容器であって、真空槽の内部で、複数の
冷却板の各々と、シールド板と、固定板とが積層され、
常温で可動な状態で固定されている極低温容器であり、
これにより上記目的が達成される。

【００１５】本発明の冷却パイプの固定方法は、第１の
熱膨張係数を有する第１の材料で形成された、冷媒を流
す冷却パイプと、複数の冷却板の各々とを固定するステ
ップと、冷却パイプが固定された複数の冷却板の各々
と、第２の熱膨張係数を有し、第１の材料とは異なる第
２の材料で形成された被冷却物を覆うシールド板と、温
度に応じて形状が変化する固定板とを積層させ、可動な
状態で固定するステップとからなる、冷却パイプの固定
方法であり、これにより上記目的が達成される。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、添付の図面を参照して、本
発明の実施の形態を説明する。図面における同一の参照
符号は、同一の構成要素を示す。

【００１７】本発明の主な特徴は、まず、輻射シールド
のシールド板と冷却板とを比較的緩く固定したことであ
る。固定ボルト４と固定ボルト４の貫通穴との間には緩
み（ガタ）があるので、冷却による収縮差が生じても収
縮量の差はガタにより吸収される。よって、固定ボルト
４の破壊または冷却パイプ３の破断等を生じることはな
い。さらなる本発明の特徴は、従来、輻射シールド５０
（図５）で用いられていた皿バネ７（図５の（ｂ））に
代えて、温度に応じて形状が変化する板を利用すること
である。例えば、熱膨張係数の異なる２種の金属板を貼
り合わせたバイメタル板を用いることにより、冷却によ
り湾曲して固定ボルトを引っ張り、複数の冷却板の各々
と、シールド板と、固定板とを極低温状態で強く固定で
きる。または、熱膨張係数が負の材料で形成した板を用
いることにより、冷却により膨張し、上記同様極低温状
態で強い固定が実現できる。

【００１８】図１は、極低温容器１００を示す。図１の
（ａ）は極低温容器１００の正面図、（ｂ）は極低温容
器１００の断面図である。極低温容器１００は、超電導
コイル１０を収容し、超電導の研究等に用いられる。超
電導コイル１０は、一般に知られている超電導コイルで
ある。極低温容器１００は、シールド板１と、冷却板２
と、冷却パイプ３と、固定ボルト４と、真空槽１１とを
備えている。真空槽１１を除く他の構成、ここではシー
ルド板１と、冷却板２と、冷却パイプ３と、固定ボルト
４とは、輻射シールドを構成する。輻射シールドとは、
超電導コイル１０を直接的に包囲して輻射熱の流入を防
止し、超電導コイル１０を冷却する部分をいう。一般的
には、輻射シールドは極低温容器１００にのみ用いられ
るものではない。したがって、外部からの熱の流入を防
止し、同時に内部を冷却するためであれば、被冷却物は
超電導コイル１０に限られない。より特定的な輻射シー
ルドの概観図は図２に、輻射シールドの断面図は図３お
よび図４に記載されているが、その説明は後述する。図
１を参照して、輻射シールドのシールド板１は箱状に形
成されており、その内部に超電導コイル１０が設置され
る。すなわち、シールド板１は超電導コイル１０を覆
う。冷却板２は複数存在し、その各々により冷却パイプ
３を固定する。冷却パイプ３は、シールド板１の外側部
分に巻かれるように設けられており、液体窒素、４０〜
８０ Kのガスヘリウム等の冷媒を流す。固定ボルト４
は、シールド板１と冷却板２とを固定するため、固定ナ
ット８（図３）とともに用いられる固定具である。真空
槽１１は、その内部が真空に保たれており、それにより
外部から内部への熱の流入を断つ。極低温容器１００で
は、冷媒がパイプ３を流れてパイプ３を冷却し、それに
伴って冷却板２およびシールド板１も冷却する。

【００１９】続いて図２は、極低温容器１００（図１）
の輻射シールド２０を概略的に示す。上述のように、輻
射シールド２０とは、超電導コイル１０を直接的に包囲
して輻射熱の流入を防止し、超電導コイル１０を冷却す
る部分をいう。輻射シールド２０の外部は、シールド板
１と、冷却板２と、冷却パイプ３と、固定ボルト４とか
ら構成されている。

【００２０】このような輻射シールド２０の断面図を用
いて、本発明の特徴を説明する。図３は、輻射シールド
２０の短い辺に平行な線による断面図である。図３の
（ａ）は、常温におけるバイメタル板５を利用した輻射
シールド２０を示す。バイメタル板５とは、熱膨張係数
の異なる２種の金属板を貼り合わせた板である。バイメ
タル板５は、固定ボルト４と嵌合する固定ナット８と、
シールド板１との間に設けられる。常温のバイメタル板
５はほぼ平面形状である。ここで留意すべきは、常温に
おいては、積層されたシールド板１および冷却板２は、
固定ボルト４および固定ナット８によりシールド板１と
強固に固定されるのではないことである。すなわち、シ
ールド板１および冷却板２は比較的緩く固定されてい
る。これは同時に、固定ボルト４と固定ナット８との間
に存在するバイメタル板５も緩く固定されていることを
意味する。ここでいう「緩く」とは、シールド板１、冷
却板２およびバイメタル板５がスライドできる程度に緩
く、可動の状態で、という意味である。このとき、固定
ボルト４と固定ボルト４の貫通穴との間には緩み（ガ
タ）がある。

【００２１】図３の（ｂ）は、極低温におけるバイメタ
ル板５を利用した輻射シールド２０を示す。「極低温」
とは、例えば７７Ｋ以下の温度である。まず、常温から
極低温に至るまでの輻射シールド２０を説明する。冷却
パイプ３に冷媒が流れ、輻射シールド２０が常温から冷
却され始めると、熱膨張係数が正の材料は一般に収縮し
始める。例えば、冷却パイプ３がアルミニウム（Ａｌ）
で形成されている場合には、冷媒を流すとアルミニウム
が収縮し始める。このとき、シールド板１が冷却パイプ
３と同じ材料である場合には、熱膨張係数も同じである
ことから、収縮量はシールド板１および冷却パイプ３で
ほぼ均一である。

【００２２】一方、シールド板１が冷却パイプ３と異な
る材料、例えば、冷却パイプ３のアルミニウムに対し
て、シールド板１がカーボンＦＲＰ（ＣＦＲＰ）で形成
されている場合には、熱膨張係数が異なるので、収縮量
にも差が生じる。すなわちアルミニウムの方が熱膨張係
数が大きいので、冷却による収縮量は冷却パイプ３の方
が大きい。従来であれば、冷却パイプ３が固定された冷
却板２はシールド板１とも強固に固定されていたため
に、収縮量の差に起因する熱応力で冷却パイプ３の破断
等が生じていた。しかし本実施の形態では、シールド板
１、冷却板２および５は比較的緩く固定され、このよう
な収縮量の差はガタにより吸収されることとなる。よっ
て、固定ボルト４の破壊または冷却パイプ３の破断等を
生じることはない。

【００２３】一方、バイメタル板５も、異なる材料で形
成された金属板が貼り合わされていることから、冷却に
伴う収縮量の差が生じる。片面の金属のほうが伸び縮み
が大きいので、収縮量の差はバイメタル板５に湾曲を生
じさせる。そこで、最も収縮差が大きくなる場合、すな
わち所望の極低温に至った場合（図３の（ｂ））を考え
る。図３の（ｂ）に示すように、バイメタル板５が上に
凸となるように湾曲した場合、バイメタル板５は、固定
ナット８を支点として、シールド板１に図面上向きの力
を加える。常温では比較的緩く固定されていたシールド
板１、冷却板２およびバイメタル板５は、この力によ
り、強く固定されることになる。このように構成するこ
とにより、冷却パイプ３にベンド部９（図５の（ａ））
を設ける必要がなく、余分な材料を使用し、または余分
な加工を行う必要なくなる。

【００２４】次に、シールド板１および冷却板２を極低
温時に強固に固定する別の例を説明する。図４は、熱膨
張係数が負の材料６を利用した輻射シールド２０の断面
図を示す。熱膨張係数が負の材料６は、例えば、ダイニ
ーマ（東洋紡社の登録商標）である。バイメタル板５
（図３）に代えて熱膨張係数が負の材料６を利用するに
際しては、輻射シールド２０の構成は、バイメタル板５
（図３）とまったく同じである。したがって、常温にお
いては比較的緩く固定すればよい。これにより、冷却を
進めるにつれて、シールド板１および冷却パイプ３の収
縮量の差は、固定ボルト４のガタ等により吸収される。
一方、熱膨張係数が負であるから、極低温においてはそ
の体積は膨張する。したがって、熱膨張係数が負の材料
６は、固定ナット８を支点として、シールド板１に図面
上向きの力を加え、強く固定されることになる。このよ
うに構成することにより、冷却パイプ３にベンド部９
（図５の（ａ））を設ける必要がなく、余分な材料を使
用し、または余分な加工を行う必要なくなる。

【００２５】以上、本発明の実施の形態を説明した。図
３および４を参照して説明した実施の形態では、固定ボ
ルト４は、シールド板１と冷却板２とを固定するため、
固定ナット８（図３）とともに用いられる固定具である
と説明した。しかし、固定ナット８とともに使用しなく
ともよい。シールド板１にねじ溝を設けることで、固定
ナット８を不要にできる。このとき、上述のバイメタル
板５や熱膨張係数が負の材料６は、シールド板１と冷却
板２との間に設ければよく、常温においては、固定ボル
ト４と、バイメタル板５や熱膨張係数が負の材料６およ
び／または冷却板２に設けられる固定ボルト４の貫通口
との間にのみ、緩み（ガタ）が存在することになる。

【００２６】本実施の形態では、冷却に伴い湾曲する部
品としてバイメタル板５を例に挙げた。しかし、冷却に
伴い形状が変化する部品であれば、バイメタル板５には
限られない。

【００２７】

【発明の効果】本発明の輻射シールドでは、常温におい
て、シールド板および冷却パイプを固定した冷却板を可
動な状態で固定することにより、シールド板と冷却パイ
プが熱膨張係数の異なる材料で形成されていても、冷却
時の収縮量の差を吸収できる。より具体的には、冷却板
と、シールド板と、固定板とは固定ボルトにより固定さ
れており、固定ボルトと、複数の冷却板の各々またはシ
ールド板に設けられた固定ボルトの貫通口との間には緩
み（ガタ）があるので、冷却時にはシールド板と冷却パ
イプとの収縮量の差を吸収できる。

【００２８】本発明では、温度に応じて形状が変化する
固定板（バイメタル板、熱膨張係数が負の第３の材料
等）を用いることにより、極低温時には、強固にシール
ド板および冷却板を固定できる。すなわち、バイメタル
板は冷却により湾曲し、熱膨張係数が負の第３の材料は
冷却により膨張するので、極低温状態では強固にシール
ド板および冷却板を固定できる。

【００２９】本発明の輻射シールドを利用して極低温容
器を構成することにより、上記と同様、冷却時のシール
ド板と冷却パイプとの収縮量の差を吸収できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 極低温容器を示す図である。

【図２】 極低温容器の輻射シールド部の概略図であ
る。

【図３】 輻射シールドの断面図である。

【図４】 熱膨張係数が負の材料を利用した輻射シール
ド部の断面図を示す。

【図５】 従来の極低温容器における輻射シールド部の
構成を示す図である。

【符号の説明】

１ シールド板、２ 冷却板、３ 冷却パイプ、４ 固
定ボルト、５ バイメタル板、６ 熱膨張係数が負の材
料、８ 固定ナット

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の熱膨張係数を有する第１の材料で
   形成された、冷媒を流す冷却パイプと、 冷却パイプを固定する複数の冷却板と、 第２の熱膨張係数を有し、第１の材料とは異なる第２の
   材料で形成された被冷却物を覆うシールド板と、 温度に応じて形状が変化する固定板とを備えた輻射シー
   ルドであって、複数の冷却板の各々と、シールド板と、
   固定板とが積層され、常温で可動な状態で固定されてい
   る輻射シールド。
2. 【請求項２】 複数の冷却板の各々と、シールド板と、
   固定板とは、少なくとも固定ボルトにより、常温で可動
   な状態で固定されている、請求項１に記載の輻射シール
   ド。
3. 【請求項３】 固定ボルトと、複数の冷却板の各々また
   はシールド板に設けられた固定ボルトの貫通口との間に
   は緩みがあり、それにより常温で可動な状態で固定され
   ている、請求項２に記載の輻射シールド。
4. 【請求項４】 前記固定板は、熱膨張係数の異なる２種
   の金属板を貼り合わせたバイメタル板である、請求項２
   に記載の輻射シールド。
5. 【請求項５】 前記バイメタル板は冷却により湾曲し、
   それにより複数の冷却板の各々と、シールド板と、固定
   板とがより強く固定される、請求項４に記載の輻射シー
   ルド。
6. 【請求項６】 前記固定板は、熱膨張係数が負の第３の
   材料で形成されている、請求項２に記載の輻射シール
   ド。
7. 【請求項７】 前記第３の材料は、冷却により膨張し、
   それにより複数の冷却板の各々と、シールド板と、固定
   板とがより強く固定される、請求項６に記載の輻射シー
   ルド。
8. 【請求項８】 第１の熱膨張係数を有する第１の材料で
   形成された、冷媒を流す冷却パイプと、 冷却パイプを固定する複数の冷却板と、 第２の熱膨張係数を有し、第１の材料とは異なる第２の
   材料で形成された被冷却物を覆うシールド板と、 温度に応じて形状が変化する固定板と、 内部が真空に保たれた真空槽とを備えた極低温容器であ
   って、真空槽の内部で、複数の冷却板の各々と、シール
   ド板と、固定板とが積層され、常温で可動な状態で固定
   されている極低温容器。
9. 【請求項９】 第１の熱膨張係数を有する第１の材料で
   形成された、冷媒を流す冷却パイプと、複数の冷却板の
   各々とを固定するステップと、 冷却パイプが固定された複数の冷却板の各々と、第２の
   熱膨張係数を有し、第１の材料とは異なる第２の材料で
   形成された被冷却物を覆うシールド板と、温度に応じて
   形状が変化する固定板とを積層させ、可動な状態で固定
   するステップとからなる、冷却パイプの固定方法。