JP2005123313A - 単結晶引上げ装置用超電導磁石装置における冷凍機の装着構造及び冷凍機のメンテナンス方法 - Google Patents

Abstract

【課題】超電導磁石装置を極低温に維持したままで冷凍機のメンテナンス作業を可能にする。
【解決手段】単結晶引上げ装置用超電導磁石装置の超電導コイル11bが収容される真空容器１０内に挿入されて超電導コイルの冷却を行う冷凍機Ｒであって、モータ駆動部Ｍと、モータ駆動部により駆動されるディスプレーサと、ディスプレーサを往復動可能に収容している冷却シリンダを備えた冷凍機を装着するための装着構造である。真空容器に、真空領域と隔絶した状態で冷却シリンダを収容するためのスリーブ２であって、真空容器の壁に近い箇所に開口を持つスリーブ２を設け、冷却シリンダにおけるディスプレーサ挿通用の開口に、ディスプレーサを挿通した状態でモータ駆動部を取り付けると共に、スリーブ内の空間を封止すべくスリーブ内に挿通される筒状部を持つ第１のフランジを設け、第１のフランジ及び冷却シリンダを残してモータ駆動部とディスプレーサとを取り外して新たなディスプレーサと交換可能にした。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍機冷却型クライオスタットにおける冷凍機の真空容器への装着構造及び冷凍機のメンテナンス方法に関し、特に単結晶引上げ装置用超電導磁石装置における冷凍機の装着構造及び冷凍機のメンテナンス方法に関する。

クライオスタット（極低温真空容器）の冷却手段として近年、液体ヘリウムに代わって図１１に示すようなＧＭ冷凍機Ｒが使用されている。ＧＭ冷凍機Ｒの構造は大別してモータ駆動部Ｍと、複数段（ここでは２段）の冷却シリンダＣ１、Ｃ２と、蓄熱体を内蔵しモータ駆動部ＭによりシリンダＣ１、Ｃ２内を往復動するディスプレーサＤ１、Ｄ２とから構成されている。第１段冷却シリンダＣ１の下端部には第１段コールドヘッドＨ１、第２段冷却シリンダＣ２の下端部には第２段コールドヘッドＨ２がそれぞれ形成されている。第１段冷却シリンダＣ１の上部開口周縁には、モータ駆動部Ｍを取り付けるため及び後述される真空容器への取り付けのためのフランジ４が設けられている。ディスプレーサＤ１、Ｄ２はフランジ４の開口を通して第１段、第２段冷却シリンダＣ１、Ｃ２内に挿入される。

上記２段のコールドヘッドＨ１、Ｈ２を有するＧＭ冷凍機Ｒにあっては、第１段コールドヘッドＨ１で７０〜４０Ｋに、第２段コールドヘッドＨ２で２０〜４Ｋまで極低温にすることが可能であり、各段のコールドヘッドにより被冷却物が所定温度まで冷却される（例えば、特許文献１参照）。

ところで、シリコン単結晶製造において、多結晶シリコンを溶融して単結晶種結晶に結晶成長させるチョクラルスキー法（ＣＺ法）が知られている。溶融シリコンはルツボ内で溶融するために熱対流が発生して生成する単結晶の品質が低下する場合がある。そこで、生成した単結晶の品質向上などを目的に、溶融シリコンに磁界を印加して電磁制動により対流を抑制する方法が知られている。この方法は、磁界印加式チョクラルスキー法（ＭＣＺ法）と呼ばれている。磁界の印加方向としては、溶融シリコンの液面に対して垂直方向の垂直磁場、水平方向の水平磁場、カスプ磁場を印加することが知られている。そして、磁界印加手段としてＧＭ冷凍機を備えた超電導磁石装置が使用されている。

上記のＧＭ冷凍機Ｒを単結晶引上げ装置用の超電導磁石装置の冷却に長時間（稼働約１万時間）使用する場合は必ずＧＭ冷凍機Ｒのメンテナンスが必要である。通常のメンテナンスは、常に運動している部分の部品交換と点検である。このメンテナンス作業を行なう場合は、モータ駆動部Ｍとそれに連結されているディスプレ一サＤ１、Ｄ２を第１段、第２段冷却シリンダＣ１、Ｃ２から引抜き、取り外すことが必要である。

しかし、低温に冷却されているディスプレーサＤ１、Ｄ２を大気中で第１段、第２段冷却シリンダＣ１、Ｃ２から引き抜くと、瞬時に第１段、第２段冷却シリンダＣ１、Ｃ２の内面に空気中の水分が付着し氷結膜となって第１段、第２段冷却シリンダＣ１、Ｃ２の内面を覆う。付着した氷結膜はドライヤ等で一時的には除去できる。しかし、第１段、第２段冷却シリンダＣ１、Ｃ２は極低温の真空容器中にあって冷却され続けるので、再び第１段、第２段冷却シリンダＣ１、Ｃ２の内面に氷結膜が生じてしまい、結局、メンテナンス作業が不可能となる。

そこで、単結晶引上げ装置は勿論、超電導磁石装置を停止して超電導磁石装置全体を常温に戻してから作業を行なわねばならなかった。超電導磁石装置を停止した後、超電導磁石装置が４Ｋから常温に戻るまでの必要時間は、コイルの大きさにもよるが、６日から２０日程度である。そして、そこから１日かけて超電導磁石装置に備えられた数台のＧＭ冷凍機を交換する。続いて、コイル昇温時と同様の日数をかけてコイルを冷却し、コイルが４Ｋになった時点で初めて単結晶引上げ装置の運転が再開される。以上のように、ＧＭ冷凍機のメンテナンスには都合２週間から１月半近くの日数がかかり、この間の単結晶引上げ装置の運転が停止し、大きな操業損が発生してしまう。

そこで、メンテナンスの必要のあるＧＭ冷凍機は部品交換作業を行なうことをせずに、第１段、第２段冷却シリンダＣ１、Ｃ２を含むＧＭ冷凍機一式をメンテナンス済みのものとそっくり交換することが考えられ、図１２に示す構造のものが提案されている。

すなわち、真空容器１００の天板１１１に、真空容器１００内の真空領域と隔絶するための、上方に開口部を有するスリーブ２を設置する。そして、スリーブ２の上方開口部からＧＭ冷凍機Ｒの第１段、第２段冷却シリンダＣ１、Ｃ２を挿入し、第１段、第２段冷却シリンダＣ１、Ｃ２を真空容器１００内の真空領域と隔絶した状態でＧＭ冷凍機Ｒを設置する。

スリーブ２は、下端に第１段冷却フランジＦ１を設けている第１段スリーブ２ａと、第１段冷却フランジＦ１に上端が接続され下端部に第２段冷却フランジＦ２が設けられている第２段スリーブ２ｂとを有する。第１段スリーブ２ａの開口部周縁には真空容器１００の天板１１１に気密にボルト付けするためのフランジＦ３が溶接されている。前述したように、フランジ４もまた真空容器１００の天板１１１にボルト付けされる。第１段冷却フランジＦ１には熱シールド容器１０６の天板部が伝熱可能に取り付けられている。また、第２段冷却フランジＦ２には超電導磁石装置等の被冷却材が伝熱的に接触している。

なお、図１２において、ＧＭ冷凍機Ｒの第１段コールドヘッドＨ１と第１段冷却フランジＦ１との接触面及び、第２段コールドヘッドＨ２と第２段冷却フランジＦ２との接触面には、これらの接触面の熱接触を高めるため、それぞれ約０．５〜１ｍｍ厚のインジウムシート３ａ、３ｂが挿入されている。以下では、これらの接触面を熱接触界面と呼ぶ。

図１２では、スリーブ２はその肉厚を無視して１本の線で描かれており、スリーブ２の内面と第１段、第２段冷却シリンダＣ１、Ｃ２の外面との間には熱接触界面を除いてスペースが存在する。熱接触界面は、第１段、第２段冷却シリンダＣ１、Ｃ２の延在方向に直角な面である。
特開２００１−２３０４５９号公報

上記のようなスリーブ２を使用することで、超電導磁石装置を常温に戻さずにＧＭ冷凍機一式をそっくり交換することができる。しかしながら、上記提案による方法においても、新たにＧＭ冷凍機を装着する際に問題がある。つまり、スリーブ２から第１段、第２段冷却シリンダＣ１、Ｃ２を含むＧＭ冷凍機一式を引き抜いてそっくり交換する際には、どうしても大気暴露が必要となる。この場合、極低温になっているスリーブ２内に空気が混入してしまい、新たに挿入されるＧＭ冷凍機のコールドヘッドとスリーブ２の熱接触界面に空気などによって形成される氷結膜ができ、熱接触（熱伝導性能）が低下してしまう。

上記のスリーブ２を使用したメンテナンス方法の問題点をあげると、以下の通りである。

（１）交換時に空気などの混入を防ぐシールドユニットが必要である。

（２）交換はそのシールドユニット内での作業となる。

（３）熱接触界面に介在するインジウムシートが急冷却されて硬化し、コールドヘッド接触時の柔軟性が無くなる。

（４）交換時にＧＭ冷凍機の第１段、第２段冷却シリンダＣ１、Ｃ２が傾いて挿入、固定されると、熱接触界面の接触面積が減少してしまう。

（５）交換不良の場合でもやり直しがきかない。

（６）交換作業手順が多いことと、作業熟練度が必要である。

そこで、本発明の課題は、冷凍機を組み合わされる超電導磁石装置が極低温状態のままでしかもシールドユニット無しで簡便にメンテナンス作業を行うことができるようにすることにある。

本発明によれば、超電導磁石装置の超電導コイルが収容される真空容器内に挿入されて超電導コイルの冷却を行う冷凍機であって、モータ駆動部と該モータ駆動部に組み付けられて該モータ駆動部により駆動されるディスプレーサと該ディスプレーサを往復動可能に収容している冷却シリンダとを含む冷凍機を前記真空容器に装着するための装着構造において、前記真空容器は、中央に単結晶引上げ装置を収容するための中空空間を有する二重円筒型であり、前記真空容器には、該真空容器内の真空領域と隔絶した状態で前記冷却シリンダを収容するためのスリーブであって該真空容器の壁に近い箇所に開口を持つスリーブが設けられており、前記冷却シリンダは、その一部が前記スリーブと面接触しており、前記冷却シリンダにおける前記ディスプレーサ挿通用の開口には、前記ディスプレーサを挿通した状態にて前記モータ駆動部が取り付けられると共に前記スリーブ内の空間を封止すべく前記スリーブ内に挿通される筒状部を持つ第１のフランジが設けられており、前記筒状部とこれに対向する前記スリーブの内壁との間には封止リングが設けられており、前記第１のフランジ及び前記冷却シリンダを残して前記モータ駆動部と前記ディスプレーサとを取り外して新たなディスプレーサと交換可能にしたことを特徴とする単結晶引上げ装置用超電導磁石装置における冷凍機の装着構造が提供される。

本発明による冷凍機の装着構造においては、前記真空容器内に、前記中空空間を間にして対向し合う縦型配置の超電導コイルの対が少なくとも二対設けられており、隣り合う対において隣接し合う超電導コイルの中心軸のなす角を９０度以下とし、しかもそれらの合成発生磁束が前記中空空間における上下方向の中心軸を通る水平磁場となるようにしている。

本発明による冷凍機の装着構造においてはまた、前記真空容器内に、前記中空空間を間にして対向し合う縦型配置の超電導コイルの対が少なくとも二対設けられており、隣り合う対において隣接し合う超電導コイルの中心軸のなす角を９０度とし、しかもそれら合成発生磁束が前記中空空間における上下方向の中心軸を通らないカスプ磁場となるようにしても良い。

本発明による冷凍機の装着構造においては更に、前記真空容器内に、前記中空空間を取り囲むような水平配置型のリング状の超電導コイルを上下に配置し、これら上下の超電導コイルにより上側から下側に向かう平行磁束による縦磁場あるいは下側から上側に向かう平行磁束による縦磁場を形成するようにしても良い。

本発明による冷凍機の装着構造においては更に、前記真空容器内に、前記中空空間を取り囲むような水平配置型のリング状の超電導コイルを上下に配置し、これら上下の超電導コイルによる発生磁束を逆向きにすることにより、前記中空空間における上下方向の中心軸を通らないカスプ磁場を形成するようにしても良い。

本発明による冷凍機の装着構造においては、前記スリーブの開口部近傍に、前記第１のフランジと対向する第２のフランジを前記真空容器からやや突出するようにして該真空容器と一体に設けて、前記第１のフランジと前記第２のフランジとの間を第１のボルトで締め付けするようにし、しかも前記第１のフランジと前記第２のフランジとの間には、前記筒状部が前記スリーブへ挿入される時に前記ディスプレーサによる前記冷却シリンダの傾きを規制するためのガイドピンが少なくとも１本設けられるのが好ましい。

本発明による冷凍機の装着構造においては、前記第１のボルトは前記第２のフランジ側から前記第１のフランジ側に向けて挿入されて該第２のフランジを遊嵌状態で貫通しており、該第１のボルトの頭部と該頭部が対向する前記第２のフランジとの間に、バネ座金を介在させることが好ましい。

本発明によればまた、上記の単結晶引上げ装置用超電導磁石装置における冷凍機の装着構造に適用される冷凍機のメンテナンス方法であって、前記冷却シリンダの一部と前記スリーブとの面接触は、前記冷却シリンダの延在方向に関して直角な面において行われており、前記第２のフランジには、該第２のフランジに螺入されて前記第１のフランジに当接するようにされた第２のボルトが設けられており、前記ディスプレーサの交換作業に際しては、前記第１のボルトによる締め付けを緩めたうえで前記第２のボルトにより前記第１のフランジを押し上げて前記筒状部を数ｍｍ程度引き出すようにすることにより、前記スリーブと前記冷却シリンダとの間の封止を維持した状態で前記面接触を解除し、前記モータ駆動部を前記第１のフランジから取り外して前記ディスプレーサと共に前記冷却シリンダから引き抜くようにし、前記冷却シリンダ内を昇温させた後、新たなモータ駆動部とディスプレーサとの組み合わせ体を前記第１のフランジを通して前記冷却シリンダ内に挿入し、続いて倍力装置で冷凍機全体に押圧力を作用させて前記筒状部を元の位置に押し戻して前記冷却シリンダの一部と前記スリーブとを面接触させた後、前記第１のボルトによる締め付けを行うようにしたことを特徴とする単結晶引上げ装置用超電導磁石装置における冷凍機のメンテナンス方法が提供される。

本発明による冷凍機のメンテナンス方法においては、前記倍力装置は、前記モータ駆動部の頭部側に配置されるベース板と、該ベース板と前記モータ駆動部の頭部側との間に配置される伸長力発生機構と、前記ベース板と前記第２のフランジのそれぞれに引っ掛かる爪を上下両側に有する少なくとも２枚の略コ字形状の締付け板とを含み、前記ベース板の上動を前記締付け板で拘束した状態にて前記伸長力発生機構により前記ベース板と前記モータ駆動部の頭部側とを引き離す力を発生させて前記冷凍機全体に押圧力を作用させるようにしたものである。

本発明によれば、冷凍機の交換作業を開始することで超電導磁石装置におけるコイル本体の温度が上昇しようとしても、冷却シリンダを残してディスプレーサ及び冷凍機上部を引き抜いて作業するため、スリーブと冷却シリンダで形成された空間は真空であり、常温からの熱侵入が少なく、コイル本体の温度上昇は緩慢である。加えて、４Ｋから１５Ｋ程度に上昇した時点で交換作業を終了することができるのでコイルを再度４Ｋまで冷却するのに要する日数も少なくて済み、作業全体がおよそ２〜３日で完了してしまう。したがって、本発明によれば単結晶引上げ装置の運転を停止する期間を非常に短くすることができる。

また、コイルの温度変化の幅は、超電導磁石装置の運転を停止する従来方法の場合４Ｋ〜３００Ｋであるが、本発明では４Ｋ〜１５Ｋと少ないため、コイル自体や超電導磁石装置全体の熱応力サイクルによるダメージが少ない。

更に、冷却し通電状態にあるコイルは強力な磁場を発生し、コイル巻枠などに相当の応力をかけている。このために従来方法では応力の変化によるトレ−ニングという現象がおき、超電導でない、いわゆるクエンチ状態を繰り返す不具合を発生するが、本発明によればその現象を軽減することができる。

一方、本発明においてガイドピンを備えることによる効果は、以下の通りである。実際にガイドピンを装着せずに冷凍機の装着作業を実施した場合、Ｏ−リング（封止リング）摺動では、Ｏ−リングの潰し代があるため、ディスプレーサ及び冷凍機上部が傾いて斜めに挿入されると摺動面をかじってしまい、挿入が非常に難しい。本発明においては、このような現象の原因究明に多大な時間を費やした結果、ガイドピンの導入により上記の問題点を解消することができた。

更に、油圧ジャッキなどによる挿入手段は、挿入時間の短縮に非常に意味がある。なぜならば、ディスプレーサ及び冷凍機上部を装着する際には、冷却シリンダを昇温させて常温状態にして素早くディスプレーサを挿入しなければ、コイルによって冷却シリンダだけが再び冷却されて収縮し、口径が狭くなって、まだ温度の高いディスプレーサが冷却運転をしようとしても動かなくなってしまうことがあるからである。また、熱接触界面に設置されるインジウムシートは、弱く遅い力で押し込まれても反発力が発生せず、以後の熱伝導が悪くなってコイルが良く冷えないという現象が発生した。このため、図１２で説明したようなネジによる締付け手段で挿入することは現実的ではなかった。

以上の点を要約すると、本発明の効果は以下の通りである。

１）メンテナンスにて冷凍機を交換した場合の性能劣化が極めて少なく、交換不良が認められた時でもやり直しを行うことができる。

２）交換作業は非常に簡便で短時間で実施できる。

３）メンテナンス費用が安価で済む。

４）メンテナンス作業のもたらす単結晶引上げ装置の稼動損を最小限にできる。

はじめに、図２を参照して、本発明によるメンテナンスの対象となる冷凍機の装着構造について説明する。本例はＧＭ冷凍機に適用した場合である。本構造の特徴は、スリーブ２の開口部におけるフランジ２１（第２のフランジ）と、これに対応する箇所の第１段冷却シリンダＣ１の上部開口周縁に設けられたフランジ４１（第１のフランジ）、及びこれらの周辺構造にある。他の部分の構造は、図１１、図１２で説明したのと実質上同じであり、それゆえ同じ部分には同じ参照番号を付している。なお、スリーブ２は真空容器１０と一体化されている。つまり、スリーブ２はフランジ２１を有する形態にて真空容器１０に溶接等により固着されていても良いし、真空容器１０に設けられたフランジ２１にスリーブ２が溶接等により固着されていても良い。以下では、前者の場合について説明する。

ＧＭ冷凍機は、超電導磁石装置が収容される真空容器（後述する）に挿入されて超電導コイルの冷却を行うものであり、モータ駆動部Ｍと、モータ駆動部Ｍに組み付けられてモータ駆動部Ｍで駆動されるディスプレーサ（図示せず）と、このディスプレーサを往復動可能に収容している冷却シリンダとを含む。冷却シリンダは、ここでは第１段、第２段冷却シリンダＣ１、Ｃ２から成る。

第１段冷却シリンダＣ１の下端部には第１段コールドヘッドＨ１が、第２段冷却シリンダＣ２の下端部には第２段コールドヘッドＨ２がそれぞれ形成されている。第１段冷却シリンダＣ１の上部開口周縁には、モータ駆動部Ｍを取り付けると共に真空容器への取り付け、厳密に言えばフランジ２１を介しての真空容器への取り付けのためのフランジ４１が設けられている。ディスプレーサはフランジ４１の開口を通して第１段、第２段冷却シリンダＣ１、Ｃ２内に挿入される。

スリーブ２は、下端に第１段冷却フランジＦ１を設けている第１段スリーブ２ａと、第１段冷却フランジＦ１に上端が接続され下端部に第２段冷却フランジＦ２が設けられている第２段スリーブ２ｂとを有する。第１段スリーブ２ａの開口部周縁には真空容器１０への取り付けのためのフランジ２１が設けられている。フランジ２１のやや下方には、フランジ２１と同様のフランジ状のものが示されているが、これは後述される真空容器の壁体の一部となるものである。換言すれば、フランジ２１は、真空容器からやや突出するように設けられる。その理由も、後述する説明で明らかになる。

なお、本例においても、ＧＭ冷凍機Ｒの第１段コールドヘッドＨ１と第１段冷却フランジＦ１との熱接触界面及び、第２段コールドヘッドＨ２と第２段冷却フランジＦ２との熱接触界面には、これらの接触面の熱接触を高めるため、それぞれ約０．５〜１ｍｍ厚のインジウムシート３ａ、３ｂが設けられている。

本ＧＭ冷凍機Ｒにおいても、第１段コールドヘッドＨ１で７０〜４０Ｋに、第２段コールドヘッドＨ２で２０〜４Ｋまで極低温にすることが可能であり、各段のコールドヘッドにより被冷却物が所定温度まで冷却される。つまり、図１２で説明したのと同様に、第１段冷却フランジＦ１には真空容器内に配置される熱輻射シールド体（後述する）の天板部が伝熱可能に取り付けられ、第２段冷却フランジＦ２には超電導磁石装置の超電導コイルが伝熱可能に組み合わされる。

図２でも、スリーブ２はその肉厚を無視して１本の線で描かれており、スリーブ２の内面と第１段、第２段冷却シリンダＣ１、Ｃ２の外面との間には熱接触界面を除いてスペースが存在する。熱接触界面は、第１段、第２段冷却シリンダＣ１、Ｃ２の延在方向に直角な面である。

スリーブ２のフランジ２１に対応する箇所、すなわち第１段冷却シリンダＣ１の上部開口周縁に設けられたフランジ４１は、ディスプレーサを挿通した状態にてモータ駆動部Ｍを取り付けるための環状の板部材４１−１と、この板部材４１−１と共にスリーブ２内の空間を封止すべくスリーブ２の上部に挿通される筒状部４１−２とを有する。板部材４１−１と筒状部４１−２はボルト（図示せず）等により一体化され、これらの接合部にはシール用のＯ−リング（封止リング）４１−３が設けられている。このようにして、第１段、第２段冷却シリンダＣ１、Ｃ２は、真空容器内の真空領域と隔絶した状態でスリーブ２に収容される。

なお、筒状部４１−２とこれに対向するスリーブ２の内壁との間をゴム製のＯ−リング（封止リング）４２でシールするようにしている。これは、後で説明されるように、筒状部４１−２はスリーブ２に対して上下動可能にされているため、スリーブ２の内面と筒状部４１−２の外面との間にはわずかな隙間があり、この隙間を通しての封止漏れを防ぐためである。

フランジ４１とフランジ２１との間は、等角度間隔をおいて設けられる複数のボルト４３（第１のボルト）で、フランジ２１の下側から締め付けするようにしている。なお、後述する理由により、ボルト４３はフランジ２１には遊嵌状態で挿通されている。図示していないが、フランジ２１には更に、その下面側から螺入されてフランジ４１の下面側に当接する複数のボルト（第２のボルト）が設けられる。これら複数の第２のボルトは、例えばボルト４３の間に設けられても良く、その使用目的については後述する。加えて、フランジ４１とフランジ２１には、筒状部４１−２がスリーブ２へ挿入される時にディスプレーサによって第１段、第２段冷却シリンダＣ１、Ｃ２に傾きが生じてしまうことを規制するためのガイドピン４４が少なくとも１本、ここでは９０度の等角度間隔をおいて４本設けられている。ガイドピン４４はフランジ２１に立設され、これに対応する筒状部４１−２及び板部材４１−１に貫通穴が設けられている。

更に、複数のボルト４３のすべて、あるいは何本かのボルト４３の頭部とこの頭部が対向するフランジ２１との間には、バネ座金４５を介在させている。バネ座金４５は、ボルト４３を介してフランジ４１を図中下側に引き込もうとする付勢力を発生する。つまり、最初の冷却開始時に第１段冷却シリンダＣ１が冷却されることにより、第１段冷却シリンダＣ１は収縮する。これにより、第１段コールドヘッドＨ１が第１段冷却フランジＦ１から離れようとするが、バネ座金４５によって第１段冷却シリンダＣ１が押しさげられることにより、第１段コールドヘッドＨ１と第１段冷却フランジＦ１との間の面接触が維持される。４６は、スリーブ２と第１段、第２段冷却シリンダＣ１、Ｃ２との間の空間の真空引きを行うために真空ポンプ等の減圧手段が接続されるコネクタである。つまり、ＧＭ冷凍機Ｒが最初に真空容器に装着された時には、コネクタ４６に減圧手段を接続してスリーブ２と第１、第２段冷却シリンダＣ１、Ｃ２との間のスペースの真空引きが行われる。

図３を参照して、本発明が適用される冷凍機冷却型超電導磁石装置の概要について説明する。図３において、この超電導磁石装置は、中央部に中空空間（大気空間）を有する２重円筒状の真空容器１０と、真空容器１０内に縦に配置されて水平磁場を発生するための２対のソレノイド状の超電導コイル１１ａ〜１１ｄと、各超電導コイルを冷却するためのＧＭ冷凍機（図示せず）とを含む。

本例では特に、２対の超電導コイル１１ａ〜１１ｄを、一方の対の超電導コイル１１ａと１１ｂ、他方の対の超電導コイル１１ｃと１１ｄがそれぞれ中空空間を間にして対向し合い、かつ一方の対の超電導コイル１１ａと１１ｂの中心を結ぶ線分Ｌ１と他方の対の超電導コイル１１ｃと１１ｄの中心を結ぶ線分Ｌ２との間の配置角θが４０°≦θ≦９０°となるように隣接させて固定配置している。この超電導磁石装置は、例えばＭＣＺ法による単結晶引上げ装置用磁場発生装置として使用される。

図１を参照して、真空容器１０は単結晶引上げ装置の周囲を囲むことのできる二重円筒構造を有している。単結晶引上げ装置は真空容器１０の内側に形成される中空空間に配置される。真空容器１０には、通常２個以上のＧＭ冷凍機Ｒ（図１では１個のみ図示）が備えられる。ここでは、ＧＭ冷凍機Ｒは真空容器１０の上側から挿入可能にされているが、下側から挿入される場合もある。前述した２対の超電導コイル１１ａ〜１１ｄ（１１ｂのみ図示）は、単結晶引上げ装置のルツボ内の溶融シリコンに対してここでは水平磁界を与える。

２対の超電導コイル１１ａ〜１１ｄ及びこれらを支持している構造体１３は、スリーブ２の下部と共に、真空容器１０内に配置された二重円筒型の熱輻射シールド体１５に収容されている。この熱輻射シールド体１５は、輻射熱の侵入を防止するためのものである。スリーブ２は、熱輻射シールド体１５の上部を貫通して下方に延びている。熱輻射シールド体１５とスリーブ２との間の熱収縮による応力発生を防止するために、スリーブ２の第１段冷却フランジＦ１と熱輻射シールド体１５との間は、網線や多層板による可撓性伝熱体２５ａで連結されている。超電導コイル１１ａ〜１１ｄ、構造体１３、及び熱輻射シールド体１５は、真空容器１０内の底部に設けられた複数の垂直方向荷重支持体１６で支持されている。

真空容器１０の側壁には、この側壁をシール状態にて貫通すると共に、熱輻射シールド体１５を貫通して構造体１３に連結された複数の水平方向荷重支持体１７を設けている。真空容器１０の外周には上面磁気シールド体２６−１、側面磁気シールド体２６−２、及び下面磁気シールド体２６−３から成る磁気シールド体２６を設けて、外周部の漏洩磁界を低減できるようにしている。

スリーブ２の第２段冷却フランジＦ２は、構造体１３に設けられた接続部１３−１の近くに位置している。そして、第２段冷却フランジＦ２と接続部１３−１との間を、可撓性を有する多層板状伝熱部材１４で接続している。その結果、コイル固定用構造体１３とスリーブ２との間の熱収縮による応力発生が防止される。

ところで、図３のコイル配置は水平磁場を発生させる例であって、図３（ｂ）に示されるように、２対の超電導コイルの合成磁界方向がほぼ同じ方きであり、超電導磁石装置の中心（真空容器の中空空間の中心）を磁場が横切るようにしている。

図４〜図６を参照して、図３のコイル配置とは異なる、真空容器内におけるコイル配置の他の例を説明する。図４、図５は、カスプ磁場発生用のコイル配置を示す。図４に示すコイル配置と図５に示すコイル配置は、カスプ磁場を発生するという点では同じであるが、以下の点で異なる。つまり、図５では２つの超電導コイル７１ａ、７１ｂが中心軸を上下方向に向けて、いわば水平にして上下に配置されているが、図４の例では、後で詳しく説明されるように、超電導コイルは縦、つまりコイル中心軸が水平方向を向くようにした状態で配置されている。特に、隣り合ったコイルによる磁界の方向が異なり、超電導磁石装置の中心を磁場が横切らないようにしている。図４の例の場合、図３の例と同様、超電導コイルを支持するための円筒状のコイル冷却用熱伝導体の外周側に、超電導コイル毎に環状の巻枠１３−３（図１参照）が形成されることになる。

図４の例では、中心軸が鉛直方向を向いている中空空間を有する二重円筒構造の真空容器１０内に、同じ仕様の二対の超電導コイル１１ａ、１１ｂ、２１ａ、２１ｂが、各対の超電導コイルの中心を結ぶ線分が中空空間の中心において互いに直交するように縦にして配置されている。更に言えば、二対の超電導コイル１１ａ、１１ｂ、２１ａ、２１ｂは、各対の超電導コイルが真空容器１０の中空空間を間にして互いに対向し合い、しかも各超電導コイルが中空空間の中心軸を取り囲み、かつ各対の超電導コイルの対称面が前記中心軸を含むように配置されている。そして、互いに隣り合う超電導コイルの発生磁場方向が逆向きになるように通電される。

その結果、図４（ｂ）に示すように、中空空間の中心軸に対して４回対称のカスプ型磁力線分布が得られる。

一方、図５の場合には、上下の超電導コイル７１ａ、７１ｂに互いに逆向きの磁界を形成するように電流を流すことにより、縦カスプと呼ばれる磁場が形成される。

次に、図６の例では２つの超電導コイル８１ａ、８１ｂが図５の例と同様、水平にして上下に配置されているが、図５の例とは磁場の発生形態が異なる。つまり、図６の例では、超電導コイル８１ａ、８１ｂに同じ向きで電流を流すことにより、磁束が上側の超電導コイル８１ａから下側の超電導コイル８１ｂに向けて、あるいはその逆方向に平行磁束が発生される。いずれにしても、図５、図６の場合、超電導コイルの巻枠は、真空容器１０の内側の円筒より径の大きいリング状にされることになる。

図１に戻って、超電導磁石装置の中空空間、つまり真空容器１０の中空空間内に配置された単結晶引上げ装置は、引上げ炉Ａ内に設置されたルツボ５２内の溶融シリコン５３にワイヤ５６（もしくは引上げ軸）下端の種結晶ホルダ５７に取付けた種結晶（図示せず）を浸漬させ、自然凝固により単結晶を形成し、ワイヤ５６を回転させながら引上げて単結晶５４を成長させるものである。ルツボ５２内の単結晶材料は、ルツボ５２の周囲に設けられたヒータ５１の熱により溶融される。ヒータ５１の周囲には断熱のための熱シールド材５５が設けられており、熱シールド材５５の上方中央には単結晶引上げ作業の障害とならないよう開口部５５ａが形成されている。

ＧＭ冷凍機Ｒは、メンテナンスの際には、第１段、第２段冷却シリンダＣ１、Ｃ２を残し、モータ駆動部Ｍとディスプレーサとを抜き出して新たなモータ駆動部及びディスプレーサと交換する。

この交換作業を図７〜図９をも参照して説明する。

交換作業に際しては、ＧＭ冷凍機Ｒの運転を停止し、フランジ２１とフランジ４１との間のボルト４３による締め付けを緩める。そして、前述した第２のボルトを回すことによりフランジ４１を上方に押し上げてＧＭ冷凍機Ｒ全体を押し上げる。この時、スリーブ２からフランジ４１の筒状部４１−２をすべて引き抜かず（つまり、スリーブ２内を大気に暴露しない）に、Ｏ−リング４２によるシールができる範囲でＧＭ冷凍機Ｒ全体を押し上げる。この引上げ量は数ｍｍ、例えば２〜３ｍｍ程度である。この操作によりＧＭ冷凍機Ｒの第１段、第２段冷却シリンダＣ１、Ｃ２はスリーブ２から離れる。つまり、第１段、第２段コールドヘッドＨ１、Ｈ２とスリーブ２との面接触が無くなり、各熱接触界面における伝熱は行われなくなる。

次に、極低温状態にてＧＭ冷凍機Ｒの第１段、第２段冷却シリンダＣ１、Ｃ２はそのまま固定でディスプレーサをモータ駆動部Ｍと共に引き抜き、新たなディスプレーサをモータ駆動部と共に装着する。

図７は、モータ駆動部ＭがディスプレーサＤ１、Ｄ２と共に引き抜かれ、スリーブ２と第１段、第２段冷却シリンダＣ１、Ｃ２との面接触、厳密に言えば、第１段スリーブ２ａと第１段コールドヘッドＨ１との間の面接触、及び第２段スリーブ２ｂと第２段コールドヘッドＨ２との間の面接触が解除されている状態を示す。

図７の状態において、新たなモータ駆動部及びディスプレーサを第１段、第２段冷却シリンダＣ１、Ｃ２内に装着する前に、抜け殼となっている大気暴露された第１段、第２段冷却シリンダＣ１、Ｃ２の内部は低温であるため、氷結膜と霜で覆われている。そこで、図８に示すように、第１段、第２段冷却シリンダＣ１、Ｃ２の内部を加熱装置（ドライヤなど）５０を挿入して昇温させ、氷結膜や霜を除去及びクリ−ニングする。昇温温度は約２０〜４０℃で良い。昇温の目的は前述の他に、第１段、第２段コールドヘッドＨ１、Ｈ２の下端面に取り付けられているインジウムシート（図２の３ａ、３ｂ）を軟化させることも含まれる。

いずれにしても、スリーブ２と第１段、第２段冷却シリンダＣ１、Ｃ２との間にはＯ−リング４２により封止された真空空間が存在し、スリーブ２と第１段、第２段冷却シリンダＣ１、Ｃ２との面接触が遮断されているので、真空容器１０側の低温により第１段、第２段冷却シリンダＣ１、Ｃ２が直接的に冷却されることは無くなる。逆に、大気露出されている第１段、第２段冷却シリンダＣ１、Ｃ２を通しての真空容器１０側への熱侵入も防止できるので、真空容器１０側の温度上昇も最小限にすることができる。

新たなモータ駆動部及びディスプレーサを装着する前に、第２のボルトでフランジ４１を押し上げた状態を元に戻す。そして、第１段、第２段冷却シリンダＣ１、Ｃ２を数ｍｍ引き上げた状態を元に戻すため、図９に示すように、油圧あるいは機械的に押圧力を発生する倍力装置６０を使用してＧＭ冷凍機Ｒ全体を押し下げる。この場合、ガイドピン４４によりディスプレーサによる第１段、第２段冷却シリンダＣ１、Ｃ２の傾きが抑制され、ほぼ元の位置に戻る。また、インジウムシートが軟化されていることから僅かな傾きがあったとしても柔軟に面接触が可能になる。

以上のような作用により、第１段、第２段コールドヘッドＨ１、Ｈ２の伝熱性能は交換前と同等の性能を確保できる。

図９を参照して、磨耗部品の交換等が終了したモータ駆動部及びディスプレーサあるいは新たなモータ駆動部及びディスプレーサを第１段、第２段シリンダＣ１、Ｃ２に挿入する方法を詳しく説明する。第１段、第２段冷却シリンダＣ１、Ｃ２はスリーブ２から離間し、第１段、第２段冷却シリンダＣ１、Ｃ２とスリーブ２との間は真空中である。とはいえ、超電導コイルは極低温のままであり、第１段、第２段冷却シリンダＣ１、Ｃ２はある程度冷却されており、第１段、第２段冷却シリンダＣ１、Ｃ２を大気開放すると結露し、かつ冷却によって口径が狭くなっている。このため、そのままでは第１段、第２段冷却シリンダＣ１、Ｃ２へのディスプレーサの挿入が難しいので、ドライヤ等の加熱手段で第１段、第２段冷却シリンダＣ１、Ｃ２の温度を常温程度まで上げる。

次に、ディスプレーサを第１段、第２段冷却シリンダＣ１、Ｃ２に挿入し、ボルト４３によりフランジ２１、４１の間を若干締め付ける。この時、フランジ２１とフランジ４１との間には締め代が残っている。その後、あとで詳しく説明される倍力装置６０で速やかにＧＭ冷凍機Ｒ全体に押下げ力を加えて第１段、第２段コールドヘッドＨ１、Ｈ２の端部をそれぞれスリーブ２の第１段、第２段冷却フランジＦ１、Ｆ２に接触させ、フランジ２１とフランジ４１との間に締め代が残らないようにボルト４３によって締め付けを行うことによりＧＭ冷凍機Ｒを真空容器１０に固定する。

倍力装置６０は、図１０に示すように、断面コ字形状のベース板６１、複数のボルト６２によりベース板６１の上端に固着される補強板６３、上下両端に爪６４−１を有すると共に、上下方向に延びる補強用のリブ６４−２を持つ２枚の締め付け板６４、油圧ジャッキ６５、油圧ジャッキ６５とモータ駆動部Ｍの頭部との間に介在させるための治具６６とを有する。

なお、ネジ棒６７、コイルスプリング６８、ナット６９は、ＧＭ冷凍機Ｒが真空容器１０の下側から挿入される場合に使用される。つまり、ベース板６１、締め付け板６４、油圧ジャッキ６５等は機械的に一体化されていないので、ＧＭ冷凍機Ｒを真空容器１０の下側から挿入する場合にはネジ棒６７でベース板６１をフランジ４１から吊り下げた状態に保持する。このため、フランジ４１の上面には、ネジ棒６７を所定深さまで螺入可能なネジ穴が設けられる一方、ベース板６１の下側には４つのコーナ部にそれぞれ脚部６１−１が設けられて、この脚部６１−１にネジ棒６７が挿通可能にされている。これにより、ネジ棒６７とナット６９とでベース板６１がフランジ４１から吊り下げられる。

さて、２枚の締め付け板６４は上下に直角に折り曲げられた爪６４−１を持つ肉厚の鋼板であり、下側の爪６４−１を真空容器１０側、つまりフランジ２１の下側に引っ掛ける。２枚の締め付け板６４は左右対称に設置され、上側の爪６４−１はベース板６１の上端に引っ掛ける。ベース板６１の下面とＧＭ冷凍機Ｒにおけるモータ駆動部Ｍの頭部との間には、油圧ジャッキ６５が介在される。ここで、ＧＭ冷凍機Ｒにおけるモータ駆動部Ｍの頭部は、通常、図２に示すように、突起部Ｍ１や複数のボルトの頭部Ｍ２が存在しているので、油圧ジャッキ６５が不安定にならないようにするために治具６６が用いられる。治具６６は、上記の突起部Ｍ１や複数のボルトの頭部Ｍ２を収容可能な凹部を下面側に有すると共に、油圧ジャッキ６５の伸長部６５−１を収容可能な凹部を上面側に有する。

このようにして、モータ駆動部Ｍの上部の突起部を無くし、冶具６６とベース板６１との間に油圧ジャッキ６５を介在させる。

油圧ジャッキ６５は円柱形をしており、図示しない油圧パイプにて圧油を送られると中央にある伸長部６５−１が伸張する構造になっている。伸長部６５−１が伸張することにより、ベース板６１は上方に持ち上げられようとするが、締め付け板６４の爪６４−１で拘束されているのでモータ駆動部Ｍに下方への押し下げ力が作用してＧＭ冷凍機Ｒは全体的に押し下げられる。つまり、ベース板６１が上方に持ち上げられようとすると、下側の爪６４−１はフランジ２１の下側に引っ掛かっており、上側の爪６４−１はベース板６１の上側に引っ掛かっているので、ベース板６１の上動が阻止される結果、ディスプレーサ及び第１段、第２段冷却シリンダＣ１、Ｃ２はフランジ４１と共にガイドピン４４（図２参照）に沿って正確に真空容器１０内のスリーブ２へと挿入される。

なお、油圧ジャッキ等に含まれる機構的な倍力装置とは、人力等の弱い力を螺子パンタグラフ式ジャッキ等の機構を用いて、強力かつ、すばやく伸張する力に変換する装置のことである。この種の倍力装置は、油圧ジャッキの他に空気圧を利用したものや電磁力を利用したもの、更にはモータとボール螺子の組み合わせによる変換機構等も含む。

以上、本発明の実施の形態をＧＭ冷凍機の場合について説明したが、本発明は他の冷凍機にも適用され得ることは言うまでも無く、単結晶引上げ装置用の超電導磁石装置に使用されるのに適している。

本発明が適用される単結晶引上げ装置及びそのための超電導磁石装置の構成例を示した断面図である。 本発明が適用されるＧＭ冷凍機について示した構造図である。 図１に示された超電導磁石装置における超電導コイルの配置例を説明するための図である。 図１に示された超電導磁石装置における超電導コイルの他の配置例を説明するための図である。 図１に示された超電導磁石装置における超電導コイルの更に他の配置例を説明するための図である。 図１に示された超電導磁石装置における超電導コイルのより他の配置例を説明するための図である。 図１に示されたＧＭ冷凍機におけるモータ駆動部及びディスプレーサを交換のために取り外した状態を示した図である。 図７に示されたモータ駆動部及びディスプレーサの取出し後に、冷却シリンダに対して行われる氷結膜や霜の除去作業を説明するための図である。 図８に示された氷結膜や霜の除去作業の後に、新たなモータ駆動部及びディスプレーサを装着する作業を説明するための図である。 図９に示された作業に使用される倍力装置の構成を説明するための分解図である。 従来のＧＭ冷凍機の構造を説明するための図である。 図１１のＧＭ冷凍機を真空容器に装着した状態を説明するための図である。

符号の説明

Ａ 引上げ炉
Ｃ１、Ｃ２ 第１段、第２段冷却シリンダ
Ｄ１、Ｄ２ ディスプレーサ
Ｆ１、Ｆ２ 第１段、第２段冷却フランジ
Ｈ１、Ｈ２ 第１段、第２段コールドヘッド
Ｍ モータ駆動部
Ｒ ＧＭ冷凍機
２ スリーブ
３ａ、３ｂ インジウムシート
４、２１、４１、 フランジ
１０、１００ 真空容器
１１ａ〜１１ｄ、７１ａ、７１ｂ、８１ａ、８１ｂ 超電導コイル
１３ 構造体
１５ 熱輻射シールド体
１６ 垂直方向荷重支持体
１７ 水平方向荷重支持体
４１−１ 板部材
４１−２ 筒状部
４１−３、４２ Ｏ−リング
４４ ガイドピン
４５ バネ座金
４６ コネクタ
６０ 倍力装置
５１ ヒータ
５２ ルツボ
５３ 溶融シリコン
５４ 単結晶
５５ 熱シールド材
５６ ワイヤ
５７ 種結晶ホルダ
１０６ 熱シールド容器

Claims (9)

1. 超電導磁石装置の超電導コイルが収容される真空容器内に挿入されて超電導コイルの冷却を行う冷凍機であって、モータ駆動部と該モータ駆動部に組み付けられて該モータ駆動部により駆動されるディスプレーサと該ディスプレーサを往復動可能に収容している冷却シリンダとを含む冷凍機を前記真空容器に装着するための装着構造において、
   前記真空容器は、中央に単結晶引上げ装置を収容するための中空空間を有する二重円筒型であり、
   前記真空容器には、該真空容器内の真空領域と隔絶した状態で前記冷却シリンダを収容するためのスリーブであって該真空容器の壁に近い箇所に開口を持つスリーブが設けられており、
   前記冷却シリンダは、その一部が前記スリーブと面接触しており、
   前記冷却シリンダにおける前記ディスプレーサ挿通用の開口には、前記ディスプレーサを挿通した状態にて前記モータ駆動部が取り付けられると共に前記スリーブ内の空間を封止すべく前記スリーブ内に挿通される筒状部を持つ第１のフランジが設けられており、
   前記筒状部とこれに対向する前記スリーブの内壁との間には封止リングが設けられており、
   前記第１のフランジ及び前記冷却シリンダを残して前記モータ駆動部と前記ディスプレーサとを取り外して新たなディスプレーサと交換可能にしたことを特徴とする単結晶引上げ装置用超電導磁石装置における冷凍機の装着構造。
2. 請求項１に記載の冷凍機の装着構造において、前記真空容器内には、前記中空空間を間にして対向し合う縦型配置の超電導コイルの対が少なくとも二対設けられており、隣り合う対において隣接し合う超電導コイルの中心軸のなす角を９０度以下とし、しかもそれらの合成発生磁束が前記中空空間における上下方向の中心軸を通る水平磁場となるようにしたことを特徴とする単結晶引上げ装置用超電導磁石装置における冷凍機の装着構造。
3. 請求項１に記載の冷凍機の装着構造において、前記真空容器内には、前記中空空間を間にして対向し合う縦型配置の超電導コイルの対が少なくとも二対設けられており、隣り合う対において隣接し合う超電導コイルの中心軸のなす角を９０度とし、しかもそれら合成発生磁束が前記中空空間における上下方向の中心軸を通らないカスプ磁場となるようにしたことを特徴とする単結晶引上げ装置用超電導磁石装置における冷凍機の装着構造。
4. 請求項１に記載の冷凍機の装着構造において、前記真空容器内には、前記中空空間を取り囲むような水平配置型のリング状の超電導コイルを上下に配置し、これら上下の超電導コイルにより上側から下側に向かう平行磁束による縦磁場あるいは下側から上側に向かう平行磁束による縦磁場を形成するようにしたことを特徴とする単結晶引上げ装置用超電導磁石装置における冷凍機の装着構造。
5. 請求項１に記載の冷凍機の装着構造において、前記真空容器内には、前記中空空間を取り囲むような水平配置型のリング状の超電導コイルを上下に配置し、これら上下の超電導コイルによる発生磁束を逆向きにすることにより、前記中空空間における上下方向の中心軸を通らないカスプ磁場を形成するようにしたことを特徴とする単結晶引上げ装置用超電導磁石装置における冷凍機の装着構造。
6. 請求項１に記載の冷凍機の装着構造において、前記スリーブの開口部近傍には前記第１のフランジと対向する第２のフランジを前記真空容器からやや突出するようにして該真空容器と一体に設けて、前記第１のフランジと前記第２のフランジとの間を第１のボルトで締め付けするようにし、しかも前記第１のフランジと前記第２のフランジとの間には、前記筒状部が前記スリーブへ挿入される時に前記ディスプレーサによる前記冷却シリンダの傾きを規制するためのガイドピンが少なくとも１本設けられていることを特徴とする単結晶引上げ装置用超電導磁石装置における冷凍機の装着構造。
7. 請求項６に記載の冷凍機の装着構造において、前記第１のボルトは前記第２のフランジ側から前記第１のフランジ側に向けて挿入されて該第２のフランジを遊嵌状態で貫通しており、該第１のボルトの頭部と該頭部が対向する前記第２のフランジとの間に、バネ座金を介在させていることを特徴とする単結晶引上げ装置用超電導磁石装置における冷凍機の装着構造。
8. 請求項６に記載の単結晶引上げ装置用超電導磁石装置における冷凍機の装着構造に適用される冷凍機のメンテナンス方法であって、
   前記冷却シリンダの一部と前記スリーブとの面接触は、前記冷却シリンダの延在方向に関して直角な面において行われており、
   前記第２のフランジには、該第２のフランジに螺入されて前記第１のフランジに当接するようにされた第２のボルトが設けられており、
   前記ディスプレーサの交換作業に際しては、前記第１のボルトによる締め付けを緩めたうえで前記第２のボルトにより前記第１のフランジを押し上げて前記筒状部を数ｍｍ程度引き出すようにすることにより、前記スリーブと前記冷却シリンダとの間の封止を維持した状態で前記面接触を解除し、
   前記モータ駆動部を前記第１のフランジから取り外して前記ディスプレーサと共に前記冷却シリンダから引き抜くようにし、
   前記冷却シリンダ内を昇温させた後、新たなモータ駆動部とディスプレーサとの組み合わせ体を前記第１のフランジを通して前記冷却シリンダ内に挿入し、続いて倍力装置で冷凍機全体に押圧力を作用させて前記筒状部を元の位置に押し戻して前記冷却シリンダの一部と前記スリーブとを面接触させた後、前記第１のボルトによる締め付けを行うようにしたことを特徴とする単結晶引上げ装置用超電導磁石装置における冷凍機のメンテナンス方法。
9. 請求項８に記載の冷凍機のメンテナンス方法において、前記倍力装置は、前記モータ駆動部の頭部側に配置されるベース板と、該ベース板と前記モータ駆動部の頭部側との間に配置される伸長力発生機構と、前記ベース板と前記第２のフランジのそれぞれに引っ掛かる爪を上下両側に有する少なくとも２枚の略コ字形状の締付け板とを含み、前記ベース板の上動を前記締付け板で拘束した状態にて前記伸長力発生機構により前記ベース板と前記モータ駆動部の頭部側とを引き離す力を発生させて前記冷凍機全体に押圧力を作用させるようにしたものであることを特徴とする単結晶引上げ装置用超電導磁石装置における冷凍機のメンテナンス方法。
   

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