JP2005265301A

JP2005265301A - 極低温冷却装置

Info

Publication number: JP2005265301A
Application number: JP2004078664A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Nomi; 和博乃美; Tama Ri; 瑞李; Kaoru Aoki; 薫青木; Toshiharu Yamada; 俊治山田
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2004-03-18
Filing date: 2004-03-18
Publication date: 2005-09-29

Abstract

【課題】スリーブに熱伝達する際に温度に応じた適切な熱伝達が、ヘリウムが存在する隙間を介して行なわれるようにする極低温冷却装置の提供。
【解決手段】冷凍機２０の冷却ステージ２１，２２に発生した寒冷を、ヘリウムガス５０が存在する隙間Ｃ１ｓ、Ｃ１ｂを介してスリーブ３１に熱伝達するようにされた極低温冷却装置において、冷却対象の温度が１０Ｋより高い場合は、スリーブ側面の熱伝達面積Ａをスリーブ底面の熱伝達面積Ｂより大きくして熱伝達し、冷却対象の温度が１０Ｋより低い場合は、スリーブ内の圧力を高めて熱伝達する。
【選択図】図２

Description

本発明は、冷凍機の冷却ステージに発生した寒冷を、ヘリウムガスが存在する隙間を介してスリーブに熱伝達するようにされた極低温冷却装置に係り、特に、メンテナンスや故障等で冷凍機を交換する際に、交換によって生じる温度変化が少なくなるようにされた極低温冷却装置に関する。

図１に例示する如く、例えば２段式の機械式冷凍機２０をスリーブ３０に挿入して、その先端に配設された被冷却物１０を冷却するようにされた極低温冷却装置が知られている。ここで、冷凍機２０は、メンテナンスや故障の際に交換できるように、スリーブ３０へ着脱可能となっていて、トップフランジ２４で、ボルト４０等によりスリーブ３０のトップフランジ３４に締結される。被冷却物１０は、例えばボルト締結、半田付け、蝋付け等により、スリーブ３０の２段ステージ３２に取り付けられている。

そして、冷凍機２段ステージ２２により発生した寒冷は、スリーブ２段ステージ３２を介して被冷却物１０を冷却する。この時、冷凍機２段ステージ２２とスリーブ２段ステージ３２の間の熱接触を良好にするため、インジウム等の熱接触媒体４２が介在されている。図示していないが、スリーブ２段ステージ３２と被冷却物１０の間に熱スイッチが有る場合もある。

冷凍機１段ステージ２１より発生する寒冷も、図示していないが、スリーブ１段ステージ３１に接続された輻射シールド板の冷却等に使用される。この輻射シールド板は、被冷却物１０への輻射侵入熱の低減を図るために用いられ、スリーブ１段ステージ３１を介して冷凍機１段ステージ２１と連結され、冷却される。

この時、冷凍機１段ステージ２１とスリーブ１段ステージ３１の間の熱接触を、２段ステージと同じにすることはできない。何故ならば、冷凍機２０とスリーブ３０は、それぞれ２段構造となっているが、それらの長さを完全に一致させることは困難なので、一方の部位が接触している際に、他方の部位は離れていて、接触していないことになるからである。

そこで、従来は、１段ステージに、ばね４４を設け、弾性的に接触させることで、両ステージの熱接触を得る構造としている。又、使用時には、真空容器内に配設されるスリーブ３０の外側だけでなく、スリーブ３０の内側の冷凍機２０との間も真空排気され、バルブ４６によって封じ切られている。

このように両ステージで良好な熱接触を得られるようにしているが、それでも未だ交換する冷凍機の長さのばらつきによる接触面圧の違いや挿入時の傾き、接触面の表面状態等によって冷凍機２０をスリーブ３０へ挿入する毎に到達温度が異なることが多々あり、良好な温度再現性を得ることが困難であった。

このような問題点を解決するべく、特許文献１に提案されているように、スリーブ１段ステージ３１と冷凍機１段ステージ２１の隙間を小さくして、ヘリウムガスを導入することが考えられる。

特開平１−１４９４０６号公報

しかしながら、隙間にヘリウムガスを充填しただけでは、十分な熱伝達が行なわれない場合があるという問題点を有していた。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、ヘリウムガスが存在する隙間を介してスリーブに熱伝達する際に、良好な熱伝達が行なわれるようにすることを課題とする。

本発明は、冷凍機の冷却ステージに発生した寒冷を、ヘリウムガスが存在する隙間を介してスリーブに熱伝達するようにされた極低温冷却装置において、冷却対象の温度が１０Ｋより高い場合は、スリーブ側面の熱伝達面積をスリーブ底面の熱伝達面積より大きくして熱伝達し、冷却対象の温度が１０Ｋより低い場合は、スリーブ内の圧力を高めて熱伝達するようにして、前記課題を解決したものである。

又、前記冷却ステージとスリーブの半径方向の隙間を０．１〜０．５ｍｍ、軸方向の隙間を０〜０．５ｍｍとしたものである。

本発明は、又、前記極低温冷却装置を備えた超電導磁石装置、ＭＲＩ装置、超電導応用電力装置、又は、超電導応用デバイス装置を提供するものである。

本発明によれば、冷却対象の温度に応じて、隙間を介した良好な熱伝達を行なうことが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

２段式冷凍機の１段ステージに適用した本発明の第１実施形態は、図２に示す如く、冷却対象である輻射シールド板の温度が１０Ｋより高い冷凍機１段ステージ２１とスリーブ１段ステージ３１間の熱交換を側面と底面の両方で行い、スリーブ側面（図の左右方向）の熱伝達面積Ａを、スリーブ底面（図の上下方向）の熱伝達面積Ｂの１．１倍以上としたものである。好ましくは３倍以上とする。

なお、スリーブとシリンダとの隙間Ｃ１より上部の死容積６０を無くすために、断熱材等を挿入することができる。

ここで、冷却対象の温度が１０Ｋより高い場合に熱伝達面積を大きくするのは、図３及び図４（図３の一部拡大図）に示す如く、１０Ｋ以上では、ヘリウムの熱伝導率が圧力の変動によって殆んど変化しないためである。この際、軸方向に伸張すると常温部からの熱侵入が大きくなり、冷却性能の低下を招くため、半径方向に伸張させ、スリーブ側面の熱伝達面積Ａを大きくする。

なお、冷凍機２０をスリーブ３０に挿入する際のトラブルを防ぐため、冷凍機１段ステージ２１とスリーブ１段ステージ３１の側面フランジ３１間の隙間Ｃ１sは０．１〜０．５ｍｍとすることが望ましい。一方、冷凍機１段ステージ２１とスリーブ１段ステージ３１の底面フランジ３１ｂ間の隙間Ｃ１bは０〜０．５ｍｍとすることが望ましく、接触しても構わない。移送熱量と隙間の関係の一例を図５に示す。

ヘリウムガス５０の圧力は、常温で０．０１〜１ＭＰａ（絶対圧）封入し、冷却定常状態になった時、圧力が０．００１〜０．５ＭＰａ（絶対圧）となる量とすることができる。好ましくは冷却定常状態の圧力を０．１〜０．２ＭＰａ（絶対圧）とする。

一方、冷却対象の温度が１０Ｋより低い場合は、圧力を大きくする。これは、図４に示した如く、１０Ｋ以下では、圧力の変動によって熱伝達率が変化するためである。なお、同一スリーブ内に１０Ｋ以上の部分が存在しても、圧力の変動によって熱伝達率が変化しないため、影響を受けることはない。具体的には、低温下で１ＭＰａが保持されるようにする。低温でその圧力となるようにすると、耐圧が非常に高いものにならざるを得ないので、常温で１ＭＰａとし、低温での圧力低下に応じて徐々にガスを流入させ、常に１ＭＰａを保持するようにさせればよい。なお、常温に戻すときには、逆に徐々に圧力を下げる必要がある。

前記冷凍機ステージ２１、２２とスリーブステージ３１、３２は、有効な伝熱を得るために、熱伝導の良い銅、アルミニウム又はそれらの合金で製作することが望ましい。

バルブ４６としては、シールオフバルブ、ダイヤフラムバルブ、ボールバルブ等を用いることができる。

熱接触媒体４２の厚みは、できるだけ小さくするのが望ましい。この熱接触媒体４２としては、インジウムやウッドメタル等を用いることができる。

本実施形態による熱負荷試験の一例を図６に、再現性試験の一例を図７に示す。図６のデータは、２段ＧＭ冷凍機を用いて、１段ステージ部の側面の隙間Ｃ１sを０．１ｍｍに、１段ステージ部の底面の隙間Ｃ１bを０．２ｍｍにした場合のもので、４０Ｗ熱負荷を入力した場合、到達温度は１００Ｋ程度となり、冷凍機とスリーブのステージ間の温度差は２．３Ｋ程度となった。又、図７のデータも、図６と同じ供試体で、２００Ｗ熱負荷入力して７回再現性試験を実施した結果であるが、温度差の標準偏差は０．０７６Ｋとなり再現性良好となった。

次に、３段式冷凍機の全ステージに適用した、本発明の第２実施形態を図８に示す。本実施形態においては、中間の１段ステージ２１と３１の間、２段ステージ２２と３２との間を、それぞれ隙間Ｃ１、Ｃ２としただけでなく、先端の３段ステージ２３と３３の間も、熱接触媒体を設けることなく隙間Ｃ３としている。

他の点については第１実施形態と同じであるので説明は省略する。

前記冷凍機２０としては、ＧＭ冷凍機、パルス管冷凍機、スターリング冷凍機等を用いることができる。冷却段数も、実施形態に示した２段や３段に限定されず、単段又は４段以上であっても良い。

本発明は、超電導磁石やコイル等の超電導磁石装置、ＭＲＩ装置、超電導を応用した電力装置（例えば超電導発電機、超電導モータ、超電導トランス、超電導限流器、超電導ケーブル等）、超電導を応用したデバイス装置（例えばＳＱＵＩＤ装置、ジョセフソン電圧標準装置、超電導フィルタ、心磁計、脳磁計等）等、極低温冷却する必要が有り、冷凍機を交換する必要の有る機器一般に適用できる。

従来の極低温冷却装置の一例の構成を示す断面図本発明の第１実施形態の構成を示す断面図本発明の原理を説明するための、ヘリウムの熱伝導率と温度の関係を示す線図図３の一部拡大図移送熱量と隙間の関係の一例を示す線図前記実施形態を用いた熱負荷入力試験の一例を示す線図同じく再現性試験の一例を示す線図本発明の第２実施形態の構成を示す断面図

符号の説明

１０…被冷却物
２０…冷凍機
２１、３１…１段ステージ
２２、３２…２段ステージ
２３、３３…３段ステージ
２４、３４…トップフランジ
３０…スリーブ
４６…バルブ
５０…ヘリウムガス
６０…Ｃ１より上部の死容積
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３…隙間

Claims

冷凍機の冷却ステージに発生した寒冷を、ヘリウムガスが存在する隙間を介してスリーブに熱伝達するようにされた極低温冷却装置において、
冷却対象の温度が１０Ｋより高い場合は、スリーブ側面の熱伝達面積をスリーブ底面の熱伝達面積より大きくして熱伝達し、
冷却対象の温度が１０Ｋより低い場合は、スリーブ内の圧力を高めて熱伝達するようにされていることを特徴とする極低温冷却装置。
前記冷却ステージとスリーブの側面の隙間を０．１〜０．５ｍｍ、底面の隙間を０〜０．５ｍｍとしたことを特徴とする請求項１に記載の極低温冷却装置。
請求項１又は２に記載の極低温冷却装置を備えたことを特徴とする超電導磁石装置。
請求項１又は２に記載の極低温冷却装置を備えたことを特徴とするＭＲＩ装置。
請求項１又は２に記載の極低温冷却装置を備えたことを特徴とする超電導応用電力装置。
請求項１又は２に記載の極低温冷却装置を備えたことを特徴とする超電導応用デバイス装置。