JP2013130336A - 極低温冷凍機熱スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】停電時に作業員を必要とすることなく超電導コイルと極低温冷凍機との熱接触を自動的に切り離すことで、超電導電磁石の運転状態を継続する。
【解決手段】極低温冷凍機１０のシリンダ１２、１４の周囲に空間４１、４４を形成する空間部と、空間部の周囲にベロー管３１ａ、３１ｂで円環状に空間４３を形成しその気圧に応じて伸縮する二重ベロー管構造部３１、空間４１と４３とを連結するガス連結路４２、二重ベロー管構造部３１が収縮している間は極低温冷凍機１０と超電導コイルとを熱接触させ伸長すると切り離す熱接触スイッチング部２７、２８を備え、停電時に二重ベロー管構造部３１が伸長し極低温冷凍機１０と超電導コイルとの熱接触が自動的に切り離される。
【選択図】図１

Description

本発明は、極低温冷凍機熱スイッチに関する。

超電導電磁石における超電導コイルの冷却用に、極低温冷凍機が用いられている。図７に、超電導コイルと極低温冷凍機とが真空容器内に配置された縦断面構造の一例を示す。

極低温冷凍機１１０における第１シリンダ１１２、第２シリンダ１１４が断熱性を有する真空容器１００の内部に、モータ部１１１が外部になるように配置されている。

超電導コイル１０２が、真空容器１００の内部において図示されていないコイル支持構造により支持されている。この第１シリンダ１１２に設けられた第１熱接触部１１３に、超電導コイル１０２へ輻射熱が直接伝達されることを防止するための輻射シールド板１０１が接触し、第２シリンダ１１４に設けられた第２熱接触部１１５に伝熱板１２８を介して超電導コイル１０２が熱的に接触している。尚、輻射シールド板１０１、伝熱板１２８は極低温冷凍機１１０に固定された状態で設けられている。

この状態で、真空容器１００内に配置された超電導コイル１０２には、真空容器１００の外部に設けられた端子１０３を介して、図示されない電源から電力が供給される。また極低温冷凍機１１０には、図示されない電源から電力が供給される。

ここで、極低温冷凍機１１０へ電力が供給されている間は、第２熱接触部１１５と熱接触板１２８を介して超電導コイル１０２が冷却されて、超電導磁石の動作状態が継続される。

しかし、停電が一旦発生すると極低温冷凍機１１０が動作を停止し、超電導コイル１０２への冷却が行われなくなる。しかし、超電導コイル１０２は断熱性を有する真空容器１００内に配置されている。従って、極低温冷凍機１１０の運転が停止した場合にも、直ちに超電導コイル１０２の温度が上昇することはない。超電導コイル１０２の温度が上昇しなければ、超電導電磁石としての運転状態を継続することができる。

ところが、超電導コイル１０２に熱接触部１１５、熱接触板１２８を介して極低温冷凍機１１０が接触していると、極低温冷凍機１１０自体が超電導コイル１０２への熱侵入の支配的要因となり、温度上昇の原因となる。超電導コイル１０２の温度が上昇すると、超電導電磁石として動作することができなくなる。そこで、停電時には超電導コイル１０２から極低温冷凍機１１０の熱接触を切り離す必要がある。

以下に、停電時に超電導コイルとの熱接触を切り離すことが可能な従来の極低温冷凍機に関する技術を開示した文献名を記載する。

米国特許公開２００８／０１０４９６８号公報 米国特許第５，５２２，２２６号公報

しかし、上記特許文献１、２に記載された技術を含めて、従来は熱接触の切り離しに作業員を必要としていた。このため、不測の停電が発生した場合には、迅速に対応することができず、超電導電磁石として運転状態を継続することができなかった。

本発明は上記事情に鑑み、停電が発生した際に作業員を必要とすることなく超電導コイルと極低温冷凍機との熱接触を自動的に切り離すことが可能な極低温冷凍機熱スイッチを提案することを目的とする。

本発明の一実施の形態による極低温冷凍機熱スイッチは、
少なくとも１段のシリンダを有する極低温冷凍機と超電導コイルとの熱接触のスイッチングを行う極低温冷凍機熱スイッチであって、
前記極低温冷凍機における少なくとも前記シリンダと、前記超電導コイルとを含むように設けられた真空容器と、
前記シリンダの周囲に第１の空間を形成するように設けられた空間部と、
前記空間部の周囲に設けられ、内周側の第１のベロー管と外周側の第２のベロー管とにより円環状に第２の空間を形成し、前記第２の空間の気圧に応じて伸縮する二重ベロー管構造部と、
前記第１の空間と前記第２の空間とを連結するガス連結路と、
前記シリンダに接続され、前記二重ベロー管構造部が収縮している間は、前記極低温冷凍機と前記超電導コイルとを熱接触させ、前記二重ベロー管構造部が伸長すると前記極低温冷凍機と前記超電導コイルとを切り離す熱接触スイッチング部とを備え、
前記極低温冷凍機への通電が行われなくなると、前記第１の空間及び前記第２の空間の気圧の上昇に伴い前記二重ベロー管構造部が伸長し、前記極低温冷凍機と前記超電導コイルとの熱接触が切り離されることを特徴とする。

本発明の極低温冷凍機熱スイッチによれば、不測の停電が発生した場合にも、作業員を必要とすることなく超電導コイルと極低温冷凍機との熱接触を自動的に切り離すことができるので、超電導電磁石が運転状態を継続することが可能である。

本発明の実施の形態１による極低温冷凍機熱スイッチの構成を示す縦断面図である。 同極低温冷凍機熱スイッチにより、停電時に超電導コイルと極低温冷凍機との熱接触が切り離された状態を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態２による極低温冷凍機熱スイッチの構成を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態３による極低温冷凍機熱スイッチの構成を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態４による極低温冷凍機熱スイッチの構成を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態５による極低温冷凍機熱スイッチの構成を示す縦断面図である。 真空容器内に配置された超電導コイルを冷却する極低温冷凍機の配置の一例を示す縦断面図である。

以下、本発明の実施の形態による極低温冷凍機熱スイッチについて、図面を参照して説明する。

（１）実施の形態１
本発明の実施の形態１による極低温冷凍機熱スイッチは、図１に示されるような構成を備えている。

断熱性を有する真空容器２２の内部に、図示されていない超電導コイルが配置されている。この超電導コイルを冷却するため、極低温冷凍機１０の第１シリンダ１２、第２シリンダ１４が真空容器２２内に配置され、第１シリンダ１２、第２シリンダ１４を駆動するためのモータや弁等が内蔵されたモータ部１１が真空容器２２の外部に配置されている。

第１シリンダ１２に設けられた第１熱接触部１３に、Ｏリング５３、熱接触板２４、コイル２５を介して輻射シールド板２６が熱接触する。また、第２シリンダ１４に設けられた第２熱接触部１５に熱接触板から成り熱接触のスイッチングを行う熱接触スイッチング部２７、熱接触板２８、コイル２９を介してコイル支持構造体２３が接触しており、コイル支持構造体２３が超電導コイルに熱接触している。

さらに本実施の形態では、極低温冷凍機１０における第１シリンダ１２の周囲を円筒状の側板により囲むように形成された空間部３３が設けられている。一方、空間部３３の周囲に、伸縮可能なベロー管３１ａ、３１ｂで円環状に形成された二重ベロー管構造部３１が設けられている。空間部３３に存在する第１シリンダ１２周囲の空間４１と、二重ベロー管構造部３１で囲まれた円環状の空間４３とは、極低温冷凍機１０のフランジ２１が接するＯリング５１とＯリング５２との間に形成されたガス連結路４２により、自由にガスが移動できるように連結されている。またＯリング５１にはガス管６１が設けられて空間４３と外気とが連結されており、ガス圧調整用安全弁６２により空間４３内の気圧が所定圧以上にならないように安全のため調整される。

また、極低温冷凍機１０における第２シリンダ１４の周囲を囲むように伸縮可能なベロー管３２が設けられている。このベロー管３２で囲まれた第２シリンダ１４の周囲の空間４４と、空間部３３における第１シリンダ１２周囲の空間４１とは、その間に設けられたＯリング５３に開孔された図示されていない孔等を通じて、自由にガスが移動できるように連結されている。即ち、空間４１、４３及び４４は、全て連結されている。

尚、図１において、真空容器２２、ベロー管３１ｂ、Ｏリング５２、ガス連結路４２、空間部３３、Ｏリング５３、ベロー管３２、第２熱接触部１５を通過する一点鎖線で示された経路が、磁石の真空境界６３に相当する。

超電導コイル及び極低温冷凍機１０には、図示されない電源から電力が供給される。極低温冷凍機１０において、例えば第１シリンダ１２により２０〜３０（Ｋ）まで冷却され、第２シリンダ１４により２〜３（Ｋ）まで冷却される。超電導コイルは、動作状態を維持するためには４〜６（Ｋ）の温度に保たれている必要がある。

このような構成を有する本実施の形態１において、停電が発生した時における動作について説明する。

停電が発生して極低温冷凍機１０に電力が供給されなくなり動作が停止すると、第１シリンダ１２の周囲の空間４１の温度並びに第２シリンダ１４の周囲の空間４４の温度が上昇する。空間４１及び空間４４は、上述のように連結しており気圧が上昇する。空間４１にガス連結管４２を通じて連結している二重ベロー管構造部３１が膨張する。これにより、図２に示されたように二重ベロー管構造部３１の図中上下方向の長さが増加し伸長する。二重ベロー管構造部３１はその下端において、真空容器２２の外表面上に固定されているため、極低温冷凍機１０がリフトアップされる。さらに、第１シリンダ１２と、第１熱接触部１３、Ｏリング５３、熱接触板２４、コイル２５を介して接触していた輻射シールド板２６との間の熱接触が切り離される。

この結果、熱接触スイッチング部２７と熱接触板２８との間で機械的及び熱的接触が自動的に切り離されることとなる。

これにより、熱接触スイッチング部２７に接触している極低温冷凍機１０と、熱接触板２８、コイル支持構造体２３の下方に設置されている超電導コイルとの熱接触が切り離されて、超電導コイルの温度上昇が防止される。

停電から復帰し通電が開始されると、極低温冷凍機１０に電力が供給されて再始動する。これにより、第１シリンダ１２の周囲の空間４１の温度並びに第２シリンダ１４の周囲の空間４４の温度が下降し気圧が減少する。これにより、二重ベロー管構造部３１が図中上下方向に収縮し、極低温冷凍機１０が図中下方へ移動して、熱接触スイッチング部２７と熱接触板２８との機械接触及び熱接触が自動的に復帰する。このようにして、極低温冷凍機１０と超電導コイルとの熱接触が回復し、通常通りに動作を再開する。

このようにして、不測の停電が発生した場合にも極低温冷凍機１０から超電導コイルへの熱の侵入を作業員を必要とすることなく自動的に切り離されることにより、停電時における超電導電磁石の運転状態をより長時間維持することができると共に、復電時には自動的に回復して通常通りの動作を再開することが可能である。

（２）実施の形態２
本発明の実施の形態２による極低温冷凍機熱スイッチについて、その構成を示した図３を用いて説明する。尚、上記実施の形態１と同一の構成要素には、同一の符号を付して重複する説明は省略する。

本実施の形態２では、上記実施の形態１の構成に加えて、二重ベロー管構造部３１の外側のベロー管３１ａが取り付けられたＯリング５１の円周端面に固定部材７１が少なくとも１個以上設けられている。この固定部材７１と真空容器２２の外表面との間に、それぞれボルト７２が取り付けられている。ボルトの外周に、固定部材７１と真空容器２２の外表面との間にばね７３が挿入されている。

このばね７３の存在により、二重ベロー管構造部３１には高さ方向の長さが増加する方向に所定圧力が常時印加された状態になる。

これにより、停電発生時において空間４１、４４の体積が膨張し二重ベロー管構造部３１の高さ方向に伸長して極低温冷凍機１０をリフトアップする力がばね７３により補助される。この結果、停電時における極低温冷凍機１０と超電導コイルとの熱接触をより確実に切り離すことが可能である。

（３）実施の形態３
本発明の実施の形態３による極低温冷凍機熱スイッチについて、その構成を示した図４を用いて説明する。尚、上記実施の形態１と同一の構成要素には、同一の符号を付して重複する説明は省略する。

本実施の形態３では、上記実施の形態１の構成に加えて、二重ベロー管構造部３１の外側のベロー管３１ａが取り付けられたＯリング５１の円周端面に固定部材７１が少なくとも１個以上設けられている。この固定部材７１と真空容器２２の外表面との間に、上記実施の形態２のボルト７２よりも長さが長いボルト７４がそれぞれ取り付けられている。このボルト７４の頭の下部に設けられたワッシャ等の板７６と固定部材７１との間において、ボルト７４の外周にばね７５が挿入されている。

ばね７５を設けたことにより、上記実施の形態２とは逆に、二重ベロー管構造部３１には高さ方向の長さが収縮する方向に所定圧力が常時印加された状態になる。

これにより、通電中の通常動作状態において、極低温冷凍機１０と超電導コイルとの熱接触をより確実に行うことができる。停電が発生した際には、空間４１、４４の体積が膨張し、ばね７５により印加されている圧力を超えて二重ベロー管構造部３１の高さ方向に伸長し極低温冷凍機１０がリフトアップされて、極低温冷凍機１０と超電導コイルとの熱接触が切り離されることになる。

極低温冷凍機１０の重量と、停電発生時において空間４１、４４の体積の膨張により極低温冷凍機１０がリフトアップされる力との相対的な関係により、上記実施の形態２、３のいずれかを選択することで、停電時における熱接触の確実な切り離し、あるいは通電時における確実な熱接触のいずれかを実現することができる。

（４）実施の形態４
本発明の実施の形態４による極低温冷凍機熱スイッチについて、その構成を示した図５を用いて説明する。尚、上記実施の形態１と同一の構成要素には、同一の符号を付して重複する説明は省略する。

本実施の形態４では、上記実施の形態１の構成に加えて、第２シリンダ１４の周囲に設けられたベロー管３２に近接した位置に、ヒータ８１が設けられている。このヒータ８１は、停電発生時において、電池等の非常用電源から電力を供給されて動作し熱を発生する。

これにより停電が発生すると、ベロー管３２により覆われた第２シリンダ１４の周囲の空間４４が膨張すると共にヒータ８１が加熱して温度がさらに上昇して膨張する。この結果、この空間と連結する第１シリンダ１２の周囲の空間４１、二重ベロー管構造部３１に囲まれた空間４３が同様に膨張し、極低温冷凍機１０をリフトアップする力が補助され、より確実に超電導コイルとの熱接触が切り離される。

（５）実施の形態５
本発明の実施の形態５による極低温冷凍機熱スイッチについて、その構成を示した図６を用いて説明する。尚、上記実施の形態１と同一の構成要素には、同一の符号を付して重複する説明は省略する。

本実施の形態５では、上記実施の形態１の構成に加えて、二重ベロー管構造部３１の外側のベロー管３１ａが取り付けられたＯリング５１の円周端面に固定部材９３が少なくとも１個以上設けられている。この固定部材９３と真空容器２２の外表面との間に、ねじが切られて固定部材９３と嵌合した押圧部材９２と、この押圧部材９２を回転させて図中上下方向に移動させるモータ９１とが設けられている。このモータ９１は、停電時において、電池等の非常用電源により電力を供給されて動作する。

停電が発生すると、モータ９１が回転して押圧部材９２を回転させ、これにより固定部材９３と真空容器２２の外表面との間の距離が増加する。これにより、停電時において極低温冷凍機１０をリフトアップする力が補助される。この結果、停電時における極低温冷凍機１０と超電導コイルとの熱接触をより確実に切り離すことが可能である。

本発明の幾つかの実施の形態について説明したが、これらの実施の形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図するものではない。この新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施の形態及びその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、上記実施の形態１、並びに上記実施の形態１にそれぞれ構成要素が付加された実施の形態２〜５では、停電発生時において、第２シリンダ１４と超電導コイルとの間の熱接触が切り離されるのみならず、第１シリンダ１２と輻射シールド板２６との熱接触も切り離される。

しかし、必ずしも両者の熱接触が切り離される必要はなく、停電時において少なくとも第２シリンダ１４と超電導コイルとの熱接触が切り離されればよい。

また上記実施の形態１〜４では、いずれも第１シリンダ１２及び第２シリンダ１４を有する２段構成の極低温冷凍機を用いている。しかし、極低温冷凍機の段数は２段には限定されず、１段、あるいは３段以上有するものであっても同様に本発明を適用することができる。この場合、シリンダが複数ある場合におけるそれぞれの作動流体は同一であっても異なっていてもよく、例えば窒素やヘリウム等任意のものを用いることができる。

また、空間部３３における第１シリンダ１２の周囲の空間４１、この空間と連結する二重ベロー管の空間４３、第２シリンダ１４とベロー管３２との間の空間４４は、全て上記実施の形態１〜５では連結している。よって、この空間に封入されるガスは、全て同一種となる。

しかし、空間部３３における第１シリンダ１２の周囲の空間４１と、第２シリンダ１４とベロー管３２との間の空間４４は、必ずしも連結していなくともよい。この場合は、それぞれに封入されるガス種は同一であっても異なっていてもよい。

第１シリンダ１２に対して設けられた二重ベロー管構造部３１、第２シリンダ１４に対して設けられたベロー管３２は、それぞれ磁気遮蔽作用を有するものとして設けることもできる。この場合は、ベロー管に、例えば磁気を遮蔽する鉄等の成分を含む材料を用いることにより実現することができる。

熱接触を行う熱接触板には、熱伝導性の高い材料、例えば銅やアルミニウム、インジウム等を含む材料を用いてもよい。

さらに、停電時に極低温冷凍機がリフトアップされる際に、リフトアップ量を目視により確認しできるように、例えば目盛りを設けてもよい。これにより、リフトアップが行われ極低温冷凍機と超電導コイルとの熱接触が確実に切り離されたことを作業者が容易に確認することができる。

また上記実施の形態５では、二重ベロー管構造部３１、ベロー管３２内の気圧の増加に伴う極低温冷凍機のリフトアップを補助するために押圧部材９２とモータ９１とが用いられている。しかし、二重ベロー管構造部３１、ベロー管３２を設けずに、押圧部材９２とモータ９１のみにより極低温冷凍機のリフトアップを行うこともできる。

上記実施の形態２と上記実施の形態４を組み合わせてもよく、あるいは上記実施の形態３と上記実施の形態４とを組み合わせてもよい。さらには、上記実施の形態５と、上記実施の形態２〜４のいずれかとを組み合わせることもできる。

１０ 極低温冷凍機
１１ モータ部
１２ 第１シリンダ
１３ 第１熱接触部
１４ 第２シリンダ
１５ 第２熱接触部
２１ フランジ
２２ 真空容器
２３ コイル支持構造体
２４ 熱接触板
２５ コイル
２６ 輻射シールド板
２７ 熱接触スイッチング部
２８ 熱接触板
２９ コイル
３１ 二重ベロー管構造部
３１ａ、３１ｂ、３２ ベロー管
３３ 空間部
４１、４３、４４ 空間
４２ ガス連結路
５１、５２、５３ Ｏリング
６１ ガス管
６２ ガス圧調整用安全弁
６３ 磁石の真空境界
７１ 固定部材
７２、７４ ボルト
７３、７５ ばね
８１ ヒータ
９１ モータ
９２ 押圧部材

Claims (7)

1. 少なくとも１段のシリンダを有する極低温冷凍機と超電導コイルとの熱接触のスイッチングを行う極低温冷凍機熱スイッチであって、
   前記極低温冷凍機における少なくとも前記シリンダと、前記超電導コイルとを含むように設けられた真空容器と、
   前記シリンダの周囲に第１の空間を形成するように設けられた空間部と、
   前記空間部の周囲に設けられ、内周側の第１のベロー管と外周側の第２のベロー管とにより円環状に第２の空間を形成し、前記第２の空間の気圧に応じて伸縮する二重ベロー管構造部と、
   前記第１の空間と前記第２の空間とを連結するガス連結路と、
   前記シリンダに接続され、前記二重ベロー管構造部が収縮している間は、前記極低温冷凍機と前記超電導コイルとを熱接触させ、前記二重ベロー管構造部が伸長すると前記極低温冷凍機と前記超電導コイルとを切り離す熱接触スイッチング部と、
   を備え、
   前記極低温冷凍機への通電が行われなくなると、前記第１の空間及び前記第２の空間の気圧の上昇に伴い前記二重ベロー管構造部が伸長し、前記極低温冷凍機と前記超電導コイルとの熱接触が切り離されることを特徴とする極低温冷凍機熱スイッチ。
2. 前記二重ベロー管構造部は、前記真空容器の少なくとも一部の外表面と、前記極低温冷凍機において前記真空容器内部に位置する前記シリンダと前記真空容器外部に位置する前記シリンダ以外の少なくとも一部との間に設けられたフランジとの間において、前記第１のベロー管と前記第２のベロー管とが円環状に設けられた構造を有することを特徴とする請求項１記載の極低温冷凍機熱スイッチ。
3. 前記真空容器の少なくとも一部の外表面と、前記極低温冷凍機のフランジとの間の距離を伸長するように作用するばねをさらに備え、
   前記極低温冷凍機への通電が行われなくなると、前記ばねが前記二重ベロー管構造部の伸長を補助することを特徴とする請求項１又は２に記載の極低温冷凍機熱スイッチ。
4. 前記真空容器の少なくとも一部の外表面と、前記極低温冷凍機のフランジとの間の距離を収縮するように作用するばねをさらに備え、
   前記極低温冷凍機へ通電が行われている間、前記ばねが前記二重ベロー管構造部の収縮を補助することを特徴とする請求項１又は２に記載の極低温冷凍機熱スイッチ。
5. 前記空間部の周囲に設けられたヒータをさらに備え、
   前記極低温冷凍機への通電が行われなくなると前記ヒータに通電が行われ、前記空間部の温度を上昇させて気圧を上昇させ、前記二重ベロー管構造部の伸長を補助することを特徴とする請求項１又は２に記載の極低温冷凍機熱スイッチ。
6. 前記真空容器の少なくとも一部の外表面と、前記極低温冷凍機のフランジとの間に設けられた押圧部材と前記押圧部材を駆動するモータとをさらに備え、
   前記極低温冷凍機への通電が行われなくなると、前記モータに通電が行われ、前記モータが前記押圧部材を駆動して前記外表面と前記フランジとの間の距離を伸長するように作用することで、前記二重ベロー管構造部の伸長を補助することを特徴とする請求項１又は２に記載の極低温冷凍機熱スイッチ。
7. 前記極低温冷凍機は、前記シリンダとして第１のシリンダと第２のシリンダとを有し、
   前記空間部として、前記第１のシリンダの周囲に前記第１の空間における第１の主空間を形成するように設けられた第１の主空間部と、前記第２のシリンダの周囲に前記第１の空間における第１の補助空間を形成するように設けられた第１の補助空間部とを有し、前記第１の主空間部と前記第１の補助空間部とは連結し又はガスの流出入が遮断するようにして成り、
   前記二重ベロー管構造部は、前記第１の主空間部の周囲に設けられ、前記二重ベロー管構造部の前記第２の空間は、前記ガス連結路により前記第１の主空間と連結していることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の極低温冷凍機熱スイッチ。

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