JP2019056519A - 極低温冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】メンテナンス時に極低温冷凍機の引抜・挿入を行う際に、伝熱特性を維持しながらスリーブ内への大気の混入を防止する。【解決手段】上部スリーブ３ａ及び下部スリーブ３ｂからなるスリーブ３と、前記スリーブ内に収容された極低温冷凍機１と、前記上部スリーブ又は下部スリーブにヘリウムガスを供給する供給配管５ａと、ヘリウムガスの供給圧を制御する圧力制御部と、前記極低温冷凍機に熱接続された超電導コイル７と、前記超電導コイルを収容する熱シールド８と、を備えた極低温冷却装置において、前記極低温冷却装置のメンテナンス時に、前記上部スリーブ又は下部スリーブに供給されるヘリウムガスの対流を抑制するために、前記ヘリウムガスを前記上部スリーブ又は下部スリーブの下方に供給するとともに、前記圧力制御部により前記ヘリウムガスの供給圧を制御する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、極低温冷凍機を備えた極低温冷却装置に関する。

一般に、超電導マグネット等の極低温機器は液体ヘリウム等の寒剤か、極低温冷凍機により８０Ｋ以下の極低温に冷却されている。このうち、極低温冷凍機で冷却する方法は取扱いが容易であることから、近年適用範囲が広がってきている。この極低温冷凍機では摺動シールの交換等のメンテナンスが年１回程度必要である。

極低温冷凍機のメンテナンス作業時には、極低温冷凍機を分解して中身を取り出す必要がある。このメンテナンス作業を超電導マグネットが冷えた状態で実施すると、内部が氷結し極低温冷凍機の性能が低下するため、超電導マグネットを室温まで昇温する必要がある。しかしながら、大型の超電導マグネットでは再冷却に時間がかかり、中には数週間を要するものもある。

そこで、超電導マグネットを冷却した状態で極低温冷凍機を交換する方法が提案されている。具体的には、内部に極低温冷凍機が挿入できる形状のスリーブを真空容器に設け、このスリーブ内の真空を保持したまま極低温冷凍機を上下に駆動できる構造としている。このスリーブには極低温冷凍機の冷却ステージに対応した位置に伝熱ブロックが設けられており、極低温冷凍機を押し下げた状態では冷却ステージと接触することで熱を伝え、引き上げた状態では切り離されて断熱状態となる。メンテナンス時には極低温冷凍機を引き上げて断熱状態とすることで、超電導マグネットを冷却したまま、冷凍機のみを昇温できる。

また、スリーブ内にヘリウムガスを注入しながら極低温冷凍機を引抜くメンテナンス手段も提案されている。この場合、極低温冷凍機の分解と組立を現地で実施する必要がないため、メンテナンス作業を効率化することができる。

特開２００４−５３０６８号公報 特開２００７−３０３８１４号公報

従来のメンテナンス手段では、スリーブ内に大気が混入するとスリーブの接触面等に氷結し、伝熱が阻害される問題があるため、ガスバッグで作業空間を覆いヘリウムガス雰囲気に置換して作業する必要があった。このため、交換作業が煩雑になるだけでなく、ガスバッグと超電導マグネットの間の気密が悪いと大気が混入し、伝熱特性が劣化する課題があった。
また、スリーブ内にヘリウムガスを注入する際、注入されたヘリウムが対流を誘起し、スリーブ内に大気が混入する課題もあった。

本発明に係る実施形態は上述した課題を解決するためになされたものであり、スリーブに外部からヘリウムガスを導入する配管を接続し、メンテナンス時に極低温冷凍機の引抜・挿入を行う際に、伝熱特性を維持しながらスリーブ内への大気の混入を防止することができる極低温冷却装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本実施形態に係る極低温冷却装置は、上部スリーブ及び下部スリーブからなるスリーブと、前記スリーブ内に収容された極低温冷凍機と、前記上部スリーブ又は下部スリーブにヘリウムガスを供給する供給配管と、ヘリウムガスの供給圧を制御する圧力制御部と、前記極低温冷凍機に熱接続された超電導コイルと、前記超電導コイルを収容する熱シールドと、を備えた極低温冷却装置において、前記極低温冷却装置のメンテナンス時に、前記上部スリーブ又は下部スリーブに供給されるヘリウムガスの対流を抑制するために、前記ヘリウムガスを前記上部スリーブ又は下部スリーブの下方に供給するとともに、前記圧力制御部により前記ヘリウムガスの供給圧を制御することを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、メンテナンス時に極低温冷凍機の引抜・挿入を行う際に、伝熱特性を維持しながらスリーブ内への大気の混入を防止することができる。

第１の実施形態に係る極低温冷却装置の構成図。 第１の実施形態に係る付勢部材の構成図。 （ａ）は接続時における極低温冷凍機の構成図、（ｂ）は分離時における極低温冷凍機の構成図、（ｃ）は（ｂ）のＡ−Ａ線矢視図。 第２の実施形態に係る極低温冷却装置の構成図。 第２の実施形態の変形例に係る極低温冷却装置の構成図。

以下、本発明に係る極低温冷却装置の実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１の実施形態］
第１の実施形態に係る極低温冷却装置を、図１〜図３を用いて説明する。

（全体構成）
第１の実施形態に係る極低温冷却装置１０は、上部スリーブ３ａと下部スリーブ３ｂからなるスリーブ３内に収納される極低温冷凍機１と、極低温冷凍機１に接続フランジ１２を介して気密に接続された真空容器４と、真空容器４内に配置される熱シールド８と、熱シールド８内に収容され、極低温冷凍機１と伝熱板６を介して熱的に接続された超電導コイル７と、スリーブ３内にヘリウムガスを供給、排出する供給配管５ａ及び排出配管５ｂと、から構成される。

本実施形態に係る極低温冷凍機１は２段構成となっており、上部スリーブ３ａの下部に設けられたスリーブ側の接触部ブロック３ａ１に嵌合する冷凍機側の接触部ブロック２ａ１と、下部スリーブ３ｂの下部に設けられたスリーブ側のブロック３ｂ１と篏合する冷凍機側の接触部ブロック２ｂ１とを有する。

熱シールド８はスリーブ側の接触部ブロック３ａ１に熱的に接続され、超電導コイル７は高純度アルミ又は銅からなるフレキシブルな伝熱板６を介してスリーブ側の接触部ブロック３ｂ１に熱的に接続される。

また、各機器の寸法誤差、極低温冷凍機１の挿入角度のずれ、又は冷却時の熱収縮によるずれを吸収するために、上部スリーブ３ａ、下部スリーブ３ｂにそれぞれベローズ１５ａ、１５ｂが設けられている。

ヘリウムガスの供給配管５ａは上部スリーブ３ａの下方に接続され、外部に設けられた供給圧制御部を備えたヘリウム源（図示せず）からのヘリウムガスを、バルブ１３を介して上部スリーブ３ａ内に供給する。また、真空容器４内の供給配管５ａには上下動又は膨張・収縮を吸収するためにベローズ１６が設けられている。

また、フレキシブルな伝熱板６を構成する高純度アルミは、２０Ｋ以下の低温では熱伝導率が大きいが、２０Ｋ以上では温度が増加するにつれて熱伝導率が急激に低下する。これにより、スリーブ３の温度が１００Ｋ程度まで昇温しても熱侵入量の増加は多くない。したがって、仮にスリーブ３内に大気が侵入し、接触部ブロックの表面に窒素等が固着しても、接触部ブロックを１００Ｋ程度まで加熱することで、固着物を取り除くことが可能である。

（作用）
このように構成された極低温冷却装置１０において、冷却時には極低温冷凍機１と上部スリーブ３ａの間の空間にヘリウムガスを充填し、冷凍機側の接触部ブロック２ｂ１とスリーブ側の接触部ブロック３ｂ１とを接触させることで良好な伝熱経路を形成し、さらに伝熱板６を経由して超電導コイル７を冷却する。

また、冷凍機側の接触部ブロック２ａ１とスリーブ側の接触部ブロック３ａ１とを接触させることで良好な伝熱経路を形成し、熱シールド８を冷却する。
その際、図３（ａ）に示すように、極低温冷凍機１を下方に押圧することで、冷凍機側の接触部ブロック２ａ１、２ｂ１がスリーブ側の接触部ブロック３ａ１、３ｂ１の接触面に押し付けられ、良好な熱的接触が得られる。

また、各機器の寸法誤差、極低温冷凍機１の挿入角度のずれ、又は冷却時の熱収縮によるずれは、上部スリーブ３ａ、下部スリーブ３ｂにそれぞれ設けられたベローズ１５ａ、１５ｂと、膨張・収縮可能であるフレキシブルな伝熱板６を用いることで上部スリーブ３ａ及び下部スリーブ３ｂを上下動移動可能とし、スリーブ側の接触部ブロック３ａ１、３ｂ１と冷凍機側の接触部ブロック２ａ１、２ｂ１との間の間隙を均一にし、熱接触を良好に維持する。

ここで熱は２対の接触部ブロック２ａ１と３ａ１、２ｂ１と３ｂ１との間の狭い間隙でのガスの伝導により伝えられ、熱抵抗は平均間隙（ギャップ）に比例して増加する。接触面が傾くと、平均間隙が大きくなり、熱抵抗が増加するため、接触面の間隙が均一になるようにすることで、熱抵抗の低減化を図ることができる。

なお、下部スリーブ３ｂに設けられたベローズ１５ｂのばね力だけでは弱い場合には、図２に示すようにＦＲＰ（繊維強化プラスチック）等からなるスタッド（柱材）１１ａと皿ばね１１ｂからなる付勢部材１１で概ね一定の力でベローズ１５ｂに荷重をかけるようにしてもよい。なお、上部スリーブ３ａに設けられたベローズ１５ａにも同様に付勢部材１１を設けてもよい。

（メンテナンス）
図３（ａ）は極低温冷凍機１が接続状態にある図、図３（ｂ）は極低温冷凍機１が分離状態にある図、図３（ｃ）は図３（ｂ）のＡ−Ａ線矢視図である。

メンテナンス時に極低温冷凍機１を交換する場合、図３（ｂ）に示すように供給配管５ａのバルブ１３を開きヘリウムガスを送りながら分離状態にある極低温冷凍機１を引き抜く。供給配管５ａは上部スリーブ３ａに対し概ね垂直に取り付けられているため、ヘリウムガスは上部スリーブ３ａ内を旋回するように流れ、上下方向の対流の発生を抑制している。

さらに、ヘリウムガスの上部スリーブ３ａ内における旋回流を促進するために、図３（ｃ）に示すように、供給配管５ａの上部スリーブ３ａへの導入部をヘリウムガスが周方向に流れるように傾斜させることで、旋回流を促すようにしてもよい。
また、ヘリウムガスを上部スリーブ３ａ下方の低温部分に供給することで、ヘリウムガスは冷却されて密度が高くなり、上下方向の対流を誘起する浮力も低減される。

さらに、ヘリウムガスの浮力による対流の発生はヘリウムガス流量の大小に依存する。ここで供給配管５ａの形状は決まっているので、外部のヘリウム源に設けられた供給圧制御部によりヘリウムガスの供給圧を制御することで流量を制御し、上下方向の対流を誘起する浮力を低減する。

以上の効果により、メンテナンス時においてスリーブ３内を安定的にヘリウムガス雰囲気下にすることができ、大気の混入等による伝熱特性の劣化等を抑制することができる。

（効果）
本実施の形態によれば、極低温冷凍機１の着脱をともなうメンテナンス時において、スリーブ３内におけるヘリウムガスの対流を抑制し、スリーブ３内を安定的にヘリウムガス雰囲気下にすることができるため、大気の混入等による伝熱特性の劣化等を抑制することができる。

［第２の実施形態］
第２の実施形態に係る極低温冷却装置を、図４〜図５を用いて説明する。なお、上記実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本第２の実施形態では、供給配管５ａが下部スリーブ３ｂの下方に取り付けられるとともに、熱シールド８の上面に伝熱特性のよい金属部材等からなる熱アンカー部９を取り付け、供給配管５ａが熱アンカー部９の内部を通過するように構成する。

熱アンカー部９内では、供給配管５ａを直線状、屈曲状又は螺旋状に構成し、熱アンカー部を構成する金属部材で機械的に締め付け固定する。これにより、熱シールド８の冷熱により供給配管５ａ内のヘリウムガスが冷却される。
また、熱アンカー部９の上流側及び下流側に供給配管５ａの上下動又は収縮・膨張を吸収するためのベローズ１６が設けられている。

本第２の実施形態によれば、ヘリウムガスを熱アンカー部９を介して下部スリーブ３ｂの下方に導入することで、ヘリウムガスがより低温に冷却され密度の高いガスとなり、これにより浮力による対流を抑制することができる。

さらに、ヘリウムガスを熱アンカー部９で冷却することで、伝導熱の侵入を低減するとともに、熱衝撃を緩和することができる。さらに、ベローズ１６により供給配管５ａの上下動又は熱収縮・膨張を吸収し、下部スリーブ３ｂの先端部分に印加される力を低減し、接触部ブロック２ｂ１、３ｂ１が傾いて接触熱抵抗が増加するリスクを防止する。

なお、第１の実施形態と同様に、ヘリウムガスが下部スリーブ３ｂ内を旋回するように供給配管５ａの下部スリーブ３ｂへの導入部をヘリウムガスが周方向に流れるように傾斜させることで、旋回流を促進するようにしてもよい。

（変形例）
本変形例は、図５に示すように、熱アンカー部９を第１の実施形態に係る極低温冷却装置１０に適用した例である。これにより熱アンカー部９で冷却されたヘリウムガスが上部スリーブ３ａに導入されるので、伝導熱の侵入を低減するとともに、熱衝撃を緩和することができる。

以上、説明したように、本実施形態によれば、冷却時の伝熱特性を良好に保ちながら極低温冷凍機を容易に着脱できる極低温冷却装置を提供することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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は意図していない。これら新規な実施形態は、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。
これら実施形態やその変形は、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。

１…極低温冷凍機、２ａ１、２ｂ１、３ａ１、３ｂ１…接触部ブロック、３…スリーブ、３ａ…上部スリーブ、３ｂ…下部スリーブ、４…真空容器、５ａ…供給配管、５ｂ…排出配管、６…伝熱板、７…超電導コイル、８…熱シールド、９…熱アンカー部、１０…極低温冷却装置、１１…付勢部材、１２…フランジ、１３、１４…バルブ、１５ａ、１５ｂ…ベローズ、１６…ベローズ

Claims (5)

1. 上部スリーブ及び下部スリーブからなるスリーブと、前記スリーブ内に収容された極低温冷凍機と、前記上部スリーブ又は下部スリーブにヘリウムガスを供給する供給配管と、ヘリウムガスの供給圧を制御する圧力制御部と、前記極低温冷凍機に熱接続された超電導コイルと、前記超電導コイルを収容する熱シールドと、を備えた極低温冷却装置において、
   前記極低温冷却装置のメンテナンス時に、前記上部スリーブ又は下部スリーブに供給されるヘリウムガスの対流を抑制するために、前記ヘリウムガスを前記上部スリーブ又は下部スリーブの下方に供給するとともに、前記圧力制御部により前記ヘリウムガスの供給圧を制御することを特徴とする極低温冷却装置。
2. 前記ヘリウムガスが前記上部スリーブ又は下部スリーブの内部で旋回流を生じるように、前記ヘリウムガスを前記上部スリーブ又は下部スリーブの内部の周方向に供給することを特徴とする請求項１記載の極低温冷却装置。
3. 前記熱シールドの上面に熱アンカー部を設け、前記供給配管を前記熱アンカー部に固定することを特徴とする請求項１又は２記載の極低温冷却装置。
4. 前記極低温冷凍機をフレキシブルな伝熱板を介して前記超電導コイルに熱接続することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の極低温冷却装置。
5. 前記供給配管に少なくとも１以上のベローズを設けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の極低温冷却装置。

Images