JP3127592B2 - 極低温容器および超電導電磁石 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、極低温容器および超電
導電磁石に係り、特に、粒子加速器等に使用される超電
導電磁石の超電導コイルを極低温状態に維持する技術に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】粒子加速器に使用される超電導電磁石
は、その超電導コイルを極低温状態に保持する必要があ
るため、一般に、クライオスタットと称される極低温容
器内に収納状態として使用される。この極低温容器１
は、図５に示すように、筒状の超電導コイル２を収納す
る二重円筒状の内部容器３と、該内部容器３の半径方向
内方および外方に、半径方向に間隔を空けて２枚ずつ、
合計４枚配される筒状の熱シールド板４と、該熱シール
ド板４の周囲を包囲する真空容器５とから構成されてい
る。

【０００３】前記内部容器３の内側には、液体ヘリウム
等の冷却媒体が充填されることにより該内部容器３内に
配される超電導コイル２が極低温状態（例えば４．２Ｋ
〜４．５Ｋ）とされ、かつ、その周囲を真空状態とする
ことにより、真空容器５外部からの熱伝達・熱伝導によ
る入熱を防止するようにしている。さらに、外気によっ
て暖められる真空容器５からの輻射熱による内部容器３
内の温度上昇を防止するために、内部容器３の周囲を複
数の熱シールド板４で包囲するとともに、該熱シールド
板４に冷却媒体を流通させる。これにより、例えば、真
空容器５に近い位置に配される熱シールド板４において
８０Ｋ、内部容器に近い位置に配される熱シールド板４
において２０Ｋ程度の温度となるように設定され、内部
容器３内に配される超電導コイル２が極低温状態に保持
されるようになっている。

【０００４】前記熱シールド板４は、例えばアルミニウ
ム合金で形成されており、その外表面には、これを冷却
する冷却管６が取り付けられている。該冷却管６は、例
えば、ステンレス製チューブよりなり、各熱シールド板
４の外表面に密接しかつ該外表面全体を適宜に覆う形状
（図６に示す例では、適当な間隔をおいた矩形波状）に
形成され、その内部に、液体窒素あるいは液体ヘリウム
等の冷媒を挿通させることにより熱シールド板４を冷却
するようになっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする問題点】ところで、このよう
な熱シールド板４であると、前記冷却管６をその外表面
に、溶接あるいは取付金具（図示略）によって取り付け
る必要がある。前者（溶接）によって冷却管６を熱シー
ルド板４の外表面に取り付けると、冷却管６と熱シール
ド板４とが確実に密着状態に配されるため、冷却管６の
内部を挿通させられる冷媒によって熱シールド板４が十
分に冷却されるという利点がある。また、後者（取付金
具）による冷却管６の熱シールド板４の外表面への取り
付けは、冷却管６の要所に取付金具を配設することによ
り実施することができるので、取り付け作業が容易であ
り、該作業に要する工数を削減することができるという
利点がある。

【０００６】しかしながら、溶接によって取り付ける場
合であると、冷却管６の長手方向に沿って複数箇所に溶
接作業を実施しなければならず、多くの作業工数を要す
る他、熱シールド板４に溶接熱による熱変形が発生して
該熱シールド板４の工作精度が低下してしまうという問
題点がある。さらに、溶接によって、冷却管６と熱シー
ルド板４とを確実に固定してしまうと、超電導コイル２
を作動させるときに、冷媒を挿通させると、異種金属で
ある冷却管６および熱シールド板４の熱収縮率の相違に
よって溶接部に応力が発生するため、長期使用に伴って
疲労損傷が発生する原因となるという不都合がある。

【０００７】また、取付金具によって、冷却管６を熱シ
ールド板４に取り付ける場合であると、冷媒の挿通によ
って冷却管６が熱収縮したときに、該冷却管６と取付金
具との間に隙間が発生して、冷却管６と熱シールド板４
との密着性が損われ、所望の冷却性能を発揮することが
できなくなるという不都合が考えられる。

【０００８】本発明は、上述した事情に鑑みてなされた
ものであって、超電導コイル２を極低温状態に維持する
極低温容器の耐久性の向上、熱遮蔽性の向上、組み立て
工数の低減、超電導電磁石７の性能向上等を図ることを
目的とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、次の３つの手段を提案している。第１の
手段は、真空容器と、該真空容器内に配される極低温状
態の内部容器と、該内部容器の周囲に配され冷却媒体を
挿通させる熱シールド部材とを具備する極低温容器であ
って、前記熱シールド部材が、厚さ方向に間隔を空けて
配される面板と、該面板の間に配され該面板とともに閉
空間を形成する閉塞部材と、該閉空間に配され面板の表
面方向に並列する複数の小空間を区画状態に形成するハ
ニカム構造状の心材とを接合してなるとともに、該心材
に、前記小空間を連通して冷却流路を形成する連通孔が
配設され、前記面板または前記閉塞部材に、冷却媒体を
冷却流路に流入出させる冷却媒体入口および冷却媒体出
口が貫通状態に配設されている極低温容器を提案してお
り、第２の手段は、面板の間に、冷却媒体入口から冷却
媒体出口に続く冷却流路を蛇行状態に形成する流路形成
部材が面板を連結状態に配設されている極低温容器を提
案している。また、第３の手段は、第１の手段または第
２の手段に記載された極低温容器の内部容器の内側に超
電導コイルを配設した超電導電磁石を提案している。

【００１０】

【作用】第１の手段に係る極低温容器によれば、面板と
閉塞部材によって形成される閉空間に配されたハニカム
構造状の心材により、面板が連結状態に保持された熱シ
ールド部材が構成される。心材には、該心材によって区
画形成された複数の小空間を連通する連通孔が設けられ
てので、前記閉空間には、冷却媒体入口から冷却媒体出
口に向かって面板の表面に沿う冷却流路が形成されるこ
とになる。そして、該冷却流路に冷却媒体を挿通させる
ことにより、熱シールド部材が冷却され、外気によって
暖められる真空容器からの熱輻射が遮られ、該熱シール
ド部材に包囲される内部容器が極低温状態に維持される
ことになる。第２の手段に係る極低温容器によれば、熱
シールド部材の面板の間に、該面板を連結状態に配され
る流路形成部材によって、冷却流路が蛇行状態に形成さ
れるので、冷却媒体が熱シールド部材の内部を広範囲に
わたって流通させられることになる。また、第３の手段
による超電導電磁石によれば、熱シールド部材によって
外部からの熱輻射が遮られ、内部容器の内側に配される
超電導コイルが極低温状態に維持されることになる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明に係る極低温容器および超電導
電磁石の一実施例について図１ないし図４を参照して説
明する。これら各図において、符号９は超電導電磁石、
１０は極低温容器、１１は熱シールド板（熱シールド部
材）、１２は面板、１３は心材、１４は閉空間、１５は
閉塞部材、１６は連通孔、１７は相互間隙、１８は仕切
板、１９は流路形成部材、２０は冷却流路、２１は冷却
媒体入口、２２は冷却媒体出口である。なお、本実施例
において、図５および図６に示す従来例と構成を共通と
する箇所に同一符号を付し、説明を簡略化する。

【００１２】本実施例の極低温容器１０も、超電導電磁
石９の超電導コイル２を極低温状態に維持するクライオ
スタットであって、図１に示すように、筒状の超電導コ
イル２を収納する二重円筒状の内部容器３と、その半径
方向外方および内方に間隔を空けて配される筒状の熱シ
ールド板１１（熱シールド部材）と、をの周囲を包囲す
る真空容器５とから構成されており、該熱シールド板１
１に沿って冷却媒体を挿通させることにより前記内部容
器内の超電導コイル２を低温状態に維持する構成となっ
ている点において、従来例と共通している。しかし、本
実施例の極低温容器１０は、熱シールド板１１の構造に
おいて、従来の極低温容器１と相違している。

【００１３】本実施例の極低温容器１０に使用される熱
シールド板１１は、図２に示すように、半径方向に一定
間隔を空けて同軸状に配される２つの筒状の面板１２
と、該面板１２の間に配されるハニカム構造状の心材１
３とを具備している。熱シールド板１１の両端には、両
面板１２を連結して心材１３の配される間隙を閉塞する
ことにより筒状の閉空間１４を形成する環状の閉塞部材
１５が配設されている。

【００１４】前記心材１３は、円弧状に形成されてお
り、半径方向に貫通する複数の六角形断面の小孔１３ａ
を有している。そして、面板１２の間に周方向に間隔を
空けて配設され、面板１２に接合されることにより、該
面板１２の表面に沿って並列する複数の小空間１３ｂを
形成するようになっている。これら小空間１３ｂは、図
３に示すように、心材１３に設けられた連通孔１６によ
って連通状態とされている。該連通孔１６は、ハニカム
サンドイッチ構造の熱シールド板１１の製造工程におい
て必要な孔、つまり、面板１２と心材１３とを接合する
真空ろう付け工程において、前記小空間１３ｂ内をも真
空状態とするために設けられた孔であり、該連通孔１６
を利用することによって、前記閉空間１４が一連の空間
とされている。

【００１５】周方向に隣合う心材１３の間に形成される
相互間隙１７には、熱シールド板１１の長手方向に沿っ
て配され両面板１２を連結する仕切板１８および流路形
成部材１９が取り付けられている。仕切板１８は、１箇
所に設けられ、熱シールド板１１の両端に配される閉塞
部材１５を連結することにより、面板１２の間に形成さ
れる前記閉空間１４を完全に区画している。一方、流路
形成部材１９は、前記閉塞部材１５のどちらかのみに連
結状態に配されるとともに、熱シールド板１１の周方向
に隣り合う流路形成部材１９は、異なる閉塞部材１５に
交互に連結するように配設されている。

【００１６】これによって、熱シールド板１１の閉空間
１４内には、該熱シールド板１１の長手方向に蛇行しか
つ周方向に沿って冷却媒体を流通させる冷却流路２０が
形成されるようになっている。該冷却流路２０の端部、
すなわち、前記仕切板１８を挟んで隣接する閉空間１４
には、前記閉塞部材１５を貫通して閉空間１４の内外を
連通する冷却媒体入口２１および冷却媒体出口２２が形
成されている。

【００１７】このように構成された熱シールド板１１を
有する極低温容器１０であると、超電導コイル２を収納
しかつ液体ヘリウム等の冷媒を充填した内部容器３の周
囲に該熱シールド板１１が配されるので、その周囲に配
される真空容器５からの熱輻射が遮られることになる。
この場合に、該真空容器５からの輻射熱は、熱シールド
板１１によって吸収されることになるが、該熱シールド
板１１には、冷却媒体入口２１から冷却媒体出口２２に
続く冷却流路２０が設けられているので、該冷却流路２
０に液体窒素等の冷却媒体を挿通させることにより冷却
され、熱シールド板１１の温度上昇が防止されて、その
内部に配される内部容器３への熱輻射が低減されること
になる。

【００１８】ここで、本実施例の熱シールド板１１にあ
っては、該熱シールド板１１内に蛇行状態の冷却流路２
０が形成され、該冷却流路２０を流通させられる冷却媒
体によって、熱シールド板１１全体が冷却されるので、
外部からの輻射熱を有効に遮ることができることにな
る。また、該熱シールド板１１は、周知のハニカムサン
ドイッチ構造の製造方法により容易に形成することがで
き、しかも、熱変形等を伴わないので工作精度を向上さ
せることができるものである。さらに、溶接のように局
部的な加熱を行なわないので、熱シールド板１１の形成
後における残留応力の発生が防止され、熱シールド板１
１および極低温容器１０の耐久性を向上することができ
るという効果がある。

【００１９】また、この極低温容器１０を有する超電導
電磁石９にあっては、熱シールド板１１によって外部か
らの輻射熱が確実に遮断されるので、内部容器の内側に
配される超電導コイル２が極低温状態に維持されること
になる。その結果、超電導コイル２の電気抵抗値が低減
された状態に維持されるので、性能を向上することがで
きるとともに、その性能を耐久的に維持することができ
ることになる。

【００２０】〈他の実施態様〉なお、本発明の極低温容
器１０および超電導電磁石９にあっては、次の技術を採
用することができる。 筒状の超電導コイル２を収納する二重円筒状の内部
容器３を半径方向に挟む位置に熱シールド板１１を配設
することとしたが、これに代えて、図４に示されるよう
に、柱状の超電導コイル２を収納する内部容器３を設
け、その半径方向外方に熱シールド板１１および真空容
器５を配設すること。 円筒状の熱シールド板１１に代えて、任意の形状、
例えば箱状の熱シールド板１１を使用すること。 六角形断面の小孔１３ａを並列するハニカム構造状
の心材１３を使用したが、これに代えて、任意の断面形
状、例えば、四角形、三角形断面の小孔１３ａを有する
心材１３を採用すること。 面板１２の間に蛇行流路を形成する流路形成部材１
９の数を任意の数とすること。 冷却流路２０に流通させられる冷却媒体を液体窒素
としたが、任意の冷却媒体をしようすること。 内部容器３内において超電導コイル２を冷却する液
体ヘリウム等の冷却媒体の一部をその周囲に配される熱
シールド板１１に挿通させ、さらに、該熱シールド板１
１を挿通させられた冷却媒体をその周囲に配される他の
熱シールド板１１に挿通させること。 熱シールド板１１の数を任意とすること。 閉塞部材１５に冷却媒体入口２１および冷却媒体出
口２２を設けることとしたが、これに代えて、あるい
は、これと共に面板１２に冷却媒体入口２１および冷却
媒体出口２２を配設すること。 流路形成部材によって、熱シールド板の周方向に流
通しかつ長手方向に蛇行する冷却流路を形成することと
したが、これに代えて、長手方向に流通し周方向に蛇行
する冷却流路を形成すること。その場合、冷却媒体入口
２１と冷却媒体出口２２とは、熱シールド板の両端にそ
れぞれ設けられる。

【００２１】

【発明の効果】以上詳述したように、第１の手段、つま
り、請求項１の発明に係る極低温容器は、熱シールド部
材が、厚さ方向に間隔を空けて配される面板と、その間
に配され面板とともに閉空間を形成する閉塞部材と、閉
空間に複数の小空間を区画状態に形成するハニカム構造
状の心材とを接合してなるとともに、心材に、小空間を
連通して冷却流路を形成する連通孔が配設され、面板ま
たは閉塞部材に、冷却媒体を冷却流路に流入出させる冷
却媒体入口および冷却媒体出口が貫通状態に配設されて
いるので、以下の効果を奏する。 （１） 周知のハニカムサンドイッチ構造の製造方法に
より容易に、かつ、工作精度よく、熱シールド部材を構
成することができる。 （２） 熱シールド部材内に冷却流路を形成し、その内
部に冷却流体を挿通させるので、該熱シールド部材を効
率よく冷却して、内部容器に加えられる熱を有効に遮蔽
することができる。 第２の手段、つまり、請求項２の発明に係る極低温容器
は、面板の間に、冷却媒体入口から冷却媒体出口に続く
冷却流路を蛇行状態に形成する流路形成部材が面板を連
結状態に配設されているので、上記第１の手段の効果に
加えて、冷却媒体を蛇行させることにより熱シールド部
材の全体に行き渡らせることができ、熱遮蔽を均一かつ
効果的に実施することができるという優れた効果を奏す
る。請求項３の発明に係る超電導電磁石は、上記第１・
第２の手段に記載された極低温容器の内部容器の内側に
超電導コイルを配設しているので、該超電導コイルへの
熱輻射が熱シールド部材によって遮断され、超電導コイ
ルが極低温状態に維持されることになり、該超電導コイ
ルの電気抵抗を低レベルに維持することにより、高い性
能を耐久的に維持することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る極低温容器および超電導電磁石の
一実施例を示す断面図である。

【図２】図１の極低温容器の熱シールド部材を示す一部
を破断した斜視図である。

【図３】図２の熱シールド部材の心材を示す斜視図であ
る。

【図４】図１の超電導電磁石の他の実施態様を示す一部
を破断した斜視図である。

【図５】極低温容器および超電導電磁石の従来例を示す
断面図である。

【図６】図５の極低温容器の熱シールド板を示す斜視図
である。

【符号の説明】

１ 極低温容器 ２ 超電導コイル ３ 内部容器 ４ 熱シールド板 ５ 真空容器 ６ 冷却管 ７・９ 超電導電磁石 １０ 極低温容器 １１ 熱シールド板（熱シールド部材） １２ 面板 １３ 心材 １３ａ 小孔 １３ｂ 小空間 １４ 閉空間 １５ 閉塞部材 １６ 連通孔 １７ 相互間隙 １８ 仕切板 １９ 流路形成部材 ２０ 冷却流路 ２１ 冷却媒体入口 ２２ 冷却媒体出口

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 真空容器と、該真空容器内に配される極
   低温状態の内部容器と、該内部容器の周囲に配され冷却
   媒体を挿通させる熱シールド部材とを具備する極低温容
   器であって、前記熱シールド部材が、厚さ方向に間隔を
   空けて配される面板と、該面板の間に配され該面板とと
   もに閉空間を形成する閉塞部材と、該閉空間に配され面
   板の表面方向に並列する複数の小空間を区画状態に形成
   するハニカム構造状の心材とを接合してなるとともに、
   該心材に、前記小空間を連通して冷却流路を形成する連
   通孔が配設され、前記面板または前記閉塞部材に、冷却
   媒体を冷却流路に流入出させる冷却媒体入口および冷却
   媒体出口が貫通状態に配設されていることを特徴とする
   極低温容器。
2. 【請求項２】 面板の間に、冷却媒体入口から冷却媒体
   出口に続く冷却流路を蛇行状態に形成する流路形成部材
   が面板を連結状態に配設されていることを特徴とする請
   求項１記載の極低温容器。
3. 【請求項３】 内部容器の内側に超電導コイルを配設し
   たことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか
   に記載の極低温容器を有する超電導電磁石。