JP3509092B2 - 超電導体の冷却装置 - Google Patents

超電導体の冷却装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、超電導体の冷却装
置に関し、詳しくは真空断熱式の超電導体の冷却装置に
関する。
【0002】
【従来の技術】超電導体の冷却装置の従来技術として
は、T. S. Leeらにより、超電導量子干渉デバイス( Su
perconducting Quantum Interference Device ; 以下
単にSQUIDと云う)を超電導遷移温度以下に冷却す
る真空断熱式の冷却装置が文献(Rev. Sci. Instrum. 6
7 (12) 1996 )に報告されている。図2は、この従来の
超電導体の冷却装置の構造を示す断面図である。
【0003】この冷却装置50は、密閉容器としての筐
体を成す外容器51内に、密閉容器としての金属製の内
容器52が配設されて成っている。外容器51の上壁
は、その周方向に複数配置されたボルトで側壁に固定さ
れている。内容器52の内部には冷媒としての液体窒素
53が収納されており、この液体窒素53に熱伝導体と
しての冷却棒54の下端部が浸漬されている。冷却棒5
4は内容器52の上壁を貫通し、さらに外容器51の上
壁に穿設された孔部55を挿通して外容器51の外部に
突設されており、上端に超電導体としてのSQUIDチ
ップ56が設置されている。この冷却棒54は二分割さ
れ、その下端部側は熱膨張係数が内容器52と略同等の
銅製の棒から成り、これに連結された上端部側は熱膨張
係数が比較的小さいサファイア製の棒から成る。
【0004】また、冷却棒54の上方には、冷却棒54
の上端部に被さるように、窓部57を有するカップ状部
材58が設置され、当該窓部57がSQUIDチップ5
6に対向するように配設されている。このカップ状部材
58の開放端は、当該カップ状部材58の上下動を許容
するベローズ59を介して、外容器51上壁の上記孔部
55の周辺に結合されている。そして、外容器51、カ
ップ状部材58およびベローズ59で画成された内空間
は略真空に保持され真空断熱層60が形成されている。
【0005】さらに、上記SQUIDチップ56には、
このSQUIDチップ56で得られる情報信号等を伝送
するための配線61が接続されており、この配線61は
外容器51の上記孔部55から一旦下方に導出され、外
容器51の上壁に穿設された導出孔62から上方の外部
へ導出される。また、外容器51の上壁には、内容器5
2に液体窒素53を供給するための供給管63が貫通配
置され、内容器52に接続されている。また、カップ状
部材58は、支持板65および支持アーム66を介し
て、当該カップ状部材58の上下動を可能とする送りね
じ67に螺合される。この送りねじ67は、外容器51
の上壁上面に固定されている。
【0006】このように構成された従来の冷却装置50
では、内容器52に収納された液体窒素53により、冷
却棒54を介してSQUIDチップ56が冷却される。
また、冷却棒54およびSQUIDチップ56が、上記
真空断熱層60内に位置するので、外部との熱交換が遮
断されてSQUIDチップ56の冷却状態が保持され
る。そして、この状態で、カップ状部材58に設けられ
た窓部57の上方に被検体64が設置され、SQUID
チップ56による被検体64の磁気計測が実施される。
この時、上記送りねじ67を回転し、カップ状部材58
を上下に移動することで、SQUIDチップ56と窓部
57との間隔が最適な間隔にされて被検体64の測定感
度が高められる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】ところで、かかる従来
の超電導体の冷却装置50には次に示す課題がある。
【0008】(1)SQUIDチップ56と窓部57と
の間隔を調整する位置調整機構の部品点数が多く、ま
た、窓部57が設けられたカップ状部材58の上下動を
許容すべくベローズ59が必要とされ、複雑な構成とな
るので、装置が高価になる。
【0009】(2)液体窒素53の熱を伝導する冷却棒
54は、一方端が内容器52内に位置し、他方端が外容
器51の外部に突設しているので、長尺となりSQUI
Dチップ56の冷却効率が悪い。また、冷却棒54を、
内容器52の封止が破られるのを防止するため、その熱
膨張係数が内容器52と略同等の金属にする必要がある
一方で、冷却棒54全体を金属とすると、磁気計測に悪
影響を及ぼす虞があると共に、冷却棒54が長尺なので
熱による伸縮が大きく、SQUIDチップ56と窓部5
7との間隔を所定の距離に保てずに、良好な測定が困難
となる。そこで、冷却棒54を二分割し、内容器52を
貫通する下端部側を銅とし、上端部側を非磁性で且つ熱
膨張係数が比較的小さいサファイアとしているが、この
ように異種部材を連結すると、その連結部での熱伝導率
が悪くなるので、SQUIDチップ56の冷却効率が一
層悪くなる。
【0010】(3)内容器52を外容器51へ組み込ん
だり、外容器51から取り出す際には、外容器51上壁
を固定する複数のボルトおよび供給管63等の着脱とい
った煩雑な作業が必要となるので、組み立て時および保
守時の作業性が悪い。
【0011】そこで、本発明はこのような課題に鑑み
て、安価で且つ冷却性能に優れ、しかも作業性を向上で
きる超電導体の冷却装置を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の超電導体の冷却装置は、略カップ状を成
し、開放端の内周面に雌ねじ部が設けられ、底壁に窓部
を有する外容器と、外容器内に配設され略カップ状を成
し、開放端の外周面に上記雌ねじ部に螺合する雄ねじ部
が設けられた内容器と、内容器を貫通し、一方端が内容
器の内部に位置し、他方端が内容器の外部に位置して、
且つ窓部に対向する位置に配設され、他方端に超電導体
が取り付けられる熱伝導体とを備え、上記ねじ部同士の
螺合により画成された外容器と内容器との間の空間が略
真空に保持されて真空断熱層が形成され、内容器の内側
に超電導体を冷却するための冷媒を収納して成ることを
特徴とする。
【0013】このように構成された超電導体の冷却装置
によれば、内容器の雄ねじ部が外容器の雌ねじ部へ螺合
して結合される構造であり、両ねじ部の螺合位置を変化
させて、外容器の底壁と内容器の底壁との距離を自在に
調整することで、超電導体と窓部との間隔が容易に調整
されるので、従来の部品点数が多く複雑な位置調整機構
が不要とされる。また、熱伝導体を外容器の外部に突設
させる構造ではないので、熱伝導体を長尺にする必要が
なく、しかも長尺としないことから熱伝導体を一種類の
部材で形成し得る。さらに、内容器の雄ねじ部が外容器
の雌ねじ部へ螺合するだけで両容器が結合される構造な
ので、両容器の着脱に従来の煩雑な作業が必要ない。
【0014】また、上記の超電導体には、この超電導体
で得られた情報を伝送する配線が接続され、内容器に
は、この配線を外部に導出する導出孔が形成されると好
適である。
【0015】このようにすれば、超電導体に接続された
配線は、内容器に穿設された導出孔を通して真空断熱層
から外部へと導出されるので、配線を外部に導出するの
に孔部を一度通せばよく、二度孔部を通す従来に比して
配線の挿通作業が簡易である。
【0016】さらに、真空断熱層内に配設され環状を成
し、上記両ねじ部の螺合部よりも真空断熱層寄りの部分
の内容器と外容器との両方に当接して、真空断熱層を封
止する封止部材を有することが望ましい。
【0017】このような構成では、上記の両ねじ部の螺
合部よりも真空断熱層寄りの部分において、真空断熱層
が封止されるので、当該両ねじ部の螺合部からの真空漏
れが防止される。
【0018】またさらに、内容器内に配設され、一方端
がこの封止部材よりも下方の内容器内周に結合され、ま
た、他方端がこの封止部材よりも上方の内容器内周に結
合されて成り、冷媒からの熱伝導を封止部材に対してバ
イパスするバイパス部材とを有するとさらに好適であ
る。
【0019】このような構成とすれば、バイパス部材
が、内容器側壁を伝導する冷媒からの熱の流れを迂回さ
せ、冷媒の熱を内容器側壁の封止部材の手前から内容器
側壁の上端近傍へと逃すため、内容器側壁を介して封止
部材が冷却されて硬化することが防止される。
【0020】さらにまた、内容器が繊維強化プラスチッ
クから成ることを特徴とすると好適である。
【0021】このようにすれば、繊維強化プラスチック
はその熱伝導率が金属よりも小さいという特性を有して
いるので、冷媒の熱が内容器を伝導して外部へ散逸する
ことが抑制される。また、内容器の熱伝導率が小さいた
め、これに接する封止部材の冷却が一層抑制される。さ
らに、繊維強化プラスチックが非磁性という特性を有し
ているので、超電導体によって磁気計測を行う場合に磁
気的な悪影響を及ぼすことがない。
【0022】
【発明の実施の形態】以下、添付図を参照して本発明の
実施形態を説明する。図1は本発明に係る超電導体の冷
却装置の一実施形態を示す断面図である。図1に示すよ
うに、本実施形態の超電導体の冷却装置1は、ガラス繊
維強化プラスチック( Glass Fiber Reinforced Plasti
cs ;以下単にGFRPと呼ぶ)で形成される略カップ
状の外容器2内に、GFRPで形成される略カップ状の
内容器3が、底壁同士が対面するように配設され、この
内容器3に冷媒としての液体窒素8が収納されて成って
いる。このGFRPは、その熱伝導率が金属よりも小さ
く、また非磁性という特性を有している。また、外容器
2の開放端の内周面には雌ねじ部21が設けられると共
に、内容器3の開放端の外周面にはその雌ねじ部21に
螺合する雄ねじ部31が設けられており、これらねじ部
21,31同士が螺合されて外容器2と内容器3とが結
合されている。この螺合結合により画成された外容器2
と内容器3との間の空間は、略真空に保持されて真空断
熱層4が形成されている。
【0023】この真空断熱層4内の上記雌ねじ部21と
上記雄ねじ部31との螺合部よりも真空断熱層4寄りの
部分(螺合部近傍)において、外容器2の内周には環状
溝22が設けられ、この環状溝22に封止部材としての
Oリング5が配設される。このOリング5は内容器3の
外周に圧接し、真空断熱層4の略真空が保持されてい
る。
【0024】また、内容器3内の上端部側には、環状の
バイパス部材33が配設されている。このバイパス部材
33の下方端は、上記Oリング5よりも下方の内容器内
周に結合されており、また、その上方端は上記Oリング
5よりも上方の内容器内周に結合されていて、内容器3
の内周とバイパス部材33で囲まれる閉空間34が画成
されている。そして、内容器3の側壁は、このバイパス
部材33の下方端が結合されている位置を含む下方部分
の厚さが、上方部分の厚さに比して薄く形成されてい
る。
【0025】さらに、外容器2の底壁には孔部26が穿
設されており、この孔部26周辺の外容器2外面に、そ
の底壁の厚さよりも薄い、例えば厚さ数100μm程度
の窓部としてのサファイア板23が接合されて当該孔部
26が閉塞されている。このサファイア板23は透磁性
および透光性を有している。また、上記孔部26周辺の
サファイア板23と外容器2外面との間にはOリング2
4が配置され、このOリング24により上記接合部が封
止されている。
【0026】また、内容器3の底壁には、上記孔部26
と同軸の位置に熱伝導体としてのサファイア棒6が貫通
固定されており、この貫通部はエポキシ樹脂を主成分と
する接着剤で封止されている。このサファイア棒6の一
方端は内容器3の内部に位置して液体窒素8に接してお
り、その他方端は真空断熱層4内、詳しくは内容器3の
外部で上記サファイア板23に対向する位置に配設され
ていて、この他方端に超電導体としての高温超電導磁気
センサ7が設置されている。そして、外容器2の底壁の
下方近傍には、上記サファイア板23を挟んで当該高温
超電導磁気センサ7に対向するように、高温超電導磁気
センサ7の測定対象である被検体40が設置される。
【0027】さらにまた、高温超電導磁気センサ7に
は、当該高温超電導磁気センサ7で得られる上記被検体
40周辺の磁気情報を伝送する配線71が接続されてい
る。この配線71は、内容器3の側壁にバイパス部材3
3で囲まれるように穿設された導出孔25を経て、上記
バイパス部材33の上部に穿設された導出孔35を挿通
して真空断熱層4内から外部に導出され、信号処理手段
50に接続されている。また、当該導出孔25はエポキ
シ樹脂を主成分とする接着剤32で封止され、真空断熱
層4の略真空が保持されている。そして、液体窒素8を
内容器3開放端の上方から内部に供給することにより、
図1に示す超電導体の冷却装置1が得られる。
【0028】このように構成された冷却装置1では、高
温超電導磁気センサ7は、サファイア棒6を介して内容
器3に収納された液体窒素8により、液体窒素温度(約
77K)付近まで冷却され、被検体40が誘起した微弱
磁気を検出する磁気センサとして動作可能になる。ま
た、液体窒素8の熱を伝導するサファイア棒6の他方端
と高温超電導磁気センサ7とは真空断熱層4内に位置し
ており、外部との熱交換が遮断されるので、高温超電導
磁気センサ7は冷却状態に保持されてその安定な動作が
保証される。
【0029】また、外容器2の雌ねじ部21へ内容器3
の雄ねじ部31が螺合して外容器2と内容器3とが結合
される構造であり、両ねじ部21,31の螺合位置を変
化させて、外容器2の底壁と内容器3の底壁との距離を
自在に調整することで、高温超電導磁気センサ7と窓部
23との間隔が容易に調整され、このことにより高温超
電導磁気センサ7と窓部23との間隔が最適な間隔にさ
れて被検体40の測定感度が高められる。例えば、外容
器2への内容器3のねじ込み量を大きくすることによ
り、高温超電導磁気センサ7を窓部23に近接させ、高
温超電導磁気センサ7から被検体40までの距離を1m
m以下として非常に高感度な磁気計測を可能にした。こ
のように、両ねじ部21,31の螺合位置を変化させ
て、高温超電導磁気センサ7と窓部23との間隔を調整
するので、従来の部品点数が多く複雑な位置調整機構を
必要としない。その結果、冷却装置1を安価にすること
ができる。
【0030】また、サファイア棒(熱伝導体)6を外容
器2の外部に突設させて長尺とする構造ではないので、
液体窒素8の熱が伝導される距離を短くして熱の散逸を
抑えることができ、高温超電導磁気センサ7の冷却性能
を向上することが可能である。しかも長尺としないこと
から、熱伝導体7を一種類の部材(サファイア)で形成
でき、異種部材が連結された従来に比して高温超電導磁
気センサ7の冷却性能を一層向上することが可能とな
る。
【0031】加えて、液体窒素8を内容器3の開放端の
上方から供給するので、冷媒供給時の作業性を向上でき
る。さらに、内容器3の雄ねじ部31が外容器2の雌ね
じ部21へ螺合するだけで両容器2,3が結合される構
造なので、両容器2,3の着脱に従来の煩雑な作業を必
要としない。よって、組み立て時および保守時の作業性
を向上できる。
【0032】また、高温超電導磁気センサ7に接続され
た配線71は、内容器3に穿設された導出孔25を経
て、バイパス部材33の上部に穿設された導出孔35を
通して真空断熱層4から外部へと導出されるので、配線
71を外部に導出するのに2つの孔部を同一方向に通せ
ばよく、2つの孔部を往復方向に通す従来に比して配線
71の挿通作業を簡易にすることができ、作業性を一層
向上できる。
【0033】さらに、両ねじ部21,31の螺合部より
も真空断熱層4寄りの部分において、Oリング5によっ
て真空断熱層4を封止するので、この螺合部からの真空
漏れを防止することができ、真空断熱層4の略真空を一
層保持して高温超電導磁気センサ7の冷却状態を一層安
定に維持できる。
【0034】また、バイパス部材33が、内容器3側壁
を伝導する液体窒素8からの熱の流れを迂回させ、液体
窒素8の熱を内容器3側壁のOリング5の手前から内容
器3側壁の上端近傍へと逃すので、内容器3側壁を介し
てOリング5が冷却されて硬化することが防止される。
よって、Oリング5の硬化による封止機能の低下を招く
ことがなく、真空断熱層4の略真空をより一層保持して
高温超電導磁気センサ7の冷却状態をより一層安定に維
持できる。
【0035】またさらに、内容器3は熱伝導率が金属よ
りも小さいGFRPで形成されているので、液体窒素8
の熱が内容器3を伝導して外部へ散逸することを抑制で
き、液体窒素8の保持性能が向上する。また、内容器3
の熱伝導率が小さいため、これに接するOリング5およ
び外容器2を介して熱伝導されるOリング24の冷却を
抑制でき、真空断熱層4の略真空をさらに一層保持して
高温超電導磁気センサ7の冷却状態をさらに一層安定に
維持できる。
【0036】さらにまた、外容器2および内容器3は、
非磁性という特性を有しているGFRPで形成されてい
るので、高温超電導磁気センサ7による被検体40の磁
気計測に磁気的な悪影響を及ぼすことがなく、したがっ
て、被検体40周辺の微弱磁気を精度よく検出できる。
【0037】またさらに、導出孔25をバイパス部材3
3で囲むように設けるので、液体窒素8の液面レベルが
どこにあろうと、接着剤32による封止部が液体窒素8
で直接冷却されることがない。よって、エポキシ樹脂を
主成分とする接着剤32とGFRPから成る内容器3と
の熱膨張係数の差異による当該封止部の接着剥離が発生
せずに、封止状態が担保され、真空断熱層4の略真空を
保持して高温超電導磁気センサ7の冷却状態を安定に維
持できる。
【0038】加えて、内容器3の側壁は、バイパス部材
33の下方端が結合されている位置を含む下方部分の厚
さが、上方部分の厚さに比して薄く形成されており、バ
イパス部材33の下方端をこの薄い側壁部分に結合する
ので、内容器3側壁の厚い上方部分側よりも、バイパス
部材33側へ熱を流れ易くすることができる。したがっ
て、Oリング5の冷却硬化を一層防止することができ、
真空断熱層4の略真空をさらに一層保持して高温超電導
磁気センサ7の冷却状態をさらに一層安定に維持でき
る。
【0039】なお、上述した実施形態の超電導体の冷却
装置1においては、超電導体7を高温超電導磁気センサ
7としているが、他の超電導体7であってもよく、例え
ば、SQUIDに適用し得る。この場合、冷媒8はその
超電導体の臨界温度に対応した温度のものが選択され
る。また、熱伝導体6はサファイア棒6に限られるもの
ではなく、熱伝導性に優れ、熱膨張係数が小さく、且つ
非磁性といった特性を有する材質で成るもの、例えばル
ビー等であってもよく、また形状は棒状でなく、例えば
板状であってもよい。また、導出孔25を封止する接着
剤32としてエポキシ樹脂を主成分とするものを用いて
いるが、その他の不飽和ポリエステル系樹脂を主成分と
するものでもよいし、内容器3の材質と同系の有機成分
を含むものであってもよく、さらには、接着接合ではな
く溶着してもよい。さらに、窓部23としてのサファイ
ア板23を外容器2の外面に接着接合しているが、真空
吸着させてもよい。また、接着接合する場合には、Oリ
ング24を省いてもよい。さらに、窓部23は非磁性で
あれば、透光性を有していなくても構わない。例えば、
外容器2の内側から底壁の一部を切削して、その部分を
薄い窓部23としてもよく、この場合にも、雌ねじ21
に対する雄ねじ31のねじ込み量を調整することによ
り、当該窓部23と高温超電導磁気センサ7との間隔を
最適な間隔とすることが可能である。また、図1に示す
冷却装置1の構造においては、液体窒素8の液面レベル
をバイパス部材33の下方端近傍とする必然性はない。
さらに、導出孔25をバイパス部材33の下方端よりも
下方に穿設してもよく、この場合には、バイパス部材3
3の導出孔35を省けるので、製造が容易になり冷却装
置1をより安価にすることができると共に、配線71を
外部に導出するのに孔部を一度通せばよく、二度孔部を
通す従来に比して配線71の挿通作業を簡易にすること
ができる。この時に、液体窒素8の液面レベル8を導出
孔25の高さよりも下方にすれば、接着剤32による封
止部が剥離を起こすことが防止される。また、閉空間3
4を中空として、バイパス部材33から内容器3側壁へ
の熱伝導を抑制しているが、この閉空間34に、例えば
発泡ウレタン材等の断熱材を充填して、このバイパス部
材33から内容器3側壁への熱伝導を抑制してもよい。
【0040】
【発明の効果】以上説明した通り、本発明の超電導体の
冷却装置によれば、内容器の雄ねじ部が外容器の雌ねじ
部へ螺合して内容器と外容器とが結合される構造であ
り、両ねじ部の螺合位置を変化させて、外容器の底壁と
内容器の底壁との距離を自在に調整することで超電導体
と窓部との間隔を容易に調整し、従来の部品点数が多く
複雑な位置調整機構を必要としないため、装置を安価に
することができる。また、熱伝導体を外容器の外部に突
設させて長尺とする構造ではなく、しかも長尺としない
ことから熱伝導体を一種類の部材で形成し得るため、超
電導体の冷却性能を向上することが可能である。さら
に、内容器の雄ねじ部が外容器の雌ねじ部へ螺合するだ
けで両容器が結合される構造であり、両容器の着脱に従
来の煩雑な作業を必要としないため、組み立て時および
保守時の作業性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る超電導体の冷却装置の一実施形態
を示す断面図である。
【図2】従来の超電導体の冷却装置の構造を示す断面図
である。
【符号の説明】
1…冷却装置、2…外容器、3…内容器、4…真空断熱
層、5…Oリング(封止部材)、6…サファイア棒(熱
伝導体)、7…高温超電導磁気センサ(超電導体)、8
…液体窒素(冷媒)、21…雌ねじ部、23…サファイ
ア板(窓部)、25…導出孔、31…雄ねじ部、33…
バイパス部材、71…配線
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平6−3427(JP,A) 特開 平5−327036(JP,A) 特開 平3−131726(JP,A) 実開 平3−18474(JP,U) 実開 昭61−55684(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F25D 3/10 G01R 33/035 ZAA H01L 39/04 ZAA

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 略カップ状を成し、開放端の内周面に雌
    ねじ部が設けられ、底壁に窓部を有する外容器と、 当該外容器内に配設され略カップ状を成し、開放端の外
    周面に前記雌ねじ部に螺合する雄ねじ部が設けられた内
    容器と、 当該内容器を貫通し、一方端が当該内容器の内部に位置
    し、他方端が当該内容器の外部に位置して、且つ前記窓
    部に対向する位置に配設され、当該他方端に超電導体が
    取り付けられる熱伝導体とを備え、 前記ねじ部同士の螺合により画成された前記外容器と前
    記内容器との間の空間が略真空に保持されて真空断熱層
    が形成され、 前記内容器の内側に前記超電導体を冷却するための冷媒
    を収納して成る超電導体の冷却装置。
  2. 【請求項2】 前記超電導体には、当該超電導体で得ら
    れた情報を伝送する配線が接続され、前記内容器には、
    前記配線を外部に導出する導出孔が形成されることを特
    徴とする請求項1記載の超電導体の冷却装置。
  3. 【請求項3】 前記真空断熱層内に配設され環状を成
    し、前記両ねじ部の螺合部よりも真空断熱層寄りの部分
    の前記内容器と前記外容器との両方に当接して、前記真
    空断熱層を封止する封止部材を有することを特徴とする
    請求項1または請求項2記載の超電導体の冷却装置。
  4. 【請求項4】 前記内容器内に配設され、一方端が前記
    封止部材よりも下方の前記内容器内周に結合され、他方
    端が前記封止部材よりも上方の前記内容器内周に結合さ
    れて成り、前記冷媒からの熱伝導を前記封止部材に対し
    てバイパスするバイパス部材を有することを特徴とする
    請求項3記載の超電導体の冷却装置。
  5. 【請求項5】 前記内容器が繊維強化プラスチックから
    成ることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか一
    項に記載の超電導体の冷却装置。
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