JP3767766B2 - 超電導磁石装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、超電導コイルを多段式蓄冷型冷凍機で冷却する超電導磁石装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超電導磁石装置は、強い磁場を発生させるための装置で、超電導コイルを極低温に冷却し、電気抵抗がゼロで電流が流れる超電導状態として使用している。このため、ジュール発熱がなく、常電導磁石装置に比べて、強い磁場を少ない電力で発生させることが可能となる。
この種の超電導磁石装置においては、超電導コイルを冷却するために、従来液体ヘリウムが使用されていた。しかしながら、液体ヘリウムは、蒸発潜熱が非常に小さいので、取り扱いが難しく、また高価であった。そこで、冷凍機で直接超電導コイルを冷却する方式が提案されている。
【０００３】
図９は例えば特開平５−５９５６８号公報に記載された従来超電導磁石装置を示す断面図である。
図において、超電導コイルカートリッジ３は、Ｎｂ3Ｓｎ製の超電導コイル２がアルミ等の金属で作製された支持体１に取り付けられて構成されている。この超電導コイルカートリッジ３は、真空容器７内に配設された熱シールド５内に収容されている。この真空容器７は、内部を高真空に保持されて、超電導コイルカートリッジ３や熱シールド５への熱侵入を低減している。そして、超電導コイルカートリッジ３は熱シールド５に第２断熱サポート４により断熱支持され、熱シールド５は第１断熱サポート６により真空容器７に断熱支持されている。
ここで、第２および第１断熱サポート４、６は熱伝導率が小さく、かつ、強度の大きな材料、例えばＧＦＲＰ（Glass Fiber Resinforced Plastic）で作製されている。また、熱シールド５は熱伝導率が大きなアルミニウムや銅、あるいはそれらの合金で作製されている。
【０００４】
２段式蓄冷型冷凍機２１は、駆動部２２、第１シリンダ２３、第１熱ステージ２４、第２シリンダ２５、第２熱ステージ２６、ガス配管２７および圧縮機２８から構成され、その第１および第２熱ステージ２４、２６により熱シールド５および超電導コイルカートリッジ３をそれぞれ５０Ｋ程度および８Ｋ程度に冷却するものである。また、冷凍機取付シリンダ３０は、２段式蓄冷型冷凍機２１を着脱可能にし、その保守や交換を容易にするためのもので、取付フランジ３１、第１取付シリンダ３２、第１取付熱接続部３３、第２取付シリンダ３４および第２取付熱接続部３５から構成されている。この取付シリンダ３０は、その取付フランジ３１を真空容器７に気密に取り付けられ、外部から真空容器７および熱シールド５を貫通して挿入されている。そして、第１取付熱接続部３３が熱シールド５に熱接続され、第２取付熱接続部３５が超電導コイルカートリッジ３に熱接続されている。さらに、２段式蓄冷型冷凍機２１が、第１熱ステージ２４を第１取付熱接続部３３に熱接続され、第２熱ステージ２６を第２取付熱接続部３５に熱接続されるように、取付シリンダ３０内に挿入されている。
【０００５】
つぎに、従来の超電導磁石装置の動作について説明する。
２段式蓄冷型冷凍機２１を運転すると、超電導コイルカートリッジ３の熱エネルギーは第２取付熱接続部３５を介して第２熱ステージ２６で吸収される。そこで、超電導コイルカートリッジ３は、２段式蓄冷型冷凍機２１の第２熱ステージ２６が吸収できる熱エネルギーの量、即ち冷凍能力と外部から伝導や輻射で侵入する熱エネルギーとがつり合う温度になる。この時、熱エネルギーを吸収するためには、熱抵抗に応じた温度勾配が必要であるので、超電導コイルカートリッジ３−第２取付熱接続部３５−第２熱ステージ２６の間の熱抵抗を小さくする必要がある。特に、第２取付熱接続部３５−第２熱ステージ２６は着脱可能に構成されているので、他の部分に比べて熱抵抗が大きくなる可能性があり、注意が必要である。超電導コイル２の運転温度は、超電導コイル２が安定して強い磁場を発生できるように、発生する磁場強度、超電導線の材質を考慮して設計される。この従来例では、超電導線にＳｎ3Ｎｂを選んでいるので、超電導コイルの運転温度は１２Ｋ程度であり、冷凍能力特性から１Ｋ程度の温度勾配は許される。
【０００６】
また、同様に、熱シールド５の熱エネルギーは、第１取付熱接続部３３を通じて第１熱ステージ２４で吸収される。そこで、熱シールド５は、２段式蓄冷型冷凍機２１の第１熱ステージ２４が吸収できる熱エネルギーの量、即ち冷凍能力と外部から伝導や輻射で侵入する熱エネルギーとがつり合う温度になる。この温度は、通常５０Ｋ程度になるように設計されている。
また、上述の特開平５−５９５６８号公報には明記されていないが、その構造から２段式蓄冷型冷凍機２１を取り付けて運転すると、取付シリンダ３０と２段式蓄冷型冷凍機２１との間の空気が冷却されて、ほぼ真空状態になると考えられるので、熱エネルギーの移動は熱伝導が主となる。そして、２段式蓄冷型冷凍機２１を交換する際には、真空状態だと力を受けるので、超電導コイルカートリッジ３と熱シールド５の温度を常温まで上げる必要がある。
【０００７】
従来の超電導磁石装置は、この状態で外部電源（図示せず）から電流を供給するパワーリード（図示せず）を用いて超電導コイル２に電流を流し、強い磁場を発生させる。この種の超電導磁石装置が用いられる代表的な例は医療用のＭＲＩ装置である。このような装置では、同じ強さの磁場を安定して発生させる必要があるので、超電導スイッチを用いて、永久電流状態で運転されている。そして、このような装置では、装置の安全性が人命に影響する場合も考えられるので、高い信頼性が要求される。
【０００８】
上記従来の超電導磁石装置では、超電導コイル２としてＮｂ3Ｓｎで作製された超電導線が用いられている。これは、蓄冷材に鉛を用いた２段式蓄冷型冷凍機２１の到達温度が８Ｋ程度であり、ＮｂＴｉの超電導線を用いた超電導コイルの冷却温度である４Ｋまで冷却できなかったからである。しかし、Ｎｂ3Ｓｎの超電導線は化合物であり、もろいため製作が難しく、また高価であるという課題があった。
【０００９】
近年、磁性蓄冷材を用いて４Ｋでの冷凍発生を可能にした２段式蓄冷型冷凍機が開発され、Ｎｂ3Ｓｎに比べて作製しやすく安価なＮｂＴｉの超電導線を用いた超電導コイルを直接冷却する方式が提案されている。
図１０は従来の超電導磁石装置の要部を示す断面図である。
この図１０に示された従来の超電導磁石装置では、伝熱板５０がＮｂＴｉの超電導線を用いた超電導コイル２Ａの周りに巻かれ、熱伝導部材５１が２段式蓄冷型冷凍機２１Ａの第２熱ステージ２６と伝熱板５０との間に設置され、磁性蓄冷材を用いた２段式蓄冷型冷凍機２１Ａにより超電導コイル２Ａを直接冷却するように構成されている。
また、４Ｋで冷凍を発生するのには多くの電力が必要となる。２段式蓄冷型冷凍機２１Ａの冷凍能力特性の一例を図１１に示す。図１１から、４Ｋ付近では冷凍能力が大きく変化していることが理解される。熱抵抗が大きく、温度差が１Ｋの場合は、超電導コイル２Ａの温度を４．２Ｋにするためには、第２熱ステージ２６の温度を３．２Ｋにする必要がある。図１１から、冷凍能力は４．２Ｋでは０．５Ｗであるが、３．２Ｋでは０．１Ｗに激減していることが理解される。この結果、温度差が１Ｋつくと、５倍大きな冷凍機が必要となり、消費電力等の点から非常に不利となる。そこで、２段式蓄冷型冷凍機２１Ａを用いた超電導磁石装置においては、２段式蓄冷型冷凍機２１を用いた超電導磁石装置に比べて、熱抵抗を極めて少なくし、超電導コイル２Ａと第２熱ステージ２６との温度勾配を少なくすることが肝要となる。
【００１０】
そこで、従来、２段式蓄冷型冷凍機２１Ａの第２熱ステージ２６を超電導コイルカートリッジ３に直接取り付ける方式が提案されている。しかし、この方式では、２段式蓄冷型冷凍機２１Ａを直接真空容器７に取り付けることになり、冷凍機の交換が困難となってしまう。また、超電導コイルカートリッジ３を構成する銅やアルミニウム、ＮｂＴｉ線材の比熱は４Ｋでは非常に小さくなる。このため、支持体１や超電導コイル２Ａの４Ｋでの熱容量は小さく、２段式蓄冷型冷凍機２１Ａが停止すると、超電導コイル２Ａの温度が容易に上昇してしまう。そこで、２段式蓄冷型冷凍機２１Ａは冷凍能力を安定して発生させるよう高い信頼性が要求される。
また、この種の超電導磁石装置が小物の物性測定装置等に使用される場合には、磁場を大きく変化させる必要があり、電源を接続した状態で使用される。このような場合には、頻繁に運転と停止を繰り返すので、ＭＲＩ装置等に比べて信頼性に対する要求は小さいが、使いやすさと安全性が要求される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
図９に示される従来の超電導磁石装置では、２段式蓄冷型冷凍機２１が、その第１および第２熱ステージ２４、２６を熱シールド５および超電導コイルカートリッジ３に熱接続されている第１および第２熱接続部３３、３５に熱接続するように取付シリンダ３０内に挿入し、取り付けられているので、熱接続部での熱抵抗が大きくなり、大きな冷凍能力の２段式蓄冷型冷凍機２１が必要となるとともに、消費電力の点から不利になるという課題があった。また、その運転状態において、取付シリンダ３０と２段式蓄冷型冷凍機２１との間が真空状態となっており、２段式蓄冷型冷凍機２１を交換する際に、超電導コイルカートリッジ３と熱シールド５の温度を常温まで上げる必要があり、２段式蓄冷型冷凍機２１の交換に時間を要するという課題もあった。
【００１２】
また、図１０に示される従来の超電導磁石装置では、２段式蓄冷型冷凍機２１Ａの第２熱ステージ２６が熱伝導部材５１および伝熱板５０を介して超電導コイル２Ａに熱接続されているので、熱接続部での熱抵抗が大きくなり、大きな冷凍能力の２段式蓄冷型冷凍機２１Ａが必要となるとともに、消費電力の点から不利になるという課題があった。また、２段式蓄冷型冷凍機２１Ａが真空容器７に直接取り付けられているので、２段式蓄冷型冷凍機２１Ａの交換に際しては、真空容器７内の真空状態を破らないように、シリンダ等の外筒部を残して内部構成部品を引き抜いての交換となり、２段式蓄冷型冷凍機２１Ａの交換が困難となるという課題もあった。さらに、超電導コイルカートリッジ３の４Ｋでの熱容量が小さいので、２段式蓄冷型冷凍機２１Ａが停止した際に超電導コイル２Ａの温度が短時間に上昇し、超電導状態が容易に破られてしまうという課題もあった。
【００１３】
また、図１０に示される従来の超電導磁石装置の改良装置では、２段式蓄冷型冷凍機２１Ａの第２熱ステージ２６が超電導コイルカートリッジ３に直接熱接続されているので、超電導コイルカートリッジ３の４Ｋでの熱容量が小さく、２段式蓄冷型冷凍機２１Ａが停止した際に超電導コイル２Ａの温度が短時間に上昇し、超電導状態が容易に破られてしまうという課題があった。また、２段式蓄冷型冷凍機２１Ａが真空容器７に直接取り付けられているので、２段式蓄冷型冷凍機２１Ａの交換に際しては、真空容器７内の真空状態を破らないように、シリンダ等の外筒部を残して内部構成部品を引き抜いての交換となり、２段式蓄冷型冷凍機２１Ａの交換が困難となるという課題もあった。
【００１４】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、多段式蓄冷型冷凍機の交換性を容易にし、超電導コイルと多段式蓄冷型冷凍機の最終段熱ステージとの間の熱抵抗を低減できる超電導磁石装置を得ることを目的とする。
また、多段式蓄冷型冷凍機が停止した際にも、超電導コイルの温度上昇を抑え、超電導状態を長時間維持できる超電導磁石装置を得ることを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る超電導磁石装置は、真空容器と、この真空容器内に配設された超電導コイルを有する超電導コイルカートリッジと、この超電導コイルカートリッジを囲繞するように上記真空容器内に配設された熱シールドと、複数の取付シリンダが各段の取付熱接続部を介して連結されて構成され、各段の取付熱接続部がそれぞれ上記熱シールドおよび上記超電導コイルカートリッジに熱的に接続されて上記真空容器に気密に取り付けられた冷凍機取付シリンダと、各段の熱ステージがそれぞれ上記冷凍機取付シリンダの各段の取付熱接続部に熱的に接続されて該冷凍機取付シリンダに取り付けられ、超電導コイルカートリッジを介して超電導コイルを略４Ｋまで伝導冷却する略４Ｋ冷却用の多段式蓄冷型冷凍機とを備えている。そして、上記冷凍機取付シリンダと上記多段式蓄冷型冷凍機との間の空間に、常温部からのヘリウムガスを供給可能にするヘリウムガス導入管を上記冷凍機取付シリンダに設け、かつ、上記ヘリウム導入管に締切弁を設けている。さらに、常温で供給された上記ヘリウムガスを上記多段式蓄冷型冷凍機の最終段熱ステージと上記冷凍機取付シリンダとの間の空間において少なくともその一部を液化することにより、上記多段式蓄冷型冷凍機の最終段熱ステージと上記冷凍機取付シリンダとの熱接続部の熱抵抗を低減させるとともに、上記締切弁を閉じて、上記冷凍機取付シリンダ内に略大気圧のヘリウムガスを封入可能に構成したものである。
【００１７】
また、液体ヘリウム貯液容器が上記冷凍機取付シリンダの最終段の取付熱接続部の外周部に配設され、液体ヘリウム導入路が上記冷凍機取付シリンダと上記液体ヘリウム貯液容器とを連通するように上記最終段の取付熱接続部に穿設されているものである。
【００１８】
また、上記液体ヘリウム貯液容器の一部に熱接続部が設けられ、上記超電導コイルカートリッジが上記熱接続部を介して上記液体ヘリウム貯液容器に熱接続されているものである。
【００１９】
また、複数個の超電導コイルカートリッジが分散配置され、上記複数個の超電導コイルカートリッジが上記熱接続部を介して上記液体ヘリウム貯液容器にそれぞれ熱接続されているものである。
【００２０】
また、上記冷凍機取付シリンダ内のヘリウムガスの膨張に伴う圧力上昇を緩和する容器が上記ヘリウムガス導入管の常温部に設けられているものである。
【００２１】
また、上記多段式蓄冷型冷凍機のシリンダの外径と上記冷凍機取付シリンダの取付シリンダの内径とが上記熱ステージの外径と略一致するように構成されているものである。
【００２２】
また、低熱伝導率材からなる詰め物が上記冷凍機取付シリンダの取付シリンダと上記多段式蓄冷型冷凍機のシリンダとの隙間に挿入されているものである。
【００２３】
また、上記冷凍機取付シリンダの取付シリンダが繊維強化樹脂で作製されているものである。
【００２４】
また、上記繊維強化樹脂はカーボン繊維強化樹脂であるものである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図について説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る超電導磁石装置を示す断面図である。
図において、超電導コイルカートリッジ３は、ＮｂＴｉ製の超電導コイル２Ａがアルミ等の金属で作製された支持体１に取り付けられて構成されている。この超電導コイルカートリッジ３は、真空容器７内に配設された熱シールド５内に収容されている。この真空容器７は、内部を高真空に保持されて、超電導コイルカートリッジ３や熱シールド５への熱侵入を低減している。そして、超電導コイルカートリッジ３は熱シールド５に第２断熱サポート４により断熱支持され、熱シールド５は第１断熱サポート６により真空容器７に断熱支持されている。
ここで、第２および第１断熱サポート４、６は熱伝導率が小さく、かつ、強度の大きな材料、例えばＧＦＲＰ（Glass Fiber Resinforced Plastic）で作製されている。また、熱シールド５は熱伝導率が大きなアルミニウムや銅、あるいはそれらの合金で作製されている。
【００２６】
２段式蓄冷型冷凍機２１Ａは、駆動部２２、第１シリンダ２３、第１熱ステージ２４、第２シリンダ２５、第２熱ステージ２６、さらに図示していないがガス配管および圧縮機から構成され、第２シリンダ２５内の蓄冷材としてＧｄＲｈ，Ｇｄ0.5Ｅｒ0.5Ｒｈ等の磁性蓄冷材を用い、その第１および第２熱ステージ２４、２６により熱シールド５および超電導コイルカートリッジ３をそれぞれ５０Ｋ程度および４Ｋ程度に冷却するものである。また、冷凍機取付シリンダ３０は、２段式蓄冷型冷凍機２１Ａを着脱可能にし、その保守や交換を容易にするためのもので、取付フランジ３１、第１取付シリンダ３２、第１取付熱接続部３３、第２取付シリンダ３４および第２取付熱接続部３５から構成されている。この取付シリンダ３０は、その取付フランジ３１を真空容器７に気密に取り付けられ、外部から真空容器７および熱シールド５を貫通して挿入されている。そして、第１取付熱接続部３３が熱シールド５に熱接続され、第２取付熱接続部３５が超電導コイルカートリッジ３に熱接続されている。さらに、２段式蓄冷型冷凍機２１Ａが、第１熱ステージ２４を第１取付熱接続部３３に熱接続され、第２熱ステージ２６を第２取付熱接続部３５に熱接続されるように、取付シルンダ３０に挿入され気密に取り付けられている。
ここで、各シリンダには例えばステンレススチールが用いられ、各熱ステージおよび各取付熱接続部には例えば銅やアルミニウムが用いられる。
【００２７】
また、ヘリウム導入管４０がその一端を取付シリンダ３０の内部に臨むように取付フランジ３１に取り付けられている。そして、第１の継ぎ手４２がこのヘリウム導入管４０の他端に取り付けられている。さらに、締切弁４１、安全弁４７および圧力計４８がヘリウム導入管４０に取り付けられている。
また、配管４４がヘリウム容器４６に接続され、第２の継ぎ手４３が配管４４の他端に取り付けられている。そして、減圧弁４５が配管４４に取り付けられている。
【００２８】
このように構成された超電導磁石装置を運転する際には、まず第１の継ぎ手４２と第２の継ぎ手４３とを接続してヘリウム導入管４０と配管４４とを連結し、締切弁４１を開け、減圧弁４５により大気圧程度に減圧されたヘリウムガス６０をヘリウム容器４６から配管４４、締切弁４１およびヘリウム導入管４０を介して取付シリンダ３０内に導入する。
２段式蓄冷型冷凍機２１Ａが運転され、初期冷却が進むと、取付シリンダ３０内に導入されたヘリウムガス６０が冷却されて減圧弁４５の設定値以下の圧力となると、新たなヘリウムガス６０が上記経路を通って導入され、取付シリンダ３０内の圧力がほぼ大気圧に制御される。そして、最終的に第２熱ステージ２６の温度が略４Ｋになると、取付シリンダ３０内のヘリウムガス６０の一部が液化し、液体ヘリウム６１となって取付シリンダ３０の第２シリンダ２５の底部に溜まる。所定量の液体ヘリウム６１を発生して初期冷却が完了すると、ヘリウム容器４６が不要となるので、締切弁４１を閉じ、ヘリウム容器４６を第２の継ぎ手４３から分離する。
【００２９】
ここで、第２熱ステージ２６と第２取付熱接続部３５との熱接続は、固体の接触に、液体ヘリウム６１の沸騰と凝縮に伴う良好な熱接続が加わり、同様に、第１熱ステージ２４と第１取付熱接続部３３との熱接続は、固体の接触に、ヘリウムガス６０の対流と伝導に伴う良好な熱接続が加わっている。
そこで、超電導コイルカートリッジ３の熱エネルギーは第２取付熱接続部３５および液体ヘリウム６１を介して第２熱ステージ２６で吸収されて、略４Ｋに冷却される。また、熱シールド５の熱エネルギーは第１取付熱接続部３３およびヘリウムガス６０を介して第１熱ステージ２４で吸収されて、略５０Ｋに冷却される。
この状態で外部電源（図示せず）から電流を供給するパワーリード（図示せず）を用いて超電導コイル２Ａに電流を流し、強い磁場を発生させる。
【００３０】
このように、この実施の形態１によれば、第２熱ステージ２６と第２取付熱接続部３５との熱接続が、固体の接触に加え、液体ヘリウム６１の沸騰と凝縮に伴う良好な熱接続が加わり、両者間の熱接続部の熱抵抗が大幅に低減される。同様に、第１熱ステージ２４と第１取付熱接続部３３との熱接続が、固体の接触に加え、ヘリウムガス６０の対流と伝導に伴う良好な熱接続が加わり、両者間の熱接続部の熱抵抗が大幅に低減される。そこで、超電導コイル２Ａと第２熱ステージ２６との間の温度勾配、さらには熱シールド５と第１熱ステージ２４との間の温度勾配が極めて少なくなり、大きな冷凍能力の冷凍機を用いる必要がなくなるとともに、消費電力の点でも非常に有利となる。
また、取付シリンダ３０の底部に液体ヘリウム６１が溜められているので、２段式蓄冷型冷凍機２１Ａが停止しても、液体ヘリウム６１が蒸発しきるまでは超電導コイル２Ａを略４Ｋに維持でき、長時間超電導状態を保つことができるようになる。
また、取付シリンダ３０と２段式蓄冷型冷凍機２１Ａとの間が大気圧のヘリウムガス６０で満たされているので、２段式蓄冷型冷凍機２１Ａを交換する際に力を受けず、従来の装置のように超電導コイルカートリッジ３や熱シリンダ５の温度を常温まで上げる必要がなく、交換時間を短縮できるとともに、交換作業性を向上させることができる。
【００３１】
なお、圧力計４８のレンジは真空から２×１０５Ｐａ（２ｂａｒ）程度が望ましい。このような範囲の真空計を用いることで、気体温度計を構成することが可能となり、安価に第２熱ステージ２６の温度を測定することが可能となる。
また、停電等の事故の際には、液体ヘリウム６１が蒸発し、取付シリンダ３０内の圧力が大きく上昇する可能性があるが、安全弁４７を用いているので、内部圧力が過度に上昇すれば、安全弁４７が作動して内部圧力が所定値を越えないように制御され、安全性が確保される。
【００３２】
実施の形態２．
図２はこの発明の実施の形態２に係る超電導磁石装置の要部を示す断面図である。
この実施の形態２では、図２に示されるように、液体ヘリウム貯液容器７０が取付シリンダ３０の第２取付熱接続部３５に設けられ、液体ヘリウム導入路７１が液体ヘリウム貯液容器７０と冷凍機取付シリンダ３０の内部とを連通するように第２取付熱接続部３５に穿設されている。ここで、液体ヘリウム貯液容器７０は、第２取付熱接続部３５と同様に熱伝導率の大きな銅やアルミニウムで作製されている。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。
【００３３】
このように構成された超電導磁石装置では、２段式蓄冷型冷凍機２１Ａが運転され、初期冷却が進むと、取付シリンダ３０内に導入されたヘリウムガス６０が冷却されて減圧弁４５の設定値以下の圧力となると、新たなヘリウムガス６０が上記経路を通って導入され、取付シリンダ３０内の圧力がほぼ大気圧に制御される。そして、最終的に第２熱ステージ２６の温度が略４Ｋになると、取付シリンダ３０内のヘリウムガス６０の一部が液化し、液体ヘリウム６１となって取付シリンダ３０の第２シリンダ２５の底部から液体ヘリウム導入路７１を通って液体ヘリウム貯液容器７０内に溜まる。
従って、この実施の形態２においても、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。
【００３４】
この実施の形態２においても、２段式蓄冷型冷凍機２１Ａが停止しても、液体ヘリウム６１が蒸発する間４．２Ｋを保つことができる。
例えば、高い信頼性が要求される医療用ＭＲＩ装置に用いられる超電導磁石装置の４Ｋへの熱侵入量は０．５Ｗ程度となる。液体ヘリウムの蒸発潜熱から計算すると、１Ｗの入熱の際のヘリウム蒸発量は１．４ｌ／ｈである。そこで、例えば２０ｌの液体ヘリウム貯液容器７０を用いると、
２０／（０．５×１．４）＝２９時間
の間、超電導状態を保つことが可能となる。これに対し、超電導コイルカートリッジ３の熱容量だけで温度上昇を計算すると３０分以内に超電導状態が破れる可能性があり、液体ヘリウムの効果が大きいことがわかる。
従って、この実施の形態２による超電導磁石装置は、永久電流モードで用い、高い信頼性が要求される医療用超電導磁石装置にも十分適用できるものである。この場合、永久電流スイッチ（図示せず）は超電導コイル２Ａと直列に設置することになる。
【００３５】
実施の形態３．
この実施の形態３では、図３に示されるように、液体ヘリウム貯液容器７０の一部に熱接続部７２が設けられ、液体ヘリウム貯液容器７０が熱接続部７２を介して超電導コイルカートリッジ３の支持体１に熱接続するようにしている。
なお、他の構成は上記実施の形態２と同様に構成されている。
【００３６】
この実施の形態３では、ほぼ４Ｋに保持されている液体ヘリウム貯液容器７０が熱接続部７２を介して超電導コイルカートリッジ３に強固に熱接続している。そこで、超電導コイルカートリッジ３の熱伝導のみで冷却する場合には超電導コイルカートリッジ３に温度勾配が生じやすいが、ほぼ４Ｋに保持されている液体ヘリウム貯液容器７０を熱接続することにより、温度勾配を低減することができる。
【００３７】
実施の形態４．
この実施の形態４では、図４に示されるように、２個の超電導コイルカートリッジ３が上下に離れて配置され、２個の液体ヘリウム貯液容器７０が超電導コイルカートリッジ３のそれぞれに熱接続するように配置され、２個の液体ヘリウム貯液容器７０がヘリウム連通管７３により連結されている。
なお、他の構成は上記実施の形態３と同様に構成されている。
【００３８】
離れて配置された２個の超電導コイルカートリッジ３の熱伝導のみで冷却する場合には、温度勾配が大きくなり、超電導コイルカートリッジ３の温度が上昇してしまう。
この実施の形態４では、２個の液体ヘリウム貯液容器７０はヘリウム連通管７３で連結されているので、液体ヘリウム６１を各液体ヘリウム貯液容器７０に自由に導入でき、各液体ヘリウム貯液容器７０をほぼ４Ｋに保持できる。そこで、２個の超電導コイルカートリッジ３が離れていても、各超電導コイルカートリッジ３はそれぞれほぼ４Ｋに保持されている液体ヘリウム貯液容器７０に熱接続部７２を介して熱接続されているので、温度上昇が抑えられ、低い温度に保持される。
【００３９】
実施の形態５．
この実施の形態５では、図５に示されるように、容器４９がヘリウム導入管４０の経路中に設けられ、締切弁４１が容器４９と第１継ぎ手４２との間に設けられている。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。
【００４０】
上記実施の形態１による超電導磁石装置では、運転を中止した際に、液体ヘリウム６１は蒸発し体積を増やし、取付シリンダ３０内のヘリウムガス６０は温度上昇に伴って膨張するので、圧力が上昇する。そして、取付シリンダ３０内の圧力が過度に上昇すれば、安全弁４７が作動し、ヘリウムガス６０を外部に放出することになる。
しかしながら、この実施の形態５では、取付シリンダ３０内で温度上昇に伴って膨張したヘリウムガス６０はヘリウム導入管４０を通って常温部に設けられた容器４９内に押し出され、取付シリンダ３０内の圧力上昇が抑えられる。従って、超電導コイルカートリッジ３が常温に戻っても、安全弁４７が作動せず、取付シリンダ３０内のヘリウム量が維持され、ヘリウム容器４６からヘリウムガス６０を補充する必要がなく、コスト的に有利となる。
このように、上記実施の形態５によれば、運転と停止とを繰り返すことが多い実験用超電導磁石装置に十分適用できる超電導磁石装置が得られる。
なお、容器４９の容積が大きいほど圧力上昇は小さくなるが、容器４９は安全弁４７が作動しない適当な大きさにすることが望ましい。
【００４１】
実施の形態６．
この実施の形態６では、図６に示されるように、２段式蓄冷型冷凍機２１Ａが第１シリンダ２３の外径と第１熱ステージ２４の外径とを略等しく、さらに第２シリンダ２５の外径と第２熱ステージ２６との外径とを略等しく構成され、冷凍機取付シリンダ３０が第１取付シリンダ３２の内径を第１熱ステージ２４の外径と略等しく、第２取付シリンダ３４の内径を第２熱ステージ２６の外径と略等しく構成されている。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。
【００４２】
上記実施の形態１による超電導磁石装置では、運転を中止した際に、液体ヘリウム６１は蒸発し体積を増やし、取付シリンダ３０内のヘリウムガス６０は温度上昇に伴って膨張するので、圧力が上昇する。この圧力上昇は液体ヘリウム６１の量が多く、温度の低い部分の容積が大きい程大きくなる。
しかしながら、この実施の形態６では、第１シリンダ２３の外径および第１取付シリンダ３２の内径が第１熱ステージ２４の外径と略等しく、第２シリンダ２５の外径および第２取付シリンダ３４の内径が第２熱ステージ２６の外径と略等しくなっているので、第１シリンダ２３と第１取付シリンダ３２との隙間、さらには第２シリンダ２５と第２取付シリンダ３４との隙間が小さく、２段式蓄冷型冷凍機２１Ａと冷凍機取付シリンダ３０との間の空隙の容積を小さくできる。
そこで、運転を中止した際の取付シリンダ３０内の圧力上昇を抑えることができ、上記実施の形態５と同様の効果が得られる。
【００４３】
実施の形態７．
この実施の形態７では、図７に示されるように、詰め物８０、８１が第１シリンダ２３と第１取付シリンダ３２との隙間および第２シリンダ２５と第２取付シリンダ３４との隙間にそれぞれ挿入されている。この詰め物８０、８１は低熱伝導率材、例えば天然ゴムの発泡体を円筒状に成形したものである。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。
【００４４】
この実施の形態７においても、詰め物８０、８１により２段式蓄冷型冷凍機２１Ａと冷凍機取付シリンダ３０との間の空隙の容積が小さくなり、上記実施の形態６と同様の効果が得られる。
【００４５】
実施の形態８．
この実施の形態８では、図８に示されるように、冷凍機取付シリンダ３０の第１取付シリンダ３２および第２取付シリンダ３４が、繊維強化樹脂、例えばＧＦＲＰで作製されている。そして、第１取付シリンダ３２の両端が取付フランジ３１および第１取付熱接続部３３の外周部に接合され、第２取付シリンダ３４の両端が第１取付熱接続部３３および第２取付熱接続部３５の外周部に接合されている。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。
【００４６】
この実施の形態８では、第１および第２取付シリンダ３２、３４がステンレススチールに比べて熱伝導率の小さいＧＦＲＰで作製されているので、熱侵入量を小さく抑えることができる。
また、ＧＦＲＰは熱収縮率が大きく、ヘリウム導入管４０を介して外部からヘリウムガスを導入して初期冷却を行った際に、第１および第２取付シリンダ３２、３４は熱収縮するが、第１および第２取付シリンダ３２、３４を取付フランジ３１、第１および第２取付熱接続部３３、３５の外周部に接合しているので、冷凍機取付シリンダ３０の気密性は確保され、ヘリウムガスの漏れを防止することができる。
【００４７】
上記実施の形態８では、第１および第２取付シリンダ３２、３４を繊維強化樹脂であるＧＦＲＰで作製するものとしているが、ＧＦＲＰに代えてＣＦＲＰ（C-arbon Fiber Resinforced Plastic）で作製してもよい。
この場合、ＣＦＲＰはＧＦＲＰと同様に熱伝導率の小さい材料であるが、温度の高い領域では比較的に熱を伝える特性を有しているので、初期冷却を行う際に、冷凍能力の大きな第１熱ステージ２４の冷凍能力の一部を使用することが可能となり、初期冷却時間を提言することができる。
【００４８】
なお、上記各実施の形態では、２段式蓄冷型冷凍機を用いるものとしているが、蓄冷型冷凍機は２段式に限定されるものではなく、熱シールドの設置数に合わせて選択すればよく、例えば熱シールドが超電導コイルカートリッジを囲繞するように２重に配設されていれば、３段式蓄冷型冷凍機を用いることになる。
また、この発明は、上記各実施の形態の特徴部分を組み合わせた超電導磁石装置にも適用されるものである。
【００４９】
【発明の効果】
この発明は、以上のように構成されているので、以下に記載されるような効果を奏する。
【００５０】
この発明によれば、真空容器と、この真空容器内に配設された超電導コイルを有する超電導コイルカートリッジと、この超電導コイルカートリッジを囲繞するように上記真空容器内に配設された熱シールドと、複数の取付シリンダが各段の取付熱接続部を介して連結されて構成され、各段の取付熱接続部がそれぞれ上記熱シールドおよび上記超電導コイルカートリッジに熱的に接続されて上記真空容器に気密に取り付けられた冷凍機取付シリンダと、各段の熱ステージがそれぞれ上記冷凍機取付シリンダの各段の取付熱接続部に熱的に接続されて該冷凍機取付シリンダに取り付けられ、超電導コイルカートリッジを介して超電導コイルを略４Ｋまで伝導冷却する略４Ｋ冷却用の多段式蓄冷型冷凍機とを備えた超電導磁石装置において、上記冷凍機取付シリンダと上記多段式蓄冷型冷凍機との間の空間に、常温部からのヘリウムガスを供給可能にするヘリウムガス導入管を上記冷凍機取付シリンダに設け、かつ、上記ヘリウム導入管に締切弁を設け、常温で供給された上記ヘリウムガスを上記多段式蓄冷型冷凍機の最終段熱ステージと上記冷凍機取付シリンダとの間の空間において少なくともその一部を液化することにより、上記多段式蓄冷型冷凍機の最終段熱ステージと上記冷凍機取付シリンダとの熱接続部の熱抵抗を低減させるとともに、上記締切弁を閉じて、上記冷凍機取付シリンダ内に略大気圧のヘリウムガスを封入可能に構成したので、多段式蓄冷型冷凍機の交換性を容易にし、超電導コイルと多段式蓄冷型冷凍機の最終段熱ステージとの間の熱抵抗を低減できるとともに、多段式蓄冷型冷凍機が停止した際にも、超電導コイルの温度上昇を抑え、超電導状態を長時間維持できる超電導磁石装置を得ることができる。
【００５２】
また、液体ヘリウム貯液容器が上記冷凍機取付シリンダの最終段の取付熱接続部の外周部に配設され、液体ヘリウム導入路が上記冷凍機取付シリンダと上記液体ヘリウム貯液容器とを連通するように上記最終段の取付熱接続部に穿設されているので、多段式蓄冷型冷凍機が停止した際にも、超電導状態をより長時間維持できるようになる。
【００５３】
また、上記液体ヘリウム貯液容器の一部に熱接続部が設けられ、上記超電導コイルカートリッジが熱接続部を介して上記液体ヘリウム貯液容器に熱接続されているので、超電導コイルカートリッジの温度勾配を低減することができる。
【００５４】
また、複数個の超電導コイルカートリッジが分散配置され、上記複数個の超電導コイルカートリッジが上記熱接続部を介して上記液体ヘリウム貯液容器にそれぞれ熱接続されているので、分散配置された超電導コイルカートリッジの温度をそれぞれ低く抑えることができる。
【００５５】
また、上記冷凍機取付シリンダ内のヘリウムガスの膨張に伴う圧力上昇を緩和する容器が上記ヘリウムガス導入管の常温部に設けられているので、多段式蓄冷型冷凍機が停止した際の冷凍機取付シリンダ内の圧力上昇を抑えることができる。
【００５６】
また、上記多段式蓄冷型冷凍機のシリンダの外径と上記冷凍機取付シリンダの取付シリンダの内径とが上記熱ステージの外径と略一致するように構成されているので、多段式蓄冷型冷凍機が停止した際の冷凍機取付シリンダ内の圧力上昇を抑えることができる。
【００５７】
また、低熱伝導率材からなる詰め物が上記冷凍機取付シリンダの取付シリンダと上記多段式蓄冷型冷凍機のシリンダとの隙間に挿入されているので、多段式蓄冷型冷凍機が停止した際の冷凍機取付シリンダ内の圧力上昇を抑えることができる。
【００５８】
また、上記冷凍機取付シリンダの取付シリンダが繊維強化樹脂で作製されているので、熱侵入量を抑えることができる。
【００５９】
また、上記繊維強化樹脂はカーボン繊維強化樹脂であるので、初期冷却時間の短縮が図られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１に係る超電導磁石装置を示す断面図である。
【図２】 この発明の実施の形態２に係る超電導磁石装置の要部を示す断面図である。
【図３】 この発明の実施の形態３に係る超電導磁石装置の要部を示す断面図である。
【図４】 この発明の実施の形態４に係る超電導磁石装置の要部を示す断面図である。
【図５】 この発明の実施の形態５に係る超電導磁石装置を示す断面図である。
【図６】 この発明の実施の形態６に係る超電導磁石装置の要部を示す断面図である。
【図７】 この発明の実施の形態７に係る超電導磁石装置の要部を示す断面図である。
【図８】 この発明の実施の形態８に係る超電導磁石装置に適用される冷凍機取付シリンダを示す断面図である。
【図９】 従来の超電導磁石装置を示す断面図である。
【図１０】 従来の超電導磁石装置の他の例の要部を示す断面図である。
【図１１】 ２段式蓄冷型冷凍機の冷凍特性を示す図である。
【符号の説明】
２Ａ 超電導コイル、３ 超電導コイルカートリッジ、５ 熱シールド、７ 真空容器、２１Ａ ２段式蓄冷型冷凍機、２３ 第１シリンダ、２４ 第１熱ステージ、２５ 第２シリンダ、２６ 第２熱ステージ、３０ 冷凍機取付シリンダ、３２ 第１取付シリンダ、３３ 第１取付熱接続部、３４ 第２取付シリンダ、３５ 第２取付熱接続部、４０ ヘリウム導入管、４１ 締切弁、４９ 容器、６０ ヘリウムガス、６１ 液体ヘリウム、７０ 液体ヘリウム貯液容器、７１ 液体ヘリウム導入路、７２ 熱接続部、８０、８１ 詰め物。
【発明の属する技術分野】
この発明は、超電導コイルを多段式蓄冷型冷凍機で冷却する超電導磁石装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超電導磁石装置は、強い磁場を発生させるための装置で、超電導コイルを極低温に冷却し、電気抵抗がゼロで電流が流れる超電導状態として使用している。このため、ジュール発熱がなく、常電導磁石装置に比べて、強い磁場を少ない電力で発生させることが可能となる。
この種の超電導磁石装置においては、超電導コイルを冷却するために、従来液体ヘリウムが使用されていた。しかしながら、液体ヘリウムは、蒸発潜熱が非常に小さいので、取り扱いが難しく、また高価であった。そこで、冷凍機で直接超電導コイルを冷却する方式が提案されている。
【０００３】
図９は例えば特開平５−５９５６８号公報に記載された従来超電導磁石装置を示す断面図である。
図において、超電導コイルカートリッジ３は、Ｎｂ3Ｓｎ製の超電導コイル２がアルミ等の金属で作製された支持体１に取り付けられて構成されている。この超電導コイルカートリッジ３は、真空容器７内に配設された熱シールド５内に収容されている。この真空容器７は、内部を高真空に保持されて、超電導コイルカートリッジ３や熱シールド５への熱侵入を低減している。そして、超電導コイルカートリッジ３は熱シールド５に第２断熱サポート４により断熱支持され、熱シールド５は第１断熱サポート６により真空容器７に断熱支持されている。
ここで、第２および第１断熱サポート４、６は熱伝導率が小さく、かつ、強度の大きな材料、例えばＧＦＲＰ（Glass Fiber Resinforced Plastic）で作製されている。また、熱シールド５は熱伝導率が大きなアルミニウムや銅、あるいはそれらの合金で作製されている。
【０００４】
２段式蓄冷型冷凍機２１は、駆動部２２、第１シリンダ２３、第１熱ステージ２４、第２シリンダ２５、第２熱ステージ２６、ガス配管２７および圧縮機２８から構成され、その第１および第２熱ステージ２４、２６により熱シールド５および超電導コイルカートリッジ３をそれぞれ５０Ｋ程度および８Ｋ程度に冷却するものである。また、冷凍機取付シリンダ３０は、２段式蓄冷型冷凍機２１を着脱可能にし、その保守や交換を容易にするためのもので、取付フランジ３１、第１取付シリンダ３２、第１取付熱接続部３３、第２取付シリンダ３４および第２取付熱接続部３５から構成されている。この取付シリンダ３０は、その取付フランジ３１を真空容器７に気密に取り付けられ、外部から真空容器７および熱シールド５を貫通して挿入されている。そして、第１取付熱接続部３３が熱シールド５に熱接続され、第２取付熱接続部３５が超電導コイルカートリッジ３に熱接続されている。さらに、２段式蓄冷型冷凍機２１が、第１熱ステージ２４を第１取付熱接続部３３に熱接続され、第２熱ステージ２６を第２取付熱接続部３５に熱接続されるように、取付シリンダ３０内に挿入されている。
【０００５】
つぎに、従来の超電導磁石装置の動作について説明する。
２段式蓄冷型冷凍機２１を運転すると、超電導コイルカートリッジ３の熱エネルギーは第２取付熱接続部３５を介して第２熱ステージ２６で吸収される。そこで、超電導コイルカートリッジ３は、２段式蓄冷型冷凍機２１の第２熱ステージ２６が吸収できる熱エネルギーの量、即ち冷凍能力と外部から伝導や輻射で侵入する熱エネルギーとがつり合う温度になる。この時、熱エネルギーを吸収するためには、熱抵抗に応じた温度勾配が必要であるので、超電導コイルカートリッジ３−第２取付熱接続部３５−第２熱ステージ２６の間の熱抵抗を小さくする必要がある。特に、第２取付熱接続部３５−第２熱ステージ２６は着脱可能に構成されているので、他の部分に比べて熱抵抗が大きくなる可能性があり、注意が必要である。超電導コイル２の運転温度は、超電導コイル２が安定して強い磁場を発生できるように、発生する磁場強度、超電導線の材質を考慮して設計される。この従来例では、超電導線にＳｎ3Ｎｂを選んでいるので、超電導コイルの運転温度は１２Ｋ程度であり、冷凍能力特性から１Ｋ程度の温度勾配は許される。
【０００６】
また、同様に、熱シールド５の熱エネルギーは、第１取付熱接続部３３を通じて第１熱ステージ２４で吸収される。そこで、熱シールド５は、２段式蓄冷型冷凍機２１の第１熱ステージ２４が吸収できる熱エネルギーの量、即ち冷凍能力と外部から伝導や輻射で侵入する熱エネルギーとがつり合う温度になる。この温度は、通常５０Ｋ程度になるように設計されている。
また、上述の特開平５−５９５６８号公報には明記されていないが、その構造から２段式蓄冷型冷凍機２１を取り付けて運転すると、取付シリンダ３０と２段式蓄冷型冷凍機２１との間の空気が冷却されて、ほぼ真空状態になると考えられるので、熱エネルギーの移動は熱伝導が主となる。そして、２段式蓄冷型冷凍機２１を交換する際には、真空状態だと力を受けるので、超電導コイルカートリッジ３と熱シールド５の温度を常温まで上げる必要がある。
【０００７】
従来の超電導磁石装置は、この状態で外部電源（図示せず）から電流を供給するパワーリード（図示せず）を用いて超電導コイル２に電流を流し、強い磁場を発生させる。この種の超電導磁石装置が用いられる代表的な例は医療用のＭＲＩ装置である。このような装置では、同じ強さの磁場を安定して発生させる必要があるので、超電導スイッチを用いて、永久電流状態で運転されている。そして、このような装置では、装置の安全性が人命に影響する場合も考えられるので、高い信頼性が要求される。
【０００８】
上記従来の超電導磁石装置では、超電導コイル２としてＮｂ3Ｓｎで作製された超電導線が用いられている。これは、蓄冷材に鉛を用いた２段式蓄冷型冷凍機２１の到達温度が８Ｋ程度であり、ＮｂＴｉの超電導線を用いた超電導コイルの冷却温度である４Ｋまで冷却できなかったからである。しかし、Ｎｂ3Ｓｎの超電導線は化合物であり、もろいため製作が難しく、また高価であるという課題があった。
【０００９】
近年、磁性蓄冷材を用いて４Ｋでの冷凍発生を可能にした２段式蓄冷型冷凍機が開発され、Ｎｂ3Ｓｎに比べて作製しやすく安価なＮｂＴｉの超電導線を用いた超電導コイルを直接冷却する方式が提案されている。
図１０は従来の超電導磁石装置の要部を示す断面図である。
この図１０に示された従来の超電導磁石装置では、伝熱板５０がＮｂＴｉの超電導線を用いた超電導コイル２Ａの周りに巻かれ、熱伝導部材５１が２段式蓄冷型冷凍機２１Ａの第２熱ステージ２６と伝熱板５０との間に設置され、磁性蓄冷材を用いた２段式蓄冷型冷凍機２１Ａにより超電導コイル２Ａを直接冷却するように構成されている。
また、４Ｋで冷凍を発生するのには多くの電力が必要となる。２段式蓄冷型冷凍機２１Ａの冷凍能力特性の一例を図１１に示す。図１１から、４Ｋ付近では冷凍能力が大きく変化していることが理解される。熱抵抗が大きく、温度差が１Ｋの場合は、超電導コイル２Ａの温度を４．２Ｋにするためには、第２熱ステージ２６の温度を３．２Ｋにする必要がある。図１１から、冷凍能力は４．２Ｋでは０．５Ｗであるが、３．２Ｋでは０．１Ｗに激減していることが理解される。この結果、温度差が１Ｋつくと、５倍大きな冷凍機が必要となり、消費電力等の点から非常に不利となる。そこで、２段式蓄冷型冷凍機２１Ａを用いた超電導磁石装置においては、２段式蓄冷型冷凍機２１を用いた超電導磁石装置に比べて、熱抵抗を極めて少なくし、超電導コイル２Ａと第２熱ステージ２６との温度勾配を少なくすることが肝要となる。
【００１０】
そこで、従来、２段式蓄冷型冷凍機２１Ａの第２熱ステージ２６を超電導コイルカートリッジ３に直接取り付ける方式が提案されている。しかし、この方式では、２段式蓄冷型冷凍機２１Ａを直接真空容器７に取り付けることになり、冷凍機の交換が困難となってしまう。また、超電導コイルカートリッジ３を構成する銅やアルミニウム、ＮｂＴｉ線材の比熱は４Ｋでは非常に小さくなる。このため、支持体１や超電導コイル２Ａの４Ｋでの熱容量は小さく、２段式蓄冷型冷凍機２１Ａが停止すると、超電導コイル２Ａの温度が容易に上昇してしまう。そこで、２段式蓄冷型冷凍機２１Ａは冷凍能力を安定して発生させるよう高い信頼性が要求される。
また、この種の超電導磁石装置が小物の物性測定装置等に使用される場合には、磁場を大きく変化させる必要があり、電源を接続した状態で使用される。このような場合には、頻繁に運転と停止を繰り返すので、ＭＲＩ装置等に比べて信頼性に対する要求は小さいが、使いやすさと安全性が要求される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
図９に示される従来の超電導磁石装置では、２段式蓄冷型冷凍機２１が、その第１および第２熱ステージ２４、２６を熱シールド５および超電導コイルカートリッジ３に熱接続されている第１および第２熱接続部３３、３５に熱接続するように取付シリンダ３０内に挿入し、取り付けられているので、熱接続部での熱抵抗が大きくなり、大きな冷凍能力の２段式蓄冷型冷凍機２１が必要となるとともに、消費電力の点から不利になるという課題があった。また、その運転状態において、取付シリンダ３０と２段式蓄冷型冷凍機２１との間が真空状態となっており、２段式蓄冷型冷凍機２１を交換する際に、超電導コイルカートリッジ３と熱シールド５の温度を常温まで上げる必要があり、２段式蓄冷型冷凍機２１の交換に時間を要するという課題もあった。
【００１２】
また、図１０に示される従来の超電導磁石装置では、２段式蓄冷型冷凍機２１Ａの第２熱ステージ２６が熱伝導部材５１および伝熱板５０を介して超電導コイル２Ａに熱接続されているので、熱接続部での熱抵抗が大きくなり、大きな冷凍能力の２段式蓄冷型冷凍機２１Ａが必要となるとともに、消費電力の点から不利になるという課題があった。また、２段式蓄冷型冷凍機２１Ａが真空容器７に直接取り付けられているので、２段式蓄冷型冷凍機２１Ａの交換に際しては、真空容器７内の真空状態を破らないように、シリンダ等の外筒部を残して内部構成部品を引き抜いての交換となり、２段式蓄冷型冷凍機２１Ａの交換が困難となるという課題もあった。さらに、超電導コイルカートリッジ３の４Ｋでの熱容量が小さいので、２段式蓄冷型冷凍機２１Ａが停止した際に超電導コイル２Ａの温度が短時間に上昇し、超電導状態が容易に破られてしまうという課題もあった。
【００１３】
また、図１０に示される従来の超電導磁石装置の改良装置では、２段式蓄冷型冷凍機２１Ａの第２熱ステージ２６が超電導コイルカートリッジ３に直接熱接続されているので、超電導コイルカートリッジ３の４Ｋでの熱容量が小さく、２段式蓄冷型冷凍機２１Ａが停止した際に超電導コイル２Ａの温度が短時間に上昇し、超電導状態が容易に破られてしまうという課題があった。また、２段式蓄冷型冷凍機２１Ａが真空容器７に直接取り付けられているので、２段式蓄冷型冷凍機２１Ａの交換に際しては、真空容器７内の真空状態を破らないように、シリンダ等の外筒部を残して内部構成部品を引き抜いての交換となり、２段式蓄冷型冷凍機２１Ａの交換が困難となるという課題もあった。
【００１４】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、多段式蓄冷型冷凍機の交換性を容易にし、超電導コイルと多段式蓄冷型冷凍機の最終段熱ステージとの間の熱抵抗を低減できる超電導磁石装置を得ることを目的とする。
また、多段式蓄冷型冷凍機が停止した際にも、超電導コイルの温度上昇を抑え、超電導状態を長時間維持できる超電導磁石装置を得ることを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る超電導磁石装置は、真空容器と、この真空容器内に配設された超電導コイルを有する超電導コイルカートリッジと、この超電導コイルカートリッジを囲繞するように上記真空容器内に配設された熱シールドと、複数の取付シリンダが各段の取付熱接続部を介して連結されて構成され、各段の取付熱接続部がそれぞれ上記熱シールドおよび上記超電導コイルカートリッジに熱的に接続されて上記真空容器に気密に取り付けられた冷凍機取付シリンダと、各段の熱ステージがそれぞれ上記冷凍機取付シリンダの各段の取付熱接続部に熱的に接続されて該冷凍機取付シリンダに取り付けられ、超電導コイルカートリッジを介して超電導コイルを略４Ｋまで伝導冷却する略４Ｋ冷却用の多段式蓄冷型冷凍機とを備えている。そして、上記冷凍機取付シリンダと上記多段式蓄冷型冷凍機との間の空間に、常温部からのヘリウムガスを供給可能にするヘリウムガス導入管を上記冷凍機取付シリンダに設け、かつ、上記ヘリウム導入管に締切弁を設けている。さらに、常温で供給された上記ヘリウムガスを上記多段式蓄冷型冷凍機の最終段熱ステージと上記冷凍機取付シリンダとの間の空間において少なくともその一部を液化することにより、上記多段式蓄冷型冷凍機の最終段熱ステージと上記冷凍機取付シリンダとの熱接続部の熱抵抗を低減させるとともに、上記締切弁を閉じて、上記冷凍機取付シリンダ内に略大気圧のヘリウムガスを封入可能に構成したものである。
【００１７】
また、液体ヘリウム貯液容器が上記冷凍機取付シリンダの最終段の取付熱接続部の外周部に配設され、液体ヘリウム導入路が上記冷凍機取付シリンダと上記液体ヘリウム貯液容器とを連通するように上記最終段の取付熱接続部に穿設されているものである。
【００１８】
また、上記液体ヘリウム貯液容器の一部に熱接続部が設けられ、上記超電導コイルカートリッジが上記熱接続部を介して上記液体ヘリウム貯液容器に熱接続されているものである。
【００１９】
また、複数個の超電導コイルカートリッジが分散配置され、上記複数個の超電導コイルカートリッジが上記熱接続部を介して上記液体ヘリウム貯液容器にそれぞれ熱接続されているものである。
【００２０】
また、上記冷凍機取付シリンダ内のヘリウムガスの膨張に伴う圧力上昇を緩和する容器が上記ヘリウムガス導入管の常温部に設けられているものである。
【００２１】
また、上記多段式蓄冷型冷凍機のシリンダの外径と上記冷凍機取付シリンダの取付シリンダの内径とが上記熱ステージの外径と略一致するように構成されているものである。
【００２２】
また、低熱伝導率材からなる詰め物が上記冷凍機取付シリンダの取付シリンダと上記多段式蓄冷型冷凍機のシリンダとの隙間に挿入されているものである。
【００２３】
また、上記冷凍機取付シリンダの取付シリンダが繊維強化樹脂で作製されているものである。
【００２４】
また、上記繊維強化樹脂はカーボン繊維強化樹脂であるものである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図について説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る超電導磁石装置を示す断面図である。
図において、超電導コイルカートリッジ３は、ＮｂＴｉ製の超電導コイル２Ａがアルミ等の金属で作製された支持体１に取り付けられて構成されている。この超電導コイルカートリッジ３は、真空容器７内に配設された熱シールド５内に収容されている。この真空容器７は、内部を高真空に保持されて、超電導コイルカートリッジ３や熱シールド５への熱侵入を低減している。そして、超電導コイルカートリッジ３は熱シールド５に第２断熱サポート４により断熱支持され、熱シールド５は第１断熱サポート６により真空容器７に断熱支持されている。
ここで、第２および第１断熱サポート４、６は熱伝導率が小さく、かつ、強度の大きな材料、例えばＧＦＲＰ（Glass Fiber Resinforced Plastic）で作製されている。また、熱シールド５は熱伝導率が大きなアルミニウムや銅、あるいはそれらの合金で作製されている。
【００２６】
２段式蓄冷型冷凍機２１Ａは、駆動部２２、第１シリンダ２３、第１熱ステージ２４、第２シリンダ２５、第２熱ステージ２６、さらに図示していないがガス配管および圧縮機から構成され、第２シリンダ２５内の蓄冷材としてＧｄＲｈ，Ｇｄ0.5Ｅｒ0.5Ｒｈ等の磁性蓄冷材を用い、その第１および第２熱ステージ２４、２６により熱シールド５および超電導コイルカートリッジ３をそれぞれ５０Ｋ程度および４Ｋ程度に冷却するものである。また、冷凍機取付シリンダ３０は、２段式蓄冷型冷凍機２１Ａを着脱可能にし、その保守や交換を容易にするためのもので、取付フランジ３１、第１取付シリンダ３２、第１取付熱接続部３３、第２取付シリンダ３４および第２取付熱接続部３５から構成されている。この取付シリンダ３０は、その取付フランジ３１を真空容器７に気密に取り付けられ、外部から真空容器７および熱シールド５を貫通して挿入されている。そして、第１取付熱接続部３３が熱シールド５に熱接続され、第２取付熱接続部３５が超電導コイルカートリッジ３に熱接続されている。さらに、２段式蓄冷型冷凍機２１Ａが、第１熱ステージ２４を第１取付熱接続部３３に熱接続され、第２熱ステージ２６を第２取付熱接続部３５に熱接続されるように、取付シルンダ３０に挿入され気密に取り付けられている。
ここで、各シリンダには例えばステンレススチールが用いられ、各熱ステージおよび各取付熱接続部には例えば銅やアルミニウムが用いられる。
【００２７】
また、ヘリウム導入管４０がその一端を取付シリンダ３０の内部に臨むように取付フランジ３１に取り付けられている。そして、第１の継ぎ手４２がこのヘリウム導入管４０の他端に取り付けられている。さらに、締切弁４１、安全弁４７および圧力計４８がヘリウム導入管４０に取り付けられている。
また、配管４４がヘリウム容器４６に接続され、第２の継ぎ手４３が配管４４の他端に取り付けられている。そして、減圧弁４５が配管４４に取り付けられている。
【００２８】
このように構成された超電導磁石装置を運転する際には、まず第１の継ぎ手４２と第２の継ぎ手４３とを接続してヘリウム導入管４０と配管４４とを連結し、締切弁４１を開け、減圧弁４５により大気圧程度に減圧されたヘリウムガス６０をヘリウム容器４６から配管４４、締切弁４１およびヘリウム導入管４０を介して取付シリンダ３０内に導入する。
２段式蓄冷型冷凍機２１Ａが運転され、初期冷却が進むと、取付シリンダ３０内に導入されたヘリウムガス６０が冷却されて減圧弁４５の設定値以下の圧力となると、新たなヘリウムガス６０が上記経路を通って導入され、取付シリンダ３０内の圧力がほぼ大気圧に制御される。そして、最終的に第２熱ステージ２６の温度が略４Ｋになると、取付シリンダ３０内のヘリウムガス６０の一部が液化し、液体ヘリウム６１となって取付シリンダ３０の第２シリンダ２５の底部に溜まる。所定量の液体ヘリウム６１を発生して初期冷却が完了すると、ヘリウム容器４６が不要となるので、締切弁４１を閉じ、ヘリウム容器４６を第２の継ぎ手４３から分離する。
【００２９】
ここで、第２熱ステージ２６と第２取付熱接続部３５との熱接続は、固体の接触に、液体ヘリウム６１の沸騰と凝縮に伴う良好な熱接続が加わり、同様に、第１熱ステージ２４と第１取付熱接続部３３との熱接続は、固体の接触に、ヘリウムガス６０の対流と伝導に伴う良好な熱接続が加わっている。
そこで、超電導コイルカートリッジ３の熱エネルギーは第２取付熱接続部３５および液体ヘリウム６１を介して第２熱ステージ２６で吸収されて、略４Ｋに冷却される。また、熱シールド５の熱エネルギーは第１取付熱接続部３３およびヘリウムガス６０を介して第１熱ステージ２４で吸収されて、略５０Ｋに冷却される。
この状態で外部電源（図示せず）から電流を供給するパワーリード（図示せず）を用いて超電導コイル２Ａに電流を流し、強い磁場を発生させる。
【００３０】
このように、この実施の形態１によれば、第２熱ステージ２６と第２取付熱接続部３５との熱接続が、固体の接触に加え、液体ヘリウム６１の沸騰と凝縮に伴う良好な熱接続が加わり、両者間の熱接続部の熱抵抗が大幅に低減される。同様に、第１熱ステージ２４と第１取付熱接続部３３との熱接続が、固体の接触に加え、ヘリウムガス６０の対流と伝導に伴う良好な熱接続が加わり、両者間の熱接続部の熱抵抗が大幅に低減される。そこで、超電導コイル２Ａと第２熱ステージ２６との間の温度勾配、さらには熱シールド５と第１熱ステージ２４との間の温度勾配が極めて少なくなり、大きな冷凍能力の冷凍機を用いる必要がなくなるとともに、消費電力の点でも非常に有利となる。
また、取付シリンダ３０の底部に液体ヘリウム６１が溜められているので、２段式蓄冷型冷凍機２１Ａが停止しても、液体ヘリウム６１が蒸発しきるまでは超電導コイル２Ａを略４Ｋに維持でき、長時間超電導状態を保つことができるようになる。
また、取付シリンダ３０と２段式蓄冷型冷凍機２１Ａとの間が大気圧のヘリウムガス６０で満たされているので、２段式蓄冷型冷凍機２１Ａを交換する際に力を受けず、従来の装置のように超電導コイルカートリッジ３や熱シリンダ５の温度を常温まで上げる必要がなく、交換時間を短縮できるとともに、交換作業性を向上させることができる。
【００３１】
なお、圧力計４８のレンジは真空から２×１０５Ｐａ（２ｂａｒ）程度が望ましい。このような範囲の真空計を用いることで、気体温度計を構成することが可能となり、安価に第２熱ステージ２６の温度を測定することが可能となる。
また、停電等の事故の際には、液体ヘリウム６１が蒸発し、取付シリンダ３０内の圧力が大きく上昇する可能性があるが、安全弁４７を用いているので、内部圧力が過度に上昇すれば、安全弁４７が作動して内部圧力が所定値を越えないように制御され、安全性が確保される。
【００３２】
実施の形態２．
図２はこの発明の実施の形態２に係る超電導磁石装置の要部を示す断面図である。
この実施の形態２では、図２に示されるように、液体ヘリウム貯液容器７０が取付シリンダ３０の第２取付熱接続部３５に設けられ、液体ヘリウム導入路７１が液体ヘリウム貯液容器７０と冷凍機取付シリンダ３０の内部とを連通するように第２取付熱接続部３５に穿設されている。ここで、液体ヘリウム貯液容器７０は、第２取付熱接続部３５と同様に熱伝導率の大きな銅やアルミニウムで作製されている。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。
【００３３】
このように構成された超電導磁石装置では、２段式蓄冷型冷凍機２１Ａが運転され、初期冷却が進むと、取付シリンダ３０内に導入されたヘリウムガス６０が冷却されて減圧弁４５の設定値以下の圧力となると、新たなヘリウムガス６０が上記経路を通って導入され、取付シリンダ３０内の圧力がほぼ大気圧に制御される。そして、最終的に第２熱ステージ２６の温度が略４Ｋになると、取付シリンダ３０内のヘリウムガス６０の一部が液化し、液体ヘリウム６１となって取付シリンダ３０の第２シリンダ２５の底部から液体ヘリウム導入路７１を通って液体ヘリウム貯液容器７０内に溜まる。
従って、この実施の形態２においても、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。
【００３４】
この実施の形態２においても、２段式蓄冷型冷凍機２１Ａが停止しても、液体ヘリウム６１が蒸発する間４．２Ｋを保つことができる。
例えば、高い信頼性が要求される医療用ＭＲＩ装置に用いられる超電導磁石装置の４Ｋへの熱侵入量は０．５Ｗ程度となる。液体ヘリウムの蒸発潜熱から計算すると、１Ｗの入熱の際のヘリウム蒸発量は１．４ｌ／ｈである。そこで、例えば２０ｌの液体ヘリウム貯液容器７０を用いると、
２０／（０．５×１．４）＝２９時間
の間、超電導状態を保つことが可能となる。これに対し、超電導コイルカートリッジ３の熱容量だけで温度上昇を計算すると３０分以内に超電導状態が破れる可能性があり、液体ヘリウムの効果が大きいことがわかる。
従って、この実施の形態２による超電導磁石装置は、永久電流モードで用い、高い信頼性が要求される医療用超電導磁石装置にも十分適用できるものである。この場合、永久電流スイッチ（図示せず）は超電導コイル２Ａと直列に設置することになる。
【００３５】
実施の形態３．
この実施の形態３では、図３に示されるように、液体ヘリウム貯液容器７０の一部に熱接続部７２が設けられ、液体ヘリウム貯液容器７０が熱接続部７２を介して超電導コイルカートリッジ３の支持体１に熱接続するようにしている。
なお、他の構成は上記実施の形態２と同様に構成されている。
【００３６】
この実施の形態３では、ほぼ４Ｋに保持されている液体ヘリウム貯液容器７０が熱接続部７２を介して超電導コイルカートリッジ３に強固に熱接続している。そこで、超電導コイルカートリッジ３の熱伝導のみで冷却する場合には超電導コイルカートリッジ３に温度勾配が生じやすいが、ほぼ４Ｋに保持されている液体ヘリウム貯液容器７０を熱接続することにより、温度勾配を低減することができる。
【００３７】
実施の形態４．
この実施の形態４では、図４に示されるように、２個の超電導コイルカートリッジ３が上下に離れて配置され、２個の液体ヘリウム貯液容器７０が超電導コイルカートリッジ３のそれぞれに熱接続するように配置され、２個の液体ヘリウム貯液容器７０がヘリウム連通管７３により連結されている。
なお、他の構成は上記実施の形態３と同様に構成されている。
【００３８】
離れて配置された２個の超電導コイルカートリッジ３の熱伝導のみで冷却する場合には、温度勾配が大きくなり、超電導コイルカートリッジ３の温度が上昇してしまう。
この実施の形態４では、２個の液体ヘリウム貯液容器７０はヘリウム連通管７３で連結されているので、液体ヘリウム６１を各液体ヘリウム貯液容器７０に自由に導入でき、各液体ヘリウム貯液容器７０をほぼ４Ｋに保持できる。そこで、２個の超電導コイルカートリッジ３が離れていても、各超電導コイルカートリッジ３はそれぞれほぼ４Ｋに保持されている液体ヘリウム貯液容器７０に熱接続部７２を介して熱接続されているので、温度上昇が抑えられ、低い温度に保持される。
【００３９】
実施の形態５．
この実施の形態５では、図５に示されるように、容器４９がヘリウム導入管４０の経路中に設けられ、締切弁４１が容器４９と第１継ぎ手４２との間に設けられている。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。
【００４０】
上記実施の形態１による超電導磁石装置では、運転を中止した際に、液体ヘリウム６１は蒸発し体積を増やし、取付シリンダ３０内のヘリウムガス６０は温度上昇に伴って膨張するので、圧力が上昇する。そして、取付シリンダ３０内の圧力が過度に上昇すれば、安全弁４７が作動し、ヘリウムガス６０を外部に放出することになる。
しかしながら、この実施の形態５では、取付シリンダ３０内で温度上昇に伴って膨張したヘリウムガス６０はヘリウム導入管４０を通って常温部に設けられた容器４９内に押し出され、取付シリンダ３０内の圧力上昇が抑えられる。従って、超電導コイルカートリッジ３が常温に戻っても、安全弁４７が作動せず、取付シリンダ３０内のヘリウム量が維持され、ヘリウム容器４６からヘリウムガス６０を補充する必要がなく、コスト的に有利となる。
このように、上記実施の形態５によれば、運転と停止とを繰り返すことが多い実験用超電導磁石装置に十分適用できる超電導磁石装置が得られる。
なお、容器４９の容積が大きいほど圧力上昇は小さくなるが、容器４９は安全弁４７が作動しない適当な大きさにすることが望ましい。
【００４１】
実施の形態６．
この実施の形態６では、図６に示されるように、２段式蓄冷型冷凍機２１Ａが第１シリンダ２３の外径と第１熱ステージ２４の外径とを略等しく、さらに第２シリンダ２５の外径と第２熱ステージ２６との外径とを略等しく構成され、冷凍機取付シリンダ３０が第１取付シリンダ３２の内径を第１熱ステージ２４の外径と略等しく、第２取付シリンダ３４の内径を第２熱ステージ２６の外径と略等しく構成されている。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。
【００４２】
上記実施の形態１による超電導磁石装置では、運転を中止した際に、液体ヘリウム６１は蒸発し体積を増やし、取付シリンダ３０内のヘリウムガス６０は温度上昇に伴って膨張するので、圧力が上昇する。この圧力上昇は液体ヘリウム６１の量が多く、温度の低い部分の容積が大きい程大きくなる。
しかしながら、この実施の形態６では、第１シリンダ２３の外径および第１取付シリンダ３２の内径が第１熱ステージ２４の外径と略等しく、第２シリンダ２５の外径および第２取付シリンダ３４の内径が第２熱ステージ２６の外径と略等しくなっているので、第１シリンダ２３と第１取付シリンダ３２との隙間、さらには第２シリンダ２５と第２取付シリンダ３４との隙間が小さく、２段式蓄冷型冷凍機２１Ａと冷凍機取付シリンダ３０との間の空隙の容積を小さくできる。
そこで、運転を中止した際の取付シリンダ３０内の圧力上昇を抑えることができ、上記実施の形態５と同様の効果が得られる。
【００４３】
実施の形態７．
この実施の形態７では、図７に示されるように、詰め物８０、８１が第１シリンダ２３と第１取付シリンダ３２との隙間および第２シリンダ２５と第２取付シリンダ３４との隙間にそれぞれ挿入されている。この詰め物８０、８１は低熱伝導率材、例えば天然ゴムの発泡体を円筒状に成形したものである。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。
【００４４】
この実施の形態７においても、詰め物８０、８１により２段式蓄冷型冷凍機２１Ａと冷凍機取付シリンダ３０との間の空隙の容積が小さくなり、上記実施の形態６と同様の効果が得られる。
【００４５】
実施の形態８．
この実施の形態８では、図８に示されるように、冷凍機取付シリンダ３０の第１取付シリンダ３２および第２取付シリンダ３４が、繊維強化樹脂、例えばＧＦＲＰで作製されている。そして、第１取付シリンダ３２の両端が取付フランジ３１および第１取付熱接続部３３の外周部に接合され、第２取付シリンダ３４の両端が第１取付熱接続部３３および第２取付熱接続部３５の外周部に接合されている。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。
【００４６】
この実施の形態８では、第１および第２取付シリンダ３２、３４がステンレススチールに比べて熱伝導率の小さいＧＦＲＰで作製されているので、熱侵入量を小さく抑えることができる。
また、ＧＦＲＰは熱収縮率が大きく、ヘリウム導入管４０を介して外部からヘリウムガスを導入して初期冷却を行った際に、第１および第２取付シリンダ３２、３４は熱収縮するが、第１および第２取付シリンダ３２、３４を取付フランジ３１、第１および第２取付熱接続部３３、３５の外周部に接合しているので、冷凍機取付シリンダ３０の気密性は確保され、ヘリウムガスの漏れを防止することができる。
【００４７】
上記実施の形態８では、第１および第２取付シリンダ３２、３４を繊維強化樹脂であるＧＦＲＰで作製するものとしているが、ＧＦＲＰに代えてＣＦＲＰ（C-arbon Fiber Resinforced Plastic）で作製してもよい。
この場合、ＣＦＲＰはＧＦＲＰと同様に熱伝導率の小さい材料であるが、温度の高い領域では比較的に熱を伝える特性を有しているので、初期冷却を行う際に、冷凍能力の大きな第１熱ステージ２４の冷凍能力の一部を使用することが可能となり、初期冷却時間を提言することができる。
【００４８】
なお、上記各実施の形態では、２段式蓄冷型冷凍機を用いるものとしているが、蓄冷型冷凍機は２段式に限定されるものではなく、熱シールドの設置数に合わせて選択すればよく、例えば熱シールドが超電導コイルカートリッジを囲繞するように２重に配設されていれば、３段式蓄冷型冷凍機を用いることになる。
また、この発明は、上記各実施の形態の特徴部分を組み合わせた超電導磁石装置にも適用されるものである。
【００４９】
【発明の効果】
この発明は、以上のように構成されているので、以下に記載されるような効果を奏する。
【００５０】
この発明によれば、真空容器と、この真空容器内に配設された超電導コイルを有する超電導コイルカートリッジと、この超電導コイルカートリッジを囲繞するように上記真空容器内に配設された熱シールドと、複数の取付シリンダが各段の取付熱接続部を介して連結されて構成され、各段の取付熱接続部がそれぞれ上記熱シールドおよび上記超電導コイルカートリッジに熱的に接続されて上記真空容器に気密に取り付けられた冷凍機取付シリンダと、各段の熱ステージがそれぞれ上記冷凍機取付シリンダの各段の取付熱接続部に熱的に接続されて該冷凍機取付シリンダに取り付けられ、超電導コイルカートリッジを介して超電導コイルを略４Ｋまで伝導冷却する略４Ｋ冷却用の多段式蓄冷型冷凍機とを備えた超電導磁石装置において、上記冷凍機取付シリンダと上記多段式蓄冷型冷凍機との間の空間に、常温部からのヘリウムガスを供給可能にするヘリウムガス導入管を上記冷凍機取付シリンダに設け、かつ、上記ヘリウム導入管に締切弁を設け、常温で供給された上記ヘリウムガスを上記多段式蓄冷型冷凍機の最終段熱ステージと上記冷凍機取付シリンダとの間の空間において少なくともその一部を液化することにより、上記多段式蓄冷型冷凍機の最終段熱ステージと上記冷凍機取付シリンダとの熱接続部の熱抵抗を低減させるとともに、上記締切弁を閉じて、上記冷凍機取付シリンダ内に略大気圧のヘリウムガスを封入可能に構成したので、多段式蓄冷型冷凍機の交換性を容易にし、超電導コイルと多段式蓄冷型冷凍機の最終段熱ステージとの間の熱抵抗を低減できるとともに、多段式蓄冷型冷凍機が停止した際にも、超電導コイルの温度上昇を抑え、超電導状態を長時間維持できる超電導磁石装置を得ることができる。
【００５２】
また、液体ヘリウム貯液容器が上記冷凍機取付シリンダの最終段の取付熱接続部の外周部に配設され、液体ヘリウム導入路が上記冷凍機取付シリンダと上記液体ヘリウム貯液容器とを連通するように上記最終段の取付熱接続部に穿設されているので、多段式蓄冷型冷凍機が停止した際にも、超電導状態をより長時間維持できるようになる。
【００５３】
また、上記液体ヘリウム貯液容器の一部に熱接続部が設けられ、上記超電導コイルカートリッジが熱接続部を介して上記液体ヘリウム貯液容器に熱接続されているので、超電導コイルカートリッジの温度勾配を低減することができる。
【００５４】
また、複数個の超電導コイルカートリッジが分散配置され、上記複数個の超電導コイルカートリッジが上記熱接続部を介して上記液体ヘリウム貯液容器にそれぞれ熱接続されているので、分散配置された超電導コイルカートリッジの温度をそれぞれ低く抑えることができる。
【００５５】
また、上記冷凍機取付シリンダ内のヘリウムガスの膨張に伴う圧力上昇を緩和する容器が上記ヘリウムガス導入管の常温部に設けられているので、多段式蓄冷型冷凍機が停止した際の冷凍機取付シリンダ内の圧力上昇を抑えることができる。
【００５６】
また、上記多段式蓄冷型冷凍機のシリンダの外径と上記冷凍機取付シリンダの取付シリンダの内径とが上記熱ステージの外径と略一致するように構成されているので、多段式蓄冷型冷凍機が停止した際の冷凍機取付シリンダ内の圧力上昇を抑えることができる。
【００５７】
また、低熱伝導率材からなる詰め物が上記冷凍機取付シリンダの取付シリンダと上記多段式蓄冷型冷凍機のシリンダとの隙間に挿入されているので、多段式蓄冷型冷凍機が停止した際の冷凍機取付シリンダ内の圧力上昇を抑えることができる。
【００５８】
また、上記冷凍機取付シリンダの取付シリンダが繊維強化樹脂で作製されているので、熱侵入量を抑えることができる。
【００５９】
また、上記繊維強化樹脂はカーボン繊維強化樹脂であるので、初期冷却時間の短縮が図られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１に係る超電導磁石装置を示す断面図である。
【図２】 この発明の実施の形態２に係る超電導磁石装置の要部を示す断面図である。
【図３】 この発明の実施の形態３に係る超電導磁石装置の要部を示す断面図である。
【図４】 この発明の実施の形態４に係る超電導磁石装置の要部を示す断面図である。
【図５】 この発明の実施の形態５に係る超電導磁石装置を示す断面図である。
【図６】 この発明の実施の形態６に係る超電導磁石装置の要部を示す断面図である。
【図７】 この発明の実施の形態７に係る超電導磁石装置の要部を示す断面図である。
【図８】 この発明の実施の形態８に係る超電導磁石装置に適用される冷凍機取付シリンダを示す断面図である。
【図９】 従来の超電導磁石装置を示す断面図である。
【図１０】 従来の超電導磁石装置の他の例の要部を示す断面図である。
【図１１】 ２段式蓄冷型冷凍機の冷凍特性を示す図である。
【符号の説明】
２Ａ 超電導コイル、３ 超電導コイルカートリッジ、５ 熱シールド、７ 真空容器、２１Ａ ２段式蓄冷型冷凍機、２３ 第１シリンダ、２４ 第１熱ステージ、２５ 第２シリンダ、２６ 第２熱ステージ、３０ 冷凍機取付シリンダ、３２ 第１取付シリンダ、３３ 第１取付熱接続部、３４ 第２取付シリンダ、３５ 第２取付熱接続部、４０ ヘリウム導入管、４１ 締切弁、４９ 容器、６０ ヘリウムガス、６１ 液体ヘリウム、７０ 液体ヘリウム貯液容器、７１ 液体ヘリウム導入路、７２ 熱接続部、８０、８１ 詰め物。
Claims (9)
- 真空容器と、この真空容器内に配設された超電導コイルを有する超電導コイルカートリッジと、この超電導コイルカートリッジを囲繞するように上記真空容器内に配設された熱シールドと、複数の取付シリンダが各段の取付熱接続部を介して連結されて構成され、各段の取付熱接続部がそれぞれ上記熱シールドおよび上記超電導コイルカートリッジに熱的に接続されて上記真空容器に気密に取り付けられた冷凍機取付シリンダと、各段の熱ステージがそれぞれ上記冷凍機取付シリンダの各段の取付熱接続部に熱的に接続されて該冷凍機取付シリンダに取り付けられ、超電導コイルカートリッジを介して超電導コイルを略４Ｋまで伝導冷却する略４Ｋ冷却用の多段式蓄冷型冷凍機とを備えた超電導磁石装置において、
上記冷凍機取付シリンダと上記多段式蓄冷型冷凍機との間の空間に、常温部からのヘリウムガスを供給可能にするヘリウムガス導入管を上記冷凍機取付シリンダに設け、かつ、上記ヘリウム導入管に締切弁を設け、
常温で供給された上記ヘリウムガスを上記多段式蓄冷型冷凍機の最終段熱ステージと上記冷凍機取付シリンダとの間の空間において少なくともその一部を液化することにより、上記多段式蓄冷型冷凍機の最終段熱ステージと上記冷凍機取付シリンダとの熱接続部の熱抵抗を低減させるとともに、上記締切弁を閉じて、上記冷凍機取付シリンダ内に略大気圧のヘリウムガスを封入可能に構成したことを特徴とする超電導磁石装置。 - 液体ヘリウム貯液容器が上記冷凍機取付シリンダの最終段の取付熱接続部の外周部に配設され、液体ヘリウム導入路が上記冷凍機取付シリンダと上記液体ヘリウム貯液容器とを連通するように上記最終段の取付熱接続部に穿設されていることを特徴とする請求項１記載の超電導磁石装置。
- 上記液体ヘリウム貯液容器の一部に熱接続部が設けられ、上記超電導コイルカートリッジが上記熱接続部を介して上記液体ヘリウム貯液容器に熱接続されていることを特徴とする請求項２記載の超電導磁石装置。
- 複数個の超電導コイルカートリッジが分散配置され、上記複数個の超電導コイルカートリッジが上記熱接続部を介して上記液体ヘリウム貯液容器にそれぞれ熱接続されていることを特徴とする請求項３記載の超電導磁石装置。
- 上記冷凍機取付シリンダ内のヘリウムガスの膨張に伴う圧力上昇を緩和する容器が上記ヘリウムガス導入管の常温部に設けられていることを特徴とする請求項１記載の超電導磁石装置。
- 上記多段式蓄冷型冷凍機のシリンダの外径と上記冷凍機取付シリンダの取付シリンダの内径とが上記熱ステージの外径と略一致するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の超電導磁石装置。
- 低熱伝導率材からなる詰め物が上記冷凍機取付シリンダの取付シリンダと上記多段式蓄冷型冷凍機のシリンダとの隙間に挿入されていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の超電導磁石装置。
- 上記冷凍機取付シリンダの取付シリンダが繊維強化樹脂で作製されていることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の超電導磁石装置。
- 上記繊維強化樹脂はカーボン繊維強化樹脂であることを特徴とする請求項８記載の超電導磁石装置。
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