JP5047873B2 - 極低温装置 - Google Patents

Description

本発明は、一段式の冷凍機を用いる極低温装置に関する。

従来、超電導コイルを用いた超電導磁石装置は、超電導コイルを超電導転移温度以下に冷却する手段として、液体ヘリウム等の冷媒に直接被冷却物を浸す方法、あるいはギフォード・マクマホンサイクル冷凍機（以下、ＧＭ冷凍機とする）に代表される極低温用冷凍機を用いて冷却する方法等が多用されている。

上記事例のように極低温に冷却される被冷却物は、室温から遮断された真空容器内の更に熱シールドされた容器内に装置されることが一般的である。そのような装置においてＧＭ冷凍機等の二段式冷凍機を用いる場合、低温側冷却ステージにより被冷却物を４Ｋ程度に冷却し、高温側冷却ステージにより熱シールドを必要温度に冷却することが行われる。しかし、この低温側冷却ステージによる冷却能力は被冷却物を４Ｋ程度に冷却することができるものの、冷凍能力は小さいものである。従って、常温にある被冷却物を効率よく４Ｋ程度に冷却する方法が、種々提案されている。

特許文献１に開示されている極低温装置は、二段式冷凍機の低温側冷却ステージと高温側冷却ステージとの間に熱スイッチを設けて、被冷却物を効率よく冷却できるようにした装置である。ここで用いられる熱スイッチは、密閉容器内に充填された冷媒のガス状態における熱伝導により熱が移動し、また冷却されて液化されたときの冷媒の液滴の潜熱により熱が移動し、更に冷媒が固化した後は断熱状態になるようになっている。そして、低温側冷却ステージが高温側冷却ステージよりも高温の場合は、低温側冷却ステージの熱が高温側冷却ステージへそれぞれの伝熱体を介して移動し、低温側冷却ステージの冷凍能力を補うようになっている。低温側冷却ステージと高温側冷却ステージとの温度差がなくなった時は断熱状態になり、その後は、被冷却物は低温側冷却ステージのみにより極低温まで冷却される。

同様の効果を得るために熱輸送パイプを用いた超電導マグネットが特許文献２に提案されている。ここで用いられる熱輸送パイプは、内部にヘリウムガスを充填したり内部を真空にしたりできる構造になっている。高温側ステージの温度が低温側ステージの温度よりも低い場合、高温側ステージと略同じ温度になっているフランジに近いヘリウムガスの密度が大きくなることによりパイプ内に熱対流がおこり、低温側ステージから高温側ステージへと熱が移動する。そして高温側ステージと低温側ステージとの間に温度差がなくなったとき、パイプ内のヘリウムガスを真空引きしてパイプ内を真空状態にすれば、熱輸送パイプは断熱パイプとなり、熱の移動がなくなるので、被冷却物は低温側冷却ステージのみにより極低温まで冷却される。
特開平８−１２８７４２号公報（［要約］を参照） 特開２００４−２３３０４７号公報（［要約］を参照）

近年、超電導材料の開発が進み、必ずしも極低温まで冷却しなくても超電導状態になる高温超電導材料も開発され、用途に応じて使い分けられるようになっている。そのような、超電導材料の中には２０Ｋ程度に冷却すればよいものがあり、その超電導材料の冷却にＧＭ冷凍機等の二段式冷凍機を用いる必要は必ずしもない。ＧＭ冷凍機等の二段式冷凍機は比較的高価なものであり、また、上述の通り効率よく冷却するためにはそれなりの機構が必要となり、二段式冷凍機を組み込んだ装置は高価になる問題がある。

本発明は、このような問題に着目してなされたものであり、その目的とするところは、一段式の冷凍機を用いる比較的廉価な装置でありながら被冷却物を効率よく冷却できる極低温装置を提供することにある。

上記問題を解決するために請求項１に記載の極低温装置の発明は、真空容器内の輻射シールド内に収容された被冷却物を一段式の冷凍機で冷却する極低温装置において、前記冷凍機の冷却ヘッドに固定された伝熱板と前記被冷却物とを熱伝導率の高い高伝導体で連結し、極低温側電流リードと低温側電流リードとを連結する第１接続部を前記伝熱板に連結し、熱伝導率の低い低伝導体を介して前記低温側電流リードと高温側電流リードとを連結する第２接続部を前記伝熱板に摺動可能に連結し、また、熱伝導率の低い低伝導体を介して前記伝熱板と前記輻射シールドとを摺動可能に連結したことを特徴とするものである。

請求項１に記載の発明によれば、第２接続部及び輻射シールドを、熱伝導率の低い低伝導体を介して伝熱板に摺動可能に連結したので、一段式冷凍機の冷却ヘッドの冷却能力の一部のみが、第２接続部及び輻射シールドの冷却に費やされるに留まる。一方、被冷却物は冷却ヘッドに固定された伝熱板及び冷却板を介して冷却され、また、第１接続部は伝熱板を介して冷却ヘッドにより冷却され、それぞれが冷凍機の冷凍能力の大半を費やされて十分に冷却される。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の極低温装置において、前記第２接続部及び前記輻射シールドに連結するそれぞれの前記低伝導体は、前記伝熱板に形成された孔に摺動可能に挿通されることを特徴とするものである。

請求項２に記載の発明によれば、低伝導体を伝熱板の孔に摺動させながら挿通して、第２接続部及び輻射シールドと伝熱板とを低伝導体を介さずに連結することができる。低伝導体の前記連結に供する部分の長さがゼロになれば、冷却ヘッドの冷却能力は、被冷却物及び第１接続部の冷却と、第２接続部及び輻射シールドの冷却との間に略均等に分けられる。すると、極低温装置の作動開始の初期状態において、温度が高い状態にある第２接続部及び輻射シールドを、所定温度に下がるまで十分に冷却することが可能となる。そして、第２接続部及び輻射シールドの温度が所定温度の近くに下がった時、伝熱板の孔に挿通されている低伝導体を摺動させながら引き抜く方向に移動させれば、第２接続部及び輻射シールドと伝熱板との連結に供する部分の低伝導体の長さが長くなる。すると、伝熱板と第２接続部及び輻射シールドとの熱の移動は抑えられることになり、その分、冷却ヘッドの冷却能力の大半が被冷却物及び第１接続部の冷却に費やされることになる。

なお、第２接続部と輻射シールドとの間に熱容量の差がある時は、先に所定温度近くまで温度が下がった方に係る低伝導体の長さを長くして、冷却能力の割り振りを小さくすることもできる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の極低温装置において、前記第２接続部及び前記輻射シールドと前記低伝導体とは、それぞれが熱伝導率の高い可撓性高伝導体を介して連結されることを特徴とするものである。

請求項３に記載の発明によれば、低伝導体を伝熱板の孔に摺動させながら出入させる時、低伝導体と第２接続部及び輻射シールドとの連結距離が変わるので、低伝導体と第２接続部及び輻射シールドとを熱伝導率の高い可撓性高伝導体を介して連結するようにした。そのため、前記連結距離及び方向が変わっても、可撓性高伝導体がその変化を吸収することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の極低温装置において、前記可撓性高伝導体のそれぞれの端部は、前記低伝導体に対して回転可能に連結されることを特徴とするものである。

請求項４に記載の発明によれば、例えば、伝熱板の孔に雌ねじを形成し、低伝導体の外周に雄ねじを形成して、それらのねじを螺合させて低伝導体を正逆回転させれば、低伝導体を伝熱板に対して出入させることができる。すると、低伝導体に対して回転可能に連結されている可撓性高伝導体の端部と伝熱板との間の長さを変化させることができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のうちいずれか一項に記載の極低温装置において、前記第１接続部と第２接続部とを連結する低温側電流リードは、電気抵抗が小さく且つ熱抵抗が大きい酸化物超電導材で形成されていることを特徴とするものである。

請求項５に記載の発明によれば、第１接続部と第２接続部との間に温度差があっても、酸化物超電導材で形成されている低温側電流リードにおいては、第２接続部と第１接続部との間で熱の移動が起き難い。しかも、第２接続部は所定温度まで冷却されているので、第１接続部が伝熱板を介して冷却ヘッドに常時連結されていても、高温側電流リードから熱が移動して冷却ヘッドの冷却能力を削減することはない。

本発明によれば、一段式の冷凍機を用いる比較的廉価な装置でありながら被冷却物を効率よく冷却できる極低温装置を提供することができる。

（第１の実施形態）
以下、本発明を具体化した極低温装置１の実施形態を図１及び図２を用いて説明する。なお、以後の説明において、各部材の材質を実施例として示しているが、材質はこれに限るものではない。

図１に示すように、本実施形態の極低温装置１は、ステンレス製の真空容器２の内部に設けられたアルミ製の輻射シールド３内に被冷却物１１が設置されている。被冷却物１１を支持する冷却板１０は、高伝導体９を介して冷却ヘッド７に固定された伝熱板８に固定されている。その冷却ヘッド７は、真空容器２の開口部４ｂに設置された冷凍機５から輻射シールド３の開口部４ａを挿通して輻射シールド３の内部に延在された冷却パイプ６の先端に設けられている。なお、冷却板１０、高伝導体９及び伝熱板８はアルミ、銅等の熱伝導に優れた材質で形成されている。

伝熱板８の冷却ヘッド７とは反対側の端部に、電気的及び熱的良伝導体の第１接続部２８が固定されている。この第１接続部２８は被冷却物１１に電力を供給する極低温側電流リード２３と輻射シールド３内に配線される低温側電流リード２４とを接続するために設けられている。第１接続部２８内において、低温側電流リード２４と極低温側電流リード２３とは、図示しないコネクターを用い、電気的良伝導状態に接続されている。極低温側電流リード２３は銅線で形成され、低温側電流リード２４は電気抵抗が小さく且つ熱抵抗が大きい希土類系ＲＥＢＣＯ等の酸化物超電導バルク材等で形成されている。

伝熱板８には、伝熱板８と同材質で熱的伝導率の優れた材質で形成された２個のナット１７が固定されており、それぞれのナット１７には操作棒１４と連結した棒状体の低伝導体１２が摺動可能に連結されている。本実施形態においては、低伝導体１２の外周面にはねじ１３が形成され、そのねじ１３がナット１７に螺合しており、操作棒１４の回転動作を受けて正逆いずれかに回転するとき、低伝導体１２はナット１７に対して出入する。

また、輻射シールド３及び第２接続部２９のそれぞれに端部を固定した銅製網状体で形成された可撓性高伝導体２０は、その端部とは反対側の端部に、銅製筒状体の端部２１が形成されている。その端部２１には、伝熱板８の下面に当接するためのフランジ部２２が一体に形成されている。また、端部２１の中心部には、低伝導体１２の一部及び操作棒１４の一部が回動可能に内挿される図示しない貫通孔が形成されている。端部２１内に内挿される低伝導体１２の一部には図示しない環状凹溝が形成され、その環状凹溝に対応する位置の前記貫通孔には図示しない凸部が形成され、その環状凹溝と凸部とが摺動可能に嵌合している。凸部の形成には、ピン状体を端部２１の略半体を貫通するように貫通孔に直交する方向に挿通してもよい。すると、低伝導体１２と端部２１とは、低伝導体１２の軸方向には互いに移動不能に、且つ、互いに回動可能に連結される。また、低伝導体１２と操作棒１４とは、互いの端部を熱的不良伝導性の接着剤で接合されている。本実施形態の低伝導体１２の材質は熱伝導率の低いステンレスであり、操作棒１４の材質は熱の不良伝導体であるＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）である。

操作棒１４は、輻射シールド３の開口部４ｃ及び真空容器２の開口部４ｅに接することなく配置され、真空容器２に設けられた支持板１５に回動可能に支持されている。操作棒１４の端部にはノブ１６が連結され、そのノブ１６を正逆に回転することにより、伝熱板８のナット１７に対する低伝導体１２の出入を操作することができる。

可撓性高伝導体２０の端部が固定されている第２接続部２９は、低温側電流リード２４と高温側電流リード２５とを、図示しないコネクターを用い、電気的良伝導状態及び熱的不良伝導状態に接続している。また、第２接続部２９は輻射シールド３の開口部４ｄに接触せずに配置されている。銅製の高温側電流リード２５はコネクター２６を介して真空容器２外の電源から電力を供給する電力ケーブル２７に接続している。

（操作及び作用）
図１は、例えば、室温下に置かれた極低温装置１を作動させた初期状態を示すものであり、被冷却物１１を冷却すると同時に、輻射シールド３及び第２接続部２９を効率よく冷却するための状態である。

冷却ヘッド７からの冷却伝導を効率よく輻射シールド３及び第２接続部２９に伝えるため、可撓性高伝導体２０の端部２１のフランジ部２２は、その上面を伝熱板８の下面に当接させている。この状態にあれば、伝熱板８は低伝導体１２を介さずに可撓性高伝導体２０と熱的に接続されるので、輻射シールド３及び第２接続部２９は、被冷却物１１及び第１接続部２８と同様に冷却されることができる。

そして、図２に示すように、輻射シールド３及び第２接続部２９が所定温度（例えば８０Ｋ）近くに下がったとき、２個のノブ１６のそれぞれを回転させて、低伝導体１２を伝熱板８のナット１７から引き抜く方向に移動させる。すると、伝熱板８と端部２１のフランジ部２２とが当接状態から互いに離間する状態となり、その離間の長さに応じて、伝熱板８から端部２１への冷却伝導が伝わり難いものとなる。従って、冷却ヘッド７の冷却能力は、その大半が高伝導体９及び冷却板１０を介して被冷却物１１に費やされることになり、被冷却物１１の温度が所定の温度（例えば２０Ｋ）になるまで冷却が続行される。

従って、上記実施形態の極低温装置１によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）上記実施形態では、第２接続部２９及び輻射シールド３のそれぞれを、熱伝導率の低い低伝導体１２を介して伝熱板８に摺動可能に連結した。そのため、一段式の冷凍機５の冷却ヘッド７の冷却能力の一部のみが、第２接続部２９及び輻射シールド３の冷却に費やされるに止めることができる。また、被冷却物１１は冷却ヘッド７に固定された伝熱板８及び冷却板１０を介して冷却され、第１接続部２８は伝熱板８を介して冷却ヘッド７により冷却され、それぞれが冷凍機５の冷凍能力の大半を費やして十分に冷却される。従って一段式の冷凍機５を用いながら被冷却物を効率よく冷却できる極低温装置１を提供できる。

（２）上記実施形態では、低伝導体１２の伝熱板８の孔に対する挿通状態を変化させて、第２接続部２９及び輻射シールド３と伝熱板８とを低伝導体１２を介さずに熱的に連結することができるようにした。すると冷却ヘッド７の冷却伝導は、被冷却物１１及び第１接続部２８に対する場合と同様に、第２接続部２９及び輻射シールド３に対しても均等に作用するので、極低温装置１の作動の初期状態において、第２接続部２９及び輻射シールド３が所定温度に下がるまで十分に冷却することが可能となる。

（３）上記実施形態では、第２接続部２９及び輻射シールド３の温度が所定温度の近くに下がった時、伝熱板８のナット１７に螺合している低伝導体１２を回転させて抜き方向に移動させれば、第２接続部２９及び輻射シールド３と伝熱板８との熱的連結に供する部分の低伝導体１２の長さを長くすることができる。すると、伝熱板８と第２接続部２９及び輻射シールド３との冷却伝導は抑えられることになり、その分、冷却ヘッド７の冷却能力の大半が被冷却物１１及び第１接続部２８の冷却に費やされることになる。従って、一段式の冷凍機５を用いながら被冷却物１１を効率よく十分に冷却することができる極低温装置１を提供できる。

（４）上記実施形態では、伝熱板８のナット１７に螺合する低伝導体１２を出入させる時、低伝導体１２と第２接続部２９及び輻射シールド３との連結距離が変わるが、低伝導体１２と第２接続部２９及び輻射シールド３とを熱伝導率の高い可撓性高伝導体２０を介して連結するようにした。そのため、前記連結距離及び方向が変わっても、可撓性高伝導体２０がその変化を吸収することができるので、伝熱板８と第２接続部２９及び輻射シールド３との間の冷却伝導の状態を容易に変化させることができる。

（５）上記実施形態では、第１接続部２８と第２接続部２９との間に温度差があっても、酸化物超電導材で形成されている低温側電流リード２４においては、第１接続部２８と第２接続部２９との間の熱の移動が起き難い。しかも、第２接続部２９は可撓性高伝導体２０により所定温度まで冷却されているので、低温側電流リード２４が定格通電電流値に対して超電導を維持することができる。従って、冷却ヘッド７により被冷却物１１が十分に冷却される極低温装置１を提供できる。

（６）上記実施形態では、低温側電流リード２４は、酸化物超電導材で形成されているので、初期冷却において温度勾配が低減され、熱歪みによる劣化の抑制が可能となる。また、温度勾配が一定に保たれることにより高速の冷却が可能となる。

（７）上記実施形態では、伝熱板８と端部２１のフランジ部２２とを離間して、伝熱板８から端部２１への冷却伝導が伝わり難くなるようにした。そして、冷却ヘッド７の大半の冷却能力が費やされて、被冷却物１１の温度が例えば２０Ｋになるまで冷却を続行できるようにした。しかし、２個のノブ１６のそれぞれを回転させて、伝熱板８と端部２１のフランジ部２２との距離を縮めるようにすれば、被冷却物１１の温度が２０Ｋまで冷却されることを途中で止めることができる。従って、冷却ヘッド７により被冷却物１１が所定の温度に冷却される極低温装置１を提供できる。

（第２の実施形態）
次に、本発明を具体化した極低温装置１の第２の実施形態を、第１実施形態と異なる部分を中心に図３を用いて説明する。第１実施形態においては、低伝導体１２の外周面にねじ１３を形成したが、本実施形態においては、操作棒１４の外周面にねじ１３を形成した点が異なる。また、本実施形態では、第２接続部２９と輻射シールド３とを連結させて、第２接続部２９の冷却を、輻射シールド３を介して行うようにした点が、第１実施形態とは異なる。その他の構成は、第１実施形態及び第２実施形態において同一である。

図３に示すように、輻射シールド３の冷却に係る二本の操作棒１４の外周面において、支持板１５に係合する部分にねじ１３を形成し、支持板１５には対応する雌ねじを形成し、支持板１５に操作棒１４を螺合するようにした。すると、操作棒１４の端部に固定されているノブ１６を正逆いずれかに回転させれば、操作棒１４に連結している低伝導体１２は伝熱板８に対して出入される。そのため、第１実施形態と同様に、輻射シールド３と伝熱板８との熱的連結に供する部分の低伝導体１２の長さを変化することができる。このとき、低伝導体１２は伝熱板８に形成された孔に対して摺動しながら出入することになる。

また、伝熱板８から低伝導体１２を完全に抜き出せば、その低伝導体１２は伝熱板８との間の熱的接続が完全に断たれた状態になる。そのため、図３に示す本実施形態の輻射シールド３の冷却に係る低伝導体１２及び操作棒１４の数は二本であるが、複数本とすることで、輻射シールド３の冷却を集中的に行うことができる。そして、輻射シールド３及び第２接続部２９の温度が所定の温度に下がったことを確認して、伝熱板８と当接関係にある低伝導体１２を必要な分だけ残して、その他の低伝導体１２を伝熱板８から抜き出すようにする。すると、輻射シールド３及び第２接続部２９の冷却には、冷却ヘッド７の冷却能力のわずかを費やすに止めることができる。

そして、この第２実施形態においては、第１の実施形態における効果に加えて、以下の効果を得ることができる。
（８）上記実施形態では、操作棒１４の外周面にねじ１３を形成して、操作棒１４と支持板１５とを螺合させ、ノブ１６を正逆回転操作して、伝熱板８に対する低伝導体１２の出入を行うことができるようにした。そのため、伝熱板８に係合する低伝導体１２の数を複数本としても、必要に応じて伝熱板８から低伝導体１２を抜き出すことができるので、抜き出された低伝導体１２と伝熱板８との熱的接続を完全に絶つことができる。従って、初期状態においては、輻射シールド３及び第２接続部２９を必要に応じて一気に冷却することができ、その後は被冷却物１１の冷却に冷却ヘッド７の冷却能力を集中させることができる効率のよい極低温装置１を提供できる。

（変更例）
なお、前記両実施形態は以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、伝熱板８に固定されたナット１７に低伝導体１２のねじ１３を螺合させるようにしたが、ナット１７を設けず、伝熱板８に雌ねじを形成して、伝熱板８に対して低伝導体１２のねじ１３を直に螺合するようにしてもよい。
・上記実施形態では、操作棒１４を支持板１５に螺合させて、伝熱板８に対して低伝導体１２を出入可能とすると同時に、輻射シールド３を介して第２接続部２９の冷却を行うようにしたが、低伝導体１２及び可撓性高伝導体２０を介して第２接続部２９の冷却を行うようにしてもよい。
・上記実施形態では、可撓性高伝導体２０の端部２１内に低伝導体１２の一部及び操作棒１４の一部を内挿するようにしたが、低伝導体１２のみを内挿するよにしてもよい。

本発明の第１実施形態の極低温装置を示す模式図。 同じく極低温装置の作動時の状態を示す模式図。 本発明の第２実施形態の極低温装置を示す模式図。

符号の説明

１…極低温装置、２…真空容器、３…輻射シールド、５…冷凍機、７…冷却ヘッド、８…伝熱板、９…高伝導体、１１…被冷却物、１２…低伝導体、２０…可撓性高伝導体、２１…端部、２３…極低温側電流リード、２４…低温側電流リード、２５…高温側電流リード、２８…第１接続部、２９…第２接続部。

Claims (5)

1. 真空容器内の輻射シールド内に収容された被冷却物を一段式の冷凍機で冷却する極低温装置において、前記冷凍機の冷却ヘッドに固定された伝熱板と前記被冷却物とを熱伝導率の高い高伝導体で連結し、極低温側電流リードと低温側電流リードとを連結する第１接続部を前記伝熱板に連結し、熱伝導率の低い低伝導体を介して前記低温側電流リードと高温側電流リードとを連結する第２接続部を前記伝熱板に摺動可能に連結し、また、熱伝導率の低い低伝導体を介して前記伝熱板と前記輻射シールドとを摺動可能に連結したことを特徴とする極低温装置。
2. 前記第２接続部及び前記輻射シールドに連結するそれぞれの前記低伝導体は、前記伝熱板に形成された孔に摺動可能に挿通されることを特徴とする請求項１に記載の極低温装置。
3. 前記第２接続部及び前記輻射シールドと前記低伝導体とは、それぞれが熱伝導率の高い可撓性高伝導体を介して連結されることを特徴とする請求項１又は２に記載の極低温装置。
4. 前記可撓性高伝導体のそれぞれの端部は、前記低伝導体に対して回転可能に連結されることを特徴とする請求項３に記載の極低温装置。
5. 前記第１接続部と第２接続部とを連結する低温側電流リードは、電気抵抗が小さく且つ熱抵抗が大きい酸化物超電導材で形成されていることを特徴とする請求項１ないし４のうちいずれか一項に記載の極低温装置。

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