JP5337829B2 - 極低温容器 - Google Patents

Description

本発明は、ＭＲＩなどに用いられる超電導マグネットを極低温に保冷するための極低温容器に関する。

この種の容器に関しては、例えば特許文献１に記載されたようなものがある。特許文献１に記載された極低温容器は、中心軸が略水平方向を向く姿勢で設置される真空容器（１０）と、この真空容器（１０）内に収容される超電導マグネット（１２）と真空容器（１０）とが同軸となるように真空容器（１０）と超電導マグネット（１２）とを連結する連結部材（１６）と、を具備してなる。

この連結部材（１６）は、真空容器外周壁（１８）側に固定される真空容器側ブロック（３５）と、超電導マグネット（１２）側に固定される被冷却体側ブロック（３６）と、両ブロック間に介在する中間ブロック（３８）とを備え、真空容器側ブロック（３５）と中間ブロック（３８）との間、および被冷却体側ブロック（３６）と中間ブロック（３８）との間にそれぞれ連結材（４０）が介設されている。

特開２００７−３５９４５号公報

ここで、極低温容器を構成する熱シールド部材（１４）は４０Ｋ〜５０Ｋに冷却され、超電導マグネット（１２）は約４Ｋに冷却される。一方、真空容器（１０）の外面は常温（３００Ｋ程度）にさらされる。そのため、連結部材（１６）を構成する真空容器外周壁１８側の連結材（４０）は、真空容器（１０）からの熱伝導で熱シールド部材（１４）よりも高温になる。特許文献１に記載された極低温容器においては、真空容器外周壁１８側の連結材（４０）が、熱シールド部材（１４）の内側に存在するため熱的に好ましくない（超電導マグネット（１２）の保冷に関して好ましくない）。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、超電導マグネットの保冷性能に優れる容器支持構造を備えた極低温容器を提供することである。

上記目的を達成するために本発明は、軸が略水平方向を向く姿勢で設置される真空容器と、前記真空容器の中に配置される輻射シールドと、前記真空容器、前記輻射シールドおよび前記輻射シールドの中に配置される筒状のヘリウム容器または筒状の超電導マグネットを、前記真空容器と同軸となるように支持する複数の支持体と、を備える極低温容器であって、前記真空容器は、筒状の真空容器外周板と、当該真空容器外周板の端に固定されるリング状の真空容器エンドプレートと、を有し、前記輻射シールドは、筒状の輻射シールド外周板と、当該輻射シールド外周板の端に固定されるリング状の輻射シールドエンドプレートと、を有し、前記支持体は、前記輻射シールドエンドプレートの内面に固定されるサーマルブロックと、前記真空容器外周板と前記サーマルブロックとを連結する第１連結材と、前記サーマルブロックと、前記ヘリウム容器または前記超電導マグネットとを連結する第２連結材と、を有し、前記輻射シールドエンドプレートの前記第１連結材と対向する部分に切り欠き開口部が形成されており、前記輻射シールド内から前記第１連結材を隔離するように、前記輻射シールドエンドプレートの前記切り欠き開口部端に熱シールド板が固定されていることを特徴とする、極低温容器を提供する。

この構成によると、輻射シールド（輻射シールドエンドプレート）と同じ温度になる熱シールド板で第１連結材から輻射シールド内への輻射熱を遮ることができる。

本発明によれば、輻射シールドエンドプレートに切り欠き開口部を設けるとともに、当該切り欠き開口部の端に熱シールド板を固定することで、輻射シールド（輻射シールドエンドプレート）と同じ温度になる熱シールド板で第１連結材から輻射シールド内への輻射熱を遮ることができ、超電導マグネットの保冷性能に優れる容器支持構造を備えた極低温容器とすることができる。

本発明の一実施形態に係る極低温容器を示す図である。 図１のＢ部拡大図およびＣ部拡大図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。

（極低温容器の構成）
図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係る極低温容器１の側断面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１に示す極低温容器１は、中心軸Ｚが略水平方向を向く姿勢で設置される円筒状の複数層の容器であり、軸方向に沿う円柱状の空間Ｓが中心部に形成されている。この極低温容器１は、外側から順に、真空容器２、輻射シールド３、およびヘリウム容器４を具備してなる。ヘリウム容器４の中には円筒状の超電導マグネット５が液体ヘリウムとともに収容される。

（超電導マグネット）
保冷対象である超電導マグネット５について先に説明する。超電導マグネット５は、円筒状の巻枠（不図示）と、巻枠９の溝部に巻回されてなる超電導線材５ａとを有している。巻枠の材料は、非磁性材であるアルミニウム材、ステンレス材などである。超電導線材５ａは、例えばニオブ・チタン（ＮｂＴｉ）合金系の極細多芯線を銅母材に埋め込んだものである。超電導マグネット５は約４Ｋに冷却される。

（ヘリウム容器）
ヘリウム容器４は、円筒状の外周板１５（ヘリウム容器外周板）と、外周板１５の両端に固定されたリング状（ドーナツ状）のエンドプレート１６（ヘリウム容器エンドプレート）とを有している。外周板１５およびエンドプレート１６の材料は、非磁性材であるアルミニウム材、ステンレス材などである。なお、二段蓄冷式冷凍機などの冷凍機で超電導マグネット５を冷却する場合、ヘリウム容器４は不要となる。ヘリウム容器４の温度は約４Ｋになる。

（輻射シールド）
ヘリウム容器４の外側に設置される輻射シールド３は、真空容器２からヘリウム容器４（超電導マグネット５）への輻射熱を遮るためのものであり、円筒状の外周板１３（輻射シールド外周板）と、外周板１３の両端に固定されたリング状（ドーナツ状）のエンドプレート１４（輻射シールドエンドプレート）とを有している。外周板１３およびエンドプレート１４の材料は、非磁性材であるアルミニウム材、銅材などである。輻射シールド３は４０Ｋ〜５０Ｋに冷却される。

（真空容器）
真空容器２は、その内部を高真空に保持され、収容する輻射シールド３やヘリウム容器４（超電導マグネット５）への侵入熱を抑制する容器である。真空容器２は、円筒状の外周板１１（真空容器外周板）と、外周板１１の両端に固定されたリング状（ドーナツ状）のエンドプレート１２（真空容器エンドプレート）とを有している。外周板１１およびエンドプレート１２の材料は、非磁性材であるアルミニウム材、ステンレス材などである。なお、真空容器２の外面は常温（３００Ｋ程度）にさらされる。

（支持体）
ここで、真空容器２、輻射シールド３、ヘリウム容器４、および超電導マグネット５のそれぞれの中心軸が、水平方向を向き、かつ同軸（中心軸Ｚ）となるように、真空容器２、輻射シールド３、ヘリウム容器４、および超電導マグネット５は横置き配置されている。真空容器２（極低温容器１）は脚部７を介して床上に据え付けられる。

なお、冷凍機で超電導マグネット５を冷却する場合には、真空容器２、輻射シールド３の内部に冷凍機の一部を配置することになる。この場合、冷凍機の配置スペース確保の都合上、真空容器２の円柱状の空洞部（空間Ｓ）の中心軸、すなわち真空容器２の軸は、真空容器２の中心に位置しないことがある。すなわち、軸方向に沿う円柱状の空間Ｓは、真空容器２の中心に位置しないことがある（輻射シールド３についても同様）。

本実施形態では、軸方向に沿う円柱状の空間Ｓは、真空容器２、輻射シールド３、ヘリウム容器４、および超電導マグネット５の中心に位置する。ここで、真空容器２、輻射シールド３、およびヘリウム容器４は、相互に同軸となるように複数の支持体６で連結支持されている。なお、冷凍機で超電導マグネット５を冷却する場合などでヘリウム容器４を用いない場合は、真空容器２、輻射シールド３、および超電導マグネット５が、相互に同軸となるように（必ずしも中心軸が一致するとは限らない）複数の支持体６で連結支持される。

図２（ａ）および図２（ｂ）は、それぞれ、図１（ａ）のＢ部拡大図および図１（ｂ）のＣ部拡大図である。図２に示すように、支持体６は、真空容器２の外周板１１の内面に固定された真空容器側座板ブロック１７と、ヘリウム容器４のエンドプレート１６の外面に固定されたヘリウム容器側座板ブロック２２と、両ブロック間に位置し輻射シールド３のエンドプレート１４の内面に固定されたサーマルブロック１９と、を具備し、真空容器側座板ブロック１７とサーマルブロック１９との間、およびサーマルブロック１９とヘリウム容器側座板ブロック２２との間には、それぞれ、第１連結材１８および第２連結材２０が介設されている。

ヘリウム容器側座板ブロック２２に形成された孔２２ａには、ねじ棒２１が緩挿されている。このねじ棒２１の一端部にはねじ部２１ｂが形成され他端部には円柱状の係止部２１ａが設けられている。また、真空容器側座板ブロック１７、およびサーマルブロック１９には、それぞれ、円柱状の係止部１７ａ、および円柱状の係止部１９ａが設けられている。

真空容器側座板ブロック１７、サーマルブロック１９、ヘリウム容器側座板ブロック２２、およびねじ棒２１の材料は、非磁性材であるアルミニウム材、ステンレス材などである。また、帯状の第１連結材１８および第２連結材２０は、例えばＣＦＲＰのように金属に比べて熱伝導率が十分低い材料により形成されている。

真空容器側座板ブロック１７の係止部１７ａ、およびサーマルブロック１９の一方の係止部１９ａに、帯状の第１連結材１８を掛けて真空容器側座板ブロック１７とサーマルブロック１９とを連結する。また、サーマルブロック１９の他方の係止部１９ａ、およびねじ棒２１の係止部２１ａに、帯状の第２連結材２０を掛けてサーマルブロック１９とねじ棒２１とを連結する。支持体６による支持張力は、ねじ棒２１の一端部に形成されたねじ部２１ｂに螺合するナット２３の締付力により調整する。ナット２３の締付力を調整することで、真空容器２、輻射シールド３、およびヘリウム容器４が相互に同軸となるように相互に固定する。

（熱シールド板）
ここで、輻射シールド３のエンドプレート１４のうち第１連結材１８と対向する部分は切り欠かれ、矩形状の切り欠き開口部１４ａ（切り欠き窓）がこの部分に形成されている。そして、この切り欠き開口部１４ａの端に（エンドプレート１４に）、輻射シールド３内から第１連結材１８を隔離するように矩形状の熱シールド板２４、２５がボルト留めなどにより固定されている。また、第１連結材１８の内側（容器内方側）には矩形状の熱シールド板２６が配置されている。熱シールド板２４、２５、および２６で、断面コ字状の溝形の熱シールド板が形成されている。熱シールド板２４〜２６は、輻射シールド３のエンドプレート１４に熱的に接続されているため、エンドプレート１４と同じ温度（４０Ｋ〜５０Ｋ）になる。なお、熱シールド板２４〜２６の長手方向の端面は、サーマルブロック１９に当接されている。熱シールド板２４〜２６は、非磁性で熱伝導性の良いアルミニウム材、銅材などから形成されている。

（効果）
本実施形態によると、輻射シールド３のエンドプレート１４と同じ温度になる熱シールド板２４〜２６で第１連結材１８から輻射シールド３内への輻射熱を遮ることができる。その結果、超電導マグネット５の保冷性能に優れる容器支持構造を備えた極低温容器１とすることができている。

また、サーマルブロック１９は、輻射シールド３のエンドプレート１４の内面に対して熱的に接続されているため、当該エンドプレート１４と同じ温度になる。熱シールド板２４〜２６の長手方向の端面をさらにサーマルブロック１９に当接させることで、サーマルブロック１９からの冷熱によっても熱シールド板２４〜２６が冷却されるため、熱シールド板２４〜２６の温度を低く保持し易い。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々に変更して実施することが可能なものである。

１：極低温容器
２：真空容器
３：輻射シールド
４：ヘリウム容器
５：超電導マグネット
６：支持体
１１：真空容器外周板
１２：真空容器エンドプレート
１３：輻射シールド外周板
１４：輻射シールドエンドプレート
１４ａ：切り欠き開口部
１８：第１連結材
１９：サーマルブロック
２０：第２連結材
２４〜２６：熱シールド板

Claims (1)

1. 中心軸が略水平方向を向く姿勢で設置される円筒状の真空容器と、
   前記真空容器の中に配置される輻射シールドと、
   前記真空容器、前記輻射シールド、および前記輻射シールドの中に配置される筒状のヘリウム容器または筒状の超電導マグネットを、前記真空容器の前記中心軸と同軸となるように支持する複数の支持体と、を備える極低温容器であって、
   前記真空容器は、筒状の真空容器外周板と、当該真空容器外周板の端に固定されるリング状の真空容器エンドプレートと、を有し、
   前記輻射シールドは、筒状の輻射シールド外周板と、当該輻射シールド外周板の端に固定されるリング状の輻射シールドエンドプレートと、を有し、
   前記支持体は、
   前記輻射シールドエンドプレートの内面に固定されるサーマルブロックと、
   前記真空容器外周板と前記サーマルブロックとを連結する第１連結材と、
   前記サーマルブロックと、前記ヘリウム容器または前記超電導マグネットとを連結する第２連結材と、を有し、
   前記輻射シールドエンドプレートの前記第１連結材と対向する部分に切り欠き開口部が形成されており、
   前記輻射シールド内から前記第１連結材を隔離するように、前記輻射シールドエンドプレートの前記切り欠き開口部端に熱シールド板が固定されていることを特徴とする、極低温容器。

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