JP5976704B2

JP5976704B2 - 冷却装置

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Publication number: JP5976704B2
Application number: JP2014020405A
Authority: JP
Inventors: 鶴留　武尚; 武尚鶴留
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2014-02-05
Filing date: 2014-02-05
Publication date: 2016-08-24
Anticipated expiration: 2034-02-05
Also published as: JP2015149345A; WO2015118957A1

Description

本発明は、冷却装置に関する。

一般的に、極低温環境において超電導に係る種々の評価を行う際には、超電導コイルにより生成される磁場中に試料を冷却するクライオスタット（極低温真空容器）を配置する。クライオスタットには、被冷却体を超低温に維持するために、輻射熱から被冷却体を保護するための輻射シールドが設けられる（例えば、特許文献１参照）。

特開平２−２１８１８４号公報

輻射シールドは、一般的に金属材料により製造されているが、何らかの原因で超電導コイルの運転中に急激な磁場変動が発生した場合には、その磁場変動によって輻射シールドに大きな電磁力が発生することが考えられる。このような大きな電磁力の作用に対して、特許文献１記載の輻射シールドには強度の面において改善の余地があった。

本発明は上記を鑑みてなされたものであり、より強度が高められた輻射シールドを備えた冷却装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る冷却装置は、試料を冷却するための冷凍機と、前記冷凍機に対してその一部が熱的に接続すると共に前記試料を収容可能な伝熱部と、前記伝熱部内で前記試料の周囲を覆う輻射シールド部と、を備える冷却装置であって、前記輻射シールド部は、略円筒状をなし、前記一方側の端部が複数のスリットによって複数の短冊状に分割され、その端部がそれぞれ内側に折り曲げられた第１シールド板と、前記第１シールド板の前記一方側の端部に対応した略円形状をなす第２シールド板と、前記第１シールド板の折り曲げられた端部と、前記第２シールド板とを挟みこんで補強する２枚の補強板と、を含んで構成されることを特徴とする。

上記の冷却装置によれば、略円筒形状をなす第１シールド板の一方側の端部を複数の短冊状に切り分けると共に内側に折り曲げられる。また、この一方側の端部を覆う略円形状の第２シールド板と共に２枚の補強板によって挟み込まれる。これにより、特に一方側の端部において輻射シールド部の剛性が高められ、急激な磁場変動に由来する電磁力によって輻射シールド部が破損することを防止することができる。

ここで、前記第１シールド板は、前記略円筒状の周方向に沿って複数に分割されている態様とすることができる。

このように、第１シールド板が複数に分割されていることで、急激な磁場変動によって生じる電磁力をより小さくすることができる。したがって磁場変動に由来する第１シールド板の破損を低減することができる。

また、前記第２シールド板は、複数に分割されている態様とすることができる。

このように、第２シールド板が複数に分割されていることで、急激な磁場変動によって生じる電磁力をより小さくすることができる。したがって磁場変動に由来する第２シールド板の破損を低減することができる。

また、前記第１シールド板の外側に設けられた略円筒状の支持部材をさらに備え、前記第１シールド板は、支持部材に対して固定されている態様とすることができる。

第１シールド板の外側に略円筒状の支持部材を備えることで、輻射シールド部のうち特に第１シールド板の近傍に係る剛性を高めることができ、急激な磁場変動によって生じる電磁力によって第１シールド板が破損することを防止することができる。

本発明によれば、より強度が高められた輻射シールドを備えた冷却装置が提供される。

実施形態に係る冷却装置の概略構成図である。クライオスタットの第２伝熱部側の拡大図である。クライオスタットの第２伝熱部内の輻射シールド部について説明する概略斜視図である。輻射シールド部の底面について説明する概略断面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の実施形態に係る冷却装置１の概略構成図である。また、図２は、冷却装置１のうち、クライオスタット２の第２伝熱部２０側の拡大図である。また、図３は、クライオスタット２の第２伝熱部２０内の輻射シールド部について説明する概略斜視図である。また、図４は、輻射シールド部の底面について説明する概略断面図である。

冷却装置１は、冷凍機冷却型のクライオスタット（極低温真空容器）２及び磁場発生部８０を含んで構成される。クライオスタット２は、ＧＭ冷凍機３と、ＧＭ冷凍機３の下部に連結された第１伝熱部１０と第２伝熱部２０とを含んで構成されている。第１伝熱部１０及び第２伝熱部２０は、それぞれ外径が円柱状であり、軸線Ｘに沿って上下方向にＧＭ冷凍機３、第１伝熱部１０及び第２伝熱部２０がこの順に連結されている。第１伝熱部１０及び第２伝熱部２０は被冷却物である試料Ｓを収容する真空容器としても機能する。

ＧＭ冷凍機３は、２段式ギフォード・マクマホン（Ｇ−Ｍ：GiffordMacMahone）サイクルを用いた冷凍機であり、第１ステージでは約４０Ｋ程度まで冷却可能であり、試料Ｓの周囲に設けられる輻射シールド等の冷却に用いられる。また、第２ステージは、約４Ｋ程度まで冷却可能であり、試料Ｓの冷却に用いられる。

本実施形態に係るクライオスタット２では、第１ステージのコールドヘッド及び第２ステージのコールドヘッドを含む主要部が第１伝熱部１０の本体部１１内に収容されると共に試料Ｓは第２伝熱部２０の本体部２１内に収容される。そして、ＧＭ冷凍機３と第１伝熱部１０の主要部とは熱的に接続される。

第１伝熱部１０及び第２伝熱部２０は、それぞれ略円柱状をなしている。また、第１伝熱部１０の本体部１１の径は第２伝熱部２０の本体部２１の径よりも大きく、軸線Ｘ方向下側から見たときに、第２伝熱部２０の本体部２１に対して第１伝熱部１０の下端面１５が外方に突出している。第２伝熱部は、略円柱状の本体部２１と、本体部２１の上端に形成された本体部２１よりも径が大きいフランジ部２２とを含んで構成され、第１伝熱部１０の下端面１５に対してフランジ部２２が固定されることで、第１伝熱部１０と第２伝熱部２０とが連結されている。第１伝熱部１０と第２伝熱部２０とを連結する連結部についての構成は後述する。

また、冷却装置１においては、試料Ｓの周囲に磁場を生成する磁場発生部８０が第２伝熱部２０の周囲に設けられる。円環状をなし軸線Ｘに沿った開口８１を備える磁場発生部８０は、例えば、真空容器に封入され、軸線Ｘを中心にして配置された円環状の超電導コイル８２を含んで構成される。開口８１は、その径が、第２伝熱部２０の本体部２１よりも大きく、第１伝熱部１０の本体部１１よりも小さくされている。

磁場発生部８０は、図示しない冷却手段によって冷却されて超電導状態とされた超電導コイル８２に対して電流を流すことにより、強力な磁場を発生させることができる。高磁場環境下において試料Ｓを冷却するために、第２伝熱部２０は、磁場発生部８０の開口８１に挿入される。このとき、図１に示すように、第１伝熱部１０の下端面１５と第２伝熱部２０のフランジ部２２とを含んで構成される連結部３０が磁場発生部８０の上面８４に当接した状態となる。すなわち、磁場発生部８０の上面８４がクライオスタット２を載置する載置面となり、クライオスタット２の上下方向の座屈荷重は磁場発生部８０の上面８４によって支持される。

また、第１伝熱部１０の上端側には、第１伝熱部１０の本体部１１から外方に突出した本体部１１よりも径が大きなフランジ部１２が設けられる。図１に示すように、第１伝熱部１０の本体部１１に対応する開口６１を有すると共にクライオスタット２を磁場発生部８０の上面８４に載置した際にフランジ部１２と当接する規制部材６０を磁場発生部８０とは別に設けることで、クライオスタット２の水平方向の移動を規制する構成とすることができる。

次に、クライオスタット２の内部について、図２を参照しながら説明する。上述したように、ＧＭ冷凍機３の第１ステージのコールドヘッド及び第２ステージのコールドヘッドを含む主要部が第１伝熱部１０の本体部１１内に収容される。第２伝熱部２０の本体部２１内には、第２ステージのコールドヘッドに対して熱的に接続して試料Ｓを冷却すると共に試料Ｓへの通電を行う棒状の冷却部材２５が第１伝熱部１０内から軸線Ｘに沿って延び、冷却部材２５の下端部２７に試料Ｓが吊り下げられる状態で試料Ｓが第２伝熱部２０内に収容される。

第２伝熱部２０内では試料Ｓの周囲には略円筒状の輻射シールド部４０が設けられる。輻射シールド部４０は、第２伝熱部２０の下端側にも試料Ｓの下端側を覆うように配置されている。輻射シールド部４０は、第１伝熱部１０内の第１ステージのコールドヘッドと熱的に接続し、約４０Ｋ程度まで冷却される。

次に、図３及び図４を参照しながら、輻射シールド部４０について説明する。輻射シールド部４０は、略円筒状の支持部材４１の内壁に沿って複数の伝熱部材４２が取り付けられた構成とされている。支持部材４１は、例えばＳＵＳ等の強度が高く且つ伝熱部材４２よりも熱伝導性が低い材料によって形成される。また、支持部材４１は、略円筒状の側面を形成する側壁部４１１と、第２伝熱部２０の下端側を塞ぐ下端部４１２と、を含んで構成される。また、伝熱部材４２は、熱伝導性の高い銅やアルミニウムによって形成される。伝熱部材４２は、第１シールド板４２１と第２シールド板４２２とを含んで構成される。

側壁部４１１の内壁には、軸線Ｘ方向に沿って延びる第１シールド板４２１が設けられる。第１シールド板４２１はそれぞれ略長方形状をなし、周方向に沿って分割するように配置される。冷却装置１においては、４枚の第１シールド板４２１が周方向に沿って所定の間隔をあけて配置されている。これにより、隣接する第１シールド板４２１の間にはスリット４１５が形成される。第１シールド板４２１は、その端部（隣接する他の第１シールド板４２１側の端部）において、それぞれ軸線Ｘ方向に延びる矩形状の固定板４２５によって側壁部４１１に対して押し付けられる。固定板４２５がネジ４２６（締結部材）によって側壁部４１１に対して締結固定されることで、第１シールド板４２１はそれぞれ側壁部４１１に対して固定される。

また、軸線方向に沿って延びる第１シールド板４２１は、第２伝熱部２０の下端側、すなわち支持部材４１の下端部４１２側において、複数のスリット４３１によって複数の短冊状に切り分けられている。短冊状の複数の短冊部４３３は、それぞれ、その下端側が軸線Ｘに向かう方向へ折り曲げられている。すなわち、短冊状の複数の短冊部４３３は、それぞれ、支持部材４１の形状に沿って側壁部４１１側から下端部４１２側へ折り曲げられている。

支持部材４１の下端部４１２側には、第２シールド板４２２が下端部４１２を覆うように設けられる。第１シールド板４２１及び第２シールド板４２２によって、試料Ｓの側面及び下端側を覆う必要があるため、第２シールド板４２２の形状は、支持部材４１の下端部４１２側、すなわち、第１シールド板４２１の形状に対応していることが好ましい。なお、第２シールド板４２２は１枚の略円形状の部材によって構成されていてもよいし、第１シールド板４２１と同様に複数に分割されていてもよい。

第２シールド板４２２の上部（支持部材４１の内部）には、ＳＵＳ等によって形成された円盤状の支持板４１３が配置される。支持板４１３は、支持部材４１の下端部４１２に対してネジ４１７によって締結固定される。これによって、支持板４１３と下端部４１２との間の第２シールド板４２２が固定される。また、側壁部４１１側から延びて折り曲げられた第１シールド板４２１の短冊部４３３も支持板４１３と下端部４１２によって挟み込まれることで固定される。すなわち、支持板４１３及び下端部４１２が、第１シールド板４２１の短冊部４３３及び第２シールド板４２２を挟みこんで補強する補強板となる。

このように、本実施形態に係る冷却装置１によれば、第１シールド板４２１の一方側の端部が複数の短冊部４３３に切り分けられ、さらにその端部が内側に折り曲げられる。また、この一方側の端部を覆う略円形状の第２シールド板４２２と共に２枚の補強板によって挟み込まれる。これにより、下端部４１２側において輻射シールド部４０の剛性が高められる。従来の輻射シールドの構成では、磁場発生部８０の電源が異常遮断する等の理由によって急激な磁場変動が起きた場合、大きな電磁力が印加されるために、輻射シールドが破損する可能性があった。特に試料Ｓの下側を覆う輻射シールドについてはこの急激な磁場変動が起きた場合の影響があまり考慮されていなかった。これに対して、本実施形態に係る冷却装置１の輻射シールド部４０では、輻射シールド部４０の剛性が高められたため、急激な磁場変動に由来する電磁力によって破損することを防止することができる。

また、上記実施形態の輻射シールド部４０のように、周方向に沿って第１シールド板４２１が複数に分割されていることで、急激な磁場変動によって生じる電磁力をより小さくすることができる。したがって磁場変動に由来する第１シールド板の破損を低減することができる。なお、上記実施形態では４つに分割している場合について説明するがその数は限定されない。分割数を増やすことで磁場変動によって生じる電磁力が小さくなる一方で、部品点数やコストが上昇する可能性があるため、適宜変更することができる。

また、第２シールド板４２２が複数に分割されている場合、急激な磁場変動によって生じる電磁力をより小さくすることができる。したがって磁場変動に由来する第２シールド板４２２の破損を低減することができる。第２シールド板４２２を分割する場合、径に沿った方向に分割することで、磁場変動による影響をより小さくすることができる。

また、第１シールド板４２１の外側に円筒形状の支持部材４１を備えることで、輻射シールド部４０のうち特に第１シールド板４２１の近傍に係る剛性を高めることができ、急激な磁場変動によって生じる電磁力によって第１シールド板４２１が破損することを防止することができる。また、上記実施形態と同様に第１シールド板４２１を支持する側壁部４１１と２枚の補強板のうちの１枚として機能する下端部４１２とを一体化した場合には、輻射シールド部４０全体としての剛性を更に高めることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではない。例えば、上記実施形態のクライオスタット２では、第１伝熱部に２段分のコールドヘッドが収容されて、第２伝熱部２０には試料Ｓが収容されている構成とされていたが、この構成には限定されない。また、第１伝熱部１０及び第２伝熱部２０を一体化した構成であってもよい。

また、磁場発生部８０の構成は上記実施形態に限定されず、例えば超電導コイルの数等適宜変更することができる。

１…冷却装置、２…クライオスタット、３…ＧＭ冷凍機、１０…第１伝熱部、２０…第２伝熱部、２２…フランジ部、３０…連結部、４０…輻射シールド部、４１…支持部材、４２…伝熱部材、６０…規制部材、８０…磁場発生部。

Claims

試料を冷却するための冷凍機と、
前記冷凍機に対してその一部が熱的に接続すると共に前記試料を収容可能な伝熱部と、
前記伝熱部内で前記試料の周囲を覆う輻射シールド部と、
を備える冷却装置であって、
前記輻射シールド部は、
略円筒状をなし、前記一方側の端部が複数のスリットによって複数の短冊状に分割され、その端部がそれぞれ内側に折り曲げられた第１シールド板と、
前記第１シールド板の前記一方側の端部に対応した略円形状をなす第２シールド板と、
前記第１シールド板の折り曲げられた端部と、前記第２シールド板とを挟みこんで補強する２枚の補強板と、
を含んで構成される冷却装置。
前記第１シールド板は、前記略円筒状の周方向に沿って複数に分割されている請求項１記載の冷却装置。
前記第２シールド板は、複数に分割されている請求項１又は２記載の冷却装置。
前記第１シールド板の外側に設けられた略円筒状の支持部材をさらに備え、前記第１シールド板は、支持部材に対して固定されている請求項１〜３のいずれか一項に記載の冷却装置。