JP6022990B2

JP6022990B2 - クライオスタット

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Publication number: JP6022990B2
Application number: JP2013088551A
Authority: JP
Inventors: 孝史三木
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2013-04-19
Filing date: 2013-04-19
Publication date: 2016-11-09
Anticipated expiration: 2033-04-19
Also published as: JP2014212256A

Description

本発明は、超流動ヘリウムを用いて超電導マグネットを冷却するためのクライオスタットに関する。

従来、超流動ヘリウムを生成（すなわち液体ヘリウムの冷却）及び貯留して超電導マグネットを冷却するためのクライオスタットとして、特許文献１に記載されたものが知られている。このクライオスタットは、大気圧飽和常流動ヘリウム（以下、単に液体ヘリウムと称する。）を貯留する液体ヘリウム槽と、超流動ヘリウムを貯留する超流動ヘリウム槽と、前記液体ヘリウム槽内の液体ヘリウムを外部に吸引するための冷却用配管と、この冷却用配管の途中に設けられるＪＴ（ジュールトムソン）弁と、を備える。前記ＪＴ弁は前記冷却用配管内の液体ヘリウムを絞り膨張させることによるジュール−トムソン効果で、当該液体ヘリウムの温度を低下させる。前記冷却用配管は前記超流動ヘリウム槽内に配置される熱交換部を有し、ここで当該超流動ヘリウム槽内の液体ヘリウムと前記ＪＴ弁から流出する低温の液体ヘリウムとを熱交換させることにより当該液体ヘリウムを蒸発させて当該超流動ヘリウム槽内のヘリウムから熱を奪う。このような冷却によって超流動ヘリウムを生成し、またその保冷を行う。

冷却対象である超電導マグネットは前記超流動ヘリウム槽内に収容される。この超電導マグネットは超電導コイルを有し、この超電導コイルは、通常は金属系超電導線材により構成される。この超電導コイルには、永久電流スイッチの利用により、当該超電導コイルを外部電源から遮断した状態で永久電流を流すことが可能である。

特開２００１−３３０３２８号公報

前記超電導マグネットの中には、前記永久電流ではなく常に外部電源から電流リードを通じて電流の供給を受けることにより駆動されるものがあり、この場合には当該電流リードを通じてのクライオスタット外部から内部への熱の侵入の抑制が課題となる。すなわち、前記電流リードはその高温端と低温端との間に非常に大きな温度差を有する上、熱伝導率の高い銅等で構成されるため、何らの対策をとらないと当該電流リードを経由した著しい熱侵入は免れない。

特に近年は、前記超電導コイルの一部が酸化物系超電導材料により構成されたものの使用が検討されており、この場合には前記電流リードによる常時接続が余儀なくされるために前記課題の解決はさらに重要となる。すなわち、前記酸化物系超電導材料を使用する場合、当該材料と従来の金属系超電導材料との間での接続構造が完全には確立されていないことから永久電流スイッチの使用が難しく、よって前記電流リードを媒介とする外部電源と超電導マグネットとの常時接続は実質上必須のものとなる。

本発明は、このような事情に鑑み、超流動ヘリウムにより超電導マグネットを保冷するとともに液体ヘリウムの絞り膨張により前記超流動ヘリウムの冷却が行われるクライオスタットであって、前記超電導マグネットと当該クライオスタットの外部の電源とを電流リードを介して常時接続しながら当該電流リードを経由する熱侵入を有効に抑止することが可能なものを提供することを目的とする。

前記課題を解決するための手段として、本発明者は、電流リードを構成する導電体の一部（具体的には低温部分）を酸化物系超電導材料により構成することに想到した。この酸化物系超電導材料は、一般に銅等の金属材料よりも熱伝導率が著しく低く、また、超電導状態では抵抗が実質上ゼロに等しく電気抵抗による発熱もないために、電流リードを経由する熱侵入の抑制に有効である。しかし、この酸化物系超電導材料を用いても熱侵入の低減には限界があり、また、当該酸化物系超電導材料は超電導状態を失うと金属材料に比べて著しく大きな抵抗を有することになるため、当該酸化物系超電導材料によって電流リードの一部を構成する場合はその部分が確実に当該酸化物系超電導材料の転移温度以下の温度に保冷される必要がある。そこで、本発明者は、前記熱侵入の更なる抑制及び前記酸化物系超電導材料の確実な保冷のための手段として、前記超流動ヘリウムを冷却するために生成される低温ヘリウムのもつ冷熱、すなわち、液体ヘリウムの絞り膨張により生成される冷熱であって従来はそのまま廃棄されていた冷熱に着目した。

本発明は、このような着想に基づき次の構成を有するクライオスタットを提供する。すなわち、本発明が提供するクライオスタットは、液体ヘリウムを貯留するとともに、当該液体ヘリウムが蒸発したヘリウムガスが上昇可能な首管を有する液体ヘリウム槽と、超流動ヘリウムを貯留するとともにこの超流動ヘリウムにより保冷される超電導マグネットを収容する超流動ヘリウム槽と、前記液体ヘリウム槽内の液体ヘリウムを絞り膨張させて当該液体ヘリウムの温度を低下させ、当該温度が低下した液体ヘリウムと前記超流動ヘリウム槽内の超流動ヘリウムとの間で熱交換を行わせることにより当該超流動ヘリウムを冷却する超流動ヘリウム冷却器と、前記首管内に配置される電流リードであって、外部の電源と前記超電導マグネットとを電気的に接続するための導電体を含み、この導電体は金属材料により構成される第１導電部とこの第１導電部よりも低温側に位置して前記金属材料の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する酸化物超電導材料により構成される第２導電部とを有するものと、前記液体ヘリウム槽内に配置されて前記導電体の低温側端部と着脱可能に結合される接続端子を含み、この接続端子に結合された前記導電体を前記超電導マグネットに電気的に接続する電気接続部と、前記接続端子と前記冷却器において絞り膨張した低温のヘリウムとの間で熱交換を行わせることにより当該接続端子及びこれに結合される前記導電体の低温側端部を冷却する接続端子冷却部と、を備える。

このクライオスタットでは、前記電流リードに含まれる導電体のうちの第２導電部が第１導電部を構成する金属材料よりも熱伝導率の低い酸化物系超電導材料で構成されていることから、当該導電体を経由してクライオスタットの外部から電気接続部を経由して超流動ヘリウム槽へ熱が侵入することが有効に抑止される。しかも、前記接続端子冷却部は、前記電気接続部の接続端子と超流動ヘリウム冷却器で生成された低温のヘリウムとの熱交換によって前記接続端子及びこれに結合される前記導電体の低温側端部を冷却するため、従来はそのまま廃棄されていた低温のヘリウムが保有する冷熱を有効に利用することにより、前記熱侵入の更なる抑制を可能にするとともに、前記導電体の第２導電部を構成する酸化物系超電導材料を確実に超電導状態に保つことを可能にする。

具体的に、前記超流動ヘリウム冷却器は、液体ヘリウム槽内の液体ヘリウムを前記超流動ヘリウム槽の内部を経由してクライオスタットの外部に導出する形状の冷却用配管と、この冷却用配管の途中に設けられ、当該冷却用配管を流れる液体ヘリウムを絞り膨張させる膨張器と、を有し、前記冷却用配管は、前記超流動ヘリウム槽内に配置されて前記絞り膨張した後のヘリウムと前記超流動ヘリウム槽内の超流動ヘリウムとを熱交換させる超流動ヘリウム冷却用熱交換部と、この超流動ヘリウム冷却用熱交換部から前記液体ヘリウム槽内を通ってクライオスタットの外部に至る排気管部と、を有するものが、好適である。このような超流動ヘリウム冷却器を具備するクライオスタットでは、前記接続端子冷却部は、前記排気管部を流れるヘリウムと前記接続端子との間の熱交換を前記液体ヘリウム槽内で簡便に行うことが可能である。

例えば、この場合、前記接続端子冷却部は、前記排気管部の途中に設けられてこの排気管部を流れるヘリウムにより冷却される被冷却部と、この被冷却部と前記接続端子との間での熱伝導を可能にするように当該被冷却部と前記電気接続部とに連結される伝熱部材と、を有するだけの簡素な構造で前記ヘリウムの冷熱を利用した前記接続端子の冷却を実現することができる。

一方、前記電流リードは、前記首管内において前記導電体の少なくとも第１導電部を外側から覆うことにより当該第１導電部の周囲に蒸発ヘリウムガスの通路を形成するガスダクトを含むことが、好ましい。このガスダクトは、前記接続端子冷却部による導電体の低温側端部の冷却に加えて前記蒸発ヘリウムガスを利用した第１導電部の冷却を行うことにより、当該導電体を経路とする熱侵入のさらなる抑止を可能にする。

また、本発明に係るクライオスタットが前記液体ヘリウム槽及び前記超流動ヘリウム槽の外側を覆うように配置される熱シールド部材を有する場合、当該クライオスタットは、前記熱シールド部材と熱伝導可能となるように当該熱シールド部材に接続される状態で前記首管内に配置される熱シールド部材側受熱部をさらに備え、前記電流リードは、前記首管内で前記熱シールド部材側受熱部と接触することにより前記導電体から前記熱シールド部材側受熱部を介しての前記熱シールド部材への熱伝導を可能にする電流リード側熱伝導部を含むことが、好ましい。前記熱シールド部材側受熱部及び前記電流リード側熱伝導部は、前記導電体から前記熱シールド部材への熱伝導による熱の逃がしを可能にすることにより、当該導電体から電気接続部への熱の侵入をさらに有効に抑止することができる。

以上のように、本発明によれば、超流動ヘリウムにより超電導マグネットを保冷するとともに液体ヘリウムの絞り膨張により前記超流動ヘリウムの冷却が行われるクライオスタットであって、前記超電導マグネットと当該クライオスタットの外部の電源とを電流リードを介して常時接続しながら当該電流リードを経由する熱侵入を有効に抑止することが可能なものが提供される。

本発明の実施の形態に係るクライオスタットの断面図である。前記クライオスタットの要部を示す断面図である。前記クライオスタットにおける電気接続部の構造の詳細を示す断面図である。前記クライオスタットにおける接続端子冷却部の被冷却体及びこれに連結される伝熱部材の詳細を示す断面図である。前記クライオスタットにおける熱シールド板側受熱部と電流リード側熱伝導部との接続構造を示す断面図である。前記接続構造の変形例を示す断面正面図である。

本発明の好ましい実施の形態を、図１を参照しながら説明する。

図１は、この実施の形態に係るクライオスタットを示す。このクライオスタットは、真空容器１０と、液体ヘリウム槽１２と、超流動ヘリウム槽１４と、低温側熱シールド板１６と、高温側熱シールド板１８と、を備える。

前記液体ヘリウム槽１２は、大気圧飽和常流動ヘリウム（以下、単に液体ヘリウムと称する。）２を貯留する。図１には示されないが、前記液体ヘリウム槽１２の上端からは前記真空容器１０の上部を貫いて上方に複数の首管が延び、そのうちの少なくとも一部の首管を通じて液体ヘリウム槽１２内に適宜液体ヘリウムが補給される。この首管の上端は、前記液体ヘリウムの補給時以外は、通常蓋により塞がれる。

前記超流動ヘリウム槽１４は、後述のように生成される超流動ヘリウム４を貯留する。この超流動ヘリウム槽１４内には前記超流動ヘリウム４とともに冷却対象である超電導マグネット６が収容される。

前記液体ヘリウム槽１２は、前記超流動ヘリウム槽１４の直上方に配置され、この液体ヘリウム槽１２の底面と超流動ヘリウム槽１４との間にセパレータ１３が介在している。このセパレータ１３は、両槽１２，１４を連通する連通路である安全弁通路を形成するとともに、当該安全弁通路を開閉する安全弁１５を具備する。この安全弁１５は、例えば超電導マグネット６がクエンチして超流動ヘリウム槽１４の内圧が急上昇したときに開弁することにより当該内圧を開放する。

前記熱シールド板１６，１８は、前記真空容器１０内で前記両槽１２，１４を覆うように配置され、輻射による熱侵入を抑止する。このうち高温側熱シールド板１８は低温側熱シールド板１６の外側に配置され、当該高温側熱シールド板１８の外周には保冷用の液体窒素を収容する液体窒素槽１７が形成されている。これらの熱シールド板１６，１８は前記液体ヘリウム槽１２とともに冷凍機によって保冷されてもよい。

このクライオスタットは、さらに、前記超流動ヘリウム槽１４内の超流動ヘリウム４を冷却するための超流動ヘリウム冷却器を備える。この超流動ヘリウム冷却器は、前記液体ヘリウム１２槽内の液体ヘリウム２を絞り膨張させてそのＪＴ（ジュールトムソン）効果により当該液体ヘリウムの温度を低下させ、この低温の液体ヘリウムと前記超流動ヘリウム１４槽内の超流動ヘリウム４との間で熱交換を行わせることにより前記低温の液体ヘリウムを蒸発させて当該超流動ヘリウム４から熱を奪い、これによって当該超流動ヘリウム４を冷却する。

具体的に、この実施の形態に係る超流動ヘリウム冷却器は、前記液体ヘリウム槽１２内の液体ヘリウム２を外部に吸引するための冷却用配管２０と、その途中で前記液体ヘリウム２を絞り膨張させるための膨張器であるＪＴ弁２８と、を備える。

前記冷却用配管２０は、前記液体ヘリウム槽１２の下部に配置される上流端と、図略の排気ポンプに接続される下流端と、有する。この冷却用配管２０は、その上流端から順に、上流管部２２、超流動ヘリウム冷却用の熱交換部２４、及び排気管部２６により構成される。

前記上流管部２２は前記上流端から前記超流動ヘリウム槽１４の上部に至るまでの部分であって、その途中に前記ＪＴ弁２８が設けられている。前記熱交換部２４は前記超流動ヘリウム槽１４内の上部に位置し、前記ＪＴ弁２８での絞り膨張により液体ヘリウム２よりも低温となった液体ヘリウムは前記熱交換部２４において超流動ヘリウム槽１４内の超流動ヘリウム４と熱交換することにより蒸発して当該超流動ヘリウム４を冷却する。

前記排気管部２６は前記熱交換部２４で超流動ヘリウム４と熱交換して蒸発した後の低温のヘリウムガスをクライオスタットの外部に導出するためのもので、前記熱交換部２４の下流端から前記液体ヘリウム槽１２を貫くようにして上方に延び、真空容器１０の外部に至る。

このクライオスタットにおける初期の超流動ヘリウム４の生成は、次のとおり、従来のクライオスタットと同様にして行われる。まず、超流動ヘリウム槽１４及び液体ヘリウム槽１２内に液体ヘリウムが導入された状態で図略の排気ポンプが作動することにより液体ヘリウム槽１２内の液体ヘリウム２が冷却用配管２０を通じて吸引される。この液体ヘリウム２はＪＴ弁２８で絞り膨張し、熱交換部２４において超流動ヘリウム槽１４内の液体ヘリウムと熱交換することにより当該液体ヘリウムを冷却する。このようにして、初期に超流動ヘリウム槽１４を満たしていた大気圧飽和液体ヘリウムは、前記熱交換部２４における熱交換で冷却されることにより、大気圧を保持したまま同槽１４内で超流動ヘリウム４に変態する。この超流動ヘリウム４は超流動ヘリウム槽１４内の超電導マグネット６の保冷に寄与する。

このクライオスタットにおいて、前記超電導マグネット６は、超電導状態においてクライオスタットの外部に設置された電源からの給電を受けて駆動し、高強度の磁場を生成する。そして、この超電導マグネット６に前記の電源から電流を供給するための手段として、当該クライオスタットは、図２に示すような電流リード３０と、電気接続部４０と、接続端子冷却部５０と、を備える。

前記電流リード３０は、前記の複数の首管のうち図２に示される特定の首管１９に挿脱可能に挿入されるものであり、一対の導電体３２とガスダクト３４とを有する。

前記導電体３２は、前記電気接続部４０を介して前記超電導マグネット６と前記電源とを電気的に接続するためのものであって、前記首管１９に沿う方向（図の上下方向）に延びるブスバーにより構成される。各導電体３２は、第１導電部３５と、この第１導電部３５よりも低温側に位置する第２導電部３６と、低温側端部（すなわち下端部）である雄端子部３８と、を順に有する。

前記第１導電部３５は、例えば銅または銅合金のように導電性に優れた金属材料により構成され、前記導電体３２の主要部分を占める。具体的に、第１導電部３５は、前記導電体３２のうち図２に示すように電流リード３０が首管１９内に完全に挿入された状態で前記首管１９内に位置する部分のほぼ全体を占める。この第１導電部３５の上端部は当該状態において前記首管１９の上端よりも上側に突出して前記電源に接続される電源接続端部を構成する。この第１導電部３５の断面形状は円、矩形など、自由に設定可能である。また、後述する蒸発ヘリウムガスとの熱交換を促進するために第１導電部３５にその表面積を増加させるためのフィンが形成されてもよい。

前記第２導電部３６は当該金属材料の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する酸化物超電導材料、例えばイットリウム系やビスマス系の酸化物系超電導材料により構成され、その転移温度以下の温度領域において超電導状態を維持する。第２導電部３６は、図２に示す状態では前記導電体３２のうち前記首管１９よりも下側の液体ヘリウム槽１２の本体部分の上部に位置する部分、すなわち液体ヘリウム２の液面に近い領域の部分を占める。

前記雄端子部３８は、前記第１導電部３５と同じく導電性に優れた金属材料により構成され、通常のコネクタの雄端子と同様の形状を有する。本発明では、これとは逆に、導電体の低温側端部が雌端子を構成して電気接続部の接続端子が雄端子であってもよい。

前記ガスダクト３４は、前記首管１０内において前記両導電体３２を外側から覆う筒状をなし、当該ガスダクト３４の内周面と前記各導電体３２の外表面との間にヘリウムガス通路、すなわち、液体ヘリウム槽１２内に収容された液体ヘリウム２が蒸発してなるヘリウムガスが前記各導電体３２のすぐ外側で上昇するのを許容する通路、を形成する。このヘリウムガス通路の形成は、蒸発ヘリウムガスによる各導電体３２の冷却を促進する。当該ガスダクト３４の上端には、上昇した蒸発ヘリウムガスを排出するための排出管３７が形成されている。

前記電気接続部４０は、前記電流リード３０の各導電体３２と前記超電導マグネット６との間に介在して前記電源から前記超電導マグネット６に至る給電経路を完成するものであり、端子支持板４２と、一対の雌端子４４と、一対の接続用配線４６と、を有する。

前記端子支持板４２は、前記液体ヘリウム槽１２内に水平な姿勢で配置され、前記各雌端子４４を支持する。この端子支持板４２は、前記液体ヘリウム槽１２において前記液体ヘリウム２の液面よりも上方に位置するように当該液体ヘリウム槽１２に支持される。好ましくは当該液体ヘリウム槽１２の底壁上に立設される図略の複数の柱によって支持される。この端子支持板４２の材質は、高い電気絶縁性と高い熱伝導率を併有するものが好ましく、例えばサファイヤやアルミナ焼結体といった酸化アルミニウムが好適である。

前記各雌端子４４は、図３に示すように前記各導電体３２の低温側端部である雄端子部３８と嵌合可能な形状を有する接続端子であり、これらの雄端子部３８の配列に対応する配列で前記端子支持板４２上に上向きの姿勢で固定されている。従って、前記各導電体３２の雄端子部３８は、当該導電体３２を含む電流リード３０の前記首管１９内への下向きの挿入に伴い、その挿入方向にそのまま前記各雌端子４４と嵌合することが可能であり、この嵌合が完了する位置が前記電流リード３０の挿入完了位置に相当する。

前記各接続用配線４６は、好ましくは超電導線材により構成され、前記各雌端子４４と前記超電導マグネット６を構成する超電導コイルの両端とをそれぞれ接続するように配線される。具体的に、各接続用配線４６は、前記各雌端子４４から液体ヘリウム２の底壁を通ってその下方に導出され、さらに超流動ヘリウム槽１４内の超電導マグネット６に導かれるように配線されている。

前記接続端子冷却部５０は、前記各雌端子４４と前記ＪＴ弁２８で絞り膨張した低温のヘリウムとの間で熱交換を行わせることにより当該雌端子４４及びこれに結合される前記導電体３２の雄端子部３８を冷却するものであり、図４に示される被冷却部５２及び伝熱板５４を有する。

被冷却部５２は、前記超流動ヘリウム冷却器を構成する冷却用配管２０の排気管部２６の途中部分、具体的には液体ヘリウム槽１２内において前記端子支持板４２と略同じ高さに位置する部分、に設けられ、この排気管部２６を流れる低温のヘリウムにより冷却される。具体的に、図４に示される被冷却部５２は、被冷却体５６と、これを収容する被冷却体容器５８とを有する。

前記被冷却体５６は、前記低温ヘリウムとの接触により効率よく冷却される材質及び構造を有することが好ましく、例えば複数枚の銅製のメッシュが積層された積層体により構成される。前記被冷却体容器５８は、底壁５８ａと、その周縁から上向きに筒状に延びる周壁５８ｂと、を一体に有し、前記底壁５８ａ上でかつ前記周壁５８ｂの内側に前記被冷却体５６を収容する空間を形成する。また、底壁５８ａの外周部は、前記周壁５８ｂの外周面からさらに径方向の外側に突出するフランジ部５８ｃを構成する。

この実施の形態に係る排気管部２６は図４に示すように上側配管２６ａと下側配管２６ｂとに分割されており、これらの配管２６ａ，２６ｂ同士の間に前記被冷却体容器５８が介在している。具体的に、前記上側配管２６ａの下端は前記被冷却体容器５８における周壁５８ｂの上端に結合され、前記下側配管２６ｂの上端は当該被冷却体容器５８の底壁５８ａの下面に結合されている。また、当該底壁５８ａには、前記低温ヘリウムの上向きの流通を許容して前記被冷却体５６を通過させるための多数の通気孔が設けられている。

前記伝熱板５４は、前記被冷却部５２と前記雌端子４４との間での熱伝導を可能にするように当該被冷却部５２と前記電気接続部４０とに連結される伝熱部材を構成する。具体的に、当該伝熱板５４の一方の端部は図３に示す端子支持板４２の下面に接合され、他方の端部は図４に示すフランジ部５８ｃ、すなわち、前記被冷却体容器５８の底壁５８ａのうち周壁５８ｂの外周面及び下側配管２６ｂの外周面よりも径方向外側に突出する部分、の下面に接合される。電気接続部４０においては、好ましくは、前記伝熱板５４の下面にこれを覆うようにして図３に示すような絶縁板４８が固定される。

このクライオスタットでは、電流リード３０に含まれる導電体３２のうちの第２導電部３６が第１導電部３５を構成する金属材料よりも熱伝導率の低い酸化物系超電導材料で構成されていることから、当該導電体３２を経由してクライオスタットの外部から電気接続部４０への熱の侵入が有効に抑止される。

その一方、接続端子冷却部５０が前記電気接続部４０の雌端子４４と超流動ヘリウム冷却器で生成された低温のヘリウムとの間で熱交換を行わせることにより前記雌端子及びこれに結合される前記導電体３２の低温側端部すなわち雄端子部３８を冷却するから、従来はそのまま廃棄されていた低温のヘリウムが保有する冷熱を有効に利用することにより、前記熱侵入のさらなる抑制が可能になるとともに、前記導電体の第２導電部３６を構成する酸化物系超電導材料がその転移温度よりも十分に低い温度領域（例えば４Ｋ〜１０Ｋ）に確実に保つことができ、その超電導状態を維持することができる。

例えば、図１及び図２に示されるようなクライオスタットにおいて、前記導電体３２の低温側部分を酸化物系超電導材料で構成したときに熱侵入を０．６Ｗ程度まで抑えられるとした場合、これに前記接続端子冷却部５０を加えることによって当該熱侵入を０．２Ｗ程度まで低減させることが可能である。

さらに、この実施の形態では、前記超流動ヘリウム冷却器が液体ヘリウム槽１２内を通る排気管部２６を有することから、前記接続端子冷却部５０は、同じ液体ヘリウム槽１２内に位置する排気管部２６と電気接続部４０とを接続することにより、前記排気管部２６を流れる低温ヘリウムと前記雌端子４４との間の熱交換を前記液体ヘリウム槽１２内で簡便に行うことができる。

本発明に係る接続端子冷却部の構成は前記のものに限られない。より簡易な構造として、例えば、前記排気管部２６の管壁の一部が伝熱材で構成されてこの伝熱材の外周部と電気接続部４０とに前記伝熱板５４の端部がそれぞれ連結されたものでもよい。

一方、前記電流リード３０では、ガスダクト３４が両導電体３２を外側から覆うように配置されて当該両導電体３２の周囲にヘリウムガス通路、すなわち、液体ヘリウム槽１２内の液体ヘリウム２が蒸発したヘリウムガスが流れる通路を形成することにより、当該ヘリウムガスと各導電体３２とを効率よく接触させて当該導電体３２（特に第１導電部３５）を冷却することにより、当該導電体３２を経路とする熱侵入をより有効に抑止することができる。

また、図２〜図４には示されていないが、前記のように液体ヘリウム槽１２及び超流動ヘリウム槽１４の外側を覆うように配置される熱シールド部材（図１では低温側熱シールド板１６及び高温熱シールド板１８）を有するクライオスタットにおいては、前記第１導電部３５の適当な部位と前記熱シールド部材（例えば低温側熱シールド板１６）とを熱伝導可能に接続して当該第１導電部３５の熱を当該熱シールド部材に逃がすことによって、前記の熱侵入効果をさらに高めることが可能である。

図５は、当該熱伝導を可能にするための構造の例を示す。この構造では、前記図２に示す電流リード３０が導電体保持部材及びこれを支持する支持部材を有する一方、熱シールド部材（図５では低温側熱シールド板１６）に熱シールド板側受熱部が接続されている。

前記熱シールド板受熱部は、前記低温側熱シールド板１６と熱伝導可能となるように当該熱シールド板１６に接続される状態で前記首管１９内に配置されるものであり、図５に示す例では伝熱板６８により構成される。この伝熱板６８は、銅系材料などの高い熱伝導率を有する材料によりその中央に貫通穴６９を囲むドーナツ板状に形成され、前記首管１９の途中部分に水平な姿勢で固定されている。前記首管１９は前記伝熱板６８を境として上側管１９ａと下側管１９ｂとに分割され、上側管１９ａの下端が前記伝熱板６８の上面に接合され、下側管１９ｂの上端が伝熱板６８の下面に接合されている。また、前記貫通穴６９は、前記首管１９の内径よりも小さくかつ前記電流リード３０の外径よりも大きな直径（すなわち電流リード３０が挿通可能な直径）を有している。

前記導電体保持部材は、両導電体３２の間に介在する中間ブロック６０と両導電体３２の両外側に配置される外側ブロック６２とを有し、各ブロック６０，６２は高い電気絶縁性と高い熱伝導性を併有する材料、例えば前記のサファイヤやアルミナ焼結体といった酸化アルミニウムにより構成されている。各ブロック６０，６２は、好ましくは各導電体３２の幅寸法（図５では奥行き方向の寸法）よりも大きな幅寸法を有し、互いに隣接するブロックの幅方向の端部同士の間にそれぞれ蒸発ヘリウムガスの通路が形成される。

前記支持部材は、一対の挟持板６４及び連結板６６を有する。挟持板６４は前記中間ブロック６０及び両外側ブロック６２を挟持するようにこれらブロック６０，６２の両外側に配置されて互いに締結される。前記連結板６６は、前記各挟持板６４から両外側に延び、その外側端部が前記伝熱板６８の内周縁に載せられた状態でボルト等により締結される。当該連結板６６には、好ましくは、ガスダクト３４内を上昇する蒸発ヘリウムガスの流通を許容する多数の通気孔６７が設けられる。前記連結板６６及び前記挟持板６４は熱伝導性の高い金属材料で構成されることが可能である。前記ガスダクト３４は、前記連結板６６を境に上側ガスダクト３４ａと下側ガスダクト３４ｂとに分割されている。

この構造は、前記両導電体３２から両外側ブロック６２、両挟持板６４、両連結板６６及び伝熱板６８を経由して低温側熱シールド板１６に至る熱伝導を許容することにより、当該導電体３２の熱を有効に低温側熱シールド板１６に逃がすことができる。また、電流リード側熱伝導部である連結板６６と熱シールド部材側受熱部である伝熱板６８とを上下に切り離すことで、電流リード３０全体を首管１９内から容易に抜き出すことが可能である。

この電流リード３０の抜き出しは、図６に示すような構造によってさらに容易化される。この構造では、熱シールド部材側受熱部として、前記伝熱板６６の内周縁に円筒状の受熱管７０が上下を向く姿勢で接合される一方、電流リード側熱伝導部として、前記連結板６６の外周縁に同じく円筒状の熱伝導リング７２が上下を向く姿勢で接合されている。換言すれば、前記連結板６４は、前記挟持板８２と前記熱伝導リング７２との間に介在して両者を径方向に連結する。

前記熱伝導リング７２の外周面の直径（外径）は前記受熱管７０の内周面の直径（内径）よりも僅かに大きく設定され、当該熱伝導リング７２の径方向の圧縮弾性変形を伴いながら当該熱伝導リング７２が前記受熱管７０内に挿入されることにより、当該熱伝導リング７２の弾発力でその外周面が前記受熱管７０の内周面に接触して熱伝導経路を形成する。熱伝導リング７２は、その径方向の弾性圧縮変形を容易にするための構造、例えば径方向に弾性的に撓み可能な複数枚のルーバーが周方向に配置されて各ルーバーの外側端部が撓み変形しながら受熱管７０の内周面に接触する構造、を有するのが好ましい。

図６に示される構造では、熱伝導リング７２を受熱管７０からそのまま上向きに抜き取ることにより、両導電体３２を含む電流リード３０全体を首管１９から容易に取り出してそのメンテナンス作業または交換作業を遂行することができる。

２液体ヘリウム
４超流動ヘリウム
６超電導マグネット
１２液体ヘリウム槽
１４超流動ヘリウム槽
１６低温側熱シールド板
１９首管
２０冷却用配管
２２上流管部
２４熱交換部
２６排気管部
２８ＪＴ弁（膨張器）
３０電流リード
３２導電体
３４ガスダクト
３５第１導電部
３６第２導電部
３８雄端子部（低温側端部）
４０電気接続部
４２端子支持板
４４雌端子（接続端子）
４６接続用配線
５０接続端子冷却部
５２被冷却部
５４伝熱板
６６連結板（電流リード側熱伝導部）
６８伝熱板（熱シールド部材側受熱部）
７０受熱管（熱シールド部材側受熱部）
７２熱伝導リング（電流リード側熱伝導部）

Claims

クライオスタットであって、
液体ヘリウムを貯留するとともに、当該液体ヘリウムが蒸発したヘリウムガスが上昇可能な首管を有する液体ヘリウム槽と、
超流動ヘリウムを貯留するとともにこの超流動ヘリウムにより保冷される超電導マグネットを収容する超流動ヘリウム槽と、
前記液体ヘリウム槽内の液体ヘリウムを絞り膨張させて当該液体ヘリウムの温度を低下させ、当該温度が低下した液体ヘリウムと前記超流動ヘリウム槽内の超流動ヘリウムとの間で熱交換を行わせて当該超流動ヘリウムを冷却する超流動ヘリウム冷却器と、
前記首管内に配置される電流リードであって、外部の電源と前記超電導マグネットとを電気的に接続するための導電体を含み、この導電体は金属材料により構成される第１導電部とこの第１導電部よりも低温側に位置して前記金属材料の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する酸化物超電導材料により構成される第２導電部とを有するものと、
前記液体ヘリウム槽内に配置されて前記導電体の低温側端部と着脱可能に結合される接続端子を含み、この接続端子に結合された前記導電体を前記超電導マグネットに電気的に接続する電気接続部と、
前記接続端子と前記冷却器において絞り膨張した低温のヘリウムとの間で熱交換を行わせることにより当該接続端子及びこれに結合される前記導電体の低温側端部を冷却する接続端子冷却部と、を備える、クライオスタット。
請求項１記載のクライオスタットであって、前記超流動ヘリウム冷却器は、液体ヘリウム槽内の液体ヘリウムを前記超流動ヘリウム槽の内部を経由してクライオスタットの外部に導出する形状の冷却用配管と、この冷却用配管の途中に設けられ、当該冷却用配管を流れる液体ヘリウムを絞り膨張させる膨張器と、を有し、前記冷却用配管は、前記超流動ヘリウム槽内に配置されて前記絞り膨張した後のヘリウムと前記超流動ヘリウム槽内の超流動ヘリウムとを熱交換させる超流動ヘリウム冷却用熱交換部と、この超流動ヘリウム冷却用熱交換部から前記液体ヘリウム槽内を通ってクライオスタットの外部に至る排気管部と、を有し、前記接続端子冷却部は、前記排気管部を流れるヘリウムと前記接続端子との間の熱交換を前記液体ヘリウム槽内で行う、クライオスタット。
請求項２記載のクライオスタットであって、前記接続端子冷却部は、前記排気管部の途中に設けられてこの排気管部を流れるヘリウムにより冷却される被冷却部と、この被冷却部と前記接続端子との間での熱伝導を可能にするように当該被冷却部と前記電気接続部とに連結される伝熱部材と、を有する、クライオスタット。
請求項１〜３のいずれかに記載のクライオスタットであって、前記電流リードは、前記首管内において前記導電体の少なくとも第１導電部を外側から覆うことにより当該第１導電部の周囲に前記液体ヘリウムが蒸発したヘリウムガスが流れるヘリウムガス通路を形成するガスダクトを含む、クライオスタット。
請求項１〜４のいずれかに記載のクライオスタットであって、前記液体ヘリウム槽及び前記超流動ヘリウム槽の外側を覆うように配置される熱シールド部材と、前記熱シールド部材と熱伝導可能となるように当該熱シールド部材に接続される状態で前記首管内に配置される熱シールド部材側受熱部と、をさらに備え、前記電流リードは、前記首管内で前記熱シールド部材側受熱部と接触することにより前記導電体から前記熱シールド部材側受熱部を介しての前記熱シールド部材への熱伝導を可能にする電流リード側熱伝導部を含む、クライオスタット。