JP6559462B2 - 極低温容器および超電導磁石装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、極低温冷凍機を用いた極低温容器および超電導磁石装置に関する。

近年、超電導磁石の冷却手段として、極低温冷媒を用いた冷却装置に代わり、極低温冷媒を使用しないで、極低温冷凍機を用いた冷却装置が主流となっている。従来の極低温冷凍機を用いた極低温容器、特に被冷却体として超電導コイルを冷却する超電導磁石装置は、極低温冷媒による冷却と比較し、極低温冷凍機の運転のみで超電導磁石の冷却を行なうことができるため、医療用、工業用、研究用への応用が進んでいる。

極低温冷凍機を用いた冷却装置は、極低温の液体冷媒を不要とし、冷却体の熱容量を極小に抑えることができるため、極低温冷凍機の異常停止時に、被冷却体である超電導磁石は瞬時に温度上昇してしまう。中でも、金属系の超電導磁石では、４Ｋレベルの温度に冷却されており、金属部材の比熱が小さいため、温度上昇速度が大きい。

冷却系の極低温冷凍機の異常時には、極低温容器への僅かな熱侵入量でも、被冷却体である超電導体の臨界温度までの時間が短く、超電導コイルは超電導状態（マイスナー効果）を維持することができる臨界温度以上となってクエンチが発生し、超電導コイルは超電導状態を維持できなくなる。

特に、極低温冷凍機は、運転停止中には、冷凍機構成部材が極低温容器内に熱伝導による熱侵入発生要因の熱侵入助長部材となってしまう。

一方、極低温冷凍機の異常時以外でも、冷凍機メンテナンス時には、極低温冷凍機の運転を停止させる必要がある。極低温冷凍機は、通常被冷却体である超電導コイルと熱電導率の高い伝熱部材で熱的に結合されているため、極低温冷凍機の運転を停止させてから室温まで温度上昇させるまでに数日レベルの日数を要する。

また、極低温冷凍機は、極低温冷凍機による冷却に比較して冷凍能力が小さく、室温から所定の冷却温度までの初期冷却時間が長くなってしまう。初期冷却時間を短くするためには、複数の冷凍機を使用し、冷凍能力を増強する方法があるが、複数台の冷凍機を使用して所定の冷却温度まで冷却した後は、冷凍機の台数分、消費電力が過剰となり、運転効率が悪くなる。

特開２００４−５５６４３号公報 特開２００２−２０８５１１号公報 特開２０１３−１３０３３６号公報

超電導磁石の冷却手段として伝導冷却方式の超電導磁石は、極低温冷凍機の運転のみで被冷却体である超電導磁石の冷却を行なうことができ、冷媒冷却方式の超電導磁石と比較し、極低温の液冷媒が不要となり、極低温冷媒の蒸発（消費）の心配や再充填が不要となり、操作が簡便になるメリットがある。

そのメリットの反面、極低温冷凍機と超電導磁石との熱的結合は、熱伝導率の高い伝熱部材で熱的リンクされているため、メンテナンス時の冷凍機の室温までの上昇問題や初期冷却期間が長い等の課題がある。これらの課題は、極低温冷凍機と超電導磁石との熱的リンクを切り離したり、接続することが可能な熱スイッチを設けることで解決される。

熱スイッチには、熱スイッチＯＮ時の低熱抵抗による極低温冷凍機の急速な立上げ、スイッチＯＦＦ時には高熱抵抗により熱侵入源を小さくすることが求められる。４Ｋレベルの極低温の冷却が求められる極低温容器や超電導磁石装置には、冷凍能力や熱侵入量が小さく、熱的設計が厳しいため、良好な特性の熱スイッチが強く求められている。

本発明の実施形態は、上述した事情を考慮してなされたもので、冷凍機コールドヘッド冷却部と被冷却体の一部との熱的リンクを、冷凍機の駆動時に繋いで低熱抵抗を維持し、冷凍機停止時に切り離して高熱抵抗を保ち、熱的設計の自由度を向上させた極低温容器および超電導磁石装置を提供することを目的とする。

本実施形態に係る極低温容器は、上述した課題を解決するために、被冷却体を内部に格納する断熱真空容器と、この断熱真空容器に設置された冷凍機を構成する冷凍機コールドヘッドと、前記冷凍機の駆動状態の有無を検知する給電検出リレーとを有し、前記冷凍機コールドヘッドは前記断熱真空容器内にコールドヘッド冷却部が延設されており、前記冷凍機コールドヘッドは、前記断熱真空容器外の大気圧力と前記断熱真空容器内の真空との差圧によって、前記コールドヘッド冷却部が前記被冷却体の一部に所定の面圧にて押圧接触されて接触部が構成され、前記冷凍機コールドヘッドは、前記給電検出リレーにより前記冷凍機が駆動していないことを検知した場合、前記コールドヘッド冷却部が前記被冷却体の一部から切り離されて前記被冷却体を独立した非接触状態に保持することを特徴とする極低温容器を提供するものである。

また、本実施形態に係る極低温容器は、断熱真空容器内に冷凍機と主冷凍機とが備えられ、前記断熱真空容器内に設けられた輻射シールド容器内に被冷却体が格納され、前記主冷凍機は前記被冷却体を常時冷却するように伝熱板に設置され、前記冷凍機の駆動状態の有無を検知する給電検出リレーが前記断熱真空容器外に設けられ、前記冷凍機は冷凍機コールドヘッドが前記断熱真空容器内に延びるコールドヘッド冷却部を被冷却体の一部に、離接可能に接触させる接触部が構成され、前記冷凍機コールドヘッドの接触部は、前記断熱真空容器外の大気圧力と前記断熱真空容器内の真空との差圧によって、前記コールドヘッド冷却部が前記被冷却体の一部に所定の面圧にて押圧接触され、前記冷凍機コールドヘッドは、前記給電検出リレーにより前記冷凍機が駆動していないことを検知した場合、前記冷凍機停止時に前記コールドヘッド冷却部が被冷却体の一部から切り離され、前記被冷却体の一部を非接触状態に保持させることを特徴とする極低温容器を提供するものである。

さらに、本実施形態に係る超電導磁石装置は、請求項１１または１２に記載の極低温容器において、前記被冷却体として超電導コイルを断熱真空容器内の輻射シールド容器に格納したことを特徴とする超電導磁石装置を提供するものである。

本発明では、冷凍機コールドヘッド冷却部と被冷却体の一部との熱的リンクを、冷凍機の駆動時に繋いで低熱抵抗に維持し、冷凍機停止時に切り離して高熱抵抗に保ち、熱的設計の自由度を向上させた極低温容器および超電導磁石装置を提供することができる。

熱スイッチＯＮ時の極低温容器または超電導磁石装置の第１実施形態の構成を示す図。 熱スイッチＯＦＦ時の極低温容器または超電導磁石装置の第１実施形態の構成を示す図。 熱スイッチＯＮ時の極低温容器または超電導磁石装置の第２実施形態の構成を示す図。 熱スイッチＯＦＦ時の極低温容器または超電導磁石装置の第２実施形態の構成を示す図。 熱スイッチＯＮ時の極低温容器または超電導磁石装置の第３実施形態の構成を示す図。 熱スイッチＯＦＦ時の極低温容器または超電導磁石装置の第３実施形態の構成を示す図。 熱スイッチＯＮ時の極低温容器または超電導磁石装置の第４実施形態の構成を示す図。 熱スイッチＯＦＦ時の極低温容器または超電導磁石装置の第４実施形態の構成を示す図。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。

本実施形態は、極低温冷凍機を用いて被冷却体を極低温に冷却する極低温容器または超電導磁石装置に関する。極低温冷凍機で被冷却体を冷却する極低温容器は、液体ヘリウム等の極低温液冷媒を使用せずに極低温環境を実現することができる。極低温冷凍機の運転のみで極低温環境を実現できる手軽さから、磁気浮上列車やＭＲＩ装置等の工業用、医療用、研究用に広く応用されている。

［第１実施形態］
図１および図２は、極低温容器または超電導磁石装置の第１実施形態を示す概略構成図である。極低温容器１０は、クライオスタットとしてのボックス状の断熱真空容器１１を有する。断熱真空容器１１は、内部を真空状態に保持することができ、図示しない真空ポンプにより真空排気される。断熱真空容器１１内に極低温冷却環境下で動作される被冷却体１２が格納される。被冷却体１２には、例えば、超電導コイル、超電導素子、ＳＱＵＩＤ（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ＱＵａｎｔｕｍ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｄｅｖｉｃｅ）応用機器や極低温環境を利用する機器が含まれる。

断熱真空容器１１には、極低温冷凍機１４を構成する冷凍機コールドヘッド１５が設置される。冷凍機コールドヘッド１５は、その駆動手段や断熱真空容器１１外のコンプレッサとともに極低温冷凍機１４を構成しており、極低温冷凍機１４は冷凍機冷却型超電導マグネットに一般的に用いられているＧＭ（Ｇｉｆｆｏｒｄ−ＭｃＭａｈｏｎ）型冷凍機である。冷凍機コールドヘッド１５は、断熱真空容器１１の容器蓋１６上にベローズ１７を介して昇降可能な設置台１８に設けられている。ベローズ１７は断熱真空容器１１内を真空状態に保つ仕切壁（真空容器隔壁）を構成しており、断熱真空容器１１を容器外の大気圧力と容器内の真空とに仕切っている。

また、冷凍機コールドヘッド１５は、駆動ケーブル２０を介して駆動電流源２１に接続されており、駆動電流源２１からの駆動電流により冷凍機コールドヘッド１５が駆動される。駆動ケーブル２０には給電検出リレー２２が設けられ、この給電検出リレー２２により極低温冷凍機１４の駆動状態の有無が検知される。給電検出リレー２２は断熱真空容器１１上に設けられたコールドヘッド上下制御モータ２３のモータ作動を制御している。

一方、断熱真空容器１１上に設置された冷凍機コールドヘッド１５は、冷却ステージを構成するコールドヘッド冷却部２５が断熱真空容器１１内に延びて終端している。コールドヘッド冷却部２５は熱スイッチ２６により伝熱板２７と熱接触可能に設けられ、熱的リンクにより熱結合を構成している。熱スイッチ２６の接触部はコールドヘッド冷却部２５を伝熱板２７に熱接触させる機械式あるいは接触式熱スイッチを構成している。伝熱板２７は熱伝導率の高い金属材料、例えば銅、アルミニウム等で製作される。伝熱板２７は被冷却体１２と一体に形成され、被冷却体１２の一部を構成している。極低温冷凍機１４は、冷凍機コールドヘッド１５のコールドヘッド冷却部２５から熱スイッチ２６および伝熱板２７を介して被冷却体１２を極低温、例えば４Ｋに冷却し、被冷却体１２を断熱真空容器１１内で真空状態で極低温に保持している。

ところで、極低温冷凍機１４の駆動状態は給電検出リレー２２で検知され、駆動時にはコールドヘッド上下制御モータ２３により冷凍機コールドヘッド１５を下げて、コールドヘッド冷却部２５が伝熱板２７と熱的リンクを構成して熱接触し、熱結合させるようになっている。このとき、熱スイッチ２６がＯＮ状態に保たれる（図１）。断熱真空容器１１は容器外に作用する大気圧力と容器内の真空との差圧により、冷凍機コールドヘッド１５は図１の下向きの押圧力が作用し、コールドヘッド冷却部２５が伝熱板２７を下向きに押圧接触させる。これにより、熱スイッチ２６の接触部に面圧がかけられ、接触面積を大きくして熱抵抗の低減が図られる。

一方、断熱真空容器１１内を気密に保ち伸縮するベローズ１７は、ばね的な弾力機能を持ち、大気圧力に抗する上向きの力を冷凍機コールドヘッド１５に作用させるので、熱スイッチ２６の接触部に作用する面圧をコントロールすることができる。

また、図２は、熱スイッチ２６がＯＦＦ時における極低温容器１０または超電導磁石装置の構成を示す。停電等により極低温冷凍機１４が停止し、非駆動状態にあるときは、給電検出リレー２２により、極低温冷凍機１４が駆動していないことを検知し、コールドヘッド上下制御モータ２３により冷凍機コールドヘッド１５を押し上げて熱スイッチ２６の接触部を切り離し、コールドヘッド冷却部２５が伝熱板２７と非接触状態に保たれる。

具体的には、停電等が発生する極低温冷凍機１４の停止時には、極低温冷凍機１４が駆動していないことを給電検出リレー２２が検知してコールドヘッド上下制御モータ２３を駆動させ、カム機構２８をカム作動させる。カム機構２８のカム作動により設置台１８がガイドポスト２９に案内されて上昇し、冷凍機コールドヘッド１５は、その重力や断熱真空容器１１外の大気圧力と容器内の真空との下向きの差圧に抗して押し上げられる。極低温冷凍機１４の停止時には、コールドヘッド上下制御モータ２３およびカム機構２８は冷凍機コールドヘッド１５の上昇機構を構成している。冷凍機コールドヘッド１５の押上げにより、熱スイッチ２６はコールドヘッド冷却部２５が伝熱板２７から切り離されて非接触状態となる。コールドヘッド冷却部２５は伝熱板２７から離れて非接触状態となり、熱スイッチ２６はＯＦＦとなる。なお、コールドヘッド上下制御モータ２３の駆動により作動されるカム機構２８に代えて、流体シリンダ装置やエアシリンダ装置等の昇降装置を用いて設置台１８を昇降駆動させ、熱スイッチ２６をＯＮ／ＯＦＦ操作させるようにしてもよい。

［第１実施形態の作用］
極低温冷凍機１４が停止した際には、冷凍機の停止を給電検出リレー２２が検知してコールドヘッド上下制御モータ２３を駆動してカム機構２８等を作動させ、冷凍機コールドヘッド１５を持ち上げる。冷凍機コールドヘッド１５は上動してコールドヘッド冷却部２５が伝熱板２７から切り離されて上昇し、熱スイッチ２６はＯＦＦとなって非接触状態となる。熱スイッチ２６がＯＦＦとなって冷凍機コールドヘッド１５から被冷却体１２への熱リンクが解消され、熱結合が遮断されるので熱侵入を抑制することができる。熱スイッチ２６はＯＦＦとなってコールドヘッド冷却部２５が伝熱板２７から切り離されて非接触状態になると、冷凍機コールドヘッド１５から被冷却体１２への熱結合が解消される。被冷却体１２は断熱真空容器１１内で独立した非接触状態に保持され、被冷却体１２の温度上昇速度を低減させることができる。

被冷却体１２が図示しない巻枠に巻装された超電導コイルである場合には、極低温容器１０は超電導磁石装置を構成している。超電導磁石装置１０は熱スイッチ２６がＯＦＦとなってコールドヘッド冷却部２５が伝熱板２７から切り離され、冷凍機コールドヘッド１５は超電導コイル１２と熱的結合が遮断された非接触状態となる。このため、超電導磁石を構成する超電導コイル１２は比熱の小さい金属部材で構成され、熱容量が小さいが、コールドヘッド冷却部２５は伝熱板２７から熱的結合が遮断され、非接触状態で独立しているので、超電導コイル１２への熱侵入を抑制させることができる。したがって、超電導コイル１２が急速に臨界温度まで温度上昇するのを防止でき、超電導コイル１２がクエンチするのを防止したり、クエンチするまでの時間を遅らせることができる。

［第１実施形態の変形例］
第１実施形態の極低温容器１０または超電導磁石装置では、極低温冷凍機１４の駆動状態を常に給電検出リレー２２で検知して、この給電検出リレー２２によりコールドヘッド上下制御モータ２３を自動的に駆動制御し、熱スイッチ２６を自動でＯＮ／ＯＦＦ制御する例を示したが、熱スイッチ２６のＯＮ／ＯＦＦは手動操作で行なうようにしてもよい。手動操作で熱スイッチ２６をＯＮ／ＯＦＦ操作させても、断熱真空容器１１外の大気圧力と容器内の真空との差圧を利用して、熱スイッチ２６の接触部に面圧を作用させるので、この面圧によってコールドヘッド冷却部２５は被冷却体１２の一部（伝熱板２７）に押圧接触され、比熱抵抗を小さくすることができ、熱スイッチ接触部の熱抵抗低減効果を有効的に図ることができる。

また、図１および図２では、冷凍機コールドヘッド１５は単段のコールドヘッド冷却部（冷却ステージ）２５を備えた例を示したが、冷凍機コールドヘッドは複数段のコールドヘッド冷却部、例えば２段のコールドヘッド冷却部（冷却ステージ）を備える極低温冷凍機を用いてもよい。

さらに、第１実施形態では、極低温容器１０にベローズ１７を設けて真空容器仕切壁を形成した例を示したが、ベローズ１７に代えて冷凍機コールドヘッド１５をＯリング等の軸シールや稼動可能な気密機構を設けた構成により、断熱真空容器１１に冷凍機コールドヘッド１５を軸封して支持させる構成としてもよい。

加えて、熱スイッチ２６は、冷凍機コールドヘッド１５のコールドヘッド冷却部２５を被冷却体１２の一部（伝熱板２７）に熱接触（熱結合）させ、接触状態と非接触状態との間をコールドヘッド冷却部２５（または伝熱板２７）が移動自在（昇降自在）に支持された例を示した。そして、熱スイッチ２６の接触部は、互いに平面加工を施した接触面同士であれば、面形状の制約は基本的に受けない。熱スイッチ２６の接触部は接触面同士を互いに押圧接触させることで、平面度の差によるギャップによって生じる、真空中での単位面積当りの接触熱抵抗の増加を抑えることができる。

さらに、熱スイッチ２６の接触部における接触面同士を、研摩やミラー加工等の面粗さや平面性を向上させる加工、例えば鏡面仕上げ加工が施されていれば、接触熱抵抗の低減を図ることができる。その上、接触面の片面の面粗さを小さくした滑らかな研摩面とし、他方を意図的に面粗さを大きくした面とすることで、面同士を接触させたとき、実際に接触している接点の数が多くなり、接触熱抵抗を小さくさせることができる。

また、熱スイッチ２６は複数回のＯＮ／ＯＦＦ操作により、接触面同士の表面に加工硬化が生じ、接触熱抵抗が拡大してしまうのを低減させるために、接触面を局所的に加熱し、回復、再結晶化させて軟化させるアニール処理をすることで、接触熱抵抗の回復装置を構成することができ、再現性の良い熱スイッチ２６が得られる。

［第１実施形態の効果］
本実施形態においては、冷凍機コールドヘッドのコールドヘッド冷却部と被冷却体の一部との熱的リンクを、冷凍機の起動時に繋いで熱結合させ、低熱抵抗に維持し、冷凍機の停止時に熱的リンクを切り離して熱結合を解消し、非接触状態で高熱抵抗に保ち、被冷却体を断熱真空容器内の真空中で熱結合を遮断した独立した非接触状態に保持するので、熱的設計の自由度を向上させることができる。

また、熱スイッチＯＮ時には、冷凍機コールドヘッドのコールドヘッド冷却部と被冷却体の一部（伝熱板）との熱抵抗を小さくして冷凍機コールドヘッドの急速な立上げを図ることができ、熱スイッチＯＦＦ時にはコールドヘッド冷却部と被冷却体の一部（伝熱板）とを切り離し、非接触状態にして熱抵抗を大きくし、被冷却体への熱侵入量を小さくすることができる。

［第２実施形態］
次に、極低温容器および超電導磁石装置の第２実施形態を図３および図４を参照して説明する。

第２実施形態に係る極低温容器または超電導磁石装置を説明するに当り、第１実施形態に示された極低温容器１０または熱電導磁石装置と同じ構成には同一符号を付して、重複する説明を省略ないしは簡素化する。

第２実施形態の極低温容器１０Ａまたは超電導磁石装置は、熱スイッチ２６の被冷却体１２側にばね・変位機構３０が設けられる。ばね・変位機構３０は熱伝導性に優れた伝熱板２７に設けられ、ガイドポストに案内されるコイルスプリングが伝熱板２７と冷凍機コールドヘッド１５のコールドヘッド冷却部２５との間に介装されて熱接触している。超電導磁石装置は、極低温容器１０内に収納される被冷却体として超電導コイルを設置したものである。

ばね・変位機構３０に伝熱の効果が充分でなく、期待できない場合には、図３および図４に示すように、フレキシブルな伝熱プレート３３を被冷却体１２の一部を構成する伝熱板２７上に設ける。フレキシブルな伝熱プレート３３はばね・変位機構３０のばね力により冷凍機コールドヘッド１５のコールドヘッド冷却部２５側に押圧されて熱スイッチ２６の接触部を構成している。この熱スイッチ２６により伝熱板２７とコールドヘッド冷却部２５との熱的リンクを構成し、熱接合の強化が図られる。フレキシブルな伝熱プレート３３は熱伝導率が良好な金属材料、例えば銅、アルミニウム材料で構成される。

［第２実施形態の作用］
極低温冷凍機１４の駆動時には、駆動状態を給電検出リレー２２が検知してコールドヘッド上下制御モータ２３により冷凍機コールドヘッド１５を下降させ、熱スイッチ２６の接触部が熱的リンクを構成し、熱的接触が良好となって熱スイッチ２６はＯＮ状態に保たれる（図３）。

熱スイッチ２６がＯＮ状態で、熱スイッチ２６の接触部に接触の面圧が作用する場合には、ばね・変位機構３０の押圧力が伝熱部材のフレキシブルな伝熱プレート３３に作用し、伝熱プレート３３の面方向を修正してほぼ全面が均圧的に冷凍機コールドヘッド１５のコールドヘッド冷却部２５に接触するように調整される。

その結果、熱スイッチ２６の接触部は、コールドヘッド冷却部２５である冷却ステージとフレキシブルな伝熱プレート３３との熱接触が良好となって、接触熱抵抗の低減が図れ、被冷却体１２は極低温、例えば４Ｋに冷却され、極低温状態に保たれる。

また、極低温冷凍機１４が停止した際には、冷凍機停止状態を給電検出リレー２２により、停電等により極低温冷凍機１４が駆動していないことを検知し、コールドヘッド上下制御モータ２３によりカム機構２８等を作動させて冷凍機コールドヘッド１５を押し上げる。冷凍機コールドヘッド１５の上昇により、コールドヘッド冷却部２５が押し上げられ、コールドヘッド冷却部２５はフレキシブルな伝熱プレート３３から切り離され、図４に示すようにフレキシブルな伝熱プレート３３に接触しない非接触状態となる。

極低温冷凍機１４が停止した際には、図４に示すように、熱スイッチ２６がＯＦＦとなって熱スイッチ２６の接触部は切り離され、熱的リンクが解消される。熱スイッチ２６のＯＦＦにより、冷却ステージを構成するコールドヘッド冷却部２５とフレキシブルな伝熱プレート３３とは非接触状態となり、冷凍機コールドヘッド１５から被冷却体１２への熱侵入を抑制することかできる。

第２実施形態の極低温容器１０または極低温磁石装置では、ばね・変位機構３０を被冷却体１２側に設けた例を説明したが、ばね・変位機構３０を冷凍機コールドヘッド１５のコールドヘッド冷却部２５側に設けてもよい。具体的には、フレキシブルな伝熱プレート３３は、コールドヘッド冷却部２５にばね・変位機構３０を取り付けられ、フレキシブルな伝熱プレート３３と被冷却体１２の一部を構成する伝熱板２７との間に熱的リンクを構成する熱スイッチ２６を設けてもよい。この場合にも、熱スイッチ２６はコールドヘッド冷却部２５と被冷却体１２の一部との間に設けられる。

［第２実施形態の効果］
第２実施形態の極低温容器１０Ａまたは超電導磁石装置では、第１実施形態の効果に加えて、熱スイッチ２６の接触部の不具合等のトラブル時に、極低温冷凍機１４のみを取り出して保全・修理することが可能となり、メンテナンス性を向上させることができる。

［第３実施形態］
極低温容器および超電導磁石装置の第３実施形態を図５および図６を参照して説明する。

第３実施形態に係る極低温容器または超電導磁石装置を説明するに当り、第１実施形態に示された極低温容器１０または超電導磁石装置と同じ構成には同一符号を付して重複する説明を省略、ないしは簡素化する。極低温容器１０Ｂは被冷却体１２として極低温素子やＳＱＵＩＤ応用機器等を設けたものであり、被冷却体１２として熱電導コイルを設けたものは超電導磁石装置を構成している。

第３実施形態の極低温容器１０Ｂまたは超電導磁石装置は、熱スイッチ２６の接触部の構成を基本的に異にし、他の構成は第１実施形態の極低温容器１０または超電導磁石装置と実質的に異ならない。図５および図６に示す極低温容器１０Ｂまたは超電導磁石装置において、熱スイッチ２６の接触部は、一方の接触面、冷凍機コールドヘッド１５のコールドヘッド冷却部２５の接触面が１つであるのに対し、被冷却体１２側の接触面を複数としたものである。被冷却体１２側の接触面には伝熱板２７に複数のばね・変位機構３５が備えられる。

ばね・変位機構３５は、コールドヘッド冷却部２５と伝熱板２７との間に介装され、熱スイッチ２６の各接触面に複数のコイルばねが弾力的に接触している。各コイルばねはガイドポストに案内されて伸縮するようになっている。ばね・変位機構３５によって、伝熱の効果を充分に期待することができない場合には、フレキシブルな伝熱プレート３６がコールドヘッド冷却部２５と伝熱板２７のばね・変位機構３５との間に設けられる。フレキシブルな伝熱プレート３６は伝熱板２７に片持梁状に連結され、被冷却体１２側の接触面を連接状態で複数に分割している。フレキシブルな伝熱プレート３６の複数の接触面は、ばね・変位機構３５にコールドヘッド冷却部２５の接触面に押圧接触されて熱結合し、冷凍機コールドヘッド１５から被冷却体１２側への熱伝導を良好とし、熱接触による熱的リンクを構成している。

第３実施形態の極低温容器１０Ｂまたは超電導磁石装置は、熱スイッチ２６の接触部において、一方の接触面、冷凍機コールドヘッド１５側接触面が１つであるのに対し、他方の接触面、被冷却体１２側接触面が複数に構成される。被冷却体１２側の複数の接触面の各々に面方向可変のばね・変位機構３５により、各々独立してコールドヘッド冷却部２５側に押圧接触される。これにより、熱スイッチ２６は熱接触による熱的リンクを構成している。

［第３実施形態の作用］
第３実施形態では、熱スイッチ２６の接触部において、一方の接触面、図５では冷凍機コールドヘッド１５側の接触面が１つであるのに対し、他方の接触面、被冷却体１２側接触面を複数とし、各々の面方向可変のばね・変位機構３５を有している。この構成により、熱スイッチ２６の接触部は、接触面が平面度の比較的低い加工面であっても、各接触面同士の面積が小さいために、接触面同士が全体として一体的に作成された接触面より、平面度の差による接触部の空間的ギャップを小さくすることができる。同じ加工面であれば、熱スイッチ２６の接触部の分割数をＮ個とすると、分割された各接触面同士のギャップは一体構成時の接触面同士のギャップの１／Ｎ程度小さくすることが期待される。

極低温冷凍機１４の駆動時には、冷凍機コールドヘッド１５は図５に示す駆動状態となり、コールドヘッド冷却部２５は各ばね・変位機構３５の弾力作用により、伝熱部材であるフレキシブルな伝熱プレート３６と接触状態となる。熱スイッチ２６は熱接触による熱的リンクが構成されてＯＮ状態となる。熱スイッチ２６がＯＮ状態で冷凍機コールドヘッド１５のコールドヘッド冷却部２５は被冷却体１２の一部、フレキシブルな伝熱プレート３６と熱接触が良好となって、被冷却体１２は冷却され、極低温状態にキープされる。

その際、熱スイッチ２６の接触部は、接触面全体が一体構成の場合と異なり、被冷却体１２側接触面がフレキシブルな伝熱プレート３６により複数形成され、複数の接触面がコールドヘッド冷却部（冷却ステージ）の接触面とばね・変位機構で個別に弾力的に押圧され、接触している。被冷却体１２側の各接触面の面積が小さく、各接触面はばね・変位機構３５でコールドヘッド冷却部２５側に押圧接触されるので、熱スイッチ２６の接触部の空間的ギャップを、接触面同士が全体的に一体で形成されたものより小さくすることができ、熱抵抗の低減を図ることができる。

熱スイッチ２６の接触部は、単位面積当りの接触熱抵抗を低減させることができ、接触部の表面積のトータルを極小にすることができる。

また、極低温冷凍機１４が停止した際には、冷凍機停止状態を給電検出リレー２２により、極低温冷凍機１４が駆動していないことを検出し、コールドヘッド上下制御モータ２３によりカム機構２８等を介して冷凍機コールドヘッド１５を押し上げる。冷凍機コールドヘッド１５の上昇により、コールドヘッド冷却部２５が一体に押し上げられ、冷却ステージであるコールドヘッド冷却部２５はフレキシブルな伝熱プレート３６から切り離されて上昇し、図６に示すように、コールドヘッド冷却部２５はフレキシブルな伝熱プレート３６に接触しない非接触状態となる。熱スイッチ２６はＯＦＦ状態となり、コールドヘッド冷却部２５とフレキシブルな伝熱板２７との熱的リンクが解消される。

したがって、極低温冷凍機１４が停止し、冷凍機コールドヘッド１５が温度上昇した際には、コールドヘッド冷却部２５が上昇してフレキシブルな伝熱プレート３６から切り離され、非接触状態となり、熱スイッチ２６はＯＦＦとなる。

このように、極低温冷凍機１４が停止して冷凍機コールドヘッド１５（冷凍機本体）が温度上昇した際には、冷凍機冷却ステージであるコールドヘッド冷却部２５は上昇してフレキシブルな伝熱プレート３６から切り離され、非接触状態となる。冷凍機コールドヘッド１５が温度上昇しても、熱スイッチ２６はＯＦＦ状態となり、その接触部は非接触状態となる。冷凍機コールドヘッド１５の温度上昇により、温度が上がったコールドヘッド冷却部２５から輻射による熱侵入量を低減させることができ、熱スイッチ２６ＯＦＦ時の高熱抵抗化を図ることができる。

［第３実施形態の効果］
第３実施形態では、熱スイッチ２６の接触部において、接触面同士全体が一体で単体の場合とトータルの接触面積を同程度とし、密に分割すれば接触部ギャップの低減により熱抵抗の低減を図ることができる。極低温冷凍機１４の駆動時、特に大容量冷凍機による熱流の大きい接触部の場合には、接触部の接触面分割による熱抵抗低減の効果が大きくなる。

また、単位面積当りの接触熱抵抗が低減されることにより、接触部の表面積のトータルを極小にすることが可能なため、冷凍機停止時において、冷凍機コールドヘッド１５が温度上昇した際に、温度が上がったコールドヘッド冷却部（冷凍機冷却ステージ）から輻射による熱侵入量を低減でき、熱スイッチ２６ＯＦＦ時の高熱抵抗化を図ることができる。

［第４実施形態］
極低温容器および超電導磁石装置の第４実施形態を図７および図８を参照して説明する。

図７および図８は、極低温容器１０Ｃの第４実施形態を示す概略構成図である。極低温容器１０Ｃは、クライオスタットとしての断熱真空容器１１Ａ内に複数台の極低温冷凍機１４Ａ、例えば主冷凍機４０と補助冷凍機４１とを備える一方、断熱真空容器１１Ａ内に輻射シールド容器４３が設置される。輻射シールド容器４３内には被冷却体１２が格納される。被冷却体１２が超伝熱コイルである場合には極低温容器１０Ｃは超電導磁石装置として構成される。超電導コイルは図示しない巻枠に巻き付けられて格納される。

第４実施形態に示された極低温容器１０Ｃまたは超電導磁石装置を説明するに当り、第１実施形態の極低温容器１０または超電導磁石装置と同じ構成には、同一符号を付して重複説明を省略ないしは簡素化する。

第４実施形態の極低温容器１０Ｃまたは超電導磁石装置において、図７は熱スイッチ２６がＯＮの状態、図８は熱スイッチ２６がＯＦＦの状態をそれぞれ示す概略構成図である。極低温容器１０Ｃの断熱真空容器１１Ａに設置される極低温冷凍機１４Ａは、多段式冷却ステージを備えた主冷凍機４０と補助冷凍機４１を備える。主冷凍機４０は、被冷却体１２を常時冷却するように伝熱板２７および４５上に設置される。伝熱板２７，４５は、被冷却体１２の一部を構成しており、一方はフレキシブルな伝熱プレート４５で被冷却体１２を設置した伝熱板２７に片持梁状に連結される。

主冷凍機４０は多段式冷却ステージを構成し、１段目の冷却ステージ（コールドヘッド冷却部）４６は、輻射シールド容器４３に接続されてシールド容器を冷却する一方、２段目の冷却ステージ（コールドヘッド冷却部）４７はフレキシブルな伝熱プレート４５に接続され、伝熱板２７を介して被冷却体（超電導コイル）１２を冷却し、極低温に保持している。

また、補助冷凍機４１は冷凍機コールドヘッドを構成しており、主冷凍機４０と同様に多段式冷却ステージを構成している。１段目のコールドヘッド冷却部４８は断熱真空容器１１Ａ内に位置される一方、２段目のコールドヘッド冷却部４９は輻射シールド容器４３内に延びて終端している。２段目のコールドヘッド冷却部４９は、被冷却体１２の一部である伝熱板２７に対向している。２段目のコールドヘッド冷却部４９と伝熱板２７との間に、ばね・変位機構３０が設けられる。

ばね・変位機構３０は、ガイドポストに案内されて伸縮するコイルばねが２段目のコールドヘッド冷却部４９と伝熱板２７との間に介装され、接触している。ばね・変位機構３０のコイルばねの伝熱機能が充分でない場合には、伝熱板２７と２段目のコールドヘッド冷却部４９との間にフレキシブルな伝熱プレート３３が介装される。伝熱プレート３３はばね・変位機構３０の弾性力により２段目のコールドヘッド冷却部４９側に押圧接触可能に構成される。

冷凍機コールドヘッドを構成する補助冷凍機４１の２段目のコールドヘッド冷却部４９とフレキシブルな伝熱プレート３３との間が熱スイッチ２６の接触部を構成している。

熱スイッチ２６の接触部は、相対する接触面が離接自在に構成され、熱スイッチ２６のＯＮ時に相対する接触面は接触状態となる。熱スイッチ２６のＯＦＦ時には相対する接触面は非接触状態となり、相対する接触面間にギャップが形成される。

熱スイッチ２６のＯＦＦ時で、接触部の相対する接触面間に形成されるギャップには、可動式輻射シールド板５０が出し入れ可能に設けられる。可動式輻射シールド板５０は操作ロッド５１の回動操作により手動で出し入れ操作しても、あるいは操作ロッド５１をコールドヘッド上下制御モータ２３のモータ作動に直接あるいは減速機構を介して連動させてもよい。コールドヘッド上下制御モータ２３を連動させる場合には、熱スイッチ２６のＯＮ時に、熱スイッチ２６の接触部から後退した不作動位置を取り、熱スイッチ２６のＯＦＦ時に、熱スイッチ２６の接触部間のギャップに進入する作動位置を取るように調整される。

熱スイッチ２６のＯＦＦ時には、可動式輻射シールド板５０が輻射シールド容器４３の開口を閉塞し、輻射シールド容器４３内を密封してシールドし、補助冷凍機４１のコールドヘッド冷却部４８，４９から輻射熱が被冷却体１２側に伝達されるのを防止している。

［第４実施形態の作用］
第４実施形態に示された極低温容器１０Ｃまたは超電導磁石装置では、極低温冷凍機１４Ａの起動時には、図７に示すように、冷凍機コールドヘッドである補助冷凍機４１を駆動させる。補助冷凍機４１の作動により、コールドヘッド上下制御モータ２３が動作して補助冷凍機４１を下降させ、コールドヘッド冷却部４８，４９を下動させ、２段目のコールドヘッド冷却部４９をフレキシブルな伝熱プレート３３に接触させ、熱スイッチ２６をＯＮの接触状態に保つ。この構成により、断熱真空容器１１Ａ内は主冷凍機４０と補助冷凍機４１により急速冷却され、断熱真空容器１１Ａ内で輻射シールド容器４３内に格納された被冷却体１２は急速に冷却させ、極低温の冷却状態となる。

被冷却体１２を通常状態で冷却する際は、図８の熱スイッチ２６がＯＦＦ状態にセットされる。その際は、補助冷凍機４１が停止し、この停止状態を給電検出リレー２２により補助冷凍機４１が駆動していないことを検知し、コールドヘッド上下制御モータ２３によりカム機構２８等を作動させて補助冷凍機４１を押し上げる。補助冷凍機４１の上昇によりコールドヘッド冷却部４８，４９が押し上げられて、伝熱板２７やフレキシブルな伝熱プレート３３から切り離され、２段目のコールドヘッド冷却部４９はフレキシブルな伝熱プレート３３と接触しない非接触状態となり、熱スイッチ２６はＯＦＦとなる。

熱スイッチ２６のＯＦＦにより、熱スイッチ２６の接触部は、相対する接触部間にギャップが生じ、このギャップ部分に可動式輻射シールド板５０が進入して輻射シールド板５０が作動位置にセットされる。可動式輻射シールド板５０により、輻射シールド容器４３をシールドし、断熱真空容器１１Ａ内で輻射シールド容器４３を密封させる。

極低温冷凍機１４Ａを主冷凍機４０と補助冷凍機４１の２台で冷却する際には、可動式輻射シールド板５０は熱スイッチ２６の接触部のギャップ部分から取り外し、熱スイッチ２６を図７に示すようにＯＮ状態にする。

第４実施形態の極低温容器１０Ｃまたは超電導磁石装置では、図７および図８に示すように構成することで、極低温冷凍機１４Ａは、主冷凍機４０や補助冷凍機４１を取り外すことなく、冷凍機１台運転、２台運転が可能となる。

第４実施形態の極低温容器１０Ｃまたは超電導磁石装置では、重量の大きい被冷却体１２の初期冷却や、被冷却体１２である超電導コイルがクエンチして超電導コイルの温度が上昇してしまった際に、複数台の冷凍機を同時に駆動させて、再冷却時間を短縮させ、複数台の冷凍機による冷却時間の短縮が可能となる。

また、極低温容器１０Ｃまたは超電導磁石装置が、定常状態に冷却された後は、補助冷凍機４１としての図７および図８の左側の冷凍機の熱スイッチ２６をＯＦＦとし、熱スイッチ２６の接触部間のギャップ部分に可動式輻射シールド板５０を進入させて輻射シールド容器４３をシールドすることができる。輻射シールド容器４３をシールドすることで、輻射熱侵入量を低減し、安定した被冷却体１２、特に超電導コイルの冷却が可能となる。

さらに、定常運転時は、極低温冷凍機１４Ａは、冷凍機１台の運転で被冷却体１２を極低温状態で保つことができ、消費電力を低減させて効率的な運転・運用を図ることができる。

［第４実施形態の効果］
第４実施形態の極低温容器または超電導磁石装置では、可動式輻射シールド板５０により、極低温冷凍機１４Ａの冷凍機停止時に、（補助）冷凍機４１を停止させて断熱真空容器１１Ａ内で輻射シールド容器４３をシールドさせ、温度上昇している補助冷凍機４１からの輻射熱侵入を抑えることができる。被冷却体１２が超電導コイルの場合、冷却温度を下げ、通電特性を向上させることができる。

また、断熱真空容器１１Ａに複数台の冷凍機４０，４１を設置し、被冷却体１２の初期冷却や被冷却体１２としての超電導コイルがクエンチした場合には、複数台の冷凍機４０，４１を駆動させ、再冷却時間を短縮し、複数台の冷凍機４０，４１の冷却時間の短縮を図ることができる。

さらに、極低温容器１０Ｃまたは超電導磁石装置が定常状態に冷却された後は、補助冷凍機４１としての熱スイッチ２６をＯＦＦとし、接触部間のギャップ部分に可動式輻射シールド板５０を進入させ、輻射シールド容器４３をシールドさせることで、輻射シールド容器４３内への輻射熱侵入量を低減し、被冷却体１２である超電導コイルの安定した冷却が可能となる。加えて、定常運転時に冷凍機１台の運転のために、消費電力を低減させ、効率的な運転、運用を図ることができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行なうことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…極低温容器（超電導磁石装置）、１１，１１Ａ…断熱真空容器、１２…被冷却体（超電導コイル）、１４，１４Ａ…極低温冷凍機、１５…冷凍機コールドヘッド、１６…容器蓋、１７…ベローズ（仕切壁）、１８…設置台、２０…駆動ケーブル、２１…駆動電流源、２２…給電検出リレー、２３…コールドヘッド上下制御モータ、２５…コールドヘッド冷却部（冷却ステージ）、２６…熱スイッチ、２７…伝熱板、２８…カム機構、２９…ガイドポスト、３０，３５…ばね・変位機構、３３，３６…フレキシブルな伝熱プレート、４０…主冷凍機、４１…補助冷凍機（冷凍機コールドヘッド）、４３…輻射シールド容器、４５…伝熱板（フレキシブルな伝熱プレート）、４６…１段目の冷却ステージ、４７…２段目の冷却ステージ、４８…１段目のコールドヘッド冷却部（冷却ステージ）、４９…２段目のコールドヘッド冷却部（冷却ステージ）、５０…可動式輻射シールド板、５１…操作ロッド。

Claims (13)

1. 被冷却体を内部に格納する断熱真空容器と、
   この断熱真空容器に設置された冷凍機を構成する冷凍機コールドヘッドと、
   前記冷凍機の駆動状態の有無を検知する給電検出リレーとを有し、
   前記冷凍機コールドヘッドは前記断熱真空容器内にコールドヘッド冷却部が延設されており、
   前記冷凍機コールドヘッドは、前記断熱真空容器外の大気圧力と前記断熱真空容器内の真空との差圧によって、前記コールドヘッド冷却部が前記被冷却体の一部に所定の面圧にて押圧接触されて接触部が構成され、
   前記冷凍機コールドヘッドは、前記給電検出リレーにより前記冷凍機が駆動していないことを検知した場合、前記コールドヘッド冷却部が前記被冷却体の一部から切り離されて前記被冷却体を独立した非接触状態に保持することを特徴とする極低温容器。
2. 前記冷凍機の停止時に、断熱真空容器外の大気圧と断熱真空容器内の真空との差圧に抗する力を前記冷凍機コールドヘッドに付与し、
   前記冷凍機コールドヘッドのコールドヘッド冷却部を、前記被冷却体の一部と非接触状態に保持した請求項１に記載の極低温容器。
3. 前記冷凍機コールドヘッドのコールドヘッド冷却部が前記被冷却体の一部と離接可能に接触する接触部は、接触面同士が平面形状に構成された請求項１または２に記載の極低温容器。
4. 前記冷凍機コールドヘッドのコールドヘッド冷却部と前記被冷却体の一部との接触部は熱スイッチを構成しており、前記熱スイッチは接触部の接触面同士の平面度の差を解消するように、少なくとも一方の接触面の面方向が変化可能で他方の接触面に面接触する構成とされた請求項１ないし３のいずれか１項に記載の極低温容器。
5. 前記熱スイッチは、接触部の接触面同士の平面度の差によるギャップをなくすように、接触面の面方向を変化させる面変化機構が、前記冷凍機コールドヘッドのコールドヘッド冷却部に設けられ、
   前記熱スイッチのコールドヘッド冷却部側の接触面は前記コールドヘッド冷却部にフレキシブルな伝熱部材で連結された請求項４に記載の極低温容器。
6. 前記接触部は接触面同士が両面とも鏡面仕上げされた請求項１ないし５のいずれか１項に記載の極低温容器。
7. 前記接触部は、接触面の一方が他方の接触面より面粗さを大きく仕上げた接触面に構成された請求項１ないし５のいずれか１項に記載の極低温容器。
8. 前記接触部の少なくとも一方は、局所的にアニールされて接触面の加工硬化層を軟化させる手段を断熱真空容器内に備えた請求項１ないし７のいずれか１項に記載の極低温容器。
9. 前記接触部の一方が複数の接触面を備え、
   前記複数の接触面は前記接触部の他方の接触面に接触する際、前記接触部の各接触面同士の平面度の差によるギャップをなくすように、前記複数の接触面の面方向を、前記他方の接触面に面接触される面変化機構をそれぞれ備えた請求項１ないし３のいずれか１項に記載の極低温容器。
10. 請求項１ないし９に記載の極低温容器において、前記被冷却体として超電導コイルを断熱真空容器内に格納したことを特徴とする超電導磁石装置。
11. 断熱真空容器内に冷凍機と主冷凍機とが備えられ、
    前記断熱真空容器内に設けられた輻射シールド容器内に被冷却体が格納され、
    前記主冷凍機は前記被冷却体を常時冷却するように伝熱板に設置され、
    前記冷凍機の駆動状態の有無を検知する給電検出リレーが前記断熱真空容器外に設けられ、
    前記冷凍機は冷凍機コールドヘッドが前記断熱真空容器内に延びるコールドヘッド冷却部を被冷却体の一部に、離接可能に接触させる接触部が構成され、
    前記冷凍機コールドヘッドの接触部は、前記断熱真空容器外の大気圧力と前記断熱真空容器内の真空との差圧によって、前記コールドヘッド冷却部が前記被冷却体の一部に所定の面圧にて押圧接触され、
    前記冷凍機コールドヘッドは、前記給電検出リレーにより冷凍機が駆動していないことを検知した場合、前記コールドヘッド冷却部が被冷却体の一部から切り離され、前記被冷却体の一部を非接触状態に保持させることを特徴とする極低温容器。
12. 前記コールドヘッド冷却部を前記被冷却体の一部に離接可能に接触する接触部は熱スイッチを構成しており、
    前記熱スイッチは、接触部の接触面同士が非接触状態のＯＦＦ時に、輻射シールド板が前記熱スイッチの接触部間のギャップに挿入される作動位置と、前記接触部の接触面同士が接触状態のＯＮ時に、輻射シールド板が前記熱スイッチの接触部から離れた不作動位置との間を移動自在に操作される請求項１１に記載の極低温容器。
13. 請求項１１または１２に記載の極低温容器において、前記被冷却体として超電導コイルを断熱真空容器内の輻射シールド容器に格納したことを特徴とする超電導磁石装置。

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