JP6605380B2 - 断熱容器 - Google Patents

Description

本発明は、超伝導体を収容してこれを液体ヘリウムなどの極低温冷媒で冷却するための断熱容器に関する。

従来、超伝導体を利用した計測装置などを実現するためには、その超伝導体（被冷却体）を断熱容器内に収容して液体ヘリウムなどの極低温冷媒を用いて約４Ｋの極低温状態まで冷却する必要がある。この目的に用いられる断熱容器は、一般に被冷却体を極低温冷媒と共に収容する低温容器と、その周囲を真空断熱する真空容器とからなっているため、その真空容器および低温容器には、それぞれ被冷却体を出し入れするための開口部とこれを塞ぐための蓋部が不可欠となっている。通常、この開口部と蓋部は室温の雰囲気に配置されており、ゴム製のＯリングなどで密封されている。

しかし、構造上の要求から低温容器の開口部と蓋を極低温雰囲気に配置せざるを得ないことがある。この場合、開口部と蓋部との間はリークを防止するために市販の一般的な金属製のＯリングなどのシール材によって密閉されているが、より高い信頼性が要求される場合には、例えば以下の特許文献１乃至３などに示すように極低温下においても優れたシール性を発揮できるインジウム製のシール材が用いられている。

特開平７−３１７９０５号公報 特開平８−１４５４８６号公報 特開２０１０−１９１６４号公報

ところで、被冷却体が円筒形をしている場合には、これを効率的に冷却するために低温容器も円筒状に形成し、保守や交換の際にはその端面に形成された開口部から軸方向に被冷却体を出し入れすることになる。そのため、その開口部を塞ぐ蓋も環状になり、その外径側に加え内径側にもシールが必要となるが、金属製のＯリングを配置するスペースを確保できないことが多く、また、内径側と外径側の温度差による伴う歪みが発生するとシール性能が劣化してリークの懸念がある。特に低温容器をＦＲＰ（繊維強化樹脂）から構成する場合には、金属との熱収縮率の不整合などにより更にその懸念が高くなる。

そこで、本発明の目的は、これらの課題を解決するために案出されたものであり、その目的は、ＦＲＰ（繊維強化樹脂)からなる低温容器を用いても保守・点検などが容易で、かつ冷却に伴うリークのおそれがない信頼性の高い断熱容器を提供することにある。

前記課題を解決するために第１の発明は、極低温冷媒で冷却された被冷却体を収容した低温容器と、当該低温容器を収容する真空容器とを有する断熱容器であって、前記低温容器は、繊維強化樹脂からなる円筒状の容器本体の端面に、前記被冷却体を出し入れする環状の開口部を有し、当該開口部の内周側及び外周側に、スタッドボルトを植設した金属製の台座をそれぞれ設けると共に、当該台座上に前記開口部を開閉すべく環状の蓋部をナットで着脱自在に備えたことを特徴とする断熱容器である。

このような構成によれば、繊維強化樹脂からなる円筒状の容器本体の開口部に、スタッドボルトおよびナットを用いてしっかりと環状の蓋部を取りけることができると共に、ナットを緩めるだけで蓋部を開口部から簡単に取り外すことができるため、被冷却体などの保守・点検も容易にできる。また、金属製の台座にスタッドボルトを植設したため、スタッドボルトを繊維強化樹脂からなる低温容器に対して簡単にかつ十分な強度を確保して取り付けることができる。

第２の発明は、第１の発明において、前記各台座と蓋部との間を環状シート状またはリング状のインジウムシールで封止したことを特徴とする断熱容器である。このようにその開口部のシール材として極低温下においても優れたシール性を発揮できるインジウムシールを用いることにより、冷却に伴うリークなどを確実に防止できる。

第３の発明は、第１または第２の発明において、前記円筒状の容器本体または蓋部の少なくとも一方に、前記円筒状の容器本体の熱変形を許容するための薄肉部を備えたことを特徴とする極低温冷媒断熱容器である。このような構成によれば、冷却、保守・点検などによってその容器本体の温度が大きく変化するなどによって熱変形してもその熱変形を薄肉部が吸収するため、シール部には無理な応力がかからなくなり、冷却に伴うリークなどをより確実に防止できる。

第４の発明は、第１または第３のいずれかの発明において、前記真空容器が円筒体に形成されていると共に、当該真空容器の中央の貫通穴を軸とするように前記低温容器が同心円状に配置されていることを特徴とする断熱容器である。このように構成すれば、真空容器の中央の貫通穴の部分に超伝導下にある被冷却体による磁場あるいはそのゼロ磁場が発生するため、それを有効活用できる。

本発明によれば、繊維強化樹脂からなる円筒状の容器本体の開口部に、スタッドボルトおよびナットを用いてしっかりと環状の蓋部を取りけることができると共に、ナットを緩めるだけで蓋部を開口部から簡単に取り外すことができるため、被冷却体などの保守・点検も容易にできる。また、金属製の台座にスタッドボルトを植設したため、スタッドボルトを繊維強化樹脂からなる低温容器に対して簡単にかつ十分な強度を確保して取り付けることができる。

本発明に係る断熱容器１００の実施の一形態を示す全体断面図である。 図１に示す断熱容器１００の分解図である。 図１中Ｘ−Ｘ線断面図である 図１中Ａ部を示す部分拡大図である。 図４に示す開口部１２付近の分解図である。 本発明に係る断熱容器１００の他の実施の形態を示す部分拡大図である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は本発明に係る断熱容器１００の実施の一形態を示す全体縦断面図、図２はその分解図、図３は図１中Ｘ−Ｘ線断面図である。図示するように、この断熱容器１００は、超伝導体などからなる円筒状の被冷却体Ｐを収容する低温容器１０と、この低温容器１０を覆うように位置する真空容器２０とから主に構成されている。

低温容器１０は、円筒状をした繊維強化樹脂（ＦＲＰ）製の容器本体１１と、その下端面（底部）１１ｂに形成された環状の開口部１２を塞ぐ環状の第１蓋部１３とからなっており、この開口部１２を第１蓋部１３で密閉すると共に、その内部に貯留した液体ヘリウムなどの極低温冷媒Ｌによって被冷却体Ｐを液体ヘリウム１０の温度（約４Ｋ）に冷却して超伝導状態で動作させるようになっている。

また、この容器本体１１の上端面（天井部）１１ａおよび下端面（底部）１１ｂには、それぞれ溝状の薄肉部１０ａ、１０ｂがその周方向に沿って形成されている。この薄肉部１０ａ、１０ｂの肉厚は、容器本体１１の強度に影響しない限度であれば特に限定されるものでないが、例えば容器本体１１の上端部１１ａおよび下端部１１ｂの厚さの約１／２〜１／３程度となっている。

また、この容器本体１１の上端部１１ａには、その内部と連通する複数のポート１４ａ、１４ｂ（図では２つ）が真空容器２０を貫通するように設けられており、このポート１４ａ、１４ｂによって極低温冷媒（液体ヘリウム）Ｌの吸排、導線（図示せず）の導入およびこの容器本体１１を支持している。なお、図示していないが、被冷却体Ｐは容器本体１１または第１の蓋１３側から支持している。

一方、真空容器２０は、円筒状の真空容器本体２１と、その軸心部に位置する中空貫通孔４０を構成する中空円筒２２と、真空容器本体２１の下端開口部２１ａ側に着脱される環状の第２蓋部２３とから構成されている。そして、この中空円筒２２が真空容器本体２１の軸心部にＯリング３０を介して取り付けられていると共に、第２蓋部２３が、Ｏリング３１、３２を介して真空容器本体２１の下端開口部２１ａのフランジ２１ｂおよび中空円筒２２の下端に締結ボルトＢによってそれぞれ取り付けられており、真空容器本体２１内を真空気密に保持している。

また、この真空容器２０と低温容器１０との間、すなわち低温容器１０の周囲には、断熱材が配置された断熱層２４が形成されており、この断熱層２４によって低温容器１０への侵入熱を阻止するようになっている。そして、中空貫通孔４０は被冷却体Ｐの発生する磁場またはゼロ磁場を利用するようになっている。

図４は図１中Ａ部を示す部分拡大図、図５はその分解図であり、低温容器１０の容器本体１１の下端開口部１２付近の構造を詳しく示したものである。図示するように容器本体１１の底部１１ｂの内周側には円環状の開口部１２が形成されており、その外周側端部および内周側端部には、それぞれリン青銅製の環状の台座１５および１６が接着固定されている。なお、この台座１５および１６は、それぞれ段部１５ａ、１６ａを介して開口部１２の端部にネジ構造で連結されている。

第１の蓋部１３は台座１５および１６と同じくリン青銅から構成されており、開口部１２を塞ぐよう環状を呈し、台座１５、１６との間にそれぞれシート状のインジウムシール１７および１８が挟み込まれている。そして、この台座１５および１６にはチタン合金製のスタッドボルト１９ａおよび１９ｂが予め植え込まれており、チタン合金製のナットＮ１，Ｎ２によって第１の蓋１３をしっかりと締め付けてその開口部１２をインジウムシール１７、１８と共に密閉している。

このような構成をした本発明に係る断熱容器１００にあっては、繊維強化樹脂からなる円筒状の容器本体１１の開口部１２に対して、スタッドボルト１９ａ、１９ｂおよびナットＮを用いてしっかりと環状の蓋部１３を取り付けることができると共に、ナットＮを緩めるだけでその蓋部１３を開口部１２から簡単に取り外すことができるため、被冷却体Ｐなどの保守・点検も容易にできる。また、金属製の台座１５，１６にスタッドボルト１９ａ、１９ｂを予め植設したため、繊維強化樹脂に対して直接植設が困難なスタッドボルト１９ａ、１９ｂを低温容器１０に対して簡単にかつ十分な強度を確保して取り付けることができる。

また、台座１５，１６と蓋部１３との間を環状シート状またはリング状のインジウムシール１７，１８で封止することによって極低温雰囲気下においても優れたシール性を発揮できるため、その部分からの冷却に伴うリークなどを確実に防止できる。さらに、低温容器１０の容器本体１１に薄肉部１０ａ、１０ｂを形成したため、冷却、保守・点検などによってその容器本体１１の温度が大きく変化するなどによって熱変形してもその熱変形をその薄肉部１０ａ、１０ｂが吸収するため、台座１５，１６と蓋部１３との間にかかる応力を緩和できる。なお、これと同様に図６に示すように第１の蓋部１３にも同様な薄肉部１３ａを形成すればより効果的に台座１５，１６と蓋部１３との間にかかる応力を緩和することが可能となる。また、これらの薄肉部１０ａ、１０ｂ、１３ａは波板状であっても良い。

さらに、低温容器１０と真空容器２０とを中空貫通孔４０を軸とするように同心円状に配置することによって、その中空貫通孔４０の部分に超伝導下にある被冷却体Ｐによる磁場あるいはそのゼロ磁場が発生するため、それを有効活用できる。

そして、このような構成をした本発明の断熱容器１００を保守・点検に際しては、例えば図２に示すようにまず真空容器２０側の第２の蓋２３を外し、次いで中空円筒２２を外した後、低温容器１０の容器本体１１底部の断熱層２４中に設置された断熱材を撤去して第１の蓋１３を外すことで容易に分解できる。次に、その容器本体１１内部の被冷却体Ｐを開口部１２から取り出して交換した後、分解時と逆の手順で組み立てることで簡単に元の状態に戻すことができる。なお、取り外したインジウムシール１７，１８はその都度新しいものに交換することが望ましい。

１００…断熱容器
１０…低温容器
１０ａ、１０ｂ、１３ａ…薄肉部
１１…容器本体
１１ａ、１１ｂ…上端面および下端面
１２…開口部（低温容器側）
１４ａ、１４ｂ…ポート
１５，１６…台座
１７，１８…インジウムシール
１９ａ、１９ｂ…スタッドボルト
２０…真空容器
２１…真空容器本体
２１ａ…下端開口部
２２…中空円筒
２３…開口部（真空容器側）
２４…断熱層
３０，３１，３２…Ｏリング
４０…中空貫通孔
Ｂ…ボルト
Ｐ…被冷却材
Ｎ１、Ｎ２…ナット

Claims (4)

1. 極低温冷媒で冷却された被冷却体を収容した低温容器と、当該低温容器を収容する真空容器とを有する断熱容器であって、
   前記低温容器は、繊維強化樹脂からなる円筒状の容器本体の端面に、前記被冷却体を出し入れする環状の開口部を有し、当該開口部の内周側及び外周側に、スタッドボルトを植設した金属製の台座をそれぞれ設けると共に、当該台座上に前記開口部を開閉すべく環状の蓋部をナットで着脱自在に備えたことを特徴とする断熱容器。
2. 請求項１に記載の断熱容器において、
   前記各台座と蓋部との間を環状シート状またはリング状のインジウムシールで封止したことを特徴とする断熱容器。
3. 請求項１または２に記載の断熱容器において、
   前記円筒状の容器本体または蓋部の少なくとも一方に、前記円筒状の容器本体の熱変形を許容するための薄肉部を備えたことを特徴とする断熱容器。
4. 請求項１または３のいずれかに記載の断熱容器において、
   前記真空容器が円筒体に形成されていると共に、当該真空容器の中央の貫通穴を軸とするように前記低温容器が同心円状に配置されていることを特徴とする断熱容器。

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