JP7218217B2

JP7218217B2 - フィードスルー構造および極低温冷却システム

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Publication number: JP7218217B2
Application number: JP2019044056A
Authority: JP
Inventors: 健太出村; 孝明森江
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2019-03-11
Filing date: 2019-03-11
Publication date: 2023-02-06
Anticipated expiration: 2039-03-11
Also published as: JP2020150593A

Description

本発明は、フィードスルー構造および極低温冷却システムに関する。

気密容器の中から外へと容器内の気密を保ちながら配線や配管を引き出すために容器壁に取り付けられる部品は一般にフィードスルーと呼ばれ、例えば真空容器から周囲環境に配線を引き出す真空フィードスルーなど、様々な種類のものが利用されている。

実公昭５９－３５９５８号公報

しかしながら、例えば液体ヘリウム温度のような極低温に冷却され高圧に加圧された極低温冷媒を収容する極低温圧力容器に使用しうるフィードスルーの提案は、ほとんど例がないのが実情である。上記文献にはそうした僅かな例のひとつが開示されている。この構成では、低温高圧容器の貫通孔に絶縁筒が挿通され、絶縁筒の中心孔に電導部材が嵌挿され、インジウム製のシール用パッキンが絶縁筒と電導部材に挟み込まれ両者から押圧されることで、低温高圧容器の内外の気密が保持される。シール用パッキンを押圧すべく電導部材と絶縁筒はそれぞれ対応する特定の形状を有する。そのため、電導部材として一般的なリード線を使用しがたい等、実用上の制約がある。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、極低温圧力容器に適合しうるフィードスルー構造およびこれを用いた極低温冷却システムを提供することにある。

本発明のある態様によると、フィードスルー構造は、極低温圧力容器の中から外へと延びる電気配線と、第１端面と、第１端面とは反対側にあり極低温圧力容器の外に配置された第２端面と、第１端面から第２端面へと貫通し電気配線を挿通するフィードスルー開口とを有し、第１端面を極低温圧力容器のフィードスルー取付フランジに接触させた状態で極低温圧力容器に気密に装着可能なフィードスルー筒状本体と、電気配線を固定するとともにフィードスルー筒状本体と封止材との接合が極低温で保持されるように、フィードスルー開口に充填された封止材と、を備える。

本発明のある態様によると、極低温冷却システムは、加圧された極低温冷媒とともに被冷却物を収容し、フィードスルー取付フランジを有する極低温圧力容器と、極低温圧力容器内に極低温冷媒を循環させる冷媒循環装置と、極低温圧力容器内に配置され、被冷却物の温度を測定する温度センサと、温度センサに接続され、極低温圧力容器の中から外へと延びる電気配線と、第１端面と、第１端面とは反対側にあり極低温圧力容器の外に配置された第２端面と、第１端面から第２端面へと貫通し電気配線を挿通するフィードスルー開口とを有し、第１端面を極低温圧力容器のフィードスルー取付フランジに接触させた状態で極低温圧力容器に気密に装着されたフィードスルー筒状本体と、電気配線を固定するとともにフィードスルー筒状本体と封止材との接合が極低温で保持されるように、フィードスルー開口に充填された封止材と、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、極低温圧力容器に適合しうるフィードスルー構造およびこれを用いた極低温冷却システムを提供することができる。

実施の形態に係るフィードスルー構造を示す概略断面図である。実施の形態に係るフィードスルー構造を示す概略斜視図である。実施の形態に係るフィードスルー構造に使用されうるいくつかの材料について熱収縮を示すグラフである。実施の形態に係るフィードスルー構造に働きうる熱応力σｓの計算結果の例を示すグラフである。実施の形態に係るフィードスルー構造に働きうる熱応力σｓの計算結果の例を示す表である。実施の形態に係るフィードスルー構造のための気密試験装置を示す概略図である。実施の形態に係るフィードスルー構造の気密試験の結果を示す表である。実施の形態に係る極低温冷却システムを示す概略図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。説明および図面において同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施の形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、実施の形態に係るフィードスルー構造を示す概略断面図である。図２は、実施の形態に係るフィードスルー構造を示す概略斜視図である。

フィードスルー構造１０は、電気配線１２、フィードスルー筒状本体１４、封止材１６を備え、極低温圧力容器５０に装着可能である。極低温圧力容器５０は、圧力容器本体５２と、圧力容器本体５２から延び、フィードスルー取付フランジ５６を有する高圧配管５４とを有する。フィードスルー取付フランジ５６は、高圧配管５４の先端に設けられている。フィードスルー筒状本体１４がフィードスルー取付フランジ５６に装着可能とされている。

極低温圧力容器５０は、液体ヘリウム温度、または液体窒素温度、またはその他の冷却温度に冷却され、高圧に加圧された極低温冷媒を収容する。よって、極低温圧力容器５０の内部には、極低温高圧環境５８が保たれている。極低温冷媒の圧力は、例えば、大気圧より高く、または０．５ＭＰａ、または１ＭＰａ、または２ＭＰａより高くてもよい。極低温冷媒の圧力は、３ＭＰａまたは４ＭＰａより低くてもよい。

周囲環境１８は、極低温圧力容器５０内の圧力より低圧であり、例えば、真空環境、または大気圧環境である。周囲環境１８の温度は、例えば、室温である。あるいは、周囲環境１８も極低温に冷却されてもよい。

電気配線１２は、極低温圧力容器５０の中から外へと延びる。電気配線１２は、極低温高圧環境５８から、高圧配管５４およびフィードスルー構造１０を通じて、周囲環境１８へと引き出されている。電気配線１２は、フィードスルー筒状本体１４の中心線に沿って延びている。電気配線１２は、極低温高圧環境５８に配置されたセンサまたはその他の電子機器４０を周囲環境１８に配置された外部機器４２に、例えば給電及び／または通信のために電気的に接続する。

電気配線１２は、例えばリード線など、絶縁性の被覆を有する導線である。電気配線１２は、極低温高圧環境５８に配置された複数の電子機器から延びる複数本のリード線の束であってもよい。電気配線１２は、超伝導リードでもよい。

フィードスルー筒状本体１４は、第１端面１４ａと、第２端面１４ｂと、フィードスルー開口１４ｃとを有する。第２端面１４ｂは、第１端面１４ａとは反対側にあり極低温圧力容器５０の外に配置されている。よって、第２端面１４ｂは、周囲環境１８にさらされている。フィードスルー開口１４ｃは、第１端面１４ａから第２端面１４ｂへとフィードスルー筒状本体１４を貫通している。フィードスルー開口１４ｃには、電気配線１２が挿通する。フィードスルー筒状本体１４は、第１端面１４ａをフィードスルー取付フランジ５６に接触させた状態で極低温圧力容器５０に気密に装着されている。

フィードスルー筒状本体１４は、例えば、円柱状の部材であり、その中心線に平行に延びる貫通穴（例えば、フィードスルー開口１４ｃ）及び／または非貫通穴を有する。第１端面１４ａと第２端面１４ｂは、例えば、ともに円形の形状を有し、両者の直径は等しくてもよい。

第１端面１４ａは、フィードスルー取付フランジ５６の端面に接触する平坦面であり、第１端面１４ａとフィードスルー取付フランジ５６は面接触する。なお、必要とされる場合には、第１端面１４ａは、凹部及び／または凸部を有してもよい。例えばフィードスルー取付フランジ５６の端面が何らかの凹部、凸部を有する場合、第１端面１４ａは、対応する凸部、凹部を有してもよい。第２端面１４ｂは、例えば平坦面であり、必要に応じて、凹部及び／または凸部を有してもよい。

フィードスルー開口１４ｃは、基本的には例えば円筒状の穴であり、フィードスルー筒状本体１４の中心線に沿って延びている。フィードスルー開口１４ｃは、極低温高圧環境５８側で第１端面１４ａの中心に開口し、周囲環境１８側で第２端面１４ｂの中心に開口している。

第１端面１４ａは、フィードスルー開口１４ｃのまわりに形成された複数の締結穴２０を有し、各締結穴２０には締結部材２２が締結可能であり、締結部材２２によってフィードスルー筒状本体１４がフィードスルー取付フランジ５６に気密に締結される。締結部材２２は、例えば、フィードスルー取付用のボルトであり、締結穴２０は、例えば、ボルト穴である。図２に示されるように、締結穴２０は、例えば６個であるが、数はとくに限定されない。フィードスルー開口１４ｃだけでなく締結穴２０もフィードスルー筒状本体１４を貫通しているが、これは必須ではなく、非貫通であってもよい。

このようにして、フィードスルー構造１０には、締結穴２０を形成できるように第１端面１４ａの面積を広くした比較的厚肉のフィードスルー筒状本体１４が採用されている。そのため、フィードスルー筒状本体１４は、配線が薄肉管を挿通する典型的なフィードスルー部品と比較して、向上された耐圧性を有する。また、機械的な締結手段を用いるので、ろう付け、溶接、接着など他の接合手段を用いるのに比べて、フィードスルー取付フランジ５６へのフィードスルー構造１０の装着、取り外し、交換が容易である。

第１端面１４ａにおけるフィードスルー筒状本体１４の外径Ｄｏに対するフィードスルー開口１４ｃの開口径Ｄｉの比（以下適宜、半径比ｎ（＝Ｄｉ／Ｄｏ）と称する）は、例えば、０．５以下であってもよい。言い換えれば、第１端面１４ａにおけるフィードスルー筒状本体１４の外径Ｄｏが、フィードスルー開口１４ｃの開口径Ｄｉの２倍以上であり、すなわちフィードスルー筒状本体１４は厚肉である。好ましくは、半径比ｎは、例えば０．３以下または０．２以下であってもよい。

フィードスルー筒状本体１４をこのような寸法とすることにより、第１端面１４ａを極低温圧力容器５０のフィードスルー取付フランジ５６に接触させた状態で極低温圧力容器５０に気密に装着することが容易になる。例えば、第１端面１４ａに締結穴２０を形成することが容易になる。また、ろう付けなど他の接合手段を用いる場合においても、接触面積が増えるので、フィードスルー取付フランジ５６へのフィードスルー構造１０の接合が容易になる。

また、半径比ｎは、例えば、０．０５以上であってもよい。好ましくは、半径比ｎは、例えば０．１以上であってもよい。このようにすれば、フィードスルー筒状本体１４が過剰に厚肉となること、および、フィードスルー開口１４ｃが小さくなりすぎることを避けることができる。

極低温用シール部材２４が、フィードスルー筒状本体１４とフィードスルー取付フランジ５６の間に設けられている。極低温用シール部材２４は、第１端面１４ａとフィードスルー取付フランジ５６の端面に挟まれ、極低温冷媒が周囲環境１８に漏れ出さないようにシールする。極低温用シール部材２４は、フィードスルー筒状本体１４がフィードスルー取付フランジ５６に装着されたとき、締結穴２０（または締結部材２２）の内側でフィードスルー開口１４ｃを囲むように配置される。極低温用シール部材２４は、例えばメタルＯリングであり、または極低温に適合したガスケットその他のシール部材であってもよい。極低温用シール部材２４は、フィードスルー取付フランジ５６の端面に装着されているが、これに代えて、第１端面１４ａに装着されていてもよい。

フィードスルー開口１４ｃは、第１端面１４ａから第２端面１４ｂに向かって狭まっている。第１端面１４ａにおけるフィードスルー開口１４ｃの開口径Ｄｉに比べて、第２端面１４ｂにおけるフィードスルー開口１４ｃの開口径は、小さくなっている。そのため、フィードスルー開口１４ｃは、第１端面１４ａと第２端面１４ｂの中間の位置でテーパ面２６を有する。テーパ面２６は、第１端面１４ａから第２端面１４ｂに向かうときフィードスルー筒状本体１４の中心線に近づくように傾斜した円錐状の傾斜面である。

封止材１６には、極低温高圧環境５８の圧力により第１端面１４ａから第２端面１４ｂに向かう方向に力が作用する。そのため、もし、フィードスルー開口１４ｃが第１端面１４ａから第２端面１４ｂまで一定の開口径を有する（つまりフィードスルー開口１４ｃが円筒形である）場合には、フィードスルー開口１４ｃで封止材１６がフィードスルー筒状本体１４から剥離したとき、封止材１６に働く力によって、封止材１６が第２端面１４ｂから周囲環境１８に離脱するリスクがある。極低温高圧環境５８と周囲環境１８の圧力差が大きい場合には、封止材１６がフィードスルー筒状本体１４から剥離した瞬間に高速で第２端面１４ｂから飛び出すことになるかもしれない。

しかしながら、フィードスルー開口１４ｃが第１端面１４ａから第２端面１４ｂに向かって狭まっているので、万が一、フィードスルー開口１４ｃで封止材１６がフィードスルー筒状本体１４から剥離したとしても、封止材１６はテーパ面２６でフィードスルー筒状本体１４と係合する。したがって、封止材１６が第２端面１４ｂから周囲環境１８に離脱する（飛び出す）のを避けることができる。

この利点を得るために、フィードスルー開口１４ｃがテーパ面２６を有することは必須ではなく、フィードスルー開口１４ｃは、封止材１６と係合するそのほか様々な形状を有してもよい。例えば、テーパ面２６に代えて、フィードスルー開口１４ｃは、フィードスルー開口１４ｃの中心線に垂直な平面を有し、この平面よりも第１端面１４ａ側が大径を有し、第２端面１４ｂ側が小径を有してもよい。あるいは、フィードスルー開口１４ｃは、オリフィス状であってもよい。つまり、フィードスルー開口１４ｃは、第１端面１４ａから第２端面１４ｂに向かって第１端面１４ａと第２端面１４ｂの中間の位置で一旦狭まり、そこから第２端面１４ｂに向かって広がってもよい。また、フィードスルー開口１４ｃは、封止材１６と係合する何らかの凹部及び／または凸部を有してもよい。

フィードスルー筒状本体１４の寸法の一例として、第１端面１４ａにおけるフィードスルー筒状本体１４の外径Ｄｏは、約３０ｍｍ～約７０ｍｍの範囲にあってもよい。第１端面１４ａにおけるフィードスルー開口１４ｃの開口径Ｄｉは、約１０ｍｍ以内、例えば約５ｍｍ～約１０ｍｍの範囲にあってもよい。第２端面１４ｂにおけるフィードスルー開口１４ｃの開口径は、約５ｍｍ以内、例えば約２ｍｍ～約５ｍｍの範囲にあってもよい。フィードスルー筒状本体１４の長さ（すなわち第１端面１４ａと第２端面１４ｂの距離）は、約２０ｍｍ～約６０ｍｍの範囲にあってもよい。

フィードスルー筒状本体１４は、例えば、金属材料で形成される。金属材料は、例えば、黄銅、アルミニウム（またはアルミニウム合金）、銅、ステンレス鋼、鉄のいずれか、またはこれらの合金であってもよい。フィードスルー筒状本体１４は、使用される冷却温度（例えば、液体ヘリウム温度、または液体窒素温度）で低温脆性の起こらない（または起こりにくい）材料で形成されることが好ましい。

封止材１６は、電気配線１２を固定するとともにフィードスルー筒状本体１４と封止材１６との接合が極低温で保持されるように、フィードスルー開口１４ｃに充填されている。封止材１６は、液体として用意され、フィードスルー開口１４ｃに充填され例えば室温または加熱下で硬化され、電気配線１２をフィードスルー筒状本体１４に固定する。封止材１６は、極低温下においても接着能力を有し、フィードスルー筒状本体１４と封止材１６との接合が極低温（例えば、液体ヘリウム温度、または液体窒素温度、またはその他の冷却温度）で保持される。

封止材１６は、使用される冷却温度で低温脆性の起こらない（または起こりにくい）樹脂材料で形成されることが好ましい。また、通例、封止材１６は、絶縁性を有するが、それは必須ではない。例えば、電気配線１２が絶縁被覆を有する場合には、封止材１６は導電性を有してもよい。

封止材１６は、例えば、極低温に適合した接着剤である。封止材１６として使用可能な極低温用接着剤の代表例としては、Ｅｍｅｒｓｏｎ＆Ｃｕｍｉｎｇ社製のＳＴＹＣＡＳＴ（スタイキャスト）のような粒子分散型複合エポキシ樹脂接着剤（例えば、スタイキャスト２８５０）、日東シンコー社製のニトフィックス（登録商標）のような二液混合型エポキシ樹脂接着剤が挙げられる。

極低温圧力容器５０が極低温冷媒で室温から極低温に冷却されるとき、フィードスルー構造１０も冷却され、フィードスルー筒状本体１４と封止材１６はそれぞれ熱収縮する。一般に、金属材料と樹脂材料では樹脂材料のほうが大きく収縮するので、接着面には径方向の引張応力が発生する。この熱応力σｓよりも樹脂材料の引張接着強度が低ければ、封止材１６はフィードスルー筒状本体１４から剥離しうる。剥離すれば、そこから極低温冷媒が周囲環境１８にリークしうる。

このように、極低温圧力容器５０の気密性を保持するうえで、フィードスルー構造１０には、フィードスルー筒状本体１４と封止材１６の界面に発生する熱応力σｓによって封止材１６がフィードスルー筒状本体１４から剥離しうるという構造上の弱点がある。これを克服すべく、フィードスルー筒状本体１４と封止材１６との接合が極低温で保持されるように、フィードスルー構造１０は、材料および形状が設計されている。

図３は、実施の形態に係るフィードスルー構造に使用されうるいくつかの材料について熱収縮を示すグラフである。図３には、ある材料のサンプルが有する２９３Ｋ、ＴＫでの基準長さをそれぞれＬ_２９３、Ｌ_Ｔと表記する（すなわち材料サンプルは２９３Ｋで基準長さＬ_２９３を有し、この基準長さがＴＫに冷却されたとき長さＬ_Ｔに縮小する）とき、（Ｌ_２９３－Ｌ_Ｔ）／Ｌ_２９３と表される熱収縮の大きさが示されている。

フィードスルー構造１０の材料を選択するにあたっては、極低温に冷却されるときのフィードスルー筒状本体１４と封止材１６の熱収縮の大きさが同程度（理想的には等しい）ことが望ましい。なぜなら、フィードスルー筒状本体１４と封止材１６の熱収縮の大きさが近いほど、熱応力σｓが小さくなるからである。

図３から理解されるように、例えば１００Ｋ以下の極低温領域において、スタイキャスト２８５０ＧＴの熱収縮は、かなり大きい。アルミニウムの熱収縮は、スタイキャスト２８５０ＧＴに比べて、やや大きく、黄銅の熱収縮は、スタイキャスト２８５０ＧＴに比べて、やや小さい。アルミニウムと黄銅の熱収縮の大きさは、銅に比べて大きい。また、ステンレス鋼の熱収縮の大きさは、銅と同程度であるか、銅よりやや小さく、鉄より大きい。

したがって、フィードスルー筒状本体１４を形成する金属材料は、鉄に比べて、極低温（例えば、液体ヘリウム温度、または液体窒素温度、またはその他の冷却温度）への冷却に伴って生じる熱収縮が大きいことが好ましい。このようにすれば、金属材料の熱収縮の大きさを、封止材１６として好適な樹脂材料であるスタイキャスト２８５０ＧＴの熱収縮の大きさに近づけることができ、フィードスルー筒状本体１４と封止材１６の界面に働く熱応力σｓを抑制することができる。

フィードスルー筒状本体１４を形成する金属材料は、銅に比べて、極低温への冷却に伴って生じる熱収縮が大きいことが、より好ましい。金属材料は、例えば、黄銅、またはアルミニウムであってもよい。このようにすれば、金属材料の熱収縮の大きさを、封止材１６として好適な樹脂材料であるスタイキャスト２８５０ＧＴの熱収縮の大きさと同程度にすることができ、フィードスルー筒状本体１４と封止材１６の界面に働く熱応力σｓを一層抑制することができる。なお、金属材料が黄銅の場合には、界面に働く熱応力σｓは引張応力となるが、金属材料がアルミニウムの場合には、界面に働く熱応力σｓは圧縮応力となる。

図４および図５はそれぞれ、実施の形態に係るフィードスルー構造に働きうる熱応力σｓの計算結果の例を示すグラフおよび表である。図４に示される４つの曲線はそれぞれ、実施例１から実施例４について熱応力σｓを計算し、上述の半径比ｎ（＝Ｄｉ／Ｄｏ）をパラメータとして描いたものである。図５には、実施例１から実施例４について、ｎ＝０．１７１として計算した熱応力σｓの値を示してある。実施例１から実施例４は、図５に示されるように、フィードスルー筒状本体１４と封止材１６の材料が異なる。図５に示される「結果」は、図６および図７を参照して後述する気密試験に基づく評価である。

ここで、熱応力σｓは、
σｓ＝（Ａｏ－Ａｉ）Ｂ
により計算される。

Ａｏは、フィードスルー筒状本体１４を形成する材料（例えば金属材料）についての材料長さ比、Ａｉは、封止材１６を形成する材料（例えば樹脂材料）についての材料長さ比を示す。「材料長さ比」とは、その材料のサンプルの３００Ｋでの基準長さＬ_３００に対する０Ｋでの基準長さＬ_０の比（すなわち、Ｌ_０／Ｌ_３００）と定義しうる。室温から液体窒素温度に冷却されるときの熱収縮の大きさは、たいてい、室温から約０Ｋに冷却されるときの熱収縮の大きさのおよそ９割に達するので、０Ｋでの基準長さＬ_０に代えて、「材料長さ比」は、液体窒素温度（７７Ｋ）での基準長さＬ_７７を用いて、Ｌ_７７／Ｌ_３００と定義してもよい。よって、材料長さ比は、材料サンプルの長さを室温と極低温で測定することにより、取得することができる。

また、上式のＢは、

により計算される。ここで、Ｅｏ、νｏはそれぞれ、フィードスルー筒状本体１４を形成する材料についてのヤング率とポアソン比を示し、Ｅｉ、νｉはそれぞれ、封止材１６を形成する材料についてのヤング率とポアソン比を示す。これらの弾性定数が既知でない場合には、極低温下で材料サンプルの引張（圧縮）とひずみの関係を測定することによって得られる。

フィードスルー構造１０の形状の設計に関しては、半径比ｎが主要なパラメータの１つとなる。半径比ｎが０に近いほどフィードスルー筒状本体１４は厚肉となる。図４から理解されるように、半径比ｎが０に近づくほど、熱応力σｓの値は大きくなるが、熱応力σｓの増加量は小さくなる。半径比ｎが０．０５～０．５（とくに、０．２以下）の範囲にあるとき、熱応力σｓは半径比ｎにあまり依存せずほぼ一定となる。

熱応力σｓが大きくなれば、熱応力σｓは封止材１６の接着強度（例えば引張接着強度）を超えうる。そうすると、封止材１６がフィードスルー筒状本体１４から剥離しうる。一方、半径比ｎが１に近いほどフィードスルー筒状本体１４は薄肉となるから、極低温圧力容器５０の高圧の作用によりフィードスルー構造１０が破損するリスクが高まる。

図６は、実施の形態に係るフィードスルー構造のための気密試験装置を示す概略図である。フィードスルー気密試験装置６０は、高圧ガス源６２、ガスリーク検査装置６４、極低温冷却槽６６を備える。

高圧ガス源６２は、例えば、高圧ヘリウムガスのタンクであり、タンク出口に設けられたバルブなどの圧力調整器６２ａ、安全弁６２ｂ、および高圧側取付フランジ６２ｃを介して、フィードスルー構造１０に接続される。フィードスルー筒状本体１４の第１端面１４ａが高圧側取付フランジ６２ｃに気密に装着される。すなわち、図１に示される極低温圧力容器５０およびフィードスルー取付フランジ５６の代わりに、高圧ガス源６２および高圧側取付フランジ６２ｃがフィードスルー筒状本体１４に装着されている。

ガスリーク検査装置６４は、例えば、ヘリウムリークディテクタであり、バルブ６７および低圧側取付フランジ６８を介して、フィードスルー構造１０に接続される。バルブ６７と低圧側取付フランジ６８の間で分岐した配管にポンプ６９が接続されていてもよい。

フィードスルー筒状本体１４は、第２端面１４ｂでガスリーク検査装置６４に気密に装着可能である。極低温圧力容器５０に実際に装着した状態でフィードスルー構造１０の気密試験を行うのは、試験装置が大がかりになるため、容易でない。仮に、そうした大がかりな試験装置によってリークが発見されたとしても、すでに装着されているため、新たなフィードスルー構造１０との交換には手間がかかる。しかし、実施の形態によれば、極低温圧力容器５０への装着前にフィードスルー構造１０の気密試験を単体で容易に行うことができ、都合がよい。気密試験に合格し、リークが発生しないことが保証されたフィードスルー構造１０を選んで、実機に装着することができる。

フィードスルー筒状本体１４は、第２端面１４ｂを低圧側取付フランジ６８に接触させた状態でガスリーク検査装置６４に気密に装着されている。第２端面１４ｂは、フィードスルー開口１４ｃのまわりに形成された複数の締結穴２０を有し、各締結穴２０には締結部材２２が締結可能であり、締結部材２２によってフィードスルー筒状本体１４が低圧側取付フランジ６８に気密に締結される。締結穴２０は、第１端面１４ａから第２端面１４ｂへとフィードスルー筒状本体１４を貫通している。ただし、これは必須ではなく、第１端面１４ａの締結穴２０と第２端面１４ｂの締結穴２０は、相互に接続されていなくてもよい。

極低温冷却槽６６は、例えば液体窒素などの極低温冷媒で満たされ、その中にフィードスルー構造１０が高圧側取付フランジ６２ｃおよび低圧側取付フランジ６８とともに浸されている。フィードスルー構造１０は、液体窒素温度または冷媒の冷却温度に冷却される。なお、極低温冷却槽６６に代えて、フィードスルー構造１０は、例えばＧＭ冷凍機などの極低温冷凍機によって冷却されてもよい。

図７は、実施の形態に係るフィードスルー構造の気密試験の結果を示す表である。図６に示されるフィードスルー気密試験装置６０を使用して、実施例１、実施例３、実施例４について気密試験を行った。図７にはその結果を示してある。各試験サンプルの半径比ｎは、ｎ＝０．１７１である。各実施例について所定のサンプル数の試験を行い、ガスリーク検査装置６４によってリークがまったく検出されない（リークがあったとしても、検出限界にまで達しない程度のリークしか発生していない）場合を合格、ガスリーク検査装置６４によって何らかのリークが検出された場合を不合格と判定した。

図７に示されるように、実施例１のフィードスルー構造１０は、フィードスルー筒状本体１４が黄銅（Ｃ３６０４）で形成され、封止材１６はスタイキャスト２８５０である。実施例１は、４個の試験サンプルについて、その全てが気密試験に合格した。したがって、実施例１のフィードスルー構造１０は、最良（○）と評価される。

実施例３のフィードスルー構造１０は、フィードスルー筒状本体１４がステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）で形成され、封止材１６はスタイキャスト２８５０である。実施例３は、６個の試験サンプルについて、そのうち２個が気密試験に合格した。したがって、実施例３のフィードスルー構造１０は、良（△）と評価される。

実施例４のフィードスルー構造１０は、フィードスルー筒状本体１４がステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）で形成され、封止材１６はニトフィックスである。実施例４は、２個の試験サンプルについて、その全てが気密試験に不合格であった。したがって、実施例４のフィードスルー構造１０は、不良（×）と評価される。

実施例２のフィードスルー構造１０は、フィードスルー筒状本体１４が黄銅（Ｃ３６０４）で形成され、封止材１６はニトフィックスである。実施例２については気密試験を行っていないが、図４および図５に示される、ｎ＝０．１７１のときの熱応力σｓの値を他の実施例と比較することによって、実施例４と同様に、不良（×）と評価される。

なお、実施例２、実施例４のフィードスルー構造１０についても、極低温圧力容器５０の内部圧力が低い等、より緩和された条件を満たせばよい用途であれば、適用可能でありうる。

一般に、極低温下の封止材１６の接着強度は既知ではない。しかしながら、図４、図５、図７に示される結果を総合すると、封止材１６の接着強度（例えば引張接着強度）は、実施例３のフィードスルー構造１０についての熱応力σｓに近い値であると推測され、１．２×１０^７Ｎ／ｍ^２～１．０×１０^７Ｎ／ｍ^２程度と見積もられる。また、Ａｏ－Ａｉ≦１．０×１０^－３であれば、ＡｏとＡｉが実質的に等しく、熱応力σｓによる封止材１６の剥離が生じにくくなると考えられる。

よって、フィードスルー構造１０は、極低温への冷却に伴ってフィードスルー筒状本体１４と封止材１６との接触界面に働く半径方向の熱応力σｓが、１．２×１０^７Ｎ／ｍ^２未満（または、１．０×１０^７Ｎ／ｍ^２未満）となるように設計されることが望ましい。同様の観点から、フィードスルー構造１０は、Ａｏ－Ａｉ≦１．０×１０^－３が成立するように設計されることが望ましい。

実施の形態に係るフィードスルー構造１０によると、フィードスルー筒状本体１４は、第１端面１４ａを極低温圧力容器５０のフィードスルー取付フランジ５６に接触させた状態で極低温圧力容器５０に気密に装着されている。フィードスルー取付フランジ５６に合わせて第１端面１４ａの面積を広くした比較的厚肉のフィードスルー筒状本体１４が採用されている。そのため、フィードスルー筒状本体１４は、配線が薄肉管を挿通する典型的なフィードスルー部品と比較して、向上された耐圧性を有する。極低温圧力容器５０に適合したフィードスルー構造１０を提供することができる。

また、封止材１６は、電気配線１２を固定するとともにフィードスルー筒状本体１４と封止材１６との接合が極低温で保持されるように、フィードスルー開口１４ｃに充填されている。当初不定形の封止材１６がフィードスルー筒状本体１４と電気配線１２との間に充填され、硬化されることによって、電気配線１２がフィードスルー筒状本体１４に固定されるので、電気配線１２は、フィードスルー開口１４ｃを挿通する限り、任意の形状をとることができる。フィードスルー構造１０は、市販のリード線をはじめとして様々な導線または導体を採用でき、便利である。複数本の電気配線１２をまとめて極低温圧力容器５０の中から外へと引き出すことも可能である。

図８は、実施の形態に係る極低温冷却システムを示す概略図である。極低温冷却システム１００は、冷却ガス（例えば、上述の極低温冷媒）を循環させることによって被冷却物、例えば超伝導コイル１０２を目的の温度に冷却するように構成された循環冷却システムである。冷却ガスは、例えばヘリウムガスがよく用いられるが、冷却温度に応じた適切なそのほかのガスが利用されることもありうる。

極低温圧力容器であるコイルケース１０４は、加圧された極低温冷媒とともに超伝導コイル１０２を収容し、フィードスルー取付フランジ５６を有する。コイルケース１０４には、フィードスルー構造１０が装着されている。上述のように、フィードスルー筒状本体１４がフィードスルー取付フランジ５６に装着されている。コイルケース１０４およびフィードスルー構造１０は、真空容器１０６に収容されている。

また、温度センサ１０８は、コイルケース１０４内に配置され、超伝導コイル１０２の温度を測定する。電気配線１２は、温度センサ１０８に接続され、コイルケース１０４の中から外へと延びる。温度センサ１０８の温度測定信号が、電気配線１２を通じて、コイルケース１０４および真空容器１０６の外部に送信される。電気配線１２は、フィードスルー構造１０を通じてコイルケース１０４から引き出され、さらに真空フィードスルー１１０を通じて真空容器１０６の外に引き出されている。

極低温冷却システム１００は、冷媒循環装置１１２と、コイルケース流路１１８を含む冷却ガス流路１１４と、極低温冷凍機１２２と、熱交換器１３０とを備える。冷却ガス流路１１４は、ガス供給ライン１１６、ガス回収ライン１２０、流量制御バルブ１３２、冷凍機供給ライン１３４、冷凍機回収ライン１３６をさらに備える。極低温冷凍機１２２は、冷凍機ステージ１２８を有するコールドヘッド１２６を備える。冷凍機ステージ１２８と熱交換器１３０は、コイルケース１０４と同様に、真空容器１０６の中に配置されている。

冷媒循環装置１１２は、例えば、ヘリウムガスの圧縮機であり、コイルケース流路１１８と極低温冷凍機１２２の両方にガスを循環させる。冷媒循環装置１１２は、真空容器１０６の外に配置されている。冷媒循環装置１１２から送出された冷却ガスは、ガス供給ライン１１６を通じて真空容器１０６の内部に供給される。

熱交換器１３０は、ガス供給ライン１１６とガス回収ライン１２０との間で、それぞれを流れる冷却ガスが互いに熱交換をするように構成されている。ガス供給ライン１１６を流れる冷却ガスは、ガス回収ライン１２０を流れる冷却ガスによって予冷される。熱交換器１３０は、極低温冷却システム１００の冷却効率を向上するのに役立つ。

熱交換器１３０によって予冷された冷却ガスは、冷凍機ステージ１２８によってさらに冷却され、コイルケース流路１１８へと流れる。コイルケース流路１１８は、超伝導コイル１０２の円環状の形状に合わせて円環状の流路となっている。コイルケース流路１１８を流れる冷却ガスは、超伝導コイル１０２を冷却し、ガス回収ライン１２０へと流れる。冷却ガスは、ガス回収ライン１２０から冷媒循環装置１１２に回収され、再びガス供給ライン１１６に送出される。

この場合、流量制御バルブ１３２は、コイルケース流路１１８に流れる冷却ガス流量を制御するために設けられている。流量制御バルブ１３２は、真空容器１０６の外においてガス供給ライン１１６に設置されている。あるいは、流量制御バルブ１３２は、真空容器１０６の外においてガス回収ライン１２０に設置されてもよい。このようにすれば、汎用の流量制御弁を流量制御バルブ１３２として採用することができ、流量制御バルブ１３２を真空容器１０６の中に設置する場合に比べて製造コストの点で有利である。ただし、流量制御バルブ１３２は真空容器１０６の中に設置されてもよい。

冷媒循環装置１１２から極低温冷凍機１２２に作動ガスを供給するために冷凍機供給ライン１３４が設けられ、極低温冷凍機１２２から冷媒循環装置１１２に作動ガスを回収するために冷凍機回収ライン１３６が設けられている。冷凍機供給ライン１３４は、真空容器１０６の外においてガス供給ライン１１６から分岐してコールドヘッド１２６に接続し、冷凍機回収ライン１３６は、真空容器１０６の外においてガス回収ライン１２０から分岐してコールドヘッド１２６に接続している。

冷媒循環装置１１２とコールドヘッド１２６により作動ガスの循環回路すなわち極低温冷凍機１２２の冷凍サイクルが構成され、それにより冷凍機ステージ１２８が冷却される。極低温冷凍機１２２は、一例として、ギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機であるが、パルス管冷凍機、スターリング冷凍機、またはそのほかの極低温冷凍機であってもよい。

冷媒循環装置１１２からコールドヘッド１２６に供給される作動ガスの圧力と、コールドヘッド１２６から冷媒循環装置１１２に回収される作動ガスの圧力は、ともに大気圧よりかなり高く、それぞれ第１高圧及び第２高圧と呼ぶことができる。説明の便宜上、第１高圧及び第２高圧はそれぞれ単に高圧及び低圧とも呼ばれる。典型的には、高圧は例えば２～３ＭＰａである。低圧は例えば０．５～１．５ＭＰａであり、例えば約０．８ＭＰａである。したがって、冷媒循環装置１１２からコイルケース１０４に供給される冷却ガスの圧力も、大気圧よりかなり高く、例えば２～３ＭＰａであってもよい。

このようにして、超伝導コイル１０２を冷却する極低温冷却システム１００を提供することができる。また、フィードスルー構造１０を使用して、コイルケース１０４内の温度センサ１０８の電気配線１２をコイルケース１０４の外に引き出すことができる。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。ある実施の形態に関連して説明した種々の特徴は、他の実施の形態にも適用可能である。組合せによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態それぞれの効果をあわせもつ。

上述の実施の形態では、フィードスルー筒状本体１４が円柱形状を有する場合を例として説明したが、これに限られない。フィードスルー筒状本体１４の２つの端面は異なる大きさであってもよく、例えば、第２端面１４ｂが第１端面１４ａより直径が小さくてもよい。よって、フィードスルー筒状本体１４は、円すい台状であってもよい。２つの端面が円形であることも、必須ではない。例えば、第２端面１４ｂは、矩形その他の形状であってもよい。

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１０フィードスルー構造、１２電気配線、１４フィードスルー筒状本体、１４ａ第１端面、１４ｂ第２端面、１４ｃフィードスルー開口、１６封止材、２０締結穴、２２締結部材、５０極低温圧力容器、５６フィードスルー取付フランジ、６４ガスリーク検査装置、１００極低温冷却システム、１０８温度センサ、１１２冷媒循環装置。

Claims

極低温圧力容器の中から外へと延びる電気配線と、
第１端面と、前記第１端面とは反対側にあり前記極低温圧力容器の外に配置された第２端面と、前記第１端面から前記第２端面へと貫通し前記電気配線を挿通するフィードスルー開口とを有し、前記第１端面を前記極低温圧力容器のフィードスルー取付フランジに接触させた状態で前記極低温圧力容器に気密に装着可能なフィードスルー筒状本体と、
前記電気配線を固定するとともに前記フィードスルー筒状本体と封止材との接合が極低温で保持されるように、前記フィードスルー開口に充填された封止材と、を備えることを特徴とするフィードスルー構造。
前記第１端面は、前記フィードスルー開口のまわりに形成された複数の締結穴を有し、各締結穴には締結部材が締結可能であり、前記締結部材によって前記フィードスルー筒状本体が前記フィードスルー取付フランジに気密に締結されることを特徴とする請求項１に記載のフィードスルー構造。
前記第１端面における前記フィードスルー筒状本体の外径に対する前記フィードスルー開口の開口径の比が０．５以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のフィードスルー構造。
前記第１端面における前記フィードスルー筒状本体の外径に対する前記フィードスルー開口の開口径の比が０．０５以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のフィードスルー構造。
前記フィードスルー開口は、前記第１端面から前記第２端面に向かって狭まっていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のフィードスルー構造。
前記封止材は、極低温に適合した接着剤であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のフィードスルー構造。
前記フィードスルー筒状本体は、金属材料で形成され、
前記金属材料は、鉄に比べて、極低温への冷却に伴って生じる熱収縮が大きいことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のフィードスルー構造。
前記フィードスルー筒状本体は、金属材料で形成され、
前記金属材料は、銅に比べて、極低温への冷却に伴って生じる熱収縮が大きいことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のフィードスルー構造。
前記フィードスルー筒状本体は、前記第２端面でガスリーク検査装置に気密に装着可能であることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のフィードスルー構造。
加圧された極低温冷媒とともに被冷却物を収容し、フィードスルー取付フランジを有する極低温圧力容器と、
前記極低温圧力容器内に前記極低温冷媒を循環させる冷媒循環装置と、
前記極低温圧力容器内に配置され、前記被冷却物の温度を測定する温度センサと、
前記温度センサに接続され、前記極低温圧力容器の中から外へと延びる電気配線と、
第１端面と、前記第１端面とは反対側にあり前記極低温圧力容器の外に配置された第２端面と、前記第１端面から前記第２端面へと貫通し前記電気配線を挿通するフィードスルー開口とを有し、前記第１端面を前記極低温圧力容器のフィードスルー取付フランジに接触させた状態で前記極低温圧力容器に気密に装着されたフィードスルー筒状本体と、
前記電気配線を固定するとともに前記フィードスルー筒状本体と封止材との接合が極低温で保持されるように、前記フィードスルー開口に充填された封止材と、を備えることを特徴とする極低温冷却システム。