JPH02125601A - 極低温冷却器低温ヘッド界面ソケット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は多段形極低温冷却器と磁気共鳴用磁石の間を
着脱自在に相互接続する直接接触熱界面に関する。

例えばギフオード・マクマホン（ＧｌｆＴｏｒｄ−Ｍｃ
Ｍａｈｏｎ　）サイクルを用いる極低温冷却器は、超導
電磁石の内部からの熱を取去る為に、そのヒート・ステ
ーションに低い温度を達成することが出来る。

２段形極低温冷却器に於けるヒート・ステーションは、
極低温冷却器の低温ヘッド部分の第１段及び第２段の端
に設けられる。極低温冷却器のヒート・ステーションを
、そこから熱を取去ろうとする放射遮蔽体の様な面に接
続する為には、熱抵抗を小さくする為に、大きな接触力
が必要であると共に、軟らかい金属界面が必要である。

極低温冷却器は着脱自在であるから、極低温冷却器を手
入れの為に取外した時、この界面に甚だしく霜が蓄積す
ることがある。この様な移しい霜が存在している状態で
接続をもう一度設定し直すことは、困難であることがあ
る。

２段形極低温冷却器と界面ソケットの間の膨張及び収縮
の差が、熱効率のよい接触抵抗を形成する妨げになるこ
とがある。

この発明の目的は、極低温温度に於て、熱抵抗を小さく
して確実な接触を行なう極低温冷却器の低温ヘッドの界
面ソケットを提供することである。

この発明の別の目的は、極低温冷却器の低温ヘッドの各
段での接触力を独立に制御することである。

発明の要約 この発明では多段形極低ｌＨ冷却器によって冷却される
ＭＲ磁石が、開口を構成している極低？Ｒｍと、該極低
温槽の内側に配置されたプラットフォーム手段とを持っ
ている。閉じた端及び開いた端を持つ第１のスリーブの
閉じた端が極低温槽の中に入り込み、プラットフォーム
手段によって支持されている。第１のスリーブは、スリ
ーブの両端の間でスリーブの内側に固定された第１段熱
交換器接触手段を含む。スリーブの壁の内、第１段熱交
換器接触手段から閉じた端まで伸びる部分は軸方向に可
撓性である。第２のスリーブが第１のスリーブを取囲ん
でおり、一方の開いた端が極低温槽の開口の周縁を気密
に取巻いている。第２のスリーブの壁は軸方向に可撓性
である。中心開口を持つ第１のフランジが、第１（内側
）及び第２（外側）のスリーブの間に形成された環状空
間を気密に密閉し、第１のフランジの中心開口及び内側
スリーブの開いた端が互いに整合している。内側スリー
ブ、外側スリーブ及び第１のフランジが極低温槽の開口
を気密に密封する。中心開口を持つ第２のフランジが第
１のフランジに対して軸方向に調節自在に、気密に固定
されている。第１のフランジは、極低温冷却器の低温側
の端を内側スリーブの中に配置するようにして、極低温
冷却器に固定され′る。極低温槽及び内側スリーブを真
空にひいた時、極低温冷却器の端と内側スリーブの底の
間に圧力が加えられ、熱抵抗の小さい熱継手が形成され
る。第２のフランジに対する第１のフランジの軸方向の
位置を調節して、内側スリーブの軸方向に可撓性を持つ
部分を長くすると、第１段ヒート・ステーション接触手
段と極低温冷却器の第１段の間の力が強くなり、熱効率
のよい継手が得られる。

この発明の要旨は、特許請求の範囲に具体的に且つ明確
に記載しであるが、この発明の構成、実施方法並びにそ
の他の目的及び利点は、以下図面について説明する所か
ら最もよく理解されよう。

発明の詳細な説明 以下、この発明を第１Ａ、ＩＢ、２及び３図を参照して
説明する。図面全体にわたり、同様な部分には同じ参照
数字を用いている。ここで、第１Ａ図及び第１Ｂ図は、
この発明による界面ソケットの中にある典型的な極低温
冷却器の部分的な側面図である。この側面図が、極低温
冷却器の低温ヘッドの大体中心線に沿って分割されてお
り、第１Ａ図に右側、第１Ｂ図に左側を示している。第
１Ｂ図は界面のヒート・ステーションと完全に係合した
極低温冷却器を示しており、第１Ａ図は界面ソケットを
極低温冷却器の各段と最終的に係合する前の極低温冷却
器を示している。

図には、極低温冷却器低温ヘッド界面ソケット１１が極
低温槽１３に取付けられることが示されている。このソ
ケットは１端が閉じた内側スリーブ１５を有する。この
閉じた端が極低温槽の開口を通り、極低温槽内の支持体
に乗っかっている。

好ましい実施例では、支持体は銅で密封した巻型１７で
構成される。巻型が懸架部（図面に示してない）により
、極低温槽の外側ハウジングから支持される。内側スリ
ーブ１５は幾つかの部分に分けて作られる。閉じた端は
１個の銅の部材であって、夫々第１及び第２の直径の円
筒２１ａ、２１ｂを侍ち、各々その中心が同じ軸方向の
中心線上にある。直径が小さい方の円筒２１ｂが、スリ
ーブ１５に気密に固着される。この実施例では、銅の円
筒が水素雰囲気内で、ステンレス鋼のスリーブ１５の１
端にオーブン内でろう付けされ、気密な接続部を形成す
る。直径が大きい方の円筒２１ａが、巻型１７の銅の遮
蔽体２３にボルト締めされる。スリーブ１５に軸方向の
可撓性を持たせる為、ステンレス鋼のベロ一部分２５が
内側スリーブの部分２７及び部分２９の間にステンレス
鋼のバンド３１によって結合され、このバンドがベロー
２５の両端並びに２つの部分２７．２９の端に重ねて所
定位置に溶接される。部分２９が、スリーブの壁の一部
分を形成する銅のリング形の第１段熱交換器３５の内周
にろう付けされる。リング３５の外側には等間隔の６つ
の平坦部がある。スリーブの上側部分３７がリング３５
の外面に結合され、第２図に見られる様に、スリーブの
内側に円形面４１を作る。この円形面が２つの溝孔４５
を持っていて、内側スリーブ１５の上側及び下側部分の
間で流れが連通ずる様にしている。スリーブの上側部分
３７が、中心開口を持つ第１のステンレス鋼のフランジ
４７の内周に終端する。

ステンレス鋼のベロー５３として示した軸方向に可撓性
を持つ部分を有する外側スリーブ５１が、ステンレス鋼
のスリーブ部分５７．５９に溶接バンド５５によって接
続される。スリーブ部分５７゜５９は、極低温槽のハウ
ジング１３の外周及び第１のフランジ４７に溶接するこ
とによって固定される。外側スリーブ５１及び内側スリ
ーブ１５が第１のフランジ４７と共に、極低温槽の開口
の気密封じを作る。極低温槽を真空に引いた時の極低温
槽１３に向う方向の第１のフランジ４７の移動を制限す
る為、分割カラー６１が極低温槽の溝にはまると共に、
スリーブが極低温槽に向って軸方向に圧縮される時、第
１のフランジ４７の周縁と係合する。分割カラー６１が
外側スリーブ５１を取巻くことが示されているが、この
代りに内側及び外側スリーブ５１．１５の間に配置して
もよい。

中心開口を持つ第２のフランジ６３が第１のフランジ４
７の開口の内側に配置されていて、０リング６５が気密
な軸方向の滑りばめが出来るようにしている。極低温冷
却器７１のフランジ６７が第２のフランジ６３に固定さ
れ、２つの冷却段７３．７５を持つ極低温冷却器の低温
側の端が内側スリーブ１５の中に入る。これらの２段は
室温より低い異なる２ｆｆ類の温度で動作し、第２段７
５は第１段７３よりも一層低温である。夫々の段の正確
な温度は、加えられる熱負荷に関係するが、典型的には
ヒート・ステーションは夫々５０　°Ｋ及び１０　＠に
で作用する。極低温冷却器の低温側の端の２段７３．７
５は何れも全体的に円筒形であって、同じ軸線上にある
。第２段７５は第１段よりも直径が小さく、最初にそれ
から伸び出す。

第１段７３が円板射熱交換器７７に終端し、その中心開
口の中を第２段が通抜ける。第２段は円板射熱交換器７
９に終端する。極低温冷却器の第２段の端が、内側スリ
ーブ１５の端を封鎖する銅の円ｇ’１２１ｂと接触する
。インジウムの薄板８１が、円板７９及び円筒２１ｂの
間の良好な熱接触を保証する。

０リング８３が極低温冷却器のフランジ６３と第２のフ
ランジ６７の間に設けられて、気密対しを確かにし、極
低温冷却器７１が所定位置にある時、内側スリーブ１５
を真空にひくことが出来る様にする。第１のフランジに
対してｉ２のフランジを軸方向に動かす為の調節手段が
設けられている。この実施例では、皿形座金８７を設け
た、リング状に配列したボルト８５が、第１及び第２の
フランジ６３．４７を結合することが示されている。座
金８７は予定の圧力でギらになる様に選ばれている。座
金８７が平らになるまでボルト８５を締付けると、フラ
ンジの間に予定の力が働く。

この代りに、流体圧締付は手段（図面に示してない）を
使って、フランジを互いに軸方向に動かし、流体圧配管
の予定の流体圧力によって予定の力が加わる様にしても
よい。

第１のフランジ４７が、極低温槽１３を真空にひいたこ
とによって、分割リング６１と接触し、且つ極低温冷却
器７１が第２のフランジ６３にボルト締めされている時
、内側スリーブ１５の長さ並びに極低温冷却器の低温側
の端は、第２のフランジ６３が第１のフランジ４７に向
って移動し得る距離が、極低温冷却器の第１段熱交換器
７７と、それが坐着するリング３５の面４１との間の隔
たりよりも大きくなる様になっている。

コイル巻型１７から隔たっていてそれを取巻く遮蔽体９
１から熱を取去る為、極低温槽内で、銅の様な放出度の
低い材料のカラー９３が、遮蔽体から伸びていて、内側
スリーブ１５の内の、極低温冷却器のヒート・ステーシ
ョン７５を取巻く第２段部分を取巻き、１０　°にの冷
却される面と極低温槽のハウジング１３の間の放射損失
を少なくする。カラー９３は、該カラーに沿って円周方
向に隔たっていて、それに溶接された６個の銅の編組９
５により、第１段界面熱交換器として作用するリング３
５に接続される。すなわち、各々の編組の他端が、別々
のブロック９７まで伸び、それに溶接されている。ブロ
ックは熱交換器リング３５の周縁上の平坦部にボルト締
めされる。編組９５は、熱による収縮の為、並びにボル
ト８５を緩めたり締付けたりすることによって起る、内
側スリーブ１５とカラー９３の間の移動が出来る様にし
ている。極低温冷却器の第２段ヒート・ステーションと
、磁石用巻線１０１を持つコイル巻型を直接的に取巻く
遮蔽体２３の間の熱伝達が、銅の遮蔽体２３に銅の円筒
２１ａを直接的にボルト締めすることによって達成され
る。内側スリーブの端を閉じる円ＩＰ２１ｂと、遮蔽体
２３にボルト締めされる円筒２１ａとは、一体の銅部材
から形成される。第２図に見られるインジウムの薄板８
１が、極低温冷却器の第２段ヒート・ステーションの端
と円筒２１ｂとの間にあって、良好な熱伝達を保証する
。

永久的に取付けた抵抗性導線１０３．１０５が界面の外
側から第１のフランジ中の絶縁はめ込み材１０６を介し
て第２のスリーブ５１の内側まで伸びる。この通抜けは
気密に行なう。入って来る導線が、第２図及び第３図に
最もよく示されている様に、２つの半円形の銅の母１１
１１１．１１３から伸びる突片１０７に固定される。突
片１０７が各々の半円形母線の夫々の端から半径方向に
伸びる。半円形の母線１１１，１１３が、電気絶縁体１
１５．・１１６と共に、熱交換器リング３５にボルト締
めされ、これらの絶縁体が銅の母線１１１．１１３及び
リングを隔てる。別の電気絶縁体１１７及びステンレス
鋼のリング１２１がボルト１２３の荷重を拡散する。イ
ンジウム層１２５が絶縁体１１５の両側にあって、良好
な熱継手を保証する。絶縁体１１５はアルミナ又はベリ
リヤ・セラミックで構成される。ベリリヤが、熱伝導度
が一層大きい点で好ましい。絶縁体１１５はメタライズ
せずに使うことが出来る。この代りに、セラミックの両
側を銅又はニッケルでメタライズする場合、メタライズ
したセラミックをインジウムはんだの様な弾性係数を持
つはんだを使って、銅のリング３５及び母線の間にはん
だ付けすることが出来、圧力継手は必要としない。この
メタライズは蒸着によって適用することが出来る。メタ
ライズの厚さは１ミル又はそれ未満であってよい。

セラミックが両側の銅又はニッケルを分離し、２つの面
の間の電気的な隔離を保つ。典型的な厚さは、セラミッ
クでは約３０ミルであり、直接結合の金属では５ミルで
ある。

図示の実施例では、セラミックをはんだ付けせず、ボル
ト１２３を絶縁スリーブの中に通すことにより、２つの
半円形の銅の母線を電気的に短絡することを避けている
。ボルトを締付けて、層の間に少なくとも３００ｐｓｌ
が得られる様にし、インジウム層１２５が流動して、隣
合う面の間に良好な熱伝導度を保証する様にザる。

第２の１対の導１１１２７．１２９が各々の半円形母線
の残りの２つの突片１０７にはんだ付けされ、導線１２
７が導線１０３と同じ母線にはんだ付けされ、導線１２
９が導線１０５と同じ母線にはんだ付けされる様にする
。その後導線１２７゜１２９を、夫々円筒２１ａ内の溝
孔の中に配置したブスバー１３１，１３３に接続する。

ブスバーを円筒２１ａの中にボルト止めされる。ベリリ
ヤ又はアルカ・セラミックで構成されたセラミック絶縁
体と、その両側に２枚のインジウムの薄板を設けたもの
をブスバーと円筒の間に配置する。各々のブスバー上の
ステンレス鋼のバーがボルトの荷重を分散する。これら
のボルトが層の間に少なくとも３００　ｐｓｉを作り、
インジウムを流動させて、良好な熱継手を作る。ブスバ
ーは、２５０ボルトの絶縁体力を持つのに十分な距離だ
け互いに隔て＼ある。ブスバー１３１．１３３が、ボル
ト継手により、磁石上の銅のブスバー１４１．１４３に
結合される。

ベリリヤ及びアルミナの継手を用いた７７”Ｋの熱コン
ダクタンスは、５Ｗ／ｃＩ＃−にと云う位によいことが
測定された。こう云うセラミックの絶縁体力は、必要と
する２５０ボルトよりもよい。

磁石の１つの設計では、第１段界面で、高温導線部分は
冷却器の第１段に２．３ワツトを持込む。

この場合熱伝達に利用し得る面積は１２平方ｃｍである
。熱コンダクタンスｈ及び面積Ａを持っていて熱Ｑを伝
達する継手の前後の温度上昇の方捏式は、ΔＴ”Ｑ／　
（ｈＡ）である。従って、ブスバーと冷却器の間の温度
差を０．　１　　°に未満に保つ為には、少なくとも２
Ｗ／ｃｉ−にの熱コンダクタンスが必要である。今述べ
た継手の設計は、この条件を充たす。

同じ設計の磁石は、磁石に対する熱入力が、電流導線と
無関係に０．４Ｗであり、磁石から冷却器の第２段への
熱伝達に利用し得る面積が３５平方ｃａｎである。歳外
し自在の熱継手では、７７　°にで利用し得る最もよい
熱コンダクタンスは約１゜８Ｗ／ｃＪ−にである。従っ
て、この値が温度に無関係であると仮定すると、この継
手の前後の温度差は０．００６３　＠にである。各々の
抵抗性電流導線に沿った熱の漏れが０．３１ワツトであ
る。

セラミック継手の熱コンダクタンスが５Ｗ／ｃｄ−にで
あると、僅か９．８平方ｃｍの面積により、この継手の
前後の温度上昇は０．００６３　＠に未満に保たれる。

この位の面積は利用することが出来、従って熱は実際に
、磁石ではなく、冷却器の中へ移動する。

この界面ソケットは、最初に外側スリーブ５１を極低温
槽の開口に溶接し、外側スリーブをフランジ４７に溶接
することによって、極低温槽内に取付けることが出来る
。ブスバー１３１．１３３を所定位置に置いた状態で、
最初に銅の°円筒２１ａを磁石の巻型１７にボルト締め
することにより、内側スリーブ１５が開口の中に取付け
られる。導線１２７．１２９を所定位置にはんだ付けす
る。

編組９５をカラー９３及びブロック９７に溶接し、カラ
ー９３を遮蔽体９１にボルト締めする。フランジ４７を
通る導線１０３，１０５を突片１０７にはんだ付けする
。

動作について説明すると、極低温槽１３を真空にひき、
外側スリーブ５１を軸方向に収縮させるが、第１のフラ
ンジ４７は分割カラー６１によって支持されている。極
低温冷却器の低温側の端を内側スリーブ１５の中に挿入
し、第２のフランジ６３にボルト締めする。内側スリー
ブ１５を真空にひいて、０リング６５の直径に比例する
大気圧による空気圧の力を極低温槽の第２段ヒート・ス
テージジン７５及び銅の円筒２１ｂに加える。例えばＯ
リング６５の直径が５吋であると、この結果化ずる圧力
は、極低温冷却器の第２段ヒート・ステーションと銅の
円筒２１ｂの間で１３４ｐｓｉである。

この組立て段階に於ける部品の相対的な位置が第１Ａ図
に示されている。次に、フランジ４７が分割カラー６１
から持上げられて、大気圧による外側ベロー５３に対す
る空気圧の力を極低温冷却器の第２段ヒート・ステーシ
ョンに対する下向きの力として伝達するまで、ボルト８
５を締付けることにより、界面に別の力を加え、この結
果、外側スリーブの実効直径が９・３７８吋である時、
界面の合計の圧力は４６８ｐｓ１になる。

ボルト８５を引続いて、締付けると、５０　°にのヒー
ト・ステーション３５が引続いて持上げられ、従って極
低温冷却器の第１段ヒート・ステーション７７とヒート
・ステーション３５の間の界面の圧力は、皿形座金８７
を更に撓ませることにより、少なくとも３００　ｐｓｉ
まで上昇する。然し、１０＠にの界面は、問題の距離に
わたるベロー２５のばね定数が低い為に、比較的影響を
受けない。

この界面圧力は、外側ベロー５３又はＯリング６５の直
径を変えることにより、又は一方或いは両方のベロー２
５．５３のばね定数を変えることによって、調節するこ
とが出来ることが理解されよう。

以上、極低温に於ける熱抵抗の小さい確実な接触を作る
極低温冷却器低温ヘッド界面ソケットを説明した。更に
、極低温冷却器の界面の各段に於ける接触力を独立に制
御することが出来る。

この発明を好ましい実施例について具体的に図示して説
明したが、当業者にはこの発明の範囲内で種々の変更が
考えられよう。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図及び第１Ｂ図は界面ソケット内に取付けた典型
的な極低温冷却器の部分的な側面図、第２図は界面ソケ
ットの内側部分の一部分切欠いた斜視図、第３図は極低
温冷却器の界面の内側スリーブ内にある第１段熱交換器
の母線部分の斜視図である。 ［主な符号の説明］ １３：極低温槽 １５：内側スリーブ ２３：遮蔽体 ２５．５３：ベロー ３５：リング ４７：第１のフランジ ５１：外側スリーブ ６３：第２のフランジ ７１；極低温冷却器 ７３：その第１段 ７５：その第２段 １０３．１０５，１２７，１２９：導線１１１．１１３
：銅の母線 １１５．１１６．１１７：電気絶縁体 １２１ニステンレス鋼のリング １２５：インジウム１ｍ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）多段形極低温冷却器によって冷却される超導電磁
   石に於て、開口を持つ極低温槽と、該極低温槽の内側に
   配置されたプラットフォーム手段と、閉じた端及び開い
   た端を持つ内側スリーブと、該内側スリーブを取巻く外
   側スリーブとを有し、前記内側スリーブの閉じた端は前
   記極低温槽の内側を伸びて前記プラットフォーム手段に
   よって支持され、前記内側スリーブは該スリーブの内側
   に固定された第１段ヒート・ステーション接触手段を持
   っており、前記内側スリーブの内、該ヒート・ステーシ
   ョン手段及び該スリーブの壁の間を伸びる部分は軸方向
   に可撓性であり、前記外側スリーブの一方の開いた端は
   前記極低温槽の開口の周縁を気密に取巻いており、前記
   外側スリーブの壁は軸方向に可撓性であり、更に、第１
   のフランジ及び第２のフランジを有し、該第１のフラン
   ジは、中心開口を持っていると共に、内側及び外側スリ
   ーブに気密に固着されていて、内側及び外側スリーブの
   間に形成された環状空間を密封し、第１のフランジの中
   心開口は内側スリーブの開いた端と整合しており、前記
   の内側スリーブ、外側スリーブ及び第１のフランジが前
   記極低温槽の開口を気密に密封しており、前記第２のフ
   ランジは第１のフランジの中心開口内に調節自在に気密
   に固定される中心開口を持っており、該第２のフランジ
   は、極低温冷却器の低温側の端が内側スリーブの中に配
   置された時に極低温冷却器に固定される様になっていて
   、極低温槽及び内側スリーブを真空にひくことにより、
   極低温冷却器の端と内側スリーブの底との間に圧力が加
   えられ、且つ第１のフランジを第２のフランジに向けて
   移動させることにより、内側スリーブの軸方向に可撓性
   を持つ部分を伸ばして、第１段ヒート・ステーション接
   触手段と極低温冷却器の第１段の間の力を増加する様に
   した超導電磁石。