JPH064565U - 低温容器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 外部からの侵入熱を低減することにより冷
媒を節約可能であるとともに、初期冷却や補充冷却など
冷媒注入時の過渡状態での侵入熱低減も可能である低温
容器を提供すること。 【構成】 蒸発して上昇してゆく冷媒Ｈの冷媒ガスに
よる冷却作用に着目したもので、所定温度の冷媒Ｈを貯
蔵する低温容器４０であって、冷媒Ｈを貯蔵するととも
に上部に開口縁部４３Ａを有する冷媒容器４３と、冷媒
容器４３内の冷媒Ｈに所定面積にわたって対向して設け
た熱交換板４５、４６、４７、４８、４９と、これら熱
交換板に設けた断熱材５０、５１、５２と、冷媒容器４
３の開口縁部４３Ａに接触して設けるとともに、冷媒Ｈ
の冷媒ガスが通過可能な冷媒ガス通過穴５５を形成した
熱シールド板５３と、を有することを特徴とする。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は低温容器にかかるもので、とくに液体窒素や液体ヘリウムなどの極 低温冷媒を貯蔵するとともに、容器内への侵入熱低減対策を施した低温容器に関 するものである。

【０００２】

【従来の技術】

従来の低温容器について図５ないし図７にもとづいて説明する。

【０００３】 図５は、液体ヘリウムなどの第１の冷媒Ｈを貯蔵するための低温容器１の断 面図であって、この低温容器１は、外側真空断熱容器（外槽）２と、内側真空断 熱容器（内槽）３と、蓋４と、この蓋４に設けた冷媒ガス放出管５とを有する。

【０００４】 外側真空断熱容器２および内側真空断熱容器３は、たとえばステンレス製で あって、内側真空断熱容器３内には第１の冷媒Ｈを収容可能とし、内側真空断熱 容器３を冷媒容器とする。

【０００５】 外側真空断熱容器２と内側真空断熱容器３との間の空間を真空状態とし、こ の空間内に外側輻射シールド板６と、内側輻射シールド板７と、底部輻射シール ド板８とを設け、内側真空断熱容器３の外表面であって外側輻射シールド板６お よび内側輻射シールド板７の上部を固定材９により固定している。

【０００６】 外側輻射シールド板６と内側輻射シールド板７との間に、第１の冷媒Ｈより 沸点が高く安価な液体窒素などの第２の冷媒Ｎを収容するとともに、内側輻射シ ールド板７および底部輻射シールド板８と、内側真空断熱容器３との間の空間を 真空としてある。

【０００７】 内側真空断熱容器３内には、蓋４から吊り下げた吊り棒１０と、この吊り棒 １０に固定具１１により固定した複数枚の対流防止板１２とを設けてある。

【０００８】 対流防止板１２は、第１の冷媒Ｈに対向してこれを設けるとともに、その両 側と内側真空断熱容器３の内壁面との間を若干の空間をあけて冷媒ガスの通過を 可能としている。

【０００９】 こうした構成の低温容器１においては、外側輻射シールド板６内の第２の冷 媒Ｎにより、外側真空断熱容器２から内側真空断熱容器３への輻射熱を減少させ ている。

【００１０】 内側真空断熱容器３内には対流防止板１２を設けることにより、第１の冷媒 Ｈの液面から上部の蓋４に至る空間内の対流による侵入熱を低減させている。

【００１１】 しかしながら、とくに固定材９の部分を介した第２の冷媒Ｎへの熱の侵入が あるとともに、対流防止板１２だけでは侵入熱の低減には不十分であるという問 題がある。

【００１２】 つぎに図６にもとづき、従来からの他の開放型クライオスタットである低温 容器２０を概説する。 ただし、以下の説明において同様の部分には同一符号を付し、その詳述はこ れを省略する。

【００１３】 図６は低温容器２０の断面図であり、この低温容器２０は、外側真空断熱容 器２と、内側真空断熱容器３と、蓋４と、吊り棒１０の下部に設けた吊り板２１ と、吊り棒２２とを有する。

【００１４】 吊り棒２２により、超電導磁石などの被冷却物２３を第１の冷媒Ｈ内に吊り 下げ収容している。

【００１５】 こうした構成の低温容器２０においては、所定の連続時間だけ被冷却物２３ を冷却可能であるが、この冷却にともなって第１の冷媒Ｈの蒸発が起こり、蒸発 による第１の冷媒Ｈの液面低下があっても被冷却物２３がまだ液面下にあるよう に、所定深さまで第１の冷媒Ｈを貯蔵している。

【００１６】 しかして、第１の冷媒Ｈの蒸発にともなう液面低下が起こると、液面と吊り 板２１との間のガス空間が増大するため、このガス空間に溜まった蒸発冷媒ガス が対流を起こす結果、侵入熱の原因となるという問題がある。

【００１７】 つぎに図７にもとづき、従来からの他の低温容器３０を概説する。

【００１８】 この低温容器３０は、上述の低温容器１および低温容器２０による構成に加 えて、吊り板２１と蓋４との間に断熱材３１を有するとともに、蓋４から被冷却 物２３の下部まで第１の冷媒Ｈを注入するための冷媒注入管３２を有する。

【００１９】 なお、外側固定材３３により外側輻射シールド板６を内側真空断熱容器３に 固定するとともに、内側固定材３４により内側輻射シールド板７を内側真空断熱 容器３に固定している。

【００２０】 こうした構成の低温容器３０においては、内側真空断熱容器３の内部の第１ の冷媒Ｈにより内側真空断熱容器３の壁を伝わって外側輻射シールド板６および 内側輻射シールド板７を冷却し、侵入熱を減らすようにしている。

【００２１】 また図示を省略するが、外側輻射シールド板６あるいは内側輻射シールド板 ７に巻き付けた配管内に冷媒ガスを通す低温容器もある。

【００２２】 しかしながら、いずれも場合にも、内側真空断熱容器３内に冷媒注入管３２ を通して最初に第１の冷媒Ｈを注入するいわゆる初期冷却、およびこの初期注入 後の補充として第１の冷媒Ｈを補充する際に多量に発生する冷媒ガスを冷たいま ま外部に放出しているという無駄な問題がある。

【００２３】 上述の図５ないし図７において説明したように、たとえば超電導磁石などの 被冷却物２３の浸漬冷却に用いられる一般の低温容器においては侵入熱低減対策 は重要かつ不可欠の技術であり、こうした低減対策により、高価な冷媒を節約す ることはコストダウンにつながるものであるが、従来の低温容器１、２０、３０ においては、この低減対策が十分ではないという問題がある。

【００２４】

【考案が解決しようとする課題】

本考案は以上のような諸問題にかんがみなされたもので、外部からの侵入熱 を低減することにより冷媒を節約可能であるとともに、初期冷却や補充冷却など 冷媒注入時の過渡状態での侵入熱低減も可能である低温容器を提供することを課 題とする。

【００２５】

【課題を解決するための手段】

すなわち本考案は、蒸発して上昇してゆく冷媒の冷媒ガスによる冷却作用に 着目したもので、第一の考案は、所定温度の冷媒を貯蔵する低温容器であって、 上記冷媒を貯蔵するとともに上部に開口縁部を有する冷媒容器と、この冷媒容器 内の上記冷媒に所定面積にわたって対向して設けた熱交換板と、この熱交換板に 設けた断熱材と、上記冷媒容器の上記開口縁部に接触して設けるとともに、上記 冷媒の冷媒ガスが通過可能な冷媒ガス通過穴を形成した熱シールド板と、を有す ることを特徴とする低温容器である。

【００２６】 なお第一の考案では、上記冷媒容器内に、上記熱交換板および熱シールド板 に接触しつつ冷媒ガスが通過可能な冷媒ガス通路空間を形成することができる。

【００２７】 また第二の考案は、所定温度の冷媒を貯蔵するとともに被冷却物を収容する 低温容器であって、上記冷媒を貯蔵するとともに被冷却物を収容する冷媒容器と 、この冷媒容器内の上記冷媒の上限液面と下限液面との間に位置させて設けた対 流防止板と、を有することを特徴とする低温容器である。

【００２８】 さらに第三の考案は、所定温度の冷媒を貯蔵する低温容器であって、上記冷 媒を貯蔵する冷媒容器と、この冷媒容器内の上記冷媒に対向するとともに、該冷 媒容器の熱侵入経路の途中に設けた蓄冷熱交換器と、を有することを特徴とする 低温容器である。

【００２９】 なお第三の考案では、上記蓄冷熱交換器は、比較的細い接続基部と、比較的 表面積の大きな蓄冷熱交換先端部とからこれを構成することができる。

【００３０】

【作用】

第一の考案による低温容器においては、熱シールド板を冷媒容器の開口縁部 に接触させて設けたので、冷媒ガスにより冷却された熱シールド板の部分で侵入 熱を低減させることができる。

【００３１】 しかも、上記冷媒ガス通路空間を形成可能であり、この冷媒ガス通路空間を 長く形成することにより、熱交換による侵入熱低減効果を増加させることもでき る。

【００３２】 第二の考案による低温容器においては、冷媒の蒸発による減少により形成さ れるガス空間に対流防止板を設けたので、冷媒の減少にともなってこのガス空間 に発生する可能性がある対流を抑制し、対流による侵入熱を低減可能である。

【００３３】 第三の考案による低温容器においては、冷媒に対向して冷媒容器への熱侵入 経路の途中に蓄冷熱交換器を設けたので、蒸発してくる冷媒ガスによりこの蓄冷 熱交換器が冷却され、侵入熱を低減させることができる。

【００３４】

【実施例】

つぎに、第一の考案に相当する第一の実施例による低温容器４０を図１にも とづき説明する。

【００３５】 この低温容器４０は、とくに図５で示した低温容器１の改良であって、外側 真空断熱容器２と、内側真空断熱容器３およびこの内側真空断熱容器３と一体に 形成した外側輻射シールド容器４１との間の空間を真空とする。

【００３６】 外側輻射シールド容器４１の内部に内側輻射シールド板４２を配置し、さら に内側輻射シールド板４２の内方に冷媒容器４３を配置する。

【００３７】 内側輻射シールド板４２と冷媒容器４３との間の空間を真空とする。

【００３８】 外側輻射シールド容器４１および内側輻射シールド容器４２の上部接続部を 水平とし、ここを水平固定材４４により接続固定するとともに、外側輻射シール ド容器４１と内側輻射シールド容器４２との間に前記第２の冷媒Ｎを収容してあ る。

【００３９】 したがって、冷媒容器４３の径は、内側真空断熱容器３よりも小さくこれを 構成してある。

【００４０】 前記蓋４に取り付けた前記吊り棒１０には上部から、最上部熱交換板４５、 中間部上方熱交換板４６および中間部下方熱交換板４７、ならびに最下部上方熱 交換板４８および最下部下方熱交換板４９をそれぞれ設ける。

【００４１】 さらに、蓋４と最上部熱交換板４５との間に最上部断熱材５０を、中間部上 方熱交換板４６と中間部下方熱交換板４７との間に中間部断熱材５１を、最下部 上方熱交換板４８と最下部下方熱交換板４９との間に最下部断熱材５２をそれぞ れ設ける。

【００４２】 中間部下方熱交換板４７と最下部上方熱交換板４８との間の空間に位置させ て熱シールド板５３を配置し、この熱シールド板５３はその周縁部近傍において 冷媒容器４３の開口縁部４３Ａに接触し、水平固定材４４との間に熱接触促進材 ５４を介在させてある。

【００４３】 熱接触促進材５４は、熱伝導性の良好な銅などによる平網線によりこれを構 成するとともに、水平固定材４４あるいは熱シールド板５３のいずれか一方に固 定し、蓋４をあけたときに分離可能としてある。

【００４４】 熱シールド板５３も、同じく熱伝導性の良好な銅などによりこれを構成する とともに、その中央部には第１の冷媒Ｈの冷媒ガスが通過可能な冷媒ガス通過穴 ５５を形成してある。

【００４５】 したがって図示のように、蒸発によって上昇する冷媒ガスは、最下部下方熱 交換板４９、最下部断熱材５２および最下部上方熱交換板４８と冷媒容器４３の 内壁との間の通路空間、最下部上方熱交換板４８と熱シールド板５３との間の通 路空間、冷媒ガス通過穴５５、熱シールド板５３と中間部下方熱交換板４７との 間の通路空間、中間部下方熱交換板４７、中間部断熱材５１および中間部上方熱 交換板４６と内側真空断熱容器３の内壁との間の通路空間、中間部上方熱交換板 ４６と最上部熱交換板４５との間の通路空間が連続して形成する冷媒ガス通路空 間５６を通って前記冷媒ガス放出管５から外部に排出される。

【００４６】 こうした構成の低温容器４０においては、侵入熱のために蒸発した冷媒ガス は、上述の冷媒ガス通路空間５６を通る。

【００４７】 すなわち、冷媒ガスは、冷媒容器４３および内側真空断熱容器３の内壁面、 さらには最下部断熱材５２、中間部断熱材５１および最上部断熱材５０の表面と の間で熱交換を行うことにより侵入熱を奪いながら冷媒ガス放出管５を通して低 温容器４０外に排気される。

【００４８】 したがって、外部からの熱侵入経路を冷媒ガスにより冷却しながら排気する ため、冷媒ガスを有効に利用することができ、侵入熱の低減を効率よく実現可能 である。

【００４９】 さらに、上記冷媒ガス通路空間５６に面している熱シールド板５３は、水平 固定材４４および熱接触促進材５４を介して内側輻射シールド容器４２と熱伝導 性良好に接触していることになり、この熱シールド板５３に接触しつつ排気され る冷媒ガスによって内側輻射シールド容器４２の熱を有効に冷却することができ る。

【００５０】 つぎに、第二の考案に相当する第二の実施例による低温容器６０を図２にも とづき説明する。

【００５１】 この低温容器６０は、とくに図６で示した低温容器２０の改良であって、前 記吊り板２１に取り付けた吊り棒２２にさらに対流防止板１２と同様の対流防止 板６１を設けたものである。

【００５２】 すなわち、対流防止板６１の材質は銅などの熱伝導率の良好なものを採用し 、その枚数は１枚あるいは複数枚とする。

【００５３】 この対流防止板６１を設ける高さとしては、第１の冷媒Ｈの最上面である上 限液面Ｓ１から第１の冷媒Ｈが蒸発してその液面が低下し被冷却物２３の上面で ある下限液面Ｓ２までであり、この間に形成されるの対流空間６２内にこの対流 防止板６２を配置する。

【００５４】 したがって、上限液面Ｓ１まで蓄えられた第１の冷媒Ｈは、侵入熱により蒸 発して被冷却物２３の下限液面Ｓ２までの所定の冷却時間を確保することができ る。

【００５５】 こうした構成の低温容器６０によれば、上限液面Ｓ１にあった第１の冷媒Ｈ が蒸発により低下し、対流空間６２が形成されても、対流防止板６１によりこの 対流空間６２内の対流が阻止され、対流による熱伝導で侵入する熱を低減する。

【００５６】 また、蒸発した冷媒ガスを内側真空断熱容器３の内壁面に導き、この内壁面 と対流防止板６１の端部との間を通過させることにより対流防止板６１の部分と 熱交換を行わせ、これを冷却しながら排気することができる。

【００５７】 したがって、液面の低下による大きなガス空間（対流空間６２）によどむ冷 媒ガスによる対流を防止することにより、対流による冷媒への熱侵入を低減する ことができるとともに、ガス流が内側真空断熱容器３などの内壁面と接触しつつ 通ることにより、内壁面の冷却を促進し、さらに対流防止板６１自体の冷却も行 われ、全体として侵入熱の低減を実現することができる。

【００５８】 つぎに、第三の考案に相当する第三の実施例による低温容器７０を図３およ び図４にもとづき説明する。

【００５９】 この低温容器７０は、とくに図７で示した低温容器３０の改良であって、前 記外側固定材３３および内側固定材３４の部分の内側真空断熱容器３の内壁面側 に第１の蓄冷熱交換器７１および第２の蓄冷熱交換器７２をそれぞれ円周にわた ってひとまわりに設けたものである。

【００６０】 第１の蓄冷熱交換器７１および第２の蓄冷熱交換器７２の内側真空断熱容器 ３の内壁面への固定はロー付けなどによるものとし、内側真空断熱容器３との間 の熱接触を良好とする。

【００６１】 第１の蓄冷熱交換器７１および第２の蓄冷熱交換器７２の材質としては、銅 など低温において比熱の大きな材料を用いる。

【００６２】 第１の蓄冷熱交換器７１および第２の蓄冷熱交換器７２の形状としては、図 ４に第１の蓄冷熱交換器７１を代表的に示すように、その接続基部７１Ａを細く 、蓄冷熱交換先端部７１Ｂを容積および表面積を大きくたとえば断面Ｔ字状とす ることが望ましい。

【００６３】 つまり、接続基部７１Ａからの熱侵入を小さくするとともに、蓄冷熱交換先 端部７１Ｂの部分では通過する冷媒ガスとの接触面積および熱容量を大きくする ようにするものである。

【００６４】 とくにこの蓄冷熱交換先端部７１Ｂの部分を、蒸発する冷媒ガスが上昇して ゆく内側真空断熱容器３の内壁面と吊り板２１および断熱材３１との間の冷媒ガ ス流路７３に設置するものである。

【００６５】 こうした構成の低温容器７０において、まず低温容器７０に冷媒注入管３２ から第１の冷媒Ｈを注入しこれを常温から冷却してゆく場合を説明する。

【００６６】 冷媒注入管３２から第１の冷媒Ｈを注入しても、内側真空断熱容器３、被冷 却物２３、およびその他の構造物が冷却されて定常状態になるまでは第１の冷媒 Ｈは内側真空断熱容器３内には溜まってゆかない。

【００６７】 しかして、この注入中に蒸発する冷媒ガスは十分に冷たいため、冷媒ガス流 路７３を通過する間に第１の蓄冷熱交換器７１および第２の蓄冷熱交換器７２と の間で熱交換を行い、これらを冷却し、低温にする。

【００６８】 この冷却は、通常低温容器７０が定常状態になったときの温度よりも十分低 く、第１の冷媒Ｈの沸点近くまで低下している。

【００６９】 したがって、定常状態からみると、第１の蓄冷熱交換器７１および第２の蓄 冷熱交換器７２には負の熱量が蓄えられていることとなり、この分だけ侵入熱を 低減することができる。

【００７０】 つぎに、第１の冷媒Ｈが蒸発により消耗したときに、これを補給する場合に ついて説明する。

【００７１】 冷媒注入管３２から第１の冷媒Ｈを補給する場合、第１の冷媒Ｈは気化した 冷媒ガスとともに低温容器７０の内部に供給されるため、冷媒蒸発量は定常状態 に比較して増加する。

【００７２】 したがって、上述の初期冷却の場合と同様に、第１の蓄冷熱交換器７１およ び第２の蓄冷熱交換器７２に負の熱量が蓄えられ、同様な効果を得ることができ る。

【００７３】 つまり、侵入熱としては、内側真空断熱容器３を伝わる熱、および外側輻射 シールド板６および内側輻射シールド板７を伝わる熱が考えられるが、この侵入 熱の経路に第１の蓄冷熱交換器７１および第２の蓄冷熱交換器７２を設置するこ とにより、熱交換による侵入熱の防止を図っている。

【００７４】 したがって、従来の低温容器では定常状態の場合のみを考えた設計を行って いたが、冷媒の初期供給および補給などの過渡状態に生じる余分な冷媒ガスのエ ンタルピーを定常状態を基準として負の熱量として蓄えることにより、侵入熱低 減に役立てているものである。

【００７５】

【考案の効果】

以上のように本考案によれば、蒸発してゆく冷媒ガスと構造物との間の熱交 換を行わせることにより、冷媒容器および他の構造物を伝わって侵入する侵入熱 を低減することができ、冷媒の節約を実現することができる。

【００７６】

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の第一の実施例による低温容器４０の断
面図である。

【図２】本考案の第二の実施例による低温容器６０の断
面図である。

【図３】本考案の第三の実施例による低温容器７０の断
面図である。

【図４】同、第１の蓄冷熱交換器７１および第２の蓄冷
熱交換器７２部分の要部拡大断面図である。

【図５】従来の低温容器１の断面図である。

【図６】従来の他の低温容器２０の断面図である。

【図７】従来の他の低温容器３０の断面図である。

【符号の説明】

１ 低温容器 ２ 外側真空断熱容器（外槽） ３ 内側真空断熱容器（内槽） ４ 蓋 ５ 冷媒ガス放出管 ６ 外側輻射シールド板 ７ 内側輻射シールド板 ８ 底部輻射シールド板 ９ 固定材 １０ 吊り棒 １１ 固定具 １２ 対流防止板 ２０ 低温容器 ２１ 吊り板 ２２ 吊り棒 ２３ 被冷却物（超電導磁石） ３０ 低温容器 ３１ 断熱材 ３２ 冷媒注入管 ３３ 外側固定材 ３４ 内側固定材 ４０ 低温容器 ４１ 外側輻射シールド容器 ４２ 内側輻射シールド容器 ４３ 冷媒容器 ４３Ａ 冷媒容器４３の開口縁部 ４４ 水平固定材 ４５ 最上部熱交換板 ４６ 中間部上方熱交換板 ４７ 中間部下方熱交換板 ４８ 最下部上方熱交換板 ４９ 最下部下方熱交換板 ５０ 最上部断熱材 ５１ 中間部断熱材 ５２ 最下部断熱材 ５３ 熱シールド板 ５４ 熱接触促進材 ５５ 冷媒ガス通過穴 ５６ 冷媒ガス通路空間 ６０ 低温容器 ６１ 対流防止板 ６２ 対流空間 ７０ 低温容器 ７１ 第１の蓄冷熱交換器 ７１Ａ 第１の蓄冷熱交換器７１の接続基部 ７１Ｂ 第１の蓄冷熱交換器７１の蓄冷熱交換先端部 ７２ 第２の蓄冷熱交換器 ７３ 冷媒ガス流路 Ｈ 第１の冷媒（液体ヘリウム） Ｎ 第２の冷媒（液体窒素） Ｓ１ 上限液面 Ｓ２ 下限液面（被冷却物２３の上面）

Claims (5)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定温度の冷媒を貯蔵する低温容器で
   あって、 前記冷媒を貯蔵するとともに上部に開口縁部を有する冷
   媒容器と、 この冷媒容器内の前記冷媒に所定面積にわたって対向し
   て設けた熱交換板と、 この熱交換板に設けた断熱材と、 前記冷媒容器の前記開口縁部に接触して設けるととも
   に、前記冷媒の冷媒ガスが通過可能な冷媒ガス通過穴を
   形成した熱シールド板と、 を有することを特徴とする低温容器。
2. 【請求項２】前記冷媒容器内に、前記熱交換板および熱
   シールド板に接触しつつ冷媒ガスが通過可能な冷媒ガス
   通路空間を形成したことを特徴とする請求項１記載の低
   温容器。
3. 【請求項３】 所定温度の冷媒を貯蔵するとともに被
   冷却物を収容する低温容器であって、 前記冷媒を貯蔵するとともに被冷却物を収容する冷媒容
   器と、 この冷媒容器内の前記冷媒の上限液面と下限液面との間
   に位置させて設けた対流防止板と、 を有することを特徴とする低温容器。
4. 【請求項４】 所定温度の冷媒を貯蔵する低温容器で
   あって、 前記冷媒を貯蔵する冷媒容器と、 この冷媒容器内の前記冷媒に対向するとともに、該冷媒
   容器の熱侵入経路の途中に設けた蓄冷熱交換器と、 を有することを特徴とする低温容器。
5. 【請求項５】前記蓄冷熱交換器は、比較的細い接続基部
   と、比較的表面積の大きな蓄冷熱交換先端部とからこれ
   を構成することを特徴とする請求項４記載の低温容器。