JPH0856021A - 極低温装置の断熱支持構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】多重の繊維強化樹脂製円筒の外径を確保しつ
つ、多段のサーマルアンカーを有効にとり、熱侵入量を
低減する。 【構成】極低温装置の極低温部を常温部から支持すると
ともに、繊維強化樹脂製円筒１１，３０と金属製円筒１
３を径方向に多重に組み合わせ、繊維強化樹脂製円筒１
１，３０に圧縮荷重を、金属製円筒１３に引張荷重を加
えるものにおいて、繊維強化樹脂製円筒の最外周部分を
軸方向に少なくとも１つ分割し、この間に冷却手段にて
冷却されるリング３３を介挿した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は超電導磁石などの極低温
装置の極低温部を常温部から断熱支持するための極低温
装置の断熱支持構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】超電導磁石などの極低温装置は、真空断
熱構造により極低温部を常温部から断熱している。図３
は一般の極低温装置を概略を示す断面図である。図３に
示すように、超電導コイル１は液体ヘリウム容器２に取
り囲まれるように配置され、この液体ヘリウム容器２内
部に貯えられた液体ヘリウム３により極低温温度に冷却
される。液体ヘリウム容器２は真空容器４に取り囲ま
れ、液体ヘリウム容器２と真空容器４との間を真空排気
することにより真空断熱される。また、液体ヘリウム容
器２は真空容器４の中を浮遊している必要があり、液体
ヘリウム容器２に取り付けられた極低温支持部５と、真
空容器４に取り付けられた常温支持部６との間に、熱伝
導の低い材料からなる断熱支持部材７を挿入して支持さ
れている。

【０００３】さらに、液体ヘリウム容器２と真空容器４
との間には、一段または複数段の輻射シールド８（図３
は一段で示してある。）を挿入し、その輻射シールド８
を液体ヘリウム３の蒸発ガスや液体窒素などの第二冷
媒、冷凍機（図示せず）などで冷却し、輻射熱の侵入を
低減している。ここで、真空容器４と輻射シールド８と
の間、輻射シールド８と液体ヘリウム容器２との間に
は、それぞれ図示しない多層断熱材を配置して輻射熱を
一層低減することも行われる。

【０００４】輻射シールド８は、断熱支持部材７の中間
部に固定支持するとともに、断熱支持部材７を伝達して
入る伝導熱を輻射シールド８の冷却手段側に逃がし、熱
侵入を防止している。このように、熱伝導により熱が伝
達してくる部材の中間部を冷却し、中に伝達される熱を
低減することをサーマルアンカーをとるという。

【０００５】図４は従来の極低温装置の断熱支持構造を
示す断面図である。図４に示すように、断熱支持部材７
は、繊維強化樹脂製円筒１１，１２と金属製円筒１３と
を径方向に入れ子に組み合わせ、金属製円筒１３の両端
をフランジ状に形成することで、金属製円筒１３が繊維
強化樹脂製円筒１２に引っ掛かるようにしている。繊維
強化樹脂製円筒１１，１２を端金具１４，１５で押圧す
るようにし、繊維強化樹脂製円筒１２に圧縮荷重を、金
属製円筒１３に引張荷重をそれぞれ加えるようにするこ
とで、荷重を支えることができる。

【０００６】このような多重円筒を組み合わせた断熱支
持構造は、端金具１４を図３に示す常温支持部６に、端
金具１５を極低温支持部５にそれぞれ固定することによ
り、液体ヘリウム容器２を真空容器４に断熱支持させる
ことができる。また、金具端部１６に輻射シールド８を
支持するとともに、輻射シールド８からサーマルアンカ
ーをとることができる。蓋１７は常温の端金具１４から
極低温の端金具１５に輻射熱が伝達するのを、サーマル
アンカーがとられて中間温度の冷やされた金属製円筒１
３の温度で吸収するためのものである。

【０００７】図５は極低温装置の断熱支持構造の他の従
来例を示す断面図である。なお、前記従来例と同一また
は対応する部分には同一の符号を用いて説明する。この
従来例では、金属製円筒１３の代わりに金属製円筒２
１，２２、繊維強化樹脂製円筒２３を用い、繊維強化樹
脂製円筒を三重に形成したものである。また、この従来
例では金具端部２４，２５を用い、二段の輻射シールド
を支持したり、二段の温度レベルでサーマルアンカーを
とることが可能である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図４に
示す従来例では、輻射シールドが一段しか支持できず、
サーマルアンカーも一段しかとれない。そのため、最外
周中間部１８を輻射シールド８より低い温度に冷却され
たものと接触させ、サーマルアンカーをとることも考え
られるものの、繊維強化樹脂は径方向の熱の伝わり方が
遅いので効果が上がらない問題がある。

【０００９】また、図５に示す従来例では、円筒が５重
になるため、外径が大きくなり、液体ヘリウム容器２と
真空容器４とのギャップが大きくとれないときは採用で
きなくなる問題がある。

【００１０】本発明は上述した事情を考慮してなされた
もので、多重円筒を組み合わせた断熱支持構造におい
て、多重の繊維強化樹脂製円筒の外径を確保しつつ、多
段のサーマルアンカーを有効にとり、熱侵入量を低減し
た極低温装置の断熱支持構造を提供することを目的とす
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、本発明の請求項１は、極低温装置の極低温部を
常温部から支持するとともに、繊維強化樹脂製円筒と金
属製円筒を径方向に多重に組み合わせ、前記繊維強化樹
脂製円筒に圧縮荷重を、前記金属製円筒に引張荷重を加
える極低温装置の断熱支持構造において、前記繊維強化
樹脂製円筒の最外周部分を軸方向に少なくとも１つ分割
し、この間に冷却手段にて冷却されるリングを介挿した
ことを特徴とする。請求項２は、請求項１記載の極低温
装置の断熱支持構造を２つ対向して重ね合わせ、中心に
軸を通し両端を連結したことを特徴とする。

【００１２】

【作用】本発明の請求項１においては、繊維強化樹脂製
円筒の最外周部分を軸方向に少なくとも１つ分割し、こ
の間に冷却手段にて冷却されるリングを介挿したことに
より、断熱支持構造の外径を小さく抑えつつ、サーマル
アンカーの段数を増加させることができる。

【００１３】請求項２においては、請求項１記載の極低
温装置の断熱支持構造を２つ対向して重ね合わせ、中心
に軸を通し両端を連結したことにより、両方向の力を受
けることができるとともに、一体構成となり、取扱い・
施工が容易になる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１は本発明に係る極低温装置の断熱支持構造の
第１実施例を示す断面図である。なお、図１において、
繊維強化樹脂製円筒１１、金属製円筒１３、端金具１
４，１５および蓋１７は図４と同様の構成であるのでそ
の説明を省略する。

【００１５】図１に示すように、最外周に位置する繊維
強化樹脂製円筒３０は、上下略同径の繊維強化樹脂製円
筒３１，３２の２つから分割構成され、これら繊維強化
樹脂製円筒３１，３２は金属製の中間リング３３を介挿
して軸方向に重ね合わされている。この中間リング３３
は外周側にリップ３３ａを有しており、このリップ３３
ａが繊維強化樹脂製円筒３１，３２と嵌合することによ
り、繊維強化樹脂製円筒３１，３２同士が径方向にずれ
るのを防止している。

【００１６】本実施例の断熱支持構造は、図４と同様に
端金具１４を常温支持部６に、端金具１５を極低温支持
部５にそれぞれ固定し、金具端部１６は輻射シールドを
固定する。そして、中間リング３３は金具端部１６に取
り付けた輻射シールドより低温の輻射シールドを固定
し、冷却されている。この場合、中間リング３３は冷却
手段としての液体ヘリウム３の蒸発ガスや液体窒素など
の第二冷媒、冷凍機（図示せず）などで冷却するように
してもよい。したがって、中間リング３３は上記のよう
に冷却手段により直接または間接的に冷却されるように
すればよい。

【００１７】次に、本実施例の作用について説明する。
金具端部１６に輻射シールドを固定することにより、輻
射シールドを支持するとともに、サーマルアンカーをと
ることができる。中間リング３３に二段目の輻射シール
ド、すなわち金具端部１６に取り付けている輻射シール
ドより低温で、それと液体ヘリウム容器２との間に配置
される輻射シールドを固定することにより、その輻射シ
ールドを支持するとともに、二段目のサーマルアンカー
をとることができる。

【００１８】このように本実施例によれば、一重の輻射
シールドを支持することができる断熱支持構造と同一の
外径で、二重の輻射シールドを支持するとともに、二段
のサーマルアンカーをとることにより、断熱支持構造を
通しての伝導で侵入する熱量を低減することができる。

【００１９】ところで、繊維強化樹脂製円筒は低温で強
度が向上するとともに、厚さが厚くなると強度が向上す
る。繊維強化樹脂製円筒１１と繊維強化樹脂製円筒３
１，３２を同一断面積とすると、径の違いにより繊維強
化樹脂製円筒１１の方が肉厚となる。端金具１４を常温
支持部６に固定することにより、温度の効果で繊維強化
樹脂製円筒１１の強度が低い分を肉厚の効果で補うこと
ができる。

【００２０】なお、上記実施例では金具端部１６、中間
リング３３に輻射シールドを固定するようにしたが、熱
収縮の変形で過大の応力が発生したり、組立手順や構造
上、断熱支持構造から輻射シールドを支持することがで
きない場合がある。この場合、輻射シールドと金具端部
１６、中間リング３３の間を薄板、フレキシブル導体、
銅線などの可撓性を有する伝熱部材を介して熱接触さ
せ、サーマルアンカーだけをとってもよい。

【００２１】また、液体ヘリウム容器２と真空容器４と
の間のギャップの関係で輻射シールドを配置するスペー
スが無い場合には、低温発生源との間で熱接触させてサ
ーマルアンカーをとってもよい。

【００２２】さらに、上記実施例では、端金具１４を常
温支持部６に、端金具１５を極低温支持部５にそれぞれ
固定したが、径方向に摺動可能に接触させてもよい。こ
うすることにより、熱収縮により極低温支持部５、常温
支持部６が相対変位を起こそうとする時、軸方向のみの
変位を拘束し、軸方向と直交する方向をフリーにし、複
数の断熱支持部材相互が干渉し、過剰拘束となることを
防止することができる。そして、上記実施例とは逆に端
金具１４を極低温支持部５に、端金具１５を常温支持部
６にそれぞれ固定しても、同様の効果が得られる。

【００２３】さらにまた、繊維強化樹脂製円筒１１と繊
維強化樹脂製円筒３１，３２を同一肉厚とすると、径の
違いにより繊維強化樹脂製円筒３１，３２の方が断面積
が大きくなる。端金具１５を常温支持部６に固定するこ
とにより、温度の影響で繊維強化樹脂製円筒３１，３２
の相対強度が減少する分を断面積が大きくなったことで
補うことができる。そして、繊維強化樹脂製円筒は肉厚
や温度で強度が変化するが、円筒の径と肉厚を考慮して
決定するため、繊維強化樹脂製円筒３１，３２の径と肉
厚は必ずしも一致させる必要はない。

【００２４】上記実施例では、サーマルアンカーの段数
を二段で説明したが、三段以上にすることにより、さら
なる低熱侵入化が図れる。この場合、中間リング３３の
数を増加することで、所期の目的を達成することができ
る。そして、スペース的に許容される範囲であれば、図
５に示した従来例の最外周に中間リングを介挿すること
で、より低熱侵入化が図れる。

【００２５】また、上記実施例では、中間リング３３の
外側にリップを設けて繊維強化樹脂製円筒３１，３２が
径方向にずれるのを防止しているが、これ以外の防止手
段としては、内側にリップを設けたり、螺合させたり、
接着させたりするなどして位置決めすることも有効であ
る。

【００２６】上記繊維強化樹脂の材質としては、ガラス
繊維強化樹脂が安価であり、炭素繊維強化樹脂は低温で
の比強度が高く、アルミナ繊維強化樹脂も比強度が高
い。繊維強化樹脂製円筒は、クロスを巻回したものが安
価であり、フィラメントワインディング法で製作したも
のは、比強度が高く低熱侵入化に有効である。

【００２７】図２は本発明に係る極低温装置の断熱支持
構造の第２実施例を示す断面図である。なお、前記第１
実施例と同一の部分には同一の符号を付して説明する。
この第２実施例は、前記第１実施例の断熱支持構造を２
つ対向して重ね合わせて構成したものであり、端金具４
１，４２が図１の端金具１４に相当し、端金具４３が端
金具１５に相当する。金属製円筒１３に相当する金属製
円筒４４，４５はそれぞれリップ４６を有し、これらリ
ップ４６が互いに摺動可能に嵌合することにより、図１
の蓋１７と同様の機能を有する。端金具４２からは軸４
７が延び、その先端が端金具４１と螺合している。

【００２８】このように第２実施例によれば、前記第１
実施例の効果に加え、両方向の力を受けることができる
とともに、一体構成となり、取扱い・施工が容易にな
る。なお、図２において、端金具４１または４２の一方
を固定し、他方をフリーにしても軸４７を通して他方に
力が伝達され、引張力を支えることもできる。その他の
構成および作用は前記第１実施例と同様であるのでその
説明を省略する。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の請求項１
によれば、繊維強化樹脂製円筒の最外周部分を軸方向に
少なくとも１つ分割し、この間に冷却手段にて冷却され
るリングを介挿したことにより、断熱支持構造の外径を
小さく抑えつつ、サーマルアンカーの段数を増加させる
ことができる。また、断熱支持構造を通して極低温部に
入る伝導熱の侵入を低減させることができる。

【００３０】請求項２によれば、請求項１記載の極低温
装置の断熱支持構造を２つ対向して重ね合わせ、中心に
軸を通し両端を連結したことこにより、請求項１の効果
に加え、両方向の力を受けることができるとともに、一
体構成となり、取扱い・施工が容易になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る極低温装置の断熱支持構造の第１
実施例を示す断面図。

【図２】本発明に係る極低温装置の断熱支持構造の第２
実施例を示す断面図。

【図３】一般の極低温装置を概略を示す断面図。

【図４】従来の極低温装置の断熱支持構造を示す断面
図。

【図５】極低温装置の断熱支持構造の他の従来例を示す
断面図。

【符号の説明】

１ 超電導コイル ２ 液体ヘリウム容器 ３ 液体ヘリウム ４ 真空容器 ５ 極低温支持部 ６ 常温支持部 ７ 断熱支持部材 ８ 輻射シールド １１ 繊維強化樹脂製円筒 １２ 繊維強化樹脂製円筒 １３ 金属製円筒 １４ 端金具 １５ 端金具 １６ 金具端部 １７ 蓋 ２１ 金属製円筒 ２２ 金属製円筒 ２３ 繊維強化樹脂製円筒 ３０ 繊維強化樹脂製円筒 ３１ 繊維強化樹脂製円筒 ３２ 繊維強化樹脂製円筒 ３３ 中間リング ４１ 端金具 ４２ 端金具 ４３ 端金具 ４４ 金属製円筒 ４５ 金属製円筒 ４６ リップ ４７ 軸

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 極低温装置の極低温部を常温部から支持
   するとともに、繊維強化樹脂製円筒と金属製円筒を径方
   向に多重に組み合わせ、前記繊維強化樹脂製円筒に圧縮
   荷重を、前記金属製円筒に引張荷重を加える極低温装置
   の断熱支持構造において、前記繊維強化樹脂製円筒の最
   外周部分を軸方向に少なくとも１つ分割し、この間に冷
   却手段にて冷却されるリングを介挿したことを特徴とす
   る極低温装置の断熱支持構造。
2. 【請求項２】 請求項１記載の極低温装置の断熱支持構
   造を２つ対向して重ね合わせ、中心に軸を通し両端を連
   結したことを特徴とする極低温装置の断熱支持構造。