JPH0936442A

JPH0936442A - 超電導磁石装置

Info

Publication number: JPH0936442A
Application number: JP8059193A
Authority: JP
Inventors: Toru Kuriyama; 透栗山; Tomomi Hattori; 智美服部; Masahiko Takahashi; 政彦高橋; Yasumi Otani; 安見大谷; Hideki Nakagome; 秀樹中込; Hideo Hatakeyama; 秀夫畠山; Chiyandora Teiraka Roohana; ローハナ・チャンドラ・ティラカ
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1995-05-16
Filing date: 1996-03-15
Publication date: 1997-02-07

Abstract

(57)【要約】【目的】超電導コイルの温度環境を蓄冷式冷凍機で長期
に亘って安定に保持できる超電導磁石装置を提供する。【構成】蓄冷器を複数段有するととも冷却ステージを複
数段有して超電導コイル７５の温度環境保持に供される
蓄冷式冷凍機を備えてなる超電導磁石装置において、蓄
冷式冷凍機８０は、少なくとも最終段の蓄冷器９８が静
止型のもので構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超電導コイルの温
度環境保持を蓄冷式冷凍機で行っている超電導磁石装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、現在実用化されている超
電導磁石装置の多くは、断熱容器内に超電導コイルと液
体ヘリウムで代表される極低温冷媒とを一緒に収容する
浸漬冷却方式を採用するとともに断熱容器の断熱層中に
設けられたサーマルシールドを極低温冷凍機で冷却する
方式を採用している。また、最近では断熱容器内に収容
された超電導コイルを極低温冷凍機で直接的に冷却する
冷凍機直冷方式の超電導磁石装置も実用化されつつあ
る。このような超電導磁石装置では、小型で、しかも十
分に低い到達温度が得られるなどの理由から、極低温冷
凍機として複数段構成の蓄冷式冷凍機を用いているもの
が多い。

【０００３】図７には浸漬冷却方式を採用した従来の超
電導磁石装置の例が示されている。図中、１は断熱容器
を示している。この断熱容器１は、通常、内槽２と、外
槽３と、内・外槽間に形成された真空断熱層４と、真空
断熱層４内に内槽２を包囲するようにたとえば二重構造
に設けられたサーマルシールド５，６とを備えている。

【０００４】そして、内槽２内に極低温冷媒である液体
ヘリウム７が収容され、この液体ヘリウム７中に没する
ように超電導コイル８が配置される。なお、この図では
外部から超電導コイル８に電流を供給するための電流リ
ードや、内槽２へ液体ヘリウム７を注入するための注液
管や、内槽２内で発生したヘリウムガスを回収するため
の排気管が省略されている。

【０００５】一方、輻射等によって内槽２内へ侵入しよ
うとする熱を吸収して温度環境を保持する目的で蓄冷式
冷凍機、たとえばギフォード・マクマホン冷凍サイクル
を用いた冷凍機（以後、ＧＭ冷凍機と略称する。）９が
断熱容器１の内外に跨がる関係に設けられている。

【０００６】このＧＭ冷凍機９は、たとえば第１段冷却
ステージ２７と、この第１段冷却ステージ２７より到達
温度の低い第２段冷却ステージ（この場合は最終段冷却
ステージ）２８とを備えている。そして、第１段冷却ス
テージ２７によってサーマルシールド６がたとえば５０
Ｋ程度に、また第２段冷却ステージ２８によって内側に
位置しているサーマルシールド５がたとえば１０Ｋ程度
に冷却されるようになっている。

【０００７】図８には２段膨張式のＧＭ冷凍機９の概略
構成が示されている。このＧＭ冷凍機９は、たとえばヘ
リウムガスを冷却するコールドヘッド２１とコンプレッ
サ２２とで構成されている。

【０００８】コールドヘッド２１では、閉じられたシリ
ンダ２３内に断熱材で形成されたディスプレーサ２４が
往復動自在に収納されている。シリンダ２３は、大径の
第１シリンダ２５と、この第１シリンダ２５に同軸接続
された小径の第２シリンダ２６とで構成されている。な
お、第１シリンダ２５および第２シリンダ２６は、通
常、薄いステンレス鋼板等で形成される。

【０００９】第１および第２シリンダ２５，２６内に
は、前述した第１段および第２段冷却ステージ２７，２
８が設けられている。すなわち、第１シリンダ２５のヘ
ッド壁部分に圧縮された冷媒ガスを膨張させて寒冷を発
生する第１段冷却ステージ２７が設けられ、また第２シ
リンダ２６のヘッド壁部分に圧縮された冷媒ガスを膨張
させて第１段冷却ステージ２７よりも低温の寒冷を発生
する第２段冷却ステージ２８が設けられている。

【００１０】ディスプレーサ２４は、第１シリンダ２５
内を往復動する第１ディスプレーサ２９と、第２シリン
ダ２６内を往復動する第２ディスプレーサ３０とから構
成されている。第１ディスプレーサ２９と第２ディスプ
レーサ３０とは、連結機構３１によって軸方向に連結さ
れている。

【００１１】第１ディスプレーサ２９の内部には第１段
の蓄冷器を構成するための流体通路３２が軸方向に形成
されており、この流体通路３２にはたとえば銅で作られ
たメッシュ構造の蓄冷材３３が収容されている。同様
に、第２ディスプレーサ３０の内部には第２段（最終
段）の蓄冷器を構成するための流体通路３４が形成され
ており、この流体通路３４にはたとえば鉛の粒等で形成
された蓄冷材３５が収容されている。

【００１２】第１ディスプレーサ２９の外周面上部と第
１シリンダ２５の内周面との間および第２ディスプレー
サ３０の外周面と第２シリンダ２６の内周面との間に
は、それぞれシール装置３６，３７が装着されている。

【００１３】第１ディスプレーサ２９の上端は、連結ロ
ッド、スコッチヨークあるいはクランク軸３８等を介し
てモータ３９の回転軸に連結されている。したがって、
モータ３９が回転すると、この回転に同期してディスプ
レーサ２４が図中実線矢印で示すように往復動する。

【００１４】第１シリンダ２５の上部空間には第１ディ
スプレーサ２９内ヘヘリウムガスを導入するための導入
口４０および排出するための排出口４１が設けてあり、
これら導入口４０および排出口４１はモータ３９の回転
に同期して開閉制御される高圧弁４２，低圧弁４３を介
してコンプレッサ２２に接続されている。コンプレッサ
２２、高圧弁４２、低圧弁４３は、シリンダ２３を経由
するヘリウムガス循環系を構成している。すなわち、低
圧（約８ａｔｍ）のヘリウムガスをコンプレッサ２２で
高圧（約２０ａｔｍ）に圧縮してシリンダ２３内に送り
込む動作と、シリンダ２３内のヘリウムガスを排気する
動作とを交互に行うようにしている。

【００１５】このように構成されたＧＭ冷凍機９の冷凍
動作を簡単に説明すると、以下の通りである。寒冷の発
生は第１段冷却ステージ２７および第２段冷却ステージ
２８で行われる。第１段冷却ステージ２７は、熱負荷の
ない理想状態では３０Ｋ程度まで冷却される。また、第
２段冷却ステージ２８は、蓄冷材３５として鉛を用いた
場合には８Ｋ程度まで冷却される。したがって、第１デ
ィスプレーサ２９の上下端間には常温（３００Ｋ）から
３０Ｋまでの温度勾配が生じ、また第２ディスプレーサ
３０の上下端間には３０Ｋから８Ｋまでの温度勾配が生
じる。なお、第１および第２段冷却ステージ２７，２８
の温度は，熱負荷によって変化し、通常、第１段冷却ス
テージ２７では３０〜８０Ｋ、第２段冷却ステージ２８
では８〜２０Ｋとなる。

【００１６】モータ３９が回転を開始すると、ディスプ
レーサ２４が下死点（図中最上点）と上死点（図中最下
点）との間を往復動する。ディスプレーサ２４が上死点
に達した時点で高圧弁４２が開き、高圧ヘリウムガスが
シリンダ２３内に流入し、次にディスプレーサ２４が下
死点へと移動する。

【００１７】前述の如く、第１ディスプレーサ２９の外
周面と第１シリンダ２５の内周面との間および第２ディ
スプレーサ３０の外周面と第２シリンダ２６の内周面と
の間にはそれぞれシール装置３６，３７が装着されてい
るので、ディスプレーサ２４が下死点に向かうと、高圧
ヘリウムガスが第１ディスプレーサ２９に形成された流
体通路３２および第２ディスプレーサ３０に形成された
流体通路３４を通って第１ディスプレーサ２９と第１シ
リンダ２５のヘッド壁との間に形成された第１段膨張室
４４および第２ディスプレーサ３０と第２シリンダのヘ
ッド壁との間に形成された第２段膨張室４５へと流れ
る。この流れに伴って、高圧ヘリウムガスは、蓄冷材３
３，３５によって冷却され、第１段膨張室４４に流れ込
んだ高圧ヘリウムガスは３０Ｋ程度に、また第２段膨張
室４５に流れ込んだ高圧ヘリウムガスは８Ｋ程度に冷却
される。

【００１８】ここで、ディスプレーサ２４が下死点に達
すると、高圧弁４２が閉じ、低圧弁４３が開く。このよ
うに低圧弁４３が開くと、第１段膨張室４４内および第
２段膨張室４５内の高圧ヘリウムガスが断熱膨張して寒
冷を発生する。この寒冷によって第１段冷却ステージ２
７が外部から吸熱し、また第２段冷却ステージ２８も外
部から吸熱する。そして、ディスプレーサ２４が再び上
死点へと移動すると、これに伴って第１段膨張室４４内
および第２段膨張室４５内の低温のヘリウムガスが流体
通路３４，３２内を通過し、この通過の際に蓄冷材３
５，３３を冷却する。温度の上昇したヘリウムガスは、
シリンダ２３内の上部から低圧弁４３を介してコンプレ
ッサ２２へと排出される。

【００１９】上述したサイクルが繰り返されて冷凍運転
が実行される。したがって、図７に示されるサーマルシ
ールド６がたとえば５０Ｋ程度に、またサーマルシール
ド５がたとえば１０Ｋ程度に冷却され、これによって内
槽２内への熱侵入が抑制されることになる。

【００２０】このような浸漬冷却方式を採用した超電導
磁石装置において、内槽２内に収容されている液体ヘリ
ウム７の蒸発量は、内槽２内への熱侵入量に対応してお
り、１Ｗの熱侵入量に対して１時間当たり約１．４リッ
トルの液体ヘリウムが蒸発する。内槽２内への熱侵入量
は、特に内槽２に最も近い位置に配置されているサーマ
ルシールド５の温度が低い程小さくなる。サーマルシー
ルド５はＧＭ冷凍機９の最終段の冷却ステージ、つまり
第２段冷却ステージ２８によって冷却されているので、
液体ヘリウム７の蒸発量を低い値に抑えるには第２段冷
却ステージ２８が常に低い温度に保たれている必要があ
る。

【００２１】この要望を満たすには、各冷却ステージに
おける冷凍能力を高くする必要がある。このように冷凍
能力を高くするには、シール装置３６，３７での漏れ量
を十分に少なくし、かつ時間の経過にしたがって漏れ量
が増加しないことが重要な要件となる。特に、第２段冷
却ステージ２８では温度が低いので、シール装置３７の
漏れ量特性によって冷凍能力が大きく左右される。

【００２２】しかし、３０〜５０Ｋといった極低温部に
おかれるシール装置３７では潤滑油を使用できない。し
かも、上記温度まで温度降下させると、シール装置３７
に組込まれているシール材や第２ディスプレーサ３０の
構成材や第２シリンダ２６の構成材の熱収縮量に大きな
差が生じるため、常温時に比べて漏れ量が増加する傾向
を示す。そのうえ、シール材が摺動するため、摩耗等に
よって漏れ量が時間の経過にしたがって徐々に増加する
傾向を示す。

【００２３】このようなことから、第２段冷却ステージ
２８の温度を十分に低い値に、かつ長期間に亘って保持
させることが困難となり、この結果としてサーマルシー
ルド５の温度上昇を招き、液体ヘリウム７の蒸発量を増
加させてしまうという問題があった。

【００２４】一方、最近では極低温下において大きな比
熱を示す蓄冷材が開発されている。たとえば、その１つ
としてＥｒ₃ Ｎｉを挙げることができる。Ｅｒ₃ Ｎｉ
は、図９に鉛の場合と比較して比熱特性が示されている
ように、低温下で磁気相転移に伴う異常磁気比熱を示す
磁性材料である。この図９から判るように、Ｅｒ₃ Ｎｉ
は１５Ｋ以下の温度において鉛より十分に高い比熱を有
している。このため、図７に示すＧＭ冷凍機９の最終段
の蓄冷器の蓄冷材３５としてＥｒ₃ Ｎｉを用いると、第
２段冷却ステージ２８を４Ｋ程度、つまり液体ヘリウム
温度に冷却することが可能となる。

【００２５】そこで、最近では、図１０に示すように、
最終段の蓄冷器の蓄冷材３５としてＥｒ₃ Ｎｉなどのよ
うに低温下で磁気相転移に伴う異常磁気比熱を示す磁性
蓄冷材を用いたＧＭ冷凍機９ａで超電導コイル８を直接
的に冷却するようにした冷凍機直冷方式の超電導磁石装
置が提案されている。

【００２６】この超電導磁石装置は、断熱容器として真
空容器５１を用いている。そして、真空容器５１内に超
電導コイル８を配置し、この超電導コイル８を包囲する
ようにサーマルシールド５２を設け、このサーマルシー
ルド５２をＧＭ冷凍機９ａの第１段冷却ステージ２７で
直接的に冷却し、超電導コイル８を熱伝導部材５３，５
４，５５を介してＧＭ冷凍機９ａの第２段冷却ステージ
２８で直接的に冷却するようにしている。なお、この図
では外部から超電導コイル８に電流を供給するための電
流リードや、超電導コイルやサーマルシールドの位置保
持手段などが省略されている。

【００２７】しかし、このように構成された超電導磁石
装置にあっても、極低温部に摺動シール要素を持つＧＭ
冷凍機９ａを用いていることには変りないので、図７に
示すものと同様に最終段の冷却ステージにおける冷凍能
力を向上させることが困難であった。しかも、最終段の
ディスプレーサに保持されている蓄冷材が磁性蓄冷材で
あるため、この磁性蓄冷材が超電導コイル８で発生した
磁場の影響で力を受け、往復動している最終段のディス
プレーサに余分な力が加わることになる。この力は、磁
場勾配に依存するが、このような力が最終段のディスプ
レーサに加わると、上記ディスプレーサに傾きが生じ、
これが原因してシール装置での漏れ量を増大させたり、
シリンダ内壁へのディスプレーサの押付けによって摩擦
熱が発生したり、ディスプレーサの駆動動力の増加で往
復動周波数の変化を招いたりし、最終段の冷却ステージ
における冷凍能力の低下を招き、超電導コイル８をクエ
ンチさせるなどの問題もあった。

【００２８】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、蓄冷器を
ディスプレーサに内蔵し、蓄冷器が動きながら冷凍を行
う蓄冷式冷凍機を使用して超電導コイルの温度環境を保
持するようにした超電導磁石装置では、上述した超電導
コイル固有の影響を冷凍機が受け、冷凍機の性能を向上
させることが困難で、これが原因して極低温冷媒の蒸発
量増加を招いたり、超電導コイルをクエンチさせたりす
るなどの問題があった。

【００２９】そこで本発明は、上述した不具合を解消で
き、超電導コイルの温度環境を蓄冷式冷凍機で長期に亘
って安定に保持できる超電導磁石装置を提供することを
目的としている。

【００３０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に係る本発明は、超電導コイルと、蓄冷器
を複数段有するととも冷却ステージを複数段有して前記
超電導コイルの温度環境保持に供される蓄冷式冷凍機と
を備えてなる超電導磁石装置において、前記蓄冷式冷凍
機が、少なくとも１段目の前記蓄冷器が可動型に構成さ
れ、少なくとも最終段の前記蓄冷器が静止型に構成され
ていることを特徴としている。

【００３１】なお、前記蓄冷式冷凍機の前記少なくとも
１段目は、冷凍サイクルがギフォード・マクマホン冷凍
サイクル、スターリング冷凍サイクル、修正型ソルベー
冷凍サイクルのいずれかで構成されていてもよい。

【００３２】また、前記蓄冷式冷凍機の前記少なくとも
最終段は、膨張機としてのパルスチューブを備えて構成
されていることが好ましい。また、前記蓄冷式冷凍機
は、前記少なくとも最終段の蓄冷器で用いている蓄冷材
が磁気相転移に伴う異常磁気比熱等を利用した磁性蓄冷
材であってもよい。

【００３３】また、前記蓄冷式冷凍機は、前記少なくと
も最終段の冷却ステージが前記超電導コイル、この超電
導コイルを包囲しているサーマルシールド、上記超電導
コイルを収容する容器の少なくとも１つに直接または熱
伝導部材を介して接続されていてもよい。

【００３４】上記目的を達成するために、請求項２に係
る本発明は、真空容器内に配置された超電導コイルと、
蓄冷器を複数段有するととも冷却ステージを複数段有し
て前記超電導コイルの温度環境保持に供される蓄冷式冷
凍機とを備えてなる超電導磁石装置において、前記蓄冷
式冷凍機は、少なくとも１段目がギフォード・マクマホ
ン冷凍サイクル、スターリング冷凍サイクル、修正型ソ
ルベー冷凍サイクルのいずれかに構成されているととも
に前記蓄冷器が可動型に構成されており、また少なくと
も最終段が膨張機としてのパルスチューブを備えている
とともに前記蓄冷器内に磁気相転移に伴う異常磁気比熱
等を利用した磁性蓄冷材が収容されて静止型に構成され
ており、上記最終段の冷却ステージが前記超電導コイル
に熱的に接続されている。

【００３５】なお、請求項２に係る発明において、前記
蓄冷式冷凍機の前記静止型に構成された部分が、複数系
統にブランチされ、かつブランチされた各系統における
最終段の冷却ステージがそれぞれ前記超電導コイルに熱
的に接続されていてもよい。

【００３６】特に、ブランチされた各系統がそれぞれほ
ぼ等しく構成されるとともに各系統が前記超電導コイル
の軸心線回りに等配され、かつ各系統における最終段の
冷却ステージがそれぞれ前記超電導コイルに熱的に接続
されていることが好ましい。

【００３７】また、請求項２に係る発明において、前記
静止型に構成されている部分の少なくとも最終段が前記
真空容器内に配置され、他の部分が上記真空容器の外に
配置されていてもよい。

【００３８】上記目的を達成するために、請求項３に係
る発明は、超電導コイルと、蓄冷器を複数段有するとと
もに冷却ステージを複数段有して前記超電導コイルの温
度環境保持に供される蓄冷式冷凍機とを備えてなる超電
導磁石装置において、前記蓄冷式冷凍機は、少なくとも
１段目の前記蓄冷器が可動型に構成され、少なくとも最
終段の前記蓄冷器が静止型に構成され、前記１段目と前
記最終段との蓄冷器の間には、前記１段目の可動型の蓄
冷器の振動が前記最終段の蓄冷器に伝わるのを防止する
振動伝達抑制手段が設けられていることを特徴としてい
る。

【００３９】また、上記目的を達成するために、請求項
４に係る発明は、超電導コイルと、蓄冷器を複数段有す
るとともに冷却ステージを複数段有して前記超電導コイ
ルの温度環境保持に供される蓄冷式冷凍機とを備えてな
る超電導磁石装置において、前記蓄冷式冷凍機は、少な
くとも１段目の前記蓄冷器が可動型に構成され、少なく
とも最終段の前記蓄冷器が静止型に構成され、前記１段
目から前記最終段まで蓄冷器の間を連結する配管の少な
くとも一部がフレキシブルな配管で構成されてなること
を特徴としている。

【００４０】さらに、上記目的を達成するために、請求
項５に係る発明は、第１の真空容器内に配置された超電
導コイルと、蓄冷器を複数段有するとともに冷却ステー
ジを複数段有して前記超電導コイルの温度環境保持に供
される蓄冷式冷凍機とを備え、前記蓄冷式冷凍機は、少
なくとも１段目の前記蓄冷器が可動型に構成され、少な
くとも最終段の前記蓄冷器が静止型に構成され、少なく
とも前記最終段の蓄冷器を前記第１の真空容器内に配置
し、少なくとも前記１段目の蓄冷器を第２の真空容器内
に配置し、これら第１の真空容器内と第２の真空容器内
とにそれぞれ配置された蓄冷器同士の間を断熱性の配管
を介して接続したことを特徴としている。

【００４１】本発明では、少なくとも最終段の蓄冷器が
静止型に形成された蓄冷式冷凍機を用いて超電導コイル
の温度環境保持を行うようにしている。超電導コイルの
温度環境保持を担う蓄冷式冷凍機において、最も高い冷
凍能力の要求される部分は、最終段の冷却ステージであ
る。本発明では、上記最終段の冷却ステージと組をなす
最終段の蓄冷器が静止型に形成されている。すなわち、
最終段部分には、可動部分が全く存在していないので、
摺動シール要素も必要としない。したがって、摺動シー
ル要素の存在によって起こる冷凍能力の低下を防止する
ことが可能となる。

【００４２】また、最終段の蓄冷器が静止型であるた
め、この最終段の蓄冷器の蓄冷材として磁気相転移に伴
う異常磁気比熱等を利用した磁性蓄冷材を用いたとき、
超電導コイルで発生した磁場の影響で磁性蓄冷材に力が
作用しても、この力は蓄冷式冷凍機の機械的な動きには
全く影響を与えない。したがって、超電導コイルで発生
した磁場の影響で磁性蓄冷材に力が作用したときに起こ
る冷凍能力の低下も防止することが可能となる。また、
最終段の蓄冷器が静止型であるため、蓄冷材として磁性
蓄冷材を用いても、この磁性蓄冷材が超電導コイルで発
生した磁場へ磁気的ノイズを誘発するようなこともな
い。

【００４３】また、前記蓄冷式冷凍機の前記静止型に構
成された部分を複数系統にブランチし、ブランチされた
各系統を超電導コイルの軸心線回りに等配し、かつ各系
統における最終段の冷却ステージを超電導コイルに熱的
に接続する構成を採用すると、超電導コイル内に温度差
が生じないように均一に冷却することができる。このと
き、ブランチされた各系統の蓄冷器で磁性蓄冷材を用い
ても、これら磁性蓄冷材が超電導コイルで発生した磁場
の対称性を大幅に崩すようなことはない。したがって、
コイル中心磁場の対称性を向上させるための補正の容易
化に寄与できる。

【００４４】また、前記蓄冷式冷凍機の前記静止型に構
成されている部分の少なくとも最終段を超電導コイルの
収容された真空容器内に配置し、他の部分を上記真空容
器外に配置することによって、可動している蓄冷器の振
動が超電導コイルに直接的に伝わるのを防止でき、超電
導コイルが機械的に振動を受けることによって起こる弊
害を回避することができる。

【００４５】また、１段目の可動型の蓄冷器の振動が最
終段の蓄冷器に伝わるのを防止する振動伝達抑制手段を
設けたり、１段目から最終段まで蓄冷器の間を連結する
配管の少なくとも一部をフレキシブルな配管で構成する
ことによって蓄冷器の振動が超電導コイルに直接的に伝
わるのを防止できる。

【００４６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら発明の
実施の形態を説明する。図１には本発明の第１の実施の
形態に係る超電導磁石装置、ここには本発明を冷凍機直
冷方式の超電導磁石装置に適用した例が示されている。

【００４７】同図において、７１は断熱容器としての真
空容器を示している。この真空容器７１は非磁性材で形
成されている。真空容器７１には、その上壁および下壁
を一体に、かつ気密に貫通する筒状壁７２が設けられて
いる。そして、真空容器７１内には筒状壁７２を囲む環
状の空間７３を形成するように非磁性金属材で形成され
たサーマルシールド７４が配置されている。

【００４８】サーマルシールド７４によって形成された
環状空間７３内には、筒状壁７２と同心的に超電導コイ
ル７５が配置されている。この超電導コイル７５は、臨
界温度がたとえば１５Ｋ程度の超電導線で形成されてお
り、その両線端は臨界温度が５０Ｋ以上の酸化物超電導
体等で形成された電流リード７６ａ，７６ｂの一端側に
接続されている。電流リード７６ａ，７６ｂの他端側は
サーマルシールド７４とは絶縁状態にサーマルシールド
７４の外部に導かれて燐脱酸銅などで形成された電流リ
ード７７ａ，７７ｂの一端側に接続されている。電流リ
ード７６ａ，７６ｂと電流リード７７ａ，７７ｂとの接
続部はサーマルシールド７４の外面に取付けられた、た
とえば窒化アルミニウム製のサーマルアンカ７８ａ，７
８ｂに熱的に接続されている。電流リード７７ａ，７７
ｂの他端側は真空容器７１の上壁を貫通して設けられた
ブッシングを介して外部へ導かれている。また、超電導
コイル７５には、このコイルのたとえば軸方向における
一方の端面に熱的に密接する関係に銅製の熱伝導部材７
９が配置されている。

【００４９】真空容器７１の内外には、一部が真空容器
７１内に位置し、残りが真空容器７１外に位置して超電
導コイル７５の温度環境保持、具体的にはサーマルシー
ルド７４を５０Ｋ程度に、また超電導コイル７５を５Ｋ
程度に冷却する機能を発揮する２段膨張構成の蓄冷式冷
凍機８０が配置されている。

【００５０】この蓄冷式冷凍機８０は、コールドヘッド
８１と、コンプレッサ８２とで構成されている。コール
ドヘッド８１は、第１段冷凍部８３と、これに直列に接
続された第２段冷凍部８４とで構成されている。第１段
冷凍部８３は第８図に示した従来のものと同じギフォー
ド・マクマホン冷凍サイクルを採用しており、また第２
段冷凍部８４はパルスチューブ冷凍サイクルを採用して
いる。

【００５１】第１段冷凍部８３は、閉じられたシリンダ
８５を備えており、このシリンダ８５内には断熱材で形
成されたディスプレーサ８６が往復動自在に収納されて
いる。そして、シリンダ８５のヘッド壁部分に圧縮され
た冷媒ガスを膨張させて寒冷を発生する第１段冷却ステ
ージ８７が設けられている。この第１段冷却ステージ８
７、つまりシリンダ８５のヘッド壁外面がサーマルシー
ルド７４に熱的に接続されている。なお、シリンダ８５
は、薄いステンレス鋼板等で形成されている。

【００５２】ディスプレーサ８６の内部には第１段の蓄
冷器を構成するための流体通路８８が軸方向に形成され
ており、この流体通路８８にはたとえば銅で作られたメ
ッシュ構造の蓄冷材８９が収容されている。

【００５３】ディスプレーサ８６の外周面上部、つまり
常温に近い部分とシリンダ８５の内周面との間には、シ
ール装置９０が装着されている。ディスプレーサ８６の
上端は、連結ロッド、スコッチヨークあるいはクランク
軸９１等を介してモータ９２の回転軸に連結されてい
る。したがって、モータ９２が回転すると、この回転に
同期してディスプレーサ８６が図中上下方向に往復動す
る。

【００５４】シリンダ８５の上部空間にはディスプレー
サ８６内へヘリウムガスを導入するための導入口９３お
よび排出するための排出口９４が設けてあり、これら導
入口９３および排出口９４はモータ９２の回転に同期し
て開閉制御される高圧弁９５，低圧弁９６を介してコン
プレッサ８２に接続されている。コンプレッサ８２、高
圧弁９５、低圧弁９６は、シリンダ８５を経由するヘリ
ウムガス循環系を構成している。すなわち、低圧（約８
ａｔｍ）のヘリウムガスをコンプレッサ８２で高圧（約
２０ａｔｍ）に圧縮してシリンダ８５内に送り込む動作
と、シリンダ８５内のヘリウムガスを排気する動作とを
交互に行うようにしている。

【００５５】一方、第２段冷凍部８４はサーマルシール
ド７４で囲まれた空間に配置されており、次のように構
成されている。すなわち、シリンダ８５のヘッド壁にシ
リンダ８５内に通じる関係に配管９７の一端側を接続
し、この配管９７の他端側を第２段の蓄冷器９８の一方
の接続口に接続している。第２段の蓄冷器９８は、断熱
材で形成された容器９９と、この容器９９内に収容され
たＥｒ₃ Ｎｉ等からなる磁気相転移に伴う異常磁気比熱
等を利用した磁性蓄冷材１００とで構成されている。そ
して、第２段の蓄冷器９８の他方の接続口は、第２段冷
却ステージを構成する吸熱部１０１を介して上記吸熱部
１０１より大径なパルスチューブ１０２の一端側に接続
されている。このパルスチューブ１０２の他端側は、一
方においてはキャピラリーチューブ１０３を介して配管
９７内に通じており、他方においてはキャピラリーチュ
ーブ１０４を介してサーマルシールド７４と真空容器７
１の上壁との間に配置されたバッファータンク１０５に
通じている。すなわち、この第２冷凍部８４は、ダブル
インレット方式を採用したパルスチューブ冷凍機を構成
している。なお、図では省略されているが、パルスチュ
ーブ１０２の高温端およびバッファータンク１０５はサ
ーマルシールド７４に熱的に接続されて冷却されてい
る。

【００５６】第２段冷却ステージを構成している吸熱部
１０１には、銅ブロックなどで構成された伝熱ブロック
１０６が熱的に接続されており、この伝熱ブロック１０
６と前述した熱伝導部材７９とが銅材などで形成された
伝熱材１０７で熱的に接続されている。

【００５７】なお、図１中、１０８は超電導コイル７５
で発生した磁場の影響でモータ９２の動作が阻害される
のを防止するための磁気シールドを示している。また、
この図１では超電導コイル７５やサーマルシールド７４
の位置保持手段などが省略されている。

【００５８】次に、上記のように構成された超電導磁石
装置の運転モード時の動作、特に超電導コイル７５の温
度環境保持動作を説明する。超電導コイル７５の温度環
境保持に必要な寒冷の発生は、第１段冷却ステージ８７
および第２段冷却ステージを構成している吸熱部１０１
で行われる。第１段冷却ステージ８７は熱負荷のない理
想状態では３０Ｋ程度まで冷却される。また、吸熱部１
０１は４Ｋ程度まで冷却される。したがって、ディスプ
レーサ８６の上下端間には常温（３００Ｋ）から３０Ｋ
までの温度勾配が生じ、また蓄冷器８４の上下端間（パ
ルスチューブ１０２の上下端間）には３０Ｋから４Ｋま
での温度勾配が生じる。

【００５９】モータ９２が回転を開始すると、ディスプ
レーサ８６が下死点（図中最上点）と上死点（図中最下
点）との間を往復動する。ディスプレーサ８６が上死点
に達した時点で高圧弁９５が開き、高圧ヘリウムガスが
シリンダ８５内に流入する。ディスプレーサ８６の外周
面とシリンダ８５の内周面との間にはシール装置９０が
装着されているので、流入した高圧ヘリウムガスはディ
スプレーサ８６に形成された流体通路８８を通った後に
蓄冷器９８を経てパルスチューブ１０２へと流れる。こ
の流れに伴って、パルスチューブ１０２へ流れ込む高圧
ヘリウムガスは、まず蓄冷材８９によって５０Ｋ程度に
冷却された後に磁性蓄冷材１００によってさらに５Ｋ程
度に冷却される。

【００６０】ここで、ディスプレーサ８６が下死点に達
すると、高圧弁９５が閉じ、低圧弁９６が開く。このよ
うに低圧弁９６が開くと、ディスプレーサ８６とシリン
ダ８５のヘッド壁との間の空間１０９に存在している高
圧ヘリウムガスが断熱膨張して寒冷を発生する。この寒
冷によって第１段冷却ステージ８７が外部、つまりサー
マルシールド７４から吸熱する。この結果、サーマルシ
ールド７４は５０Ｋ程度の温度に冷却される。

【００６１】一方、低圧弁９６が開くと、パルスチュー
ブ１０２内の高圧ヘリウムガスが断熱膨張して寒冷を発
生する。この寒冷によって第２段冷却ステージを構成し
ている吸熱部１０１が外部、この例の場合には伝熱ブロ
ック１０６、伝熱材１０７、熱伝導部材７９を介して超
電導コイル７５から吸熱する。この結果、超電導コイル
７５は、臨界温度以下の５Ｋ程度に冷却される。

【００６２】ディスプレーサ８６が再び上死点へと移動
すると、これに伴ってパルスチューブ１０２内の低温の
ヘリウムガスが第２段の蓄冷器９８内に逆流し、この逆
流で磁性蓄冷材１００を冷却する。また、空間１０９の
低温のヘリウムガスは流体通路８８内を通過し、この通
過の際に蓄冷材８９を冷却する。したがって、シリンダ
８５の上部空間にはほぼ常温まで温度上昇したヘリウム
ガスが集まり、このガスが低圧弁９６を介してコンプレ
ッサ８２へと排出される。なお、キャピラリーチューブ
１０３，１０４およびバッファータンク１０５は、第２
段冷凍部８３を構成しているパルスチューブ冷凍サイク
ルでの圧力変化とガスの変位との位相関係を調整して効
率の良い寒冷発生に寄与している。

【００６３】上述したサイクルが繰り返されて超電導コ
イル７５の温度環境保持が実行される。したがって、超
電導コイル７５は常に臨界温度以下の５Ｋ程度に保持さ
れ、またサーマルシールド７４は輻射によって超電導コ
イル７５への熱侵入を抑制する５０Ｋ程度に保持され
る。

【００６４】このように、本例に係る冷凍機直冷方式の
超電導磁石装置では、超電導コイル７５の温度環境を保
持するための蓄冷式冷凍機８０として、高温側にギフォ
ード・マクマホン冷凍サイクルを採用した第１段冷凍部
８３を配置し、低温側（最終段）にパルスチューブ冷凍
サイクルを採用した第２段冷凍部８４を配置してなる２
段膨張構成のものを用いている。

【００６５】したがって、温度条件の最も厳しい最終段
に、可動要素を全く必要としない、つまり摺動シール要
素を必要としないパルスチューブ冷凍サイクルを採用し
た第２段冷凍部８４を配置しているので、摺動シール要
素の存在によって起こる第２段冷却ステージの冷凍能力
低下を防止でき、長期に亘って安定した温度環境保持動
作を行わせることができる。

【００６６】また、最終段の第２段冷凍部８４として可
動要素を全く必要としないパルスチューブ冷凍サイクル
を採用したものを用いているので、この最終段の蓄冷器
９８の蓄冷材として磁気相転移に伴う異常磁気比熱等を
利用した磁性蓄冷材１００を用いたとき、超電導コイル
７５で発生した磁場の影響で磁性蓄冷材１００に力が作
用しても、この力に耐えるように蓄冷器９８を設けてお
けばよく、上記力が蓄冷式冷凍機８０の機械的な動きや
寒冷の発生に影響を与えることは全くない。したがっ
て、超電導コイル７５で発生した磁場の影響で磁性蓄冷
材１００に力が作用したときに起こる冷凍能力の低下も
防止することができる。また、蓄冷器９８内の磁性蓄冷
材１００は常に静止状態にあるので、この磁性蓄冷材１
００が超電導コイル７５で発生した磁場へ磁気的ノイズ
を誘発するようなこともない。

【００６７】このように、本例によれば、温度環境保持
系が原因して起こる超電導コイル７５のクエンチ発生を
長期間に亘って防止できる冷凍機直冷方式の超電導磁石
装置を実現できる。

【００６８】図２には本発明の第２の実施の形態に係る
超電導磁石装置、ここにも本発明を冷凍機直冷方式の超
電導磁石装置に適用した例が示されている。なお、この
図では図１と同一機能部分が同一符号で示されている。
したがって、重複する部分の詳しい説明は省略する。

【００６９】この例が図１に示した例と大きく異なる点
は、蓄冷式冷凍機８０ａの構成および超電導コイル７５
へ冷却構成にある。この例における蓄冷式冷凍機８０ａ
は、第１段冷凍部８３と、この第１段冷凍部８３から４
つにブランチした第２段冷凍部８４ａ〜８４ｄ（図３参
照）とで構成されている。

【００７０】第１段冷凍部８３は、図１に示した蓄冷式
冷凍機の第１段冷凍部と同様に蓄冷器を可動構成にした
ギフォード・マクマホン冷凍サイクルを採用している。
また、第２段冷凍部８４ａ〜８４ｄは、４つにブランチ
されているものの、ブランチされたそれぞれの系統が図
１に示した蓄冷式冷凍機の第２段冷凍部と同様に、Ｅｒ
₃ Ｎｉ等からなる磁気相転移に伴う異常磁気比熱等を利
用した磁性蓄冷材１００を収容した第２段の蓄冷器９８
と、第２段冷却ステージを構成する吸熱部１０１と、パ
ルスチューブ１０２と、キャピラリーチューブ１０３，
１０４と、バッファータンク１０５とを備えたオリフィ
ス・ダブルインレット方式のパルスチューブ冷凍サイク
ルを採用したものとなっている。

【００７１】第２段冷凍部８４ａ〜８４ｄは、図３に示
すように、各部の寸法も含めてそれぞれ同一構成に形成
されており、超電導コイル７５の軸心線回りに９０度間
隔に、かつ軸心線に対する姿勢を同じくしてそれぞれの
吸熱部１０１を超電導コイル７５の端面に取付けられた
熱伝導部材７９に熱的に接続している。

【００７２】なお、この図では外部から超電導コイル７
５に電流を供給するための電流リードや、超電導コイル
７５の支持構成等が省略されている。このような構成で
あると、図１に示した装置と全く同じ原理で超電導コイ
ル７５を安定に冷却することができ、図１に示した装置
と同様の効果を得ることができる。

【００７３】加えて、この例では、蓄冷式冷凍機８０ａ
の静止型に構成されている第２冷凍部を４つにブランチ
し、このブランチされた第２冷凍部８４ａ〜８４ｄを超
電導コイル７５の軸心線回りに等配し、かつ各第２冷凍
部８４ａ〜８４ｄの冷却ステージである吸熱部１０１を
それぞれ熱伝導部材７９を介して超電導コイル７５に熱
的に接続する構成を採用しているので、超電導コイル７
５内に温度差が生じないように超電導コイル７５を均一
に冷却することができる。また、第２冷凍部８４ａ〜８
４ｄを超電導コイル７５の軸心線回りに等配して超電導
コイル７５を冷却するようにしているので、第２冷凍部
８４ａ〜８４ｄの各蓄冷器９８において磁性蓄冷材１０
０を用いても、これら磁性蓄冷材１００が超電導コイル
７５で発生した磁場の対称性を大きく崩すようなことは
ない。したがって、対称性を増すための補正も容易化で
きる。

【００７４】図４には本発明の第３の実施の形態に係る
超電導磁石装置、ここにも本発明を冷凍機直冷方式の超
電導磁石装置に適用した例が示されている。なお、この
図では図２と同一機能部分が同一符号で示されている。
したがって、重複する部分の詳しい説明は省略する。

【００７５】この例が図２に示した例と大きく異なる点
は、蓄冷式冷凍機８０ｂの構成にある。この例における
蓄冷式冷凍機８０ｂも第１段冷凍部８３と、この第１段
冷凍部８３から４つにブランチした第２段冷凍部８４ａ
〜８４ｄとで構成されていることには変わりないが、こ
の例では第１段冷凍部８３と第２段冷凍部８４ａ〜８４
ｄとを長いパイプ７９ａで連絡し、これによって第２段
冷凍部８４ａ〜８４ｄを真空容器７１内に、また第１段
冷凍部８３を冷凍機専用の別の真空容器２００内に設け
るようにしている。なお、図中、２０１はパイプ７９ａ
を真空断熱するための隔離パイプを示している。この隔
離パイプ２０１は機械的な振動を伝え難いフレキシブル
な構成であることが好ましい。このフレキシブルな隔離
パイプ２０１としてはベローズ構成のパイプ等を用いる
ことができる。なお、この図では外部から超電導コイル
７５に電流を供給するための電流リードや、超電導コイ
ル７５の支持構成等が省略されている。

【００７６】このような構成であると、図２に示した装
置と全く同じ原理で超電導コイル７５を安定に冷却する
ことができ、図２に示した装置と同様の効果を得ること
ができる。

【００７７】加えて、この例では蓄冷式冷凍機８０ｂの
静止型に構成されている第２段冷凍８４ａ〜８４ｄを超
電導コイル７５の収容された真空容器７１内に配置し、
第１段冷凍部８３を冷凍機専用の別の真空容器２００内
に配置し、第１段冷凍部８３と第２段冷凍部８４ａ〜８
４ｄとを長いパイプ７９ａおよび振動を伝え難い隔離パ
イプ２０１を介して接続する構成を採用しているので、
可動している第１段冷凍部８３の機械振動が超電導コイ
ル７５に直接的に伝わるのを抑制でき、超電導コイル７
５が機械的に振動を受けることによって起こる弊害、た
とえば磁場の揺らぎの発生を回避することができる。し
たがって、機械的なノイズや磁気的なノイズを嫌う SQU
IDやNMR 等にも適用できる。

【００７８】図５には本発明の第４の実施形態に係る超
電導磁石装置、ここには本発明を浸漬冷却方式の超電導
磁石装置に適用した例が示されている。なお、この図で
は、図１と同一機能部分が同一符号で示されている。し
たがって、重複する部分の詳しい説明は省略する。

【００７９】同図において、１１０は断熱容器を示して
いる。この断熱容器１１０は、内槽１１１と、外槽１１
２と、内・外槽間に形成された真空断熱層１１３と、真
空断熱層１１３内に内槽１１１を包囲するように設けら
れたサーマルシールド１１４とを備えている。そして、
内槽１１１内に極低温冷媒である液体ヘリウム１１５が
収容され、この液体ヘリウム１１５中に没するように超
電導コイル１１６が配置されている。なお、この図では
外部から超電導コイル１１６に電流を供給するための電
流リードや、内槽１１１へ液体ヘリウム１１５を注入す
るための注液管等が省略されている。

【００８０】断熱容器１１０の内外には、一部が断熱容
器１１０内に位置し、残りが断熱容器１１０外に位置し
て超電導コイル１１６の温度環境保持、具体的にはサー
マルシールド１１４を５０Ｋ程度に、また内槽１１１を
４Ｋ程度に冷却する機能を発揮する２段膨張構成の蓄冷
式冷凍機８０ｃが配置されている。

【００８１】この蓄冷式冷凍機８０ｃは、図１に示され
ているものと同様に、コールドヘッド８１ｃと、コンプ
レッサ８２とで構成されている。コールドヘッド８１ｃ
は基本的には図１に示されているものと同様に、第１段
冷凍部８３と、これに直列に接続された第２段冷凍部８
４ｅとで構成されている。第１段冷凍部８３はギフォー
ド・マクマホン冷凍サイクルを採用しており、また第２
段冷凍部８４ｅはパルスチューブ冷凍サイクルを採用し
ている。

【００８２】この蓄冷式冷凍機８０ｃは、第１段冷凍部
８３に設けられた第１段冷却ステージ８７でサーマルシ
ールド１１４を５０Ｋ程度に冷却し、第２段冷却ステー
ジとしての吸熱部１０１で内槽１１１を４Ｋ程度に冷却
している。

【００８３】この例に係る超電導磁石装置に組込まれた
蓄冷式冷凍機８０ｃが図１に示される超電導磁石装置に
組込まれた蓄冷式冷凍機８０と異なる点は、第２段冷凍
部８４ｅの一部を構成しているパルスチューブ１０２ａ
の構成にある。

【００８４】すなわち、パルスチューブ１０２ａは、一
端側が吸熱部１０１に通じ、他端側がシリンダ８５の上
部空間に通じた断熱材製のパルスチューブ本体１２１
と、このパルスチューブ本体１２１内に往復動自在に収
容された断熱材製のピストン１２２とで構成されてい
る。そして、ピストン１２２の図中上端は、連結ロッド
やスコッチヨークなどの連結機構１２３を介してクラン
ク軸９１に連結されている。また、ピストン１２２の外
周面で、常温に近い図中上端部にはパルスチューブ本体
１２１の内周面との間をシールするためのシール装置１
２４が装着されている。

【００８５】上記構成から判るように、この例に係る超
電導磁石装置に組込まれた蓄冷式冷凍機８０ｃでは、デ
ィスプレーサ８６の往復動に同期してパルスチューブ１
０２ａの容積を変化させ、これによって第２段冷凍部８
４ｅでの圧力変化とガスの流れとの位相差を確保するよ
うに構成されている。

【００８６】このよう構成された本例に係る浸漬冷却方
式の超電導磁石装置においても、温度条件の最も厳しい
最低温側に可動要素を全く必要としない、つまり摺動シ
ール要素を必要としないパルスチューブ冷凍サイクルを
採用した第２段冷凍部８４ｅを配置しているので、摺動
シール要素の存在によって起こる第２段冷却ステージの
冷凍能力低下を防止でき、長期に亘って安定した温度環
境保持動作を行わせることができる。したがって、図１
に示すものと同様の効果を発揮させることができる。

【００８７】図６には本発明の第５の実施形態に係る超
電導磁石装置、ここにも本発明を浸漬冷却方式の超電導
磁石装置に適用した例が示されている。なお、この図で
は、図１と同一機能部分が同一符号で示されている。し
たがって、重複する部分の詳しい説明は省略する。

【００８８】同図において、１３０は断熱容器を示して
いる。この断熱容器１３０は、内槽１３１と、外槽１３
２と、内・外槽間に形成された真空断熱層１３３と、真
空断熱層１３３内に内槽１３１を包囲するように設けら
れたサーマルシールド１３４，１３５とを備えている。
そして、内槽１３１内に極低温冷媒である液体ヘリウム
１３６が収容され、この液体ヘリウム１３６中に没する
ように超電導コイル１３７が配置されている。なお、こ
の図では外部から超電導コイル１３７に電流を供給する
ための電流リードや、内槽１３１へ液体ヘリウム１３６
を注入するための注液管や、蒸発によって生成されたヘ
リウムガスを回収するための排気管等が省略されてい
る。

【００８９】断熱容器１３０の内外には、一部が断熱容
器１３０内に位置し、残りが断熱容器１３０外に位置し
て超電導コイル１３７の温度環境保持、具体的にはサー
マルシールド１３５を５０Ｋ程度に、またサーマルシー
ルド１３４を５Ｋ程度に冷却する機能を発揮する２段膨
張構成の蓄冷式冷凍機８０ｄが配置されている。

【００９０】この蓄冷式冷凍機８０ｄは、コールドヘッ
ド８１ｄ、ガス圧力可変機構１３９とで構成されてい
る。コールドヘッド８１ｄは図１に示されているものと
同様に、第１段冷凍部８３と、これに直列に接続された
第２段冷凍部８４とで構成されている。第１段冷凍部８
３は後述するガス圧力可変機構１３９とでスターリング
冷凍サイクルを採用しており、また第２段冷凍部８４は
パルスチューブ冷凍サイクルを採用している。

【００９１】この蓄冷式冷凍機８０ｄは、第１段冷凍部
８３に設けられた第１段冷却ステージ８７でサーマルシ
ールド１３５を５０Ｋ程度に冷却し、第２段冷却ステー
ジとしての吸熱部１０１でサーマルシールド１３４を５
Ｋ程度に冷却している。

【００９２】この例に係る超電導磁石装置に組込まれた
蓄冷式冷凍機８０ｄが図１に示される超電導磁石装置に
組込まれた蓄冷式冷凍機８０と異なる点は、第１段冷凍
部８３がガス圧力可変機構１３９とでスターリング冷凍
サイクルを構成していることにある。

【００９３】すなわち、ディスプレーサ８６は、連結ロ
ッドやスコッチヨークなどの連結部材１４０を介してク
ランク室１４１内に設けられたクランク機構１４２に連
結され、このクランク機構１４２の回転に同期して往復
動制御される。なお、シリンダ８５とクランク室１４１
とはシール装置１４３によって分離されている。また、
クランク機構１４２は図示しないモータによって回転駆
動される。

【００９４】一方、ガス圧力可変機構１３９は、シリン
ダ１４４と、このシリンダ１４４内に往復動自在に配置
されたピストン１４５とを備えている。ピストン１４５
は、連結ロッドやスコッチヨークなどの連結部材１４６
を介してクランク機構１４２に連結され、ディスプレー
サ８６の往復動位相に対して所定の位相差で往復動制御
される。なお、シリンダ１４４とクランク室１４１とは
シール装置１４７によって分離されている。そして、シ
リンダ１４４とピストン１４５との間に形成された容積
可変の空間１４８は、ガス通路１４９を介してシリンダ
８５とデイスプレーサ８６の背面との間に形成された空
間１５０に通じている。空間１４８、ガス通路１４９、
シリンダ８５、蓄冷器９８、パルスチューブ１０２、バ
ッファタンク１０５からなる閉じられた空間にはヘリウ
ムガスが封入されている。

【００９５】スターリング冷凍サイクルもギフォード・
マクマホン冷凍サイクルも基本的には同じ冷凍原理を採
用している。すなわち、クランク機構１４２が回転する
と、シリンダ１４４とピストン１４５とが空間１４８で
ヘリウムガスを圧縮して送り出す動作と、ヘリウムガス
を空間１４８へ吸い込む動作とを繰り返す。したがっ
て、ガス圧力可変機構１３９は、図１および図２に示し
たコンプレッサ８２、高圧弁９５、低圧弁９６と等価な
動作を行っていることになる。

【００９６】このよう構成された本例に係る浸漬冷却方
式の超電導磁石装置においても、温度条件の最も厳しい
最低温側に可動要素を全く必要としない、つまり摺動シ
ール要素を必要としないパルスチューブ冷凍サイクルを
採用した第２段冷凍部８４を配置しているので、摺動シ
ール要素の存在によって起こる第２段冷却ステージの冷
凍能力低下を防止でき、長期に亘って安定した温度環境
保持動作を行わせることができる。したがって、図１に
示すものと同様の効果を発揮させることができる。

【００９７】なお、本発明は上述した各例に限定される
ものではない。たとえば、図１に示される超電導磁石装
置に組込まれている蓄冷式冷凍機８０を図６に示される
蓄冷式冷凍機８０ｄに置き換えることもできる。また、
図５に示される例において、吸熱部１０１を内槽１１１
内に位置させ、内槽１１１内のヘリウムガスを吸熱部１
０１の外面で液化するようにしてもよい。また、図５お
よび図６に示す例において、駆動用のモータを磁気シー
ルドで覆い、超電導コイルで発生した磁場の影響でモー
タの動作が不安定になるのを防止するようにしてもよ
い。また、図１および図６に示す例において、パルスチ
ューブ冷凍機のガス圧力変化とガスの変位との間に所定
の位相差を持たせるためにキャピラリーチューブ１０
３、１０５の途中に絞り等を介在させてもよい。また、
パルスチューブ冷凍機を複数段構成にすることもでき
る。さらに、第１段冷凍部としてギファード・マクマホ
ン冷凍サイクルおよびスターリング冷凍サイクルを示し
たが、蓄冷器が可動型の他の冷凍サイクルとして修正型
ソルベー冷凍サイクルを用いてもよい。

【００９８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
超電導コイルの温度環境保持に供せられる蓄冷式冷凍機
の少なくとも最終段の蓄冷器として静止型のものを用い
ているので、最終段冷却ステージの冷凍能力を長期に亘
って安定に発揮させることができ、もって極低温冷媒の
蒸発量の抑制や超電導コイルのクエンチ発生防止に寄与
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る超電導磁石装置
の概略構成図

【図２】本発明の第２の実施形態に係る超電導磁石装置
の概略構成図

【図３】図２におけるＡ−Ａ線に沿って切断し矢印方向
に見た図

【図４】本発明の第３の実施形態に係る超電導磁石装置
の概略構成図

【図５】本発明の第４の実施形態に係る超電導磁石装置
の概略構成図

【図６】本発明の第５の実施形態に係る超電導磁石装置
の概略構成図

【図７】浸漬冷却方式を採用した従来の超電導磁石装置
の概略構成図

【図８】同装置に組込まれている蓄冷式冷凍機の概略構
成図

【図９】磁気相転移に伴う異常磁気比熱等を利用した磁
性蓄冷材の比熱特性を鉛のそれと比較して示す図

【図１０】冷凍機直冷方式を採用した従来の超電導磁石
装置の概略構成図

【符号の説明】

７１…断熱容器としての真空容器７４，１１４，１３４，１３５…サーマルシールド７５，１１６，１３７…超電導コイル７９…熱伝導部材８０，８０ａ，８０ｂ，８０ｃ，８０ｄ…蓄冷式冷凍機８１，８１ａ，８１ｂ，８１ｃ，８１ｄ…コールドヘッ
ド８２…コンプレッサ８３…第１段冷凍部８４，８４ａ，８４ｂ，８４ｃ，８４ｄ，８４ｅ…第２
段冷凍部８５…シリンダ８６…デイスプレーサ８７…第１段冷却ステージ８９…蓄冷材９０，１２４，１４３，１４７…シール装置９２…モータ９３…ガス導入口９４…ガス排出口９５…高圧弁９６…低圧弁９７，９７ａ…パイプ９８…第２段の蓄冷器１００…磁気相転移に伴う異常磁気比熱等を利用した磁
性蓄冷材１０１…第２段冷却ステージとしての吸熱部１０２，１０２ａ…パルスチューブ１０３，１０４…キャピラリーチューブ１０５…バファタンク１２１…パルスチューブ本体１２２，１４５…ピストン１３９…ガス圧力可変機構１４１…クランク室１４２…クランク機構１４４…シリンダ１４８…空間

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大谷安見神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者中込秀樹神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者畠山秀夫神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者ローハナ・チャンドラ・ティラカ神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超電導コイルと、蓄冷器を複数段有すると
ともに冷却ステージを複数段有して前記超電導コイルの
温度環境保持に供される蓄冷式冷凍機とを備えてなる超
電導磁石装置において、前記蓄冷式冷凍機は、少なくとも１段目の前記蓄冷器が
可動型に構成され、少なくとも最終段の前記蓄冷器が静
止型に構成されてなることを特徴とする超電導磁石装
置。
【請求項２】真空容器内に配置された超電導コイルと、
蓄冷器を複数段有するとともに冷却ステージを複数段有
して前記超電導コイルの温度環境保持に供される蓄冷式
冷凍機とを備えてなる超電導磁石装置において、前記蓄冷式冷凍機は、少なくとも１段目がギフォード・
マクマホン冷凍サイクル、スターリング冷凍サイクル、
修正型ソルベー冷凍サイクルのいずれかに構成されてい
るとともに前記蓄冷器が可動型に構成されており、また
少なくとも最終段が膨張機としてのパルスチューブを備
えているとともに前記蓄冷器内に磁気相転移に伴う異常
磁気比熱等を利用した磁性蓄冷材が収容されて静止型に
構成されており、上記最終段の冷却ステージが前記超電
導コイルに熱的に接続されていることを特徴とする超電
導磁石装置。
【請求項３】超電導コイルと、蓄冷器を複数段有すると
ともに冷却ステージを複数段有して前記超電導コイルの
温度環境保持に供される蓄冷式冷凍機とを備えてなる超
電導磁石装置において、前記蓄冷式冷凍機は、少なくとも１段目の前記蓄冷器が
可動型に構成され、少なくとも最終段の前記蓄冷器が静
止型に構成され、前記１段目と前記最終段との蓄冷器の
間には、前記１段目の可動型の蓄冷器の振動が前記最終
段の蓄冷器に伝わるのを防止する振動伝達抑制手段が設
けられていることを特徴とする超電導磁石装置。
【請求項４】超電導コイルと、蓄冷器を複数段有すると
ともに冷却ステージを複数段有して前記超電導コイルの
温度環境保持に供される蓄冷式冷凍機とを備えてなる超
電導磁石装置において、前記蓄冷式冷凍機は、少なくとも１段目の前記蓄冷器が
可動型に構成され、少なくとも最終段の前記蓄冷器が静
止型に構成され、前記１段目から前記最終段まで蓄冷器
の間を連結する配管の少なくとも一部がフレキシブルな
配管で構成されてなることを特徴とする超電導磁石装
置。
【請求項５】第１の真空容器内に配置された超電導コイ
ルと、蓄冷器を複数段有するとともに冷却ステージを複
数段有して前記超電導コイルの温度環境保持に供される
蓄冷式冷凍機とを備え、前記蓄冷式冷凍機は、少なくとも１段目の前記蓄冷器が
可動型に構成され、少なくとも最終段の前記蓄冷器が静
止型に構成され、少なくとも前記最終段の蓄冷器を前記
第１の真空容器内に配置し、少なくとも前記１段目の蓄
冷器を第２の真空容器内に配置し、これら第１の真空容
器内と第２の真空容器内とにそれぞれ配置された蓄冷器
同士の間を断熱性の配管を介して接続したことを特徴と
する超電導磁石装置。
【請求項６】前記蓄冷式冷凍機の前記少なくとも１段目
は、冷凍サイクルがギフォード・マクマホン冷凍サイク
ル、スターリング冷凍サイクル、修正型ソルベー冷凍サ
イクルのいずれかに構成されていることを特徴とする請
求項１，３，４，５のいずれか１項に記載の超電導磁石
装置。
【請求項７】前記蓄冷式冷凍機の前記少なくとも最終段
は、膨張機としてのパルスチューブを備えて構成されて
いることを特徴とする請求項１，３，４，５のいずれか
１項に記載の超電導磁石装置。
【請求項８】前記蓄冷式冷凍機は、前記少なくとも最終
段の蓄冷器で用いている蓄冷材が磁気相転移に伴う異常
磁気比熱等を利用した磁性蓄冷材であることを特徴とす
る請求項１，３，４，５のいずれか１項に記載の超電導
磁石装置。
【請求項９】前記蓄冷式冷凍機は、前記少なくとも最終
段の冷却ステージが前記超電導コイル、この超電導コイ
ルを包囲しているサーマルシールド、上記超電導コイル
を収容する容器の少なくとも１つに直接または熱伝導部
材を介して接続されていることを特徴とする請求項１，
２，３，４，５のいずれか１項に記載の超電導磁石装
置。
【請求項１０】前記蓄冷式冷凍機は、前記静止型に構成
された部分が複数系統にブランチされており、ブランチ
された各系統における最終段の冷却ステージがそれぞれ
前記超電導コイルに熱的に接続されていることを特徴と
する請求項１，２，３，４，５，６のいずれか１項に記
載の超電導磁石装置。
【請求項１１】前記蓄冷式冷凍機は、前記ブランチされ
た各系統がそれぞれほぼ等しく構成されており、上記各
系統が前記超電導コイルの軸心線回りに等配され、かつ
各系統における最終段の冷却ステージがそれぞれ前記超
電導コイルに熱的に接続されていることを特徴とする請
求項１０に記載の超電導磁石装置。
【請求項１２】前記蓄冷式冷凍機は、前記静止型に構成
されている部分の少なくとも最終段が前記真空容器内に
配置されており、他の部分が上記真空容器の外に配置さ
れていることを特徴とする請求項２に記載の超電導磁石
装置。