JPH1026427A - 冷却装置 - Google Patents

冷却装置

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JPH1026427A
JPH1026427A JP8183609A JP18360996A JPH1026427A JP H1026427 A JPH1026427 A JP H1026427A JP 8183609 A JP8183609 A JP 8183609A JP 18360996 A JP18360996 A JP 18360996A JP H1026427 A JPH1026427 A JP H1026427A
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JP
Japan
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temperature
cooled
cooling
shield body
cold
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Application number
JP8183609A
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English (en)
Inventor
Norihide Saho
典英 佐保
Hisashi Isokami
尚志 磯上
Minoru Morita
穣 森田
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 超電導磁石等を低運転コストで安定に冷却す
る。 【解決手段】 複数の温度レベルの寒冷を発生する冷却
サイクルで運転されるギフォード・マクマホン型ヘリウ
ム冷凍機5の最低温の第1寒冷(20K)で、間接的に
超電導磁石1を冷却し、この超電導磁石1の周りに前記
第1寒冷の温度より高い第2寒冷(80K)で冷却する
輻射熱シールド板10を配置し、少なくとも超電導磁石
1および輻射熱シールド板10を真空断熱容器12内に
配置した冷却装置において、前記輻射熱シールド板10
の周りに前記輻射熱シールド板10と常温の前記真空断
熱容器10の内壁との間に、該第2寒冷温度と該真空断
熱容器内壁温度との間の温度に冷却される第2熱シール
ド板13を配置し、この第2熱シールド板13を、冷却
機14の蒸発、凝縮の相変化を伴なう冷却サイクルで供
給される冷媒(フレオン)で熱交換器19により253
Kに冷却する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、低温の冷却装置に
係り、特に極低温冷却装置の構造に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の極低温冷却装置としては、磁気分
離装置等の磁場発生用の冷凍機冷却型超電導磁石装置の
超電導磁石の冷却構造に関して公開特許公報平6ー32
5930に、クライオポンプ装置の冷却構造に関して
は、文献「真空 第38巻 第3号 (1995)12
1から124ページ」に開示されている。
【0003】前者の公知例によれば、2温度レベルの第
1および第2冷却ステージを有する例えばギフォード・
マクマホン型ヘリウム冷凍機を冷却機として使用し、温
度がより低い側の第2冷却ステージと超電導磁石を熱的
に一体化して磁石を例えば20K以下の超電導状態に安
定に冷却する。また、磁石温度と常温との間の冷却温度
100K以下の第1ステージと磁石周りに配置した輻射
熱シールド板とを熱的に一体化し、輻射熱シールド板や
磁石支持体を冷却し、これらの構成要素を収納した常温
の真空断熱容器からの輻射熱や伝導熱が磁石に侵入する
のを防止し、磁石温度が上昇することを防止している。
【0004】また、後者の公知例によれば、2温度レベ
ルの第1および第2冷却ステージを有する例えばギフォ
ード・マクマホン型ヘリウム冷凍機を冷却機として使用
し、温度がより低い側の第2冷却ステージと活性炭付き
の吸着クライオパネルを熱的に一体化して吸着クライオ
パネルを例えば20K以下の水素ガス吸着状態に安定に
冷却する。また、吸着クライオパネル温度と常温との間
の冷却温度100K以下の第1ステージと吸着クライオ
パネル周りに配置した輻射熱シールド板とを熱的に一体
化して、輻射熱シールド板を冷却し、これらの構成要素
を収納した常温の真空断熱容器からの輻射熱が吸着クラ
イオパネルに侵入するのを防止し、吸着クライオパネル
温度が上昇することを防止している。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、被冷却
物の大型化やクライオポンプの排気速度の増大に伴う吸
着クライオパネルの必要吸着面積の増加に伴い、輻射熱
シールド板の面積が増加し、被冷却物の支持体も大型化
し、常温の真空断熱容器からの輻射熱や伝導熱が増加す
る傾向にある。従来の技術では、この輻射熱や伝導熱が
増加することにより、冷凍機の第1ステージの熱負荷が
増加して輻射熱シールド板10の冷却温度が上昇し、こ
れに伴い第2冷却ステージの温度も上昇して超電導磁石
温度が上昇し、超電導状態に安定に冷却できない場合が
生じる。これに対処するために、冷凍機の台数を増加さ
せるか、冷凍機の容量を増やし大型の冷凍機を使用する
方法が採られるが、この場合、冷凍機の消費電力が大幅
に増加し、磁石の冷却運転コストが増加する問題があっ
た。また、ギフォード・マクマホン型ヘリウム冷凍機で
冷却に使用される冷媒は相変化せず、冷媒の顕熱を利用
した冷却であるため、一定の温度で冷却するのが難し
く、特に熱外乱があると、冷却温度を一定に維持するの
が困難であった。
【0006】本発明の課題は、被冷却物を低運転コスト
で安定に冷却する冷却装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は上記の課題を解
決するためになされたもので、上記課題は、輻射熱シー
ルド板の周りに、輻射熱シールド板温度と常温の間の温
度に冷却した第2熱シールド板を、真空断熱容器内に配
置し、これを蒸発、凝縮の相変化を伴う冷凍サイクルを
有する冷媒で冷却することにより達成できる。
【0008】上記課題を解決するための本発明の第1の
手段は、複数温度レベルの寒冷を発生する冷却サイクル
で運転される第1冷却機の最低温の第1寒冷で、直接、
または間接的に被冷却物を冷却し、該被冷却物の周りに
第1冷却機で発生する第1寒冷の温度より高い第2寒冷
で冷却する第1シールド体を配置し、少なくとも該被冷
却物および該第1シールド体を真空断熱容器内に配置し
た冷却装置において、該第1シールド体の周りに該第1
シールド体と該真空断熱容器内壁との間に、該第2寒冷
温度と該真空断熱容器内壁温度との間の温度に冷却され
る第2シールド体を配置し、該第2シールド体を相変化
を伴なう冷却サイクルで運転される第2冷却機で冷却す
ることを特徴とする。
【0009】上記課題を解決するための本発明の第2の
手段は、単数または複数温度レベルの寒冷を発生する冷
却サイクルで運転される第1冷却機の最低温の第1寒冷
で、直接、または間接的に被冷却物を冷却し、該被冷却
物の周りに第1冷却機以外の寒冷手段で発生する前記第
1寒冷より高温の第2寒冷で冷却する第1シールド体を
配置し、少なくとも該被冷却物および該第1シールド体
を真空断熱容器内に配置した冷却装置において、該第1
シールド体の周りに該第1シールド体と該真空断熱容器
内壁との間に、前記第2寒冷の温度と前記真空断熱容器
内壁の温度との間の温度に冷却される第2シールド体を
配置し、該第2シールド体を相変化を伴なう冷却サイク
ルで供給される冷媒で冷却することを特徴とする。
【0010】上記課題を解決するための本発明の第3の
手段は、複数温度レベルの寒冷を発生する冷却サイクル
で運転される第1冷却機の最低温の第1寒冷で、直接、
または間接的に被冷却物を冷却し、該被冷却物の周りに
第1冷却機で発生する第1寒冷より高温の第2寒冷で冷
却する第1シールド体を配置し、少なくとも該被冷却物
および該第1シールド体を真空断熱容器内に配置した冷
却装置において、前記第1シールド体の周りに該第1シ
ールド体と該真空断熱容器内壁との間に第3シールド体
を配置し、該第3シールド体を第1冷却機以外の第2寒
冷手段で発生する前記第2寒冷よりも高温の第3寒冷で
冷却し、さらに該第3シールド体の周りに、前記第3寒
冷の温度と前記真空断熱容器内壁の温度との間の温度に
冷却される第2シールド体を配置し、この第2シールド
体を前記第3寒冷の温度よりも高い温度で相変化を伴な
う冷却サイクルで供給される冷媒で冷却することを特徴
とする。
【0011】上記課題を解決するための本発明の第4の
手段は、複数温度レベルの寒冷を発生する冷却サイクル
で運転される第1冷却機の最低温の第1寒冷で、直接、
または間接的に被冷却物を冷却し、該被冷却物の周りに
第1冷却機で発生する第1寒冷より高温の第2寒冷で冷
却する第1シールド体を配置し、少なくとも該被冷却物
および該第1シールド体を真空断熱容器内に配置した冷
却装置において、該第1シールド体の周りに該第1シー
ルド体と該真空断熱容器内壁との間に、前記第2寒冷の
温度と前記真空断熱容器内壁の温度との間の温度に冷却
される第2シールド体を配置し、該第2シールド体を相
変化を伴なう冷却サイクルで供給される冷媒で冷却する
ことを特徴とする。
【0012】上記課題を解決するための本発明の第5の
手段は、複数温度レベルの寒冷を発生する冷却サイクル
で運転される第1冷却機の最低温の第1寒冷で、直接、
または間接的に被冷却物のクライオパネルを冷却し、該
被冷却物の周りに第1冷却機で発生する第1寒冷より高
温の第2寒冷で冷却する第1シールド体を配置し、少な
くとも該被冷却物および該第1シールド体を真空断熱容
器内に配置した冷却装置において、該第1シールド体の
周りに該第1シールド体と該真空断熱容器内壁との間
に、前記第2寒冷の温度と前記真空断熱容器内壁の温度
との間の温度に冷却される第2シールド体を、クライオ
パネルに吸着されるガス分子の流路を除いた個所に配置
し、該第2シールド体を相変化を伴なう冷却サイクルで
供給される冷媒で冷却することを特徴とする。
【0013】上記課題を解決するための本発明の第6の
手段は、複数温度レベルの寒冷を発生する冷却サイクル
で運転される第1冷却機の最低温の第1寒冷で、直接、
または間接的に被冷却物のクライオパネルを冷却し、該
被冷却物の周りに第1冷却機で発生する第1寒冷より高
温の第2寒冷で冷却する第1シールド体を配置し、少な
くとも該被冷却物および該第1シールド体を真空断熱容
器内に配置した冷却装置において、該第1シールド体の
周りに該第1シールド体と該真空断熱容器内壁との間
に、前記第2寒冷の温度と前記真空断熱容器内壁の温度
との間の第3寒冷温度に冷却される第3シールド体を、
クライオパネルに吸着されるガス分子の流路を除いた個
所に配置し、さらに該第3シールド体の周りに、前記第
3寒冷の温度と前記真空断熱容器内壁の温度との間の温
度に冷却される第2シールド体を、クライオパネルに吸
着されるガス分子の流路を除いた個所に配置し、この第
2シールド体を第3寒冷温度よりも高い温度で相変化を
伴なう冷却サイクルで供給される冷媒で冷却することを
特徴とする。
【0014】上記課題を解決するための本発明の第6の
手段は、複数温度レベルの寒冷を発生する冷却サイクル
で運転される第1冷却機の最低温の第1寒冷で、直接、
または間接的に被冷却物のクライオパネルを冷却し、該
被冷却物の周りに第1冷却機以外の第2寒冷手段で発生
する第1寒冷より高温の第2寒冷で冷却する第1シール
ド体を配置し、少なくとも該被冷却物および非冷却体を
真空断熱容器内に配置した冷却装置において、該第1シ
ールド体の周りに、前記第2寒冷の温度よりも高い温度
に第2冷却手段で冷却される第2シールド体を、クライ
オパネルに吸着されるガス分子の流路を除いた個所に配
置し、さらに前記非冷却体から前記クライオパネルまた
は前記第1シールド体に輻射熱が侵入しないように、前
記非冷却体の周りに第4シールド体を配置し、前記第1
シールド体、第4シールド体を前記第2寒冷手段で相変
化を伴なう冷却サイクルで供給される冷媒で冷却し、前
記第2冷却手段は相変化を伴なう冷却サイクルで供給さ
れる冷媒で前記第2シールド体を冷却するものであるこ
とを特徴とする。
【0015】真空断熱容器内の、超電導磁石やクライオ
パネルなどの被冷却物を囲む第1シールド体と真空断熱
容器内壁の間に、相変化を伴なう冷却サイクルで供給さ
れる冷媒で冷却される熱シールド体を配置したので、冷
媒の顕熱変化に依存する従来の装置に比べ、安価な設備
コスト、安価な運転コストで超電導磁石やクライオパネ
ルなどの被冷却物に侵入する輻射熱の量を低減できる。
【0016】
【発明の実施の形態】以下、本発明の第1の実施例を図
1により説明する。図示の冷却装置は、被冷却物である
超電導磁石1を収容したボビン2と、前記超電導磁石1
に熱的に結合された熱伝導体3と、この熱伝導体3に熱
的に結合された熱伝導体4と、ボビン2,熱伝導体3,
4を囲んで配置された第1シールド体(以下、輻射熱シ
ールド板という)10と、輻射熱シールド板10を囲ん
で配置された第2シールド体(以下、第2熱シールド板
という)13と、第2熱シールド板13及びその内部の
ものを収容する真空断熱容器12と、熱伝導体4に冷却
温度20K以下の第2冷却ステージ6を、輻射熱シール
ド板10に冷却温度100K以下の第1冷却ステージ9
を、それぞれ熱的に結合して配置された第1冷却機と、
前記第2熱シールド板13外面に冷却部となる熱交換器
19を熱的に結合して配置された第2冷却手段である冷
却機14と、を含んで構成されている。ボビン2は、輻
射熱シールド板10及び第2熱シールド板13を貫通す
る磁石支持体11により、真空断熱容器12の底面上に
支持されている。
【0017】ニオブ−チタン系の超電導材の導体を巻き
付けた超電導磁石1は、銅のボビン2に固定されてい
る。超電導磁石1の導体としては、ニオブ−チタン系の
ものの他に、例えば、ニオブ−錫系、ニオブ−アルミニ
ウム系の超電導材または酸化物超電導材の導体を用いて
もよいし、ボビン2としては、銅の他に、例えばアルミ
ニウム合金、ステンレス鋼、エポキシ樹脂系などを用い
てもよい。
【0018】第1冷却機は、本実施例においては、冷媒
ガス(ヘリウムガス)を圧縮する圧縮機ユニット21
と、この圧縮機ユニット21に高圧配管22及び低圧配
管23で接続されたギフォード・マクマホン型ヘリウム
冷凍機5と、を含んで構成され、前記ギフォード・マク
マホン型ヘリウム冷凍機5は圧縮され高圧となった冷媒
ガスを2段階に分けて断熱膨張させ2つの温度レベルの
寒冷を発生するようになっている。すなわち、第1冷却
ステージ9で高温側の第2寒冷を、第2冷却ステージ6
で低温側の第1寒冷を、それぞれ発生する。
【0019】超電導磁石1の一端は、銅製の熱伝導体3
に熱的に一体化され、熱伝導体3は熱伝導体4を介して
2つの温度レベルの寒冷を発生する第1冷却機、例えば
ギフォード・マクマホン型ヘリウム冷凍機5の第2冷却
ステージ6に熱的に一体化されている。ギフォード・マ
クマホン型ヘリウム冷凍機5の第2冷却ステージ6は、
2つの温度レベルのうちの低温側である第1寒冷を発生
する部位で、超電導磁石1を例えば20K以下の超電導
状態に安定に冷却する。熱伝導体3としては、銅の他
に、例えば、アルミニウム等を用いてもよい。また、ギ
フォード・マクマホン型ヘリウム冷凍機5の第2冷却ス
テージ6は、直接、熱伝導体3に熱的に一体化されて冷
却するものとしてもよい。
【0020】ボビン2および熱伝導体4にはそれぞれ通
気口7、8が設けられている。通気口7は、ボビン2の
内外を連通し、通気口8は熱伝導体4とボビン2の間に
形成された空間を熱伝導体4と輻射熱シールド板10の
間の空間に連通している。ギフォード・マクマホン型ヘ
リウム冷凍機5の第1冷却ステージ9は、2つの温度レ
ベルのうちの高温側である第2寒冷を発生する部位で、
この第2寒冷の温度は、磁石温度と常温の間の100K
以下の温度(本実施例では80Kとしてある)となって
いる。この冷却ステージ9は、磁石周りに配置されたア
ルミニウム製の輻射熱シールド板10と熱的に一体化さ
れており、輻射熱シールド板10やエポキシ樹脂系の材
質で製作した磁石支持体11の一部を冷却し、これらの
構成要素を収納した常温の真空断熱容器12からの輻射
熱や伝導熱が磁石に侵入するのを防止し、磁石温度が上
昇することを防止している。輻射熱シールド板10は例
えば銅製でもよいし、磁石支持体11は例えばアルミニ
ウム合金製、ステンレス鋼製などでもよい。
【0021】真空断熱容器12内にはさらに、輻射熱シ
ールド板10の周りを囲んで、輻射熱シールド板10の
温度と常温の間の温度に冷却した第2熱シールド板13
が配置され、この第2熱シールド板13はフレオンガス
を冷媒とする、蒸発および凝縮の相変化を伴う冷却シス
テムを有する冷却機14で例えば253K以下に冷却さ
れる。冷却機14の冷媒は、例えば、アンモニアガスや
ブタンガス等でもよい。冷却機14は、作動冷媒を圧縮
する圧縮機および放熱装置を組み込んだ圧縮機ユニット
15と、圧縮機ユニット15に高圧配管16と低圧配管
20で接続された熱交換器17と、熱交換器17に膨張
弁18を介して接続された熱交換器19と、を含んで構
成され、熱交換器19の伝熱面は第2熱シールド板13
に熱的に結合されている。
【0022】冷却機14の作動冷媒は、圧縮機および放
熱装置を組み込んだ圧縮機ユニット15で加圧され、圧
縮熱は大気に排熱される。加圧された冷媒は高圧配管1
6を通り、熱交換器17を経て低温高圧となり、膨張弁
18で断熱膨張し液化する。低温液化ガスは、熱交換器
19で気化しつつ第2熱シールド板13を253Kに冷
却し、気化した低温低圧ガスは、熱交換器17で膨張前
の高圧ガスを冷却し低圧配管20を通り、圧縮機ユニッ
ト15に戻る。このサイクルでは、作動冷媒は相変化を
伴うので、冷媒の蒸発潜熱を冷却に利用でき、寒冷発生
効率は大きく、例えば、寒冷発生温度253Kでは、圧
縮機投入電力の130%の寒冷を発生することができ
る。すなわち、寒冷発生温度253Kで50Wの熱を吸
収冷却するための必要圧縮機電力は約40Wで済む。
【0023】一方、第1冷却機の作動冷媒であるヘリウ
ムガスは、圧縮機ユニット21で加圧され、高圧配管2
2を通り、ギフォード・マクマホン型ヘリウム冷凍機5
内に導入される。圧縮熱は大気に排熱される。ギフォー
ド・マクマホン型ヘリウム冷凍機5に導入された高圧の
ヘリウムガスは、まず該冷凍機5の第1冷却ステージ9
内で断熱膨張して第2寒冷(例えば80K)を発生し、
一旦膨張したヘリウムガスは次いで第2冷却ステージ6
で断熱膨張してさらに低圧となり前記第2寒冷よりも低
温の第1寒冷(例えば20K)を発生する。膨張後の低
圧ヘリウムガスは、低圧配管23を通り、圧縮機ユニッ
ト21に戻る。このサイクルでは、作動冷媒のヘリウム
ガスは気体のままであり、相変化は伴わないので、冷媒
ガスの顕熱を冷却に使用するしかなく、寒冷発生効率は
小さく、例えば、寒冷発生温度80Kにおける第1ステ
ージでは、圧縮機投入電力の約3%の寒冷しか発生でき
ない。すなわち、寒冷発生温度80Kで50Wの熱を吸
収冷却するための必要圧縮機電力は1700Wも必要と
なる。
【0024】第2熱シールド板13がない場合、常温の
真空断熱容器12から輻射熱シールド板10に侵入する
輻射熱は、それぞれの絶対温度の4乗の差に比例する。
輻射熱を受ける輻射熱シールド板10の面積を仮に10
平方メートル、常温を300K、輻射熱シールド板10
の温度を80K、平均輻射率を0.022とすると、輻
射熱シールド板10に侵入する輻射熱は100Wとな
る。
【0025】第2熱シールド板13は、常温の真空断熱
容器12から輻射熱シールド板10に侵入する輻射熱を
低減するために、真空断熱容器12の壁面と輻射熱シー
ルド板10の間に設けられたものである。この第2熱シ
ールド板13により、常温の真空断熱容器12からの輻
射熱や伝導熱、主に輻射熱が輻射熱シールド板10に侵
入するのを防止し、ギフォード・マクマホン型ヘリウム
冷凍機5の第1ステージの熱負荷を軽減して冷却温度の
上昇を防止する。第2熱シールド板13から輻射熱シー
ルド板10に侵入する輻射熱は、それぞれの絶対温度の
4乗の差に比例する。輻射熱を受ける輻射熱シールド板
10の面積を仮に10平方メートル、第2熱シールド板
13の温度を先に述べたように冷却機14で冷却するこ
とで253Kとし、輻射熱シールド板10の温度を80
K、平均輻射率を0.022とすると、第2熱シールド
板13から輻射熱シールド板10に侵入する輻射熱は5
0Wとなる。これは、熱を輻射する側と輻射熱を受ける
側それぞれの絶対温度の4乗の差が、第2熱シールド板
13がない場合に比べ半減したためで、輻射熱シールド
板10に侵入する輻射熱は第2熱シールド板13が無い
場合の約半分となる。そして、常温の真空断熱容器12
から253Kに維持された第2熱シールド板13に侵入
する輻射熱は約50Wとなる。
【0026】したがって、温度253Kの第2熱シール
ド板13を常温の真空断熱容器12と輻射熱シールド板
10の間に配置することによって、ヘリウム冷凍機5の
第1冷却ステージの熱負荷をほぼ半分に低減し、これに
よって第2冷却ステージ温度を確実に低下させ、結果的
に超電導磁石温度の上昇を防止し、超電導状態に安定に
冷却できる。
【0027】また、この場合、第2熱シールド板13に
侵入する輻射熱50Wをすべて除去するとしても、必要
な冷却機14の消費電力は約40Wで済み、ヘリウム冷
凍機5の温度80Kの第1ステージ9で50Wを吸収す
るために必要な1700Wに比べ、運転消費電力を16
60Wも低減できる。
【0028】超電導磁石1の冷却を開始する際は、ま
ず、第2熱シールド板13を253Kまで冷却するが、
その段階では輻射熱シールド板10はまだ冷却されてお
らず、第2熱シールド板13から輻射熱シールド板10
に輻射される熱は無視できる。最初の段階では、常温
(300K)の真空断熱容器12から常温の第2熱シー
ルド板13に侵入する輻射熱は少なく、冷却機14で5
0Wの熱を除去することで第2熱シールド板13は次第
に冷却される。第2熱シールド板13の冷却につれ真空
断熱容器12から第2熱シールド板13に侵入する輻射
熱は増加するが、その量は、第2熱シールド板13が2
53Kに達した段階で50Wであり、第2熱シールド板
13から輻射熱シールド板10に輻射される熱がゼロで
あっても、冷却機14で50Wの熱を第2熱シールド板
13から除去することで、第2熱シールド板13を25
3Kに維持することができる。第2熱シールド板13の
冷却につれ輻射熱シールド板10からも第2熱シールド
板13に熱が輻射され、輻射熱シールド板10の温度も
次第に低下する。そして第2熱シールド板13が253
Kになった段階では、輻射熱シールド板10の温度もほ
ぼ253Kに到達する。この段階では、第2熱シールド
板13に侵入する熱は真空断熱容器12からの輻射熱5
0Wのみと考えてよく、したがって冷却機14で50W
の熱を除去することで、第2熱シールド板13を253
Kに維持できるのである。
【0029】第2熱シールド板13の温度が253Kに
なったら、ギフォード・マクマホン型ヘリウム冷凍機5
を駆動して、その第1冷却ステージ9で輻射熱シールド
板10の冷却を開始する。この段階では、第2熱シール
ド板13と輻射熱シールド板10の温度はほぼ同じであ
り、第1冷却ステージ9に加わる冷却負荷は小さい。第
2熱シールド板13から輻射熱シールド板10に輻射さ
れる熱は、輻射熱シールド板10が冷却されて温度が下
がるにつれて増加し、輻射熱シールド板10の温度が8
0Kに達した段階で、さきに述べたようにほぼ50Wに
なる。輻射熱シールド板10の温度が低下するにつれ、
第2熱シールド板13から輻射熱シールド板10に輻射
される熱が増加するが、熱交換器19で気化する冷媒の
温度は冷却機14の冷却サイクルで予め設定された値以
下にはならず、したがって第2熱シールド板13の温度
はほぼ一定(253K)に保たれる。この場合、第2熱
シールド板13から輻射熱シールド板10に輻射される
熱の分だけ、熱交換器19でフレオンガスに回収される
熱量が少なくなる。
【0030】また、本実施例では、超電導磁石とヘリウ
ム冷凍機を直交して配置した場合について説明したが、
これが平行配置であっても、同様な効果が生じる。
【0031】次に、本発明の第2の実施例を図2により
説明する。本実施例が図1に示す第1の実施例と異なる
点は、2温度レベルの寒冷を発生する例えばギフォード
・マクマホン型のと、1温度レベルの寒冷を発生する例
えばギフォード・マクマホン型のヘリウム冷凍機5bと
を設け、ヘリウム冷凍機5aでは、超電導磁石1のみを
熱伝導体4を介して冷却し、ヘリウム冷凍機5bで輻射
熱シールド板10のみを冷却するようにした点である。
ヘリウム冷凍機5aの第2冷却ステージ6が熱伝導体4
と熱的に一体化され、ヘリウム冷凍機5bの第1冷却ス
テージ9bが輻射熱シールド板10と熱的に一体化され
ている。
【0032】圧縮機ユニット21aと、圧縮機ユニット
21aに高圧配管22a及び低圧配管23aで接続され
たギフォード・マクマホン型のヘリウム冷凍機5aとを
含んで第1冷却機が構成され、圧縮機ユニット21b
と、圧縮機ユニット21bに高圧配管22b及び低圧配
管23bで接続されたギフォード・マクマホン型のヘリ
ウム冷凍機5bとを含んで第1冷却機以外の寒冷手段が
構成されている。他の構成は前記第1の実施例と同じで
あり、同一の符号を付して説明を省略する。
【0033】本実施例の動作を次に説明する。圧縮機ユ
ニット21aと、圧縮機ユニット21bで加圧された作動
冷媒のヘリウムガスは、高圧配管22a、22bを通り、
ヘリウム冷凍機5a、5b内に導入される。圧縮機ユニッ
ト21aと圧縮機ユニット21bの圧縮熱は大気に排熱さ
れる。ヘリウム冷凍機5b内に導入された高圧のヘリウ
ムガスは第1冷却ステージ9bで断熱膨張し、第1寒冷
を発生する。発生した第1寒冷で輻射熱シールド板10
を冷却した膨張後の低圧ヘリウムガスは、低圧配管23
bを通り、圧縮機ユニット21bに戻る。ヘリウム冷凍
機5a内に導入された高圧のヘリウムガスは第1冷却ス
テージ9aでまず断熱膨張し、次いで第2冷却ステージ
6で断熱膨張して第2寒冷を発生する。発生した第2寒
冷で熱伝導体4を冷却した膨張後の低圧ヘリウムガス
は、低圧配管23aを通り、圧縮機ユニット21aに戻
る。
【0034】本実施例によれば、輻射熱シールド板10
の面積が大きくなった場合、輻射熱シールド板10への
輻射熱侵入量が増加しこの温度が上昇するが、ヘリウム
冷凍機5aは輻射熱シールド板10を冷却していないの
で、超電導磁石1を安定に冷却でき、第2熱シールド板
13により、ヘリウム冷凍機5bの熱負荷を軽減できる
効果がある。
【0035】次に、本発明の第3の実施例を図3により
説明する。本実施例が図1に示す第1実施例と異なる点
は、前記第1実施例においてはヘリウム冷凍機5と冷却
機14の異なる作動流体の圧縮機ユニット15,21を
別々に配置したが、本実施例ではこれら圧縮機ユニット
15,21を同一筐体37内に収納した点にあり、他の
構成は前記第1の実施例と同じなので、同一の符号を付
して説明を省略する。本実施例では、圧縮後の放熱部を
共有化すること等により装置をさらに小型化することが
できる効果がある。
【0036】次に、本発明の第4の実施例を図4により
説明する。本実施例が図2に示す実施例と異なる点は、
真空断熱容器12の底面に入り口27が形成され、冷却
対象がボビン2に内装された超電導磁石1でなくてクラ
イオポンプ内の活性炭付きの吸着クライオパネル24で
あり、吸着クライオパネル24,吸着クライオパネル2
4を囲んで配置された輻射熱シールド板25(第2実施
例における輻射熱シールド板10に相当),及び輻射熱
シールド板25を囲んで配置された第2熱シールド板1
3には、前記入り口27に対向する位置にそれぞれ開口
が設けられていること、前記ヘリウム冷凍機5aの第2
冷却ステージ6と前記吸着クライオパネル24が熱的に
一体化されていること、吸着クライオパネル24の前記
入り口27に面した側にはブラインド26が配置され、
このブラインド26の一端は輻射熱シールド板25と熱
的に一体化されていること、である。吸着クライオパネ
ル表面に活性炭等の吸着剤を設けてある。他の構成は前
記第2の実施例と同じなので、同一の符号を付して説明
を省略する。
【0037】2温度レベルの寒冷を発生する例えばギフ
ォード・マクマホン型のヘリウム冷凍機5aの第2冷却
ステージ6とクライオポンプ内の活性炭付きの吸着クラ
イオパネル24は熱的に一体化されており、吸着クライ
オパネルを20K以下で水素ガス吸着状態になるように
安定に冷却する。一方、ヘリウム冷凍機5bの冷却ステ
ージ9bと吸着クライオパネル24の周りに配置した輻
射熱シールド板25およびブラインド26の一端とが熱
的に一体化されており、輻射熱シールド板を冷却温度1
00K以下に冷却する。排気されるガスは入り口27か
ら真空断熱容器12内に流入し、ブラインド26の間を
通って吸着クライオパネル24に到達し活性炭内に捕捉
される。
【0038】本実施例によれば、輻射熱シールド板25
の面積が大きくなった場合においても、輻射熱シールド
板の熱負荷を低減できるので、ヘリウム冷凍機5bの消
費電力を低減できるとともに、吸着クライオパネル24
を安定に冷却でき、クライオポンプの排気速度を安定に
維持できる効果がある。
【0039】次に、本発明の第5の実施例を図5により
説明する。本実施例が図4に示す第4の実施例と異なる
点は、第1シールド体である輻射熱シールド板25と第
2熱シールド板13の間に第3シールド体として輻射熱
シールド板29を設け、この輻射熱シールド板29を液
体窒素を用いた第2寒冷手段である冷却器28で第2熱
シールド板13の温度よりも低い第3寒冷温度に冷却
し、輻射熱シールド板25、ブラインド26をヘリウム
冷凍機5bの冷却ステージ9bの代わりにヘリウム冷凍
機5aの第1冷却ステージ9aで輻射熱シールド板29
の温度よりも低い温度に冷却するようにしたことであ
る。冷却器28には、配管30、弁31を通して液体窒
素が補給されるようになっている。他の構成は前記第2
の実施例と同じなので、同一の符号を付して説明を省略
する。
【0040】本実施例によれば、入り口27を経て真空
断熱容器12内に流入し、吸着クライオパネル24に吸
着される例えば水素ガス分子は、ブラインド26に少な
くとも一度衝突してくるので、その分子温度は輻射熱シ
ールド板29よりも温度が低い輻射熱シールド板25の
温度に近づいている。したがって、吸着クライオパネル
24に吸着される水素分子の凝縮熱が小さくなり、ヘリ
ウム冷凍機5aの第2冷却ステージ6に加わる熱負荷が
小さくなるので、さらにクライオポンプの温度を低温に
維持でき、排気速度を安定に維持できる効果がある。ま
た、第2熱シールド板13の効果により液体窒素の蒸発
量を低減できる効果がある。なお、本実施例では、液体
窒素の補給が十分であれば、第2冷却手段である冷却機
14及び第2熱シールド板13を省略しても、同様な効
果が生じる。また、冷却器28の代わりにヘリウム冷凍
機5bの冷却ステージ9bで輻射熱シールド板29を冷
却してもよく、この場合は、輻射熱シールド板29が液
体窒素温度以下に冷却できるため、輻射熱シールド板2
5、ブラインド26の温度がさらに低下し、クライオパ
ネルに入る水素分子の凝縮熱がさらに小さくなり、ヘリ
ウム冷凍機5aの第2冷却ステージ6に加わる熱負荷が
さらに小さくなるので、さらにクライオポンプの温度を
低温に維持でき、排気速度をさらに安定に維持できる効
果がある。
【0041】次に、本発明の第6の実施例を図6により
説明する。本実施例が図5に示す第5の実施例と異なる
のは、真空断熱容器12の底面でなくて底部側面に互い
に対向する入り口27を設け、真空断熱容器12の入り
口27の外側には取付フランジ36が設けられ、真空断
熱容器12内の前記入り口27を結ぶ線上に例えば真空
室隔離板等の温度が比較的高い非冷却体33を配置し、
かつ輻射熱シールド板29、ブラインド26を無くし輻
射熱シールド板25内で吸着クライオパネル24をオー
プンにし、非冷却体33にガス流路となる導通口34が
形成され、非冷却体33の周りは輻射熱シールド板25
と熱的に一体化された第4シールド体である輻射熱シー
ルド板35で囲まれ、輻射熱シールド板25,第2熱シ
ールド板13は取付フランジ36につながる方向に、吸
着クライオパネル24に真空断熱容器壁面から輻射熱が
直接入らない範囲まで配置され、吸着クライオパネル2
4はヘリウム冷凍機5aの第2冷却ステージ6と熱伝導
体32を介して熱的に一体化され、輻射熱シールド板2
5はヘリウム冷凍機5aの第1冷却ステージ9aでなく
て第2寒冷手段である冷却器28で冷却される、点にあ
る。熱伝導体32は、例えば銅製のものとしてよい。ま
た、輻射熱シールド板25の内面は輻射熱吸収のため黒
色処理して輻射率を大きくしてある。
【0042】非冷却体33は中央部にガス流路となる導
通口34を設けた平板で形成され、その面を入り口27
を結ぶ線に垂直にして配置されている。吸着クライオパ
ネル24は非冷却体33の上方に配置され、下部が非冷
却体33に向かって開かれている。非冷却体33の周り
は、非冷却体33から吸着クライオパネル24への輻射
熱を防止するため、輻射熱シールド板35で囲まれてい
る。ただし、輻射熱シールド板35は導通口34のガス
流路を確保するように配置されている。
【0043】本実施例において、吸着クライオパネル2
4はヘリウム冷凍機5aの第2冷却ステージ6に設けた
例えば銅製の熱伝導体32で冷却される。輻射熱シール
ド板25は冷却器28で冷却され、輻射熱シールド板3
5は輻射熱シールド板25と熱的に一体化されているの
で、輻射熱シールド板25と同程度の温度に冷却され
る。
【0044】本実施例によれば、吸着クライオパネル2
4周りの輻射熱シールド板29、ブラインド26を無く
しているので、さらに吸着クライオパネル24へのガス
到達率が大幅に向上し、ガスの排気速度が大幅に増加す
る効果がある。
【0045】
【発明の効果】本発明によれば、大型の超電導磁石、ク
ライオパネル等を低運転コストで安定に冷却できる効果
がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例の冷却装置を説明する断
面図である。
【図2】本発明の第2の実施例の冷却装置を説明する断
面図である。
【図3】本発明の第3の実施例の冷却装置を説明する断
面図である。
【図4】本発明の第4の実施例の冷却装置を説明する断
面図である。
【図5】本発明の第5の実施例の冷却装置を説明する断
面図である。
【図6】本発明の第6の実施例の冷却装置を説明する断
面図である。
【符号の説明】
1 超電導磁石 2 ボビン 3 熱伝導体 4 熱伝導体 5,5a,5b ヘリウム冷凍機 6 第2冷却ステ
ージ 7,8 通気口 9,9b 第1冷
却ステージ 10 輻射熱シールド板 11 磁石支持体 12 真空断熱容器 13 第2熱シー
ルド板 14 冷却機 15 圧縮機ユニ
ット 16 高圧配管 17 熱交換器 18 膨張弁 19 熱交換器 20 低圧配管 21,21a,2
1b 圧縮機ユニット 22,22a,22b 高圧配管 23,23a,2
3b 低圧配管 24 吸着クライオパネル 25 輻射熱シー
ルド板 26 ブラインド 27 入り口 28 冷却器 29 輻射熱シー
ルド板 30 配管 31 弁 32 熱伝導体 33 非冷却体 34 導通口 35 輻射熱シー
ルド板 36 取付フランジ 37 筐体

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 複数温度レベルの寒冷を発生する冷却サ
    イクルで運転される第1冷却機の最低温の第1寒冷で、
    直接、または間接的に被冷却物を冷却し、該被冷却物の
    周りに第1冷却機で発生する第1寒冷の温度より高い第
    2寒冷で冷却する第1シールド体を配置し、少なくとも
    該被冷却物および該第1シールド体を真空断熱容器内に
    配置した冷却装置において、該第1シールド体の周りに
    該第1シールド体と該真空断熱容器内壁との間に、該第
    2寒冷温度と該真空断熱容器内壁温度との間の温度に冷
    却される第2シールド体を配置し、該第2シールド体を
    相変化を伴なう冷却サイクルで運転される第2冷却機で
    冷却することを特徴とする冷却装置。
  2. 【請求項2】 単数または複数温度レベルの寒冷を発生
    する冷却サイクルで運転される第1冷却機の最低温の第
    1寒冷で、直接、または間接的に被冷却物を冷却し、該
    被冷却物の周りに第1冷却機以外の寒冷手段で発生する
    前記第1寒冷より高温の第2寒冷で冷却する第1シール
    ド体を配置し、少なくとも該被冷却物および該第1シー
    ルド体を真空断熱容器内に配置した冷却装置において、
    該第1シールド体の周りに該第1シールド体と該真空断
    熱容器内壁との間に、前記第2寒冷の温度と前記真空断
    熱容器内壁の温度との間の温度に冷却される第2シール
    ド体を配置し、該第2シールド体を相変化を伴なう冷却
    サイクルで供給される冷媒で冷却することを特徴とする
    冷却装置。
  3. 【請求項3】 複数温度レベルの寒冷を発生する冷却サ
    イクルで運転される第1冷却機の最低温の第1寒冷で、
    直接、または間接的に被冷却物を冷却し、該被冷却物の
    周りに第1冷却機で発生する第1寒冷より高温の第2寒
    冷で冷却する第1シールド体を配置し、少なくとも該被
    冷却物および該第1シールド体を真空断熱容器内に配置
    した冷却装置において、該第1シールド体の周りに該第
    1シールド体と該真空断熱容器内壁との間に第3シール
    ド体を配置し、該第3シールド体を第1冷却機以外の第
    2寒冷手段で発生する前記第2寒冷よりも高温の第3寒
    冷で冷却し、さらに該第3シールド体の周りに、前記第
    3寒冷の温度と前記真空断熱容器内壁の温度との間の温
    度に冷却される第2シールド体を配置し、この第2シー
    ルド体を前記第3寒冷の温度よりも高い温度で相変化を
    伴なう冷却サイクルで供給される冷媒で冷却することを
    特徴とする冷却装置。
  4. 【請求項4】 複数温度レベルの寒冷を発生する冷却サ
    イクルで運転される第1冷却機の最低温の第1寒冷で、
    直接、または間接的に被冷却物を冷却し、該被冷却物の
    周りに第1冷却機で発生する第1寒冷より高温の第2寒
    冷で冷却する第1シールド体を配置し、少なくとも該被
    冷却物および該第1シールド体を真空断熱容器内に配置
    した冷却装置において、該第1シールド体の周りに該第
    1シールド体と該真空断熱容器内壁との間に、前記第2
    寒冷の温度と前記真空断熱容器内壁の温度との間の温度
    に冷却される第2シールド体を配置し、該第2シールド
    体を相変化を伴なう冷却サイクルで供給される冷媒で冷
    却することを特徴とする冷却装置。
  5. 【請求項5】 複数温度レベルの寒冷を発生する冷却サ
    イクルで運転される第1冷却機の最低温の第1寒冷で、
    直接、または間接的に被冷却物のクライオパネルを冷却
    し、該被冷却物の周りに第1冷却機で発生する第1寒冷
    より高温の第2寒冷で冷却する第1シールド体を配置
    し、少なくとも該被冷却物および該第1シールド体を真
    空断熱容器内に配置した冷却装置において、該第1シー
    ルド体の周りに該第1シールド体と該真空断熱容器内壁
    との間に、前記第2寒冷の温度と前記真空断熱容器内壁
    の温度との間の温度に冷却される第2シールド体を、ク
    ライオパネルに吸着されるガス分子の流路を除いた個所
    に配置し、該第2シールド体を相変化を伴なう冷却サイ
    クルで供給される冷媒で冷却することを特徴とする冷却
    装置。
  6. 【請求項6】 複数温度レベルの寒冷を発生する冷却サ
    イクルで運転される第1冷却機の最低温の第1寒冷で、
    直接、または間接的に被冷却物のクライオパネルを冷却
    し、該被冷却物の周りに第1冷却機で発生する第1寒冷
    より高温の第2寒冷で冷却する第1シールド体を配置
    し、少なくとも該被冷却物および該第1シールド体を真
    空断熱容器内に配置した冷却装置において、該第1シー
    ルド体の周りに該第1シールド体と該真空断熱容器内壁
    との間に、前記第2寒冷の温度と前記真空断熱容器内壁
    の温度との間の第3寒冷温度に冷却される第3シールド
    体を、クライオパネルに吸着されるガス分子の流路を除
    いた個所に配置し、さらに該第3シールド体の周りに、
    前記第3寒冷の温度と前記真空断熱容器内壁の温度との
    間の温度に冷却される第2シールド体を、クライオパネ
    ルに吸着されるガス分子の流路を除いた個所に配置し、
    この第2シールド体を第3寒冷温度よりも高い温度で相
    変化を伴なう冷却サイクルで供給される冷媒で冷却する
    ことを特徴とする冷却装置。
  7. 【請求項7】 複数温度レベルの寒冷を発生する冷却サ
    イクルで運転される第1冷却機の最低温の第1寒冷で、
    直接、または間接的に被冷却物のクライオパネルを冷却
    し、該被冷却物の周りに第1冷却機以外の第2寒冷手段
    で発生する第1寒冷より高温の第2寒冷で冷却する第1
    シールド体を配置し、少なくとも該被冷却物および非冷
    却体を真空断熱容器内に配置した冷却装置において、該
    第1シールド体の周りに、前記第2寒冷の温度よりも高
    い温度に第2冷却手段で冷却される第2シールド体を、
    クライオパネルに吸着されるガス分子の流路を除いた個
    所に配置し、さらに前記非冷却体から前記クライオパネ
    ルまたは前記第1シールド体に輻射熱が侵入しないよう
    に、前記非冷却体の周りに第4シールド体を配置し、前
    記第1シールド体、第4シールド体を前記第2寒冷手段
    で相変化を伴なう冷却サイクルで供給される冷媒で冷却
    し、前記第2冷却手段は相変化を伴なう冷却サイクルで
    供給される冷媒で前記第2シールド体を冷却するもので
    あることを特徴とする冷却装置。
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