JPH11237456A - 熱シールド体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の目的は、熱シールド体を十分低温度に
冷却し、射熱による熱侵入量を低減して液体ヘリウムの
蒸発量を小さくした極低温断熱容器を提供する。 【解決手段】上記目的は、非電気伝導性の伝熱媒体手段
で熱シールド体を冷却することにより達成する。すなわ
ち、伝熱媒体手段としては、例えば、水素ガスやヘリウ
ムガス等の熱伝導率が大きい気体を使用し、これらのガ
スをポリエステル膜を張り合わせた袋状のパック内に気
密封入した、可撓性のある平板状のもので熱シールド体
を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、人体あるいは生物
体から発生する磁場の計測を行うための医療用診断装
置、材料の透磁率を測定するための物性測定装置、磁気
的な信号伝送のトランジューサとして用いるＳＱＵＩＤ
（Superconducting Quantum InterferenceDevices ：
超電導量子干渉デバイス）を格納するＳＱＵＩＤ格納極
低温容器にことに適した熱シールド体に関する。

【０００２】ここに、ＳＱＵＩＤとは、液体ヘリウムや
液体窒素等により断熱容器（クライオスタット等）内で
極低温状態に維持され、ループ内にジョセフソン接合を
含む超電導ループであるＳＱＵＩＤループに直流電流を
バイアス電流として印加して駆動し、このＳＱＵＩＤル
ープ内に、ピックアップコイルや入力コイル等を介し
て、外部からの磁束を結合して印加すると、ＳＱＵＩＤ
ループに周回電流が誘起され、ループ内のジョセフソン
接合における量子的な干渉効果により、印加された外部
磁束の非常に微弱な変化を出力電圧の大きな変化に変換
するトランデューサとして動作することを利用して、微
少磁束変化を測定する素子である。

【０００３】

【従来の技術】従来のＳＱＵＩＤ磁束計用極低温断熱容
器は、特開平9−166654 号公報に記載された極低温断熱
容器がある。記載された極低温断熱容器は、有底円筒状
容器である内部容器に液体ヘリウム等の冷媒を充填し、
複数のＳＱＵＩＤ素子を超電導温度以下に冷却する。液
体ヘリウムは非常に蒸発しやすくかつ高価であるので、
常温部から前記内部容器への熱侵入量をできる限り低減
させ、液体ヘリウムの蒸発量を抑制することが、非常に
重要となる。熱侵入としては、主に内部容器の壁を通じ
て侵入する伝導伝熱と真空断熱空間を通じて侵入する輻
射伝熱があり、通常輻射伝熱による熱侵入が伝導伝熱よ
り大きい。

【０００４】常温部から前記内部容器への輻射熱による
熱侵入量を低減させるため、内部容器を囲む真空断熱空
間に、常温と内部容器の液体ヘリウム温度との間の温度
に冷却された熱シールド体を配置し、熱シールド体の内
外部にアルミニュウムを蒸着したポリエステルフィルム
を多層に重ねた積層断熱材を配置している。

【０００５】単数もしくは複数配置する熱シールド体の
冷却は、液体ヘリウムの蒸発ガスで冷却される内部容器
の壁の真空空間側にその端部を熱的に一体化させて冷却
する場合と、別途真空断熱空間内に配置した液体窒素容
器の一端に熱的に一体化させて冷却する場合と、別途真
空断熱空間内に配置した冷凍機の冷却部位熱的に一体化
させて冷却する場合がある。

【０００６】ＳＱＵＩＤ格納極低温容器で使用する熱シ
ールド体は、通常リボン状の銅箔やアルミニュウム箔を
間隔を空けて並べたものもしくはエナメル被覆された銅
細線を並べたものが使用される。これは、測定しようと
する外部磁束変化により、電気伝導性の良い金属の素材
で作られた熱シールド体に誘起電流が生じ、この電流に
よる磁気的ノイズを低減させるためである。したがっ
て、ノイズ防止の為に、箔の板厚は０.２mmと薄く、細
線の線径は０.３mm程度で小さくする必要がある。

【０００７】しかし、箔の板厚が薄く、細線の線径が小
さくなると、箔や細線を伝わる熱の伝導性能は低下す
る。このため、熱シールド体の冷却性能が低下し、熱シ
ールド体の冷却される端部からの距離が遠くなるにした
がって温度が高くなり、断熱性能が低下し輻射熱による
熱侵入量が増加して液体ヘリウムの蒸発量が増加する問
題がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、公知例
によれば、熱シールド体を電気伝導性の良い金属の素材
で作られるため、素材の箔の板厚を薄く、細線の線径を
小さくする必要があり、箔や細線を伝わる熱の伝導性能
が低下し、熱シールド体が十分低温度に冷却できず、射
熱による熱侵入量が増加して液体ヘリウムの蒸発量が増
加する問題がある。

【０００９】本発明の目的は、熱シールド体を十分低温
度に冷却し、射熱による熱侵入量を低減して液体ヘリウ
ムの蒸発量を小さくした極低温断熱容器を提供する。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的は、非電気伝導
性の伝熱媒体手段で熱シールド体を冷却することにより
達成する。すなわち、伝熱媒体手段としては、例えば、
水素ガスやヘリウムガス等の熱伝導率が大きい気体を使
用し、これらのガスをポリエステル膜を張り合わせた袋
状のパック内に気密封入した、可撓性のある平板状のも
ので熱シールド体を構成する。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を図面に
基づいて説明する。図１は本発明の一実施例である熱シ
ールド体の正面図、図２は本発明の一実施例である熱シ
ールド体の側面図、図３は本発明の一実施例である熱シ
ールド体の斜視図、図４は図１のＸ―Ｘ断面図である。

【００１２】熱シールド体１の伝熱媒体手段としては、
非磁性の例えば、熱伝導率が大きい例えばヘリウムガス
を、２枚の例えば非磁性材料のラミネートフィルムやポ
リエステルフィルム等のフィルム２の端部３および隔離
部４を非磁性の接着剤もしくは素材同士の溶着等で張り
合わせて構成した各流動路５内に気密的に封入してい
る。

【００１３】フィルム２の外面部は封入した伝熱媒体の
ヘリウムガスがシート内を透過して漏洩することを防止
するため膜厚数ミクロンメートルのアルミニュウム膜を
蒸着で形成している。アルミニュウムは電気伝導性が良
いが、膜厚が０.１mm未満であるので、誘起電流は小さ
く、磁気ノイズは十分に小さい。

【００１４】図５は本熱シールド体１を、ＳＱＵＩＤ格
納用極低温容器に適用する場合について説明する図であ
る。ＳＱＵＩＤ格納用極低温容器６は、臨界温度（例え
ば、液体ヘリウム温度４.２Ｋ ）で超電導状態となるＮ
ｂＴｉ等の材料で構成されたＳＱＵＩＤ７や、高臨界温
度（例えば、液体窒素温度７７Ｋ）で超電導状態となる
ＹＢａ_2aＣｕ₃Ｏ₇等の材料で構成されたＳＱＵＩＤ７
と、これらの冷却媒体である液体ヘリウムや液体窒素の
冷媒８を収納可能な内部容器９と、内部容器９を包囲す
るとともに内部容器９との間に真空層１０を形成する外
部容器１１と、内部容器９の上部に挿入された発泡材等
で制作したインサート材１２と、冷媒の蒸発ガスを外部
空気と遮断するフランジ１３と、冷媒中に支持されたＳ
ＱＵＩＤ７からの計測電流をＳＱＵＩＤ格納用極低温容
器６の外部に導く計測用導線１４の取り出し口１５，冷
媒注入口１６，冷媒蒸発ガス排気口１７で構成される。
上記内部容器９と外部容器１１は例えばガラスエポキシ
樹脂等の非磁性材料で形成される。

【００１５】上記の真空層１０内には、外部容器１１か
らの輻射熱の侵入を防止するためのアルミニュウム蒸着
マイラー等の積層断熱材１８および熱シールド板１ａ，
１ｂが内部容器４を包囲するように設けられている。熱
シールド板１ａ，１ｂは、内部容器９壁の所定温度（例
えば冷媒が液体ヘリウムの場合は、９０Ｋと４０Ｋの２
個所）の外面に支持リング１９ａ、１９ｂを介して熱的
に一体化している。

【００１６】図６に支持リング１９ａ周りの斜視図を示
している。支持リング１９ａは非磁性材のガイドリング
２０が内部容器９壁に接着剤等で固定され、ガイドリン
グ２０の外面と内部容器９壁外面に沿って、短冊状の銅
箔やアルミニュウム箔製等の熱伝導体２１を沿わせこの
一端を内部容器９壁外面に熱的に一体化する。熱伝導体
２１の他端は、熱シールド体１の流動路５の端部２２と
接着剤等で熱的に一体化する。

【００１７】また、熱シールド体１の下端部２３は図７
にその拡大図を示すように、円盤状に構成した熱シール
ド体２４の流動路２５の端部２６と、多数のエナメル被
覆銅細線２７をＬ字状に曲げて構成した熱伝導リング２
８の側面に端部２３と端部２６を接着剤等で熱的に一体
化し、熱シールド体１の流動路５と熱シールド体２４の
流動路２５のヘリウムガスを熱的に接続している。この
ように、熱シールド体１で内部容器９を取り囲み熱シー
ルド板１ａを構成する。熱シールド板１ｂの構成も同様
である。

【００１８】熱シールド板１ａの端部２２は熱伝導体２
１を介して内部容器９壁温度約９０Ｋに冷却され、流動
路５のヘリウムガスを冷却する。冷やされかつ自由に流
動路５内を流動できるヘリウムガスは、密度が大きくな
って、下方に流動し、流動路５内で自然循環やガス自身
の熱伝導で、下方の流動路５が冷却され、更に熱伝導リ
ング２８を介して熱シールド体２４の流動路２５内のヘ
リウムガスを冷却する。

【００１９】したがって、内部容器９壁によって、熱シ
ールド板１ａ全体をほとんど非磁性材で構成して十分に
冷却できる。したがって、電磁ノイズが非常に小さい熱
シールド板を構成できる効果がある。

【００２０】熱シールド板１ｂも同様な作用により、内
部容器９壁温度約４０Ｋにより、十分に冷却でき、同様
な効果が生じる。冷却性能を更に向上させるには、流動
路の流路断面をある程度大きくすることによって達成さ
れる。

【００２１】これは、ガスの熱伝導伝熱断面を大きくし
て熱抵抗を小さくし、更に自然循環の流動抵抗を小さく
してガスの対流伝熱による熱抵抗を小さくし、冷却性能
を更に向上させ熱シールド板内の温度差を小さくして、
全体を十分低温に冷却し、磁気ノイズの発生を増加させ
ずに、内部容器９下部への輻射熱の侵入量を大幅に低減
することができ、冷媒の液体ヘリウムの蒸発量を低減す
ることができる。

【００２２】図８，図９に本発明になる他の実施例にな
る熱シールド体の構造を示す。本図が図１と異なる点
は、熱シールド体２９の下部が三角状になっており、こ
れは下部を円盤の展開分割片形状としてある点にある。
熱シールド体２９には、端部３０および隔離部３１を非
磁性の接着剤もしくは素材同士の溶着等で張り合わせて
構成した各流動路３２内にヘリウムガスを気密的に封入
している。三角状の部分を折り曲げると、曲がり部３３
で流動路３２内のヘリウムガスは連通された流動路３２
を自由に移動できるので、熱伝導リング２８を使用せず
に円盤部を冷却することができる。

【００２３】熱シールド板は複数の熱シールド体２９を
組み合わせることにより構成できる。本実施例によれ
ば、ＳＱＵＩＤ７の近くに位置する、電気電導性のある
熱伝導リング２８を使用しないので、磁気ノイズの発生
を更に防止することができる効果がある。

【００２４】図１０に本発明になる他の熱シールド体の
構造を示す。本図が図１と異なる点は、熱シールド体３
４の縦方向流道路３６と横方向流道路３７が直角に交差
連通するように隔離部３８を配置構成し、熱シールド体
３４には、端部３９および隔離部３８を非磁性の接着剤
もしくは素材同士の溶着等で張り合わせて構成し、各流
動路３６，３７内にヘリウムガスを気密的に封入してい
る。

【００２５】本実施例によれば、各流動路間にガスヘリ
ウムの流動及びガス熱伝導により熱的に一体化されてい
るので、本熱シールド体３４で熱シールド板１ａ，１ｂ
を構成すれば、熱伝導体２１との熱的接触が幅方向に不
均一になった場合でも全流動路をほぼ均一に冷却するこ
とができる効果がある。

【００２６】本実施例で、熱伝導体２１，熱伝導リング
２８との接触部となる端部に横方向流道路３７を配置し
ても良い。また、縦方向流道路３６と横方向流道路３７
の交差角度を４５度等に鋭角にすれば、重力方向に熱シ
ールド体を配置する場合、流動路間の自然対流によるガ
ス流動が活発化し、更に熱シールド体を均一に低温に冷
却できる効果がある。

【００２７】図１１，図１２に本発明になる他の熱シー
ルド体の構造を示す。図１０は熱シールド体４０の正面
図、図１１は熱シールド体４０の側面図である。図１０
が図１と異なる点は、熱シールド体４０を単一チューブ
流動路４１にヘリウムガスを封入し両端４２を密閉して
流動路を構成し、これらを非磁性材料のラミネートフィ
ルムやポリエステルフィルム等のフィルム４３に接着剤
等で一体化した点にある。

【００２８】本実施例によれば、単一チューブ流動路４
１を別途大量にヘリウムガス入りで長尺に制作し、その
後に使用長さに端部４２を熱的に密閉して切断すること
により、必要な長さの単一チューブ流動路４１を手軽に
制作できるので、熱シールド体４０の製造コストを大幅
に低減できる効果がある。また、本実施例になる長尺の
熱シールド体４０を非磁性材料で構成した円筒状熱シー
ルド支持筒に螺旋状に巻き付けて構成することもでき
る。

【００２９】本実施例では、両熱シールド板１ａ，１ｂ
を内部容器９壁で冷却する場合について説明したが、熱
シールド板１ａを別途真空層内に設けた液体窒素槽の冷
熱で冷却しても、また、別途真空層内に低温部を設けた
冷凍機の冷熱で冷却しても同様な効果が生じる。ここ
で、冷凍機としては、作動冷媒にヘリウム，窒素，空
気，水素，フロン系ガスを使用する機器やペルチェ素子
を使用した電子式の機器が使用されてもよい。ガスを作
動流体に使用した冷凍機の方式としては、ギフォード・
マクマホン式，ソルベイ式，スターリング式，コリンズ
型膨張機式，膨張タービン式，膨張弁式、これらを組み
合わせた機器等が使用されてもよい。

【００３０】流動路内に封入する伝熱媒体の圧力は、大
気圧以上、負圧でも良い。また、冷却温度で液化するで
も良く、油等の液体でも良い。

【００３１】また、伝熱媒体として、前記気体，液体状
の物に、磁気ノイズを生じ難い銅等の微粒子や表面を電
気絶縁皮膜を有した金属粉等の熱良導性の固体を混入さ
せた物であっても良い。この場合、さらに熱伝導性の良
い熱シールド板を提供できる。

【００３２】また、本実施例においては、熱シールド体
をＳＱＵＩＤ格納用極低温容器の熱シールド板に適用し
た場合について説明したが、本熱シールド体を他の渦電
流誘起を嫌う極低温容器例えば、エネルギー貯蔵用超電
導磁石格納用極低温容器等に適用しても同様な効果が生
じる。

【００３３】

【発明の効果】本発明によれば、熱シールド板の大部分
を熱抵抗が小さく、非磁性材料で構成できるので、磁気
ノイズを防止し、十分冷却できる熱シールド板を配置
し、冷媒の蒸発量を低減したＳＱＵＩＤ格納用極低温容
器を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明になる一実施例の熱シールド体の構造を
説明する正面図。

【図２】図１のＸ−Ｘ線断面図。

【図３】図１の斜視図。

【図４】本発明になる一実施例の熱シールド体の断面
図。

【図５】本発明になる一実施例のＳＱＵＩＤ格納用極低
温容器の構造を説明する断面図。

【図６】本発明になる一実施例の熱シールド板の構造を
説明する支持リング周りの斜視図。

【図７】図６の熱シールド板の底部の構造を説明する部
分断面図。

【図８】本発明になる他の実施例の熱シールド板の構造
を説明する正面図。

【図９】本発明になる他の実施例の熱シールド板の構造
を説明する折り曲げ部の断面図。

【図１０】本発明になる他の実施例の熱シールド板の構
造を説明する正面図。

【図１１】本発明になる他の実施例の熱シールド板の構
造を説明する正面図。

【図１２】本発明になる他の実施例の熱シールド板の構
造を説明する断面図。

【符号の説明】

１…熱シールド体、４…隔離部、５…流動路、６…ＳＱ
ＵＩＤ格納用極低温容器、７…ＳＱＵＩＤ、８…冷媒、
９…内部容器、７…断熱部、１９ａ，１９ｂ…熱シール
ド板。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】冷却手段を収納した極低温容器に配置する
   輻射熱を低減する熱シールド手段において、少なくとも
   一部を非磁性材料で形成されかつ外部と気密隔離した空
   間を有し、該空間に大気圧以上もしくは負圧の伝熱媒体
   を封入したことを特徴とする熱シールド体。