JPH11304271A - 蓄冷型冷凍機およびそれを用いた超電導マグネットシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 この発明は、蓄冷型冷凍機本体から圧縮機へ
の戻りガスを利用して第２膨張機に圧力変動を誘引させ
て冷凍を発生させるようにし、低コストの蓄冷型冷凍機
およびそれを用いた超電導マグネットシステムを得る。 【解決手段】 蓄冷型冷凍機本体の膨張機２０１がガス
送気配管９７およびガス戻り配管９８を介して圧縮機１
１２に連結されている。そして、第２膨張機３０１が排
気バルブ１１４の下流側でガス戻り配管９８にガス配管
９９を介して接続されている。そこで、排気バルブ１１
４の開閉による膨張機２０１から圧縮機１１２への戻り
ガスにより第２膨張機３０１内に圧力変動が誘引され、
冷凍が発生される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、１台目の膨張機
の戻りガスを利用して、２台目の膨張機を運転できるよ
うにした蓄冷型冷凍機およびそれを用いた超電導マグネ
ットシステムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の蓄冷型冷凍機について２段ＧＭ冷
凍機を例にあげて説明する。図１１は例えば特公昭４６
−３０４３３号公報に記載された従来の２段ＧＭ冷凍機
を示す構成図である。図１１において、１０１は直径を
順次縮小したパイプを同軸に連結一体化してなるシリン
ダであり、１段目シリンダ１０１ａと２段目シリンダ１
０１ｂとから構成されている。１０２は１段目シリンダ
１０１ａ内に摺動可能に配設された１段目ディスプレー
サ、１０３は２段目シリンダ１０１ｂ内に摺動可能に配
設された２段目ディスプレーサであり、これらの１段目
および２段目ディスプレーサ１０２、１０３は自在継手
（図示せず）により連結一体化されている。１０４およ
び１０５は１段目および２段目シリンダ１０１ａ、１０
１ｂと１段目および２段目ディスプレーサ１０２、１０
３との間にそれぞれ配設されてヘリウムガスが漏れるこ
とを防止する１段目および２段目ピストンリング、１０
６および１０７はそれぞれ１段目および２段目シリンダ
１０１ａ、１０１ｂの下部外周面に配設された高温側ス
テージおよび低温側ステージ、１０８は１段目シリンダ
１０１ａの下部と１段目および２段目ディスプレーサ１
０２、１０３との間に形成される１段目膨張空間、１０
９は２段目シリンダ１０１ｂの下部と２段目ディスプレ
ーサ１０３との間に形成される２段目膨張空間である。
１１０は１段目ディスプレーサ１０２内に銅金網および
鉛玉からなる蓄冷材を充填して構成された１段目蓄冷
器、１１１は２段目ディスプレーサ１０３内に磁性蓄冷
材の１種であるＨｏ−Ｅｒ−Ｒｕの組成を有する材料を
充填して構成された２段目蓄冷器である。ここで、膨張
機２０１は、１段目および２段目蓄冷器１１０、１１１
を内部に収容してなる１段目および２段目ディスプレー
サ１０２、１０３が１段目および２段目シリンダ１０１
ａ、１０１ｂ内に往復運動可能に配設されて構成されて
いる。また、１段目シリンダ１０１ａの上端部と１段目
ディスプレーサ１０２との間に常温部空間２０５が形成
されている。

【０００３】１１２は高圧側サージタンク２０３、スト
ローク２０４および低圧側サージタンク２０３から構成
され、ヘリウムガスを圧縮する圧縮機、１１３は圧縮機
１１２から膨張機２０１に高圧のガスを供給するタイミ
ングを制御する吸気バルブ、１１４は膨張機２０１から
圧縮機１１２に低圧のガスを排出するタイミングを制御
する排気バルブ、１１５はシリンダ１０１内を１段目お
よび２段目ディスプレーサ１０２、１０３を往復移動さ
せる駆動モータ、１１６はクランク軸１１８と１段目デ
ィスプレーサ１０２とに連結され、駆動モータ１１５の
運動を１段目ディスプレーサ１０２に伝達する駆動軸で
ある。なお、吸気バルブ１１３および排気バルブ１１４
は１段目ディスプレーサ１０２の往復運動に連動して開
閉するようになっている。

【０００４】つぎに、従来の２段ＧＭ冷凍機の動作につ
いて説明する。２段ＧＭ冷凍機が運転されている状態で
は、駆動モータ１１５が駆動され、１段目および２段目
ディスプレーサ１０２、１０３がシリンダ１０１内を往
復移動している。まず、１段目および２段目ディスプレ
ーサ１０２、１０３が最下端に位置しているときに、吸
気バルブ１１３が開かれ、排気バルブ１１４が閉じられ
る。この状態で、圧縮機１１２より高圧のヘリウムガス
が膨張機２０１に供給される。この高圧のヘリウムガス
は１段目蓄冷器１１０を経て１段目膨張空間１０８に流
入し、１段目膨張空間１０８に流入した高圧のガスの一
部はさらに２段目蓄冷器１１１を経て２段目膨張空間１
０９に流入する。この結果、１段目および２段目膨張空
間１０８、１０９は高圧状態となる。１段目および２段
目膨張空間１０８、１０９が高圧状態となった後、１段
目および２段目ディスプレーサ１０２、１０３が上方に
移動される。それにともない、高圧のヘリウムガスが１
段目および２段目膨張空間１０８、１０９に次々と供給
される。この間、吸気および排気バルブ１１３、１１４
は動かない。また、高圧のヘリウムガスは１段目および
２段目蓄冷器１１０、１１１を通過する際に、蓄冷材に
より所定の温度まで冷却される。そして、１段目および
２段目ディスプレーサ１０２、１０３が最上端に到達し
たときに、吸気バルブ１１３が閉じられ、少し遅れて排
気バルブ１１４が開けられる。これにより、高圧のヘリ
ウムガスは断熱膨張して冷凍を発生する。そのため、１
段目および２段目蓄冷器１１０、１１１内のヘリウムガ
スはそれぞれの温度レベルで低温・低圧の状態となり、
高温側および低温側ステージ１０６、１０７がこのヘリ
ウムガスにより冷却される。

【０００５】ついで、１段目および２段目ディスプレー
サ１０２、１０３が下方に移動される。それにともな
い、低温・低圧のヘリウムガスが、２段目および１段目
蓄冷器１１１、１１０に流入して蓄冷材を冷却した後、
排気バルブ１１４から排気され、圧縮機１１２に戻され
る。そして、１段目および２段目ディスプレーサ１０
２、１０３がさらに下方に移動し、１段目および２段目
膨張空間１０８、１０９の体積が最小となる（ディスプ
レーサが最下端となる）と、排気バルブ１１４が閉じら
れ、吸気バルブ１１３が開けられる。そして、圧縮機１
１２で圧縮されたヘリウムガスが膨張機２０１に供給さ
れ、１段目および２段目膨張空間１０８、１０９の圧力
が低圧から高圧になる。

【０００６】このようにして、１段目および２段目ディ
スプレーサ１０２、１０３が上下に１回往復動する過程
を１サイクルとし、このサイクルを繰り返すことによ
り、高温側および低温側ステージ１０６、１０７がそれ
ぞれ所定の温度に冷却される。高温側および低温側ステ
ージ１０６、１０７の代表的な温度はそれぞれ５０Ｋお
よび４．２ｋである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来の蓄冷型冷凍機は
以上のように、１台の圧縮機１１２および１セットの吸
気および排気バルブ１１３、１１４で１台の膨張機２０
１を運転するように構成されている。そこで、この従来
の蓄冷型冷凍機を超電導マグネット等の大型の冷凍シス
テムに適用しようとすると、超電導コイルを冷却するた
めのコイル冷却用冷凍機とシールドを冷却するためのシ
ールド冷却用冷凍機との２台の冷凍機を設置しなければ
ならず、低コスト化が図れないという課題があった。

【０００８】この発明は、上記のような課題を解決する
ためになされたもので、蓄冷型冷凍機本体から圧縮機へ
の戻りガスを利用して第２膨張機に圧力変動を誘引させ
て冷凍を発生させるようにし、１台の圧縮機および吸排
気バルブにより蓄冷型冷凍機本体と第２膨張機とを運転
できるようにし、低コスト化を図ることができる蓄冷型
冷凍機を得ることを目的とする。また、上記蓄冷型冷凍
機を用いて、蓄冷型冷凍機本体の発生する冷凍により超
電導コイルあるいはヘリウム槽を冷却し、第２膨張機の
発生する冷凍により熱シールドあるいは電流リードを冷
却するようにして、低コスト化を図ることができる超電
導マグネットシステムを得ることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明に係る蓄冷型冷
凍機は、蓄冷材を内蔵したディスプレーサがシリンダ内
を往復移動可能に配設され、該シリンダ内に膨張空間を
形成するように構成された膨張機を有し、該膨張空間内
の圧力変動に基づいて冷凍を発生する蓄冷型冷凍機本体
と、上記蓄冷型冷凍機本体に高圧ガスを供給する圧縮機
と、上記圧縮機の吐出側と上記膨張機とを連結するガス
送気配管と、上記圧縮機の吸気側と上記膨張機とを連結
するガス戻り配管と、上記ガス送気配管の経路中に配設
されて上記圧縮機で圧縮された高圧ガスの上記蓄冷型冷
凍機本体への供給を制御する吸気バルブと、上記ガス戻
り配管の経路中に配設されて上記圧縮機への上記蓄冷型
冷凍機本体内の低圧ガスの戻りを制御する排気バルブ
と、圧力変動に基づいて冷凍を発生する第２膨張機と、
上記排気バルブの下流側で上記ガス戻り配管と上記第２
膨張機とを連結するガス配管とを備えたものである。

【００１０】また、この発明に係る超電導マグネットシ
ステムは、超電導コイル、この超電導コイルを包囲する
ように配設された熱シールドおよびこの熱シールドを包
囲するように配設された真空槽を有する超電導マグネッ
トと、上記蓄冷型冷凍機とを備え、上記蓄冷型冷凍機の
蓄冷型冷凍機本体で発生する冷凍により上記超電導コイ
ルを冷却し、上記蓄冷型冷凍機の第２膨張機で発生する
冷凍により上記熱シールドを冷却するようにしたもので
ある。

【００１１】また、この発明に係る他の超電導マグネッ
トシステムは、超電導コイル、この超電導コイルを包囲
するように配設された熱シールド、この熱シールドを包
囲するように配設された真空槽および上記超電導コイル
に電流を供給する電流リードとを有する超電導マグネッ
トと、上記請求項１記載の蓄冷型冷凍機とを備え、上記
蓄冷型冷凍機の蓄冷型冷凍機本体で発生する冷凍により
上記超電導コイルを冷却し、上記蓄冷型冷凍機の第２膨
張機で発生する冷凍により上記電流リードを冷却するよ
うにしたものである。

【００１２】また、この発明に係るさらに他の超電導マ
グネットシステムは、超電導コイル、この超電導コイル
を収納し、該超電導コイルを冷却する液体ヘリウムを貯
液するヘリウム槽、このヘリウム槽を包囲するように配
設された熱シールド、この熱シールドを包囲するように
配設された真空槽および上記超電導コイルに電流を供給
する電流リードとを有する超電導マグネットと、上記請
求項１記載の蓄冷型冷凍機とを備え、上記蓄冷型冷凍機
の蓄冷型冷凍機本体で発生する冷凍により上記ヘリウム
槽を冷却し、上記蓄冷型冷凍機の第２膨張機で発生する
冷凍により上記熱シールドおよび上記電流リードの少な
くとも一方を冷却するようにしたものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図
について説明する。 実施の形態１．図１はこの発明の実施の形態１に係る蓄
冷型冷凍機を示す構成図である。この実施の形態１に係
る蓄冷型冷凍機では、２台目の膨張機が圧縮機と排気バ
ルブとのガス戻り配管に連結され、１台目の膨張機から
の戻りガスを利用して２台目の膨張機を運転するように
している。なお、他の構成は図１１に示される従来の蓄
冷型冷凍機と同様に構成されている。

【００１４】図１において、圧縮機１１２は、高圧側サ
ージタンク２０３、低圧側サージタンク２０２およびス
トーク２０４から構成されている。そして、圧縮機１１
２の吐出側と膨張機２０１とがガス送気配管９７により
連結され、圧縮機１１２の吸気側と膨張機２０１とがガ
ス戻り配管９８により連結されている。また、吸気バル
ブ１１３および排気バルブ１１４がそれぞれガス送気配
管９７およびガス戻り配管９８の経路中に配設されてい
る。ここで、シリンダ１００、１段目および２段目蓄冷
器１１０、１１１が内蔵された１段目および２段目ディ
スプレーサ１０２、１０３、１段目および２段目ステー
ジ１０６、１０７、１段目および２段目膨張空間１０
８、１０９からなる膨張機２０１と駆動モータ１１５等
から蓄冷型冷凍機本体が構成されている。なお、この蓄
冷型冷凍機本体は、２段ＧＭ冷凍機を用いている。

【００１５】もう１台の膨張機（以下、第２膨張機３０
１という）が排気バルブ１１４の下流側でガス配管９９
を介してガス戻り配管９８に連結されている。この第２
膨張機３０１は、蓄冷器３１１を内蔵したディスプレー
サ３０２がシリンダ３１０内に摺動自在に配設され、ス
テージ３０４がシリンダ３１０の下端外周面に配設され
て構成されている。また、シリンダ３１０とディスプレ
ーサ３０２との間には、ガスが自由に移動しないように
ピストンリング３０３が配設されている。そして、シリ
ンダ３１０の下部とディスプレーサ３０２との間に膨張
空間３０６が構成され、シリンダ３１０の上部とディス
プレーサ３０２との間に常温部空間３０５が構成されて
いる。このディスプレーサ３０２は、駆動軸３０８およ
びクランク軸３０９を介して駆動モータ３０７に連結さ
れており、駆動モータ３０７の動作にともない、シリン
ダ３１０内を往復移動できるようになっている。さら
に、第２膨張機３０１におけるディスプレーサ３０２の
往復移動の位相は、膨張機２０１におけるディスプレー
サ１０２、１０３の往復移動の位相に対して半周期ずれ
ている。

【００１６】つぎに、この実施の形態１の動作について
説明する。この蓄冷型冷凍機が運転されている状態で
は、膨張機２０１では、駆動モータ１１５が駆動され、
１段目および２段目ディスプレーサ１０２、１０３がシ
リンダ１０１内を往復移動している。また、第２膨張機
３０１では、駆動モータ３０７が駆動され、ディスプレ
ーサ３０２がシリンダ３１０内を膨張機２０１のディス
プレーサ１０２、１０３に対して半周期ずれて往復移動
している。一方、圧縮機１１２では、低圧側サージタン
ク２０２内のガスがストーク２０４で圧縮され、高圧側
サージタンク２０３に移送される。

【００１７】まず、膨張機２０１では、１段目および２
段目ディスプレーサ１０２、１０３が最下端に位置して
いるときに、吸気バルブ１１３が開かれ、排気バルブ１
１４が閉じられる。この状態で、圧縮機１１２より高圧
のヘリウムガスがガス送気配管９７を介して膨張機２０
１に供給され、１段目および２段目膨張空間１０８、１
０９が高圧状態となる。ついで、吸気バルブ１１３が閉
じられ、吸気および排気バルブ１１３、１１４がともに
閉じられた状態とする。この間も、１段目および２段目
ディスプレーサ１０２、１０３が上方に、つまり膨張空
間１０８、１０９の体積が増加する方向に移動してい
る。それにともない、常温部空間２０５内のヘリウムガ
スが１段目蓄冷器１１０を経て１段目膨張空間１０８に
流入し、１段目膨張空間１０８内のヘリウムガスが２段
目蓄冷器１１１を経て２段目膨張空間１０９に流入す
る。即ち、膨張機２０１内のヘリウムガスが高温側から
低温側に移動する。そして、１段目および２段目ディス
プレーサ１０２、１０３が最上端に到達し、１段目およ
び２段目膨張空間１０８、１０９の体積が最大となった
ところで、排気バルブ１１４を開く。すると、膨張機２
０１内のヘリウムガスが断熱膨張して冷凍が発生する。
そのため、１段目および２段目蓄冷器１１０、１１１内
のヘリウムガスはそれぞれの温度レベルで低温・低圧の
状態となり、高温側および低温側ステージ１０６、１０
７がこのヘリウムガスにより冷却される。そして、膨張
機２０１内のガスはガス戻り配管９８を通って低圧側サ
ージタンク２０２に戻される。

【００１８】ついで、排気バルブ１１４が閉じられ、吸
気および排気バルブ１１３、１１４がともに閉じられた
状態とする。この間も、ディスプレーサ１０２、１０３
は膨張空間１０８、１０９の体積が減少する方向に移動
しており、膨張機２０１内のガスは低温側から高温側に
移動する。そして、１段目および２段目ディスプレーサ
１０２、１０３がさらに下方に移動し、１段目および２
段目膨張空間１０８、１０９の体積が最小となる（ディ
スプレーサが最下端となる）と、吸気バルブ１１３が開
けられる。そして、圧縮機１１２で圧縮されたヘリウム
ガスが膨張機２０１に供給され、１段目および２段目膨
張空間１０８、１０９の圧力が低圧から高圧になる。こ
のような１段目および２段目ディスプレーサ１０２、１
０３が上下に１回往復動する過程を１サイクルとし、こ
のサイクルを繰り返すことにより、高温側および低温側
ステージ１０６、１０７がそれぞれ所定の温度に冷却さ
れる。

【００１９】一方、第２膨張機３０１では、ディスプレ
ーサ３０２が、膨張機２０１のディスプレーサ１０２、
１０３と位相が半周期ずれている。そこで、膨張機２０
１の膨張空間１０８、１０９の体積が最小となった時
に、膨張空間３０６の体積が最大となる。この時、吸気
バルブ１１３が開いて、ヘリウムガスが圧縮機１１２か
ら膨張機２０１に供給されるが、排気バルブ１１４は閉
じられているので、第２膨張機３０１内の圧力は、圧縮
機１１２が仕事をするために減少する。また、膨張機２
０１の膨張空間１０８、１０９の体積が最大となった時
に、膨張空間３０６の体積が最小となる。この時、排気
バルブ１１４が開けられ、ガスが膨張機２０１から低圧
側サージタンク２０２に戻されるので、膨張空間３０６
内の圧力は増加する。このように、第２膨張機３０１で
は、専用の圧縮機や吸排気バルブを設けることなく、膨
張機２０１の戻りガスを利用して膨張空間１０８、１０
９と同様の膨張空間３０６の圧力変動を得ることができ
る。

【００２０】ついで、上記実施の形態１による蓄冷型冷
凍機を用いて、各空間の体積と吸気バルブ１１３および
排気バルブ１１４の開閉タイミング、駆動モータ１１
５、３０７の位相を調整して、ガスの流れを質量保存則
を用いて解析する。ここで、駆動モータの位相は角度を
用いて表現し、膨張空間の体積が最小となる時を０度、
最大となる時を１８０度、再び最小となる時を３６０度
とする。また、吸気バルブ１１３は０度で開き、１２０
度で閉じるものとし、排気バルブ１１４は１８０度で開
き、２９０度で閉じるものとする。また、圧力損失は無
視した。膨張機２０１内の圧力は、吸気および排気バル
ブ１１３、１１４の開閉により、図２に示されるように
変動する。一方、高圧側サージタンク２０３および低圧
側サージタンク２０２内の圧力は、図３に示されるよう
に変動する。図３から、低圧側サージタンク２０２内の
圧力は、膨張機２０１内の圧力変動に対して半周期ずれ
て同様に変動することがわかる。また、２段目膨張空間
１０９のＰＶ線図は、図４に示されるように、右回りの
サイクルを描いていることがわかる。この右回りのサイ
クルの面積が理想冷凍発生量である。一方、第２膨張機
３０１の膨張空間３０６のＰＶ線図は、図５に示される
ようになる。図５も右回りのサイクルを描いており、こ
の右回りのサイクルの面積分の冷凍を発生することがわ
かる。

【００２１】このように、この実施の形態１による蓄冷
型冷凍機では、１台の圧縮機１１２と吸気および排気バ
ルブ１１３、１１４を用いて、膨張機２０１および第２
膨張機３０６ともに冷凍を発生することがわかった。従
って、従来の蓄冷型冷凍機では２台の膨張機を運転する
ためには、２台の圧縮機および吸排気バルブが必要であ
ったが、この実施の形態１による蓄冷型冷凍機では、膨
張機２０１の戻りガスを利用して第２膨張機３０１を運
転できるので、第２膨張機３０１専用の２台目の圧縮機
や吸排気バルブが不要となり、その分低コスト化が図ら
れるとともに、省スペース化、小型化が図られる。

【００２２】なお、上記実施の形態１では、膨張機２０
１として２段式の膨張機を用いるものとしているが、膨
張機２０１は２段式の膨張機に限定されるものではな
く、図６に示されるような単段式の膨張機であっても、
２段より多段の膨張機であってもよい。また、上記実施
の形態１では、第２膨張機３０１として単段式の膨張機
を用いるものとしているが、第２膨張機３０１は単段式
の膨張機に限定されるものではなく、図７に示されるよ
うな２段式の膨張機であっても、２段より多段の膨張機
であってもよい。また、上記実施の形態１では、第２膨
張機３０１としてＧＭ冷凍機の膨張機を用いるものとし
ているが、第２膨張機３０１はＧＭ冷凍機の膨張機に限
定されるものではなく、圧力変動によって冷凍を発生す
る膨張機であればよく、例えば図８に示されるようなパ
ルス管冷凍機を用いてもよい。このパルス管冷凍機は、
蓄冷材３２０を内蔵する蓄冷器３２１と、膨張空間とし
ての密閉容器３２２と、蓄冷器３２１と密閉容器３２２
とを連通する配管３２３とから構成され、膨張機２０１
からの戻りガスにより密閉容器３２２内の圧力変動を引
き起こし、冷凍を発生させるものである。

【００２３】実施の形態２．図９はこの発明の実施の形
態２に係る超電導マグネットシステムを示す構成図であ
る。図９において、超電導マグネットは、超電導コイル
４０１、この超電導コイル４０１を囲繞するように配設
され、外部からの輻射による熱を断熱する熱シールド４
０２、この熱シールド４０２を囲繞するように配設され
て真空断熱する真空槽４０３を備えている。さらに、超
電導コイル４０１を励磁するための電流を流す電源４０
４および電流リード４０５を備えている。また、上記実
施の形態１による蓄冷型冷凍機の膨張機２０１の低温側
ステージ１０７が超電導コイル４０１に熱的に接続さ
れ、高温側ステージ１０６が熱シールド４０２に熱的に
接続されている。さらに、第２膨張機３０１のステージ
３０４が熱シールド４０２に熱的に接続されている。

【００２４】このように構成された超電導マグネットシ
ステムでは、蓄冷型冷凍機を運転することにより、膨張
機２０１で発生した冷凍により超電導コイル４０１およ
び熱システム４０２が所定の温度に冷却される。同時
に、第２膨張機３０１で発生した冷凍により熱シールド
４０２が所定の温度に冷却される。それにより、蓄冷型
冷凍機本体の発生する冷凍に加えて、第２膨張機３０１
の発生する冷凍により熱シールド４０２を冷却し、熱シ
ールド４０２を所定の温度に確保することができる。そ
こで、外部からの輻射による熱侵入が低減され、超電導
コイル４０１の温度上昇が抑えられ、クエンチの発生が
防止される。

【００２５】この実施の形態２によれば、上記実施の形
態１による蓄冷型冷凍機を用いているので、コイル冷却
用と熱シールド冷却用の２台の冷凍機を用いることな
く、１台の蓄冷型冷凍機で超電導コイル４０１と熱シー
ルド４０２とを冷却することができ、低コスト化、省ス
ペース化および小型化が図られる超電導マグネットシス
テムが得られる。

【００２６】実施の形態３．上記実施の形態２では、上
記実施の形態１による蓄冷型冷凍機の第２膨張機３０１
で発生する冷凍により熱システム４０２を冷却するもの
としているが、この実施の形態３では、図１０に示され
るように、上記実施の形態１による蓄冷型冷凍機の第２
膨張機３０１で発生する冷凍により電流リード４０５を
冷却するものとしている。通常、電流リード４０５は抵
抗を減らすために銅線が用いられている。しかし、電流
リード４０５は常温部から低温部にある超電導コイル４
０１に電流を流すため、銅線から同時に熱も侵入するこ
とになる。この実施の形態３では、第２膨張機３０１で
発生する冷凍により電流リード４０５が冷却されてお
り、電流リード４０５を介しての超電導コイル４０２へ
の熱侵入が抑えられる。それにより、電流リード４０５
からの熱侵入に起因する超電導コイル４０１の温度上昇
が抑えられ、クエンチ（超電導破壊）の発生が防止され
る。

【００２７】この実施の形態３によれば、上記実施の形
態１による蓄冷型冷凍機を用いているので、コイル冷却
用と電流リード冷却用の２台の冷凍機を用いることな
く、１台の蓄冷型冷凍機で超電導コイル４０１と電流リ
ード４０５とを冷却することができ、低コスト化、省ス
ペース化および小型化が図られる超電導マグネットシス
テムが得られる。

【００２８】実施の形態４．上記実施の形態２、３で
は、蓄冷型冷凍機本体の冷凍により超電導コイル４０１
を直接冷却するものとしているが、この実施の形態４で
は、超電導コイル４０１を液体ヘリウムで冷却する超電
導マグネットに上記実施の形態１による蓄冷型冷凍機を
適用するものである。即ち、液体ヘリウムが貯液されて
いるヘリウム槽内に超電導コイル４０１が収容され、蓄
冷型冷凍機本体の低温側ステージがヘリウム槽に熱的に
接続され、高温側ステージが熱シールドに熱的に接続さ
れているものである。さらには、第２膨張機のステージ
が熱シールドあるいは電流リードに熱的に接続されてい
るものである。そして、蓄冷型冷凍機本体で発生する冷
凍により熱シールドおよびヘリウム槽が冷却され、第２
膨張機で発生する冷凍により熱シールドあるいは電流リ
ードが冷却される。それにより、外部からの輻射による
熱侵入や電流リードを介しての熱侵入が抑えられ、さら
にヘリウム槽の温度上昇が抑えられて液体ヘリウムの蒸
発による液体ヘリウムの消費量が低減される。

【００２９】この実施の形態４によれば、上記実施の形
態１による蓄冷型冷凍機を用いているので、ヘリウム槽
冷却用と熱シールド（あるいは電流リード）冷却用の２
台の冷凍機を用いることなく、１台の蓄冷型冷凍機でヘ
リウム槽と熱シールド（あるいは電流リード）とを冷却
することができ、低コスト化、省スペース化および小型
化が図られる超電導マグネットシステムが得られる。

【００３０】なお、上記実施の形態４では、蓄冷型冷凍
機本体で発生する冷凍によりヘリウム槽を冷却するもの
としているが、蓄冷型冷凍機本体の低温側ステージをヘ
リウム槽内に侵入させ、蓄冷型冷凍機本体で発生する冷
凍によりヘリウム槽内のヘリウムガスを冷却するように
してもよい。

【００３１】

【発明の効果】この発明は、以上のように構成されてい
るので、以下に記載されるような効果を奏する。

【００３２】この発明によれば、蓄冷材を内蔵したディ
スプレーサがシリンダ内を往復移動可能に配設され、該
シリンダ内に膨張空間を形成するように構成された膨張
機を有し、該膨張空間内の圧力変動に基づいて冷凍を発
生する蓄冷型冷凍機本体と、上記蓄冷型冷凍機本体に高
圧ガスを供給する圧縮機と、上記圧縮機の吐出側と上記
膨張機とを連結するガス送気配管と、上記圧縮機の吸気
側と上記膨張機とを連結するガス戻り配管と、上記ガス
送気配管の経路中に配設されて上記圧縮機で圧縮された
高圧ガスの上記蓄冷型冷凍機本体への供給を制御する吸
気バルブと、上記ガス戻り配管の経路中に配設されて上
記圧縮機への上記蓄冷型冷凍機本体内の低圧ガスの戻り
を制御する排気バルブと、圧力変動に基づいて冷凍を発
生する第２膨張機と、上記排気バルブの下流側で上記ガ
ス戻り配管と上記第２膨張機とを連結するガス配管とを
備えたので、１台の圧縮機および吸排気バルブで蓄冷型
冷凍機本体および第２膨張機を運転でき、低コスト化が
図られる蓄冷型冷凍機が得られる。

【００３３】また、この発明によれば、超電導コイル、
この超電導コイルを包囲するように配設された熱シール
ドおよびこの熱シールドを包囲するように配設された真
空槽を有する超電導マグネットと、上記蓄冷型冷凍機と
を備え、上記蓄冷型冷凍機の蓄冷型冷凍機本体で発生す
る冷凍により上記超電導コイルを冷却し、上記蓄冷型冷
凍機の第２膨張機で発生する冷凍により上記熱シールド
を冷却するようにしたので、コイル冷却用および熱シー
ルド冷却用の２台の冷凍機を用いることなく１台の蓄冷
型冷凍機で超電導コイルおよび熱シールドを冷却でき、
低コスト化が図られる超電導マグネットシステムが得ら
れる。

【００３４】また、この発明によれば、超電導コイル、
この超電導コイルを包囲するように配設された熱シール
ド、この熱シールドを包囲するように配設された真空槽
および上記超電導コイルに電流を供給する電流リードと
を有する超電導マグネットと、上記請求項１記載の蓄冷
型冷凍機とを備え、上記蓄冷型冷凍機の蓄冷型冷凍機本
体で発生する冷凍により上記超電導コイルを冷却し、上
記蓄冷型冷凍機の第２膨張機で発生する冷凍により上記
電流リードを冷却するようにしたので、コイル冷却用お
よび電流リード冷却用の２台の冷凍機を用いることなく
１台の蓄冷型冷凍機で超電導コイルおよび電流リードを
冷却でき、低コスト化が図られる超電導マグネットシス
テムが得られる。

【００３５】また、この発明によれば、超電導コイル、
この超電導コイルを収納し、該超電導コイルを冷却する
液体ヘリウムを貯液するヘリウム槽、このヘリウム槽を
包囲するように配設された熱シールド、この熱シールド
を包囲するように配設された真空槽および上記超電導コ
イルに電流を供給する電流リードとを有する超電導マグ
ネットと、上記請求項１記載の蓄冷型冷凍機とを備え、
上記蓄冷型冷凍機の蓄冷型冷凍機本体で発生する冷凍に
より上記ヘリウム槽を冷却し、上記蓄冷型冷凍機の第２
膨張機で発生する冷凍により上記熱シールドおよび上記
電流リードの少なくとも一方を冷却するようにしたの
で、ヘリウム槽冷却用および熱シールドや電流リード冷
却用の２台の冷凍機を用いることなく１台の蓄冷型冷凍
機でヘリウム槽および熱シールドや電流リードを冷却で
き、低コスト化が図られる超電導マグネットシステムが
得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１に係る蓄冷型冷凍機
を示す構成図である。

【図２】 この発明の実施の形態１に係る蓄冷型冷凍機
における膨張機内の圧力変動を表す図である。

【図３】 この発明の実施の形態１に係る蓄冷型冷凍機
における高圧側および低圧側サージタンク内の圧力変動
を表す図である。

【図４】 この発明の実施の形態１に係る蓄冷型冷凍機
における２段目膨張空間のＰＶ線図である。

【図５】 この発明の実施の形態１に係る蓄冷型冷凍機
における第２膨張機の膨張空間のＰＶ線図である。

【図６】 この発明の実施の形態１に係る蓄冷型冷凍機
の実施態様を示す構成図である。

【図７】 この発明の実施の形態１に係る蓄冷型冷凍機
の他の実施態様を示す構成図である。

【図８】 この発明の実施の形態１に係る蓄冷型冷凍機
のさらに他の実施態様を示す構成図である。

【図９】 この発明の実施の形態２に係る超電導マグネ
ットシステムを示す構成図である。

【図１０】 この発明の実施の形態３に係る超電導マグ
ネットシステムを示す構成図である。

【図１１】 従来の蓄冷型冷凍機を示す構成図である。

【符号の説明】

９７ ガス送気配管、９８ ガス戻り配管、９９ ガス
配管、１０１ シリンダ、１０２ １段目ディスプレー
サ、１０３ ２段目ディスプレーサ、１０８１段目膨張
空間、１０９ ２段目膨張空間、１１０ １段目蓄冷
器、１１１ ２段目蓄冷器、１１２ 圧縮機、１１３
吸気バルブ、１１４ 排気バルブ、１１５ 駆動モータ
（蓄冷型冷凍機本体）、２０１ 膨張機（蓄冷型冷凍機
本体）、３０１ 第２膨張機、４０１ 超電導コイル、
４０２ 熱シールド、４０３ 真空槽、４０５ 電流リ
ード。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 蓄冷材を内蔵したディスプレーサがシリ
   ンダ内を往復移動可能に配設され、該シリンダ内に膨張
   空間を形成するように構成された膨張機を有し、該膨張
   空間内の圧力変動に基づいて冷凍を発生する蓄冷型冷凍
   機本体と、 上記蓄冷型冷凍機本体に高圧ガスを供給する圧縮機と、 上記圧縮機の吐出側と上記膨張機とを連結するガス送気
   配管と、 上記圧縮機の吸気側と上記膨張機とを連結するガス戻り
   配管と、 上記ガス送気配管の経路中に配設されて上記圧縮機で圧
   縮された高圧ガスの上記蓄冷型冷凍機本体への供給を制
   御する吸気バルブと、 上記ガス戻り配管の経路中に配設されて上記圧縮機への
   上記蓄冷型冷凍機本体内の低圧ガスの戻りを制御する排
   気バルブと、 圧力変動に基づいて冷凍を発生する第２膨張機と、 上記排気バルブの下流側で上記ガス戻り配管と上記第２
   膨張機とを連結するガス配管とを備えたことを特徴とす
   る蓄冷型冷凍機。
2. 【請求項２】 超電導コイル、この超電導コイルを包囲
   するように配設された熱シールドおよびこの熱シールド
   を包囲するように配設された真空槽を有する超電導マグ
   ネットと、 上記請求項１記載の蓄冷型冷凍機とを備え、 上記蓄冷型冷凍機の蓄冷型冷凍機本体で発生する冷凍に
   より上記超電導コイルを冷却し、上記蓄冷型冷凍機の第
   ２膨張機で発生する冷凍により上記熱シールドを冷却す
   るようにしたことを特徴とする超電導マグネットシステ
   ム。
3. 【請求項３】 超電導コイル、この超電導コイルを包囲
   するように配設された熱シールド、この熱シールドを包
   囲するように配設された真空槽および上記超電導コイル
   に電流を供給する電流リードとを有する超電導マグネッ
   トと、 上記請求項１記載の蓄冷型冷凍機とを備え、 上記蓄冷型冷凍機の蓄冷型冷凍機本体で発生する冷凍に
   より上記超電導コイルを冷却し、上記蓄冷型冷凍機の第
   ２膨張機で発生する冷凍により上記電流リードを冷却す
   るようにしたことを特徴とする超電導マグネットシステ
   ム。
4. 【請求項４】 超電導コイル、この超電導コイルを収納
   し、該超電導コイルを冷却する液体ヘリウムを貯液する
   ヘリウム槽、このヘリウム槽を包囲するように配設され
   た熱シールド、この熱シールドを包囲するように配設さ
   れた真空槽および上記超電導コイルに電流を供給する電
   流リードとを有する超電導マグネットと、 上記請求項１記載の蓄冷型冷凍機とを備え、 上記蓄冷型冷凍機の蓄冷型冷凍機本体で発生する冷凍に
   より上記ヘリウム槽を冷却し、上記蓄冷型冷凍機の第２
   膨張機で発生する冷凍により上記熱シールドおよび上記
   電流リードの少なくとも一方を冷却するようにしたこと
   を特徴とする超電導マグネットシステム。