JPH11512512A - 電気装置の間接冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 真空ハウジング（８）の中に存在する特に超伝導装置（１０）の間接冷却装置（２）は少なくとも一つの冷凍機部分（４）を有している。この冷凍機部分（４）は室温側部分（４ａ）と低温側部分（４ｂ）とから構成され、真空ハウジング（８）の中に突出し、この真空ハウジングにばね要素（３０）を介して取り付けられ、その低温側端部（６）で被冷却装置（１０）に熱良導的に結合されている。被冷却装置（１０）に伝わる振動を減少するために、冷凍機部分（４）の室温側部分（４ａ）は、真空ハウジング（８）に固く結合されたハウジング装置（２６）の真空引き可能な室（２７）の中に配置されている。

Description

【発明の詳細な説明】 電気装置の間接冷却装置 本発明は、真空ハウジングの真空引き可能な内部室の中に存在する低温に保持 すべき電気装置、特に超伝導装置の間接冷却装置であって、この冷却装置が少な くとも一つの冷凍機部分を有し、この冷凍機部分が、 − 室温側機械部分と真空引き可能な空間範囲に配置されている低温側機械部分 とを有し、、 − 真空ハウジングの開口を通して可動的にその内部室の中に突出し、 − ばね要素を介して真空ハウジングに弾力的にその開口を密封して取り付けら れ、 − 低温側端部で電気装置に熱良導的に接続されている、 ようにした電気装置の間接冷却装置に関する。この種の冷却装置は例えば米国特 許第５１２９２３２号明細書から知られている。 低温に冷却すべき電気装置、特に例えばマグネットコイルあるいは発電機の巻 線あるいは超伝導ケーブルのような超伝導装置は、被冷却部品の低い運転温度で の運転を保証する冷却装置を必要とする。その被冷却すべき部品に対して漬浸冷 却法、強制冷却法あるいは特に間接冷却法も問題となる。 間接冷却法は冷媒容器を持たない比較的小さな容積の無冷媒式クライオスタッ トを構成することを可能にし、更にユーザーを冷媒液の補給と無関係にさせられ る。必要な冷凍能力は例えばしばしばギフォード・マクマホン(Gifford-McMahon )原理に応じて作動する一般に二段式に形成された低温保持装置によって与えら れる。その低温保持装置では、第１段は約６０Ｋにおいて１Ｗの熱出力が、第２ 段は１０Ｋにおいて１Ｗの熱出力が負荷される。 間接冷却法は核スピン断層撮影設備の超伝導マグネット装置に対して有利に利 用される。その際冷却装置は、その冷凍機あるいは冷凍機械部分と超伝導マグネ ット装置との熱的連結部を通して振動がマグネット装置にできるだけ僅かしか伝 達されないように設計しなければならない。即ち通常のすべての冷凍機は１〜数 １０Ｈｚの周波数範囲のかなりの振動を生ずる機械的な可動部品を有している。 また約２０ｂａｒの作動媒体、例えばヘリウムの圧力振動もその振動に貢献する 。もしこのような振動が減衰されずにマグネット装置に作用すると、例えば１Ｔ の誘導基本磁界を発生するマグネット装置の運転中に望ましくない渦電流が生ず る。この渦電流は冷却装置の熱負荷を高めるだけでなく、核スピン断層撮影設備 の映像装置に狂いを生じさせる。 振動の伝達に関する問題を解決するために、ヨーロッパ特許出願公開第０２６ ００３６Ａ号明細書で知られている核スピン断層撮影設備のＨｅ冷却式超伝導マ グネットに対する冷却装置では、そのマグネットおよびこれを包囲する放射線シ ールドがそれぞれ熱良導性材料から成る可撓性の接続リンクを介して冷凍機の部 分に連結されるように考慮されている。しかし核スピン断層撮影するためのマグ ネットの場合、マグネットと冷凍機との間の機械的にも作用するこのような連結 装置の減衰特性についての要求は一般に極めて高い。 上述の米国特許明細書において更に、冷凍機と放射線シールドないし超伝導マ グネットとの間に振動減衰作用をする熱接続リンクを備えた核スピン断層撮影設 備の超伝導マグネットに対する冷却装置が知られている。ここでその振動減衰特 性を一層向上するために、冷凍機は超伝導巻線を包囲する真空ハウジングにばね 要素を介して支持されている。このばね要素を介して冷凍機の自重だけなく、冷 凍機の室温側部分に作用する外気圧の圧力も受けなければならない。この外気圧 の圧力は、室温側部分が超伝導巻線の真空ハウジングの周囲の標準圧力のもとに 存在し、冷凍機の低温側部分が超伝導マグネットの真空ハウジングの真空室の中 に突出している真空引きされたハウジング装置の中に配置されていることによっ て発生される。従ってばね要素は比較的大きな力で圧縮されるので、それに合っ た大きなばね力を有していなければならない。その結果ばねの剛性は大きく、公 知のばね要素で生じさせられる振動減衰作用もそれに応じて制限される。 本発明の課題は、冒頭に述べた形式の冷却装置を、冷凍機あるいは冷凍機部分 から振動が被冷却電気装置にほとんど伝達されないように改良することにある。 本発明によればこの課題は、冷凍機部分の室温側部分が、真空ハウジングに固 く結合されたハウジング装置の真空引き可能な室の中に配置されることによって 解決される。 本発明に基づいて形成された冷却装置の利点は特に、冷凍機の室温側部分を包 囲する空間の真空引きによって、ばね要素が冷凍機部分にかかる外気圧の力を受 けないということにある。従ってばね要素で生じさせられる弾力のばね定数は、 真空引きせずに振動減衰をする場合に必要とされる値の一部に減少される。これ によって振動減衰作用が増大される。 以下図面に示した実施例を参照して本発明を詳細に説明する。 図１は本発明に基づく冷却装置の概略断面図、 図２はサーマルスイッチが開いている状態の冷却装置の概略断面図、および 図３はサーマルスイッチが閉じている状態の冷却装置の概略断面図である。 各図面において同一部分には同一符号が付されている。 本発明に基づく装置は、その冷凍機あるいは冷凍機部分を振動を滅衰（絶縁） して支持あるいは懸架しているので、冷凍機部分によって引き起こされる振動に ついて敏感である低温に保持すべき電気装置に対して特に有利である。その電気 装置は例えば核スピン断層撮影設備の超伝導マグネット装置である。この冷却装 置は低温に保持すべき他の電気装置に対しても勿論利用できる。 図１には本発明に基づいて形成された冷却装置の一部が概略断面図で示され、 全体が符号２で表されている。この冷却装置の図示されず説明もされていない部 分は一般に公知である。この装置は無冷媒式クライオスタットを形成することを 可能にしている。 図示されている冷却装置２は二つの冷凍段５、６を有する少なくとも一つの冷 凍機部分４を備えた少なくとも一つの冷凍機３を有している。この冷凍機３は例 えばギフォード・マクマホン形の低温保持装置である。他の単段式あるいは多段 式冷凍機も同じように良好に採用できる。冷凍機部分４あるいは場合によっては 完全な冷凍機は、室温範囲ＲＴ内に存在する従って室温側の機械部分４ａと二つ の冷凍段５、６を有し低温温度範囲ＴＴにまで延びている従って低温側の部分４ ｂから構成されている。低温側部分４ｂは真空ハウジング８の開口７を貫通して 絶縁真空残留圧ｐ１まで真空引き可能な内部室９の中に突出している。その開口 ７は低温側部分４ｂがその中で垂直方向に幾分移動可能に動けるような大きさに されている。低温側部分４ｂは第２の冷凍段６の低温側端が被冷却装置１０、例 えば超伝導マグネットに熱的に連結されている。この絶縁真空で包囲されたマグ ネットのうち、被冷却構造物例えばそのハウジングの上側部分しか示されていな い。 冷凍機部分４の低温側部分４ｂは、固有のハウジング装置１２の真空引き可能 な内部室１３の中に有利に存在している。真空ハウジング８の全真空系統を冷凍 機２の周囲の標準圧力ｐ０に通気して、被冷却マグネット１０を例えば一週間に わたる長期の処置で暖め直したり再び冷却する必要がないようにするために、冷 凍機部分４の低温側部分４ｂは真空ハウジング８の内部室９に対して真空密にさ れた別個の仕切り室の中に組み込まれる。この仕切り器は薄肉のＶＡ管を有し、 その容積は低温側部分４ｂの容積よりさほど大きくする必要はなく、このゲート は内部室１３に外側からあるいは上側から入り込むことを可能にしている。第１ の冷凍段５および第２の冷凍段６の位置の範囲においてハウジング装置１２の外 側面には熱良導性の接続部材１５ないし１６が、内側面には機械的に着脱自在な 熱接点１７ないし１８が設けられている。これらの熱接点は例えば場合によって は金メッキあるいは銀メッキされ、および／又はインジウムで被覆された銅（Ｃ ｕ）から成る弾力的な接触薄板で形成されている。そのようにしてこれらの熱接 点は冷凍機部分４の低温側部分４ｂのそれぞれの冷凍段からハウジング装置１２ の壁を介して熱接続部材１５ないし１６に熱を伝達できるようにしている。図に 概略的に示されている実施例において、このようにして半径方向における切換可 能な熱接点が具体化されている。そのようにして第１の冷凍段５ないし第２の冷 凍段６は、熱接点１７、１８、熱接続部材１５、１６並びに可撓性の熱接続リン ク２１、２２を介して放射線シールド２０ないしマグネット１０の構造物に確実 に熱接触できる。可撓性の熱接続リンクは冷凍機部分４の振動を殆ど伝達しない 例えば銅撚り線ないし銅テープである。仕切り室として作用するハウジング装置 １２は運転状態において残留圧力ｐ２まで真空引きされる。このハウジング装置 １２は冷凍機部分４の変化に応じて低温側ハウジング装置１２の入口２４で通気 されるか真空引きされる。 低温側部分４ｂが特別なハウジング装置の固有の真空引き可能な室１３の中に 配置されておらず、真空ハウジング８の内部室９の中に突出しているようにした 冷凍機の形態も勿論採用できる。いずれの場合にも開口７および場合によって存 在する真空引き可能な室１３は冷凍機部分４の支持装置あるいは懸架装置を介し て真空密に密封されている。 冷凍機部分４の室温側部分４ａに従ってこの冷凍機部分の支持装置あるいは懸 架装置に外気圧がかからないようにするために、本発明に基づいて室温側部分４ ａは別個の真空引き可能なハウジング装置２６の中に収納されている。このハウ ジング装置は冷凍機部分４の室温側部分４ａを包囲し、真空ハウジング８の外側 面に密封して固く取り付けられている。そのようにしてその内部室２７はマグネ ット１０および低温側部分４ｂの絶緑真空と切り離されて入口２８において残留 圧力ｐ３に真空引きされるか通気される。即ち通気された状態において冷凍機部 分４は例えば約２００Ｎの重力Ｇｋだけでなく、外気圧の力Ｌｋでも真空ハウジ ング８に押しつけられる。これは冷凍機部分４の直径が約１６０ｍｍである場合 に約２ｋＮの追加的な力Ｌｋが、即ち重力Ｇｋの約１０倍の力が生ずることを意 味する。この力Ｌｋは公知の冷却装置（米国特許第５１２９２３２号明細書参照 ）では対応した硬いばねで受けている。この硬いばねは同時に冷凍機部分の振動 が被冷却装置１０に伝達されることを遮断（減衰）しなければならない。本発明 に基づく冷却装置２の場合、ばねは実際に冷凍機部分４の重力Ｇｋしか受けなく て済むように有利に設計できる。このために図示されている冷凍機部分の弾力的 な支持装置はばね要素３０を有し、このばね要素３０に対して弾性減衰要素３１ を並列接続することができる。それらの弾性要素３０、３１は真空ハウジング８ とこれに対して平行に延びる特に室温側部分４ａと低温側部分４ｂの接続範囲に 結合されている支持装置延長部３２との間に取り付けられている。支持装置延長 部３２、ばね要素３０および減衰要素３１によって、支持あるいは場合によって 懸架が行われるだけでなく、真空ハウジング８の内部室９のその開口７の範囲に おける密封も行われる。 ハウジング装置２６が通気された状態において、冷凍機部分４の支持装置はそ の低温側部分における負圧作用に基づいて機械式固定ストッパ３３まで弾性変形 する。即ちハウジング装置２６の内部室２７が例えば１００ｍｂａｒ以下の運転 圧力ｐ３に真空引きされたときにはじめて、振動が減衰される。その代表的な圧 力値は約１０ｍｂａｒである。その真空引きによって外気圧の力Ｌｋは約２０Ｎ の残留力に減少される。この状態において冷凍機部分４は弾性要素３０、３１の 弾力で支えられる。そのばね定数は真空引きなしで振動を減衰するために必要と される値の約１／１０に滅少される。そのような柔軟な懸架装置は多くの用途に おいて、別の機械的な熱良導性接続要素あるいは接続リンクを必要とすることな しに、マグネットのような被低温保持装置のハウジング部分に冷凍機部分４を直 接組み立てることを可能にする。図には、室温側ハウジング装置２６の内部室２ ７を真空密に貫通して延びる室温側部分４ａ用の可撓性接続配管３５、例えばヘ リウム用および電気接続配線用の可撓性接続配管３５も示されている。 被冷却装置例えばマグネット１０が熱的に連結されている冷凍機部分４の第２ の冷凍段６の冷凍能力は通常のギフォード・マクマホン形冷凍機３の場合、第１ の冷凍段５の能力の約１／５である。もっとも超伝導マグネットの熱容量は代表 的な設計において被冷却熱質量の少なくとも２／３である。超伝導マグネットを 冷凍機だけで室温から運転温度に冷却するためには従って、マグネットを予め冷 却するために冷凍機の第１の冷凍段５の比較的大きな冷凍能力を利用することが 有利である。これは、冷却する際にまず第１の冷凍段とマグネットとの間を熱良 導的に接続し、第１の冷凍段の最終温度近くの温度レベルになった際にはじめて 開かれる着脱自在な熱接点を必要とする。そして第２の冷凍段の冷凍能力によっ てマグネットは運転温度にされる。熱接点が開いている状態において非常に大き な熱抵抗が必要であり、これは第２の冷凍段がこの熱抵抗を通る漏洩熱流によっ て負荷されてしまうからである。着脱自在な熱接点の実施例は図２および図３に 示されており、図２は熱接点の閉じた状態を、図３は熱接点の開いた状態を概略 的に示している。図に示され全体を符号４０で表している熱接点は少なくとも一 つの熱良導性の接触薄板４１で形成されている。この接触薄板４１は被冷却装置 １０に固く結合された熱良導性の保持構造物４３と少なくともほぼ第１の冷凍段 の温度に保持されている冷凍機の低温側部分４ｂの部分との間に存在している。 低温側部分４ｂのこの部分は例えば熱接続部材１５で形成される。この熱接続部 材は低温側部分４ｂあるいはその周りに配置されたハウジング装置１２に固く結 合されているので、それに応じて弾性要素３０、３１の変位に追従する。室温か らの冷却過程中にまず外側ハウジング装置２６の内部室２７が通気される。その 圧力状態ｐ０に基づいて冷凍機部分４は外気圧によって力Ｌｋで弾性要素３０、 ３１による柔軟な支持装置に抗してマグネット１０の方向に、第１の冷凍段５の 熱接点４０がその機械的ストッパに衝突するまで押される（図２参照）。このス トッパはマグネット１０に固く結合されている保持構造物４３上の接触薄板４１ によって形成されている。マグネットをほぼ第１の冷凍段５の温度に前冷却した 後で内部室２７を圧力ｐ３に真空引きすることによって、冷凍機部分４は力Ｌｋ がかからないようにされているので、弾性要素３０、３１はなお存在する重力Ｇ ｋに応じて伸びる。冷凍機部分４に固く結合された接続部材１５はそのようにし てこのストロークに応じた距離だけ接触薄板４１から持ち上げられて、それによ り熱接点４０が開かれる。 熱接点４０が開かれた状態で（図３参照）、被冷却装置１０およびこれに結合 された保持構造物４３が冷凍機部分４ｂの第１の冷凍段５から完全に分離される ことが保証されるので、この冷凍機部分４ｂの第２の冷凍段６は温かい第１の冷 凍段からの漏洩熱で負荷されない。ここでは有利なことにそれにもかかわらず小 さな熱抵抗にできるようにするために、公知のガスサーマルスイッチに比べて小 さな構造容積で済ますことができる。 図１および図３には、冷凍機およびその一部の本発明に基づく弾力的な支持装 置が概略的に示されている。弾性要素による懸架装置も同様に室温側機械部分に 作用する外気圧力Ｌｋがかからないようにすることもできる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．真空ハウジングの真空引き可能な内部室の中に存在する低温に保持すべき電 気装置、特に超伝導装置の間接冷却装置であって、この冷却装置が少なくとも一 つの冷凍機部分を有し、この冷凍機部分が、 − 室温側機械部分と真空引き可能な空間範囲に配置されている低温側機械部分 とを有し、 − 真空ハウジングの開口を通して可動的にその内部室の中に突出し、 − ばね要素を介して真空ハウジングに弾力的にその開口を密封して取り付けら れ、 − 低温側端部で電気装置に熱良導的に接続されている、 電気装置の間接冷却装置において、冷凍機部分（４）の室温側部分（４ａ）が、 真空ハウジング（８）に固く結合されたハウジング装置（２６）の真空引き可能 な室（２７）の中に配置されていることを特徴とする電気装置の間接冷却装置。 ２．冷凍機部分（４）の低温側部分（４ｂ）を包囲する空間範囲が真空ハウジン グ（８）の内部室（９）であることを特徴とする請求項１記載の冷却装置。 ３．冷凍機部分（４）の低温側部分（４ｂ）を包囲する空間範囲が、真空ハウジ ング（８）の内部室（９）の中に突出しこの内部室（９）に対して真空密に分離 されたハウジング装置（１２）の真空引き可能な内部室（１３）であり、この内 部室（１３）が室温側部分（４ａ）のハウジング装置（２６）の真空引き可能な 内部室（２７）から入り込めるゲートとして形成されていることを特徴とする請 求項１記載の冷却装置。 ４．冷凍機部分（４）の少なくとも一つの冷凍段（５又は６）が着脱自在な熱接 点（１７ないし１８）を介してハウジング装置（１２）の隣接する部分に熱的に 結合されていることを特徴とする請求項３記載の冷却装置。 ５．冷凍機部分（４）がばね要素（３０）を介して真空ハウジング（８）に支持 されているか、あるいはこれに懸架されていることを特徴とする請求項１ないし ４のいずれか１つに記載の冷却装置。 ６．ばね要素（３０）に対して並列に弾力的な弾性減衰要素（３１）が配置され ていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の冷却装置。 ７．真空ハウジング（８）の開口（７）を冷凍機部分（４）に対して密封するた めに、ばね要素（３０）および／又は弾性減衰要素（３１）が使用されることを 特徴とする請求項５又は６記載の冷却装置。 ８．冷凍機部分（４）の低温側部分（４ｂ）が少なくとも二つの冷凍段（５、６ ）を有していることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の冷却 装置。 ９．室温側冷凍機部分（４ａ）の周りにおける真空引き可能な空間（２７）が通 気された状態において、ばね要素（３０）の変位がストッパ（３３）によって制 限されていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の冷却装 置。 １０．ストッパが熱接点（４０）として形成され、室温側冷凍機部分（４ａ）の 周りにおける真空引き可能な空間（２７）が通気された状態においてだけ、第１ の冷凍段（５）と被冷却装置（１０）との間が熱良導的に接続されることを特徴 とする請求項８又は９記載の冷却装置。 １１．低温側機械部分（４ｂ）の低温側端部が弾性的な接続リンク（２２）によ って低温に保持すべき装置（１０）に熱的に接続されていることを特徴とする請 求項１ないし１０のいずれか１つに記載の冷却装置。