JPS6195585A

JPS6195585A - 冷凍機付きクライオスタツト

Info

Publication number: JPS6195585A
Application number: JP59216108A
Authority: JP
Inventors: Hisanao Ogata; 久直尾形; Takeo Nemoto; 武夫根本; Yoshinori Shiraku; 善則白楽
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1984-10-17
Filing date: 1984-10-17
Publication date: 1986-05-14
Anticipated expiration: 2010-03-29
Also published as: JPH0728056B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明は４）形の冷凍機を直結して運転するクライオス
タット、特に超電導マグネットシステムに好適な冷凍機
付きクライオスタットに関するものである。

〔発明の背景〕

従来の冷凍機付きクライオスタットでは、冷凍機とクラ
イオスタットとを熱的に接続するために、例えば米国特
許第３，８９４，４０３号に記載のように、二組の放熱
フィン間をガスの自然対流により接続する手段が用いら
れている。このため、熱的応答性が悪いばかりでなく、
伝熱面積の大きな放熱フィンを用いねばならないので、
十分に大きなスペースを確保する必要があるから大型化
する恐れがあった。

〔発明の目的〕

本発明は上記目的を達成するために、熱的接続部の占め
る空間をノ」）さくし、コンパクトな冷凍機付きクライ
オスタットを提供することを目的とするものである。

〔発明の概要〕

本発明は上記目的を達成するために、被冷却体および第
１冷却剤を収納する内部容器と、この内部容器の外部に
設置され、第２冷却剤を収納する外部容器と、この外部
容器に連結し、かつ前記内部容器を包囲する遮へい体と
、少くとも２個の寒冷発生部を備える冷凍機と、この冷
凍機、前記内・外部容器および遮へい体を収納する真空
容器と、この真空容器に気密に取付けられ、かつ前記冷
凍機のシリンダに嵌合する受容器とからなるタライオス
タットにおいて、この受容器の前記各寒冷発生部に対向
する部分に寒冷受領部をそれぞれ設けると共に、これら
の寒冷受領部の一方を前記外部容器に連絡し、前記各寒
冷発生部と前記各寒冷受領部との間に熱伝導体または熱
伝導部を介在させたことを特徴とする。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を図面について説明する。

第１図において、１は極低温で作動する被冷却体すなわ
ち超電導コイル、２は被冷却体１を冷却する第１冷却剤
、例えば液体ヘリウム、３は被冷却体１および液体ヘリ
ウム２を収納する内部容器で、この容器３は放出管３３
を備え、真空容器４内に断熱支持体５により支持されて
いる。６は真空容器４内に内部容器３を包囲するように
設けられた遮へい体、７は一端が内部容器３内に開口し
。

冷却初期に液体ヘリウムまたは気体ヘリウムを給排する
配管、８はキホードマクマホンサイクルあるいはツルベ
イサイクルと称される小型冷凍機の膨張機で、この膨張
機８は２段部９Ａ、９Ｂを有するワ状のシリンダ９と、
このシリンダ９内に移動自在に収納され、かつそのシリ
ンダ９と同形状に形成され、しかも蓄熱器（図示せず）
を内蔵するピストン１０と、このピストン１０を往復動
させる駆動部１１とからなり、前記シリンダ９の各段９
Ａ、９Ｂの先端部は、寒冷を発生する寒冷発生部９Ａａ
、９Ｂａを形成している。前記駆動部１１は配管２０を
介してアクチュエータ１９に接続されている。このよう
に構成された冷凍機は。

前記液体ヘリウム２の蒸発速度を極力低減し、長時間の
使用を可能にするために設けられている。

上記内部容器３と遮へい体６との間には、遮へい板２３
が設置され、この遮へいＦｉ２３の端部は前記膨張機８
を収納する受容器２４の端部に結合されている。この受
容器２４の前記寒冷発生部９Ａａ、９Ｂａに対向する部
分には、寒冷受領部２４Ａ、２４Ｂがそれぞれ形成され
ると共に、この寒冷受領部２４Ｂの外側に凝縮器３１が
取付けられている。前記寒冷発生部９Ａａ、９Ｂａと寒
冷受領部２４Ａ、２４Ｂは、それぞれ熱伝導体。

例えば多数の短冊状体ばね３２Ａ、３２Ｂを介して接触
している。

前記遮へい体６上に配管２７を介して供給される液体窒
素２６を収納する外部容器２５Ａ、２５Ｂが取付けられ
、これらの外部容器２５Ａ、２５Ｂはそれぞれｒ９．管
２９，３０を介して前記凝縮器３１に連通されている。

本実施例は上述したような構成からなり、内部容器３内
の液体ヘリウム２の蒸発ガス放出管３３を経て放出され
、遮へい板２３を冷却した後、受容器２４の低温側（下
部）から高温側（上部）へ熱的に接触しながら流出し、
最終的には常温のガスとなってタライオスタットの外部
へ排出される。

冷凍機の膨張機８は２個の寒冷発生部９　Ａ　ａ　。

９Ｂａを有し、これらで発生した寒冷熱は板はね３２Ａ
、３２Ｂを介して受容器２４の寒冷受領部２４Ａ、２４
Ｂに吸収される。一方、外部容器２５Ａ内の液体窒素２
６の気化したガスは、配管２９を経て前記寒冷受領部２
４Ｂに対設した凝縮器３１に流入し、ここで再液化され
た後に配管３０を経て外部容器２５Ｂに戻される。

この場合、必要に応じて液体窒素２６の供給配管２７に
設けた弁２８を閉じることにより、外部容器２５Ａを密
閉することができる。また、前記寒冷受領部２４Ａの寒
冷熱温度は２０にであり、この温度は遮へい板２３へ熱
伝導によって伝達される。一方、膨張機８の故障および
修理の際には、弁２８を開いて膨張機８を受容器２４か
ら取出すだけでよい。

本実施例では上記のように５寒冷発生部ＱＡａ。

９Ｂａをシリンダ９の段部９Ａ、９Ｂの側面に、寒冷受
領部２４Ａ、２４Ｂを受容器２４の側面にそれぞれ形成
すると共に、それらの寒冷発生部９Ａａ、９Ｂａと寒冷
受領部２４Ａ、２４Ｂを板ばね３２Ａ、３２Ｂを介して
それぞれ対向して接触させたが、これに代り第２図〜第
１１図に示す実施例のように、シリンダ９および受容器
２４の各段部端面を寒冷発生部９Ｃおよび寒冷受領部２
４Ｃにそれぞれ形成してもよい。

すなわち、第２図に示す実施例は、膨張機のシリンダ９
および受容器２４の各段部端面を寒冷発生部９Ｃおよび
寒冷受領部２４Ｇにそれぞれ形成して互に対向させ、そ
の両者９Ｃと２４Ｇとの間の空間に熱伝導性の良好な波
状金属板４０を介在させて両者９Ｇ、２４Ｇに接触させ
ると共に、前記空間に例えばヘリウムガスを封入した構
造からなり、前記金属板４０の両面には、軟質金属、例
えばインジウム、銀などが被覆されている。

第３図に示す実施例は、第２図の波状金属板４０の代り
に多数の波形金属片４１を用い、これらの金属片４１の
一端を寒冷発生部９Ｃまたは寒冷受領部２４Ｃに固着す
ると共に、他端を寒冷受領部２４Ｇまたは寒冷発生部９
Ｃに接触させた構造からなり、前記金属片４１および第
２図の波状金属板４０の板厚を０．０５〜１ｍｍに、そ
の相隣る金属片４１．４１問および金属板４０の相隣る
波間の間隙を２〜１０ｍ＋にそれぞれ設定するのが適当
である。

第４図に示す実施例は、線０．１〜ＩＷ１１のメツシュ
を複数枚重ねて構成した弾性を有する網状金属４２を、
寒冷発生部９Ｃに例えばインジウム４３を介して固着す
ると共に、寒冷受領部２４Ｃに接触させた構造からなる
。

第５図に示す変形例は、寒冷発生部９Ｃと堰４４を有す
る寒冷受領部２４Ｃとの間に２〜１０ｍの間隔を有する
空間４５を設け、この空間４５内に０．２〜２．０ｍの
直径の球体４６を充填した構造からなる。

第６図に示す実施例は、冷凍機４８のシリンダ４９を可
撓部４９　Ａ　ａおよび寒冷発生部４９Ａｂを有する第
１段部４９Ａと、可撓部４９Ｂａおよび寒冷発生部４９
Ｂｂを有する第２段部４９Ｂとにより構成し、前記寒冷
発生部４９Ａｂと接して接触面５１Ａを形成する寒冷受
領部５０　Ａ　ａを有する第１段部５０Ａと、前記寒冷
発生部４９Ｂｂと接して接触面５１Ｂを形成する寒冷受
領部５０８ａを有する第２段部５０Ｂとからなる受容器
５０内に、前記シリンダ４９を収納して構成されている
。前記接触面５１Ａ、５１Ｂは軟質金属、例えばインジ
ウムにより被覆されている。また、前記寒冷発生部４９
Ａｂ、４９Ｂｂは配管５３Ａ。

５３Ｂ内を循環する冷媒により冷却され、前記寒冷受領
部５０Ａａ、５０Ｂａにはクライオスタット側の冷媒の
循環する凝縮部５２および熱伝導板５４がそれぞれ取付
けられている。

上記シリンダ４９と受容器５０との間の空間５５には、
配管５６を経てヘリウムガスを封入してもよい。もし、
シリンダ４９内が真空の場合には、空間５５を１　ｔｍ
　Ｈｇ程度のヘリウムガス雰囲気にすれば、圧力差によ
る接触力の低下を防止することができる。また、シリン
ダ４９の可撓部４９Ａａ、４９８ａの強さを調整するこ
とにより。

前記接触面５１Ａ、５１Ｂに十分な接触応力を与えるこ
とが可能である。

第７図に示す実施例は、シリンダ９の寒冷発生部９Ｃの
外側面および受容器２４の寒冷受領部２４Ｇの内側面に
くし歯状金属片６０．６１をそれぞれ取付けて互にかみ
合せ、その両金属片６０゜６１の相隣る各歯の間隙をＯ
，１ｍｍ以下に設定した構造からなる。

第８図に示す実施例は、寒冷発生部９Ｃの外側面および
寒冷受領部２４Ｃの内側面に、直径０．０５〜０，５閣
の針状フィン６２．６３をそれぞれ多数取付け、冷凍機
に装着時に前記フィン６２゜６３を無秩序にかみ合せる
ようにした構造からなる。

第９図に示す実施例は、寒冷発生部９Ｃの外側面に針状
または断面三角形の突起６４を適宜ピンチで任意数形成
し、これらの突起６４を寒冷受領部２４Ｃの内側面に装
着した軟質の金属体、例えばイリジウム６５に刺し込ん
だ構造からなる。このように構成すれば、前記突起６４
と金属体６５との開に、熱ひずみなどにより狭い隙間を
生じても差支えない。

第１０図に示す実施例は、寒冷発生部９Ｃの外側面に凹
部６６を任意数設け、この各凹部６６と寒冷受領部２４
Ｃの内側面との間に、ばね６７および可動金属片６８を
介在された構造からなる。

上述の第７図ないし第１０図に示す実施例では、熱の授
受は、相対向する金属体間に形成された狭いＦｉｔｌＪ
に存在するガスの熱伝導によって行われる。

第１１図に示す実施例は、受容器２４の側部凝縮器２４
Ｄおよび寒冷受領部２４Ｇの内面に熱伝導性の良好なＬ
字状金属体６９を装着し、この金属体６９の水平部６９
ａにシリンダ９の寒冷発生部９Ｃを接触させ、受容器２
４の側部凝縮壁２４Ｄの外側面に、流入管７１と流出管
７２を有する凝縮器７０を取付けた荷造からなる。

このような構造の実施例では、寒冷発生部９Ｃで発生し
た寒冷は、金属体６９を介して寒冷受領部２４Ｇに伝達
されると同時に、前記側部凝縮壁２４Ｄにも伝達される
。一方、流入管７１を介して凝縮器７０内に導入された
ガスは、凝縮壁２４Ｄで液化されて液体７３となり、こ
の液体７３は流出管７２を介してクライオスタット内の
貯槽（図示せず）に戻される。この場合、前記側部凝縮
壁２４Ｄに放熱フィンを設ければより一層効果的である
。

第１２図および第１３図に示す実施例は、第１図に示す
実施例と全体的にほぼ同様な構造からなるが、その異な
る点のみを次の詳述する。すなわち、液体窒素の温度に
保持された第１ステージ１２Ａおよび２０にの温度に保
持された第２ステージ１２Ｂを有する冷凍機１２は、第
１．第２段部１４Ａ、１４Ｂおよび柔軟性チューブ１４
Ｇ、。

１４Ｃ２からなる受容器１４内に収納され、かつ前記第
１．第２スデージ１２Ａ、１２Ｂにそれぞれ設けたねじ
１２Ｄ１．１２Ｄ、は、受容器１４に設けたねじ１４Ｄ
、、１４Ｄ、とにかみ合わせている。

上記チューブ１４Ｃ１は受容器１４の第１段部１４Ａと
第２段部１４Ｂとを連結し、他方のチューブ１４Ｃ２は
、前記第２段部１４Ｂと遮へい板２３とを連結している
。前記チューブ１４Ｃよ。

１４Ｃ２の外側には、軸方向に溝１６Ａ、１６Ｂをそれ
ぞれ任意数設けたサポート１５Ａ、１５Ｂがそれぞれ設
けられ、前記各溝１６Ａ、１６Ｂ内にサポート１５Ａ、
１５Ｂをガイドするビン１７Ａ。

１７Ｂがそれぞれ挿入されている。

本実施例は上記のように、受容器１４の構成にチューブ
１４ＣＸ、１４Ｃ，を用い、かつ冷凍機１２の第１．第
２ステージ１２Ａ、１２Ｂのねじ１２Ｄよ、１２Ｄ、と
、受容器１４の第１．第２段部１４Ａ、１４Ｂのねじ１
４Ｄ、、１４Ｄ、とをかみ合せ、これらのねじ１４Ａ、
１４．Ｂと１４０１゜１４Ｄ、の表面接触により熱を伝
達するようにしたものである。このような接触熱伝達は
、ねじの表面積と接触面圧に比例し、接触面の隙間に反
比例する。したがって、ねじ機構では、表面積が平滑面
の約２倍であり、接触面圧はねじの締付けにより任、怠
に設定することができ、かつ接触面積の隙間をある一定
値に保持することが可能である。

特にねじ機構は冷凍機の熱収縮に対し、ねじの上面と下
面のいずれか一方が必ず面接触するため。

効率のよい熱伝達を行うことができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、小さな空間で熱
の授受を行うことができるので、熱伝達の向上をはかる
と共に、全体をコンパ・クト化することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の冷凍機付きクライオスタンドの一実施
例の断面図、第２図ないし第１１図は本発明に係わる他
の実施例の要部断面図、第１２図および第１３図は本発
明に係わるさらに他の実施例の断面図およびその要部断
面図である。１・・・被冷却体、２・・・第１冷却剤、３・・・内部
容器、４・・・真空容器、６．２３・・・遮へい体、８
・・・冷凍機、９・・・シリンダ、９Ａａ、９Ｂａ、９
ｃ・・・寒冷発生部、２４・・・受容器、２４Ａ、２４
Ｂ、２４Ｃ・・寒冷受領部、２５Ａ、２５Ｂ・・・外部
容器、２６・・・第２冷却剤、３２．４０〜６９・・・
熱伝導体。Ｚ　１　図 ′ＦＪｚ図　　Ｙ３図不６図４ｆ山４４７図　　　　４８図 ■ｑ図　　　　第１０図

Claims

【特許請求の範囲】

　被冷却および第１冷却剤を収納する内部容器と、この
内部容器の外部に設置され、第２冷却剤を収納する外部
容器と、この外部容器に連結し、かつ前記内部容器を包
囲する遮へい体と、少くとも２個の寒冷発生部を備える
冷凍機と、この冷凍機、前記内・外部容器および遮へい
体を収納する真空容器と、この真空容器に気密に取付け
られ、かつ前記冷凍機のシリンダに嵌合する受容器とか
らなるクライオスタットにおいて、この受容器の前記各
寒冷発生部に対向する部分に寒冷受領部をそれぞれ設け
ると共に、これらの寒冷受領部の一方を前記外部容器に
連絡し、前記各寒冷発生部と前記各寒冷受領部との間に
熱伝導体または熱伝導部を介在させたことを特徴とする
冷凍機付きクライオスタット。