JPWO2013179685A1 - 冷却容器 - Google Patents

Abstract

内側に冷却対象物９０及び液体冷媒６０を収容する冷媒容器２０と、冷媒容器の上部開口を閉塞可能な蓋体３０と、蓋体に吊下支持されると共にその下端部に冷却部を備える冷却手段４０と、蓋体に吊下支持され、冷媒容器内部の冷却対象物に電流を流すための電流リード９１とを備え、電流リードは、冷媒容器内であって液体冷媒の液面よりも上となる位置にその周囲よりも熱抵抗が高くなる熱抵抗部９２を備え、熱抵抗部と冷却手段の冷却部との間に、熱抵抗部よりも低位置まで下端部が垂下された、断熱材料からなる隔壁部５０を設けている。これにより、侵入熱の影響を抑え、冷媒容器内を効率良く冷却することを可能とする。

Description

容器内で液体の冷媒を介して被冷却物の冷却を行う冷却容器に関する。

ＳＭＥＳ（Superconducting Magnetic Energy Storage：超電導磁気エネルギー貯蔵装置）、超電導変圧器、超電導限流器、さらに、ＮＭＲ（Nuclear Magnetic Resonance：核磁気共鳴）、半導体引上げ装置等に強磁場の発生源となる超電導マグネット等の分野では、イットリウム系やビスマス系に代表される超電導体を用いた超電導線材や超電導薄膜が使用されている。これらの超電導線を超電導化するには極低温温度まで冷却しなければならなかった。

通常、超電導線材は、冷却するためにクライオスタットと呼ばれる真空断熱化された冷却容器に超電導コイルの状態で収納される。
従来のクライオスタットは、内部に超電導コイルと冷媒を収容する冷媒容器と、冷媒容器内の冷媒を冷却する冷凍機と、超電導コイルに電流を注入する対を成す電流リードとを備えている（例えば、特許文献１参照）。
このクライオスタットでは、冷媒容器内の冷媒を極低温に維持することが必須となるが、内部の超電導コイルと外部の電源とを電流リードで接続しなければならず、内外に通じる電流リードからの熱侵入の発生が不可避であった。
そこで、従来のクライオスタットでは、冷媒容器の外側で電流リードの一部をコイル状にして、電流リードによる熱伝達経路を実質的に延長することで伝達熱量の低減による熱侵入の低減を図っていた。

また、特許文献２及び３には、電流リードによる熱侵入を低減するための技術として、電流が流れるリード本体と絶縁部材とを収容する配管とを備え、配管内部に冷媒ガスを流通させる流路を形成したものが開示されている。

特開平０７−０４５４２０号公報 特開平０９−０９２８９３号公報 特開平１１−１２１２２２号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載のクライオスタットでは、電流リードから冷媒への直接の熱侵入を低減することはできるが、ガスによる対流を介した電流リードからの熱侵入の影響を抑えることはできなかった。
また、特許文献２及び３による電流リードの冷却を図る場合には、当該電流リード内の流路に冷媒ガスを送るための装置が必要となり、クライオスタット全体の構成の複雑化、装置コストの上昇、装置の大型化等が生じるという問題があった。また、冷媒容器内の冷媒ガスを電流リードの流路内に送り込むことも考えられるが、その場合には冷媒容器内の冷媒の消費量が増加するため、絶えず冷媒の補充が必要になるという問題もあった。

本発明は、冷媒容器内への侵入熱の影響を低減して効率的な冷却を行う冷却容器の提供を図ることをその目的とする。

本発明は、内側に冷却対象物及び液体冷媒を収容する冷媒容器と、前記冷媒容器の上部開口を閉塞可能な蓋体と、前記蓋体に吊下支持されると共にその下端部に冷却部を備える冷却手段と、前記蓋体に吊下支持され、前記冷媒容器内部の前記冷却対象物に電流を流すための電流リードとを備え、前記電流リードは、前記冷媒容器内であって前記液体冷媒の液面よりも上となる位置に、その上側及び下部の部分よりも熱抵抗が高くなる熱抵抗部を備え、前記熱抵抗部と前記冷却手段の冷却部との間に、前記熱抵抗部よりも低位置まで下端部が延出された、断熱材料からなる隔壁部を設けたことを特徴とする。

上記構成において、前記電流リードの前記熱抵抗部及びそれより上の部位の外周を覆う構造としても良い。
また、上記構成において、前記隔壁部は、前記冷凍機の冷却部の外周を覆う構造としても良い。

また、上記構成において、前記熱抵抗部は、前記電流リードの他の部位よりもその断面積を縮小した構造としても良い。
また或いは、前記熱抵抗部は、分離された導体同士をつなぎ合わせた部位からなる構成としても良い。
また或いは、前記熱抵抗部は、前記電流リードの他の部位よりも熱抵抗値の高い導電材料を介在させた構造としても良い。

本発明は、電流リードの途中に熱抵抗部を設けているので、侵入熱は熱抵抗部より下側には伝わりにくくなる。仮に、電流リードに熱抵抗部が存在しなければ、電流リードの上端部から液体冷媒の液面までの間では下に向かうにつれておおよそ一定の低下率で漸次温度が低くなる分布を示すが、熱抵抗部を設けると、当該熱抵抗部を境界としてその上側と下側では一定の温度差をもって急峻な温度変化が生じる。
従って、冷媒容器の熱抵抗部より上の領域ではより高い温度となり、熱抵抗部より下の領域ではより低い温度となる。そして、熱抵抗部と冷却手段の冷却部の間には、熱抵抗部よりも低位置まで垂下された隔壁部を設けているので、高い温度での冷媒ガスの対流によって生じる、電流リードから冷却手段への熱侵入を抑制することができる。
このため、冷却手段に対する冷媒容器の内側容器内への侵入熱の影響を効果的に低減することができ、冷却手段は、電流リードを通じて冷媒容器の内部に侵入した熱により暖められた冷媒ガスを沸点近くまで冷却するための仕事分の冷却能力が不要となり、電流リードを通じて熱侵入が生じる場合でも効率的な冷却を行うことが可能となる。

また、隔壁部を電流リードの熱抵抗部及びそれより上の部位を覆う構造とした場合には、熱抵抗部及びそれより上の部位により暖められた冷媒ガスを隔離できる。つまり、当該暖められた冷媒ガスから冷却部を遮断することができ、効率的な冷却を行うことが可能となる。

また、隔壁部を冷却手段の冷却部の周囲を覆う構造とした場合には、冷却部を隔壁部の下端部より上側の侵入熱で暖められた冷媒ガスから遮断し、効率的な冷却を行うことが可能となる。なお、隔壁部は、電流リードの熱抵抗部及びそれより上の部位と却手段の冷却部の周囲のそれぞれを覆う構造としても良い。

また、熱抵抗部を、導体同士を連結した構造、電流リードの他の部位よりもその断面積を縮小した構造又は電流リードの他の部位よりも熱抵抗値の高い導電材料を介在させた構造とした場合には、いずれも、熱抵抗部で熱抵抗値を高めることができ、当該熱抵抗部を境界として顕著な温度差を形成することができる。これにより、侵入熱により暖められた冷媒ガスからより効果的に冷却手段の冷却部を遮断することができ、より効率的な冷却を行うことが可能となる。

発明の第一の実施形態に係るクライオスタットの垂直平面に沿った断面図である。 電流リードの上下方向における温度分布を示す線図である。 電流リードの上下方向の各部における熱抵抗と単位長さあたりの熱抵抗を示す図表である。 電流リードに熱抵抗部を設けないクライオスタットを示す概略図である。 電流リードの熱抵抗部を隔壁部の下端部よりも低位置に設けたクライオスタットを示す概略図である。 図１と同じクライオスタットを示し、それぞれの侵入熱の影響を示す概略図である。 発明の第二の実施形態に係るクライオスタットの垂直平面に沿った断面図である。 電流リードに設けた熱抵抗部が冷凍機の隔壁部の下端部よりも低位置であって、電流リードの隔壁部の下端部は熱抵抗部よりも高位置であるクライオスタットを示す概略図である。 図５と同じクライオスタットを示し、それぞれの侵入熱の影響を示す概略図である。 図１と図５と図６Ａのクライオスタットについて、電流リードに通電し、その時の電流リードの複数箇所における温度を測定して求めた侵入熱量を示す図表である。 熱抵抗部の他の例であって電流リードを構成する導体間に熱抵抗の大きな素材を挟み込んだ例を示す図である。 熱抵抗部の他の例であって電流リードを構成する導体の一部の断面積を縮小した例を示す図である。

［第一の実施形態］
以下、本発明の第一の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
この第一の実施形態では、冷却対象物となる超電導機器としての超電導コイル９０を収容して冷却を図る冷却容器としてのクライオスタット１０について説明する。図１はクライオスタット１０の垂直平面に沿った断面図である。

このクライオスタット１０は、真空断熱された内側容器２１と外側容器２２とを有し、液体冷媒である液体窒素６０と超電導コイル９０とを収容する冷媒容器２０と、冷媒容器２０の上部開口を閉塞可能な蓋体３０と、内側容器２１内の液体窒素６０を冷却する冷却手段としての冷凍機４０と、冷凍機４０の冷却部（後述）の周囲及び上方からの対流する冷媒ガスを遮蔽する隔壁部５０と、超電導コイル９０とクライオスタット１０の外部との通電を行うための、超電導コイル９０の１相あたり一対の電流リード９１，９１とを備えている。

［冷媒容器］
冷媒容器２０は、内側容器２１と外側容器２２とからなり、これら相互間が真空断熱された二重壁面構造の有底容器である。
内側容器２１は、上下方向に沿った円筒状であって、下端部が閉塞されて底部をなし、上端部が開放されている。
外側容器２２は、内側容器２１と同様に上下方向に沿った円筒状であって、下端部が閉塞されて底部をなし、上端部が開放されている。そして、この外側容器２２は、内側容器２１よりに一回り大きく形成され、内側容器２１を内側に格納している。さらに、内側容器２１の外周面及び底部下面と外側容器２２の内周面及び底部上面とが相互に隙間空間を形成するように、内側容器２１と外側容器２２の上端部同士が接合されて一体化されている。また、内側容器２１と外側容器２２の互いの隙間空間は真空引きが行われ、真空断熱されている。
また、内側容器２１と外側容器２２との隙間空間には、円筒部及び底部の全域に渡って、アルミニウムを蒸着させたポリエステルフィルムが積層されてなるスーパーインシュレーション材２３が介在し、外部からの輻射熱の遮断を図っている。

［蓋体］
内側容器２１と外側容器２２の接合部（冷媒容器２０の上端面）は水平に平滑化されており、このリング状の平滑面（上端面）上に円板状の蓋体３０が載置装備されている。
この蓋体３０は、保守点検による冷媒容器２０内へのアクセスができるように、冷媒容器２０からの着脱が可能な状態で取り付けられている。例えば、蓋体３０と冷媒容器２０の相互間の凹凸形状による嵌合構造或いはボルト止め等周知の方法で蓋体３０が冷媒容器２０に対して固定される。
なお、この蓋体３０は、冷凍機４０と各電流リード９１，９１とを垂下支持するので、これらを支持することが可能な強度を有する材料から形成されていることが好ましい。具体的には、ＦＲＰ(Fiber Reinforced Plastics)やステンレス鋼等を蓋体３０の材料として用いることができる。

［超電導コイル］
また、前述した内側容器２１の内部には超電導機器としての超電導コイル９０が収容される。そして、蓋体３０には、超電導コイル９０に接続される二つの電流リード９１，９１が上下に貫通した状態で固定装備されている。各電流リード９１，９１は、一端が図示しない超電導コイル９０の電源装置に接続され、他端が冷媒容器２０内の超電導コイル９０から引き出されたケーブルにそれぞれが接続されている。そして、各電流リード９１，９１は、その表面にエポキシ等により絶縁被膜が形成されており、当該被膜を介して蓋体３０に密着装備されていることから、蓋体３０を冷媒容器２０から取り外すことにより、電流リード９１，９１を通じて超電導コイル９０を冷媒容器２０内から取り出すことができ、超電導コイル９０に対するメンテナンスを容易に行うことが可能である。

［電流リード］
上記各電流リード９１，９１は、導体としての金属棒状体（例えば、銅製）であり、いずれも内側容器２１内に規定量の液体窒素６０が収容された場合における規定液面６１よりも上側の位置に他の部位よりも熱抵抗の高い熱抵抗部９２，９２が形成されている。なお、二本の電流リード９１，９１は同一構造であり、各々の熱抵抗部９２，９２はいずれも同じ高さに設けられているので一方のみについて説明する。
電流リード９１は、径の等しい二本の金属棒状体の端部と端部とを突き合わせた状態でボルト締めによる圧着等により連結して形成されている。このように、二本の金属棒状体を連結すると、当該連結部は棒状体の他の部位よりも熱抵抗が高くなる性質があり、この性質を利用して、当該連結部を熱抵抗部９２として利用している。
また、各電流リード９１，９１は、二本の金属棒状体の端部と端部とを突き合わせた状態で保持するので、当該二本の金属棒状体の電気的接続状態を確保することができる。

図２は電流リード９１の上下方向における各位置の温度分布を示す線図である。この図では電流リード９１における液体窒素６０の液面高さの温度Ｔ１，熱抵抗部９２の下側近傍の位置の温度Ｔ２，熱抵抗部９２の上側近傍の位置の温度Ｔ３，熱抵抗部９２と蓋体３０の中間位置の温度Ｔ４，蓋体３０の下側近傍の高さの温度Ｔ５で測定を行い、これらから温度分布を求めている。なお、図２において、二点鎖線は電流リード９１に熱抵抗部９２を設けた場合の温度分布を示し、実線Ｌ１は電流リード９１に熱抵抗部９２を設けなかった場合の温度分布を示している。
また、図３には電流リード９１の上下方向の各部における熱抵抗と単位長さあたりの熱抵抗を示している。この図において「電流リード上部」とは、電流リード９１における熱抵抗部９２より上側から蓋体３０までの範囲を示し、「熱抵抗部」とは熱抵抗部９２の下端から上端までを示し、「電流リード下部」とは、電流リード９１における液面６１から熱抵抗部９２の下側までの範囲を示している。
なお、これらの測定において、電流リード９１には通電を行わず、冷媒容器２０の外部からの侵入熱のみを熱源としている。

図３に示すように、電流リード９１は、熱抵抗部９２より上側の部分と熱抵抗部９２より下側の部分とで位長さ当たりの熱抵抗がおよそ同程度の値であり、熱抵抗部９２の単位長さ当たりの熱抵抗はこれらよりも十分に大きくなっている。
仮に、電流リード９１に熱抵抗部９２を設けずに、単位長さ当たりの熱抵抗が均一であれば、図２の実線Ｌ１に示すように、下に向かうにつれてほぼ比例的に温度が下降して下端部では液体窒素の温度となる温度分布を示すことになる。しかし、熱抵抗部９２を設けた場合には図２の二点鎖線に示すように電流リード９１の上端部からの侵入熱が熱抵抗部９２以下には伝わりにくくなり、熱抵抗部９２より上の範囲ではＬ１に比べて全体的に温度が高くなると共に、熱抵抗部９２より下の範囲ではＬ１に比べて全体的に温度が低くなる。
つまり、電流リード９１は、熱抵抗部９２を境界として、熱進入源に近い方では全体的に温度が高くなり、熱進入源に遠い方は全体的に温度が低くなるという顕著な温度差を形成することができる。
そして、電流リード９１を通じた侵入熱は、内側容器２１内の冷媒（窒素）ガスの対流により周囲に伝えられるので、内側容器２１内における熱抵抗部９２より上側の領域と下側の領域とで雰囲気温度も顕著な温度差を形成することができるようになっている。

［冷凍機］
冷凍機４０は、蓄冷式のいわゆるＧＭ冷凍機であり、蓄冷材を内部に保有するディスプレーサ容器を上下に往復させるシリンダ部４１と、ディスプレーサ容器に上下の移動動作を付与するモータを駆動源とするクランク機構が格納された駆動部４２と、シリンダ部４１において最も低温となる低温伝達部４３に設けられた熱交換部材としての熱交換器４４とを備えている。
また、上記冷凍機４０には、図示しないコンプレッサ等が接続され、その内部に対して冷媒ガスの吸排気が行われるようになっている。

上記冷凍機４０は、蓋体３０の上面に駆動部４２が取り付けられ、シリンダ部４１は蓋体３０を貫通して冷媒容器２０の内側に垂下されている。
シリンダ部４１ではその内部で冷媒ガスが下方に移動する過程で断熱圧縮と吸熱が行われ、その下端部が最も低温状態となる。
そして、この最も低温となるシリンダ部４１の下端部に低温伝達部４３が形成されている。この低温伝達部４３は、シリンダ部４１の下部よりも底面積が大きな円形の平板状に形成されており、周囲との熱伝導性を高めるために設けられている。

熱交換器４４は、低温伝達部４３と同等又はそれ以上の熱伝導率の高い素材で形成されている。また、熱交換器４４の上部は低温伝達部４３の底面に密着し、下部は下方に延びる複数のフィンが形成されている。この構造により、熱交換器４４は、周囲の窒素ガス（冷媒ガス）との接触面積を拡張し、冷媒ガスとの熱伝導性がより高められており、冷媒ガスに対する高い冷却効果が得られる構造となっている。
そして、上記低温伝達部４３と熱交換器４４とが、冷凍機４０の冷却部として機能する。

［隔壁部］
隔壁部５０は、冷媒容器２０内において、冷凍機４０のシリンダ部４１に固定支持され、冷却部である低温伝達部４３及び熱交換器４４の上側とその周囲とを囲繞して、下方を除く全方向からの冷媒ガスを遮断している。
この隔壁部５０は、シリンダ部４１が貫通した状態で当該シリンダ部４１に固定された天板部５１と円筒状の側壁部５２とからなり、側壁部５２の上端部を塞ぐように天板部５１と側壁部５２が一体的に接合されている。また、この隔壁部５０は、低温伝達部４３及び熱交換器４４よりも熱伝導率の低い、例えば、ステンレス材、或いは、いわゆる断熱材、例えば、ＦＲＰ、グラスウール、発泡ウレタン等であって低温耐性のあるものから形成されている。

隔壁部５０の天板部５１は、外径が低温伝達部４３より幾分大きく且つ当該低温伝達部４３の上面に接触しないよう隙間を形成するか、接触したとしても最小の接触面積となるようにシリンダ部４１に固定されている。隔壁部から低温伝達部への侵入熱を防止するという点から、低温伝達部４３とは接触しないように天板部５１との間に隙間を形成する方が好ましい。
側壁部５２は、冷凍機４０の冷却部である低温伝達部４３及び熱交換器４４を囲繞する円筒状であって、その上端部が天板部５１の下面と一体的に接合されており、下端部が開放されている。そして、その内径が低温伝達部４３及び熱交換器４４の外径よりも幾分大きく、これらに接触しないように内包した状態となっている。
また、側壁部５２は、熱交換器４４のフィンの下端部とほぼ同じ高さまで下方に延出されている。これにより、隔壁部５０は、冷凍機４０の冷却部を周囲から囲繞し、周囲の窒素ガスの対流に冷却部が曝されないので、効率良く冷凍機４０により液体窒素の冷却を行うことができるようになっている。

［熱抵抗部と隔壁部との関係］
ここで、前述した熱抵抗部９２と隔壁部５０との関係について説明する。
図１においてＡは熱抵抗部９２の位置する高さを示し、Ｂは隔壁部５０の側壁部５２の下端部の位置する高さを示している。
図示のように、隔壁部５０の側壁部５２の下端部は、熱抵抗部９２よりも低い位置（より液体窒素６０の液面６１に近い位置）まで下方に延出されている（熱抵抗部９２と側壁部５２の下端部の位置関係をＡ＞Ｂと示すものとする）。
なお、熱抵抗部９２について上下方向の厚みを考慮するとしたならば、隔壁部５０の側壁部５２の下端部は、少なくとも熱抵抗部９２の上端部よりも低く、より望ましくは、熱抵抗部９２の下端部よりも低い位置まで下方に延出されている。

前述したように、電流リード９１は、熱抵抗部９２が存在しない場合に比べて、熱抵抗部９２より上側では全体的に高温となり、熱抵抗部９２より下側では全体的に低温となる温度分布を示す。従って、内側容器２１の内部において、熱抵抗部９２よりも上の領域では窒素ガスの対流で全体的に温度が高くなり、熱抵抗部９２よりも下の領域は上の領域よりも大きな温度差をもって温度が低くなる。
隔壁部５０は、その側壁部５２の下端部が熱抵抗部９２よりも低位置まで延出されているので、熱抵抗部９２よりも上の領域で生じる対流窒素ガス６２から冷凍機４０の冷却部を遮蔽することができる。これにより、電流リード９１を通じて冷媒容器２０の内部に侵入した熱により暖められた冷媒ガスを沸点近くまで冷却するための仕事分の冷却能力が不要となる。
一方、電流リード９１の熱抵抗部９２より下側の部位では電流リード９１が介する侵入熱の伝搬量が少ないので、熱抵抗部９２より下側の領域内の窒素ガスは侵入熱による温度上昇が少なくなり低温状態が維持される。そして、この低温の窒素ガスが隔壁部５０内で冷凍機４０の冷却部により冷却されて再液化するので、クライオスタット１０内では冷媒の効率的な冷却と再液化を行うことが可能となる。

図４Ａ〜図４Ｃを用いて、比較例であるクライオスタット１０Ａ，１０Ｂと上記クライオスタット１０の冷媒ガスによる熱量の影響を比較して説明する。なお、図４Ａ〜図４Ｃでは構成を簡略化して図示している。上記図４Ａは電流リード９１に熱抵抗部９２を設けないクライオスタット１０Ａを示し、図４Ｂは電流リード９１の熱抵抗部９２を隔壁部５０の下端部よりも低位置に設けたクライオスタット１０Ｂを示し、図４Ｃは前述したクライオスタット１０を示している。なお、図４Ａ〜図４Ｃのそれぞれの矢印は冷媒（窒素）ガスの対流の様子を示し、矢印の太さは窒素ガスの熱量を表している。
クライオスタット１０Ａの場合は、電流リード９１に熱抵抗部９２を設けていないので，電流リード９１を介する侵入熱が下端部まで伝わるので、隔壁部５０より下側の領域内の窒素ガスに伝わる熱量も多くなり、冷凍機４０の冷却部は侵入熱で暖められた窒素ガスを冷却・再液化するので、冷却効率は悪化する。
クライオスタット１０Ｂの場合は、電流リード９１の熱抵抗部９２までは電流リード９１を介する侵入熱が十分に伝わり、対流により隔壁部５０より下側の領域内の窒素ガスに伝わる熱量も多いので、冷凍機４０の冷却部は侵入熱で暖められた窒素ガスを冷却・再液化することとなり、冷却効率は悪化する。
クライオスタット１０の場合は、電流リード９１の熱抵抗部９２までは電流リード９１を介する侵入熱が十分に伝わるが、熱抵抗部９２より下側に伝わる侵入熱の量は低減されるので、隔壁部５０より下側の領域内の窒素ガスに伝わる熱量も低減され、冷凍機４０の冷却部は侵入熱の影響の少ない窒素ガスを冷却・再液化することとなり、冷却効率は向上する。

［第二の実施形態］
以下、本発明の第二の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図５は第二の実施の形態であるクライオスタット１０Ｃの垂直平面に沿った断面図である。
このクライオスタット１０Ｃは、各電流リード９１を囲繞する新たな隔壁部９３を備える点がクライオスタット１０と異なっている。以下、クライオスタット１０Ｃについて、クライオスタット１０と異なる点のみについて説明し、同一の構成については同一の符号付して重複する説明は省略するものとする。

上述したように、各電流リード９１は当該電流リード９１の周囲を囲繞する隔壁部９３を備えている。
隔壁部９３は、電流リード９１を内側に遊挿する断熱素材からなる筒状体であり、その上端部が蓋体３０の下面に接着等により取り付けられ、垂下状態で支持されている。
この隔壁部９３の形成素材である断熱材としては、例えば、ＦＲＰ、グラスウール、発泡ウレタン等であって低温耐性のあるものが使用される。
また、隔壁部９３の下端部は、電流リード９１の熱抵抗部９２よりも低位置であって液体窒素６０の液面６１よりも上方となる位置に設定されている。即ち、図５における熱抵抗部９２の位置する高さをＡ、隔壁部９３の下端部の位置する高さをＣとした場合、Ａ＞Ｃという位置関係になる。
なお、この場合も、熱抵抗部９２について上下方向の厚みを考慮すると、隔壁部９３の下端部は、少なくとも熱抵抗部９２の上端部よりも低い位置にあり、より望ましくは、熱抵抗部９２の下端部よりも低い位置まで下方に延出されている。

前述したように、電流リード９１は、熱抵抗部９２までの上側は外部からの侵入熱が伝わりやすく温度が高くなり、熱抵抗部９２より下側では侵入熱が伝わりにくいので温度が低い状態が維持される。
従って、電流リード９１における熱抵抗部９２より上の部分の周囲の窒素ガスは侵入熱により暖められて温度が上昇するが、その熱抵抗部９２の周囲は隔壁部９３により囲繞されているので、対流による隔壁部９３の外側の窒素ガスへの熱の伝達は阻止される。
また、電流リード９１における隔壁部９３の下端部よりも下側の部分は隔壁部９３に囲繞されていないが、この部分には熱抵抗部９２により侵入熱の伝達量は低減されているので、その隔壁部９３の下端部よりも下側の部分の周囲は窒素ガスに対する侵入熱の影響も低減される。
このため、冷凍機４０の冷却部は、熱抵抗部９２より上の温度の高い窒素ガスの影響は低減され、熱抵抗部９２より下側の低温の窒素ガスを冷却して再液化するので、クライオスタット１０Ｃ内では冷媒の効率的な冷却と再液化を行うことが可能となる。

なお、このクライオスタット１０Ｃでは、各電流リード９１の隔壁部９３の下端部が熱抵抗部９２よりも低位置であるため、図５に示すように、熱抵抗部９２を隔壁部５０の下端部よりも低位置に設けることも可能である。
また、各電流リード９１の隔壁部９３を備えているので、冷凍機４０の冷却部に設けられた隔壁部５０を削減することも可能である。その場合でも、隔壁部５０，９３のいずれも設けない構成のクライオスタットと比較して、冷媒の効率的な冷却と再液化を行うことが可能である。

図６Ａ及び図６Ｂを用いて比較例であるクライオスタット１０Ｄと上記クライオスタット１０Ｃの熱量の影響を比較して説明する。なお、図６Ａ及び図６Ｂでは構成を簡略化して図示している。上記図６Ａは電流リード９１に設けた熱抵抗部９２が冷凍機４０の隔壁部５０の下端部よりも低位置であって、電流リード９１の隔壁部９３の下端部は熱抵抗部９２よりも高位置であるクライオスタット１０Ｄを示し、図６Ｂは前述したクライオスタット１０Ｃを示している。
クライオスタット１０Ｄの場合は、電流リード９１の熱抵抗部９２までの上側は電流リード９１を介して侵入熱が伝わり、熱抵抗部９２の上部の一部が隔壁部９３に囲繞されていないので、対流により隔壁部５０より下側の領域内の窒素ガスに伝わる熱量も多くなり、冷凍機４０の冷却部は侵入熱で暖められた窒素ガスを冷却・再液化することとなり、冷却効率は悪化する。
クライオスタット１０Ｃの場合は、電流リード９１の熱抵抗部９２までの上側は電流リード９１を介して侵入熱が伝わるが、熱抵抗部９２より上の部分は全て隔壁部９３に囲繞されているので、暖められた窒素ガスによる対流そのものが抑えられ、隔壁部５０より下側の領域内の窒素ガスに伝わる熱量は低減され、冷凍機４０の冷却部は侵入熱の影響の少ない窒素ガスを冷却・再液化することとなり、冷却効率は向上する。

［比較試験］
図７は前述したクライオスタット１０，１０Ｃ，１０Ｄについて、六本三組からなる電流リード９１に400Aで通電し、その時の電流リード９１の複数箇所における温度を測定して求めた侵入熱量を示す図表である。
図７において、「侵入熱」は、電流リード９１の蓋体３０の下側近傍の位置、蓋体３０と熱抵抗部９２との中間位置、熱抵抗部９２の上側近傍の位置、熱抵抗部９２の下側近傍の位置の四箇所で測定した表面温度から算出を行っている。
また、図７における「発熱」は、各電流リード９１に400Aで通電を行った時に対を成す電流リード９１，９１間の電圧を測定し、電流値と電圧値とから算出した熱量の値である。
図７における「総熱量」は前述した「侵入熱」と「発熱」とを加算して求めた値である。

Ａ，Ｂ，Ｃの位置関係におけるＡは熱抵抗部９２の位置する高さ、Ｂは冷凍機４０の隔壁部５０の下端部の位置する高さ、Ｃは電流リード９１の隔壁部９３の下端部の位置する高さを示している。
そして、クライオスタット１０は、熱抵抗部９２の位置する高さＡが冷凍機４０の隔壁部５０の下端部の位置する高さＢより上に位置し、電流リード９１の隔壁部９３は備えていない（図４Ｃ参照）。
クライオスタット１０Ｃは、熱抵抗部９２の位置する高さＡが冷凍機４０の隔壁部５０の下端部の位置する高さＢより下に位置し、電流リード９１の隔壁部９３の下端部の位置する高さＣは熱抵抗部９２の位置する高さＡより下にある（図６Ｂ参照）。
クライオスタット１０Ｄは、熱抵抗部９２の位置する高さＡが冷凍機４０の隔壁部５０の下端部の位置する高さＢより下に位置し、電流リード９１の隔壁部９３の下端部の位置する高さＣは熱抵抗部９２の位置する高さＡより上にある（図６Ａ参照）。

これらのクライオスタット１０，１０Ｃ，１０Ｄについて侵入熱を比較したところ、クライオスタット１０，１０Ｃは侵入熱を低減し、クライオスタット１０Ｄは侵入熱が他の二つよりも顕著に多くなっていることが観測された。

［熱抵抗部の他の構造］
電流リード９１に設ける熱抵抗部の構造は、熱抵抗部の上側と下側との電気的接続が確保されるのであれば、前述した熱抵抗部９２に限らず、当該熱抵抗部が少なくともその上側、さらには下側よりも上下方向の単位長さ当たりの熱抵抗が大きくなる他の構造としても良い。
例えば、図８Ａでは、電流リード９１を構成する金属棒状体（例えば、銅製）と金属棒状体との間に、導電性を有し且つ金属棒状体の金属（銅）よりも熱抵抗の大きな素材を挟み込んで熱抵抗部９２Ｅを形成した場合を示している。
また、図８Ｂでは、電流リード９１の一部において外径を小さくすることで他の部位より断面積が小さい熱抵抗部９２Ｆを形成した場合を示している。
これら熱抵抗部９２Ｅ，９２Ｆも、熱抵抗部９２と同じようにその上側と下側とで一定の温度差を形成することができ、当該熱抵抗部９２と同じ作用効果を得ることが可能である。

［その他］
なお、隔壁部５０，９３は、それぞれ冷凍機４０の冷却部又は電流リード９１を囲繞する構造としているが、電流リード９１の熱抵抗部９２から冷凍機４０の冷却部への窒素ガスの対流を遮断する仕切り板又は仕切り壁であっても良い。その場合、仕切り板（壁）の上端部及び左右の両側部は蓋体３０の下面及び内側容器２１の内面と密着して対流の回り込みを防止でき、仕切り板（壁）の下端部は少なくとも熱抵抗部９２より低位置とすることが望ましい。

また、図５の例では、熱抵抗部９２の高さＡ、冷凍機４０の隔壁部５０の下端部の高さＢ、電流リード９１の隔壁部９３の下端部の高さＣについて、Ｂ＞Ａ、Ａ＞Ｃとする場合を例示したが、少なくともＡ＞Ｃについて満たされれば、Ｂの高さは変更可能である。例えば、Ａ＞Ｃ＞Ｂとしても良い。

また、二本の電流リード９１，９１において熱抵抗部９２，９２を同じ高さとする場合を例示したが、各電流リード９１，９１についてそれぞれが所定の条件（例えば図１の例ではＡ＞Ｂ、図５の例では少なくともＡ＞Ｃ、より望ましくはＢ＞Ａ＞Ｃ）を満たす範囲に熱抵抗部９２，９２を設けていれば、同じ高さとしなくとも良い。

また、蓋体３０は、例えば、中空構造として内部を真空化して断熱を図っても良いし、さらには、その中空内部にスーパーインシュレーション材を収容しても良い。
また、隔壁部５０は、天板部５１を設けずに円筒状の側壁部５２の上端部を上方に延長して蓋体３０の下面に直接取り付ける構造としても良い。

超電導線材や超電導薄膜を超電導状態とするために極低温温度で効率よく冷却する分野において利用可能性がある。

１０，１０Ｃ クライオスタット（冷却容器）
２０ 冷媒容器
２１ 内側容器
２２ 外側容器
３０ 蓋体
４０ 冷凍機（冷却手段）
４３ 低温伝達部（冷却部）
４４ 熱交換部（冷却部）
５０ 隔壁部
６０ 液体窒素
９０ 超電導コイル（冷却対象物）
９１ 電流リード
９２，９２Ｅ，９２Ｆ 熱抵抗部
９３ 隔壁部

Claims (6)

1. 内側に冷却対象物及び液体冷媒を収容する冷媒容器と、
   前記冷媒容器の上部開口を閉塞可能な蓋体と、
   前記蓋体に吊下支持されると共にその下端部に冷却部を備える冷却手段と、
   前記蓋体に吊下支持され、前記冷媒容器内部の前記冷却対象物に電流を流すための電流リードとを備え、
   前記電流リードは、前記冷媒容器内であって前記液体冷媒の液面よりも上となる位置に、その上側及び下側の部分よりも熱抵抗が高くなる熱抵抗部を備え、
   前記熱抵抗部と前記冷却手段の冷却部との間に、前記熱抵抗部よりも低位置まで下端部が延出された、断熱材料からなる隔壁部を設けたことを特徴とする冷却容器。
2. 前記隔壁部は、前記電流リードの前記熱抵抗部及びそれより上の部位の外周を覆う構造であることを特徴とする請求項１記載の冷却容器。
3. 前記隔壁部は、前記冷凍機の冷却部の外周を覆う構造であることを特徴とする請求項１又は２記載の冷却容器。
4. 前記熱抵抗部は、前記電流リードの他の部位よりもその断面積を縮小した構造であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の冷却容器。
5. 前記熱抵抗部は、分離された導体同士をつなぎ合わせた部位からなることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の冷却容器。
6. 前記熱抵抗部は、前記電流リードの他の部位よりも熱抵抗値の高い導電材料を介在させた構造であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の冷却容器。

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