KR100508210B1

KR100508210B1 - 단결정 인상장치용 초전도 자석장치에 있어서의 냉동기의장착구조 및 냉동기의 유지보수 방법

Info

Publication number: KR100508210B1
Application number: KR10-2003-0079058A
Authority: KR
Inventors: 미츠보리히토시
Original assignee: 스미도모쥬기가이고교 가부시키가이샤
Priority date: 2003-10-15
Filing date: 2003-11-10
Publication date: 2005-08-17
Also published as: JP4749661B2; JP2005123313A; KR20050036682A; US20050166600A1; US7000408B2

Abstract

냉동기를 조합하는 초전도 자석장치가 극저온 상태인 채로 간편하게 유지보수 작업을 행할 수가 있도록 한다.

단결정 인상장치용 초전도 자석장치의 초전도 코일이 수용되는 진공용기(10) 내에 삽입되어 초전도 코일의 냉각을 행하는 냉동기(R)로서, 모터 구동부(M)와 이에 장착되어 모터 구동부에 의하여 구동되는 디스플레이서와 디스플레이서를 왕복동 가능하게 수용하고 있는 냉각 실린더를 포함하는 냉동기를 진공용기에 장착하기 위한 장착구조이다. 진공용기에는, 그 진공영역과 격리 절연한 상태로 냉각 실린더를 수용하기 위한 슬리브로서 진공용기의 벽에 가까운 장소에 개구를 가지는 슬리브(2)가 설치되어 있다. 냉각 실린더에 있어서의 디스플레이서 삽입 통과용의 개구에는, 디스플레이서를 삽입 통과한 상태에서 모터 구동부가 장착됨과 동시에 슬리브 내의 공간을 밀봉할 슬리브 내에 삽입 통과되는 통 형상부(41-2)를 가지는 제1 플랜지(41)가 설치되어 있어서, 제1 플랜지 및 냉각 실린더를 남기고 모터 구동부와 디스플레이서를 꺼내서 새로운 디스플레이서와 교환 가능하게 하였다.

Description

단결정 인상장치용 초전도 자석장치에 있어서의 냉동기의 장착구조 및 냉동기의 유지보수 방법{Installation structure of refrigerator in superconductive magnetizing device for pulling up device of single crystal and maintenance method of the freezer}

본 발명은, 냉동기 냉각형 크라이오스태트에 있어서의 냉동기의 진공용기에의 장착구조 및 냉동기의 유지보수 방법에 관한 것으로서, 특히 단결정 인상장치용 초전도 자석장치에 있어서의 냉동기의 장착구조 및 냉동기의 유지보수 방법에 관한 것이다.

크라이오스태트(극저온 진공용기)의 냉각수단으로서 근년, 액체 헬륨에 대신하여 도 11에 나타내는 바와 같은 GM 냉동기(R)가 사용되고 있다. GM 냉동기(R)의 구조는 대별하여 모터 구동부(M)와, 복수단(여기에서는 2단)의 냉각 실린더(C1, C2)와, 축열체를 내장하여 모터 구동부(M)에 의하여 실린더(C1, C2) 내를 왕복동하는 디스플레이서(D1, D2)로 구성되어 있다. 제1단 냉각 실린더(C1)의 하단부에는 제1단 콜드 헤드(H1), 제2단 냉각 실린더(C2)의 하단부에는 제2단 콜드 헤드(H2)가 각각 형성되어 있다. 제1단 냉각 실린더(C1)의 상부 개구 둘레에는, 모터 구동부(M)를 장착하기 위하여 및 후술되는 진공용기에의 장착을 위한 플랜지(4)가 설치되어 있다. 디스플레이서(D1, D2)는 플랜지(4)의 개구를 통하여 제1단, 제2단 냉각 실린더(C1, C2) 내에 삽입된다.

상기 2단의 콜드 헤드(H1, H2)를 가지는 GM 냉동기(R)에 있어서는, 제1단 콜드 헤드(H1)에서 70 ~ 40K로, 제2단 콜드 헤드(H2)에서 20 ~ 4K까지 극저온으로 하는 것이 가능하며, 각 단의 콜드 헤드에 의하여 피냉각물이 소정 온도까지 냉각된다(예컨대, 특허문헌 1 참조).

그런데, 실리콘 단결정 제조에 있어서, 다결정 실리콘을 용융하여 단결정 종결정으로 결정 성장시키는 쵸크랄스키법(CZ법)이 알려져 있다. 용융 실리콘은 용융로 내에서 용융하기 때문에 열대류가 발생하여 생성하는 단결정의 품질이 저하되는 경우가 있다. 그래서, 생성한 단결정의 품질 향상 등을 목적으로, 용융 실리콘에 자계를 인가하여 전자제동에 의하여 대류를 억제하는 방법이 알려져 있다. 이 방법은, 자계인가식 쵸크랄스키법(MCZ법)이라고 불리우고 있다. 자계의 인가 방향으로서는, 용융 실리콘의 액면에 대하여 수직 방향의 수직자장, 수평 방향의 수평자장, 카스프 자장을 인가하는 것이 알려져 있다. 그리고, 자계인가 수단으로서 GM 냉동기를 구비한 초전도 자석장치가 사용되고 있다.

상기 GM 냉동기(R)를 단결정 인상장치용 초전도 자석장치의 냉각에 장시간(가동 약 1만 시간) 사용하는 경우에는 필히 GM 냉동기(R)의 유지보수가 필요하다. 통상의 유지보수는 항시 운동하고 있는 부분의 부품 교환과 점검이다. 이 유지보수 작업을 행하는 경우에는, 모터 구동부(M)와 이에 연결되어 있는 디스플레이서(D1, D2)를 제1단, 제2단 냉각 실린더(C1, C2)에서 끌어내서, 꺼내는 것이 필요하다.

하지만, 저온으로 냉각되어 있는 디스플레이서(D1, D2)를 대기중에서 제1단, 제2단 냉각 실린더(C1, C2)에서 끌어내면, 순식간에 제1단, 제2단 냉각 실린더(C1, C2)의 내면에 공기중의 수분이 부착하여 빙결막이 되어 제1단, 제2단 냉각 실린더(C1, C2)의 내면을 덮는다. 부착한 빙결막은 드라이어 등으로 일시적으로는 제거할 수 있다. 그러나, 제1단, 제2단 냉각 실린더(C1, C2)는 극저온의 진공용기 속에 있어서 계속 냉각되므로, 다시 제1단, 제2단 냉각 실린더(C1, C2)의 내면에 빙결막이 생겨버리고, 결국, 유지보수 작업이 불가능하게 된다.

그래서, 단결정 인상장치는 물론, 초전도 자석장치를 정지하여 초전도 자석장치 전체를 상온으로 되돌린 후에 작업을 하지 않으면 안되었다. 초전도 자석장치를 정지한 후, 초전도 자석장치가 4K에서 상온으로 되돌아갈 때까지의 필요 시간은, 코일의 크기에도 의하지만, 6일에서 20일 정도이다. 그리고, 그로부터 1일 걸려서 초전도 자석장치에 구비되어 있던 수대의 GM 냉동기를 교환한다. 이어서, 코일 승온시와 마찬가지의 날짜를 걸려서 코일을 냉각하여, 코일이 4K로 된 시점에서 처음으로 단결정 인상장치의 운전이 재개된다. 이상과 같이, GM 냉동기의 유지보수에는 도합 2주간에서 1달 반 가까이의 날짜가 걸려서, 이 사이의 단결정 인상장치의 운전이 정지하여, 큰 조업손실이 발생해 버린다.

그래서, 유지보수의 필요가 있는 GM 냉동기는 부품교환 작업을 행하지 않고, 제1단, 제2단 냉각 실린더(C1, C2)를 포함하는 GM 냉동기 1세트를 유지보수 끝낸 것과 전체를 교환하는 것이 고안되어서, 도 12에 나타내는 구조의 것이 제안되어 있다.

즉, 진공용기(100)의 상판(111)에, 진공용기(100) 내의 진공영역과 격리 절연하기 위한, 상방에 개구부를 가지는 슬리브(2)를 설치한다. 그리고, 슬리브(2)의 상방 개구부로부터 GM 냉동기(R)의 제1단, 제2단 냉각 실린더(C1, C2)를 삽입하여, 제1단, 제2단 냉각 실린더(C1, C2)를 진공용기(100) 내의 진공영역과 격리 절연한 상태로 GM 냉동기(R)를 설치한다.

슬리브(2)는, 하단에 제1단 냉각 플랜지(F1)를 설치하고 있는 제1단 슬리브(2a)와, 제1단 냉각 플랜지(F1)에 상단이 접속되고 하단부에 제2단 냉각 플랜지(F2)가 설치되어 있는 제2단 슬리브(2b)를 가진다. 제1단 슬리브(2a)의 개구부 둘레에는 진공용기(100)의 상판(111)에 기밀하게 볼트 장착하기 위한 플랜지(F3)가 용접되어 있다. 앞에서 말한 바와 같이, 플랜지(4)도 또한 진공용기(100)의 상판(111)에 볼트 장착된다. 제1단 냉각 플랜지(F1)에는 열 차단 용기(106)의 상판부가 열전달 가능하게 장착되어 있다. 또한, 제2단 냉각 플랜지(F2)에는 초전도 자석장치 등의 피냉각재가 열전달 가능하게 접촉하고 있다.

그리고, 도 12에 있어서, GM 냉동기(R)의 제1단 콜드 헤드(H1)와 제1단 냉각 플랜지(F1)의 접촉면 및, 제2단 콜드 헤드(H2)와 제2단 냉각 플랜지(F2)의 접촉면에는, 이들 접촉면의 열접촉을 높이기 위하여, 각각 약 0.5 ~ 1mm 두께의 인듐 시트(3a, 3b)가 삽입되어 있다. 이하에서는, 이들 접촉면을 열접촉 계면이라 부른다.

도 12에서는, 슬리브(2)는 그 두께를 무시하여 하나의 선으로 그려져 있고, 슬리브(2)의 내면과 제1단, 제2단 냉각 실린더(C1, C2)의 외면 사이에는 열접촉 계면을 제외하고 스페이스가 존재한다. 열접촉 계면은, 제1단, 제2단 냉각 실린더(C1, C2)의 연장 방향에 직각인 면이다.

<특허문헌 1> 일본국 특허공개 2001-230459호 공보

상기와 같은 슬리브(2)를 사용함으로써, 초전도 자석장치를 상온으로 되돌리지 않고 GM 냉동기 1세트를 전체 교환하는 것이 가능하다. 하지만, 상기 제안에 의한 방법에 있어서도, 새로 GM 냉동기를 장착할 때에 문제가 있다. 즉, 슬리브(2)에서 제1단, 제2단 냉각 실린더(C1, C2)를 포함하는 GM 냉동기 1세트를 꺼내서 전체를 교환하는 때에는, 어쩔 수 없이 대기 폭로가 필요해진다. 이 경우, 극저온이 되어 있는 슬리브(2) 내에 공기가 혼입하여 버리고, 새로 삽입되는 GM 냉동기의 콜드 헤드와 슬리브(2)의 열접촉 계면에 공기 등에 의하여 형성되는 빙결막이 생겨서, 열접촉(열전도 성능)이 저하되어 버린다.

상기 슬리브(2)를 사용한 유지보수 방법의 문제점을 들면, 이하와 같다.

(1) 교환시에 공기 등의 혼입을 방지하는 실드 유닛이 필요하다.

(2) 교환은 그 실드 유닛 내에서의 작업이 된다.

(3) 열접촉 계면에 개재하는 인듐 시트가 급냉각되어서 경화되어, 콜드 헤드 접촉시의 유연성이 없어진다.

(4) 교환시에 GM 냉동기의 제1단, 제2단 냉각 실린더(C1, C2)가 기울어져서 삽입, 고정되면, 열접촉 계면의 접촉면적이 감소되어 버린다.

(5) 교환 불량의 경우에도 수정이 불가능하다.

(6) 교환작업 절차가 많고, 작업 숙련도가 필요하다.

그래서, 본 발명의 과제는, 냉동기를 조립되는 초전도 자석장치가 극저온 상태 그대로에서 게다가 실드 유닛 없이 간편하게 유지보수 작업을 행할 수가 있도록 하는 것이다.

본 발명에 의하면, 초전도 자석장치의 초전도 코일이 수용되는 진공용기 내에 삽입되어 초전도 코일의 냉각을 행하는 냉동기로서, 모터 구동부와 이 모터 구동부에 장착되어 이 모터 구동부에 의하여 구동되는 디스플레이서와 이 디스플레이서를 왕복동 가능하게 수용하고 있는 냉각 실린더를 포함하는 냉동기를 상기 진공용기에 장착하기 위한 장착구조에 있어서, 상기 진공용기는, 중앙에 단결정 인상장치를 수용하기 위한 중공(中空) 공간을 가지는 2중원통형이고, 상기 진공용기에는, 이 진공용기 내의 진공영역과 격리 단절한 상태에서 상기 냉각 실린더를 수용하기 위한 슬리브로서 이 진공용기의 벽에 가까운 장소에 개구를 가지는 슬리브가 설치되어 있으며, 상기 냉각 실린더는, 그 일부가 상기 슬리브와 면(面)접촉하고 있고, 상기 냉각 실린더에 있어서의 상기 디스플레이서 삽입 통과용의 개구에는, 상기 디스플레이서를 삽입한 상태에서 상기 모터 구동부가 장착됨과 동시에 상기 슬리브 내의 공간을 밀봉할 상기 슬리브 내에 삽입 통과되는 통 형상부를 가지는 제1 플랜지가 설치되어 있으며, 상기 통 형상부와 이에 대향하는 상기 슬리브의 내벽과의 사이에는 밀봉 링이 설치되어 있고, 상기 제1 플랜지 및 상기 냉각 실린더를 남기고 상기 모터 구동부와 상기 디스플레이서를 꺼내서 새로운 디스플레이서와 교환 가능하게 한 것을 특징으로 하는 단결정 인상장치용 초전도 자석장치에 있어서의 냉동기의 장착구조가 제공된다.

본 발명에 의한 냉동기의 장착구조에 있어서는, 상기 진공용기 내에, 상기 중공 공간을 사이에 두고 서로 대향하는 세로형 배치의 초전도 코일의 쌍이 적어도 2쌍 설치되어 있고, 서로 이웃하는 쌍에 있어서 서로 인접하는 초전도 코일의 중심축이 이루는 각을 90도 이하로 하며, 게다가 그들의 합성발생 자속이 상기 중공 공간에 있어서의 상하 방향의 중심축을 통과하는 수평자장이 되도록 하고 있다.

본 발명에 의한 냉동기의 장착구조에 있어서는 또한, 상기 진공용기 내에, 상기 중공 공간을 사이에 두고 서로 대향하는 세로형 배치의 초전도 코일의 쌍이 적어도 2쌍 설치되어 있고, 서로 이웃하는 쌍에 있어서 서로 인접하는 초전도 코일의 중심축이 이루는 각을 90도로 하며, 게다가 그들 합성발생 자속이 상기 중공 공간에 있어서의 상하 방향의 중심축을 통과하지 않는 카스프 자장이 되도록 하여도 좋다.

본 발명에 의한 냉동기의 장착구조에 있어서는 더욱이, 상기 진공용기 내에, 상기 중공 공간을 에워싸도록 한 수평배치형 링 형상의 초전도 코일을 상하에 배치하고, 이들 상하의 초전도 코일에 의하여 상측에서 하측으로 향하는 평행자속에 의한 세로자장 혹은 하측에서 상측으로 향하는 평행자속에 의한 세로자장을 형성하도록 하여도 좋다.

본 발명에 의한 냉동기의 장착구조에 있어서는 더욱이, 상기 진공용기 내에, 상기 중공 공간을 에워싸도록 한 수평배치형 링 형상의 초전도 코일을 상하로 배치하고, 이들 상하의 초전도 코일에 의한 발생자속을 역방향으로 함으로써, 상기 중공 공간에 있어서의 상하 방향의 중심축을 통과하지 않는 카스프 자장을 형성하도록 하여도 좋다.

본 발명에 의한 냉동기의 장착구조에 있어서는, 상기 슬리브의 개구부 근방에, 상기 제1 플랜지와 대향하는 제2 플랜지를 상기 진공용기에서 약간 돌출하도록 하여 이 진공용기와 일체로 설치하고, 상기 제1 플랜지와 상기 제2 플랜지의 사이를 제1 볼트로 조이도록 하며, 게다가 상기 제1 플랜지와 상기 제2 플랜지의 사이에는, 상기 통 형상부가 상기 슬리브에 삽입될 때에 상기 디스플레이서에 의한 상기 냉각 실린더의 기울어짐을 규제하기 위한 가이드핀이 적어도 1개 설치되는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 냉동기의 장착구조에 있어서는, 상기 제1 볼트는 상기 제2 플랜지측에서 상기 제1 플랜지측으로 향하여 삽입되어 이 제2 플랜지를 헐렁하게 끼운 상태로 관통하여 두고, 이 제1 볼트의 머리부분과 이 머리부분이 대향하는 상기 제2 플랜지와의 사이에, 스프링 와셔를 개재시키고 있는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면 또한, 상기의 단결정 인상장치용 초전도 자석장치에 있어서의 냉동기의 장착구조에 적용되는 냉동기의 유지보수 방법으로서, 상기 냉각 실린더의 일부와 상기 슬리브와의 면접촉은, 상기 냉각 실린더의 연장방향에 관하여 직각인 면에 있어서 행하여져 있고, 상기 제2 플랜지에는, 이 제2 플랜지에 나사삽입되어 상기 제1 플랜지에 닿도록 된 제2 볼트가 설치되어 있으며, 상기 디스플레이서의 교환 작업에 즈음하여는, 상기 제1 볼트에 의한 조임을 완화시킨 후에 상기 제2 볼트에 의하여 상기 제1 플랜지를 밀어올려서 상기 통 형상부를 수mm 정도 끌어 내도록 함으로써, 상기 슬리브와 상기 냉각 실린더 사이의 밀봉을 유지한 상태로 상기 면접촉을 해제하고, 상기 모터 구동부를 상기 제1 플랜지에서 꺼내서 상기 디스플레이서와 함께 상기 냉각 실린더에서 꺼내도록 하며, 상기 냉각 실린더 내를 승온시킨 후, 새로운 모터 구동부와 디스플레이서의 조합체를 상기 제1 플랜지를 통하여 상기 냉각 실린더 내에 삽입하고, 이어서 배력장치로 냉동기 전체에 가압력을 작용시켜서 상기 통 형상부를 원래 위치로 밀어 복귀시켜서 상기 냉각 실린더의 일부와 상기 슬리브를 면접촉시킨 후, 상기 제1 볼트에 의한 조임을 행하도록 한 것을 특징으로 하는 단결정 인상장치용 초전도 자석장치에 있어서의 냉동기의 유지보수 방법이 제공된다.

본 발명에 의한 냉동기의 유지보수 방법에 있어서는, 상기 배력장치는, 상기 모터 구동부의 머리부분 측에 배치되는 베이스판과, 이 베이스판과 상기 모터 구동부의 머리부분 측 사이에 배치되는 신장력 발생기구와, 상기 베이스판과 상기 제2 플랜지 각각에 걸리는 걸쇠를 상하 양측에 가지는 적어도 2매의 대략 ㄷ자 형상의 조임판을 포함하며, 상기 베이스판의 상승운동을 상기 조임판에서 구속한 상태에서 상기 신장력 발생기구에 의하여 상기 베이스판과 상기 모터 구동부의 머리부분을 분리하는 힘을 발생시켜서 상기 냉동기 전체에 가압력을 작용시키도록 한 것이다.

< 실시예 >

먼저, 도 2를 참조하여, 본 발명에 의한 유지보수의 대상이 되는 냉동기의 장착 구조에 대하여 설명한다. 본 예는 GM 냉동기에 적용한 경우이다. 본 구조의 특징은, 슬리브(2)의 개구부에 있어서의 플랜지(21)(제2 플랜지)와, 이에 대응하는 장소의 제1단 냉각 실린더(C1)의 상부 개구 둘레에 설치된 플랜지(41)(제1 플랜지), 및 이들의 주변 구조에 있다. 다른 부분의 구조는, 도 11, 도 12에서 설명한 것과 실질상 동일하며, 따라서 동일 부분에는 동일 참조번호를 붙이고 있다. 그리고, 슬리브(2)는 진공용기(10)와 일체화되어 있다. 즉, 슬리브(2)는 플랜지(21)를 가지는 형태로 진공용기(10)에 용접 등에 의하여 고착되어 있어도 좋고, 진공용기(10)에 설치된 플랜지(21)에 슬리브(2)가 용접 등에 의하여 고착되어 있어도 좋다. 이하에서는, 전자의 경우에 대하여 설명한다.

GM 냉동기는, 초전도 자석장치가 수용되는 진공용기(후술한다)에 삽입되어 초전도 코일의 냉각을 행하는 것으로서, 모터 구동부(M)와, 모터 구동부(M)에 장착되어 모터 구동부(M)로 구동되는 디스플레이서(도시 않음)와, 이 디스플레이서를 왕복동 가능하게 수용하고 있는 냉각 실린더를 포함한다. 냉각 실린더는, 여기서는 제1단, 제2단 냉각 실린더(C1, C2)로 이루어진다.

제1단 냉각 실린더(C1)의 하단부에는 제1단 콜드 헤드(H1)가, 제2단 냉각 실린더(C2)의 하단부에는 제2단 콜드 헤드(H2)가 각각 형성되어 있다. 제1단 냉각 실린더(C1)의 상부 개구 둘레에는, 모터 구동부(M)를 장착함과 동시에 진공용기에의 장착, 엄밀히 말하면 플랜지(21)를 통한 진공용기에의 장착을 위한 플랜지(41)가 설치되어 있다. 디스플레이서는 플랜지(41)의 개구를 통하여 제1단, 제2단 냉각 실린더(C1, C2) 내에 삽입된다.

슬리브(2)는, 하단에 제1단 냉각 플랜지(F1)를 설치하고 있는 제1단 슬리브(2a)와, 제1단 냉각 플랜지(F1)에 상단이 접속되고 하단부에 제2단 냉각 플랜지(F2)가 설치되어 있는 제2단 슬리브(2b)를 가진다. 제1단 슬리브(2a)의 개구부 둘레에는 진공용기(10)에의 장착을 위한 플랜지(21)가 설치되어 있다. 플랜지(21)의 약간 하방에는, 플랜지(21)와 마찬가지의 플랜지 형상의 것이 나타나 있지만, 이는 후술되는 진공용기의 벽체의 일부가 되는 것이다. 환언하면, 플랜지(21)는, 진공용기에서 약간 돌출하도록 설치된다. 그 이유도, 후술하는 설명에서 밝혀진다.

그리고, 본 예에 있어서도, GM 냉동기(R)의 제1단 콜드 헤드(H1)와 제1단 냉각 플랜지(F1)의 열접촉 계면 및, 제2단 콜드 헤드(H2)와 제2단 냉각 플랜지(F2)의 열접촉 계면에는, 이들의 접촉면의 열접촉을 높이기 위하여, 각각 약 0.5 ~ 1mm 두께의 인듐 시트(3a, 3b)가 설치되어 있다.

본 GM 냉동기(R)에 있어서도, 제1단 콜드 헤드(H1)에서 70 ~ 40K로, 제2단 콜드 헤드(H2)에서 20 ~ 4K까지 극저온으로 하는 것이 가능하고, 각 단의 콜드 헤드에 의하여 피냉각물이 소정 온도까지 냉각된다. 즉, 도 12에서 설명한 바와 마찬가지로, 제1단 냉각 플랜지(F1)에는 진공용기 내에 배치되는 열복사 실드체(후술한다)의 상판부가 열전달 가능하게 장착되고, 제2단 냉각 플랜지(F2)에는 초전도 자석장치의 초전도 코일이 열전달 가능하게 장착된다.

도 2에서도, 슬리브(2)는 그 두께를 무시하여 하나의 선으로 그리고 있고, 슬리브(2)의 내면과 제1단, 제2단 냉각 실린더(C1, C2)의 외면과의 사이에는 열접촉 계면을 제외하고 스페이스가 존재한다. 열접촉 계면은, 제1단, 제2단 냉각 실린더(C1, C2)의 연장방향에 직각인 면이다.

슬리브(2)의 플랜지(21)에 대응하는 장소, 즉 제1단 냉각 실린더(C1)의 상부 개구 둘레에 설치된 플랜지(41)는, 디스플레이서를 삽입 통과한 상태로 모터 구동부(M)를 장착하기 위한 링 형상의 판부재(41-1)와, 이 판부재(41-1)와 함께 슬리브(2) 내의 공간을 밀봉할 슬리브(2)의 상부에 삽입 통과되는 통 형상부(41-2)를 가진다. 판부재(41-1)와 통 형상부(41-2)는 볼트(도시 않음) 등에 의하여 일체화되고, 이들의 접합부에는 밀봉용 O 링(밀봉 링)(41-3)이 설치되어 있다. 이와 같이 하여, 제1단, 제2단 냉각 실린더(C1, C2)는, 진공용기 내의 진공영역과 격리 절연한 상태로 슬리브(2)에 수용된다.

그리고, 통 형상부(41-2)와 이에 대향하는 슬리브(2)의 내벽 사이를 고무제의 O 링(밀봉 링)(42)으로 밀봉하도록 하고 있다. 이는, 후에 설명되는 바와 같이, 통 형상부(41-2)는 슬리브(2)에 대하여 상하 운동 가능하게 되어 있기 때문에, 슬리브(2)의 내면과 통 형상부(41-2)의 외면 사이에는 근소한 틈이 있어서, 이 틈을 통한 밀봉 누설을 방지하기 위한 것이다.

플랜지(41)와 플랜지(21)의 사이는, 등각도 간격을 두고 설치되는 복수의 볼트(43)(제1 볼트)로, 플랜지(21)의 하측에서 조이도록 하고 있다. 그리고, 후술하는 이유에 의하여, 볼트(43)는 플랜지(21)에는 헐렁하게 끼운 상태로 삽입되어 있다. 도시하고 있지 않지만, 플랜지(21)에는 또한, 그 하면 측에서 나사삽입되어 플랜지(41)의 하면측에 닿는 복수의 볼트(제2 볼트)가 설치된다. 이들 복수의 제2 볼트는, 예컨대 볼트(43) 사이에 설치되어도 좋으며, 그 사용 목적에 대해서는 후술한다. 이에 더하여, 플랜지(41)와 플랜지(21)에는, 통 형상부(41-2)가 슬리브(2)에 삽입될 때에 디스플레이서에 의하여 제1단, 제2단 냉각 실린더(C1, C2)에 기울어짐이 생겨 버리는 것을 규제하기 위한 가이드핀(44)이 적어도 1개, 여기서는 90도의 등각도 간격을 두고 4개 설치되어 있다. 가이드핀(44)은 플랜지(21)에 세워서 설치되며, 이에 대응하는 통 형상부(41-2) 및 판부재(41-1)에 관통 구멍이 설치되어 있다.

더욱이, 복수의 볼트(43)의 전부, 혹은 몇개인가의 볼트(43)의 머리부분과 이 머리부분이 대향하는 플랜지(21)의 사이에는, 스프링 와셔(45)를 개재시키고 있다. 스프링 와셔(45)는, 볼트(43)를 거쳐서 플랜지(41)를 도면 중 하측으로 밀려는 가세력을 발생시킨다. 즉, 최초의 냉각 개시시에 제1단 냉각 실린더(C1)가 냉각됨으로써, 제1단 냉각 실린더(C1)는 수축된다. 이에 의하여, 제1단 콜드 헤드(H1)가 제1단 냉각 플랜지(F1)으로부터 떨어지려고 하지만, 스프링 와셔(45)에 의하여 제1단 냉각 실린더(C1)가 밀려 내려감으로써, 제1단 콜드 헤드(H1)와 제1단 냉각 플랜지(F1) 사이의 면접촉이 유지된다. 46은, 슬리브(2)와 제1단, 제2단 냉각 실린더(C1, C2) 사이 공간의 진공 유도를 행하기 위하여 진공 펌프 등의 감압수단이 접속되는 커넥터이다. 즉, GM 냉동기(R)가 최초로 진공용기에 장착된 때에는, 커넥터(46)에 감압수단을 접속하여 슬리브(2)와 제1, 제2 냉각 실린더(C1, C2) 사이의 스페이스의 진공 유도가 행해진다.

도 3a 및 도 3b를 참조하여, 본 발명이 적용되는 냉동기 냉각형 초전도 자석장치의 개요에 대하여 설명한다. 도 3a 및 도 3b에 있어서, 이 초전도 자석장치는, 중앙부에 중공(中空) 공간(대기(大氣) 공간)을 가지는 2중 원통 형상의 진공용기(10)와, 진공용기(10) 내에 세로로 배치되어 수평자장을 발생하기 위한 2쌍의 솔레노이드 형상의 초전도 코일(11a ~ 11d)과, 각 초전도 코일을 냉각하기 위한 GM 냉동기(도시 않음)를 포함한다.

본 예에서는 특히, 2쌍의 초전도 코일(11a ~ 11d)을, 일방의 쌍의 초전도 코일(11a와 11b), 타방의 쌍의 초전도 코일(11c와 11d)가 각각 중공 공간을 사이에 두고 서로 대향하고, 또한 일방의 쌍의 초전도 코일(11a와 11b)의 중심을 연결하는 선분(L1)과 타방의 쌍의 초전도 코일(11c와 11d)의 중심을 연결하는 선분(L2) 사이의 배치각(θ)이 40°≤ θ ≤ 90°가 되도록 인접시켜서 고정 배치하고 있다. 이 초전도 자석장치는, 예컨대 MCZ법에 의한 단결정 인상장치용 자장 발생장치로서 사용된다.

도 1을 참조하여, 진공용기(10)는 단결정 인상장치의 주위를 에워쌀 수 있는 2중 원통 구조를 가지고 있다. 단결정 인상장치는 진공용기(10)의 내측에 형성되는 중공 공간에 배치된다. 진공용기(10)에는, 통상 2개 이상의 GM 냉동기(R)(도 1에서는 1개만 도시)가 구비된다. 여기서는, GM 냉동기(R)는 진공용기(10)의 상측에서 삽입 가능하게 되어 있지만, 하측에서 삽입되는 경우도 있다. 전술한 2쌍의 초전도 코일(11a ~ 11d)(11b만 도시)은, 단결정 인상장치의 용융로 내의 용융 실리콘에 대하여 여기서는 수평자계를 부여한다.

2쌍의 초전도 코일(11a ~ 11d) 및 이들을 지지하고 있는 구조체(13)는, 슬리브(2)의 하부와 함께, 진공용기(10) 내에 배치된 2중 원통형의 열복사 실드체(15)에 수용되어 있다. 이 열복사 실드체(15)는, 복사열의 침입을 방지하기 위한 것이다. 슬리브(2)는, 열복사 실드체(15)의 상부를 관통하여 하방으로 뻗어 있다. 열복사 실드체(15)와 슬리브(2) 사이의 열수축에 의한 응력 발생을 방지하기 위하여, 슬리브(2)의 제1단 냉각 플랜지(F1)와 열복사 실드체(15) 사이는, 망선(網線)이나 다층판에 의한 가요성(可撓性) 열전달체(25a)로 연결되어 있다. 초전도 코일(11a ~ 11d), 구조체(13), 및 열복사 실드체(15)는, 진공용기(10) 내의 바닥부에 설치된 복수의 수직 방향 하중 지지체(16)로 지지되어 있다.

진공용기(10)의 측벽에는, 이 측벽을 밀봉 상태로 관통함과 동시에, 열복사 실드체(15)를 관통하여 구조체(13)에 연결된 복수의 수평 방향 하중 지지체(17)를 설치하고 있다. 진공용기(10)의 외주에는 상면 자기 실드체(26-1), 측면 자기 실드체(26-2), 및 하면 자기 실드체(26-3)로 이루어지는 자기 실드체(26)를 설치하여, 외주부의 누설 자계를 저감할 수 있도록 하고 있다.

슬리브(2)의 제2단 냉각 플랜지(F2)는, 구조체(13)에 설치된 접속부(13-1) 가까이에 위치하고 있다. 그리고, 제2단 냉각 플랜지(F2)와 접속부(13-1) 사이를, 가요성을 가지는 다층판 형상 열전달부재(14)로 접속하고 있다. 그 결과, 코일 고정용 구조체(13)와 슬리브(2) 사이의 열수축에 의한 응력 발생이 방지된다.

그런데, 도 3a 및 도 3b의 코일 배치는 수평 자장을 발생시키는 예로서, 도 3b에 나타내는 바와 같이, 2쌍의 초전도 코일의 합성자계 방향이 거의 같은 방향이고, 초전도 자석장치의 중심(진공용기의 중공 공간의 중심)을 자장이 횡단하도록 하고 있다.

도 4a, 도 4b ~ 도 6을 참조하여, 도 3a 및 도 3b의 코일 배치와는 다른, 진공용기 내에 있어서의 코일 배치의 다른 예를 설명한다. 도 4a, 도 4b, 도 5는, 카스프 자장 발생용 코일 배치를 나타낸다. 도 4a 및 도 4b에 나타내는 코일 배치와 도 5에 나타내는 코일 배치는, 카스프 자장을 발생시킨다는 점에서는 동일하지만, 이하의 점에서 다르다. 즉, 도 5에서는 2개의 초전도 코일(71a, 71b)이 중심축을 상하 방향으로 향하여, 말하자면 수평으로 하여 상하로 배치되어 있지만, 도 4a 및 도 4b의 예에서는, 뒤에 상세히 설명되는 바와 같이, 초전도 코일은 세로, 즉 코일 중심축이 수평 방향을 향하도록 한 상태에서 배치되어 있다. 특히, 서로 이웃한 코일에 의한 자계의 방향이 달라서, 초전도 자석장치의 중심을 자장이 횡단하지 않도록 하고 있다. 도 4a 및 도 4b의 예의 경우, 도 3a 및 도 3b의 예와 마찬가지로, 초전도 코일을 지지하기 위한 원통 형상의 코일 냉각용 열전도체의 외주 측에, 초전도 코일 마다에 링 형상의 권선 프레임(13-3)(도 1 참조)이 형성되는 것이 된다.

도 4a 및 도 4b의 예에서는, 중심축이 연직 방향을 향하고 있는 중공 공간을 가지는 2중 원통 구조의 진공용기(10) 내에, 동일 사양의 2쌍의 초전도 코일(11a, 11b, 21a, 21b)이, 각 쌍의 초전도 코일의 중심을 연결하는 선분이 중공 공간의 중심에 있어서 서로 직교하도록 세로로 하여 배치되어 있다. 다시 말하면, 2쌍의 초전도 코일(11a, 11b, 21a, 21b)은, 각 쌍의 초전도 코일이 진공용기(10)의 중공 공간을 사이에 두고 서로 대향하고, 게다가 각 초전도 코일이 중공 공간의 중심축을 둘러싸고, 또한 각 쌍의 초전도 코일의 대칭면이 상기 중심축을 포함하도록 배치되어 있다. 그리고, 서로 이웃하는 초전도 코일의 발생자장 방향이 역방향이 되도록 통전된다.

그 결과, 도 4b에 나타내는 바와 같이, 중공 공간의 중심축에 대하여 4번 대칭인 카스프형 자력선 분포가 얻어진다.

한편, 도 5의 경우에는, 상하의 초전도 코일(71a, 71b)에 서로 역방향의 자계를 형성하도록 전류를 흐르게 함으로써, 세로 카스프라 불리우는 자장이 형성된다.

다음으로, 도 6의 예에서는 2개의 초전도 코일(81a, 81b)이 도 5의 예와 마찬가지로, 수평으로 하여 상하에 배치되어 있지만, 도 5의 예와는 자장의 발생 형태가 다르다. 즉, 도 6의 예에서는, 초전도 코일(81a, 81b)에 동일 방향으로 전류를 흐르게 함으로써, 자속이 상측의 초전도 코일(81a)에서 하측의 초전도 코일(81b)로 향하여, 혹은 그 역방향으로 평행 자속이 발생된다. 어느 쪽으로 하여도, 도 5, 도 6의 경우, 초전도 코일의 권선 프레임은, 진공용기(10)의 내측의 원통보다 직경이 큰 링 형상이 되는 것이 된다.

도 1로 돌아가서, 초전도 자석장치의 중공 공간, 즉 진공용기(10)의 중공 공간 내에 배치된 단결정 인상장치는, 인상로(A) 내에 설치된 용융로(52) 내의 용융 실리콘(53)에 와이어(56)(혹은 인상축) 하단의 종결정 홀더(57)에 장착한 종결정(도시 않음)을 침적시켜서, 자연 응고에 의하여 단결정을 형성하여, 와이어(56)를 회전시키면서 인상하여 단결정(54)을 성장시키는 것이다. 용융로(52) 내의 단결정 재료는, 용융로(52)의 주위에 설치된 히터(51)의 열에 의하여 용융된다. 히터(51)의 주위에는 단열을 위한 열 실드재(55)가 설치되어 있고, 열 실드재(55)의 상방 중앙에는 단결정 인상작업의 장해가 되지 않도록 하는 개구부(55a)가 형성되어 있다.

GM 냉동기(R)는, 유지보수의 시에는, 제1단, 제2단 냉각 실린더(C1, C2)를 남기고, 모터 구동부(M)와 디스플레이서를 빼내서 새로운 모터 구동부 및 디스플레이서와 교환한다.

이 교환작업을 도 7 ~ 도 9를 참조하여 설명한다.

교환작업에 있어서는, GM 냉동기(R)의 운전을 정지하고, 플랜지(21)와 플랜지(41) 사이의 볼트(43)에 의한 조임을 완화시킨다. 그리고, 전술한 제2 볼트를 돌림으로써 플랜지(41)를 상방으로 밀어올려서 GM 냉동기(R) 전체를 밀어올린다. 이때, 슬리브(2)에서 플랜지(41)의 통 형상부(41-2)를 전부 뽑아내지 않고(즉, 슬리브(2) 내를 대기에 폭로시키지 않는다), O 링(42)에 의한 밀봉이 가능한 범위에서 GM 냉동기(R) 전체를 밀어올린다. 이 끌어올림 양은 수 mm, 예컨대 2 ~ 3 mm 정도이다. 이 조작에 의하여 GM 냉동기(R)의 제1단, 제2단 냉각 실린더(C1, C2)는 슬리브(2)에서 분리된다. 즉, 제1단, 제2단 콜드 헤드(H1, H2)와 슬리브(2)의 면접촉이 없어져서, 각 열접촉 계면에 있어서의 열전달은 행해지지 않게 된다.

다음으로, 극저온 상태에서 GM 냉동기(R)의 제1단, 제2단 냉각 실린더(C1, C2)는 그대로 고정하고 디스플레이서를 모터 구동부(M)와 함께 빼내서, 새로운 디스플레이서를 모터 구동부와 함께 장착한다.

도 7은, 모터 구동부(M)가 디스플레이서(D1, D2)와 함께 뽑혀서, 슬리브(2)와 제1단, 제2단 냉각 실린더(C1, C2)의 면접촉, 엄밀히 말하면, 제1단 슬리브(2a)와 제1단 콜드 헤드(H1) 사이의 면접촉, 및 제2단 슬리브(2b)와 제2단 콜드 헤드(H2) 사이의 면접촉이 해제되어 있는 상태를 나타낸다.

도 7의 상태에 있어서, 새로운 모터 구동부 및 디스플레이서를 제1단, 제2단 냉각 실린더(C1, C2) 내에 장착하기 전에, 속이 빈 상태가 되어 있는 대기 폭로된 제1단, 제2단 냉각 실린더(C1, C2)의 내부는 저온이기 때문에, 빙결막과 서리로 덮여 있다. 그래서, 도 8에 나타내는 바와 같이, 제1단, 제2단 냉각 실린더(C1, C2)의 내부를 가열 장치(드라이어 등)(50)를 삽입하여 승온시켜서, 빙결막이나 서리를 제거 및 클리닝한다. 승온 온도는 약 20 ~ 40℃로 좋다. 승온의 목적은 전술한 바 이외에, 제1단, 제2단 콜드 헤드(H1, H2)의 하단면에 장착되어 있는 인듐 시트(도 2의 3a, 3b)를 연화(軟化)시키는 것도 포함된다.

어느 쪽으로 해도, 슬리브(2)와 제1단, 제2단 냉각 실린더(C1, C2) 사이에는 O 링(42)에 의하여 밀봉된 진공공간이 존재하고, 슬리브(2)와 제1단, 제2단 냉각 실린더(C1, C2)의 면접촉이 차단되어 있기 때문에, 진공용기(10) 측의 저온에 의하여 제1단, 제2단 냉각 실린더(C1, C2)가 직접적으로 냉각되는 일은 없게 된다. 역으로, 대기 노출되어 있는 제1단, 제2단 냉각 실린더(C1, C2)를 통한 진공용기(10) 측으로의 열 침입도 방지될 수 있기 때문에, 진공용기(10) 측의 온도 상승도 최소한으로 할 수가 있다.

새로운 모터 구동부 및 디스플레이서를 장착하기 전에, 제2 볼트로 플랜지(41)를 밀어올렸던 상태를 원래대로 복귀시킨다. 그리고, 제1단, 제2단 냉각 실린더(C1, C2)를 수 mm 끌어올렸던 상태를 원래대로 복귀시키기 위하여, 도 9에 나타내는 바와 같이, 유압 혹은 기계적으로 가압력을 발생하는 배력장치(60)를 사용하여 GM 냉동기(R) 전체를 밀어 내린다. 이 경우, 가이드핀(44)에 의하여 디스플레이서에 의한 제1단, 제2단 냉각 실린더(C1, C2)의 기울어짐이 억제되어, 거의 원래의 위치로 복귀된다. 또한, 인듐 시트가 연화(軟化)되어 있기 때문에 근소한 기울어짐이 있다고 하더라도 유연하게 면접촉이 가능하게 된다.

이상과 같은 작용에 의하여, 제1단, 제2단 콜드 헤드(H1, H2)의 열전달 성능은 교환 전과 동등한 성능을 확보할 수 있다.

도 9를 참조하여, 마모 부품의 교환 등이 종료한 모터 구동부 및 디스플레이서 혹은 새로운 모터 구동부 및 디스플레이서를 제1단, 제2단 실린더(C1, C2)에 삽입하는 방법을 상세히 설명한다. 제1단, 제2단 냉각 실린더(C1, C2)는 슬리브(2)에서 분리되어, 제1단, 제2단 냉각 실린더(C1, C2)와 슬리브(2) 사이는 진공 속이다. 반면에, 초전도 코일은 극저온의 상태이고, 제1단, 제2단 냉각 실린더(C1, C2)는 어느 정도 냉각되어 있어서, 제1단, 제2단 냉각 실린더(C1, C2)를 대기 개방하면 결로(結露)하고, 또한 냉각에 의하여 구경이 좁아져 있다. 이 때문에, 이상태로는 제1단, 제2단 냉각 실린더(C1, C2)에의 디스플레이서의 삽입이 어렵기 때문에, 드라이어 등의 가열 수단으로 제1단, 제2단 냉각 실린더(C1, C2)의 온도를 상온 정도까지 올린다.

다음으로, 디스플레이서를 제1단, 제2단 냉각 실린더(C1, C2)에 삽입하고, 볼트(43)에 의하여 플랜지(21, 41) 사이를 약간 조인다. 이때, 플랜지(21)와 플랜지(41) 사이에는 여유공간이 남아 있다. 그 후, 다음에 상세히 설명할 배력장치(60)로 신속하게 GM 냉동기(R) 전체에 압하력을 가하여 제1단, 제2단 콜드 헤드(H1, H2)의 단부를 각각 슬리브(2)의 제1단, 제2단 플랜지(F1, F2)에 접촉시켜서, 플랜지(21)와 플랜지(41) 사이에 여유공간이 남지 않도록 볼트(43)에 의하여 조임을 행함으로써 GM 냉동기(R)를 진공용기(10)에 고정한다.

배력장치(60)는, 도 10a 및 도 10b에 나타내는 바와 같이, 단면 ㄷ자 형상의 베이스판(61), 복수의 볼트(62)에 의하여 베이스판(61)의 상단에 고착되는 보강판(63), 상하 양단에 걸쇠(64-1)를 가짐과 동시에, 상하 방향으로 뻗는 보강용 리브(64-2)를 가지는 2매의 조임판(64), 유압 재키(65), 유압 재키(65)와 모터 구동부(M)의 머리부분 사이에 끼우기 위한 치구(治具)(66)를 가진다.

그리고, 나사봉(67), 코일 스프링(68), 너트(69)는, GM 냉동기(R)가 진공용기(10)의 하측에서 삽입되는 경우에 사용된다. 즉, 베이스판(61), 조임판(64), 유압 재키(65) 등은 기계적으로 일체화되어 있지 않기 때문에, GM 냉동기(R)를 진공용기(10)의 하측에서 삽입하는 경우에는 나사봉(67)으로 베이스판(61)을 플랜지(41)로부터 매단 상태로 지지한다. 이를 위하여, 플랜지(41)의 상면에는, 나사봉(67)을 소정 깊이까지 나사박음 가능한 나사구멍이 설치되어 있는 한편, 베이스판(61)의 하측에는 4개의 코너부에 각각 다리부(61-1)가 설치되어, 이 다리부(61-1)에 나사봉(67)이 삽입 통과 가능하게 되어 있다. 이에 의하여, 나사봉(67)과 너트(69)로 베이스판(61)이 플랜지(41)에서 매달린다.

그런데, 2매의 조임판(64)은 상하에 직각으로 굴곡된 걸쇠(64-1)를 가지는 두꺼운 강판으로서, 하측의 걸쇠(64-1)를 진공용기(10) 측, 즉 플랜지(21)의 하측에 건다. 2매의 조임판(64)은 좌우 대칭으로 설치되어, 상측의 걸쇠(64-1)는 베이스판(61)의 상단에 건다. 베이스판(61)의 하면과 GM 냉동기(R)에 있어서의 모터 구동부(M)의 머리부분 사이에는, 유압 재키(65)가 끼워진다. 여기서, GM 냉동기(R)에 있어서의 모터 구동부(M)의 머리부분은, 통상, 도 2에 나타내는 바와 같이, 돌기부(M1)나 복수의 볼트 머리부분(M2)이 존재하고 있기 때문에, 유압 재키(65)가 불안정하게 되지 않도록 하기 위하여 치구(66)가 이용된다. 치구(66)는, 상기 돌기부(M1)나 복수의 볼트 머리부분(M2)을 수용 가능한 오목부를 하면측에 가짐과 동시에, 유압 재키(65)의 신장부(65-1)를 수용 가능한 오목부를 상면측에 가진다.

이와 같이 하여, 모터 구동부(M) 상부의 돌기부를 없게 하여, 치구(66)와 베이스판(61) 사이에 유압 재키(65)를 개재시킨다.

유압 재키(65)는 원기둥 형상을 하고 있고, 도시하지 않은 유압 파이프로 유압을 받으면 중앙에 있는 신장부(65-1)가 신장하는 구조로 되어 있다. 신장부(65-1)가 신장함으로써, 베이스판(61)은 상방으로 들어 올려지려고 하지만, 조임판(64)의 걸쇠(64-1)로 구속되어 있기 때문에 모터 구동부(M)에 하방으로의 압하력이 작용하여 GM 냉동기(R)는 전체적으로 압하된다. 즉, 베이스판(61)이 상방으로 들어 올려지려고 하면, 하측의 걸쇠(64-1)는 플랜지(21)의 하측에 걸려 있고, 상측의 걸쇠(64-1)는 베이스판(61)의 상측에 걸려 있기 때문에, 베이스판(61)의 상승동작이 저지되는 결과, 디스플레이서 및 제1단, 제2단 냉각 실린더(C1, C2)는 플랜지(41)와 함께 가이드핀(44)(도 2 참조)을 따라서 정확하게 진공용기(10) 내의 슬리브(2)로 삽입된다.

그리고, 유압 재키 등에 포함되는 기구적인 배력장치란, 인력 등의 약한 힘을 나사 팬터그래프식 재키 등의 기구를 이용하여, 강력 또한, 빠르게 신장하는 힘으로 변환하는 장치인 것이다. 이 종류의 배력장치는, 압력 재키 외에 공기압을 이용한 것이나 전자력을 이용한 것, 뿐만 아니라 모터와 볼 나사의 조합에 의한 변환기구 등도 포함한다.

이상, 본 발명의 실시형태를 GM 냉동기의 경우에 대하여 설명했지만, 본 발명은 다른 냉동기에도 적용될 수 있음은 말할 필요도 없고, 단결정 인상장치용의 초전도 자석장치에 사용되는 데에 적용되고 있다.

본 발명에 의하면, 냉동기의 교환작업을 개시함으로써 초전도 자석장치에 있어서의 코일 본체의 온도가 상승하려고 해도, 냉각 실린더를 남기고 디스플레이서 및 냉동기 상부를 빼내서 작업하기 때문에, 슬리브와 냉각 실린더로 형성된 공간은 진공이어서, 상온으로부터의 열침입이 적고, 코일 본체의 온도 상승은 완만하다. 이에 더하여, 4K에서 10K 정도로 상승한 시점에서 교환작업을 종료할 수가 있으므로 코일을 다시 4K까지 냉각함에 요하는 날짜수도 적게 완료되며, 작업 전체가 대략 2 ~ 3일로 완료되어 버린다. 따라서, 본 발명에 의하면 단결정 인상장치의 운전을 정지하는 기간을 크게 단축할 수가 있다.

또한, 코일의 온도 변화의 폭은, 초전도 자석장치의 운전을 정지하는 종래 방법의 경우 4K ~300K이지만, 본 발명에서는 4K ~ 15K로 적기 때문에, 코일 자체나 초전도 자석장치 전체의 열응력 사이클에 의한 데미지가 적다.

더욱이, 냉각하여 통전상태에 있는 코일은 강력한 자장을 발생하고, 코일 권선 프레임 등에 상당한 응력을 걸고 있다. 이 때문에 종래 방법에서는 응력의 변화에 의한 트레이닝이라는 현상이 있고, 초전도가 아닌, 소위 쿠엔치 상태를 반복하는 불합리를 발생시키지만, 본 발명에 의하면 이 현상을 경감할 수가 있다.

한편, 본 발명에 있어서 가이드핀을 구비하는 것에 의한 효과는, 이하와 같다. 실제로 가이드핀을 장착하지 않고 냉동기의 장착 작업을 실시한 경우, O 링(밀봉 링) 슬라이딩에서는, O 링의 찌부러짐이 있기 때문에, 디스플레이서 및 냉동기 상부가 기울어져 비스듬이 삽입되면 슬라이딩면을 갉아버려서, 삽입이 매우 어렵다. 본 발명에 있어서는, 이러한 현상의 원인 규명에 지대한 시간을 들인 결과, 가이드핀의 도입에 의하여 상기 문제점을 해소할 수가 있었다.

더욱이, 유압 쟈키 등에 의한 삽입수단은, 삽입 시간의 단축에 상당히 의미가 있다. 왜냐하면, 디스플레이서 및 냉동기 상부를 장착할 때에는, 냉각 실린더를 승온시켜서 상온 상태로 하여 신속하게 디스플레이서를 삽입하지 않으면, 코일에 의하여 냉각 실린더만이 다시 냉각되어 수축하여, 구경이 좁아져서, 아직 온도가 높은 디스플레이서가 냉각 운전을 하려고 하여도 움직이지 않게 되어 버리는 일이 있기 때문이다. 또한, 열접촉 계면에 설치되는 인듐 시트는, 약하게 꾸준한 힘으로 눌러도 반발력이 발생하지 않고, 이후의 열전도가 나쁘게 되어 코일이 잘 냉각되지 않는다는 현상이 발생했다. 이 때문에, 도 12에서 설명한 바와 같은 나사에 의한 장착 수단으로 삽입하는 것은 현실적으로는 없었다.

이상의 점을 요약하면, 본 발명의 효과는 이하와 같다.

1) 유지보수에서 냉동기를 교환한 경우의 성능 열화가 극히 적고, 교환 불량이 인정된 때에도 다시 고치기를 행할 수가 있다.

2) 교환 작업은 극히 간단하고 단시간에 실시할 수 있다.

3) 유지보수 비용이 저가로 족하다.

4) 유지보수 작업이 가져오는 단결정 인상장치의 가동 손실을 최소한으로 할 수 있다.

도 1은 본 발명이 적용되는 단결정 인상장치 및 이를 위한 초전도 자석장치의 구성예를 나타낸 단면도이다.

도 2는 본 발명이 적용되는 GM 냉동기에 대하여 나타낸 구조도이다.

도 3a 및 도 3b는 도 1에 나타낸 초전도 자석장치에 있어서의 초전도 코일의 배치예를 설명하기 위한 도면이다.

도 4a 및 도 4b는 도 1에 나타낸 초전도 자석장치에 있어서의 초전도 코일의 다른 배치예를 설명하기 위한 도면이다.

도 5는 도 1에 나타낸 초전도 자석장치에 있어서의 초전도 코일의 더욱 다른 배치예를 설명하기 위한 도면이다.

도 6은 도 1에 나타낸 초전도 자석장치에 있어서의 초전도 코일의 보다 다른 배치예를 설명하기 위한 도면이다.

도 7은 도 1에 나타낸 GM 냉동기에 있어서의 모터 구동부 및 디스플레이서를 교환하기 위하여 꺼낸 상태를 나타낸 도면이다.

도 8은 도 7에 나타낸 모터 구동부 및 디스플레이서를 꺼낸 후에, 냉각 실린더에 대하여 행해지는 빙결막이나 서리의 제거 작업을 설명하기 위한 도면이다.

도 9는 도 8에 나타낸 빙결막이나 서리의 제거 작업의 후에, 새로운 모터 구동부 및 디스플레이서를 장착하는 작업을 설명하기 위한 도면이다.

도 10a 및 도 10b는 도 9에 나타낸 작업에 사용되는 배력장치의 구성을 설명하기 위한 분해도이다.

도 11은 종래의 GM 냉동기의 구조를 설명하기 위한 도면이다.

도 12는 도 11의 GM 냉동기를 진공용기에 장착한 상태를 설명하기 위한 도면이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

A: 인상로(引上爐)

C1, C2: 제1단, 제2단 냉각 실린더

D1, D2: 디스플레이서

F1, F2: 제1단, 제2단 냉각 플랜지

H1, H2: 제1단, 제2단 콜드 헤드

M: 모터 구동부

R: GM 냉동기

2: 슬리브

3a, 3b: 인듐 시트

4, 21, 41: 플랜지

10, 100: 진공용기

11a ~ 11d, 71a, 71b, 81a, 81b: 초전도 코일

13 : 구조체

15: 열복사 실드체

16: 수직 방향 하중 지지체

17: 수평 방향 하중 지지체

41-1: 판부재

41-2: 통 형상부

41-3, 42: O 링

44: 가이드핀

45: 스프링 와셔

46: 커넥터

60: 배력장치

51: 히터

52: 용융로

53: 용융 실리콘

54: 단결정

55: 열 실드재

56: 와이어

57: 종결정 홀더

106: 열 실드 용기

Claims

초전도 자석장치의 초전도 코일이 수용되는 진공용기 내에 삽입되어 초전도 코일의 냉각을 행하는 냉동기로서, 모터 구동부와 이 모터 구동부에 장착되어 이 모터 구동부에 의하여 구동되는 디스플레이서와 이 디스플레이서를 왕복동 가능하게 수용하고 있는 냉각 실린더를 포함하는 냉동기를 상기 진공용기에 장착하기 위한 장착구조에 있어서,

상기 진공용기는, 중앙에 단결정 인상장치를 수용하기 위한 중공(中空) 공간을 가지는 2중원통형이고,

상기 진공용기에는, 이 진공용기 내의 진공영역과 격리 단절한 상태에서 상기 냉각 실린더를 수용하기 위한 슬리브로서 이 진공용기의 벽에 가까운 장소에 개구를 가지는 슬리브가 설치되어 있으며,

상기 냉각 실린더는, 그 일부가 상기 슬리브와 면(面)접촉하고 있고,

상기 냉각 실린더에 있어서의 상기 디스플레이서 삽입 통과용의 개구에는, 상기 디스플레이서를 삽입한 상태에서 상기 모터 구동부가 장착됨과 동시에 상기 슬리브 내의 공간을 밀봉할 상기 슬리브 내에 삽입 통과되는 통 형상부를 가지는 제1 플랜지가 설치되어 있으며,

상기 통 형상부와 이에 대향하는 상기 슬리브의 내벽과의 사이에는 밀봉 링이 설치되어 있고,

상기 제1 플랜지 및 상기 냉각 실린더를 남기고 상기 모터 구동부와 상기 디스플레이서를 꺼내서 새로운 디스플레이서와 교환 가능하게 한 것을 특징으로 하는 단결정 인상장치용 초전도 자석장치에 있어서의 냉동기의 장착구조.
제1항에 있어서,

상기 진공용기 내에는, 상기 중공 공간을 사이에 두고 서로 대향하는 세로형 배치의 초전도 코일의 쌍이 적어도 2쌍 설치되어 있고, 서로 이웃하는 쌍에 있어서 서로 인접하는 초전도 코일의 중심축이 이루는 각을 90도 이하로 하며, 게다가 그들의 합성발생 자속이 상기 중공 공간에 있어서의 상하 방향의 중심축을 통과하는 수평자장이 되도록 한 것을 특징으로 하는 단결정 인상장치용 초전도 자석장치에 있어서의 냉동기의 장착구조.
제1항에 있어서,

상기 진공용기 내에는, 상기 중공 공간을 사이에 두고 서로 대향하는 세로형 배치의 초전도 코일의 쌍이 적어도 2쌍 설치되어 있고, 서로 이웃하는 쌍에 있어서 서로 인접하는 초전도 코일의 중심축이 이루는 각을 90도로 하며, 게다가 그들 합성발생 자속이 상기 중공 공간에 있어서의 상하 방향의 중심축을 통과하지 않는 카스프 자장이 되도록 한 것을 특징으로 하는 단결정 인상장치용 초전도 자석장치에 있어서의 냉동기의 장착구조.
제1항에 있어서,

상기 진공용기 내에는, 상기 중공 공간을 에워싸도록 한 수평배치형 링 형상의 초전도 코일을 상하에 배치하고, 이들 상하의 초전도 코일에 의하여 상측에서 하측으로 향하는 평행자속에 의한 세로자장 혹은 하측에서 상측으로 향하는 평행자속에 의한 세로자장을 형성하도록 한 것을 특징으로 하는 단결정 인상장치용 초전도 자석장치에 있어서의 냉동기의 장착구조.
제1항에 있어서,

상기 진공용기 내에는, 상기 중공 공간을 에워싸도록 한 수평배치형 링 형상의 초전도 코일을 상하로 배치하고, 이들 상하의 초전도 코일에 의한 발생자속을 역방향으로 함으로써, 상기 중공 공간에 있어서의 상하 방향의 중심축을 통과하지 않는 카스프 자장을 형성하도록 한 것을 특징으로 하는 단결정 인상장치용 초전도 자석장치에 있어서의 냉동기의 장착구조.
제1항에 있어서,

상기 슬리브의 개구부 근방에는 상기 제1 플랜지와 대향하는 제2 플랜지를 상기 진공용기에서 약간 돌출하도록 하여 이 진공용기와 일체로 설치하고, 상기 제1 플랜지와 상기 제2 플랜지의 사이를 제1 볼트로 조이도록 하며, 게다가 상기 제1 플랜지와 상기 제2 플랜지의 사이에는, 상기 통 형상부가 상기 슬리브에 삽입될 때에 상기 디스플레이서에 의한 상기 냉각 실린더의 기울어짐을 규제하기 위한 가이드핀이 적어도 1개 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 단결정 인상장치용 초전도 자석장치에 있어서의 냉동기의 장착구조.
제6항에 있어서,

상기 제1 볼트는 상기 제2 플랜지측에서 상기 제1 플랜지측으로 향하여 삽입되어 이 제2 플랜지를 헐렁하게 끼운 상태로 관통하여 두고, 이 제1 볼트의 머리부분과 이 머리부분이 대향하는 상기 제2 플랜지와의 사이에, 스프링 와셔를 개재시키고 있는 것을 특징으로 하는 단결정 인상장치용 초전도 자석장치에 있어서의 냉동기의 장착구조.
제6항에 기재된 단결정 인상장치용 초전도 자석장치에 있어서의 냉동기의 장착구조에 적용되는 냉동기의 유지보수 방법으로서,

상기 냉각 실린더의 일부와 상기 슬리브와의 면접촉은, 상기 냉각 실린더의 연장방향에 관하여 직각인 면에 있어서 행하여져 있고,

상기 제2 플랜지에는, 이 제2 플랜지에 나사삽입되어 상기 제1 플랜지에 닿도록 된 제2 볼트가 설치되어 있으며,

상기 디스플레이서의 교환 작업에 즈음하여는, 상기 제1 볼트에 의한 조임을 완화시킨 후에 상기 제2 볼트에 의하여 상기 제1 플랜지를 밀어올려서 상기 통 형상부를 수mm 정도 끌어 내도록 함으로써, 상기 슬리브와 상기 냉각 실린더 사이의 밀봉을 유지한 상태로 상기 면접촉을 해제하고,

상기 모터 구동부를 상기 제1 플랜지에서 꺼내서 상기 디스플레이서와 함께 상기 냉각 실린더에서 꺼내도록 하며,

상기 냉각 실린더 내를 승온시킨 후, 새로운 모터 구동부와 디스플레이서의 조합체를 상기 제1 플랜지를 통하여 상기 냉각 실린더 내에 삽입하고, 이어서 배력장치로 냉동기 전체에 가압력을 작용시켜서 상기 통 형상부를 원래 위치로 밀어 복귀시켜서 상기 냉각 실린더의 일부와 상기 슬리브를 면접촉시킨 후, 상기 제1 볼트에 의한 조임을 행하도록 한 것을 특징으로 하는 단결정 인상장치용 초전도 자석장치에 있어서의 냉동기의 유지보수 방법.
제8항에 있어서,

상기 배력장치는, 상기 모터 구동부의 머리부분 측에 배치되는 베이스판과, 이 베이스판과 상기 모터 구동부의 머리부분 측 사이에 배치되는 신장력 발생기구와, 상기 베이스판과 상기 제2 플랜지 각각에 걸리는 걸쇠를 상하 양측에 가지는 적어도 2매의 대략 ㄷ자 형상의 조임판을 포함하며, 상기 베이스판의 상승운동을 상기 조임판에서 구속한 상태에서 상기 신장력 발생기구에 의하여 상기 베이스판과 상기 모터 구동부의 머리부분을 분리하는 힘을 발생시켜서 상기 냉동기 전체에 가압력을 작용시키도록 한 것인 것을 특징으로 하는 단결정 인상장치용 초전도 자석장치에 있어서의 냉동기의 유지보수 방법.